1  引言

　　多線切割機(jī)是利用金屬切割線切割硅、石英等硬脆材料的機(jī)器,主要原理就是把細(xì)的金屬切割線通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和各種導(dǎo)線輪,按切割的工件的形狀編織成一定網(wǎng)狀,并在整個(gè)線網(wǎng)內(nèi)給定一個(gè)相對(duì)恒定的張力,然后多個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)切割線網(wǎng)高速的運(yùn)轉(zhuǎn),最后在切割線網(wǎng)上噴灑細(xì)研磨砂漿,同時(shí)進(jìn)給工作臺(tái)帶動(dòng)切割線網(wǎng)進(jìn)給,完成切割任務(wù)。

　　多線切割機(jī)控制系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成:工控機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括主伺服驅(qū)動(dòng)、從伺服驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)輪伺服驅(qū)動(dòng)及收放線伺服和排布線伺服,砂漿供給變頻器、質(zhì)量流量計(jì)和其他的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

　　線網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),需要多個(gè)伺服電機(jī)的高度同步來(lái)保證,切割線在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中放切割線的線輪和收切割線的線輪直徑不斷變化,要保持線網(wǎng)的張力不變,就要不斷調(diào)整放線輪和收線輪的速度和扭矩,所以對(duì)于自動(dòng)控制及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求非常嚴(yán)格,同時(shí)系統(tǒng)還要有人機(jī)界面來(lái)操作和監(jiān)控,切割過(guò)程中還要記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況。所以控制系統(tǒng)要具有快速的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯運(yùn)算能力,同時(shí)把運(yùn)算的結(jié)果盡快地傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

　　由于對(duì)控制系統(tǒng)要求比較苛刻,控制設(shè)備量大,各個(gè)設(shè)備間密切配合如果采用傳統(tǒng)的控制方案,勢(shì)必要敷設(shè)大量的控制和信號(hào)電纜,浪費(fèi)大量的人力和物力,十分不經(jīng)濟(jì),同時(shí)使系統(tǒng)復(fù)雜,可靠性降低 。采用目前比較流行的profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),可以降低成本,同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性,使系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。

2  控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和說(shuō)明

　　首先工控機(jī)設(shè)定切割需要的給定值,包括線速度、線張力、砂漿流量和砂漿溫度等,給定值傳給主驅(qū)動(dòng)伺服,同時(shí)工控機(jī)與各伺服傳動(dòng)之間通過(guò)Profibus高速數(shù)據(jù)傳輸,將給定值和主驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)快速傳遞給3個(gè)從驅(qū)動(dòng)伺服和收放線輪伺服以及排線伺服,同步的實(shí)現(xiàn)依靠每個(gè)報(bào)文的同步字符,線張力由工控機(jī)通過(guò)Profibus總線傳給收放線伺服,然后通過(guò)伺服I/O接口輸出給氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制張力臂。切割過(guò)程中,工控機(jī)通過(guò)Profibus總線適時(shí)讀取角度傳感器測(cè)得張力臂的張力以及收放線電機(jī)的扭矩,根據(jù)張力值和電機(jī)的扭矩計(jì)算線輪直徑,不斷調(diào)整收線和放線電機(jī)的角速度。從而保證切割的線速度和線張力恒定。

圖1  網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3  系統(tǒng)軟件

　　主控單元工控機(jī)的控制程序主要采用Step7軟件進(jìn)行編寫,同時(shí)使用VB腳本和C腳本編寫和組態(tài)了人機(jī)界面程序,該程序采用模塊化編程結(jié)構(gòu),便于系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展。由于系統(tǒng)軟件邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算的復(fù)雜性,限于篇幅,下面只列出放線輪建立線網(wǎng)過(guò)程和主程序的程序流程圖[5][6]

　　自動(dòng)切割過(guò)程如下,首先建立線網(wǎng),從放線輪開(kāi)始,放線輪建立起張力后,操作人員用專用的工具拖動(dòng)切割鋼線,繞導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)將鋼線編織成所需的網(wǎng)狀方式,一直到收線輪,將鋼線固定在收線輪,然后按下收線輪啟動(dòng)按鈕,收線輪建立張力。接著將工件裝夾到工作臺(tái),啟動(dòng)主電機(jī),同時(shí)按同步控制方式啟動(dòng)從電機(jī)、導(dǎo)輪電機(jī),點(diǎn)動(dòng)升速按鈕,線網(wǎng)低速運(yùn)轉(zhuǎn),操作人員檢查接地和跳槽報(bào)警功能,正常后,向下移動(dòng)線網(wǎng),當(dāng)線網(wǎng)要接近工件時(shí),按下初始化按鈕。啟動(dòng)砂漿泵,使能斷線檢測(cè)功能。當(dāng)切割條件,如切割張力,砂漿流量、溫度,冷卻水流量、溫度等達(dá)到切割要求是,按下自動(dòng)運(yùn)行按鈕,開(kāi)始切割。

圖2  右線輪建立線網(wǎng)流程圖

4  采用Profibus通訊的優(yōu)點(diǎn)

　　1、安裝在現(xiàn)場(chǎng)的分布式I/O站點(diǎn)最大限度地減少控制信號(hào)傳輸電纜的數(shù)量和布線距離,降低了系統(tǒng)安裝成本,縮短了安裝調(diào)試周期;

　　2、系統(tǒng)擴(kuò)展容易,充分利用PROFIBUS總線的開(kāi)放性,來(lái)自不同廠商的執(zhí)行器件均可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接,方便地構(gòu)成分布式控制系統(tǒng);

　　3、各設(shè)備作為控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,與整個(gè)控制系統(tǒng)只通過(guò)一根電纜相連。設(shè)備的增減對(duì)系統(tǒng)而言只需極少電纜連接的改動(dòng)和控制程序的少量修改;

　　4、控制器件的選擇充分考慮開(kāi)放性軟件設(shè)計(jì)的主流,大大提高了控制軟件的可重用性和對(duì)維護(hù)人員的開(kāi)放性;

　　5、基于PROFIBUS總線的編程更簡(jiǎn)單。編程設(shè)備可從總線上的任一節(jié)點(diǎn)接入,系統(tǒng)維護(hù)方便,降低了系統(tǒng)調(diào)試強(qiáng)度;

　　6、由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號(hào)相比,從根本上提高了測(cè)量與控制精度,也提高了系統(tǒng)的可靠性;

圖3  主程序流程圖

　　7、現(xiàn)場(chǎng)總線是專為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)的,可工作在比較惡劣的環(huán)境中,且具有很強(qiáng)的抗干擾能力,保證系統(tǒng)更穩(wěn)定的運(yùn)行　。

5  結(jié)束語(yǔ)

　　Profibus技術(shù)從2008年開(kāi)始已成功應(yīng)用于多線切割機(jī),特別是在多線切方機(jī)系列產(chǎn)品的控制系統(tǒng)中,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制全部采用了Profibus技術(shù),包括西門子的伺服驅(qū)動(dòng)裝置、通用變頻器、德國(guó)科隆質(zhì)量流量計(jì)、分布IO模塊等,得到了用戶的高度評(píng)價(jià)。尤其是與傳統(tǒng)集中控制比較,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試、維護(hù)及擴(kuò)展上,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。

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