專利名稱：恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及臥式金屬帶鋸床的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)，尤其涉及一種恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
相對(duì)車、銑、鏜、磨、插、拉、鍛等金屬加工機(jī)床的全方位持續(xù)改良設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期以來鋸床卻未得到應(yīng)有的重視，相反被認(rèn)定只是一種簡(jiǎn)單的切斷下料金屬加工設(shè)備。目前，環(huán)境與資源的雙重約束是發(fā)展經(jīng)濟(jì)時(shí)必需優(yōu)先考慮解決的兩大難題；精密鑄造和精密鍛造之所以能迅速崛起，相當(dāng)程度上得益于在“兩大難題”上的優(yōu)異表現(xiàn)一資源節(jié)約與環(huán)境友好減少了金屬原材料的消耗，廢料的減量化又降低了對(duì)環(huán)境的壓力。同期，鋸床行業(yè)的最大變化是帶鋸床逐步取代了傳統(tǒng)的弓鋸床、圓盤鋸床，取得了鋸床市場(chǎng)的支配地位，如美國(guó)的帶鋸 床已達(dá)鋸床總量的80、0%。鋸切加工過程中，帶鋸床分別較弓型鋸床、圓盤鋸床節(jié)約材料56%,87. 5% ;因帶鋸床加工工件的鋸切截面質(zhì)量好于弓型鋸床和圓盤鋸床，從而減少了后續(xù)的加工量、提高了生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代制造工業(yè)朝著高效、高精度和低耗的方向發(fā)展，人們重新審視了鋸床在切削加工中的定位、作用與地位鋸切定義為金屬切削加工的起點(diǎn)，是零件加工過程中重要的組成環(huán)節(jié)；我國(guó)的鋸床行業(yè)具有明顯的地域特征，浙江縉云縣占有全國(guó)70%以上的帶鋸床生產(chǎn)總量，2010年該縣帶鋸床和特色機(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值143億
J Li o國(guó)產(chǎn)鋸床已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家的同類產(chǎn)品相比，無論是技術(shù)指標(biāo)、還是附加值均存在較大差距。三方面的原因造成我國(guó)鋸床業(yè)大而不強(qiáng)的現(xiàn)狀首先，整體的科技實(shí)力尚不如人；其次，視帶鋸床為“簡(jiǎn)單切斷設(shè)備”的陳舊理念阻礙了鋸床的技術(shù)進(jìn)步；最后，“寧為雞頭，不做牛尾”的傳統(tǒng)觀念作祟一基于專業(yè)化分工配套體系的高效鋸床產(chǎn)業(yè)集群長(zhǎng)期難產(chǎn)一各鋸床廠家熱衷主機(jī)、相互間“克隆”低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)。國(guó)產(chǎn)鋸床的薄弱環(huán)節(jié)正如《機(jī)床工具行業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》指出的在“數(shù)控系統(tǒng)和功能部件”。國(guó)產(chǎn)帶鋸床的主流數(shù)控系統(tǒng)是典型的電液控制系統(tǒng)，換言之，是由電氣控制、液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的系統(tǒng)。中低檔帶鋸床的電氣控制采用的是廉價(jià)的開關(guān)、繼電器組合，液壓系統(tǒng)限于開關(guān)量器件；國(guó)產(chǎn)高中檔帶鋸床的電氣控制一般采用PLC控制器，液壓系統(tǒng)不乏模擬量器件(如比例閥)。乍一看，高中檔國(guó)產(chǎn)帶鋸床的自動(dòng)化水準(zhǔn)尚可一鋸切過程全自動(dòng)化；但國(guó)產(chǎn)帶鋸床的鋸切生產(chǎn)效率不及國(guó)外同行，鋸條的消耗量又遠(yuǎn)高于國(guó)外同行，確是不爭(zhēng)的事實(shí)。從做大到做強(qiáng)，必須改進(jìn)粗放型的國(guó)產(chǎn)“數(shù)控系統(tǒng)和功能部件”;立足金屬鋸切的機(jī)理，開發(fā)新一代“數(shù)控系統(tǒng)和功能部件”，逐一補(bǔ)上國(guó)產(chǎn)帶鋸床的短板；幸運(yùn)的是，在學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的共同努力下，帶鋸床的相關(guān)理論問題取得突破并形成共識(shí)，下一步的努力可聚焦在理論研究成果的技術(shù)實(shí)現(xiàn)和工程應(yīng)用上。 鋸條運(yùn)動(dòng)是水平鋸切運(yùn)動(dòng)和垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)合成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)；根據(jù)加工工件材料的硬度可確定最佳鋸切速度值。 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度取值不僅與工件材料的硬度有關(guān)，而且應(yīng)隨工件的鋸切寬度變化作出動(dòng)態(tài)調(diào)整；恒鋸切力有助于延長(zhǎng)鋸條的使用壽命、減少崩齒、斷帶事故率，以及鋸床生產(chǎn)效率的最大化；現(xiàn)有技術(shù)條件下，尚無直接采集鋸切力的可靠、實(shí)用、且價(jià)格合適的手段和方法。 工件鋸切進(jìn)給(簡(jiǎn)稱工進(jìn))由切入工進(jìn)、鋸切工進(jìn)和切出工進(jìn)組成，鋸條切入和切出時(shí)的工況有別于鋸切工進(jìn)。雖然切入和切出在工進(jìn)總耗時(shí)中微不足道，卻是點(diǎn)接觸過渡到充分接觸(切齒數(shù)大于3 4)的動(dòng)態(tài)過程或反之；鋸條尤其是齒尖所受的沖擊力往往過大、且呈現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)性，是打齒、齒尖磨損的高危期；眾所周知，航空業(yè)事故的80%以上發(fā)生在起飛降落階段，這與帶鋸床的“打齒、齒尖磨損”事故何其相似？！因此，設(shè)計(jì)專門的應(yīng)對(duì)措施是必要的；鑒于過渡過程的瞬時(shí)特性，“應(yīng)對(duì)措施”的關(guān)注點(diǎn)是實(shí)時(shí)性和有效性(避免打齒和減緩齒尖磨損)，其對(duì)鋸床生產(chǎn)效率的影響完全不必考慮，畢竟切入工進(jìn)、切出工進(jìn)的耗時(shí)太小太少。 為提高鋸床的生產(chǎn)效率，工件鋸切完成時(shí)，要求鋸架在油缸的驅(qū)動(dòng)下快速上升復(fù)位，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)；鋸床用戶的大量報(bào)告和鋸床生產(chǎn)廠商的測(cè)試結(jié)果表明現(xiàn)有鋸床的設(shè)計(jì)存在疏忽一鋸架快速上升復(fù)往時(shí)，鋸切料橫截面會(huì)與鋸條斜向分齒產(chǎn)生瞬 間的劇烈摩擦；因此，這一疏忽亟待糾正。迄今為止，帶鋸床較有代表性的知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果綜述如下 發(fā)明專利“智能鋸切帶鋸床”(申請(qǐng)?zhí)?01010562127. 4)，提出由鋸條張緊液壓缸壓力傳感器和模數(shù)AD轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成鋸條張緊力檢測(cè)裝置，由鋸架進(jìn)給液壓缸位移傳感器等構(gòu)成電液伺服進(jìn)給裝置；使帶鋸條在整個(gè)鋸切過程中承受的鋸切功率恒定。 發(fā)明專利“帶鋸床恒功率鋸切控制裝置”(申請(qǐng)?zhí)?01010530562. 9)，提出根據(jù)鋸切負(fù)載的變化而調(diào)整鋸切進(jìn)給速度，進(jìn)給位移傳感器設(shè)置在帶鋸床的進(jìn)給液壓缸內(nèi)，張緊位移傳感器設(shè)置在帶鋸床的張緊液壓缸內(nèi)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶鋸條受到鋸切負(fù)載的非接觸檢測(cè)。上述有益探索，提出了當(dāng)工件的截面尺寸和形狀發(fā)生變化時(shí)，調(diào)整進(jìn)給速度進(jìn)行恒功率鋸切的思路，有一定的參考價(jià)值，但探索成果仍存在局限鋸架進(jìn)給控制系統(tǒng)未考慮切入工進(jìn)和切出工進(jìn)的特殊工況；工件完成鋸切后鋸架需快速上升復(fù)位，鋸切料橫截表面與鋸齒面會(huì)產(chǎn)生瞬間的劇烈摩擦、應(yīng)對(duì)措施缺位；鑒于目前尚無直接采集鋸切力的可靠且價(jià)格合適的方法，上述研究者轉(zhuǎn)向檢測(cè)鋸條張緊力，但鋸條張緊力與鋸切力之間并無一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即檢測(cè)鋸條張緊力的方法本身雖可行、但推導(dǎo)得出的鋸切力存在固有缺陷；因此，有必要在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上作深入的研究與創(chuàng)新。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)及其方法。恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)包括鋸架、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；鋸架包括主從動(dòng)輪、測(cè)距傳感器、鋸條、工件檢測(cè)桿、里氏硬度計(jì)、導(dǎo)向滑軌、行程開關(guān)、鋸架固定架、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)、從動(dòng)輪張緊油缸和用于送料長(zhǎng)度檢測(cè)的光柵尺；在鋸架固定架上設(shè)有主從動(dòng)輪、測(cè)距傳感器、里氏硬度計(jì)、導(dǎo)向滑軌、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)和從動(dòng)輪張緊油缸，鋸條與主從動(dòng)輪相連，主動(dòng)輪與主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)相連、從動(dòng)輪與從動(dòng)輪張緊油缸相連；工件檢測(cè)桿與導(dǎo)向滑軌配合安裝；行程開關(guān)安裝在導(dǎo)向滑軌的表面；里氏硬度計(jì)固定安裝在工件檢測(cè)桿的下端處，里氏硬度計(jì)下端面與工件檢測(cè)桿下端面平行且上移間距為1mm，光柵尺安裝在送料支架上；液壓系統(tǒng)包括油缸、壓力傳感器、順序閥、電磁換向閥、比例流量閥、單向閥、油泵、過濾器和油箱；油缸的有桿腔口與電磁換向閥的A 口相連，油缸的無桿腔口分別與順序閥輸入口、壓力傳感器相連，順序閥的輸出口與電磁換向閥的B 口相連，單向閥的輸入口與油泵的輸出口相連、單向閥的輸出口與電磁換向閥的P 口相連，比例流量閥的輸入口與電磁換向閥的T 口相連、輸入口與油箱相連，油箱通過過濾器連接到油泵的輸入口 ；控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)的分層硬件結(jié)構(gòu)，兩者通過RS232接口進(jìn)行信息交互下位機(jī)控制系統(tǒng)包括相連接的MCU和CPLD，MCU分別與上位機(jī)觸摸液晶屏、里氏硬度計(jì)、測(cè)距傳感器、壓力傳感器、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)的變頻器相連，CPLD通過光電耦合器分別與順序閥、電磁換向閥、單向閥、油泵、光柵尺和行程開關(guān)相連，CPLD通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比例閥放大器與比例流量閥相連。恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給方法為在控制系統(tǒng)的上位機(jī)觸摸液晶屏上預(yù)設(shè)有多種工件橫截面類型和參數(shù)，根據(jù)鋸切工件的橫截面形狀在觸摸液晶屏上進(jìn)行選擇和參數(shù)設(shè)定，或建立自定義的工件橫截面類型和參數(shù)；鋸切開始，控制系統(tǒng)控制鋸架快速下降， 工件檢測(cè)桿檢測(cè)到工件后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)里氏硬度計(jì)對(duì)工件的硬度進(jìn)行檢測(cè)，里氏硬度計(jì)測(cè)試值上傳給控制系統(tǒng)下位機(jī)的MCU中；MCU根據(jù)讀取到的材料硬度值，并結(jié)合帶鋸床行業(yè)推薦的金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表，確定鋸條鋸切速度；控制系統(tǒng)實(shí)施鋸切的工進(jìn)工序時(shí)，鋸切工進(jìn)過程中控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取測(cè)距傳感器的位置測(cè)量值，根據(jù)用戶選定的橫截面類型和參數(shù)計(jì)算出測(cè)距傳感器檢測(cè)的鋸架位置與工件橫截面、即鋸切工件寬度的關(guān)系表，并參照帶鋸床行業(yè)推薦的金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表建立鋸架位置、鋸架進(jìn)給量函數(shù)，得到鋸架進(jìn)給速度值，實(shí)施變進(jìn)給速度鋸架進(jìn)給的前饋控制；控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器上傳的鋸切壓力值，與給定的鋸切力比較，實(shí)施恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制，達(dá)到前饋、反饋的鋸架進(jìn)給復(fù)合控制目的；在鋸架工進(jìn)工序中，針對(duì)切入工進(jìn)、切出工進(jìn)的子過程，鋸條的鋸齒容易發(fā)生打齒、磨損的特殊工況，在切入工進(jìn)和切出工進(jìn)時(shí)，控制系統(tǒng)屏蔽恒鋸切力反饋進(jìn)給控制的輸出，使鋸條的鋸切速度減半、進(jìn)行低進(jìn)給速度的開環(huán)控制；在工件鋸切完成時(shí)，根據(jù)鋸架快速上升復(fù)位的工藝要求，并避免鋸條與鋸斷面之間的摩擦造成磨損，執(zhí)行鋸架快速上升復(fù)位前，鋸切料后退一小距離后，鋸架快速上升復(fù)位；所述的前饋、反饋的復(fù)合控制方法為壓力傳感器上傳油缸油壓值至下位機(jī)MCU，與給定的鋸切力比較后、調(diào)節(jié)比例流量閥的閥口開度、實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸油壓值的調(diào)節(jié)，即實(shí)施恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制；鋸架的給定進(jìn)給速度由兩部分組成，前饋控制的輸出量是鋸架變進(jìn)給速度給定值的第一部分，進(jìn)給速度給定值的第二部分為恒鋸切力反饋進(jìn)給控制器的輸出；因此，恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給在前饋、反饋復(fù)合控制下進(jìn)行。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益效果是鋸架進(jìn)給控制的硬件平臺(tái)采用上下位機(jī)分層結(jié)構(gòu)，下位機(jī)基于MCU+CPLD的多機(jī)協(xié)同架構(gòu)；分層協(xié)同體系使實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)任務(wù)能在各處理單元間合理分配，硬邏輯門電路則提升了系統(tǒng)的可靠性。進(jìn)給速度隨鋸切寬度而變的前饋控制，大大緩解了鋸切寬度突變產(chǎn)生的干擾，提高了鋸切工件品質(zhì)和鋸床工效、降低了鋸條消耗量；壓力傳感器上傳油缸油壓值，實(shí)施恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制；鋸床鋸切采用的前饋+反饋復(fù)合控制方案簡(jiǎn)潔有效。量身定制的切入工進(jìn)、切出工進(jìn)和鋸架快速上升復(fù)位的控制策略，使鋸架進(jìn)給控制系統(tǒng)的解決方案更完善。


圖I是恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2是恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給液壓系統(tǒng)圖；圖3是臥式金屬帶鋸床水平方向的輔助鋸切工藝流程圖；圖4是臥式金屬帶鋸床垂直方向的主鋸 切工藝流程圖；圖5是雙金屬鋸條鋸齒的斜向分齒示意圖；圖6是里氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖；圖7是鋸架進(jìn)給控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖8是下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖9是工件橫截面類型和參數(shù)選擇的界面圖；圖10是鋸架進(jìn)給的控制系統(tǒng)原理框圖；圖11是鋸架(條)位置與圓形工件寬度的關(guān)系示意圖；圖12是臥式金屬帶鋸床的鋸切控制流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、2所示，恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)包括鋸架、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；鋸架包括主從動(dòng)輪I、測(cè)距傳感器2、鋸條3、工件檢測(cè)桿4、里氏硬度計(jì)5、導(dǎo)向滑軌6、行程開關(guān)7、鋸架固定架25、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)21、從動(dòng)輪張緊油缸22和用于送料長(zhǎng)度檢測(cè)的光柵尺23 ;在鋸架固定架25上設(shè)有主從動(dòng)輪I、測(cè)距傳感器2、里氏硬度計(jì)5、導(dǎo)向滑軌6、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)21和從動(dòng)輪張緊油缸22，鋸條3與主從動(dòng)輪I相連，主動(dòng)輪與主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)21相連、從動(dòng)輪與從動(dòng)輪張緊油缸22相連；工件檢測(cè)桿4與導(dǎo)向滑軌6配合安裝；行程開關(guān)7安裝在導(dǎo)向滑軌6的表面；里氏硬度計(jì)5固定安裝在工件檢測(cè)桿4的下端處，里氏硬度計(jì)5下端面與工件檢測(cè)桿4下端面平行且上移間距為1mm，光柵尺23安裝在送料支架(圖中未標(biāo)注)上；液壓系統(tǒng)包括油缸12、壓力傳感器13、順序閥14、電磁換向閥15、比例流量閥16、單向閥17、油泵18、過濾器19和油箱20 ;油缸12的有桿腔口與電磁換向閥15的A 口相連，油缸12的無桿腔口分別與順序閥14輸入口、壓力傳感器13相連，順序閥14的輸出口與電磁換向閥15的B 口相連，單向閥17的輸入口與油泵18的輸出口相連、單向閥17的輸出口與電磁換向閥15的P 口相連，比例流量閥16的輸入口與電磁換向閥15的T 口相連、輸入口與油箱20相連，油箱20通過過濾器19連接到油泵18的輸入口 ；控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)的分層硬件結(jié)構(gòu)，兩者通過RS232接口進(jìn)行信息交互下位機(jī)控制系統(tǒng)包括相連接的MCU和CPLD，MCU分別與上位機(jī)觸摸液晶屏、里氏硬度計(jì)5、測(cè)距傳感器2、壓力傳感器13、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)21的變頻器相連，CPLD通過光電耦合器分別與順序閥14、電磁換向閥15、單向閥17、油泵18、光柵尺23和行程開關(guān)7相連，CPLD通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比例閥放大器與比例流量閥16相連。此外，與鋸架進(jìn)給系統(tǒng)有關(guān)的鋸床部件有雙立柱8、固定加工工件的前虎鉗9、送料后虎鉗10 (在前虎鉗背面，圖中未顯示)、鋸床固定座11、以及加工工件24。里氏硬度計(jì)采用武漢格萊莫檢測(cè)設(shè)備有限公司的里氏硬度計(jì)AR936 ;比例流量閥是德國(guó)HAWE公司的SEH2-3/36F-P-G24型二通比例流量閥，帶先導(dǎo)式測(cè)流孔，最大流量24L/min ;行程開關(guān)使用施耐德公司的XCKP-2110G11型行程開關(guān)；壓力傳感器采用瑞士富巴公司的5110EM壓力變送器，光柵尺采用廣東萬濠精密儀器股份有限公司的 WTB5-0600MM。鋸架通過雙立柱安裝在鋸床上、沿立柱作垂直方向的上下移動(dòng)，雙立柱在鋸架運(yùn)動(dòng)中起導(dǎo)向作用；油缸桿與鋸架相連，提供鋸架垂直方向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；主從動(dòng)輪安裝在鋸架上，鋸條通過外環(huán)繞方式連接主從動(dòng)輪，通過調(diào)節(jié)從動(dòng)輪張緊油缸的壓力調(diào)整從動(dòng)輪與鋸條之間的間隙，從而調(diào)節(jié)鋸條和主從動(dòng)輪之間的摩擦力；主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)為主動(dòng)輪提供動(dòng)力，借助鋸條與主從動(dòng)輪間的摩擦力，實(shí)現(xiàn)鋸條的水平鋸切。檢測(cè)鋸條鋸切深度(鋸架位置)的測(cè)距傳感器固定安裝在鋸架上，隨鋸架一起上升或下降；導(dǎo)向滑軌固定安裝在鋸架上，工件檢測(cè)桿與導(dǎo)向滑軌配合安裝，導(dǎo)向滑軌對(duì)工件檢測(cè)桿的滑動(dòng)提供導(dǎo)向。行程開關(guān)安裝在導(dǎo)向滑軌的表面，工件檢測(cè)桿的上端面緊壓著行程開關(guān)的推桿，即行程開關(guān)的推桿處在壓緊狀態(tài)。里氏硬度計(jì)固定安裝在工件檢測(cè)桿的下端處，其下端面與工件檢測(cè)桿下端面平行且上移間距Imm貼合；工件檢測(cè)桿觸及工件時(shí)，里氏硬度計(jì)的下端面也恰與工件相距1mm，保證了硬度計(jì)的檢測(cè)精度。光柵尺安裝在送料支架(圖中未標(biāo)注)上，檢測(cè)后虎鉗送料或退料位置。
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鋸架進(jìn)給液壓系統(tǒng)的工作原理如下當(dāng)電磁換向閥的線圈YAl得電時(shí)，電磁換向閥工作在左位，液壓油在油泵的驅(qū)動(dòng)下經(jīng)過單向閥、比例流量閥和電磁換向閥的P、B 口到達(dá)油缸的無桿腔；同時(shí)有桿腔的油在油缸的活塞擠壓下經(jīng)過電磁換向閥的A、T 口流向油箱中，在無桿腔油壓的作用下，液壓桿推動(dòng)鋸架上升；通過調(diào)節(jié)比例流量閥的閥口大小、改變從油缸流向油缸無桿腔的液壓油流量大小，實(shí)現(xiàn)鋸架上升速度的調(diào)整。當(dāng)電磁換向閥的線圈YA2得電時(shí)，電磁換向閥工作在右位，活塞桿在有桿腔油壓的作用下驅(qū)動(dòng)鋸架下降，改變比例流量閥的閥口大小可控制鋸架下降速度；順序閥起平衡閥作用，防止因鋸架本身的自重引起下降。如圖3、4所示，在控制系統(tǒng)的上位機(jī)觸摸液晶屏上預(yù)設(shè)有多種工件橫截面類型和參數(shù)，根據(jù)鋸切工件的橫截面形狀在觸摸液晶屏上進(jìn)行選擇和參數(shù)設(shè)定，或建立自定義的工件橫截面類型和參數(shù)，輸入表征工件橫截面形狀的相關(guān)參數(shù)，輸入其它鋸切工藝參數(shù)一如鋸切力、鋸切工件長(zhǎng)度等；按下啟動(dòng)按鍵、進(jìn)入鋸床的自動(dòng)鋸切流程，鋸切流程按運(yùn)動(dòng)方向可分為水平方向的輔助鋸切流程和垂直方向的主鋸切流程。水平方向的輔助鋸切流程涉及的工序有后虎鉗按照設(shè)定的鋸切工件長(zhǎng)度送料前進(jìn)，前虎鉗夾緊后虎鉗松開、后虎鉗后退一個(gè)工件長(zhǎng)度、前后虎鉗同時(shí)夾緊。垂直方向的主鋸切流程涉及的工序有鋸架在油缸的驅(qū)動(dòng)下快速下降；切入工進(jìn)、鋸切工進(jìn)和切出工進(jìn)；垂直方向的鋸切完成后，再次進(jìn)入輔助鋸切工藝流程的另一工序一鋸切料后退一小距離，然后鋸架在油缸的驅(qū)動(dòng)下快速上升復(fù)位；最后，前虎鉗松開、開始下一個(gè)工作循環(huán)。恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給方法為鋸切開始，控制系統(tǒng)控制鋸架快速下降，工件檢測(cè)桿4檢測(cè)到工件后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)里氏硬度計(jì)5對(duì)工件的硬度進(jìn)行檢測(cè)，里氏硬度計(jì)5測(cè)試值上傳給控制系統(tǒng)下位機(jī)的MCU中；MCU根據(jù)讀取到的材料硬度值，并結(jié)合帶鋸床行業(yè)推薦的金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表，確定鋸條鋸切速度；控制系統(tǒng)實(shí)施鋸切的工進(jìn)工序時(shí)，鋸切工進(jìn)過程中控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取測(cè)距傳感器2的位置測(cè)量值，根據(jù)用戶選定的橫截面類型和參數(shù)計(jì)算出測(cè)距傳感器2檢測(cè)的鋸架位置與工件橫截面、即鋸切工件寬度的關(guān)系表，并參照帶鋸床行業(yè)推薦的金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表建立鋸架位置、鋸架進(jìn)給量函數(shù)，得到鋸架進(jìn)給速度值，調(diào)節(jié)比例流量閥16的閥口開度，實(shí)施變進(jìn)給速度鋸架進(jìn)給的前饋控制；控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器上傳的鋸切壓力值，與給定的鋸切力比較，再次調(diào)節(jié)比例流量閥16的閥口開度，實(shí)施恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制，達(dá)到前饋、反饋的鋸架進(jìn)給復(fù)合控制目的；在鋸架工進(jìn)工序中，針對(duì)切入工進(jìn)、切出工進(jìn)的子過程，鋸條的鋸齒容易發(fā)生打齒、磨損的特殊工況，在切入工進(jìn)和切出工進(jìn)時(shí)，控制系統(tǒng)屏蔽恒鋸切力反饋進(jìn)給控制的輸出，使鋸條的鋸切速度減半、進(jìn)行低進(jìn)給速度的開環(huán)控制；在工件鋸切完成時(shí)，根據(jù)鋸架快速上升復(fù)位的工藝要求，并避免鋸條與鋸斷面之間的摩擦造成磨損，執(zhí)行鋸架快速上升復(fù)位前，鋸切料后退一小距離后，鋸架快速上升復(fù)位；如圖5所示，雙金屬帶鋸條鋸齒經(jīng)分齒后按一定的規(guī)律左右傾斜排列；最常見的是斜向分齒模式三個(gè)齒一組構(gòu)成一個(gè)完整的切槽刀頭，一齒左斜、一齒右斜、正齒位于中間。鋸切完畢后，鋸切料橫截面的表面較粗糙；在鋸架的快速上升復(fù)位回程前，先使后虎鉗夾緊工件后退1_，消除鋸架快速上升回程中鋸條的斜向分齒與鋸切料橫截面的劇烈摩擦，提高了鋸條的使用壽命。必須指出，前述主鋸切工藝流程所涉及的工件鋸切進(jìn)給工序(簡(jiǎn)稱 工進(jìn))可細(xì)分成切入工進(jìn)、鋸切工進(jìn)和切出工進(jìn)3個(gè)子工序，鋸條切入和切出時(shí)的工況有其特殊性一鋸齒與工件的接觸是不完全的，從點(diǎn)接觸過渡到充分接觸(切齒數(shù)大于3 4)或反之；根據(jù)鋸切理論，切入和切出時(shí)的鋸齒尤其是齒尖所受的沖擊力往往過大、且呈現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)性，造成打齒、鋸條磨損；因此，正確的控制策略是鋸條切入和切出時(shí)，酌情降低鋸條的鋸切速度，同時(shí)將恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制切換至低進(jìn)給速度的開環(huán)控制。如圖6所示，里氏硬度計(jì)的檢測(cè)原理是用具有一定質(zhì)量的沖擊體在規(guī)定試驗(yàn)力作用下沖擊試樣表面，測(cè)量沖擊體距試樣表面Imm處的沖擊速度與回跳速度，利用電磁原理檢測(cè)與速度成正比的電壓。里氏硬度值以沖擊體回跳速度與沖擊速度之比來表征。AR936型里氏硬度計(jì)由USB數(shù)據(jù)線5-1、釋放按鈕5-2、加載套5-3、導(dǎo)管5_4、沖擊總成5_5 (沖擊總成包括線圈、沖擊體、支撐環(huán))構(gòu)成。里氏硬度計(jì)測(cè)試過程里氏硬度計(jì)安裝在工件檢測(cè)桿下端面平行且上移Imm處，里氏硬度計(jì)的支撐環(huán)貼合在工件的表面上，在機(jī)臺(tái)穩(wěn)定后，按釋放按鈕啟動(dòng)里氏硬度計(jì)測(cè)量即可，測(cè)試完畢后，里氏硬度計(jì)通過USB數(shù)據(jù)線將測(cè)試結(jié)果上傳給控制系統(tǒng)。如圖7所示，臥式金屬帶鋸床鋸架進(jìn)給的控制系統(tǒng)硬件采用上下位機(jī)分層結(jié)構(gòu)，兩者通過RS232接口進(jìn)行信息交互。上位機(jī)是配置觸摸屏的嵌入式系統(tǒng)，用戶通過上位機(jī)觸摸液晶屏設(shè)定鋸床運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置鋸切工件有關(guān)橫截面的寬度等運(yùn)行參數(shù)，下發(fā)運(yùn)行控制命令和運(yùn)行參數(shù)；上位機(jī)同時(shí)負(fù)責(zé)顯示、存儲(chǔ)下位機(jī)上傳的各種信息，如當(dāng)前鋸切速度、加工尺寸，加工數(shù)量等。下位機(jī)控制器接收上位機(jī)發(fā)送的命令、參數(shù)等信息，控制和管理鋸床的鋸切工藝流程，上傳實(shí)時(shí)的鋸切工況參數(shù)。如圖8所示，下位機(jī)控制器硬件基于MCU+CPLD的多機(jī)協(xié)同架構(gòu)MCULPC2368是一款以ARMHDMI-S為內(nèi)核的微控制系統(tǒng)，CPLD選用ALTERA公司MAXII系列的EPM1270T144C5N—內(nèi)含1270個(gè)邏輯單元(LE)、等價(jià)于980宏單元、最大用戶可用I/O 212。MCU負(fù)責(zé)與上位機(jī)的信息交互、獲取用戶設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)和命令，讀取壓力、測(cè)距等傳感器采集的信息；負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)行狀態(tài)的管理、協(xié)調(diào)鋸床鋸切過程的控制；將控制命令下傳給CPLD、讀取CPLD的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、開關(guān)量輸入狀態(tài)等信息；并將當(dāng)前鋸切速度、加工尺寸等信息上傳給上位機(jī)顯示和存儲(chǔ)；總之，MCU主要承擔(dān)非實(shí)時(shí)性任務(wù)，而實(shí)時(shí)控制工作則分配給CPLD完成。MCU通過自帶的USB接口與里氏硬度計(jì)相連，讀取里氏硬度計(jì)測(cè)量值；經(jīng)RS485接口與交流變頻器連接，設(shè)置交流變頻器的輸出頻率控制鋸條的鋸切速度；借助數(shù)模轉(zhuǎn)換接口讀取壓力傳感器采集的油缸油壓值；接收測(cè)距傳感器的測(cè)距值、參照給定的工件橫截面類型和參數(shù)、計(jì)算出鋸條鋸切工件時(shí)的實(shí)際鋸切寬度(注鋸切寬度是測(cè)距值的函數(shù))，“實(shí)際鋸切寬度”(測(cè)距值)結(jié)合里氏硬度計(jì)提供的硬度值、最終“確定進(jìn)給速度”，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比例放大器連接比例流量閥，根據(jù)“確定進(jìn)給速度”改變比例流量閥的流量來調(diào)整鋸架的進(jìn)給速度，實(shí)施“基于工件硬度和實(shí)際鋸切寬度”的鋸架進(jìn)給速度的前饋控制。同時(shí)，下位機(jī)獲取壓力傳感器上傳的油缸油壓值，實(shí)施恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制；因此，鋸床鋸切采用的是前饋+反饋的復(fù)合控制方案。交流變頻器采用臺(tái)達(dá)VFD037M43A型交流變頻器，比例放大器選用北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的VT-2000型放大器。MCU外擴(kuò)一片EEPROM，存儲(chǔ)常用材料硬度值、橫截面寬度與鋸架進(jìn)給速度關(guān)系的系數(shù)表；實(shí)時(shí)控制主要由CPLD執(zhí)行，它的引腳通過光耦與外設(shè)相連，讀取光柵尺和輸入開關(guān)量信號(hào)，輸出開關(guān)信號(hào)通過場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電磁閥或交流接觸器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器經(jīng)比例閥放大器控制比例流量閥驅(qū)動(dòng)鋸架(條)按一定的速度進(jìn)給。ARM與CPLD通過SPI接口進(jìn)行通信，ARM 的引腳60 63分別與EPM1270T144C5N的引腳87 83相連。如圖9所示，上位機(jī)觸摸液晶屏上預(yù)設(shè)多種工件橫截面類型和參數(shù)選擇的界面圖；操作員在鋸切開始前選擇好工件的橫截面類型、輸入相關(guān)參數(shù)，下位機(jī)MCU根據(jù)所選的工件橫截面類型及相關(guān)參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的計(jì)算公式，計(jì)算測(cè)距傳感器檢測(cè)的鋸架(條)位置與工件橫截面一鋸切工件寬度的關(guān)系表；或建立用戶自定義的工件橫截面類型，并計(jì)算測(cè)距傳感器檢測(cè)的鋸架(條)位置與工件橫截面一鋸切工件寬度的關(guān)系表，存儲(chǔ)計(jì)算結(jié)果；在下位機(jī)EEPROM中存儲(chǔ)如表I所示的鋸切行業(yè)推薦的常用金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表。鋸架(條)的鋸切速度和進(jìn)給速度主要由工件鋸切寬度和工件材料(硬度)決定。參照表1，相同材料，其進(jìn)給量與鋸切寬度近似成一次線性關(guān)系Vf = kl+b。在實(shí)際使用中，首先在觸摸液晶屏上給出鋸切工件的橫截面類型及相關(guān)參數(shù)；下位機(jī)根據(jù)里氏硬度計(jì)所測(cè)工件硬度值，確定鋸架(條)的鋸切速度；依據(jù)鋸架位置與鋸切工件寬度的關(guān)系表、再結(jié)合表I和工件硬度值，建立鋸架位置(鋸切寬度)進(jìn)給量表，作為實(shí)施變進(jìn)給速度前饋控制的依據(jù)。表I常用金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表
權(quán)利要求
1.一種恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)包括鋸架、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)；鋸架包括主從動(dòng)輪(I)、測(cè)距傳感器(2)、鋸條(3)、エ件檢測(cè)桿(4)、里氏硬度計(jì)(5)、導(dǎo)向滑軌(6)、行程開關(guān)(7)、鋸架固定架(25)、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)(21)、從動(dòng)輪張緊油缸(22)和用于送料長(zhǎng)度檢測(cè)的光柵尺(23);在鋸架固定架(25)上設(shè)有主從動(dòng)輪(I)、測(cè)距傳感器(2)、里氏硬度計(jì)(5)、導(dǎo)向滑軌(6)、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)(21)和從動(dòng)輪張緊油缸(22)，鋸條(3)與主從動(dòng)輪(I)相連，主動(dòng)輪與主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)(21)相連、從動(dòng)輪與從動(dòng)輪張緊油缸(22)相連；エ件檢測(cè)桿(4)與導(dǎo)向滑軌(6)配合安裝；行程開關(guān)(7)安裝在導(dǎo)向滑軌(6)的表面；里氏硬度計(jì)(5)固定安裝在エ件檢測(cè)桿(4)的下端處，里氏硬度計(jì)(5)下端面與エ件檢測(cè)桿(4)下端面平行且上移間距為1mm，光柵尺(23)安裝在送料支架上；液壓系統(tǒng)包括油缸(12)、壓カ傳感器(13)、順序閥(14)、電磁換向閥(15)、比例流量閥(16)、單向閥(17)、油泵(18)、過濾器(19)和油箱(20);油缸(12)的有桿腔ロ與電磁換向閥(15)的A ロ相連，油缸(12)的無桿腔ロ分別與順序閥(14)輸入口、壓カ傳感器(13)相連，順序閥(14)的輸出口與電磁換向閥(15 )的B ロ相連，單向閥(17 )的輸入ロ與油泵(18)的輸出ロ相連、單向閥(17 )的輸出口與電磁換向閥(15 )的P ロ相連，比例流量閥(16)的輸入ロ與電磁換向閥(15)的T ロ相連、輸入口與油箱(20)相連，油箱(20)通過過濾器(19)連接到油泵(18)的輸入口 ；控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)的分層硬件結(jié)構(gòu)，兩者通過RS232接ロ進(jìn)行信息交互下位機(jī)控制系統(tǒng)包括相連接的MCU和CPLD，MCU分別與上位機(jī)觸摸液晶屏、里氏硬度計(jì)(5)、測(cè)距傳感器(2)、壓カ傳感器(13)、主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)(21)的變頻器相連，CPLD通過光電耦合器分別與順序閥(14)、電磁換向閥(15)、單向閥(17)、油泵(18)、光柵尺(23)和行程開關(guān)(7)相連，CPLD通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比例閥放大器與比例流量閥(16)相連。
2.ー種使用如權(quán)利要求I所述系統(tǒng)的恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給方法，其特征在于在控制系統(tǒng)的上位機(jī)觸摸液晶屏上預(yù)設(shè)有多種エ件橫截面類型和參數(shù)，根據(jù)鋸切エ件的橫截面形狀在觸摸液晶屏上進(jìn)行選擇和參數(shù)設(shè)定，或建立自定義的エ件橫截面類型和參數(shù)；鋸切開始，控制系統(tǒng)控制鋸架快速下降，エ件檢測(cè)桿(4)檢測(cè)到エ件后，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)里氏硬度計(jì)(5)對(duì)エ件的硬度進(jìn)行檢測(cè)，里氏硬度計(jì)(5)測(cè)試值上傳給控制系統(tǒng)下位機(jī)的MCU中；MCU根據(jù)讀取到的材料硬度值，并結(jié)合帶鋸床行業(yè)推薦的金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表，確定鋸條鋸切速度；控制系統(tǒng)實(shí)施鋸切的エ進(jìn)エ序時(shí)，鋸切エ進(jìn)過程中控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取測(cè)距傳感器(2)的位置測(cè)量值，根據(jù)用戶選定的橫截面類型和參數(shù)計(jì)算出測(cè)距傳感器(2)檢測(cè)的鋸架位置與エ件橫截面、即鋸切エ件寬度的關(guān)系表，并參照帶鋸床行業(yè)推薦的金屬材料鋸切速度和進(jìn)給量表建立鋸架位置、鋸架進(jìn)給量函數(shù)，得到鋸架進(jìn)給速度值，實(shí)施變進(jìn)給速度鋸架進(jìn)給的前饋控制；控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取壓力傳感器上傳的鋸切壓カ值，與給定的鋸切カ比較，實(shí)施恒鋸切カ的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制，達(dá)到前饋、反饋的鋸架進(jìn)給復(fù)合控制目的；在鋸架エ進(jìn)エ序中，針對(duì)切入エ進(jìn)、切出エ進(jìn)的子過程，鋸條的鋸齒容易發(fā)生打齒、磨損的特殊エ況，在切入エ進(jìn)和切出エ進(jìn)時(shí)，控制系統(tǒng)屏蔽恒鋸切カ反饋進(jìn)給控制的輸出，使鋸條的鋸切速度減半、進(jìn)行低進(jìn)給速度的開環(huán)控制；在エ件鋸切完成時(shí)，根據(jù)鋸架快速上升復(fù)位的エ藝要求，并避免鋸條與鋸斷面之間的摩擦造成磨損，執(zhí)行鋸架快速上升復(fù)位前，鋸切料后退一小距離后，鋸架快速上升復(fù)位。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)，其特征在于所述的前饋、反饋的復(fù)合控制方法為壓カ傳感器(13)上傳油缸(12)油壓值至下位機(jī)MCU，與給定的鋸切力比較后、調(diào)節(jié)比例流量閥(16)的閥口開度、實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸(12)油壓值的調(diào)節(jié)，SP實(shí)施恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制；鋸架的給定進(jìn)給速度由兩部分組成，前饋控制的輸出量是鋸架 變進(jìn)給速度給定值的第一部分，進(jìn)給速度給定值的第二部分為恒鋸切力反饋進(jìn)給控制器的輸出；因此，恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給在前饋、反饋復(fù)合控制下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開一種恒鋸切力變進(jìn)給速度的鋸架進(jìn)給系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)由鋸架、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成；鋸架通過雙立柱安裝在鋸床上、油缸驅(qū)動(dòng)鋸架沿立柱上下移動(dòng)。控制系統(tǒng)為分層多機(jī)協(xié)同的硬件體系架構(gòu)，實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)任務(wù)按類分配至各處理單元，硬邏輯門電路則提升了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)依據(jù)操作員選定的工件橫截面類型和參數(shù)、結(jié)合測(cè)出的鋸架位移和工件材料硬度，實(shí)施基于工件鋸切寬度變量的變進(jìn)給速度前饋控制；本發(fā)明根據(jù)壓力傳感器采集的油缸油壓值，進(jìn)行恒鋸切力的閉環(huán)反饋進(jìn)給控制；提高了鋸切工件品質(zhì)和鋸床工效、降低了鋸條消耗量。量身定制的切入、切出工進(jìn)和鋸架快速上升復(fù)位的控制策略，使鋸架進(jìn)給控制系統(tǒng)的解決方案更完善。
文檔編號(hào)B23D55/08GK102672271SQ20121015769
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者吳學(xué)遠(yuǎn), 吳明光, 朱秋國(guó), 李斌勝, 陳則煌 申請(qǐng)人:杭州飄哲電子科技有限公司, 浙江鋸力煌鋸床股份有限公司