数控高速平面涡卷弹簧流水线的设计与实现

  的生产多采用单个工序个体流水线作业的加工方式，生产速度慢、外观尺寸一致性差、弹性材料损耗大。上世纪90年代，发达国家中的德国已开始研制数控一体化的卷簧生产流水线，专门用于生产

  安全带的卷收弹簧，但其存在着加工产品的品种较单一、生产可调的范围较小、生产速度较慢等问题。且不能对不一样、不一样的材料的卷簧进行按需加工可调。为此，笔者单位和上海协力卷簧制造有限公司合作研制了一条数控高速平面涡卷弹簧流水线。整个卷簧流水线从功能上可分为三个部分：卷簧机、固化炉、反绕设备。卷簧原材料条带首先经过卷簧机预成型，成型为一个个卷簧初胚；再用传输带送入固化炉内进行热处理；最后用反绕设备将其反绕，成为合格的卷簧产品。

  我们仔细分析了卷簧流水线的生产的基本工艺控制要求，并兼顾现代工控技术的发展现状，设计了如图1所示的控制管理系统。

  整个控制系统以一台美国罗克韦尔自动化公司的Complactlogix1769控制器为控制核心，该控制器是新一代:8T 品牌的紧凑型多功能控制器，为罗克韦尔公司近年来的主推产品。Complactlogix控制器可同时取代传统PLC和多回路控制器，并可利用互联网集成伺服控制以实现真正意义上的一体化中小型控制管理系统（从机器控制到过程控制）。

  1769ComplactI/O模块的选配如下： 开关量输出选用1769-OB16/A16点数字输出模块； 模拟量输入选用1769-IF/A四通道差分式输入模块； 模拟量输出模块选用1769-OF2/A两通道差分式输出模块。

  通讯网络我们采用了DeviceNet网络。DeviceNet是A-B公司推出的一种开放式底层现场总线协议，大多数都用在连接分布式工业设备（如传感器、马达驱动）与上层设备（如PLC、计算机）。DeviceNet通讯是基于CAN技术的通讯协议，因此具有极好兼容性和适用性。

  反绕装置所用的伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机。为提高整条流水线性能和可靠性，我们选用了罗克韦尔公司的高性能伺服系统：UItra3000系列全数字伺服驱动器与罗克韦尔的机器控制管理系统集成一体，可采用0-10V电压信号、脉冲J 方向信号、主从控制信号、以及DeviceNet接口控制UItra3000驱动器，并支持高分辨率绝对式编码器。更重要的是，UItra3000全数字伺服驱动器具有索引（Indexing）功能，可将伺服系统的运行轨迹最多分为

  人机界面我们选用的是日本Digital公司Proface GP系列触摸屏。GP触摸屏本身就有CPU单元及自己的操作系统，其稳定性和可靠性大大超过了一般的计算机系统，在运行中即使突然断电，GP本身也不会有任何损害，完全能适应工业现场恶劣的运行环境。在流水线实际运行时，GP触摸屏通过串行通讯接口（RS-232）与Complactlogix1769控制器相连。通讯方式为直接存取通讯（Direct Access）方式，该方式无需编程即可与PLC、变频器等通讯，目前应用最为广泛。GP的开发软件里包括了目前工业界使用的大多数PLC的通讯协议。使用时只需指定连接的PLC类型与PLC存贮器的地址即可。在画面下载的同时会将与PLC通讯的协议下装到GP中。GP运行时，根据部件、Tag（标签）的设置，通过相应的通讯协议与PLC交换数据。

  在图1中， 还有支持DeviceNet网络的传感器和A-B、ABB等品牌的变频器。整个控制管理系统有较好的开放性，这使系统易于维护，并方便系统功能修改、扩充，改进和增加新技术。

  在调试总系统之前，先需完成DeviceNet网络的组态。RSNetWorx for DeviceNet 提供了DeviceNet网络的设计、配置和管理工具。通过其简单友好的界面，可迅速对网络上的设备做配置，既可在“离线”方式下通过“拖/放”设备图标的操作方式，也可通过RSLinx在线扫描DeviceNet网络的方式来进行。本例在网络上所扫描到的设备如图 所示。

  在图2所示的基础之上，就可以对网上的各个设备做配置了。DeviceNet网络给我们大家带来了很大方便，只要将工业设施正确连接到网络上，就可以对网络上的所有设备进行参数的上载和下载操作。我们这里采用主/从工作模式。扫描模块为设备的“主”，设备上的设备作为“从”映射到“主”中。主X 从工作模式通过扫描模块的I/O字的映射来实现。

  在整个控制程序的编制中，主要使用的是梯形图LD。值得提出的是：为实现固化炉和反绕设备这两个较复杂部分的控制，需要编制两个子程序，一个来实现固化炉位域温变曲线的控制，另一个来实现反绕定位系统压力控制算法的数学模型。RSLogix5000为咱们提供了实现一些复杂算法的编程模式：功能块图FBD。用这种编程模式，我们大家可以很方便地实现一些控制算法。这里粗略地介绍固化炉位域温变曲线控制的PID算法实现。

  PID控制算法子程序的的核心部分是一个PID算法指令。其实现的关键是PID参数的整定。罗克韦尔公司的IJPU68 软件是一个运行在视窗操作系统下的PID参数自整定软件。使用RSTune能够在一定程度上帮助用户优化控制回路、减少调试时间。调试步骤如下： 实现RSTune与Complactlogix1769控制器之间的通信，并建立起控制回路。RSTune在在线条件下收集数据。RSTune根据上一步所收集到的数据来计算PID参数。使用RSTune统计分析、滞后检查和控制回路分析等功能来优化和改进回路。下载有效的PID参数。本流水线的实验根据结果得出：使用RSTune软件调节出来的参数来控制，固化炉各温度段的温度控制效果符合我们的工艺技术要求。整个控制管理系统的程序框图如图3所示。

  实际生产时，卷簧生产参数的修改以及默认参数的恢复由用户通过操作GP触摸屏实现。具体的修改过程在设置参数子程序中完成，这部分要求对用户是透明的。

  实际生产表明整条流水线稳定性很高，功能齐全，操作便捷；所生产出的卷簧质量稳定，一致性好，加工精度高；卷簧的生产效率和生产速度大幅度的提升，降低了原材料和能源损耗。