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        技術資料

        雙刀頭數控皮革切割機控制系統的研究

        0 前言

        數控皮革切割機在國外已發展多年,普遍應用于柔性材料相關行業,如鞋業、箱包業等。近幾年,隨著技術的不斷進步,切割機由原來的單刀頭切割逐步發展為雙刀頭甚至三刀頭切割,刀頭上的工具也由原來的切刀、沖刀及畫筆發展為雙切刀、多沖刀、多畫筆,大大提高了切割效率并改善了產品的切割質量。國外切割機的制造商主要集中在歐洲,如意大利、法國、瑞士等,典型的有意大利的COMEZ、TESEO,法國的力克等。國內切割機的研發及制造起步較晚,目前尚處于發展的初級階段。主要面臨的有系統的穩定性、可靠性問題;如何結合本土特點研發出適合國人使用和操作的設備及如何應用到相關行業等問題。典型的切割機制造商有東莞愛瑪、瑞州科技等。

        1  切割機數控系統的組成

        從控制系統架構來看,多軸運動控制可分為集中式和分布式[3]。集中式運動控制通常由一個運動控制單元(如運動控制卡)控制多個低智能驅動器完成多軸運動控制。而分布式運動控制中每個機械單元可以獨立工作,用戶可以對機械進行靈活的配置,實現柔性生產[3]??紤]到柔性切割設備的精度要求及市場定位,本設備采用集中式運動控制,即PC+NC。PC+NC結構的重心在PC,組成系統所需的其他模塊將根據被控對象的要求靈活確定,因而具有良好的開放性[1]。具體由運動控制卡、交流伺服驅動器、交流伺服電機、數字量輸出卡、工控機等組成。為保證切割質量,控制系統并未采用開環脈沖控制,而采用了先進的半閉環控制,即電機位置信號反饋回運動卡,由運動卡完成位置控制,速度及力矩控制由交流伺服內部完成。系統的構成簡圖見附圖一。

        1.1  運動控制卡的選擇運動控制卡是伺服系統的核心。為保證系統的穩定性、可靠行及以后的可擴展性,同時縮短產品的開發周期,本系統采用國內用戶較多、技術支持有保障的DeltaTau公司的IMAC-400運動控制卡。

        1.2  伺服驅動器及電機的選擇伺服系統尤其是伺服電機的選擇至關重要,如選擇不好,設備無法達到最優的加速效果同時也無法保證切割品質??紤]到本設備特殊的應用場合(長時間的高頻振動)以及電機、驅動器的穩定性、可靠性及以后的售后、維護,X、Y、Z、A軸均選擇安川交流伺服。具體的型號由折算到電機軸上的總的負載慣量及負載轉矩確定。負載慣量的選擇至關重要。慣量失配程度過大會引起低頻諧振的發生并且會限制伺服系統的有效增益的增加[2]。同時,慣量失配會引起系統的振動和超調[2]。

        1.3  數字量輸出卡切割機切割皮料時需要真空吸附,吸附共分為幾十個真空控制格,每個真空格需獨立控制,為此,我們研發了數字量輸出卡。

        1.4  工控機的選擇機器正常切割時伴有高頻振動,切割速度較快,且客戶工廠中同時工作的其它設備較多,不可避免的會對切割機造成干擾,考慮到抗震性、抗干擾性,本系統采用了工控機,而非普通家用電腦。

        2  雙刀頭并行切割

        2.1  切割模式雙刀頭數控皮革切割機共有兩組刀頭,兩組刀頭電氣設計時完全獨立,既可以單個刀頭分開工作,也可以兩個刀頭一起工作。之所以如此設計,主要考慮以下幾個方面:1)  客戶材料大小不一。大幅面的材料兩個刀頭一起切割,效率容易最大化;小幅面的材料如還由兩組刀頭一起切割,會造成很大浪費,此時,可由操作人員靈活配置兩組刀頭,分開切割。2)  切割機某組刀頭因故障臨時宕機后,另外一組刀頭可繼續工作,不會造成系統整體停掉,影響客戶生產。

        2.2  切割順序優化雙刀頭切割的目的是盡可能的提高切割效率。理論上兩組刀頭同時完成各自分配的切割任務時,效率最高。為此,切割前需要對切割任務進行離線預處理,預處理的原則是按時間分配,具體分為以下幾個步驟:1)  確認本次切割的初始位置,以此為起點,對切割任務中的所有分片進行S型排序;2)  按照系統的速度、加速度初步計算本次切割任務中各個分片所需的切割時間(此時間需考慮分片中的拐點及起落刀的處理時間),將所有分片的時間累加在一起,得到本次任務的總切割時間;3)  依次從排序后的首位置逐個取出單個分片的切割時間并計算片與片間的運動時間,逐片累加直至總切割時間的一半,并記錄最后一個分片的編號;然后從末端位置依次取單個分片的切割時間做累加,直至達到總切割時間的一半,并記錄最后一個分片的編號;4)  將得到的兩個編號之間的分片分配給累加時間短的一組刀頭。

        2.3  切割中分片干涉時的處理盡管分片的切割順序已優化過,但實際切割時兩組刀頭不可避免的會存在干涉,因此,本設備加入了安全檢測環節:一組刀頭安裝高速電磁感應式接近開關,另一組刀頭安裝鋁塊,當兩組刀頭同步切割發生干涉時,開關動作,信號被運動卡的高速信號接收口接收,由優先級較高的PLC檢測程序做出實時反應,迅速暫停左、右刀頭并記錄暫停時各自的分片編號,系統按指定的位置將左刀頭后退至左上角,右刀頭恢復切割并以兩個編號及安全距離為參數,不斷計算左刀頭是否滿足恢復切割的條件,當滿足條件后左刀頭恢復正常切割直至結束。

        2.4  切割的安全性考慮柔性材料切割時,皮料因褶皺或吸附不好可能會翹起,此時需要暫停切割。如由操作人員手工暫停操作,因人的反應速度有限,機頭停下來時皮料極有可能已被拖動,因此,本設備加入兩組對射式光電開關,由光電開關檢測皮料的平整度,一旦皮料翹起,系統會自動暫停。對于雙刀頭數控皮革切割機而言,光電開關的安裝位置需特殊考慮,本設計考慮到安全檢測開關有可能會出現問題(盡管可能性很?。?,因此,將光電開關安裝在安全距離以內,當安全檢測開關失靈時,光電開關發揮作用,左右刀頭不至于撞在一起,除此之外,機械部分也設計了橡膠頂尖,在所有電子元器件均失靈后也可以防止機頭相撞。

        3 數控皮革切割機未來展望    

        數控皮革切割機經過了近20年的發展,刀頭已由原來的單刀頭發展為了雙刀頭甚至三刀頭,刀頭組件上的工具也由原來的4至5個增加到了現在的8個甚至更多,客戶不用更換工具就可以一次性完成切割訂單;機械傳動也有改進,目前普遍采用絲桿傳動(個別廠家甚至采用了直線電機傳動),替換了原來的同步帶傳動,提高了設備整體的剛性,由此換來了加工精度及切割速度的提升;設備中的各個組件也已開始模塊化設計,大大方便了售后維護并降低了維護費用;在國外,目前排版已由原來的手工排發展為了自動排版,減少了排版時間的同時又提高了材料的利用率。

        未來,隨著各種新技術、新材料及新工藝的運用,切割機的切割效率及操作人員的操作體驗還會得到不斷提升。

        點擊次數:229  發布時間:2021-10-03
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