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1、 前 言卷板机是建造海上石油采集平台和生产压力容器所必须的设备。它的功率很大一般在几十千瓦，所以生产厂家大多采用交流电机作为驱动控制部件。一般采用手工操作，这种方式加工效率低，且加工精度难以保证，已不能很好地满足现代市场对产品加工效率和质量的要求，因而必须对卷板机进行简易的数控化改造，以适应市场对卷板机加工效率和精度的要求。随着工业自动化的发展，基于PLC、单片机和PC的自动化系统和自动化设备越来越普及，几乎遍布所用的自动化领域，与之相应的人机界面也应运而生，并得到了同步发展。卷板机是典型机电一体化实例，本次设计是在了解机械结构的基础上，对用户要求进行详细的需求功能分析，采取相应的控制方案，使
2、其满足用户要求。本次设计采用了PLC+触摸屏的控制方案，其实就是控制系统的上位机和下位机，是综合了计算机技术、自动化控制技术和通信技术的一种新型、实用的自动控制装置，被广泛地用于工业控制领域，具有可靠性好稳定性高、实时处理能力强、使用灵活方便、编程容易等特点。第一章 绪 论本章主要介绍有关卷板机的发展状况，具体包括：卷板机的概念、特点、分类、用途、意义、发展、趋势以及关键技术等，然后交代了本次毕业设计的意义，最后介绍了本次毕业设计的主要任务。1.1国内外卷板设备的技术现状卷板机是一种将金属板材弯卷成筒体、锥体、曲面体或其他形体的通用成型设备。该设备广泛用于锅炉、造船、石油、化工、金属结构及机械
3、制造行业。关于卷板机的分类，国外一般以工作辊的配置方式来划分。国内普遍以工作辊数量及调整型式等来分类，一般分为：三辊卷板机（包括对称式三辊卷板机、非对称式三辊卷板机、水平下调式三辊卷板机、倾斜下调式三辊卷板机等）、四辊卷板机、特殊用途卷板机（有船用卷板机、锥体卷板机、双辊卷板机等）。1.1.1国外卷板设备的技术现状目前，国外卷板设备生产水平较高的有瑞士、意大利、德国、日本等国家。这些国家对板厚小于38mm 的板料的卷制，大多采用机械式或机液混合驱动式。对板厚大于40mm 的板料的卷制，多采用全液压驱动式卷板机。由于三辊不对称可调式卷板机较四辊卷板机结构简单、体积小、价格低、耗电少，且具有四辊卷
4、板机便于端部预弯、剩余直边小等特点,已在不少国家得到广泛开发和应用。特别是随着计算机技术的迅猛发展，卷板设备也越来越多的采用计算机实行自动控制，使加工精度、工作效率大大提高，同时减少了工人的劳动强度、改善了工作条件。国外著名厂家的产品有：瑞士 Chr.Haeusler 公司，生产世界上最大的四辊卷板设备VRM-hy 4000150mm冷卷钢板规格为：1504000mm（最大厚度最大宽度），热卷规格为2604000mm，主要用于核工业方面；意大利 PROMAU 公司生产全液压式“DAVI”系列四辊卷板机，它具有自动平衡系统（ABS）、行星摆式回转导轨（PSG）、自动润滑系统（ALS）、节能系统（
5、ESS）；国外生产卷板设备的著名厂家还有西德的瑟尔夫公司、福斯造船及机械公司；英国布郎克公司；日本富士车辆公司等。1.1.2 国内卷板设备的技术现状科学技术的发展和对国外卷板技术的不断学习和引进，使我国卷板设备的生产技术有了很大提高。近几年，我国生产的三辊水平下调卷板机和四辊卷板机越来越多地代替了在卷板设备中一直占据主要地位的对称三辊卷板机。随着液压产品生产技术不断进步，国产液压元件的精度、性能已达到较高的水平。所以，液压传动也越来越多的应用于卷板设备中。目前，用于卷制中薄板的小功率卷板机多采用机械传动或机液混合驱动，用于卷制厚板的大功率卷板机多采用液压驱动或多电机同时驱动。但由于我国机械加工
6、设备水平与加工技术水平与世界发达国家相比，仍有一定的差距，所生产的机械零部件和液压元件的加工精度达不到设计要求，因机械摩擦造成的机械损失和因泄漏造成的液压损失较高。所以卷制同等规格的钢板，所需卷板机功率要高于国外的卷板机，使得卷板设备体积庞大，形体笨重。另外，我国引进国外数控卷板技术，在数控卷板工艺和设备研究方面作了大量工作。但无论国内还是国外的卷板机，从数控技术的实现上看，还均不能达到令人满意的结果，还不能根据被卷制坯料的材质、规格尺寸、卷曲曲率等，正确计算和调整工艺参数，达到真正的全自动控制，而是需要较多的人工干预。国内生产卷板设备的厂家有一重、二重、沈阳重型机械厂、太原重型机械厂、南京环
7、力重工机械公司等。1.2 课题研究意义本次设计是结合工厂的实际需求对水平下调卷板机电气控制部分进行了详细的设计，符合所学专业，把电、机、液三个部分有机的结合在一起，使课程有所延续，提高了学生学习的积极性、分析问题及解决问题的能力，在其设计过程中综合考虑各个方面，如：方案的确定、设计成本、可扩展性等多方面因素，再结合本专业学以致用的特色，具有一定的实际意义，同时为以后从事电气设计行业打下了扎实的基础。1.3 毕业设计内容1查阅资料，了解水平下调三辊卷板机机械本体结构，明确其工作原理。2明确控制对象，并对需求功能进行详细的分析，确定控制方案并画出整体控制框图。3结合控制对象，绘制控制系统的原理图，
8、并对所用低压电器进行选型。4结合功能需求分析，对I/O口进行地址分配、绘制工作流程图、编写可编程逻辑控制器梯形图，绘制人机界面并进行调试。5利用现有的设备，对整个系统模拟联机调试并进行相应的改进。第二章 电气控制系统总体方案设计2.1机器结构本次毕业设计的水平下调式卷板机下辊可水平移动、下辊间距固定、能够实现预弯功能、上辊可上下运动，因此可灵活的变成对称式和非对称式三辊卷板机，既具有对称三辊卷板机结构简单、紧凑、工作辊受力性能好的特点，又具有非对称式三辊卷板机不用调头即可预弯端头的优点。其图如图2.1 所示，可划分为工作辊传动系统、支承辊装置、翻倒机构、平衡装置、制动系统及机架六个部分。1工作
9、辊传动系统该机器有一个上辊和两个下辊为工作辊，上辊由两侧的两个机架支承并安装在一整体机座上。下辊轴承座安置机座上，可沿机座上的导轨水平移动。由于该机器主要是用来卷制25mm32mm 的普通碳素结构钢板，所需驱动功率是很大，不必采用全驱动，因此它采用下辊驱动的方式，即上辊作为被动辊。工作辊传动系统分主、辅传动系统，主传动为两下辊的旋转运动，辅传动为下辊的水平移动和上辊的上下移动。上辊的上下移动可同步移动也可分别移动。主传动系统：它是采用机械传动，即：电机减速器联轴器下辊。辅助传动系统：（1）下辊的水平移动也是采用机械传动：电机减速器蜗轮蜗杆传动螺母传动下辊轴承座。（2）上辊的上升、下降是采用液压
10、的传动方式：泵站液压缸上辊（或下辊）轴承座。2支承辊装置三辊卷板机在工作过程中，上辊下压、下辊旋转，使板料绕上辊发生连续弯曲，从而卷制出筒体。一般来讲，卷板机的上辊直径大、刚性较好，下辊直径较小，刚性不如上辊。如果卷板时上辊的压下力较大，而下辊的刚度不足时，就会使辊轴在卷制筒体的过程中发生变形而出现挠曲，使得卷出的筒体中间部位曲率半径变大而形成鼓状，当板料宽度越大或卷制筒体直径较小时。这种鼓体变形越严重。为防止工作辊挠曲变形而引起的工作精度低，影响卷板质量，卷板机设置有支承辊装置。图2.1 水平下调卷板机结构简图1、减速器 2、制动器 3、平衡装置 4、主电机 5、频敏变阻器 6、万向连器7、
11、左机架 8、右机架 9、上辊 10、支承辊 11、减速器 12、平移电机 13、右机架 14、翻倒缸 15、固定侧油缸 16、翻倒侧油缸3翻倒机构为方便卸下卷制成形的筒件，必须设置倾倒机构，使右侧活动机架实现翻倒、复位动作。翻倒机构由翻倒绕轴、翻倒油缸等组成。右侧活动机架安装有锥形轴承，该锥形轴承支承上辊右端轴径。右机架翻倒前，上辊中心线必须位于设备中心，上辊也必须位于最高位置；卸料时右机架及轴承体由外力驱动绕销轴转动倾倒090，实现翻倒。右机架翻倒后，锥形轴承与上辊脱开，便于从上辊取出工件。卷制时由液压缸复位支承上辊。4平衡装置平衡装置是为了在卷板完成后卸下卷制成形的筒件而设置的。当翻倒机架
12、翻倒后由于平衡装置的作用，翻倒侧上辊处于悬臂状态，它采用是下压式，当上辊到位后压下行程开关，同时上辊左端接触平衡装置的下压块，此时按下翻倒运行按钮即可翻倒运行。5制动系统由于卷板机运行工况以带负载频繁启动、制动为特征，所以主运动（下辊的旋转运动）机构必须设置制动系统，以减少转动惯量，提高运动精度和运动的平稳性。它采用的是：在主电机的输出轴加液压制动器，当主电机得电时，液压制动器同时得电，使得液压制动器打开；当主电机丢失电压，液压制动器也丢失电压，制动器收缩，对主电机输出轴进行抱闸。6机架机架部分包括底座、左右半机架。左右半机架分别由结构件焊接而成；机架的下部用螺栓和平键固定在底座上。底座采用钢
13、板焊接而成。所有焊接件均经过退火处理，消除应力，防止变形。2.2工艺过程 卷板时，将板料放在上、下工作辊之间。上辊垂直升降，两下辊做旋转运动且相对于上辊轴心面水平移动。上辊下降时，板材在上下工作辊之间发生塑性变形而弯曲。下辊连续旋转通过板与辊之间的摩擦力带动钢板进、退，完成卷制， 卷板是利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。如图2.2所示，卷板工艺过程大致分为4步：a.预弯。卷板时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲，称为剩余直边，工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边，其大小与设备结构及其弯曲形式（对称弯曲，不对称弯曲）有关。b.对中。对中的目的是使工件母线与辊筒轴平行
14、，防止产生扭斜。c.卷圆。卷圆是产品成形的主过程，分一次进给与多次进给两种，卷制厚板常用多次进给。进给次数取决于工艺限制条件（如冷卷时不得超过允许的最大变形）及设备限制条件（如不打滑条件和功率条件）。冷卷回弹量显著时，须加一定的过卷量。d、矫圆。矫圆的目的是尽可能使整圆曲率均匀一致，保证产品质量。一般矫圆工序分三个工步：（1）加载：根据经验或计算将工作辊调到所需的最大矫正曲率的位置。（2）滚圆：将辊筒在矫正曲率下滚卷 12 圈，使整卷曲率均匀一致。（3）卸载:逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的矫正载荷下多次滚卷。 b)对中c)卷圆d)矫圆图2.2 卷板工艺过程a)预弯 2.3功能需求分析通过学习
15、和借鉴埃斯顿公司的设计方式，采用人机对话式的电气交互控制系统。根据用户所要求的水平下调卷板机基本功能，对其任务进行分解，并结合其机器的发展形态，按照毕业设计具体要求，其电气控制系统应具备的功能如下：1具有手提和操作台两种操作方式由于在卷板的过程中操作人员需随时调整机器上辊或下辊的位置，为了便于操作，此时需要手提装置。2具有自动定位功能在卷板机批量卷板的过程，我们可以记录前一次上辊和下辊的位置，输入要走到的位置，机器将自动定位到前一次的位置，节省了每次卷板前调整上下辊位置所用的时间，从而提高加工效率。3参数可在线修改参数的在线修改可满足各个用户的不同要求，使得机器具有一定扩展性，具有数据交换、控制命令传输等功能，因此，控制器间的控制命令传输必不可少，要求控制系统具有通信功能。如：当机器编码器破损后，维修人员只要更换上一个新的位移编码器，然后对脉冲当量进行适当的设置就可以了，无需选择相同型号的编码器，便于维修。4要求对整个系统进行实时监测卷板机的功率一般很大，在其运行的过程中安全问题显的尤为重要，通过PLC程序的编制，限制一些误动作，并及时发出相信的报警信号，从而减少事故的
