基于PID控制的板筋一体机调直系统设计

郭 梁，徐庆锋，覃贵芳

（广西水利电力职业技术学院，南宁530023）

0 引言

钢筋是基础建设不可或缺的一种材料，其中线材使用量大及使用场所最广。线材钢筋为了方便运输在生产环节将其盘成圈状，使用时根据工程要求将其拉直及制作成相应的形状，其中使用量最大的是板筋。目前广西富生等企业已经研制出全自动加工板筋的一体机，提高了我国基础设施建设自动化水平。广西富生等企业生产的板筋全自动加工一体机调直部分采用压轮模式，在加工成型过程中钢筋与压轮之间摩擦方式为滑动摩擦，因此钢筋在加工过程中受到损伤，特别是螺纹线材其表面的螺纹会被压轮摩擦掉，导致钢筋不符合建筑力学要求。本文对全自动板筋一体机调直系统、控制系统、测量系统进行设计，引入PID控制算法以及变频器控制技术实现柔性控制，得到了一种精度高、没有损伤的全自动板筋一体机。

1 机械系统设计

1.1 调直系统

线材钢筋调直方式有应力拉直、压轮拉直以及调直辊轮拉直三种，其中应力拉直的加工方式因无法实现自动控制已经被淘汰，压轮拉直方式在钢筋加工过程中调直压轮与钢筋产生滑动摩擦造成钢筋损伤。调直辊轮拉直方式是让钢筋通过由6～8个调直辊轮组成的调直框，调直框由动力系统带动高速旋转，钢筋在拉力作用下被调直，调直辊轮随着钢筋前进而转动因此与被调直钢筋之间是滚动摩擦，滚动摩擦摩擦力远小于滑动摩擦不会对钢筋造成的损伤，采用高速旋转调直辊轮对钢筋进行调直方式具有可行性。因此，本全自动板筋一体机采用调直辊轮调直方式，根据上述分析设计出调直系统结构如图1。

图1 调直系统图

调直原理为在图1中六个调直辊轮平均分为两组自由自转垂直地固定在两块的肋板上，调直辊轮之间轴线间距75 mm。两块调节肋板分别用3颗36#螺母固定在旋转框上，通过调节肋板螺母可以改变调直辊轮与待调直钢筋的压力，当动力系统带动调直框高速旋转时调直辊轮围绕待调直钢筋高速旋转产生拉力，在拉力的作用下钢筋被拉直。调直辊轮与肋板垂直且在同一轴线上固定安装，因此仅产生拉力不产生推力待调直值钢筋不会前进，钢筋前进将由驱动系统完成。

1.2 驱动系统与测量系统

全自动板筋一体机钢筋长度的测量误差受软件算法与机械结构两部分影响，调直系统在调直过程中旋转速度达到1 000 r/min，高速前进的钢筋具有较大的惯性，该惯性存在会增加长度测量误差。为降低测量误差需合理设计机械结构，将钢筋前进惯性产生的误差消除。消除钢筋高速前进时惯性对测量误差影响的思路有两个：一是钢筋达到目标长度之前降低钢筋前进速度，通过高速单片机与变频器组合调节三相异步电动机转速实现柔性控制，具体控制方法见图4；二是调直框旋转速度高惯性大不适合急停，消除其对误差影响的方法是其在调直过程不对钢筋产生推力。经力学分析可知当调直辊轮与调直肋板垂直且在同一轴线上时，调直框在调直钢筋过程中只产生拉力不产生推力，可消除调直框高速旋转惯性产生误差的影响。

按照上述要求设计的调直系统没有推力钢筋不会前进，因此需设计推动钢筋前进的的驱动系统。驱动系统需满足三个要求：一是推动钢前进；二是不能对钢筋造成损伤；三是钢筋前进速度需与调直速度相匹配。根据以上要求设计的驱动与测量系统如图2。

图2 驱动系统与测量系统图

驱动系统由两组上下牵引轮、减速装置、皮带传动装置构成，通过调节隐藏在减速装置内的弹簧松紧度控制上下牵引轮之间的压力。钢筋调直速度与钢筋前进速度匹配控制由1、2两组皮带传动装置和牵引轮对钢筋压力组合控制。测量系统由测速传感器、测速滚轮构成，测速系统通过测量滚轮的速度经算法计算可得出调直钢筋长度和钢筋前进速度。

2 控制系统设计

2.1 控制电路设计

全自动板筋一体机动力由三相异步电动机提供，合理控制异步电动机的运行速度不仅可以提高工作效率还能把长度误差控制在较小范围内，控制电路系统设计如图3。

图3 控制电路系统

控制电路由高速CPU、变频器、测速编码器、变压器、整流电路、稳压电路等核心部件组成，变压器、整流电路、稳压电路为控制电路提供电源。测速编码器测量测速滚轮转速，把结果传送给高速CPU。CPU按照设定的算法算出当前钢筋的状态然后控制变频器的输出频率实现对电动机的柔性控制，控制流程如图4。

图4 电动机速度柔性控制流程图

2.2 控制算法

通过对调直系统机械结构设计从硬件上消除了钢筋前进惯性对长度误差的影响，但要达到理想的长度精度需选择合适的控制算法。本系统的控制算法需要满足两个要求：一是可能提高工作效率，要求在钢筋调直初始阶段至接近目标长度阶段钢筋调直速度与前进速度尽量快；二是为消除钢筋前进惯性对误差的影响要求长度接近目标值时降低钢筋调直速度及前进速度，且不能停止。为了达到以上两点要求全自动板筋一体机控制算法采用PID控制原理，PID控制算法原理如公式（1）。

式中：kp为系统比例系数，Ti为系统积分常数，Td为系统微分常数。

图3中CPU输入量为测速编码器测量滚轮转速采样值，该采样值为数字量，因此需将公式（1）模拟量控制算法离散化转换为数字量算法。假设一个钢筋加工计数周期时间为t，m为采样序号，n为采样周期，则t=mn，对微分与积分进行变换得：

将公式（3）、（4）带入（1）可得：

式中：u为第m次采样时刻输出，m为采样序号，em为偏差值。

式（5）将模拟PID控制算法离散为数字PID控制算法，通过公式发现只要将采样周期变小就可以提高控制精度，在软件编写完成后在调试阶段将通过选择不同的采样周期进行验证获取最优的采样周期。

2.3 误差分析

根据上述机械结构设计方法、控制算法原理、控制电路设计方法制作出样机，通过实测的方式验证本设计是否符合国家标准要求。在软件中设置合适的采样周期、调试好调直框后运行样机，本次试验加工调直两组不同长度的钢筋，每组10根，得到的数据如表1。

表1 全自动板筋一体机长度误差分析表

从表1中可知加工5 000 mm的钢筋其长度误差最大为0.28%，加工1 000 mm的钢筋长度误差为0.9%。满足国家机械加工标准最大允许误差2%要求，本调直方案设计符合钢筋加工企业需求。

3 结语

本文通过分析现有全自动板筋一体机在钢筋加工过程中对钢筋表面造成磨损、长度误差偏大，导致加工后的钢筋不符合基础建设力学要求，从调直系统、驱动系统、控制电路等方面设计，采用PID控制算法控制长度误差，采用控制变频器调节电动机转速实现柔性控制，设计出了误差符合国家标准要求且在加工过程中钢筋无损伤的板筋一体机调直系统。