基于PLC的卷取張力控制與高精度排絲系統(tǒng)的設(shè)計

摘要 排絲系統(tǒng)是焊絲生產(chǎn)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其控制的好壞直接影響到焊絲的質(zhì)量。目前的排絲機(jī)多采用零角度排絲，可靠性低。本文根據(jù)現(xiàn)有的排絲設(shè)備及現(xiàn)有的制備條件，從方便性及實(shí)用性的角度出發(fā)設(shè)計一套符合自身條件的自動排絲系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由西門子系列S7-200 可編程序控制器作為控制核心。改造以后，可以實(shí)現(xiàn)整個制備過程及排絲的自動化控制。 本文首先介紹了排絲機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成和工作原理。其次，為實(shí)現(xiàn)焊絲的自動排絲，設(shè)計了硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。硬件由模擬量采集模塊來處理張力傳感器輸入的張力信號，由可編程序控制器對模擬 量模塊的信號操作和計算，模擬量輸出傳給變頻器，變頻器可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制，以實(shí)現(xiàn)焊絲的高精度排絲。并且能使排絲伺服系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種變化而不斷的修正控制器的參數(shù)，控制速度環(huán)跟隨理想模型，從而使位置環(huán)輸出達(dá)到理想效果，從而實(shí)現(xiàn)高精度排絲。 最后，對整個系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計并搭建仿真模型，通過仿真研究表明在系統(tǒng)具有不確定因素的情況下，本文設(shè)計的解決方案對于改善系統(tǒng)的性能具有較明顯的效果，整個系統(tǒng)設(shè)計完成。 關(guān)鍵詞 ：可編程控制；卷??；張力控制；排絲 Abstract Wire system is one of the key systems welding wire production, its control is good or bad,what directly affects the quality of the welding wire. The current row winder row silk with the zero angle, reliability is low. In the article, according to the existing wire array equipment and preparation conditions, thinking of convenience and practical, a automatically collecting wire system is designed, that is fit to own condition. The system used the Siemens S7-200 series of Programmable Logic Controller as the control core . After the transformation, it can achieve automatic control of the entire preparation process, free of the manpower from the complex process. In this paper, it first introduced the line of silk machine mechanical mechanism composition and working principle. Secondly ,to realize automatic take-up of welding wire,the hardware control system and the winding mechanical device is designed. The analog collection module can receive the tension signal, that is come from tension sensor. The PLC can mange and calculate the analog signal. The analog signal come from analog collection hand down to the inverter. The inverter can control the speed of the motor. The speed of the winding motor runs after the tension diversification. In this case, this system can adjust the controllers parameter when the object changed, so the speed loop can follow the ideally reference model and the position loop can have perfect control performance , the high-precision wire array can come true. Finally, software design and build simulation model of the whole system, through the simulation study show that systems have uncertainties, this paper design solutions to improve the performance of the system has the obvious effect, the whole system design is completed. Keywords : Programmable logic controller ； winding ； Tension control； Wire array 目錄 摘要 . III Abstract . IV 目錄 . V 1 緒論 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 研究意義和目的 . 2 1.3 本文研究內(nèi)容 . 3 2 排絲機(jī)的總體控制方案設(shè)計 . 5 2.1 排絲機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動分析 . 5 2.2 卷取控制要求 . 6 2.3 排絲控制要求 . 7 2.4 排絲機(jī)控制系統(tǒng)的方案 . 7 2.4.1 卷取張力控制方案 . 7 2.4.2 排絲控制方案 . 10 2.5 小結(jié) . 14 3 排絲機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 . 15 3.1 硬件設(shè)計 . 15 3.1.1 器件的選擇 . 15 3.1.2 I/O 地址分配表 . 16 3.1.3 I/O 接線圖 . 17 3.1.4 主電路電氣圖 . 17 3.2 軟件設(shè)計 . 19 3.3 小結(jié) . 24 4 系統(tǒng)的仿真 . 25 4.1 Matlab 語言和 Simulink 簡述 . 25 4.2 控制系統(tǒng)的仿真 . 25 4.2.1 恒張力仿真 . 25 4.2.1 排絲伺服系統(tǒng)的仿真 . 27 4.3 小結(jié) . 28 5 結(jié)論與展望 . 29 5.1 結(jié)論 . 29 5.2 不足之處以及對未來的展望 . 29 致謝 . 30 參考文獻(xiàn) . 錯誤 !未定義書簽。 1 緒論 1.1 研究背景 從 20 世紀(jì) 20 年代阿姆科巴特勒體積所產(chǎn)生的熱連軋機(jī)的熱軋鋼卷，金屬帶材生產(chǎn)有一個全新的領(lǐng)域。然而，人們似乎已經(jīng)不太關(guān)心卷取技術(shù)，直到客戶的外觀和鋼材表面質(zhì)量要求時，卷取技術(shù)被列入研究工程師的范圍。這是因為纏繞技術(shù)的生產(chǎn)過程中作為直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的最后一步。從歷史上看，卷取技術(shù)原因，已經(jīng)高達(dá) 10的不良率。為了解決這個問題卷取技術(shù)，所有的國家 都花費(fèi)了大量的財力和物力，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和技術(shù)創(chuàng)新。但是，卷繞過程中造成的缺陷，一般不能很好地解釋的原因，一個原因是缺乏的直接檢測和分析裝置，它是唯一的方式來進(jìn)行分析的繞制過程中的張力。 目前大多數(shù)采用排絲機(jī)作為焊絲排絲設(shè)備。為了使排絲機(jī)取得良好的排絲效果，一般在排絲過程中采用一定的排絲張力。我們知道，如果一條紙帶沒有拉緊，是無法卷緊的。假設(shè)張力過小，那么被卷的紙條的邊緣將會變得不齊，紙條會被卷的有的緊，有的松；假設(shè)張力過大，那么紙條機(jī)容易被拉斷。對焊絲的卷取，同樣存在著問題，并且有著它的特殊性。過度的張力會 產(chǎn)生拉絲，嚴(yán)重時將造成鋼絲斷裂；過小的張力會引起焊絲的不均，降低焊絲的等級。因此，卷取機(jī)的卷取張力控制是整個系統(tǒng)的心臟。 在 20 世紀(jì) 80 年代以前，卷取張力控制系統(tǒng)以模擬設(shè)備為主，系統(tǒng)的精度一直比較低。進(jìn)入 90 年代以后，伴隨著機(jī)電制造技術(shù)、電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、檢測技術(shù)的發(fā)展，使得專用張力控制設(shè)備也有了飛躍的發(fā)展。目前，卷取機(jī)張力控制設(shè)備的發(fā)展已日趨成熟，并逐漸逐由一個專用的張力控制裝置取代了以模擬器件為主的張力控制裝置。 其主要產(chǎn)品有 WARNER電氣公司代表的張力控制系統(tǒng) ， 網(wǎng)絡(luò) NRECD 公司的卷材張力控制 系統(tǒng)，日本三菱公司的張力控制系統(tǒng)，德國西門子公司的張力控制板系列和相應(yīng)的變頻器系列；張力控制板則從 PT10, T300 到目前最新的 T400 設(shè)備等。 過去的 20 年里，隨著與國外技術(shù)交流日益密切，國內(nèi)卷取張力控制設(shè)備 (器件 )基本上保持與國外想通的步伐。代表產(chǎn)品有上海佐林電器有限公司生產(chǎn)的 YZ 系列產(chǎn)品 ；有海安前衛(wèi)機(jī)電廠生產(chǎn)的 ZKO 系列張力控制系統(tǒng) ；南京航空航天大學(xué)開發(fā)的 HI 系列高性能微機(jī)控制變頻器以及華為公司生產(chǎn)的 TD3300 系列張力控制專用變頻器等。相對而言，外資張力控制系統(tǒng)設(shè)備不僅對于卷取過程中張力有嚴(yán)格精確 的控制，而且對于初始建立張力、拋尾過程張力都有較好的控制，并且具有友好的人機(jī)界面，功能齊全，如緩沖區(qū)開始防松功能、自動 /手動控制、模式選擇、控制參數(shù)的保存和調(diào)用、自診斷模式、多種通信接口等。國外各個公司的張力控制設(shè)備一般都是系列產(chǎn)品，可以提供多種方案選擇， 以滿足不同用戶的不同排絲工藝需求。 從國外引進(jìn)的張力控制設(shè)備的狀況可以看出，張力控制設(shè)備的趨勢是朝著向功能多樣化、產(chǎn)品系列化方向發(fā)展的，機(jī)械、液壓、電氣、計算機(jī)控制作為一體。隨著這些特殊的張力卷取控制設(shè)備的出現(xiàn)，使得卷取機(jī)的張力控制過程更加方便、快捷，同時 也為控制卷曲的形狀提供了更大的便利。 自我 國加入 世界貿(mào)易組織，使得 國內(nèi) 排絲 機(jī)行業(yè)面臨巨大的競爭壓力 。隨時關(guān)注 國際上排絲 機(jī)發(fā)展的新動向 ，改變 國內(nèi) 排絲 機(jī)行業(yè)的競爭壓力 ，已變得迫不及待。 本課題就是在這樣一個背景下 ， 充分利用計算機(jī)技術(shù) 、 信息技術(shù) 、 激光技術(shù) 、 液壓技術(shù) ， 研制高柔性 、高集成 、 高可靠性 、 高速 、 高效 、 節(jié)能 環(huán)保、工作 自動化 、 連續(xù)化 、 智能化的新型 排絲 機(jī)械 ，用來 適應(yīng) 那種性能高、功能多、批量小、品種繁多、技術(shù)含量較高 的 產(chǎn)品 生產(chǎn)的要求 。 本課題主要研究了焊絲在 一定的形式 下將焊絲排列 到筒管上 的系統(tǒng)過程。從而 設(shè)計了一 臺新型 焊絲排絲機(jī)。 主要功能是實(shí)現(xiàn) 焊絲 在 排絲 機(jī)上按照一定的 角度， 逐層 、緊密排列成螺旋線形的圓柱形卷裝筒子 ， 工藝上要求 排絲系統(tǒng)在排線的同時 應(yīng)滿足 一定的 參數(shù) ：硬件設(shè)計的參數(shù)，軟件設(shè)計的參數(shù)，來回運(yùn)動行程 的變化要求 ，并且要 具有 一定的 速度調(diào)節(jié)性能 ， 整機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動化 。充 分利用 PLC 控制 系統(tǒng)設(shè)計的方法 ， 研制了 一 臺 基于 PLC 自動控制 功能的 排絲機(jī)， 為新型 排絲 機(jī)械從機(jī)械式到 基于 PLC 自動控制 功能 式 的轉(zhuǎn)變提供了一定的參考價值 。 近幾年我國排絲機(jī)行業(yè)發(fā)展速度持續(xù)增長，由于排絲機(jī)行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高以及下游市場需求不斷增大 ，排絲機(jī)行業(yè)在國內(nèi)和國際市場上發(fā)展形勢都十分可觀。雖然受金融危機(jī)影響使得排絲機(jī)行業(yè)近兩年發(fā)展速度逐漸變慢，但隨著我國整體經(jīng)濟(jì)的飛快發(fā)展以及國際金融危機(jī)的逐漸消退，我國排絲機(jī)行業(yè)又一次迎來了好的發(fā)展機(jī)遇。進(jìn)入 2010 年我國排絲機(jī)行業(yè)面臨新的發(fā)展形勢，由于新興企業(yè)的持續(xù)增多，上游原材料價格不斷上漲，使得整個行業(yè)利潤變低，從而造成我國排絲機(jī)行業(yè)市場的競爭也更加激烈。面對這一情況，生產(chǎn)制造排絲機(jī)的企業(yè)應(yīng)當(dāng)要積極面對對，加強(qiáng)培養(yǎng)創(chuàng)新能力，不斷提高自身生產(chǎn)技術(shù)，努力加強(qiáng)企業(yè)競爭優(yōu)勢，在這同時生產(chǎn)排絲機(jī)的企業(yè)還應(yīng)該把握整 個行業(yè)的市場運(yùn)作形勢，不斷加強(qiáng)學(xué)習(xí)此行業(yè)的最新生產(chǎn)技術(shù)，清楚此行業(yè)國家政策法規(guī)走向，正確了解同行競爭對手的發(fā)展動態(tài)，只有這樣才能讓企業(yè)清楚明白此行業(yè)的發(fā)展動態(tài)和自身在該行業(yè)中所處地位，并制定正確的發(fā)展策略使得自己的企業(yè)在殘酷的市場競爭中取得領(lǐng)先優(yōu)勢。 1.2 研究意義和目的 排絲機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的研究，是隨著近年來焊絲、光纖運(yùn)用中高效率、高精度的工藝要求而提出的，從而逐漸被納入工程師的研究領(lǐng)域的。 卷取排絲是焊絲生產(chǎn)的最后一道工序，在此工序中伴隨著焊絲復(fù)雜的變形以及卷取張力的波動，這些全都直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量 。在卷取排絲過程中保持張力的恒定，對提高焊絲排布的精度有著重要的意義。在焊絲生產(chǎn)中，隨著高精度排絲工藝研究的不斷深入，保持恒定的張力、保持張力橫向均布被列為高精度排絲的技術(shù)手段。而在排絲設(shè)備的研究中，是恒張力技術(shù)研究的切入點(diǎn)。所以，從卷取排絲設(shè)備出發(fā)，研究如何在排絲過程中保持張力的恒定以及排絲的精度，對提高焊絲生產(chǎn)的綜合精度有著十分重要的意義。 排絲系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)中，特別是冶金、造紙、紡織等各行業(yè)中廣泛應(yīng)用的控制系統(tǒng)之一。卷取張力是否恒定直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量問題。在排絲過程中，卷取張力的產(chǎn)生是由于焊絲在張力 輥出口輸送的速度和卷取的速度不同而造成的，即速度之差產(chǎn)生了張力。卷取軸在順著運(yùn)行方向?qū)附z有一個作用力 (這是由卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)矩所提供 )，而張力輥在帶絲運(yùn)行時對帶絲有一個反作用力，二者之力合成而產(chǎn)生了張力。為了保證張力的恒定，就 要使兩者之間的作用力的差保持一定。 排線卷取張力機(jī)張力控制系統(tǒng)的控制性能，它的優(yōu)劣程度依賴于調(diào)節(jié)能力，體現(xiàn)在下三個方面 :第一，在主機(jī)的加速和減速階段，如何控制卷取機(jī)使其跟隨主機(jī)速度的變化，克服加速減速而形成了動態(tài)力矩對張力的影響，可以避免張力的振蕩 ；第二，在主機(jī)的穩(wěn)定速度階段，如何才能克 服 軋輥直徑 的變化帶來的張力波動 ；第三， 如何解決輥直徑等工藝參數(shù)的變化所造成的不斷變化的系統(tǒng)模型參數(shù)的問題，。 目前，國內(nèi)的很多生產(chǎn)線都是通過控制速度來控制卷取張力的恒定的。為了達(dá)到通過控制排絲速度來控制帶鋼張力的目的，我們必須了解排絲速度和張力之間的關(guān)系。在許多教科書和相關(guān)文獻(xiàn)中，提供張力模型是根據(jù)兩點(diǎn)之間速度差的積分進(jìn)行說明的。這對于實(shí)際卷取張力系統(tǒng)是不適合的。由于在實(shí)際系統(tǒng)中，如果張力對象是為積分環(huán)節(jié)，那么系統(tǒng)中將會有兩個純積分環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就不穩(wěn)定，顯然并不符合實(shí)際情況。在實(shí)際過程中，卷取張力與速 度之間的傳遞函數(shù)應(yīng)當(dāng)是一個慣性環(huán)節(jié)，決定卷取張力的有卷取速度、張力設(shè)定值和其它工藝參數(shù)。 目前國內(nèi)同類設(shè)備多是垂直層繞（焊絲與收線軸垂直），設(shè)備容易受到干擾，經(jīng)常停車，張力不均勻。由于滯后角控制的自動排線系統(tǒng)可以提高排線的精度和性能。 PLC 可編程控制器通過對角度進(jìn)行閉環(huán)控制，使焊絲以不變的滯后角度 在卷軸上進(jìn)行高速層繞。PLC 將 檢測到的角度值和設(shè)定值進(jìn)行比較，兩者之間的偏差使得 PLC 發(fā)出脈沖信號給伺服電機(jī)驅(qū)動直線單元運(yùn)動，從而使得偏差趨于零，以實(shí)現(xiàn)焊絲以恒定的滯后角進(jìn)行層繞。通過人機(jī)界面完成數(shù)據(jù)的輸入和實(shí)時 監(jiān)測。設(shè)計實(shí)現(xiàn)了在換向區(qū)外的正常速度跟蹤，換向開關(guān)啟動后立刻快速追趕到同步速度的跟蹤，焊絲到達(dá)卷軸邊緣后再次形成新的滯后跟蹤的自動排線系統(tǒng)的控制，滿足排線系統(tǒng)自動平穩(wěn)排線的要求。 此外 ，國內(nèi)卷繞排絲機(jī)械多使用力矩電機(jī)來驅(qū)動卷繞主軸，排絲機(jī)構(gòu)與主軸通過復(fù)雜的機(jī)械齒輪連接在一起，依靠齒輪或者電磁離合器的動作來實(shí)現(xiàn)換向和往復(fù)排線的工藝要求。由于排線的時候左右換向的過程是非?？?，傳統(tǒng)手工調(diào)整方法是難以滿足需求的。這種機(jī)械耦合模式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配精度高，并且通過產(chǎn)品的需要來調(diào)整機(jī)械參數(shù)。并且存在著換向時機(jī)械磨損厲害、噪 聲大和排絲精度低等一系列的缺點(diǎn)，這一系列的缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提高。 為提高產(chǎn)品的加工精度和各種規(guī)格的適應(yīng)性，簡化復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的設(shè)備，將卷繞主軸的繞線傳動與排線軸的往復(fù)傳動的機(jī)械連接進(jìn)行徹底解耦。卷繞主軸使用感應(yīng)式交流異步電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，排線機(jī)構(gòu)用高精度交流伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，兩只電機(jī)的速度設(shè)置成主 從工作方式，即排線電機(jī)跟隨著卷繞電機(jī)運(yùn)行，并且兩者始終保持轉(zhuǎn)速同步。 1.3 本文研究內(nèi)容 本課題的研究內(nèi)容是基于 PLC的卷繞張力控制與高精度排絲系統(tǒng)的設(shè)計。通過大量的調(diào)研和分析 吸取各類 排絲 設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，針對用戶需求，設(shè)計 一款基于 PLC 控制 的 排絲 系統(tǒng) ，從而 達(dá)到維護(hù)成本 、 提高 焊絲 生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)能力的目的 。 焊絲 的排絲 是生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié) ，排絲 系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì) 。 焊絲 排線 過程中最關(guān)鍵的技術(shù)就是對 控制部分的設(shè)計， 不能準(zhǔn)確控制 排絲過程 會造成 焊絲質(zhì)量 的下降 、 后續(xù)工序的難以進(jìn) 行 。 由于焊絲在進(jìn)行施焊時需要均勻的放絲，均勻的阻力，穩(wěn)定的電弧的特殊要求，所以對排絲機(jī)的工藝及排絲精度有很高的要求。它要求焊絲高精度排絲，排列整齊，且要保持恒定的卷取張力。 根據(jù)上述工藝控制要求，研制出的排絲機(jī)工藝控 制應(yīng)包括以下內(nèi)容： 1)放線變頻調(diào)速控制的設(shè)計要求張力保持恒定以及線速度的自適應(yīng)； 2)排線器左右運(yùn)動是要求伺服驅(qū)動走動平穩(wěn)，跟蹤和定位的精度高； 3)角度自適應(yīng)控制的要求和主機(jī)的互動及精確； 4)排線設(shè)備移動定位和自動換相； 5)固定長度的光電檢測精度，自動平穩(wěn)停止； 6)人機(jī)界面系統(tǒng)操作十分方便。 2 排絲機(jī)的總體控制方案設(shè)計 層繞機(jī)排線要求排線機(jī)構(gòu)適應(yīng)各種焊絲公差，運(yùn)動要精準(zhǔn)可靠，排線機(jī)構(gòu)的好壞對繞卷過程中的實(shí)際的效率和工人勞動強(qiáng) 度有著很大的影響。本章將對排絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。 2.1 排絲機(jī)的 機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動分析 線纜卷繞機(jī)由放線機(jī)構(gòu)、繞線機(jī)構(gòu)和排線機(jī)構(gòu)三部分所組成。在排線過程中只要保持繞線電動機(jī)和排線電動機(jī)保持恒定的轉(zhuǎn)速比就可以實(shí)現(xiàn)等螺距卷繞。其中繞線排線機(jī)構(gòu)如圖 2-1所示。 1) 放線機(jī)構(gòu)包括放線軸和速度測定軸。放線軸由變頻器驅(qū)動的電動機(jī)帶動以給定的線速度進(jìn)行放線，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在速度測定軸上，將反饋脈沖輸入到 PLC 高速脈沖輸入端，作為速度反饋以實(shí)現(xiàn)恒定的放線速度。 2) 在繞線機(jī)構(gòu)中，繞線軸由變頻器驅(qū)動的電動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)完成繞線工作 ，并采用張力傳感器進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)對張力的閉環(huán)控制。 3) 在排線機(jī)構(gòu)中，排線軸由伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機(jī)帶動作為從軸，在卷繞過程中跟隨繞線主軸速度旋轉(zhuǎn)，帶動精密直線螺桿旋轉(zhuǎn)，通過控制伺服電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)使螺桿上的排線螺叉做正反向往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)排線動作。 伺服電機(jī)左換向開關(guān)右換向開關(guān)張力檢測放線速度檢測放線機(jī)構(gòu)排線機(jī)構(gòu)繞線機(jī)構(gòu)圖 2.1 卷繞排絲機(jī)構(gòu) 在整個機(jī)構(gòu)中運(yùn)行中，需要機(jī)械裝置、傳感器、執(zhí)行器、計算機(jī)控制系統(tǒng)來共同完成。 1) 機(jī)械裝置 機(jī) 構(gòu) 是零件組成的 、 能夠傳遞運(yùn)動并完成某些有效工作的裝置 。 機(jī)械由輸入部分 、 轉(zhuǎn)換部分 、 傳 動部分 、 輸出部分以及安裝固定部分等組成 。本課題中 的機(jī)構(gòu)部分主要由 排絲機(jī)構(gòu) ， 卷取機(jī)構(gòu) ， 張力調(diào)節(jié)裝置三大部分組成 。 用到同步帶 輪來帶動主從齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行卷 繞焊絲，導(dǎo)軌絲杠進(jìn)行來回直線運(yùn)動，滾動軸承由電機(jī)帶動不停的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行繞絲。在排絲器的兩側(cè)裝有兩個限位開關(guān)，當(dāng)排絲器碰到限位開關(guān)后自動反向運(yùn)動。 2) 執(zhí)行器 執(zhí)行器包括以電 、 氣壓和油壓等作為動力源的各種元器件 ，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能和能量轉(zhuǎn)換功能。本設(shè)計 以三相交流異步電動機(jī) 作為主軸旋轉(zhuǎn)的主要動力，以伺服電機(jī)帶動導(dǎo)軌絲杠來回往復(fù)的運(yùn)動進(jìn)行排絲，在整個排絲運(yùn)動中，要保持焊 絲的張力恒定以及排絲機(jī)速度的恒定，因此，在執(zhí)行器機(jī)構(gòu)中加入兩臺交流變頻器。 3) 傳感器 傳感器是從被測對象中提取信息的器件 ， 用于檢測機(jī)電系統(tǒng)工作時所要監(jiān)視和控制的物理量 實(shí)現(xiàn)檢測功能。本設(shè)計中選用了光電編碼器，保證在排絲的過程中，排絲的滯后角保持不變。以及選用了張力傳感器，保持排絲過程中的張力恒定。并且在繞線和放線的機(jī)構(gòu)上裝有速度傳感器以帶動主軸轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，使得排絲均勻。 4) 計算機(jī) 根據(jù)控制論中關(guān)于系統(tǒng)的定義 ：“ 系統(tǒng)是由相互制約的各個部分組織成的具有一定功能的整體 ” ，相互制約的各個部分必 須在控制論的指導(dǎo)下 ， 由控制器 (即計算機(jī) )實(shí) 現(xiàn)協(xié)調(diào) 與匹配 ， 使整體處于最優(yōu)工況 ， 實(shí)現(xiàn)一定的 控制 功能 。本設(shè)計中通過 PLC 向控制面板傳遞信息實(shí)現(xiàn)自動控制。 焊絲排絲機(jī)在啟動之前，為了確保焊絲在工字軸上緊密的纏繞，在儲絲單元的浮動輥上放置配重塊，以保持恒定的線張力。排絲機(jī)啟動后，收線系統(tǒng)和放線系統(tǒng)同時啟動運(yùn)行，放線系統(tǒng)采用的是主動放線，此時浮動輥將從最低料位處開始慢慢向上進(jìn)行浮動，由位置傳感器裝置檢測浮動輥的位置來反映收放線速度的匹配度，通過分析就可以獲得浮動輥的最佳位置，那么取定這個位置可以使收放線速度的匹配度達(dá)到 最佳。在整個運(yùn)行的過程中，如果浮動輥位置偏離了這個平衡位置系統(tǒng)，將按照恒張力控制算法來調(diào)節(jié)電機(jī)的收放線，浮動輥位置的偏差值與收放線電機(jī)的補(bǔ)償值存在著一定的線性關(guān)系，當(dāng)料位偏低時，系統(tǒng)將通過逆變器的控制來降低放線電機(jī)速度；當(dāng)料位偏高時，加快放線電機(jī)的速度，使的放線速度匹和收線速度相匹配，直到浮動輥平衡在最佳去頂位置，以此保持焊絲張力的恒定。 排絲的過程中焊絲的張力得一直保持恒定。收線開始后，主軸電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，排線器和所繞焊絲就會形成一定的滯后角，測控單元 PLC 根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速計算并控制伺服電機(jī)的運(yùn)動，伺服電機(jī)按相 應(yīng)的速度驅(qū)動直線單元排線，如果主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速一定伺服電轉(zhuǎn)速過快，排線滯后角變大，排線間距將會增大；如果伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速過低，排線滯后角變小，就會出現(xiàn)疊絲。此外根據(jù)收線工字軸的寬度設(shè)置左右極限開關(guān)和左右換向開關(guān)，在極限開關(guān)與換向開關(guān)之間為換向區(qū)。在進(jìn)入每層的左右換向區(qū)時導(dǎo)軌絲杠要快走一段距離，以補(bǔ)償先前的滯后角，在到達(dá)焊絲盤壁邊緣時，在盤壁反彈力的作下后開始回繞，這樣一個完整的繞線進(jìn)程結(jié)束。根據(jù)繞線長重復(fù)多個繞線進(jìn)程，到結(jié)束。 2.2 卷取控制要求 1） 在放線時 ,要保證放線裝置的電機(jī)工作在制動狀態(tài)，并且要保證放線速度要 與收卷速度保持一致。 2） 在卷取過程中，由于軋輥直徑是不斷增大的，為了使得卷取張力保持恒定，也就是保持卷取線速度的恒定，相應(yīng)地要降低卷取電機(jī)的速度好和卷筒的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。 3） 卷取裝置在加減速過程中 ,由于機(jī)械慣量的存在 ,為保證張力控制精度 ,需對放卷電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償 ,補(bǔ)償量的大小與加減速度變化量、當(dāng)前卷徑有關(guān) ,也為時變參數(shù)。 2.3 排絲控制要求 1) 運(yùn)行方式。在設(shè)計時，排絲機(jī)具有兩種工作方式，分別是自動和手動兩種工作方式。在自動工作方式下，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行線纜卷繞工作；在手動工作 方式下，也可以完成放線、排線和卷線的工作，但是這種工作方式主要用于設(shè)備的調(diào)試和檢修。 2) 協(xié)調(diào)一致。在自動方式下，排線軸速度和繞線軸速度要按照要求進(jìn)行協(xié)調(diào)同步控制，要求在主軸啟動之后才能啟動排線器的電機(jī)。保證繞線軸速度與放線軸速度應(yīng)進(jìn)行配合以實(shí)現(xiàn)卷繞過程中的張力恒定。使得在排線過程中，不會因為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速過快或過小導(dǎo)致層繞被迫中斷，從而保證了排線的質(zhì)量。 3) 實(shí)時顯示。線纜參數(shù)，放線速度，卷繞圈數(shù)，故障報警等信息都要在觸摸屏上顯示。保證出現(xiàn)特殊情況時能及時接受到信息，工作人員能及時進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試和檢修 。 4) 數(shù)據(jù)保存。為防止斷電等意外情況下卷繞失敗，當(dāng)前工作參數(shù)等要實(shí)時保存，這樣斷電再次通電時能繼續(xù)未完成的任務(wù)。不需要重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。 5) 緊急停止。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，按下急停按鈕所有機(jī)構(gòu)全部停止運(yùn)行。 2.4 排絲機(jī)控制系統(tǒng)的方案 2.4.1 卷取張力控制方案 卷繞裝置具有恒功率負(fù)載的特點(diǎn)，卷繞過程中要求絲束張力保持恒定，即絲卷線速度保持不變，因為卷繞張力及其穩(wěn)定性不但影響絲束的物理性質(zhì)和不勻率，而且還影響卷繞成形的質(zhì)量，如果卷繞張力過高，會使絲卷成形不良，絲卷端面不整齊，有 凸邊，螺旋邊等，并且由于絲卷卷取張力過高，造成后序工序退卷困難，如果卷繞張力過低，會導(dǎo)致絲卷卷繞密度小，易脫圈，所以卷繞張力在生產(chǎn)中是一個必須控制的參數(shù)量，在正常生產(chǎn)當(dāng)中，卷繞張力根據(jù)產(chǎn)品不同，其卷繞張力的最佳取值也不一樣，一般取值在 0.10.2CN/dtex之間。 在卷繞中，張力的產(chǎn)生是由于放線和繞線的速度差引起線纜形變產(chǎn)生的。設(shè)放線的速度 1v ，繞線速度 2v ，張力為 f ，材料的彈性系數(shù)為 rK ，根據(jù)胡克定律有： dtvvKf tT 0 )21( （ 2.1) 通過上式可以看出，對張力的控制可以間接通過控制電動機(jī)速度來控制。在此系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)保持放線速度的恒定，故只 要調(diào)節(jié)繞線速度就可以實(shí)現(xiàn)對張力的控制，當(dāng)張力過小時，增加繞線速度，當(dāng)張力過大時，減小繞線速度，這樣便可以使線纜拉力維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)張力保持不變，引入壓力式張力傳感器將張力量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，反饋給 PLC 后進(jìn)行 PID 運(yùn)算，計算結(jié)果作為繞線變頻器速度的給定量，控制繞線電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對 張力的控制。 在卷繞系統(tǒng)中，是通過交流異步電動機(jī)來控制主軸不停的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并通過變頻器的調(diào)節(jié)使得主軸保持高速穩(wěn)定的持續(xù)旋轉(zhuǎn)。在啟動時，使用鼠籠式異步電動機(jī)直接啟動方法。在實(shí)際中鼠籠式異步電動機(jī)能否直接啟動，主要依據(jù)電 源及生產(chǎn)機(jī)械對電動機(jī)啟動的要求。 在有獨(dú)立變壓器供電的情況下，若電動機(jī)啟動頻繁，則電動機(jī)功率小于變壓器容量的20%時允許直接啟動；若電動機(jī)不經(jīng)常啟動，電動機(jī)功率小于變壓器容量的 30%時允許直接啟動。 卷繞機(jī)運(yùn)行時，筒管 被卷繞主軸驅(qū)動器帶動運(yùn)行 ，摩擦輥以一定的壓力貼著筒管被動旋轉(zhuǎn)，摩擦輥的半徑為 R1，主軸的半徑為 R2，主軸的角速度為 1，摩擦輥的角速度為 2 摩擦輥和主軸做相切運(yùn)動，如果接觸面之間的打滑現(xiàn)象 被忽略 ， 則 摩擦輥 和所述 的 主軸的 線速度 是 相同 的 ，有下 面等 式成立： 1 1 2 2RR 線 速 度 (2.2) 由于摩擦輥的半徑 R1是不變的，摩擦輥的角速度 和 線速度 的結(jié)果的出可以 通過 計算每個單位時間的 光電編碼器 的 反饋脈沖個數(shù) 的測得。 因為主軸的連續(xù)卷繞 ，摩擦輥 的直徑 也相應(yīng) 的 變大 了 ，為了 確保 恒定的線速 度， 就要保證 實(shí)時 的 調(diào)整主軸的轉(zhuǎn)速，在系統(tǒng)中就是實(shí)時調(diào)整輸出到主軸馬達(dá)的變頻速度，也就是調(diào) 節(jié) 頻率的大小； 一旦卷筒直徑 增大， 那么就要把輸出 頻率調(diào)小 。 根據(jù)式 (2.2)，線速度為主軸角速度 與 半徑的乘積，而角速度 nw 22 ，所以可得出： 1 1 2 2 2=2R R n R 線 速 度 (2.3) 式中： n 為主軸轉(zhuǎn)速 。 在卷取部分 正常運(yùn)行時，線速度 被 要求 保持 恒定，所以從式 (2.3)中可以看出來，筒徑和主軸轉(zhuǎn)速的頻率正好是反比的關(guān)系，它們之間的關(guān)系如圖 (2.2)所示 。 筒徑主軸轉(zhuǎn)速r 2r 1n 2n 1 圖 2.2 主軸與筒徑關(guān)系圖 在圖 2.2 中，筒管初始的半徑為 1r(對應(yīng)此時的主軸頻率為2n)，滿卷 時的半徑為2r（ 對 應(yīng)此時的頻率為 n1)。 由于1r和2r是卷繞前就確定 的。 算出1n和2n，設(shè)卷繞所需線速度為 v線，則 v線=1 2 2 122r n r n =21126 0 (1 ) 6 0 (1 )22f s f srrZ P Z P (2.4) 式中：1f對應(yīng)1n時的主軸變頻的頻率，2f對應(yīng)2n時的主軸變頻的頻率； P 為異步電機(jī)極對數(shù)， s為轉(zhuǎn)差 率， Z為傳動比 。 1 21 2 0 (1 )v P Zfrs 線 (2.5) 2 11 2 0 (1 )v P Zfrs 線 (2.6) 則當(dāng)筒徑為 r時，所需的主軸變頻頻率應(yīng)為： 1 2 0 (1 )v P Zfrs 線 (2.7) 式中： v線單位為米 /分， f單位為赫茲，筒徑 (r)單位為米 。 式 (2.5)和式 (2.6)就確定了主軸變頻轉(zhuǎn)速的上下限的數(shù)值 。 當(dāng)卷筒半徑從 r1逐漸增大到2r時，主軸所需的工作頻率由式 (2.7)實(shí)時計算出來，通過 R-485 通信，傳送到主軸變頻器去控制轉(zhuǎn)速 。 圖 2.3 所示的控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器為張力調(diào)節(jié)器， 主調(diào)節(jié)器接受張力定 值信號；速度調(diào)節(jié)器為主軸轉(zhuǎn)動時線速度的恒定，電流調(diào)節(jié)器是保證電機(jī)的穩(wěn)定。兩條副回路只是在卷取過程中起粗調(diào)作用，而主回路才是對卷取張力的細(xì)調(diào)。當(dāng)張力高于或低于設(shè)定值時，其調(diào)節(jié)器發(fā)生調(diào)節(jié)信號，校正卷取系統(tǒng)的給定值。不斷糾正張力，保持卷取時張力的恒定。 張力調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器整流裝置速度傳感器張力傳感器- -張力給定值電流傳感器-實(shí)際張力值圖 2.3 卷取張力控制系統(tǒng)方案 2.4.2 排絲控制方案 排線由伺服電動機(jī)帶動實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)等螺距卷繞，只要保證繞線軸轉(zhuǎn)速和橫向排線運(yùn)動速度比值保持恒定即可。即實(shí)現(xiàn)在繞線軸每旋轉(zhuǎn)一周的同時，排線移動一個線纜直 徑的距離。 PLC 向排線軸伺服驅(qū)動器發(fā)送的脈沖頻率決定了往復(fù)排線速度，其脈沖頻率計算公式為 frs RFFFF （ 2.8） 式（ 2.8）中 ,F 為脈沖頻率， R 為線 纜直徑 ( 即繞線軸每旋轉(zhuǎn)一周排線滑叉移動的距離 ) ， sF為排線螺叉橫向移動單位距離需要向伺服驅(qū)動器發(fā)出的脈沖數(shù)， rF 為繞線軸旋轉(zhuǎn)一周的反饋脈沖數(shù)， fF為繞線軸電動機(jī)反饋脈沖頻率。 在程序中使用脈沖輸出 連續(xù)模式輸出給定頻率的脈沖串，實(shí)現(xiàn)速度跟隨同步控制。 PLC 接收繞線軸旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖并進(jìn)行高速計數(shù)， 當(dāng)?shù)竭_(dá)指定的脈沖數(shù) P( smPP ,m 為每層卷繞圈數(shù)， sP 為繞線軸旋轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù) ) ，即繞線完成單層繞線時，產(chǎn)生高速計數(shù)中斷，在中斷處理程序中改變輸出給伺服驅(qū)動器的脈沖輸出 方向，實(shí)現(xiàn)伺服電動機(jī)換向，并將脈沖計數(shù)當(dāng)前值清零和卷繞層數(shù)遞增。為了防止意外出現(xiàn)的斷電造成卷繞失敗，在循環(huán)程序中將伺進(jìn)給方向、當(dāng)前高速脈沖計數(shù)當(dāng)前值、卷繞層數(shù)等參數(shù)進(jìn)行保存，這樣，在斷電重新通電后，就可以根據(jù)保 存的參數(shù)繼續(xù)運(yùn)行，而不必再重新校正 。 在卷繞過程中，焊絲 必須被螺旋狀均勻地纏繞在絲筒上，如圖 2.4所示： 圖 2.4 螺旋狀卷繞 圖 2.4 是卷繞過程中絲筒的示意圖。焊絲在絲筒上的纏繞是呈螺旋狀的，這樣才能保證纖維被緊密、均勻地纏繞在絲筒上。螺旋狀卷 繞是靠卷繞過程中排絲器的橫向往復(fù)運(yùn)動形成的。在本系統(tǒng)中，排絲器的往復(fù)運(yùn)動的動力來自于伺服電機(jī)，而絲筒的旋轉(zhuǎn)動力來自于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。因為圈數(shù)并非整數(shù)，相鄰兩層的纖維位置會略微錯開，而不會落在相同位置， 從而保證