高精度工程輪胎胎面仿形纏繞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

高精度工程輪胎胎面仿形纏繞控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 趙龍陽 黃廷磊 孟瑞敏（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004） 摘 要：本文提出了一種以上位機(jī)為核心，充分利用上位機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和編程的靈活性來實(shí)現(xiàn)工程輪胎胎面仿形纏繞控制的方法。文中從電氣原理、控制原理、軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了工程輪胎胎面仿形纏繞控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)廠家投入應(yīng)用，效果良好。關(guān)鍵詞：工程機(jī)械輪胎；胎面仿形纏繞；上位機(jī)；下位機(jī)Abstract: This paper proposed a novel control method for implementing the tread winding of OTR tire, which features the central role of the upper computer in manufacturing process. The computation power and programming flexibility of the upper computer allows for the usage of more efficient algorithms to improve the control precision. The electrical, control and software designing aspects of the method are described in this paper. It is shown that the applications of the method in several engineering tire manufacturing company have reduced the manufacturing cost significantly. Key words: OTR tire; tread winding; master computer; slave computer 隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展和國際工程輪胎產(chǎn)業(yè)向我國轉(zhuǎn)移，大型工程機(jī)械輪胎的需求量不斷增加。伴隨著輪胎原材料漲價(jià)，市場競爭的加劇和對輪胎規(guī)格、品種、整體性能要求也越來越高，采用傳統(tǒng)的方法制造工程機(jī)械輪胎已經(jīng)不能滿足市場的需求13。對于工程輪胎的胎面成型，傳統(tǒng)的方法有靠模纏貼法和成型機(jī)套筒法4，這兩種方法均有胎面密實(shí)性差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品規(guī)格單一的缺點(diǎn)。胎面仿形纏繞技術(shù)這種新的胎面成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其在速度、質(zhì)量、工人勞動(dòng)強(qiáng)度以及改變產(chǎn)品規(guī)格方面相比于傳統(tǒng)方法有無可比擬的優(yōu)勢。 仿形控制的目標(biāo)是用膠條在原始毛胚上纏繞出符合重量要求及工藝設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)外廓形狀（如圖3）。仿形方法有兩種：一是基于膠條形狀進(jìn)行的開環(huán)控制，對膠條的形狀要求高，如Mcneil公司生產(chǎn)的纏繞設(shè)備采用這種方法；二是基于實(shí)時(shí)纏繞外形厚度檢測的閉環(huán)控制法，此方法相對于方法一大大降低了對膠條形狀的要求。輪胎胎面仿形纏繞系統(tǒng)是由上下位機(jī)組成的控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)解決方案是以下位機(jī)PLC為核心進(jìn)行控制4，上位機(jī)向下位機(jī)傳送生產(chǎn)配方參數(shù)和繪制纏繞曲線圖形46。本文實(shí)現(xiàn)了一種以上位機(jī)為核心、利用外廓檢測方式進(jìn)行閉環(huán)控制的工程胎仿形纏繞方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是利用上位機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力和編程的靈活性實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的仿形纏繞控制算法，提高控制精度，易于實(shí)現(xiàn)多層纏繞控制，而下位機(jī)則完成整條生產(chǎn)線速度的聯(lián)動(dòng)、手動(dòng)控制、信號(hào)采集和自動(dòng)控制執(zhí)行。 1 系統(tǒng)組成 胎面纏繞生產(chǎn)流程如圖1所示。胎面膠經(jīng)擠出機(jī)均勻塑化后擠出熱膠棒，通過浮動(dòng)輥后進(jìn)入壓片機(jī)，在將膠棒壓成相應(yīng)配方需要的膠片后進(jìn)入冷卻鼓冷卻，冷卻后的膠片送入纏繞機(jī)纏繞到纏繞鼓上，在纏繞機(jī)和纏繞鼓的復(fù)合運(yùn)動(dòng)下纏貼出所需的胎面。由胎面纏繞生產(chǎn)流程圖可看出擠出機(jī)擠出膠棒的速度、壓片機(jī)上膠片的線速度、冷卻鼓上膠片的線速度和纏繞鼓上膠片的線速度必須匹配。以壓片機(jī)上膠片的線速度為速度基準(zhǔn)，聯(lián)動(dòng)擠出機(jī)、冷卻鼓和纏繞鼓上膠條的線速度，可使胎面生產(chǎn)線在不同的速度下工作。2 控制組成及原理 控制系統(tǒng)由上下位機(jī)組成，下位機(jī)是日本三菱公司的FX2N一128MR可編程控制器，該產(chǎn)品具有64路光電隔離的信號(hào)輸入端和64路繼電器隔離的控制輸出端，再配置D/A模塊、A/D模塊，用于整個(gè)胎面纏繞機(jī)的控制，控制原理圖如圖2所示。上位計(jì)算機(jī)采用研華工控計(jì)算機(jī)，其主要功能包括以下幾個(gè)方面：一是存儲(chǔ)各種型號(hào)輪胎的配方輪廓數(shù)據(jù)和控制參數(shù)。胎面外廓數(shù)據(jù)參數(shù)輸入的如圖3所示，其胎面坐標(biāo)值（L1,H1），（L2,H2），（L3,H3），（L4,H5），（L6,H6），（L7，0）勾勒出輪胎的外觀形狀，根據(jù)工藝要求可以增加配方輪廓坐標(biāo)點(diǎn)，控制參數(shù)包括聯(lián)動(dòng)速度數(shù)據(jù)和優(yōu)化控制的參數(shù)；二是上位機(jī)根據(jù)PLC采集到的信號(hào)，發(fā)出控制指令由PLC執(zhí)行。如按“確定起點(diǎn)”按鈕，PLC接收信號(hào)后傳給上位機(jī)，上位機(jī)開始執(zhí)行掃描基線的控制過程并對PLC發(fā)送相應(yīng)的指令，直至完成控制；三是在纏繞過程中首先上位機(jī)根據(jù)胎面外廓參數(shù)和設(shè)定的纏繞層數(shù)自動(dòng)優(yōu)化分層，然后控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)從PLC中讀取纏繞車頭所處的相對位置值和測量輥測得的當(dāng)前纏繞厚度值，經(jīng)仿形纏繞算法運(yùn)算后給定纏繞機(jī)的速度，做智能仿形纏繞控制；四是繪制出已纏繞的胎面斷面圖并存儲(chǔ)記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。為保證生產(chǎn)線上膠條線速度的一致，以壓片機(jī)線速度為速度基準(zhǔn)，將擠出機(jī)、冷卻鼓和纏繞鼓在PLC程序中接成速度鏈形式，全線聯(lián)動(dòng)?？刂茣r(shí)首先由上位機(jī)把一組聯(lián)動(dòng)給定速度數(shù)據(jù)傳給PLC，為了提高模擬量調(diào)節(jié)的精確度，又增加了擠出機(jī)后浮動(dòng)輥接近位置傳感器、冷卻鼓后浮動(dòng)輥接近位置傳感器和纏繞鼓浮動(dòng)輥接近位置傳感器的微調(diào)模擬量（010V直流電壓），輸入給PLC的A/D模塊，將轉(zhuǎn)換后的微調(diào)數(shù)字量經(jīng)算法運(yùn)算后和由各自速度給定數(shù)字量疊加后得到的數(shù)字量經(jīng)過D/A模塊轉(zhuǎn)換為一定范圍內(nèi)的模擬量后輸出，作為各自變頻器的頻率設(shè)定模擬量，由此保證了生產(chǎn)線上線速度的匹配。以壓片機(jī)速度為基準(zhǔn)相對以往以擠出機(jī)速度7為基準(zhǔn)的聯(lián)動(dòng)調(diào)速方式有以下優(yōu)勢：擠出機(jī)后的浮動(dòng)輥與擠出機(jī)構(gòu)成閉環(huán)跳速，降低了聯(lián)動(dòng)調(diào)速的級(jí)數(shù)，降低了速度擾動(dòng)對膠條的拉伸，提高了膠條的質(zhì)量。3 軟件設(shè)計(jì) 纏繞系統(tǒng)仿形軟件采用Delphi開發(fā)，圍繞智能化、模塊化思想，結(jié)合了多年來廠家技術(shù)人員和操作人員反饋的信息進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.1模塊化設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)按功能可分一下幾個(gè)模塊：（1） 用戶管理。添加、刪除、修改用戶的權(quán)限。（2） 工藝參數(shù)管理。添加刪除修改生產(chǎn)配方，包括仿形輪廓參數(shù)和控制參數(shù)。（3） 生產(chǎn)計(jì)劃管理。制訂和修改生產(chǎn)任務(wù)。（4） 通訊與控制線程模塊。本系統(tǒng)有兩個(gè)重要的線程：通訊和控制線程，通訊線程負(fù)責(zé)與PLC通訊，讀取PLC采集的控制信號(hào)和傳感器數(shù)據(jù)，向PLC發(fā)送控制指令；控制線程自動(dòng)控制整個(gè)纏繞過程。兩個(gè)線程同步交換數(shù)據(jù)。（5） 生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理。（6） 故障自診斷系統(tǒng)。幫助維修人員快速排除故障。（7） 幫助系統(tǒng)。3.2軟件控制流程 本控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，整個(gè)纏繞過程不需要人為干預(yù)即能自動(dòng)完成，軟件流程如圖4所示。輪胎胎面纏繞時(shí)，可根據(jù)配方的層數(shù)自動(dòng)優(yōu)化分層纏繞，結(jié)合纏繞控制算法，在測量輥測量行程允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意層纏繞，解決了其他纏繞控制解決方案系統(tǒng)層數(shù)受限制的問題45。連續(xù)生產(chǎn)同一規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)免掃基線算法只需對首個(gè)胚胎進(jìn)行基線掃描，通過掃描基線可獲取基線值。 4 運(yùn)行結(jié)果 以23.5-25規(guī)格的工程胎為例，2007年6月份在杭州中策進(jìn)行了72小時(shí)連續(xù)試車運(yùn)行，經(jīng)杭州中策設(shè)備處、工藝處檢測，重量公差控制在0.75以內(nèi)，外觀形狀好，重量控制精度達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平（圖5，圖6）；生產(chǎn)效率大幅度提高，以23.5為例單條生產(chǎn)時(shí)間較以前縮短了14；適用性強(qiáng)，生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格多，可以生產(chǎn)4000-57，3000-51，29.5-25，26.5-25，23.5-25，20.5-25，17.5-25等規(guī)格產(chǎn)品。5 結(jié)束語 從2002年開始由桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)控制學(xué)院和桂林橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)研究院合作開發(fā)工程胎胎面纏繞生產(chǎn)線以來，本系統(tǒng)經(jīng)過不斷的改進(jìn)和提高，目前已經(jīng)在河南風(fēng)神、杭州中策、青島雙星等輪胎廠家投入生產(chǎn)，收到良好的效果，以其高效率、低成本、簡單的操作、穩(wěn)定可靠獲得廠家和工人的一致好評(píng)，為生產(chǎn)高質(zhì)量的成品輪胎打下良好的基礎(chǔ)。斜膠工程胎仿形纏繞設(shè)備正處于一個(gè)發(fā)展提高的時(shí)期，因此研究并開發(fā)高性能的工程機(jī)械輪胎胎面纏繞控制系統(tǒng)對提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本有著非常重要的實(shí)際意義。參考文獻(xiàn)： 1黃向前，吳桂忠中國輪胎工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J橡膠科技市場，2005，（9）：142鄧海燕我國輪胎產(chǎn)業(yè)的狀況與展望J橡塑技術(shù)與裝備，2006，（32）22293蔡為民我國輪胎工業(yè)“十五”運(yùn)行情況和“十一五”發(fā)展建議 J決策參考，2006，（22）：45 4孟慶波，楊永剛等基于PLC的工程輪胎胎面纏繞機(jī)控制系統(tǒng)J青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)：2003，（24）：1031065孟慶波，楊永剛等工程胎胎面