本文從纏繞工藝、硬件工作原理和軟件開發(fā)三個(gè)方面討論了基于pc機(jī)和trio運(yùn)動(dòng)控制器的開放式自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。
翹片管是一種新型高效節(jié)能的熱交換元件，是空氣冷卻器上最基本、最重要的元件，在空調(diào)、制冷業(yè)上取得了廣泛的應(yīng)用。它利用繞片頭的壓力將成盤鋁帶以一定的速度連續(xù)不斷地在鋼管外側(cè)纏繞成螺旋狀的散熱片，使鋼管的散熱面積大大增加，成倍地提高散熱效率。國外繞片機(jī)設(shè)備已經(jīng)由電器自動(dòng)控制發(fā)展到微機(jī)控制，有些還具備關(guān)鍵部位的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷功能,現(xiàn)正向高速繞片方向發(fā)展。目前國內(nèi)的繞片機(jī)大多使用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制，翹片管螺距通過齒輪組調(diào)節(jié)，螺距受齒輪比的限制，螺距數(shù)是有限的，因此不能完成不同管徑、不同螺距的無級(jí)調(diào)整，并且存在效率低下、繞制質(zhì)量差等缺點(diǎn)，屬于半手工半機(jī)械的操作方式，為此我們開發(fā)了這種新型自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)。
本文主要介紹其自動(dòng)控制系統(tǒng)部分，鋁帶纏繞時(shí)，鋼管繞其主軸勻速旋轉(zhuǎn)，小車電機(jī)拖動(dòng)小車沿鋼管軸向勻速運(yùn)動(dòng)并以一定的速度帶動(dòng)繞片頭把成盤的鋁帶纏繞在鋼管的外側(cè)，達(dá)到生產(chǎn)翹片管的技術(shù)要求。本文從纏繞工藝、硬件工作原理和軟件開發(fā)三個(gè)方面討論了基于pc機(jī)和trio運(yùn)動(dòng)控制器的開放式自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)就具有了開放式、模塊化、可嵌入的特點(diǎn)，為生產(chǎn)廠商通過軟件開發(fā)，給數(shù)控系統(tǒng)追加功能和實(shí)現(xiàn)功能的個(gè)性化提供了保證。
系統(tǒng)纏繞工藝
生產(chǎn)此纏繞式翹片管的數(shù)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)鋁帶繞鋼管的相對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng)，我們選用兩個(gè)伺服電機(jī)來完成，一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)小車沿鋼管軸向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)伺服電機(jī)安裝在主軸箱，通過主軸箱外的齒輪副帶動(dòng)上轉(zhuǎn)動(dòng)體、驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在繞制過程中，鋁片是由直線狀態(tài)被強(qiáng)制擠壓成螺旋狀態(tài)的，由于鋁片跟鋼管相比其剛度小，容易成型，因此鋁片對(duì)鋼管的影響不大，實(shí)現(xiàn)起來比較容易。鋁片的繞制過程是由鋼管相對(duì)于繞頭的軸向進(jìn)給和鋼管沿自身軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，因?yàn)樵阡摴艿妮斔蜋C(jī)構(gòu)中，包括鋼管的純旋轉(zhuǎn)和純進(jìn)給兩條傳動(dòng)路線。在設(shè)計(jì)中選用了一種特殊的行星輪系實(shí)現(xiàn)了管子軸向進(jìn)給和沿自身軸線回轉(zhuǎn)的合成。這種驅(qū)動(dòng)輪系是在一個(gè)圓周上均勻分布三組完全相同的結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，驅(qū)動(dòng)輪的表面帶有一種防滑材料，其目的就是增大驅(qū)動(dòng)輪與鋼管之間的摩擦力，這樣更能有效的驅(qū)動(dòng)鋼管進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。
生產(chǎn)的翹片管鋁片的螺距主要由主軸和小車的運(yùn)行速度比實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)翅片管螺距的無極調(diào)整，通過對(duì)繞片機(jī)校正裝置液壓缸的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管徑的加工。此數(shù)控鋁帶繞片機(jī)纏繞屬于環(huán)向纏繞即沿鋼管圓周方向的纏繞，纏繞原理如圖1所示。纏繞時(shí)，鋼管繞自身軸線作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車在平行于鋼管軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鋼管每轉(zhuǎn)一周，小車移動(dòng)一個(gè)螺距的寬度，按此循環(huán)，直至鋁帶布滿鋼管表面為止，其纏繞角α一般在85°～90°之間。
設(shè)小車縱向移動(dòng)的速度為v1（mm/s），鋼管的轉(zhuǎn)速為n3（r/s），則纏繞的鋁片螺距p＝v1/n3，又因?yàn)閚2＝3.6n3，v1＝πd n1，n1＝120 n1，其中：n2為主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，n3為鋼管的轉(zhuǎn)速，d為齒輪的分度圓直徑，n1為除去減速比后等價(jià)的小車電機(jī)轉(zhuǎn)速，n1為小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速比3.6∶1，小車電機(jī)到齒輪齒條機(jī)構(gòu)減速器的減速比為120∶1，因此：
p＝v1/n3＝3.6πdn1/120n2，即n1/n2＝120p/3.6πd
計(jì)算纏繞長度為l時(shí)，可以計(jì)算出小車從左端移動(dòng)到右端，小車電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度：
ω1＝（1/v1）n1`2π
＝（l/πd n1）n1`2π
＝240l/d
主軸電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度：
ω2＝（n2/）ω1
＝2l n2/dn1`
＝7.2π1/p
由于鋁帶的強(qiáng)度有限，小車在加速、減速的過程中容易出現(xiàn)斷帶的情況，這樣將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的翹片管的質(zhì)量和加工效率，因此繞片機(jī)要具有良好的啟停特性，在此過程中需嚴(yán)格保證主軸和小車電機(jī)的速度比，無論是正常運(yùn)行時(shí)的纏繞還是在加速、減速過程中，上述速度比關(guān)系應(yīng)嚴(yán)格保持不變，這樣才能保證生產(chǎn)的翹片管產(chǎn)品的質(zhì)量。
控制系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)的硬件組成原理圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采取主從式cpu結(jié)構(gòu)，工控機(jī)與trio運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合形成一個(gè)功能強(qiáng)大的開放式數(shù)控系統(tǒng)。工控機(jī)作為上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面管理、工藝參數(shù)設(shè)定、數(shù)控程序編輯等功能，trio運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，另外還需要用plc來完成對(duì)液壓缸的邏輯控制。本數(shù)控系統(tǒng)支持用戶的進(jìn)一步開發(fā)和擴(kuò)展，具有很好的開放性。
圖2 系統(tǒng)硬件原理圖
trio運(yùn)動(dòng)控制器
trio是一種功能非常強(qiáng)大的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。選用的mc206采用trio高性能32位dsp技術(shù)，具有4軸伺服或步進(jìn)功能的控制器，此外還有一個(gè)編碼器輸入軸，通過軟件配置各軸屬性，可以對(duì)四個(gè)伺服軸或四個(gè)步進(jìn)軸或二者的組合進(jìn)行控制。mc206的基本硬件配置包括：can總線通訊接口1個(gè)、數(shù)字量輸入通道8路、數(shù)字量輸入輸出雙向通道8路、模擬量輸入通道1路、伺服使能1個(gè)、伺服速度控制模擬量指令4路、差分式編碼器輸入一個(gè)、差分式編碼器/脈沖輸出4個(gè)、usb接口一個(gè)、串行口兩個(gè)。
trio控制器工作電源為24v直流電源，通過五孔連接器引入，當(dāng)用到數(shù)字量輸出的時(shí)候，必須單獨(dú)提供24v的i/o電源。筆者采用模擬量的連接方式連接trio mc206運(yùn)動(dòng)控制器與安川伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為速度控制模式，安川編碼器分頻輸出的默認(rèn)方向與trio控制器方向相反，因此需要將其a相信號(hào)與trio控制器a相信號(hào)反接，控制器碼盤反饋的第五腳要和驅(qū)動(dòng)器的sg引腳相連，以免損壞控制器。在mc206上配有和伺服放大器上servo_on相對(duì)應(yīng)的常開繼電器開關(guān)，用作對(duì)伺服放大器的使能，在控制器上此功能只是一個(gè)開關(guān)的閉合，所以要把此開關(guān)和伺服電源串接到一起。此繼電器的開關(guān)還可由motion perfect中的drive enable按鈕或trio basic指令wdog＝on/off來控制。
數(shù)控系統(tǒng)工作原理
控制系統(tǒng)以研華工控機(jī)和英國trio公司的mc206運(yùn)動(dòng)控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)同控制。繞片機(jī)主軸電機(jī)采用安川三相伺服電機(jī)，用日本安川伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。對(duì)于主軸電機(jī)的速度，本系統(tǒng)采用了抗負(fù)載變化能力較大的閉環(huán)控制方式。運(yùn)動(dòng)控制器軸3接口的模擬量輸出作為伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制的輸入信號(hào),在運(yùn)動(dòng)控制器開環(huán)控制狀態(tài)下設(shè)置模擬量電壓輸出值實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器速度控制。旋轉(zhuǎn)編碼器完成主軸轉(zhuǎn)角和速度的檢測。驅(qū)動(dòng)器采用速度控制方式,速度卡把編碼器采樣的信號(hào)一路作為驅(qū)動(dòng)器輸入實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制,一路作為速度和位置信號(hào)輸入到控制器的編碼器接口4,實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)編碼器完成速度閉環(huán)控制和主軸轉(zhuǎn)角位置采樣的功能。小車電機(jī)采用安川sgmgh-44aca61伺服電機(jī)完成精確定位，它沿鋁管軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng),按照繞片規(guī)律以一定的響應(yīng)速度和精度跟蹤主軸運(yùn)動(dòng)。軸0接口工作于伺服模式,完成小車伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。主軸編碼器反饋接到mc206軸4接口，作為參考編碼器的輸入軸，為小車同步運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)編碼器輸入。
控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
·上位機(jī)管理軟件
控制系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)管理軟件和下位機(jī)控制軟件。上位機(jī)管理軟件主要完成系統(tǒng)配置、數(shù)控程序編輯、系統(tǒng)診斷和上下位機(jī)的通信功能等。該數(shù)控系統(tǒng)軟件利用windows內(nèi)部大量的api（application program interface）函數(shù)以及visual c 的mfc（microsoft fountain class）類庫，使用較成熟的visual c 6.0進(jìn)行開發(fā)調(diào)試和維護(hù)，利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，以多?jí)菜單為主體，輔以對(duì)話框工具欄快捷鍵等交互方式，依據(jù)用戶的需要定制良好的人機(jī)交互界面。為了方便在自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)安裝出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)試程序，特意設(shè)計(jì)了手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行的功能，系統(tǒng)管理軟件流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)管理軟件程序流程圖
工控機(jī)和mc206通過串口基于modbus協(xié)議完成工藝參數(shù)下載和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示。modbus通訊采用主從方式的查詢機(jī)制,系統(tǒng)將工控機(jī)設(shè)為主站，mc206設(shè)為從站，只有主站發(fā)出查詢時(shí)，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。工作時(shí)工人選定待纏繞管件型號(hào)并將工藝文件下載后，進(jìn)入纏繞加工狀態(tài),此時(shí)所有運(yùn)動(dòng)和邏輯控制由mc206完成，從站僅響應(yīng)主站的查詢并上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。即使工控機(jī)由于某種原因出現(xiàn)故障或死機(jī)，也不會(huì)影響當(dāng)前鋁管的纏繞加工，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的實(shí)時(shí)性。
·trio運(yùn)動(dòng)控制程序
繞片機(jī)加工控制工作狀態(tài)分為手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)三種狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)用于單獨(dú)控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作和小車的運(yùn)動(dòng)。半自動(dòng)狀態(tài)下液壓系統(tǒng)和小車協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行纏繞,纏繞的長度和螺距由工人控制。自動(dòng)工作狀態(tài)下可按工藝文件設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)纏繞。此外控制程序還具有零點(diǎn)校正、自動(dòng)零點(diǎn)、斷點(diǎn)纏繞和纏繞過程人工干預(yù)等功能。
trio程序是通過運(yùn)行在pc機(jī)上的motion perfect軟件來進(jìn)行開發(fā)的，采用的是trio多任務(wù)類似basic語法格式進(jìn)行編寫的，通過運(yùn)行在上位機(jī)上的motion perfect軟件將編制好的運(yùn)動(dòng)控制程序下載到mc206內(nèi)即可脫機(jī)運(yùn)行。trio basic語言有三種不同類型的存儲(chǔ)變量：命名變量、vr（）變量和table區(qū)變量。命名變量是局部變量，僅在定義它的任務(wù)內(nèi)有效。Vr（）變量是可被多個(gè)任務(wù)共享的全局變量，它可用于任務(wù)間通訊，本程序用于存儲(chǔ)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)參數(shù)，其中包括：小車實(shí)際速度、主軸實(shí)際速度、小車最高速度、主軸最高速度、零點(diǎn)偏距、加減速長度、螺距、支撐缸狀態(tài)、鋼管長度、plc判斷等等。table區(qū)通常是用于存儲(chǔ)cam/cambox指令曲線的存儲(chǔ)區(qū)，本程序用于存儲(chǔ)纏繞鋼管型號(hào)和螺距指標(biāo)的工藝文件。運(yùn)行的用戶程序被稱為線程或任務(wù)。此編程語言可以開發(fā)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制程序，具有響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高、開發(fā)周期短、編程和操作簡單、使用方便的特點(diǎn)。
·plc程序
plc是選用歐姆龍公司生產(chǎn)的cj1m型，它采用模塊化結(jié)構(gòu),由4個(gè)輸入模塊，3個(gè)輸出模塊組成,共有64個(gè)輸入點(diǎn)，48個(gè)輸出點(diǎn)。本系統(tǒng)用plc主要控制液壓的電磁閥，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿的伸縮，液壓部分的工作流程如圖4所示。
圖4 數(shù)控機(jī)床工作流程圖
此繞片機(jī)在纏繞的過程中，由于主軸轉(zhuǎn)速比較快，鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)偏離主軸，將嚴(yán)重影響纏繞的翹片管的質(zhì)量，因此在纏繞的過程中需要限制鋼管的偏離運(yùn)動(dòng)，采用給支撐缸加蓋的方式來固定鋼管，開蓋和關(guān)蓋也是由液壓完成。小車在纏繞運(yùn)行過程中碰到支撐缸前面的限位開關(guān)時(shí)，支撐缸開蓋，2秒鐘后支撐缸下降，下降到最低點(diǎn)后碰到限位開關(guān)，plc將信號(hào)傳給控制器，如果控制器收到支撐缸到達(dá)最低點(diǎn)的信息后，小車將繼續(xù)纏繞，如果沒有收到此信息，小車將緊急停車，以免小車和支撐缸撞車。小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，當(dāng)碰到支撐缸后面的限位開關(guān)時(shí)，控制器發(fā)送信號(hào)給plc，plc收到此信息說明小車已經(jīng)安全通過此支撐缸，這時(shí)支撐缸上升，上升到接料位時(shí)，關(guān)蓋。以此類推，小車依次通過4個(gè)支撐缸，完成纏繞。plc和trio運(yùn)動(dòng)控制器的通訊是通過hostlink協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。
結(jié) 語
采用pc和運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)方案,完成了自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)控制系統(tǒng)的管理功能和程序相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,利用開發(fā)的用戶界面直觀的顯示系統(tǒng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了參數(shù)一體化設(shè)計(jì)；在加工過程中檢測系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性和安全性,當(dāng)檢測到各元件沒有運(yùn)動(dòng)到位時(shí),系統(tǒng)暫停并響鈴報(bào)警,故障排除后系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的故障自診斷。上位機(jī)程序可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行定義和開發(fā)，面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)方法使得程序更加易于維護(hù)，界面更加友好。本項(xiàng)目在實(shí)際的應(yīng)用中不僅解決了繞片機(jī)半手工半機(jī)械化的操作方式問題，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)同一機(jī)構(gòu)加工不同管徑,不同長度的翹片管，而且能夠?qū)崿F(xiàn)螺距的無級(jí)調(diào)整,同時(shí)也加強(qiáng)了鋁帶繞片機(jī)生產(chǎn)的自動(dòng)控制功能,提高了控制精度,達(dá)到精確控制繞制速度，提高了生產(chǎn)效率。
下料電機(jī) 下料裝置 電控系統(tǒng) 縱向電機(jī) 進(jìn)給裝置 機(jī)頭 上料裝置 加工裝置 傳送裝置 變頻器 1 繞片電機(jī) 上料缸組 支撐缸組 新型自動(dòng)鋁帶繞片機(jī).本文主要介紹其自 動(dòng)控制系統(tǒng)部分. 自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)主要由上料裝置,自 動(dòng)傳送裝置,自動(dòng)加工裝置和自動(dòng)下料裝 置組成
翹片管是一種新型高效節(jié)能的熱交換元件，是空氣冷卻器上最基本、最重要的元件，在空調(diào)、制冷業(yè)上取得了廣泛的應(yīng)用。它利用繞片頭的壓力將成盤鋁帶以一定的速度連續(xù)不斷地在鋼管外側(cè)纏繞成螺旋狀的散熱片，使鋼管的散熱面積大大增加，成倍地提高散熱效率。國外繞片機(jī)設(shè)備已經(jīng)由電器自動(dòng)控制發(fā)展到微機(jī)控制，有些還具備關(guān)鍵部位的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷功能,現(xiàn)正向高速繞片方向發(fā)展。目前國內(nèi)的繞片機(jī)大多使用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制，翹片管螺距通過齒輪組調(diào)節(jié)，螺距受齒輪比的限制，螺距數(shù)是有限的，因此不能完成不同管徑、不同螺距的無級(jí)調(diào)整，并且存在效率低下、繞制質(zhì)量差等缺點(diǎn)，屬于半手工半機(jī)械的操作方式，為此我們開發(fā)了這種新型自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)。
本文主要介紹其自動(dòng)控制系統(tǒng)部分，鋁帶纏繞時(shí)，鋼管繞其主軸勻速旋轉(zhuǎn)，小車電機(jī)拖動(dòng)小車沿鋼管軸向勻速運(yùn)動(dòng)并以一定的速度帶動(dòng)繞片頭把成盤的鋁帶纏繞在鋼管的外側(cè)，達(dá)到生產(chǎn)翹片管的技術(shù)要求。本文從纏繞工藝、硬件工作原理和軟件開發(fā)三個(gè)方面討論了基于pc機(jī)和trio運(yùn)動(dòng)控制器的開放式自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)就具有了開放式、模塊化、可嵌入的特點(diǎn)，為生產(chǎn)廠商通過軟件開發(fā)，給數(shù)控系統(tǒng)追加功能和實(shí)現(xiàn)功能的個(gè)性化提供了保證。
系統(tǒng)纏繞工藝
生產(chǎn)此纏繞式翹片管的數(shù)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)鋁帶繞鋼管的相對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng)，我們選用兩個(gè)伺服電機(jī)來完成，一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)小車沿鋼管軸向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)伺服電機(jī)安裝在主軸箱，通過主軸箱外的齒輪副帶動(dòng)上轉(zhuǎn)動(dòng)體、驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在繞制過程中，鋁片是由直線狀態(tài)被強(qiáng)制擠壓成螺旋狀態(tài)的，由于鋁片跟鋼管相比其剛度小，容易成型，因此鋁片對(duì)鋼管的影響不大，實(shí)現(xiàn)起來比較容易。鋁片的繞制過程是由鋼管相對(duì)于繞頭的軸向進(jìn)給和鋼管沿自身軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，因?yàn)樵阡摴艿妮斔蜋C(jī)構(gòu)中，包括鋼管的純旋轉(zhuǎn)和純進(jìn)給兩條傳動(dòng)路線。在設(shè)計(jì)中選用了一種特殊的行星輪系實(shí)現(xiàn)了管子軸向進(jìn)給和沿自身軸線回轉(zhuǎn)的合成。這種驅(qū)動(dòng)輪系是在一個(gè)圓周上均勻分布三組完全相同的結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，驅(qū)動(dòng)輪的表面帶有一種防滑材料，其目的就是增大驅(qū)動(dòng)輪與鋼管之間的摩擦力，這樣更能有效的驅(qū)動(dòng)鋼管進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)。
生產(chǎn)的翹片管鋁片的螺距主要由主軸和小車的運(yùn)行速度比實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)翅片管螺距的無極調(diào)整，通過對(duì)繞片機(jī)校正裝置液壓缸的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管徑的加工。此數(shù)控鋁帶繞片機(jī)纏繞屬于環(huán)向纏繞即沿鋼管圓周方向的纏繞，纏繞原理如圖1所示。纏繞時(shí)，鋼管繞自身軸線作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車在平行于鋼管軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鋼管每轉(zhuǎn)一周，小車移動(dòng)一個(gè)螺距的寬度，按此循環(huán)，直至鋁帶布滿鋼管表面為止，其纏繞角α一般在85°～90°之間。
設(shè)小車縱向移動(dòng)的速度為v1（mm/s），鋼管的轉(zhuǎn)速為n3（r/s），則纏繞的鋁片螺距p＝v1/n3，又因?yàn)閚2＝3.6n3，v1＝πd n1，n1＝120 n1，其中：n2為主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，n3為鋼管的轉(zhuǎn)速，d為齒輪的分度圓直徑，n1為除去減速比后等價(jià)的小車電機(jī)轉(zhuǎn)速，n1為小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速比3.6∶1，小車電機(jī)到齒輪齒條機(jī)構(gòu)減速器的減速比為120∶1，因此：
p＝v1/n3＝3.6πdn1/120n2，即n1/n2＝120p/3.6πd
計(jì)算纏繞長度為l時(shí)，可以計(jì)算出小車從左端移動(dòng)到右端，小車電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度：
ω1＝（1/v1）n1`2π
＝（l/πd n1）n1`2π
＝240l/d
主軸電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度：
ω2＝（n2/）ω1
＝2l n2/dn1`
＝7.2π1/p
由于鋁帶的強(qiáng)度有限，小車在加速、減速的過程中容易出現(xiàn)斷帶的情況，這樣將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的翹片管的質(zhì)量和加工效率，因此繞片機(jī)要具有良好的啟停特性，在此過程中需嚴(yán)格保證主軸和小車電機(jī)的速度比，無論是正常運(yùn)行時(shí)的纏繞還是在加速、減速過程中，上述速度比關(guān)系應(yīng)嚴(yán)格保持不變，這樣才能保證生產(chǎn)的翹片管產(chǎn)品的質(zhì)量。
控制系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)的硬件組成原理圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采取主從式cpu結(jié)構(gòu)，工控機(jī)與trio運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)合形成一個(gè)功能強(qiáng)大的開放式數(shù)控系統(tǒng)。工控機(jī)作為上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面管理、工藝參數(shù)設(shè)定、數(shù)控程序編輯等功能，trio運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制，另外還需要用plc來完成對(duì)液壓缸的邏輯控制。本數(shù)控系統(tǒng)支持用戶的進(jìn)一步開發(fā)和擴(kuò)展，具有很好的開放性。
圖2 系統(tǒng)硬件原理圖
trio運(yùn)動(dòng)控制器
trio是一種功能非常強(qiáng)大的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。選用的mc206采用trio高性能32位dsp技術(shù)，具有4軸伺服或步進(jìn)功能的控制器，此外還有一個(gè)編碼器輸入軸，通過軟件配置各軸屬性，可以對(duì)四個(gè)伺服軸或四個(gè)步進(jìn)軸或二者的組合進(jìn)行控制。mc206的基本硬件配置包括：can總線通訊接口1個(gè)、數(shù)字量輸入通道8路、數(shù)字量輸入輸出雙向通道8路、模擬量輸入通道1路、伺服使能1個(gè)、伺服速度控制模擬量指令4路、差分式編碼器輸入一個(gè)、差分式編碼器/脈沖輸出4個(gè)、usb接口一個(gè)、串行口兩個(gè)。
trio控制器工作電源為24v直流電源，通過五孔連接器引入，當(dāng)用到數(shù)字量輸出的時(shí)候，必須單獨(dú)提供24v的i/o電源。筆者采用模擬量的連接方式連接trio mc206運(yùn)動(dòng)控制器與安川伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為速度控制模式，安川編碼器分頻輸出的默認(rèn)方向與trio控制器方向相反，因此需要將其a相信號(hào)與trio控制器a相信號(hào)反接，控制器碼盤反饋的第五腳要和驅(qū)動(dòng)器的sg引腳相連，以免損壞控制器。在mc206上配有和伺服放大器上servo_on相對(duì)應(yīng)的常開繼電器開關(guān)，用作對(duì)伺服放大器的使能，在控制器上此功能只是一個(gè)開關(guān)的閉合，所以要把此開關(guān)和伺服電源串接到一起。此繼電器的開關(guān)還可由motion perfect中的drive enable按鈕或trio basic指令wdog＝on/off來控制。
數(shù)控系統(tǒng)工作原理
控制系統(tǒng)以研華工控機(jī)和英國trio公司的mc206運(yùn)動(dòng)控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)的協(xié)同控制。繞片機(jī)主軸電機(jī)采用安川三相伺服電機(jī)，用日本安川伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。對(duì)于主軸電機(jī)的速度，本系統(tǒng)采用了抗負(fù)載變化能力較大的閉環(huán)控制方式。運(yùn)動(dòng)控制器軸3接口的模擬量輸出作為伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制的輸入信號(hào),在運(yùn)動(dòng)控制器開環(huán)控制狀態(tài)下設(shè)置模擬量電壓輸出值實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器速度控制。旋轉(zhuǎn)編碼器完成主軸轉(zhuǎn)角和速度的檢測。驅(qū)動(dòng)器采用速度控制方式,速度卡把編碼器采樣的信號(hào)一路作為驅(qū)動(dòng)器輸入實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制,一路作為速度和位置信號(hào)輸入到控制器的編碼器接口4,實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)編碼器完成速度閉環(huán)控制和主軸轉(zhuǎn)角位置采樣的功能。小車電機(jī)采用安川sgmgh-44aca61伺服電機(jī)完成精確定位，它沿鋁管軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng),按照繞片規(guī)律以一定的響應(yīng)速度和精度跟蹤主軸運(yùn)動(dòng)。軸0接口工作于伺服模式,完成小車伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。主軸編碼器反饋接到mc206軸4接口，作為參考編碼器的輸入軸，為小車同步運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)編碼器輸入。
控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
·上位機(jī)管理軟件
控制系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)管理軟件和下位機(jī)控制軟件。上位機(jī)管理軟件主要完成系統(tǒng)配置、數(shù)控程序編輯、系統(tǒng)診斷和上下位機(jī)的通信功能等。該數(shù)控系統(tǒng)軟件利用windows內(nèi)部大量的api（application program interface）函數(shù)以及visual c 的mfc（microsoft fountain class）類庫，使用較成熟的visual c 6.0進(jìn)行開發(fā)調(diào)試和維護(hù)，利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，以多?jí)菜單為主體，輔以對(duì)話框工具欄快捷鍵等交互方式，依據(jù)用戶的需要定制良好的人機(jī)交互界面。為了方便在自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)安裝出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)試程序，特意設(shè)計(jì)了手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行的功能，系統(tǒng)管理軟件流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)管理軟件程序流程圖
工控機(jī)和mc206通過串口基于modbus協(xié)議完成工藝參數(shù)下載和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示。modbus通訊采用主從方式的查詢機(jī)制,系統(tǒng)將工控機(jī)設(shè)為主站，mc206設(shè)為從站，只有主站發(fā)出查詢時(shí)，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。工作時(shí)工人選定待纏繞管件型號(hào)并將工藝文件下載后，進(jìn)入纏繞加工狀態(tài),此時(shí)所有運(yùn)動(dòng)和邏輯控制由mc206完成，從站僅響應(yīng)主站的查詢并上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。即使工控機(jī)由于某種原因出現(xiàn)故障或死機(jī)，也不會(huì)影響當(dāng)前鋁管的纏繞加工，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的實(shí)時(shí)性。
·trio運(yùn)動(dòng)控制程序
繞片機(jī)加工控制工作狀態(tài)分為手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)三種狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)用于單獨(dú)控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作和小車的運(yùn)動(dòng)。半自動(dòng)狀態(tài)下液壓系統(tǒng)和小車協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行纏繞,纏繞的長度和螺距由工人控制。自動(dòng)工作狀態(tài)下可按工藝文件設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)纏繞。此外控制程序還具有零點(diǎn)校正、自動(dòng)零點(diǎn)、斷點(diǎn)纏繞和纏繞過程人工干預(yù)等功能。
trio程序是通過運(yùn)行在pc機(jī)上的motion perfect軟件來進(jìn)行開發(fā)的，采用的是trio多任務(wù)類似basic語法格式進(jìn)行編寫的，通過運(yùn)行在上位機(jī)上的motion perfect軟件將編制好的運(yùn)動(dòng)控制程序下載到mc206內(nèi)即可脫機(jī)運(yùn)行。trio basic語言有三種不同類型的存儲(chǔ)變量：命名變量、vr（）變量和table區(qū)變量。命名變量是局部變量，僅在定義它的任務(wù)內(nèi)有效。Vr（）變量是可被多個(gè)任務(wù)共享的全局變量，它可用于任務(wù)間通訊，本程序用于存儲(chǔ)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)參數(shù)，其中包括：小車實(shí)際速度、主軸實(shí)際速度、小車最高速度、主軸最高速度、零點(diǎn)偏距、加減速長度、螺距、支撐缸狀態(tài)、鋼管長度、plc判斷等等。table區(qū)通常是用于存儲(chǔ)cam/cambox指令曲線的存儲(chǔ)區(qū)，本程序用于存儲(chǔ)纏繞鋼管型號(hào)和螺距指標(biāo)的工藝文件。運(yùn)行的用戶程序被稱為線程或任務(wù)。此編程語言可以開發(fā)出復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制程序，具有響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度高、開發(fā)周期短、編程和操作簡單、使用方便的特點(diǎn)。
·plc程序
plc是選用歐姆龍公司生產(chǎn)的cj1m型，它采用模塊化結(jié)構(gòu),由4個(gè)輸入模塊，3個(gè)輸出模塊組成,共有64個(gè)輸入點(diǎn)，48個(gè)輸出點(diǎn)。本系統(tǒng)用plc主要控制液壓的電磁閥，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿的伸縮，液壓部分的工作流程如圖4所示。
圖4 數(shù)控機(jī)床工作流程圖
此繞片機(jī)在纏繞的過程中，由于主軸轉(zhuǎn)速比較快，鋼管旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)偏離主軸，將嚴(yán)重影響纏繞的翹片管的質(zhì)量，因此在纏繞的過程中需要限制鋼管的偏離運(yùn)動(dòng)，采用給支撐缸加蓋的方式來固定鋼管，開蓋和關(guān)蓋也是由液壓完成。小車在纏繞運(yùn)行過程中碰到支撐缸前面的限位開關(guān)時(shí)，支撐缸開蓋，2秒鐘后支撐缸下降，下降到最低點(diǎn)后碰到限位開關(guān)，plc將信號(hào)傳給控制器，如果控制器收到支撐缸到達(dá)最低點(diǎn)的信息后，小車將繼續(xù)纏繞，如果沒有收到此信息，小車將緊急停車，以免小車和支撐缸撞車。小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，當(dāng)碰到支撐缸后面的限位開關(guān)時(shí)，控制器發(fā)送信號(hào)給plc，plc收到此信息說明小車已經(jīng)安全通過此支撐缸，這時(shí)支撐缸上升，上升到接料位時(shí)，關(guān)蓋。以此類推，小車依次通過4個(gè)支撐缸，完成纏繞。plc和trio運(yùn)動(dòng)控制器的通訊是通過hostlink協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。
結(jié) 語
采用pc和運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)方案,完成了自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)控制系統(tǒng)的管理功能和程序相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,利用開發(fā)的用戶界面直觀的顯示系統(tǒng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了參數(shù)一體化設(shè)計(jì)；在加工過程中檢測系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)性和安全性,當(dāng)檢測到各元件沒有運(yùn)動(dòng)到位時(shí),系統(tǒng)暫停并響鈴報(bào)警,故障排除后系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的故障自診斷。上位機(jī)程序可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行定義和開發(fā)，面向?qū)ο蟮目梢暬O(shè)計(jì)方法使得程序更加易于維護(hù)，界面更加友好。本項(xiàng)目在實(shí)際的應(yīng)用中不僅解決了繞片機(jī)半手工半機(jī)械化的操作方式問題，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)同一機(jī)構(gòu)加工不同管徑,不同長度的翹片管，而且能夠?qū)崿F(xiàn)螺距的無級(jí)調(diào)整,同時(shí)也加強(qiáng)了鋁帶繞片機(jī)生產(chǎn)的自動(dòng)控制功能,提高了控制精度,達(dá)到精確控制繞制速度，提高了生產(chǎn)效率。
下料電機(jī) 下料裝置 電控系統(tǒng) 縱向電機(jī) 進(jìn)給裝置 機(jī)頭 上料裝置 加工裝置 傳送裝置 變頻器 1 繞片電機(jī) 上料缸組 支撐缸組 新型自動(dòng)鋁帶繞片機(jī).本文主要介紹其自 動(dòng)控制系統(tǒng)部分. 自動(dòng)鋁帶繞片機(jī)主要由上料裝置,自 動(dòng)傳送裝置,自動(dòng)加工裝置和自動(dòng)下料裝 置組成