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(guó)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(guó)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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)比較容易。鋁片的繞制過(guò)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(guò)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(wú)極調(diào)整，通過(guò)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(zhǎng)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(guò)的角度：
ω1＝（1/v1）n1`2π
＝（l/πd n1）n1`2π
＝240l/d
主軸電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)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(guò)程中需嚴(yán)格保證主軸和小車電機(jī)的速度比，無(wú)論是正常運(yùn)行時(shí)的纏繞還是在加速、減速過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(guó)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)<
