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基于PLC的卷取张力控制与高精度排丝系统的设计

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基于PLC的卷取张力控制与高精度排丝系统的设计

摘要排丝系统是焊丝生产的关键系统之一,其控制的好坏直接影响到焊丝的质量。目前的排丝机多采用零角度排丝,可靠性低。本文根据现有的排丝设备及现有的制备条件,从方便性及实用性的角度出发设计一套符合自身条件的自动排丝系统。整个系统由西门子系列S7200可编程序控制器作为控制核心。改造以后,可以实现整个制备过程及排丝的自动化控制。本文首先介绍了排丝机机械结构的组成和工作原理。其次,为实现焊丝的自动排丝,设计了硬件控制系统和软件控制系统。硬件由模拟量采集模块来处理张力传感器输入的张力信号,由可编程序控制器对模拟量模块的信号操作和计算,模拟量输出传给变频器,变频器可以实现对电机速度的控制,以实现焊丝的高精度排丝。并且能使排丝伺服系统能够适应各种变化而不断的修正控制器的参数,控制速度环跟随理想模型,从而使位置环输出达到理想效果,从而实现高精度排丝。最后,对整个系统的软件进行设计并搭建仿真模型,通过仿真研究表明在系统具有不确定因素的情况下,本文设计的解决方案对于改善系统的性能具有较明显的效果,整个系统设计完成。关键词可编程控制卷取张力控制排丝AbstractWiresystemisoneofthekeysystemsweldingwireproduction,itscontrolisgoodorbad,whatdirectlyaffectsthequalityoftheweldingwire.Thecurrentrowwinderrowsilkwiththezeroangle,reliabilityislow.Inthearticle,accordingtotheexistingwirearrayequipmentandpreparationconditions,thinkingofconvenienceandpractical,aautomaticallycollectingwiresystemisdesigned,thatisfittoowncondition.ThesystemusedtheSiemensS7200seriesofProgrammableLogicControllerasthecontrolcore.Afterthetransformation,itcanachieveautomaticcontroloftheentirepreparationprocess,freeofthemanpowerfromthecomplexprocess.Inthispaper,itfirstintroducedthelineofsilkmachinemechanicalmechanismcompositionandworkingprinciple.Secondly,torealizeautomatictakeupofweldingwire,thehardwarecontrolsystemandthewindingmechanicaldeviceisdesigned.Theanalogcollectionmodulecanreceivethetensionsignal,thatiscomefromtensionsensor.ThePLCcanmangeandcalculatetheanalogsignal.Theanalogsignalcomefromanalogcollectionhanddowntotheinverter.Theinvertercancontrolthespeedofthemotor.Thespeedofthewindingmotorrunsafterthetensiondiversification.Inthiscase,thissystemcanadjustthecontrollersparameterwhentheobjectchanged,sothespeedloopcanfollowtheideallyreferencemodelandthepositionloopcanhaveperfectcontrolperformance,thehighprecisionwirearraycancometrue.Finally,softwaredesignandbuildsimulationmodelofthewholesystem,throughthesimulationstudyshowthatsystemshaveuncertainties,thispaperdesignsolutionstoimprovetheperformanceofthesystemhastheobviouseffect,thewholesystemdesigniscompleted.KeywordsProgrammablelogiccontrollerwindingTensioncontrolWirearray目录摘要...............................................................................................................................................IIIAbstract.........................................................................................................................................IV目录................................................................................................................................................V1绪论.............................................................................................................................................11.1研究背景...........................................................................................................................11.2研究意义和目的...............................................................................................................21.3本文研究内容...................................................................................................................32排丝机的总体控制方案设计.....................................................................................................52.1排丝机的机械结构及运动分析.......................................................................................52.2卷取控制要求...................................................................................................................62.3排丝控制要求....................................................................................................................72.4排丝机控制系统的方案...................................................................................................72.4.1卷取张力控制方案..................................................................................................72.4.2排丝控制方案........................................................................................................102.5小结..................................................................................................................................143排丝机控制系统设计...............................................................................................................153.1硬件设计.........................................................................................................................153.1.1器件的选择...........................................................................................................153.1.2I/O地址分配表......................................................................................................163.1.3I/O接线图..............................................................................................................173.1.4主电路电气图.......................................................................................................173.2软件设计.........................................................................................................................193.3小结.................................................................................................................................244系统的仿真...............................................................................................................................254.1Matlab语言和Simulink简述................................................................................................254.2控制系统的仿真..............................................................................................................254.2.1恒张力仿真...........................................................................................................254.2.1排丝伺服系统的仿真...........................................................................................274.3小结.................................................................................................................................285结论与展望...............................................................................................................................295.1结论.................................................................................................................................295.2不足之处以及对未来的展望.........................................................................................29致谢...............................................................................................................................................30参考文献..........................................................................................................错误未定义书签。1绪论1.1研究背景从20世纪20年代阿姆科巴特勒体积所产生的热连轧机的热轧钢卷,金属带材生产有一个全新的领域。然而,人们似乎已经不太关心卷取技术,直到客户的外观和钢材表面质量要求时,卷取技术被列入研究工程师的范围。这是因为缠绕技术的生产过程中作为直接影响产品质量的最后一步。从历史上看,卷取技术原因,已经高达10%的不良率。为了解决这个问题卷取技术,所有的国家都花费了大量的财力和物力,进行技术攻关和技术创新。但是,卷绕过程中造成的缺陷,一般不能很好地解释的原因,一个原因是缺乏的直接检测和分析装置,它是唯一的方式来进行分析的绕制过程中的张力。目前大多数采用排丝机作为焊丝排丝设备。为了使排丝机取得良好的排丝效果,一般在排丝过程中采用一定的排丝张力。我们知道,如果一条纸带没有拉紧,是无法卷紧的。假设张力过小,那么被卷的纸条的边缘将会变得不齐,纸条会被卷的有的紧,有的松假设张力过大,那么纸条机容易被拉断。对焊丝的卷取,同样存在着问题,并且有着它的特殊性。过度的张力会产生拉丝,严重时将造成钢丝断裂过小的张力会引起焊丝的不均,降低焊丝的等级。因此,卷取机的卷取张力控制是整个系统的心脏。在20世纪80年代以前,卷取张力控制系统以模拟设备为主,系统的精度一直比较低。进入90年代以后,伴随着机电制造技术、电力电子技术、计算机技术、检测技术的发展,使得专用张力控制设备也有了飞跃的发展。目前,卷取机张力控制设备的发展已日趋成熟,并逐渐逐由一个专用的张力控制装置取代了以模拟器件为主的张力控制装置。其主要产品有WARNER电气公司代表的张力控制系统,网络NRECD公司的卷材张力控制系统,日本三菱公司的张力控制系统,德国西门子公司的张力控制板系列和相应的变频器系列张力控制板则从PT10,T300到目前最新的T400设备等。过去的20年里,随着与国外技术交流日益密切,国内卷取张力控制设备器件基本上保持与国外想通的步伐。代表产品有上海佐林电器有限公司生产的YZ系列产品有海安前卫机电厂生产的ZKO系列张力控制系统南京航空航天大学开发的HI系列高性能微机控制变频器以及华为公司生产的TD3300系列张力控制专用变频器等。相对而言,外资张力控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制,而且对于初始建立张力、抛尾过程张力都有较好的控制,并且具有友好的人机界面,功能齐全,如缓冲区开始防松功能、自动/手动控制、模式选择、控制参数的保存和调用、自诊断模式、多种通信接口等。国外各个公司的张力控制设备一般都是系列产品,可以提供多种方案选择,以满足不同用户的不同排丝工艺需求。从国外引进的张力控制设备的状况可以看出,张力控制设备的趋势是朝着向功能多样化、产品系列化方向发展的,机械、液压、电气、计算机控制作为一体。随着这些特殊的张力卷取控制设备的出现,使得卷取机的张力控制过程更加方便、快捷,同时也为控制卷曲的形状提供了更大的便利。自我国加入世界贸易组织,使得国内排丝机行业面临巨大的竞争压力。随时关注国际上排丝机发展的新动向,改变国内排丝机行业的竞争压力,已变得迫不及待。本课题就是在这样一个背景下,充分利用计算机技术、信息技术、激光技术、液压技术,研制高柔性、高集成、高可靠性、高速、高效、节能环保、工作自动化、连续化、智能化的新型排丝机械,用来适应那种性能高、功能多、批量小、品种繁多、技术含量较高的产品生产的要求。本课题主要研究了焊丝在一定的形式下将焊丝排列到筒管上的系统过程。从而设计了一台新型焊丝排丝机。主要功能是实现焊丝在排丝机上按照一定的角度,逐层、紧密排列成螺旋线形的圆柱形卷装筒子,工艺上要求排丝系统在排线的同时应满足一定的参数硬件设计的参数,软件设计的参数,来回运动行程的变化要求,并且要具有一定的速度调节性能,整机实现全自动化。充分利用PLC控制系统设计的方法,研制了一台基于PLC自动控制功能的排丝机,为新型排丝机械从机械式到基于PLC自动控制功能式的转变提供了一定的参考价值。近几年我国排丝机行业发展速度持续增长,由于排丝机行业生产技术不断提高以及下游市场需求不断增大,排丝机行业在国内和国际市场上发展形势都十分可观。虽然受金融危机影响使得排丝机行业近两年发展速度逐渐变慢,但随着我国整体经济的飞快发展以及国际金融危机的逐渐消退,我国排丝机行业又一次迎来了好的发展机遇。进入2010年我国排丝机行业面临新的发展形势,由于新兴企业的持续增多,上游原材料价格不断上涨,使得整个行业利润变低,从而造成我国排丝机行业市场的竞争也更加激烈。面对这一情况,生产制造排丝机的企业应当要积极面对对,加强培养创新能力,不断提高自身生产技术,努力加强企业竞争优势,在这同时生产排丝机的企业还应该把握整个行业的市场运作形势,不断加强学习此行业的最新生产技术,清楚此行业国家政策法规走向,正确了解同行竞争对手的发展动态,只有这样才能让企业清楚明白此行业的发展动态和自身在该行业中所处地位,并制定正确的发展策略使得自己的企业在残酷的市场竞争中取得领先优势。1.2研究意义和目的排丝机及其应用技术的研究,是随着近年来焊丝、光纤运用中高效率、高精度的工艺要求而提出的,从而逐渐被纳入工程师的研究领域的。卷取排丝是焊丝生产的最后一道工序,在此工序中伴随着焊丝复杂的变形以及卷取张力的波动,这些全都直接影响产品的质量。在卷取排丝过程中保持张力的恒定,对提高焊丝排布的精度有着重要的意义。在焊丝生产中,随着高精度排丝工艺研究的不断深入,保持恒定的张力、保持张力横向均布被列为高精度排丝的技术手段。而在排丝设备的研究中,是恒张力技术研究的切入点。所以,从卷取排丝设备出发,研究如何在排丝过程中保持张力的恒定以及排丝的精度,对提高焊丝生产的综合精度有着十分重要的意义。排丝系统是现代工业中,特别是冶金、造纸、纺织等各行业中广泛应用的控制系统之一。卷取张力是否恒定直接影响到产品的质量问题。在排丝过程中,卷取张力的产生是由于焊丝在张力辊出口输送的速度和卷取的速度不同而造成的,即速度之差产生了张力。卷取轴在顺着运行方向对焊丝有一个作用力这是由卷取电机的转矩所提供,而张力辊在带丝运行时对带丝有一个反作用力,二者之力合成而产生了张力。为了保证张力的恒定,就要使两者之间的作用力的差保持一定。排线卷取张力机张力控制系统的控制性能,它的优劣程度依赖于调节能力,体现在下三个方面第一,在主机的加速和减速阶段,如何控制卷取机使其跟随主机速度的变化,克服加速减速而形成了动态力矩对张力的影响,可以避免张力的振荡第二,在主机的稳定速度阶段,如何才能克服轧辊直径的变化带来的张力波动第三,如何解决辊直径等工艺参数的变化所造成的不断变化的系统模型参数的问题,。目前,国内的很多生产线都是通过控制速度来控制卷取张力的恒定的。为了达到通过控制排丝速度来控制带钢张力的目的,我们必须了解排丝速度和张力之间的关系。在许多教科书和相关文献中,提供张力模型是根据两点之间速度差的积分进行说明的。这对于实际卷取张力系统是不适合的。由于在实际系统中,如果张力对象是为积分环节,那么系统中将会有两个纯积分环节,该系统的结构就不稳定,显然并不符合实际情况。在实际过程中,卷取张力与速度之间的传递函数应当是一个惯性环节,决定卷取张力的有卷取速度、张力设定值和其它工艺参数。目前国内同类设备多是垂直层绕(焊丝与收线轴垂直),设备容易受到干扰,经常停车,张力不均匀。由于滞后角控制的自动排线系统可以提高排线的精度和性能。PLC可编程控制器通过对角度进行闭环控制,使焊丝以不变的滞后角度β在卷轴上进行高速层绕。PLC将检测到的角度值和设定值进行比较,两者之间的偏差使得PLC发出脉冲信号给伺服电机驱动直线单元运动,从而使得偏差趋于零,以实现焊丝以恒定的滞后角进行层绕。通过人机界面完成数据的输入和实时监测。设计实现了在换向区外的正常速度跟踪,换向开关启动后立刻快速追赶到同步速度的跟踪,焊丝到达卷轴边缘后再次形成新的滞后跟踪的自动排线系统的控制,满足排线系统自动平稳排线的要求。此外,国内卷绕排丝机械多使用力矩电机来驱动卷绕主轴,排丝机构与主轴通过复杂的机械齿轮连接在一起,依靠齿轮或者电磁离合器的动作来实现换向和往复排线的工艺要求。由于排线的时候左右换向的过程是非常快,传统手工调整方法是难以满足需求的。这种机械耦合模式结构复杂,装配精度高,并且通过产品的需要来调整机械参数。并且存在着换向时机械磨损厉害、噪声大和排丝精度低等一系列的缺点,这一系列的缺点严重制约了产品质量和生产效率的提高。为提高产品的加工精度和各种规格的适应性,简化复杂的机械机构和传统的设备,将卷绕主轴的绕线传动与排线轴的往复传动的机械连接进行彻底解耦。卷绕主轴使用感应式交流异步电动机进行驱动,排线机构用高精度交流伺服电机进行驱动,两只电机的速度设置成主从工作方式,即排线电机跟随着卷绕电机运行,并且两者始终保持转速同步。1.3本文研究内容本课题的研究内容是基于PLC的卷绕张力控制与高精度排丝系统的设计。通过大量的调研和分析吸取各类排丝设备的优点,针对用户需求,设计一款基于PLC控制的排丝系统,从而达到维护成本、提高焊丝生产质量与生产能力的目的。焊丝的排丝是生产中的重要环节,排丝系统性能的优劣直接关系到产品的产量和品质。焊丝排线过程中最关键的技术就是对控制部分的设计,不能准确控制排丝过程会造成焊丝质量的下降、后续工序的难以进行。由于焊丝在进行施焊时需要均匀的放丝,均匀的阻力,稳定的电弧的特殊要求,所以对排丝机的工艺及排丝精度有很高的要求。它要求焊丝高精度排丝,排列整齐,且要保持恒定的卷取张力。根据上述工艺控制要求,研制出的排丝机工艺控制应包括以下内容1放线变频调速控制的设计要求张力保持恒定以及线速度的自适应2排线器左右运动是要求伺服驱动走动平稳,跟踪和定位的精度高3角度自适应控制的要求和主机的互动及精确4排线设备移动定位和自动换相5固定长度的光电检测精度,自动平稳停止6人机界面系统操作十分方便。2排丝机的总体控制方案设计层绕机排线要求排线机构适应各种焊丝公差,运动要精准可靠,排线机构的好坏对绕卷过程中的实际的效率和工人劳动强度有着很大的影响。本章将对排丝机构进行详细分析。2.1排丝机的机械结构及运动分析线缆卷绕机由放线机构、绕线机构和排线机构三部分所组成。在排线过程中只要保持绕线电动机和排线电动机保持恒定的转速比就可以实现等螺距卷绕。其中绕线排线机构如图21所示。1放线机构包括放线轴和速度测定轴。放线轴由变频器驱动的电动机带动以给定的线速度进行放线,旋转编码器安装在速度测定轴上,将反馈脉冲输入到PLC高速脉冲输入端,作为速度反馈以实现恒定的放线速度。2在绕线机构中,绕线轴由变频器驱动的电动机带动旋转完成绕线工作,并采用张力传感器进行反馈,实现对张力的闭环控制。3在排线机构中,排线轴由伺服驱动器驱动伺服电动机带动作为从轴,在卷绕过程中跟随绕线主轴速度旋转,带动精密直线螺杆旋转,通过控制伺服电动机的正反转使螺杆上的排线螺叉做正反向往复运动实现排线动作。伺服电机β左换向开关右换向开关张力检测放线速度检测放线机构排线机构绕线机构图2.1卷绕排丝机构在整个机构中运行中,需要机械装置、传感器、执行器、计算机控制系统来共同完成。1机械装置机构是零件组成的、能够传递运动并完成某些有效工作的装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分以及安装固定部分等组成。本课题中的机构部分主要由排丝机构,卷取机构,张力调节装置三大部分组成。用到同步带轮来带动主从齿轮运转进行卷绕焊丝,导轨丝杠进行来回直线运动,滚动轴承由电机带动不停的旋转进行绕丝。在排丝器的两侧装有两个限位开关,当排丝器碰到限位开关后自动反向运动。2执行器执行器包括以电、气压和油压等作为动力源的各种元器件,实现驱动功能和能量转换功能。本设计以三相交流异步电动机作为主轴旋转的主要动力,以伺服电机带动导轨丝杠来回往复的运动进行排丝,在整个排丝运动中,要保持焊丝的张力恒定以及排丝机速度的恒定,因此,在执行器机构中加入两台交流变频器。3传感器传感器是从被测对象中提取信息的器件,用于检测机电系统工作时所要监视和控制的物理量实现检测功能。本设计中选用了光电编码器,保证在排丝的过程中,排丝的滞后角保持不变。以及选用了张力传感器,保持排丝过程中的张力恒定。并且在绕线和放线的机构上装有速度传感器以带动主轴转速的稳定,使得排丝均匀。4计算机根据控制论中关于系统的定义系统是由相互制约的各个部分组织成的具有一定功能的整体,相互制约的各个部分必须在控制论的指导下,由控制器即计算机实现协调与匹配,使整体处于最优工况,实现一定的控制功能。本设计中通过PLC向控制面板传递信息实现自动控制。焊丝排丝机在启动之前,为了确保焊丝在工字轴上紧密的缠绕,在储丝单元的浮动辊上放置配重块,以保持恒定的线张力。排丝机启动后,收线系统和放线系统同时启动运行,放线系统采用的是主动放线,此时浮动辊将从最低料位处开始慢慢向上进行浮动,由位置传感器装置检测浮动辊的位置来反映收放线速度的匹配度,通过分析就可以获得浮动辊的最佳位置,那么取定这个位置可以使收放线速度的匹配度达到最佳。在整个运行的过程中,如果浮动辊位置偏离了这个平衡位置系统,将按照恒张力控制算法来调节电机的收放线,浮动辊位置的偏差值与收放线电机的补偿值存在着一定的线性关系,当料位偏低时,系统将通过逆变器的控制来降低放线电机速度当料位偏高时,加快放线电机的速度,使的放线速度匹和收线速度相匹配,直到浮动辊平衡在最佳去顶位置,以此保持焊丝张力的恒定。排丝的过程中焊丝的张力得一直保持恒定。收线开始后,主轴电机开始旋转,排线器和所绕焊丝就会形成一定的滞后角,测控单元PLC根据主轴转速计算并控制伺服电机的运动,伺服电机按相应的速度驱动直线单元排线,如果主轴电机转速一定伺服电转速过快,排线滞后角变大,排线间距将会增大如果伺服电机转速过低,排线滞后角变小,就会出现叠丝。此外根据收线工字轴的宽度设置左右极限开关和左右换向开关,在极限开关与换向开关之间为换向区。在进入每层的左右换向区时导轨丝杠要快走一段距离,以补偿先前的滞后角,在到达焊丝盘壁边缘时,在盘壁反弹力的作下后开始回绕,这样一个完整的绕线进程结束。根据绕线长重复多个绕线进程,到结束。2.2卷取控制要求1)在放线时,要保证放线装置的电机工作在制动状态,并且要保证放线速度要与收卷速度保持一致。2)在卷取过程中,由于轧辊直径是不断增大的,为了使得卷取张力保持恒定,也就是保持卷取线速度的恒定,相应地要降低卷取电机的速度好和卷筒的转速,以实现速度的精确控制。3)卷取装置在加减速过程中,由于机械惯量的存在,为保证张力控制精度,需对放卷电机转矩进行动态补偿,补偿量的大小与加减速度变化量、当前卷径有关,也为时变参数。2.3排丝控制要求1运行方式。在设计时,排丝机具有两种工作方式,分别是自动和手动两种工作方式。在自动工作方式下,系统按照预先设定的参数进行线缆卷绕工作在手动工作方式下,也可以完成放线、排线和卷线的工作,但是这种工作方式主要用于设备的调试和检修。2协调一致。在自动方式下,排线轴速度和绕线轴速度要按照要求进行协调同步控制,要求在主轴启动之后才能启动排线器的电机。保证绕线轴速度与放线轴速度应进行配合以实现卷绕过程中的张力恒定。使得在排线过程中,不会因为伺服电机的转速过快或过小导致层绕被迫中断,从而保证了排线的质量。3实时显示。线缆参数,放线速度,卷绕圈数,故障报警等信息都要在触摸屏上显示。保证出现特殊情况时能及时接受到信息,工作人员能及时进行设备的调试和检修。4数据保存。为防止断电等意外情况下卷绕失败,当前工作参数等要实时保存,这样断电再次通电时能继续未完成的任务。不需要重新进行参数设置,提高生产效率和质量。5紧急停止。当出现紧急情况时,按下急停按钮所有机构全部停止运行。2.4排丝机控制系统的方案2.4.1卷取张力控制方案卷绕装置具有恒功率负载的特点,卷绕过程中要求丝束张力保持恒定,即丝卷线速度保持不变,因为卷绕张力及其稳定性不但影响丝束的物理性质和不匀率,而且还影响卷绕成形的质量,如果卷绕张力过高,会使丝卷成形不良,丝卷端面不整齐,有凸边,螺旋边等,并且由于丝卷卷取张力过高,造成后序工序退卷困难,如果卷绕张力过低,会导致丝卷卷绕密度小,易脱圈,所以卷绕张力在生产中是一个必须控制的参数量,在正常生产当中,卷绕张力根据产品不同,其卷绕张力的最佳取值也不一样,一般取值在0.1~0.2CN/dtex之间。在卷绕中,张力的产生是由于放线和绕线的速度差引起线缆形变产生的。设放线的速度1v,绕线速度2v,张力为f,材料的弹性系数为rK,根据胡克定律有dtvvKftT021(2.1通过上式可以看出,对张力的控制可以间接通过控制电动机速度来控制。在此系统中,应当保持放线速度的恒定,故只要调节绕线速度就可以实现对张力的控制,当张力过小时,增加绕线速度,当张力过大时,减小绕线速度,这样便可以使线缆拉力维持在稳定的范围内。为了实现张力保持不变,引入压力式张力传感器将张力量转变为电信号,反馈给PLC后进行PID运算,计算结果作为绕线变频器速度的给定量,控制绕线电动机的转速,实现对张力的控制。在卷绕系统中,是通过交流异步电动机来控制主轴不停的进行旋转,并通过变频器的调节使得主轴保持高速稳定的持续旋转。在启动时,使用鼠笼式异步电动机直接启动方法。在实际中鼠笼式异步电动机能否直接启动,主要依据电源及生产机械对电动机启动的要求。在有独立变压器供电的情况下,若电动机启动频繁,则电动机功率小于变压器容量的20时允许直接启动若电动机不经常启动,电动机功率小于变压器容量的30时允许直接启动。卷绕机运行时,筒管被卷绕主轴驱动器带动运行,摩擦辊以一定的压力贴着筒管被动旋转,摩擦辊的半径为R1,主轴的半径为R2,主轴的角速度为ω1,摩擦辊的角速度为ω2摩擦辊和主轴做相切运动,如果接触面之间的打滑现象被忽略,则摩擦辊和所述的主轴的线速度是相同的,有下面等式成立1122RR线速度2.2由于摩擦辊的半径R1是不变的,摩擦辊的角速度和线速度的结果的出可以通过计算每个单位时间的光电编码器的反馈脉冲个数的测得。因为主轴的连续卷绕,摩擦辊的直径也相应的变大了,为了确保恒定的线速度,就要保证实时的调整主轴的转速,在系统中就是实时调整输出到主轴马达的变频速度,也就是调节频率的大小一旦卷筒直径增大,那么就要把输出频率调小。根据式2.2,线速度为主轴角速度与半径的乘积,而角速度nw22,所以可得出112222RRnR线速度2.3式中n为主轴转速。在卷取部分正常运行时,线速度被要求保持恒定,所以从式2.3中可以看出来,筒径和主轴转速的频率正好是反比的关系,它们之间的关系如图2.2所示。筒径主轴转速r2r1n2n1图2.2主轴与筒径关系图在图2.2中,筒管初始的半径为1r对应此时的主轴频率为2n,满卷时的半径为2r(对应此时的频率为n1。由于1r和2r是卷绕前就确定的。算出1n和2n,设卷绕所需线速度为v线,则v线122122rnrn211260160122fsfsrrZPZP2.4式中1f对应1n时的主轴变频的频率,2f对应2n时的主轴变频的频率P为异步电机极对数,s为转差率,Z为传动比。121201vPZfrs线2.5211201vPZfrs线2.6则当筒径为r时,所需的主轴变频频率应为1201vPZfrs线2.7式中v线单位为米/分,f单位为赫兹,筒径r单位为米。式2.5和式2.6就确定了主轴变频转速的上下限的数值。当卷筒半径从r1逐渐增大到2r时,主轴所需的工作频率由式2.7实时计算出来,通过R485通信,传送到主轴变频器去控制转速。图2.3所示的控制系统中,主调节器为张力调节器,主调节器接受张力定值信号速度调节器为主轴转动时线速度的恒定,电流调节器是保证电机的稳定。两条副回路只是在卷取过程中起粗调作用,而主回路才是对卷取张力的细调。当张力高于或低于设定值时,其调节器发生调节信号,校正卷取系统的给定值。不断纠正张力,保持卷取时张力的恒定。张力调节器速度调节器电流调节器整流装置速度传感器张力传感器张力给定值电流传感器实际张力值图2.3卷取张力控制系统方案2.4.2排丝控制方案排线由伺服电动机带动实现。为实现等螺距卷绕,只要保证绕线轴转速和横向排线运动速度比值保持恒定即可。即实现在绕线轴每旋转一周的同时,排线移动一个线缆直径的距离。PLC向排线轴伺服驱动器发送的脉冲频率决定了往复排线速度,其脉冲频率计算公式为frsRFFFF(2.8)式(2.8)中,F为脉冲频率,R为线缆直径即绕线轴每旋转一周排线滑叉移动的距离,sF为排线螺叉横向移动单位距离需要向伺服驱动器发出的脉冲数,rF为绕线轴旋转一周的反馈脉冲数,fF为绕线轴电动机反馈脉冲频率。在程序中使用脉冲输出连续模式输出给定频率的脉冲串,实现速度跟随同步控制。PLC接收绕线轴旋转编码器的脉冲并进行高速计数,当到达指定的脉冲数PsmPP,m为每层卷绕圈数,sP为绕线轴旋转一圈脉冲数,即绕线完成单层绕线时,产生高速计数中断,在中断处理程序中改变输出给伺服驱动器的脉冲输出方向,实现伺服电动机换向,并将脉冲计数当前值清零和卷绕层数递增。为了防止意外出现的断电造成卷绕失败,在循环程序中将伺进给方向、当前高速脉冲计数当前值、卷绕层数等参数进行保存,这样,在断电重新通电后,就可以根据保存的参数继续运行,而不必再重新校正。在卷绕过程中,焊丝必须被螺旋状均匀地缠绕在丝筒上,如图2.4所示图2.4螺旋状卷绕图2.4是卷绕过程中丝筒的示意图。焊丝在丝筒上的缠绕是呈螺旋状的,这样才能保证纤维被紧密、均匀地缠绕在丝筒上。螺旋状卷绕是靠卷绕过程中排丝器的横向往复运动形成的。在本系统中,排丝器的往复运动的动力来自于伺服电机,而丝筒的旋转动力来自于旋转电机。因为圈数并非整数,相邻两层的纤维位置会略微错开,而不会落在相同位置,从而保证了整个卷绕过程中纤维被均匀地缠绕在丝筒上。在来回往复排丝过程中,要保证快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内nomhnPuVn3max10(2.9)式中,nomn为电机的额定转速(r/min)n为快速行程时电机的转速(r/min)maxV为直线运行速度(m/min)u为系统传动比,丝杠电机nnu/hP为丝杠导程(mm)。根据伺服电机的工作曲线图2.4,负载转矩满足当机床做无负荷运行时,在整个速度范围内,伺服电机轴上的负载转矩的增加是连续的,并且在电动机的额定转矩范围内,即在工作曲线的连续工作区最大负载转矩加在周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加在电机轴的负载转矩可以被转换成施加到电机轴上的负载转矩CLTLFT22.10式中,LT为折算到电机轴上的负载转矩(mN)F为轴向移动工作台时所需的力(N)L为电机每转的机械位移量(m)CT为滚珠丝杠轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转矩(mN)为驱动系统的效率。最高工作转速连续工作区断续工作区最大允许力矩瞬时工作区整流线1整流线2nM图2.5伺服电机工作曲线在排丝过程中,直线单元的行进速度与主轴转速相匹配。同伙主轴上安装的速度传感器,测算出主轴的旋转角度N转/秒。工字轮上焊丝沿轴向的移动速度为NV2.11其中,为焊丝线径,单位mmV的单位为smm/。为保持排丝机构和主轴上的焊丝移动速度的同步,即保持固定的滞后角,直线但愿你的推进速度应等于V,以确保准确的同步滞后角,直线运动单元的行进速度应等于V加上角度回路输出值(偏移量)。V转换成伺服电机的转速(脉冲数/秒)为//秒个脉冲速率dNM(2.12)其中,N为主轴的旋转角速度(转/秒)为焊丝线径(毫米)M为伺服电机码盘的每圈线数d为滚轴丝杠的导程(毫米/转)。根据(2.12)伺服电机给定脉冲速率的计算公式,可知伺服电机脉冲速率的取值范围为025000sp/。图26中的主调节器为位置调节器,保证每次排丝都能达到所需的位置,接下来传递给质量调节器,到达一定位置后能往相反的位置行走。在整个过程中,要保证导轨丝杠行走的速度保持一定。通过速度调节器,保证速度保持稳定。位置调节器矢量调节器速度调节器位置反馈给定位置速度传感器实际位置给定速度伺服电机图2.6排丝控制系统方案2.3.3保护控制系统方案在排丝机运行的过程中,限位开关由于年久或者出现损坏可能会出现失灵的情况,所以要给正反限位开关处安装两个限位保护开关。当限位开关出现失灵的情况下,限位开关保护开始工作,使得排线器碰到限位保护开关后向反方向运转。另外,当按下启动按钮时或者在运行过程中出现故障时,则按下急停按钮,那么整个系统的运转都会停止。防止故障带来的一些其它事故。如图2.7为保护系统控制方案限位开关限位保护开关位置反馈给定位置矢量调节器实际位置图2.7保护控制方案2.3.4停车控制系统方案定长停车和紧急停车的控制思想都是基于对浮力辊位置的检测,按照一定的控制算法控制主电机和放线装置的减速。在人机界面先设置减速料位下限,此下限作为系统的给定

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