基于Trio運動控制器的框架繞柵機數(shù)字控制系統(tǒng)設計*

胡細東 陳益林 鄭 英

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南張家界 427000）

柵極是電子管的核心零件，框架繞柵機是生產(chǎn)電子管柵極的專用設備。電子管從誕生至今已逾百年之久，雖然隨著晶體管技術(shù)的不斷發(fā)展，電子管的使用領(lǐng)域逐漸縮小，但他依然有晶體管不可取代的尊貴地位，如在音響設備、大型發(fā)射臺、微波爐、太空衛(wèi)星高頻發(fā)射機及醫(yī)療設備上都有廣泛的應用，尤其在音響領(lǐng)域，由于采用電子管功放的音響音色溫順柔和、音樂韻味濃郁，使人百聽不厭，使得電子管的國內(nèi)外需求越來越大。我國從上世紀四五十年代開始試制各種電子管，一度成為電子管生產(chǎn)大國，但是在計劃經(jīng)濟的模式下，采取一刀切的政策，把國產(chǎn)電子管工業(yè)幾乎砍光。然而，隨著電子管需求的增加，在世界大部分電子管企業(yè)停產(chǎn)之后，為數(shù)不多的幾家電子管企業(yè)重新投入了生產(chǎn)，如今又成為電子管生產(chǎn)大國。國內(nèi)電子管柵極的繞制大多采用老式的機械式半自動繞柵機進行繞制，由于電子管產(chǎn)品的多樣化，需要繞制不同直徑、不同長度、不同節(jié)距甚至變節(jié)距的柵絲，當這些參數(shù)變化時，必須更換幾個變速箱內(nèi)的交換齒輪，繞制變節(jié)距柵極時還須更換端面凸輪，操作調(diào)整相當復雜，難度高，需由非常專業(yè)的技術(shù)人員進行調(diào)整，尤其是新產(chǎn)品試制，周期長，成本高。機械式繞柵機齒輪傳動鏈較長，設備工作時噪聲很大，也嚴重影響操作工人的身體健康。

電子管事業(yè)所面臨的技術(shù)問題不容樂觀，屈指可數(shù)的世界幾家電子管生產(chǎn)工廠由于產(chǎn)品變化困難，生產(chǎn)效率不高，已不能滿足電子管品種多樣化和數(shù)量上的需求，已嚴重制約了電子管的發(fā)展。數(shù)字化繞柵機是繞柵機技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。針對目前情況，一是對傳統(tǒng)的繞柵機進行數(shù)字化改造;二是設計全新的數(shù)字控制繞柵機。不管何種方式，采用數(shù)字化控制的繞柵機在控制精度、柔性化、使用方便性、生產(chǎn)效率、工作環(huán)境等方面都將得到極大的提高。因此，設計了一種基于Trio運動控制器的數(shù)字式框架繞柵機。

1 數(shù)字式框架繞柵機的工作原理及系統(tǒng)組成

柵極如圖1所示，柵絲節(jié)距的精度要求十分高，單個節(jié)距允差為±0.005 mm，平均節(jié)距允差為±0.001 mm。

繞柵是在繞柵機上進行的，柵絲與邊桿作相對旋轉(zhuǎn)運動，采用機械割壓方法，將柵絲和邊桿牢固地連接在一起，采用邊桿旋轉(zhuǎn)繞制柵極的工作原理如圖2所示。

數(shù)字式框架繞柵機結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其傳動系統(tǒng)主要有3個運動:車頭主軸及邊桿線輪的旋轉(zhuǎn)運動，邊桿引進及旋轉(zhuǎn)運動，割、壓刀運動。其基本工作原理是:

（1）變頻電動機22通過三角皮帶輪副21帶動車頭主軸20做旋轉(zhuǎn)運動，而邊桿線輪10通過聯(lián)軸器9與車頭主軸聯(lián)接并一道旋轉(zhuǎn);通過改變車頭主軸的旋轉(zhuǎn)速度可改變柵極的繞制速度，從而改變生產(chǎn)率。車頭主軸的變速采用變頻電動機進行調(diào)速，車頭主軸速度由裝在軸5上的旋轉(zhuǎn)編碼器1來檢測;

（2）車頭主軸的旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪副8、軸5、齒輪副3帶動空心軸15做等速旋轉(zhuǎn)運動，邊桿經(jīng)空心軸前端的邊桿夾也與車頭主軸做等速同向旋轉(zhuǎn)運動;伺服電動機12通過絲桿14、螺母13使與之相聯(lián)的空心軸和邊桿夾16一起做軸向引進運動，也就使得邊桿19做軸向引進運動，邊桿引進及旋轉(zhuǎn)運動的傳動關(guān)系保證柵絲節(jié)距。

（3）繞絲時割刀輪先在邊桿19上割出一條螺旋槽，然后通過壓刀輪把絲壓進槽中，柵絲和邊桿一起形成柵極。為提高效率，一般需多個柵極一次進行繞制，兩柵極之間的邊桿不需進行割槽，柵絲處于自由狀態(tài)，進行割槽及壓絲的部分稱之為壓圈，柵絲處于自由狀態(tài)的部分稱之為空圈;割刀18、壓刀17運動由步進電動機2經(jīng)減速器4帶動控制割、壓刀運動的凸輪6、7旋轉(zhuǎn)，凸輪轉(zhuǎn)一圈，繞成一個柵極（包括空圈和壓圈）。

2 控制系統(tǒng)設計

2．1 系統(tǒng)組成及工作原理

數(shù)字式框架繞柵機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于控制邊桿引進與旋轉(zhuǎn)運動的螺旋傳動關(guān)系，以確保柵絲節(jié)距的準確性，同時還需保證繞絲時，割輪與壓輪的協(xié)調(diào)運動，以保證割、壓凸輪轉(zhuǎn)一圈完成一個柵極的繞制。控制系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。

（1）運動控制卡采用翠歐公司的數(shù)字運動控制卡Euro205x，該控制卡可以控制1～4個軸的伺服或步進，或者是兩者的任意組合。Euro205x是一款功能強大但十分經(jīng)濟的控制卡，該運動控制卡支持由上位計算機配置和編寫的多任務程序，滿足客戶對多任務工程的需要，其鏈接程序可以方便地實現(xiàn)螺旋運動要求;控制卡可獨立脫機運行，不需要配置計算機，節(jié)約了成本;具有32－bit的位置計數(shù)，控制精度高;Euro205x本體具有16個內(nèi)置的24 V開關(guān)量輸入口和8個內(nèi)置的輸出口，這些開關(guān)量可以根據(jù)實際需要用于連接控制器的限位信號、原點信號及一些反饋信號;Euro205x有兩個內(nèi)置的RS－232串口和一個RS485口，可以把RS232和RS485中的一個串口設定為MODBUS協(xié)議，用來與PLC或觸摸屏（HMI）進行通訊連接。此運動控制卡完全滿足控制系統(tǒng)的要求。

（2）車頭主軸電動機采用YP系列變頻電動機，由臺安科技E2－2P5－H1F變頻驅(qū)動器驅(qū)動。由于不需經(jīng)常變速，為簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，車頭主軸的速度控制不通過運動控制卡，而是由變頻器的控制面板來調(diào)節(jié)速度。車頭主軸的轉(zhuǎn)角與速度由安裝在軸5上的車頭主軸旋轉(zhuǎn)編碼器NEMICON OVW2－26－2MD完成檢測，作為邊桿引進和割、壓刀運動的基準信號。

（3）邊桿引進運動采用松下MHMDD022P1U伺服電機驅(qū)動，并通過編碼器按一定的速度與精度跟蹤車頭主軸的旋轉(zhuǎn)運動，完成繞絲的螺旋運動軌跡。伺服驅(qū)動器為MADDT120700，伺服電動機編碼器反饋信號接入伺服驅(qū)動器，在驅(qū)動器內(nèi)部形成閉環(huán)控制，以提高控制的精度及控制平穩(wěn)性。

（4）割、壓刀運動采用步進電動機57BYGH301驅(qū)動，步進驅(qū)動器為SH－2024B2。割、壓刀運動通過編碼器與邊桿引進運動相鏈接，實現(xiàn)兩者運動的協(xié)調(diào)。

（5）人機界面采用威綸MT－500觸摸屏，完成參數(shù)設置、運行控制、系統(tǒng)調(diào)整、狀態(tài)顯示等功能。開關(guān)量控制完成系統(tǒng)的啟動、停止、安全保護等功能。

2．2 軟件設計

軟件設計包括系統(tǒng)控制軟件設計和人機界面軟件設計。

2．2．1 系統(tǒng)控制軟件

Euro205x的運動控制程序采用Trio BASIC多任務語言編制。通過運行在PC機上的Motion Perfect軟件將編制好的運動控制程序下載到Euro205x內(nèi)即可脫機運行。用戶程序運行時，稱為一個“任務”或一個“進程”，任務具有不同的優(yōu)先級，Euro205x可以同時運行五個任務，其中5、4為高優(yōu)先級，主要用于要在每個伺服周期都要進行處理的任務、具有大量的運算和處理的任務以及任務啟動后程序執(zhí)行速度基本不變的任務。1、2、3為低優(yōu)先級任務，程序執(zhí)行速度會隨任務的增加而降低。系統(tǒng)為每個任務分配一定的時間運行，Euro205x分配任務時間策略是:伺服周期缺省值是1 ms，該周期在內(nèi)部被分成3個時間片，每個時間片為1/3 ms，分別在內(nèi)部處理伺服功能、通信和“內(nèi)務處理”，在每個時間片內(nèi)剩余的時間被用于運行用戶程序。該系統(tǒng)設置3個任務，任務7用于處理急停、保護門鎖、復位等安全保護任務，任務6用于運動控制及繞柵機邏輯控制任務，任務4用于處理繞柵機參數(shù)調(diào)整、狀態(tài)顯示及調(diào)試等任務。

在任務6中，為保證繞絲的精度及割、壓刀的協(xié)調(diào)運動，在程序設計中采用電子齒輪函數(shù)MOVELINK來實現(xiàn)。MOVELINK指令通過軟件電子齒輪與鏈接軸的測量位置建立鏈接，從而在基本軸產(chǎn)生任意模式的運動，即基本軸跟根據(jù)運動關(guān)系蹤鏈接軸。圖5為由電子齒輪函數(shù)控制的輸入與輸出關(guān)系曲線。從圖可以看出，通過改變相關(guān)參數(shù)能實現(xiàn)不同的輸入與輸出的關(guān)系，幾個鏈接函數(shù)可以疊加，產(chǎn)生更為復雜的輸入輸出關(guān)系曲線，如繞制變節(jié)距柵極時只要在定節(jié)距的基礎上附加一個MOVELINK函數(shù)，這樣大大地簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及編程。而輸入與輸出關(guān)系的變化可以直接控制圖6中的滾珠絲杠螺母副的螺母相對邊桿的直線運動速度，從而滿足柵極不同節(jié)距甚至變節(jié)距的繞制要求。在程序中，繞絲運動軸及割、壓刀運動都與車頭主軸編碼器檢測的主軸運動相鏈接，采用3個鏈接函數(shù)來實現(xiàn):

其中BASE（0）指定輸出軸為邊桿的引進運動，BASE（1）指定輸出軸為割、壓刀凸輪旋轉(zhuǎn)運動，MOVELINK函數(shù)1中參數(shù)“VR（1）”為編碼器反饋的主軸轉(zhuǎn)速，參數(shù)“VR（2）”為邊桿移動的距離，參數(shù)“3”為鏈結(jié)軸即主軸（由編碼器反饋來代替），此函數(shù)保證定節(jié)距的關(guān)系;MOVELINK函數(shù)2中參數(shù)“VR（3）”為邊桿附加移動的距離，與函數(shù)1疊加保證變節(jié)距的關(guān)系;函數(shù)3中參數(shù)“VR（4）”為割、壓刀凸輪的旋轉(zhuǎn)速度，函數(shù)保證凸輪轉(zhuǎn)一圈繞制一個柵極。

這種位置跟蹤編程方式可以確保柵絲的單個節(jié)距和平均節(jié)距的精度，方便地實現(xiàn)節(jié)距的變化及變節(jié)距的柵極的繞制，這樣做還有一個優(yōu)點就是，當斷絲后可通過手動轉(zhuǎn)動主軸繞絲后再自動繞絲，可減少昂貴的柵絲及邊桿的浪費。

2．2．2 人機界面設計

人機界面采用EB500組態(tài)軟件進行設計，EB500提供的多種控制器件庫、圖形控件、功能控件，可以組態(tài)出各種動態(tài)功能和控制功能，以及實現(xiàn)故障的可視化，界面整潔、美觀，操作簡單、方便。

觸摸屏通過RS485接口與運動控制卡實現(xiàn)雙向通訊。通訊內(nèi)容包括繞絲參數(shù)的設置、繞柵機運動控制、運動狀態(tài)顯示、報警狀態(tài)顯示等內(nèi)容。圖7為人機界面。

3 結(jié)語

本項目主要研制具有適應多品種開發(fā)生產(chǎn)、控制精確度高、良好的控制平穩(wěn)性、操作簡便、勞動強度低、生產(chǎn)效率高的繞柵機數(shù)字控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用伺服電動機和步進電動機來實現(xiàn)柵極繞制運動，通過數(shù)字運動控制卡進行控制，因而柵絲節(jié)距調(diào)整可直接通過觸摸屏改變參數(shù)就可以很方便地實現(xiàn)，也可很方便實現(xiàn)變節(jié)距柵極的繞制，能大大縮短調(diào)整時間，降低調(diào)整工人的勞動強度和技術(shù)要求，不需要配備專業(yè)的調(diào)整技術(shù)人員，同時大大地縮短了新產(chǎn)品的投放時間和投放成本;由于采用數(shù)字控制，縮短了傳動鏈，提高了傳動精度，易于保證柵絲節(jié)距精度;設備噪聲大大降低，改善了工人的勞動環(huán)境;系統(tǒng)所有參數(shù)及過程控制由軟件來實現(xiàn)，使得操作更簡單，維護更方便。設備已投入生產(chǎn)使用，取得了良好的經(jīng)濟效益。

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