全鋼子午線輪胎成型機新胎面滾壓機構的平移擺轉控制

李保奎

（北京貝特里戴瑞科技發展有限公司，北京　100024）

全鋼子午線輪胎成型機新胎面滾壓機構的平移擺轉控制

李保奎

（北京貝特里戴瑞科技發展有限公司，北京100024）

滾壓機構是全鋼子午線輪胎成型機的重要的部件，位于成型鼓后，正對成型鼓。對成型過程中的胎胚進行滾壓，滾壓軌跡符合輪胎理想曲線，驅除輪胎胎層氣泡并壓實各胎層。原來滾壓機構的平移、擺轉動作機械結構復雜，維護工作量大。本文介紹一種新的滾壓機構，其結構簡單，方便調整，對電器控制也提出了更高的要求。本文重點分析新滾壓機構的平移、擺轉動作軌跡以及控制過程中可能出現的問題。

滾壓平移；滾壓擺轉；擺轉圓心；擺轉干涉

輪胎的生產需要多道工序和工藝：準備生膠，膠料配制，簾布和織物的加工掛膠，簾布和織物的裁斷，胎面、鋼絲圈和其他部件的制造，輪胎成型、硫化。其中以成型這步最關鍵也是最難實現的一步。輪胎成型就是把預先加工好的輪胎各部件在成型機上貼合、滾壓形成胎坯。在輪胎滾壓成型的過程中，滾壓機構的結構差異較大，有的組合壓輥為兩壓輥式，有的是3組壓輥，比較先進的有4組壓輥。壓輥的數量越多代表壓輥功能明確，針對性強，有利于輪胎品質的提高，同時減少輪胎成型周期，提高了生產效率。本文重點介紹滾壓機構上一種新的胎面壓輥結構，其結構簡單成本低廉方便調整和維護，并且占用空間小可以輕松的和其他功能壓輥組合成多壓輥機構。

1　機械機構對比

圖1所示是原來的胎面滾壓機構，擺轉動作通過對稱的兩套蝸輪蝸桿機構和連桿機構實現，整個擺轉機構再由一個絲杠驅動完成左右開合的平移動作。由圖1可見原來的滾壓機構機械結構復雜，裝配難度大，傳動系統復雜容易產生磨損進而影響滾壓精度，而且不方便維護和更換。新的滾壓機構如圖2所示，機械結構簡單許多，使用前后平行的兩根絲杠配合運動即可同時完成擺轉和平移動作，維護工作量很小而且方便調整。

圖1　原有滾壓機構

圖2　改進后滾壓機構

2　電控方案簡介

新胎面壓輥機構的電控方案如圖3所示，采用AB系統ControlLogix控制器完成邏輯控制、數據運算和運動控制功能； Kinetxi6000系列驅動器驅動兩臺伺服電機分別用于前絲杠和后絲杠的定位控制；極限開關、報警指示等外部輸入輸出點接入分布式I/O，通過以太網和ControlLogix控制器完成通訊；一個HMI設備用于胎面滾壓機構的標定和配方參數的修改、保存、上傳、下載。滾壓機構的控制是整個成型機控制系統的一部分，圖3只是表示滾壓控制涉及到的系統組成。

圖3　新滾壓機構的電控方案

3　平移、擺轉動作分析

3.1平移動作分析

圖4是前后絲杠控制平移擺轉的示意圖，O點是擺轉動作的圓心也是胎面滾壓輪與胎坯的接觸原點，在平移和擺轉過程中胎面滾壓輪與胎坯的接觸點在A' A上移動。P點、Q點分別是前絲杠和后絲杠的中心。假設當前胎面滾壓輪位置在ABC這條線上，角度值為α。首先討論滾壓平移動作，即胎面滾壓輪位置從ABC運行至A' B' C' 并且α=β。完成平移動作只需前、后兩根絲杠以相同的速度運行相同的位移即可。可直接在HMI上設置滾壓平移的目標位置和運行速度，程序根據工藝人員設定的位置和速度控制伺服電機完成相應的絕對定位任務。

圖4　平移控制示意圖

由于當前胎面滾壓輪位置ABC是一個任意位置所以必須先計算出當前平移位置值和角度值的大小，這也是H M I上非常重要的顯示信息。

滾壓擺轉當前角度

滾壓平移當前位置：

∠α根據前、后絲杠的當前位置差和前、后絲杠的間距計算出來，AO是根據任一根絲杠當前位置減去產生擺轉角度的位移計算得出，前、后絲杠的當前位置可以通過伺服電機的編碼器反饋直接獲得。下面計算胎面滾壓輪移動至A'B'C'時前、后絲杠的位置。

前絲杠目標位置：B'P=A'O-AO+BP

后絲杠目標位置：C'Q= A'O-AO+CQ

對于前絲杠，BP可以由編碼器反饋直接獲得，A'O是通過HMI直接設定的目標位置，AO是前面式②計算出的當前滾壓輪的平移位置。后絲杠表達式類似。前、后絲杠的運行速度是相同的，通過H M I設定獲得。根據計算出的B'P、C'Q和HMI設定的速度即可控制伺服電機進行絕對定位完成滾壓平移動作。

3.2擺轉動作分析

擺轉動作分析：如圖5所示，ABC是當前位置，通過式①、式②計算可以獲得α和AO的值，當滾壓擺轉時，平移位置AO不變，擺轉角度由α變為β，胎面滾壓輪位于AB'C'。

圖5　擺轉控制示意圖

要完成滾壓擺轉動作前、后絲杠需同時運行，但運行的位移和速度并不相同。首先計算前、后絲杠的目標位置，根據圖5所示三角關系可得如下公式：

前絲杠目標位置：

后絲杠目標位置：

對于前絲杠，BP可以由編碼器反饋直接獲得，∠α通過式①計算得出，∠β是HMI設定的目標位置，OP是根據機械安裝確定的常數。后絲杠表達式類似。分析前、后絲杠目標位置的表達式發現存在如下的等比關系：

計算滾壓擺轉的運行速度：程序無法直接使用由HMI輸入的速度設定值Vβ，但是前、后絲杠的運行時間t是相同的并且t=(β-α)/Vβ。

前絲杠運行速度：

V前= B'B/t= OP×[tan(β)-tan(α)]× Vβ/(β-α)

后絲杠運行速度：

V后= C'C/t= OQ×[tan(β)-tan(α)]×Vβ/(β-α)

觀察速度表達式發現運行速度也存在如下的等比關系：V前/V后=B'B/C'C=OP/OQ。

綜上滾壓擺轉時前、后絲杠的運行距離和運行速度存在相同的比例關系，比值都是OP/ OQ，即擺轉圓心至前絲杠的垂直距離與擺轉圓心至后絲杠的垂直距離之比。

3.3動作分析總結

通過對圖4、圖5的分析發現：當滾壓平移時前、后絲杠的位移相同，速度相同即位移和速度的比例關系都是1∶1；當滾壓擺轉時前、后絲杠的位移不同，速度也不同，但具備固定的比例關系OP/OQ，其中OP、OQ分別是擺轉圓心至前、后絲杠的垂直距離。所以程序中對伺服電機進行定位控制時只要計算出任一根絲杠的運行數據，根據比例關系也就獲得了另一根絲杠的運行數據。已經計算出前、后絲杠的目標位置和運行速度只需要一個簡單的絕對定位指令即可實現滾壓平移和滾壓擺轉的運動控制。如圖6所示。

4　需注意的問題

前面提到擺轉圓心至前絲杠和后絲杠的垂直距離，這是兩個非常重要的參數，必須在完成設備裝配后經過現場測量在H M I上進行標定，控制程序根據這兩個參數才可以完成對兩個伺服電機的控制。如果標定值有偏差就會出現下面兩種狀況。如圖7所示，如果OP、OQ的設定值比實際的距離小，滾壓擺轉時滾壓輪圍繞擺轉圓心A點旋轉，滾壓擺轉過程中滾壓平移的位置會逐漸變小，嚴重時左右對稱的兩個滾壓輪會觸發窄限位警告。滾壓擺轉動作影響滾壓平移的位置這在輪胎成型工藝中是不允許的，胎面滾壓時如果滾壓平移位置逐漸變窄很可能會把氣泡封閉在某個胎層中無法排出，會嚴重影響輪胎的滾壓成型質量。

圖6　伺服控制器的運動控制設置

圖7　設定負偏差對運動的影響

另一種情況如圖8所示，OP、OQ的設定值比實際的距離大，滾壓擺轉以A點為圓心旋轉，滾壓擺轉過程中滾壓平移位置會逐漸變大，這也會對輪胎的成型滾壓效果產生影響。

圖8　設定正偏差對運動的影響

5　結論

新的胎面滾壓機構不僅可以實現原有滾壓機構的工藝要求而且構結構簡單，成本更低，長時間運行更穩定，后期維護工作量小。控制上仍然是兩臺伺服電機完成滾壓平移和滾壓擺轉動作，控制規模沒有變化。前、后絲杠的位置關系和速度關系是比例常數，大大降低了數據處理工作量。程序設計簡練，在線計算出滾壓輪的當前位置和當前角度后根據參數設定的目標位置即可計算出前、后絲杠的絕對定位位置值，只需一個定位指令即可實現滾壓平移和滾壓擺轉的動作控制。

（XS-04）

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摘編自“中國橡膠化工網”

Control of transitional turn pendulum of new tread rolling mechanism for all-steel radial tire building machine

TQ330.46

1009-797X(2015)01-0021-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.01.004

李保奎（1982-），畢業于北京理工大學自動化專業，學士學位，從事橡膠裝備設計開發工作。

2014-04-14