焊絲層繞機(jī)恒張力的技術(shù)改造

黃旭釗（廣東生和堂健康食品股份有限公司，廣東江門，529100）

焊絲層繞機(jī)恒張力的技術(shù)改造

黃旭釗
（廣東生和堂健康食品股份有限公司，廣東江門，529100）

本文通過對焊絲層繞機(jī)的工藝要求、控制系統(tǒng)的分析，闡述了在收放卷上應(yīng)用PLC運(yùn)算和PID調(diào)節(jié)的方式來控制變頻器，以實(shí)現(xiàn)恒速恒張力功能，改造后提升了機(jī)器的性能和工作效率，取得良好的效果。

恒速度；恒張力；PID調(diào)節(jié)

一客戶是焊業(yè)公司有兩臺舊式的的焊絲層繞機(jī)由于使用時(shí)間長且技術(shù)落后（被動放卷，靠摩擦力來控制張力，且不能反轉(zhuǎn)倒車），已經(jīng)停用了一段時(shí)間。為舊物利用，要對那兩臺舊機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造。通過更改原機(jī)的控制方式，在放線機(jī)臺上增加一臺變頻電機(jī)作主動放卷，提高響應(yīng)速度，而且還能實(shí)現(xiàn)倒車收線。排線機(jī)構(gòu)使用步進(jìn)電機(jī)，在浮輥上連接一個(gè)編碼器作位置檢測，以實(shí)現(xiàn)張力恒定。通過PLC計(jì)算和PID輔助調(diào)節(jié)，經(jīng)模擬量輸出控制變頻器，以實(shí)現(xiàn)恒速恒張力的控制，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

1　系統(tǒng)要求和分析

焊絲層繞機(jī)是典型的收放卷系統(tǒng)，主要是把經(jīng)酸洗、鍍銅后的大盤焊絲分裝層繞到標(biāo)準(zhǔn)的塑盤上。機(jī)器改造后要求能準(zhǔn)確計(jì)米、計(jì)重，誤差在0.5%以內(nèi)；能自動減速停車；有斷線檢測自動停機(jī)功能；實(shí)現(xiàn)恒張力、恒線速控制；能夠反轉(zhuǎn)倒車收線，起停平穩(wěn)，無斷絲。

現(xiàn)在的變頻器性能先進(jìn)，起停曲線平滑良好，是傳動系統(tǒng)的首選。恒速恒張力的方法是：速度值=理論計(jì)算值+PID修正值。

2　系統(tǒng)的組成和運(yùn)行

系統(tǒng)主要由收、放卷和張力機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。松開放卷上的剎車裝置，焊絲從放線盤拉出，在浮輥上纏繞3圈，以減少線速度波動帶來的張力變化。現(xiàn)場稱浮輥的動輪叫舞輪，它與位置反饋編碼器連接，浮輥的高低變化會改變編碼器輸入到PLC的值，通過這個(gè)值的大小來反映浮輥位置的變化。使用張力反饋時(shí)一般設(shè)的位置值是浮輥中間位置，張力大小的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)“張力調(diào)節(jié)氣缸”的氣壓來實(shí)現(xiàn)。過了浮輥，焊絲穿過測速輪，測速輪后面裝有一個(gè)同軸的10齒圓盤，每轉(zhuǎn)一圈向PLC輸入10個(gè)脈沖，可利用單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖數(shù)×測速輪周長/10，計(jì)算線速度。測速輪前有一個(gè)斷線檢測機(jī)構(gòu)，斷線信號輸入到PLC立即執(zhí)行停機(jī)程序。焊絲穿過一套校直排線機(jī)構(gòu)，使用步進(jìn)電機(jī)帶動，兩邊限位配合焊絲的直徑和收卷速度來回移動。焊絲的直徑可在觸摸屏上直接輸入準(zhǔn)確數(shù)字，收卷盤上裝有轉(zhuǎn)速傳感器，能檢測到收卷盤的當(dāng)前轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)方向。控制器選用了三菱FX3U-64MT，外加一個(gè)2DA模塊。

圖1　系統(tǒng)示意圖

3　隨速和張力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1收絲恒速控制。本系統(tǒng)一個(gè)重要的指標(biāo)就是要求實(shí)際速度V和設(shè)定目標(biāo)速度V0一致，并且恒定。先分析收卷方面，收卷盤的卷徑是不斷變化，控制轉(zhuǎn)速n的電壓信號要跟隨卷徑的增大而慢慢減少，要抓住這個(gè)變化規(guī)律才能控制好收卷速度的恒定。可以利用公式

式中n為單位轉(zhuǎn)速，D是收卷盤直徑， V為單位線速度。在剛起速時(shí)，速度V=0，收卷塑盤的底徑D0是標(biāo)準(zhǔn)已知的，通過基本公式（3-1）的變形：n= V0/（π*D0），輸出控制收卷轉(zhuǎn)速的電壓信號，通過測V的反饋和PID運(yùn)算，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速。

收卷過程中，直徑D不斷增大，當(dāng)測速輪測到的速度值V= V0時(shí)，可用公式（3-1）的另一個(gè)變形D=V/（π*n）進(jìn)行卷徑計(jì)算，而得知當(dāng)前收卷盤直徑，再用當(dāng)前的D值代入到轉(zhuǎn)速公式里，如此循環(huán)使收卷線速度恒定，成為一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)。如果中途因故停機(jī)，會記錄著當(dāng)前的直徑，重新起動時(shí)直接調(diào)用。當(dāng)層繞一盤完成后換塑盤時(shí)會把當(dāng)前直徑D復(fù)位為底徑D0。

3.2放絲恒張力控制。分析放卷有兩個(gè)方面，一個(gè)是和收卷線速度同步的速度控制，另一個(gè)就是恒張力控制。速度控制方面和收卷一樣根據(jù)公式（3-1）來控制，放卷的初始直徑也已知，放卷中其直徑不斷增大。當(dāng)V=V0，且舞輪當(dāng)前值C=設(shè)定值C0時(shí)，根據(jù)當(dāng)前模擬量的值得知轉(zhuǎn)速n1，從而計(jì)算出當(dāng)前直徑D1。運(yùn)算過程為了提高準(zhǔn)確性，需使用浮點(diǎn)運(yùn)算。

張力控制上，通過張力氣缸的向上壓力、焊絲的張力和舞輪的自身重力的合力，構(gòu)成一個(gè)平衡的系統(tǒng)。因同種焊絲時(shí)氣缸的壓力相同，忽略張力氣缸，可以把整個(gè)張力系統(tǒng)簡化成圖2。

圖2　張力系統(tǒng)簡化圖

V1是收卷線速度，它和設(shè)定目標(biāo)速度已經(jīng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。V2是放卷線速度，和設(shè)定目標(biāo)速度之間是開環(huán)控制。舞輪的移動則又線速度V1和V2決定。當(dāng)V1＞V2時(shí)，舞輪上移，PLC接受到反饋需提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，使放卷線速度V2上升與V1平衡舞輪也下移回到平衡位置；當(dāng)V1＜V2時(shí)，舞輪下移，其控制過程應(yīng)和上面相反；僅當(dāng)V1=V2時(shí)，動輪處于平衡位置。PID控制必須穩(wěn)定而迅速地完成上述控制過程。因?yàn)樵诖┚€過程中，焊絲在浮輥上纏繞了3圈，使放卷線速度對舞輪位置的影響降低了3倍；在平衡位置的變化過程中，只要不是到了上下極限，氣缸壓力和舞輪的自身重力不變，那么焊絲的張力就不變，實(shí)現(xiàn)恒張力控制。在舞輪底部安裝一開關(guān)，既可以作為編碼器計(jì)數(shù)清零輸入，也可以作為斷線檢測的冗余輸入。

4　結(jié)語

從上述分析可以看出，張力閉環(huán)速度控制主要還是一個(gè)速度同步的恒線速度控制系統(tǒng)。經(jīng)一段時(shí)間使用后，系統(tǒng)穩(wěn)定、故障率低、可靠性高，滿足客戶的生產(chǎn)要求。

三菱電機(jī) FX3U編程手冊（基本）應(yīng)用指令說明書［M］.2009.

Technical improvement of constant tension of wire layer winding machine

Xu Zhao Huang
（Guangdong health food and health food Limited by Share Ltd Jiangmen Guangdong，529100）

In this paper，the process of layer of wire winding machine， control system analysis，elaborates the rollout in application of PLC operation and PID regulation way to control the frequency converter， in order to achieve constant speed constant tension function， after transformation， enhance the performance of the machine and working efficiency，achieve good results.

constant speed；constant tension；PID adjustment