輪胎冠帶纏繞張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模

于 鐳，董曉斐

（青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042）

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，半鋼乘用子午線輪胎[1]的需求量不斷增加，人們在選購轎車時(shí)除了關(guān)注其價(jià)格，更多的是關(guān)注其性能和質(zhì)量，尤其是輪胎的耐用性、舒適性及高速操作穩(wěn)定性。為保證輪胎具備良好的均勻性和動(dòng)平衡性，在輪胎生產(chǎn)過程中需要保證胎面冠帶層纏繞緊密且均勻。

目前我國的半鋼乘用子午線輪胎成型機(jī)的窄冠帶纏繞多數(shù)采用傳統(tǒng)的“緩沖+導(dǎo)向”裝置完成纏繞過程中冠帶的儲(chǔ)料和放料，不僅速度慢，而且張力控制精度較差，冠帶纏繞不均勻，廢料現(xiàn)象嚴(yán)重，難以滿足當(dāng)今社會(huì)全自動(dòng)化的生產(chǎn)需求。國外成型機(jī)的冠帶纏繞多采用全自動(dòng)化的張力控制系統(tǒng)設(shè)備，能耗低且效率和精度高，能很好地彌補(bǔ)國產(chǎn)成型機(jī)的不足，但全套成型機(jī)價(jià)格比較昂貴，加之原有設(shè)備仍可生產(chǎn)，更新?lián)Q代對于廠家來說無法接受。為滿足國內(nèi)市場需求，自主開發(fā)冠帶纏繞張力控制系統(tǒng)迫在眉睫。

本工作以改進(jìn)原有半鋼乘用子午線輪胎二次法成型機(jī)為出發(fā)點(diǎn)，以提升輪胎性能為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一款可恒定控制輪胎冠帶纏繞張力的智能控制器，自主研發(fā)張力控制系統(tǒng)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)恒定控制張力、張力過高過低報(bào)警、運(yùn)行過程中手/自動(dòng)切換、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，最大限度地滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

1 張力控制系統(tǒng)建模

1.1 張力控制原理

張力控制系統(tǒng)主要由張力傳感器、帶束鼓測速編碼器、張力控制器、放料伺服電動(dòng)機(jī)、纏繞張力導(dǎo)料機(jī)構(gòu)和觸摸屏組成，重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)放料伺服電動(dòng)機(jī)軸和二次法成型機(jī)擺動(dòng)輥速度同步，難點(diǎn)在于擺動(dòng)輥線速度測量及反饋。為保證張力控制精度，在擺動(dòng)輥速度存在交替多變的情況下，在冠帶輸送導(dǎo)料機(jī)構(gòu)末端設(shè)計(jì)安裝高精度編碼器進(jìn)行冠帶纏繞時(shí)的實(shí)際位置反饋，按位置發(fā)送脈沖頻率信號(hào)至張力控制器中，通過設(shè)置等比脈沖實(shí)現(xiàn)放料伺服電動(dòng)機(jī)和成型機(jī)帶束鼓（或擺動(dòng)輥）纏繞冠帶的速度同步跟蹤，防止因速度不一而產(chǎn)生斷料或冠帶張力跳變現(xiàn)象。

張力控制系統(tǒng)以飛思卡爾半導(dǎo)體公司16位DSP MC56F8037為主芯片設(shè)計(jì)張力控制器，選取電子齒輪比為16∶1，同步存在差異時(shí)采取前饋-反饋PID[2-4]補(bǔ)償算法，通過放料伺服電動(dòng)機(jī)位置脈沖精準(zhǔn)控制送料伺服轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)冠帶張力控制。人機(jī)交互操作主要通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)。冠帶張力控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 冠帶張力控制系統(tǒng)流程

1.2 系統(tǒng)功能分析

冠帶張力控制現(xiàn)場如圖2所示。根據(jù)用戶對控制器的功能需求進(jìn)行分析，構(gòu)造出整個(gè)系統(tǒng)框架，設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件并進(jìn)行UML建模[5]。主要控制過程為：張力控制器（即下位機(jī)）通過接收到的張力數(shù)據(jù)和冠帶速度脈沖指令，與張力設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，控制放料伺服電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，以保證同步輸送冠帶，同時(shí)將張力實(shí)時(shí)值、故障報(bào)警等信息反饋給觸摸屏（即上位機(jī)）。具體體現(xiàn)在伺服參數(shù)設(shè)置部分：放料伺服電動(dòng)機(jī)啟停閉鎖，復(fù)位，“位置-位置”凸輪運(yùn)動(dòng)，帶束鼓線速度跟蹤，冠帶纏繞運(yùn)動(dòng)，手/自動(dòng)切換，張力參數(shù)設(shè)置及張力過高/過低報(bào)警等指令。

圖2 冠帶張力控制現(xiàn)場

張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。張力控制操作參與者包括：操作工、系統(tǒng)管理員和放料伺服電動(dòng)機(jī)。操作工通過操作觸摸屏面板控制下位機(jī)，系統(tǒng)管理員通過操作監(jiān)視觸摸屏設(shè)置控制參數(shù)；觸摸屏和張力控制器的連接是張力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制器的工作狀態(tài)通過觸摸屏上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示得以反饋，放料伺服電動(dòng)機(jī)是控制器的執(zhí)行環(huán)節(jié)，執(zhí)行動(dòng)作的同時(shí)通過其光電編碼器反饋其軸位置速度。

圖3 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)

圖4所示為冠帶纏繞時(shí)張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)采樣周期為1 ms，張力電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路濾波和電平轉(zhuǎn)換為主芯片MC56F8037能夠識(shí)別的0～3 V輸入電壓信號(hào)，由控制芯片內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換處理后與張力設(shè)定值進(jìn)行比較，同時(shí)根據(jù)編碼器檢測的帶束鼓纏繞冠帶線速度信號(hào)，對張力系統(tǒng)進(jìn)行前饋-反饋控制。人機(jī)界面可進(jìn)行參數(shù)調(diào)整操作；成型機(jī)PLC（可編程控制器）與張力控制器間進(jìn)行控制使能、報(bào)警及復(fù)位信號(hào)的通訊，張力控制器直接控制送料伺服電動(dòng)機(jī)的啟停與正反轉(zhuǎn)。

圖4 冠帶纏繞時(shí)張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 張力信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

張力信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 張力信號(hào)調(diào)理電路

張力信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)選用張力傳感器的輸出信號(hào)為4～20 mA，為保證信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，信號(hào)調(diào)理電路中的濾波電阻均使用精密電阻。成型機(jī)運(yùn)行現(xiàn)場電磁干擾嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)中使用了模擬信號(hào)隔離的線性光耦，以減小運(yùn)行環(huán)境對于信號(hào)電路的影響。

2.3 軟件

張力控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對輪胎冠帶張力的檢測和PID控制，帶束鼓纏繞冠帶速度檢測，手/自動(dòng)切換使能，緊急啟停控制，伺服開關(guān)檢測、控制，張力過高/過低報(bào)警，系統(tǒng)復(fù)位，觸摸屏通訊等。

系統(tǒng)按上述功能分為初始化模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、觸摸屏顯示模塊、控制算法模塊、報(bào)警及復(fù)位模塊。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行參數(shù)初始化和硬件初始化，讀取FLASH（內(nèi)存）掉電記憶參數(shù)；主程序中以毫秒為單位進(jìn)行張力和帶束鼓速度的實(shí)時(shí)檢測及數(shù)據(jù)采集，當(dāng)張力控制器檢測到成型機(jī)PLC發(fā)送的控制使能信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)均置1時(shí)開始進(jìn)行張力控制；冠帶纏繞過程中張力值超出設(shè)定上限值時(shí)，張力控制器會(huì)停止控制送料伺服電動(dòng)機(jī)，防止張力過高拉斷冠帶；PLC檢測到張力控制器發(fā)出的張力超限報(bào)警信號(hào)時(shí)顯示并待報(bào)警解除后發(fā)送復(fù)位信號(hào)，保證張力控制系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行。系統(tǒng)程序流程（控制算法流程圖）如圖6所示，觸摸屏上記錄到的實(shí)時(shí)張力曲線如圖7所示。

圖6 控制算法流程圖

圖7 張力控制實(shí)時(shí)曲線

帶束鼓開始纏繞冠帶時(shí)將給張力控制器發(fā)送伺服使能信號(hào)，開始張力控制，張力設(shè)定值為10 N，單條胎坯纏繞冠帶時(shí)長約為18 s，實(shí)時(shí)張力始終控制保持為±2 N，且冠帶無跳出、打結(jié)現(xiàn)象。

3 結(jié)語

本工作針對國產(chǎn)半鋼乘用輪胎二次法成型機(jī)的冠帶纏繞裝置特點(diǎn)，在冠帶導(dǎo)料機(jī)構(gòu)上安裝放料伺服電動(dòng)機(jī)控制冠帶輸送速度，帶束鼓纏繞冠帶速度用前饋編碼器來準(zhǔn)確穩(wěn)定測量，張力控制器設(shè)計(jì)采用了光電隔離電路用以減小現(xiàn)場電磁干擾，控制算法采用的是易于工程實(shí)現(xiàn)且參數(shù)調(diào)節(jié)方便的PID控制算法，連續(xù)72 h的穩(wěn)定運(yùn)行表明可以滿足輪胎冠帶纏繞過程中的張力穩(wěn)定控制要求，提高了國產(chǎn)成型機(jī)張力智能控制的精度，手/自動(dòng)切換自如，減少廢料的產(chǎn)生，降低了生產(chǎn)成本，對完善國產(chǎn)成型機(jī)張力智能化控制技術(shù)有重要的意義。