新型高速鋼絲圈成型機床控制系統設計*

馬 榛 王俊勃 劉江南 姜鳳陽 孫國梁 衛晉波

(西安工程大學材料工程學院，陜西 西安710048))

高速鋼絲圈作為環錠細紗機的重要部件之一，在細紗加工過程中配合鋼領完成紗線牽引、加捻和卷繞成紗，是影響成紗質量的核心部件[1-3]。為提高成紗質量，研究人員從調整鋼絲圈圈型、截面形狀與熱處理來改善鋼絲圈的性能[4-5]；同時改進鋼絲圈成型機，將其模塊化設計并提高了整體成型效率，但控制系統簡易難以實現各工位間差速配合運行，換型柔性較差[6]。

目前國內鋼絲圈生產企業大多使用單輸入多輸出的純機械設備。鋼絲圈的沖裁長度按機構設計參數確定，長時間運行下凸輪與凸輪隨動器磨損嚴重沖裁長度精度無法保證，同時加快成型速度會加劇凸輪的磨損，生產效率提升困難，并且傳統設備生產的鋼絲圈質量誤差偏高，部分合格產品僅剛達到±1.5%的優質標準[7-8]。因此，提高鋼絲圈成型機的自動化水平與生產效率，進一步降低鋼絲圈的質量誤差，成為國內各鋼絲圈生產企業的重要目標。

本文設計研發了一臺適用于新型高速鋼絲圈成型機床的控制系統，其核心為可編程邏輯控制器(PLC)[9-10]，設計送絲系統將沖裁長度參數化以解決成型精度問題。設計成型系統與供料系統運用變頻調速功能實現了設備高速成型與間歇自動供料。設計人機交互系統與反饋報警系統進一步提高設備的可控性與安全性。

1 系統與設備

1.1 系統總體設計

高速鋼絲圈成型機的控制系統將分為供料系統、送絲系統、成型系統、人機交互系統和反饋報警系統?？刂葡到y結構框圖如圖1所示，PLC作為系統的控制核心接收控制面板輸入的成型參數，如供料頻率、送絲長度、成型頻率和定時運行時間等，將成型參數經控制器(ST20)轉換為模擬量和數字量分別輸入到變頻器與伺服驅動器，經過信號處理輸出頻率控制量(u1)、位置模擬量(u2)和頻率控制量(u3)控制機床電機組按程序配合運行。各工位都裝有接觸傳感器，實時地監視絲料的運行狀況，若有走料異常，傳感器將向PLC傳輸數字量激活反饋報警程序。

1.2 整機工作流程

模塊化的系統分配將分別控制高速鋼絲圈成型機供料、矯直、開窗、送絲和成型5部分。如圖2所示，高速鋼絲圈成型機的工作步驟如下：

(1)將鋼絲圈絲料置于圖2a中放料工位1，供料盤在供料系統的控制下實現間斷恒速放料。

(2)絲料被拉拽經過圖2a中矯直器2，進行矯直定位。

(3)矯直完成后進入圖2a中開窗工位3,進行開窗處理。

(4)絲料進入圖2a中送絲工位4時，由于不同型號鋼絲圈沖裁長度的差異，絲料送至成型工位5的長度將通過送絲程序精確控制，按特定間隔時間定長送絲。

(5)送絲完成后立即激活圖2a中成型工位5，絲料將被切斷折彎，并在左右兩側頂刀的幫助下快速成型。

設備利用圖2b中同步帶4連接各工位主軸代替了凸輪傳動方式，為提高成型效率做準備。

2 系統硬件與軟件設計

2.1 送絲與成型機構設計

為實現間斷定長送絲確保沖裁長度的一致性，設計了送絲與成型機構如圖3所示。調節壓緊螺栓4與彈簧3確保絲料被壓緊于主動送絲輪1和隨動壓絲輪2之間，絲料利用兩輪間的摩擦力實現間斷送絲經走絲板定位確保送絲橫向位移不會發生偏移。由圖2b中同步帶4將伺服電機主軸與送絲輪主軸相連帶動送絲輪轉動，利用絲料與兩輪之間的摩擦力實現間歇定長送料。燕尾槽型X軸滑臺8上設有鎖死旋鈕和刻度尺，調節滑臺位置確保定長限位開關7與原點限位開關6之間預留適當的送絲距離，二者配合觸摸屏實時監控送絲長度變化。

2.2 PLC選型與I/O地址分配

高速鋼絲圈成型機控制系統采用SIMATIC S7-200(smart) PLC為主控制器，CPU為ST20，該型號有12路數字量輸入和8路數字量輸出，并且CPU ST20有針對單相和A/B相的高速計數器。PLC接線圖如圖4所示，系統的輸入信號包括儲料緩存機構處的上極限下極限信號、供料變頻器的報警信號、連續送絲處的缺料檢測信號、伺服電機的故障報警信號、成型變頻器的報警信號以及控制面板上的啟動停止信號9個輸入信號；輸出點信號包括連續送絲處脈沖+方向信號、供料和切斷成型兩處模擬量輸出信號、供料工位進行正轉和反轉信號、正常運行指示燈和報警指示燈信號9個輸出信號。

由于該型號PLC只能輸出數字量，因此加裝型號為EMAQ02(2AQ)的模擬量輸出擴展模塊經D/A轉換將數字量轉換為模擬量控制變頻器的輸出頻率[11-12]。

2.3 上位機觸摸屏界面設計

設備選擇昆侖通態觸摸屏TPC1065K為上位機，利用組態軟件系統MCGS對觸摸屏用戶窗口進行人機交互界面編輯，并通過通訊口RS-485與PLC建立通信。成型機人機界面如圖5所示，主界面分別顯示了工件數、缺料和故障檢測等，通過送料、供料和成型區的電機啟停按鈕實現對鋼絲圈成型機開機前各工位機械位置的調整；參數設定界面可以設置伺送絲長度、供料與成型的電機頻率和運行時間等；故障信息界面設置了供料、送絲和成型工位報警指示燈[13]。

2.4 模糊位置定位算法

伺服電機帶動送絲輪進行高速間斷送絲時由于慣性會產生極小的長度誤差，誤差累計至上千次后質量誤差會明顯增高，為此系統設計了模糊位置定位算法依靠原點限位開關和定長限位開關進行長度檢測。如圖6控制流程圖所示，在執行送絲程序時送絲長度需滿足設定的精度要求，當長度誤差累積超過精度范圍時，需立即執行回原點程序。由此構造模糊位置定位公式[14]：

(1)

式中：f(x)為實數域上的模糊數，表示x的隸屬程度變化，x為實際送料長度，a為誤差范圍內的最小送絲長度，b為標準送絲長度，c為誤差范圍內的最大送絲長度。

當f(x)等于0時實際送絲長度不滿足精度要求，運行回原點程序，誤差清零；當f(x)等于1時實際送絲長度為標準送絲長度，實際值等于標準值誤差為0。以型號為FO，規格1/0的鋼絲圈為例，已知其標準送絲長度為11.7 mm，為了保證成型效率允許質量誤差在優質范圍±1.5%以內，設定最大送絲長度為11.87 mm，最小送絲長度為11.52 mm，由此可得最終a、b、c的值。

同時脈沖數與送絲長度的換算公式如下：

(2)

(3)

式中：A為電子齒輪比(分母)，B為電子齒輪比(分子)，m為伺服電機旋轉的圈數，n為負載軸旋轉的圈數,NX為編碼器分辨率，N為負載軸轉一圈所需的脈沖數，R為負載軸半徑，π為圓周率，n1為指定送絲距離所需脈沖數，L為指定送絲長度。

根據具體送絲長度L，PLC和伺服驅動以位置控制模式(脈沖+方向)來控制送絲距離[15-16]。通過式(2)和(3)設定伺服驅動器參數N為10 000 脈沖/r，已知送絲輪半徑R為40 mm，代入上述公式可得高速鋼絲圈成型機送絲長度刻度為0.025 1 mm/脈沖。由此可設定型號為FO，規格1/0的鋼絲圈標準送絲長度對應的脈沖數為466，設定最大送絲長度對應的脈沖數為474，最小送絲長度對應的脈沖數為460。

3 實驗與分析

在觸摸屏上設定型號為FO，規格為1/0的鋼絲圈的具體參數值，設定每次送絲輸入的高速脈沖數為461，調試定長限位開關與原點的距離不超過11.87 mm，并分別進行4組實驗來測得實際的質量誤差。FO 1/0測試值如表2所示在算法的優化下送絲系統能有效的提高送絲長度精度，FO 1/0鋼絲圈的質量誤差可以控制在±1.37 %以內。

由數控機床能耗分布公式[17]可知，鋼絲圈成型機整機功率可分解為：

P=PS+Pf+Paux+Pc

(4)

(5)

式中：PS為主傳動系統空載功率；Pf為進給系統空載功率；Paux為輔助系統空載功率；Pc為材料加工功率；M為主軸轉速系數；Co為常數；n為電機主軸轉速；Fc為成型機加工時刀具受力和送料摩擦力的總和；d為主軸直徑。

其中，國產71型鋼絲圈成型機與新型高速鋼絲圈成型機的Paux和Pf近乎相等，由此可將PS與Pc展開得最終整機功率。對高速鋼絲圈成型機床進行多次開機實驗以確定M、Fc、Co等平均參數值。國產71型鋼絲圈成型機各實驗參數來自咸陽信合紡機器材有限公司，其具體實驗參數對比如表2所示。

表2 實驗參數

由公式(5)和實驗參數可得整機功率隨主軸轉速變化圖8，功率測得的實驗值與公式計算值相對應，公式曲線符合功率隨轉速的實際變化趨勢。高速鋼絲成型機平均功率消耗低于71型鋼絲圈成型機，且轉速調控范圍更廣，額定最高轉速是71型鋼絲圈成型機的1.5倍。

表1 FO 1/0鋼絲圈的質量誤差

4 結語

針對傳統鋼絲圈成型機成型效率低，質量誤差偏高等問題。本文設計研發了一種新型高速鋼絲圈成型機，并以PLC為控制核心實現了設備自動化。實驗結果表明：

(1)控制系統改變了傳統送絲模式，將送絲長度參數化并通過模糊位置定位算法保持質量誤差在優質范圍±1.37%以內。

(2)高速鋼絲圈成型機在額定最大負載轉速300 r/min下可以正常運行，成型效率提高至71型成型機的1.5倍。

(3)觸摸屏通過各工位傳感器實時的監視走絲狀況，提高了設備操作便利性和安全性。