铝带绕片机自动化设计方案及工作原理

       本文从缠绕工艺、硬件工作原理和软件开发三个方面讨论了基于pc机和trio运动控制器的开放式自动铝带绕片机数控系统。
       
        翘片管是一种新型高效节能的热交换元件，是空气冷却器上最基本、最重要的元件，在空调、制冷业上取得了广泛的应用。它利用绕片头的压力将成盘铝带以一定的速度连续不断地在钢管外侧缠绕成螺旋状的散热片，使钢管的散热面积大大增加，成倍地提高散热效率。国外绕片机设备已经由电器自动控制发展到微机控制，有些还具备关键部位的状态监视和故障诊断功能,现正向高速绕片方向发展。目前国内的绕片机大多使用传统的继电器、接触器控制，翘片管螺距通过齿轮组调节，螺距受齿轮比的限制，螺距数是有限的，因此不能完成不同管径、不同螺距的无级调整，并且存在效率低下、绕制质量差等缺点，属于半手工半机械的操作方式，为此我们开发了这种新型自动铝带绕片机。
       
        本文主要介绍其自动控制系统部分，铝带缠绕时，钢管绕其主轴匀速旋转，小车电机拖动小车沿钢管轴向匀速运动并以一定的速度带动绕片头把成盘的铝带缠绕在钢管的外侧，达到生产翘片管的技术要求。本文从缠绕工艺、硬件工作原理和软件开发三个方面讨论了基于pc机和trio运动控制器的开放式自动铝带绕片机数控系统。这种数控系统的硬件体系结构就具有了开放式、模块化、可嵌入的特点，为生产厂商通过软件开发，给数控系统追加功能和实现功能的个性化提供了保证。
       
        系统缠绕工艺
       
       
       
        生产此缠绕式翘片管的数控系统需要实现铝带绕钢管的相对螺旋运动，我们选用两个伺服电机来完成，一个电机带动小车沿钢管轴向运动，另一个伺服电机安装在主轴箱，通过主轴箱外的齿轮副带动上转动体、驱动轮的旋转运动。在绕制过程中，铝片是由直线状态被强制挤压成螺旋状态的，由于铝片跟钢管相比其刚度小，容易成型，因此铝片对钢管的影响不大，实现起来比较容易。铝片的绕制过程是由钢管相对于绕头的轴向进给和钢管沿自身轴线旋转运动的合成，因为在钢管的输送机构中，包括钢管的纯旋转和纯进给两条传动路线。在设计中选用了一种特殊的行星轮系实现了管子轴向进给和沿自身轴线回转的合成。这种驱动轮系是在一个圆周上均匀分布三组完全相同的结构的转轮，驱动轮的表面带有一种防滑材料，其目的就是增大驱动轮与钢管之间的摩擦力，这样更能有效的驱动钢管进行轴向运动。
       
        生产的翘片管铝片的螺距主要由主轴和小车的运行速度比实现，通过对电机进行不同转速的调节，实现翅片管螺距的无极调整，通过对绕片机校正装置液压缸的调整实现对不同管径的加工。此数控铝带绕片机缠绕属于环向缠绕即沿钢管圆周方向的缠绕，缠绕原理如图1所示。缠绕时，钢管绕自身轴线作匀速转动，小车在平行于钢管轴线方向往复运动。钢管每转一周，小车移动一个螺距的宽度，按此循环，直至铝带布满钢管表面为止，其缠绕角α一般在85°～90°之间。
       
        设小车纵向移动的速度为v1（mm/s），钢管的转速为n3（r/s），则缠绕的铝片螺距p＝v1/n3，又因为n2＝3.6n3，v1＝πd n1，n1＝120 n1，其中：n2为主轴电机的转速，n3为钢管的转速，d为齿轮的分度圆直径，n1为除去减速比后等价的小车电机转速，n1为小车电机的转速，主轴转速比3.6∶1，小车电机到齿轮齿条机构减速器的减速比为120∶1，因此：
       
        p＝v1/n3＝3.6πdn1/120n2，即n1/n2＝120p/3.6πd
       
        计算缠绕长度为l时，可以计算出小车从左端移动到右端，小车电机转过的角度：
       
        ω1＝（1/v1）n1`2π
       
        ＝（l/πd n1）n1`2π
       
        ＝240l/d
       
        主轴电机转过的角度：
       
        ω2＝（n2/）ω1
       
        ＝2l n2/dn1`
       
        ＝7.2π1/p
       
        由于铝带的强度有限，小车在加速、减速的过程中容易出现断带的情况，这样将严重影响生产的翘片管的质量和加工效率，因此绕片机要具有良好的启停特性，在此过程中需严格保证主轴和小车电机的速度比，无论是正常运行时的缠绕还是在加速、减速过程中，上述速度比关系应严格保持不变，这样才能保证生产的翘片管产品的质量。
       
        控制系统硬件组成
       
       
       
        系统的硬件组成原理图如图2所示。控制系统采取主从式cpu结构，工控机与trio运动控制器结合形成一个功能强大的开放式数控系统。工控机作为上位机主要负责人机界面管理、工艺参数设定、数控程序编辑等功能，trio运动控制器负责机床的运动控制，另外还需要用plc来完成对液压缸的逻辑控制。本数控系统支持用户的进一步开发和扩展，具有很好的开放性。
        
        

        
        图2 系统硬件原理图
       
        trio运动控制器
       
       
       
        trio是一种功能非常强大的开放式运动控制器。选用的mc206采用trio高性能32位dsp技术，具有4轴伺服或步进功能的控制器，此外还有一个编码器输入轴，通过软件配置各轴属性，可以对四个伺服轴或四个步进轴或二者的组合进行控制。mc206的基本硬件配置包括：can总线通讯接口1个、数字量输入通道8路、数字量输入输出双向通道8路、模拟量输入通道1路、伺服使能1个、伺服速度控制模拟量指令4路、差分式编码器输入一个、差分式编码器/脉冲输出4个、usb接口一个、串行口两个。
       
        trio控制器工作电源为24v直流电源，通过五孔连接器引入，当用到数字量输出的时候，必须单独提供24v的i/o电源。笔者采用模拟量的连接方式连接trio mc206运动控制器与安川伺服驱动器，同时将驱动器设置为速度控制模式，安川编码器分频输出的默认方向与trio控制器方向相反，因此需要将其a相信号与trio控制器a相信号反接，控制器码盘反馈的第五脚要和驱动器的sg引脚相连，以免损坏控制器。在mc206上配有和伺服放大器上servo_on相对应的常开继电器开关，用作对伺服放大器的使能，在控制器上此功能只是一个开关的闭合，所以要把此开关和伺服电源串接到一起。此继电器的开关还可由motion perfect中的drive enable按钮或trio basic指令wdog＝on/off来控制。
       
        数控系统工作原理
       
       
       
        控制系统以研华工控机和英国trio公司的mc206运动控制器为核心，实现对两个伺服电机的协同控制。绕片机主轴电机采用安川三相伺服电机，用日本安川伺服驱动器驱动。对于主轴电机的速度，本系统采用了抗负载变化能力较大的闭环控制方式。运动控制器轴3接口的模拟量输出作为伺服驱动器速度控制的输入信号,在运动控制器开环控制状态下设置模拟量电压输出值实现驱动器速度控制。旋转<