多線切割機排線方法研究

吳 旭，張為強，孟凡輝

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 101601)

多線切割機是一種新型的材料加工設備，其加工效率高、材料損耗少、表面加工質量高、適合脆硬材料的加工。但多線切割機對于控制系統(tǒng)的可靠性、實時性要求較高，為保證加工質量，需要對切割過程中的鋼絲張力進行控制，準確控制張力值，減小其在加工過程中的波動值對于提高材料加工質量及保證切割過程中不斷線，提高設備工作可靠性是多線切割機的一項關鍵技術。

為減小張力的波動，除了與張力測控系統(tǒng)、線輪速度同步控制系統(tǒng)有關外，線輪排線質量也對其有重要影響，如果線輪的鋼絲線排布整齊、線輪卷徑變化小，將有利于提高張力控制精度，減小切割過程中的張力波動；反之，則會使切割時張力波動增大，甚至造成鋼絲斷線，設備不能穩(wěn)定運行。

常見的排線方式有機械凸輪排線、步進電機排線、步進電機凸輪排線、伺服電機排線等多種,各種方式都各有特點[1]。

通過對多線切割機工作過程中的線輪布線過程的研究和分析，我們采用了西門子PLC控制器及西門子S120伺服系統(tǒng)組成的布線控制系統(tǒng)實現(xiàn)對線輪的排線控制，通過對0.16mm及0.12mm直徑的鋼絲線進行實際工作實驗，表明其工作穩(wěn)定可靠、排線整齊、鋼絲線張力波動小，已在我們新研制的300mm多線切割機中得到應用。

1 排線方法研究

在目前，常用的排線方式主要有兩種：即自由排線和強制排線。自由排線靠線的張力及擺動輪或擺錘的擺動來排線，導輪與線圈骨架之間的距離較遠，只要調節(jié)得當，每匝線都能緊密排繞，完全可以使繞出的線圈達到“鏡面”效果，但是調節(jié)起來比較困難，主要是機械方面的調試量太多；強制排線利用繞線主軸與排線軸的同步運動技術，使每繞一圈，排線機構步進一定的距離，應用現(xiàn)代步進或伺服控制系統(tǒng)及上位控制器等，只要事先設置好繞線參數(shù)，不需要太多的調試即可繞線。

在多線切割機工作過程中，鋼絲采用單向或往復走線方式運行，且線速度較高，一般線速度在500 m/min以上，而一般繞線機及電纜生產(chǎn)設備僅采用單向走線方式運行而無往復走線運行方式，因此多線切割機的排線更為復雜，根據(jù)多線切割機的工作特點及所用鋼絲線的特點，我們采用了強制排線的方式，其排線過程如圖1所示。

圖1 多線切割機線輪排線機構示意圖

在多線切割機工作過程中，線輪驅動電機帶動線輪正轉/反轉往復運行，與軸輥線速度保持同步，由于在工作過程中線輪卷徑的變化，因此線輪的轉速無法預先確定。線輪每轉動一圈，排線機構應根據(jù)線輪出/入線位置Px的變化沿排線方向前進或后退布線間距Δx，對于某確定的線輪，布線間距Δx通常為一常數(shù)。顯然，當線輪的出線位置為超過排線區(qū)域時，排線機構的移動距離D與線輪的轉動圈數(shù)和布線間距有關：

其中ΔN為線輪工作時的轉動圈數(shù)，可以在工作過程中不斷讀取線輪電機的編碼器值得到ΔN。

當線輪轉動圈數(shù)不斷增加，線輪出線位置到達排線區(qū)域的位置限位值(Pmin或Pmax)時，線輪的出/入線位置或排線方向將發(fā)生變化，上述公式將不再適用。根據(jù)實際所用線輪的排線方式，放線輪的排線方式與收線輪排線方式并不完全一樣，但對于多數(shù)收/放線輪當線輪出線位置到達Pmax或Pmin處時，出/入線位置Px不變，而排線方向發(fā)生變化。一般收/放線輪的排線方式如圖2所示。

圖2 收/放線輪排線方式示意圖

由圖2可以看出，線輪的出/入線點的位置Px和線輪的轉動圈數(shù)ΔN滿足某周期函數(shù)的關系，一旦排線方式確定，任意線輪的轉動圈數(shù)ΔN對應的線輪出/入線點的位置Px即可確定下來。根據(jù)周期函數(shù)的性質，線輪的出/入線點的位置Px和線輪的轉動圈數(shù)ΔN之間滿足以下關系：

上述公式中初相位N0為線輪開始工作對應的轉動圈數(shù)，可由初始出/入線點的位置P0確定，周期T為線輪布線區(qū)域內每層布線圈數(shù)，K為任意整數(shù)。如果已知T、N0等參數(shù)，并且由線輪的編碼器計算出線輪的轉動圈數(shù)ΔN，即可由函數(shù)關系計算出線輪出入線點的位置Px。

在多線切割機工作過程中，若收線輪制造精度不高,輪的內寬尺寸存在偏差時,排在靠邊的一圈鋼絲受到擠壓時存在滑移的可能性,造成每層的排線數(shù)目不同,引起排線紊亂[2]。采用上述的排線方法，只需在控制系統(tǒng)軟件中修改周期T，排線位置Pmin或Pmax等參數(shù)，即可根據(jù)線輪的具體尺寸控制排線，保證排線整齊。

2 排線控制系統(tǒng)

線輪驅動電機和排線電機使用西門子的S120伺服控制系統(tǒng)控制1FT6系列伺服電機，該伺服系統(tǒng)控制精度高，動態(tài)性能好，可以滿足線輪速度控制和排線機構位置控制的要求。使用西門子S7-414型PLC控制器通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與S120伺服系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊，對伺服系統(tǒng)進行控制并獲取狀態(tài)信息。

S7-414型PLC工作在等時模式下，通過現(xiàn)場總線每10 ms發(fā)送控制數(shù)據(jù)控制S120上各伺服電機的運動，并讀取各電機的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在多線切割機工作過程中，通過讀取線輪電機的編碼器數(shù)據(jù)，獲得線輪的轉動圈數(shù)ΔN，由于線輪的出/入線點的位置Px和N滿足周期函數(shù)的關系，利用PLC控制器上的求余數(shù)函數(shù)即MOD（）函數(shù)獲得在主值區(qū)間(0，T)與N相對應的相位Δn，并通過函數(shù)關系計算出Δn所對應的出/入線點的位置。

顯然，根據(jù)圖2所示，線輪的出/入線點位置可由如下關系確定：

其中，Pmin是線輪布線區(qū)域的限位值，由設備的機械安裝結構確定，由于所選用的排線電機使用了絕對位置編碼器，因此一旦設備結構和線輪規(guī)格確定了，Pmin便可以事先確定下來。對于圖2所示的收/放線輪，T應等于線輪每層布線圈數(shù)的2倍，而排線步距Δx也可由所使用的線輪的規(guī)格確定。

通過以上分析，可以給出多線切割機收/放線輪排線操作步驟：

(1)在多線切割機工作前，先移動排線機構，將其對準線輪出/入線點的位置P0；

(2)使用卡尺或絕對編碼器等測量裝置測得線輪出/入線點的初始位置P0；

(3)根據(jù)收/放線輪的線輪排線情況確定線輪的排線方向；

(4)根據(jù)線輪的初始位置P0及線輪的排線方向，確定線輪布線時的初始相位值N0，按照所確定的周期函數(shù)的形式，當布線方向為正向時：

當布線方向為負向時：

其中，INT()函數(shù)為取整數(shù)函數(shù)。

(5)在多線切割機工作時，通過線輪電機的編碼器測得線輪工作時的轉動圈數(shù)ΔN，根據(jù)公式(3)及公式(4)即可得到多線切割機工作過程中的出/入線點的位置Px，控制排線電機驅動橫移架臺移動到Px點，不斷跟蹤放線輪的出線點位置，并控制收線輪入線點的位置，使得線輪的排布整齊。

3 結論

我們在我所最新研制的300mm多線切割機上，采用0.12mm和0.16mm直徑的鋼絲線，使用以上排線控制系統(tǒng)及排線控制方法進行了試驗，試驗結構表明，該方法排線整齊，均勻性好，且控制算法簡單，排線控制方法可以通過調整排線控制函數(shù)進行靈活調整，完全可以用于多線切割機高速單向及往復運行時的線輪排線，已在300mm多線切割機上得到了應用。

[1]李五田，韓大鵬，張麗華.層繞機排線及恒張力控制的設計[J].金屬制品，2007，(2):45-47.

[2]朱偉紅，韓欽漢.收線機排線不整齊問題的解決[J].金屬制品，2005，(4)：35-36.

[3]于克龍.繞線機排線機構的運動分析與控制[J].機械制造與自動化，2005，(3)：102-103.