基于PLC的纏繞機(jī)二軸控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊開(kāi)保+馬明博

摘 要：根據(jù)企業(yè)戶外現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)纏繞機(jī)控制系統(tǒng)可靠性和易維護(hù)的要求，從纏繞工藝和纏繞原理出發(fā)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制型PLC電子齒輪和電子凸輪功能，設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心，觸摸屏為人機(jī)界面，變頻器和伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的二軸玻璃鋼纏繞機(jī)控制系統(tǒng)。闡述了軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)方法。生產(chǎn)實(shí)踐表明，此系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，精度高，適于企業(yè)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：纖維纏繞；纏繞機(jī)；PLC；電子凸輪；控制系統(tǒng)

引言

纖維纏繞是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型工藝的一種，玻璃鋼管道、貯罐、壓力容器等是典型的纖維纏繞制品，在各個(gè)行業(yè)應(yīng)用廣泛。纏繞機(jī)是實(shí)現(xiàn)纏繞工藝的主要設(shè)備。定長(zhǎng)管道和大直徑貯罐筒身段的纏繞通常使用二軸纏繞機(jī)。

目前，企業(yè)多使用基于運(yùn)動(dòng)控制卡加工控機(jī)結(jié)構(gòu)的纏繞機(jī)控制系統(tǒng)[1-2]，這類系統(tǒng)維護(hù)需要由廠商專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行。而大直徑貯罐和夾砂管道往往需要在客戶使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制備，頻繁的設(shè)備運(yùn)輸與工作現(xiàn)場(chǎng)惡劣的施工環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的維護(hù)造成更大的挑戰(zhàn)。針對(duì)此類問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的二軸纏繞機(jī)控制系統(tǒng)。

1 工藝介紹與纏繞原理

纖維纏繞是由導(dǎo)絲頭和芯模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的， 通過(guò)導(dǎo)絲小車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)與芯模的旋轉(zhuǎn)，浸有樹(shù)脂的纖維按照一定的規(guī)律纏繞在芯模上，經(jīng)固化便可行成纖維纏繞復(fù)合材料制品[3]。

環(huán)向纏繞時(shí)，芯模繞自軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，導(dǎo)絲頭移動(dòng)近似一個(gè)紗片寬度[4]。螺旋纏繞時(shí)，芯模繞自軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，導(dǎo)絲頭移動(dòng)一個(gè)螺距。

參數(shù)關(guān)系為：

式中：D-芯模直徑；b-紗片寬；α-纏繞角；W-紗片螺距。

由于導(dǎo)絲小車做往返運(yùn)動(dòng)，為了保證端部纏繞時(shí)不滑線，導(dǎo)絲小車需有一個(gè)減速，停止等待，再反向加速的過(guò)程。螺旋纏繞時(shí)，導(dǎo)絲小車往返一次，芯軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ為：

式中：θ-芯模轉(zhuǎn)角；θ1-正向停止角；θ2-返向停止角；L-芯模長(zhǎng)度；L1-加減速長(zhǎng)度。

為了使纖維在芯模表面的排布既不重疊又不離縫，芯模轉(zhuǎn)角需滿足：

式中：n為切點(diǎn)數(shù)；K/n為最簡(jiǎn)真分?jǐn)?shù)；N為從0開(kāi)始的整數(shù)；Δθ為導(dǎo)絲頭行走一個(gè)紗片時(shí)的芯模轉(zhuǎn)角。

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

纏繞機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為芯模主軸和導(dǎo)絲小車，主軸由變頻器和三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，小車由伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，以PLC為主控制器，觸摸屏為人機(jī)界面。

2.2 PLC的選型

本系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)DVP-20PM運(yùn)動(dòng)控制型PLC。一般小型PLC控制伺服電機(jī)通常用內(nèi)置脈沖功能或擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制模塊。有些PLC內(nèi)置脈沖功能雖能實(shí)現(xiàn)伺服定位，直線/圓弧插補(bǔ)等功能，但受PLC程序循環(huán)周期影響，CUP處理時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算量大，難以保證精度[5]。擴(kuò)展定位模塊精度和運(yùn)算速度能夠保證，但往往功能單一，定位和插補(bǔ)功能雖能控制伺服電機(jī)，只能用于芯軸/小車雙伺服驅(qū)動(dòng)的小直徑管道纏繞系統(tǒng)[6]，不能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)伺服導(dǎo)絲小車對(duì)大功率變頻芯模主軸的隨動(dòng)控制。

臺(tái)達(dá)DVP-20PM采用高速雙CPU結(jié)構(gòu)形式，采用獨(dú)立CPU處理運(yùn)動(dòng)控制算法[5]。作為通用PLC，主機(jī)包含16點(diǎn)通用I/O，程序容量64K；內(nèi)建通訊端口。運(yùn)動(dòng)控制功能支持兩組手輪脈沖輸入，三組500kHz差動(dòng)脈沖輸出；可實(shí)現(xiàn)三軸直線/圓弧/螺旋插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，電子齒輪功能，電子凸輪等功能。由于具有豐富的接口和運(yùn)動(dòng)控制功能，臺(tái)達(dá)DVP-20PM成為本系統(tǒng)控制器的理想選擇。

2.3 其他主要部件選型

小車伺服系統(tǒng)選擇臺(tái)達(dá)ASDA-A2驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)。芯軸變頻器選用VFD-B泛用矢量變頻器，人機(jī)交互選用DOP-B系列10寸觸摸屏，芯軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)選用歐姆龍E6B2-CWZ1X編碼器。

2.4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求和上述控制器型號(hào)，設(shè)計(jì)的纏繞機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示：

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 觸摸屏畫(huà)面設(shè)計(jì)

DOP-B10S615型觸摸屏采用DOPSoft軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)了三個(gè)窗口。

（1）狀態(tài)顯示窗口：包括制品直徑、長(zhǎng)度，纏繞角，工作模式，小車位置、速度，主軸轉(zhuǎn)速，以及伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器頻率等參數(shù)信息。

（2）參數(shù)設(shè)置窗口：包括芯模直徑，芯模長(zhǎng)度，纏繞角度，紗片寬度，切點(diǎn)數(shù)，加減速長(zhǎng)度，停止角度等。

（3）故障診斷窗口：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，觸摸屏彈出故障診斷畫(huà)面，顯示故障代碼以及含義。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

3.2.1 參數(shù)初始化

參數(shù)初始化部分主要設(shè)置脈沖信號(hào)格式，小車最高速度，主軸編碼器傳動(dòng)比，使能伺服系統(tǒng)。

3.2.2 用戶操作命令

用戶操作命令：用戶可通過(guò)操作按鈕實(shí)現(xiàn)主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)，手動(dòng)/螺旋纏繞/環(huán)向纏繞模式選擇，小車正向/反向運(yùn)轉(zhuǎn)，小車手動(dòng)加速/減速。觸摸屏可以發(fā)出參數(shù)計(jì)算命令。

3.2.3 工藝參數(shù)計(jì)算

根據(jù)工藝信息計(jì)算環(huán)向纏繞和螺旋纏繞所需參數(shù)。電子齒輪功能可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)絲小車跟隨芯軸做等比例運(yùn)動(dòng)，完成環(huán)向纏繞。設(shè)置合適的電子齒輪比例，即可實(shí)現(xiàn)芯軸旋轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)絲小車行走一個(gè)紗片寬度。

螺旋纏繞通過(guò)電子凸輪功能實(shí)現(xiàn)。該功能可使小車根據(jù)電子凸輪表的位置曲線跟隨芯軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)螺旋纏繞。電子凸輪表可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)手動(dòng)輸入，也可根據(jù)PLC內(nèi)置函數(shù)自動(dòng)生成。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)公式（3）和（4），計(jì)算出纏繞中心角，小車勻速位移和芯軸/小車轉(zhuǎn)速比后，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)，生成電子凸輪表。圖3為PLC生成的凸輪曲線。三條曲線依次為導(dǎo)絲小車位移曲線，速度曲線和加速度曲線，橫軸為主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

3.2.4 纏繞工作模式

手動(dòng)模式主要用來(lái)調(diào)整小車的位置，設(shè)置零點(diǎn)。該功能通過(guò)變速運(yùn)轉(zhuǎn)模式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)PLC接收到變速運(yùn)動(dòng)命令后，定位控制器開(kāi)始執(zhí)行變速運(yùn)轉(zhuǎn)，由最小速度開(kāi)始加速至設(shè)定速度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。使用者可通過(guò)加速/減速按鈕改變速度。

環(huán)向纏繞模式通過(guò)電子齒輪功能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)起動(dòng)電子齒輪功能后，導(dǎo)絲小車便可根據(jù)輸入的電子齒輪比例跟隨心軸運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)改變小車運(yùn)行方向，從而改變環(huán)向纏繞方向。

螺旋纏繞模式通過(guò)電子凸輪功能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)程序執(zhí)行完設(shè)定的纏繞層數(shù)后可自動(dòng)停止芯軸和小車的運(yùn)轉(zhuǎn)，操作者也可手動(dòng)退出螺旋纏繞模式，強(qiáng)制停止程序的運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)纖維纏繞工藝原理設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的二軸纖維纏繞控制系統(tǒng)， PLC的電子齒輪、電子凸輪等功能保證了響應(yīng)速度和精度，為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，層次分明，簡(jiǎn)潔明了。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，人機(jī)界面友好，精度高，抗干擾性強(qiáng)，維護(hù)方便，能夠適應(yīng)大直徑貯罐和夾砂管道現(xiàn)場(chǎng)制備的使用環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]俞建峰，周杰.基于運(yùn)動(dòng)控制的纖維纏繞機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，8（2）：159-163.

[2]許家忠，王榮國(guó)，高立業(yè)，等.基于CADFIL和NUM的纏繞機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程塑料應(yīng)用，2014，42（1）：71-74.

[3]冷武興.纖維纏繞原理[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1990：3-5.

[4]劉亞雄，謝懷勤.復(fù)合材料工藝及設(shè)備[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，1994：169-174.

[5]趙越錦.基于臺(tái)達(dá)運(yùn)動(dòng)控制型PLC電子凸輪功能的高速繞線機(jī)[J].伺服控制，2008（10）：63-66.

[6]王健，顧濤，孫敏，等.基于PLC的纏繞機(jī)低成本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2014（3）：17-21.