輪胎冠帶纏繞張力控制系統(tǒng)的設計與建模

于 鐳，董曉斐

（青島科技大學 自動化與電子工程學院，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，人們在選購轎車時除了關注其價格，更多的是關注其性能和質(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的窄冠帶纏繞多數(shù)采用傳統(tǒng)的“緩沖+導向”裝置完成纏繞過程中冠帶的儲料和放料，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)象嚴重，難以滿足當今社會全自動化的生產(chǎn)需求。國外成型機的冠帶纏繞多采用全自動化的張力控制系統(tǒng)設備，能耗低且效率和精度高，能很好地彌補國產(chǎn)成型機的不足，但全套成型機價格比較昂貴，加之原有設備仍可生產(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。

本工作以改進原有半鋼乘用子午線輪胎二次法成型機為出發(fā)點，以提升輪胎性能為目標，設計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，并設計相應的軟件實現(xiàn)恒定控制張力、張力過高過低報警、運行過程中手/自動切換、實時數(shù)據(jù)存儲等功能，最大限度地滿足實際生產(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、放料伺服電動機、纏繞張力導料機構(gòu)和觸摸屏組成，重點在于實現(xiàn)放料伺服電動機軸和二次法成型機擺動輥速度同步，難點在于擺動輥線速度測量及反饋。為保證張力控制精度，在擺動輥速度存在交替多變的情況下，在冠帶輸送導料機構(gòu)末端設計安裝高精度編碼器進行冠帶纏繞時的實際位置反饋，按位置發(fā)送脈沖頻率信號至張力控制器中，通過設置等比脈沖實現(xiàn)放料伺服電動機和成型機帶束鼓（或擺動輥）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)以飛思卡爾半導體公司16位DSP MC56F8037為主芯片設計張力控制器，選取電子齒輪比為16∶1，同步存在差異時采取前饋-反饋PID[2-4]補償算法，通過放料伺服電動機位置脈沖精準控制送料伺服轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)冠帶張力控制。人機交互操作主要通過觸摸屏實現(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行分析，構(gòu)造出整個系統(tǒng)框架，設計下位機軟件并進行UML建模[5]。主要控制過程為：張力控制器（即下位機）通過接收到的張力數(shù)據(jù)和冠帶速度脈沖指令，與張力設定值進行實時比較，控制放料伺服電動機正反轉(zhuǎn)，以保證同步輸送冠帶，同時將張力實時值、故障報警等信息反饋給觸摸屏（即上位機）。具體體現(xiàn)在伺服參數(shù)設置部分：放料伺服電動機啟停閉鎖，復位，“位置-位置”凸輪運動，帶束鼓線速度跟蹤，冠帶纏繞運動，手/自動切換，張力參數(shù)設置及張力過高/過低報警等指令。

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機。操作工通過操作觸摸屏面板控制下位機，系統(tǒng)管理員通過操作監(jiān)視觸摸屏設置控制參數(shù)；觸摸屏和張力控制器的連接是張力控制系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，控制器的工作狀態(tài)通過觸摸屏上的實時數(shù)據(jù)顯示得以反饋，放料伺服電動機是控制器的執(zhí)行環(huán)節(jié)，執(zhí)行動作的同時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)設計

2.1 結(jié)構(gòu)

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

圖4 冠帶纏繞時張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 張力信號調(diào)理電路設計

張力信號調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 張力信號調(diào)理電路

張力信號調(diào)理電路設計選用張力傳感器的輸出信號為4～20 mA，為保證信號傳輸?shù)臏蚀_性，信號調(diào)理電路中的濾波電阻均使用精密電阻。成型機運行現(xiàn)場電磁干擾嚴重，因此設計中使用了模擬信號隔離的線性光耦，以減小運行環(huán)境對于信號電路的影響。

2.3 軟件

張力控制系統(tǒng)主要實現(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/自動切換使能，緊急啟?？刂?，伺服開關檢測、控制，張力過高/過低報警，系統(tǒng)復位，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、報警及復位模塊。系統(tǒng)上電后首先進行參數(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行張力和帶束鼓速度的實時檢測及數(shù)據(jù)采集，當張力控制器檢測到成型機PLC發(fā)送的控制使能信號以及復位信號均置1時開始進行張力控制；冠帶纏繞過程中張力值超出設定上限值時，張力控制器會停止控制送料伺服電動機，防止張力過高拉斷冠帶；PLC檢測到張力控制器發(fā)出的張力超限報警信號時顯示并待報警解除后發(fā)送復位信號，保證張力控制系統(tǒng)正常可靠運行。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時張力曲線如圖7所示。

圖6 控制算法流程圖

圖7 張力控制實時曲線

帶束鼓開始纏繞冠帶時將給張力控制器發(fā)送伺服使能信號，開始張力控制，張力設定值為10 N，單條胎坯纏繞冠帶時長約為18 s，實時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的冠帶纏繞裝置特點，在冠帶導料機構(gòu)上安裝放料伺服電動機控制冠帶輸送速度，帶束鼓纏繞冠帶速度用前饋編碼器來準確穩(wěn)定測量，張力控制器設計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)成型機張力智能控制的精度，手/自動切換自如，減少廢料的產(chǎn)生，降低了生產(chǎn)成本，對完善國產(chǎn)成型機張力智能化控制技術(shù)有重要的意義。