基于數(shù)控系統(tǒng)螺紋切削技術(shù)的條形帶纏繞的控制系統(tǒng)及方法

李瑞福，柏松

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

目前，大部分橡膠成型機都是手動控制設備，它的主軸旋轉(zhuǎn)、平臺直線運動和加工過程都是人工操縱手動進行，設備不僅操作復雜、操作者勞動強度大，而且效率低、精度差，很難滿足現(xiàn)代加工對設備的要求。為了滿足現(xiàn)代化加工的要求，有部分廠商將成型機的控制系統(tǒng)改造為PLC可編程控制器控制，或者是工業(yè)控制機控制。但是這種改造，無論是操作、還是效率，以及精度仍然很差，并且故障率很高，具體表現(xiàn)在設備的穩(wěn)定性和可靠性方面。同時，由于這些控制都是非標準的設計和控制，如有較大故障及改動，需依靠改造設計單位來完成，沒有獨立性，使得維修及維護特別不方便。

2 控制系統(tǒng)的技術(shù)方案

技術(shù)方案為：一種數(shù)控系統(tǒng)螺紋切削技術(shù)實現(xiàn)條形帶纏繞的控制系統(tǒng)，包括成型機卷筒和成型機小車，包括數(shù)控系統(tǒng)、小車伺服控制模塊和主軸變頻器控制模塊。數(shù)控系統(tǒng)連接小車伺服控制模塊、主軸變頻器控制模塊、遠程IO接口模塊、手持操作站和系統(tǒng)操作站，用于控制成型機卷筒的轉(zhuǎn)速和起始角度以及成型機小車的速度。小車伺服控制模塊連接數(shù)控系統(tǒng)，用于通過接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，對成型機小車速度進行控制。主軸變頻器控制模塊連接數(shù)控系統(tǒng)，用于通過接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，對主軸的轉(zhuǎn)速和初始角度進行控制。

所述數(shù)控系統(tǒng)具有AXIS1接口、AXIS2接口、AXIS3接口、AXIS4接口、SSB-IO接口、MPG接口和RS422接口。

所述小車伺服控制模塊包括伺服驅(qū)動器、小車伺服電機和第1編碼器，其中伺服驅(qū)動器從數(shù)控系統(tǒng)的AXIS3接口接收到數(shù)控指令，通過電機電源線連接到小車伺服電機，通過第1編碼器將脈沖信號反饋回伺服驅(qū)動器。

所述主軸變頻器控制模塊包括主軸變頻器、主軸變頻電機、減速機、第2編碼器和第3編碼器，其中主軸變頻器從數(shù)控系統(tǒng)的AXIS4接口接收到數(shù)控指令，通過電機電源線連接到主軸變頻電機，通過第2編碼器將脈沖信號反饋到主軸變頻器；同時主軸變頻電機連接減速機，在減速機后側(cè)加裝第3編碼器，將脈沖信號反饋到數(shù)控系統(tǒng)。

所述主軸變頻器具有能接收-10V～+10V指令電壓的變頻器控制板。

所述遠程IO接口模塊包括遠程IO接口、32路開關(guān)量輸入接口、24路開關(guān)量輸出接口、輸入端子板和輸出端子板。

一種數(shù)控系統(tǒng)螺紋切削技術(shù)實現(xiàn)條形帶纏繞的控制方法，包括數(shù)控系統(tǒng)對成型機小車的速度以及成型機卷筒的轉(zhuǎn)速、起始角度的閉環(huán)控制。數(shù)控系統(tǒng)對成型機小車的速度的閉環(huán)控制步驟如下：數(shù)控系統(tǒng)的AXIS3接口將數(shù)控指令傳到伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器輸出電壓加在小車伺服電機上，通過第1編碼器將脈沖信號反饋回伺服驅(qū)動器，完成速度閉環(huán)控制。數(shù)控系統(tǒng)對成型機卷筒的轉(zhuǎn)速和起始角的閉環(huán)控制步驟如下：數(shù)控系統(tǒng)的AXIS4接口將數(shù)控指令傳到主軸變頻器，主軸變頻器的輸出電壓加在主軸變頻電機上，通過第2編碼器將脈沖信號反饋到主軸變頻器，完成速度閉環(huán)控制；同時主軸變頻電機連接減速機，在減速機后側(cè)加裝第3編碼器，將脈沖信號反饋到數(shù)控系統(tǒng)，完成位置閉環(huán)控制。

3 該技術(shù)的具體實施方法

該控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，1為AXIS1接口、2為AXIS2接口、3為AXIS3接口、4為AXIS4接口、5為SSB-IO接口、6為MPG接口、7為RS422接口、8為小車伺服電機、9為第1編碼器、10為主軸變頻電機、11為第2編碼器、12為第3編碼器、13為遠程IO接口模塊、14為遠程IO接口、15為32路開關(guān)量輸入接口、16為24路開關(guān)量輸出接口。

圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，采用藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)作為成型機的控制系統(tǒng)，利用GJ301數(shù)控系統(tǒng)的螺紋切削功能實現(xiàn)成型機條形帶纏繞的工藝，實現(xiàn)不同起始角和不同螺距的螺紋纏繞。GJ301數(shù)控系統(tǒng)作為成型機的控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)成型機的卷筒（主軸）和成型機小車的運動控制。

所述的GJ301數(shù)控系統(tǒng)采用先進的開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工業(yè)CPU板卡，配置8.4”彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成軸控制接口，通用（本機）I/O接口，遠程（同步串行I/O）接口，網(wǎng)絡接口和USB接口。各接口的定義如下：

AXIS1、AXIS2、AXIS3、AXIS4：軸伺服接口，用于連接運動部分的伺服驅(qū)動裝置。

I/O：機床通用輸入/輸出控制接口，用于連接開關(guān)量輸入/輸出模塊。

MPG：手持單元接口，用于連接手持單元設備。

SSB-IO：遠程I/O接口，用于連接SSB-IO同步串行IO模塊。

RS422：手持操作站接口，用于連接系統(tǒng)操作站。

以太網(wǎng)（LAN）：10/100Mbps以太網(wǎng)接口，用于連接以太網(wǎng)。

USB：USB2.0接口，用于連接USB設備。

為了實現(xiàn)成型機的卷筒（主軸）和成型機小車的聯(lián)動控制，對小車進行了改造。原有的小車采用的是變頻器和變頻電機開環(huán)速度控制機電拖動系統(tǒng)。為了保證行走的定位精度，將小車的變頻器更換為伺服控制器，改造為由伺服單元控制伺服電動機的閉環(huán)位置控制機電拖動控制系統(tǒng)。改造后的伺服驅(qū)動控制器的型號：SGDM-50ADA，同時對伺服控制器重新設置參數(shù)；將變頻電機改為伺服電機加編碼器，為區(qū)別其它編碼器，將該編碼器記為第1編碼器。

此外，將主軸變頻器的控制電路板進行改造，使主軸變頻器實現(xiàn)速度和位置閉環(huán)控制功能。原變頻器的控制板只能接收0～10V的指令電壓，而實際需要能接收-10V～+10V的指令電壓的變頻器控制板，因此將變頻器的控制板進行更改，更改后的控制板的型號為MT134DA2。同時對變頻器的參數(shù)進行修改，其中主要的參數(shù)為：將F4-13設為0，F(xiàn)4-14設為-100%，F(xiàn)4-15設為10，F(xiàn)4-16設為100%。

具體實現(xiàn)成型機卷筒（主軸）和成型機小車的聯(lián)動控制，主要通過以下方式：藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)中的AXIS3接口與小車伺服驅(qū)動器輸入端相連，電機電源連到小車伺服電機，通過第1編碼器將檢測到的脈沖信號反饋給伺服驅(qū)動器，通過伺服單元控制伺服電動機，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)中的AXIS4接口與主軸變頻器相連，主軸變頻器的電機電源連接主軸變頻電機，通過第2編碼器將檢測到的速度信號反饋給主軸變頻器，形成閉環(huán)控制，在變頻電機后連接減速機，同時，為了實現(xiàn)不同起始角度的卷筒纏繞，準確控制卷筒的轉(zhuǎn)動角度，在減速機后側(cè)加裝了旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器型號為E6B2-CWZ1Z，即第3編碼器；脈沖線數(shù)為2000P/R。第3編碼器檢測的脈沖信號直接反饋給藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)纏繞卷筒的角度的控制。

藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)中的SSB-IO接口與SSB-I/O單元的SSB-IN連接，SSB-I/O單元提供32位開關(guān)量輸入和24位開關(guān)量輸出。

各個接口定義如下：

32IN接口：32路開關(guān)量輸入接口，連接到SSB-I/O單元的輸入端子板。

24OUT接口：24路開關(guān)量輸出接口，連接到SSB-I/O單元的輸出端子板。

SSB-IN接口：SSB（同步串行總線）接口，連接到GJ-301數(shù)控系統(tǒng)的SSB接口。

SSB-OUT接口：與下級SSB-I/O單元連接接口。

POWER指示燈：電源上電指示燈。

RUN指示燈：SSB通訊指示燈。

藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)中的MPG接口與手持操作站連接。

藍天GJ301數(shù)控系統(tǒng)中的RS422接口與系統(tǒng)操作站連接。

通過上述系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，利用GJ301數(shù)控系統(tǒng)的螺紋切削功能實現(xiàn)成型機條形帶纏繞的工藝，采用變頻器與交流電動機實現(xiàn)主軸位置控制，通過伺服單元控制伺服電動機實現(xiàn)速度控制，纏繞對象的不同，對起始角和螺距的螺紋纏繞的要求也不同，因此要根據(jù)加工工藝對參數(shù)進行設置，對程序采用變量式編程，進而實現(xiàn)纏繞卷筒和成型機小車的聯(lián)動和插補。

由于纏繞工藝要求的纏繞角度為不同，分為52°和54°兩種，而且卷筒的初始直徑也不相同，根據(jù)加工工藝，對程序采用了變量式編程。在纏繞不同形式的卷筒時，只需要切換到相應的程序即可。對纏繞角度、簾布寬度、簾布厚度、主軸轉(zhuǎn)速、小車的運行速度、導程等參數(shù)都采用變量形式進行編程。

4 結(jié)語

本論文提供了一種數(shù)控系統(tǒng)螺紋切削技術(shù)實現(xiàn)條形帶纏繞的控制系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)不同起始角和不同螺距的螺紋纏繞，并利用數(shù)控系統(tǒng)的螺紋切削功能實現(xiàn)成型機條形帶纏繞的工藝。它的優(yōu)點及有益效果如下：

（1）采用的是成熟、穩(wěn)定的數(shù)控加工技術(shù)。應用在成型機條形帶的纏繞加工工藝中，不僅可對簾布、尼龍水布進行纏繞加工，也可對膠片、尼龍繩、鋼線等條形帶進行纏繞加工。

（2）適用于各種不同規(guī)格的條形帶的纏繞。由于纏繞的加工程序采用變量式編程，參數(shù)設置簡單，因此很容易操作。

（3）由于主軸S具有了C軸功能，能進行起始角的定位，以便搭接，從而可以實現(xiàn)不同起始角的纏繞。

（4）由于數(shù)控技術(shù)的成熟和標準化，它不僅操作簡單方便，而且效率高、精度好，特別穩(wěn)定可靠，且維修方便。