本文從纏繞工藝、硬件工作原理和軟件開發(fā)三個方面討論了基于pc機和trio運動控制器的開放式自動鋁帶繞片機數(shù)控系統(tǒng)。
翹片管是一種新型高效節(jié)能的熱交換元件，是空氣冷卻器上最基本、最重要的元件，在空調(diào)、制冷業(yè)上取得了廣泛的應用。它利用繞片頭的壓力將成盤鋁帶以一定的速度連續(xù)不斷地在鋼管外側纏繞成螺旋狀的散熱片，使鋼管的散熱面積大大增加，成倍地提高散熱效率。國外繞片機設備已經(jīng)由電器自動控制發(fā)展到微機控制，有些還具備關鍵部位的狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷功能,現(xiàn)正向高速繞片方向發(fā)展。目前國內(nèi)的繞片機大多使用傳統(tǒng)的繼電器、接觸器控制，翹片管螺距通過齒輪組調(diào)節(jié)，螺距受齒輪比的限制，螺距數(shù)是有限的，因此不能完成不同管徑、不同螺距的無級調(diào)整，并且存在效率低下、繞制質(zhì)量差等缺點，屬于半手工半機械的操作方式，為此我們開發(fā)了這種新型自動鋁帶繞片機。
本文主要介紹其自動控制系統(tǒng)部分，鋁帶纏繞時，鋼管繞其主軸勻速旋轉，小車電機拖動小車沿鋼管軸向勻速運動并以一定的速度帶動繞片頭把成盤的鋁帶纏繞在鋼管的外側，達到生產(chǎn)翹片管的技術要求。本文從纏繞工藝、硬件工作原理和軟件開發(fā)三個方面討論了基于pc機和trio運動控制器的開放式自動鋁帶繞片機數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結構就具有了開放式、模塊化、可嵌入的特點，為生產(chǎn)廠商通過軟件開發(fā)，給數(shù)控系統(tǒng)追加功能和實現(xiàn)功能的個性化提供了保證。
系統(tǒng)纏繞工藝
生產(chǎn)此纏繞式翹片管的數(shù)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)鋁帶繞鋼管的相對螺旋運動，我們選用兩個伺服電機來完成，一個電機帶動小車沿鋼管軸向運動，另一個伺服電機安裝在主軸箱，通過主軸箱外的齒輪副帶動上轉動體、驅(qū)動輪的旋轉運動。在繞制過程中，鋁片是由直線狀態(tài)被強制擠壓成螺旋狀態(tài)的，由于鋁片跟鋼管相比其剛度小，容易成型，因此鋁片對鋼管的影響不大，實現(xiàn)起來比較容易。鋁片的繞制過程是由鋼管相對于繞頭的軸向進給和鋼管沿自身軸線旋轉運動的合成，因為在鋼管的輸送機構中，包括鋼管的純旋轉和純進給兩條傳動路線。在設計中選用了一種特殊的行星輪系實現(xiàn)了管子軸向進給和沿自身軸線回轉的合成。這種驅(qū)動輪系是在一個圓周上均勻分布三組完全相同的結構的轉輪，驅(qū)動輪的表面帶有一種防滑材料，其目的就是增大驅(qū)動輪與鋼管之間的摩擦力，這樣更能有效的驅(qū)動鋼管進行軸向運動。
生產(chǎn)的翹片管鋁片的螺距主要由主軸和小車的運行速度比實現(xiàn)，通過對電機進行不同轉速的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)翅片管螺距的無極調(diào)整，通過對繞片機校正裝置液壓缸的調(diào)整實現(xiàn)對不同管徑的加工。此數(shù)控鋁帶繞片機纏繞屬于環(huán)向纏繞即沿鋼管圓周方向的纏繞，纏繞原理如圖1所示。纏繞時，鋼管繞自身軸線作勻速轉動，小車在平行于鋼管軸線方向往復運動。鋼管每轉一周，小車移動一個螺距的寬度，按此循環(huán)，直至鋁帶布滿鋼管表面為止，其纏繞角α一般在85°～90°之間。
設小車縱向移動的速度為v1（mm/s），鋼管的轉速為n3（r/s），則纏繞的鋁片螺距p＝v1/n3，又因為n2＝3.6n3，v1＝πd n1，n1＝120 n1，其中：n2為主軸電機的轉速，n3為鋼管的轉速，d為齒輪的分度圓直徑，n1為除去減速比后等價的小車電機轉速，n1為小車電機的轉速，主軸轉速比3.6∶1，小車電機到齒輪齒條機構減速器的減速比為120∶1，因此：
p＝v1/n3＝3.6πdn1/120n2，即n1/n2＝120p/3.6πd
計算纏繞長度為l時，可以計算出小車從左端移動到右端，小車電機轉過的角度：
ω1＝（1/v1）n1`2π
＝（l/πd n1）n1`2π
＝240l/d
主軸電機轉過的角度：
ω2＝（n2/）ω1
＝2l n2/dn1`
＝7.2π1/p
由于鋁帶的強度有限，小車在加速、減速的過程中容易出現(xiàn)斷帶的情況，這樣將嚴重影響生產(chǎn)的翹片管的質(zhì)量和加工效率，因此繞片機要具有良好的啟停特性，在此過程中需嚴格保證主軸和小車電機的速度比，無論是正常運行時的纏繞還是在加速、減速過程中，上述速度比關系應嚴格保持不變，這樣才能保證生產(chǎn)的翹片管產(chǎn)品的質(zhì)量。
控制系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)的硬件組成原理圖如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)采取主從式cpu結構，工控機與trio運動控制器結合形成一個功能強大的開放式數(shù)控系統(tǒng)。工控機作為上位機主要負責人機界面管理、工藝參數(shù)設定、數(shù)控程序編輯等功能，trio運動控制器負責機床的運動控制，另外還需要用plc來完成對液壓缸的邏輯控制。本數(shù)控系統(tǒng)支持用戶的進一步開發(fā)和擴展，具有很好的開放性。
圖2 系統(tǒng)硬件原理圖
trio運動控制器
trio是一種功能非常強大的開放式運動控制器。選用的mc206采用trio高性能32位dsp技術，具有4軸伺服或步進功能的控制器，此外還有一個編碼器輸入軸，通過軟件配置各軸屬性，可以對四個伺服軸或四個步進軸或二者的組合進行控制。mc206的基本硬件配置包括：can總線通訊接口1個、數(shù)字量輸入通道8路、數(shù)字量輸入輸出雙向通道8路、模擬量輸入通道1路、伺服使能1個、伺服速度控制模擬量指令4路、差分式編碼器輸入一個、差分式編碼器/脈沖輸出4個、usb接口一個、串行口兩個。
trio控制器工作電源為24v直流電源，通過五孔連接器引入，當用到數(shù)字量輸出的時候，必須單獨提供24v的i/o電源。筆者采用模擬量的連接方式連接trio mc206運動控制器與安川伺服驅(qū)動器，同時將驅(qū)動器設置為速度控制模式，安川編碼器分頻輸出的默認方向與trio控制器方向相反，因此需要將其a相信號與trio控制器a相信號反接，控制器碼盤反饋的第五腳要和驅(qū)動器的sg引腳相連，以免損壞控制器。在mc206上配有和伺服放大器上servo_on相對應的常開繼電器開關，用作對伺服放大器的使能，在控制器上此功能只是一個開關的閉合，所以要把此開關和伺服電源串接到一起。此繼電器的開關還可由motion perfect中的drive enable按鈕或trio basic指令wdog＝on/off來控制。
數(shù)控系統(tǒng)工作原理
控制系統(tǒng)以研華工控機和英國trio公司的mc206運動控制器為核心，實現(xiàn)對兩個伺服電機的協(xié)同控制。繞片機主軸電機采用安川三相伺服電機，用日本安川伺服驅(qū)動器驅(qū)動。對于主軸電機的速度，本系統(tǒng)采用了抗負載變化能力較大的閉環(huán)控制方式。運動控制器軸3接口的模擬量輸出作為伺服驅(qū)動器速度控制的輸入信號,在運動控制器開環(huán)控制狀態(tài)下設置模擬量電壓輸出值實現(xiàn)驅(qū)動器速度控制。旋轉<
