宋 鐵

(沈陽機(jī)床股份有限責(zé)任公司 沈一車床廠,沈陽 110142)

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基于ControlLogix的六角型子午線輪胎鋼絲圈纏繞軌跡的算法及實(shí)現(xiàn)

宋 鐵

(沈陽機(jī)床股份有限責(zé)任公司 沈一車床廠,沈陽 110142)

采用二維位置運(yùn)動(dòng)軌跡的控制算法，解決六角型子午線輪胎鋼絲圈成型機(jī)多圈纏繞軌跡的計(jì)算問題。采用ControlLogix控制器實(shí)現(xiàn)邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制的集成，利用SERCOS光纖總線接口技術(shù)，保證了系統(tǒng)的抗干擾性、高可靠性和實(shí)時(shí)性。通過結(jié)構(gòu)化文本的編程方式和圖形化編輯器生成各伺服軸運(yùn)動(dòng)的完整運(yùn)動(dòng)軌跡，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加快捷高效。

六角型鋼絲圈;SERCOS;伺服系統(tǒng);結(jié)構(gòu)化文本

對(duì)于生產(chǎn)六角型子午線輪胎鋼絲圈的控制系統(tǒng)來說，鋼絲圈纏繞運(yùn)動(dòng)軌跡的控制算法均不具有通用性，在實(shí)現(xiàn)的手段上也具有一定的難度。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)由于邏輯控制與運(yùn)動(dòng)控制的平臺(tái)不統(tǒng)一，造成系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性變差[1]，開發(fā)和調(diào)試時(shí)間增加。從工藝的要求、設(shè)計(jì)和應(yīng)用等方面綜合考慮，尋求將邏輯和運(yùn)動(dòng)控制相結(jié)合的高速伺服系統(tǒng)，并能夠直觀有效進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的程序設(shè)計(jì)和控制算法的實(shí)現(xiàn)[2]，便成為提高鋼絲圈生產(chǎn)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。本文針對(duì)六角型鋼絲圈成型機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提出利用ControlLogix運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)主從軸二維位置曲線規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡的控制算法，在輪胎鋼絲圈成型機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)。

1 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

六角型鋼絲圈成型機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要三臺(tái)伺服電機(jī)，其中一臺(tái)作為纏繞主軸，負(fù)責(zé)帶動(dòng)鋼絲按固定方向旋轉(zhuǎn)纏繞；其余兩臺(tái)為排絲和升降從軸，作用是在主軸旋轉(zhuǎn)過程中調(diào)整鋼絲位置，使之與前一圈鋼絲錯(cuò)開并相鄰，待多圈纏繞完畢最終形成以六角型為橫截面的鋼絲圈，整個(gè)過程由三臺(tái)伺服電機(jī)相互協(xié)調(diào)配合完成[3]。

除此之外，纏繞前后對(duì)鋼絲的送絲、夾絲、切絲、送圈等氣動(dòng)閥動(dòng)作以及限位開關(guān)、光電開關(guān)、接近開關(guān)等檢測信號(hào)都需要在PLC中進(jìn)行邏輯控制[4]。由于存在不同規(guī)格的鋼絲圈，如何使操作人員只輸入幾個(gè)參數(shù)即可獲得指定規(guī)格鋼絲圈的運(yùn)動(dòng)軌跡是控制算法的核心。例如，操作人員從人機(jī)界面輸入5、8、5三個(gè)參數(shù)，即可獲得底層為5，中間根數(shù)最大層為8，頂層為5的六角型橫截面鋼絲圈[5]，如圖1所示。

圖1 六角形鋼絲圈橫斷面

考慮上述特點(diǎn)，尋求一種能夠把邏輯和運(yùn)動(dòng)控制相集成的控制系統(tǒng)將是理想選擇[6]。由羅克韋爾自動(dòng)化提供的ControlLogix系統(tǒng)可以將邏輯、過程、傳動(dòng)和運(yùn)動(dòng)四種控制集成在同一處理器中，使邏輯和運(yùn)動(dòng)控制的編程與組態(tài)在同一軟件中實(shí)現(xiàn)，解決了分離式方案帶來的諸多問題。伺服驅(qū)動(dòng)器與處理器之間的通訊采用全數(shù)字高實(shí)時(shí)性SERCOS(串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng))光纖總線來完成[7]，速率達(dá)到8 Mbits/s，減少了繁雜的接線，而且提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，高速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸能力保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。另外，ControlLogix系統(tǒng)提供的結(jié)構(gòu)化文本編程方式，有利于縮減控制算法的程序量[8]，并可以很好地滿足多種規(guī)格鋼絲圈生產(chǎn)的需要，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制算法的研究與實(shí)現(xiàn)

同為六角型鋼絲圈，其底層、中間根數(shù)最大層和頂層的根數(shù)不盡相同，根據(jù)規(guī)格不同，鋼絲圈橫截面鋼絲數(shù)目有5-8-5，6-9-6，9-12-9等三種。不同規(guī)格鋼絲圈的存在決定了主從軸合成運(yùn)動(dòng)軌跡的不確定性，這就需要有一個(gè)合適的算法，它可以在輸入少量幾個(gè)參數(shù)的情況下生成符合該規(guī)格生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在生產(chǎn)過程中，纏繞主軸帶動(dòng)鋼絲每纏繞一周，排絲或升降電機(jī)要進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，使之與前一圈纏繞的鋼絲以一定的方式相鄰，在不換層的情況下，纏繞電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，排絲電機(jī)都要向左或向右做寸動(dòng)；換層時(shí)，排絲和升降電機(jī)則都要作出動(dòng)作以合成一斜線運(yùn)動(dòng)，從鋼絲橫截面方向看，鋼絲的運(yùn)動(dòng)是一系列平動(dòng)、斜動(dòng)動(dòng)作的組合運(yùn)動(dòng)。無論是哪一種規(guī)格的鋼絲圈，升降和排絲電機(jī)的合成軌跡是正向平動(dòng)，正向斜動(dòng)，反向平動(dòng)和反向斜動(dòng)循環(huán)往復(fù)的過程，從整體來看是按照S型運(yùn)動(dòng)的，纏繞結(jié)束后會(huì)形成一個(gè)橫截面為六角型的鋼絲圈。這里，規(guī)劃軸的運(yùn)動(dòng)在實(shí)際運(yùn)行前即可獲得預(yù)期的軌跡對(duì)于現(xiàn)場調(diào)試工作來說尤為重要。纏繞電機(jī)作為主軸是單方向的運(yùn)動(dòng)，而升降和排絲電機(jī)分別作為纏繞電機(jī)的從軸根據(jù)主軸位置變化進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，屬于隨動(dòng)范疇，運(yùn)動(dòng)方式與電子凸輪非常類似[9]。因此，當(dāng)需要構(gòu)建一條運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，主從軸軌跡點(diǎn)的計(jì)算過程會(huì)頻繁地使用循環(huán)、判斷、賦值等操作[10]選取結(jié)構(gòu)化文本語言進(jìn)行語句編寫更加適合控制算法的實(shí)現(xiàn)。

這里以5-8-5鋼絲圈為例，對(duì)其算法進(jìn)行詳細(xì)說明。系統(tǒng)初始化后，由操作人員輸入鋼絲圈纏繞參數(shù)，即5、8、5三個(gè)參數(shù)后，鋼絲圈的形狀即確定。從運(yùn)動(dòng)軌跡看，它的最底層至最高層的鋼絲根數(shù)以5-6-7-8-7-6-5排列。本算法中，首先需要計(jì)算的是該規(guī)格鋼絲圈纏繞主軸總的運(yùn)行距離[11]，根據(jù)輸入底層、最高層及層數(shù)的參數(shù)變量Bottom，Largest和Top，經(jīng)循環(huán)和判斷計(jì)算出鋼絲數(shù)目的總和Total_Number為5+6+7+8+7+6+5=44，而主軸旋轉(zhuǎn)一周定義單位360度，計(jì)算出纏繞主軸需要走行的實(shí)際距離為15840度,具體如公式(1)所示:

Winder_Position=Total_Number*360

(1)

對(duì)于排絲電機(jī)來說，它的運(yùn)動(dòng)在每次主軸旋轉(zhuǎn)至某一指定角度時(shí)觸發(fā)，待主軸運(yùn)動(dòng)到另一角度時(shí)結(jié)束運(yùn)動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)可以滿足短距離排列時(shí)鋼絲的要求[12]。假設(shè)當(dāng)前觸發(fā)角度定為320度，終止角度定為360度，以(0，0)為原點(diǎn)，則排絲電機(jī)運(yùn)動(dòng)的觸發(fā)點(diǎn)為(320，0)，當(dāng)纏繞電機(jī)由0度旋轉(zhuǎn)至320度時(shí)，排絲電機(jī)開始向右(縱軸正方向)做長度為1.8mm(鋼絲線直徑)的運(yùn)動(dòng)，待纏繞主軸旋轉(zhuǎn)至360度時(shí)，排絲電機(jī)結(jié)束運(yùn)動(dòng)，由此確定下一個(gè)軌跡點(diǎn)為(360，1.8)，第一圈排絲動(dòng)作結(jié)束，這樣，所排列鋼絲將緊貼前一圈鋼絲；隨著纏繞主軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)軌跡點(diǎn)(680，1.8)點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)第二圈向右的排絲動(dòng)作，直至軌跡點(diǎn)(720，3.6)，依次類推[13]。為了提高計(jì)算效率，可利用迭代算法計(jì)算二維位置曲線主軸的位置點(diǎn)，即它總是計(jì)算前一位置點(diǎn)的相對(duì)位置，這里Trigger和End_Trigger是用來判斷觸發(fā)和結(jié)束觸發(fā)的標(biāo)識(shí)變量，具體如公式(2)所示；

Profile[1].Master：=Profile[0].Master+Trigger*320+End_Trigger*360

(2)

排絲電機(jī)每次觸發(fā)或結(jié)束運(yùn)動(dòng)后的位置點(diǎn)Profile[1].Slave的計(jì)算如公式(3)所示：

Profile[1].Slave：=Profile[0].Slave+Not_Change*Direction*1.8+Change*Direction*0.9

(3)

其中Not_Change和Direction是判斷換層與否和寸動(dòng)方向的標(biāo)識(shí)變量。

依據(jù)上述算法，編寫了相應(yīng)的系統(tǒng)程序，可以在輸入鋼絲圈參數(shù)后確定任一規(guī)格鋼絲圈的所有二維主從軸位置點(diǎn)，并將其存于軌跡點(diǎn)數(shù)組中[14]，從而確定一條完整二維軌跡曲線，如圖3所示：

圖3 5-8-5六角型鋼絲圈纏繞主軸與排絲從軸二維位置曲線圖

結(jié)合結(jié)構(gòu)化文本編寫核心控制算法，再加以梯形圖編程實(shí)現(xiàn)邏輯控制；通過系統(tǒng)參數(shù)輸入的方式對(duì)每個(gè)軸的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)[15]，極大地提高了系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作的性能并最終實(shí)現(xiàn)了六角型鋼絲圈成型機(jī)的控制系統(tǒng)功能。實(shí)踐證明，此系統(tǒng)控制程序語句合理、代碼簡單、功能劃分清晰，開發(fā)和調(diào)試更加容易。

3 結(jié)論

利用ControlLogix系統(tǒng)作為控制平臺(tái)，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，操作人員在人機(jī)界面上輸入指定規(guī)格鋼絲圈所需參數(shù)，控制器計(jì)算后將所得軌跡點(diǎn)數(shù)組通過電子凸輪編輯器繪制出運(yùn)動(dòng)軌跡，經(jīng)確認(rèn)無誤即可啟動(dòng)系統(tǒng)，使三臺(tái)伺服電機(jī)聯(lián)動(dòng)完成纏繞鋼絲圈的過程。整個(gè)系統(tǒng)建立在統(tǒng)一平臺(tái)之上，硬件兼容性好；核心算法和邏輯編程雖使用不同的語言，但都在同一系統(tǒng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)；由于能夠事先獲取運(yùn)動(dòng)軌跡，安全性與可靠性得到了很好的保證。從實(shí)際運(yùn)行的效果來看，采用本文所介紹的控制算法實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)具有程序語句合理、代碼簡單、功能劃分清晰，開發(fā)和調(diào)試更加容易等特點(diǎn)，伺服軸能夠按照規(guī)定的軌跡做高精度的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性都很出色，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)運(yùn)行。生產(chǎn)出的六角型鋼絲圈具有形狀規(guī)整，鋼絲排列緊密有序，無重疊和分離情況，質(zhì)量優(yōu)良等特性。

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(責(zé)任編輯：劉劃 英文審校：劉紅江)

Winding algorithm and its implementation of hexagonal bead based on ControlLogix

SONG Tie

(Shenyang No.1 Lathe Factory,Shenyang Machine Tool Co.Ltd.,Shenyang 110142,China)

In this paper,an algorithm of controlling 2D movement track is adopted to solve the problem of calculating the winding system of multi hexagonal bead.ControlLogix controller is used to realize the integration of the logic control and motion control.The SERCOS optical fiber bus interface technology ensures the anti-interference,high reliability and real time performance of the system.The structured text programming and graphical editor makes the movement of the servo axis complete and the whole system more convenient and effective.

hexagonal bead;SERCOS;servo system;structured text

2015-03-08

宋鐵(1981-)，男，遼寧沈陽人，工程師，主要研究方向：伺服控制及電氣設(shè)計(jì),E-mail：tie_song@smtcl.com。

2095-1248(2015)02-0058-03

TP275

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.02.012