／臺達(dá)集團(tuán)中達(dá)電通股份有限公司 潘賢榮／

基于臺達(dá)PLC的焊絲層繞機(jī)排線技術(shù)研究

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焊絲層繞機(jī)是焊絲生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，排線系統(tǒng)的好壞直接影響到單盤焊絲層繞效果。目前國內(nèi)焊絲層繞及多采用機(jī)械凸輪，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，可靠性低且層繞速度無法提高。PLC電子凸輪功能的控制系統(tǒng)不受PLC掃描周期影響，可保證在工字盤兩端換向的快速響應(yīng)。采用滯后角排線方式極大提高排線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低層繞中焊絲塌陷的情況發(fā)生?，F(xiàn)場實踐證明該系統(tǒng)能夠提升層繞質(zhì)量和生產(chǎn)效率，層繞最高線速度為1800米/分。

PLC；伺服電機(jī)；電子凸輪滯后角

0 引言

隨著工業(yè)自動化技術(shù)和焊接工藝的發(fā)展，對焊絲的需求大幅度增加。國內(nèi)焊絲需求已經(jīng)實現(xiàn)單盤層繞化供應(yīng)，焊絲層繞機(jī)需求隨之加大。傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪排線系統(tǒng)無法滿足不同規(guī)格線徑需求，步進(jìn)電機(jī)排線系統(tǒng)雖然可以滿足焊絲線徑的變化，但低速時容易對排線機(jī)構(gòu)造成沖擊，且響應(yīng)頻率特性也限制了層繞的最高速度，伺服電機(jī)排線系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，一般采用PLC進(jìn)行脈沖控制，國內(nèi)同類設(shè)備大多是垂直層繞，設(shè)備容易受到干擾，焊絲張力不穩(wěn)容易導(dǎo)致層繞塌陷的情況出現(xiàn)，需要倒絲后重新層繞，大大降低層繞的效率?；跍蠼强刂频淖詣优啪€系統(tǒng)可提高排線的精度和穩(wěn)定性，通過運動控制型PLC電子凸輪功能實現(xiàn)排線單元的閉環(huán)控制，使焊絲以固定的滯后角度θ在收線盤工字輪上進(jìn)行高速層繞。電子凸輪排線方式不受PLC掃描周期影響，換向的過程更加迅速，適應(yīng)從細(xì)焊絲到粗焊絲全部線徑，操作簡單便捷等優(yōu)點。

1 層繞機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工藝原理

焊絲層繞機(jī)主要由主放線電機(jī)、收線盤電機(jī)、排線伺服電機(jī)、絲杠及擺線器、張力擺桿及PLC控制系統(tǒng)組成。焊絲層繞機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊絲層繞機(jī)結(jié)構(gòu)

焊絲層繞機(jī)工作原理為收線盤在連續(xù)轉(zhuǎn)動卷繞焊絲的同時，排線單元控制焊絲規(guī)則地排列在工字輪上，并且需要排列整齊，外觀美觀無塌陷，且排滿之后自動停車。這就要求收線盤每轉(zhuǎn)動一圈，排線單元就要在收線工字輪向前進(jìn)一個線徑，如此周而復(fù)始地來回層繞，直到計米或者計重滿足設(shè)定值后自動停止。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

在層繞機(jī)系統(tǒng)中，層繞過程出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象時常發(fā)生，導(dǎo)致繞線不符合客戶需求，主要是由于焊絲線徑誤差，繞線工字輪誤差，系統(tǒng)計算誤差等造成，通過對國內(nèi)外同類產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)查研究及通過大量現(xiàn)場試驗和分析，最終選擇利用電子凸輪來實現(xiàn)排線，具有更換線徑靈活，層繞速度高，層繞效果好的特點。根據(jù)焊絲的線徑，工字輪長度自動計算出每層繞制圈數(shù)，并自動生成對應(yīng)的電子凸輪曲線。

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

焊絲層繞機(jī)控制系統(tǒng)由臺達(dá)脈沖型運動控制器DVP-20PM進(jìn)行控制，通過實時采樣收線盤編碼器信號至內(nèi)部處理，作為繞線主軸信號。20PM電子凸輪功能進(jìn)行排線伺服精密控制，配合剎車，張力系統(tǒng)完成整個系統(tǒng)控制。層繞機(jī)系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 焊絲層繞機(jī)控制框圖

2.2 基于滯后角排線工作原理

層繞機(jī)自動排線單元如圖3所示。排線采用滯后角排線，伺服電機(jī)通過滾珠絲桿及滑軌推動排線器以一定角度排線。在收線工字輪的內(nèi)經(jīng)區(qū)域，當(dāng)從一側(cè)向另一側(cè)排線時，整個排線區(qū)域分為兩個部分，兩頭換向區(qū)和中部排線部分，在中部排線部分采用固定滯后角跟隨排線，在兩頭換向區(qū)采用變角度跟隨排線。由于焊絲在層繞到工字輪邊緣時，會自動向相反方向?qū)永@，在這個過程中不允許有超前角出現(xiàn)，否則焊絲會出現(xiàn)縫隙，無法絲絲相扣，層繞出來的焊絲將不符合要求。因此兩頭換向區(qū)滯后角的設(shè)定和區(qū)域分割點的規(guī)劃顯得至關(guān)重要。

圖3 焊絲層繞機(jī)排線單元

通過電子凸輪曲線進(jìn)行層繞跟隨規(guī)劃，從工字輪左邊緣層繞到右邊緣，再從右邊緣層繞回左邊緣為一個凸輪周期，凸輪排線方法可以省掉左右換向光電開關(guān)。以從左端到右端凸輪曲線控制為例，排線機(jī)構(gòu)原點回歸后，焊絲靠在工字輪左邊緣，凸輪咬合，工字輪開始旋轉(zhuǎn)，排線機(jī)構(gòu)靜止m圈，然后排線機(jī)構(gòu)凸輪跟隨工字輪進(jìn)行排線，靜止的圈數(shù)通過計算即可得到滯后角。排線至接近工字輪右邊緣時，排線單元加速追趕，補回剛才靜止的圈數(shù)m。排線單元整個換向過程如圖4所示。

圖4 排線單元換向過程

3 基于電子凸輪控制的程序設(shè)計

焊絲層繞及程序主要分為收線盤工字輪編碼器采樣程序，凸輪數(shù)據(jù)計算程序，排線單元凸輪曲線規(guī)劃，恒張力控制，主放線盤變頻器VF速度控制，收線盤速度跟隨等。

3.1 收線盤編碼器采樣

根據(jù)排線工藝要求，排線單元需要跟隨收線盤進(jìn)行跟隨排線，收線盤末端設(shè)計安裝一個600線增量式編碼器來反應(yīng)收線盤的位置關(guān)系，20PM 有專門的編碼器輸入接口，其接線方式如圖5所示。采用PLC內(nèi)部MPG功能即可實現(xiàn)收線盤速度和脈沖個數(shù)的實時采樣。編碼器采樣PLC程序如圖6所示。

圖5 編碼器接線

圖6 編碼器采樣程序

3.2 排線單元凸輪關(guān)鍵點規(guī)劃

層繞機(jī)排線部分采用臺達(dá)脈沖型運動控制器DVP-20PM 內(nèi)部電子凸輪功能實現(xiàn)，通過臺達(dá)PMsoft PLC編程軟件可以很輕松地建立自己需求的凸輪曲線。

通過實驗測試對比發(fā)現(xiàn)，凸輪咬合后收線軸開始收線，排線單元先靜止m圈（1～4圈）之后，此時排線單元出線口和收線工字盤之間已經(jīng)拉出滯后角，此時排線單元開始實時跟隨收線盤勻速排線，排線到工字盤另一側(cè)邊緣附近最后n圈時，排線單元開始加速到邊緣，即收線軸轉(zhuǎn)m圈，排線單元走（m+n）根線徑距離，保證在到達(dá)邊緣時排線和收線盤是垂直關(guān)系。同樣，排線軸再次靜止m圈后反方向運動到起始點附件加速回到起始點，此為一個凸輪周期，整個層繞過程即為多個凸輪周期運動的組合，兩個凸輪周期間無需程序干預(yù)，凸輪自動加載執(zhí)行。根據(jù)排線工作原理，需要通過PMsfot軟件建立7個凸輪關(guān)鍵點，凸輪曲線規(guī)劃如圖7所示。主軸為收線盤編碼器采樣，從軸為排線單元位置。7個關(guān)鍵點運動關(guān)系如圖8所示。

圖7 排線單元凸輪曲線

圖8 凸輪運動關(guān)系

3.3 凸輪數(shù)據(jù)計算

電子凸輪規(guī)劃7個關(guān)鍵點是這個排線系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如果更換線徑，則會通過PLC自動計算生成對應(yīng)的凸輪關(guān)鍵點，工字盤層繞根數(shù)可以通過收線盤工字輪盤踞和線徑計算得出。計算公式如下

計算得到層繞根數(shù)只是半個周期的層繞根數(shù)，層繞過程為一去一回，所以主軸的整個周期根數(shù)為2s，所有7個關(guān)鍵點的關(guān)系如下表所示。表中，p1為收線軸系數(shù)，p2為排線軸系數(shù)。

表 凸輪關(guān)鍵點規(guī)劃

編碼器選用600線AB相輸出。當(dāng)收線盤旋轉(zhuǎn)1圈，編碼器發(fā)出600×4=2400脈波，即p1=2400；系統(tǒng)選用絲杠導(dǎo)程L=2mm，減速機(jī)減速比為i=2.5∶1。通過如下公式即可得到p2。

系統(tǒng)電子凸輪關(guān)鍵點計算PLC程序如程序1和2所示。

3.4 凸輪實時更新

焊絲層繞機(jī)時常會更換不同的線徑進(jìn)行加工，更換線徑時，PLC通過自動計算凸輪關(guān)鍵點之后，還需要對凸輪進(jìn)行實時更新，凸輪實時更新采用PLC內(nèi)部凸輪更新功能塊CamCurveUpdate實現(xiàn)。

程序1 主軸凸輪關(guān)鍵點計算

程序2 從軸凸輪關(guān)鍵點計算

4 結(jié)束語

焊絲層繞機(jī)采用臺達(dá)脈沖型運動控制器DVP-20PM電子凸輪功能控制，利用滯后角提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，可以使得焊絲層繞張力均勻，換向平穩(wěn)，焊絲層繞質(zhì)量和效率大大提高。通過若干工程設(shè)備實驗測試和客戶現(xiàn)場驗證，該方法完全符合焊絲層繞機(jī)系統(tǒng)工藝需求，性能達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。