基于PLC层绕机张力与排丝系统的设计与分析.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 第 4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS NO V ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 4 6 基于 P L C层绕机张力与排丝系统的设计与分析 田胜利，刘银， 曹国宏， ‘ 李镀锋 中国地质大学 武汉机 电学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4 摘要排丝系统是焊丝生产的关键系统之一 ，其控制的好坏直接影响到焊丝的质量。目前的排丝机多采用零角度排 丝，可靠性低。现从方便性及实用性的角度出发设计一套 自动排丝系统，整个系统以西门子系列 s 7 2 0 0可编程序控制器作 为控制核心。设计了硬件控制系统 ，并搭建整个系统的仿真模型。仿真结果表明设计的自动排丝系统能实现高精度 自动 排丝 。 关键词 可编程控制 ；自动排丝；仿真 中图分 类号 T P 2 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 21 4 3 3 De s i g n a nd Ana l y s i s o f La y e r W i nd e r Te ns i o n a nd W i n di n g Ar r a ng i ng S y s t e m Ba s e d o n PLC TI AN S h e n g l i ， L I U Yi n， CAO Gu o h o n g， LI Du f e n g F a c u l t y o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n ，C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s Wu h a n ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 4，C h i n a Ab s t r a c t W i r e s y s t e m i s o n e o f t h e k e y s y s t e ms o f w e l d i n g wi r e p r o d u c t i o n， i t s c o n t r o l p e r f o r ma n c e d i r e c t l y a f f e c t s t h e q u a l i t y o f we l d i n g w i r e ． C u r r e n t r o w w i n d e r s r o w s i l k wi t h z e r o a n g l e，r e l i a b i l i t y i s l o w． F r o m p o i n t o f v i e w o f c o n v e n i e n t a n d p r a c t i c al ，a s e t o f a u t o ma t i c w i r e a rra n g i n g s y s t e m w a s d e s i g n e d ． I n t h e wh o l e s y s t e m，S i e me n s 7 - 2 0 0 s e r i e s p r o g r a mma b l e c o n t r o l l e r wa s a s t h e C o n t r o l c o r e ． T h e h a r d wa r e wa s d e s i g n e d．a n d t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e wh o l e s y s t e m wa s b u i l t ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s i g n e d a u t o ma t i c wi r e d i s c h a r g i n g s y s t e m c a n b e u s e d t o r e ali z e h i g h p r e c i s i o n a u t o ma t i c w i r e a r r a y ． Ke y wo r d s P r o g r a mmab l e l o g i c c o n t r o l l e r ； Au t o ma t i c wi r e a r r a y ； S i mu l a t i o n 排丝机系统在纺织和纺纱工厂里应用已经较为广 泛和普遍 了，现在排丝机也广泛地应用于塑料、金 属 、印刷等行业 。在这些行业 中 ，发现排布 的那些材 料 比较细 ，而且没有张力 ，对它们进行高精度 的排丝 有一定 的困难 ，因此需要一个 高精度排丝 系统来解决 这种 问题 。 1 排丝机的总体控制方案设计 1 ． 1 排丝机 的机械结构 线缆卷绕机 由放线 机构 、绕线机 构和排 线机构 三 部分所组 成。在 排线过 程中只要绕线 电动机 和排线电 动机保持恒定的转速比就可以实现等螺距卷绕。其中 绕线排线 机构 如图 1 所示 。 绕线机构 排 线机构 图 1 卷绕排丝机构 构 1 ． 2 卷取张力控制方案 图 2所示 的控 制 系统 中 ，主 调节 器 为张 力调 节 器，主调节器接受张力定值信号；速度调节器在主轴 转动时保持线速度的恒定，电流调节器保证电机的稳 定。两条副回路只是在卷取过程中起粗调作用，而主 回路才是对卷取张力的细调。当张力高于或低于设定 值时，其调节器发生调节信号，校正卷取系统的给定 值，不断纠正张力，保持卷取时张力的恒定。 图2 卷取张力控制系统方案 1 ． 3 排丝控制方案 图3中的主调节器为位置调节器，保证每次排丝 都能达到所需的位置，接下来传递给矢量调节器，到 达一定位置后能往 相反 的位置行 走 。在整 个过程 中 ， 要保证导轨 丝杠行走 的速度保持一定 。通过速度调节 器 ，保证速度保持稳定。 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 2 4 作者简介田胜利 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机械 自动化及其故障诊断。Em a i l 7 9 3 9 9 9 7 4 5 q q ． c o rn。 1 4 4 机床与液压 第4 2卷 图3 排丝控制系统方案 2 排丝机控制系统设计 此次设计的控制系统中，参与运作的主要设备器 件有伺服电机机、变频器 、交流异步电动机、P L C 。 其中伺服电机和交流异步电动机实现对各个控制环节 的调节 ；变频 器对重要控 制参数进行 调节调 整 ；P L C 作为核心控制器最终实现排丝的控制系统。 2 ． 1 硬件 设计 整个控制系统由 P L C、变频器、驱动器等构成。 P L C是控制中心，完成所有的运算和自动控制 ；变频 器是电能控制装置，能实现对由伺服电机驱动的横动 装置部分和由交流异步电机驱动的卷绕装置部分的变 频控制；控制面板和触摸屏接收到速度脉冲的信号与 P L C进行信息交换形成 自动控制 ，硬件系统的连接如 图 4所示。 速度 脉 冲检 测 -r 1 r 1 竺 竺 塑 兰 H 竺 皇 卜 _- P L C 排 线 伺 服 驱 动 器 I- - t 排 线 伺 服 电 动 机 f一 _ _ { 圈 厂 速厦 脉冲 检 测 图4 硬件系统连接图 2 ． 2 I ／ ／ O地 址分 配表 西门子 s 7 - 2 0 0系列作为排丝机系统的控制器 ， 进行全 开关量输入 、输 出的控制 ，完成西 门子 7 - 2 0 0 型 P L C对控制系统的作用。其中 I ／ O地址分配图如 表 1 所示 。 表 1 I ／ O地址分配图 2 ． 3 I ／ O接 线 图 I ／ O地址接线图如图5所示。它和表 1 所示的电 气控制系统的资源配置 I ／ 0口地址分配相对应。 医二 二 1L lM 10 ．0 Q0 ． 0 S B2广 r 1 1 0 ． 1 Q0 ． 1 一、 0 广一 墅 罗 Q o ．2 墅 I O ． 2 Qo ．3 墅 罗 I O ．3 I O。 4 旦 1厂一 I O ． 5 曼 z 罗 I O ．6 ． 1 0 ．7 Q I 1 ．0 I 1 ． 1 I 1 ．2 I 1． 3 PLC s 7 ． 2 0 0 图 5 I ／ O接线图 3系统的仿真 为检验此设 计 系统 的可 靠性 、正确 性 以及 稳定 性，在这里使用 M A T L A B语言来实现仿真，确定系 统的可靠性 ，验证所做设计的准确性。 3 ． 1 恒 张力仿真 由于此 系统恒张力控制 比较复杂 ，不易精确求得 数学模型、被控对象的参数变化较大，因此采用 P I D 校正能得到满意的控制效果。 经上文分析可以知道，卷取张力的控制实际是一 个速度跟踪器 ，下面将对这一系统进行仿真。张力仿 真控制框 图如 图 6所示。 图6 张力仿真控制框图 被控系统为一个二阶系统 ，其 中，K 4 6 ． 6 7 ， r 0 ． 0 0 1 4 6 ，得出张力惯性传递函数如下所示 c s 篙 1 利用 M A T L A B实现 ，输入参数 4 0 0 1 0～r i 1 0。 通过闭环系统采用 P I D校正，得出如图7所示的 阶跃响应曲线 。 从仿真结果可以看出改进后，张力环的响应时 间明显缩短 ，并且也能很快保持稳定状态 ，使 得卷取 张力能很好地保持稳定。 第 2 2期 田胜利 等基于 P L C层绕机张力与排丝系统的设计与分析 1 4 5 图7 阶跃响应曲线 3 ． 2 排 丝伺服 系统的仿真 排丝系统主要是由伺服电机控制的，而来回往复 运 动是 由位置控制的 ，因此 ，这里主要测试 位置环 的 阶跃性 。 图 8 位 置环框 图 被控系统为一个二 阶系统 ，根据二阶系统单位 阶 跃响应的超调量和阻尼比 之间的关系，可求得 0 ． 6 9 ，∞ 1 4 0 ． 2 7 ，得出传递函数如下 C s 1 9 4 s 1 9 6 7 8 2 S 所需的主轴变频率利用 MA T L A B实现 ，其参数 设 置如下 T4 0 K 0 ． 0 5 】 ． 0 从 图 9可 以 看 0 ’ 出位置环的响应时 1 ． 间明显缩短了，位置 0 阶跃超调明 显小于 传 ‘ 统，因此改进后位置 0 ． 环的稳定程度有所提 的设计[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 5 8 5 85 9 ． [ 2 ]于克龙． 绕线机排线机构的运动分析与控制[ J ] ． 机械 制造与 自动化 ， 2 0 0 5 3 1 0 21 0 3 ． [ 3 ] 韩大鹏 ， 张丽华． 层绕机排线及恒张力控制的设计[ J ] ． 金属制品， 2 0 0 7 2 4 5 4 7 ． [ 4 ]王洪斌 ， 刘今禹， 陈雷云． 高速冷轧机开卷机恒张力控制 系统[ J ] ． 自动化仪表， 2 0 0 8 ， 2 9 5 4 75 0 ． [ 5 ]陈跃华． 冷连轧卷取机恒张力控制技术[ J ] ． 冶金 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 7 1 3 3 3 8 ． 上接第 1 4 2页 3 结束语 汽车制动凸轮轴的加工精度主要有两个方面轮 廓度和对称度。以基圆直径为 2 5 m m的渐开线凸轮 轴为例，其零件轮廓度公差为0 ． 0 6 m m，对称度公差 为 0 ． 1 5 m m。 一 般渐开线制动凸轮轴的加工精度可以通过凸轮 轴测量仪来检测。轮廓度测量过程如下 首先选定起 测点，然后间隔一定度数 度数越小 ，检测越精准 测量另一点。对于对称度的测量 ，则要在一侧轮廓测 量完成后 ，转过 1 8 0 。 测量另一侧 。 通过对汽车制动凸轮轴专 用数控 系统 的测试 ，可 以得到如下结论 文中所设计的利用单片机与计算机 组成的专用数控系统能够满足汽车制动凸轮轴的加工 精度要求。数控系统经过长时间实验运行 ，能够稳 定、出色地完成加工任务。实验结果表明所设计的 制动凸轮轴专用数控系统可以应用于实际生产中并推 广使 用。 参考文献 [ 1 ]雷彩霞． 数控凸轮铣专用机床方案设计[ J ] ． 宁夏机械 ， 2 0 0 4 4 5 4 5 6 ． [ 2 ]王维志， 刘启华 ， 陈勇． 制动凸轮轴数控专用铣床设计 [ J ] ． 湖北汽车工业学院学报， 2 0 0 1 ， 1 5 1 2 3 2 5 ． [ 3 ]彭克立， 崔中． 全数控凸轮轴高速磨床的开发[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 1 3 1 5 ． [ 4 ]叶健敏， 高志 ， 胡秀亮， 等． 基于单片机控制小型开放数 控平台设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 8 1 8 31 8 4 ． [ 5 ]崇育红， 马宏伟，卜 喜全． 凸轮数控铣床改造[ J ] ． 机床 与液压， 2 0 0 6 5 2 2 02 2 1 ． [ 6 ]刘书智， 李琳娜． V i s u a l C 实践与提高 串口通信与 工程应用篇 [ M] ． 北京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 7 ]孙业明． 基于 C 8 0 5 1 F D 2 0微控制器的车床数控系统设计 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 9 7 6 7 8 ． [ 8 ] 童长飞． C 8 0 5 1 F系列单片机开发与 C 语言编程[ M] ． 北 京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 5 ．