R型铁心数控卷绕机床的纠偏控制系统研究.pdf

勇 3 9卷第 2期 2 0 0 2 年 2 月 多 rfi 万 夕花洲瓜分 粗泥石丛万 V o l. 3 9 F e b r u a ryN o .220 0 2 R型铁心数控卷绕机床的纠偏控制系统研究 朱决友郑维奢 北京工商大学丰 月 概自动化学院， 北京 1 0 0 0 3 7 摘要 对R型铁心卷绕机床的纠偏控制系统进行了 研究， 开发出了 一种新型控制硅钢带跑偏的纠偏装IT I论 述 了f lu 偏装里对硅钢带偏移量的影响， 提出了数学模型 并在 R型铁心数控卷绕机的控制系统中加以应旧 关健词 变压器; R型铁心; 卷绕机; 纠偏装兰; 控制系统 中图分类号 T M 4 0 5文献标识码 A文章编号 1 0 0 1 - 8 4 2 5 2 0 0 2 0 2 - 0 0 1 8 - 0 3 1引言 R型铁心变压器是国外 2 0 世纪 8 0 年代发展起 来的一种新型变压器。R型铁心结构与传统的叠片 式铁心结构主要差别在于R型铁心的截面形状为 圆形、 R型铁心及其截面如图 1 所示。 R型铁心是由 w 陈 不卜 9 一 { i.2 B 过 渡层 一根连续的、宽窄不一的硅钢带 卷绕而成，经退火处理和浸漆处 理， 一次成型， 铁心不需切割。绕 组骨架做成拼装式圆筒状，绕组 ft接在 R型铁心上绕制而成。R t 9 铁心变压器与传统变压器相比 具有空载电流小、 噪声低、 重量轻 等优点 匡习 鲁 圈1 R型铁心及其 健面 2R 型 铁1 也 结 构特点 为了 能使硅钢带在胎具上一次卷绕成为圆形横 截面的铁心， 应首先将硅钢带切割成不等宽的带形， 硅钢带结构如图2 所示。 从图中可以看出， 硅钢带的 宽度是随长度的不同而不断变化的，成为先窄后宽 再窄的形状。硅钢带这种长宽关系可用函数 W L x 来表示，R型铁心与C型铁心结构不同， 后者 的宽度和长度没有关系， 是一个不变的常数。 由于结 构上不同，传统变压器铁心的生产设备无法生产R 型铁心一R型铁心生产设备是由开料机、 卷绕机、 绕 线机等设备组成。开 料机按长宽函数关系裁剪出的 带形准确性，是保证生产出符合圆度要求铁心的重 要因素之一卷绕机在卷绕过程中能否保证硅钢带 一直处于中心位置， 也将影响到铁心截面的的圆度。 在卷绕过程中， 我们采取动态检测硅钢带的位置， 并 将检测到的位置信息反馈给控制执行机构，以进行 图2 硅祠带结构 动态纠偏控制， 从而加工出合乎要求的R型铁心 3卷绕机的控制系统 在硅钢带卷制过程中，由于硅钢带 自身的缺陷 及生产线上某些设备的原因， 运行中的硅钢带中心 会偏离加工中心线而出现所谓的“ 跑偏现象” 。硅钢 带的跑偏会随加工时间及运行速度的增加而越加严 重。 当跑偏量超过一定量值时， 将无法加工出合格的 产品。因此， 在卷绕机的研制开发过程中， 必须解决 如 何防止硅钢带跑偏以 及如何进行纠偏的问题。 卷 绕机对硅钢带的纠偏控制是通过其控制系统来完成 的。 卷绕机的控制系统是由控制单元、 执行单元、 检 测单元三个部分构成一个动态闭环控制系统。控制 系统原理图如图3 所示。工作过程中传感器动态并 连续不断地将硅钢带的位置信息及时传送到主控单 元。 控制单元将位置信息经过控制系统程序处理后， 转化为步进电机的脉冲信号输出。步进电机带动纠 偏装置对硅钢带的位置进行动态的调整，以达到对 铁心圆整度的控制。将传感器位置信息转化为步进 电机的脉冲数的过程是通过控制系统的软件部分来 实现的。 纠偏装置的设计 纠偏装盆的设计 万方数据 柔 2耳采决友、 郑维智 H 型铁心数控卷绕机床的纠偏控制系统研究 机交互输 人 、 输 出 脉冲输出 信 号处理匣i } 显 二 单 元 传感器 立 称t检恻 h 又 “ t a n g门i 式中S , 一一两辊轮之间的当量距离 庆 一 一 一 辊轮的旋转角度 当量距离S , 与辊轮中心距S , 及辊轮直径有关 当 量距离S 2 的计算简图如图6 所示- 由直角三角形A A B C得 纠偏中兀 检测单元 A C b 访_ . ---- 2 _一 .2S , 1 2 - R 国圈一 主控 制单兀 图3 控制系统原理图 纠偏装置是用来将步进电机的输出脉冲数转 化为硅钢带的位移纠偏量的主要执行机构。纠偏装 置结构 见图 4 由A B A C和A A D C相似， 得 “一劝 -- a-b -- D C AC 鉴 崖 骂 巍 纠偏执行机构 图3 纠偏装宜机械示意图 新研制的纠偏装置采用 3个导向辊平行放置， 并将 3个导向辊做成一个整体的结构。该导向装置 是通过改变导向辊角度使硅钢带发生横向摆动来 实现其导向纠偏作用导向辊由步进电机通过减速 机构带动 通过控制步进电机的 输出脉冲数来控制 导向辊的旋转角度，从而带动硅钢带横向移动， 以 实现硅网带的纠偏 N - 2 硅钢带的横向移动量和步进电机输出脉冲数 之间的关系 一辊纠偏机构旋转角与硅钢带的偏移量的关 系i 1一 算简图如图5 。 和图5 6 所示。 从图中可以看出， 当纠偏机构旋转一个 0 角时， 前纠偏辊轮轴线与硅 钢带原始中心线不垂直， 硅钢带人口段中心线与前 纠偏辊轮轴线产生偏转角 a ，而出口段与后纠偏辊 轮产生负向6 角， 这样变动后的硅钢带中心与原中 心仍然平行， 但产生了位移2 h 。检测与纠偏并非同 时进行由于每一次检测之间的时间间隔很短， 因 此硅钢带偏移量很小， 两者之间的关系可以简化为 图5 b所示的，角关系。其数学表达式为 图6 求当f距离S 的几何模型 由直角三角形 A A B D得 c o s 仇 二 S , - 2 a / 2 R 由图6中的直角三角形 A E B F ; x R- c o s 9 0 0 B , S , .S , 2 R c o s 4 5 0 B 乙 2 硅钢带在加工过程中， 由于某种原因发生偏转， 传感器将检测到硅钢带的偏移量h . 由公式 1 可计 算出将硅钢带拉回原位时纠偏装置所需转角B 。设 步进电机的步距角为a , 减速机构的传动比为。 、 由 于B 角很小， 计算时可以将t a n g 近似成B 。 则步进电 机步距数刀与 B 之问换算关系， 由公式 3 表示 n 由式 1 a i 口 3 、 式 3 得 h nX 2 h [S - 2 二 二 }4 5 0 B , { 1 一 4 ; _ 初始位置示意图 前纠偏辊轮 N 旋转后位置示意图 图 5 三辘纠偏机构旋转角与硅钢带的偏移.关系简图 加大单位纠偏量的步进电机输出脉冲数。 ， 可 提高纠偏装置的精度。 由公式 4 可分析出通过以下 途径来提高纠偏精度 1 减小减速装置的传动比 ; 2 减少步进电机的步距角a ; 3 减少两纠偏辊的 中心距s , ; 4 适当地增大纠偏辊的直径。本纠偏系 统由于采用高精度的传感器 精度为1 0 ， 因此能够 万方数据 司活 第 3 9卷 检测到硅钢带的O . l m m的偏移量。 通过上述纠偏装 置的纠偏， 使步进电机每O . l m m的偏移量可输出几 百个脉冲，这样理论上就能使得铁心的圆度小于 0 . 2 m m， 达到并超过了变压器生产的要求。 4 . 3 实际加工中心的确定 机床的理论中心是两传感器对中的中心， 也是 卷绕带头架的对中中心。但在实际加工过程中， 由 于安装硅钢带是人工操作， 硅钢带的中心不可能正 好处于机床的理论中心， 存在着初始安装误差。在 设计误差纠偏数据处理系统时， 采取用初始检测中 心作为实际加工中心来进行理论计算的初始状态 定位。实际加工中心的确定示意图如图7 所示。 实际中心位置 理论 中心位置 }{ 传IA器 2 图7 实际加工中心的确定示班图 5 结论 单， 并且利用计算机闭环控制系统 使纠偏精度大 大提高。该系统为变压器生产的自动化、 数字化提 供了可靠的保证。 参考文献 [ I ] 徐士佐_ R型铁心设备研制动态[ J ] .电J 压器技术. 1 9 9 4 , 1 7 1 2 5 . 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P o w e r D e l i , . 1 9 9 3 . 8 1 2 4 6 - 2 5 1 三辊纠偏系统利用平行位移原理， 使纠偏后的 硅钢带中心线仍与原中心线平行。纠偏装置结构简 R e s e a r c h o n D e v i a t i o n - C o r r e c t i n g C o n t r o l S y s t e m i n D i g i t a l C o n t r o l Wi n d e r f o r R - C o r e 2 万 UJ u e - y o u , 2 月 万 N 心 We i - z h i B e i j i n g U n i v e r s i t y o f I n d u s t ry a n d B u s i n e s s , B e ij i n g 1 0 0 0 3 7 , C h i n a 15.15 A b s tr a c t T h e d e v i a t i o n -co r re c t i n g n e w d e v i a t i o n - c o r r e c t i n g d e v i c e t o c o n t r o l s y s t e m i n t h e w i n d e r f o r R - c o r e c o n tr o l d e v i a t i o n o f t h e s i l i c o n s t e e l b e l t r e s e a r c h e d p res e n t e d i n fl u e n c e o f t h e d e v i a t i o n -co r r e c t i n g d e v i c e c u s s e d . 丁 h e m a t h e m a t i c al m o d e l i s g i v e n a n d o nis t h e d e v i a t i o n o f t h e s i l i c o m s t e e l b e l t i s u s e d i n t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e d i g i t a l A T h e d i s - C0n一 t r o l w i n d e r f o r R - c o r e K e y w o r d s T r a n s f o r m e r ; R - c o r e ; W i n d e r ; D e v i a t i o n - c o r r e c t i n g d e v i c e ; C o n t r o l s y t s t e m 收稿日期 2 0 0 1 - 0 9 - 2 8 作者简介 朱决友 1 9 7 5 - ， 男 安徽省贵池人， 北京工商大学机械自 动化学院在校研究生 郑维智 1 9 5 2 - . 男. 天津市人， 北京工商大学机械自动化学院副院长， 现从事R 型变压器加工设备 的研究。 万方数据