基于臺達PLC的焊絲層繞機排線技術研究

／臺達集團中達電通股份有限公司 潘賢榮／

基于臺達PLC的焊絲層繞機排線技術研究

／臺達集團中達電通股份有限公司 潘賢榮／

焊絲層繞機是焊絲生產的關鍵設備之一，排線系統的好壞直接影響到單盤焊絲層繞效果。目前國內焊絲層繞及多采用機械凸輪，步進電機系統，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。采用滯后角排線方式極大提高排線系統的穩定性和降低層繞中焊絲塌陷的情況發生?，F場實踐證明該系統能夠提升層繞質量和生產效率，層繞最高線速度為1800米/分。

PLC；伺服電機；電子凸輪滯后角

0 引言

隨著工業自動化技術和焊接工藝的發展，對焊絲的需求大幅度增加。國內焊絲需求已經實現單盤層繞化供應，焊絲層繞機需求隨之加大。傳統的機械凸輪排線系統無法滿足不同規格線徑需求，步進電機排線系統雖然可以滿足焊絲線徑的變化，但低速時容易對排線機構造成沖擊，且響應頻率特性也限制了層繞的最高速度，伺服電機排線系統能夠快速響應，一般采用PLC進行脈沖控制，國內同類設備大多是垂直層繞，設備容易受到干擾，焊絲張力不穩容易導致層繞塌陷的情況出現，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€系統可提高排線的精度和穩定性，通過運動控制型PLC電子凸輪功能實現排線單元的閉環控制，使焊絲以固定的滯后角度θ在收線盤工字輪上進行高速層繞。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，適應從細焊絲到粗焊絲全部線徑，操作簡單便捷等優點。

1 層繞機的基本結構及工藝原理

焊絲層繞機主要由主放線電機、收線盤電機、排線伺服電機、絲杠及擺線器、張力擺桿及PLC控制系統組成。焊絲層繞機結構如圖1所示。

圖1 焊絲層繞機結構

焊絲層繞機工作原理為收線盤在連續轉動卷繞焊絲的同時，排線單元控制焊絲規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動一圈，排線單元就要在收線工字輪向前進一個線徑，如此周而復始地來回層繞，直到計米或者計重滿足設定值后自動停止。

2 控制系統結構及工作原理

在層繞機系統中，層繞過程出現塌陷現象時常發生，導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，系統計算誤差等造成，通過對國內外同類產品進行調查研究及通過大量現場試驗和分析，最終選擇利用電子凸輪來實現排線，具有更換線徑靈活，層繞速度高，層繞效果好的特點。根據焊絲的線徑，工字輪長度自動計算出每層繞制圈數，并自動生成對應的電子凸輪曲線。

2.1 控制系統結構

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

圖2 焊絲層繞機控制框圖

2.2 基于滯后角排線工作原理

層繞機自動排線單元如圖3所示。排線采用滯后角排線，伺服電機通過滾珠絲桿及滑軌推動排線器以一定角度排線。在收線工字輪的內經區域，當從一側向另一側排線時，整個排線區域分為兩個部分，兩頭換向區和中部排線部分，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，會自動向相反方向層繞，在這個過程中不允許有超前角出現，否則焊絲會出現縫隙，無法絲絲相扣，層繞出來的焊絲將不符合要求。因此兩頭換向區滯后角的設定和區域分割點的規劃顯得至關重要。

圖3 焊絲層繞機排線單元

通過電子凸輪曲線進行層繞跟隨規劃，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。以從左端到右端凸輪曲線控制為例，排線機構原點回歸后，焊絲靠在工字輪左邊緣，凸輪咬合，工字輪開始旋轉，排線機構靜止m圈，然后排線機構凸輪跟隨工字輪進行排線，靜止的圈數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，凸輪數據計算程序，排線單元凸輪曲線規劃，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

根據排線工藝要求，排線單元需要跟隨收線盤進行跟隨排線，收線盤末端設計安裝一個600線增量式編碼器來反應收線盤的位置關系，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內部MPG功能即可實現收線盤速度和脈沖個數的實時采樣。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 排線單元凸輪關鍵點規劃

層繞機排線部分采用臺達脈沖型運動控制器DVP-20PM 內部電子凸輪功能實現，通過臺達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現，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m圈，排線單元走（m+n）根線徑距離，保證在到達邊緣時排線和收線盤是垂直關系。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，凸輪自動加載執行。根據排線工作原理，需要通過PMsfot軟件建立7個凸輪關鍵點，凸輪曲線規劃如圖7所示。主軸為收線盤編碼器采樣，從軸為排線單元位置。7個關鍵點運動關系如圖8所示。

圖7 排線單元凸輪曲線

圖8 凸輪運動關系

3.3 凸輪數據計算

電子凸輪規劃7個關鍵點是這個排線系統的關鍵參數，如果更換線徑，則會通過PLC自動計算生成對應的凸輪關鍵點，工字盤層繞根數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

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

表 凸輪關鍵點規劃

編碼器選用600線AB相輸出。當收線盤旋轉1圈，編碼器發出600×4=2400脈波，即p1=2400；系統選用絲杠導程L=2mm，減速機減速比為i=2.5∶1。通過如下公式即可得到p2。

系統電子凸輪關鍵點計算PLC程序如程序1和2所示。

3.4 凸輪實時更新

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

程序1 主軸凸輪關鍵點計算

程序2 從軸凸輪關鍵點計算

4 結束語

焊絲層繞機采用臺達脈沖型運動控制器DVP-20PM電子凸輪功能控制，利用滯后角提升系統穩定性的方法，可以使得焊絲層繞張力均勻，換向平穩，焊絲層繞質量和效率大大提高。通過若干工程設備實驗測試和客戶現場驗證，該方法完全符合焊絲層繞機系統工藝需求，性能達到業內領先水平。