基于數控系統螺紋切削技術的條形帶纏繞的控制系統及方法

李瑞福，柏松

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

目前，大部分橡膠成型機都是手動控制設備，它的主軸旋轉、平臺直線運動和加工過程都是人工操縱手動進行，設備不僅操作復雜、操作者勞動強度大，而且效率低、精度差，很難滿足現代加工對設備的要求。為了滿足現代化加工的要求，有部分廠商將成型機的控制系統改造為PLC可編程控制器控制，或者是工業控制機控制。但是這種改造，無論是操作、還是效率，以及精度仍然很差，并且故障率很高，具體表現在設備的穩定性和可靠性方面。同時，由于這些控制都是非標準的設計和控制，如有較大故障及改動，需依靠改造設計單位來完成，沒有獨立性，使得維修及維護特別不方便。

2 控制系統的技術方案

技術方案為：一種數控系統螺紋切削技術實現條形帶纏繞的控制系統，包括成型機卷筒和成型機小車，包括數控系統、小車伺服控制模塊和主軸變頻器控制模塊。數控系統連接小車伺服控制模塊、主軸變頻器控制模塊、遠程IO接口模塊、手持操作站和系統操作站，用于控制成型機卷筒的轉速和起始角度以及成型機小車的速度。小車伺服控制模塊連接數控系統，用于通過接收數控系統發出的控制命令，對成型機小車速度進行控制。主軸變頻器控制模塊連接數控系統，用于通過接收數控系統發出的控制命令，對主軸的轉速和初始角度進行控制。

所述數控系統具有AXIS1接口、AXIS2接口、AXIS3接口、AXIS4接口、SSB-IO接口、MPG接口和RS422接口。

所述小車伺服控制模塊包括伺服驅動器、小車伺服電機和第1編碼器，其中伺服驅動器從數控系統的AXIS3接口接收到數控指令，通過電機電源線連接到小車伺服電機，通過第1編碼器將脈沖信號反饋回伺服驅動器。

所述主軸變頻器控制模塊包括主軸變頻器、主軸變頻電機、減速機、第2編碼器和第3編碼器，其中主軸變頻器從數控系統的AXIS4接口接收到數控指令，通過電機電源線連接到主軸變頻電機，通過第2編碼器將脈沖信號反饋到主軸變頻器；同時主軸變頻電機連接減速機，在減速機后側加裝第3編碼器，將脈沖信號反饋到數控系統。

所述主軸變頻器具有能接收-10V～+10V指令電壓的變頻器控制板。

所述遠程IO接口模塊包括遠程IO接口、32路開關量輸入接口、24路開關量輸出接口、輸入端子板和輸出端子板。

一種數控系統螺紋切削技術實現條形帶纏繞的控制方法，包括數控系統對成型機小車的速度以及成型機卷筒的轉速、起始角度的閉環控制。數控系統對成型機小車的速度的閉環控制步驟如下：數控系統的AXIS3接口將數控指令傳到伺服驅動器，伺服驅動器輸出電壓加在小車伺服電機上，通過第1編碼器將脈沖信號反饋回伺服驅動器，完成速度閉環控制。數控系統對成型機卷筒的轉速和起始角的閉環控制步驟如下：數控系統的AXIS4接口將數控指令傳到主軸變頻器，主軸變頻器的輸出電壓加在主軸變頻電機上，通過第2編碼器將脈沖信號反饋到主軸變頻器，完成速度閉環控制；同時主軸變頻電機連接減速機，在減速機后側加裝第3編碼器，將脈沖信號反饋到數控系統，完成位置閉環控制。

3 該技術的具體實施方法

該控制系統的總體結構如圖1所示。其中，1為AXIS1接口、2為AXIS2接口、3為AXIS3接口、4為AXIS4接口、5為SSB-IO接口、6為MPG接口、7為RS422接口、8為小車伺服電機、9為第1編碼器、10為主軸變頻電機、11為第2編碼器、12為第3編碼器、13為遠程IO接口模塊、14為遠程IO接口、15為32路開關量輸入接口、16為24路開關量輸出接口。

圖1 控制系統的結構框圖

由圖1可知，采用藍天GJ301數控系統作為成型機的控制系統，利用GJ301數控系統的螺紋切削功能實現成型機條形帶纏繞的工藝，實現不同起始角和不同螺距的螺紋纏繞。GJ301數控系統作為成型機的控制系統，主要實現成型機的卷筒（主軸）和成型機小車的運動控制。

所述的GJ301數控系統采用先進的開放式體系結構，內置嵌入式工業CPU板卡，配置8.4”彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成軸控制接口，通用（本機）I/O接口，遠程（同步串行I/O）接口，網絡接口和USB接口。各接口的定義如下：

AXIS1、AXIS2、AXIS3、AXIS4：軸伺服接口，用于連接運動部分的伺服驅動裝置。

I/O：機床通用輸入/輸出控制接口，用于連接開關量輸入/輸出模塊。

MPG：手持單元接口，用于連接手持單元設備。

SSB-IO：遠程I/O接口，用于連接SSB-IO同步串行IO模塊。

RS422：手持操作站接口，用于連接系統操作站。

以太網（LAN）：10/100Mbps以太網接口，用于連接以太網。

USB：USB2.0接口，用于連接USB設備。

為了實現成型機的卷筒（主軸）和成型機小車的聯動控制，對小車進行了改造。原有的小車采用的是變頻器和變頻電機開環速度控制機電拖動系統。為了保證行走的定位精度，將小車的變頻器更換為伺服控制器，改造為由伺服單元控制伺服電動機的閉環位置控制機電拖動控制系統。改造后的伺服驅動控制器的型號：SGDM-50ADA，同時對伺服控制器重新設置參數；將變頻電機改為伺服電機加編碼器，為區別其它編碼器，將該編碼器記為第1編碼器。

此外，將主軸變頻器的控制電路板進行改造，使主軸變頻器實現速度和位置閉環控制功能。原變頻器的控制板只能接收0～10V的指令電壓，而實際需要能接收-10V～+10V的指令電壓的變頻器控制板，因此將變頻器的控制板進行更改，更改后的控制板的型號為MT134DA2。同時對變頻器的參數進行修改，其中主要的參數為：將F4-13設為0，F4-14設為-100%，F4-15設為10，F4-16設為100%。

具體實現成型機卷筒（主軸）和成型機小車的聯動控制，主要通過以下方式：藍天GJ301數控系統中的AXIS3接口與小車伺服驅動器輸入端相連，電機電源連到小車伺服電機，通過第1編碼器將檢測到的脈沖信號反饋給伺服驅動器，通過伺服單元控制伺服電動機，從而實現閉環控制。

藍天GJ301數控系統中的AXIS4接口與主軸變頻器相連，主軸變頻器的電機電源連接主軸變頻電機，通過第2編碼器將檢測到的速度信號反饋給主軸變頻器，形成閉環控制，在變頻電機后連接減速機，同時，為了實現不同起始角度的卷筒纏繞，準確控制卷筒的轉動角度，在減速機后側加裝了旋轉編碼器，編碼器型號為E6B2-CWZ1Z，即第3編碼器；脈沖線數為2000P/R。第3編碼器檢測的脈沖信號直接反饋給藍天GJ301數控系統，從而實現纏繞卷筒的角度的控制。

藍天GJ301數控系統中的SSB-IO接口與SSB-I/O單元的SSB-IN連接，SSB-I/O單元提供32位開關量輸入和24位開關量輸出。

各個接口定義如下：

32IN接口：32路開關量輸入接口，連接到SSB-I/O單元的輸入端子板。

24OUT接口：24路開關量輸出接口，連接到SSB-I/O單元的輸出端子板。

SSB-IN接口：SSB（同步串行總線）接口，連接到GJ-301數控系統的SSB接口。

SSB-OUT接口：與下級SSB-I/O單元連接接口。

POWER指示燈：電源上電指示燈。

RUN指示燈：SSB通訊指示燈。

藍天GJ301數控系統中的MPG接口與手持操作站連接。

藍天GJ301數控系統中的RS422接口與系統操作站連接。

通過上述系統的總體結構，利用GJ301數控系統的螺紋切削功能實現成型機條形帶纏繞的工藝，采用變頻器與交流電動機實現主軸位置控制，通過伺服單元控制伺服電動機實現速度控制，纏繞對象的不同，對起始角和螺距的螺紋纏繞的要求也不同，因此要根據加工工藝對參數進行設置，對程序采用變量式編程，進而實現纏繞卷筒和成型機小車的聯動和插補。

由于纏繞工藝要求的纏繞角度為不同，分為52°和54°兩種，而且卷筒的初始直徑也不相同，根據加工工藝，對程序采用了變量式編程。在纏繞不同形式的卷筒時，只需要切換到相應的程序即可。對纏繞角度、簾布寬度、簾布厚度、主軸轉速、小車的運行速度、導程等參數都采用變量形式進行編程。

4 結語

本論文提供了一種數控系統螺紋切削技術實現條形帶纏繞的控制系統及方法，實現不同起始角和不同螺距的螺紋纏繞，并利用數控系統的螺紋切削功能實現成型機條形帶纏繞的工藝。它的優點及有益效果如下：

（1）采用的是成熟、穩定的數控加工技術。應用在成型機條形帶的纏繞加工工藝中，不僅可對簾布、尼龍水布進行纏繞加工，也可對膠片、尼龍繩、鋼線等條形帶進行纏繞加工。

（2）適用于各種不同規格的條形帶的纏繞。由于纏繞的加工程序采用變量式編程，參數設置簡單，因此很容易操作。

（3）由于主軸S具有了C軸功能，能進行起始角的定位，以便搭接，從而可以實現不同起始角的纏繞。

（4）由于數控技術的成熟和標準化，它不僅操作簡單方便，而且效率高、精度好，特別穩定可靠，且維修方便。