摘 要：焊絲層繞機(jī)是焊絲生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一,其控制的好壞直接影響到焊絲的質(zhì)量。目前的層繞機(jī)多采用零度角排線，可靠性低。采用角度控制的排線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)層繞與平穩(wěn)換向。角度傳感器和數(shù)字交流伺服電機(jī)的組合實(shí)現(xiàn)了恒角度與變角度的排線控制。實(shí)踐表明提高了機(jī)器的層繞質(zhì)量和生產(chǎn)效率，角度檢測(cè)的分辨率為0.09°。
關(guān)鍵詞：PLC; 伺服電機(jī); 角度傳感器; 焊絲排線系統(tǒng)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)同類設(shè)備多是垂直層繞（焊絲與收線軸垂直），設(shè)備易受干擾，停車頻繁，焊絲的張力不均?；跍蠼强刂频淖詣?dòng)排線系統(tǒng)可提高排線的精度和性能。通過(guò)可編程控制器PLC進(jìn)行角度閉環(huán)控制，使焊絲以固定的滯后角度 β在工字輪上進(jìn)行高速層繞。PLC檢測(cè)到角度值并與設(shè)定值比較，偏差使PLC發(fā)出脈沖信號(hào)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線單元運(yùn)動(dòng)，使偏差趨于零，以達(dá)到焊絲以固定滯后角層繞。利用人機(jī)界面完成設(shè)備數(shù)據(jù)的輸入和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在換向區(qū)外正常速度跟蹤，換向開(kāi)關(guān)動(dòng)作后快速追趕至同步速度跟蹤，焊絲到達(dá)工字輪邊緣后再次形成新的滯后跟蹤的自動(dòng)排線系統(tǒng)的控制，滿足了排線系統(tǒng)自動(dòng)平穩(wěn)排線的要求[1]-[2]。

1 層繞的工藝原理

自動(dòng)排線器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。排線器采用滯后角排線，伺服電機(jī)通過(guò)滾軸絲杠及滑軌推動(dòng)排線器以一定的角度排線。在收線工字輪的內(nèi)徑區(qū)域，當(dāng)從一側(cè)向另一側(cè)排線時(shí)，整個(gè)區(qū)域分成一般跟蹤和換向跟蹤兩個(gè)區(qū)域。在一般跟蹤區(qū)域采用固定滯后角跟蹤模式，在換向區(qū)內(nèi)采用變角度跟蹤模式。由于焊絲在層繞至工字輪邊緣時(shí)，會(huì)自動(dòng)向相反方向?qū)永@，在這個(gè)過(guò)程中，不允許焊絲有超前角度層繞，否則焊絲間會(huì)出現(xiàn)縫隙，下一層將出現(xiàn)瑕疵，層繞將被迫中斷。因此換向區(qū)內(nèi)的角度檢測(cè)與控制至關(guān)重要。

圖1 焊絲層繞機(jī)自動(dòng)排線器
通過(guò)換向開(kāi)關(guān)動(dòng)作自動(dòng)形成直線單元移動(dòng)方向標(biāo)志，左換向開(kāi)關(guān)置位右行標(biāo)志，復(fù)位左行標(biāo)志;右換向開(kāi)關(guān)置位左行標(biāo)志，復(fù)位右行標(biāo)志。收線與倒線開(kāi)關(guān)的上升沿將對(duì)直線單元的左右行走標(biāo)志取反。以收線右換向?yàn)槔?，?dāng)右換向開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間，直線單元以6倍基速快速推進(jìn)至β≤0;當(dāng)主電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直線單元以基速繼續(xù)跟蹤，當(dāng)焊絲纏繞接近至工字輪的最右邊一圈線時(shí)，直線單元停止，同時(shí)復(fù)位直線單元右行標(biāo)志，置位左行標(biāo)志。收線左換向同理于收線右換向。收線左行時(shí)，角度α維持≤中心角+滯后角;右行時(shí)，角度α維持≥中心角-滯后角。換向區(qū)內(nèi)角度的變化過(guò)程如圖2所示。

圖2 換向區(qū)內(nèi)角度的變化過(guò)程
2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及工作原理

2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)排線器的排線原理，控制系統(tǒng)首先必須完成排線角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。設(shè)計(jì)采用1000線增量式編碼器與PLC程序的結(jié)合實(shí)現(xiàn)的數(shù)字角度傳感器進(jìn)行排線角度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，傳感器的分辨率為0.09°，滿足最小線徑為0.8mm的焊絲在主軸上層繞一圈角度檢測(cè)的要求;通過(guò)接近開(kāi)關(guān)的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)直線單元正常區(qū)域和換向區(qū)域的跟蹤;通過(guò)PLC的輸出脈沖控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線單元的運(yùn)行[3]。

圖3 排線器控制系統(tǒng)

圖4 控制方框圖
2.2直線單元工作原理

直線單元的行進(jìn)速度應(yīng)與主軸轉(zhuǎn)速相匹配。通過(guò)主軸上安裝的速度傳感器，測(cè)算出主軸的旋轉(zhuǎn)角速度N（轉(zhuǎn)/秒）。工字輪上焊絲沿軸向的移動(dòng)速度為V= N＊Φ ，其中Φ為焊絲線徑，單位mm，V的單位為mm/s。為保持排線機(jī)構(gòu)與主軸上焊絲移動(dòng)速度的同步，即保持固定的滯后角，直線單元的推進(jìn)速度應(yīng)等于V。為確保滯后角的精確同步，直線單元的行進(jìn)速度應(yīng)等于V加上角度回路輸出值（偏移量），V轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速（脈沖數(shù)/秒）為：

脈沖速率=M＊N＊Φ/d（個(gè)/秒） （1）

其中, N為主軸的旋轉(zhuǎn)角速度（轉(zhuǎn)/秒）, Φ為焊絲線徑（毫米）, M為伺服電機(jī)的碼盤(pán)的每圈線數(shù)，d為滾軸絲杠的導(dǎo)程（毫米/轉(zhuǎn)）。

根據(jù)式2-1伺服電機(jī)給定脈沖速率的計(jì)算公式，其取值范圍為0～25000 P/S，故MV的輸出飽和上限值應(yīng)設(shè)為2500 P/S。

3 基于角度控制的程序編制

3.1排線角度檢測(cè)

硬件高速計(jì)數(shù)器采用4倍頻的工作模式，在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)角度傳感器的回零功能。如程序1所示。

程序1 角度檢測(cè)
3.2主軸速度檢測(cè)

采用M測(cè)速法，以固定時(shí)間中斷（不受PLC程序掃描時(shí)間的影響）的方式測(cè)算主軸速度，即由每0.4秒光電碼盤(pán)的計(jì)數(shù)脈沖值測(cè)算出主軸速度。如程序2所示

程序2 主速度檢測(cè)
3.3滯后角層繞的閉環(huán)控制

這部分程序是層繞機(jī)控制系統(tǒng)軟件的核心，流程框圖見(jiàn)圖5所示。

圖5 層繞程序流程圖
4 結(jié) 論

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用角度控制的自動(dòng)排線器使得焊絲層繞的張力均勻，換向平穩(wěn)，設(shè)備運(yùn)行倒車率低，焊絲質(zhì)量大大提高。通過(guò)若干工程的應(yīng)用表明，角度傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確且靈敏度高，直線單元滯后角跟蹤穩(wěn)定、換向準(zhǔn)確，極大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

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