基于嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的纏繞機(jī)控制系統(tǒng)
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引言
玻璃鋼管具有耐腐蝕、內(nèi)壁光滑、流體阻力小、對(duì)輸送介質(zhì)無(wú)二次污染保溫性能好和工程造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為傳統(tǒng)鋼管的最佳替代品，在輸油輸水 、 化工和熱電工程中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，2 0 0 1 年西歐玻璃鋼管的市場(chǎng)需求量達(dá)到6 . 7萬(wàn)噸，且年增長(zhǎng)率在1 0 ％以上，世界上各大知名玻璃鋼管生產(chǎn)企業(yè)紛紛加強(qiáng)研發(fā)力量，極大促進(jìn)了玻璃鋼管工業(yè)的發(fā)展。目前，世界各國(guó)生產(chǎn)玻璃鋼管的主要方法是纖維纏繞成型法。纏繞機(jī)是纖維纏繞成型的關(guān)鍵設(shè)備，工作時(shí)，浸漬膠粘劑的纖維紗片通過(guò)纏繞機(jī)小車上的絲嘴按設(shè)計(jì)的線型有規(guī)律地鋪敷在芯模表面上形成纏繞層，多層纏繞后形成端部帶有陰螺紋的纏繞構(gòu)件 。
本文研制的纏繞機(jī)為臥式，芯模水平放置。纏繞時(shí)，芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車電機(jī)拖動(dòng)小車沿芯模軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維在芯模上的纏繞鋪放，達(dá)到制品的技術(shù)要求。
模塊化開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)已成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，本文的纏繞控制系統(tǒng)采用嵌入式多任務(wù)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)主軸和小車的同步運(yùn)動(dòng)控制和纏繞邏輯控制。討論了基于P C機(jī)和COMI-LX運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)玻璃鋼管纏繞機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)纏繞機(jī)由帶動(dòng)玻璃鋼管芯模旋轉(zhuǎn)的主軸、對(duì)芯模排布玻璃纖維的小車和樹(shù)脂以及固化劑供給系統(tǒng)等設(shè)備組成。臥式纏繞機(jī)纏繞工作時(shí)，芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車電機(jī)拖動(dòng)小車在工作臺(tái)上沿縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維層在芯模上的纏繞鋪放工作。小車電機(jī)在往復(fù)運(yùn)行時(shí)要根據(jù)工藝要求不斷進(jìn)行加減速，而且小車和主軸負(fù)載隨著纏繞膠量的變化而變化，易造成導(dǎo)絲頭和芯模的相對(duì)位置的變化，從而造成線型異變和紗片搭接不良。纏繞機(jī)系統(tǒng)為一個(gè)慣量變化很大的非線性時(shí)變位置同步隨動(dòng)控制系統(tǒng)，因此，采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式以確保紗片搭接良好。電子齒輪模式實(shí)際上是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)模式 ，其運(yùn)動(dòng)效果與兩個(gè)機(jī)械齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)類似。當(dāng)前軸工作在電子齒輪模式下時(shí)，需設(shè)定電子齒輪傳動(dòng)比，當(dāng)前軸將按照這個(gè)速度比值，跟隨主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)模式可以是任何一種運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)前軸運(yùn)動(dòng)位移增量等于與之相聯(lián)系的主動(dòng)軸的位移增量乘以電子齒輪傳動(dòng)比。
如圖 I 所示。上位機(jī)采用臺(tái)灣研華 1 P C 6 1 0 機(jī)箱和 P c A一6 1 7 9主板， 它與韓國(guó)COMIZOA公司的M COMI-LX 運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò) R S一 2 3 2 串口實(shí)現(xiàn)通訊， 形成一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。工業(yè) P C機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面管理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控和工藝文件存儲(chǔ)等功能，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，該結(jié)構(gòu)支持軟件升級(jí)和功能擴(kuò)展，具有上、下兩級(jí)的開(kāi)放性。
纏繞機(jī)主軸電機(jī)是 7 . 5 k W 的三相交流伺服異步電動(dòng)機(jī)， 用博瑋BWS伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。對(duì)于主軸電機(jī)的速度，本系統(tǒng)采用了抗負(fù)載變化能力較大的閉環(huán)控制方式。運(yùn)動(dòng)控制器軸 3 接口的模擬量輸出作為伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制輸入信號(hào)， 在運(yùn)動(dòng)控制器開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)下設(shè)置模擬量電壓輸出值實(shí)現(xiàn)變頻器速度控制。安裝于變速箱輸入軸上的一C WZ 1 X旋轉(zhuǎn)編碼器完成主軸轉(zhuǎn)角和速度的檢測(cè)。伺服驅(qū)動(dòng)器采用帶 P G矢量控制方式， P G—X 2速度卡把編碼器采樣的信號(hào)一路作為伺服驅(qū)動(dòng)器輸入實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，一路作為速度和位置信號(hào)輸入到控制器的編碼器接口4 ，實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)編碼器完成速度閉環(huán)控制和主軸轉(zhuǎn)角位置采樣的功能。小車采用博瑋BWS伺服電機(jī)完成精確定位，它沿玻璃鋼管軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，按照纏繞規(guī)律以一定的響應(yīng)速度和精度跟蹤主軸運(yùn)動(dòng)。軸 0接口工作于伺服模式，完成小車伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。主軸編碼器反饋接到 MC 2 0 6軸4接口，作為參考編碼器的輸入軸，為小車同步運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)編碼器輸入。
纏繞機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
纏繞機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)程序采用 Mi c r o s o f t 公司的V C+ + 6 . 0 基于 Wi n d o w s 2 0 0 0平臺(tái)開(kāi)發(fā)， 完成工藝文件設(shè)置和管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。工控機(jī)和 MC 2 0 6通過(guò)串口基于 MO D B U S協(xié)議完成工藝參數(shù)下載和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示。
通訊采用主從方式的查詢機(jī)制，系統(tǒng)將工控機(jī)設(shè)為主站， M C 2 0 6設(shè)為從站，只有主站發(fā)出查詢時(shí)，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。工作時(shí)工人選定待纏繞管件型號(hào)并將工藝文件下載后，進(jìn)入纏繞加工狀態(tài)，此時(shí)所有運(yùn)動(dòng)和邏輯控制由完成，從站僅響應(yīng)主站的查詢并上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。即使工控機(jī)由于某種原因出現(xiàn)故障或死機(jī)，也不會(huì)影響當(dāng)前管道的纏繞加工。從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的實(shí)時(shí)性。
運(yùn)動(dòng)控制程序采用 T r i o B A S I C多任務(wù)語(yǔ)言編制。通過(guò)運(yùn)行在 P C機(jī)上的 Mo t i o n P e r f e c t 軟件將編制好的運(yùn)動(dòng)控制程序下載到 MC 2 0 6內(nèi)即可脫機(jī)運(yùn)行。T r i o B A S I C語(yǔ)言有三種不同類型的存儲(chǔ)變量：命名變量、V R（ ） 變量和 T A B L E區(qū)變量。命名變量是局部變量，僅在定義它的任務(wù)內(nèi)有效。
變量是可被多個(gè)任務(wù)共享的全局變量，它可用于任務(wù)間通訊；T A B L E 區(qū)通常是用于存儲(chǔ) C A M／指令曲線的存儲(chǔ)區(qū)， 本程序用于存儲(chǔ)纏繞管道型號(hào)的工藝文件。運(yùn)行的用戶程序被稱為線程或任務(wù)。
對(duì)于復(fù)雜的多任務(wù)程序應(yīng)為線程分配優(yōu)先級(jí)，控制器缺省的伺服周期是 l m s ，該周期在內(nèi)部被分成三個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片為 1 ／ 3 m s ，它們?cè)趦?nèi)部分別被用來(lái)處理伺服功能，通訊和通常的“ h o u s e k e e —‘ 任務(wù)。在每個(gè)時(shí)間片內(nèi)剩余的時(shí)間被用于運(yùn)行用戶程序。M C 2 0 6最多可運(yùn)行 7個(gè)用戶線程， 每個(gè)線程用從 l 到 7的數(shù)字標(biāo)號(hào)， 最高標(biāo)號(hào)的線程（ 線程7和 6 ）被分配固定的時(shí)間片，它們被稱為” 快速任務(wù)“ ，主要用于有以下要求的任務(wù)： 要在每個(gè)伺服周期都要進(jìn)行處理的任務(wù)；具有大量的運(yùn)算和處理的任務(wù)；任務(wù)啟動(dòng)后程序執(zhí)行速度不能改變的任務(wù)。5 g - 線程被稱為 “慢速任務(wù)” ，它們具有共同的優(yōu)先級(jí)，程序執(zhí)行速度會(huì)隨任務(wù)的增加而降低。用戶可以使用指令啟動(dòng)任務(wù)使其按指定的優(yōu)先級(jí)運(yùn)行。
在上位機(jī)軟件 Mo t i o n P e r f e c t 中打開(kāi)一個(gè)” T e r m i n a l “窗口可以設(shè)置一個(gè)” C o m m a n d L i n e “ 端 口， 它始終使用” 0 “ 號(hào)任務(wù)， 用于從上位機(jī)輸入指令并立即運(yùn)行。該纏繞機(jī)控制軟件中共建立了四個(gè)任務(wù)，其中任務(wù)7用于纏繞機(jī)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)床邏輯控制，任務(wù) 6用于管理機(jī)床與纏繞相關(guān)的I ／O信號(hào)和主軸轉(zhuǎn)速控制，任務(wù) 2 完成串口通訊功能，任務(wù)1 實(shí)現(xiàn)輸膠控制�？刂瞥绦虻娜蝿�(wù)功能和執(zhí)行時(shí)間分配如圖 2 所示。其中任務(wù) 7和 6的優(yōu)先級(jí)最高，每個(gè)伺服周期（ 1 I n s ）都分配時(shí)間片，任務(wù) 1 ，2和／L ） 優(yōu)先級(jí)相同，在每個(gè)伺服周期輪流為其分配時(shí)間片。纏繞程序任務(wù)功能和執(zhí)行時(shí)間的分配如圖2 所示。
 
纏繞機(jī)加工控制工作狀態(tài)分為手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)三種狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)用于單獨(dú)控制芯模和小車的運(yùn)動(dòng)。半自動(dòng)狀態(tài)下芯模和小車協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行環(huán)向纏繞，纏繞的長(zhǎng)度由工人控制。自動(dòng)工作狀態(tài)下可按工藝文件設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)向和螺旋 自動(dòng)纏繞。此外控制程序還具有零點(diǎn)校正、自動(dòng)零點(diǎn)、斷點(diǎn)纏繞和纏繞過(guò)程人工干預(yù)等功能。
結(jié)束語(yǔ)
該纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合了工業(yè) P C機(jī)和嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了 COMI-LX運(yùn)動(dòng)控制器的電子齒輪功能。系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行自動(dòng)纏繞，并具有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程通訊、 故障診斷與報(bào)警和反向間隙補(bǔ)償?shù)裙δ�。該纏繞機(jī)紗片寬度在 8 0 ～2 2 0 m m之間任意調(diào)節(jié)， 可滿足不同管徑管道的纏繞要求。最高出紗速度可達(dá) Mm ／m i n ，芯模轉(zhuǎn)角分辨率為0 . 0 1 8 。小車軌跡控制誤差小于0 毫米， 整機(jī)響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于大慶竹田復(fù)合材料有限公司，實(shí)踐證明該系統(tǒng)對(duì)提高玻璃鋼管纏繞成型工藝的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度和管道質(zhì)量具有非常重要的作用，并縮短了管道的開(kāi)發(fā)周期，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
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