磨辊拉丝机的全电控系统的研究与探讨

磨辊拉丝机的全电控系统的研究与探讨 
文章作者： 徐桂清　 魏所明　 
文章出处： 《粮食加工》 2005年 第 01 期 总 115 期 
内容摘要：    为了提高拉丝机的自动化程度,改造原有的液压控制,实现一个基于工业控制计算机和电动机结合的运动控制系统.采用较高精度的步进电动机和交流伺服电动机,实现磨辊拉丝的全电控系统.
关键词：磨辊拉丝机;伺服电动机;步进电动机;工业控制计算机
分类号：TS211.3 　文献标识码：B
文章编号：1007-6395(2005)01-0034-03

徐桂清，魏所明
　　（张家口粮食机械厂，河北，张家口 075000）

　　磨辊拉丝机是制粉行业对磨粉机的磨辊进行拉丝的专用设备，每根磨辊的拉丝数量和斜度是根据磨粉机的工艺要求而定的。磨辊的丝纹分度和斜度的直线度要求的精度较高，拉出的丝纹质量好坏直影响磨粉机的研磨效果及磨粉机的整机性能和使用寿命。
　　1975年我国开始研制出第一台液压拉丝机，在此之前主要以效率较低的机械拉丝机加工磨辊。虽然液压拉丝机的效率比机械拉丝机提高3—5倍，但也存在着自动化程度低、加工零件多、操作复杂、不卫生、对周围环境影响大、出现故障不易查找并难以解决等缺点。为了进一步提高拉丝机的自动化程度，克服液压拉丝机的弊端，提高拉丝机的控制系统势在必行。
1 磨辊拉丝机的工作原理
　　在磨辊上加工丝纹的过程就是拉丝刀在磨光后的磨辊上加工出具有一定间隔和斜度的凹槽。需要经过进刀和退刀两个过程。进刀过程：刀头放下，磨辊从初始位置向前运动接触刀头，磨辊在向前运动的同时作匀速旋转运动，这样刀头就在磨辊表面上刻出一道带有斜度的凹槽。向前运动的速度与旋转速度的不同比例决定斜度的不同;退刀过程:进刀过程结束后，刀头抬起，磨辊返回初始位置，同时磨辊反方向旋转准备下一次拉丝过程。反向旋转的角度和进刀旋转的角度有特定的差值，这个差值决定了两根丝纹之间的E离即决定了该根磨辊拉的丝纹总数。拉丝机反复重复进刀和退刀的过程直至加工完整个磨辊。
　　如果全部用电器控制来完成以上工作流程，磨辊的往复运动则通过伺服电机控制滚珠丝杠、丝杠母(丝杠母带动工作台)、磨辊(磨辊固定在工作台上)来完成。磨辊的旋转运动是用步进电机带动蜗杆、蜗轮、磨辊(磨辊与蜗轮同轴联接)来实现，如图1。为保障工作台的安全，在工作台行程的两端极限位置装有行程开关。

2 技术要求
　　磨辊直径为230~300mm；磨辊长度为600～1500mm；磨辊与工作台总重量最大为2 000kg；最大拉丝速度为8m/min；最大退刀速度16m/min；拉丝斜度比为1：6～1：25；滚珠丝杠导程l0mm；脉冲当量0. 02mm；纵向切削力160kgf；横向切削力64kgf。
3系统设计
3.1控制系统硬件设计
　　为了满足技术要求，保证性能的稳定运行，交流伺服电动机可选用Panasonic MHMA402AIA，其额定功率4kW，额定转矩18. 8N·m，最大转矩56.4N·m，额定转速2 000r/min，最高转速3 000r/min，带有2 500r/min增量式编码器。其驱动器具有位置控制、位置一速度控制等6种控制方式，采用脉冲串输人指令，最高指令脉冲频率500kHz。对于驱动磨辊旋转的电动机由于其需要的功率较小，在满足精度要求的情况下，采用两相混合式步进电动机和SH～21006A一电动机细分驱动器，整步步角1. 80,最高达细分64倍频即可。
　　两电动机均可使用脉冲控制，控制器可采用PCI一1240四轴步进/脉冲驱动伺服电动机控制卡。该卡具有独立的四轴运动控制，每轴最高4MHz脉冲输出，每路的控制均具有脱机信号、限位信以及方向控制信号等，可以方便地与步进电动机或者以脉冲方式驱动的伺服电动机接口。
　　工控机的主要任务是执行参数计算、对步进电动机和交流伺服电动机发控制脉冲信号、监视工作台运行状态以及进行紧急故障处理等。
　　四轴步进/脉冲驱动器伺服电动机控制卡可以对X、Y、2、U四轴进行独立的控制。在本控制系统中用步进电动机控制x轴，用交流伺服电动机控制Y轴。
3.2控制系统软件实现
　　考虑到工作台质量大，惯性较大，在本系统中PCI～1240运动控制卡对电动机的脉冲控制方式采PCI～1240运动控制卡对电动机的脉冲控制方式采用梯形输出方式，即采用直线加速和减速过程。完成一次控制过程需要经过加速、平稳驱动和减速三个阶段。在启动命令发出以前设置好参数即可完成对电动机的控制。如图2所示，为一次拉丝过程交流伺服电动机的控制是时序。PLC～1240开始以设定的斜率增加脉冲频率至要求的速度，加速距离为加速阶段；为了确保磨辊达到规定的速度，在加速阶段和后续阶段之间插入了一个附加阶段b，使磨辊进人平稳运行；在附加阶段结束后进人拉丝阶段，拉丝阶段的时间长短由磨辊的长度决定，因此，拉丝阶段走过的距离即为磨辊长度c；拉丝过程结束后经过附加阶段d和减速阶段e。退刀过程以及步进电动机的控制时序与之类似。

　　本系统可采用基于Windows操作系统的美国国家仪器公司Lab windows/CVI开发平台。根据控制，软件设计分为4大模块，即主控制模块、参数计算模块、脉冲控制模块和紧急处理模块。参数计模块通过接受操作员输入的工艺参数，计算出控制系统需要的控制参数，并将其传送给主控制模块。主控制模块根据这些参数控制整个磨辊的拉丝过程，在出现异常情况时调用紧急处理模块。各模块关系如图1。

3.2.1主控制模块
　　主控制模块是整个控制程序的核心，并为参数计算模块、脉冲控制模块和紧急处理模块提供接口。系统启动以后进人主控制模块，底层的控制逻辑由系统状态定时器和工作定时器实现。系统状态定时器与系统同时启动，主要完成对电动机当前状态的监视、判断系统的操作状态系统处于待机状态。工作定时器在系统接收到开始拉丝的命令后启动，主要完成调用脉冲控制模块、计算当前拉丝数目、监视限位开关信号和电动机驱动器的故障信号以及随时记录当前拉丝进度数据等任务。当主控制模块接收到驱动器故障信号或者限位开关信号时调用紧急处理模块。正常完成整个拉丝过程以后，工作定时器停止，主控制模块重新进入待机状态。
3.2.2参数计算模块
　　参数计算模块是整个系统最为关键的环节。由于PCL～1240运动控制卡对电动机的控制最终只有5个参数，因此整个系统的实现归结为对这5个参数的精确计算。系统操作人员输人参数为工艺参数，系统通过计算后将PCL～1240需要的控制参数传送给主控制模块。
3.2.3脉冲控制模块
　　主控制模块调用一次脉冲控制模块，即完成一次进刀或退刀过程。主控制模块将本次过程的控制参数送到脉冲控制模块，脉冲控制模块完成按照设定的斜率和速度发出脉冲、监视脉冲输出情况、记录当前脉冲数目并传送给主模块的功能。
3.2.4紧急处理模块
　　当电动机在运行过程中出现异常况，包括电动机驱动器异常和触发限位开关等，或者在拉丝过程中因为其它因素操作人员需婴中断拉丝过程的时候，由主控制模块调用紧急处理模块。紧急处理模块根据不同的故障信号源做出相应的处理，包括电动机包轴、切断电机相电流、切断驱动器电源等应急处理措施。系统执行紧急处理程序以后，当前的工作状态信息完整地保留在系统中以供重新启动拉丝过程使用。
4结语
　　采用步进电动机、伺服电动机与工控机相合的方式来设计磨辊拉丝机系统，能充分利用其速度快、精度高的特点。电控磨辊拉丝机的退刀速度达到16m/s，大大地提高了生产效率。工控机为操作者提供了控制信息界面和操作界面，极大地简化了操作流程。若该机研制成功可使拉丝机的控制系统上一个新的台阶，添补国际空白。

作者简介：徐桂清(1967-),女,河北张家口人,工程师,主要从事磨粉机和拉丝机的研制和开发工作.
作者单位：徐桂清（张家口粮食机械厂,河北,张家口,075000）　
　　　　　魏所明（张家口粮食机械厂,河北,张家口,075000）