CN102527750B - 一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，所述水箱拉丝机的排线装置与排线伺服电机连接，所述排线伺服电机与排线伺服控制器连接，所述水箱拉丝机的收卷机构与收卷电机连接，所述收卷电机与收卷变频器连接，所述收卷机构上安装位置检测器，将每层排线运行控制过程分为3个阶段：AJ匀速阶段、CD高速阶段、DE降速阶段，在每个排线阶段，得到P_Pg和n_P，根据排线位置脉冲数反馈值P_Pf，P_Pg与P_Pf之差通过PI调节输出Δn_P与n_P相加，得到输出给排线伺服驱动器的排线速度n_PP。本发明提供一种提升运行性能、提高工作效率和产品成品率的水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法。

Description

一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法

技术领域

本发明涉及水箱拉丝机控制领域，尤其是一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法。

背景技术

以前水箱拉丝机的收卷机构与排线装置多用单一电机驱动，排线装置与主轴采用机械传动的硬连接，通过丝杠或光杆带动排线器左右平移，达到往复排线的要求。这种排线方式机械磨损大、噪音高、精度低，在高速收卷时问题更明显。最新的水箱拉丝机的收卷和排线分别用2台电机单独驱动，实现对收卷与排线的柔性连接。2台电机的速度控制设置成主-从方式，排线电机作为从动机，其转速跟随收卷电机转速同步运行。收卷工字轮上钢丝的线速度应和水箱拉丝机上卷筒钢丝的线速度相等，即收卷的线速度应与拉丝同步。钢丝连续卷绕在工字轮上，其卷径逐渐增大，收卷电机的转速相应递减，维持线速度恒定，达到和拉丝机速度同步的目的。

仅仅将2台电机的速度控制设置成主-从方式，而且采用简单的同步方式，还存在实际问题。在排线换向区间，由于排线电机拖动的排线装置存在机械惯性，使排线不能很好地均匀排列。

发明内容

为了克服已有水箱拉丝机的排线控制方式的运行性能较差、工作效率较低、产品成品率较低的不足，本发明提供一种提升运行性能、提高工作效率和产品成品率的水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，所述水箱拉丝机的排线装置与排线伺服电机连接，所述排线伺服电机与排线伺服控制器连接，所述水箱拉丝机的收卷机构与收卷电机连接，所述收卷电机与收卷变频器连接，所述收卷机构上安装位置检测器，其特征在于：将每层排线运行控制过程分为3个阶段：AJ匀速阶段、CD高速阶段、DE降速阶段；所述排线速度与位置跟踪方法包括以下步骤1)，设总排线距离为S倍排距，CD高速阶段的持续距离为S₁倍排距，DE降速阶段的持续距离为S₂倍排距，设AJ匀速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SAJ、P_PAJ；CD高速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SCD、P_PCD，DE降速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SDE、P_PDE，所述收卷脉冲数指由收卷机构上脉冲检测到的脉冲数，排线脉冲数指的是伺服***的脉冲数；

根据位置检测器得到的收卷脉冲数，判断当前所处的运行阶段；

2)3个阶段的运行控制过程如下：

在AJ匀速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SAJ}}=(S-S_1-S_2)Z_S\\ P_{\mathrm{PAJ}}=(S-S_1-S_2)Z_P{D}_S/D_P\end{array}\right.---\left(7\right)$

在AJ匀速阶段，n_P＝n_SD_S/D_P，从某一层排线开始，若收卷检测到已经旋转的脉冲数为P_SX，结合P_PZ/P_SZ＝(Z_PD_S)/(Z_SD_P)，则

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S{D}_S/D_P\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{SX}}{Z}_P{D}_S/\left(Z_S{D}_P\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

在CD高速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SCD}}=Z_S{S}_1\\ P_{\mathrm{PCD}}=(S_1+S_2)S_1{Z}_P{D}_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)D_P\right]\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S(S_1+S_2)D_S/\left[D_P(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\right]\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{PAJ}}+(P_{\mathrm{SX}}-P_{\mathrm{SAJ}})Z_P{D}_S(S_1+S_2)/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\left(Z_S{D}_P\right)\right]\end{array}\right.---\left(10\right)$

在DE降速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SDE}}=S_2{Z}_S\\ P_{\mathrm{PDE}}=\frac{1}{2}{S}_2(S_1+S_2)Z_P{D}_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)D_P\right]\end{array}---\left(11\right)\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S(S_1+S_2)(P_{\mathrm{SZ}}-P_{\mathrm{SX}})D_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\left(D_P{P}_{\mathrm{SDE}}\right)\right]\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{PZ}}-(P_{\mathrm{SZ}}-P_{\mathrm{SX}})(S_1+S_2)Z_P{D}_S/\left[2(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)P_{\mathrm{SDE}}{Z}_S{D}_P\right)]\end{array}\right.---\left(12\right)$

在每个排线阶段，得到P_Pg和n_P，根据排线位置脉冲数反馈值P_Pf，P_Pg与P_Pf之差通过PI调节输出Δn_P与n_P相加，得到输出给排线伺服驱动器的排线速度n_PP，其中PI调节输出

式中K_P、T_I分别表示PI的比例、积分系数。

进一步，对于AJ匀速阶段，通过PI控制，起点A开始的实际速度曲线为曲线OGK，其中G点速度高于A点速度，K点速度等于A点速度，在排线开始时速度为零，即O点速度为零，所述速度给定曲线OGK的平均速度与A点速度相同。

再进一步，对于CD高速阶段与DE降速阶段，CD和DE的平均速度与AJ匀速阶段的速度相同。

对于CD高速阶段，通过PI控制，起点C开始的实际速度曲线为曲线JHM，其中H点速度高于C点速度，M点速度等于C点速度，在开始高速时速度与AJ匀速阶段的速度相同，即J点速度等于A点速度，所述速度给定曲线JHM的平均速度与C点速度相同。

本发明的技术构思为：为了均匀地精确排线，同样将水箱拉丝机的收卷和排线分别用2台电机单独驱动，设置成主-从方式的同时，还在收卷轴上安装脉冲传感器以记录收卷速度和旋转角度，即用脉冲传感器的脉冲频率与脉冲数来分别表示收卷速度和旋转角度，排线速度和移动距离(位移)必须以一定的规律而不是简单的比例关系来跟踪收卷速度和角度，以达到精确排线的目的。

排线装置是由位置伺服驱动的，伺服驱动器具有每圈脉冲数的设定功能，只要设定排线伺服电机每圈脉冲数，就可以由脉冲频率和脉冲数来控制伺服***的速度和位置。脉冲速度与脉冲数由PLC高速输出口发出。由于PLC可以实时读取已发脉冲数，故在排线丝杠上可以不安装脉冲传感器也能得到排线伺服电机已经运行的角度。

水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法由PLC实现，PLC与***部件的连接如图1所示。PLC的模拟输出给收卷变频器，控制收卷电机的运行速度，拖动收卷机构的运行，在收卷轮上同轴安装检测收卷速度与位置的脉冲编码器，并将该脉冲信号送到PLC的高速输入口，由PLC计算并确定收卷速度、位置，根据收卷速度、位置信号，并根据设定排距、排线原点位置、收卷工字轮的宽度以及机械参数，计算排线的速度、位置，以脉冲频率、脉冲数的方式输出给排线伺服驱动器，排线伺服驱动器带动排线伺服电机运行，排线伺服电机带动排线装置进行排线移动。

收卷每运行一周，排线应均匀地运行一个排距，但排线是往复运动的，排线一个方向的运行速度如图2所示，当收卷以n_S速度运行时，则排线以n_P速度从A点到B点，然后，从B点到A点，循环运行。由于排线电机及其机械装置具有一定的惯量，从最高速到停止或从停止到最高速需要一定的时间，所以实际A点、B点附近速度是有误差的。

机械惯性引起了速度或位置误差的实质是：当速度突变时，实际速度与给定速度不一致。那么解决该问题的思路是：用斜坡速度给定代替阶跃速度给定，使实际速度能够跟随斜坡速度给定的变化，但是，这样会引来另外一个问题，即速度给定在斜坡区间，与理想阶跃速度给定波形有差别，造成排线实际速度和位置滞后于理想速度和位置。此时，要分析设备实际工作情况和要求：当收卷每转1圈，排线移动1个排距，只要每个排距是相等的，那么就认为排线是均匀的、理想的。因此，在图2中，AB是理想的排线装置速度曲线，在速度突变的A、B点附近，将速度改造成斜坡的形式，但要保证在收卷转1圈的时间内平均速度相等。

在A点附近，可以将速度给定曲线改造成OGK，G点的速度高于A点的速度，保证OGK与AK平均速度相等，使每圈的排距相等。图2中的A点是一层排线的起始阶段，也可以通过一种速度给定+位置闭环控制方法(图3所述的排线位置控制方法)达到同样的效果，使实际速度波形接近于OGK，保证平均速度相等，位置控制精确，该控制方案中的速度给定还是为A点的速度。

B点是一层排线的结束点，排线应立刻降速并反向，进入下一层排线，没有时间采用控制方法进行调节平均速度和位置，为了防止机械惯性产生“堆丝”现象，应使排线到达末端时，速度也为0，所以只能将速度改造成图2中斜坡DE的形式。为了使平均速度相等，本发明将给定曲线改造成JCDE，CD的速度高于B点的速度，保证JCDE与JB平均速度相等。虽然JC是阶跃的，由于已采用速度给定+位置闭环控制方法，实际速度接近于JHM曲线。

本发明诱导排线装置以AJCDE速度和位置曲线运行，使排线装置的速度与位置与收卷的速度与位置不再是简单的比例关系，这种诱导排线速度与位置以某种规律进行跟踪的方法，称为诱导跟踪。排线速度上升阶段OGK与排线末端速度下降阶段JCDE，如果都在收卷1圈的时间内完成调整而且平均速度分别与A、B点速度相等，则每圈排矩是均匀的。

本发明的有益效果主要表现在：(1)排线速度与收卷速度不是简单的比例关系，按诱导速度运行，达到均匀排线的目的；

(2)既考虑排线速度与收卷速度的关系，也考虑排线位置与收卷位置的关系，实时控制排线位置，避免排线位置误差；

(3)克服了排线装置因机械惯性引起的排线位置偏移。

(4)对收卷速度和位置进行检测，控制精度高，提升运行性能、提高工作效率和产品成品率。

附图说明

图1是排线速度和位置跟踪控制框图。

图2是排线运行速度示意图。

图3是排线位置控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，排线的运行速度应如图2中的AJCDE曲线，相应地，排线位置与收线转角不再是单纯的正比关系，根据图2，诱导排线位置以AJCDE曲线跟踪，同时，还要实现排线位置的闭环控制。

图3为排线位置控制，通过速度输出，达到位置控制的目的。排线装置是由丝杠带动的，设收卷转速为n_S、排线丝杠转速计算值为n_P，n_P根据诱导速度曲线AJCDE和收线速度n_S得到，为了精确控制排线位置，图3对排线位置实行闭环控制，控制结构图为速度给定+排线位置闭环控制。图3在每个排线行程中的排线位置脉冲数给定用P_Pg表示，排线位置脉冲数反馈用P_Pf表示，P_Pg与P_Pf之差通过PI调节输出Δn_P与n_P相加，得到最终输出给伺服***的排线速度给定值n_PP，实现位置无静差控制。

由于排线伺服为位置控制，而且PLC已发脉冲数可以读取，所以排线装置上不安装用于反馈的编码器，P_Pf从PLC中直接读取，即为排线实际已运行的脉冲数。

P_Pg要根据图2曲线计算得到，两者都要换算到每一层的脉冲数。当排距设定、机械参数已知的情况下，根据收卷速度与位置脉冲数，按诱导跟踪的方法计算出P_Pg。

设排线距离为L；收卷每层总脉冲数为P_SZ；每圈设定排距为D_S；收卷每圈脉冲为Z_S；排线每层总脉冲数为P_PZ；排线丝杠齿距为D_P；排线伺服电机每圈脉冲为Z_P。对于收线来说，则

L＝P_SZD_S/Z_S                          (1)

对于排线来说，则

L＝P_PZD_P/Z_P                          (2)

排线每层总脉冲数与收卷每层总脉冲数之比为

P_PZ/P_SZ＝(Z_PD_S)/(Z_SD_P)               (3)

伺服电机和排线丝杠同轴连接，则伺服转速即为排线丝杠转速，设检测到的收卷脉冲频率为f_S，收卷转速n_S与排线丝杠转速计算值n_P关系为

n_S＝f_S/Z_S                            (4)

n_P＝n_SD_S/D_P                          (5)

由PLC发出的排线伺服脉冲频率为f_P，n_PP＝n_p+Δn_P则

f_P＝n_PPZ_P                            (6)

式子(3)表明了排线每层总脉冲数与收卷每层总脉冲数，式子(5)表明了排线速度与收卷速度的关系，只要检测到收卷的速度n_S，排线的速度就可以跟踪收卷运行，PLC所输出排线脉冲频率以式子(6)表示。

结合图2和图3，速度上升段不采用诱导跟踪，图2的OGK和JHM虚线段的速度通过图3的控制来解决，当P_Pg和P_Pf不相等时，PI控制器自动调节输出Δn_P来改变速度、调整位置误差，实现位置跟踪。对于排线末端，排线需要停止并反向，无调节时间，需采用诱导控制：在排线末端前一段距离内提高速度(图2的CD段)，然后降速(图2的DE段)，总的平均速度不变，排线移动距离不变，如果在收卷1圈的时间内完成速度诱导，则每圈的排线距离也不变，避免堆丝现象。

为了说明控制详细方案，将每层排线分为3个阶段：AJ匀速阶段、CD高速阶段、DE降速阶段。首先，根据收卷每圈脉冲数，然后，判断当前所处的运行阶段。设总排线距离为S倍排距，高速段CD持续距离为S₁倍排距，降速段DE距离为S₂倍排距。设AJ匀速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SAJ、P_PAJ；CD高速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SCD、P_PCD，DE降速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SDE、P_PDE。以上所说的收卷脉冲数指由收卷机构上脉冲检测到的脉冲数，排线脉冲数指的是伺服***的脉冲数，两者针对的对象不一样，下同。则在AJ匀速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SAJ}}=(S-S_1-S_2)Z_S\\ P_{\mathrm{PAJ}}=(S-S_1-S_2)Z_P{D}_S/D_P\end{array}\right.---\left(7\right)$

在AJ匀速阶段，n_P速度表达用式子(5)表示，从某一层排线开始，若收卷检测到已经旋转的脉冲数为P_SX，参考式子(3)，则

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S{D}_S/D_P\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{SX}}{Z}_P{D}_S/\left(Z_S{D}_P\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

在CD高速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SCD}}=Z_S{S}_1\\ P_{\mathrm{PCD}}=(S_1+S_2)S_1{Z}_P{D}_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)D_P\right]\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S(S_1+S_2)D_S/\left[D_P(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\right]\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{PAJ}}+(P_{\mathrm{SX}}-P_{\mathrm{SAJ}})Z_P{D}_S(S_1+S_2)/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\left(Z_S{D}_P\right)\right]\end{array}\right.---\left(10\right)$

在DE降速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SDE}}=S_2{Z}_S\\ P_{\mathrm{PDE}}=\frac{1}{2}{S}_2(S_1+S_2)Z_P{D}_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)D_P\right]\end{array}---\left(11\right)\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S(S_1+S_2)(P_{\mathrm{SZ}}-P_{\mathrm{SX}})D_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\left(D_P{P}_{\mathrm{SDE}}\right)\right]\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{PZ}}-(P_{\mathrm{SZ}}-P_{\mathrm{SX}})(S_1+S_2)Z_P{D}_S/\left[2(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)P_{\mathrm{SDE}}{Z}_S{D}_P\right)]\end{array}\right.---\left(12\right)$

首先根据排线层数，判断排线方向。针对图3的位置控制图，根据每层收卷脉冲数，判断排线所处的阶段，并通过以上分析与计算，实现诱导跟踪与位置控制。在每个排线阶段，得到P_Pg、P_Pf和n_P，根据图3，P_Pg与P_Pf之差通过PI调节输出Δn_P与n_P相加，得到最终得到输出给伺服***的排线速度n_PP，其中PI调节输出

式中K_P、T_I分别表示PI的比例、积分系数。当S1+S2≤1时，则每圈排线的距离都是均匀的，不会出现堆丝现象。

Claims (4)

1.一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，所述水箱拉丝机的排线装置与排线伺服电机连接，所述排线伺服电机与排线伺服控制器连接，所述水箱拉丝机的收卷机构与收卷电机连接，所述收卷电机与收卷变频器连接，所述收卷机构上安装位置检测器，其特征在于：将每层排线运行控制过程分为3个阶段：AJ匀速阶段、CD高速阶段、DE降速阶段；所述排线速度与位置跟踪方法包括以下步骤1），设总排线距离为S倍排距，CD高速阶段的持续距离为S₁倍排距，DE降速阶段的持续距离为S₂倍排距，S₁+S₂≤S，以及设AJ匀速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SAJ、P_PAJ；CD高速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SCD、P_PCD，DE降速阶段收卷、排线总脉冲数分别为P_SDE、P_PDE，收卷脉冲数指由收卷机构上脉冲检测到的脉冲数，排线脉冲数指的是伺服***的脉冲数；

根据位置检测器得到的收卷脉冲数，判断当前所处的运行阶段；

2）3个阶段的运行控制过程如下：

在AJ匀速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SAJ}}=(S-S_1-S_2)Z_S\\ P_{\mathrm{PAJ}}=(S-S_1-S_2)Z_P{D}_S/D_P\end{array}\right.---\left(7\right)$

在AJ匀速阶段，n_P=n_SD_S/D_P，从某一层排线开始，若收卷检测到已经旋转的脉冲数为P_SX，结合P_PZ/P_SZ=(Z_PD_S)/(Z_SD_P)，则

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S{D}_S/D_P\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{SX}}{Z}_P{D}_S/\left(Z_S{D}_P\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

在CD高速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SCD}}=Z_S{S}_1\\ P_{\mathrm{PCD}}=(S_1+S_2)S_1{Z}_P{D}_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)D_P\right]\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S(S_1+S_2)D_S/\left[D_P(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\right]\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{PAJ}}+(P_{\mathrm{SX}}-P_{\mathrm{SAJ}})Z_P{D}_S(S_1+S_2)/[S_1+\frac{1}{2}{S}_2\left(Z_S{D}_P\right)]\end{array}\right.---\left(10\right)$

在DE降速阶段，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{SDE}}=S_2{Z}_S\\ P_{\mathrm{PDE}}=\frac{1}{2}{S}_2(S_1+S_2)Z_P{D}_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)D_P\right]\end{array}\right.---\left(11\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{n}_P=n_S(S_1+S_2)(P_{\mathrm{SZ}}-P_{\mathrm{SX}})D_S/\left[(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)\left(D_P{P}_{\mathrm{SDE}}\right)\right]\\ P_{\mathrm{Pg}}=P_{\mathrm{PZ}}-(P_{\mathrm{SZ}}-P_{\mathrm{SX}})(S_1+S_2)Z_P{D}_S/\left[2(S_1+\frac{1}{2}{S}_2)P_{\mathrm{SDE}}{Z}_S{D}_P\right)]\end{array}\right.---\left(12\right)$

在每个排线阶段，得到P_Pg和n_P，根据排线位置脉冲数反馈值P_Pf，P_Pg与P_Pf之差通过PI调节输出Δn_P与n_P相加，得到输出给排线伺服驱动器的排线速度n_PP。

2.如权利要求1所述的一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，其特征在于：对于AJ匀速阶段，通过PI控制，起点A开始的实际速度曲线为曲线OGK，其中G点速度高于A点速度，K点速度等于A点速度，在排线开始时速度为零，即O点速度为零，速度给定曲线OGK的平均速度与A点速度相同。

3.如权利要求1或2所述的一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，其特征在于：对于CD高速阶段与DE降速阶段，CD和DE的平均速度与AJ匀速阶段的速度相同。

4.如权利要求1或2所述的一种水箱拉丝机的排线速度与位置跟踪方法，其特征在于：对于CD高速阶段，通过PI控制，起点C开始的实际速度曲线为曲线JHM，其中H点速度高于C点速度，M点速度等于C点速度，在开始高速时速度与AJ匀速阶段的速度相同，即J点速度等于A点速度，所述速度给定曲线JHM的平均速度与C点速度相同。

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