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摘 要：本文主要介紹臺達(dá)變頻器在金屬線材制造行業(yè)的應(yīng)用。通過變頻器完成恒張力控制的調(diào)試方法。
關(guān)鍵詞：臺達(dá)變頻器 金屬線材 恒張力控制 并列式連續(xù)拉絲機(jī)
1 引言
拉絲機(jī)是金屬線材加工中的重要設(shè)備，用于將金屬原材加工成各種規(guī)格線材。拉絲機(jī)由放線、拉絲、水冷、收線及排線等部分組成，其中電氣傳動(dòng)部份主要由放線電機(jī)，收線電機(jī)及排線電機(jī)實(shí)現(xiàn)，其生產(chǎn)質(zhì)量和效率對于企業(yè)來講至關(guān)重要。拉絲機(jī)可分為滑輪式、活套式、直線式三種。從產(chǎn)品終端來說，拉絲機(jī)可以分為大拉機(jī)，中拉機(jī)，小拉機(jī)，微拉機(jī)；而從拉絲機(jī)內(nèi)部控制方式和結(jié)構(gòu)來說，可以分為水箱式，滑輪式，直進(jìn)式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度不同規(guī)格的產(chǎn)品，不同的金屬種類，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械。對于銅鋁基材的電線電纜生產(chǎn)企業(yè)，雙變頻控制的細(xì)拉機(jī)應(yīng)用比較廣泛，相對而言，其要求的控制性能也較低，而對于大部分鋼絲生產(chǎn)企業(yè)，針對鋼材特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多，不同的拉絲機(jī)械，其工作過程基本相同：
放線:l 金屬絲的放線速度，對于整個(gè)拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說，其控制沒有過高精度要求，對部分雙變頻控制的拉絲機(jī)械，甚至可以利用拉絲環(huán)節(jié)的絲線張力通過圓盤拉伸。對大部分拉絲機(jī)械，放線的控制是通過變頻器驅(qū)動(dòng)放線機(jī)實(shí)現(xiàn)的。
拉絲:l 拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)最為重要的環(huán)節(jié)。不同金屬物料，不同的產(chǎn)品精度和要求，拉絲環(huán)節(jié)有很大的不同，雙變頻控制拉絲機(jī)拉絲部分與放線部分共用一臺電機(jī)，金屬絲通過內(nèi)部塔輪的導(dǎo)引，經(jīng)過模具而逐步拉伸。而直進(jìn)式拉絲機(jī)拉伸效率較高，對每一道拉絲工序，都需要一臺電機(jī)帶動(dòng)，因此其控制也最為復(fù)雜。
收線:l 收線環(huán)節(jié)的工作速度決定了整個(gè)拉絲機(jī)械的生產(chǎn)效率。
2 并列式連續(xù)拉絲機(jī)結(jié)構(gòu)
并列式連續(xù)拉絲機(jī)是一種用于拉拔金屬線材的直進(jìn)式連續(xù)拉絲機(jī)，將組成一臺或兩臺連續(xù)拉絲機(jī)的所有單拉絲機(jī)按２～４列并排分布并以水平形式同時(shí)安置在一個(gè)帶有垂直平面的機(jī)架上，將所有的模盒裝置也設(shè)在機(jī)架上并使之與水平面成一定夾角，產(chǎn)品具有占地少、有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生和文明化生產(chǎn)。
本文以西安某公司生產(chǎn)的并列式拉絲機(jī)為設(shè)計(jì)案例。并列式連續(xù)拉絲機(jī)是平行排列成2-4列的直進(jìn)式連續(xù)拉絲機(jī)，其傳動(dòng)、潤滑、冷卻及控制與直立直進(jìn)式拉絲機(jī)相同。整機(jī)外觀圖示如圖1所示。
圖1 并列式拉絲機(jī)
本機(jī)器共有10個(gè)塔輪，1個(gè)牽引輪，1個(gè)收卷輪，11個(gè)模具，以及11根擺桿，最大進(jìn)線直徑2.4mm，最小出線直徑0.3mm，最高線速度2.5m/s。塔輪直徑均為250mm，牽引輪直徑為360mm，收卷輪最小直徑為280mm。原料線材通過11個(gè)模具的11級拉伸，變成需要線徑的成品線材。每個(gè)塔輪由1臺電機(jī)控制，牽引輪和收卷輪也分別由1臺電機(jī)控制。每臺塔輪配置擺桿一根，作為恒張力控制時(shí)使用。每臺電機(jī)都通過減速機(jī)與機(jī)械連接，減速比如下表1所示（減速比G為負(fù)載側(cè)齒輪/電機(jī)側(cè)齒輪）。整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
|
對應(yīng)電機(jī)位置 |
減速比G |
對應(yīng)電機(jī)位置 |
減速比G |
|
塔輪1 |
19.71 |
塔輪7 |
10.47 |
|
塔輪2 |
17.11 |
塔輪8 |
9.85 |
|
塔輪3 |
15.62 |
塔輪9 |
8.73 |
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塔輪4 |
14.55 |
塔輪10 |
7.67 |
|
塔輪5 |
12.69 |
牽引輪 |
10.47 |
|
塔輪6 |
11.89 |
收卷輪 |
9.27 |
圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意
3.1 控制原理
并列式拉絲機(jī)的變頻恒張力驅(qū)動(dòng)目的是為了保證在運(yùn)行過程中絲線的張力恒定。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料的不同，恒張力控制的方法一般分為兩種：1直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，2通過控制速度恒定來保證張力的恒定。通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，本項(xiàng)目采用通過控制速度的方法來間接控制張力的恒定。
由于并列式拉絲機(jī)由11組牽伸機(jī)構(gòu)和1組收卷機(jī)構(gòu)組成，所以我們單獨(dú)對一組牽伸機(jī)構(gòu)和一組收卷機(jī)構(gòu)來進(jìn)行控制原理的分析。圖3為一組牽伸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3 牽伸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)
穩(wěn)定運(yùn)行過程中，我們將條件理想化（排除其他不穩(wěn)定因素的影響），擺桿將停在設(shè)定的位置不出現(xiàn)波動(dòng)，塔輪只需要按照計(jì)算出來的理論線速度運(yùn)行就可以保證絲線張力恒定，此過程只需要知道每級牽伸機(jī)構(gòu)中塔輪的理論線速度即可；由于機(jī)械一旦制造完成，塔輪的直徑以及電機(jī)端的減速比就已經(jīng)確定，從塔輪的理論線速度就可以計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，也就是變頻器需要運(yùn)行的頻率。
在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)很多的不穩(wěn)定因素，例如絲線的打滑，機(jī)械摩擦力變化等原因，擺桿不可能固定不動(dòng)，于是就需要變頻器對擺桿的變化做出響應(yīng)，通過速度的變化來達(dá)到讓擺桿穩(wěn)定的目的，這個(gè)就是自調(diào)節(jié)的過程。通過變頻器對擺桿信號進(jìn)行PID的運(yùn)算，就可以達(dá)到這個(gè)目的。圖4為牽引驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)的詳細(xì)示意圖，讓我們看看圖中變量之間的關(guān)系。
圖4 牽引驅(qū)動(dòng)參數(shù)
牽伸機(jī)構(gòu)中，由于模具大小不一樣，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)通過模具的材料體積相等的前提條件，
我們知道：(R1/2)2 *π *v1 *t = (R2/2)2 *π * v2 *t
R12 * v1 = R22 * v2 …………………………①
由于R1，R2已知，根據(jù)v1就可以計(jì)算出v2。
而 v1 = π * R * n / G1， n = F1 * 60 * (1-s) / p
v1 = π * R * F1 * 60 * (1-s) / (G1 * p)
F1 = G1 * p * v1 / （60 * π * R * (1-s)） …………………………②
通過以上①②公式，就可以計(jì)算出每一級牽伸的理論線速度和理論頻率。
圖5為收卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5 收卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意
3.2 臺達(dá)BW系列變頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)
基于臺達(dá)BW系列變頻器的恒張力控制系統(tǒng)如圖6所示。
圖6 BW系列變頻器恒張力控制系統(tǒng)
整個(gè)系統(tǒng)由12臺2.2kw電機(jī)構(gòu)成，每臺電機(jī)由一臺2.2kw BW系列臺達(dá)卷取工藝客制化專用變頻器控制，由于臺達(dá)BW系列變頻器具有收放卷專用控制功能，不需要依靠PLC就能夠完成恒張力控制，具有自動(dòng)卷徑計(jì)算以及PID自動(dòng)調(diào)整功能，所以在此系統(tǒng)中能夠獨(dú)立完成對放卷動(dòng)作的控制，其中變頻器AMD1-AMD10需要配置PG-03卡完成速度檢測及反饋閉環(huán)。張力控制由變頻器來完成，臺達(dá)BW系列變頻器的AVI端子接受張力棍的張力輸入信號，經(jīng)過變頻器內(nèi)部的預(yù)設(shè)張力平衡參數(shù)比對計(jì)算，對張力誤差做出放卷速度的獨(dú)立張力實(shí)時(shí)控制。PLC只負(fù)責(zé)給定啟動(dòng)信號以及完成一些輔助動(dòng)作。
⑴ 牽伸機(jī)構(gòu)接線圖7所示。
圖 7 BW變頻器恒張力牽引控制
AMD11牽引變頻器中AVI為主調(diào)速信號，通過一個(gè)可調(diào)電位器接入；DFM為頻率數(shù)字輸出，對應(yīng)實(shí)際輸出頻率H（也可選擇對應(yīng)給定頻率F），作為實(shí)際線速度信號提供給AMD10變頻器。AMD10牽伸變頻器中AVI為擺桿信號，做為PID的反饋量進(jìn)行微調(diào)；PG03中-B接受上級發(fā)送的線速度信號作為理論頻率的計(jì)算基礎(chǔ)；DFM信號作為實(shí)際線速度信號傳送給下一級。牽伸變頻器控制的塔輪直徑固定，通過參數(shù)設(shè)定。FWD為運(yùn)轉(zhuǎn)信號，統(tǒng)一由PLC給定；MI6為1/2加減速信號，作為急停時(shí)使用。
⑵ 收卷機(jī)構(gòu)接線圖八8所示。
圖8 BW變頻器恒張力收卷控制
AMD11牽引變頻器中AFM為模擬量輸出信號，對應(yīng)實(shí)際輸出頻率H，作為實(shí)際線速度信號提供給AMD12變頻器。AMD12收卷變頻器中AVI為擺桿信號，做為PID的反饋量；MI1為卷徑復(fù)位開關(guān)，當(dāng)收卷棍換棍時(shí)需要進(jìn)行卷徑復(fù)位操作。由于收卷變頻器控制的收卷棍直徑會(huì)變化，所以需要打開卷徑自動(dòng)計(jì)算功能。BW系列變頻器能夠自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前卷徑。
3.3 臺達(dá)BW張力控制變頻器參數(shù)調(diào)試
⑴設(shè)置電機(jī)銘牌參數(shù)。由于對電機(jī)低速特性有要求，所以需要使用向量控制方式。調(diào)試時(shí)需要對電機(jī)進(jìn)行自整定。
⑵設(shè)置機(jī)械齒輪比。按照機(jī)械實(shí)際情況填寫齒輪比。
⑶計(jì)算理論線速度。由于本機(jī)器設(shè)計(jì)的最高線速度（牽引輪）為2.5m/s，根據(jù)公式計(jì)算，牽引變頻器工作在47hz就能夠滿足要求，于是將牽引變頻器的工作范圍定在0-50hz。有了這個(gè)基礎(chǔ)線速度，根據(jù)客戶提供的模具尺寸，就可以計(jì)算出每個(gè)塔輪上的理論線速度；根據(jù)理論線速度就可以計(jì)算出每臺變頻器的最高工作頻率。假設(shè)客戶按照下表的模具尺寸數(shù)據(jù)來選用：
|
模具位置 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
直徑（mm） |
1.36 |
1.33 |
1.3 |
1.27 |
1.24 |
1.21 |
1.18 |
1.15 |
1.12 |
1.09 |
1.06 |
則對應(yīng)的每級牽伸的理論線速度如下表數(shù)據(jù)：
|
塔輪 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
線速度（m/s） |
1.54 |
1.61 |
1.68 |
1.76 |
1.85 |
1.94 |
2.04 |
2.15 |
2.27 |
2.40 |
2.53 |
對應(yīng)電機(jī)的最高工作頻率如下表數(shù)據(jù)：
⑷PID參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，測試出一組合適的PID參數(shù)填入到相關(guān)變頻器中。
4 結(jié)束語
經(jīng)過在客戶處長期的實(shí)際拉絲運(yùn)行，整機(jī)已經(jīng)得到客戶的認(rèn)可。通過與使用國外知名品牌元件的控制設(shè)備相比，在保證性能上一致的前提下，加工效率比其提高1/3，成本上也有大幅降低。
作者信息：
王 浩 中達(dá)電通股份有限公司AMD產(chǎn)品處
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號