吳 旭，張為強(qiáng)，孟凡輝

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

多線切割機(jī)是一種新型的材料加工設(shè)備，其加工效率高、材料損耗少、表面加工質(zhì)量高、適合脆硬材料的加工。但多線切割機(jī)對于控制系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時性要求較高，為保證加工質(zhì)量，需要對切割過程中的鋼絲張力進(jìn)行控制，準(zhǔn)確控制張力值，減小其在加工過程中的波動值對于提高材料加工質(zhì)量及保證切割過程中不斷線，提高設(shè)備工作可靠性是多線切割機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

為減小張力的波動，除了與張力測控系統(tǒng)、線輪速度同步控制系統(tǒng)有關(guān)外，線輪排線質(zhì)量也對其有重要影響，如果線輪的鋼絲線排布整齊、線輪卷徑變化小，將有利于提高張力控制精度，減小切割過程中的張力波動；反之，則會使切割時張力波動增大，甚至造成鋼絲斷線，設(shè)備不能穩(wěn)定運(yùn)行。

常見的排線方式有機(jī)械凸輪排線、步進(jìn)電機(jī)排線、步進(jìn)電機(jī)凸輪排線、伺服電機(jī)排線等多種,各種方式都各有特點(diǎn)[1]。

通過對多線切割機(jī)工作過程中的線輪布線過程的研究和分析，我們采用了西門子PLC控制器及西門子S120伺服系統(tǒng)組成的布線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對線輪的排線控制，通過對0.16mm及0.12mm直徑的鋼絲線進(jìn)行實(shí)際工作實(shí)驗(yàn)，表明其工作穩(wěn)定可靠、排線整齊、鋼絲線張力波動小，已在我們新研制的300mm多線切割機(jī)中得到應(yīng)用。

1 排線方法研究

在目前，常用的排線方式主要有兩種：即自由排線和強(qiáng)制排線。自由排線靠線的張力及擺動輪或擺錘的擺動來排線，導(dǎo)輪與線圈骨架之間的距離較遠(yuǎn)，只要調(diào)節(jié)得當(dāng)，每匝線都能緊密排繞，完全可以使繞出的線圈達(dá)到“鏡面”效果，但是調(diào)節(jié)起來比較困難，主要是機(jī)械方面的調(diào)試量太多；強(qiáng)制排線利用繞線主軸與排線軸的同步運(yùn)動技術(shù)，使每繞一圈，排線機(jī)構(gòu)步進(jìn)一定的距離，應(yīng)用現(xiàn)代步進(jìn)或伺服控制系統(tǒng)及上位控制器等，只要事先設(shè)置好繞線參數(shù)，不需要太多的調(diào)試即可繞線。

在多線切割機(jī)工作過程中，鋼絲采用單向或往復(fù)走線方式運(yùn)行，且線速度較高，一般線速度在500 m/min以上，而一般繞線機(jī)及電纜生產(chǎn)設(shè)備僅采用單向走線方式運(yùn)行而無往復(fù)走線運(yùn)行方式，因此多線切割機(jī)的排線更為復(fù)雜，根據(jù)多線切割機(jī)的工作特點(diǎn)及所用鋼絲線的特點(diǎn)，我們采用了強(qiáng)制排線的方式，其排線過程如圖1所示。

圖1 多線切割機(jī)線輪排線機(jī)構(gòu)示意圖

在多線切割機(jī)工作過程中，線輪驅(qū)動電機(jī)帶動線輪正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)行，與軸輥線速度保持同步，由于在工作過程中線輪卷徑的變化，因此線輪的轉(zhuǎn)速無法預(yù)先確定。線輪每轉(zhuǎn)動一圈，排線機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)線輪出/入線位置Px的變化沿排線方向前進(jìn)或后退布線間距Δx，對于某確定的線輪，布線間距Δx通常為一常數(shù)。顯然，當(dāng)線輪的出線位置為超過排線區(qū)域時，排線機(jī)構(gòu)的移動距離D與線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)和布線間距有關(guān)：

其中ΔN為線輪工作時的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，可以在工作過程中不斷讀取線輪電機(jī)的編碼器值得到ΔN。

當(dāng)線輪轉(zhuǎn)動圈數(shù)不斷增加，線輪出線位置到達(dá)排線區(qū)域的位置限位值(Pmin或Pmax)時，線輪的出/入線位置或排線方向?qū)l(fā)生變化，上述公式將不再適用。根據(jù)實(shí)際所用線輪的排線方式，放線輪的排線方式與收線輪排線方式并不完全一樣，但對于多數(shù)收/放線輪當(dāng)線輪出線位置到達(dá)Pmax或Pmin處時，出/入線位置Px不變，而排線方向發(fā)生變化。一般收/放線輪的排線方式如圖2所示。

圖2 收/放線輪排線方式示意圖

由圖2可以看出，線輪的出/入線點(diǎn)的位置Px和線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ΔN滿足某周期函數(shù)的關(guān)系，一旦排線方式確定，任意線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ΔN對應(yīng)的線輪出/入線點(diǎn)的位置Px即可確定下來。根據(jù)周期函數(shù)的性質(zhì)，線輪的出/入線點(diǎn)的位置Px和線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ΔN之間滿足以下關(guān)系：

上述公式中初相位N0為線輪開始工作對應(yīng)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)，可由初始出/入線點(diǎn)的位置P0確定，周期T為線輪布線區(qū)域內(nèi)每層布線圈數(shù)，K為任意整數(shù)。如果已知T、N0等參數(shù)，并且由線輪的編碼器計算出線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ΔN，即可由函數(shù)關(guān)系計算出線輪出入線點(diǎn)的位置Px。

在多線切割機(jī)工作過程中，若收線輪制造精度不高,輪的內(nèi)寬尺寸存在偏差時,排在靠邊的一圈鋼絲受到擠壓時存在滑移的可能性,造成每層的排線數(shù)目不同,引起排線紊亂[2]。采用上述的排線方法，只需在控制系統(tǒng)軟件中修改周期T，排線位置Pmin或Pmax等參數(shù)，即可根據(jù)線輪的具體尺寸控制排線，保證排線整齊。

2 排線控制系統(tǒng)

線輪驅(qū)動電機(jī)和排線電機(jī)使用西門子的S120伺服控制系統(tǒng)控制1FT6系列伺服電機(jī)，該伺服系統(tǒng)控制精度高，動態(tài)性能好，可以滿足線輪速度控制和排線機(jī)構(gòu)位置控制的要求。使用西門子S7-414型PLC控制器通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與S120伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，對伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制并獲取狀態(tài)信息。

S7-414型PLC工作在等時模式下，通過現(xiàn)場總線每10 ms發(fā)送控制數(shù)據(jù)控制S120上各伺服電機(jī)的運(yùn)動，并讀取各電機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。在多線切割機(jī)工作過程中，通過讀取線輪電機(jī)的編碼器數(shù)據(jù)，獲得線輪的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ΔN，由于線輪的出/入線點(diǎn)的位置Px和N滿足周期函數(shù)的關(guān)系，利用PLC控制器上的求余數(shù)函數(shù)即MOD（）函數(shù)獲得在主值區(qū)間(0，T)與N相對應(yīng)的相位Δn，并通過函數(shù)關(guān)系計算出Δn所對應(yīng)的出/入線點(diǎn)的位置。

顯然，根據(jù)圖2所示，線輪的出/入線點(diǎn)位置可由如下關(guān)系確定：

其中，Pmin是線輪布線區(qū)域的限位值，由設(shè)備的機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)確定，由于所選用的排線電機(jī)使用了絕對位置編碼器，因此一旦設(shè)備結(jié)構(gòu)和線輪規(guī)格確定了，Pmin便可以事先確定下來。對于圖2所示的收/放線輪，T應(yīng)等于線輪每層布線圈數(shù)的2倍，而排線步距Δx也可由所使用的線輪的規(guī)格確定。

通過以上分析，可以給出多線切割機(jī)收/放線輪排線操作步驟：

(1)在多線切割機(jī)工作前，先移動排線機(jī)構(gòu)，將其對準(zhǔn)線輪出/入線點(diǎn)的位置P0；

(2)使用卡尺或絕對編碼器等測量裝置測得線輪出/入線點(diǎn)的初始位置P0；

(3)根據(jù)收/放線輪的線輪排線情況確定線輪的排線方向；

(4)根據(jù)線輪的初始位置P0及線輪的排線方向，確定線輪布線時的初始相位值N0，按照所確定的周期函數(shù)的形式，當(dāng)布線方向?yàn)檎驎r：

當(dāng)布線方向?yàn)樨?fù)向時：

其中，INT()函數(shù)為取整數(shù)函數(shù)。

(5)在多線切割機(jī)工作時，通過線輪電機(jī)的編碼器測得線輪工作時的轉(zhuǎn)動圈數(shù)ΔN，根據(jù)公式(3)及公式(4)即可得到多線切割機(jī)工作過程中的出/入線點(diǎn)的位置Px，控制排線電機(jī)驅(qū)動橫移架臺移動到Px點(diǎn)，不斷跟蹤放線輪的出線點(diǎn)位置，并控制收線輪入線點(diǎn)的位置，使得線輪的排布整齊。

3 結(jié)論

我們在我所最新研制的300mm多線切割機(jī)上，采用0.12mm和0.16mm直徑的鋼絲線，使用以上排線控制系統(tǒng)及排線控制方法進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)表明，該方法排線整齊，均勻性好，且控制算法簡單，排線控制方法可以通過調(diào)整排線控制函數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)整，完全可以用于多線切割機(jī)高速單向及往復(fù)運(yùn)行時的線輪排線，已在300mm多線切割機(jī)上得到了應(yīng)用。

[1]李五田，韓大鵬，張麗華.層繞機(jī)排線及恒張力控制的設(shè)計[J].金屬制品，2007，(2):45-47.

[2]朱偉紅，韓欽漢.收線機(jī)排線不整齊問題的解決[J].金屬制品，2005，(4)：35-36.

[3]于克龍.繞線機(jī)排線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析與控制[J].機(jī)械制造與自動化，2005，(3)：102-103.