焊丝层绕机恒张力的技术改造

黄旭钊（广东生和堂健康食品股份有限公司，广东江门，529100）

焊丝层绕机恒张力的技术改造

黄旭钊
（广东生和堂健康食品股份有限公司，广东江门，529100）

本文通过对焊丝层绕机的工艺要求、控制系统的分析，阐述了在收放卷上应用PLC运算和PID调节的方式来控制变频器，以实现恒速恒张力功能，改造后提升了机器的性能和工作效率，取得良好的效果。

恒速度；恒张力；PID调节

一客户是焊业公司有两台旧式的的焊丝层绕机由于使用时间长且技术落后（被动放卷，靠摩擦力来控制张力，且不能反转倒车），已经停用了一段时间。为旧物利用，要对那两台旧机进行技术改造。通过更改原机的控制方式，在放线机台上增加一台变频电机作主动放卷，提高响应速度，而且还能实现倒车收线。排线机构使用步进电机，在浮辊上连接一个编码器作位置检测，以实现张力恒定。通过PLC计算和PID辅助调节，经模拟量输出控制变频器，以实现恒速恒张力的控制，提高生产质量和效率。

1　系统要求和分析

焊丝层绕机是典型的收放卷系统，主要是把经酸洗、镀铜后的大盘焊丝分装层绕到标准的塑盘上。机器改造后要求能准确计米、计重，误差在0.5%以内；能自动减速停车；有断线检测自动停机功能；实现恒张力、恒线速控制；能够反转倒车收线，起停平稳，无断丝。

现在的变频器性能先进，起停曲线平滑良好，是传动系统的首选。恒速恒张力的方法是：速度值=理论计算值+PID修正值。

2　系统的组成和运行

系统主要由收、放卷和张力机构组成，其结构如图1所示。松开放卷上的刹车装置，焊丝从放线盘拉出，在浮辊上缠绕3圈，以减少线速度波动带来的张力变化。现场称浮辊的动轮叫舞轮，它与位置反馈编码器连接，浮辊的高低变化会改变编码器输入到PLC的值，通过这个值的大小来反映浮辊位置的变化。使用张力反馈时一般设的位置值是浮辊中间位置，张力大小的调节是通过调节“张力调节气缸”的气压来实现。过了浮辊，焊丝穿过测速轮，测速轮后面装有一个同轴的10齿圆盘，每转一圈向PLC输入10个脉冲，可利用单位时间内输入的脉冲数×测速轮周长/10，计算线速度。测速轮前有一个断线检测机构，断线信号输入到PLC立即执行停机程序。焊丝穿过一套校直排线机构，使用步进电机带动，两边限位配合焊丝的直径和收卷速度来回移动。焊丝的直径可在触摸屏上直接输入准确数字，收卷盘上装有转速传感器，能检测到收卷盘的当前转速和正反转方向。控制器选用了三菱FX3U-64MT，外加一个2DA模块。

图1　系统示意图

3　随速和张力系统的设计

3.1收丝恒速控制。本系统一个重要的指标就是要求实际速度V和设定目标速度V0一致，并且恒定。先分析收卷方面，收卷盘的卷径是不断变化，控制转速n的电压信号要跟随卷径的增大而慢慢减少，要抓住这个变化规律才能控制好收卷速度的恒定。可以利用公式

式中n为单位转速，D是收卷盘直径， V为单位线速度。在刚起速时，速度V=0，收卷塑盘的底径D0是标准已知的，通过基本公式（3-1）的变形：n= V0/（π*D0），输出控制收卷转速的电压信号，通过测V的反馈和PID运算，不断调整转速。

收卷过程中，直径D不断增大，当测速轮测到的速度值V= V0时，可用公式（3-1）的另一个变形D=V/（π*n）进行卷径计算，而得知当前收卷盘直径，再用当前的D值代入到转速公式里，如此循环使收卷线速度恒定，成为一个无静差调速系统。如果中途因故停机，会记录着当前的直径，重新起动时直接调用。当层绕一盘完成后换塑盘时会把当前直径D复位为底径D0。

3.2放丝恒张力控制。分析放卷有两个方面，一个是和收卷线速度同步的速度控制，另一个就是恒张力控制。速度控制方面和收卷一样根据公式（3-1）来控制，放卷的初始直径也已知，放卷中其直径不断增大。当V=V0，且舞轮当前值C=设定值C0时，根据当前模拟量的值得知转速n1，从而计算出当前直径D1。运算过程为了提高准确性，需使用浮点运算。

张力控制上，通过张力气缸的向上压力、焊丝的张力和舞轮的自身重力的合力，构成一个平衡的系统。因同种焊丝时气缸的压力相同，忽略张力气缸，可以把整个张力系统简化成图2。

图2　张力系统简化图

V1是收卷线速度，它和设定目标速度已经构成闭环控制系统。V2是放卷线速度，和设定目标速度之间是开环控制。舞轮的移动则又线速度V1和V2决定。当V1＞V2时，舞轮上移，PLC接受到反馈需提升电机转速，使放卷线速度V2上升与V1平衡舞轮也下移回到平衡位置；当V1＜V2时，舞轮下移，其控制过程应和上面相反；仅当V1=V2时，动轮处于平衡位置。PID控制必须稳定而迅速地完成上述控制过程。因为在穿线过程中，焊丝在浮辊上缠绕了3圈，使放卷线速度对舞轮位置的影响降低了3倍；在平衡位置的变化过程中，只要不是到了上下极限，气缸压力和舞轮的自身重力不变，那么焊丝的张力就不变，实现恒张力控制。在舞轮底部安装一开关，既可以作为编码器计数清零输入，也可以作为断线检测的冗余输入。

4　结语

从上述分析可以看出，张力闭环速度控制主要还是一个速度同步的恒线速度控制系统。经一段时间使用后，系统稳定、故障率低、可靠性高，满足客户的生产要求。

三菱电机 FX3U编程手册（基本）应用指令说明书［M］.2009.

Technical improvement of constant tension of wire layer winding machine

Xu Zhao Huang
（Guangdong health food and health food Limited by Share Ltd Jiangmen Guangdong，529100）

In this paper，the process of layer of wire winding machine， control system analysis，elaborates the rollout in application of PLC operation and PID regulation way to control the frequency converter， in order to achieve constant speed constant tension function， after transformation， enhance the performance of the machine and working efficiency，achieve good results.

constant speed；constant tension；PID adjustment