引言

　　玻璃鋼管具有耐腐蝕、內(nèi)壁光滑、流體阻力小、對輸送介質(zhì)無二次污染保溫性能好和工程造價(jià)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為傳統(tǒng)鋼管的最佳替代品，在輸油輸水、化工和熱電工程中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)報(bào)導(dǎo)，2001年西歐玻璃鋼管的市場需求量達(dá)到6到7萬噸，且年增長率在10%以上，世界上各大知名玻璃鋼管生產(chǎn)企業(yè)紛紛加強(qiáng)研發(fā)力量，極大促進(jìn)了玻璃鋼管工業(yè)的發(fā)展。目前，世界各國生產(chǎn)玻璃鋼管的主要方法是纖維纏繞成型法。纏繞機(jī)是纖維纏繞成型的關(guān)鍵設(shè)備，工作時(shí)，浸漬膠粘劑的纖維紗片通過纏繞機(jī)小車上的絲嘴按設(shè)計(jì)的線型有規(guī)律地鋪敷在芯模表面上形成纏繞層，多層纏繞后形成端部帶有陰螺紋的纏繞構(gòu)件。

　　本文研制的纏繞機(jī)為臥式，芯模水平放置。纏繞時(shí)，芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車電機(jī)拖動(dòng)小車沿芯模軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維在芯模上的纏繞鋪放，達(dá)到制品的技術(shù)要求。

　　模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，本文的纏繞控制系統(tǒng)采用嵌入式多任務(wù)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)主軸和小車的同步運(yùn)動(dòng)控制和纏繞邏輯控制。討論了基于PC機(jī)和COMI-LX運(yùn)動(dòng)控制器的開放式纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)玻璃鋼管纏繞機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)纏繞機(jī)由帶動(dòng)玻璃鋼管芯模旋轉(zhuǎn)的主軸、對芯模排布玻璃纖維的小車和樹脂以及固化劑供給系統(tǒng)等設(shè)備組成。臥式纏繞機(jī)纏繞工作時(shí)，芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小車電機(jī)拖動(dòng)小車在工作臺(tái)上沿縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維層在芯模上的纏繞鋪放工作。小車電機(jī)在往復(fù)運(yùn)行時(shí)要根據(jù)工藝要求不斷進(jìn)行加減速，而且小車和主軸負(fù)載隨著纏繞膠量的變化而變化，易造成導(dǎo)絲頭和芯模的相對位置的變化，從而造成線型異變和紗片搭接不良。纏繞機(jī)系統(tǒng)為一個(gè)慣量變化很大的非線性時(shí)變位置同步隨動(dòng)控制系統(tǒng)，因此，采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式以確保紗片搭接良好。電子齒輪模式實(shí)際上是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)模式，其運(yùn)動(dòng)效果與兩個(gè)機(jī)械齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)類似。當(dāng)前軸工作在電子齒輪模式下時(shí)，需設(shè)定電子齒輪傳動(dòng)比，當(dāng)前軸將按照這個(gè)速度比值，跟隨主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)模式可以是任何一種運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)前軸運(yùn)動(dòng)位移增量等于與之相聯(lián)系的主動(dòng)軸的位移增量乘以電子齒輪傳動(dòng)比。

　　如圖1所示。上位機(jī)采用臺(tái)灣研華1PC610機(jī)箱和PcA一6179主板，它與韓國COMIZOA公司的MCOMI-LX運(yùn)動(dòng)控制器通過RS一232串口實(shí)現(xiàn)通訊，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。工業(yè)PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面管理、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控和工藝文件存儲(chǔ)等功能，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，該結(jié)構(gòu)支持軟件升級和功能擴(kuò)展，具有上、下兩級的開放性。

　　纏繞機(jī)主軸電機(jī)是7.5kW的三相交流伺服異步電動(dòng)機(jī)，用博瑋BWS伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。對于主軸電機(jī)的速度，本系統(tǒng)采用了抗負(fù)載變化能力較大的閉環(huán)控制方式。運(yùn)動(dòng)控制器軸3接口的模擬量輸出作為伺服驅(qū)動(dòng)器速度控制輸入信號(hào)，在運(yùn)動(dòng)控制器開環(huán)控制狀態(tài)下設(shè)置模擬量電壓輸出值實(shí)現(xiàn)變頻器速度控制。安裝于變速箱輸入軸上的一CWZ1X旋轉(zhuǎn)編碼器完成主軸轉(zhuǎn)角和速度的檢測。伺服驅(qū)動(dòng)器采用帶PG矢量控制方式，PG;X2速度卡把編碼器采樣的信號(hào)一路作為伺服驅(qū)動(dòng)器輸入實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，一路作為速度和位置信號(hào)輸入到控制器的編碼器接口4，實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)編碼器完成速度閉環(huán)控制和主軸轉(zhuǎn)角位置采樣的功能。小車采用博瑋BWS伺服電機(jī)完成精確定位，它沿玻璃鋼管軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，按照纏繞規(guī)律以一定的響應(yīng)速度和精度跟蹤主軸運(yùn)動(dòng)。軸0接口工作于伺服模式，完成小車伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。主軸編碼器反饋接到MC206軸4接口，作為參考編碼器的輸入軸，為小車同步運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)編碼器輸入。

纏繞機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　纏繞機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)程序采用Microsoft公司的VC++6.0基于Windows2000平臺(tái)開發(fā)，完成工藝文件設(shè)置和管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。工控機(jī)和MC206通過串口基于MODBUS協(xié)議完成工藝參數(shù)下載和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示。

　　通訊采用主從方式的查詢機(jī)制，系統(tǒng)將工控機(jī)設(shè)為主站，MC206設(shè)為從站，只有主站發(fā)出查詢時(shí)，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。工作時(shí)工人選定待纏繞管件型號(hào)并將工藝文件下載后，進(jìn)入纏繞加工狀態(tài)，此時(shí)所有運(yùn)動(dòng)和邏輯控制由完成，從站僅響應(yīng)主站的查詢并上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。即使工控機(jī)由于某種原因出現(xiàn)故障或死機(jī)，也不會(huì)影響當(dāng)前管道的纏繞加工。從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的實(shí)時(shí)性。

　　運(yùn)動(dòng)控制程序采用TrioBASIC多任務(wù)語言編制。通過運(yùn)行在PC機(jī)上的MotionPerfect軟件將編制好的運(yùn)動(dòng)控制程序下載到MC206內(nèi)即可脫機(jī)運(yùn)行。TrioBASIC語言有三種不同類型的存儲(chǔ)變量：命名變量、VR（）變量和TABLE區(qū)變量。命名變量是局部變量，僅在定義它的任務(wù)內(nèi)有效。

　　變量是可被多個(gè)任務(wù)共享的全局變量，它可用于任務(wù)間通訊；TABLE區(qū)通常是用于存儲(chǔ)CAM／指令曲線的存儲(chǔ)區(qū)，本程序用于存儲(chǔ)纏繞管道型號(hào)的工藝文件。運(yùn)行的用戶程序被稱為線程或任務(wù)。

　　對于復(fù)雜的多任務(wù)程序應(yīng)為線程分配優(yōu)先級，控制器缺省的伺服周期是lms，該周期在內(nèi)部被分成三個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片為1/3ms，它們在內(nèi)部分別被用來處理伺服功能，通訊和通常的housekee任務(wù)。在每個(gè)時(shí)間片內(nèi)剩余的時(shí)間被用于運(yùn)行用戶程序。MC206最多可運(yùn)行7個(gè)用戶線程，每個(gè)線程用從l到7的數(shù)字標(biāo)號(hào)，最高標(biāo)號(hào)的線程（線程7和6）被分配固定的時(shí)間片，它們被稱為快速任務(wù)，主要用于有以下要求的任務(wù)：要在每個(gè)伺服周期都要進(jìn)行處理的任務(wù)；具有大量的運(yùn)算和處理的任務(wù)；任務(wù)啟動(dòng)后程序執(zhí)行速度不能改變的任務(wù)。5g-線程被稱為慢速任務(wù)，它們具有共同的優(yōu)先級，程序執(zhí)行速度會(huì)隨任務(wù)的增加而降低。用戶可以使用指令啟動(dòng)任務(wù)使其按指定的優(yōu)先級運(yùn)行。

　　在上位機(jī)軟件MotionPerfect中打開一個(gè)Terminal窗口可以設(shè)置一個(gè)CommandLine端口，它始終使用0號(hào)任務(wù)，用于從上位機(jī)輸入指令并立即運(yùn)行。該纏繞機(jī)控制軟件中共建立了四個(gè)任務(wù)，其中任務(wù)7用于纏繞機(jī)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)床邏輯控制，任務(wù)6用于管理機(jī)床與纏繞相關(guān)的I/O信號(hào)和主軸轉(zhuǎn)速控制，任務(wù)2完成串口通訊功能，任務(wù)1實(shí)現(xiàn)輸膠控制。控制程序的任務(wù)功能和執(zhí)行時(shí)間分配如圖2所示。其中任務(wù)7和6的優(yōu)先級最高，每個(gè)伺服周期（1Ins）都分配時(shí)間片，任務(wù)1，2和/L）優(yōu)先級相同，在每個(gè)伺服周期輪流為其分配時(shí)間片。纏繞程序任務(wù)功能和執(zhí)行時(shí)間的分配如圖2所示。

　　纏繞機(jī)加工控制工作狀態(tài)分為手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)三種狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)用于單獨(dú)控制芯模和小車的運(yùn)動(dòng)。半自動(dòng)狀態(tài)下芯模和小車協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行環(huán)向纏繞，纏繞的長度由工人控制。自動(dòng)工作狀態(tài)下可按工藝文件設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)向和螺旋自動(dòng)纏繞。此外控制程序還具有零點(diǎn)校正、自動(dòng)零點(diǎn)、斷點(diǎn)纏繞和纏繞過程人工干預(yù)等功能。

結(jié)束語

　　該纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合了工業(yè)PC機(jī)和嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)，充分利用了COMI-LX運(yùn)動(dòng)控制器的電子齒輪功能。系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行自動(dòng)纏繞，并具有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程通訊、故障診斷與報(bào)警和反向間隙補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｔ摾p繞機(jī)紗片寬度在80～220mm之間任意調(diào)節(jié)，可滿足不同管徑管道的纏繞要求。最高出紗速度可達(dá)Mm／min，芯模轉(zhuǎn)角分辨率為0。018。小車軌跡控制誤差小于0毫米，整機(jī)響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，操作簡單。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于大慶竹田復(fù)合材料有限公司，實(shí)踐證明該系統(tǒng)對提高玻璃鋼管纏繞成型工藝的技術(shù)水平、自動(dòng)化程度和管道質(zhì)量具有非常重要的作用，并縮短了管道的開發(fā)周期，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。