多股簧数控机床张力控制器动态响应特性的研究

1、多股簧数控机床张力控制器动态响应特性的研究多股簧数控机床张力控制器动态响应特性的研究程建宏王时龙周杰邹政彭玉鑫(重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044)模型及控制方程.通过matlab软件进行仿真.得出了多股簧数控机床张力控制器的响应曲线,对多股簧数控机床的整体控制系统动特性的进一步研究提供了理论依据.关键词:多股簧数控机床磁粉制动器动态特性控制系统StudyonDynamicResponseofTensionControllerofCNCMachineforMulti-coilSpringCHENGJianhong,WANGShilong,ZHOUJie,ZOUZheng,PENG

2、Yuxin(MechanicalTransmissionNationalKeyLaboratory,ChongqingUniversity,Chongqing400044,CHN)多股螺旋弹簧(简称多股簧)是由钢索(通常由27股0.43mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成)卷制而成的圆柱螺旋弹簧,和单股弹簧相比,多股螺旋弹簧具有刚度强度好,吸振减振效果好等独特性能,在汽车仪器仪表减振系统,武器发射系统以及航空发动机等多个领域中都具有重要的应用价值.多股簧数控机簧结构参数众多,制造工艺复杂,对数控系统提出了更苛刻的要求.在多股螺旋弹簧的绕制过程中,钢索索距的均匀性和钢丝直径的一致性是决定多股螺旋弹簧的质量

3、和使用寿命的关键因素.在拧索过程中,如果各股钢丝张力不一致,各自的塑性变形相差很大,拧成钢索后变形适当恢复,将造成钢索索距均匀性和直径一致性较差,从而无法保证钢索的质量.这样的话,多股簧在工作过程中各股钢丝的变形及内部摩擦不均匀,也无法均匀承担载荷,甚至可能造成某根钢丝的过度磨损而断裂,使多股簧的优越性能和使用寿命大打折扣.因此,严格控制各股钢丝张力趋于一致,并实现钢丝张力的实时检测,就成为多股簧制造工艺中的关键技术.基于磁粉制动器的张力控制器很好的解决了这一难题,使得多股簧在绕制过程中的各股钢丝的张力恒定在给定范围,并且实时监测,从而保证多股簧的质量1基于磁粉制动器的钢丝张力控制系统某一直流

4、电压时,线圈内产生激磁电流,此电流流经线圈后形成了如图中虚线所示的闭合磁场,在磁场作用消耗的功率变成热能由冷却水冷却达到平衡.1一旋转的圆柱形转子;2-定子;3-激磁线圈;4-圆柱形转子上的隔磁环;5-磁粉;-定子冷腔.图l磁粉制动器的结构图根据电磁原理,利用磁粉来传递转矩,所传递的转矩在其额定转矩内通过激磁电流可任意调节,激磁电流(,)和转矩()在一定范围内成线性关系(图2).国家自然科学基金(50775226);教育部科学技术研究重点项目(109129);重庆市科技攻关计划项目(CSTC2009AC3049)汽车制造技术AutoManufaingTechn0Iogy当激磁电流不变,转矩将会

5、稳定输出,不受滑差速度()的影响(图3).12O,i00辑80苦锥6O402O0/./'r/'2O4O6O80100120激磁电流'/%图2激磁电流'与输出扭矩M的关系图20040060080010001200滑差速度V/min图3滑差速度v与输出扭矩M的关系多股簧数控机床张力控制器的控制系统原理如图4所示,钢丝从钢丝盒出丝后,由磁粉制动器恒定扭矩达到控制其张力,之后钢丝进给轨迹到达检测机构张力传感器,对张力实时检测并将数据传输到AD-AM5017控制模块,经处理后由ADAM5024将控制信号输出到变送器,从而达到实时调节磁粉制动器以恒定张力.整个系统构成负反馈

6、的闭环控制系统,如图5所示.?146?图4张力控制器的控制系统原理上位机+控制模块竺网.A/D转换器H前置滤波放大器H称重传图5张力控制器系统结构2张力控制器的动态特性数学模型通常磁粉制动器的响应时间与励磁电压,励磁电?1(S)/u(s)=Koe"/(s)+1)(r(s)+1)/(5)+1)(.(s)+1)()+1)(1)式中:(s)为磁性线圈励磁电压一励磁电流间惯性滞后关系的电磁时间常数;r(s)为励磁电流一磁通量问纯滞后关系的磁滞时间常数;丁(s)为磁通一磁粉运动间惯性滞后关系的机械时间常数;Ko为静态系数,Nm/V.磁粉制动器的输出力矩与励磁电流,或励磁电压的稳态值近似成正比,

7、其一般式为T=.厂(,)=g(U)(2)本系统采用40V直流电压作为电源来调整励磁电流,通过WLK一1A型控制器,整流滤波后,以调节脉宽占空比的方式调节输出电流的大小,从而改变磁粉制动器的输出扭矩.用阶跃响应曲线法可以求出传递函数中的未知参数,r,.,下.在实验时,在磁粉离合器的输入端加上一个阶跃信号(激磁电压),然后用光线记录示波器可以记录到电极丝张力的响应曲线.PWM的基本原理是利用大功率场效应管开关时间的控制,将直流电压转换为一粉制动器电枢的两端,通过对方波脉冲宽度的控制,即通过软件或硬件方式改变输出脉冲波形的占空比,改变电枢的平图6PID校正装置均电压,从而达到输出调节的目的,实现无级

8、调速.在文献4中提到,当PWM励磁电压的脉冲幅值E足够大时,有:t=(34).r.从而大大缩短了磁粉等;zuu平弗口删oo/0,辑丑舞表1输入电压与对应磁粉制动器输出扭矩输入电压/VOl2345678910l1l2输入电压/Vl3141516l718l9202l222324制动器的电磁响应过程,提高了动态响应的快速性.则式(1)可改写为G.(S)=T(s)/U(S)/(丁(s)+1)(7.(s)+1)(7-(s)+1)(3)本系统采用了PID控制算法,可以实现超前一滞后的校正作用,其工作原理图如图6所示.G)=Kp+去=(4)式中:.为比例单元;Tds为微分单元;1/()为积分单元.3张力控制

9、器系统的应用及实现张力控制器的结构原理如图7所示,所有控制元件全部集成在机床旋转机构中,经过ADM5510数据交换模块,67891O11l_旋转架;2-磁粉制动器齿轮轴;3-磁粉制动器;4一大制动齿轮;S一钢丝盒6一滚轮;7-传藤器;8一制动器;9-轴承;10一调节螺栓;11-轴承.图7张力控制器机械结构原理图分别通过8通道数据输出模块5017,双4通道数据输入模块5024进行数据的实时监控和反馈,形成稳定可靠的自镇定控制.该系统主要用于绕制具有双层结构的多股螺旋弹源经变压器输出,整流滤波后,以调节脉宽占空比的方式调节输出电流的大小,解决了大功率晶体管管压降高,发热严重的问题,同时也使整机的结构紧凑,提高了可靠性.4结语在实验中保持钢丝盒半径不变,即将钢丝一端固簪定在张力控制器上,由计算机设置张力,经D/A转换传感器感知钢丝张力,经A/D转换后输入到工控机.的钢丝张力数据与磁粉制动器的半径相乘,便得到磁出扭矩数据如表1所示.其图线关系如图8所示,即磁粉制动器的特性曲线.从图中可以看出,曲线中间部分的线性关系较好.图8输入电压与对应磁粉制动器输出扭矩关系CZ系列磁粉制动器用于多股簧数控机床的张力控制器,提高了张力控制的相应速度及恒定了张力的大小,不仅提高了多股簧钢索索距均匀性和直径一致提高多股簧加工手段的改进,拥有自主产权的自动化设备奠