CN103394970A - 直驱式r型变压器曲线开料机伺服进刀系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，包括：工业触摸屏、嵌入式工业控制器、伺服驱动器、伺服电机、电动缸、刀架平移结构、滚动刀具、光栅尺、料带测长装置；其中：滚动刀具安装于刀架平移结构，刀架平移结构与电动缸刚性相连，电动缸（缸体与伺服电机为一体化结构）通过伺服电机的控制电缆与伺服驱动器相连接，伺服驱动器通过控制电缆与嵌入式工业控制器相连，嵌入式工业控制器通过通讯总线与工业触摸屏连接。本发明机械设计结构简单、控制精度高，控制系统实现全模块化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性，并降低了系统维护的难度。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种变压器铁芯开料加工技术领域的装置，具体涉及的是一种直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统。
背景技术
R型铁芯变压器是国外20世纪80年代发展起来的一种新型变压器，与传统变压器相比具有结构简单、空载电流小、体积小、重量轻、材料省、漏磁小、损耗小、温升低、噪声低、安全性好等优点。而R型圆截面卷铁芯的加工制造质量直接关系到变压器产品性能的好坏。
从R型铁芯的制造工艺来看，R型铁芯生产设备是由开料机、卷绕机等设备组成，开料机按长宽函数关系裁剪出的带形准确性，是保证生产出符合圆度要求铁心的重要因素之一。
常规的曲线裁剪控制，其剪切的主要部分由两个刀架(前刀架、后刀架)构成，每个刀架由两个步进电机控制，两个步进分别控制刀架刀头的横向方向位移和旋转位移。具体控制方法为：当系统工作时，展开带经过测长辊，带长检测传感器检测带材的总长，计算机根据测得的带料总长将控制数据分别输出到步进电机的驱动部分，以实现对两个刀头位移与角度的控制，从而控制曲线剪切。经检索发现，专利申请号92231491.8就记载了一种圆截面铁芯多根曲线硅钢带开料机，包括多个依序排列的刀架装置，由于每个刀架装置设有两个横向相对的刀架，各刀架上设有上刀片和阶梯式下刀片，该刀架可随下方的转盘及横向拖板通过可编程控制器控制的步进电机作同步转动和横向位移，刀具进给精度不高，影响了铁芯曲线开料加工的精度。
数控裁剪是目前采用较多的方案，但主要集中在数控裁剪系统的各种机构设计上。经过对现有技术检索，专利申请号98226641.3与专利申请号97208956.X分别记载了一种套裁式钢带曲线开料机和圆截面变压器铁芯曲线钢带裁剪机，内容仅涉及铁芯曲线钢带裁剪装置的结构设计，很少涉及机械结构与控制一体化的综合解决方法，数控裁剪技术的应用受到很多限制，不能充分发挥数控裁剪的技术优势。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统。本发明在基本数控裁剪开料机设备的基础上，曲线开料机的裁剪控制系统采用特殊的机构和电子凸轮功能来实现对曲线裁剪的精确控制。
一种直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，其特征在于，包括：工业触摸屏、嵌入式控制器、伺服驱动器、电动缸、光栅尺、刀架平移平台、滚动刀具、长度检测器、伺服电机、阻尼器、转动底盘；所述工业触摸屏通过通讯总线与嵌入式控制器通讯接口连接、嵌入式控制器通过通讯总线分别与伺服驱动器连接，伺服驱动器通过控制电缆与伺服电机连接，伺服电机与电动缸为一体化结构，电动缸输出推杆与刀架平移平台刚性连接，刀架平移平台与光栅尺相连，光栅尺与嵌入式控制器通过信号线相连，固定在刀架平移平台上的转动底盘与阻尼器连接。
优选地是，包括：工业触摸屏、嵌入式控制器、第一伺服驱动器、第一电动缸、第二伺服驱动器、第二电动缸、第一光栅尺、第一刀架平移平台、第二光栅尺、第二刀架平移平台、第一滚动刀具、第二滚动刀具、长度检测器、第一伺服电机、第二伺服电机、第一阻尼器、第二阻尼器、第一转动底盘、第二转动底盘；其中：触摸屏通过通讯总线与嵌入式控制器通讯接口连接、嵌入式控制器通过通讯总线分别与第一伺服驱动器、第二伺服驱动器连接，第一伺服驱动器通过控制电缆与第一伺服电机连接，第一伺服电机与第一电动缸为一体化结构，第一电动缸输出推杆与刀架平移平台刚性连接，第一刀架平移平台与第一光栅尺相连，第一光栅尺与嵌入式控制器通过信号线相连，固定在第一刀架平移平台上第一转动底盘与第一阻尼器连接；同时伺服驱动器通过控制电缆与第二伺服电机连接，第二伺服电机与第二电动缸为一体化结构，第二电动缸输出推杆与第二刀架平移平台刚性连接，第二刀架平移平台与第二光栅尺相连，第二光栅尺与嵌入式控制器通过信号线相连，固定在第二刀架平移平台上的第二转动底盘与第二阻尼器连接，嵌入式控制器通过信号线与长度检测器相连接。
优选地是，所述的工业触摸屏，完成曲线开料机的工艺参数设定、状态监测数据的显示与分析；所述的嵌入式控制器，实现进刀位置控制和补偿算法，为伺服驱动器提供开料曲线给定数据，完成对切割刀具进刀位置控制，以及料带宽度反馈信息的分析处理、开料机运行状态监测数据的采集与分析；所述的第一电动缸和第二电动缸直接驱动第一刀架平移平台和第二刀架平移平台分别带动第一滚动刀具和第二滚动刀具作横向平移运动；所述的第一光栅尺、第二光栅尺，完成对第一滚动刀具和第二滚动刀具位移量的精确测量，为嵌入式控制器提供刀具的位置信息及复位信息；所述的长度检测器主要完成检测加工料带的长度并送入嵌入式工业控制器，根据料带长度与开料宽度的位置对应关系，实时计算开料曲线宽度数据，以确定开料加工时曲线料带的宽度。
优选地是，通过光栅尺实时检测开料刀具位置，并直接反馈给开料控制器，构成一个真正意义上的料带曲线宽度的闭环控制系统；通过在一个料带长度加工周期内记录下所有的料带曲线宽度数据，并与上个周期内的开料曲线数据进行比较，并进行修正，生成一个新的开料曲线宽度数据表，供加工下一个料带时调用，实现开料曲线宽度的动态补偿控制。
优选地是，控制结构上采用分布式系统结构，同步控制的刀架数量将不再受限制，同步精度更高；伺服电机控制功能下移，三环（电流、速度、位置）控制功能全部由伺服驱动器完成；开料控制器主要完成开料曲线控制数据生成和补偿算法的软件实现，以提高系统执行效率；机械结构上采用了转动底盘和阻尼器的机构来实现刀架的转角运动，通过此结构，刀架的转角不再由控制系统控制，而是由机械随动系统自动地、高速地跟随硅钢带的进给和滚刀的横移，控制系统只对刀架的横向移动作准确的控制。
本发明中的直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统,包括：工业触摸屏、嵌入式工业控制器、伺服驱动器、伺服电机、电动缸、刀架平移结构、滚动刀具、光栅尺、料带测长装置；其中：滚动刀具安装于刀架平移结构，刀架平移结构与电动缸刚性相连，电动缸（缸体与伺服电机为一体化结构）通过伺服电机的控制电缆与伺服驱动器相连接，伺服驱动器通过控制电缆与嵌入式工业控制器相连，嵌入式工业控制器通过通讯总线与工业触摸屏连接。
所述的工业触摸屏，主要完成曲线开料机的工艺参数设定、状态监测数据的显示与分析。
所述的嵌入式工业控制器，主要实现进刀位置控制和补偿算法，为伺服驱动器提供开料曲线给定数据，完成对切割刀具进刀位置控制，以及料带宽度反馈信息的分析处理、开料机运行状态监测数据的采集与分析等。
所述的伺服驱动器接受开料控制器的运动控制指令，通过驱动伺服电机将料带加工宽度位置信息转换为伺服电机的旋转角度运动。
所述的电动缸，通过将伺服电机的旋转角度运动转换为直线运动输出，直接驱动刀架平移机构带动刀具作横向平移。
所述的刀架平移机构，主要起到安装与固定刀架、带动刀具平移的作用，同时缓冲因料带切割过程中的横向分力而引起突跳现象（该现象造成刀具磨损和开料次品）。
所述的滚动刀具，完成对料带的切割。
所述的光栅尺，主要完成对刀具位移量的精确测量，为嵌入式控制器提供刀具位置信息及复位信息。
所述的料带测长装置主要完成检测加工料带的长度并送入嵌入式工业控制器，根据料带长度与开料宽度的位置对应关系，实时计算开料曲线宽度数据，以确定开料加工时曲线料带的宽度。
本发明中，第一伺服驱动器与第二伺服驱动器合称伺服驱动器。第一电动缸和第二电动缸合称电动缸。第一光栅尺和第二光栅尺合称光栅尺。第一刀架平移平台和第二刀架平移平台合称刀架平移平台。第一滚动刀具和第二滚动刀具合称滚动刀具。第一伺服电机和第二伺服电机合称伺服电机。第一阻尼器和第二阻尼器合称阻尼器。第一转动底盘和第二转动底盘合称转动底盘。
本发明通过以下方式进行工作：开料机系统由嵌入式控制器输出控制剪切机构动作的数据，并把控制数据转化成控制前后刀架运动的控制信号，最后把带材裁剪成指定形状的带材。带料的曲线形状通过软件生成控制数据来控制，通过参数的修改获得不同的控制数据，实现对曲线的控制；控制软件生产的加工数据是按一定单位等分每圈长度而实现的，调整单位的数值就可以获得更详细的控制数据，从而控制电机的运动来提高加工的精度。基本工作过程是：在基本开料系统启动时，开料控制器根据所加工的R型变压器铁芯规格，通过R型铁芯展开带裁剪算法计算出开料曲线的理论值，当开料控制器检测到开料机各机构准备工作就绪后，就可以直接启动工作。整个工作分为两个阶段：第一阶段为复位阶段，主要是确定料带加工的起始位置，长度传感器计数清零，开料刀具平移到料带曲线起始宽度位置处，为正常开料加工工作做好准备；第二阶段为正常曲线开料加工阶段，此阶段工作过程为：在一个料带长度加工周期内，依据R型铁芯展开带裁剪算法计算出开料理论曲线，并由开料控制器生成开料曲线数据，再依据开料曲线插值算法生成与料带长度信息对应的可用于开料加工料带曲线的宽度数据表，开料加工时开料控制器根据长度传感器检测到的长度信息，直接查表获得料带曲线宽度数据，然后经过计算转换成伺服电机旋转的的角度信息，再依据伺服控制电子凸轮，将伺服电机旋转角度位置转换成脉冲信息直接输出给伺服驱动器，通过驱动电动缸一体化电机将电机旋转运动变换为加工刀具的横向直线运动，带动开料刀具平移至料带所需宽度位置处，从而完成开料加工过程。
现有技术中，虽然伺服电机本身的角度运动控制可以实现闭环控制，但开料刀具与伺服电机之间含有机械耦合机构，因此机械传动装置间隙会带来机械累计误差，开料刀具的平移量（料带宽度实际值）与伺服电机的旋转角度（理论宽度信息）之间存在一定的误差，也就是说，现有技术并不能补偿由于机械传动装置带来的料带加工误差，本质上是一个料带曲线开料加工开环系统，因此，本发明设计一种利用电动缸直接驱动开料刀具进行进刀系统，并通过光栅尺实时检测开料刀具位置（料带曲线宽度），并直接反馈给开料控制器，构成一个真正意义上的料带曲线宽度的闭环控制系统。此外，通过在一个料带长度加工周期内记录下所有的料带曲线宽度数据，并与上个周期内的开料曲线数据进行比较，并进行适当修正，从而生成一个新的开料曲线宽度数据表，供加工下一个料带时调用，能够实现开料曲线宽度的动态补偿控制。
与现有技术相比，本发明控制结构上采用分布式系统结构，同步控制的刀架数量将不再受限制，同步精度更高；伺服电机控制功能下移，三环（电流、速度、位置）控制功能全部由伺服驱动器完成，响应更快。开料控制器主要完成开料曲线控制数据生成和补偿算法的软件实现，系统执行效率更高。机械结构上采用了旋转底盘加阻尼器的机构来实现刀架的转角运动。在裁剪的过程中，硅钢带的纵向进给运动，与横向进给运动产生一个合力，该合力为刀架产生一个法向力，从而实现刀架在旋转式底盘上的旋转运动，当刀架在旋转偏离原点时，底盘前后对称的阻尼器对刀架产生一个回归原点的法向力，从而实现角度不断变化的曲线加工。通过此结构，刀架的转角不再由控制系统控制，而是由机械随动系统自动地、高速地跟随硅钢带的进给和滚刀的横移，控制系统只对刀架的横向移动作准确的控制，进一步保证变压器铁芯加工质量。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
图2为本发明控制系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例为双套裁剪开料机，包括：触摸屏1、嵌入式控制器2、第一伺服驱动器3、第一电动缸4、第二伺服驱动器5、第二电动缸6、第一光栅尺7、第一刀架平移平台8、第二光栅尺9、第二刀架平移平台10、第一滚动刀具11、第二滚动刀具12、长度检测器13、铁芯料带14、第一伺服电机15、第二伺服电机16、第一阻尼器17、第二阻尼器18、第一转动底盘19、第二转动底盘20。其中：触摸屏1通过通讯总线与嵌入式控制器2通讯接口连接、嵌入式控制器2通过通讯总线分别与第一伺服驱动器3、第二伺服驱动器5连接，第一伺服驱动器3通过控制电缆与第一伺服电机15连接，第一伺服电机15与第一电动缸4为一体化结构，第一电动缸4输出推杆与第一刀架平移平台8刚性连接，第一刀架平移平台8与第一光栅尺7相连，第一光栅尺7与嵌入式控制器2通过信号线相连，固定在第一刀架平移平台8上的第一转动底盘19与第一阻尼器17连接；同时第二伺服驱动器5通过控制电缆与第二伺服电机16连接，第二伺服电机16与第二电动缸6为一体化结构，第二电动缸6输出推杆与第二刀架平移平台10刚性连接，第二刀架平移平台10与第二光栅尺9相连，第二光栅尺9与嵌入式控制器2通过信号线相连，固定在第二刀架平移平台10上的第二转动底盘20与第二阻尼器18连接，嵌入式控制器2通过信号线与长度检测器13相连接。
所述的工业触摸屏1，主要完成曲线开料机的工艺参数设定、状态监测数据的显示与分析。
所述的嵌入式控制器2，主要实现进刀位置控制和补偿算法，为伺服驱动器提供开料曲线给定数据，完成对切割刀具进刀位置控制，以及料带宽度反馈信息的分析处理、开料机运行状态监测数据的采集与分析等。
所述的第一伺服驱动器3、第二伺服驱动器5同时接受开料控制器的运动控制指令，通过驱动第一伺服电机15和第二伺服电机16将料带加工宽度位置信息转换为伺服电机的旋转角度运动。
所述的第一电动缸4和第二电动缸6，通过将第一伺服电机15和第二伺服电机16的旋转角度运动转换为直线运动输出，直接驱动第一刀架平移平台8和第二刀架平移平台10分别带动第一滚动刀具11和第二滚动刀具12作横向平移运动。
所述的第一光栅尺7、第二光栅尺9，主要完成对第一滚动刀具11和第二滚动刀具12位移量的精确测量，为嵌入式控制器2提供刀具的位置信息及复位信息。
所述的长度检测器13主要完成检测加工料带的长度并送入嵌入式工业控制器2，根据料带长度与开料宽度的位置对应关系，实时计算开料曲线宽度数据，以确定开料加工时曲线料带的宽度。
本实施例通过以下方式进行工作：首先，通过触摸屏1选择待加工R型变压器铁芯型号，依据展开带裁剪算法计算出开料曲线理论值，当嵌入式控制器2检测到开料机各机构准备工作就绪后，就可以直接启动工作。整个过程分为两个阶段：第一阶段为复位阶段，主要是确定料带曲线宽度的起始位置，第一滚动刀具11、第二滚动刀具12平移到料带加工曲线起始宽度位置处，同时长度检测器清零，为正常开料加工工作做好准备；第二阶段为正常曲线开料加工阶段，此阶段工作过程为：在加工起机后第一个铁芯曲线料带时，依据通过工业触摸屏1获取的曲线料带的理论曲线，由嵌入式控制器2生成开料曲线数据，再依据开料曲线插值算法生成与料带长度信息对应的可用于开料加工料带曲线的宽度数据表，开料加工时嵌入式控制器2根据长度检测器13检测到的长度信息，直接读取料带宽度数据表获得的料带曲线宽度数据，然后经过计算转换成第一伺服电机15和第二伺服电机16旋转角度，利用第一伺服驱动器3、第二伺服驱动器5的电子凸轮功能，将第一伺服电机15和第二伺服电机16的旋转角度转换成脉冲信息直接输出给第一伺服驱动器3、第二伺服驱动器5，控制第一伺服电机15、第二伺服电机16带动第一电动缸4、第二电动缸6直接驱动第一刀架平移平台8和第二刀架平移平台10，带动开料第一滚动刀具11和第二滚动刀具12平移至开料曲线宽度位置处，完成一个铁芯料带开料加工过程。
实施例中利用第一电动缸4、第二电动缸6直接驱动第一刀架平移平台8和第二刀架平移平台10，带动开料第一滚动刀具11和第二滚动刀具12横向平移，并通过第一光栅尺7和第二光栅尺9实时检测第一滚动刀具11和第二滚动刀具12的位置（料带曲线宽度），并反馈给嵌入式控制器2，实现对料带曲线宽度的闭环控制。此外，通过在一个料带长度加工周期内记录下所有的料带曲线宽度数据，并与上个周期内的开料曲线数据进行比较，并进行适当修正，从而生成一个新的开料曲线宽度数据表，供加工下一个料带时调用，实现开料曲线宽度的动态补偿控制，开料精度更高，以此类推，周而复始。本实施例中控制系统采用分布式系统结构，触摸屏1与嵌入式控制器2采用MODBUS总线进行数据交换，嵌入式控制器2与第一伺服驱动器3、第二伺服驱动器5通过EtherCAT总线连接，可以实现数据的高速传送，控制的实时性与伺服驱动的同步精度更高（小于500us），可以实现高速开料加工。在裁剪过程中，铁芯料带的纵向进给运动，与横向进给运动产生一个合力，该合力为刀架产生一个法向力，从而实现刀架在第一转动底盘19、第二转动底盘20上的旋转运动，当刀架在旋转偏离原点时，底盘前后对称的第一阻尼器17、第二阻尼器18对刀架产生一个回归原点的法向力，从而实现角度不断变化的曲线加工。通过此结构，刀架的转角不再由控制系统控制，而是由机械随动系统自动地、高速地跟随硅钢带的进给和滚刀的横移，控制系统只对刀架的横向移动作准确的控制，进一步提高了变压器铁芯加工质量。
本实施例通过实验方法进行了验证，验证环境为：双料带套裁加工开料机（最高车速120m/min）。本实施例能够通过设定与修改工艺控制参数，完成开料刀具进给控制演示任务，通过改变现有的控制参数，可以实时检验铁芯曲线开料加工的控制效果。
Claims (5)
1.一种直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，其特征在于，包括：工业触摸屏、嵌入式控制器、伺服驱动器、电动缸、光栅尺、刀架平移平台、滚动刀具、长度检测器、伺服电机、阻尼器、转动底盘；所述工业触摸屏通过通讯总线与嵌入式控制器通讯接口连接、嵌入式控制器通过通讯总线分别与伺服驱动器连接，伺服驱动器通过控制电缆与伺服电机连接，伺服电机与电动缸为一体化结构，电动缸输出推杆与刀架平移平台刚性连接，刀架平移平台与光栅尺相连，光栅尺与嵌入式控制器通过信号线相连，固定在刀架平移平台上的转动底盘与阻尼器连接。
2.根据权利要求1所述的直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，其特征在于，包括：工业触摸屏（1）、嵌入式控制器（2）、第一伺服驱动器（3）、第一电动缸（4）、第二伺服驱动器（5）、第二电动缸（6）、第一光栅尺（7）、第一刀架平移平台（8）、第二光栅尺（9）、第二刀架平移平台（10）、第一滚动刀具（11）、第二滚动刀具（12）、长度检测器（13）、第一伺服电机（15）、第二伺服电机（16）、第一阻尼器（17）、第二阻尼器（18）、第一转动底盘（19）、第二转动底盘（20）；其中：触摸屏（1）通过通讯总线与嵌入式控制器（2）通讯接口连接、嵌入式控制器（2）通过通讯总线分别与第一伺服驱动器（3）、第二伺服驱动器（5）连接，第一伺服驱动器（3）通过控制电缆与第一伺服电机（15）连接，第一伺服电机（15）与第一电动缸（4）为一体化结构，第一电动缸（4）输出推杆与刀架平移平台（8）刚性连接，第一刀架平移平台（8）与第一光栅尺（7）相连，第一光栅尺（7）与嵌入式控制器（2）通过信号线相连，固定在第一刀架平移平台（8）上第一转动底盘（19）与第一阻尼器（17）连接；同时伺服驱动器（5）通过控制电缆与第二伺服电机（16）连接，第二伺服电机（16）与第二电动缸（6）为一体化结构，第二电动缸（6）输出推杆与第二刀架平移平台（10）刚性连接，第二刀架平移平台（10）与第二光栅尺（9）相连，第二光栅尺（9）与嵌入式控制器（2）通过信号线相连，固定在第二刀架平移平台（10）上的第二转动底盘（20）与第二阻尼器（18）连接，嵌入式控制器（2）通过信号线与长度检测器（13）相连接。
3.根据权利要求2所述的直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，其特征是，所述的工业触摸屏（1），完成曲线开料机的工艺参数设定、状态监测数据的显示与分析；所述的嵌入式控制器（2），实现进刀位置控制和补偿算法，为伺服驱动器提供开料曲线给定数据，完成对切割刀具进刀位置控制，以及料带宽度反馈信息的分析处理、开料机运行状态监测数据的采集与分析；所述的第一电动缸（4）和第二电动缸（6）直接驱动第一刀架平移平台（8）和第二刀架平移平台（10）分别带动第一滚动刀具（11）和第二滚动刀具（12）作横向平移运动；所述的第一光栅尺（7）、第二光栅尺（9），完成对第一滚动刀具（11）和第二滚动刀具（12）位移量的精确测量，为嵌入式控制器（2）提供刀具的位置信息及复位信息；所述的长度检测器（13）主要完成检测加工料带的长度并送入嵌入式工业控制器（2），根据料带长度与开料宽度的位置对应关系，实时计算开料曲线宽度数据，以确定开料加工时曲线料带的宽度。
4.根据权利要求2所述的直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，其特征是，通过光栅尺实时检测开料刀具位置，并直接反馈给开料控制器，构成一个真正意义上的料带曲线宽度的闭环控制系统；通过在一个料带长度加工周期内记录下所有的料带曲线宽度数据，并与上个周期内的开料曲线数据进行比较，并进行修正，生成一个新的开料曲线宽度数据表，供加工下一个料带时调用，实现开料曲线宽度的动态补偿控制。
5.根据权利要求1所述的直驱式R型变压器曲线开料机伺服进刀系统，其特征是，控制结构上采用分布式系统结构，同步控制的刀架数量将不再受限制，同步精度更高；伺服电机控制功能下移，电流、速度及位置控制功能全部由伺服驱动器完成；开料控制器主要完成开料曲线控制数据生成和补偿算法的软件实现，以提高系统执行效率；机械结构上采用了旋转圆盘和阻尼器的机构来实现刀架的转角运动，通过此结构，刀架的转角不再由控制系统控制，而是由机械随动系统自动地、高速地跟随硅钢带的进给和滚刀的横移，控制系统只对刀架的横向移动作准确的控制。
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