CN105217365A - 一种布棉摆锤机及其均匀性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布棉摆锤机及其均匀性补偿方法。布棉摆锤机，包括机架、摆锤体、摇臂叉、摇臂杆、曲柄和驱动装置；摆锤体通过轴承结构安装在机架上，并可往复摆动；摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体相连、另一端通过销轴与摇臂杆的一端相连，摇臂叉和摇臂杆构成摇臂机构；摇臂杆的另一端通过滚动轴承与曲柄的一端连接，曲柄的另一端安装在驱动装置的转动轴上。本发明本布棉摆锤机把偏心轮机构简化成曲柄结构，减少了设备自身的重量并且降低了加工成本；改善了摇臂一体化的结构，在摇臂叉和摇臂杆之间增加了一个转动自由度，使二者可以绕连接轴转动，可以有效地减少摇臂结构的内应力；本发明布棉摆锤机的均匀性补偿方法，改善了摆锤布棉的均匀性。

Description

一种布棉摆锤机及其均匀性补偿方法

技术领域

本发明涉及一种布棉摆锤机及其均匀性补偿方法。

背景技术

在岩棉制品和矿棉制品的生产线中，摆锤系统是重要的布棉和铺棉设施；摆锤布棉和铺棉的均匀情况直接影响到矿物棉制品的质量和品质。在目前的生产应用中，广泛使用的摆锤系统是由三相异步电动机配备相应的减速机装置驱动的。在此类摆锤系统中，偏心轮、摇臂和摆锤(包含摆锤机架和皮带机)构成了典型的曲柄滑块机构；所述的偏心轮机构做匀速转动为曲柄，摇臂做复杂的往复摆动为摇杆，摆锤做小角度摆动近似为滑块的往复移动，而往复移动中滑块的运动速度是实时变化的，其变化规律为正弦或余弦曲线。因此，摆锤在一个运动周期内运动方向改变两次，运动速度也有较大的变动，若矿物棉输出的速度恒定，则经摆锤布棉之后，棉层在中间区域内的厚度较薄，在左右两侧区域内的厚度较厚。如此以来，便导致矿物棉制品的横向密度不均匀，影响矿物棉制品的质量和品质。

发明内容

为了解决现有技术中存在的矿物棉制品的横向密度不均匀等缺陷，本发明提供一种布棉摆锤机及其均匀性补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种布棉摆锤机，包括机架、摆锤体、摇臂叉、摇臂杆、曲柄和驱动装置；摆锤体通过轴承结构安装在机架上，并可往复摆动；摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体相连、另一端通过销轴与摇臂杆的一端相连，摇臂叉和摇臂杆构成摇臂机构；摇臂杆的另一端通过滚动轴承与曲柄的一端连接，曲柄的另一端安装在驱动装置的转动轴上。

上述摇臂杆的另一端指不与摇臂叉连接的一端。

本发明上述布棉摆锤机：(1)把偏心轮机构简化成曲柄结构，减少了设备自身的重量并且降低了加工成本；(2)改善了摇臂一体化的结构，在摇臂叉和摇臂杆之间增加了一个转动自由度，使二者可以绕连接轴转动，可以有效地减少摇臂结构的内应力。

上述摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体的中上部相连。这样提高了摆锤机中摆动中心的位置，可以在不改变喂棉皮带结构的情况下减少摆锤在运动过程中对喂棉机构的不良影响。中上部指摇臂叉顶端与中间之间的部分，进一步优选摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体高度方向的四分之三处相连。高度方向的四分之三指摆锤体竖直向下未摆动时，从底部起的四分之三高度处。

上述摇臂杆的长度优选为1150-1250mm。这样通过适当地增加摆锤系统中摇臂的有效长度，在不影响正常幅宽的情况下减少了摆锤的摆角，减少了系统的动态不稳定性。

为了进一步提高布棉摆锤机的稳定性，上述摇臂叉为“人”字型结构，摇臂叉分叉后的两头分别通过轴承与摆锤体横向的两端相连、摇臂叉未分支的一头通过销轴与摇臂杆的一端相连。

摆锤体横向、纵向指摆锤体竖直向下未摆动时的相对位置，摆锤体横向与水平方向平行的方向，纵向指与竖直方向平行的方向。

为了方便控制，驱动装置为伺服电机，曲柄不与摇杆连接的一端安装在伺服电机的转动轴上。

为了能更好地控制，驱动装置包括依次相连的伺服电机和减速机，曲柄不与摇杆连接的一端安装在减速机的转动轴上。

上述布棉摆锤机的均匀性补偿方法：将摆锤体的摆动区域依次分为：左侧区域、中间区域和右侧区域，左侧区域和右侧区域对称分布在中间区域的两侧、称为两侧区域；控制驱动装置的转速，当摆锤体运动至中间区域时，减小驱动装置的输出转速，进而降低曲柄的转速；反之，当摆锤体运动至两侧区域时，增加驱动装置的输出转速，进而提升曲柄的转速。

所述驱动装置(伺服电机)的转速增减程度结合现场试验结果计算决定。

众所周知，若曲柄匀速转动，则滑块的运动规律为简谐运动。由于简谐运动的特性决定了摆锤体在中间区域时：运动方向不变、运动状况平稳、平均速度较快，在两侧区域时：频繁地加速、减速，并改变运动方向，运动状况剧烈变化，平均速度较慢。根据速度的变化情况，本发明把摆锤体的摆动区域分为三个区域：左侧区域、中间区域和右侧区域，分别对应偏心轮上的左侧区域、中间区域和右侧区域。在一个摆动周期内，左侧区域对应转角 $0\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{N},\frac{(2N-1)*\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;},$ 中间区域对应转角 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N},$ $\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N},$ 右侧区域对应转角 $\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N};$ 假设摆锤的最大速度为v_m，则摆锤在左侧区域的运动规律为变加速运动，运动速度由A*v_m(其中按余弦曲线规律减速至速度为零，然后再反向加速至A*v_m，平均速度约为摆锤在右侧区域内的运动规律与左侧区域相同；摆锤在中间区域内的运动规律也为变加速运动，运动速度由A*v_m按余弦曲线规律加速至v_m再减速至A*v_m，平均速度约为由上述分析可知，摆锤在左右两侧区域的摆动速度较小，在中间区域的摆动速度较大；如此以来，在上游设备运行正常的情况下，便导致摆锤运动速度快的区域(即中间区域)矿物棉制品的密度较小，摆锤运动慢的区域(即两侧区域)矿物棉制品的密度较大。

而采用本申请上述方法则通过调整伺服电机的转速，实现偏心轮的差速转动，从而控制摆锤部件速度的均匀性，从而提高矿物棉制品的均匀性。

为了进一步提高补偿效果，布棉摆锤机的均匀性补偿方法是利用直线插补的方法，控制伺服电机的转速，使伺服电机的速度曲线在目标速度曲线附近得以实时的修正。

为了进一步提高补偿的精准性，布棉摆锤机的均匀性补偿方法是一个闭环的控制系统，闭环的控制系统为在矿物棉制品生产线上安装横向的称重装置和厚度检测装置来检测生产线上矿物棉制品在横向上的质量和厚度分布，所得数据一方面反应补偿效果，另一方面作为自动调整补偿系数的控制信号，补偿不足时，增大补偿系数；补偿过量时，减小补偿系数。

作为本申请的一种改进，上述布棉摆锤机的均匀性补偿方法，补偿前摆锤体的速度曲线为正弦函数曲线f₁＝sin(θ)，设定补偿后摆锤体的速度目标曲线为中间区域平直、两侧区域陡峭的类梯形曲线f₂；其中，中间区域平直指摆锤部件在中间区域的速度为定值；两侧区域陡峭指摆锤部件在两侧区域的速度由定值减速至零、然后反向加速至定值的线性函数；

根据上述设定的补偿后的速度目标曲线，把摆锤体的一个摆动周期0≤θ≤2π均分为N份，左侧区域对应转角中间区域对应转角 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N},\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N},$ 右侧区域对应转角 $\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N},$ 设定摆锤体在中间区域的速度为v_E，当转角为时，摆锤在短暂的时间内完成临界点的变向加速，速度曲线近似为一条陡峭的斜直线，设为f₂＝k*θ，式中则在摆锤部件的一个摆动周期之内，摆锤体的补偿函数f₃＝f₂-f₁，即：

$f_3=\left\{\begin{array}{c}k*\mathrm{\&theta;}-sin\mathrm{\&theta;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{N};\\ v_E-sin\mathrm{\&theta;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ -k*(\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&pi;})-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ -v_E-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ k*(\mathrm{\&theta;}-2\mathrm{\&pi;})-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right..$

根据上述补偿函数，可精确调整伺服电机的转速，从而控制摆锤体摆动的均匀性，进而改善摆锤布棉的均匀性，提高矿物棉制品的质量，具体过程结合现有知识可顺利实现。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明本布棉摆锤机把偏心轮机构简化成曲柄结构，减少了设备自身的重量并且降低了加工成本；改善了摇臂一体化的结构，在摇臂叉和摇臂杆之间增加了一个转动自由度，使二者可以绕连接轴转动，可以有效地减少摇臂结构的内应力；本发明布棉摆锤机的均匀性补偿方法，采用插补法实现对伺服电机转速的实时补偿，从而补偿由于曲柄固有的特性而产生的摆锤摆动速度不均匀的情况，改善摆锤布棉的均匀性，提高矿物棉制品的质量；采用闭环控制系统，对摆锤速度补偿情况有称重反馈信号，根据该信号，可以实时调整补偿系数。

附图说明

图1为现有布棉摆锤机的结构示意图

图2为本发明布棉摆锤机的结构改进图；

图3为本发明布棉摆锤机补偿前的速度曲线图；

图4为本发明布棉摆锤机设定的补偿目标图；

图5为本发明布棉摆锤机补偿原理图；

图6为本发明布棉摆锤机实际补偿后的速度曲线图；

图中：1：机架，2：摆锤架，3：一号皮带机，4：二号皮带机，5：摇臂，6：偏心轮，7：减速机，8：伺服电机，9：矿物棉制品，2.1：摆锤体，2.2：摇臂叉，2.3：摇臂杆，2.4：曲柄，2.5：驱动装置，2.6：左侧区域，2.7：中间区域，2.8：右侧区域。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，现有的布棉摆锤机包括机架1、摆锤架2、一号皮带机3、二号皮带机4、摇臂5、偏心轮6、减速机7和伺服电机8等，伺服电机8、减速机7、偏心轮6、摇臂5和摆锤架2依次连接，一号皮带机3和二号皮带机4均安装在摆锤架2上，构成摆锤部件，摆锤架2安装在机架1上；

如图2所示，本发明布棉摆锤机包括机架、摆锤体2.1、摇臂叉2.2、摇臂杆2.3、曲柄2.4和驱动装置2.5；驱动装置包括依次相连的伺服电机和减速机；摆锤体2.1通过轴承结构安装在机架上，并可以实现往复摆动；摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体2.1的中上部相连，另一端通过销轴与摇臂杆2.3的一端相连，摇臂叉2.2和摇臂杆2.3构成摇臂机构；摇臂杆的另一端通过滚动轴承与曲柄2.5的一端连接，曲柄2.5的另一端安装在减速机的转动轴上，摇臂杆的长度为1200mm。

布棉摆锤机的均匀性补偿方法：将摆锤体的摆动区域依次分为：左侧区域、中间区域和右侧区域，左侧区域和右侧区域对称分布在中间区域的两侧、称为两侧区域；控制伺服电机的转速，当摆锤体运动至中间区域时，减小伺服电机的输出转速，进而降低偏心轮的转速；反之，当摆锤体运动至两侧区域时，增加伺服电机的输出转速，进而提升偏心轮的转速。

布棉摆锤机的均匀性补偿方法是一个闭环的控制系统，闭环的控制系统为在矿物棉制品生产线上安装横向的称重装置和厚度检测装置来检测生产线上矿物棉制品在横向上的质量和厚度分布，所得数据一方面反应补偿效果，另一方面作为自动调整补偿系数的控制信号，补偿不足时，增大补偿系数；补偿过量时，减小补偿系数。

众所周知，若曲柄匀速转动，则滑块的运动规律为简谐运动，其速度函数曲线如图3所示，即补偿前摆锤部件的速度曲线为正弦函数曲线f₁＝sin(θ)，根据实际的生产需求，设定补偿后摆锤部件的速度目标曲线为中间区域平直、两侧区域陡峭的类梯形曲线f₂；其中，中间区域平直指摆锤部件在中间区域的速度为定值；两侧区域陡峭指摆锤部件在两侧区域的速度由定值减速至零、然后反向加速至定值的线性函数；补偿后的目标曲线如图4所示的实线部分(虚线部分为补偿前的曲线)。

具体的补偿方案如图5所示，根据上述设定的补偿后的速度目标曲线，把摆锤部件的一个摆动周期0≤θ≤2π均分为N份，左侧区域对应转角中间区域对应转角右侧区域对应转角设定摆锤部件在中间区域的速度为vE，当转角为时，摆锤在短暂的时间内完成临界点的变向加速，速度曲线近似为一条陡峭的斜直线，设为f₂＝k*θ，式中其中k为斜率，θ为变量，*为乘号(公式中的*都表示乘号的意思)，则在摆锤部件的一个摆动周期之内，摆锤部件的补偿函数f₃＝f₂-f₁，即：

$f_3=\left\{\begin{array}{c}k*\mathrm{\&theta;}-sin\mathrm{\&theta;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{N};\\ v_E-sin\mathrm{\&theta;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ -k*(\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&pi;})-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ -v_E-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ k*(\mathrm{\&theta;}-2\mathrm{\&pi;})-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right..$

图5中虚线代表补偿前的速度曲线，记为f₁；实线代表补偿后的目标曲线，记为f₂；“*线”代表补偿曲线，记为f₃；

利用上述直线插补的函数，并结合伺服电机的实际位数和减速机的实际速比，找到公式中所述的插补点的位置。再利用直线插补法插补拟合补偿函数的数值，控制伺服电机进行补偿，具体操作步骤参照伺服电机供应商提供的技术手册。

Claims (10)

1.一种布棉摆锤机，其特征在于：包括机架、摆锤体、摇臂叉、摇臂杆、曲柄和驱动装置；摆锤体通过轴承结构安装在机架上，并可往复摆动；摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体相连、另一端通过销轴与摇臂杆的一端相连，摇臂叉和摇臂杆构成摇臂机构；摇臂杆的另一端通过滚动轴承与曲柄的一端连接，曲柄的另一端安装在驱动装置的转动轴上。

2.如权利要求1所述的布棉摆锤机，其特征在于：摇臂叉的一端通过轴承与摆锤体的中上部相连。

3.如权利要求1或2所述的布棉摆锤机，其特征在于：摇臂杆的长度为1150-1250mm。

4.如权利要求1或2所述的布棉摆锤机，其特征在于：摇臂叉为“人”字型结构，摇臂叉分叉后的两头分别通过轴承与摆锤体横向的两端相连、摇臂叉未分叉的一头通过销轴与摇臂杆的一端相连。

5.如权利要求1或2所述的布棉摆锤机，其特征在于：驱动装置为伺服电机，曲柄不与摇杆连接的一端安装在伺服电机的转动轴上。

6.如权利要求5所述的布棉摆锤机，其特征在于：驱动装置包括依次相连的伺服电机和减速机，曲柄不与摇杆连接的一端安装在减速机的转动轴上。

7.权利要求1-6任意一项所述的布棉摆锤机的均匀性补偿方法，其特征在于：将摆锤体的摆动区域依次分为：左侧区域、中间区域和右侧区域，左侧区域和右侧区域对称分布在中间区域的两侧、称为两侧区域；控制驱动装置的转速，当摆锤体运动至中间区域时，减小驱动装置的输出转速，进而降低曲柄的转速；反之，当摆锤体运动至两侧区域时，增加驱动装置的输出转速，进而提升曲柄的转速。

8.如权利要求7所述的布棉摆锤机的均匀性补偿方法，其特征在于：布棉摆锤机的均匀性补偿方法是利用直线插补的方法，控制驱动装置的转速，使驱动装置的速度曲线在目标速度曲线附近得以实时的修正。

9.如权利要求7或8所述的布棉摆锤机的均匀性补偿方法，其特征在于：布棉摆锤机的均匀性补偿方法是一个闭环的控制系统，闭环的控制系统为在矿物棉制品生产线上安装横向的称重装置和厚度检测装置来检测生产线上矿物棉制品在横向上的质量和厚度分布，所得数据一方面反应补偿效果，另一方面作为自动调整补偿系数的控制信号，补偿不足时，增大补偿系数；补偿过量时，减小补偿系数。

10.如权利要求7或8所述的布棉摆锤机的均匀性补偿方法，其特征在于：补偿前摆锤体的速度曲线为正弦函数曲线f₁＝sin(θ)，设定补偿后摆锤体的速度目标曲线为中间区域平直、两侧区域陡峭的类梯形曲线f₂；其中，中间区域平直指摆锤部件在中间区域的速度为定值；两侧区域陡峭指摆锤部件在两侧区域的速度由定值减速至零、然后反向加速至定值的线性函数；

根据上述设定的补偿后的速度目标曲线，把摆锤部件的一个摆动周期0≤θ≤2π均分为N份，则左侧区域对应转角中间区域对应转角 $\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N},\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N},$ 右侧区域对应转角 $\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N},$ 设定摆锤体在中间区域的速度为v_E，当转角为时，摆锤在短暂的时间内完成临界点的变向加速，速度曲线近似为一条陡峭的斜直线，设为f₂＝k*θ，式中则在摆锤部件的一个摆动周期之内，摆锤体的补偿函数f₃＝f₂-f₁，即：

$f_3=\left\{\begin{array}{c}k*\mathrm{\&theta;}-sin\mathrm{\&theta;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{\mathrm{\&pi;}}{N};\\ v_E-sin\mathrm{\&theta;},\frac{\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ -k*(\mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&pi;})-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ -v_E-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(N+1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N};\\ k*(\mathrm{\&theta;}-2\mathrm{\&pi;})-sin\mathrm{\&theta;},\frac{(2N-1)\mathrm{\&pi;}}{N}\&le;\mathrm{\&theta;}<2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right..$