CN106774142A - 绕线机电子凸轮控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种绕线机电子凸轮控制系统及控制方法，所述绕线机电子凸轮控制系统用于绕线机，包括输入单元、控制单元、供线单元、第一驱动器及第二驱动器，其中：所述输入单元将控制参数发送给控制单元；所述控制单元根据控制参数控制第一驱动器的运动，所述控制单元根据所述第一驱动器的运动控制所述第二驱动器的运动；所述供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器，再连接到所述第二驱动器；所述第一驱动器作旋转运动，对绕线进行卷绕；所述第二驱动器作直线运动，对绕线进行排线。本方法才用电子凸轮替代机械凸轮，解决实际生产中需要更换不同机械凸轮的问题，保持卷绕过程中张力的稳定。

Description

绕线机电子凸轮控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及机电一体化技术领域，特别涉及一种绕线机电子凸轮控制系统及控制方法。

背景技术

绕线机是把线状的物体缠绕到特定的工件上的设备，通常用于铜线缠绕。日常生活中经常使用到线卷产品，比如漆包线、打包带等，都是通过绕线机系统进行生产制作的。

传统的绕线机是使用机械传动实现卷绕和排线。当需要更改绕线规格，就需要重新安装对应的机械凸轮，更换麻烦。长时间运行后，机械凸轮会有磨损，维修和保养机械凸轮困难。

因此，需要设计一种磨损少，维护简单的凸轮控制系统和控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绕线机电子凸轮控制系统及控制方法，以解决现有的机械凸轮磨损大、维护和更换麻烦的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种绕线机电子凸轮控制系统，所述绕线机电子凸轮控制系统用于绕线机，所述绕线机电子凸轮控制系统包括输入单元、控制单元、供线单元、第一驱动器及第二驱动器，其中：

所述输入单元将控制参数发送给控制单元；

所述控制单元根据控制参数控制第一驱动器的运动，所述控制单元根据所述第一驱动器的运动控制所述第二驱动器的运动；

所述供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器，再连接到所述第二驱动器；

所述第一驱动器作旋转运动；

所述第二驱动器作直线运动。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述第一驱动器包括第一电机和卷绕主轴，其中：所述第一电机驱动所述卷绕主轴进行旋转，所述卷绕主轴卷绕所述绕线。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述控制参数包括绕线的线径、卷绕主轴的轴宽、卷绕主轴的轴径和绕线的单层匝数。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述第一电机为变频电机，所述第一驱动器还包括变频器和编码器，其中：所述变频器控制所述变频电机旋转，所述编码器检测所述变频电机的转速。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述第一电机为伺服电机。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述第二驱动器包括第二电机和排线从轴，其中：所述第二电机驱动所述排线从轴进行直线运动，所述排线从轴带动绕线进行直线运动。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述第二电机为伺服电机。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述绕线机电子凸轮控制系统还包括张力检测单元，所述张力检测单元用于检测所述绕线的张力，所述张力检测单元连接所述控制单元，将张力检测信号发送给控制单元。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述控制单元根据张力检测信号调节第一驱动器的旋转速度。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述供线单元匀速的向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述张力检测单元包括张力转轴，所述张力转轴上安装有角度传感器。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述张力检测单元还包括张力摆杆，所述张力摆杆用于使张力转轴两端的绕线张力相等。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述输入单元还显示所述控制参数、卷绕主轴的转速和张力检测信号。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制系统中，所述控制单元为PLC控制器，所述控制单元与所述输入单元通过RS232总线进行通信。

本发明还提供一种绕线机电子凸轮控制方法，所述绕线机电子凸轮控制方法包括：

通过输入单元向控制单元输入控制参数；

所述控制单元根据控制参数计算第一驱动器的运动参数，并通过第一驱动器的运动参数计算第二驱动器的运动参数；

所述供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器，再连接到所述第二驱动器；

所述第一驱动器作旋转运动，对绕线进行卷绕；

所述第二驱动器作直线运动，对绕线进行排线。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制方法中，所述绕线机电子凸轮控制方法还包括：

供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线的速度保持匀速；

张力检测单元将张力检测信号发送给控制单元；

控制单元对张力检测信号进行判断，当控制单元判断张力检测信号过大时，向第一驱动器发送降低转速信号，当控制单元判断张力检测信号过小时，向第一驱动器发送提高转速信号。

可选的，在所述的绕线机电子凸轮控制方法中，所述降低转速信号和所述提高转速信号包括一修正量，所述修正量为：

修正量＝K_p*D_k+K_i*E_k+K_d*(D_k-D_k-1)，其中：

D_k＝E_k-E_k-1，E_k为当前误差，E_k-1为上一次修正产生的误差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。

在本发明提供的绕线机电子凸轮控制系统中，通过所述控制单元根据所述第一驱动器的运动控制所述第二驱动器的运动，利用运动控制型PLC的电子凸轮功能，取代传统机械凸轮，使得设备安装、操作、维修方便，利用电子凸轮功能，生产规格可以任意设定，不需要更换机械装置；另外，通过伺服电机的虚拟主轴功能，无需安装编码器，从而避免了编码器带来的精度误差，排线从轴可以实时准确跟随卷绕主轴的速度变化，并且在保证张力控制稳定的情况下，排线整齐。

在本发明提供的绕线机电子凸轮控制方法中，通过所述控制单元根据控制参数计算第一驱动器的运动参数，并通过第一驱动器的运动参数计算第二驱动器的运动参数，采用电子凸轮控制系统和控制方法替代机械凸轮，解决了实际生产中机械凸轮磨损大，不同应用场合需要更换不同机械凸轮的问题。本发明引入先进的虚拟主从轴和电子凸轮运动的控制思想，保证了绕线控制的精度和可靠性，同时通过张力检测单元实时监测绕线张力，实现了卷绕过程中张力的稳定。本发明的控制方法自动化程度高，使用和维护十分方便。

附图说明

图1是本发明绕线机电子凸轮控制系统架构示意图；

图2是本发明绕线机电子凸轮控制系统机械结构示意图；

图3是本发明绕线机电子凸轮控制系统受力示意图；

图4是本发明绕线机电子凸轮控制系统卷绕主轴和排线从轴位移示意图；

图中所示：1-绕线机电子凸轮控制系统；10-供线单元；11-第一缓冲轴；12-第二缓冲轴；20-第一驱动器；21-卷绕主轴；22-第一电机；30-第二驱动器；31-排线从轴；32-第二电机；40-绕线；50-张力检测单元；51-张力转轴；52-张力摆杆；60-控制单元；70-输入单元。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的绕线机电子凸轮控制系统及控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于提供一种磨损少，维护简单的绕线机凸轮控制系统和控制方法。

为实现上述思想，本发明提供了一种绕线机电子凸轮控制系统和控制方法，所述绕线机电子凸轮控制系统用于绕线机，包括输入单元、控制单元、供线单元、第一驱动器及第二驱动器，所述控制单元根据所述第一驱动器的运动控制所述第二驱动器的运动。

<实施例一>

图1是本发明绕线机电子凸轮控制系统架构示意图，如图1所示，本实施例提供一种绕线机电子凸轮控制系统1，所述绕线机电子凸轮控制系统1用于绕线机，所述绕线机电子凸轮控制系统1包括输入单元70、控制单元60、供线单元10、第一驱动器20及第二驱动器30，其中：所述输入单元70将控制参数发送给控制单元60；所述控制单元60根据控制参数控制第一驱动器20的运动，所述控制单元60根据所述第一驱动器20的运动控制所述第二驱动器30的运动；所述供线单元10向所述第一驱动器20和所述第二驱动器30提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器20，再连接到所述第二驱动器30；所述第一驱动器20作旋转运动；所述第二驱动器30作直线运动。

图2是本发明绕线机电子凸轮控制系统机械结构示意图，如图2所示，所述第一驱动器20包括第一电机22和卷绕主轴21，其中：所述第一电机22驱动所述卷绕主轴21进行旋转，所述卷绕主轴21卷绕所述绕线40，第一电机22可以为变频电机，也可以为伺服电机。如果为变频电机，则还进一步包括有控制第一电机22的变频器和检测第一电机22转速的编码器，则第一驱动器20还包括变频器和编码器，其中：所述变频器控制所述变频电机旋转，所述编码器检测所述变频电机的转速；如果第一电机22是伺服电机，则可以不用变频器和编码器，伺服电机按照控制单元发送的控制参数精确的进行旋转运动，可直接将控制参数作为伺服电机的实时转速。所述控制参数包括绕线的线径、卷绕主轴的轴宽、卷绕主轴的轴径和绕线的单层匝数。

进一步的，所述第二驱动器30包括第二电机32和排线从轴31，其中：所述第二电机32驱动所述排线从轴31进行直线运动，所述排线从轴31带动绕线40进行直线运动，以使绕线40均匀的排布在卷绕主轴21上，卷绕主轴21轴宽方向上各点分布的绕线匝数、各层的匝数和密度相等。所述第二电机32为伺服电机，可照控制单元发送的运动参数精确的进行直线运动，所述第二驱动器30的运动参数是控制单元根据第一驱动器20的运动参数进行计算得到的。

图3是本发明绕线机电子凸轮控制系统受力示意图。所述绕线机电子凸轮控制系统还包括张力检测单元50，所述张力检测单元50用于检测所述绕线40的张力，所述张力检测单元50连接所述控制单元，将张力检测信号发送给控制单元。述控制单元根据张力检测信号调节第一驱动器20的旋转速度。所述供线单元10向所述第一驱动器20和所述第二驱动器30提供绕线40的速度保持匀速。

具体的，张力检测单元50包括张力转轴51，其中，张力转轴51上安装有角度传感器，绕线40绕于张力转轴51上，随着绕线40的传送，张力转轴51也随之转动，安装于张力转轴51上的角度传感器记录下转动的角度，并将检测的角度值发送到控制单元，当张力过大时，张力转轴51与绕线40之间摩擦力较大，则张力转轴51与绕线的转动更同步，即单位绕线传送长度内转动的角度较大，角度传感器将检测的角度信号发送给控制单元，控制单元判断出张力较大，发送信号给卷绕主轴，使卷绕主轴21的速度放慢，由于绕线40是被供线单元10以恒定速度被提供的，所以卷绕主轴21的速度降低时，绕线40的张力变小。反之，当绕线40的张力过小时，单位绕线传送长度内转动的角度较小，控制单元发送信号给卷绕主轴，使卷绕主轴21的速度加快，绕线40的张力变大。

进一步的，张力检测单元50还包括张力摆杆52，所述张力摆杆52用于使张力转轴51两端的绕线张力相等。张力摆杆52连接张力转轴51的轴心，当张力转轴51上绕线40的张力变大时，张力摆杆52向远离卷绕主轴21的方向摆动，平衡张力转轴51两端的绕线张力，以适当减小卷绕主轴21一端的绕线张力，防止绕线40被拉断，提高可靠性；当张力转轴51上绕线40的张力变小时，张力摆杆52向靠近卷绕主轴21的方向摆动，以适当增加卷绕主轴21一端的绕线张力，以起到使绕线40不脱离张力转轴51的作用。

另外，所述输入单元还包括显示器，带有显示功能，所述显示器用于显示所述控制参数、卷绕主轴的转速和张力检测信号。所述控制单元为PLC控制器，所述控制单元与所述输入单元通过RS232总线进行通信。

图4是本发明绕线机电子凸轮控制系统卷绕主轴和排线从轴位移示意图，如图4所示，横坐标D1表示第一驱动器的位移，纵坐标D2表示第二驱动器的位移，在本实施例提供的绕线机电子凸轮控制系统中，通过所述控制单元根据所述第一驱动器的运动控制所述第二驱动器的运动，利用运动控制型PLC的电子凸轮功能，取代传统机械凸轮，使得设备安装、操作、维修方便，利用电子凸轮功能，生产规格可以任意设定，不需要更换机械装置；另外，通过伺服电机的虚拟主轴功能，无需安装编码器，从而避免了编码器带来的精度误差，排线从轴可以实时准确跟随卷绕主轴的速度变化，并且在保证张力控制稳定的情况下，排线整齐。

具体的，输入单元为人机界面HMI，控制单元为运动控制型PLC，第一驱动器和第二驱动器分别为两轴伺服驱动器的两个轴。人机界面HMI通过RS232与运动控制型PLC通讯连接，运动控制型PLC再与两轴伺服驱动器相连。两轴伺服驱动器中的一个轴，即一个伺服电机作为卷绕轴，另一个轴，即另一个伺服电机作为排线轴。运动控制型PLC里的电子凸轮曲线由线径、轴宽、初始卷径和单层匝数等参数生成，保证设备的运转过程中，始终保持主从轴相对位置准确，车速变化时跟踪轴即排线轴动态响应性及时。运动控制型PLC将卷绕轴的命令作为虚主轴，不需要外接编码器检测，由虚主轴直接得到卷绕轴当前转速和圈数，送入运动控制型PLC内部的电子凸轮里，运动控制型PLC根据电子凸轮曲线里对应的位移数据控制排线轴来回往复运动，并且跟随卷绕主轴速度变化。在卷绕过程中，需要保证线卷的张力，但由于存在外界应力干扰和卷绕轴卷径变化，运动控制型PLC里的张力控制PID可以及时响应控制卷绕主轴速度。

<实施例二>

本发明还提供一种绕线机电子凸轮控制方法，所述绕线机电子凸轮控制方法包括：通过输入单元向控制单元输入控制参数；所述控制单元根据控制参数计算第一驱动器的运动参数，并通过第一驱动器的运动参数计算第二驱动器的运动参数；所述供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器，再连接到所述第二驱动器；所述第一驱动器作旋转运动，对绕线进行卷绕；所述第二驱动器作直线运动，对绕线进行排线。

具体的，在所述的绕线机电子凸轮控制方法中，所述绕线机电子凸轮控制方法还包括：供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线的速度保持匀速；张力检测单元将张力检测信号发送给控制单元；控制单元对张力检测信号进行判断，当控制单元判断张力检测信号过大时，向第一驱动器发送降低转速信号，当控制单元判断张力检测信号过小时，向第一驱动器发送提高转速信号。所述降低转速信号和所述提高转速信号包括一修正量，所述修正量为：

修正量＝K_p*D_k+K_i*E_k+K_d*(D_k-D_k-1)，其中：

D_k＝E_k-E_k-1，E_k为当前误差，E_k-1为上一次修正产生的误差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。向第一驱动器发送降低转速信号时，修正量为正值，向第一驱动器发送提高转速信号时，修正量为负值。

本实施例中的绕线机电子凸轮控制方法采用虚拟主轴和电子凸轮的方法，用电子凸轮方式取代机械凸轮，通过不同的电子凸轮曲线动态切换，避免了不同凸轮频繁更换的麻烦，并且实现了排线速度跟随张力控制方法。

具体控制过程如下：在输入单元，即人机界面HMI上设定线径、轴宽、初始卷径和单层匝数等参数，通过RS232传给运动控制型PLC，由运动控制型PLC程序计算出电子凸轮的关键点主从轴位移数据，再根据关键点数据生成完整的正向和反向电子凸轮曲线。通过设定运动控制型PLC里的参数将卷绕轴命令虚拟为主轴，作为电子凸轮主轴命令。设备启动后，由张力转轴上的角度传感器检测当前卷绕材料的张力，由PID根据张力计算出卷绕主轴速度修正量叠加在卷绕材料线速度上，卷绕材料线速度由人机界面HMI输入，保证张力稳定。PID的计算方法为增量式，修正量＝K_p*D_k+K_i*E_k+K_d*(D_k-D_k-1)，其中：D_k＝E_k-E_k-1，E_k为当前误差，E_k-1为上一次修正产生的误差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。通过虚主轴得到卷绕轴当前位移，再由运动控制型PLC根据电子凸轮曲线里对应的从轴位移数据，发送给排线轴，保证主从轴跟随关系。在排线轴运行过程中，动态切换两个正反向电子凸轮曲线，实现每层主轴端点位置偏移。

在本发明提供的绕线机电子凸轮控制方法中，通过所述控制单元根据控制参数计算第一驱动器的运动参数，并通过第一驱动器的运动参数计算第二驱动器的运动参数，采用电子凸轮控制系统和控制方法替代机械凸轮，解决了实际生产中机械凸轮磨损大，不同应用场合需要更换不同机械凸轮的问题。本发明引入先进的虚拟主从轴和电子凸轮运动的控制思想，保证了绕线控制的精度和可靠性，同时通过张力检测单元实时监测绕线张力，实现了卷绕过程中张力的稳定。本发明的控制方法自动化程度高，使用和维护十分方便。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (17)

1.一种绕线机电子凸轮控制系统，所述绕线机电子凸轮控制系统用于绕线机，其特征在于，所述绕线机电子凸轮控制系统包括输入单元、控制单元、供线单元、第一驱动器及第二驱动器，其中：

所述输入单元将控制参数发送给控制单元；

所述控制单元根据控制参数控制第一驱动器的运动，所述控制单元根据所述第一驱动器的运动控制所述第二驱动器的运动；

所述供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器，再连接到所述第二驱动器；

所述第一驱动器作旋转运动；

所述第二驱动器作直线运动。

2.如权利要求1所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述第一驱动器包括第一电机和卷绕主轴，其中：所述第一电机驱动所述卷绕主轴进行旋转，所述卷绕主轴卷绕所述绕线。

3.如权利要求2所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述控制参数包括绕线的线径、卷绕主轴的轴宽、卷绕主轴的轴径和绕线的单层匝数。

4.如权利要求2所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述第一电机为变频电机，所述第一驱动器还包括变频器和编码器，其中：所述变频器控制所述变频电机旋转，所述编码器检测所述变频电机的转速。

5.如权利要求2所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述第一电机为伺服电机。

6.如权利要求1所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述第二驱动器包括第二电机和排线从轴，其中：所述第二电机驱动所述排线从轴进行直线运动，所述排线从轴带动绕线进行直线运动。

7.如权利要求6所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述第二电机为伺服电机。

8.如权利要求1所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述绕线机电子凸轮控制系统还包括张力检测单元，所述张力检测单元用于检测所述绕线的张力，所述张力检测单元连接所述控制单元，将张力检测信号发送给控制单元。

9.如权利要求8所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述控制单元根据张力检测信号调节第一驱动器的旋转速度。

10.如权利要求9所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述供线单元匀速的向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线。

11.如权利要求10所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述张力检测单元包括张力转轴，所述张力转轴上安装有角度传感器。

12.如权利要求11所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述张力检测单元还包括张力摆杆，所述张力摆杆用于使张力转轴两端的绕线张力相等。

13.如权利要求8所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述输入单元还显示所述控制参数、卷绕主轴的转速和张力检测信号。

14.如权利要求1所述的绕线机电子凸轮控制系统，其特征在于，所述控制单元为PLC控制器，所述控制单元与所述输入单元通过RS232总线进行通信。

15.一种绕线机电子凸轮控制方法，其特征在于，所述绕线机电子凸轮控制方法包括：

通过输入单元向控制单元输入控制参数；

所述控制单元根据控制参数计算第一驱动器的运动参数，并通过第一驱动器的运动参数计算第二驱动器的运动参数；

所述供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线，所述绕线先连接到所述第一驱动器，再连接到所述第二驱动器；

所述第一驱动器作旋转运动，对绕线进行卷绕；

所述第二驱动器作直线运动，对绕线进行排线。

16.如权利要求15所述的绕线机电子凸轮控制方法，其特征在于，所述绕线机电子凸轮控制方法还包括：

供线单元向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供绕线的速度保持匀速；

张力检测单元将张力检测信号发送给控制单元；

控制单元对张力检测信号进行判断，当控制单元判断张力检测信号过大时，向第一驱动器发送降低转速信号，当控制单元判断张力检测信号过小时，向第一驱动器发送提高转速信号。

17.如权利要求16所述的绕线机电子凸轮控制方法，其特征在于，所述降低转速信号和所述提高转速信号包括一修正量，所述修正量为：

修正量＝K_p*D_k+K_i*E_k+K_d*(D_k-D_k-1)，其中：

D_k＝E_k-E_k-1，E_k为当前误差，E_k-1为上一次修正产生的误差，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数。