CN109808159A - 一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统和方法。系统包括数控系统以及与其连接的摆臂系统、半径测量系统；方法包括半径测量系统将实时测量的三个传感器位置反馈到数控系统中；数控系统根据三个传感器位置得到实际的芯轴半径；并根据半径测量系统的结构得到实际的芯轴轴心与半径测量系统中心之间的偏心值；根据实际的芯轴半径对摆臂系统的水平运动速度进行补偿，根据偏心值对摆臂系统缠绕芯轴半径进行补偿，实现速度耦合控制。本发明可以大大改善实际的生产效率，把原本是手动操作和半自动操作的装置提升为全自动操作，提高了精度的同时也提高了产品质量。

Description

一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统和方法

技术领域

本发明应用于海洋油管成型过程中帘布材料的自动缠绕，同时也适合于其它有芯胶管成型制备技术中的材料自动缠绕，具有普遍性。

背景技术

中国橡胶行业整体规模不算大，但其用户却都是国家经济发展的支柱产业，如汽车、煤炭、石油、机械等。近年来，随着中国经济的高速增长，市场对石油、汽车、煤炭等行业的需求持续旺盛，中国橡胶软管制造行业也得以实现持续快速的发展。

在海洋石油开采使用的专用设备方面，大型海上输油管线是不可缺少的重要配套产品。海上输油管线多用于船及船岸油气输送，由于其柔性较大，主要承受沿管线长度方向的拉力，管线具有多层加强尼龙帘布和单根螺旋缠绕的加强钢筋，结构形式与制造工艺较为复杂。针对这种海油管的生产，国内外已有相对成熟的生产设备及工艺，但都处于手工或半自动化状态，自动化、智能化水平亟待提高。

海洋输油软管作为海洋工程装备中的一种关键设备，目前在世界范围内的生产，还处于半自动化的状态。因此，自主研发海洋输油软管智能成型装备变得非常有意义，不仅能够使整个海油管制造业智能制造装备更加完善，而且可以辐射到其他行业，可以引发其他自动化水平比较低的行业生产理念的变革，接受创新，改变现有的半自动化的生产模式，提高制造业的整体自动化水平。

综上所述，实现帘布等材料自动缠绕成型是软管智能成型装备的核心，该发明的实现，将大大提高海洋输油软管的生产效率及产品质量，为我国海上石油开采做出巨大的贡献，为国家创造出更大的经济效益。同时，可广泛应用于橡胶软管制造的企业中，改变橡胶软管的制造模式，装备达到国际先进水平，并可向国外推广。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的提供一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制方法。该方法可以在复杂的轨道环境中，快速的提供给天车最短的移动路线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统，包括数控系统以及与其连接的摆臂系统、半径测量系统；所述半径测量系统与摆臂系统设置于桁架上，用于同时水平移动；

摆臂系统，用于供给缠绕材料，并根据半径的变化及时进行角度的调节；

半径测量系统，用于对旋转的芯轴实时测量其半径，将自身位置反馈到数控系统中；

数控系统，用于根据实时测量的芯轴半径发送控制命令至摆臂系统，实现摆臂系统与芯轴运动速度的耦合控制。

所述半径测量系统包括三个激光位移传感器，设于半圆形框架上，所述半圆形框架与芯轴的轴线垂直；第一、第三个激光位移传感器分别设于平角边的两端，第二个激光位移传感器设于半圆上的中点处；三个激光位移传感器发射的激光交于半圆形圆心。

所述摆臂系统包括摆动驱动机构、伸缩机构、逆止机构、张力检测机构、帘布夹紧牵引机构和剪切机构，所述摆动驱动机构设有可转动的空心轴，所述伸缩机构设有摆动臂和滑动臂，且所述摆动臂与所述空心轴固连，所述滑动臂可升降地安装于所述摆动臂上，所述逆止机构安装在所述摆动臂上，所述张力检测机构、帘布夹紧牵引机构和剪切机构均设置于所述滑动臂上，其中所述帘布夹紧牵引机构包括上夹紧机构和下夹紧机构，所述上夹紧机构设有可升降的上夹紧组件，所述下夹紧机构设有可水平移动的下夹紧组件和压辊，帘布由所述空心轴输出并经所述逆止机构转向后依次穿过所述张力检测机构、上夹紧机构、剪切机构和下夹紧机构。

所述摆动驱动机构包括空心轴、摆动驱动装置、摆动传动机构、基板、空心轴座和支架，所述空心轴座和支架安装于所述基板上，所述空心轴安装在所述空心轴座内，所述摆动驱动装置安装在所述支架上，所述空心轴通过所述摆动驱动装置驱动旋转，且所述摆动驱动装置通过所述摆动传动机构传递转矩。

所述伸缩机构包括摆动臂、滑动臂、伸缩驱动装置、伸缩传动机构、丝杠和丝母，其中所述滑动臂与所述摆动臂滑动连接，所述伸缩驱动装置和丝杠均安装在所述摆动臂上，所述丝杠通过所述伸缩驱动装置驱动旋转，且所述伸缩驱动装置通过所述伸缩传动机构传动转矩，与所述丝杠配合的丝母安装在所述滑动臂上。

所述逆止机构包括逆止压紧气缸、压紧辊、逆止辊和安装支架，其中安装支架固装于所述摆动臂上，所述逆止压紧气缸和逆止辊安装在所述安装支架上，且所述压紧辊通过所述逆止压紧气缸驱动移动。

一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制方法，包括以下步骤：

半径测量系统将实时测量的三个传感器位置反馈到数控系统中；

数控系统根据三个传感器位置得到实际的芯轴半径；并根据半径测量系统的结构得到实际的芯轴轴心与半径测量系统中心之间的偏心值；

根据实际的芯轴半径对摆臂系统的水平运动速度进行补偿，根据偏心值对摆臂系统缠绕芯轴半径进行补偿，实现速度耦合控制。

所述数控系统根据三个传感器位置得到实际的芯轴半径包括以下步骤：

建立三点构成的平面方程，将三个激光测距传感器的测得位置(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)带入三点，得到芯轴中心坐标X,Y与芯轴截面圆的半径R；半径R即为实际的芯轴半径。

所述对实现缠绕的摆臂系统的水平运动速度进行补偿通过以下公式实现：

F＝N*(2πR/tanα)；

其中，F代表摆臂系统的水平运动速度，R为实际的芯轴半径，α为设定的缠绕角度，即摆臂与芯轴轴线的夹角，N为芯轴每分钟的转动圈数。

所述根据偏差值对摆臂系统缠绕芯轴半径进行补偿包括以下步骤：

将偏心值(X,Y)的X与用于控制摆臂系统X径向轴的位置求和，用于补偿控制X径向轴的运动位置；将偏心值(X,Y)的Y按照L＝Y/sinα得到摆臂延长补偿值，将摆臂延长补偿值与用于控制摆臂系统前端的伸缩机构的伸缩位置求和，用于摆臂延长的补偿控制。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明可以大大改善实际的生产效率，把原本是手动操作和半自动操作的装置提升为全自动操作，提高了精度的同时也提高了产品质量。

2.可以实现橡胶软管成型制备中的材料自动缠绕，提高产量和质量，或可领先于国际水平。

3.通过半径测量系统能够弥补因芯轴机械强度不足所导致的生产产品精度下降所带来的不利因素。且能够满足因半径连续变化而需要实时调节轴运动位置补偿的控制需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1中本发明的右视图，

图3为图1中的摆动驱动机构示意图，

图4为图3中的摆动驱动机构左视图，

图5为图1中的伸缩机构示意图，

图6为图5中的伸缩机构右视图，

图7为图1中的逆止机构示意图，

图8为图1中的张力检测机构示意图，

图9为图1中的帘布夹紧牵引机构示意图，

图10为图9中的帘布夹紧牵引机构右视图，

图11为图1中剪切机构中的剪切组件示意图，

图12为本发明的工作状态示意图。

其中，1为摆动驱动机构，101为摆动传动机构，102为轴承，103为空心轴，104为空心轴座，105为摆动驱动装置，106为支架，107为基板，108为张紧轮；2为伸缩机构，201为摆动臂，202为伸缩传动机构，203为伸缩驱动装置，204为滑动臂，205为丝杠，206为丝母，207为安装架，208为滑轨，209为滑块；3为逆止机构，301为逆止压紧气缸，302为压紧辊，303为逆止辊，304为安装支架；4为张力检测机构，401为导向辊，402为安装座，403为张力传感器；5为剪切机构，501为剪切横移气缸，502为剪切气缸，503为剪切安装座，504为动剪刀，505为静剪刀；6为帘布夹紧牵引机构，601为下支架，602为平移气缸，603为安装支板，604为第二支板部，605为压辊，606为下夹紧组件，607为下夹紧气缸，608为第一支板部，609为压辊气缸，610为上支架，611为升降支板，612为上夹紧组件，613为升降气缸，614为上夹紧气缸，615为上托辊，616为下托辊横移气缸，617为下托辊，7为胶管；8为芯轴；9为半径测量系统；

图13为本发明的整体结构图；

图14为摆臂系统结构与芯轴位置关系图；

图15为运动轨迹动态补偿原理图；

图16为平面三点定圆心示意图；

图17为测距检测机构示意图；

图18为偏心补偿示意图；

图19为本发明结构原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明可应用于有芯轴类胶管的自动缠绕。实现本发明的装置主要包括摆臂系统、半径测量系统和数控系统。根据制造工艺要求，数控系统控制摆臂系统与芯轴保持所需缠绕角度，实现帘布等缠绕材料。为保持缠绕角度稳定，在缠绕过程中，芯轴的旋转速度与摆臂的移动速度需要保持某种耦合关系。但由于芯轴的长径比较大，刚性较差，导致芯轴旋转过程中有偏心情况。且随缠绕材料的不断增加，芯轴的半径也不断增大。因此，结合一定的硬件机构，本发明方法可以实现在旋转缠绕半径连续变化且有偏心的情况下，通过多点半径测量系统与软件控制算法，实时自动测量其半径值与偏心量，并进行补偿。最终实现任意固定角度连续缠绕的摆臂与芯轴的速度耦合控制。

如图13所示，为了实现橡胶软管制备中，帘布等材料的自动缠绕，本发明所用到的装置设备有：摆臂系统，用于供给帘布等缠绕材料，并根据半径的变化及时进行角度的调节；半径测量系统，可以在行进中对旋转的芯轴实时测量其半径同时可以校正偏心，并反馈到数控系统中；由数控系统根据缠绕半径与缠绕角度的要求，进行芯轴转速与摆臂运动速度的耦合控制。最终，实现在整体机构设计允许的范围内，任意角度、任意半径且有转动偏心的情况下，芯轴转速与摆臂运动速度的匹配控制。

摆臂系统，用于供给帘布等缠绕材料，并根据半径的变化及时进行角度的调节；

半径测量系统，可以在行进中对旋转的芯轴实时测量其半径同时可以校正偏心，并反馈到数控系统中；半圆形框架设于摆臂系统的水平左侧平行方向、可在桁架上水平双向运动。

数控系统，在进行整个装置系统的数据交换与程序循环，包括运算处理与发布命令及接收反馈的同时，通过设计控制算法，实现控制摆臂系统与芯轴运动速度的耦合关系。

数控系统采用西门子840DSL以及S120伺服模块，并利用PROFINET建立的IO从站来接收和控制摆臂系统和半径测量系统。

摆臂系统包含一组气缸和电磁阀，以及伺服电机来对摆臂的角度、速度以及自动缠绕进行相应的控制。

速度耦合关系为F＝N*(2ΠR/tanα)。F代表摆臂的水平每分钟的运动速度，R为芯轴半径，α为所要求的缠绕角度，N为芯轴每分钟的转动圈数。

利用三个激光位移传感器，按照正交垂直位置进行安装。在已构建平面坐标系，利用同一平面三点推算出圆心与半径的原理，测量计算出芯轴旋转的偏心量和当前半径。

半径测量系统包括三个激光位移传感器，用于实时检测胶管与传感器的距离，并计算出实时的半径变化。

本发明核心系统为数控系统，采用了西门子840DSL系列数控单元，840DSL主要由NCU、PCU组成。其中，NCU为数控单元的中央处理器，它用于处理所有的通讯任务，并且NCU中也集成了PLC的CPU芯片，包括了相应的数控软件和PLC控制软件，并且带有PROFINET接口，手轮及测量接口等；PCU主要用于人机可视化交互，它有自己独立的CPU，带硬盘和显示屏，可操作、程序编辑、诊断等前台程序的运行。NCU通过PROFINET通讯协议与伺服控制S120链接，进而控制伺服电机的运行，包括芯轴旋转和摆臂系统的移动，均是靠伺服电机来完成的。

帘布是管体承受内压的主要增强材料。同时，为增强管体抗拉伸强度，管体与法兰处的帘布缠绕量相对较大。这导致了管体两端直径大于管体中部直径，管端形成锥面结构。由于帘布为长方形状，在进行管端锥面与管中柱面的连续缠绕时，为保证表面覆盖率与缠绕角度的要求，就需要进行连续可变角度的自动缠绕。帘布通过高速桁架机构，进行快速单向或往复自动缠绕。在缠绕过程中，管径在不断增加，且管体的不同部位管径也会连续变化。根据缠绕的角度是与管径速度耦合关系为F＝N*(2ΠR/tanα)。其中，F代表摆臂的水平每分钟的运动速度，R为芯轴半径，α为所要求的缠绕角度，即摆臂系统伸缩机构的伸缩轴线与芯轴轴线的夹角，N为芯轴每分钟的转动圈数。缠绕时要对管径变化所引起缠绕角度变化进行补偿。运动轨迹动态补偿原理图如图15所示。

摆臂系统安装在水平可高速移动的桁架上。桁架与芯轴轴向平行。其中，摆臂机构包括了三台伺服电机、一台张力控制器、九组气缸和电磁阀。摆臂系统放置于一个水平的桁架上面，伺服电机可控制摆臂向横向和纵向两个水平方向进行移动，同时还可以旋转到特定的角度。气缸与电磁阀的连锁使用，可以做出帘布的牵引、拉伸、剪切和压缠等过程，能够很好地模拟了人的手部动作。系统结构图如图14所示。

半径测量系统是在一个半圆形的框架机构上的同一物理平面内，正交安装三个激光位移传感器。并随摆臂机构在桁架上一同运动，实现缠绕时的实时测量。

系统根据理论的芯轴直径、缠绕角度要求、生产效率要求设计出理论控制程序，并有系统分解成芯轴的旋转速度与摆臂桁架的移动速度。在运动过程中，由于半径的变化与偏心的产生。需要借助三点半径测量机构，并依据事先设计的算法，计算出偏心值与实际半径值。再带入带基本耦合关系算法中，对实际缠绕的各部分运动速度控制指令进行补偿，实现最终实际的运动轨迹要求。

半径测量系统对半径的实时检测，采用了平面三点定圆的方法。坐标系示意图如图16所示。通过三个激光位移传感器的检测，可以确定芯轴表面的三个点，由这三个点建立平面坐标系来确定当前芯轴的半径。具体推导方式如下：

已知这三点的坐标为(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)，求X,Y为原点坐标与圆的半径R。其中，(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)分别代表经过激光测距反馈数值，经过换算后，构成的第一至三测量点的平面坐标。根据平面三点确定平面的方程为：

X,Y,R为未知数,x1,y1,x2,y2,x3,y3为常数

(x1-X)²-(y1-Y)²＝R² (1)式

(x2-X)²-(y2-Y)²＝R² (2)式

(x3-X)²-(y3-Y)²＝R² (3)式

再整理上面两式得

(2x2-2x1)X+(2y1-2y2)Y＝y1²+x2²-x1²-y2²

(2x3-2x2)X+(2y2-2y3)Y＝y2²+x3²-x22-y3²

偏心值通过以下步骤求得：

1.首先，我们根据圆心到顶点的距离相等，可以列出以下方程：

(x1-x)*(x1-x)+(y1-y)*(y1-y)＝(x2-x)*(x2-x)+(y2-y)*(y2-y)；

(x2-x)*(x2-x)+(y2-y)*(y2-y)＝(x3-x)*(x3-x)+(y3-y)*(y3-y)；

2.化简得到：

2*(x2-x1)*x+2*(y2-y1)y＝x2^2+y2^2-x1^2-y1^2；

2*(x3-x2)*x+2*(y3-y2)y＝x3^2+y3^2-x2^2-y2^2；

令:A1＝2*(x2-x1)； B1＝2*(y2-y1)； C1＝x2^2+y2^2-x1^2-y1^2；

A2＝2*(x3-x2) B2＝2*(y3-y2)； C2＝x3^2+y3^2-x2^2-y2^2；

即:A1*x+B1y＝C1； A2*x+B2y＝C2；

3.最后根据克拉默法则：

x＝((C1*B2)-(C2*B1))/((A1*B2)-(A2*B1))；

y＝((A1*C2)-(A2*C1))/((A1*B2)-(A2*B1))；

其中，(X1，Y1)～(X3，Y3)是三个检测点实际坐标点。A1,B1,C1，A2,B2,C2是中间变量；x、y表示芯轴实际的圆心坐标，构建的二维直角坐标系里，针对理论坐标芯轴坐标原点，通过已知的传感器到原点的距离减去测距长度(激光传感器到芯轴表面距离)，得到偏心值。

如图18、19所示，测量机构位于桁架轴向运动机构上，并随摆臂一同可进行水平轴向运动。所测量并计算的到的偏心(X,Y)值，分别用于补偿控制X径向轴的运动位置，与摆臂延长的补偿控制。其中，X值可直接使用，Y值则需要根据摆臂角度，按照L＝Y/sinα进行使用。其中，L为摆臂延长(滑动臂204的伸缩值)补偿值，α为摆臂与芯轴夹角。

图17为传感器与芯轴位置关系示意图。

该发明的主要的控制功能如下：帘布通过前端的牵引机构穿过摆臂系统，数控系统首先控制主轴驱动带动芯轴旋转，然后通过半径测量系统实时测算出的当前位置的半径值，这个值反馈到数控系统中，根据具体部位的半径变化情况，进行动态的位置与速度补偿。其基本的原理为在根据程序执行的轴运动控制条件下，通过激光半径检测系统所反馈的半径动态情况，根据设计好的补偿算法，进行运动轨迹位置与速度补偿。避免因动态变化的半径，导致缠绕效果出现错层、空隙、过度搭接等不良效果。

摆臂系统包括摆动驱动机构、伸缩机构、逆止机构、张力检测机构、帘布夹紧牵引机构和剪切机构，所述摆动驱动机构设有可转动的空心轴，所述伸缩机构设有摆动臂和滑动臂，且所述摆动臂与所述空心轴固连，所述滑动臂可升降地安装于所述摆动臂上，所述逆止机构安装在所述摆动臂上，所述张力检测机构、帘布夹紧牵引机构和剪切机构均设置于所述滑动臂上，其中所述帘布夹紧牵引机构包括上夹紧机构和下夹紧机构，所述上夹紧机构设有可升降的上夹紧组件，所述下夹紧机构设有可水平移动的下夹紧组件和压辊，帘布由所述空心轴输出并经所述逆止机构转向后依次穿过所述张力检测机构、上夹紧机构、剪切机构和下夹紧机构。

所述摆动驱动机构包括空心轴、摆动驱动装置、摆动传动机构、基板、空心轴座和支架，所述空心轴座和支架安装于所述基板上，所述空心轴安装在所述空心轴座内，所述摆动驱动装置安装在所述支架上，所述空心轴通过所述摆动驱动装置驱动旋转，且所述摆动驱动装置通过所述摆动传动机构传递转矩。

所述伸缩机构包括摆动臂、滑动臂、伸缩驱动装置、伸缩传动机构、丝杠和丝母，其中所述滑动臂与所述摆动臂滑动连接，所述伸缩驱动装置和丝杠均安装在所述摆动臂上，所述丝杠通过所述伸缩驱动装置驱动旋转，且所述伸缩驱动装置通过所述伸缩传动机构传递转矩，与所述丝杠配合的丝母安装在所述滑动臂上。

所述逆止机构包括逆止压紧气缸、压紧辊、逆止辊和安装支架，其中安装支架固装于所述摆动臂上，所述逆止压紧气缸和逆止辊安装在所述安装支架上，且所述压紧辊通过所述逆止压紧气缸驱动移动。

所述张力检测机构包括导向辊系、张力传感器和安装座，所述安装座固装于所述滑动臂上，所述导向辊系设置于所述安装座上，在所述导向辊系上设有张力传感器。

所述上夹紧机构包括升降气缸、上夹紧气缸、上支架、升降支板和上夹紧组件，其中所述上支架固装于所述滑动臂上，升降气缸安装在所述上支架上，在所述升降气缸的缸杆端部设有升降支板，所述上夹紧气缸和上夹紧组件设置于所述升降支板上，且所述上夹紧组件通过所述上夹紧气缸驱动夹紧。

所述下夹紧机构包括下支架、平移气缸、安装支板、下夹紧组件和下夹紧气缸，所述下支架固装在所述滑动臂上，所述平移气缸安装在所述下支架上，所述安装支板通过所述平移气缸驱动移动，所述下夹紧组件和下夹紧气缸均设置于所述安装支板上，且所述下夹紧组件通过所述下夹紧气缸驱动夹紧。

所述压辊通过一个压辊气缸驱动移动，所述安装支板包括下侧的第一支板部和上侧的第二支板部，所述下夹紧气缸和下夹紧组件设置于所述第一支板部上，所述压辊和压辊气缸设置于所述第二支板部上。

所述滑动臂上设有托辊组件，所述托辊组件包括上托辊、下托辊和下托辊横移气缸，所述上托辊设置于所述上夹紧机构上侧，所述下托辊和下托辊横移气缸设置于所述剪切机构和下夹紧机构之间，且所述下托辊横移气缸固装于所述滑动臂上，所述下托辊通过所述下托辊横移气缸驱动移动。

所述剪切机构包括剪切横移气缸、剪切组件、剪切气缸和剪切安装座，其中所述剪切横移气缸安装在所述滑动臂上，所述剪切安装座通过所述剪切横移气缸驱动移动，所述剪切气缸和剪切组件均设置于所述剪切安装座上，且所述剪切组件通过所述剪切气缸驱动剪切。

如图1～11所示，摆臂系统包括摆动驱动机构1、伸缩机构2、逆止机构3、张力检测机构4、帘布夹紧牵引机构6和剪切机构5，所述摆动驱动机构1设有可转动的空心轴103，所述伸缩机构2设有摆动臂201和滑动臂204，且所述摆动臂201与所述空心轴103固连，所述滑动臂204可升降地安装于所述摆动臂201上，所述逆止机构3安装在所述摆动臂201上，所述张力检测机构4、帘布夹紧牵引机构6和剪切机构5均设置于所述滑动臂204上，所述帘布夹紧牵引机构6包括上夹紧机构和下夹紧机构，如图9所示，所述上夹紧机构设有可升降的上夹紧组件612，所述下夹紧机构设有可水平移动的下夹紧组件606和压辊605，所述张力检测机构4设置于所述逆止机构3和帘布夹紧牵引机构6之间，所述剪切机构5设置于所述上夹紧机构和下夹紧机构之间。机构工作时，帘布由所述空心轴103穿过并经所述逆止机构3转向后依次穿过所述张力检测机构4、上夹紧机构、剪切机构5和下夹紧机构。

如图1～4所示，所述摆动驱动机构1包括空心轴103、摆动驱动装置105和摆动传动机构101，帘布穿过所述空心轴103后引入所述逆止机构3中，所述空心轴103通过所述摆动驱动装置105驱动旋转，且所述摆动驱动装置105通过所述摆动传动机构101传递转矩，所述摆动臂201与所述空心轴103的帘布输出端固连。

如图3～4所示，所述摆动驱动机构1设有基板107、空心轴座104和支架106，所述基板107与通过滑轨滑块安装在设备的桁架上，所述空心轴座104和支架106分别安装于所述基板107两侧，且所述空心轴103通过轴承102支承安装在所述空心轴座104内，所述摆动驱动装置105安装在所述支架106上。本实施例中，所述摆动驱动装置105为带减速机的伺服电机，所述摆动传动机构101为皮带传动机构，且主动带轮安装在所述摆动驱动装置105的输出轴上，从动带轮安装在所述空心轴103上，在所述支架106上设有张紧轮108压住皮带调整皮带张紧度。

如图5～6所示，所述伸缩机构2包括摆动臂201、滑动臂204、伸缩驱动装置203、伸缩传动机构202、丝杠205和丝母206，其中所述滑动臂204与所述摆动臂201滑动连接，在所述摆动臂201上设有滑轨208，在所述滑动臂204上设有与所述滑轨208配合的滑块209，所述伸缩驱动装置203和丝杠205均安装在所述摆动臂201上，所述丝杠205通过所述伸缩驱动装置203驱动旋转，且所述伸缩驱动装置203通过所述伸缩传动机构202传动转矩，与所述丝杠205配合的丝母206安装在所述滑动臂204上。

如图5～6所示，所述伸缩驱动装置203通过一个安装架207安装在所述摆动臂201上，本实施例中，所述伸缩驱动装置203为带减速机的伺服电机，所述伸缩传动机构202为皮带传动机构，且主动带轮安装在所述伸缩驱动装置203的输出轴上，从动带轮安装在所述丝杠205上。

如图1和图7所示，所述逆止机构3包括逆止压紧气缸301、压紧辊302、逆止辊303和安装支架304，其中安装支架304呈凹型且开口端固装于所述摆动臂201上端，所述逆止压紧气缸301和逆止辊303安装在所述安装支架304上，且所述压紧辊302通过所述逆止压紧气缸301驱动移动与所述逆止辊303夹紧帘布。如图7所示，所述逆止辊303和压紧辊302均设置于所述安装支架304的凹口内，所述逆止压紧气缸301设置于所述安装支架304外侧。

如图1和图8所示，所述张力检测机构4设置于所述逆止机构3下侧且安装于所述滑动臂204上，所述张力检测机构4包括导向辊系、张力传感器403和安装座402，所述安装座402固装于所述滑动臂204上，所述导向辊系设置于所述安装座402上，在所述导向辊系上设有张力传感器403用于检测帘布所受张力。本实施例中，所述导向辊系包括呈品字状排列的三个导向辊401，帘布垂直输入所述导向辊系并绕过各个导向辊401后垂直输出，在中间的导向辊401端部设有张力传感器403，所述张力传感器403为本领域公知技术。

如图1和图9～10所示，所述帘布夹紧牵引机构6的上夹紧机构包括升降气缸613、上夹紧气缸614、上支架610、升降支板611和上夹紧组件612，其中所述上支架610固装于所述滑动臂204上，升降气缸613安装在所述上支架610上，在所述升降气缸613的缸杆端部设有升降支板611，所述上夹紧气缸614和上夹紧组件612设置于所述升降支板611上，所述上夹紧组件612通过所述上夹紧气缸614驱动夹紧帘布。所述上夹紧组件612包括动夹块和静夹块，所述动夹块通过所述上夹紧气缸614驱动移动，所述静夹块固设于所述升降支板611，在所述上支架610和升降支板611上均设有供帘布穿过的通孔。

如图1和图9～10所示，所述帘布夹紧牵引机构6的下夹紧机构设置于所述滑动臂204的最低端，包括下支架601、平移气缸602、安装支板603、下夹紧组件606和下夹紧气缸607，所述下支架601固装在所述滑动臂204上，所述平移气缸602安装在所述下支架601上，所述安装支板603通过所述平移气缸602驱动移动，所述下夹紧组件606和下夹紧气缸607均设置于所述安装支板603上，所述下夹紧组件606通过所述下夹紧气缸607驱动夹紧帘布。所述下夹紧组件606包括动夹块和静夹块，所述动夹块通过所述下夹紧气缸607驱动移动，另外所述平移气缸602为中部带移动块的无杆气缸，所述安装支板603与所述平移气缸602的移动块固连。

如图1和图9～10所示，所述压辊605通过一个压辊气缸609驱动沿着垂直于所述滑动臂204表面的方向移动，所述压辊605和压辊气缸609均安装在所述安装支板603上。如图9所示，所述安装支板603包括下侧的第一支板部608和上侧的第二支板部604，所述下夹紧气缸607和下夹紧组件606设置于所述第一支板部608上，所述压辊605和压辊气缸609设置于所述第二支板部604上。

如图1和图9～10所示，在所述滑动臂204上设有托辊组件，所述托辊组件包括上托辊615、下托辊617和下托辊横移气缸616，所述上托辊615设置于所述上夹紧机构的上支架610上侧，所述下托辊617和下托辊横移气缸616设置于所述剪切机构5和下夹紧机构之间，且所述下托辊横移气缸616固装于所述滑动臂204上，所述下托辊617通过所述下托辊横移气缸616驱动沿着垂直于所述滑动臂204表面的方向移动。如图1所示，机构工作时，帘布由张力检测机构4输出后先绕过所述上托辊615进入所述上夹紧机构的上夹紧组件612中，再穿过剪切机构5并绕过所述下托辊617后进入所述下夹紧机构的下夹紧组件606中，所述下托辊617和压辊605分设于帘布两侧,所述下托辊617根据需要伸出调整帘布张力，如图12所示，本发明用于将帘布缠绕在一个胶管7上，所述压辊605即通过所述平移气缸602和压辊气缸609同时向胶管7移动将帘布紧压在胶管7上，所述胶管7旋转缠绕帘布。

如图1和图9～11所示，所述剪切机构5包括剪切横移气缸501、剪切组件、剪切气缸502和剪切安装座503，其中所述剪切横移气缸501安装在所述滑动臂204上且设置于所述上夹紧机构和下托辊617之间，如图10所示，所述剪切横移气缸501为带移动块的无杆气缸，所述剪切安装座503安装在所述剪切横移气缸501的移动块上，且所述剪切安装座503通过所述剪切横移气缸501带动沿着平行于所述滑动臂204表面的方向移动，所述剪切气缸502和剪切组件均设置于所述剪切安装座503上，且所述剪切组件通过所述剪切气缸502驱动剪切。如图11所示，所述剪切组件包括动剪刀504和静剪刀505，所述动剪刀504安装在所述剪切气缸502的缸杆上，所述静剪刀505固装在所述剪切安装座503上。

摆臂系统的工作原理为：

如图1～12所示，所述摆动驱动机构1上设有可转动的空心轴103，所述伸缩机构2的摆动臂201通过所述空心轴103带动摆动，且所述摆动臂201带动逆止机构3、张力检测机构4、帘布夹紧牵引机构6和剪切机构5一起旋转摆动，所述张力检测机构4、帘布夹紧牵引机构6和剪切机构5安装在滑动臂204上并通过所述滑动臂204带动升降移动。机构工作时，帘布穿过所述空心轴103后先经所述逆止机构3转向，再依次穿过所述张力检测机构4、帘布夹紧牵引机构6的上夹紧机构、剪切机构5和帘布夹紧牵引机构6的下夹紧机构，所述张力检测机构4可检测帘布所受张力，所述上夹紧机构和下夹紧机构分别夹紧帘布，剪切机构5用于切断帘布，在帘布两侧分别设有可水平移动的压辊605和下托辊617，其中所述下托辊617根据需要伸出调整帘布张力，如图12所示，本发明用于将帘布缠绕在一个胶管7上，所述压辊605即通过所述平移气缸602和压辊气缸609同时向胶管7移动将帘布紧压在胶管7上，所述胶管7旋转缠绕帘布。

Claims (10)

1.一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统，其特征在于包括数控系统以及与其连接的摆臂系统、半径测量系统；所述半径测量系统与摆臂系统设置于桁架上，用于同时水平移动；

摆臂系统，用于供给缠绕材料，并根据半径的变化及时进行角度的调节；

半径测量系统，用于对旋转的芯轴实时测量其半径，将自身位置反馈到数控系统中；

数控系统，用于根据实时测量的芯轴半径发送控制命令至摆臂系统，实现摆臂系统与芯轴运动速度的耦合控制。

2.根据权利要求1所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统，其特征在于所述半径测量系统包括三个激光位移传感器，设于半圆形框架上，所述半圆形框架与芯轴的轴线垂直；第一、第三个激光位移传感器分别设于平角边的两端，第二个激光位移传感器设于半圆上的中点处；三个激光位移传感器发射的激光交于半圆形圆心。

3.根据权利要求1所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统，其特征在于所述摆臂系统包括摆动驱动机构(1)、伸缩机构(2)、逆止机构(3)、张力检测机构(4)、帘布夹紧牵引机构(6)和剪切机构(5)，所述摆动驱动机构(1)设有可转动的空心轴(103)，所述伸缩机构(2)设有摆动臂(201)和滑动臂(204)，且所述摆动臂(201)与所述空心轴(103)固连，所述滑动臂(204)可升降地安装于所述摆动臂(201)上，所述逆止机构(3)安装在所述摆动臂(201)上，所述张力检测机构(4)、帘布夹紧牵引机构(6)和剪切机构(5)均设置于所述滑动臂(204)上，其中所述帘布夹紧牵引机构(6)包括上夹紧机构和下夹紧机构，所述上夹紧机构设有可升降的上夹紧组件(612)，所述下夹紧机构设有可水平移动的下夹紧组件(606)和压辊(605)，帘布由所述空心轴(103)输出并经所述逆止机构(3)转向后依次穿过所述张力检测机构(4)、上夹紧机构、剪切机构(5)和下夹紧机构。

4.根据权利要求1所述的胶管帘布缠绕机械手，其特征在于：所述摆动驱动机构(1)包括空心轴(103)、摆动驱动装置(105)、摆动传动机构(101)、基板(107)、空心轴座(104)和支架(106)，所述空心轴座(104)和支架(106)安装于所述基板(107)上，所述空心轴(103)安装在所述空心轴座(104)内，所述摆动驱动装置(105)安装在所述支架(106)上，所述空心轴(103)通过所述摆动驱动装置(105)驱动旋转，且所述摆动驱动装置(105)通过所述摆动传动机构(101)传递转矩。

5.根据权利要求3所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统，其特征在于：所述伸缩机构(2)包括摆动臂(201)、滑动臂(204)、伸缩驱动装置(203)、伸缩传动机构(202)、丝杠(205)和丝母(206)，其中所述滑动臂(204)与所述摆动臂(201)滑动连接，所述伸缩驱动装置(203)和丝杠(205)均安装在所述摆动臂(201)上，所述丝杠(205)通过所述伸缩驱动装置(203)驱动旋转，且所述伸缩驱动装置(203)通过所述伸缩传动机构(202)传动转矩，与所述丝杠(205)配合的丝母(206)安装在所述滑动臂(204)上。

6.根据权利要求3所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制系统，其特征在于：所述逆止机构(3)包括逆止压紧气缸(301)、压紧辊(302)、逆止辊(303)和安装支架(304)，其中安装支架(304)固装于所述摆动臂(201)上，所述逆止压紧气缸(301)和逆止辊(303)安装在所述安装支架(304)上，且所述压紧辊(302)通过所述逆止压紧气缸(301)驱动移动。

7.一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制方法，其特征在于包括以下步骤：

半径测量系统将实时测量的三个传感器位置反馈到数控系统中；

数控系统根据三个传感器位置得到实际的芯轴半径；并根据半径测量系统的结构得到实际的芯轴轴心与半径测量系统中心之间的偏心值；

根据实际的芯轴半径对摆臂系统的水平运动速度进行补偿，根据偏心值对摆臂系统缠绕芯轴半径进行补偿，实现速度耦合控制。

8.根据权利要求7所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制方法，其特征在于所述数控系统根据三个传感器位置得到实际的芯轴半径包括以下步骤：

建立三点构成的平面方程，将三个激光测距传感器的测得位置(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)带入三点，得到芯轴中心坐标X,Y与芯轴截面圆的半径R；半径R即为实际的芯轴半径。

9.根据权利要求7所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制方法，其特征在于所述对实现缠绕的摆臂系统的水平运动速度进行补偿通过以下公式实现：

F＝N*(2πR/tanα)；

其中，F代表摆臂系统的水平运动速度，R为实际的芯轴半径，α为设定的缠绕角度，即摆臂与芯轴轴线的夹角，N为芯轴每分钟的转动圈数。

10.根据权利要求7所述的一种可进行半径与偏心补偿的速度耦合控制方法，其特征在于所述根据偏差值对摆臂系统缠绕芯轴半径进行补偿包括以下步骤：

将偏心值(X,Y)的X与用于控制摆臂系统X径向轴的位置求和，用于补偿控制X径向轴的运动位置；将偏心值(X,Y)的Y按照L＝Y/sinα得到摆臂延长补偿值，将摆臂延长补偿值与用于控制摆臂系统前端的伸缩机构的伸缩位置求和，用于摆臂延长的补偿控制。