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                         中達(dá)電通股份有限公司AMD產(chǎn)品處                  王  浩

                                                     Wang Hao

摘  要：本文主要介紹臺達(dá)變頻器在金屬線材制造行業(yè)的應(yīng)用。通過變頻器完成恒張力控制的調(diào)試方法。

關(guān)鍵詞：臺達(dá)變頻器 金屬線材 恒張力控制 并列式連續(xù)拉絲機(jī)

 

     拉絲機(jī)是金屬線材加工中的重要設(shè)備，用于將金屬原材加工成各種規(guī)格線材。拉絲機(jī)由放線、拉絲、水冷、收線及排線等部分組成，其中電氣傳動部份主要由放線電機(jī)，收線電機(jī)及排線電機(jī)實現(xiàn)，其生產(chǎn)質(zhì)量和效率對于企業(yè)來講至關(guān)重要。拉絲機(jī)可分為滑輪式、活套式、直線式三種。從產(chǎn)品終端來說，拉絲機(jī)可以分為大拉機(jī)，中拉機(jī)，小拉機(jī)，微拉機(jī)；而從拉絲機(jī)內(nèi)部控制方式和結(jié)構(gòu)來說，可以分為水箱式，滑輪式，直進(jìn)式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度不同規(guī)格的產(chǎn)品，不同的金屬種類，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械。對于銅鋁基材的電線電纜生產(chǎn)企業(yè)，雙變頻控制的細(xì)拉機(jī)應(yīng)用比較廣泛，相對而言，其要求的控制性能也較低，而對于大部分鋼絲生產(chǎn)企業(yè)，針對鋼材特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多，不同的拉絲機(jī)械，其工作過程基本相同：

    放線:l 金屬絲的放線速度，對于整個拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說，其控制沒有過高精度要求，對部分雙變頻控制的拉絲機(jī)械，甚至可以利用拉絲環(huán)節(jié)的絲線張力通過圓盤拉伸。對大部分拉絲機(jī)械，放線的控制是通過變頻器驅(qū)動放線機(jī)實現(xiàn)的。

    拉絲:l 拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)最為重要的環(huán)節(jié)。不同金屬物料，不同的產(chǎn)品精度和要求，拉絲環(huán)節(jié)有很大的不同，雙變頻控制拉絲機(jī)拉絲部分與放線部分共用一臺電機(jī)，金屬絲通過內(nèi)部塔輪的導(dǎo)引，經(jīng)過模具而逐步拉伸。而直進(jìn)式拉絲機(jī)拉伸效率較高，對每一道拉絲工序，都需要一臺電機(jī)帶動，因此其控制也最為復(fù)雜。

    收線:l 收線環(huán)節(jié)的工作速度決定了整個拉絲機(jī)械的生產(chǎn)效率。

 

    并列式連續(xù)拉絲機(jī)是一種用于拉拔金屬線材的直進(jìn)式連續(xù)拉絲機(jī)，將組成一臺或兩臺連續(xù)拉絲機(jī)的所有單拉絲機(jī)按２～４列并排分布并以水平形式同時安置在一個帶有垂直平面的機(jī)架上，將所有的模盒裝置也設(shè)在機(jī)架上并使之與水平面成一定夾角，產(chǎn)品具有占地少、有利于提高勞動生產(chǎn)率及實現(xiàn)衛(wèi)生和文明化生產(chǎn)。

本文以西安某公司生產(chǎn)的并列式拉絲機(jī)為設(shè)計案例。并列式連續(xù)拉絲機(jī)是平行排列成2-4列的直進(jìn)式連續(xù)拉絲機(jī)，其傳動、潤滑、冷卻及控制與直立直進(jìn)式拉絲機(jī)相同。整機(jī)外觀圖示如圖1所示。

    本機(jī)器共有10個塔輪，1個牽引輪，1個收卷輪，11個模具，以及11根擺桿，最大進(jìn)線直徑2.4mm，最小出線直徑0.3mm，最高線速度2.5m/s。塔輪直徑均為250mm，牽引輪直徑為360mm，收卷輪最小直徑為280mm。原料線材通過11個模具的11級拉伸，變成需要線徑的成品線材。每個塔輪由1臺電機(jī)控制，牽引輪和收卷輪也分別由1臺電機(jī)控制。每臺塔輪配置擺桿一根，作為恒張力控制時使用。每臺電機(jī)都通過減速機(jī)與機(jī)械連接，減速比如下表1所示（減速比G為負(fù)載側(cè)齒輪/電機(jī)側(cè)齒輪）。整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

 

表1 減速機(jī)減速比

 

    并列式拉絲機(jī)的變頻恒張力驅(qū)動目的是為了保證在運行過程中絲線的張力恒定。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料的不同，恒張力控制的方法一般分為兩種：1直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，2通過控制速度恒定來保證張力的恒定。通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，本項目采用通過控制速度的方法來間接控制張力的恒定。

由于并列式拉絲機(jī)由11組牽伸機(jī)構(gòu)和1組收卷機(jī)構(gòu)組成，所以我們單獨對一組牽伸機(jī)構(gòu)和一組收卷機(jī)構(gòu)來進(jìn)行控制原理的分析。圖3為一組牽伸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

    在運行過程中保證擺桿處于設(shè)定的平衡位置不出現(xiàn)波動，就可以認(rèn)定牽伸過程中絲線上的張力是恒定的。所以我們可以將其控制分為兩個過程來進(jìn)行：穩(wěn)定過程和自調(diào)節(jié)過程。

    穩(wěn)定運行過程中，我們將條件理想化（排除其他不穩(wěn)定因素的影響），擺桿將停在設(shè)定的位置不出現(xiàn)波動，塔輪只需要按照計算出來的理論線速度運行就可以保證絲線張力恒定，此過程只需要知道每級牽伸機(jī)構(gòu)中塔輪的理論線速度即可；由于機(jī)械一旦制造完成，塔輪的直徑以及電機(jī)端的減速比就已經(jīng)確定，從塔輪的理論線速度就可以計算出電機(jī)的實際運行轉(zhuǎn)速，也就是變頻器需要運行的頻率。

    在運行過程中會出現(xiàn)很多的不穩(wěn)定因素，例如絲線的打滑，機(jī)械摩擦力變化等原因，擺桿不可能固定不動，于是就需要變頻器對擺桿的變化做出響應(yīng)，通過速度的變化來達(dá)到讓擺桿穩(wěn)定的目的，這個就是自調(diào)節(jié)的過程。通過變頻器對擺桿信號進(jìn)行PID的運算，就可以達(dá)到這個目的。圖4為牽引驅(qū)動機(jī)構(gòu)參數(shù)的詳細(xì)示意圖，讓我們看看圖中變量之間的關(guān)系。

    圖4中假設(shè)塔輪直徑為R，模具1直徑為R1，模具2直徑為R2，模具3直徑為R3，進(jìn)線直徑為R0，電機(jī)1減速齒輪比為G1，電機(jī)2減速齒輪比為G2，變頻器1指令頻率為F1，變頻器2指令頻率為F2，塔輪1上的線速度為v1，塔輪2上線速度為v2，n為電機(jī)1轉(zhuǎn)速，s為電機(jī)1轉(zhuǎn)差率，p為電機(jī)1級對數(shù)，t為時間。G1定義為（負(fù)載側(cè)齒輪10-24/電機(jī)側(cè)齒輪10-23）。

牽伸機(jī)構(gòu)中，由于模具大小不一樣，根據(jù)單位時間內(nèi)通過模具的材料體積相等的前提條件，

我們知道：(R1/2)² *π *v1 *t = (R2/2)² *π * v2 *t

          R1² * v1 = R2² * v2                          …………………………①

由于R1，R2已知，根據(jù)v1就可以計算出v2。

而          v1 = π * R * n / G1，  n = F1 * 60 * (1-s) / p

            v1 = π * R * F1 * 60 * (1-s) / (G1 * p)

            F1 = G1 * p * v1 / （60 * π * R * (1-s)）    …………………………②

通過以上①②公式，就可以計算出每一級牽伸的理論線速度和理論頻率。

    圖5為收卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 收卷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意

    收卷機(jī)構(gòu)的控制原理與牽伸機(jī)構(gòu)有兩點不同：1收卷機(jī)構(gòu)與牽引機(jī)構(gòu)的線速度是同一的；2收卷機(jī)構(gòu)中收卷棍的卷徑是會隨著電機(jī)運轉(zhuǎn)而發(fā)生變化的，牽伸機(jī)構(gòu)中的卷徑是固定的。所以對于控制收卷棍的變頻器，還需要將R的變化考慮進(jìn)去，時時更新R值。原理公式同上式②。