数控包带头结构设计与张力控制

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数控包带机是大型发电机线圈制造行业中必不可少的关键设备 ，包带头又是包带机的关键部件 ，它将绝缘带按照-定的节距 、包扎角度和叠包比包扎在大型电机的线圈上lJ。 包带时绝缘带的张力大型包扎角度是保证包扎质量 的重要因素 。但在包扎过程中 .张力和包扎角度会随着绝缘带卷径的变化和线圈横截面的不 同而急剧变化，从而影响张力和包扎角度的稳定性圜。因此 ，为了提高包扎质量和包扎效率 ，需要包带头设备具有 良好的张力控制系统和完善 的包扎角度机构。

修稿 日期 ：2013-02-06作者简介：张恩惠(1965-)，男，黑龙江哈 尔滨人 ，副教授 ，硕 士峰导 ·币 研 究方向 .机 电设 备 生物 能利 用劳 吕金 勇1987- ，另 ，上L亍扰 顺 ，坝 士研 .丸 土1281 包带头包带原理图 1为包带头包扎绝缘带原理 图。包带头 1安装在关节型机器人数控包带机的前臂上 ，包带时包带头的中心与线圈 4的中心对中，保证在同-条直线上 。同时要求包带盘平面和线圈中线垂直。手动包绕初始位置 ，当前臂带动包带头以-定 的速度前进时 ，包带头以恒定 的角速度 (I) 绕工件顺时针旋转 。随着绝缘带的使用 ，带盘 2也在 自转 ，由于绝缘带 的消耗 ，绝缘带卷径减小 ，转动角速度 (1) 是变化 的。包带过程 中张力的大小 由安装在弹性元件 5上的测力传感器测量 ，电刷 9和滑环 10是用来传输测试信号的，将测得实时张力信号反馈给张力调整机构 6，由其调整包带张力 ，确定包带过程中张力恒定且在许用范围内。转角步进电机驱动包带角度调整机构 ，调节绝缘带包扎在线圈上的角度 ，包扎 出满足需要 的叠包角度、节距和-定的叠包比。随着包带头的· 数控 机床世界 ·I，d --r I l 11.包带头 2.绝缘带带盘 3.绝缘带4.线 圈 5.弹 性元件6.张力调 整机 构7.过轮 8.包带角度调 整 机 构 9.电 刷10.滑环图 1包带头包扎绝缘带原理简图Figl The principle diagram of the lapping head warp insulated tape行走和转动就把绝缘带按-定的节距层层地包扎在大型电机的线圈上13]。

2 包带头总体结构设计2.1 包带头总体设计由于包带时电机带动包带头高速旋转 。而且线圈要穿过包带头 .所以将包带头的外形设计-个空心的圆柱形壳体 ，本次设计将包带头分为内外两个圈 ，类似与电机的定子和转子 ，包带头内圈安装到外圈上 ，两圈之间通过传动轮传递转矩。内圈上有两根中轴，用来安装摆动轴座和辅助摆臂 ，伺服电机安装在包带头内圈的肋板上 。摆臂安装在摆动轴承座上 ，转角装配箱中安装驱动摆臂的伺服电动机 。摆角限位器与辅助摆臂相连接 .安装在角接板上。包带盘安装在心轴上 ，心轴的-端采用空心结构 ，不单减轻包带头的重量 ，而且和装夹机构配合 ，更方便更换绝缘带盘。包带头结构布局如图 2所示。

1包带盘2.摆臂3.转 角装配 箱4.辅助摆臂5.角接板6.摆动轴座7.摆 角限位 器装 配图 2 包带头结构图Fig.2 The lapping head structure diagram2。2 转角系统结构设计(1)摆臂和辅助摆臂谢 十。转角系统主要由伺服电机、辅助摆臂和摆臂组成。摆臂在工作时，要在伺服电机的控制之下进行摆动嗍。转角装配箱中的伺服电机通过联轴器相与辅助摆臂将相连接 ，传输转矩 ，驱动摆臂转动。

摆臂有两块 ，安装时成 180。对称布置，形成-个圆形的包带头外形 ，两个摆臂要在空间形成合适的角度。伺服电机共有两个 ，每个电机控制-个摆臂 ，使摆臂在包带头平面内产生偏角由于摆臂要在空间内进行摆动 ，因此对其安装 到包带头的方式疗要求。设计中，将摆臂的-端安装到摆动轴座上，包带头内圈中轴和摆动轴座相连接，以此方式将摆臂固定在包带头上 ；摆臂的另-端通过角接板和辅助摆臂相连接 ，辅助摆臂安装到包带头内圈的另-端 中轴上 ，这样摆臂的两端就安装到包带头 内圈上了。

摆臂和辅助摆臂各两块 。把合后-起加工，从而保证 了加工精度。本件变形 比较大 ，必须先粗加工，时效后在进行精加工。在每个摆臂上要开-个 (25x30)mm的光电传感器视孔，用来测量包带卷剩余厚度，并将包带卷筒径的时时半径反馈给恒张力控制系统 。

(2)摆角限位器结构设计 。伺服电机驱动摆臂在空间摆动 ，需要设计-个摆角 限位器装 置来 限制摆动 的角度 ，摆臂的角度将由摆角限位器控制。

摆角限位器装配如 图 3所示。摆角限位器 主要由机架，丝杆 ，丝母 ，手轮所组成。丝杆安装在机架上 ，-端用螺栓固定 ，另-端安装-个手轮。调节手轮时 ，丝杆跟随手轮转动。在丝杆上对称安装两个丝母 ，丝母 和丝杆间形成螺纹副 。以丝杆中心为界 。两端上的螺纹旋/翟 ["Vdli- 女.I l。 - ，Il I I I l I I H1.挡板 2.手轮3.轴套 4.机 架5.丝杆 6.丝母7.架板 8.导销9.标 尺[：：二：卫 三r9图3 摆角限位器装配Fig.3 Pendulum angle stopper assembly向正好相反 。在旋转手轮时 ，丝杆就能带动两个丝母沿着丝杆运动 ，手轮正转 ，两个丝母 同时 向中心线运 动 ，手轮反转 ，丝母 向背方向运动 。这样 的设计就能满足角度对称的要求。此限位器通过焊接的方式固定在包带头上 .可以很精确的控制角度。

2.3 包带盘快换结构设计包带机在工作过程中，包带卷的消耗比较大。因此就需要对包带卷进行多次装卡 。为了提高工作效率 ，保证工作质量 .则需要把装卡装置设计得简单容易操作。

本次设计 的方 案大体 如下 ，利用 弹簧压缩力来压 紧压环，压环再将力传递到动压盘上，动压盘直接和包带卷接触 .将其 固定在心轴-端IS]。心轴这-端是空心设计 ，其 内部开两个槽 口如图 4所示 ，以便让旋盘在压人心轴后能将横销旋人槽 口，保证弹簧在包带机工作过程 中始终处于压缩状态。弹簧的压缩力必须足够大 ，使包带卷和静压盘之间产生足够大的静摩擦力，保证包带卷和心轴能够 同时转动。

图 4是包带盘 的装配图，图中定压盘右侧是包带盘快换结构 。本 图位置关系是压环 5已经压 住动压盘 3，129·数控机床世界 ·图 4 包带盘装配： 竺 ： 三盘J 3.动压盘4.心轴 IFig-4 Package reel ass咖 bly I横销8尚未进入心轴4的横槽内，推人旋盘7，到位后 1左旋横销 8入锁锁定。 l包带机工作时，先将包带卷装入心轴的-端，之后 ：将动压盘压在包带卷之上，之后压入端盖将其锁死，防 l止包带卷在工作时和心轴之间产生打滑现象。感应盘安 l装在心轴上，工作时随包带卷-起转动，目的是为了测 I量包带卷 的厚度 ，包带卷每转动-圈 ，其直径 都会减 ·少，因此要用感应盘记录下包带卷所转动的圈数，然后 l通过恒张力控制系统改变包带盘输出转矩。以此来保证 l包带机在整个工作过程中保持张力恒定。 13 恒张力控制策略 1I国内现有自产数控包带机的张力控制系统，-般都 I是采用复杂的电路将晶体管等模拟器件连接起来，从而 ：实现张力控制的。元器件多，安装调试困难，系统的控 l制精度不高。随着数控电子技术，计算机控制技术，检 l测技术的快速发展，全 自动张力控制系统逐渐转向数字 l化控制 ，并从单纯的单机单路控制转 向- 机多路控制 ， ·全面采用单板机、可编程序控制器(PLC)控制。目前以 大规模集成电路，彩色液晶显示，多层菜单操作为主圈。 1本次设计的包带头张力控制系统采用PLC和变频器 !相互结合控制 ，恒张力控制原理框 图见图 5。PLC配合高速计数拈主要完成绝缘带筒径D的计算和动态转矩 l补偿值计算，控制变频器的启停、控制电机的电流以及 I张力反馈值 。变频器主要完成恒张力控制。通过动态补 -偿转矩来补偿恒张力控制系统中主要扰动量，对张力进 1行微调节，使系统更加稳定。PLC与变频器之间的数据 l传输是通过-根总线来完成的。 I当张力传感器测出的实际张力 F和初始 张力 F0出 -现差值e时，通过给定的许用张力偏差范围上偏差a和 l130中国机械工业联合会主管、l 主办1. f -l邮l发代号 ： 82.-401翠 眦 偏差带a下偏差带bII --ba he-aI. - - -le<- H 张力调节器I l!蕊丽-1删张力传感器·- 张力变化-张力机构I'- 电机MIlJ图 5恒张力控制原理框图Fig.5 Theprinciplediagram of constanttension control下偏差 b，及对应的计算公式计算出张力差值 h嗍。张力调节器是利用西门子复合功能拈的 PID调节器组合而成 ，在包扎过程中电机的速度始终大于反馈的速度，所以只有电流内环和张力内环起作用。该系统计算出该张力下的电流差值。通过控制变频器的激励电流来实现电机转速和转矩的控制，从而实现恒张力控制。

4 结论采用 PLC和变频器相结合的恒张力控制系统，更加稳定、有效、快速的保证包带头工作过程中张力的恒定。设计出以摆臂为主的转角控制系统的机械结构，规范摆臂的运动.从而实现满足包带角度的控制。设计了- 种简单的包带卷装夹快换结构 ，利用弹簧压缩反力和横销 内嵌的方法 .提高了更换包带卷的速度。