用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置及其控制方法。它按照预先设定的缠绕张力理论曲线自动调节钢带缠绕张力的数值，实现缠绕张力的闭环控制和模具制造过程的自动化。它包括依次连接的开卷机构、校平机构、张力控制机构、张力检测机构、缠绕机构，张力控制机构由张力粗调装置、张力细调装置两部分组成，在张力检测机构内安装压力传感器，在缠绕机构内设有编码器，压力传感器和编码器将实时获取的缠绕张力和缠绕层数数据输入自动控制系统，自动控制系统与张力控制机构和缠绕机构连接，自动控制系统依据缠绕张力理论曲线建立起控制方法，通过控制张力控制机构油缸的油压和缠绕机构的电机转矩，实现变张力条件下的闭环控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变张力钢带缠绕装置及其控制方法，可按照预先设定的理论曲线自动调节钢带缠绕张力数值的用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置及其控制方法。

背景技术

在人工合成金刚石等超硬材料、金属冷挤压、冷锻等材料合成及加工领域，模具的作用至关重要。由于工作条件极其恶劣，模具承受着超高工作负载，通常，压力范围2～10GPa，温度范围300～2000℃，造成模具的使用寿命很短。采用预应力模具，可有效降低模具内部的切向拉应力，提高模具的疲劳强度，延长使用寿命。钢带缠绕预应力模具是一种新型结构的预应力模具，与传统的多层套组合式预应力模具相比，具有结构紧凑、预紧效果显著、型腔变形小，使用寿命长等特点，代表着预应力模具的发展方向。钢带缠绕预应力模具的设计过程应首先根据模具材料、尺寸及工作负载确定出合理的预紧力，然后设计出缠绕层数、缠绕张力的理论曲线。钢带缠绕预应力模具的制造涉及闭环控制模式下的变张力自动化缠绕技术，变张力钢带缠绕装置及其控制方法是实现理论设计的重要装备和手段，已成为钢带缠绕预应力模具领域内的关键技术。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术的空缺，提供一种用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置及其控制方法，可按照预先设定的缠绕张力理论曲线自动调节钢带缠绕张力的数值，实现缠绕张力的闭环控制和模具制造过程的自动化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置，它包括依次连接的开卷机构、校平机构、张力控制机构、张力检测机构、缠绕机构，张力控制机构由张力粗调装置、张力细调装置两部分组成，在张力检测机构内安装压力传感器，在缠绕机构内设有编码器，压力传感器和编码器将实时获取的缠绕张力和缠绕层数数据输入自动自动控制系统，自动控制系统与张力控制机构和缠绕机构连接，自动控制系统依据缠绕张力理论曲线建立起控制方法，通过控制张力控制机构油缸的油压和缠绕机构的电机转矩，实现变张力条件下的闭环控制。

所述开卷机构包括开卷机架，开卷机架上安装芯轴，钢带卷置于芯轴上。

所述校平机构包括校平机架，其上安装导向轮和校平辊组，校平辊组由上下交错排列的两组校平辊组成，其中，上部校平辊至少有两个，下部校平辊比上部校平辊多出至少一个。

所述张力控制机构由张力粗调装置、张力细调装置两部分组成，它们安装在同一机身上；张力粗调装置位于靠近校平机构的一侧；张力粗调装置和张力细调装置的结构相同，两者均包括活塞式夹紧油缸，活塞杆的末端连接上压板，同时上压板与导轨相配合，下压板安装在机身上；张力控制机构还配备比例控制的电液伺服系统，电液伺服系统与自动控制系统连接，可分别调节两个夹紧油缸的油压及夹紧力；张力粗调装置输出的夹紧力数值分成若干档，可阶梯式变化；张力细调装置输出的夹紧力可连续变化，缠绕张力等于张力粗调装置与张力细调装置产生的钢带摩擦阻力之和。

所述张力检测机构包括机架，在机架的中部为上转筒支架，其上安装上转筒；在上转筒支架两侧对称布置下转筒支架，其上安装下转筒，在上转筒支架下方中间位置设有压力传感器，压力传感器与自动控制系统连接。

所述缠绕机构包括缠绕机架，其上安装电机减速机组，它通过联轴器与主轴连接，主轴通过轴承组与卡盘连接，主轴上设有编码器，电机减速机组和编码器均与自动控制系统连接。

一种用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置的控制方法，

1)在开始缠绕模具之前，将已知的缠绕张力的理论曲线以及缠绕层数等设计资料输入自动自动控制系统；缠绕过程中的缠绕张力源自于缠绕机构电机转矩和张力控制机构夹紧油缸产生的摩擦阻力，系统的控制对象为缠绕机构的电机转矩与张力控制机构粗调及细调夹紧油缸的油压，根据缠绕张力的理论曲线及缠绕层数等输入的设计资料，自动控制系统生成针对油缸油压和电机转矩的理论控制曲线；

2)将缠绕过程分为建立张力、稳定缠绕和结束缠绕三个阶段；

由缠绕机构带动钢带运动；张力控制机构的张力粗调装置输出夹紧力分为若干档，可阶梯式变化；张力细调装置输出的夹紧力可连续变化，缠绕张力等于张力粗调装置与张力细调装置产生的钢带摩擦阻力之和；

在稳定缠绕阶段，张力粗调装置夹紧油缸的油压保持恒定数值，理论缠绕张力随缠绕层数增加而下降，张力细调装置夹紧油缸的油压及电机的转矩的理论曲线呈下降趋势；

3)在缠绕过程中，张力检测机构实时获得作用于压力传感器的压力，钢带中实际的缠绕张力为压力数值的一半；利用缠绕机构的编码器实时获得模具的缠绕层数，缠绕层数乘以钢带厚度再加上模芯的外半径可得到模具的实际半径；电机减速机组输出的实际转矩等于钢带缠绕张力与模具半径的乘积；

4)自动自动控制系统实时比较钢带缠绕张力的理论值与检测值，输出控制信号，不断调整张力细调装置夹紧油缸的油压及缠绕机构电机的转矩，可实现变张力条件下的闭环控制。

本发明包括开卷机构、校平机构、张力控制机构、张力检测机构、缠绕机构、自动自动控制系统。开卷机构由开卷机架、芯轴等组成，无动力驱动。校平机构由导向轮、校平辊组等组成，无动力驱动。张力控制机构由张力粗调装置、张力细调装置两部分组成，配备比例控制的电液伺服系统，通过分别调节两个夹紧油缸的油压，可改变作用于钢带的摩擦阻力数值，改变缠绕张力。张力检测机构由压力传感器、上下转筒、支架等组成，压力传感器放置于上转筒支架的下方，压力检测信号输入自动自动控制系统。缠绕机构由电机减速机组、联轴器、卡盘、机架、编码器等组成，模具被夹持在卡盘上并随之转动，通过编码器可获取缠绕层数信息，并转换为模具半径的实时数据。自动自动控制系统由PLC、控制面板等组成，可输入缠绕预应力模具的设计资料，生成电机转矩与粗调及细调夹紧油缸油压的理论曲线，输入缠绕张力及缠绕层数的检测数据，输出控制信息，相关的程序存储于自动控制系统之中。

本发明的有益效果：系统架构简单，使用方便，可按照设定的钢带缠绕预应力模具的设计资料，实现缠绕张力的闭环控制和模具制造过程的自动化。

附图说明

图1是本发明的设备结构图；

图2是本发明的张力控制机构；

图2a是图2的A-A剖视图；

图3是本发明的张力检测机构；

图3a是图3的B-B剖视图；

图4是本发明的缠绕机构；

图5是本发明控制方法所用控制曲线图。

图中，1、开卷机构；2、校平机构；3、张力控制机构；4、张力检测机构；5、缠绕机构；301、机身；302、夹紧油缸；303导轨、；304、上压板；305、下压板；401、机架；402、上转筒支架；403、上转筒；404、下转筒；405、下转筒支架、406、压力传感器；407、轴承组；408、导柱；501、机架；502、电机减速机组；503、联轴器；504、主轴；505、轴承组；506、卡盘。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。

一种用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置，如图1所示，包括依次连接的开卷机构1、校平机构2、张力控制机构3、张力检测机构4、缠绕机构5，以及自动自动控制系统等。各部分的主要结构与功能如下所述：

开卷机构1用于支撑钢带卷，它由开卷机架以及其上的芯轴等组成，开卷机架固定在地面上，无动力驱动，钢带卷可绕芯轴自由转动。

校平机构2用于对钢带运动方向进行导向并对钢带表面进行校平，它由校平机架、导向轮、校平辊组等组成，校平机架固定在地面上，无动力驱动。导向轮可适应由于钢带卷直径减小造成的钢带入口角度的变化，目的在于保持恒定的钢带入口水平高度。校平辊组设置上、下两层交错分布的多个钢辊，钢带在缠绕张力的拉力作用下穿过校平机构2中的校平辊组，产生塑性变形并实现表面校平。上层钢辊的数量大于2，下层钢辊比上层多一个，钢辊可绕各自的轴线转动。

张力控制机构3如图2、图2a所示，它用于对缠绕张力的数值进行控制，由张力粗调装置、张力细调装置两部分组成。张力粗调装置与张力细调装置具有相同的机械结构，且安装在同一机身301上，机身301采用具有良好刚度的闭式结构。张力粗调装置位于张力细调装置的上游，即靠近校平机构2的一侧，它们的结构包括活塞式夹紧油缸302、导轨303、上压板304、下压板305等。夹紧油缸302的缸体通过螺栓固定在机身301上，活塞杆的末端与上压板304连接，上压板304与导轨303相配合，可上下移动，下压板(305)安装在机身(301)上。导轨303固定在机身301的右侧立柱上，可承受来自上压板304沿钢带运动方向的水平力作用，避免活塞杆受到弯矩的有害影响。当夹紧油缸302上腔进油时，油压通过活塞杆作用于上压板304，将钢带夹紧于下压板305之上，在钢带的上、下表面产生摩擦力。总的缠绕张力等于张力粗调装置与张力细调装置产生的钢带摩擦阻力之和，粗调夹紧油缸输出的夹紧力数值分为若干固定档，可阶梯式变化，缠绕缠绕过程中其油压保持恒定数值，即保持夹紧力不变；张力细调装置输出的夹紧力可连续变化，通过比例控制的电液伺服系统可实时调节细调夹紧油缸的油压，即可改变该夹紧力与摩擦力的数值，使缠绕张力符合预先设定的理论曲线。

张力检测机构4如图3、图3a所示，它用于实时检测缠绕过程中的钢带张力，并将信号输送至自动自动控制系统，它由机架401、上转筒支架402、上转筒403、下转筒404、下转筒支架405、压力传感器406、轴承组407、导柱408等组成。上转筒支架402置于机架401的中部，两组下转筒支架405对称布置于上转筒支架402的两侧，钢带在穿过上转筒403与下转筒404时，其运动方向应平行于压力传感器406的轴线。上转筒403、下转筒404分别通过轴承组安装在上转筒支架402、下转筒支架405之上，可绕各自的轴线自由转动。压力传感器406安装在上转筒支架402的下方中间位置，上转筒支架402通过固定在机架401上的两组导柱408进行导向，避免产生倾斜。忽略摩擦力的影响，作用于压力传感器406的压力等于钢带缠绕张力数值的两倍，通过实时测量作用于上转筒支架的压力可间接获取钢带的缠绕张力。

缠绕机构5由机架501、电机减速机组502、联轴器503、主轴504、轴承组505、卡盘506、编码器、直接转矩控制器等组成。待缠绕的模具被固定在卡盘506之上，电机减速机组502通过联轴器503与主轴504连接，驱动卡盘506。编码器安装在主轴(504)上，用于实时获取缠绕层数的数据并转换为模具的半径。

下面结合图5控制方法原理图，对变张力钢带缠绕装置的自动控制方法做进一步的说明。

1)在启动模具缠绕过程之前，将已知的缠绕张力理论曲线T以及缠绕层数等设计资料输入自动自动控制系统。缠绕过程中的缠绕张力源自于缠绕机构5电机转矩和张力控制机构3夹紧油缸产生的摩擦阻力，系统的控制对象为缠绕机构5电机的转矩M；张力控制机构3粗调夹紧油缸的油压p₁；细调夹紧油缸的油压p₂。根据缠绕张力的理论曲线T以及缠绕层数等输入的设计资料，自动控制系统自动生成图示针对粗调油压p₁、细调油压p₂和电机转矩M的理论控制曲线；

2)将缠绕过程分为建立张力、稳定缠绕和结束缠绕三个阶段，分别对应时间坐标轴t的三个阶段：0-t_s为张力建立阶段I、t_s-t_m稳定缠绕阶段II、t_m-t_n结束缠绕阶段III。在稳定缠绕阶段(t_s-t_m)，粗调夹紧油缸的油压p₁保持恒定数值，理论缠绕张力T随缠绕层数(或时间t)增加而下降，故细调夹紧油缸油压p₂及电机转矩M的理论曲线呈下降趋势。在模具缠绕过程的任意时刻，缠绕张力T、粗调油压p₁、细调油压p₂和电机转矩M之间存在确定的对应关系；

3)在缠绕过程中，利用张力检测机构4实时获得作用于压力传感器406的压力，钢带中实际的缠绕张力为压力数值的一半。利用缠绕机构5的编码器实时获得模具的缠绕层数，缠绕层数乘以钢带厚度再加上模芯的外半径可得到模具的实际半径。电机减速机组502输出的实际转矩等于钢带缠绕张力与模具半径的乘积；

4)自动自动控制系统将检测值与图5所示的钢带缠绕张力理论值进行实时比较，输出控制信号，从而不断调整细调夹紧油缸油压p₂及电机转矩M，可实现变张力条件下的闭环控制。

本发明的工作过程为：

根据缠绕预应力模具的设计资料，确定缠绕用钢带卷。选择高强度弹簧钢材料，钢带厚度小于0.2mm，宽度根据被缠绕模具的实际轴向长度确定，总长度应满足缠绕一副模具的材料用量。设备通电前，将钢带卷放置在开卷机构1的芯轴上，钢带卷可绕芯轴的轴线自由转动。手工将钢带展开，依次穿过校平机构2的导向轮、校平辊组，张力控制机构3的张力粗调装置、张力细调装置，张力检测机构4的转筒组，剪去一定长度的料头，对钢带端部做平整处理，然后，通过焊接等方法将钢带固定在模具的外圆柱表面上。

设备通电后启动自动缠绕程序前，首先将已知的缠绕张力理论曲线以及缠绕层数等设计资料输入自动自动控制系统，按照自动控制系统自动生成的两个夹紧油缸油压、电机转矩的理论控制曲线，形成闭环控制程序。然后，启动自动缠绕工作模式。缠绕过程分为建立张力、稳定缠绕和结束缠绕三个阶段，对应的缠绕过程及控制方法依次如下：

1)在建立张力阶段，首先，粗调夹紧油缸、细调夹紧油缸的油压分别达到其最大设定值，夹紧钢带使之不能够移动。滞后一段时间，电机启动，输出转矩不断增加。在此过程中，压力传感器连续测量钢带张力的增加情况，当达到初始张力的设定值之后，粗调夹紧油缸的油压依然保持恒定数值，其夹紧力不变，细调夹紧油缸的油压则按照理论曲线逐渐减少，直至钢带在上、下夹板之间产生滑动，从而开始模具缠绕的第二阶段。

2)稳定缠绕阶段是一个耗时很长的过程，在此期间，随着缠绕层数的增加，粗调夹紧油缸的夹紧力不变，细调夹紧油缸油压及电机转矩按照理论曲线变化。张力检测机构将张力信号连续反馈至自动自动控制系统，编码器连续反馈实际的缠绕层数，自动自动控制系统将上述实测结果进行分析、计算，并与预置的缠绕张力理论曲线进行比较，生成误差控制信号，分别输送至夹紧油缸电液伺服系统和交流变频电机，以调节张力细调装置夹紧油缸中的油压和电机的输出转矩，从而实现连续的变张力缠绕过程。

3)当检测的缠绕层数达到设定值时，缠绕过程进入到结束缠绕阶段。此时，保持电机的输出转矩不变，应适当加大张力细调装置夹紧油缸的夹紧力，致使钢带不能够移动，电机停止转动。保持该状态一段时间，利用焊接等方法将模具的外层钢带固定。然后设备断电，在焊接处将多余的钢带剪断，将缠绕模具从卡盘上取下。至此，一副钢带缠绕预应力模具的制造过程结束。