摘  要：本文主要介紹臺(tái)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(tái)達(dá)變頻器 金屬線材 恒張力控制 并列式連續(xù)拉絲機(jī)

1 引言

      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(dòng)部份主要由放線電機(jī)，收線電機(jī)及排線電機(jī)實(shí)現(xiàn)，其生產(chǎn)質(zhì)量和效率對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)而言，其要求的控制性能也較低，而對(duì)于大部分鋼絲生產(chǎn)企業(yè)，針對(duì)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:1金屬絲的放線速度，對(duì)于整個(gè)拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說，其控制沒有過高精度要求，對(duì)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(duì)大部分拉絲機(jī)械，放線的控制是通過變頻器驅(qū)動(dòng)放線機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

      拉絲:1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(tái)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(duì)每一道拉絲工序，都需要一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)，因此其控制也最為復(fù)雜。

      收線:1 收線環(huán)節(jié)的工作速度決定了整個(gè)拉絲機(jī)械的生產(chǎn)效率。

2并列式連續(xù)拉絲機(jī)結(jié)構(gòu)

    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(tái)或兩臺(tái)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(shí)安置在一個(gè)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(dòng)生產(chǎn)率及實(shí)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(jì)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(dòng)、潤(rùn)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(gè)塔輪，1個(gè)牽引輪，1個(gè)收卷輪，11個(gè)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(gè)模具的11級(jí)拉伸，變成需要線徑的成品線材。每個(gè)塔輪由1臺(tái)電機(jī)控制，牽引輪和收卷輪也分別由1臺(tái)電機(jī)控制。每臺(tái)塔輪配置擺桿一根，作為恒張力控制時(shí)使用。每臺(tái)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

對(duì)應(yīng)電機(jī)位置	減速比G	對(duì)應(yīng)電機(jī)位置	減速比G
塔輪1	19.71	塔輪7	10.47
塔輪2	17.11	塔輪8	9.85
塔輪3	15.62	塔輪9	8.73
塔輪4	14.55	塔輪10	7.67
塔輪5	12.69	牽引輪	10.47
塔輪6	11.89	收卷輪	9.27

3 基于臺(tái)達(dá)BW系列變頻器的并列式拉絲機(jī)

3.1 控制原理

    并列式拉絲機(jī)的變頻恒張力驅(qū)動(dòng)目的是為了保證在運(yùn)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，本項(xiàng)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(dú)對(duì)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(yùn)行過程中保證擺桿處于設(shè)定的平衡位置不出現(xiàn)波動(dòng)，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(gè)過程來進(jìn)行：穩(wěn)定過程和自調(diào)節(jié)過程。

      穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)，塔輪只需要按照計(jì)算出來的理論線速度運(yùn)行就可以保證絲線張力恒定，此過程只需要知道每級(jí)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(jì)算出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速，也就是變頻器需要運(yùn)行的頻率。

      在運(yùn)行過程中會(huì)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(dòng)，于是就需要變頻器對(duì)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(gè)就是自調(diào)節(jié)的過程。通過變頻器對(duì)擺桿信號(hào)進(jìn)行PID的運(yùn)算，就可以達(dá)到這個(gè)目的。圖4為牽引驅(qū)動(dòng)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(jí)對(duì)數(shù)，t為時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算出每一級(jí)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。

    收卷機(jī)構(gòu)的控制原理與牽伸機(jī)構(gòu)有兩點(diǎn)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(huì)隨著電機(jī)運(yùn)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(duì)于控制收卷棍的變頻器，還需要將R的變化考慮進(jìn)去，時(shí)時(shí)更新R值。原理公式同上式②。

3.2 臺(tái)達(dá)BW系列變頻器應(yīng)用設(shè)計(jì)

    基于臺(tái)達(dá)BW系列變頻器的恒張力控制系統(tǒng)如圖6所示。

    整個(gè)系統(tǒng)由12臺(tái)2.2kw電機(jī)構(gòu)成，每臺(tái)電機(jī)由一臺(tái)2.2kw BW系列臺(tái)達(dá)卷取工藝客制化專用變頻器控制，由于臺(tái)達(dá)BW系列變頻器具有收放卷專用控制功能，不需要依靠PLC就能夠完成恒張力控制，具有自動(dòng)卷徑計(jì)算以及PID自動(dòng)調(diào)整功能，所以在此系統(tǒng)中能夠獨(dú)立完成對(duì)放卷動(dòng)作的控制，其中變頻器AMD1-AMD10需要配置PG-03卡完成速度檢測(cè)及反饋閉環(huán)。張力控制由變頻器來完成，臺(tái)達(dá)BW系列變頻器的AVI端子接受張力棍的張力輸入信號(hào)，經(jīng)過變頻器內(nèi)部的預(yù)設(shè)張力平衡參數(shù)比對(duì)計(jì)算，對(duì)張力誤差做出放卷速度的獨(dú)立張力實(shí)時(shí)控制。PLC只負(fù)責(zé)給定啟動(dòng)信號(hào)以及完成一些輔助動(dòng)作。

    ⑴ 牽伸機(jī)構(gòu)接線圖7所示。

    AMD11牽引變頻器中AVI為主調(diào)速信號(hào)，通過一個(gè)可調(diào)電位器接入；DFM為頻率數(shù)字輸出，對(duì)應(yīng)實(shí)際輸出頻率H（也可選擇對(duì)應(yīng)給定頻率F），作為實(shí)際線速度信號(hào)提供給AMD10變頻器。AMD10牽伸變頻器中AVI為擺桿信號(hào)，做為PID的反饋量進(jìn)行微調(diào)；PG03中-B接受上級(jí)發(fā)送的線速度信號(hào)作為理論頻率的計(jì)算基礎(chǔ)；DFM信號(hào)作為實(shí)際線速度信號(hào)傳送給下一級(jí)。牽伸變頻器控制的塔輪直徑固定，通過參數(shù)設(shè)定。FWD為運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，統(tǒng)一由PLC給定；MI6為1/2加減速信號(hào)，作為急停時(shí)使用。

    ⑵ 收卷機(jī)構(gòu)接線圖八8所示。

    AMD11牽引變頻器中AFM為模擬量輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)實(shí)際輸出頻率H，作為實(shí)際線速度信號(hào)提供給AMD12變頻器。AMD12收卷變頻器中AVI為擺桿信號(hào)，做為PID的反饋量；MI1為卷徑復(fù)位開關(guān)，當(dāng)收卷棍換棍時(shí)需要進(jìn)行卷徑復(fù)位操作。由于收卷變頻器控制的收卷棍直徑會(huì)變化，所以需要打開卷徑自動(dòng)計(jì)算功能。BW系列變頻器能夠自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前卷徑。

3.3 臺(tái)達(dá)BW張力控制變頻器參數(shù)調(diào)試

    ⑴設(shè)置電機(jī)銘牌參數(shù)。由于對(duì)電機(jī)低速特性有要求，所以需要使用向量控制方式。調(diào)試時(shí)需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行自整定。

    ⑵設(shè)置機(jī)械齒輪比。按照機(jī)械實(shí)際情況填寫齒輪比。

    ⑶計(jì)算理論線速度。由于本機(jī)器設(shè)計(jì)的最高線速度（牽引輪）為2.5m/s，根據(jù)公式計(jì)算，牽引變頻器工作在47hz就能夠滿足要求，于是將牽引變頻器的工作范圍定在0-50hz。有了這個(gè)基礎(chǔ)線速度，根據(jù)客戶提供的模具尺寸，就可以計(jì)算出每個(gè)塔輪上的理論線速度；根據(jù)理論線速度就可以計(jì)算出每臺(tái)變頻器的最高工作頻率。假設(shè)客戶按照下表的模具尺寸數(shù)據(jù)來選用：

模具位置	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
直徑（mm）	1.36	1.33	1.3	1.27	1.24	1.21	1.18	1.15	1.12	1.09	1.06

 
則對(duì)應(yīng)的每級(jí)牽伸的理論線速度如下表數(shù)據(jù)：

塔輪	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
線速度（m/s）	1.54	1.61	1.68	1.76	1.85	1.94	2.04	2.15	2.27	2.40	2.53

 
對(duì)應(yīng)電機(jī)的最高工作頻率如下表數(shù)據(jù)：

電機(jī)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
最高頻率（hz）	78	71	68	66	60	59	55	55	51	48	47

    ⑷PID參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，測(cè)試出一組合適的PID參數(shù)填入到相關(guān)變頻器中。

4 結(jié)束語

    經(jīng)過在客戶處長(zhǎng)期的實(shí)際拉絲運(yùn)行，整機(jī)已經(jīng)得到客戶的認(rèn)可。通過與使用國(guó)外知名品牌元件的控制設(shè)備相比，在保證性能上一致的前提下，加工效率比其提高1/3，成本上也有大幅降低。