直驅式r型變壓器曲線開料機伺服進刀系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統，包括：工業觸摸屏、嵌入式工業控制器、伺服驅動器、伺服電機、電動缸、刀架平移結構、滾動刀具、光柵尺、料帶測長裝置；其中：滾動刀具安裝于刀架平移結構，刀架平移結構與電動缸剛性相連，電動缸（缸體與伺服電機為一體化結構）通過伺服電機的控制電纜與伺服驅動器相連接，伺服驅動器通過控制電纜與嵌入式工業控制器相連，嵌入式工業控制器通過通訊總線與工業觸摸屏連接。本實用新型機械設計結構簡單、控制精度高，控制系統實現全模塊化設計，大大提高了系統的可靠性、靈活性，并降低了系統維護的難度。
【專利說明】直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種變壓器鐵芯開料加工【技術領域】的裝置，具體涉及的是一種直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統。
【背景技術】
[0002]R型鐵芯變壓器是國外20世紀80年代發展起來的一種新型變壓器，與傳統變壓器相比具有結構簡單、空載電流小、體積小、重量輕、材料省、漏磁小、損耗小、溫升低、噪聲低、安全性好等優點。而R型圓截面卷鐵芯的加工制造質量直接關系到變壓器產品性能的好壞。
[0003]從R型鐵芯的制造工藝來看，R型鐵芯生產設備是由開料機、卷繞機等設備組成，開料機按長寬函數關系裁剪出的帶形準確性，是保證生產出符合圓度要求鐵心的重要因素之一。
[0004]常規的曲線裁剪控制，其剪切的主要部分由兩個刀架(前刀架、后刀架)構成，每個刀架由兩個步進電機控制，兩個步進分別控制刀架刀頭的橫向方向位移和旋轉位移。具體控制方法為:當系統工作時，展開帶經過測長輥，帶長檢測傳感器檢測帶材的總長，計算機根據測得的帶料總長將控制數據分別輸出到步進電機的驅動部分，以實現對兩個刀頭位移與角度的控制，從而控制曲線剪切。經檢索發現，專利申請號92231491.8就記載了一種圓截面鐵芯多根曲線硅鋼帶開料機，包括多個依序排列的刀架裝置，由于每個刀架裝置設有兩個橫向相對的刀架，各刀架上設有上刀片和階梯式下刀片，該刀架可隨下方的轉盤及橫向拖板通過可編程控制器控制的步進電機作同步轉動和橫向位移，刀具進給精度不高，影響了鐵芯曲線開料加工的精度。
[0005]數控裁剪是目前采用較多的方案，但主要集中在數控裁剪系統的各種機構設計上。經過對現有技術檢索，專利申請號98226641.3與專利申請號97208956.X分別記載了一種套裁式鋼帶曲線開料機和圓截面變壓器鐵芯曲線鋼帶裁剪機，內容僅涉及鐵芯曲線鋼帶裁剪裝置的結構設計，很少涉及機械結構與控制一體化的綜合解決方法，數控裁剪技術的應用受到很多限制，不能充分發揮數控裁剪的技術優勢。
實用新型內容
[0006]本實用新型針對現有技術存在的上述不足，提供一種直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統。本實用新型在基本數控裁剪開料機設備的基礎上，曲線開料機的裁剪控制系統采用特殊的機構和電子凸輪功能來實現對曲線裁剪的精確控制。
[0007]一種直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統，其特征在于，包括:工業觸摸屏、嵌入式控制器、伺服驅動器、電動缸、光柵尺、刀架平移平臺、滾動刀具、長度檢測器、伺服電機、阻尼器、轉動底盤；所述工業觸摸屏通過通訊總線與嵌入式控制器通訊接口連接、嵌入式控制器通過通訊總線分別與伺服驅動器連接，伺服驅動器通過控制電纜與伺服電機連接，伺服電機與電動缸為一體化結構，電動缸輸出推桿與刀架平移平臺剛性連接，刀架平移平臺與光柵尺相連，光柵尺與嵌入式控制器通過信號線相連，固定在刀架平移平臺上的轉動底盤與阻尼器連接。
[0008]優選地是，包括:工業觸摸屏、嵌入式控制器、第一伺服驅動器、第一電動缸、第二伺服驅動器、第二電動缸、第一光柵尺、第一刀架平移平臺、第二光柵尺、第二刀架平移平臺、第一滾動刀具、第二滾動刀具、長度檢測器、第一伺服電機、第二伺服電機、第一阻尼器、第二阻尼器、第一轉動底盤、第二轉動底盤；其中:觸摸屏通過通訊總線與嵌入式控制器通訊接口連接、嵌入式控制器通過通訊總線分別與第一伺服驅動器、第二伺服驅動器連接，第一伺服驅動器通過控制電纜與第一伺服電機連接，第一伺服電機與第一電動缸為一體化結構，第一電動缸輸出推桿與刀架平移平臺剛性連接，第一刀架平移平臺與第一光柵尺相連，第一光柵尺與嵌入式控制器通過信號線相連，固定在第一刀架平移平臺上第一轉動底盤與第一阻尼器連接；同時伺服驅動器通過控制電纜與第二伺服電機連接，第二伺服電機與第二電動缸為一體化結構，第二電動缸輸出推桿與第二刀架平移平臺剛性連接，第二刀架平移平臺與第二光柵尺相連，第二光柵尺與嵌入式控制器通過信號線相連，固定在第二刀架平移平臺上的第二轉動底盤與第二阻尼器連接，嵌入式控制器通過信號線與長度檢測器相連接。
[0009]優選地是，所述的工業觸摸屏，完成曲線開料機的工藝參數設定、狀態監測數據的顯示與分析；所述的嵌入式控制器，實現進刀位置控制和補償算法，為伺服驅動器提供開料曲線給定數據，完成對切割刀具進刀位置控制，以及料帶寬度反饋信息的分析處理、開料機運行狀態監測數據的采集與分析；所述的第一電動缸和第二電動缸直接驅動第一刀架平移平臺和第二刀架平移平臺分別帶動第一滾動刀具和第二滾動刀具作橫向平移運動；所述的第一光柵尺、第二光柵尺，完成對第一滾動刀具和第二滾動刀具位移量的精確測量，為嵌入式控制器提供刀具的位置信息及復位信息；所述的長度檢測器主要完成檢測加工料帶的長度并送入嵌入式工業控制器，根據料帶長度與開料寬度的位置對應關系，實時計算開料曲線寬度數據，以確定開料加工時曲線料帶的寬度。
[0010]優選地是，通過光柵尺實時檢測開料刀具位置，并直接反饋給開料控制器，構成一個真正意義上的料帶曲線寬度的閉環控制系統；通過在一個料帶長度加工周期內記錄下所有的料帶曲線寬度數據，并與上個周期內的開料曲線數據進行比較，并進行修正，生成一個新的開料曲線寬度數據表，供加工下一個料帶時調用，實現開料曲線寬度的動態補償控制。
[0011]優選地是，控制結構上采用分布式系統結構，同步控制的刀架數量將不再受限制，同步精度更高；伺服電機控制功能下移，三環(電流、速度、位置)控制功能全部由伺服驅動器完成；開料控制器主要完成開料曲線控制數據生成和補償算法的軟件實現，以提高系統執行效率；機械結構上采用了轉動底盤和阻尼器的機構來實現刀架的轉角運動，通過此結構，刀架的轉角不再由控制系統控制，而是由機械隨動系統自動地、高速地跟隨硅鋼帶的進給和滾刀的橫移，控制系統只對刀架的橫向移動作準確的控制。
[0012]本實用新型中的直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統，包括:工業觸摸屏、嵌入式工業控制器、伺服驅動器、伺服電機、電動缸、刀架平移結構、滾動刀具、光柵尺、料帶測長裝置；其中:滾動刀具安裝于刀架平移結構，刀架平移結構與電動缸剛性相連，電動缸(缸體與伺服電機為一體化結構)通過伺服電機的控制電纜與伺服驅動器相連接，伺服驅動器通過控制電纜與嵌入式工業控制器相連，嵌入式工業控制器通過通訊總線與工業觸摸屏連接。
[0013]所述的工業觸摸屏，主要完成曲線開料機的工藝參數設定、狀態監測數據的顯示與分析。
[0014]所述的嵌入式工業控制器，主要實現進刀位置控制和補償算法，為伺服驅動器提供開料曲線給定數據，完成對切割刀具進刀位置控制，以及料帶寬度反饋信息的分析處理、開料機運行狀態監測數據的采集與分析等。
[0015]所述的伺服驅動器接受開料控制器的運動控制指令，通過驅動伺服電機將料帶加工寬度位置信息轉換為伺服電機的旋轉角度運動。
[0016]所述的電動缸，通過將伺服電機的旋轉角度運動轉換為直線運動輸出，直接驅動刀架平移機構帶動刀具作橫向平移。
[0017]所述的刀架平移機構，主要起到安裝與固定刀架、帶動刀具平移的作用，同時緩沖因料帶切割過程中的橫向分力而引起突跳現象(該現象造成刀具磨損和開料次品)。
[0018]所述的滾動刀具，完成對料帶的切割。
[0019]所述的光柵尺，主要完成對刀具位移量的精確測量，為嵌入式控制器提供刀具位置信息及復位信息。
[0020]所述的料帶測長裝置主要完成檢測加工料帶的長度并送入嵌入式工業控制器，根據料帶長度與開料寬度的位置對應關系，實時計算開料曲線寬度數據，以確定開料加工時曲線料帶的寬度。
[0021]本實用新型中，第一伺服驅動器與第二伺服驅動器合稱伺服驅動器。第一電動缸和第二電動缸合稱電動缸。第一光柵尺和第二光柵尺合稱光柵尺。第一刀架平移平臺和第二刀架平移平臺合稱刀架平移平臺。第一滾動刀具和第二滾動刀具合稱滾動刀具。第一伺服電機和第二伺服電機合稱伺服電機。第一阻尼器和第二阻尼器合稱阻尼器。第一轉動底盤和第二轉動底盤合稱轉動底盤。
[0022]本實用新型通過以下方式進行工作:開料機系統由嵌入式控制器輸出控制剪切機構動作的數據，并把控制數據轉化成控制前后刀架運動的控制信號，最后把帶材裁剪成指定形狀的帶材。帶料的曲線形狀通過軟件生成控制數據來控制，通過參數的修改獲得不同的控制數據，實現對曲線的控制；控制軟件生產的加工數據是按一定單位等分每圈長度而實現的，調整單位的數值就可以獲得更詳細的控制數據，從而控制電機的運動來提高加工的精度。基本工作過程是:在基本開料系統啟動時，開料控制器根據所加工的R型變壓器鐵芯規格，通過R型鐵芯展開帶裁剪算法計算出開料曲線的理論值，當開料控制器檢測到開料機各機構準備工作就緒后，就可以直接啟動工作。整個工作分為兩個階段:第一階段為復位階段，主要是確定料帶加工的起始位置，長度傳感器計數清零，開料刀具平移到料帶曲線起始寬度位置處，為正常開料加工工作做好準備；第二階段為正常曲線開料加工階段，此階段工作過程為:在一個料帶長度加工周期內，依據R型鐵芯展開帶裁剪算法計算出開料理論曲線，并由開料控制器生成開料曲線數據，再依據開料曲線插值算法生成與料帶長度信息對應的可用于開料加工料帶曲線的寬度數據表，開料加工時開料控制器根據長度傳感器檢測到的長度信息，直接查表獲得料帶曲線寬度數據，然后經過計算轉換成伺服電機旋轉的的角度信息，再依據伺服控制電子凸輪，將伺服電機旋轉角度位置轉換成脈沖信息直接輸出給伺服驅動器，通過驅動電動缸一體化電機將電機旋轉運動變換為加工刀具的橫向直線運動，帶動開料刀具平移至料帶所需寬度位置處，從而完成開料加工過程。
[0023]現有技術中，雖然伺服電機本身的角度運動控制可以實現閉環控制，但開料刀具與伺服電機之間含有機械耦合機構，因此機械傳動裝置間隙會帶來機械累計誤差，開料刀具的平移量(料帶寬度實際值)與伺服電機的旋轉角度(理論寬度信息)之間存在一定的誤差，也就是說，現有技術并不能補償由于機械傳動裝置帶來的料帶加工誤差，本質上是一個料帶曲線開料加工開環系統，因此，本實用新型設計一種利用電動缸直接驅動開料刀具進行進刀系統，并通過光柵尺實時檢測開料刀具位置(料帶曲線寬度)，并直接反饋給開料控制器，構成一個真正意義上的料帶曲線寬度的閉環控制系統。此外，通過在一個料帶長度加工周期內記錄下所有的料帶曲線寬度數據，并與上個周期內的開料曲線數據進行比較，并進行適當修正，從而生成一個新的開料曲線寬度數據表，供加工下一個料帶時調用，能夠實現開料曲線寬度的動態補償控制。
[0024]與現有技術相比，本實用新型控制結構上采用分布式系統結構，同步控制的刀架數量將不再受限制，同步精度更高；伺服電機控制功能下移，三環(電流、速度、位置)控制功能全部由伺服驅動器完成，響應更快。開料控制器主要完成開料曲線控制數據生成和補償算法的軟件實現，系統執行效率更高。機械結構上采用了旋轉底盤加阻尼器的機構來實現刀架的轉角運動。在裁剪的過程中，硅鋼帶的縱向進給運動，與橫向進給運動產生一個合力，該合力為刀架產生一個法向力，從而實現刀架在旋轉式底盤上的旋轉運動，當刀架在旋轉偏離原點時，底盤前后對稱的阻尼器對刀架產生一個回歸原點的法向力，從而實現角度不斷變化的曲線加工。通過此結構，刀架的轉角不再由控制系統控制，而是由機械隨動系統自動地、高速地跟隨硅鋼帶的進給和滾刀的橫移，控制系統只對刀架的橫向移動作準確的控制，進一步保證變壓器鐵芯加工質量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型系統結構示意圖。
[0026]圖2為本實用新型控制系統結構圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本實用新型的實施例作詳細說明:本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。
[0028]如圖1所示，本實施例為雙套裁剪開料機，包括:觸摸屏1、嵌入式控制器2、第一伺服驅動器3、第一電動缸4、第二伺服驅動器5、第二電動缸6、第一光柵尺7、第一刀架平移平臺8、第二光柵尺9、第二刀架平移平臺10、第一滾動刀具11、第二滾動刀具12、長度檢測器13、鐵芯料帶14、第一伺服電機15、第二伺服電機16、第一阻尼器17、第二阻尼器18、第一轉動底盤19、第二轉動底盤20。其中:觸摸屏I通過通訊總線與嵌入式控制器2通訊接口連接、嵌入式控制器2通過通訊總線分別與第一伺服驅動器3、第二伺服驅動器5連接，第一伺服驅動器3通過控制電纜與第一伺服電機15連接,第一伺服電機15與第一電動缸4為一體化結構，第一電動缸4輸出推桿與第一刀架平移平臺8剛性連接，第一刀架平移平臺8與第一光柵尺7相連，第一光柵尺7與嵌入式控制器2通過信號線相連,固定在第一刀架平移平臺8上的第一轉動底盤19與第一阻尼器17連接；同時第二伺服驅動器5通過控制電纜與第二伺服電機16連接，第二伺服電機16與第二電動缸6為一體化結構,第二電動缸6輸出推桿與第二刀架平移平臺10剛性連接，第二刀架平移平臺10與第二光柵尺9相連，第二光柵尺9與嵌入式控制器2通過信號線相連，固定在第二刀架平移平臺10上的第二轉動底盤20與第二阻尼器18連接，嵌入式控制器2通過信號線與長度檢測器13相連接。
[0029]所述的工業觸摸屏1，主要完成曲線開料機的工藝參數設定、狀態監測數據的顯示與分析。
[0030]所述的嵌入式控制器2，主要實現進刀位置控制和補償算法，為伺服驅動器提供開料曲線給定數據，完成對切割刀具進刀位置控制，以及料帶寬度反饋信息的分析處理、開料機運行狀態監測數據的采集與分析等。
[0031]所述的第一伺服驅動器3、第二伺服驅動器5同時接受開料控制器的運動控制指令，通過驅動第一伺服電機15和第二伺服電機16將料帶加工寬度位置信息轉換為伺服電機的旋轉角度運動。
[0032]所述的第一電動缸4和第二電動缸6,通過將第一伺服電機15和第二伺服電機16的旋轉角度運動轉換為直線運動輸出，直接驅動第一刀架平移平臺8和第二刀架平移平臺10分別帶動第一滾動刀具11和第二滾動刀具12作橫向平移運動。
[0033]所述的第一光柵尺7、第二光柵尺9，主要完成對第一滾動刀具11和第二滾動刀具12位移量的精確測量，為嵌入式控制器2提供刀具的位置信息及復位信息。
[0034]所述的長度檢測器13主要完成檢測加工料帶的長度并送入嵌入式工業控制器2，根據料帶長度與開料寬度的位置對應關系，實時計算開料曲線寬度數據，以確定開料加工時曲線料帶的寬度。
[0035]本實施例通過以下方式進行工作:首先，通過觸摸屏I選擇待加工R型變壓器鐵芯型號，依據展開帶裁剪算法計算出開料曲線理論值，當嵌入式控制器2檢測到開料機各機構準備工作就緒后，就可以直接啟動工作。整個過程分為兩個階段:第一階段為復位階段，主要是確定料帶曲線寬度的起始位置，第一滾動刀具11、第二滾動刀具12平移到料帶加工曲線起始寬度位置處，同時長度檢測器清零，為正常開料加工工作做好準備；第二階段為正常曲線開料加工階段，此階段工作過程為:在加工起機后第一個鐵芯曲線料帶時，依據通過工業觸摸屏I獲取的曲線料帶的理論曲線，由嵌入式控制器2生成開料曲線數據，再依據開料曲線插值算法生成與料帶長度信息對應的可用于開料加工料帶曲線的寬度數據表，開料加工時嵌入式控制器2根據長度檢測器13檢測到的長度信息，直接讀取料帶寬度數據表獲得的料帶曲線寬度數據，然后經過計算轉換成第一伺服電機15和第二伺服電機16旋轉角度，利用第一伺服驅動器3、第二伺服驅動器5的電子凸輪功能，將第一伺服電機15和第二伺服電機16的旋轉角度轉換成脈沖信息直接輸出給第一伺服驅動器3、第二伺服驅動器5，控制第一伺服電機15、第二伺服電機16帶動第一電動缸4、第二電動缸6直接驅動第一刀架平移平臺8和第二刀架平移平臺10，帶動開料第一滾動刀具11和第二滾動刀具12平移至開料曲線寬度位置處，完成一個鐵芯料帶開料加工過程。
[0036]實施例中利用第一電動缸4、第二電動缸6直接驅動第一刀架平移平臺8和第二刀架平移平臺10，帶動開料第一滾動刀具11和第二滾動刀具12橫向平移，并通過第一光柵尺7和第二光柵尺9實時檢測第一滾動刀具11和第二滾動刀具12的位置(料帶曲線寬度)，并反饋給嵌入式控制器2，實現對料帶曲線寬度的閉環控制。此外，通過在一個料帶長度加工周期內記錄下所有的料帶曲線寬度數據，并與上個周期內的開料曲線數據進行比較，并進行適當修正，從而生成一個新的開料曲線寬度數據表，供加工下一個料帶時調用，實現開料曲線寬度的動態補償控制，開料精度更高，以此類推，周而復始。本實施例中控制系統采用分布式系統結構，觸摸屏I與嵌入式控制器2采用MODBUS總線進行數據交換，嵌入式控制器2與第一伺服驅動器3、第二伺服驅動器5通過EtherCAT總線連接，可以實現數據的高速傳送，控制的實時性與伺服驅動的同步精度更高(小于500us)，可以實現高速開料加工。在裁剪過程中，鐵芯料帶的縱向進給運動，與橫向進給運動產生一個合力，該合力為刀架產生一個法向力，從而實現刀架在第一轉動底盤19、第二轉動底盤20上的旋轉運動，當刀架在旋轉偏離原點時，底盤前后對稱的第一阻尼器17、第二阻尼器18對刀架產生一個回歸原點的法向力，從而實現角度不斷變化的曲線加工。通過此結構，刀架的轉角不再由控制系統控制，而是由機械隨動系統自動地、高速地跟隨硅鋼帶的進給和滾刀的橫移，控制系統只對刀架的橫向移動作準確的控制，進一步提高了變壓器鐵芯加工質量。
[0037]本實施例通過實驗方法進行了驗證，驗證環境為:雙料帶套裁加工開料機(最高車速120m/min)。本實施例能夠通過設定與修改工藝控制參數，完成開料刀具進給控制演示任務，通過改變現有的控制參數，可以實時檢驗鐵芯曲線開料加工的控制效果。
【權利要求】
1.一種直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統，其特征在于，包括:工業觸摸屏、嵌入式控制器、伺服驅動器、電動缸、光柵尺、刀架平移平臺、滾動刀具、長度檢測器、伺服電機、阻尼器、轉動底盤；所述工業觸摸屏通過通訊總線與嵌入式控制器通訊接口連接、嵌入式控制器通過通訊總線分別與伺服驅動器連接，伺服驅動器通過控制電纜與伺服電機連接，伺服電機與電動缸為一體化結構，電動缸輸出推桿與刀架平移平臺剛性連接，刀架平移平臺與光柵尺相連，光柵尺與嵌入式控制器通過信號線相連，固定在刀架平移平臺上的轉動底盤與阻尼器連接。
2.根據權利要求1所述的直驅式R型變壓器曲線開料機伺服進刀系統，其特征在于，包括:工業觸摸屏(I)、嵌入式控制器(2)、第一伺服驅動器(3)、第一電動缸(4)、第二伺服驅動器(5)、第二電動缸(6)、第一光柵尺(7)、第一刀架平移平臺(8)、第二光柵尺(9)、第二刀架平移平臺(10)、第一滾動刀具(11)、第二滾動刀具(12)、長度檢測器(13)、第一伺服電機(15)、第二伺服電機(16)、第一阻尼器(17)、第二阻尼器(18)、第一轉動底盤(19)、第二轉動底盤(20);其中:觸摸屏(I)通過通訊總線與嵌入式控制器(2)通訊接口連接、嵌入式控制器(2)通過通訊總線分別與第一伺服驅動器(3)、第二伺服驅動器(5)連接，第一伺服驅動器(3)通過控制電纜與第一伺服電機(15)連接,第一伺服電機(15)與第一電動缸(4)為一體化結構，第一電動缸(4)輸出推桿與刀架平移平臺(8)剛性連接，第一刀架平移平臺(8)與第一光柵尺(7)相連,第一光柵尺(7)與嵌入式控制器(2)通過信號線相連，固定在第一刀架平移平臺(8)上第一轉動底盤(19)與第一阻尼器(17)連接；同時伺服驅動器(5)通過控制電纜與第二伺服電機(16)連接，第二伺服電機(16)與第二電動缸(6)為一體化結構，第二電動缸(6)輸出推桿與第二刀架平移平臺(10)剛性連接，第二刀架平移平臺(10)與第二光柵尺(9)相連，第二光柵尺(9)與嵌入式控制器(2)通過信號線相連，固定在第二刀架平移平臺(10)上的第二轉動底盤(20)與第二阻尼器(18)連接，嵌入式控制器(2)通過信號線與長度檢測器(13)相連接。
【文檔編號】B23Q15/22GK203484978SQ201320457901
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2012年9月26日
【發明者】沈春華, 李銳華, 胡波, 李豪, 王勇, 湯偉榮, 林峰, 劉宏 申請人:上海埃斯凱變壓器有限公司