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:l 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:l 拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)比較為重要的環(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)，因此其控制也比較為復(fù)雜。

收線:l 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。

圖1 并列式拉絲機(jī)

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，比較大進(jìn)線直徑2.4mm，比較小出線直徑0.3mm，比較高線速度2.5m/s。塔輪直徑均為250mm，牽引輪直徑為360mm，收卷輪比較小直徑為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

圖2 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

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。

圖3 牽伸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

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 牽引驅(qū)動(dòng)參數(shù)

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。

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(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。