摘要:本文通過對(duì)輪胎成型機(jī)工藝及控制理論的研究。設(shè)計(jì)了有三菱PLC控制器，VVVF和變頻調(diào)速電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、利用PLC控制器對(duì)各階段時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，采用開環(huán)變頻調(diào)速控制成型機(jī)，提高了自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了工藝的優(yōu)化、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，針對(duì)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問題提供了理論上的說明，有助于提高輪胎成型機(jī)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)更新和發(fā)展。通過實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)能滿足成型機(jī)生產(chǎn)的需要并具有技術(shù)先進(jìn)性和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的管控一體化，在工業(yè)控制的發(fā)展中有著廣闊的應(yīng)用前景。

前言

近幾年來，我國的汽車生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)量持續(xù)快速增長，極大地促進(jìn)了齒輪、聯(lián)軸器相關(guān)設(shè)備的發(fā)展，在齒輪和聯(lián)軸器壓成型工藝中，輪胎裝置多采用手動(dòng)給工件、吹風(fēng)的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)效率和安全系數(shù)比較差。

子午結(jié)構(gòu)輪胎的出現(xiàn)是輪胎工業(yè)的一次重大技術(shù)革命，是輪胎更新?lián)Q代的產(chǎn)品。子午線輪胎比斜交輪胎有許多優(yōu)越性，如磨耗性能提高60～120％；滾動(dòng)阻力比斜交輪胎低30～40％；可節(jié)油6～8％；側(cè)向力可提高50％牽引力及剎車能力可以提高10～20％；徑向彈性率比斜交胎約低18％；另外，徑向彈性率小，可提高舒適性；高速性能比斜交輪胎高；噪音比斜交輪胎小；如采用鋼絲帶束層可提高耐機(jī)械性能。這些優(yōu)越性能主要是兩者輪胎的結(jié)構(gòu)不同。子午線輪胎的優(yōu)越性能取決于子午線輪胎的堅(jiān)固帶束層胎冠和柔軟的胎體。子午線輪胎的力學(xué)性能，特別是帶束層和胎體的關(guān)系比較復(fù)雜，而改善胎冠帶束層的堅(jiān)固性會(huì)影響到子午線輪胎的操縱性能，不象斜交輪胎在改善胎冠緩沖層的角度和密度時(shí)不會(huì)影響斜交輪胎的性能，只有改變斜交胎體的密度和角度時(shí)，才會(huì)影響輪胎質(zhì)量。子午線輪胎的帶束層和胎體部分，各有自己的作用。子午線輪胎的帶束層起決定性的作用，帶束層會(huì)影響到子午線輪胎的側(cè)向力、高速性能、耐磨性能等。而胎體會(huì)影響到輪胎的舒適性和牽引力。另外改變胎體的角度90°至85°會(huì)改變其均勻性能。由于子午線輪胎的徑向堅(jiān)固性比帶束層高，子午線輪胎的力學(xué)特性和斜交胎不同。子午線輪胎的結(jié)構(gòu)特性引起了汽車工業(yè)的關(guān)注，特別是子午線輪胎的側(cè)向力的提高，增加了汽車的操縱穩(wěn)定性，滿足汽車高速度的要求。因此，在國際上，子午線輪胎發(fā)展是很快的。各種類型的機(jī)動(dòng)車都在使用子午線結(jié)構(gòu)的輪胎，如工程車、拖拉機(jī)、轎車、輕、重型載重車等。在20世紀(jì)80年代，法國航空飛機(jī)也采用了子午線輪胎。

針對(duì)用戶群的實(shí)際情況，從高可靠性和高性價(jià)比方面考慮，開發(fā)一種由PLC控制器、變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)和減速器組成，采用數(shù)控變頻器調(diào)速技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)，不僅可以完成牽引工藝的流程，系統(tǒng)還便于維護(hù)以及調(diào)速。這種方案和采用晶體管整流器和直流電動(dòng)機(jī)，加上測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)的方案比較，在性能與價(jià)格相當(dāng)?shù)那闆r下，具有高可靠性、節(jié)約能量、維護(hù)工作量少的優(yōu)點(diǎn)。與采用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)方案相比較同樣采用上述優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格低廉，易于開拓市場。

1輪胎成型機(jī)基本結(jié)構(gòu)

輪胎成型機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，本文中的輪胎成型機(jī)是2800工程輪胎成型機(jī)。結(jié)構(gòu)主要由頭座、尾座、壓輥、扣圈盤、反包裝置、簾布筒擴(kuò)張器、上簾布筒裝置、氣壓控制裝置、油液壓電氣裝置、電氣控制裝置等組成。各部分的功能和作用分別如下：

頭座：是一個(gè)用來安裝主動(dòng)力裝置，成型鼓擴(kuò)張和折疊裝置的支架。頭座支撐著下列裝置：主軸、扣圈盤、右反包裝置、成型鼓的擴(kuò)張和收縮裝置等。主要作用是專門用來縮小和擴(kuò)張成型鼓，完成主軸的旋轉(zhuǎn)和成型機(jī)頭的調(diào)距功能。

尾座裝置：尾座和頭座相對(duì)。個(gè)安裝在成型鼓的一邊，尾座上的軸支撐頭座上的主軸，扣圈盤在軸上來回滑動(dòng)。

壓輥：壓輥裝置由兩個(gè)胎面壓輥，兩個(gè)鋼絲壓輥組成。兩邊的胎面壓輥和鋼絲圈壓輥分別裝在兩邊的滑架上。

扣圈盤：扣圈盤是由頭座的右邊和尾座的左邊的元件所組成。這些裝置由一對(duì)氣缸啟動(dòng)。右邊的裝置由安裝在成型鼓軸上的軸套引導(dǎo)；左邊的裝置由尾座引導(dǎo)，以保證扣圈盤與成型鼓之間中心位置的精確性。

拉出環(huán)裝置：拉出環(huán)由左右兩邊的設(shè)備組成，用來反包簾布筒。右邊的裝置裝在軸套上，軸套是由主軸引導(dǎo)的，由兩個(gè)液壓缸控制裝置前進(jìn)或后退，壓縮空氣控制它的擴(kuò)張。

簾布擴(kuò)張裝置：簾布擴(kuò)張器由箱體、主軸、氣缸、傘形撐布架等組成，是用來擴(kuò)張簾布筒，以便裝上成型鼓的裝置，其作用是將套入的簾布筒擴(kuò)撐展開送到成型鼓左側(cè)，并配合上牽引裝置將布筒導(dǎo)入成型鼓。機(jī)械手的擴(kuò)張和折疊由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由限位開關(guān)控制。

氣動(dòng)裝置：這些裝置包括電磁閥、調(diào)節(jié)器、空氣過濾器、潤滑器等。

油液壓裝置：該裝置由泵、油箱、溢流閥等組成。

電氣控制設(shè)備：主要由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的。電氣設(shè)備如下：控制盤、主操作盤、

尾座操作箱。簾布筒擴(kuò)張器操作箱、上簾布筒操作箱。

2電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1電氣總體方案設(shè)計(jì)

本文對(duì)生產(chǎn)輪胎的成型機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)與研究，開發(fā)一種基于觸摸屏監(jiān)控，PLC控制和VVVF驅(qū)動(dòng)控制的監(jiān)控系統(tǒng)，即在完成自動(dòng)控制的基礎(chǔ)上利用觸摸屏開發(fā)軟件設(shè)計(jì)出上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)下位機(jī)參數(shù)和生產(chǎn)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝控制要求，并對(duì)事后分析生產(chǎn)情況提供第一手資料。

該系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：以觸摸屏為載體的監(jiān)控系統(tǒng)程序、硬件控制電路間的通信模塊、PLC控制器、二極管顯示電路、按鍵模塊等。以觸摸屏為載體的監(jiān)控程序通過實(shí)時(shí)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、重要參數(shù)的設(shè)定、顯示和打印各種數(shù)據(jù)報(bào)表。整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為觸摸屏監(jiān)控部分和PLC控制VVVF驅(qū)動(dòng)控制部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1電氣控制方案設(shè)計(jì)

2.2PLC驅(qū)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

以PLC控制器+變頻器+變頻電機(jī)組成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，VVVF驅(qū)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

PLC控制器控制電機(jī)的四種狀態(tài)的時(shí)間來控制變頻電機(jī)。并可在線調(diào)整工藝參數(shù)、改變電機(jī)速度、頻率和間距。

2.3PLC時(shí)間控制要求

根據(jù)生產(chǎn)工藝技術(shù)與裝備對(duì)拖動(dòng)電機(jī)的要求，牽引機(jī)構(gòu)在每個(gè)周期中速度變化規(guī)律包含四個(gè)階段如圖3所示。圖中v為設(shè)定的牽引機(jī)速度，t為電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。

圖3電機(jī)運(yùn)行技術(shù)要求時(shí)間圖

控制流程如下：

設(shè)置四段時(shí)間T1—正向牽引時(shí)間、T2—正向停止時(shí)間、T3反向后退時(shí)間和T4—反向停止時(shí)間；

T1、T2、T3、T4時(shí)間再0…99時(shí)間獨(dú)立可調(diào)。

電機(jī)用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速；

T1、T2、T3、T4時(shí)間可在人機(jī)界面上顯示，并可在觸摸屏上修改；

啟動(dòng)從T1開始，停止在T2進(jìn)行；

電機(jī)的三種狀態(tài)（正傳、反轉(zhuǎn)、停止）可通過三種不同顏色的指示燈；

電機(jī)的三種狀態(tài)（正傳、反轉(zhuǎn)、停止）可通過人機(jī)界面也能監(jiān)視；

有正、反向點(diǎn)動(dòng)控制，點(diǎn)動(dòng)速度單獨(dú)可調(diào)；

頻率調(diào)節(jié)范圍0~100HZ，頻率調(diào)節(jié)精度1HZ。

為了編程的方便，PLC控制器控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4PLC控制器控制結(jié)構(gòu)圖

3PLC與變頻器通信

控制系統(tǒng)采用具有兩路模擬量輸出的FX2N-2DA模塊對(duì)變頻器進(jìn)行速度控制。模擬量模塊選擇0~5V輸出信號(hào)。分別將模塊的VOUT1與COM1與變頻器相關(guān)端子相連。PLC與變頻器相連如圖5所示。

圖5PLC與變頻器接線圖

4結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用PLC控制器發(fā)送控制信號(hào)給變頻器來控制電機(jī)，采用觸摸屏和機(jī)械按鍵控制PLC。觸摸屏的操作方便、實(shí)時(shí)性好，能夠直觀反映設(shè)備的工作狀態(tài)，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)械按鈕控制可以保證在特殊情況下的運(yùn)行，從而保證安全生產(chǎn)。本設(shè)計(jì)在降低能耗、保護(hù)資源環(huán)境等方面也具有很好的前景。