引言

近幾年以來，在汽車制造行業(yè)中，汽車同步帶已成為發(fā)動機必不可少的零部件。汽車同步帶主要是由一根內(nèi)部具有等間距鋸齒的環(huán)行橡膠皮帶帶動齒輪進行傳動的。同步帶具有齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動等多方面的優(yōu)點。隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，如何提升原料的利用率和減少污染、提升維修質(zhì)量成為了汽車生產(chǎn)工業(yè)的主要研究目標，如：可變氣門技術(shù)(VVT)和多氣門(MVES)技術(shù)、發(fā)電/起動集成電機(ISA)等技術(shù)。這些先進技術(shù)出現(xiàn)對汽車發(fā)動機零部件的參數(shù)要求也相應嚴格，汽車同步帶作為發(fā)動機的重要組成部件也不例外。尤其從同步帶生產(chǎn)材料方面的不斷發(fā)展和完善，使得汽車同步帶的應用性能得到了很大的提高。

汽車同步帶是由美國伊爾公司20世紀中期發(fā)明的，從此引起世界傳動機構(gòu)的廣泛關(guān)注。20世紀60年代后期，汽車制造商通用公司首先在汽車上應用了同步帶，驅(qū)動汽車發(fā)動機上的凸輪。目前，國外的幾個知名的汽車同步帶生產(chǎn)廠家有日本版東、美國蓋茨(GATES)、德國的歐皮特、馬牌和力比(EP)同步帶。國內(nèi)在汽車同步帶的生產(chǎn)和開發(fā)領(lǐng)域起步較晚，在1986年，青島橡膠工業(yè)研究所引進了第一條汽車同步帶生產(chǎn)線，后來，無錫橡膠廠、洛陽橡膠制品廠、浙江余姚等也相繼引進了同步帶生產(chǎn)線。目前，我國汽車同步帶生產(chǎn)公司主要分布于江浙一帶有幾十家制造商和代理商。

伺服系統(tǒng)作為高性能控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，其性能參數(shù)的優(yōu)劣直接對控制系統(tǒng)的相應速度、穩(wěn)定性、可靠性和精度產(chǎn)生影響，機械、電氣、液壓的有效組合成為目前工業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。伺服控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中主要用于精確地定位或?qū)δ成a(chǎn)流程的反饋控制。在多數(shù)情況下，伺服系統(tǒng)的輸出量是機械位移量或速度量，伺服控制是使輸出的機械位移量跟蹤輸入的位移量。伺服系統(tǒng)主要用于按輸入命令運行，對輸入信號進行轉(zhuǎn)換和功率放大等處理，使伺服電機輸出的位置和速度都可靈活控制。由于伺服電機具有響應速度快，運行穩(wěn)定，并且定位準確的特點，目前成為同步帶成型機普遍的驅(qū)動裝置。隨著同步帶成型機市場對同步帶精度和生產(chǎn)速度的不斷提升，具有伺服控制的同步帶成型機將逐漸占領(lǐng)市場。為迎合當期的國際市場，一部分同步帶生產(chǎn)廠家在研究國外的先進生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開始研發(fā)生產(chǎn)自主品牌的同步帶成型機。

1、同步帶成型機組成機構(gòu)與生產(chǎn)流程

1.1同步帶成型機組成機構(gòu)

同步帶成型機設(shè)備主要包括主控系統(tǒng)PLC、Profane觸摸屏、伺服系統(tǒng)和其它執(zhí)行機構(gòu)等。同步帶的成型長度根據(jù)齒輪間距離而定，將線繩安裝設(shè)定張力纏繞到模具上，然后將料架上的簾布和膠片裁斷成要求長度經(jīng)過貼合，形成同步帶模型。因此，根據(jù)同步帶的成型工藝的要求，同步帶成型機設(shè)備應包含脹縮鼓，頂針，成型鼓，模具，外圈傳遞環(huán)，原料供料架，復合膠等。設(shè)備上的組成部件要求傳動速度快，定位準確，同時，當主鼓開始工作時，要求相應的輔助設(shè)備可同步供料。因此，在設(shè)計其輔助設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)時采用伺服電機控制。因原料供料架、裁斷上的輔助傳動要求同步性不是很高，因此，傳動機構(gòu)采用普通電機進行控制。各個執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部位有很多限位點和傳感器。另外還有一些氣動單元和液壓單元需要控制。一臺高效的同步帶成型機應滿足制造多種尺寸皮帶，不同規(guī)格的皮帶，可在觸摸屏上對各種生產(chǎn)工藝參數(shù)進行調(diào)整，并對各種生產(chǎn)工藝參數(shù)進行顯示和記錄。

在同步帶成型機執(zhí)行機構(gòu)中除了伺服電機外還有很多的液壓和氣動元件，變頻器采用了CAN總線的通訊方式，可通過一條電纜同時控制多臺變頻器，開關(guān)閥采用閥島控制，多點傳感器單元，采集多個編碼器數(shù)據(jù)。采用此設(shè)計可節(jié)省大量的模擬量輸入輸出和高速計數(shù)模板，因此價格上相當具有競爭力，也節(jié)省了安裝成本?？煽啃砸驳玫酱蟠筇岣摺?/p>

圖1同步帶成型機外形圖

1-線繩導開；2-控制箱；3-PLC控制柜；4-張縮鼓；5-供料機

1、線繩導開

兩組線繩S線繩和Z線繩，通過線盤由伺服電機直接驅(qū)動的連接方式。可實現(xiàn)線繩的放線和收線工作。

2、主軸傳動機構(gòu)

采用直流電機（18.5KW）作為動力源經(jīng)傳動皮帶和減速機驅(qū)動張縮鼓轉(zhuǎn)動，直流電機采用Parkar的C590直流調(diào)速器進行控制。

3、供料機

供料機分四個工位，可同時擺放四種料。通過控制三相電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)工位的切換。

4、排線裝置

排線裝置主要由排線架、伺服電機、絲杠、導線輪等組成。

5、張力加載裝置

張力的加載主要由張力傳感器、氣缸、導向桿和角度傳感器組成。

1.2同步生產(chǎn)流程

因為同步帶集成了帶傳動和齒輪傳動的優(yōu)點，所以，目前傳動帶產(chǎn)品中同步帶的應用較為廣泛。傳動帶的成型過程中，特別是要求較高的同步帶產(chǎn)品，生產(chǎn)設(shè)備直接影響了產(chǎn)品質(zhì)量。假如線繩的張力不能保持恒定，排線不均勻，則無法保證產(chǎn)品的質(zhì)量。在生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品時，排線間距應方便修改。目前國內(nèi)廠家大多采用機械摩擦式張力控制，因其控制精度較低，一直成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸，而且排線間距要通過換擋來實現(xiàn)操作極不方便。

目前同步帶的生產(chǎn)流程中硫化過程大多采用模壓法完成。成型采用相應規(guī)格的單鼓模具在成型機上成型，成型鼓可直接作為硫化鼓。先將布套套到成型鼓上，然后調(diào)整張力開始繞線，待繞線完成后貼上設(shè)定厚度的膠片，最后在兩頭用膠布貼好。硫化時，先將硫化膠套套到成型鼓上然后放入硫化缸。硫化主要分兩步完成，第一步根據(jù)設(shè)定工藝流程使內(nèi)外腔同時增壓，達到設(shè)定值時，保持一段時間，使膠料軟化。第二步保持內(nèi)壓不變，繼續(xù)增大外壓，待硫化結(jié)束后取出成型鼓，進行脫模和切割。如圖2所示為同步帶生產(chǎn)工藝流程圖。

圖2同步帶生產(chǎn)工藝流程圖

2、同步帶成型機工作原理

在觸摸屏上設(shè)置好相應的參數(shù)（如：張力大小，排線起點，排線終點等），然后點擊成型機的自動啟動按鈕，成型機是經(jīng)直流調(diào)速器帶動成型鼓進行轉(zhuǎn)動的。在主軸電機上安裝有絕對值編碼器可實時監(jiān)測到電機的轉(zhuǎn)速。通過監(jiān)測的速度控制縱向伺服電機轉(zhuǎn)動，電機通過絲杠帶動排線架移動。當主軸速度越快時縱向的移動速度也越快，反正越慢。該系統(tǒng)可有效控制繞線密度和均勻性。

3、控制系統(tǒng)設(shè)計

本控制系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏相結(jié)合的控制模式。本系統(tǒng)采用三菱PLC采用梯形圖方式進行程序編寫。程序主要包括電機手動控制功能塊、主軸調(diào)速控制功能塊、自動排線控制功能塊、張力控制功能塊、參數(shù)顯示控制與故障指示功能塊和人機界面信號交換等六大功能塊組成。組成了整個PLC程序的邏輯主體。后參數(shù)顯示和人機界面信號交換因與具體的運動控制無關(guān)，只做一些輔助處理。但對操作方便以及三菱PLC與觸摸屏之間信號的交換是必不可少的，也是程序設(shè)計中不可缺的組成部分。如圖3所示為控制系統(tǒng)總體流程圖。

圖3控制系統(tǒng)流程圖

PLC在控制系統(tǒng)中主要完成開關(guān)量信號的輸入輸出和模擬量信號的采集和輸出，人機界面則主要用于工藝參數(shù)的修正和設(shè)定、實時監(jiān)測、信息傳輸?shù)?。觸摸屏通過串口總線與PLC進行通信，可實時讀取和設(shè)置PLC內(nèi)部的參數(shù)。因觸摸屏只是設(shè)定、修改和監(jiān)測用，所以，當觸摸屏出現(xiàn)故障時，不影響成型機的使用?？刂葡到y(tǒng)的框圖如圖4所示。

圖4控制系統(tǒng)的框圖

成型機的功能設(shè)置主要包括四個部分：控制模式選擇、主軸速度設(shè)定、運行狀態(tài)監(jiān)測、收放線功能和張力設(shè)定

1、控制模式選擇

控制模式分為兩種手動和自動模式。在手動模式下，通過操作面板上的按鈕和開關(guān)對成型機進行控制。在自動模式下，可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動完成排線。

2、主軸速度設(shè)定

主軸速度可有用戶自動定義。在設(shè)定好主軸速度時，縱軸可根據(jù)主軸上的編碼器采集到的速度進行運動，從而保證繞線均勻。可設(shè)定繞線起點、終點和排線間距等。

3、運行狀態(tài)監(jiān)測

可實時監(jiān)測成型機的運行狀態(tài)：主軸速度、繞線距離、行程、故障信息與報警等。

4、收放線功能

控制伺服電機收線還是放線。

5、張力設(shè)定

張力給定值的設(shè)定和顯示，張力超限報警控制。

4、結(jié)論

本文對同步帶成型機的組成結(jié)構(gòu)，成型機的工作原理以及同步帶的生產(chǎn)工藝分別進行介紹，并在此基礎(chǔ)上，為保證繞線張力的恒定和繞線密度的均勻，設(shè)計了已三菱PLC為核心，以伺服電機為驅(qū)動機構(gòu)、傳感器檢測等輔助的伺服系統(tǒng)控制方案。最終經(jīng)實踐證明，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)可滿足同步帶生產(chǎn)工藝的要求，并且性能可靠，操作方便。

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