专利名称：预应力模具数控钢带缠绕设备及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种预应力模具数控钢带缠绕设备及其控制方法，可用于钢带缠绕预
应力模具制造。
背景技术：
钢带缠绕预应力模具是一种新型的高强度、高精度预应力模具，具有预紧效果显 著、使用寿命长、产品精度高、结构紧凑等优点，可广泛用于金属零件冷/温锻精密成形、超 硬材料人工合成以及超高压实验等领域，实现对传统年轮式多层组合预应力模具的升级换 代。它采用高强度薄钢带作为缠绕材料，按照预先设定的缠绕张力理论曲线，在模具的外圆 周表面实施变张力缠绕，形成数百至数千层的缠绕钢带层，通过控制缠绕张力，可获得理想 的模具预应力分布。钢带缠绕预应力模具涉及预应力设计理论和模具缠绕制造两方面的核 心技术，前者的任务是，首先根据模具结构参数、材料性能、工作载荷等条件确定出理想预 应力，然后根据钢带的规格尺寸、材料性能等条件设计出缠绕钢带层数、缠绕张力理论曲线 等；后者的任务是，完成钢带缠绕预应力模具的制造，其核心技术是模具缠绕过程中钢带缠 绕张力的产生、检测与精确控制，涉及到精密张力控制系统、闭环控制理论及系统、张力检 测技术等关键技术，其中最为关键的技术内容是阻力的产生方式与精确控制。模具缠绕过 程中，缠绕张力随钢带层数的增加而减小，单位张力高达600 1000MPa，张力控制精度要 求较高。上述特点与要求使得制造钢带缠绕预应力模具存在非常大的技术难度，数控钢带 缠绕设备及其控制方法成为了钢带缠绕预应力模具制造的重要装备。 为了解决钢带缠绕预应力模具制造技术中存在的困难，本专利申请人曾申请了一 种名为"用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置及其控制方法"的发明专利(申请号 200810013799. 2)，提出了由液压驱动的张力控制机构，所述机构由张力粗调装置、张力细 调装置两部分组成，其中张力细调通过比例控制的电液伺服系统实现，钢带巻放置在开巻 机架上可绕其芯轴自由转动，无动力驱动。但它只是给出了一种解决钢带缠绕预应力模具 制造困难的技术方案，可解决该问题的方式还有很多。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术的空缺，提供一种预应力模具数控钢带缠绕
设备及其控制方法，它可依据模具设计数据和缠绕张力理论曲线，实现闭环控制下的变张
力自动缠绕和模具缠绕制造过程的自动化。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 —种预应力模具数控钢带缠绕设备，它包括开巻机构、夹紧机构、张力检测机构、 缠绕机构、旋转编码器装置和电气控制系统。机械部件采用模块式分体结构，通过螺栓连接 成组合机身。钢带巻被夹持在开巻机构的主轴套筒上，钢带通过各导轮装置改变运动方向， 依次通过夹紧机构、张力检测机构，被缠绕在由缠绕机构主轴卡盘夹持的模具上，最终形成 数百至数千层的钢带层。它采用双电机式变张力缠绕系统，开巻机构与缠绕机构分别水平
4安装在组合机身的左、右两侧，两机构的轴线保持平行。模具缠绕张力由定张力和变张力两 部分构成，缠绕总张力等于定张力与变张力之和，定张力源自夹紧机构之杠杆夹紧装置产 生的摩擦阻力，其数值可在缠绕模具前通过增减配重设定，变张力源自开巻机构之伺服电 机减速机组输出的可变阻转矩。张力检测机构安装轴台式张力传感器，开巻机构主轴与缠 绕机构主轴分别连接各自对应的旋转编码器装置，实时获取缠绕张力、开巻机构主轴与缠 绕机构主轴的转角和转速数据，并传输至电气控制系统，依据预先建立的控制策略及系统 程序计算并输出控制变量，自动控制开巻机构电机与缠绕机构电机的转矩、转速等参数，使 实际的缠绕张力符合预先设定的理论曲线，实现缠绕张力的闭环控制。 所述开巻机构包括伺服电机减速机组，它通过联轴器I与开巻机构主轴连接，开 巻机构主轴通过开巻机构主轴箱内的轴承组支撑并通过平键与主轴套筒连接，钢带巻被夹 持在主轴套筒上，开巻机构主轴上还安装同步带轮I，通过同步齿带与旋转编码器装置相 连，用于获取开巻机构主轴的转角和转速数据，伺服电机减速机组与开巻机构主轴箱水平 安装在组合机身的左侧面，两者轴线与缠绕机构的轴线保持平行。 所述夹紧机构包括机架1，其上安装杠杆夹紧装置、导轮装置I和上压板，下压板 固定在杠杆的短臂一侧，杠杆的长臂一侧挂有配重，它提供两方面用途缠绕模具时，钢带 运动产生摩擦阻力，形成不受其它工艺参数影响的定张力；缠绕模具前，在将处于松巻状态 的钢带缠绕在开巻机构主轴套筒上形成钢带巻的过程中提供有效阻力。在配重的重力作用 下，杠杆绕其支点转动，带动下压板向上运动，与固定在机架I上的上压板共同夹紧钢带。 配重由若干个重量不等且经过重量标定的砝码盘组成，在缠绕开始前人工放置，其重量应 根据定张力或阻力数值、杠杆力臂比、摩擦系数等工艺参数确定。 所述张力检测机构包括机架II，其上安装三组导轮装置II和两套轴台式张力传 感器，用于实时获取缠绕张力数据。 所述缠绕机构包括变频电机减速机组，它通过联轴器II与缠绕机构主轴连接，缠 绕机构主轴通过缠绕机构主轴箱内的轴承组支撑并通过螺栓与主轴卡盘连接，通过压板将 模具夹持在主轴卡盘的芯轴上，主轴上还安装同步带轮II，通过同步齿带与旋转编码器装 置相连，用于获取缠绕机构主轴的转角和转速数据，变频电机减速机组与缠绕机构主轴箱 水平安装在组合机身的右侧面，两者轴线与开巻机构的轴线保持平行。
所述旋转编码器装置包括同步带轮ni、轴座、带轮轴、联轴器ni、支架、旋转编
码器，共设置两套相同结构的装置，通过同步齿带分别与开巻机构和缠绕机构连接。 —种预应力模具数控钢带缠绕设备控制方法， 1)钢带巻缠绕过程中的张力产生与控制。缠绕模具前，应将处于松巻状态的钢带
以一定的张力缠绕在开巻机构的主轴套筒上，形成致密的钢带巻。将钢带的一端固定在开 巻机构的主轴套筒上，夹紧机构的上压板、下压板夹紧钢带，形成的摩擦阻力构成的张力不 受其它工艺参数的影响，选择钢带巻缠绕工作模式，开巻机构中的伺服电机减速机组驱动 开巻机构主轴做逆时针旋转，即可将钢带缠绕在主轴套筒上。该工作过程中，电机转速无 级可调，输出的驱动转矩随钢带巻半径的增加而增加，张力检测机构、缠绕机构处于停止状 态。 2)缠绕张力理论曲线及闭环控制策略的建立。运行电气控制系统中的缠绕张力分
析与系统管理软件，输入拟缠绕模具的外形尺寸、材料性能和工作载荷，钢带的规格尺寸和
5材料性能，以及其它初始参数，程序可自动计算出夹紧机构所需配重的重量，自动获得缠绕
钢带层数和缠绕张力理论曲线，自动生成基于双电机式变张力缠绕系统的闭环控制策略和
相关数据，其中，理论缠绕张力的变化趋势是随缠绕钢带层数的增加而下降。 3)模具缠绕过程中的张力产生与控制。模具缠绕过程中，缠绕机构之变频电机减
速机组提供缠绕驱动转矩，夹紧机构之杠杆夹紧装置提供定张力，开巻机构之伺服电机减
速机组提供变张力，通过张力检测机构检测并反馈钢带的张力数值，控制缠绕机构之变频
电机减速机组和开巻机构之伺服电机减速机组的输出转速以调节张力。缠绕过程在模具自
动缠绕工作模式下进行，整个缠绕过程分为初始缠绕、稳定缠绕和结束缠绕三个阶段。在初
始缠绕阶段，两个机组通电前，钢带由杠杆夹紧装置夹紧。首先起动开巻机构之伺服电机减
速机组，使其产生一定数值的阻转矩，此时钢带仍处于夹紧状态，无滑动。滞后一段时间，起
动缠绕机构之变频电机减速机组，逐渐提高其输出转矩，当产生的钢带张力等于摩擦阻力
与阻转矩对应的变张力之和时，钢带开始运动，并被缠绕在模具上。该阶段缠绕张力的数值
较小，缠绕钢带层数仅为数层。稳定缠绕阶段是一个耗时很长的过程，在该阶段，夹紧机构
保持稳定的定张力，开巻机构之伺服电机减速机组、缠绕机构之变频电机减速机组按照理
论控制曲线和控制信号连续改变其输出转矩和转速。当缠绕钢带层数接近设定的数值时，
进入到缠绕结束阶段，此时，开巻机构之伺服电机和缠绕机构之变频电机减速机组电磁抱
闸停车，转速迅速降为零，钢带停止运动，模具缠绕过程结束。 4)张力检测机构用于实时获取缠绕张力并传输至电气控制系统，电气控制系统实 时比较缠绕张力的理论值与检测值，依据已建立的控制策略及系统程序计算并输出控制变 量，对模具缠绕过程实施连续的闭环控制。 本发明包括开巻机构、夹紧机构、张力检测机构、缠绕机构、旋转编码器装置和电 气控制系统。开巻机构由伺服电机减速机组、联轴器1、同步带轮1、开巻机构主轴、开巻机 构主轴箱、主轴套筒等组成，用于夹持钢带巻，提供模具缠绕过程中的变张力部分，以及钢 带巻缠绕过程中的驱动转矩。夹紧机构由机架1、杠杆夹紧装置、导轮装置1、上压板、下压 板、配重等组成，用于夹紧钢带产生摩擦阻力，提供模具缠绕过程中不受其它工艺参数影响 的定张力，以及钢带巻缠绕过程中的阻力，配重由若干个经过重量标定的砝码盘组成，改变
配重的重量即可改变定张力或阻力的数值。张力检测机构由机架n、导轮装置n、轴台式
张力传感器等组成，用于实时获取缠绕张力数据，并将信号输入电气控制系统。缠绕机构由
变频电机减速机组、联轴器n、同步带轮n、缠绕机构主轴、缠绕机构主轴箱、主轴卡盘、模
具、压板等组成，用于夹持模具并提供模具缠绕过程中的驱动转矩，其主轴转速和缠绕钢带
层半径决定着钢带运动的线速度。旋转编码器装置数量为两套，由同步带轮ni、轴座、带轮
轴、联轴器ni、支架、旋转编码器等组成，通过同步齿带分别与开巻机构和缠绕机构连接，
用于实时获取开巻机构主轴与缠绕机构主轴的转角和转速数据，并将信号输入电气控制系
统，同时可转换成模具缠绕钢带层及钢带巻的半径等数据。电气控制系统由数控系统、电气
柜、操作面板、缠绕张力分析与系统管理软件、张力检测与控制软件等硬件及软件组成，用
于计算预应力模具缠绕钢带层数、自动生成缠绕张力理论曲线及闭环控制策略、实时检测
与控制缠绕过程中缠绕张力、实现数据及文件管理、故障检测与报警等功能。 本发明设备结构紧凑，功能齐全，使用安全可靠，可依据自动生成的缠绕张力理论
曲线及控制策略，实现缠绕张力的闭环控制和预应力模具钢带缠绕制造过程的自动化。
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同时本发明与申请人在先申请的发明专利"用于预应力模具制造的变张力钢带缠绕装置及其控制方法"(申请号200810013799. 2)相比，本发明在阻力产生方式与精确控制方面有着本质上的不同，采用了双电机式变张力缠绕系统，缠绕张力由定张力和变张力两部分构成，即通过机械夹紧产生定张力，通过控制开巻机构的阻转矩产生变张力，其有益效果是电气控制反应速度快、信号滞后时间短，张力控制精度高，定张力的调整简单、方便、可靠。 本发明采用了模块式组合机身结构，结构紧凑，机身刚度大、变形小。采用了轴台式张力传感器，可显著提高张力的检测精度。 本发明将缠绕张力分析与系统管理软件集成于电气控制系统，可计算预应力模具缠绕钢带层数、生成缠绕张力理论曲线，避免了从外部输入。
图l是本发明的设备结构图；图la是图1的俯视图；图2是本发明的开巻机构；图2a是图2的A-A剖视图；图3是本发明的夹紧机构；图3a是图3的B-B剖视图；图4是本发明的张力检测机构；图4a是图4的C-C剖视图；图5是本发明的缠绕机构；图6是本发明的转编码器装置；图7是本发明钢带巻缠绕工艺所用控制曲线；图8是本发明模具缠绕工艺所用张力控制曲线；图9是本发明模具缠绕工艺所用变频电机转速控制曲线。图中，1、开巻机构；2、夹紧机构；3、张力检测机构；4、缠绕机构；5、旋转编码器装
置；101、伺服电机减速机组；102、联轴器I ;103、同步带轮I ;104、开巻机构主轴；105、开巻机构主轴箱；106、主轴套筒；201、机架I ;202、杠杆夹紧装置；203、导轮装置I ;204、上压
板；205、下压板；206、配重；301、机架II ;302、导轮装置II ;303、轴台式张力传感器；401、变频电机减速机组；402、联轴器II ;403、同步带轮II ;404、缠绕机构主轴；405、缠绕机构主轴箱；406、主轴卡盘；407、模具；408、压板；501、同步带轮III ;502、轴座；503、带轮轴;
504、联轴器III ;505、支架；506、旋转编码器。
具体实施例方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。 —种预应力模具数控钢带缠绕设备，如图1、图la所示，包括开巻机构1、夹紧机构2、张力检测机构3、缠绕机构4、旋转编码器装置5，以及电气控制系统等。机械部件采用模块式分体结构，夹紧机构2、张力检测机构3与缠绕机构4的机架分别由管材焊接成闭式结构，通过螺栓连接成统一的组合机身，通过垫铁支撑在地面上。它采用双电机式变张力缠绕
7系统，开巻机构1与缠绕机构4分别水平安装在组合机身的左、右两个侧面，两机构的轴线保持平行。模具缠绕张力由定张力和变张力两部分构成，缠绕总张力等于定张力与变张力之和，定张力源自夹紧机构2之杠杆夹紧装置202产生的摩擦阻力，变张力源自开巻机构1之伺服电机减速机组101输出的可变阻转矩。模具的缠绕工作过程为钢带巻被夹持在开巻机构1的主轴套筒106上，模具407被螺栓和压板408夹紧在缠绕机构4的主轴卡盘406上，钢带通过若干个导轮装置改变运动方向，依次通过夹紧机构2、张力检测机构3和缠绕机构4，被缠绕在模具407上，最终形成数百至数千层的钢带层。钢带的方向运动如图1箭头所示，变频电机减速机组401提供缠绕驱动转矩，伺服电机减速机组101产生可变阻转矩，夹紧装置2产生定张力。设备各部分的主要结构与功能如下所述 开巻机构1如图2、图2a所示，用于夹持钢带巻，提供模具缠绕过程中的变张力部分，以及钢带巻缠绕过程中的驱动转矩，它由伺服电机减速机组101、联轴器1102、同步带轮1103、开巻机构主轴104、开巻机构主轴箱105、主轴套筒106等组成。伺服电机减速机组101与主轴104通过联轴器1102连接，提供可调的输出转矩，以满足模具缠绕过程中变张力以及钢带巻缠绕过程中驱动转矩的要求。开巻机构主轴104通过开巻机构主轴箱105内的轴承组支撑并通过平键与主轴套筒106连接，钢带巻被夹持在主轴套筒106上，钢带的总长度应满足至少一副模具的缠绕需求量。开巻机构主轴104上安装有同步带轮I103，通过同步齿带与旋转编码器装置5相连。伺服电机减速机组101与开巻机构主轴箱105水平安装在组合机身的左侧面，两者轴线与缠绕机构4的轴线保持平行。 夹紧机构2如图3、图3a所示，用于夹紧钢带产生摩擦阻力，提供模具缠绕过程中不受其它工艺参数影响的定张力，以及钢带巻缠绕过程中的阻力，它由机架1201、杠杆夹紧装置202、导轮装置1203、上压板204、下压板205、配重206等组成。下压板205固定在杠杆的短臂一侧，杠杆的长臂一侧挂有配重206，在配重206的重力作用下，杠杆绕其支点转动，带动下压板205向上运动，与固定在机架1201上的上压板204共同夹紧钢带，钢带运动时，在其上、下表面产生摩擦阻力，形成所要求的定张力或阻力，改变配重206的重量即可改变定张力或阻力的数值。配重206由若干个重量不等且经过重量标定的砝码盘组成，其重量应根据定张力或阻力数值、杠杆力臂比、摩擦系数等工艺参数确定。上压板204与下压板205采用耐磨材料制成，通过螺栓固定，磨损后可以更换。导轮装置I203中的导轮采用耐磨尼龙材料制成，内置滚动轴承，其作用是对钢带运动方向进行导向，以适应缠绕过程中由于钢带巻直径减小而产生的钢带入口角度的变化，保证钢带始终以图3a箭头所示方向运动，保证钢带水平穿过上压板204与下压板205之间的间隙。 张力检测机构3如图4、图4a所示，用于实时获取缠绕张力数据，并将信号输入电气控制系统，它由机架11301、导轮装置11302、轴台式张力传感器303等组成。安装在机架II301上的导轮装置II302共有三组，由导轮、支撑轴、滚动轴承、轴承座等组成，其作用是强制钢带沿图4箭头所示的方向运动，使钢带能够以不变的入口角度和出口角度经过安装在轴台式张力传感器303上的轮轴，保证轴台式张力传感器303所受钢带张力的作用方向不受缠绕过程的影响。轴台式张力传感器303的数量为两套，以钢带中心线为对称轴安装在机架I1301上，在设备投入使用前，应对轴台式张力传感器303进行张力标定。
缠绕机构4如图5所示，用于夹持模具并提供模具缠绕过程中的驱动转矩，它由变频电机减速机组401、联轴器11402、同步带轮11403、缠绕机构主轴404、缠绕机构主轴箱
8405、主轴卡盘406、模具407和压板408等组成。变频电机减速机组401与缠绕机构主轴404通过联轴器II402连接，在模具缠绕过程中，变频电机减速机组401提供可调的缠绕驱动转矩，以满足变张力缠绕的要求，缠绕机构主轴404的转速和缠绕钢带层半径决定着钢带运动的线速度。缠绕机构主轴404通过缠绕机构主轴箱405内的轴承组支撑并通过螺栓与主轴卡盘406连接，通过压板408将模具407夹持在主轴卡盘406的芯轴上并随之旋转。缠绕机构主轴404上安装有同步带轮II403，通过同步齿带与旋转编码器装置5相连。变频电机减速机组401与缠绕机构主轴箱405水平安装在组合机身的右侧面，两者轴线与开巻机构1的轴线保持平行。 旋转编码器装置5如图6所示，用于实时获取开巻机构主轴104与缠绕机构主轴404的转角和转速数据，并将信号输入电气控制系统，同时可转换成模具缠绕钢带层及钢带巻的半径等数据，它由同步带轮111501、轴座502、带轮轴503、联轴器111504、支架505、旋转编码器506等组成。共设置两套相同结构的装置，分别固定在组合机身的左、右侧面上，通过同步齿带分别与开巻机构1上的同步带轮1103和缠绕机构4上的同步带轮II403连接。 下面结合图7 、图8 、图9控制方法所用控制曲线图，对预应力模具数控钢带缠绕设备的自动控制方法做进一步的说明。 1)图7是本发明钢带巻缠绕工艺所用控制曲线。缠绕模具前，应将处于松弛状态的钢带以一定的张力缠绕在开巻机构1的主轴套筒106上，形成致密的钢带巻。在钢带巻缠绕过程中，夹紧机构2的上压板204、下压板205与钢带之间产生摩擦阻力，形成的张力不受其它工艺参数的影响。选择钢带巻缠绕工作模式，开巻机构1中的伺服电机减速机组101驱动开巻机构主轴104做逆时针旋转，钢带巻半径r呈非线性增加的变化趋势，张力T迅速增加至由夹紧机构2形成的张力，伺服电机的转速n上升到初始设定数值，然后随钢带巻缠绕半径r的增加而减小。钢带巻缠绕结束时，伺服电机电磁抱闸停车，制动装置抱紧电机轴，以防止钢带巻出现松巻。 2)图8是本发明模具缠绕工艺所用张力控制曲线，图9是对应的变频电机转速控制曲线。将模具缠绕过程分为三个阶段初始缠绕阶段(0 < t《t》、稳定缠绕阶段< t《t2)和缠绕结束阶段(t > t2)，夹紧机构2保持稳定的定张力T。，变张力的变化趋势如曲线1\所示，总张力T等于定张力T。与变张力1\之和。在初始缠绕阶段(0 < t《t》，缠绕钢带层半径r呈非线性增加趋势，该阶段钢带缠绕张力1\的初始数值较小，缠绕钢带层数仅为数层，张力给定随半径r的增加而增加，当张力给定达到理论给定的最高值时(t=t》，初始缠绕阶段结束。在稳定缠绕阶段< t《t2)，随着模具缠绕钢带层半径r的增加，总张力T及变张力1\均呈现连续下降的趋势，依据已建立的控制策略，进一步计算获取开巻机构1之伺服电机减速机组101、缠绕机构4之变频电机减速机组401理论控制值，实施连续的变张力闭环控制调节。当实际的缠绕钢带层数到达设定的数值时，进入缠绕结束阶段(t > t2)，开巻机构1之伺服电机减速机组101和缠绕机构4之变频电机减速机组401电磁抱闸停车，转速n迅速降为零，钢带停止运动，模具缠绕过程结束，张力仍保持停车前的数值。 3)在模具缠绕过程中，由张力检测机构3实时获取缠绕张力T，由旋转编码器装置5实时获取开巻机构主轴104和缠绕机构主轴404的转角和转速，通过计算获得模具缠绕钢
9带层及钢带巻的实时半径数据。
本发明的工作过程为
在缠绕模具之前，应预先完成以下操作。 1)准备钢带，缠绕钢带巻。选择高强度薄钢带作为模具缠绕材料，带厚应小于0. 2mm，带宽应根据模具的轴向长度确定，带长应满足至少一副模具的缠绕需求量。缠绕模具前，应将处于松巻状态的钢带以一定的张力缠绕在开巻机构1的主轴套筒106上，以形成致密的钢带巻。其工作过程为展开钢带的一端，从夹紧机构2的右侧将钢带穿过上压板204、下压板205之间的间隙，剪去一定长度的料头，对钢带端部做平整处理，将钢带端部固定在开巻机构1的主轴套筒106上，夹紧机构2施加合适重量的配重，选择钢带巻缠绕工作模式，开巻机构1中的伺服电机减速机组101驱动开巻机构主轴104做逆时针旋转，其转速无级可调，即可将钢带缠绕在主轴套筒106上。在钢带巻的缠绕过程中，夹紧机构2的上压板204、下压板205与钢带之间产生摩擦阻力，形成的张力不受其它工艺参数的影响，开巻机构1的伺服电机减速机组101提供缠绕驱动转矩，其输出转矩随钢带巻半径的增加而增加，张力检测机构3、缠绕机构4处于停止状态。伺服电机减速机组101停止工作时，其制动装置抱紧电机轴以防止钢带巻松巻，同时，应在夹紧机构2的右侧应留出足够长的处于自由状态的钢带，以备将其固定在模具上之用。 2)固定模具。将拟缠绕的模具套在缠绕机构主轴卡盘406的芯轴上，拧紧压板408上的螺栓，即可固定模具。 3)固定钢带。将留在夹紧机构2右侧处于自由状态的钢带穿过张力检测机构3的导轮装置III，剪去一定长度的料头，对钢带端部做平整处理，通过粘结或焊接的方式，将钢带端部固定在模具的外圆周表面上，此时，夹紧机构2与缠绕机构4之间的钢带并无张力存在。 4)建立模具缠绕过程中的缠绕张力理论曲线及闭环控制策略。其工作过程为运行电气控制系统中的缠绕张力分析与系统管理软件，输入拟缠绕模具的外形尺寸、材料性能和工作载荷，钢带的规格尺寸和材料性能，以及其它初始参数，程序可自动计算出夹紧机构所需配重的重量，自动获得缠绕钢带层数和缠绕张力理论曲线，缠绕张力总的变化趋势是随缠绕钢带层数的增加而下降，最后生成基于双电机式变张力缠绕系统的闭环控制策略和相关数据。 5)调整配重的重量。根据配重重量的计算结果，调整配重的砝码盘。 在模具缠绕过程中，选择模具自动缠绕工作模式，整个缠绕过程分为初始缠绕、稳
定缠绕和结束缠绕三个阶段，对应的动作过程及控制方法依次如下 l)初始缠绕阶段。在两个机组通电前，钢带由杠杆夹紧装置202夹紧。首先起动开巻机构1之伺服电机减速机组IOI，使其产生一定数值的阻转矩，此时钢带处于无滑动状态。滞后一段时间，起动缠绕机构4之变频电机减速机组401，使其输出转矩逐渐提高，当产生的钢带张力等于摩擦阻力与阻转矩对应的变张力之和时，钢带开始运动，并被缠绕在模具407上。该阶段钢带缠绕张力的初始数值较小，缠绕钢带层数仅为数层。该阶段张力给定随半径的增加而增加，当张力给定达到理论给定的最高值时，初始缠绕阶段结束。
2)稳定缠绕阶段。该阶段理论缠绕张力的变化趋势是随缠绕钢带层数的增加而下降，夹紧机构2保持稳定的定张力，开巻机构1之伺服电机减速机组101、缠绕机构4之
10变频电机减速机组401按照理论控制曲线连续变化其输出转矩，缠绕驱动转矩等于缠绕张 力与模具407半径的乘积。张力检测机构3可实时获取缠绕张力数据，旋转编码器装置5 可实时获取开巻机构主轴104与缠绕机构主轴404的转角和转速数据，检测信号被传输至 电气控制系统，模具缠绕钢带层及钢带巻的实时半径数据可根据主轴转角和转速、带厚、初 始半径等参数计算得出，已缠绕的钢带层数可根据缠绕机构主轴404转角和转速数据计算 得出。电气控制系统实时比较缠绕张力的理论值与检测值，依据已建立的控制策略及系统 程序计算并输出控制变量，自动控制两个机组的输出转矩、转速等参数，实施连续的闭环控 制，使实际的缠绕张力符合理论曲线。稳定缠绕阶段是一个耗时很长的过程。
3)缠绕结束阶段。当缠绕钢带层数到达设定的数值时，开巻机构1之伺服电机减 速机组101和缠绕机构4之变频电机减速机组401电磁抱闸停车，转速迅速降为零，钢带停 止运动，模具缠绕过程结束。然后，采用专用夹具固定模具缠绕钢带层以防止出现松动。最 后，控制系统断电，从缠绕机构4的主轴卡盘406芯轴上取出已缠好的模具，至此， 一副钢带 缠绕预应力模具的缠绕制造过程结束。
权利要求
一种预应力模具数控钢带缠绕设备，其特征是它包括开卷机构(1)、夹紧机构(2)、张力检测机构(3)、缠绕机构(4)、旋转编码器装置(5)和电气控制系统，其中开卷机构(1)与缠绕机构(4)分别水平安装在机身左、右两侧，所述两机构的轴线保持平行，组成双电机式变张力缠绕系统；开卷机构(1)为变张力源，夹紧机构(2)为定张力源并设置在机身与开卷机构(1)相配合的位置；缠绕机构(4)是模具缠绕过程的驱动动力源，其产生的总张力为变张力源与定张力源之总和；张力检测机构(3)设置在开卷机构(1)与缠绕机构(4)间的机身上，并将检测的张力信号送入电气控制系统；开卷机构(1)与缠绕机构(4)还分别连接各自对应的旋转编码器装置(5)，旋转编码器装置(5)将检测到的变张力源和定张力源信号送入电气控制系统；电气控制系统依据预先建立的控制策略及系统程序控制开卷机构(1)与缠绕机构(4)的运行，使实际的缠绕张力符合预先设定的理论曲线，完成缠绕张力的闭环控制。
2. 如权利要求l所述的预应力模具数控钢带缠绕设备，其特征是所述开巻机构(1)包括伺服电机减速机组(101)，它通过联轴器1(102)与开巻机构主轴(104)连接，开巻机构主轴(104)通过开巻机构主轴箱(105)内的轴承组支撑并通过平键与主轴套筒(106)连接，钢带巻被夹持在主轴套筒(106)上，开巻机构主轴(104)上还安装同步带轮1(103)，通过同步齿带与旋转编码器装置(5)相连；伺服电机减速机组(101)与开巻机构主轴箱(105)水平安装在机身的左侧面，两者轴线与缠绕机构(4)的轴线保持平行。
3. 如权利要求l所述的预应力模具数控钢带缠绕设备，其特征是所述夹紧机构(2)包括机架I(201)，其上安装杠杆夹紧装置(202)、导轮装置1 (203)和上压板(204)，下压板(205)固定在杠杆夹紧装置的杠杆短臂一侧，杠杆长臂一侧则挂有配重(206)。
4. 如权利要求1所述的预应力模具数控钢带缠绕设备，其特征是所述张力检测机构(3)包括机架II (301)，其上安装三组导轮装置11 (302)和两套轴台式张力传感器(303)。
5. 如权利要求l所述的预应力模具数控钢带缠绕设备，其特征是所述缠绕机构(4)包括变频电机减速机组(401)，它通过联轴11(402)与缠绕机构主轴(404)连接，缠绕机构主轴(404)通过缠绕机构主轴箱(405)内的轴承组支撑并通过螺栓与主轴卡盘(406)连接，压板(408)将模具(407)夹持在主轴卡盘(406)的芯轴上，缠绕机构主轴(404)上还安装同步带轮n(403)，通过同步齿带与旋转编码器装置(5)相连；变频电机减速机组(401)与缠绕机构主轴箱(405)水平安装在机身的右侧面，两者轴线与开巻机构(1)的轴线保持平行。
6. 如权利要求1所述的预应力模具数控钢带缠绕设备，其特征是所述旋转编码器装置(5)有两个，它们结构相同，每个旋转编码器装置(5)均包括同步带轮III(501)、轴座(502)、带轮轴(503)、联轴器III(504)、支架(505)、旋转编码器(506)，各旋转编码器装置(5)分别与开巻机构(1)和缠绕机构(4)连接。
7. —种权利要求1所述的预应力模具数控钢带缠绕设备的控制方法，其特征是，它的步骤为1)钢带巻缠绕过程中的张力产生与控制；将钢带的一端固定在开巻机构(1)的主轴套筒(106)上，夹紧机构的上压板(204)、下压板(205)夹紧钢带形成摩擦阻力，开巻机构(1)中的伺服电机减速机组(101)驱动开巻机构主轴(104)做逆时针旋转，伺服电机减速机组(101)的驱动转矩随钢带巻半径的增加而增加，张力检测机构(3)、缠绕机构(4)处于停止状态；2) 缠绕张力理论曲线及闭环控制策略的建立；运行电气控制系统中的缠绕张力分析与系统管理软件，输入拟缠绕模具的外形尺寸、 材料性能和工作载荷，钢带的规格尺寸和材料性能，以及其它初始参数，程序自动计算出夹 紧机构所需配重的重量，自动获得缠绕钢带层数和缠绕张力理论曲线，自动生成基于双电 机式变张力缠绕系统的闭环控制策略和相关数据，其中，理论缠绕张力的变化趋势是随缠 绕钢带层数的增加而下降；3) 模具缠绕过程中的张力产生与控制；缠绕过程在模具自动缠绕工作模式下进行，整个缠绕过程分为初始缠绕、稳定缠绕和 结束缠绕三个阶段，缠绕机构(4)的变频电机减速机组(401)提供缠绕驱动转矩，夹紧机构 (2)的杠杆夹紧装置(202)提供定张力，开巻机构(1)的伺服电机减速机组(101)提供变张 力；4) 张力检测机构(3)用于实时获取缠绕张力并传输至电气控制系统，电气控制系统实 时比较缠绕张力的理论值与检测值，依据已建立的控制策略及系统程序计算并输出控制变 量，对模具缠绕过程实施连续的闭环控制。
8.如权利要求7所述的预应力模具数控钢带缠绕设备的控制方法，其特征是，所述步 骤3)中，在初始缠绕阶段，钢带由杠杆夹紧装置(202)夹紧；首先起动开巻机构(1)的伺服 电机减速机组(101)，使其产生一定数值的阻转矩，此时钢带仍处于夹紧状态，无滑动；滞 后一段时间，起动缠绕机构(4)的变频电机减速机组(401)，逐渐提高其输出转矩，当产生 的钢带张力等于摩擦阻力与阻转矩对应的变张力之和时，钢带开始运动，进入稳定缠绕阶 段，在该阶段，夹紧机构(2)保持稳定的定张力，开巻机构(1)的伺服电机减速机组(101)、 缠绕机构(4)的变频电机减速机组(401)按照理论控制曲线和控制信号连续改变其输出 转矩和转速，当缠绕钢带层数接近设定的数值时，进入到缠绕结束阶段，此时，开巻机构(1) 的伺服电机减速机组(101)和缠绕机构(4)的变频电机减速机组(401)电磁抱闸停车，转 速迅速降为零，钢带停止运动，模具缠绕过程结束。
全文摘要
本发明公开了一种预应力模具数控钢带缠绕设备及其控制方法。它包括开卷机构、夹紧机构、张力检测机构、缠绕机构、旋转编码器装置和电气控制系统，其中开卷机构与缠绕机构分别水平安装在机身左、右两侧，所述两机构的轴线保持平行；夹紧机构设置在机身与开卷机构相配合的位置；张力检测机构设置在开卷机构与缠绕机构间的机身上；开卷机构与缠绕机构分别连接各自对应的旋转编码器装置，电气控制系统依据预先建立的控制策略及系统程序控制开卷机构与缠绕机构运行，使实际的缠绕张力符合预先设定的理论曲线，实现缠绕张力的闭环控制。它可依据模具设计数据和缠绕张力理论曲线，实现闭环控制下的变张力自动缠绕和模具缠绕制造过程的自动化。
文档编号B21C47/02GK101700539SQ200910207978
公开日2010年5月5日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者何芳, 吴虔, 孟丽娟, 王强, 赵寿华, 赵慧云 申请人:济南大学