高精度工程轮胎胎面仿形缠绕控制系统的设计

高精度工程轮胎胎面仿形缠绕控制系统的设计赵龙阳黄廷磊孟瑞敏（桂林电子科技大学，广西桂林541004）摘要：本文提出了一种以上位机为核心，充分利用上位机强大的运算能力和编程的灵活性来实现工程轮胎胎面仿形缠绕控制的方法。文中从电气原理、控制原理、软件设计等方面介绍了工程轮胎胎面仿形缠绕控制系统的实现方法。目前，该系统已经在多个厂家投入应用，效果良好。关键词：工程机械轮胎；胎面仿形缠绕；上位机；下位机Abstract:ThispaperproposedanovelcontrolmethodforimplementingthetreadwindingofOTRtire,whichfeaturesthecentralroleoftheuppercomputerinmanufacturingprocess.Thecomputationpowerandprogrammingflexibilityoftheuppercomputerallowsfortheusageofmoreefficientalgorithmstoimprovethecontrolprecision.Theelectrical,controlandsoftwaredesigningaspectsofthemethodaredescribedinthispaper.Itisshownthattheapplicationsofthemethodinseveralengineeringtiremanufacturingcompanyhavereducedthemanufacturingcostsignificantly.Keywords:OTRtire;treadwinding;mastercomputer;slavecomputer随着我国基础设施建设的持续高速发展和国际工程轮胎产业向我国转移，大型工程机械轮胎的需求量不断增加。伴随着轮胎原材料涨价，市场竞争的加剧和对轮胎规格、品种、整体性能要求也越来越高，采用传统的方法制造工程机械轮胎已经不能满足市场的需求[1~3]。对于工程轮胎的胎面成型，传统的方法有靠模缠贴法和成型机套筒法[4]，这两种方法均有胎面密实性差，劳动强度大，产品规格单一的缺点。胎面仿形缠绕技术这种新的胎面成型技术应运而生，其在速度、质量、工人劳动强度以及改变产品规格方面相比于传统方法有无可比拟的优势。仿形控制的目标是用胶条在原始毛胚上缠绕出符合重量要求及工艺设定的标准外廓形状（如图3）。仿形方法有两种：一是基于胶条形状进行的开环控制，对胶条的形状要求高，如Mcneil公司生产的缠绕设备采用这种方法；二是基于实时缠绕外形厚度检测的闭环控制法，此方法相对于方法一大大降低了对胶条形状的要求。轮胎胎面仿形缠绕系统是由上下位机组成的控制系统。传统解决方案是以下位机PLC为核心进行控制[4]，上位机向下位机传送生产配方参数和绘制缠绕曲线图形[4~6]。本文实现了一种以上位机为核心、利用外廓检测方式进行闭环控制的工程胎仿形缠绕方法，其主要优点是利用上位机强大的运算能力和编程的灵活性实现复杂的仿形缠绕控制算法，提高控制精度，易于实现多层缠绕控制，而下位机则完成整条生产线速度的联动、手动控制、信号采集和自动控制执行。1系统组成胎面缠绕生产流程如图1所示。胎面胶经挤出机均匀塑化后挤出热胶棒，通过浮动辊后进入压片机，在将胶棒压成相应配方需要的胶片后进入冷却鼓冷却，冷却后的胶片送入缠绕机缠绕到缠绕鼓上，在缠绕机和缠绕鼓的复合运动下缠贴出所需的胎面。由胎面缠绕生产流程图可看出挤出机挤出胶棒的速度、压片机上胶片的线速度、冷却鼓上胶片的线速度和缠绕鼓上胶片的线速度必须匹配。以压片机上胶片的线速度为速度基准，联动挤出机、冷却鼓和缠绕鼓上胶条的线速度，可使胎面生产线在不同的速度下工作。2控制组成及原理控制系统由上下位机组成，下位机是日本三菱公司的FX2N一128MR可编程控制器，该产品具有64路光电隔离的信号输入端和64路继电器隔离的控制输出端，再配置D/A模块、A/D模块，用于整个胎面缠绕机的控制，控制原理图如图2所示。上位计算机采用研华工控计算机，其主要功能包括以下几个方面：一是存储各种型号轮胎的配方轮廓数据和控制参数。胎面外廓数据参数输入的如图3所示，其胎面坐标值（L1,H1），（L2,H2），（L3,H3），（L4,H5），（L6,H6），（L7，0）勾勒出轮胎的外观形状，根据工艺要求可以增加配方轮廓坐标点，控制参数包括联动速度数据和优化控制的参数；二是上位机根据PLC采集到的信号，发出控制指令由PLC执行。如按“确定起点”按钮，PLC接收信号后传给上位机，上位机开始执行扫描基线的控制过程并对PLC发送相应的指令，直至完成控制；三是在缠绕过程中首先上位机根据胎面外廓参数和设定的缠绕层数自动优化分层，然后控制系统实时从PLC中读取缠绕车头所处的相对位置值和测量辊测得的当前缠绕厚度值，经仿形缠绕算法运算后给定缠绕机的速度，做智能仿形缠绕控制；四是绘制出已缠绕的胎面断面图并存储记录生产数据。为保证生产线上胶条线速度的一致，以压片机线速度为速度基准，将挤出机、冷却鼓和缠绕鼓在PLC程序中接成速度链形式，全线联动。控制时首先由上位机把一组联动给定速度数据传给PLC，为了提高模拟量调节的精确度，又增加了挤出机后浮动辊接近位置传感器、冷却鼓后浮动辊接近位置传感器和缠绕鼓浮动辊接近位置传感器的微调模拟量（0～10V直流电压），输入给PLC的A/D模块，将转换后的微调数字量经算法运算后和由各自速度给定数字量叠加后得到的数字量经过D/A模块转换为一定范围内的模拟量后输出，作为各自变频器的频率设定模拟量，由此保证了生产线上线速度的匹配。以压片机速度为基准相对以往以挤出机速度[7]为基准的联动调速方式有以下优势：挤出机后的浮动辊与挤出机构成闭环跳速，降低了联动调速的级数，降低了速度扰动对胶条的拉伸，提高了胶条的质量。3软件设计缠绕系统仿形软件采用Delphi开发，围绕智能化、模块化思想，结合了多年来厂家技术人员和操作人员反馈的信息进行优化设计。3.1模块化设计整个系统按功能可分一下几个模块：（1）用户管理。添加、删除、修改用户的权限。（2）工艺参数管理。添加删除修改生产配方，包括仿形轮廓参数和控制参数。（3）生产计划管理。制订和修改生产任务。（4）通讯与控制线程模块。本系统有两个重要的线程：通讯和控制线程，通讯线程负责与PLC通讯，读取PLC采集的控制信号和传感器数据，向PLC发送控制指令；控制线程自动控制整个缠绕过程。两个线程同步交换数据。（5）生产数据管理。（6）故障自诊断系统。帮助维修人员快速排除故障。（7）帮助系统。3.2软件控制流程本控制系统自动化程度高，整个缠绕过程不需要人为干预即能自动完成，软件流程如图4所示。轮胎胎面缠绕时，可根据配方的层数自动优化分层缠绕，结合缠绕控制算法，在测量辊测量行程允许范围内实现任意层缠绕，解决了其他缠绕控制解决方案系统层数受限制的问题[4~5]。连续生产同一规格的产品时，根据免扫基线算法只需对首个胚胎进行基线扫描，通过扫描基线可获取基线值。4运行结果以23.5-25规格的工程胎为例，2007年6月份在杭州中策进行了72小时连续试车运行，经杭州中策设备处、工艺处检测，重量公差控制在％0.75以内，外观形状好，重量控制精度达到国内领先水平（图5，图6）；生产效率大幅度提高，以23.5为例单条生产时间较以前缩短了14％；适用性强，生产的产品规格多，可以生产4000-57，3000-51，29.5-25，26.5-25，23.5-25，20.5-25，17.5-25等规格产品。5结束语从2002年开始由桂林电子科技大学计算机控制学院和桂林橡胶工业研究设计研究院合作开发工程胎胎面缠绕生产线以来，本系统经过不断的改进和提高，目前已经在河南风神、杭州中策、青岛双星等轮胎厂家投入生产，收到良好的效果，以其高效率、低成本、简单的操作、稳定可靠获得厂家和工人的一致好评，为生产高质量的成品轮胎打下良好的基础。斜胶工程胎仿形缠绕设备正处于一个发展提高的时期，因此研究并开发高性能的工程机械轮胎胎面缠绕控制系统对提高产品质量和降低成本有着非常重要的实际意义。参考文献：[1]黄向前，吴桂忠．中国轮胎工业生产技术现状与发展趋势[J]．橡胶科技市场，2005，（9）：1～4[2]邓海燕．我国轮胎产业的状况与展望[J]．橡塑技术与装备，2006，（32）22～29[3]蔡为民．我国轮胎工业“十五”运行情况和“十一五”发展建议[J]．决策参考，2006，（22）：4～5[4]孟庆波，杨永刚等．基于PLC的工程轮胎胎面缠绕机控制系统[J]．青岛建筑工程学院学报：2003，（24）：103～106[5]孟庆波，杨永刚等．工程胎胎面缠绕机数控系统的研制[J]．工业控制计算机，2003，（16）：58～59[6]刘一博，陈可娟等．工程机械轮胎胎面仿型缠绕成型机设计[J]．橡胶工业，2004，（51）：488～490[7]杨铁军，谷祖娥等．智能仿型一拖二工程胎胎面缠绕机组的研制[J]．橡塑技术与装备，2004，（30）：31～35作者简介：赵龙阳，男，硕士研究生，助教，桂林电子科技大学计算机与控制学院教师。主要研究方向为工业控制、智能系统与嵌入式应用。