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、提升維修質量成為了汽車生產工業(yè)的主要研究目標，如：可變氣門技術(VVT)和多氣門(MVES)技術、發(fā)電/起動集成電機(ISA)等技術。這些先進技術出現(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的廣泛關注。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。國內在汽車同步帶的生產和開發(fā)領域起步較晚，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線。目前，我國汽車同步帶生產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、可靠性和精度產生影響，機械、電氣、液壓的有效組合成為目前工業(yè)生產的重要基礎。伺服控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中主要用于精確地定位或對某生產流程的反饋控制。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動裝置。隨著同步帶成型機市場對同步帶精度和生產速度的不斷提升，具有伺服控制的同步帶成型機將逐漸占領市場。為迎合當期的國際市場，一部分同步帶生產廠家在研究國外的先進生產技術的基礎上開始研發(fā)生產自主品牌的同步帶成型機。

1、同步帶成型機組成機構與生產流程

1.1同步帶成型機組成機構

   同步帶成型機設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，要求相應的輔助設備可同步供料。因此，在設計其輔助設備的驅動系統(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，傳動機構采用普通電機進行控制。各個執(zhí)行機構的關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工藝參數(shù)進行調整，并對各種生產工藝參數(shù)進行顯示和記錄。

   在同步帶成型機執(zhí)行機構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。可靠性也得到大大提高。

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

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

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品，生產設備直接影響了產品質量。假如線繩的張力不能保持恒定，排線不均勻，則無法保證產品的質量。在生產不同規(guī)格的產品時，排線間距應方便修改。目前國內廠家大多采用機械摩擦式張力控制，因其控制精度較低，一直成為影響產品質量的瓶頸，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，然后調整張力開始繞線，待繞線完成后貼上設定厚度的膠片，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)設定工藝流程使內外腔同時增壓，達到設定值時，保持一段時間，使膠料軟化。第二步保持內壓不變，繼續(xù)增大外壓，待硫化結束后取出成型鼓，進行脫模和切割。如圖2所示為同步帶生產工藝流程圖。

圖2同步帶生產工藝流程圖

2、同步帶成型機工作原理

   在觸摸屏上設置好相應的參數(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)直流調速器帶動成型鼓進行轉動的。在主軸電機上安裝有絕對值編碼器可實時監(jiān)測到電機的轉速。通過監(jiān)測的速度控制縱向伺服電機轉動，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)設計

   本控制系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏相結合的控制模式。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，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，可實時讀取和設置PLC內部的參數(shù)。因觸摸屏只是設定、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

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

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對成型機進行控制。在自動模式下，可根據(jù)設定的參數(shù)自動完成排線。

2、主軸速度設定

   主軸速度可有用戶自動定義。在設定好主軸速度時，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?？稍O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、張力設定

   張力給定值的設定和顯示，張力超限報警控制。

4、結論

    本文對同步帶成型機的組成結構，成型機的工作原理以及同步帶的生產工藝分別進行介紹，并在此基礎上，為保證繞線張力的恒定和繞線密度的均勻，設計了已三菱PLC為核心，以伺服電機為驅動機構、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，本文所設計的控制系統(tǒng)可滿足同步帶生產工藝的要求，并且性能可靠，操作方便。