数控束线机结构及运动控制系统设计论文本科论文Word文档格式.docx
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70年代是我国石油发展最快的年代，大面积的钻探和开采使一个贫油的中国一跃成了“富油国”。
辽河、胜利、大港、湖北和四川等油田都报导了探测的好消息。
四川北部也钻探了中国最深的井。
1976年机械部给沈阳和上海等电缆厂下达了试制8000m长的超深井测井电缆的任务。
上缆厂试制了硅橡胶和F46两种绝缘型式的电缆；
沈阳电缆厂的试制了F46绝缘全屏蔽型电缆，于1977年3月在四川省江柚县的关基井进行了试验。
参与试验的还有1根美国产的8000m长的电缆。
这次两厂试验的电缆结构与国外电缆基本相同，性能也差不多，基本上满足了超深井测试的要求，使国产测井电缆有了一个飞跃的发展。
这一阶段试制的超深井测井电缆的结构，不同于美国的同类型产品，特别是上缆厂试制的电缆，采用硅橡胶绝缘；
另外二根虽然也采用了F46，但绝缘厚度为0.6mm（美国为0.37mm），并采用了半导电填充和包带，在250°
C下ρv为6050MΩ·
km，在井深6100m时导线电阻只增大了17%，电容变化不大。
沈缆厂生产的电缆结构和美国的相似，地面上测试美国电缆的电容为0.0745μF/km，导线电阻26.5Ω/km，外径11.8mm。
沈阳厂生产的电缆电容变化为0.16～0.078μF/km，绝缘电阻变化从井深1000m到6618m时除4号线芯有所降低外，其他线芯均变化不大，都大于500MΩ。
电缆伸长：
在井深4500m时伸长+1.1m，在5500m时为1.5m；
在6500m时为3.3m，电缆总长为7926m，相当于伸长率为0.042%，完全符合使用要求。
通过超深井测井电缆的试制，使中深井电缆（5000m和7000m）的结构也基本上定型。
这些结构基本上和国外电缆相同。
1977年山东胜利油田引进了美国电缆，是加拿大德莱塞公司的产品，中深井长度5500m的型号为7H42RB，11根，超深井长度8000m的型号为7H42SF，9根，当时价格前者为24722.5美元/根，后者为62391美元/根，这批电缆的使用对促进国产电缆的定型和性能提高起到了一定的作用虽然国产电缆已作了定型，各厂也试制了各种用途的测井电缆，但还未形成系列，油田急需的超深井电缆、小直径测井电缆等还不能大批量供应，在性能上与国外电缆相比还有不少差距。
1.3设计的内容
通过资料查询提出对束线机的设计方案，并进行论证修改。
确定最终的束线机的设计方案，并着手进行设计。
系统的设计原则，在软件设计开发过程中，需要有一定的指导准则，在整个设计过程中提供方向指导作用，软件的设计准则是整个软件在设计中需自始至终贯彻的指导思想。
本系统的主要设计原则：
集成化，把CAD、CAM系统连接成为一个有机的整体，使之互相支持，互相调用。
智能化，把人工智能技术、专家系统应用于CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能。
并行化，把人工智能技术、专家系统应用于CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能确定数控束线机传动部分尺寸的设计和确定。
确定束线机的束线部分结构设计，确保束线过程的准确和稳定。
数控束线机的智能CAD/CAM集成系统设计。
机械部分的设计，主要是束线的路径优化，根据数控束线机的工作原理。
整个数控束线机的电机部分选取，主运动部分采用伺服电机驱动，束线部分采用步进电机驱动。
数控束线机的摆线部分采用涡轮蜗杆式传动。
线盘旋转方式采用齿轮传动，以确保每圈线能够精确的定位。
齿轮啮合部分的参数确定和齿轮的选取。
根据数控束线机的机械尺寸和工艺参数，计算、设计和筛选数控束线机的配套零件。
数控束线机的系统液压系统设计。
确定数控束线机的夹具部分设计。
束线机尺寸确定和设计，并对束线机上的工位进行合理的制定。
主传动系统运动仿真分析。
通过对主传动系统的运动仿真分析，可求解系统各构件的位置、速度、加速度与时间的函数关系，在对系统进行运动分析时，可忽略各组成构件受力变形，则仿真精度取决于建模精度和相关几何参数的准确性[1]。
最终完成设计，使控制系统达到预期效果并书写计算说明书，CAD绘制机械部分总装图及配套零部件图，手工绘制部分零件图。
2总体方案设计
2.1功能与性能要求分析
传动形式：
主电机降动力有三角皮带传到右主轴再经过换向齿轮及节距齿轮，再传到光杆排线器、牵引及收线。
这里主要是通过伺服电机及数控装置控制电机的转速。
左右绞合：
通过编程来控制伺服电机的旋转方向来控制绞合的左右方向。
2.2设计方案比较、分析与确定
改装前的束线机在绞合方向、绞合节距都需要人工来调节，张力的调整是屏操作员的感觉来调节，很难实现张力的标准化，而且在收线盘地装卸上也是用手动来装卸。
数控设计后的束线机都可以通过程序的编辑及数控系统来实现，代替手工。
不但实现了机械的自动化，而且实现了技术的标准化，精度化。
使作员更加容易的去操作。
2.2.1伺服电机驱动方式设计
目前，伺服电机驱动式主传动的结构形式主要有以下两种在传统机械式主传动的基础上，将伺服电机直接与曲轴相连，省去飞轮及离合器与制动器。
日本公司的型数控转塔冲床，是将两台伺服电机分别连接于曲轴的两端，控制其同步运转，保证了对曲轴足够的扭矩输出，同时可以获得很高的冲压频率。
而另外一种结构形式是伺服电机通过减速机再与曲轴相连。
这样可以适当降低伺服电机的额定扭矩，但最高冲压频率也被限制。
该结构虽然比较复杂，但其利用曲柄肘杆机构特有的增力特性，可以降低伺服电机的负载扭矩，并且曲柄旋转一周，滑块上下运动两次，这样能够达到更高的冲压频率[2]。
2.2.2液压系统设计
典型的液压原理图见图2.1。
通过采用高精度、高频响比例换向阀11与液动阀7来实现冲头油缸的高速换向，控制高频响比例换向阀11的动态特性，以及采用合适的缓冲蓄能器，将有效减轻换向冲击，甚至完全避免换向冲击。
选用ATOS的高性能比例换向阀，其响应时间≤15ms，而且与液动阀7通过控制块紧密相连，使得液动阀7的随动性良好，在液压元件方面保证了换向平稳迅速；
换向冲击，机械冲击都会在管路内产生压力尖峰，蓄能器13的主要作用就是吸收这些冲击，实现换向以及运行平稳。
实际应用效果证明了这个液压原理合理有效。
图2.1液压系统
2.2.3系统的软件设计
1）数控程序的设计
数控程序的设计不是一个单纯的将设计图纸转化为机床可识别代码的过程。
优秀的数控编程人员首先应当是优秀的工艺设计人员和优秀的机床操作人员。
必须要对机床及机床的各项参数充分地了解，对所有的模具做到心中有数。
程序设计时，应根据数控冲床的加工工艺特点，进行全面的分析，选择哪种编程形式，以哪里为侧重点，要综合考虑，以便达到数控束线机最优的应用和发挥。
针对高速液压控制系统输出力大、频率响应快、精度要求高等特点，利用高性能的单片机和PROFI2BUS现场总线设计的控制器[3]，不仅使高速液压控制系统智能化，而且提高了系统的频率响应和控制精度。
2）液压装置设计
数控束线机的智能高速液压控制系统包括高速开关阀、液压缸、控制器、液压站、油路和上位机单片机。
系统通过上位机单片机给控制器发送命令，控制器根据要执行的命令控制高速开关阀动作，由高速开关阀输出的油来控制液压缸的换向和速度。
其中液压缸的动作主要包括PWM直接控制阀的工作，这不仅控制电路简单，而且抗干扰能力强、控制精度高。
3）单片机的控制系统设计
位移检测电路模块位移检测电路的作用是通过位置传感器检测液压油缸活塞杆的位置，再将位置信号反馈给单片机，单片机根据给定的位移信号与反馈的信号进行比较，形成闭环控制，提高控制精度。
位移检测电路模块。
磁栅尺的输出有多路信号。
系统采用磁栅尺作为位置传感器，由于磁栅尺的输出信号是差分信号，所以将其输出的差分信号接到差分转换芯片，该芯片的作用是差分驱动，再将芯片的输出送给单片机[4]。
3机械部分的设计
3.1机械部分的组成和作用
束线机主要有摇篮架、计米装置、机架、保护罩、线盘升降装置及电气控制装置组成。
摇篮架：
实现裸铜线的绞合以及线盘的装载。
计米装置：
实现束线机对电缆脚和长度的计量。
机架：
支撑整个设备。
保护罩：
在机械韵升过程中，保护罩时落下的。
防止机器运转过程中，电缆突然断掉，打伤操作员及其他人员，防止不正规的操作。
线盘升降装置：
实现线盘的装卸等过程。
电气控制装置：
实现对整个设备的电路控制及电源开关控制。
3.2束线机机构的设计
3.2.1设计计算
由于束线机运转动作均在收线部分，变速机构安装在转动的栏架里，地点受到限制，这就决定了束线机只能制成一个绞向、规格较小的产品。
区主要类型分但结局束线机和双节距束线机两种。
按首先盘的外径大小，可分为2300型、400型、500型、630型及1000型等。
单节距束线机中各单线进入分线板，即收线到收线盘上，摇篮旋转一周产生一个节距；
而双节距束线机中各单线机沿回转体和设备中心饶了一整圈后才进入收线栏，回转体没旋转一周束线机产生两个节距。
目前最常用的双节距束线机特点是转速快、生产率高。
双节距束线机的极端过程
H=v/2n*1000
式中：
h--束线机节距（mm）
V--出现速度（m/min）
H--绞笼（r/min）
3.2.2设计结果
通过对束线机的设计实现对束线机的数控控制。
表3.1节距表
导体
模具
绞距
7/0.10
0.36
11
20/0.18
1.1
26.7
10/0.12+2/1#
7/0.12
0.45
13
20/0.10
0.62
17.4
13/0.12+2/1#
7/0.14
0.50
15
20/0.12
0.74
20
16/0.12+2/1#
7/0.16
0.52
25/0.12
0.80
23
15/0.12+2/1#
7/0.18
0.66
20/0.12+1/1#
10/0.08
0.38
20/0.12+2/1#
10/0.10
0.48
12
25/0.12+1/1#
10/0.12
0.51
25/0.12+2/1#
12/0.12
0.60
30/0.08+NY
15/0.12
0.68
20/0.12+5/1#
3.3束线机机构选型
3.3.1选型理由
（1）电机的选择
伺服电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在不超载的情况下，电机的转速和停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，也就是给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性误差而无累积误差的特点，使得其控制速度和位置非常简单。
步进电机与普通直流电机或交流电机在使用上的区别是，它不可以直接连接电源，必须在双环形脉冲信号和功率驱动电路等组成的控制系统中使用。
所以在对束线机的数控改装上，选用伺服电机。
根据电机的电流，配用大于或等于此电流的驱动器。
如果需要低振动或高精度时，可配用细分型驱动器。
对于大转矩电机，尽可能用高电压型驱动器，以获得良好的高速性能。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。
其基本原理作用如下：
1）控制换相顺序
通电换相这一过程称为脉冲分配。
例如：
三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D，通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A，B，C，D相的通断。
2）控制步进电机的转向
如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。
3）控制步进电机的速度
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。
两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。
调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。
（2）控制系统的选用
根据该设计对于微机系统的一般要求，以及考虑到该仪器应具有一定的普遍性，该设备的控制部分设计了以下功能模块：
总线板，8051主机板，EPROM2764程序存储器扩展板，RAM6264数据存储器扩展板，ADC0809转换板，I/O扩展及，8279键盘显示接口板。
国内的控制用微机以往大多采用系统激活单片机的形式，由于单片机的集成度较高，而功能强,价格却比较便宜，从而已成为机电一体化产品中首选的微控制器。
到一片芯片上集成了一个计算机系统，其主要部分包括微处理器（CPU），存储器（随机访问存储器RAM、只读存储器ROM）和各种输入/输出接口（包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器有极脉冲宽度调制（PWM）等）。
单片机主要应用于嵌入式应用，因而又被称为嵌入式微控制器。
在工业实时控制、智能仪表、通信设备、智能终端、汽车电器和家用电器、医疗器械等领域得到了广泛的应用。
本设计的功能是实现一个基于8051单片机控制的3相步进电机系统,由单片机产生驱动脉冲信号,步进电机的驱动器收到驱动脉冲信号后,步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度,将电脉冲转化成角位移。
电机的转速由脉冲信号频率来控制决定,可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量,从而达到调速的目的。
系统框图如图3.1所示。
由图3.1可知,步进电机控制系统中有两个重要电路，脉冲分配电路和驱动电路。
脉冲分配电路有两个输入信号：
步进脉冲和转相控制。
脉冲分配电路在步进脉冲和转向控制信号的共同作用下产生四相激励信号,此激励信号经过驱动电路送至步进电机,控制步进电机向某一方向转动,此激励信号的频率决定了步进电机的转速。
驱动电路的主要作用是实现功率放大。
一般脉冲分配器输出的驱动能力是有限的,它不可能直接驱动步进电机,而要经过一级功率放大。
图3.1三相步进电机控制系统框图
（3）液压系统的选用
液压控系统可以再用刑过程中实现大范围的无机调速。
在同等输出功率下，液压传动装置的体积小，重量轻，运动惯量小，动态性能好。
采用液压系统可实现无间隙传动，运动平稳。
液压系海边与实现自动工作循环和自动过载保护。
由于一般采用油作为传动介质，隐刺液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。
而且液压元件都是标准化、系统化得品，便于设计、制造和推广应用。
所以综合以上优点，此设计选择液压系统来实现各种运动。
图3.1束线机
3.3.2选型结果
通过对以上几点的分析，此设计选择伺服电机为动力系统，液压装置为传动系统，单片机为控制系统对JSH400束线机的进行数控设计，对束线机的结构及功能进行深入了解，并且完成对数字控制的设计。
3.4机械部分总成
主要有放线机、模具，摇篮传动装置机收线架等部分组成。
实物如图3.2-图3.4：
图3.2放线架
图3.3摆线器
图3.4张力调节器
4控制系统硬件设计
4.1控制系统功能和要求分析
控制系统主要对束线机的主电机转速，结局比的调节，以及绞合仿效进行控制。
主要功能如下：
伺服电机：
控制数束线机得到不同的的旋转速度。
液压系统：
主要是控制实现对线盘的装卸。
单片机：
实现对束线机旋转速度和张力的大小的控制已得到不同的节距比。
4.2控制系统的组成
控制系统主要是有伺服电机，液压装置和单片机等组成。
4.3各组成部分的设计
4.3.1设计计算
通过公式H=v/2n*1000计算束线机的节距比结表4.3所示：
表4.3束线机节距表
节距
mm
配挂论齿数
A/B
13.5
17/46
37.74
32/31
15.79
19/44
42.86
34/29
18.29
21/42
48.75
36/27
21.02
23/44
55.57
38/25
25.04
25/38
63.59
40/23
17.40
27/36
73.12
42/21
31.19
29/34
84.26
44/19
35.42
31/32
98.92
46/17
通过已知的数据实现对束线机的PLC电路设计
4.3.2设计结果
实现PLC电路对束线机的控制，使高速液压控制系统智能化，而且提高了系统的频率响应和控制精度。
4.4总体硬件电路
图4.1硬件电路原理图
5控制系统软件设计
5.1软件实现的功能
位移检测电路模块位移检测电路的作用是通过位置传感器检测液压油缸活塞杆的位置，再将位置信号反馈给单片机，单片机根据给定的位移信号与反馈的信号进行比较，形成闭环控制，提高控制精度。
系统采用磁栅尺作为位置传感器，由于磁栅尺的输出信号是差分信号，所以将其输出的差分信号接到差分转换芯片，该芯片的作用是差分驱动，再将芯片的输出送给单片机。
5.2主要功能模块设计的流程图
图5.2控制程序流程图
6结论
本课题“数控束线机结构及运动控制系统设计”是源于实际的工程问题，通过对束线机的数控设计实现：
集成化，把CAD、CAM系统连接成为一个有机的整体，使之互相支持，互相调用。
智能化，把人工智能技术、专家系统应用于CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能。
并行化，把人工智能技术、专家系统应用于CAD/CAM系统，使其具有人类专家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断功能。
特别是随着现今工业的不断的迅猛发展，制造业必定会迎来一个机器时代，一个智能时代。
甚至无人工厂也会成立，由此，实现对束线机的数控化设计就显得尤为重要。
在本课题的研究与讨论中，仍遇到了不少的难题，我相信相信，伴随着工业的急速发展，束线机的数控化一定会普遍化。
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