基于ACR9000的行波管螺旋线绕制机控制系统设计_杨旭东
合集下载
基于ACR9000的模拟运动平台控制软件的开发_翁运波
图 ３ 电 子 凸 轮 控 制 流 程 图
５ 数 据 采 集 由于对数据采集卡和编码器数据的读取需要在时
间 上 对 应 ，因 此 这 里 采 用 软 件 触 发 方 式 。 同 时 ，每 次 采 集 的 数 据 较 多 ，包 括 许 多 绝 对 值 编 码 器 数 据 ，而 编 码 器 数 据 通 过 串 口 读 取 ，花 费 时 间 较 多 ，对 定 时 精 度 影 响 较
· ７６ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１３年第１期
受力最大值为７４ ３６０Ｎ。 通 过 以 上 数 据 的 比 较，虎 口 上下变形情况相对于 正 常 情 况 下，工 作 辊 的 轴 向 受 力 稍 有 增 大 ，而 横 向 受 力 最 大 增 加 了 约 ９ 倍 ，滑 块 磨 损 变 形情况相对于正常情 况 下，工 作 辊 的 轴 向 力 和 横 向 力 都 有 所 增 加 ，但 都 不 大 。
图 １ 运 动 平 台 控 制 系 统 的 总 体 结 构
动 作 类 包 含 动 作 名 称 、动 作 类 型 等 参 数 ，具 有 完 成 获取动作信息、起始 角 度 设 置、角 度 文 件 输 出 等 功 能。 机构计算类包含机 构 坐 标、长 度、角 度 等 参 数，能 够 完
收 稿 日 期 ：２０１２－０８－０７； 修 回 日 期 ：２０１２－０８－２０ 作者简介：翁运波 （１９８６－），男，山东枣庄人，在读硕士研究生，主要研究方向为混联机构模拟运动平台的控制及软件开发 。
第 １ 期 （总 第 １７６ 期 ） ２０１３ 年 ２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１３）０１－００７２－０２
５ 数 据 采 集 由于对数据采集卡和编码器数据的读取需要在时
间 上 对 应 ，因 此 这 里 采 用 软 件 触 发 方 式 。 同 时 ，每 次 采 集 的 数 据 较 多 ，包 括 许 多 绝 对 值 编 码 器 数 据 ，而 编 码 器 数 据 通 过 串 口 读 取 ，花 费 时 间 较 多 ，对 定 时 精 度 影 响 较
· ７６ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１３年第１期
受力最大值为７４ ３６０Ｎ。 通 过 以 上 数 据 的 比 较，虎 口 上下变形情况相对于 正 常 情 况 下，工 作 辊 的 轴 向 受 力 稍 有 增 大 ，而 横 向 受 力 最 大 增 加 了 约 ９ 倍 ，滑 块 磨 损 变 形情况相对于正常情 况 下，工 作 辊 的 轴 向 力 和 横 向 力 都 有 所 增 加 ，但 都 不 大 。
图 １ 运 动 平 台 控 制 系 统 的 总 体 结 构
动 作 类 包 含 动 作 名 称 、动 作 类 型 等 参 数 ，具 有 完 成 获取动作信息、起始 角 度 设 置、角 度 文 件 输 出 等 功 能。 机构计算类包含机 构 坐 标、长 度、角 度 等 参 数，能 够 完
收 稿 日 期 ：２０１２－０８－０７； 修 回 日 期 ：２０１２－０８－２０ 作者简介：翁运波 （１９８６－），男，山东枣庄人，在读硕士研究生，主要研究方向为混联机构模拟运动平台的控制及软件开发 。
第 １ 期 （总 第 １７６ 期 ） ２０１３ 年 ２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１３）０１－００７２－０２
行波管螺旋线缠绕机张力控制系统的设计
证螺旋 线缠 绕过 程 中的螺距 精度 ， 影响缠 绕制 品 的 质量［ 。因 此 ， 制 张 力 是 缠 绕 工 艺 中 重 要 的控 绕
制参数 ， 为了提高螺距精度 ， 保证缠绕制品的质量 ，
缠 绕机 必须配 备 性 能 可靠 的张 力控 制 系 统 。本 文 主要论 述张力 控制 系统 的设计 。
计 了张力检 测 装 置 ， 然后 确立数 学模 型 ， 用增 量式数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 ， 采 Ｉ 设计 了张 力控 制 器 。通过 仿真证 明能较好地 满足 预期 的控 制要 求。 关 键词 ： 力控制 系统 ； 张 增量 式数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 ； 粉 制动 器 Ｉ 磁 中图分 类号 ： Ｐ ７ ． Ｔ ２３ ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２—１ １ （０ ０ １ —０ ５ １７ ６ ６ ２ １ ）９ ０ ３—０ ４
的螺距精度对螺旋线行波管的性能提升至关重要。 螺旋 慢 波结构 的成 型工艺 中 ， 要将不 同规 格 需
的钨带 或钼带 ， 张力 的作 用下 按照 规定 的螺旋 升 在
角、 螺距和匝数缠绕在不同直径的芯杆上。行波管 螺 旋线缠 绕机 即为完 成缠 绕工艺 的 自动化设 备 ， 张
力控 制 系统是行 波 管 螺 旋线 缠 绕 机 的重 要 组 成 部
波 管实现 微波 能量 放 大 的关键 结 构 。螺 距 是 螺旋 线 慢波结 构 的一 个重 要参数 ， 接影 响到螺旋 线慢 直 波结构 的色 散特 性 和 耦 合 阻抗 ３。螺 旋线 慢 波 结
内压的能力 ， 提高其抗疲劳特性 ， 提高螺旋线慢波 结构 的螺距 精度 。如果 张力 过大或 过小 ， 就不 能保
张力 系统结 构如 图 １所 示 。对 于行 波 管 螺旋 线缠绕 机 ， 张力 控 制 的好 坏 直 接影 响产 品 的质 量 。 随着 放线 机构在 放线 过程 中卷径 逐渐 变小 ， 每层所 放 出的钨 带或 钼 带 的长 度是 不 同 的。 当放 线 轮 的 卷径减 小 时 ， 制 动 力 矩 Ｔ 不 变 ， 绕 制 张 力 变 若 则
制参数 ， 为了提高螺距精度 ， 保证缠绕制品的质量 ，
缠 绕机 必须配 备 性 能 可靠 的张 力控 制 系 统 。本 文 主要论 述张力 控制 系统 的设计 。
计 了张力检 测 装 置 ， 然后 确立数 学模 型 ， 用增 量式数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 ， 采 Ｉ 设计 了张 力控 制 器 。通过 仿真证 明能较好地 满足 预期 的控 制要 求。 关 键词 ： 力控制 系统 ； 张 增量 式数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 ； 粉 制动 器 Ｉ 磁 中图分 类号 ： Ｐ ７ ． Ｔ ２３ ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ２—１ １ （０ ０ １ —０ ５ １７ ６ ６ ２ １ ）９ ０ ３—０ ４
的螺距精度对螺旋线行波管的性能提升至关重要。 螺旋 慢 波结构 的成 型工艺 中 ， 要将不 同规 格 需
的钨带 或钼带 ， 张力 的作 用下 按照 规定 的螺旋 升 在
角、 螺距和匝数缠绕在不同直径的芯杆上。行波管 螺 旋线缠 绕机 即为完 成缠 绕工艺 的 自动化设 备 ， 张
力控 制 系统是行 波 管 螺 旋线 缠 绕 机 的重 要 组 成 部
波 管实现 微波 能量 放 大 的关键 结 构 。螺 距 是 螺旋 线 慢波结 构 的一 个重 要参数 ， 接影 响到螺旋 线慢 直 波结构 的色 散特 性 和 耦 合 阻抗 ３。螺 旋线 慢 波 结
内压的能力 ， 提高其抗疲劳特性 ， 提高螺旋线慢波 结构 的螺距 精度 。如果 张力 过大或 过小 ， 就不 能保
张力 系统结 构如 图 １所 示 。对 于行 波 管 螺旋 线缠绕 机 ， 张力 控 制 的好 坏 直 接影 响产 品 的质 量 。 随着 放线 机构在 放线 过程 中卷径 逐渐 变小 ， 每层所 放 出的钨 带或 钼 带 的长 度是 不 同 的。 当放 线 轮 的 卷径减 小 时 ， 制 动 力 矩 Ｔ 不 变 ， 绕 制 张 力 变 若 则
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
0 引言
螺旋线行波管是一种宽频带、高增益的功率放大 器件，它 被 应 用 于 卫 星 通 信 系 统、雷 达 系 统 和 电 子 对 抗系统等众多 的 场 合［1］。 螺 旋 线 绕 制 机 是 用 来 生 产 行波管内螺旋慢波线的专用自动化设备，慢波线尺寸 精度的高 低 直 接 影 响 螺 旋 线 行 波 管 的 质 量 和 性 能。 提高螺旋线的螺距精度、绕制均匀可变的螺距是当前 螺旋线绕制机系统的研制重点。通常以螺旋线螺距 误差的大小来衡量螺距精度的高低。目前，在使用的 各种 螺 旋 线 绕 制 机 中，有 最 早 的 手 工 绕 线、机 械 式 自 动绕线和机电一体化控制形式的绕制机［2］，这些加工 方 式 均 无 法 满 足 逐 步 提 高 的 螺 旋 线 精 度 要 求，因 此， 研制一套效率和加工精度更高的螺旋线绕制机系统 具有重要意义。
图 1 螺旋线绕制机机械结构示意图
螺旋线绕制机控制系统应满足如下控制要求。 1） X 轴与 Y 轴电动机应保证严格同步旋转，否则 芯杆易扭断。 2） 要达到等螺距、渐变螺距和跳变螺距等多种绕 制方式，则要求主轴电动机和进给轴电动机能够实现 复杂的协调运动。 3） 要达到螺距精度为 ± 3μm，则要求运动控制系 统有很高的动态、稳态精度，运行平稳，跟随误差小。 4） 绕制时应保 证 带 材 处 于 合 适 的 张 紧 状 态，因 此，要求进行张力控制。
依照此步骤分别对 X、Y 和 Z 轴电动机进行 PID 参
数调整，图 4、图 5 所示分别为 Z 轴电动机的阶跃响应 曲线和跟随误差曲线。从图 5 所示可知，在连接负载的 情况下，Z 轴的跟随误差基本控制在 10 个脉冲以内，动 稳态性能良好，完全满足绕制机控制系统的要求。
Design of TWT helix winding machine control system based on ACＲ9000
Yang Xudong，Dai Guangyong，Sun Xiaopeng，Wang Jun，Xu Haiting （ School of Mechanical Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）
反转超程输入信号； Pn207、Pn212 使来自编码器的反
馈脉冲经伺服单元内部分频后发送给上位机控制器
的脉冲数为 32 768P / rev。
设置好上述参数后，通过驱动器面板上的操作按 键换 到 Fn002，进 入 JOG 模 式，以 200r / min 的 速 度 （ Pn304） 进行电动机的正反转测试，依次查看 X、Y、Z 轴机械装配是否存在问题。若电动机安装不良，例如 偏心时，将发出异常声音并振动。 2． 2． 2 PID 参数的调整
螺旋线绕制机主要由主轴旋转、纵轴进给、导丝、 张紧、放线 和 制 动 等 机 构 组 成。 其 中，主 轴 旋 转 机 构 包括定主轴（ X 轴） 和可沿导轨移动的动主轴（ Y 轴） ， 纵轴（ 即进给轴，简称 Z 轴） 进给机构采用滚珠丝杠副 传动机构带动工作台沿导轨前后运动。绕制时，首先 利用主轴旋转机构中的弹簧夹头将芯杆的两端夹紧 并拉 直，制 动 机 构 将 动 主 轴 制 动 锁 紧，然 后 将 线 盘 上 带材的一端穿过张紧机构、导丝机构固定在芯杆的前
ACＲ9000 是美国 Parker 公司推出的最新独立式 多轴运动控制器，内部有 32 位浮点运算数字信号处理 器（ DSP） ，可实现 64 位轨迹及数学运算精度，能胜任 多任 务 伺 服 控 制［4］。IPC 与 ACＲ9000 均 有 自 己 的 CPU，构成了主从式双微处理器结构。IPC 负责人机 交互界 面 的 管 理 和 控 制 系 统 的 实 时 监 控 等 工 作； ACＲ9000 完成伺服控制、插补运算、螺距补偿、回零和 限位等运动控制的细节工作。
基于 PC 机 + 可编程运动控制器的开放式数控系 统，具有良好的软硬件重构特性，运动轨迹控制精确， 已成为数控技 术 的 发 展 潮 流［3］。 本 文 结 合 行 波 管 螺 旋线绕制机研制项目的实施，以开放式数控系统为主
框架来设计绕制机控制系统，并通过生产试验对设备 加工精度进行检验。
1 行波管螺旋线绕制机的控制要求
ACＲ9000 提供了强大的 PID 参数调节功能，通过 其开发的 ACＲ-VIEW 软件可方便地对 PID 参数进行 整定，获得理想的控制性能。
首先，在 Servo Gains 界面中，通过阶跃响应曲线 调整 PGAIN、IGAIN 和 DGAIN 参数，使电动机获得良好 的动态性能 及 稳 态 品 质。其 次，在 Servo Tuner 界 面 中，利用示波器监视实时运动曲线，通过调整 FFVEL、 FFACC 0A = 8100；
∥不使用正转超程信号
Pn50B = 6548；
∥不使用反转超程信号
Pn207 = 0100；
∥使用 17 位以上的编码器
Pn212 = 32768；
∥编码器分频比脉冲数
其中，设置 Pn300 参数将速度指令输入的电压范
围设置为 DC ± 10V； Pn50A、Pn50B 令驱动器不使用正
螺旋线绕制机根据制品工艺的需要，按照所要求 的绕 制 规 律，以 特 定 的 机 械 运 动，将 缠 绕 材 料 连 续 地 缠绕在芯杆表面。螺旋线绕制成形过程是将芯杆两 端由伺服电动机同步驱动旋转，同时带材紧贴芯杆沿 芯轴方向做直线进给运动，使带材在一定张紧力的作 用下 发 生 变 形，缠 绕 在 芯 杆 上，最 终 获 得 所 要 求 的 螺 旋线。其机械结构示意图如图 1 所示。
2 控制系统硬件设计与实现
2． 1 系统结构及工作原理 为满足螺旋线绕制机的功能要求，该系统采用基于
上、下位机的开放式数控系统，主要由工业控制计算机 （ 简称工控机，IPC） 与多轴运动控制器 （ ACＲ9000 ） 组 成，再配有交流伺服电动机、伺服驱动器、编码器和光 电开关等。控制系统硬件结构原理图如图 2 所示。
杨旭东，等： 基于 ACＲ9000 的行波管螺旋线绕制机控制系统设计
2013 年第 10 期
电动机及 SGDM-10ADA 型伺服驱动器，伺服电动机尾
部安装有一个 17 位增量式编码器，电动机额定转速为
1 500 r / min。试运行之前，首先对伺服驱动器进行以
下参数的设置：
Pn300 = 1000；
ACＲ9000 伺服环控制算法原理图如图 3 所示。
图 3 ACＲ9000 伺服环控制算法原理图
图 3 中，PGAIN 为比例增益，提供系统的刚度，其 大小决定系统响应的快速性； IGAIN 为积分增益，消除 系统的稳态误差； DGAIN 为微分增益，提供稳定需要 的阻尼； FFVEL 为速度前馈，减小匀速段的跟随误差； FFACC 为加 速 度 前 馈，减 小 加 减 速 段 的 跟 随 误 差； FBVEL为 速 度 反 馈，用 于 双 环 控 制。此 外，ACＲ9000 还提供了滤波功能，用于消除共振［5］。
ACＲ9000 是绕制机控制系统的核心，它控制着交 流伺 服 电 动 机、伺 服 驱 动 器、张 力 控 制 单 元 及 光 电 开 关等元件的工作。系统硬件搭建完成后，需对伺服系 统进行调试，主要内容包括： 交流伺服电动机试运行、 位置环 PID 参数调节。 2． 2． 1 交流伺服电动机试运行
本系统选用安川 Σ-Ⅱ系列 SGMGH09ACA61 伺服
在本控制系统中，ACＲ9000 通过轴控制接口分别 与 X、Y、Z 轴的交流伺服驱动器相连，驱动器又分别与 各对应轴的交流伺服电动机连接，控制器发送模拟量
52
图 2 控制系统硬件结构原理图
ACＲ9000 可通过 Ethernet 接口、USB 2． 0 接口或 ＲS-232 / ＲS-485 接口与上位机进行通讯。Ethernet 相 对于其他通讯方式有更快的传输速度和更远的传输 距离，因此，上位机与 ACＲ9000 之间通过以太网传输 螺旋线绕制开始 / 停止指令、绕制参数、工作台位置数 据，以 及 绕 制 机 运 行 状 态 等 信 息，以 提 高 数 据 的 传 输 效率。 2． 2 伺服系统调试
51
2013 年第 10 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
端孔 上，启 动 主 轴 和 纵 轴 电 动 机，按 照 设 定 的 参 数 程 序进行螺旋线的绕制。
控制信号，控制伺服电动机的运转。将伺服电动机工 作在速度控制模式下，电动机尾部的编码器与驱动器 构成速度环，ACＲ9000 采集由驱动器分频的位置反馈 信号构建位置环，从而构成了双环反馈控制系统，以 保 证 各 轴 的 位 置 控 制 精 度，实 现 螺 旋 线 的 精 密 绕 制。 此外，选择磁粉制动器作为执行元件，利用 ACＲ9000 的单轴模拟量输出功能，为张力放大器提供模拟量控 制信 号，调 节 磁 粉 制 动 器 的 制 动 力 矩，完 成 螺 旋 线 绕 制过程中的恒张力控制。
确定电动机转动一切正常后，为了使系统获得良 好的稳 态 及 动 态 特 性，需 对 系 统 的 比 例 积 分 微 分 （ PID） 位置控制环进行校正和调整。系统的核心控制 器 ACＲ9000 提供了“PID + 速度 / 加速度前馈 + 陷波 滤波器”的 控 制 环 算 法，用 户 可 根 据 系 统 的 要 求 来 调 整其中的相关参数。
Abstract： A design method of TWT helix winding machine control system was forwarded based on upper computer and the ACＲ9000 programmable motion controller． The TWT helix winding machine system can wind the helix slow wave line of travelling wave tube． The system framework，hardware module and software module were described in detail according to the requirements and characteristics of the task． The results of production test show that this system can immensely improve the pitch accuracy and production efficiency of the helix slow wave line，and have a satisfied control effect． Key words： ACＲ9000； TWT helix winding； AC servo； control system