天津市新天钢中兴盛达有限公司 天津静海 301600
摘要：针对当前工业上使用的小型管式捻股放线张力不恒定问题，对捻股机的放线装置进行研究分析，并设计出一种利用单片机实时控制的新型恒张力放线装置。该装置包含丝杆电机、拉力传感器和以单片机为核心的控制器等。通过该新型管式捻股机放线装置的应用，实现了恒张力放线，稳定了产品质量，保证了安全生产。
关键词：管式捻股机； 放线装置； 卷径； 恒张力；
引言
捻股机是钢丝绳生产的重要设备之一。国内的捻股机在放线过程中大部分主要采用多工字轮放线架被动放线，在牵引机的作用下，多根钢丝同时放出。放线时要求各根钢丝的放线张力相等或成比列关系，并能在放线过程中保持恒定，停车时应能尽快地停止放线，以免产生乱线。近些年来，有些学者研究出的恒张力放线装置安装空间大、结构复杂，使用时操作不便，难以满足小型管式捻股机结构要求，仍然无法生产出高质量的钢丝绳。
因此，在对管式捻股机的放线装置进行深入研究分析的基础上，设计出一种利用单片机实时完成卷径计算并实现自动控制的新型恒张力放线装置，以保证恒张力放线，满足现代化生产的需求。
一、问题分析
目前，国内绝大部分钢丝绳生产设备都是采用简易阻尼绳作为制动元件，属于带式制动。通过调节圆螺母和螺栓杆来改变阻尼盘与阻尼绳间的摩擦，以实现改变对工字轮的制动力矩，调节放线张力的目的。但是这种简易装置在使用时依靠操作工手工调节，无法满足钢丝张力的定量和恒定的要求。
1.1 张力控制分析
小型管式捻股机的放线装置是采用工字轮放线，其中阻尼绳是本装置的执行元件。钢丝所受到的张力是通过改变阻尼绳的张紧度实现的。由于在短时间内工字轮上的钢丝卷径几乎不发生变化，可认为是匀速转动，即工字轮处于平衡状态。
可知，要确保钢丝的张力不变，随着钢丝放线卷径的减小，适时地改变阻尼绳的张紧度，使阻尼绳作用在阻尼盘上的正压力减小，则阻尼力矩变小，即可实现恒张力放线。可见，钢丝放线卷径是张力控制中需要检测的一个关键参数。
1.2 控制模型分析
由上述分析可知，若能确定积线卷径的变化并及时调整制动力矩，即可保证钢丝的张力恒定。为了简易快速测量卷径的大小，且能减少使用检测元件的条件下，根据钢丝卷绕模型提出了一种能自动完成卷径计算的新方法，即根据卷绕数学模型和放线工作时间建立卷径与时间的函数关系，同时利用单片机内部程序算法计算出任意时刻卷径值大小。
在生产中，钢丝卷绕在工字轮上是通过排线机构和收卷机构完成的，在没有滑移的情况下，钢丝排列紧密，同一层面高低一致，分层有序。因此，钢丝在工字轮上卷绕的模型是有规律的，其卷绕模型有并列绕和交叉绕2种。
经计算分析，并列绕模型的钢丝填充系数为0.7~0.785，交叉绕模型的钢丝填充系数为0.759~0.902。工业上钢丝卷绕模型的填充系数在0.7~0.78之间，与并列绕模型的钢丝填充系数相一致，这说明实际卷绕基本上是按并列模型卷绕的，在计算中用并列绕模型代替。设钢丝直径为d，卷绕的最大直径为Dmax，最小直径为Dmin，工字轮内缘间距为B，同一圆环的层数为m，同一层的圈数为n。
根据并列绕模型的排列情况可得：
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[•]代表取整。
进而分析每一层的直径和卷绕长度，从外层往里层计算，各层之间的直径和每层卷绕长度是成数列关系，即有第i层的直径为Dmax-（2i-1）d，该层卷绕的长度为πq[Dmax-（2i-1）d]。
则从第1层到第i层的钢丝长度为：
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在恒张力放线过程中，放卷钢丝的速度是恒定的，设速度为v，则在工作t时间内有：
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可解得：
由式（8）可知，钢丝的卷绕直径Dt与时间t成非线性函数关系，在已知初始卷径、钢丝直径和钢丝放线速度的情况下，只要确定工作时间t，就能通过单片机自动计算出当前时刻的卷径值大小。此方法简单有效、方便快捷，不需要外加检测元件，基本上满足精确计算卷径的要求，为后续的恒张力控制的设计奠定了基础。
二、恒张力控制装置的设计
在放线过程中，随工字轮绕线卷径的减小，放线速度及放线张力发生变化，通过改变阻尼绳的松紧度，减小对工字轮的摩擦作用，即使工字轮的阻尼减小，放线工字轮转速加快，从而使放线速度和钢丝张力保持恒定[1]。采用丝杆电机作为执行元件，拉力传感器作为检测元件，对放线系统间接式进行张力控制，同时采用闭环控制系统以提高控制精度。
2.1 机械结构本体的设计
本文是在对小型管式捻股机的张力控制系统的基础上进行改造研究，采用电气式的张力控制方式。一是将调节螺栓换成丝杆电机，以实现自动调节，电机通过驱动螺母副的移动，实现改变对阻尼绳的拉紧或放松状态，同时螺母副具有自锁保持功能。二是采用拉力传感器检测阻尼绳的张力大小，间接地检测钢丝张力的大小。此装置的机械结构简单，方便有效，不需要改变原有工字轮线轴架的尺寸，降低了成本。
2.2 控制器的设计
张力控制器的硬件结构主要由ATMEGA8-5型单片机、微步驱动器、显示驱动器、LED数码管、A/D转换器、按键和无线传输模块等组成。根据控制系统应用要求，进行了必要的功能扩展。
单片机作为微控制器，负责数据处理并驱动外部电路，核心是计算卷径变化并控制电机的动作。它将拉力传感器采集来的信号进行处理，通过预先给定的控制指标进行对比，并结合当前的卷径大小，按照一定的控制策略进行处理，实时调整控制信号，通过放大电路和驱动电路来控制执行机构，最终完成对张力的调整。该控制器在工作前预先设定初始卷径值和钢丝张力值，设定后按确定键即可自动通过丝杆电机调整阻尼绳的初始张力，拉力传感器检测阻尼绳的张力是否满足要求。当积线半径Rx随工作时间t而减小时，控制器将通过内部程序算法计算当前时刻的卷径大小，并发出控制信号控制电机的旋转方向和步长，使得螺母副在夹持板间移动，放松阻尼绳，适当减小对工字轮的制动力。同时，拉力传感器检测阻尼绳上的张力并反馈给控制器，形成闭环控制，最终达到恒张力放线。
同时，控制器还具有断丝或无料检测的功能，当钢丝断丝或无料时，可通过霍尔传感器检测到工字轮无转动的信号发给控制器，控制器作出判断并发出警报信号，使捻股机自动断电停机。由于管式捻股机上一般至少有7套放线装置，为了便于通过1台PC机监测各个装置的张力情况，该控制器还进一步配有无线传输模板，能够将当前时刻的卷径值和钢丝张力发送到上位机，有助于统一管理和操作，实现了远程监测和控制。
三、结束语
通过对管式捻股机放线装置的张力控制系统的研究并改装，采用单片机和丝杆电机对钢丝进行自动恒张力控制，使生产的钢丝绳捻制质量相应提高，其抗拉强度和疲劳强度均增强。具体结论如下：
a.提出了一种基于缠绕模型和时间自动完成任意时刻卷径计算的新算法，该方法减少了相应的检测元件的使用，降低了系统成本，简单实用有效。
b.设计了一种恒张力放线装置，即采用丝杆电机自动调节阻尼绳对工字轮制动力矩的大小。这种装置可实现自动调节，保证了恒张力放线，提高了钢丝绳的抗拉强度、疲劳强度等，确保了捻制质量，达到安全生产要求。
参考文献：
[1]王奎生.钢丝绳生产工艺与设备[M].北京：冶金工业出版社，1993.
[2]王庸禄.管式机放线张力控制装置[J].金属制品，1987，13（6）：30-35.