專利名稱：空間三角對(duì)稱r型電力變壓器鐵心卷繞成形的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
空間三角對(duì)稱R型電機(jī)變壓器鐵心卷繞成形的控制方法屬于電力變壓器鐵心卷繞成形技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)非中心對(duì)稱鐵心橫截面和實(shí)體的形狀和精度，即如何控制實(shí)現(xiàn)卷繞過(guò)程中卷繞帶材的運(yùn)動(dòng)控制從而保證卷繞疊加位置例如一種空間三角對(duì)稱斜半圓截面電力變壓器的截面是一條傾斜角為30度直線和一條半圓曲線，半圓的兩個(gè)端點(diǎn)和直線的兩個(gè)端點(diǎn)重合組成一個(gè)半圓截面(如附

圖1)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，控制方法所采用的技術(shù)方案是卷繞過(guò)程中導(dǎo)向?qū)χ袉卧?、背緊單元和檢測(cè)單元都固定在滑動(dòng)工作臺(tái)上，帶材相對(duì)于工作臺(tái)左右位置是固定的，隨滑動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)而移動(dòng)。將成形過(guò)程分為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、成形運(yùn)動(dòng)和糾偏運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)協(xié)調(diào)控制三種運(yùn)動(dòng)來(lái)保證幾何形狀和精度。卷繞過(guò)程帶材的運(yùn)動(dòng)分析如附圖5所示。
進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶材在模具的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)牽引下在前一個(gè)成形表面上沿自身中心線的前移運(yùn)動(dòng)。
成形運(yùn)動(dòng)成形運(yùn)動(dòng)定義為在卷繞成形工藝中為了形成零件的形狀結(jié)構(gòu)特征而使帶材的中心線由目前的位置移動(dòng)到成形帶材疊加中心線的位置的運(yùn)動(dòng)。
糾偏運(yùn)動(dòng)是指帶材的中心線偏離理想位置時(shí)而使帶材動(dòng)態(tài)地保持在成形中心線的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的特征在于它用變頻器控制模具回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速使帶材卷繞一周的平均進(jìn)給速度v保持恒定，它是通過(guò)下列公式去控制任意第n層轉(zhuǎn)速Nn來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Nn＝v/[2π(r0+nkt)]，其中，r0為初始回轉(zhuǎn)半徑的平均值，n為當(dāng)前卷繞成形的層數(shù)，kt為帶材的當(dāng)量厚度，即考慮由于帶材不平、卷繞不緊等因素對(duì)原帶材進(jìn)行修正后的厚度；它用步進(jìn)馬達(dá)去帶動(dòng)一個(gè)固定著換向、導(dǎo)向?qū)χ?、背緊各裝置和對(duì)于成形帶材疊加中心線的偏移量測(cè)量傳感器的滑動(dòng)工作臺(tái)去控制帶材的中心線由目前的位置移動(dòng)到成形帶材疊加中心線的位置的運(yùn)動(dòng)即成形運(yùn)動(dòng)，它是通過(guò)下列公式去控制任意第n周的偏移運(yùn)動(dòng)輸出控制脈沖數(shù)P來(lái)實(shí)現(xiàn)的，P＝[Kttg(α)+(Wn-Wn-1)/2]/d，其條件是當(dāng)前卷繞成形的圈數(shù)即層數(shù)n大于開(kāi)始成形偏移運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)n0，其中，Kt為上述當(dāng)量厚度，α為鐵心截面斜線的角度，Wn為當(dāng)前層的寬度，Wn-1為前一層的寬度，d為脈沖當(dāng)量；它在任意一次的卷繞過(guò)程中用位置檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)地去檢測(cè)帶材中心線偏離成形帶材疊加中心線的偏移量的大小和方向，再用上述步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)上述滑動(dòng)工作臺(tái)對(duì)帶材中心線的位置進(jìn)行糾正即進(jìn)行糾偏運(yùn)動(dòng)，它是通過(guò)下列公式去控制糾偏運(yùn)動(dòng)輸出脈沖數(shù)P1來(lái)實(shí)現(xiàn)的，P1＝(X1-X0)/d，其中，d為上述脈沖當(dāng)量，X1為當(dāng)前帶材中心線的偏移量，X0為前次測(cè)量的帶材中心的位置。所述的糾偏運(yùn)動(dòng)輸出脈沖數(shù)P1是用下述方法得到的一對(duì)位移傳感器對(duì)稱地固定在滑動(dòng)工作臺(tái)上，隨滑動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，同時(shí)保證導(dǎo)向?qū)χ泻蜕鲜銎茰y(cè)量傳感器的中心線在一條直線上并與卷繞軸線垂直，在卷繞過(guò)程中不停地測(cè)量并計(jì)算帶材相對(duì)于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的偏移量，再計(jì)算每一周的平均偏移量，把該偏移量與成形運(yùn)動(dòng)偏移量代數(shù)相加并把結(jié)果轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)而得到的，在下一周剛開(kāi)始卷繞時(shí)通過(guò)上述步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)上述滑動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)糾偏運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明可以精確地實(shí)現(xiàn)空間三角對(duì)稱R型電力變壓鐵心的卷繞成形，也可以卷繞對(duì)稱的日型電力變壓器鐵心，截面形狀可以是圓形、階梯形、折線形和R改進(jìn)形。
滑動(dòng)工作臺(tái)裝置(如圖3)主要由以下幾個(gè)功能單元組成換向機(jī)構(gòu)1、初導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2、背緊裝置3、精導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4、位移傳感器裝置5、換向機(jī)構(gòu)6換向機(jī)構(gòu)、滑板12和動(dòng)力傳動(dòng)裝置等。換向機(jī)構(gòu)1、初導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2、背緊裝置3、精導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4、位移傳感器裝置5、換向機(jī)構(gòu)6換向機(jī)構(gòu)都固定在滑板12上，隨滑板一起移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)8固定在床身11上，步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給滾珠絲杠，絲杠螺母與滑板12固定連接，帶動(dòng)滑板在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌7上前后運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)帶材移動(dòng)到預(yù)定的疊加位置。初導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2、精導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4和一對(duì)偏移量測(cè)量傳感器5的中心線一致并與后面卷繞成形零件的回轉(zhuǎn)軸線垂直。
帶材經(jīng)過(guò)換向輪1后由初導(dǎo)向?qū)χ醒b置2首先進(jìn)行帶材中心的初定位；背緊裝置3提供成形過(guò)程中的張緊力保證鐵心的緊密度和帶材的當(dāng)量厚度，背緊裝置上滾輪在氣缸的作用下可以上下移動(dòng)，當(dāng)需要帶材穿過(guò)時(shí)，上滾輪抬起讓帶材穿過(guò)，當(dāng)帶材的一段在模具上固定后上滾輪落下壓緊帶材；精導(dǎo)向裝置4對(duì)帶材在模具上成形之前進(jìn)行精對(duì)中，精導(dǎo)向?qū)χ袡C(jī)構(gòu)是一對(duì)齒輪彈簧機(jī)構(gòu)，連桿隨著帶材寬度的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)，在扭簧的作用下始終緊貼帶材的曲線邊，并且兩個(gè)齒輪連桿扭簧機(jī)構(gòu)是完全相同的，它們的動(dòng)作一致而且同步；在經(jīng)過(guò)精導(dǎo)向?qū)χ袡C(jī)構(gòu)4之后再通過(guò)換向輪6進(jìn)行換向，以便提供卷繞所需的張緊力，而且張緊力的豎直分力可提供一個(gè)壓力，壓緊成形模具上的帶材材料；換向之后在主軸模具18的轉(zhuǎn)動(dòng)和壓緊輪19的碾壓作用下實(shí)現(xiàn)卷繞成形。工作臺(tái)上的所有功能單元同滑板一起可以滑動(dòng)。模具回轉(zhuǎn)軸18上有光電計(jì)數(shù)器通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)卷繞圈數(shù)的計(jì)算，根據(jù)圈數(shù)的不同控制系統(tǒng)控制滑板12在導(dǎo)軌7上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)即成形零件21的截面30度直線和圓弧段的成形?；迳系钠莆灰苽鞲衅?隨著帶材寬度的變化而變化，保證傳感器的觸頭始終緊貼帶材的曲線邊，從而根據(jù)兩側(cè)傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化差異來(lái)檢測(cè)帶材中心的偏移量，該偏移量也轉(zhuǎn)化為糾偏運(yùn)動(dòng)的脈沖輸出由滑板執(zhí)行。
該控制系統(tǒng)有主控單元、輸入單元和輸出單元三部分組成，是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)原理圖如附圖4所示。輸入單元包括卷繞圈數(shù)的計(jì)數(shù)輸入和位移傳感器的檢測(cè)量輸入；主控單元通過(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)卷繞種類及各種參數(shù)的設(shè)置并顯示輸出實(shí)時(shí)參數(shù)(已加工圈數(shù)、位置偏移量、卷繞轉(zhuǎn)速以及報(bào)警信息等等)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、成形運(yùn)動(dòng)和糾偏運(yùn)動(dòng)。輸出單元包括變頻器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
卷繞過(guò)程中光電計(jì)數(shù)器記錄卷繞圈數(shù)，傳感器不斷檢測(cè)帶材的中心位置偏差，輸入單元將這些信息傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)圈數(shù)計(jì)算帶材的疊加位置，將位置信息轉(zhuǎn)化為成形運(yùn)動(dòng)；將位置偏差信息處理后轉(zhuǎn)化為糾偏運(yùn)動(dòng)脈沖量輸出，通過(guò)滑板的平移實(shí)現(xiàn)，保證帶材中心位置的準(zhǔn)確。
控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶材的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)(Y運(yùn)動(dòng))、成形運(yùn)動(dòng)(X運(yùn)動(dòng))和糾偏運(yùn)動(dòng)(C運(yùn)動(dòng))。
1)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制(模具回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的控制)帶材的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)實(shí)際是由卷繞軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)帶材在背緊力的作用下以一種張緊狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給速度由卷繞軸的轉(zhuǎn)速和卷繞模具的回轉(zhuǎn)半徑?jīng)Q定的，即v＝rw。隨著卷繞層的增加卷繞半徑呈遞增變化，為了卷繞成形零件的均勻一致盡量保持帶材進(jìn)給速度的恒定，假設(shè)模具為圓形，則卷軸轉(zhuǎn)速為Nn=v2π(r0+nKt)]]>Nn第N層轉(zhuǎn)速，r0初始回轉(zhuǎn)半徑的平均值(因?yàn)槟＞卟皇菆A形)，v帶材卷繞一圈的平均進(jìn)給速度，Kt帶材的當(dāng)量厚度，n當(dāng)前卷繞成形層數(shù)。
回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速由變頻器控制，由于帶材的厚度較小，本控制系統(tǒng)近似每5圈調(diào)速一次，由控制系統(tǒng)根據(jù)記錄的轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)數(shù)到5的倍數(shù)則控制系統(tǒng)的AD模塊輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的模擬信號(hào)給變頻器進(jìn)行一次調(diào)速，保證鐵心在成形過(guò)程中進(jìn)給速度的一致性。
2)成形運(yùn)動(dòng)控制(工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)計(jì)算)成形運(yùn)動(dòng)控制是該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，由于卷繞成形是一個(gè)三維實(shí)體展開(kāi)后再恢復(fù)的過(guò)程，卷繞的過(guò)程就是零件特征的成形過(guò)程，成形時(shí)刻帶材的長(zhǎng)度和寬度及其中心線的位置將直接決定卷繞成形零件的形狀精度。控制系統(tǒng)根據(jù)帶材的位置(長(zhǎng)度、寬度和中心線的位置)控制帶材的成形偏移運(yùn)動(dòng)，由于鐵心每一層的寬度是一樣的，而且?guī)Р牡拈L(zhǎng)度位置及其對(duì)應(yīng)的寬度和中心位置都隨著層數(shù)(計(jì)數(shù)圈數(shù))的變化而變化，而且這些參數(shù)的理論數(shù)據(jù)由且僅由層數(shù)(圈數(shù))來(lái)確定，所以成形運(yùn)動(dòng)量是圈數(shù)的函數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)圈數(shù)可以確定帶材的位置進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成形運(yùn)動(dòng)的控制。
帶材的成形運(yùn)動(dòng)量(脈沖數(shù))的計(jì)算P＝[Kttg(α)+(Wn-Wn-1)/2]/d(n＞n0)P偏移運(yùn)動(dòng)輸出控制的脈沖數(shù)Kt帶材的當(dāng)量厚度n圈數(shù)n0圓弧段圈數(shù)(開(kāi)始成形偏移運(yùn)動(dòng)的圈數(shù))Wn當(dāng)前層的寬度Wn-1前一層的寬度d步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量n偏移運(yùn)動(dòng)輸出控制的脈沖數(shù)3)糾偏運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)裝置檢測(cè)到帶材中心偏離成形中心位置時(shí)控制系統(tǒng)根據(jù)偏移量的大小和方向?qū)Р倪M(jìn)行糾正，糾偏運(yùn)動(dòng)由成形運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)裝置和機(jī)構(gòu)來(lái)完成。P1=f(ΔX1,ΔX0,d)=ΔX1-ΔX0d]]>ΔX1當(dāng)前帶材中心線的偏移量ΔX0前次測(cè)量的帶材中心線位置P1糾偏運(yùn)動(dòng)輸出脈沖數(shù)d脈沖當(dāng)量再見(jiàn)圖6程序開(kāi)始后通過(guò)人機(jī)接口輸入并計(jì)算所需加工參數(shù)，包括變壓器規(guī)格型號(hào)、卷繞最大最小速度，加工總?cè)?shù)等；卷繞開(kāi)始后每轉(zhuǎn)一圈計(jì)數(shù)器加一，計(jì)數(shù)達(dá)到加工總?cè)?shù)時(shí)結(jié)束；當(dāng)卷繞圈數(shù)大于開(kāi)始偏移圈數(shù)后，計(jì)算偏移脈沖數(shù)開(kāi)始加工后傳感器輸入處理子程序不停的采樣計(jì)數(shù)，輸入處理后進(jìn)行糾偏計(jì)算；偏移脈沖和糾偏脈沖合成后送步進(jìn)電機(jī)；判斷當(dāng)前圈數(shù)是否為調(diào)速圈數(shù)，是則進(jìn)行調(diào)速。
附圖7所示滑動(dòng)工作臺(tái)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。換向機(jī)構(gòu)1、初導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2、背緊裝置3、精導(dǎo)向機(jī)構(gòu)4、位移傳感器裝置5、換向機(jī)構(gòu)6都固定在滑板12上，滑板通過(guò)螺釘13與滾珠螺母14連接，滾珠絲杠9則通過(guò)滾動(dòng)軸承與一對(duì)絲杠支撐機(jī)構(gòu)10相連，絲杠支撐機(jī)構(gòu)10通過(guò)螺栓13固定在床身11上，絲杠9通過(guò)聯(lián)軸器16與步進(jìn)電機(jī)8相連，步進(jìn)電機(jī)固定在電機(jī)支撐座15上，電機(jī)支撐座15用螺釘固定在床身11上。7a是縱剖視圖，7b是側(cè)視圖。
由此可見(jiàn)，本發(fā)明達(dá)到了預(yù)期目的。
權(quán)利要求
1.空間三角對(duì)稱R型電力變壓器鐵心成形的控制方法，其特征在于它用變頻器控制模具回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速使帶材卷繞一周的平均進(jìn)給速度v保持恒定，它是通過(guò)下列公式去控制任意第n層轉(zhuǎn)速Nn來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Nn＝v/[2π(r0+nkt)]，其中，r0為初始回轉(zhuǎn)半徑的平均值，n為當(dāng)前卷繞成形的層數(shù)，kt為帶材的當(dāng)量厚度，即考慮由于帶材不平、卷繞不緊等因素對(duì)原帶材進(jìn)行修正后的厚度；它用步進(jìn)馬達(dá)去帶動(dòng)一個(gè)固定著換向、導(dǎo)向?qū)χ小⒈尘o各裝置和對(duì)于成形帶材疊加中心線的偏移量測(cè)量傳感器的滑板去控制帶材的中心線由目前的位置移動(dòng)到成形帶材疊加中心線的位置的運(yùn)動(dòng)即成形運(yùn)動(dòng)，它是通過(guò)下列公式去控制任意第n周的偏移運(yùn)動(dòng)輸出控制脈沖數(shù)P來(lái)實(shí)現(xiàn)的，P＝[Kttg(α)+(Wn-Wn-1)/2]/d，其條件是當(dāng)前卷繞成形的圈數(shù)即層數(shù)n大于開(kāi)始成形偏移運(yùn)動(dòng)的圈數(shù)n0，其中，Kt為上述當(dāng)量厚度，α為鐵心截面斜線的角度，Wn為當(dāng)前層的寬度，Wn-1為前一層的寬度，d為脈沖當(dāng)量；它在任意一次的卷繞過(guò)程中用位置檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)地去檢測(cè)帶材中心線偏離成形帶材疊加中心線的偏移量的大小和方向，再用上述步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)上述滑板對(duì)帶材中心線的位置進(jìn)行糾正即進(jìn)行糾偏運(yùn)動(dòng)，它是通過(guò)下列公式去控制糾偏運(yùn)動(dòng)輸出脈沖數(shù)P1來(lái)實(shí)現(xiàn)的，P1＝(X1-X0)/d，其中，d為上述脈沖當(dāng)量，X1為當(dāng)前帶材中心線的偏移量，X0為前次測(cè)量的帶材中心的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間三角對(duì)稱R型電力變壓器鐵心卷繞成形的控制方法，其特征在于，所述的糾偏運(yùn)動(dòng)輸出脈沖數(shù)P1是用下述方法得到的一對(duì)位移傳感器對(duì)稱地固定在滑板上，隨滑板移動(dòng)，同時(shí)保證導(dǎo)向?qū)χ泻蜕鲜銎茰y(cè)量傳感器的中心線在一條直線上并與卷繞軸線垂直，在卷繞過(guò)程中不停地測(cè)量并計(jì)算帶材相對(duì)于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的偏移量，再計(jì)算每一周的平均偏移量，把該偏移量與成形運(yùn)動(dòng)偏移量代數(shù)相加并把結(jié)果轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)而得到的，在下一周剛開(kāi)始卷繞時(shí)通過(guò)上述步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)上述滑板的移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)糾偏運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
空間三角對(duì)稱R型電力變壓器鐵芯成型的控制方法屬于電力變壓器卷繞成型技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它把控制運(yùn)動(dòng)分為帶材進(jìn)給速度控制，它通過(guò)變頻器控制任意一層的轉(zhuǎn)速來(lái)保證帶材的平均進(jìn)給速度保持恒定；成型運(yùn)動(dòng)，它用步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)滑動(dòng)工作臺(tái)去控制每一層帶材的中心線由目前的位置移動(dòng)到成型帶材疊加中心線的位置上；糾偏運(yùn)動(dòng)，它用位置檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)地檢測(cè)帶材中心線偏離成型帶材疊加中心線的偏移量的大小和方向，再用上述步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)滑動(dòng)工作臺(tái)對(duì)帶材中心線的位置進(jìn)行糾偏，它通過(guò)協(xié)調(diào)以上三類運(yùn)動(dòng)來(lái)保證成型零件的幾何形狀和精度。它可精確地實(shí)現(xiàn)空間三角對(duì)稱R型電力變壓器鐵心的卷繞成型，也可卷繞對(duì)稱的日型電力變壓器，截面可以是圓形、階梯形、折線形等。
文檔編號(hào)H01F41/02GK1414580SQ0213084
公開(kāi)日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者王先逵, 趙彤, 楊樹(shù)國(guó), 王彰德, 劉成穎, 吳丹, 王哲 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 包頭市瑞利特電子科技有限公司