...15/151前言1.1設計的目的和意義我現在實習的車間是油礦電纜車間，主要是生產油礦電纜，用到的設備有束線機（JSH-400束線機）、低溫擠出機、包布機鋼絲鎧裝機等等都是一些老式設備，跟現代化根本扯不上邊。在第一個步驟銅線的絞合，用到得束線機，就是手工操作，手工檢測。費時費料，所以就像把公司的束線機改裝成數控的。以方便操作，減輕工作量，提高產品量，減少廢品率。1.2國外現狀我國的油礦電纜的發展分為三個階段：第一個階段是50～60年代，仿；第二個階段是70年代，改型；第三個階段是70年代后期，為發展階段。第一階段。油礦電纜的發展也和其他電纜一樣先是從仿開始的。50年代石油工業僅有和甘蕭等地的小油田，而更多的是礦山的開采，當時探測用的電纜是橡套電纜，按聯標準生產。型號有КТШ和КТО兩種，拉斷力為0.3～2t，長度為300～3000m，測試儀器重約270kg，載荷是由導電線芯承受的。因此，導電線芯用直徑0.30～0.50mm高強度鋼絲多根絞合而成；絕緣采用70°C等級的橡皮，共3芯；КТШH為氯丁膠外護套；КТО為編織外護層。由于當時細的高強度鋼絲難以解決，更由于電纜外徑大，長度受到裝盤容量的限制，大長度電纜難以生產[2-3]。60年代初隨著油田的開發，又按聯標準試制了雙鋼絲鎧裝測井電纜，其型號為КТБ-8，電纜為6芯，外徑13.0mm，拉斷力大于8t。長度為2200～3500m。銅導電線芯為7×0.32mm，耐溫70°C的橡皮絕緣，6芯成纜加填充而后編織涂蠟克漆作為墊層，再用直徑1.2mm和1.4mm的高強度鋼絲雙層鎧裝。這種電纜一直維持到70年代初期。由于橡皮絕緣工藝復雜，機械強度低，再加上編織涂蠟克漆的結構復雜，產品合格率太低，影響了質量的提高和生產的擴大。第二階段。隨著我國石油化工的發展，燕山向陽化工廠的聚丙烯(PP)投產，再加上遼河油田的開發，油井愈來愈深，電纜3500m的長度已不能滿足油田發展的需要了。于是在70年代初期為遼河油田試制了聚丙烯絕緣，長度為4200m的測井電纜。電纜經試用性能良好，滿足了當時的需要。電纜由6芯改為7芯，取消了編織涂蠟克的墊層，改為擠包丁腈聚氯乙烯復合物為墊層，簡化了工藝和結構，電纜的性能也提高了很多，產品合格率也上升了。第三階段。70年代是我國石油發展最快的年代，大面積的鉆探和開采使一個貧油的中國一躍成了“富油國”。遼河、勝利、大港、和等油田都報導了探測的好消息。北部也鉆探了中國最深的井。1976年機械部給和等電纜廠下達了試制8000m長的超深井測井電纜的任務。上纜廠試制了硅橡膠和F46兩種絕緣型式的電纜；電纜廠的試制了F46絕緣全屏蔽型電纜，于1977年3月在省江柚縣的關基井進行了試驗。參與試驗的還有1根美國產的8000m長的電纜。這次兩廠試驗的電纜結構與國外電纜基本一樣，性能也差不多，基本上滿足了超深井測試的要求，使國產測井電纜有了一個飛躍的發展。這一階段試制的超深井測井電纜的結構，不同于美國的同類型產品，特別是上纜廠試制的電纜，采用硅橡膠絕緣；另外二根雖然也采用了F46，但絕緣厚度為0.6mm(美國為0.37mm)，并采用了半導電填充和包帶，在250°C下ρv為6050MΩ·km，在井深6100m時導線電阻只增大了17%，電容變化不大。纜廠生產的電纜結構和美國的相似，地面上測試美國電纜的電容為0.0745μF/km，導線電阻26.5Ω/km，外徑11.8mm。廠生產的電纜電容變化為0.16～0.078μF/km，絕緣電阻變化從井深1000m到6618m時除4號線芯有所降低外，其他線芯均變化不大，都大于500MΩ。電纜伸長：在井深4500m時伸長+1.1m，在5500m時為1.5m；在6500m時為3.3m，電纜總長為7926m，相當于伸長率為0.042%，完全符合使用要求。通過超深井測井電纜的試制，使中深井電纜(5000m和7000m)的結構也基本上定型。這些結構基本上和國外電纜一樣。1977年勝利油田引進了美國電纜，是加拿大德萊塞公司的產品，中深井長度5500m的型號為7H42RB，11根，超深井長度8000m的型號為7H42SF，9根，當時價格前者為24722.5美元/根，后者為62391美元/根，這批電纜的使用對促進國產電纜的定型和性能提高起到了一定的作用雖然國產電纜已作了定型，各廠也試制了各種用途的測井電纜，但還未形成系列，油田急需的超深井電纜、小直徑測井電纜等還不能大批量供應，在性能上與國外電纜相比還有不少差距。1.3設計的容通過資料查詢提出對束線機的設計方案，并進行論證修改。確定最終的束線機的設計方案，并著手進行設計。系統的設計原則，在軟件設計開發過程中，需要有一定的指導準則，在整個設計過程中提供方向指導作用，軟件的設計準則是整個軟件在設計中需自始至終貫徹的指導思想。本系統的主要設計原則：集成化，把CAD、CAM系統連接成為一個有機的整體，使之互相支持，互相調用。智能化，把人工智能技術、專家系統應用于CAD/CAM系統，使其具有人類專家的經驗和知識，具有學習、推理、聯想和判斷功能。并行化，把人工智能技術、專家系統應用于CAD/CAM系統，使其具有人類專家的經驗和知識，具有學習、推理、聯想和判斷功能確定數控束線機傳動部分尺寸的設計和確定。確定束線機的束線部分結構設計，確保束線過程的準確和穩定。數控束線機的智能CAD/CAM集成系統設計。機械部分的設計，主要是束線的路徑優化，根據數控束線機的工作原理。整個數控束線機的電機部分選取，主運動部分采用伺服電機驅動，束線部分采用步進電機驅動。數控束線機的擺線部分采用渦輪蝸桿式傳動。線盤旋轉方式采用齒輪傳動，以確保每圈線能夠精確的定位。齒輪嚙合部分的參數確定和齒輪的選取。根據數控束線機的機械尺寸和工藝參數，計算、設計和篩選數控束線機的配套零件。數控束線機的系統液壓系統設計。確定數控束線機的夾具部分設計。束線機尺寸確定和設計，并對束線機上的工位進行合理的制定。主傳動系統運動仿真分析。通過對主傳動系統的運動仿真分析，可求解系統各構件的位置、速度、加速度與時間的函數關系，在對系統進行運動分析時，可忽略各組成構件受力變形，則仿真精度取決于建模精度和相關幾何參數的準確性[1]。最終完成設計，使控制系統達到預期效果并書寫計算說明書，CAD繪制機械部分總裝圖與配套零部件圖，手工繪制部分零件圖。2總體方案設計2.1功能與性能要求分析傳動形式：主電機降動力有三角皮帶傳到右主軸再經過換向齒輪與節距齒輪，再傳到光桿排線器、牽引與收線。這里主要是通過伺服電機與數控裝置控制電機的轉速。左右絞合：通過編程來控制伺服電機的旋轉方向來控制絞合的左右方向。2.2設計方案比較、分析與確定改裝前的束線機在絞合方向、絞合節距都需要人工來調節，力的調整是屏操作員的感覺來調節，很難實現力的標準化，而且在收線盤地裝卸上也是用手動來裝卸。數控設計后的束線機都可以通過程序的編輯與數控系統來實現，代替手工。不但實現了機械的自動化，而且實現了技術的標準化，精度化。使作員更加容易的去操作。2.2.1伺服電機驅動方式設計目前，伺服電機驅動式主傳動的結構形式主要有以下兩種在傳統機械式主傳動的基礎上，將伺服電機直接與曲軸相連，省去飛輪與離合器與制動器。日本公司的型數控轉塔沖床，是將兩臺伺服電機分別連接于曲軸的兩端，控制其同步運轉，保證了對曲軸足夠的扭矩輸出，同時可以獲得很高的沖壓頻率。而另外一種結構形式是伺服電機通過減速機再與曲軸相連。這樣可以適當降低伺服電機的額定扭矩，但最高沖壓頻率也被限制。該結構雖然比較復雜，但其利用曲柄肘桿機構特有的增力特性，可以降低伺服電機的負載扭矩，并且曲柄旋轉一周，滑塊上下運動兩次，這樣能夠達到更高的沖壓頻率[2]。2.2.2液壓系統設計典型的液壓原理圖見圖2.1。通過采用高精度、高頻響比例換向閥11與液動閥7來實現沖頭油缸的高速換向，控制高頻響比例換向閥11的動態特性，以與采用合適的緩沖蓄能器，將有效減輕換向沖擊，甚至完全避免換向沖擊。選用ATOS的高性能比例換向閥，其響應時間≤15ms，而且與液動閥7通過控制塊緊密相連，使得液動閥7的隨動性良好，在液壓元件方面保證了換向平穩迅速；換向沖擊，機械沖擊都會在管路產生壓力尖峰，蓄能器13的主要作用就是吸收這些沖擊，實現換向以與運行平穩。實際應用效果證明了這個液壓原理合理有效。圖2.1液壓系統2.2.3系統的軟件設計1）數控程序的設計數控程序的設計不是一個單純的將設計圖紙轉化為機床可識別代碼的過程。優秀的數控編程人員首先應當是優秀的工藝設計人員和優秀的機床操作人員。必須要對機床與機床的各項參數充分地了解，對所有的模具做到心中有數。程序設計時，應根據數控沖床的加工工藝特點，進行全面的分析，選擇哪種編程形式，以哪里為側重點，要綜合考慮，以便達到數控束線機最優的應用和發揮。針對高速液壓控制系統輸出力大、頻率響應快、精度要求高等特點，利用高性能的單片機和PROFI2BUS現場總線設計的控制器[3]，不僅使高速液壓控制系統智能化，而且提高了系統的頻率響應和控制精度。2）液壓裝置設計數控束線機的智能高速液壓控制系統包括高速開關閥、液壓缸、控制器、液壓站、油路和上位機單片機。系統通過上位機單片機給控制器發送命令，控制器根據要執行的命令控制高速開關閥動作，由高速開關閥輸出的油來控制液壓缸的換向和速度。其中液壓缸的動作主要包括PWM直接控制閥的工作，這不僅控制電路簡單，而且抗干擾能力強、控制精度高。3）單片機的控制系統設計位移檢測電路模塊位移檢測電路的作用是通過位置傳感器檢測液壓油缸活塞桿的位置，再將位置信號反饋給單片機，單片機根據給定的位移信號與反饋的信號進行比較，形成閉環控制，提高控制精度。位移檢測電路模塊。磁柵尺的輸出有多路信號。系統采用磁柵尺作為位置傳感器，由于磁柵尺的輸出信號是差分信號，所以將其輸出的差分信號接到差分轉換芯片，該芯片的作用是差分驅動，再將芯片的輸出送給單片機[4]。3機械部分的設計3.1機械部分的組成和作用束線機主要有搖籃架、計米裝置、機架、保護罩、線盤升降裝置與電氣控制裝置組成。搖籃架：實現裸銅線的絞合以與線盤的裝載。計米裝置：實現束線機對電纜腳和長度的計量。機架：支撐整個設備。保護罩：在機械韻升過程中，保護罩時落下的。防止機器運轉過程中，電纜突然斷掉，打傷操作員與其他人員，防止不正規的操作。線盤升降裝置：實現線盤的裝卸等過程。電氣控制裝置：實現對整個設備的電路控制與電源開關控制。3.2束線機機構的設計3.2.1設計計算由于束線機運轉動作均在收線部分，變速機構安裝在轉動的欄架里，地點受到限制，這就決定了束線機只能制成一個絞向、規格較小的產品。區主要類型分但結局束線機和雙節距束線機兩種。按首先盤的外徑大小，可分為2300型、400型、500型、630型與1000型等。單節距束線機中各單線進入分線板，即收線到收線盤上，搖籃旋轉一周產生一個節距；而雙節距束線機中各單線機沿回轉體和設備中心饒了一整圈后才進入收線欄，回轉體沒旋轉一周束線機產生兩個節距。目前最常用的雙節距束線機特點是轉速快、生產率高。雙節距束線機的極端過程H=v/2n*1000式中：h--束線機節距（mm）V--出現速度（m/min）H--絞籠（r/min）3.2.2設計結果通過對束線機的設計實現對束線機的數控控制。表3.1節距表導體模具絞距導體模具絞距導體模具絞距7/0.100.361120/0.181.126.710/0.12+2/1#7/0.120.451320/0.100.6217.413/0.12+2/1#7/0.140.501520/0.120.742016/0.12+2/1#7/0.160.5217.425/0.120.802315/0.12+2/1#7/0.180.662020/0.12+1/1#10/0.080.381120/0.12+2/1#10/0.100.481225/0.12+1/1#10/0.120.5117.425/0.12+2/1#12/0.120.602030/0.08+NY15/0.120.682320/0.12+5/1#3.3束線機機構選型3.3.1選型理由(1)電機的選擇伺服電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在不超載的情況下，電機的轉速和停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，也就是給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差的特點，使得其控制速度和位置非常簡單。步進電機與普通直流電機或交流電機在使用上的區別是，它不可以直接連接電源，必須在雙環形脈沖信號和功率驅動電路等組成的控制系統中使用。所以在對束線機的數控改裝上，選用伺服電機。根據電機的電流，配用大于或等于此電流的驅動器。如果需要低振動或高精度時，可配用細分型驅動器。對于大轉矩電機，盡可能用高電壓型驅動器，以獲得良好的高速性能。步進電機的驅動電路根據控制信號工作，控制信號由單片機產生。其基本原理作用如下：

1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-C-D，通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A，B，C，D相的通斷。

2)控制步進電機的轉向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。

3)控制步進電機的速度如果給步進電機發一個控制脈沖，它就轉一步，再發一個脈沖，它會再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調速。(2)控制系統的選用根據該設計對于微機系統的一般要求，以與考慮到該儀器應具有一定的普遍性，該設備的控制部分設計了以下功能模塊：總線板，8051主機板，EPROM2764程序存儲器擴展板，RAM6264數據存儲器擴展板，ADC0809轉換板，I/O擴展與，8279鍵盤顯示接口板。國的控制用微機以往大多采用系統激活單片機的形式，由于單片機的集成度較高，而功能強,價格卻比較便宜，從而已成為機電一體化產品中首選的微控制器。到一片芯片上集成了一個計算機系統，其主要部分包括微處理器（CPU），存儲器（隨機訪問存儲器RAM、只讀存儲器ROM）和各種輸入/輸出接口（包括定時器/計數器、并行I/O接口、串行口、A/D轉換器有極脈沖寬度調制（PWM）等）。單片機主要應用于嵌入式應用，因而又被稱為嵌入式微控制器。在工業實時控制、智能儀表、通信設備、智能終端、汽車電器和家用電器、醫療器械等領域得到了廣泛的應用。本設計的功能是實現一個基于8051單片機控制的3相步進電機系統,由單片機產生驅動脈沖信號,步進電機的驅動器收到驅動脈沖信號后,步進電機將會按照設定的方向轉動一個固定的角度,將電脈沖轉化成角位移。電機的轉速由脈沖信號頻率來控制決定,可以通過控制脈沖的個數來控制角位移量,從而達到調速的目的。系統框圖如圖3.1所示。由圖3.1可知,步進電機控制系統中有兩個重要電路，脈沖分配電路和驅動電路。脈沖分配電路有兩個輸入信號：步進脈沖和轉相控制。脈沖分配電路在步進脈沖和轉向控制信號的共同作用下產生四相激勵信號,此激勵信號經過驅動電路送至步進電機,控制步進電機向某一方向轉動,此激勵信號的頻率決定了步進電機的轉速。驅動電路的主要作用是實現功率放大。一般脈沖分配器輸出的驅動能力是有限的,它不可能直接驅動步進電機,而要經過一級功率放大。圖3.1三相步進電機控制系統框圖(3)液壓系統的選用液壓控系統可以再用刑過程中實現大圍的無機調速。在同等輸出功率下，液壓傳動裝置的體積小，重量輕，運動慣量小，動態性能好。采用液壓系統可實現無間隙傳動，運動平穩。液壓系海邊與實現自動工作循環和自動過載保護。由于一般采用油作為傳動介質，隱刺液壓元件有自我潤滑作用，有較長的使用壽命。而且液壓元件都是標準化、系統化得品，便于設計、制造和推廣應用。所以綜合以上優點，此設計選擇液壓系統來實現各種運動。圖3.1束線機3.3.2選型結果通過對以上幾點的分析，此設計選擇伺服電機為動力系統，液壓裝置為傳動系統，單片機為控制系統對JSH400束線機的進行數控設計，對束線機的結構與功能進行深入了解，并且完成對數字控制的設計。3.4機械部分總成主要有放線機、模具，搖籃傳動裝置機收線架等部分組成。實物如圖3.2-圖3.4：圖3.2放線架圖3.3擺線器圖3.4力調節器4控制系統硬件設計4.1控制系統功能和要求分析控制系統主要對束線機的主電機轉速，結局比的調節，以與絞合仿效進行控制。主要功能如下：伺服電機：控制數束線機得到不同的的旋轉速度。液壓系統：主要是控制實現對線盤的裝卸。單片機：實現對束線機旋轉速度和力的大小的控制已得到不同的節距比。4.2控制系統的組成控制系統主要是有伺服電機，液壓裝置和單片機等組成。4.3各組成部分的設計4.3.1設計計算通過公式H=v/2n*1000計算束線機的節距比結表4.3所示：表4.3束線機節距表節距mm配掛論齒數A/B節距mm配掛論齒數A/B13.517/4637.7432/3115.7919/4442.8634/2918.2921/4248.7536/2721.0223/4455.5738/2525.0425/3863.5940/2317.4027/3673.1242/2131.1929/3484.2644/1935.4231/3298.9246/17通過已知的數據實現對束線機的PLC電路設計4.3.2設計結果實現PLC電路對束線機的控制，使高速液壓控制系統智能化，而且提高了系統的頻率響應和控制精度。4.4總體硬件電路圖4.1硬件電路原理圖5控制系統軟件設計5.1軟件實現的功能位移檢測電路模塊位移檢測電路的作用是通過位置傳感器檢測液壓油缸活塞桿的位置，再將位置信號反饋給單片機，單片機根據給定的位移信號與反饋的信號進行比較，形成閉環控制，提高控制精度。位移檢測電路模塊。磁柵尺的輸出有多路信號。系統采用磁柵尺作為位置傳感器，由于磁柵尺的輸出信號是差分信號，所以將其輸出的差分信號接到差分轉換芯片，該芯片的作用是差分驅動，再將芯片的輸出送給單片機。5.2主要功能模塊設計的流程圖開始開始初始化節距比是否滿足？手動或自動手動調節自動調節檢測是否滿足結束圖5.2控制程序流程圖6結論本課題“數控束線機結構與運動控制系統設計”是源于實際的工程問題，通過對束線機的數控設計實現：集成化，把CAD、CAM系統連接成為一個有機的整體，使之互相支持，互相調用。智能化，把人工智能技術、專家系統應用于CAD/CAM系統，使其具有人類專家的經驗和知識，具有學習、推理、聯想和判斷功能。并行化，把人工智能技術、專家系統應用于CAD/CAM系統，使其具有人類專家的經驗和知識，具有學習、推理、聯想和判斷功能。特別是隨著現今工業的不斷的迅猛發展，制造業必定會迎來一個機器時代，一個智能時代。甚至無人工廠也會成立，由此，實現對束線機的數控化設計就顯得尤為重要。在本課題的研究與討論中，仍遇到了不少的難題，我相信相信，伴隨著工業的急速發展，束線機的數控化一定會普遍化。參考文獻[1]守文，徐禮鉅，甘泉.一種新型虛軸機床的結構設計與位置分析[J]電子科技大學學報，2001，(05)9-11.[2]葉騫，軍，王祖溫.典型氣動系統優化分析[J]工業大學學報，2001，(05)[3]周濟，周艷紅，周云飛.自由曲面的CNC直接插補加工技術[J]高技術通訊，1998，(11).[4]宋寶玉，任秉銀，于華波，黃博，斌.汽車傳動系參數優化設計系統的研究[J]工業大學學報，2001第三期.[5]付中正，葉東，之江，車仁生.新型關節式三坐標測量機的研究[J]工具技術，1997，(01).[6]鐵石，高英杰，鐵林，永生，黃真.混合型四自由度并聯平臺機構與其位置分析[J]光學精密工程，2000，(01)22-25.[7]葉東，黃慶成，車仁生.多關節坐標測量機的誤差模型[J]光學精密工程，1999，(02).[8]葉東，車仁生.仿人多關節坐標測量機的數學建模與其誤差分析[J]工業大學學報，1999，(02)10-11.[9]葉東，黃慶成，車仁生.六自由度關節式坐標測量機關節零位偏差的標定算法[J]工具技術，1999，(04).[10]錢瑞明.并聯機器人位置空間分析的幾何法[J]東南大學學報，1996年第一期.[11]王世營.并聯坐標測量機測量建模與虛擬樣機設計[D].中國優秀碩士學位論文全