專利名稱：空間三角對稱r型電力變壓器鐵心卷繞成形的控制方法
技術領域：
空間三角對稱R型電機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領域。
本發明所要解決的技術問題是如何實現非中心對稱鐵心橫截面和實體的形狀和精度，即如何控制實現卷繞過程中卷繞帶材的運動控制從而保證卷繞疊加位置例如一種空間三角對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，半圓的兩個端點和直線的兩個端點重合組成一個半圓截面(如附
圖1)。
為實現上述目的，控制方法所采用的技術方案是卷繞過程中導向對中單元、背緊單元和檢測單元都固定在滑動工作臺上，帶材相對于工作臺左右位置是固定的，隨滑動工作臺的移動而移動。將成形過程分為進給運動、成形運動和糾偏運動，并通過協調控制三種運動來保證幾何形狀和精度。卷繞過程帶材的運動分析如附圖5所示。
進給運動帶材在模具的回轉運動牽引下在前一個成形表面上沿自身中心線的前移運動。
成形運動成形運動定義為在卷繞成形工藝中為了形成零件的形狀結構特征而使帶材的中心線由目前的位置移動到成形帶材疊加中心線的位置的運動。
糾偏運動是指帶材的中心線偏離理想位置時而使帶材動態地保持在成形中心線的運動。
本發明的特征在于它用變頻器控制模具回轉轉速使帶材卷繞一周的平均進給速度v保持恒定，它是通過下列公式去控制任意第n層轉速Nn來實現的，Nn＝v/[2π(r0+nkt)]，其中，r0為初始回轉半徑的平均值，n為當前卷繞成形的層數，kt為帶材的當量厚度，即考慮由于帶材不平、卷繞不緊等因素對原帶材進行修正后的厚度；它用步進馬達去帶動一個固定著換向、導向對中、背緊各裝置和對于成形帶材疊加中心線的偏移量測量傳感器的滑動工作臺去控制帶材的中心線由目前的位置移動到成形帶材疊加中心線的位置的運動即成形運動，它是通過下列公式去控制任意第n周的偏移運動輸出控制脈沖數P來實現的，P＝[Kttg(α)+(Wn-Wn-1)/2]/d，其條件是當前卷繞成形的圈數即層數n大于開始成形偏移運動的圈數n0，其中，Kt為上述當量厚度，α為鐵心截面斜線的角度，Wn為當前層的寬度，Wn-1為前一層的寬度，d為脈沖當量；它在任意一次的卷繞過程中用位置檢測裝置實時地去檢測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，再用上述步進馬達帶動上述滑動工作臺對帶材中心線的位置進行糾正即進行糾偏運動，它是通過下列公式去控制糾偏運動輸出脈沖數P1來實現的，P1＝(X1-X0)/d，其中，d為上述脈沖當量，X1為當前帶材中心線的偏移量，X0為前次測量的帶材中心的位置。所述的糾偏運動輸出脈沖數P1是用下述方法得到的一對位移傳感器對稱地固定在滑動工作臺上，隨滑動工作臺移動，同時保證導向對中和上述偏移測量傳感器的中心線在一條直線上并與卷繞軸線垂直，在卷繞過程中不停地測量并計算帶材相對于導向機構的偏移量，再計算每一周的平均偏移量，把該偏移量與成形運動偏移量代數相加并把結果轉化為脈沖數而得到的，在下一周剛開始卷繞時通過上述步進電機帶動上述滑動工作臺的移動以實現糾偏運動。
本發明可以精確地實現空間三角對稱R型電力變壓鐵心的卷繞成形，也可以卷繞對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改進形。
滑動工作臺裝置(如圖3)主要由以下幾個功能單元組成換向機構1、初導向機構2、背緊裝置3、精導向機構4、位移傳感器裝置5、換向機構6換向機構、滑板12和動力傳動裝置等。換向機構1、初導向機構2、背緊裝置3、精導向機構4、位移傳感器裝置5、換向機構6換向機構都固定在滑板12上，隨滑板一起移動。步進電機8固定在床身11上，步進電機的回轉通過聯軸器傳遞給滾珠絲杠，絲杠螺母與滑板12固定連接，帶動滑板在滾動直線導軌7上前后運動，從而帶動帶材移動到預定的疊加位置。初導向機構2、精導向機構4和一對偏移量測量傳感器5的中心線一致并與后面卷繞成形零件的回轉軸線垂直。
帶材經過換向輪1后由初導向對中裝置2首先進行帶材中心的初定位；背緊裝置3提供成形過程中的張緊力保證鐵心的緊密度和帶材的當量厚度，背緊裝置上滾輪在氣缸的作用下可以上下移動，當需要帶材穿過時，上滾輪抬起讓帶材穿過，當帶材的一段在模具上固定后上滾輪落下壓緊帶材；精導向裝置4對帶材在模具上成形之前進行精對中，精導向對中機構是一對齒輪彈簧機構，連桿隨著帶材寬度的變化而轉動，在扭簧的作用下始終緊貼帶材的曲線邊，并且兩個齒輪連桿扭簧機構是完全相同的，它們的動作一致而且同步；在經過精導向對中機構4之后再通過換向輪6進行換向，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的轉動和壓緊輪19的碾壓作用下實現卷繞成形。工作臺上的所有功能單元同滑板一起可以滑動。模具回轉軸18上有光電計數器通過控制系統實現卷繞圈數的計算，根據圈數的不同控制系統控制滑板12在導軌7上的移動實現成形運動即成形零件21的截面30度直線和圓弧段的成形。滑板上的偏移位移傳感器5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，從而根據兩側傳感器監測數據的變化差異來檢測帶材中心的偏移量，該偏移量也轉化為糾偏運動的脈沖輸出由滑板執行。
該控制系統有主控單元、輸入單元和輸出單元三部分組成，是一個閉環控制系統。控制系統原理圖如附圖4所示。輸入單元包括卷繞圈數的計數輸入和位移傳感器的檢測量輸入；主控單元通過人機接口實現卷繞種類及各種參數的設置并顯示輸出實時參數(已加工圈數、位置偏移量、卷繞轉速以及報警信息等等)，控制系統實現進給運動、成形運動和糾偏運動。輸出單元包括變頻器和執行機構。
卷繞過程中光電計數器記錄卷繞圈數，傳感器不斷檢測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，控制系統根據圈數計算帶材的疊加位置，將位置信息轉化為成形運動；將位置偏差信息處理后轉化為糾偏運動脈沖量輸出，通過滑板的平移實現，保證帶材中心位置的準確。
控制系統實現帶材的進給運動(Y運動)、成形運動(X運動)和糾偏運動(C運動)。
1)進給運動控制(模具回轉轉速的控制)帶材的進給運動實際是由卷繞軸的轉動帶動帶材在背緊力的作用下以一種張緊狀態的運動。進給速度由卷繞軸的轉速和卷繞模具的回轉半徑決定的，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給速度的恒定，假設模具為圓形，則卷軸轉速為Nn=v2π(r0+nKt)]]>Nn第N層轉速，r0初始回轉半徑的平均值(因為模具不是圓形)，v帶材卷繞一圈的平均進給速度，Kt帶材的當量厚度，n當前卷繞成形層數。
回轉軸的轉速由變頻器控制，由于帶材的厚度較小，本控制系統近似每5圈調速一次，由控制系統根據記錄的轉數，計數到5的倍數則控制系統的AD模塊輸出與轉速相應的模擬信號給變頻器進行一次調速，保證鐵心在成形過程中進給速度的一致性。
2)成形運動控制(工作臺運動脈沖數計算)成形運動控制是該控制系統的關鍵，由于卷繞成形是一個三維實體展開后再恢復的過程，卷繞的過程就是零件特征的成形過程，成形時刻帶材的長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。控制系統根據帶材的位置(長度、寬度和中心線的位置)控制帶材的成形偏移運動，由于鐵心每一層的寬度是一樣的，而且帶材的長度位置及其對應的寬度和中心位置都隨著層數(計數圈數)的變化而變化，而且這些參數的理論數據由且僅由層數(圈數)來確定，所以成形運動量是圈數的函數，根據計數圈數可以確定帶材的位置進而實現成形運動的控制。
帶材的成形運動量(脈沖數)的計算P＝[Kttg(α)+(Wn-Wn-1)/2]/d(n＞n0)P偏移運動輸出控制的脈沖數Kt帶材的當量厚度n圈數n0圓弧段圈數(開始成形偏移運動的圈數)Wn當前層的寬度Wn-1前一層的寬度d步進電機傳動系統的脈沖當量n偏移運動輸出控制的脈沖數3)糾偏運動位置檢測裝置檢測到帶材中心偏離成形中心位置時控制系統根據偏移量的大小和方向對帶材進行糾正，糾偏運動由成形運動的實現裝置和機構來完成。P1=f(ΔX1,ΔX0,d)=ΔX1-ΔX0d]]>ΔX1當前帶材中心線的偏移量ΔX0前次測量的帶材中心線位置P1糾偏運動輸出脈沖數d脈沖當量再見圖6程序開始后通過人機接口輸入并計算所需加工參數，包括變壓器規格型號、卷繞最大最小速度，加工總圈數等；卷繞開始后每轉一圈計數器加一，計數達到加工總圈數時結束；當卷繞圈數大于開始偏移圈數后，計算偏移脈沖數開始加工后傳感器輸入處理子程序不停的采樣計數，輸入處理后進行糾偏計算；偏移脈沖和糾偏脈沖合成后送步進電機；判斷當前圈數是否為調速圈數，是則進行調速。
附圖7所示滑動工作臺裝置機械結構圖。換向機構1、初導向機構2、背緊裝置3、精導向機構4、位移傳感器裝置5、換向機構6都固定在滑板12上，滑板通過螺釘13與滾珠螺母14連接，滾珠絲杠9則通過滾動軸承與一對絲杠支撐機構10相連，絲杠支撐機構10通過螺栓13固定在床身11上，絲杠9通過聯軸器16與步進電機8相連，步進電機固定在電機支撐座15上，電機支撐座15用螺釘固定在床身11上。7a是縱剖視圖，7b是側視圖。
由此可見，本發明達到了預期目的。
權利要求
1.空間三角對稱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轉速使帶材卷繞一周的平均進給速度v保持恒定，它是通過下列公式去控制任意第n層轉速Nn來實現的，Nn＝v/[2π(r0+nkt)]，其中，r0為初始回轉半徑的平均值，n為當前卷繞成形的層數，kt為帶材的當量厚度，即考慮由于帶材不平、卷繞不緊等因素對原帶材進行修正后的厚度；它用步進馬達去帶動一個固定著換向、導向對中、背緊各裝置和對于成形帶材疊加中心線的偏移量測量傳感器的滑板去控制帶材的中心線由目前的位置移動到成形帶材疊加中心線的位置的運動即成形運動，它是通過下列公式去控制任意第n周的偏移運動輸出控制脈沖數P來實現的，P＝[Kttg(α)+(Wn-Wn-1)/2]/d，其條件是當前卷繞成形的圈數即層數n大于開始成形偏移運動的圈數n0，其中，Kt為上述當量厚度，α為鐵心截面斜線的角度，Wn為當前層的寬度，Wn-1為前一層的寬度，d為脈沖當量；它在任意一次的卷繞過程中用位置檢測裝置實時地去檢測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，再用上述步進馬達帶動上述滑板對帶材中心線的位置進行糾正即進行糾偏運動，它是通過下列公式去控制糾偏運動輸出脈沖數P1來實現的，P1＝(X1-X0)/d，其中，d為上述脈沖當量，X1為當前帶材中心線的偏移量，X0為前次測量的帶材中心的位置。
2.根據權利要求1所述的空間三角對稱R型電力變壓器鐵心卷繞成形的控制方法，其特征在于，所述的糾偏運動輸出脈沖數P1是用下述方法得到的一對位移傳感器對稱地固定在滑板上，隨滑板移動，同時保證導向對中和上述偏移測量傳感器的中心線在一條直線上并與卷繞軸線垂直，在卷繞過程中不停地測量并計算帶材相對于導向機構的偏移量，再計算每一周的平均偏移量，把該偏移量與成形運動偏移量代數相加并把結果轉化為脈沖數而得到的，在下一周剛開始卷繞時通過上述步進電機帶動上述滑板的移動以實現糾偏運動。
全文摘要
空間三角對稱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領域，其特征在于它把控制運動分為帶材進給速度控制，它通過變頻器控制任意一層的轉速來保證帶材的平均進給速度保持恒定；成型運動，它用步進馬達帶動滑動工作臺去控制每一層帶材的中心線由目前的位置移動到成型帶材疊加中心線的位置上；糾偏運動，它用位置檢測裝置實時地檢測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，再用上述步進馬達帶動滑動工作臺對帶材中心線的位置進行糾偏，它通過協調以上三類運動來保證成型零件的幾何形狀和精度。它可精確地實現空間三角對稱R型電力變壓器鐵心的卷繞成型，也可卷繞對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H01F41/02GK1414580SQ0213084
公開日2003年4月30日 申請日期2002年10月11日 優先權日2002年10月11日
發明者王先逵, 趙彤, 楊樹國, 王彰德, 劉成穎, 吳丹, 王哲 申請人:清華大學, 包頭市瑞利特電子科技有限公司