專利名稱：用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種變張力鋼帶纏繞裝置，可按照預先設定的理論曲線自動調節(jié)鋼帶纏 繞張力數值的用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置。
背景技術：
.在人工合成金剛石等超硬材料、金屬冷擠壓、冷鍛等材料合成及加工領域，模具的作用 至關重要。由于工作條件極其惡劣，模具承受著超高工作負載，通常，壓力范圍2 10GPa, 溫度范圍300 2000'C,造成模具的使用壽命很短。采用預應力模具，可有效降低模具內部 的切向拉應力，提高模具的疲勞強度，延長使用壽命。鋼帶纏繞預應力模具是一種新型結構 的預應力模具，與傳統的多層套組合式預應力模具相比，具有結構緊湊、預緊效果顯著、型 腔變形小，使用壽命長等特點，代表著預應力模具的發(fā)展方向。鋼帶纏繞預應力模具的設計 過程應首先根據模具材料、尺寸及工作負載確定出合理的預緊力，然后設計出纏繞層數、纏 繞張力的理論曲線。鋼帶纏繞預應力模具的制造涉及閉環(huán)控制模式下的變張力自動化纏繞技 術，變張力鋼帶纏繞裝置及其控制方法是實現理論設計的重要裝備和手段，已成為鋼帶纏繞 預應力模具領域內的關鍵技術。 發(fā)明內容
本實用新型的目的就是為了解決現有技術的空缺，提供一種用于預應力模具制造的變張 力鋼帶纏繞裝置，可按照預先設定的纏繞張力理論曲線自動調節(jié)鋼帶纏繞張力的數值，實現 纏繞張力的閉環(huán)控制和模具制造過程的自動化。
本實用新型的目的是通過以下技術方案實現的
一種用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，它包括依次連接的開巻機構、校平機 構、張力控制機構、張力檢測機構、纏繞機構，張力控制機構由張力粗調裝置、張力細調裝 置兩部分組成，在張力檢測機構內安裝壓力傳感器，在纏繞機構內設有編碼器，壓力傳感器 和編碼器將實時獲取的纏繞張力和纏繞層數數據輸入自動控制系統，自動控制系統與張力控 制機構和纏繞機構連接，組成變張力條件下的閉環(huán)自動控制系統。
所述開巻機構包括開巻機架，開巻機架上安裝芯軸，鋼帶巻置于芯軸上。
所述校平機構包括校平機架，其上安裝導向輪和校平輥組，校平輥組由上下交錯排列的 兩組校平輥組成，其中，上部校平輥至少有兩個，下部校平輥比上部校平輥多出至少一個。
所述張力控制機構由張力粗調裝置、張力細調裝置兩部分組成，它們安裝在同一機身上；
張力粗調裝置位于靠近校平機構的一側；張力粗調裝置和張力細調裝置的結構相同，兩者均包括活塞式夾緊油缸，活塞桿的末端連接上壓板，同時上壓板與導軌相配合，下壓板安裝在 機身上；張力控制機構還配備比例控制的電液伺服系統，可分別調節(jié)兩個夾緊油缸的油壓及 夾緊力，電液伺服系統與自動控制系統連接。
所述張力檢測機構包括機架，在機架的中部為上轉筒支架，其上安裝上轉筒；在上轉筒 支架兩側對稱布置下轉筒支架，其上安裝下轉筒，在上轉筒支架下方中間位置設有壓力傳感 器，壓力傳感器與自動控制系統連接。
所述纏繞機構包括纏繞機架，其上安裝電機減速機組，它通過聯軸器與主軸連接，主軸 通過軸承組與卡盤連接，主軸上設有編碼器，電機減速機組和編碼器均與自動控制系統連接。
本實用新型包括開巻機構、校平機構、張力控制機構、張力檢測機構、纏繞機構、自動 自動控制系統。開巻機構由開巻機架、芯軸等組成，無動力驅動。校平機構由導向輪、校平 輥組等組成，無動力驅動。張力控制機構由張力粗調裝置、張力細調裝置兩部分組成，配備 比例控制的電液伺服系統，通過分別調節(jié)兩個夾緊油缸的油壓，可改變作用于鋼帶的摩擦阻 力數值，改變纏繞張力。張力檢測機構由壓力傳感器、上下轉筒、支架等組成，壓力傳感器 放置于上轉筒支架的下方，壓力檢測信號輸入自動自動控制系統。纏繞機構由電機減速機組、 聯軸器、卡盤、機架、編碼器等組成，模具被夾持在卡盤上并隨之轉動，通過編碼器可獲取 纏繞層數信息，并轉換為模具半徑的實時數據。自動自動控制系統由PLC、控制面板等組成， 可輸入纏繞預應力模具的設計資料，生成電機轉矩與粗調及細調夾緊油缸油壓的理論曲線， 輸入纏繞張力及纏繞層數的檢測數據，輸出控制信息，相關的程序存儲于自動控制系統之中。
本實用新型的有益效果系統架構簡單，使用方便，可按照設定的鋼帶纏繞預應力模具 的設計資料，實現纏繞張力的閉環(huán)控制和模具制造過程的自動化。

圖1是本實用新型的設備結構圖2是本實用新型的張力控制機構；
圖2a是圖2的A-A剖視圖3是本實用新型的張力檢測機構；
圖3a是圖3的B-B剖視圖4是本實用新型的纏繞機構;
圖5是本實用新型控制方法所用控制曲線圖。
圖中，1、開巻機構；2、校平機構；3、張力控制機構；4、張力檢測機構；5、纏繞機構； 301、機身；302、夾緊油缸；303導軌、；304、上壓板；305、下壓板；401、機架；402、上 轉筒支架；403、上轉筒；404、下轉筒；405、下轉筒支架、406、壓力傳感器；407、軸承組；408、導柱；501、機架；502、電機減速機組；503、聯軸器；504、主軸；505、軸承組；506、 卡盤。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步的說明。
一種用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，如圖1所示，包括依次連接的開巻機 構l、校平機構2、張力控制機構3、張力檢測機構4、纏繞機構5，以及自動自動控制系統 等。各部分的主要結構與功能如下所述
開巻機構1用于支撐鋼帶巻，它由開巻機架以及其上的芯軸等組成，開巻機架固定在地 面上，無動力驅動，鋼帶巻可繞芯軸自由轉動。
校平機構2用于對鋼帶運動方向進行導向并對鋼帶表面進行校平，它由校平機架、導向 輪、校平輥組等組成，校平機架固定在地面上，無動力驅動。導向輪可適應由于鋼帶巻直徑 減小造成的鋼帶入口角度的變化，目的在于保持恒定的鋼帶入口水平高度。校平輥組設置上、 下兩層交錯分布的多個鋼輥，鋼帶在纏繞張力的拉力作用下穿過校平機構2中的校平輥組， 產生塑性變形并實現表面校平。上層鋼輥的數量大于2，下層鋼輥比上層多一個，鋼輥可繞 各自的軸線轉動。
張力控制機構3如圖2、圖2a所示，它用于對纏繞張力的數值進行控制，由張力粗調裝 置、張力細調裝置兩部分組成。張力粗調裝置與張力細調裝置具有相同的機械結構，且安裝 在同一機身301上，機身301采用具有良好剛度的閉式結構。張力粗調裝置位于張力細調裝 置的上游，即靠近校平機構2的一側，它們的結構包括活塞式夾緊油缸302、導軌303、上壓 板304、下壓板305等。夾緊油缸302的缸體通過螺栓固定在機身301上，活塞桿的末端與 上壓板304連接，上壓板304與導軌303相配合，可上下移動，下壓板(305)安裝在機身(301) 上。導軌303固定在機身301的右側立柱上，可承受來自上壓板304沿鋼帶運動方向的水平 力作用，避免活塞桿受到彎矩的有害影響。當夾緊油缸302上腔進油時，油壓通過活塞桿作 用于上壓板304,將鋼帶夾緊于下壓板305之上，在鋼帶的上、下表面產生摩擦力?？偟睦p 繞張力等于張力粗調裝置與張力細調裝置產生的鋼帶摩擦阻力之和，粗調夾緊油缸輸出的夾 緊力數值分為若干固定檔，可階梯式變化，纏繞纏繞過程中其油壓保持恒定數值，即保持夾 緊力不變；張力細調裝置輸出的夾緊力可連續(xù)變化，通過比例控制的電液伺服系統可實時調 節(jié)細調夾緊油缸的油壓，即可改變該夾緊力與摩擦力的數值，使纏繞張力符合預先設定的理 論曲線。
張力檢測機構4如圖3、圖3a所示，它用于實時檢測纏繞過程中的鋼帶張力，并將信號 輸送至自動自動控制系統，它由機架401、上轉筒支架402、上轉筒403、下轉筒404、下轉筒支架405、壓力傳感器406、軸承組407、導柱408等組成。上轉筒支架402置于機架401 的中部，兩組下轉筒支架405對稱布置于上轉筒支架402的兩側，鋼帶在穿過上轉筒403與 下轉筒404時，其運動方向應平行于壓力傳感器406的軸線。上轉筒403、下轉筒404分別 通過軸承組安裝在上轉筒支架402、下轉筒支架405之上，可繞各自的軸線自由轉動。壓力 傳感器406安裝在上轉筒支架402的下方中間位置，上轉筒支架402通過固定在機架401上 的兩組導柱408進行導向，避免產生傾斜。忽略摩擦力的影響，作用于壓力傳感器406的壓 力等于鋼帶纏繞張力數值的兩倍，通過實時測量作用于上轉筒支架的壓力可間接獲取鋼帶的 纏繞張力。
纏繞機構5由機架501、電機減速機組502、聯軸器503、主軸504、軸承組505、卡盤 506、編碼器、直接轉矩控制器等組成。待纏繞的模具被固定在卡盤506之上，電機減速機組 502通過聯軸器503與主軸504連接，驅動卡盤506。編碼器安裝在主軸(504)上，用于實 時獲取纏繞層數的數據并轉換為模具的半徑。
下面結合圖5控制方法原理圖，對變張力鋼帶纏繞裝置的自動控制方法做進一步的說明。
1) 在啟動模具纏繞過程之前，將已知的纏繞張力理論曲線T以及纏繞層數等設計資料輸 入自動自動控制系統。纏繞過程中的纏繞張力源自于纏繞機構5電機轉矩和張力控制機構3 夾緊油缸產生的摩擦阻力，系統的控制對象為纏繞機構5電機的轉矩M;張力控制機構3粗 調夾緊油缸的油壓P"細調夾緊油缸的油壓P2。根據纏繞張力的理論曲線T以及纏繞層數等 輸入的設計資料，自動控制系統自動生成圖示針對粗調油壓Pl、細調油壓P2和電機轉矩M的 理論控制曲線；
2) 將纏繞過程分為建立張力、穩(wěn)定纏繞和結束纏繞三個階段，分別對應時間坐標軸t的 三個階段O-ts為張力建立階段I、 ts-t,穩(wěn)定纏繞階段II、 t.:tn結束纏繞階段III。在穩(wěn)定 纏繞階段(ts-1,)，粗調夾緊油缸的油壓A保持恒定數值，理論纏繞張力T隨纏繞層數(或時 間t)增加而下降，故細調夾緊油缸油壓P2及電機轉矩M的理論曲線呈下降趨勢。在模具纏 繞過程的任意時刻，纏繞張力T、粗調油壓p。細調油壓P2和電機轉矩M之間存在確定的對 應關系；
3) 在纏繞過程中，利用張力檢測機構4實時獲得作用于壓力傳感器406的壓力，鋼帶中 實際的纏繞張力為壓力數值的一半。利用纏繞機構5的編碼器實時獲得模具的纏繞層數，纏 繞層數乘以鋼帶厚度再加上模芯的外半徑可得到模具的實際半徑。電機減速機組502輸出的 實際轉矩等于鋼帶纏繞張力與模具半徑的乘積；
4) 自動自動控制系統將檢測值與圖5所示的鋼帶纏繞張力理論值進行實時比較，輸出控
制信號，從而不斷調整細調夾緊油缸油壓P2及電機轉矩M，可實現變張力條件下的閉環(huán)控制。本實用新型的工作過程為
根據纏繞預應力模具的設計資料，確定纏繞用鋼帶巻。選擇高強度彈簧鋼材料，鋼帶厚
度小于0.2mm，寬度根據被纏繞模具的實際軸向長度確定，總長度應滿足纏繞一副模具的材 料用量。設備通電前，將鋼帶巻放置在開巻機構l的芯軸上，鋼帶巻可繞芯軸的軸線自由轉 動。手工將鋼帶展開，依次穿過校平機構2的導向輪、校平輥組，張力控制機構3的張力粗 調裝置、張力細調裝置，張力檢測機構4的轉筒組，剪去一定長度的料頭，對鋼帶端部做平 整處理，然后，通過焊接等方法將鋼帶固定在模具的外圓柱表面上。
設備通電后啟動自動纏繞程序前，首先將已知的纏繞張力理論曲線以及纏繞層數等設計 資料輸入自動自動控制系統，按照自動控制系統自動生成的兩個夾緊油缸油壓、電機轉矩的 理論控制曲線，形成閉環(huán)控制程序。然后，啟動自動纏繞工作模式。纏繞過程分為建立張力、 穩(wěn)定纏繞和結束纏繞三個階段，對應的纏繞過程及控制方法依次如下
1) 在建立張力階段，首先，粗調夾緊油缸、細調夾緊油缸的油壓分別達到其最大設定值， 夾緊鋼帶使之不能夠移動。滯后一段時間，電機啟動，輸出轉矩不斷增加。在此過程中，壓 力傳感器連續(xù)測量鋼帶張力的增加情況，當達到初始張力的設定值之后，粗調夾緊油缸的油 壓依然保持恒定數值，其夾緊力不變，細調夾緊油缸的油壓則按照理論曲線逐漸減少，直至 鋼帶在上、下夾板之間產生滑動，從而開始模具纏繞的第二階段。
2) 穩(wěn)定纏繞階段是一個耗時很長的過程，在此期間，隨著纏繞層數的增加，粗調夾緊油 缸的夾緊力不變，細調夾緊油缸油壓及電機轉矩按照理論曲線變化。張力檢測機構將張力信 號連續(xù)反饋至自動自動控制系統，編碼器連續(xù)反饋實際的纏繞層數，自動自動控制系統將上 述實測結果進行分析、計算，并與預置的纏繞張力理論曲線進行比較，生成誤差控制信號， 分別輸送至夾緊油缸電液伺服系統和交流變頻電機，以調節(jié)張力細調裝置夾緊油缸中的油壓 和電機的輸出轉矩,從而實現連續(xù)的變張力纏繞過程。
3) 當檢測的纏繞層數達到設定值時，纏繞過程進入到結束纏繞階段。此時，保持電機的 輸出轉矩不變，應適當加大張力細調裝置夾緊油缸的夾緊力，致使鋼帶不能夠移動，電機停 止轉動。保持該狀態(tài)一段時間，利用焊接等方法將模具的外層鋼帶固定。然后設備斷電，在 焊接處將多余的鋼帶剪斷，將纏繞模具從卡盤上取下。至此， 一副鋼帶纏繞預應力模具的制 造過程結束。
權利要求1.一種用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，其特征是它包括依次連接的開卷機構(1)、校平機構(2)、張力控制機構(3)、張力檢測機構(4)、纏繞機構(5)，張力控制機構由張力粗調裝置、張力細調裝置兩部分組成，在張力檢測機構(4)內安裝壓力傳感器(406)，在纏繞機構(5)內設有編碼器，壓力傳感器(406)和編碼器將實時獲取的纏繞張力和纏繞層數數據輸入自動控制系統，自動控制系統與張力控制機構(3)和纏繞機構(5)連接，組成變張力條件下的閉環(huán)自動控制系統。
2. 根據權利要求1所述的用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，其特征是所述開巻 機構(1)包括開巻機架，開巻機架上安裝芯神，鋼帶巻置于芯軸上。
3. 根據權利要求1所述的用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，其特征是所述校平機構(2)包括校平機架，其上安裝導向輪和校平輥組，校平輥組由上下交錯排列的兩組校平輥組成，其中，上部校平輥至少有兩個，下部校平輥比上部校平輥多出至少一個。
4. 根據權利要求1所述的用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，其特征是所述張力控制機構(3)由張力粗調裝置、張力細調裝置兩部分組成，它們安裝在同一機身(301)上；張力粗調裝置位于靠近校平機構(2)的一側；張力粗調裝置和張力細調裝置的結構相同，兩者均包括活塞式夾緊油缸(302),活塞桿的末端連接上壓板(304),同時上壓板 (304)與導軌(303)相配合，下壓板(305)安裝在機身(301)上；張力控制機構(3) 還配備比例控制的電液伺服系統，可分別調節(jié)兩個夾緊油缸(302)的油壓及夾緊力，電 液伺服系統與自動控制系統連接。
5. 根據權利要求1所述的用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，其特征是所述張力 檢測機構(4)包括機架(401)，在機架(401)的中部為上轉筒支架(402),其上安裝上 轉筒(403);在上轉筒支架(402)兩側對稱布置下轉筒支架(405)，其上安裝下轉筒(404), 在上轉筒支架(402)下方中間位置設有壓力傳感器(406)，壓力傳感器(406)與自動控 制系統連接。
6. 根據權利要求1所述的用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置，其特征是所述纏繞 機構(5)包括纏繞機架(501),其上安裝電機減速機組(502)，它通過聯軸器(503)與 主軸(504)連接，主軸(504)通過軸承組(505)與卡盤(506)連接，主軸(504)上 設有編碼器，電機減速機組(502)和編碼器均與自動控制系統連接。
專利摘要本實用新型公開了一種用于預應力模具制造的變張力鋼帶纏繞裝置。它可按照預先設定的纏繞張力理論曲線自動調節(jié)鋼帶纏繞張力的數值，實現纏繞張力的閉環(huán)控制和模具制造過程的自動化。它包括依次連接的開卷機構、校平機構、張力控制機構、張力檢測機構、纏繞機構，張力控制機構由張力粗調裝置、張力細調裝置兩部分組成，在張力檢測機構內安裝壓力傳感器，在纏繞機構內設有編碼器，壓力傳感器和編碼器將實時獲取的纏繞張力和纏繞層數數據輸入自動控制系統，自動控制系統與張力控制機構和纏繞機構連接，組成變張力條件下的閉環(huán)自動控制系統。
文檔編號B21D1/02GK201144127SQ20082001670
公開日2008年11月5日 申請日期2008年1月18日 優(yōu)先權日2008年1月18日
發(fā)明者芳 何, 來小麗, 強 王 申請人:濟南大學