收稿日期：2019-03-26
随着近些年半钢轿车轮胎生产企业的数量和产能逐年扩大，为轮胎制造配套的橡胶机械设备的需求逐步扩大，设备的自动化水平也越来越高。轮胎产品结构的调整要求橡胶机械设备的发展来提高轮胎产品的市场竞争力，产业政策指出鼓励子午线轮胎成型机械等子午线轮胎专用关键设备的研发，提高生产装备及监测控制水平。
轮胎生产中的成型工序是轮胎制造过程中的关键工序，成型工序的工艺也相对非常复杂。轮胎的质量控制点很多都在成型工序完成。为了提高轮胎的产品质量，对成型设备的加工精度、控制精度的要求都很高。我公司的半钢轮胎成型机采用了三菱电机的Q 系列自动控制系统，具有高集成度的数字化、自动化特点。设备上采用了可编程逻辑控制器、运动控制器、伺服电机、变频电机、光电传感器、气动控制等自动化电气部件
[1~8]
。
轮胎工艺中，冠带条缠绕在带束层外侧、胎面的内侧，起到对轮胎形状固定和提高轮胎使用过程中的稳定性的作用。冠带条是以尼龙帘线为骨架的一种橡胶材料，由分条机将尼龙帘子布分割为宽度8~25 mm 的长条形的材料，并卷在卷轴上供成型机使用。冠带条缠绕作为半钢轮胎成型中对轮胎质量控制的关键一环，要求缠绕过程的缠绕张力可以进行精确控制。冠带条缠绕方式和缠绕张力控制技术是各轮胎生产企业针对轮胎成型过程中质量控制的重点要求项目之一。 冠带条张力控制在合适的范围内，有助于提高轮胎产品高速性能、均一性、动平衡性等性能，也有助于提
轮胎成型机冠带条缠绕张力控制研究
范磊亭，尹炳鹏，赵尊梅，王怀国，陆永高
(青岛双星橡塑机械有限公司，山东 青岛 266400)
摘要：针对半钢子午线轮胎成型机上冠带条缠绕过程中张力控制的要求，为实现缠绕过程中冠带条张力可变可控，运用PID 控制理论，进行冠带条缠绕张力的控制。通过检测缠绕过程中的冠带条张力，实时调节驱动电机的转矩，实现在不同的缠绕模式下，对缠绕张力进行精确控制。并分析了控制过程中的各项影响因素。通过实际测试验证，此方案满足轮胎生产对缠绕张力的工艺要求，提高了轮胎的产品质量。
关键词：轮胎成型机；冠带条缠绕；张力控制；PID 控制中图分类号：TQ330.46
文章编号：1009-797X(2020)07-0001-04
文献标识码：B DOI:10.13520/jki.rpte.2020.07.001
高轮胎产品在最终市场上的核心竞争力。
1 冠带条缠绕原理
1.1 冠带条缠绕装置的设计
冠带条缠绕装置的设计，首先满足冠带条缠绕模式的功能实现，利用冠带条机头装置，进行冠带条左右方向的排线，利用伺服电机控制排线机头，可以准确实现定位控制。其次，使用主送输送伺服电机来控制贴合到带束层鼓上的冠带条张力的大小。另外，在主动输送伺服电机和冠带条机头之间增加张力检测的传感器用于实时检测张力值。
冠带条缠绕机构主要由转向轮、主动输送电机、张力传感器、缠绕机头、带束层鼓等组成。冠带条料输送路径及方向如图1
所示。
图1 冠带条张力装置设计
1.2 冠带条缠绕PID 控制原理
通过张力传感器检测缠绕时冠带条张力，并使用
第46卷 第7期
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三菱PLC 中的PID 控制器调节控制主送输送伺服电机的转矩，实现实际张力与设定张力一致的控制原理。冠带条张力PID 控制原理如图2
所示。
图2 冠带条张力PID 控制原理美国轮胎
2 实际控制中的影响因素
实际生产应用过程中的冠带条张力控制的影响因素有很多，本文从实际工程角度出发，从以下几个方面进行说明。
2.1 张力采集值的滤波
张力传感器经放大器将信号转为0~5 V 模拟量电压信号，经三菱控制系统的模拟量输入模块进行数据采集。模拟量输入模块使用三菱CC -LINK 网络的AJ65SBT -64AD 模块。通过参数设置采样频率32次/s 进行平均值滤波。在PLC 程序中使用算术平均滤波法，对采集的模拟量信号进行8次平均值进行滤波，使用FIFW 、WSUM 、FDEL 等指令来实现软件滤波。
另外，需要说明的是模拟量信号受电磁干扰的影响较大，因此现场使用屏蔽双绞线接线，有效减少电磁干扰，确保张力信号的传输准确。
2.2 现场网络通讯速率的改进
CC -LINK 网络的通讯速率决定了各分站的链接时间，本系统CC -LINK 网络还挂有现场I/O 、变频器等分站。为了达到较快的采集速度，将整个CC -LINK 网络的通讯速度设定为2.5Mbps 。根据CC -LINK 链接扫描时间计算公式：LS=BT{27+(NI×4.8) +(NW×9.6)+(N×30)+(ni×4.8)+(nw×9.6)}+ST+F+T
R (μs )。具体计算如下：LS (2.5Mb ps )=1.6×(27+35×4.8+6×9.6+33×30+33×4.8+6×9.6)+1 205 μs=3.5 ms ，实现链接扫描时间3.5 ms ，低于程序扫描时间，便于进行PID 控制。
2.3 PID 控制程序扫描方式及运动控制系统
使用固定扫描周期的扫描方式执行PID 控制（PIDCONT ）和PID 初始化（PIDINIT ）指令的控制。设定固定扫描周期为8 ms ，比CC -LINK 网络的链接时间要高。
张力同步输送伺服电机的控制使用三菱的MR-J4B 伺服放大器，此放大器通过SSCNET III 光纤伺服网络接到Q173DSCPU 高性能运动控制器，具有伺服轴的转矩控制功能，可以进行定位模式和转矩模式的切换。
2.4 伺服电机选型
伺服电机选用三菱的中等容量低惯量的HC -RP 系列伺服电机，型号：HC -RP153，功率：1.5 kW ，额
定转速：3 000 r/min ，转动惯量：1.90J (×10-4kg .m 2），最大转矩达到11.9 N .m 。满足对冠带条主送输送伺服电机的高响应的要求，在转矩控制方式下的调节性能良好。
2.5 张力传感器及放大器的选型
实际轮胎成型过程中，冠带条缠绕张力一般要求在5~20 N ，选用的张力传感器检测范围为0~100 N ，满足最大张力检测要求。并且配合相应的信号放大器，将信号转为0~5 V 模拟量电压信号，再通过模拟量输入模块进行数据采集。
2.6 冠带条各种缠绕方式
轮胎结构中的冠带条是采用多圈缠绕的方式完成的。冠带条缠绕根据不同的轮胎规格和质量要求有很多种缠绕的方式。主要的冠带条缠绕方式有：大S 型、肩部缠绕、小S 型、平铺一层、平铺两层、非对称缠绕等。每种缠绕方式下的冠带条张力的控制也不尽相同，一般情况下轮胎工艺要求肩部缠绕张力大于中间缠绕张力，便于将轮胎肩部的部件加固。缠绕方式通过在带束层鼓缠绕过程中，送料伺服电机的在轴向上进行不同方式的移动来实现，移动速度和位移的不同以及裁断次数的不同可以实现不同冠带条缠绕方式。常见的缠绕方式如图3所示。
2.7 PID 控制参数的整定
实际测试过程中，PID 参数的设定遵循PID 参数整定原则。实际使用PI 参数进行调节张力。经过实际测试确定了比例常数K p =10(×0.01%)，积分常数T i =1(×100 ms )。通过以上PID 参数设定，冠带条缠绕时的张力值能稳定控制在设定值20 N 的10%以内。图4为现场实际张力检测值趋势图的上位机显示画面的照片。
2.8 缠绕异常的处理及报警
缠绕过程中由于实际生产可能出现的一些异常需要进行检测和报警处理：
（1）冠带条未贴合到鼓上。由于冠带条材料的黏
性等原因，可能存在冠带条头部未缠绕到鼓上的情况，通过检测主动输送电机的是否旋转来判断头部是否缠绕到鼓上，及时给出报警信息提示，防止出现未缠绕冠带条的轮胎，避免不良产品的出现。
（2）冠带条张力过大的保护。由于存在半成品材料的上工序不稳定性，需要在成型工序及时发现，剥离时张力可能较大，如果冠带条材料从某个转向轮上脱落，也可能引起张力过大，从而造成缠绕不良。在张力检测传感器上安装顶丝，防止张力过大对传感器的过大形变，造成张力传感器损坏，并在张力过大或过小时及时停止缠绕过程，给出报警信息提示。
（3）储料架供料异常侧处理。冠带条储料架是缠绕张力的初始来源，储料架上撑开力的稳定一定程度上影响缠绕张力的稳定性，张力伺服电机的调节力矩也受储料张力的影响。通过使用比例阀控制撑开的力
量，在缠绕和待机时使用不同的撑开张力，通过检测储料架撑开位置来调节导开速度，满足储料撑开的稳定性，减少整个缠绕过程中的撑开波动次数和撑开力量的稳定。检测到储料异常时或者到达储料
尾端时，及时夹紧冠带条尾端，并停止缠绕，给出信息提示，防止缠绕到鼓上的张力的不稳定。
3 结论
通过对轮胎成型机上的冠带条缠绕过程中的张力控制研究，解决在不同的缠绕模式下，并考虑多项影响缠绕张力的因素，优化了控制设计，选用PID 控制
方案。通过对缠绕张力的检测和控制，使冠带条缠绕过程中的张力可控、可变。冠带条缠绕张力的控制中，受影响因素很多，在实验和调试过程中遇到很多实际工程问题，通过分析研究最终解决了这些问题，对国内成型机的控制水平的提高具有借鉴意义。此项技术在我们公司的产品上进行了实施，并且在轮胎厂实际进行了应用，控制精度及轮胎产品质量都较传统方式有很大的提高，最终得到了客户的认可。参考文献：
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王军锋，唐宏. 伺服电机选型的原则和注意事项. 装备制造技术[J]，2009(11):129~131.
图3
常见冠带条缠绕方式
图4 张力检测趋势图
第46卷 第7期
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[6] 范磊亭. 三菱控制系统在半钢一次胎成型机上的应用[J]，橡塑技术与装备. 2010(5):45~47.
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Q C P U (Q M o d e )/Q n A C P U P r o g r a m m i n g M a n u a l (P I D Control Instructions)[M].Mitsubishi,2001.
Research on winding tension control of crown belt for
tire building machine
Fan Leiting,Yin Bingpeng, Zhao Zunmei, Wang Huaiguo, Lu Yonggao
(Qingdao Doublestar Rubber Machinery Co. LTD., Qingdao 266400, Shandong, China)
Abstract: Aiming at the requirements of tension control during the winding of the upper crown belt of semi-steel radial tire building machine, the PID control theory is used to control the winding tension of the crown belt in order to achieve the variable and controllable tension of the crown belt during the winding process. By detecting the tension of the crown belt during the winding process, the torque of the drive motor can be adjusted in real time to achieve accurate control of the winding tension under different winding modes. The influencing factors in the control process are analyzed. Through actual testing and verification, this scheme meets the technical requirements of tire production for winding tension, and improves the quality of tire products.
Key words: tire building machine; crown belt winding; tension control; PID control
(R-03)
全球多家轮胎工厂关停，中国轮胎企业是否迎来弯道超车机遇？
Many tire factories around the world shut down! Are Chinese tire companies ushering in overtaking
opportunities on corners?随着新冠疫情在全球蔓延，多家轮胎工厂被迫关停。
美国固铂轮胎在3月21日开始暂停美国和墨西哥轮胎工厂的生产，并计划在未来的一周内按计划滚动性生产，预计将工厂关闭两到三周，涉及工人5 200名。
3月20日普利司通宣布关闭位于北美和南美的17家轮胎工厂，涉及员工1.55万人，关闭时间为3月21到4月12号，同时正在考虑关闭欧洲工厂。
受疫情影响，此前米其林已经暂时关停了法国、德国以及意大利的工厂，还将进一步暂停美国和加拿大的部分轮胎工厂生产，时间暂定为两周，涉及员工22 650多名。
目前欧美仍有一部分轮胎企业尚未采取减产和停产措施，包括大陆马牌、帝坦国际、诺记轮胎、特瑞堡等。这些企业表示，随着冠状病毒疫情进一步恶化，他们已经实施了保护员工的措施。
据中国轮胎商务网（www.tirechina ）获悉，中国地区随着疫情缓解，各家轮胎工厂已有序复工复产，赛轮沈阳工厂2月13日起1 000多名工人开始复工，目前已满负荷生产，在本月初还正式开工建设了年产300万套高性能智能化全钢载重子午线轮胎项目。中策橡胶自2月10日起复工，解决了员工返岗困难、原材料供应不足、防疫物资紧缺等困难，实现产能恢复。在战“疫”中心的湖北的奥莱斯轮胎，也
正在紧锣密鼓为复工复产做准备。
危机带来的是挑战，也是发展的机遇，最近几年欧美的轮胎企业市场占有率正在逐渐降低，国产轮胎企业的市场占有率逐渐增加。受全球疫情影响，国外多家知名轮胎生产企业停产或减产，多个国家或地区轮胎市场出现空缺，若能抢抓机遇，恢复生产生活秩序，一面坚持疫情防控，一面不误生产经营，相信在全国战“疫”工作取得成效的同时，中国轮胎企业也能在在这次危机中实现弯道超车，于此同时我们更多的是期望，全球能早日抗击疫魔，轮胎行业人早日走出这次疫情寒冬。
摘编自“中国轮胎商务网”
(R-03)
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