专利名称：电机力矩与位置/速度模式转换装置和控制方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料自动化成型领域，是一种电机力矩与位置/速度模式切换的 实现方式，应用于铺放设备送带轴上，可协助铺放成型设备的送带、铺带、断带等工艺过程 的顺利实施。
背景技术：
在实际机电设备和各种数控系统中，电机一般以力矩、位置或速度模式进行工作， 有时候一步电机在同一工装位置需要进行两种或两种以上工作模式下工作，这就涉及到电 机工作模式的转换问题。一般对于伺服电机，可采用控制器调整电机接线电压或电流来调 整电机的工作模式，但是该功能在传统数控设备上极少应用，通用数控系统，比如Siemens、 FANUC等，不支持该功能，在数控系统自主开发该功能模块需要耗费大量的人力物力，并且 该功能模块是否能顺利实现模式转换功能还有待商榷；有人提出借助外部机械机构完成模 式转换，比如有些模式转换装置利用弹簧推动机械摩擦块实现电机工作模式转换，弹簧的 压缩程度是靠调整螺栓完成的，弹簧弹力的大小决定着摩擦力的大小，进而决定着力矩的 大小，当摩擦力大到超过工作载荷时，工作轴实现了与电机的固联，也就实现了力矩模式到 位置/速度模式的转换，该机构虽然能够实现电机工作模式转换，但是当需要调整力矩大 小或进行模式转换时，均需要对弹簧进行手动调节，且调整量难以控制，具有效率低、精度 低等缺点。
发明内容
本发明旨在提出一种基于磨擦机理利用气囊气压实现电机模式转换的方法，可有 效保证力矩调节和模式转换的高效高精度，确保铺带过程的顺利实施，彻底解决送带电机 工作模式的频繁转换问题。一种电机力矩与位置/速度模式转换装置，其特征在于包括电机轴、气囊支 架、摩擦气囊、气囊摩擦盘支架、气囊摩擦盘、工作摩擦盘、工作摩擦盘支架、工作轴；其中上 述气囊支架和气囊摩擦盘支架固定于电机轴上，工作摩擦盘支架固定于工作轴上；上述摩 擦气囊位于气囊支架和气囊摩擦盘支架之间，并安装在气囊支架上；上述气囊摩擦盘安装 于气囊摩擦盘支架上，工作摩擦盘安装于工作摩擦盘支架上。基于气囊摩擦的电机工作模式转换装置中，气囊与摩擦盘的接触面积会因气压的 大小而变化，这也正符合了气压的变化趋势，有助于增大摩擦力。另外采用控制器和电气元 件可实现气囊气压的自动化控制，有助于调整速度和控制精度的提高。上述电机力矩与位置/速度模式转换装置的控制方法，其特征在于要求位置 模式时，由可编程控制器发出命令，对摩擦气囊充气，充气压力取决于工作载荷，保证工作 时电机轴与工作轴静摩擦固连，则电机的转动准确地传递到工作轴，达到位置控制的目的； 要求力矩模式时，由可编程控制器发出命令，对摩擦气囊减压，压力大小取决于力矩的大 小，另保证电机转速低于工作轴转速或停止或反向，使摩擦气囊与气囊摩擦盘支架保证一定的滑动摩擦力，进而保证工作轴恒力矩输出。气囊摩擦的电机工作模式转换装置，可有效快速的实现电机工作模式转换，气囊 气压的大小根据需要事先在程序中设定好，工作时，控制器运行程序进行气压调节，进而控 制力矩大小或保证位置输出，高效而精确。上述摩擦气囊可以为环形。环形的气囊安装时无需周向调整位置，方便安装；其 次，环行气囊对摩擦片的挤压均勻，有助于摩擦盘的摩擦面均勻接触，并有利于提高摩擦盘 的使用寿命。上述摩擦气囊表面可以具有摩擦材料涂层。气囊表面上涂摩擦材料涂层主要是因 为该装置工作时，气囊的气压会频繁变化，使气囊与支架和摩擦盘均有接触摩擦，摩擦涂层 能够减少气囊磨损，提高气囊寿命。上述电机力矩与位置/速度模式转换控制方法，可用于控制复合材料自动铺放工 作过程中送带电机的位置模式与速度模式切换。复合材料自动铺放设备工作时，需要对复 合材料预浸带进行切割、送带、压带、铺带等操作，各种不同的操作均需送带电机对应不同 的工作模式或输出力矩大小，该模式转换装置能够很好的应用于复合材料自动铺放设备的 送带电机。本发明的优点该装置构件比较少，安装使用比较简单；利用电气比例阀调节气 囊气压，控制精度高；因此该装置可以快速准确的实现电机模式转换或力矩大小调整。该模式转换方法可有效得解决自动铺放设备上送带、断带、压带、铺带等动作实施 的问题，为设备连续、高效率、高精度运行提供了保障。将该装置安装于送带电机和复合材 料预浸带卷间，利用自动铺放设备上的可编程控制器控制气囊气压，配合数控系统控制电 机的转速，就可实现自动铺放设备上送带、断带、压带、铺带等动作的顺利实施。控制方法在 实际操作时，位置控制模式下，操作者只需在可编程控制器里设置气囊足够大的压力即可； 力矩控制模式下，操作者只需保证电机转速低于带卷轴转速或停止或反向，根据力矩大小 设置气囊压力即可。
图1 充气前模式转换装置简图； 图2:力矩模式转换装置简图3 位置/速度模式转换装置简图中标号名称1、电机轴，2、气囊支架，3、摩擦气囊，4、气囊摩擦盘支架，5、气囊摩擦 盘，6、工作摩擦盘，7、工作摩擦盘支架，8工作轴。
具体实施例方式该装置所涉及部件包括电机轴、工作轴、气囊、气囊支架、气囊摩擦盘、工作摩擦 盘、设备基体等。气囊支架、气囊摩擦盘安装在电机轴上，气囊安装在气囊支架上，工作摩擦 盘安装在工作轴上，电机轴和工作轴均固联在设备基体上。要求位置模式时，由可编程控制器发出命令，对摩擦气囊充气，充气压力取决于工 作载荷，保证工作时电机轴与带卷轴静摩擦固连，电机的转动能够准确地传递到带卷轴，达 到位置控制的目的；要求力矩模式时，由可编程控制器发出命令，对摩擦气囊减压，压力大
4小取决于力矩的大小，另保证电机转速低于带卷轴转速或停止或反向，使气囊与带卷轴侧 保证一定的滑动摩擦力，进而保证带卷轴恒力矩输出。
具体实施方式
一
1.设备上电后，若需要工作在位置模式，则可编程控制器首先识别带卷轴载荷，计算 出保证气囊与带卷轴固联所需要的气压，然后发出充气指令；
2.电气比例法接到可编程控制器的指令后，根据指令调整气压，保证输出气压稳定在 设定值；充气前，模式转换装置如图1，充气后，模式转换装置如图3 ；
3.设备开始运行轨迹时，送带电机根据数控指令进行转动，通过气囊和带卷轴之间的 静摩擦传递给带卷轴，从而控制带卷轴的送带长度；
4.若需要工作在力矩模式时，设备轨迹运行暂停，由可编程控制器发出指令首先释放 气囊气压，断开送带电机与带卷轴之间的连接；放气后模式转换装由图3变至图1形状；
5.然后可编程控制器发出指令，使送带电机停止；
6.接下来可编程控制器根据力矩大小计算所需压力的大小，进而计算得到所需气囊 压力的大小，发出充气指令；
7.电气比例法接到可编程控制器的指令后，根据指令调整气压，保证气囊和带卷轴间 稳定的滑动摩擦力，进而使输出气压稳定在设定值；充气后模式转换装由图1变至图2形 状；
8.设备再次运行轨迹时，带卷轴以恒定的力矩输出进行工作。
具体实施方式
二
1.设备上电后，若需要工作在力矩模式时，由可编程控制器发出指令首先释放气囊气 压，断开送带电机与带卷轴之间的连接；放气后模式转换装见图1 ；
2.然后可编程控制器发出指令，使送带电机停止；
3.接下来可编程控制器根据力矩大小计算所需压力的大小，进而计算得到所需气囊 压力的大小，发出充气指令；
4.电气比例法接到可编程控制器的指令后，根据指令调整气压，保证气囊和带卷轴间 稳定的滑动摩擦力，进而使输出气压稳定在设定值；充气后模式转换装由图1变至图2形 状；
5.设备再次运行轨迹时，带卷轴以恒定的力矩输出进行工作；
6.若需要工作在位置模式，设备轨迹运行暂停，则可编程控制器首先识别带卷轴载 荷，计算出保证气囊与带卷轴固联所需要的气压，然后发出充气指令；
7.电气比例法接到可编程控制器的指令后，根据指令调整气压，保证输出气压稳定在 设定值；再次充气后模式转换装见图3 ；
8.设备开始运行轨迹时，送带电机根据数控指令进行转动，通过气囊和带卷轴之间的 静摩擦传递给带卷轴，从而控制带卷轴的送带长度。
具体实施方式
三
该实施方式同实施方式一，只是将实施方式一第五步的“电机停止”调整为“电机反转 或慢于带卷轴转速”。
具体实施方式
四
该实施方式同实施方式二，只是将实施方式一第二步的“电机停止”调整为“电机反转或慢于带卷轴转速”。
具体实施方式
五
该实施方式同实施方式一、二、三、四，只是将实施方式一、二、三、四中的位置工作模式 调整为速度工作模式。
权利要求
1.一种电机力矩与位置/速度模式转换装置，其特征在于包括电机轴(1)、气囊支架(2)、摩擦气囊(3)、气囊摩擦盘支架(4)、气囊摩擦盘(5)、工 作摩擦盘(6)、工作摩擦盘支架(7)、工作轴(8)；其中上述气囊支架(2)和气囊摩擦盘支架(4)固定于电机轴(1)上，工作摩擦盘支架 (7)固定于工作轴(8)上；上述摩擦气囊(3)位于气囊支架(2)和气囊摩擦盘支架(4)之间，并安装在气囊支架 (2)上;上述气囊摩擦盘(5)安装于气囊摩擦盘支架(4)上，工作摩擦盘(6)安装于工作摩擦盘 支架(7)上。
2.根据权利要求1所述的电机力矩与位置/速度模式转换装置，其特征在于上述摩 擦气囊(3)为环形。
3.根据权利要求1所述的电机力矩与位置/速度模式转换装置，其特征在于上述摩 擦气囊(3 )表面具有摩擦材料涂层。
4.根据权利要求1所述的电机力矩与位置/速度模式转换装置的控制方法，其特征在于要求位置模式时，由可编程控制器发出命令，对摩擦气囊(3)充气，充气压力取决于工 作载荷，保证工作时电机轴(1)与工作轴(8)静摩擦固连，则电机的转动准确地传递到工作 轴(8)，达到位置控制的目的；要求力矩模式时，由可编程控制器发出命令，对摩擦气囊(3)减压，压力大小取决于力 矩的大小，另保证电机转速低于工作轴(8)转速或停止或反向，使摩擦气囊(3)与气囊摩擦 盘支架(4)保证一定的滑动摩擦力，进而保证工作轴(8)恒力矩输出。
5.根据权利要求4所述的电机力矩与位置/速度模式转换控制方法，其特征在于该 方法用于控制复合材料自动铺放制备过程中送带电机的位置模式与速度模式切换。
全文摘要
一种电机力矩位置模式转换的控制方法，应用于复合材料自动化成型领域，可协助铺放成型设备的送带、铺带、断带等工艺过程的顺利实施。该方法借助一种气囊摩擦装置实现电机输出力矩和位置模式之间的转换，由可编程控制器即可控制转换过程、调整力矩大小、保证铺带过程的顺利进行，摆脱了两种模式转换对数控系统的依赖。
文档编号B65H35/00GK102070037SQ201010579189
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者文立伟, 李勇, 王显峰, 肖军, 还大军, 齐俊伟 申请人:南京航空航天大学