微細(xì)扁線材收排線的控制方法

賈 銳，何建文，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

微細(xì)扁線材收排線的控制方法

賈 銳，何建文，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

介紹了一種適用于微細(xì)扁線材的收排線控制方法。線材在收卷過程中，截面呈扁平形狀的線材相對于圓形截面線材，收卷過程對收排線要求更高，現(xiàn)開發(fā)了一種收排線機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，使排線和收線過程按一定數(shù)學(xué)關(guān)系排列在工字輪上。實(shí)踐檢驗(yàn)，該機(jī)構(gòu)能穩(wěn)定收卷截面形狀扁平的微細(xì)線材，并能根據(jù)收線輥的長度調(diào)節(jié)排線行程，線材排列緊密且定位精度高。

微細(xì)扁線；伺服電機(jī)；絕對值型編碼器

0 引言

隨著社會的發(fā)展，與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品逐步向結(jié)構(gòu)小型化、體積微型化方向發(fā)展。而扁線材因?yàn)榻孛嫘螤畋馄?，同時(shí)，尺寸精度及表面質(zhì)量要求高，相比目前普遍采用的圓形線材，有以下突出優(yōu)點(diǎn)：同等截面積的條件下，厚度方向所占空間小，散熱能力更強(qiáng)，低電感，低渦流等[1]。于是，兼具有以上“微細(xì)”和“扁平”兩大特點(diǎn)的微細(xì)扁線材引起人們的關(guān)注并展現(xiàn)出廣闊的前景，成為當(dāng)今微線材發(fā)展的主要趨勢之一。在微細(xì)銅線的收卷過程中，收排線過程是很重要的環(huán)節(jié)。收線排線過程是為了使線材緊湊均勻排列在工字輪上，收線和排線必須保持高度的一致性，使其間隙不能過于疏松或者過密，不然會嚴(yán)重影響線材質(zhì)量，通常收線電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，排線方向運(yùn)行一個(gè)匝距的路程。

另外，收排線過程要根據(jù)工字輪內(nèi)緣兩端的長度進(jìn)行換向，由于線材截面扁平且尺寸較小，生產(chǎn)的銅扁線寬度范圍在0.10～0.15 mm，且在尺寸精度上要求較高，如果排線定位精度較低，可能會造成工字輪邊緣處空缺，使線圈外觀達(dá)不到要求，或工字輪邊緣處過緊導(dǎo)致扁線材受到擠壓，從而影響收線的質(zhì)量，因此換向過程對定位精度要求較高。

1 排線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

收排線裝置主要由排線和收卷組成，這里最主要的特點(diǎn)是繞卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周，排線位置就移動(dòng)一個(gè)匝距。

現(xiàn)行的排線設(shè)備有兩種形式（圖1）。一種是獨(dú)立式排線系統(tǒng)：線經(jīng)排線器到繞線輪；一種是聯(lián)動(dòng)式排線系統(tǒng)：線直接到繞線排線聯(lián)動(dòng)裝置。

圖1 兩種排線系統(tǒng)

兩種排線系統(tǒng)對比如表1所示。

表1 兩種排線系統(tǒng)的對比

由于成型后得到的是扁線材，在收卷過程中較圓截面線材存在很大困難。圓截面線材成中心對稱，不易變形，在排線時(shí)相鄰圈可以有小的擠壓力，使線材收卷更致密。扁線材容易變形，側(cè)邊易卷曲，在收卷過程中不允許出現(xiàn)任何重疊和交叉，在排線時(shí)相鄰圈不能有擠壓，也不能有過大的縫隙。如使用獨(dú)立式系統(tǒng)，線材如果不是處于正中間位置，易產(chǎn)生傾斜，尤其是移動(dòng)到工字輪兩端時(shí)傾斜更嚴(yán)重。這對圓截面線材影響不大，但會導(dǎo)致扁線材側(cè)面卷曲或變形。

為了保證收線質(zhì)量，綜合考慮聯(lián)動(dòng)式排線系統(tǒng)，具體做法是：為了實(shí)現(xiàn)高精度排線，初步選用滾珠絲杠，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠左右移動(dòng)，然后把繞線輪固定于滾珠絲杠平臺，扁線材經(jīng)導(dǎo)向直接進(jìn)入收排線一體化的裝置。

2 自動(dòng)換向裝置的設(shè)計(jì)

在收排線系統(tǒng)運(yùn)行過程中，放線輥上的線會逐漸過渡到收線輥，排線電機(jī)通過滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)收線輥往復(fù)運(yùn)動(dòng)。換向要滿足以下條件：當(dāng)收線輥到邊緣位置時(shí)，排線速度大小不變，方向立即折返；停機(jī)或關(guān)電重新啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行方向按上一次運(yùn)行的方向運(yùn)行；排線區(qū)間設(shè)置方便，可以根據(jù)不同的收線輥長度進(jìn)行設(shè)定：排向定位精度高，不受外界環(huán)境影響。

一般的換向方式是在收卷工字輪兩端邊緣位置放置接近傳感器作為限位開關(guān)來控制排線換向過程：當(dāng)工字輪兩端接觸限位開關(guān)時(shí)，上位機(jī)接受信號從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向改變，排線方向改變直至碰到另一側(cè)限位開關(guān)進(jìn)行下一次換向。使用限位開關(guān)換向上位機(jī)響應(yīng)速度較快，一般不會產(chǎn)生延遲或滯后且成本也較低。但存在以下缺點(diǎn)：排線區(qū)間變化時(shí)需要人工移動(dòng)限位開關(guān)的位置，不方便且精度得不到保證；限位開關(guān)自身精度的限制會導(dǎo)致收線輥的兩端位置排線不均；由于熱脹冷縮等因素會導(dǎo)致限位開關(guān)與滾珠絲杠兩者間的相對位置等機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化，排線定位精度得不到保證。

基于上述，本文提出了用絕對值編碼器代替限位開關(guān)，控制排線換向。

編碼器按工作原理分為增量編碼器和絕對值編碼器兩種類型。增量式編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過計(jì)數(shù)設(shè)備內(nèi)部記憶來知道其位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí)，依靠計(jì)數(shù)設(shè)備內(nèi)部記憶來記住位置。這樣停電后編碼器不能有任何移動(dòng)，當(dāng)來電工作后編碼器輸出過程中，也不能有干擾或丟失脈沖，不然計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會偏移。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn)將參考位置修正進(jìn)行計(jì)數(shù)設(shè)備的記憶功能，為此在控制中就有了每次操作先找參考點(diǎn)，操作十分麻煩。絕對值編碼器光碼盤上有很多道刻線，每道刻線依次以2、4、6、8……編排，這樣在編碼器的每一個(gè)位置通過讀取每道刻數(shù)的通、暗，獲得一組從2°到2°的唯一的二進(jìn)制格雷碼，這樣編碼器所輸出位置由碼盤的機(jī)械位置決定。

絕對值編碼器分為單圈和多圈兩種類型。前者轉(zhuǎn)動(dòng)中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過360°時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以內(nèi)的測量。后者測量范圍大，實(shí)際使用中富裕較多，安裝時(shí)不必找零點(diǎn)，將某一中間位置作為起始點(diǎn)即可。

具體運(yùn)行過程是：將絕對值型編碼器裝載排線電機(jī)尾部旋轉(zhuǎn)軸上，編碼器向上位機(jī)中發(fā)送位置信號，上位機(jī)將接收到的位置信號與存儲器中設(shè)定的臨界位置值進(jìn)行比較，控制排線電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。收線輥?zhàn)笥覂蓚?cè)臨界點(diǎn)位置可變，即移動(dòng)位置區(qū)間可變，通過人機(jī)界面輸入左右兩側(cè)的位置臨界值，將結(jié)果保存到上位機(jī)的存儲器中，其流程圖如圖2所示。

圖2 換向控制流程圖

與限位開關(guān)比較，使用絕對值編碼器極大地提高了控制精度，接近開關(guān)的誤差一般是毫米級，而后者是微米級，所以在收卷輥內(nèi)緣兩側(cè)的排線性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者；接近開關(guān)位置固定后位置變更很不方便，而且一旦出現(xiàn)故障可能損壞機(jī)械裝置，而基于軟件實(shí)現(xiàn)定位控制，能任意設(shè)定限位位置，且運(yùn)行可靠。

3 收線排線控制

收線排線必須滿足一定關(guān)系才能使線材均勻分布在收卷輥上：收線電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，排線方向收線輥移動(dòng)一個(gè)匝距。

根據(jù)需要收線電機(jī)和排線電機(jī)均采用交流伺服電機(jī)，為了保證繞卷系統(tǒng)的排線均勻，當(dāng)收線電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，排線方向運(yùn)行一個(gè)匝距的行程，設(shè)排線匝距為λ，排線方向線速度為v，收線電機(jī)角速度為ω，三者需滿足下面方程：

上式中K=λ/2π為比例常數(shù)，sin為運(yùn)動(dòng)方向系數(shù)，滿足：

（1）式表明排線電機(jī)速度大小跟隨收線電機(jī)的角速度。

交流伺服放大器接受外部信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、精確、快速定位。一般交流伺服電機(jī)有三種工作模式：位置模式、速度模式、轉(zhuǎn)矩模式。在收卷過程中要維持線材張力的恒定[2]，不能有較大的波動(dòng)，張力過大或過小會使收卷過程無法順利進(jìn)行，張力恒定的實(shí)質(zhì)是收卷線速度和放線速度相同。一方面，隨著收卷的進(jìn)行，卷徑逐漸增大，線速度也隨之增大，另一方面收卷過程存在急停急起，要保持張力恒定需要相應(yīng)地降低或提高收線電機(jī)轉(zhuǎn)速，使收卷線速度迅速達(dá)到要求。伺服電機(jī)的速度模式是接受外部模擬量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，響應(yīng)速度快，本方案收卷電機(jī)在速度模式下工作。

排線電機(jī)的角速度要根據(jù)收線電機(jī)角速度變化而變化，交流伺服放大器內(nèi)部提供編碼器Z脈沖開集極輸出命令OCZ[3]：電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈，交流伺服放大器發(fā)送一個(gè)脈沖命令。排線電機(jī)采用位置工作模式，即放大器接受外部脈沖命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，定位精度較高。

綜上所述，收線排線方法如下：收線和排線電機(jī)分別采用速度和位置工作模式，上位機(jī)控制收線電機(jī)的轉(zhuǎn)速以維持線材張力恒定，收線電機(jī)的交流伺服放大器發(fā)送脈沖到上位機(jī)，通過內(nèi)部運(yùn)算向排線電機(jī)的放大器發(fā)送一定數(shù)量的脈沖來控制排線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其控制流程圖如圖3所示。

4 總體控制方案

由于可編程控制器（PLC）[4]是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在運(yùn)行中，硬件組成簡易可行，抗干擾性能力強(qiáng)，可靠性極高、體積小，可方便地實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制[4]?？刂葡到y(tǒng)上位機(jī)使用PLC，也為下一步人機(jī)交互提供接口通道。

The Control Method of Winding and Cabling of Flat Micro-Wire

JIA Rui，HE Jian-wen，GUO Zhong-ning
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

This paper introduced a winding and cabling method which used in flat micro-wire.Because of the cross-section shape of fine wire，compared with the round wire，Winding and cabling process of the cable require higher requirements.Therefore，a winding and cabling method was developed to make the wire arranged on spool according to the mathematical relationship.Practical inspection，this structure can stabilize winding flat micro-wire with cross section，at the same time，it can self-adaption to different cable itinerary，which packed tightly and have a high positioning accuracy.

flat micro-wore；servo motor；absolute encoder

TM24

A

1009－9492(2014)08－0019－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.006

2014－02－21