精密繞線系統(tǒng)的設(shè)計與研究

高 雅，朱秦嶺

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021；2.西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，西安710018）

隨著電子、電氣等行業(yè)的快速發(fā)展，各種電機(jī)、變壓器和超導(dǎo)磁場用的線材需求量不斷增加，傳統(tǒng)的手工繞線方式已經(jīng)不能滿足市場的發(fā)展要求，各種繞線機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，當(dāng)前比較常見的控制系統(tǒng)主要為基于PLC的控制系統(tǒng)、基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)、基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)。較計算機(jī)的控制系統(tǒng)，單片機(jī)和PLC的控制系統(tǒng)具有體積小、價格便宜、操作方便等優(yōu)勢，而PLC的控制系統(tǒng)較單片機(jī)的控制系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、穩(wěn)定性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以市面上PLC作為控制器的系統(tǒng)較單片機(jī)的系統(tǒng)市場占有份額大[1-4]。

PLC是當(dāng)前市場的主流控制系統(tǒng)，采用可編程存儲器用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[5-6]。

在本繞線機(jī)系統(tǒng)中，收線主軸和放線軸均選用異步電機(jī)。該系統(tǒng)由伺服模塊、變頻模塊、位移配重模塊、PLC控制模塊和人機(jī)交互觸摸屏模塊等組成。在系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行時，收線主軸利用矢量控制進(jìn)行主動運(yùn)行，其控制過程包含2個閉環(huán)系統(tǒng)，一個是編碼器和電機(jī)主軸直接相連，與變頻器構(gòu)成閉環(huán)的矢量控制；一個是與齒輪減速之后的線盤軸直接相連，保證計數(shù)匝數(shù)精確無誤[7]。而放線電機(jī)利用PID和bang-bang結(jié)合的方式，根據(jù)配重模塊的位置與收線電機(jī)速度進(jìn)行實(shí)時的速度匹配，與氣缸匹配相比，該種匹配方式擴(kuò)大了系統(tǒng)允許調(diào)整的誤差范圍，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行域度。而系統(tǒng)的排線系統(tǒng)利用施耐德的伺服控制器以保證排線的精密程度。為了方便上下線輪，系統(tǒng)在收線部分和放線部分分別增加了料卷的自動提升功能。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行中的安全性，增加了排線的左右限位、放線和收線架的上下限位、排線架的上下限位、配重塊的上下限位、急停等功能。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該繞線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含收線部分、放線部分、排線部分和配重部分等。圖1所示為該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.1 主動運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計

繞線機(jī)的主動運(yùn)行系統(tǒng)主要為收線架。收線架決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度和從動系統(tǒng)的運(yùn)行速度。收線架由主軸箱、尾箱、底座、提升系統(tǒng)、輔助斜坡和電氣部分組成。

收線架的傳動部分在主軸箱里，動力由電機(jī)輸出，通過減速機(jī)減速后經(jīng)鏈條鏈輪傳至主軸，由主軸前端的專用模具頂尖帶動繞線模旋轉(zhuǎn)。該繞線機(jī)尾箱可沿底座滑槽前后移動，通過搖把來控制行程。提升系統(tǒng)位于操作者對面，由提升架、直線導(dǎo)軌、重型緩沖氣缸、鏈條鏈輪等部分組成。提升架承載整體重量，并與繞線機(jī)底座連接緊固。

在收線電機(jī)的電氣結(jié)構(gòu)上，收線主軸電機(jī)側(cè)增加了2個閉環(huán)系統(tǒng)，一個是編碼器與電機(jī)主軸直接相連，與變頻器構(gòu)成閉環(huán)的矢量控制，一個是與經(jīng)過齒輪減速之后的線盤軸直接相連，保證計數(shù)匝數(shù)精確無誤。

其收線主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為945 r/min，額定頻率為50 Hz，齒輪減速比為1∶12，變頻器設(shè)定最高頻率為80 Hz，最大給定轉(zhuǎn)速計算方程為

給定轉(zhuǎn)速與給定頻率之間的關(guān)系為

人機(jī)交互界面觸摸屏上利用以上公式計算需要的實(shí)際收線主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速。

排線架主要由絲杠升降機(jī)、支架、排線支撐臂、工作平臺、伺服系統(tǒng)、直線導(dǎo)軌、滑動座、傳動電機(jī)、連接橫梁和傳動軸等組成。

1.2 從動運(yùn)行系統(tǒng)的設(shè)計

從動運(yùn)行系統(tǒng)主要包含放線架和排線架，排線架的速度由主動運(yùn)行系統(tǒng)的收線架速度決定，它的速度匹配精度決定了線輪的密排效果。而放線架必須與主動運(yùn)行系統(tǒng)合理的匹配，才能完成繞線機(jī)的正常收放線工作，它決定了整個系統(tǒng)的跟隨性能，也決定了繞線過程張力的大小和線輪質(zhì)量的好壞。

放線架由動滑輪、底座、底板、直線導(dǎo)軌、齒條、支承座、配重直線導(dǎo)軌、定滑輪、主動電機(jī)、主動支座等組成，配重系統(tǒng)可更換不同的配重，以提供不同的對線材的恒拉力，并且增加了壓力傳感器，可檢測所放配重的準(zhǔn)確重量，誤差小于1%。輔助支承部分可裝卸線輪，立柱兩旁安裝有2臺氣缸，可提升線輪，軸向安裝有1臺氣缸，可通過軸向頂尖頂緊線輪，完成線輪的安裝定位工藝。

配重系統(tǒng)中包括了1組動定滑輪、直線位移傳感器，系統(tǒng)通過直線位移傳感器信號，調(diào)整放線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)利用配重模塊代替氣缸實(shí)現(xiàn)收線主軸電機(jī)和放線電機(jī)的實(shí)時速度匹配。與氣缸匹配相比，該種匹配方式擴(kuò)大了系統(tǒng)允許調(diào)整的誤差范圍，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行域度。

為了減小線材的彎曲程度對線材表面和內(nèi)部的損傷，在放線部分同樣增加了左右移動部分，該部分的功能與排線的左右移動功能不同，排線的左右移動為了使得線材在收線線輪左右移動，有利于精密排線。而放線部分的左右移動是排線架左右移動部分的隨動系統(tǒng)，是為了保證放線部分與排線架上的線材一直保持一條直線，對于硬度比較大的線材，該種設(shè)計有效地減小了線材彎曲所造成的損傷。該隨動系統(tǒng)的給定運(yùn)行脈沖頻率同樣需要根據(jù)式（3）計算。

為了加快開始的動態(tài)過程，利用bang-bang控制的概念，設(shè)置一個偏差的范圍a1和a2，當(dāng)偏差值e（t）小于a1或者大于a2時，不管PID的結(jié)果如何，直接給u（t）一個有利于接近給定值的方向的值，即u（t）能輸出的最大值或最小值。利用這樣的算法調(diào)整，加快系統(tǒng)的動態(tài)反應(yīng)過程。圖2所示為PID與bang-bang控制結(jié)合時的繞線機(jī)放線電機(jī)控制框圖。

圖2 PID與bang-bang控制結(jié)合的放線電機(jī)控制Fig.2 PID and bang-bang control system block diagram

2 試驗結(jié)果

該繞線機(jī)系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)由3個安川變頻系統(tǒng)、2個施耐德伺服控制系統(tǒng)、PLC控制器作為系統(tǒng)外環(huán)控制，位移傳感器作為系統(tǒng)反饋，觸摸屏作為系統(tǒng)人機(jī)交互界面。2套氣動提升裝置，一些上下限位開關(guān)作為保護(hù)裝置。該系統(tǒng)的異步電動機(jī)為三相異步電機(jī)，工作電壓為380VAC，升降裝置承重400 kg，聯(lián)動運(yùn)行速度0～120 r/min，線徑范圍為0～3 mm，100 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，收線和放線的最大線輪比為1∶5。圖3所示為繞線機(jī)的實(shí)物圖。

圖3 繞線機(jī)實(shí)物Fig.3 Physical picture of winding machine

圖4所示為繞線機(jī)系統(tǒng)聯(lián)動時PID結(jié)合bangbang控制時的位移給定量、反饋量和輸出控制量的曲線，其界面的刷新方向為從右到左，即左邊的數(shù)據(jù)是最長時間點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，右邊的數(shù)據(jù)是最新時間點(diǎn)更新的數(shù)據(jù)。

圖4 PID和bang-bang結(jié)合控制時的曲線Fig.4 PID and bang-bang control curve

圖中反映了系統(tǒng)開始的停止運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的起動過程，穩(wěn)定運(yùn)行階段以及系統(tǒng)停止運(yùn)行的過程?？梢钥闯鱿到y(tǒng)的起動過程和穩(wěn)定運(yùn)行階段穩(wěn)定性好。

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種精密繞線機(jī)，該繞線機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含收線部分、放線部分、排線部分和配重部分等。收線部分由2個閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，一個保證了系統(tǒng)速度的穩(wěn)定性，一個保證了匝數(shù)記錄的準(zhǔn)確性。放線部分利用PID和bang-bang控制結(jié)合進(jìn)行控制，其速度由收線部分和配重位置決定。從系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)布局和試驗效果可以看出，該系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，電機(jī)控制的穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快，具有很多符合人性化操作的結(jié)構(gòu)和操作設(shè)計。其設(shè)計方法對今后繞線機(jī)的進(jìn)一步性能提高研究具有參考意義。

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