基于位移控制的線圈自動(dòng)繞線系統(tǒng)研究

高永強(qiáng)，陸 熊，黃曉梅，劉 佳

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106; 2.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，南京 210044)

0 引言

隨著力觸覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，基于電磁式裝置產(chǎn)生力觸覺(jué)的需求也日益提高，電磁鐵線圈[1]是電磁式力觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)的重要組成部分，其線圈纏繞質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到力觸覺(jué)的反饋效果[2]。

目前，大尺寸電磁鐵線圈的繞制主要采用人工繞線[3]的方式，人工繞線主要以傳統(tǒng)的手搖繞線機(jī)為支撐，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的操作。通過(guò)線頭線尾的焊接以及線圈電阻值和電感值的測(cè)量來(lái)校驗(yàn)繞制的是否合格。它存在以下一些缺點(diǎn)：(1)繞線速度慢；(2)操作不靈活；(3)排線不緊密；(4)張力不一致等。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了電磁鐵線圈的穩(wěn)定性和可靠性[4-5]。此外，人工繞線通常采用單股繞制，實(shí)現(xiàn)雙股或多股繞線難度更大。國(guó)內(nèi)并沒(méi)有提出單獨(dú)針對(duì)大尺寸電磁鐵線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)的繞線機(jī)系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)繞線機(jī)大多是針對(duì)小型線圈或者一些車床繞線系統(tǒng)，對(duì)線圈繞制的質(zhì)量以及緊密度要求不嚴(yán)格。王超[6]等人設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)速繞線機(jī)主要是應(yīng)用在紡織等行業(yè)，實(shí)現(xiàn)繞線線速度不變的時(shí)線圈的繞制。馬[7]等人通過(guò)在PLC的控制下將繞線電機(jī)和排線電機(jī)相互配合，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的自動(dòng)排線，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，僅針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線。此外，國(guó)內(nèi)[8]外許多公司進(jìn)行了自動(dòng)繞線設(shè)備的研制來(lái)提高生產(chǎn)效率，但這些設(shè)備造價(jià)昂貴，且繞制的線圈尺寸較小，并不能適用于普通電磁鐵線圈的繞制。因此設(shè)計(jì)一套大尺寸自動(dòng)繞制設(shè)備來(lái)保證線圈質(zhì)量已經(jīng)成為迫切的需求。

本文針對(duì)大尺寸線圈的應(yīng)用需求，通過(guò)自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)、自動(dòng)排線機(jī)構(gòu)、張力控制機(jī)構(gòu)等模塊，以STM32中央控制系統(tǒng)為核心，在排線控制算法指示下協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)了大尺寸(直徑最大可達(dá)450 mm)電磁鐵線圈的自動(dòng)繞制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型化，簡(jiǎn)單化，能夠適用于不同的工作場(chǎng)合，并且具有較高的工作效率，較高的繞線精度等特點(diǎn)。

1 自動(dòng)繞線設(shè)備系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在大尺寸線圈自動(dòng)繞制過(guò)程中，影響繞線質(zhì)量的因素主要包括繞線和排線設(shè)備的結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的精度以及排線算法[9]的可靠性。首先，需要對(duì)自動(dòng)繞線設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證線圈旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；其次，對(duì)排線機(jī)構(gòu)的走線結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得排線能穩(wěn)定，準(zhǔn)確，不亂線[10]；最后選擇可靠的中央控制系統(tǒng)，使得排線算法穩(wěn)定高效運(yùn)行。同時(shí)為了方便調(diào)試和實(shí)現(xiàn)不同尺寸的骨架繞制，開發(fā)了人工操作圖形界面，可以方便輸入不同參數(shù)完成線圈參數(shù)的確定，以及對(duì)繞線狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保障線圈異常時(shí)能夠緊急處理。本系統(tǒng)主要組成以及繞線機(jī)工作流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)繞線設(shè)備總體設(shè)計(jì)和繞線機(jī)結(jié)構(gòu)組成

在繞線的過(guò)程中，將設(shè)計(jì)的空心圓盤狀線圈固定在手搖繞線機(jī)的軸線上，漆包銅線通過(guò)張力控制器和排線機(jī)構(gòu)上的導(dǎo)線定位孔，纏繞至空心線圈上。自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)，自動(dòng)排線機(jī)構(gòu)，張力控制機(jī)構(gòu)按照中央控制系統(tǒng)指定的速度進(jìn)行軸向旋轉(zhuǎn)和水平方向往復(fù)移動(dòng)，三個(gè)機(jī)構(gòu)的相互配合來(lái)保證線圈繞制的成功。

2 自動(dòng)繞線設(shè)備實(shí)物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

繞線機(jī)構(gòu)的主要作用是帶動(dòng)空盤片線圈穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。該機(jī)構(gòu)主要包括手搖繞線機(jī)，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，傳送帶以及線圈固定夾具等。

在綜合考慮了線圈的參數(shù)、轉(zhuǎn)軸的承重、外形尺寸等條件下，最終選擇飛越NZ-7繞線機(jī)(具有電子計(jì)數(shù)功能)作為繞線機(jī)構(gòu)的核心部件。步進(jìn)電機(jī)是自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)的動(dòng)力核心，對(duì)系統(tǒng)繞線速度的快慢有重要的影響。通過(guò)齒形帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的力矩計(jì)算公式，繞制完成后需要帶動(dòng)的負(fù)載預(yù)估計(jì)為7.5 kg，力矩為0.51 N·m。因此，需要選擇力矩大性能好的電機(jī)為系統(tǒng)提供動(dòng)力。通過(guò)參數(shù)選型和對(duì)比分析，最終選定了57HS7630A4行星步進(jìn)減速電機(jī)，軸徑14 mm，步距角1.8°。它可以提供的靜力矩為1.8 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為440 g·cm2，并且配有10:1的減速器來(lái)進(jìn)一步提高電機(jī)的扭矩。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為DM542驅(qū)動(dòng)模塊，輸入直流電壓為18～50 V，最大細(xì)分精度可達(dá)到128，并且能夠提供穩(wěn)定的電流，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電壓，過(guò)電流，欠電壓或者短路時(shí)有自動(dòng)保護(hù)功能。

當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況，因此起始時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能設(shè)置過(guò)大，通過(guò)實(shí)際調(diào)試可知將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為200～600 r/min，通過(guò)減速器之后繞線機(jī)的繞線速度為20～60 r/min系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。傳動(dòng)帶的設(shè)計(jì)采用小輪帶動(dòng)大輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[11]，同時(shí)選擇和步進(jìn)電機(jī)軸徑匹配的雙槽皮帶輪作為主動(dòng)輪，通過(guò)皮帶將繞線機(jī)的轉(zhuǎn)盤與皮帶輪緊密連接。設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)和繞線機(jī)之間的距離時(shí)考慮設(shè)備所占空間的大小，定義兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪的中心點(diǎn)間距為23 cm，因此通過(guò)傳送帶模型計(jì)算得到皮帶的長(zhǎng)度為90 cm?？梢栽诒Ｕ舷到y(tǒng)正常工作的前提下節(jié)省空間。

另外，本系統(tǒng)針對(duì)的線圈骨架內(nèi)徑為230 mm，外徑290 mm，厚度為30 mm。為了能夠?qū)⒕€圈穩(wěn)定地固定在繞線機(jī)的主軸上，進(jìn)行了線圈夾具的設(shè)計(jì)和打印，具體如圖2所示。

圖2 線圈骨架的模型圖和實(shí)物圖

最后，將步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)安裝支架，皮帶輪，皮帶，線圈及夾具依次安裝到繞線機(jī)構(gòu)上，具體的裝配如圖3所示。繞線機(jī)構(gòu)裝配完成后，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試確保主軸能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)即為裝配成功。

圖3 自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)部分實(shí)物圖

2.2 排線機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

排線機(jī)構(gòu)的主要作用是能夠讓漆包銅線來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)漆包銅線一層一層的自動(dòng)排線，同時(shí)還能夠保證漆包線緊密纏繞。由于本系統(tǒng)中采用的漆包銅線線徑較細(xì)(直徑小于2.5 mm)，因此排線機(jī)構(gòu)[10]中對(duì)平移臺(tái)的精度要求較高。本系統(tǒng)選擇日本IAI公司RCP2-SA5C電缸作為排線機(jī)構(gòu)，它的主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)表中提供的參數(shù)表明，該型號(hào)的電缸平移臺(tái)無(wú)論是精度還是行程都能滿足繞制線圈的需求。

表1 RCP2-SA5C主要參數(shù)表

電缸的驅(qū)動(dòng)控制器采用電平觸發(fā)，有效高電平為24 V，低電平為0 V。而中央控制模塊提供的電壓為3.3 V，需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換模塊采用的是3.3～24 V的光耦隔離單元，可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)電平的匹配。此外，該電缸相匹配的驅(qū)動(dòng)控制器配有完善的界面控制單元，可以實(shí)現(xiàn)電缸的點(diǎn)位控制，操作簡(jiǎn)單，便于輔助系統(tǒng)的調(diào)試。

導(dǎo)線孔底座的設(shè)計(jì)是為了將兩股漆包銅線分開，避免兩股線相互干擾。導(dǎo)線孔底座的尺寸與電缸平移臺(tái)尺寸相匹配，可以穩(wěn)固地固定在平移臺(tái)上，并且底座采用了兩部分連接的方式，可以隨繞線層數(shù)的增加調(diào)整角度。具體的設(shè)計(jì)與安裝效果如圖4所示。

圖4 排線機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)圖

2.3 張力控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在線圈繞制過(guò)程中，漆包線的張力是一個(gè)不可忽視的因素。當(dāng)張力過(guò)大時(shí)，漆包線會(huì)被拉長(zhǎng)變形導(dǎo)致線圈阻值增大；當(dāng)張力超出漆包線的極限值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷線狀況導(dǎo)致線圈報(bào)廢。而張力過(guò)小，漆包線繞制過(guò)程會(huì)十分松弛，出現(xiàn)排線散亂的現(xiàn)象[12]。因此為了保護(hù)漆包線和提升繞線質(zhì)量，進(jìn)行了張力控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。查閱相關(guān)資料，針對(duì)該系統(tǒng)所繞制的0.72 mm漆包線的安全張力為2 520 g。張力控制機(jī)構(gòu)的核心部件是磁阻尼器，選用的磁阻尼器的型號(hào)為YHZ-05，張力的可控范圍為600～3 500 g，基本能滿足所繞線徑的需求。在實(shí)際繞制過(guò)程中，根據(jù)漆包線的線徑將張力器刻度調(diào)到一定值，調(diào)整壓緊彈簧、張力桿彈簧、張力桿力臂、不斷重復(fù)微調(diào)，直到達(dá)到滿意效果。其中張力桿及力臂的調(diào)整是為了在快速啟動(dòng)時(shí)不易斷線，保證停止繞線時(shí)有較好的收線效果，進(jìn)而保證繞線的松緊度。張力控制器的原理圖和實(shí)物圖如圖5所示。

在張力控制器安裝確定之后，需要進(jìn)行供線機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)中所用到的廠家線圈重量較大，因此采用了水平放置的線筒支撐結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承將供線線筒懸空固定。整個(gè)供線流程如圖1所示，將漆包線穿過(guò)線筒，經(jīng)過(guò)張力控制器，導(dǎo)線孔固定于繞線機(jī)轉(zhuǎn)軸的盤片上。

2.4 繞線和排線控制算法設(shè)計(jì)

中央控制系統(tǒng)是整個(gè)自動(dòng)繞線排線設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵部分。主要是進(jìn)行自動(dòng)繞線和排線電機(jī)的精確控制，保證各個(gè)部分的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)資源的分析和對(duì)比，中央控制系統(tǒng)采用STM32F103為主控的開發(fā)板。它帶有脈沖脈寬調(diào)制(PWM)，可以方便配置不同頻率和占空比的脈沖。利用液晶屏顯示模塊進(jìn)行漆包線參數(shù)的輸入以及繞線匝數(shù)和繞線速度的監(jiān)控。

整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分是精準(zhǔn)控制的排線算法設(shè)計(jì)，它是指示繞線和排線兩個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合的關(guān)鍵。分析漆包線的繞制規(guī)律如圖6所示，h是每匝線圈之間的間距(mm)，d是繞制盤片的內(nèi)徑，H為盤片的寬度。

根據(jù)螺旋線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到排線機(jī)構(gòu)的速度與繞線機(jī)構(gòu)的速度比例關(guān)系如下：

(1)

其中:c是每圈漆包線的長(zhǎng)度(mm)，vr為繞線機(jī)的速度(m/s)，vp為排線機(jī)構(gòu)的速度(m/s)。假設(shè)漆包線單層繞制的時(shí)間為t，漆包線的外徑為dn等于線圈間距h，平移臺(tái)的導(dǎo)程為P，則繞線機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1與排線轉(zhuǎn)速n2分別為：

(2)

(3)

(4)

通過(guò)上述計(jì)算可以得到繞線電機(jī)和排線電機(jī)各自的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以對(duì)電機(jī)控制使其相互配合，完成線圈繞制。

精準(zhǔn)排線控制算法主要過(guò)程如圖7所示。

圖7 精準(zhǔn)控制排線控制算法流程圖

首先，電缸平移臺(tái)帶著出線導(dǎo)針往復(fù)移動(dòng)，繞線機(jī)構(gòu)帶動(dòng)空線圈繞軸旋轉(zhuǎn)。起始時(shí)出線導(dǎo)針滯后于空線圈邊緣以保證繞線足夠緊密。隨后，兩者同時(shí)加速后，達(dá)到合適的速度比，出線導(dǎo)針沿一定方向逐步移動(dòng)，最終在一層的末端兩者對(duì)齊，而后在第一層末端繞線機(jī)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一圈，開啟下一層運(yùn)動(dòng)模式，出線導(dǎo)針減速再次滯后于繞線層，重復(fù)上一層的動(dòng)作，直至完成整個(gè)繞線。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)精密控制，自動(dòng)繞線設(shè)備采用了S型曲線加減速[13]，較好的解決了邊界排線錯(cuò)亂的問(wèn)題。最后，將控制算法配合的結(jié)果轉(zhuǎn)換成各個(gè)電機(jī)的PWM，完成繞線和排線的協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繞線和排線的功能。

3 大尺寸線圈繞制效果及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)各個(gè)機(jī)構(gòu)的安裝調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的實(shí)物圖

該自動(dòng)繞線機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的繞線速度為40 r/min，通過(guò)計(jì)算完成一個(gè)1 500匝線圈的繞制僅需要40分鐘，相比人工繞線需要兩個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)說(shuō)大大提高了繞線的速度，并且繞線的質(zhì)量也有所保證。人工繞線與自動(dòng)繞線效果的對(duì)比如圖9所示。圖(a)是人工繞制完成一個(gè)線圈的效果，圖(b)中是繞制過(guò)程中的半成品，線圈繞制第10層時(shí)排線的效果，圖(c)是繞制完成的最終效果，從中可以看出邊界漆包線已經(jīng)有部分錯(cuò)線，主要原因是排線算法中還存在一定的問(wèn)題，隨著繞線層數(shù)的增加，層與層之間出現(xiàn)空隙而沒(méi)有及時(shí)填補(bǔ)。因此可以在未來(lái)的研究中繼續(xù)改進(jìn)排線算法。相比人工操作，線圈整體繞制的均勻性、致密性大大改善，并且保證了繞線中漆包線的張力一致。

圖9 人工繞線和自動(dòng)繞線機(jī)效果對(duì)比圖

在本系統(tǒng)中對(duì)繞制的6個(gè)大線圈進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算。理想條件下當(dāng)空盤片骨架尺寸一定時(shí)，繞制1 500匝線圈時(shí)電阻值為15.20 Ω。6個(gè)線圈實(shí)際測(cè)量的電阻值和參數(shù)如表2所示。線圈0代表理想條件下的電阻值。其中采用的安捷倫34410A數(shù)字萬(wàn)用表(6 1/2位雙顯示)對(duì)繞制的線圈進(jìn)行電阻測(cè)量。

表2 6個(gè)線圈主要驗(yàn)證參數(shù)

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析可知，在繞制過(guò)程中，雖然是自動(dòng)排線，但是由于精度和漆包銅線的緊密程度有一定的差別，使得繞制出來(lái)的線圈雖然有相同的匝數(shù)，但是實(shí)際漆包銅線的長(zhǎng)度不一致，導(dǎo)致測(cè)量的電阻值并不一樣，但6個(gè)線圈電阻的差值在0～0.56 Ω，基本可以確認(rèn)繞制的線圈是均勻一致的。另外，通過(guò)對(duì)理想條件下電阻值與實(shí)際測(cè)量值偏差的百分比分析，該偏差基本穩(wěn)定在5%以內(nèi)，符合電磁力反饋系統(tǒng)中電磁鐵線圈的設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用手搖繞線機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電缸平移臺(tái)、張力控制器等裝置設(shè)計(jì)了面向力觸覺(jué)再現(xiàn)的大尺寸電磁鐵線圈自動(dòng)繞制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的制作和設(shè)計(jì)過(guò)程，研究排線控制算法精確指示各個(gè)模塊，完成整個(gè)繞線過(guò)程。最后對(duì)比分析了人工繞線與自動(dòng)繞線效果，以及線圈繞制質(zhì)量，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性和有效性。本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)手搖繞線人工操作質(zhì)量差、單股繞線的難題，提高了自動(dòng)繞線的抗干擾能力，使得繞制的線圈均勻一致，張力一致，緊密一致，對(duì)促進(jìn)電磁力觸覺(jué)再現(xiàn)的發(fā)展具有重要的研究意義。