鉭絲精密繞線機(jī)設(shè)計(jì)

郭長遠(yuǎn)，楊少武,蔣寧衛(wèi)

(1.寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000; 2.中色(寧夏)東方集團(tuán)有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

鉭絲是鉭電容器制造主要材料，用于鉭電容器陽極引線，這個(gè)引線還可作為電容器賦能、被膜時(shí)的導(dǎo)線使用。少量鉭絲用于真空設(shè)備中。鉭絲直徑通常為0.06～1.12 mm，鉭絲狀態(tài)根據(jù)客戶要求分為退火態(tài)和未退火態(tài)。目前，我公司生產(chǎn)的鉭絲在全球市場(chǎng)的占有率在60%以上，全部整盤按重量發(fā)貨，要求繞線不能有縫隙、不能交叉堆疊、不能松散，達(dá)到“鏡面”效果。

鉭絲精密繞線機(jī)是一種十分小眾的設(shè)備，公司先后3次采購該設(shè)備，首次是20世紀(jì)90年代從西班牙引進(jìn)的，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，腳踏開關(guān)控制工作速度，因操作復(fù)雜、故障率高、效率低目前已經(jīng)淘汰；第二次是本世紀(jì)初從美國引進(jìn)的，用PLC、變頻電機(jī)、同步電機(jī)控制，目前還有幾臺(tái)在用；第三代是國內(nèi)特殊訂制的，使用PLC、變頻電機(jī)、伺服電機(jī)控制，手動(dòng)操作。這三代設(shè)備中第一代的結(jié)構(gòu)是繞線盤繞線運(yùn)動(dòng)，排線是由同步排線電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)線輪往復(fù)的左右移動(dòng)，該設(shè)備體積較大，控制精度差；后兩代設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)類似，導(dǎo)線輪固定不動(dòng)，繞線電機(jī)帶動(dòng)線盤旋轉(zhuǎn)繞線，同時(shí)排線電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)安裝有繞線機(jī)構(gòu)的工作臺(tái)面往復(fù)的左右移動(dòng)。這三代設(shè)備都必須一人一機(jī)獨(dú)立操作，對(duì)操作者的技術(shù)和熟練度要求較高，在繞線的過程中不停地修正切角、加速、減速、換向等。由于公司近年產(chǎn)量的激增，需要增加兩臺(tái)鉭絲精密繞線機(jī)，公司有部分閑置的鉭絲粗繞機(jī)(不能“鏡面”繞線，經(jīng)常會(huì)有交叉纏繞、縫隙等)，因此利用公司閑置的兩臺(tái)鉭絲粗繞機(jī)的機(jī)械部分，重新設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)，改進(jìn)部分精密的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，制造了兩臺(tái)鉭絲精密繞線機(jī)[1]。

1 鉭絲精密繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

鉭絲精密繞線機(jī)的工作過程就是將生產(chǎn)好的成品鉭絲均勻的纏繞繞線盤，繞線盤尺寸是固定的，直徑300 mm,線盤軸孔內(nèi)徑55 mm，線盤沿高25 mm，寬度100 mm。如圖1所示，鉭絲從帶張力的放線盤經(jīng)過鉭絲矯直機(jī)構(gòu)、計(jì)米導(dǎo)線輪后纏繞在精繞機(jī)的成品繞線盤上，繞線的變頻調(diào)速電機(jī)帶動(dòng)繞線盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)繞線電機(jī)主軸上的絕對(duì)位置編碼器將線盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度同步給PLC，PLC再控制伺服排線單元(含繞線電機(jī)及繞線盤部分)左右移動(dòng)排線，繞線時(shí)計(jì)米導(dǎo)線輪是固定不動(dòng)的。

圖1 鉭絲精密繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 鉭絲精密繞線機(jī)的系統(tǒng)控制及原理

鉭絲精密繞線機(jī)的控制系統(tǒng)如圖2所示，觸摸屏設(shè)置繞線速度、排距、排速、點(diǎn)動(dòng)排速、計(jì)米設(shè)定等，通過手動(dòng)按鈕選擇單動(dòng)還是自動(dòng)，如果是單動(dòng)，主繞線速度是通過觸摸屏旁的多圈電位器給定，排線方向是手動(dòng)旋鈕給定；如果是自動(dòng)模式，設(shè)定各參數(shù)、啟動(dòng)，如果上次工作沒有結(jié)束，詢問是否繼續(xù)進(jìn)行上次的工作，否則設(shè)備自動(dòng)返回原點(diǎn)，緩慢啟動(dòng)、繞絲、排絲、加速運(yùn)行至設(shè)定速速，如果運(yùn)行至繞線盤的邊沿時(shí)，降速、繞線、反向、排線、加速至設(shè)定速度，依次往復(fù)運(yùn)行直至設(shè)定米數(shù)。設(shè)定米數(shù)是根據(jù)絲徑及產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)算出的長度適當(dāng)降低的數(shù)量，防止繞至結(jié)束時(shí)飛絲。當(dāng)繞線到設(shè)定值時(shí)繞線電機(jī)停止，黃燈警示，作業(yè)人員再手動(dòng)將剩余幾米的鉭絲仔細(xì)的繞至在成品線盤上，固定包裝好即可。

圖2 鉭絲精密繞線機(jī)的控制系統(tǒng)

主要硬件配置如下：

繞線電機(jī)： AUTOMATIONDIRECT MTR-P50-BD18

繞線電機(jī)變頻器：施耐德 ATV32H037M2

排線伺服電機(jī)： 臺(tái)達(dá) ECMA-CA0602SS

伺服驅(qū)動(dòng)器： 臺(tái)達(dá) ASD-A2-0221-L

排線絲杠： THK 長度400mm導(dǎo)程4mm 重復(fù)精度3um

觸摸屏： 威綸 MT8071iE

PLC: 西門子 6ES7288-1SR60-0AA0

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)備的程序流程如圖3所示，PLC初始化后，通過讀取主軸編碼器的位置、伺服驅(qū)動(dòng)器反饋的位置及排線的方向信息，詢問是否繼續(xù)上次工作，或返回原點(diǎn)重新執(zhí)行本次的設(shè)定。因?yàn)槊看卫@線的起始位置、角度不固定，所以PLC必須識(shí)別繞線主軸當(dāng)前的位置、角度，在同一角度時(shí)給出排線信號(hào)；計(jì)算離下一個(gè)換向邊沿的距離，距離下一個(gè)邊還有10個(gè)絲徑的距離時(shí)勻速減速至低速設(shè)定值(根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在程序中預(yù)設(shè)定)，繞至邊沿時(shí)再低速多繞一圈(此圈是反向后第一圈)后排線方向換向，再勻加速至設(shè)定速度，依次往復(fù)，直至到設(shè)定米數(shù)停止。這是自動(dòng)模式，在這種模式工作過程中也可人工干預(yù)，增減切角(為了排線致密有5°～15°徑向角度)，增減繞線速度、停止、暫停等。如果是單動(dòng)模式即手動(dòng)找原點(diǎn)、給定繞線速度、改變排線方向等等。以往的三代機(jī)型都是單動(dòng)工作模式在工作，那些設(shè)備也設(shè)計(jì)了自動(dòng)模式，但是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的精密度、硬件的控制精度等影響自動(dòng)模式下不是“摞絲”，就是有縫隙，或者上一層絲陷入下一層中等異常。

圖3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于公司前三代設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)下主流的PLC、交流伺服的精確定位控制、變頻調(diào)速控制，還有PLC控制中完善的運(yùn)動(dòng)控制模型等技術(shù)，改造完成了兩臺(tái)鉭絲精密繞線機(jī)。及時(shí)緩解了公司鉭絲成品繞線產(chǎn)能不足的問題。該設(shè)備已經(jīng)正常使用3年，本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)模式下大大降低了人工干預(yù)度，以往的繞線機(jī)需要一名熟練工人一直盯著繞線，不停地修正繞線切角、升降繞線速度，換向，同時(shí)不停地用潔凈的棉布梳理繞線的疏密度。該設(shè)備從改造完成后一直正常使用至今，操作方便可靠，大大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。該設(shè)備的硬件成本低，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。