一種帶擋線裝置的繞線機控制系統(tǒng)設計

嚴春平

（九江職業(yè)技術學院，江西 九江 332000）

0 引言

電機廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、公用設施和家用電器等。電機可以作為風力渦輪機、泵、壓縮機、機床、印刷機械、造紙機械、紡織機械、軋機、空調(diào)、城市交通和各種運輸工具的動力。隨著科學技術水平的不斷提高，中小型電機產(chǎn)品的產(chǎn)量和品種將逐步發(fā)展，特別是近年來，小型無人機和移動機器人的快速增長，都依賴于小型電機[1]。繞線機是一種用來繞制電機、變壓器等線圈的專用設備，繞線機的應用極大地提高了電機、變壓器的生產(chǎn)效率。在發(fā)展迅速的今天，各行各業(yè)的電器產(chǎn)品均離不開電機、變壓器，所以繞線機擁有廣闊的應用前景，在未來的科學技術發(fā)展中不可或缺[2]。

近年來，我國在繞線機自動控制系統(tǒng)的研究上也有不少。王學智等研制了一種基于PLC 控制的繞線系統(tǒng)。該繞線機由兩臺步進電機分別控制線圈骨架旋轉(zhuǎn)和排線機構移動，二者協(xié)調(diào)工作[3]。凌志輝等根據(jù)二軸纖維纏繞機的控制要求和纏繞工藝，設計了以PLC和定位模塊FX2N-20GM 為控制核心的控制系統(tǒng)[4]。孫志龍等針對目前市場上封閉環(huán)狀結構繞線存在人工繞制效率低和機器繞制效果差的現(xiàn)象，設計了一套針對封閉環(huán)狀結構進行繞線的專用設備及其控制系統(tǒng)[5]。上述繞線裝置多為大型設備，繞線方式、工藝及結構復雜。本文在國內(nèi)現(xiàn)有繞線機的基礎上，設計了一種新的繞線機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)帶有擋線裝置，采用可編程控制器（PLC）為核心控制器，通過人機界面（HMI）設置繞線參數(shù)，以適應不同繞線要求。

1 繞線機系統(tǒng)組成及運行原理

1.1 機械結構

繞線機的機械部分主要有機座、主軸、夾緊裝置、排線裝置、送線裝置、擋線裝置組成，如圖1 所示。機座主要作用是在繞線過程中，穩(wěn)定住整個機器。主軸用來控制繞線線圈的骨架旋轉(zhuǎn)，骨架通過夾緊裝置來鎖緊。排線裝置通過絲桿驅(qū)動送線裝置，實現(xiàn)排線的左右往復運動。擋線裝置是本文設計的一種用來提高繞線產(chǎn)品質(zhì)量的機械結構。

圖1 繞線機主要機械部分

1.2 運行原理

主軸電機驅(qū)動繞線骨架旋轉(zhuǎn)，骨架旋轉(zhuǎn)1 周，排線裝置同時帶動漆包線水平移動1 個線徑，當排線移動達到骨架的線槽寬度后，即完成一層的繞線，此時排線電機必須立即反向運行，帶動漆包線進行下一層的反向排線，如此循環(huán)，直到完成整個繞線[6]。

1.3 擋線裝置

在繞線的過程中，漆包線的張力由張力器控制，但是只能控制縱向的張力，橫向無法控制。在繞線的起步階段，排線橫向的緊密層度非常重要，它是整個繞線線圈的基礎，底層越堅實，上層的繞線也越緊密。為了保證初始繞線的緊密，目前由人工手動操作，在啟動時，拿木板緊靠住漆包線，給初始的繞線一個橫向的壓力，壓緊初始幾圈的繞線。為替代這個人工操作，設計了一種擋線裝置。

如圖2 所示，擋線裝置的上下運動是由擋線步進電機帶動滾珠絲杠，讓擋線板作上下運動。擋線板的水平方向的運行是在一直線導軌上運動，直線導軌上有阻尼力。驅(qū)動擋線板水平運行的力是線圈上的漆包線，在繞線前，擋線裝置的擋線板靠緊開始的線。開始繞線后，隨著繞線排列的不斷增加，推動擋線板水平運動。直線導軌上的阻尼力將線圈上的線壓緊。

圖2 擋線裝置示意圖

2 控制系統(tǒng)硬件選型及電路設計

2.1 硬件選型

硬件控制系統(tǒng)選擇三菱FX3U-32MT 可編程控制器（PLC）作為核心控制器，該控制器為第三代微型可編程控制器，內(nèi)置獨立3 軸定位功能，可同時輸出最高為100 kHz 的脈沖，能較好完成本系統(tǒng)中的一臺伺服電機及兩臺步進電機的精確控制。匯川400 W伺服電機為主軸電機的控制系統(tǒng)，200 W 步進電機作為排線電機，100 W 步進電機作為擋線裝置上下運動的控制電機。人機界面為7 寸昆侖通態(tài)彩色觸摸屏[7]。

2.2 電路設計

本系統(tǒng)控制電路如圖3 所示?？刂齐娐分饕蒔LC、原點信號傳感器、按鈕、1 臺伺服電機和2 臺步進電機組成。其中的伺服電機用來控制繞線機主軸的旋轉(zhuǎn)，1 臺步進電機用來驅(qū)動排線絲桿做水平左右運動，跟隨主軸完成排線動作。另一臺步進電機驅(qū)動擋線裝置上下運動，實現(xiàn)初始繞線時漆包線的緊密排列。在三臺電機的運動機構上，都安裝有用來檢測原點信號的擋光片和光電傳感器。PLC 的I/O 的分配表（見表1）。

表1 I/O 分配表

圖3 繞線機控制電路

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序設計

根據(jù)繞線機的工作原理，設計出整個系統(tǒng)的運行程序流程圖如圖4 所示。程序開始運行時，主軸、排線及擋線板電機先回原點。操作人員通過人機界面來設定繞線的運行參數(shù)，主要包括漆包線的線徑大小、主軸圈數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速、排線起始點、排線寬度、排線方向等。在繞線的過程中，以主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為基準，排線及擋線板配合工作，主軸旋轉(zhuǎn)一周，排線絲杠移動一個線徑的距離[8]。擋線板在排線完成一層繞線后，上升一段距離，具體上升的距離在3.2 中詳述。

圖4 程序運行流程圖

3.2 擋線部分程序設計

擋線裝置的運動控制程序由擋線控制開關（X7）來控制，此開關的存在時為了滿足實際的不同控制要求。當開關閉合時，擋線板的運行狀態(tài)由PLC 程序來決定。當開關打開時，擋線板立即向上升起，回到原點狀態(tài)，此時擋線板不參與繞線的擋線工作。擋線裝置的運行狀態(tài)可通過觸摸屏來設定，主要有兩個參數(shù)。

（1）擋線板向下運動距離（A）：根據(jù)骨架的情況，輸入擋線板向下運動距離A，使擋線板向下運動到接近骨架的底部，相差0.2 mm 的位置（根據(jù)實際繞線的漆包線的直徑，該值允許調(diào)整）。

（2）擋線板來回擺動的距離（B）：此參數(shù)由PLC根據(jù)下列公式計算得出。

式（1）中，W為排線的槽寬大小，d為漆包線的線徑，h為擋線板的厚度。當擋線板厚度為2 mm 時，h的取值為2。

擋線板的水平左右移動是被漆包線推動的，當擋線板在漆包線的推動下，移動距離等于B時，擋線板由擋線電機驅(qū)動向上移動0.86d距離，為上一層的擋線作準備。這里，擋線板向上移動的距離不設定為1個線徑，而是0.86 個線徑，是因為上一層的線會落到下一層線的線槽中，從而導致兩層繞線之間的間距不為1 個線徑。

擋線板運動可通過圖5 表達，具體的工作過程如下：

圖5 擋線板運動示意圖

開始繞線前，用手移動擋線板，將擋線板靠緊繞線起始的第一根漆包線。開始繞線后，擋線板被線推動，當擋線板移動的距離等于B值大小時，擋線板向上抬起0.86 根線徑的距離，等待排線反頭，排線反頭后，又推動擋線板向相反方向運動。當移動距離又等于B值時，擋線板又向上抬起0.86 個線徑，等待排線再次反頭，推動擋線板反向運動……如此反復。根據(jù)實際測試，擋線板最多只需要擋線4 層就能保證繞線的緊密。4 層后，擋線板向上升高到復位位置，不進行擋線工作，直至整個線圈繞線完成。

在程序編寫時，B值和W值同時開始計數(shù)，B值達到時，擋線板向上升起。W值達到時，排線電機立即反轉(zhuǎn)。B值小于W值，所以在排線反頭前，先將擋線板抬起。

4 實驗驗證

帶有擋線裝置的繞線機實體設備，控制系統(tǒng)按照本文上述控制方案設計的，經(jīng)上電測試，各部分功能模塊工作正常，如圖6 所示。人機界面（HMI）參數(shù)設置畫面，通過配方功能來實現(xiàn)，如圖7 所示。其中線徑指的是漆包線的直徑，圈數(shù)指的是主軸旋轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)，排線寬度指的是骨架的槽寬。設置不同的參數(shù)，可以用來繞制不同型號的繞線產(chǎn)品。通過HMI 設置不同參數(shù)（型號A 及型號B），得到的繞線產(chǎn)品，如圖8所示。由圖8 可見，對于不同的漆包線線徑、不同的骨架形狀等，通過參數(shù)的設置，能滿足生產(chǎn)的需求，繞出合格的產(chǎn)品，從而極大地提高了繞線機的通用性。圖9 所示為廠家原有的不帶有擋線裝置的繞線機，繞線時，需要人工手持木板對初始排線進行干預，人工的操作難以保證每一次的準確度，從而使得產(chǎn)品質(zhì)量不能保持穩(wěn)定。而在采用本文設計的帶有擋線裝置的繞線機后，初始繞線時，擋線裝置給了繞線的線圈一個橫向壓力，使得底層的幾層線圈無比扎實。經(jīng)廠家實際繞線產(chǎn)品上機驗證，改進后的繞線機提高了自動化程度，無需人工進行初始排線的干預，保證了繞線產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖6 帶有擋線裝置的繞線機樣機

圖7 人機界面參數(shù)設置

圖8 不同參數(shù)下的繞線產(chǎn)品

圖9 不帶有擋線裝置的繞線機

5 結語

本設計的繞線機控制系統(tǒng)，帶有擋線裝置，提高了繞線產(chǎn)品的質(zhì)量，通過人機界面的參數(shù)設置，能夠適應多種繞線要求，滿足不同規(guī)格線圈的繞制。該繞線機已成功應用于生產(chǎn)廠家，經(jīng)過廠家驗證，繞線機具有自主設定參數(shù)、適應能力強、操作簡單快捷、繞線精度高等特點，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，滿足實際生產(chǎn)需求。