微細(xì)扁線(xiàn)材收排線(xiàn)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(xiàn)材收排線(xiàn)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(xiàn)材的收排線(xiàn)控制方法。線(xiàn)材在收卷過(guò)程中，截面呈扁平形狀的線(xiàn)材相對(duì)于圓形截面線(xiàn)材，收卷過(guò)程對(duì)收排線(xiàn)要求更高，現(xiàn)開(kāi)發(fā)了一種收排線(xiàn)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，使排線(xiàn)和收線(xiàn)過(guò)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(xiàn)材，并能根據(jù)收線(xiàn)輥的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)排線(xiàn)行程，線(xiàn)材排列緊密且定位精度高。

微細(xì)扁線(xiàn)；伺服電機(jī)；絕對(duì)值型編碼器

0 引言

隨著社會(huì)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(lèi)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(xiàn)材因?yàn)榻孛嫘螤畋馄剑瑫r(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)材發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。在微細(xì)銅線(xiàn)的收卷過(guò)程中，收排線(xiàn)過(guò)程是很重要的環(huán)節(jié)。收線(xiàn)排線(xiàn)過(guò)程是為了使線(xiàn)材緊湊均勻排列在工字輪上，收線(xiàn)和排線(xiàn)必須保持高度的一致性，使其間隙不能過(guò)于疏松或者過(guò)密，不然會(huì)嚴(yán)重影響線(xiàn)材質(zhì)量，通常收線(xiàn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，排線(xiàn)方向運(yùn)行一個(gè)匝距的路程。

另外，收排線(xiàn)過(guò)程要根據(jù)工字輪內(nèi)緣兩端的長(zhǎng)度進(jìn)行換向，由于線(xiàn)材截面扁平且尺寸較小，生產(chǎn)的銅扁線(xiàn)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(xiàn)定位精度較低，可能會(huì)造成工字輪邊緣處空缺，使線(xiàn)圈外觀(guān)達(dá)不到要求，或工字輪邊緣處過(guò)緊導(dǎo)致扁線(xiàn)材受到擠壓，從而影響收線(xiàn)的質(zhì)量，因此換向過(guò)程對(duì)定位精度要求較高。

1 排線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

收排線(xiàn)裝置主要由排線(xiàn)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(xiàn)位置就移動(dòng)一個(gè)匝距。

現(xiàn)行的排線(xiàn)設(shè)備有兩種形式（圖1）。一種是獨(dú)立式排線(xiàn)系統(tǒng)：線(xiàn)經(jīng)排線(xiàn)器到繞線(xiàn)輪；一種是聯(lián)動(dòng)式排線(xiàn)系統(tǒng)：線(xiàn)直接到繞線(xiàn)排線(xiàn)聯(lián)動(dòng)裝置。

圖1 兩種排線(xiàn)系統(tǒng)

兩種排線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種排線(xiàn)系統(tǒng)的對(duì)比

由于成型后得到的是扁線(xiàn)材，在收卷過(guò)程中較圓截面線(xiàn)材存在很大困難。圓截面線(xiàn)材成中心對(duì)稱(chēng)，不易變形，在排線(xiàn)時(shí)相鄰圈可以有小的擠壓力，使線(xiàn)材收卷更致密。扁線(xiàn)材容易變形，側(cè)邊易卷曲，在收卷過(guò)程中不允許出現(xiàn)任何重疊和交叉，在排線(xiàn)時(shí)相鄰圈不能有擠壓，也不能有過(guò)大的縫隙。如使用獨(dú)立式系統(tǒng)，線(xiàn)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(duì)圓截面線(xiàn)材影響不大，但會(huì)導(dǎo)致扁線(xiàn)材側(cè)面卷曲或變形。

為了保證收線(xiàn)質(zhì)量，綜合考慮聯(lián)動(dòng)式排線(xiàn)系統(tǒng)，具體做法是：為了實(shí)現(xiàn)高精度排線(xiàn)，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(xiàn)輪固定于滾珠絲杠平臺(tái)，扁線(xiàn)材經(jīng)導(dǎo)向直接進(jìn)入收排線(xiàn)一體化的裝置。

2 自動(dòng)換向裝置的設(shè)計(jì)

在收排線(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，放線(xiàn)輥上的線(xiàn)會(huì)逐漸過(guò)渡到收線(xiàn)輥，排線(xiàn)電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)收線(xiàn)輥往復(fù)運(yùn)動(dòng)。換向要滿(mǎn)足以下條件：當(dāng)收線(xiàn)輥到邊緣位置時(shí)，排線(xiàn)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(xiàn)區(qū)間設(shè)置方便，可以根據(jù)不同的收線(xiàn)輥長(zhǎng)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(kāi)關(guān)來(lái)控制排線(xiàn)換向過(guò)程：當(dāng)工字輪兩端接觸限位開(kāi)關(guān)時(shí)，上位機(jī)接受信號(hào)從而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向改變，排線(xiàn)方向改變直至碰到另一側(cè)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行下一次換向。使用限位開(kāi)關(guān)換向上位機(jī)響應(yīng)速度較快，一般不會(huì)產(chǎn)生延遲或滯后且成本也較低。但存在以下缺點(diǎn)：排線(xiàn)區(qū)間變化時(shí)需要人工移動(dòng)限位開(kāi)關(guān)的位置，不方便且精度得不到保證；限位開(kāi)關(guān)自身精度的限制會(huì)導(dǎo)致收線(xiàn)輥的兩端位置排線(xiàn)不均；由于熱脹冷縮等因素會(huì)導(dǎo)致限位開(kāi)關(guān)與滾珠絲杠兩者間的相對(duì)位置等機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化，排線(xiàn)定位精度得不到保證。

基于上述，本文提出了用絕對(duì)值編碼器代替限位開(kāi)關(guān)，控制排線(xiàn)換向。

編碼器按工作原理分為增量編碼器和絕對(duì)值編碼器兩種類(lèi)型。增量式編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖，通過(guò)計(jì)數(shù)設(shè)備內(nèi)部記憶來(lái)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(lái)記住位置。這樣停電后編碼器不能有任何移動(dòng)，當(dāng)來(lái)電工作后編碼器輸出過(guò)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(huì)偏移。解決的方法是增加參考點(diǎn)，編碼器每經(jīng)過(guò)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(duì)值編碼器光碼盤(pán)上有很多道刻線(xiàn)，每道刻線(xiàn)依次以2、4、6、8……編排，這樣在編碼器的每一個(gè)位置通過(guò)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(pán)的機(jī)械位置決定。

絕對(duì)值編碼器分為單圈和多圈兩種類(lèi)型。前者轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量光碼盤(pán)各道刻線(xiàn)，以獲取唯一的編碼，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360°時(shí)，編碼又回到原點(diǎn)，只能用于旋轉(zhuǎn)范圍在360°以?xún)?nèi)的測(cè)量。后者測(cè)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(guò)程是：將絕對(duì)值型編碼器裝載排線(xiàn)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(hào)，上位機(jī)將接收到的位置信號(hào)與存儲(chǔ)器中設(shè)定的臨界位置值進(jìn)行比較，控制排線(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。收線(xiàn)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(guò)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(chǔ)器中，其流程圖如圖2所示。

圖2 換向控制流程圖

與限位開(kāi)關(guān)比較，使用絕對(duì)值編碼器極大地提高了控制精度，接近開(kāi)關(guān)的誤差一般是毫米級(jí)，而后者是微米級(jí)，所以在收卷輥內(nèi)緣兩側(cè)的排線(xiàn)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者；接近開(kāi)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(xiàn)排線(xiàn)控制

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

根據(jù)需要收線(xiàn)電機(jī)和排線(xiàn)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(xiàn)均勻，當(dāng)收線(xiàn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈時(shí)，排線(xiàn)方向運(yùn)行一個(gè)匝距的行程，設(shè)排線(xiàn)匝距為λ，排線(xiàn)方向線(xiàn)速度為v，收線(xiàn)電機(jī)角速度為ω，三者需滿(mǎn)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(mǎn)足：

（1）式表明排線(xiàn)電機(jī)速度大小跟隨收線(xiàn)電機(jī)的角速度。

交流伺服放大器接受外部信號(hào)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(guò)程中要維持線(xiàn)材張力的恒定[2]，不能有較大的波動(dòng)，張力過(guò)大或過(guò)小會(huì)使收卷過(guò)程無(wú)法順利進(jìn)行，張力恒定的實(shí)質(zhì)是收卷線(xiàn)速度和放線(xiàn)速度相同。一方面，隨著收卷的進(jìn)行，卷徑逐漸增大，線(xiàn)速度也隨之增大，另一方面收卷過(guò)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(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使收卷線(xiàn)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(wú)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(xiàn)電機(jī)的角速度要根據(jù)收線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)排線(xiàn)方法如下：收線(xiàn)和排線(xiàn)電機(jī)分別采用速度和位置工作模式，上位機(jī)控制收線(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以維持線(xiàn)材張力恒定，收線(xiàn)電機(jī)的交流伺服放大器發(fā)送脈沖到上位機(jī)，通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算向排線(xiàn)電機(jī)的放大器發(fā)送一定數(shù)量的脈沖來(lái)控制排線(xiàn)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(zhuān)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(jiǎn)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