精密繞線系統的設計與研究

高 雅，朱秦嶺

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

隨著電子、電氣等行業的快速發展，各種電機、變壓器和超導磁場用的線材需求量不斷增加，傳統的手工繞線方式已經不能滿足市場的發展要求，各種繞線機應運而生，當前比較常見的控制系統主要為基于PLC的控制系統、基于單片機的控制系統、基于計算機的控制系統。較計算機的控制系統，單片機和PLC的控制系統具有體積小、價格便宜、操作方便等優勢，而PLC的控制系統較單片機的控制系統，具有開發周期短、穩定性高、可擴展性強等優點。所以市面上PLC作為控制器的系統較單片機的系統市場占有份額大[1-4]。

PLC是當前市場的主流控制系統，采用可編程存儲器用于其內部存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程[5-6]。

在本繞線機系統中，收線主軸和放線軸均選用異步電機。該系統由伺服模塊、變頻模塊、位移配重模塊、PLC控制模塊和人機交互觸摸屏模塊等組成。在系統聯機運行時，收線主軸利用矢量控制進行主動運行，其控制過程包含2個閉環系統，一個是編碼器和電機主軸直接相連，與變頻器構成閉環的矢量控制；一個是與齒輪減速之后的線盤軸直接相連，保證計數匝數精確無誤[7]。而放線電機利用PID和bang-bang結合的方式，根據配重模塊的位置與收線電機速度進行實時的速度匹配，與氣缸匹配相比，該種匹配方式擴大了系統允許調整的誤差范圍，增加了系統的穩定運行域度。而系統的排線系統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。為了保證系統運行中的安全性，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 系統整體結構設計

該繞線機系統結構主要包含收線部分、放線部分、排線部分和配重部分等。圖1所示為該系統的整體結構。

圖1 系統整體結構Fig.1 System structure

1.1 主動運行系統設計

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

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

在收線電機的電氣結構上，收線主軸電機側增加了2個閉環系統，一個是編碼器與電機主軸直接相連，與變頻器構成閉環的矢量控制，一個是與經過齒輪減速之后的線盤軸直接相連，保證計數匝數精確無誤。

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

給定轉速與給定頻率之間的關系為

人機交互界面觸摸屏上利用以上公式計算需要的實際收線主軸電機轉速。

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

1.2 從動運行系統的設計

從動運行系統主要包含放線架和排線架，排線架的速度由主動運行系統的收線架速度決定，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行系統合理的匹配，才能完成繞線機的正常收放線工作，它決定了整個系統的跟隨性能，也決定了繞線過程張力的大小和線輪質量的好壞。

放線架由動滑輪、底座、底板、直線導軌、齒條、支承座、配重直線導軌、定滑輪、主動電機、主動支座等組成，配重系統可更換不同的配重，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。

配重系統中包括了1組動定滑輪、直線位移傳感器，系統通過直線位移傳感器信號，調整放線系統的轉速。該系統利用配重模塊代替氣缸實現收線主軸電機和放線電機的實時速度匹配。與氣缸匹配相比，該種匹配方式擴大了系統允許調整的誤差范圍，增加了系統的穩定運行域度。

為了減小線材的彎曲程度對線材表面和內部的損傷，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，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，該種設計有效地減小了線材彎曲所造成的損傷。該隨動系統的給定運行脈沖頻率同樣需要根據式（3）計算。

為了加快開始的動態過程，利用bang-bang控制的概念，設置一個偏差的范圍a1和a2，當偏差值e（t）小于a1或者大于a2時，不管PID的結果如何，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。利用這樣的算法調整，加快系統的動態反應過程。圖2所示為PID與bang-bang控制結合時的繞線機放線電機控制框圖。

圖2 PID與bang-bang控制結合的放線電機控制Fig.2 PID and bang-bang control system block diagram

2 試驗結果

該繞線機系統電氣結構由3個安川變頻系統、2個施耐德伺服控制系統、PLC控制器作為系統外環控制，位移傳感器作為系統反饋，觸摸屏作為系統人機交互界面。2套氣動提升裝置，一些上下限位開關作為保護裝置。該系統的異步電動機為三相異步電機，工作電壓為380VAC，升降裝置承重400 kg，聯動運行速度0～120 r/min，線徑范圍為0～3 mm，100 r/min的轉速運行時，收線和放線的最大線輪比為1∶5。圖3所示為繞線機的實物圖。

圖3 繞線機實物Fig.3 Physical picture of winding machine

圖4所示為繞線機系統聯動時PID結合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，即左邊的數據是最長時間點對應的數據，右邊的數據是最新時間點更新的數據。

圖4 PID和bang-bang結合控制時的曲線Fig.4 PID and bang-bang control curve

圖中反映了系統開始的停止運行狀態，系統的起動過程，穩定運行階段以及系統停止運行的過程。可以看出系統的起動過程和穩定運行階段穩定性好。

3 結語

本文設計了一種精密繞線機，該繞線機系統結構主要包含收線部分、放線部分、排線部分和配重部分等。收線部分由2個閉環系統構成，一個保證了系統速度的穩定性，一個保證了匝數記錄的準確性。放線部分利用PID和bang-bang控制結合進行控制，其速度由收線部分和配重位置決定。從系統機械結構布局和試驗效果可以看出，該系統機械結構設計合理，電機控制的穩定性好、響應速度快，具有很多符合人性化操作的結構和操作設計。其設計方法對今后繞線機的進一步性能提高研究具有參考意義。

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