基于PLC的電機定子繞線系統設計

吳新友 方炳平

摘要：本文基于某電機企業中針對原有繞線裝置的不足，介紹了基于西門子S7-226 CPU電動機定子線圈繞線系統的可靠性設計，電機定子線圈漆包線排列的緊密性、繞線的穩定，會直接影響成品定子線圈工作的穩定生。本文介紹了基于可編程控制的繞線機系統機械及電氣的控制方法，一次可繞六個定子線圈、可根據不同型號的定子更換基座與控制程序、在繞線過程中可由人機界面完成對繞線速度及緊密性的調節，實現通過PLC程序控制得到穩定、高速的繞制電機定子線圈。

關鍵詞：西門子S7-226 PLC;人機界面;多工位旋轉底盤

引言

高精度多工位定子線圈自動繞線機控制系統（以下簡稱“繞線機”）采用了兩臺伺服電機精確位置控制和自動繞線技術，適用于各類電機定子線圈的繞線工作。繞線機是在電機定子、變壓器及電磁線圈等生產中最常用的設備，它一般可分為平繞機、半自動式環型繞線機和簡易牽引式繞線機等。針對該企業原有的半自動式及簡易繞線機存在效率低、排線精確度低、線圈排列緊密性低的問題，提出一種高精度、度效率的繞線裝置。

因此，本文加深對機械裝置改進、PLC控制系統技術、伺服控制技術的研究，在此基礎上提出基于PLC對伺服電機精確定位及多工位工作的控制方法，在機械系統與電氣系統的共同控制條件下，達到精度高、線圈排列緊密及通用性強的繞線裝置系統。

1、系統總體設計方案

本繞線機控制裝置設計的基本思路如下所述，分析并提出了機架、定子底盤、導線機構、繞線驅動等機構的位置和繞線速度及轉向的配合方案，利用西門子PLC和伺服電機控制系統，解決多層線圈繞線、多種不同定子尺寸的繞線工作。以達到節約人工成本、導線纏繞效率高，速度快、線圈纏繞緊致、效果穩定的裝置。

總體設計思路圍繞著企業當前的繞線機存在的不足及需要增加的功能加以設計，解決多工位繞線、高精度繞線、電氣安裝穩定、器件布置合理緊湊及穩固性等方面，設計方案系統框圖如圖1所示。

1.1系統控制方案及原則

本系統設計為：西門子PLC控制器，伺服驅動器驅動伺服電機帶動排線機構、張力傳感器及進給機構，操作面按鈕控制及人機界面觸摸屏控制，可選擇速度、點動等調試。可編程控制器采用西門子S7-200 CUP226系列，交流伺服驅動器為Sinamics S120，開關電源型號PMT-24V-100W1AA，近接傳感器選用M18圓柱型，人機界面選用TP700 Comfort。伺服驅動采用位置控制模式。

本控制系統電氣設計原則如下：（1）將功能類似的低壓器件安裝在相鄰位置。（2）盡可能減少器件之間的導線數量，做到最優化的配置。（3）為了控制線路系統美觀、整齊且合理，把需要經常使用、維護及易損器件安裝在相鄰位置。（4）將系統中的弱電及強電分離，減少系統之間的干擾。（5）PLC輸入、輸出接口有必要的保護模塊。

1.2 繞線機安全性保護

在應該系統中，包含了電氣安全和機械安全。

（1）電氣安全：PLC輸入及輸出端的保護原理和方法如下所述：輸入端的保護措施為外加一級光電耦合器，當外部有如高電壓輸入回路時，會擊穿保護級光電耦合器，然后像更換熔斷器一樣將擊穿的光耦更換，保護了PLC輸入端電路。PLC輸出驅動一般有直流和交流兩類負載，對交流負載采用并聯阻容電路，可防止浪涌電流對輸出電路的沖擊;而對直流負載可采用并聯續流二極管進行保護，防止關斷時產生的反電勢對電路的沖擊。

在控制電路中應避免出現寄生回路，控制電路應該具有完善的保護環節，包括過載、短路、過流、欠壓和失壓等，同時還需要增加急停按鈕。

（2）機械安全：在伺服驅動器控制進給進機構往返的過程中，在軸上安裝了限位開關，限位開關將信號傳送至電路系統PLC中，使伺服電機迅速停止以防止進給機構碰撞至圓盤。當旋轉圓盤工作切換定子工位后，進行繞線工作，為使得旋轉圓盤保持穩定，僅靠停止狀態的電機是不足以穩定，故在圓盤上設計6個定位孔，每當旋轉圓盤在某一工位繞線時，通過氣缸伸出將旋轉圓盤軸插入定位孔，使得繞線時保持穩定。

2、方案實施

將裝置的張力傳感器及進給機構、操作面按鈕控制及人機界面觸摸屏控制安裝在底座上，進給及繞線機構包含以下部件：限位氣缸、旋轉圓盤軸、旋轉圓盤、伺服電機、定子固定工位軸、繞線器、進給電機，將定子模工位固定于旋轉圓盤上，如圖2中ED部件所示。

2.1機械結構設計及其要點

該繞線裝置控制系統的設計，從機械結構布局開始，所以合理的布置非常重要，對于機械部件的設計要求如下：（1）旋轉的軸，包括連接器、同心軸，旋轉圓盤卡扣，圓形心軸和桿必須要有保護或限位。（2）對于繞線機構要有足夠的強度、剛度，確保在繞線進給時可靠的運行，具有良好的抗震性能以及抗沖擊能力。（3）伺服電機帶動圓盤中，傳動平衡性好，能緩沖吸振。（3）電機減速機構結構緊湊，傳動效率高，傳動準確可靠，使用維護方便等。繞線機主要模型視圖及其功能部件如圖2所示。

A-底座 ?B-限位氣缸 ?C-旋轉圓盤軸 ?D-旋轉圓盤 ?M-伺服電機 ?E-定子固定工位 ?F-繞線器 ?G-人機界面 ?H-控制按鈕 ?L-進給電機

2.2控制系統機械結構工作原理

將六個定子工位E（E1-E6）固定在圓形旋轉底盤D上，根據不同類型的定子可更換，定子模通過滑槽裝與圓盤，用螺絲釘固定。由伺服電機M通過皮帶輪帶動旋轉底盤工作，如在工位E1加工時，此時由控制系統發出信號通過電磁閥使限位氣缸B伸出到圓盤上的固定孔，從而穩定圓盤。此時進給電機L帶動繞線器F前進并進行繞線。

2.3程序控制設計

根據繞組線圈的繞制工藝要求，設計繞線機PLC控制程序，首先，設計點動運行檢測程序，測試繞線機進給電機機構運轉，導線桿左右移動等，在人機界面上設計繪制“進給前進”，“進給后退”等按鈕，測試繞線機空載運行狀態是否正常，并調試各級不同的紅線速度，控制進給機電和圓盤電機空運和復位等功能。點動檢測程序檢查正常后，設計PLC自動繞線程序，控制繞線機運行單個工位繞線完整過程。根據要求待圓盤定位氣缸工作后，確定進給電機移動方向，調用參數計算子程序，根據線圈各級所設置的工藝參數，計算出進給電機運行的頻率與脈沖數，從而在觸摸屏上顯示當前繞制導線匝數。

3、結語

此設計的繞線機構，通過了校企業合作方式進行機械零部件的設計和電氣控制系統的PLC控制相結合調試，現已完成了樣機研制并應用于實際生產當中。通過實際工作證明，采用此種控制方式進行電機定子繞組線圈的繞制，它的繞線效率、漆包線緊致程度、質量均有提高。此外，與其他簡易繞線機相比，觸摸屏人機界面提供了更好的用戶體驗，實現了自動化高精度紅線工藝，另外，旋轉底盤上的多工位安裝方式也提高了效率，該裝置具有操作簡單，運行可靠等優點，在提高效率的情況下進一步提升企業競爭力。

參考文獻

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項目來源：麗水職業技術學院與浙江實利電機有限公司2021年校企合作橫向課題（SL20210228）。

作者簡介：吳新友 1984年生，男，浙江麗水，實驗師/技師，本科，工學學士，麗水職業技術學院（郵編323000），研究方向：電氣工程，機器人技術。