鉭絲精密繞線機設計

郭長遠，楊少武,蔣寧衛

(1.寧夏東方鉭業股份有限公司，寧夏 石嘴山 753000; 2.中色(寧夏)東方集團有限公司，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，這個引線還可作為電容器賦能、被膜時的導線使用。少量鉭絲用于真空設備中。鉭絲直徑通常為0.06～1.12 mm，鉭絲狀態根據客戶要求分為退火態和未退火態。目前，我公司生產的鉭絲在全球市場的占有率在60%以上，全部整盤按重量發貨，要求繞線不能有縫隙、不能交叉堆疊、不能松散，達到“鏡面”效果。

鉭絲精密繞線機是一種十分小眾的設備，公司先后3次采購該設備，首次是20世紀90年代從西班牙引進的，單片機控制步進電機，腳踏開關控制工作速度，因操作復雜、故障率高、效率低目前已經淘汰；第二次是本世紀初從美國引進的，用PLC、變頻電機、同步電機控制，目前還有幾臺在用；第三代是國內特殊訂制的，使用PLC、變頻電機、伺服電機控制，手動操作。這三代設備中第一代的結構是繞線盤繞線運動，排線是由同步排線電機帶動導線輪往復的左右移動，該設備體積較大，控制精度差；后兩代設備的機械結構類似，導線輪固定不動，繞線電機帶動線盤旋轉繞線，同時排線電機帶動整個安裝有繞線機構的工作臺面往復的左右移動。這三代設備都必須一人一機獨立操作，對操作者的技術和熟練度要求較高，在繞線的過程中不停地修正切角、加速、減速、換向等。由于公司近年產量的激增，需要增加兩臺鉭絲精密繞線機，公司有部分閑置的鉭絲粗繞機(不能“鏡面”繞線，經常會有交叉纏繞、縫隙等)，因此利用公司閑置的兩臺鉭絲粗繞機的機械部分，重新設計電氣系統，改進部分精密的傳動結構，制造了兩臺鉭絲精密繞線機[1]。

1 鉭絲精密繞線機的結構及工作原理

鉭絲精密繞線機的工作過程就是將生產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過鉭絲矯直機構、計米導線輪后纏繞在精繞機的成品繞線盤上，繞線的變頻調速電機帶動繞線盤轉動，同時繞線電機主軸上的絕對位置編碼器將線盤轉動的角度同步給PLC，PLC再控制伺服排線單元(含繞線電機及繞線盤部分)左右移動排線，繞線時計米導線輪是固定不動的。

圖1 鉭絲精密繞線機的結構

2 鉭絲精密繞線機的系統控制及原理

鉭絲精密繞線機的控制系統如圖2所示，觸摸屏設置繞線速度、排距、排速、點動排速、計米設定等，通過手動按鈕選擇單動還是自動，如果是單動，主繞線速度是通過觸摸屏旁的多圈電位器給定，排線方向是手動旋鈕給定；如果是自動模式，設定各參數、啟動，如果上次工作沒有結束，詢問是否繼續進行上次的工作，否則設備自動返回原點，緩慢啟動、繞絲、排絲、加速運行至設定速速，如果運行至繞線盤的邊沿時，降速、繞線、反向、排線、加速至設定速度，依次往復運行直至設定米數。設定米數是根據絲徑及產品質量計算出的長度適當降低的數量，防止繞至結束時飛絲。當繞線到設定值時繞線電機停止，黃燈警示，作業人員再手動將剩余幾米的鉭絲仔細的繞至在成品線盤上，固定包裝好即可。

圖2 鉭絲精密繞線機的控制系統

主要硬件配置如下：

繞線電機： AUTOMATIONDIRECT MTR-P50-BD18

繞線電機變頻器：施耐德 ATV32H037M2

排線伺服電機： 臺達 ECMA-CA0602SS

伺服驅動器： 臺達 ASD-A2-0221-L

排線絲杠： THK 長度400mm導程4mm 重復精度3um

觸摸屏： 威綸 MT8071iE

PLC: 西門子 6ES7288-1SR60-0AA0

3 系統程序設計

本設備的程序流程如圖3所示，PLC初始化后，通過讀取主軸編碼器的位置、伺服驅動器反饋的位置及排線的方向信息，詢問是否繼續上次工作，或返回原點重新執行本次的設定。因為每次繞線的起始位置、角度不固定，所以PLC必須識別繞線主軸當前的位置、角度，在同一角度時給出排線信號；計算離下一個換向邊沿的距離，距離下一個邊還有10個絲徑的距離時勻速減速至低速設定值(根據經驗在程序中預設定)，繞至邊沿時再低速多繞一圈(此圈是反向后第一圈)后排線方向換向，再勻加速至設定速度，依次往復，直至到設定米數停止。這是自動模式，在這種模式工作過程中也可人工干預，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。如果是單動模式即手動找原點、給定繞線速度、改變排線方向等等。以往的三代機型都是單動工作模式在工作，那些設備也設計了自動模式，但是由于機械結構的精密度、硬件的控制精度等影響自動模式下不是“摞絲”，就是有縫隙，或者上一層絲陷入下一層中等異常。

圖3 系統程序設計流程

4 結 語

本系統的設計是基于公司前三代設備的優缺點，結合當下主流的PLC、交流伺服的精確定位控制、變頻調速控制，還有PLC控制中完善的運動控制模型等技術，改造完成了兩臺鉭絲精密繞線機。及時緩解了公司鉭絲成品繞線產能不足的問題。該設備已經正常使用3年，本次設計的自動模式下大大降低了人工干預度，以往的繞線機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，同時不停地用潔凈的棉布梳理繞線的疏密度。該設備從改造完成后一直正常使用至今，操作方便可靠，大大地降低了勞動強度。該設備的硬件成本低，具有一定的市場推廣價值。