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    1 引言

    本文介紹的全自動無骨架系列空心電磁線圈高速繞線機(jī)，可以繞制傳動線圈，揚(yáng)聲器線圈，天線線圈以及各種無骨架通用線圈。設(shè)備具有性能可靠，高速高效率，自動化程度高，適合于線圈制造業(yè)的批量生產(chǎn)，如圖1所示。

圖1 空心電磁線圈

    一般普通繞線機(jī)采用內(nèi)置脈沖功能的小型PLC，通過繞線軸編碼器速度輸出到PLC內(nèi)置高速輸入點，將繞線軸與排線軸的速比進(jìn)行簡單速度同步，這種方法受PLC運(yùn)算影響，同步精度差，計算量大，CPU處理時間較長，因此會出現(xiàn)繞線不均勻，堆積，塌陷等問題，嚴(yán)重影響繞線成品的質(zhì)量，舉例來說，PLC對繞線軸編碼器作高速計數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)計數(shù)值時利用中斷方式控制排線軸電機(jī)反向繞制，但受CPU運(yùn)算處理時間的影響會出現(xiàn)滯后產(chǎn)生誤差，在低速的情況下尚可基本達(dá)到繞制要求，但是對于高速繞制多層線圈時就會出現(xiàn)線圈端面不齊整，成品品質(zhì)下降。

    臺達(dá)DVP-20PM00D是一款專用運(yùn)動控制型PLC，采用高速雙CPU結(jié)構(gòu)形式，利用獨(dú)立CPU處理運(yùn)動控制算法，可以很好地實現(xiàn)各種運(yùn)動軌跡控制、邏輯動作控制，直線/圓弧插補(bǔ)控制等，在高速繞線機(jī)中利用了20PM運(yùn)動控制器的電子凸輪功能很好的解決了繞線換向出現(xiàn)的繞制不均勻、堆積、不平整等問題，如圖2所示。 

圖2 運(yùn)動控制器DVP-20PM00D

    2 高速繞線機(jī)

    2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡介

    高速繞線機(jī)共包含九部分機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 高速繞線機(jī)

    （1）機(jī)架。機(jī)架由角鋼框架及不銹鋼臺面組成，并設(shè)置腳輪便于移動，當(dāng)設(shè)備到位后可將支腳調(diào)低作為穩(wěn)定支撐。

    （2）張力機(jī)構(gòu)。安裝于進(jìn)線部分，作為繞線張力調(diào)節(jié)，保證線圈繞制時維持張力恒定，張力調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)旋鈕可針對不同需求進(jìn)行張力調(diào)節(jié)設(shè)定，調(diào)整完畢后，張力調(diào)節(jié)器自動控制繞線張力。

    （4）繞線機(jī)構(gòu)。主要由臺達(dá)B系列200W伺服電機(jī)、同步齒形帶、繞線飛叉組成，是電子凸輪運(yùn)動中的繞制主軸，銅線經(jīng)過飛叉旋轉(zhuǎn)繞制于繞線模頭上，是繞線機(jī)主要運(yùn)動部件之一。

    （5）排線機(jī)構(gòu)。包括臺達(dá)B系列100W伺服電機(jī)、精密直線螺桿、精密導(dǎo)軌、氣動滑叉等，是電子凸輪運(yùn)動中的排線從軸，在繞線運(yùn)動中跟隨繞線主軸正反向往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)排線動作，是繞線機(jī)主要運(yùn)動部件之一。

    （6）工作轉(zhuǎn)臺

    由分度步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臺、線叉、繞線模頭組成，該設(shè)備為多任務(wù)位繞線機(jī)，在繞線同時執(zhí)行模頭預(yù)熱、剪線、加熱、脫模等工藝動作，這需要工作轉(zhuǎn)臺按不同工位動作完成。

    （7）剪線機(jī)構(gòu)。為氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是將繞制完成的線圈兩端引線剪斷。

    （8）脫模機(jī)構(gòu)。由分度步進(jìn)電機(jī)、氣動脫模組成，將繞制完成的成品從繞線模頭取下。

    （9）熱風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)備配置兩個可調(diào)溫度220V熱風(fēng)槍，在繞線前將模頭預(yù)熱，繞線后對線圈進(jìn)行熱風(fēng)處理便于脫模。

    （10）電氣控制。包含電氣控制箱、觸摸屏操作盒。采用DVP-20PM00D運(yùn)動控制器作為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)交換，伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與排線的精確控制，從而保證繞線的精度。電氣控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

 
圖4 電氣控制系統(tǒng)框圖

    2.2 工藝流程

    繞線頭回原點→進(jìn)給至起繞點→張力調(diào)節(jié)→模頭預(yù)熱→繞線、排線→加熱→剪線→脫模→成品→退至脫模點→進(jìn)給至起繞點循環(huán)生產(chǎn)。

    2.3 電氣系統(tǒng)配置

    電氣控制主要包括繞排線部分、步進(jìn)分度部分、氣缸動作控制部分。具體配置如表1所示。

表1 繞線機(jī)電控配置

    3 臺達(dá)PLC電子凸輪功能

    高速繞線機(jī)的主要控制功能基于臺達(dá)20PM電子凸輪的應(yīng)用，使繞制產(chǎn)品的成品品質(zhì)及效率大大提高。以下對電子凸輪功能作簡單介紹：

    3.1 什么是電子凸輪

    參見圖5，凸輪是用于實現(xiàn)機(jī)械三維空間聯(lián)動傳動關(guān)系與控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)。自動化運(yùn)動控制系統(tǒng)用軟件程序與伺服電機(jī)實現(xiàn)三維空間聯(lián)動傳動關(guān)系與控制的軟件系統(tǒng)就是電子凸輪功能。從圖5可以看到，左邊是我們常見的機(jī)械式凸輪方式，而右邊就是電子凸輪方式。也就是說利用程序的方式（配合伺服單元）完成機(jī)械凸輪控制所需要的軌跡，實現(xiàn)主軸和從軸的嚙合運(yùn)動。

圖5 電子凸輪功能

    3.2 電子凸輪的實現(xiàn)

    （1）獲取主軸位置。獲取主軸位置有多種方法：一是采用虛擬軸，計算簡單準(zhǔn)確；二是從主軸編碼器或伺服脈沖獲取，將主軸編碼器信號進(jìn)行處理；三是從測量編碼器獲取。獲得編碼器信號之后，將其換算成主軸位置。

    （2）實現(xiàn)主從軸的嚙合。實際上是定義主從軸之間的關(guān)系（稱之為cam table）。cam table有兩種方法表述：一是采用X、Y的點對點關(guān)系；二是采用兩者的函數(shù)關(guān)系。cam table的獲取也有多種途徑：根據(jù)實際工作中測量到的點與點之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)主從軸的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)關(guān)系。cam table可以定義多個cam曲線。關(guān)系確定和實現(xiàn)后，根據(jù)主軸的位置，就能得到從軸的位置。

    3.3 臺達(dá)運(yùn)動控制型PLC的電子凸輪

    臺達(dá)20PM運(yùn)動控制器除了實現(xiàn)直線/圓弧插補(bǔ)以及定位功能之外，內(nèi)嵌了電子凸輪功能，使其可以應(yīng)用在多種運(yùn)動控制場合。20PM為2軸運(yùn)動控制器，具有2路500KHz的輸入與輸出，在電子凸輪功能中定義X軸為從軸，Y軸為主軸，當(dāng)定義好cam table后，從軸依據(jù)定義的曲線跟隨主軸運(yùn)動。圖6是電子凸輪圖形化定義軟件主界面。

圖6 臺達(dá)電子凸輪軟件圖形化定義主界面

    在軟件中我們可以清楚地利用圖形方式設(shè)定、修改電子凸輪曲線。當(dāng)我們點擊進(jìn)入資料表單設(shè)定按鈕時會彈出下面的區(qū)段設(shè)置表。使用者需先設(shè)定Start Ang, End Ang, Stroke以及透過下拉式選單選取CAM curve（具有連續(xù)、正弦、勻加速等6種曲線，并可加入其它標(biāo)準(zhǔn)曲線和自定義曲線）,在設(shè)定完成后按下Setting completed按鈕, 即可在主畫面繪制位移, 速度, 加速度坐標(biāo)圖7所示。

圖7臺達(dá)電子凸輪軟件圖形化定義分界面

    圖8是以高速繞線機(jī)為例的電子凸輪曲線圖，采用CYCLIC模式排線從軸根據(jù)繞線主軸連續(xù)正反排線。以下是計算主從軸關(guān)系算式：

    主軸轉(zhuǎn)一圈所出線的距離(圓周長)=π*D (mm) Or 繞線模具一圈的出線的距離(圓周長)=π*D (mm)；

    排線從軸轉(zhuǎn)一圈所需脈波數(shù)=10000P/R=>相對應(yīng)轉(zhuǎn)一圈滾珠螺桿移動之距離=10mm；

    主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波=3600P/R =>從軸相對應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)所需脈波= 100P/R =>相對應(yīng)滾珠螺桿移動之距離=0.1mm

    Master/Slave關(guān)系式=(主軸旋轉(zhuǎn)一圈所需脈波*凸輪一周期的匝數(shù))/(從軸相對應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈所轉(zhuǎn)動的圈數(shù)所需脈波*線徑*排線寬度的匝數(shù))

圖8  高速繞線機(jī)電子凸輪曲線圖

    4 繞線控制電子凸輪設(shè)計

    4.1 程序設(shè)計

    程序設(shè)計的關(guān)鍵在于高速繞線機(jī)的控制難點分析及解決方案。

    （1）系統(tǒng)難點。繞線機(jī)在換向處出現(xiàn)繞線不均勻、堆積；繞線機(jī)換向處出現(xiàn)螺旋紋、不平整；無法進(jìn)行斜排繞線，奇偶數(shù)繞線。
 
    （2）難點分析。換向處繞線不均勻、堆積情況出現(xiàn)主要是由于普通PLC的速度指令處理時間長，換向受程序掃描周期影響，沒有同步指令且無法實時刷新，同時伺服剛性參數(shù)，動態(tài)響應(yīng)速度也是原因之一。

    換向處出現(xiàn)螺紋主要是因為螺旋繞線方式造成，可采用最后半圈定位繞線解決。

    斜排繞線在爬坡時每圈需要增加一個線寬和線厚，奇偶數(shù)繞線是在每繞一層變換繞線匝數(shù)奇偶性，兩種繞線方式都需要每次繞線后進(jìn)行計算，由于普通小型PLC運(yùn)算時間長，導(dǎo)致無法進(jìn)行高速斜排和奇偶數(shù)繞線。

     4.2 臺達(dá)解決方案

     由以上分析可以看出，高速繞線機(jī)的瓶頸在于高速運(yùn)算及響應(yīng)，而臺達(dá)20PM運(yùn)動控制器除邏輯控制CPU外具有獨(dú)立的高速運(yùn)算CPU，由硬件直接完成高速運(yùn)算響應(yīng)，2軸同步控制時間小于0.5ms，達(dá)到高速繞線需求。關(guān)于臺達(dá)20PM運(yùn)動控制器電子凸輪功能及應(yīng)用在上面章節(jié)已有描述。

    此外，對于程序編寫也十分簡單方便，利用PMSoft編程軟件設(shè)置好cam table后，直接控制對應(yīng)的內(nèi)部寄存器即可完成電子凸輪運(yùn)行。表2為X軸排線軸內(nèi)部寄存器表，例如在對應(yīng)的D1511中傳送不同數(shù)值即可實現(xiàn)0（停止）、1（正向點動）、2（反向點動）、3（單段速運(yùn)動）、4（電子凸輪運(yùn)動），其它寄存器同樣有各自功能。

        


                            表2  X軸排線軸內(nèi)部寄存器表
　 　 　 　   　 　 　 　 　

    X軸排線軸梯形圖如下：

        

 
    5 結(jié)束語

    基于臺達(dá)20PM電子凸輪功能的繞線機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)已經(jīng)投產(chǎn)使用，繞線速度最高可達(dá)2500r/min，繞制產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到用戶需求，臺達(dá)20PM電子凸輪功能成功應(yīng)用于高速繞線機(jī)中。

    電子凸輪功能不僅僅可以應(yīng)用在繞線機(jī)控制中，通過變換不同的控制曲線，該功能廣泛應(yīng)用于各種較高要求的運(yùn)動控制中，例如：包裝機(jī)行業(yè)中的飛剪，機(jī)床行業(yè)中的飛鋸，印刷機(jī)行業(yè)中的電子軸裁切及套印，紡機(jī)行業(yè)中的精密絡(luò)筒繞線等等。

    參考文獻(xiàn)（略）