摘 要：焊絲層繞機是焊絲生產的關鍵設備之一,其控制的好壞直接影響到焊絲的質量。目前的層繞機多采用零度角排線，可靠性低。采用角度控制的排線系統實現了自動層繞與平穩換向。角度傳感器和數字交流伺服電機的組合實現了恒角度與變角度的排線控制。實踐表明提高了機器的層繞質量和生產效率，角度檢測的分辨率為0.09°。
關鍵詞：PLC; 伺服電機; 角度傳感器; 焊絲排線系統

0 引言

目前國內同類設備多是垂直層繞（焊絲與收線軸垂直），設備易受干擾，停車頻繁，焊絲的張力不均。基于滯后角控制的自動排線系統可提高排線的精度和性能。通過可編程控制器PLC進行角度閉環控制，使焊絲以固定的滯后角度 β在工字輪上進行高速層繞。PLC檢測到角度值并與設定值比較，偏差使PLC發出脈沖信號給伺服電機驅動直線單元運動，使偏差趨于零，以達到焊絲以固定滯后角層繞。利用人機界面完成設備數據的輸入和實時監測。設計實現了在換向區外正常速度跟蹤，換向開關動作后快速追趕至同步速度跟蹤，焊絲到達工字輪邊緣后再次形成新的滯后跟蹤的自動排線系統的控制，滿足了排線系統自動平穩排線的要求[1]-[2]。

1 層繞的工藝原理

自動排線器的結構如圖1所示。排線器采用滯后角排線，伺服電機通過滾軸絲杠及滑軌推動排線器以一定的角度排線。在收線工字輪的內徑區域，當從一側向另一側排線時，整個區域分成一般跟蹤和換向跟蹤兩個區域。在一般跟蹤區域采用固定滯后角跟蹤模式，在換向區內采用變角度跟蹤模式。由于焊絲在層繞至工字輪邊緣時，會自動向相反方向層繞，在這個過程中，不允許焊絲有超前角度層繞，否則焊絲間會出現縫隙，下一層將出現瑕疵，層繞將被迫中斷。因此換向區內的角度檢測與控制至關重要。

圖1 焊絲層繞機自動排線器
通過換向開關動作自動形成直線單元移動方向標志，左換向開關置位右行標志，復位左行標志;右換向開關置位左行標志，復位右行標志。收線與倒線開關的上升沿將對直線單元的左右行走標志取反。以收線右換向為例，當右換向開關動作瞬間，直線單元以6倍基速快速推進至β≤0;當主電機繼續旋轉，直線單元以基速繼續跟蹤，當焊絲纏繞接近至工字輪的最右邊一圈線時，直線單元停止，同時復位直線單元右行標志，置位左行標志。收線左換向同理于收線右換向。收線左行時，角度α維持≤中心角+滯后角;右行時，角度α維持≥中心角-滯后角。換向區內角度的變化過程如圖2所示。

圖2 換向區內角度的變化過程
2 控制系統結構以及工作原理

2.1控制系統結構

根據排線器的排線原理，控制系統首先必須完成排線角度的實時檢測。設計采用1000線增量式編碼器與PLC程序的結合實現的數字角度傳感器進行排線角度的實時檢測，傳感器的分辨率為0.09°，滿足最小線徑為0.8mm的焊絲在主軸上層繞一圈角度檢測的要求;通過接近開關的動作來實現直線單元正常區域和換向區域的跟蹤;通過PLC的輸出脈沖控制伺服電機驅動直線單元的運行[3]。

圖3 排線器控制系統

圖4 控制方框圖
2.2直線單元工作原理

直線單元的行進速度應與主軸轉速相匹配。通過主軸上安裝的速度傳感器，測算出主軸的旋轉角速度N（轉/秒）。工字輪上焊絲沿軸向的移動速度為V= N＊Φ ，其中Φ為焊絲線徑，單位mm，V的單位為mm/s。為保持排線機構與主軸上焊絲移動速度的同步，即保持固定的滯后角，直線單元的推進速度應等于V。為確保滯后角的精確同步，直線單元的行進速度應等于V加上角度回路輸出值（偏移量），V轉換成伺服電機的轉速（脈沖數/秒）為：

脈沖速率=M＊N＊Φ/d（個/秒） （1）

其中, N為主軸的旋轉角速度（轉/秒）, Φ為焊絲線徑（毫米）, M為伺服電機的碼盤的每圈線數，d為滾軸絲杠的導程（毫米/轉）。

根據式2-1伺服電機給定脈沖速率的計算公式，其取值范圍為0～25000 P/S，故MV的輸出飽和上限值應設為2500 P/S。

3 基于角度控制的程序編制

3.1排線角度檢測

硬件高速計數器采用4倍頻的工作模式，在中斷服務程序中實現角度傳感器的回零功能。如程序1所示。

程序1 角度檢測
3.2主軸速度檢測

采用M測速法，以固定時間中斷（不受PLC程序掃描時間的影響）的方式測算主軸速度，即由每0.4秒光電碼盤的計數脈沖值測算出主軸速度。如程序2所示

程序2 主速度檢測
3.3滯后角層繞的閉環控制

這部分程序是層繞機控制系統軟件的核心，流程框圖見圖5所示。

圖5 層繞程序流程圖
4 結 論

本文作者創新點：采用角度控制的自動排線器使得焊絲層繞的張力均勻，換向平穩，設備運行倒車率低，焊絲質量大大提高。通過若干工程的應用表明，角度傳感器檢測準確且靈敏度高，直線單元滯后角跟蹤穩定、換向準確，極大提高系統的穩定性、可靠性。

參考文獻：
1 王樹梅，張東亮. 基于C8051 F005 的焊絲層繞機控制系統[J]. 測控技術,2006,25（6）:77～78
2 方天紅, 龔民. 全自動繞線機單片機控制系統的設計與開發[J]. 沈陽工業學院學報, 2004, 23 （3）: 36-37
3 于克龍，繞線機排線機構的運動分析與控制[J].機械制造與自動化, 2005,34（3）:102～103
4 于靜，一種新型數字式角度傳感器的研究[J].微計算機信息，2007，1-1：163-165(end)