繞線機(jī)智能防護(hù)系統(tǒng)

夏樹(shù)發(fā) 梁永斌 黃康飛 張 輝

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣東 佛山528000;2.佛山市計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)，廣東 佛山528000)

繞線機(jī)廣泛用于電力、礦山機(jī)械、家具加工等行業(yè)，為通用設(shè)備。通過(guò)對(duì)佛山市繞線機(jī)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)全市所使用的JG 系列環(huán)形繞線機(jī)均存在較大的安全隱患，一旦操作不當(dāng)，不僅繞組作廢，而且可能會(huì)對(duì)人的手指造成嚴(yán)重傷害。為了降低繞組的廢品率以及增加安全性，本研究提出一種控制系統(tǒng)加裝在繞線機(jī)上，對(duì)作業(yè)進(jìn)行智能保護(hù)。

1 安全防護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 確定設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目研究對(duì)控制系統(tǒng)的要求:①提高繞組質(zhì)量，減少安全事故;②整個(gè)控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、成本低、體積小;③根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求去安裝系統(tǒng)。

通過(guò)調(diào)研分析后，本項(xiàng)目確定通過(guò)改裝腳踏調(diào)速器，以達(dá)到降低繞線機(jī)速度，提高繞線機(jī)的安全性。腳踏調(diào)速器工作原理如同滑動(dòng)變阻器工作原理一樣，調(diào)速器是通過(guò)改變繞線變頻器外部控制回路電阻阻值大小，進(jìn)而改變繞線變頻器控制回路兩端電壓的大小，就可以改變繞線變頻器輸出回路頻率大小，達(dá)到改變繞線電機(jī)速度。因此，本研究確定在腳踏調(diào)速控制回路中，加裝繞線機(jī)防護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)不同危險(xiǎn)程度竄入不同阻值的電阻，以改變繞線電機(jī)的速度，即儲(chǔ)線環(huán)的轉(zhuǎn)速。

確定總體設(shè)計(jì)方案是制作一套“繞線機(jī)安全防護(hù)裝置”:當(dāng)操作者的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)，由反射器發(fā)出的紅外光線反射到接受器中，紅外傳感器［1］將低電平信號(hào)反饋給邏輯芯片，接著邏輯控制芯片根據(jù)所輸入信號(hào)的位置，通過(guò)單片機(jī)或邏輯判斷，將控制信號(hào)輸出至繼電器降速模塊，使不同阻值的電阻串接進(jìn)腳踏調(diào)速回路中，進(jìn)而改變腳踏裝置的電壓比例，從而降低繞線機(jī)變頻器的頻率，達(dá)到降低繞線電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果，保證了操作者安全，防止操作工人因操作不當(dāng)，造成傷害，有效提高繞線機(jī)的安全性。

繞線機(jī)安全防護(hù)裝置原理如圖1，其中c 通過(guò)各種開(kāi)關(guān)及負(fù)載接繞線和排線變頻器的“VIN”接口;d1通過(guò)各種開(kāi)關(guān)及負(fù)載接排線變頻器的“12V”接口;d2接繞線和排線變頻器的“0V”接口;U 為繞線變頻器的兩端電壓的電壓源，改變電壓U 的大小，就可以改變繞線變頻器和排線變頻器輸出電壓頻率大小達(dá)到可以控制繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即儲(chǔ)線環(huán)的轉(zhuǎn)速。

圖1 繞線機(jī)安全防護(hù)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of winding machine＇s safety protection device

1.2 安全防護(hù)裝置工作原理及思路

本系統(tǒng)是基于廣日的JG 系列環(huán)形繞線機(jī)設(shè)計(jì)的，通過(guò)佛山市富士川電業(yè)有限公司實(shí)地考察以及與操作人員交談后發(fā)現(xiàn):工人在操作廣日的JG 系列環(huán)形繞線機(jī)時(shí)是將未繞線鐵芯放入3 個(gè)滾動(dòng)輪中，具體操作是打開(kāi)儲(chǔ)線環(huán)本體燕尾鎖條，將儲(chǔ)線環(huán)開(kāi)口活動(dòng)段分開(kāi)，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲(chǔ)線環(huán)開(kāi)口部分;然后鎖上鎖條，踩下腳踏開(kāi)關(guān)，使儲(chǔ)線環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)700 r/min，中途需用手將繞線鐵心中的線頭拔到另一邊去。由于繞線機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)快，工人需要很快的速度而又熟練的動(dòng)作去操作，這時(shí)就出現(xiàn)2種傷指現(xiàn)象:①已斷漆包線斷頭會(huì)插入手指，造成手指受傷;②高速運(yùn)轉(zhuǎn)的銅絲會(huì)壓到手指，輕者手指皮外出，重者壓斷手指。

1.3 變頻器工作原理

交流變頻器［2］的工作原理:變頻技術(shù)是通過(guò)變頻器改變電源頻率，從而改變交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的一種技術(shù)。通過(guò)變頻器先進(jìn)行交流到直流的變換，再通過(guò)變頻器進(jìn)行直流到交流的變換，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。而本項(xiàng)目的廣日J(rèn)G 系列環(huán)形繞線機(jī)對(duì)變頻器的控制是通過(guò)控制輸入變頻器的模擬電壓，進(jìn)而控制變頻器輸出電源的頻率，使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨輸出電源頻率的變化而變化。

1.4 三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n =60f/p(1 －s)，可見(jiàn)，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p 及轉(zhuǎn)差率s 均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。

異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過(guò)電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過(guò)大，磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。由于通用變頻器一般采用V/f 控制，即變壓變頻(VVVF)方式調(diào)速，改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法。因此選擇了變頻調(diào)速方法，變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。其特點(diǎn):①效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗;②應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī);③調(diào)速范圍大、特性硬、精度高。

1.5 系統(tǒng)基本組成

最初設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由51 單片機(jī)最小系統(tǒng)、光電隔離繼電器模塊和紅外線數(shù)字避障傳感器［3-4］組成。其中51 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源、外部晶振電路、復(fù)位電路和STC89C52 芯片，后期經(jīng)過(guò)實(shí)踐，采用邏輯控制模塊更精準(zhǔn)。該防護(hù)裝置主要由紅外線數(shù)字避障傳感器、邏輯控制模塊和繼電器降速模塊組成。

安全防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示:當(dāng)操作人員的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，紅外線數(shù)字傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊根據(jù)所反饋的信號(hào)輸出相應(yīng)控制信號(hào)至繼電器降速模塊，繼電器降速模塊將不同阻值電阻串接進(jìn)腳踏調(diào)速回路中，實(shí)現(xiàn)降低繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而起到安全防護(hù)作用。

圖2 安全防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of safety protection device

2 系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)和安裝

2.1 人機(jī)工程學(xué)理論

人機(jī)工程學(xué)［5］是一門研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境間的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問(wèn)題的學(xué)科。它的主要研究?jī)?nèi)容包括人體特性的研究、人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、工作場(chǎng)所和信息傳遞裝置的設(shè)計(jì)、環(huán)境控制與安全保護(hù)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方向。目前在國(guó)內(nèi)這門學(xué)科的名稱尚未得到統(tǒng)一，出現(xiàn)了人類工效學(xué)、人體工程學(xué)、人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程等名稱，不同的名稱反映了在研究側(cè)重點(diǎn)或方法上存在著一些差異。

應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)能夠給人機(jī)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的指導(dǎo)，能使得機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)更加人性化，使處于不同環(huán)境下的人能安全地、有效地、健康地進(jìn)行工作和生活，以實(shí)現(xiàn)人－機(jī)－環(huán)境之間的最佳匹配。

2.2 系統(tǒng)裝置的人機(jī)工程學(xué)分析

研究繞線機(jī)安全防護(hù)裝置時(shí)應(yīng)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，以使得防護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)安全可靠、與機(jī)械裝備配套設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、方便的原則。安全防護(hù)裝置的作用是避免操作人員在誤操作時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)操作者的傷害。繞線機(jī)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)操作者的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)時(shí)，紅外光束受阻，紅外光線反射到接收器中，傳感器［6］發(fā)出反饋電信號(hào)給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊輸出控制信號(hào)控制繼電器模塊，使適當(dāng)阻值的電阻串入腳踏調(diào)速回路中，進(jìn)而改變變頻器［7］控制回路模擬電壓的大小，從而減少繞線變頻器的頻率，達(dá)到降低繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證了操作者安全，使工人能夠有足夠的時(shí)間將手伸出來(lái)，以免受到傷害。

繞線機(jī)安全防護(hù)裝置應(yīng)該符合以下要求:①防護(hù)裝置保障在操作人員的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，有足夠時(shí)間避免危害;②防護(hù)裝置必須使其固定，防止被非管理人員移動(dòng);③防護(hù)裝置不能妨礙工人的操作。

2.3 系統(tǒng)裝置的模型設(shè)計(jì)及安裝

通過(guò)對(duì)廣日的JG 系列環(huán)形繞線機(jī)儲(chǔ)線環(huán)以及機(jī)頭板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，決定將紅外線數(shù)字避障傳感器安裝在如圖3 所在位置，既滿足人機(jī)工程學(xué)原理［8］，也達(dá)到防護(hù)裝置的檢測(cè)要求。

圖3 安全防護(hù)裝置傳感器安裝示意Fig.3 Schematic diagram of safety protection device sensor＇s installation

選用有機(jī)玻璃作為安全防護(hù)裝置原型機(jī)的支架的材料。安全防護(hù)裝置的支架如圖3 和圖4 所示，其中，圓弧型孔所在位置是用于安裝紅外線數(shù)字避障傳感器，圓弧型孔有助于在調(diào)試時(shí)移動(dòng)傳感器的位置以及角度，從而達(dá)到最好的檢測(cè)效果，使得安全度達(dá)到最高值，更好地降低安全事故發(fā)生率，得到最好的研究效果。

圖4 安全防護(hù)裝置支架設(shè)計(jì)草圖Fig.4 Design sketch of safety protection device support

3 硬件部分組成

3.1 邏輯控制芯片的選擇

本項(xiàng)目中邏輯控制芯片用于接收傳感器反饋的輸入信號(hào)，并根據(jù)反饋信號(hào)輸出相應(yīng)控制信號(hào)給繼電器控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)降低繞線圈轉(zhuǎn)速的目的。邏輯芯片74LS21P 符合本項(xiàng)目控制要求。

邏輯控制芯片74LS21 為2 組4 輸入端與門(正邏輯)，其主要電氣特性的典型值如下:tPLH 為8 ns，tphl 為10 n，PD 為9 mW，邏輯圖如圖5。

圖5 邏輯控制芯片邏輯圖Fig.5 Logic diagram of logic control chip

功能如下:

Y=ABCD

3.2 繼電器模塊

本項(xiàng)目所采用的電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開(kāi)觸點(diǎn))吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)因彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

對(duì)于繼電器的“常開(kāi)、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分:繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開(kāi)觸點(diǎn)”;處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有2 股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。當(dāng)繼電器線圈兩端無(wú)電壓或電壓不夠時(shí)，繼電器的公共端(COM)與常閉端(NC)接通。當(dāng)繼電器線圈兩端電壓達(dá)到吸合時(shí)，繼電器的公共端(COM)與常開(kāi)端(NO)接通，原理見(jiàn)圖6。

圖6 繼電器工作原理示意Fig.6 Working principle of the relay

在調(diào)試中，測(cè)得腳踏板中RP5 的電阻為500 Ω，因此為了控制繞線電機(jī)的速度，在繼電器控制模塊中聯(lián)入2 個(gè)最大值為1 kΩ 的可調(diào)電阻R1、R2。

3.3 紅外線數(shù)字避障傳感器

本項(xiàng)目選用了價(jià)格便宜、抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高以及反應(yīng)快的反射式紅外線數(shù)字避障傳感器博光－50NK，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。博光－50NK(NPN 型光電開(kāi)關(guān))其輸出狀態(tài)是0、1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平。沒(méi)檢測(cè)到物體時(shí)輸出高電平及VCC，檢測(cè)到物體時(shí)輸出低電平及0.7 V。

電氣特性如下:工作電壓5 V;工作電流10 mA;信號(hào)輸出TTL 電平;感應(yīng)距離2 ～50 cm;尺寸31 mm×25 mm ×13 mm;接線圖，輸出信號(hào)需要加上拉電阻;特點(diǎn)是輸出信號(hào)穩(wěn)定、不受可見(jiàn)光影響、壽命長(zhǎng)。

4 聯(lián)機(jī)測(cè)試

通電源，當(dāng)按下安全防護(hù)裝置的開(kāi)關(guān)按鍵，安全防護(hù)裝置紅色指示燈亮，2 繼電器紅色電源LED 指示燈亮，處于常態(tài)(非動(dòng)作狀態(tài))，此時(shí)可調(diào)電阻R1、R2沒(méi)有串入腳踏調(diào)速回路，繞線機(jī)穩(wěn)定工作。當(dāng)操作工人將手移動(dòng)到次級(jí)紅外線數(shù)字避障傳感器檢測(cè)范圍時(shí)，次級(jí)繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，相對(duì)應(yīng)的黃色LED 指示燈亮，這時(shí)腳踏調(diào)速回路中串入可調(diào)電阻R1使得總電阻增加，導(dǎo)致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源U 降低，繞線變頻器的頻率隨之降低。根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知，這時(shí)繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 也隨之降低，即儲(chǔ)線環(huán)的轉(zhuǎn)速也就降低了，這時(shí)工人操作的安全性也提高了。當(dāng)工人手繼續(xù)往儲(chǔ)線環(huán)移動(dòng)時(shí)，當(dāng)進(jìn)入一級(jí)紅外線數(shù)字避障傳感器檢測(cè)范圍時(shí)，一級(jí)繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，黃色LED 指示燈都亮，這時(shí)腳踏調(diào)速回路中串入可調(diào)電阻R1、R2使得總電阻增加到最大，導(dǎo)致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源U降到可調(diào)節(jié)的最低值，繞線變頻器的頻率隨之降到最低，同樣根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知，這時(shí)繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 也進(jìn)一步降低，即儲(chǔ)線環(huán)的轉(zhuǎn)速也就降到較低速度，這時(shí)工人操作的安全性再次提高。

本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)安全防護(hù)裝置需與繞線機(jī)配合完成工作，按照以下步驟進(jìn)行測(cè)試:①檢查安全防護(hù)裝置接線是否正確;②將傳感器安裝到繞線機(jī)適當(dāng)位置;③將安全防護(hù)裝置串接到繞線機(jī)腳踏調(diào)速回路中;④將未繞線鐵芯放入3 個(gè)滾動(dòng)輪中，打開(kāi)儲(chǔ)線環(huán)本體燕尾鎖條，將儲(chǔ)線環(huán)開(kāi)口活動(dòng)段分開(kāi)，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲(chǔ)線環(huán)開(kāi)口部分，然后鎖上鎖條;⑤踩下腳踏開(kāi)關(guān)，使儲(chǔ)線環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng);⑥將兩只手分別從儲(chǔ)線環(huán)兩邊慢慢伸入到其中心位置，觀察紅外線數(shù)字避障傳感器和繼電器模塊工作狀態(tài)燈的發(fā)光情況及儲(chǔ)線環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。

5 結(jié) 論

基于本系統(tǒng)完成的4 套護(hù)手裝置已經(jīng)在佛山市富士川電業(yè)有限公司安裝，經(jīng)過(guò)3 個(gè)月的運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)生安全事故，有效保護(hù)了設(shè)備和工人。本系統(tǒng)是基于廣日的JG 系列環(huán)形繞線機(jī)設(shè)計(jì)的一種安全防護(hù)裝置，彌補(bǔ)了市場(chǎng)同類產(chǎn)品的缺陷，加裝該安全防護(hù)裝置，能降低斷指工傷的發(fā)生率，具有成本低、體積小、控制較精確等優(yōu)點(diǎn)，普遍推廣應(yīng)用的價(jià)值大，市場(chǎng)潛力巨大，創(chuàng)造的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益更值得期待。

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