基于PLC的電機(jī)定子繞線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳新友 方炳平

摘要：本文基于某電機(jī)企業(yè)中針對(duì)原有繞線裝置的不足，介紹了基于西門子S7-226 CPU電動(dòng)機(jī)定子線圈繞線系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，電機(jī)定子線圈漆包線排列的緊密性、繞線的穩(wěn)定，會(huì)直接影響成品定子線圈工作的穩(wěn)定生。本文介紹了基于可編程控制的繞線機(jī)系統(tǒng)機(jī)械及電氣的控制方法，一次可繞六個(gè)定子線圈、可根據(jù)不同型號(hào)的定子更換基座與控制程序、在繞線過程中可由人機(jī)界面完成對(duì)繞線速度及緊密性的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)通過PLC程序控制得到穩(wěn)定、高速的繞制電機(jī)定子線圈。

關(guān)鍵詞：西門子S7-226 PLC;人機(jī)界面;多工位旋轉(zhuǎn)底盤

引言

高精度多工位定子線圈自動(dòng)繞線機(jī)控制系統(tǒng)（以下簡稱“繞線機(jī)”）采用了兩臺(tái)伺服電機(jī)精確位置控制和自動(dòng)繞線技術(shù)，適用于各類電機(jī)定子線圈的繞線工作。繞線機(jī)是在電機(jī)定子、變壓器及電磁線圈等生產(chǎn)中最常用的設(shè)備，它一般可分為平繞機(jī)、半自動(dòng)式環(huán)型繞線機(jī)和簡易牽引式繞線機(jī)等。針對(duì)該企業(yè)原有的半自動(dòng)式及簡易繞線機(jī)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(duì)機(jī)械裝置改進(jìn)、PLC控制系統(tǒng)技術(shù)、伺服控制技術(shù)的研究，在此基礎(chǔ)上提出基于PLC對(duì)伺服電機(jī)精確定位及多工位工作的控制方法，在機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的共同控制條件下，達(dá)到精度高、線圈排列緊密及通用性強(qiáng)的繞線裝置系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本繞線機(jī)控制裝置設(shè)計(jì)的基本思路如下所述，分析并提出了機(jī)架、定子底盤、導(dǎo)線機(jī)構(gòu)、繞線驅(qū)動(dòng)等機(jī)構(gòu)的位置和繞線速度及轉(zhuǎn)向的配合方案，利用西門子PLC和伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，解決多層線圈繞線、多種不同定子尺寸的繞線工作。以達(dá)到節(jié)約人工成本、導(dǎo)線纏繞效率高，速度快、線圈纏繞緊致、效果穩(wěn)定的裝置。

總體設(shè)計(jì)思路圍繞著企業(yè)當(dāng)前的繞線機(jī)存在的不足及需要增加的功能加以設(shè)計(jì)，解決多工位繞線、高精度繞線、電氣安裝穩(wěn)定、器件布置合理緊湊及穩(wěn)固性等方面，設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1系統(tǒng)控制方案及原則

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：西門子PLC控制器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)排線機(jī)構(gòu)、張力傳感器及進(jìn)給機(jī)構(gòu)，操作面按鈕控制及人機(jī)界面觸摸屏控制，可選擇速度、點(diǎn)動(dòng)等調(diào)試?？删幊炭刂破鞑捎梦鏖T子S7-200 CUP226系列，交流伺服驅(qū)動(dòng)器為Sinamics S120，開關(guān)電源型號(hào)PMT-24V-100W1AA，近接傳感器選用M18圓柱型，人機(jī)界面選用TP700 Comfort。伺服驅(qū)動(dòng)采用位置控制模式。

本控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)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(dǎo)線數(shù)量，做到最優(yōu)化的配置。（3）為了控制線路系統(tǒng)美觀、整齊且合理，把需要經(jīng)常使用、維護(hù)及易損器件安裝在相鄰位置。（4）將系統(tǒng)中的弱電及強(qiáng)電分離，減少系統(tǒng)之間的干擾。（5）PLC輸入、輸出接口有必要的保護(hù)模塊。

1.2 繞線機(jī)安全性保護(hù)

在應(yīng)該系統(tǒng)中，包含了電氣安全和機(jī)械安全。

（1）電氣安全：PLC輸入及輸出端的保護(hù)原理和方法如下所述：輸入端的保護(hù)措施為外加一級(jí)光電耦合器，當(dāng)外部有如高電壓輸入回路時(shí)，會(huì)擊穿保護(hù)級(jí)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(hù)了PLC輸入端電路。PLC輸出驅(qū)動(dòng)一般有直流和交流兩類負(fù)載，對(duì)交流負(fù)載采用并聯(lián)阻容電路，可防止浪涌電流對(duì)輸出電路的沖擊;而對(duì)直流負(fù)載可采用并聯(lián)續(xù)流二極管進(jìn)行保護(hù)，防止關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)對(duì)電路的沖擊。

在控制電路中應(yīng)避免出現(xiàn)寄生回路，控制電路應(yīng)該具有完善的保護(hù)環(huán)節(jié)，包括過載、短路、過流、欠壓和失壓等，同時(shí)還需要增加急停按鈕。

（2）機(jī)械安全：在伺服驅(qū)動(dòng)器控制進(jìn)給進(jìn)機(jī)構(gòu)往返的過程中，在軸上安裝了限位開關(guān)，限位開關(guān)將信號(hào)傳送至電路系統(tǒng)PLC中，使伺服電機(jī)迅速停止以防止進(jìn)給機(jī)構(gòu)碰撞至圓盤。當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤工作切換定子工位后，進(jìn)行繞線工作，為使得旋轉(zhuǎn)圓盤保持穩(wěn)定，僅靠停止?fàn)顟B(tài)的電機(jī)是不足以穩(wěn)定，故在圓盤上設(shè)計(jì)6個(gè)定位孔，每當(dāng)旋轉(zhuǎn)圓盤在某一工位繞線時(shí)，通過氣缸伸出將旋轉(zhuǎn)圓盤軸插入定位孔，使得繞線時(shí)保持穩(wěn)定。

2、方案實(shí)施

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

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其要點(diǎn)

該繞線裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)布局開始，所以合理的布置非常重要，對(duì)于機(jī)械部件的設(shè)計(jì)要求如下：（1）旋轉(zhuǎn)的軸，包括連接器、同心軸，旋轉(zhuǎn)圓盤卡扣，圓形心軸和桿必須要有保護(hù)或限位。（2）對(duì)于繞線機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度、剛度，確保在繞線進(jìn)給時(shí)可靠的運(yùn)行，具有良好的抗震性能以及抗沖擊能力。（3）伺服電機(jī)帶動(dòng)圓盤中，傳動(dòng)平衡性好，能緩沖吸振。（3）電機(jī)減速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠，使用維護(hù)方便等。繞線機(jī)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(zhuǎn)圓盤軸 ?D-旋轉(zhuǎn)圓盤 ?M-伺服電機(jī) ?E-定子固定工位 ?F-繞線器 ?G-人機(jī)界面 ?H-控制按鈕 ?L-進(jìn)給電機(jī)

2.2控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)工作原理

將六個(gè)定子工位E（E1-E6）固定在圓形旋轉(zhuǎn)底盤D上，根據(jù)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(jī)M通過皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)底盤工作，如在工位E1加工時(shí)，此時(shí)由控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)通過電磁閥使限位氣缸B伸出到圓盤上的固定孔，從而穩(wěn)定圓盤。此時(shí)進(jìn)給電機(jī)L帶動(dòng)繞線器F前進(jìn)并進(jìn)行繞線。

2.3程序控制設(shè)計(jì)

根據(jù)繞組線圈的繞制工藝要求，設(shè)計(jì)繞線機(jī)PLC控制程序，首先，設(shè)計(jì)點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行檢測(cè)程序，測(cè)試?yán)@線機(jī)進(jìn)給電機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)線桿左右移動(dòng)等，在人機(jī)界面上設(shè)計(jì)繪制“進(jìn)給前進(jìn)”，“進(jìn)給后退”等按鈕，測(cè)試?yán)@線機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并調(diào)試各級(jí)不同的紅線速度，控制進(jìn)給機(jī)電和圓盤電機(jī)空運(yùn)和復(fù)位等功能。點(diǎn)動(dòng)檢測(cè)程序檢查正常后，設(shè)計(jì)PLC自動(dòng)繞線程序，控制繞線機(jī)運(yùn)行單個(gè)工位繞線完整過程。根據(jù)要求待圓盤定位氣缸工作后，確定進(jìn)給電機(jī)移動(dòng)方向，調(diào)用參數(shù)計(jì)算子程序，根據(jù)線圈各級(jí)所設(shè)置的工藝參數(shù)，計(jì)算出進(jìn)給電機(jī)運(yùn)行的頻率與脈沖數(shù)，從而在觸摸屏上顯示當(dāng)前繞制導(dǎo)線匝數(shù)。

3、結(jié)語

此設(shè)計(jì)的繞線機(jī)構(gòu)，通過了校企業(yè)合作方式進(jìn)行機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和電氣控制系統(tǒng)的PLC控制相結(jié)合調(diào)試，現(xiàn)已完成了樣機(jī)研制并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。通過實(shí)際工作證明，采用此種控制方式進(jìn)行電機(jī)定子繞組線圈的繞制，它的繞線效率、漆包線緊致程度、質(zhì)量均有提高。此外，與其他簡易繞線機(jī)相比，觸摸屏人機(jī)界面提供了更好的用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化高精度紅線工藝，另外，旋轉(zhuǎn)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(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在提高效率的情況下進(jìn)一步提升企業(yè)競(jìng)爭力。

參考文獻(xiàn)

[1]趙鍇杰，曾勝.基于實(shí)驗(yàn)建模的矩形線框繞線張力控制系統(tǒng)[J].控制工程，2021.6

[2]高云澤.自動(dòng)排線繞線機(jī)導(dǎo)線張力可調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制與應(yīng)用，2020.6

[3]龔東軍.基于PLC的高壓互感器線圈新型繞線機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程師，2018.9

[4]惠晶.兩軸同步協(xié)調(diào)控制的繞線機(jī)系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓，2013，41（13）71-74.

[5]徐禮平.模糊PID電阻絲恒速張力繞制控制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013.03.

項(xiàng)目來源：麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院與浙江實(shí)利電機(jī)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(shí)驗(yàn)師/技師，本科，工學(xué)學(xué)士，麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院（郵編323000），研究方向：電氣工程，機(jī)器人技術(shù)。