編碼器在自動(dòng)繞線機(jī)排線換向中的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)春平

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332000）

自動(dòng)繞線機(jī)是把線狀物體纏繞到特定工件骨架上的機(jī)器。常用的自動(dòng)繞線機(jī)繞制的線多為漆包銅線，如繞制電子、電氣產(chǎn)品的電感線圈。在自動(dòng)繞線過(guò)程中，排線的換向是決定繞線質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。通常排線換向時(shí)刻由控制器根據(jù)槽寬的大小來(lái)決定，但是在一些特定工件骨架上，尤其是在換向的兩頭具有一些凸起擋板時(shí)，若不能自適應(yīng)調(diào)整換向時(shí)刻，繞線的質(zhì)量將難以得到保證[1]。

文章設(shè)計(jì)了一種新的排線換向系統(tǒng)，即將排線穿過(guò)編碼器，通過(guò)編碼器將排線的抖動(dòng)情況反饋給控制器。將該系統(tǒng)應(yīng)用在自動(dòng)繞線機(jī)的排線換向中，可自適應(yīng)一些凸起擋板的工件骨架，極大地提高了繞線質(zhì)量。

1 系統(tǒng)組成及運(yùn)行原理

系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。以三菱FX3U-32MT可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為控制器，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由觸摸屏顯示查看，同時(shí)可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。排線運(yùn)行到工件骨架兩端產(chǎn)生的抖動(dòng)信號(hào)由編碼器來(lái)檢測(cè)，再通過(guò)高速計(jì)數(shù)端口將抖動(dòng)值傳送給PLC。經(jīng)過(guò)程序判斷，PLC 發(fā)出排線換向信號(hào)給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，從而改變排線電機(jī)的方向，實(shí)現(xiàn)排線自動(dòng)換向。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)運(yùn)行原理如下。將排線穿過(guò)針管，裝在一個(gè)增量編碼器的軸上。在繞線過(guò)程中，當(dāng)排線針管到達(dá)工件骨架的兩端時(shí)，工件骨架的擋板會(huì)碰到排線，產(chǎn)生一個(gè)橫向的阻力，進(jìn)而導(dǎo)致排線針管的轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，編碼器能夠檢測(cè)出排線針管的轉(zhuǎn)動(dòng)，將該信號(hào)傳給PLC，發(fā)出換向信號(hào)[2]。PLC 得到換向信號(hào)后，立即改變步進(jìn)電機(jī)的方向控制信號(hào)端口，控制排線的步進(jìn)電機(jī)換向。排線針管換向后，繼續(xù)按設(shè)定的排線速度排線，直到工件骨架的另一端排線又碰到工件骨架擋板，排線針管遇到阻力被迫轉(zhuǎn)動(dòng)，排線電機(jī)跟著換向。上述過(guò)程一直循環(huán)往復(fù)，直到完成繞線[3]。

通過(guò)人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）觸摸屏可以設(shè)定編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)值。排線抖動(dòng)的反饋信號(hào)通過(guò)編碼器，由高速計(jì)數(shù)端口采集。當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制器啟動(dòng)排線換向信號(hào)，經(jīng)控制器的排線電機(jī)方向控制端口傳輸給排線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制排線換向，使換向更加合理[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件接線圖如圖2 所示?？刂破鬟x擇的具體型號(hào)是三菱FX3U-32MT PLC，屬于晶體管漏型輸出。該款PLC 在目前三菱公司小型PLC 系列里性價(jià)比較高，能夠較好地完成本控制系統(tǒng)的邏輯控制和運(yùn)算等任務(wù)。對(duì)編碼器反饋信號(hào)啟用PLC 的高速計(jì)數(shù)端口，采用了二相輸入（A-B）高速計(jì)數(shù)器C251，對(duì)應(yīng)的PLC 信號(hào)輸入端口為X0（連接編碼器A 相）和X1（連接編碼器B 相）。排線電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入信號(hào)端口連接到PLC 的Y1，方向信號(hào)端口連接到PLC 的Y3。

圖2 硬件接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序流程框圖如圖3 所示。程序開始運(yùn)行后進(jìn)入系統(tǒng)初始化，初始化程序主要完成整個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)位，所有電機(jī)回到初始原點(diǎn)。根據(jù)繞線的具體情況設(shè)定好編碼器換向參數(shù)。排線過(guò)程中，先判斷排線的位置是否進(jìn)入換向范圍，若已進(jìn)入，則判斷高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是否達(dá)到設(shè)定值。若達(dá)到則發(fā)出排線換向信號(hào)，完成一次換向動(dòng)作。

圖3 程序流程框圖

由于排線時(shí)存在一定的微量抖動(dòng)，需要判別其是換向信號(hào)還是排線針管微量的抖動(dòng)信號(hào)。為了消除抖動(dòng)造成的影響，由調(diào)試人員設(shè)定一個(gè)值，當(dāng)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)達(dá)到該值時(shí)，就認(rèn)為排線碰到了擋板，步進(jìn)電機(jī)要換向。當(dāng)編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)小于設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為是排線時(shí)針管的微量抖動(dòng)，排線沒有碰到擋板，步進(jìn)電機(jī)不換向。

為了減少在繞線中產(chǎn)生的一些意外抖動(dòng)導(dǎo)致編碼器換向的誤動(dòng)作，在判斷編碼器的高速計(jì)數(shù)是否達(dá)到設(shè)定值之前，還增加了一項(xiàng)輔助判斷，即判斷排線電機(jī)的位置是否進(jìn)入換向的區(qū)間范圍[5]。該區(qū)間范圍根據(jù)不同的工件骨架形狀進(jìn)行設(shè)置，一般為2 ～5 mm。

參考程序如圖4 所示。當(dāng)M100 閉合時(shí)，接通可變脈沖輸出指令DPLSV，實(shí)現(xiàn)排線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。其中，寄存器D60 為排線電機(jī)的脈沖輸出頻率存儲(chǔ)地址，Y1 為排線電機(jī)的輸出脈沖端口，Y3 為電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的輸出端口。該指令運(yùn)行時(shí)，從輸出口Y1 輸出頻率為D60 的脈沖串，若D60 為正值，則Y3 輸出為ON，排線電機(jī)正轉(zhuǎn)；若D60 為負(fù)值，則Y3 輸出為OFF，排線電機(jī)反轉(zhuǎn)。由此可見，排線的方向由D60 里面數(shù)值的正負(fù)號(hào)決定，排線換向時(shí)只需改變數(shù)值的正負(fù)號(hào)即可。主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)設(shè)置為3 200。D8140 為主軸脈沖數(shù)存儲(chǔ)地址，M31 為主軸電機(jī)啟動(dòng)后旋轉(zhuǎn)10 圈后的中間信號(hào)，該信號(hào)用于保證初始啟動(dòng)時(shí)排線方向的正確。當(dāng)D8140 大于32 000時(shí)（即主軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于10 圈），M31 線圈得電，對(duì)應(yīng)的常開觸點(diǎn)M31 閉合，此時(shí)允許進(jìn)入排線換向判斷程序。D10 為排線右側(cè)正轉(zhuǎn)換向區(qū)間值，當(dāng)D8350大于等于該值后，允許換向。同理，D12 為排線左側(cè)反轉(zhuǎn)換向區(qū)間值，當(dāng)D8350 小于等于該值后，允許換向。是否允許換向，通過(guò)中間信號(hào)M90 的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)。C251 為高速計(jì)數(shù)器，記錄編碼器旋轉(zhuǎn)的數(shù)值，該高速計(jì)數(shù)器的預(yù)置值必須大于編碼器換向參數(shù)值，本程序中C251 的預(yù)置值設(shè)為500。當(dāng)C251 的計(jì)數(shù)值大于D14 或者小于D16 時(shí)（即編碼器旋轉(zhuǎn)值大于排線正轉(zhuǎn)或者小于排線反轉(zhuǎn)的設(shè)定值），置位中間信號(hào)M89，則常開觸點(diǎn)M89 閉合，接通乘法指令DMULP，將D60 里面的數(shù)值乘以-1（即取反），從而實(shí)現(xiàn)排線換向。同時(shí)，定時(shí)器T28 延時(shí)1.2 s 后，復(fù)位信號(hào)M89和C251，為下一次換向做好準(zhǔn)備。整個(gè)排線換向程序循環(huán)往復(fù)，直到完成繞線。

圖4 參考程序

4 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的自動(dòng)繞線機(jī)排線換向系統(tǒng)利用編碼器采集排線的抖動(dòng)情況和具體抖動(dòng)范圍，通過(guò)HMI 設(shè)定編碼器換向參數(shù)，經(jīng)過(guò)程序設(shè)計(jì)極大地提升了排線換向的準(zhǔn)確性，使其在一些不規(guī)則的工件骨架上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。該控制方式簡(jiǎn)單有效，自適應(yīng)能力強(qiáng)，而且整個(gè)控制系統(tǒng)的成本較低，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。