微細扁線材收排線的控制方法

賈 銳，何建文，郭鐘寧

（廣東工業大學，廣東廣州 510006）

微細扁線材收排線的控制方法

賈 銳，何建文，郭鐘寧

（廣東工業大學，廣東廣州 510006）

介紹了一種適用于微細扁線材的收排線控制方法。線材在收卷過程中，截面呈扁平形狀的線材相對于圓形截面線材，收卷過程對收排線要求更高，現開發了一種收排線機構及控制系統，使排線和收線過程按一定數學關系排列在工字輪上。實踐檢驗，該機構能穩定收卷截面形狀扁平的微細線材，并能根據收線輥的長度調節排線行程，線材排列緊密且定位精度高。

微細扁線；伺服電機；絕對值型編碼器

0 引言

隨著社會的發展，與人們生產生活息息相關的機械自動化設備、消費類電子產品逐步向結構小型化、體積微型化方向發展。而扁線材因為截面形狀扁平，同時，尺寸精度及表面質量要求高，相比目前普遍采用的圓形線材，有以下突出優點：同等截面積的條件下，厚度方向所占空間小，散熱能力更強，低電感，低渦流等[1]。于是，兼具有以上“微細”和“扁平”兩大特點的微細扁線材引起人們的關注并展現出廣闊的前景，成為當今微線材發展的主要趨勢之一。在微細銅線的收卷過程中，收排線過程是很重要的環節。收線排線過程是為了使線材緊湊均勻排列在工字輪上，收線和排線必須保持高度的一致性，使其間隙不能過于疏松或者過密，不然會嚴重影響線材質量，通常收線電機每轉一圈時，排線方向運行一個匝距的路程。

另外，收排線過程要根據工字輪內緣兩端的長度進行換向，由于線材截面扁平且尺寸較小，生產的銅扁線寬度范圍在0.10～0.15 mm，且在尺寸精度上要求較高，如果排線定位精度較低，可能會造成工字輪邊緣處空缺，使線圈外觀達不到要求，或工字輪邊緣處過緊導致扁線材受到擠壓，從而影響收線的質量，因此換向過程對定位精度要求較高。

1 排線系統的設計

收排線裝置主要由排線和收卷組成，這里最主要的特點是繞卷軸轉動一周，排線位置就移動一個匝距。

現行的排線設備有兩種形式（圖1）。一種是獨立式排線系統：線經排線器到繞線輪；一種是聯動式排線系統：線直接到繞線排線聯動裝置。

圖1 兩種排線系統

兩種排線系統對比如表1所示。

表1 兩種排線系統的對比

由于成型后得到的是扁線材，在收卷過程中較圓截面線材存在很大困難。圓截面線材成中心對稱，不易變形，在排線時相鄰圈可以有小的擠壓力，使線材收卷更致密。扁線材容易變形，側邊易卷曲，在收卷過程中不允許出現任何重疊和交叉，在排線時相鄰圈不能有擠壓，也不能有過大的縫隙。如使用獨立式系統，線材如果不是處于正中間位置，易產生傾斜，尤其是移動到工字輪兩端時傾斜更嚴重。這對圓截面線材影響不大，但會導致扁線材側面卷曲或變形。

為了保證收線質量，綜合考慮聯動式排線系統，具體做法是：為了實現高精度排線，初步選用滾珠絲杠，電機帶動滾珠絲杠左右移動，然后把繞線輪固定于滾珠絲杠平臺，扁線材經導向直接進入收排線一體化的裝置。

2 自動換向裝置的設計

在收排線系統運行過程中，放線輥上的線會逐漸過渡到收線輥，排線電機通過滾珠絲杠驅動收線輥往復運動。換向要滿足以下條件：當收線輥到邊緣位置時，排線速度大小不變，方向立即折返；停機或關電重新啟動時，運行方向按上一次運行的方向運行；排線區間設置方便，可以根據不同的收線輥長度進行設定：排向定位精度高，不受外界環境影響。

一般的換向方式是在收卷工字輪兩端邊緣位置放置接近傳感器作為限位開關來控制排線換向過程：當工字輪兩端接觸限位開關時，上位機接受信號從而使電機旋轉方向改變，排線方向改變直至碰到另一側限位開關進行下一次換向。使用限位開關換向上位機響應速度較快，一般不會產生延遲或滯后且成本也較低。但存在以下缺點：排線區間變化時需要人工移動限位開關的位置，不方便且精度得不到保證；限位開關自身精度的限制會導致收線輥的兩端位置排線不均；由于熱脹冷縮等因素會導致限位開關與滾珠絲杠兩者間的相對位置等機械參數發生變化，排線定位精度得不到保證。

基于上述，本文提出了用絕對值編碼器代替限位開關，控制排線換向。

編碼器按工作原理分為增量編碼器和絕對值編碼器兩種類型。增量式編碼器轉動時輸出脈沖，通過計數設備內部記憶來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數設備內部記憶來記住位置。這樣停電后編碼器不能有任何移動，當來電工作后編碼器輸出過程中，也不能有干擾或丟失脈沖，不然計數設備記憶的零點就會偏移。解決的方法是增加參考點，編碼器每經過參考點將參考位置修正進行計數設備的記憶功能，為此在控制中就有了每次操作先找參考點，操作十分麻煩。絕對值編碼器光碼盤上有很多道刻線，每道刻線依次以2、4、6、8……編排，這樣在編碼器的每一個位置通過讀取每道刻數的通、暗，獲得一組從2°到2°的唯一的二進制格雷碼，這樣編碼器所輸出位置由碼盤的機械位置決定。

絕對值編碼器分為單圈和多圈兩種類型。前者轉動中測量光碼盤各道刻線，以獲取唯一的編碼，當轉動超過360°時，編碼又回到原點，只能用于旋轉范圍在360°以內的測量。后者測量范圍大，實際使用中富裕較多，安裝時不必找零點，將某一中間位置作為起始點即可。

具體運行過程是：將絕對值型編碼器裝載排線電機尾部旋轉軸上，編碼器向上位機中發送位置信號，上位機將接收到的位置信號與存儲器中設定的臨界位置值進行比較，控制排線電機旋轉方向。收線輥左右兩側臨界點位置可變，即移動位置區間可變，通過人機界面輸入左右兩側的位置臨界值，將結果保存到上位機的存儲器中，其流程圖如圖2所示。

圖2 換向控制流程圖

與限位開關比較，使用絕對值編碼器極大地提高了控制精度，接近開關的誤差一般是毫米級，而后者是微米級，所以在收卷輥內緣兩側的排線性能遠遠優于前者；接近開關位置固定后位置變更很不方便，而且一旦出現故障可能損壞機械裝置，而基于軟件實現定位控制，能任意設定限位位置，且運行可靠。

3 收線排線控制

收線排線必須滿足一定關系才能使線材均勻分布在收卷輥上：收線電機每轉一圈時，排線方向收線輥移動一個匝距。

根據需要收線電機和排線電機均采用交流伺服電機，為了保證繞卷系統的排線均勻，當收線電機每轉一圈時，排線方向運行一個匝距的行程，設排線匝距為λ，排線方向線速度為v，收線電機角速度為ω，三者需滿足下面方程：

上式中K=λ/2π為比例常數，sin為運動方向系數，滿足：

（1）式表明排線電機速度大小跟隨收線電機的角速度。

交流伺服放大器接受外部信號驅動電機轉動可以實現準確、精確、快速定位。一般交流伺服電機有三種工作模式：位置模式、速度模式、轉矩模式。在收卷過程中要維持線材張力的恒定[2]，不能有較大的波動，張力過大或過小會使收卷過程無法順利進行，張力恒定的實質是收卷線速度和放線速度相同。一方面，隨著收卷的進行，卷徑逐漸增大，線速度也隨之增大，另一方面收卷過程存在急停急起，要保持張力恒定需要相應地降低或提高收線電機轉速，使收卷線速度迅速達到要求。伺服電機的速度模式是接受外部模擬量控制電機轉速，可以實現無極調速，響應速度快，本方案收卷電機在速度模式下工作。

排線電機的角速度要根據收線電機角速度變化而變化，交流伺服放大器內部提供編碼器Z脈沖開集極輸出命令OCZ[3]：電機每旋轉一圈，交流伺服放大器發送一個脈沖命令。排線電機采用位置工作模式，即放大器接受外部脈沖命令控制電機轉動，定位精度較高。

綜上所述，收線排線方法如下：收線和排線電機分別采用速度和位置工作模式，上位機控制收線電機的轉速以維持線材張力恒定，收線電機的交流伺服放大器發送脈沖到上位機，通過內部運算向排線電機的放大器發送一定數量的脈沖來控制排線電機的轉速，其控制流程圖如圖3所示。

4 總體控制方案

由于可編程控制器（PLC）[4]是專為在工業環境下應用而設計的一種工業控制計算機，在運行中，硬件組成簡易可行，抗干擾性能力強，可靠性極高、體積小，可方便地實現機電一體化的理想控制[4]。控制系統上位機使用PLC，也為下一步人機交互提供接口通道。

The Control Method of Winding and Cabling of Flat Micro-Wire

JIA Rui，HE Jian-wen，GUO Zhong-ning
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

This paper introduced a winding and cabling method which used in flat micro-wire.Because of the cross-section shape of fine wire，compared with the round wire，Winding and cabling process of the cable require higher requirements.Therefore，a winding and cabling method was developed to make the wire arranged on spool according to the mathematical relationship.Practical inspection，this structure can stabilize winding flat micro-wire with cross section，at the same time，it can self-adaption to different cable itinerary，which packed tightly and have a high positioning accuracy.

flat micro-wore；servo motor；absolute encoder

TM24

A

1009－9492(2014)08－0019－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.006

2014－02－21