繞線機智能防護系統

夏樹發 梁永斌 黃康飛 張 輝

(1.佛山科學技術學院電子與信息工程學院，廣東 佛山528000;2.佛山市計算機學會，廣東 佛山528000)

繞線機廣泛用于電力、礦山機械、家具加工等行業，為通用設備。通過對佛山市繞線機企業生產現場調研，發現全市所使用的JG 系列環形繞線機均存在較大的安全隱患，一旦操作不當，不僅繞組作廢，而且可能會對人的手指造成嚴重傷害。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加裝在繞線機上，對作業進行智能保護。

1 安全防護系統總體設計

1.1 確定設計方案

本項目研究對控制系統的要求:①提高繞組質量，減少安全事故;②整個控制系統操作簡便、成本低、體積小;③根據人機工程學要求去安裝系統。

通過調研分析后，本項目確定通過改裝腳踏調速器，以達到降低繞線機速度，提高繞線機的安全性。腳踏調速器工作原理如同滑動變阻器工作原理一樣，調速器是通過改變繞線變頻器外部控制回路電阻阻值大小，進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，達到改變繞線電機速度。因此，本研究確定在腳踏調速控制回路中，加裝繞線機防護系統，根據不同危險程度竄入不同阻值的電阻，以改變繞線電機的速度，即儲線環的轉速。

確定總體設計方案是制作一套“繞線機安全防護裝置”:當操作者的手進入危險區域內時，由反射器發出的紅外光線反射到接受器中，紅外傳感器［1］將低電平信號反饋給邏輯芯片，接著邏輯控制芯片根據所輸入信號的位置，通過單片機或邏輯判斷，將控制信號輸出至繼電器降速模塊，使不同阻值的電阻串接進腳踏調速回路中，進而改變腳踏裝置的電壓比例，從而降低繞線機變頻器的頻率，達到降低繞線電機轉速的效果，保證了操作者安全，防止操作工人因操作不當，造成傷害，有效提高繞線機的安全性。

繞線機安全防護裝置原理如圖1，其中c 通過各種開關及負載接繞線和排線變頻器的“VIN”接口;d1通過各種開關及負載接排線變頻器的“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到可以控制繞線電機的轉速，即儲線環的轉速。

圖1 繞線機安全防護裝置示意Fig.1 Schematic diagram of winding machine＇s safety protection device

1.2 安全防護裝置工作原理及思路

本系統是基于廣日的JG 系列環形繞線機設計的，通過佛山市富士川電業有限公司實地考察以及與操作人員交談后發現:工人在操作廣日的JG 系列環形繞線機時是將未繞線鐵芯放入3 個滾動輪中，具體操作是打開儲線環本體燕尾鎖條，將儲線環開口活動段分開，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲線環開口部分;然后鎖上鎖條，踩下腳踏開關，使儲線環轉動，其最高轉速可達700 r/min，中途需用手將繞線鐵心中的線頭拔到另一邊去。由于繞線機轉速過快，工人需要很快的速度而又熟練的動作去操作，這時就出現2種傷指現象:①已斷漆包線斷頭會插入手指，造成手指受傷;②高速運轉的銅絲會壓到手指，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:變頻技術是通過變頻器改變電源頻率，從而改變交流異步電動機的轉速的一種技術。通過變頻器先進行交流到直流的變換，再通過變頻器進行直流到交流的變換，從而控制交流電機的轉速。而本項目的廣日JG 系列環形繞線機對變頻器的控制是通過控制輸入變頻器的模擬電壓，進而控制變頻器輸出電源的頻率，使交流電機的轉速跟隨輸出電源頻率的變化而變化。

1.4 三相異步電動機變頻調速

三相異步電動機轉速n =60f/p(1 －s)，可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p 及轉差率s 均可達到改變轉速的目的。

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

1.5 系統基本組成

最初設計該系統主要由51 單片機最小系統、光電隔離繼電器模塊和紅外線數字避障傳感器［3-4］組成。其中51 單片機最小系統包括電源、外部晶振電路、復位電路和STC89C52 芯片，后期經過實踐，采用邏輯控制模塊更精準。該防護裝置主要由紅外線數字避障傳感器、邏輯控制模塊和繼電器降速模塊組成。

安全防護裝置結構如圖2 所示:當操作人員的手進入危險區域時，紅外線數字傳感器將檢測到的信號反饋給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊根據所反饋的信號輸出相應控制信號至繼電器降速模塊，繼電器降速模塊將不同阻值電阻串接進腳踏調速回路中，實現降低繞線電機的轉速，從而起到安全防護作用。

圖2 安全防護裝置結構Fig.2 Structure of safety protection device

2 系統裝置的設計和安裝

2.1 人機工程學理論

人機工程學［5］是一門研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素;研究人和機器及環境間的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學科。它的主要研究內容包括人體特性的研究、人機系統的總體設計、工作場所和信息傳遞裝置的設計、環境控制與安全保護設計等幾個方向。目前在國內這門學科的名稱尚未得到統一，出現了人類工效學、人體工程學、人機環境系統工程等名稱，不同的名稱反映了在研究側重點或方法上存在著一些差異。

應用人機工程學能夠給人機設計提供科學的指導，能使得機械設備的設計更加人性化，使處于不同環境下的人能安全地、有效地、健康地進行工作和生活，以實現人－機－環境之間的最佳匹配。

2.2 系統裝置的人機工程學分析

研究繞線機安全防護裝置時應結合人機工程學進行設計和制作，以使得防護裝置實現安全可靠、與機械裝備配套設計、簡單、經濟、方便的原則。安全防護裝置的作用是避免操作人員在誤操作時，機械傳動機構對操作者的傷害。繞線機在運行時，當操作者的手進入危險區內時，紅外光束受阻，紅外光線反射到接收器中，傳感器［6］發出反饋電信號給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊輸出控制信號控制繼電器模塊，使適當阻值的電阻串入腳踏調速回路中，進而改變變頻器［7］控制回路模擬電壓的大小，從而減少繞線變頻器的頻率，達到降低繞線電機的轉速，保證了操作者安全，使工人能夠有足夠的時間將手伸出來，以免受到傷害。

繞線機安全防護裝置應該符合以下要求:①防護裝置保障在操作人員的手進入危險區域時，有足夠時間避免危害;②防護裝置必須使其固定，防止被非管理人員移動;③防護裝置不能妨礙工人的操作。

2.3 系統裝置的模型設計及安裝

通過對廣日的JG 系列環形繞線機儲線環以及機頭板的結構進行分析，決定將紅外線數字避障傳感器安裝在如圖3 所在位置，既滿足人機工程學原理［8］，也達到防護裝置的檢測要求。

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

選用有機玻璃作為安全防護裝置原型機的支架的材料。安全防護裝置的支架如圖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字避障傳感器，圓弧型孔有助于在調試時移動傳感器的位置以及角度，從而達到最好的檢測效果，使得安全度達到最高值，更好地降低安全事故發生率，得到最好的研究效果。

圖4 安全防護裝置支架設計草圖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

本項目中邏輯控制芯片用于接收傳感器反饋的輸入信號，并根據反饋信號輸出相應控制信號給繼電器控制模塊，從而實現降低繞線圈轉速的目的。邏輯芯片74LS21P 符合本項目控制要求。

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

本項目所采用的電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會因彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)釋放。這樣吸合、釋放，從而達到在電路中的導通、切斷的目的。

對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區分:繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點，稱為“常開觸點”;處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有2 股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。當繼電器線圈兩端無電壓或電壓不夠時，繼電器的公共端(COM)與常閉端(NC)接通。當繼電器線圈兩端電壓達到吸合時，繼電器的公共端(COM)與常開端(NO)接通，原理見圖6。

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

在調試中，測得腳踏板中RP5 的電阻為500 Ω，因此為了控制繞線電機的速度，在繼電器控制模塊中聯入2 個最大值為1 kΩ 的可調電阻R1、R2。

3.3 紅外線數字避障傳感器

本項目選用了價格便宜、抗干擾性強、靈敏度高以及反應快的反射式紅外線數字避障傳感器博光－50NK，這是一種集發射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據要求進行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。博光－50NK(NPN 型光電開關)其輸出狀態是0、1，即數字電路中的高電平和低電平。沒檢測到物體時輸出高電平及VCC，檢測到物體時輸出低電平及0.7 V。

電氣特性如下:工作電壓5 V;工作電流10 mA;信號輸出TTL 電平;感應距離2 ～50 cm;尺寸31 mm×25 mm ×13 mm;接線圖，輸出信號需要加上拉電阻;特點是輸出信號穩定、不受可見光影響、壽命長。

4 聯機測試

通電源，當按下安全防護裝置的開關按鍵，安全防護裝置紅色指示燈亮，2 繼電器紅色電源LED 指示燈亮，處于常態(非動作狀態)，此時可調電阻R1、R2沒有串入腳踏調速回路，繞線機穩定工作。當操作工人將手移動到次級紅外線數字避障傳感器檢測范圍時，次級繼電器動作，常閉觸點斷開，常開觸點吸合，相對應的黃色LED 指示燈亮，這時腳踏調速回路中串入可調電阻R1使得總電阻增加，導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。根據三相異步電動機轉速公式可知，這時繞線電機的轉速n 也隨之降低，即儲線環的轉速也就降低了，這時工人操作的安全性也提高了。當工人手繼續往儲線環移動時，當進入一級紅外線數字避障傳感器檢測范圍時，一級繼電器動作，常閉觸點斷開，常開觸點吸合，黃色LED 指示燈都亮，這時腳踏調速回路中串入可調電阻R1、R2使得總電阻增加到最大，導致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源U降到可調節的最低值，繞線變頻器的頻率隨之降到最低，同樣根據三相異步電動機轉速公式可知，這時繞線電機的轉速n 也進一步降低，即儲線環的轉速也就降到較低速度，這時工人操作的安全性再次提高。

本項目所設計安全防護裝置需與繞線機配合完成工作，按照以下步驟進行測試:①檢查安全防護裝置接線是否正確;②將傳感器安裝到繞線機適當位置;③將安全防護裝置串接到繞線機腳踏調速回路中;④將未繞線鐵芯放入3 個滾動輪中，打開儲線環本體燕尾鎖條，將儲線環開口活動段分開，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲線環開口部分，然后鎖上鎖條;⑤踩下腳踏開關，使儲線環轉動;⑥將兩只手分別從儲線環兩邊慢慢伸入到其中心位置，觀察紅外線數字避障傳感器和繼電器模塊工作狀態燈的發光情況及儲線環轉動的速度。

5 結 論

基于本系統完成的4 套護手裝置已經在佛山市富士川電業有限公司安裝，經過3 個月的運行，沒有發生安全事故，有效保護了設備和工人。本系統是基于廣日的JG 系列環形繞線機設計的一種安全防護裝置，彌補了市場同類產品的缺陷，加裝該安全防護裝置，能降低斷指工傷的發生率，具有成本低、體積小、控制較精確等優點，普遍推廣應用的價值大，市場潛力巨大，創造的社會、經濟效益更值得期待。

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