線束自動線切割和布線機研發

RAFIQ KHAN

摘 要：目前，大部分工業門類都依賴于人力資源。鐵路行業還在使用傳統方法來切割和測量電纜長度，而這無疑既耗時又耗人力。為了更好地在電纜切割和布線系統中獲得更好的效果并實現高精度，使用自動化系統來加速工作流程并順利執行就變得很有必要。現代經濟正在向自動化轉變，因此我們可以很自然地假設，我們的未來也將由自動化來定義。在本文的第一部分中，我們介紹了一款新穎的基于微控制器的自動電纜切割機，它可以準確、高效地工作。而第二部分將繼續介紹布線過程。我們所提出的設備簡單、工作快速，易于使用，并且可以切割所需長度和質量的電纜。除此之外，它會首先在Solidworks軟件中執行，然后在Proteus（軟件）中圖解電子電路。對于電機選型，則使用了Oriental電機軟件，這可以對其進行進一步定義。

關鍵詞：自動電纜切割機;刀具;微控制器;自動化;機械臂;Oriental電機軟件

近些年，業界廣泛依賴于勞動力。工人們為了其利益而罷工的事件時有發生，這導致績效和效率的下降。因為這些活動，公司所有人不得不為此買單，并因此而無法實現其目標。行業中的這些問題可以通過自動化（即，設計自動機器）來解決[1]。

自動化系統減少了人工問題、系統成本、人為誤差，卻提升了系統的精確度。線纜行業對自動化有著巨大的需求。然而，一些繁瑣、耗時的基本環節，例如線纜切割和捆扎（即軋制），仍然在使用人力。假設將自動化引入這些基本環節;屆時，其將對行業進步和收益獲取產生巨大的影響，因為其以多種方式改進了框架[2]。

在眾多普通線纜行業中，工人采用人力資源將電纜切割成不同的長度。切割不同長度的線纜所需的時間取決于勞動者的效率，而質量取決于工人的精度和專業知識。因此，在工廠中應用自動電纜切割機（以下簡稱為ACCM）可以減少切割所需的時間、成本、誤差，并且提高系統效率[3]。在大型行業中，當任務在特定時期內未完成時，整個工作都會慢下來。該系統將通過節省時間和金錢來提升行業的效率[1]。

為了實現線纜切割的自動化，文獻中已經推薦了不同的線纜切割方案。在文獻[4]中使用了熱線纜切割技術，該技術會產生泡沫模具和不同的泡沫形狀。文獻[5]中應用了線切割的遙控操作方案，其中包含一個單主控器和一個從設備，而設置被用于進行線纜切割實驗，以便確定系統的控制質量和易用性。在文獻[6]中介紹了一種用于切割應用的偽彈性線材，其中描述了切削力建模方法，并且推薦了多滑輪方法。在文獻[7]中則介紹了用于石油平臺拆除中套管切割的一種自主式機器人的模塊概念。建造這樣的機器人并不僅是選擇一個合適的機械結構的問題，更涉及到精密控制系統。在文獻[8]中提到了一種可以識別線纜顏色的自動線切割機，其通過使用圖像處理技術（即，一種精心設計的方案）來識別輸入的線纜。在文獻[9]中介紹了一種基于可編程邏輯控制器（PLC）的切割機，這是一種高效并且更加快捷的技術，但PLC非常昂貴[10]。在文獻[11]中，則設計了一款基于EDM的切割機，這是一種多功能機。

前文所述的方案都很好，但除了諸如線纜貼標簽和缺乏精確供能等情況外，還存在一些缺點，因此，本文提出了一種新穎的技術。自動線纜切割繞線機對于耗時且高收益的優點是必需的。該方法的新穎之處，在于使用戶能夠輸入件數并對要切割的線纜計數。這種機器工作更快，可以在短短幾分鐘之內切割數百米的線纜，并且可以生產六種不同的線束。

1 機器的機械設計

自動線束機具有兩個主要組件。

1.1 電纜纏繞和切割

1.2 在線槽中布線

主構件又進一步分為子部件，纏繞著適當長度的線材;每個子部件都具有復雜的機械設計，稍后我們將詳細描述。

機械臂從開卷機上取下線材，將其放入翼型頭中，然后機器將線材卷成適當長度（由操作員通過HMI選定）;當卷到適當的長度時，剪線鉗剪斷線材，機械臂將線頭放入繞線頭上的夾鉗，以使線圈不會松開。

機械臂負責一個轉盤，其包括三個繞線頭。在線圈纏繞完成之后，線束被送到下一個工段，在那里，線束將被裹入塑料包裝中。

1.2.1 數據輸入

機柜被設計用來放置繞線盤。所需的數字將使用一個小鍵盤輸入到數據輸入屏，以便電路能夠理解需要多長的線材。最后，它會把信號發送到開卷機，也就是下一步開始的地方。

1.2.2 線圈貼標

每輛火車的每個車廂都需要成千上萬的線材。一輛火車有六節車廂，每條線材的兩端都需要貼上標簽。對于電子線束來說，貼標簽是最關鍵的一步，特別是在株洲電氣機車公司。

1.2.3 開卷機

開卷機是機器中一個用于固定線材并幫助切割機將線材剪切成適當長度的部分。

1.2.4 機械臂

在現代工業中，通過自動化流程進行的創新為公司提供了速度、效率和產值方面的競爭優勢。機械臂幫助剪線工段和布線的潛力集中在包括工作區域設計以及機械臂在內的項目領域中。

1.2.5 繞線頭

繞線頭上裝有兩個夾鉗，一個在開始卷繞時夾住電纜的一端，第二個則夾住電纜的另一端，以使線圈不會松開。每個繞線頭都有單獨的電機，用于繞線頭的旋轉。一個工作臺上有三個旋轉頭，齒輪系統通過電路工作，以便在準確的時間旋轉工作臺。

1.2.6 線束塑料包裝

機械設計的這個部分是機器中最復雜的部分。這些概念來自于環形機。大部分環形機是為變壓器鐵芯繞線而設計的，其中的鐵芯是一種易于旋轉的硬質材料，但這對于線材束來說有一個問題，即電纜的線束不像變壓器鐵芯那么堅硬。該部分的主要關注領域是機械復雜性。

1.3 數學計算

在進行線束塑料包裝時，需要線束的下列參數（請參見圖2）。

（1）線束內徑（FID）。

（2）卷繞線束所需的塑料長度（PF）。

這些參數將決定所需的梭子以及繞線頭的類型。

為了確定上述參數，我們將需要線束的下列物理尺寸（表.）

（1）線束內徑（ID）。

（2）線束外徑（OD）。

（3）線束高度（H）。

（4）帶包裹的塑料的直徑（PD）。

（5）所需匝數（n）。

（6）卷繞類型（分段、多層、順時針等等）。

（7）線束成品內徑（FID）。

FID=線束內徑-（2×層數×塑料）;即，FID=ID-（2×層數×PD）

其中，

層數=總匝數匝數/層數（1）

其中，

匝數/層數=線束的內圍塑料的直徑（2）

即，

匝數/層數=2×Π*×（ID/2）PD（3）

*當PI值為3.14時，此處為常數。實際FID將與理論值有所不同，原因如下：

a.因涂料導致鐵芯的ID不一致，或PF=n×一匝所需的塑料

一匝的塑料=（外徑-內徑）+2×（高度）（4）

即，

一匝的塑料=（OD-ID）+2（H）（5）

因此，

PF=n×[（OD-ID）+2（H）]（6）

如前文所述，上述計算將用于選擇梭子和繞線頭。

其他制造缺陷：

設備無法拉扯塑料至完美平行于線束的外表面。當線束尺寸（PD）較大和線束高度（H）相對較小時，該設備尤為明顯。

所需塑料長度：塑料長度=匝數×一匝所需的塑料

線束繞線機和梭子的所有主要制造商都提供了參考，其中顯示了“梭子的塑料容積”和該梭子可以穿過的最小ID（FID）。梭子的塑料容積是給定直徑的塑料的長度，可以用于梭子而不會影響梭子/設備的正常功能。

1.4 在線槽中布線

布線系統使用了同樣的機械臂，布線時的動作是線性動作，而剪線和繞線時則是旋轉動作。測量工作臺上的旋轉的方法有數個。我們可以用紅外線激光，甚至可以測量圓盤上的黑白轉換。又或者，你可以用齒輪上的齒激活開關，或者可以把磁鐵搗碎然后對通過霍爾效應傳感器看到的南北極的次數進行計數。例如，當需要連續旋轉時，麥克風在使用界面上找到它們，實際上，在使用鼠標滾輪的時候，你很可能離編碼器很近，因為你需要用它來確定滾輪如何移動。

在不增加某種有輪子的全球定位地基機器人的情況下，測量機器人移動的距離，并確定機器人如何精確地移動一米，首先要測量電機轉動一秒時機器人移動的距離。此外，我們可以啟動電機，看其移動一米需要多少時間。首先，直流電機會抵御施加于其上的電壓，這意味著隨著電池減緩消耗，電機會更加緩慢地旋轉。因此，除非使用BP電源或保證電池始終處于相同的電壓，否則每次轉動電機都將導致不同的距離。

某些直流電機即使在相同的電壓下也不會同時運行，這意味著有一側始終會較少。為了解決這個問題，我們將使用Encoder，一種帶有四個北極和四個南極交替出現的磁性編碼器圓盤。或者安裝在從動軸或電機軸上。請注意，電機具有48：1的變速箱，這意味著電機軸轉48圈才能讓從動軸轉1圈，因此通過在電機軸上安裝圓盤，我們可以有效地旋轉更多圈來確定機器人移動了多遠。當encoder圓盤旋轉時，檢測器會添加霍爾效應傳感器。在這種情況下，當看到北極時，輸出邏輯為高，當看到南極時，輸出邏輯為低。測量轉數最簡單的方法是對一種沿進行計數。例如，如果我們看到下降沿，即檢測器的輸出從高到底，我們知道圓盤旋轉了90度。按照這種邏輯，如果我們看到四個下降沿，我們就知道圓盤已經轉了一整圈。如果我們想要更好的分辨率，我們可以同時對上升沿和下降沿進行計數，那么我們每看到一個沿，我們就知道圓盤已經旋轉了45度，所以轉一整圈我們可以看到8個刻度。

那么我們如何計算機器人移動的距離呢：首先，我們希望找出編碼器刻度的數量，我們需要對每一圈進行計數，因為變速箱的一圈等于電機都48圈。

1車輪轉數=48電機轉數（7）

1電機轉數=8刻度（8）

1車輪轉數=48×8=384刻度（9）

384刻度=188.5mm（10）

等式兩邊同時除以384。

1刻度=0.49mm（11）

要使機器人移動一米，即一千毫米。

10000.49mm2041刻度（12）

2 機器的電氣設計

電力使現代世界中極為重要的一種現象，其對現代工業至關重要。現代工業使用人機界面來控制監控機器。沒有人機界面，工業中就很難實現良好的自動化流程。在本文中，電機是整個設計的大腦。

本節包含兩個基本單元，電機的選擇和電氣安裝。

2.1 電機的選擇

電機的部分將說明測量單位，以就特定的伺服或步進應用選擇最佳的電機。伺服電機的選擇過程需要一定數量的計數和計算才能理解。還有項目選擇伺服電機所需的整個方程式在線軟件中使用的度量單位。軟件的使用讓我們知道如何獲取最大速度、負荷扭矩，以及慣性矩。通過使用軟件電機選型工具，可以提供伺服和步進電機的制造規范病了解一些關鍵術語。確保輸入下圖中標黃的部分。以下是圖3（a）中所輸入的數值。I表示慣性，f表示頻率，而大寫字母F則表示力。

審查關鍵術語和用于確定伺服電機尺寸的測量單位。伺服電機的制造需要知道移動負荷所需的力、克服物品角加速度負載阻力的力。慣性矩對旋轉運動來說是簡潔動作的基礎。在物體中，慣性矩取決于其形狀，并且在高濃度材料中，該形狀的質心距越是遠離其幾何中心，該物品的慣性矩就越大。慣性矩根據指定的旋轉的途徑而變化。慣性質量的定義是其加速所需的力。慣性矩已經定義了扭矩需要角加速度。

物品的慣性越大，在給定時間內改變速度所需的力就越大。在等式中，慣性的國際制單位是1kgm2，通常用變量I=mr2來表示。如何計算不同幾何形狀中的慣性矩呢。確定慣性的變量之一是質量。質量的定義是物體中物質的數量。質量的性質之一就是其具有慣性。要確定質量，你需要知道移動荷載的密度和體積。密度衡量一個物品中物質的緊密程度，每種材料都有其密度。

體積是物體占據的空間的量;固體的體積以m3為單位。

質量=密度×體積

質量是物體有多少慣性的度量。本文中使用的選擇軟件提供了計算的實效，例如慣性矩或確定質量。使用電機軟件工具來幫助計算，以便簡化伺服或步進電機的正確選擇。很多軟件為螺絲、皮帶、包裝、輥式進給裝置、索引表和弧的解決方案。第一步是選擇設備的可用功率。伺服可用100VAC、200VAC和400VAC。需要確定運動應用需要多少扭矩，旋轉其所在的機構需要用多少力量，不同的來源慣性，外力。

2.2 分級軟件概述

分級軟件通過下列五個主要過程選擇電機。下文將解釋每個過程的術語和輸入項等詳情。

（1）驅動機構選擇。

（2）機構規格輸入。

（3）電機選型操作條件輸入。

（4）電機選型。

（5）分級結果。

[選擇在垂直平面旋轉還是在水平平面旋轉]

選擇是在垂直平面還是水平平面旋轉。如果選擇在垂直平面旋轉，則臂的質量將加到負載轉矩中。

[傳動機構]

選擇啟用或禁用。

禁用：當電機和滑輪直接連接時;

啟用：當電機和滑輪通過齒輪或滑輪等連接時;

如果選擇啟用，點擊“傳動機構計算”按鈕跳轉至傳動機構計算界面。

[計算模式]

從下方選擇：

*密度：根據密度計算機械臂的慣性矩。

質量：根據質量計算機械臂的慣性矩。

[A][B][C][e]

輸入機械臂的尺寸。

[其他慣性矩]

可以計算主機構以外，例如耦合的慣性矩。

點擊“慣性矩計算”按鈕將移動至慣性矩計算界面。

[材料]

當計算模式選擇密度時，選擇機械臂材料。

*當使用特殊材料時，選擇[其它]，并直接輸入密度的數值。

（參考第四節常數/常用值列表）

[質量]

當計算模式選擇質量時，輸入機械臂的質量。

2.3 電氣連接的安裝

進給機構的目的是講所需長度的咸菜進給到切割機構。進料裝置由電機、繞線頭、機械臂擠出機和一根管組成。圖8展示了電路的示意圖，請記住。

（1）原始正負極不得連接錯誤，且必須在通電前仔細檢查。

（2）電機順序是根據指示顏色連接的（如果電機不轉，或者方向錯誤，請調整順序）。

（3）繼電器模塊被用于通過輸出信號來控制大功率電氣組件，例如電磁狀態（4通5V輸入用戶自行配置），使得反射開關生成觸發信號，以使觸發程序自動運行（5V用戶自行配置）。

3 結論

自動機械在工業中的應用之一是高精度地執行重復動作。在許多將不同物質移入平板孔的行業中，可以看到一些需要這種能力的應用。過程的重復性對于一個人來說是不利的，因為與自動化相比，人會感到無聊并且更容易犯錯。在本項目中，團隊的目標是設計一臺自動線材剪切布線機，幫助株洲電力機車有限公司的工廠改善并強化線材剪切和布線過程。機器由兩個中心部分組成，其一是線材剪切、線材貼標、捆扎，其二則繼續進行布線。在未來，其將升級為自動剝離和連接。

參考文獻：

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[11]動態感知.直流電機和步進電機之間的區別是什么？N.D.[線上].網址：https：//support.dynamicperception.com/hc/en-us/articles/202986595-What-is-the-difference-between-DC-motors-and-Stepper-motors[2019年2月12日訪問].