李西寧，符曉輝

（西安啟源機(jī)電裝備股份有限公司，陜西 西安 710018）

隨著國(guó)內(nèi)電氣化鐵路和城市地鐵的快速發(fā)展，對(duì)牽引變壓器的需求越來(lái)越大。但是牽引變壓器中的線圈工藝比較復(fù)雜，過(guò)去其自動(dòng)繞制機(jī)大多依靠進(jìn)口，嚴(yán)重制約了產(chǎn)能的擴(kuò)大。為此，西安啟源機(jī)電裝備股份有限公司和北車(chē)大同ABB牽引變壓器有限公司合作，研制開(kāi)發(fā)了牽引變壓器線圈繞制機(jī)，實(shí)現(xiàn)了裝備的國(guó)產(chǎn)化，滿足了行業(yè)發(fā)展的需求。

1 設(shè)備描述

本設(shè)備機(jī)械部分由主機(jī)和放線車(chē)兩大部分組成。其中主機(jī)包括：主軸、排線裝置、聚酯排線裝置及尾座，放線車(chē)包括：6個(gè)兩組放線軸、放線車(chē)平行移動(dòng)裝置。

圖1 線圈繞制機(jī)側(cè)視簡(jiǎn)圖

設(shè)備進(jìn)行繞制時(shí)，線盤(pán)安放在放線軸上，線纜首先通過(guò)一系列的張力控制部件，最后經(jīng)排線裝置引導(dǎo)，并纏繞在固定于主軸的繞線模之上。隨著主軸的旋轉(zhuǎn)，排線裝置和放線車(chē)同時(shí)根據(jù)線纜寬度平行隨動(dòng)，直至線圈當(dāng)前層匝數(shù)完成。接著線圈升層，平行移動(dòng)換向，繼續(xù)繞制直至線圈本段完成。

繞制過(guò)程中，線圈的品質(zhì)主要取決于以下3個(gè)方面：

（1）主軸旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)。決定線圈繞制的匝數(shù)精度。

（2）排線裝置及放線車(chē)平行隨動(dòng)。決定線圈線纜排布的均勻性和緊密性。

（3）線纜張力控制。決定線圈層間緊密程度從而保證線圈外徑的尺寸精度。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

本設(shè)備的控制系統(tǒng)，主要部件均采用歐姆龍公司SYSMAC CJ2系列的產(chǎn)品：選用CJ2H作為中央處理單元，其首先采集NS觸摸屏中操作人員輸入的線圈參數(shù)，計(jì)算并控制主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)繞制。然后利用高速計(jì)數(shù)單元CT021記錄主軸變頻器回饋的主軸電機(jī)編碼器信號(hào)，處理并計(jì)算后通過(guò)定位控制單元NC434對(duì)排線裝置伺服、聚酯裝置伺服、放線車(chē)移動(dòng)伺服進(jìn)行隨動(dòng)控制。

3 主要控制功能的設(shè)計(jì)

3.1 主軸電機(jī)編碼器信號(hào)分配

為了保證主軸旋轉(zhuǎn)控制的高效性和準(zhǔn)確性，主軸電機(jī)編碼器的信號(hào)需要同時(shí)分別傳送至3處：主軸變頻器，用以實(shí)現(xiàn)變頻器的矢量控制；高速計(jì)數(shù)單元，用以計(jì)算主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；定位控制單元，用來(lái)作為伺服裝置進(jìn)行跟隨運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)信號(hào)。

由于以上3個(gè)部件的輸入電流，均分別為10 mA、11 mA、10 mA，總和超過(guò)了編碼器輸出電流20 mA的上限，采取編碼器直接并接3路輸出的方案，是不可行的。

因此本設(shè)備采用了安川H1000系列作為主軸變頻器，利用其編碼器PG接口卡帶有一路脈沖分頻輸出的功能，使得變頻器在接受主軸電機(jī)編碼器輸入的同時(shí)，可按設(shè)定比例將脈沖進(jìn)行輸出。

最終的方案如圖2所示。主軸電機(jī)編碼器并接兩路輸出：一路連接至定位控制單元；另一路連接至主軸變頻器，并通過(guò)PG卡輸出至高速計(jì)數(shù)單元。

圖2 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 排線裝置及放線車(chē)平行隨動(dòng)控制

在繞線過(guò)程中，隨著主軸的旋轉(zhuǎn)，排線裝置需要根據(jù)輸入的線纜寬度和指定的左右方向，進(jìn)行精確的軸向跟隨運(yùn)動(dòng)，以保證線纜排布得均勻、緊密。同時(shí)放線車(chē)也需要以同樣的比例隨動(dòng)，保持和排線裝置的平行，使得線纜保持始終保持平直，以防止在移動(dòng)過(guò)程中線纜受到側(cè)向的拉力，導(dǎo)致變形或影響張力。

為了實(shí)現(xiàn)以上的控制過(guò)程，一般的方法是通過(guò)高速計(jì)數(shù)單元，采集固定時(shí)間片中的主軸電機(jī)編碼器脈沖數(shù)量，從而計(jì)算出主軸電機(jī)此時(shí)間片中的平均速度，進(jìn)而通過(guò)此速度控制伺服裝置的隨動(dòng)。這種采樣計(jì)算的方法，在伺服軸進(jìn)行加速和減速運(yùn)行時(shí)，很容易導(dǎo)致控制的滯后和不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響到排線的效果，有時(shí)甚至可能產(chǎn)生線纜相互摩擦，使得線纜絕緣破壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響線圈的品質(zhì)。

針對(duì)這些問(wèn)題，本設(shè)備采用了NC434定位控制單元。此部件與CJ2H中央處理單元一起使用時(shí)，可以對(duì)伺服軸進(jìn)行電子齒輪同步控制。即在定位控制單元中，設(shè)置好目標(biāo)軸、跟隨軸和比例，利用系統(tǒng)功能塊激活電子齒輪功能時(shí)，系統(tǒng)將控制跟隨軸嚴(yán)格的根據(jù)設(shè)定比例，隨著目標(biāo)軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于這種同步控制，都是由系統(tǒng)通過(guò)對(duì)伺服軸的輸入輸出脈沖進(jìn)行高速處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，處理的最快周期達(dá)到了1 ms，所以可以保證在目標(biāo)軸和跟隨軸無(wú)論在加速、減速還是在勻速時(shí)，都精確地按比例運(yùn)行，從而保證了設(shè)備控制的實(shí)時(shí)性和高精度。

實(shí)際方案中，將主軸電機(jī)編碼器信號(hào)在定位控制單元中配置為外部編碼器軸，將排線裝置伺服配置為軸1，將放線車(chē)移動(dòng)伺服配置為軸3，如圖3所示。其中軸2為聚酯裝置伺服，不參與同步控制。

圖3 定位控制單元軸配置

進(jìn)行編程時(shí)，將外部編碼器軸作為目標(biāo)軸，軸1作為電子齒輪的跟隨軸，同步比例根據(jù)操作人員輸入的線纜寬度進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)將軸1作為目標(biāo)軸，軸3作為跟隨軸，同步比例設(shè)定為1，即同比例隨動(dòng)。按照控制系統(tǒng)要求，為了實(shí)現(xiàn)同步控制，需要調(diào)用電子齒輪功能塊，并將控制程序語(yǔ)句放置于中斷任務(wù)02中，實(shí)際程序段如圖4所示。

圖4 同步控制程序段

3.3 線纜張力控制

線圈卷繞時(shí)，線纜上必須保持相對(duì)恒定且適度的張力，以保證線圈層間緊密程度，從而保證線圈外徑的尺寸精度。

本設(shè)備上每根線纜的張力，均由安裝在其對(duì)應(yīng)的放線軸一端上的氣動(dòng)抱閘提供，如圖5所示。其中抱閘的氣壓由比例閥進(jìn)行控制。

圖5 張力控制示意圖

根據(jù)實(shí)際的測(cè)試，在設(shè)備所使用的氣壓范圍里，抱閘制動(dòng)力在放線軸上產(chǎn)生的制動(dòng)扭矩與比例閥提供的氣壓，基本成線性的關(guān)系

式中，

T為放線軸制動(dòng)扭矩；

P為比例閥氣壓；

K為比例系數(shù)，數(shù)值為80。

通過(guò)安裝在繞線軸一側(cè)的超聲波開(kāi)關(guān)，測(cè)量線盤(pán)表面至開(kāi)關(guān)的距離，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量的開(kāi)關(guān)至放線軸軸心的距離，計(jì)算出線盤(pán)當(dāng)前的半徑

式中，

R為線盤(pán)當(dāng)前半徑；

Li為超聲波開(kāi)關(guān)安裝位置至繞線軸中心的距離；

Lu為超聲波開(kāi)關(guān)測(cè)量的線盤(pán)表面至開(kāi)關(guān)的距離。

設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，線纜由線盤(pán)切線方向拉出，力臂長(zhǎng)度即為當(dāng)前線盤(pán)半徑，其張力可由下式得出

式中，F(xiàn)為線纜張力。

由張力的表達(dá)式可以得出：當(dāng)張力由操作人員給定時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)線盤(pán)超聲波開(kāi)關(guān)測(cè)得的當(dāng)前線盤(pán)半徑，計(jì)算出抱閘所需的氣壓值，從而控制比例閥相應(yīng)的輸出。當(dāng)卷繞進(jìn)行時(shí)，線盤(pán)上的線纜變少，半徑變小，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地根據(jù)上式的計(jì)算值，控制比例閥輸出氣壓等比例的變小，以此保證線纜張力處于基本恒定的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

牽引變壓器線圈繞制機(jī)的控制系統(tǒng)，基于歐姆龍公司CJ系列的產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分地利用各個(gè)部件的功能，用以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高精度的線圈生產(chǎn)。

從2010年10月至今，北車(chē)大同ABB牽引變壓器有限公司先后有3批共16臺(tái)此種設(shè)備投入使用，基本替代了昂貴的進(jìn)口設(shè)備，滿足了廠家擴(kuò)大產(chǎn)能的需要。

[1]歐姆龍公司.CJ Position Control Units OPERATION MANUAL(CJ1W-NC214/234/414/434)[Z].日本京都：歐姆龍工業(yè)自動(dòng)化公司,2009.

[2]歐姆龍公司.CJ2 CPU Unit Software User’s Manual[Z].日本京都：歐姆龍工業(yè)自動(dòng)化公司,2010.

[3]安川公司.安川變頻器H1000技術(shù)手冊(cè)[K].日本福岡:安川電機(jī),2009.