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）

隨著國內(nèi)電氣化鐵路和城市地鐵的快速發(fā)展，對牽引變壓器的需求越來越大。但是牽引變壓器中的線圈工藝比較復(fù)雜，過去其自動繞制機(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大同ABB牽引變壓器有限公司合作，研制開發(fā)了牽引變壓器線圈繞制機(jī)，實現(xiàn)了裝備的國產(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，放線車包括：6個兩組放線軸、放線車平行移動裝置。

圖1 線圈繞制機(jī)側(cè)視簡圖

設(shè)備進(jìn)行繞制時，線盤安放在放線軸上，線纜首先通過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)，排線裝置和放線車同時根據(jù)線纜寬度平行隨動，直至線圈當(dāng)前層匝數(shù)完成。接著線圈升層，平行移動換向，繼續(xù)繞制直至線圈本段完成。

繞制過程中，線圈的品質(zhì)主要取決于以下3個方面：

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

（2）排線裝置及放線車平行隨動。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)，計算并控制主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)繞制。然后利用高速計數(shù)單元CT021記錄主軸變頻器回饋的主軸電機(jī)編碼器信號，處理并計算后通過定位控制單元NC434對排線裝置伺服、聚酯裝置伺服、放線車移動伺服進(jìn)行隨動控制。

3 主要控制功能的設(shè)計

3.1 主軸電機(jī)編碼器信號分配

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)編碼器的信號需要同時分別傳送至3處：主軸變頻器，用以實現(xiàn)變頻器的矢量控制；高速計數(shù)單元，用以計算主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；定位控制單元，用來作為伺服裝置進(jìn)行跟隨運(yùn)動的目標(biāo)信號。

由于以上3個部件的輸入電流，均分別為10 mA、11 mA、10 mA，總和超過了編碼器輸出電流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，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PG卡輸出至高速計數(shù)單元。

圖2 控制系統(tǒng)簡圖

3.2 排線裝置及放線車平行隨動控制

在繞線過程中，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，以保證線纜排布得均勻、緊密。同時放線車也需要以同樣的比例隨動，保持和排線裝置的平行，使得線纜保持始終保持平直，以防止在移動過程中線纜受到側(cè)向的拉力，導(dǎo)致變形或影響張力。

為了實現(xiàn)以上的控制過程，一般的方法是通過高速計數(shù)單元，采集固定時間片中的主軸電機(jī)編碼器脈沖數(shù)量，從而計算出主軸電機(jī)此時間片中的平均速度，進(jìn)而通過此速度控制伺服裝置的隨動。這種采樣計算的方法，在伺服軸進(jìn)行加速和減速運(yùn)行時，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)。

針對這些問題，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，可以對伺服軸進(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，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。由于這種同步控制，都是由系統(tǒng)通過對伺服軸的輸入輸出脈沖進(jìn)行高速處理來實現(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)軸和跟隨軸無論在加速、減速還是在勻速時，都精確地按比例運(yùn)行，從而保證了設(shè)備控制的實時性和高精度。

實際方案中，將主軸電機(jī)編碼器信號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，將放線車移動伺服配置為軸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，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)行計算。同時將軸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。按照控制系統(tǒng)要求，為了實現(xiàn)同步控制，需要調(diào)用電子齒輪功能塊，并將控制程序語句放置于中斷任務(wù)02中，實際程序段如圖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，線纜上必須保持相對恒定且適度的張力，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，均由安裝在其對應(yīng)的放線軸一端上的氣動抱閘提供，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)實際的測試，在設(shè)備所使用的氣壓范圍里，抱閘制動力在放線軸上產(chǎn)生的制動扭矩與比例閥提供的氣壓，基本成線性的關(guān)系

式中，

T為放線軸制動扭矩；

P為比例閥氣壓；

K為比例系數(shù)，數(shù)值為80。

通過安裝在繞線軸一側(cè)的超聲波開關(guān)，測量線盤表面至開關(guān)的距離，并通過實際測量的開關(guān)至放線軸軸心的距離，計算出線盤當(dāng)前的半徑

式中，

R為線盤當(dāng)前半徑；

Li為超聲波開關(guān)安裝位置至繞線軸中心的距離；

Lu為超聲波開關(guān)測量的線盤表面至開關(guān)的距離。

設(shè)備運(yùn)行過程中，線纜由線盤切線方向拉出，力臂長度即為當(dāng)前線盤半徑，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，系統(tǒng)可根據(jù)線盤超聲波開關(guān)測得的當(dāng)前線盤半徑，計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，線盤上的線纜變少，半徑變小，系統(tǒng)可實時地根據(jù)上式的計算值，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

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)計充分地利用各個部件的功能，用以實現(xiàn)自動化、高精度的線圈生產(chǎn)。

從2010年10月至今，北車大同ABB牽引變壓器有限公司先后有3批共16臺此種設(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)自動化公司,2010.

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