□ 樊小波 □ 姚運(yùn)萍

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

各種電磁線圈已應(yīng)用于人們生活的方方面面，這也導(dǎo)致了繞線機(jī)朝著高效率、高精度及高產(chǎn)量的方向發(fā)展。如今，各種新型、高速、高精度專用繞線機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，但對(duì)于線徑較粗的異形線圈的繞制，仍然停留在手工繞制的方式。手工繞制方式效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。繞線過程中，由于手工控制力的不確定性，使線圈繞制精度不高，繞組導(dǎo)線的張力得不到有效控制。

本文旨在設(shè)計(jì)一種適合于此類繞組導(dǎo)線的張力系統(tǒng)，在滿足生產(chǎn)要求的前提下，保證繞組導(dǎo)線的張力始終保持恒定，避免外部干擾引起的張力抖動(dòng)。

1 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

▲圖1 張力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

本文所設(shè)計(jì)的張力控制裝置如圖1所示。該裝置的工作流程為：線盤上的繞組導(dǎo)線通過牽引輥，使其以一定的速度通過張力檢測裝置，張力檢測裝置將檢測到的信號(hào)發(fā)送到信號(hào)放大器，信號(hào)被放大后傳送到張力控制器，控制器綜合給定張力和反饋張力栓測得到的實(shí)際張力信號(hào)，再輸出控制信號(hào)，通過開關(guān)電路控制磁粉制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流,從而控制與制動(dòng)器相連接的輥軸,形成張力閉環(huán)系統(tǒng)。在繞組導(dǎo)線張力被控制在恒定值之后，導(dǎo)線通過上下導(dǎo)輥和側(cè)向?qū)л亗魉偷綑C(jī)械手，再由機(jī)械手將導(dǎo)線繞制在線圈模具上。其中，牽引輥的側(cè)視圖如圖2所示，導(dǎo)線緊貼上下兩個(gè)壓輥，動(dòng)力輸入端連接磁粉制動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)牽引輥產(chǎn)生制動(dòng)力矩，在繞線時(shí)使導(dǎo)線處于恒拉力狀態(tài)。

2 磁粉制動(dòng)器

磁粉制動(dòng)器是根據(jù)電磁原理并利用磁粉來傳遞轉(zhuǎn)矩，其傳遞的轉(zhuǎn)矩與激磁電流基本成線性關(guān)系,如圖3所示。因此，只要改變激磁電流的大小，便可輕易地控制轉(zhuǎn)矩的大小。正常情況下，在5%至100%的額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，激磁電流與其傳遞的轉(zhuǎn)矩成正比例線性關(guān)系［3］。

▲圖2 牽引輥側(cè)視圖

▲圖3 磁粉制動(dòng)器動(dòng)特性

▲圖4 磁粉制動(dòng)器靜特性

▲圖5 張力檢測裝置局部放大圖

▲圖6 導(dǎo)線彈性變形處的受力分析

當(dāng)激磁電流保持不變時(shí)，其傳遞的轉(zhuǎn)矩不受主動(dòng)件與從動(dòng)件之間差速（滑差轉(zhuǎn)速）的影響，即靜力矩與動(dòng)力矩?zé)o差別,如圖4所示。因此可以穩(wěn)定地傳遞恒定轉(zhuǎn)矩。此特性若運(yùn)用于張力控制，則用戶只需調(diào)節(jié)激磁電流的大小，便能準(zhǔn)確控制并傳遞所需轉(zhuǎn)矩，從而簡便、有效地達(dá)到控制繞組導(dǎo)線張力的目的［3］。

3 張力檢測裝置

壓力的精確檢測是實(shí)現(xiàn)恒張力自動(dòng)控制的關(guān)鍵,對(duì)于壓力這種非電量的測量，其基本思路就是將現(xiàn)場由壓力引起的電氣或者物理參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)的輸出,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場壓力值的測量。

張力傳感器檢測繞組導(dǎo)線的張力和速度，張力控制器修正控制張力［4］，從而實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制,張力PID控制器的輸出作為速度的修正值疊加在基準(zhǔn)速度上。

張力傳感器基于這樣一個(gè)原理：彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使黏貼在它表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨之產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成將外力變換為電信號(hào)的過程。

張力檢測裝置的局部放大圖如圖5所示，當(dāng)導(dǎo)線通過導(dǎo)向輥和測壓輥時(shí)會(huì)產(chǎn)生微小的彈性變形，測壓輥準(zhǔn)確檢測到導(dǎo)線上張力的波動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后傳遞給信號(hào)放大器，最后由張力控制器傳遞電流信號(hào)控制磁粉制動(dòng)器的轉(zhuǎn)矩，以此達(dá)到控制繞組導(dǎo)線張力恒定的目的。

圖6所示為繞組導(dǎo)線經(jīng)過測壓輥時(shí)的彈性變形受力情況，圖中G為導(dǎo)線自身的重力；F為張力測試輥對(duì)于導(dǎo)線向上的反彈力；T為導(dǎo)線的張力；f為導(dǎo)線對(duì)于測壓輥的反彈力。x為導(dǎo)線偏移初始位置的位移量；θ為導(dǎo)線張力T和重力G之間的夾角。

根據(jù)力的平衡條件，由圖6可得：

設(shè)導(dǎo)線的彈性系數(shù)為k，則：

▲圖8 張力閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖

反彈力F的微分方程：

式中：m為導(dǎo)線質(zhì)量；t為時(shí)間（t≥0）；E為彈性模量。

對(duì)式（3）進(jìn)行拉氏變換，得：

式中：s為拉普拉氏因子；X（s）為 x（t）的拉氏變換。

傳遞函數(shù)：

由此可得導(dǎo)線的張力為：

4 張力控制系統(tǒng)

張力控制系統(tǒng)框圖如圖7所示，主要由單片機(jī)C8051F040、張力檢測電路、驅(qū)動(dòng)電路等組成。單片機(jī)集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。鍵盤和顯示界面是人機(jī)交流部分：鍵盤用來輸入張力的設(shè)定值、PID參數(shù)，顯示界面顯示導(dǎo)線張力和電機(jī)的運(yùn)行情況［1］。

圖8所示為張力閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖。在張力閉環(huán)控制中,由壓力傳感器采集到張力值，經(jīng)過計(jì)算得到反饋值并與設(shè)定值進(jìn)行比較,其差值經(jīng)PID控制算法進(jìn)行處理，修正單片機(jī)輸出值，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制磁粉制動(dòng)器,以達(dá)到設(shè)定張力［11］。

PID 控制即為比例控制（P）、積分控制（I）和微分控制（D）組合的控制方法，該控制方法就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律，即：

式中：Kpε（t）為比例控制項(xiàng)，Kp為比例系數(shù)；dτ為積分控制項(xiàng)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)；ε（t）為微分控制項(xiàng)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制可以方便靈活地改變控制策略，實(shí)施P、PI、PD或PID控制。

5 結(jié)論

本文介紹的異形線圈繞線機(jī)張力控制裝置可以有效地控制繞組導(dǎo)線張力的恒定。由于磁粉制動(dòng)器的傳遞轉(zhuǎn)矩與激磁電流基本成線性關(guān)系，所以控制其激勵(lì)電流，就能有效控制導(dǎo)線的放線速度。

［1］ 黃祥源.基于積分分離PID算法的張力控制器的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2011（5）:36-38.

［2］ 肖寶平,單越康.一種實(shí)用恒張力控制系統(tǒng)的研究［J］.中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2006（4）:277-280.

［3］ 張光榮.磁粉離合器和磁粉制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)、性能及選用［J］.機(jī)電工程技術(shù),2004（10）:77-79.

［4］ 王勛志.分條機(jī)張力控制系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn)［D］.長沙：中南大學(xué),2013.

［5］ 李毅梅.基于PLC的多頭并繞機(jī)恒張力控制系統(tǒng)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008（4）:152-153.

［6］ 楊濤,王啟江,康海霞,等.基于PLC繞線機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2005（8）:58-59.

［7］ 劉小勇.一體化電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線機(jī)器人研究［D］.西安：西安理工大學(xué),2004.

［8］ 劉君懷,黃啟榮.異型線圈矯形裝置的研發(fā)與應(yīng)用［J］.漣鋼科技與管理,2011（4）:49-51.

［9］ 林錦實(shí).基于PLC的繞線機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng) ［J］.機(jī)電工程技術(shù),2009（4）:48-50.

［10］易曉波.電機(jī)線圈繞制新型拉緊裝置的設(shè)計(jì)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用,2009（6）:58-59.

［11］劉兆峰,張永堅(jiān),陳兆柱.單片機(jī)張力控制系統(tǒng)的研制和控制方法的探討［J］.中華紙業(yè),2011（4）:92-94.