高永強，陸 熊，黃曉梅，劉 佳

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211106; 2.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，南京 210044)

0 引言

隨著力觸覺再現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，基于電磁式裝置產(chǎn)生力觸覺的需求也日益提高，電磁鐵線圈[1]是電磁式力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)的重要組成部分，其線圈纏繞質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到力觸覺的反饋效果[2]。

目前，大尺寸電磁鐵線圈的繞制主要采用人工繞線[3]的方式，人工繞線主要以傳統(tǒng)的手搖繞線機為支撐，實現(xiàn)半自動化的操作。通過線頭線尾的焊接以及線圈電阻值和電感值的測量來校驗繞制的是否合格。它存在以下一些缺點：(1)繞線速度慢；(2)操作不靈活；(3)排線不緊密；(4)張力不一致等。這些問題嚴(yán)重影響了電磁鐵線圈的穩(wěn)定性和可靠性[4-5]。此外，人工繞線通常采用單股繞制，實現(xiàn)雙股或多股繞線難度更大。國內(nèi)并沒有提出單獨針對大尺寸電磁鐵線圈進(jìn)行設(shè)計的繞線機系統(tǒng)，所設(shè)計的自動繞線機大多是針對小型線圈或者一些車床繞線系統(tǒng)，對線圈繞制的質(zhì)量以及緊密度要求不嚴(yán)格。王超[6]等人設(shè)計的自動調(diào)速繞線機主要是應(yīng)用在紡織等行業(yè)，實現(xiàn)繞線線速度不變的時線圈的繞制。馬[7]等人通過在PLC的控制下將繞線電機和排線電機相互配合，實現(xiàn)了電機的自動排線，但系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，僅針對電機轉(zhuǎn)子繞線。此外，國內(nèi)[8]外許多公司進(jìn)行了自動繞線設(shè)備的研制來提高生產(chǎn)效率，但這些設(shè)備造價昂貴，且繞制的線圈尺寸較小，并不能適用于普通電磁鐵線圈的繞制。因此設(shè)計一套大尺寸自動繞制設(shè)備來保證線圈質(zhì)量已經(jīng)成為迫切的需求。

本文針對大尺寸線圈的應(yīng)用需求，通過自動繞線機構(gòu)、自動排線機構(gòu)、張力控制機構(gòu)等模塊，以STM32中央控制系統(tǒng)為核心，在排線控制算法指示下協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了大尺寸(直徑最大可達(dá)450 mm)電磁鐵線圈的自動繞制。該系統(tǒng)設(shè)計小型化，簡單化，能夠適用于不同的工作場合，并且具有較高的工作效率，較高的繞線精度等特點。

1 自動繞線設(shè)備系統(tǒng)方案設(shè)計

在大尺寸線圈自動繞制過程中，影響繞線質(zhì)量的因素主要包括繞線和排線設(shè)備的結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)的精度以及排線算法[9]的可靠性。首先，需要對自動繞線設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，保證線圈旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；其次，對排線機構(gòu)的走線結(jié)構(gòu)和運動控制算法進(jìn)行設(shè)計，使得排線能穩(wěn)定，準(zhǔn)確，不亂線[10]；最后選擇可靠的中央控制系統(tǒng)，使得排線算法穩(wěn)定高效運行。同時為了方便調(diào)試和實現(xiàn)不同尺寸的骨架繞制，開發(fā)了人工操作圖形界面，可以方便輸入不同參數(shù)完成線圈參數(shù)的確定，以及對繞線狀況的實時監(jiān)控，保障線圈異常時能夠緊急處理。本系統(tǒng)主要組成以及繞線機工作流程如圖1所示。

圖1 自動繞線設(shè)備總體設(shè)計和繞線機結(jié)構(gòu)組成

在繞線的過程中，將設(shè)計的空心圓盤狀線圈固定在手搖繞線機的軸線上，漆包銅線通過張力控制器和排線機構(gòu)上的導(dǎo)線定位孔，纏繞至空心線圈上。自動繞線機構(gòu)，自動排線機構(gòu)，張力控制機構(gòu)按照中央控制系統(tǒng)指定的速度進(jìn)行軸向旋轉(zhuǎn)和水平方向往復(fù)移動，三個機構(gòu)的相互配合來保證線圈繞制的成功。

2 自動繞線設(shè)備實物系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 自動繞線機構(gòu)的設(shè)計

繞線機構(gòu)的主要作用是帶動空盤片線圈穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。該機構(gòu)主要包括手搖繞線機，步進(jìn)電機及驅(qū)動器，傳送帶以及線圈固定夾具等。

在綜合考慮了線圈的參數(shù)、轉(zhuǎn)軸的承重、外形尺寸等條件下，最終選擇飛越NZ-7繞線機(具有電子計數(shù)功能)作為繞線機構(gòu)的核心部件。步進(jìn)電機是自動繞線機構(gòu)的動力核心，對系統(tǒng)繞線速度的快慢有重要的影響。通過齒形帶傳動結(jié)構(gòu)的力矩計算公式，繞制完成后需要帶動的負(fù)載預(yù)估計為7.5 kg，力矩為0.51 N·m。因此，需要選擇力矩大性能好的電機為系統(tǒng)提供動力。通過參數(shù)選型和對比分析，最終選定了57HS7630A4行星步進(jìn)減速電機，軸徑14 mm，步距角1.8°。它可以提供的靜力矩為1.8 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為440 g·cm2，并且配有10:1的減速器來進(jìn)一步提高電機的扭矩。步進(jìn)電機的驅(qū)動器型號為DM542驅(qū)動模塊，輸入直流電壓為18～50 V，最大細(xì)分精度可達(dá)到128，并且能夠提供穩(wěn)定的電流，當(dāng)出現(xiàn)過電壓，過電流，欠電壓或者短路時有自動保護(hù)功能。

當(dāng)啟動轉(zhuǎn)速過大時，電機會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)情況，因此起始時，步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速不能設(shè)置過大，通過實際調(diào)試可知將步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為200～600 r/min，通過減速器之后繞線機的繞線速度為20～60 r/min系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。傳動帶的設(shè)計采用小輪帶動大輪的傳動機構(gòu)[11]，同時選擇和步進(jìn)電機軸徑匹配的雙槽皮帶輪作為主動輪，通過皮帶將繞線機的轉(zhuǎn)盤與皮帶輪緊密連接。設(shè)計步進(jìn)電機和繞線機之間的距離時考慮設(shè)備所占空間的大小，定義兩個轉(zhuǎn)動輪的中心點間距為23 cm，因此通過傳送帶模型計算得到皮帶的長度為90 cm?？梢栽诒Ｕ舷到y(tǒng)正常工作的前提下節(jié)省空間。

另外，本系統(tǒng)針對的線圈骨架內(nèi)徑為230 mm，外徑290 mm，厚度為30 mm。為了能夠?qū)⒕€圈穩(wěn)定地固定在繞線機的主軸上，進(jìn)行了線圈夾具的設(shè)計和打印，具體如圖2所示。

圖2 線圈骨架的模型圖和實物圖

最后，將步進(jìn)電機，電機安裝支架，皮帶輪，皮帶，線圈及夾具依次安裝到繞線機構(gòu)上，具體的裝配如圖3所示。繞線機構(gòu)裝配完成后，對其進(jìn)行調(diào)試確保主軸能夠穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)即為裝配成功。

圖3 自動繞線機構(gòu)部分實物圖

2.2 排線機構(gòu)的設(shè)計

排線機構(gòu)的主要作用是能夠讓漆包銅線來回往復(fù)運動，實現(xiàn)漆包銅線一層一層的自動排線，同時還能夠保證漆包線緊密纏繞。由于本系統(tǒng)中采用的漆包銅線線徑較細(xì)(直徑小于2.5 mm)，因此排線機構(gòu)[10]中對平移臺的精度要求較高。本系統(tǒng)選擇日本IAI公司RCP2-SA5C電缸作為排線機構(gòu)，它的主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)表中提供的參數(shù)表明，該型號的電缸平移臺無論是精度還是行程都能滿足繞制線圈的需求。

表1 RCP2-SA5C主要參數(shù)表

電缸的驅(qū)動控制器采用電平觸發(fā)，有效高電平為24 V，低電平為0 V。而中央控制模塊提供的電壓為3.3 V，需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換模塊采用的是3.3～24 V的光耦隔離單元，可以穩(wěn)定實現(xiàn)電平的匹配。此外，該電缸相匹配的驅(qū)動控制器配有完善的界面控制單元，可以實現(xiàn)電缸的點位控制，操作簡單，便于輔助系統(tǒng)的調(diào)試。

導(dǎo)線孔底座的設(shè)計是為了將兩股漆包銅線分開，避免兩股線相互干擾。導(dǎo)線孔底座的尺寸與電缸平移臺尺寸相匹配，可以穩(wěn)固地固定在平移臺上，并且底座采用了兩部分連接的方式，可以隨繞線層數(shù)的增加調(diào)整角度。具體的設(shè)計與安裝效果如圖4所示。

圖4 排線機構(gòu)的整體設(shè)計圖

2.3 張力控制機構(gòu)的設(shè)計

在線圈繞制過程中，漆包線的張力是一個不可忽視的因素。當(dāng)張力過大時，漆包線會被拉長變形導(dǎo)致線圈阻值增大；當(dāng)張力超出漆包線的極限值時，會出現(xiàn)斷線狀況導(dǎo)致線圈報廢。而張力過小，漆包線繞制過程會十分松弛，出現(xiàn)排線散亂的現(xiàn)象[12]。因此為了保護(hù)漆包線和提升繞線質(zhì)量，進(jìn)行了張力控制機構(gòu)的設(shè)計。查閱相關(guān)資料，針對該系統(tǒng)所繞制的0.72 mm漆包線的安全張力為2 520 g。張力控制機構(gòu)的核心部件是磁阻尼器，選用的磁阻尼器的型號為YHZ-05，張力的可控范圍為600～3 500 g，基本能滿足所繞線徑的需求。在實際繞制過程中，根據(jù)漆包線的線徑將張力器刻度調(diào)到一定值，調(diào)整壓緊彈簧、張力桿彈簧、張力桿力臂、不斷重復(fù)微調(diào)，直到達(dá)到滿意效果。其中張力桿及力臂的調(diào)整是為了在快速啟動時不易斷線，保證停止繞線時有較好的收線效果，進(jìn)而保證繞線的松緊度。張力控制器的原理圖和實物圖如圖5所示。

在張力控制器安裝確定之后，需要進(jìn)行供線機構(gòu)的設(shè)計。由于本系統(tǒng)中所用到的廠家線圈重量較大，因此采用了水平放置的線筒支撐結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計轉(zhuǎn)動軸承將供線線筒懸空固定。整個供線流程如圖1所示，將漆包線穿過線筒，經(jīng)過張力控制器，導(dǎo)線孔固定于繞線機轉(zhuǎn)軸的盤片上。

2.4 繞線和排線控制算法設(shè)計

中央控制系統(tǒng)是整個自動繞線排線設(shè)備正常運行的關(guān)鍵部分。主要是進(jìn)行自動繞線和排線電機的精確控制，保證各個部分的協(xié)調(diào)運動。經(jīng)過對整個系統(tǒng)資源的分析和對比，中央控制系統(tǒng)采用STM32F103為主控的開發(fā)板。它帶有脈沖脈寬調(diào)制(PWM)，可以方便配置不同頻率和占空比的脈沖。利用液晶屏顯示模塊進(jìn)行漆包線參數(shù)的輸入以及繞線匝數(shù)和繞線速度的監(jiān)控。

整個軟件系統(tǒng)的核心部分是精準(zhǔn)控制的排線算法設(shè)計，它是指示繞線和排線兩個機構(gòu)協(xié)調(diào)配合的關(guān)鍵。分析漆包線的繞制規(guī)律如圖6所示，h是每匝線圈之間的間距(mm)，d是繞制盤片的內(nèi)徑，H為盤片的寬度。

根據(jù)螺旋線運動規(guī)律，得到排線機構(gòu)的速度與繞線機構(gòu)的速度比例關(guān)系如下：

(1)

其中:c是每圈漆包線的長度(mm)，vr為繞線機的速度(m/s)，vp為排線機構(gòu)的速度(m/s)。假設(shè)漆包線單層繞制的時間為t，漆包線的外徑為dn等于線圈間距h，平移臺的導(dǎo)程為P，則繞線機電機的轉(zhuǎn)速n1與排線轉(zhuǎn)速n2分別為：

(2)

(3)

(4)

通過上述計算可以得到繞線電機和排線電機各自的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可以對電機控制使其相互配合，完成線圈繞制。

精準(zhǔn)排線控制算法主要過程如圖7所示。

圖7 精準(zhǔn)控制排線控制算法流程圖

首先，電缸平移臺帶著出線導(dǎo)針往復(fù)移動，繞線機構(gòu)帶動空線圈繞軸旋轉(zhuǎn)。起始時出線導(dǎo)針滯后于空線圈邊緣以保證繞線足夠緊密。隨后，兩者同時加速后，達(dá)到合適的速度比，出線導(dǎo)針沿一定方向逐步移動，最終在一層的末端兩者對齊，而后在第一層末端繞線機繼續(xù)運動一圈，開啟下一層運動模式，出線導(dǎo)針減速再次滯后于繞線層，重復(fù)上一層的動作，直至完成整個繞線。同時為了實現(xiàn)精密控制，自動繞線設(shè)備采用了S型曲線加減速[13]，較好的解決了邊界排線錯亂的問題。最后，將控制算法配合的結(jié)果轉(zhuǎn)換成各個電機的PWM，完成繞線和排線的協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)自動繞線和排線的功能。

3 大尺寸線圈繞制效果及數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過各個機構(gòu)的安裝調(diào)試，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實物如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)的實物圖

該自動繞線機可以實現(xiàn)的繞線速度為40 r/min，通過計算完成一個1 500匝線圈的繞制僅需要40分鐘，相比人工繞線需要兩個小時甚至更長時間來說大大提高了繞線的速度，并且繞線的質(zhì)量也有所保證。人工繞線與自動繞線效果的對比如圖9所示。圖(a)是人工繞制完成一個線圈的效果，圖(b)中是繞制過程中的半成品，線圈繞制第10層時排線的效果，圖(c)是繞制完成的最終效果，從中可以看出邊界漆包線已經(jīng)有部分錯線，主要原因是排線算法中還存在一定的問題，隨著繞線層數(shù)的增加，層與層之間出現(xiàn)空隙而沒有及時填補。因此可以在未來的研究中繼續(xù)改進(jìn)排線算法。相比人工操作，線圈整體繞制的均勻性、致密性大大改善，并且保證了繞線中漆包線的張力一致。

圖9 人工繞線和自動繞線機效果對比圖

在本系統(tǒng)中對繞制的6個大線圈進(jìn)行參數(shù)的測量和計算。理想條件下當(dāng)空盤片骨架尺寸一定時，繞制1 500匝線圈時電阻值為15.20 Ω。6個線圈實際測量的電阻值和參數(shù)如表2所示。線圈0代表理想條件下的電阻值。其中采用的安捷倫34410A數(shù)字萬用表(6 1/2位雙顯示)對繞制的線圈進(jìn)行電阻測量。

表2 6個線圈主要驗證參數(shù)

對測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析可知，在繞制過程中，雖然是自動排線，但是由于精度和漆包銅線的緊密程度有一定的差別，使得繞制出來的線圈雖然有相同的匝數(shù)，但是實際漆包銅線的長度不一致，導(dǎo)致測量的電阻值并不一樣，但6個線圈電阻的差值在0～0.56 Ω，基本可以確認(rèn)繞制的線圈是均勻一致的。另外，通過對理想條件下電阻值與實際測量值偏差的百分比分析，該偏差基本穩(wěn)定在5%以內(nèi)，符合電磁力反饋系統(tǒng)中電磁鐵線圈的設(shè)計需求。

4 結(jié)束語

本文利用手搖繞線機、步進(jìn)電機、電缸平移臺、張力控制器等裝置設(shè)計了面向力觸覺再現(xiàn)的大尺寸電磁鐵線圈自動繞制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了各個模塊的制作和設(shè)計過程，研究排線控制算法精確指示各個模塊，完成整個繞線過程。最后對比分析了人工繞線與自動繞線效果，以及線圈繞制質(zhì)量，驗證了本系統(tǒng)的可行性和有效性。本系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)手搖繞線人工操作質(zhì)量差、單股繞線的難題，提高了自動繞線的抗干擾能力，使得繞制的線圈均勻一致，張力一致，緊密一致，對促進(jìn)電磁力觸覺再現(xiàn)的發(fā)展具有重要的研究意義。