劉彥希，王佳，吳浩，何慶中，龔佳

(四川輕化工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

互聯(lián)網(wǎng)作為現(xiàn)代人生活工作中不可或缺的一部分，正向規(guī)模更大、穩(wěn)定性更好的方向發(fā)展。RJ45連接器作為一種國際通用的以太網(wǎng)連接器，在網(wǎng)絡(luò)通信中起到重要作用。最新的RJ45連接器，內(nèi)部增加了網(wǎng)絡(luò)變壓器，可以大幅增加傳輸距離，增強(qiáng)傳輸信號，提供更舒適的體驗(yàn)[1-3]。

不同種類的RJ45連接器所使用的網(wǎng)絡(luò)變壓器也有所不同。文中選取單端口12針模塊化RJ45連接器中的U912002-2型網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行研究。網(wǎng)絡(luò)變壓器在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，主要是通過人工將銅線纏繞在針腳上[4]。為了提高網(wǎng)絡(luò)變壓器的生產(chǎn)效率以及節(jié)約人工成本，本文作者設(shè)計(jì)一種基于PLC的全自動網(wǎng)絡(luò)變壓器繞線系統(tǒng)。

1 繞線機(jī)平臺總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)對象

如圖1所示，該平臺生產(chǎn)對象為U912002-2型網(wǎng)絡(luò)變壓器，其膠殼呈長方形，11 mm(長)×6 mm(寬)×5 mm(高)，膠殼兩側(cè)均布12根直徑0.25 mm、伸出高度4 mm的針腳，其分別通過銅線與兩臥、兩立交替放置的4個帶銅線磁環(huán)繞連。

圖1 U912002-2型網(wǎng)絡(luò)變壓器

合格的網(wǎng)絡(luò)變壓器要求磁環(huán)上的銅絲與針腳一一對應(yīng)，每根銅絲需緊密纏繞在針腳上，且銅線繞針腳圈數(shù)應(yīng)不少于3圈。同時，不同針腳上的銅絲需按不同方向纏繞。以U912002-2型網(wǎng)絡(luò)變壓器為例，編號為1、3、4、6、7、9、10、12的針腳上的銅線要順時針纏繞；2、5、8、11針腳上的銅線需要逆時針纏繞。繞線完成后應(yīng)當(dāng)切除多余的銅絲，保證銅絲的線頭不得超出膠殼。

1.2 繞線機(jī)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)變壓器繞線平臺啟動后首先對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，再通過機(jī)器視覺技術(shù)找到1號針腳坐標(biāo)位置進(jìn)而完成對針腳的繞線動作，最后依次完成12個針腳的繞線任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)變壓器繞線平臺的工作流程如圖2所示。

圖2 繞線平臺工作流程

由于網(wǎng)絡(luò)變壓器體積小、質(zhì)量輕，故需要設(shè)計(jì)一個起固定位置作用的載具配合繞線頭工作。圖3所示是上料完成的網(wǎng)絡(luò)變壓器置于載具中。

圖3 網(wǎng)絡(luò)變壓器及載具

繞線平臺結(jié)構(gòu)中最核心的部分是繞線頭，繞線頭在PLC的控制下完成對網(wǎng)絡(luò)變壓器的夾線、繞線、切線工作。繞線頭部分主要由頂針氣缸1、切刀2、手指氣缸3、夾頭4、空心頂針5組成，如圖4所示。

圖4 繞線頭結(jié)構(gòu)

繞線平臺的工作流程如下：開始繞線之前，將上料完成的網(wǎng)絡(luò)變壓器連同載具固定在工作臺上，由安裝在機(jī)架上端的工業(yè)相機(jī)對網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行圖像采集；利用機(jī)器視覺技術(shù)將采集到的網(wǎng)絡(luò)變壓器圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，并進(jìn)行特征提??；對針腳位置進(jìn)行標(biāo)定，找到針腳坐標(biāo)后，將坐標(biāo)傳輸給PLC[5-6]。在進(jìn)行繞線時，PLC首先控制手指氣缸動作3，帶動夾頭4夾起待繞銅線，再給X、Y、Z軸的伺服驅(qū)動器發(fā)出指定脈沖并輸送給對應(yīng)的伺服電機(jī)；在多個伺服電機(jī)共同作用下將繞線頭移動到待繞針腳上方，此時繞線頭的空心頂針5置于第一個繞線針腳之上；然后PLC控制頂針氣缸1頂出使空心頂針5完全罩于待繞線針腳上方，進(jìn)而PLC給控制旋轉(zhuǎn)動作的R軸伺服驅(qū)動器發(fā)出脈沖指令，使R軸的電機(jī)動作，繞線頭部分將以空心頂針5為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；完成旋轉(zhuǎn)后將控制頂針氣缸收回頂針并控制繞線頭向后移動一定距離，使銅線能夠緊緊纏繞在針腳之上；最后將繞線頭移動到指定位置，用固定在繞線頭上的切刀2切斷銅線，松開夾頭，進(jìn)而完成了單個針腳的繞線。然后控制繞線頭向下一個針腳方向移動，對下一針腳進(jìn)行繞線。當(dāng)依次對單邊6個針腳完成繞線之后，控制R軸旋轉(zhuǎn)180°到對邊重復(fù)繞線，最后完成整個12針腳的網(wǎng)絡(luò)變壓器繞線工作。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過SolidWorks建立繞線平臺的三維結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。繞線平臺主要由工作臺1、X軸(左)2、網(wǎng)絡(luò)變壓器載具3、繞線頭4、Z軸5、工業(yè)相機(jī)6、Y軸7、框架8、X軸(右)9組成。

圖5 繞線平臺三維圖

1.3 繞線平臺控制系統(tǒng)

繞線平臺的控制系統(tǒng)主要由PLC和伺服控制系統(tǒng)構(gòu)成，完成繞線機(jī)構(gòu)的一系列動作，是整套設(shè)計(jì)中最為核心的部分。文中重點(diǎn)研究繞線平臺的控制系統(tǒng)部分[7]，繞線平臺的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)的選型

繞線平臺在工作時采用脈沖控制方式，且繞線平臺整體的負(fù)載較大，需要選用大慣量的電機(jī)[8]并且對精度和穩(wěn)定性也有一定要求[9]。

故研選松下MBDLN25SE型伺服驅(qū)動器、松下MHMF042L1V2M型電機(jī)，伺服電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 伺服電機(jī)主要參數(shù)

2.2 伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置

松下MBDLN25SE型驅(qū)動器需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[10]。伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置主要包括旋轉(zhuǎn)方向、脈沖輸入選擇、電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)、閉環(huán)增益等。根據(jù)繞線平臺的實(shí)際工況條件，設(shè)定的參數(shù)值如表2所示。

表2 伺服驅(qū)動器參數(shù)

3 PLC控制設(shè)計(jì)

3.1 PLC選型與接線

當(dāng)伺服驅(qū)動器接收到脈沖信號時，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的圈數(shù)，這樣可使繞線平臺的運(yùn)動機(jī)構(gòu)達(dá)到較高的精度水平，能夠滿足繞線平臺控制系統(tǒng)的需求，故選用的PLC必須擁有脈沖輸出功能。除此之外，所選用的PLC需要至少擁有18個輸入信號端口和23個輸出信號端口，其中包括6個限位傳感器輸入信號、3個原點(diǎn)傳感器輸入信號、5個伺服驅(qū)動器報(bào)警信號以及開始、急停、復(fù)位、手動運(yùn)行4個開關(guān)輸入信號；1個手自動指示燈輸出信號、2個氣缸控制輸出信號、5個報(bào)警清除輸出信號、5個伺服驅(qū)動器的使能輸出信號以及10個脈沖輸出信號。

因此，繞線平臺研選信捷XD3-48T-E型PLC。信捷XD3-48T-E型PLC擁有24個輸入和24個輸出端口，采用低電平方式輸出，信號比較穩(wěn)定，滿足了繞線機(jī)實(shí)際工況需求[11]。

在繞線平臺中，PLC需要控制4個軸，包括執(zhí)行位置命令的X、Y、Z軸以及執(zhí)行旋轉(zhuǎn)命令的R軸。PLC通過電纜與伺服驅(qū)動器的X4口相連，通過對伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號和脈沖方向信號來控制各個電機(jī)。繞線平臺的伺服驅(qū)動器與PLC接線如圖7所示。

圖7 繞線機(jī)伺服驅(qū)動器與PLC接線

3.2 PLC的I/O分配

根據(jù)繞線機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，PLC的I/O分配如表3所示。

表3 PLC的I/O分配

3.3 PLC編程

在XDPPro環(huán)境下編寫PLC的控制程序，PLC程序用梯形圖編寫，采用邏輯和順序控制[12]。繞線平臺的PLC程序主要包括了系統(tǒng)的復(fù)位和繞線兩個部分。編寫的PLC程序中S0～S99段控制繞線機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位，S100～S299段控制繞線機(jī)整個繞線動作。繞線機(jī)系統(tǒng)啟、停及復(fù)位的控制程序段如圖8所示。

圖8 繞線機(jī)系統(tǒng)啟停段PLC程序

繞線平臺在繞線過程中需要判斷是否完成了網(wǎng)絡(luò)變壓器單邊針腳繞線以及是否完成整個網(wǎng)絡(luò)變壓器針腳繞線，對應(yīng)功能的PLC程序段如圖9所示。

圖9 繞線機(jī)系統(tǒng)針腳判斷的PLC程序

網(wǎng)絡(luò)變壓器繞線時，不同的針腳繞線方向以及繞線圈數(shù)均不同。信捷PLC的C語言模塊專門用于復(fù)雜計(jì)算程序的編寫，利用二進(jìn)制編碼法解決繞線時不同針腳繞線方向和圈數(shù)不同的問題，在XDPPro環(huán)境下編寫C程序再通過梯形圖直接調(diào)用[13]。編寫的C程序如圖10所示。

圖10 控制繞線圈數(shù)、方向的C程序

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)與實(shí)物驗(yàn)證

4.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人機(jī)界面能給操作人員帶來極大方便、提高效率，也能減輕后續(xù)程序調(diào)試修改的工作量。此系統(tǒng)選用信捷TG-MT型觸摸屏開發(fā)人機(jī)界面。信捷TG-MT型觸摸屏使用TouchWin軟件完成人機(jī)界面設(shè)置。通過將PLC內(nèi)部的特殊寄存器設(shè)置給TG-MT型觸摸屏來完成控制功能，窗口可視化的人機(jī)界面能極大地提高系統(tǒng)的可操作性[14-15]。人機(jī)界面如圖11所示。

圖11 人機(jī)界面

4.2 實(shí)物驗(yàn)證

對網(wǎng)絡(luò)變壓器繞線平臺進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，搭建的繞線平臺如圖12所示。

圖12 繞線機(jī)平臺實(shí)物

驗(yàn)證之前先檢查各個硬件的線路連接是否正確，再設(shè)置好各類硬件的初始參數(shù)。啟動繞線平臺后先進(jìn)行復(fù)位，再將其調(diào)整到手動操作模式，在手動模式下每給出一個動作信號繞線機(jī)進(jìn)行一個繞線動作，手動模式檢驗(yàn)無誤后轉(zhuǎn)換為自動工作模式，系統(tǒng)將自動完成網(wǎng)絡(luò)變壓器的整個繞線過程。表4為不同時間下，測試?yán)@線機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)效率。

表4 不同時間下繞線機(jī)生產(chǎn)數(shù)據(jù)

由表4可看出：繞線平臺平均每小時繞線個數(shù)維持在120～130個，在單位時間內(nèi)產(chǎn)品合格率最高為97.6%，最低為96.2%，平均繞線合格率為96.7%。相較于傳統(tǒng)的人工繞線方式，單位時間內(nèi)的生產(chǎn)效率提高了3～4倍。由此可知：繞線平臺的工作效率以及產(chǎn)品合格率都較高，說明繞線平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件選型合理。

5 結(jié)論

基于PLC控制的網(wǎng)絡(luò)變壓器自動繞線機(jī)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、操作簡單的特點(diǎn)。采用PLC控制使得繞線機(jī)系統(tǒng)具有一定的自動化程度，同時PLC與上位機(jī)能夠通過串口保持實(shí)時通信，使得繞線機(jī)系統(tǒng)具有較好的抗干擾性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：繞線機(jī)生產(chǎn)效率為120～130個/h，產(chǎn)品合格率在96%以上。相比于傳統(tǒng)的人工繞線方式效率更高，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

下一步將采用多繞線頭設(shè)計(jì)，PLC控制多個繞線頭同時對多個網(wǎng)絡(luò)變壓器針腳進(jìn)行繞線，將極大提高生產(chǎn)效率，以滿足更高的工業(yè)生產(chǎn)需求。