1、数控绕线机研制问题的提出

随着电子电器工业的发展, 线圈的需求量越来越大、品种也越来越多, 从大型的电力变压器、牵引电机绕组到充电用的微型线圈、节能灯具用线圈, 以及各类电子设备都使用线圈。绕线机是用来绕制线圈的设备。在使用的各种绕线机中, 有最早的手工绕线,现在国内绕线机已有了全自动绕线机、多功能绕线机、自动绕线机等产品。从线圈生产的上线、排线、馈线、到线圈绕制下线等, 都实现了过程自动化。从绕线机的控制形式上看, 从单一的开环控制发展到使用直流伺服系统和交流伺服系统的闭环控制, 已经形成了由单轴绕制线圈到多轴同时绕制多个线圈的系列产品。但这些先进的绕线机产品价格很高, 对中小型电机制造企业的绕线使用来说, 功能有比较大的冗余,价格太高, 一旦出现故障自己难以维修, 所以作者针对某中小型电机制造厂使用机械式绕线机的缺点,根据实际生产不需要排线的要求,研制成本低、功能满足使用要求、简单易学、操作方便的数控绕线机。

2、数控绕线机总体方案的制定

2.1 总体方案的制定

如图 1 所示, 16 位单片机控制步进电机转动, 通过一级齿轮降速把转动传递到绕线轴, 当即将绕满匝数时, 单片机控制抱闸制动器使线滚子制动。根据生产中小型电机的需要, 本绕线机绕线的直径为0.8- 2mm, 最大可回旋直径 220mm,不需要排线功能。

2.2 有关参数的选择

①转动脉冲当量的选择: 转动脉冲当量取决于负载精度, 将负载的最小分辨率( 当量) 换算到电机轴上, 即得步进电机的步距角。因绕线首尾重合为一匝, 选转动脉冲当量 =0.5 度。

②步进电机选择: 选步进电机步距角 0.6 度, 齿轮变速 Z1=25,Z2=30,模数 m=1,绕线轴的转动脉冲当量为:

φ=α/i=0.6/(30/25)=2.5( 度)

步进电机的动态力矩一下子很难确定, 我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载, 而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时( 一般由低速) 二种负载均要考虑, 加速起动时主要考虑惯性负载, 恒速运行只要考虑摩擦负载。一般情况下, 静力矩应为摩擦负载的 2- 3 倍为好。绕线最大张力经机械式绕线机试验为 3.4 千克,摩擦负载转矩为 3.40～4.55Nm。

择静力矩一样的步进电机, 由于电流参数不同,其运行矩频特性差别很大, 可依据矩频特性曲线图,判断电机的驱动电压和电流。步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的, 一般只用力矩来换算功率, 力矩与功率换算如下: 根据功率 P=ωM,ω=2πn/60, ω 为角速度, 单位为弧度 / 秒, n 为转速转 / 分, 所以 P=2πnM/60,其中 P 为功率, 单位为瓦,M为力矩, 单位为牛顿米。综上所述, 步进电机的计算选择步骤如图 2 所示。

选择 130BC3100 型步进电机, 三相六拍工作方式, 步距角 0.6 度, 驱动电流 8A, 高低驱动电压 80 伏和 300 伏, 保持静转矩 11.76Nm, 满足负载转矩4.55Nm 的要求, 该步进电机运行频率比较高,为15000Hz,矩频特性比较好,在较高频下输出转矩不下降。

③抱闸制动器的选择: 制动器工作原理是利用摩擦副中产生的摩擦力矩来实现机械轴停止运转,引入抱闸制动器解决了停止绕线时, 因线滚子惯性继续旋转出现散线划伤线表面绝缘层, 省去了人工控制, 降低了劳动强度, 提高了产品质量和材料利用率, 通过计算和比较选择短行程电磁铁双瓦块式制动器,制动器的型号为 JCZ200/15, 制动器上电磁铁型号为 MZS1- 15, 线圈电压为 380 伏三相交流电压。

3 数控绕线机控制部分设计

3.1 数控绕线机步进电机控制部分设计

步进电机控制部分主要有如下功能: 人工通过键盘向微机输入绕线匝数、输入速度级数, 开发控制程序定义键盘有运行键、暂停键, 开机首次绕线时,先输入匝数和速度级数后, 按运行键则微机控制步进电机自动升速绕线, 当升速到要求的速度级数时就恒速运行, 当快到达要求的匝数时( 具体匝数实验确定) 自动降速运行, 微机控制抱闸制动器抱闸, 到达要求的匝数则线模和金属线滚子停止运转。当再次绕同样规格的线时只按运行键即可, 不用重复输入匝数和速度级数,框图如图 3 所示。

3.2 抱闸制动器控制设计

抱闸制动器控制为弱电控制强电设计, 其控制原理图如图 4 所示。微机并行输出口D1 位发出高电平, J1 继电器线圈带电, 其常开触点闭合, 电磁铁线圈带电, 实现抱闸; 微机并行输出口 D2 位发出高电平, J2 继电器线圈带电, 其常闭触点断开, 电磁铁线圈失电, 抱闸松开。

4 结论

本数控绕线机克服了机械式绕线机精度较差,效率较低的缺点, 降低了劳动强度, 提高了产品质量, 具有设定匝数、显示绕线信息、自动停机、暂停和线圈自动抱闸停转等功能, 适用于各种中小型企业的绕线, 成本低、精度高、操作简单方便、使用前景广阔。