鉴于目前市场上所使用的环形绕线机均存在较大的安全隐患，一旦操作不当，不仅绕组作废，而且可能会对人的手指造成严重伤害。国内有专利报道的绕线机安全防护装置安全性、可靠性不够高，且功能单一，难以在实际上解决安全防护问题。

现有专利技术主要采用光幕法，即在绕线机的两边设立红外开关传感器、超声波探头或光栅，当手遮挡时即启动防护装置切断电机继电器和刹车，使绕线机不能运转，这对于在操作工更换绕组线圈时如果误踏脚板的特定场合，能够保护操作工的手不受伤害。但是，在实际绕线机正常绕线时，操作工经常要理线并拨拉线圈，手会遮挡传感器，从而造成绕线机不能运转。当绕线机在运转过程中因防护装置切断电机继电器和刹车，虽能保证人的手免受伤害，但当次绕线作业已不能继续，即当次的线圈不可用，从而造成生产效率严重下降，单纯检测到操作工人手部就使绕线机电机停止运转是不符合实际生产要求的。

针对环形绕线机正常绕线时因遮挡传感器而不能运转的情况，本文提出了一种用于绕线机的智能护手装置，该装置能根据操作人员手部位置的危险程度，对绕线机的绕线机构进行智能减速，从而达到安全防护的目的。

1 安全防护系统总体设计

1.1 确定设计方案

本项目对控制系统的要求包括：1）提高绕组质量，减少安全事故的发生。2）整个控制系统操作简便、成本低、体积小。

调研分析后，本项目确定通过改装脚踏调速器，以达到降低绕线机速度，从而提高绕线机的安全性。脚踏调速器工作原理如同滑动变阻器工作原理一样，调速器是通过改变绕线变频器外部控制回路电阻阻值大小，进而改变绕线变频器控制回路两端电压的大小，由此可以改变绕线变频器输出回路频率大小，达到改变绕线电机速度。因此，本研究确定在脚踏调速控制回路中，加装绕线机防护系统，根据不同危险程度窜入不同阻值的电阻，以改变绕线电机的速度，即储线环的转速。

确定总体设计方案时做一套绕线机安全防护装置：当操作者的手进入危险区域内时，由反射器发出的红外光线反射到接受器中，红外传感器将低电平信号反馈给逻辑控制芯片，接着逻辑控制芯片根据所输入信号的位置，通过单片机或逻辑判断，将控制信号输出至继电器降速模块，使不同阻值的电阻串接进脚踏调速回路中，进而改变脚踏装

置的电压比例，从而降低绕线机变频器的频率，达到降低绕线电机转速的效果，保证了操作者安全，防止操作工人因操作不当造成伤害，有效提高绕线机的安全性。

绕线机安全防护装置原理如图 1 所示。图 1中 c，通过各种开关及负载接绕线和排线变频器的VIN 接口；d1 通过各种开关及负载接排线变频器的 12 V 接口；d2 接绕线和排线变频器的 0 V 接口；U 为绕线变频器的两端电压的电压源，改变电压 U 的大小，就可以改变绕线变频器和排线变频器输出电压频率大小达到可以控制绕线电机的转速，即储线环的转速。

1.2 安全防护装置工作原理及思路

本系统是基于环形绕线机设计的，通过实地考察并与操作人员交谈后发现：工人在操作环形绕线机时是将未绕线铁芯放入 3 个滚动轮中，具体操作是：1）打开储线环本体燕尾锁条，将储线环开口活动段分开，让未绕线铁芯中心空位穿越储线环开口部分。2）锁上锁条，踩下脚踏开关，使储线环转动，其最高转速可达 700 r/min，中途需用手将绕线铁心中的线头拔到另一边去。由于绕线机转速过快，工人需要很快的速度而又熟练的动作去操作，这时就出现 2 种伤指现象：1）已断漆包线断头会插入手指，造成手指受伤。2）高速运转的铜丝会压到手指，轻者手指皮外出，重者压断手指。

1.3 变频器工作原理

交流变频器的工作原理是：变频技术是通过变频器改变电源频率，从而改变交流异步电动机的转速的一种技术。通过变频器先进行交流到直流的变换，再通过变频器进行直流到交流的变换，从而控制交流电机的转速。而本项目的环形绕线机对变频器的控制是通过控制输入变频器的模拟电压，进而控制变频器输出电源的频率，使交流电机的转速跟随输出电源频率的变化而变化。

1.4 三相异步电动机变频调速

三相异步电动机转速公式为

n=60 f/p（1-s）， （1）

式中，n 为三相异步电动机的转速，f 为供电频率，p 为电动机的极对数，s 为转差率。

由式（1）可知，改变 f、p 及 s 均可达到改变 n 的目的。

异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。由于通用变频器一般采用 V/f 控制，即变压变频（VVVF）方式调速，改变频率和电压是最优的电机控制方法。变频调速是通过改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。其特点为：

1）效率高，调速过程中没有附加损耗。2）应用范围广，可用于笼型异步电动机。3）调速范围大，特性硬，精度高。因此本研究选择变频调速方法。

1.5 系统基本组成

最初设计该系统主要由 51 单片机最小系统、光电隔离继电器模块和红外线数字避障传感器组成。其中 51 单片机最小系统包括：电源、外部晶振电路、复位电路和 STC89C52 芯片，后期经过实践，采用逻辑控制模块更精准。该防护装置主要由红外线数字避障传感器、逻辑控制模块和继电器降速模块组成。

当操作人员的手进入危险区域时，红外线数字传感器将检测到的信号反馈给逻辑控制模块，逻辑控制模块根据所反馈的信号输出相应控制信号至继电器降速模块，继电器降速模块将不同阻值电阻串接进脚踏调速回路中，实现降低绕线电机的转速，从而起到安全防护作用。

1.6 系统装置

系统装置主要有 3 部分构成，即控制系统盒、工作台上的传感器布置及脚踏调速控制，如图 2 所示。

第一横向支架，7为第二横向支架，8 为滑槽，9 为传感器导轨，10 为脚踏调速器，11 为红外传感器，12 为超声波传感器。

2 硬件部分组成

2.1 逻辑控制芯片的选择

本项目中逻辑控制芯片用于接收传感器反馈的输入信号，并根据反馈信号输出相应控制信号给继电器控制模块，从而实现降低绕线圈转速的目的。逻辑控制芯片 74LS21P 符合本项目控制要求。逻辑控制芯片 74LS21 为两组 4 输入端与门（正逻辑），其主要电气特性的典型值为：tPLH 为 8 ns，tphl 为 10 ns，PD 为 9 mW，其逻辑关系如图 3 所示。

图 3 中，输入电压为 7 V，A~D 间电压为 5.5 V，工作环境温度为 0~70 ℃，存储温度为-65~150 ℃。

各功能如表 1 所示。

2.2 继电器模块本项目所采用的电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，就可达到在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的常开、常闭触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为常开触点；处于接通状态的静触点称为常闭触点。继电器一般有两股电路，即低压控制电路和高压工作电路。当继电器线圈两端无电压或电压不够时，继电器的公共端（COM）与常闭端（NC）接通。当继电器线圈两端电压达到吸合时，继电器的公共端（COM）与常开端（NO）接通，其原理如图 4 所示。

在调试中，测得脚踏板中 Rp5 的电阻为 500 Ω。因此，为了控制绕线电机的速度，在继电器控制模块中联入 2 个最大值为 1 000 Ω 的可调电阻 R1 和 R2。

2.3 红外线数字避障传感器

本项目选用了价格便宜、抗干扰性强、灵敏度高以及反应快的反射式红外线数字避障传感器 ，博光-50NK，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。博光-50NK（NPN 型光电开关）其输出状态是 0、1，即数字电路中的高电平和低电平。没检测到物体时输出高电平及 VCC，检测到物体时输出低电平及 0.7 V。

其电气特性如下：工作电压为 5 V，工作电流为 10 mA，信号输出为 TTL 电平。感应距离为 2~50cm。尺寸为 31 mm×25 mm×13 mm。接线图时输出信号需要加上拉电阻。特点为输出信号稳定，不受可见光影响，寿命长。

3 联机测试

通电源，当按下安全防护装置的开关按键，安全防护装置红色指示灯亮，两继电器红色电源 LED 指示灯亮，处于常态（非动作状态），此时可调电阻 R1、R2 没有串入脚踏调速回路，绕线机稳定工作。

（1）当操作工人将手移动到次级红外线数字避障传感器检测范围时，次级继电器动作，常闭触点断开，常开触点吸合，相对应的黄色 LED 指示灯亮，这时脚踏调速回路中串入可调电阻 R1 使得总电阻增加，导致输入到绕线变频器的模拟电压的电压源 U 降低，绕线变频器的频率随之降低，根据式（1）可知，绕线电机的转速 n 也随之降低，即储线环的转速也就降低了，这时工人操作的安全性也就提高了。（2）当工人手继续往储线环移动，进入一级红外线数字避障传感器检测范围时，一级继电器动作，常闭触点断开，常开触点吸合，黄色 LED 指示灯都亮，这时脚踏调速回路中串入可调电阻 R1、R2 使得总电阻增加到最大，导致输入到绕线变频器的模拟电压的电压源 U 降到可调节的最低值，绕线变频器的频率随之降到最低。同样根据式（1）可知，这时绕线电机的转速 n 也进一步降低，即储线环的转速也就降到较低速度，这时工人操作的安全性再次提高。

本项目所设计安全防护装置需与绕线机配合完成工作，并按照以下步骤进行测试。

（1）检查安全防护装置接线是否正确。

（2）将传感器安装到绕线机适当位置。

（3）将安全防护装置串接到绕线机脚踏调速回路中。

（4）将未绕线铁芯放入 3 个滚动轮中，打开储线环本体燕尾锁条，将储线环开口活动段分开，让未绕线铁芯中心空位穿越储线环开口部分，然后锁上锁条。

（5）踩下脚踏开关，使储线环转动。

（6）将两只手分别从储线环两边慢慢伸入到其中心位置，观察红外线数字避障传感器和继电器模块工作状态灯的发光情况及储线环转动的速度。

4 小结

基于本系统完成的 4 套护手装置经过 3 个月的运行，没有发生安全事故，有效保护了设备和工人的安全。

本系统是基于环形绕线机设计的一种安全防护装置，弥补了市场同类产品的缺陷，加装该安全防护装置，能降低断指工伤的发生率，具有成本低、体体积小、控制较精确等优点，普遍推广应用的价值大，市场潜力巨大，创造的社会、经济效益值得期待。