摘 要：針對（duì）電機轉子高精度（dù）的繞線要求，在成熟（shú）的繞線機機械（xiè）結構上采用NUM公（gōng）司POWER 1040控（kòng）製器設計了電機轉子的自動繞線（xiàn）係統。在分析了機（jī）床設備的機（jī）械結構、繞組的繞製工藝流程上，給出了自（zì）動繞線係統的（de）整體硬件架構和電氣控製方案（àn），並編寫（xiě）了相應的軟件程序，最後對所設計（jì）的自動繞線係統進行了實際（jì）測試。設計的繞線係統對直徑為2.5mm的漆包線作半徑為500mm的圓（yuán）周運動繞線時單圈運動誤差小於0.1%。實際測試結果表明設計的控（kòng）製係統能高精（jīng）度（dù）的完（wán）成電機轉子繞製，具有（yǒu）較好的應用前景。

      關鍵詞：繞線機；電機轉子；數控係統；交流伺服（fú）控（kòng）製
 
        0 引言（yán）
 
        電機生產設備是我國裝備製造重點研（yán）發的方向。在電機生產中，轉子繞線是關鍵的環節，需要有效的（de）控製繞（rào）線機飛叉旋轉和平台進給（gěi）實（shí）現電機繞組的繞（rào）製。因此，繞線控製係統設計的好壞將直接影響繞線機的動作精度（dù），並最終決定生產的電（diàn）機（jī）性能。
 
       電機繞線（xiàn）發展曆史經曆了從手工到（dào）機器自動繞線過程。早期手工方式繞線精度不高，效率低且無法適應大規模生（shēng）產場合。目前，自動控製繞線已經成為研究的熱點。文獻[1]中（zhōng）提出采用PLC作為主控製器的繞線係（xì）統（tǒng），但PLC主要用於電氣設備的開關控製（zhì），將其用於多軸聯動控製效果不佳，且浪費PLC的端口資源。文獻[2]中設（shè）計的控製（zhì）係統使（shǐ）用DSP作為核心，雖然DSP具（jù）有很強（qiáng）的數字信號處理能力，但其控製功能和通信功能（néng）比較弱，且其不容易實現人機交互（hù）功能。數（shù）控係統（tǒng）在多軸聯動控製上具有精（jīng）度高（gāo），實時性強，便於實現等優點[3]。

      因此，本文基於NUM公司生產的power1040數控設備，在已有（yǒu）成熟的繞線機結構上設計了一種高精度電機轉子繞線控製係統（tǒng）。
 
      1 、繞線機機械結構及繞線工（gōng）藝流程
 
      1.1 繞線（xiàn）機機械結構
   
      繞線機機械結構示（shì）意（yì）圖（tú）如圖1所示。主（zhǔ）要包括：轉子固定裝置、張力裝置、水平進給平台、圓盤、飛叉、控製進給平（píng）台和圓盤旋轉的伺服電機以及極軸電機等。待繞線的轉子通過轉子固定（dìng）裝置固定在水平進給平台上；張力（lì）裝置通過氣動方式將待繞製的漆包線繃緊；進給平台伺服電機和圓盤旋轉伺服電機分（fèn）別通過傳動裝置控製進給平（píng）台和飛（fēi）叉做水平運動和旋轉運動；極軸電機控製轉（zhuǎn）子繞轉子中心軸每次90°轉動，用於實現電機轉子各極的依次繞線。
  
  

     
                               1圖 繞線機機械結構示（shì）意圖
 
      1.2 繞線機工藝（yì）流程
 
      繞線機繞線工藝流（liú）程主要包（bāo）含以下四個步驟：1）初始化：圓盤回原位，進給平台到達原點位置；氣缸氣壓加壓到設定的工作氣壓；通過轉子固定裝置（zhì）將（jiāng）轉子固定並將漆包線壓緊在轉子上，後通過張力控製器張緊漆包線。2）轉子單極繞（rào）線。控製器（qì）按設（shè）定的繞線程序（xù）控製伺服電機帶動（dòng）圓盤上的飛叉和進給平台（tái）分別做圓周運動和水平進給運（yùn）動。通過飛叉的旋轉和平台的進給配合實現轉子單極繞線。3）轉子（zǐ）轉向。當轉子單極繞線完成，極軸（zhóu）電機控製轉子轉動90°進入下一（yī）極繞線。4）繞線完成。人工剪斷漆包線取下繞製好的電機。
 
       2、 繞線機控製係（xì）統設計
  
  

       
                                         圖2 繞線機控製框架
  

                
  
                                    圖3 交流伺服電機（jī）閉（bì）環控製框圖
 
 
       繞線機控製係統（tǒng）結構框（kuàng）圖如圖（tú）2所示。係統采用NUM生產的數控設備作為主（zhǔ）控製器（NUM POWER1040）。主控製器通過通信電纜輸出控製信號給伺（sì）服驅動（dòng）器實現繞線機飛叉旋轉和平台進給的運動控製（zhì）。兩個交（jiāo）流（liú）伺服電機型號分別為BMH1423N1RA1C和BMH10952N1RF1C，配套（tào）的驅動（dòng）器型號分別為MNDA2025Q23和MNDA2010Q23。為了實現精準的運動控（kòng）製（zhì），針對兩台伺服電機設計速度和位置閉環反（fǎn）饋控製（zhì）。
 
       其中，主控製器、伺服電機驅動（dòng）器和伺（sì）服（fú）電機（jī）組（zǔ）成的閉環控製係（xì）統如圖3所示（shì）。伺服電機自帶編碼器輸出作為速度反饋控製信號，另外，設置在（zài）圓（yuán）盤同軸位置（zhì）的（de）10位編碼器輸出作為位置反饋信號。此外，主控（kòng）製器還支持人機交互功能。使用者可通過控製箱（xiāng）顯（xiǎn）示（shì）器及操作麵板完成對繞線機信息顯示、設置及參數修改等操作。操作箱除設計了人機交互界麵（miàn）外還配備了輔助電氣控（kòng）製按（àn）鈕以供用戶實時控製機（jī）床設備（如手動/自（zì）動、急停（tíng）/暫停（tíng）、氣（qì）缸動作、單（dān）步執行輸入指令等功能）。論文設計了與繞線機（jī）控製係統相對應的電氣控製原理圖，如圖4所示。380V回（huí）路中的諧波濾波器有效抑製電網噪聲和浪湧（yǒng）電流衝擊對係統的影響；設計380VAC/24VDC變壓器為（wéi）控製係統提供需要的24V直流（liú）工作電源；主控製器通過驅動器連接伺（sì）服電機（jī），同時它的電氣（qì）輸出模塊通過繼電器控製氣缸動作、極軸電機（jī）通電等；它（tā）的輸入模塊通過接（jiē）線端子獲取傳感器信號以及操作箱的按鈕動作（zuò）信號，並以總線數據通信的方式通過具有專用（yòng）接口的液晶顯示器進行人機交互。控製係統和具體執行（háng）機構上電過程如下：為了保證（zhèng）安全啟動，係統設置了兩個中間繼電器（K6、K7）實現輔助（zhù）伺（sì）服電機和極軸（zhóu）電機啟動。當氣缸壓力、關門信號同時滿足（zú）工作條件時，控製器控製K6閉合（hé）為。K6閉合並按下啟動按鈕後K7閉合並自保持，當控製器檢測（cè）到前門關閉信號（hào）後，SG1開關閉合，完成繞線機主要設備通電。主回路中除了極（jí）軸電機M3由控製（zhì）器直接控製外，交流伺服電機M1（飛叉（chā）軸電（diàn）機），M2（平台軸電機）通過對應的驅動器控製，當KM1～KM3接觸器閉合後，繞線機電機上電。
  

      
  
                                                  圖（tú）4 電氣控製原理圖
 
       3 、數（shù）控係統軟件（jiàn）程序設計（jì）
 
      論文對繞線機運動（dòng）模型（xíng）進行了簡單建模（mó）。將飛叉設置為Y軸，進給平台設置為X軸，建立（lì）一個坐標係[4]。當兩軸同時進行聯動時應滿足（zú）式(1)。
  
      
  
       其中，x和y分（fèn）別為平台進給距離和飛叉旋轉弧長距離；r為飛（fēi）叉到轉子中心的距離為500mm，vx和vy分別為（wéi）平台進給（gěi）速度和圓盤（pán）的轉速。與式(1)相對應（yīng），控製係統的平台（tái）軸所走的（de）實際路程和控製器發出的脈衝數需滿足式(2)，飛叉軸所走的實際路程和控製（zhì）器發出的脈衝數應滿足式(3)：
  
      
  
       其中絲杆螺距為6mm，半徑（jìng）為500mm，編碼寄存器值為210，減（jiǎn）速比為9。通（tōng）過式(2)、式(3)可分別求出電機需要的脈衝（chōng）數。最終設計的控製係統程序流程圖如圖5所示。首先用戶將設備通電後，設備自動初始化數據、各氣（qì）缸回原位，人工通（tōng）過操作箱按鈕控製各軸回原位。其次用戶選擇設備（bèi）處於手動或者自動工作模式。
 

       
                             圖5 程序流程圖
 
       若用戶選擇自動工作模式，則自動繞線步驟有：1）係統自（zì）動（dòng）選（xuǎn）擇用戶編寫（xiě）並預存於設備的程序，且不同轉子型號對應不同的程序。2）主控製器自動逐條讀取控製程序，通（tōng）過式(2)和式(3)計算所需要的脈（mò）衝並送給伺服電機驅動器。3）主控製器（qì）在每極繞線完成（chéng）時通過繼電器模塊控製（zhì）極軸（zhóu）電機帶動（dòng）轉子按轉（zhuǎn）子中心軸旋轉90°。4）轉子旋轉90°後主控製器（qì）繼續讀取程序並進行（háng）下一極繞（rào）線。5）待轉子四極繞組全部繞製完成，係統自動退出工作模式，至此繞線結束。
  
  

       
                                    圖6 設計繞線機實物圖
 
                               表1 繞線機使（shǐ）用2.5mm漆包線繞（rào）11圈，重複8次的測試結果
       
 
        若選擇（zé）手動工作狀態，則用戶首先（xiān）應通過人機（jī）界麵手動選擇程序，其（qí）次通（tōng）過控製箱上的按鈕逐步執行所選擇的（de）程序。其中執行控製兩軸運動的程序（xù）時，係統會根據式(2)和式（shì）(3)自（zì）動計算所需的脈衝數並輸出。待轉子繞組全部（bù）繞製完成後，係統退出工作模式。
 
       4 、係統測試
 
      繞線機組裝（zhuāng）後的樣機如圖6所（suǒ）示，為了驗證其（qí）數控係統設計的有效性，我們進行了實（shí）際電機轉子的繞線測試。采用2.5mm漆包線在轉子上繞製11圈，測試（shì）重（chóng）複8次。實際繞線測試結果和繞線效果分別如表1和圖7所示，進給平台和（hé）旋轉平台運動最大誤差分別小（xiǎo）於等於2μm和28μm。考慮到漆包線線徑為（wéi）2.5mm，設計的控製係（xì）統單圈繞線誤差小於0.1%。從實際繞線效（xiào）果（guǒ）圖（圖7）中可以看到，繞製完成後的轉子上（shàng）漆包線線（xiàn）距分布（bù）均勻，排列緊密，達到了電機轉子（zǐ）繞線的（de）要（yào）求。測試結果表明，數控（kòng）係統能夠有效地通過（guò）兩台交流伺服電機控製旋轉軸和水平進給軸聯（lián）動，實現高質量的電機轉（zhuǎn）子自動繞線。
 
       5 、結論
 
       本文提出一種以NUM數（shù）控設備為核心，以兩台交流伺服電機為傳動機構的繞線機自動控製係統（tǒng）。該係統（tǒng）通過（guò）兩台伺服電機（jī）控製兩軸聯動完成繞組的繞製，同時（shí）還設（shè）計了人機交互功能，方便用戶實時（shí）了解設備運行狀態。實際繞線測試結果證明所設計的控製係統能較好（hǎo）的實現直（zhí）徑2.5mm的漆包線的轉子（zǐ）繞製，單圈繞線誤差小於（yú）0.1%。設計的（de）繞線係統在實際工業生產中具（jù）有（yǒu）較好的應用價值。