繞線機(jī)廣泛用于電力、礦山機(jī)械、家具加工等行業(yè)，為通用設(shè)備。通過對佛山市繞線機(jī)企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)全市所使用的LX系列環(huán)形繞線機(jī)均存在較大的安全隱患，一旦操作不當(dāng)，不僅繞組作廢，而且可能會(huì)對人的手指造成嚴(yán)重傷害。為了降低繞組的廢品率以及增加安全性，本研究提出一種控制系統(tǒng)加裝在繞線機(jī)上，對作業(yè)進(jìn)行智能保護(hù)。
1安全防護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1確定設(shè)計(jì)方案
本項(xiàng)目研究對控制系統(tǒng)的要求:①提高繞組質(zhì)量，減少安全事故;②整個(gè)控制系統(tǒng)操作簡便、成本低、體積小;③根據(jù)人機(jī)工程學(xué)要求去安裝系統(tǒng)。
通過調(diào)研分析后，本項(xiàng)目確定通過改裝腳踏調(diào)速器，以達(dá)到降低繞線機(jī)速度，提高繞線機(jī)的安全性。腳踏調(diào)速器工作原理如同滑動(dòng)變阻器工作原理一樣，調(diào)速器是通過改變繞線變頻器外部控制回路電阻阻值大小，進(jìn)而改變繞線變頻器控制回路兩端電壓的大小，就可以改變繞線變頻器輸出回路頻率大小，達(dá)到改變繞線電機(jī)速度。因此，本研究確定在腳踏調(diào)速控制回路中，加裝繞線機(jī)防護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)不同危險(xiǎn)程度竄入不同阻值的電阻，以改變繞線電機(jī)的速度，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速。
確定總體設(shè)計(jì)方案是制作一套“繞線機(jī)安全防護(hù)裝置”:當(dāng)操作者的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)，由反射器發(fā)出的紅外光線反射到接受器中，紅外傳感器將低電平信號反饋給邏輯芯片，接著邏輯控制芯片根據(jù)所輸入信號的位置，通過單片機(jī)或邏輯判斷，將控制信號輸出至繼電器降速模塊，使不同阻值的電阻串接進(jìn)腳踏調(diào)速回路中，進(jìn)而改變腳踏裝置的電壓比例，從而降低繞線機(jī)變頻器的頻率，達(dá)到降低繞線電機(jī)轉(zhuǎn)速的效果，保證了操作者安全，防止操作工人因操作不當(dāng)，造成傷害，有效提高繞線機(jī)的安全性。
繞線機(jī)安全防護(hù)裝置原理如圖1，其中c通過各種開關(guān)及負(fù)載接繞線和排線變頻器的“VIN”接口;d1通過各種開關(guān)及負(fù)載接排線變頻器的“12V”接口;d2接繞線和排線變頻器的“0V”接口;U為繞線變頻器的兩端電壓的電壓源，改變電壓U的大小，就可以改變繞線變頻器和排線變頻器輸出電壓頻率大小達(dá)到可以控制繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速。
1. 2安全防護(hù)裝置工作原理及思路
本系統(tǒng)是基于龍鑫的LX系列環(huán)形繞線機(jī)設(shè)計(jì)的，通過佛山市富士川電業(yè)有限公司實(shí)地考察以及與操作人員交談后發(fā)現(xiàn):工人在操作龍鑫的LX系列環(huán)形繞線機(jī)時(shí)是將未繞線鐵芯放入3個(gè)滾動(dòng)輪中，具體操作是打開儲線環(huán)本體燕尾鎖條，將儲線環(huán)開口活動(dòng)段分開，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲線環(huán)開口部分;然后鎖上鎖條，踩下腳踏開關(guān)，使儲線環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)700 r/min，中途需用手將繞線鐵心中的線頭拔到另一邊去。由于繞線機(jī)轉(zhuǎn)速過快，工人需要很快的速度而又熟練的動(dòng)作去操作，這時(shí)就出現(xiàn)2種傷指現(xiàn)象:①己斷漆包線斷頭會(huì)插入手指，造成手指受傷;②高速運(yùn)轉(zhuǎn)的銅絲會(huì)壓到手指，輕者手指皮外出，重者壓斷手指。
1. 3變頻器工作原理
交流變頻器的工作原理:變頻技術(shù)是通過變頻器改變電源頻率，從而改變交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的一種技術(shù)。通過變頻器先進(jìn)行交流到直流的變換，再通過變頻器進(jìn)行直流到交流的變換，從而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。而本項(xiàng)目的龍鑫LX系列環(huán)形繞線機(jī)對變頻器的控制是通過控制輸入變頻器的模擬電壓，進(jìn)而控制變頻器輸出電源的頻率，使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨輸出電源頻率的變化而變化。
1. 4三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速
三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f/p(1-s)，可見，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)P及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率，那么磁通就過大，磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。
由于通用變頻器一般采用V/f控制，即變壓變頻(VVVF)方式調(diào)速，改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法。因此選擇了變頻調(diào)速方法，變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。其特點(diǎn):①效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗;②應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī);③調(diào)速范圍大、特性硬、精度高。
1. 5系統(tǒng)基本組成
最初設(shè)計(jì)該系統(tǒng)主要由51單片機(jī)最小系統(tǒng)、光電隔離繼電器模塊和紅外線數(shù)字避障傳感器組成。其中51單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源、外部晶振電路、復(fù)位電路和STC89C52芯片，后期經(jīng)過實(shí)踐，采用邏輯控制模塊更精準(zhǔn)。該防護(hù)裝置主要由紅外線數(shù)字避障傳感器、邏輯控制模塊和繼電器降速模塊組成。
安全防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示:當(dāng)操作人員的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，紅外線數(shù)字傳感器將檢測到的信號反饋給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊根據(jù)所反饋的信號輸出相應(yīng)控制信號至繼電器降速模塊，繼電器降速模塊將不同阻值電阻串接進(jìn)腳踏調(diào)速回路中，實(shí)現(xiàn)降低繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而起到安全防護(hù)作用。
2系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)和安裝
2. 1人機(jī)工程學(xué)理論
人機(jī)工程學(xué)是一門研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境間的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和體假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。它的主要研究內(nèi)容包括人體特性的研究、人機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、工作場所和信息傳遞裝置的設(shè)計(jì)、環(huán)境控制與安全保護(hù)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方向。目前在國內(nèi)這門學(xué)科的名稱尚未得到統(tǒng)一，出現(xiàn)了人類工效學(xué)、人體工程學(xué)、人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程等名稱，不同的名稱反映了在研究側(cè)重點(diǎn)或方法上存在著一些差異。
應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)能夠給人機(jī)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的指導(dǎo)，能使得機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)更加人性化，使處于不同環(huán)境下的人能安全地、有效地、健康地進(jìn)行工作和生活，以實(shí)現(xiàn)人一機(jī)一環(huán)境之間的最佳匹配。
2. 2系統(tǒng)裝置的人機(jī)工程學(xué)分析
研究繞線機(jī)安全防護(hù)裝置時(shí)應(yīng)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作，以使得防護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)安全可靠、與機(jī)械裝備配套設(shè)計(jì)、簡單、經(jīng)濟(jì)、方便的原則。安全防護(hù)裝置的作用是避免操作人員在誤操作時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對操作者的傷害。繞線機(jī)在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)操作者的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)時(shí)，紅外光束受阻，紅外光線反射到接收器中，傳感器發(fā)出反饋電信號給邏輯控制模塊，邏輯控制模塊輸出控制信號控制繼電器模塊，使適當(dāng)阻值的電阻串入腳踏調(diào)速回路中，進(jìn)而改變變頻器控制回路模擬電壓的大小從而減少繞線變頻器的頻率，達(dá)到降低繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證了操作者安全，使工人能夠有足夠的時(shí)間將手伸出來，以免受到傷害。
繞線機(jī)安全防護(hù)裝置應(yīng)該符合以下要求:①防護(hù)裝置保障在操作人員的手進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，有足夠時(shí)間避免危害;②防護(hù)裝置必須使其固定，防止被非管理人員移動(dòng);③防護(hù)裝置不能妨礙工人的操作。
2. 3系統(tǒng)裝置的模型設(shè)計(jì)及安裝
通過對龍鑫的LX系列環(huán)形繞線機(jī)儲線環(huán)以及機(jī)頭板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，決定將紅外線數(shù)字避障傳感器安裝在如圖3所在位置，既滿足人機(jī)工程學(xué)原理也達(dá)到防護(hù)裝置的檢測要求。
選用有機(jī)玻璃作為安全防護(hù)裝置原型機(jī)的支架的材料。安全防護(hù)裝置的支架如圖3和圖4所示，其中，圓弧型孔所在位置是用于安裝紅外線數(shù)字避障傳感器，圓弧型孔有助于在調(diào)試時(shí)移動(dòng)傳感器的位置以及角度，從而達(dá)到最好的檢測效果，使得安全度達(dá)到最高值，更好地降低安全事故發(fā)生率，得到最好的研究效果。
3硬件部分組成
3.1邏輯控制芯片的選擇
本項(xiàng)目中邏輯控制芯片用于接收傳感器反饋的輸入信號，并根據(jù)反饋信號輸出相應(yīng)控制信號給繼電器控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)降低繞線圈轉(zhuǎn)速的目的。邏輯芯片符合本項(xiàng)目控制要求。
3. 2繼電器模塊
本項(xiàng)目所采用的電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開觸點(diǎn))吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)因彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。
對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分:繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”;處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。繼電器一般有2股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。當(dāng)繼電器線圈兩端無電壓或電壓不夠時(shí)，繼電器的公共端(CUM)與常閉端(NC)接通。當(dāng)繼電器線圈兩端電壓達(dá)到吸合時(shí)，繼電器的公共端(CUM)與常開端(NO)接通，原理見圖6。
3. 3紅外線數(shù)字避障傳感器
本項(xiàng)目選用了價(jià)格便宜、抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高以及反應(yīng)快的反射式紅外線數(shù)字避障傳感器博光-SONK，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。
檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場合。博光一SONK ( NPN型光電開關(guān))其輸出狀態(tài)是0,1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平。沒檢測到物體時(shí)輸出高電平及VCC，檢測到物體時(shí)輸出低電平及0.7V。
4、聯(lián)機(jī)測試
通電源，當(dāng)按下安全防護(hù)裝置的開關(guān)按鍵，安全防護(hù)裝置紅色指示燈亮，2繼電器紅色電源LED指示燈亮，處于常態(tài)(非動(dòng)作狀態(tài))，此時(shí)可調(diào)電阻R1, R2沒有串入腳踏調(diào)速回路，繞線機(jī)穩(wěn)定工作。當(dāng)操作工人將手移動(dòng)到次級紅外線數(shù)字避障傳感器檢測范圍時(shí)，次級繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)吸合，相對應(yīng)的黃色LED指示燈亮，這時(shí)腳踏調(diào)速回路中串入可調(diào)電阻R，使得總電阻增加，導(dǎo)致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源U降低，繞線變頻器的頻率隨之降低。根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知，這時(shí)繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速n也隨之降低，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速也就降低了，這時(shí)工人操作的安全性也提高了。當(dāng)工人手繼續(xù)往儲線環(huán)移動(dòng)時(shí)，當(dāng)進(jìn)入一級紅外線數(shù)字避障傳感器檢測范圍時(shí)，一級繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)吸合，黃色LED指示燈都亮，這時(shí)腳踏調(diào)速回路中串入可調(diào)電阻R, , Rz使得總電阻增加到最大，導(dǎo)致輸入到繞線變頻器的模擬電壓的電壓源U降到可調(diào)節(jié)的最低值，繞線變頻器的頻率隨之降到最低，同樣根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可知，這時(shí)繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速也進(jìn)一步降低，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速也就降到較低速度，這時(shí)工人操作的安全性再次提高。
本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)安全防護(hù)裝置需與繞線機(jī)配合完成工作，按照以下步驟進(jìn)行測試:①檢查安全防護(hù)裝置接線是否正確;②將傳感器安裝到繞線機(jī)適當(dāng)位置;③將安全防護(hù)裝置串接到繞線機(jī)腳踏調(diào)速回路中;④將未繞線鐵芯放入3個(gè)滾動(dòng)輪中，打開儲線環(huán)本體燕尾鎖條，將儲線環(huán)開口活動(dòng)段分開，讓未繞線鐵芯中心空位穿越儲線環(huán)開口部分，然后鎖上鎖條;⑤踩下腳踏開關(guān)，使儲線環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng);⑥將兩只手分別從儲線環(huán)兩邊慢慢伸入到其中心位置，觀察紅外線數(shù)字避障傳感器和繼電器模塊工作狀態(tài)燈的發(fā)光情況及儲線環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。
5、結(jié)論
基于本系統(tǒng)完成的4套護(hù)手裝置己經(jīng)在佛山市富士川電業(yè)有限公司安裝，經(jīng)過3個(gè)月的運(yùn)行，沒有發(fā)生安全事故，有效保護(hù)了設(shè)備和工人。本系統(tǒng)是基于龍鑫的環(huán)形繞線機(jī)設(shè)計(jì)的一種安全防護(hù)裝置，彌補(bǔ)了市場同類產(chǎn)品的缺陷，加裝該安全防護(hù)裝置，能降低斷指工傷的發(fā)生率，具有成本低、體積小、控制較精確等優(yōu)點(diǎn)，普遍推廣應(yīng)用的價(jià)值大，市場潛力巨大，創(chuàng)造的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益更值得期待。
精密平行繞線機(jī)
精密環(huán)型繞線機(jī)
自動(dòng)飛叉繞線機(jī)
全自動(dòng)設(shè)備系列
精密線圈
包膠線圈
精密馬達(dá)線圈
空芯線圈
變壓器線圈