在“碳達峰”和“碳中和”的國家目標(biāo)下，提高能效是各個涉電行業(yè)都面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著工業(yè)需求的擴大，電機作為電器和其他各種機械的動力源，電機的能效對產(chǎn)品的能效具有至關(guān)重要的影響。

　　1 繞線機行業(yè)

圖1 繞線機產(chǎn)業(yè)鏈分布

　　繞線機作為生產(chǎn)電機的基礎(chǔ)設(shè)備，產(chǎn)業(yè)鏈下游新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，如物聯(lián)網(wǎng)、新能源車、無人機、流行電動消費品等新興應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的逐漸成熟和市場普及，繞線機行業(yè)整體規(guī)模將持續(xù)擴大，帶動繞線機企業(yè)的新一步發(fā)展。

　　全自動繞線機，將線狀物體纏繞到特定的工件上的設(shè)備。繞線機向機電一體化發(fā)展的過程中，采用PLC可編程邏輯控制器作為設(shè)備控制核心，配合機械手、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、精密傳感器、液壓執(zhí)行組件來完成自動排線、自動纏腳、自動剪線、自動裝卸骨架等功能。

　　數(shù)控自動化繞線設(shè)備的速度、電子線圈規(guī)格的精準(zhǔn)度的提升，核心控制技術(shù)成為非常關(guān)鍵的影響因素。

圖2 繞線機現(xiàn)場圖

　　2 機型介紹——繞線機

　　常用的繞線機大致分為定子繞線機、轉(zhuǎn)子繞線機兩種。不同繞線機的工作原理與繞線工藝相關(guān)聯(lián)，下面分別介紹一下定子立式繞線機以及定子內(nèi)繞線機。

　　(1)定子立式繞線機

　　這類設(shè)備主要用于電機定子繞線，它將線繞到線杯上，再傳入下道的嵌線機，再將線杯上的線壓嵌入規(guī)定的定子槽內(nèi)，其工作原理如圖3所示。

圖3 定子立式繞線機工作原理圖

　　定子立式繞線機的工藝流程如下：

　　開機→整體回原→填寫繞線參數(shù)，設(shè)定勾線剪線位置→啟動按鈕→掛電子凸輪開始第一分度繞線→判斷沉模匝數(shù)，沉模軸跟隨繞線主軸沉模至設(shè)定位置→總匝數(shù)結(jié)束→XY軸到設(shè)定勾線/剪線位置勾剪線→下一分度繞線→分度結(jié)束繞線結(jié)束。

　　定子立式繞線機的控制要點有：

　　繞線杯模具(最多一個模具有7段位置)分段設(shè)定繞線匝數(shù)，沉模位置，繞線中用電子凸輪跟隨功能，實現(xiàn)沉模電機跟隨繞線主軸，高速間歇沉模或者連續(xù)沉模。

圖4 定子立式繞線機工藝流程圖及控制方案配置

　　定子立式繞線機觸摸屏系統(tǒng)自動監(jiān)控可以顯示主軸速度、沉模軸速度、繞線匝數(shù)等，可以對分杯電機參數(shù)、匝數(shù)與沉模高度、繞線等進行設(shè)定，配方選擇。

圖5 定子立式繞線機觸摸屏界面

　　(2)定子內(nèi)繞線機

　　定子內(nèi)繞線機是專門針對槽口內(nèi)向的定子產(chǎn)品。此機型傳統(tǒng)為單頭繞線，在單頭基礎(chǔ)上升級為雙頭同時繞線，效率明顯提升。

圖6 定子內(nèi)繞線機工作原理圖

　　本案例取材于三維機型——全自動勵磁定子內(nèi)繞線機，用于發(fā)電機的定子，用1mm~2mm的導(dǎo)線繞制而成。

　　系統(tǒng)對設(shè)備要求包括：

　　l 定子的自動繞線：自動排線、自動繞線、自動轉(zhuǎn)位;繞線完成，自動剪線。取下產(chǎn)品后，開啟下一個定子產(chǎn)品;

　　l 不同定子的更換：如果需要加工其他產(chǎn)品，更換模具即可;

　　l 觸屏系統(tǒng)可設(shè)定速度，監(jiān)察繞線信;繞線過程中允許調(diào)整速度，可隨時暫停。

圖7 定子內(nèi)繞線機工藝流程圖

　　定子內(nèi)繞線機的控制要點有：

　　l 速度控制：繞線工程需要緩慢加速，避免設(shè)備突然加速造成的沖擊;

　　l 工作模式：設(shè)定單動、聯(lián)動和全自動三種工作模式;

　　l 繞線順序：勵磁定子極數(shù)成對存在，正轉(zhuǎn)繞線與反轉(zhuǎn)繞線交替進行;

　　l 全自動控制：自動排線、自動繞線、自動轉(zhuǎn)位 ，自動剪線，一氣呵成。

　　3 合信控制方案 (解決方案)

　　繞線過程中，隨著線圈的變化，慣量在變化，選擇選擇一款性能優(yōu)秀的控制器，把控好繞線質(zhì)量尤為重要。定子內(nèi)繞線機控制系統(tǒng)采用合信CTH300系列PLC控制器，通過EtherCAT總線通信，搭配5個A4伺服進行控制。

圖8 合信定子內(nèi)繞線機控制方案

　　定子內(nèi)繞線機觸摸屏系統(tǒng)采用合信TP07i，可以顯示具體的繞線參數(shù)、排線參數(shù)等，并進行速度的設(shè)定、繞線匝數(shù)的設(shè)定，可以監(jiān)視當(dāng)前狀態(tài)、顯示報警信息;預(yù)設(shè)手動調(diào)試界面進行軸微調(diào)等功能。

　　4 定子繞線機控制核心產(chǎn)品

圖9 合信控制產(chǎn)品線

　　合信控制系統(tǒng)在繞線機上的優(yōu)勢包括：

　　(1)排線整齊

　　定子內(nèi)繞機：CTH300主控CPU具有軸組功能，支持上下主軸與排線軸的插補關(guān)系，保證每匝線圈繞線的平整度。

　　定子立式繞線：CTH300主控CPU在繞線中用電子凸輪跟隨功能，沉模電機跟隨繞線主軸，實現(xiàn)高速沉模。

　　(2)系統(tǒng)可靠性高

　　CTH300系列具有更高等級數(shù)字隔離(電源/總線/通道間光電隔離)、更嚴(yán)格的EMC設(shè)計等級(抗ESD、ETF、傳導(dǎo)、浪涌、抗輻射)，功能穩(wěn)定，性能可靠，最優(yōu)控制選擇。

　　(3)更具性價比

　　繞線機系統(tǒng)市場多為國外品牌控制系統(tǒng)，在國產(chǎn)化的趨勢下，國產(chǎn)PLC與伺服，具備強大的運動控制能力性能上保持水平線，成本優(yōu)勢極大。

　　(4)故障預(yù)警更方便

　　系統(tǒng)具備故障預(yù)警顯示，能便捷查找故障原因，同時對機器起保護作用。中途報警、停電等故障，都可以對纏繞線圈的中斷初進行操作無縫銜接。

　　(5)伺服恒轉(zhuǎn)矩滿足高精線圈要求

　　伺服驅(qū)動電機的調(diào)速方式，實現(xiàn)閉環(huán)運行控制，恒轉(zhuǎn)矩，適用于高精度線圈的加工要求。

　　綜上所述，合信全套控制(PLC+伺服+HMI)系統(tǒng)可以為繞線機設(shè)備提供高端、合理而又經(jīng)濟的選擇，實現(xiàn)精密排線。