（机械设计及理论专业论文）3d贴片电感线圈绕制关键技术与装备的研发.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 本文结合国家火炬计划“s k r x d q 多轴全自动数控绕线机项目项目 ( 2 0 0 8 g h 0 4 0 9 0 5 ) ，与杭州奥士玛数控设备有限公司合作，针对3 d 贴片电感线圈生产设 备控制系统进行研究。其中包括排线轴折返运动速度加减混合算法的研究，3 d 贴片电感 线圈绕制工艺的研究与设计，整机控制流程的制定，实现了设备硬件电路的设计，设备软 件的研究与设置，完成了p l c 和运动控制程序的设计，实现了设备的整机调试与生产。 首先研究3 d 贴片电感线圈生产设备的关键技术。在分析3 d 贴片电感线圈绕制工艺 的基础上，针对绕线过程中的排线轴高速折返运动容易导致设备振动的问题，采用加减速 曲线的多项式构造方法，结合加减速过程中加加速不连续的问题分析，提出高速折返运动 速度混合算法，保证排线轴高速折返运动时加减速平滑，提高绕线精度。 其次，研究3 d 贴片电感线圈生产设备的机械组成，阐述设备的关键功能部件。在此 基础上，结合产品具体技术要求，研究3 d 贴片电感线圈绕制的工艺方法，确定线圈绕制 工艺路线。根据工艺路线，设计系统整机生产控制流程。根据设备控制性能的要求，设计 控制系统的硬件总体框架，选择控制系统类型及电子元件具体型号，完成了系统的硬件电 路设计与调试。 最后，基于3 d 贴片电感线圈生产设备控制系统的硬件电路设计，结合3 d 线圈绕制 的工艺要求和控制流程，设计控制系统软件，其中包括p l c 开发的逻辑控制、运动控制 器开发的电机运动控制、v c 开发的上位机人机界面等等。完成了系统的软件设计与调 试。 经过联机调试运行，3 d 贴片电感线圈生产设备控制系统满足生产要求，高速折返运 动速度混合算法的提出，保证排线轴高速折返运动时加减速平滑，提高绕线精度，硬件电 路运行可靠，控制软件运行稳定。 关键词：p l c ；运动控制器；3 d 贴片电感线圈生产设备；速度混合算法； 浙江理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o o p e r a t e dw i t ho z m a ，t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee q u i p m e n t f o rp r o d u c t i o no f3 de l e c t r i c i n d u c t i o n sc o 订i sr e s e a r c h e da n ds u p p o r t e db yt h en a t i o n a lt 0 r c hp l a i l s ( 2 0 0 8 g h 0 4 0 9 0 5 ) v e l o c i t ) rb l e n d i n ga l g o r i t h mf o ra x e sm o v i n ga c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ni sf i r s t l yr e s e a r c h e d f o rw i n d i n gt o o l i n gm o v i n gb a c ka i l df - o n hs m o o t h l y t h e nt h et e c h n o l o g ) rf o rw i n d i n go ft h e 3 de l e c t r i ci n d u c t i o nc o i l i sd e v e l o p e da 1 1 dc o n f i m e d a n dt h ec o i h l e c t i o nc i r c u i tb e t w e e nt h e s e r ，o 锄p l i f i e ra n dm o t i o nc o n t i o n e ri sd e s i g n e d b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fw i n d i n ga n d h a r d w a r ed e s i g n ，t l l ec o n t r o lp r o g r 锄i np l ca 1 1 dm o t i o nc o m r o l l e ri sp r o 铲a m m e d t h e c o m m u n i c a t i o nb e 撕e e np ca i l dp l ci se s t a b l i s h e d b yh 啪a i l c o m p u t e ri n t e 血c e a tl a s t ，t h e w h o l es y s t e mi st e s t i n g 觚da d j u s t e d p r o d u c t i o nf o r3 de l e c t r i ci n d u c t i o nc o i lw i n d i n gi s a c c o m p l i s h e d i nt h ef i r s t ，t l l ek e yt e c l u l o l o g i e sf o r3 de l e c 仃i ci n d u c t i o nc o i l 晰n d i n ga r er e s e a r c h e d b a s e do nt h ek e yt e c l u l o l o g i e sf o rt h e 诮n d i n go f3 de l e c t r i ci n d u “o nc o i la n da n a l y z i n gt l l e l l a 肌如lv i b r a t i o nd u et o 晰n d i n gt o o l i n gm o v i n gb a c ka i l df i o n hi nh i 曲s p e e d ，an o v e lv e l o c i 锣 b l e n d i n ga l g o r i t h mi sp r 0 1 ) o s e d 1 1 1 ea l g o r i t l nc 锄m a k e st l l e 丽n d i n gt o o l i n gm o v i n gs m o o 伽y a 1 1 di m p m v e st h ep r e c i s i o no fw i n d i n ge 衔c i e n t l y s e c o n d l y t i l em e c h a n i c a lc o m p o n e n to ft h ee q u i p m e n ti s i n t r o d u c e d b a s e do nt l l e t e c 1 1 1 0 l o g y ，t 1 1 e f l o wc h a no f 埘n d i n gi sd e v e l o p e da i l dd e t e m l i n e d a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to ft h ec o n t r o l ，t h eo v e r a l ls t m c t u r eo fc o m r o ls y s t e mi sc o n s t n l c t e d a r l dt l l e c o n t r o l l e r 锄ds e r v os y s t e ma r es e l e c t e d a “a s t ，t h ec i r c u i tc o r u l e c t i o n so fw h o l ee q u i p m e n ta r e d e s i g n e da n d i n s t a l l e d t l l i r d l y ，b a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i to fc o n t r o ls y s t e ma i l dt h et e c l l l l o l o g y ，t l l e 珥o 伊锄 o fp l ca n dm o t i o nc o n t r o l l e ri sd e v e l o p e da n dd e b u g g e d o n l i n et e s t i n go ft h ee q u i p m e n ts h o w sc a nm a k e st h e 、) l ，i n d i n gt o o l i n gm o v i n gs m o o t l l l y a i l di m p r o v e st h ep r e c i s i o no f 、耐n d i n ge 伍c i e n t l y a n dt l l eh a r d w a r ec i r c u i ti sr e l i a b l e 锄dt l l e p r o g r a mi ss t a _ b l e k e yw o r d s ：p l c ；m o t i o nc o n t r o l l e r ；3 de l e c 仃i ci n d u c t i o n sc o i l ；v e l o c i t yb l e n d i n ga l g o r i t h m ； i i 浙江理工大学硕士学位论文 课题研究的背景与意义 第一章绪论 随着汽车行业的迅猛发展，无钥匙门禁系统( p a s s i v ek e y l e s se n t r ) r ，p k e ) 得到了 更广泛的应用1 】【2 】【3 1 。p k e 技术是由传统的遥控无钥匙门禁( ar e m o t ek b y l e s ss y s t e m ， 砌 ) 发展演变而来的，使得汽车驾驶人员无需通过按钮来遥控开、锁车门，只需拥有一 个有效的应答器就可自由进入车辆【4 】。 p k e 不是传统的钥匙，而是一个智能钥匙。当驾驶员靠近p k e 系统的感应区域( 如 图1 1 所示) 时，只要驾驶员的手触及车门把手，驾驶员携带的p i 姬系统的身份识别“钥 匙 会接收到汽车发送的低频信号，并与“钥匙”中保存的身份识别信息进行比较，如 后篙i ；l 撵测范罔 蚴划秘 岔 柔弱撵浏范嘲 铝驶妊 q i 髹铡龅l h 图1 1p k e 技术的应用 果这个信号与“钥匙”中保存的身份识别信息一致，“钥匙”将起作用【5 】【6 】。“钥匙”上的 三维全向天线输入电路能够保证“钥匙”在任何方位能检测到汽车发出的唤醒信号。与传 统砌江相比，p k e 技术主要优势包括： 1 ) 零操作性：使用砌 的用户每次开锁和上锁前都需要按一下遥控器，而p k e 则 完全不需任何操作。 2 ) 高安全性：p l 的双向通信认证方式显然更安全，这种方式大大降低了被截码、 破解的可能性，从而保证了用户的财产安全。 3 ) 高抗干扰性：因为r k e 很容易受到同频干扰而无法正常工作，而p l 娅在受到同 频干扰时，门会一直处于上锁状态。 3 d 贴片电感线圈( 即三维天线线圈) 是p l 旺三个主要组成部件之一【7 】其质量的优 劣对p k e 天线沿x ，y ，z 三个方向的灵敏度有很大的影响，因此对绕制p k e3 d 贴片电感 线圈的工艺与装备具有较高的要求。国内对p k e 产品的研发尚处于技术引进吸收阶段， 一粤 浙江理工大学硕士学位论文 虽然在理论实现手段方面取得显著进展，但对于p k e 产品的关键硬件( 如3 d 线圈) 的 研发和生产术尚属技术空白。 无钥匙门禁系统是当前汽车电子技术发展的热点，符合未来汽车的智能安全的发展方 向，将成为未来汽车必备的安全配备之一，具有极佳的市场前景和巨大的潜在效益。因此， 针对该系统的关键部件3 d 贴片电感线圈的绕制技术与装备进行研发符合技术和市场的发 展方向，必将对我国高端绕线技术与汽车工业的发展起到积极的推动作用。 1 2 国内外绕线技术发展现状 一、国外绕线技术发展现状 欧美、日本等国家f 3 】或地区生产的绕线设备已实现自动化、智能化、网络化，其中以 日本、意大利、美国、德国生产的绕线设备最先进，上述国家都有各自的知名绕线机9 】 生产企业，绕线设备质量可靠、生产效率高，在绕制精密线圈和特殊用途线圈方面优势明 显。 日本、意大利和德国的绕线机性能可靠、功能齐全、自动化程度高，基本实现流水线 作业( 如图1 2 、如图1 3 所示) ，产品市场适应能力强，因而受到广大用户的欢迎【1 0 】。 美国绕线机及配套设备具有较完备的人机交互平台，便于程序操控，设备柔性化程度 高，机型美观，适合绕制形状复杂、精度要求高的线圈。 图1 2 日本全自动线圈生产线 台湾产绕线设备具有性能可靠、操作简单、绕线质量稳定、排线均匀的特点，较适于 多元化生产线。 目前，发达国家和地区生产的绕线机绕线轴最高转速基本为1 0 ，o o o 2 0 ，o o o 转分， 如日本日特机械工程株式会社生产的a n 2 4 0 型标准规格绕线机，其绕线轴最高转速为 2 浙江理工大学硕士学位论文 1 0 ，o o o 印m ，其绕制精度和可靠性都处于世界领先水平。美国s a r c e ma m e r i c ai n c 生产的 g s 6 绕线机，绕线轴最高转速达1 2 ，0 0 0 叩m ，可绕制内径5m m 的电机转子线圈，且绕线 匝数误差相当小。意大利m a r s i l l i 生产的b w 8 - 6 绕线机，绕线轴最高转速达1 2 ，0 0 0 r i 髓； 德国a 啪a l u ln o n ha m 鲥c ai n c 生产的l w s 一8 8 0 绕线机，绕线轴最高转速达2 0 0 0 0 印m ， 图1 3 惫大利全自动线圈生产线 该绕线轴为马达直接驱动，具有很多优点。在排线和张力控制技术方面，国际先进的制造 厂家大都有自己的核心技术，但作为核心技术机密受到保护。 二、国内绕线技术发展现状 国产绕线机以单机生产为主，在高速性、绕制精度、可靠性等方面与世界先迸水平差 距较为明显，现阶段国产绕线机大多还工作在6 0 0 0 转，分以内，这使得国产绕线设备加工 效率大大低于进口绕线设备。 目前，国内现有的几百家绕线机企业多为中小型企业，与日本、欧美、台湾等国家或 地区的企业相比，起步较晚且规模较小，技术相对落后。但国内大多企业绕线机已有了全 自动、多功能、自动化的产品，从线圈骨架的上料、缠头、排线、缠尾、到线圈骨架的下 料都实现了过程的自动化【l l 】。控制的形式从单一的步迸电机的开环控制【12 1 ，到使用交流 伺服系统的闭环控制，且由单轴绕制线圈到多轴绕制多个线圈的系列产品。对于绕制 线圈的转速、绕制线圈的质量与进口绕线机存在一定的差距。国内多家企业积极消化吸收 进口绕线新技术，同时积极开发、研究新产品。 国内有代表性的企业，如先锋数控绕线设备厂是国内大型绕线机制造厂，产品规格齐 全，主轴采用交流伺服电机驱动，能实现单轴、多轴同时绕线，控制采用电脑数控，具有 自动排线、自动停机等功能；杭州奥士玛数控设备有限公司是集开发、设计、制造c n c 3 浙江理工大学硕士学位论文 电脑数控绕线机和图像检测设备为一体的专业厂家，注重新技术的开发，具有多项自主产 权技术。 国内生产的绕线机虽然与国外绕线机水平存在一定差距，但重视新产品的开发与研 究，逐步向高性全自动方向发展。 一 1 3 论文主要结构安排及主要内容 1 3 1 论文的总体框架 ：第一章 。! 绪论 。 紫? 二一一一么l 一一一一一一一 一一一一一一二一一一一二蔓一二一一一一一里攀堂皂警篓 第三章l 3 d 贴片电感生产设 ：备整机功能研究j功能分析 一一一_ ：。，一一：一* - 一二一、t 晨，一一篇篓，一一一 ；第四章l 第五章 i 3 d 贴片电感生产设备；3 d 贴片电感生产设备| i 控制系 k “ - _ _ 1 3 2 论文主要研究内容 控制开发 为紧跟技术与市场发展方向，本文结合国家火炬计划“s k r x d q 多轴全自动数控绕 线机项目”项目( 2 0 0 8 g h 0 4 0 9 0 5 ) ，与杭州奥士玛数控设备有限公司合作，系统研究了排 线轴折返运动的加减速混合算法，拟定了p k e3 d 贴片电感线圈绕制工艺与工序，设计了 伺服和运动控制器接口电路，进行了人机对话界面的程序设计，完成了p l c 和运动控制 程序设计，并实现了设备的整机调试与生产。 本文的主要内容安排如下： 第一章了解电磁线圈和绕线机的市场背景，研究国内外绕线机发展现状与趋势的基础 上，分析国内生产绕线机的问题，提出了研究全自动数控绕线成套装备的重要意义。 4 浙江理工大学硕士学位论文 第二章分析3 d 贴片电感线圈生产设备的关键技术，针对绕线过程中排线轴与主轴高 速同步时折返运动产生过大加速度而易致设备振动的问题，采用多项式速度曲线模型，引 入距离、最大速度等约束条件，提出新的速度加减速度混合算法，保证排线轴高速折返运 动时加减速平滑，提高绕线精度。 第三章对3 d 贴片电感线圈生产设备整机功能进行研究。首先介绍3 d 贴片电感线圈 生产设备的机械组成，并对设备的关键功能部件进行阐述；分析3 d 贴片电感线圈绕制工 艺方法；确定线圈绕制的工艺路线；最后确定上层p c 与底层p l c 控制任务与时序。 第四章3 d 贴片电感线圈生产设备控制系统硬件设计。在研究3 d 贴片电感线圈生产 设备整机功能的基础上，对控制系统的整体框架进行设计；最后完成对p l c 及电器元件 的选型和硬件电路的设计。 第五章3 d 贴片电感线圈生产设备控制系统软件设计。在研究3 d 贴片电感线圈生产 设备整机功能和硬件电路的基础上，结合线圈绕制的工艺和时序，以模块化编程的编程思 想，编写p l c 模块程序；通过以太网与人机界面进行通讯，实现用户与系统之间的交互。 最后进行绕线机的现场安装和调试，验证其硬件设计和软件设计的可行性与合理性。 第六章总结本文所完成工作内容，并对未来的研究工作进行展望。 5 浙江理工大学硕士学位论文 第二章绕线机关键技术的研究 本章根据绕线机原理，针对3 d 贴片电感线圈生产设备关键技术进行研究。分析3 d 贴片电感线圈生产设备的关键技术，针对绕线过程中排线轴与主轴高速同步时折返运动产 生过大加速度而易致设备振动的问题，采用多项式速度曲线模型，引入距离、最大速度等 约束条件，提出新的速度加减速度混合算法，保证排线轴高速折返运动时加减速平滑，提 高绕线精度。 2 1 绕线机原理 绕线时，绕线设备主轴系统和尾顶系统带动固定于夹具上的线圈骨架高速旋转，精密 排线装置以和主轴转速成相应比例的速度，带动漆包线沿骨架作往返直线运动，从而实现 漆包线均匀紧密地缠绕在线圈骨架之上( 如图2 1 所示) 。在此过程中，采用高速主动 送线式电子张力器实现漆包线的张力恒定控制【1 5 】，利用多点接触夹持机构实现多根漆包 线同时缠绕时的可靠夹紧，由自动上下料机构实现骨架的自动装卸，在控制系统的统一调 配下，设备各部件协调工作，实现3 d 贴片电感线圈的x 、y 、z 各向绕制。 漆包线的运动规律如图2 1 所示，卷绕线为一螺旋线，匝间的法向螺距为凡；由几何关 系和速度分析可得： 生：生 2 r 1 1一= 一 ，tl ， ， 一 式中，r 导线速度( 排线架移动速度) ； 矿卷绕线速度( 单位时间内的绕线长度) ； 见匝间的法向螺距： _ 2 广每转一周卷绕线的长度。 图2 1 漆包线运动规律 由式2 一( 1 ) 可知，在线圈绕制过程中，欲使排线均匀，则吃值应保持不变。v 为绕 6 浙江理工大学硕士学位论文 线轴转一转的时间，在稳定绕制( 除启动和结束阶段，占总时间的比例极小，不影响排线 精度) 过程中，绕线主轴转速行不变，即，。v 保持不变。 2 2 绕线关键技术 3 d 贴片电感线圈生产设备主要用于实现骨架的x 、y 、z 各向绕制，根据绕制工艺 分析，要实现3 d 贴片电感线圈的绕制，设备必须具备高精度排线控制技术、恒张力高速 主动送线控制技术、多线夹持技术、高速高可靠主轴系统设计技术【1 6 】，骨架自动上下料 协同控制技术等关键技术。 1 ) 高精度排线控制技术 高精度排线技术是排线致密、均匀的前提条件，是线圈产品质量的根本保证。3 d 贴 片电感线圈生产设备排线系统要求能够实现绕线轴绕组均匀，线匝排列紧密，无锥形、无 塌陷和突起，漆包线能正确的缠头、缠尾和进出卡线槽。 在绕制线圈的中间部分时，保持不变，则绕线主轴角位移和排线架位移为线性关系， 通过采用二轴线性插补算法可保证绕线主轴和排线轴保持严格的同步线性关系。但在绕至 骨架端部时，排线架必须折返，由正稳定值减小到0 ，再从o 加速至负稳定值，一段时 间后再减速至0 ，最后加速至正稳定值，使在折返过程中发生变化，产生过大加速度而 易致设备振动问题，因此，排线架的折返控制就成为控制绕制层面的关键。本章针对绕线 折返问题，提出了新型的加减速算法，在此基础上提出了速度混合算法，该算法可克服在 绕线过程中因速度折返而引起设备振动的问题。 2 ) 恒张力高速主动送线控制技术 恒定的绕线张力是提高绕线转速、缩短张力调整时间、降低断线频率和废品率的前提， 是提高线圈产品质量和线圈阻值稳定性的保证【1 7 】；绕线张力的稳定性是衡量绕线机性能 的重要因素，张紧力过小会影响线圈精度和绕线致密度，张紧力过大则有可能造成断线故 障，从而影响设备生产效率。因此对于高速细线的绕制，高精度闭环张力控制技术至关重 要。 3 ) 多线夹持技术 多根漆包线同时缠绕时，夹线机构用来夹住待绕漆包线的线头，便于让x 、y 、z 三 维运动装置驱动排线装置进行缠脚动作。当工件缠头完成后，通过移动x 、y 、z 三维运 动装置使剪线机构处于剪线位置，把夹线机构与引脚之间的漆包线剪断，驱动气缸驱动气 爪放松，松开夹线手指从而松开漆包线，旋转气缸连续几次由垂直状态向水平状态转变， 7 浙江理工大学硕士学位论文 并给予吹气，通过连续的甩线动作，使漆包线从夹线手指之间掉入废料盒中。 4 ) 高速高可靠主轴系统设计技术； 整体装入式绕线机专用高速主轴可利用轴承支撑之间的空间，并有效缩短主轴后端的 悬伸长度，在不增大轴径的情况下提高主轴的一阶固有频率，能够进一步消除主轴在运转 过程中发生共振的可能性；整体装入式高速主轴单元将通常位于两轴承支撑之间的定压预 紧装置所产生的对轴承外圈的推力转化为拉力，因而可省却螺母或其它紧固件来固定后端 轴承，从而避免了由轴上的螺纹所引起的静不平衡量以及对轴体刚度及疲劳寿命的削弱。 与传统主轴结构相比，整体装入式高速主轴单元在滚动轴承轴向预紧结构方面做了较 大改进，其主要特点包括：整体装入式高速主轴单元采用脂润滑的滚动轴承支撑，结构简 单、紧凑，工作性能可靠；主轴单元滚动轴承采用新型轴向定压预紧装置，预紧力大小可 在装配时根据实际需要进行调节，可有效避免由零部件的热膨胀所造成的卡死现象；高速 主轴单元中与轴壳一起旋转的部件较少，便于从生产工艺上实现每个旋转部件的动平衡。 图2 2 整体装入式绕线机专用高速主轴单元 1 一轴、2 一轴端螺母、3 一前端卡簧、4 一前端轴承、5 一轴壳 6 一轴套、7 一卡簧、8 一弹簧挡罔、9 一弹簧、1 0 一弹簧座、l l 一锁紧螺母 1 2 一后端轴承1 3 一滑动套、1 4 一同步带轮 如图2 2 所示，整体装入式高速主轴单元由轴1 、深沟球轴承( 或角接触球轴承) 4 和 1 2 、轴承轴向预紧组件、轴套6 和轴壳5 等零部件组成。前、后轴承分别采用n s k 6 0 0 4 和n s k 6 0 0 2 普通精度深沟球轴承，也可采用背对背方式安装的n s k 7 0 0 4 和n s k 7 0 0 2 角 接触球轴承。由于主轴单元在快速升速和高速运转过程中滚动轴承会产生大量摩擦热，因 而采用具有良好耐高温性能的美孚x h p 2 2 2 型高速润滑脂对轴承进行润滑，该润滑脂具有 较强的抗高温氧化能力，可在2 0 1 5 0 工作温度范围内保持一致的粘稠度，并具有优良 的抗抛脱特性和密封特性。 8 浙江理工大学硕士学位论文 5 ) 骨架自动上下料协同控制技术； 3 d 贴片电感线圈生产设备的上料、) ( y z 单机绕线、移料、卸料协同控制技术。如 开始时自动上料机构自动抓好料至x 单机上料，x 单机开始绕线的同时，回至安全位置 的自动上料机构去抓料，抓好料后至安全位置等待x 单机工作完毕后随时上料。左右移 料机构无料时，在安全位置等待至x y 单机卸料；有料时，在安全位置等待y z 单机工 作完毕后随时上料。自动下料机构无料时，在安全位置等待z 单机工作完毕后立即卸料， 当自动下料机构抓好料至安全位置时，抓有料的右移料机构马上至z 单机上料，同时自 动下料机构至生产流水线放料；x 、y 、z 单机之间相互独立，可单独启动，其中任一或 二个单机在运行的时候，可以对其它单机进行编程控制，如图3 2 7 、3 2 8 所示。 2 3 折返的速度混合算法研究 2 3 1 加减速模型的多项式表达 针对高精度排线问题，提出新型的加减速控制算法。加减速控制算法【2 2 】【1 8 1 是数控系统 插补烈1 9 】【2 3 1 的重要组成部分，是现代数控技术的关键技术之一。传统的加减速有直线加减 速和指数加减数2 种。传统的加减速比较容易实现，但在精密控制中，主要存在以下两点 不足【2 4 1 。一，电机特性不能很好的配合；二，当机械由静止状态启动时，传统的加减速启 动加速度较大，引起加速过程对机械部件的冲击，影响零件加工质量和设备的使用寿命。 传统的加减速在速度变化过程中存在冲击，但目前高档数控系统中的s 型曲线加减速 1 2 5 】【2 4 】【2 5 】，加速度变化连续，避免了在加减过程中的柔性冲击【2 6 j f 2 8 】，缺点是加加速度不连 续，柔性受到限制。针对以上问题，本节采用多项式构造出四次多项式加减速模型，可根 据绕线的需求，对曲线形状参数设定，构成各种s 型加减速曲线。为了有效的实现不同速 度的过渡，结合新型s 型加减速算法，进一步提出连续段内的速度混合算法。该算法实现 不同速度之间的矢量混合【2 8 1 ，避免绕线过程中因速度折返而产生的振动问题。 在数控系统中，加减速模型必须满足以下几个方面：速度、加速度连续；速度和加速 度在变速开始和终止时，起始速度和终止速度必须与要求的速度一致；起始和终止点的加 速度必须为零。 1 ) 加速模型 如图2 3 所示，设定加加速度为，r 、，p 所研究的s 型加减速曲线可分成5 部分： 加加速度、减加速、恒加速、减加速、加加速，其中，r 为加速段最大的加加 9 浙江理工大学硕士学位论文 速度、以为加速段最小加加速度、2 为加加速时间、f 1 2 为减加速时间、f 2 为恒 加速时间、f 3 2 为减加速时间、岛2 为加加速时间、加速总时间为，= + 乞+ 岛。速度、 加速度和加加速度满足导数关系，通过加加速度依次积分可获得加速度、速度特性曲线。 。表示加速度特性曲线的最大加速度；表示速度特性曲线的最大速度；强表示第 一段变加速的最大速度与最大速度之比：咣表示最大速度与第二段变加速的最小速度之 差与最大速度之比。 五 弋+。 。 ；卜 r 】 ! ! ll ii以 ! 彳。 ! i 、 】 yol 。 勺工 厂 。工 i l f 11 。 f 2 。l f 3。i 7 图2 3 新型的s 型加速曲线 根据速度和加速度连续边界条件，起始速度和终止速度必须与要求的速度一致，起始 和终止点的加速度必须为零。计算加加速度、加速度、速度的函数分别为： ，( f ) = 2 j k t k 一2 j x t | t l + 2 j x o 一2 j0 | t 、七2 j 摹3 | t 、 2 j | t 3 + 2 j 0 2 | t 3 l o o f 2 2 f f l f l f 五 2 - ( 2 ) 互 f 石 石 f 互 浙江理工大学硕士学位论文 彳( f ) = 以f ) = j ，| t 。 一j ? t t 、斗2 j0 一j0 。1 2 j 0 、| 2 3 7 t 、七u 0 毒l t 3 七 ) o | 2 一j 薯| t 、 j ? l t 3 一u l t 、o 美| t 一飙t l 飘t 、 j x 封孔。 一厶f 3 3 + 以f 2 一以印2 + 以2 6 j 0 毒 2 一j 0 j | 6 以广3 岛+ 以互f 2 乞一以2 f 6 + 以五3 3 岛一厶2 6 以f 3 3 f 3 一以互f 2 几+ 以五3 f 3 毛一以2 f 6 + a 其中：互= + 如+ 岛2 ，互= + ，2 + ，3 ，互= + 乞， o f 2 2 f f 巧 2 。( 3 ) 互 f 石 石 f 互 o f 2 2 f f 1 f 互 2 - ( 4 ) 互 f 石 石 f 乃 p 、= 4 jl ；| 氖、七) j 毒。| 2 一) 摹；t 。| t 、七jj ；l 曳、一jo j1 6o 根据边界条件，加加速度函数、加速度函数以及速度函数满足方程组： 妻广一专矽+ 埘们铲肼舶+ a = ! ：f 2 + 毛。 2 ( 5 ) 筝f l z 一以f 1 ：3 _ q 一 厶f l 乃2 一厶f 1 2 6 = ( 1 一口吃) k 。 从而可知，只要分别设置f 、q 、圪。的值，就可得到所需的加速曲线。从中 可知，叫、咣的大小可以影响恒加速的时间。q 、咣越小，恒加速过程就越长，总的 加速时i 司就越短。操作者司以根据加工的需求，设定所需的加速曲线，从而提高控制的灵 活性和加工的效率。 2 ) 减速模型 如图2 4 所示，设定加加速度为厶、厶，所研究的s 型减速曲线模型可分成5 部分： 减加速、加加速、恒加速、加加速、减加速，其中厶为减速段最大加加速度、 厶为减速段最小加加速度、2 为减加速时间、2 为加加速时间、毛为恒加速时 间、乇2 为加加速时间、名2 为减加速时间、减速总时间为f = + 毛+ 乇。速度、加速 度和加加速度满足导数关系，通过加加速度依次积分获得加速度、速度特性曲线。4 l 邛( 表 浙江理工大学硕士学位论文 示加速度特性曲线的最大加速度；表示速度特性曲线的最大速度，其中砒表示最大 速度与第一段变加速的最小速度之差与最大速度之比；啦表示第二段变加速的最大速度 与最大速度之比。 j j n 。 ： r f 彳j。ii 如 ! ii ii ii ii l i r j i 彳一 yj ； - 工迥，j 2 工 - l r “。 f 5 。如 i 图2 4 新型的s 型加速曲线 同理，根据边界条件，可得加加速度、加速度、速度的具体表达式。 2 3 2 折返运动速度混合算法的实现 2 3 2 1 参数离散化 在排线轴高速折返运动过程中，为了实现加减速，一些必要的参数必须提前设定、计 算、存储在缓存器中2 9 1 。z ( f ) 为加速特性曲线；乃o ) 为减速特性曲线；为最大运行 速度；口m 。为最大加速度；c 为插补周期；乙为加速时间；乙为减速时间。 其中：乞= 正，为实数。由于采样插补必须满足时间分割条件【3 0 】，必须为整数， 所以取口为不小于心，替的最小整数，即口= c p 玎( ) ，口；其中，口表示经时 间分割后加速过程总的插补次数，用口代替，重新计算乞，则乞m e 。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 同理，乙虬c 。其中，虬表示经时间分割后减速过程总的插补次数。 对于无( f ) 的插补，可表示为： 对于厶( ，) 的插补，可表示为： 对于v m 舣和口m “，可表示为： i 舷0 ) ) 懈 1 = 耐半) 2 一( 6 ) 2 - ( 7 ) 2 - ( 8 ) 足：表示排线轴加减速过程所要移动的距离。根据公式2 一( 6 ) 和2 - ( 7 ) 可得： i = n 口i = n d 瓯= ，口f 互+ 乞e ，= 0l ；o 2 - ( 9 ) s ：表示排线轴移动的距离。有以下两种情况：最大于等于加减速时移动的距离s ； 疋小于加减速时移动的距离s 。 s e 时，表明排线轴除了加减速时所要移动的距离最之外，还要以最大速度移动一 定的距离。以最大速度运行的插补次数虬计算得： i = n oi - n d s 一l ，c 一l e n n c e i l ( m ，= 融二 五 2 - ( 1 0 ) 0 f 虬c 口t ，m 乃+ m 疋2 一( 1 1 ) n 3s n 3s s t n ls j r n ls 七n 孓s 衍 出 ” o 兀 五 旷 瓦 一r = = l 乙 衍 触 如 o 五 瓦 ：一r = = 厶 k 浙江理工大学硕士学位论文 s 时，排线轴还没有到最大速度v m 。就停止了。系统会根据给定的距离、确定加 减速所需的参数和加减速模型，确定最大速度v 。和所需的加减速时间。结合边界条件和 公式2 一( 1 2 ) ，可计算求得m 、虬和v m 缸的值。 s = r t 丘( f ) 出+ r 瓦五( f ) 西 速度函数可表达为： v p ，= 孟善) _ 虬瓦， 2 3 3 3 速度混合算法的实现 2 一( 1 2 ) o ，。t 口e f 三；圯+ 虬) e 2 一( 1 3 ) 假如排线轴分别以速度h 和v 2 连续移动相应和乞的距离。乙。为移动，1 所需的时间， 乙：为移动，2 所需的时间。没有加减速，速度曲线如图2 5 所示。 但在现实中没有系统可以在没有加速和减速的情况下，直接达到运行速度。因此，系 统一定要增加时间来弥补加速和减速的过程。如图2 6 所示，利用柔性加减速构造的光滑 曲线，乞表示加速的时间，乙表示减速的时间。 图2 5 没有加减速的速度曲线 图2 6 有加减速的速度曲线 和如的光滑连接，可以利用柔性加减速进行不同速度的矢量混合。曲线构造如图2 7 所示，乙。为k 和匕，进行混合所需的时间，局表示开始进行速度混合的起点，p 2 和岛的 位置是由a 和兀o ) 共同确定的，岛点的速度为运行如的最大速度。当和乞的速度方向 相同，曲线构造如图2 7 所示；当速度方向相反时，曲线构造如图2 8 所示。利用柔性加 减速可实现任意不同速度的连接，保证加减速后，l 和厶的距离保持不变。 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 图2 7 有速度混合的速度曲线图2 8 有速度混合的速度曲线 2 3 3 4 速度混合算法公式 s r z o 矽+ 厶( f 一五矽+ 嘞石( f 一乏矽 2 ( 1 4 ) 其中： f 五= ，口2 + 乙，一匕2 五= 乙2 + o l + 乞，2 【瓦= 乞2 + 乙l + 乙2 一乙2 在满足公式2 ( 1 4 ) 和考虑矢量方向的情况下，速度混合算法有两种不同的情况， 以下将分别进行讨论。 同方向速度混合时，l 和如的速度曲线如图2 7 所示。加速起始和终止速度分别为e 和k ；减速起始和终止速度分别为k 和匕。；如减速起始和终止速度分别为匕，和零；加 速时间乙= 口i ；减速时间b = m 。t 和乙= 虬i 。则速度函数表示为： v o ) = k + 五( f ) v p k l + 乃1 ( f ) k 1 力( f ) 0 f 乞 乞f 五 五f 瓦2 一( 1 5 ) 乃f 瓦 瓦f 瓦+ 乞 反方向时，对于和乞的速度曲线，如图2 8 所示。同理，的加速起始和终止速度 分别为k 和k ；的减速起始和终止速度分别为匕和匕，；乞减速起始和终止速度分别k ，和 零；f 6 表示速度曲线与x 轴的交点；加速时间乞= 口瓦；减速时间乞，= 虬。z 和乙= 虬瓦。 浙江理工人学硕士学位论文 从图2 8 所示，而是减少的距离；岛是f 2 减少的距离；当k 匕。，是是增加的距离；当 匕k 。，5 ：是f 2 增加的距离。在这里考虑匕k 。，然后分别计算，l 和，2 减少或增加的距离， 通过减短或延长以最大速度运动的时间来弥补，从而保证和乞的距离不变。 1 ，。( f ) = 厶。( f ) + ，。 f 【l ，瓦】 2 ( 1 6 ) 而、s 2 、的大小，可以根据屹。( 气) = 0 3 1 】得： _ = r k 屹。( f 砂 驴c ：味f 矽 邑= e ：( ”味r ) 渺 ，l 减少的距离为墨一岛，相应的延长k 运动的时间。计算可得： l = ( & 一s 2 ) 屹 如减少的距离为岛，相应的延长匕，运动的时间。计算可得： t i = s 2 沁e i 总的延长时间： 0 = f ，+ - 最后可得速度曲线表达式： v ( f ) = 2 4 实验与结果分析 k + 正( ，) 名 匕l + 六。( f ) k l 兀( f ) 2 一( 1 7 ) 2 - ( 1 8 ) 2 - ( 1 9 ) 2 一( 2 0 ) 0 f 乞 乞f 五+ 岛 五+ 乙f 乃+ l2 ( 2 1 ) 互+ f f l 冬， 瓦+ 0 瓦+ 0 f 二二煮嚣 聊 y 耋j 蕊 急爹- 鞴 雨嗣线圈l 下料机械手至安全位 置( 有料) 下抖轴放料 下料机械手至安全 位置( 无料) 图3 2 9z 向单机绕线控制流程 本章介绍了3 d 贴片电感线圈生产设备的主要机械功能组成，特别针对x 厂y z 单向绕 制机构、自动上料机构、自动移料机构、自动下料的功能与结构进行了详细阐述。在此基 础上，分析了3 d 贴片电感线圈的各向绕制工艺，确定了各向绕制工艺路线。结合工艺路 线，确定了3 d 贴片电感线圈整体绕制时序，为整机程序调试与生产的实现打下了基础。 3 0 浙江理工大学硕士学位论文 第四章3 d 贴片电感线圈生产设备控制系统硬件设计 本章根据3 d 贴片电感线圈绕制的工艺路线和时序要求，对控制系统的硬件总体构架 进行设计。针对控制性能需求和运动轴数，确定p l c 、运动控制器以及伺服系统类型； 根据i o 端口数，确定输入输出模块类型；在此基础上，确定相关强电电路。设计p l c 与输入输出模块接口电路、运动控制器与伺服系统接口电路，完成硬件电路的总成。 4 13 d 贴片电感线圈生产设备的硬件总体构架设计 根据3 d 贴片电感线圈的工艺要求和电气要求，本文所研究的绕线设备的电气控制系 统框图如图4 1 所示。 逻辑控蔷运动控制 图4 13 d 电感贴片生产设备电气控制框 3 d 贴片电感线圈生产设备采用p l c 和运动控制器作为控制系统【3 3 】的核心，其中p l c 主要负责按钮、光电传感器、接近开关和其他开关量等信号的输入，以及发出信号去控制 各类电磁阀等电器元件。磁栅主要是对气缸动作的监视和确认，保证气缸动作的到位，提 高运行的可靠性。在这里光电传感器的作用主要是给伺服电机提供零位信号和限位信号。 零位信号辅助伺服电机回零，确定电机的原点，从而实现电机的精确定位。限位信号是对 电机转动位置的限制，防止机械碰撞。人机界面主要实现绕线指令的在线编译，提供运动 参数的修改与设定功能，在线监控各个运动的情况，通过网络与p l c 进行控制信息的交 互，方便操作者进行操作。 3 d 贴片电感线圈生产设备控制系统主要有p l cc p u 、运动控制器c p u 、远程i o 站、伺服驱动器和伺服电机，以及光电传感器、电磁阀等。在保证功能的前提下，应尽可 3 l 浙江理工大学硕士学位论文 能选择性能好、可靠性高的器件。 4 2p l c 与运动控制器的选型 可编程程序控制器【3 4 】( p r o 伊a m m a b l ec o n t r o l l e r ，p c ) 又称可编程程序逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) ，是一种数字运算操作的电子系统，具有很强的 抗干扰能力，专门为在恶劣环境下应用而设计的。p l c 在现代工业自动化控制中是非常 先进的控制技术，已成为现代工业三大支柱( p l c ，c a d c a m ，r o b o t ) 之一，目前应用 非常广泛。 国际上比较流行的p l c 品牌主要有西门子、三菱、欧姆龙等，其中三菱系列p l c 除 了一般的p l c 的特点外，与其它品牌相比，主要还有以下有点： 1 ) 性价比高 与西门子相比，同样功能的p l c ，三菱q 系列p l c 占有价格优势。特别是在中小型 数控系统当中，三菱q 系列p l c 占有绝对优势，在我国被广泛应用。 2 ) 性能好，功能强大 ( 1 ) 三菱q 系列p l c 性能稳定，扫描时间短，以高速度、高响应著称。 ( 2 ) 三菱q 系列p l c 有两个c p u 。一个是基本型c p u ，具有逻辑控制的功能；另 一个是运动控制c p u ，专业处理数据和模拟量，所以在数据处理方面具有很大优势。 ( 3 ) 三菱q 系列p l c 的内存、数据寄存器还可以进行扩展，最多可支持八级扩展。 电源、c p u 都可以采用冗余技术，可在线更换模块。 ( 4 ) 软件方面，编程界面友好，可轻易编辑控制程序，且编程语言比较适合亚洲人 的思维。系统调试方便，可支持在线更改程序( 西门子p l c 程序写入时，c p u 必 须打到s t o p 模式) 。 3 ) 易学好用 学习三菱p l c 上手快，比较符合用户的使用习惯，编程浅显易懂，可维护性强。 4 ) 模块化控制 q 系列p l c 主要是电源模块，c p u 模块，输入输出模块，c c l