鑒于目前市場(chǎng)上所使用的環(huán)形繞線(xiàn)機均存在較大的安全隱患,一旦操作不當,不僅繞組作廢,而且可能會(huì )對人的手指造成嚴重傷害。國內有專(zhuān)利報道的繞線(xiàn)機安全防護裝置安全性、可靠性不夠高,且功能單一,難以在實(shí)際上解決安全防護問(wèn)題。
現有專(zhuān)利技術(shù)主要采用光幕法,即在繞線(xiàn)機的兩邊設立紅外開(kāi)關(guān)傳感器、超聲波探頭或光柵,當手遮擋時(shí)即啟動(dòng)防護裝置切斷電機繼電器和剎車(chē),使繞線(xiàn)機不能運轉,這對于在操作工更換繞組線(xiàn)圈時(shí)如果誤踏腳板的特定場(chǎng)合,能夠保護操作工的手不受傷害。但是,在實(shí)際繞線(xiàn)機正常繞線(xiàn)時(shí),操作工經(jīng)常要理線(xiàn)并撥拉線(xiàn)圈,手會(huì )遮擋傳感器,從而造成繞線(xiàn)機不能運轉。當繞線(xiàn)機在運轉過(guò)程中因防護裝置切斷電機繼電器和剎車(chē),雖能保證人的手免受傷害,但當次繞線(xiàn)作業(yè)已不能繼續,即當次的線(xiàn)圈不可用,從而造成生產(chǎn)效率嚴重下降,單純檢測到操作工人手部就使繞線(xiàn)機電機停止運轉是不符合實(shí)際生產(chǎn)要求的。
針對環(huán)形繞線(xiàn)機正常繞線(xiàn)時(shí)因遮擋傳感器而不能運轉的情況,本文提出了一種用于繞線(xiàn)機的智能護手裝置,該裝置能根據操作人員手部位置的危險程度,對繞線(xiàn)機的繞線(xiàn)機構進(jìn)行智能減速,從而達到安全防護的目的。
1 安全防護系統總體設計
1.1 確定設計方案
本項目對控制系統的要求包括:1)提高繞組質(zhì)量,減少安全事故的發(fā)生。2)整個(gè)控制系統操作簡(jiǎn)便、成本低、體積小。
調研分析后,本項目確定通過(guò)改裝腳踏調速器,以達到降低繞線(xiàn)機速度,從而提高繞線(xiàn)機的安全性。腳踏調速器工作原理如同滑動(dòng)變阻器工作原理一樣,調速器是通過(guò)改變繞線(xiàn)變頻器外部控制回路電阻阻值大小,進(jìn)而改變繞線(xiàn)變頻器控制回路兩端電壓的大小,由此可以改變繞線(xiàn)變頻器輸出回路頻率大小,達到改變繞線(xiàn)電機速度。因此,本研究確定在腳踏調速控制回路中,加裝繞線(xiàn)機防護系統,根據不同危險程度竄入不同阻值的電阻,以改變繞線(xiàn)電機的速度,即儲線(xiàn)環(huán)的轉速。
確定總體設計方案時(shí)做一套繞線(xiàn)機安全防護裝置:當操作者的手進(jìn)入危險區域內時(shí),由反射器發(fā)出的紅外光線(xiàn)反射到接受器中,紅外傳感器將低電平信號反饋給邏輯控制芯片,接著(zhù)邏輯控制芯片根據所輸入信號的位置,通過(guò)單片機或邏輯判斷,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)腳踏調速回路中,進(jìn)而改變腳踏裝
置的電壓比例,從而降低繞線(xiàn)機變頻器的頻率,達到降低繞線(xiàn)電機轉速的效果,保證了操作者安全,防止操作工人因操作不當造成傷害,有效提高繞線(xiàn)機的安全性。
繞線(xiàn)機安全防護裝置原理如圖 1 所示。圖 1中 c,通過(guò)各種開(kāi)關(guān)及負載接繞線(xiàn)和排線(xiàn)變頻器的VIN 接口;d1 通過(guò)各種開(kāi)關(guān)及負載接排線(xiàn)變頻器的 12 V 接口;d2 接繞線(xiàn)和排線(xiàn)變頻器的 0 V 接口;U 為繞線(xiàn)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(xiàn)變頻器和排線(xiàn)變頻器輸出電壓頻率大小達到可以控制繞線(xiàn)電機的轉速,即儲線(xiàn)環(huán)的轉速。
1.2 安全防護裝置工作原理及思路
本系統是基于環(huán)形繞線(xiàn)機設計的,通過(guò)實(shí)地考察并與操作人員交談后發(fā)現:工人在操作環(huán)形繞線(xiàn)機時(shí)是將未繞線(xiàn)鐵芯放入 3 個(gè)滾動(dòng)輪中,具體操作是:1)打開(kāi)儲線(xiàn)環(huán)本體燕尾鎖條,將儲線(xiàn)環(huán)開(kāi)口活動(dòng)段分開(kāi),讓未繞線(xiàn)鐵芯中心空位穿越儲線(xiàn)環(huán)開(kāi)口部分。2)鎖上鎖條,踩下腳踏開(kāi)關(guān),使儲線(xiàn)環(huán)轉動(dòng),其最高轉速可達 700 r/min,中途需用手將繞線(xiàn)鐵心中的線(xiàn)頭拔到另一邊去。由于繞線(xiàn)機轉速過(guò)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 2 種傷指現象:1)已斷漆包線(xiàn)斷頭會(huì )插入手指,造成手指受傷。2)高速運轉的銅絲會(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是:變頻技術(shù)是通過(guò)變頻器改變電源頻率,從而改變交流異步電動(dòng)機的轉速的一種技術(shù)。通過(guò)變頻器先進(jìn)行交流到直流的變換,再通過(guò)變頻器進(jìn)行直流到交流的變換,從而控制交流電機的轉速。而本項目的環(huán)形繞線(xiàn)機對變頻器的控制是通過(guò)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,使交流電機的轉速跟隨輸出電源頻率的變化而變化。
1.4 三相異步電動(dòng)機變頻調速
三相異步電動(dòng)機轉速公式為
n=60 f/p(1-s), (1)
式中,n 為三相異步電動(dòng)機的轉速,f 為供電頻率,p 為電動(dòng)機的極對數,s 為轉差率。
由式(1)可知,改變 f、p 及 s 均可達到改變 n 的目的。
異步電動(dòng)機的轉矩是電機的磁通與轉子內流過(guò)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(guò)大,磁回路飽和,嚴重時(shí)將燒毀電機。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)機的磁通保持一定,避免弱磁和磁飽和現象的產(chǎn)生。由于通用變頻器一般采用 V/f 控制,即變壓變頻(VVVF)方式調速,改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機控制方法。變頻調速是通過(guò)改變電動(dòng)機定子電源的頻率,從而改變其同步轉速的調速方法。其特點(diǎn)為:
1)效率高,調速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗。2)應用范圍廣,可用于籠型異步電動(dòng)機。3)調速范圍大,特性硬,精度高。因此本研究選擇變頻調速方法。
1.5 系統基本組成
最初設計該系統主要由 51 單片機最小系統、光電隔離繼電器模塊和紅外線(xiàn)數字避障傳感器組成。其中 51 單片機最小系統包括:電源、外部晶振電路、復位電路和 STC89C52 芯片,后期經(jīng)過(guò)實(shí)踐,采用邏輯控制模塊更精準。該防護裝置主要由紅外線(xiàn)數字避障傳感器、邏輯控制模塊和繼電器降速模塊組成。
當操作人員的手進(jìn)入危險區域時(shí),紅外線(xiàn)數字傳感器將檢測到的信號反饋給邏輯控制模塊,邏輯控制模塊根據所反饋的信號輸出相應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)腳踏調速回路中,實(shí)現降低繞線(xiàn)電機的轉速,從而起到安全防護作用。
1.6 系統裝置
系統裝置主要有 3 部分構成,即控制系統盒、工作臺上的傳感器布置及腳踏調速控制,如圖 2 所示。
第一橫向支架,7為第二橫向支架,8 為滑槽,9 為傳感器導軌,10 為腳踏調速器,11 為紅外傳感器,12 為超聲波傳感器。
2 硬件部分組成
2.1 邏輯控制芯片的選擇
本項目中邏輯控制芯片用于接收傳感器反饋的輸入信號,并根據反饋信號輸出相應控制信號給繼電器控制模塊,從而實(shí)現降低繞線(xiàn)圈轉速的目的。邏輯控制芯片 74LS21P 符合本項目控制要求。邏輯控制芯片 74LS21 為兩組 4 輸入端與門(mén)(正邏輯),其主要電氣特性的典型值為:tPLH 為 8 ns,tphl 為 10 ns,PD 為 9 mW,其邏輯關(guān)系如圖 3 所示。
圖 3 中,輸入電壓為 7 V,A~D 間電壓為 5.5 V,工作環(huán)境溫度為 0~70 ℃,存儲溫度為-65~150 ℃。
各功能如表 1 所示。
2.2 繼電器模塊本項目所采用的電磁式繼電器由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線(xiàn)圈兩端加上一定的電壓,線(xiàn)圈中就會(huì )流過(guò)一定的電流,從而產(chǎn)生電磁效應,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(kāi)觸點(diǎn))吸合。當線(xiàn)圈斷電后,電磁的吸力也隨之消失,銜鐵就會(huì )在彈簧的反作用力作用下返回原來(lái)的位置,使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))釋放。
這樣吸合、釋放,就可達到在電路中的導通、切斷的目的。
對于繼電器的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn),可以這樣來(lái)區分:繼電器線(xiàn)圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn),稱(chēng)為常開(kāi)觸點(diǎn);處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱(chēng)為常閉觸點(diǎn)。繼電器一般有兩股電路,即低壓控制電路和高壓工作電路。當繼電器線(xiàn)圈兩端無(wú)電壓或電壓不夠時(shí),繼電器的公共端(COM)與常閉端(NC)接通。當繼電器線(xiàn)圈兩端電壓達到吸合時(shí),繼電器的公共端(COM)與常開(kāi)端(NO)接通,其原理如圖 4 所示。
在調試中,測得腳踏板中 Rp5 的電阻為 500 Ω。因此,為了控制繞線(xiàn)電機的速度,在繼電器控制模塊中聯(lián)入 2 個(gè)最大值為 1 000 Ω 的可調電阻 R1 和 R2。
2.3 紅外線(xiàn)數字避障傳感器
本項目選用了價(jià)格便宜、抗干擾性強、靈敏度高以及反應快的反射式紅外線(xiàn)數字避障傳感器 ,博光-50NK,這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據要求進(jìn)行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn),可以廣泛應用于機器人避障、流水線(xiàn)計件等眾多場(chǎng)合。博光-50NK(NPN 型光電開(kāi)關(guān))其輸出狀態(tài)是 0、1,即數字電路中的高電平和低電平。沒(méi)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 0.7 V。
其電氣特性如下:工作電壓為 5 V,工作電流為 10 mA,信號輸出為 TTL 電平。感應距離為 2~50cm。尺寸為 31 mm×25 mm×13 mm。接線(xiàn)圖時(shí)輸出信號需要加上拉電阻。特點(diǎn)為輸出信號穩定,不受可見(jiàn)光影響,壽命長(cháng)。
3 聯(lián)機測試
通電源,當按下安全防護裝置的開(kāi)關(guān)按鍵,安全防護裝置紅色指示燈亮,兩繼電器紅色電源 LED 指示燈亮,處于常態(tài)(非動(dòng)作狀態(tài)),此時(shí)可調電阻 R1、R2 沒(méi)有串入腳踏調速回路,繞線(xiàn)機穩定工作。
(1)當操作工人將手移動(dòng)到次級紅外線(xiàn)數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(kāi),常開(kāi)觸點(diǎn)吸合,相對應的黃色 LED 指示燈亮,這時(shí)腳踏調速回路中串入可調電阻 R1 使得總電阻增加,導致輸入到繞線(xiàn)變頻器的模擬電壓的電壓源 U 降低,繞線(xiàn)變頻器的頻率隨之降低,根據式(1)可知,繞線(xiàn)電機的轉速 n 也隨之降低,即儲線(xiàn)環(huán)的轉速也就降低了,這時(shí)工人操作的安全性也就提高了。(2)當工人手繼續往儲線(xiàn)環(huán)移動(dòng),進(jìn)入一級紅外線(xiàn)數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(kāi),常開(kāi)觸點(diǎn)吸合,黃色 LED 指示燈都亮,這時(shí)腳踏調速回路中串入可調電阻 R1、R2 使得總電阻增加到最大,導致輸入到繞線(xiàn)變頻器的模擬電壓的電壓源 U 降到可調節的最低值,繞線(xiàn)變頻器的頻率隨之降到最低。同樣根據式(1)可知,這時(shí)繞線(xiàn)電機的轉速 n 也進(jìn)一步降低,即儲線(xiàn)環(huán)的轉速也就降到較低速度,這時(shí)工人操作的安全性再次提高。
本項目所設計安全防護裝置需與繞線(xiàn)機配合完成工作,并按照以下步驟進(jìn)行測試。
(1)檢查安全防護裝置接線(xiàn)是否正確。
(2)將傳感器安裝到繞線(xiàn)機適當位置。
(3)將安全防護裝置串接到繞線(xiàn)機腳踏調速回路中。
(4)將未繞線(xiàn)鐵芯放入 3 個(gè)滾動(dòng)輪中,打開(kāi)儲線(xiàn)環(huán)本體燕尾鎖條,將儲線(xiàn)環(huán)開(kāi)口活動(dòng)段分開(kāi),讓未繞線(xiàn)鐵芯中心空位穿越儲線(xiàn)環(huán)開(kāi)口部分,然后鎖上鎖條。
(5)踩下腳踏開(kāi)關(guān),使儲線(xiàn)環(huán)轉動(dòng)。
(6)將兩只手分別從儲線(xiàn)環(huán)兩邊慢慢伸入到其中心位置,觀(guān)察紅外線(xiàn)數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(xiàn)環(huán)轉動(dòng)的速度。
4 小結
基于本系統完成的 4 套護手裝置經(jīng)過(guò) 3 個(gè)月的運行,沒(méi)有發(fā)生安全事故,有效保護了設備和工人的安全。
本系統是基于環(huán)形繞線(xiàn)機設計的一種安全防護裝置,彌補了市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品的缺陷,加裝該安全防護裝置,能降低斷指工傷的發(fā)生率,具有成本低、體體積小、控制較精確等優(yōu)點(diǎn),普遍推廣應用的價(jià)值大,市場(chǎng)潛力巨大,創(chuàng )造的社會(huì )、經(jīng)濟效益值得期待。