繞線機廣泛用于電力、礦山機械、家具加工等行業(yè)，為通用設備。通過對佛山市繞線機企業(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，而且可能會對人的手指造成嚴重傷害。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)加裝在繞線機上，對作業(yè)進行智能保護。
1安全防護系統(tǒng)總體設計
1.1確定設計方案
本項目研究對控制系統(tǒng)的要求:①提高繞組質(zhì)量，減少安全事故;②整個控制系統(tǒng)操作簡便、成本低、體積小;③根據(jù)人機工程學要求去安裝系統(tǒng)。
通過調(diào)研分析后，本項目確定通過改裝腳踏調(diào)速器，以達到降低繞線機速度，提高繞線機的安全性。腳踏調(diào)速器工作原理如同滑動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，達到改變繞線電機速度。因此，本研究確定在腳踏調(diào)速控制回路中，加裝繞線機防護系統(tǒng)，根據(jù)不同危險程度竄入不同阻值的電阻，以改變繞線電機的速度，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速。
確定總體設計方案是制作一套“繞線機安全防護裝置”:當操作者的手進入危險區(qū)域內(nèi)時，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腳踏調(diào)速回路中，進而改變腳踏裝置的電壓比例，從而降低繞線機變頻器的頻率，達到降低繞線電機轉(zhuǎn)速的效果，保證了操作者安全，防止操作工人因操作不當，造成傷害，有效提高繞線機的安全性。
繞線機安全防護裝置原理如圖1，其中c通過各種開關及負載接繞線和排線變頻器的“VIN”接口;d1通過各種開關及負載接排線變頻器的“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到可以控制繞線電機的轉(zhuǎn)速，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速。
1. 2安全防護裝置工作原理及思路
本系統(tǒng)是基于龍鑫的LX系列環(huán)形繞線機設計的，通過佛山市富士川電業(yè)有限公司實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)形繞線機時是將未繞線鐵芯放入3個滾動輪中，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，使儲線環(huán)轉(zhuǎn)動，其最高轉(zhuǎn)速可達700 r/min，中途需用手將繞線鐵心中的線頭拔到另一邊去。由于繞線機轉(zhuǎn)速過快，工人需要很快的速度而又熟練的動作去操作，這時就出現(xiàn)2種傷指現(xiàn)象:①己斷漆包線斷頭會插入手指，造成手指受傷;②高速運轉(zhuǎn)的銅絲會壓到手指，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:變頻技術是通過變頻器改變電源頻率，從而改變交流異步電動機的轉(zhuǎn)速的一種技術。通過變頻器先進行交流到直流的變換，再通過變頻器進行直流到交流的變換，從而控制交流電機的轉(zhuǎn)速。而本項目的龍鑫LX系列環(huán)形繞線機對變頻器的控制是通過控制輸入變頻器的模擬電壓，進而控制變頻器輸出電源的頻率，使交流電機的轉(zhuǎn)速跟隨輸出電源頻率的變化而變化。
1. 4三相異步電動機變頻調(diào)速
三相異步電動機轉(zhuǎn)速n=60f/p(1-s)，可見，改變供電頻率f、電動機的極對數(shù)P及轉(zhuǎn)差率s均可達到改變轉(zhuǎn)速的目的。
異步電動機的轉(zhuǎn)矩是電機的磁通與轉(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，嚴重時將燒毀電機。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機的磁通保持一定，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)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。其特點:①效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗;②應用范圍廣，可用于籠型異步電動機;③調(diào)速范圍大、特性硬、精度高。
1. 5系統(tǒng)基本組成
最初設計該系統(tǒng)主要由51單片機最小系統(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單片機最小系統(tǒng)包括電源、外部晶振電路、復位電路和STC89C52芯片，后期經(jīng)過實踐，采用邏輯控制模塊更精準。該防護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。
安全防護裝置結構如圖2所示:當操作人員的手進入危險區(qū)域時，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腳踏調(diào)速回路中，實現(xiàn)降低繞線電機的轉(zhuǎn)速，從而起到安全防護作用。
2系統(tǒng)裝置的設計和安裝
2. 1人機工程學理論
人機工程學是一門研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素;研究人和機器及環(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科。它的主要研究內(nèi)容包括人體特性的研究、人機系統(tǒng)的總體設計、工作場所和信息傳遞裝置的設計、環(huán)境控制與安全保護設計等幾個方向。目前在國內(nèi)這門學科的名稱尚未得到統(tǒng)一，出現(xiàn)了人類工效學、人體工程學、人機環(huán)境系統(tǒng)工程等名稱，不同的名稱反映了在研究側(cè)重點或方法上存在著一些差異。
應用人機工程學能夠給人機設計提供科學的指導，能使得機械設備的設計更加人性化，使處于不同環(huán)境下的人能安全地、有效地、健康地進行工作和生活，以實現(xiàn)人一機一環(huán)境之間的最佳匹配。
2. 2系統(tǒng)裝置的人機工程學分析
研究繞線機安全防護裝置時應結合人機工程學進行設計和制作，以使得防護裝置實現(xiàn)安全可靠、與機械裝備配套設計、簡單、經(jīng)濟、方便的原則。安全防護裝置的作用是避免操作人員在誤操作時，機械傳動機構對操作者的傷害。繞線機在運行時，當操作者的手進入危險區(qū)內(nèi)時，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，使適當阻值的電阻串入腳踏調(diào)速回路中，進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，達到降低繞線電機的轉(zhuǎn)速，保證了操作者安全，使工人能夠有足夠的時間將手伸出來，以免受到傷害。
繞線機安全防護裝置應該符合以下要求:①防護裝置保障在操作人員的手進入危險區(qū)域時，有足夠時間避免危害;②防護裝置必須使其固定，防止被非管理人員移動;③防護裝置不能妨礙工人的操作。
2. 3系統(tǒng)裝置的模型設計及安裝
通過對龍鑫的LX系列環(huán)形繞線機儲線環(huán)以及機頭板的結構進行分析，決定將紅外線數(shù)字避障傳感器安裝在如圖3所在位置，既滿足人機工程學原理也達到防護裝置的檢測要求。
選用有機玻璃作為安全防護裝置原型機的支架的材料。安全防護裝置的支架如圖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)試時移動傳感器的位置以及角度，從而達到最好的檢測效果，使得安全度達到最高值，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)反饋信號輸出相應控制信號給繼電器控制模塊，從而實現(xiàn)降低繞線圈轉(zhuǎn)速的目的。邏輯芯片符合本項目控制要求。
3. 2繼電器模塊
本項目所采用的電磁式繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會因彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)釋放。這樣吸合、釋放，從而達到在電路中的導通、切斷的目的。
對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分:繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”;處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。繼電器一般有2股電路，為低壓控制電路和高壓工作電路。當繼電器線圈兩端無電壓或電壓不夠時，繼電器的公共端(CUM)與常閉端(NC)接通。當繼電器線圈兩端電壓達到吸合時，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
本項目選用了價格便宜、抗干擾性強、靈敏度高以及反應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)要求進行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。博光一SONK ( NPN型光電開關)其輸出狀態(tài)是0,1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平。沒檢測到物體時輸出高電平及VCC，檢測到物體時輸出低電平及0.7V。
4、聯(lián)機測試
通電源，當按下安全防護裝置的開關按鍵，安全防護裝置紅色指示燈亮，2繼電器紅色電源LED指示燈亮，處于常態(tài)(非動作狀態(tài))，此時可調(diào)電阻R1, R2沒有串入腳踏調(diào)速回路，繞線機穩(wěn)定工作。當操作工人將手移動到次級紅外線數(shù)字避障傳感器檢測范圍時，次級繼電器動作，常閉觸點斷開，常開觸點吸合，相對應的黃色LED指示燈亮，這時腳踏調(diào)速回路中串入可調(diào)電阻R，使得總電阻增加，導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)三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式可知，這時繞線電機的轉(zhuǎn)速n也隨之降低，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速也就降低了，這時工人操作的安全性也提高了。當工人手繼續(xù)往儲線環(huán)移動時，當進入一級紅外線數(shù)字避障傳感器檢測范圍時，一級繼電器動作，常閉觸點斷開，常開觸點吸合，黃色LED指示燈都亮，這時腳踏調(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)三相異步電動機轉(zhuǎn)速公式可知，這時繞線電機的轉(zhuǎn)速也進一步降低，即儲線環(huán)的轉(zhuǎn)速也就降到較低速度，這時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機配合完成工作，按照以下步驟進行測試:①檢查安全防護裝置接線是否正確;②將傳感器安裝到繞線機適當位置;③將安全防護裝置串接到繞線機腳踏調(diào)速回路中;④將未繞線鐵芯放入3個滾動輪中，打開儲線環(huán)本體燕尾鎖條，將儲線環(huán)開口活動段分開，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，使儲線環(huán)轉(zhuǎn)動;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)動的速度。
5、結論
基于本系統(tǒng)完成的4套護手裝置己經(jīng)在佛山市富士川電業(yè)有限公司安裝，經(jīng)過3個月的運行，沒有發(fā)生安全事故，有效保護了設備和工人。本系統(tǒng)是基于龍鑫的環(huán)形繞線機設計的一種安全防護裝置，彌補了市場同類產(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、體積小、控制較精確等優(yōu)點，普遍推廣應用的價值大，市場潛力巨大，創(chuàng)造的社會、經(jīng)濟效益更值得期待。
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