鑒于目前市場上所使用的環(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，而且可能會對人的手指造成嚴(yán)重傷害。國內(nèi)有專利報道的繞線機(jī)安全防護(hù)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(hù)問題。
現(xiàn)有專利技術(shù)主要采用光幕法，即在繞線機(jī)的兩邊設(shè)立紅外開關(guān)傳感器、超聲波探頭或光柵，當(dāng)手遮擋時即啟動防護(hù)裝置切斷電機(jī)繼電器和剎車，使繞線機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，這對于在操作工更換繞組線圈時如果誤踏腳板的特定場合，能夠保護(hù)操作工的手不受傷害。但是，在實(shí)際繞線機(jī)正常繞線時，操作工經(jīng)常要理線并撥拉線圈，手會遮擋傳感器，從而造成繞線機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)繞線機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中因防護(hù)裝置切斷電機(jī)繼電器和剎車，雖能保證人的手免受傷害，但當(dāng)次繞線作業(yè)已不能繼續(xù)，即當(dāng)次的線圈不可用，從而造成生產(chǎn)效率嚴(yán)重下降，單純檢測到操作工人手部就使繞線機(jī)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)是不符合實(shí)際生產(chǎn)要求的。
針對環(huán)形繞線機(jī)正常繞線時因遮擋傳感器而不能運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，本文提出了一種用于繞線機(jī)的智能護(hù)手裝置，該裝置能根據(jù)操作人員手部位置的危險程度，對繞線機(jī)的繞線機(jī)構(gòu)進(jìn)行智能減速，從而達(dá)到安全防護(hù)的目的。
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)目對控制系統(tǒng)的要求包括：1）提高繞組質(zhì)量，減少安全事故的發(fā)生。2）整個控制系統(tǒng)操作簡便、成本低、體積小。
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，從而提高繞線機(jī)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(jìn)而改變繞線變頻器控制回路兩端電壓的大小，由此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)方案時做一套繞線機(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控制芯片，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 所示。圖 1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 12 V 接口；d2 接繞線和排線變頻器的 0 V 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)是基于環(huán)形繞線機(jī)設(shè)計(jì)的，通過實(shí)地考察并與操作人員交談后發(fā)現(xiàn)：工人在操作環(huán)形繞線機(jī)時是將未繞線鐵芯放入 3 個滾動輪中，具體操作是：1）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。2）鎖上鎖條，踩下腳踏開關(guān)，使儲線環(huán)轉(zhuǎn)動，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作去操作，這時就出現(xiàn) 2 種傷指現(xiàn)象：1）已斷漆包線斷頭會插入手指，造成手指受傷。2）高速運(yùn)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是：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 三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速
三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為
n=60 f/p（1-s）， （1）
式中，n 為三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，f 為供電頻率，p 為電動機(jī)的極對數(shù)，s 為轉(zhuǎn)差率。
由式（1）可知，改變 f、p 及 s 均可達(dá)到改變 n 的目的。
異步電動機(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，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，使電動機(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。變頻調(diào)速是通過改變電動機(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)為：
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機(jī)。3）調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。因此本研究選擇變頻調(diào)速方法。
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。
當(dāng)操作人員的手進(jìn)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(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。
1.6 系統(tǒng)裝置
系統(tǒng)裝置主要有 3 部分構(gòu)成，即控制系統(tǒng)盒、工作臺上的傳感器布置及腳踏調(diào)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(dǎo)軌，10 為腳踏調(diào)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(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。邏輯控制芯片 74LS21P 符合本項(xiàng)目控制要求。邏輯控制芯片 74LS21 為兩組 4 輸入端與門（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(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，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，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(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，銜鐵就會在彈簧的反作用力作用下返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。
這樣吸合、釋放，就可達(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)。繼電器一般有兩股電路，即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，繼電器的公共端（COM）與常閉端（NC）接通。當(dāng)繼電器線圈兩端電壓達(dá)到吸合時，繼電器的公共端（COM）與常開端（NO）接通，其原理如圖 4 所示。
在調(diào)試中，測得腳踏板中 Rp5 的電阻為 500 Ω。因此，為了控制繞線電機(jī)的速度，在繼電器控制模塊中聯(lián)入 2 個最大值為 1 000 Ω 的可調(diào)電阻 R1 和 R2。
2.3 紅外線數(shù)字避障傳感器
本項(xiàng)目選用了價格便宜、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-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(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-50NK（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。沒檢測到物體時輸出高電平及 VCC，檢測到物體時輸出低電平及 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(yīng)距離為 2~50cm。尺寸為 31 mm×25 mm×13 mm。接線圖時輸出信號需要加上拉電阻。特點(diǎn)為輸出信號穩(wěn)定，不受可見光影響，壽命長。
3 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，兩繼電器紅色電源 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(jī)穩(wěn)定工作。
（1）當(dāng)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(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)吸合，相對應(yīng)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 R1 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)式（1）可知，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，這時工人操作的安全性也就提高了。（2）當(dāng)工人手繼續(xù)往儲線環(huán)移動，進(jìn)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(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)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 R1、R2 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)式（1）可知，這時繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 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，并按照以下步驟進(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(guān)，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。
4 小結(jié)
基于本系統(tǒng)完成的 4 套護(hù)手裝置經(jīng)過 3 個月的運(yùn)行，沒有發(fā)生安全事故，有效保護(hù)了設(shè)備和工人的安全。
本系統(tǒng)是基于環(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、體體積小、控制較精確等優(yōu)點(diǎn)，普遍推廣應(yīng)用的價值大，市場潛力巨大，創(chuàng)造的社會、經(jīng)濟(jì)效益值得期待。
精密平行繞線機(jī)
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