0、 引言

      精密纏繞設(shè)備是精密電子元器件生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于電子、電力、航天、航空、兵器、船舶等領(lǐng)域，制造精密電位器、精密電阻器、精密傳感器、行波管、制導(dǎo)線圈、通訊布線線圈等精密電子元器件。在精密線圈的繞制過(guò)程中雖然采用了高精度的交流伺服系統(tǒng)和高精密的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從理論上完全能夠滿足線圈的精度要求，但由于線材的線徑變化、張力變化等不確定因素的影響，排線螺距會(huì)出現(xiàn)一些間隙，不均勻現(xiàn)象，線圈的排線精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此在一些高精度的線圈繞制工藝中繼續(xù)采用半自動(dòng)人工逼線的繞制方式，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，最為嚴(yán)重的是線圈的排線精度受人為因素影響比較大，質(zhì)量難以保證。采用控制線材的滯后角技術(shù)保證了線材在整個(gè)纏繞過(guò)程中無(wú)間隙精密排繞，提高了纏繞設(shè)備的自動(dòng)化程度，有效的控制了線圈的纏繞精度。

1、滯后角的控制原理

      由于精密線圈繞制過(guò)程中存在的缺陷（繞層隨機(jī)的間隙如圖1所示），提供了一種代替人工逼線的繞制方式，在線圈纏繞的過(guò)程中實(shí)時(shí)控制線材與纏繞軸之間的傾斜角，保證線材在整個(gè)纏繞過(guò)程中無(wú)間隙精密排繞（理想的繞制層如圖2所示）。

      由此可見(jiàn)傾斜角的大小直接影響線圈纏繞的效果，因此采用精密攝像裝置、高速圖像處理系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行采樣。為測(cè)量方便，通過(guò)直接測(cè)量?jī)A斜角余角的辦法來(lái)控制傾斜角，該余角就為滯后角。排線左移時(shí)滯后角示意圖如圖3所示。

      排線右移時(shí)滯后角示意圖如圖4所示。由此可見(jiàn)左移和右移時(shí)滯后角大小相同，但方向相反。

      由圖可見(jiàn)滯后角過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致線材螺距間隙過(guò)大，出現(xiàn)縫隙，線與線之間不能緊密排繞，影響下一層的繞制；滯后角過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致線材螺距間隙過(guò)小，出現(xiàn)疊線現(xiàn)象；因此滯后角控制精度的高低直接影響線圈纏繞的效果，是精密纏繞控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。

      為了保證滯后角的控制精度，采用精密攝像裝置和高速圖像處理系統(tǒng)，對(duì)滯后角的變化進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并將信號(hào)反饋到計(jì)算機(jī)中，并通過(guò)交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠排線，實(shí)現(xiàn)對(duì)滯后角的閉環(huán)控制，以保證線圈的精密纏繞。

設(shè)定：⑴ CCD像機(jī)監(jiān)測(cè)走線的視場(chǎng)范圍大約在100mm×100mm 

        ⑵ 相機(jī)的分辨率是1280×1024個(gè)相素，

        ⑶ 最快每秒鐘能拍攝10幅圖像

      在進(jìn)行圖像處理時(shí)，對(duì)直線的處理是整體邊擬合，這樣容易保證精度。算法為：

運(yùn)行時(shí)間大約40—50ms；

采集一幅圖像的時(shí)間大約100ms；

處理一幅圖像的時(shí)間大約150ms；

在處理本幅圖像時(shí)，可以正常讀下一幅圖像；

                實(shí)際上的滯后時(shí)間為100ms；

                正常情況下一個(gè)點(diǎn)的分辨率為：100000μm /1280=78.125μm。

      通過(guò)程序進(jìn)行像素間插補(bǔ)，保證10細(xì)分精度，最終精度為7.8125μm，光纖走向兩端誤差總和最大可為15.625 μm ，因此最大角度誤差為：

TanQ=15.625 μm/(100000 μm×10) =0.000015625

像素間插補(bǔ)后控制精度為：Q=0.0009度 

若不經(jīng)像素間插補(bǔ)，則控制精度如下：

      100000μm /1280=78.125μm   78.125 μm×2=156.25 μm

最大角度誤差為：TanQ=156.25μm/100000μm =0.0015625

控制精度為： Q=0.09度關(guān)于最大滯后角的確定，理論計(jì)算值與實(shí)際繞線檢測(cè)值差距較大，理論計(jì)算值接近于0°，而實(shí)際繞線檢測(cè)值可達(dá)2°。偶數(shù)層光纖偏擺角度最大可達(dá)0.26°(線徑0.7mm, 排線輪距收線軸300mm)?？梢?jiàn)，CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)的控制精度能滿足系統(tǒng)中對(duì)滯后角的精度要求。

圖5  圖像采樣圖

2、系統(tǒng)配置

      該系統(tǒng)主要的測(cè)量對(duì)象為線材繞制時(shí)的滯后角，控制對(duì)象為排線電機(jī)，完成對(duì)滯后角的動(dòng)態(tài)測(cè)量及控制。因此系統(tǒng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為總控制單元，執(zhí)行器件為數(shù)字伺服系統(tǒng)，CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制滯后角，上位機(jī)內(nèi)裝Windows2000操作系統(tǒng)作為平臺(tái)，主要完成各個(gè)參數(shù)的輸入、顯示、操作方式選擇等。下位機(jī)通訊的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)支持操作界面，提供工作動(dòng)態(tài)信息。下位機(jī)用于控制纏繞伺服系統(tǒng)和排線伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制板卡。

      工業(yè)攝像機(jī)是一種精密的圖像測(cè)量元件，其測(cè)量精度和控制精度與其安裝精度、光源、鏡頭焦距、鏡頭光圈及周邊環(huán)境（如振動(dòng)源、光干擾、放線張力等）等因素有著密切的關(guān)系。圖像采集卡將采集到的圖像信號(hào)上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理，然后對(duì)排線伺服進(jìn)行控制，以達(dá)到滯后角閉環(huán)控制的目的。另外為了保證滯后角測(cè)量的準(zhǔn)確性工業(yè)攝像機(jī)的安裝面應(yīng)與線材運(yùn)動(dòng)平面保持平行。

      圖6為2個(gè)交流伺服電機(jī)電路圖，滑臺(tái)（排線）交流伺服電機(jī)選用日本安川交流伺服電機(jī)MGMA-202A1H（2KW）及伺服驅(qū)動(dòng)器MGDA203D1A，繞線電機(jī)選用日本安川交流伺服電機(jī)MGMA-092A1H（0.9KW）及伺服驅(qū)動(dòng)器MGDA093D1A。系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制板卡控制兩個(gè)交流伺服電機(jī)工作。

圖6 交流伺服電機(jī)電路圖

      圖7為計(jì)算機(jī)部分電路圖，圖中A1為控制升降機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；A2為控制排線機(jī)構(gòu)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；A3為控制繞線機(jī)構(gòu)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； A6為運(yùn)動(dòng)控制板卡，用于控制各個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作，是下位機(jī)的核心；A7為工業(yè)控制計(jì)算機(jī) IPC，是整個(gè)控制系統(tǒng)的主控制單元；A8為17吋液晶顯示器，用于整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的輸入和顯示；A9為工業(yè)攝像機(jī)，用于滯后角的檢測(cè)，并將信號(hào)通過(guò)圖像采集卡送往A6中進(jìn)行控制；其他輸入口和輸出口用于按鈕、旋鈕及指示燈等其他功能的檢測(cè)。

圖7 計(jì)算機(jī)部分電路圖

3、系統(tǒng)的軟件控制

      本系統(tǒng)軟件分為圖像采集、圖像處理、運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)控制、模擬參數(shù)采集顯示、人機(jī)交互界面和系統(tǒng)集成等。本軟件包采用Microsoft Windows2K/XP作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，以Microsoft Visual C++ 6.0作為開(kāi)發(fā)工具，利用面向?qū)ο蟮乃枷腴_(kāi)發(fā)而成。

      系統(tǒng)軟件安裝約需要100M的磁盤空間，其中包含安裝Microsoft DirectX 8.0以上版本。系統(tǒng)軟件人機(jī)界面如圖8所示。

圖8  軟件人機(jī)界面

4、結(jié)束語(yǔ)

      該系統(tǒng)利用準(zhǔn)確控制線材繞制過(guò)程中的滯后角，經(jīng)過(guò)交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠來(lái)保證線圈的精密纏繞。提高了纏繞設(shè)備的自動(dòng)化程度，提高了效率，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)有效的控制了線圈的纏繞精度，經(jīng)過(guò)用戶使用反映良好。