黎洋
摘要: 本文通过分析量码成圈机的性能要求和普通型量码机的不足及形成原因,设计出一种用变频器分段控制的电线量码成圈机。它能够准确高速地完成量码成圈工作,降低工人的劳动强度，提高生产效率。
关键词: 高速量码成圈机;变频分段控制;杠杆式气动刹车;高效节能
前言：目前在电线电缆行业中，电线的量码成圈机主要有传统老式和新式两大类。我厂过去使用的是老式量码机，采用电磁调速电机调速的主动收线、被动放线的方式，人工刹车装置，计米以周长为1 m的轮式机械计米器。此系统结构简单,但性能差，计米不准确，实际操作控制性差。市面上的新式量码机多采用主动收线、主动放线加张力调节装置的方式。此系统须要使用两台变频器和两台电动机，控制电路较复杂，虽然性能较好, 但制造成本偏高。本文介绍我利用变频器多段控制的电线量码成圈机, 省去了主动放线装置。它性价比高，性能稳定, 结构简单, 制造成本低, 适用于推广应用。
1 量码成圈机性能的要求和问题的分析
1. 1 性能的要求
电线的量码成圈是电线制造过程中的最后一道工序，其对量码机有以下主要要求：
(1) 量码成圈过程中电线不拉伸变细；
(2) 放线盘放线时不发生垮筒；
(3) 长度计量准确，外观整齐；
(4) 高压火检可靠, 安全；
(5) 操作简便, 生产效率高。
1. 2 问题的分析
以下针对传统的量码机使用过程中普遍存在的问题,分析其形成原因。
(1)电线被拉细。成圈收线盘的驱动电机多采用普通的电磁调速电机或其他受控电机, 我在实际工作中发现：一是启动时如采用人工控制收线速度，启动速度过快时, 就会对电线产生过大拉力, 造成电线拉细。二是在简易被动放线系统中,放线盘须施加可调摩擦阻力,以产生放线张力, 如摩擦阻力调节过大, 都会拉细电线。
(2)放线盘垮筒。收线盘减速停车过程中, 放线速度大于收线速度, 造成放线盘上的电线松垮、上下层线交错缠绕, 无法正常放线, 造成电线垮筒。简易被动放线系统中, 放线盘利用人工刹车或可调摩擦阻力作用下减速。当摩擦力不够时, 放线盘的减速慢于成圈收线盘的减速, 也会造成电线垮筒。主动放线系统中, 如运转速度过快, 张力调节装置无法使放线盘快速降速, 也会造成电线垮筒。
(3)长度计量不准确。原因一：老式量码机多采用轮式机械计米器,即电线紧绕计米轮一圈带动计米轮计米，所以存在弯曲半径误差，线径大小不同计量得不同的长度。二：老式量码机的机械计米器没有输出控制，没法实现定长停车控制或其它控制。依靠人工控制加减速或停机准确性不高，出现长短码。
(4)火检控制不精确。由于旧式成圈机的控制（图1），只要SQ断开，火花机立即失电，但驱动电机由于惯性作用仍在收线，出现部分电线漏检情况。要求火花机的高压断开与量码机停机必须同步。断开早, 有一部分线会漏检，断开晚, 工人操作时有被电击危险。
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图1（改造前）成圈机电气原理图
以上问题, 是目前不同机型的量码成圈机均存在的主要问题, 也是影响其操作性能和工作效率的主要原因。根据我的工作经验和对量码成圈机进行多次实践试验，我个人对以上问题的解决方案和措施如下。
2 解决的方案
2. 1 电线拉细问题的解决
本被动放线系统, 采用杠杆式张力储线器（图片1-1、2、3、4），和杠杆式气动刹车装置（图片2-1、2）。启动时, 使成圈机的驱动电机由零速开始并以匀加速度运行, 缓慢升至高速。当储线器的动滑轮被电线从下向上拉动时，刹车慢慢松开，动滑轮杠杆处于水平位置（可调整）时刹车完全打开，线盘自由放线，拉力很小,保证了此加速过程产生的拉力小于电线能承受的拉力, 确保电线不被拉细。另外,在被放线架上设计一个上限减速装置（上限位置可调），使动滑轮不会拉到极限，电线不会被拉细。采用这些措施确保证整个量码周期内, 电线不被拉细（附有视频）。
2. 2 放线盘垮筒问题的解决
放线盘垮筒问题主要是出现在停机的时候。在被动放线架系统中采用杠杆式张力储线器，和杠杆式气动刹车装置。在停车时杠杆储线器起到它主要储线作用。另外，当动滑轮下滑低于水平位置时开始刹车，在自动储线、气动刹车的有机配合下，放线盘在1-2秒钟内就能完全停止，杜绝了出现垮筒现象的发生（附有视频）。
2. 3 长度计量不准确问题的解决
电线的计量一定要在直线的状态下计量是最准确，所以电线是直线通过计米轮(图片3 直线计米装置)。计米器采用加计、减计双向电子计米。电子计米器设定的预置值到达时控制变频低速运行，定长米数值到达时控制变频器从低速运行到停止，停机十分及时所以量码准确。
2. 4 火检控制不精确问题的解决
利用变频器的“运行中”继电器BJ2输出信号, 以反映电机的运行状态, 控制火检高压启动和停止。在电机运行时, 火检高压能准确启动，电机停止时, 火检高压能快速断开。
3 设计的思路
将整个量码过程分段处理, 与机械装置配合进行“分段控制”。如图2 所示的控制曲线。图中N (f ) 为收线电机的转速, 由于N 随着输入电源频率的不同而变化,是频率的函数, 所以用N (f ) 表示, 单位为Hz；L为成圈电线的长度(m ) 。T1、T2、T3为启动过程所用时间(s)，转速由零至C点；T4为最高速运行时间(s)，；T5、T6、T7为降速停止过程所用时间(s)，转速由D点降至零速G点。
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图2 量码成圈过程的控制曲线
图1 中量码过程的分段处理过程的分析如下:
OC启动段，由OA、AB、BC段组成，变频器驱动电机由零速按照加速时间Pd014比例加速，电子计米器实时计米。转速上升（OA段）收线盘拉动电线，放线架的杠杆式储线器的动滑轮组被电线拉动向上运动，杠杆的另一端得到电线拉力的6*25倍力，克服杠杆式刹车的气缸拉力自动打开放线盘刹车，从而电线轻松被从线盘拉出，不会拉细电线。为了避免电线承受过大拉力，防止电线拉细，在接近上限处(可调)安装的限位接近开关Fe动作，“上限减速”动作电机保持在AB段“多段速1”频率 (实践最佳值25Hz) 运行；当放线盘转速上升后接近开关离开铁块断开“上限减速”，变频器继续加速（BC段），C点最高速50Hz频率运行,动滑轮稳定在中上位置，完成启动。
CD运行段，电机驱动收线盘保持最高速运行从C至D点，保证量码的工作效率。
DE预置减速段，当计米器的预置计米值到达D时，变频器按照减速时间Pd015比例从D点降到E点“多段速2”(实践最佳值10Hz)，为停机作准备。此时杠杆式储线器的动滑轮向下运动自动刹车，不会出现电线垮筒情况。
EF过渡段，低速运行段。以确保量码到达实际计米值F点时，计米器输出停止信号。
FG停车段，变频器得到停止信号后，从“多段速2”减至零停止输出。
由此可见以上的T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7都是不固定的，无须设置，量码过程中自动生成。
4 实施的方案
三相异步电动机的转速n=60f(1-s)/p，其中f为电源频率，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个量中的任意一个，就能够实现调速，其中改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率f就能够改变电动机的转速。所以，我利用变频器的调速控制和程序控制功能，实现以上运行曲线最为简捷, 而且可靠性高, 控制线路简单。
4. 1电气装备的选用及参数的设置和机械结构
本文电气选用：Y90L-4额定功率1.5KW三相异步电动机作驱动电机，誉强YQ3000-F7402P2G，额定功率为2.2KW变频器，（选用变频器的额定功率≥电机的额定功率*1.1倍，经查阅该产品说明书选用额定功率为2.2KW较合适）。 CT7-PS62B双段智能电子计米器, 通用火花机。机械采用杠杆式储线器、杠杆式气动刹车装置被动放线架。根椐量码过程的控制动作曲线, 设置以下参数:
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4. 2 量码机电气原理的设计与工作流程的设置
量码机电气原理见图3, 工作流程如下:
操作工人把计米器清零后，踩下SF脚踏开关启动变频器，同时线夹立即打开，电机从零速起动运行拉动电线成圈，经过时间T1转速升至 A点时，上限减动作控制变频器保持25Hz转速运行(实践最佳频率25Hz，时间T2约2秒)，上限结束后变频器继续升速至最高速C点稳定运行，经过时间T4后，计米器设定的预置值到达，LO控制变频器从D点降速至E点10Hz运行，经过时间T6后，计米器设定的定长成圈值到达,（5秒后计米器的LO、HI输出继电器复位为下次工作做准备）HI控制变频器停止运行。变频器外控定时器开始计时，3秒后接通气动线夹的电磁阀线圈，电线被夹紧，(在工人把电线剪断后，电线不会被放线张力往后拉走)完成成圈工作（完成BV2.52电线成圈长度为100m只须30秒）。整个成圈工作流程工人只须要踩下脚踏开关就能完成，简单方便。
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4. 3 在调试过程中所要解决问题和说明
(1) 根据实际调试情况, 运行曲线中“FG”段对应的电线长度小于0.1米。100 m 成圈的电线, 国标公差为±5‰ 。实际长度在公差范围内, 可以保证量码精度。
(2) 花机的击穿输出继电器HJ自带延时5s复位功能。
(3)在整个量码过程中电线始终保持张力，利用电线自身的推力作用电线实现自动排线，无须人工排线操作，成圈后结实整齐美观。（适用范围0.5mm2—6 mm2电线）
5 结束语
此种结构优势在于:
(1) 不需要主动放线, 结构简单, 有利于推广。电线垮筒现象是制约连续生产, 影响生产效率的主要原因。利用主动放线可以解决问题,但其结构复杂, 可操作性差, 并且不适于推广。因为电线量码成圈机使用很广, 对一般小厂和私营企业采用此系统存在技术和资金方面的困难。
(2) 计米准确。利用双段计米器, 在预置计米到达进行减速, 到达定长值时再停车，实现定长停车。
(3) 电气线路简单, 可靠性高。利用变频器的程序控制功能进行控制, 只需使用四个继电器。
(4) 操作简便。操作工人只需踩下脚踏开关,即可自动完成一个操作周期。此量码机的关键在于将整个量程过程进行分段处理, 有针对性地设计各段的运行曲线, 并借助变频器加以实现。提前减速停车, 以保证计米准确, 也是有别于其他机型的地方。
在我厂的实际使用中, 电线规格为BV2.5mm2,量码长度为100m/圈。班产量达600圈以上。我厂新制的4台量码机, 经过一年连续运行(每日2 班, 每班8 h) 设备故障率几乎为零。因此, 用变频器控制电线量码成圈, 可提高现有设备的自动化程度, 并能准确快速地完成量码成圈的工作, 具有良好的应用和推广前景。
参考文献
1.《自动控制技术应用》 龚顺镒编 机械工业出版社出版 2009年1月
2.《通用变频器及其应用 第3版》 韩安荣主编 机械工业出版社出版 2008年6月
3.《机械设计手册 第五版》成大先主编 化学工业出版社出版 2010年9月