卧式环氧绝缘层涂敷机工件掉落检测功能的开发*

伦钊强，张宜钢，陈秋华，谢石柱，王胜雷

（广东省机械研究所，广东广州 510635）

0 引言

近年来，随着国民经济的快速发展，微特电机的需求量日益增长，生产工艺和生产设备不断革新。国内大型企业，特别是大型合资企业对生产工艺和生产设备的要求越来越高，对设备安全的重视程度越来越高。

现国内绝大多数卧式转子绝缘层涂敷机是直接通过开关控制接触器闭合，实现涂敷机设备的启停，对生产过程中冷却水、压缩空气和转子倾斜等会对生产产生不良甚至危及操作人员安全的因素没有实时的检测[1-3]。根据这种状况，我所开发出一种基于PLC集中控制的新型卧式涂敷机，此设备实现触摸屏集中控制，具备了对冷却水流量、压缩空气和转子运动状况的检测，特别是对转子在刮粉区和加热区域的运动状况检测，能有效的消除由于夹具松动后，转子接触高频感应器导致起火的情况，大大提高了整机的安全性能。

1 功能意义和算法

在转子涂敷的生产过程中，由于工装夹具和传动螺杆的正常磨损，特别是在硅钢片刮粉时，容易出现工装夹具松动、倾斜甚至脱落，进而导致夹具在高频感应加热过程中着火。基于上述原因，开发出一种基于接近传感器和PLC的转子倾斜和掉落报警的功能，当检测到倾斜和掉落时停机报警。

如图1，涂敷机转子通过螺杆传动，转子的间隔时间定义为t1、t2、t3。在正常连续生产的情况下，转子进出检测区域的间隔时间都是t1in、t2in、t3in和 t1out、t2out、t3out。

图1 螺杆传动转子示意图

通过进出该区域的接近传感器记录时间间隔并按顺序存储在PLC控制器的内存中，比较进出的时间，若满足公式1，即可以认为没有发生掉落。

当出现转子2掉落，t1out的时间间隔变长，通过比较进出的接近开关按顺序记录间隔时间，若满足公式（2），可以判断转子是否出现掉落。

在进行设计时，还需要解决下面两种情况：

（1）进入加热区的第一个转子；

（2）连续生产中停机的恢复。

进加热区的第一个转子，通过计算它在加热区的行走时间ty，判断它是否在允许的时间内到达加热区出口检测传感器。

当停机时检测区域中还留有转子，在重新启动后对出该区域的接近开关进行屏蔽，屏蔽时间是正常行走时间ty-tp，tp应小于设备设计的最短节拍时间。

2 传感器选择和比较

接近传感器是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测和控制的开关器件。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。选择接近传感器作为微电机转子进入各工位区域的检测工具，反馈信号至PLC进行处理[4]。

接近传感器按检测的原理可分为电容式、电感式、电磁式、机械式和光电式。表1是各类型传感器的特征对比。

表1 各类型传感器特征对比

分析和比较上述类型接近传感器的特点及在涂敷机高温、高频、静电和粉末的使用环境，首先排除了电磁式接近传感器，因为微电机转子是非磁性金属。对电感式、电容式、机械式和光电式接近传感器进行了对比试验，试验结果表明：

（1）电感式和电容式传感器受高频加热电源干扰，频繁出现错误信号；

（2）机械式传感器能准确检测到转子接近的信号，但粉尘容易进入传感器轴承，出现卡死现象，导致转子出现倾斜；

（3）光电式传感器能准确检测到转子接近的信号，但长时间运行粉末可能遮挡感应头。通过增加吹扫器，在感应头加上正压空气，能有效防止粉末遮挡。

因此，吹扫器的反射式光电传感器作为刮粉区和加热区检测的工具。图2从左至右分别是电感式传感器、机械式传感器和带吹扫器的反射式光电传感器试验图片。

图2 传感器试验

3 软件开发

3.1 检测区域行走时间计算

我所设计研发的卧式转子环氧绝缘层涂敷机采用螺杆传动，改变变频器的频率控制螺杆的转速。改变变频器的频率，记录上粉区、刮粉区和加热固化区不同运行频率下行走时间的试验，拟合行走时间和频率的曲线，可以自动适应用户设置的频率，计算对应区域的行走时间，为进入区域的第一个转子和急停后复位再启动情况下掉落的判断提供参数。表2是不同频率与各区行走时间的数据表。

表2 不同频率与行走时间数据

基于上述数据，利用Excel软件中一次方程进行拟合并显示决定系数R2，得到下列公式：

（1）上粉区中不同频率转子的行走时间

其中X为频率，Y1为上粉区行走时间，决定系数R2数值大小可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度，决定系数越接近1，拟合程度越高，趋势线的可靠性就越高。

（2）刮粉区中不同频率转子的行走时间

其中X为频率，Y2为刮粉区行走时间。

（3）加热区中不同频率转子的行走时间

其中X为频率，Y3为加热区行走时间

3.2 转子行走时间间隔记录程序

我所研制的新型涂敷机基于西门子PLC，转子掉落功能开发基于下面几个功能块。

（1）变频器不同频率时，上粉区、刮粉区和加热固化区转子行走时间计算。此参数连续生产中停机的恢复，防止出入转子时间间隔的混乱。

（2）转子进出区域的时间间隔记录。为了尽量减少记录时间间隔数据占用的内存，减少PLC的资源耗费，记录转子进出的时间间隔，各设置一个含20个时间变量的结构体内存[5]。采用轮询的方式保存数据，图3是结构体内存序号轮询访问的部分程序，当传感器检测到工件，在上升沿触发计数器进行加法运算，当判断序号达到20，自动将序号保存的内存置0，重新计算。图4是结构体出上粉区转子时间间隔保存时间数据。

图3 结构体内存序号轮询访问

图4 出上粉区转子时间间隔保存时间数据

（3）进出时间参数比较。如前所述，进出时间参数比较应包含两部分：一是第一个转子在该区域行走时间大于正常行走时间；二是连续运行时对应时间间隔不在允许的时间范围内。如图5，满足上述情况之一，即判断该区域出现工件的掉落。

4 使用效果和结论

转子掉落检测功能，能有效的检测生产过程中由于夹具松动导致工件的掉落，进而控制设备停止，提示操作者检测相应区域，能大大减少由于掉落工件引起的刮粉装置损坏，及夹具在高频感应过程中因过热而起火的危险情况，大大提高了设备的安全性能。

图5 工件掉落判断

［1］周锦添，梁志峰.微电机槽绝缘自动涂敷设备及涂敷技术［J］.机械开发，1998（3）：12-16.

［2］梁志峰，周锦添.微电机转定子内槽粉末涂敷设备的研究［J］.机械开发，2001（5）：58-61.

［3］陈易厅.嵌入式LED荧光粉涂敷机控制系统设计［D］.广州：华南理工大学，2012.

［4］王卫兵，张宏，金飞虎，等.传感器技术及其应用实例［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［5］廖常初.S7-1200 PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2010.