小型手动扒电线机器

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       编辑/江畔雨落
       前言
       电缆绕组以前曾被建议作为大型电机的鲁棒、高效和方便的定子绕组的替代方法，使用电缆绕组的应用是乌普萨拉大学，波浪能转换器概念中使用的线性直接驱动发电机。


       由衍生公司商业化，其中最新的版本代表第三代设计使用九面和约2m长的电缆绕线定子，在这个概念中许多的农场将部署在海上。
       通过这种方法单个机组的波动功率输出更聚合和平滑，从而提高了整个系统的利用率和经济效益。


       因此可以利用大规模生产，最好与自动化制造投资相结合，以实现本地生产、成功的商业化。
       并且已经确定，可再生能源的推广总体上将增加分布式电能发电系统的使用，多个较小的单元通常使用大中型发电机，因此发生器开发的自动化制造方法可能会有进一步的应用。
       自动化制造给我们生活带来了那些便利？以后的发展方向是啥样的？


       工业模式的改变
       传统定子的全自动组装如今被广泛使用，特别是用于较小的机器，并且一直强调不仅提供低生产成本，而且提供灵活性和高质量。
       另一方面电缆定子绕组是一种不太常见的绕组技术，主要用于大型机器，迄今为止仅手动执行。


       在以前的工作中，已经提出并评估了用于自动电缆绕组的机器人化解决方案，这种机器人单元原型可以用于小型电缆卷筒自动送入两个工业机器人。


       配备电缆馈线工具，以缠绕短发生器定子，一个瓶颈绕组电缆需要手动准备，这种准备工作包括将电缆端形成尖端，使其在通过定子时不会卡住，并将电缆切割成所需的长度，手动电缆端部成型是通过使用热风枪加热电缆端绝缘。


       将绝缘层从电缆的端螺纹上拉出，然后使用手套或将其压入铸件中将其成型到尖端来实现的，这个过程每个电缆末端大约需要45秒，使用手动电缆切割工具切割电缆。


       另一个瓶颈是只能处理可容纳约25米电缆的小型电缆卷筒，作为参考一个完整的第三代发生器定子的绕组需要大约300个电缆末端、150个电缆切割和总共约3000米的电缆。
       因为需要准备许多电缆末端并且需要大量电缆，在这两个操作中，机器人单元都停止了，这极大地影响了单元可实现的生产率。


       用于展开电缆并将电缆切割成指定长度的电动和液压电缆卷筒和卷筒馈线设备存在于当今市场上，但需要进行调整以适应自动化机器人单元。
       特别是，机器人化电缆绕组应用需要精确的电缆馈送长度，具有快速、同步和完全集成的控制，以及将电缆精确地输送到机器人。


       方案其他具有相似性的应用，是用于遥控或自主海底车辆的自动电缆绞车和自动长丝缠绕系统。
       但是这两种解决方案都不能直接用于此应用，于是决定开发尽可能简单的新型定制设备。


       在市场上没有找到合适或类似的现有设备来准备电缆端，考虑了市售的电缆软管，但不能使用，主要原因是因为它们在电缆端的直径和结构上堆积太多。


       然而早些时候已经提出了一种自动电缆末端准备的主要方法，用于集成到发生器发电机的机器人定子绕组中。
       为了验证构建的原型电缆准备设备，使用了机器人电缆绕组的实验装置，该设置包括一个配备了新的电缆馈线工具的机器人。


       在实验中一个使用了外径约为9.3毫米的PVC绝缘多螺纹安装电缆，即最新的的电缆，电缆采用标准塑料电缆卷筒交付，每个卷筒携带约250米的电缆，滚筒上的电缆长度受到限制，以便于手动处理滚筒。


       对于这些子任务中的每一个，都设计了单独的设备，设备设计以上述工作的结果和经验为基础，使用计算机软件环境。
       直接根据工业机器人，电缆馈线工具，电缆卷筒和电缆本身的3D模型验证设备机构和尺寸，为了最大限度地减少从构思到原型的时间并限制投资成本。


       大多数零件是标准可用组件，包括所有执行器和传感器，要么是内部制造的机加工或3D打印塑料组件，要么是内部拧紧和组装在一起的机加工扁平铝组件，开发的原型连接到可编程逻辑控制器并由其控制。


       并在上述实验设置中进行测试，对设备进行调整和校准，直到找到令人满意的解决方案。
       在实验过程中，PLC以10Hz的采样频率记录关键工艺参数，记录包括电缆馈线工具和工业机器人的输出参数。


       其中使用完整设备重复实验约150次，使用最终完全校准的设备重复约100次，大约一半的制备电缆末端在实际的机器人或手动绕组实验中进行了测试，电缆末端准备子任务的绝缘拉出子过程通过最终设备验证。


       构建原型电缆准备设备是一项重复性任务，在找到令人满意的解决方案之前，设备和控制系统都经过多次调整和完成。
       除了在机器人控制器上编程的机器人运动外，所有设备都连接到PLC并由PLC完全控制，但包括所有执行器，驱动器和传感器，这意味着设备可以在PLC中完全控制和监督。


       PLC在现代的应用
       由于所有设备都应该在预期的电缆绕组应用中频繁使用，并且需要高度可靠的结果，因此PLC也被编程为监督实际使用的关键组件量。
       通过设置维修间隔，PLC可以在需要维修或更换这些组件时警告操作员，设备应满足的基本要求是根据以前的工作和卷绕经验确定的。


       在设计新的滚筒进料设备时，首先评估了早期工作中使用的解决方案，在以前的解决方案中，使用安装在滚筒馈送设备上的单独电缆馈线工具将电缆输送到机器人电缆馈线工具。


       该解决方案的一个优点是，可以使用类似于机器人电缆馈线工具的电缆馈线工具设计，从而提供所需的馈线控制，同时节省设计和编程时间。


       在该解决方案中，电缆通过馈线工具从滚筒中拉出，通过四个导向辊和一个圆形吹气喷嘴，用于吹走电缆上的污垢，滚筒绕垂直轴自由旋转。
       这种设计的一个主要缺点是设备可以处理的最大电缆长度受到电缆馈线工具提供的低馈给力的限制。


       此外由于进料经常由进料器工具启动和停止，因此在进料加速和停止进料时，滚筒和馈线工具之间通常会产生电缆松弛。


       而因为滚筒自由旋转，当进料从静止状态开始时，当电缆被拉紧时，硒鼓通常会开始猛烈旋转，然后加速到过高的速度，使电缆再次松弛。
       依此类推这种不均匀的运动进一步加剧，因为电缆在向下落在滚筒上时偶尔会不均匀地从滚筒上脱落，在这点上需要特别注意。


       对于新设备，决定以前的滚筒进料解决方案的优点超过了它的缺点，并且可以解决这些问题，因此构建了一种新的电缆馈线工具，类似于上述机器人安装的电缆馈线工具。
       描述的机器人电缆馈线与新的滚筒电缆馈线间的主要区别，在于以前用于馈送机构的步进电机被伺服电机取代。


       进料轮由双作用导向线性气缸而不是步进电机耦合滚珠丝杠封闭，无法打开电缆导向系统，以及新工具设计为完全由PLC控制。


       为了减少所需的进给力，新的电缆卷筒在固定的水平轴上安装了滚珠轴承，这样的话旋转摩擦损失大大减少，支撑电缆卷筒的水平轴由一根螺纹杆组成，螺纹杆用特殊螺母固定在两块钢板上。
       两个具有锥形外表面的滚珠轴承安装在螺纹杆上的相对滚筒侧面，并用螺母固定在滚筒上，从而将其固定在螺纹杆上。


       之后为了监督滚筒的旋转速度和加速度，将带有增量旋转传感器的微型测量轮系统安装在滚筒一侧的螺纹杆上，紧靠滚珠轴承的旋转外表面。
       这样测量系统很容易从滚筒轴上拆下，滚筒和轴很容易一起抬起，滚筒很容易从轴上卸下，反之亦然。


       并且为了最大限度地减少电缆松弛，从而减少峰值进给力，构建了一个简单的可变力鼓式制动器并将其安装在滚筒框架上，制动器与中的盘式离合器制动器有一些概念上的相似之处。


       使用双作用导向线性气缸作为执行器，执行器操作由气动3/2通NC电磁阀控制，使用执行器侧的节流阀在两个方向上手动校准运动速度。
       并使用比例气动阀调节推力，在执行器和铝型材之间安装了一个阻尼动力弹簧和两个小型缩回拉簧。


       同时在气缸上安装了霍尔效应传感器，以验证制动器何时松开，另外两个霍尔效应传感器安装在气缸的上方，相对于彼此有一些偏移，以验证制动器何时关闭。
       最后决定将导辊和圆形吹气喷嘴，安装在滚筒和滚筒给料器之间，吹气喷嘴再次由气动NC电磁阀控制。


       但现在使用压力调节器手动校准供应的压缩空气的压力，完整的滚筒喂料设备电缆馈电设备的控制系统与原型设备同时开发。
       首先由于卷筒送料机工具伺服电机驱动器连接到PLC，因此可以从PLC直接控制和监督伺服电机，由于机器人送料器工具的送料机构伺服电机驱动以相同的方式连接到PLC。


       因此可以同步两个工具的送料，而电缆馈送可以精确调整，以限制馈线在卷筒进料从静止启动时承受的最大力。
       与以前使用的步进电机相比，伺服电机不允许电机打滑，因此过高或生涩的进给力会自动引起PLC驱动器的错误。


       当控制系统激活滚筒进料时，圆形吹气喷嘴使用其电磁阀同时自动激活，以吹走电缆上的污垢。
       鼓式制动器通过在PLC中的制动器轮廓和鼓之间设置所需的法向力来控制，知道气压和执行器推力之间的关系后，将所需的法向力转换为PLC中相应的所需气压，并发送到比例阀中的内置控制系统。


       从比例阀到PLC的反馈信号提供了输送到气缸的实际气压，然后将其转换为制动器的实际法向力值，来自增量旋转传感器的信号连接到PLC上的快速计数器输入，结果被转换为滚筒的旋转度数。
       然后对该值进行微分以获得滚筒的旋转速度，然后又对其进行微分以获得滚筒的旋转加速度，准备好控制和监督制动器和鼓旋转的变量后，可以对制动操作进行编程。


       总结
       在上述工作中，已经设计、建造、测试和验证了用于机器人化定子电缆绕组的自动电缆准备设备，准备工作包括将电缆从电缆卷筒输送到机器人持有的电缆馈线工具，将电缆端成型到尖端并将电缆切割成所需的长度。


       结果与早期的理论和实验结果密切相关，并满足确定的要求，特别是对于较低的卷筒电缆馈送速度，而这项工作代表了展示全自动机器人化定子电缆绕组的又一重要步骤。
       但是为了在更高的速度下实现稳健的滚筒进料，特别是如果应使用较大的滚筒，建议在滚筒进料设备中添加电缆张紧设备。


       同样建议增加可用的卷筒电缆馈线工具进给力，并增加对准备好的电缆末端的自动机器视觉检查，还应考虑添加电机来驱动电缆卷筒本身。


       尽管结果非常有希望，但仍需要在全尺寸机器人电缆绕组设置中进行进一步的长期测试，以充分研究设备的坚固性。
       除此之外这项工作中介绍的设备可能会进行调整和校准，以处理不同的电缆尺寸，也可能处理其他类似的电缆类型。

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