0、 引言

精密缠绕设备是精密电子元器件生产中的关键设备之一，主要用于电子、电力、航天、航空、兵器、船舶等领域，制造精密电位器、精密电阻器、精密传感器、行波管、制导线圈、通讯布线线圈等精密电子元器件。在精密线圈的绕制过程中虽然采用了高精度的交流伺服系统和高精密的执行机构，从理论上完全能够满足线圈的精度要求，但由于线材的线径变化、张力变化等不确定因素的影响，排线螺距会出现一些间隙，不均匀现象，线圈的排线精度达不到设计要求，因此在一些高精度的线圈绕制工艺中继续采用半自动人工逼线的绕制方式，效率低，劳动强度大，最为严重的是线圈的排线精度受人为因素影响比较大，质量难以保证。采用控制线材的滞后角技术保证了线材在整个缠绕过程中无间隙精密排绕，提高了缠绕设备的自动化程度，有效的控制了线圈的缠绕精度。

1、滞后角的控制原理

由于精密线圈绕制过程中存在的缺陷（绕层随机的间隙如图1所示），提供了一种代替人工逼线的绕制方式，在线圈缠绕的过程中实时控制线材与缠绕轴之间的倾斜角，保证线材在整个缠绕过程中无间隙精密排绕（理想的绕制层如图2所示）。

由此可见倾斜角的大小直接影响线圈缠绕的效果，因此采用精密摄像装置、高速图像处理系统对此进行采样。为测量方便，通过直接测量倾斜角余角的办法来控制倾斜角，该余角就为滞后角。排线左移时滞后角示意图如图3所示。

排线右移时滞后角示意图如图4所示。由此可见左移和右移时滞后角大小相同，但方向相反。

由图可见滞后角过小，会导致线材螺距间隙过大，出现缝隙，线与线之间不能紧密排绕，影响下一层的绕制；滞后角过大，会导致线材螺距间隙过小，出现叠线现象；因此滞后角控制精度的高低直接影响线圈缠绕的效果，是精密缠绕控制系统的难点。

为了保证滞后角的控制精度，采用精密摄像装置和高速图像处理系统，对滞后角的变化进行自动测量，并将信号反馈到计算机中，并通过交流伺服系统驱动精密滚珠丝杠排线，实现对滞后角的闭环控制，以保证线圈的精密缠绕。

设定：⑴ CCD像机监测走线的视场范围大约在100mm×100mm

⑵ 相机的分辨率是1280×1024个相素，

⑶ 最快每秒钟能拍摄10幅图像

在进行图像处理时，对直线的处理是整体边拟合，这样容易保证精度。算法为：

运行时间大约40—50ms；

采集一幅图像的时间大约100ms；

处理一幅图像的时间大约150ms；

在处理本幅图像时，可以正常读下一幅图像；

实际上的滞后时间为100ms；

正常情况下一个点的分辨率为：100000μm /1280=78.125μm。

通过程序进行像素间插补，保证10细分精度，最终精度为7.8125μm，光纤走向两端误差总和最大可为15.625 μm ，因此最大角度误差为：

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

像素间插补后控制精度为：Q=0.0009度

若不经像素间插补，则控制精度如下：

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

最大角度误差为：TanQ=156.25μm/100000μm =0.0015625

控制精度为： Q=0.09度关于最大滞后角的确定，理论计算值与实际绕线检测值差距较大，理论计算值接近于0°，而实际绕线检测值可达2°。偶数层光纤偏摆角度最大可达0.26°(线径0.7mm, 排线轮距收线轴300mm)。可见，CCD图像识别系统的控制精度能满足系统中对滞后角的精度要求。

图5 图像采样图

2、系统配置

该系统主要的测量对象为线材绕制时的滞后角，控制对象为排线电机，完成对滞后角的动态测量及控制。因此系统采用工业控制计算机作为总控制单元，执行器件为数字伺服系统，CCD图像识别系统实时控制滞后角，上位机内装Windows2000操作系统作为平台，主要完成各个参数的输入、显示、操作方式选择等。下位机通讯的自动监控系统支持操作界面，提供工作动态信息。下位机用于控制缠绕伺服系统和排线伺服系统的运动控制板卡。

工业摄像机是一种精密的图像测量元件，其测量精度和控制精度与其安装精度、光源、镜头焦距、镜头光圈及周边环境（如振动源、光干扰、放线张力等）等因素有着密切的关系。图像采集卡将采集到的图像信号上传到上位机进行处理，然后对排线伺服进行控制，以达到滞后角闭环控制的目的。另外为了保证滞后角测量的准确性工业摄像机的安装面应与线材运动平面保持平行。

图6为2个交流伺服电机电路图，滑台（排线）交流伺服电机选用日本安川交流伺服电机MGMA-202A1H（2KW）及伺服驱动器MGDA203D1A，绕线电机选用日本安川交流伺服电机MGMA-092A1H（0.9KW）及伺服驱动器MGDA093D1A。系统通过运动控制板卡控制两个交流伺服电机工作。

图6 交流伺服电机电路图

图7为计算机部分电路图，图中A1为控制升降机构的步进电机驱动器；A2为控制排线机构的交流伺服电机驱动器；A3为控制绕线机构的交流伺服电机驱动器； A6为运动控制板卡，用于控制各个系统的动作，是下位机的核心；A7为工业控制计算机 IPC，是整个控制系统的主控制单元；A8为17吋液晶显示器，用于整个系统参数的输入和显示；A9为工业摄像机，用于滞后角的检测，并将信号通过图像采集卡送往A6中进行控制；其他输入口和输出口用于按钮、旋钮及指示灯等其他功能的检测。

图7 计算机部分电路图

3、系统的软件控制

本系统软件分为图像采集、图像处理、运动实时控制、模拟参数采集显示、人机交互界面和系统集成等。本软件包采用Microsoft Windows2K/XP作为操作系统平台，以Microsoft Visual C++ 6.0作为开发工具，利用面向对象的思想开发而成。

系统软件安装约需要100M的磁盘空间，其中包含安装Microsoft DirectX 8.0以上版本。系统软件人机界面如图8所示。

图8 软件人机界面

4、结束语

该系统利用准确控制线材绕制过程中的滞后角，经过交流伺服系统驱动精密滚珠丝杠来保证线圈的精密缠绕。提高了缠绕设备的自动化程度，提高了效率，减小了劳动强度，同时有效的控制了线圈的缠绕精度，经过用户使用反映良好。

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