一体化电机转子绕线机器人研究
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摘要
针对一体化电机转子铁芯复杂，所绕漆包线线径较粗，难以实现线圈自动绕制，目前全部采用手工绕制的现状，设计了一种新型的绕线设备——绕线机器人系统。在机构设计中，本文运用仿生学的基本原理，对人手绕线运动进行分析与模拟，设计了该绕线机器人。较好的完成了该转子线圈的自动绕制，取得了较好的社会效益与经济效益。
论文对电机转子铁芯进行了分析，并参照人手的绕线运动特点，提出了折弯式的绕线原理，并对层绕与分段绕两种绕线方法进行了比较，最后采用层绕与分段绕相结合的绕线方法。本文针对张力系统在线圈绕制过程中的重要性，以及张力波动影响绕线质量的问题，提出了一种闭环张力系统，并用最优鲁棒理论对其进行控制。经系统仿真，张力的动态性能大大改善，跟随性能也得到了极大提高。
根据绕线机器人的控制要求，本文提出了工业PC与PLC相结合的主从控制方案，将工业PC强大的数据处理能力和PLC的高可靠性结合在一起，组成性能卓越的控制系统，并开发了相应的通讯程序。较好的完成了绕线机器人自动绕线的要求，达到较好的效果。
Because of the winding framework of integrate electromotor motor is very complex and the thread diameter that coiling on it is thick, it's difficult to realize the automatic coiling of the winding. In order to solve this problem, we research and develop a new type coiling equipment, i.e. robot coiling system. Bionics theory is employed to analyze and imitate manual coiling behavior in mechanical design of this new coiling machine. Automatic coiling can be realized with the help of the coiling machine, and it would achieve much more social efficiency and economic efficiency.
Based on the analysis on winding framework of the motor and the characteristic of manual coiling behavior, bending coiling plan is put forward. And a coiling method that integrated groove winding with smooth winding has been applied after comparing the advantage and disadvantage of groove winding with that of smooth winding. As fluctuating tension force has greatly effects on coiling quality, tension mechanism is very important in the coiling robot. So a tension closed loop system that applied optimum robust control method is proposed, simulation results show that dynamic characteristic of tension system is greatly improved.
Master-slave control mode is adopted depending on coiling robot control requirements. The control system that combined strong data processing ability of industrial PC with high reliability of PLC has excellent performance. And communication program between PC and PLC is developed. Now the coiling robot has accomplished automatic coiling of integrate electromotor motor winding, and achieved high coiling quality.
论文对电机转子铁芯进行了分析，并参照人手的绕线运动特点，提出了折弯式的绕线原理，并对层绕与分段绕两种绕线方法进行了比较，最后采用层绕与分段绕相结合的绕线方法。本文针对张力系统在线圈绕制过程中的重要性，以及张力波动影响绕线质量的问题，提出了一种闭环张力系统，并用最优鲁棒理论对其进行控制。经系统仿真，张力的动态性能大大改善，跟随性能也得到了极大提高。
根据绕线机器人的控制要求，本文提出了工业PC与PLC相结合的主从控制方案，将工业PC强大的数据处理能力和PLC的高可靠性结合在一起，组成性能卓越的控制系统，并开发了相应的通讯程序。较好的完成了绕线机器人自动绕线的要求，达到较好的效果。
Because of the winding framework of integrate electromotor motor is very complex and the thread diameter that coiling on it is thick, it's difficult to realize the automatic coiling of the winding. In order to solve this problem, we research and develop a new type coiling equipment, i.e. robot coiling system. Bionics theory is employed to analyze and imitate manual coiling behavior in mechanical design of this new coiling machine. Automatic coiling can be realized with the help of the coiling machine, and it would achieve much more social efficiency and economic efficiency.
Based on the analysis on winding framework of the motor and the characteristic of manual coiling behavior, bending coiling plan is put forward. And a coiling method that integrated groove winding with smooth winding has been applied after comparing the advantage and disadvantage of groove winding with that of smooth winding. As fluctuating tension force has greatly effects on coiling quality, tension mechanism is very important in the coiling robot. So a tension closed loop system that applied optimum robust control method is proposed, simulation results show that dynamic characteristic of tension system is greatly improved.
Master-slave control mode is adopted depending on coiling robot control requirements. The control system that combined strong data processing ability of industrial PC with high reliability of PLC has excellent performance. And communication program between PC and PLC is developed. Now the coiling robot has accomplished automatic coiling of integrate electromotor motor winding, and achieved high coiling quality.
引文
【1】 邱宣怀等编著 机械设计 高等教育出版社 1997
【2】 曹惟庆等 机构设计[M]北京：机械工业出版社 1993：70-90
【3】 冯辛安等编 机械制造装备设计 机械工业出版社 1999
【4】 邱支振 机械工程的未来与仿生 安徽工业大学学报 19 (3)2002：7
【5】 张秀丽等 机器人仿生学研究综述 机器人杂志社 24(2)2002：3
【6】 汪久根 仿生机械设计 润滑与密封 (2)2003
【7】 林良明编著 仿生机械学 上海交通大学出版社 1989
【8】 温何编著 机械电子技术 西安：陕西科学技术出版社 12.1998：100-130
【9】 A. Codourey, Dynamic Modeling of Parallel Robots for Computed-Torque Control Implementation. The international Journal of Robotics Research, vol:17, December 1998:1325-1336
【10】 颜鹏 超硬线转子绕线机器人的初步研究 西安理工大学硕士论文 2003
【11】 惠延波 CNC高速绕线机张力系统研究 西安理工大学硕士论文 1989
【12】 陈文汀 黄根良 ZK-02张力控制器工作原理及其应用 机械制造杂志社 (9)1994：30-31
【13】 牛海军 CNC 高速绕线机张力检测与控制系统研究 西安理工大学硕士论文1990
【14】 李庆扬 关治等 数值计算原理 北京：清华大学出版社2000
【15】 史忠科，吴方向等著 鲁棒控制基础 北京：国防工业出版社2003.1
【16】 申铁龙著 机器人鲁棒控制基础 清华大学出版社2000.1
【17】 张庆灵著 广义大系统的分散控制与鲁棒控制 西安：西北工业大学出版社1997
【18】 陈永进 鲁棒控制及其在四机架冷连轧机张力控制中的应用 燕山大学硕士学位论文2001
【19】 曾癸铨编著 计算机反馈系统的鲁棒性设计 科学出版社1992：71-111
【20】 李强四机架冷连轧机张力自适应控制系统的研究燕山大学硕士学位论文1990
【21】 赵长安，王子才鲁棒控制系统 北京：宇航出版社1991：208-209
【22】 谢学书，钟宜生H_∞控制理论北京：清华大学出版社1994
【23】 冯纯伯田玉平等 鲁棒控制系统设计南京：东南大学出版社1995
【24】 赵文峰等MATLAB控制系统设计与仿真西安电子科技大学出版社2002
【25】 M. Ceccarelli, M. Sorli, The Effects of Design Parameters on the Workspace of a Turin Parallel Robot. The international Journal of Robotics Research, vol:17, August 1998:886-902
【26】 Xu Ping Zhang, Yue-Qing. Motion control of flexible robot manipulators via optimizing redundant configurations. Mechanism and Machine theory, voi:36, 2001:883-892
【27】 张俊，魏红根数控技术发展趋势制造技术与机床 2000：7-9
【28】 何克忠，李伟计算机控制系统北京：清华大学出版社。1998：19-30
【29】 章梁彩电FBT绕线机控制系统研究 西安理工大学硕士论文 1995
【30】 林小峰编可编程控制器原理及应用高等教育出版社1991：50-81
【31】 殷洪义主编可编程序控制器选择、设计与维护机械工业出版社2003
【32】 IPM公司IPl612可编程控制器手册2，1997
【33】 李友善自动控制原理[上]北京：国防工业出版社1989
【34】 李晓华，谭皓编著 学用Visual Basic 6.0编程 西安电子科技大学出版社1999
【35】 陈功贵 基于windows平台的串行端口通信程序设计 湖北民族学院学报18(2)2000．70-72
【36】 Kwakemaak Hilbert. Robust control and H_∞ optimization:tutorial paper, automatic, Vo1:28. No 3. 1993:255-273
【37】 E. Zio. Malis, GuillaumeMorel. Robot control using Disparate Multiple Sensors The International Journal of Robotics Research. Vol:20,
No 5, may 2001:364-377
【38】 Hansm. Kolstee, MS, PE. Mechine Design for Mechanical Technology CBS college publishing. 1984
【39】 R.C. Brost and R.R. Peters. Automatic design of 3-D Fixtures and Assembly Pallets. Robotics Research .Vol:17, December 1998: 1243-1282
【40】 Marco A. Arteaga. Tracking control of flexible robot arms with a nonlinear observer. Automatica. Vol:36, sep 2000:1329-1337
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