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摘要：本文通过对变压器线圈整形设备的结构介绍，重点分析了模糊PID控制方法、上顶式液压机结构和多级冗余监控技术在设备上的应用，较好
地达成了高速重载牵引变压器线圈精密整形对设备的开口距离调节器整
灵活、整形压力宽、压力精度高等要求。
关键词：变压器 线圈 整形设备 研究
【中图分类号】TM922.73
1.前言
变压器线圈绕制完成后，为保证变压器线圈轴向几何尺寸、致密度和电磁性能，提高线圈的紧密性和抗短路变形能力，减小线圈的载流导线在工频交变磁场中的振动，并保证线圈的轴向尺寸达到设计和工艺要求，必须通过轴向压缩整形。因此，研制用于变压器线圈整形的专用设备，要求具有压力、行程控制精度高，满足多种产品加工整形工艺，便于工人操作的，适应多种不同模具加工工艺要求等功能。
目前我国变压器线圈整形设备普遍落后，压力控制精度差、稳定性差、自动化程度不高精度，误差只达到±10%。可靠性水平低，完全靠操作人员的经验保证，工作效率非常低，压制整形废品率高，制造成本高，工人勞动强度大。
本项目的研究旨在针对高速重载机车的牵引变压器线圈精密整形工艺的多项关键技术，提高我国高速重载机车变压器线圈整形工艺自动化水平，提高产品质量，消除过去一般设备在变压器线圈整形工艺对参数无法精确控制、一致性差而造成废品率高而带来的经济损失。
2.系统构成
变压器线圈精密整形设备主要由提升式主机、液压控制系统、电气控制系统、冗余式多通道在线检测与控制系统、台车自动输送系统等部件组成。
2.1主机系统
主机结构采用提升式液压机，由上横梁、下横梁、立柱组成，下横梁上固定安装有油缸，油缸的活塞杆上端顶托着与立柱滑动配合的动滑块，动滑块的上端固定安装有移动工作台，立柱上部为螺纹段，下部为光轴段；立柱的螺纹段穿过上横梁，且与上横梁上方的蜗轮内孔螺母螺纹配合，蜗轮转动安装于上横梁上，蜗轮与上横梁上方的蜗杆啮合传动，蜗杆与固定安装在上横梁上端面的电动机传动连接，上滑块可以上下自由运动。
在上梁下平面装有三只力传感器，力传感器下方安装的悬吊式压制钢板平台，以此作用在被压工件上。
移动梁上升行程控制，采用1个位移传感器控制（位移精度0.1mm），可实现在控制屏上数显和数控，并设有上、下和快转慢的机械限位，确保移动梁在行程范围内安全工作。
2.2 液压控制系统
液压控制系统是整形机重要的组成部分，该部分性能的高低，决定了线圈整形机的性能高低。为解决传统的线圈整形机液压控制系统控制范围小、控制精度低、控制性能差的问题。开发研制了一种数字式大范围超高精度线圈整形机液压控制系统，可使液压系统控制压力在3%-100%范围可调。压力控制精度误差在设定值的±0.02MPa。消除了系统元件的线性死区问题，实现大范围系统控制，并提高整个系统的控制精度。
为了实现在成形过程中滑块对工作台的平行度，在滑块两侧分别布置一位移传感器，传感器的分辨率为5?m。每个油缸采用一组液压控制回路通过对应的位移传感器形成闭环控制，油泵采用Parker数字泵。保证滑块的重复定位精度。主油缸上腔装有精密压力传感器，和主油路形成压力控制回路，保证滑块压制工件时的压力。
2.3 电气控制系统
电气系统由动力电路和控制电路组成。动力电路为380V、50HZ，担负着油泵电机的起、停和保护。控制部分的核心功能由“PLC”可编程序控制器来承担。电气控制系统采用西门子S7-3152DP型PLC可编程序控制器。通过工业计算机采集设备中的关键数据，采用西门子wicc7.0 程序软件组态，将关键数据进行记录和存储，并配置打印机对数据以历史曲线形式进行打印。
2.4 冗余式多通道在线检测与控制系统
通过多组位置信号、光电信号、力信号和压强信号等对设备动作进行控制，提高设备的操作安全系数。位置检测装置由接近开关和直线位移传感器构成，位置检测装置可与外部电气控制系统连接，对滑块位置测量做冗余控制，保证了设备安全。光电保护器设在上横梁底部两侧，是在滑块合模前的位置检测，能再次对位置检测装置的测量结果进行验证，确保设备安全。
2.5 台车自动输送系统
台车为钢板焊接箱形结构，驱动方式采用变频器+减速机驱动。配有移动梁和台车的联合检测装置（对角布置2个）；在操作升降时，在上升时移动梁上平面和台车下平面之间的间隙大于0.5mm时，主机禁止工作，并有报警显示。台车移动速度为10 mm/s和3 mm/s两档，在台车进出时均设有快速位和慢速位两档限位，台车移出时完全在主机外侧，便于吊运工件。
3.主要研究内容
3.1 液压机开口距离的灵活调整实现了多种线圈的整形工艺
设计开发上顶式液压机。其特征在于：立柱上部为螺纹段，下部为光轴段；立柱的螺纹段穿过上横梁，且与上横梁上方的蜗轮内孔螺母螺纹配合，蜗轮转动安装于上横梁上，蜗轮与上横梁上方的蜗杆啮合传动，蜗杆与固定安装在上横梁上端面的电动机传动连接。
由于上横梁的灵活移动，可以实现液压机开口的调整，克服了原有固定上梁的缺陷，不能方便地应用多种线圈的难点问题，方便了不同线圈柔性化加工，扩大了设备的使用范围，实现了较好地经济性。
3.1 PLC的集中控制系统，采用模糊PID控制方法，实现线圈油压整形压力闭环精密控制
电气控制系统采用触摸式可编程终端对压制力值进行设定和显示，以及对压制力偏差值进行设定和显示，PLC选用了西门子公司新型产品和模拟量模块。PLC对各种开关量如行程限位以及各种模拟量进行控制。
压力控制过程如下：首先从触摸屏对压力值进行数字设定，传入PLC 进行数据转换和计算，由模拟量输出通道输出一个电压值，到放大卡，经过PID计算，输出一个电压值给比例电磁铁，电压值与电磁铁吸力成正比，比例阀的压力随电磁铁吸力改变。压力实际值经力传感器采样后，进入模拟量输入通道，模数转换后与设定值进行比较，并输出信号，不断采样、比较、控制、输出控制，为一带负反馈闭环控制系统。 在调试过程中发现，采用传统的方法，很难达到压力精度≤ 2‰的技术要求。如果设定值为30kN，由于PID调节容易出现积分饱和现象，还有温度、速度以及一些不确定性因素对液压系统的影响，实际值往往不等于30kN，而且特性不稳定，每次结果可能都不尽相同。如果实际值小于设定值，可以采用压力补偿的方法来修正（误差在允许范围内）；如果实际值大于设定值，出现了压力超调，就不能采用压力补偿的方法去修正。
由工艺可知，设备在空载运行时，负载主要表现为惯性力和外负载，此时系统对压头的行程控制定位精度要求不高，用一般的比例微分控制就可以达到要求。当整形工件时，要求压头有较高的重复压力控制精度，可以进行PID控制。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，其传递函数可描述为：
比例伺服系统模糊控制PID仿真模型如图1所示，图中FUZZY LOGIC CONTROLLER框为模糊控制器，SUBSYSTEM框为PID计算子系统。经仿真后得到的计算结果如图2所示。
图1 比例伺服系统模糊控制PID仿真模型
图2 比例伺服系统模糊控制仿真计算结果
由图2可以看出，模糊PID控制结果不存在超调现象，且响应周期进一步缩短为0.07s，控制效果比常规PID 控制好。
3.3 数字式大范围超高精度液压机压力控制系统的设计
针对线圈油压整形机压力控制精度要求，液压系统中采取了相应的多级压力控制措施，开发了数字式大范围超高精度压力控制系统，将液压控制系统分为由多的高精度比例伺服阀控制。使得液压控制系统的控制压力范围在3%-100%任意可调。同时精度误差在±3KN以内。主机压力通过力传感器检测，消除了液压、机械摩擦力等影响，能满足多种模具不同重量的控制要求，使油压线圈整形机的柔性化得到进一步提升。
在液压系统设计时采用液压与电气配合，实现工作自动循环。高压泵选用德国Rexroth公司最新型电子泵，闭环控制压机的工作压力，在公称压力的10%～100%范围内任意可调，压力控制精度±3%，压力重复精度±1%。我们采用了多级压力控制技术，将整个液压系统分成多级控制，这样充分发挥了液压元件的压力曲线线性的优势。消除了液压控制系统的控制范围小，系统压力控制精度不高和性能不稳定的缺点。
液压系统采用二通插装阀集成控制，采用德国力士乐公司先导电磁阀，最高工作压力为25MPa。在回路中，安装有压力传感器，检测并显示系统工作压力。液压系统设有过载保护装置，确保压机不会超载工作。液压系统中设有回油阻尼调节装置，保证油缸不出现爬行、抖动等现象。
3.4 冗余式多通道在线检测与控制系统，在满足工艺要求的前提下，保证了設备操作的安全性
在满足工艺要求的前提下，通过多组位置信号、光电信号、力信号和压强信号等冗余式多通道在线检测系统对设备动作进行控制保证了设备操作的安全性，最大限度地提高了设备的操作安全系数
（1）采用两种力传感器实现多重保护，确保整形工艺要求；
为保证变压器线圈承受的压力不能高于整形工艺要求，设备压力信号的采集和控制分为：液压压力传感器和三个力传感器同时测量两种方式，每种方式都能单独控制设备压紧运行，但是线圈承受的压力不能高于整形工艺要求。当采用其中一种压力采集方式控制设备运行时，另一种压力方式作为辅助控制，即2种压力采集方式中的任意一种压力达到规定的压力上限后系统停止增加压。
（2）采用位移传感器设定工进和快进的分界值；
在手动加压过程，当“允许上行指示灯”亮后，操作者将操作选择按钮旋至“手动”位置，按下双手压紧启动按钮后，油缸自动以快速5～10mm/s动作。此时松开“双手压紧”的两个按钮或其中一个按钮，设备立即停止加压动作，再按下松开双手压紧按钮设备继续加压。
动梁升至慢行限位时，即到达位移传感器设定的尺寸参数值时，设备转入1～2 mm/s慢速压制状态。
（3）采用对射光栅，检测压制速度状态；
在距离产品≤10mm～5mm时，采用由安装在上梁悬吊式压制钢板平台左右两端上的对射光栅，进行位置检测发讯，设备立即转入0.2～0.5 mm/s压制速度状态.
当三个力传感器测检测的压力之和>1kN时发讯，双重保护强制转为0.2～0.5mm/s压制速度状态。
（4）采用压力传感器动态实时监测并显示线圈承受的压力；
（5）压力达到预设压力后自动启动开泵闭环控制保压，保压时间达到后设备停止加压。
4.结论
本项目运用现代液压传动技术和数字控制技术，采用比例伺服液压驱动方式，应用压力闭环反馈控制技术，在线监测技术等多种先进技术，综合运用机械、液压、电气和光栅检测等多学科知识，采用模糊PID控制方法、上顶式液压机结构和多级冗余监控技术，人机操作界面合理，算法精度高，速度快，液压伺服系统采用闭环控制，进一步提高了系统精度，产品的技术集成度高，压机的精度误差小于±1%，有效的提高了高速重载列车牵引机车变压器线圈的精密整形质量。
地达成了高速重载牵引变压器线圈精密整形对设备的开口距离调节器整
灵活、整形压力宽、压力精度高等要求。
关键词：变压器 线圈 整形设备 研究
【中图分类号】TM922.73
1.前言
变压器线圈绕制完成后，为保证变压器线圈轴向几何尺寸、致密度和电磁性能，提高线圈的紧密性和抗短路变形能力，减小线圈的载流导线在工频交变磁场中的振动，并保证线圈的轴向尺寸达到设计和工艺要求，必须通过轴向压缩整形。因此，研制用于变压器线圈整形的专用设备，要求具有压力、行程控制精度高，满足多种产品加工整形工艺，便于工人操作的，适应多种不同模具加工工艺要求等功能。
目前我国变压器线圈整形设备普遍落后，压力控制精度差、稳定性差、自动化程度不高精度，误差只达到±10%。可靠性水平低，完全靠操作人员的经验保证，工作效率非常低，压制整形废品率高，制造成本高，工人勞动强度大。
本项目的研究旨在针对高速重载机车的牵引变压器线圈精密整形工艺的多项关键技术，提高我国高速重载机车变压器线圈整形工艺自动化水平，提高产品质量，消除过去一般设备在变压器线圈整形工艺对参数无法精确控制、一致性差而造成废品率高而带来的经济损失。
2.系统构成
变压器线圈精密整形设备主要由提升式主机、液压控制系统、电气控制系统、冗余式多通道在线检测与控制系统、台车自动输送系统等部件组成。
2.1主机系统
主机结构采用提升式液压机，由上横梁、下横梁、立柱组成，下横梁上固定安装有油缸，油缸的活塞杆上端顶托着与立柱滑动配合的动滑块，动滑块的上端固定安装有移动工作台，立柱上部为螺纹段，下部为光轴段；立柱的螺纹段穿过上横梁，且与上横梁上方的蜗轮内孔螺母螺纹配合，蜗轮转动安装于上横梁上，蜗轮与上横梁上方的蜗杆啮合传动，蜗杆与固定安装在上横梁上端面的电动机传动连接，上滑块可以上下自由运动。
在上梁下平面装有三只力传感器，力传感器下方安装的悬吊式压制钢板平台，以此作用在被压工件上。
移动梁上升行程控制，采用1个位移传感器控制（位移精度0.1mm），可实现在控制屏上数显和数控，并设有上、下和快转慢的机械限位，确保移动梁在行程范围内安全工作。
2.2 液压控制系统
液压控制系统是整形机重要的组成部分，该部分性能的高低，决定了线圈整形机的性能高低。为解决传统的线圈整形机液压控制系统控制范围小、控制精度低、控制性能差的问题。开发研制了一种数字式大范围超高精度线圈整形机液压控制系统，可使液压系统控制压力在3%-100%范围可调。压力控制精度误差在设定值的±0.02MPa。消除了系统元件的线性死区问题，实现大范围系统控制，并提高整个系统的控制精度。
为了实现在成形过程中滑块对工作台的平行度，在滑块两侧分别布置一位移传感器，传感器的分辨率为5?m。每个油缸采用一组液压控制回路通过对应的位移传感器形成闭环控制，油泵采用Parker数字泵。保证滑块的重复定位精度。主油缸上腔装有精密压力传感器，和主油路形成压力控制回路，保证滑块压制工件时的压力。
2.3 电气控制系统
电气系统由动力电路和控制电路组成。动力电路为380V、50HZ，担负着油泵电机的起、停和保护。控制部分的核心功能由“PLC”可编程序控制器来承担。电气控制系统采用西门子S7-3152DP型PLC可编程序控制器。通过工业计算机采集设备中的关键数据，采用西门子wicc7.0 程序软件组态，将关键数据进行记录和存储，并配置打印机对数据以历史曲线形式进行打印。
2.4 冗余式多通道在线检测与控制系统
通过多组位置信号、光电信号、力信号和压强信号等对设备动作进行控制，提高设备的操作安全系数。位置检测装置由接近开关和直线位移传感器构成，位置检测装置可与外部电气控制系统连接，对滑块位置测量做冗余控制，保证了设备安全。光电保护器设在上横梁底部两侧，是在滑块合模前的位置检测，能再次对位置检测装置的测量结果进行验证，确保设备安全。
2.5 台车自动输送系统
台车为钢板焊接箱形结构，驱动方式采用变频器+减速机驱动。配有移动梁和台车的联合检测装置（对角布置2个）；在操作升降时，在上升时移动梁上平面和台车下平面之间的间隙大于0.5mm时，主机禁止工作，并有报警显示。台车移动速度为10 mm/s和3 mm/s两档，在台车进出时均设有快速位和慢速位两档限位，台车移出时完全在主机外侧，便于吊运工件。
3.主要研究内容
3.1 液压机开口距离的灵活调整实现了多种线圈的整形工艺
设计开发上顶式液压机。其特征在于：立柱上部为螺纹段，下部为光轴段；立柱的螺纹段穿过上横梁，且与上横梁上方的蜗轮内孔螺母螺纹配合，蜗轮转动安装于上横梁上，蜗轮与上横梁上方的蜗杆啮合传动，蜗杆与固定安装在上横梁上端面的电动机传动连接。
由于上横梁的灵活移动，可以实现液压机开口的调整，克服了原有固定上梁的缺陷，不能方便地应用多种线圈的难点问题，方便了不同线圈柔性化加工，扩大了设备的使用范围，实现了较好地经济性。
3.1 PLC的集中控制系统，采用模糊PID控制方法，实现线圈油压整形压力闭环精密控制
电气控制系统采用触摸式可编程终端对压制力值进行设定和显示，以及对压制力偏差值进行设定和显示，PLC选用了西门子公司新型产品和模拟量模块。PLC对各种开关量如行程限位以及各种模拟量进行控制。
压力控制过程如下：首先从触摸屏对压力值进行数字设定，传入PLC 进行数据转换和计算，由模拟量输出通道输出一个电压值，到放大卡，经过PID计算，输出一个电压值给比例电磁铁，电压值与电磁铁吸力成正比，比例阀的压力随电磁铁吸力改变。压力实际值经力传感器采样后，进入模拟量输入通道，模数转换后与设定值进行比较，并输出信号，不断采样、比较、控制、输出控制，为一带负反馈闭环控制系统。 在调试过程中发现，采用传统的方法，很难达到压力精度≤ 2‰的技术要求。如果设定值为30kN，由于PID调节容易出现积分饱和现象，还有温度、速度以及一些不确定性因素对液压系统的影响，实际值往往不等于30kN，而且特性不稳定，每次结果可能都不尽相同。如果实际值小于设定值，可以采用压力补偿的方法来修正（误差在允许范围内）；如果实际值大于设定值，出现了压力超调，就不能采用压力补偿的方法去修正。
由工艺可知，设备在空载运行时，负载主要表现为惯性力和外负载，此时系统对压头的行程控制定位精度要求不高，用一般的比例微分控制就可以达到要求。当整形工件时，要求压头有较高的重复压力控制精度，可以进行PID控制。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，其传递函数可描述为：
比例伺服系统模糊控制PID仿真模型如图1所示，图中FUZZY LOGIC CONTROLLER框为模糊控制器，SUBSYSTEM框为PID计算子系统。经仿真后得到的计算结果如图2所示。
图1 比例伺服系统模糊控制PID仿真模型
图2 比例伺服系统模糊控制仿真计算结果
由图2可以看出，模糊PID控制结果不存在超调现象，且响应周期进一步缩短为0.07s，控制效果比常规PID 控制好。
3.3 数字式大范围超高精度液压机压力控制系统的设计
针对线圈油压整形机压力控制精度要求，液压系统中采取了相应的多级压力控制措施，开发了数字式大范围超高精度压力控制系统，将液压控制系统分为由多的高精度比例伺服阀控制。使得液压控制系统的控制压力范围在3%-100%任意可调。同时精度误差在±3KN以内。主机压力通过力传感器检测，消除了液压、机械摩擦力等影响，能满足多种模具不同重量的控制要求，使油压线圈整形机的柔性化得到进一步提升。
在液压系统设计时采用液压与电气配合，实现工作自动循环。高压泵选用德国Rexroth公司最新型电子泵，闭环控制压机的工作压力，在公称压力的10%～100%范围内任意可调，压力控制精度±3%，压力重复精度±1%。我们采用了多级压力控制技术，将整个液压系统分成多级控制，这样充分发挥了液压元件的压力曲线线性的优势。消除了液压控制系统的控制范围小，系统压力控制精度不高和性能不稳定的缺点。
液压系统采用二通插装阀集成控制，采用德国力士乐公司先导电磁阀，最高工作压力为25MPa。在回路中，安装有压力传感器，检测并显示系统工作压力。液压系统设有过载保护装置，确保压机不会超载工作。液压系统中设有回油阻尼调节装置，保证油缸不出现爬行、抖动等现象。
3.4 冗余式多通道在线检测与控制系统，在满足工艺要求的前提下，保证了設备操作的安全性
在满足工艺要求的前提下，通过多组位置信号、光电信号、力信号和压强信号等冗余式多通道在线检测系统对设备动作进行控制保证了设备操作的安全性，最大限度地提高了设备的操作安全系数
（1）采用两种力传感器实现多重保护，确保整形工艺要求；
为保证变压器线圈承受的压力不能高于整形工艺要求，设备压力信号的采集和控制分为：液压压力传感器和三个力传感器同时测量两种方式，每种方式都能单独控制设备压紧运行，但是线圈承受的压力不能高于整形工艺要求。当采用其中一种压力采集方式控制设备运行时，另一种压力方式作为辅助控制，即2种压力采集方式中的任意一种压力达到规定的压力上限后系统停止增加压。
（2）采用位移传感器设定工进和快进的分界值；
在手动加压过程，当“允许上行指示灯”亮后，操作者将操作选择按钮旋至“手动”位置，按下双手压紧启动按钮后，油缸自动以快速5～10mm/s动作。此时松开“双手压紧”的两个按钮或其中一个按钮，设备立即停止加压动作，再按下松开双手压紧按钮设备继续加压。
动梁升至慢行限位时，即到达位移传感器设定的尺寸参数值时，设备转入1～2 mm/s慢速压制状态。
（3）采用对射光栅，检测压制速度状态；
在距离产品≤10mm～5mm时，采用由安装在上梁悬吊式压制钢板平台左右两端上的对射光栅，进行位置检测发讯，设备立即转入0.2～0.5 mm/s压制速度状态.
当三个力传感器测检测的压力之和>1kN时发讯，双重保护强制转为0.2～0.5mm/s压制速度状态。
（4）采用压力传感器动态实时监测并显示线圈承受的压力；
（5）压力达到预设压力后自动启动开泵闭环控制保压，保压时间达到后设备停止加压。
4.结论
本项目运用现代液压传动技术和数字控制技术，采用比例伺服液压驱动方式，应用压力闭环反馈控制技术，在线监测技术等多种先进技术，综合运用机械、液压、电气和光栅检测等多学科知识，采用模糊PID控制方法、上顶式液压机结构和多级冗余监控技术，人机操作界面合理，算法精度高，速度快，液压伺服系统采用闭环控制，进一步提高了系统精度，产品的技术集成度高，压机的精度误差小于±1%，有效的提高了高速重载列车牵引机车变压器线圈的精密整形质量。