多規(guī)格線圈繞線機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜 建

（華氧醫(yī)療科技（大連）有限公司，沈陽 110000）

繞線機(jī)主要用于電機(jī)、電器以及變壓器的線圈繞制，屬于繞制線圈的專用設(shè)備[1]。繞線機(jī)繞制線圈所使用的線是一種漆包線，是線圈的重要組成部分。其工作原理是把漆包線按照一定的規(guī)律纏繞在繞線骨架上，形成線圈。繞線機(jī)的應(yīng)用極大地解放了工人的雙手，降低了工作強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在發(fā)展迅速的今天，各行各業(yè)的電器產(chǎn)品均離不開電機(jī)、變壓器，所以繞線機(jī)擁有廣闊的應(yīng)用前景，在未來的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中不可或缺[2]。

近年來，我國在繞線機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究上取得了一定的突破。2014 年，LU 等根據(jù)傳統(tǒng)的繞線機(jī)方式，提出了一種采用有源裝置的張力控制方案，改善了系統(tǒng)響應(yīng)并抑制了由繞組過程引起的周期性干擾，提升了繞線穩(wěn)定性[3]。2016 年，徐晶等利用自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）技術(shù)，提出一種不依賴具體繞制模型的張力控制新方法，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的張力控制器的內(nèi)部魯棒性和抗干擾性[4]。目前，我國的繞線機(jī)市場(chǎng)正處于高速發(fā)展的時(shí)期，但仍然存在許多不足之處，如設(shè)備自動(dòng)化能力不足、產(chǎn)品質(zhì)量差，繞線機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)性差、繞制的線圈張緊度不夠以及張力不均勻等。

對(duì)繞線機(jī)的排線部分、送線部分以及繞線部分進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)繞線圈數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和繞線過程中保持恒張力，同時(shí)滿足多種規(guī)格線圈繞制需求，達(dá)到自動(dòng)排線、線圈產(chǎn)品貼合緊密、繞線機(jī)性能自動(dòng)化的目的，以滿足產(chǎn)品的應(yīng)用要求。

1 繞線機(jī)整體設(shè)計(jì)要求

繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足以下設(shè)計(jì)要求[5]：（1）電機(jī)自動(dòng)正反啟停及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；（2）電機(jī)能夠提供足夠的轉(zhuǎn)矩；（3）準(zhǔn)確計(jì)數(shù)；（4）適應(yīng)不同規(guī)格繞線骨架的安裝；（5）能夠自動(dòng)排線、張緊；（6）裝卸方便，便于操作。在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)注意到成本問題、是否可靠、人工操作處理、安全性能、故障修理以及外形是否合理美觀等問題。根據(jù)對(duì)已有繞線機(jī)的參數(shù)調(diào)研以及市場(chǎng)要求，本次設(shè)計(jì)的繞線機(jī)的繞線速度S=600 r·min-1，光軸的導(dǎo)程L=100 mm，后期也可以根據(jù)實(shí)際需要繞線的線圈尺寸進(jìn)行改變。

2 繞線機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

繞線機(jī)的組成包括繞線、排線及送線3 部分。通過對(duì)繞線機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，對(duì)其排線部分、送線部分以及繞線部分進(jìn)行設(shè)計(jì)后，組裝得到繞線機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

排線部分的光軸帶動(dòng)送線部分進(jìn)行軸向往返運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)方向通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，送線部分通過可調(diào)節(jié)導(dǎo)輪調(diào)節(jié)送線路徑。繞線部分由驅(qū)動(dòng)裝置和夾緊裝置構(gòu)成，夾緊裝置中調(diào)整手柄位置可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格骨架的定位夾緊。工作過程中，繞線電機(jī)帶動(dòng)線圈骨架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，送線部分跟隨排線部分左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過排線部分與繞線部分的協(xié)同運(yùn)動(dòng)將線有序地纏繞在線圈骨架上完成線圈的繞制，即繞線部分電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，排線部分運(yùn)動(dòng)一個(gè)線徑的距離，實(shí)現(xiàn)整齊精密排線。

2.1 排線部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排線結(jié)構(gòu)由電機(jī)、同步帶、絲杠、排線立板、光軸以及原點(diǎn)感應(yīng)器等裝置組成，具體如圖2 所示。步進(jìn)電機(jī)與絲杠末端裝有同步帶齒輪，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)將動(dòng)力由同步帶傳遞到絲杠上，帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，排線立板下端由絲杠螺母與絲杠連接，通過絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)光軸水平移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)送線結(jié)構(gòu)水平移動(dòng)。

排線擋板與排線立板的上端分別裝有原點(diǎn)感應(yīng)器和擋光片。當(dāng)擋光片隨光軸運(yùn)動(dòng)到極限位置，即與原點(diǎn)感應(yīng)器重合時(shí)，原點(diǎn)感應(yīng)器輸出信號(hào)到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)隨即對(duì)電機(jī)發(fā)出啟停和正反轉(zhuǎn)指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光軸行程的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繞線的功能。圖3為原點(diǎn)感應(yīng)器及擋光片示意圖。

排線機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。與步進(jìn)電機(jī)相比，伺服電機(jī)具有更大的步距角、更優(yōu)的低頻穩(wěn)定性、在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)更高的扭矩輸出以及更強(qiáng)的過載能力。通過操作系統(tǒng)的控制，能夠達(dá)到繞線過程中高響應(yīng)、高精度和高運(yùn)行速度的要求，實(shí)現(xiàn)與繞線機(jī)構(gòu)的同步 運(yùn)行。

伺服電機(jī)與絲杠之間通過同步帶進(jìn)行傳動(dòng)。同步帶以鋼絲繩或玻璃纖維為強(qiáng)力層，外覆聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶，帶的內(nèi)周制成齒狀，與絲杠末端和伺服電機(jī)上的齒形帶輪嚙合。同步帶傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)比恒定；（2）傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲??； （3）傳動(dòng)效率高；（4）維護(hù)保養(yǎng)方便；（5）速比范圍大，傳遞功率大；（6）可用于長距離傳動(dòng)；（7）預(yù)緊力較小，所受載荷小。普通同步帶的摩擦力大、允許包角小、傳動(dòng)比大，所以本文選用普通同步帶。

2.2 送線部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所繞制的每一種線都有特有的線徑，線徑的大小影響了纏繞過程的送線運(yùn)動(dòng)。通過改變纏繞時(shí)的送線運(yùn)動(dòng)，能夠保障線能夠均勻纏繞在主軸上，使得纏繞后繞線效果更好。送線結(jié)構(gòu)工作時(shí)，必須是按照一條直線進(jìn)行移動(dòng)，才能保證繞線過程的精確性，防止在繞線過程中出現(xiàn)大量不合格的產(chǎn)品。

送線結(jié)構(gòu)由連接塊、送線立板、導(dǎo)輪以及導(dǎo)線塊等組成，如圖4 所示。整個(gè)送線裝置通過連接塊與排線機(jī)構(gòu)的光軸相連接，利用光軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)送線裝置的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。待繞線穿過導(dǎo)線塊的導(dǎo)線孔繞過導(dǎo)輪后與繞線夾具連接實(shí)現(xiàn)送線功能。送線裝置中取消了傳統(tǒng)繞線機(jī)上張力計(jì)的設(shè)計(jì)，通過4 個(gè)導(dǎo)輪控制送線路徑。因?yàn)? 個(gè)導(dǎo)線輪可以調(diào)節(jié)位置，所以可以很好地避免繞線的錯(cuò)位，并可以隨時(shí)調(diào)節(jié)繞線的松緊，降低產(chǎn)生廢品的概率，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格的線圈繞線過程，達(dá)到送線過程中線圈所受張力均勻的目的。4 個(gè)導(dǎo)線輪均可以根據(jù)送線需要在導(dǎo)線塊位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，共同決定送線張力。

2.3 繞線部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

繞線機(jī)繞線部分結(jié)構(gòu)主要包括線圈繞制感應(yīng)片、電機(jī)及電機(jī)架、繞線機(jī)主軸、繞線夾具。圖5 為繞線部分的結(jié)構(gòu)示意圖。線圈骨架一端固定在主軸外端的主軸套筒上，另一端通過繞線夾具進(jìn)行定位及夾緊。伺服電機(jī)作為動(dòng)力裝置帶動(dòng)線圈骨架高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)繞線機(jī)的繞線功能。繞線感應(yīng)片通過齒輪傳送帶與主軸相連接，通過感應(yīng)片的記錄能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線圈繞制圈數(shù)、繞線速率的監(jiān)測(cè)，達(dá)到繞線過程自動(dòng)化的目的。

繞線過程中，為滿足與排線部分協(xié)同運(yùn)動(dòng)、獲得高質(zhì)量的線圈，對(duì)繞線電機(jī)的速度和響應(yīng)精度都有較高的要求，所以繞線部分同樣選擇伺服電機(jī)提供主軸的動(dòng)力。

3 結(jié)語

本文對(duì)現(xiàn)有繞線機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在主軸電機(jī)處設(shè)計(jì)了感應(yīng)片，可以針對(duì)線圈的圈數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并反饋實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)功能，確保產(chǎn)品擁有相同的產(chǎn)品質(zhì)量。此外，優(yōu)化繞線機(jī)的排線與送線機(jī)構(gòu)，通過排線裝置中伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)繞線路徑的調(diào)節(jié)，通過送線裝置中導(dǎo)線輪位置的調(diào)整實(shí)現(xiàn)繞線過程中繞線張緊力的控制與繞線角度的調(diào)整，以滿足不同規(guī)格線圈的繞制需求。在實(shí)現(xiàn)多規(guī)格線圈繞線功能的同時(shí)，優(yōu)化的繞線機(jī)具有自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作靈活以及生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。