全自動繞線機機械設計與運動學分析

趙苾通，王佳，何慶中，李科宏，賴鏡安，左超

(四川輕化工大學機械工程學院，四川宜賓 644000)

0 前言

當前大多數環形電感生產企業，尤其是中小企業，大多采用手工繞線或半自動化設備繞線，其生產效率低、產品質量一致性差、生產成本高，已不能滿足企業發展需求。環形互感器屬于繞線型電感器的一種，因其磁通量大、磁阻小、能耗低等特點，廣泛應用于通信設備、汽車電子、手機等電子產品領域，尤其是5G的發展，帶動環形互感器的生產及相關企業的發展。環形互感器主要由一個磁環線圈組成，而磁環線圈由封閉的軟磁環體和繞制的線圈組成。

磁環線圈因其需求量大、元件尺寸較小，甚至需在操作放大設備等特殊條件下生產。對5G智能網絡互感器線圈等小型器件生產而言，通常各生產企業根據產品的特性，以及自身生產制造工藝設備的特點和技術水平，需要自主設計自動定位移動、繞制銅線可自動上下料、穿線、繞線、斷線等于一體的自動化實驗平臺。

全自動繞線機主要性能指標如下：

(1)全自動磁環繞線機所繞制磁環具體參數：外徑10 mm，內徑4 mm，磁環厚度0.8 mm；

(2)全自動磁環繞線機繞制銅線匝數7～10匝；

(3)全自動磁環繞線機繞制在磁環上的銅線參數：線徑0.05～1 mm，繞制在磁環上的銅線總長140 mm，兩端保留銅線長度50 mm；

(4)磁環繞制成品要求：繞制完成的銅線需均勻分布且每圈銅線較為緊湊、無松動分布于磁環上，銅線與磁環在繞制完成后均無明顯刮花、脫漆現象。

線圈繞制前、后的實物分別如圖1(a)、圖1(b)所示。

圖1 未繞線磁環及線圈

盤形繞線機的基本工作原理如圖2所示，主要實現過程為銅線經上料口5穿過磁環3的出線口方向進入盤形圓環的圓形軌道中，在第1個和第2個驅動輪6的驅動下，銅線在導線槽4的引導下再穿過磁環3，反復上述動作并拉緊銅線繞制在磁環上。在整個繞制過程中，銅線始終被約束在盤形圓環中光滑的圓形軌道中并向前移動，當銅線沿盤形圓環圓形軌道滑移到第1個驅動輪6處時，銅線被牽引快速向前移動，在到達第2個驅動輪6被驅動前移過程中，在導線槽的引導下再次穿過磁環3，重復以上動作便可將銅線繞制在磁環上；當盤形圓環圓形軌道(儲線環)中銅線的繞制圈數達到預期圈數需求后，后續銅線上料口5和導線槽4引導銅線停止穿入磁環，脫離盤形圓環圓形軌道，同時盤形圓環圓形軌道(儲線環)中的銅線繼續被第1個和第2個驅動輪6驅動前移，使得已穿過磁環的銅線半徑逐漸變小收縮，在最初進入的銅線的拉扯下其內圈逐漸向圓環中心收縮，最終銅線被依次纏繞在磁環上，完成整個繞線動作。

圖2 磁環繞線原理

1 機械方案總體設計

1.1 機械方案總體設計

根據工作環境以及成本要求，此次繞線機整體布局既要充分考慮總體結構尺寸要求，又讓各部分工作時協調性更加緊密，且互不干擾。全自動磁環繞線機的總體結構布局示意如圖3所示。

圖3 全自動磁環繞線機總體布局

從圖3可知:磁環上料和銅線上料分布在整個結構的左右兩端，磁環繞線機構處于整個系統的中心位置，其他各部分圍繞在繞線環四周。此分布的優勢有：首先，整體結構緊湊，減小整體結構的尺寸；其次，各部分機構傳動距離減小，在同等驅動速度下，縮短了各機構的運動時間，提高了機構的運動效率。

1.2 磁環上料機構

磁環上料機構(如圖4所示)具體實現步驟為磁環先經過電磁振動盤7進入磁環送料形軌道1中，通過軌道傳輸到出口位置，此刻磁環推送氣缸6帶動推桿5將磁環推送至磁環支撐輪4；當磁環到達繞線位置3時，磁環壓輪機構2下降壓緊磁環，防止繞線過程中磁環被高速纏繞的銅線扯開；另外壓輪機構上的滾輪在繞線時帶動磁環勻速轉動，使銅線均勻纏繞在磁環圓周上。

圖4 磁環上料機構設計

1.3 銅線上料機構

銅線上料時經過小孔4進入送線機構內部，通過主動輪軸2與從動輪軸3上的膠輪滾動將銅線不斷送向繞線部分，此時銅線具有一定的速度。由于銅線具有較好的彈性，在送線過程中小孔機構會在豎直方向上產生晃動，大幅度的晃動可能會扯斷銅線。為減輕晃動現象在豎直方向上添加彈簧柱塞1。銅線上料機構詳細的設計如圖5所示。

圖5 銅線上料機構設計

1.4 磁環繞線機構

磁環繞線機構如圖6所示，當所需繞制磁環和銅線分別被送到設計的繞線位置后，銅線經過支撐塊6內的導線槽穿過磁環并將它引入盤形繞線軌道中。軌道由46 mm直徑的盤8和上蓋7組成，其中軌道高度1.2 mm。銅線在盤外壁引導下到達楔形主動輪1處，彈簧螺紋氣缸4壓緊安裝座3從而通過從動輪2向銅線施加擠壓力。施加在銅線上的擠壓力既可以增加銅線與錐形輪的正壓力從而增加兩者間的摩擦力，又能保證銅線與錐形輪在運動過程中一直接觸。通過主動輪轉動帶動從動輪運動進而將銅線卷入楔形輪中。因主動輪的速度約為200 r/min，在摩擦力的作用下銅線為錐形輪提供動力，銅線被加速沿圓盤邊緣向前運動，經過半圓周的運動后，銅線運動到對稱面的錐形輪處，在第二個輪的同等加速作用下繼續沿圓盤邊緣向前運動，穿過磁環后循環上述運動直至被繞磁環完成繞線。因為銅線在繞制過程中需要不斷纏繞在磁環上，所以銅線會從錐形輪向圓盤中間收縮。為使銅線能順利從錐形輪中脫離，需使錐形輪安裝座3能在豎直方向上自由移動一段距離，因此將安裝座3與導軌滑塊5相連，滑塊連接在錐形輪調緊安裝座9上。當銅線從楔形輪中脫離時，從動楔形輪會產生抖動。為減小從動楔形輪抖動，在安裝座上安裝一個彈簧氣缸4，彈簧氣缸的安裝使從動楔形輪具有一定的自適應性。

圖6 磁環繞線機構

1.5 銅線斷線機構

當磁環繞線結束時，上料銅線需要在一定位置被剪斷，保證下一機構的正常動作。銅線上料時穿過切刀組合件1中的小孔，切刀安裝在刀柄2的頭部，銅線需要斷線時斷線氣缸3動作帶動刀柄2豎直上升，刀柄上的切刀切斷從小孔伸出的銅線，斷線氣缸3返回初始狀態，銅線斷料完成。因上料末端空間較小，直接用氣缸帶動切刀動作無法實現，故在氣缸與刀柄件添加連桿，銅線斷線機構如圖7所示。

圖7 銅線斷線機構

1.6 成品下料機構

成品下料機構的動作發生在銅線斷線完成后。成品下料時，無桿氣缸1帶動連接板3上的機械手2向上滑動100 mm，機械手2夾取完成繞線的成品，無桿氣缸在返回過程中機械手松開，成品磁環掉落在指定位置，成品下料動作完成。具體設計的機構如圖8所示。

圖8 成品下料機構

1.7 不合格銅線下料機構

由于上料時采用的銅線都具有固定的長度，磁環在繞線時所需銅線的長度為140 mm。銅線上料時發現銅線不滿足企業規定要求或銅線原料有缺陷時，需要將這些不合格銅線排除。不合格銅線下料機構如圖9所示。

圖9 不合格銅線下料機構設計

不合格銅線的下料過程:銅線進入46 mm直徑盤上的廢料導槽，經過滾輪2的帶動銅線逐漸被卷出繞線盤內。其中同步輪主動輪5和從動輪4為下料中的銅線提供動力，微型氣缸6帶動的蓋板3可以滿足不同直徑的銅線下料。

1.8 全自動磁環繞線機總體三維設計

全自動磁環繞線機總體結構的布局如圖10所示，為清晰表達繞線機中各部分的安裝位置與相互關系隱藏了機架部分和支撐底板。可以看出:全自動磁環繞線機主要由磁環上料機構1、銅線上料斷線機構2、成品下料機構3、磁環繞線機構4、銅線上料機構5和不合格銅線下料機構6組成。

圖10 全自動磁環繞線機總體方案設計

2 全自動磁環繞線機關鍵部件運動學分析

從整體機構模型中可知:整個系統以磁環繞線為中心且四周分布著磁環推桿上料、銅線斷料、銅線導槽等結構，這些機構運動規律與磁環繞線質量有著密切關聯，因此對磁環推桿上料、銅線斷料和磁環繞線的運動分析十分重要。此次設計采用SolidWorks Motion軟件進行運動分析，分別對錐形輪安裝座運動、磁環上料推桿運動和銅線斷料推桿運動進行分析。

此次設計在軟件中添加所有零件(除軸類零件)均選用牌號為6061材料，軸類零件選用牌號為304材料，設置所繞銅線線徑為0.07 mm。選擇重力方向為的負方向，大小為9 806.65 mm/s。系統中零件間摩擦力求解采用的是Coulomb摩擦方法，設置摩擦參數時，根據Coulomb摩擦方法中靜摩擦的速度設定為不大于0.1 mm/s、動摩擦速度不小于10.16 mm/s，而通過計算主動輪最低速度為26.17 mm/s，故設定動態摩擦速度為10.16 mm/s，動摩擦因數根據材料特性取0.21，接觸中材料的彈性屬性也是根據材料特性進行選擇。

2.1 運動學建模與求解

機械系統運動學求解以系統中連接物體與被連接物體的運動副為基礎，對系統的位置、速度與加速度進行求解。求解時先尋找與系統中的運動副等價位置約束方程，再由位置方程得到速度和加速度約束方程，從而得到廣義坐標系中的速度和加速度坐標，最后根據坐標變換得到系統中任意點的位置、速度和加速度。以下將對機械系統中約束條件進行說明。

(1)位置方程

實際機械系統中，系統中的構件與支架或構件形成相關的運動副連接，將運動副用系統的廣義坐標表示代數方程。令為機械系統的運動副約束方程數，則多剛體系統的運動學方程組為

(1)

若一個系統中有個廣義坐標和個約束方程，且>，約束方程獨立相容，系統的自由度個數為-。為使系統具有確定的運動規律，可以通過添加與系統自由度相等的驅動約束或對系統施加外力解決。

運動學分析是求解系統構件確定運動規律，因此系統的實際自由度為零，則系統施加的約束個數為-，約束方程為

(,)=0

(2)

(2)速度與加速度方程

根據運動構件位移與速度、加速度的關系，對式(1)和式(2)運用鏈式微分法則求導，得到系統的速度方程為

(3)

令=-Ф(,)，則式(3)可變為

(4)

對式(3)運用鏈式微分法求導，得到系統的加速度方程為

(5)

(6)

2.2 錐形輪安裝座運動分析

為分析設計的繞線機部分重要機構的運動規律，對繞線機中錐形輪安裝座從靜止到穩定運行狀態進行分析。為便于分析數據，統一選取繞線機的底座作為參考點，如圖11所示。

圖11 錐形輪安裝座位移

由圖11可以看出:安裝座位移曲線由初始位置26.82 mm逐漸上升到0.6 s處的26.93 mm，然后逐漸下降到1.1 s處的26.87 mm，隨后在1.2 s處增加到最大值26.94 mm。安裝座位移在1.3 s時下降至26.903 mm，隨后位移繼續增加最后降低至最小低端，這一現象產生的原因是銅線從錐形輪中被拉出。后續安裝座位移變換規律與前面分析一致，故銅線以此規律在繞線盤中穩定運行。

2.3 磁環上料推桿運動分析

磁環上料推桿是用于磁環上料時將上料口的磁環推送至繞線處，分析推桿的運動規律可以關聯到磁環在推送過程中的運動規律。由于繞線機在實際運行過程中磁環推桿與磁環繞線機構相互獨立，故仿真時將磁環推桿單獨分析。將約束添加到磁環上料推桿機構處，得到磁環推桿的運動規律如圖12所示。

圖12 磁環推桿運動規律

由圖12可以看出：從初始位置到1 s時，磁環推桿位移逐漸增加到最大值，隨后位移又返回到初始狀態。推桿速度在此時從0 mm/s增加到最大值14.976 mm/s，最后逐漸下降到0 mm/s。加速度值由最初的60 mm/s逐漸減小到2.4 mm/s，然后又逐漸增至最大值60 mm/s，且加速度總體呈線性變化。在1～2 s內，位移由最大值減小到初始位置，而速度、加速度變化規律與0～1 s內相同。可以判斷出整個機構具有穩定性。

2.4 銅線斷料推桿運動分析

銅線斷料推桿動作發生在磁環繞線結束后，然后切刀推桿在氣缸的帶動下切斷銅線。因推桿斷線時會對磁環繞線機構產生沖擊，故分析銅線斷料推桿動作的穩定性有十分重要的作用。銅線斷料推桿機構只有在磁環繞線結束后才會進行斷線動作，為簡化機構分析計算，將銅線斷料推桿機構從整體系統中獨立出來單獨進行分析。計算時，將約束添加到銅線斷料推桿機構上，得到銅線斷料推桿運動規律如圖13所示。

圖13 銅線斷料推桿運動規律

從圖13中可知:0～2 s階段,推桿位移從初始位置逐漸增加至最大值9.628 mm，速度在1 s時達到最大值7.5 mm/s，加速度在0～1 s以線性比例關系由15 mm/s減小至0 mm/s，隨后在1～2 s內又增加到最大值。從圖中可知:銅線斷料推桿加速度最大值為15 mm/s，機構整體質量較小，所以銅線斷料推桿運動不會對磁環繞線機構產生較大的沖擊。

根據SolidWorks Motion插件中運動學算法對全自動磁環繞線機錐形輪安裝座、磁環上料推桿機構和銅線斷料推桿的運動規律進行求解。由計算的機構運動規律曲線可知：銅線、磁環上料推桿、銅線斷料推桿在運動過程中平穩、可靠，不會產生劇烈震動，證明了方案設計的合理性。

3 實驗平臺搭建

根據零件、套件、組件和部件的裝配方式，結合裝配圖上的要求對零件進行設計、裝配。將磁環繞線部件、不合格銅線下料部件、磁環上料部件、銅線上料部件、銅線斷線部件和成品下料部件依次安裝在支撐底板上，各部分實物模塊與整體裝配如圖14所示。

圖14 各部分實物模塊與整體裝配

在完成機械結構的基礎上根據控制系統原理完成電路與氣路控制系統搭建工作。最后將機械系統與控制系統進行聯合調試，驗證提出的繞線原理。

4 結論

本文作者全自動磁環繞線機實驗樣機自動繞線設備搭建展開研究。由于國內外現有磁環繞線機存在繞線磁環內徑小、繞制效率低、自動化程度低等情況，結合企業提供的繞線磁環參數，提出全自動磁環繞線機的總體結構方案。運用虛擬樣機技術建立繞線機三維模型，通過運動仿真對繞線機關鍵部件進行運動學分析，以此驗證機構設計的合理性。在運動仿真指導下完成繞線機機械系統平臺搭建。最后控制系統設計調試完成，能夠實現各個部分的運動要求，滿足各部分功能。