一種自動(dòng)繞線機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

曹 洋，孫志龍，陳 明，田洪超，于 鑫

（天津航海儀器研究所，天津 300131）

0 引言

有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)由于具有體積小以及性能優(yōu)異等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，而隨著我國(guó)國(guó)防事業(yè)不斷發(fā)展，該型電機(jī)的需求量日益增大。作為有限轉(zhuǎn)角力矩電機(jī)的核心部件，定子繞組組件屬于封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，需要將一根漆包線根據(jù)規(guī)定的極數(shù)、層數(shù)、匝數(shù)，逐圈的繞制在環(huán)狀工件上。繞制方法為單線、多極、雙向纏繞、雙向排線，且要求線圈繞制張力控制、排線精度高。

目前市場(chǎng)上的設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單線、單向纏繞、雙向排線的繞制方式且繞制精度低，只適用于如小型變壓器、環(huán)形互感器、通信線圈等這類產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)定子繞組組件的繞法和繞制精度要求。針對(duì)這種純手工、低效率、重復(fù)勞動(dòng)且無法滿足批量生產(chǎn)要求的情況，本文研發(fā)的自動(dòng)繞線機(jī)實(shí)現(xiàn)了封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)自動(dòng)繞制功能，滿足繞制要求，提高了生產(chǎn)效率，適用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。

1 自動(dòng)繞線機(jī)整體方案設(shè)計(jì)及其技術(shù)指標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)思路

1）采用雙驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式且繞制張力保持穩(wěn)定。

2）均勻緊密排線采用專用工裝+電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)。

3）采取手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的控制方式。

4）盡量采用成熟產(chǎn)品、成熟技術(shù)。

5）設(shè)備外型美觀、操作舒適、易于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話且易操作、易掌握。

1.2 自動(dòng)繞線機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

從自動(dòng)繞線機(jī)技術(shù)方案及繞制工藝要求，結(jié)合提高生產(chǎn)工藝流程的自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率、質(zhì)量和兼容各型號(hào)產(chǎn)品繞制使用以及運(yùn)行平穩(wěn)，易于維護(hù)保養(yǎng)的角度出發(fā)[1-3]，提出自動(dòng)繞線機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 自動(dòng)繞線機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 自動(dòng)繞線機(jī)整體方案

本方案基于上述設(shè)計(jì)思想、繞制要求以及技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行了自動(dòng)繞線機(jī)整體設(shè)計(jì)[4-6]。該技術(shù)方案共分為4個(gè)模塊，分別由上線模塊、繞制模塊、裝夾及分度模塊和電氣控制模塊組成，見圖1。

圖1 自動(dòng)繞線機(jī)各模塊構(gòu)成圖

上線模塊主要完成所需長(zhǎng)度漆包線在儲(chǔ)線輪的單線雙向儲(chǔ)線功能；繞制模塊主要在工件上實(shí)現(xiàn)正向或反向纏繞及漆包線張力的精準(zhǔn)控制；裝夾及分度模塊主要完成工件快速裝夾、精確定位和繞制線圈正反向均勻緊密排線；電氣控制模塊主要通過程序?qū)Ω髂K進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制、繞制參數(shù)存儲(chǔ)和整機(jī)錯(cuò)誤報(bào)警等。各個(gè)模塊及其結(jié)構(gòu)組成見圖2。

圖2 自動(dòng)繞線機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2 自動(dòng)繞線機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上線模塊

上線模塊由Y向移動(dòng)導(dǎo)輪部件、直線伺服微型電機(jī)、張力控制器、剪斷部件和儲(chǔ)線輪部件組成，見圖3。漆包線一端從絲桶中引出通過張力控制器、引導(dǎo)導(dǎo)輪、清潔部件、剪斷部件、Y向移動(dòng)導(dǎo)輪部件的上線定位導(dǎo)輪后固定在儲(chǔ)線輪部件上，然后通過儲(chǔ)線輪部件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與Y向移動(dòng)導(dǎo)輪部件直線運(yùn)動(dòng)的合成，實(shí)現(xiàn)了漆包線在儲(chǔ)線輪上的均勻纏繞排布。

圖3 上線模塊結(jié)構(gòu)示意圖

其中，調(diào)節(jié)張力控制器可獲得合理張力值；上線模塊中所有旋轉(zhuǎn)部件運(yùn)動(dòng)方式均設(shè)計(jì)為濕式滾動(dòng)，使摩擦力降到最低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)漆包線在纏繞中張力的準(zhǔn)確控制；由直線伺服微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)Y向移動(dòng)導(dǎo)輪部件往復(fù)直線移動(dòng)獲得精確的位置，可使漆包線排布均勻位置準(zhǔn)確；而上線定位導(dǎo)輪設(shè)計(jì)有左、右2個(gè)固定位置，為儲(chǔ)線輪部件是否先進(jìn)行順時(shí)或逆時(shí)旋轉(zhuǎn)纏繞提供了選擇；剪斷部件在上線結(jié)束通過旋轉(zhuǎn)把手將漆包線剪斷，節(jié)省操作時(shí)間。

2.2 繞制模塊

繞制模塊由2組導(dǎo)軌輪組件、線梭輪部件、儲(chǔ)線輪部件、張力范圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)組成，見圖4。儲(chǔ)線輪部件和線梭輪部件利用一組儲(chǔ)線輪和線梭輪導(dǎo)軌輪組件實(shí)現(xiàn)同軸安裝，它們的驅(qū)動(dòng)方式分別是內(nèi)齒輪傳動(dòng)和外齒輪傳動(dòng)，采用2臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)線輪部件和線梭輪部件轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)動(dòng)方式。

圖4 繞制模塊結(jié)構(gòu)示意圖

線梭輪和儲(chǔ)線輪采用了斷齒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即儲(chǔ)線輪部件、線梭輪部件均由斷齒和大齒圈組成，工作中有斷齒式的開環(huán)和閉環(huán)的過程。斷齒式的開閉環(huán)過程即進(jìn)行工件的上下料工步。線梭輪部件的作用是通過一組帶線輪和纏繞壓輪將漆包線從儲(chǔ)線輪的儲(chǔ)線槽中引出且始終對(duì)漆包線與工件單匝線圈纏繞位置進(jìn)行定位并穿越工件內(nèi)孔進(jìn)行順時(shí)（或逆時(shí)）旋轉(zhuǎn)纏繞。

張力范圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可在繞制中由特定彈簧力通過壓輪作用在漆包線上，使得漆包線在儲(chǔ)線輪部件到線梭輪部件上的導(dǎo)輪組之間長(zhǎng)度發(fā)生有規(guī)律的柔性變動(dòng)，從而造成張力值調(diào)節(jié)范圍變寬同時(shí)也對(duì)漆包線繞制中的抖動(dòng)具有穩(wěn)定作用，為雙驅(qū)動(dòng)方式繞制的張力精準(zhǔn)調(diào)控提供了基礎(chǔ)保障。

2.3 裝夾及分度模塊

該模塊由專用裝夾工裝組件、分度轉(zhuǎn)臺(tái)組件和X向手動(dòng)滑臺(tái)組成，見圖5。設(shè)計(jì)有X、Y、Z向定位的夾緊工裝組件I在定位工裝組件上將定位后的工件夾緊并移除，固定、安裝到分度轉(zhuǎn)臺(tái)組件的工作臺(tái)上進(jìn)行線圈的繞制工作或等待正在繞制中的工件繞制完成后進(jìn)行安裝繞制工作。該組件為工件在繞制過程中線圈排線的旋轉(zhuǎn)分度中心提供了準(zhǔn)確位置，也為批產(chǎn)的一致性、穩(wěn)定性提供了可靠保證，同時(shí)也縮短了工件線圈繞制的輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了并行生產(chǎn)。

圖5 裝夾及分度模塊結(jié)構(gòu)示意圖

分度轉(zhuǎn)臺(tái)組件由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在繞制過程中分度機(jī)構(gòu)的精確分度動(dòng)作和繞制模塊中的線梭輪的準(zhǔn)確繞制動(dòng)作相互配合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、均勻、緊密排線。同時(shí)分度機(jī)構(gòu)的正反向旋轉(zhuǎn)分度可以實(shí)現(xiàn)線圈的正反2個(gè)方向排線。X向手動(dòng)滑臺(tái)安裝在分度轉(zhuǎn)臺(tái)組件的下端，并裝有固定限位，可以將工件準(zhǔn)確移動(dòng)到規(guī)定的繞制位置。

2.4 電氣控制模塊

電氣控制模塊主要有操作控制箱和床身組成，自動(dòng)繞線機(jī)成圖見圖1。操作控制箱設(shè)置有觸摸屏及各種按鈕，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話[7]；床身在起到支撐及各種模塊定位的同時(shí)，其內(nèi)部安裝有可編程邏輯控制器（PLC）、運(yùn)動(dòng)控制模塊、伺服放大器等硬件[8]。控制系統(tǒng)除了能夠支持正常繞制工作之外，還可實(shí)現(xiàn)根據(jù)工件繞制需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)行工藝編程、張力實(shí)時(shí)控和精確定位等功能[9]。

3 自動(dòng)繞線機(jī)參數(shù)確定與張力控制

采用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模擬線圈纏繞動(dòng)態(tài)的方法，得到雙驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)的位置數(shù)據(jù)且寫入程序，在此基礎(chǔ)上加入速度補(bǔ)償，進(jìn)行動(dòng)態(tài)張力控制，實(shí)現(xiàn)了線圈在繞制過程中始終處于合適的張力狀態(tài)，保證了漆包線張力穩(wěn)定，UG與Matlab聯(lián)合開發(fā)實(shí)現(xiàn)張力變化參數(shù)優(yōu)化見圖6。

圖6 UG 與Matlab 聯(lián)合開發(fā)實(shí)現(xiàn)張力變化參數(shù)優(yōu)化

如圖6所示，將自動(dòng)繞線機(jī)UG三維模型簡(jiǎn)化成運(yùn)動(dòng)學(xué)模型（由一系列連桿組成，在運(yùn)動(dòng)仿真中將連桿間通過關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，建立相鄰兩關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系），根據(jù)實(shí)際工況確定工件和線梭輪部件始、末端纏繞位置并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真求解，完成多組漆包線線長(zhǎng)變化參數(shù)的標(biāo)定；根據(jù)UG運(yùn)動(dòng)仿真得出的多組運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過Matlab編寫運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解程序進(jìn)行仿真，并進(jìn)行漆包線線圈繞制在實(shí)際工況中的逆向運(yùn)動(dòng)分析，確定線長(zhǎng)變化參數(shù)組的合理性，完成繞制參數(shù)優(yōu)化[10-11]。

以該優(yōu)化參數(shù)為基礎(chǔ)，利用自動(dòng)繞線機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行工藝編程，然后通過觸摸屏設(shè)定極限張力、線梭輪轉(zhuǎn)速等參數(shù)，由于自動(dòng)繞線機(jī)存在制造、裝配以及工件等誤差，線圈在繞制過程中實(shí)際動(dòng)態(tài)線長(zhǎng)變化和理論線長(zhǎng)變化之間存在偏差，因此在程序運(yùn)行中，通過監(jiān)測(cè)儲(chǔ)線輪電機(jī)實(shí)時(shí)扭矩值與設(shè)定值對(duì)比進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)速度補(bǔ)償，完成對(duì)儲(chǔ)線輪輸出轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，保證漆包線張力的穩(wěn)定[12]。

4 自動(dòng)繞線機(jī)單件與批量試驗(yàn)

4.1 自動(dòng)繞線機(jī)工作流程

該設(shè)備工作流程主要由工件裝夾、儲(chǔ)線、單極繞制、換極裝夾、第n極繞制等工步組合完成，圖7為工作流程圖。

圖7 工作流程框圖

首先使用夾緊工裝組件I夾緊定子工件的一極，轉(zhuǎn)移固定到轉(zhuǎn)臺(tái)工作臺(tái)上，分別打開儲(chǔ)線輪、線梭輪的斷齒通過X向手動(dòng)滑臺(tái)將工件移動(dòng)到規(guī)定的繞制位置，將斷齒復(fù)位；然后啟動(dòng)儲(chǔ)線程序，將所需長(zhǎng)度的漆包線按規(guī)定旋向轉(zhuǎn)動(dòng)，自動(dòng)、規(guī)則地儲(chǔ)繞到儲(chǔ)線輪線槽內(nèi)，切斷多余的漆包線；接著將儲(chǔ)線槽中漆包線一端固定在工件起始位上，啟動(dòng)繞制程序，線梭輪按規(guī)定旋向和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)（此時(shí)儲(chǔ)線輪按隨動(dòng)關(guān)系轉(zhuǎn)動(dòng)）將漆包線繞制在工件上，形成單匝線圈的繞制，隨后通過分度機(jī)構(gòu)配合轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了n匝n層的單極繞制；在完成一極繞制后，使用工裝組件II在轉(zhuǎn)臺(tái)組件的工作臺(tái)上，對(duì)工件另一極進(jìn)行固定，完成另外一半極數(shù)的繞制工作；啟動(dòng)繞制程序完成n匝n層的第n極繞制，反向繞制時(shí)線梭輪與儲(chǔ)線輪旋向相反。

4.2 試驗(yàn)參數(shù)

本試驗(yàn)以2極定子繞組組件（即工件）為例，將100個(gè)工件根據(jù)內(nèi)徑、外徑實(shí)測(cè)尺寸按0.05 mm公差范圍共分出5組，每組任意取2件進(jìn)行繞制，驗(yàn)證批量繞制一致性和可靠性。繞制參數(shù)見表2，試件分組及繞制后理論值見表3。

表2 繞制參數(shù)

表3 試件分組及繞制后理論值（續(xù)）

表3 試件分組及繞制后理論值

4.3 繞制試驗(yàn)

繞制試驗(yàn)見圖8。將工件定位裝夾并固定在工作臺(tái)上，按表2參數(shù)設(shè)定繞制參數(shù)，在觸摸屏上選擇好繞制模式后，進(jìn)行繞制加工。

圖8 定子鐵芯組件繞制試驗(yàn)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

共試驗(yàn)繞制了5組每組2件試件，繞制結(jié)果見表4、圖10。繞制外徑、內(nèi)徑尺寸分布見表4，繞制外徑尺寸分布在48.25 mm～48.5 mm，其變化范圍在0.04 mm～0.09 mm；繞制內(nèi)徑尺寸分布在34.33 mm～34.09 mm，其變化范圍0.05 mm～0.09 mm；繞組阻值分布在7 Ω～7.2 Ω。由圖9可知，張力值變化范圍均在1 N～3 N。

采用自動(dòng)繞線機(jī)繞制的線圈各項(xiàng)指標(biāo)均滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)指標(biāo)，且產(chǎn)品一致性得到進(jìn)一步提升，與手動(dòng)繞制相比，不僅繞制精度得到了大幅提升，而且繞制速度也提升了2.5倍，由原來的120 min提高至50 min。繞制完成試件結(jié)果顯示，不僅性能能夠滿足需求，而且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性能夠得到保障，見圖10。繞制后試件測(cè)量數(shù)據(jù)見表4。

表4 繞制后試件測(cè)量數(shù)據(jù)

圖10 繞制完成試件

5 結(jié)論

該設(shè)備繞制的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了“單線、多極、雙向纏繞、雙向排線”繞法、排線均勻緊密、張力范圍控制在一定范圍，符合工藝技術(shù)要求。該設(shè)備采用固化的繞制程序?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)上線、自動(dòng)繞制，降低了操作水平和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修，可以實(shí)現(xiàn)多種尺寸多種型號(hào)定子繞組組件的自動(dòng)繞制，自動(dòng)化生產(chǎn)有效替代人工繞制，適于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。