全自動單軸音圈繞線機的設計

李斌，殷海，楊阿坤，張烽，劉燕德，歐陽愛國

(華東交通大學 智能機電創新研究院，江西 南昌 330013)①

隨著科學技術的飛速發展，人們對手機、電腦等電子產品播放音質的要求越來越高.揚聲器作為電子產品中的一個關鍵元器件，其作用是將手機、電腦等電子產品所產生的電信號轉換為聲音信號，因此對揚聲器等電子產品生產線的開發和質量的提高逐漸成為行業追求的目標[1].在揚聲器的生產制造過程中，音圈繞制是重要的一環，音圈繞制的好壞直接影響產品的精度[2].電子行業繞線機應用廣泛，并且對電機的生產發揮著重大的作用，所以需求量一直在不斷增加[3-5].繞線機可以繞制很多的電子產品，例如變壓器、繼電器和各種磁卡.除此之外，它也用于耳機、揚聲器等內部線圈的繞制，它不僅能減少手動繞制過程中張力不均、散線及壓疊的問題，還能提高音圈繞制的均勻度和產品的一致性[6-7].傳統的音圈繞線機自動化程度比較低，音圈繞制過程中大多需要工人參與完成.現有的設備柔性差，生產準備周期長，易出現斷線、散線、音膜片黏合、音膜音圈不能合二為一等現象，最終導致產品質量不穩定、生產效率低下.

鑒于此，本文提出了一種新型全自動單軸音圈繞線機的設計方案，利用SolidWorks軟件構建全自動單軸音圈繞線機的三維模型，運用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對設備的關鍵部位進行了有限元靜力學分析.最后進行虛擬裝配和運動仿真，驗證了全自動單軸音圈繞線機的可行性.

1 全自動單軸音圈繞線機設計

全自動單軸音圈繞線機以線徑0.015～0.5 mm的漆包線為原料，繞制各種揚聲器音圈、手機喇叭音圈線圈，并自動完成取料、放料、卸料、轉極、繞線、斷線和下料等作業.

1.1 設計要求

充分考慮漆包線的特性以及繞制音圈的生產工藝要求，對全自動單軸音圈繞線機采用整體和模塊化的設計.具體設計要求如下：

(1)在設備打開并復位到初始位置后，用戶從張力機構上將漆包線牽引過來并順著排線機構上的滑輪穿插到導針中；然后，壓剪線機構上的壓縮彈簧將漆包線壓住，抵在剪刀器上.

(2)旋轉繞線機構工作時，排線機構在一旁協助，即旋轉繞線機構每繞制一圈，漆包線就會在排線機構的運轉下，向指定方向移動一個線徑的距離，這個功能的實現為整齊緊密排線奠定了基礎.

(3)加熱機構在旋轉繞線機構工作時需對模具芯進行加熱，讓漆包線纏上去便可粘連在一起，防止散圈.

(4)繞線完成后，切刀需將漆包線剪斷，并且脫模機構啟動，讓音圈掉落到下料槽.若音圈粘連在中間軸上，推料機構便將其推落.

1.2 整體結構

全自動單軸音圈繞線機工作流程圖見圖1，整體結構示意圖見圖2.設備的主要參數如下：適用線徑為0.015～0.5 mm，繞制線圈寬度小于或等于25 mm，繞制線圈外徑為1～80 mm，工位主軸方向為順時針/逆時針，消耗功率為 2.0 kW/h.全自動單軸音圈繞線機以MP2100作為其控制系統，并選取100 W的伺服電機作為排線機構的電機，200 W的伺服電機作為主軸電機.繞線機的系統通過連接伺服驅動器的運動網絡使其高速化，即使在機械動作中也可以在線切換增益、速度、轉矩和位置控制，并且能夠自如地控制機械的動作.全自動單軸音圈繞線機的程序以步為單位，所有功能、動作、繞線位置、執行狀態和故障等，全部顯示于屏幕上.

圖2 整體結構示意圖

1.3 關鍵部件結構設計

1.3.1 旋轉繞線機構

旋轉繞線機構主要用來繞制音圈，更換不同的模具芯及相關部件，可以繞制1～80 mm外徑的音圈.模具芯、中間軸和右傘仔要保持同心，否則會造成各部件之間的相互摩擦，加劇損耗，隨之精度也會下降，影響線圈的合格率和使用壽命，所以加工制造時精度一定要保證在誤差范圍內.左主軸和右主軸及相關零部件也要保持與回轉中心同心.

旋轉繞線機構見圖3.其工作原理是：電機工作帶動皮帶輪1，皮帶1帶動下軸轉動，同時皮帶2帶動左主軸和左傘仔轉動，下軸通過皮帶3帶動右主軸、右傘仔、中間軸和模具芯轉動.由于3個皮帶輪的直徑相同，且由一個電機帶動，故左主軸和右主軸及相關部件實現同步等速轉動.

圖3 旋轉繞線機構

1.3.2 排線機構

排線機構見圖4.將左主軸的中心線定義為X軸，聯軸器將X軸絲桿與伺服電機的輸出軸相連，伺服電機帶動X軸絲桿轉動；X軸滑塊隨X軸絲桿沿X軸方向在X軸滑軌上左右移動，來完成繞制銅線的左右移動 ，使繞制的每圈銅線橫向距離一致.X模塊主要是實現拉線到中間軸上和繞線的左右移動兩個動作，其中安裝在X軸滑軌最右端的X軸滑塊擋板，限制了X模塊向右移動的位置.氣缸上下移動帶動氣缸運動板上下移動，使得Y軸滑動板帶動Y軸滑塊一起上下移動，銅線從張力機構上牽引過來，經過滑輪，然后穿插在導針中，來進行繞線，其中Y軸滑塊擋塊固定在Y軸滑軌的最上端和最下端，限制了Y模塊向上和向下移動的位置.氣缸固定板表面設置有若干個與加強筋孔對齊的氣缸固定孔，并且氣缸驅動板表面設置有螺栓固定，用戶可以根據實際使用情況，調節氣缸在Y模塊的位置.

圖4 排線機構

1.3.3 壓剪線機構

壓剪線機構主要實現自動壓線和自動剪線.在氣缸的驅動下，壓線桿、拉桿和送刀器等部件向左移動.當排線時，送刀器壓縮壓線彈簧使銅線壓住抵在剪刀器上.當主軸完成繞線時，在剪線彈簧的作用下擠壓剪刀器上的切刀向右剪斷銅線.

1.3.4 推料機構

推料氣缸帶動推料片前后移動，推料片推動繞制完成的音圈掉落到下料槽內.

1.3.5 加熱機構

繞制線圈所采用的漆包線是自黏性漆包線，這種線采用復合層結構，在一般的漆包線(基線)外，涂覆自黏性漆(自黏層).在繞線完成后，發熱管吹出熱風將線圈表面的自黏漆性融化，待其凝固后，可以起到黏接和保護線圈的作用.發熱管吹出的熱風溫度可以調節，以確保工藝溫度穩定可靠.

散圈是音圈繞制失敗的一個現象.在使用該設備之前，需要加熱一定的時間，讓模具達到足夠的溫度，才不會造成散圈.

1.3.6 張力機構

繞制音圈時，由于漆包線很細，若使用傳統的機械張力器，則會造成斷線、張力不穩定等問題.電機張力器具有穩定性強、移動時張力穩定等優點，能夠滿足繞制不同線徑的需求，保持排線整齊，不會造成壓疊或松散等現象，所以選用電機張力器.

2 關鍵部件的有限元分析

在音圈繞制過程中，繞線機的右主軸和左主軸對精度的影響最大，因此利用SolidWorks軟件對全自動單軸音圈繞線機的右主軸和左主軸進行三維實體建模，然后對其進行有限元分析.根據有限元分析的結果，可以判斷右主軸和左主軸在選材和尺寸方面是否滿足工作要求.

2.1 右主軸靜力學分析

右主軸采用45#鋼進行加工，右主軸的總長為167 mm，其他設計尺寸見圖5.

圖5 右主軸設計尺寸

首先，定義右主軸的材料屬性，添加材料為45#鋼，其泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 MPa，抗拉強度為600 MPa，屈服強度為355 MPa.其次，設置邊界條件，為其添加正確的夾具約束.再次,根據全自動單軸音圈繞線機的工作原理(右主軸在轉動的過程中會受到轉矩和重力的作用)，在對應的位置施加扭矩載荷和重力載荷.最后，對右主軸進行網格劃分，建立有限元模型見圖6.

圖6 繞線機右主軸的有限元模型

完成以上的步驟后，利用SolidWorks軟件中Simulation模塊對右主軸的有限元模型進行靜力學分析[8]，得到右主軸在轉矩和重力作用下的應力、位移和應變圖(圖7).為了讓右主軸的變形情況與真實情況一致，將圖中3個子圖的比例因子均設為1.從圖中可知，在加載相應載荷的情況下，繞線機右主軸的最大應力為13.78 MPa,遠小于該材料的屈服極限，滿足工作要求.同時，繞線機右主軸的最大位移為1.175×10-3mm，最大應變為5.198×10-5，亦滿足工作要求[9-10].

(a) 應力

2.2 左主軸靜力學分析

左主軸同樣采用45#鋼進行加工，其總長為210 mm，其他設計尺寸見圖8.

圖8 左主軸設計尺寸

左主軸采用與右主軸相同的步驟，建立的有限元模型見圖9.

圖9 繞線機左主軸的有限元模型

利用Simulation模塊對左主軸進行靜力學分析(圖10)，從圖中可知，在加載相應載荷的情況下，繞線機左主軸的最大應力為13.57 MPa，最大位移為1.215×10-3mm，最大應變為5.255×10-5，全部滿足工作要求.

(a) 應力

3 基于SolidWorks的虛擬裝配及運動仿真

基于SolidWorks三維軟件，應用其虛擬裝配技術和運動仿真，檢查零件設計和繞線裝配的合理性、驗證繞線機的運動可行性.

3.1 繞線機的建模及裝配

利用SolidWorks軟件對全自動單軸音圈繞線機的各個零部件進行三維建模，根據繞線機的實際位置關系，利用裝配體模塊中的配合功能將旋轉繞線機構、排線機構、壓減線機構、推料機構、加熱機構和張力機構及相關零部件進行裝配.基于虛擬裝配的優勢，可以檢查各部件之間的尺寸是否符合設計要求.在對繞線機的各個部件進行裝配時，需要注意各個模塊之間的運動關系，不同的運動副對應的運動約束是不同的.例如，各部件的轉動部分需要按照鉸鏈連接進行配合等.繞線機的虛擬裝配模型見圖11.

圖11 繞線機的虛擬裝配模型

虛擬裝配完成后，在模型狀態下未發現各零件出現尺寸問題，并且為確保全自動單軸音圈繞線機的各個零部件可以順利拆裝和運動時能提供所需的自由度，需要對右主軸和左主軸等重要零部件進行旋轉或移動.通過分析可知，全自動單軸音圈繞線機裝配體的各零部件設計合理，未發現有地方存在干涉，可以滿足使用要求.

3.2 模型運動仿真

全自動單軸音圈繞線機模型裝配完成后，利用SolidWorks軟件中的運動算例Motion Manager對其進行運動仿真.根據裝配體中的各個模塊的驅動類型，在運動算例Motion Manage中選擇相應的驅動，并且合理劃分各個模塊的運動位置和時間.例如，給旋轉繞線機構的主動輪添加馬達，通過皮帶輪帶動左主軸進行繞線運動；將推料機構的氣缸設置為線性驅動，推動的極限距離為25 mm等.完成對繞線機運動驅動的添加后，運動仿真就可以隨即開始，其中的兩個運動狀態分別為繞線開始和繞線結束時的仿真(圖12).通過對全自動單軸音圈繞線機進行運動仿真，各個模塊設計均符合設計要求.

(a) 繞線開始仿真

4 結論

全自動單軸音圈繞線機的設計縮短了音圈繞制的生產周期，提高了產品合格率，實現了自動化和連續化生產，節約了人力成本，對整個電子產品生產領域產生了推動作用.首先，利用SolidWorks軟件對全自動單軸音圈繞線機的各零部件進行設計，并繪制出了三維模型.其次，運用SolidWorks軟件中的Simulation模塊，對右主軸和左主軸建立有限元模型再對其進行靜力學分析.再次，得出右主軸和左主軸的結構滿足設計要求.最后，對全自動單軸音圈繞線機進行虛擬裝配和運動仿真，得出全自動單軸音圈繞線機各零部件設計合理，裝配未發生干涉且運動正常.