全自動繞線機(jī)的研制

趙曉東，董 哲，王 敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

空心繞線機(jī)是用于繞制精密自粘空心線圈的專用設(shè)備，可以繞制各種VCM音圈、喇叭音圈、跑道形喇叭音圈、電動機(jī)線圈、DVD激光頭線圈、感應(yīng)線圈、扁平電動機(jī)線圈、手機(jī)振動電機(jī)線圈、非接觸式IC卡線圈、各種自粘異型線圈等?？招睦@線機(jī)采用可編程控制器作為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)交換，伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸與排線的精確控制，從而保證繞線的精度。RXJ-20全自動空心繞線機(jī)是全自動無骨架系列的機(jī)型，可以繞制不同規(guī)格的空心線圈(見圖1)，該設(shè)備性能可靠，效率高，自動化程度高，24 h的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)只需要最簡單的保養(yǎng)，適應(yīng)線圈的大批量生產(chǎn)。

圖1 多種空心型線圈

1 主要技術(shù)特征

適用線徑：0.02～0.1mm，最大可選擇0.2mm；最大加工外徑：2.00～15.00mm；

最大繞線幅度：0.8～3.00mm；

進(jìn)給間距：0.01～0.50mm；

繞線角度分辨率：0.1°；

排線間距分辨率：0.0001mm；

主電機(jī)：AC伺服200 W；

排線電機(jī)：AC伺服100 W；

主軸轉(zhuǎn)速：最高3000 r/min

主軸角度控制：1°

存儲容量：最大存儲100組規(guī)格；

固定方式：熱粘結(jié)；

電源：220(±10%）V

供氣壓力：0.4～0.7 MPa

2 機(jī)械系統(tǒng)組成及工作原理

繞線機(jī)由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、電氣控制部分、氣路部分等組成。其中機(jī)械部分由繞線機(jī)構(gòu)、排線機(jī)構(gòu)、剪線機(jī)構(gòu)、線圈模具、脫模機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、張力機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。

該繞線機(jī)工作原理是：漆包線從原料桶出來，經(jīng)過張力機(jī)構(gòu)后，線保持恒定的張力，然后通過排線機(jī)構(gòu)的導(dǎo)線輪，再到減壓線機(jī)構(gòu)的壓線柱下。繞線機(jī)構(gòu)和排線機(jī)構(gòu)協(xié)同動作，即繞線機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1周，排線機(jī)構(gòu)帶動漆包線移動1個線徑的距離，從而實(shí)現(xiàn)整齊精密排線。同時加熱機(jī)構(gòu)對漆包線和磨具進(jìn)行加熱，使漆包線一繞到磨具上，就能粘結(jié)在一起。當(dāng)繞完一個線圈時，減壓線機(jī)構(gòu)把漆包線剪斷的同時另一端又被壓倒，然后把線圈卸載。周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)全自動排線。主體機(jī)構(gòu)見圖2。

圖2 主體機(jī)構(gòu)

2.1 繞線機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由電機(jī)、同步帶輪、同步帶、中間軸、模具左部件、模具右部件等組成，如圖3所示。成功繞制空心線圈，必須保證模具左右部件回轉(zhuǎn)中心同心，并且模具左右部件同步等速轉(zhuǎn)動。工作原理：電機(jī)通過同步帶輪同時帶動同步帶1和同步帶2，同步帶2又通過中間軸把動力傳遞到右端的同步帶3，然后再帶動模具右部件轉(zhuǎn)動。由于該機(jī)構(gòu)使用的同步帶輪直徑相同，最終模具左右部件實(shí)現(xiàn)同步等速轉(zhuǎn)動。

圖3 分解主體結(jié)構(gòu)

注意事項(xiàng)，模具右部件不同心，就會導(dǎo)致在繞線過程中模具右部件相互錯動而發(fā)生摩擦，降低模具精度和縮短模具壽命，更嚴(yán)重的是擦傷線圈，降低線圈合格率和使用壽命。所以，在設(shè)計(jì)圖紙中，嚴(yán)格控制加工及裝配精度，保證模具左右部件回轉(zhuǎn)中心同心。該機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、精密絲杠、精密導(dǎo)軌組成。

該機(jī)構(gòu)設(shè)有由伺服電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲桿傳動機(jī)構(gòu)，其中絲桿與交流伺服電機(jī)的輸出軸固定連接；活動排線架與絲桿螺母固定連接；精密排線的要求：當(dāng)導(dǎo)線繞過一圈時，導(dǎo)線架必須移動一個線徑的距離，本傳動采用高精度滾珠絲桿，保證了傳動的精確性，減小了換向時的空程，進(jìn)而保證了兩端的排線精度；

2.2 排線機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、精密絲杠、精密導(dǎo)軌、氣缸、導(dǎo)向軸、導(dǎo)線輪和排線架組成，見圖4。

圖4 排線結(jié)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)設(shè)有由伺服電機(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠副傳動機(jī)構(gòu)，其中絲杠與伺服電機(jī)的輸出軸通過聯(lián)軸器連接；活動排線架與絲杠螺母固定連接；導(dǎo)軌對絲杠帶動的部件精密導(dǎo)向。排線開始前，氣缸帶動整個絲杠導(dǎo)軌和排線架部件沿導(dǎo)向軸滑動至排線初始位置，完成后排線，由氣缸帶動回到原位。

精密排線原理，通過PLC編程，并在人機(jī)界面輸入漆包線線徑參數(shù)。實(shí)現(xiàn)繞線模具每轉(zhuǎn)動1周，伺服電機(jī)通過絲杠導(dǎo)軌帶動導(dǎo)線和漆包線移動一個線徑的距離；排滿一層后，繞線模具每旋轉(zhuǎn)1周，排線架和漆包線就返回一個線徑的距離，從而實(shí)現(xiàn)第2層精密排線。如此循環(huán)，也能實(shí)現(xiàn)多層排線。本傳動采用高精度滾珠絲桿，保證了傳動的精確性，減小了換向時的空程，進(jìn)而保證了兩端的排線精度。

2.3 剪線機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由一對剪線模具、帶彈簧導(dǎo)向銷、切刀等零件組成。可以完成自動壓線及自動剪線功能。

2.4 線圈模具

由3個零件組成，更換不同的線圈模具可繞制不同型號的線圈。根據(jù)線圈外形以及線圈的電阻要求，設(shè)計(jì)出符合要求的音圈圖紙，然后根據(jù)音圈圖紙，設(shè)計(jì)模具圖紙，一是根據(jù)音圈進(jìn)出線的要求及方式設(shè)計(jì)進(jìn)線模，另外兩個是根據(jù)音圈外形規(guī)格設(shè)計(jì)的芯軸及脫模模具。針對不同的音圈型號，這3件模具要隨時更換。要求模具的安裝尺寸與設(shè)備的安裝部件具有互換性，按圖紙加工好即可以方便更換。

2.5 脫模機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)使用氣缸帶動導(dǎo)向裝置動作，使模具芯軸進(jìn)退，實(shí)現(xiàn)線圈從模具芯軸中脫離。另外有另一氣缸可將脫模液涂于右夾板上，可使音圈容易脫離。

2.6 加熱機(jī)構(gòu)

繞制空心線圈所使用的線是自粘性漆包線，目前國外國內(nèi)都有生產(chǎn)，其主要性能是經(jīng)過熱風(fēng)烘烤后可以相互粘結(jié)在一起，我所采用熱風(fēng)加熱器可以通過溫控表控制溫度，具有可靠穩(wěn)定的工藝溫度，而且有調(diào)速閥控制熱風(fēng)量的大小，可提供線圈在繞制過程中具有可靠的工藝溫度。

設(shè)備在使用前就應(yīng)該先加熱一段時間，給模具提供好足夠溫度，這樣繞制的線圈不會散圈。

2.7 張力機(jī)構(gòu)

(1)張力控制使用電機(jī)張力器與以往的傳統(tǒng)張力器不同，電機(jī)張力器穩(wěn)定性強(qiáng)、移動時張力穩(wěn)定，可提高良品率。其他公司使用傳統(tǒng)機(jī)械式張力器，張力追隨性差、張力不穩(wěn)定。在開始繞線提速和繞線結(jié)束減速時一般張力器的張力不穩(wěn)定、會直接影響繞線效果(比如斷線率會比使用馬達(dá)張力器高)。

(2)采用電機(jī)張力器，可調(diào)整絲線的張力，保證排線整齊，無壓疊、無松散。

2.8 機(jī)架

機(jī)架采用角鋼焊接，外表面采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板，表面噴塑，美觀大方。

2.9 關(guān)鍵技術(shù)

S軸與X軸的同步控制；兩側(cè)繞制軸的同心及同步旋轉(zhuǎn)技術(shù)；繞制模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，其關(guān)鍵技術(shù)具體解決方法參看部件結(jié)構(gòu)及原理。

根據(jù)支承輥圖樣和使用記錄，該支承輥硬化層厚度100mm，失效時表面已磨損掉約10mm。在剝落的輥體掉塊上取樣分析，取樣位置如圖3所示，在剝落塊的方框線位置處取樣，對支承輥表面剝落原因進(jìn)行分析。

本機(jī)的主要執(zhí)行器件均由日本原裝進(jìn)口，可靠性高，穩(wěn)定性好，拆裝方便。機(jī)械電氣設(shè)計(jì)相對獨(dú)立，如果在工作中出現(xiàn)問題可分別進(jìn)行維修。機(jī)械結(jié)構(gòu)中零件具有可互換性，各零件可分別拆裝維修；電氣設(shè)計(jì)中各模塊也可分別拆裝互換。

通過CNC控制的2個軸和1個汽缸來完成繞線。

(1)X軸—控制排線；

(2)S軸—繞線旋轉(zhuǎn)；

(3)卷幅通過調(diào)整汽缸的行程用螺絲固定。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 核心控制系統(tǒng)

選定安川MP940作為核心控制器，安川∑-Ⅱ系列100W，200W伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基本動作，但是此控制器為一軸半控制器，只能實(shí)現(xiàn)一個軸的精確控制，另外一個軸是根據(jù)主軸的運(yùn)動進(jìn)行跟隨運(yùn)動，能夠?qū)崿F(xiàn)繞線功能，但是需要自己編制模擬量控制來實(shí)現(xiàn)排線軸電機(jī)回原點(diǎn)，由于該系統(tǒng)掃描時間等問題，模擬量控制排線軸電機(jī)回原點(diǎn)出現(xiàn)誤差，誤差超出精度允許范圍，需更換主要控制系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)確定以MP2100為核心控制系統(tǒng)，∑-Ⅱ系列100W伺服電機(jī)作為排線電機(jī)，駿馬系列200W伺服電機(jī)為主軸電機(jī)的控制系統(tǒng)。更換以后的系統(tǒng)成本有所增加，但是該運(yùn)動控制器為8軸運(yùn)動控制器，實(shí)現(xiàn)了對兩個伺服電機(jī)的精確控制。

3.1.1 主時序

3.1.2 排線電機(jī)回原點(diǎn)

排線電機(jī)回原點(diǎn)由原有的NOT only改為NOT+C pulse，由電機(jī)內(nèi)部的C脈沖來決定伺服電機(jī)的原點(diǎn)，提高速度也不會影響精度。為了提高效率，將排線電機(jī)回原點(diǎn)的速度提高了近10倍，打表試驗(yàn)，無影響。

最初設(shè)計(jì)回原點(diǎn)的功能為檢測到原點(diǎn)傳感器，反向運(yùn)動，檢測到C脈沖認(rèn)為是原點(diǎn)，現(xiàn)增加當(dāng)?shù)竭_(dá)原點(diǎn)時再運(yùn)動到原點(diǎn)補(bǔ)償(即offset)位置，方便調(diào)試，也避免了第一個音圈廢棄的現(xiàn)象。

3.2 凸輪曲線

工藝曲線，為了讓絲杠走的更光滑，平滑，曲線如圖5所示，目的是消除急速換向引起的誤差。

圖5 消除急速換向誤差曲線

進(jìn)行試驗(yàn)，同時參照日本機(jī)進(jìn)行了工藝與程序上的改動。具體改進(jìn)為：為了使第一層漆包線緊密排列，需要排線電機(jī)延時一周運(yùn)行。為了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，繼續(xù)沿用以前在兩端停的方法。即凸輪曲線更改為如圖6所示。

圖6 兩端停曲線

在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)端面缺，通過多種方法實(shí)驗(yàn)和分析，認(rèn)為由于絲杠不能完全將漆包線拉到位，希望能夠?qū)崿F(xiàn)絲杠比線超前，強(qiáng)迫絲杠過沖，凸輪曲線如圖7。

圖7 過沖曲線

實(shí)際上就是增大了線徑，對音圈的繞制無明顯影響。只在最后一圈強(qiáng)制絲杠過沖，凸輪曲線如圖8所示。

圖8 最后圈過沖曲線

這樣，電機(jī)急速急減速和換向、端面缺的問題沒有得到解決，還有些不穩(wěn)定。

繞線的時候在端面多停一圈，使端面線盡可能繞滿，繞全。也就是每個周期比原有周期多繞一圈。凸輪曲線如圖9所示。

圖9 端停曲線

最終確定程序，凸輪曲線分開“full、half”，在half的時候，曲線為上圖9所示，full的時候?yàn)閳D8所示。

4 結(jié)束語

我部研發(fā)的全自動繞線機(jī)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)廠家，且運(yùn)行良好。繞線技術(shù)可靠，可取代傳統(tǒng)的手工繞制，具有產(chǎn)品一致性好，良品率高等優(yōu)勢。我國現(xiàn)有手機(jī)，電話機(jī)，耳機(jī)生產(chǎn)企業(yè)上千家，那么音圈的使用量巨大，在未幾年里，使用自動繞線機(jī)工藝技術(shù)及設(shè)備已是大勢所趨。且隨著繞線機(jī)工藝技術(shù)的普及和發(fā)展，隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，市場需求量及市場份額將呈逐年遞增趨勢。

[1]《簡明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》機(jī)械工業(yè)出版社 朱龍根著2005-08