自動(dòng)小型電機(jī)繞線機(jī)的設(shè)計(jì)

馬質(zhì)璞，劉宏偉，張 抗，冉中陽(yáng)

(1.南陽(yáng)農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，南陽(yáng) 473000；2.南陽(yáng)理工學(xué)院，南陽(yáng) 473000)

0 引 言

小型電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品,涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、公用設(shè)施和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，可以作為風(fēng)力渦輪機(jī)，泵，壓縮機(jī)，機(jī)床，印刷機(jī)械，造紙機(jī)械，紡織機(jī)械，軋機(jī)，空調(diào)，城市交通和各種運(yùn)輸工具的動(dòng)力[1]。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，中小型電機(jī)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品種將逐步發(fā)展，特別是近年來，小型無人機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人的快速增長(zhǎng)，都依賴于小型電機(jī)[2]。目前，這些小型電機(jī)的繞組所采用的卷繞方式大多為手動(dòng)卷繞，勞動(dòng)強(qiáng)度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本高，維修不便等。市場(chǎng)上的電機(jī)自動(dòng)排線裝置大多數(shù)為大型設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型電機(jī)繞線，而且在繞線過程會(huì)對(duì)漆包線造成傷害,產(chǎn)品質(zhì)量一致性較差,嚴(yán)重影響了電機(jī)的生產(chǎn)效率及質(zhì)量，因此有必要研制更加方便有效的小型電機(jī)繞線器自動(dòng)排線裝置。

國(guó)內(nèi)人工或自動(dòng)控制的電機(jī)繞線裝置的研究也有一些，控制方式有機(jī)械、液壓、電動(dòng)等，各有優(yōu)劣。文獻(xiàn)[3]提出定子繞組的繞線和繞線新工藝，對(duì)個(gè)別機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，制訂工藝規(guī)程,進(jìn)行電機(jī)繞線；文獻(xiàn)[4]以手工繞線工藝流程為分析背景,設(shè)計(jì)自動(dòng)繞線設(shè)備的相關(guān)結(jié)構(gòu),進(jìn)行電機(jī)繞線；文獻(xiàn)[5]在原繞線機(jī)的基礎(chǔ)上作了改動(dòng)，利用液壓控制方式，設(shè)計(jì)一種半自動(dòng)繞線機(jī)進(jìn)行電機(jī)繞線；文獻(xiàn)[6]通過電子感應(yīng)和單片機(jī)調(diào)節(jié)阻尼器的扭矩,結(jié)合簡(jiǎn)便的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使繞線機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)性調(diào)節(jié)，繞線無斷線,具有速度快,整套設(shè)備價(jià)格便宜的特點(diǎn)。上述電機(jī)繞線裝置多數(shù)為大型設(shè)備，繞線方式、工藝及結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合小型電機(jī)使用。本文在綜合調(diào)研國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電機(jī)繞線機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套全新的小型自動(dòng)電機(jī)繞線機(jī)，其基于PLC控制，可以實(shí)現(xiàn)從繞線、排線到電機(jī)旋轉(zhuǎn)的整套自動(dòng)作業(yè)。

本文通過對(duì)小型電機(jī)排線過程的分析，利用ADAMS10.0仿真軟件，進(jìn)行空心下線針的運(yùn)動(dòng)分析，建立了空心下線針的運(yùn)動(dòng)軌跡模型[7]，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了空心下線針自動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)、電機(jī)自動(dòng)排線裝置，同時(shí)對(duì)排線工藝進(jìn)行分析，運(yùn)用PLC控制技術(shù)，保證排線電機(jī)的移動(dòng)速度能夠滿足繞線要求。針對(duì)不同直徑及槽數(shù)的下線對(duì)象，采用PLC控制下線過程，以小型直流伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繞線[8]，進(jìn)一步提升排線精度。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型電機(jī)排線的自動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)下線，自動(dòng)檢測(cè)的全自動(dòng)作業(yè)，徹底解決了電機(jī)維修人員在給電機(jī)下線時(shí)只能手工下線的技術(shù)難題，繞線速度快，工作效率高，精度準(zhǔn)確，制造成本低。

1 繞線機(jī)下線針的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析

內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)鐵心的圓柱面上均勻分布有許多槽，槽間角為a，如圖1所示。如欲在1～3槽中繞上線圈，一般的繞線機(jī)是無法在槽中緊密地繞制線圈的。為保證繞線緊密，需要對(duì)下線針的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析計(jì)算。空心下線針的運(yùn)動(dòng)軌跡呈三維形狀，類似一個(gè)錐形[9]。由于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)定子下線是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，因此需要從幾何角度描述和研究下線針位置隨時(shí)間的變化規(guī)律。在此過程中需要考慮2方面的運(yùn)動(dòng)：一方面是下線針末端的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、移動(dòng)軌跡、位移、速度等運(yùn)動(dòng)特征；另一方面是下線針作為一個(gè)剛體本身的轉(zhuǎn)動(dòng)過程，角速度等更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)特征[10]。通過對(duì)下線系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 繞線情況

1.1 空心下線針運(yùn)動(dòng)軌跡模型的建立

圖2是空心下線針的末端繞制出的線圈模型，為研究方便，我們把它放進(jìn)三維坐標(biāo)系中進(jìn)一步研究。

當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的槽數(shù)不同，其相鄰兩槽口中心面的夾角a就不同，我們?nèi)∑渲械囊辉牙@線，并觀察線圈的投影形態(tài)特征，如圖3所示。

圖2 線圈三維模型建立

圖3 線圈投影形狀 利用ADAMS 10.0仿真軟件，進(jìn)行空心下線針的運(yùn)動(dòng)分析，在線圈的投影軌跡中，兩端半圓弧的半徑變化范圍14 mm≤r≤25 mm，取r=15 mm，單匝繞線時(shí)下線針隨時(shí)間的位移，如圖4和圖5所示。

圖4與圖5反映了在空心下線針繞制一匝線圈的過程中，x軸y軸方向坐標(biāo)的變化特點(diǎn)。

圖4 下線針隨時(shí)間的 位移投影

圖5 下線針隨時(shí)間的 位移曲線 下線針旋轉(zhuǎn)一周用時(shí)12 s，一匝完整線圈的上下兩端為2個(gè)r=15 mm的半圓弧，兩側(cè)的連線為直線，下線針的軌跡方程如下：x2+y2=225 (-15≤y<0)

x=±15 (0≤y≤40)

x2+(y-40)2=225 (40

由于兩端圓弧的運(yùn)動(dòng)過程和左右兩直線的運(yùn)動(dòng)過程各自中心對(duì)稱，我們選取下圓弧和右直線2個(gè)運(yùn)動(dòng)過程共6 s詳細(xì)分析。

圖6為仿真過程中下線針末端在x軸,y軸方向上的位移、速度、加速度曲線。

(a) x方向位移

(b) y方向位移

(c) x方向速度

(d) y方向速度

(e) x方向加速度

(f) y方向加速度圖6 位移、速度、加速度仿真曲線圖

根據(jù)下線針隨時(shí)間的位移曲線，以及速度、加速度的曲線可知：

在y方向的加速度曲線中，加速度并不是逐漸變化，而是瞬間加速，瞬間減速，由此可能造成機(jī)械故障或嚴(yán)重影響到下線針的繞線質(zhì)量。在使用過程中，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

(2)在2.16s

下線針在此過程中以10.5 mm/s的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。下線針運(yùn)動(dòng)軌跡模型如圖7所示。

圖7 下線針旋轉(zhuǎn)軌跡模型

1.2 下線針繞線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了讓空心下線針的針頭旋轉(zhuǎn)軌跡滿足上述方程，設(shè)計(jì)了一窄和一寬兩弧形滑針板并平行放置，如圖8所示。使下線針繞線時(shí)緊貼其側(cè)面，用兩者的邊沿作為空心下線針繞線運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌，用以控制空心下線針繞線運(yùn)動(dòng)軌跡[11]。

兩弧形滑針板的高度由鐵心的厚度所決定，線圈軌跡與導(dǎo)軌面需在同一個(gè)錐面上。

設(shè)兩槽中心面的夾角為a，兩弧形滑針板的寬度由a角兩邊的延長(zhǎng)線所決定，如圖9所示。其中，窄弧形滑針板靠近定子鐵心，寬弧形滑針板與窄弧形滑針板左右距離取30～40 mm為宜，從而確定兩弧形滑針板的寬度。

圖8 下線針繞線結(jié)構(gòu)

圖9 兩弧形滑針板的寬度

2 電機(jī)自動(dòng)排線裝置設(shè)計(jì)

電機(jī)繞線時(shí)，繞一個(gè)線圈容易，但是繞所有線圈的過程中要讓圓弧直徑不斷變化，實(shí)現(xiàn)在圓錐面上的自動(dòng)排線，這是一個(gè)技術(shù)難題。

2.1 線圈直徑變化的規(guī)律

如圖10所示，當(dāng)我們將所有線圈向XOZ平面上水平投影時(shí)，各線圈的圓弧直徑是不一樣的，由左

圖10 各線圈的圓弧直徑

到右各直徑逐漸增大，直徑的大小由夾角a的2條邊所決定，這2條邊的直線方程如下：

為了讓空心下線針的針頭旋轉(zhuǎn)軌跡滿足上述方程，必須讓空心下線針與夾角a的邊重合，且順著a的邊左右移動(dòng)時(shí)，其針頭的軌跡就能滿足在XOZ平面上的直線軌跡。

2.2 空心下線針設(shè)計(jì)

一般的下線針是無法完成線圈直徑變化的規(guī)律，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了空心下線針，如圖11所示?？招南戮€針部分由空心針、小彈簧、軸套、喇叭口組成[9]?？招尼樀淖蠖俗龀蓮潬?，右端做成外螺紋[11]。喇叭口的左孔要做成內(nèi)螺紋[11]。安裝時(shí)，軸套夾在調(diào)整架上，使軸套在皮帶上固定不動(dòng)，空心針上的軸肩與軸套之間裝一小彈簧后，再把空心針穿過軸套，讓空心針右端與喇叭口螺紋連接。調(diào)整空心下線針與Z軸的夾角，使空心下線針與夾角a的邊重合，使空心針位于定子槽口中間即可。

圖11 空心下線針

2.3 電機(jī)繞線機(jī)的裝置設(shè)計(jì)

如圖12所示，電機(jī)繞線機(jī)由排線滑移部分、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸、繞線部分3大結(jié)構(gòu)組成，其中，繞線部分由空心下線針、皮帶、導(dǎo)向輪、線圈、支架、繞線伺服電動(dòng)機(jī)等組成[12]。排線部分及自動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸分別由排線伺服電動(dòng)機(jī)及旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖12 電機(jī)繞線機(jī)裝置

排線伺服電動(dòng)機(jī)軸通過導(dǎo)軌與需要繞線的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(滑移部分)相連，使之能左右移動(dòng)。導(dǎo)線由導(dǎo)向輪上繞過，使導(dǎo)線與空心下線針之間具有一定的張力即可。

在繞線機(jī)使用過程中，需配置相應(yīng)數(shù)量的行程開關(guān)，從而確定繞線的起點(diǎn)、終點(diǎn)，以及滑移部分左右移動(dòng)的端點(diǎn)位置。當(dāng)一組繞線繞制完成后，旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)在角度控制模式下旋轉(zhuǎn)固定角度，并繞制下一組繞線[13]。

3 電機(jī)繞線機(jī)的控制功能設(shè)計(jì)

3.1 排線電機(jī)和繞線電機(jī)的配合及控制

在繞線的整個(gè)過程中，繞線電機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)空心針往齒槽中繞線，每繞制一匝線圈，需要空心針繞兩弧形滑針板公轉(zhuǎn)一周，并能在軸套中自由轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排線，空心針每繞完一匝線圈，必須向右移動(dòng)一段距離，這一距離就要靠排線電機(jī)帶動(dòng)需要繞線的內(nèi)轉(zhuǎn)子(滑移部分)左右移動(dòng)來完成，為此，每繞制一匝線圈，排線電機(jī)需帶動(dòng)滑移部分后退導(dǎo)線直徑的距離。

在此過程中，下線針每繞完一匝線圈，必須向右移動(dòng)固定距離，也就是說，這里需要2方面的控制：一方面是對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制；另一方面，在于繞線電機(jī)與排線電機(jī)的配合。因此，采用PLC的角度閉環(huán)控制，繞線電機(jī)與排線電機(jī)均選用伺服電動(dòng)機(jī)。當(dāng)繞線電機(jī)帶動(dòng)下線針繞制一匝線圈后，排線電機(jī)要先帶動(dòng)滑移部分左移導(dǎo)線直徑的距離，繞線電機(jī)才能繼續(xù)繞制下一匝線圈，直到一組線圈繞制完成。將內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心固定在旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)軸端，每組線圈繞制完成后，給電機(jī)發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，使鐵心旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度?；赑LC控制的自動(dòng)排線系統(tǒng)可以進(jìn)一步提升排線精度[14]。

3.2 伺服電動(dòng)機(jī)位置控制方式設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)器共有7種控制運(yùn)行方式，其中位置控制模式通過輸入脈沖序列來進(jìn)行電機(jī)定位操作。 脈沖序列頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)決定了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，這足以滿足控制要求[15]。使用時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)器控制的電磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，電機(jī)的編碼器向驅(qū)動(dòng)器提供反饋信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器將反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較以調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度[15]。將PLC的連接電纜，接在伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)接口上，并通過伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置參數(shù)[16]。

電機(jī)繞線機(jī)工作流程如圖13所示。

圖13 電機(jī)繞線機(jī)工作流程圖

在此過程中，可以通過給排線電動(dòng)機(jī)發(fā)出不同相序的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)滑移部分向左右2個(gè)方向上的移動(dòng)，通過脈沖個(gè)數(shù)及頻率的控制，使滑移部分按照用戶需求的位移及速度直線運(yùn)動(dòng)。

繞線電機(jī)的繞制與排線電機(jī)的直線移動(dòng)配合進(jìn)行，通過伺服電動(dòng)機(jī)的位置控制來實(shí)現(xiàn)[17]。由于伺服電動(dòng)機(jī)本身所具有的反饋特性，伺服電動(dòng)機(jī)的速度及位置控制，比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)更精確。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過對(duì)下線針運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用仿真軟件，建立了空心下線針的運(yùn)動(dòng)軌跡模型，克服了大型設(shè)備繞線方式、工藝及結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不適合小型電機(jī)使用的難題，設(shè)計(jì)了控制其按相應(yīng)軌跡運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，下線針繞線結(jié)構(gòu)及電機(jī)自動(dòng)排線裝置。

研究了繞線電機(jī)和排線電機(jī)的配合，針對(duì)不同直徑及槽數(shù)的下線對(duì)象，采用PLC控制下線過程，以小型直流伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)排線。不僅改善了繞組的工藝性，還提高了繞線的效率，也為自動(dòng)化下線作好了準(zhǔn)備。實(shí)現(xiàn)了小型電機(jī)排線的自動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)下線，自動(dòng)檢測(cè)的全自動(dòng)作業(yè)，解決了電機(jī)維修人員在給電機(jī)下線時(shí)只能手工下線的技術(shù)難題，繞線速度快，工作效率高，精度準(zhǔn)確，制造成本低。