自動(dòng)排繞設(shè)備的改進(jìn)研究

胡未然

(北京航天萬鴻高科技有限公司 秦皇島分公司， 河北 秦皇島 066000)

0 引 言

近年來，隨著自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，利用全自動(dòng)繞線設(shè)備進(jìn)行線圈產(chǎn)品生產(chǎn)這一先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)電磁元件生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，與需要人工參與的半自動(dòng)繞制加工方法或純手動(dòng)繞制加工方法相比，全自動(dòng)繞線生產(chǎn)方法具有縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約人力成本和提升產(chǎn)品質(zhì)量等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)排繞機(jī)也是目前應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)繞線設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。自動(dòng)排繞機(jī)多用于電磁閥線圈組件、變壓器線圈組件等需要排繞成型的線圈產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的骨架結(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)操作時(shí)直接采取“平排密繞”的方法將漆包線逐匝、逐層的緊密纏繞在骨架上。

現(xiàn)以日特牌自動(dòng)排繞機(jī)為例，簡述其工作機(jī)理：自動(dòng)排繞機(jī)的主軸和安裝在其上的工裝夾具由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，使固定在工裝內(nèi)的骨架一起旋轉(zhuǎn)，橫軸帶動(dòng)導(dǎo)線機(jī)構(gòu)使漆包線往復(fù)排繞，按照繞線工藝要求的匝數(shù)和繞線位置，將漆包線緊密纏繞在骨架上。操作人員只需事先設(shè)定好繞線程序，并在生產(chǎn)中供應(yīng)充足的原料，即可實(shí)現(xiàn)線圈產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)。自動(dòng)排繞機(jī)外部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-電源開關(guān)，2-速度旋鈕，3-箱體，4-橫軸，5-輸入面板，6-導(dǎo)線機(jī)構(gòu)，7-主軸，8-起止按鈕面板

1 問題概述及原因分析

自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)備應(yīng)用生產(chǎn)之初，使用效果并不理想，主要有以下兩類問題：

(1)裝卡夾具適用生產(chǎn)范圍小、通用性差的問題：自動(dòng)繞線機(jī)上配備的裝卡夾具，為銅制固定式爪鉗(如圖2所示)，其鉗口僅適用于Ф5尺寸圓柱體的裝卡，工裝尺寸>Ф5時(shí)則無法裝入，工裝尺寸<Ф5時(shí)則導(dǎo)致裝配后工裝與卡具之間存在間隙，裝卡不穩(wěn)。若逐一對產(chǎn)品工裝進(jìn)行改進(jìn)，從經(jīng)濟(jì)角度、生產(chǎn)周期角度來看都不現(xiàn)實(shí)；

圖2 銅制固定式爪鉗

(2)漆包線排繞時(shí)，易在骨架兩端產(chǎn)生層疊、塌線的問題：正常狀態(tài)下，漆包線應(yīng)隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞在骨架上，同時(shí)橫軸移動(dòng)，引導(dǎo)漆包線纏繞時(shí)始終保持穩(wěn)定的滯后角，使線圈達(dá)到緊密排繞的效果。但是當(dāng)線圈繞完一層，橫軸移動(dòng)至與骨架端面平行的位置時(shí)，此時(shí)需要橫軸向反方向移動(dòng)，繼續(xù)排繞下一層線圈。在默認(rèn)程序設(shè)定中，橫軸轉(zhuǎn)向的時(shí)間t內(nèi)，主軸依舊旋轉(zhuǎn)繞線，致使線圈滯后角不穩(wěn)定：若橫軸轉(zhuǎn)向速度相對過慢，則會(huì)導(dǎo)致骨架端面位置漆包線“多繞”，線圈產(chǎn)生疊層；若橫軸轉(zhuǎn)向速度相對過快，則會(huì)導(dǎo)致骨架端面位置漆包線“少繞”，線圈匝間間隙變大，上層線圈在此存在塌線隱患。

2 改善方案

2.1 裝卡夾具的改進(jìn)

參考機(jī)床鉆夾頭的工作原理，設(shè)計(jì)出一種在繞線機(jī)設(shè)備上安裝的活動(dòng)夾具。

夾具由鉆體1、套筒2、夾爪3、螺母4構(gòu)成：鉆體1尾端銑出兩個(gè)平面，裝入繞線機(jī)主軸后，用2個(gè)M6螺栓將夾具與繞線機(jī)緊固連接在一起，螺母3與夾爪4采取螺紋連接，螺母3為兩瓣式，通過過盈配合與套筒2裝配在一起，套筒2外表面做表面滾花，方便進(jìn)行手動(dòng)旋轉(zhuǎn)。夾具結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

夾具使用時(shí)，首先將鉆體1尾端裝入繞線機(jī)主軸，并用螺栓擰緊；然后一只手握住繞線機(jī)主軸或鉆體1頭部，另一只手旋動(dòng)套筒2，使螺母4轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)3個(gè)夾爪3進(jìn)行夾緊或放松運(yùn)動(dòng)?；顒?dòng)夾具一經(jīng)使用，解決了設(shè)備通用性差的問題，實(shí)現(xiàn)了不同尺寸工裝的裝卡，大幅擴(kuò)大了設(shè)備使用范圍，使各類型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率都得到了提升。

1-鉆體，2-套筒，3-夾爪，4-螺母

2.2 端面繞線穩(wěn)定性的改善

2.2.1 滯后角對線圈質(zhì)量的影響分析 漆包線纏繞在骨架上時(shí)，漆包線纏繞方向與骨架切向所成夾角即為線圈的滯后角θ。

當(dāng)線圈繞制過程中產(chǎn)生的滯后角θ與初始滯后角θ0相等時(shí)(θ=θ0時(shí))，線圈的滯后角保持穩(wěn)定，漆包線可以實(shí)現(xiàn)緊密排繞，如圖4所示。

圖4 滯后角穩(wěn)定時(shí)的繞制示意圖

當(dāng)θ<θ0時(shí)，線圈滯后角偏小，漆包線纏繞過程中會(huì)產(chǎn)生匝間間隙，上層線圈在此存在塌線隱患，如圖5所示。

圖5 滯后角偏小時(shí)的繞制示意圖

當(dāng)θ>θ0時(shí)，線圈滯后角偏大，漆包線纏繞過程中會(huì)產(chǎn)生層疊，同一層相鄰的兩匝線圈會(huì)上下搭接在一起，形成外觀缺陷，如圖6所示。

圖6 滯后角偏大時(shí)的繞制示意圖

正常情況下，漆包線緊密排繞時(shí)，為保持滯后角的穩(wěn)定性，主軸轉(zhuǎn)速與橫軸移速應(yīng)有如下對應(yīng)關(guān)系：

(1)

式中:n為主軸轉(zhuǎn)速;d為漆包線線徑(帶漆膜);v為橫軸移速，也就是說，主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，橫軸需要沿軸向引導(dǎo)漆包線移動(dòng)1個(gè)線徑的距離，才能達(dá)到緊密排繞的效果。

而在端面繞線時(shí)，由于橫軸換向移動(dòng)繞制下一層，其移速v會(huì)產(chǎn)生由正向到負(fù)向的急回變化，此時(shí)應(yīng)對應(yīng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速n，滿足式(1)關(guān)系，始終保持穩(wěn)定的滯后角，才能排除骨架端面出現(xiàn)的層疊或匝間間隙大等質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)緊密排繞。

2.2.2 排繞程序的改善研究 在排繞機(jī)的原有程序中，橫軸以速度v0即將移動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)，會(huì)在1 s時(shí)間內(nèi)按“指數(shù)曲線”減速急回，并以-v0速度排繞第二層線圈。但原程序中主軸轉(zhuǎn)速n不變，導(dǎo)致線圈滯后角不穩(wěn)定，需對其進(jìn)行更改；且橫軸速度按“指數(shù)曲線”進(jìn)行急回控制時(shí)，橫軸負(fù)載扭矩較大，長期使用可能造成橫軸電機(jī)堵轉(zhuǎn)，現(xiàn)將橫軸速度改為更容易控制的“梯形曲線”，將程序設(shè)定分解為三段：

第一段程序中，橫軸以速度v0勻速引導(dǎo)漆包線排繞，同時(shí)將橫軸移動(dòng)的終端位置由原來的緊貼骨架端面改為與骨架端面保有1個(gè)線徑d的距離，主軸轉(zhuǎn)速n不變；

第二段程序中，將橫軸移速設(shè)為勻變速函數(shù)，以此速度繞制第一層的最后一匝線圈和第二層的第一匝線圈，同時(shí)為保證滯后角的穩(wěn)定性，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)同時(shí)調(diào)整，以滿足式(1)要求：

(2)

(3)

式中:a為橫軸加速度;v0為橫軸初始移速;d為漆包線線徑(帶漆膜)視為常數(shù)，將式(2)代入式(3)得到：

(4)

現(xiàn)以某型號(hào)電磁閥產(chǎn)品為例，進(jìn)行程序設(shè)定與實(shí)際驗(yàn)證：產(chǎn)品所用線徑d=0.45 mm，初始主軸轉(zhuǎn)速n=2 r/s，v0=n×d=0.90 mm/s，線圈端面繞線時(shí)t=4×d/v0=2 s的時(shí)間內(nèi)，完成骨架端面兩匝的線圈繞制。端面繞線時(shí)速度變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 端面繞線時(shí)橫軸移速變化曲線圖

圖8 端面繞線時(shí)主軸轉(zhuǎn)速變化曲線圖

第三段程序中，橫軸以速度-v勻速引導(dǎo)漆包線進(jìn)行第二層線圈的排繞，主軸轉(zhuǎn)速n不變。由此往復(fù)，可完成全部線圈的繞制工作。

此方案解決了在骨架端面繞線時(shí)，線圈滯后角不穩(wěn)定的問題，從而消除了層疊、塌線等質(zhì)量隱患，使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率得到大幅提升；同時(shí)，通過改變橫軸移動(dòng)的加速曲線，達(dá)到減小負(fù)載扭矩的效果，提高了設(shè)備的安全性能，延長了其使用壽命。程序改進(jìn)前后的產(chǎn)品外觀對比圖，如圖9所示。

3 總 結(jié)

上述設(shè)備改進(jìn)均已在我公司的實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，線圈組件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量都得到了顯著提高。本次研究對同類設(shè)備的改進(jìn)項(xiàng)目具有一定的參考意義，同時(shí)也證明企業(yè)在發(fā)展過程中，需要腳踏實(shí)地，將工程理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，才能提高研究水平與生產(chǎn)水平。

圖9 改進(jìn)前、后產(chǎn)品外觀對比圖