一種自動繞線機的設計與應用

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

有限轉角力矩電機由于具有體積小以及性能優(yōu)異等特點而廣泛應用于軍工領域，而隨著我國國防事業(yè)不斷發(fā)展，該型電機的需求量日益增大。作為有限轉角力矩電機的核心部件，定子繞組組件屬于封閉環(huán)狀結構，需要將一根漆包線根據規(guī)定的極數、層數、匝數，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。

目前市場上的設備只能實現單線、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、通信線圈等這類產品，無法實現定子繞組組件的繞法和繞制精度要求。針對這種純手工、低效率、重復勞動且無法滿足批量生產要求的情況，本文研發(fā)的自動繞線機實現了封閉環(huán)狀結構自動繞制功能，滿足繞制要求，提高了生產效率，適用于工業(yè)化大批量生產。

1 自動繞線機整體方案設計及其技術指標

1.1 設計思路

1）采用雙驅動的驅動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+電動轉臺的結構。

3）采取手動與自動相結合的控制方式。

4）盡量采用成熟產品、成熟技術。

5）設備外型美觀、操作舒適、易于實現人機對話且易操作、易掌握。

1.2 自動繞線機主要技術指標

從自動繞線機技術方案及繞制工藝要求，結合提高生產工藝流程的自動化程度、生產效率、質量和兼容各型號產品繞制使用以及運行平穩(wěn)，易于維護保養(yǎng)的角度出發(fā)[1-3]，提出自動繞線機的主要技術指標，見表1。

表1 自動繞線機主要技術指標

1.3 自動繞線機整體方案

本方案基于上述設計思想、繞制要求以及技術指標，進行了自動繞線機整體設計[4-6]。該技術方案共分為4個模塊，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 自動繞線機各模塊構成圖

上線模塊主要完成所需長度漆包線在儲線輪的單線雙向儲線功能；繞制模塊主要在工件上實現正向或反向纏繞及漆包線張力的精準控制；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對各模塊進行協(xié)同運動控制、繞制參數存儲和整機錯誤報警等。各個模塊及其結構組成見圖2。

圖2 自動繞線機結構框圖

2 自動繞線機主要結構設計

2.1 上線模塊

上線模塊由Y向移動導輪部件、直線伺服微型電機、張力控制器、剪斷部件和儲線輪部件組成，見圖3。漆包線一端從絲桶中引出通過張力控制器、引導導輪、清潔部件、剪斷部件、Y向移動導輪部件的上線定位導輪后固定在儲線輪部件上，然后通過儲線輪部件旋轉運動與Y向移動導輪部件直線運動的合成，實現了漆包線在儲線輪上的均勻纏繞排布。

圖3 上線模塊結構示意圖

其中，調節(jié)張力控制器可獲得合理張力值；上線模塊中所有旋轉部件運動方式均設計為濕式滾動，使摩擦力降到最低，實現了對漆包線在纏繞中張力的準確控制；由直線伺服微型電機驅動Y向移動導輪部件往復直線移動獲得精確的位置，可使漆包線排布均勻位置準確；而上線定位導輪設計有左、右2個固定位置，為儲線輪部件是否先進行順時或逆時旋轉纏繞提供了選擇；剪斷部件在上線結束通過旋轉把手將漆包線剪斷，節(jié)省操作時間。

2.2 繞制模塊

繞制模塊由2組導軌輪組件、線梭輪部件、儲線輪部件、張力范圍調節(jié)機構和伺服電機組成，見圖4。儲線輪部件和線梭輪部件利用一組儲線輪和線梭輪導軌輪組件實現同軸安裝，它們的驅動方式分別是內齒輪傳動和外齒輪傳動，采用2臺伺服電機驅動儲線輪部件和線梭輪部件轉動，實現雙驅動方式。

圖4 繞制模塊結構示意圖

線梭輪和儲線輪采用了斷齒式結構設計，即儲線輪部件、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線輪的儲線槽中引出且始終對漆包線與工件單匝線圈纏繞位置進行定位并穿越工件內孔進行順時（或逆時）旋轉纏繞。

張力范圍調節(jié)機構可在繞制中由特定彈簧力通過壓輪作用在漆包線上，使得漆包線在儲線輪部件到線梭輪部件上的導輪組之間長度發(fā)生有規(guī)律的柔性變動，從而造成張力值調節(jié)范圍變寬同時也對漆包線繞制中的抖動具有穩(wěn)定作用，為雙驅動方式繞制的張力精準調控提供了基礎保障。

2.3 裝夾及分度模塊

該模塊由專用裝夾工裝組件、分度轉臺組件和X向手動滑臺組成，見圖5。設計有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、安裝到分度轉臺組件的工作臺上進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分度中心提供了準確位置，也為批產的一致性、穩(wěn)定性提供了可靠保證，同時也縮短了工件線圈繞制的輔助時間，提高了生產效率，實現了并行生產。

圖5 裝夾及分度模塊結構示意圖

分度轉臺組件由伺服電機直接驅動，在繞制過程中分度機構的精確分度動作和繞制模塊中的線梭輪的準確繞制動作相互配合，實現了精準、均勻、緊密排線。同時分度機構的正反向旋轉分度可以實現線圈的正反2個方向排線。X向手動滑臺安裝在分度轉臺組件的下端，并裝有固定限位，可以將工件準確移動到規(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，自動繞線機成圖見圖1。操作控制箱設置有觸摸屏及各種按鈕，實現人機對話[7]；床身在起到支撐及各種模塊定位的同時，其內部安裝有可編程邏輯控制器（PLC）、運動控制模塊、伺服放大器等硬件[8]?？刂葡到y(tǒng)除了能夠支持正常繞制工作之外，還可實現根據工件繞制需求進行定制化設計，能夠進行工藝編程、張力實時控和精確定位等功能[9]。

3 自動繞線機參數確定與張力控制

采用運動學仿真模擬線圈纏繞動態(tài)的方法，得到雙驅動兩電機的位置數據且寫入程序，在此基礎上加入速度補償，進行動態(tài)張力控制，實現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聯合開發(fā)實現張力變化參數優(yōu)化見圖6。

圖6 UG 與Matlab 聯合開發(fā)實現張力變化參數優(yōu)化

如圖6所示，將自動繞線機UG三維模型簡化成運動學模型（由一系列連桿組成，在運動仿真中將連桿間通過關節(jié)進行連接，建立相鄰兩關節(jié)間的運動傳遞關系），根據實際工況確定工件和線梭輪部件始、末端纏繞位置并進行運動學仿真求解，完成多組漆包線線長變化參數的標定；根據UG運動仿真得出的多組運動參數，通過Matlab編寫運動學正逆解程序進行仿真，并進行漆包線線圈繞制在實際工況中的逆向運動分析，確定線長變化參數組的合理性，完成繞制參數優(yōu)化[10-11]。

以該優(yōu)化參數為基礎，利用自動繞線機的控制系統(tǒng)進行工藝編程，然后通過觸摸屏設定極限張力、線梭輪轉速等參數，由于自動繞線機存在制造、裝配以及工件等誤差，線圈在繞制過程中實際動態(tài)線長變化和理論線長變化之間存在偏差，因此在程序運行中，通過監(jiān)測儲線輪電機實時扭矩值與設定值對比進而對其進行實時速度補償，完成對儲線輪輸出轉矩的閉環(huán)控制，保證漆包線張力的穩(wěn)定[12]。

4 自動繞線機單件與批量試驗

4.1 自動繞線機工作流程

該設備工作流程主要由工件裝夾、儲線、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，轉移固定到轉臺工作臺上，分別打開儲線輪、線梭輪的斷齒通過X向手動滑臺將工件移動到規(guī)定的繞制位置，將斷齒復位；然后啟動儲線程序，將所需長度的漆包線按規(guī)定旋向轉動，自動、規(guī)則地儲繞到儲線輪線槽內，切斷多余的漆包線；接著將儲線槽中漆包線一端固定在工件起始位上，啟動繞制程序，線梭輪按規(guī)定旋向和轉速轉動（此時儲線輪按隨動關系轉動）將漆包線繞制在工件上，形成單匝線圈的繞制，隨后通過分度機構配合轉動實現了n匝n層的單極繞制；在完成一極繞制后，使用工裝組件II在轉臺組件的工作臺上，對工件另一極進行固定，完成另外一半極數的繞制工作；啟動繞制程序完成n匝n層的第n極繞制，反向繞制時線梭輪與儲線輪旋向相反。

4.2 試驗參數

本試驗以2極定子繞組組件（即工件）為例，將100個工件根據內徑、外徑實測尺寸按0.05 mm公差范圍共分出5組，每組任意取2件進行繞制，驗證批量繞制一致性和可靠性。繞制參數見表2，試件分組及繞制后理論值見表3。

表2 繞制參數

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

繞制試驗見圖8。將工件定位裝夾并固定在工作臺上，按表2參數設定繞制參數，在觸摸屏上選擇好繞制模式后，進行繞制加工。

圖8 定子鐵芯組件繞制試驗

4.4 試驗結果

共試驗繞制了5組每組2件試件，繞制結果見表4、圖10。繞制外徑、內徑尺寸分布見表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。

采用自動繞線機繞制的線圈各項指標均滿足圖紙設計指標，且產品一致性得到進一步提升，與手動繞制相比，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。繞制完成試件結果顯示，不僅性能能夠滿足需求，而且產品質量穩(wěn)定性能夠得到保障，見圖10。繞制后試件測量數據見表4。

表4 繞制后試件測量數據

圖10 繞制完成試件

5 結論

該設備繞制的產品實現了“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，符合工藝技術要求。該設備采用固化的繞制程序實現了自動上線、自動繞制，降低了操作水平和勞動強度，提高了生產效率。該設備結構簡單，便于維修，可以實現多種尺寸多種型號定子繞組組件的自動繞制，自動化生產有效替代人工繞制，適于工業(yè)化大批量生產。