杜 建

（華氧醫(yī)療科技（大連）有限公司，沈陽 110000）

繞線機主要用于電機、電器以及變壓器的線圈繞制，屬于繞制線圈的專用設備[1]。繞線機繞制線圈所使用的線是一種漆包線，是線圈的重要組成部分。其工作原理是把漆包線按照一定的規(guī)律纏繞在繞線骨架上，形成線圈。繞線機的應用極大地解放了工人的雙手，降低了工作強度，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。在發(fā)展迅速的今天，各行各業(yè)的電器產(chǎn)品均離不開電機、變壓器，所以繞線機擁有廣闊的應用前景，在未來的科學技術(shù)發(fā)展中不可或缺[2]。

近年來，我國在繞線機相關(guān)技術(shù)的研究上取得了一定的突破。2014 年，LU 等根據(jù)傳統(tǒng)的繞線機方式，提出了一種采用有源裝置的張力控制方案，改善了系統(tǒng)響應并抑制了由繞組過程引起的周期性干擾，提升了繞線穩(wěn)定性[3]。2016 年，徐晶等利用自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）技術(shù)，提出一種不依賴具體繞制模型的張力控制新方法，并通過仿真和實驗驗證了所設計的張力控制器的內(nèi)部魯棒性和抗干擾性[4]。目前，我國的繞線機市場正處于高速發(fā)展的時期，但仍然存在許多不足之處，如設備自動化能力不足、產(chǎn)品質(zhì)量差，繞線機的啟動、制動平穩(wěn)性差、繞制的線圈張緊度不夠以及張力不均勻等。

對繞線機的排線部分、送線部分以及繞線部分進行設計研究，實現(xiàn)對繞線圈數(shù)的自動監(jiān)測和繞線過程中保持恒張力，同時滿足多種規(guī)格線圈繞制需求，達到自動排線、線圈產(chǎn)品貼合緊密、繞線機性能自動化的目的，以滿足產(chǎn)品的應用要求。

1 繞線機整體設計要求

繞線機的結(jié)構(gòu)應能滿足以下設計要求[5]：（1）電機自動正反啟停及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；（2）電機能夠提供足夠的轉(zhuǎn)矩；（3）準確計數(shù)；（4）適應不同規(guī)格繞線骨架的安裝；（5）能夠自動排線、張緊；（6）裝卸方便，便于操作。在考慮結(jié)構(gòu)設計時，還應注意到成本問題、是否可靠、人工操作處理、安全性能、故障修理以及外形是否合理美觀等問題。根據(jù)對已有繞線機的參數(shù)調(diào)研以及市場要求，本次設計的繞線機的繞線速度S=600 r·min-1，光軸的導程L=100 mm，后期也可以根據(jù)實際需要繞線的線圈尺寸進行改變。

2 繞線機結(jié)構(gòu)設計

繞線機的組成包括繞線、排線及送線3 部分。通過對繞線機的工作原理進行分析，對其排線部分、送線部分以及繞線部分進行設計后，組裝得到繞線機的總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

排線部分的光軸帶動送線部分進行軸向往返運動，移動方向通過電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，送線部分通過可調(diào)節(jié)導輪調(diào)節(jié)送線路徑。繞線部分由驅(qū)動裝置和夾緊裝置構(gòu)成，夾緊裝置中調(diào)整手柄位置可實現(xiàn)對不同規(guī)格骨架的定位夾緊。工作過程中，繞線電機帶動線圈骨架進行旋轉(zhuǎn)，送線部分跟隨排線部分左右往復運動，通過排線部分與繞線部分的協(xié)同運動將線有序地纏繞在線圈骨架上完成線圈的繞制，即繞線部分電機旋轉(zhuǎn)一周，排線部分運動一個線徑的距離，實現(xiàn)整齊精密排線。

2.1 排線部分結(jié)構(gòu)設計

排線結(jié)構(gòu)由電機、同步帶、絲杠、排線立板、光軸以及原點感應器等裝置組成，具體如圖2 所示。步進電機與絲杠末端裝有同步帶齒輪，電機運轉(zhuǎn)將動力由同步帶傳遞到絲杠上，帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，排線立板下端由絲杠螺母與絲杠連接，通過絲杠旋轉(zhuǎn)帶動整個光軸水平移動，進而帶動送線結(jié)構(gòu)水平移動。

排線擋板與排線立板的上端分別裝有原點感應器和擋光片。當擋光片隨光軸運動到極限位置，即與原點感應器重合時，原點感應器輸出信號到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)隨即對電機發(fā)出啟停和正反轉(zhuǎn)指令，以實現(xiàn)對光軸行程的自動控制，實現(xiàn)自動繞線的功能。圖3為原點感應器及擋光片示意圖。

排線機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動。與步進電機相比，伺服電機具有更大的步距角、更優(yōu)的低頻穩(wěn)定性、在高速旋轉(zhuǎn)時更高的扭矩輸出以及更強的過載能力。通過操作系統(tǒng)的控制，能夠達到繞線過程中高響應、高精度和高運行速度的要求，實現(xiàn)與繞線機構(gòu)的同步 運行。

伺服電機與絲杠之間通過同步帶進行傳動。同步帶以鋼絲繩或玻璃纖維為強力層，外覆聚氨酯或氯丁橡膠的環(huán)形帶，帶的內(nèi)周制成齒狀，與絲杠末端和伺服電機上的齒形帶輪嚙合。同步帶傳動具有以下優(yōu)點：（1）傳動比恒定；（2）傳動平穩(wěn)、噪聲?。?（3）傳動效率高；（4）維護保養(yǎng)方便；（5）速比范圍大，傳遞功率大；（6）可用于長距離傳動；（7）預緊力較小，所受載荷小。普通同步帶的摩擦力大、允許包角小、傳動比大，所以本文選用普通同步帶。

2.2 送線部分結(jié)構(gòu)設計

所繞制的每一種線都有特有的線徑，線徑的大小影響了纏繞過程的送線運動。通過改變纏繞時的送線運動，能夠保障線能夠均勻纏繞在主軸上，使得纏繞后繞線效果更好。送線結(jié)構(gòu)工作時，必須是按照一條直線進行移動，才能保證繞線過程的精確性，防止在繞線過程中出現(xiàn)大量不合格的產(chǎn)品。

送線結(jié)構(gòu)由連接塊、送線立板、導輪以及導線塊等組成，如圖4 所示。整個送線裝置通過連接塊與排線機構(gòu)的光軸相連接，利用光軸的運動實現(xiàn)送線裝置的左右往復運動。待繞線穿過導線塊的導線孔繞過導輪后與繞線夾具連接實現(xiàn)送線功能。送線裝置中取消了傳統(tǒng)繞線機上張力計的設計，通過4 個導輪控制送線路徑。因為4 個導線輪可以調(diào)節(jié)位置，所以可以很好地避免繞線的錯位，并可以隨時調(diào)節(jié)繞線的松緊，降低產(chǎn)生廢品的概率，實現(xiàn)對不同規(guī)格的線圈繞線過程，達到送線過程中線圈所受張力均勻的目的。4 個導線輪均可以根據(jù)送線需要在導線塊位置進行調(diào)節(jié)，共同決定送線張力。

2.3 繞線部分結(jié)構(gòu)設計

繞線機繞線部分結(jié)構(gòu)主要包括線圈繞制感應片、電機及電機架、繞線機主軸、繞線夾具。圖5 為繞線部分的結(jié)構(gòu)示意圖。線圈骨架一端固定在主軸外端的主軸套筒上，另一端通過繞線夾具進行定位及夾緊。伺服電機作為動力裝置帶動線圈骨架高速旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)繞線機的繞線功能。繞線感應片通過齒輪傳送帶與主軸相連接，通過感應片的記錄能夠?qū)崿F(xiàn)對線圈繞制圈數(shù)、繞線速率的監(jiān)測，達到繞線過程自動化的目的。

繞線過程中，為滿足與排線部分協(xié)同運動、獲得高質(zhì)量的線圈，對繞線電機的速度和響應精度都有較高的要求，所以繞線部分同樣選擇伺服電機提供主軸的動力。

3 結(jié)語

本文對現(xiàn)有繞線機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在主軸電機處設計了感應片，可以針對線圈的圈數(shù)進行檢測并反饋實現(xiàn)自動制動功能，確保產(chǎn)品擁有相同的產(chǎn)品質(zhì)量。此外，優(yōu)化繞線機的排線與送線機構(gòu)，通過排線裝置中伺服電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)繞線路徑的調(diào)節(jié)，通過送線裝置中導線輪位置的調(diào)整實現(xiàn)繞線過程中繞線張緊力的控制與繞線角度的調(diào)整，以滿足不同規(guī)格線圈的繞制需求。在實現(xiàn)多規(guī)格線圈繞線功能的同時，優(yōu)化的繞線機具有自動化程度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作靈活以及生產(chǎn)效率高等特點，能夠滿足實際生產(chǎn)需求。