李斌，殷海，楊阿坤，張烽，劉燕德，歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)

(華東交通大學(xué) 智能機(jī)電創(chuàng)新研究院，江西 南昌 330013)①

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品播放音質(zhì)的要求越來(lái)越高.揚(yáng)聲器作為電子產(chǎn)品中的一個(gè)關(guān)鍵元器件，其作用是將手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，因此對(duì)揚(yáng)聲器等電子產(chǎn)品生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)和質(zhì)量的提高逐漸成為行業(yè)追求的目標(biāo)[1].在揚(yáng)聲器的生產(chǎn)制造過(guò)程中，音圈繞制是重要的一環(huán)，音圈繞制的好壞直接影響產(chǎn)品的精度[2].電子行業(yè)繞線機(jī)應(yīng)用廣泛，并且對(duì)電機(jī)的生產(chǎn)發(fā)揮著重大的作用，所以需求量一直在不斷增加[3-5].繞線機(jī)可以繞制很多的電子產(chǎn)品，例如變壓器、繼電器和各種磁卡.除此之外，它也用于耳機(jī)、揚(yáng)聲器等內(nèi)部線圈的繞制，它不僅能減少手動(dòng)繞制過(guò)程中張力不均、散線及壓疊的問(wèn)題，還能提高音圈繞制的均勻度和產(chǎn)品的一致性[6-7].傳統(tǒng)的音圈繞線機(jī)自動(dòng)化程度比較低，音圈繞制過(guò)程中大多需要工人參與完成.現(xiàn)有的設(shè)備柔性差，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，易出現(xiàn)斷線、散線、音膜片黏合、音膜音圈不能合二為一等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低下.

鑒于此，本文提出了一種新型全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的設(shè)計(jì)方案，利用SolidWorks軟件構(gòu)建全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的三維模型，運(yùn)用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)設(shè)備的關(guān)鍵部位進(jìn)行了有限元靜力學(xué)分析.最后進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的可行性.

1 全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)以線徑0.015～0.5 mm的漆包線為原料，繞制各種揚(yáng)聲器音圈、手機(jī)喇叭音圈線圈，并自動(dòng)完成取料、放料、卸料、轉(zhuǎn)極、繞線、斷線和下料等作業(yè).

1.1 設(shè)計(jì)要求

充分考慮漆包線的特性以及繞制音圈的生產(chǎn)工藝要求，對(duì)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)采用整體和模塊化的設(shè)計(jì).具體設(shè)計(jì)要求如下：

(1)在設(shè)備打開(kāi)并復(fù)位到初始位置后，用戶從張力機(jī)構(gòu)上將漆包線牽引過(guò)來(lái)并順著排線機(jī)構(gòu)上的滑輪穿插到導(dǎo)針中；然后，壓剪線機(jī)構(gòu)上的壓縮彈簧將漆包線壓住，抵在剪刀器上.

(2)旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)工作時(shí)，排線機(jī)構(gòu)在一旁協(xié)助，即旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)每繞制一圈，漆包線就會(huì)在排線機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)下，向指定方向移動(dòng)一個(gè)線徑的距離，這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)為整齊緊密排線奠定了基礎(chǔ).

(3)加熱機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)工作時(shí)需對(duì)模具芯進(jìn)行加熱，讓漆包線纏上去便可粘連在一起，防止散圈.

(4)繞線完成后，切刀需將漆包線剪斷，并且脫模機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，讓音圈掉落到下料槽.若音圈粘連在中間軸上，推料機(jī)構(gòu)便將其推落.

1.2 整體結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)工作流程圖見(jiàn)圖1，整體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2.設(shè)備的主要參數(shù)如下：適用線徑為0.015～0.5 mm，繞制線圈寬度小于或等于25 mm，繞制線圈外徑為1～80 mm，工位主軸方向?yàn)轫槙r(shí)針/逆時(shí)針，消耗功率為 2.0 kW/h.全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)以MP2100作為其控制系統(tǒng)，并選取100 W的伺服電機(jī)作為排線機(jī)構(gòu)的電機(jī)，200 W的伺服電機(jī)作為主軸電機(jī).繞線機(jī)的系統(tǒng)通過(guò)連接伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使其高速化，即使在機(jī)械動(dòng)作中也可以在線切換增益、速度、轉(zhuǎn)矩和位置控制，并且能夠自如地控制機(jī)械的動(dòng)作.全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的程序以步為單位，所有功能、動(dòng)作、繞線位置、執(zhí)行狀態(tài)和故障等，全部顯示于屏幕上.

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)主要用來(lái)繞制音圈，更換不同的模具芯及相關(guān)部件，可以繞制1～80 mm外徑的音圈.模具芯、中間軸和右傘仔要保持同心，否則會(huì)造成各部件之間的相互摩擦，加劇損耗，隨之精度也會(huì)下降，影響線圈的合格率和使用壽命，所以加工制造時(shí)精度一定要保證在誤差范圍內(nèi).左主軸和右主軸及相關(guān)零部件也要保持與回轉(zhuǎn)中心同心.

旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3.其工作原理是：電機(jī)工作帶動(dòng)皮帶輪1，皮帶1帶動(dòng)下軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)皮帶2帶動(dòng)左主軸和左傘仔轉(zhuǎn)動(dòng)，下軸通過(guò)皮帶3帶動(dòng)右主軸、右傘仔、中間軸和模具芯轉(zhuǎn)動(dòng).由于3個(gè)皮帶輪的直徑相同，且由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，故左主軸和右主軸及相關(guān)部件實(shí)現(xiàn)同步等速轉(zhuǎn)動(dòng).

圖3 旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)

1.3.2 排線機(jī)構(gòu)

排線機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖4.將左主軸的中心線定義為X軸，聯(lián)軸器將X軸絲桿與伺服電機(jī)的輸出軸相連，伺服電機(jī)帶動(dòng)X軸絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)；X軸滑塊隨X軸絲桿沿X軸方向在X軸滑軌上左右移動(dòng)，來(lái)完成繞制銅線的左右移動(dòng) ，使繞制的每圈銅線橫向距離一致.X模塊主要是實(shí)現(xiàn)拉線到中間軸上和繞線的左右移動(dòng)兩個(gè)動(dòng)作，其中安裝在X軸滑軌最右端的X軸滑塊擋板，限制了X模塊向右移動(dòng)的位置.氣缸上下移動(dòng)帶動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)板上下移動(dòng)，使得Y軸滑動(dòng)板帶動(dòng)Y軸滑塊一起上下移動(dòng)，銅線從張力機(jī)構(gòu)上牽引過(guò)來(lái)，經(jīng)過(guò)滑輪，然后穿插在導(dǎo)針中，來(lái)進(jìn)行繞線，其中Y軸滑塊擋塊固定在Y軸滑軌的最上端和最下端，限制了Y模塊向上和向下移動(dòng)的位置.氣缸固定板表面設(shè)置有若干個(gè)與加強(qiáng)筋孔對(duì)齊的氣缸固定孔，并且氣缸驅(qū)動(dòng)板表面設(shè)置有螺栓固定，用戶可以根據(jù)實(shí)際使用情況，調(diào)節(jié)氣缸在Y模塊的位置.

圖4 排線機(jī)構(gòu)

1.3.3 壓剪線機(jī)構(gòu)

壓剪線機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓線和自動(dòng)剪線.在氣缸的驅(qū)動(dòng)下，壓線桿、拉桿和送刀器等部件向左移動(dòng).當(dāng)排線時(shí)，送刀器壓縮壓線彈簧使銅線壓住抵在剪刀器上.當(dāng)主軸完成繞線時(shí)，在剪線彈簧的作用下擠壓剪刀器上的切刀向右剪斷銅線.

1.3.4 推料機(jī)構(gòu)

推料氣缸帶動(dòng)推料片前后移動(dòng)，推料片推動(dòng)繞制完成的音圈掉落到下料槽內(nèi).

1.3.5 加熱機(jī)構(gòu)

繞制線圈所采用的漆包線是自黏性漆包線，這種線采用復(fù)合層結(jié)構(gòu)，在一般的漆包線(基線)外，涂覆自黏性漆(自黏層).在繞線完成后，發(fā)熱管吹出熱風(fēng)將線圈表面的自黏漆性融化，待其凝固后，可以起到黏接和保護(hù)線圈的作用.發(fā)熱管吹出的熱風(fēng)溫度可以調(diào)節(jié)，以確保工藝溫度穩(wěn)定可靠.

散圈是音圈繞制失敗的一個(gè)現(xiàn)象.在使用該設(shè)備之前，需要加熱一定的時(shí)間，讓模具達(dá)到足夠的溫度，才不會(huì)造成散圈.

1.3.6 張力機(jī)構(gòu)

繞制音圈時(shí)，由于漆包線很細(xì)，若使用傳統(tǒng)的機(jī)械張力器，則會(huì)造成斷線、張力不穩(wěn)定等問(wèn)題.電機(jī)張力器具有穩(wěn)定性強(qiáng)、移動(dòng)時(shí)張力穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足繞制不同線徑的需求，保持排線整齊，不會(huì)造成壓疊或松散等現(xiàn)象，所以選用電機(jī)張力器.

2 關(guān)鍵部件的有限元分析

在音圈繞制過(guò)程中，繞線機(jī)的右主軸和左主軸對(duì)精度的影響最大，因此利用SolidWorks軟件對(duì)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的右主軸和左主軸進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后對(duì)其進(jìn)行有限元分析.根據(jù)有限元分析的結(jié)果，可以判斷右主軸和左主軸在選材和尺寸方面是否滿足工作要求.

2.1 右主軸靜力學(xué)分析

右主軸采用45#鋼進(jìn)行加工，右主軸的總長(zhǎng)為167 mm，其他設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)圖5.

圖5 右主軸設(shè)計(jì)尺寸

首先，定義右主軸的材料屬性，添加材料為45#鋼，其泊松比為0.28，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 MPa，抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa.其次，設(shè)置邊界條件，為其添加正確的夾具約束.再次,根據(jù)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的工作原理(右主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)受到轉(zhuǎn)矩和重力的作用)，在對(duì)應(yīng)的位置施加扭矩載荷和重力載荷.最后，對(duì)右主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型見(jiàn)圖6.

圖6 繞線機(jī)右主軸的有限元模型

完成以上的步驟后，利用SolidWorks軟件中Simulation模塊對(duì)右主軸的有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析[8]，得到右主軸在轉(zhuǎn)矩和重力作用下的應(yīng)力、位移和應(yīng)變圖(圖7).為了讓右主軸的變形情況與真實(shí)情況一致，將圖中3個(gè)子圖的比例因子均設(shè)為1.從圖中可知，在加載相應(yīng)載荷的情況下，繞線機(jī)右主軸的最大應(yīng)力為13.78 MPa,遠(yuǎn)小于該材料的屈服極限，滿足工作要求.同時(shí)，繞線機(jī)右主軸的最大位移為1.175×10-3mm，最大應(yīng)變?yōu)?.198×10-5，亦滿足工作要求[9-10].

(a) 應(yīng)力

2.2 左主軸靜力學(xué)分析

左主軸同樣采用45#鋼進(jìn)行加工，其總長(zhǎng)為210 mm，其他設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)圖8.

圖8 左主軸設(shè)計(jì)尺寸

左主軸采用與右主軸相同的步驟，建立的有限元模型見(jiàn)圖9.

圖9 繞線機(jī)左主軸的有限元模型

利用Simulation模塊對(duì)左主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析(圖10)，從圖中可知，在加載相應(yīng)載荷的情況下，繞線機(jī)左主軸的最大應(yīng)力為13.57 MPa，最大位移為1.215×10-3mm，最大應(yīng)變?yōu)?.255×10-5，全部滿足工作要求.

(a) 應(yīng)力

3 基于SolidWorks的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真

基于SolidWorks三維軟件，應(yīng)用其虛擬裝配技術(shù)和運(yùn)動(dòng)仿真，檢查零件設(shè)計(jì)和繞線裝配的合理性、驗(yàn)證繞線機(jī)的運(yùn)動(dòng)可行性.

3.1 繞線機(jī)的建模及裝配

利用SolidWorks軟件對(duì)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的各個(gè)零部件進(jìn)行三維建模，根據(jù)繞線機(jī)的實(shí)際位置關(guān)系，利用裝配體模塊中的配合功能將旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)、排線機(jī)構(gòu)、壓減線機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)和張力機(jī)構(gòu)及相關(guān)零部件進(jìn)行裝配.基于虛擬裝配的優(yōu)勢(shì)，可以檢查各部件之間的尺寸是否符合設(shè)計(jì)要求.在對(duì)繞線機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行裝配時(shí)，需要注意各個(gè)模塊之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，不同的運(yùn)動(dòng)副對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)約束是不同的.例如，各部件的轉(zhuǎn)動(dòng)部分需要按照鉸鏈連接進(jìn)行配合等.繞線機(jī)的虛擬裝配模型見(jiàn)圖11.

圖11 繞線機(jī)的虛擬裝配模型

虛擬裝配完成后，在模型狀態(tài)下未發(fā)現(xiàn)各零件出現(xiàn)尺寸問(wèn)題，并且為確保全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的各個(gè)零部件可以順利拆裝和運(yùn)動(dòng)時(shí)能提供所需的自由度，需要對(duì)右主軸和左主軸等重要零部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或移動(dòng).通過(guò)分析可知，全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)裝配體的各零部件設(shè)計(jì)合理，未發(fā)現(xiàn)有地方存在干涉，可以滿足使用要求.

3.2 模型運(yùn)動(dòng)仿真

全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)模型裝配完成后，利用SolidWorks軟件中的運(yùn)動(dòng)算例Motion Manager對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真.根據(jù)裝配體中的各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)類型，在運(yùn)動(dòng)算例Motion Manage中選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，并且合理劃分各個(gè)模塊的運(yùn)動(dòng)位置和時(shí)間.例如，給旋轉(zhuǎn)繞線機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪添加馬達(dá)，通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)左主軸進(jìn)行繞線運(yùn)動(dòng)；將推料機(jī)構(gòu)的氣缸設(shè)置為線性驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)的極限距離為25 mm等.完成對(duì)繞線機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的添加后，運(yùn)動(dòng)仿真就可以隨即開(kāi)始，其中的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別為繞線開(kāi)始和繞線結(jié)束時(shí)的仿真(圖12).通過(guò)對(duì)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，各個(gè)模塊設(shè)計(jì)均符合設(shè)計(jì)要求.

(a) 繞線開(kāi)始仿真

4 結(jié)論

全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的設(shè)計(jì)縮短了音圈繞制的生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品合格率，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和連續(xù)化生產(chǎn)，節(jié)約了人力成本，對(duì)整個(gè)電子產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生了推動(dòng)作用.首先，利用SolidWorks軟件對(duì)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)的各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并繪制出了三維模型.其次，運(yùn)用SolidWorks軟件中的Simulation模塊，對(duì)右主軸和左主軸建立有限元模型再對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析.再次，得出右主軸和左主軸的結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求.最后，對(duì)全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，得出全自動(dòng)單軸音圈繞線機(jī)各零部件設(shè)計(jì)合理，裝配未發(fā)生干涉且運(yùn)動(dòng)正常.