李 斌，張 烽，歐陽(yáng)愛(ài)國(guó)，吳 建

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 引言

近年來(lái)，隨著智能手機(jī)、平板電腦、便攜式媒體播放器等數(shù)碼產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的持續(xù)發(fā)展。我國(guó)電聲行業(yè)也得到了快速的發(fā)展，音圈的市場(chǎng)需求量也持續(xù)增高，而音圈在電聲行業(yè)被稱之為“揚(yáng)聲器心臟”音圈質(zhì)量的好壞直接影響到揚(yáng)聲器的音質(zhì)［1-2］。音圈的制作是通過(guò)漆包線繞制而成，傳統(tǒng)的手工音圈繞線方式因其繞制效率和產(chǎn)品合格率均比較低，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)需求，因此，音圈繞制需要繞線機(jī)器人來(lái)完成。其中，音圈繞線機(jī)可用于揚(yáng)聲器內(nèi)部音圈的繞制，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，提高產(chǎn)品的一致性［1，4］。

繞線機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了一系列的技術(shù)改革和創(chuàng)新，從早期的手動(dòng)纏繞機(jī)到現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床，生產(chǎn)效率得到了很大的提高。繞線機(jī)的控制系統(tǒng)從最開(kāi)始的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)到現(xiàn)在的PLC控制單元，使得繞線機(jī)的自動(dòng)化水平和繞線精度也越來(lái)越高［5，7］。目前，國(guó)內(nèi)原有的繞線設(shè)備總體相對(duì)落后，自動(dòng)化程度和控制精度都比較低，更易出現(xiàn)斷線、散線音膜片粘合及音膜音圈不能合二為一等問(wèn)題，很難滿足新產(chǎn)品對(duì)繞線設(shè)備的要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該繞線機(jī)可以完成繞線、線圈加熱、剪線以及收集等一系列動(dòng)作。首先對(duì)繞線機(jī)的主要部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后，利用Solidworks 軟件中的Simulation 模塊對(duì)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)中的主軸和六分度繞組機(jī)構(gòu)中的左模具軸進(jìn)行靜力學(xué)分析。最后，運(yùn)用Solidworks 軟件對(duì)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)和六分度繞組機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。

2 音圈生產(chǎn)工藝流程分析

全自動(dòng)音圈繞線工藝流程，如圖1所示。

圖1 音圈繞線工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart of Voice Coil Winding

整個(gè)工藝過(guò)程沿著托盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行，自動(dòng)上料裝置通過(guò)氣動(dòng)壓俯方式上三層銅膜，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)流向下一個(gè)工位，點(diǎn)膠裝置對(duì)膜片點(diǎn)中心膠。自動(dòng)點(diǎn)膠裝置包括底板、導(dǎo)正機(jī)構(gòu)、運(yùn)送裝置、點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)及三軸機(jī)器人，導(dǎo)正機(jī)構(gòu)接駁于設(shè)備流水線區(qū)域并安裝于底板一側(cè)，運(yùn)送裝置包括安裝于底板上的X軸定向?qū)к?、以及分別可滑動(dòng)地設(shè)置于定向?qū)к墐蓚?cè)的加料機(jī)構(gòu)和取料機(jī)構(gòu)，加料機(jī)構(gòu)和取料機(jī)構(gòu)均包括Z軸模組和氣爪，Z軸模組提供Z軸滑動(dòng)動(dòng)力地與氣爪傳動(dòng)連接，三軸機(jī)器人固定安裝于底板上，三軸機(jī)器人設(shè)置有定位工作臺(tái)，點(diǎn)膠裝置位于定位工作臺(tái)上方。第一個(gè)預(yù)留工位裝有產(chǎn)品功能檢測(cè)器，檢測(cè)裝置通過(guò)過(guò)濾干擾超聲波、提取缺陷信號(hào)后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，對(duì)三層銅模同心度、工位缺料、膜片斷膠和溢膠等缺陷進(jìn)行檢測(cè)。六軸繞線裝置完成音圈的繞制，并完成音膜和音圈的自動(dòng)組合，六軸繞線裝置通過(guò)分割器轉(zhuǎn)動(dòng)六軸，每軸都與主軸前端專用繞線模旋轉(zhuǎn)，繞制高精度線圈，線圈繞制結(jié)束后通過(guò)剪線器剪斷線頭繼續(xù)被伺服電機(jī)推送至托盤內(nèi)。托盤轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)組合音圈的數(shù)量。

音膜和音圈自動(dòng)組合后被熱風(fēng)烘干，托盤工位上裝有膠水自動(dòng)干燥裝置，用于固化中心膠。CCD相機(jī)結(jié)合工位防錯(cuò)自動(dòng)報(bào)警裝置，通過(guò)圖像處理技術(shù)與報(bào)警優(yōu)先級(jí)查表算法對(duì)工位防錯(cuò)、產(chǎn)品加工異常發(fā)出警報(bào)并提供報(bào)警操作指導(dǎo)。轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到不良排除與脫模工位，重新開(kāi)始音膜上料、音圈繞線、音膜音圈自動(dòng)組合等工藝。

在上述整個(gè)音圈生產(chǎn)工藝流程中，自動(dòng)上膜片和注中心膠這兩個(gè)步驟尤為重要。自動(dòng)上膜片是通過(guò)多頭氣動(dòng)壓附式自動(dòng)上料裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該裝置基于三位四通電磁閥技術(shù)設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路，分析輸入至PLC內(nèi)檢測(cè)信號(hào)，從而分配氣缸順序動(dòng)作流程，保證了膜片位置的準(zhǔn)確性。注中心膠采用的是針筒自動(dòng)點(diǎn)膠裝置，該裝置基于回吸式膠閥活塞電磁閥控制方法與精確定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)膠閥停膠瞬間回吸斷膠與點(diǎn)膠器X軸、Y軸和Z軸運(yùn)動(dòng)位置的檢測(cè)，采用梯形加減速、速度前瞻和微線段插補(bǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)任意非平面3D路徑精確點(diǎn)膠，從而保證了點(diǎn)膠的效率性和均勻性。氣動(dòng)壓附式自動(dòng)上料裝置和針筒自動(dòng)點(diǎn)膠裝置的互相配合可以有效解決音膜片粘合以及音膜音圈不能合二為一等問(wèn)題，進(jìn)一步保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 工作原理及整體結(jié)構(gòu)

3.1 工作原理

充分考慮揚(yáng)聲器音圈的結(jié)構(gòu)特性并結(jié)合音圈生產(chǎn)工藝流程，對(duì)六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)依據(jù)實(shí)際音圈加工流程，在打開(kāi)設(shè)備并復(fù)位到初始位置后，繞制線圈所用的漆包線從原料桶中出來(lái)進(jìn)入張力機(jī)構(gòu)，與此同時(shí)，加熱機(jī)構(gòu)對(duì)繞制模具進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)繞線模具進(jìn)入相應(yīng)工位后，飛叉式繞線機(jī)構(gòu)啟動(dòng)并開(kāi)始繞線。繞制好的線圈迅速進(jìn)入下一工位，加熱機(jī)構(gòu)再次對(duì)線圈加熱。加熱后的線圈進(jìn)入剪線工位，當(dāng)兩邊的線頭剪斷后，音圈收集機(jī)構(gòu)就開(kāi)始回收繞制好的線圈，這些繞制好的線圈將進(jìn)入音圈加工的下個(gè)流程，以此往復(fù)循環(huán)完成音圈繞制。六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)的工作流程圖，如圖2所示。

圖2 繞線機(jī)工作流程圖Fig.2 Working Flow Chart of the Winding Machine

3.2 繞線機(jī)整體結(jié)構(gòu)

該六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，其主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

圖3 六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)整體圖Fig.3 Overall View of Six-Axis Automatic Voice Coil Winding Machine

4 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)主要部件包括：主體機(jī)構(gòu)、接棒式線圈收集機(jī)構(gòu)、全自動(dòng)剪刀機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)、張力機(jī)構(gòu)。各主要機(jī)構(gòu)均采用獨(dú)立機(jī)架設(shè)計(jì)，方便安裝調(diào)試及維修。

4.1 主體機(jī)構(gòu)

該繞線機(jī)的主體機(jī)構(gòu)主要由飛叉式繞線機(jī)構(gòu)和六分度繞組機(jī)構(gòu)組成。飛叉式繞線機(jī)構(gòu)主要由飛叉、小模頭、主軸、兩臺(tái)伺服電機(jī)、排位板、脫模氣缸、脫模驅(qū)動(dòng)塊及高精度滾珠絲桿等零件組成。

伺服電機(jī)1是控制飛叉的轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)2可以控制滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)又可以通過(guò)導(dǎo)軌滑塊帶動(dòng)排位板左右移動(dòng)，排位板能夠移動(dòng)的最大距離為20mm，排線精度為0.001mm。能夠?qū)崿F(xiàn)高精度排線的關(guān)鍵在于：高精度滾珠絲桿的運(yùn)用。高精度滾珠絲桿與交流伺服電機(jī)的輸出軸固定連接，提高了傳動(dòng)的精確性，減小了換向時(shí)的空程運(yùn)動(dòng)，從而保證了排線精度。通過(guò)PLC編程并在人機(jī)控制界面輸入相應(yīng)的線徑參數(shù)。實(shí)現(xiàn)飛叉軸每旋轉(zhuǎn)1圈，滾珠絲桿就帶動(dòng)排位板移動(dòng)一個(gè)線徑的距離，達(dá)到排線的目的。脫模驅(qū)動(dòng)塊與主軸固定在一起，脫模氣缸通過(guò)控制脫模驅(qū)動(dòng)塊的移動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小模頭的移動(dòng)。飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 飛叉式繞線機(jī)構(gòu)Fig.4 Flying Fork Winding Mechanism

六分度繞組機(jī)構(gòu)主要由一臺(tái)伺服電機(jī)、大模頭、中心轉(zhuǎn)盤、退料塊、退料氣缸、掛線支撐架及掛線勾片等零件組成。在中心轉(zhuǎn)盤上每隔60°安裝一個(gè)大模頭，總共安裝六個(gè)大模頭，實(shí)現(xiàn)了六個(gè)繞線工位，因此該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可明顯提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。中心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制，退料塊會(huì)卡住大模頭的軸套，通過(guò)退料氣缸的控制可以實(shí)現(xiàn)大模頭的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到退料的功能。六分度繞組機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 六分度繞組機(jī)構(gòu)Fig.5 Six Index Winding Mechanism

在繞制線圈時(shí)，六分度繞組機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)帶動(dòng)中心轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，使大模頭到達(dá)相應(yīng)工位后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的小模頭與六分度繞組機(jī)構(gòu)的大模頭對(duì)齊并接觸相抵，飛叉轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始繞制線圈。每當(dāng)飛叉旋轉(zhuǎn)一圈后，滾珠絲桿會(huì)帶動(dòng)排位板向后移動(dòng)一個(gè)線徑的距離。當(dāng)一個(gè)線圈繞制完成后，小模頭與大模頭脫離接觸，伺服電機(jī)重新開(kāi)始工作，使該大模頭隨著中心轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶著繞好的線圈進(jìn)入下個(gè)工位。同時(shí)，滾珠絲桿也會(huì)通過(guò)反向轉(zhuǎn)動(dòng)使排位板回到原始位置。即完成了一個(gè)線圈的繞制。

4.2 全自動(dòng)剪刀機(jī)構(gòu)

線圈在主體機(jī)構(gòu)繞制完成后需要對(duì)線圈兩端的連接著的線進(jìn)行剪斷處理，以前人工剪線不僅效率低而且無(wú)法保證線圈兩邊的余線長(zhǎng)度不一致，嚴(yán)重影響線圈質(zhì)量。全自動(dòng)剪刀機(jī)構(gòu)可以快速且精準(zhǔn)的完成剪線動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)由剪刀安裝座、剪刀移動(dòng)板、氣缸、滑桿、剪刀臂組成。剪刀臂固定在剪刀安裝座上，它們可以隨著剪刀移動(dòng)板一起運(yùn)動(dòng)。全自動(dòng)剪刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。

圖6 全自動(dòng)剪刀機(jī)構(gòu)Fig.6 Fully Automatic Scissors Mechanism

當(dāng)繞制完成的線圈隨著大模頭旋轉(zhuǎn)到剪刀部位后，剪刀移動(dòng)板會(huì)沿著滑桿向前移動(dòng)相應(yīng)的距離，從而使兩個(gè)剪刀臂到達(dá)剪線位置。此時(shí)氣缸產(chǎn)生氣壓推動(dòng)剪刀臂內(nèi)部活塞桿向前推動(dòng)剪刀臂內(nèi)部的菱形四桿機(jī)構(gòu)，兩剪刀就會(huì)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)剪線的功能。剪線完成后，所有機(jī)構(gòu)向相反方向運(yùn)動(dòng)，兩剪刀張開(kāi)并回到起始位置，等待下一個(gè)線圈進(jìn)入剪線工位。

4.3 接棒式線圈收集機(jī)構(gòu)

繞制好的線圈在經(jīng)過(guò)剪線工位后就會(huì)進(jìn)入線圈收集工位，接棒式線圈收集機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)線圈收集的全自動(dòng)化，提高收集效率，減少人工成本。該機(jī)構(gòu)可分為六分度收料機(jī)構(gòu)和壓線下料機(jī)構(gòu)。接棒式線圈收集機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，如圖7所示。

圖7 接棒式線圈收集機(jī)構(gòu)Fig.7 Rod Coil Collection Mechanism

六分度收料機(jī)構(gòu)主要由一臺(tái)伺服電機(jī)、收料轉(zhuǎn)盤、音圈接收棒等零件組成。在收料轉(zhuǎn)盤上每隔60°安裝一根音圈接收棒，音圈收料棒可隨著收料轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)。壓線下料機(jī)構(gòu)主要由氣缸和壓板組成，由支架固定在音圈接收棒的正上方。該機(jī)構(gòu)的工作流程如下：當(dāng)帶有線圈的大模頭經(jīng)過(guò)剪線機(jī)構(gòu)到達(dá)收料位置后，音圈接收棒會(huì)與大模頭對(duì)接。此時(shí)，退料氣缸帶動(dòng)退料塊運(yùn)動(dòng)使大模頭進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，因此繞制好的線圈會(huì)被大模頭推送至音圈接收棒上，與此同時(shí)，氣缸控制活塞桿使壓板向下運(yùn)動(dòng)，直至壓板壓住音圈，待大模頭退回后，壓板隨氣缸向上運(yùn)動(dòng)脫離音圈，并回到原位。壓線下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以避免繞制好的線圈隨著大模頭退回而從接收棒上脫落，提高了線圈的回收率。當(dāng)此根接收棒收集一定數(shù)量的音圈后，伺服電機(jī)會(huì)帶動(dòng)收料轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，將下一根接收棒轉(zhuǎn)到收料工位繼續(xù)收集音圈。

4.4 加熱機(jī)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外繞制空心線圈所用的線是自粘性漆包線，其特性在于，漆包線受熱就會(huì)互相粘結(jié)在一起。所以利用這個(gè)特性設(shè)計(jì)了一個(gè)線圈加熱裝置，將熱風(fēng)槍安裝在固定座上，整個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)磁力座吸附在工作平臺(tái)上面，采用磁力座固定可以方便安裝和調(diào)節(jié)熱風(fēng)槍的位置。在工作平臺(tái)上面共安裝兩個(gè)加熱機(jī)構(gòu)，一個(gè)對(duì)大模頭進(jìn)行預(yù)加熱，使得漆包線一繞上去就能粘在磨具上面。另一個(gè)對(duì)線圈進(jìn)行補(bǔ)熱加固，保證繞制完成的線圈不會(huì)出現(xiàn)散圈的情況。本設(shè)計(jì)采用的熱風(fēng)槍可以通過(guò)溫控表調(diào)節(jié)加熱溫度，具有可靠的工藝溫度。另外，調(diào)速閥還可以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)制熱風(fēng)量的大小，方便達(dá)到加工工藝溫度。

4.5 張力器

本繞線機(jī)所用的張力機(jī)構(gòu)是電機(jī)張力器，它主要由過(guò)線輪、張力桿、拉簧、張力輪和步進(jìn)馬達(dá)等零件組成。與傳統(tǒng)張力機(jī)構(gòu)不同，電機(jī)張力器穩(wěn)定性強(qiáng)，在移動(dòng)時(shí)也能保持張力恒定。漆包線從線桶中出來(lái)后就會(huì)進(jìn)入電機(jī)張力器，由線材帶動(dòng)張力桿擺動(dòng)到一定位置后，張力輪旋轉(zhuǎn)開(kāi)始主動(dòng)送線，通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)產(chǎn)生的阻尼來(lái)穩(wěn)定張力的控制，使得絲線獲得一定的張力。值得注意的是：電機(jī)張力器在使用時(shí)拉簧的選擇非常重要，要結(jié)合線徑范圍和張力范圍來(lái)選擇合適的拉簧，拉力大的拉簧控制較粗的線材。

在傳統(tǒng)手工音圈繞線方式中，由于是人工手動(dòng)對(duì)漆包線進(jìn)行張緊，所以會(huì)有張力不均勻的問(wèn)題。若張力過(guò)大，則在繞制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)斷線現(xiàn)象；若張力過(guò)小，則在繞制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)散線現(xiàn)象。極大地影響了產(chǎn)品地合格率。本繞線機(jī)所使用的張力器可以根據(jù)線材的粗細(xì)及種類提供合適且穩(wěn)定的張力，可以有效解決繞線過(guò)程中斷線、散線等問(wèn)題，進(jìn)一步保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

5 關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析

該六軸全自動(dòng)繞線機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)是飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的主軸與六分度繞組機(jī)構(gòu)中的左模具軸的同軸度問(wèn)題。兩軸的同軸度不僅是設(shè)計(jì)此繞線機(jī)的難點(diǎn)，而且也是成功繞制線圈的關(guān)鍵。若兩軸中心不在同一軸線上，則會(huì)導(dǎo)致在繞線過(guò)程中兩軸會(huì)相互錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生較大的摩擦，嚴(yán)重影響兩軸的使用壽命［7］。更加嚴(yán)重的是會(huì)擦傷線圈，降低了線圈的合格率和使用壽命，因此不僅需要對(duì)兩軸進(jìn)行靜力學(xué)分析而且還要對(duì)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

5.1 兩軸靜力學(xué)分析

5.1.1 主軸靜力學(xué)分析

利用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的主軸進(jìn)行三維實(shí)體建模，在算例菜單中建立一個(gè)新的算例，分析類型選為靜態(tài)。定義主軸的材料屬性，添加材料為45#鋼，該材料的密度ρ=（7.8×103）kg/m3，彈性模量為E=（2.1×1011）Pa，泊松比為λ=0.28，材料屈服強(qiáng)度為σs=580MPa，抗剪強(qiáng)度為σb=750MPa。根據(jù)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的工作原理可知該主軸在工作過(guò)程中不承受轉(zhuǎn)矩作用，因此主軸上所受到的力主要來(lái)自軸上兩端零件對(duì)軸的作用力。故對(duì)其施加力載荷后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的主軸有限元模型，如圖8所示。

圖8 飛叉式繞線機(jī)構(gòu)主軸有限元模型Fig.8 The Finite Element Model of the Main Shaft of the Flying Fork Winding Mechanism

完成主軸網(wǎng)格劃分后，利用Simulation模塊對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到主軸受載時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律［9］。為了真實(shí)反映主軸的變形而又不太過(guò)夸張，將比例因子設(shè)置為1。飛叉式繞線機(jī)構(gòu)的主軸靜力學(xué)分析結(jié)果，如圖9所示。

圖9 飛叉式繞線機(jī)構(gòu)主軸靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.9 The Statics Analysis Result of the Main Shaft of the Flying Fork Winding Mechanism

由圖9分析結(jié)果可知，在加載力載荷的情況下，飛叉式繞線機(jī)構(gòu)主軸的最大應(yīng)力為0.86MPa，遠(yuǎn)小于該材料的屈服極限，滿足工作要求。同時(shí)，飛叉式繞線機(jī)構(gòu)主軸的最大位移為（3.56×10-4）mm，滿足直線度±0.005 mm，最大應(yīng)變?yōu)椋?.3×10-6），亦滿足工作要求［10］。

5.1.2 左模具軸靜力學(xué)分析

同樣利用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)左模具軸進(jìn)行三維實(shí)體建模，在算例菜單中建立一個(gè)新的算例，分析類型選為靜態(tài)。定義左模具軸的材料屬性：左模具軸采用Q235-A進(jìn)行加工，其密度ρ=（7.86×103）kg/m3，彈性模量為E=（2.12×1011）Pa，泊松比λ=0.288，屈服強(qiáng)度為σs=235MPa，抗拉強(qiáng)度σb=390MPa。依據(jù)左模具軸的工作原理可知，該左模具軸一端被螺栓固定，其余部位均受到軸上零件對(duì)其作用力，并且左模具軸也不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故不受轉(zhuǎn)矩作用，對(duì)其施加力載荷后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。左模具軸有限元模型，如圖10所示。完成左模具軸網(wǎng)格劃分后，利用Simulation模塊對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到左模具軸受載時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律［11］。為了真實(shí)反映主軸的變形情況，將比例因子設(shè)置為1。左模具軸靜力學(xué)分析結(jié)果，如圖11所示。

圖10 左模具軸有限元模型Fig.10 The Finite Element Model of the Left Mold Axis

圖11 左模具軸靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.11 Statics Analysis Results of the Left Mold Shaft

由圖11可知，在加載力載荷的情況下，左模具軸的最大應(yīng)力為1.78MPa，遠(yuǎn)小于其屈服極限，滿足相應(yīng)工作要求。與此同時(shí)，左模具軸的最大位移為（1.09×10-3）mm，滿足直線度±0.005mm的要求，最大應(yīng)變?yōu)椋?.6×10-6），亦滿足工作要求。

綜上兩根軸的靜力學(xué)分析可知，兩根軸的最大位移差為（0.734×10-3）mm，遠(yuǎn)小于主軸與左模具軸同軸度±0.01mm，達(dá)到兩軸同軸度的要求。

5.2 兩機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

為了更清楚地分析飛叉式繞線機(jī)構(gòu)和六分度繞組機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，利用Solidworks軟件對(duì)這兩個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。首先裝配繞線機(jī)模型，然后檢查運(yùn)動(dòng)控制邏輯并對(duì)各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)位置以及運(yùn)動(dòng)之間進(jìn)行合理的劃分，最后對(duì)其進(jìn)行仿真。通過(guò)演示動(dòng)畫查看每個(gè)步驟的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。兩機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真圖，如圖12所示。由仿真結(jié)果分析可知，飛叉式繞線機(jī)構(gòu)和六分度繞組機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)路徑并且從圖12（a）、圖12（c）兩幅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖中可以看出繞線結(jié)束后，各零件均能回到原始位置，滿足設(shè)計(jì)要求。兩機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)性能較好，主軸和左模具軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生偏移，滿足兩軸的同軸度的設(shè)計(jì)要求。

圖12 運(yùn)動(dòng)仿真圖Fig.12 Motion Simulation Diagram

6 結(jié)論

全自動(dòng)音圈繞線機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了揚(yáng)聲器音圈繞制的全自動(dòng)化、連續(xù)化，適應(yīng)了現(xiàn)代企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，提高了線圈加工效率，節(jié)約人工成本，促進(jìn)了綠色、高效、安全生產(chǎn)。（1）結(jié)合實(shí)際音圈繞線加工流程，設(shè)計(jì)了一種六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)，主要包括主體機(jī)構(gòu)、剪刀機(jī)構(gòu)、音圈收集機(jī)構(gòu)、加熱機(jī)構(gòu)以及張力機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。該繞線機(jī)將音圈繞線、音圈加熱、音圈剪線和音圈收集融為一體，可有效提高音圈生產(chǎn)效率。（2）利用Solidworks軟件建立了六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)整體結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，詳述了主要機(jī)構(gòu)的組成和工作原理，并對(duì)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)中的主軸和六分度繞組機(jī)構(gòu)中的左模具軸進(jìn)行了靜力學(xué)分析，分析得出主軸和左模具軸均滿足設(shè)計(jì)要求。同樣，運(yùn)用Solidworks對(duì)飛叉式繞線機(jī)構(gòu)以及六分度繞組機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)整體運(yùn)行性能良好，沒(méi)有發(fā)生劇烈振動(dòng)。從靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)方面證明了該繞線機(jī)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。作為一種六軸全自動(dòng)音圈繞線機(jī)因其性能穩(wěn)定、低成本、重復(fù)精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，可以取代傳統(tǒng)的繞線設(shè)備。在未來(lái)音圈繞線技術(shù)領(lǐng)域，使用全自動(dòng)繞線機(jī)工藝技術(shù)及設(shè)備已是大勢(shì)所趨，同樣也是今后繞線工藝發(fā)展的趨勢(shì)。