趙苾通，王佳，何慶中，李科宏，賴鏡安，左超

(四川輕化工大學(xué)機械工程學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

當(dāng)前大多數(shù)環(huán)形電感生產(chǎn)企業(yè)，尤其是中小企業(yè)，大多采用手工繞線或半自動化設(shè)備繞線，其生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量一致性差、生產(chǎn)成本高，已不能滿足企業(yè)發(fā)展需求。環(huán)形互感器屬于繞線型電感器的一種，因其磁通量大、磁阻小、能耗低等特點，廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備、汽車電子、手機等電子產(chǎn)品領(lǐng)域，尤其是5G的發(fā)展，帶動環(huán)形互感器的生產(chǎn)及相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。環(huán)形互感器主要由一個磁環(huán)線圈組成，而磁環(huán)線圈由封閉的軟磁環(huán)體和繞制的線圈組成。

磁環(huán)線圈因其需求量大、元件尺寸較小，甚至需在操作放大設(shè)備等特殊條件下生產(chǎn)。對5G智能網(wǎng)絡(luò)互感器線圈等小型器件生產(chǎn)而言，通常各生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品的特性，以及自身生產(chǎn)制造工藝設(shè)備的特點和技術(shù)水平，需要自主設(shè)計自動定位移動、繞制銅線可自動上下料、穿線、繞線、斷線等于一體的自動化實驗平臺。

全自動繞線機主要性能指標(biāo)如下：

(1)全自動磁環(huán)繞線機所繞制磁環(huán)具體參數(shù)：外徑10 mm，內(nèi)徑4 mm，磁環(huán)厚度0.8 mm；

(2)全自動磁環(huán)繞線機繞制銅線匝數(shù)7～10匝；

(3)全自動磁環(huán)繞線機繞制在磁環(huán)上的銅線參數(shù)：線徑0.05～1 mm，繞制在磁環(huán)上的銅線總長140 mm，兩端保留銅線長度50 mm；

(4)磁環(huán)繞制成品要求：繞制完成的銅線需均勻分布且每圈銅線較為緊湊、無松動分布于磁環(huán)上，銅線與磁環(huán)在繞制完成后均無明顯刮花、脫漆現(xiàn)象。

線圈繞制前、后的實物分別如圖1(a)、圖1(b)所示。

圖1 未繞線磁環(huán)及線圈

盤形繞線機的基本工作原理如圖2所示，主要實現(xiàn)過程為銅線經(jīng)上料口5穿過磁環(huán)3的出線口方向進(jìn)入盤形圓環(huán)的圓形軌道中，在第1個和第2個驅(qū)動輪6的驅(qū)動下，銅線在導(dǎo)線槽4的引導(dǎo)下再穿過磁環(huán)3，反復(fù)上述動作并拉緊銅線繞制在磁環(huán)上。在整個繞制過程中，銅線始終被約束在盤形圓環(huán)中光滑的圓形軌道中并向前移動，當(dāng)銅線沿盤形圓環(huán)圓形軌道滑移到第1個驅(qū)動輪6處時，銅線被牽引快速向前移動，在到達(dá)第2個驅(qū)動輪6被驅(qū)動前移過程中，在導(dǎo)線槽的引導(dǎo)下再次穿過磁環(huán)3，重復(fù)以上動作便可將銅線繞制在磁環(huán)上；當(dāng)盤形圓環(huán)圓形軌道(儲線環(huán))中銅線的繞制圈數(shù)達(dá)到預(yù)期圈數(shù)需求后，后續(xù)銅線上料口5和導(dǎo)線槽4引導(dǎo)銅線停止穿入磁環(huán)，脫離盤形圓環(huán)圓形軌道，同時盤形圓環(huán)圓形軌道(儲線環(huán))中的銅線繼續(xù)被第1個和第2個驅(qū)動輪6驅(qū)動前移，使得已穿過磁環(huán)的銅線半徑逐漸變小收縮，在最初進(jìn)入的銅線的拉扯下其內(nèi)圈逐漸向圓環(huán)中心收縮，最終銅線被依次纏繞在磁環(huán)上，完成整個繞線動作。

圖2 磁環(huán)繞線原理

1 機械方案總體設(shè)計

1.1 機械方案總體設(shè)計

根據(jù)工作環(huán)境以及成本要求，此次繞線機整體布局既要充分考慮總體結(jié)構(gòu)尺寸要求，又讓各部分工作時協(xié)調(diào)性更加緊密，且互不干擾。全自動磁環(huán)繞線機的總體結(jié)構(gòu)布局示意如圖3所示。

圖3 全自動磁環(huán)繞線機總體布局

從圖3可知:磁環(huán)上料和銅線上料分布在整個結(jié)構(gòu)的左右兩端，磁環(huán)繞線機構(gòu)處于整個系統(tǒng)的中心位置，其他各部分圍繞在繞線環(huán)四周。此分布的優(yōu)勢有：首先，整體結(jié)構(gòu)緊湊，減小整體結(jié)構(gòu)的尺寸；其次，各部分機構(gòu)傳動距離減小，在同等驅(qū)動速度下，縮短了各機構(gòu)的運動時間，提高了機構(gòu)的運動效率。

1.2 磁環(huán)上料機構(gòu)

磁環(huán)上料機構(gòu)(如圖4所示)具體實現(xiàn)步驟為磁環(huán)先經(jīng)過電磁振動盤7進(jìn)入磁環(huán)送料形軌道1中，通過軌道傳輸?shù)匠隹谖恢?，此刻磁環(huán)推送氣缸6帶動推桿5將磁環(huán)推送至磁環(huán)支撐輪4；當(dāng)磁環(huán)到達(dá)繞線位置3時，磁環(huán)壓輪機構(gòu)2下降壓緊磁環(huán)，防止繞線過程中磁環(huán)被高速纏繞的銅線扯開；另外壓輪機構(gòu)上的滾輪在繞線時帶動磁環(huán)勻速轉(zhuǎn)動，使銅線均勻纏繞在磁環(huán)圓周上。

圖4 磁環(huán)上料機構(gòu)設(shè)計

1.3 銅線上料機構(gòu)

銅線上料時經(jīng)過小孔4進(jìn)入送線機構(gòu)內(nèi)部，通過主動輪軸2與從動輪軸3上的膠輪滾動將銅線不斷送向繞線部分，此時銅線具有一定的速度。由于銅線具有較好的彈性，在送線過程中小孔機構(gòu)會在豎直方向上產(chǎn)生晃動，大幅度的晃動可能會扯斷銅線。為減輕晃動現(xiàn)象在豎直方向上添加彈簧柱塞1。銅線上料機構(gòu)詳細(xì)的設(shè)計如圖5所示。

圖5 銅線上料機構(gòu)設(shè)計

1.4 磁環(huán)繞線機構(gòu)

磁環(huán)繞線機構(gòu)如圖6所示，當(dāng)所需繞制磁環(huán)和銅線分別被送到設(shè)計的繞線位置后，銅線經(jīng)過支撐塊6內(nèi)的導(dǎo)線槽穿過磁環(huán)并將它引入盤形繞線軌道中。軌道由46 mm直徑的盤8和上蓋7組成，其中軌道高度1.2 mm。銅線在盤外壁引導(dǎo)下到達(dá)楔形主動輪1處，彈簧螺紋氣缸4壓緊安裝座3從而通過從動輪2向銅線施加擠壓力。施加在銅線上的擠壓力既可以增加銅線與錐形輪的正壓力從而增加兩者間的摩擦力，又能保證銅線與錐形輪在運動過程中一直接觸。通過主動輪轉(zhuǎn)動帶動從動輪運動進(jìn)而將銅線卷入楔形輪中。因主動輪的速度約為200 r/min，在摩擦力的作用下銅線為錐形輪提供動力，銅線被加速沿圓盤邊緣向前運動，經(jīng)過半圓周的運動后，銅線運動到對稱面的錐形輪處，在第二個輪的同等加速作用下繼續(xù)沿圓盤邊緣向前運動，穿過磁環(huán)后循環(huán)上述運動直至被繞磁環(huán)完成繞線。因為銅線在繞制過程中需要不斷纏繞在磁環(huán)上，所以銅線會從錐形輪向圓盤中間收縮。為使銅線能順利從錐形輪中脫離，需使錐形輪安裝座3能在豎直方向上自由移動一段距離，因此將安裝座3與導(dǎo)軌滑塊5相連，滑塊連接在錐形輪調(diào)緊安裝座9上。當(dāng)銅線從楔形輪中脫離時，從動楔形輪會產(chǎn)生抖動。為減小從動楔形輪抖動，在安裝座上安裝一個彈簧氣缸4，彈簧氣缸的安裝使從動楔形輪具有一定的自適應(yīng)性。

圖6 磁環(huán)繞線機構(gòu)

1.5 銅線斷線機構(gòu)

當(dāng)磁環(huán)繞線結(jié)束時，上料銅線需要在一定位置被剪斷，保證下一機構(gòu)的正常動作。銅線上料時穿過切刀組合件1中的小孔，切刀安裝在刀柄2的頭部，銅線需要斷線時斷線氣缸3動作帶動刀柄2豎直上升，刀柄上的切刀切斷從小孔伸出的銅線，斷線氣缸3返回初始狀態(tài)，銅線斷料完成。因上料末端空間較小，直接用氣缸帶動切刀動作無法實現(xiàn)，故在氣缸與刀柄件添加連桿，銅線斷線機構(gòu)如圖7所示。

圖7 銅線斷線機構(gòu)

1.6 成品下料機構(gòu)

成品下料機構(gòu)的動作發(fā)生在銅線斷線完成后。成品下料時，無桿氣缸1帶動連接板3上的機械手2向上滑動100 mm，機械手2夾取完成繞線的成品，無桿氣缸在返回過程中機械手松開，成品磁環(huán)掉落在指定位置，成品下料動作完成。具體設(shè)計的機構(gòu)如圖8所示。

圖8 成品下料機構(gòu)

1.7 不合格銅線下料機構(gòu)

由于上料時采用的銅線都具有固定的長度，磁環(huán)在繞線時所需銅線的長度為140 mm。銅線上料時發(fā)現(xiàn)銅線不滿足企業(yè)規(guī)定要求或銅線原料有缺陷時，需要將這些不合格銅線排除。不合格銅線下料機構(gòu)如圖9所示。

圖9 不合格銅線下料機構(gòu)設(shè)計

不合格銅線的下料過程:銅線進(jìn)入46 mm直徑盤上的廢料導(dǎo)槽，經(jīng)過滾輪2的帶動銅線逐漸被卷出繞線盤內(nèi)。其中同步輪主動輪5和從動輪4為下料中的銅線提供動力，微型氣缸6帶動的蓋板3可以滿足不同直徑的銅線下料。

1.8 全自動磁環(huán)繞線機總體三維設(shè)計

全自動磁環(huán)繞線機總體結(jié)構(gòu)的布局如圖10所示，為清晰表達(dá)繞線機中各部分的安裝位置與相互關(guān)系隱藏了機架部分和支撐底板?？梢钥闯?全自動磁環(huán)繞線機主要由磁環(huán)上料機構(gòu)1、銅線上料斷線機構(gòu)2、成品下料機構(gòu)3、磁環(huán)繞線機構(gòu)4、銅線上料機構(gòu)5和不合格銅線下料機構(gòu)6組成。

圖10 全自動磁環(huán)繞線機總體方案設(shè)計

2 全自動磁環(huán)繞線機關(guān)鍵部件運動學(xué)分析

從整體機構(gòu)模型中可知:整個系統(tǒng)以磁環(huán)繞線為中心且四周分布著磁環(huán)推桿上料、銅線斷料、銅線導(dǎo)槽等結(jié)構(gòu)，這些機構(gòu)運動規(guī)律與磁環(huán)繞線質(zhì)量有著密切關(guān)聯(lián)，因此對磁環(huán)推桿上料、銅線斷料和磁環(huán)繞線的運動分析十分重要。此次設(shè)計采用SolidWorks Motion軟件進(jìn)行運動分析，分別對錐形輪安裝座運動、磁環(huán)上料推桿運動和銅線斷料推桿運動進(jìn)行分析。

此次設(shè)計在軟件中添加所有零件(除軸類零件)均選用牌號為6061材料，軸類零件選用牌號為304材料，設(shè)置所繞銅線線徑為0.07 mm。選擇重力方向為的負(fù)方向，大小為9 806.65 mm/s。系統(tǒng)中零件間摩擦力求解采用的是Coulomb摩擦方法，設(shè)置摩擦參數(shù)時，根據(jù)Coulomb摩擦方法中靜摩擦的速度設(shè)定為不大于0.1 mm/s、動摩擦速度不小于10.16 mm/s，而通過計算主動輪最低速度為26.17 mm/s，故設(shè)定動態(tài)摩擦速度為10.16 mm/s，動摩擦因數(shù)根據(jù)材料特性取0.21，接觸中材料的彈性屬性也是根據(jù)材料特性進(jìn)行選擇。

2.1 運動學(xué)建模與求解

機械系統(tǒng)運動學(xué)求解以系統(tǒng)中連接物體與被連接物體的運動副為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)的位置、速度與加速度進(jìn)行求解。求解時先尋找與系統(tǒng)中的運動副等價位置約束方程，再由位置方程得到速度和加速度約束方程，從而得到廣義坐標(biāo)系中的速度和加速度坐標(biāo)，最后根據(jù)坐標(biāo)變換得到系統(tǒng)中任意點的位置、速度和加速度。以下將對機械系統(tǒng)中約束條件進(jìn)行說明。

(1)位置方程

實際機械系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的構(gòu)件與支架或構(gòu)件形成相關(guān)的運動副連接，將運動副用系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)表示代數(shù)方程。令為機械系統(tǒng)的運動副約束方程數(shù)，則多剛體系統(tǒng)的運動學(xué)方程組為

(1)

若一個系統(tǒng)中有個廣義坐標(biāo)和個約束方程，且>，約束方程獨立相容，系統(tǒng)的自由度個數(shù)為-。為使系統(tǒng)具有確定的運動規(guī)律，可以通過添加與系統(tǒng)自由度相等的驅(qū)動約束或?qū)ο到y(tǒng)施加外力解決。

運動學(xué)分析是求解系統(tǒng)構(gòu)件確定運動規(guī)律，因此系統(tǒng)的實際自由度為零，則系統(tǒng)施加的約束個數(shù)為-，約束方程為

(,)=0

(2)

(2)速度與加速度方程

根據(jù)運動構(gòu)件位移與速度、加速度的關(guān)系，對式(1)和式(2)運用鏈?zhǔn)轿⒎址▌t求導(dǎo)，得到系統(tǒng)的速度方程為

(3)

令=-Ф(,)，則式(3)可變?yōu)?/p>

(4)

對式(3)運用鏈?zhǔn)轿⒎址ㄇ髮?dǎo)，得到系統(tǒng)的加速度方程為

(5)

(6)

2.2 錐形輪安裝座運動分析

為分析設(shè)計的繞線機部分重要機構(gòu)的運動規(guī)律，對繞線機中錐形輪安裝座從靜止到穩(wěn)定運行狀態(tài)進(jìn)行分析。為便于分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)一選取繞線機的底座作為參考點，如圖11所示。

圖11 錐形輪安裝座位移

由圖11可以看出:安裝座位移曲線由初始位置26.82 mm逐漸上升到0.6 s處的26.93 mm，然后逐漸下降到1.1 s處的26.87 mm，隨后在1.2 s處增加到最大值26.94 mm。安裝座位移在1.3 s時下降至26.903 mm，隨后位移繼續(xù)增加最后降低至最小低端，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是銅線從錐形輪中被拉出。后續(xù)安裝座位移變換規(guī)律與前面分析一致，故銅線以此規(guī)律在繞線盤中穩(wěn)定運行。

2.3 磁環(huán)上料推桿運動分析

磁環(huán)上料推桿是用于磁環(huán)上料時將上料口的磁環(huán)推送至繞線處，分析推桿的運動規(guī)律可以關(guān)聯(lián)到磁環(huán)在推送過程中的運動規(guī)律。由于繞線機在實際運行過程中磁環(huán)推桿與磁環(huán)繞線機構(gòu)相互獨立，故仿真時將磁環(huán)推桿單獨分析。將約束添加到磁環(huán)上料推桿機構(gòu)處，得到磁環(huán)推桿的運動規(guī)律如圖12所示。

圖12 磁環(huán)推桿運動規(guī)律

由圖12可以看出：從初始位置到1 s時，磁環(huán)推桿位移逐漸增加到最大值，隨后位移又返回到初始狀態(tài)。推桿速度在此時從0 mm/s增加到最大值14.976 mm/s，最后逐漸下降到0 mm/s。加速度值由最初的60 mm/s逐漸減小到2.4 mm/s，然后又逐漸增至最大值60 mm/s，且加速度總體呈線性變化。在1～2 s內(nèi)，位移由最大值減小到初始位置，而速度、加速度變化規(guī)律與0～1 s內(nèi)相同。可以判斷出整個機構(gòu)具有穩(wěn)定性。

2.4 銅線斷料推桿運動分析

銅線斷料推桿動作發(fā)生在磁環(huán)繞線結(jié)束后，然后切刀推桿在氣缸的帶動下切斷銅線。因推桿斷線時會對磁環(huán)繞線機構(gòu)產(chǎn)生沖擊，故分析銅線斷料推桿動作的穩(wěn)定性有十分重要的作用。銅線斷料推桿機構(gòu)只有在磁環(huán)繞線結(jié)束后才會進(jìn)行斷線動作，為簡化機構(gòu)分析計算，將銅線斷料推桿機構(gòu)從整體系統(tǒng)中獨立出來單獨進(jìn)行分析。計算時，將約束添加到銅線斷料推桿機構(gòu)上，得到銅線斷料推桿運動規(guī)律如圖13所示。

圖13 銅線斷料推桿運動規(guī)律

從圖13中可知:0～2 s階段,推桿位移從初始位置逐漸增加至最大值9.628 mm，速度在1 s時達(dá)到最大值7.5 mm/s，加速度在0～1 s以線性比例關(guān)系由15 mm/s減小至0 mm/s，隨后在1～2 s內(nèi)又增加到最大值。從圖中可知:銅線斷料推桿加速度最大值為15 mm/s，機構(gòu)整體質(zhì)量較小，所以銅線斷料推桿運動不會對磁環(huán)繞線機構(gòu)產(chǎn)生較大的沖擊。

根據(jù)SolidWorks Motion插件中運動學(xué)算法對全自動磁環(huán)繞線機錐形輪安裝座、磁環(huán)上料推桿機構(gòu)和銅線斷料推桿的運動規(guī)律進(jìn)行求解。由計算的機構(gòu)運動規(guī)律曲線可知：銅線、磁環(huán)上料推桿、銅線斷料推桿在運動過程中平穩(wěn)、可靠，不會產(chǎn)生劇烈震動，證明了方案設(shè)計的合理性。

3 實驗平臺搭建

根據(jù)零件、套件、組件和部件的裝配方式，結(jié)合裝配圖上的要求對零件進(jìn)行設(shè)計、裝配。將磁環(huán)繞線部件、不合格銅線下料部件、磁環(huán)上料部件、銅線上料部件、銅線斷線部件和成品下料部件依次安裝在支撐底板上，各部分實物模塊與整體裝配如圖14所示。

圖14 各部分實物模塊與整體裝配

在完成機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上根據(jù)控制系統(tǒng)原理完成電路與氣路控制系統(tǒng)搭建工作。最后將機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，驗證提出的繞線原理。

4 結(jié)論

本文作者全自動磁環(huán)繞線機實驗樣機自動繞線設(shè)備搭建展開研究。由于國內(nèi)外現(xiàn)有磁環(huán)繞線機存在繞線磁環(huán)內(nèi)徑小、繞制效率低、自動化程度低等情況，結(jié)合企業(yè)提供的繞線磁環(huán)參數(shù)，提出全自動磁環(huán)繞線機的總體結(jié)構(gòu)方案。運用虛擬樣機技術(shù)建立繞線機三維模型，通過運動仿真對繞線機關(guān)鍵部件進(jìn)行運動學(xué)分析，以此驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性。在運動仿真指導(dǎo)下完成繞線機機械系統(tǒng)平臺搭建。最后控制系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試完成，能夠?qū)崿F(xiàn)各個部分的運動要求，滿足各部分功能。