全自动绕线机的研制

赵晓东，董 哲，王 敏

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

空心绕线机是用于绕制精密自粘空心线圈的专用设备，可以绕制各种VCM音圈、喇叭音圈、跑道形喇叭音圈、电动机线圈、DVD激光头线圈、感应线圈、扁平电动机线圈、手机振动电机线圈、非接触式IC卡线圈、各种自粘异型线圈等。空心绕线机采用可编程控制器作为控制核心，触摸屏作为人机交换，伺服电机作为执行机构，实现转轴与排线的精确控制，从而保证绕线的精度。RXJ-20全自动空心绕线机是全自动无骨架系列的机型，可以绕制不同规格的空心线圈(见图1)，该设备性能可靠，效率高，自动化程度高，24 h的连续运转只需要最简单的保养，适应线圈的大批量生产。

图1 多种空心型线圈

1 主要技术特征

适用线径：0.02～0.1mm，最大可选择0.2mm；最大加工外径：2.00～15.00mm；

最大绕线幅度：0.8～3.00mm；

进给间距：0.01～0.50mm；

绕线角度分辨率：0.1°；

排线间距分辨率：0.0001mm；

主电机：AC伺服200 W；

排线电机：AC伺服100 W；

主轴转速：最高3000 r/min

主轴角度控制：1°

存储容量：最大存储100组规格；

固定方式：热粘结；

电源：220(±10%）V

供气压力：0.4～0.7 MPa

2 机械系统组成及工作原理

绕线机由机械结构部分、电气控制部分、气路部分等组成。其中机械部分由绕线机构、排线机构、剪线机构、线圈模具、脱模机构、加热机构、张力机构、机架等组成。

该绕线机工作原理是：漆包线从原料桶出来，经过张力机构后，线保持恒定的张力，然后通过排线机构的导线轮，再到减压线机构的压线柱下。绕线机构和排线机构协同动作，即绕线机构每旋转1周，排线机构带动漆包线移动1个线径的距离，从而实现整齐精密排线。同时加热机构对漆包线和磨具进行加热，使漆包线一绕到磨具上，就能粘结在一起。当绕完一个线圈时，减压线机构把漆包线剪断的同时另一端又被压倒，然后把线圈卸载。周而复始，实现全自动排线。主体机构见图2。

图2 主体机构

2.1 绕线机构

该机构由电机、同步带轮、同步带、中间轴、模具左部件、模具右部件等组成，如图3所示。成功绕制空心线圈，必须保证模具左右部件回转中心同心，并且模具左右部件同步等速转动。工作原理：电机通过同步带轮同时带动同步带1和同步带2，同步带2又通过中间轴把动力传递到右端的同步带3，然后再带动模具右部件转动。由于该机构使用的同步带轮直径相同，最终模具左右部件实现同步等速转动。

图3 分解主体结构

注意事项，模具右部件不同心，就会导致在绕线过程中模具右部件相互错动而发生摩擦，降低模具精度和缩短模具寿命，更严重的是擦伤线圈，降低线圈合格率和使用寿命。所以，在设计图纸中，严格控制加工及装配精度，保证模具左右部件回转中心同心。该机构由伺服电机、精密丝杠、精密导轨组成。

该机构设有由伺服电机驱动的滚珠丝杆传动机构，其中丝杆与交流伺服电机的输出轴固定连接；活动排线架与丝杆螺母固定连接；精密排线的要求：当导线绕过一圈时，导线架必须移动一个线径的距离，本传动采用高精度滚珠丝杆，保证了传动的精确性，减小了换向时的空程，进而保证了两端的排线精度；

2.2 排线机构

该机构由伺服电机、联轴器、精密丝杠、精密导轨、气缸、导向轴、导线轮和排线架组成，见图4。

图4 排线结构

该机构设有由伺服电机驱动的滚珠丝杠副传动机构，其中丝杠与伺服电机的输出轴通过联轴器连接；活动排线架与丝杠螺母固定连接；导轨对丝杠带动的部件精密导向。排线开始前，气缸带动整个丝杠导轨和排线架部件沿导向轴滑动至排线初始位置，完成后排线，由气缸带动回到原位。

精密排线原理，通过PLC编程，并在人机界面输入漆包线线径参数。实现绕线模具每转动1周，伺服电机通过丝杠导轨带动导线和漆包线移动一个线径的距离；排满一层后，绕线模具每旋转1周，排线架和漆包线就返回一个线径的距离，从而实现第2层精密排线。如此循环，也能实现多层排线。本传动采用高精度滚珠丝杆，保证了传动的精确性，减小了换向时的空程，进而保证了两端的排线精度。

2.3 剪线机构

该机构由一对剪线模具、带弹簧导向销、切刀等零件组成。可以完成自动压线及自动剪线功能。

2.4 线圈模具

由3个零件组成，更换不同的线圈模具可绕制不同型号的线圈。根据线圈外形以及线圈的电阻要求，设计出符合要求的音圈图纸，然后根据音圈图纸，设计模具图纸，一是根据音圈进出线的要求及方式设计进线模，另外两个是根据音圈外形规格设计的芯轴及脱模模具。针对不同的音圈型号，这3件模具要随时更换。要求模具的安装尺寸与设备的安装部件具有互换性，按图纸加工好即可以方便更换。

2.5 脱模机构

该机构使用气缸带动导向装置动作，使模具芯轴进退，实现线圈从模具芯轴中脱离。另外有另一气缸可将脱模液涂于右夹板上，可使音圈容易脱离。

2.6 加热机构

绕制空心线圈所使用的线是自粘性漆包线，目前国外国内都有生产，其主要性能是经过热风烘烤后可以相互粘结在一起，我所采用热风加热器可以通过温控表控制温度，具有可靠稳定的工艺温度，而且有调速阀控制热风量的大小，可提供线圈在绕制过程中具有可靠的工艺温度。

设备在使用前就应该先加热一段时间，给模具提供好足够温度，这样绕制的线圈不会散圈。

2.7 张力机构

(1)张力控制使用电机张力器与以往的传统张力器不同，电机张力器稳定性强、移动时张力稳定，可提高良品率。其他公司使用传统机械式张力器，张力追随性差、张力不稳定。在开始绕线提速和绕线结束减速时一般张力器的张力不稳定、会直接影响绕线效果(比如断线率会比使用马达张力器高)。

(2)采用电机张力器，可调整丝线的张力，保证排线整齐，无压叠、无松散。

2.8 机架

机架采用角钢焊接，外表面采用优质碳素结构钢板，表面喷塑，美观大方。

2.9 关键技术

S轴与X轴的同步控制；两侧绕制轴的同心及同步旋转技术；绕制模具的结构设计等，其关键技术具体解决方法参看部件结构及原理。

根据支承辊图样和使用记录，该支承辊硬化层厚度100mm，失效时表面已磨损掉约10mm。在剥落的辊体掉块上取样分析，取样位置如图3所示，在剥落块的方框线位置处取样，对支承辊表面剥落原因进行分析。

本机的主要执行器件均由日本原装进口，可靠性高，稳定性好，拆装方便。机械电气设计相对独立，如果在工作中出现问题可分别进行维修。机械结构中零件具有可互换性，各零件可分别拆装维修；电气设计中各模块也可分别拆装互换。

通过CNC控制的2个轴和1个汽缸来完成绕线。

(1)X轴—控制排线；

(2)S轴—绕线旋转；

(3)卷幅通过调整汽缸的行程用螺丝固定。

3 控制系统的设计

3.1 核心控制系统

选定安川MP940作为核心控制器，安川∑-Ⅱ系列100W，200W伺服电机作为执行电机的控制系统，实现了基本动作，但是此控制器为一轴半控制器，只能实现一个轴的精确控制，另外一个轴是根据主轴的运动进行跟随运动，能够实现绕线功能，但是需要自己编制模拟量控制来实现排线轴电机回原点，由于该系统扫描时间等问题，模拟量控制排线轴电机回原点出现误差，误差超出精度允许范围，需更换主要控制系统，通过实验确定以MP2100为核心控制系统，∑-Ⅱ系列100W伺服电机作为排线电机，骏马系列200W伺服电机为主轴电机的控制系统。更换以后的系统成本有所增加，但是该运动控制器为8轴运动控制器，实现了对两个伺服电机的精确控制。

3.1.1 主时序

3.1.2 排线电机回原点

排线电机回原点由原有的NOT only改为NOT+C pulse，由电机内部的C脉冲来决定伺服电机的原点，提高速度也不会影响精度。为了提高效率，将排线电机回原点的速度提高了近10倍，打表试验，无影响。

最初设计回原点的功能为检测到原点传感器，反向运动，检测到C脉冲认为是原点，现增加当到达原点时再运动到原点补偿(即offset)位置，方便调试，也避免了第一个音圈废弃的现象。

3.2 凸轮曲线

工艺曲线，为了让丝杠走的更光滑，平滑，曲线如图5所示，目的是消除急速换向引起的误差。

图5 消除急速换向误差曲线

进行试验，同时参照日本机进行了工艺与程序上的改动。具体改进为：为了使第一层漆包线紧密排列，需要排线电机延时一周运行。为了设备的稳定运行，继续沿用以前在两端停的方法。即凸轮曲线更改为如图6所示。

图6 两端停曲线

在生产过程中出现端面缺，通过多种方法实验和分析，认为由于丝杠不能完全将漆包线拉到位，希望能够实现丝杠比线超前，强迫丝杠过冲，凸轮曲线如图7。

图7 过冲曲线

实际上就是增大了线径，对音圈的绕制无明显影响。只在最后一圈强制丝杠过冲，凸轮曲线如图8所示。

图8 最后圈过冲曲线

这样，电机急速急减速和换向、端面缺的问题没有得到解决，还有些不稳定。

绕线的时候在端面多停一圈，使端面线尽可能绕满，绕全。也就是每个周期比原有周期多绕一圈。凸轮曲线如图9所示。

图9 端停曲线

最终确定程序，凸轮曲线分开“full、half”，在half的时候，曲线为上图9所示，full的时候为图8所示。

4 结束语

我部研发的全自动绕线机已成功应用于生产厂家，且运行良好。绕线技术可靠，可取代传统的手工绕制，具有产品一致性好，良品率高等优势。我国现有手机，电话机，耳机生产企业上千家，那么音圈的使用量巨大，在未几年里，使用自动绕线机工艺技术及设备已是大势所趋。且随着绕线机工艺技术的普及和发展，随着产业规模的扩大，市场需求量及市场份额将呈逐年递增趋势。

[1]《简明机械零件设计手册》机械工业出版社 朱龙根著2005-08