自动排绕设备的改进研究

胡未然

(北京航天万鸿高科技有限公司 秦皇岛分公司， 河北 秦皇岛 066000)

0 引 言

近年来，随着自动化技术的飞速发展，利用全自动绕线设备进行线圈产品生产这一先进技术已经在国内电磁元件生产中得到广泛应用，与需要人工参与的半自动绕制加工方法或纯手动绕制加工方法相比，全自动绕线生产方法具有缩短生产周期、节约人力成本和提升产品质量等多项优点。自动排绕机也是目前应用最为广泛的自动绕线设备，具有结构简单，价格经济等特点。自动排绕机多用于电磁阀线圈组件、变压器线圈组件等需要排绕成型的线圈产品，这类产品的骨架结构相对简单，生产操作时直接采取“平排密绕”的方法将漆包线逐匝、逐层的紧密缠绕在骨架上。

现以日特牌自动排绕机为例，简述其工作机理：自动排绕机的主轴和安装在其上的工装夹具由电机驱动旋转，使固定在工装内的骨架一起旋转，横轴带动导线机构使漆包线往复排绕，按照绕线工艺要求的匝数和绕线位置，将漆包线紧密缠绕在骨架上。操作人员只需事先设定好绕线程序，并在生产中供应充足的原料，即可实现线圈产品的自动化生产。自动排绕机外部结构示意图如图1所示。

1-电源开关，2-速度旋钮，3-箱体，4-横轴，5-输入面板，6-导线机构，7-主轴，8-起止按钮面板

1 问题概述及原因分析

自动绕线机设备应用生产之初，使用效果并不理想，主要有以下两类问题：

(1)装卡夹具适用生产范围小、通用性差的问题：自动绕线机上配备的装卡夹具，为铜制固定式爪钳(如图2所示)，其钳口仅适用于Ф5尺寸圆柱体的装卡，工装尺寸>Ф5时则无法装入，工装尺寸<Ф5时则导致装配后工装与卡具之间存在间隙，装卡不稳。若逐一对产品工装进行改进，从经济角度、生产周期角度来看都不现实；

图2 铜制固定式爪钳

(2)漆包线排绕时，易在骨架两端产生层叠、塌线的问题：正常状态下，漆包线应随主轴转动缠绕在骨架上，同时横轴移动，引导漆包线缠绕时始终保持稳定的滞后角，使线圈达到紧密排绕的效果。但是当线圈绕完一层，横轴移动至与骨架端面平行的位置时，此时需要横轴向反方向移动，继续排绕下一层线圈。在默认程序设定中，横轴转向的时间t内，主轴依旧旋转绕线，致使线圈滞后角不稳定：若横轴转向速度相对过慢，则会导致骨架端面位置漆包线“多绕”，线圈产生叠层；若横轴转向速度相对过快，则会导致骨架端面位置漆包线“少绕”，线圈匝间间隙变大，上层线圈在此存在塌线隐患。

2 改善方案

2.1 装卡夹具的改进

参考机床钻夹头的工作原理，设计出一种在绕线机设备上安装的活动夹具。

夹具由钻体1、套筒2、夹爪3、螺母4构成：钻体1尾端铣出两个平面，装入绕线机主轴后，用2个M6螺栓将夹具与绕线机紧固连接在一起，螺母3与夹爪4采取螺纹连接，螺母3为两瓣式，通过过盈配合与套筒2装配在一起，套筒2外表面做表面滚花，方便进行手动旋转。夹具结构示意图如图3所示。

夹具使用时，首先将钻体1尾端装入绕线机主轴，并用螺栓拧紧；然后一只手握住绕线机主轴或钻体1头部，另一只手旋动套筒2，使螺母4转动，带动3个夹爪3进行夹紧或放松运动。活动夹具一经使用，解决了设备通用性差的问题，实现了不同尺寸工装的装卡，大幅扩大了设备使用范围，使各类型号产品的生产效率都得到了提升。

1-钻体，2-套筒，3-夹爪，4-螺母

2.2 端面绕线稳定性的改善

2.2.1 滞后角对线圈质量的影响分析 漆包线缠绕在骨架上时，漆包线缠绕方向与骨架切向所成夹角即为线圈的滞后角θ。

当线圈绕制过程中产生的滞后角θ与初始滞后角θ0相等时(θ=θ0时)，线圈的滞后角保持稳定，漆包线可以实现紧密排绕，如图4所示。

图4 滞后角稳定时的绕制示意图

当θ<θ0时，线圈滞后角偏小，漆包线缠绕过程中会产生匝间间隙，上层线圈在此存在塌线隐患，如图5所示。

图5 滞后角偏小时的绕制示意图

当θ>θ0时，线圈滞后角偏大，漆包线缠绕过程中会产生层叠，同一层相邻的两匝线圈会上下搭接在一起，形成外观缺陷，如图6所示。

图6 滞后角偏大时的绕制示意图

正常情况下，漆包线紧密排绕时，为保持滞后角的稳定性，主轴转速与横轴移速应有如下对应关系：

(1)

式中:n为主轴转速;d为漆包线线径(带漆膜);v为横轴移速，也就是说，主轴每转动一圈，横轴需要沿轴向引导漆包线移动1个线径的距离，才能达到紧密排绕的效果。

而在端面绕线时，由于横轴换向移动绕制下一层，其移速v会产生由正向到负向的急回变化，此时应对应调整主轴转速n，满足式(1)关系，始终保持稳定的滞后角，才能排除骨架端面出现的层叠或匝间间隙大等质量问题，实现紧密排绕。

2.2.2 排绕程序的改善研究 在排绕机的原有程序中，横轴以速度v0即将移动到设定位置时，会在1 s时间内按“指数曲线”减速急回，并以-v0速度排绕第二层线圈。但原程序中主轴转速n不变，导致线圈滞后角不稳定，需对其进行更改；且横轴速度按“指数曲线”进行急回控制时，横轴负载扭矩较大，长期使用可能造成横轴电机堵转，现将横轴速度改为更容易控制的“梯形曲线”，将程序设定分解为三段：

第一段程序中，横轴以速度v0匀速引导漆包线排绕，同时将横轴移动的终端位置由原来的紧贴骨架端面改为与骨架端面保有1个线径d的距离，主轴转速n不变；

第二段程序中，将横轴移速设为匀变速函数，以此速度绕制第一层的最后一匝线圈和第二层的第一匝线圈，同时为保证滞后角的稳定性，主轴转速应同时调整，以满足式(1)要求：

(2)

(3)

式中:a为横轴加速度;v0为横轴初始移速;d为漆包线线径(带漆膜)视为常数，将式(2)代入式(3)得到：

(4)

现以某型号电磁阀产品为例，进行程序设定与实际验证：产品所用线径d=0.45 mm，初始主轴转速n=2 r/s，v0=n×d=0.90 mm/s，线圈端面绕线时t=4×d/v0=2 s的时间内，完成骨架端面两匝的线圈绕制。端面绕线时速度变化曲线如图7和图8所示。

图7 端面绕线时横轴移速变化曲线图

图8 端面绕线时主轴转速变化曲线图

第三段程序中，横轴以速度-v匀速引导漆包线进行第二层线圈的排绕，主轴转速n不变。由此往复，可完成全部线圈的绕制工作。

此方案解决了在骨架端面绕线时，线圈滞后角不稳定的问题，从而消除了层叠、塌线等质量隐患，使产品质量和生产效率得到大幅提升；同时，通过改变横轴移动的加速曲线，达到减小负载扭矩的效果，提高了设备的安全性能，延长了其使用寿命。程序改进前后的产品外观对比图，如图9所示。

3 总 结

上述设备改进均已在我公司的实际生产中得到广泛应用，线圈组件产品的生产效率和产品质量都得到了显著提高。本次研究对同类设备的改进项目具有一定的参考意义，同时也证明企业在发展过程中，需要脚踏实地，将工程理论与实际生产相结合，才能提高研究水平与生产水平。

图9 改进前、后产品外观对比图