多规格线圈绕线机结构设计

杜 建

（华氧医疗科技（大连）有限公司，沈阳 110000）

绕线机主要用于电机、电器以及变压器的线圈绕制，属于绕制线圈的专用设备[1]。绕线机绕制线圈所使用的线是一种漆包线，是线圈的重要组成部分。其工作原理是把漆包线按照一定的规律缠绕在绕线骨架上，形成线圈。绕线机的应用极大地解放了工人的双手，降低了工作强度，提高了生产效率，降低了生产成本。在发展迅速的今天，各行各业的电器产品均离不开电机、变压器，所以绕线机拥有广阔的应用前景，在未来的科学技术发展中不可或缺[2]。

近年来，我国在绕线机相关技术的研究上取得了一定的突破。2014 年，LU 等根据传统的绕线机方式，提出了一种采用有源装置的张力控制方案，改善了系统响应并抑制了由绕组过程引起的周期性干扰，提升了绕线稳定性[3]。2016 年，徐晶等利用自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）技术，提出一种不依赖具体绕制模型的张力控制新方法，并通过仿真和实验验证了所设计的张力控制器的内部鲁棒性和抗干扰性[4]。目前，我国的绕线机市场正处于高速发展的时期，但仍然存在许多不足之处，如设备自动化能力不足、产品质量差，绕线机的启动、制动平稳性差、绕制的线圈张紧度不够以及张力不均匀等。

对绕线机的排线部分、送线部分以及绕线部分进行设计研究，实现对绕线圈数的自动监测和绕线过程中保持恒张力，同时满足多种规格线圈绕制需求，达到自动排线、线圈产品贴合紧密、绕线机性能自动化的目的，以满足产品的应用要求。

1 绕线机整体设计要求

绕线机的结构应能满足以下设计要求[5]：（1）电机自动正反启停及运转平稳；（2）电机能够提供足够的转矩；（3）准确计数；（4）适应不同规格绕线骨架的安装；（5）能够自动排线、张紧；（6）装卸方便，便于操作。在考虑结构设计时，还应注意到成本问题、是否可靠、人工操作处理、安全性能、故障修理以及外形是否合理美观等问题。根据对已有绕线机的参数调研以及市场要求，本次设计的绕线机的绕线速度S=600 r·min-1，光轴的导程L=100 mm，后期也可以根据实际需要绕线的线圈尺寸进行改变。

2 绕线机结构设计

绕线机的组成包括绕线、排线及送线3 部分。通过对绕线机的工作原理进行分析，对其排线部分、送线部分以及绕线部分进行设计后，组装得到绕线机的总体结构，如图1 所示。

排线部分的光轴带动送线部分进行轴向往返运动，移动方向通过电机正反转实现，送线部分通过可调节导轮调节送线路径。绕线部分由驱动装置和夹紧装置构成，夹紧装置中调整手柄位置可实现对不同规格骨架的定位夹紧。工作过程中，绕线电机带动线圈骨架进行旋转，送线部分跟随排线部分左右往复运动，通过排线部分与绕线部分的协同运动将线有序地缠绕在线圈骨架上完成线圈的绕制，即绕线部分电机旋转一周，排线部分运动一个线径的距离，实现整齐精密排线。

2.1 排线部分结构设计

排线结构由电机、同步带、丝杠、排线立板、光轴以及原点感应器等装置组成，具体如图2 所示。步进电机与丝杠末端装有同步带齿轮，电机运转将动力由同步带传递到丝杠上，带动丝杠旋转，排线立板下端由丝杠螺母与丝杠连接，通过丝杠旋转带动整个光轴水平移动，进而带动送线结构水平移动。

排线挡板与排线立板的上端分别装有原点感应器和挡光片。当挡光片随光轴运动到极限位置，即与原点感应器重合时，原点感应器输出信号到控制系统，控制系统随即对电机发出启停和正反转指令，以实现对光轴行程的自动控制，实现自动绕线的功能。图3为原点感应器及挡光片示意图。

排线机构采用伺服电机驱动。与步进电机相比，伺服电机具有更大的步距角、更优的低频稳定性、在高速旋转时更高的扭矩输出以及更强的过载能力。通过操作系统的控制，能够达到绕线过程中高响应、高精度和高运行速度的要求，实现与绕线机构的同步 运行。

伺服电机与丝杠之间通过同步带进行传动。同步带以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，与丝杠末端和伺服电机上的齿形带轮啮合。同步带传动具有以下优点：（1）传动比恒定；（2）传动平稳、噪声小； （3）传动效率高；（4）维护保养方便；（5）速比范围大，传递功率大；（6）可用于长距离传动；（7）预紧力较小，所受载荷小。普通同步带的摩擦力大、允许包角小、传动比大，所以本文选用普通同步带。

2.2 送线部分结构设计

所绕制的每一种线都有特有的线径，线径的大小影响了缠绕过程的送线运动。通过改变缠绕时的送线运动，能够保障线能够均匀缠绕在主轴上，使得缠绕后绕线效果更好。送线结构工作时，必须是按照一条直线进行移动，才能保证绕线过程的精确性，防止在绕线过程中出现大量不合格的产品。

送线结构由连接块、送线立板、导轮以及导线块等组成，如图4 所示。整个送线装置通过连接块与排线机构的光轴相连接，利用光轴的运动实现送线装置的左右往复运动。待绕线穿过导线块的导线孔绕过导轮后与绕线夹具连接实现送线功能。送线装置中取消了传统绕线机上张力计的设计，通过4 个导轮控制送线路径。因为4 个导线轮可以调节位置，所以可以很好地避免绕线的错位，并可以随时调节绕线的松紧，降低产生废品的概率，实现对不同规格的线圈绕线过程，达到送线过程中线圈所受张力均匀的目的。4 个导线轮均可以根据送线需要在导线块位置进行调节，共同决定送线张力。

2.3 绕线部分结构设计

绕线机绕线部分结构主要包括线圈绕制感应片、电机及电机架、绕线机主轴、绕线夹具。图5 为绕线部分的结构示意图。线圈骨架一端固定在主轴外端的主轴套筒上，另一端通过绕线夹具进行定位及夹紧。伺服电机作为动力装置带动线圈骨架高速旋转，从而实现绕线机的绕线功能。绕线感应片通过齿轮传送带与主轴相连接，通过感应片的记录能够实现对线圈绕制圈数、绕线速率的监测，达到绕线过程自动化的目的。

绕线过程中，为满足与排线部分协同运动、获得高质量的线圈，对绕线电机的速度和响应精度都有较高的要求，所以绕线部分同样选择伺服电机提供主轴的动力。

3 结语

本文对现有绕线机进行了结构优化，在主轴电机处设计了感应片，可以针对线圈的圈数进行检测并反馈实现自动制动功能，确保产品拥有相同的产品质量。此外，优化绕线机的排线与送线机构，通过排线装置中伺服电机的转速实现绕线路径的调节，通过送线装置中导线轮位置的调整实现绕线过程中绕线张紧力的控制与绕线角度的调整，以满足不同规格线圈的绕制需求。在实现多规格线圈绕线功能的同时，优化的绕线机具有自动化程度高、结构简单、成本低、操作灵活以及生产效率高等特点，能够满足实际生产需求。