全自动绕线机机械设计与运动学分析

赵苾通，王佳，何庆中，李科宏，赖镜安，左超

(四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000)

0 前言

当前大多数环形电感生产企业，尤其是中小企业，大多采用手工绕线或半自动化设备绕线，其生产效率低、产品质量一致性差、生产成本高，已不能满足企业发展需求。环形互感器属于绕线型电感器的一种，因其磁通量大、磁阻小、能耗低等特点，广泛应用于通信设备、汽车电子、手机等电子产品领域，尤其是5G的发展，带动环形互感器的生产及相关企业的发展。环形互感器主要由一个磁环线圈组成，而磁环线圈由封闭的软磁环体和绕制的线圈组成。

磁环线圈因其需求量大、元件尺寸较小，甚至需在操作放大设备等特殊条件下生产。对5G智能网络互感器线圈等小型器件生产而言，通常各生产企业根据产品的特性，以及自身生产制造工艺设备的特点和技术水平，需要自主设计自动定位移动、绕制铜线可自动上下料、穿线、绕线、断线等于一体的自动化实验平台。

全自动绕线机主要性能指标如下：

(1)全自动磁环绕线机所绕制磁环具体参数：外径10 mm，内径4 mm，磁环厚度0.8 mm；

(2)全自动磁环绕线机绕制铜线匝数7～10匝；

(3)全自动磁环绕线机绕制在磁环上的铜线参数：线径0.05～1 mm，绕制在磁环上的铜线总长140 mm，两端保留铜线长度50 mm；

(4)磁环绕制成品要求：绕制完成的铜线需均匀分布且每圈铜线较为紧凑、无松动分布于磁环上，铜线与磁环在绕制完成后均无明显刮花、脱漆现象。

线圈绕制前、后的实物分别如图1(a)、图1(b)所示。

图1 未绕线磁环及线圈

盘形绕线机的基本工作原理如图2所示，主要实现过程为铜线经上料口5穿过磁环3的出线口方向进入盘形圆环的圆形轨道中，在第1个和第2个驱动轮6的驱动下，铜线在导线槽4的引导下再穿过磁环3，反复上述动作并拉紧铜线绕制在磁环上。在整个绕制过程中，铜线始终被约束在盘形圆环中光滑的圆形轨道中并向前移动，当铜线沿盘形圆环圆形轨道滑移到第1个驱动轮6处时，铜线被牵引快速向前移动，在到达第2个驱动轮6被驱动前移过程中，在导线槽的引导下再次穿过磁环3，重复以上动作便可将铜线绕制在磁环上；当盘形圆环圆形轨道(储线环)中铜线的绕制圈数达到预期圈数需求后，后续铜线上料口5和导线槽4引导铜线停止穿入磁环，脱离盘形圆环圆形轨道，同时盘形圆环圆形轨道(储线环)中的铜线继续被第1个和第2个驱动轮6驱动前移，使得已穿过磁环的铜线半径逐渐变小收缩，在最初进入的铜线的拉扯下其内圈逐渐向圆环中心收缩，最终铜线被依次缠绕在磁环上，完成整个绕线动作。

图2 磁环绕线原理

1 机械方案总体设计

1.1 机械方案总体设计

根据工作环境以及成本要求，此次绕线机整体布局既要充分考虑总体结构尺寸要求，又让各部分工作时协调性更加紧密，且互不干扰。全自动磁环绕线机的总体结构布局示意如图3所示。

图3 全自动磁环绕线机总体布局

从图3可知:磁环上料和铜线上料分布在整个结构的左右两端，磁环绕线机构处于整个系统的中心位置，其他各部分围绕在绕线环四周。此分布的优势有：首先，整体结构紧凑，减小整体结构的尺寸；其次，各部分机构传动距离减小，在同等驱动速度下，缩短了各机构的运动时间，提高了机构的运动效率。

1.2 磁环上料机构

磁环上料机构(如图4所示)具体实现步骤为磁环先经过电磁振动盘7进入磁环送料形轨道1中，通过轨道传输到出口位置，此刻磁环推送气缸6带动推杆5将磁环推送至磁环支撑轮4；当磁环到达绕线位置3时，磁环压轮机构2下降压紧磁环，防止绕线过程中磁环被高速缠绕的铜线扯开；另外压轮机构上的滚轮在绕线时带动磁环匀速转动，使铜线均匀缠绕在磁环圆周上。

图4 磁环上料机构设计

1.3 铜线上料机构

铜线上料时经过小孔4进入送线机构内部，通过主动轮轴2与从动轮轴3上的胶轮滚动将铜线不断送向绕线部分，此时铜线具有一定的速度。由于铜线具有较好的弹性，在送线过程中小孔机构会在竖直方向上产生晃动，大幅度的晃动可能会扯断铜线。为减轻晃动现象在竖直方向上添加弹簧柱塞1。铜线上料机构详细的设计如图5所示。

图5 铜线上料机构设计

1.4 磁环绕线机构

磁环绕线机构如图6所示，当所需绕制磁环和铜线分别被送到设计的绕线位置后，铜线经过支撑块6内的导线槽穿过磁环并将它引入盘形绕线轨道中。轨道由46 mm直径的盘8和上盖7组成，其中轨道高度1.2 mm。铜线在盘外壁引导下到达楔形主动轮1处，弹簧螺纹气缸4压紧安装座3从而通过从动轮2向铜线施加挤压力。施加在铜线上的挤压力既可以增加铜线与锥形轮的正压力从而增加两者间的摩擦力，又能保证铜线与锥形轮在运动过程中一直接触。通过主动轮转动带动从动轮运动进而将铜线卷入楔形轮中。因主动轮的速度约为200 r/min，在摩擦力的作用下铜线为锥形轮提供动力，铜线被加速沿圆盘边缘向前运动，经过半圆周的运动后，铜线运动到对称面的锥形轮处，在第二个轮的同等加速作用下继续沿圆盘边缘向前运动，穿过磁环后循环上述运动直至被绕磁环完成绕线。因为铜线在绕制过程中需要不断缠绕在磁环上，所以铜线会从锥形轮向圆盘中间收缩。为使铜线能顺利从锥形轮中脱离，需使锥形轮安装座3能在竖直方向上自由移动一段距离，因此将安装座3与导轨滑块5相连，滑块连接在锥形轮调紧安装座9上。当铜线从楔形轮中脱离时，从动楔形轮会产生抖动。为减小从动楔形轮抖动，在安装座上安装一个弹簧气缸4，弹簧气缸的安装使从动楔形轮具有一定的自适应性。

图6 磁环绕线机构

1.5 铜线断线机构

当磁环绕线结束时，上料铜线需要在一定位置被剪断，保证下一机构的正常动作。铜线上料时穿过切刀组合件1中的小孔，切刀安装在刀柄2的头部，铜线需要断线时断线气缸3动作带动刀柄2竖直上升，刀柄上的切刀切断从小孔伸出的铜线，断线气缸3返回初始状态，铜线断料完成。因上料末端空间较小，直接用气缸带动切刀动作无法实现，故在气缸与刀柄件添加连杆，铜线断线机构如图7所示。

图7 铜线断线机构

1.6 成品下料机构

成品下料机构的动作发生在铜线断线完成后。成品下料时，无杆气缸1带动连接板3上的机械手2向上滑动100 mm，机械手2夹取完成绕线的成品，无杆气缸在返回过程中机械手松开，成品磁环掉落在指定位置，成品下料动作完成。具体设计的机构如图8所示。

图8 成品下料机构

1.7 不合格铜线下料机构

由于上料时采用的铜线都具有固定的长度，磁环在绕线时所需铜线的长度为140 mm。铜线上料时发现铜线不满足企业规定要求或铜线原料有缺陷时，需要将这些不合格铜线排除。不合格铜线下料机构如图9所示。

图9 不合格铜线下料机构设计

不合格铜线的下料过程:铜线进入46 mm直径盘上的废料导槽，经过滚轮2的带动铜线逐渐被卷出绕线盘内。其中同步轮主动轮5和从动轮4为下料中的铜线提供动力，微型气缸6带动的盖板3可以满足不同直径的铜线下料。

1.8 全自动磁环绕线机总体三维设计

全自动磁环绕线机总体结构的布局如图10所示，为清晰表达绕线机中各部分的安装位置与相互关系隐藏了机架部分和支撑底板。可以看出:全自动磁环绕线机主要由磁环上料机构1、铜线上料断线机构2、成品下料机构3、磁环绕线机构4、铜线上料机构5和不合格铜线下料机构6组成。

图10 全自动磁环绕线机总体方案设计

2 全自动磁环绕线机关键部件运动学分析

从整体机构模型中可知:整个系统以磁环绕线为中心且四周分布着磁环推杆上料、铜线断料、铜线导槽等结构，这些机构运动规律与磁环绕线质量有着密切关联，因此对磁环推杆上料、铜线断料和磁环绕线的运动分析十分重要。此次设计采用SolidWorks Motion软件进行运动分析，分别对锥形轮安装座运动、磁环上料推杆运动和铜线断料推杆运动进行分析。

此次设计在软件中添加所有零件(除轴类零件)均选用牌号为6061材料，轴类零件选用牌号为304材料，设置所绕铜线线径为0.07 mm。选择重力方向为的负方向，大小为9 806.65 mm/s。系统中零件间摩擦力求解采用的是Coulomb摩擦方法，设置摩擦参数时，根据Coulomb摩擦方法中静摩擦的速度设定为不大于0.1 mm/s、动摩擦速度不小于10.16 mm/s，而通过计算主动轮最低速度为26.17 mm/s，故设定动态摩擦速度为10.16 mm/s，动摩擦因数根据材料特性取0.21，接触中材料的弹性属性也是根据材料特性进行选择。

2.1 运动学建模与求解

机械系统运动学求解以系统中连接物体与被连接物体的运动副为基础，对系统的位置、速度与加速度进行求解。求解时先寻找与系统中的运动副等价位置约束方程，再由位置方程得到速度和加速度约束方程，从而得到广义坐标系中的速度和加速度坐标，最后根据坐标变换得到系统中任意点的位置、速度和加速度。以下将对机械系统中约束条件进行说明。

(1)位置方程

实际机械系统中，系统中的构件与支架或构件形成相关的运动副连接，将运动副用系统的广义坐标表示代数方程。令为机械系统的运动副约束方程数，则多刚体系统的运动学方程组为

(1)

若一个系统中有个广义坐标和个约束方程，且>，约束方程独立相容，系统的自由度个数为-。为使系统具有确定的运动规律，可以通过添加与系统自由度相等的驱动约束或对系统施加外力解决。

运动学分析是求解系统构件确定运动规律，因此系统的实际自由度为零，则系统施加的约束个数为-，约束方程为

(,)=0

(2)

(2)速度与加速度方程

根据运动构件位移与速度、加速度的关系，对式(1)和式(2)运用链式微分法则求导，得到系统的速度方程为

(3)

令=-Ф(,)，则式(3)可变为

(4)

对式(3)运用链式微分法求导，得到系统的加速度方程为

(5)

(6)

2.2 锥形轮安装座运动分析

为分析设计的绕线机部分重要机构的运动规律，对绕线机中锥形轮安装座从静止到稳定运行状态进行分析。为便于分析数据，统一选取绕线机的底座作为参考点，如图11所示。

图11 锥形轮安装座位移

由图11可以看出:安装座位移曲线由初始位置26.82 mm逐渐上升到0.6 s处的26.93 mm，然后逐渐下降到1.1 s处的26.87 mm，随后在1.2 s处增加到最大值26.94 mm。安装座位移在1.3 s时下降至26.903 mm，随后位移继续增加最后降低至最小低端，这一现象产生的原因是铜线从锥形轮中被拉出。后续安装座位移变换规律与前面分析一致，故铜线以此规律在绕线盘中稳定运行。

2.3 磁环上料推杆运动分析

磁环上料推杆是用于磁环上料时将上料口的磁环推送至绕线处，分析推杆的运动规律可以关联到磁环在推送过程中的运动规律。由于绕线机在实际运行过程中磁环推杆与磁环绕线机构相互独立，故仿真时将磁环推杆单独分析。将约束添加到磁环上料推杆机构处，得到磁环推杆的运动规律如图12所示。

图12 磁环推杆运动规律

由图12可以看出：从初始位置到1 s时，磁环推杆位移逐渐增加到最大值，随后位移又返回到初始状态。推杆速度在此时从0 mm/s增加到最大值14.976 mm/s，最后逐渐下降到0 mm/s。加速度值由最初的60 mm/s逐渐减小到2.4 mm/s，然后又逐渐增至最大值60 mm/s，且加速度总体呈线性变化。在1～2 s内，位移由最大值减小到初始位置，而速度、加速度变化规律与0～1 s内相同。可以判断出整个机构具有稳定性。

2.4 铜线断料推杆运动分析

铜线断料推杆动作发生在磁环绕线结束后，然后切刀推杆在气缸的带动下切断铜线。因推杆断线时会对磁环绕线机构产生冲击，故分析铜线断料推杆动作的稳定性有十分重要的作用。铜线断料推杆机构只有在磁环绕线结束后才会进行断线动作，为简化机构分析计算，将铜线断料推杆机构从整体系统中独立出来单独进行分析。计算时，将约束添加到铜线断料推杆机构上，得到铜线断料推杆运动规律如图13所示。

图13 铜线断料推杆运动规律

从图13中可知:0～2 s阶段,推杆位移从初始位置逐渐增加至最大值9.628 mm，速度在1 s时达到最大值7.5 mm/s，加速度在0～1 s以线性比例关系由15 mm/s减小至0 mm/s，随后在1～2 s内又增加到最大值。从图中可知:铜线断料推杆加速度最大值为15 mm/s，机构整体质量较小，所以铜线断料推杆运动不会对磁环绕线机构产生较大的冲击。

根据SolidWorks Motion插件中运动学算法对全自动磁环绕线机锥形轮安装座、磁环上料推杆机构和铜线断料推杆的运动规律进行求解。由计算的机构运动规律曲线可知：铜线、磁环上料推杆、铜线断料推杆在运动过程中平稳、可靠，不会产生剧烈震动，证明了方案设计的合理性。

3 实验平台搭建

根据零件、套件、组件和部件的装配方式，结合装配图上的要求对零件进行设计、装配。将磁环绕线部件、不合格铜线下料部件、磁环上料部件、铜线上料部件、铜线断线部件和成品下料部件依次安装在支撑底板上，各部分实物模块与整体装配如图14所示。

图14 各部分实物模块与整体装配

在完成机械结构的基础上根据控制系统原理完成电路与气路控制系统搭建工作。最后将机械系统与控制系统进行联合调试，验证提出的绕线原理。

4 结论

本文作者全自动磁环绕线机实验样机自动绕线设备搭建展开研究。由于国内外现有磁环绕线机存在绕线磁环内径小、绕制效率低、自动化程度低等情况，结合企业提供的绕线磁环参数，提出全自动磁环绕线机的总体结构方案。运用虚拟样机技术建立绕线机三维模型，通过运动仿真对绕线机关键部件进行运动学分析，以此验证机构设计的合理性。在运动仿真指导下完成绕线机机械系统平台搭建。最后控制系统设计调试完成，能够实现各个部分的运动要求，满足各部分功能。