1、 1 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 绕线机的设计与开发 前言 绕线机：顾名思义 就 是把线状的物体缠绕到特定的工件上的机器 。 我国是绕线机的生产大国也是需求大国，然而在关键技术上我国却始终无法与国外的厂家相竞争。即使 经历了 08、 09 年的经济衰退， 绕线机 产业在 2010 年得到了快速发展，各绕线机厂家的定单量大幅提升，原本已经半倒闭的中小型绕线机企业又重新回到了绕线机制造的大军中，但是目前国内绕线机产业的前景仍非常的严峻，主要来自于国外进口品牌的压力及国内低端机型市场的萎缩，今年绕线机产业的技术发展出现了新的格 局，多方的努力 拉近了国产绕线机与进口绕线机的技术差距。
2、但是关键技术还需要我国技术人员的努力，依靠自己的力量，解决关键部位技术难题。 国内绕线机的发展现状 首先说说技术发展，我国的 绕线机 产业起步于改革开放的初期，从原始的机械齿轮手摇式到现在的全自动绕线机，期间经历了多次产业升级和改革，从 2010 年的市场需求分析可以看出，国内市场正从半自动机型转向全自动、高效、高科技含量的机型，随着现代电气技术的不断提升，对线圈品质的要求也在增加，目前各绕线机厂家的技术开发主要集中在精密排线、闭环式张力控制、多功能等机型的研发 ，大量的技术投入快速拉 近 了与进口绕线机的技术差距。 2010 年随着经济回暖，绕线机的市场需求量大大的增加，许多企业都在加班加点
3、的赶制设备，其中箔绕机的增长幅度最为明显；其次是多头绕线机，可以满足高产量要求的机型；全自动绕线机的开发大大提高了机器的工作效率，减少了人为操作。由于各种线圈产品的功能要求不同，使得绕线机的种类也多样化了，目前常见绕线机的有全自动绕线机、半自动绕线机、环行绕线机、伺服精密绕线机、变压器绕线机等机种。由于各种线圈产品的功能要求2 不同，使得绕线机的种类也多样化了，目前常见绕线机的有全自动绕 线机、半自动绕线机、环行绕线机、伺服精密绕线机、变压器绕线机等几种。 全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等
4、地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。但是，这种机型由于集 成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长。它的先进性和高产量还是吸引了客户。 半自动绕线机是目前使用最广泛的机型也称为
5、 CNC 自动绕线机，该能够自动排线，加上不同的机械结构即可完成不同的绕制要求具有高效、维护方便、性价比高等诸多优点，国内厂家一般都采用 CNC 控制器，也有部分厂家采用自行开发的控制器作为控制核心， CNC 机型已经是一种非常成 熟的机种了，许多厂家在功能和用途上都作了创新和升级，使用产品的系列不断的得到延伸，作为市场上应用最广泛的机型，该机型的价格比起全自动绕线机动则几万元的价格，就低了很多，根据用途的不同有几千到上万不等的价格，该机种的缺点就是一台必须配一名操作人员。目前在镇流器、电感线圈生产等一些场合都能看该机型的应用。 环行绕线机是特殊专用机型，常见的有边滑式和皮带式，是绕制环行线圈
6、的专用机型，该机型从出现到现在没有很大的技术变动，目前，机头部分主要还是以进口为主，比较常见的有美国高曼等品牌，进口机头相对于国产机头有许多优 点，做工都比较的精细，材质一般都采用特殊合金，耐磨表现优异，机头都能承受长时间的作业加工要求，有些机头采用了分体式结构设计，上下储线环变得更为方便快捷。环行绕线机一般都为台式机构，设备主要以机械构造为主，价格主要区分为进口机头和国产机头两类。 伺服精密绕线机是当今高新技术结合的产物也是目前最先进、功能最为强大的机型，高端机型可以完全模拟人手的排线动作，主轴和排线均采用高精度伺服电机，控制系统采用具有极高运算能力的 PLC 系统，具有自动运算、自动判别、
7、误差修正等功能，由于采用了闭环控制，所以当出现排线 失步等现象时设备可以自动修正，高分辨率的伺服电机可以保证在高低速时设备运转的稳定性，该机型的附件装置也是比较先进的，比如有辅助卸模装置，主动式张力放线架，电磁自动调节式张力器等，由于使用了大量的高新技术，所以价格要比 CNC3 自动绕线机高不少，一般使用在对线圈参数有特定要求的场合。 变压器绕线机是比较常见的机型，结构形式来分有卧式和立式，我们一般比较常见的是卧式绕线机是用来绕制变压器线圈的专用设备，传统的变压器绕线机比较单一均为人工排线整形的机型，现代机型已经有自动排线系列了，变压器是大型电气件，所以绕线机的 结构都比较大，重量也根据绕线机
8、的级别从几百公斤到几千公斤，由于现代技术不断在变压器绕线机上的应用，新的机型功能上也变得更强大，柔性预压紧装置的出现代替了传统的人工敲打整形的烦琐工艺，使变压器绕制过程变得更为简单。 近年来，国内绕线机的制造水平和引进绕线机制造水平看，已形成了全自动、多功能、高效自动化的生产能力。从线圈生产的上线、馈线、端头绕制到线圈绕制和下线等，都要实现了过程的自动化。从绕线机的控制形式上看，由单一的开环控制发展到使用直流伺服系统和交流伺服系统的闭环控制，其中交流伺服系统的采用已相当 普遍，已形成了由单轴绕制线圈到多轴同时绕制多个线圈的一系列产品 1。在绕线机的结构形式上，根据所绕制的线圈的铁芯或骨架结构形
9、式的不同，又研制出有梭式的绕线机，以适应环形或其它封闭式铁芯或骨架的线圈的绕制需求 2。在 2008 年里，由保定天威卓创电工设备科技有限公司自行研制 ,具有完全自主知识产权的中国首台承重量最大和输出扭矩最大的 一 型大型立式绕线机 ,该绕线机各项试验参数均符合设计技术指标和工艺要求 ,达到国内同行业领先水平。业内人士称 ,该产品的研制成功 ,是变压器制造专用设备行业发展的一次新突破 ,同 时也标志着天威卓创公司已形成了大型电力变压器线生产设备产品的系列化 并全面掌握了国内电力变压器制造专用设备研制领域的先进技术 ,其自主创新能力和企业核心竞争力跃居同行业之首。 绕线机按自动化程度又可分为简易
10、型、半自动型、全自动型。电子控制方式有数控式微电脑单片机及 IBM 电脑控制。按安装方式分类为桌面式和落地式机。常用绕线机绕制的线多为漆包铜线 (绕制电子、电器产品的电感线圈 )，纺织线 (绕制纺织机用的纱绽、线团 )，还有绕制电热器具用的电热线以及焊锡线，电线，电缆等。绕线机的种类繁多，按其用途分类，可分为通用型和专用 型；通用型 -由 1 根或数根线适合安装多种框架绕线的绕线机。常见的通用型漆包线绕线机有；装有 1 根园形绕轴的叫 “单头机 “，依此类堆有 “双头机 “3 头机“.“6 头机 “。专用型 -是装有固定的专用绕线夹头，只能绕制一种线圈的绕线机 。 4 图 1.1 多头自动绕线
11、机 国外的绕线机的发展状况 。 在西德意大利，绕线、绕嵌设备已由电器自动控制发展到微机控制，有些还具备关键部位的状态见识和故障诊断功能，现在正向 3000r/min 以上的高速绕线发展 3。从大型的电力变压器、 牵引电机绕组到充电用的微型线圈、 节能灯具用线 圈 ,以及各类电子设备。目前 ,发达国家生产的绕线设备已基本实现自动化、 智能化、 网络化 4。在亚洲，日本某些公司在关键领域也在技术领先我国。举个例子，就拿日本的米特绕线机来说，他在几个方面相对我国绝大部分生产绕线机的企业具有创新性也算是其技术优势： 1）人机界面友好，独创简易的中文编程操作系统（可选择英文操作系统） 。 2）自带 12
12、8K的快速闪存（ 30 个产品），可扩展 USB 移动存储。下次使用只需调出对应的程序名称即可，简单快速。 3）排线、上下料、缠脚及绞线等动作均为全自动，用微电脑控制，无需人工操作，定位 更精确，性能更稳定。 4） 3GT 同步带及带轮的全面使用，最大程度地降低了噪音5 和温升，并将主轴转速提高到 20， 000RPM，极大提升了效率。 5）独创热量排放系统，温度可维持在 40 以下，使设备不会因摩擦产生的高温而降低性能或发生故障。 6）卸料装置设置在上料装置上。对于电木材质的骨架，卸料平稳轻柔，不会破坏骨架，合格率达到99.9%。而国外产品卸料力较大，电木骨架易被卸料装置推破，无法实现全自动
13、。 的设备。该设备能进行自动切断线头、自动接入线头的装置组成。 7）张力器为自主研发的气动电子式张力器，将张力参数导入到程 序中，可以在程序中根据漆包线特点自动设定张力，简单方便，快捷准确。而传统的张力器为机械式，根据漆包线特点手工调节张力，不但操作繁琐困难，而且准确度偏低 。 5该工作系统的成功研制并推广使用会显著提高绕线的速度，缩短绕线的周期，减少人员配置，缩短作业时间，提高生产效率。因而此设备对于提高生产效率有着重要的意义。 图 1.2 米特绕线机 发展趋势 现在绕线机主要是利用步进电机变细分驱动排线机构 、直流电机调速驱动绕头 ,以单片机作为控制微机开发新型自动绕线机 要求能在有效长度
14、不同的绕线骨架上 ,对不同线径的绕线实现 定圈数高质量绕排 ,具有结构简单 ,变通性强 ,性能价格比较高等优点 。这些都是今后绕线机发展所需考虑的主要因素。国内立式绕线机技术处于起步阶段，技术较为薄弱，6 品种也很少，主要用于绕制大型变压器线圈 6.同时为了改变传统落后的人工切断接入方法，研究推广先进的自动切断接入工法技术要求，开发设计一种能自动切断接入线头 米特绕线机、的人员也可轻松掌握。 新型自动绕线机大致的主体机构体现如下特点： (1) 采用了高性能的无级变速主轴及步进传动系统， 绕线机的传动结构简化， 传动机构也大大缩小 ( 2) 为适应连续自动化加 工及提高加工生产率，该类绕线机的机
15、械结构具有较高的静动态刚度和阻尼精度及耐磨寿命 .( 3) 采用了高效传动部件 .如滚珠丝杠副和滚动导轨 消隙齿轮传动副，目的是减小摩擦消除传动间隙及获得更高的绕线精度 ( 4) 采用了快捷式芯棒装卸 气动顶针等辅助装置以减少辅助时间 改善操作性提高生产率。 虽然目前中国与西德意大利乃至日本相比在绕线机的技术差距还是比较明显的。在自动剪切上，在绕线机上安装一个光电感应器，当线圈线满时通过反馈使线被光剪断，在自动接入方面，可以在在线圈旁设置一个小型风力装置，风向沿线圈的径向，使线头 紧紧的贴住线圈然后利用轴的转动绕转线条。 存在的问题 我国一些企业自主研制的绕线机，在绕制细微漆包线和贵金属细丝时
16、，这些机器都会遇到共同的问题，如无法达到整齐排线，绕线张力无法控制，夹具设计不够合理等，特别是绕制 0.15mm 以下的丝材时，问题尤为突出 8：排线所需要的直线运动 ,仍然要通过一台旋转运动的步进电动机 ,再加上一套价格昂贵的滚珠丝杆和配套的螺帽精密地啮合 ,才能把旋转运动转换成所需要的直线运动 滚珠丝杆与其配套螺帽之间的啮合 ,总是存在着一定的间隙 ,这个间隙由于运行中的磨损 ,会变得越来越大 ,因此很 难保证 0.15mm 以下线径线圈的自动排线精度 9。 我国在这类设备的控制方面，还是基本采用传统的电器控制，生产效率低，线圈绕制 .因此自动式绕线机是一种控制部分和机械质量差，属于半手工
17、半机械的操作方式 10。虽然近年来采用了微机和 PLC 对这类设备进行了一些改造，但是还是存在着自动化程度不高、参数设定复杂、操作不方便、成本高等缺点。而且绕线机的绕线后期，大多采取人工操作，费时费力，而且精度低，存在安全隐患，不能满足要求 11。 7 【参考文献】 1赵松年 .机电一体化系统设计 M.北京 :机械工业出版社 ,2004. 2何立民 .单片机应用系统设计 M.北京：北京航空航天大学出版社 ,1996. 3余永权 .FLASH 单片机原理及应用 M.电子工业出版社 ,1997. 4霍孟友 . 新型自动绕线机设计 . 机械与电子 1999,(6). 5 Bazergui A. C
18、om pres sibil it y and compliance of spiral-w oun d gask et s. Proc 3rd Int Conf Press Vess Tech， A SME, T okoy, April 2009, 183 191 6绕线机单片机控制系统的设计与开发 D .中国农业大学硕士学位论文 7方天红 .全自动绕线机单片机控制系统的设计与开发 J .沈阳工业学院学报 ， 2004，23(3). 8王宏华 许 大 中 .开 关 型 磁 阻 电 动 机 转 子 位 置 检 测 技 术 J.电 工 电 能 新 技术 ,1996,(3):48-53. 9詹琼华 王双红 .开关磁阻电动机电容式位置检测技术 J.电工技术学报 ,2003， 21（ 7） ：12 14 10Acarnley P P,Hill R J and Hooper C W. Detection of rotor position in stepping and switched motors by monitoring of current waveform J. IEEE Trans. on Ind. Elect. ,1985,32(2):215-222. 11周航慈 .单片机应用程序设计技术 .北京：北京航空航天大学出版社， 1991
