隨著(zhù)電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展,微型變壓器在計算機、通訊、航天航空等領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。對微型變壓器生產(chǎn)制造的需求量變大,制造要求變高。如何批量生產(chǎn)出質(zhì)量合格的微型變壓器已成為企業(yè)亟需解決的重要課題。目前微型變壓器主要采用標準化、規�;a(chǎn)模式,已到達了半自動(dòng)化生產(chǎn)水平。
繞線(xiàn)為微型變壓器生產(chǎn)的關(guān)鍵工序,不僅影響產(chǎn)品的外觀(guān)特征,還影響著(zhù)產(chǎn)品的阻抗、漏感、電容等多項品質(zhì)參數�,F今的變壓器繞線(xiàn)技術(shù)研究主要針對較大型的變壓器產(chǎn)品,對微型變壓器的繞線(xiàn)機構研究較少,故設計一種快速優(yōu)質(zhì)的微型變壓器自動(dòng)繞線(xiàn)裝置對于微型變壓器生產(chǎn)具有重大意義。
微型變壓器產(chǎn)品外觀(guān)尺寸要求如圖1所示。此產(chǎn)品為用于智能手機充電器的微型變壓器,通過(guò)電磁感應原理在兩個(gè)電路之間傳遞電能,基本結構是由磁芯、繞組和底座構成,繞組是采用漆包線(xiàn)繞制而成。
微型變壓器的自動(dòng)繞線(xiàn)工藝流程的設計難點(diǎn)在于以下兩點(diǎn):第一,變壓器產(chǎn)品外觀(guān)結構特殊,單個(gè)產(chǎn)品尺寸小、重心不穩;第二,在控制產(chǎn)品生產(chǎn)成本和質(zhì)量的前提下,實(shí)現磁圈繞組銅線(xiàn)自動(dòng)化理線(xiàn)的難度相對較大。
1 微型變壓器線(xiàn)圈自動(dòng)繞線(xiàn)裝置原理
1.1 微型變壓器繞線(xiàn)流程
微型變壓器的原繞線(xiàn)流程為利用人工手持漆包線(xiàn)纏繞于磁圈中,當纏繞圈數達到生產(chǎn)要求時(shí),將多余線(xiàn)圈剪斷,完成一次繞線(xiàn)流程。
人工繞線(xiàn)不僅降低了微型變壓器產(chǎn)線(xiàn)整體的生產(chǎn)效率,而且其生產(chǎn)常伴隨著(zhù)線(xiàn)圈圈數錯誤、剪線(xiàn)殘留過(guò)長(cháng)和繞線(xiàn)松動(dòng)等質(zhì)量問(wèn)題。故設計微型變壓器自動(dòng)繞線(xiàn)裝置,提高微型變壓器的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
1.2 微型變壓器產(chǎn)線(xiàn)構成
微型變壓器生產(chǎn)線(xiàn)上主要包含7種自動(dòng)加工設備,這些自動(dòng)加工設備分別為:
自動(dòng)繞線(xiàn)機、點(diǎn)膠機、上底座裝置、烘烤爐、激光去皮裝置、自動(dòng)焊錫機、耐壓測試機和綜合測試機等。應用自動(dòng)加工設備產(chǎn)線(xiàn)每小時(shí)產(chǎn)能與人工產(chǎn)能對比提升了大約5倍。
自動(dòng)繞線(xiàn)機機械系統機械部分組成主要有:供線(xiàn)機構、繞線(xiàn)機構、剪線(xiàn)機構、排線(xiàn)機構、進(jìn)料機構、機架等。
人工繞線(xiàn)平均產(chǎn)能為20 pcs/h,因而必須采用
自動(dòng)繞線(xiàn)機方可滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能要求。變壓器生產(chǎn)線(xiàn)中繞線(xiàn)工站預計設置11臺自動(dòng)繞線(xiàn)裝置,不考慮不良品的情況下要求每臺自動(dòng)繞線(xiàn)機至少110 pcs/h的產(chǎn)能,現有繞線(xiàn)機平均產(chǎn)出為95 pcs/h,這對于實(shí)現整條生產(chǎn)線(xiàn)的規定產(chǎn)能造成很大隱患,因而提出對自動(dòng)繞線(xiàn)機關(guān)鍵部位進(jìn)行問(wèn)題分析與改進(jìn)設計。
1.2 自動(dòng)繞線(xiàn)機機構組成
現有繞線(xiàn)機機械系統如圖2所示,組成主要有:供線(xiàn)機構、繞線(xiàn)機構、剪線(xiàn)機構、排線(xiàn)機構、進(jìn)料機構、機架等,由同一個(gè)控制系統控制機電部分完成磁圈自動(dòng)繞線(xiàn)這一工序。
供線(xiàn)機構如圖3所示,主要包含:供線(xiàn)軌道、壓線(xiàn)閥、導線(xiàn)輪組、導輪支架、電機、導線(xiàn)管等6個(gè)部分。
供磁圈機構如圖4所示,主要包括磁圈限位輪、推料桿、進(jìn)料通道、吹氣管、振動(dòng)盤(pán)5個(gè)部分。
繞線(xiàn)機構如圖5所示,主要由機架、傳動(dòng)帶、1對排廢輪、限位(銅線(xiàn))螺釘、光電傳感器、1組刀具、1對圓臺輪組、磁圈頂針、轉角齒輪組等組成。
1.3 自動(dòng)繞線(xiàn)機的工作流程
1.3.1儲線(xiàn)過(guò)程
銅線(xiàn)完成儲線(xiàn)預備繞線(xiàn)階段的動(dòng)力來(lái)源有兩處,一是位于供線(xiàn)機構部分的一對圓柱形導線(xiàn)輪組,儲線(xiàn)開(kāi)始時(shí)由導線(xiàn)輪組提供起始動(dòng)力,后續儲線(xiàn)過(guò)程中供線(xiàn)機構部分的導線(xiàn)輪組持續轉動(dòng)為儲線(xiàn)過(guò)程提供動(dòng)力;二是繞線(xiàn)機構部分的兩對鼓輪,在銅線(xiàn)到達鼓輪處時(shí)鼓輪對其的摩擦力提供一部分的動(dòng)力。這兩種動(dòng)力輪組安裝在同一轉軸上,通過(guò)同步帶與電機輸出端連接,從而保證銅線(xiàn)的速度一致,實(shí)現繞線(xiàn)。動(dòng)力輪組中心軸轉動(dòng)方向如圖6所示。
儲線(xiàn)開(kāi)始前,銅線(xiàn)由工人放置在供線(xiàn)軌道上。儲線(xiàn)階段開(kāi)始,壓線(xiàn)閥呈打開(kāi)狀態(tài)。導線(xiàn)輪隨電機輸出主軸轉動(dòng),同時(shí)帶動(dòng)壓在滾輪下方的銅線(xiàn)往前運動(dòng)通過(guò)輸線(xiàn)管進(jìn)入繞線(xiàn)區域,繞線(xiàn)區域的光電傳感器檢測到銅線(xiàn)儲備圈數達到預設值時(shí),壓線(xiàn)閥壓緊,銅線(xiàn)不再進(jìn)行輸入動(dòng)作,儲線(xiàn)預備繞線(xiàn)階段完成。
儲線(xiàn)預備過(guò)程中銅線(xiàn)軌跡為:漆包線(xiàn)從輸線(xiàn)端通過(guò)導線(xiàn)管進(jìn)入繞線(xiàn)區域,接著(zhù)銅線(xiàn)走跡為沿著(zhù)外圈軌跡先穿過(guò)第一組鼓輪中間空隙,隨后穿過(guò)定位好的磁圈繼續往前走,又通過(guò)第二組鼓輪中間空隙,最后回到第一圈圓形軌跡起始點(diǎn),接著(zhù)往半徑較大的外圈走,再進(jìn)行第二圈、第三圈的儲備,最終儲備好所設定的圈數預備繞線(xiàn)。
1.3.2磁圈繞線(xiàn)過(guò)程
儲線(xiàn)完成后,壓線(xiàn)閥下壓壓緊銅線(xiàn)一端,供線(xiàn)機構部分的導線(xiàn)輪組停止轉動(dòng)。繞線(xiàn)過(guò)程如圖7所示,繞線(xiàn)機構的兩對鼓輪分別為輪組Ⅰ和輪組Ⅱ,輪組Ⅰ為繞線(xiàn)機靠前位置的鼓輪組,輪組Ⅱ為與輪組Ⅰ相對位置的輪組。繞線(xiàn)過(guò)程中,輪組Ⅰ、Ⅱ上方的鼓輪中心軸沿順時(shí)針轉動(dòng),下方鼓輪沿逆時(shí)針轉動(dòng),鼓輪表面線(xiàn)速度v 1 大于銅線(xiàn)速度v 2 ,因而鼓輪對銅線(xiàn)產(chǎn)生二者相對速度相同方向的摩擦力,以此方式將鼓輪組中間夾著(zhù)的銅線(xiàn)不斷往前拉,儲線(xiàn)內圈銅線(xiàn)接著(zhù)套緊在磁圈上實(shí)現繞組繞線(xiàn)。在光電傳感器感應到繞線(xiàn)圈數達到設定的62圈的時(shí)候,信號發(fā)至控制系統觸發(fā)刀具將銅線(xiàn)剪斷,繞線(xiàn)過(guò)程即完成。
1.3.3卸料過(guò)程
磁圈兩邊繞組繞線(xiàn)完成后,進(jìn)磁圈機構處的兩組齒輪組將繞好線(xiàn)的磁圈往繞線(xiàn)區域中心位置送,同時(shí)控制系統觸發(fā)推料桿上方的氣閥吹氣,將磁圈網(wǎng)繞線(xiàn)區域中心位置吹出,繞線(xiàn)區中心正對著(zhù)下料口,磁圈到達下料口往下掉進(jìn)半成品儲料倉中。整個(gè)繞線(xiàn)過(guò)程隨即完成。
2 自動(dòng)繞線(xiàn)裝置的故障分析
半成品故障類(lèi)型主要分為兩種:一是兩個(gè)磁圈間的銅線(xiàn)沒(méi)有切斷導致半成品不合格,繞組磁圈無(wú)法使用;二是在繞線(xiàn)時(shí)發(fā)生纏線(xiàn)導致繞組線(xiàn)圈圈數不合格。
在儲線(xiàn)過(guò)程中,線(xiàn)圈可能發(fā)生擠壓移位,導致同一線(xiàn)圈在兩側鼓輪位置走線(xiàn)速度不同,這種情況會(huì )造成兩種問(wèn)題,一是出現線(xiàn)圈滯留堆積造成線(xiàn)圈張力不足,銅線(xiàn)無(wú)法切斷;第二個(gè)是走線(xiàn)速度過(guò)快導致內圈線(xiàn)扯外圈線(xiàn),發(fā)生纏線(xiàn)的問(wèn)題。在繞線(xiàn)過(guò)程中,容易出現過(guò)程銅線(xiàn)走線(xiàn)分流不明確的問(wèn)題。此問(wèn)題也可能導致纏線(xiàn)的現象,即故障類(lèi)型二。
從原理的分析可以得出繞線(xiàn)過(guò)程的實(shí)現主要依靠幾組轉輪組對線(xiàn)圈的摩擦力提供動(dòng)力勢能,輪組表面對線(xiàn)圈的摩擦力方向與線(xiàn)圈前進(jìn)方向一致。如圖8所示對繞線(xiàn)過(guò)程中鼓輪處銅線(xiàn)橫截面進(jìn)行受力分析,進(jìn)一步解釋故障問(wèn)題產(chǎn)生原因。
F N 為輪組表面對銅線(xiàn)的支持力,f Z 為輪組表面對銅線(xiàn)的摩擦力,F 0 為銅線(xiàn)間的擠壓力。
F N1 =- F N2 (1)
fz = mF N = 2mF N1 (2)
由受力分析可知,銅線(xiàn)在Y軸方向受到上下支持力對其具有壓緊左右,在X軸方向受到相鄰線(xiàn)圈對其擠壓力F 0 ,這是線(xiàn)圈發(fā)生移位錯位的根本原因。
導致兩種故障類(lèi)型的問(wèn)題都出自于繞線(xiàn)機構部分的鼓輪。不難得出繞線(xiàn)機構即為所需優(yōu)化部分,尤其是兩側對稱(chēng)的鼓輪處。這是造成繞線(xiàn)良品率不高的根本原因。
3 繞線(xiàn)機內部結構優(yōu)化
3.1 微溝槽加工力學(xué)分析
確定在鼓輪上添加微溝槽來(lái)提高繞線(xiàn)良品率。工作原理為利用微溝槽壁對銅線(xiàn)的支持力消除銅線(xiàn)間的擠壓力,可以改善繞線(xiàn)過(guò)程中線(xiàn)的分布情況,從而調整銅線(xiàn)的速度,確保繞線(xiàn)過(guò)程中銅線(xiàn)張力足夠,實(shí)現較高成功率的繞線(xiàn)。
微溝槽加工需應用到微尖端加工技術(shù)。目前較成熟的微尖端加工技術(shù)為角度范圍在60°~120°的微尖端,本文將選取3種較常采用的方案進(jìn)行分析,即對加工60°、90°、120°的微溝槽角度這3種常見(jiàn)微溝槽進(jìn)行力學(xué)與加工可行性分析,最終確定微溝槽的加工角度。
設鼓輪與銅線(xiàn)間摩擦力為f,單個(gè)鼓輪的一個(gè)微槽對銅線(xiàn)的支持力為 F N 。3 種常見(jiàn)微溝槽力學(xué)分析如表 1 所示。在相同壓力條件下,隨著(zhù)微溝槽加工角度的增加,鼓輪對銅線(xiàn)的摩擦力逐漸減小。
該裝置實(shí)現了微型變壓器生產(chǎn)線(xiàn)上線(xiàn)圈繞線(xiàn)的自動(dòng)化,將企業(yè)微型變壓器的生產(chǎn)效率由20 pcs/h提高至95pcs/h。對裝置中鼓輪的優(yōu)化通過(guò)微溝槽力學(xué)分析及加工可行性分析,最終選擇了90°微溝槽作為加工方案�?梢詫�(shí)現將繞線(xiàn)機產(chǎn)出效率從95 pcs/h提高至170 pcs/h,并且同時(shí)解決磁圈間的銅線(xiàn)沒(méi)有切斷與在繞線(xiàn)時(shí)發(fā)生纏線(xiàn)這兩個(gè)問(wèn)題,提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。