隨著電子技術和信息技術的高速發(fā)展，微型變壓器在計算機、通訊、航天航空等領域的發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。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(guī)模化生產(chǎn)模式，已到達了半自動化生產(chǎn)水平。
繞線為微型變壓器生產(chǎn)的關鍵工序，不僅影響產(chǎn)品的外觀特征，還影響著產(chǎn)品的阻抗、漏感、電容等多項品質(zhì)參數(shù)�，F(xiàn)今的變壓器繞線技術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)的微型變壓器自動繞線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，通過電磁感應原理在兩個電路之間傳遞電能，基本結構是由磁芯、繞組和底座構成，繞組是采用漆包線繞制而成。
微型變壓器的自動繞線工藝流程的設計難點在于以下兩點：第一，變壓器產(chǎn)品外觀結構特殊，單個產(chǎn)品尺寸小、重心不穩(wěn)；第二，在控制產(chǎn)品生產(chǎn)成本和質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)磁圈繞組銅線自動化理線的難度相對較大。
1 微型變壓器線圈自動繞線裝置原理
1.1 微型變壓器繞線流程
微型變壓器的原繞線流程為利用人工手持漆包線纏繞于磁圈中，當纏繞圈數(shù)達到生產(chǎn)要求時，將多余線圈剪斷，完成一次繞線流程。
人工繞線不僅降低了微型變壓器產(chǎn)線整體的生產(chǎn)效率，而且其生產(chǎn)常伴隨著線圈圈數(shù)錯誤、剪線殘留過長和繞線松動等質(zhì)量問題。故設計微型變壓器自動繞線裝置，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)線構成
微型變壓器生產(chǎn)線上主要包含7種自動加工設備，這些自動加工設備分別為：
自動繞線機、點膠機、上底座裝置、烘烤爐、激光去皮裝置、自動焊錫機、耐壓測試機和綜合測試機等。應用自動加工設備產(chǎn)線每小時產(chǎn)能與人工產(chǎn)能對比提升了大約5倍。
自動繞線機機械系統(tǒng)機械部分組成主要有：供線機構、繞線機構、剪線機構、排線機構、進料機構、機架等。
人工繞線平均產(chǎn)能為20 pcs/h，因而必須采用
自動繞線機方可滿足生產(chǎn)線產(chǎn)能要求。變壓器生產(chǎn)線中繞線工站預計設置11臺自動繞線裝置，不考慮不良品的情況下要求每臺自動繞線機至少110 pcs/h的產(chǎn)能，現(xiàn)有繞線機平均產(chǎn)出為95 pcs/h，這對于實現(xiàn)整條生產(chǎn)線的規(guī)定產(chǎn)能造成很大隱患，因而提出對自動繞線機關鍵部位進行問題分析與改進設計。
1.2 自動繞線機機構組成
現(xiàn)有繞線機機械系統(tǒng)如圖2所示，組成主要有：供線機構、繞線機構、剪線機構、排線機構、進料機構、機架等，由同一個控制系統(tǒng)控制機電部分完成磁圈自動繞線這一工序。
供線機構如圖3所示，主要包含：供線軌道、壓線閥、導線輪組、導輪支架、電機、導線管等6個部分。
供磁圈機構如圖4所示，主要包括磁圈限位輪、推料桿、進料通道、吹氣管、振動盤5個部分。
繞線機構如圖5所示，主要由機架、傳動帶、1對排廢輪、限位（銅線）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 自動繞線機的工作流程
1.3.1儲線過程
銅線完成儲線預備繞線階段的動力來源有兩處，一是位于供線機構部分的一對圓柱形導線輪組，儲線開始時由導線輪組提供起始動力，后續(xù)儲線過程中供線機構部分的導線輪組持續(xù)轉動為儲線過程提供動力；二是繞線機構部分的兩對鼓輪，在銅線到達鼓輪處時鼓輪對其的摩擦力提供一部分的動力。這兩種動力輪組安裝在同一轉軸上，通過同步帶與電機輸出端連接，從而保證銅線的速度一致，實現(xiàn)繞線。動力輪組中心軸轉動方向如圖6所示。
儲線開始前，銅線由工人放置在供線軌道上。儲線階段開始，壓線閥呈打開狀態(tài)。導線輪隨電機輸出主軸轉動，同時帶動壓在滾輪下方的銅線往前運動通過輸線管進入繞線區(qū)域，繞線區(qū)域的光電傳感器檢測到銅線儲備圈數(shù)達到預設值時，壓線閥壓緊，銅線不再進行輸入動作，儲線預備繞線階段完成。
儲線預備過程中銅線軌跡為：漆包線從輸線端通過導線管進入繞線區(qū)域，接著銅線走跡為沿著外圈軌跡先穿過第一組鼓輪中間空隙，隨后穿過定位好的磁圈繼續(xù)往前走，又通過第二組鼓輪中間空隙，最后回到第一圈圓形軌跡起始點，接著往半徑較大的外圈走，再進行第二圈、第三圈的儲備，最終儲備好所設定的圈數(shù)預備繞線。
1.3.2磁圈繞線過程
儲線完成后，壓線閥下壓壓緊銅線一端，供線機構部分的導線輪組停止轉動。繞線過程如圖7所示，繞線機構的兩對鼓輪分別為輪組Ⅰ和輪組Ⅱ，輪組Ⅰ為繞線機靠前位置的鼓輪組，輪組Ⅱ為與輪組Ⅰ相對位置的輪組。繞線過程中，輪組Ⅰ、Ⅱ上方的鼓輪中心軸沿順時針轉動，下方鼓輪沿逆時針轉動，鼓輪表面線速度v 1 大于銅線速度v 2 ，因而鼓輪對銅線產(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的銅線不斷往前拉，儲線內(nèi)圈銅線接著套緊在磁圈上實現(xiàn)繞組繞線。在光電傳感器感應到繞線圈數(shù)達到設定的62圈的時候，信號發(fā)至控制系統(tǒng)觸發(fā)刀具將銅線剪斷，繞線過程即完成。
1.3.3卸料過程
磁圈兩邊繞組繞線完成后，進磁圈機構處的兩組齒輪組將繞好線的磁圈往繞線區(qū)域中心位置送，同時控制系統(tǒng)觸發(fā)推料桿上方的氣閥吹氣，將磁圈網(wǎng)繞線區(qū)域中心位置吹出，繞線區(qū)中心正對著下料口，磁圈到達下料口往下掉進半成品儲料倉中。整個繞線過程隨即完成。
2 自動繞線裝置的故障分析
半成品故障類型主要分為兩種：一是兩個磁圈間的銅線沒有切斷導致半成品不合格，繞組磁圈無法使用；二是在繞線時發(fā)生纏線導致繞組線圈圈數(shù)不合格。
在儲線過程中，線圈可能發(fā)生擠壓移位，導致同一線圈在兩側鼓輪位置走線速度不同，這種情況會造成兩種問題，一是出現(xiàn)線圈滯留堆積造成線圈張力不足，銅線無法切斷；第二個是走線速度過快導致內(nèi)圈線扯外圈線，發(fā)生纏線的問題。在繞線過程中，容易出現(xiàn)過程銅線走線分流不明確的問題。此問題也可能導致纏線的現(xiàn)象，即故障類型二。
從原理的分析可以得出繞線過程的實現(xiàn)主要依靠幾組轉輪組對線圈的摩擦力提供動力勢能，輪組表面對線圈的摩擦力方向與線圈前進方向一致。如圖8所示對繞線過程中鼓輪處銅線橫截面進行受力分析，進一步解釋故障問題產(chǎn)生原因。
F N 為輪組表面對銅線的支持力，f Z 為輪組表面對銅線的摩擦力，F(xiàn) 0 為銅線間的擠壓力。
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軸方向受到相鄰線圈對其擠壓力F 0 ，這是線圈發(fā)生移位錯位的根本原因。
導致兩種故障類型的問題都出自于繞線機構部分的鼓輪。不難得出繞線機構即為所需優(yōu)化部分，尤其是兩側對稱的鼓輪處。這是造成繞線良品率不高的根本原因。
3 繞線機內(nèi)部結構優(yōu)化
3.1 微溝槽加工力學分析
確定在鼓輪上添加微溝槽來提高繞線良品率。工作原理為利用微溝槽壁對銅線的支持力消除銅線間的擠壓力，可以改善繞線過程中線的分布情況，從而調(diào)整銅線的速度，確保繞線過程中銅線張力足夠，實現(xiàn)較高成功率的繞線。
微溝槽加工需應用到微尖端加工技術。目前較成熟的微尖端加工技術為角度范圍在60°～120°的微尖端，本文將選取3種較常采用的方案進行分析，即對加工60°、90°、120°的微溝槽角度這3種常見微溝槽進行力學與加工可行性分析，最終確定微溝槽的加工角度。
設鼓輪與銅線間摩擦力為f，單個鼓輪的一個微槽對銅線的支持力為 F N 。3 種常見微溝槽力學分析如表 1 所示。在相同壓力條件下，隨著微溝槽加工角度的增加，鼓輪對銅線的摩擦力逐漸減小。
該裝置實現(xiàn)了微型變壓器生產(chǎn)線上線圈繞線的自動化，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)化通過微溝槽力學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�？梢詫崿F(xiàn)將繞線機產(chǎn)出效率從95 pcs/h提高至170 pcs/h，并且同時解決磁圈間的銅線沒有切斷與在繞線時發(fā)生纏線這兩個問題，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。
精密平行繞線機
精密環(huán)型繞線機
自動飛叉繞線機
全自動設備系列
精密線圈
包膠線圈
精密馬達線圈
空芯線圈
變壓器線圈