一种电磁铁绕线工艺方法及装置

技术领域

本发明涉及电磁铁技术领域，具体为一种电磁铁绕线工艺方法及装置。

背景技术

电磁铁用于飞机电磁阀中，由顶杆、骨架、挡块、衔铁及线圈组成，如图1所示，线圈由漆包线缠绕在骨架中形成，顶杆由非磁性材料(如铜)制成，骨架、挡块、衔铁一般由软磁材料(电工纯铁DT4A)制作，矫顽力较小，易磁化，挡块固定安装，衔铁在磁场作用下可在骨架内腔中灵活移动。在线圈电流产生磁场作用下挡块和衔铁可被速迅磁化，挡块、衔铁被磁化成磁场单元，依照结构顺序磁极顺序为：N挡块S；N衔铁S。磁场特性异性相吸，衔铁被吸向挡块，推动顶杆使前端活门打开工作。电流方向相反，磁极顺序相反为：S挡块N；S衔铁N，虽然磁极方向相反，但仍为异性相吸，衔铁被吸向挡块，推动顶杆使前端活门打开工作。所以表现为电磁推力方向不变。因此，电磁铁绕线方向(左旋或右旋)不受影响。在电磁铁线圈断电情况下，电流磁场消失，软磁材料(矫顽力较小，剩磁小)的磁场几乎也随之消失，挡块、衔铁之间的电磁力也随之消失，在前端活门弹簧作用下恢复衔铁初始位置。

在电磁铁长期使用及分解修理过程中，由于腐蚀、不绝缘，漆包线损坏、电磁铁性能不合格等故障无法继续使用，导致电磁铁报废。因此，设计一种能够修复电磁铁的装置及方法，在电磁铁维修作业中具有重要意义。

但通过对现有原装电磁铁实物分解可以发现，为了让出空间保证漆包线与引出导线接头嵌入线圈内部，线圈每层绕制的匝数并不相同，层次不分明也不规整，从外观看上去两端漆包线比较紊乱且匝数少，中间匝数多且较规则排列；并且进一步分解可以发现，每层两端的线圈匝数并不是呈等差数列减少，而是互相交错，明显呈手动绕制特征。

因此，如何既要保证漆包线与引出导线焊接接头能成功嵌入线圈内部，又能保证线圈排线齐整不松弛，以及绕制过程中如何消除漆包线线径累积误差造成跳线、稀疏；如何控制漆包线张力；送线功能与主轴带动骨架旋转绕线二者之间的伺服关系如何表达等问题，存在较大难度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电磁铁绕线工艺方法及装置。通过利用原有电磁铁骨架，重新绕制线圈恢复原有设计状态并继续使用，提高飞机电磁铁维修质量和备件利用率，在电磁铁维修作业中具有重要意义。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种电磁铁绕线装置，包括机架、张力器架；

所述机架的顶部设有大底板，所述大底板上对应设置有尾顶机构、主轴箱、绕线电机、排线机构，所述尾顶机构与所述主轴箱相对布置，所述绕线电机与所述主轴箱连接，所述排线机构上滑动安装有送线机构，所述送线机构上固定安装有绕线长度检测机构，所述排线机构位于所述尾顶机构与所述主轴箱之间的侧边位置处；

所述张力器架的上端部固定安装有伺服电机主动送线张力器，所述张力器架的底部放置有漆包线；

漆包线从所述伺服电机主动送线张力器主动送出经过所述绕线长度检测机构进行漆包线长度计算后，通过所述送线机构、排线机构进行X方向和Y方向绕线导向，并配合所述尾顶机构与所述主轴箱装夹电磁铁骨架以及带动电磁铁骨架转动以实现电磁铁绕线。

优选的，所述尾顶机构包括固定安装在所述大底板上的滑轨、滑动安装在所述滑轨上的滑块、设置在所述滑块上的气缸支架、气源支架，所述气缸支架上安装有气缸，所述气缸连接有顶尖，所述气源支架上安装有气源稳定器，所述滑块上设置有锁紧机构，所述气源稳定器的输出气压为0.5～0.6MPa。

优选的，所述主轴箱的内部设置有与所述绕线电机连接的主轴，所述主轴以可装卸连接的方式连接有转轴，所述主轴箱的外部安装有触摸屏。

优选的，所述绕线电机包括固定安装在所述大底板上的绕线电机安装架、安装在所述绕线电机安装架上的主轴伺服电机、与所述主轴伺服电机连接的转速传感器，所述主轴伺服电机通过齿轮与所述主轴箱内的主轴连接。

优选的，所述绕线长度检测机构包括固定安装在所述送线机构上的长度检测安装板、设置在所述长度检测安装板上的编码器、三个排线轮、两个过线轮、编码器传动轮、压线同步带、三个同步带轮，所述编码器与所述编码器传动轮连接，所述压线同步带与所述编码器传动轮、三个同步带轮连接。

优选的，所述送线机构包括安装在所述排线机构上的送线精密直线模组、通过联轴器与所述送线精密直线模组连接的送线伺服电机、与所述送线精密直线模组连接的送线安装板，连接在所述送线安装板上的可调排线轮，所述绕线长度检测机构连接在所述送线安装板上。

优选的，所述排线机构包括固定安装在所述大底板上的安装座、固定安装在所述安装座上的排线精密直线模组、通过联轴器与所述排线精密直线模组连接的排线伺服电机，所述送线精密直线模组通过连接板安装在所述排线精密直线模组上。

优选的，所述伺服电机主动送线张力器的型号为SF600，张力范围为20～450g。

一种电磁铁绕线工艺方法，应用一种电磁铁绕线装置，具体步骤如下：

步骤(一)根据电磁铁骨架的型号选择对应配套的转轴，将转轴插入到主轴孔内后通过锁紧螺钉拧紧连接，通过转轴和尾顶机构将电磁铁骨架进行装夹；

步骤(二)漆包线线包放置在张力器架的底部，抽出线头经过伺服电机主动送线张力器的送线轮后，引入绕线长度检测机构中，先从过两个过线轮穿过并经过编码器传动轮与同步带轮之间，再从两个过线轮穿出，并依次穿过三个排线轮，随后线头依次穿过送线机构上的可调排线轮及可调排线轮中的排线针嘴，再把漆包线放入电磁铁骨架上的引出线凹槽中稍稍拉紧，将漆包线头部在转轴锁定螺钉上缠绕一圈后，用纸胶带将线头部粘接在转轴上，防止松脱，转动转轴一圈，将漆包线均匀贴近端部；

步骤(三)绕线过程中，绕线长度检测机构检测漆包线绕线长度，由主轴箱上的触摸屏进行计算线圈的电阻并显示数值，判断电磁铁线圈电阻是否满足技术指标要求；

步骤(四)绕线过程中，每绕制一层，可调排线轮中的排线针嘴沿Y方向自动后退一个线径距离，主轴每转一圈，在排线机构带动下，可调排线轮中的排线针嘴沿X方向自动移动一个线径距离；

步骤(五)排线机构沿X方向移动时会产生误差，移动累积误差超过三匝直径距离时，应及时处理；

步骤(六)重复步骤(四)至步骤(五)直至完成设定的绕线圈数。

优选的，步骤(五)中排线机构移动累积误差的具体处理过程为：先按主轴箱上触摸屏中的“启/停”键，使绕线暂停，然后按主轴箱上触摸屏中的“←”键或“→”键，改变排线机构的位置，同时采用分段拟合方法，将主轴电机旋转一周的输入量与输出量步进电机之间的关系进行非线性表达，根据层数上漆包线状态，分层设置各参数，使排线机构与主轴运动同步，消除排线机构的移动累积误差。

本发明的有益效果是：

本发明中的绕线装置通过采用分段拟合的方式消除排线机构的移动累积误差，具有操纵简单，使用维护方便、伺服控制精度高、实用性强、安全、可靠等特点；本发明中的绕线方法，能够有效地恢复电磁铁线圈原有设计状态的电磁力，使用质量稳定，使报废的电磁铁100％重新利用，提高了飞机电磁铁维修质量和备件利用率，应用前景广阔，具有显著的军事、经济和社会效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为现有电磁铁的结构示意图；

图2为本实施例的整体结构示意图；

图3为本实施例中的尾顶机构的结构示意图；

图4为本实施例中绕线电机与主轴箱的连接关系示意图；

图5为本实施例中绕线长度检测机构的结构示意图一；

图6为本实施例中绕线长度检测机构的结构示意图二；

图7为本实施例中绕线长度检测机构、送线机构、排线机构的连接关系示意图一；

图8为本实施例中绕线长度检测机构、送线机构、排线机构的连接关系示意图二；

图9为本实施例中伺服电机主动送线张力器与张力器架的连接关系示意图；

图10为本实施例中漆包线在绕线长度检测机构中的走线路径示意图；

图11为本实施例中送线机构上可调排线轮中排线针嘴的高度调节示意图；

图12为本实施例中的电磁铁骨架的结构示意图。

图中：1、机架；2、尾顶机构；201、滑块；202、锁紧机构；203、滑轨；204、气缸支架；205、顶尖；206、气缸；207、气源稳定器；208、气源支架；3、大底板；4、主轴箱；5、绕线电机；6、绕线长度检测机构；601、编码器；602、长度检测安装板；603、排线轮；604、过线轮；605、编码器传动轮；606、压线同步带；607、同步带轮；7、送线机构；701、送线精密直线模组；702、送线伺服电机；703、送线安装板；704、可调排线轮；8、排线机构；801、安装座；802、排线精密直线模组；803、排线伺服电机；9、伺服电机主动送线张力器；10、张力器架。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

如图2所示，一种电磁铁绕线装置，包括机架1、尾顶机构2、大底板3、主轴箱4、绕线电机5、绕线长度检测机构6、送线机构7、排线机构8、伺服电机主动送线张力器9、张力器架10，以及相关配套件(电源线、保险丝、插座、固定螺钉等)。

所述大底板3固定安装在所述机架1的顶部，所述尾顶机构2、主轴箱4、绕线电机5、排线机构8对应固定安装在所述大底板3上，所述尾顶机构2与所述主轴箱4相对布置，所述绕线电机5与所述主轴箱4连接，绕线长度检测机构6安装在所述送线机构7上，所述送线机构7滑动安装在所述排线机构8上；所述排线机构8位于所述尾顶机构2与所述主轴箱4之间的后侧边位置处；所述张力器架10位于所述机架1的后侧，所述伺服电机主动送线张力器9安装在所述张力器架10的顶部。

进一步地，所述机架1，包含机柜，由钢板制作+喷塑处理，外形尺寸为：1000mm(长)×700mm(宽)×800mm(高)，重量为：300KG。机柜内部由电工绝缘胶合板分割成两个部分，一部分(分隔三层)可以存放工具、夹具、必要技术资料及随机附件，另一部分经过三防处理(湿、霉、菌)用于安装电路板、电缆桥架等。

进一步地，如图3所示，所述尾顶机构2由滑块201、锁紧机构202、滑轨203、气缸支架204、顶尖205、气缸206、气源稳定器207、气源支架208以及相应连接的固定螺钉所组成。

所述滑轨203的尺寸为：450mm(长)×100mm(宽)×20mm(高)，材料为不锈钢板，所述滑轨203的内侧中部距离边缘20mm布置“⊥”型槽，槽面宽20mm、长350mm，用于安装所述锁紧机构202的两个“⊥”型螺栓(由两端带螺纹的螺柱和中间带螺孔的方块组成，螺柱和方块均由不锈钢制成)，“⊥”型螺栓穿过滑块201的两个孔后再放上锁紧机构202的两个手柄(手柄孔为“”型孔，与螺栓上端“”型螺纹柱配合)并用螺钉+垫片固定拧紧。这样顺时针转动手柄能锁紧滑块201，逆时针转动手柄能松开滑块201，滑块201可自由在滑轨203上滑动。

所述滑块201的尺寸为：180mm(长)×150mm(宽)×100mm(高)，用不锈钢棒制成(中间镂空，减轻重量)，下部为凹型与滑轨203精密间隙配合，上部用于安装气缸支架204和气源支架208，所述气缸206安装在气缸支架204上，所述气源稳定器207安装在气源支架208上，均用螺钉固定拧紧。所述气缸支架204和气源支架208均由不锈钢板制成，所述气缸206和气源稳定器207为成品件(选AIRTAC或同等品牌)。

所述顶尖205安装在所述气缸206的左侧，一方面在一定气压下可以顶住电磁铁骨架刚性一体，另一方面在气悬浮作用下所述顶尖205与气缸206内壁无接触，这样在随电磁铁骨架安装主轴旋转时可减少磨损，保证旋转同轴不摆动。所述气源稳定器207可稳定输出0.5～0.6MPa气压。

所述大底板3由不锈钢板制作，所述大底板3的尺寸为：920mm(长)×650mm(宽)×25mm(高)。通过螺钉固定安装在机架1上。

进一步地，如图4所示，所述主轴箱4为不锈钢板焊接件，所述主轴箱4的尺寸为：250mm(长)×300mm(宽)×310mm(高)，所述主轴箱4外部的面板上安装有触摸屏及控制按钮。所述主轴箱4的内部安装有主轴及主轴支架(支架中配高精度轴承)。根据不同型号电磁铁绕线骨架相应尺寸配套加工转轴、挡销、顶盖(磁性材料加工，可吸附在绕线骨架上)。转轴插入主轴孔后由锁紧螺钉拧紧。见图3。主轴由绕线电机驱动，主轴转速0～500rpm(视线径而定)，设置转速传感器测控。可绕线径范围0.1～1.0mm。

进一步地，所述绕线电机5由安装架、主轴伺服电机及转速传感器组成，安装架根据主轴伺服电机及转速传感器安装尺寸由不锈钢板数控加工而成，用螺钉固定安装在大底板3上。主轴伺服电机选择高精度的三菱(或同等精度品牌)成品件，转速传感器选择高精度的欧姆龙(或同等精度品牌)成品件。

进一步地，如图5和图6所示，所述绕线长度检测机构6由编码器601、长度检测安装板602、三个排线轮603、两个过线轮604、编码器传动轮605、压线同步带606、三个同步带轮607等组成。所述编码器601与所述编码器传动轮605连接，所述压线同步带606与所述编码器传动轮605、三个同步带轮607连接

绕线前在所述编码器传动轮605上缠一圈，绕线时所述压线同步带606压紧漆包线，漆包线带动所述编码器传动轮605转动，所述编码器601计数，从而得到精确的漆包线长度数值。由漆包线长度数值，所述主轴箱4上的触摸屏内的PLC软件可根据公式R＝ρ×(L1+L2)/S+R1计算出精确的线圈电阻值，同时触摸屏显示数值。(铜线电阻率ρ＝0.0172、L1为测量漆包线长度、L2为起线长度、S为漆包线横截面积、R1为补偿阻值)。为减少摩擦，排线轮603、过线轮604、编码器传动轮605、同步带轮607均采用高精度滚珠轴承安装于长度检测安装板602上。所述长度检测安装板602用螺钉与所述送线机构7固定一体。

进一步地，如图7、图8所示，所述送线机构7由送线精密直线模组701、送线伺服电机702、送线安装板703、可调排线轮704等组成。

所述排线机构8由安装座801、排线精密直线模组802、排线伺服电机803等组成。

上述中的所述送线精密直线模组701、所述排线精密直线模组802均与由精密涡轮蜗杆+回字梁制作而成；所述可调排线轮704包含了支撑杆、排线针嘴及中间轴。

所述送线机构7中，所述可调排线轮704通过安装支架及螺钉固定安装在所述送线安装板703上，所述送线安装板703通过螺钉固定安装在所述送线精密直线模组701上(实质是所述送线安装板703固定在所述送线精密直线模组701中的涡轮上)，所述送线伺服电机702通过联轴器与所述送线精密直线模组701连接(实质是所述送线伺服电机702的输出轴通过联轴器与所述送线精密直线模组701中的蜗杆相连接)，并用螺钉和法兰固定。

所述排线机构8中，所述排线伺服电机803通过联轴器与所述排线精密直线模组802相连接(实质是所述排线伺服电机803的输出轴通过联轴器与所述排线精密直线模组802中的蜗杆相连接)，并用螺钉和法兰固定。所述排线机构8的上部，所述送线机构7中的送线精密直线模组701通过连接板与所述排线精密直线模组802相连接(实质是所述送线精密直线模组701通过连接板固定在所述排线精密直线模组802中的涡轮上)，并用螺钉固定。所述排线机构8的下部通过“工”字安装座801用螺钉固定安装在所述大底板3上。

所述送线机构7根据电磁铁所绕线圈的层数设置，由所述送线伺服电机702带动所述送线精密直线模组701驱动所述可调排线轮704纵向(Y方向)移动，控制排线针嘴送线距离，每绕制一层可以自动后退一个线径距离，这样，在产品越绕越大的时候可以避免碰撞，所述送线机构7最大可回旋直径为200mm。

所述排线机构8根据所绕电磁铁线圈槽宽的设置，由所述排线伺服电机803带动所述排线精密直线模组802驱动送线机构7及其可调排线轮704横向(X方向)移动。跟随主轴箱4内的主轴转速传感器输出指令，主轴箱4内的主轴每转一圈，所述排线伺服电机803带动所述排线精密直线模组802驱动可调排线轮704横向(X方向)移动一个线径距离，所述排线机构8行程范围为0～200mm。

所述可调排线轮704的中间轴插入支架中用螺钉稍稍拧紧，这样可以手动调节排线针嘴适宜的高度(Z方向)。排线针嘴用耐磨的钨钢材质制成，内孔表面通过磨粒流精密研磨加工(Ra0.4)，以避免对漆包线的磨损或划伤损坏。

如图9所示，所述伺服电机主动送线张力器9选择型号SF600，跟随绕线装置主轴速度主动送线，张力稳定，漆包线不会因为张力被错误拉细，跟随精度高，响应快。张力范围：20-450g。

所述张力器架10由角钢和钢板制作+喷塑处理，高980mm。所述张力器架10的上端用于安装伺服电机主动送线张力器9，下部600mm(长)×500mm(宽)×50mm(高)，用于放置漆包线。

一种电磁铁绕线装置的使用方法，应用上述的一种电磁铁绕线装置，以如图12所示的电磁铁骨架为例，进行电磁铁绕线。

电磁铁绕线装置的电源电压为220V±10％，单项电源线三芯插头的中间插芯要可靠接地。气源气压为1MPa±10％。

电磁铁绕线装置的控制系统由PLC作为主控制器，主轴箱4上的触摸屏作为人机友好交互界面，绕线系统利用人机交互触摸屏实现操作，实现的功能包含各个系统的单动动作、联动动作，点动运行、连动运行、收线放线的正反转设置、排线的左右移动设置、速度、线径的设置、单层的运行、多层的连续运行等。而运动部分包含收线主轴运动部分、送线轴运动部分、排线架升降部分以及排线左右移动部分等。

具体步骤如下：

步骤(一)根据电磁铁骨架的型号选择对应配套的转轴，将转轴插入到主轴孔内后通过锁紧螺钉拧紧连接，通过转轴和尾顶机构2将电磁铁骨架进行装夹。

具体的，转轴插入主轴孔后由锁紧螺钉拧紧，为保证转轴转动的同轴度，应测定转轴的跳动量，跳动量应不大于0.05mm，保证骨架绕线时不偏心。尾顶机构2的顶尖与转轴中心轴线也应保持同轴，松开手柄移动尾顶机构2时，顶尖轻轻碰上顶盖即可，然后顺时针转动手柄锁紧，后续由稳压器输出0.5～0.6MPa，主轴转速0～500rpm(视线径而定)，可绕线径范围0.1～1.0mm。

步骤(二)漆包线线包放置在张力器架10的底部，抽出线头经过伺服电机主动送线张力器9的送线轮后，引入绕线长度检测机构6中，先从过两个过线轮604穿过并经过编码器传动轮605与同步带轮607之间，再从两个过线轮604穿出，并依次穿过三个排线轮603，随后线头依次穿过送线机构7上的可调排线轮704及可调排线轮中的排线针嘴，再把漆包线放入电磁铁骨架上的引出线凹槽中稍稍拉紧，将漆包线头部在转轴锁定螺钉上缠绕一圈后，用纸胶带将线头部粘接在转轴上，防止松脱，转动转轴一圈，将漆包线均匀贴近端部，如图10所示。转轴的方向可正转也可反转，但必须和后续程序设置的转动方向一致。

步骤(三)绕线过程中，绕线长度检测机构6检测漆包线绕线长度，由主轴箱4上触摸屏内的PLC软件进行计算线圈的电阻并显示数值，判断电磁铁线圈电阻是否满足技术指标要求。伺服电机主动送线张力器9跟随主轴箱4上的主轴速度主动送线，张力稳定，漆包线不会因为张力被错误拉细。

步骤(四)绕线过程中，由送线伺服电机702带动送线精密直线模组701驱动可调排线轮704纵向(Y方向)移动，控制可调排线轮704上排线针嘴的送线距离，使得每绕制一层可以自动后退一个线径距离。送线机构7最大可回旋直径200mm。

排线左右移动部分由排线机构8跟随主轴箱4内的主轴转速传感器输出指令实现。排线系统由位置环、速度环和电流环组成。位置环用来将给定位置和电机实际反馈位置比较，以达到最小误差的要求。速度环根据反馈量实时调节电机电流，即电机速度。速度环的速度决定了整个系统的动态响应速度。电流环主要用来计算电机传动的力矩，可以根据提前保存的电机数据自动优化设置参数。使得主轴每转一圈，排线伺服电机803带动排线精密直线模组802驱动可调排线轮704横向(X方向)移动一个线径距离。

进一步地，如图11所示，可以手动调节可调排线轮704中排线针嘴的高度。以使得漆包线在开始绕线和骨架绕满时，针管处科学合理的折角在5°～20°之间。当漆包线折角过小时，排线不易整齐；当漆包线折角过大时，漆包线在针管处受力太大，容易磨线，针管发热，同时针管也容易磨损。

步骤(五)排线机构8沿X方向移动时会产生误差，移动累积误差超过三匝直径距离时，应及时处理。

具体的，排线机构8移动与漆包线外径大小有关(包括漆皮厚度，用千分尺实测)，主轴转动一圈，排线机构8移动一个漆包线外径大小的位移，电磁铁绕线装置记录一匝。由于漆包线外径均匀性和伺服系统控制精度的影响，排线机构8移动将会产生误差，误差累积到一定程度，漆包线绕制过程中就会出现跳线或排列稀松，导致线圈绕制失败。因此，排线机构8移动累积误差超过3匝直径距离时，应及时处理。

进一步地，排线机构8移动累积误差的具体处理过程为：先按主轴箱4上触摸屏中的“启/停”键，使绕线暂停，然后按主轴箱4上触摸屏中的“←”键或“→”键，改变排线机构8的位置，同时采用分段拟合方法，将主轴电机旋转一周的输入量与输出量步进电机之间的关系进行非线性表达，根据层数上漆包线状态，分层设置各参数，即：将单位线径的脉冲数分配给几个状态进行控制，达到单位匝数下排线器与主轴电机的完全同步，消除排线机构8的移动累积误差。

步骤(六)重复步骤(四)至步骤(五)直至完成设定的绕线圈数。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。