CN106206002B - 一种超导磁体自动绕线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超导磁体自动绕线装置，包括放线单元、绕线单元和控制单元，绕线单元包括收线架、收线组件和压线组件，压线组件和收线组件从上至下顺序安装于收线架上；本发明通过闭环控制系统控制放线伺服电机和收线伺服电机，根据张力传感器反馈的张力信号调节放线伺服电机和收线伺服电机的转速，使得放线轮角速度跟随度时刻变化的收线夹具角速度，实现张力恒定控制，完成绕线功能，收线组件上方设置压线组件，通过两组由伺服电机和滚珠丝杠副构成的位置调节机构调节压线轮的空间位置，使压线轮在绕制的任一时刻，与收线夹具的切点有一个稳定的接触，这样可以使导线层间间隙更小更均匀，提高绕制质量，达到更好的绕制效果。

Description

一种超导磁体自动绕线装置

技术领域

本发明提供了一种绕线装置，具体涉及一种超导磁体自动绕线装置，属于机械自动化技术领域。

背景技术

超导磁体是用超导体导线绕组制成的产生磁场的装置。由于超导线圈无电阻，超导体导线中可通过很大电流而无损耗，也不需要铁芯，没有铁芯损耗，可在体积很小的情况下产生强磁场。在现代工业和科研当中，绕线机的出现使线圈类产品的技术工艺和性能有了巨大提升。

超导磁体自动绕线装置的重点和难点在于对张力的检测和控制。不像常见的绕线机绕制圆形线圈，该绕线装置绕制的线圈是双马蹄形线圈(跑道形线圈)，在线圈绕制过程中，收线轮每一点的角加速度和角速度都是变化的，因此在线圈各点的张力也是时刻变化的。线圈绕制时，放线轮放线速度要与收线轮收线速度相一致，如果放线轮速度过慢，会导致线被拉过紧而扯断，速度过快则达不到线圈的质量要求。

绕线机的发展经历了简易控制、CNC控制、伺服高精度控制三个阶段，目前国内的绕线机仍然以半自动式绕线机(CNC控制)为主，具有操作繁复、人机交互界面不够友好、控制精度不高等缺点，而超导磁体线圈材料昂贵，形状特殊，更亟需一种能够提高绕线质量和效率、减轻职工劳动强度的绕线装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，并提供一种超导磁体自动绕线装置，解决放线轮角速度跟随度时刻变化的收线夹具角速度的难题。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种超导磁体自动绕线装置，至少包括放线单元和绕线单元，所述放线单元包括放线伺服电机、放线架底座、放线架纵移导轨、放线架纵移电机、放线轮、放线架、张力传感器、2个正向导向轮和2个反向导向轮，放线架纵移导轨和放线架纵移电机均固定于放线架底座上，放线架安装于放线架纵移导轨上并且通过放线架纵移电机驱动，放线伺服电机、放线轮、张力传感器和各导向轮均安装于放线架上，放线轮通过放线伺服电机驱动，2个正向导向轮和2个反向导向轮分别位于放线轮的上下两侧并且均与张力传感器呈三角形分布；所述绕线单元包括收线架、收线组件和压线组件，压线组件和收线组件从上至下顺序安装于收线架上；所述收线组件包括收线伺服电机、收线轮底座、收线夹具、收线夹具主轴和主轴箱，收线轮底座安装于收线架上，收线夹具主轴通过轴承安装于主轴箱中，收线夹具主轴的一端与收线伺服电机的转轴连接、另一端与收线夹具固连，收线夹具的截面形状与跑道形线圈的形状相同；所述压线组件包括连接轴、弹簧、升降连接件、升降滚珠丝杠副、升降伺服电机、纵向伺服电机、纵向滚珠丝杠副、纵向连接件和两个压线轮，纵向伺服电机和纵向滚珠丝杠副均沿水平方向安装于收线架的顶部，纵向滚珠丝杠副通过纵向伺服电机驱动，纵向连接件与纵向滚珠丝杠副的纵向螺母固连，升降滚珠丝杠副和升降伺服电机均沿竖直方向安装于纵向连接件上，升降滚珠丝杠副通过升降伺服电机驱动，升降连接件与升降滚珠丝杠副的升降螺母固连，弹簧一端固定于升降连接件中、另一端与连接轴的中心固连，两个压线轮分别安装于连接轴的两端并且对称分布于弹簧两侧；还包括控制单元，所述控制单元包括控制器、触摸屏、编码器A、编码器B、交流伺服驱动器A和交流伺服驱动器B，触摸屏与控制器信息交互，张力传感器连接控制器的输入端，控制器、交流伺服驱动器A、放线伺服电机和编码器A通过导线连接构成放线控制回路，控制器、交流伺服驱动器B、收线伺服电机和交流伺服驱动器B通过导线连接构成收线控制回路。

所述收线架安装于收线底座上，收线底座上设有收线架纵移导轨和收线架纵移电机，收线架纵移导轨平行于放线架纵移导轨，收线架安装于收线架纵移导轨上并且通过收线架纵移电机驱动。

收线底座上设有尾座单元，所述尾座单元包括尾座纵移导轨以及带手轮和顶针的尾座，尾座滑动安装于尾座纵移导轨上，顶针的轴线与收线夹具主轴的轴线重合。

所述收线架的下部设有电柜箱体，控制器封装于电柜箱体中，收线伺服电机和主轴箱均位于电柜箱体上。

所述放线单元中设有浮动调节单元，浮动调节单元由位移微调组件、浮动调节轮架和浮动调节轮构成，浮动调节轮架通过位移微调组件安装于放线架上并且与放线架位于同一平面上，浮动调节轮安装于浮动调节轮架上并且位于收线夹具与张力传感器之间。

张力传感器通过放大电路与控制器电性连接。

放线单元和收线组件中均安装有减速箱。

由上述技术方案可知，本发明提供的超导磁体自动绕线装置，主体包括四个功能部分：放线单元、收线组件、压线组件和控制单元，其中：

1、放线单元，用于超导磁体扁平铜线的放线，放线时，放线伺服电机带动放线轮旋转，放线轮在增强材料的拉力下旋转放线，对应的收线夹具在收线伺服电机驱动下进行缠绕，从而带动扁平铜线产生运动，扁平铜线经过其中一个正向或反向导向轮后到达张力传感器的位置，然后继续经过一个正向或反向导向轮传出，即扁平铜线的正向绕制和反向绕制均通过两个导向轮导向，导向轮导引扁平铜线按设计线型缠绕到收线夹具上，导向轮控制扁平铜线走向，使之平稳运动，2个正向导向轮和2个反向导向轮分别位于放线轮的上下两侧并且均与张力传感器呈三角形分布，正向绕制或反向绕制时对应的2个导向轮的机械位置决定了扁平铜线在张力传感器处的夹角大小，安装调整时通过调节这两个导向轮的机械位置确定最佳角度；

2、收线组件，用于超导磁体扁平铜线的绕制，包括收线伺服电机、收线轮底座、收线夹具、收线夹具主轴和主轴箱，收线伺服电机通过收线夹具主轴驱动收线夹具旋转，收线夹具的截面形状与跑道形线圈的形状相同，从而绕制设计线型的双马蹄形线圈(跑道形线圈)；

3、压线组件，用于使压线轮在绕制的任一时刻，与收线夹具的切点有一个稳定的接触，包括连接轴、弹簧、升降连接件、升降滚珠丝杠副、升降伺服电机、纵向伺服电机、纵向滚珠丝杠副、纵向连接件和两个压线轮，纵向滚珠丝杠副通过纵向伺服电机驱动，带动整个压线组件纵向移动，从而使压线轮与收线夹具的侧面在同一竖直面上，升降滚珠丝杠副通过升降伺服电机驱动，调整压线轮与收线夹具之间的水平高度差，使它们的水平高度为一个合适的值使得弹簧受压压缩并且不会被过于压缩，避免弹簧产生过大的弹力，由于升降连接件与连接轴的中心通过弹簧连接，弹簧的弹性力通过连接轴作用于两个对称分布的压线轮上，两个压线轮分别安装于连接轴的两端并且对称分布于弹簧两侧，由于连接轴与弹簧只有一个连接点，并且该连接点位于连接轴的中心，而弹簧自身为柔性件，因此两个压线轮可以自由的上下摆动，以此来保证在绕制过程中任何时刻都会有一个压线轮与收线夹具稳定接触，使得导线层间间隙更小更均匀，达到更好的绕制效果；

4、控制单元，为装置的控制核心，实现张力恒定控制，触摸屏与控制器信息交互，张力传感器连接控制器的输入端，控制器、交流伺服驱动器A、放线伺服电机和编码器A通过导线连接构成放线控制回路，控制器、交流伺服驱动器B、收线伺服电机和交流伺服驱动器B通过导线连接构成收线控制回路，触摸屏用于实现人机交互，缠绕过程中需要对张力进行实时检测，本发明采用轮式张力传感器获得反馈信号，实现张力的闭环控制，此传感器是应变式力传感器，它具有响应速度快、精度高及位移量小等特点，闭环控制回路的被控对象即执行元件为放线伺服电机和收线伺服电机，反馈测量装置为两个编码器，张力传感器可以将扁平铜线上的张力转化为电信号，经过放大电路后将数据输至控制器，控制器接收到张力传感器的数据，经过计算输出对应控制指令至放线控制回路和收线控制回路，实现张力恒定控制。

放线单元和收线组件中均设置纵向移动组件，通过放线架纵移导轨和放线架纵移电机调节放线架的纵向位置，进而调节放线轮的纵向位置，通过收线架纵移导轨和收线架纵移电机调节收线底座的纵向位置，进而调节收线夹具的纵向位置，使放线轮与收线夹具在同一个垂直面上；收线组件中设置尾座单元，当绕制多组线圈时，移动尾座靠近收线架，将顶针顶住收线夹具主轴，这样可以防止收线夹具在转动时发生跑偏的情况。

放线单元中设置浮动调节单元，用于绕制前调节绕线的张紧，浮动调节单元由位移微调组件、浮动调节轮架和浮动调节轮构成，浮动调节轮架通过位移微调组件安装于放线架上并且与放线架位于同一平面上，浮动调节轮安装于浮动调节轮架上并且位于收线夹具与张力传感器之间，通过位移微调组件微调浮动调节轮架的机械位置，进而改变浮动调节轮的空间位置，调节绕线的张紧。

与现有技术相比，本发明提供的超导磁体自动绕线装置的优点如下：

(1)通过闭环控制系统控制放线伺服电机和收线伺服电机，根据张力传感器反馈的张力信号调节放线伺服电机和收线伺服电机的转速，使得放线轮角速度跟随度时刻变化的收线夹具角速度，实现张力恒定控制；

(2)在放线轮和收线夹具之间有多个导向轮，导引扁平铜线按设计线型缠绕到收线夹具上，导向轮控制扁平铜线走向，使之平稳运动。

(3)设置压线组件，通过两组由伺服电机和滚珠丝杠副构成的位置调节机构调节压线轮的空间位置，使压线轮在绕制的任一时刻，与收线夹具的切点有一个稳定的接触，这样可以使导线层间间隙更小更均匀，提高绕制质量，达到更好的绕制效果。

附图说明

图1为本发明提供的超导磁体自动绕线装置的主视图。

图2为本发明提供的超导磁体自动绕线装置的侧视图。

图3为压线组件的结构示意图。

图4为本发明提供的超导磁体自动绕线装置的控制系统结构示意图。

其中，1-放线架底座，2-放线架纵移电机，3-放线架纵移导轨，4-正向导向轮A，5-正向导向轮B，6-反向导向轮A，7-反向导向轮B，8-放线轮，9-放线架，10-张力传感器，11-收线底座，12-收线架纵移导轨，13-收线架纵移电机，14-收线架，15-收线轮底座，16-收线夹具主轴，17-收线夹具，18-压线轮，19-连接轴，20-扁平铜线，21-收线伺服电机，22-电柜箱体，23-尾座，24-顶针，25-手轮，26-尾座纵移导轨，27-销轴，28-弹簧，29-升降连接件，30-升降螺母，31-升降丝杠，32-升降伺服电机，33-纵向连接件，34-纵向螺母，35-纵向丝杠，36-纵向伺服电机，37-放大电路，38-控制器，39-触摸屏，40-减速箱B，41-交流伺服驱动器B，42-编码器B，43-编码器A，44-减速箱A，45-放线伺服电机，46-交流伺服驱动器A，47-浮动调节轮，48-浮动调节轮架，49-位移微调组件，50-主轴箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的超导磁体自动绕线装置，其结构如图1至图4所示，包括放线单元、绕线单元和控制单元，绕线单元包括收线架、收线组件和压线组件，压线组件和收线组件从上至下顺序安装于收线架14上，收线架14安装于收线底座11上，收线底座上设有收线架纵移导轨12和收线架纵移电机13，收线架纵移导轨平行于放线架纵移导轨，收线架安装于收线架纵移导轨上并且通过收线架纵移电机驱动；

如图1和图4所示，所述放线单元包括放线伺服电机45、放线架底座1、放线架纵移导轨3、放线架纵移电机2、减速箱A44、放线轮8、放线架9、张力传感器10、2个正向导向轮(正向导向轮A4、正向导向轮B5)和2个反向导向轮(反向导向轮A6和反向导向轮B7)，放线架纵移导轨和放线架纵移电机均固定于放线架底座上，放线架安装于放线架纵移导轨上并且通过放线架纵移电机驱动，放线伺服电机、放线轮、张力传感器和各导向轮均安装于放线架上，放线轮通过减速箱A44与伺服电机连接并且由放线伺服电机驱动，2个正向导向轮和2个反向导向轮分别位于放线轮8的上下两侧并且均与张力传感器10呈三角形分布；放线单元中设有浮动调节单元，浮动调节单元由位移微调组件49、浮动调节轮架48和浮动调节轮47构成，浮动调节轮架通过位移微调组件安装于放线架上并且与放线架位于同一平面上，位移微调组件可选用普通螺纹紧固件或直线位移机构，浮动调节轮47安装于浮动调节轮架48上并且位于收线夹具与张力传感器10之间，用于调节绕线的张紧；

参见图1和图2，所述收线组件包括收线伺服电机21、减速箱B40、收线轮底座15、收线夹具17、收线夹具主轴16和主轴箱50，收线轮底座15安装于收线架14上，收线夹具主轴16通过轴承安装于主轴箱50中，收线夹具主轴16的一端与收线伺服电机21的转轴连接、另一端与收线夹具17固连，收线夹具的截面形状与跑道形线圈的形状相同，收线架14的下部设有电柜箱体22，收线伺服电机21和主轴箱50均位于电柜箱体上，收线底座11上设有尾座单元，所述尾座单元包括尾座纵移导轨26以及带手轮25和顶针24的尾座23，尾座滑动安装于尾座纵移导轨上，顶针24的轴线与收线夹具主轴16的轴线重合；

参见图1和图3，所述压线组件包括连接轴19、弹簧28、升降连接件29、升降滚珠丝杠副、升降伺服电机32、纵向伺服电机36、纵向滚珠丝杠副、纵向连接件33和两个压线轮18，纵向伺服电机和纵向滚珠丝杠副均沿水平方向安装于收线架的顶部，纵向滚珠丝杠副的纵向丝杠35通过联轴器与纵向伺服电机连接并且由纵向伺服电机驱动，纵向连接件与纵向滚珠丝杠副的纵向螺母34固连，升降滚珠丝杠副和升降伺服电机均沿竖直方向安装于纵向连接件上，升降滚珠丝杠副的升降丝杠31通过联轴器与升降伺服电机连接并且通过升降伺服电机驱动，升降连接件与升降滚珠丝杠副的升降螺母30固连，弹簧一端固定于升降连接件中、另一端与连接轴的中心固连，两个压线轮通过销轴27分别安装于连接轴的两端并且对称分布于弹簧两侧；

参见图4，所述控制单元包括控制器38、触摸屏39、放大电路37、编码器A43、编码器B42、交流伺服驱动器A46和交流伺服驱动器B41，控制器封装于电柜箱体中，触摸屏与控制器信息交互，张力传感器通过放大电路37连接控制器的输入端，控制器、交流伺服驱动器A、放线伺服电机和编码器A通过导线连接构成放线控制回路，控制器、交流伺服驱动器B、收线伺服电机和交流伺服驱动器B通过导线连接构成收线控制回路。

Claims (7)

1.一种超导磁体自动绕线装置，至少包括放线单元和绕线单元，其特征在于：所述放线单元包括放线伺服电机、放线架底座、放线架纵移导轨、放线架纵移电机、放线轮、放线架、张力传感器、2个正向导向轮和2个反向导向轮，放线架纵移导轨和放线架纵移电机均固定于放线架底座上，放线架安装于放线架纵移导轨上并且通过放线架纵移电机驱动，放线伺服电机、放线轮、张力传感器和各导向轮均安装于放线架上，放线轮通过放线伺服电机驱动，2个正向导向轮和2个反向导向轮分别位于放线轮的上下两侧并且均与张力传感器呈三角形分布；所述绕线单元包括收线架、收线组件和压线组件，压线组件和收线组件从上至下顺序安装于收线架上；所述收线组件包括收线伺服电机、收线轮底座、收线夹具、收线夹具主轴和主轴箱，收线轮底座安装于收线架上，收线夹具主轴通过轴承安装于主轴箱中，收线夹具主轴的一端与收线伺服电机的转轴连接、另一端与收线夹具固连，收线夹具的截面形状与跑道形线圈的形状相同；所述压线组件包括连接轴、弹簧、升降连接件、升降滚珠丝杠副、升降伺服电机、纵向伺服电机、纵向滚珠丝杠副、纵向连接件和两个压线轮，纵向伺服电机和纵向滚珠丝杠副均沿水平方向安装于收线架的顶部，纵向滚珠丝杠副通过纵向伺服电机驱动，纵向连接件与纵向滚珠丝杠副的纵向螺母固连，升降滚珠丝杠副和升降伺服电机均沿竖直方向安装于纵向连接件上，升降滚珠丝杠副通过升降伺服电机驱动，升降连接件与升降滚珠丝杠副的升降螺母固连，弹簧一端固定于升降连接件中、另一端与连接轴的中心固连，两个压线轮分别安装于连接轴的两端并且对称分布于弹簧两侧；还包括控制单元，所述控制单元包括控制器、触摸屏、编码器A、编码器B、交流伺服驱动器A和交流伺服驱动器B，触摸屏与控制器信息交互，张力传感器连接控制器的输入端，控制器、交流伺服驱动器A、放线伺服电机和编码器A通过导线连接构成放线控制回路，控制器、交流伺服驱动器B、收线伺服电机和交流伺服驱动器B通过导线连接构成收线控制回路；通过闭环控制系统控制放线伺服电机和收线伺服电机，根据张力传感器反馈的张力信号调节放线伺服电机和收线伺服电机的转速，使得放线轮角速度跟随时刻变化的收线夹具角速度，实现张力恒定控制。

2.根据权利要求1所述的超导磁体自动绕线装置，其特征在于：所述收线架安装于收线底座上，收线底座上设有收线架纵移导轨和收线架纵移电机，收线架纵移导轨平行于放线架纵移导轨，收线架安装于收线架纵移导轨上并且通过收线架纵移电机驱动。

3.根据权利要求2所述的超导磁体自动绕线装置，其特征在于：收线底座上设有尾座单元，所述尾座单元包括尾座纵移导轨以及带手轮和顶针的尾座，尾座滑动安装于尾座纵移导轨上，顶针的轴线与收线夹具主轴的轴线重合。

4.根据权利要求1所述的超导磁体自动绕线装置，其特征在于：所述收线架的下部设有电柜箱体，控制器封装于电柜箱体中，收线伺服电机和主轴箱均位于电柜箱体上。

5.根据权利要求1所述的超导磁体自动绕线装置，其特征在于：所述放线单元中设有浮动调节单元，浮动调节单元由位移微调组件、浮动调节轮架和浮动调节轮构成，浮动调节轮架通过位移微调组件安装于放线架上并且与放线架位于同一平面上，浮动调节轮安装于浮动调节轮架上并且位于收线夹具与张力传感器之间。

6.根据权利要求1所述的超导磁体自动绕线装置，其特征在于：张力传感器通过放大电路与控制器电性连接。

7.根据权利要求1所述的超导磁体自动绕线装置，其特征在于：放线单元和收线组件中均安装有减速箱。