CN106298230B - 一种多功能超导线圈绕制装置及绕制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能超导线圈绕制装置，包括放线系统、收线系统、顶紧机构、压线机构、检测系统和控制系统；放线系统包括放线骨架、放线转轴、放线底盘、导线轮组、放线伺服电机、放线水平导轨、放线竖直导轨和放线减速机，收线系统包括收线转轴、收线花盘底座、收线伺服电机、收线减速机、收线水平导轨和柜体，顶紧机构包括尾座箱体、顶尖、摇动手柄和尾座电机，压线机构包括压线轮、竖直拉杆、压线水平导轨、压线竖直导轨、伺服电机和水平连杆；本发明还公开了一种利用所述的多功能超导线圈绕制装置进行超导线圈绕制的方法；本发明可用于实现不同类型和不同规格的超导线圈的绕制，并对绕制过程进行程序控制和实时保护。

Description

一种多功能超导线圈绕制装置及绕制方法

技术领域

本发明属于超导应用技术领域，具体涉及一种多功能超导线圈绕制装置，以及其绕制方法。

背景技术

超导线圈作为超导装备的核心部件，其性能的好坏直接影响到超导装备的工作能力和使用寿命。一般情况下，超导线圈都是工作在低温和强磁场环境下，线圈会发生收缩，且在电磁场的作用下发生一定程度的变形。因此，超导线圈既要具有一定的韧性，还得具有一定的强度。

由于超导线材是一种扁平带状结构，属于一种脆性材料，折损后无法恢复原态，一旦局部发生折损都可能降低其载流性能，从而影响整个线圈的性能，这就要求在线圈绕制过程中保证线材具有一定的弯曲半径。同时，绕制时线材上的张力不宜过大也不宜过小，张力过大将可能导致线材内部受损，甚至可能被拉断，张力过小将导致绕制的线圈紧密贴合度不高，使得线匝之间存在较大间隙，这会降低线圈的整体机械特性和导热性能。对于双饼线圈，单饼线圈之间既要保证一定的间隙，以防止绕制时线材边沿发生摩擦破坏绝缘层，但间隙又不能太大，太大了将影响导热性能，因此要求在绕制过程中能精确的控制单饼线圈之间的间隙大小。这些因素都将给超导线圈的绕制带来很大挑战，同时也给绕制装置和绕制流程提出了较高要求。

鉴于超导线圈本身特有的复杂结构和特殊工艺要求，常规线圈的绕制装置都无法适用于超导线圈的绕制。近几年，国内外在超导线圈绕制方面的研究也较少。早在2012年，中船重工集团公司第七二五研究所提出的“一种恒张力无损超导绕线装置及绕线方法”可以实现超导线圈的恒张力绕制，但由于其采用卧式安装，当绕制双饼线圈时容易产生上下层线材边沿的摩擦，严重时甚至会破坏超导线的绝缘；而且绕线装置中缺少压线机构，难以保证线圈线匝之间的贴合度，最终将导致线匝之间的间隙较大；其张力检测是依靠测量被动盘主轴的扭矩，再换算出超导线所受的张力，并非直接测取超导线上的张力，这种方式可能会由于放线盘剩余线圈的半径不断变化导致换算结果存在一定误差，进而影响张力的控制精度。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有绕线装置的缺陷和不足，提供一种多功能超导线圈绕制装置，用于实现不同类型和不同规格的超导线圈的绕制，并对绕制过程进行程序控制和实时保护。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多功能超导线圈绕制装置，包括放线系统、收线系统、顶紧机构、压线机构、检测系统和控制系统；

所述的放线系统包括放线水平导轨、活动设置在放线水平导轨上的放线竖直导轨和活动设置在放线竖直导轨上的放线骨架，所述的放线骨架上活动设置有与放线水平导轨相平行的放线转轴，所述的放线转轴的一端设置有放线底盘，其另一端连接有放线伺服电机，所述的放线骨架上还活动设置有导线轮组；

所述的收线系统包括柜体、设置在柜体内侧与放线水平导轨相平行的收线水平导轨和活动设置在柜体上与收线水平导轨相平行的收线转轴，所述的收线转轴上设置有与放线底盘相平行的收线花盘底座，所述的收线转轴的一端连接有收线伺服电机；

所述的顶紧机构包括活动设置在收线水平导轨上的尾座箱体和活动设置在尾座箱体上的与收线转轴同轴的顶尖，所述的尾座箱体上还设置尾座电机，所述的顶尖的一端连接有摇动手柄；

所述的压线机构包括设置在柜体内侧与收线水平导轨相平行的压线水平导轨和活动设置在压线水平导轨上的压线竖直导轨，所述的压线竖直导轨上活动设置有竖直拉杆，所述的竖直拉杆下端铰接有水平连杆，所述的水平连杆的两端分别活动设置有压线轮，所述的竖直拉杆上还设置有伺服电机；

所述的检测系统包括张力传感器、放线转轴编码器、收线转轴编码器和导线轮编码器；

所述的控制系统包括可编程逻辑控制器、数字I/O模块、模拟I/O模块、隔离电源模块、高性能伺服驱动器、启动按钮、急停按钮、信号指示灯和操作界面。

所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其收线花盘底座上沿径向按规律设置有多个U形槽。

所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其导线轮组包括按规律排列的多个中间导线轮和小导线轮及末端导线轮，所述的中间导线轮、小导线轮和末端导线轮的外圆周上均设置有线槽。

所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其张力传感器设置在小导线轮上，所述的放线转轴编码器设置在放线伺服电机上，所述的收线转轴编码器设置在收线伺服电机上，所述的导线轮编码器设置在末端导线轮上。

所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其放线转轴与放线伺服电机之间设置有放线减速机，所述的收线转轴与收线伺服电机之间设置有收线减速机。

本发明的目的之二在于提供一种利用多功能超导线圈绕制装置进行超导线圈绕制的方法，包括下列步骤：

步骤1，通过操作界面将各运动部件调整至零位，并确认放线底盘与收线花盘底座处于同一平面，必要时可根据实际情况对零位进行重置；

步骤2，将超导线圈底板和线圈内模固定到收线花盘底座上，并移动顶紧机构，使得顶尖顶住收线转轴的端部；

步骤3，将放线盘固定到放线底盘上，将超导线顺着导线轮组一直牵引到收线花盘底座上的线圈内模上，并用胶水固定住；

步骤4，通过操作界面移动压线机构，并使压线轮与线圈内模外表面接触；

步骤5，在操作界面上设置绕线模式和转动方向，同时设定需要绕制的匝数、绕制张力和转速，并设置报警阈值；

步骤6，触发启动按钮，收线转轴和放线转轴开始旋转，初始阶段转速保持在1转/分，观察是否运转正常，若一切正常，则长按启动按钮3秒后，转速自动升到设定转速，进入正常绕线模式；

步骤7，在正常绕线过程中，收线转轴将始终按照设定转速旋转，放线转轴的转速将根据检测的绕制张力的变化进行自动调整，进而保证超导线上的张力稳定，一旦张力超出设置的最大张力阈值，信号指示灯将闪烁报警，若发生断线，系统将自动减速并停车；

步骤8，在绕制完设定匝数之前，系统通过放线转轴编码器检测放线匝数，再根据已知的线材厚度和线材原始长度可计算出放线盘内剩余的匝数，一旦剩余匝数为3匝时，系统将自动减速至1转/分，信号灯给出报警指示，提示操作人员准备停车，并更换放线盘；

步骤9，系统根据收线转轴编码器检测已绕制的匝数，当达到设定匝数时，系统将自动减速并停车，完成单层线圈的绕制；

步骤10，通过操作界面将放线骨架水平移动到下一层线圈的绕制位置，并重复以上第3—9步骤，完成整个双饼线圈的绕制。

本发明的有益效果是：

1、采用立式安装，线圈绕制的旋转面处于竖直平面，这样有利于控制和调整上下层线圈之间的间隙，从而有效防止绕制上层线圈时对下层线圈的摩擦；

2、收线系统中的收线花盘底座沿径向按规律开设有多个U形槽，使得固定螺栓可沿径向随意调整位置，以便于安装不同规格和不同形状的超导线圈底板，从而实现跑道形、矩形、圆筒形等多种形状超导线圈的绕制成型；

3、通过将张力传感器安装在小导线轮上，直接检测超导线拉紧状态时的张力，可以获得较高的检测精度；

4、压线机构采用可自转的一对压线轮触压超导线，具有良好的跟随性和一定的触压力，从而有效保障了线圈绕制的紧密贴合度；

5、本发明采用的检测系统和控制系统，可以实现线圈恒转速与恒张力运行，同时具有断线自动保护和张力过大保护，以及可根据绕制匝数的检测和运算，判断绕制进度并自动停车。

附图说明

图1是本发明多功能超导线圈绕制装置主视图；

图2是本发明多功能超导线圈绕制装置旋转90°后的俯视图。

各附图标记为：1—放线系统，101—放线骨架，102—放线转轴，103—放线底盘，104—导线轮组，1041—小导线轮，1042—末端导线轮，105—放线伺服电机，106—放线水平导轨，107—放线竖直导轨，108—放线减速机，2—收线系统，201—收线转轴，202—收线花盘底座，203—收线伺服电机，204—收线减速机，205—收线水平导轨，206—柜体，3—顶紧机构，301—尾座箱体，302—顶尖，303—摇动手柄，304—尾座电机，4—压线机构，401—压线轮，402—竖直拉杆，403—压线水平导轨，404—压线竖直导轨，405—伺服电机,406—水平连杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1至图2所示，本发明公开了一种多功能超导线圈绕制装置及绕制方法，包括平行设置的放线系统1与收线系统2、顶紧机构3、压线机构4、检测系统和控制系统。

所述的放线系统1包括放线水平导轨106、活动设置在放线水平导轨106上的放线竖直导轨107和活动设置在放线竖直导轨107上的放线骨架101，所述的放线骨架101采用立式安装，既可沿放线水平导轨106移动，也可沿放线竖直导轨107移动；所述的放线骨架101上活动设置有与放线水平导轨106相平行的放线转轴102，所述的放线转轴102的一端连接有放线伺服电机105，其另一端设置有放线底盘103，当放线伺服电机105驱动放线转轴102旋转时，放线底盘103随放线转轴102一起旋转；所述的放线骨架101上还活动设置有导线轮组104，所述的导线轮组104包括按规律排列的多个中间导线轮和小导线轮1041及末端导线轮1042，各导线轮的外径需大于超导线许可的最小弯曲半径，所述的中间导线轮、小导线轮1041和末端导线轮1042的外圆周上均设置有线槽，线槽宽度较超导线宽度稍宽约2mm，可轻松自转，同时各导线轮处于同一个旋转平面，并与放线底盘103的旋转平面平行；所述放线减速机108安装在放线转轴102与放线伺服电机105之间，用于实现放线伺服电机105高转速到放线转轴102所需转速的平缓过渡。

所述的收线系统2包括柜体206、设置在柜体206内侧与放线水平导轨106相平行的收线水平导轨205和活动设置在柜体206上与收线水平导轨205相平行的收线转轴201，所述的收线转轴201上设置有与放线底盘103相平行的收线花盘底座202，所述的收线转轴201的一端设置有收线伺服电机203，所述的收线转轴201与收线伺服电机203之间设置有收线减速机204，当收线伺服电机203驱动收线转轴201旋转时，收线花盘底座202随收线转轴201一起旋转，花盘底座202的旋转平面与放线底盘103的旋转平面平行。所述的收线水平导轨205与放线水平导轨106均利用底脚螺栓固定在地面平台上。

所述的顶紧机构3包括活动设置在收线水平导轨205上的尾座箱体301和活动设置在尾座箱体301上的与收线转轴201同轴的顶尖302，所述的尾座箱体301上还设置尾座电机304，所述的尾座电机304驱动尾座箱体301在收线水平导轨205上移动，所述的顶尖302的一端连接有摇动手柄303，通过摇动手柄303控制顶尖302沿收线水平导轨205方向进退。

所述的压线机构4包括设置在柜体206内侧与收线水平导轨205相平行的压线水平导轨403和活动设置在压线水平导轨403上的压线竖直导轨404，所述的压线竖直导轨404上活动设置有竖直拉杆402，所述的竖直拉杆402上设置有伺服电机405，伺服电机405驱动竖直拉杆402既可沿压线水平导轨403方向移动，又可沿竖直方向移动；所述的竖直拉杆402的下端铰接有水平连杆406，所述的水平连杆406的两端分别活动设置有压线轮401，压线轮401用于直接触压超导线，两个压线轮401可绕铰接中心自由转动，并且压线轮401自身可绕其轮心进行自转，从而有效保障了压线轮与线圈能紧密贴合。

所述的检测系统包括张力传感器、放线转轴编码器、收线转轴编码器和导线轮编码器。所述的张力传感器设置在导线轮组104的其中一个小导线轮1041上，直接检测超导线拉紧状态时的张力；所述的放线转轴编码器设置在放线伺服电机105上，用于检测放线底盘的旋转圈数（放线匝数）；所述的收线转轴编码器设置在收线伺服电机203上，用于检测收线花盘底座的旋转圈数（收线匝数）；所述的导线轮编码器设置在导线轮组104的末端导线轮1042上，用于检测末端导线轮的旋转圈数，进而根据末端导线轮的直径可以计算出放线长度。

所述的控制系统包括可编程逻辑控制器、数字I/O模块、模拟I/O模块、隔离电源模块、高性能伺服驱动器、启动按钮、急停按钮、信号指示灯和操作界面；所有部件的运动指令统一由所述的启动按钮进行触发，在所述的操作界面中可设置运行参数，如转速/线速度、张力、绕制匝数、移动距离、正反转切换和报警阈值等；运行参数设置完成后，触发所述的启动按钮即可进入自动绕线模式，启动阶段系统将按照默认的低转速（1r/min，可调整设置），待长安启动按钮3秒后将按照设定的转速运行，并保持转速（或线速度）和张力不变，等绕制到指定匝数，系统将自动停车；同时，在绕制过程中，当转速（或线速度）和张力超出设定阈值，所述的信号指示灯将闪烁，若发生断线，系统将自动停车。

所述的收线花盘底座202上沿径向按规律设置有多个U形槽，使得固定螺栓可沿径向随意调整位置，以便于安装不同规格和不同形状的超导线圈底板，从而实现跑道形、矩形、圆筒形等多种形状超导线圈的绕制成型。

所述的花盘底座202和放线底盘103均采用立式安装，以使线圈绕制的旋转面处于竖直平面，有利于控制和调整上下层线圈之间的间隙，其间隙调整通过控制放线骨架101在放线水平导轨106上的移动来实现，从而有效防止绕制上层线圈时对下层线圈的摩擦。

本发明还公开了一种利用所述的多功能超导线圈绕制装置进行超导线圈绕制的方法，包括下列步骤：

步骤1，通过操作界面将各运动部件调整至零位，并确认放线底盘103与收线花盘底座202处于同一平面，必要时可根据实际情况对零位进行重置。

步骤2，将超导线圈底板和线圈内模固定到收线花盘底座202上，并移动顶紧机构3，使得顶尖302顶住收线转轴201的端部。

步骤3，将放线盘固定到放线底盘103上，将超导线顺着导线轮组104一直牵引到收线花盘底座202上的线圈内模上，并用胶水固定住。

步骤4，通过操作界面移动压线机构4，并使压线轮401与线圈内模外表面接触。

步骤5，在操作界面上设置绕线模式和转动方向，同时设定需要绕制的匝数、绕制张力和转速，并设置报警阈值（如最高转速阈值、最大张力阈值等）。

步骤6，触发启动按钮，收线转轴201和放线转轴102开始旋转，初始阶段转速保持在1转/分，观察是否运转正常，若一切正常，则长按启动按钮3秒后，转速自动升到设定转速，进入正常绕线模式。

步骤7，在正常绕线过程中，收线转轴201将始终按照设定转速旋转，放线转轴102的转速将根据检测的绕制张力的变化进行自动调整，进而保证超导线上的张力稳定，一旦张力超出设置的最大张力阈值，信号指示灯将闪烁报警，若发生断线，系统将自动减速并停车。

步骤8，在绕制完设定匝数之前，系统通过放线转轴编码器检测放线匝数，再根据已知的线材厚度和线材原始长度可计算出放线盘内剩余的匝数，一旦剩余匝数为3匝时，系统将自动减速至1转/分，信号灯给出报警指示，提示操作人员准备停车，并更换放线盘。

步骤9，系统根据收线转轴编码器检测已绕制的匝数，当达到设定匝数时，系统将自动减速并停车，完成单层线圈的绕制。

步骤10，通过操作界面将放线骨架101水平移动到下一层线圈的绕制位置，并重复以上第3—9步骤，完成整个双饼线圈的绕制。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，并不说明本发明的局限性，对于超导线圈和具有类似特征的常规线圈的绕制装置及绕制方法都应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多功能超导线圈绕制装置，其特征在于：包括放线系统（1）、收线系统（2）、顶紧机构（3）、压线机构（4）、检测系统和控制系统；

所述的放线系统（1）包括放线水平导轨（106）、活动设置在放线水平导轨（106）上的放线竖直导轨（107）和活动设置在放线竖直导轨（107）上的放线骨架（101），所述的放线骨架（101）上活动设置有与放线水平导轨（106）相平行的放线转轴（102），所述的放线转轴（102）的一端设置有放线底盘（103），其另一端连接有放线伺服电机（105），所述的放线骨架（101）上还活动设置有导线轮组（104）；

所述的收线系统（2）包括柜体（206）、设置在柜体（206）内侧与放线水平导轨（106）相平行的收线水平导轨（205）和活动设置在柜体（206）上与收线水平导轨（205）相平行的收线转轴（201），所述的收线转轴（201）上设置有与放线底盘（103）相平行的收线花盘底座（202），所述的收线转轴（201）的一端连接有收线伺服电机（203）；

所述的顶紧机构（3）包括活动设置在收线水平导轨（205）上的尾座箱体（301）和活动设置在尾座箱体（301）上的与收线转轴（201）同轴的顶尖（302），所述的尾座箱体（301）上还设置尾座电机（304），所述的顶尖（302）的一端连接有摇动手柄（303）；

所述的压线机构（4）包括设置在柜体（206）内侧与收线水平导轨（205）相平行的压线水平导轨（403）和活动设置在压线水平导轨（403）上的压线竖直导轨（404），所述的压线竖直导轨（404）上活动设置有竖直拉杆（402），所述的竖直拉杆（402）下端铰接有水平连杆（406），所述的水平连杆（406）的两端分别活动设置有压线轮（401），所述的竖直拉杆（402）上还设置有伺服电机（405）；

所述的检测系统包括张力传感器、放线转轴编码器、收线转轴编码器和导线轮编码器；

所述的控制系统包括可编程逻辑控制器、数字I/O模块、模拟I/O模块、隔离电源模块、高性能伺服驱动器、启动按钮、急停按钮、信号指示灯和操作界面。

2.根据权利要求1所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其特征在于，所述的收线花盘底座（202）上沿径向按规律设置有多个U形槽。

3.根据权利要求1所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其特征在于，所述的导线轮组（104）包括按规律排列的多个中间导线轮和小导线轮（1041）及末端导线轮（1042），所述的中间导线轮、小导线轮（1041）和末端导线轮（1042）的外圆周上均设置有线槽。

4.根据权利要求1所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其特征在于，所述的张力传感器设置在小导线轮（1041）上，所述的放线转轴编码器设置在放线伺服电机（105）上，所述的收线转轴编码器设置在收线伺服电机（203）上，所述的导线轮编码器设置在末端导线轮（1042）上。

5.根据权利要求1所述的一种多功能超导线圈绕制装置，其特征在于，所述的放线转轴（102）与放线伺服电机（105）之间设置有放线减速机（108），所述的收线转轴（201）与收线伺服电机（203）之间设置有收线减速机（204）。

6.一种利用权利要求1至5任意一项所述的多功能超导线圈绕制装置进行超导线圈绕制的方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1，通过操作界面将各运动部件调整至零位，并确认放线底盘（103）与收线花盘底座（202）处于同一平面；

步骤2，将超导线圈底板和线圈内模固定到收线花盘底座（202）上，并移动顶紧机构（3），使得顶尖（302）顶住收线转轴（201）的端部；

步骤3，将放线盘固定到放线底盘（103）上，将超导线顺着导线轮组（104）一直牵引到收线花盘底座（202）上的线圈内模上，并用胶水固定住；

步骤4，通过操作界面移动压线机构（4），并使压线轮（401）与线圈内模外表面接触；

步骤5，在操作界面上设置绕线模式和转动方向，同时设定需要绕制的匝数、绕制张力和转速，并设置报警阈值；

步骤6，触发启动按钮，收线转轴（201）和放线转轴（102）开始旋转，初始阶段转速保持在1转/分，观察是否运转正常，若一切正常，则长按启动按钮3秒后，转速自动升到设定转速，进入正常绕线模式；

步骤7，在正常绕线过程中，收线转轴（201）将始终按照设定转速旋转，放线转轴（102）的转速将根据检测的绕制张力的变化进行自动调整，进而保证超导线上的张力稳定，一旦张力超出设置的最大张力阈值，信号指示灯将闪烁报警，若发生断线，系统将自动减速并停车；

步骤8，在绕制完设定匝数之前，系统通过放线转轴编码器检测放线匝数，再根据已知的线材厚度和线材原始长度可计算出放线盘内剩余的匝数，一旦剩余匝数为3匝时，系统将自动减速至1转/分，信号灯给出报警指示，提示操作人员准备停车，并更换放线盘；

步骤9，系统根据收线转轴编码器检测已绕制的匝数，当达到设定匝数时，系统将自动减速并停车，完成单层线圈的绕制；

步骤10，通过操作界面将放线骨架（101）水平移动到下一层线圈的绕制位置，并重复以上第3—9步骤，完成整个双饼线圈的绕制。