一种变压器线圈线饼自动打齐压紧和测量装置及工艺方法与流程

1.本发明属于变压器生产制造技术领域，具体涉及一种用于变压器线圈在绕制过程中对线饼进行自动打齐、压紧及精准测量线饼内外径尺寸、幅向尺寸的自动化装置及工艺方法。


背景技术：

2.目前，在变压器线圈的绕制过程中，需要有效控制其线饼尺寸，保证各线饼间平整、紧实，满足线圈制作相关的工艺要求。
3.线圈制作过程中，需要控制线饼辐向平整、紧实，以便减少以及消除绕制线圈时线饼内径侧高、外径侧低的“伞形”结构造成的线饼崩线、塌饼，进而导致线饼幅向收紧程度差，上下线饼(即轴向)之间间距大、松散不紧实，造成线饼轴向及幅向尺寸超差、抗短路机械强度降低的情况。目前在线圈的制作过程中，需要一名操作工负责线圈绕制，另一名操作工负责使用尼龙锤、尼龙垫块进行线饼打齐。人工打齐线饼的效果不稳定，消除“伞形”结构效果较差，并且实际效果与作业人员的状态密切相关，且作业内容简单、重复，具有一定的劳动强度，未充分发挥人力资源效益。
4.在线圈的制作过程中，除了进行线饼打齐压紧，控制线饼平整，同时需要时刻关注线圈的内外径尺寸(辐向尺寸)是否符合设计图纸并进行对应的调整。因此，在线圈绕制过程中，每个线饼操作过程中及完成后，需要多次停机多点测量线饼的辐向尺寸，以进行线圈尺寸的及时检验检查。线饼的内径尺寸测量需要两名操作工使用钢卷尺测量，钢卷尺精度1mm，实际测量的是线圈撑条组成的多边形尺寸，相较于内径
±
3mm的偏差要求，测量精度差。线饼的辐向尺寸测量，由操作工使用钢板尺进行多点测量，测量效率低、精度差。
5.以上两点问题，导致线圈绕制时需配置两名操作工进行，且两项作业完全依靠人工操作，测量作业需停机操作，作业效率低、效果未达预期。为解决以上两点问题，有必要研发一种能够替代人工进行线饼打齐压紧及测量的自动化设备，以提高线圈绕制自动化水平及产品质量。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本发明提供一种变压器线圈线饼自动打齐压紧和测量装置及工艺方法，应用在立绕机上绕制线圈阶段，实现线饼自动打齐压紧及内外径测量，使用自动化的装置代替人工进行线饼的打齐压紧，实现更均匀、更稳定的打齐压紧效果；使用自动化装置实时测量线饼的内外径尺寸，无需停机测量，实现高效、精准的测量。本发明所采用的技术方案如下：
7.一种变压器线圈线饼自动打齐压紧和测量装置，包括：放置于立绕机一侧的机械手臂，在机械手臂的前端设置打齐压紧和测量装置，打齐压紧和测量装置用于进行纸筒外径、线圈内径和线圈外径的测量及线饼的打齐和压紧；所述的机械手臂位于底座上，用于带动打齐压紧和测量装置到设定位置；在机械手臂的一侧设置有机械手臂控制箱，机械手臂
控制箱上方设置机械手臂示教器，机械手臂控制箱和机械手臂示教器用于机械手臂动作的编程和控制；操作控制平台放置于立绕机的另一侧，用于录入相关技术参数、接收采集数据、计算测量结果和控制打齐压紧和测量装置动作；所述的打齐压紧和测量装置包括：升降装置、打齐装置、压紧装置及测量装置，打齐装置、压紧装置及测量装置安装在升降装置上，升降装置与机械手臂固定连接。
8.一种变压器线圈线饼自动打齐压紧和测量工艺方法，应用前述的一种线饼自动打齐压紧和测量装置，包括以下步骤：
9.准备阶段：线饼自动打齐压紧和测量装置就位安装，与立绕机进行相对位置标定满足自动打齐压紧和测量要求，设置打齐压紧和测量装置的初始参数，安装可调模和纸筒，对线饼自动打齐压紧和测量装置进行模拟调试；
10.试绕线饼阶段：试绕线饼的第一饼，线饼自动打齐压紧及测量自动伸出到线饼上部，通过激光测量判断，打齐装置下移击打到线圈垫块对应线饼位置，压紧装置根据设定的压力施压，给线饼施加恒定轴向压力，测量装置实时测量线饼数据，操作控制平台计算测量数据，检查伞形结构及幅向尺寸，并根据实际效果微调压紧力值及打击力数值；
11.正式绕制线饼阶段：打齐装置根据测量装置的采集数值和计算结果，自动预判线圈油道垫块位置，并根据设定的打齐压力对垫块位置进行击打，打击力始终均匀施加在线饼上，同时压紧装置对线饼施加轴向压力，测量装置在线圈旋转过程中对在绕线饼及成型线饼进行实时测量，通过操作控制平台计算线饼数据并实时显示，线圈测量数据超差时报警并声光提示。
12.本发明主要优点如下：
13.(1)线饼轴向自动压紧功能。打齐装置两端配置两个高强度可调压力压辊，压辊采用多个小压辊组合而成，且压辊位置可根据线圈内外径尺寸调整，保证压紧时对应压辊均可灵活旋转，压紧力可调。持续稳定施加向下的轴向压力，减少消除线饼“伞形”结构效果好。这个在人工操作时没有，是新增加的功能，实际使用中压力持续稳定，比手工操作消除“伞形”结构的效果要好的多，而且线圈绕制过程中的轴向压紧效果显著增强。
14.(2)线饼自动打齐功能。打齐装置根据激光测量数值及算法判断，精准预判线饼油道垫块位置，精准打击在油道垫块上方，不会打在饼间造成线饼变形。打齐装置的打击头可随线饼幅向尺寸移动，使打击点始终处于线饼辐向中点位置，通过浮动压板将力均匀传递到线饼。击打频率与击打力可调。打齐效果好，减少消除线饼“伞形”结构。
15.(3)高精度尺寸测量。有静止和实时检测两项功能。绕制中可实现不停机测量，测量效率高，精度高。算法模块计算拟合圆曲线，自动去除矩形撑条影响，尺寸测量计算精准。
16.(4)测量数值超差报警。自动对比测量数据与输入的图纸数据及偏差范围，数据超差及时报警。
17.(5)危险区域设定及安全防护。危险区域用警戒色标识，设置激光幕线的光栅保护，人员靠近自动报警，进入危险区域自动停机。
18.(6)防碰撞安全装置。采取自动避让、锁紧及定位装置，避免运行时碰撞线圈，意外碰撞时自动避让。设置电气与机械防碰双保险。
附图说明
19.图1为本发明的线饼自动打齐及内外径测量装置的主视图。
20.图2-1、2-2为本发明打齐装置的主视图及立体图。
21.图3-1、3-2、3-3为本发明实施例的压紧装置的立体图及正视图和俯视图。
22.图4-1、4-2为本发明的升降装置的主视图及立体图。
23.图5-1、5-2、5-3为本发明的测量装置的三视图。
24.图中，1为机械手臂，2为机械手臂控制箱，3为打齐压紧和测量装置，4为安全光栅，5为操作控制平台，6为底座，7为安装板，8为压缩弹簧，9为直线轴承，10为挡环，11为导向轴，12为打击板，13为步进电机，14为第一直线导轨，15为同步带，16为三轴气缸安装底座，17为打击滚轮，18为固定板，19为三轴气缸，20为导向轴连接板，21为下压轮安装板，22为压辊底板，23为凸轮轴承随动器，24为压辊安装板，25为压辊，26为检测底板，27为激光位移传感器，28为传感器支架，29为安装柱，30为机械手连接板，31为气缸，32为气缸安装底座，33为第二直线导轨，34为滑块，35为滑块安装板，36为缓冲器，37为缓冲器安装板，38为导轨安装板，39为安装连接板。
具体实施方式
25.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
26.如图1所示，为本发明线饼自动打齐压紧及内外径测量装置的主视图。一种变压器线圈线饼自动打齐压紧和测量装置，包括：放置于立绕机一侧的机械手臂1，所述的机械手臂1位于底座6上，用于带动打齐压紧和测量装置3到设定位置。在机械手臂1的一侧设置有机械手臂控制箱2，机械手臂控制箱2上方设置机械手臂示教器，机械手臂控制箱2和机械手臂示教器用于机械手臂1动作的编程和控制。在机械手臂1的两侧分别设置有安全光栅4，用于安全报警，当有物体进入安全光栅区域时设备自动报警停机。操作控制平台5放置于立绕机的另一侧，用于录入相关技术参数、接收采集数据、计算测量结果和控制自动打齐压紧和测量装置3。在机械手臂1的前端设置打齐压紧和测量装置3，打齐压紧和测量装置3用于进行纸筒外径、线圈内径和线圈外径的测量及线饼的压紧、打齐。
27.作为优选的实施例，所述的机械手臂1选用lb系列搬运码垛机器人，型号为lbbd-2100-f-4。所述的操作控制平台5由控制柜、plc控制装置和触摸屏组成，设置有急停、暂停、启动按钮，plc控制装置设置在控制柜中，plc控制装置选用西门子6es7214-1ag40-oxbo，触摸屏选用西门子6av2123-2gb03-oaox(一块7寸的西门子人机交互界面hmi)。plc控制装置和触摸屏的数据交互是采用西门子专用的协议——s7协议来进行数据交互，通过一根网线即可连接plc与hmi实现数据实时交互；打齐压紧和测量装置3属于控制柜下的一个控制子部分，打齐压紧和测量装置3采集的数据和接收的控制信号包含有io信号、模拟量信号、高速脉冲信号，通过多条多芯线缆将控制柜与打齐压紧和测量装置3连接，多芯线缆接入至打齐压紧和测量装置3的电磁阀、传感器、激光位移传感器、步进驱动电机，同时线缆在控制柜侧最终是接入到plc控制装置的端子上。
28.所述的打齐压紧和测量装置3包括：升降装置、打齐装置、压紧装置及测量装置，打齐装置、压紧装置及测量装置安装在升降装置上，升降装置与机械手臂1固定连接。
29.如图2-1、2-2所示，为本发明实施例的打齐装置的主视图及立体图。所述的打齐装置悬浮在线饼上方用于将线饼打齐，基本消除线饼伞形结构，包括安装板7、压缩弹簧8、直线轴承9、挡环10、导向轴11、打击板12、步进电机13、第一直线导轨14、同步带15、三轴气缸安装底座16、打击滚轮17、固定板18、三轴气缸19和导向轴连接板20。安装板7为具有一定厚度的长方形板状结构，在安装板7的中间位置贯通对称设置一对直线轴承9，直线轴承9中设置有导向轴11，两个导向轴11的上端部固定连接导向轴连接板20，两个导向轴11的上部套装压缩弹簧8提供缓冲，两个导向轴11的下端部固定连接打击板12，两个导向轴11的下部套装挡环10限位。所述的打击板12由打击底板和打击接触板组合而成，打击接触板为绝缘材料制作，打击接触板在打齐时与线饼接触。安装板7的上侧面一角固定安装步进电机13，步进电机13的输出轴连接同步带15，安装板7的上侧面长度方向上设置与步进电机13相配合的两条第一直线导轨14，第一直线导轨14与两个导向轴11平行设置；三轴气缸底座16安装在两条第一直线导轨14上，三轴气缸底座16的外周与同步带15接触连接，通过步进电机13控制同步带15转动，带动三轴气缸底座16可以在两条第一直线导轨14上水平移动，三轴气缸19安装在三轴气缸底座16的下侧面，打击滚轮17通过固定板18与三轴气缸19的气缸轴连接，打击滚轮17位于打击板12的上方。
30.打齐装置的工作过程是：三轴气缸底座16在两条第一直线导轨14上水平移动，相当于三轴气缸19沿线饼幅向移动，三轴气缸19的移动位置可根据线饼幅向尺寸自动调整。线圈绕制过程中，当线圈撑条旋转到位时，三轴气缸19控制打击滚轮17迅速打下，带动打击板12的打击接触板击打到线饼垫块上部，打击点始终处于线饼幅向尺寸中间位置，使线饼打齐受力均匀。打击板12击打线饼时，由于线圈在旋转，线饼会产生横向位移，设计的击打装置为滚轮型(打击滚轮17)，通过滚轮滚动消除位移影响。打击的冲击力可有效克服饼间阻力，使前后压辊压得更加紧实，基本消除线饼伞形。打击力可在操作控制平台5进行选择及设定，控制系统按照设定自动调节打击力度，满足不同规格导线、不同结构线圈的打击力需求。
31.如图3-1、3-2、3-3所示，为本发明实施例的压紧装置的立体图及正视图和俯视图。所述的压紧装置用于打齐后将线饼压紧，压紧装置为两套压辊结构，压辊结构整体为方框结构，压辊结构分别安装在安装板7的下侧面的长度方向的边沿位置，压辊结构与打击板12相互平行。压辊结构包括下压轮安装板21、压辊底板22、凸轮轴承随动器23、压辊安装板24和压辊25。压辊底板22的两端部分别固定连接压轮安装板21和压辊安装板24，压辊底板22与压轮安装板21和压辊安装板24垂直相交。压轮安装板21的端部固定安装两套凸轮轴承随动器23，压辊安装板24的端部固定安装压辊25，压辊25与压辊底板22平行，压辊25远离压辊安装板24的一端与凸轮轴承随动器23接触连接，两套凸轮轴承随动器23作为压辊25的反向支撑及限位。压辊25由多组包胶滚轮穿在一根压辊轴上构成。压辊底板22通过螺栓连接方式固定安装在安装板7上，压辊底板22的上侧面与安装板7的下侧面接触。压紧装置与打齐装置配合，共同实现将线饼打齐、压紧功能。
32.压紧装置的工作过程是：由于线饼在旋转时，内外侧导线旋转的速度不同，因此本发明设计了两套压辊机构形成一定度数的夹角及多组包胶滚轮组成压辊25的结构，与旋转的圆形线饼匹配。压辊25的下压力来源于升降装置，通过安装板7传递到压辊25上。压紧力可在操作控制平台5进行选择及设定，控制系统按照设定自动调节压紧力度，满足不同规格
导线、不同结构线圈的压紧力需求。为了使压紧装置与打齐装置配合，打击板12的正常高度小于压辊25的高度。
33.如图4-1、4-2所示，为本发明实施例的升降装置主视图及立体图。所述的升降装置用于控制打齐压紧和测量装置3的位置，并给压辊25施加下压力，包括机械手连接板30、气缸31、气缸安装底座32、第二直线导轨33、滑块34、滑块安装板35、缓冲器36、缓冲器安装板37、导轨安装板38和安装连接板39。滑块安装板35、安装连接板39共同构成打齐压紧和测量装置安装架，导轨安装板38、机械手连接板30共同构成机械手安装架。机械手安装架是与机械手臂1连接的刚性支架，机械手连接板30与机械手臂1固定连接，连接方式为螺栓连接；机械手连接板30与导轨安装板38的边沿位置固定连接形成一个直角结构，连接方式为螺栓连接。在机械手安装架的导轨安装板38的远离机械手连接板30的侧面长度方向上装有两组相互平行的第二直线导轨33，连接方式为螺栓连接，滑块34套装在第二直线导轨33上可以上下滑动，滑块34与滑块安装板35固定连接，连接方式为螺栓连接，通过滑块34将机械手安装架与打齐压紧和测量装置安装架连接在一起。导轨安装板38的上部装有气缸安装底座32及气缸31，滑块安装板35的下部装有缓冲器36及缓冲器安装板37，气缸31的气缸轴与缓冲器36连接，通过气缸31的气缸轴与缓冲器36及缓冲器安装板37连接，实现打齐压紧和测量装置沿第二直线导轨33上下滑动，将两套压辊结构压到线饼上，并施加一定压力，同时将打击板12悬浮到线饼上部一定高度。安装板7分别与两条安装连接板39和滑块安装板35连接，连接方式为螺栓连接。
34.如图5-1、5-2、5-3所示，为本发明实施例的测量装置三视图。所述的测量装置用于纸筒外径、线圈内径和线圈外径的测量，包括检测底板26，激光位移传感器27，传感器支架28，安装柱29。测量装置通过检测底板26安装于导轨安装板38的背面(正面安装有第二直线导轨33)，所述的检测底板26整体为工字型结构，包括：相互平行的短梁和长梁以及与短梁和长梁垂直相交的连接梁，短梁的一侧面与导轨安装板38的背面固定连接，连接方式为螺栓连接，检测底板26与导轨安装板38垂直相交，检测底板26的短梁和连接梁的上侧面与导轨安装板38的背面之间安装有加强筋，连接方式为螺栓连接，在检测底板26的长梁的下侧面均匀固定安装有三个安装柱29，安装柱29与检测底板26的长梁垂直相交，传感器支架28安装在安装柱29上，传感器支架28与安装柱29垂直相交，激光位移传感器27安装在传感器支架28的端部，激光位移传感器27靠近检测底板26的短梁，利用三个激光位移传感器27，控制系统采用数据拟合算法计算，实现纸筒外径、线圈内径和线圈外径的测量。具体的计算方法是现有技术，通过编程实现自动测量计算。传感器支架28的高度和激光位移传感器27的位置，事先通过手工方式调整到位。
35.一种变压器线圈线饼自动打齐压紧和测量工艺方法，应用前述的线饼自动打齐压紧和测量装置，具体包括以下步骤：
36.(1)线饼自动打齐压紧和测量装置就位安装，与立绕机进行相对位置标定。调整装置的位置，使装置内外径激光位移传感器发射的激光与立绕机轴心对正，然后固定装置。
37.(2)根据线圈图纸设定导线尺寸、线圈高度、线圈内外径尺寸及偏差要求、选择线饼打齐装置打击力及压紧装置压紧力参数，开启安全防护光栅。
38.(3)指导安装可调模。安装可调模，自动测量绕线模轴心与立绕机轴心同轴度及支撑座平面度，指导调整轴心位置及平面度满足绕制要求。
39.(4)指导安装纸筒。套纸筒到可调模上，操作者手持电动扳手控制可调模外扩，缓慢撑紧纸筒。自动实时测量纸筒直径，到设定值发出信号，停止可调模外扩。机械手臂自动升降，至少测量上、中、下三个直径，校核直径公差及不同位置偏差值满足技术要求，超差报警。
40.(5)模拟调试。调试打击位置、自动升降、自动避让、自动测量内外径及幅相尺寸等，与图纸要求进行校核。
41.(6)试绕第一饼。线圈开始绕制第一饼时，按线饼自动打齐压紧和测量装置的启动键开机，装置自动就位。
42.(7)线饼自动打齐压紧及测量自动伸出到线饼上部，通过激光测量判断，打齐装置下移击打到线圈垫块对应线饼位置。
43.(8)压紧装置根据设定的压力施压，给线饼施加恒定轴向压力。
44.(9)线饼内外径测量装置通过激光位移传感器开始测量线饼内外径尺寸数据，并在屏幕上显示实时内、外径及幅向尺寸值。
45.(10)检查伞形结构及幅向尺寸等情况，并根据实际效果微调压紧力值及打击力数值。
46.(11)正式绕制。线圈正饼绕制过程中，线饼自动打齐压紧和测量装置自动运行。
47.线饼打齐装置根据激光测量数值、plc算法计算，自动预判线圈油道垫块位置，并根据设定的打齐压力，在线圈旋转至线圈垫块位置时，浮动打击板自动高速下落，对垫块位置进行击打。
48.(12)随着线圈的绕制，打齐装置的打击点随线饼幅向尺寸增大由内到外移动，使打击力始终均匀施加在线饼上。
49.(13)线饼测量装置在线圈旋转过程中，对在绕线饼及成型线饼进行实时测量及对比，每10ms测量一次，通过plc算法模块计算内外径拟合曲线，显示屏实时显示内、外径及幅向尺寸数据。
50.(14)线圈测量数据超差时，显示屏报警，并声光提示。
51.(15)线饼绕制完成，线饼自动打齐压紧和测量装置自动停机，静止测量线饼内外径尺寸，并与运行中测量数据、上一饼数据及图纸数据自动进行对比分析，若超差则报警，提示操作者分析原因并进行调整。
52.(16)测量结束后，打齐装置的打击板自动缩回初始位置，一个工作循环结束。
53.(17)绕制下一线饼时，打齐装置的打击板自动伸出，重复进入下一工作循环。