一種小型變壓器磁芯組裝機的機構設計

余曉新

（清遠職業技術學院機電與汽車工程學院，廣東 清遠 511510）

1 設計小型變壓器磁芯組裝機的意義

小型變壓器的生產制造主要包括零件加工和裝配兩部分，隨著科學技術的發展，機械零件的加工制造基本實現了自動化，但零件的裝配由于裝配工藝對設備機構要求高，其自動化發展滯后于零件加工制造，導致小型變壓器在裝配環節成本高，質量和效率低。據統計，小型變壓器的裝配環節成本約占總成本的1/3-1/2，當前在裝配環節除了骨架繞線基本實現自動化外，磁芯裝配等其它工藝仍然以手工作業為主，因此設計一種小型變壓器磁芯組裝機的機械機構，對實現小型變壓器磁芯組裝的自動化具有重要的意義。

2 小型變壓器的裝配工藝分析

小型變壓器主要由骨架、兩個U型磁芯和鋼夾組成，如圖1所示。其中磁芯裝配前骨架已完成繞線，裝配時兩個U型磁芯端口相對插進骨架中心孔，形成磁路，鋼夾包裹住兩個U型磁芯下半部分，固定兩U型磁芯的位置，裝配效果如圖1右邊部分圖形所示。

圖1 變壓器的零件組成及磁芯裝配后效果

小型變壓器在電路中主要用于變壓和濾波，為了實現磁芯的全自動裝配和裝配后良好的濾波效果，磁芯裝配機的機械結構設計在裝配工藝上，必須達到以下兩點要求：兩U型磁芯端面要平整充分接觸，兩端面的錯位控制在允許的范圍之內，使相對接觸面積最大，盡量減少變壓器磁芯的漏磁，提高磁通量；骨架和U型磁芯的上料、工件工位上的轉移需全部采用自動化。根據小型變壓器裝配工藝要求，初步確定磁芯組裝機的裝配工藝線路如圖2所示。

圖2 磁芯自動化裝配的工藝線路圖

3 機械結構的設計

3.1 設備的總體設計方案

根據小型變壓器裝配的工藝路線，初步確定設備機械結構由磁芯裝配、磁芯對磨、鋼夾裝配和下料四部分機構組成，其結構簡圖如圖3所示，各部分機構的功能規劃如下：

圖3 設備總體設計框架圖

磁芯裝配機構由振動盤、上料導軌、磁芯裝配夾具和裝配氣缸組成，其主要功能是振動盤將骨架和U型磁芯沿導軌送至裝配夾具的相應位置，裝配氣缸將U型磁芯推進骨架中心孔，完成磁芯的裝配；磁芯對磨機構由機械手、夾緊氣缸、對磨氣缸和對磨夾具組成，其工作過程為機械手將裝配好磁芯的工件送至磁芯對磨夾具，兩個夾緊氣缸動作，夾頭夾緊U型磁芯，對磨氣缸動作（結構圖未畫出），通過驅動其中一夾頭上下運動，實現磁芯端面上下對磨；鋼夾裝配機構由振動盤、鋼夾裝配夾具、鋼夾固定機械手、鋼夾裝配機械手等組成，其工作的初步設想為振動盤通過導軌將鋼夾送到鋼夾裝配夾具，并由鋼夾固定機械手進行固定，鋼夾裝配機械手將對磨好的工件以正確姿勢插入鋼夾，鋼夾在彈性力的作用下夾緊兩U型磁芯，完成鋼夾的裝配；下料機構主要功能是通過機械手將裝配好鋼夾的變壓器成品送至下料區。根據設備的工藝要求，其機械結構設計主要有以下難點：

（1）骨架和U型磁芯為自動上料，裝配時需保持姿勢的正確，且裝配與自動上料的動作互不影響。

（2）對磨機構設計需做好以下兩點：設計夾緊機構，在對磨前能調整U型磁芯的位置，使錯位在允許的范圍之內；設計對磨機構，能帶動其中一U型磁芯上下運動，使兩U型磁芯端口產生相對運動，運動幅度也需在允許的范圍之內。

（3）鋼夾裝配機構的設計需保證鋼夾裝配后，兩磁芯位置準確和固定，同時鋼夾的裝配需為自動上料。

3.2 關鍵機構的設計

3.2.1 磁芯裝配機構

磁芯裝配機構設計的三維效果如圖4所示，其設計主要涉及送料機構和裝配機構兩方面：

圖4 磁芯裝配機構

送料機構方面，兩U型磁芯和骨架均由振動盤進行姿態調整并通過導軌送至磁芯裝配夾具。骨架由于質量大，在其輸送導軌下面加裝了一個直線送料器，使骨架能克服阻力順利到達磁芯裝配夾具中間位置。同時在磁芯裝配時，為了防止導軌上后續運動骨架的影響，在骨架導軌末端設計一個限位機構，當限位機構中氣缸動作時，限制導軌上骨架的繼續運動。為了增大兩U磁芯裝配后端面接觸面積，減少漏磁，在U型磁芯的輸送過程設計了磨削機構，其砂輪轉向和U型磁芯前進方向一致，磨削機構不僅能對U型磁芯端面進行打磨，還能增大磁芯在導軌前行的動力，使其順利到達裝配夾具的兩端。

裝配機構方面，主要由骨架夾緊機構和裝配機構兩部分組成，其具體設計如下：當裝配夾具上的骨架到位后，骨架夾緊機構中的氣缸動作并帶動搖桿機構完成骨架夾緊。當骨架夾緊后，左右兩磁芯裝配氣缸動作，帶動推桿將磁芯推進骨架中心孔，完成磁芯的裝配。

3.2.2 磁芯對磨機構

磁芯對磨機構的三維模型如圖5所示，其主要工作過程是當工件到達夾具后，先夾緊工件，然后再實現磁芯的對磨。機構的具體工作原理如下：

圖5 磁芯對磨主機構

夾緊方面，夾具的左右邊各有一個夾頭。左邊夾頭為對磨夾頭，固定在活動夾頭導套上，并通過活動臺與左夾緊缸連接，可沿固定導塊1來回移動；右邊夾頭為固定夾頭，固定在右夾頭導套上，與右夾緊缸連接，可沿固定導塊2來回移動。當兩個夾緊缸動作時，使兩個夾頭往夾具方向移動，夾緊工件。

對磨方面，左邊機構的活動臺上安裝有豎直導桿，活動夾頭導套與導桿配合安裝，并有一個上下移動的自由度，當對磨缸動作時，通過活動夾頭導套帶動對磨夾頭上下運動，最終使工件上左右兩U型磁芯形成上下對磨運動。

3.2.3 鋼夾裝配機構

根據鋼夾裝配的流程，鋼夾裝配機構的設計主要由鋼夾上料機構和裝配機構兩部分組成，具體如圖6所示。

圖6 磁芯裝配機構

鋼夾上料機構主要由振動盤（未截圖）、鋼夾、蓋板、鋼夾裝配夾具和夾緊手指組成，其設計原理如下：振動盤（未截圖）通過導軌將鋼夾原材料以正確的姿態送至裝配夾具上，當鋼夾到達裝配位置后，夾緊手指動作對鋼夾進行夾緊。

鋼夾裝配機構主要由電機、曲柄、橫向移動塊、豎向移動塊、滑移桿和裝配手指組成。其中橫向移動塊可沿支架上的導軌作橫向移動；豎向移動塊裝配在橫向移動塊上，可做上下方向移動；裝配手指與滑移桿固定在一起，并裝配在豎向移動塊上，可隨橫向移動塊和豎向移動塊一起做橫向和豎直運動。當電機轉運時，裝配手指在曲柄滑移機構的帶動下將對磨好的工件從對磨工位夾持到鋼夾裝配工位，并將工件以接近垂直角度插進鋼夾里，由于鋼夾具有彈性，在機械

手指松開工件后，鋼夾四包邊能夾住兩個U型磁芯，固定好它的位置，至此完成了變壓器的磁芯裝配工作。

4 小型變壓器磁芯組裝機的三維裝配

通過各機構的設計、計算、零件的三維造型和裝配，完成小型變壓器磁芯組裝機的機械設計，三維裝配效果如圖7所示。

圖7 小型變壓器磁芯組裝機的三維裝配效果

5 結束語

本文分析了小型變壓器的零件組成及其裝配工藝，提出小型變壓器磁芯組裝機的工藝路線，機構設計的方案及相關難點。在此基礎上，著重進行磁芯組裝、對磨和鋼夾裝配等關鍵機構的三維模型的設計，分析和總裝。小型變壓器磁芯組裝機的設計并配以可靠的控制系統，可大大減輕工人的勞動強度，提高生產效率，降低生產成本，在市場上得到了廣泛的應用。