專利名稱：復(fù)雜截面鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈的無張力繞制技術(shù)及繞線機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈的繞制技術(shù)及繞線機。
國外用于繞制鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體(CICC-Cable In Conduit Conductor)線圈的繞線機大多采用張力繞制，不適合餅式連續(xù)繞法；對于預(yù)彎成型、無張力連繞的CICC繞線機，迄今國際上只有一、兩個發(fā)達國家試?yán)@過簡單圓形和跑道形截面的線圈，其位置精度僅0.8～2mm，外形精度1～3mm。國內(nèi)在繞制CICC型線圈方面則是空白。
有鑒于上述，本發(fā)明的目的是提供一種CICC線圈的無張力繞制技術(shù)并設(shè)計相應(yīng)的繞線機，它可繞制出復(fù)雜截面、高精度的CICC線圈。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈繞線機，由放纜、矯直、校正、預(yù)彎、連繞和控制六部分組成，其中放纜機構(gòu)包括放纜盤、可升降架體、底座、張力自動放纜機構(gòu)，放纜盤由可升降架體旋轉(zhuǎn)支承，可升降架體安裝在底座上；矯直機構(gòu)由三輥傳動組件組成；校正機構(gòu)包括垂直壓輪組件、水平壓輪組件、進給輪組件；矯直機構(gòu)和校正機構(gòu)固定在水平支撐架上；預(yù)彎機構(gòu)包括可移動吊架及裝在該可移動吊架上的進給輪組件、編碼器組件、導(dǎo)向輪組件、預(yù)彎輪組件；連繞機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)臺及裝在該回轉(zhuǎn)臺上的線圈模具；校正機構(gòu)的進給輪與預(yù)彎進給輪由控制部分同步控制。
所述張力自動放纜機構(gòu)由導(dǎo)向架及裝在該導(dǎo)向架兩端的行程開關(guān)構(gòu)成。
所述編碼器組件由滾輪和受該滾輪驅(qū)動的脈沖編碼器構(gòu)成。
一種復(fù)雜截面鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈的無張力繞制技術(shù)，按以下步驟繞制線圈導(dǎo)體放纜→導(dǎo)體矯直→導(dǎo)體截面尺寸校正→噴砂清洗導(dǎo)體→預(yù)彎成型1～2個自由匝→包匝間絕緣、入模、定位→繞制下層各匝，包匝間絕緣、入模、定位，直至完成下層繞制→S彎成型及補圓→繞制上層各匝，包匝間絕緣、入模、定位，直至完成上層繞制→補圓及出線頭處理→層間絕緣及對地絕緣→入浸漆模→后期處理。
在繞制線圈的彎曲部分時，使線圈繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)，對于每匝線圈的各弧段，按以下步驟繞制首先令預(yù)彎輪做進給動作，進給值由該弧段的彎曲半徑確定；然后進給導(dǎo)體，進給長度對應(yīng)線圈的轉(zhuǎn)角，并使預(yù)彎機構(gòu)跟蹤預(yù)彎點運動；重復(fù)以上動作步驟，直至完成本弧段的繞制。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點1．張力控制的自動放纜技術(shù)，減少了人力的消耗，加大了運作安全可靠性；
2．編碼器外置，運用摩擦傳動直接由CICC導(dǎo)體驅(qū)動編碼器，對導(dǎo)體的同步運動實現(xiàn)閉環(huán)控制；3．對導(dǎo)體進行在線校正，使得進一步改善導(dǎo)體尺寸位形精度和導(dǎo)體截面的優(yōu)化成為可能；4．校正機構(gòu)與預(yù)彎壓下機構(gòu)同步運作，滿足了異形截面線圈繞制時的大范圍調(diào)整運動要求。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。


圖1為繞線機組成原理圖；圖2a、2b為矯直機構(gòu)和校正機構(gòu)的正視、俯視結(jié)構(gòu)圖；圖3為外置式編碼器結(jié)構(gòu)圖；圖4為D型線圈結(jié)構(gòu)及切點軌跡示意圖。
請參見圖1。本發(fā)明鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈繞線機，由放纜1、矯直2、校正3、預(yù)彎4、連繞5和控制六部分組成，6為CICC導(dǎo)體。
放纜機構(gòu)1的作用是均勻放纜，它包括放纜盤11、可升降架體、底座、張力自動放纜機構(gòu)12，放纜盤11由可升降架體旋轉(zhuǎn)支承，可升降架體安裝在底座上。放纜盤11由圓盤銑床經(jīng)改造構(gòu)成，可升降架體采用手動液壓頂升機構(gòu)。由于導(dǎo)體矯直2和校正機構(gòu)3的高度是固定的，因而通過手動液壓頂升機構(gòu)調(diào)整放纜盤11的高度，可以保證導(dǎo)體進給與矯直機構(gòu)基本在同一平面內(nèi)。張力自動放纜機構(gòu)12由安裝在矯直機構(gòu)2前的導(dǎo)向架及裝在該導(dǎo)向架兩端的行程開關(guān)構(gòu)成，行程開關(guān)采用圓盤銑床的限位開關(guān)，它用來控制導(dǎo)體進入矯直機構(gòu)2的角度，保證導(dǎo)體松緊適度地進入矯直機構(gòu)2，既保持放纜盤11上的導(dǎo)體不脫落又保證校正機構(gòu)不打滑。
請參見圖1、圖2。矯直機構(gòu)2位于放纜機構(gòu)1和校正機構(gòu)3之間，用于放纜后導(dǎo)體的矯直，其由固定輪21、矯直輪22、固定輪23構(gòu)成的三輥傳動組件組成，矯直輪22固定在用于調(diào)節(jié)矯直輪壓下量的調(diào)節(jié)支架上。校正機構(gòu)3由一對垂直壓輪組件31、外置式編碼器組件32、進給輪組件33、一對水平壓輪組件34構(gòu)成，進給輪組件33由交流伺服電機-諧波減速機-齒輪付-一對進給輪組成，提供導(dǎo)體校正所需的軸向進給力。校正機構(gòu)3的作用是分別對導(dǎo)體進行水平和徑向方向的校正，它可將導(dǎo)體尺寸由17.30×17.50mm校正為17.1±0.05×17.0±0.05mm，角度誤差由86°×94°校正為90°±1°。矯直機構(gòu)2和校正機構(gòu)3固定在可沿X軸方向平移的水平支撐架24(由160落地鏜床尾架經(jīng)改造而成)上。
參見圖1。預(yù)彎機構(gòu)4包括可移動吊架及裝在該吊架上的進給輪組件41、外置式編碼器組件42、導(dǎo)向輪組件43、預(yù)彎輪組件44，進給輪組件41由交流伺服電機-諧波減速機-齒輪付-一對進給輪組成，預(yù)彎輪組件44由交流伺服電機-諧波減速機-精密滾珠絲杠-預(yù)彎輪組成。可移動吊架采用天車吊架，具有二維運動，X方向的運動通過變頻器實現(xiàn)，Y方向的運動通過回轉(zhuǎn)臺的相對運動實現(xiàn)。
為了保證預(yù)彎機構(gòu)4與校正機構(gòu)3之間的導(dǎo)體不產(chǎn)生過多的形變，兩者的進給輪的轉(zhuǎn)速由數(shù)控部分同步控制，保持基本同步。同理，當(dāng)預(yù)彎機構(gòu)4中導(dǎo)體的預(yù)彎點(即切點)在X軸方向發(fā)生變動時，校正機構(gòu)3也以相應(yīng)的X軸方向和速度移動。
連繞機構(gòu)5包括回轉(zhuǎn)臺(使用110落地鏜床的回轉(zhuǎn)工作臺)及裝在回轉(zhuǎn)臺上的線圈模具，回轉(zhuǎn)臺不僅可以360°旋轉(zhuǎn)，而且能沿Y軸方向往復(fù)運動。連繞機構(gòu)的作用是配合預(yù)彎機構(gòu)的X方向往復(fù)運動完成D形運動軌跡，進行線圈的連繞工作。
繞線機的控制系統(tǒng)包括電控和數(shù)控兩部分。電控部分的控制對象有連繞機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動由110落地鏜床回轉(zhuǎn)工作臺完成；預(yù)彎機構(gòu)的X軸方向的運動由天車上的小車移動來完成，Y軸方向的運動由連繞機構(gòu)的110落地鏜床工作臺的平移完成；校正機構(gòu)在X軸方向的平移通過160落地鏜床尾架移動來完成；放纜機構(gòu)的放纜盤由圓盤銑床經(jīng)改造來完成其動作，能夠點動完成正反轉(zhuǎn)即可。數(shù)控部分采用SIEMENS 810M銑床CNC三軸數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過三臺交流伺服電機，分別控制校正機構(gòu)的進給輪、預(yù)彎機構(gòu)的進給輪和預(yù)彎輪，其中校正機構(gòu)和預(yù)彎機構(gòu)的進給輪采用閉環(huán)控制。
采用閉環(huán)控制需要用編碼器精確記錄導(dǎo)體的進線長度，為此在校正機構(gòu)3和預(yù)彎機構(gòu)4中分別安裝了編碼器32、42。圖3所示為預(yù)彎機構(gòu)中的外置式編碼器組件，由鋁滾輪421和受該滾輪驅(qū)動的脈沖編碼器424構(gòu)成，滾輪軸422末端固定連接套423，脈沖編碼器424用螺釘與連接套連接。滾輪軸422支承于可調(diào)節(jié)滾輪壓下量的調(diào)節(jié)支架425上，支架425吊裝在天車吊架45下。導(dǎo)體移動時通過摩擦帶動鋁滾輪421旋轉(zhuǎn)，鋁滾輪再驅(qū)動脈沖編碼器424對導(dǎo)體移動量進行脈沖編碼計數(shù)，脈沖編碼器的輸出送至數(shù)控系統(tǒng)中。校正機構(gòu)3的編碼器組件32的結(jié)構(gòu)如同圖3，只是其調(diào)節(jié)支架安裝在水平支撐架24上。這種外置式編碼器組件可以解決內(nèi)置編碼器出現(xiàn)的導(dǎo)體打滑問題，保證了數(shù)控系統(tǒng)精確記錄導(dǎo)體的進線長度。
繞制時，CICC導(dǎo)體6在控制系統(tǒng)控制下，經(jīng)放纜機構(gòu)1放纜，放出的導(dǎo)體一般帶有一定的曲率，經(jīng)矯直機構(gòu)2矯直和校正機構(gòu)3校正后，成為直線導(dǎo)體，該直線導(dǎo)體再經(jīng)預(yù)彎機構(gòu)4制作成有不同設(shè)計要求的R半徑圓弧段和直線段，預(yù)彎成形1-2個自由匝以后，將其固定于連繞機構(gòu)5的線圈模具中，然后使連繞機構(gòu)5的回轉(zhuǎn)臺繞線圈幾何中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的同時預(yù)彎機構(gòu)4繼續(xù)制作下一匝線圈，每完成一匝便將其置入線圈模具中，如此直至完成整個線圈的繞制。
下面以繞制D形線圈為例，說明預(yù)彎機構(gòu)和連繞機構(gòu)的工作原理預(yù)彎機構(gòu)預(yù)彎1-2個D形線圈的自由匝后，進入連繞機構(gòu)的線圈模具中固定。設(shè)定D形線圈的幾何中心點(即線圈模具的幾何中心點)為旋轉(zhuǎn)圓心，當(dāng)導(dǎo)體以線速度v進行繞制時，線圈以相應(yīng)的角速度f(v)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)線圈繞制的工藝要求，導(dǎo)體的預(yù)彎點應(yīng)當(dāng)始終處在導(dǎo)體線圈圓弧的切點位置上。當(dāng)D形線圈繞幾何中心點旋轉(zhuǎn)時，設(shè)定切線方向固定不變，則切點(即預(yù)彎點)不是固定不變的，在切點運動軌跡所在平面作笛卡爾直角坐標(biāo)系，則切點的運動軌跡可以分解由兩直線運動合成。
請參閱圖4。以D形曲線的幾何中心點為原點作直角坐標(biāo)系，X軸向左，Y軸向上。對曲線上在X軸正方向取得最大值的點所在的圓弧段，取其對應(yīng)的圓心坐標(biāo)Oi(Xi,Yi)，過該點作平行于X軸的直線，并交于圓弧曲線上的點A(x,y)，則OiA線段即為該圓弧段的曲率半徑Ri，點A(x,y)為該圓弧段平行于Y軸的切線的切點。設(shè)圓心坐標(biāo)Oi(Xi,Yi)及曲率半徑Ri為已知，則切點A(x,y)的表達式為X=Xi+Ri, Y=Yi當(dāng)D形曲線以幾何中心點為圓心逆時針方向旋轉(zhuǎn)α角后，圓心坐標(biāo)從Oi(Xi,Yi)移到Oj(Xj,Yj)，切點從A(X,Y)移到B(Xb,Yb)，圓心坐標(biāo)Oj(Xj,Yj)的表達式為Xj=Xi*cos(α)-Yi*sin(α),Yj=Xi*sin(α)+Yi*cos(α)切點B(Xb,Yb)的表達式為Xb=Xj+Ri=Xi*cos(α)-Yi*sin(α)+Ri,Yb=Yj=Xi*sin(α)+Yi*cos(α)對于旋轉(zhuǎn)角度α，切點相對應(yīng)的在X軸和Y軸的移動量為ΔX=Xb-X=Xi*cos(α)-Yi*sin(α)-Xi,ΔY=Yb-Y=Xi*sin(α)+Yi*cos(α)-Yi如此便可確定整個D形曲線各圓弧段的旋轉(zhuǎn)角α、切點的移動量ΔX和ΔY。
繞制D形線圈過程中，轉(zhuǎn)角α由連繞機構(gòu)回轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，切點移動量ΔY由連繞機構(gòu)回轉(zhuǎn)臺平移實現(xiàn)，切點的移動量ΔX由預(yù)彎機構(gòu)平移完成。其工藝流程為預(yù)彎輪壓下動作，壓下值由彎曲半徑R1確定(第一個弧ab)→進給輪對應(yīng)連繞機構(gòu)轉(zhuǎn)α角進給一定長度的導(dǎo)體，預(yù)彎機構(gòu)跟蹤切點的X、Y方向運動→重復(fù)以上動作，直至完成本弧段的繞制，進入下一弧段→預(yù)彎輪壓下動作，壓下值由彎曲半徑R2確定(第二個弧bd)→進給輪對應(yīng)連繞機構(gòu)轉(zhuǎn)α角進給一定長度的導(dǎo)體，預(yù)彎機構(gòu)跟蹤切點的X、Y方向運動，重復(fù)以上動作，直至完成R2弧段的繞制。同理，完成R3弧段(de)、R4弧段(ef)?！A(yù)彎輪回零，進給輪進給直線段長度的導(dǎo)體，完成直線段(fg)的繞制，進入下一弧段→預(yù)彎輪壓下動作，壓下值由彎曲半徑R5確定(第五個弧ga)，按前述方法完成第五弧段→預(yù)彎機構(gòu)回到起始點繞制下一匝。
本發(fā)明按以下工藝步驟繞制CICC線圈導(dǎo)體放纜→初步清洗→導(dǎo)體矯直→導(dǎo)體截面尺寸校正→截面檢驗→導(dǎo)體表面噴砂處理→導(dǎo)體表面清洗→預(yù)彎成型，彎制1～2個自由匝→包匝間絕緣→開始入?！ㄎ弧@制下層各匝→包匝間絕緣→入?！ㄎ弧敝镣瓿上聦永@制→S彎成型及補圓→繞制上層各匝→包匝間絕緣→入?！ㄎ弧敝镣瓿缮蠈永@制→補圓及出線頭處理→層間絕緣及對地絕緣→入浸漆模→后期VPI處理。
本發(fā)明技術(shù)已成功地應(yīng)用在國家九五重大科學(xué)工程HT-7U超導(dǎo)托卡馬克裝置的建設(shè)中，應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)繞制的HT-7U復(fù)雜D形截面的模型線圈，位置精度為0.6mm，外形精度為0.8mm。這表明，在CICC線圈的繞制技術(shù)和精度控制方面，我們已跨入國際先進行列。
權(quán)利要求
1．一種復(fù)雜截面鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈的無張力繞制技術(shù)，其特征在于它按以下步驟進行導(dǎo)體放纜→導(dǎo)體矯直→導(dǎo)體截面尺寸校正→噴砂清洗導(dǎo)體→預(yù)彎成型，彎制1～2個自由匝→包匝間絕緣、入模、定位→繞制下層各匝，包匝間絕緣、入模、定位，直至完成下層繞制→S彎成型及補圓→繞制上層各匝，包匝間絕緣、入模、定位，直至完成上層繞制→補圓及出線頭處理→層間絕緣及對地絕緣→入浸漆?！笃谔幚?。
2．如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜截面鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈的無張力繞制技術(shù)，其特征在于導(dǎo)體放纜后，控制導(dǎo)體進入矯直機構(gòu)的角度。
3．如權(quán)利要求1所述的復(fù)雜截面鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈的無張力繞制技術(shù)，其特征在于在繞制線圈的彎曲部分時，使線圈繞其幾何中心旋轉(zhuǎn)，對于每匝線圈的各弧段，按以下步驟繞制首先令預(yù)彎輪做進給動作，進給值由該弧段的彎曲半徑確定；然后進給導(dǎo)體，進給長度對應(yīng)線圈的轉(zhuǎn)角，并使預(yù)彎機構(gòu)跟蹤預(yù)彎點運動；重復(fù)以上動作步驟，直至完成本弧段的繞制。
4．一種鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈繞線機，其特征在于它由放纜、矯直、校正、預(yù)彎、連繞和控制六部分組成，其中放纜機構(gòu)包括放纜盤、可升降架體、底座、張力自動放纜機構(gòu)，放纜盤由可升降架體旋轉(zhuǎn)支承，可升降架體安裝在底座上；矯直機構(gòu)由三輥傳動組件組成；校正機構(gòu)包括垂直壓輪組件、水平壓輪組件、進給輪組件；矯直機構(gòu)和校正機構(gòu)固定在水平支撐架上；預(yù)彎機構(gòu)包括可移動吊架及裝在該可移動吊架上的進給輪組件、編碼器組件、導(dǎo)向輪組件、預(yù)彎輪組件；連繞機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)臺及裝在該回轉(zhuǎn)臺上的線圈模具；校正機構(gòu)的進給輪與預(yù)彎機構(gòu)的進給輪由控制部分同步控制。
5．如權(quán)利要求4所述的鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈繞線機，其特征在于所述張力自動放纜機構(gòu)由導(dǎo)向架及裝在該導(dǎo)向架兩端的行程開關(guān)構(gòu)成。
6．如權(quán)利要求4所述的鎧裝超導(dǎo)纜導(dǎo)體線圈繞線機，其特征在于所述編碼器組件由滾輪和受該滾輪驅(qū)動的脈沖編碼器構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明繞線機包括放纜、矯直、校正、預(yù)彎、連繞和控制六部分。矯直機構(gòu)由三輥傳動組件組成;校正機構(gòu)包括垂直和水平壓輪、進給輪;預(yù)彎機構(gòu)包括可移動吊架、進給輪、編碼器、導(dǎo)向輪、預(yù)彎輪;連繞機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)臺及線圈模具。在本發(fā)明方法中,CICC導(dǎo)體經(jīng)放纜、矯直、校正后成為直線導(dǎo)體,再經(jīng)預(yù)彎機構(gòu)制成有不同設(shè)計要求的圓弧段和直線段,將預(yù)彎成形的1—2個自由匝固定于連繞機構(gòu)的線圈模具中,使連繞機構(gòu)的繞線圈中心旋轉(zhuǎn),同時預(yù)彎機構(gòu)繼續(xù)制作下一匝線圈。它可繞制出復(fù)雜截面、高精度的CICC線圈。
文檔編號H01F41/06GK1234590SQ9910757
公開日1999年11月10日 申請日期1999年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月27日
發(fā)明者郁杰, 高大明, 文軍, 陶玉明, 朱文華, 劉保榮, 張新玉, 程樂平, 鄭福斌 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所