多轴联动蒸发器管精密螺旋缠绕设备的设计

孙素海，程西伟，李海峰，方杰，程振邦

多轴联动蒸发器管精密螺旋缠绕设备的设计

孙素海1，程西伟1，李海峰1，方杰1，程振邦2

（1.安徽中佳自动化科技有限公司，安徽 滁州 239000；
2.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009）

蒸发器是制冷系统的主要换热装置，一般采用绕管式蒸发器，常由铝管或铜管沿着内胆螺旋缠绕而成。本文针对D型蒸发器管，以机电一体化技术、伺服驱动技术、多轴协同控制技术及机械设计理论为基础，设计了一种智能缠绕设备。该设备具有自动送料、自动螺旋缠绕、无摩擦复合输送等功能。其中自动送料方案的设计中包含纠偏组件结构、牵拉组件结构、剪切结构、压D型结构的设计，缠绕运动设计中包含缠绕平台和高效转模的设计。为实现实时变速铜蒸发器管无摩擦复合输送，研究了铜蒸发器管的输送速度控制。该设备有利于D型蒸发器管的推广应用。

冰箱冷柜；
蒸发器管；
螺旋缠绕；
多轴联动

蒸发器是制冷系统的主要换热装置，是冷柜的核心部件之一，对冷柜制冷有着至关重要的作用。蒸发器管的自动缠绕是研究的重点。张雪梅等[1]研究了两种不同的蒸发器流程布置对卧式直冷柜的耗电量及冷冻能力的影响，得出螺旋上升蒸发器流程在耗电量、冷冻能力上有明显的优势。攀志强等[2]研究了冰箱运输过程中，在不影响制冷、腐蚀等因素的前提下，选择合适的方式及材料将蒸发器管与蒸发板进行固定，从而解决蒸发器管的整体运输问题。建湖恒华机电有限公司[3]设计了一种匀冷冰箱冷凝管同步缠绕贴附铝箔胶带机械，包括机架、压臂调节机构、铝箔胶带自动贴附收纸装置、伺服传动与同步缠绕机构、绕管模具和人机界面六大部分。段宗军等[4]针对目前部分蒸发器生产设备中内胆模具只能固定在旋转台上，一套设备只能用于一种冰箱型号内胆的蒸发管缠绕作业的弊端，设计了一种带换模的蒸发管缠绕旋转台，通过在旋转工作台导轨上安装滚轮组和锁紧机构，使得一个旋转台上能够更换不同模具，大大节省了换模时间，通用性增强。詹弋[5]设计了一种制冷内胆外蒸发器制冷管自动盘管装置，该装置主要包括控制器、内胆夹具装置、制冷管上料装置、焊接平台等部分，实现了上料、缠绕和焊接的一体化，有效解决了传统手工方式进行外蒸发器制冷缠绕效率低、贴合程度不够好、焊接效果无法保证等缺点。苏州新元电器有限公司[6]设计了一种自动绕管机，由升降机构、旋转机构、摇臂输送机构组成，结构紧凑、传动平稳，能集中控制自动工作，有效地提高内胆生产效率，能够在同一内胆上绕出多种间距多种圈数的管路，满足生产多样化的需求。盐城恒华智造科技有限公司[7]提出的冷柜铝管缠绕机械，实现了冷柜内胆外侧冷凝管的缠绕与铝箔胶带的同步贴覆，解决了原来冷柜冷凝器与内胆贴合性不好、影响制冷效率的问题。杨明珠[8]分析了机床电气故障和诊断，为蒸发器管旋转底座的实现提供了技术支持。重庆电机厂技术情报局[9]研制了数控自动冲槽，实现了冲槽的自动化，为本文的自动送料装置提供了技术支持。王宝瑛[10]分析了冰箱的噪声来源，提出一系列解决冰箱噪声的措施，并进行了实验验证，对节能冰箱的降噪提供了参考。雷鸣等[11]提出一种参数化建模设计冰箱内胆模具底座，针对不同尺寸参数的底座，依据相应的特征参数表达式数据文件，可以自动、快速地实现底座的三维设计。

目前市场上的冷柜制冷系统如图1所示，一般采用绕管式蒸发器，常由铝管或铜管沿内胆螺旋缠绕而成，缠绕完成后由人工剪断，生产效率低，不利于大规模生产。

图1 绕管式蒸发器及其管路图

机电一体化技术的深入使用，是实现产品高质量、高效率、高效益的必然选择[12]。为此，本设计方案提出以机电一体化技术、伺服驱动技术、多轴协同控制技术及机械设计理论为基础，以制冷行业对蒸发器管智能缠绕技术及装备的迫切需求为牵引，研制智能高效缠绕设备。

目前市场上常见的生产线上对冰箱内胆蒸发器的生产方式主要有两种：人工缠绕和机器自动化缠绕。传统蒸发器管生产工艺是先对蒸发器管定型，再采用人工套管的方式配合铝箔纸在冷柜内胆上固定。该成型方式会造成蒸发器管与内胆接触不紧密，圈与圈节距不均匀，同时生产效率低下，成品质量难以保证。针对以上的问题，设计自动送料方案，如图2所示，主要由纠偏组件、牵拉组件、剪切组件、压D型型组件等组成，实现了机电一体化设计。

1.贴覆轮；
2.压D型组件；
3.剪切组件；
4.牵拉组件；
5.横向纠偏组件；
6.纵向纠偏组件。

1.1 纠偏组件

纠偏组件结构如图3所示，包含了横向纠偏组件和纵向纠偏组件两种放置方式，以便于对送料管持续且稳定地纠偏。横向纠偏组件由纠偏支架、两条导板、两条长压板、两条短压板、若干组纠偏轮组成，两条导板的结构相同，与走料轴线平行，且水平对称布置，使固装在纠偏支架上。设计了一条长压板固定安装在导板上方，以便更好地稳定导板，长压板的宽度大于导板的宽度。

在两条导板、两条长压板共同形成的导槽内，设计了若干个偏轮组件的支板，每个偏轮组件的支板上均设有一个纠偏轮组件。纠偏轮组件由纠偏轮轴、纠偏轮组成，纠偏轮套装在纠偏轮轴上，纠偏轮轴固装在偏轮组件支板上，相邻的两个纠偏轮对顶布置。在每个偏轮组件支板相对的长压板外侧，分别设有一个螺母用来调整长压板的距离。

纵向纠偏组件结构和横向纠偏组件完全相同，与横向纠偏组件垂直，安置在横台上。

1.偏轮组件支板；
2.纠偏轮；
3.纠偏轮轴；
4.螺母调位组件；
5.长压板；
6.短压板。

1.2 牵拉组件

牵拉组件结构如图4所示，主要由牵拉基座、牵拉电机、牵拉齿轮、牵拉基板等组成。设计了两组结构完全相同的牵拉组件，将它们对称布置于牵拉基板的走料轴线两侧。每组牵拉组件，均包括主动牵拉轮组件、被动牵拉轮组件、中间牵拉轮组件、传动齿轮。将主动牵拉轮组件、中间牵拉轮组件、被动牵拉轮组件依次通过同步带连接构成带传动，并且在每个主动牵拉轮组件的主动牵拉轴上，均固装有传动齿轮，两个传动齿轮完全相同并可相互啮合。

1.牵拉电机；
2.联轴器；
3.牵拉基座；
4.牵拉基板；
5.牵拉轴；
6.牵拉轮；
7.牵拉齿轮。

牵拉电机通过联轴器与牵拉轴连接，在主动牵拉轮组件、中间牵拉轮组件、被动牵拉轮组件上分别设有位置调整组件，以便于更好地调整各个组件的位置。牵拉电机启动将通过联轴器带动牵拉齿轮运动，牵拉齿轮上的牵拉轮组件随着齿轮的传动进行旋转，带动物料向前运输，当牵拉电机停止运动时，进料结束。

1.3 剪切组件

剪切组件结构如图5所示，主要由切割电机、传动机构、旋转轴、切割齿轮、推力油缸等组成。将切割电机安装在横台上，通过传动机构可将动力传递到旋转组件中的旋转轴上，为使传动更为简便稳定，采用带传动机构。

1.切割电机；
2.活塞杆；
3.推力油缸；
4.连接板；
5.底座；
6.传送带；
7.旋转轴；
8.锯齿飞轮。

带传动结构包括主动带轮、同步带、从动带轮。主动带轮与切割电机连接在一起，通过同步带与从动带轮构成带传动机构，将从动带轮安装在旋转轴上。旋转轴设计为阶梯轴，沿其轴线设有输送孔可让蒸发器管线通过，输出的孔轴线与牵拉组件的走料轴线共线；
旋转轴的进料端由轴承座支架支承，安装在横台上。

剪切电机启动，通过传动机构将动力传递给旋转轴。设计一个弹性锥套，其为外表面带有锥度的套筒，在弹性锥套的大端面上安装一对锯齿飞轮。蒸发器管线通过旋转轴中的输送孔，电机旋转带动旋转轴旋转，进而带动安装在弹性锥套大端面上的锯齿飞轮旋动。在推力油缸的作用下，活塞杆伸出带动连接板压向套筒作直线运动，压向套筒压向弹性锥套上的锥面，从而将锯齿飞轮压向中心，进而使得锯齿飞轮对蒸发器管产生切割作用。切割完成后，推力油缸将活塞杆收回，锯齿飞轮在弹性锥套的作用下返回原来的位置。

1.4 压D型组件

目前市场上的蒸发器管多为圆柱形，这种蒸发器管与蒸发器的接触间隙大、制冷效果差、效率低。因此设计了一种D型蒸发器管。D型蒸发器管可以贴覆在蒸发器上，经检验，其制冷效率远大于圆柱形蒸发器管。所设计的压D型组件结构如图6所示，主要由成型气缸、动模板、定模板、第一挡座、第二导槽压板、动模轮、动模轴、定模轮、定模轴等组成。

1.成型气缸；
2.第二导槽压板；
3.活塞杆；
4.动模板；
5.动模轴；
6.动模轮；
7.定模轴；
8.定模轮；
9.定模板；
10.第一挡座。

将成型气缸缸筒固装在第一挡座上，活塞杆与动模板连接。动模板一端设在第一挡座中，另一端设在第二导槽压板的导槽中。在动模板上设计一个动模轴，并且在动模轴上套装动模轮。在定模板上设有定模轴，在定模轴上套装有定模轮。将第一挡座、第二导槽压板、定模板均固定安装在横台上，当成型气缸伸出到位时，保证动模轮与定模轮可以相切。

在动模轮和定模轮侧部分别设有环槽、半I型环槽，当物料管通过时，在环槽和半I型环槽的作用下可压制成D型结构。该压D型组件还具有夹持功能，可保证当物料管在剪切机构中被剪切后，物料管不会出现晃动现象。若是不能使物料管稳定输入将会影响物料管进入到下一个工序之中，从而导致缠绕过程出现误差。设计的压D型结构保持了物料传送的稳定性。

2.1 缠绕平台

螺旋缠绕运动可分解为水平缠绕和升降两部分运动，运动分析如图7所示。由于内胆是矩形形状，在转动过程中贴覆面会发生极大的跳动，因此水平缠绕平台采用的是、轴平动和轴转动的组合，内胆在绕着轴转动的同时，沿着、两个方向运动，避免在矩形内胆转角位置贴覆头出现极大跳动，保证内胆胆壁始终沿着固定的贴覆头运动。

图7 缠绕平台运动分析图

升降平台结构如图8所示，主要由机架、升降组件、送管组件、切断装置、胶带缠绕组件、贴覆臂、压D型组件等组成。保持贴覆头固定不动，当模具转动到拐角部位时，贴覆轮交替压住管子在内胆上，以达到更好的效果。采用气缸驱动D型压轮来实现压D型，保证缠绕管效果更好。缠绕平台的设计是为了实现螺旋缠绕和贴覆头与内胆始终贴合的功能，当贴覆头始终与内胆贴合时进行螺旋缠绕。

螺旋缠绕功能的实现需借助升降平台和水平缠绕平台，如图8所示。贴覆功能的实现则是两个部分共同作用：水平缠绕平台通过、轴的水平运动和轴的旋转运动实现贴覆点始终与内胆壁相贴合，升降台则通过贴覆轮使得缠绕管一直和内胆壁贴合。

1.压D型组件；
2.剪切组件；
3.牵拉组件；
4.纠偏组件

2.2 高效转模

内胆托盘架上的转模采用一套特殊设计的内模，如图9所示。内胆尺寸发生变化时，通过增减工艺拼版就可实现适应，提高转模的兼容性，降低人工换模时的劳动强度和耗费时间。

1.导轨；
2.工艺拼版；
3.导槽

3.1 铜蒸发器管输送速度控制

铜蒸发器管在缠绕贴覆的过程中，保持输送速度的均匀性是最为重要的。

如果输送蒸发器管的速度过慢，会导致蒸发器管处于拉拽状态，或对内胆造成压痕或磨损，从而出现铜蒸发器管贴覆覆盖面积小、制冷效果差、使用周期短等缺点。如果输送速度过快，会导致蒸发器管弯曲或贴覆不紧密，还可能会出现铜蒸发器管脱落的问题，最终影响产品质量。因此需根据内胆贴覆位置的实际运动速度，实时控制送料速度。内胆贴覆位置实际运动速度是内胆壁的运动速度和缠绕头升降速度的矢量合成。

根据计算结果，将内胆壁的实际速度分为侧壁部分速度和拐角部分速度，速度合成方案如图10所示，其中侧壁部分速度即为轨道水平运动速度，而拐角部分速度的构成较为复杂，难以通过理论分析的方法得到，需要通过实验仿真来获取。

图10 内胆贴覆位置实际速度获得原理图

缠绕头升降速度即为升降平台的速度。通过矢量合成即可得到内胆贴覆位置的实际运动速度，而后控制缠绕管以此变速输出，即可实现实时变速蒸发器管无摩擦复合缠绕。

3.2 无摩擦复合输送

蒸发器管线在进料端会在一定范围内摆动偏移，因此将导向套筒设置成中部带锥孔的套筒结构，保证其在进入导向套筒时保持平滑而不发生过大的折弯。通过纠偏组件上的一对纠偏轮，对从物料盘进入的弯曲管线依次实现水平纠偏和纵向纠偏。

牵拉组件提供动力，使管线源源不断地进入。牵拉电机带动两组牵拉轮，通过牵拉轮与管线的挤压摩擦带动牵拉管线前进。管线经牵拉后进入剪切组件，切割电机带动切割组件旋转，对管线进行切割。经过压D型结构确保蒸发器管线稳定后进入接下来的折弯组件中，在升降平台和水平缠绕平台的协同配合下，完成整个蒸发器管线的精确缠绕。

如图11所示，根据有限元分析结果，在满足运动过程各部分结构强度要求的条件下，对折弯臂的结构进行优化设计，使壁厚尽量变薄、结构尽量精简。

图11 折弯臂有限元分析图

本文对冰箱、冷柜内胆蒸发器管实时变速无摩擦缠绕、螺旋缠绕平台进行了设计，产品实物如图12、图13所示。

图12 蒸发器管缠绕实物图

主要结论如下：

（1）采用伺服送管机构，使送管机构的送管速度和转模机构的旋转速度相匹配，这样贴覆头会和内胆壁紧密贴覆，避免了送管速度和转模速度不匹配造成的压痕。

（2）内胆托盘架上的转模采用一套特殊设计的内模，在内胆尺寸发生变化时，只需通过增减工艺拼版就可以进行适应，提高了转模的兼容性，降低了人工换模时的劳动强度和耗费时间。

（3）采用了输送与缠绕成型分离式结构。其中，输送模块为自动输送结构，依次采用了锥孔式进料、渐进式组合纠偏、旋转式切割和气缸辅助夹持等技术，实现了在一个位置上同时能完成纠偏校正、输送料、切割等多种功能。

图13 蒸发器管缠绕运动平台实物

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[4]段宗军，蒋军. 一种带换模的蒸发管缠绕旋转台[P]. 中国：CN205110611U，2016-03-30.

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Design of Precision Spiral Winding Equipment of Multi-Axis Linkage Evaporator Tubes

SUN Suhai1，CHENG Xiwei1，LI Haifeng1，FANG Jie1，CHENG Zhenbang2

( 1.Anhui Zhongjia Automation Technology Co., Ltd., Chuzhou 239000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China )

The evaporator is the main heat exchange device of the refrigeration system, which is generally a coiled tube evaporator, usually made of aluminum tubes or copper tubes wound along the inner liner. Aiming at the D-type evaporator tube, an intelligent winding device based on the electromechanical integration technology, the servo drive technology, the multi axis collaborative control technology and the mechanical design theory is designed in this paper. The equipment has the functions of automatic feeding, automatic spiral winding, frictionless composite conveying, etc. The design of automatic feeding scheme includes the design of deviation rectifying component structure, pulling component structure, shearing structure and pressing D-type structure, and the design of winding motion includes the design of winding platform and efficient mold transfer. In order to realize the real-time variable speed and frictionless composite transportation of copper evaporator tubes, the transportation speed control of copper evaporator tubes is studied. This equipment is beneficial to the popularization and application of D-type evaporator tubes.

refrigerator cooler；
evaporator tube；
spiral wound；
multi-axis linkage

TB657.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.01.009

1006-0316 (2023) 01-0052-07

2022-05-05

孙素海（1972－），男，安徽滁州人，工程师，主要研究方向为机械设计，E-mail：13855012222@163.com。