变压器绕线机的改进设计

共 34 页 第 1 页前 言随着生产力的提高，工业的飞速发展，人们生活水平的提高，因而对电的需求也越来越大，既而推进了输变电工业的发展，变压器作为输变电行业中的一项重要产品，随着输变电事业的发展，要求变压器生产工艺的不断改进和变压器产品质量的进一步提高，变压器行业对变压器线圈质量提出了更高的要求。在新中国成立以来，变压器行业经过 50 多年的建设，特别是改革开放 20 多年的技术引进、改造和发展与创新，现已经成为品种齐全，规模不断扩大的基础制造业。目前，生产变压器及其附属制造企业有 1200 多家，年产值 80 多亿元，年产达 14000 万 KVA，生产能力达 2 亿 KVA 的一个大产业。当前变压器行业正处于迅速发展的阶段，并正朝两个方向发展，一是向特大型超高压方面发展；二是中小型产品向节能化，小型化，低噪音，高阻抗和防爆型方面发展。特别是近十年来，变压器厂如雨后春笋，1985 年统计为 300 多家，2000年统计 1200 多家，这些企业要生存和发展就必须进行技术改造，来适应市场的要求。目前，我国变压主要专用设备的产品技术水平已接近或达到国际先进水平。如立式绕线机，它是 110KVA 以上大型变压器线圈绕制的关键设备，经专家们对 13 项指标评审，已达到或超过国外先进水平。又如纵剪线，它是变压器铁心制造的关键设备，经专家们对 32 项指标评审，剪切角度精度，刀具寿命，剪切速度，刀刃磨一次剪切长度等 5 项指标接近国外先进水平，其余 27项指标全部达到国外先进水平。换位导线设备，箔式线圈绕制机，环氧树脂真空浇注设备等，现在国内均有专业生产厂在制造，基本上挡住了进口。立式绕线机已成批出口。随着对绕线机质量要求的进一步提高，大型立式绕线机将会得到普通采用。大型卧式绕线机的改进方向是采用变频技术使其启动制动平稳，并增加径向，轴向压紧装置及拉紧装置，提高自动化水平，解决目前的“人拉锤打”状况。国外开发研制了全自动绕线机，自动排线，自动张紧，提高了绕线质量。国内ZR 型全自动亦已研制成功，目前带有纵剪向压紧机构的 WR 型卧式绕线机亦已研制成功并在行业中推广。众观国际市场，我国变压器专用设备产品品种多，技术水平适中，价格便宜，只有进口设备价的 左右，适于发展中国家选用，变压器专用设备出口51前景广阔。变压器专用设备将随着产品的更新和工艺的改进而越来越先进，随着电力工业的发展，国家继续设施城乡电网改造， “十五”期间是变压器行业共 34 页 第 2 页发展的良好时机，给变压器专用设备制造业的继续发展带来了良好机遇。本次设计是经过对长春市部分变压器厂的调研和走访后进行方案选定的。在调研的过程中参观了西门子公司的数控绕线机和一些国产的机械式绕线机，相比之下国外进口设备尽管有较高的自动化水平和生产质量，但是价格也非常的高，虽然国产传统机械式设备的价格较低，但是其自动化水平也很低，而且在使用维护方面也存在很多问题，比如生产质量不稳定，需要要依靠工人的熟练程度来确定生产质量等。为了对各种设备做进一步的深入了解，我们先后查阅了设备说明书和变压器产品说明书，而且我们还走访了一些工厂的工程技术人员，通过这些我们了解到工厂生产对设备的要求，使我们的设计定位更加符合生产和市场的要求，因此在满足使用要求的前提下提高性价比是我们设计的关键。本次任务主要是对变压器绕线机的改进，以增加其对自动化的适应性和自动控制性能，我的设计题目为：变压器绕线机的机械系统设计。设计内容包括：设计变压器绕线机及其相应机械系统一套。该系统主要应能适合机械自动化的自动控制，数据采集，显示和通讯功能，可实现自动化线圈绕制过程。总体结构设计方案包括：绕线机总体结构设计、传动系统结构设计、各零部件的设计。由于时间仓促和作者的知识水平有限，论文中的错误和不足在所难免，请各位老师给予批评指正。共 34 页 第 3 页第 1 章 总体方案的概述本次设计的课题是：变压器绕线机的机械系统设计。其设计的要点是要保证：能适应自动控制的要求，以达到线圈绕制均匀，线圈松紧适度的要求。这样可以保证变压器的性能，如：磁通均匀分布而漏磁小、损耗低、体积功率比大、噪音小等。1.1 工作原理简介鉴于上述特点，线圈的绕制由主机、包纱机和排线机共同完成。它们完全独立,仅通过电气上的连接实现同步。主机由一台三相异步电机驱动，其用于实现主运动，即把线圈骨架安装在主机的主轴上，实现线圈骨架绕主轴的旋转运动，这样就可以把实现漆包线绕在线圈骨架上，在此同时要线圈骨架，沿主轴方向的严格的进给运动，只有这样才能保证线圈绕制的均匀性，此进给运动即为排线运动，由排线机来完成。为了保证线圈的均匀性，需要主运动和排线运动的相互协调，因此排线机由一台步进电机来驱动。在主轴上安装一台红外光电反射型计数器，记录绕制线圈匝数;同时该计数脉冲作为步进电机控制信号,经软件环分和功率放大驱动排线装置排线,直到设置圈数绕完为止。在设计中，包纱机的运用是为了保证绕线的松紧适度，以及可以起到绝缘的作用，其同样由一台步进电机驱动，用以完成包纱运动。生产过程中，也是作进给运动，纱层和线层是间隔进行的,即缠完一层纱后再缠线。1.2 磁粉制动器简介此过程除了在电气上给以保证外，在机械机构上同样予以的保证，那就是在主机上安装了磁粉制动器。在传统的绕线机中，用作导线拉力的制动器（刹车） ，几乎均采用摩擦式制动器作为作为绕线时的导线拉力，由于摩擦式制动器本身存在着明显的冷热态制动力矩不一和在常态运行中的不稳定性，造成线圈绕制不均，每匝线圈松紧程度不一等问题的出现。而在本设计中运用的磁粉制动器具有如下的优点：无接触获得制动力矩；制动力矩恒定；制动力矩任意可调、可控，不受环境条件及冷热状态的影响。几乎能达到恒拉力的效果。共 34 页 第 4 页图1.1 磁粉制动器结构示意图1、定子 2、定子线圈 3、空气间隙 4、从动转子 5、隔磁环6、支架 7、磁粉 8、轴承 9、轴套 10、支撑端盖1.3 电气部分简介经过多方比较本系统采用 STD 总线微机控制，STD 总线是由 PRO-LOG 公司于 1978 年提出，正式标准为 IEEE96，其目的在于推广一个面向工业控制的 8位总线标准，它几乎支持所有的 8 位微处理器，采用周期窃取技术和总线复用技术可支持 16 位微处理器。STD 总线有 56 根信号线，采用同步方式进行数据传输，它有两条中断控制线与 PC/AT 总线兼容，增强了中断能力。优点：（1）小板结构，高度模块化。STD 总线采用功能模块概念，即按功能分块。一台工业控制机按功能划分为 CPU 板，存储板，A/D 板，D/A 板，开关量 I/O板和通讯板等功能模块，这种结构提高了可靠性，降低了成本；（2）严格的标准化，广泛的兼容性，给用户带来了方便；（3）面向 I/O 的设计，非常适合工业控制应用，许多高性能的总 线如Multibus,VMEbus 等的设计是面向系统性能的提高，而 STD 总线却面向 I/O 口设计，使 I/O 设计成为一件简单易行的事情：（4）高可靠性，STD 总线已经成为世界流行的工业控制机标准总线；共 34 页 第 5 页第 2 章 主机的设计主机由一台三相异步电机驱动，其用于实现主运动，即把线圈骨架安装在主机的主轴上，实现线圈骨架绕主轴的旋转运动，这样就可以把漆包线绕在线圈骨架上。2.1 电机功率和转速的选择(1）选择电动机的类型及结构形式电动机主要是用来传递动力，提供转速，没有别的特殊要求，所以可选用Y 系列三相异步电动机，这样具有较好的启动性能，选用短机座，可减少总体布置尺寸。电动机的种类电动机有多种类型。1按工作电源分类 根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。2按结构及工作原理分类 电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。3 按起动与运行方式分类 电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。4按用途分类 电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。5按转子的结构分类 电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子共 34 页 第 6 页感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机） 。6按运转速度分类 电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM 变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。本次设计选择的是三相异步电机。Y 系列全程为全封闭自扇冷式三相鼠笼型异步电动机。使用非常普遍。(2）选择电动机的容量电动机容量在技术参数和要求中已经给出，功率为 3KW(3）确定电动机的转速电动机的容量是 3KW，由于减速器选择为 NGW42，传动比为 31.2，要求得到 10-30r/min 的速度。电动机转速变化范围应大于 945r/min，而 Y 系列 3KW电动机的同步转速有 750r/min，1000r/min。考虑质量和价格也应选择1000r/min 的电动机。(4）检验绕铜线时力为 70Kg，而模具直径为 1000mm，所以模具绕铜丝时所需功率Pw 可以计算：P = (2.1)wkVFW10式中：F=70 9.8N;V =W r=30 m/s;5.062 取 0.95 代入上式得：wP =WKwF13.10 电动机输出功率 Pd 由下式计算：P = （2.2）dk式中 为电动机至绕铜丝模具的传动装置总效率。由于变速箱的内部结构现在未知，可以为保险起见，将值取的小一点，这里取 而绕纱时模具受力更小，这里可不用计算就可知电动机额定功率取6.03Kw 符合要求。根据以上分析，查标准手册可以选的电动机型号为 Y213S-6，其型号，性能参数和主要尺寸：共 34 页 第 7 页表 1.电机型号、技术参数及装配尺寸型号额定功率P （kw）ed满载转速n (r/min)m同步转速n(r/min)电机中心高（mm）外伸轴D E(mm)Y132S-6 3 960r/min 1000r/min 13238 80Y132S-6 型三相异步电机安装及外形尺寸如图 1.1 所示：图 2.1 Y132S-6 三相异步电机2.2 变速箱传动比的确定（1） 传动方案的确定根据设计要求，及前面所选电动机，减速器。可以算出变速箱输入轴的转速：n= =30.5r/mininm5.31960由于变速箱输出轴转速为 10-30r/min，最大转速只是略小于输入的转速，共 34 页 第 8 页所以不必用常啮合齿轮，只需一级传动即可，由于一共只有四档，可以在一根轴上用两个滑移齿轮，另一根轴上用四个齿轮来进行变速，各档均采用直齿圆柱齿轮，其传动方案如下所示：由于输入轴的 转速已经确定为 30.5r/min，而输出轴的速度也因工作需要而定为 10r/min,16r/min,25r/min,30r/min。由此可以确定各档的传动比：档： i05.31档： 9.6i档： 2.1530i档： V.i（2）计算转矩的确定由前可知：减速器传动比：i=31.5，而变速箱各档传动比=3.05, =1.91, =1.22, =1.02,易知：i12i3i4i 08.965.31maxii而变速箱输出轴的计算转矩：T =T ，T jjjinT 接电动机 jT 接绕线模时的转矩jT =T （2.3）jedi1T =2.39 （n.m）j60T = = = 344.7(n.m)jrNF95.7T =T ,T =344.7n.mjjmin即变速箱输出轴的计算扭矩为：344.7n.m。实际中心矩 a 的确定由经验公式：a =(1417) =(1417) =98.2119.2mm （2.4） 3jT37.4减少中心距可以减轻变速箱的重量及缩小尺寸，但受到传动零件的强度的限制，所以中心距应尽量取得大一点，以保险起见。由机械设计P154 中心距选用系列 a =140mm。共 34 页 第 9 页（3）模数的确定有机械设计P63 经验公式：m=（0.450.55） =（0.450.55） =3.153.86 3iT37.4（2.5）取标准模数 m=3.5，采用标准直齿圆柱齿轮，则： 20（4） 各啮合齿轮齿数的确定相啮合的齿数和 ZZ = = （2.6）cos2ma820cos5.314由于变速箱各档传动比已知，齿数已知，可以求出各档齿轮的齿数：Z 7.191i取 Z =20，Z =6012Z =349.271i取 Z =28，Z 4=523Z = 36.04513i取 Z =36，Z =4456Z =760.914i取 Z =40，Z =4078变速箱各档齿轮的齿数分别为：Z =20，Z =60，Z =28，Z =52，Z =36，Z =44，Z =40，Z =4012345678（5）齿轮强度校核1)各轴的计算扭矩输入轴：T = =3709N.m1i4j输出轴：T =344.7N.mj2)输入轴各档齿轮所传递的扭矩档： T = = =113.02N.m1jlij05.37共 34 页 第 10 页档： T = 180.47N.m2jl 91.734ij档： T = =282.54N.m 3jl.ijV 档： T = =337.9N.m 4jlij(6)齿轮强度校核取 V 档齿轮 Z =40，Z =40， =20，T rjl1= =3397N.m，78/jid=mz =3.5 =140mm, b=20mm,齿轮的计算载荷 F = N1404j 31079.rjl节点处的接触应力 =8.8 =0.88Gpa1.2 Gpa4j20sin5.32084齿根弯曲应力 =285.7Mpa300MpasajwYbmF4(7)齿轮几何参数计算：齿轮 ，齿数 z =20,模数 m=3.5，分度圆直径 d=mz =3.5 1 1m40齿顶高系数 ha =1,齿顶隙系数 C =0.25,齿型角 =20齿顶高：ha=ha .m=3.5mm齿根高：hf=( ha + C )m=1.25 =4.375mm5.3齿顶圆直径：d =d+2h =70+2 3.5=77mmaa齿根圆直径：df=d=2df=702 =61.25mm7.4基圆直径：d =d cos =70 cos20 =65.78mmd其余各齿轮的几何参数计算过程相似，此处省略，只将各齿轮的参数列表如下：单位：mm表 2.各齿轮的参数序号参数1 2 3 4 5 6 7 8齿数 20 60 28 52 36 44 40 40模数 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5分度圆 70 210 98 182 126 154 140 140共 34 页 第 11 页直径 d齿顶高da3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5齿根圆Df4.375 4.375 4.375 4.375 4.375 4.375 4.375 4.375齿顶圆直径77 217 105 189 133 161 147 147齿根圆直径68.25 208.25 89.25 173.25 117.25 145.25 131.25 131.25基圆直径 65.78 197.34 92.09 171.02 118.4 144.71 131.56 131.56（8）变速箱传动轴设计计算：已知：电动机功率 ped=960r/min 齿轮结构参数见第三节。绕线时受力70kg，模具半径 500mm。求输入轴的额定功率不能被完全使用。所以输入轴的功率应是电动机额定功率时输入轴的功率与绕线时输入轴的功率的小值。1）由电动机功率计算：取减速器中齿轮传动效率 =0.97，滚动轴承传动效率 =0.995grP = 2.79kw （2.7）/1 222095.07.3r2）由绕线时计算：1116.5w=1.12kw （2.8）rgwF4/1而P =P ,P =1.12kw1/1minn = i/5.30.960riT =9550 =350.7Ngm （2.9）j .21p求作用在齿轮上的计算载荷：由前面计算可知：齿轮轴上的分度圆直径为 d=70mm,N4102.dTFit共 34 页 第 12 页F = N （2.10）r 341065.210. tgtg初步确定轴的最小直径当轴的材料为 45 钢，取A =1100见， 公式机械设计 P238则d =A =36.56mm （2.11）min031P输入轴的最小直径显然是安装联轴器上的直径。为了使所选用的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴器。由手册查得，采用 Z14 联轴器 其半联轴8501248GBJDY器 1 的孔径 d =40mm,故取 d=40mm。半联轴器孔长 L =112mm,L=84mm1 1共 34 页 第 13 页第 3 章 包纱机的设计在干式变压器生产的中包纱工艺有很高要求。因为包纱的质量会直接关系到变压器绕组的质量和工作性能。为了散热干式变压器绕组的每层线圈之间是有空隙的，包纱在绕组中起到绝缘和紧固的作用。3.1 步进电机的选择步进电机是一种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的数字/模拟变换器。一般电动机是连续转动的，而步进电机则每当电动机绕组接收一个脉冲时，转子就转过一个角度， （称为步距） 。低频运行时，明显可见电动机转轴是一步一步地转动的，因此称为步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的角位移和输入的脉冲个数严格成正比。在时间上与输入脉冲同步，而只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，即可获得所需转角的转速和转动方向。（1） 步进电机的结构和工作原理：步进电机种类很多，大致分为三类：第一种为可变磁阻型（VR）步进电动机，转子无绕组，步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力矩作用来实现的。因而也称反应式步进电机。这类步进电机结构简单，工作可靠，运行频率高，步距角小（0 .0909 0） 。反应式步进电机在机床数控化改造中得到广泛应用。第二种为永磁型（PM）步进电机，转子采用永磁铁，在圆周上进行多极磁化，它的转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸引或相互排斥来实现的，这类步进电机控制功率小、效率高、造价低。转子为永磁铁，因而无励磁时也具有保持力，但由于转子极对数受磁钢加工限制，因而步距角较大（7.5 018 0） ，电动机频率响应较低，常使用在记录仪、空调机等速度较低的场合。共 34 页 第 14 页第三种为混合型（HB）步进电动机，也称永磁反应式步进电机，其定子与V型类似，磁极上有控制绕组，极靴表面上有小齿，转子由永磁铁和铁心构成，同样切有小齿。有于是永磁铁，转子齿带有固定极性。这类步进电机即具有 VR型步距角小、工作频率高的特点，又有 PM 型控制功率小、无励磁时具有转矩定位的优点。但其结构复杂，成本相对也高。现以数控机床上常用的反应式步进电动机为例，具体介绍其结构、工作原理、特性及选用。反应式步进电动机，按其结构型式，又可分为径向分相式步进电动机和轴向分相式步进电动机，即单定子和多定子两种。图 2.2 为三相单定子步进电动机的示意图。电动机转子上开有均匀分布的 40 个齿，齿宽及间距一致，故齿距为 90。定子的三对磁极均为 90均布，但在周向依次各错过 1/3 齿距。因此当脉冲电流接通到 A 相绕组时，匀分布在圆周上，分别由三相绕组 A、B、C 供电。三对磁极上的齿（亦即齿距）在电磁转矩的作用下，转子与定子 A 相磁极齿槽对正。B 相齿相对于转子齿在逆时针方向错过了 30，显然 C 相将错过 60。当 A 相断电，而脉冲电流接通到 B 相绕组时，转子转过 1/3 齿距（即 30）与定子 B 相磁极的齿对正，同理，当脉冲电流接通到 C 相绕组时，转子继续转过 1/3 齿距与定子 C 相磁极的齿对正。如此，则实现步距角为 30的步进运动。由于这种步进电动机定子各相是按圆周方向依次排列的，所以也称径向分相式步进电动机。步进电动机的通电方式不同，所获得的步距角也有所不同，以三相步进电机为例，其通电方式有如下三种：1 ）单拍通电方式 按 ABC-A 的顺序使三相定子绕组依次轮流通电，转子将一步步转动。设此时转子按逆时针方向转动；若按 ACB-A 的顺序通电，则转子按顺时针方向转动。单拍通电方式在通电顺序转换时，一个绕组断电，而另一绕组刚开始通电，在高速时易失步，且单一绕组吸引转子，在平衡位置易振荡，因此目前很少采用。2）双拍通电方式 通电按 ABBCCA-AB 的顺序，每拍都有两相同时通电，在状态变换时总有一组持续通电，因而运转平稳，输出转矩较单拍通电方式时要大，但发热亦大。共 34 页 第 15 页图 2.2 步进电动机结构原理图3）单双拍通电方式通电按 AABBBCCCA-A 的顺序，每一拍总有一相持续通电，所以运转平稳，转换频率也可提高一倍，每拍转过的角度为单拍和双拍通电方式的一半，实际使用中采用这种方案的最多。图 2.2 步进电动机的绕组为三相，实际使用中还有四相、五相、六相甚至八相，其通电方式也相应有单拍、双拍和单双拍，相数越多，在相同工作频率下，每相导通电流的时间加长，各相平均电流会高些，有利于提高步进电动机的转矩。但相数越多，结构越复杂，体积庞大，控制元件增多，成本提高。实际使用三相步进电动机的较多。4）步进电机的选取必须满足如下要求：步距角要满足系统脉冲当量的要求。满足最大静转矩的要求。启动转矩与启动频率工作运行转矩必须满足所选电机型号相应的启动矩频特性和工作矩频特性。根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号（2）步距角初选电机型号为 110BF003， ，这三相六拍取 ，5.1/70b75.0b（2.12）PLi36式中 -步进电机步距角 0bL 滚珠丝杠导程 mm0共 34 页 第 16 页 P-脉冲当量 mm/每一脉冲 01.068.35.17036pbpiL(3)矩频特性步进电机空载启动是指电机在没有外加工负载下启动。步进电机所需要的空载启动力矩为 ：(2.13)0.Mkfakq式中： 为加速力矩12KM为空载摩擦力矩f为附加摩擦力矩01)加速力矩 (2.14)2max106tnJka(2.15)in/8.3.0753mxa rvnpb式中： 为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量J)/(2cmkg为电机最大角加速度)/(2srad为与运动部件最大进给速度对应的电机最大转速axn为运动部件从静止启动到加速到最大进给速度所需t要的时间 )(s为运动部件最大进给速度maxmin)/(为脉冲当量（mm/脉冲 ） 为初选步进电机的步距角（。 ）/步Pb所以 cNMka .21502.683.1422）空载摩擦力矩 （2.16）cmiLGfkf .987.1850.20 式中： G 为运动部件的总重力（N）为导轨摩擦系数f为齿轮传动降速比i为传动系统总效率，一般取 0.70.85为滚珠丝杠的基本导程(cm)0L共 34 页 第 17 页3)附加摩擦力矩 cmNiLFMYJ .231096.05.382142.00 （2.17）式中： 为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取 的 1/3YJ mF为进给牵引力（N）mF为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0 09.所以 cNMkfakq .41370（2.18）步进电机的名义启动转矩 与最大静转矩 有如下关系： mqMmaxj查表 212 得 86.0初选点记性好时应满足步进电机所需空载起动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 maxjqkM所以 maxj cNkq.1586.0437查表 211，初步选定电机型号为 110BF0034）启动矩频特性校核步进电机有三种工作状况：启动，快速进给，工进运行，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，maxjqkM但是不能否保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。 maxfq（2.19）Hzvfp160.601maxax参见图 221时， ，此时电机满足要求：cNMkq.80max15.fHzfqyq保证不会丢步。5）运行矩频特性校核共 34 页 第 18 页由步进电机 90BF002 运行矩频特性曲线查出当 时， ，cmNMkJ.290.HzfykJ505016kJf所以满足要求。6）工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率为：（2.20）zvfPGJ 501.6301工进时电机所需的力矩为 :(2.21)0MftGJ切削负载力矩 （2.22）cmNiLFfMvf .18.286305.2 （2.23）itt .95.7.0cM4190mNGJ .823.8.25由运行矩频特性曲线可知，时，HzfJ0GJyGJMc.5所以满足要求。7）步进电机的安装尺寸步进电机的安装比较简单，不带机座，用定位止扣进行安装，以保证步进电机安装的同轴度。小尺寸电机的安装表面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。步进电机 110BF003 的外形和安装尺寸如图 1.3图 2.3 110BF003 型步进电机外形及安装尺寸共 34 页 第 19 页8）步进电机的技术参数如表 3 所示表 3. 反应式步进电机技术参数主 要 技 术 数 据外 形 尺 寸(mm)序号型 号步距角(0)最大静转 矩(N.cm)最高空载启动频率(step/s)运 行频 率(step/s)相数电压(V)相电流(A)(A)外径长度轴径重量(N)转动惯量Kg.m210-4备 注1 110BF0030.75/1.5 800 1500 7000 3 80 6 11016011 60 4.73.2 滚珠丝杠的选择在数控机床中广泛采用滚珠丝杠副，以提高传动精度和效率。滚珠丝杠是在丝杠与螺母之间放入滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺旋滚道滚动，这样丝杠与螺母之间由滑动摩擦变为滚动摩擦，如图 2.4 所示，丝杠 1 转动时，滚珠 3 就沿丝杠螺旋滚道滚动，并经滚珠循环返回装置 4 返回其入口处，继续参加工作。图 2.4 滚珠丝杠螺母传动(1)滚珠丝杠副的特点:共 34 页 第 20 页滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，有下列特点：1)传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达 85%98%，为滑动丝杠副的 34 倍。2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小，启动时无冲击，低速时无爬行。3) 能够预紧 预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度，同时增加的摩擦力矩相对不大。4 )工作寿命长 滚珠丝杠副的摩擦表面为高硬度（HRC5862） 、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的 410 倍以上。5 )定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杠副摩擦系数小、温升少、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿热膨胀。因此可以达到较高的定位精度和重复定位精度。6) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。7)可靠性高 润滑密封装置结构简单、维修方便。8)不自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。9)成本高 由于结构工艺复杂，故制造成本较高，价格往往以 mm 计。(2)滚珠丝杠副的结构形式及特点:1）一般的说来螺纹滚道的法向截面形状螺纹滚道的法向截面形状有单圆弧和双圆弧两种，如图 2.5 所示。单圆弧滚道加工方便，容易得到较高的精度，但接触角 不易控制，它随初始间隙和轴向力大小而变化，因而其传动效率、承载能力和轴向刚度均不够稳定，适用于单螺母变化导程预紧结构的滚珠丝杠副。双圆弧滚道能保持一定的接触角，接触角变化较小，传动效率、承载能力和轴向刚度比较稳定，但加工复杂，不易得到较高的加工精度。螺旋槽底部不与滚珠接触，可容纳一定的润滑油和脏物，使磨损减少，对滚珠流动有利。双圆弧滚道在数控机床中大量采用。本设计中包纱机也采用滚珠丝杠共 34 页 第 21 页图 2.5 滚珠丝杠副螺纹滚道的法向截面形状a)单圆弧 b)双圆弧（3）工作载荷计算滚珠丝杠上的工作载荷 Fm（N）是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的奏刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其它切削分力相关的摩擦力。本设计选用燕尾形导轨，可用下面公式计算：Fm= + ( +2 + ) （2.24）KZFfZyG式中： 为工作台进给方向载荷LF为工作台垂直方向载荷V为移动部件的重力（N）GK 为考虑颠覆力矩的实际系数为导轨上的摩擦系数f对于三角形贴塑导轨查表可得：K=1.15 =0.15f所以Fm=1.15 2700+0.15 (10000+450)=4442.5N(4) 最大动载荷 C 的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用,最大动载荷计算原理与滚动轴承相同.滚动丝杠最大动载荷 C 可用下式计算C= mf (2.25)3LF式中：L 为工作寿命，单位为 r,L=60nt/610610n 为丝杠转速（r/min）,n=1000 /v为最大切削力条件下的进给速度(m/min)，可取最高进给速度的 1/2-v共 34 页 第 22 页1/3，即 =1/2 1m/min=0.5m/minv为丝杠基本导程(mm),取 =1000+200=1200mm0L0Lt 为额定使用寿命(h),可取 t=15000h为运转状态系数，这里取 1.5mf为滚珠丝杠工作载荷（N）F所以n=1000 0.5m/min/8=62r/minL=60 62 15000/ =56610C= N3562549.初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大动载荷C：CaC。假如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式滚珠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定静载荷 Coa 是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm。Coa= NFm852.4一般使 Coa/Fm=23.滚珠丝杠的 Coa 和 Ca 植可从表 25、26 中查出。mLoCoaNa;3;790;278500(5)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为(2.26)(tg式中： 为丝杠螺旋升角，可据初选型号查出为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩 ,04.3.f其摩擦角约等于 10所以 96.0)134()(0tgt（6）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠螺母副之间滚道的接触变形，丝杠扭转变形引起纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形，滚珠丝杠的扭转变形较小可忽略不计。1）丝杠的拉压变形量 1滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量共 34 页 第 23 页(2.27)mEALFm037.561.20441 其中：Nm. MPaE416.22）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 有预紧时：(2.28)32201.ZFDYJwm式中： 为滚珠直径wDw76.4/mdZNFYJ 1805.2317.2m37.89/5.314806.0.322 3）滚珠丝杠副刚度校核 01.4.7.21 （7）压杆稳定性验算(2.29)2LEAfFzk式中： 为丝杠材料的弹性模量，E对钢 ，MPa610.2为截面惯性矩，对丝杠圆截面I 4441 2638/.7/ mdmL丝杠支撑方式系数采用一端固定一端简支，zf2 NFk 10751206384.45.7mkn所以不会失稳。（8）滚珠循环方式共 34 页 第 24 页本设计采用外循环方式：滚珠在循环过程中，有一段离开丝杠表面，如图 2.6 所示，在螺母 1 的外表面上铣有回珠槽，挡珠器 3 装在螺母 1 的内部，用来引导滚珠流向回珠槽孔，然后经回珠槽又回到回珠槽的起点，完成滚珠的循环。这种循环方法结构简单、承载能力较高，成本较低，适用于一般传动；还有一种外循环方法是用插管完成滚珠循环的，即使滚珠通过插入螺母的管子返回滚道，这种循环方法结构简单、制造方便，弯管可制成滚珠流畅的通道，但弯管突出于螺母的外部，外形尺寸较大，适用于高速重载、精密定位系统。图 2.6 外循环方式1-螺母 2-钢球 3-挡珠器 4-滚珠丝杠（9）预紧方式本设计采用螺纹调隙式数控机床进给系统所使用的滚珠丝杠副必须具有可靠的消除轴向间隙并预紧的机构。轴向间隙是指丝杠和螺母无相对转动时，丝杠和螺母之间的最大轴向窜动。除了滚珠丝杠副本身的游隙之外，还包括在施加轴向载荷之后，弹性变形所造成的窜动。近年来，双螺母消除轴向间隙机构在数控机床中得到广泛应用，它的基本原理是使两个螺母产生轴向位移，以消除它们的间隙和施加预紧力。螺纹调隙式是利用两个锁紧螺母调整间隙并预紧的机构，如图 2.7 所示，两个螺母以平键与外套相连，其中右边的一个螺母外伸部分有螺纹。两个锁紧螺母 1、2 能使螺母相对丝杠作轴向移动。这种结构既紧凑、工作又可靠，调整也方便，故应用较广。但调整时位移量不易精确控制，因此预紧力也不能准确控制调整垫片共 34 页 第 25 页图 2.7 用锁紧螺母消隙（10）滚珠丝杠副的精度及其选择根据 JB3162.2-91 的规定，滚珠丝杠副按其使用范围及要求分为 7 个精度等级，即 1、2、3、4、5、7 和 10 级，1 级精度最高，依次逐级降低。滚珠丝杠副的精度包括行程偏差和行程变动量偏差、跳动和位置公差、动态预紧转矩极限偏差、轴向接触刚度等。在开环数控机床中，滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度和随动精度；对于闭环数控机床， 丝杠的制造误差使它在工作时负载分布不均匀，从而降低承载能力和接触刚度，并使预紧力和驱动力矩不稳。因此传动精度始终是滚珠丝杠的最重要的指标。表 4 各类机床滚珠丝杠副所推荐的精度等级精度等级（JB3162.2-91）主机类型 坐标轴T0 T1 T2/T3 T4 T5 T7 T10X 车床Z X 磨床Z X、Y Z 镗床W X、Y Z 坐标镗床W X、Y 铣床Z X、Y CNC机床线切割机床U、Y 共 34 页 第 26 页X、Y 电火花机床(Z) X、Y 激光加工机床Z X、Y 钻床Z X、Y Z 加工中心W 普通机床，通用机床 三坐标测量机 表 5 滚珠丝杠副的制造精度与尺寸规格精度等级项目 T1T2。T3 T4 T5 T7丝杠全长 L（mm） 1800 2500 3000 4000 5000公称直径 d0（mm） 63 80 100 100 100长径比 L/d0 30 35 40 45 50内循环 3、4、5、6、8、10、12 5、6、8、10、12基本导程 L0(mm) 外循环 2、3、4、5、6、8、10、12、165、6、8、10、12、16、20本设计初算 n =7r/s,p=480W(最大速度时推力约为 240N)。设计滑台最大移max动速度 V =1000mm/min,则丝杠导程 L mm.根据生产的需要a 05.241maxnV选择丝杠的设计长度为 2500mm,工作实用长度为 1700mm。 （机电一体化技术手册）选用汉江机床厂生产的 C 型滚珠丝杠参数如表 6 所示，选用插管式双螺母预紧丝母，精度等级为 7 级滚珠螺纹丝杠副的代号为 CLM455-2.5-T7表 6 C 型滚珠丝杠参数代号 d 0d L 0珠径 列 圈共 34 页 第 27 页4005.25 40 39.5 5 216 /3.175 1 2.5（11）滚珠丝杠副支承结构形式对滚珠丝杠副支承，除要求足够的寿命外，还要求其具有较高的轴向刚度和精度，并善于承受轴向负荷（因丝杠支承承受的主要是轴向负荷） ；进给系统要求运转灵活，对微小的位移要响应灵敏，因此轴承的摩擦力矩要小。由于丝杠主要承受轴向力，大多采用推力轴承作支承。在相同尺寸条件下，推力球轴承轴向刚度比向心推力球轴承及圆锥滚子轴承的轴向刚度要大一倍以上。适当减小滚珠直径，增加滚珠数量，还可进一步提高推力球轴承刚度（如直径减半，数量加倍，可提高刚度 50%） 。推力滚子轴承刚度又比推子球轴承大一倍左右。当轴向载荷较小，或一个方向的轴向载荷较小时，可不用推力球轴承而用向心推力球轴承，这样，可减少使用的轴承数量。使用接触角 600的向心推力球轴承，既能承受较大的轴向力，又能减少轴承数量。按照承受轴向力轴承的位置不同，有以下四种支承方式：第一种支承方式：“双推自由” （图 2.8 及图 2.10） 。即两方向的推力轴承均装在一端，另一端自由。这种方式适用于短丝杠。第二种支承方式：“双推支承” （图 2.9 及图 2.11） 。即两方向的推力轴承均装在一端，另一端装一个或两个向心球轴承，以避免或减少丝杠因自重而形成的弯曲（水平安装时）及高速回转时自由端的幌动。这时装推力轴承的一端要远离热源和丝杠常用段，以免推力轴承因丝杠热伸长而产生间隙。速回转时自由端的幌动。这时装推力轴承的一端要远离热源和丝杠常用段，以免推力轴承因丝杠热伸长而产生间隙。 共 34 页 第 28 页图 2.8 “双推 自由”支承方式 图 2.9“双推 支承”支承方式图 2.10 “双推 自由”