（机械工程专业论文）翅片管自动生产设备的研究与开发.pdf

翅片管自动生产设备的研究与开发 摘要 翅片管是金属管外表面绕有薄铝带的螺旋形翅片，并利用翅片进行热交 换的换热元件，它是目前国内外公认的高效热交换元件，随着我国空调、制 冷业的发展，对翅片管的需求量日益增加，同时也对产品功能、质量、性价 比、更新换代周期都提出越来越高的要求。而我国现有的翅片管生产设备多 属于半机械、半手工生产方式，生产效率低，产品质量不稳定，不能满足用 户要求。要提高翅片管生产设备的性能，靠进口已经不能适应市场竞争的要 求，必须针对我国的实际情况，开发满足市场需求的翅片管自动生产设备。 本文在对目前国内外翅片管生产设备现状进行研究与分析的基础上， 对整个翅片管自动生产设备的设计进行了全面探讨，通过对翅片管自动生 产设备中的重要零部件进行了强度设计及校核，完成了翅片管自动生产设 备整体结构设计，并在主轴箱的结构上进行大量的改进，将单管加工改为 双管加工；在驱动滚轮上设置变径调整机构，可方便地实现变径加工；在 压带盘上设计成带压力焊的滚压焊接机构，通过焊接电路放电，实现铝带 断料；在上下料机构的设计上采用自动分料装置，实现逐一自动分料；在 控制上采用p l c 作为主要控制装置，利用变频控制电路，实现不同管径、 螺距的无级变速。 本文解决了传统翅片管的半机械、半手工的操作方式，效率低，质量 不稳定，规格少的问题；实现了产品螺距的无级调速，并可实现程序管 理。能够有效地提高企业的生产效率和自动化水平，并最终提高企业在市 场上的竞争力。 关键词翅片管自动生产设备；变频电路；传动机构；无级调速 堕查堡矍三奎兰三堡竺! ：兰堡丝圣 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa u t op r o d u c i n g f i n n e dt u b em a c h i n e a b s t r a c t t h em a c h i n e ( p a s s i n gp a r t ) f o ra u t op r o d u c i n gf i n n e dt u b ei ss p e c i a l i z a t i o n e q u i p m e n tf o rp r o d u c i n gf i n n e d - t u b eo fr a d i a t o r ，w h i c hd e c i d e st h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo ff i n n e d t u b ed i r e c t l y f i n n e d - t u b ei sah e a te x c h a n g ec o m p o n e n t t h a t u s i n gh e l i xm e t a l f i n n e ds l i c et oe x c h a n g eh e a t ，h e l i xm e t a lf i n n e ds l i c e c o n t i n u o u s l yr o u n do nt h es u r f a c eo ft h em e t a l t h ef i n n e dt u b ei sr e c o g n i z e da s ah i g he f f e c th e a te x c h a n g ec o m p o n e n ta n de c o n o m i c a lp r o d u c ti nt h ew h o l e w o r l d a st h ed e v e l o p m e n to fa i r - c o n d i t i o na n dr e f r i g e r a t i o n ，m o r ea n dm o r e f i n n e d - t u b ea r en e e d e d ，a n dm o r ef u n c t i o n ，b e t t e rq u a l i t y ，h i g h e rc o s t p e r f o r m a n c e ，t h ec i r c l eo fu p g r a d eo fp r o d u c t sa r ea l s or e q u i r e d t h i ss y s t e mi s c o n t r o l l e db ym a n u a la n ds e m i m e c h a n i c a l ，s ol e a d st ol o w e rp r o d u c t i v i t y , i n s t a b i l i t ya n dn o ts a t i s f yt h ec l i e n t s c o n t e n t s a n da l lt h e s ea r ed e p e n d e db y a l u m i n u m r o u n d e dm a c h i n e i t sp e r f o r m a n c ec a l ln o tb ei m p r o v e dj u s tb y i m p o r t i n gf r o mf o r e i g nc o u n t r y s oi tn e e d st od e s i g na u t o f i n n e d - t u b ，b a s e do n r e s e a r c ho fa l u m i n u m r o u n d e dm a c h i n e 1 1 1 i sp a s s a g ed e s i g na u t o a l u m i n u m - r o u n d e dm a c h i n e ，a d o p tp l ct oc o n t r o l a n dm a k en u m e r i c a lc o n t r o lc o m et r u e i ta l s ou s e sf r e q u e n c yc o n v e r s i o nt o c o n t r o lt u b et or e v o l v ea n df e e d ，s oc a nr e a l i z es t i p p l e ss p e e dr e g u l a t i n g ，a tt h e s a m et i m e t h em a t e r i a lc a nb ea u t o i n s t a l l e da n du n - i n s t a l l e d ，s oc a nr e a l i z ea u t o m a n u f a c t u r e t h r o u i g ht h es t r e n g t hd e s i g na n dv e r i f yc a l c u l a t i o no fi m p o r t a n t p a r ti nf i n n e dt u b f i n i s ht h ew h o l ef a b r i cd e s i g no fa u t o a l u m i n u m r o u n d e d m a c h i n e c h a n g es i n g l et u b et o d o u b l eo n e s i t sp o w e ri n c r e a s et ot w i c ea s b e f o r e ；p u ta ne q u i p m e n tw h i c hc a na l t e r d i a m e t e ro nd r i v i n gg e a r s ；o nt h e b a i t i n gd e v i c ef l e x i b l eu s i n ga u t o m a t i s ms e n dm a t e r i a ld e v i c e m a k ea u t o m a t i s m s e n dm a t e r i a lc o m et r u e ；o nc o n t r o lu s i n gp i ea st h em a i nc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t i i - 坠尘堡矍三查兰三至堡! ：兰堡丝耋 a n db y 丘e q u e n c yc o n v e r t e rc i r c u i t ，w ec a l la c h i e v ed i f f e r e n td i a m e t e r sa n dp i t c h s c r e w t h ep r o b l e m so fh a l fm a c h i n e r y , h a l fm a n u a lo p e r a t i o nw a y , l o we f f i c i e n c y , u n s t a b l eq u a l i t ya n df e ws p e c i f i c a t i o no ft h e t r a d i t i o na u t oa l u m i n o u s w i n d i n g m a c h i n ea r es o l v e di n t h i st h e s i s t h es e r i e so ft h em o d u l a t i n gv e l o c i t yo ft h e p r o d u c ts c r e w p i t c hg a u g ea r er e a l i z e d ，a n dt h ep r o g r a mm a n a g e m e n t ，p a r a m e t e r p r e - e s t a b l i s h m e n t ，a u t o m a t i c a n dm a n u a lf u n c t i o n sa r er e a l i z e dt o o t h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i z a t i o nl e v e lo ft h ee n t e r p r i s ec a nb ee n h a n c e d ， a n df i n a l l yt h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo ft h ee n t e r p r i s ec a nb ei m p r o v e d k e y w o r d s a u t o - p r o d u c i n gf i n n e dt u b em a c h i n e ；f i n n e d - - t u b e ；f r e q u e n c y c o n v e r s i o nc i r c u i t ；g e a r i n gd e v i c e ；s t e e p l e ss p e e dr e g u l a t i n g - 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文翅片管自动生产设备的研究与 开发，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人弓发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 宋田亮 日期：d 。亏年，月，e t 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 翅片管自动生产设备的研究与开发系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 宋阅完 导师躲f 智务瘦 日期：a 一7 年彳月e t 日期：2 肼占, e l e t 哈尔滨理t 大学丁程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 翅片管生产设备国内外研究现状 随着市场竞争日益激烈，企业需要以最快的速度、最好的质量、最低 的成本、最优的服务来满足客户对产品的要求及持续多变、不可预测的全 球化市场竞争，使企业在激烈的市场竞争中处于主动地位。翅片管广泛用 于冶金、石油、化工、电站等行业的热交换器，及各种散热器。暖风机等 设备上，作为翅片管生产的专用生产线，翅片管自动生产设备控制系统开 发后，能够以更稳定的加工质量，更高的生产效率，和加工精度，更好地 满足客户对产品的多种要求。为企业带来更高的经济效益。 我国翅片管生产线的大量使用从8 0 年代初期开始，但多数为引进设 备。设备陈旧、效率低、质量不稳定、规格小。由于翅片管是空气冷却器 管束上最基本、最重要的热交换元件，随着我国空调、制冷企业的发展， 对翅片管的需求量日益加，作为生产翅片管的专用设备，翅片管生产设备 仅靠进口已不能适应市场竞争的要求。为此，我国一些企业，如开封市红 日散热器厂，哈尔滨空调机厂等，都纷纷开始研制了适合本企业发展的设 备，并取得了较好的经济效益，经过不断的改进和完善，翅片管生产线的 性能和各项参数都得到了很大的提高，但这些改进的多数都只限于机械结 构的改造，翅片管生产线自动控制生产的能力相对较低。近年来，个别企 业研制了具有控制能力的翅片管自动生产设备，但具有控制系统的翅片管 自动生产设备研制工作仍是一项具有很大开始潜力的项目。 国外翅片管生产设备的发展要早于我国，7 0 年代初期，美国m c e l r o y 公司就已经开始研制翅片管生产设备，目前，该公司的翅片管生产线已具 备p l c 控制和自动化加工功能；意大利c m s 公司，a l i a b a d 公司等许多 国家都在不断研制，开发不同规格翅片管生产设备，它能完成不同管径、 翅片螺距的绕片加工，实现螺距的无级调整，而且操作方便，可实现程序 管理、参数预设置、自动、手动等功能。 从以上分析可以看出，国内的翅片管生产设备技术跟国外相比存在很 大的差距，国内绕片机存在的问题： ( 1 ) 采用半机械半手工的操作方式，自动控制能力低下； 哈尔滨理t 大学t 程硕。i 学位论文 ( 2 ) 不能实现不同螺距，不同管径的加工，通用性较差； ( 3 ) 操作繁琐，效率低下不能满足现代化企业的生产需求； ( 4 ) 加工精度差，质量无法满足客户需求； ( 5 ) 原材料浪费严重。 其中质量无法到用户要求主要表现在，翅片管加工完毕，由于采用的 加工方式仅仅是“缠绕”，翅片经常在使用过程中脱落；而原材料浪费表现 在，翅片管上有大段的没有翅片，铝带断料边缘不整齐，甚至撕裂，并且 这种差距正在慢慢加大，因此，必须研制开发一种新型的翅片管生产设备 能实现自动控制，具有自动上下料装置，完全取代过去手工操纵，生产率 大大提高；实现不同直径和长度钢管绕片的自动控制和铝带螺距的无级调 整；零件的精度高、精度好，加工质量稳定，废品率降低。操作方便，可 实现程序管理、参数预设置i l j 、自动、手动等功能。 因此，针对我国企业的实际情况，引进国外先进技术，改造我国现有的翅 片管生产设备，使其具有自动控制功能，是一项重要意义的工作。 1 2 课题研究意义 翅片管生产设备是生产散热器用翅片管的专用设备，这种翅片管是目 前国内外公认的一种新型高效热交换元件，是先进的节能产品，广泛应用 于冶金、石油、化工、电站等行业的热交换器及各种散热器、暖风机等设 备上。由于我国现有的翅片管生产设备多数为半机械半手工的操作方式， 效率低、质量不稳定、规格少、原材料浪费严重，不能满足用户对质量、 品种规格和廉价的要求，这就要求我们快速开发翅片管自动生产设备的自 主知识产权，这不仅是在设备、工艺自动化上的要求，更是全球市场一体 化的要求：现代化的市场要求企业的产品必须保障时间t ( t i m e ) 质量q ( q u a l i t y ) ；成本c ( c o s t ) ；服务s ( s e r v i c e ) ，而要保障t 、q 、c 、s 的 要求，除了要有先进的工艺、设备、技术外，必须保障管理的现代化、科 学化、优化。设备的购进根本无法适应这场竞争，因此，针对我国企业的 实际情况，借鉴国外先进技术，对翅片管自动生产设备的开发与研究是具 有很大开发潜力的项目i2 1 ，开发成功可能带来可观的经济效益和社会效 益。 综上所述，对翅片管自动生产设备的开发的意义就显得更为迫切、重 要。本项目可提高机床的机械性能、提高工效一倍以上，使机床性能更可 喻尔滨理t 大学t 程硕十学位论文 靠，并通过用可编程控制器p l c 的自动控制，方便地完成不同管径、螺距 的翅片管的绕片加工，实现螺距的无级调整，自动上下料，自动传送加 工，实现生产过程的自动化、智能化，提高控制精度，保障加工质量，提 高了企业的自动化程度，提高生产质量、效率和经济效益，其换热元件的 传热效率可提高2 0 2 5 ，生产率提高5 6 倍，直接节约原材料铝带1 0 1 5 ，从而更好地提高产品质量；缩短供货时间；降低生产成本；满足用户 对产品的t 、q 、c 、s 的要求，达到提高企业效益和市场竞争力的目的， 因此本项目极具开发潜力。最终使该翅片管自动生产设备的主要性能及工 艺可能达到国内先进水平。 1 3 课题的主要研究 1 对翅片管自动生产设备进行总体自动化设计调研，搜集、查阅相关 资料，确定整改目标和设计方案，进行项目总体设计方案制定，拟定采用 可编程控制器( p l c ) 为核心的控制系统，采用变频技术，以变频电机作 为驱动力，实现变导程加工。 2 翅片管生产设备整体机械机构设计：根据翅片管自动生产设备的加 工工艺要求，改进已往加工方式，对主轴先后进行大力改进，将过去传统 的单管加工的方法改为双管加工。 3 全面考虑产品的总体布置、对传动元件进行强度计算】，受力分 析。 4 压带盘部分的研究：将铝带压盘在原有功能的基础上增设机构电器 机构，成为除压带外还有焊接、断科电路机构，进行焊接和断料；焊接电 路部分、自动上下料装置等机构的结构设计改造。 5 改进主轴箱的总体结构，将转动体及主轴支撑进行改进，尽力缩短 铝带压盘与驱动轮的距离传动、提高材料的利用率，降低成本。 6 进行机构的详细设计。确定零部件形状、材料和尺寸，并进行必要 的强度、刚度、可靠性计算，完成部分零件图纸。 7 进行p l c 控制系统设计及相关软件设计等。 哈尔滨理t 大学下程硕f ：学位论文 1 4 预期目的 1 将目前单管加工改为双管加工，主要思路是：机床的总体尺寸、机 械结构、总体造价变化不大，但却能将加工功率提高一倍。 2 在驱动滚轮上设置变径调整机构，在加工产品型号改变时，只需调 整变径调整机构，就实现变径加工，由于可调整变径的尺寸，所以可以保 证需要的夹紧压力。机床调整方便，通过改变控制程序就可实现不同直径 和长度钢管绕片的自动控制和铝带螺距的无级调整。 3 设置焊接电路、断料电路，过去的翅片管生产设备加工时利用铝带 与钢管一缠绕而“粘附”在一起，造成铝带易于从钢管上脱落，在此利用 压带盘形成滚压焊接机构，同时在加工结束时将焊接电路变为大脉冲放 电，并在绕带盘轴上安装电磁制动装置，在加工结束时，电磁制动装置将 绕带盘轴闸住，利用钢管的转动力将铝带拉断。 4 减小滚轮到压头的距离，因为管的旋转是靠滚轮带动的，一旦脱离 加工就结束了，这个距离尺寸较大，就会有很长一段管上无翅片，造成严 重的原料浪费。 5 采用p l c 技术实现翅片管生产设备的控制，操作简单，维护方 便，出现故障容易查找，可靠性高。 6 采用变频技术控制变频电路，实现不同管径、螺距的无级变速。提 高了零件的加工精度，质量稳定，避免了人为因素的影响，废品率可大大 降低，减少浪费，降低成本。 7 采用自动上、下料装置，提高生产效率。 哈尔滨理丁大学t 程硕 。学位论文 第2 章翅片管绕制机构设计 2 1 翅片管自动生产设备的技术要求 对采用可编程控制器( p l c ) 为核心的控制系统及总体结构进行设计【4 1 ； 对运用p l c 实现变频调速器多电机控制的原理进行系统设计；根据翅片管 自动生产设备生产的要求，进行机床机械结构、上下料装置设计及工艺设 计。在以往的基础上进行改进和创新，具体表现在以下几个方面： 1 机头在单管进料的传统基础上改进为双管进料，只需将滚轮等机构 设置为两套即可。 2 实现不同直径和长度钢管绕片的自动控制和铝带螺距的无级调整。 3 用自动控制系统代替原来的手工操作，提高加工精度。 4 通过自动控制，提高自动化程度、生产效率和加工精度，降低生产 成本，减少人为操作造成的误差。 5 采用报警装置，当发生故障时，可以及时的处理，便于修理，减少 损失。 2 2 绕制机构的运动方案设计及选择 2 2 1 绕制机构的运动原理 翅片管在绕制过程中其运动原理如图2 1 所示，为实现螺旋运动，必 须完成铝带绕钢管的相对螺旋运动。其中可以让钢管旋转及轴向进给；使 铝带旋转及轴向进给；铝带旋转钢管轴向进给；铝带进给和钢管旋转，因 此可确定基本运动方案有以下四种即：方案一、钢管旋转及轴向进给；方 案二、钢管旋转，铝带进给；方案三、铝带旋转，钢管进给：方案四、铝 带进给及旋转。但由于铝带装在铝带盘，要使其旋转就须铝带盘与之一道 旋转，这不仅很难实现、机械功率损耗极大，且由于铝带被连续使用，使 铝带绕盘半径发生变化，缠绕速度不易控制在恒速，因此铝带旋转的方案 是不可行的，所以方案三、四被否定。 哈尔滨理t 大学t 程硕十学位论文 p 铝片螺距( m m ) 1 钢管轴向运动的速度c o 铜管角速度( r a d s ) 图2 - 1 运动原理分析图 f i g 2 - ia n a l y s i so f a t h l e t i c st h e o r y 但无论钢管旋转、进给还是铝带旋转，钢管、铝带进给，其速度都是 相对运动，速度分析皆与图2 1 原理一致。 2 2 2 方案一的传动与驱动原理 1 方案一的驱动选择：钢管的轴向进给和自身回转运动是靠两个独立 的电机完成的，如果用一个电机来实现钢管的轴向进给和自身回转运动， 虽然电机数量减少一个，但这样的结构就只有利用变速箱进行螺距调整， 由于齿轮数量有限，无法实现无级调速，想加工不同螺距，只有增加齿轮 数，造成机构相对比较复杂。而且这样的结构需要靠多组传动齿轮来传 动，分配电机的动力降低机械效率。因此传动机构采用双电机驱动，根据 用户的需求，利用变频器来控制电机的转速，配合普通电机的直线进给就 能实现多种螺距的无级调速。 2 传动方案选择：因为是钢管进给及旋转，所以将机头固定不动，利 用普通三相异步电机带动蜗杆带动蜗轮、带动传动轮、带动进给轮，实现 钢管轴向进给；利用另外一个三相异步电动机在变频技术的控制下带动主 轴体旋转，带动进给轮旋转、带动钢管旋转，由于变频技术可实现电机任 意转速控制，所以实现钢管的各种旋转速度，实现翅片管的无级调速；铝 带是被强制挤压成螺旋状态的，由于铝带刚度小，容易成型，因此实现起 来比较容易。基本运动原理如下图2 2 所示，铝片的绕制过程是由钢管相 对于绕头的轴向进给和钢管沿自身回转运动的合成，因为在钢管的输送机 构中，包括钢管的回转和进给两条传动路线。缠绕在钢管上铝片的螺距调 节主要是靠钢管的轴向运动速度来实现，钢管本身是与绕头作相对运动， 因此改变绕头的径向运动速度就能实现铝片的螺距调节。其传动原理如下 旷与p # 哈尔泞理t 人学t 程硕f 学位论文 图2 - 2 所示。 图2 - 2 方案一的传动原理图 f i g 2 - 2t h e o r yt r a n s m i s s i o no fm e t h o d o n e 2 2 3 方案二的传动与驱动原理 1 方案二的驱动选择：基本结构是，机头带动铝带进行轴向进给，钢 管在机头中驱动轮带动下进行旋转运动。利用变频控制两台电机，一台带 动机头进行轴向进给、另一台带动驱动轮是钢管进行旋转运动。其中旋转 电机使用变频技术使其保障恒定频率，而进给电机则利用变频技术使其实 现各种转速，实现无级调速。但若使用一台电机则无法实现无级调速，因 此采用两台电机进行驱动。 2 方案二的传动方案选择：利用一台三相异步电动机，在变频器p j 的 控制下带动传动机构驱动溜板进行直线进给，并将铝带安装在溜板上，与 机头同时在溜板的带动下实现轴向进给运动；同时旋转电机在变频器的控 制下，通过传动机构带动驱动轮旋转，使钢管实现旋转运动，在变频器控 制下，使钢管的旋转与铝带的轴向进给配合实现螺距的无级调速其传动原 理见下图：图2 3 方案二传动原理图。其中利用变频电动机通过齿轮啮合 竺堑堡矍三查兰三堡堡! ：兰堡丝三 驱动两个主轴，主轴旋转带动主轴上的三个驱动轮带动钢管旋转，其传动 位置如图2 - 4 所示。 驱动轮 图2 - 3 方案二传动原理图 f i g 2 - 3t r a n s m i s s i o nt h e o r yo fm e t h o dt w o 主轴齿轮 图2 - 4 方案二主轴电机位置图 机齿轮 f i g 2 - 4p o s i t i o no fp r i n c i p a la x i se l e c t r o m o t o ri nm e t h o dt w o - 8 哈尔演理t 大学1 = 程硕士学位论文 2 3 绕制机构的结构设计及选择 2 3 1 方案一的传动系统中主要结构初步设计 此方案按其运动原理及结构需求，由于钢管实现旋转及轴向进给，因 此需要与钢管接触的进给轮在绕自身轴线旋转的同时，随主轴整体旋转。 而此进给轮必须将钢管夹持住，为实现此目的，将其结构设计成图2 5 的 进给机构形式，三个进给轮从1 2 0 。的方向上实现对钢管的夹持作用，并 在普通电机通过轮系带动下实现整体旋转；利用变频器控制的电机带动蜗 杆、蜗杆传动蜗轮、蜗轮传动传动齿轮、传动齿轮传动进给轮，使进给轮 完成各种转速的旋转，实现钢管的轴向进给。进给运动与旋转运动配合实 现螺旋运动，完成各种螺距的无级调速运动。 在设计进给机构结构的基础之上，参照以往设计对传动机构整体结构 方案进行初步设计，为保障轴的支撑强度，利用轴承座进行支撑，减小箱 体的结构简化制造工艺，见图2 - 6 方案一的传动结构图。并绘制出装配立 体图，见图2 7 方案一主轴整体结构图。 图2 5 方案一进给机构整体立体图 f i g 2 - 5s o l i dp i c t u r eo fw h o l ef e e d i n gs t r u c t u r e 图2 - 6 方案一的传动结构图 f i g 2 - 6s t r u c t u r eo ft r a n s m i s s i o n 图2 7 方案一主轴整体结构图 f i g 2 - 7w h o l es t r u c t u r eo fp r i n c i p a la x i s 但此设计中由于没有对加工钢管直径发生变化的情况进行结构设计考 虑，当钢管的直径尺寸变化时，就需要更换驱动轮，形成新的加工钢管直 径机构，这样拆装起来非常繁琐，并且有多种管径就要准备多套驱动轮； 并且由于钢管既需要进给又需要旋转，所以需要整体轴装配部件进行旋转 运动，造成组件较多，机构复杂庞大嘲，实现高速运动、启动、停止困 难。 喻尔演理丁大学t 狸硕f 学位论文 2 3 2 方案二的传动系统中主要结构初步设计 为了实现铝带的轴向进给和钢管的回转，在设计中选用的驱动轮只要 满足自身回转。如图2 8 所示的驱动轮系，这种驱动轮系是在一个圆周上 均匀分布三组完全相同的结构的驱动轮，驱动轮的表面带有防滑材料，其 目的就是增大驱动轮与钢管之间的摩擦力，这样更能有效的驱动钢管进行 旋转运动。从结构中知道，钢管被夹紧在三个驱动轮的中间，当外部给驱 动轮转动力，这组驱动轮就会带动钢管以钢管的中心作旋转运动，实现了 钢管的自身回转运动。因为钢管不需要轴向进给，机头带动铝带进行进给 运动，当驱动轮绕整个转动体中心转动的时候，迫使钢管自身旋转，铝带 沿轴向进给，这样就实现了钢管的旋转、铝带绕钢管形成螺旋运动，机构 的工作流程设计如下： 1 钢管由上料装置传动到与回转体轴心同心时，p l c 发出指令，直线 进给电机开始工作，带动工作台运动，工作台上安装的主轴箱与工作台一 起运动，形成铝带直线进给开始。 2 当钢管进入主箱体内与驱动轮接触后，光敏传感器将信号传递至 p l c ，p l c 发出指令，主轴箱上的旋转电机开始工作，带动主箱体内的齿 轮转动，从而达到带动驱动轮的转动，钢管开始旋转运动，配合工作台主 轴箱的直线进给，形成旋转运动。 3 钢管进到在主轴箱，在驱动轮的带动下旋转露出轧头2 0 m m 时， p l c 发出指令，使压带盘开始旋转，带动绕带盘旋转实现铝带进给运动， 形成螺旋运动，同时焊接电路开始焊接。 4 绕到钢管设定长度时，焊接、断料电路由焊接功能变为断料功能， 出现瞬间大脉冲放电，熔断铝带，同时p l c 发出指令绕带盘轴上的电磁离 合器启动，将绕带盘的轴闸住，在钢管旋转力的拉动下，使铝带断掉，停 机，将加工完毕的工件由下料机构料取下工件。 5 工作台带动主轴向返回起始点，完成加工，准备第二次加工。 为了使所驱动轮自身回转，需要外部的连接机构和传动机构来实现对 其驱动。因此设计了驱动轮、转动体、传动齿轮、主轴箱、变频电机，并 将这些设备与安装在工作台上，形成装配关系，设计出简单装配关系以及 装配关系示意初步设计。如下图2 - 9 所示。 至兰堡矍三奎兰三堡堡! ：兰堡丝兰 图2 - 8 驱动轮的结构示意 f i g 2 - 8d r i v i n gg e a rs t r u c t u r e 图2 - 9 工作台与主轴箱结构示意图 f i g 2 - 9s t r u c t u r eo fw o r k b e n c ha n dh e a d s t o c k 1 2 哈尔滨理丁大学t 程硕卜学位论文 旋转电机安装在主轴箱，通过主轴箱外的齿轮副带动上转动体、驱动 轮回转，实现驱动轮的回转运动，拉动铝带绕在钢管上，形成旋转运动； 主轴箱外连在导轨工作台面板上，工作台在直线进给电机的驱动下，带动 工作台、主轴箱、绕带盘最终实现动铝带直线进给，由上述两个运动和 成，形成螺旋运动j 。 转动体、驱动轮在主轴箱内装配结构，初步设计成图2 1 0 装配示意图 所示的结构。 图2 1 0 主轴箱装配示意图 f i g 2 - 1 0 a s s e m b l yo f p r i n c i p a la x i s 利用钢管在旋转，工作台带动主轴箱带动绕带盘、铝带进给的功能， 当铝带与钢管接触时，受到钢管转动的向心力驱动，铝带将产生一个向钢 管中心弯曲的趋势，铝带的弹性变形比较好，在压带盘的合适的压力作用 下，的绕在钢管上。 为了提高绕片的成功率及铝带与钢管的接触面积，在进行绕片时，利 用压带盘的宽度和角度对铝带部进行弯曲，压弯曲一段约2 m m 宽的铝带 哈尔滨理下大学t 程硕i j 学位论文 ( 将此2 m m 的一部分铝带焊接在钢管上，从而增大铝带与钢管的接触面 积，提高热交换率) 。 分析铝带形变可以知道，铝带受拉变长，绕在钢管上后，利用铝带的 张紧力与钢管缠绕，再使用滚压焊接保证铝带与钢管的紧密接触，保证它 们之间的导热性。为了实现这一目的，绕片机构的头部的压带盘，与铝 带、钢管之间需要保障一定的压力，在绕上焊接时，铝带受拉转动，变 薄，压带盘顺着铝带绕支撑轴转动，防止铝带的拉出。根据铝片的弹性变 形力的大小，确定旋转电机的速度、功率。具体示意如下图2 1 1 所示。 图2 - 1 1 压带盘结构示意图 f i g 2 - 1 1s t r u c t u r eo f p r e s s i n gs t r a pp l a t e 2 4 传动方案的选择 比较传动方案一、二，从传动方案传动机构的初步设计可以看出，传 动方案一的主轴箱内部结构复杂，其原因在于传动方案一是钢管既要做直 线进给运动，又要做旋转运动。使得主轴箱内部结构复杂，而影响翅片管 自动生产设备加工质量主要在于主轴箱结构设计的合理性，要想提高加工 效率，主要方法是提高钢管的转速、进给速度，但如果主轴结构复杂，就 哈尔滨理t 大学 二程硕十学位论文 给高速旋转带来难度：要想实现不同管径加工时能够实现简单调整，就必 须在主轴上添加新的机构，而这必定要增加主轴的结构复杂程度，甚至造 成无法增加机构；因此传动方案一不适合本设计使用。而方案二则显示出 一定优势，由于进给运动由溜板箱带动主轴箱完成进给运动，不需要驱动 轮带动钢管直线进给，使得主轴箱结构应大大简化，减掉了进给机构，因 此可以在进给机构的地方安装径向调整机构，经上述分析可知方案二较方 案一有绝对的优势，因此采用方案二。 2 5 传动方案的最终确定 经上述论述决定以方案二为最终设计方案。但在方案二中的初步设计中还 有许多缺点和不足，首先是机构利用上效率太低，由于采用溜板带动主轴箱进 给，而工件最大长度是9 米，进给距离应超过9 米，进给尺寸很大，为保证床 身的刚度需要有一定的床身宽度，如果将单管加工变为双管加工则床身宽度变 化不大的前提下，只需增加一套转动体、压带盘机构、主轴箱增宽一个回转体 机构的宽度、改进上下料机构，就可以提高工效2 倍：在回转体机构中增加一 套变径调整机构，改进初步设计中变管径加工时须改换驱动轮保持压力的做 法，过去的做法需要做很多套( 每套三个) 不同直径的驱动轮，并且在变径加 工时首先更换驱动轮，增加劳动强度更主要的是降低加工效率【8 】。增加一个调 整径向尺寸调压机构后则只需在变径加工时调整三个偏心套就可实现调径： 由于驱动轮与钢管一旦脱离，加工就已经结束，因此钢管的利用率主要取决于 驱动轮与压带盘的距离，这个距离越小则材料的利用率越高，以此尽力缩小这 个距离。 2 6 传动方案的原理简图及主轴箱装配原理 2 6 1 主轴箱传动原理 按最终设计方案，传动方案为双管同时加工，其传动原理如图2 1 2 所 示：主要是利用一个变频控制电机对驱动轮进行驱动，并增设偏心机构实 现传动齿轮间隙调整，降低传动误差，实现准确传动。 9 e 动栳 图2 - 1 2 回转机构传动原理最终方案原理 f i g 2 - 1 2f i n a ls c h e m eo f g y r a t i o ns t r u c t u r et h e o r y 2 6 2 主轴箱调整变径加工机构原理 2 6 2 1 主轴箱变径调整机构方案一 将安装驱动轮的驱动杆3 ( 3 根驱动杆) 的一端铰接在驱动端法兰盘1 上，另一端法兰盘2 上安装蜗杆，并将驱动连杆的一段造成蜗轮的一部 分，与法兰盘2 的蜗杆相配合，当工件需要改变直径时只需旋转法兰盘2 上的蜗杆就可以调整驱动轮的夹持工件的直径，并且可由蜗杆的调整改变 驱动轮的工件的夹持力的大小。( 由于图较大，另附装配图1 ) 。 2 6 2 2 主轴箱变径调整机构方案二 铝片的绕制过程是由钢管相对于绕头的轴向进给和钢管沿自身回转运 动的合成，因为在钢管的输送机构中，包括钢管的回转和进给两条传动路 线。因此在设计中所选用的驱动轮既要满足轴向进给，又要使钢管自身回 转。但由于钢管的半径随加工参数的变化而变化，须设计出在加工需要改 变产品参数时，能够使得半径可以调整的机构，在上一方案中已经选用了 蜗轮、蜗杆调径原理，现在利用偏心套机构进行变径调整设计，其装配原 哈尔滨理t 大学t 程硕i ：学位论文 理如图2 - 1 3 所示。 1 三相电机2 主轴箱体3 转动体4 压带盘5 三相电机 图2 - 1 3 自动进给和缠绕装置图 f i g 2 - 1 3s t r u c t u r eo f a u t o f e e da n dt w i s t 此方案是利用偏心套调整机构设置在转动体上( 转动体上安装驱动 轮) ，当调整转动体上的三个调整手柄时，利用偏心套的偏心尺寸改变三个 驱动轮的中心距，来调整加工直径变化，在加工不同参数的翅片管，完成 不同直径的进给和缠绕加工。在设计中选用齿轮传动实现了管子沿自身轴 线回转。此回转体是在圆周上均匀分布三个完全相同的结构的驱动轮，驱 动轮的同样在表面上附着防滑材料，为了增大驱动轮与钢管之白j 的摩擦 力，并在驱动轮与钢管接触表面上制造出槽【耵，更能有效的驱动钢管进行 旋转运动。 2 6 2 3 主轴箱变径调整机构比较 方案二较方案一有较大的不同，方案二有较明显的优点，在调整加工 直径方面更具优势，利用的偏心机构实现变径调整方便简捷，偏心机构在 调整完后实现自锁困难，只须设置一个锁定机构完成加工时的锁定，这样 才能保障调整后机构不在加工时不会出现加工直径的尺寸变化。而方案一 的机构较方案二相对复杂，增加了一套蜗轮、蜗杆机构，且连接杆是必不 可少的部分，这样不可避免的增大了整体的的尺寸、重量、造价，且这个 哈尔滨理t 大学t 程硕。f ：学位论文 机构随主轴做旋转运动，由于主轴转速较高，如果其回转精度不高，就会 引起较大的向心力，为保证其回转运动的平稳，必须提高其加工精度，使 其机构尺寸造价大大提高，所以选用方案二为调整机构。 由于主轴箱转装配较大，将其绘在附图中，见附图2 。同时对装配图 中主要零件进行绘制，包括：1 转动体左盘( 1 件) ；2 驱动轮( 6 件) ；3 滑套( 3 件) ；4 驱动轮轴( 3 件) ；5 转动体肋板( 6 件) ；6 转动体右盘( 1 件) ；7 可调偏心套( 3 件) ；8 定位、紧定螺栓( 6 件) ；9 定位键( 6 件) ； 1 0 弹簧卡环( 3 件) 。 2 6 3 主轴箱转动体装配图 轴箱转动体装配示意图如图2 1 4 所示。其调整工作原理：当加工的工 件发生尺寸变化需调整加工直径时，先将驱动轮上的6 个定位、紧定螺栓 松开；用专用扳手调整同转向地调整( 注意调整时偏心调整套上的刻度线 转过的刻度数应相同) ，以保障调整后三个驱动轮的圆心与回转轴的轴心线 保持同轴度，并反复调试直到夹紧力与需要的相同；再将6 个定位、紧定 螺栓拧紧，完成调整加工直径工作。 1 转动体左盘2 驱动轮3 滑套4 驱动轮轴5 转动体肋板 6 转动体右盘 7 可调偏心套8 定位紧定螺栓9 定位键 l o 弹簧乍环 图2 1 4 主轴箱转动体装配图 f i g 2 - 1 4a s s e m b l yo fr o t o ri nh e a d s t o c k 哈尔滨理丁大学t 程硕十学位论文 2 6 4 主轴箱装配原理及改进 在以往的主轴箱设计中主轴的装配全部使用滚动轴承，为使转动体上 的主轴能够安装在箱体上，在转动体左盘上安装“主轴”，然后将此“主 轴”利用滚动轴承支撑在主轴箱上，这种结构将大大增大铝带压盘和驱动 轮的距离，而一旦钢管与驱动轮脱离加工就已经结束，这样就造成大量的 原材料浪费，为了提高原材料的利用率降低成本，就必须缩小铝带压盘与 驱动轮的距离，在此将转动体左盘作为主轴来使用，在转动体左盘上直接 安装滑动轴承，这样不仅减少了零件的数量，更主要大大减低了铝带压盘 与驱动轮的距离，提高了材料的利用率、降低了成本。 2 7 驱动轮的结构设计 驱动轮是靠摩擦力来带动钢管旋转，主要参数为压紧力、表面接触面 积及摩擦系数1 9 ，材料一旦选定则摩擦系数无法改变，为了提高传动效 率，主应从压紧力与表面接触面积两方面考虑。 1 压紧力的计算：为防止打滑，驱动轮与钢管之间必须有足够的法向 压力f n 。压力f n 是由对驱动轮所施加的外力f q 产生的，力f o 来源于蜗 杆的调整带动驱动连杆产生对工件的压力称为压紧力【1 0 】。 设“为摩擦副材料与钢管的摩擦系数，则传动在接触面间的最大摩擦 力为肛f n ，此摩擦力应大于钢管转动所需的圆周扭矩，即p f n m 。 压力f 。可根据传动所传递的名义载荷求出，但为了计及载荷的不稳定 性和保证传动的工作可靠性，引入载荷系数k 。现以k f 代f 并写成公式 “f n = k f ，可得法向压力 r = 等= i k ，互l o o o e , 翟1 圳6 丢土d 2 n 2 ( 2 - ) ，”2 了2 i 酉。 i 一 u 叫j 6 0 1 0 0 0 式中p l 转动功率( k w ) ； d r 从动轮直径( r a m ) ； 1 1 2 从动轮转速( r m i n ) ； i 摩擦系数； k 载荷系数 对于功率传动，k = i 2 5 1 5 ，间歇工作，载荷不大的取小值，载荷较 哈尔滨理丁大学1 = 程硕l ：学位论文 大的取大值，连续工作l o h 以上的在加大3 0 5 0 ；对于仪器传动， k = 2 - 3 。 压紧力f o 为 f q ：f n ：塑( 2 - 2 ) 圆柱槽摩擦轮传动的压紧力f o 为 f q = f ns i n p ：坚s i n ( 2 - 3 ) z 2 表面接触强度计算除打滑外，当两轮面均为金属材料且在油中工 作时，传动的主要失效形式将是表面疲劳磨损；在无润滑下工作的传动， 无论是金属金属摩擦副或金属非金属摩擦副，其主要失效形式将是表面 磨粒磨损。前一种失效应按接触应力公式进行