（机械工程专业论文）电阻绕线机总体方案及结构设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页wi l l摘要随着社会的不断发展，全球消费电子、通信、汽车、计算机等领域对电阻器的需求不断增加，同时对于电子系统可靠性的要求越来越高，因此，具有高可靠性的电阻具有广阔的市场前景。国内线绕电阻器生产厂家受技术条件和水平的限制，生产出来的电阻器质量稳定性差、体积大、性能一致性差，难以满足市场需求。因此，需要设计一种新的电阻绕线机。论文提出了一种全自动电阻绕线机的设计方案，该设计通过扯动送丝技术和实时检测技术解决了目前线绕电阻器生产过程中存在的焊接可靠性差和阻值一致性差等关键问题，并通过对排线运动系统的精确控制提高了绕线质量。首先对线绕电阻器的结构和特点进行了介绍，研究了其绕线原理，并对影响电阻器绕制质量的因素进行了总结。其次通过对电阻绕线机的功能分析，确定其原理方案，然后根据原理方案进行结构总体设计，包括总体布置、功能模块的划分和主要技术参数的确定。还介绍了电阻绕线机设计中的关键技术。再次进行了电阻绕线机的主要结构设计。分别对绕线、下料、送丝和下件分选等模块的结构进行了设计并确定了主要功能部件及参数。最后设计了总体控制方案。包括核心控制方案的确定，精密排线控制、气动控制和张力控制的方案设计。关键词：电阻；绕线机；设计西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页a b s t r a c tc o n s u m ee l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n , a u t o m o b i l e s ，c o m p u t e ra n do t h e rf i e l d sh a v ea r ti n c r e a s i n gd e m a n do fr e s i s t o r sg o l o b a l l yw i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y a tt h es a m et i m e ，e l e c t r o n i cs y s t e m sa r em e e t i n gah i g l ld e m a n df o rr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，h i g hr e l i a b i l i t yr e s i s t o r sh a v eb r o a dm a r k e tp r o s p e c t s r e s t r i c t e db yt e c n i c i a lr e a s o n s ，t h ep r o d u c t so fd o m e s t i cm a n u f a c t u r e r so fw i r ew o u n dr e s i s t o r sc o u l dn o tm e e tt h ed e m a n do ft h em a r k e tb e c a u s eo ft h e i rl o ws t a b i l i t y , b i gs i z e sa n dp o o rc o n s i s t e n c yo fp e r f o r m a n c e t h u s ，an e wr e s i s t o rw i n d i n gm a c h i n ei si nn e e d t h ed e s i g no fa na u t o m a t i cr e s i s t o rw i n d i n gm a c h i n ei sp u tu pi nt h i st h e s i s t h ek e yi s s u e st h a tt h el o wr e l i a b i l i t yo fw e l d i n ga n dp o o rc o n s i s t e n c yo fr e s i s t a n c ev a l u ei nc u r r e n tw i r e - w o u n dr e s i s t o rp r o d u c t i o np r o c e s si ss o l v e db yu s i n gt r a c t i o nw i r e - f e e dt e c h n o l o g ya n dr e a l - t i m et e s t i n gt e c h n o l o g y a n dt h ew i n d i n gq u a l i t yi si m p r o v e dt h r o u g hp r e c i s i o nc o n t r o lt h ew i n d i n gd i s p l a c e m e n tm o t i o ns y s t e m f i r s t l y , t h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ew i r e - w o u n dr e s i s t o ra r ei n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l eo fi t sw i n d i n gi ss t u d i e da n dt h ee l e m e n t st h a t e f f e c tt h eq u a l i t yo fw i r e - w o u n dr e s i s t o ra r ea l s os u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l es c h e m ei sd e t e r m i n e dt h r o u g ht h ef u n c t i o n a la n a l y s i so fw i n d i n gm a c h i n e t h e nt h eg e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g ni n c l u d i n gt h eg e n e r a ll a y o u t ，t h ed i v i s i o no ff u n c t i o nm o d u l e sa n dt h ed e t e r m i n eo f m a i nt e c h n o l o g yp a r a m e t e ri sc x c u t e d a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f w i n d i n gm a c h i n ea r ei n t r o d u c e d t h i r d l y , t h em a j o rs t r u c t u r a lo fr e s i s t o rw i n d i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d t h em o d u l eo fw i r ew r a p p i n g , b a i t i n g , w i r ef e e d i n ga n ds o r t i n ga r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h em a i nf u n c t i o n a le l e m e n t sa n dp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d a tl a s t , t h eo v e r a l l c o n t r o ls c h e m ei sd e s i g n e d t h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ec o r ec o n t r o lp r o g r a m ，p r e c i s i o nw i n d i n gd i s p l a c e m e n tc o n t r o l ，p n e u m a t i cc o n t r o la n dt e n s i o nc o n t r o la l ea 】1i n c l u d e d k e yw o r d s ：r e s i s t o r , w i n d i n gm a c h i n e ；d e s i g n西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页1 1 课题的研究背景第1 章绪论电阻器是最基本、最常用的电子元器件。据统计，一般电路电阻器所占比例均在4 0 以上，加之电阻器在电子中极其广泛的应用，就更加突出了电阻器的重要地位【1 1 。随着社会的不断发展，全球消费电子、通信、汽车、计算机等领域对电阻器的需求不断增加，同时对于电子系统可靠性的要求越来越高，因此，具有高可靠性的电阻器具有广阔的市场前景。近年来，表面组装技术( s m t ) 全面发展起来，广泛用于计算机，通信、汽车等各个方面，因而片式元件的生产发展迅猛，推出新的产品。片式固定电阻器发展很快，在元件生产中所占比重迅速增加，并不断它正在不断取代着传统电阻器，如碳质和炭膜电阻器在不少场合已被片式电阻器所取代。在片式电阻电阻器得到很大发展的同时，传统电阻器虽然在产量上增长较慢，但在质量方面却精益求精，努力向小型化、多功能、高可靠、长寿命方向发展【2 1 。线绕电阻器就是一种传统的电阻器，它是将高阻值的康铜丝或镍铬合金丝绕在瓷管上，外层涂以珐琅或玻璃釉加以保护而成。绕线电阻具有高稳定性、高精度、大功率等特点。温度系数可做到小于1 0 6 ，精度高于0 0 1 ，最大功率可达2 0 0 w 。且噪声小、耐高温( 能在3 0 0 c 左右的温度下连续工作) 、能承受较大负载。其最大的不足是自身电感和分布电容比较大，不能用于高频电路【3 1 。目前，国内生产绕线电阻器的厂家有很多，但这些企业普遍生产规模小，生产能力有限，而且受到各种技术条件和水平的限制，生产出来的电阻质量稳定性差、体积大、性能一致性差，难以满足市场对于绕线电阻器的质量和数量的需求。为了满足我国相关产业发展的需求，需要设计出一种新的电阻绕线机。对于普通绕线电阻器的生产，国内的企业已经积累了丰富的经验，并且都掌握了一套成熟的生产技术。但是，在电阻器的质量控制上仍然还是面临一些技术难题，比如电阻焊点的可靠性、电阻阻值一致性的控制等。西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页1 2 国内外研究现状1 2 1 国内研究现状近年来，国内绕线机行业通过自主研发以及引进吸收日本、台湾等国家和地区的先进制造技术，已经形成了全自动、多功能、高效率的生产能力。但是我国的绕线机产业与发达国家相比，还存在着较大差距。主要表现在：控制技术和产品可靠性方面较差，且技术更新的速度太慢，新技术、新材料、新工艺推广的范围太窄。整体水平比发达国家要落后1 0 年，在产品的开发、性能、质量、可靠性、价格、服务等方面与进口产品在竞争中处于劣势，抵挡不了进口产品的大量涌入。针对这一情况，国内有很多的专家、学者结合生产实际进行了相应的研究，并从不同的角度提出了改进绕线机设计的方案。比如，浙江大学的刘洪玮等人提出了一种基于交流伺服控制的绕线机系统，该系统以高性能运动控制芯片i r m c k 2 0 1 作为电流环和速度环，d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为位置环与其它辅助功能控制，并且以伺服电机编码器输出脉冲作为比较输出端的时钟输入，硬件上实现了系统主轴运动与排线运动的协调，使得绕线紧密、整齐，绕线质量得到了提升【4 】。中国电子科技集团公司第二研究所的王伟民等则对多轴绕线机进行了研究，该设备通过伺服电机同步驱动多个绕线轴的转动，保证各绕线轴等速转动，并通过加工和装配精度来保证各绕线模具同心，这样就能够实现同时绕制多个线圈，相较于传统的单轴绕线机大大提高了工作效率【5 】。另外，该研究所的王敏等人研究并改进了细微线空心绕线机的相关技术，通过运用复合排线法并利用软件控制伺服电机在换向时速度与时间的匹配，很好的控制了绕制层面的品质，还采用最新研制的伺服张力计，稳定地控制了细微漆包线的张力，保证了排线整齐，无压叠、无松散，这些都大大地改进了整机的性能，提高了产品质量【6 1 。目前，国内对于绕线机的研究主要集中在三个方向：1 改进控制技术。通过改进控制技术，使绕线机系统的绕线运动与排线运动在速度和时间上配合的更好，控制更精确，进而提高绕线的质量，大大改善产品的品质。2 改进机械结构。根据在生产实践中积累的经验，对绕线机运动的实现方式进行改进，或者增加绕线轴的数量，通过这些改进和创新，使绕线机的可靠性有了很大提高，生产效率也有了显著的提升。3 不断将最新的技术或产品应用于绕线机。密切关注国际科研动态，在绕线机的设计中不断加入最新的技术或产品，进而增西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页加绕线机的技术含量，不断提高产品的品质。比如，用伺服张力器替换传统的机械张力器，更好的控制了丝线的张力，提高了所绕线圈的质量和可靠性。1 2 2 国外研究现状国外对绕线机的研究起步较早，目前技术已经相当成熟，因而所生产的绕线机具有很高的技术水平。日本制造的绕线机设备外观精致，结构轻巧、紧凑，功能繁多。一般可绕o 0 2 2 m m 的线径，绕线幅度范围一般在0 - - 8 0 m m 之间，有的甚至可达几百m m ，线圈转动直径可达1 5 0 m m ，绕幅精度一般在0 0 0 1 - 0 0 1 m m 范围内。日产绕线机大部分是全自动绕线机，其绕线转速根据不同线径，可高达3 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 r p m ，生产率极高，产品质量容易控制，而且可以实现多工位同时工作。欧美绕线机因其加工精度高、质量稳定而在国际绕线机市场上占有重要地位。一般可绕o 0 1 一- 2 m m 的线径，绕幅在0 - - - 2 0 0 r a m 之间，线圈转动直径可达1 8 0 r a m ，转轴误差极小。绕线机由精密微机控制，操作简单可靠【7 1 。目前，国外对于绕线机的研究主要集中在控制系统上，比如，为了使绕线机能够绕出不同的线圈轨迹，日本的b a g u sm a h a w a n 等设计了一套用于绕线机伺服机构的跟踪控制系统。他们提出了一种在线自适应参数识别方案，应用这套方案，只需要用简单的控制器就能够实现对伺服机构的高速、高精密跟踪控制，另外，他们还在系统中设计了一个抗干扰观测器以提高跟踪性能【8 】。澳大利亚的c a r ys t a p l e t o n 等设计了一套用于方形线圈的绕制的张力控制系统，在这套系统中，为了减小由于电阻丝步长改变而引起的张力波动，用一种带有储丝和张力调整设备的电阻丝矫平机构替代了传统的流体驱动升降臂p 】。1 3 本论文的主要研究内容论文对线绕电阻器的绕线原理进行了详细的研究，在总结国内外研究成果的基础上，结合企业的生产实际，设计了一种全自动电阻绕线机。用户通过该设备的人机界面，简单设定好系统运行的基本参数，即可绕制出不同尺寸和不同阻值的线绕电阻器。系统将自动完成生产的全部过程。论文的研究内容主要包括以下几个方面：( 1 ) 对线绕电阻器的绕制原理进行了研究，并分析总结了影响电阻器绕制质量的因素。( 2 ) 通过对电阻绕线机的功能进行分析，确定了其原理方案，然后根据原理方西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页案对绕线机的总体结构进行了设计，并确定了主要参数。( 3 ) 分别电阻绕线机的绕线、下料、送丝、下件分选等功能模块的主要结构进行了设计。( 4 ) 确定了电阻绕线机的总体控制方案，然后分别对精密排线控制、气动系统控制和张力控制的方案进行了说明。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页第2 章线绕电阻器绕制原理研究2 1 线绕电阻器的结构与特点线绕电阻器是一种常见的固定电阻器，其结构如图2 1 所示。焊点焊点图2 - 1 线绕电阻器结构线绕电阻器是用镍铬合金、锰铜合金等电阻丝绕在绝缘骨架上制成的，电阻的骨架包括中间的一段绝缘瓷棒，瓷棒两端分别套着的两个金属帽，在金属帽的端面的中心还分别焊有一段引线。电阻丝的两端分别焊在金属帽上面，中间部分则均匀的呈螺旋状紧密缠绕在瓷棒上。线绕电阻器具有以下特点：( 1 ) 由于线绕电阻器是用高比电阻材料的电阻丝绕制在陶瓷骨架上制成的，因而具有耐高温、热稳定性好、温度系数小的特点，工作温度可达3 0 0 。( 2 ) 由于使用的材料具有均匀、细致的晶体组织结构，因此电流噪声很小。( 3 ) 功率大，能承受大功率负荷。( 4 ) 阻值范围宽，一般为o 1 0 5 m o 。( 5 ) 可制成高精度电阻器，精度可达士o 0 1 。( 6 ) 分布参数大，高频特性差【1 0 】。由于上述的特性，线绕电阻器可以制成低噪声、耐热性好的功率型普通线绕电阻器、精密线绕电阻器及高精密线绕电阻器等。2 2 线绕电阻器的绕制原理由线绕电阻器的结构可以看出，其阻值主要取决于绕在骨架上的电阻丝的阻值。在电阻骨架和电阻丝一定的情况下，线绕电阻的阻值取决于电阻丝在骨架上缠绕的圈数。西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页已知电阻骨架瓷棒的直径为d ，电阻丝的电阻率为p ，直径为d ，要绕制的电阻阻值为r ，那么就可以根据公式计算出需要绕制的圈数n ：刀= 壁( 2 1 )刀= 一lz - lj4 p d由公式( 2 1 ) 可以看出，当要绕制的电阻阻值一定时，电阻丝越细，需要绕制的圈数越少，这样可以大大缩小电阻的体积；当电阻丝的电阻率和绕制的圈数一定时，所绕制的电阻的阻值将随着电阻丝直径的缩小成平方比例增加，这样就可以用同样的圈数绕制出更大的电阻【l l 】。确定了需要绕制的圈数以后，再根据骨架上瓷棒的可绕长度确定合适的绕线节距，这样就可以开始绕制电阻了。根据线绕电阻器的结构特点及生产要求，建立了如下( 图2 2 所示) 的绕制模型。送耀图2 - 2 线绕电阻器绕制模型如图2 2 a 所示，骨架夹持定位后，送线装置从1 | l 位置向前移动，把伸出的一小段电阻丝送到始焊点位置，然后焊机把电阻丝前段与左侧金属帽焊接在一起，接着骨架旋转一定的角度并同时移动一小段距离( 前间距) ，将电阻丝绕到瓷棒上，然后送线装置摆动一个角度( 前摆角) 到达2 群位置，在这一位置电阻丝与骨架轴线垂直。接着开始绕线，如图b 所示，骨架在旋转的同时向左排线移动，而送线装置固定不动，这样就在瓷棒上绕出了螺旋线，当绕制到合适位置时，骨架停止旋转及排线移动。然后，如图c 所示，送线装置向右摆动一定角度( 后摆角) 返回到1 i 位置，接着骨架旋转一7西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页定的角度并移动一段距离( 后间距) ，将电阻丝绕到金属帽上，然后焊机把电阻丝与金属帽焊接在一起。在焊接的同时送线装置向后移动，把电阻丝拉断，接着骨架向右移动到初始位置，更换骨架，进行下一个骨架绕制。2 3 影响电阻器绕制质量的因素2 3 1 电阻丝的品质电阻丝的品质主要取决于电阻丝的线径的一致性。由于从市场上购买的电阻丝的线径不可能完全一致，测量单位长度的电阻值都不相同。一般在电阻绕制时是根据单位长度电阻丝的电阻值来计算绕制一定阻值的电阻所需的圈数，因此，电阻丝的品质高，则单位长度的电阻丝阻值的误差就小，绕制出来的电阻的阻值的误差也就比较小；电阻丝的品质差，则单位长度的电阻丝阻值的误差就大，绕制出来的电阻的阻值的误差也就比较大。根据国外的电阻丝的资料上显示，它的每米电阻值的误差有6 ，而国产电阻丝没有表示出相应指标，它的一致性可能更差【1 2 】。综上所述，可以看出所选用的电阻丝的品质直接关系到所绕制电阻的阻值误差，进而影响电阻绕制的质量。2 3 2 绕线张力的控制在电阻丝绕制时，要给电阻丝施加一定的阻力产生线张力，以保证电阻丝贴实地绕在骨架瓷棒的表面。张力太小会使所绕的电阻丝不紧密，影响所绕电阻的外观和可靠性；张力太大会使电阻丝材料发生塑性变形，甚至被拉断；张力波动幅度大，会使线张力不均匀，绕成的螺旋线各处内应力变化大，在后工序处理时各处弹性恢复不一致，导致电阻阻值变化甚至断线失效【l3 1 。因此，在进行电阻绕制时，要准确的控制绕线的张力，一方面，要控制好张力的1 大小，使其既能保证电阻丝缠绕的紧密程度，又不至于影线电阻丝的性能；另一方面，还要控制好张力的稳定性，保证所绕电阻丝的内应力均匀，不会在后工序处理之后发生阻值变化。2 3 3 焊点的焊接质量电阻丝与骨架两端的金属帽是靠压力点焊连在一起的，焊点的质量对于电阻的阻西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页值影响非常大，焊点质量好，则电阻丝与骨架连接牢固可靠，而且焊点体积小，焊点处的电阻率也小，这样的电阻器的质量就比较好：而焊点质量差，则电阻丝与骨架连接不牢固，容易脱落，或者焊点体积较大，影响产品的外观，还有可能焊点处的电阻率太大，直接影响到绕成的电阻的设计阻值，这样的电阻器的质量就很差。因此，线绕电阻器要求电阻丝与金属帽的焊接达到以下要求：焊接强度优良牢固可靠、焊点大小和高度符合相关标准的规定、焊接区域的材料不被氧化而改变原材料的色泽，以保证线绕精密电阻器在服役过程中，有能力经受通电或频繁起停的使用环境条件即不致断线或焊点不脱落【1 4 1 。2 4 本章小结本章介绍了线绕电阻器的结构和特点，并分析了线绕电阻器绕制的原理，建立了线绕电阻器的绕制模型。同时，还对影响电阻绕制质量的主要因素进行了分析和总结。西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页第3 章电阻绕线机总体设计3 1 总体设计的一般原则机械系统的总体设计是产品设计的关键，它是机械产品的技术设计、工作设计和文档设计的依据，同时对产品的技术性能、经济指标和外观造型等具有决定性意义。对于某一机械产品而言，总体设计给出了产品的设计原则、工作原理和总体布局等，并指导后续的技术设计和工作设计；而技术设计和工作设计则是在总体设计基础上进行的具体化设计，并根据实际情况不断地丰富和修改总体设计。总体设计与技术设计和工作设计相辅相成、有机结合，经常需要交替进行，不可断然分开。进行总体设计时必须具有全局观念，不仅要考虑机械产品的功能、性能、可靠性、效率和经济性等方面的要求，还应满足产品的制造工艺性、人机工程学、造型美学、包装和运输等因素的影响，要按照简单、合理、经济的要求，妥善地确定机械产品各零部件之间的相对位置和运动关系【”】。机械系统的总体设计应遵循下列设计原则：1 需求原则需求是指用户对产品功能的需要。用户的需要是产品发展的动力，是产品设计的依据。如果没有用户的需求，就失去了设计中要解决的问题，设计本身也就失去了意义。产品是为用户服务的，在设计时，设计者首先要考虑用户的需求，从使用者的角度出发，力求满足用户的要求2 信息原则设计者在产品设计前，必须系统地进行调查研究，获取大量的设计信息。这些设计信息包括市场需求信息、用户使用信息、设计技术信息、制造工艺信息等方面。获取设计信息时，要特别注意新技术、新材料和新工艺的信息收集，这对于提高产品的先进性、有效降低成本非常有利。信息收集也有利于掌握产品发展的趋势和动向，把握产品的发展规划。3 系统原则任何一个产品都是一个完整的系统，系统内各子系统之间的有机联系构成系统整体。系统的好坏不仅在于某些子系统的优劣，而更主要在于各子系统相互之间是否协调与适应，机械产品的优劣应从系统整体上进行判断和评价。因此，设计者在进行产品设计时，应从产品的整体入手，要从系统的角度考虑问题，必须有很好的全局观念。4 简单原则西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页“简单”是指产品在满足功能要求的前提下，尽量使机械产品的结构简单，零部件的数目少。同时还应考虑产品操作与监控简便，加工、装配与调整方便快捷，制造和使用成本低廉等。所谓的“简单 同时具有简化、简便、简易和减少等多重含义，产品在简单原则的基础上才能获得最大的经济效益和社会效益。机械系统总体设计的工作内容主要包括原理方案设计、确定主要技术参数、结构总体设计、分析和评价等【1 6 】。3 2 电阻绕线机原理方案设计原理方案是指针对机械产品的主要功能所提出的原理性构思，即实现机械产品功能的原理设计。机械产品的原理方案将直接影响机械产品的功能和使用性能，原理方案的优劣将关系着机械产品设计的成败，因此，原理方案设计既是机械系统总体设计的主要内容，也是其关键内容。在进行原理方案设计时，首先必须明确设计的任务、目的和要求，充分了解产品外部环境的作用和影响；其次要详细分析机械产品的功能，找出各种功能之间的关系，抓住主要矛盾，简化或忽略次要矛盾，以方便后续的设计工作。对于任何一个机械产品的设计，一般都应尽可能多地提出可行设计方案。通过对不同设计方案的分析和比较，找出它们具有的优点和存在的不足，经过科学的判断和评价，选择并确定出一个最佳的原理方案【1 7 】。3 - 2 1 功能分析机电一体化系统要求对输入的物质( 原料、毛坯) 、能量( 电能、液能和气能等)和信息( 操作、控制和指令等) 进行预期的变换( 加工、处理) 、传递( 移动、输送)和存储( 保持、存储和记录) ，输出改变形态或位置的物质【1 8 】。图3 1 为电阻绕线机的功能构成。物料通过工艺系统，完成作业功能，生产出合格的成品。电源电器对外部能量进行处理，完成动力功能。p l c 系统把操作者输入的信息进行存储、运算、输出指令，完成控制功能，并能向人机界面输出系统信息。传感器检测工作过程的变化，反馈给p l c 系统，完成检测功能。机件联接和支撑各个部件，将各要素组合起来，进行空间配置，形成一个有机的整体。另外，周围环境传入热、振动等干扰因素，加工中心的热、噪声、振动等伴生输出传给周围环境。西南交通大学硕士研究生学位论文第”页( 结构功能)图3 - i 电阻绕线机的功能构成详细来说，电阻绕线机输如的物料是电阻骨架和电阻丝，而输出的成品是线绕电阻器，系统内部的作业功能、动力功能、控制功能、检测功能和结构功能共同作用，才能完成这种转变。由于电阻绕线机的工艺系统很复杂，必要功能很多，仅仅依靠上面的功能构成图并不能将其功能很清楚的完全表现出来，所以，接下来还要用功能树的形式来表达待设计系统的功能关系和功能元组成。图3 2 电阻绕线机的功能树由图3 2 所示的功能树可以看出，电阻绕线机的功能可以分解为下料功能、送丝西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页功能、绕线功能、下件功能、控制功能等5 个分功能。而每个分功能又需要一组功能元来实现。下料功能可以分解为下料引导、引线校直和精确送料3 个功能元；送丝功能需要由送丝拉断、张力控制、送丝摆角和电阻丝实时检测4 个功能元共同配合实现；绕线功能可以分解为骨架夹持定位、排线动作和绕线动作3 个功能元；下件功能则可分解为下件引导、阻值检测和分选动作3 个功能元：控制功能则包括了人机交互、运动控制、参数处理3 个功能元【1 9 】。3 2 2 原理方案通过对功能元的求解，可以得到系统各功能元的功能载体，由此能够组合成许多各选方案。在众多的方案中，再进行定性筛选，然后进行技术经济评价就可以确定出最佳的原理方案。最终确定的电阻绕线机的原理方案为：利用高精度滚珠丝杠副和导轨的组合来实现排线动作，滚珠丝杠副靠伺服电机来驱动。电阻骨架靠两端金属帽夹持定位，夹持动作采用气缸来执行。电阻骨架夹持定位后，一方面在伺服电机的驱动下做绕自身轴线的转动，另一方面还在丝杠导轨组合的带动下作沿轴线放线的左右移动【2 0 1 。电阻绕线机所生产的电阻器的品质主要靠两方面来保证：( 1 ) 精确控制电阻绕线机的绕线动作和排线动作并协调好他们之间的配合，这样就可以改善绕线质量，进而提高所绕制电阻器的品质。( 2 ) 利用实时检测技术在绕制过程中实时测量所绕制的电阻丝的阻值，并及时根据测量的结果对绕线参数进行修正，这样就可以保证所绕制出的电阻的阻值的一致性【2 l 】。3 3 电阻绕线机结构总体设计结构总体设计是机械系统总体设计的重要内容之一，其任务是把选定的原理方案转化为产品的总体结构，即实现原理方案的结构化设计。也可以说，结构总体设计是进行机械产品的初步结构设计过程。通过结构总体设计，设计者不仅要选定机械产品的工作方式、总体布置、各主要零部件及它们之间的相互位置关系等，而且要确定主要的技术参数，最后绘制出机械产品的结构总图瞄】。结构总体设计工作包含“质 和“量 两个方面。这里的“质 是指对机械系统总体结构的“定形 设计，如确定机械系统的工作方式、总体布置和各主要零部件形状等，“定形 设计工作对机械产品的质量具有决定性意义；而“量 是指对机械系统总体结构的“定量 设计，如确定机械产品的总体尺寸、工作高度尺寸、各丰要零部西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页件的形状尺寸和位置尺寸以及选择主要零件的材料等，“定量 设计工作将对机械产品的使用性能和用户的满意程度产生直接影响。3 3 1 总体布置1 总体布置的基本要求机械系统的总体布置是结构总体设计中的一个重要环节，它设计机械产品的全局性问题，对产品的性能、使用和制造等方面都将产生非常重要的影响。对于机械系统的结构总体布置，一般应满足功能、性能、结构、工艺和使用等方面要求。( 1 ) 功能要求。机械系统的总体布置首先要满足实现特定功能的要求。总体布置既要便于实现机械产品的总功能，也要易于实现各分功能。不论是在系统的内部还是外部，都不应采用不利于功能目标的布置方案。在进行机械产品的总体布置是，不仅要考虑实现系统工作原理所要求的各主要部件的相对位置和运动关系，还要考虑工作对象的形状和尺寸以及在机械系统中的位置等因素的影响，合理布置机械系统的各个执行件。( 2 ) 性能要求。对于任何的机械产品而言，必须保证所需的性能指标。在进行总体布置时，应根据外载荷和工作状态，充分考虑对机械系统的精度、刚度、抗振性和热稳定性等性能指标的影响。采用不同的总体布置形式，会对产品的精度、刚度、抗振性和热稳定性等产生不同的影响。( 3 ) 结构要求。机械系统的总体布置会对结构设计和产品成本等产生重要的影响。一般来说，总体布置应力求层次分明、结构紧凑。层次分明是指尽量减少或简化机械系统各主要零部件之间的相互联系，使各主要部分尽可能成为相对独立的单元，这将便于后续的技术设计，也有利于产品的模块化。结构简单、紧凑，占用的空间尺寸小，也是机械系统总体布置时应重点考虑的内容。另外，还要兼顾机械产品的系列化、部件的通用化和模块化等问题。机械系统的总体布置不仅会影响机械产品的功能、性能和结构，而且还会直接影响产品的成本。( 4 ) 工艺要求。任何机械系统的设计都要经过加工、装配、调整和检验等工艺过程转化成为机械产品，因此所设计的机械产品应能够很好地适应工艺性要求。在总体设计时，就应该充分考虑已具备的工艺条件，如加工设备、热处理能力以及装配和检验等方面的技术水平，应尽量利用简单的工艺实现机械产品的制造。对于一些重大结构件，如大型的横梁、立柱和机身等支撑件，要特别注意制造的工艺性，依据现有的工艺条件合理选西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页择这些构件的类型和材料，以适应机械产品的性能、使用、生产批量等方面的要求。此外，还应兼顾考虑机械产品的维修、维护、保养、吊装和运输等方面的问题。( 5 ) 使用要求。机械系统设计的最终目的是为了生产出物美价廉、满足用户需求的机械产品。在设计机械产品时，要从操作者的角度出发，尽量使得操作简便、省力、准确。机械产品的总体造型要美观和谐，各主要零部件的组合要匀称协调，总体布置应符合人机工程学的相关要求。所设计的机械产品应具有安全性和可靠性，要使操作者感觉舒适、疲劳程度降低，并有利于提高产品的工作效率。2 总体布置的基本类型机械系统的总体布置有多种分类方法，常用的分类方法有以下几种：( 1 ) 按执行件的布置方向，可分为水平式( 卧式) 、直立式、倾斜式和复合式等。( 2 ) 按执行体的运动轨迹，可分为回转式、直线式、振摆式、振动式等。( 3 ) 按壳体的结构形式，可分为整体式、剖分式等。( 4 ) 按机架的结构形式，可分为悬臂式、单柱式、龙门式、组合式等。( 5 ) 按动力机的安放位置，可分为前置式、中置式、后置式等【2 3 1 。3 电阻绕线机的总体布置根据电阻绕线机的功能、性能和使用等方面的要求，选择的总体布置方案如图3 3所示。图3 3 电阻绕线机总体布置电阻绕线机的总体结构按照其功能构成及相互间的动作关系，可以被划分为5 个结构模块，它们分别是绕线模块、下料模块、送丝模块、下件检测模块和控制模块【2 6 1 。绕线模块实现的是电阻骨架的夹持定位、排线和绕线功能。根据原理方案的设计，西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页绕线模块的下部是精密滚珠丝杠副和导轨的组合，因此，其只有采用卧式放置时才比较稳固牢靠。骨架的夹持定位需要夹头往复运动才能执行夹紧、松开动作，而绕线动作又要求夹头夹紧骨架后能带动它做回转运动。绕线模块是整台设备的核心部分，其他结构模块上的动作都是以它为核心，辅助其完成绕线动作。因此，绕线模块被放置在整台设备的中心位置，丝杠和导轨的组合固定在机箱内的支架上。下料模块的位置被放在绕线模块的外侧，也即是整台机器的正面这一侧，相对于机箱固定。这种布置可以方便操作人员向下料机构内添加电阻骨架。同时，为了使电阻骨架的夹持定位准确，从下料机构上落到送料机构上的电阻骨架的轴线应与绕线模块的夹头轴线平行并在同一平面上。送丝模块被布置在绕线模块的内侧，也即是机器的背面一侧，位置相对机箱固定，但送丝机构可以摆动一个角度。送丝模块上的送丝机构一方面要将电阻丝送出方便焊接，另一方面还要在焊完第二点后能够将电阻丝拉断。送丝模块的高度应保证送出的电阻丝恰好与电阻骨架金属帽上方相切。下件检测模块放置在机器的外侧，位置相对于机箱固定。下料模块的结构应保证从夹头间落下的电阻器成品正好能落到下料导轨上，经过检测后的电阻经过分选，落入收集槽中不同的仓位。收集槽的位置应方便操作人员取放。控制模块包括气动控制单元和p l c 控制单元，它们都被放置在机箱内。3 3 2 主要技术参数主要技术参数是指能够直接影响机械系统功能和工作性能的一些技术参数，它是机械系统结构总体设计和主要零部件设计的依据。一般情况下，可将主要技术参数概括为尺寸参数、运动参数和动力参数。1 尺寸参数尺寸参数是指直接影响机械系统使用性能和工作范围的一些重要尺寸。尺寸参数可能严重影响机械产品的使用性能，也可能直接影响机械产品的工作范围，甚至会影响到产品的功能，尺寸参数是机械产品设计的主要依据之一。电阻绕线机的主要尺寸参数如下：可绕制的电阻骨架规格：直径2 8m m 长度5 - 4 8 m m可绕制的电阻线直径：镍铬线0 0 1 5 , - 0 2 0 0 r a m 镍铜线0 0 4 0 - 0 4 0 0 m m西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页图3 _ 4 绕线距离参数电阻骨架绕制中心轴线到与滚珠丝杠相联的移动平台间的距离( 图3 4 ) ：1 6 0 r a m2 运动参数运动参数是指直接影响机械系统工作性能的一些重要运动数据，通常反应在执行件的运动上。所设计的电阻绕线机的绕制速度为2 0 0 一- 1 2 0 0 r m i n ，产能为每小时6 0 0 只。3 动力参数动力参数是指直接影响机械系统工作性能的动力数据，包括电动机的功率、液压缸的牵引力、液压电动机和伺服电动机的额定转矩等。各传动件的参数，如轴或丝杠的直径、齿轮与涡轮的模数等，都是根据动力参数来进行设计计算的。如果动力参数定的过大，将使机械系统尺寸庞大、笨重，浪费材料和电力；如果定的过小，又将影响机械系统的工作性能。机械系统的的动力参数可以通过调查、试验和计算等方法进行确定。电阻绕线机的动力参数将在后面的章节中进行详细的设计计算。3 4 电阻绕线机的关键技术3 4 1 恒张力放线技术绕制电阻时，需要对电阻丝施加一定的阻力来产生线张力，以确保电阻丝紧密地绕在瓷棒表面。线材状态、放线卷的松紧程度、放线卷上电阻丝的排列方式、运动系统的速度变化等因素都会引起线张力的变化。张力太大会使电阻丝材料发生塑性变形，甚至导致电阻丝被拉断；张力波动幅度大，线张力不均匀，会使绕成的螺旋线各处内西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页应力变化大，后工序处理时各处弹性恢复不一致，进而导致电阻阻值变化，甚至断线失效【2 耵。由于电阻丝直径微小而且对电阻阻值一致性要求较高，因此对电阻丝的张力控制要求非常严格。采用控制绕线与放线的线速度差控制线张力的方法( 检测线材的线速度、控制放料卷转速、补偿其线速度的变化) ，要达到张力的波动幅度小或波动幅度处于受控状态，机械结构与控制系统比较复杂，影响因素众多，技术难度大，因此，线材的张力是影响电阻器质量的重要因素之一。3 4 2 精密排线和定位检测技术线绕电阻器的绕线质量实际反映的是绕线节距精度，因此，实现排线系统的精确走位以达到控制节距精度的目的，既是衡量制造的线绕电阻器是否符合设计要求，又是考核绕制系统技术水平高低的重要参数，是系统研究设计的核心。排线与绕线的运行关系形成节距，排线系统运动的位置精度，直接影响绕线节距精度。排线系统要求实现p级位移精度，由于其静态质量、运动系统的动态加速度、传动误差等，会引起运动迟缓或运动突变，破坏运行关系；运动系统由于受动载荷、运行频率、环境温度、干扰源的影响，系统的电气参数偏离控制范围，均引起绕线节距精度的变化。这种变化量对线绕电阻器绕制系统影响很大。因此，准确控制排线的位置精度和稳态控制节距精度，是必须研究与解决的关键技术。另外，由于来料的骨架和金属帽长度不一致，使用标准骨架长度来定位很难达到实际的要求，如何进行准确的定位，也是需要解决的关键技术。3 4 3 电阻丝的精密焊接技术上奄援电阻丝图3 5 电阻丝与金属帽焊接位置关系电阻丝与金属帽的焊接位置关系如图3 5 所示。将微细的电阻丝焊接在金属帽的西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页圆柱面上，本身难度就比较大，而本课题设计的电阻绕线机可绕制的最小电阻骨架直径为2 r a m ，长度为5 r a m ，这就对焊接技术提出了更高的要求。线绕电阻器要求电阻线与金属帽的焊接达到：焊接强度优良牢固可靠、焊点大小和高度符合相关标准的规定、焊接区域的材料不被氧化而改变原材料的色泽，以保证线绕精密电阻器在服役过程中，有能力经受通电或频繁起停的使用环境条件即不致断线或焊点不脱涔3 0 】。不同的线绕电阻器，或者相同的线绕电阻器由于不同的使用环境，在线绕电阻器制造时选择的线材( 包括材料成分、规格、物理特性、热处理等) 和瓷棒两端金属帽( 包括材料成分、物理特性、热处理等) 差异较大，导致电阻线与金属帽的焊接很大的技术难度。一是电阻线与上电极对准的问题：微细的电阻线在上次焊接后被拉断( 切断) 时，可能由于热变形、应力形变、环境气流等等因素，当前的位置已偏离规定( 上次) 的坐标位置，导致当前电阻线与微小的上电极难以再次对准，又由于精密线绕电阻器小型，实施精确定位和监控技术必须进行反复试验和修正。二是组成线绕电阻器材料的变化，电阻线与金属帽的焊接时的压力调节、焊接电参数的调节，这些调节方面与质量、效率的协调，实践证明有相当的技术复杂性。三是系统中大量使用逻辑气动单元、数值控制单元，在电阻线与金属帽的焊接瞬间，可能导致对运行控制系统的干扰，威胁绕制系统正常工作，这是本项目必须研究解决的技术问题。3 4 4 阻值实时检测与控制技术绕线电阻器制成品的阻值一致性主要由电阻丝的品质、瓷棒的直径和长度的一致性情况以及制造工艺等因素决定。其中影响最大的是来料电阻丝的品质。由于购买的电阻丝的线径不可能完全一致，测量单位长度的电阻值都不相同，某种从国外进口的电阻丝的资料上显示，它的每米电阻值的误差为5 ( 国产电阻丝没有相应指标，一致性可能更差) ，旧的绕线机由于没有阻值的实时检测环节，完全由经验微调绕线的长度。但现在需要更可靠的控制电阻器阻值的一致性，使用经验方法显然是不够的。3 5 本章小结本章对电阻绕线机进行了总体设计，首先通过对绕线机的功能分析确定了原理方案，然后对绕线机的结构总体进行了设计并确定了主要的技术参数，最后对设计方案中的关键技术进行了总结。西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页第4 章电阻绕线机主要结构设计4 1 绕线模块设计4 1 1 结构设计绕线模块是电阻绕线机实现电阻绕制功能的核心，对它的设计合理与否直接决定了整台设备的功能能否实现以及性能的高低，其结构的设计也会直接影响到其它功能模块的设计。根据上一章里确定的原理方案，绕线模块要同时实现电阻骨架的夹持定位、绕线动作和排线动作。为保证线绕电阻器的绕制质量，对骨架必须进行可靠、精确的定位。设计中采用的骨架夹持定位方式如图4 1 所示：将骨架放入左、右夹具之中，通过气缸推动夹具夹紧骨架。在夹具与金属帽接触的内表面加工有能与金属帽圆弧相切的精密圆锥面，这样通过两侧夹具的配合就可以实现骨架与夹具的径向定位和轴向定位。左夹头金属帽电阻骨架右夹头图4 - ! 电阻骨架夹持定位方式另外对于比较小的骨架，如果对骨架夹紧力过大，骨架将会产生变形，如果夹紧力过小，骨架与夹具之间会产生打滑的现象，使骨架的旋转运动失去精度，因此，要对骨架夹紧力进行准确可靠的控制。绕线动作要靠夹具带动电阻骨架绕其轴线进行旋转来完成，因为在电阻绕制过程中，走前间距和后间距时都需要电阻骨架转动一定的角度，而电阻器的电阻值也是根据单位长度电阻丝的电阻值由电阻丝绕制的圈数来确定的，因此选择步进电机来驱动夹头的旋转【3 1 - 3 2 1 。为了保证送线位置及金属帽上焊接位置的准确可靠和再定位，经过反复比较考西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页虑，在机械结构上采用送丝机构位置固定不动，绕线主轴系统安装在精密排线系统的平台上的方式。精密排线系统在步进电机及精密滚珠丝杠副的驱动下作左、右往复直线运动，从而实现排线。堂兰兰什毛要夏摹：净叫：嚣鞴z 重载j 雠一旦一一一。s= ，_ - - - - 。 - _ _ - - - _ _ _ 一一妻譬! f 夺专l 。扛一l - 臼导。1r一丁l 三目ii 【= = 卡! 韭；韭鲁蜘卜一+ - 鼻舞皇詈e 卜- i - 一膳吲li 命令广i 门 i 国l险剑l 一丝杠导轨组合：2 _ 联轴器：3 一排线电机；4 一底板；5 一支撑板；卜导杆；7 气缸；8 一绕线电机；卜直线轴承：1 0 - - - 转轴：i l 一夹头图4 2 绕线模块结构图绕线模块的结构如图4 2 所示，此结构的下部是由排线电机驱动的丝杠导轨组合，在其带动下，上方与之相连的绕线平台可以左右往复运动。平台两侧的支撑板对称地支撑起了实现电阻骨架的夹持和旋转功能的绕线主轴系统。夹头通过转轴与绕线电机相联，绕线电机通过转轴带动夹头的旋转，同时绕线电机、转轴和夹头作为一个整体又可以沿着导杆左右移动，这样最外侧的气缸就可以借此驱动夹头的左右移动，两侧夹头配合动作就实现了电阻骨架的夹紧松开。4 1 2 主要功能部件的确定1 丝杠导轨组合( 1 ) 类型选择丝杠导轨组合的选择直接关系到排线系统的精密性。为了保证排线系统的精密度和排线动作的可靠性，选用台湾p m i 公司