（车辆工程专业论文）电脑自动绕线机的研究与开发.pdf

摘要 随着车辆中对电机的需求量的不断增加，自动绕线机的设计和开发也收到了广 泛的重视。本课题提供了一种比较适用的设计来提高生产效率和生产质量。自动 绕线机把精度控制在最小o o l 毫米的同时也可以使生产效率提高两倍。 自动绕线机由绕线机构和电控部分组成。电路控制系统实现实时控制，保证 该系统正常自动化、智能化工作。本论文重点研究其电路控制系统，采用z i l o g 公司的z 8 6 e 3 3 单片机进行控制，包括硬件设计和软件开发。本论文将重点介绍该 控制系统的硬件工作原理和功能以及软件的设计思想和编程原理。硬件电路包括 电源模块、步进电机控制电路以及控制单片机组成。软件采用z i l o g 单片机汇编 语言编写，通过z i l o g 开发系统进行开发。在此基础上试制了样机进行了反复的 试验和测试，并且得到比较满意的效果。 关键宇；自动绕线机；步进电机；硬件：软件；z 8 6 e 3 3 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h em o t o rd e m a n dq u a n t i t yi nv e h i c l e ，a u t o m a t i c w e n d i n gm a c h i n eh a sb e e nw i d e l yc o n s i d a r e db ye x p e r t sa l lo v e rt h ew o r l d t h ep r o j e c to fa u t o m a t i cw e n d i n gm a c h i n ep r o v i d e sap r o p e rw a yt oi n c r e a s e q u a l i t y a n d q u a n t i t y i n m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i cw e n d i n gm a c h i n ec a n c o n t r o lt h ea c c u r a c yu n d e ra t1 e s t0 0 lm i l l i m e t e r a n da tt h es a m et i m e i n c r e a s ee f f i c i e n c yb yt w ot i m e s t h es y s t e mi sm a d eu po fw e n d i n gd e v i c ea n dt h ec i r c u i tc o n t r o ls y s t e m t h ec i r c u i tc o n t r o l s y s t e m s h o u l dr e a l i z et h er e a l - t i m ec o n t r o la n d g u a r a n t e et h ep r o j e c tw o r ka u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l y t h i sp a p e r e m p h a t i c a t i yr e s e a r c h e so fc i r c u i tc o n t r o ls y s t e m ，a d o p t i n gz 8 6 e 0 4s i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e rm a d eb yz i l o gc o m p a n yt oc o n t r o l ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h ep a p e re l a b o r a t e s t h e h a r d w a r e 7 sw o r k i n g p r i n c i p l ea n df u n c t i o na n ds o f t w a r e sd e s i g ni d e o l o g y a n dp r o g r a m m i n gp r i n c i p l e t h eh a r d w a r ec i r c u i tc o n s i s t so fp o w e rm o d u l e ， s t e p p i n gm o t o rd r i v i n gc i r c u i t ，s i n g l ec h i pp r o c e s s o rm o d u l ez 8 6 e 0 4 t h e s o f t w a r ei sp r o g r a m m e db ya s s e m b l y l a n g u a g eo fz i l o gc h i pm i c r o c o m p u t e r a n dd e v e l o p e db yz i l o gd e v e l o p m e n ts y s t e m k e y w o r d s ：w e n d in gr o a c hi n e ，s t e p p in gm o t o r ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，z 8 6 e 0 4 电脑自动绕线机的研究与开发 1 绪论 1 1引言 随着汽车技术的进步，越来越多的电子装置被安装在现在的汽车上，越来 越多的工作交给了电子控制装置来完成。而在这些电子装置和设备中，主要的执 行机构就是各种各样的电机。于是，各种交直流电机成为现代汽车上必不可少的 重要的部件。对这些电机的需求量的增加，要求在电机的生产中提高生产效率和 产品质量。这就必须改进传统的生产方，使用更为先进的技术提高生产的自动化 程度，达到更高的精度和生产效率。 在微型交流电的生产过程中，绕组的质量决定了电机的质量。电机绕组是电 机的重要部件，绕组的好坏直接影响到电机可靠性和运行性能。随着技术的进步 电机绕组的生产方式也不断更新，由最初的完全手工绕线，发展到半自动绕线机。 近年来也出现了各种自动的电脑绕线机，使得绕组的生产过程越来越自动化效率 也大为提高。但是由于汽车上用的各种微型交流电机有着自己的特点，体积小， 质量轻，工作环境恶劣，所以生产中要求更高。这就需要开发一种适合于生产汽 车用微型交流电机的设备，来提高生产效率和产品质量。 1 2 生产中的基本要求 绕组的构成要求：对分布式单项绕组分为单层和双层两种。由于这种绕组不 是对称的三相，除了担负运行工作的主绕组之外，还有作为启动用的副绕组。两 相绕组在空间上通常相隔9 0 。电角度( 即正交布置) 。它们的槽数分配，除单项 电容运行电动机两个绕组各占相等的槽数之外，单项分相起动电机两个绕组所占 的槽数步相等，通常主绕组取2 3 的定子槽数。此外，要合理选择主、副绕组的 匝数比。 组成绕组的基本元件是线圈。线圈是用相应绝缘等级的电磁线按一定形状在 绕线骨架上绕制而成的，可以一匝或多匝构成。线圈的直线部分嵌放在电机铁心 槽内，电机中的电磁能量转换主要是通过线圈进行的，所以将线圈的直线部分称 为有效边。留在槽外的线圈称为线圈的端部，其作用是把两个线圈连接起来，它 不直接转换为电磁能量。为了节省电磁线，在不影响电磁能和工艺的前提下，尽 量缩短线圈的端部。 绕线机就是用来生产绕组的，它的作用是将一定匝数的电磁线按照一定的规 律绕成规定形状的绕组。绕线机要达到以下一些要求：能够将电磁线圈按照一定 的规律缠绕的绕组的骨架上，并且要达到一定的转速以提高生产效率，降低成本； 能够统计已经缠绕在骨架上的电磁线圈的匝数，因为生产同一种电机每组线圈的 匝数一般比较固定，所以绕线机应该有匝数统计功能以保证产品的可靠性和运行 性能；应该便于操作，能够让一般的使用者在很短的时间内熟练运用；另外还应 该便于维修和维护，在使用和生产过程中难免会产生一些问题，出现一些故障， 当出现故障时应该便于维修各种零件应该是可互换性比较强的 1 3 现有的绕线机 最初的绕组的生产是纯手工生产，是依靠人将电磁线按照一定的规律缠绕到 骨架上，并且由人来对骨架上的电磁线匝数进行计数的。显然这种方法已经不再 适用于中大规模的电机生产了，这种方法不仅效率低精度不高而且由于所有生产 电脑自动绕线机的研究与开发 过程都是有人来操作的难免出现差错，质量难以保证成本相对较高。 1 4 】 1 3 1 半自动绕线机 半自动绕线机工作原理是将一个绕组的骨架，固定在一个由电机带动的夹头 上。通电以后电机带动夹头以一定的速度旋转，将电磁线缠绕到骨架上。同时， 在电机的输出端装一个计数装置对电机旋转的转数进行计数，也就是对骨架上现 有的电磁线圈的匝数进行计数。再通过某种仪表将匝数显示出来，提供给操作者， 由操作者来控制电机的开断电。另外操作者还要进行手工排线，所谓排线就是将 电磁线按照固定的规律固定的匝数均匀地排列在骨架的固定位置。手工排线主要 是在电机带动骨架旋转的过程中，用手固定电磁线的位置，并且不断变换位置使 电磁线能准确的缠绕在适当的位置。半自动绕线机的操作者，必须同时进行排线 和观察注意电磁线的匝数。这样才能在适当的时候采用适当的排线方法，在匝数 达到要求的时候停止电机的转动。 半自动绕线机比纯手工生产有了一定进步。匝数的统计也是由机器自动完成 的可以达到一定精度，可以保证生产中每个绕组的匝数误差在一定范围内，保证 了产品的质量。另外，半自动绕线机的操作者只需要进行排线，绕线的工作由电 机来完成。降低了劳动的劳动强度，提高了自动化程度。由于采用了电机实现绕 线功能，使得绕线速度大为提高，提高了生产效率节约了生产成本，可以实现规 模生产。 但是，半自动绕线机存在着明显的不足之处。由于排线仍然是人工完成的， 生产效率的提高受到了限制。当速度迸一步提高的时候，人的反应速度已经不能 跟上电机的速度了，限制了速度的进一步提高。而且，每次每人只能生产一个绕 组，当生产规模需要进一步扩大时生产能力受到了限制。人工排线由于操作者要 一边关注计数表，一边进行排线，在排线时难免出现各种各样的错误，影响了生 产质量和生产的效率。半自动绕线机仍然需要操作者来控制绕线过程，产品的质 量与不同操作者的经验和技术密切相关，所以很难保证质量上的统一。 1 3 2 自动绕线机 自动绕线机的出现，实现了绕组生产的自动化。基于微电子技术的发展，特 别是各种单片机和可编程控制器的出现，让电脑控制的自动绕线机的出现成为了 可能。由计算机控制，不仅绕线可以由机械完成，排线也可以由机械来进行。整 个绕组生产过程，除了最初由人工确定绕组的匝数和绕线方式等参数外，其它工 作全是在电脑的控制下由机械完成的。 1 、自动绕线机的组成。 自动绕线机由三大部组成。一部分基本和半自动绕线机相同，是由电机带动 一个夹头，夹头上固定绕组的骨架。电机的转动带动骨架按照要求的速度和方式 转动，来完成绕线的工作。另一部分是自动排线机构，这部分代替了人来完成排 线功能。由于各种自动绕线机生产的绕组的特点不同，生产方式也不一样，所以 自动排线的机构有很多种。根据不生产要求，自动绕线机的结构和形式也有着很 大的差别。第三部分是控制部分，不管是绕线机构还是排线机构都是在控制部分 的控制与管理之下进行的。生产不同的绕组应该使用不同的绕线方法，来完成不 同的绕线工作。而这都是由控制部分来完成的，当参数的设定不同时控制部分将 会对绕线和排线实行不同的控制策略。这样就能在同一台绕线机上生产不同规格 的绕组，使得生产有了一定的柔性，生产的产品范围也相应的加宽了。 电脑自动绕线机的研究与开发 2 、自动绕线机各部分的原理及功能。 自动绕线机虽然结构形式有所不同，但是基本原理都是相同的a 绕线机构带 动绕组骨架按照规定的方式旋转，将电磁线缠绕的绕组的骨架上。同时电磁线给 线的位置由排线机构来确定，并且保证给线的位置由控制单元控制按照一定的方 式不断变化。这样，电磁线就按照一定的规律被缠绕n t 绕组的骨架上了- 整个 过程中各个动作都是由电脑控制的，无论是绕线机构中电机的转速还是排线机构 中给线的位置都是经过电脑计算，通过各种控制方法精确控制的。 ( 1 ) 为了实现良好的绕线功能，对各种自动绕线机的各个部分都有着不同 的要求。对于绕线机构来说，最重要的就是绕线的电机。大部分自动绕线机选择 的是各种规格的交流电机，因为交流电机的转速可以用变频、调压等多种方式来 进行控制，而且控制方法成熟简单。对于生产不同绕组，对转速的要求不样， 这样也就需要不同的交流电机。当生产中大型绕组时，因为体积大重量大要选择 扭矩大的电机来带动。同时由于生产一般中大型绕组所采用的电磁线比较粗，能 够经受的拉力大，所以可以承受很高的转速。这样就可以选择转速比较高的电机 一般最高可以达到5 0 0 0 1 0 0 0 0 转分钟，这样可以最大限度的提高生产效率。 相反，如果生产小型，微型电机的绕组，由于体积小重量轻可以选择扭矩比较小 的电机。而这种绕组所用的电磁线一般比较细，能够承受的拉力小不能采用过高 的转速，所以应选用低转速的电机。 ( 2 ) 排线机构设计的优劣直接影响着绕线机的性能，不同用途的绕线机也 应该使用不同的排线机构。对于排线机构必须要完成以下工作：在每次绕线开始 的时候自动恢复到正确起始的给线位置；必须能够在排线的行程内往复的以规定 速度不断改变给线位置，在有些时候还应该能迅速的改变速度和运行方向，以完 成不同的排线动作：当出现断线、电磁线不足等意外情况停止工作后，可以由手 工调节到出现意外前的位置继续排线，并且可以仍然按照既定的规则完成剩余部 分的绕线工作。排线是整个生产的关键，关系到绕组的质量。所以除了能完成以 上这些基本的工作以外，还要求排线机构具有一定的精度，能够保证绕组的质量 和性能。一般越小电磁线越细的绕组要求的精度越高，一般来说精度至少要达到 小于或者接近电磁线的直径才能满足要求。 ( 3 ) 电控部分是整个绕线机的大脑，完成绕线和排线协调进行的工作。对 绕线机构的控制包括：启动控制，运行控制，紧急停车，缓制动等。 启动时不能速度太快否则会拉断电磁线。也不能太慢而影响了绕线速度。这 就要求电控部分可以根据不同的要求以合适的加速度让电机缓慢的启动。当运行 平稳之后电控部分要有一定的抗干扰能力，当供电电压有一定幅度的波动的时候 能够保持电机的平稳运行。另外还应该对电机进行过流、过热等多种保护，保证 系统的安全稳定的运行。当出现意外情况需要马上停机的时候，电控部分应该能 够马上终止所有的动作，并且纪录停止时候的状态，以便重新恢复工作。在绕线 的同时控制部分必须对绕线的匝数进行统计，当达到了预定的匝数后应该缓慢停 止。 对排线机构的控制应该包括：开机后归零位，按照既定的规律排线，中断后 继续排线，人为地改变排线位置。排线机构的给线应该与绕线机构的绕线协调一 致，计算机根据不同时刻骨架的不同绕线速度计算出适合的排线速度。同时通过 各种控制部件对排线机构进行控制，不断改变给线位置使排线机构按照最合适的 速度排线。开机后，在绕线没有进行之前，电磁线必须固定在正确的起始位置， 这样才能让整个绕线过程准确无误。所以，在绕线之前排线机构必须在电控装置 电脑自动绕线机的研究与开发 的控制下运行到正确的起始位置，然后发送信号给控制单元，控制单元接到准备 就绪的信号才能允许绕线电机的启动。在没有接到就绪信号之前，控制单元应该 禁止绕线机构的绕线动作以避免出现错误。在绕线过程中可能会出现断线、电磁 线不足等意外，这时候需要马上停止。当可以继续工作之后，排线机构应该可以 回到出现意外之前的位置，这样才能在中途继续排线工作。大多数时候断线之后 都是人工来恢复给线位置，这就要求给线机构的电控部分不仅能够自动控制，还 应该人工控制。而且当人为地改变了给线位置后，电控单元应该根据位置改变调 整排线的速度，使排线恢复到出现意外之前的状态。除此之外电控单元应该对排 线机构位置进行限制，使其行程不能超出绕组骨架的范围，来保证无论绕线机构 出现什么错误都不能将线缠到骨架以外的地方。 另外，电控单元还应该由输入输出设备，用来进行人机交流。般来说输入 都是由键盘完成的，用以设置绕线的参数。输出一般是数码管，可以显示绕线的 匝数和一些既定的参数。这样绕线机才能在人的控制下更好的工作。 3 、自动绕线机的优点。 自动绕线机的优点显而易见：首先，它将人从繁重的绕线劳动中解放了出来， 不仅绕线由机械完成，就连排线也是在电脑的控制下由机械完成的。其次，自动 绕线机不仅减轻了劳动强度，也使生产效率大为提高。由于有了电子设备的控制， 无论绕线排线都能以最高的速度进行，不再受人的反应速度的限制。而且，自动 绕线机每次可以同时绕多个绕组，这就使得生产速度成倍的提高。另外，自动绕 线机不再依赖于人工的操作，这样就可以使生产质量得到保证。操作者在生产过 程中只是在运行前设定参数，而绕线过程中入都参与，这样无论操作者有没有经 验懂不懂绕线技术，只要设定同样的参数都可以生产出同样质量的绕组。这样产 品的的质量和可靠性有了很大的提高。 1 ，4 课题的背景和意义 汽车仪表用电机绕组在生产过程中，除了耍满足以上各种要求以外还有很多 特殊的要求。所以在中小规模生产过程中仍然采用半自动绕线机。而现有的些 通用的绕线机很难满足生产的要求，无法在生产中使用或者带来过高的成本浪 费。这就需要根据特定的汽车仪表用电机绕组的生产特点，设计开发一种适合的 自动绕线机来提高生产效率和产品质量。 这次设计开发的自动绕线机是针对大连理工大学汽车电子公司生产的汽车 仪表用交流电机。按照生产中对绕组的要求和绕组的特点，专门设计开发的专用 自动绕线机。这种汽车仪表用交流电机主要特点是： 1 、体积小重量轻，绕组的骨架长宽都不超过3 0 毫米，总高度不超过5 0 毫 米，缠好的绕组重量不超过5 0 克，这就要求绕线机构中的电机的扭矩要选择合 适过大不仅造成浪费而且容易导致断线。 2 、电磁线细，这种绕组使用的电磁线是直径0 1 毫米的漆包线，能承受的 拉力不是很大，这就要求绕线电机的转速不能太高，否则会经常出现断线的情况 影响生产的效率。而且排线机构的精度要高，至少要达到0 0 5 0 0 8 毫米才能保 证排线的质量。 3 、排线行程短，在骨架上电磁线的分布范围只有i o 毫米，在排线过程中排 线的行程同样只有l o 毫米。这就需要排线机构能够频繁的快速换向，并且在换 向的过程中平滑没有停顿。 4 、绕组的匝数多，由于电磁线很细，额定电流也不大所以绕组的匝数相对 电脑自动绕线机的研究与开发 较多横向和纵向分别要缠2 0 0 0 匝。这就要求绕线机构在保证绕线质量的前提下 尽量提高绕线速度才能保证生产的效率。 针对以上特点，设计中采用了z i l o g 公司的z 8 高性能单片机作为作为控制 单元。绕线电机选择了最大功率1 5 0 w 最高转数8 5 0 0 转的h f l 5 0 8 5 0 0 交流电机。 在排线机构中采用步距角1 8 的步进电机为动力，带动螺距2 毫米的精密滚珠丝 杠，实现精确的排线动作。在键盘与显示部分采用了专用芯片s d 7 2 1 8 a 驱动l e d 数码管和读取键盘，使输入输出更为方便快捷。 整套设备的开发具有很高的针对性，设计中追求最高的精度，最高的效率采 用最有效的控制方式，对于提高生产效率，节省资源，促进产品质量的提高都有 着积极的意义。 电脑自动绕线机的研究与开发 2 机械结构的设计 2 1 结构设计的步骤和方法 为了完成一个比较完善的设计，除了有丰富的理论知识和实践经验外，一套 适当的方法和合理的程序也是必不可少的。好的设计方法可以使设计中事半功 倍，不仅可以节约时间和精力也可以大大提高设计的效率，使设计成功的可能性 大大增加。 当然对于不同的课题也应该采用不同的设计方法和不同的设计程序。根据自 动绕线机的开发的要求，本次设计机械结构并不复杂，主要是绕线机构和排线机 构两大部分，所以采用了由方案设计到理论计算最后实验的设计方法。整个设计 过程中通过计算与实验不断改进设计方案，最后达到一个比较理想的效果。 1 、需求分析 在这过程中，主要参与的人员是绕线机的使用者和设计者。主要目的是使 用者和技术人员进行交流，让设计者充分了解实际生产过程中绕线机使用的需 要，明确设计的要求和实际生产中的各种工作环境。在这一阶段，主要是完成各 种信息的搜集，不仅要了解生产的需要和要求，还应该了解生产中有待解决的问 题和生产者对这些问题提出的建议。 需求分析结束后，应该对实际生产中的要求有一个统一明确的认识，这将是 以后整个设计过程的基础。以后所有的设计都将以需求分析中的结果作为设计目 标，所以需求分析是整个设计成功与否的一个重要因素和保障。只有要求明确才 能设计出满足生产实际需要的好的装置，否则无论采用的技术多先进设计的多完 善也只能是南辕北辙，无法满足需要。 2 、总体方案设计 当设计目的明确了之后，下一步的任务是进行总体设计。总体设计是通过查 阅各种资料和对现有的可以利用的条件的分析，找到几种可行的方案；总体设计 的一个重要步骤是查阅资料，从现有的各种资料中获得尽量多信息。对于一些现 有的成熟的技术可以加以利用，对于一些现有的好的例子可以借鉴。在对各种信 息加工处理后，根据自己的条件和需求加以改进和创新，形成自己的一套方案。 总体设计中的方案不用太具体，一般只考虑可行性，对于一些细节的技术可以通 过以后的改进来得到完善。由于还没有理论的计算和实验所以出现错误也是难免 的，有时候甚至整个方案都是不可能实现的，但是这些都是必须经过的过程想在 这个阶段就形成比较完善的设计师不可能的。总体设计可以提出不同的方案，提 出多种方案可以让后面的具体的设计有了更多的选择，也可以避免方案单一带来 的设计风险，当一个方案不能实现或者出现问题的时候可以换一个思路换个角 度，就算某种方案中出现技术难题也不会导致整个设计的完全失败。 这次自动绕线机的设计中，我们查阅了大量的资料，对现有的各种绕线机进 行了研究。根据大连理工大学汽车电子公司实际生产的需要，无论对绕线机构还 是排线机构都提出了几套方案，这为后面具体的设计工作打下了良好的基础。 3 选择方案，分析讨论 电脑自动绕线机的研究与开发 图2 - i 机械结构设计流程图 f i f 2 - lm a c h i n ed e s i g nf l o wc h a r t 电脑自动绕线机的研究与开发 有了几套方案，下一步就是在方案中选择一套最合适的最简单实用的。然而 在众多方案中选择出最优的方案并不是一件容易的事情，不仅需要丰富的理论知 识还要有丰富的实践经验。所以，在选择方案时应该由多位经验丰富的设计人员 共同讨论，综合考虑各种因素，最终达成一个统一的最为适合的意见。 4 、理论计算 这一阶段主要是根据选择的方案，进行运动学，动力学和强度的计算，从 理论上检验设计方案的可行性。运动学计算包括各轴的转速，各轴间的速度比a 动力学计算应该计算传动的效率和各轴传动的功率。强度计算包括对传动件、连 轴件和轴系的强度计算。所有计算的原始数据，都应该来源于需求分析和总体方 案的设计，这样才能保证计算的真实合理。在计算过程中可能会发现各种各样的 问题。发现问题之后可以对设计方案进行合理的修改，以达到设计要求。有时候 通过计算可能发现整套方案实行起来非常困难，或者实行起来代价太高。这时候 应该返回到上一步，重新讨论分析选择另一个方案。 5 、制样机进行实验 当理论计算验证了方案的可行性之后，还要经过实验来检验设计的可行性 和可靠性。在实验之前必须生产样机，这就需要在总体方案设计的基础上设计零 部件，绘制图纸，根据图纸加工生产。在试制过程也是对设计的一个完善的过程， 由于在前面的步骤中所有的设计都是停留在理论的基础上，所有的设想和方案都 只是纸面上和思想中的模型，只有到了试制的阶段才能将这些设计转化为实物也 才能发现这些设计中的问题和缺陷。所以试制中要对方案进行进一步的修改和完 善，对出现的问题要认真纪录仔细研究。在这一阶段要形成比较完善具体的设计， 其中包括一套完整的零件图、装配图和详细各种零部件的制造和装配工艺的要 求。 试制样机的目的是为了实验，来检查设计能否达到用户的要求。实验要根 据需求分析中得到生产实践的需要，模拟各种状态反复进行。实验的目的是为了 发现设计中的不足。无论多么好的设计都不可能尽善尽美，肯定存在着这样或者 那样的问题，实验就是要发现这些问题以便在以后加以改善。所以一个好的实验 应该能够发现尽量多的是问题，而不是没有问题的实验。 6 、检验与验收 当设计基本完成后应该由使用者同设计者共同来检验，最后还要由设计者进 行最后的验收。对于设计应该满足以下要求： ( 1 ) 满足功能方面的需要，能实现预期的运动，满足使用者的要求和设计 者的设想。 ( 2 ) 即有良好的经济性、尽量降低成本，应该保证可靠性，尽量节约能源， 结构简单工作效率高。 ( 3 ) 操作方便、安全可靠便于维修。 ( 4 ) 符合人机工程学，造型美观，便于包装和运输。 ( 5 ) 在工艺上，应该重视零部件的制造与装配工艺性，尽量降低其复杂性， 以保证在满足功能需要的前提下尽量降低成本，选择的材料、热处理方式、精度 等级、加工手段和设各应该合理。 当实验或者验收过程中出现了问题或者达不到要求时，必须回到方案选择阶 段，重新讨论方案的可行性，必要的时候要修改方案或者更换新的方案。 如果实验和验收都得到了满意的效果达到了用户的要求，说明设计基本已经 成功，可以加工生产投入使用了。设计除了绘制装配图和零件图，还要确定制造 电脑自动绕线机的研究与开发 和装配工艺。最后交给用户的除了一套性能完善的设备以外，还应该有相应的实 用说明书和保养维修的说明书。【7 1 2 2 步进电机 2 2 1概述 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自 动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增， 在各个国民经济领域都有应用。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自 由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠 气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地， 造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了8 0 年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更 加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回 路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且旦定型之后，要改变控制方 案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电 动机的潜力。因此，用计算机控制步迸电机已经成为了一种必然的趋势，也符合 数字化的时代趋势。 步迸电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机 是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步迸驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 及步迸角) 。 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可 以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。随 着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子 齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步 进电机。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步迸角一般为7 5 度或1 5 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1 5 度，但噪声 和振动都很大。在欧美等发达国家8 0 年代已被淘汰：混合式步进是指混合了永 磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步迸角一般为1 8 度而五相步 进角一般为0 7 2 度。这种步进电机的应用最为广泛。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点， 步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度 变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是 需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性 高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。 步进电机具有自身的特色，归纳起来有： l 、可以用数字信号进行开环控制，整个系统简单廉价。 2 、位移与输入的脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构 较为简单又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求高精度时组成 闭环控制系统。 3 、无电刷，电动机本身部件少，工作可靠性高。 4 、易于启动、停止、正反转及变速，响应型好。 电脑自动绕线机的研究与开发 5 、停止的时候可以有自锁能力。 6 、步距角范围大，可以在几十角分到1 8 0 度范围内选择。在小步距的情况 下，通常可以在超低转速下稳定运行，通常可以不经过驱动直接驱动负 载。 7 、速度可以在相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电 机可以使他们完全同步运行。 8 、步进电机带惯性负载的能力比较差。 9 、由于存在失步和共振，因此步进电机的加速和减速方法根据利用状态的 不同而复杂化。 1 0 、不能直接使用普通的交直流电源驱动。 步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。步进电动机以其显著的特点，在 数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电 机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 2 2 2 步进电机的选择 步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三 大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 1 、步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算到 电机轴上，每个当薰电机应走多少角度( 包括减速) 。电机的步距角应等于或小 于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0 3 6 度，o 7 2 度( 五相电机) 、0 9 度1 8 度( 二、四相电机) 、1 5 度3 度( 三相电机) 等。 2 、静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静 力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单 一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时( 一般由低速) 时二种 负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。 一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2 3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座 及长度便能确定下来( 几何尺寸) 。 图2 - 2 步进电机外形图 电脑自动绕线机的研究与开发 f i g 2 - 2f i g u r eo fs t e p p i n gm o t o r 3 、电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频 特性曲线图，判断电机的电流( 参考驱动电源、及驱动电压) 综上所述选择电机一般应遵循以下步骤： 4 、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来 衡量，力矩与功率换算如下： p = - n m q = 2 a 6 0 p = 2 m 讧，6 0 其中p 为功率单位为瓦，q 为每秒角速度，单位为弧度，n 为每分钟转速， m 为力矩单位为牛顿米p = 2 nf m ，4 0 0 ( 半步工作) 其中f 为每秒脉冲数( 简 称p p s l 图2 - 3 步进电机选择图 f i g 2 - 3f i g u r eo fs t e p p i n gm o t o rs e l e c t i o n 按照以上步骤，根据绕线机的实际情况就可以确定电机的基本参数。绕线过 程中负载不是很大，但是要求的精度比较高，所以在选择过程中选择的是步距角 比较小的混合型步进电机。当电机的各种参数范围确定了之后，选择了国内生产 步迸电机的厂家进行联系，进一步根据厂家提供的步迸电机产品型号和参数，选 择比较适合型号的电机。 通过筛选之后，选择了常州雷利电器有限公司生产的4 2 b y g 系列混合式步进 电机。根据厂家提供的具体数据，在一系列电机中通过比较最后选择了4 2 b y g 0 2 0 型的混合式步进电机。 2 3 传动系统的设计 自动绕线机分为绕线和排线两个部分，所以自动绕线机的传动部分也独立的 两个部分。绕线部分的传动是将电机的转动传递到夹头，使夹头按照既定的转速 电脑自动绕线机的研究与开发 旋转，完成绕线动作。排线部分的传动是将步迸电机的转动转化为平动，按照技 术要求进行排线。两个部分的负载和精度有所不同，绕线部分要求转速高、负载 较大，但是精度要求不高，而排线部分转数低、负载轻，但是精度要求高。所以 在整个结构设计中，传动系统的设计好坏关系到整个系统的精度、效率、可靠性。 表2 一lb y g 系列混合步进电机 n o h o l d i n g d e t e n tr o t o x s i z e c u r f 龃tr e s i s t a n c e w e i g h t im o d e io f v o l t a g e ( v ) i n d u c t a n c e 1 0 r q u et o r q u e l 0l 1 ( a ) ( ( 蚝) p h a s e ( m h ) ( gc m )( g c r a )( g c m 2 )( r m ) ( r a m ) i 3 9 b y g 4 1 0 0439 6094 41 65 0 01 30 1 22 82 4 l 4 2 b y g 0 0 54960 4 82 0 01 5 02 3 0 0 2 2 02 20 2 43 902 4 4 2 b y c , 0 0 843 2 00 3 91 7 o1 3 77 6 0 1 5 01 90 2 03 351 6 l4 2 b y g 0 0 922 2 00 6 07 06 0 1 3 0 01 8 02 00 2 03 351 6 l4 2 b y g o l 6 4 1 2 o0 1 67 5 05 5 09 0 0 2 1 02 00 2 03 351 7 l4 2 b y g 0 2 0 d 1 20o 6 02 001 401 7 0 0 2 1 02 00 2 03 351 6 l4 2 y g 0 2 321 2 00 4 03 003 602 1 0 0( 2 1 02 00 2 03 351 6 i4 2 b y g 0 2 521 6009 0 2 0 0201 0 0 0 2 1 02 00 2 03 351 8 l4 2 b y g 0 2 8 d 1 2 00 4 03 002 302 0 0 0 2 2 02 00 2 43 902 4 l4 2 b y g 0 3 042 400 6 063 5 ，01 2 0 0 2 1 02 00 2 03 351 8 因此，在传动系统的设计上应该保证排线的精度，减小绕线部分的震动，这 样才能使两边协调。绕线部分选用的是高转速的交流电机，所以传动比也应该选 用大于l ，使夹头在一个比较合适的速度下转动。排线部分运动速度比较慢，要 求运动精确，所以应该选择传动比小于1 的结构。 2 3 1 带传动 带传动是利用中间挠性带传递运动和动力的机械传动。带传动由主轮从轮和 紧套在两个轮上的带组成。按照工作原理带传动可以分为摩擦传动和啮合传动两 类。靠摩擦传递运动和动力的有，平带传动，v 型带传动，圆带传动和楔型带传 动，他们的区别是横截面形状的不同；而同步带传动则是靠带内表面的凸齿和带 轮上的齿槽相啮合来传递运动和动力。 平带传动靠带的环形内表面与带轮外表面压紧产生摩擦力。常见平带有帆布 芯平带、皮革平带、编织平带和复合平带等。一般用接头连接成环形，故传动不 够平稳。由于平带较软可扭曲，在小功率传动中按轴的相对位置和转动关系主要 可以分成三中传动形式：开口传动两轴平行，转向相同，是最常用的形式； 交叉传动两轴平行，转向相反，用于改变转动方向；半交叉传动两轴交 错，其交错角通常为九十度，用来传递空间两交错轴之间的转动，带呈半交错状 态，只适于单向传动。 v 带传动靠带的两个侧面与相应槽轮的两侧面压紧产生摩擦力。与平带传动 相比，当带的初拉力相同，即带对带轮的压紧力相同时，v 带传动比平带传动的 摩擦力大，故能传递较大功率，结构较为紧凑，且v 带无接头，传动比较平稳， 电脑自动绕线机的研究与开发 故应用最广。适用于两轴平行且转向相同的中等功率传动，通常传动功率小于 i 0 0 千瓦，带速在5 2 5 米秒之间，传动比最大为7 。 圆带传动靠带与轮槽压紧产生摩擦力。带用皮革或者合成纤维制成，分有接 头和无接头两种。常用于低速轻载的机械，如缝纫机、真空吸尘器和磁带盘的机 械传动。 多楔带传动靠斜面摩擦工作。其带是在平胶带基体上做出若干纵向楔，带轮 也有相应的环形轮槽。摩擦力和横向刚度较大，张紧力小，常用于要求结构紧凑 且传动功率较大的场合，特别适用于要求v 带根数多或者垂直于地面的平行轴传 动。 i 、与其它全动比较带传动的主要特点 优点是： ( i ) 带传动利用挠性带来传递动力有弹性，能缓冲吸振、传动平稳噪音小。 ( 2 ) 允许中心距变化范围比较大，中近距可以调整，在两轴距比较远的场 合应用比较多。 ( 3 ) 结构简单，制造安装方便，成本低廉。 ( 4 ) 利用摩擦传递动力，当过载的时候打滑，具有安全保护的作用。 缺点是： ( 1 ) 存在弹性滑动，传动比不恒定，传动效率低f l _ 0 9 0 o 9 4 ，损坏快， 寿命短( 约为1 0 0 0 5 0 0 0 小时) 。 ( 2 ) 传动的外轮廓尺寸大，结构不紧凑。 ( 3 ) 带与带轮之间会摩擦放电，不宜在高温、易燃的场合下工作。 ( 4 ) 由于带需要张紧故轴和轴承需要承受比较大的力。 自动绕线机的绕线部分装置，采用小型交流电机为动力，负荷不大转速比较 低，对于传动的精度的要求要求不高，而且应该尽量保证结构简单便于维修和维 护，同对应该考虑到降低成本。这样根据带传动的特点，可以选择宽度比较小的 v 带作为传动。 2 、v 带的型号和规格 v 带是无接头的环形带，由包布、顶胶、抗拉体和底胶四部分组成。包布是 v 带的保护层，由胶帆布制成。顶胶和底胶均由橡胶制成，在胶带弯曲的时候分 别承受拉申和压缩作用。抗拉体是承受基本拉力的部分，有绳心和帘布心两种。 绳心v 带结构抗弯强度高；帘布心v 带结构抗拉强度高，抗拉体对带的机械性能、 传动能力、寿命以及尺寸稳定性起着决定作用。故目前多采用尼龙，涤纶等化学 纤维作为抗拉体。 v 带为标准件，除普通的v 带以外，还有多种类型。窄v 带、大楔角v 带结 构紧凑、承受载荷能力强，后者使用大摩擦系数( f - - o 5 左右，一般为0 2 5 ) 的 橡胶浇注成的。联组v 带，是在多根v 带的上底用一层薄橡胶联结起来，它既有 多楔带的优点，又可以减少槽距误差的不利影响。 3 、v 带的结构和材料 带轮由轮缘、轮毂和轮辐三部分组成。轮缘上制有轮槽。v 带截面楔角均为 4 0 度，但是由于v 带在带轮上弯曲时截面形状发生变化，宽边受拉变窄，窄边 受压变宽，使得v 带楔角变小。当v 带带型相同时带轮直径越小，楔角变得越小。 为了使带与轮槽两侧工作面紧贴，将带轮槽角规定为3 2 度、3 4 度、3 6 度和3 8 度四种。轮辐是轮缘与轮毂的联结部分，按轮辐结构可分为实心带轮、辐板带轮、 孔板带轮和椭圆轮辐带轮等，当带轮的基准直径小于小于等于2 5 3 倍轴的直 电脑自动绕线机的研究与开发 径的时候，可采用实心式；当带轮基准直径小于等于3 0 0 蛐的时候可以采用辐板 式或者孔板式；当带轮基准直径大于3 0 0 衄的时候，则用轮辐式带轮。 带轮的常用材料是灰铸铁。当带速小于2 5 m s 时候，用h t l 5 0 ；当带速在2 5 3 0 r e s 之间时候，用h t 2 0 0 。对带速更高或者重要场合使用的带轮可以用铸钢或 者钢板焊接。为了减轻带轮重量，也可以用铝合金或者工程塑料。 小带轮 大带轮 图2 4 小带轮和大带轮 f i g 3 - 2 1f i g u r eo fb e l tp u l l e y 绕线机的绕线部分传动，采用v 带传动。首先选择适当的v 带，v 带是一种 标准件，选择过程中应该考虑在以后的维修中v 带可互换性好。所以应该选择一 种市场上常见的型号的v 带。最后，我们选择了一种尼龙材料制成的v 带，v 带 电脑自动绕线杌的研究与开发 节宽为5 衄，高度4 5 姗。 根据v 带的节宽和高度，确定了轮槽的形状。电机的输出轴的直径为6 彻， 所以小带轮的最小直径也就可以确定，另外为了防止v 带绕过带轮的时候弯曲过 大，设计时也考虑适当的加大小带轮的直径。大带轮的直径按照传动比计算获得， 但一般情况下按照v 带轮直径标准系列值取值。 4 、工作原理和受力分析 带传动空载时候，带两边的初拉力r 相等，如图所示，此时带与带轮的接触 面间作用有正压力。当带传动工作时，主动轮l 在转矩t 1 做用下以转速n l 转动 通过带轮与带接触面间正压力而产生的摩擦力f 拖动带，如图所示，带又拖动 从动轮2 ，以转速n 2 转动从而把主动轮的运动和动力传递给从动轮。由于带和 空载状态 图2 - 5 带传动原理图( a ) f i g 2 - 5b e l td r i v ep r i n c i p l e ( a ) 一一一皇堕! 塑丝竺塾塑堡茎兰墅茎 一一 _ - _ 。_ _ _ 。 _ _ 。_ _ _ _ _ ，。- 。_ - h _ 。_ 。_ _ _ - - _ 。1 。 工作状态 图2 - 6 带传动原理图( b ) f i g 2 - 6b e l td r i v ep r i n c i p l ec o ) 带轮之间的摩擦力的作用，进入主动轮一边的带被拉紧，称之为紧边其拉力由 f 0 增加到f 1 ，f 1 为紧边拉力；离开主动轮一边的带被放松，称之为松边其拉力 由f 0 减d , nf 2 ，f 2 为松边拉力。带两边的拉力差f l f 2 称为带传动的有效拉 力f ，其力等于带与带轮之间的摩擦力f ，即： f = f