高速自动绕线机的改进设计

摘 要高速自动绕线机是什么？由于存在什么的不足本文通过对自动绕线改进设计主轴转子结构的改进机架导线机构的改进送线进给机构的改进的设计全过程。，并对设备的整个工作、动作过程和绕线机的工作原理进行了分析。设计了绕线机的硬件结构，对各部分的硬件设计进行详细的校核工作。对于该自动绕线机的软件控制系统，本文提出运用三菱 PLC 进行控制的总方案，对绕线机的各个动作进行控制，使三个轴的运动相互协调，以顺利完成整个绕线工作的过程。通过设计，该绕线机通过运用高可靠性的 PLC 进行运动控制和使用触摸屏进行生产条件的调节可以大大提高工作机的运行效率。能够较好地完成绕线机的高速自动绕线的要求，该绕线机主要可应用于电机转子线圈的自动缠绕，可以达到比较好的生产效果，满足产品的质量要求。关键词：主轴转子；机架导线；送线进给机构；自动绕线 ABSTRACTThe whole process of design of the high-speed automatic winding machine is produced in this paper. The entire work process of the equipment and the mechanics of the winding process are analyzed. The hardware structure of the various parts of the winding machine is designed. Conduct a detailed check of the various parts.For the software control system of the automatic winding machine, this paper proposes the use of Mitsubishi PLC to control the various movements. Through the use of the Mitsubishi PLC, the movements of the three-axis are coordinated very well! The whole process of winding can be completed very smoothly.Through the design, the machine with PLC which is highly reliable for motion control and with the use of touch-screen for the regulation of production conditions can greatly improve the efficiency of machine operating. This machine can run automatically at a high speed. It can be applied to produce the rotor of motor for coil winding. It can meet the high quality and high efficiency requirement!Key words: PLC; Touch-screen; Movements Control; AC drives; Automatic Winding 绪论目前绕线机市场可谓庞大，品种繁多，有平行绕线机、环型绕线机、定转子绕线机、纺织绕线机等等。本文主要介绍的是全自动高速自动电机转子高速绕线机的设计过程，随着我国经济的发展，西部开发的实施，对于各种绕线电机的需求量不断的增加，但是，传统的手工绕线工艺制约着电机产量的增加，并且，在交流电的产生过程中，绕组的质量决定了电机的好坏。电机绕组是电机的重要部件，绕组的好坏直接影响到电机的运行性能和可靠性。随着技术的进步，电机绕组的生产方式也在不断地更新，由最初的手工绕制开始向半自动绕线机甚至是全自动绕线机方向发展。于是有必要开发一款全自动的绕线机械来代替这种手工绕制的小作坊式生产方式。本文所设计之绕线机采用双伺服电机进行绕制，采用步进电机进行进给操作，通过具有高可靠性能的 PLC 来进行三个轴的动作协调，可以很好的完成绕线动作。它操作简便，节省人工，可提高产量，产品品质好；其绕线、排线完全按程序自动执行；排线宽幅可调，圈数准确；生产速度快，并能大量节省线材。第二章 自动绕线机改进总体方案 绕线机总体结构将各部分的结构组装起来可以得到绕线机的总体结构示意图 2-9 如下所示：图 2-9 绕线机总体结构示意图本文通过对自动绕线主轴转子结构的改进机架导线机构的改进送线进给机构的改进第三章 转子主轴结构的改进3.1 转子主轴的方案设计转子主轴的结构的设计如下图 2-1:图 3-1 转子主轴结构图3.2.1 三爪卡盘的改进设计图 3-2 三爪自定心卡盘结构和工件安装图a）结构 b）夹持棒料 c）反爪夹持大棒料1.三爪自定心卡盘的结构 三爪自定心卡盘的结构如上图 a 所示，当用卡盘扳手转动小锥齿轮时，大锥齿轮也随之转动，在大锥齿轮背面平面螺纹的作用下，使三个爪同时向心移动或退出，以夹紧或松开工件。它的特点是对中性好，自动定心精度可达到0.050.15。可以装夹直径较小的工件，如上图 b 所示。当装夹直径较大的外圆工件时可用三个反爪进行，如上图 c 所示。但三爪自定心卡盘由于夹紧力不大，所以一般只适宜于重量较轻的工件，当重量较重的工件进行装夹时，宜用四爪单动卡盘或其它专用夹具。2用一夹一顶安装工件对于一般较短的回转体类工件，较适用于用三爪自定心卡盘装夹，但对于较长的回转体类工件，用此方法则刚性较差。所以，对一般较长的工件，尤其是较重要的工件，不能直接用三爪自定心卡盘装夹，而要用一端夹住，另一端用后顶尖顶住的装夹方法。这种装夹方法能承受较大的轴向切削力，且刚性大大提高，同时可提高切削用量。本绕线机即是采用这种一夹一顶的结构。下图 3-2 为卡盘实物图图 3-2 三爪卡盘实物图根据设计要求，转子轴的结构要小于 40mm，因此在选择卡盘的时候要求卡盘的夹持范围能够满足这一要求，但是又要使卡盘的地转动惯量最小，外径为125mm 的轻型 K11 三爪自定心卡盘的正爪加紧夹持范围是 2.540mm,符合设计要求，因此选用这一自定心卡盘，该卡盘的具体型号为 K11125A，连接形式为短圆柱连接方式。其重量为 5.0Kg。卡盘的具体结构图如下图 3-3 所示：图 3-3 卡盘结构图3.2.2 轴的设计及其校核由于卡盘为立式安装，竖直方向的载荷必须用能够承受较大轴向载荷的轴承来承担，因此设计中必须用到推力球轴承和深沟球轴承的组合，经过反复的设计，主轴的结构图如下图 3-4 所示：图 3-4 主轴结构具体计算数据如下，绕线速度为 =600r/min，绕制一圈分为四个阶段，因为这四个阶段的动力源都是伺服电机，因此设个部分的时间相等，绕线机绕制的线圈至少为四极线圈，则转子顺时针或逆时针每次是 =90，转子转 90所用的时间 T= s (3-1)带入已知数值可得 T= =0.025 s可得伺服电机的平均转速应该为 = (3-2) 带入数据可得 = 3600/s = 10r/s将绕线转子等效为一个直径为 100mm 长度为 100mm 的圆柱体，可得到转子的转动惯量为 Jk1=76.576Kgcm2，质量为 6.126Kg。三爪卡盘的质量为 5Kg，转动惯量约为 Jk2=108.433Kgcm2。电机的速度规划为匀加速和匀减速两个阶段，可得t 2= (3-3) 由 t= s 可得 =800 rad/s=400r/s 2Jk=Jk1+Jk2=76.576 Kgcm2+108.433Kgcm2=185.009 Kgcm2 (3-4) 转矩 T = Jk=185.009800 46.5 NM (3-5) 接下来按扭转强度对轴的强度进行校核，这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种办法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为= (3-6)式中：扭转切应力，MPa；T轴所受的扭矩，Nmm；轴的抗扭截面系数，mm 3；n轴的转速，r/min；P轴传递的功率，KW；d计算截面处轴的直径，mm；许用扭转切应力，MPa由上式可得轴的直径d = = A0 (3-7)式中，A 0=,查表可得，使用 45 号钢，A 0属于 126103T = 9550000 可得 = T/9550000 (3-8)可得 d 2.04 mm本设计中，轴的最小直径为 35mm。远远大于所要求的 2mm，因此轴的承载能力合格，轴的强度是足够的3.2.3 轴承的选用及校核由图 9 可以看到本设计中选用了两个深沟球轴承和一个推力球轴承,由于轴受到的径向力很小,因此省略对于深沟球轴承的校核过程,只对推力球轴承进行校核。推力球轴承所承受的轴向力主要来自于绕线转子和三爪卡盘的重力，绕线转子的重量 m1 =6.126Kg,三爪卡盘的重量为 m2 = 5 Kg。由以上可知推理球轴承所受的轴向力为m g = （m 1 + m2） g = （6.126 + 5） 9.8 109 N (3-9)对轴承进行设计欲设计使用时间为 45000h当量动载荷为 109N；由 Lh = 45000h查表的 f h = 4.48 其中 fh 为寿命系数轴承的转速系数为 fn = 0.382工况系数取 Kf = 1功率利用系数 Kn = 0.42由以上数据可得当量载荷为C = KFKLKNKnP (3-10)= 111 538 N由机械设计手册选用 51202 推力球轴承，A = 0.21Famin = A（） 2 KN = 0.21（） 2 KN = 7.56 N (3-11)51118 轴承的基本额定载荷为 65KN 远远大于它的当量载荷 538N，所以推力球轴承满足机械的设计要求。当量载荷肯定大于 Famin，因此轴承满足要求。为了保持径向的运转精度必须使用深沟球轴承进行径向定位，根据轴的结构决定选用 6010 和 61918 两个深沟球轴承。因为轴的径向载荷不大，不对深沟球轴承校核了。第四章 机架导线机构的改进设计4.1 总体视图导线机构决定通过伺服电机带动同步带，然后通过同步带带动直线位移滑块上下运动，这样便将伺服电机的顺逆时针往复运动变为滑块的上下往复运动，从而完成绕线的部分动作。导线机构的设计视图如下图所示，各部分部件的校核计算将在以下的各节中分别计算。图 4-1 导线机构主视图图 4-2 导线机构左视图4.4 轴承的选用及校核由图 4-1 和图 4-2 可知导线机架结构中使用了四个同样的深沟球轴承，它们的具体型号是 6006，其总体尺寸如下图所示：图 4-12 6006 轴承总体尺寸根据图 4-1 和图 4-2，四个 6006 轴承中，上面的两个轴承因为还得承受滑块导线机构的重力，因此其所受载荷比下面两个轴承要大。因此，可先校核上面两个轴承，如上面合格则下面亦合格。如上面两个轴承不合格，可再校核下面的轴承。上面轴承的受力图如图 4-13：(a)(b)(c)图 4-13 受力分析图Fre = mg = 1.29.8 =11.76 N (4-9)Fte = TL/r = 22.5/0.018 =1250N (4-10)查机械设计手册可知深沟球轴承 6006 的基本额定动载荷 C = 10200N，基本额定静载荷 C0 = 6880 N1. 求两轴承受到的径向载荷 Fr1和 Fr2将轴系部件受到的空间力系分解为铅锤面（图 4-13b）和水平面（图 4-14c）两个平面力系。其中：图 3-14c 中的Fte为通过另加转矩而平移指向轴线。由力分析可知：Fr1v = = = 31.54 N (4-11)Fr2v = = = 19.78 N (4-12) Fr1H = = = 3352.3 N (4-13)Fr2H = = = 2102.3 N (4-14)Fr1 = = 3352.4 N (4-15)Fr2 = = 2102.4 N (4-16)2. 求两轴承的计算轴向力 Fa1和 Fa2由于本设计不存在轴向力，所以轴承所受的当量动载荷即是轴承所受的径向力。所以只需校核轴承 1 的寿命。P = 3352.4 NLh = = = 13190 h 5000h (4-17)因此轴承的承载能力符合要求。第五章 送线进给机构的改进设计5.1 送线进给机构总体设计绕线机送线进给机构采用丝杠螺母带动送线导轨机构进行动作，其设计的局部视图如下图所示:图 5-1 送线进给机构局部试图（一）图 5-2 送线进给机构局部视图（二）5.2.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求1.导轨副的种类导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的称直线运动导轨副，为回转的称回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等等。按其结构特点可分为开式（借助重力或弹簧弹力保证运动面与承导面之间的接触）导轨闭式（只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触）导轨。2.导轨副应满足的基本要求机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支撑必须符合三点定位原理。5.2.2 滚动导轨副的类型与选择1.直线运动滚动导轨副的特点及要求滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多优点：1) 摩擦系数小（0.0030.005），运动灵活；2) 动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；3) 可以预紧，刚度高；4) 寿命长；5) 精度高；6) 润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；7) 由专业厂生产，可以外购选用。2.滚动导轨的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或是线接触，所以抗振性差，接触应力大；对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂、制造困难、成本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置3.对滚动导轨副的基本要求：1) 导向精度 导向精度是导轨副最基本的性能指标。移动件在沿导轨运动时，不论有无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。这是保证机床运行工作质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度垂直度及等高、等距的要求都有规定或标准。2) 耐磨性 导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨副的主要实效型式是磨损。因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。3) 刚度 为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。4) 工艺性 导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。5.2.3 线性滑轨的配置线性滑轨能承受上、下、左、右方向负荷，因此可根据机台结构与工作负荷方向配置线性滑轨组。（a ） 单支滑轨有承靠面配置（b）两只滑轨滑块移动配置（c ）两只滑轨滑块移动配置（d）相对两只滑轨配置（e ）背向两支滑轨配置（f）全面固定配置（g）HGW 型滑块装配螺栓取不同方向配置图 5-3 直线导轨配置方式根据设计要求选用 EGW30SB 型号的直线导轨，采用两支滑轨滑块移动配置的方式。5.3 滚珠丝杠的设计丝杠螺母传动属于螺旋传动。丝杠又可称为螺杆。丝杠螺母传动又可称丝杠副传动。螺旋传动按用途可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋等。螺旋传动按螺纹间摩擦状态又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋三大类。滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有球和滚子两大类。球又称滚珠。应用最广泛的是以球为滚动体的滚珠螺旋传动滚珠丝杠副。滚珠丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用得很普遍，可作为精密定位自动控制、动力传递和运动转换。随着机电一体化技术的发展，滚珠丝杠的使用范围越来越广，目前我国有专业工厂参照 ISO，按照国家标准规定的参数及精度标准组织生产。轴颈端部结构尺寸标准，用户不必自行设计制造，可以根据使用工况选择某种结构类型的丝杠，再根据载荷、转速等等条件按规定的计算方法选定合格的尺寸型号和组合单元向有关厂家订货，可以获得更加好的经济效果。滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比其主要特点是：a) 传动效率高。一般可达 95%以上，是滑动丝杠传动的24 倍。b) 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速无爬行。c) 可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。d) 定位精度和重复定位精度高。e) 使用寿命为普通滑动丝杠的 410 倍甚至更高。f) 同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。g) 使用可靠、润滑简单、维修方便。h) 不自锁。可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。由于绕线机要求的高定位精度、高的灵敏度、无大的间隙等原因，所以选用滚珠丝杠副，来进行漆包线的进给。根据送线导轨架的结构尺寸，选用 HIWIN 公司的FSW36-6B2 滚珠丝杠。由于绕线机的重量与动负荷的要求差距很大，丝杠螺母能够远远满足负荷要求，固省略校核过程。本改进设计中，因为机构的丝杠是直接和外部空气接触的，散热快，热膨胀不明显，因此采用两端固定的结构。具体视图如下：图 5-7 丝杠螺母的配置5.4 滚动轴承的校核丝杠螺母机构采用两端固定的结构，使用的两个角接触球轴承和两个深沟球轴承，分为两组，两个角接触球轴承各自背向安装，因为丝杠所受的主要是轴向力，所受径向力不大，因此，只需校核角接触球轴承的强度即可。深沟球轴承的型号为 6006，角接触球轴承的型号为 7006CJ根据估算，导线支架结构加上滑块的重量 M 大概为 100kg，其重力为980N。线性滑轨的动摩擦系数为 0.004。因此轴承所受的轴向力 Fa = 980 0.004 = 4 N，角接触球轴承的基本额定动载荷为 11.5103N，远远大于4N，因此所选轴承能够满足工作要求。参考文献1 章梁.彩电 FBT 绕线机控制系统研究.西安理工大学硕士论文,19952 王中发.机械设计.