龙门式数控包带头的传动设计

1、龙门式数控包带头的传动设计摘要 本文首先介绍了国内电力发展的现状，数控包带机的发展及重要作用，简要分析了数控包带机的市场。接下来本文主要介绍了大型数控包带机的主传动部分的设计。首先介绍了数控包带机的工作原理，及包带头的组成。然后详细的介绍了数控包带机主传动部分的各个部分和零件的设计和选择。电机选用的是松下MSME/3kW低惯量中容量交流伺服电机。整个传动采用的是双面梯形齿同步带传动，为了保证包角和带压力，采用了3个同步小带轮系，同步带在小带轮系之间以S型缠绕，从而保证了主动带轮上的包角和同步带与大带轮的接触角。由于整个包带头的支撑是空心支撑，设计中采用了外齿式四点接触球式回转支承轴承支撑，从而

2、使从原理和性能上都满足了结构和功能的要求，并减小了包带头的尺寸和重量。对包带头上回转用电设备的供电，本设计采用的是滑环和碳刷的组合，从原理和性能上巧妙的解决了对回转件的信息和能源的输送，使之达到性能要求的同时避免了电线的缠绕。 关键词：包带机；主传动；回转支撑；滑环；碳刷 Transmission design of Gantry CNC package Abstract The paper firstly introduces the status of the domestic development of electric power, the development of the Ga

3、ntry CNC package r and its important role and briefly analyzes the market of the digital controlled sack holder. Then it mainly introduces the transmission design of the large Gantry CNC package. At first, it explains the operation theory of the machine and the composition of the package. Then it de

4、scribes the design and selection of each main driving part and opponent of the machine in detail. The motor uses a capacity AC servo motor in the Panasonic MSME/3kW low inertia. The entire drive is double-sided trapezoidal tooth synchronous belt in order to ensure the corners and with pressure. The

5、use of three simultaneous small pulley systems to the S-shaped wound guarantee the initiative with the contact angle of the corners, and the timing belt and pulley wheel. For the support of the whole package is hollow, the design applies the four-point external gear contact ball slewing ring bearing

6、 support to let it meets the requirements from both the theory and the function and reduce the size and weight of the machine. This design supplies the power to the rotation equipment by using a combination of slip ring and carbon brush which solves the problem of the delivery of information and ene

7、rgy to the rotary parts in the way of theory and function, so that to achieve the functional requirements and avoid the winding of the wire as well. Key words：Wrapping Machine;main drive;rotary support;slip ring;carbon brush目 录摘要Abstract1 绪论11.1我国电力发展的现状11.2数控包带机的作用11.3数控包带机的国内外发展趋势22龙门式数控包带头传动设计的总体

8、方案的选择和设计32.1数控包带机的工作原理32.2传动部分的总体方案设计42.2.1包带头传动部分的组成42.2.2数控包带头的传动部分工作原理42.2.3包带头回转支承的设计选择62.3本章小结73龙门式数控包带头传动部分各结构的设计计算83.1电动机的选择83.2带传动的设计和计算93.2.1传动带的选择93.2.2传动带的设计计算103.3轴承的选择和计算123.3.1小带轮系轴承的型号选择和计算123.3.2包带盘回转轴承选择及计算133.4碳刷及滑环的选择163.5本章小结164结论17参考文献致谢 龙门式数控包带头的传动设计1 绪论 1.1我国电力发展的现状 我国改革开放以来全国

9、用电总量快速增长。1978年全社会用电量为2498亿千瓦时，到2007年达到32565亿千瓦时，是1978年的13倍，年均增长9.45%。改革开放之初，我国逐步扭转了单纯发展重化工业的思路，轻工业得以快速发展，用电增速呈现先降后升的态势。“六五”、“七五”期间年均增长分别达到6.52%、8.62%，其间，在经济体制改革的带动下，我国用电增速曾连续6年(19821987年)逐年上升，是改革开放以来最长的增速上升周期。1990年以来，在小平南巡讲话带动下，我国经济掀起了新的一轮发展高潮。“八五”期间，全社会用电增长明显加快，年均增长10.05%。“九五”期间，受经济结构调整和亚洲金融危机影响，用电

10、增速明显放缓，年均增长6.44%，尤其是1998年，增速仅为2.8%，为改革开放以来的最低水平。20世纪初期20年是我国进行全面建设小康社会的重要历史时期。“十五”期间，受积极的财政货币政策和扩大内需政策拉动，我国经济驶入快速增长轨道，经济结构出现重型化，用电需求持续高速增长，年均增长12.96%，到2005年全国装机达到5.12亿kW。“十一五”期间，我国新增电机装机超过4.3亿kW，总装机容量达到9.5亿kW，每年平均增长1亿kW左右，位列世界第二。2011年全国电力消费量达4.7万亿千瓦时，有关人士预测，到2015年全国用电量将达5.99万亿6.57万亿千瓦时，“十二五”期间年均增长7.

11、5%-9.5%；最大负荷达到9.94亿-10.90亿千瓦。为此，促使我国电力发展水平的提高已成为关键问题，为了满足电力工业的发展需要，相关设备就必须跟上形式的发展。1.2数控包带机的作用 大型水电和火电部门都需要用到大型发电机，电机的定子线圈需要包扎绝缘带才能够在实际生产中使用。高压电机定子绕组线圈的主绝缘由云母带半叠包绕形成，云母带的包绕就是由包带机来完成的。包带的方法有手工包带、半自动包带和数控包带，为了提高包扎绝缘带的质量及效率，需要使用数控包带机。包带机的主体结构1.3数控包带机的国内外发展趋势 目前国际许多大型水、火发电机制造公司已经采用了多轴数控包带机，它可以克服人为因素对线圈绝缘

12、带包绕质量的影响。其中德国、瑞士的技术及产品具有世界领先水平。在国内，主要采用手工包带和半自动机械式包带机，数控包带机系统的研发与开发已有十多年的历史，哈尔滨电机厂、上海电机厂等做出了一定的产品，但是由于设计和技术的一些问题，相关部分并没有完全国产化。目前国内所用的多轴数控包带机基本都是从国外进口的，产品主要来自于瑞士依索拉等公司。这些设备价格昂贵，维护不方便，而且根据对目前市场需求的预测分析，现有包带机的数量远不能满足生产需求。多轴数控包带机的研制技术在国内还处于起步水平，极具研究和推广的前景。半自动机械式包带机2龙门式数控包带头传动设计的总体方案的选择和设计2.1数控包带机的工作原理 数控

13、包带机现在市场上主要有龙门架结构和机器人结构两种形式，下面以龙门架结构也是本次研究的对象为例，介绍数控包带机的工作原理。 机器人结构数控包带机 龙门架结构数控包带机 如下图各轴定义如下：龙门架整体横向运动时，所在的轴定义为Y轴。龙门架横梁上的包带小车运动时，所在轴定义为X轴。包带小车所带动的机械部分称为包带盘，包袋盘升降定义为Z轴，Z轴回转为C轴，包袋盘绕B点旋转定义为D轴，包带盘自转定义为E轴。包带机各轴均由独立的位置伺服系统控制，可以在正反两个方向作点为运动、连续运动。可以确定空间任意位置和姿态。包带机工作时，线圈被线圈坚固系统固定。安装在导轨上的线圈支撑系统可以进行X、Y和Z轴方向的调整

14、。设备工作时，X、Y、Z轴带动包带盘，使包带盘平面始终和线圈中心线的发平面重合。盘绕自转轴E高速旋转，将包带缠绕导线圈上，往复加工多层，直至满足工艺要求。 1龙门架 2包带小车 3包带盘 龙门架结构简图2.2传动部分的总体方案设计 龙门式数控包带头传动部分是包带头的核心部分，传动部分设计的好坏直接关系到整个数控包带机系统的性能的好坏，对包带的质量影响至关重要。而对传动部分的设计首先要进行总体方案的设计，选择一种最合理的方案以进行下面的一步步设计计算，从而得到最合理的设计结果。2.2.1包带头传动部分的组成 传动部分设计主要考虑的是传动方式的选择和包带头部分旋转支撑方式的选择。通过参考现有机械手

15、结构和龙门架结构两种数控包带机，结合两者的优点并进行优化，同时根据实际情况选用同步带传动和选用特殊回转支撑支撑包带头。 因此，此次数控包带机主传动部分主要由交流伺服电动机、同步带、从动轮系、特殊回转支撑轴承（带有大齿圈）、滑环和碳刷组成。2.2.2数控包带头的传动部分工作原理 龙门式数控包带头的传动部分是包带头旋转从而完成包带动力的来源,本机的传动部分通过同步齿形带轮将电机转速与转矩传递给大齿圈，大齿圈和小齿轮系之间用同步带联系，再由大齿圈传递到包带盘上，使包带盘随大齿圈公转的同时又绕自身轴自转，从而将绝缘带包绕在电机定子线圈上。 接下来通过以下两个图，我将对本结构整体结构做出说明，如图1所示

16、 图1 本机主传动系统图1 交流伺服电机 2 同步齿形轮系 3 四点接触回转轴承（带大齿 圈） 4 滑环 5 碳刷 6 旋转盘该机构主要原理如下：动力由1电机传递给2同步齿形带轮系，带轮系通过双面同步带将动力传递给3四点接触回转轴承上的外圈大齿圈，旋转盘固定在3的大齿圈上，从而使大齿圈将动力传递到旋转盘上，是旋转盘随大齿圈转动，从而带动安装在旋转盘上的包带盘转动，3回转轴承的内圈起到支撑和固定的作用，4滑环和5碳刷起到对包带头上的用电设备进行电力输送的作用。如下图2为带传动原理图，该部分考虑到为使机构紧凑，尺寸小和保证有足够的包角的条件下，特选用了一组三个大小完全一样的从动带轮3、4、5过度，

17、使双面同步带在这三个从动齿轮中成S形缠绕，从而保证了主动轮上的包角，又增加了同步带与大齿圈的接触面，是动力顺利地传递到大齿圈上。 图2 带传动原理图 1 电机及主动同步齿形带轮 2 双面同步带 3、4、5 从动同步齿形带轮 6 大齿圈2.2.3包带头回转支承的设计选择 由于包带头需要不停的绕穿过其中的定子线圈旋转，故其中部应是中空的，对于中空的支撑与轴的支撑完全不同，这正是本此设计的难点。为了支撑大齿圈，保持包带头的旋转精度，减少大齿圈的磨损，及长时间使用的变形，这里采用回转轴承支撑。由于该机构同时受到两个较大的轴向力和径向力，通过类比这里采用单排四点接触球式回转支撑。四点接触球轴承是一种双向

18、单列角接触轴承，由于轴承的内外圈沟道设计特殊，使每个沟道和球有两个接触点，接触角为35，因而可以承受两个方向的轴向负荷。四点接触球轴承还可以承受力矩载荷，兼有单列角接触球轴承和双列角接触球轴承的功能。这种轴承极限转速高，适合高速旋转场合。 回转支承由内、外套圈和滚动体、隔离块、密封圈等组成。外圈和内圈分别与转台(盘）和机座相连接。回转支承的外圈可以做成带有渐开线齿的外齿圈，内圈可以做成带有渐开线齿的内圈，并可通过齿轮传动实现转台（盘）与机座的相对运动。回转支承可以承受很大的轴向载荷和径向载荷，也可以承受倾覆力矩的作用，故广泛应用于起重机、挖掘机、运输机械、军事装备、工业机器人等领域。 回转支撑

19、按其结构形式分为四类：单排四点接触球式回转支承、双排异径球式回转支承、单排交叉滚柱式回转支承、三排滚柱式回转支承。本设计中根据具体情况，采用单排四点球接触式回转支承。徐州万达回转支撑有限公司生产的单排四点接触球式回转支承由两个座圈组成，结构紧凑、重量轻，能同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩。回转式输送机、焊接操作机、中小型起重机和挖掘机等工程机械均可选用。本设计回转轴承就参考其产品，并可通过特殊定制坐成。2.3本章小结 本章主要对数控包带头的传动部分进行总体设计，通过对比刷选等方法确定出最佳设计方案。确定其中最主要的传动方式及旋转支撑方式，为后面的设计提供参考依据。3龙门式数控包带头传动部分各结

20、构的设计计算3.1电动机的选择 包带头转速为0-200rpm，并且根据实际情况，所用电机的惯量应尽量小，已具备更好的伺服性和灵活性，同时又要满足包带头工作所需功率。由于包带头旋转工作时所需功率不是太大，主要是启停时功率较大，通过类比相似结构的同类产品SKBD-120型包带机，同时根据松下伺服电机型号选择MSME/3kW型号低惯量中容量交流伺服电机。由表1可知，MSME/3kW低惯量中容量交流伺服电机额定功率为3kW，额定转矩9.55Nm,最大转矩28.6Nm，额定转速3000r/min，最高转速5000r/min，变压器容量4.5kVA。表1 MSMA/3kW低惯量中容量伺服电机规格 图3 松

21、下电机MSMA/3kW低惯量中容量伺服电机尺寸参数3.2带传动的设计和计算 根据包带头的工作情况和传动要求，本机构选用了同步带传动。从图2可知，同步带在主动同步齿轮和从动同步齿轮系及大齿圈之间成S形缠绕，要想达到工作要求必须使同步带的两面都能工作，因此，在这里我们选了双面齿同步带。同步带特点：传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油、耐磨损，抗老性能好，传动效率可达99.5%,传动功率从几W到数百kW，传动比可达10，线速度可达40m/s以上，工作时无打滑现象，具有缓冲、减震能力、噪声低，不需润滑等特点。因此很适合在此使用。3.2.1传动带的选择 同步带由梯形齿、弧齿两种齿形，弧齿同步带传动性

22、能和承载能力较好。但目前国内系列生产的同步带多是梯形齿，而且根据此机构的实际情况，我们选择梯形齿同步带。同步带有单面带和双面带两种，这里我们选择了双面带。而双面带中分为DA型（对称齿形）和DB型（交错齿形），如下图： 根据实际情况和参考同类机构，我们选用DA型（对称齿形）梯形齿同步带。3.2.2传动带的设计计算 同步带传动的主要失效形式：1）抗拉层弯曲疲劳；在冲击载荷或严重过载情况下断裂。2）抗拉层与带背撕脱抽出。3）带齿的剪切和压溃以及同步带两侧边和带齿磨损。同步带传动设计计算时主要是限制单位齿宽的拉力；必要时才校核工作面的压力。（1）设计功率 由文献4表8-37查得工况系数，电机额定功率

23、(2）选择带型、节距 根据和，由文献4图8-16确定带型为H型，节距周节制、特殊节距制同步带选型图 （3）小带轮齿数 ,由文献 4表8-38确定 ，取 （4）小带轮节圆直径 由文献4表8-85查得其外径 （5）大带轮齿数 （6）大齿轮节圆直径 （7）带速 ，由文献4表8-39H型带 （8）基本额定功率 由文献4查表8-44确定带的许用工作拉力，基准带宽，带的线质量 （9）带宽 由文献4查表8-45确定小带轮啮合齿数系数 由文献4查表8-31选用带宽代号为200的H型带，其带宽 （10）作用于轴上的力 （11）带轮结构和尺寸 小带轮： 大带轮：3.3轴承的选择和计算 此部分的轴承主要包括包带头的

24、回转支承轴承与小带轮系所需的轴承两种。由于回转支撑轴承特殊，所以需要定制。3.3.1小带轮系轴承的型号选择和计算 （1）小带轮轴系的选择由于小带轮的轴只受小带轮传给它的弯矩作用，而不受转矩，因此可以参照电机轴的轴颈，选择三根和电机轴轴颈22mm一样的轴作小带轮系的轴。又因为考虑到结构和轴承的影响，因此这里选择小带轮系轴的直径为25mm。 （2）小带轮轴承的选择 因为包带头可以绕X、Y、Z三个轴转动及搬动倾角，所以小带轮的轴承既承受径向力同时也承受较小的轴向力，而且小带轮的转速较高达3000r/min，因此可以选用使用这种场合的深沟球轴承。因为深沟球轴承承受的轴向力较小，而小带轮宽度又较大，所以

25、可以用两个轴承并排支撑。 深沟球轴承承载能力较小，额定动载荷比为1。主要承受径向载荷，也可同时承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触轴承的功能，可承受较大的轴向载荷。允许一定的轴向位移，但轴向位移限制在轴向游隙范围内。摩擦系数小，极限转速高。 根据轴颈初步选定深沟球轴承61805，查表可知该轴承额定动载荷，额定静载荷，最高转速（脂）16000r/min。 （3）轴承的寿命计算 由于包带头会在运转过程中出现倾斜，轴的角度会发生不断地变化，从而轴承承受的轴向力和径向力会不断地发生变化。这里我们采用极值的方法进行计算取轴的两个极限角度竖直和水平进行轴承的寿命及算。 由于每个轴上由两个

26、轴承，我们先假设每根轴上只有一个轴承进行寿命计算，最后进行叠加。1） 当轴处于竖直位置及轴承处于水平位置时当量动载荷 为轴承所受的径向力，此时即为带传动作用在轴上的力， 为轴承所受的轴向力，此时即为带轮所受的自身重力， 由文献2查表20.3-6确定X=1，Y=0 由文献2确定球轴承 由文献5查表15-8确定温度系数 由文献5查表15-11确定冲击载荷系数 深沟球轴承61805的额定动载荷 2）当轴处于水平位置即轴承处于竖直位置时，此时轴承只承受 径向力的作用， 由于每根轴上有两个深沟球轴承61805，所以轴承寿命一定满足工作要求。3.3.2包带盘回转轴承选择及计算 （1）回转轴承的初步选择 根

27、据包带头的整体结构和大齿圈的大小，初步选用洛阳精密轴承集团（LYPB）生产的外齿式四点球接触转盘轴承1787/710G2K并把外圈经改制后定制，使外圈上的齿符合上文计算的大齿圈的齿。 （2）回转轴承的计算此回转轴承支撑的部件主要有轴承本身，回转盘及滑环。1） 轴承的质量查文献6四点球接触转盘轴承1787/710G2K的质量是107kg，因为改制后轴承宽度有所变大，因此估计轴承质量2） 滑环的质量 由大齿圈大小及整体结构初估滑环尺寸内径d=710mm，外径D=970mm，厚度h=30mm。因此， 滑环主体材料为45号钢，查表得45号钢的密度。 3） 回转盘的质量 由结构尺寸估计回转盘的尺寸内径，

28、外径，厚度。因此， 回转盘材料为45号钢，密度。 4） 轴承受到的当量载荷及寿命计算 包带头工作时角度会产生倾斜，从而带动小带轮系及轴的工作角度发生变化，轴承上所受的轴向力和径向力会不断变化，因此选用两个极限角度水平和竖直进行计算。 当轴竖直放置及轴承处于水平位置时 按静态工况选型的当量静载荷的计算 由文献7查表1， 式中，轴承所受的所有轴向载荷 轴承所受的所有径向载荷 轴承偏心轴向静载荷与中心轴向静载荷关系系数 由文献7表2确定，故 但动态工况预测寿命的当量动载荷的计算 由文献7表1查得 当时， 当时， 式中，轴承偏心轴向动载荷与中心轴向动载荷关系系数 此时， 所以， 预测轴承使用寿命，由文

29、献7得 式中，轴承寿命载荷系数 寿命指数，球轴承，滚子轴承 由文献7表3查得， 当轴水平放置即轴承处于竖直位置时 按静态工况造型的当量静载荷的计算 ， 按动态工况预测寿命的当量动载荷的计算 此时， 因此， 由计算可知，1787/710G2K轴承满足要求。3.4碳刷及滑环的选择 包带机在包带过程中包带头要不停的旋转，同时包带头还要在转动的时候进行摆动，以改变包带头的倾角，而且包带头上装有检测元件，以及包带头的制停，这些都涉及到电的驱动和信号的传输，而采用传统的电线传输已不能实现，这就需要滑环和碳刷的组合来实现给转动的包带头上的用电设备供电。滑环，就是负责为旋转体联通、输送能源与信号的电器部件。它

30、可以分为两个部分，一部分装在旋转部件上使之随旋转部件一起旋转的叫“转子”；一部分是静止的，安装在固定结构上连接能源和信号源，叫做“定子”，主要由碳刷组成。滑环整体依靠弹力搭接原理，及石墨的导电性能好、耐摩擦、摩擦系数小等特点从固定结构上向旋转结构上输送能源和信号。此处为了满足装配要求，制定上海博比机械技术发展有限公司的外径为966mm的电气滑环。这种类型的电气滑环分为三个控制区，信号电源区、24V电源区、220V电源区组装在一起。碳刷使用铜石墨材料，刷盒为尼龙材料，为了满足装配和使用要求，外形尺寸如下：直径20mm，高36.5mm。3.5本章小结 本章对数控包带机主传动部分的各个主要结构和部分

31、进行了设计，包括电动机的选择；传动方式的选择采用双面梯形齿同步带传动，传动带的设计计算和带轮的设计；包带头回转支承的选择和设计计算；小带轮系的轴承选择和计算；对包带头上用电设备的供电方式的设计，采用了滑环和碳刷配合使用的结构。4结论 本文详细阐述了数控包带机传动部分的设计，整个设计过程中，首先了解了数控包带机主传动部分的工作原理和整体的一个大致结构，再进行各主要部件的设计。整个机构最初动力源由伺服电机提供，动力最终主要消耗在包带盘和包带头的旋转上，整体动力传输装置采用梯形齿双面齿同步带传动，为了减小机构体积并能实现需要的功能，采用了三个完全一样的小带轮系，使同步带在小带轮系中以S型方式缠绕，以

32、达到增大包角，顺利把动力输送到大带轮上。而整个设计的最难处就是包带头的空心支撑，经过对比参考，对包带头的支撑采用了回转支承，提高了包带机的旋转精度和使用寿命。包带头上的倾角电机、计数器、检测装置、制动器等用电设备采用了滑环和碳刷组合供电的装置，避免了包带头旋转时电线的缠绕。18参考文献1刘泽九, 滚动轴承应用手册.北京：机械工业出版社,19962机械设计手册.第3卷 新版.北京：机械工业出版社,2004.83徐州万达回转支撑产品册. 徐州：徐州万达回转支承有限公司4卜炎,机械传动装置设计手册 上册.北京：机械工业出版社,1998.125吕宏,王慧, 机械设计.北京：北京大学出版社,2009.96洛阳精密轴承集团抓盘轴承样本.洛阳：洛阳精密轴承集团公司7苏立樾,贺向, 洛阳转盘轴承的选型计算 8松下伺服电机选型手册9赵升吨,谢嘉,唐勇大,中型电机线圈数控包带机及其运动控制探讨.伺服控制2008,(05):5-910慕香永,刘志林,刘志远,裴运,基于在线示教的多轴数控包带机的研发,2004-7 第11卷 11陈龙,盖如有,