本科畢業(yè)論文噸臥式繞線機(jī)的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 10噸臥式繞線機(jī)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 工業(yè)工程 班 級 工程0702班 學(xué) 生 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二一 一年 五 月 三十 日摘 要臥式繞線機(jī)主要是用于電動(dòng)機(jī)、電器繞組的制造，是電壓器制造企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備之一。它可以解決繞組在繞制過程中對繞制速度、啟動(dòng)特性、線圈恒張力控制，實(shí)現(xiàn)排線架的運(yùn)動(dòng)速度與主軸的轉(zhuǎn)速按照一定的函數(shù)關(guān)系變化，實(shí)現(xiàn)同步控制。通過進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、企業(yè)的產(chǎn)品收集，對臥式繞線機(jī)的基本整體結(jié)構(gòu)、功能需要進(jìn)行總結(jié)分析，對國內(nèi)外的臥式繞線機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的了解。本文對臥式繞線機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入詳細(xì)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了強(qiáng)度的校核，其中對主軸、蝸桿-蝸

2、輪減速器以及帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，除了機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)外，還另外對臥式繞線機(jī)的電氣控制系統(tǒng)硬件組成也進(jìn)行了設(shè)計(jì)及PLC梯形圖的設(shè)計(jì)。通過對繞線機(jī)整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基本能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，符合機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度需要，實(shí)現(xiàn)了臥式繞線機(jī)的恒張力、自動(dòng)排線、自動(dòng)調(diào)速、排線的制動(dòng)以及主軸制動(dòng)的功能。關(guān)鍵詞：臥式繞線機(jī)；張力控制；同步控制；電氣控制ABSTRACTHorizontal coiling machine is mainly used to manufacture electric motors' and electrical appliances&#

3、39; coiling. It is one of the key production equipments for the voltage device manufacturing enterprises. It can realize many characteristics around the winding ,such as the control of the coiling speed, startup behavior and the control of coil constant tension, so as to realize the change of the mo

4、vement speed of the creelstand and spindle speed according to certain function relation, achieving the ynchronous control. Through the literature retrieval and enterprise product collection, I make some analysis to the basic structure and function requires of the horizontal coiling machines. In this

5、 paper ,I make a further detailed design to the horizontal coiling machine's main mechanical structure and check the intensity, among of all,such as the detailed design of the spindle, worm - worm gear reducer, belt transmission and chain. At the same time, in addition to the mechanical transmis

6、sion design outside, also, I have maked the detailed design for the electrical control system's hardware of the horizontal coiling machine and PLC ladder diagram. Based on the mechanical structure's design of the winding machine and electrical control system's design, I basicly can achie

7、ve the desired design requirements, according with mechanical structural strength need, realizing the functions of the control of the constant tension, automatic coiling , automatic speed,the baking of the creelstand and the spindle in this horizontal coiling machine. Key words： horizontal coiling m

8、achine；tension control；synchronous control；electrical control目 錄摘要. .IABSTRACT.II1 前言.11.1繞線機(jī)的簡介. . . . .11.1.1 自動(dòng)繞線機(jī).1 立式繞線機(jī).1 臥式繞線機(jī).11.2 國內(nèi)繞線機(jī)的現(xiàn)狀.21.3 臥式繞線機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容.2 臥式繞線機(jī)的基本結(jié)構(gòu).2 臥式繞線機(jī)的設(shè)計(jì)方案.31.4 臥式繞線機(jī)的技術(shù)參數(shù).42 前箱體的設(shè)計(jì).52.1 確定主電機(jī)功率.52.1.1 空線圈啟動(dòng)狀態(tài)下.5 線圈在滿圈狀態(tài)下.62.2 制動(dòng)器的選擇.82.3 蝸桿-蝸輪減速器.92.3.1蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計(jì)方

9、案.92.3.2蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算.9蝸桿-蝸輪減速器的結(jié)構(gòu)尺寸.11蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核.112.4 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì).132.4.1 帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸.13 帶的選擇.14 帶的受力分析.15 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).152.5 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì).162.5.1 鏈的尺寸設(shè)計(jì).16 鏈的校核設(shè)計(jì).17鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).182.6 主軸的設(shè)計(jì).202.6.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).20 主軸的載荷分析.222.7 鏈輪主動(dòng)軸.242.7.1 鏈輪主動(dòng)軸的安裝結(jié)構(gòu).24 鏈輪主動(dòng)軸的尺寸設(shè)計(jì).252.8 蝸桿軸.252.8.1 蝸桿軸的安裝結(jié)構(gòu).25 蝸桿軸的尺寸設(shè)計(jì).262.9 主動(dòng)帶輪軸-電機(jī)軸.26

10、2.9.1 主動(dòng)帶輪軸的結(jié)構(gòu).26 主動(dòng)帶輪軸的尺寸設(shè)計(jì).263 后箱體、排線架的設(shè)計(jì).283.1 后箱體主軸的設(shè)計(jì).283.1.1后箱體主軸的結(jié)構(gòu).28 后箱體主軸的尺寸設(shè)計(jì).283.2 后箱體微調(diào)軸.283.2.1 后箱體微調(diào)軸的結(jié)構(gòu).28 后箱體微調(diào)軸的尺寸設(shè)計(jì).293.3 后箱體粗調(diào).293.3.1 蝸桿-蝸輪傳動(dòng).29 蝸桿軸的設(shè)計(jì).303.4 排線架.303.4.1 滾珠絲杠.30 排線機(jī)構(gòu).314 電氣控制系統(tǒng)及PLC的設(shè)計(jì).334.1 繞線機(jī)的電氣控制原理.334.1.1 繞線機(jī)的控制系統(tǒng)硬件選擇.33 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).344.2 PLC程序編程.355 結(jié)論.37參考文

11、獻(xiàn).38致謝.39附錄. . . . .401 前言1.1 繞線機(jī)的簡介變壓器繞線機(jī)主要是用于繞制變壓器線圈的專用設(shè)備，在變壓器的線圈生產(chǎn)過程中，按照變壓器的線圈的電壓容量對繞線機(jī)設(shè)備進(jìn)行分類，有繞制大型電力變壓器線圈的立式繞線機(jī)和臥式繞線機(jī)；也有繞制配電變壓器高、低壓線圈的箔式線圈繞線機(jī)和自動(dòng)排線繞線機(jī)。目前繞線機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為多種類的適應(yīng)多種線圈的繞線機(jī)，其中比較典型的有自動(dòng)排線繞線機(jī)、箔式線圈繞制機(jī)、立式繞線機(jī)、臥式繞線機(jī)。1.1.1 自動(dòng)繞線機(jī)自動(dòng)排線繞線機(jī)是繞制配電變壓器高壓線圈的專用設(shè)備。采用這種設(shè)備繞制出的線圈，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、強(qiáng)度高。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，新型的繞線機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)速由

12、300 rad/min提高到500 rad/min。同時(shí)配有端絕緣開卷機(jī)構(gòu)、導(dǎo)線張緊機(jī)構(gòu)，計(jì)算機(jī)可予置多種參數(shù)，可使線圈繞制一次完成，自動(dòng)化程度大大提高，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，但是成本相應(yīng)地提高了。 立式繞線機(jī)變壓器的線圈要求在線圈繞制過程中軸向要壓緊，徑向要卷緊，采用立式繞線機(jī)正好可以利用線圈的自重，軸向可以實(shí)現(xiàn)自然壓緊，徑向使用張緊裝置進(jìn)行控制張力大小。所以現(xiàn)在大型變壓器中高壓線圈的繞制普遍采用了立式繞線機(jī)，即使是低壓螺旋式線圈也采用了立式繞線機(jī)生產(chǎn)?，F(xiàn)在的立式繞線機(jī)也開始進(jìn)一步向大型化發(fā)展。原有的立式繞線機(jī)載重只有20 t，現(xiàn)在已提高到40 t，線圈直徑最大使用到3500 mm，最大高度

13、達(dá)到到 4000 mm。使用了氣囊板式張緊裝置，而且可以數(shù)字顯示張力大小，張力控制更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。為了提高所繞線圈的尺寸精度，控制立式繞線機(jī)徑向跳動(dòng)，增加了繞線模軸頭固定裝置；為了控制軸向跳動(dòng)，使用了高精度雙排輥式大型軸承。因此，使變壓器進(jìn)一步降低損耗、減輕重量、降低成本有了可能。 臥式繞線機(jī)從變壓器的線圈繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看，并不是所有線圈都能使用立式繞線機(jī)生產(chǎn)。如層式結(jié)構(gòu)、多螺旋結(jié)構(gòu)式線圈。如果這種線圈使用普通臥式繞線機(jī)繞制好后，軸向不加任何壓力繞制，線段間隙就會很大，像一個(gè)壓簧。線圈經(jīng)壓緊后直徑變大，線圈和紙筒間將會產(chǎn)生間隙，會造成線圈軸向失穩(wěn)，遇有軸向電動(dòng)力，線圈可能造成損壞。因此，帶

14、有軸向、徑向壓緊式臥式繞線機(jī)，在大型變壓器線圈生產(chǎn)中，得到了廣泛使用。隨著變壓器性能要求越來越高，一般中小型變壓器的生產(chǎn)，也逐漸開始使用壓緊式臥式繞線機(jī)。原來的壓緊機(jī)構(gòu)使用力矩電機(jī)或氣缸產(chǎn)生壓力，現(xiàn)已通過伺服電機(jī)取代。為了控制繞制線圈尺寸公差，繞線機(jī)增加了光柵尺，實(shí)時(shí)地檢測線圈尺寸。多軸式放線車上的各線盤放線張力可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，根據(jù)繞制線圈的長度，放線車隨動(dòng)跟蹤，避免導(dǎo)線的扭曲變形產(chǎn)生新的應(yīng)力，從而降低繞組的蝸流損耗。1.2 國內(nèi)繞線機(jī)的現(xiàn)狀國產(chǎn)的繞線機(jī)總體來說較國際技術(shù)來講，無論是技術(shù)還是質(zhì)量或是性能上還與發(fā)達(dá)國家有一定的差距的。國產(chǎn)的繞線機(jī)自動(dòng)化水平低、控制手段落后是普遍存在的問題。只能

15、應(yīng)用于繞線要求相對不太高的場合，繞線機(jī)的高端設(shè)備都有日本、瑞士、德國等進(jìn)口設(shè)備占領(lǐng)市場，而國產(chǎn)設(shè)備只能在很小的市場份額里以低價(jià)來爭得客戶，我國繞線機(jī)市場目前處于高速發(fā)展的時(shí)期。目前國內(nèi)的繞線機(jī)也向多種類的適應(yīng)多種線圈的繞線機(jī)方向發(fā)展，其中包括自動(dòng)排線繞線機(jī)、箔式線圈繞制機(jī)、立式繞線機(jī)、臥式繞線機(jī)。近年來，國外開發(fā)研制了全自動(dòng)繞線機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排線、自動(dòng)張緊，提高了繞線線圈的質(zhì)量。箔式繞線機(jī)以前主要用于繞制干式變壓器高壓線圈，今后會更多應(yīng)用于繞制油浸式變壓器線圈。它具有效率高、繞制線圈的質(zhì)量好，特別是它具有降低整臺變壓器的線圈消耗，提高線圈承受短路的應(yīng)力特點(diǎn)。1.3 臥式繞線機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容臥式繞

16、線機(jī)主要用于大容量干式變壓器線圈的生產(chǎn)制造，繞線模由主軸花盤與尾座花盤水平支撐，繞線模由主軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，線圈在一定張力作用下有規(guī)律地在繞線模上繞線。繞線機(jī)采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)力、無自鎖的蝸輪-蝸桿減速器減速（因電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)）后，采用鏈傳動(dòng)的方式將動(dòng)力傳遞給主軸，由主軸帶動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)繞制線圈。由于在繞制過程中，隨著線圈半徑越來越大，主軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之變化，所以三相電機(jī)應(yīng)配有變頻器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級變速。在從動(dòng)帶輪軸之后安裝有磁粉制動(dòng)器，其原理是采用導(dǎo)磁的磁粉為媒介，制動(dòng)部件與運(yùn)動(dòng)部件間隙中充填磁粉，借助于磁粉間的電磁吸引力形成的磁粉鏈同工作面間的摩擦力產(chǎn)生制動(dòng)的功能。 臥式繞

17、線機(jī)的基本結(jié)構(gòu)臥式繞線機(jī)的組成包括主機(jī)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、操作面板等。主機(jī)包括床頭箱、排線架、放線架、尾座和底座等四部分組成。床頭箱里包含三相電動(dòng)機(jī)、蝸桿-蝸輪傳動(dòng)裝置、帶輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、磁粉制動(dòng)裝置、變頻器、箱體等；外面包含花盤、轉(zhuǎn)速表、變速裝置、開關(guān)等。尾座有花盤、頂尖、頂尖調(diào)整裝置、交流伺服電動(dòng)機(jī)、尾座調(diào)節(jié)手柄、蝸桿-蝸輪機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、箱體等。排線架包含滾筒、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、線圈張緊裝置等。臥式繞線機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1：圖1-1 臥式繞線機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖1-轉(zhuǎn)速表 2-花盤 3-托輪 4-頂尖 5-鎖桿 6-頂尖調(diào)節(jié)手柄7-尾座 8-底座 9-腳開關(guān) 10-開關(guān) 11-床頭箱 1

18、2-變速手柄 臥式繞線機(jī)的設(shè)計(jì)方案在做設(shè)計(jì)準(zhǔn)備的過程中，查閱了相關(guān)書籍、期刊、中外文獻(xiàn)等材料，主要通過在圖書館查閱相關(guān)書籍、期刊、中外文獻(xiàn)等，結(jié)合已有的關(guān)于繞線機(jī)的材料，對繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于臥式繞線機(jī)的材料，對臥式繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)初步采用三相交流電機(jī)帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)繞線功能；由交流伺服電機(jī)、滾珠絲杠帶動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)，對繞線過程實(shí)現(xiàn)控制。繞線機(jī)的組成包括主機(jī)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、操作面板等。主機(jī)包括床頭箱、尾座和底座三部分組成。床頭箱里包含電動(dòng)機(jī)、齒輪傳動(dòng)裝置；外面花盤、轉(zhuǎn)速表、變速裝置、開關(guān)等。尾座由頂尖、頂尖調(diào)整裝置等。床頭除與床

19、尾共同支撐線圈外，主要用來提供扭矩及不同的轉(zhuǎn)速。臥式繞線機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能滿足的功能及要求為：平穩(wěn)啟動(dòng)和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；在不同的轉(zhuǎn)速下（必要的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)）能夠提供足夠的轉(zhuǎn)矩；準(zhǔn)確地計(jì)數(shù)；可適應(yīng)不同線槽的夾具安裝；有效即使制動(dòng)；能夠排線、張緊；裝卸方便，便于操作。在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候還應(yīng)該注意到可靠性、人機(jī)關(guān)系、安全、檢修、美觀、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等問題。設(shè)計(jì)過程中主要參數(shù)的確定包括主電機(jī)功率、制動(dòng)器的選擇、帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)、鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)、主電動(dòng)機(jī)上蝸桿-蝸輪減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、尾座用的蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、電動(dòng)機(jī)軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、排線用的交流伺服電動(dòng)機(jī)、尾座套筒的移動(dòng)副、變頻器、鏈條的設(shè)計(jì)、齒輪齒條的選擇、滾動(dòng)直線導(dǎo)

20、軌、滾珠絲桿的設(shè)計(jì)、主軸上的軸承、主軸上的光電編碼器、PLC編程等。（1）繞線系統(tǒng)采用三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)無自鎖的蝸桿-蝸輪減速器減速（因電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)）后，采用鏈傳動(dòng)的方式等速傳遞給主軸，由主軸帶動(dòng)繞線機(jī)構(gòu)繞線。由于在繞制過程中，隨著線圈半徑越來越大，主軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之變化，所以三相電機(jī)應(yīng)配有變頻器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級變速。在從動(dòng)帶輪之后安有磁粉制動(dòng)器，其原理是采用導(dǎo)磁的磁粉為媒介，制動(dòng)部件與運(yùn)動(dòng)部件間隙中充填磁粉，借助于磁粉間的電磁吸引力形成的磁粉鏈同工作面間的摩擦力產(chǎn)生制動(dòng)功能。用磁粉制動(dòng)器可對電機(jī)進(jìn)行有效的制動(dòng)。（2）尾箱由蝸輪、蝸桿減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪齒條沿軸向移動(dòng)，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)其控制。后軸的

21、軸向進(jìn)給也是通過手動(dòng)控制，通過螺紋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)軸套的伸縮，對繞線架的距離進(jìn)行微調(diào)，最大的微調(diào)距離可達(dá)150 mm。（3）對主軸、軸承，蝸輪、蝸桿等進(jìn)行必要的機(jī)構(gòu)尺寸確定以及強(qiáng)度校合，使其滿足工作要求。（4）控制系統(tǒng)由PLC實(shí)現(xiàn)。PLC主要用來控制主軸的正反轉(zhuǎn)、主軸的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，還有交流伺服電機(jī)帶動(dòng)的排線機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度。主軸的轉(zhuǎn)速由其末端的光電編碼器檢測，信號傳給PLC，由PLC控制變頻器的電流大小，根據(jù)實(shí)際的繞線速度以及線圈的直徑來調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速，使他們的速度相匹配。因PLC含有計(jì)數(shù)功能，所以可由PLC控制主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PLC控制的伺服電機(jī)及排線架要與交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，以達(dá)到穩(wěn)速緊密繞

22、線的目的。交流電機(jī)由磁粉制動(dòng)器制動(dòng)，也由PLC在繞線完成后控制運(yùn)行來制動(dòng)電動(dòng)機(jī)。主機(jī)速度控制的PLC設(shè)計(jì)，應(yīng)用PLC控制繞線機(jī)實(shí)現(xiàn)主軸的各種運(yùn)動(dòng)，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高工作效率。具體的PLC設(shè)計(jì)過程：確定PLC所需I/O點(diǎn)個(gè)數(shù)；用互程序存儲器容量的選擇；PLC型號的選擇；PLC的程序設(shè)計(jì)。1.4 臥式繞線機(jī)的技術(shù)參數(shù)中心高：1600 mm；花盤直徑：1200 mm, 開四等分T形槽；床頭總盤與尾座頂尖距離：1.8 m-3.2 m；最大轉(zhuǎn)速：10噸；主軸轉(zhuǎn)速：024 rpm . 滿圈時(shí) 1012 rpm；電機(jī)功率 11 kw ( 由張力機(jī)的張緊力確定出 )；起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間：三分之一圈；

23、張緊力：1000 N。2 前箱體設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 確定主電機(jī)功率2.1.1 空線圈啟動(dòng)狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過程中，主軸所受的力矩為， （2-1） （2-2）式中，加速度產(chǎn)生的力矩；張緊力產(chǎn)生的力矩； 繞線模轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在=24(rpm)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)間按照三分之一圈計(jì)算，角加速度為， （2-3）繞線模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為， （2-4）角加速度力矩為， =160×3=480 （2-5）張緊力矩為， （2-6）式中，線圈的張緊力，為恒定力1000N； D空繞線模的直徑，為800mm。主軸負(fù)載力矩為，負(fù)載功率為， （2-7）式中，負(fù)載功率，單位為Kw； n繞線模轉(zhuǎn)速，單位為r/min。由于由電機(jī)

24、到主軸之間蝸輪蝸桿減速器（非自鎖），則=0.75；鏈傳動(dòng)=0.95；帶傳動(dòng)及其他機(jī)構(gòu)=0.98。電動(dòng)機(jī)軸負(fù)載功率為, （2-8）2.1.2 線圈在滿圈狀態(tài)下在繞線模滿圈時(shí)，若由于某種原因，繞線機(jī)停機(jī)，現(xiàn)在需要重新啟動(dòng)，在此過程中重新啟動(dòng)繞線。主軸所受的力矩為 （2-9） （2-10）式中，加速度產(chǎn)生的力矩；張緊力產(chǎn)生的力矩。由于繞線過程中，隨著繞線模的線圈的繞制，轉(zhuǎn)速需要隨之降低，此時(shí)n取11rpm，啟動(dòng)時(shí)間按照三分之一圈計(jì)算，角加速度為， （2-11）線圈及繞線模轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為， （2-12） （2-13）線圈對繞線模的張緊力矩為， （2-14）式中，滿載時(shí)，線圈對主軸的力矩，單位N·

25、m； 滿載時(shí)，線圈的直徑，為1200mm。主軸負(fù)載力矩為主軸負(fù)載功率為 （2-15）式中，滿圈時(shí)，線對繞線模的力矩； 滿圈時(shí)，繞線模的轉(zhuǎn)速?？紤]到由電機(jī)到主軸之間蝸輪蝸桿減速器（非自鎖），則=0.75；鏈傳動(dòng)=0.95；帶傳動(dòng)及其他機(jī)構(gòu)=0.98。電機(jī)軸負(fù)載功率為， <11 （2-16）選擇電機(jī)11kW可以滿足要求。查手冊選用電機(jī)，額定功率11(kW)，轉(zhuǎn)速1460(rpm)。電機(jī)啟動(dòng)后，主軸轉(zhuǎn)速為24(rpm)，穩(wěn)定運(yùn)行后主軸為12(rpm)。由帶傳動(dòng) =1，鏈傳動(dòng) =1，取蝸桿-蝸輪傳動(dòng)=41則主軸 及蝸輪軸的轉(zhuǎn)速， 蝸桿軸轉(zhuǎn)速為2.2 制動(dòng)器的選擇在制動(dòng)的過程中，存在張力力矩、減速

26、力矩、制動(dòng)力矩 （2-17）式中，制動(dòng)過程中，減速度產(chǎn)生的力矩折算到蝸桿軸上 （2-18）式中，主軸的制動(dòng)力矩折合到蝸桿軸上的力矩； 蝸桿軸和主軸之間的總傳動(dòng)比。選用磁粉制動(dòng)器，為自然冷卻式磁粉制動(dòng)器空心軸型ZX-2.5YA2.3 蝸桿-渦輪減速器2.3.1蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計(jì)方案由于隨著線圈的不斷繞制，線圈的質(zhì)量不斷增大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該不斷減小，故選用4級調(diào)速。線圈滿圈時(shí)，質(zhì)量m=10(噸)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為480(rpm)，線圈為12(rpm)。 蝸桿-蝸輪兩軸交錯(cuò)角，采用ZI漸近線蝸桿?？紤]到傳動(dòng)功率不大，速度只是中等，蝸桿用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬

27、度為。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,金屬模制造。僅齒圈用青銅制造，輪芯用灰鑄鐵HT100制造。 蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算按齒面接觸疲勞強(qiáng)度，傳動(dòng)中心距為 （2-19）式中，a蝸桿-蝸輪中心距； K載荷系數(shù)； 接觸系數(shù) 彈性影響系數(shù)。計(jì)算蝸桿功率確定齒輪齒數(shù) =1， =40，=0.75由 =3.26，鏈傳動(dòng) =0.95，則蝸輪軸功率為 （2-20） （2-21）式中， 主軸負(fù)載功率； 蝸桿軸力矩。由經(jīng)蝸桿-蝸輪傳動(dòng)=0.75，則蝸桿功率為計(jì)算蝸桿載荷系數(shù)因工作載荷較穩(wěn)定時(shí)，故取載荷分布不均系數(shù) =1；由表11-5選=1；由轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，取 =1.05 （2-22）材料彈性影響系數(shù)因

28、選用鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿，計(jì)算應(yīng)力極限先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動(dòng)中心距a的比值 =0.36，從圖11-18可查得，接觸系數(shù)為=2.85。根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度為45HRC，從表11-7查得蝸輪的許用應(yīng)力 =268 ，=12000(h)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為 （2-23）壽命系數(shù)為應(yīng)力極限為 （2-24）計(jì)算中心距 （2-25）取a=200(mm)，因 ，取 ，q=10，則，查教材圖11-18，以上滿足條件 蝸桿-蝸輪的結(jié)構(gòu)尺寸蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸查表得，蝸桿軸向齒距直徑系數(shù)q=10，齒頂圓， 齒根圓直徑分度圓導(dǎo)程角，蝸桿軸向齒厚蝸輪結(jié)構(gòu)尺寸=41，=-0.

29、5 驗(yàn)算傳動(dòng)比=41，傳動(dòng)比誤差為，在誤差允許范圍。分度圓直徑齒頂圓直徑齒根圓直徑 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核齒根圓彎曲疲勞強(qiáng)度條件 （2-26）式中，蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，MPa； 蝸輪齒形系數(shù)，由蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)及蝸輪變形系數(shù)x2 查教材圖11-19； 許用彎曲應(yīng)力，單位MPa; 彎曲疲勞強(qiáng)度的重合度系數(shù)，取=0.667。.當(dāng)量齒數(shù)為， （2-27）式中，分度圓導(dǎo)程角；由，查圖11-19，得 （2-28）應(yīng)力極限為， （2-29） （2-30）從教材表11-8查得鑄錫磷青銅ZCuSn10P1蝸輪的許用彎曲應(yīng)力為，壽命系數(shù)為， 應(yīng)力滿足條件 從GB/T10089-1988圓柱蝸桿-蝸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速器

30、精度選8級。2.4 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)2.4.1 帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算功率為 （2-31）式中，工作情況系數(shù)； P所需傳遞的額定功率，單位kW。查教材表8-7，工作情況系數(shù) 又由已經(jīng)條件得 ，帶型的選擇及轉(zhuǎn)速查圖8-11，普通V型帶選型圖，應(yīng)該選B型帶，取，取 （2-32）由傳動(dòng)比i=1，則初定中心距由得， （2-33）取計(jì)算帶長 （2-36）查表8-2，取實(shí)際中心距 （2-37）最小中心距為， （2-38）最大中心距為， （2-39） 帶的選擇小帶輪包角為 （2-40）帶的根數(shù)為 （2-41）式中，包角修正系數(shù)； 帶長修正系數(shù)。查教材表8-4a，得 ；查教材表8-4b，得 ；查教材表8-5，得 ；

31、查表8-2，得 取 帶的受力分析單根V帶初拉力F最小初拉力為 （2-42）查表8-3，得 ， 最小初拉力為 帶傳動(dòng)作用在軸上的壓軸力為 （2-43） 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由帶輪的基本尺寸，帶輪結(jié)構(gòu)采用孔板式。由手冊查電機(jī)主軸尺寸為查表8-10，得,取，取，。齒頂圓直徑，齒根圓直徑帶輪寬度取2.5 鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)2.5.1 鏈的尺寸設(shè)計(jì)采用滾子鏈傳動(dòng)，雙排鏈 ，i=1單排鏈的計(jì)算功率 （2-44）式中，KA工況系數(shù)，見教材表9-6； KZ主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)，見圖9-13； KP多排鏈系數(shù)，雙排鏈時(shí)KP=1.75，三排鏈時(shí)KP=2.5查表9-6，得 查圖9-12，得 雙排鏈時(shí)， ,查圖9-11，選用型號為2

32、4A的鏈條查表9-1，得節(jié)距為分度圓直徑為 （2-45）初選中心距選鏈節(jié)數(shù)為, （2-46）取最大中心距為 （2-47）式中，中心距計(jì)算系數(shù)，查教材表9-7。查表9-7，得 鏈的校核設(shè)計(jì)鏈輪的鏈速 （2-48）式中，主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，單位為rpm。查圖9-14，選用定期人工潤滑。鏈輪對軸的壓軸力 （2-49）式中，壓軸力系數(shù)，對水平傳動(dòng)=1.15；對垂直傳動(dòng)=1.05； 有效圓周力，單位為N。垂直布置傳動(dòng)時(shí) 壓軸力為 鏈輪材料選用45鋼，采用張緊輪進(jìn)行張緊。 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鏈輪的總體結(jié)構(gòu)選用雙排鏈輪，由于鏈輪的尺寸較小，采用整體式。由安裝軸的尺寸，分度圓的直徑齒頂圓直徑查表9-1，滾子直徑為，內(nèi)鏈

33、板高度為齒頂圓直徑最小值為， （2-50）齒頂圓直徑最大值為， （2-51） 取324mm，即齒根圓直徑 齒高 （2-52） （2-53）式中，滾子直徑，查教材表9-1； 鏈的節(jié)距；取凸緣直徑 （2-54）式中，內(nèi)鏈板高度，查教材表9-1。取輪轂厚度 （2-55）式中，輪轂直徑。 K常數(shù)，查手冊；軸向齒廓尺寸齒側(cè)倒角 齒全寬 齒寬 輪轂直徑 ，且，則 滿足=260輪轂長度L 由取，查手冊，選擇鍵22×14×632.6 主軸的設(shè)計(jì)2.6.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸上零件的裝配主軸結(jié)構(gòu)及其上的零件裝配結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1：圖2-1 主軸結(jié)構(gòu)及其上零件裝配圖主軸轉(zhuǎn)矩主軸負(fù)載功率為負(fù)載轉(zhuǎn)矩

34、為按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件設(shè)計(jì) （2-56）式中，d主軸最小直徑，單位mm； A0查教材表15-3。由表15-3，軸的材料為選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，則取112由軸的結(jié)構(gòu)圖知，最小直徑為連接光電編碼器取為74，即，取，查手冊表5-6得，選兩個(gè)圓螺母，D=75 ，-之間的軸肩高度為取1.5,，所以，由鏈輪寬度，取，查手冊選鍵為22×14×63-之間的軸肩起定位作用，取軸肩高度h為0.08 =0.08×77=6.16 ，取由，取-之間為非定位軸肩，查手冊表5-6，取圓螺母為M95×2，取，初選滾動(dòng)軸承，因軸承同時(shí)受有徑向力和軸向力的作用，所以選用單列圓錐滾子軸承，使用反裝

35、方式。查手冊GB/T297-1994，選用軸承30310，取，取-之間軸肩起定位作用，取軸肩高度h為0.08 =0.08×100=8取，-之間軸肩起非定位作用，取為120，選單列圓錐滾子軸承32924，B=29由軸的結(jié)構(gòu)，取，由繞線機(jī)花盤的結(jié)構(gòu)尺寸，取 主軸的載荷分析鏈輪的壓軸力為，主軸轉(zhuǎn)矩為軸上載荷圖圖2-2 軸上載荷圖水平方向受力（N）垂直方向受力垂直方向載荷受力圖如圖2-3：圖2-3 垂直方向載荷圖各個(gè)力的力臂為 由力矩平衡公式得 （2-56）式中，G繞線模滿圈時(shí)所受的重力，單位為N，滿圈質(zhì)量m=10噸。 =19080.2(N)又由 =23467+50000-19080.2=5

36、4386.8(N)垂直方向的彎矩垂直方向的彎矩圖如圖2-4：圖2-4 垂直方向的彎矩圖最大彎矩值為 最大總彎矩 =2440.6(N·m)=2440600(N·mm) 扭矩 軸上零件的定位左軸承的右邊采用軸肩定位，左邊采用套筒及雙圓螺母定位；右軸承的左邊采用箱體定位，右邊采用軸肩定位固定。鏈輪的左邊采用雙圓螺母固定定位，右邊采用軸肩定位，與軸采用鍵連接，查手冊中表4-1，選擇鍵22×14×63按照彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，軸單項(xiàng)旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取=0.6，軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為 （2-57）式

37、中，軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為MPa； 軸所受的彎矩，單位為N·mm； T3軸所受的扭矩，單位為N·mm；W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3； =21.75MPa前面已經(jīng)選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，見表15-1，查得=60MPa； <，故主軸安全，滿足工作要求2.7 鏈輪主動(dòng)軸2.7.1 鏈輪主動(dòng)軸的安裝結(jié)構(gòu)該鏈輪主動(dòng)軸的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)經(jīng)過帶傳動(dòng)、蝸桿蝸輪減速，傳遞動(dòng)力到蝸輪，蝸輪安裝在鏈輪主動(dòng)軸上。鏈輪主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-5所示：圖2-5 鏈輪主動(dòng)軸簡圖 鏈輪主動(dòng)軸的尺寸設(shè)計(jì)由于蝸輪軸的轉(zhuǎn)速比較小，所以只進(jìn)行尺寸的確定。由前面主軸的設(shè)計(jì)知，=77(mm)，查手冊知，選

38、鍵為22×14×63，L1取82(mm)，選緊定螺釘為M5。由于軸肩起定位作用，所以h=0.08d1=0.08×77=6.16(mm)=77+2×6.16=89.32(mm)選擇軸承為圓錐滾子軸承30218，取為90(mm)，取=88(mm)選擇d3=95(mm)由B0.75da1=0.75×96=72(mm)，取B=70(mm) L3=65(mm)，選擇平鍵25×14×50軸環(huán)左側(cè)起定位的作用，選擇d4=d3+0.08d3=110.2(mm)，選d4=112(mm)由L41.4h=1.4×8.5=12(mm)，所

39、以選L4=16(mm)選d5=109(mm)，L5=88(mm)選擇圓錐滾子軸承30218，取d6=90(mm)，L6=65(mm)2.8 蝸桿軸2.8.1 蝸桿軸的安裝結(jié)構(gòu)該軸由電機(jī)經(jīng)電機(jī)軸傳遞動(dòng)力到蝸桿軸，蝸桿軸上安裝有從動(dòng)帶輪、磁粉制動(dòng)器。蝸桿軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-6所示：圖2-6 蝸桿軸結(jié)構(gòu)簡圖 蝸桿軸的尺寸設(shè)計(jì)由于蝸桿的尺寸較小，所以將蝸桿在軸上直接加工，做成蝸桿軸。由電動(dòng)機(jī)軸的直徑?jīng)Q定，取=42(mm)，取115(mm)，選鍵為12×8×95由蝸桿分度圓的直徑為=80(mm)，選擇=55(mm)；(8+0.06z2)m，取=84(mm)。由第2段右側(cè)，第6段左側(cè)起

40、定位軸肩作用，選=45(mm)，選單列圓錐滾子軸承30209，L2=20(mm)，L6=70(mm)。由軸的總體尺寸，確定第3段和第5段軸部的長度為，=55(mm)。2.9 主動(dòng)帶輪軸電機(jī)軸2.9.1 主動(dòng)帶輪軸的結(jié)構(gòu)三相異步電動(dòng)機(jī)由電機(jī)軸傳遞動(dòng)力到主動(dòng)帶輪，由主動(dòng)帶輪帶動(dòng)從動(dòng)帶輪，從而傳遞動(dòng)力到主軸。軸上零件的安裝簡圖如下：圖2-7 帶輪主軸結(jié)構(gòu)簡圖 主動(dòng)帶輪軸的尺寸設(shè)計(jì)由電機(jī)主軸的功率為=4.67(kW)，主軸轉(zhuǎn)矩為=91(N·m)初步確定軸的最小直徑 （2-57）選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理；查教材表15-3，取A0=112 =26.2由于最小直徑在帶輪處，取=42(mm)，取

41、125(mm)選平鍵為12×8×90選為52(mm)，取為52(mm)選為65(mm)，選深溝球軸承為66013，取130(mm)由電機(jī)輸出軸的尺寸，取=42 (mm)，=105 (mm)，選擇平鍵為12×8×803 后箱體、排線架的設(shè)計(jì)3.1 后箱體主軸的設(shè)計(jì) 后箱體主軸的結(jié)構(gòu)后箱體主軸上安裝有兩個(gè)單列圓錐滾子軸承、尾座微調(diào)軸，前端安裝有花盤。結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖3-1 后尾箱主軸結(jié)構(gòu)簡圖 后箱體主軸的尺寸設(shè)計(jì)后箱體主軸只受負(fù)載繞線模的重力作用，主要起支撐作用，不傳遞轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)速一般很低，最多達(dá)到24 rpm，所以只進(jìn)行尺寸的確定，不進(jìn)行校核。前箱體主軸

42、的尺寸知，后箱體主軸前端尺寸結(jié)構(gòu)，××××××選=140(mm)，L1=42(mm)，d0=220(mm)選擇軸承為單列圓錐滾子軸承為32924，d2為120(mm)，L2取36(mm)第2段不起軸肩的作用，所以d3取117(mm)，L3取420(mm)。L4在左側(cè)起軸肩定位作用，=100(mm)；選單列圓錐滾子軸承30220，由軸承的寬度，選=62(mm)。根據(jù)第5段軸肩部位，查手冊中的圓螺母尺寸，選用=95(mm)，選用雙圓螺母公稱直徑為95(mm)，選圓螺母為M95×2，則取(mm)。3.2 后箱體微調(diào)軸3.2.1 后

43、箱體微調(diào)軸的結(jié)構(gòu)由于微調(diào)軸只起微小調(diào)節(jié)后箱體主軸的的位置，不傳遞動(dòng)力的，故只確定微調(diào)軸的尺寸。軸上的結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖3-2 微調(diào)軸結(jié)構(gòu)簡圖 后箱體微調(diào)軸的尺寸設(shè)計(jì)后尾座微調(diào)軸上安裝有外購件手柄，不傳遞動(dòng)力。選螺紋公稱直徑為=42(mm)，取110(mm)第2段軸肩，取30(mm)，=30(mm)取40(mm)，=20(mm)選用雙單列圓錐滾子軸承30207，=50(mm)，=35(mm)第5段軸肩，取32(mm)，=30(mm)第6段軸肩，取27(mm)，=40(mm)，選鍵為8×7×20。3.3 后箱體粗調(diào)3.3.1 蝸桿-蝸輪傳動(dòng)通過粗調(diào)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿，傳遞運(yùn)動(dòng)到蝸輪，由

44、蝸輪運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)后箱體做水平運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)繞線機(jī)的跨距，將繞線模支撐起來。由于蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)只傳遞運(yùn)動(dòng)，不傳遞動(dòng)力，只在安裝繞線模的時(shí)候粗調(diào)前箱體與后箱體之間的跨距才手動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。所以只確定蝸桿-蝸輪的尺寸，不進(jìn)行強(qiáng)度校核。蝸桿的材料選用45鋼，蝸輪選用灰鑄鐵HT150。查教材表11-2，選用蝸桿-蝸輪中心距為80 (mm)，蝸桿齒數(shù)為=2，分度圓直徑為=40，直徑系數(shù)為q=10，模數(shù)為m=4；導(dǎo)程角為1836。蝸輪齒數(shù)為=31，分度圓直徑為=m=4×31=124 (mm)，變?yōu)橄禂?shù)為=-0.5(mm) 蝸桿軸的設(shè)計(jì)由于蝸桿的尺寸較小，所以將蝸桿和軸制作成一體，

45、即為蝸桿軸；蝸桿軸只傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，不傳遞轉(zhuǎn)矩，故只進(jìn)行尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不進(jìn)行載荷的校核分析。軸的材料選用45鋼。軸的結(jié)構(gòu)簡圖如下：圖3-3 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)簡圖由以上結(jié)構(gòu)簡圖可知，蝸桿分度圓直徑=40(mm)，(8+0.06×31)×5=49.3(mm)，所以取51(mm)；齒根圓直徑為=40-2.4×4=30.4 (mm)，取=29 (mm)；查手冊取軸承為深溝球軸承66005，所以=25，=24；由教材知，選=50,;=30 (mm)；=48 (mm)。3.4 排線架3.4.1 滾珠絲杠由于在排線的過程中，排線架需要隨著線圈的纏繞位置變化而不斷地來回運(yùn)動(dòng)，需要使用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)才驅(qū)動(dòng)排線架水平地來回運(yùn)動(dòng)，所以選用滾珠絲杠來帶動(dòng)排線架左右直線運(yùn)動(dòng)。通過滾珠絲杠的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)排線架的往返運(yùn)動(dòng)。由于隨著繞線模的線圈的不斷繞制，線圈的質(zhì)量不斷增加，需要不斷地改變排線架來回運(yùn)動(dòng)的速度，所以需要電機(jī)能在PLC的控制下與繞線機(jī)的主軸的轉(zhuǎn)速同步變化。所以選用交流伺服電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng)。又繞線模的轉(zhuǎn)速非常慢，排線架的運(yùn)動(dòng)速度也相當(dāng)慢了，需要的功率很小，選用交流伺服