1、本科毕业论文（20 届）绕 线 机 的 设 计 与 开 发所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文- I -摘 要目前，发达的国家所生产的绕线机已基本上实现了自动化和智能化，其中日本、美国、意大利、德国所生产的绕线机最为突出，他们的绕线机主轴转速已经到达 40000r/min;高速绕线机例如日本的日特公司所生产的 132AR 多工位的自动绕线机，最高转速可达 20000r/min，绕制精度和可靠性都处在世界领先水平。中国自改革开放以来，绕线机的产业蓬勃发展，在国际上也是取得了一定的地位，绕线机行业会随着经济的发展，人类的需要，不
2、断的继续发展壮大。而本课题研究设计一种能实现配合注塑机出线的绕线机。该系统主要由电机架、电机、电器、卷绕成型、线圈架、等部分组成，完成对管筒的切断与接入。可利用步进电机变细分驱动排线机构、主轴电机调速驱动绕头，以单片机作为控制微机开发的自动绕线机 4。绕线机通过组合传动将塑料线条缠绕在卷筒上，缠绕后的线不仅不滑落、不松动，而且在塑料线条脱离卷筒时阻力小， 容易脱离卷筒，便于操作。塑料线在缠绕线轴过程中有三种运动形式: 一是线在卷筒上的圆周运动;二是线在卷筒上的往复摆动; 三是线在卷筒上每绕一周，向前平移一个线宽度。通过这三种运动的相互配合， 线就一层压着一层， 使得最终缠绕后的塑料线不易滑落和
3、松动。使用线时， 线则是一层一层脱离卷筒， 达到了减小阻力的目的。本文设计的主轴转动机构采用三相异步电动机作为驱动源，电机带动主轴转动有通过同步带带动（软联接方式）和通过联轴器与轴直联（直联式）两种方式。本设计采用联轴器与轴直联连结方式，即硬联接方式。排线机构和绕线机构与其他的绕线机大同小异，但是绕线机的自动剪切和接入采用了剪压线机构。关键词：绕线机；排线运动；主轴转动；三相异步电动机；线圈；本科生毕业论文- II -THE DESIGN AND DEVELOPMENT OF WINDING MACHINE ABSTRACTAt present, the winding equipment p
4、roducted in the developed countries has mainly reached the aim that it has become automated ,intelligent , especially the winding equipments made in Japan , Italy , the United States and Germany , the rotating speed of the winding machine spindle has reached 4000r/min ; The typical high-speed windin
5、g machine such as the 132AR several working position automatic winding machine made in Date Machine Company of Japan , has a maximum speed of 20000r/min , its winding accuracy and reliablity is in the words leading standard .Follow the step of Chinas reform and opening ,winding machine industry has
6、developed flourishly , and has also been made a certain position in the international community ,with the development of economilc and human needs ,the winding machine industry will continue to grow and develop . Winding Machine are specially for winding variety of coils , the coils are used in a wi
7、de fields , such as in civilian (toys , cell phone , TV and so on ), more in industry (on a variety of machine tools ), and up more in military , medical , therefore they are essential machines .Among the variety of using wingding machines, there the first is Hand-Wound , and also mechanical automat
8、ic winding and mechatronicas control forms ones. Especially from recent years , as the manufacturing standards of the domestic and introduction winding machines keeps growing , the production capacity has become fully automated , multi-functional , and effcient automated .The practical application o
9、f CNC Winding Machine have made lots of valuable experience too.In this paper , the designed SKR-3DL Winding Machine , is a fully automated product ,the scope of its winding diameter is 0.02-0.35 mm .Because of the urgent time and limited effort , I only designed the mechanical parts of it , includi
10、ng the spindle rotation and cable sports . Spindle rotation , that is , the coil skeleton rotates with the spindle , in order to make the enameled wire cruised on the skeleton ;Cable sports , the 本科生毕业论文- III -enameled wire operates axially along the skeleton in the way of continuous or pointed , so
11、 as to make the enameled wire reach the demand that being wound on the skeleton uniformly , so the key to descide the quality of winding is the coordination between the systems spindle rotation and cable sports . As the spindle has a speed up to ten thousand per minute , so the major technical probl
12、em is how to eliminate the vibration and noise . In order to make the transmission screws back and forth moving by the same step of armature changing lines , it asks for the linkage of the three working position .In this paper , the designed spindle rotation adopt the three-phase asynchronous as the
13、 motor driver . There are two ways to make the machine motored the spindle to rotate , including timing belt motoring (soft-link approach) and direct-coupling with the axis through the coupling (direct-coupled) . Use the arc timing belt as the links , that is the soft-link approach . In order to mak
14、e the linkage of the three working position , it uses timing belt as the links of the three axis too . When winding coils , insert the coil skeleton into the connector linking to the spindle , and than the coil skeleton can rotate by the same step of the spindle machine .KEY WORDS：winding machine ;
15、cable sports ; spindle rotation ; three-phase asynchronous motor ; coil ;本科生毕业论文- IV -目 录前言 .I第一章 绕线机的总体布局设计 .11.1 绕线机的基本构造 .11.2 绕线机的工作原理 .1第二章 排线机构的设计 .22.1 排线机构的选择 .22.2 张力器的选择 .32.3 电动机与联轴器的选择 .42.4 滚珠丝杠副的选择 .52.4.1 计算导程 .52.4.2 确定当量转速与当量载荷 .62.4.3 预期额定动载荷 .62.4.4 确定允许的最小螺纹底径 .72.4.5 确定滚珠丝杠副的规格代
16、号 .8第三章 绕线部分的设计 .93.1 齿轮的设计计算 .103.2 轴的设计计算 .223.2.1 轴的结构设计和轴的材料选择 .223.2.2轴的设计 .223.2.3轴的设计计算 .253.2.4轴的设计计算 .283.2.5 ，VII ，VIII 轴的设计计算 .293.2.6 轴的设计计算 .303.2.7 ，轴的设计计算及电机的选择 .30第四章 键的设计校核 .334.1轴上的两个平键 .334.2.轴上的一个平键。 .33第五章轴承的密封与润滑及保养 .345.1 轴承的密封与润滑 .345.2 机器的保养及注意事项 .34结论 .35【参考文献】 .37本科生毕业论文-
17、I -前言我国是绕线机的生产大国也是需求大国，然而在关键技术上我国却始终无法与国外的厂家相竞争。即使经历了 08、09 年的经济衰退，绕线机产业在 2010 年得到了快速发展，各绕线机厂家的定单量大幅提升，原本已经半倒闭的中小型绕线机企业又重新回到了绕线机制造的大军中，但是目前国内绕线机产业的前景仍非常的严峻，主要来自于国外进口品牌的压力及国内低端机型市场的萎缩，今年绕线机产业的技术发展出现了新的格局，多方的努力拉近了国产绕线机与进口绕线机的技术差距。但是关键技术还需要我国技术人员的努力，依靠自己的力量，解决关键部位技术难题。全 自 动 绕 线 机 是 近 几 年 才 发 展 起 来 的 新
18、机 种 ， 为 了 适 应 高 效 率 、 高 产 量 的 要 求 ， 全 自动 机 种 一 般 都 采 用 多 头 联 动 设 计 ， 国 内 的 生 产 厂 家 大 多 都 是 参 照 了 台 湾 等 地 的 进 口 机 型 的设 计 ， 采 用 可 编 程 控 制 器 作 为 设 备 的 控 制 核 心 ， 配 合 机 械 手 、 气 动 控 制 元 件 和 执 行 附 件 来完 成 自 动 排 线 、 自 动 缠 脚 、 自 动 剪 线 、 自 动 装 卸 骨 架 等 功 能 ， 这 种 机 型 的 生 产 效 率 极 高 ，大 大 的 降 低 了 对 人 工 的 依 赖 ， 一 个
19、操 作 员 工 可 以 同 时 照 看 几 台 这 样 的 设 备 ， 生 产 品 质 比 较稳 定 ， 非 常 适 合 产 量 要 求 高 的 加 工 场 合 。 但 是 ， 这 种 机 型 由 于 集 成 了 数 控 、 气 动 、 光 控 许多 的 新 技 术 ， 所 以 价 格 小 则 几 万 元 高 则 十 几 万 元 ， 价 格 也 使 得 许 多 的 用 户 望 而 叹 步 ， 另 外由 于 功 能 要 求 决 定 了 该 设 备 的 零 部 件 采 用 了 大 量 非 标 准 件 和 定 制 件 ， 所 以 一 旦 出 现 故 障 相对 的 维 修 过 程 将 会 很 复 杂
20、， 周 期 也 会 比 较 长 。 这 次 我 所 设 计 的 绕 线 机 在 成 本 上 可 以 减 少很 多 ， 机 器 结 构 也 比 较 简 单 。 由 于 时 间 紧 迫 ， 以 及 能 力 的 局 限 ， 不 足 之 处 请 多 加 指 导 。本科生毕业论文- 1 -第一章 绕线机的总体布局设计随着社会科技的发展，绕线机也快速的发展，本文所设计的绕线机为线头自动剪切和自动接入的绕线机，其中可以有六根工作轴，整个工作过程中，电机无需停机。此次设计的绕线机是采用立式结构。1.1 绕线机的基本构造基本构造主要是两个方面：排线进给机构和绕线机构。排线进给机构主要是由步进电机，丝杠，导向杆，
21、导向板等组成。绕线机构主要是由主轴电机，主轴，齿轮传动等机构组成。两个机构协同工作，完成排线绕线工作。1.2 绕线机的工作原理绕线机是以马达带动换向中间轮再带动在转轴上的小轮，手转大轮一圈轴可多转几圈，带计数器的轴上固定线框，当轴转动时经过圈数感应器显示圈数，这样就知道绕线的圈数，如果绕大线圈可把手柄套在转轴上手柄转一圈绕一圈可省力。自动绕线机，当达到设定圈数会自动停机。老式计数器利用蜗轮蜗杆原理，轴上蜗杆转一圈，蜗轮走一牙，一百牙的蜗轮上也有蜗杆再带动另一个一百牙蜗轮，这样可以计数到一万圈。新式的是用的数控的。本设计中采用新式数控计数器。如图 1.1 所示，主轴电机转动带动绕线机构中的主轴转
22、动，经过齿轮传动，带动另外一根主轴转动，将所需绕制的塑料线圈骨架套在按所需的线段的长度将线先绕于梭子上，转动梭子和骨架就可以把线绕于骨架上。线圈骨架绕主轴转动，排线机构带着塑料线条按特定速度沿丝杠轴向往复运动，塑料线条将沿着线圈骨架进行规则缠绕。顺序排线利用绕线主轴与排线轴的同步运动技术，使每绕一圈，排线机构步进一个线径的距离，每匝线都能紧密排绕。 主 轴 电 机丝 杠 步 进 电 机导 向 杆排 线 机 构螺 母图 1.1 绕线机原理图本科生毕业论文- 2 -第二章 排线机构的设计2.1 排线机构的选择排线机构设计从整体方案看，有两种传动形式：第一种形式为直联式，即步进电动机与滚珠丝杠经刚性
23、联轴器直接连接起来；第二种方式为软联接方式，即步进电机输出轴经过齿型带与滚珠丝杠相连接。软联接可消除部分步进电机低速颤振绕线精度产生的影响，所以，多头的大型绕线机的排线机构与步进电机的联接多采用这种方法。而小型绕线机由于其尺寸小原因，要求的生产成本低，大多采用第一种方式的直联式的传动形式。排线机构设计主要是为了解决滚珠丝杠支承与导丝杠导向两个问题，在设计上，根据不同的设计要求选择不同支承形式，有的设计针对丝杠采用游动式的支承，即丝杠两端不加支承。把电机固定在箱体上，电机轴和丝杠轴采用刚性联轴器连接，同时导丝杠经套筒和螺母相连，螺母防转与导向可以由在箱体上的长条槽孔或者细轴来完成。由于丝杠伸用端
24、无支承，螺母和丝杠之间的传动间隙可能会造成导丝杠的摆动，例如，采用细长轴作为螺母的导向件，这样可以降低导丝杠的摆动，满足使用要求，而采用这种支承方法，电机的轴向窜动会对导丝杠的运动平稳性产生影响，尤其是电机换向，其轴向窜动会使所缠线圈的表面的平整性降低，对排线层面要求平整的线圈，这种滚动丝杠支承方法满足不了要求。为了满足排线层面平整的要求，可对滚动丝杠轴的支承采用图 2.1 所示的方法。电机固定在箱体上，丝杠轴采用球轴承支承，并在轴端加压紧片调整轴承的间隙，螺母与连接片固接，连接片经导套与导向杆连接，导向杆固定安装在箱体板上，导丝杠和连接片连接，并固定于连接片上。电机和丝杠轴刚性联轴器连接，由
25、电机转动直接带动丝杠转动，使螺母沿轴向移动，带动导丝杠运动，实现排线要求。设计中所使用的导向杆是一细长杆件，可限制 5 个自由度，只有导丝杠轴向移动的这一个自由度，可较有效解决导丝杠运行摆动。同时，由于丝杠轴两端装有球轴承，经压紧片调整其间隙，使其运转灵活，间隙合理，电机轴的轴向窜动不再影响导丝杠轴向位移，只有丝杠副的传动间隙直接反映在导丝杠的轴向位移上，因此，图 2.1 所示的传动机构，调整丝杠副的动间隙就能满足排线的要求，特别是对层面要求较平整线圈，这种传动结构形式仍能达到要求。排线杆原点信号由挡光片触发是步进电动机排线的坐标原点 ，每绕完一个线圈 ，都要回到原点对零 ，以消除由于步进电动
26、机丢步或丝杠反向间隙造成的积累误差。主轴原点信号用于主轴的正确定位 ，保证每次都从某一位置开始绕线或每次都能停在某一固定位置 ，也由挡光片来触发。主轴计数传感器主要是用来对线圈匝数进行计数 ，分辨率为 1 圈。步进减速机通过丝杠导轨带动塑料线条移动一个线径的距离；排满一层后，绕线线圈每旋转 1 周，排线架和塑料线条就移动一个线径的距离，绕完一圈后，排线架和塑料线条就返回绕制。从而实现第 2 层精密排线 如此循环，也能实现多层排线。步 进 减 速 机 箱 体 壁 板 联 轴 器 滚 动 轴 承 滚 珠 丝 杠 轴 导 向 板导 向 杆 调 整 垫 片 盖 板本科生毕业论文- 3 -1 步进减速机
27、 2 套筒联轴器 3 滚珠丝杠 4 滚珠螺母 5 导向杆 6 导向板 7 排线板图 2.1 排线机构2.2 张力器的选择目前张力控制器的划分以性能的优势从高到低排列大致可分为伺服式张力器、电子式张力器、磁力、磁性张力器、机械式张力器。1、伺服张力器工作原理是通过张力臂的角位移传感器将角度转换为电脉冲信号驱动伺服电机自动运行，张力切换响应迅速，输出张力稳定，几乎无波动，适应于高精端产品的制造生产。优点是由传统的被动送线方式改变成主动送线方式，张力特别稳定，最小张力可达 1g，并自带张力稳定系统，能自动实现张力稳定平衡。缺点是受马达特性影响，建议在 6m/s 线速度以下使用。2、电子式张力器特点是
28、核心张力产生部件采用电磁磁滞制动器或性能稍差的磁粉型制动器，通过低压电流调节，张力稳定，LED 显示。（磁滞制动器由转子和定子磁极两大部分组成。转子由特殊的磁滞材料制成，定子磁极中有一定的间隙，转子在间隙中转动。当线圈通电时，间隙中产生磁场，使转子产生磁滞效应。当磁滞转子在外力作用下克服磁滞力转动时，产生额定的扭矩。扭矩仅与激磁电流大小有关，与转速无关，实现非接触的扭矩传输。）3、磁力张力器特点是磁力张力器是通过磁转矩产生阻尼，无机械摩擦，因此能长期产生稳定张力，且精度能得到有效保证，适合精度要求一般的产品使用，价格较低廉！经济型。工作原理是利用非接触式磁转矩提供扭矩。优点是磁力张力器是通过磁
29、转矩产生阻尼，无机械摩擦，因此能长期产生稳定张力，且精度能得到有效保证。MTA 类还能提供两段张力，满足绕线时缠脚需要。 缺点是由于张力器本身结构限制，在绕线设定张力时只能从小张力调向大张力，如果要把大张力调成小张力，则必须在停车状态下调小后再在绕线状态下调向所需张力。4、机械式张力器特点：通过机械摩擦产生阻力，构造简单，价格低廉，但不适用于细微线径及品质要求较高的产品使用，一般适用于 2mm 以上的粗线径使用。工作原理是利用接触式机械摩擦提供扭本科生毕业论文- 4 -矩。优点是张力覆盖范围宽广，能满足 2mm 以下粗线的卷绕。缺点是由于存在接触式机械摩擦，所以张力持久稳定性不够好，寿命极短，
30、每天要校正。：瓷 过 线 器羊 毛 圈 夹张 力 轮防 跳 线 器张 力 杆 拉 簧 拉 簧 固 定 块 调 节 按 钮显 示 屏设 定 2调 整 按 钮安 装 支 架图2.2 张力器结构示意图综上考虑选择电子张力器，如图 2.2 所示。特点：1、ET 电子张力器通过励磁电流控制内部磁滞扭矩，进行张力控制，控制精度高，可获得稳定的张力，预先速度无关；2、可实现张力闭环控制，自动控制精度大2%；3、具备多种张力设置功能，可随输入信号的切换使输出张力迅速改变，达到智能控制；4、张力值通过 LED 动态显示。2.3 电动机与联轴器的选择考虑到绕线机工作所需的功率不大，故选择额定功率较小的电动机，同时考虑尺寸大小和价格因素，选择产品型号为 PG90，最大输出转矩为 80N.m，轴径大小 1028mm，同步转速375r/min 额定功率为 1kw 的步进减速机。电动机输出的转矩：（2-1）nPM954mN.6425371选择联轴器要考虑以下几点：1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。2）联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。3) 两轴相对唯一的大小和方向。4）联轴器的可靠性和工作环境。5）联轴器的制造、安装、维护、和成本。综上几点，选择平键套筒联轴器，它不仅拆装方便、维护简单、成本低，具有良好的综合性能，适用中小功率传动。联轴器的转矩计算： （2-2）1TKAca
