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立式高速自動繞線機設計
摘要
由于電力系統(tǒng)中使用的變壓器容量越大，要求其安全性也越來越高，對變壓器的質(zhì)量要求不但體現(xiàn)在其他零部件的安全可靠，還表現(xiàn)在線圈的電磁平衡上，要求線圈在軸向匝數(shù)緊密，且要求漆包線張力合格并為最佳。
本文設計工作的主要內(nèi)容是設計一款新型的繞制變壓器線圈的立式高速自動繞線機。在系統(tǒng)設計中本文系統(tǒng)的介紹所設計繞線機的工作原理及各個子系統(tǒng)的工作原理。在對帶有電機的系統(tǒng)，包括主動系統(tǒng)，進給系統(tǒng)和排線系統(tǒng)進行合理性分析時，最佳方法是有限元分析法，此種方法可以對各個部件的瞬時狀態(tài)進行分析，此法來源于高等數(shù)學里的微積分。但由于條件限制，本設計的設計方法是傳統(tǒng)的設計方法，在經(jīng)驗總結的基礎上，利用力學和數(shù)學知識，結合機械設計手冊等知識來簡化現(xiàn)有繞線機的模型并對模型進行了改造，本設計中的繞線機系統(tǒng)就是利用此法所設計出來的產(chǎn)物。
在主體設計中，利用動力學設計方法，對繞線機機械結構的主要受力部件尺寸和參數(shù)進行了設計并校核，包括主動軸，同步帶，同步帶輪軸承等參數(shù)進行了設計，確保其性能指標合格，滿足其使用要求，并對標準件包括聯(lián)軸器，花鍵等進行了周密的分析與選擇，經(jīng)過對比各類電動機的優(yōu)缺點，結合本設計中繞線機的工作要求，選擇了合適的電動機。
關鍵詞 立式繞線機 系統(tǒng)設計 機械結構
Abstract
Becauseofthepowersystemusedintransformercapacityislarger,itssecurityisbecomingmoreandmoredemanding,andrequirementsaboutthequalityofthetransformerisnotonlyreflectedinotherpartsofsafeandreliable,butalsoonthecoilelectromagneticbalance,requeststhecoilaxialcirclenumberclosely,andrequirequalifiedenameledwiretensionandforthebest.
Themaincontentofthispaperistodesignanewtypeofhigh-speedautomaticwindingmachinewhichiswindingandwinding.Theworkingprincipleofthewindingmachineandtheworkingprincipleofvarioussubsystemsaredesignedinthesystemdesign.Withmotorinthesystem,includingsystemactively,feedsystemandwiringsystem,analysisoftherationalityofoptimummethodisfiniteelementanalysismethod,thismethodcananalyzethetransientstateoftheparts,whichisderivedfromthehighermathematicsinthecalculus.Butbecauseoftheconstraints,designmethodofthedesignisoneofthetraditionaldesignmethod,onthebasisoftheexperience,theuseofmechanicsandmathematicsknowledge,combiningknowledgesuchasmechanicaldesignmanualtosimplifyexistingcoilingmachinemodelandthemodeltransformation,thedesignofthewindingmachinesystemisdesignedbyusingthismethod.
Inbodydesign,theuseofdynamicdesignmethodofmainmechanicalpartsofwindingmachinesizeandparametersforthedesignandcheck,includingthedriveshaft,synchronousbelt,synchronousbeltwheelbearingparametersforthedesign,toensuretheperformanceindexesofqualified,satisfytheuserequirement,andthestandardpartsincludingcoupling,splineandsoonhascarriedonthethoroughanalysisandselection,throughcomparingtheadvantagesanddisadvantagesofallkindsofmotor,combinedwiththedesignofwindingmachineworkrequirements,choosethesuitablemotor.
Keywords:Verticalwindingmachine，systemdesign，mechanicalstructure
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目錄
摘要 I
Abstract II
第1章緒論 1
1.1引言 1
1.2常用繞線機的介紹 1
1.3課題背景 1
1.4課題目的 3
1.5課題任務 4
1.6課題難點 4
第2章總體方案設計 5
2.1繞線機的原理 5
2.2主動系統(tǒng)的工作原理 6
2.3進給系統(tǒng)工作原理 6
2.4氣動夾緊系統(tǒng)原理 8
第3章主動系統(tǒng)設計 9
3.1各部件運動參數(shù)設計 9
3.2主動軸電機的選擇 11
3.3電機型號選擇 11
3.4同步帶及同步帶輪參數(shù)設計 13
3.5聯(lián)軸器選擇 16
3.6主動軸設計 16
3.7軸承的校核 19
3.8傳動軸參數(shù)校核 21
3.9花鍵的設計及校核 21
第4章進給系統(tǒng)設計 23
4.1傳動方案的設計與選擇 23
4.2張緊裝置中螺栓強度的校核 24
第5章氣動夾緊系統(tǒng) 26
5.1夾具與工作軸的配合 26
5.2氣缸的選擇與尺寸計算 26
5.3導軌的選擇 27
結論 28
致謝 29
參考文獻 30
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第1章緒論
1.1引言
隨著工業(yè)的發(fā)展，繞線機在線圈的生產(chǎn)行業(yè)中已經(jīng)不可或缺，縱觀線圈繞制的發(fā)展歷史，繞線機繞制線圈已經(jīng)完全取代了人工繞制，地位舉足輕重。繞線機的型號也不盡相同，尤其是在現(xiàn)代的機械行業(yè)中，新的電動機器不斷被人類發(fā)明出來，這些機器內(nèi)部無疑都會用到各類線圈，這就催生了各種能夠生產(chǎn)此類線圈的繞線機。隨著國內(nèi)清潔能源的利用越來越廣泛，變壓器線圈的需求越來越高，這就推動了繞制變壓器線圈的立式繞線機飛速發(fā)展。
1.2常用繞線機的介紹
市面上常見的繞線機有全自動繞線機，半自動繞線機，伺服精密繞線機等。
全自動繞線機自動化程度高，而價格都比較昂貴，由于經(jīng)濟性原因，不能被廣泛地使用。此類繞線機繞制的線圈體積通常比較小，如電子玩具線圈，鐘表線圈，手機震動馬達線圈，耳機的音圈等等，生活中常見的線圈很大一部分是由全自動繞線機繞制生產(chǎn)出來。由于運用場合較多，自動化程度高，節(jié)省了很大一部分人力，一個操作工即可操作幾臺全自動繞線機。并且集合數(shù)控技術，光控技術，氣動技術于一體，制造出來的產(chǎn)品質(zhì)量高且穩(wěn)定，還能適應不同的工作環(huán)境，故價格十分昂貴。全自動繞線機的部分零部件是非標準的零件，有些還是專門為這種機型設計的零件，故損壞后，維修困難，周期長。
半自動繞線機（CNC）的性價比在繞線機中是最高的，故應用得最為廣泛，發(fā)展得也最為成熟。多采用CNC控制器，也有部分使用自主研制的控制器。半自動繞線機價格比全自動的低廉，操作也十分簡便。缺點就是人力消耗較大，每臺機器必須由一位操作員來看守與操作，通常在生產(chǎn)電感線圈和鎮(zhèn)流器的車間內(nèi)常見。
伺服精密繞線機的控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，能夠自動校準誤差，是目前世界上最先進，功能最完備的一種機型，它的系統(tǒng)采用的是伺服系統(tǒng)，控制方式采用是閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的工作原理是將電腦的輸出的信號與反饋信號比較，來判別誤差，并自動對產(chǎn)生誤差的系統(tǒng)位置進行自動補償。伺服精密繞線機內(nèi)部使用的電機均為伺服電機，伺服電機的有點事無論在高轉(zhuǎn)速工作情況下還是低轉(zhuǎn)速工作情況下，都能保持優(yōu)良的穩(wěn)定性。此類繞線機全自動化需要與電磁控制系統(tǒng)配合使用，由于精度較高，其部分零件需要專門定制。
1.3課題背景
在全世界工業(yè)起步初期,線圈的繞制全由工人手工完成，即工人把漆包線按著指
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定要求繞到轉(zhuǎn)子上,并且通過人工來對線圈的匝數(shù)進行確定,這樣的生產(chǎn)方式既消耗人力效率又不高,而且人工繞制無法保證線的張力，故生產(chǎn)出來的線圈問題百出.
調(diào)研發(fā)現(xiàn)，繞線機市場十分混亂，質(zhì)量也是參差不齊，有國外先進的繞線機，也有國內(nèi)落后的半自動繞線機。相對國內(nèi)生產(chǎn)的繞線機，這種舶來品價格昂貴，對國內(nèi)一些中小型企業(yè)，選擇進口繞相機顯然不是明智之舉，出于經(jīng)濟方面的考慮，大部分企業(yè)仍在沿用扁線平繞的落后加工工藝，部分不能用機器自動完成的工作，還需人工完成。如果使用傳統(tǒng)漆包線，線圈體積就會變大，為了適應小型機器的體積，不得不
使用價格較高絲包扁銅線。而經(jīng)過傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出來的線圈散熱性不佳，故內(nèi)圈容易被燒壞。
由于國內(nèi)繞線機越來越不能滿足繞制變壓器線圈的要求，國內(nèi)變壓器線圈生產(chǎn)商想要生存，就必須從國外進口先進的繞線機。然而昂貴的價格，依然讓國內(nèi)廠商感到巨大的壓力。隨著變壓器行業(yè)的發(fā)展，我國務必要研制出具有自主知識產(chǎn)權的新型全自動繞線機，使我們能在世界的繞線機行業(yè)中占有一席之地。為了滿足國內(nèi)的生產(chǎn)需求，促進繞線機行業(yè)的發(fā)展，需要借鑒國外先進經(jīng)驗，研制出性價比高的自主知識產(chǎn)權的繞線機。在當局的重視之下，在政策與方針指導之下，我國變壓器的發(fā)展成果令人矚目，無論是系統(tǒng)，還是品種，都開創(chuàng)了一個新的紀元。
1.3.1繞線機的技術趨勢
繞線機歷經(jīng)半個世紀從最初的手工繞制發(fā)展到現(xiàn)在的半自動、全自動繞線機，國內(nèi)繞線機仍在以迅猛的速度發(fā)展。通過單片機系統(tǒng)控制，計算機顯示，傳感器的測量，繞線機閉環(huán)控制功能已經(jīng)越來越完善。故為了延長繞線機的生命周期，就必須開發(fā)出功能更全面，柔性化程度更高的繞線機。目前半自動繞線機應用最為廣泛。繞線機的技術趨勢勢必會朝著以下方面發(fā)展。
（1）高產(chǎn)能,多功能
隨著人工的成本提升和市場對產(chǎn)品性能的提高，繞線機也在不斷更新?lián)Q代，價格也會隨之攀升。雖然價格會比之前貴上幾倍，，但是新型繞線機的使用不但大大提升了工作效率，也使工人繞制線圈出現(xiàn)的質(zhì)量上的問題大大降低，還能給企業(yè)帶來巨大的利潤。綜合考慮，高產(chǎn)能，多功能繞線的出現(xiàn)已是必然。
（2）具有模塊化的功能
根據(jù)使用要求，可以自己搭配模塊，模塊化控制器的比單片機的計算能力還要強，通訊也更加方便，成本也比單片機低，操控也相對簡單，只要稍加培訓，素質(zhì)較低的工人就可熟練操作，完成復雜的工作。
（3）研發(fā)與定制專用機型
線圈的種類繁多，使用的材料也是各不相同,國內(nèi)的許多廠家都對制造特殊的線圈望而卻步，然而，專用機型出現(xiàn)的腳步已經(jīng)不能被阻擋，而新機型的出現(xiàn)勢必會推
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動繞線機的發(fā)展，催生出更多的專用機型，以滿足各類線圈的功能要求。
1.3.2立式繞線的趨勢
傳統(tǒng)繞線方式是扁線平繞，而近幾年來出現(xiàn)了扁線立繞的先例，而這種新的繞線方式正在成為一種繞線潮流。顧名思義，這是一種扁線“站立”在鐵芯上的繞線方式，如圖1.1所示。
圖1.1立式繞線
扁線立繞工藝有如下優(yōu)點：
（1）在鐵芯上套好絕緣紙就可以直接繞制。
（2）散熱性能優(yōu)越，線“站立”在鐵芯上，線暴露在空氣中的面積比較大，不但能，這樣匝間距會相增加匝數(shù)，提高線圈性能。
1.4課題目的
國外的繞線機產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,尤其是德國,意大利,美國等國家技術先進,世界知名企業(yè)比比皆是,而國內(nèi)的繞線機基本都停留在半自動層面上,偶有全自動的繞線機也由外國進口。整體水平遠遠落后于以上國家。國內(nèi)應用的各式線圈花樣變得越來越多，這也推動著國內(nèi)繞線機的大力發(fā)展。然而其發(fā)展卻及其緩慢，技術落后，使得企業(yè)利潤下滑，只有自力更生，自主研發(fā)出性能優(yōu)越的繞線機，才能不依賴于國外的技術，扭轉(zhuǎn)被動局面。
振興國民經(jīng)濟需要有先進技術與設備的支持，否則就成了竹籃打水。而數(shù)控全自動繞線機效率高，穩(wěn)定性好，柔性強，諸多功能集于一身，在推動經(jīng)濟發(fā)展的過程中作用不可小覷，本次畢業(yè)設計就是在參考大量國外文獻的基礎上，結合中國國情，在正確指導方針之下，設計一款新型立式高速自動繞線機，以滿足國內(nèi)市場需求。
1.5課題任務
設計變壓器線圈立式數(shù)控繞線機，要求能夠?qū)崿F(xiàn)繞制線圈過程的自自動控制，各個坐標軸采用較先進的伺服電機控制，使用光電編碼器來進行測量反饋，能夠?qū)φ麄€過程實現(xiàn)閉環(huán)控制。
為了順應以人為本的理念，設計的繞線機必須具備高精度，自控能力，自動化，以減少工人的勞動強度，使工人能在安全的環(huán)境工作。
此次畢業(yè)設計工作需要很多參考資料，故需要養(yǎng)成一定搜集信息的能力。在做設計的過程當中，必然會遇到不解的地方，還需要具備勤學好問的精神，如有
疑惑，及時與導師溝通。
1.6課題難點
1.6.1由于本設計中，線的繞制方式扁線立繞，這就要求在繞制過程中，保證線狀態(tài)良好能夠不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，保持與鐵芯的垂直度。
1.6.2要保證線圈繞線匝與匝之間緊密相挨，一定要保證進給運動和主運動的嚴密配合。
1.6.3一定要嚴格避免線骨和其夾具之間的相對運動，嚴格保證二者轉(zhuǎn)速的一致性，否則，線骨磨損，線圈質(zhì)量達不到要求。由于線骨長度較大，要保證在轉(zhuǎn)動過程中的穩(wěn)定性。
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第2章總體方案設計
繞線機由多種系統(tǒng)組成，內(nèi)部的機械構造比較復雜，內(nèi)部電器元件的使用數(shù)量也比較多。需要對系統(tǒng)組成的整體有一個全面的了解與把握，下面將會整個系統(tǒng)進行剖析。
2.1繞線機的原理
繞線機內(nèi)部機械系統(tǒng)之間的關系如圖2.1模型所示：
圖2.1繞線機機械系統(tǒng)
主動系統(tǒng)：自動繞線機的主動系統(tǒng)由電動機、主軸、聯(lián)軸器、減速器、同步帶、同步帶輪、傳動軸、工作軸及支撐件等組成。主動系統(tǒng)的作用主要是對整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的動力，當工作時，電機1轉(zhuǎn)動，帶動聯(lián)軸器1所在的軸同時轉(zhuǎn)動，經(jīng)過減速器減速增距，將動力傳遞給聯(lián)軸器2所在的軸，再將動力依次傳遞給同步帶輪及同步帶，傳動軸，工作軸，當動力傳遞給工作軸的時候，就可帶動線骨轉(zhuǎn)動，與其他系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作完成對線圈的繞制。
氣動夾緊系統(tǒng)：氣動夾緊系統(tǒng)安裝在工作軸上，工作軸和部分夾緊元件組成，通過圖2.1很明顯可以知道其工作原理，氣缸能夠在工作軸上反復運動，并且能夠充當夾具從左側夾緊線骨，其不但能夠在軸向限制線骨滑動。也能跟隨工作軸一起轉(zhuǎn)動，這就對氣動夾緊系統(tǒng)和工作軸之間的連接緊固性要求很高，只有氣動夾緊系統(tǒng)不能與工作軸之間發(fā)生先對轉(zhuǎn)動，才能確保繞線質(zhì)量。
進給系統(tǒng)：從圖2.1中可以看出，電機2，滾珠絲杠，排線機構構成了進給系統(tǒng)，主要功能是排線，繞制出來的線圈，外觀一定要耐看，這就要求線與線之間十分緊密，不會出現(xiàn)過大縫隙和線與線之間出現(xiàn)重疊的情況，這一點需要排線機構可線骨之間天衣無縫的配合，線骨轉(zhuǎn)一圈，滾珠絲杠在電機2的帶動下轉(zhuǎn)過一定的角度。進給系統(tǒng)的精度由伺服電機和滾珠絲杠來保證。
放線系統(tǒng)：放線系統(tǒng)由電機，支撐件和輔助件構成，的主要作用在于通過張緊裝置來保證漆包線的張力，使線圈緊湊，防止扁線出現(xiàn)松垮的現(xiàn)象，線圈更“結實”。
2.2主動系統(tǒng)的工作原理
繞線機中主動系統(tǒng)是一個至關重要的系統(tǒng)，其結構比其他系統(tǒng)的結構復雜，使用的各類元件較多，其工作原理如圖2.2所示：
圖2.2主動系統(tǒng)工作圖解
主動系統(tǒng)中各個部件之間的聯(lián)系和動力工作順序通過圖2.3一目了然，其動力傳遞順序也比較簡單，在這里不再贅述。
圖2.3動力傳遞順序
2.3進給系統(tǒng)工作原理
進給系統(tǒng)是故是一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，此系統(tǒng)通過將電機的旋轉(zhuǎn)運動通過滾珠絲杠
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的傳動副來轉(zhuǎn)換為移動工作臺在導軌上的往復運動，也同時帶動轉(zhuǎn)線骨在工作軸上左右移動。通過與主動系統(tǒng)配合，完成對漆包線的纏繞，使線十分緊密地“站立”在線骨上。進給系統(tǒng)的局部放大圖如圖2.4所示,：
圖2.4進給系統(tǒng)局部放大圖
進給系統(tǒng)的三維立體圖如圖2.5所示：
圖2.5進給系統(tǒng)局部三維圖
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2.4氣動夾緊系統(tǒng)原理
氣動夾緊系統(tǒng)原理是將氣缸作為氣動夾緊系統(tǒng)的動力源，將繞線機的左夾具安裝在能夠移動的滑臺上，不但能夠在滑臺上做往復的直線運動，還能隨著工作軸進行同步的轉(zhuǎn)動。夾具在直線導軌上進行往返運動，同時夾具對線骨做安裝與拆卸工作，其行程為20mm，使繞制線圈的工作能夠連續(xù)不斷地進行。圖2.6為氣動夾緊系統(tǒng)工作原理示意圖。
圖2.6氣動夾緊系統(tǒng)工作原理
第3章主動系統(tǒng)設計
3.1各部件運動參數(shù)設計
主運動的系統(tǒng)圖如3.1所示
圖3.1
從圖3.1所示可以了解本設計中繞線機的工作原理，首先電機轉(zhuǎn)動將動力輸送給減速器，減速器（也叫增距器）是一種比較精密的儀器，通過自身減速增矩的作用再將動力通過同步帶輸送給傳動軸，帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，因傳動軸兩端都有同步帶傳動，再通過另一端的同步帶，將轉(zhuǎn)動傳遞給工作軸，整個系統(tǒng)得以有條不紊地進行。從理論上來說，只要設定了工作軸的轉(zhuǎn)速，計算得到整個傳遞過程的總效率就可推算出電動機的轉(zhuǎn)速范圍，計算過程就是利用工作軸轉(zhuǎn)速除以總效率。
i5為T5軸的傳動比，i4為T4傳動比，i3為T3傳動比，i2為T2傳動比，i1為減速器自身的傳動比。傳動帶T5與T3的傳動比都為1∶1。
在設計中一般工作軸的轉(zhuǎn)速都存在著一定的范圍，這是長期的設計積累和實驗的結果，總體來說不能夠低于500r/min，如果低于此數(shù)，不但浪費能源，工作效率低下，而且由相對性原理，機器的體積就會相對變大，浪費地理資源。如果高于轉(zhuǎn)速的上限，整個系統(tǒng)就會變得不再穩(wěn)定，機器工作時震動比較大，同時噪音也會變得異常強烈，而噪音對環(huán)境來說也是一種污染，對工人也附近的居民都會造成不良影響，在此取除了軸意外的轉(zhuǎn)動機構的轉(zhuǎn)速相同，即：
V5=V4=V3=V2=500r/min
根據(jù)此繞線機的工作條件，技術參數(shù)，工作性能等因素，結合經(jīng)濟性考慮，選用單級圓柱齒輪減速器，齒輪為淬硬齒輪，查表知此種減速器傳動比i<5.6，選取為3.66，則:
Vd=V1=500×3.66=1830r/min
由于此繞線機的在工作時正轉(zhuǎn)，而在比要時也需要反轉(zhuǎn)，故聯(lián)軸器應為彈性套柱銷聯(lián)軸器，此類聯(lián)軸器的效率在0.97左右，選用0.97，兩個聯(lián)軸器相同，故效率相同，即：
聯(lián)軸器1的效率為η1=0.97
聯(lián)軸器2的效率為η2=0.97
減速器的效率范圍一般是95%~98%，取減速器效率η3=0.96，則：
η總=η1η2η3=0.97×0.97×0.96=0.90
工作軸轉(zhuǎn)速：
V工=Vdη總=18300.90=2026
根據(jù)電機的Pd=3.5Kw，Vd=2026r/min:
Td=9550PdVd=9550×2.41830=12.50Nm
各聯(lián)軸器，減速器，傳動帶的功率和扭矩如下：
聯(lián)軸器1：
P1=η1?Pd=0.97×2.40=2.33Kw
T1=9550?P1V1=9550×2.331830=12.16Nm
減速器：
P2=η2?P1=0.96×2.33=2.23Kw
T2=9550?P2V2=9550×2.236000=34.49Nm
聯(lián)軸器2：
P3=η2?P2=0.97×2.23=2.16Kw
T3=9550?P3V3=9550×2.16600=34.38
同步帶1：
P4=η4?P3=0.96×2.16=2.06Kw
T4=9550?P4V4=9550×2.06600=32.79Nm
同步帶2：
P5=η4?P4=0.96×2.06=1.96Kw
T5=9550?P5V5=9550×1.96600=31.20Nm
3.2主動軸電機的選擇
繞制線圈的質(zhì)量取決于主軸的參數(shù)，如果電機參數(shù)不準，則可導致繞制出的線圈匝數(shù)多于設計的線圈匝數(shù)，也可導致匝數(shù)減少，無論匝數(shù)變多還是變少都與設計匝數(shù)不符，性能也必然受到影響，這就要求電動機的旋轉(zhuǎn)精度要盡可能高，所以性能優(yōu)良的電動機的的選擇就顯得尤為重要。
電機的最優(yōu)選擇有若干因素需要設計者來考慮，比如電機的額定功率，而定轉(zhuǎn)速，功率大小，需要帶動的負載的大小，工作場合的惡劣情況等，任意一種因素都不能被忽略，選擇的電機不符合要求，最終也是竹籃打水。
3.2.1電機類型
電機根據(jù)不同的標準去劃分，可分為若干種類，根據(jù)控制系統(tǒng)劃分可分為普通電機和伺服電機。根據(jù)使用的電流的波形分為直流電機與交流電機。根據(jù)運動方式可分為同步電機與異步電機。繞線機對繞線精度要求比較高，故使用伺服電機而非步進電機。
伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量越小越好，這樣在工作過程中停止的位置就比較精確，不至于導致大的誤差。與此同時，伺服電機還能承受較大的啟動電壓，不會因為一時的過載而被燒毀。還要要求伺服電機能夠適應其工作環(huán)境，因為在工作過程中，不一定會永久都使用正轉(zhuǎn)，在必要的情況下，也需要伺服電機反轉(zhuǎn)。電機需要謹慎選擇，如果盲目選擇電機，可能會造成繞線機體積增大，浪費安裝空間。也有可能出現(xiàn)電機大材小用的情況，電機性能不能完全發(fā)揮出來。
經(jīng)過反復考慮，最終選擇交流伺服同步電機作為繞線機的驅(qū)動機構。小面進行多方對比與分析。
1） 伺服電機
伺服電機可以將旋轉(zhuǎn)次數(shù)顯示并出來，易于控制。閉環(huán)控制的應用對電機的轉(zhuǎn)動參數(shù)進行實時地調(diào)整，工作可以穩(wěn)定進行，且力矩比普通電機大，滿足使用要求。
2）交流電機
電機工作原理為電磁感應定律。交流電大小，方向周期性變化。使電機運行更為平穩(wěn)。而直流電機問題在于電流方向的改變，不但耗費時間與人力，而且人為控制也不精確，可能會導致線圈繞制不良，嚴重可出現(xiàn)危險，。
3）同步電機
當同步電機和異步電機以相同的功率運行時，同步電機輸出的效率更高，即電能的應用更多，從能效方面來看，同步電機略勝一籌。
3.3電機型號選擇
由于銅線張力使影響電機負載大小的主要原因，線圈繞線的結實與緊湊決定著銅線的張力需要控制在一定的數(shù)值范圍之內(nèi)，此范圍越小越好，用數(shù)學上的極限思想來考慮，極限，就是張力恒定，這樣繞出的線圈外觀最美，性能最優(yōu)。在此假設張力為400N，傳動軸轉(zhuǎn)速范圍為0~500r/min，線骨R=60mm。則力學模型如下：
銅線張力F=400N，v=500r/min，線骨R=60mm。首先，根據(jù)線圈性能要求，要先檢驗一下，銅線的張力是否符合設計要求：
電纜線σs=69MPa，銅線
σmax=FA=5000.01×0.03=1.3MPa≤σs
由計算結果可知張力大小合格。
扭矩Me=F×（R+h2）=500×（15+60）=37.5Nm
接下來求負載功率大小，求出后電機的輸出功率大小范圍即可確定
由最大負載功率由公式Me=9.55Pn，求得：
P=Me×n9.55=37.5×5009.55=2.0Kw
工作軸扭矩傳到電機需經(jīng)過兩次同步帶傳動，一根傳動軸傳動，兩個聯(lián)軸器傳動，一個減速器傳動，傳遞過程總傳遞效率為各個部件的傳動效率之積。聯(lián)軸器η1=η2=0.97，減速器η3=0.96，同步帶η4=η5=0.96，則傳遞過程中總的傳遞效率為：
η總=η1η2η3η4η5=0.83
故可求出輸出功率P輸出=Pη總=2.00.83=2.4Kw
計算結果表明電機的額定功率一定要大于等于2.4Kw，只有這樣才能滿足要求，經(jīng)過對電機的反復對比，與數(shù)據(jù)計算，最終敲定使用三菱生產(chǎn)的交流伺服電機器三維結構如圖3.2所示。型號為HF-SP352，此電機規(guī)格具體如表3.1所示：
表3.1三菱電機生產(chǎn)的HF-SP352
伺服電機型號
而定輸出功率
Kw
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
額定轉(zhuǎn)速
r/min
額定慣量
J·Kg·m2
額定電流
A
質(zhì)量
Kg
HF-SP352
3.5
16.7
2000
0.075
16
19
圖3.2HF-SP352電機三維圖
3.4同步帶及同步帶輪參數(shù)設計
本設計中，主動軸，傳動軸和工作軸之間需要傳遞機械動作，有三種傳遞方式可以選擇（鏈傳動，帶傳動，齒輪傳動），然而這幾類傳動方式各有千秋，所以要綜合考慮一下，最終經(jīng)過查詢資料，請教老師，并經(jīng)過反復計算研究決定使用同步帶這種傳遞方式。帶傳動是一種撓性傳動，由帶輪（帶輪可分為主動帶輪和從動帶輪）可同步帶組成帶傳動方式優(yōu)點是十分明顯：結構簡單，還具有緩沖吸震的作用。圖3.3和圖3.4為設計的同步帶輪及其尺寸，其計算過程將在后邊詳細列出。
圖3.3同步帶輪及尺寸
圖3.4同步帶輪剖面圖及尺寸
（1）計算帶傳動總功率Pd
P3=η2P2=0.97×2.23=2.16kw
查表得工況系數(shù)Ka=1.4
則設計功率Pd=kAP3=1.4×2.16=3.0Kw
（2）帶輪節(jié)距的確定
已知Pd=3.0Kw，n3=500r∕min，查詢機械設計手冊選用H型同步帶，節(jié)距Pb=12.7mm
（3）確定小帶輪各項參數(shù)
查表知齒數(shù)最少為14，最大為156，在這里取Z小=21，小帶輪節(jié)圓直徑
d小=Z小Pbπ=84.89
查表可得對應的小帶輪外徑D小=83.52
（4）大帶輪參數(shù)的確定
大帶輪的各個參數(shù)都與小帶輪相同得：
Z大=Z小=21
d大=d小=84.89
D大=D小=83.52
（5）同步帶轉(zhuǎn)速的計算
V=πd小n360×1000=2.2m/min
查表知H型同步帶的最大速度在35~40m/min之間，最小速度低于35m/min，而同步帶速度經(jīng)過計算等于2.2m/min，故同步帶符合要求。
（6）軸間距設計
據(jù)所設計的繞線機的整體尺寸，初步將軸間距定為
L1=250mm
（7）帶的節(jié)線長度和帶輪的齒數(shù)計算
節(jié)線長度：
L2=2L1+π2d小+d大+d大+d小24L1=753.00mm
查表知選擇型號300H的同步帶最為合適，300H同步帶的標準節(jié)線長度Lp=762.00mm，齒數(shù)z=60，則實際中心距：
L實=L1+Lp-L22=250+762-7532=254.5≈255mm
（8）帶輪額定功率的計算
P額=T-mv2v1000=4.6Kw
經(jīng)過查表計算可得同步帶帶寬bs=76.2mm
同步帶所受軸向力：
N=1000Pdv=1000×32.2=1363N
本設計中的H型同步帶實際形狀如圖3.3所示
圖3.3H型同步帶
3.5聯(lián)軸器選擇
聯(lián)軸器，顧名思義是連接兩根軸的（也可連接軸和其他主動零件）。聯(lián)軸器的作用是傳遞動力或扭矩，聯(lián)軸器的種類和型號有很多。軸的作用不同，，本設計中由于繞線機需要經(jīng)常得開啟與關閉，聯(lián)軸器需要吸收一些震動，防止聯(lián)軸器與軸之間斷開，減少工作壽命，所以本設計中使用的聯(lián)軸器需要帶有彈性元件，以適應這種工作環(huán)境。
本設計中需要兩個聯(lián)軸器，分處在電機和聯(lián)軸器之間的軸上，經(jīng)查閱資料結合本設計的特點，選擇LT5彈性套柱銷聯(lián)軸器（GB/T4323-2002）查表知LT5彈性套柱銷聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩為125Nm，經(jīng)計算知兩個聯(lián)軸器均符合設計要求。其尺寸結構如圖3.4所示
圖3.4LT5聯(lián)軸器結構
3.6主動軸設計
3.6.1各段尺寸的設計計算
經(jīng)過查閱《機械設計手冊》，本設計中制作軸的材料定為45號鋼，并對材料進行調(diào)質(zhì)處理。軸的示意圖如圖3.5所示：
圖3.5
ab段是整根軸直徑最小的一段軸，因此也是最脆弱的一段，查表得A=115，則最估算的最小直徑為：
dmin=A×3P3n=115×32.16500=18.75mm
又因為ab段有鍵槽，則ab段的直徑應該增大4%~5%，則：
dmin=19.49mm
ab段：令dab=30mm，a段通過鍵與LT5聯(lián)軸器相聯(lián)結Lab=49mm。
bc段：此部分是該軸的軸肩，根據(jù)標準，軸肩高度應該大于0.07～0.1倍的軸徑，dbc=38mm，長度Lbc=5mm。
cd段：此處放置擋圈，查《機械設計手冊》第五版從GB/T894.1-1996中查得使用A型軸用彈性擋圈，dcd=34mm，Lcd=4mm。
de段：該段通過鍵與聯(lián)軸器連接，從GB/T1096-2003中選取平鍵中的A型鍵，此類鍵固定好，缺點是集中應力較大，
dde=40mm，Lde=85mm，則與之配合的鍵選用6×6×22的型號。
ef段和fg段：這兩段的作用都是使裝配長度減小，區(qū)別加工表面，取def=dgh=34mm，Lef=15mm，Lgh=60mm。
gh段和he段：這兩段的存在是為了安裝軸承，擬定選用32308軸承，根據(jù)標準取dgh=dhe=40mm，Lge=Lhi=20mm。
ij段：通過鍵（GB/T1996-20036×6×22）與夾具相連接，此夾具用來夾緊線圈，取dij=30mm，Lij=40mm，并使用圓螺母夾緊固夾具，使夾具在軸方向上固定，故需要在i段的端部加工出螺紋。
3.6.2軸強度校核
主動軸的受力情況可以抽象出如圖3.6所示模型。
圖3.6主動軸受力簡圖
F夾：此力是使線骨夾緊的力，設F夾=100N
G1：夾具的重力，G1=1.990×9.8=19.50N
G2同步帶和同步帶輪的重力的一半，
G2=（2.272+0.5×0.192）=23.22N
G3：聯(lián)軸器的重力，G3=1.65×9.8=16.17N
F1：同步帶被收緊的邊所受的力；
F2：同步帶被放松的邊所受的力；
Fae：同步帶傳動產(chǎn)生的軸向力的合力，F(xiàn)ae=1500N
對軸的剪力和彎矩進行計算校核
在對軸的強度進行校核時，需要畫出其剪力圖和彎矩圖，如圖3.6所示：
圖3.7工作軸剪力圖和彎矩圖
T1：輸入的扭矩，T1=43.88Nm
T2：輸出的扭矩，T2=43.88Nm
則通過上圖可知d面和g面為危險截面
d面受兩個方向上的扭矩，所受扭矩較大，可能是危險截面。
Z軸方向上的扭矩M1=F合×0.068=102.0Nm
Y軸方向上的扭矩
M2=G3×(0.068+0.075)+G2×0.068=3.89Nm
則兩個Z軸和Y軸所受扭矩之和
M3=2M12+M22=102.07Nm
則σe=M3W=18.2Nm≤σs=353MPa
通過計算可知d面符合設計要求
g面的直徑是整根軸直徑中最小的，且也受到扭矩的作用，也有可能是危險截面，M4=T1=43.88Nm
σe’=M4W=T2W=8.0MPa≤432MPa
故g面也符合設計要求。
3.7軸承的校核
3.7.1軸承型號的選擇
軸承這類部件基本已經(jīng)都趨于標準化，啟動時所需力矩小，旋轉(zhuǎn)的精度卻很高。根據(jù)軸所要承受的載荷的性質(zhì)，大小和方向（軸向和徑向）選擇軸承，本設計中，軸承承受最大的是徑向載荷，所承受的軸向載荷很小，則根據(jù)選擇標準，在這里選用圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承內(nèi)外圈是分離的，互不干涉，故，能夠調(diào)整間系，柔性比較強。設計中使用30308型圓錐滾子軸3.7.2支座反力的計算
主動軸的受力模型如圖3.7所示：
圖3.7主動軸軸承受力模型
首先求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2
Fa1=Fk0.08×0.068=1500×6880=1275N
Fa2=-Fk+Fa1=-1500+1275=-2775N
Fb1=68G2+143G2-110G180=22.14N
Fb2=-G1+G2+G3+Fb1=-81.16N
Fr1=Fa12+Fb22=1275N
Fr2=Fa22+Fb22=2776N
3.7.3求兩軸承的計算軸向力Fa1和Fa230308型號軸承內(nèi)部派生軸向力的計算公式為Fd=Fr2Y。
查機械設計手冊可知各項參數(shù)如下：
Y=1.4~1.6取Y=1.6，X=0.56
因此可估算兩軸承內(nèi)部產(chǎn)生的派生軸向力為：
Fd1=Fr12Y=12752×1.6=398N
Fd2=Fr22Y=27762×1.6=867N
∵Fd2+F夾>Fd1
故軸承有向左竄動的趨勢，1號軸承被“壓緊”，2號軸承被“放松”，因為工作時，軸不可能竄動，則被“壓緊”的軸承會產(chǎn)生一個力與派生軸向力之和來抵消使軸竄動的力，則有：
Fa1=F夾+Fd2=100+398=498N
2號軸承承受的力只有派向力，即：
Fa2=Fd2=867N
3.7.4軸承的當量載荷的計算
軸承的當量載荷的計算公式為P=fdXFr+YFa
軸承1的當量動載荷X=1.44，Y=1.37P1=1.40.44×1275+1.37×967=1886N
由軸承2的當量動載荷系數(shù)（X=1，Y=0）：
P2=1.41×2776+0=3886N
3.7.5軸承壽命的計算
Ln=10660nCrP2103=10660×500905003886103=118905h
軸承壽命滿足要求，軸承的參數(shù)符合設計要求。
3.8傳動軸參數(shù)校核
由于本設計中的傳動軸長度大，如果用實心軸，它的質(zhì)量就會變得很大，軸本身會發(fā)生變形，這樣在工作的時候，軸的震動就會很大，產(chǎn)生噪聲，更為嚴重的是工作時的穩(wěn)定性極差，嚴重時可導致機身震動，繞制的線圈不都會不符合要求。為了增強穩(wěn)定性又能使軸滿足足夠的剛度，將軸設計為空心軸，傳動軸質(zhì)量m=5kg，外圓直徑D=30mm，內(nèi)圓直徑d=10mm，傳動軸的長度l=510mm，查表可知此類傳動軸的彈性模量E=210GPa。傳動軸工作時受力如圖3.8所示
圖3.8傳動軸受力模型
單位長度的傳動軸所受的載荷：
q=mgl=5×9.80.51=96Nm
抗扭截面系數(shù)：
I=π64D4+d4=3.192×10-8
由于傳動軸受力均勻，則可知傳動軸的中點的撓度最大，根據(jù)材料力學知識可知：
wmax=-mgl348EI=-1.9×10-2
最大轉(zhuǎn)角在a、b兩端，由材料力學知識可知：
θA=-θB=-mgl216EI=5.6×10-5
經(jīng)過計算傳動軸撓度的極值和轉(zhuǎn)角極值的計算，再與軸的標準極值和轉(zhuǎn)角對比，顯然軸的各項指標都符合設計要求。
3.9花鍵的設計及校核
鍵是一種標準件，作用是連接軸和輪轂以達到傳遞扭矩的功能，也可以使零件固定在軸上，也可實現(xiàn)在軸向上的導向作用。再本設計中，花鍵的作用是連接軸和聯(lián)軸器?；ㄦI的載荷分布不均與系數(shù)ψ=0.7~0.8，取ψ=0.7。
計算花鍵的最小直徑：
d≥3P3n=114×32.16500=17.1mm
根據(jù)最小直徑選擇花鍵副，選擇6×32H7f7×36H10a10×6H11d10
引入的系數(shù)ψ是用來考慮實際載荷在花鍵上非配不均的影響，花鍵連接的強度校核分為靜連接校核和動連接的校核。
靜連接：
σp=2000Tψzhldm=41.67×100007×8×35×1×88.5.=2.24MPa<σp
σp=60~100MPa
動連接：
p=T4×103ψzrmhl=2.24MPa
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