立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】,含CAD圖紙+文檔,立式,高速,自動(dòng),繞線機(jī),設(shè)計(jì),cad,圖紙,文檔 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) I 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(lái)越高 對(duì)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(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一款新型的繞制變壓器線圈的立式高速自動(dòng)繞 線機(jī) 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中本文系統(tǒng)的介紹所設(shè)計(jì)繞線機(jī)的工作原理及各個(gè)子系統(tǒng)的工作 原理 在對(duì)帶有電機(jī)的系統(tǒng) 包括主動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)和排線系統(tǒng)進(jìn)行合理性分析 時(shí) 最佳方法是有限元分析法 此種方法可以對(duì)各個(gè)部件的瞬時(shí)狀態(tài)進(jìn)行分析 此 法來(lái)源于高等數(shù)學(xué)里的微積分 但由于條件限制 本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì) 方法 在經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上 利用力學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí) 結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等知識(shí)來(lái)簡(jiǎn) 化現(xiàn)有繞線機(jī)的模型并對(duì)模型進(jìn)行了改造 本設(shè)計(jì)中的繞線機(jī)系統(tǒng)就是利用此法所 設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)物 在主體設(shè)計(jì)中 利用動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)方法 對(duì)繞線機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要受力部件尺寸 和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并校核 包括主動(dòng)軸 同步帶 同步帶輪軸承等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 確保其性能指標(biāo)合格 滿足其使用要求 并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件包括聯(lián)軸器 花鍵等進(jìn)行了周 密的分析與選擇 經(jīng)過(guò)對(duì)比各類電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)合本設(shè)計(jì)中繞線機(jī)的工作要求 選擇了合適的電動(dòng)機(jī) 關(guān)鍵詞 立式繞線機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu) 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) II Abstract Becauseofthepowersystemusedintransformercapacityislarger itssecurityisbecomingmo reandmoredemanding andrequirementsaboutthequalityofthetransformerisnotonlyreflectedin otherpartsofsafeandreliable butalsoonthecoilelectromagneticbalance requeststhecoilaxialcir clenumberclosely andrequirequalifiedenameledwiretensionandforthebest Themaincontentofthispaperistodesignanewtypeofhigh speedautomaticwindingmachinewhichiswindingandwinding Theworkingprincipleofthewin dingmachineandtheworkingprincipleofvarioussubsystemsaredesignedinthesystemdesign W ithmotorinthesystem includingsystemactively feedsystemandwiringsystem analysisoftherat ionalityofoptimummethodisfiniteelementanalysismethod thismethodcananalyzethetransient stateoftheparts whichisderivedfromthehighermathematicsinthecalculus Butbecauseofthecon straints designmethodofthedesignisoneofthetraditionaldesignmethod onthebasisoftheexperi ence theuseofmechanicsandmathematicsknowledge combiningknowledgesuchasmechanica ldesignmanualtosimplifyexistingcoilingmachinemodelandthemodeltransformation thedesig nofthewindingmachinesystemisdesignedbyusingthismethod 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) III Inbodydesign theuseofdynamicdesignmethodofmainmechanicalpartsofwindingmachin esizeandparametersforthedesignandcheck includingthedriveshaft synchronousbelt synchron ousbeltwheelbearingparametersforthedesign toensuretheperformanceindexesofqualified sat isfytheuserequirement andthestandardpartsincludingcoupling splineandsoonhascarriedonth ethoroughanalysisandselection throughcomparingtheadvantagesanddisadvantagesofallkind sofmotor combinedwiththedesignofwindingmachineworkrequirements choosethesuitablem otor Keywords Verticalwindingmachine systemdesign mechanicalstructure 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) IV 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(jī)的介紹 1 1 3 課題背景 1 1 4 課題目的 3 1 5 課題任務(wù) 4 1 6 課題難點(diǎn) 4 第 2 章總體方案設(shè)計(jì) 5 2 1 繞線機(jī)的原理 5 2 2 主動(dòng)系統(tǒng)的工作原理 6 2 3 進(jìn)給系統(tǒng)工作原理 6 2 4 氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)原理 8 第 3 章主動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3 1 各部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 9 3 2 主動(dòng)軸電機(jī)的選擇 11 3 3 電機(jī)型號(hào)選擇 11 3 4 同步帶及同步帶輪參數(shù)設(shè)計(jì) 13 3 5 聯(lián)軸器選擇 16 3 6 主動(dòng)軸設(shè)計(jì) 16 3 7 軸承的校核 19 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) V 3 8 傳動(dòng)軸參數(shù)校核 21 3 9 花鍵的設(shè)計(jì)及校核 21 第 4 章進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 4 1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)與選擇 23 4 2 張緊裝置中螺栓強(qiáng)度的校核 24 第 5 章氣動(dòng)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(jì)算 26 5 3 導(dǎo)軌的選擇 27 結(jié)論 28 致謝 29 參考文獻(xiàn) 30 附錄一 1 附錄二 12 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 1 第 1章緒論 1 1引言 隨著工業(yè)的發(fā)展 繞線機(jī)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(jī)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(jī)的型 號(hào)也不盡相同 尤其是在現(xiàn)代的機(jī)械行業(yè)中 新的電動(dòng)機(jī)器不斷被人類發(fā)明出來(lái) 這些機(jī)器內(nèi)部無(wú)疑都會(huì)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(jī) 隨著國(guó)內(nèi)清潔能源的利用越來(lái)越廣泛 變壓器線圈的需求越來(lái)越高 這就推動(dòng)了繞 制變壓器線圈的立式繞線機(jī)飛速發(fā)展 1 2常用繞線機(jī)的介紹 市面上常見(jiàn)的繞線機(jī)有全自動(dòng)繞線機(jī) 半自動(dòng)繞線機(jī) 伺服精密繞線機(jī)等 全自動(dòng)繞線機(jī)自動(dòng)化程度高 而價(jià)格都比較昂貴 由于經(jīng)濟(jì)性原因 不能被廣 泛地使用 此類繞線機(jī)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(jī)震動(dòng)馬達(dá)線圈 耳機(jī)的音圈等等 生活中常見(jiàn)的線圈很大一部分是由全自動(dòng)繞 線機(jī)繞制生產(chǎn)出來(lái) 由于運(yùn)用場(chǎng)合較多 自動(dòng)化程度高 節(jié)省了很大一部分人力 一個(gè)操作工即可操作幾臺(tái)全自動(dòng)繞線機(jī) 并且集合數(shù)控技術(shù) 光控技術(shù) 氣動(dòng)技術(shù) 于一體 制造出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量高且穩(wěn)定 還能適應(yīng)不同的工作環(huán)境 故價(jià)格十分昂 貴 全自動(dòng)繞線機(jī)的部分零部件是非標(biāo)準(zhǔn)的零件 有些還是專門為這種機(jī)型設(shè)計(jì)的 零件 故損壞后 維修困難 周期長(zhǎng) 半自動(dòng)繞線機(jī) CNC 的性價(jià)比在繞線機(jī)中是最高的 故應(yīng)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(dòng)繞 線機(jī)價(jià)格比全自動(dòng)的低廉 操作也十分簡(jiǎn)便 缺點(diǎn)就是人力消耗較大 每臺(tái)機(jī)器必 須由一位操作員來(lái)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(jiàn) 伺服精密繞線機(jī)的控制系統(tǒng)閉環(huán)控制 能夠自動(dòng)校準(zhǔn)誤差 是目前世界上最先 進(jìn) 功能最完備的一種機(jī)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(hào)與反饋信號(hào)比較 來(lái)判別誤差 并 自動(dòng)對(duì)產(chǎn)生誤差的系統(tǒng)位置進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償 伺服精密繞線機(jī)內(nèi)部使用的電機(jī)均為伺 服電機(jī) 伺服電機(jī)的有點(diǎn)事無(wú)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(jī)全自動(dòng)化需要與電磁控制系統(tǒng)配合使用 由于精度 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 2 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 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 3 定要求繞到轉(zhuǎn)子上 并且通過(guò)人工來(lái)對(duì)線圈的匝數(shù)進(jìn)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(wú)法保證線的張力 故生產(chǎn)出來(lái)的線圈問(wèn)題百出 調(diào)研發(fā)現(xiàn) 繞線機(jī)市場(chǎng)十分混亂 質(zhì)量也是參差不齊 有國(guó)外先進(jìn)的繞線機(jī) 也有國(guó)內(nèi)落后的半自動(dòng)繞線機(jī) 相對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的繞線機(jī) 這種舶來(lái)品價(jià)格昂貴 對(duì) 國(guó)內(nèi)一些中小型企業(yè) 選擇進(jìn)口繞相機(jī)顯然不是明智之舉 出于經(jīng)濟(jì)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(jī)器自動(dòng)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(huì)變大 為了適應(yīng)小型機(jī)器的體 積 不得不 使用價(jià)格較高絲包扁銅線 而經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出來(lái)的線圈散熱性不佳 故內(nèi) 圈容易被燒壞 由于國(guó)內(nèi)繞線機(jī)越來(lái)越不能滿足繞制變壓器線圈的要求 國(guó)內(nèi)變壓器線圈生產(chǎn) 商想要生存 就必須從國(guó)外進(jìn)口先進(jìn)的繞線機(jī) 然而昂貴的價(jià)格 依然讓國(guó)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(guó)務(wù)必要研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 新型全自動(dòng)繞線機(jī) 使我們能在世界的繞線機(jī)行業(yè)中占有一席之地 為了滿足國(guó)內(nèi) 的生產(chǎn)需求 促進(jìn)繞線機(jī)行業(yè)的發(fā)展 需要借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn) 研制出性價(jià)比高的 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的繞線機(jī) 在當(dāng)局的重視之下 在政策與方針指導(dǎo)之下 我國(guó)變壓器 的發(fā)展成果令人矚目 無(wú)論是系統(tǒng) 還是品種 都開創(chuàng)了一個(gè)新的紀(jì)元 1 3 1 繞線機(jī)的技術(shù)趨勢(shì) 繞線機(jī)歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)從最初的手工繞制發(fā)展到現(xiàn)在的半自動(dòng) 全自動(dòng)繞線機(jī) 國(guó)內(nèi)繞線機(jī)仍在以迅猛的速度發(fā)展 通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)控制 計(jì)算機(jī)顯示 傳感器的 測(cè)量 繞線機(jī)閉環(huán)控制功能已經(jīng)越來(lái)越完善 故為了延長(zhǎng)繞線機(jī)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(jī) 目前半自動(dòng)繞線機(jī)應(yīng)用最為廣泛 繞線機(jī)的技術(shù)趨勢(shì)勢(shì)必會(huì)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(chǎng)對(duì)產(chǎn)品性能的提高 繞線機(jī)也在不斷更新?lián)Q代 價(jià) 格也會(huì)隨之攀升 雖然價(jià)格會(huì)比之前貴上幾倍 但是新型繞線機(jī)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(wèn)題大大降低 還能給企業(yè)帶來(lái) 巨大的利潤(rùn) 綜合考慮 高產(chǎn)能 多功能繞線的出現(xiàn)已是必然 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 4 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(jī)的計(jì)算能力還要 強(qiáng) 通訊也更加方便 成本也比單片機(jī)低 操控也相對(duì)簡(jiǎn)單 只要稍加培訓(xùn) 素質(zhì) 較低的工人就可熟練操作 完成復(fù)雜的工作 3 研發(fā)與定制專用機(jī)型 線圈的種類繁多 使用的材料也是各不相同 國(guó)內(nèi)的許多廠家都對(duì)制造特殊的線 圈望而卻步 然而 專用機(jī)型出現(xiàn)的腳步已經(jīng)不能被阻擋 而新機(jī)型的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì) 推 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 5 動(dòng)繞線機(jī)的發(fā)展 催生出更多的專用機(jī)型 以滿足各類線圈的功能要求 1 3 2 立式繞線的趨勢(shì) 傳統(tǒng)繞線方式是扁線平繞 而近幾年來(lái)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(diǎn) 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(huì)相增加匝數(shù) 提高線圈性能 1 4 課題目的 國(guó)外的繞線機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛 尤其是德國(guó) 意大利 美國(guó)等國(guó)家技術(shù)先進(jìn) 世界知名 企業(yè)比比皆是 而國(guó)內(nèi)的繞線機(jī)基本都停留在半自動(dòng)層面上 偶有全自動(dòng)的繞線機(jī)也由 外國(guó)進(jìn)口 整體水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于以上國(guó)家 國(guó)內(nèi)應(yīng)用的各式線圈花樣變得越來(lái)越多 這也推動(dòng)著國(guó)內(nèi)繞線機(jī)的大力發(fā)展 然而其發(fā)展卻及其緩慢 技術(shù)落后 使得企業(yè) 利潤(rùn)下滑 只有自力更生 自主研發(fā)出性能優(yōu)越的繞線機(jī) 才能不依賴于國(guó)外的技 術(shù) 扭轉(zhuǎn)被動(dòng)局面 振興國(guó)民經(jīng)濟(jì)需要有先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的支持 否則就成了竹籃打水 而數(shù)控全 自動(dòng)繞線機(jī)效率高 穩(wěn)定性好 柔性強(qiáng) 諸多功能集于一身 在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過(guò) 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 6 程中作用不可小覷 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是在參考大量國(guó)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上 結(jié)合中國(guó)國(guó) 情 在正確指導(dǎo)方針之下 設(shè)計(jì)一款新型立式高速自動(dòng)繞線機(jī) 以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需 求 1 5 課題任務(wù) 設(shè)計(jì)變壓器線圈立式數(shù)控繞線機(jī) 要求能夠?qū)崿F(xiàn)繞制線圈過(guò)程的自自動(dòng)控制 各個(gè)坐標(biāo)軸采用較先進(jìn)的伺服電機(jī)控制 使用光電編碼器來(lái)進(jìn)行測(cè)量反饋 能夠?qū)?整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 為了順應(yīng)以人為本的理念 設(shè)計(jì)的繞線機(jī)必須具備高精度 自控能力 自動(dòng)化 以減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 使工人能在安全的環(huán)境工作 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中 必然會(huì)遇到不解的地方 還需要具備勤學(xué)好問(wèn)的精神 如有 疑惑 及時(shí)與導(dǎo)師溝通 1 6 課題難點(diǎn) 1 6 1 由于本設(shè)計(jì)中 線的繞制方式扁線立繞 這就要求在繞制過(guò)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主運(yùn)動(dòng)的嚴(yán) 密配合 1 6 3 一定要嚴(yán)格避免線骨和其夾具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 嚴(yán)格保證二者轉(zhuǎn)速的一致性 否則 線骨磨損 線圈質(zhì)量達(dá)不到要求 由于線骨長(zhǎng)度較大 要保證在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中 的穩(wěn)定性 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 7 第 2 章總體方案設(shè)計(jì) 繞線機(jī)由多種系統(tǒng)組成 內(nèi)部的機(jī)械構(gòu)造比較復(fù)雜 內(nèi)部電器元件的使用數(shù)量 也比較多 需要對(duì)系統(tǒng)組成的整體有一個(gè)全面的了解與把握 下面將會(huì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn) 行剖析 2 1 繞線機(jī)的原理 繞線機(jī)內(nèi)部機(jī)械系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖 2 1 模型所示 圖 2 1 繞線機(jī)機(jī)械系統(tǒng) 主動(dòng)系統(tǒng) 自動(dòng)繞線機(jī)的主動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī) 主軸 聯(lián)軸器 減速器 同步帶 同 步帶輪 傳動(dòng)軸 工作軸及支撐件等組成 主動(dòng)系統(tǒng)的作用主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供 穩(wěn)定的動(dòng)力 當(dāng)工作時(shí) 電機(jī) 1 轉(zhuǎn)動(dòng) 帶動(dòng)聯(lián)軸器 1 所在的軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng) 經(jīng)過(guò)減速 器減速增距 將動(dòng)力傳遞給聯(lián)軸器 2 所在的軸 再將動(dòng)力依次傳遞給同步帶輪及同 步帶 傳動(dòng)軸 工作軸 當(dāng)動(dòng)力傳遞給工作軸的時(shí)候 就可帶動(dòng)線骨轉(zhuǎn)動(dòng) 與其他 系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作完成對(duì)線圈的繞制 氣動(dòng)夾緊系統(tǒng) 氣動(dòng)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(guò)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(fù)運(yùn)動(dòng) 并且能夠 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 8 充當(dāng)夾具從左側(cè)夾緊線骨 其不但能夠在軸向限制線骨滑動(dòng) 也能跟隨工作軸一起 轉(zhuǎn)動(dòng) 這就對(duì)氣動(dòng)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(dòng)夾緊系 統(tǒng)不能與工作軸之間發(fā)生先對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng) 才能確保繞線質(zhì)量 進(jìn)給系統(tǒng) 從圖 2 1 中可以看出 電機(jī) 2 滾珠絲杠 排線機(jī)構(gòu)構(gòu)成了進(jìn)給系統(tǒng) 主要功能是排線 繞制出來(lái)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(huì)出現(xiàn)過(guò)大縫隙和線與線之間出現(xiàn)重疊的情況 這一點(diǎn)需要排線機(jī)構(gòu)可線骨 之間天衣無(wú)縫的配合 線骨轉(zhuǎn)一圈 滾珠絲杠在電機(jī) 2 的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度 進(jìn)給系統(tǒng)的精度由伺服電機(jī)和滾珠絲杠來(lái)保證 放線系統(tǒng) 放線系統(tǒng)由電機(jī) 支撐件和輔助件構(gòu)成 的主要作用在于通過(guò)張緊 裝置來(lái)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(jié)實(shí) 2 2 主動(dòng)系統(tǒng)的工作原理 繞線機(jī)中主動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)至關(guān)重要的系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)比其他系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)系統(tǒng)工作圖解 主動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的聯(lián)系和動(dòng)力工作順序通過(guò)圖 2 3 一目了然 其動(dòng)力 傳遞順序也比較簡(jiǎn)單 在這里不再贅述 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 9 圖 2 3 動(dòng)力傳遞順序 2 3 進(jìn)給系統(tǒng)工作原理 進(jìn)給系統(tǒng)是故是一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 此系統(tǒng)通過(guò)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾珠絲 杠 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 10 的傳動(dòng)副來(lái)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 也同時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)線骨在工作軸上 左右移動(dòng) 通過(guò)與主動(dòng)系統(tǒng)配合 完成對(duì)漆包線的纏繞 使線十分緊密地 站立 在線骨上 進(jìn)給系統(tǒng)的局部放大圖如圖 2 4 所示 圖 2 4 進(jìn)給系統(tǒng)局部放大圖 進(jìn)給系統(tǒng)的三維立體圖如圖 2 5 所示 圖 2 5 進(jìn)給系統(tǒng)局部三維圖 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 11 2 4 氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)原理 氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)原理是將氣缸作為氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)的動(dòng)力源 將繞線機(jī)的左夾具安 裝在能夠移動(dòng)的滑臺(tái)上 不但能夠在滑臺(tái)上做往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng) 還能隨著工作軸進(jìn) 行同步的轉(zhuǎn)動(dòng) 夾具在直線導(dǎo)軌上進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng) 同時(shí)夾具對(duì)線骨做安裝與拆卸工 作 其行程為 使繞制線圈的工作能夠連續(xù)不斷地進(jìn)行 圖 2 6 為氣動(dòng)夾緊系20mm 統(tǒng)工作原理示意圖 圖 2 6 氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)工作原理 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 12 第 3章主動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 1 各部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì) 主運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)中繞線機(jī)的工作原理 首先電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將動(dòng)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(guò)自身減速增矩的作 用再將動(dòng)力通過(guò)同步帶輸送給傳動(dòng)軸 帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng) 因傳動(dòng)軸兩端都有同步帶 傳動(dòng) 再通過(guò)另一端的同步帶 將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給工作軸 整個(gè)系統(tǒng)得以有條不紊地進(jìn) 行 從理論上來(lái)說(shuō) 只要設(shè)定了工作軸的轉(zhuǎn)速 計(jì)算得到整個(gè)傳遞過(guò)程的總效率就 可推算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍 計(jì)算過(guò)程就是利用工作軸轉(zhuǎn)速除以總效率 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 13 為 軸的傳動(dòng)比 為 傳動(dòng)比 為 傳動(dòng)比 為 傳動(dòng)比 為減速器自 5 5 4 4 3 3 2 2 1 身的傳動(dòng)比 傳動(dòng)帶 與 的傳動(dòng)比都為 5 3 1 1 在設(shè)計(jì)中一般工作軸的轉(zhuǎn)速都存在著一定的范圍 這是長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)積累和實(shí)驗(yàn) 的結(jié)果 總體來(lái)說(shuō)不能夠低于 如果低于此數(shù) 不但浪費(fèi)能源 工作效率500 低下 而且由相對(duì)性原理 機(jī)器的體積就會(huì)相對(duì)變大 浪費(fèi)地理資源 如果高于轉(zhuǎn) 速的上限 整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)變得不再穩(wěn)定 機(jī)器工作時(shí)震動(dòng)比較大 同時(shí)噪音也會(huì)變 得異常強(qiáng)烈 而噪音對(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)也是一種污染 對(duì)工人也附近的居民都會(huì)造成不良 影響 在此取除了軸意外的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速相同 即 5 4 3 2 500 根據(jù)此繞線機(jī)的工作條件 技術(shù)參數(shù) 工作性能等因素 結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮 選 用單級(jí)圓柱齒輪減速器 齒輪為淬硬齒輪 查表知此種減速器傳動(dòng)比 i 1 故軸承有向左竄動(dòng)的趨勢(shì) 1 號(hào)軸承被 壓緊 2 號(hào)軸承被 放松 因?yàn)楣ぷ?時(shí) 軸不可能竄動(dòng) 則被 壓緊 的軸承會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力與派生軸向力之和來(lái)抵消使 軸竄動(dòng)的力 則有 1 夾 2 100 398 498 2 號(hào)軸承承受的力只有派向力 即 2 2 867 3 7 4 軸承的當(dāng)量載荷的計(jì)算 軸承的當(dāng)量載荷的計(jì)算公式為 P 軸承 1 的當(dāng)量動(dòng)載荷X 1 44 1 37 1 1 4 0 44 1275 1 37 967 1886 由軸承 2 的當(dāng)量動(dòng)載荷系數(shù) X 1 0 2 1 4 1 2776 0 3886 3 7 5 軸承壽命的計(jì)算 10660 2 103 10660 500 905003886 103 118905 軸承壽命滿足要求 軸承的參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求 3 8 傳動(dòng)軸參數(shù)校核 由于本設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)軸長(zhǎng)度大 如果用實(shí)心軸 它的質(zhì)量就會(huì)變得很大 軸本 身會(huì)發(fā)生變形 這樣在工作的時(shí)候 軸的震動(dòng)就會(huì)很大 產(chǎn)生噪聲 更為嚴(yán)重的是 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 28 工作時(shí)的穩(wěn)定性極差 嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致機(jī)身震動(dòng) 繞制的線圈不都會(huì)不符合要求 為 了增強(qiáng)穩(wěn)定性又能使軸滿足足夠的剛度 將軸設(shè)計(jì)為空心軸 傳動(dòng)軸質(zhì)量 外圓直徑 內(nèi)圓直徑 傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度 m 5 D 30 d 10 l 510 查表可知此類傳動(dòng)軸的彈性模量 傳動(dòng)軸工作時(shí)受力如圖 3 8 所示E 210 圖 3 8 傳動(dòng)軸受力模型 單位長(zhǎng)度的傳動(dòng)軸所受的載荷 q 5 9 80 51 96 抗扭截面系數(shù) 64 4 4 3 192 10 8 由于傳動(dòng)軸受力均勻 則可知傳動(dòng)軸的中點(diǎn)的撓度最大 根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可知 348 1 9 10 2 最大轉(zhuǎn)角在 a b 兩端 由材料力學(xué)知識(shí)可知 216 5 6 10 5 經(jīng)過(guò)計(jì)算傳動(dòng)軸撓度的極值和轉(zhuǎn)角極值的計(jì)算 再與軸的標(biāo)準(zhǔn)極值和轉(zhuǎn)角對(duì)比 顯 然軸的各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 29 3 9 花鍵的設(shè)計(jì)及校核 鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)件 作用是連接軸和輪轂以達(dá)到傳遞扭矩的功能 也可以使零件 固定在軸上 也可實(shí)現(xiàn)在軸向上的導(dǎo)向作用 再本設(shè)計(jì)中 花鍵的作用是連接軸和 聯(lián)軸器 花鍵的載荷分布不均與系數(shù) 取 0 7 0 8 0 7 計(jì)算花鍵的最小直徑 d 3 3 114 32 16500 17 1 根據(jù)最小直徑選擇花鍵副 選擇 6 32 7 7 36 10 10 6 11 10 引入的系數(shù) 是用來(lái)考慮實(shí)際載荷在花鍵上非配不均的影響 花鍵連接的強(qiáng)度 校核分為靜連接校核和動(dòng)連接的校核 靜連接 2000 41 67 100007 8 35 1 88 5 2 24 60 100 動(dòng)連接 p 4 103 2 24 30 60 故花鍵符合設(shè)計(jì)要求 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 30 第 4 章進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)與選擇 要設(shè)計(jì)出合理的進(jìn)給系統(tǒng)方案需要知道此系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式 知道了系統(tǒng)的運(yùn)行 方式再反推出進(jìn)給系統(tǒng)方案 經(jīng)過(guò)這種程序設(shè)計(jì)出來(lái)的方案 才是最符合要求的方 案 設(shè)計(jì)過(guò)程中需要反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 通過(guò)仔細(xì)觀察 確定所選擇的方案一定會(huì)使進(jìn) 給系統(tǒng)反復(fù)得平穩(wěn)得做直線運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過(guò)各個(gè)方案的對(duì)比最終敲定使用伺服電機(jī)和滾珠絲杠的方案 伺服電機(jī)加滾 珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)十分明顯 首先這種方案消耗能量少 運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性非常高 而且 這種結(jié)構(gòu)易于安裝 維護(hù)方便 省時(shí)省力 這種結(jié)構(gòu)性價(jià)比也非常高 綜合各種情 況與因素 最終決定使用滾珠絲杠和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的組合方案 4 1 1 滾珠絲杠 由于繞線機(jī)中使用了滾珠絲杠這種傳動(dòng)副零件 在傳動(dòng)過(guò)程中一定會(huì)受到力和 力矩的作用 理論上要對(duì)滾珠絲杠的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行校核 根據(jù)繞線機(jī)的工作情況 進(jìn)給過(guò)程需要有很高的精度要求 而精度高是基于靈 敏度高 間隙小的基礎(chǔ)之上 又由于滾珠絲杠能承受的負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于繞線機(jī)的額定 負(fù)載 但根據(jù)實(shí)際情況 滾珠絲杠的性能不需要校核 4 1 2 張緊裝置 在本設(shè)計(jì)中不需要設(shè)計(jì)新的夾緊元件 使用市面上的張緊裝置即可 因?yàn)楫?dāng)前 的電氣夾緊控制技術(shù)已經(jīng)十分完善 只需按照自己的需要來(lái)選擇即可 唯一需要改 進(jìn)的地方就是要使之適應(yīng)新型繞線機(jī)的工作要求 本設(shè)計(jì)中使用的張緊裝置要求較高 不但可以自動(dòng)檢測(cè)繞線機(jī)繞制線圈的銅線 張力 還能實(shí)時(shí)對(duì)張緊力進(jìn)行控制 該張緊裝置要安裝在滑動(dòng)工作臺(tái)上 其功能還兼 有排線 導(dǎo)向等作用 圖 4 1 為市面上常見(jiàn)的張緊裝置 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 31 圖 4 1 市面上的張緊裝置 4 2 張緊裝置中螺栓強(qiáng)度的校核 本設(shè)計(jì)中的螺栓使用普通螺栓 在張緊裝置中 螺栓的排列結(jié)構(gòu)和受力模型如圖 4 2 所示 且對(duì)其受力進(jìn)行分析 得螺栓 2 所受的力最大 圖 4 2 螺栓排列結(jié)構(gòu)及受力分析 在橫向力 的作用下 六個(gè)螺栓所受的橫向力相同 F橫 F 總6 11006 183 33 則螺栓 所受力 2 2 6 1 1 2 3240 5 199 4 10 2 8 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 32 3 螺栓直徑 合 2 d 4 1 3 合 9 8 由計(jì)算結(jié)果選用 M10 的螺栓 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 33 第 5 章氣動(dòng)夾緊系統(tǒng) 5 1 夾具與工作軸的配合 夾具在工作軸上的位置不固定 因?yàn)?在裝卸的過(guò)程中 夾具要在工作軸上滑 動(dòng) 在繞制線圈的過(guò)程中 夾具要隨著工作軸轉(zhuǎn)動(dòng) 夾具與工作軸的此種相對(duì)狀態(tài) 的實(shí)現(xiàn)基于夾具上設(shè)有軸承 外圈固定在夾具上 套筒和工作軸之間要用花鍵連接 為了直觀體現(xiàn)夾緊元件的的工作過(guò)程 用圖 5 1 表示 圖 5 1 加緊原件工作過(guò)程 5 2 氣缸的選擇與尺寸計(jì)算 氣缸在氣動(dòng)夾緊系統(tǒng)中的安裝方式如圖 5 2 所示 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 34 圖 5 2 氣缸的安裝方式 由于繞線機(jī)的工作頻率低 則設(shè)定負(fù)荷率 計(jì)算氣缸的缸徑時(shí) 須知道 0 8 夾緊力 和氣缸的工作壓力 設(shè)夾緊力為 氣缸壓力 則缸徑 100N P 0 6MPa D 4 4 1003 14 0 6 0 8 16 氣缸的選用都有推薦值 根據(jù)推薦值選擇直徑 的氣缸 選擇 系列氣缸中20mm QGX 型號(hào) 的氣缸 QGD20 20 5 3 導(dǎo)軌的選擇 本設(shè)計(jì)中 繞線機(jī)在工作時(shí) 它的進(jìn)給系統(tǒng)做的是反復(fù)的直線運(yùn)動(dòng) 故進(jìn)給需 要有一個(gè)導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向 經(jīng)過(guò)對(duì)比與考察 發(fā)現(xiàn)直線導(dǎo)軌具有與承載負(fù)載力大 互 換性較高 安裝起來(lái)也十分方便 故最終采用了直線導(dǎo)軌 根據(jù)負(fù)載大小 使用時(shí)的條件和預(yù)期的使用壽命 來(lái)選擇直線導(dǎo)軌副 目前的 直線導(dǎo)軌的生產(chǎn)廠家都對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行了系列劃分 本設(shè)計(jì)中的夾具質(zhì)量小 形 成小 安裝時(shí)的空間也不大 綜合各種原因 選用臺(tái)灣 HIWIN 生產(chǎn)的 MGW 系列的 窄型導(dǎo)軌 滑塊的安裝方式和直線導(dǎo)軌的安裝方式如圖 5 2 1 和圖 5 2 2 所示 圖 5 3 滑塊安裝方式 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 35 圖 5 4 直線導(dǎo)軌安裝方式 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 1 結(jié)論 繞線機(jī)是把漆包線纏繞在工件上的電氣加工設(shè)備 自動(dòng)完成排線與繞線 而構(gòu) 成這樣一臺(tái)機(jī)器 需要很多自動(dòng)化的系統(tǒng)和控制類元件 例如控制系統(tǒng) 傳動(dòng)系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng) 人機(jī)交互界面和各種傳感器 本設(shè)計(jì)中的立式高速自動(dòng)繞線機(jī)與傳動(dòng)繞 線機(jī)相比較有很大的改進(jìn) 閉環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用 提高了生產(chǎn)的精度 全自動(dòng)化替代了 半自動(dòng)化 生產(chǎn)效率大大提高 降低來(lái)了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 本設(shè)計(jì)中的繞線機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)于老式繞線機(jī)結(jié)構(gòu)比較明晰 因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì) 各個(gè)系統(tǒng)的位置和系統(tǒng)中得各個(gè)部件的相互關(guān)系進(jìn)行了最優(yōu)的布置 還用 CAD 繪圖 軟件對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)做出來(lái)簡(jiǎn)圖 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性可見(jiàn)一斑 已存的繞線機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較 混亂 這就浪費(fèi)了部分不必要的空間 本設(shè)計(jì)中的繞線機(jī)具有精度不俗的特點(diǎn) 主要是經(jīng)過(guò)仔細(xì)斟酌對(duì)比使用了最合 適的部件 比如聯(lián)軸器 電機(jī) 花鍵 螺栓等這些標(biāo)準(zhǔn)件 都是經(jīng)過(guò)多方對(duì)比有確 定選擇出來(lái)的 而對(duì)于軸 同步帶 同步帶輪等的尺寸首先進(jìn)行了周密的設(shè)計(jì)計(jì)算 并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了校核確保其能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn) 就目前能源的發(fā)展來(lái)看 電能的應(yīng)用越來(lái)月廣 而電能轉(zhuǎn)換成其他的能源需要 電動(dòng)機(jī)這類設(shè)備 而這些設(shè)備中的關(guān)鍵在于線圈的繞制 故全自動(dòng)新型繞線機(jī)的研 制變得非常關(guān)鍵 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 2 致謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)歷經(jīng)四個(gè)月終于完成了 內(nèi)心十分高興 更多的感激 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的 過(guò)程中 我遇到了很多困難 我去請(qǐng)教老師 我去請(qǐng)教同學(xué) 我去查閱資料 是老 師 同學(xué)與諸多的科研工作者的工作成果的幫助 我才得以順利解決困難 在這里我感謝我的指導(dǎo)老師蔡軍老師 是她為我提供了立式高速自動(dòng)繞線機(jī)這 樣一個(gè)緊跟時(shí)代潮流的項(xiàng)目 經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì) 我真的學(xué)會(huì)了很多東西 內(nèi)心特別充 實(shí) 而且在設(shè)計(jì)中 我遇到困難就去請(qǐng)教老師 全程老師其力親為 孜孜不倦地為 我解答 幫我搜集資料等 在大學(xué)生涯當(dāng)中能遇到這樣一位良師益友 我真是感到 莫大的榮幸 在這里 我要對(duì)老師說(shuō)聲謝謝 也要對(duì)幫助過(guò)我的同學(xué)說(shuō)聲謝謝 是 你們的幫助才能使我順利地完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 3 參考文獻(xiàn) 1 趙曉東 董哲 王敏 全自動(dòng)繞線機(jī)的研制 J 電子工業(yè)專用設(shè)備 2010 39 11 41 45 2 王學(xué)智 王臧 龔東軍 電壓互感器繞線機(jī) PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào) 2016 35 1 56 60 3 趙鋼 羅銀賓 全自動(dòng)繞線機(jī) 專利 2014 4 金晶 節(jié)能燈鎮(zhèn)流器線圈全自動(dòng)繞線機(jī)的研發(fā) 浙江理工大學(xué) 2012 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 4 5 王超 一種能自動(dòng)調(diào)速的繞線機(jī)設(shè)計(jì) J 機(jī)械工程與自動(dòng)化 2016 6 6 張晶晶 立式繞線機(jī)的研究與設(shè)計(jì) J 電氣制造 2011 6 58 59 7 熊勁松 自適應(yīng)式繞線機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) J 機(jī)械研究與應(yīng)用 2010 3 133 134 8 伍曉亮 田懷文 江曉亮 徐志彪 精密電阻繞線機(jī)送絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn) J 現(xiàn)代制造工 程 2016 1 105 109 9 王敏 楊兆建 張建軍 細(xì)微線空心繞線機(jī)的研究 J IC 制造與設(shè)備 2009 173 44 46 10 歐陽(yáng)一鵬 趙汝炫 電阻繞線機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn) J 硅谷 2013 5 22 23 11 許中明 董逢 周利明 一種新型數(shù)控立式繞線機(jī)的研制 J 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2009 7 2 12 何國(guó)強(qiáng) 胡梓玉 切割鋼絲用拉絲機(jī)和收線機(jī)的電氣控制原理分析 C 2011 金屬制品行業(yè)技 術(shù)信息交流會(huì)論文集 中國(guó)金屬學(xué)會(huì) 2011 125 127 13 William D Brown Advanced Electronic Packaging with Emphasis on Multichip Modulse M 14 JEDEC Solid State Technology Association JESD22 A104C S Temperature Cycing May 2005 15 Betthu J D Engineering Design and Graphics with Autodesk Inventor 2008 M Upper Saddle River Prentics Hall Press 2007 39 42 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 5 附錄一 材料加工技術(shù)雜志 140 2003 211 216 精密光學(xué)產(chǎn)品虛擬加工的數(shù)控工具 WB Lee D Gao C F Cheung J G Li 工業(yè)和系統(tǒng)工程系 香港理工大學(xué) HungHom 香港 香港 中國(guó)公共關(guān)系 摘要 在本論文中 提出了超精密金剛石車削的虛擬加工系統(tǒng) VMS 并討論了該 系統(tǒng)中數(shù)控刀具軌跡編譯器的功能 區(qū)別于基于刀位數(shù)據(jù)文件的商業(yè) CAD CAM 軟 件 本文所開發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)是基于數(shù)控程序開發(fā)的 在該系統(tǒng)中 采用實(shí)際機(jī) 床的數(shù)控程序來(lái)控制虛擬機(jī)床 數(shù)控刀具軌跡編譯器包括詞法和詞義分析 語(yǔ)法和 語(yǔ)義解析 驅(qū)動(dòng)代碼生成等幾部分 本文以制造衍射透鏡的模具襯墊作為研究實(shí)例 闡述了所開發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)的性能 關(guān)鍵詞 虛擬制造 數(shù)控刀具軌跡 金剛石車削 光學(xué)產(chǎn)品 引言 虛擬制造 VM 是一項(xiàng)新興技術(shù) 區(qū)別于對(duì)實(shí)物的真實(shí)操作 該技術(shù)包含了建 模 模擬和人工智能等計(jì)算機(jī)制造活動(dòng) 1 最近幾年來(lái) 許多研究工作 2 9 一直致 力于研究虛擬加工的框架 圖形界面和可視化算法 實(shí)際生產(chǎn)前的模擬可以提高生 產(chǎn)效率 已做的研究工作為優(yōu)化生產(chǎn)活動(dòng) 提高生產(chǎn)效率提供了工具 但很很好有 人注意到數(shù)控刀具軌跡編譯有助于數(shù)控機(jī)床的數(shù)控代碼在執(zhí)行前被驗(yàn)證 數(shù)控刀具 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 6 軌跡編譯器是虛擬加工系統(tǒng)中最重要的功能模塊之一 本文中的虛擬加工系統(tǒng)應(yīng)用 于超精密金剛石車削光學(xué)產(chǎn)品 本文詳細(xì)討論了該系統(tǒng)中軌跡編譯器的設(shè)計(jì) 2虛擬加工系統(tǒng)和虛擬加工系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì) 超精密光學(xué)產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方法 2 如圖 1 a 所示 在圖 1 a 中 設(shè) 計(jì) 原型 評(píng)價(jià)的過(guò)程在本質(zhì)上是個(gè)迭代累試的過(guò)程 這些步驟不僅昂貴 而且費(fèi) 時(shí) 在虛擬加工中 產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到實(shí)際投入生產(chǎn)的過(guò)程中 設(shè)計(jì)和資源優(yōu)化的可行 性可以先于任何制造資源 任何昂貴的廢料產(chǎn)生前被給予考慮 圖 1 b a 超精密光學(xué)產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造方法 b 超精密光學(xué)產(chǎn)品的虛擬加工設(shè)計(jì)和制造方法 圖 1 精密光學(xué)產(chǎn)品的傳統(tǒng)方法與制造方法的比較 圖 2 所示為虛擬加工系統(tǒng)的功能模塊 該虛擬加工系統(tǒng)應(yīng)用于金剛石精密切削 光學(xué)產(chǎn)品 首先將光學(xué)產(chǎn)品的技術(shù)要求設(shè)計(jì)導(dǎo)入到光學(xué)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與最優(yōu)化功能模 塊 使用如 ZEMAX 軟件包等的計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)光學(xué)產(chǎn)品的技術(shù)要求 然后數(shù)控程序生成功能模塊使用如刀具軌跡生成器 TPG 軟件包等的計(jì)算機(jī)輔助 軟件生成該光學(xué)產(chǎn)品的數(shù)控程序 該數(shù)控程序在數(shù)控刀具軌跡編譯功能模塊被驗(yàn)證 如果在數(shù)控程序中有任何詞法和語(yǔ)法錯(cuò)誤 錯(cuò)誤信息會(huì)反饋到數(shù)控程序生成功能模 塊 從而修改該數(shù)控程序 這一過(guò)程將一直繼續(xù)到?jīng)]有錯(cuò)誤存在 驅(qū)動(dòng)虛擬單點(diǎn)金 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 7 剛石切削 SPDT 的命令代碼也在此時(shí)產(chǎn)生 在虛擬的單點(diǎn)金剛石切削模塊中 執(zhí) 行三維 3D 圖形仿真 評(píng)估切削用量 例如切削速度 主軸轉(zhuǎn)速和切削深度 像 干涉和碰撞這些切削錯(cuò)誤會(huì)在該模塊中被檢測(cè)到 如果有干涉或碰撞發(fā)生 那么將 重新設(shè)置切削用量或者修改數(shù)控程序 在虛擬檢測(cè)功能模塊中 已加工的虛擬透鏡 被給予評(píng)價(jià) 該評(píng)估結(jié)果反饋到光學(xué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和最優(yōu)化功能模塊 用于改善透鏡的 設(shè)計(jì) 直到獲得滿意的透鏡 最后 合格透鏡的設(shè)計(jì)和制造信息被輸出到實(shí)際的生 產(chǎn)過(guò)程 即迭代的設(shè)計(jì) 加工 評(píng)估過(guò)程完全由虛擬加工系統(tǒng)所完成 而沒(méi)有任何 廢料產(chǎn)生 虛擬制造方法的主要過(guò)程示意圖如圖 3 所示 圖 2 虛擬加工系統(tǒng)的功能模塊 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 8 圖 3 虛擬教工的主要過(guò)程示意圖 3虛擬加工系統(tǒng)中的數(shù)控刀具軌跡編譯模塊 數(shù)控程序的生成主要是通過(guò)兩個(gè)模塊 一個(gè)模塊是計(jì)算機(jī)輔助制造 CAM 模 塊 CAM 模塊根據(jù)所設(shè)計(jì)的零件 刀具路徑計(jì)算出刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡 另一個(gè)模塊是 機(jī)床控制器獨(dú)立刀具位置數(shù)據(jù) CLDATA 文件的輸出結(jié)果 刀具位置數(shù)據(jù)文件在 數(shù)控后處理模塊中產(chǎn)生 用于運(yùn)行具體的數(shù)控程序的文件 這兩個(gè)步驟依舊涉及大 量的人為干預(yù)和指導(dǎo) 在數(shù)控程序中始終有可能存在錯(cuò)誤 如出現(xiàn)意外事故 詞匯 錯(cuò)誤 語(yǔ)法錯(cuò)誤 加工參數(shù)錯(cuò)誤 刀具和夾具之間的干涉等錯(cuò)誤 盡管像 Unigraphics 和 MASTERCAM 等的商業(yè) CAD CAM 軟件可以執(zhí)行刀具軌跡模擬 但 是他們往往是根據(jù)刀具位置數(shù)據(jù)文件 本文中所開發(fā)的虛擬制造系統(tǒng)是基于數(shù)控程 序的系統(tǒng) 在虛擬加工系統(tǒng)中 真實(shí)機(jī)床的數(shù)控代碼控制機(jī)床三維圖形模型運(yùn)動(dòng) 數(shù)控加工刀具軌跡編譯器通常負(fù)責(zé)檢查數(shù)控程序和計(jì)算用來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床的驅(qū)動(dòng)命 令代碼 刀具位置編譯 CLT 的實(shí)施是很簡(jiǎn)單的 而且刀具位置數(shù)據(jù)文件直接提 供了刀具位置 此外 這些刀具位置數(shù)據(jù)文件沒(méi)有語(yǔ)法和語(yǔ)義錯(cuò)誤 然而因?yàn)閿?shù)控 刀具軌跡編譯器包括詞法和詞義分析 語(yǔ)法和語(yǔ)義解析 驅(qū)動(dòng)代碼的產(chǎn)生等功能 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 9 所以數(shù)控刀具軌跡編譯的實(shí)施比刀具位置編譯要困難的多 圖 4 所示為擬議的數(shù)控刀具軌跡編譯器的框架 它由三個(gè)主要部分組成 第一 部分是預(yù)處理器 它是用來(lái)進(jìn)行預(yù)處理工作的 如省去評(píng)論和空格有助于閱讀 但 是預(yù)處理器不負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng) 第二部分主要是由詞法分析儀和語(yǔ)法分析器組成 它們分別檢查數(shù)控程序中的詞匯和語(yǔ)法錯(cuò)誤 每當(dāng)需要新的口令時(shí) 語(yǔ)法解析將調(diào) 用詞法分析儀 然后詞法分析儀將返回給語(yǔ)法分析器和該口令相關(guān)的詞位 數(shù)控刀 具軌跡編譯的第二部分將逐句地檢查數(shù)控程序 在數(shù)控程序中 如果有任何詞匯或 語(yǔ)法錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn) 該數(shù)控系統(tǒng)不僅會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤的位置和類型 而且會(huì)給出一些糾正 錯(cuò)誤的建議 該數(shù)控編譯的第三部分是基于數(shù)控程序?qū)η邢鬈壽E進(jìn)行插補(bǔ) 第三部 分將輸出刀具位置信息的同時(shí)輸出機(jī)床狀態(tài) 例如機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速 刀具號(hào) 冷卻 條件等 第三部分有助于驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床 圖 4 數(shù)控刀具翻譯的骨架 3 1 詞法分析儀和語(yǔ)法解析器 LASP 設(shè)計(jì)詞法分析儀和語(yǔ)法解析器是為了檢查數(shù)控程序中的詞法和語(yǔ)法錯(cuò)誤 詞法 分析儀和語(yǔ)法解析器的工作流程說(shuō)明如圖 5 詞法分析儀首先從數(shù)控程序中讀取數(shù) 控代碼 被命名為塊 然后按單刀金剛石切削 G 代碼的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表逐句檢查 NC 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 10 代碼 如果有像字符錯(cuò)誤 地址錯(cuò)誤這樣的詞法錯(cuò)誤被發(fā)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)屏幕上將會(huì)顯 示出錯(cuò)誤以及錯(cuò)誤所在的位置 同時(shí)將錯(cuò)誤報(bào)告保存 接下來(lái) 將已分析過(guò)的數(shù)控 塊輸入到語(yǔ)法解析器模塊 在語(yǔ)法解析器模塊中檢查 NC 程序的語(yǔ)法錯(cuò)誤 如果發(fā) 現(xiàn)有例如錯(cuò)誤的主軸速度 錯(cuò)誤的刀具號(hào)等語(yǔ)法錯(cuò)誤 那么錯(cuò)誤和錯(cuò)誤的位置也會(huì) 顯示和保存 詞法分析和語(yǔ)法解析的過(guò)程將一直重復(fù)分析其他的數(shù)控塊 直到分析 完所有的數(shù)控程序中所有的數(shù)控塊 如果分析和解析的結(jié)果表明 程序中仍然存在 某些錯(cuò)誤 數(shù)控程序應(yīng)當(dāng)再次被糾正和編輯 直到在該數(shù)控程序沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何錯(cuò)誤 如上所述的編輯過(guò)程才停止重復(fù) 最后 已校正的數(shù)控程序?qū)⑦M(jìn)入下一部分 從而 生成驅(qū)動(dòng)代碼 圖 5 詞法分析儀和原發(fā)解析器的工作流程圖 3 2 虛擬單刀金剛石切削的代碼生成器 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 11 數(shù)控程序是一個(gè)用于控制數(shù)控機(jī)床工作的指令集 該程序包括一些塊 這些塊 包含塊編號(hào) 預(yù)備功能 坐標(biāo)值 進(jìn)給功能 主軸功能 刀具功能 輔助功能等的 信息 代碼生成器的作用是根據(jù)數(shù)控代碼找出相關(guān)信息用來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床 G 代碼 通常被分成不同的組 不同組的 G 代碼可以被同一個(gè)塊多次調(diào)用 除非這些被分組 的 G 代碼在同組中被代替 否則分組后的 G 代碼都是模塊化且一直有效的 其他的 G 代碼只有在指定的塊中有效 也并非模塊化的 在這個(gè)虛擬加工中 G 代碼由下 面的結(jié)構(gòu) classCGCommand 代表 如圖 6 所示 在數(shù)控程序中 classCGCommand 結(jié)構(gòu)方便了 G 命令的校正過(guò)程 圖 6 classCGCommand 的結(jié)構(gòu) 圖 7 所示是帶刀具半徑補(bǔ)償?shù)牡毒哕壽E插補(bǔ)說(shuō)明圖 實(shí)線代表著工件的輪廓 虛線代表刀具軌跡 結(jié)果表明 在計(jì)算機(jī)的緩存中同時(shí)需要兩個(gè)塊的信息 用來(lái)計(jì) 算點(diǎn) 2 附近的補(bǔ)償值 點(diǎn) 2 是工件的角點(diǎn) 圖 7 帶刀具半徑補(bǔ)償?shù)牡毒哕壽E插補(bǔ) 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 12 圖 8 所示是生成虛擬單刀金剛石切削驅(qū)動(dòng)代碼的過(guò)程 已模塊化的 G 代碼和一 些像 X Z 這樣的詞 通常在最開始被寫入 并且除非它們被改變 否則在以后的 數(shù)控代碼中它們將被省略 為了能在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行刀具軌跡的插補(bǔ) 應(yīng)按照塊結(jié)構(gòu) 的格式填寫數(shù)控代碼 計(jì)算機(jī)同時(shí)讀入兩個(gè)塊 從而進(jìn)行帶刀具半徑補(bǔ)償?shù)牡毒哕?跡插補(bǔ) 為了確定點(diǎn) 2 和點(diǎn) 3 的坐標(biāo) 以及以何種方式對(duì)在點(diǎn) 2 附近進(jìn)行刀具軌跡 插補(bǔ) 需要預(yù)處理塊 2 和塊 1 塊 1 是基于 SPDT 機(jī)床控制規(guī)范的刀具軌跡插補(bǔ)計(jì) 算 詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)圖 9 所求插補(bǔ)結(jié)果用來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬機(jī)床 圖 8 生成驅(qū)動(dòng)代碼的過(guò)程 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 13 圖 9 執(zhí)行塊 1 的過(guò)程 4實(shí)例研究 在本論文中 插入一個(gè)衍射透鏡模具襯墊的制造作為實(shí)例 用來(lái)說(shuō)明 VMS 中 數(shù)控刀具軌跡編譯模塊的性能 圖 10 是衍射透鏡模具襯墊的設(shè)計(jì)技術(shù)要求 根據(jù)此 設(shè)計(jì)技術(shù)要求產(chǎn)生待加工模具的數(shù)控程序 加工模具襯墊之前 在所開發(fā)的虛擬 SPDT 系統(tǒng)中驗(yàn)證數(shù)控程序和模擬襯墊的可加工性 圖 11 所示是數(shù)控程序的檢查結(jié) 果 圖 11 a 是在 NC 程序中有語(yǔ)法錯(cuò)誤的情況 檢查結(jié)果不僅指出錯(cuò)誤的位置和 類型 而且建議出糾正方法 圖 11 b 所示是沒(méi)有任何錯(cuò)誤的數(shù)控程序的檢查結(jié) 果 圖 12 a 所示是被模擬的刀具軌跡 圖 12 b 和圖 12 c 所示是被加工模 具襯墊的 2 維和 3 維模型 它們均表明數(shù)控刀具軌跡的編譯可以有效的履行其職能 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 14 圖 10 模具襯墊的設(shè)計(jì)技術(shù)要求 圖 11 數(shù)控程序的檢查結(jié)果 5結(jié)論 本文闡述了一種概念性的超精密金剛石車削的虛擬加工系統(tǒng) 并詳細(xì)討論了虛 擬加工系統(tǒng)中數(shù)控刀具軌跡編譯器模塊 數(shù)控刀具軌跡編譯器包括詞法和詞義分析 語(yǔ)法和語(yǔ)義分析 驅(qū)動(dòng)代碼生成等部分 由于所開發(fā)的虛擬加工系統(tǒng)是由數(shù)控程序 控制 所以可以在實(shí)際生產(chǎn)之前確保數(shù)控代碼的正確性 通過(guò)引用實(shí)例 衍射透鏡 模具襯墊的制造 說(shuō)明數(shù)控刀具軌跡編譯器的性能 模擬仿真結(jié)果表明 數(shù)控刀具 軌跡編譯功能可以有效的發(fā)揮其職能 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 15 a 刀具軌跡 b 加工衍射透鏡的模擬結(jié)果 c 已加工模具沉淀的三維模型 圖 12 加工衍射透鏡的模擬結(jié)果 感謝 作者在此表示誠(chéng)摯的感謝駐中國(guó)香港特別行政區(qū)的研究資助局對(duì)本項(xiàng)目的財(cái)政 資助 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 16 參考文獻(xiàn) 1 M Onosato K Iwata 通過(guò)集成產(chǎn)品模型和工廠模式對(duì)虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā) 機(jī)械工程研究所 42 1 1993 475 478 2 C F Cheung W B Lee 金剛石精密的虛擬加工的檢查系統(tǒng)的框架 J Mater Process 出版社 119 2001 27 40 3 巖田光 米小野里 光寺本 第大崎 虛擬制造虛擬加工系統(tǒng)作為集成制造 資源的先進(jìn)信息基礎(chǔ) 機(jī)械工程研究所 46 1 1997 335 338 4 K I Lee S D Noh 虛擬制造系統(tǒng) 工程活動(dòng)的測(cè)試床 機(jī)械工程研究所 46 1 1997 347 350 5 S Ho S Sarma Y Adachi 刀具和環(huán)境之間的實(shí)時(shí)分析與干預(yù) 電腦輔助設(shè) 計(jì) 33 2001 935 947 6 Y C Chung J W Park H Y Shin B K Choi 廣義數(shù)控加工的表面建模 計(jì) 算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 30 1998 587 594 7 C L Liu D M Esterling J Fontdecaba 運(yùn)用擴(kuò)展四叉樹法對(duì)數(shù)控加工型 材的尺寸校核 計(jì)算機(jī)輔助 28 1996 845 852 8 D Blackmore M C Leu 凸線輥形包絡(luò)線微分方程的算法及其在數(shù)控加工應(yīng) 用中的驗(yàn)證 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 29 1997 629 637 9 W B Lee C F Cheung J G Li 材料加工中的虛擬制造應(yīng)用 J Mater Process 出版社 5054 2001 1 8 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 17 附錄二 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 18 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 19 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 20 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 21 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 22 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 23 立式高速自動(dòng)繞線機(jī)設(shè)計(jì) 24