铜管绕线机设计含7张CAD图
铜管绕线机设计含7张CAD图,铜管,绕线机,设计,cad
摘要绕线机在日常生活和工业生产中有着广泛的应用。传统的机械式绕线机大多采用人工排线,在效率、质量、成本等方面存在着诸多弊端。随着互联网和数控技术的发展以及新工业时代的到来,绕线机的原理和结构不断优化,控制系统也由人工升级为了数字系统并逐步向更加先进的人工智能方向发展,这在很大程度上推动了全球制造业的发展和工业化进程。我国在绕线机的自主设计生产上较传统机械强国德、日、美等还有较大的差距,对绕线机的诸多关键技术仍没有掌握,众多型号的绕线机机头依赖进口。本课题对铜管绕线机的研究将致力于绕线机在排线、主轴进给、线卷轴、支架等结构的优化设计;对绕线机的工作原理进行论述;分析绕线过程中的张力控制,设计合理的张力控制系统;对滑块进行有限元分析,优化其工作性能,最后通过选用先进的总控制系统,使整个绕线机工作流程更加完整、连贯、高效。最后通过工程预算,初步估计绕线机的经济性。关键词:工业化 绕线机 控制系统 张力控制 AbstractWinding machine is widely used in daily life and industrial production. Most of the traditional mechanical winding machines use manual wiring, which has many drawbacks in efficiency, quality and cost. With the development of Internet and numerical control technology and the arrival of the new industrial era, the principle and structure of the winding machine are constantly optimized, and the control system is upgraded from manual to digital system and gradually develops towards more advanced artificial intelligence, which, to a large extent, promotes the development and industrialization of the global manufacturing industry. China in the independent design and production of winding machine compared with the traditional machinery power Germany, Japan, the United States and so on still have a big gap, to winding machine many key technologies have not mastered, many models of winding machine head rely on imports.The research on copper tube winding machine will be devoted to the optimization design of winding machine structure, such as lining, spindle feed, wire reel and bracket. The working principle of the winding machine is discussed. The tension control in winding process is analyzed and a reasonable tension control system is designed. The finite element analysis was carried out on the slider to optimize its working performance. Finally, the advanced general control system was selected to make the whole winding machine work flow more complete, coherent and efficient. Finally, the project budget is used to estimate the economy of the winder.Key words: Industrial; Winding Machine ;Control System; Tension Control目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题研究背景及意义11.1.1课题研究的背景11.1.2课题研究的意义11.2国内外研究现状11.3论文主要内容及章节安排2第二章 铜管绕线机总体设计42.1引言42.2目前国内用机42.3铜管绕线机装配图62.4铜管绕线机工作原理62.4.1总体工作流程62.4.2线圈绕制原理72.5最终方案的具体设计72.5.1主轴进给机构72.5.2排线机构82.5.3线卷轴结构102.5.4支架结构112.6 关于张力控制的研究112.6.1张力控制的必要性112.6.2张力控制国内研究现状112.6.3 工业中用到的张力控制方法122.6.4 张力控制系统组成132.7本章小结13第三章 控制系统的设计143.1引言143.2控制系统需要实现的功能143.3控制系统设备选择143.3.1主控制器选择143.3.2操作系统选择153.4监控系统的基本任务和要求173.5监控界面选择173.6本章小结17第四章 滑块有限元分析194.1引言194.2预处理194.2.1模型导入194.2.2物料设置和分配194.3网格化214.5结果分析234.6 本章小结24第五章 工程定额预算255.1绕线机机械主体预算255.2绕线机的维修成本控制265.3工作环境与可持续发展26结论27参考文献28致谢30IV第一章 绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题研究的背景近年来随着互联网和数控技术的发展,传统机械正在向嵌入数字控制系统的方向发展。我国制造业自改革开放来取得快速发展,对各种机械产品的质量和数量要求不断提高,2018年我国线圈总产量达到600多亿只,线圈的销售额也在逐年快速增长,从2016年的30.58亿美元增长到2019年的50.33亿美元,未来数年线圈市场的销售规模都将保持25以上的增长。新科技的应用使得绕线机不断向智能化,高速化,精密化和操作简易化的“新机械”方向发展。其中绕线机应用相当广泛,小到缝纫机所需线圈大到水利工程、航空航天所需大型电机,因此绕线机的发展在机械现代化中最具代表意义。虽然近年来我国绕线机技术取得了一定进步,但相较于诸多传统机械大国,如美国,日本,德国,意大利等还有较大的差距,尤其是在绕线机机头,伺服控制,人机交互等方面比较落后。1.1.2课题研究的意义绕线机广泛应用于人们日常生活的方方面面,而我国对绕线机所掌握的技术非常有限。铜管绕线机虽与普通缠绕现状物绕线机有着一些差别,但很多机构的设计都可互通互用。所以本课题的研究对管状和线状物体缠绕设备的研究都具有重大意义。本课题(铜管绕线机)将着力对排接线装置,张紧机构,主轴进给机构,绕线机支架,线卷轴结构等进行创新设计其中采用的丝杠排线机构将具有更大的传动比和更高的精度;主轴采用矩形花键轴设计,来减小应力集中,增大承载能力;支撑机构采用两个轴承箱作支撑,采用深沟球轴承,消除轴向载荷。并对各零件进行有限元分析,对各元件的特性进行分析和优化,最后给予布局优化,设计出一套完整,实用的铜管绕线机。1.2国内外研究现状随着互联网和数控技术的发展,传统纯机械式绕线机正在被数控系统控制的新型绕线机所取代。我国由廖建明参与设计的多轴全自动绕线机处于国际领先地位,其设计的16轴绕线机实现了全自动绕线生产,最高转速可达18000rpm;采用的xyz三轴联动部件和8工位转盘式结构等极大提高了生产效率和质量;另外由哈尔滨理工大学团队设计的全自动变压器绕线机也处于世界领先水平。总体来说国外部分国家在绕线机控制部分(即伺服驱动器)实现了全闭环,生产效率更高,如日本三菱伺服驱动器,在保持高性能的前提下对功能进行限制的AC伺服非常先进;美国高曼公司生产的环形伺服机型在环形绕线机领域遥遥领先。在环形绕线机的排线技术方面日本德国较为先进,我国机头大部分为进口,近年来我国西华大学关于边滑式绕线机的研究取得一定突破。在人机交互控制屏方面我国也处于落后水平,人机交互正在朝着智能化方向发展,如大型触摸屏,人机对话;我国百度公司在人工智能领域处于国际先进水平,广州泰克奇和成都吉瑞在大型触摸屏方面技术较为成熟,众多绕线机控制器生产公司正在与其合作,加快人机交互智能化。以上列举了我国和日本,美国,德国在绕线机领域分别的优势,总体来说我国在绕线机的伺服控制和人机交互方面处于落后水平,在机械方面部分保持着一定的优势。在未来较长时间内我国依旧应该遵循边创新边引进的发展道路。1.3论文主要内容及章节安排本论文主要从铜管绕线机的实际应用出发,以提高生产效率为宗旨,通过对国内绕线机行业的深入了解,针对其目前还存在的一些问题进行了相关学习和研究。本文的主要研究内容如下:(1)铜管绕线机系统总体方案的提出;(2)对铜管绕线机排线技术的研究;(3)对铜管绕线机线圈绕制过程中张力控制的研究;(4)绕线机监控管理系统的理论设计;论文的章节安排如下:第一章介绍了课题研究的背景机意义,分析对比了铜管绕线机和一些现有绕线机的差别,提出了本文主要研究的内容。第二章分析了铜管绕线机的工作原理,围绕铜管绕线机装配图,对主轴进给机构,排线机构,线卷轴结构,支架结构进行了分析、设计和优化。并对张力控制进行了研究,提出了张力的产生和张力控制的必要性,分析了国内张力控制技术的发展现状,分析对比现行张力控制的方法,选择最佳张力控制方法,并给出了张力控制系统的理论设计。第三章对铜管绕线机的总控制系统进行设计选择,分析其工作原理,论述了监控系统的工作任务和基本要求,为铜管绕线机的自动化奠定了基础。第四章主要对滑块进行了有限元分析,分析和优化了滑块的工作性能,为绕线机的稳定工作提供了保障。第五章对铜管绕线机生产的成本进行了预估,同时也从绕线机维修的角度给出了建议,进一步减少了绕线机后续的附加成本。对绕线机的工作环境和可持续发展做了相关论述。第二章 铜管绕线机总体设计2.1引言铜管绕线机属于传统的螺线管绕线机,主要分为直型螺线管绕线机和弯曲螺线管绕线机,本课题主要进行直型铜管绕线机的设计。铜管绕线机的芯模骨架(铜管)可视为一圆柱体,主轴所处位置为圆柱体轴心,同样也是线圈的轴向位置。铜管绕线机的绕制工作从大体上讲需要同时满足铜管的回转运动和放线设备的横向运动两个基本运动。因此控制主轴进给速度和横向放线进给速度的比例就非常重要,即张力控制。下文将会对张力控制进行单独研究。本课题的设计从设计产品上讲需要需要满足基本绕线工作,保证绕线质量,同时要符合经济,实用,环保等要求。2.2目前国内用机 图2-1 一种卧式绕线机(前视)图2-2 一种卧式绕线机(后视)图2-1和图2-2所示是我国常用的一种卧式直型螺线管绕线机。这种型号的绕线机就能满足主轴回转和放线机构的横向位移。控制机构采用伺服电机控制,该种绕线机主要依赖进口。该绕线机分为放线部分、张力控制部分、收线部分三大部分。其放线部分布置在地面工作台上,可在水平面上按照预定的进给速度作横向位移运动,放线盘由伺服电机驱动,绕线由张力控制系统输送至绕线机放线臂,绕线机的放线臂前端布置有张力检测装置。绕线通过放线盘,经由导辊滑轮结构传送,通过张力装置调整张力后,经由主轴电机的回转运动,缠绕在预制的线圈骨架上面。本课题(铜管绕线机)的设计我将采用立式结构,在排线和零件布局上和卧式有着明显差别,各有优缺点,应用于不同场合。2.3铜管绕线机装配图1-支架 2-调节滑块 3-电机固定板 4-导架 5-从动轮图2-3 铜管绕线机装配图 本设计我对零件结构和布局做了比较好的规划,整个设计从外观上讲结构分布合理,并且设计了电机固定板,方便后续设计的控制系统的安装。 下文我将依照装配图论述绕线机工作原理、工作流程,并对绕线机主要结构:主轴进给结构、排线结构、线卷轴结构和支架结构进行分析,论述其设计特征和工作特点。2.4铜管绕线机工作原理2.4.1总体工作流程铜管生产线自动缠绕机是用于生产铜管生产线的端部缠绕设备。放线盘的最快放线速度可达22m/min。该设备由自动缠绕部分,定长测量部分,自动排线部分三部分组成。自动绕线部分采用伺服电机控制,定长测量部分采用米表控制,自动排线设备采用伺服电机控制。自动绕线机采用对称式设计,两侧同时拧紧或分离。绕线时,先将两轴分开,人工将卷筒对中,然后拧紧。这个动作固定卷轴。铜管从冷却系统冷却后,就是铜管的成品,接下来就要进行卷绕收集工作。 在此之前,铜管必须先穿过张拉系统。目的是使铜管在缠绕时有一定的张力,使缠绕铜管致密不松动。之后通过米表再绕过排线机的线轮,然后将铜管端部放入线盘闭合接触面的接头处,拉紧线盘,然后开机绕线。当线盘完全缠绕时,与排线机导轮支撑板相连的气压系统工作,推动固定板前进,固定板上的导轮随铜管落入剪切系统,剪切系统工作,将铜管剪短。至此,铜管的缠绕和收集工作就完成了。主轴可单独更换,卷轴可更换后再卷绕。2.4.2线圈绕制原理线圈绕制之前,绕线的芯模骨架(即铜管)固定在主轴和基座之间,绕制开始的时候,主轴带动芯模骨架旋转,放线机构以和主轴进给相匹配的速度做往复直线运动,将线料紧密的缠绕在铜管上。由于排线时线料的运动规律为一螺旋线形状,并通过对其几何要素和速度的分析可得出此式: (2-1)式中 导线速度(排线导针的移动速度); 匝间的法向螺距; 卷绕线速度(单位时间内的绕线长度); 导线卷绕一周的长度。由式可知,在绕制线圈的过程中,想要使排线均匀,必须保持不变。绕线主轴绕制一周的时间为/,在绕线的过程中绕线主轴转速不变,即/保持不变。2.5最终方案的具体设计2.5.1主轴进给机构主轴进给机构用于控制主轴的进退。其目的是收紧和放松卷轴。该机构采用一对安装在肩部的角接触球轴承。台肩和轴承端盖固定轴承,它限制了轴承和主轴之间的轴向相对运动。轴承降低了主轴在旋转过程中的摩擦系数。由于主轴在工作时除旋转外还有轴向进给作用,所以采用成对安装的角接触球轴承。角接触球轴承既能承受轴向载荷,又能承受径向载荷,并能在较高的转速下工作。单个角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷,由于主轴有前进和后退两个运动,所以选用成对安装的角接触球轴承。轴承套圈和轴承端盖固定保护轴承。控制主轴前进和后退的驱动器是气压系统,气压系统与推板相连。推板通过螺钉与轴承套圈连接。气压系统工作时,推动板被往复拉动而移动。气压系统轴向进给通过推板,轴承套圈和角接触球轴承的配合,将轴向力传递给主轴,从而实现主轴的轴向进退。1轴承 2推板 3螺丝螺母 4螺丝 5振动筛2-4进给机构2.5.2排线机构常用排线机构简介:1.凸轮排线机构凸轮排索机构主要由凸轮,回位弹簧和排索杆组成。电机带动凸轮转动,凸轮的转动带动索杆按凸轮的轮廓运动,回位弹簧的工作使索杆按凸轮的轮廓运动。 然后根据排线杆的运动将铜管排在线盘上。2.丝杠排线机构丝杠排线机构由丝杠,排线装置和电机组成。电动机带动丝杠运动,排线机构安装在丝杠上,丝杠的转动带动排线器的旋转运动,在丝杠两端分别安装行程开关,当丝杠向前转动时,排线器作正向进给运动。当前进遇到行程开关时,电机反转。此时,排线器在丝杠上反向运动,反向运动的末端再次遇到行程开关。此时丝杠再次向前旋转,排线器向前进给。该控制实现了往返运动和排线工作。采用丝杠排线具有传动比高,精度高等优点。但丝杠加工难度高,螺距影响排缆的严密性。如果径向力过大,即铜管质量过大或拉力过大,丝杠就会弯曲变形。3.光条式排线机构光条排缆机构是借鉴国际上一些技术设计的。主要由灯杆,行程开关,换向器和滚动轴承组成。光杆排缆机构的工作原理是由电机提供动力驱动光杆旋转,光杆与滚动轴承环的配合带动滚动轴承的运动,从而带动排缆机构的运动。 当排缆装置遇到开关时,滚动轴承的运动方向发生变化。光棒电缆在实现无间歇调速方面取得了前所未有的进展。灯条的成本很高,遇到较大的力时与轴承的摩擦配合会打滑,从而导致排缆不均匀。光条排缆机构适用于受力不是很大的场合。4.轨道式排线机构轨道式排索机构的排索机构作用于固定轨道上,通过轨道上的运动来排索。 适用于排线速度低,产品质量高的场合。由于它是轨道式结构,因此能够承受重载工作场所。由于轨道式排线机构质量较大,在排线的换向过程中会有较大的惯性,因此小导线不适用于轨道式排线机构。这个机构就是绕线机的排线机构,采用轨道式排线,其安装顺序安装在定量测量部分之后,绕线机夹持的线盘上方。主要部件有导轮,导轮支撑板,固定板,T型滑块和压板。当铜管从米表中出来后,绕过导轮上部,再插入线盘上的固定孔中,启动绕线机,绕线机开始工作,绕线。排缆器安装在丝杠上,丝杠通过联轴器与伺服电机相连。伺服电机工作时,丝杠转动,然后排线器在丝杠上沿轴向进给。当铜管穿过线盘芯部的宽度时,伺服电机反转,然后排线器沿丝杠的轴向反转并再次穿过芯部的宽度。伺服电机再次向前旋转,排线机再次反转后。 这个圆形动作完成了铜管的排线,使铜管整齐地缠绕在线盘上。支撑板用螺丝固定在T型滑块上,两压板对称放置固定在固定板上。对称放置的压板之间形成的间隙横截面为T形,正好与T形滑块配合,T形滑块插入压板形成的T形槽中。设计了压板和T型滑块配合剪切机构完成剪切动作。导向轮支撑板上连接有气缸。 当绕线即将完成时,控制排线机伺服电机继续转动。 气缸工作推动导轮支撑板前进,T形滑块沿T形槽前进,运动轨迹固定。此时,固定在导轮支撑板上的导轮也向前移动,卡在导轮内的铜管被气压系统向前推动一个位移,铜管穿过线盘夹持板上的预留孔,使铜管缠绕在剪切内管上,此时剪切机构工作,剪切机构工作将铜管切割。 电缆排列机构如图所示。1-导孔 2-导盘 3-滑块 4-螺钉图2-5 排线机构2.5.3线卷轴结构线盘由夹持板和盘芯两部分组成。固定板用三颗螺丝固定在盘芯上。铜管缠绕在盘芯上,阻挡盘可保持铜管缠绕成型。线盘采用对称式设计,可以方便地安装或拆卸成铜管,导柱可以方便地安装在线盘中心。在盘芯的外端是一个凹的等腰三角槽,它想与主轴末端的等腰三角凸台配合。等腰三角形的边是工作平面。 通过面与面的接触和配合,主轴的旋转带动卷筒旋转。由于等腰三角形的特点,使卷筒易于拆卸和安装在主轴上,节省了时间,提高了效率。线盘对称组合的设计,也省去了另外设置夹头的需要,简化了结构设计,操作方便。绕过排线器的铜管,将其线端放入对称线盘之间的连接处,然后拧紧即可开始工作。盘芯工作面具有一定的锥度,拆下铜管后即可轻松拆下盘片。在对称盘芯的接触面上设计了凹槽,使得两平面接触时可以减小张力,方便地拧紧盘。2.5.4支架结构绕线机主轴采用两个轴承箱作支撑,选用深沟球轴承,因为没有轴向载荷。 主轴与轴承之间花键孔的配合具有良好的指导性。主轴与电机的连接选用刚性联轴器。主轴与联轴器采用矩形花键连接,中性承载能力好,齿根结实,由于齿根较浅,可减少应力集中。花键轴的轴和轮毂强度削弱较小,加工更方便。该磨削方法可以获得较高的精度。2.6 关于张力控制的研究2.6.1张力控制的必要性随着线圈的绕制不断进行,线圈的半径不断增大,因此如果主轴进给和放线进给速度不改变,那么线料受到的张力将不断增大,在材料韧性限度内线料不断被拉伸,但是半径减小,电阻增大,直接对线圈的工作性能造成影响;进给速度控制过于不合理则还可能直接拉断线料,导致线圈损坏;除此以外,施加在线料上的张力是线圈成型压力的唯一来源,所以张力不足会导致线圈绕制成型的压力不足,进而使线料无法与轴芯相贴合。因此施加在线料上的张力稳定可控就显得非常重要。2.6.2张力控制国内研究现状张力控制主要是对主轴进给和送料速度比例的控制,比例过大会导致线料被拉断,比例过小会导致绕线松弛、混乱、离缝,这都会导致所绕制线圈的工作性能受到极大影响,甚至直接损坏线圈,因此比例必须控制在合理范围之内。我国对张力的控制系统的研究晚于诸多发达国家,因此比例控制相比一些国家相对落后,我国所能控制的比例精度较低,只能保证绕制过程中线料不会过于拉伸,但是在精度控制上相对粗糙,因此生产的绕线机线圈线料排布精度较低,因此对于半径极小的线料的绕制我国还不能独立完成。2.6.3 工业中用到的张力控制方法在工业生产中,为了满足线圈绕制工艺要求的张力,一般都通过施加不同形式的阻力来实现,工业中用到的主要施加形式由以下几种:第一种:在送线通道上安装摩擦辊,摩擦辊会对放线设备放出的线料产生摩擦进而提供绕制所需要的张力,通过这种方式施加摩擦需要摩擦辊与线料充分接触,因此需要一定的接触面积,所以这种方式适用于半径较大的线料的绕制,对于细丝料而言,难以产生所需要的绕线张力;同时在绕制过程中摩擦辊与线料的接触或多或少会对线料或者漆包有一定磨损,因此此种方式现在工业上占用比例较低。第二种:通过在放线盘与绕线主轴控制回转的螺线管(铜管)管身的绕线传送通道上安装制动器,通过制动器制动施加阻力来提供所需要的张力。这种张力控制方式结构简单,但是会受到机械结构本身的限制,所以张力控制精度并不是很高,所以这种结构一般根据机械本身结构和产品要求精度来确定是否使用。第三种:在放线装置上施加阻力矩,即在放线过程中,在芯轴上安装可以提供阻力矩的装置,通过绕线机收线部分的收线回转运动与放线部分的阻力矩,就可以提供在绕线时所需要的张力。通过这种方式产生的张力会随着绕线的需求而改变,即通过控制使阻力矩保持不变,随着绕制的进行,张力会随着线圈实际半径的改变而改变。这种控制张力的方法难度在于阻力矩恒定的控制,现在常用计算机张力控制系统来实现。这种张力控制方式既不会对绕线本身造成影响,也不需要考虑机械本身结构的限制,同时控制精度很高,是目前应用最广泛的张力控制方式,也是本课题倾向采取的控制方式。三种方式的原理结构如下:图2-6 张力的控制方式2.6.4 张力控制系统组成铜管绕线机的张力控制系统可分为三个主要部分:放线盘放线部分,张力检测与控制部分,铜管管身收线部分。放线部分主要由放线盘、张力控制器、变频电机(施加阻力矩)。收线部分使用特定夹具固定安装铜管管身并通过伺服电机控制其回转,从而使线料缠绕到铜管管身上,并控制放线装置的位置和放线速度。张力检测装置实时监测线料上的张力值,并将测定的张力信息传送给张力控制器,张力控制器在接收到信号后,再经过计算把所得信息传送给变频电机,随时修改其输出的反向力矩,进而实现张力的稳定可控。设计的张力控制系统如图所示:2-7 张力控制系统示意图2.7本章小结本章主要提出了绕线机工作的本质,给出了目前国内用机的前后视图,并结合绕线机总装配图分析了铜管绕线机的工作原理,同时对主轴进给机构,排线机构,线卷轴机构和支架机构进行了结构设计和优化,并对各机构工作性能和优点进行论述,论证其相较于过去一些机构的长处,以确保铜管绕线机的稳定工作。在张力控制必要性的部分提出了张力的产生和张力的必要以及由于张力控制不当会造成的后果。分析张力控制的关键和我国张力控制技术的现状,由此引申出张力控制在设计中的重要性。在第三小段对工业上目前应用到的三种张力控制方法进行分析对比,最后选用施加阻力矩的方法。最后对张力控制系统的组成和工作原理进行了论述,论证上文提到的张力可控。第3章 控制系统的设计3.1引言总控制系统是绕线机不可或缺的一部分,过去传统绕线机均采用人工控制和半自动控制,依赖人工不可避免导致了效率低下,质量也难以保证。因此本课题所采用的是伺服电机分布式控制系统,就是要采用多个控制器进行分别控制,最后把信息反馈到总控制系统,形成一个闭环控制,实现全自动控制。在构建了铜管绕线机总控制系统之后,为了便于工业生产,还需要建立一套能实时反应绕线机工作状态和数据的监控系统,在这个过程中需要应用到计算机软件和人机交互界面。3.2控制系统需要实现的功能控制系统灵活控制放线盘放线速度,在接收到张力检测装置的信息反馈之后必须能够准确计算出主轴进给速度和横向放线速度的比例,并进行及时的调节。具备断线自动检测功能,防止出现机械事故。需要对同径螺线管的绕线信息进行分类存储的功能,方便同类型产品的再次生产。检测系统需要具备登录,运行控制,历史信息等功能。3.3控制系统设备选择3.3.1主控制器选择目前普遍使用的自动控制系统可供选择的主要类型有三种:单片机,PLC和微PC。微PC结构较为复杂,操作要求较高,一般应用于某些特定场合。应用最多的嵌入式控制系统的主要控制方式为单片机控制和PLC控制两种。PLC是一种基于数字运算的技术,其具备编写程序来控制系统运动方案的能力,是专门为大工业环境下的生产而设计的一种控制技术。其主要具备的功能包括逻辑运算,顺序运算,计时,计数等等,主要通过数字形式或者模拟形式的输入和输出,来完成各种类型的机械生产,PLC及相关配套设施都是按照易于与工业控制系统组成的一个体系,易于进行功能扩充的准则设计。随着几年来微电子技术的不断发展,使得PLC的可靠性大大增加,平均使用寿命的到极大的延长。因此,PLC功能强大,便于维护,应用灵活,调试周期短等优点都使其应用范围大大的增加。单片机是一种采用超大规模集成电路技术设计而成的一个小而完善的微型计算机系统,因此单片机控制器具有更高的控制性能。根据绕线机的不同类型而设计不同的单片机进行控制。综合比较两种方式各有优缺点,最终决定使用PLC可编程控制器,原因是:单片机虽然具有较好的控制性能,但是容易受到其他因素的干扰而降低设备的精确度。选择PLC控制系统是处于对设备长远利益考虑,其后期的维修和调试成本相对来说比较低,而且PLC技术已经相当成熟,控制精度也可以得到不错的保证。最终选择使用松下的 FP-X 型PLC,如图 4-1 所示,它是晶体管输出型的。该型号的PLC 具有高速演算、大容量程序存储器、具有独立的注释存储器、最大 I/O点数可达300点等四大突出优势。图4-1 松下FP-X型PLC3.3.2操作系统选择操作系统主要包括触摸屏,显示器和操作面板。考虑到绕线机工作场合的不确定性,以及让操作者方便的生产工艺参数,监控生产过程和报警信息等,控制界面选用普洛菲斯的GP3300H型手持式触摸屏,其可在电缆长度内随意移动,极大的方便了操作者操作。操作界面如下图4-2,电气参数如下表4-34-2普洛菲斯GP3300H型手持式触摸屏4-3电气参数表类别参数输入电压DC24V额定电压DC19.2V-28.8V允许失电10ms以下功耗16.7W以下瞬时电流16.7以下,半宽(电流超过30A的时段):40ms以下绝缘强度AC500V, 20mA小于1分钟(电源端子和FG端子之间)绝缘电阻DC500V,10兆欧以上(电源端子和FG端子之间)3.4监控系统的基本任务和要求从直螺线管线圈绕线机的绕制工艺要求与设备运行的规律出发,该绕线机监控系统的主要任务如下:(1) 与下位机通信获得绕线机张力,速度,位移等等实时工作运行参数,对绕线机的工作状态进行分析,判断其运行是否正常,若正常工作则显示其各种参数,若发生故障则需要及时报警。(2) 通过对变频器与控制卡输入已知的数据,以使伺服电机与变频电机收到对应的运行数据,并可以对部分参数进行实时的修改,实现对绕线机运行整个过程的控制。(3) 读取监控界面的各种参数,并进行详细记录;(4) 界面直观清晰,便于人工操作以及数据收集。基于以上要求,铜管绕线机的上位机监控界面在设计时应满足以下设计原则:(1) 用户需求在控制界面上有良好的显示;(2) 操作简单,信息显示清楚直观,使用方便;(3) 符合人为操作习惯;(4) 具备操作失误时自动停止运行功能,防止操作不当时系统发生损坏。3.5监控界面选择Microsoft Visual Studio(简称 VS)支持多种编程语言对系统进行开发。其中,C#是一种较为新型的编程语言,VC#提供了一种面向对象的编程环境,有大量的现成控件,便于构建 windows 窗体程序,具有良好的可视化性能,完全能够满足铜管绕线机的监控功能。基于以上优点,可以便捷的开发上位机的监控界面。同时,VC#具有强大的编程功能,可以实现多种参数的编程控制,并且其具有非常好的模块扩展能力,便于监控系统的升级改造。因此本文所述的绕线机运行监控系统采用 VC#进行其界面设计与功能开发。3.6本章小结通过对绕线机运动特点和张力控制的控制方式的研究,本章概述了铜管绕线机控制系统的总体设计要求,并按照同时对运动系统部分和张力系统部分进行控制的要求搭建了绕线机控制系统,并简单介绍了该控制系统的软硬件部分。此外,根据绕线机控制系统的性能要求,应用 VC#软件设计了可用于绕线机控制系统上位机的监控界面,实现了线圈绕制参数的输入与绕线机工作状态数据的实时监测。这在很大程度上使得整个绕线工作自动化程度更高,进一步提升了工作效率。第4章 滑块有限元分析4.1引言有限元分析是用数学方法把物理系统或结构划分成众多而细小的单元。元素之间在一定约束条件下的相互作用可以归结为使用有限数量的元素来近似无线数未知结果的方法。基于该理论,可以对负载,磁场,流体,电场等系统进行仿真分析。 目前国外许多公司在实际生产和研究中广泛使用有限元软件,如ansys,adams,ideas等,在设计过程中充分利用有限元软件对零件的各种特性进行分析和优化。例如,通过受力分析可以得到零件的应力,应变,变形等参数。可以知道零件是否能满足要求。 通过对不同材质的零件进行材质分析,可以选择新的,便宜的材料。从而降低生产成本。对零件形状的流动分析可以直观地得到一些数据,包括流体的方向和各零件的压力。这些数据在实验中很难获得,或者说需要通过更多的投入,人力,物力来获得。这体现了有限元法的意义。目前,这一技术手段在国内应用并不广泛。这主要是因为我国处于技术前沿,领域少。工厂大多位于低端加工制造业。没有先进的高科技技术。但随着国家对工业制造的重视,越来越多的工业工程师得到了提拔。而且国外的先进技术也会被我们广泛应用和接受。对滑块进行有限元分析的原因:由于在绕线过程中滑块会频繁与其他零件摩擦,并且需要经常调节,所以对滑块材料的选择和力学的分析非常重要。通过对铜管绕线机滑块的有限元分析,可以不断优化滑块的各种参数和工作性能,为绕线机的稳定工作提供保障。4.2预处理4.2.1模型导入对三维软件对滑块进行建模,建模后将模型导入ansysworkbench4.2.2物料设置和分配查询素材库,如图4-1所示,知道45Mn的材料参数如下:图4-1 45Mn材料参数材料的杨氏模量为2.04e11PA,泊松比为0.23。在软件中产生一种新材料,名称设置为45MN。点击左边的线性特性,在杨氏牟杜勒斯一栏输入2.04e11,在泊松比一栏输入0.23,点击保存,创建一个新材料。如图4-2所示。图4-2 创建新材料页面进入ANSYS软件后,点击材料,在材料-分配框后点击扩展,选择之前建立的材料45Mn2,就成功地将材料分配到零件中,如图4-3图4-3 材料分配界面4.3网格化导入模型后,如上图所示,打开主界面,将模型网格化,点击网格功能,右键插入网格方法,选择大小调整,即可设置网格大小。 将整个网格尺寸设置为1mm。 点击网格,软件将网格模型。 网格划分影响分析结果的质量。 一般来说,网格划分越细,分析结果就越准确。 与简单的线性结构分析相比,只需将网格的整体质量设置为100即可满足要求。 划分结果如图4-4所示。图4-4 网格划分结果可以看到最终的网格划分效果和网格数量,如下图4-5所示:4-5网格划分结果如图所示,网格总数为487658个,节点数为170523个,网格质量为1004.4工况设置网格划分完成后,需要设置整个装置的边界条件。如下图所示,是模型的固定条件,即模型中的某些部分是固定的。将滑块的顶面设置为固定。即固定支架。此外,设置约束条件,即应力载荷或位移载荷置接触面上的力为3000N,方向相反。如图4-6所示图4-6设置约束条件示意图4.5结果分析预处理完成后,点击软件上的SOLVE按钮,进入计算过程,对项目进行分析。分析得到的总变形位移如图4-7所示,最大主应力如图4-8所示。图4-7 总变形位如图所示,最大的变形发生在滑块端部的红色部分。符合工作过程中收集的扭转力的方向。在设计过程中,要保证该部分的强度,减小扭转,增加传动精度和可靠性。4-8 最大主应力从图中可以看出,滑块拐角处产生较大的应力应变,且次数较弱。设计需要重点加强该部分的结构强度。另外,端部圆轴部分也存在较大的应力和变形,可以通过增大圆筒直径来改善。或者通过改变材料,热处理等来提高整体。4.6 本章小结本章主要对铜管绕线机的滑块进行有限元分析,对滑块进行预处理,并对其进行网格化分析,得到滑块的受力情况,选择合适的材料,以满足绕线机工作的要求,最后确定对滑块拐角进行结构强度的加大。通过这一步,使滑块的工作性能达到了最优化。由于篇幅和难度问题,没有对所有元件进行有限元分析,后续我将继续完善。第5章 工程定额预算5.1绕线机机械主体预算序号名称数量成本1底座梁11302底座梁21303底座撑板11254固定立柱2455顶部撑板11006大梁1407滑轨31508支架11209横向滑块41010脚板11011横向立柱12512滑轨端盖220013芯子130014压紧装置210015从动轮16016螺母座1317电机固定板15018光轴14019丝杠座23020调节滑块12021电机固定板15022线架115023卡盘座120024锁紧螺母2425轴销18026齿盘110027滑块66028内六角M16x303629丝杠螺母225.2绕线机的维修成本控制绕线机的维修方法和相关提议:整机复位法、备件替换法、改善环境质量法、维修信息跟踪法。1.整体复位法相当于现在各种机型的恢复出厂设置,会清空存储的程序和软件类信息,但是能快速恢复硬件的正常操作,所以定期脱机存储不同类型绕线机生产程序等相关信息将非常有利于整体复位之后快速恢复生产,减少损失。2.备件替换法应用于绕线机可拆卸零件的维修,因此在购进绕线机时应尽量选择可拆卸零件较多的设备,尤其是易磨损的零件,这能极大提高维修的快速性。3.改善环境质量法即通过环境加湿,降噪,减震等等,降低外界环境对机器的损害,由于后期大规模搬运成本过高,所以工厂要根据自身大多数设备的硬性环境选择工厂落地位置和规模等,之后再通多工厂种植绿植降噪加湿,通过减震膜,减震墙等减震,减少外界环境对设备的损害。4.维修信息跟踪法即记录维修信息,这样不仅可以大致计算设备的维修周期,而且能在再次出现同样问题时快速制定维修方法,因此必须对每一台设备的维修信息进行及时记录。采用以上四种方法都会在很大程度上减少维修成本。5.3工作环境与可持续发展(1) 对于铜管和不同线料的切割废料进行分类回收;(2) 绕线时会产生一定的噪声,可通过在工厂内种植绿植降噪;(3) 本课题设计的铜管绕线机众多零件具备拆卸功能,能够快速更换,符合可持续发展理念。结论随着“新机械”和网络信息技术的发展,人们对各种线圈的需求量进一步增加,性能要求也越来越高,直螺线管线圈是一种通用的线圈,过去应用于各种电机,随着4G和5G技术的发展,现在也广泛应用于通信和移动设备。绕线机的控制技术也从传统的人工控制成功过渡到了半自动控制,目前正在朝着全自动的方向发展。本课题对铜管绕线机的研究也采用伺服电机控制,进一步提高了绕线机的自动化水平。通过对绕线机发展状况和螺线管类绕线机关键技术的学习和研究,本课题对主轴进给、排线、线卷轴等结构进行了优化设计,张力控制也采用了目前最为先进的恒阻力矩控制方式,设计出了与现有控制系统匹配的一套经济、实用的铜管绕线机。论文的主要研究内容包括以下几个部分:(1) 对绕线机国内外发展状况进行了对比分析,确定了本课题所需侧重研究的内容。对铜管绕线机机械的主体结构的优化设计,包括排线机构,主轴进给机构等,主轴进给在设计上采用角接触轴承,气压驱动,使整个进给运动更加稳定。(2) 对所应用到的关键技术张力控制技术进行了分析对比,给出了最佳选用方案,并对恒阻力矩的控制进行了分析和论述,最后对控制系统进行理论设计和原理分析。(3) 对滑块进行有限元分析,不断优化元件性能,使绕线机工作更加稳定。本论文是通过对直螺线管生产工艺和现有绕线机特点的分析,在结合自己的一些创新想法而设计的一款铜管绕线机,由于我的个人水平限制,论文可能存在诸多不足之处,后续还需要不断改进和完善:(1) 还需要通过大量反复的现场试验,对其稳定性进行考核,对其结构进行优化设计,争取找到最优的方案。(2) 由于时间和难度问题,没有对所有元件进行有限元分析,有一些元件可能还存在一些下次,在后续争取对所有元件进行分析,不断优化,使整个绕线机趋于完善。随着需求的不断增加,对弯曲螺线管类绕线机的需求也越来越大,生产弯曲螺线管的环形绕线机需要的技术更加复杂,排线和张力控制等方法完全不同,后续还需要对此类绕线机展开学习和研究。参考文献1.聂斌.高度自动化的机械制造过程控制方法J.机械设计,2005,5(22):59- 62.2.杨建平,刘艳玲.自动化技术在机械应用中的发展研究J.中小企业管理与科技,2008(1).3.李涛.试论我国机械自动化技术应用与发展J.才智,2008(20).4.高文龙.现代制造技术M.北京:机械工业出版社,20045.张列贵.简述现代机械自动化技术J.黑龙江科技信息.2007(20)6.张宝坤.机械制造及其自动化的发展方向7.陶铁男.XSP型收排线机机械设计与机构仿真8.宋立军.BPX-1型收排线机的研制9. Zhao Peng. The manufacture of big Half-automatic Long Scroll Winding Machine. In: Electric and Capacitor, China,1997(2): 26-37, 1996.10. Liao Changchu. The Apply Technology of programmable Logical Control. Chong Qing University press.: 90-108,1999.11. Mitsubishi FXZN PLC user copy. Shanghai: Mitsubishi Electric Machine Shanghai FA center.12.朱理.机械原理.北京:高等教育出版社,2004.4.13.胡凤兰.互换性技术测量基础.北京:高等教育出版社,2005.2.14.王兰美.机械制图.北京:高等教育出版社,2004.2. 15.徐锦康.机械设计.北京:高等教育出版社,2004.4.16.电机手册.北京:机械工业出版社,2000.6.17.葛志祺.机械零件设计手册中册.北京:冶金工业出版社,1982.1.18.龚庆寿.机械制造基础.北京:高等教育出版社,2006.5.19.葛志祺.机械零件设计手册上册.北京:冶金工业出版社,1982.1.20.王昆.机械设计、机械设计基础课程设计.北京:高等教育出版社,1995.12.21.郭启全.AutoCAD基础教程.北京:北京理工大学出版社,1981.11.22.龚坰.电机制造工艺学.长沙:湖南大学,2004.8.23.黄胜明.电脑数控绕线机的发展与应用,浙江:杭州凯达电子设备厂.1997,9. 24.唐善存.国内外小型绕线机概况和发展趋势.浙江:浙江大学,2000.6.25.陈怡如等可调式大型电机线圈拉形夹,上海:上海电机厂有限公司200226.唐建生大型电机线圈的再结晶退火工艺研究,河南:河南工业职业技术学院200827.彭友元.电机绕组手册.沈阳:辽宁科学技术出版社,1995.5.28.Ya.A.Bulatkin ,Modernizing coiling equipment at the 250 mill,Metallurgist,1980.529.Jim Kirkhoff,A new level of automation in fraction HP (kW) electric motor manufacturing,Assembly Automation,2004.230廖建明,制造业自动化,2019.1031许家忠,张剑,刘美军,杨海,计算机测量与控制,2019.532罗浩,全自动环形绕线机,2019.633曹雅欣,马双喜,大型绕线机关键技术的研究,2016.534张辰翔,姚运萍,弯曲螺线管绕线机控制系统研究,2016.4致谢经过将近四个月的努力,我的毕业设计也接近了尾声。目前已经完成的内容包括铜管绕线机二维图,三维图以及各种零件图和设计说明书。首先,我要感谢我的导师王志胜老师。本论文是在我的指导教师王志胜老师的悉心指导下完成的。从一开始选题确定老师就给我提供了相关资料和设计指导,再到后来的中间内容的学习和研究,直到现在论文的结束,都离不开导师的谆谆教诲和严格要求,在这个过程中由于我的问题给老师造成了很多麻烦,在这里我再次表示深刻的歉意。也对老师耐心的指导表达最真诚的敬意和衷心的感谢。此外,我还要感谢四年来我的所有老师。在本次设计中我曾经遇到过很多的困难,但最终都通过你们教授给我的方法解决了。感谢你们四年来对我学业和生活的教导和帮助。因为有你们我才顺利度过了大学生活,成为了一名合格的大学生。最后,衷心感谢我的父母,同学和所有亲朋好友,感谢你们这些年来对我的关心、理解和支持,没有你们的帮助我也无法顺利完成我的学业。在此,我真诚的对你们道一声:“谢谢”。由于我的水平限制,本论文可能存在诸多不足之处,恳请各位老师和同学给与批评和指导。30
收藏
编号:14204523
类型:共享资源
大小:4.86MB
格式:ZIP
上传时间:2020-07-12
50
积分
- 关 键 词:
-
铜管
绕线机
设计
cad
- 资源描述:
-
铜管绕线机设计含7张CAD图,铜管,绕线机,设计,cad
展开阅读全文
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 装配图网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
装配图网所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。