本科毕业论文-吨卧式绕线机的设计

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1、毕业设计题 目10吨卧式绕线机的设计学 院 机械工程学院 专 业 工业工程班 级 工程0702班学 生学 号指导教师二一一年五月三十日摘 要卧式绕线机主要是用于电动机、电器绕组的制造，是电压器制造企业的关键生产设备之一。它可以解决绕组在绕制过程中对绕制速度、启动特性、线圈恒张力控制，实现排线架的运动速度与主轴的转速按照一定的函数关系变化，实现同步控制。通过进行文献检索、企业的产品收集，对卧式绕线机的基本整体结构、功能需要进行总结分析，对国内外的卧式绕线机的发展现状进行了深入的了解。本文对卧式绕线机的主要机械结构进行了深入详细的设计并进行了强度的校核，其中对主轴、蜗杆-蜗轮减速器以及带传动、链传

2、动进行详细的设计。同时，除了机械传动的设计外，还另外对卧式绕线机的电气控制系统硬件组成也进行了设计及PLC梯形图的设计。通过对绕线机整机机械结构的设计以及电气控制系统的设计，基本能够达到预期的设计要求，符合机械结构的强度需要，实现了卧式绕线机的恒张力、自动排线、自动调速、排线的制动以及主轴制动的功能。关键词：卧式绕线机；张力控制；同步控制；电气控制ABSTRACTHorizontal coiling machine is mainly used to manufacture electric motors and electrical appliances coiling. It is one

3、 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 movement speed of the cr

4、eelstand 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 paper ,I make a furth

5、er detailed design to the horizontal coiling machines 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 transmission design outside, also,

6、I have maked the detailed design for the electrical control systems hardware of the horizontal coiling machine and PLC ladder diagram.Based on the mechanical structures design of the winding machine and electrical control systems design, I basicly can achieve the desired design requirements, accordi

7、ng 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.Keywords：horizontal coiling machine；tension control；synchronous control；ele

8、ctrical control目 录摘要. .IABSTRACT.II1前言.11.1绕线机的简介.11.1.1自动绕线机.1立式绕线机.1卧式绕线机.11.2 国内绕线机的现状.21.3 卧式绕线机的设计内容.2卧式绕线机的基本结构.2卧式绕线机的设计方案.31.4卧式绕线机的技术参数.42 前箱体的设计.52.1 确定主电机功率.52.1.1空线圈启动状态下.5线圈在满圈状态下.62.2 制动器的选择.82.3蜗杆-蜗轮减速器.92.3.1蜗杆-蜗轮减速器的设计方案.92.3.2蜗杆-蜗轮减速器的设计计算.9蜗杆-蜗轮减速器的结构尺寸.11蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核.112.4带传动的设计.

9、132.4.1带传动的结构尺寸.13带的选择.14带的受力分析.15带轮的结构设计.152.5链传动的设计.162.5.1链的尺寸设计.16链的校核设计.17链轮的结构设计.182.6主轴的设计.202.6.1主轴的结构设计.20主轴的载荷分析.222.7链轮主动轴.242.7.1链轮主动轴的安装结构.24链轮主动轴的尺寸设计.252.8蜗杆轴.252.8.1蜗杆轴的安装结构.25蜗杆轴的尺寸设计.262.9主动带轮轴-电机轴.262.9.1主动带轮轴的结构.26主动带轮轴的尺寸设计.263后箱体、排线架的设计.283.1 后箱体主轴的设计.283.1.1后箱体主轴的结构.28后箱体主轴的尺寸

10、设计.283.2 后箱体微调轴.283.2.1后箱体微调轴的结构.28后箱体微调轴的尺寸设计.293.3后箱体粗调.293.3.1蜗杆-蜗轮传动.29蜗杆轴的设计.303.4排线架.303.4.1滚珠丝杠.30排线机构.314电气控制系统及PLC的设计.334.1 绕线机的电气控制原理.334.1.1绕线机的控制系统硬件选择.33 PLC控制系统的设计.344.2PLC程序编程.355结论.37参考文献.38致谢.39附录. . . . .401前言1.1绕线机的简介变压器绕线机主要是用于绕制变压器线圈的专用设备，在变压器的线圈生产过程中，按照变压器的线圈的电压容量对绕线机设备进行分类，有绕制

11、大型电力变压器线圈的立式绕线机和卧式绕线机；也有绕制配电变压器高、低压线圈的箔式线圈绕线机和自动排线绕线机。目前绕线机已经发展成为多种类的适应多种线圈的绕线机，其中比较典型的有自动排线绕线机、箔式线圈绕制机、立式绕线机、卧式绕线机。1.1.1自动绕线机自动排线绕线机是绕制配电变压器高压线圈的专用设备。采用这种设备绕制出的线圈，结构紧凑、体积小、强度高。为进一步提高生产效率，新型的绕线机主机转速由300rad/min提高到500rad/min。同时配有端绝缘开卷机构、导线张紧机构，计算机可予置多种参数，可使线圈绕制一次完成，自动化程度大大提高，减轻了工人的劳动强度，但是成本相应地提高了。立式绕线

12、机变压器的线圈要求在线圈绕制过程中轴向要压紧，径向要卷紧，采用立式绕线机正好可以利用线圈的自重，轴向可以实现自然压紧，径向使用张紧装置进行控制张力大小。所以现在大型变压器中高压线圈的绕制普遍采用了立式绕线机，即使是低压螺旋式线圈也采用了立式绕线机生产。现在的立式绕线机也开始进一步向大型化发展。原有的立式绕线机载重只有20t，现在已提高到40t，线圈直径最大使用到3500 mm，最大高度达到到 4000 mm。使用了气囊板式张紧装置，而且可以数字显示张力大小，张力控制更加准确、稳定可靠。为了提高所绕线圈的尺寸精度，控制立式绕线机径向跳动，增加了绕线模轴头固定装置；为了控制轴向跳动，使用了高精度双

13、排辊式大型轴承。因此，使变压器进一步降低损耗、减轻重量、降低成本有了可能。卧式绕线机从变压器的线圈绕组结构设计来看，并不是所有线圈都能使用立式绕线机生产。如层式结构、多螺旋结构式线圈。如果这种线圈使用普通卧式绕线机绕制好后，轴向不加任何压力绕制，线段间隙就会很大，像一个压簧。线圈经压紧后直径变大，线圈和纸筒间将会产生间隙，会造成线圈轴向失稳，遇有轴向电动力，线圈可能造成损坏。因此，带有轴向、径向压紧式卧式绕线机，在大型变压器线圈生产中，得到了广泛使用。随着变压器性能要求越来越高，一般中小型变压器的生产，也逐渐开始使用压紧式卧式绕线机。原来的压紧机构使用力矩电机或气缸产生压力，现已通过伺服电机取

14、代。为了控制绕制线圈尺寸公差，绕线机增加了光栅尺，实时地检测线圈尺寸。多轴式放线车上的各线盘放线张力可以实现独立控制，根据绕制线圈的长度，放线车随动跟踪，避免导线的扭曲变形产生新的应力，从而降低绕组的蜗流损耗。1.2国内绕线机的现状国产的绕线机总体来说较国际技术来讲，无论是技术还是质量或是性能上还与发达国家有一定的差距的。国产的绕线机自动化水平低、控制手段落后是普遍存在的问题。只能应用于绕线要求相对不太高的场合，绕线机的高端设备都有日本、瑞士、德国等进口设备占领市场，而国产设备只能在很小的市场份额里以低价来争得客户，我国绕线机市场目前处于高速发展的时期。目前国内的绕线机也向多种类的适应多种线圈

15、的绕线机方向发展，其中包括自动排线绕线机、箔式线圈绕制机、立式绕线机、卧式绕线机。近年来，国外开发研制了全自动绕线机，可以实现自动排线、自动张紧，提高了绕线线圈的质量。箔式绕线机以前主要用于绕制干式变压器高压线圈，今后会更多应用于绕制油浸式变压器线圈。它具有效率高、绕制线圈的质量好，特别是它具有降低整台变压器的线圈消耗，提高线圈承受短路的应力特点。1.3卧式绕线机的设计内容卧式绕线机主要用于大容量干式变压器线圈的生产制造，绕线模由主轴花盘与尾座花盘水平支撑，绕线模由主轴驱动旋转，线圈在一定张力作用下有规律地在绕线模上绕线。绕线机采用三相交流异步电动机驱动，经带传动传递动力、无自锁的蜗轮-蜗杆减

16、速器减速（因电机需要正反转）后，采用链传动的方式将动力传递给主轴，由主轴带动绕线机构绕制线圈。由于在绕制过程中，随着线圈半径越来越大，主轴的转速也应随之变化，所以三相电机应配有变频器，实现电动机的无级变速。在从动带轮轴之后安装有磁粉制动器，其原理是采用导磁的磁粉为媒介，制动部件与运动部件间隙中充填磁粉，借助于磁粉间的电磁吸引力形成的磁粉链同工作面间的摩擦力产生制动的功能。卧式绕线机的基本结构卧式绕线机的组成包括主机、变频调速系统、伺服控制系统、操作面板等。主机包括床头箱、排线架、放线架、尾座和底座等四部分组成。床头箱里包含三相电动机、蜗杆-蜗轮传动装置、带轮传动、链传动、磁粉制动装置、变频器、

17、箱体等；外面包含花盘、转速表、变速装置、开关等。尾座有花盘、顶尖、顶尖调整装置、交流伺服电动机、尾座调节手柄、蜗杆-蜗轮机构、齿轮齿条机构、箱体等。排线架包含滚筒、滚珠丝杠机构、线圈张紧装置等。卧式绕线机结构简图如图1-1：图1-1 卧式绕线机结构简图1-转速表 2-花盘 3-托轮 4-顶尖 5-锁杆 6-顶尖调节手柄7-尾座 8-底座 9-脚开关 10-开关 11-床头箱 12-变速手柄卧式绕线机的设计方案在做设计准备的过程中，查阅了相关书籍、期刊、中外文献等材料，主要通过在图书馆查阅相关书籍、期刊、中外文献等，结合已有的关于绕线机的材料，对绕线机的结构进行设计。结合国内外关于卧式绕线机的材

18、料，对卧式绕线机的结构进行设计，对控制系统进行优化。设计初步采用三相交流电机带动链轮传动主轴旋转，实现绕线功能；由交流伺服电机、滚珠丝杠带动绕线机构，对绕线过程实现控制。绕线机的组成包括主机、变频调速系统、伺服控制系统、操作面板等。主机包括床头箱、尾座和底座三部分组成。床头箱里包含电动机、齿轮传动装置；外面花盘、转速表、变速装置、开关等。尾座由顶尖、顶尖调整装置等。床头除与床尾共同支撑线圈外，主要用来提供扭矩及不同的转速。卧式绕线机的结构应该能满足的功能及要求为：平稳启动和匀速转动；在不同的转速下（必要的间歇转动）能够提供足够的转矩；准确地计数；可适应不同线槽的夹具安装；有效即使制动；能够排线

19、、张紧；装卸方便，便于操作。在考虑结构设计的时候还应该注意到可靠性、人机关系、安全、检修、美观、经济价值等问题。设计过程中主要参数的确定包括主电机功率、制动器的选择、带传动的设计、链传动的设计、主电动机上蜗杆-蜗轮减速机构设计、尾座用的蜗轮蜗杆减速机构、电动机轴的结构参数、主轴的结构参数、排线用的交流伺服电动机、尾座套筒的移动副、变频器、链条的设计、齿轮齿条的选择、滚动直线导轨、滚珠丝杆的设计、主轴上的轴承、主轴上的光电编码器、PLC编程等。（1）绕线系统采用三相异步电机驱动，经无自锁的蜗杆-蜗轮减速器减速（因电机需要正反转）后，采用链传动的方式等速传递给主轴，由主轴带动绕线机构绕线。由于在绕

20、制过程中，随着线圈半径越来越大，主轴的转速也应随之变化，所以三相电机应配有变频器，实现电动机的无级变速。在从动带轮之后安有磁粉制动器，其原理是采用导磁的磁粉为媒介，制动部件与运动部件间隙中充填磁粉，借助于磁粉间的电磁吸引力形成的磁粉链同工作面间的摩擦力产生制动功能。用磁粉制动器可对电机进行有效的制动。（2）尾箱由蜗轮、蜗杆减速机构带动齿轮齿条沿轴向移动，手动实现其控制。后轴的轴向进给也是通过手动控制，通过螺纹传动实现轴套的伸缩，对绕线架的距离进行微调，最大的微调距离可达150 mm。（3）对主轴、轴承，蜗轮、蜗杆等进行必要的机构尺寸确定以及强度校合，使其满足工作要求。（4）控制系统由PLC实现

21、。PLC主要用来控制主轴的正反转、主轴的转速、旋转的圈数，还有交流伺服电机带动的排线机构的进给速度。主轴的转速由其末端的光电编码器检测，信号传给PLC，由PLC控制变频器的电流大小，根据实际的绕线速度以及线圈的直径来调节主轴的转速，使他们的速度相匹配。因PLC含有计数功能，所以可由PLC控制主轴旋转的圈数；PLC控制的伺服电机及排线架要与交流电机的转速相适应，以达到稳速紧密绕线的目的。交流电机由磁粉制动器制动，也由PLC在绕线完成后控制运行来制动电动机。主机速度控制的PLC设计，应用PLC控制绕线机实现主轴的各种运动，可以简化控制线路，节省成本，提高工作效率。具体的PLC设计过程：确定PLC所

22、需I/O点个数；用互程序存储器容量的选择；PLC型号的选择；PLC的程序设计。1.4卧式绕线机的技术参数中心高：1600 mm；花盘直径：1200 mm, 开四等分T形槽；床头总盘与尾座顶尖距离：1.8 m-3.2 m；最大转速：10吨；主轴转速：024 rpm . 满圈时 1012 rpm；电机功率 11 kw ( 由张力机的张紧力确定出 )；起动、制动时间：三分之一圈；张紧力：1000 N。2前箱体设计计算2.1确定主电机功率2.1.1空线圈启动状态下电动机在启动到额定转速的过程中，主轴所受的力矩为，（2-1）（2-2）式中，加速度产生的力矩；张紧力产生的力矩；绕线模转动惯量。在=24(r

23、pm)时，启动时间按照三分之一圈计算，角加速度为，（2-3）绕线模的转动惯量为，（2-4）角加速度力矩为， =1603=480（2-5）张紧力矩为，（2-6）式中，线圈的张紧力，为恒定力1000N；D空绕线模的直径，为800mm。主轴负载力矩为，负载功率为，（2-7）式中，负载功率，单位为Kw； n绕线模转速，单位为r/min。由于由电机到主轴之间蜗轮蜗杆减速器（非自锁），则=0.75；链传动=0.95；带传动及其他机构=0.98。电动机轴负载功率为,（2-8）2.1.2线圈在满圈状态下在绕线模满圈时，若由于某种原因，绕线机停机，现在需要重新启动，在此过程中重新启动绕线。主轴所受的力矩为（2-

24、9）（2-10）式中，加速度产生的力矩；张紧力产生的力矩。由于绕线过程中，随着绕线模的线圈的绕制，转速需要随之降低，此时n取11rpm，启动时间按照三分之一圈计算，角加速度为，（2-11）线圈及绕线模转动惯量为，（2-12）（2-13）线圈对绕线模的张紧力矩为，（2-14）式中，满载时，线圈对主轴的力矩，单位Nm；满载时，线圈的直径，为1200mm。主轴负载力矩为主轴负载功率为（2-15）式中，满圈时，线对绕线模的力矩；满圈时，绕线模的转速。考虑到由电机到主轴之间蜗轮蜗杆减速器（非自锁），则=0.75；链传动=0.95；带传动及其他机构=0.98。电机轴负载功率为，11（2-16）选择电机11

25、kW可以满足要求。查手册选用电机，额定功率11(kW)，转速1460(rpm)。电机启动后，主轴转速为24(rpm)，稳定运行后主轴为12(rpm)。由带传动 =1，链传动 =1，取蜗杆-蜗轮传动=41则主轴 及蜗轮轴的转速，蜗杆轴转速为2.2制动器的选择在制动的过程中，存在张力力矩、减速力矩、制动力矩（2-17）式中，制动过程中，减速度产生的力矩折算到蜗杆轴上（2-18）式中，主轴的制动力矩折合到蜗杆轴上的力矩；蜗杆轴和主轴之间的总传动比。选用磁粉制动器，为自然冷却式磁粉制动器空心轴型ZX-2.5YA2.3蜗杆-涡轮减速器2.3.1蜗杆-蜗轮减速器的设计方案由于随着线圈的不断绕制，线圈的质量

26、不断增大，电动机的转速也应该不断减小，故选用4级调速。线圈满圈时，质量m=10(吨)，电机转速为480(rpm)，线圈为12(rpm)。蜗杆-蜗轮两轴交错角，采用ZI渐近线蜗杆。考虑到传动功率不大，速度只是中等，蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模制造。仅齿圈用青铜制造，轮芯用灰铸铁HT100制造。蜗杆-蜗轮减速器的设计计算按齿面接触疲劳强度，传动中心距为（2-19）式中，a蜗杆-蜗轮中心距； K载荷系数；接触系数弹性影响系数。计算蜗杆功率确定齿轮齿数=1，=40，=0.75由=3.26，链传动=0.95，则蜗轮轴

27、功率为（2-20） （2-21）式中， 主轴负载功率；蜗杆轴力矩。由经蜗杆-蜗轮传动=0.75，则蜗杆功率为计算蜗杆载荷系数因工作载荷较稳定时，故取载荷分布不均系数=1；由表11-5选=1；由转速不高，冲击不大，取=1.05 （2-22）材料弹性影响系数因选用铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆，计算应力极限先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值 =0.36，从图11-18可查得，接触系数为=2.85。根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模制造，蜗杆螺旋齿面硬度为45HRC，从表11-7查得蜗轮的许用应力=268，=12000(h)应力循环次数为（2-23）寿命系数为应力极限为 （2-24）计

28、算中心距 （2-25）取a=200(mm)，因，取，q=10，则，查教材图11-18，以上满足条件蜗杆-蜗轮的结构尺寸蜗杆结构尺寸查表得，蜗杆轴向齿距直径系数q=10，齿顶圆，齿根圆直径分度圆导程角，蜗杆轴向齿厚蜗轮结构尺寸=41，=-0.5验算传动比=41，传动比误差为，在误差允许范围。分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核齿根圆弯曲疲劳强度条件 （2-26）式中，蜗轮齿根弯曲应力，MPa；蜗轮齿形系数，由蜗轮的当量齿数及蜗轮变形系数x2查教材图11-19；许用弯曲应力，单位MPa;弯曲疲劳强度的重合度系数，取=0.667。.当量齿数为， （2-27）式中，分度圆导程角；由，

29、查图11-19，得 （2-28）应力极限为， （2-29）（2-30）从教材表11-8查得铸锡磷青铜ZCuSn10P1蜗轮的许用弯曲应力为，寿命系数为，应力满足条件从GB/T10089-1988圆柱蜗杆-蜗轮传动机构减速器精度选8级。2.4带传动的设计2.4.1带传动的结构尺寸计算功率为 （2-31）式中，工作情况系数； P所需传递的额定功率，单位kW。查教材表8-7，工作情况系数又由已经条件得，带型的选择及转速查图8-11，普通V型带选型图，应该选B型带，取，取 （2-32）由传动比i=1，则初定中心距由得， （2-33）取计算带长 （2-36）查表8-2，取实际中心距 （2-37）最小中心

30、距为， （2-38）最大中心距为， （2-39）带的选择小带轮包角为 （2-40）带的根数为 （2-41）式中，包角修正系数；带长修正系数。查教材表8-4a，得；查教材表8-4b，得；查教材表8-5，得；查表8-2，得取带的受力分析单根V带初拉力F最小初拉力为 （2-42）查表8-3，得， 最小初拉力为 带传动作用在轴上的压轴力为 （2-43）带轮的结构设计由带轮的基本尺寸，带轮结构采用孔板式。由手册查电机主轴尺寸为查表8-10，得,取，取，。齿顶圆直径，齿根圆直径带轮宽度取2.5链传动的设计2.5.1链的尺寸设计采用滚子链传动，双排链，i=1单排链的计算功率 （2-44）式中，KA工况系数，

31、见教材表9-6； KZ主动链轮齿数系数，见图9-13； KP多排链系数，双排链时KP=1.75，三排链时KP=2.5查表9-6，得 查图9-12，得 双排链时， ,查图9-11，选用型号为24A的链条查表9-1，得节距为分度圆直径为 （2-45）初选中心距选链节数为, （2-46）取最大中心距为 （2-47）式中，中心距计算系数，查教材表9-7。查表9-7，得链的校核设计链轮的链速 （2-48）式中，主动链轮转速，单位为rpm。查图9-14，选用定期人工润滑。链轮对轴的压轴力 （2-49）式中，压轴力系数，对水平传动=1.15；对垂直传动=1.05；有效圆周力，单位为N。垂直布置传动时 压轴力

32、为 链轮材料选用45钢，采用张紧轮进行张紧。链轮的结构设计链轮的总体结构选用双排链轮，由于链轮的尺寸较小，采用整体式。由安装轴的尺寸，分度圆的直径齿顶圆直径查表9-1，滚子直径为，内链板高度为齿顶圆直径最小值为，（2-50）齿顶圆直径最大值为， （2-51） 取324mm，即齿根圆直径齿高 （2-52） （2-53）式中，滚子直径，查教材表9-1；链的节距；取凸缘直径 （2-54）式中，内链板高度，查教材表9-1。取轮毂厚度 （2-55）式中，轮毂直径。 K常数，查手册；轴向齿廓尺寸齿侧倒角齿全宽齿宽轮毂直径 ，且，则 满足=260轮毂长度L 由取，查手册，选择键2214632.6主轴的设计2

33、.6.1主轴的结构设计轴上零件的装配主轴结构及其上的零件装配结构简图如图2-1：图2-1 主轴结构及其上零件装配图主轴转矩主轴负载功率为负载转矩为按扭转强度条件设计 （2-56）式中，d主轴最小直径，单位mm； A0查教材表15-3。由表15-3，轴的材料为选用45钢，调质处理，则取112由轴的结构图知，最小直径为连接光电编码器取为74，即，取，查手册表5-6得，选两个圆螺母，D=75，-之间的轴肩高度为取1.5,，所以，由链轮宽度，取，查手册选键为221463-之间的轴肩起定位作用，取轴肩高度h为0.08 =0.0877=6.16，取由，取-之间为非定位轴肩，查手册表5-6，取圆螺母为M95

34、2，取，初选滚动轴承，因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，所以选用单列圆锥滚子轴承，使用反装方式。查手册GB/T297-1994，选用轴承30310，取，取-之间轴肩起定位作用，取轴肩高度h为0.08 =0.08100=8取，-之间轴肩起非定位作用，取为120，选单列圆锥滚子轴承32924，B=29由轴的结构，取，由绕线机花盘的结构尺寸，取主轴的载荷分析链轮的压轴力为，主轴转矩为轴上载荷图图2-2 轴上载荷图水平方向受力（N）垂直方向受力垂直方向载荷受力图如图2-3：图2-3 垂直方向载荷图各个力的力臂为 由力矩平衡公式得 （2-56）式中，G绕线模满圈时所受的重力，单位为N，满圈质量m=10

35、吨。 =19080.2(N)又由 =23467+50000-19080.2=54386.8(N)垂直方向的弯矩垂直方向的弯矩图如图2-4：图2-4 垂直方向的弯矩图最大弯矩值为 最大总弯矩 =2440.6(Nm)=2440600(Nmm) 扭矩 轴上零件的定位左轴承的右边采用轴肩定位，左边采用套筒及双圆螺母定位；右轴承的左边采用箱体定位，右边采用轴肩定位固定。链轮的左边采用双圆螺母固定定位，右边采用轴肩定位，与轴采用键连接，查手册中表4-1，选择键221463按照弯矩合成应力校核轴的强度进行校核时，只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面，轴单项旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6，轴的弯扭

36、合成强度条件为 （2-57）式中，轴的计算应力，单位为MPa；轴所受的弯矩，单位为Nmm； T3轴所受的扭矩，单位为Nmm；W轴的抗弯截面系数，单位为mm3； =21.75MPa前面已经选定轴的材料为45钢，调质处理，见表15-1，查得=60MPa； ，故主轴安全，满足工作要求2.7链轮主动轴2.7.1链轮主动轴的安装结构该链轮主动轴的动力由电动机经过带传动、蜗杆蜗轮减速，传递动力到蜗轮，蜗轮安装在链轮主动轴上。链轮主动轴的结构简图如图2-5所示：图2-5 链轮主动轴简图链轮主动轴的尺寸设计由于蜗轮轴的转速比较小，所以只进行尺寸的确定。由前面主轴的设计知，=77(mm)，查手册知，选键为221

37、463，L1取82(mm)，选紧定螺钉为M5。由于轴肩起定位作用，所以h=0.08d1=0.0877=6.16(mm)=77+26.16=89.32(mm)选择轴承为圆锥滚子轴承30218，取为90(mm)，取=88(mm)选择d3=95(mm)由B0.75da1=0.7596=72(mm)，取B=70(mm) L3=65(mm)，选择平键251450轴环左侧起定位的作用，选择d4=d3+0.08d3=110.2(mm)，选d4=112(mm)由L41.4h=1.48.5=12(mm)，所以选L4=16(mm)选d5=109(mm)，L5=88(mm)选择圆锥滚子轴承30218，取d6=90(

38、mm)，L6=65(mm)2.8蜗杆轴2.8.1蜗杆轴的安装结构该轴由电机经电机轴传递动力到蜗杆轴，蜗杆轴上安装有从动带轮、磁粉制动器。蜗杆轴的结构简图如图2-6所示：图2-6 蜗杆轴结构简图蜗杆轴的尺寸设计由于蜗杆的尺寸较小，所以将蜗杆在轴上直接加工，做成蜗杆轴。由电动机轴的直径决定，取=42(mm)，取115(mm)，选键为12895由蜗杆分度圆的直径为=80(mm)，选择=55(mm)；(8+0.06z2)m，取=84(mm)。由第2段右侧，第6段左侧起定位轴肩作用，选=45(mm)，选单列圆锥滚子轴承30209，L2=20(mm)，L6=70(mm)。由轴的总体尺寸，确定第3段和第5段

39、轴部的长度为，=55(mm)。2.9主动带轮轴电机轴2.9.1主动带轮轴的结构三相异步电动机由电机轴传递动力到主动带轮，由主动带轮带动从动带轮，从而传递动力到主轴。轴上零件的安装简图如下：图2-7 带轮主轴结构简图主动带轮轴的尺寸设计由电机主轴的功率为=4.67(kW)，主轴转矩为=91(Nm)初步确定轴的最小直径 （2-57）选轴的材料为45钢，调质处理；查教材表15-3，取A0=112=26.2由于最小直径在带轮处，取=42(mm)，取125(mm)选平键为12890选为52(mm)，取为52(mm)选为65(mm)，选深沟球轴承为66013，取130(mm)由电机输出轴的尺寸，取=42

40、(mm)，=105(mm)，选择平键为128803后箱体、排线架的设计3.1后箱体主轴的设计后箱体主轴的结构后箱体主轴上安装有两个单列圆锥滚子轴承、尾座微调轴，前端安装有花盘。结构简图如下：图3-1 后尾箱主轴结构简图后箱体主轴的尺寸设计后箱体主轴只受负载绕线模的重力作用，主要起支撑作用，不传递转矩，而且转速一般很低，最多达到24 rpm，所以只进行尺寸的确定，不进行校核。前箱体主轴的尺寸知，后箱体主轴前端尺寸结构，选=140(mm)，L1=42(mm)，d0=220(mm)选择轴承为单列圆锥滚子轴承为32924，d2为120(mm)，L2取36(mm)第2段不起轴肩的作用，所以d3取117(

41、mm)，L3取420(mm)。L4在左侧起轴肩定位作用，=100(mm)；选单列圆锥滚子轴承30220，由轴承的宽度，选=62(mm)。根据第5段轴肩部位，查手册中的圆螺母尺寸，选用=95(mm)，选用双圆螺母公称直径为95(mm)，选圆螺母为M952，则取(mm)。3.2后箱体微调轴3.2.1后箱体微调轴的结构由于微调轴只起微小调节后箱体主轴的的位置，不传递动力的，故只确定微调轴的尺寸。轴上的结构简图如下：图3-2 微调轴结构简图后箱体微调轴的尺寸设计后尾座微调轴上安装有外购件手柄，不传递动力。选螺纹公称直径为=42(mm)，取110(mm)第2段轴肩，取30(mm)，=30(mm)取40(

42、mm)，=20(mm)选用双单列圆锥滚子轴承30207，=50(mm)，=35(mm)第5段轴肩，取32(mm)，=30(mm)第6段轴肩，取27(mm)，=40(mm)，选键为8720。3.3后箱体粗调3.3.1蜗杆-蜗轮传动通过粗调手柄转动蜗杆，传递运动到蜗轮，由蜗轮运动带动齿轮转动，通过齿轮齿条传动带动后箱体做水平运动，从而调节绕线机的跨距，将绕线模支撑起来。由于蜗杆蜗轮机构只传递运动，不传递动力，只在安装绕线模的时候粗调前箱体与后箱体之间的跨距才手动运动的。所以只确定蜗杆-蜗轮的尺寸，不进行强度校核。蜗杆的材料选用45钢，蜗轮选用灰铸铁HT150。查教材表11-2，选用蜗杆-蜗轮中心距

43、为80 (mm)，蜗杆齿数为=2，分度圆直径为=40，直径系数为q=10，模数为m=4；导程角为1836。蜗轮齿数为=31，分度圆直径为=m=431=124 (mm)，变为系数为=-0.5(mm)蜗杆轴的设计由于蜗杆的尺寸较小，所以将蜗杆和轴制作成一体，即为蜗杆轴；蜗杆轴只传动运动，不传递转矩，故只进行尺寸结构的设计，不进行载荷的校核分析。轴的材料选用45钢。轴的结构简图如下：图3-3 蜗杆轴的结构简图由以上结构简图可知，蜗杆分度圆直径=40(mm)，(8+0.0631)5=49.3(mm)，所以取51(mm)；齿根圆直径为=40-2.44=30.4 (mm)，取=29 (mm)；查手册取轴承

44、为深沟球轴承66005，所以=25，=24；由教材知，选=50,;=30 (mm)；=48 (mm)。3.4排线架3.4.1滚珠丝杠由于在排线的过程中，排线架需要随着线圈的缠绕位置变化而不断地来回运动，需要使用机械传动机构才驱动排线架水平地来回运动，所以选用滚珠丝杠来带动排线架左右直线运动。通过滚珠丝杠的正反转来实现排线架的往返运动。由于随着绕线模的线圈的不断绕制，线圈的质量不断增加，需要不断地改变排线架来回运动的速度，所以需要电机能在PLC的控制下与绕线机的主轴的转速同步变化。所以选用交流伺服电动机来驱动滚珠丝杠的运动。又绕线模的转速非常慢，排线架的运动速度也相当慢了，需要的功率很小，选用交

45、流伺服电动机也就可以符合要求。选用滚珠丝杠公称直径为=20 (mm)，公称导程为P=5 (mm)选用交流伺服电动机，型号为SM130-100-15LFB，输出功率为150W，同步转速为1500 rpm，输出轴直径为22 mm，长度为48 mm，查手册，选择平键为6636。由于电机需要频繁地正反转，载荷比较平稳，所以查手册，选用弹性套柱销联轴器，型号为LT 4，J型孔。电机为固定在后箱体上，丝杠选用两端固定的形式，在滚珠丝杠的转动过程中，相当于螺栓螺母副的机构，在丝杠的位置不变的情况下，排线架在作为螺母地来回左右运动。排线机构排线结构的结构简图如下：图3-4 排线架滚轮结构简图排线制动机构为解决

46、在主轴停机运动的情况下，放线机还在不断放线的情况下，导致绕组上的线圈张紧度受到影响，在放线盘上面采用制动机构。在主轴停机时，通过PLC给排线架制动器传递信号，提供电流给制动器，实现放线机的制动。选用磁粉制动器制动放线盘，查询手册上的资料，选用ZX-0.6YN-12，为空心轴型，孔直径为d=20 (mm)，查手册上，选择普通平键为6628。恒张力控制机构取消传统绕线机上的张力计，由放线机控制线圈的张力，通过调节放线机的磁粉制动器的电流，可以改变制动器的阻力矩来间接调节线的张力，以此来达到线上横张力的目的。通过调节放线机上磁粉制动器上的电流大小来控制阻力矩： （3-1）式中，磁粉制动器的电流； D

47、放线机的卷径；线圈张力为，= （3-2）卷径为， D= （3-3）式中，放线机的线速度；放线机的转速。在横磁通的情况下，通过传感器测量D、n，由单片机进行数据处理，控制外接电路的开闭，从而调节控制电流，就可以实现间接控制张力；选用单片机控制步进电动机转动到相应的位置，从而控制电流的大小。4电气控制系统的设计4.1绕线机的电气控制原理绕线机上主要由PLC控制各个电气部件，包括有一个三相异步交流电动机、一个交流伺服电动机、两个变频器、两个制动器。可编程控制器PLC可以实现控制三相异步电机、伺服电机的启动、停止、转向，调节变频器、制动器上的电流大小，从而控制电机的工作频率达到控制电机的转速以及控制电

48、动机、放线机的制动。PLC通过接收主轴上的光电编码器的信号，实时地调整电机的输出转速以及交流伺服电动机的工作转速，实现主轴转速与排线架的运动速度的同步变化。4.1.1绕线机的控制系统硬件选择电源开关一般选用三级电源开关QK，为胶壳刀开关，额定电流值为60A，极数为3极，额定电压值为380V。胶壳刀开关是一种结构最简单、应用最广泛的手动电器。用作电路的电源开关和小容量电动机非频繁启动的操作开关。胶壳刀开关由操作手柄、熔丝、触刀、触头座和底座组成、胶壳使电弧不致飞出灼伤操作人员，防止极间电弧造成的电源短缺；熔丝起短路保护作用。熔断器FU熔断器是一种简单有效的保护电器，在电路中主要起短路保护作用。熔

49、断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管组成。使用时，熔体串接于被保护的短路中，当电路发生短路时熔体被瞬间熔断从而断开电路，起到保护作用。选用RM10-15，熔断器选用额定电流15A，额定电压220V，熔体额定电流选用10A。空气开关也称自动开关，常用与不频繁地启动电机及换向，对线路、电器、电动机等实行保护。当发现电路上的电器产生严重过载、短路、欠电压等故障时能自动切断电源开关。因此，空气开关是配电系统中的一种重要的保护电器。选用型号为DZ5-10自动开关，开关额定电流为10A，额定电压为三相交流220V。热继电器FR热继电器是利用电流的热效应原理工作的电器，广泛应用于三相异步电动机的长期过载保护。在

50、三相异步电动机电路中，一般在两相主电路中串接热元件。热继电器的选择主要根据电动机的额定电流来确定其型号及热元件的额定电流等级。绕线机的额定功率为=4.67kW，所以三相交流电动机的额定电流为= （4-1）式中，额定功率，=4.67kW；额定电压，=380V；功率因数，=0.9；电动机功率，=85%。 三相电动机为 伺服电动机为(A)所以，三相电动机上的热继电器选用T45，调节范围为1321A；交流伺服电动机上的选用T，调节范围为 行程开关排线架左右来回地不断运动，主要是由左右两边的行程开关来实现瞬时换向的。行程开关是将机械信号转换为电气信号，从而控制伺服电动机的换向使用，作为行程限位使用。选用

51、两个行程开关LX19-111，额定电压为交流380V，额定电流为5A，结构选为单轮。 PLC控制系统的设计可编程控制器(PLC)是一种带有指令存储器和数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术等基本功能，用于控制电器元件或者生产过程的自动控制装置。PLC的功能逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，它有“与”、“或”、“非”、“异或”等基本逻辑指令，能够描述继电器触点的串联、并联等各种类型的连接。所以，它可以代替继电器进行组合逻辑与顺序控制。计数控制PLC具有计数功能，它为用户提供了若干个计数器，同时设置了相关计数指令，可以在编程的时候设置计数值，并在运行中可以被读出和修改

52、。定时控制PLC具有定时控制功能，为用户提供了若干个定时器，同时设置了相关指令。定时值可以在编程的时候进行设置，能在运行中可以被读出与修改，使用与操作都很方便。AD/DA转换部分PLC可以实现“模数”AD和“数模”DA的转换，能完成对模拟量的控制与调节。数据处理PLC还具有数据处理能力，同时由并行运算指令，能够进行数据并行传送、比较和逻辑运算，BCD编码的加、减、乘、除等运算，能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较等操作，可对存储器间接寻址，与打印机相连可以打印梯形图等。PLC的工作过程PLC通电以后，首先进行内部处理，包括系统的初始化，设置内部堆栈指针，工作单元清零，编程接口初始化，设置工作标志以及工作指针等。工作状态选择，如编程状态、运行状态等。一个扫描周期主要包括：为保障系统正常运行的公共操作占用时间、系统与外界交换信息占用时间及执行用户程序占用时间等三个部分。如图4-1