绕线机的总体结构及绕线装置的设计【7张CAD图纸和全套文档打包】
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目 录1 绪论11.1 引言11.2 常用绕线机的介绍11.3 课题背景21.3.1 绕线机的技术趋势31.3.2 立式绕线的趋势41.4 课题任务51.5 课题难点52. 总体方案设计52.1 绕线机的工作原理52.2 主动系统的工作原理82.3 进给系统的工作原理92.4 气动夹紧系统的工作原理103. 主动系统的设计113.1 主动轴电机的选择113.2 电机型号的选择113.3 各部分运动参数设计133.4 同步带及同步带轮参数设计153.5 联轴器193.5.1 联轴器的选择193.5.2 联轴器的校核203.6 减速器的选择203.7 主动轴设计213.7.1 各段尺寸的设计计算213.7.2 轴强度校核243.8 轴承的校核263.8.1 轴承型号的选择263.8.2 支座反力的计算273.8.3 求两轴承的计算轴向力Fa1和Fa2273.8.4 轴承的当量载荷的计算283.8.5 轴承寿命的计算283.9 传动轴参数校核283.10 花键的设计及校核294. 进给系统设计304.1 传动方案的设计与选择304.1.1 滚珠丝杠304.1.2 张紧装置314.2 张紧装置中螺栓强度的校核315. 气动夹紧系统335.1 夹具与工作轴的配合335.2 气缸的选择与尺寸计算335.3 导轨的选择346. 轴承的润滑与密封及保养356.1 轴承的润滑与密封356.2 设备的保养与注意事项36结 论37致 谢39参考文献40绕线机的总体结构及绕线装置的设计摘 要随着科学技术的发展,线圈的使用已经遍及了人类生活的方方面面。为了减轻工人的劳动,提高生产效率和产品质量,绕线机逐步以自动化代替了早期的手工作业,这样就为绕线机制造业带来了新的发展机遇。绕线机是电气生产行业常见加工设备,绕线机顾名思义就是把线状的物体缠线装置来回直线运动,带动漆包线均匀的绕到骨架上,绕线装置做回转运动,要求漆包线在绕线骨架上按一定的规律形状缠绕而成。因此对于绕线机来说总体结构的设计以及排线装置和绕线装置传动部分的设计具有重要意义。该设计工作的主要内容是设计一款新型的绕制变压器线圈的立式高速自动绕线机。本次设计适用于小型电机绕线圈。能自动排线,有机械或电子计数器。在系统设计中本文系统的介绍所设计绕线机的工作原理及各个子系统的工作原理,包括主动系统,进给系统和排线系统等。在主体设计中,利用动力学设计方法,对绕线机机械结构的主要受力部件尺寸和参数进行了设计并校核,包括主动轴,同步带,同步带轮轴承等参数进行了设计,确保其性能指标合格,满足其使用要求,并对标准件包括联轴器,花键等进行了周密的分析与选择,经过对比各类电动机的优缺点,结合本设计中绕线机的工作要求,选择了合适的电动机。关键词 :立式绕线机;系统设计;机械结构设计Overall structure of winding machine and design of winding deviceAbstractWith the denelopment of science and technology, coil has been used in all aspects of human life. In order to alleniate workerslabor, improne production efficiency and product quality, winding machine gradually replaced the early handwork industry with automation, which brought new denelopment opportunities for winding machine manufacturing industry.Winding machine is a common processing equipment in the electrical production industry. As its name implies, winding machine is to make linear motion of wire-like object winding denice back and forth, to drine enameled wire enenly to the skeleton, and to make rotary motion of the winding denice, requiring enameled wire to be wound on the winding skeleton according to a certain regular shape. Therefore, the design of the onerall structure of the winding machine and the design of the arrangement denice and the transmission part of the winding denice are of great significance.The main content of this design work is to design a new type of nertical high-speed automatic winding machine for winding transformer coils. This design is suitable for small motor winding coil. It can arrange wires automatically, and has mechanical or electronic counter.In the system design, this paper systematically introduces the working principle of the winding machine and the working principle of each subsystem, including the actine system, feed system and wiring system. In the main body design, using the dynamic design method, the size and parameters of the main mechanical components of the winding machine structure are designed and checked, including the parameters of the drining shaft, synchronous belt and synchronous pulley bearing, so as to ensure that their performance indicators are qualified and meet their application requirements. The standard parts, including coupling and spline, are carefully analyzed and selected. By comparing the adnantages and disadnantages of all kinds of motors, combined with the working requirements of the winding machine in this design, the suitable motor is selected.Key words: Nertical winder;System design;Mechanical structure design 4山西工程技术学院毕业设计说明书1 绪论1.1 引言随着工业的发展,绕线机在线圈的生产行业中已经不可或缺,纵观线圈绕制的发展历史,绕线机绕制线圈已经完全取代了人工绕制,地位举足轻重。绕线机的型号也不尽相同,尤其是在现代的机械行业中,新的电动机器不断被人类发明出来,这些机器内部无疑都会用到各类线圈,这就催生了各种能够生产此类线圈的绕线机。随着国内清洁能源的利用越来越广泛,变压器线圈的需求越来越高,这就推动了绕制变压器线圈的立式绕线机飞速发展。1.2 常用绕线机的介绍由于各种线圈产品的功能要求不同,使得绕线机的种类也多样化了,目前常见绕线机的有全自动绕线机、半自动绕线机、环行绕线机、伺服精密绕线机、变压器绕线机等几种。常用的自动绕线机绕制的线多为漆包铜线(绕制电子、电器产品的电感线圈),纺织线(绕制纺织机用的纱绽、线团),还有绕制电热器具用的电热线以及焊锡线、电线、电缆等组成绕组的基本元件是漆包线。通过在绕线骨架上按一定的规律形状缠绕而成,绕线的匝数直接和电机的性能有重要影响。电机主要是进行电能和机械能的转换,在电机中,电能向机械能转换主要是通过线圈进行的,电机的通电边在磁场中会受到电磁力,从而使电机轴转动。全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种,为了适应高效率、高产量的要求,全自动绕线机的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多则十几万元,价格也使得许多的用户望而却步。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,周期也会比较长。但是它的先进性和高产性还是吸引了客户。半自动绕线机是目前使用最广泛的机型也称为CNC自动绕线机,该能够自动排线,加上不同的机械结构即可完成不同的绕制要求具有高效、维护方便、性价比高等诸多优点,国内厂家一般都采用CNC控制器,也有部分厂家采用自行开发的控制器作为控制核心,CNC机型已经是一种非常成熟的机种了,许多厂家在功能和用途上都作了创新和升级,使用产品的系列不断的得到延伸,作为市场上应用最广泛的机型,该机型的价格比起全自动绕线机动就低了很多。根据用途的不同有几千到上万不等的价格,该机种的缺点就是一台必须配一名操作人员。目前在镇流器、电感线圈生产等一些场合都能看该机型的应用。环行绕线机是特殊专用机型,常见的有边滑式和皮带式,是绕制环行线圈的专用机型,该机型从出现到现在没有很大的技术变动,目前,机头部分主要还是以进口为主,比较常见的有美国高曼等品牌,进口机头相对于国产机头有许多优点,做工都比较的精细,材质一般都采用特殊合金,耐磨表现优异,机头都能承受长时间的作业加工要求,有些机头采用了分体式结构设计,上下储线环变得更为方便快捷。环行绕线机一般都为台式机构,设备主要以机械构造为主,价格主要区分为进口机头和国产机头两类。伺服精密绕线机是当今高新技术结合的产物也是当前最先进、功能最为强大的机型,高端机型可以完全模拟人的排线动作,主轴和排线均采用高精度伺服电机,控制系统采用具有极高运算能力的PLC系统,具有自动运算、自动判别、误差修正等功能,由于采用了闭环控制,所以当出现排线失步等现象时设备可以自动修正,高分精率的伺服电机可以保证在高低速时设备运转的稳定性,该机型的附件装置也是比较先进的,比如有辅助卸模装置,主动式张力放线架,电磁自动调节式张力器等,由于使用了大量的高新技术,所以价格要比CNC自动绕线机高不少,一般使用在对线圈参数有特定要求的场合。变压器绕线机是比较常见的机型,结构形式来分有卧式和立式,我们一般比较常见的是卧式绕线机是用来绕制变压器线圈的专用设备,传统的变压器绕线机比较单一均为人工排线整形的机型,现代机型已经有自动排线系列了,变压器是大型电气件,所以绕线机的结构都比较大,重量也根据绕线机的级别从儿百公斤到几千公斤,由于现代技术不断在变压器绕线机上的应用,新的机型功能上也变得更强大,柔性预压紧装置的出现代替了传统的人工敲打整形的烦琐工艺,使变压器绕制过程变得更为简单。1.3 课题背景在全世界工业起步初期,线圈的绕制全由工人手工完成,即工人把漆包线按着指定要求绕到转子上,并且通过人工来对线圈的匝数进行确定,这样的生产方式既消耗人力效率又不高,而且人工绕制无法保证线的张力,故生产出来的线圈也是问题百出。为了减轻工人的劳动,提高生产效率和产品质量,绕线机逐步以自动化代替了早期的手工作业,这样就为绕线机制造业带来了新的发展机遇。调研发现,绕线机市场十分混乱,质量也是参差不齐,有国外先进的绕线机,也有国内落后的半自动绕线机。目前我国绕线机生产单位已超百家,但是,技术仍停留在抄袭和仿制阶段,造成了市场机种单一。产品无论是从外观还是配置来看都毫无技术亮点。绕线机技术的核心是控制系统,目前国内厂家大多采用由系统供应商提供的成套控制系统,产品标准一旦制定无法根据客户工艺要求作修改,由于部分控制系统供应商对绕线机行业的工艺要求并不熟悉,导致了许多好看而并不实用的功能,绕线机厂家对控制系统的技术应用掌握程度也影响着制造工艺,目前市场上多见的是普通数控型、CNC机型和厂家自制控制系统的机型。相对国内生产的绕线机,这种舶来品价格昂贵,对国内一些中小型企业,选择进口绕相机显然不是明智之举。出于经济方面的考虑,大部分企业仍在沿用扁线平绕的落后加工工艺,部分不能用机器自动完成的工作,还需人工完成。如果使用传统漆包线,线圈体积就会变大,为了适应小型机器的体积,不得不使用价格较高丝包扁铜线。而经过传统工艺生产出来的线圈散热性不佳,故内圈容易被烧坏。由于国内绕线机越来越不能满足绕制变压器线圈的要求,国内变压器线圈生产商想要生存,就必须从国外进口先进的绕线机。然而昂贵的价格,依然让国内厂商感到巨大的压力。随着变压器行业的发展,我国务必要研制出具有自主知识产权的新型全自动绕线机,使我们能在世界的绕线机行业中占有一席之地。未来随着行业工艺要求的提高,绕线机控制技术必将向着自动化、智能化等方向发展,全自动机型就是在这种行业需求的推动下研发而成的,实现了一人看管多台设备,极大程度的满足了高产能的要求;全伺服控制应用于绕线机大大提高了绕线机的绕线精度,满足了高品质线圈的加工要求,未来更智能化、绕线精度更高的机型必将诞生以满足电气行业的发展要求。为了满足国内的生产需求,促进绕线机行业的发展,需要借鉴国外先进经验,研制出性价比高的自主知识产权的绕线机。在当局的重视之下,在政策与方针指导之下,我国变压器的发展成果令人瞩目,无论是系统还是品种,都开创了一个新的纪元。1.3.1 绕线机未来发展的三个趋势绕线机历经半个世纪从最初的手工绕制发展到现在的半自动、全自动绕线机,国内绕线机仍在以迅猛的速度发展。通过单片机系统控制、计算机显示、传感器的测量,绕线机的闭环控制功能已经越来越完善。故为了延长绕线机的生命周期,就必须开发出功能更加全面,柔性化程度更高的绕线机。目前半自动绕线机的应用最为广泛。在未来的技术发展中绕线机的自动化技术发展的主要趋势有以下三个方面:1具有模块化的功能。模块化的功能控制器将得到更多的应用。模块化的功能控制器可以根据绕线机功能要求的不同,而进行灵活的配置相对于PLC具有计算能力强、通讯方便、成本较低的优点,绕线机的控制要求相对简单和固定,非常适合应用模块化的组合式控制器,目前绕线机中较多使用的是PLC及CNC专用控制器。2高产能、多功能。随着人工成本的提升和市场对产品性能要求的提高,绕线机在不断地更新换代,高产能、多功能机型将会普及。目前常见绕线机主要及单头绕线加工为主,功能也较为单一 ,多头联动绕线将大大提高绕线机的效率和产量,该设计能有效的降低设备的复杂程度,提高驱动效率,方便工艺调节,降低维护量。目前电磁线圈、电机线圈及镇流器线圈的加工都已经使用了多头联动技术;绕线机是线圈加工的一个步骤,未来发展必将使多种功能整合进来,实现线圈全自动化加工、测试、完成多种辅佐工艺。3研发与定制专用机型。线圈的种类繁多,使用的材料也是各不相同。专用机型的开发和定制线圈的加工种类有许多种,使用的线材及要求各式各样,对于那些有特殊要求的线圈加工,国内厂家纷纷选择放弃,经过了这几年的技术消化和吸收,绕线机厂家的技术力量都在壮大,对于那些有特殊要求的机型,应对起来也能轻松许多,随着厂家的加工能力的提升,定制周期也在缩短。1.3.2 立式绕线的趋势传统绕线方式是扁线平绕。扁线平绕这种工艺和加工方法的原理是先在胎膜上绕好线圈,然后再取出胎膜把铁芯插入,它的优点是对饶制设备要求不高,没有特殊的工装,但是它的缺点是绕制效率不高,绕制出的线包相对较大,线圈的散热性相对较差尤其线圈内部发热较大。而近几年来出现了扁线立绕的先例,而这种新的绕线方式正在成为一种绕线潮流。顾名思义,这是一种扁线“站立”在铁芯上的绕线方式,即把扁平线的长边垂直于螺旋轴线制作螺旋丝的一种绕线方法。如图1.1所示。图1.1立式绕线扁线立绕工艺有如下优点:(1)无需脱胎,即在铁芯上包好绝缘纸或夹上支撑件后就可以直接绕制线圈,大大提高了加工效率。(2)散热性能优越,可以提高耐热等级。线“站立”在铁芯上,即扁线窄面垂直于铁心,线暴露在空气中的面积比较大,不但能增加匝间距还会相应地增加匝数,从而改善了扁线本身和一侧绕组的散热环境,提高了线圈性能。(3)特别适合纸包或裸铝线,既降低了成本又有利于线圈成形。1.4 我国绕线机发展存在的问题我国一些企业自主研制的绕线机,在绕制细微漆包线和贵金属细丝时,这些机器都会遇到共同的问题,如无法达到整齐排线,绕线张力无法控制,夹具设计不够合理等,特别是绕制0.15mm以下的丝材时,问题尤为突出:排线所需要的直线运动,仍然要通过一台旋转运动的步进电动机,再加上一套价格昂贵的滚珠丝杆和配套的螺线精密地啮合,才能把旋转运动转换成所需要的直线运动;滚珠丝杆与其配套蝶帽之间的啮合,总是存在着一定的间隊,这个间隙由于运行中的磨损,会变得越来越大,因此很难保证0.15mm以下线径线圈的自动排线精度。我国在这类设备的控制方面,还是基本采用传统的电器控制,生产效率低,线圈绕制.因此自动式绕线机是一种控制部分和机械质量差,属于半手工半机械的操作方式”。虽然近年来采用了微机和PLC对这类设备进行了一些改造,但是还是存在着自动化程度不高、参数设定复杂、操作不方便、成本高等缺点。而且绕线机的绕线后期,大多采取人工操作,费时费力而且精度低,存在安全隐患,不能满足要求。1.5 课题任务设计变压器线圈立式数控绕线机,要求能够实现绕制线圈过程的自动控制,适用于小型电机绕线圈。能自动排线,有机械或电子计数器。各个坐标轴采用较先进的伺服电机控制,使用光电编码器来进行测量反馈,能够对整个过程实现闭环控制。1.6 课题难点由于本设计中,线的绕制方式扁线立绕,这就要求在绕制过程中:保证线状态良好能够不发生扭转,保持与铁芯的垂直度;要保证线圈绕线匝与匝之间紧密相连,即一定要保证进给运动和主运动的严密配合;一定要严格避免线骨和其夹具之间的相对运动,严格保证二者转速的一致性,否则,线骨磨损,线圈质量将达不到要求。由于线骨长度较大,所以要保证在转动过程中的稳定性。2. 总体方案设计2.1 绕线机的工作原理绕线机的设计一般分为两个部分:排线装置和绕线装置。排线装置来回做直线运动, 带动漆包线均匀的绕到骨架上;绕线装置做回转运功,其中,要达到均匀的绕线,必须做到:绕线轴每转一圈,排线轴前进一个要绕的漆包线线径。因此该绕线机传动部分的设计主要针对这两部分。本次的毕业设计适用于小型电机绕线圈,能自动排线,有机械或电子计数器。排线装置的设计方案:排线部分是整个系统的重要组成部分,它是把回转运动转变为直线往复运动,而且还要与绕线部分协调工作。而排线部分转速低、负载轻,所以本系统的排线机构可以采用滚珠丝杠副将回转运动转化为直线往复运动。滚珠丝杠副是工具机械和精密机械上最常使用的传动元件,其主要功能是将旋转运动转换成线性运动,或将扭矩转换成轴向反复作用力,同时兼具高精度、可逆性和高效率且具有很小摩擦阻力的特点。排线机构从整体设计方案看,主要有两种传动形式。第一种形式为直联式,即输入轴与滚珠丝杠经过刚性联轴器直接连接起来;第二种方式为软联接方式,即输入轴经过齿型带与滚珠丝杠相连接。软连接方式可以消除输入低速颤振对绕线精度的影响。为了消除丝杠与电机轴之间的同轴度和垂直度误差,本设计可以采用挠性联轴器。主轴传动系统的设计方案:绕线部分的传动是将电机的转动传递到主轴,使主轴带动骨架按照既定的转速旋转,完成绕线动作。绕线部分要求转速高、负载较大,但是精度要求不高。与链传动、齿轮传动相比,带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点,所以综合考虑该传动机构使用带传动。而带传动按照工作原理可以分为摩擦传动和啮合传动类。靠摩擦传递运动和动力的有,平带传动、V型带传动、圆带传动和楔型带动。平带传动结构简单,传动效率高,带轮也容易制造,在传动中心距较大的情况下应用较多。圆带结构简单,多用于小功率传动。V带传动允许的传动比大,结构紧凑,大多数 V带已标准化。楔带主要用于传递功率较大同时结构紧凑的场合。一般地说,啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动。同步带传动就是一种啮合型带传动,它通过传动带内表面上等距分布胡横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。与摩擦型带传动相比较,同步带传动的带轮和传动带之间没有相对滑动,能够保证严格的传动比。因为本次设计没有相关的要求,经综合考虑我所采用的V带传动。综上所述,设计出绕线机内部机械系统之间的关系如图2.1模型所示:图2.1绕线机机械系统主动系统:自动绕线机的主动系统由电动机、主轴、联轴器、减速器、同步带、同步带轮、传动轴、工作轴及支撑件等组成。主动系统的作用主要是对整个系统提供稳定的动力,当工作时,电机1转动,带动联轴器1所在的轴同时转动,经过减速器减速增距,将动力传递给联轴器2所在的轴,再将动力依次传递给同步带轮及同步带,传动轴,工作轴,当动力传递给工作轴的时候,就可带动线骨转动,与其他系统协调配合工作完成对线圈的绕制。气动夹紧系统:气动夹紧系统安装在工作轴上,工作轴和部分夹紧元件组成,通过图2.1很明显可以知道其工作原理,气缸能够在工作轴上反复运动,并且能够充当夹具从左侧夹紧线骨,其不但能够在轴向限制线骨滑动。也能跟随工作轴一起转动,这就对气动夹紧系统和工作轴之间的连接紧固性要求很高,只有气动夹紧系统不能与工作轴之间发生先对转动,才能确保绕线质量。进给系统:从图2.1中可以看出,电机2,滚珠丝杠,排线机构构成了进给系统,主要功能是排线,绕制出来的线圈,外观一定要耐看,这就要求线与线之间十分紧密,不会出现过大缝隙和线与线之间出现重叠的情况,这一点需要排线机构可线骨之间天衣无缝的配合,线骨转一圈,滚珠丝杠在电机2的带动下转过一定的角度。进给系统的精度由伺服电机和滚珠丝杠来保证。放线系统:放线系统由电机,支撑件和辅助件构成,的主要作用在于通过张紧装置来保证漆包线的张力,使线圈紧凑,防止扁线出现松垮的现象,线圈更“结实”。2.2 主动系统的工作原理绕线机中主动系统是一个至关重要的系统,其结构比其他系统的结构复杂,使用的各类元件较多,其工作原理如图2.2所示:图2.2主动系统工作图解主动系统中各个部件之间的联系和动力工作顺序通过图2.3一目了然,其动力传递顺序如下图所示。图2.3动力传递顺序当工作时,电机1转动,带动联轴器1所在的轴同时转动,经过减速器减速增矩,将动力传递给联轴器2所在的轴,再将动力依次传递给同步带轮及同步带、传动轴、工作轴,当动力传递给工作轴的时候,就可以带动线骨转动,与其他系统协调配合工作完成对线圈的绕制。2.3 进给系统的工作原理进给系统是一种能量转换系统,此系统通过将电机的旋转运动通过滚珠丝杠的传动副来转换为移动工作台在导轨上的往复运动,也同时带动线骨在工作轴上左右移动。通过与主动系统配合,完成对漆包线的缠绕,使线十分紧密地“站立”在线骨上。进给系统的局部放大图如图2.4所示。图2.4进给系统局部放大图进给系统的三维立体图如图2.5所示:图2.5进给系统局部三维图2.4 气动夹紧系统的工作原理 在夹具中,用以防止工件在加工过程中产生位移或振动的装置,称为夹紧装置。在设计夹紧装置时应考虑下列要求:1.在夹紧过程中不改变工件的位置。2.夹紧力大小应能保证工件在加工过程中不产生位移或振动,又不致压伤工件表面或引起变形。3.操作方便、夹紧动作迅速,以提高生产率;结构简单,易于制造,以降低夹具的成本。4.能自锁,即在原始力去除后,仍能保持工件的夹紧状态。5.操作安全、劳动强度小。夹紧装置一般由动力源装置(如气缸)、中间传力机构(可改变力的大小、方向,具有一定的自锁功能,如杠杆)、和夹紧元件(与工件直接接触实施夹紧的执行元件,如压板)三部分组成。其中气动夹紧装置的原理是将气缸作为气动夹紧系统的动力源,将绕线机的左夹具安装在能够移动的滑台上,不但能够在滑台上做往复的直线运动,还能随着工作轴进行同步的转动。夹具在直线导轨上进行往返运动,同时夹具对线骨做安装与拆卸工作,其行程为20mm,使绕制线圈的工作能够连续不断地进行。图2.6为气动夹紧系统工作原理示意图。图2.6气动夹紧系统工作原理3. 主动系统的设计3.1 主动轴电机的选择绕制线圈的质量取决于主轴的参数,如果电机参数不准,则可导致绕制出的线圈匝数多于设计的线圈匝数,也可导致匝数减少,无论匝数变多还是变少都与设计匝数不符,性能也必然受到影响。这就要求电动机的旋转精度要尽可能高,所以性能优良的电动机的选择就显得尤为重要。电动机的最优选择有若干因素需要设计者来考虑,比如电机的额定功率,额定转速,功率大小,需要带动的负载的大小,工作场合的恶劣情况等,任意一种因素都不能被忽略,若选择的电机不符合要求,最终也能是竹篮打水一场空。常用Y系列三相异步电机,其具有效率高、工作可靠、结构简单、维护方便、价格低的特点,适用于不易燃不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的场合。由于气动性能较好,也适用于某些要求较高启动转矩的机械。Y系列三相异步电动机是按照国际电工委员会(IEC)标准设计的,具有国际互换性的特点。其中,Y系列(IP44)电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机,具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵人电动机内部之特点,B级绝缘,工作环境温度不超过+40C,相对湿度不超过95%,海拔高度不超过1000m,额定电压380 V ,频率50 Hz。适用于无特殊要求的机械上如机床、泵、风机、运输机搅拌机、农业机械等。3.2 电机型号的选择由于铜线张力是影响电机负载大小的主要原因,线圈绕线的结实与紧凑决定着铜线的张力需要控制在一定的数值范围之内,此范围越小越好,用数学上的极限思想来考虑,极限就是张力恒定,这样绕出的线圈外观最美,性能最优。在此假设张力为500N,传动轴转速范围为100200r/min,线骨R=60mm。则力学模型如下:铜线张力F=500N,n=200r/min,线骨R=60mm。首先,根据线圈性能要求,要先检验一下,铜线的张力是否符合设计要求:查询资料得金属材质铜的屈服强度:GB/T 14953-1994 铜线s=200MPa,铜线max=FA=500N 60mm2=8.3MPas由计算结果可知张力大小合格。由力矩公式:M=FLF为矢量力;L为从转动轴到着力点的距离矢量。得扭矩:Me=FL=500N60mm=30Nm接下来求负载功率大小,求出后电机的输出功率大小范围即可确定。由最大负载功率公式Me=9.55Pn,求得:P=Men9.55=302009.55=628w由于此绕线机的在工作时正转,而在有时也需要反转,故联轴器应为弹性套柱销联轴器,此类联轴器的效率在0.97左右,选用0.97,两个联轴器相同,故效率相同,即:联轴器1和联轴器2的效率为1=3=0.97,减速器的效率范围一般是95%98%,取减速器效率2=0.96。工作轴扭矩传到电机需经过两次同步带传动,一根传动轴传动,两个联轴器传动,一个减速器传动,传递过程总传递效率为各个部件的传动效率之积。联轴器1=3=0.97,减速器2=0.96,同步带4=5=0.96,则传递过程中总的传递效率为:总=12345=0.83故可求出输出功率为:P输出=P总=6280.83=757w计算结果表明电动机的额定功率一定要大于等于757w,只有这样才能满足要求。经过对电机的反复对比与数据计算,最终敲定使用Y系列(IP44)电动机三维结构如图3.1所示。型号为Y100L-6(Y表示系列代号,100表示机座中心高度,L表示长机座,6表示电动机的极数),此电机规格具体如表3.1所示:表3.1 Y100L-6电动机技术数据电机型号额定输出功率(w)同步(满载)转速(r/min)启动转矩额定转矩质量(Kg)Y100L-615001000(940)2.233图3.1 Y100L-6电动机三维图表3.2 电动机的安装及其它有关尺寸中心高度H轴端伸出尺寸D E装键部位尺寸FGD外形尺寸L(AD+AC)HD安装尺寸AB底脚螺栓孔直径K10028 6087380395245160140123.3 各部分运动参数设计主运动的系统图如3.2所示图3.2主运动的系统图从图3.1所示可以了解本设计中绕线机的工作原理,首先电机转动将动力输送给减速器,减速器(也叫增距器)是一种比较精密的仪器,通过自身减速增矩的作用再将动力通过同步带输送给传动轴,带动传动轴转动,因传动轴两端都有同步带传动,再通过另一端的同步带,将转动传递给工作轴,整个系统得以有条不紊地进行。从理论上来说,只要设定了工作轴的转速,计算得到整个传递过程的总效率就可推算出电动机的转速范围,计算过程就是利用工作轴转速除以总效率。i5为T5轴的传动比,i4为T4传动比,i3为T3传动比,i2为T2传动比,i1为减速器自身的传动比。传动带T5与T3的传动比都为11。在设计中一般工作轴的转速都存在着一定的范围,这是长期的设计积累和实验的结果,总体来说不能够低于100r/min,如果低于此数,不但浪费能源,工作效率低下,而且由相对性原理可知,这样制造出来的机器的体积就会相对变大,浪费地理资源。如果高于转速的上限,整个系统就会变得不再稳定,机器工作时震动比较大,同时噪音也会变得异常强烈,而噪音对环境来说也是一种污染,对工人和附近的居民都会造成不良影响,在此取除了轴以外的转动机构的转速相同,即:n5=n4=n3=n2=200r/min根据此绕线机的工作条件,技术参数,工作性能等因素,结合经济性考虑,选用单级圆柱齿轮减速器,齿轮为淬硬齿轮,查表知此种减速器传动比i810,选取为5则: nd=n1=2005=1000r/min联轴器1和联轴器2的效率为1=3=0.97 同步带4=5=0.96 减速器效率2=0.96,则:总=123=0.970.970.96=0.90工作轴转速:n工=nd总=10000.90=1111r/min根据电机的Pd=1500w,Nd=1000r/min:Td=9550Pdnd=955015001000=14.33Nm各联轴器,减速器,传动带的功率和扭矩如下:联轴器1:P1=1Pd=0.971500=1455wT1=9550P1n1=955014551000=13.90Nm减速器:P2=1P1=0.971455=1411wT2=9550P2n2=95501411200=67.38Nm联轴器2:P3=2P2=0.961411=1355wT3=9550P3n3=95501355200=64.70Nm同步带1:P4=3P3=0.971355=1314wT4=9550P4n4=95501314200=62.74Nm同步带2:P5=4P4=0.961314=1261wT5=9550P5n5=95501261200=60.21Nm3.4 同步带及同步带轮参数设计在本设计中,主动轴、传动轴和工作轴之间需要传递机械动作,有三种传递方式可以选择(链传动,带传动,齿轮传动),然而这几类传动方式各有千秋,所以要综合考虑一下。与链传动、齿轮传动相比,带传动是利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。根据传动原理的不同,有靠带与带轮间的摩擦力传动的摩擦型带传动,也有靠带与带轮上的齿相互啮合传动的同步带传动。总体来说带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸振等特点。所以最终经过查询资料,并经过反复计算研究决定使用同步带这种传递方式。带传动是一种挠性传动,由带轮(带轮可分为主动带轮和从动带轮)可同步带组成带传动方式优点是十分明显:结构简单,还具有缓冲吸震的作用。图3.3为同步带轮的实物图,图3.4和图3.5为设计的同步带轮及其尺寸,其计算过程将在后边详细列出。图3.3同步带轮图片图3.4同步带轮及尺寸图3.5同步带轮剖面图及尺寸(1)计算带传动总功率PdP4=3P3=0.971355=1314w查表得工况系数可知:Ka=1.4则设计功率Pd为:Pd=kAP4=1.41314=1840w(2)带轮节距的确定已知Pd=1840w,n3=200rmin,查询机械设计手册选用H型同步带,国标规定H型同步带的节距Pb=12.70mm(3)确定小带轮各项参数查表知齿数最少为14,最大为156,在这里取Z小=21,小带轮节圆直径d小=Z小Pb=84.89mm查表可得对应的小带轮外径D小=83.52(4)大带轮参数的确定大带轮的各个参数都与小带轮相同得:Z大=Z小=21d大=d小=84.89mmD大=D小=83.52mm(5)同步带转速的计算V=d小n3601000=0.89m/min查表知H型同步带的最大速度在3540m/min之间,最小速度低于35m/min,而同步带速度经过计算等于0.89m/min,故同步带符合要求。(6)轴间距设计据所设计的绕线机的整体尺寸,初步将轴间距定为L1=230mm(7)带的节线长度和带轮的齿数计算节线长度:L2=2L1+2d小+d大+d大+d小24L1=758.00mm查表知选择型号300H的同步带最为合适,300H同步带的标准节线长度Lp=762.00mm,齿数z=60,则实际中心距:L实=L1+Lp-L22=230+762-7582=234.5235mm(8)带轮额定功率的计算P额=T-mv2v1000=4.6Kw经过查表计算可得同步带带宽bs=76.2mm同步带所受轴向力:N=1000Pdv=100032.2=1363N本设计中的H型同步带实际形状如图3.6所示图3.6 H型同步带3.5 联轴器3.5.1 联轴器的选择联轴器,是机械传动中的常用部件。联轴器顾名思义是连接轴与轴(或连接轴和其他回转零件)。在传递运动和动力过程中一同回转,在正常状态下不脱开的一种装置。总之,联轴器的作用是传递动力或转矩,有时也可用作安全装置用来防止被联接机件承受过大的载荷,起到过载保护的作用。联轴器常由两半合成,分别用键或紧配合等联接,紧固在两轴端,再通过某种方式将两半联接起来。联轴器可兼有补偿两轴之间由于制造安装不精确、工作时的变形或热膨胀等原因所发生的偏移(包括轴向偏移、径向偏移、角偏移或综合偏移);以及缓和冲击、吸振。 常用的联轴器大多已标准化或规格化,一般情况下只需要正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号及尺寸。必要时可对其易损的薄弱环节进行负荷能力的校核计算;转速高时还需验算其外缘的离心力和弹性元件的变形,进行平衡校验等。联轴器的种类和型号有很多,轴的作用也不同。根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力(即能否在发生相对位移的情况下保持连接的功能),联轴器可分为刚性联轴器(无补偿能力)和挠性联轴器(有补偿能力)两大类。挠性联轴器又可分为有弹性元件的挠性联轴器和无弹性元件的挠性联轴器两个类别。本设计中由于绕线机需要经常开启与关闭,联轴器需要吸收一些震动,防止联轴器与轴之间断开,提高工作寿命,所以本设计中使用的联轴器需要带有弹性元件,以适应这种工作环境。本设计中需要两个联轴器,分别处在电机和联轴器之间的轴上,经查阅资料并结合本设计的特点,需要选择对各种相对位移有补偿能力(即能在发生相对位移的条件下保持连接的功能)且具有缓冲减震的能力。因此选择LT5弹性套柱销联轴器(GB/T4323-2002)。弹性套柱销联轴器是利用若干个非金属弹性材料制成的柱销,置于两半联轴器联接。查表可知LT5弹性套柱销联轴器的公称转矩为125Nm。其尺寸结构如图3.7所示图3.7 LT5弹性柱销联轴器LT5弹性套柱销联轴器实物图如图3.8所示:图3.8 LT5弹性套柱销联轴器3.5.2 联轴器的校核联轴器1、2所选的联轴器皆为LT5弹性套柱销联轴器,在此校核受力较大的联轴器1,若联轴器1满足使用要求则受力较小的联轴器2也满足使用要求。联轴器的校核分为载荷校核与转速校核。具体校核过程如下:载荷校核:公称转矩 T=9.55106pn=46.32Nm由机械设计表14-1查得KA=1.5,因此可计算转矩为Tca=KAT=1.546.32=69.48NmTca=69.48NmT=125Nm转速校核:被连接轴的转速n不应超过所选联轴器允许的最高转速nmax,即nnmax n=200r/minnmax=4600r/min尺寸校核:由高教版机械设计课程设计手册第四版表12-3查得所选用的电动机安装尺寸,电机轴D可选28mm。弹性套柱销联轴器LT5轴孔直径可选d1=28mm电机轴D=轴孔直径d1经校核所选电机与联轴器均符合使用要求。3.6 减速器的选择减速器是一种由封闭在刚性壳内的齿轮传动、蜗杆传动,齿轮-蜗杆传动所组成的独立部件,常用作原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。减速器通常与联轴器与电动机轴、工作机轴相连接,用来降低转速和增大转矩以满足各种工作机械的需要。减速器的结构随其类型和要求的不同而异,但其基本结构均由传动件(齿轮或蜗杆等)、轴、轴承、润滑和密封装置、箱体及其附件所组成。减速器的种类很多,按照传动形式的不同可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器;按照传动的级数可分为单级和多级减速器;按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。其中,行星减速器的原理是一种动力传达机构,利用齿轮的速度转换器,将马达的回转数减速到所要的回转数,并得到较大转矩的机构。行星减速器传动轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮以达到减速的目的。齿轮减速器传动效率及可靠性高,工作寿命长,维护简便,应用范围很广。与齿轮减速器相比,在相同的外廓尺寸下蜗杆减速器可以获得更大的传动比,工作平稳可靠,噪声较小,但传动效率较低。根据此绕线机的工况条件(如确定减速器所需要传递的最大功率、减速器的输入转速和输出转速、减速器输出轴与输入轴的相对位置及距离、减速器工作环境温度、工作中有误冲击振动、有无正反转要求、是否频繁启动以及在使用寿命上的要求等),技术参数,工作性能等因素,结合经济性考虑,比较不同类型、不同品种的减速器的外廓尺寸、传动效率、承载能力、质量、价格、使用范围、制造及运转费用等指标进行综合的分析比较,最终确定在此设计中选用单级圆柱齿轮减速器(传动比i810)。齿轮为淬硬齿轮。3.7 主动轴设计轴是组成机器的重要零件之一,一切作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等),都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。简而言之轴的主要作用就是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。按照承受载荷的不同,轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。这类轴在各种机器中最为常见。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。心轴又可分为转动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩(或弯矩很小)的轴称为传动轴。其中由动力设备直接带动的轴是主动轴。轴的设计也和其他零件的设计相似,包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求,合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理,会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性,还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此,轴的结构设计是轴设计中的重要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下,轴的工作能力计算主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算,以防止发生断裂或塑性变形。而对刚度要求比较高的轴(如车床主轴)和受力大的细长轴,应进行刚度计算,以防止工作时产生过大的弹性变形。对于高速运转的轴,还应该进行振动稳定性计算,以防止发生共振而破坏。3.7.1 各段尺寸的设计计算轴的材料选择:轴的材料主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢价格低廉,对应力集中的敏感性较低,同时也可以用热处理或化学热处理的办法来提高其耐磨性和抗疲劳强度,故采用碳钢制造轴尤为广泛。其中最常用的是45钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此在传递大动力,并要求减小尺寸与质量,提高轴径的耐磨性,以及处于高温或低温条件下工作的轴,常采用合金钢。必须指出,在一般工作温度下(低于200),各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不大。因此,经过查阅机械设计手册,本设计中制作轴的材料定为45号钢,并对材料进行调质处理(各种热处理对提高轴的抗疲劳强度有着显著的效果)。轴的结构设计:轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素:轴在机器中的安装位置及形式;轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法;载荷的性质、大小、方向及分布情况;轴的加工工艺等。由于影响轴的结构的因素较多,且其结构形式又要随着具体情况的不同而异,所以轴没有标准的结构形式。在设计时,必须针对不同情况进行具体的分析。但是,不论何种情况,轴的结构都应满足:轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置;轴上的零件应便于装拆和调整;轴应具有良好的制造工艺性等。轴上零件的定位:为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动,除了有游动或空转的要求外,轴上零件都必须进行轴向和周向定位,以保证其准确的工作位置。1.零件的轴向定位轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等来保证的。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。利用轴肩定位是最方便可靠的方法,但采用轴肩就必然会使轴的直径加大,而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。另外,轴肩过多时也不利于加工。因此,轴肩定位多用于轴向力较大的场合。为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠的定位,轴肩处的过渡圆角半径r必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度,以便拆卸轴承,查手册中轴承的安装尺寸。非定位辅肩是为了加工和装配方便而设置的,其高度没有严格的规定,一般取为12 mm。套筒定位结构简单,定位可靠,轴上不需要开槽、钻孔和切制螺纹,因而不影响轴的疲劳强度,一般用于轴上两个零件之间的定位。如两零件的间距较大时,不宜采用套筒定位,以免增大套筒的质量及材料的用量。因套筒与轴的配合较松,如轴的转速很高是,也不宜采用套筒定位。轴端挡圈适用于固定轴端零件,可以承受较大的轴向力。轴端挡圈可以用单螺钉固定,为了防止轴端挡圈转动造成螺钉松脱,可加圆柱销锁定轴端挡圈,也可采用双螺钉加止动垫片防松等固定方法。圆螺母定位可承受大的轴向力,但轴上螺纹处有较大的应力集中,会降低轴的疲劳强度,故一般用于固定轴端的零件,有双圆螺母和圆螺母与止动垫圈两种形式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒定位时,也常采用圆螺母定位。轴承端盖用螺钉或榫槽与箱体连接而使滚动轴承的外圈也得到轴向定位。一般情况下,整个轴的轴向定位也常利用轴承端盖来实现。2.零件的周向定位周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等。轴的示意图如图3.9所示:图3.9 轴的示意图ab段是整根轴直径最小的一段轴,因此也是最脆弱的一段,查表得A=115,则估算的最小直径为:dmin=A3P3n=1153903.36200=19.01mm又因为ab段有键槽,则ab段的直径应该增大4%5%,则:ab段:令dab=30mm,a段通过键与LT5联轴器相联结Lab=49mm。bc段:此部分是该轴的轴肩,根据标准,轴肩高度应该大于0.070.1倍的轴径,dbc=38mm,长度Lbc=5mm。cd段:此处放置挡圈,查机械设计手册第五版从GB/T894.1-1996中查得使用A型轴用弹性挡圈,dcd=34mm,Lcd=4mm。de段:该段通过键与联轴器连接,从GB/T1096-2003中选取平键中的A型键,此类键固定好,缺点是集中应力较大,dde=40mm,Lde=85mm,则与之配合的键选用6622的型号。ef段和fg段:这两段的作用都是使装配长度减小,区别加工表面,取def=dgh=34mm,Lef=15mm,Lgh=60mm。gh段和he段:这两段的存在是为了安装轴承,拟定选用32308轴承,根据标准取dgh=dhe=40mm,Lge=Lhi=20mm。ij段:通过键(GB/T1996-20036622)与夹具相连接,此夹具用来夹紧线圈,取dij=30m
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