0407065张水明10吨卧式绕线机的设计.doc

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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 张水明 学 号 20070407065 指导教师 杨可森 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

2、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 electric

3、al appliances coiling. It is one 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

4、 of the movement speed of the creelstand 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 machine

5、s. In this paper ,I make a further 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 tra

6、nsmission design outside, also, 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 des

7、ired design requirements, according 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. Key words： horizontal coiling machine；ten

8、sion control；synchronous control；electrical 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.11.1.2 立式绕线机.11.1.3 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.21.3.1 卧式绕线机的基本结构.21.3.2 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.52.2.1 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.

9、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.92.3.3蜗杆-蜗轮减速器的结构尺寸.112.3.4蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核.112.4 带传动的设计.132.4.1 带传动的结构尺寸.132.4.2 带的选择.142.4.3 带的受力分析.152.4.4 带轮的结构设计.152.5 链传动的设计.162.5.1 链的尺寸设计.162.5.2 链的校核设计.172.5.3链轮的结构设计.182.6 主轴的设计.202.6.1 主轴的结构设计.202.6.2 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.242.7.2 链轮主动轴的尺寸

10、设计.252.8 蜗杆轴.252.8.1 蜗杆轴的安装结构.252.8.2 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.262.9.2 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.282.2.1 后箱体主轴的尺寸设计.283.2 后箱体微调轴.283.2.1 后箱体微调轴的结构.283.2.2 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.293.3.2 蜗杆轴的设计.303.4 排线架.303.4.1 滚珠丝杠.303.4.2 排线机构.314 电气

11、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.334.1.2 PLC控制系统的设计.344.2 PLC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

12、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300 rad/min提高到500 rad/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。1.1.2 立式绕线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

13、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20 t，现在已提高到40 t，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。1.1.3 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

14、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

15、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

16、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

17、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。1.3.1 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、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

18、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1.3.2 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

19、，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、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

20、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

21、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。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PL

22、C，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

23、 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(rpm)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 （

24、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 （2-9） （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

25、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11kW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，

26、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(

27、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。2.3.2 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，则蜗轮轴功率为 （2-20） （2-21）式中， 主轴负载功

28、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）计算中心距 （2-25）取a=200

29、(mm)，因 ，取 ，q=10，则，查教材图11-18，以上满足条件2.3.3 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2.3.4 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

30、；由，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

31、 （2-37）最小中心距为， （2-38）最大中心距为， （2-39）2.4.2 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2.4.3 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）2.4.4 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

32、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，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 2.5.2 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

33、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 压轴力为 链轮材料选用45钢，采用张紧轮进行张紧。2.5.3 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2.6.1 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22146