第2章 复合运动绕线机基本设计方案

2.1 传统绕线机设备的局限性
原有机械式绕线机的绕线过程：电机转动通过齿轮降速将转动传递到绕线轴 ，在由绕线轴带著绕线模低速匀速转动，最终完成线圈的绕制。图1.1为机械式绕线机的机械结构示意图。随着线圈业的飞速发展，人们对线圈的性能要求也越来越高，因此各种不同形状不同规格的线圈随之产生，一些老式绕线机远不能达到要求。一些新型绕线设备也孕育而生，在小型线圈绕制方面取的了很大成就，我国在线圈的绕制和系统的控制已达到国际先进水平。但在大型电机线圈绕制方面还存在很多不足。大型电机的棱形和椭圆形线圈的绕线模的长短轴相差较大（有的相差几倍，甚至几十倍），又由于主轴绕线速度恒定，在绕制距轴心最远处绕线的速度最大，当绕制到距轴心最近处绕线的速度最小，使得速度相差太大。绕制的线圈时而松时而紧，绕线所受的张紧力时而大时而小，使的线圈排线错乱，松紧不一致。而且在生产过程中，时刻都要有人看着，对错乱的线圈进行纠正，劳动强度很大。这样的绕线设备生产的产品质量不好，生产效率低，严重影响了企业的发展。

图2.1 绕线机的机械结构示意图

2.2 复合运动绕线机的基本设计思路
机械式绕线机在大型电机棱形和椭圆形线圈绕制方面存在众多的不足，严重影响大型电机的发展，这就要求我们对现有设备进行改进创新，研究提高线圈质量和生产率的新型复合运动绕线机。要求绕线机能很好的解决大型电机线圈绕制方面出现的不足，提高产品质量和生产效率。虽然现在一些设备针对这些不足做了很大的改进，但还是存在一些不足。目前从研究进程来看主要在绕线机构和控制系统这样两个方面：1. 对数控绕线机控制系统进行改进，编写了新型数控绕线机设备的控制程序。通过对绕制规律的研究分析，将复杂的线圈绕制动作进行了动作分解，分解后的动作直观、易于描述，并得到了线圈几何参数和绕制命令参数之间的转换关系，最终来调节绕线速度使之恒定。2. 对数控绕线机绕线机机构进行改进，将复杂的线圈绕制动作进行了动作分解，分解成圆周运动和直线的复合运动。通过微机程序主副电机的停转，来实现运动的复合，解决绕线速度不稳定的缺点。本设计采用改进数控绕线机的绕线机构进行创新。
2.3 整体技术方案的确定
2.3.1 总体方案的确定
复合运动绕线机主要是由绕线机主机、移动机构、剪切装置、校直装置、送料制动装置五大部分组成。首先将绕线接在绕线模上，通过控制系统的作用，使绕线机主机在主伺服电机带动下，主轴带动绕线模作圆周运动，当绕线模走完圆弧部分时，伺服电动机停转，在蜗杆减速器的作用下主轴停止转动。当主伺服电动机停止转动时，副伺服电动机立即启动，带动移动机构作匀速直线运动，从而实现绕线速度稳定，张紧力恒定。在当绕线模走完直线部分时，副伺服电机停止转动，主伺服电动机又启动，这样反复循环，最终完成对线圈的绕制。送料机构采用机座式磁粉式制动器将绕线缓慢送出，经过校直机构对绕线进行校直，当控制系统传来线圈绕制完毕的信号时，剪断机构将绕线剪断。如图1.2是复合运动绕线机布局图。由于工作量比较大，时间又有限，本人只负责复合运动绕线机主机的设计。

图2.2 复合运动绕线机示意图
1.绕线机主机 2.移动机构 3.台阶 4.剪切装置 5.校直装置
6.机座式磁粉制动器 7.支撑台

2.3 整体技术方案的确定
2.3.1 总体方案的确定
复合运动绕线机主要是由绕线机主机、移动机构、剪切装置、校直装置、送料制动装置五大部分组成。首先将绕线接在绕线模上，通过控制系统的作用，使绕线机主机在主伺服电机带动下，主轴带动绕线模作圆周运动，当绕线模走完圆弧部分时，伺服电动机停转，在蜗杆减速器的作用下主轴停止转动。当主伺服电动机停止转动时，副伺服电动机立即启动，带动移动机构作匀速直线运动，从而实现绕线速度稳定，张紧力恒定。在当绕线模走完直线部分时，副伺服电机停止转动，主伺服电动机又启动，这样反复循环，最终完成对线圈的绕制。送料机构采用机座式磁粉式制动器将绕线缓慢送出，经过校直机构对绕线进行校直，当控制系统传来线圈绕制完毕的信号时，剪断机构将绕线剪断。如图1.2是复合运动绕线机布局图。由于工作量比较大，时间又有限，本人只负责复合运动绕线机主机的设计。

图2.2 复合运动绕线机示意图
1.绕线机主机 2.移动机构 3.台阶 4.剪切装置 5.校直装置
6.机座式磁粉制动器 7.支撑台

第 3章 复合运动绕线机移动机构的设计计算

3.1 引言
复合运动绕线机床应能承担大型电机棱型和椭圆型线圈的绕制，并具有自动送料（线）、剪断、校直、恒张力绕制等功能。复合运动绕线机的绕线转速变化范围通常为5～15r/min；适用于线圈两端轴心距范围为500~1800mm；
由于本课题属于一种创新设计，所设计的复合运动绕线机主机是机电一体化产品，其特定的功能要求决定了课题中主机各部件设计的特殊性。由于复合运动绕线机在国内尚无完整成熟的相关资料可参考，因此本章有关复合运动绕线机主机的设计计算是探索性的、初步的，具体主要进行了如下几方面的分析计算设计：
（1） 伺服电机选型；
（2） 滚珠丝杠的选取和计算；
（3） 同步带带传动分析；
（4） 导轨选择分析；
（5） 直线导轨的安装；
（6） 轴承设计计算与校核。
3.2 电机机型的选择
由于在绕制棱形、椭圆形线圈时，移动机构做直线运动，电机要很好的启停；当绕线模绕线时，要来回往复运动。这要求电动机能很好的控制起停，所以我选择伺服电动机作为主机的动力装置。
3.2.1 确定输出功率
设绕线模的质量为100kg，又已知线圈子的质量为30kg。
取总质量为150kg。
则主轴受重力
取绕线模的总长度为1.5-2m

3.2.2 初步确定电机功率和转速
1． 选择电机时的计算条件：

a. 工作台和工件的机械规格 W：运动部件（工作台及工件）的重量（kgf）=150 kgf μ：滑动表面的摩擦系数=0.05 π：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9 fg：镶条锁紧力（kgf）=50 kgf Fc：由拉力引起的反推力（kgf）=100 kgf Fcf：由力矩引起的滑动表面上工作台受到的力（kgf）=30kgf
Z1/Z2：变速比=1/1
b. 进给丝杠的（滚珠丝杠）的规格 Db ：轴径=40 mm Lb：轴长=1000 mm P：节距=8 mm
c. 电机轴的运行规格 Ta：加速力矩（kgf.cm） Vm:快速移动时的电机速度(mm-1)=3000 mm-1 ta:加速时间(s)=0.10 s Jm:电机的惯量(kgf.cm.sec2) Jl:负载惯量(kgf.cm.sec2) Ks:伺服的位置回路增益(sec-1)=30 sec-11.1负载力矩和惯量的计算 计算负载力矩,加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:
Tm =F×L/2πη+Tf
Tm :加到电机轴上的负载力矩(Nm)
F :沿坐标轴移动一个部件所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=P×(Z1/Z2)=8 mm
Tf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm
无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F 值取决于工作台的重量，摩擦系数。 若坐标轴是垂直轴，F 值还与平衡锤有关。对于水平工作台，F 值可按下列公式计 算：不运动时： F = μ（W+fg）
F=0.05×(1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.5×0.8) / (2×μ0.9)+2=9.4(kgf.cm)=
0.9(Nm) 切削时F = Fc+μ(W+fg+Fcf) 例如:
F=100+0.05(1000+50+30)=154(kgf)
Tmc=(154×0.8) / (2×μ×0.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm) 为了满足条件 1，应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于 0.9
（Nm），最高转速应高于 2000r/min。考虑到加/减速，可选择α2/3000（其静止 时的额定转矩为 2.0 Nm）。

3.5 导轨的选择
绕线机移动机构要求能实现直线往复运动，在负载的情况下实现一定精度的直线运动。线性导轨用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。线性导轨系统使移动机构可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说．唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机构的精度，少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。
直线导轨具有承载能力大、接触刚性高、可靠性高等特点，主要在机床的床身、工作台导轨和立柱上、下升降导轨上使用。我们在选用时可以根据负荷大小，受载荷方向、冲击和振动大小等来选择。
1.受力方向
由于直线导轨的滑块与导轨上通常有4列圆弧滚道，因此能承受4个方向的负荷和翻转力矩。导轨承受能力随滚道中心距增大而加大。
2.负荷大小
直线导轨不同规格有着不同的承载能力，可根据承受负荷大小选择。为使每副直线导轨均有比较理想的使用寿命，可根据所选厂家提供的近似公式计算额定寿命和额定小时寿命，以便给定合理的维修和更换周期。还要考虑滑块承受载荷后，每个滑块滚动阻力的影响，进行滚动阻力的计算，以便确定合理的驱动力。
3.预加负载的选择
根据设计结构的冲击、振动情况以及精度要求，选择合适的预压值。
4.选择线性导轨型号
由于本设计的移动机构所受的力不是很大，并且工作负载平稳。
直线导轨选择HGH-CA型

图3.2 线性导轨

3.6 直线导轨副的安装
3.6.1安装连接尺寸

四方向等载荷型滚动直线导轨副的安装连接尺寸应符合图 1 和表 1 的规定。

图1

本移动机构选择型号为35。
3.7 轴承选择与校核
3.7.1 轴承的选择
由于在线圈绕制过程中，丝杠受轴向力的作用，所以轴承选择推力轴承和深沟球轴承的搭配。对于负责往复直线运动丝杠上的轴承，在轴直径为Φ=35mm处，选用轴承型号为6207深沟球轴承，其内径d=35mm,外径D=80 mm，宽度B=19 mm；在轴直径为Φ=75mm，选用型号为6215深沟球轴承，其内径d=75mm,外径D=130 mm，宽度B=21 mm。
3.7.2 轴承校核
校核轴承型号为6207深沟球轴承。


第4 章 复合运动绕线机移动机构结构设计

4.1 复合运动绕线机移动机构结构设计
4.1.1 丝杠的装配定位
如图4.1.1所示

图4.1.1.

采用双推-简支式，一端安装止推轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承。双推断可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于本移动机构的传动要求，中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。

4.1.2电机座的设计
电机座如图4.1.1.1所示

图4.1.1.1

此结构的优点是不用另外选择法兰，很方便调整轴承间隙。其中只要调整螺母盖就可以调整轴承间隙。而不要像传统的单独的法兰结构，调整轴承间隙要全部拆下所有的零件。

4.1.6 箱座的设计
1）确定箱座的尺寸
如下图所示箱座的结构：

采用铸造的方式加工箱座。在箱座的上下各安装直线导轨，从而使得结构简单，制造方便。

2）箱座与绕线机主机的固定
选择法兰来连接主机和绕线移动机构。如下图所示：

绕线模和线圈的质量比较大，这就要求连接移动机构的法盘与轴连接是强度要大，所以将法盘焊接在主轴端，以保证强度。

4.2动绕线机移动机构装配注意事项
复合运动绕线机移动机构装配时注意事项：要保证丝杠的安装精度，同步带轮的平行度；零件在装配前必须清理和清洗干净，不得有毛刺、飞边、氧化皮、锈蚀、切屑、油污、着色剂和灰尘等；装配滚动轴承允许采用机油加热进行热装，油的温度不得超过100℃。组合件的加工表面也要去毛刺然后清洗；进入装配的零件及部件（包括外购件、外协件），均必须具有检验部门的合格证方能进行装配。两皮带轮要保持平行；装配前应对零、部件的主要配合尺寸，特别是过盈配合尺寸及相关精度进行复查；装配过程中零件不允许磕、碰、划伤和锈蚀；螺钉、螺栓和螺母紧固时，严禁打击或使用不合适的旋具和扳手。紧固后螺钉槽、螺母和螺钉、螺栓头部不得损坏；平键与轴上键槽两侧面应均匀接触，其配合面不得有间隙；上下轴瓦的结合面要紧密贴和，用0.05mm塞尺检查不入；滚动轴承装好后用手转动应灵活、平稳；连接的活动部分在装配完后运转应该灵活自如。复合运动绕线机主机的装配如下图：

图4.2运动绕线机移动机构装配简图