高速自动绕线机的设计.doc

我我的的机机械械工工程程师师职职业业生生涯涯设设计计 高速自动绕线机的设计高速自动绕线机的设计 姓 名 学 号 年 级 专 业 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 系 （院） 指导教师 2011 年 03 月 28 日 目目 录录 1 1 引言引言1 1 2 2 自我评估自我评估1 1 3 3 职业分析职业分析1 1 3.13.1 对机械售后服务重视程度不够对机械售后服务重视程度不够 1 1 3.23.2 经营模式存在弊端经营模式存在弊端 2 2 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 ii 3.33.3 综合服务体系不完善综合服务体系不完善2 2 3.43.4 机械售后服务的机遇机械售后服务的机遇2 2 4 4 我的优势和不足我的优势和不足2 2 5 5 未来未来 1515 年的规划年的规划3 3 6 6 结语结语3 3 前言前言6 6 1 1 绪论绪论6 6 1.11.1 设计要求设计要求6 6 1.1.11.1.1 绕线机的含义绕线机的含义6 6 1.1.21.1.2 设计要求设计要求6 6 1.21.2 当前发展状况当前发展状况7 7 2 2 总体方案设计总体方案设计8 8 2.12.1 机械设计的步骤和方法机械设计的步骤和方法8 8 2.1.12.1.1 送线机构下移和上移送线机构下移和上移9 9 2.1.22.1.2 转子的顺时针和逆时针旋转转子的顺时针和逆时针旋转9 9 2.1.32.1.3 进给机构进给机构1010 2.22.2 绕线机总体结构的设计绕线机总体结构的设计1010 3 3 转子主轴结构的设计转子主轴结构的设计1111 3.13.1 转子主轴的方案设计转子主轴的方案设计1111 3.23.2 转子主轴结构各部分的设计转子主轴结构各部分的设计1212 3.2.13.2.1 三爪卡盘的设计三爪卡盘的设计 1212 3.2.23.2.2 轴的设计及其校核轴的设计及其校核 1313 3.2.33.2.3 轴承的选用及校核轴承的选用及校核1414 3.2.43.2.4 伺服电机的选型使用伺服电机的选型使用 1414 3.2.53.2.5 减速机的选用减速机的选用 1616 3.2.63.2.6 手轮和顶尖的设计及使用手轮和顶尖的设计及使用 1616 4 4 机架导线机构的设计机架导线机构的设计1717 4.14.1 伺服电机选用伺服电机选用1717 4.24.2 挠性连轴器的选用挠性连轴器的选用1818 4.2.14.2.1 三木挠性连轴器使用范围三木挠性连轴器使用范围 1818 4.2.24.2.2 sfcsfc 连轴器具体特性如下连轴器具体特性如下 1818 4.2.34.2.3 sfc-080sa2sfc-080sa2 具体参数具体参数 1919 4.2.44.2.4 sfc-080sa2sfc-080sa2 安装方式安装方式 1919 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 iii 5 5 送线进给机构的设计送线进给机构的设计2020 5.15.1 送线进给机构总体设计送线进给机构总体设计2020 5.25.2 直线导轨的选择直线导轨的选择2121 5.2.15.2.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求导轨副的组成、种类及其应满足的要求 2121 5.2.25.2.2 滚动导轨副的类型与选择滚动导轨副的类型与选择 2121 5.2.35.2.3 线性滑轨的配置线性滑轨的配置 2222 5.35.3 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的设计2323 5.45.4 滚动轴承的校核滚动轴承的校核2424 5.55.5 步进电机的选型步进电机的选型2525 5.5.15.5.1 步进电机的选型过程步进电机的选型过程 2525 设计总结及展望设计总结及展望2727 参考文献参考文献2828 谢谢 辞辞2929 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 1 第一部分第一部分 我的机械售后服务师之路我的机械售后服务师之路 1 引言 不少人都曾经这样问过自己：“人生之路到底该如何去走？”记得一位哲 人这样说过：“走好每一步，这就是你的人生。”是啊，人生之路说长也长， 因为它是你一生意义的诠释；人生之路说短也短，因为你生活过的每一天都是 你的人生。每个人都在设计自己的人生，都在实现自己的梦想。 有道是：“凡 事预则立，不预则废” 千真万确。对自己要做的或是将要做的事没有任何准备 就是在为失败做准备！ 2 自我评估 我属于那种外冷内热的人，比较喜欢安静的环境，经常沉浸于思考之中， 所以我给人的印象一般是沉默寡言，文静，甚至冷漠。其实，我也有玩得疯的 时候，当我真正享受一个过程时，我会笑得很爽朗，从来不吝啬自己的笑声。 我是一个坚持原则的人，对于不正确、不公平的事情，我永远不会妥协，不会 委屈自己去将就这些事情；而对于有价值有意义的事情，我会尽我所能地去做， 并且很认真，很负责地坚持到最后。我比较感性，容易被生活中的细节所感动。 同时，我热衷于帮助那些真正需要帮助的人，乐意为需要的人干点实事，而不 是夸夸其谈或者只是做点表面上显得有意义，实际上价值不大的事情。虽然我 容易情绪激动，但忍耐能力还是挺强的，我做不到每件事情都坚持到底，但部 分还是可以的。总的来说，我是一个热心的实干者。 我喜欢阅读，搜罗新信息， 认识新朋友；在我还没找到最适合自己的环境之前，我不会安分地待在固定的 一个地方，我会尝试到各种新的环境里体验不一样的生活；有时，我也喜欢沉 浸于自己的世界里面，踏踏实实，认认真真地去做我自己喜欢的事情，不希望 被别人打扰。 3 职业分析 3.1 对机械售后服务重视程度不够 现阶段，大多数代理商都把服务定位于整机销售的辅助支持手段，主要开 展的服务也基本上是整机保修期内服务。有调查显示，工程机械整机销售在代 理商整体销售额中所占比重相对过大，有 59的代理商整机销售额所占比重超 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 2 过 70，依靠销售服务创造利润的工程机械代理商还是少数。按照国际上通行 的说法，机械售后服务所产生的利润与相对的前市场比较，比例大约是 73。 在美国，机械售后服务服务业被誉为“黄金产业”；在欧洲，机械售后服务也是 制造产业获利的主要来源。而目前我国很多企业还不清楚机械售后服务所涵盖 的范围，甚至还存在一些理解上的误区，未能引起足够重视。 3.2 经营模式存在弊端 国产设备代理商在开展服务时常常要面临利润低下的困境，制造商为了提 高市场占有率给予代理商一定额度的服务费，在保修期内用于客户的维护、保 养及配件供应，而有些国产设备的故障率又比较高，导致代理商入不敷出，缺 乏积极性。现行经营模式的不完善，使厂家、代理商和售后服务脱节，导致了 售后服务市场发展不充分。另外服务需要高投入，目前，制造商和代理商服务 投入的力度还不够。 3.3 综合服务体系不完善 国内企业的产品在技术先进性、质量方面各有千秋，同一细分市场上产品 差异化很小，同时又没有从战略高度看到售后服务的重要性，造成投入不足、 管理不善等问题。服务体系反应速度慢导致售后服务的及时性差。售后服务人 员的技术水平不高影响了故障排除及维修工作效率。因此售后服务这一提高公 司及产品品牌形象、获取竞争优势的重要手段不能有效地发挥作用。 3.4 机械售后服务的机遇 工程机械行业的快速发展带来了机械售后服务的机遇，也对技能性人才产 生较大需求。在现代营销环境条件下，没有服务就没有营销，这已经是不争的 事实，关键是工商企业应不断提升售后服务质量，充实售后服务内容，完善售 后服务程序，规范售后服务管理，坚持服务创新，变传统的单纯的售后服务转 向“整体服务流程”时时保持特色服务，严格进行服务质量监控，以优良的服 务取得市场竞争优势，真正使消费者在消费过程中“只有享乐，没有烦恼，” 为最终实现“零服务”而努力。 4 我的优势和不足 优势：我本身是机械专业出生，对机械比较了解，能熟练运用各种机械软 件，并且对机械售后服务充满热情。具有较好的领导才能，能与他人团结合作； 具有很强的自信心与自强心。 不足：现在对我而言最缺乏的应该就是经验，有了理论知识却不知道如何 的运用，以后多找机会接触社会，了解这个行业。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 3 5 未来 15 年的规划 第一个五年：认真塌实做好第一线工作，低姿态做人，高标准要求自己。 在工作中严格要求自己，力求精益求精，切实做到以老板的心态看待公司，对 待公司事物，一心为公，提高自己。 第二个五年：我会以市场经济为平台，放眼中国和世界，找不足，补差距。 切实落实自己的高度，以及不足之处。有不足马上补上，继续埋头工作，如果 有机会继续深造，一旦有机会，就找准自己的准确位置。争取能在机械售后服 务行业中能有自己的一席之地。 第三个五年：经过十年的锻炼自己能成为高级机械售后服务师，能有三十 万以上的收入。 6 结语 计划定好固然好，但更重要的，在于其具体实施并取得成效。这一点时刻 都不能被忘记。任何目标，只说不做到头来都只会是一场空。然而，现实是未 知多变的。定出的目标计划随时都可能受到各方面因素的影响。这一点，每个 人都应该有充分心理准备。当然，包括我自己。因此，在遇到突发因素、不良 影响时，要注意保持清醒冷静的头脑，不仅要及时面对、分析所遇问题，更应 快速果断的拿出应对方案，对所发生的事情，能挽救的尽量挽救，不能挽救的 要积极采取措施，争取做出最好矫正。相信如此以来，即使将来的作为和目标 相比有所偏差，也不至于相距太远。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 4 第二部分第二部分 高速自动绕线机的设计高速自动绕线机的设计 摘 要 本文主要介绍的是高速自动绕线机的设计全过程，并对设备的整个工作、 动作过程和绕线机的工作原理进行了分析。设计了绕线机的硬件结构，对各部 分的硬件设计进行详细的校核工作。 对于该自动绕线机的软件控制系统，本文提出运用三菱 plc 进行控制的总 方案，对绕线机的各个动作进行控制，使三个轴的运动相互协调，以顺利完成 整个绕线工作的过程。 通过设计，该绕线机通过运用高可靠性的 plc 进行运动控制和使用触摸屏 进行生产条件的调节可以大大提高工作机的运行效率。能够较好地完成绕线机 的高速自动绕线的要求，该绕线机主要可应用于电机转子线圈的自动缠绕，可 以达到比较好的生产效果，满足产品的质量要求。 关键词：plc；触摸屏；运动控制；交流驱动；自动绕线 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 5 abstract the whole process of design of the high-speed automatic winding machine is produced in this paper. the entire work process of the equipment and the mechanics of the winding process are analyzed. the hardware structure of the various parts of the winding machine is designed. conduct a detailed check of the various parts. for the software control system of the automatic winding machine, this paper proposes the use of mitsubishi plc to control the various movements. through the use of the mitsubishi plc, the movements of the three-axis are coordinated very well! the whole process of winding can be completed very smoothly. through the design, the machine with plc which is highly reliable for motion control and with the use of touch-screen for the regulation of production conditions can greatly improve the efficiency of machine operating. this machine can run automatically at a high speed. it can be applied to produce the rotor of motor for coil winding. it can meet the high quality and high efficiency requirement! key words: plc; touch-screen; movements control; ac drives; automatic winding 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 6 前言 目前绕线机市场可谓庞大，品种繁多，有平行绕线机、环型绕线机、定转 子绕线机、纺织绕线机等等。本文主要介绍的是全自动高速自动电机转子高速 绕线机的设计过程，随着我国经济的发展，西部开发的实施，对于各种绕线电 机的需求量不断的增加，但是，传统的手工绕线工艺制约着电机产量的增加， 并且，在交流电的产生过程中，绕组的质量决定了电机的好坏。电机绕组是电 机的重要部件，绕组的好坏直接影响到电机的运行性能和可靠性。随着技术的 进步，电机绕组的生产方式也在不断地更新，由最初的手工绕制开始向半自动 绕线机甚至是全自动绕线机方向发展。 于是有必要开发一款全自动的绕线机械来代替这种手工绕制的小作坊式生 产方式。本文所设计之绕线机采用双伺服电机进行绕制，采用步进电机进行进 给操作，通过具有高可靠性能的 plc 来进行三个轴的动作协调，可以很好的完 成绕线动作。它操作简便，节省人工，可提高产量，产品品质好；其绕线、排 线完全按程序自动执行；排线宽幅可调，圈数准确；生产速度快，并能大量节 省线材。 1 绪论 1.1 设计要求 1.1.11.1.1 绕线机的含义绕线机的含义 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，电能向机械能转化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。 绕线机的作用，顾名思义，就是用来绕制绕组的。 1.1.21.1.2 设计要求设计要求 本次毕业设计的题目是高速自动绕线机的设计 ，因此，本次设计，要本 着实用的要求，达到高速自动这两个质量指标，要求该绕线机能够工作在一定 的工作范围。绕制的漆包线的线径要求是可调的，以适应不同的型号的电机的 转子的绕线要求。能够对绕线进行自动排线 ，绕线的外观要求美观整洁，并且， 要求能够自动根据设置对绕线匝数进行计数。 设计的参数要求为转子的轴向尺寸为 150mm，径向可进给 100mm。每分钟最 大绕线速度要求可达到 600r/min。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 7 1.2 当前发展状况 最初的绕组的生产是完全手工生产的，就是依靠人用手将电磁线按照一定 的规律绕制到电机转子上，并且由人来对骨架上的电磁线圈匝数进行计数的。 生产效率低下，工作强度很大，完全已经不再适用于现代工业生产。 半自动绕线机的工作是将一个绕组的骨架，固定在一个由电机带动的轴上。 通电以后电机带动轴以一定的速度旋转，将电磁线缠绕到骨架上。同时，在电 机的输出端装一个计数装置来对电机的旋转圈数进行计数，来控制缠绕的匝数。 但是，在缠绕过程中，排线还是由手工完成的，半自动绕线机的操作者，必须 同时进行排线和观察注意电磁线的匝数，这样操作者才能在适当的时候停机， 控制线圈的绕制。 半自动比以前的纯手工生产在一定的程度上提高了生产的效率，但是线圈 的生产在一定的程度上还是依赖手工，线圈的质量与操作者的技术水平和工作 状态还有很大的联系。难以生产出质量完全一致符合生产要求的产品来。 随着微电子技术的发展，控制技术也得到了空前的发展，各种单片机， plc，微型计算机开始应用于机械控制系统中。 自动绕线机基本上由三部分组成。一部分基本和半自动绕线机相同，是由 电动机带动一个夹头，夹头上固定绕组的骨架。电机的转动带动骨架按照要求 的速度和方式转动，来完成绕线工作过程。另一部分是自动排线机构。由于各 种自动绕线机生产的绕组特点不同，生产方式也不一样，所以自动排线的机构 有很多种。根据不同的生产要求，自动绕线机的结构和形式也有着很大的差别。 第三部分是软件控制部分，不管是绕线机构还是排线机构都是在控制部分的控 制与管理之下进行的。生产不同的绕组应该是用不同的绕线方法，来完策划过 年不同的绕线工作。而这都是由控制部分来完成的，当参数的设定不同时，控 制部分将会对绕线部分还排线部分实行不同的控制策略。这样就能在同一台绕 线机上生产不同的规格的绕组，使得生产有了一定的柔性，生产的产品范围也 相应的得到加宽了。 自动绕线机虽然结构形势有所不同，但是基本原理都是相同的。绕线机构 带动绕组骨架按照规定的方式旋转，将电磁线缠绕在绕组的骨架上。同时电磁 线给线的位置由排线机构来确定，并且保证给线的位置由控制单元控制按照一 定的方式不断变化。这样，电磁线就按照一定的规律被缠绕到了绕组的骨架上 了。整个过程中各个动作都是由电脑控制的，无论是绕线机构中电机的转速还 是排线机构的给线位置都是经过电脑计算的，通过各种控制算法精确控制的。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 8 自动绕线机有其自身的明显优点:它将人从繁重的绕线劳动中解放了出来， 不紧绕线有机械来完成，就连排线也是在电脑的控制下由机械完成的。它不仅 减轻了劳动的强度，也大大提到了劳动生产效率。由于有了电子设备的控制， 无论绕线排线都能以最高的速度进行，不再受到人脑的反应速度的限制。自动 绕线机不在依赖于人工的操作，这样就可以使生产质量得到保证。操作者在生 产过程中只是在运行前设定参数，而绕线过程中人不参与，这样无论操作者有 没有经验懂不懂绕线技术，只要设定同样的参数都可以生产出同样的质量的绕 组。这样产品的质量和可靠性有了很大的提高。 2 总体方案设计 2.1 机械设计的步骤和方法 一部机器的质量基本上决定于设计质量。制造过程对机器所起的作用，本 质上就在于实现设计时所规定的质量。因此，机器的设计阶段是实现机器好坏 的关键。 我们在设计过程中要尽可能多的利用已有的成功经验来工作。要很好的把 继承与创新结合起来，才能设计出高质量的机器。作为一部完整的机器，它是 一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。它基本上包 含四个过程： （1）计划阶段（2）方案设计阶段(3)技术设计(4)技术文件的编制 根据以上设计程序图，我首先对绕线机的工作原理进行了分析，以确定绕 线机的总体结构。电机的转子结构和绕线机送线部分的位置关系示意图如图 2 所示。 转子实物图 1 如下： 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 9 图 1 转子实物图 （1）送线机构下移和上移 这一动作的完成要靠导线机构的上下来进行,本人完成这一动作的机构设计 如下图 2 所示 图 2 送线机构示意图 （2）转子的顺时针和逆时针旋转 缠绕过程中,转子先要逆时针转动然后再逆时针转动,在一个线圈的绕制过 程中，由于绕线机要求顺逆时针旋转速度快,精度要求高,选用一般的步进电机 和三相交流电及很难达到所需的工作要求。因此决定选用伺服电机作为转子的 动力源。 根据工作要求，转子部分的结构设计示意图如下图 3： 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 10 图 3 转子机构示意图 （3）进给机构 漆包线有一定的线径，因此缠绕的时候必须有一定的进给运动，以保证线均匀的缠 绕在转子上，要求绕线效果外观均匀，美观。 进给机构必须是直线位移，使用丝杠螺母机构将转动转为直线移动，由于 步进电机良好的精度和可控性，使用步进电机作为进给运动的动力源是一个很 好的选择。 进给机构的运行的方式为步进电机通过三木挠性连轴器与减速器进行连接, 减速器连接丝杆,利用滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动进行进给,或者是步 进电机直接联接丝杠螺母带动导轨架移动来进给。下面对于用步进电机直接驱 动导轨的方式中，步进电机的运行规律进行设计的过程进行阐述： 设绕线机的绕线速度是 s=600r/min；滚珠丝杠的导程 l=6mm，步进电机为 三相永磁步进电机采用三相六拍的运行方式，步距角为 =0.6，线径 d=1.5mm, 则步进电机的运行速度为 =150r/min 由此可得脉冲频率为 f=f=90000 次/分钟=1500 hz 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 11 2.2 绕线机总体结构的设计 将各部分的结构组装起来可以得到绕线机的总体结构示意图 4 如下所示： 图 4 绕线机总体结构示意图 绕线机的总体结构出来以后，将分别对各部分进行详细的设计，本设计的 过程分为以下几个过程： （1）主轴转子结构的设计 （2）机架导线机构的设计 （3）送线进给机构的设计 （4）整体箱体机构的设计 下面将分章对各部分进行讨论 3 转子主轴结构的设计 3.1 转子主轴的方案设计 转子主轴的结构的设计如下图 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 12 图 5 转子主轴结构图 3.2 转子主轴结构各部分的设计 3.2.13.2.1 三爪卡盘的设计三爪卡盘的设计 图 6 三爪自定心卡盘结构和工件安装图 a）结构 b）夹持棒料 c）反爪夹持大棒料 （1）三爪自定心卡盘的结构 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 13 三爪自定心卡盘的结构如上图 a 所示，当用卡盘扳手转动小锥齿轮时，大 锥齿轮也随之转动，在大锥齿轮背面平面螺纹的作用下，使三个爪同时向心移 动或退出，以夹紧或松开工件。它的特点是对中性好，自动定心精度可达到 0.050.15。可以装夹直径较小的工件，如上图 b 所示。当装夹直径较大的外 圆工件时可用三个反爪进行，如上图 c 所示。但三爪自定心卡盘由于夹紧力不 大，所以一般只适宜于重量较轻的工件，当重量较重的工件进行装夹时，宜用 四爪单动卡盘或其它专用夹具。 （2）用一夹一顶安装工件 对于一般较短的回转体类工件，较适用于用三爪自定心卡盘装夹，但对于 较长的回转体类工件，用此方法则刚性较差。所以，对一般较长的工件，尤其 是较重要的工件，不能直接用三爪自定心卡盘装夹，而要用一端夹住，另一端 用后顶尖顶住的装夹方法。 这种装夹方法能承受较大的轴向切削力，且刚性大大提高，同时可提高切 削用量。本绕线机即是采用这种一夹一顶的结构。下图 3-2 为卡盘实物图 根据设计要求，转子轴的结构要小于 40mm，因此在选择卡盘的时候要求卡 盘的夹持范围能够满足这一要求，但是又要使卡盘的地转动惯量最小，外径为 125mm 的轻型 k11 三爪自定心卡盘的正爪加紧夹持范围是 2.540mm,符合设计 要求，因此选用这一自定心卡盘，该卡盘的具体型号为 k11125a，连接形式为 短圆柱连接方式。其重量为 5.0kg。 3.2.23.2.2 轴的设计及其校核轴的设计及其校核 由于卡盘为立式安装，竖直方向的载荷必须用能够承受较大轴向载荷的轴 承来承担，因此设计中必须用到推力球轴承和深沟球轴承的组合，经过反复计， 具体计算数据如下，绕线速度为 =600r/min，绕制一圈分为四个阶段，因为这 四个阶段的动力源都是伺服电机，因此设个部分的时间相等，绕线机绕制的至 少为四极线圈，则转子顺时针或逆时针每次是 =90， 将绕线转子等效为一个直径为 100mm 长度为 100mm 的圆柱体，可得到转子 的转动惯量为 jk1=76.576kgcm2，质量为 6.126kg。 三爪卡盘的质量为 5kg，转动惯量约为 jk2=108.433kgcm2。 222 12 76.576108.433185.009 kkk jjjkg cmkg cmkg cm 转矩 185.00946.5tjknm 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 14 接下来按扭转强度对轴的强度进行校核，这种方法是只按轴所受的扭矩来 计算轴的强度；如果还受有不大的弯矩时，则用降低许用扭转切应力的办法予 以考虑。在做轴的结构设计时，通常用这种办法初步估算轴径。对于不大重要 的轴，也可作为最后计算结果。 本设计中，轴的最小直径为 35mm。远远大于所要求的 2mm，因此轴的承载 能力合格，轴的强度是足够的。 3.2.33.2.3 轴承的选用及校核轴承的选用及校核 本设计中选用了两个深沟球轴承和一个推力球轴承,由于轴受到的径向力很 小,因此省略对于深沟球轴承的校核过程,只对推力球轴承进行校核。 推力球轴承所承受的轴向力主要来自于绕线转子和三爪卡盘的重力，绕线 转子的重量 m1 =6.126kg,三爪卡盘的重量为 m2 = 5 kg。 由以上可知推理球轴承所受的轴向力为 12 6.12659.8109mgmmgn 对轴承进行设计 欲设计使用时间为 45000h 当量动载荷为 109n； 由 lh = 45000h 查表的 fh = 4.48 其中 fh 为寿命系数 轴承的转速系数为 fn = 0.382 工况系数取 kf = 1 功率利用系数 kn = 0.42 由以上数据可得当量载荷为 538 flnn ck k k k pn 由机械设计手册选用 51202 推力球轴承。 51118 轴承的基本额定载荷为 65kn 远远大于它的当量载荷 538n，所以推力 球轴承满足机械的设计要求。 当量载荷肯定大于 famin，因此轴承满足要求。 为了保持径向的运转精度必须使用深沟球轴承进行径向定位，根据轴的结 构决定选用 6010 和 61918 两个深沟球轴承。因为轴的径向载荷不大，不对深沟 球轴承校核了。 3.2.43.2.4 伺服电机的选型使用伺服电机的选型使用 由于绕线机较高的精度要求，所以决定使用价格较高的伺服电机而不使用 步进电机作为驱动机构。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 15 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。 在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流 伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适 应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺 服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号） ，但 在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1 控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机 步距角一般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如 四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09；德国百 格拉公司（berger lahr）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关 设置为 1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036， 兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字 式交流伺服电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部 采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360/10000=0.036。对于带 17 位编码器 的电机而言，驱动器每接收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。 2 低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性 能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工 作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作 在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器， 或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺 服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解 析机能（fft） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3 矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所 以其最高工作转速一般在 300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其 额定转速（一般为 2000rpm 或 3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转 速以上为恒功率输出。 4 过载能力不同 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 16 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松 下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转 矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这 种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机， 而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5.运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转 的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器 反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步 或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6.速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫 秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 msma 400w 交流伺服电机为例，从 静止加速到其额定转速 3000rpm 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求 不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。本绕线机正是因为高精度和高 的加速性能上考虑从而选择伺服电机。 3.2.53.2.5 减速机的选用减速机的选用 绕线机的速度是 600 r/min ，所选择的伺服电机的转速最大可达到 2300 r/min，因此大概可选用减速比为 1：3 的减速机进行减速。由于绕线机本身的 小体型的要求，决定选用 fastar 公司生产的精密行星减速器。 根据绕线机的整体布局，决定采用通过法兰连接电机的 fpls 型减速机。 fpls 型减速机的主要性能特点及应用领域如下： 因其高紧密、高可靠性，广泛应用于需要大输出扭矩和极低回程间隙的场 合，主要适用于军事、航空、航天等领域。也应用在以下产品的高等级设备中： 数控机床、切割机、雕刻机、注塑机、绕线机、印刷机械、木工机械、包装机 械、半导体机械、医疗机械、机械手、纺织机械、搬运机械、工程机械、自动 控制设备等行业。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 17 3.2.63.2.6 手轮和顶尖的设计及使用手轮和顶尖的设计及使用 因为转子固定在转子轴上随轴一起转动，光用三爪卡盘固定转子轴使转子 转动时，会在轴的另外一端产生比较大的跳动，所以必须将轴的另外一端固定， 采用一夹一顶的方式能够很好的解决这一问题。 顶尖与机床配合的锥度一般为莫氏 27 号。顶尖尖部的径向圆跳动一般为 0.010.02；精密级为 0.0050.01 顶尖分为固定顶尖、回转顶尖、拨动顶尖 和复合顶尖等。固定顶尖主要用于加工精度高的工件和工件转速低的场合，其 中半缺顶尖适用于加工直径较小的工件；带压出螺母顶尖适用于经常更换顶尖 的场合；镶硬质合金顶尖适合于工件转速较高的场合。回转顶尖多采用圆锥滚 子轴承做前轴承，可定期调整预加负荷来补偿磨损，主要用于加工较重工件或 工件转速较高场合，回转顶尖包括插入式、锥形式和弹性式；插入式回转顶尖 带有一套可换顶尖头；锥形回转顶尖适用于支撑大孔径棒料和管材；弹性回转 顶尖在工件的热变形时能自身调节。拨动顶尖以内外棱刀传递扭矩，定心精度 高；以外棱刃传递扭矩的波动顶尖，对整个工件的圆柱面都可以加工。 手轮是标准件，在设计过程中选用合适的手轮即可。 4 机架导线机构的设计 4.1 伺服电机选用 由前面的章节可知导轨滑块在 1/40s 内必须从上向下或是从下向上移动一 个转子轴向尺寸的范围,本设计中,转子的轴向尺寸范围为 l150mm,因此假设 1/40s 内滑块在竖直方向上移动 160mm,由此可得滑块的线速度为: v= 6400 mm/s 根据设计同步带的半径为 18mm,可得出同步带轮的转速为: 356 r/min 负载扭力应该计算滑块上升时的扭力,估算滑块的重量为 m = 1.2kg,则负载 扭力为: 1.2 9.8 0.0180.21168 l tmgrnm 负载惯量的计算： j1为滑块的惯量 2 12 1.2 182388.8jmrkgmm j2为三木挠性连轴器转动惯量 622 2 709.3 107.093jkgmkgmm 马达轴转动惯量为 j = j1 + j2 = 388.8 + 7.093 = 395.5 kgmm2 选伺服马达条件 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 18 负载扭力（tl）马达额定扭力 pa + p0 =12 倍马达额定输出功率 nm 马达最大转速 负载惯量（jl）35 倍马达转子惯量 依条件选定：三菱的 hc-sfs 201(b)中惯量中容量伺服电。 4.2 挠性连轴器的选用 4.2.14.2.1 三木挠性连轴器使用范围三木挠性连轴器使用范围 绕线机为高精密机器，一般挠性连轴器迟滞现象过大。不适合转速变化速 度过快的机器，因此为了使电机与输出轴的连接可容纳一定的同轴度误差又具 有较小的迟滞现象，决定使用三木挠性连轴器。 sfc 是夹紧毂采用轻质、高强度强力铝合金的板弹簧式连轴器，扭转刚性 极高，可满足高应答需求。 采用完全不使用 rohs 禁止使用物质的环保型设计。此外，夹紧毂外径根据 所采用孔径不同，确保使用最小限度的尺寸，实现了超低惯性的设计，具有出 色的功能。 各种型号均备有采用单组板簧式的超刚性 sfcsa2 型和与中间体相介配置 双组板簧的具有挠性的 sfc-da2 型。 4.2.24.2.2 sfcsfc 连轴器具体特性如下连轴器具体特性如下 1.超高刚性： 是夹紧毂采用轻质、高强度强力铝合金的板簧式连轴器，扭转刚性极高， 可满足高应答需求。 符合 rohs 标准： 采用完全不使用 rohs 禁止物质的环保型设计。 2.超低惯性： 夹紧毂的外径形状可随您所采用的孔径变更，小孔径时外径也减小，可将 惯性抑制在最小限度，最适合于高加速运转。 根据你所采用的孔径进行组合，共有三种形状类型。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 19 图 7 三种形状类型 可用于锥度轴： 可将锥度接合器安装到伺服马达锥度轴上，采用夹紧毂的接合。 简单、确实、无背隙： 与轴的接合采用夹紧方式，仅紧固左右 2 个螺栓即可完成安装。动力传动 均采用摩擦接合，没有背隙。连轴器两侧的夹紧毂采用专用制具进行定心，确 保了同心度。 图 8 专用制具定心 牢固的轴接合： 夹紧毂耐振动，抗冲击，可达到牢固的接合。轴接合为用一个螺栓的夹紧 方式。轴保持力根据使用孔径而不同，但在标准孔径范围内可获得足够的连轴 器容许扭矩。 隔热： 板簧组是由单片不锈钢制的板簧组合而成，不易将来自伺服马达的热传导 到从动轴侧，可降低因热膨胀所致的精度标准偏差。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 20 4.2.34.2.3 sfc-080sa2sfc-080sa2 具体参数具体参数 根据伺服电机输出轴径为 22mm，输出转矩为 0.217nm，功率为 7.89w 决 定选用 sfc-080sa2 连轴器。 4.2.44.2.4 sfc-080sa2sfc-080sa2 安装方式安装方式 产品左右内径的同心度通过使用专用夹具可进行高精度地组装。万一产品 受到强烈冲击时，将不能确保产品的组装精度，有在使用过程中出现破损的可 能性。请在搬运产品等时要十分小心。 1确认夹紧螺栓已经松动后，请清除轴以及连轴器内径面上的灰尘、垃圾 和油污等。 （油污可用棉布等擦拭掉，有必要的话可进行除脂作业。 ） 2将连轴器插到轴内时，请不要对元件部分进行压缩和牵拉等过度施加外 力下插入。特别是当将连轴器安装到马达上后将连轴器插到对方轴上时，有时 会误对其施加过大的压缩力，请加以注意。 3在两个夹紧螺栓处于松动状态下，请确认连轴器是否能够沿轴向旋转方 向轻移动。当不能平稳移动时，请重新调整两个轴的定心。 虽然建议将此方法作为确认左右同心度的简易方法使用，但不能使用同样 的确认方法时，可对机械部件进行精度管理，用其他测量方法来确认安装精度。 图 9 三木挠性联轴器 4确认对轴向没有压缩和牵拉等作用力后，保持夹紧毂全长与两个轴相接 处的位置，将 2 个夹紧螺栓紧固到所规定的扭矩。 5 送线进给机构的设计 5.1 送线进给机构总体设计 绕线机送线进给机构采用丝杠螺母带动送线导轨机构进行动作，其设计的 局部视图如下图所示: 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 21 图 10 送线进给机构局部试图（一） 图 11 送线进给机构局部视图（二） 5.2 直线导轨的选择 5.2.15.2.1 导轨副的组成、种类及其应满足的要求导轨副的组成、种类及其应满足的要求 1 导轨副的种类 导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的称直线运 动导轨副，为回转的称回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触 面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨、流体介质摩擦导轨等等。 按其结构特点可分为开式（借助重力或弹簧弹力保证运动面与承导面之间 的接触）导轨闭式（只靠导轨本身的结构形状保证运动件与承导面之间的接触） 导轨。 2 导轨副应满足的基本要求 机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、 耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。 对精度要求高的直线运动导轨，还要求导轨的承载面与导向面严格分开； 当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支撑必须符合三点定位原理。 5.2.25.2.2 滚动导轨副的类型与选择滚动导轨副的类型与选择 1 直线运动滚动导轨副的特点及要求 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 22 滚动导轨作为滚动摩擦副的一类，具有许多优点： 1) 摩擦系数小（0.0030.005） ，运动灵活； 2) 动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行； 3) 可以预紧，刚度高； 4) 寿命长； 5) 精度高； 6) 润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用； 7) 由专业厂生产，可以外购选用。 2 滚动导轨的缺点是： 导轨面与滚动体是点接触或是线接触，所以抗振性差，接触应力大； 对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体 的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精 度； 结构复杂、制造困难、成本较高； 对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置 3 对滚动导轨副的基本要求： 1) 导向精度：导向精度是导轨副最基本的性能指标。移动件在沿导轨运动 时，不论有无载荷，都应保证移动轨迹的直线性及其位置的精确性。这是保证 机床运行工作质量的关键。各种机床对导轨副本身平面度垂直度及等高、等距 的要求都有规定或标准。 2) 耐磨性：导轨副应在预定的使用期内，保持其导向精度。精密滚动导轨 副的主要实效型式是磨损。因此耐磨性是衡量滚动导轨副性能的主要指标之一。 3) 刚度：为了保证足够的刚度，应选用最合适的导轨类型、尺寸及其组合。 选用可调间隙和预紧的导轨副可以提高刚度。 4) 工艺性：导轨副要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养。 5.2.35.2.3 线性滑轨的配置线性滑轨的配置 线性滑轨能承受上、下、左、右方向负荷，因此可根据机台结构与工作负 荷方向配置线性滑轨组。 根据设计要求选用 egw30sb 型号的直线导轨，采用两支滑轨滑块移动配置 的方式。 egw30sb 的三视图如下图所示： 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 23 图 12 直线滑轨三视图 5.3 滚珠丝杠的设计 丝杠螺母传动属于螺旋传动。丝杠又可称为螺杆。丝杠螺母传动又可称丝 杠副传动。 螺旋传动按用途可分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋等。 螺旋传动按螺纹间摩擦状态又可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋三大 类。 滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有球和滚子 两大类。球又称滚珠。应用最广泛的是以球为滚动体的滚珠螺旋传动滚珠 丝杠副。 滚珠丝杠副作为精密、高效的传动元件在精密机床、数控机床得到广泛应 用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用得很普遍， 可作为精密定位自动控制、动力传递和运动转换。 随着机电一体化技术的发展，滚珠丝杠的使用范围越来越广，目前我国有 专业工厂参照 iso，按照国家标准规定的参数及精度标准组织生产。轴颈端部 结构尺寸标准，用户不必自行设计制造，可以根据使用工况选择某种结构类型 的丝杠，再根据载荷、转速等等条件按规定的计算方法选定合格的尺寸型号和 组合单元向有关厂家订货，可以获得更加好的经济效果。 滚珠丝杠副传动与滑动丝杠传动相比其主要特点是： 1) 传动效率高。一般可达 95%以上，是滑动丝杠传动的 24 倍。 2) 运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速无爬行。 临沂师范学院工学院本科专业职业生涯设计 24 3) 可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。 4) 定位精度和重复定位精度高。 5) 使用寿命为普通滑动丝杠的 410 倍甚至更高。 6) 同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时， 可获得较好的同步性。 7) 使用可靠、润滑简单、维修方便。 8) 不自锁。可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线 运动。 由于绕线机要求的高定位精度、高的灵敏度、无大的间隙等原因，所以选 用滚珠丝杠副，来进行漆包线的进给。 根据送线导轨架的结构尺寸，选用 hiwin 公司的 fsw36-6b2 滚珠丝杠。 外形图如下： 图 13 hiwin 产的 fsw 滚珠丝杠 由于绕线机的重量与动负荷的要求差距很大，丝杠螺母能够远远满足负荷 要求，固省略校核过程。 本设计中，因为机构的丝杠是直接和外部空气接触的，散热快，热膨胀不 明显，因此采用两端固定的结构。 5.4 滚动轴承的校核 丝杠螺母机构采用两端固定的结构，