高速自动绕线机的设计.docx
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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
Highspeedautomaticwindingmachinedesign
ABSTRACT
Thewholeprocessofdesignofthehigh-speedautomaticwindingmachineisproducedinthispaper.Theentireworkprocessoftheequipmentandthemechanicsofthewindingprocessareanalyzed.Thehardwarestructureofthevariouspartsofthewindingmachineisdesigned.Conductadetailedcheckofthevariousparts.
Forthesoftwarecontrolsystemoftheautomaticwindingmachine,thispaperproposestheuseofMitsubishiPLCtocontrolthevariousmovements.ThroughtheuseoftheMitsubishiPLC,themovementsofthethree-axisarecoordinatedverywell!
Thewholeprocessofwindingcanbecompletedverysmoothly.
Throughthedesign,themachinewithPLCwhichishighlyreliableformotioncontrolandwiththeuseoftouch-screenfortheregulationofproductionconditionscangreatlyimprovetheefficiencyofmachineoperating.Thismachinecanrunautomaticallyatahighspeed.Itcanbeappliedtoproducetherotorofmotorforcoilwinding.Itcanmeetthehighqualityandhighefficiencyrequirement!
Keywords:
PLC,Touch-screen,MovementsControl,ACdrives,AutomaticWinding
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论2
1.1设计要求2
1.1.1绕线机的含义2
1.1.2设计要求2
1.2当前发展状况2
2总体方案设计4
2.1机械设计的步骤和方法4
2.2绕线机总体结构的设计6
3转子主轴结构的设计8
3.1转子主轴的方案设计8
3.2转子主轴结构各部分的设计8
3.2.1三爪卡盘的设计8
3.2.2轴的设计及其校核9
3.2.3轴承的选用及校核10
3.2.4伺服电机的选型使用11
3.2.5减速机的选用12
3.2.6手轮和顶尖的设计及使用12
4机架导线机构的设计14
4.1伺服电机选用14
4.2挠性连轴器的选用14
4.2.1三木挠性连轴器使用范围14
4.2.2SFC连轴器具体特性如下15
4.2.3SFC-080SA2具体参数16
4.2.4SFC-080SA2安装方式16
5送线进给机构的设计18
5.1送线进给机构总体设计18
5.2直线导轨的选择18
5.2.1导轨副的组成、种类及其应满足的要求18
5.2.2滚动导轨副的类型与选择19
5.2.3线性滑轨的配置19
5.3滚珠丝杠的设计20
5.4滚动轴承的校核21
5.5步进电机的选型22
5.5.1步进电机的特点种类22
5.5.2步进电机的选型过程22
致谢23
参考文献24
引言
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
本设计极大的提高了绕线的生产效率，降低了操作工人的劳动强度，提高了工厂的自动化水平，产生了较好的社会效益和经济效益。
该绕线机器人具有结构设计新颖、动作巧妙、易于控制、效率较高等优点，极大的改善了目前该种线圈全靠手工绕制这一原始做法。
但是本设计存在一定的局限性，它只是进行了绕线机的硬件部分的设计，对于它的控制软件部分并没进行分析设计。
通过此次设计，可以看到未来绕线机随着驱动装置和控制软件的发展，将向着一个更加快速的，可以进行柔性加工的方向发展。
1绪论
1.1设计要求
1.1.1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。
1.1.2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。
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。
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2-2所示。
转子实物图2-1如下：
图2-1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2-2所示
图2-2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2-3：
图2-3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θ=0.6°，线径D=1.5mm,
则步进电机的运行速度为ω=150r/min。
由此可得脉冲频率为f=90000次/分钟=1500Hz。
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2-4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
图3-1转子主轴结构图
3.2转子主轴结构各部分的设计
3.2.1三爪卡盘的设计
图3-2三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
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0.05~0.15㎜。
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2.5～40mm,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。
3.2.2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η=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θ=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=76.576Kg·cm2，质量为6.126Kg。
三爪卡盘的质量为5Kg，转动惯量约为Jk2=108.433Kg·cm2。
转矩
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。
3.2.3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=5Kg。
由以上可知推理球轴承所受的轴向力为
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
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。
3.2.4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。
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（BERGERLAHR）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300～600RPM。
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
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200～400毫秒。
交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W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。
3.2.5减速机的选用
绕线机的速度是600r/min，所选择的伺服电机的转速最大可达到2300r/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。
3.2.6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0.01～0.02；精密级为0.005～0.01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l<150mm,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=6400mm/
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