文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985畢 業(yè) 設(shè) 計題 目 10 噸臥式繞線機的設(shè)計 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 工業(yè)工程 班 級學(xué) 生學(xué) 號指導(dǎo)教師文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- I -摘 要臥式繞線機主要是用于電動機、電器繞組的制造，是電壓器制造企業(yè)的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備之一。它可以解決繞組在繞制過程中對繞制速度、啟動特性、線圈恒張力控制，實現(xiàn)排線架的運動速度與主軸的轉(zhuǎn)速按照一定的函數(shù)關(guān)系變化，實現(xiàn)同步控制。通過進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、企業(yè)的產(chǎn)品收集，對臥式繞線機的基本整體結(jié)構(gòu)、功能需要進(jìn)行總結(jié)分析，對國內(nèi)外的臥式繞線機的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的了解。本文對臥式繞線機的主要機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入詳細(xì)的設(shè)計并進(jìn)行了強度的校核，其中對主軸、蝸桿-蝸輪減速器以及帶傳動、鏈傳動進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計。同時，除了機械傳動的設(shè)計外，還另外對臥式繞線機的電氣控制系統(tǒng)硬件組成也進(jìn)行了設(shè)計及 PLC 梯形圖的設(shè)計。通過對繞線機整機機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，基本能夠達(dá)到預(yù)期的設(shè)計要求，符合機械結(jié)構(gòu)的強度需要，實現(xiàn)了臥式繞線機的恒張力、自動排線、自動調(diào)速、排線的制動以及主軸制動的功能。關(guān)鍵詞：臥式繞線機；張力控制；同步控制；電氣控制文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- II -ABSTRACTHorizontal coiling machine is mainly used to manufacture electric motors' and electrical 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 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 machines. In this paper ,I make a further detailed design to the horizontal coiling machine's 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 transmission design outside, also, I have maked the detailed design for the electrical control system's hardware of the horizontal coiling machine and PLC ladder diagram. Based on the mechanical structure's design of the winding machine and electrical control system's design, I basicly can achieve the desired 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；tension control；synchronous control；electrical control文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- III -目 錄摘要………………………………………………..…….….…………….. .IABSTRACT………………………….……………….……………………..…………….II1 前言……………………….…………………………………………….….……………..11.1 繞線機的簡介..................... ............ ...... ...... ...........…… …….………….………..11.1.1 自動繞線機…………………………………….… ………………………...11.1.2 立式繞線機…………………………………….… ………………………...11.1.3 臥式繞線機…………………………………….… ………………………...11.2 國內(nèi)繞線機的現(xiàn)狀.......................……….......……… …….………….………..21.3 臥式繞線機的設(shè)計內(nèi)容..............…………………………….…....……..………21.3.1 臥式繞線機的基本結(jié)構(gòu)...………………………………….…....……….21.3.2 臥式繞線機的設(shè)計方案..............………………………….…....……….31.4 臥式繞線機的技術(shù)參數(shù)........…………………………….…....……..………42 前箱體的設(shè)計......................……..….………………………….…..….………….52.1 確定主電機功率………………………… ………………………………………..52.1.1 空線圈啟動狀態(tài)下…………………………….… ………………………...52.2.1 線圈在滿圈狀態(tài)下…………………………….… ………………………...62.2 制動器的選擇…………………………….……… ………...………………..82.3 蝸桿-蝸輪減速器……………………….……… ………...………………..92.3.1 蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計方案………………….… ………………………...92.3.2 蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計計算………………….… ………………………...92.3.3 蝸桿-蝸輪減速器的結(jié)構(gòu)尺寸………………….… ………………………112.3.4 蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核…….…….….….… ………………………...112.4 帶傳動的設(shè)計…………………………….……… ………...………………..132.4.1 帶傳動的結(jié)構(gòu)尺寸……………………….… ………………………...132.4.2 帶的選擇………………………………….… ………………………...142.4.3 帶的受力分析…………………………….… ………………………...152.4.4 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………….… ………………………...152.5 鏈傳動的設(shè)計…………………………….……… ………...………………..162.5.1 鏈的尺寸設(shè)計…………………………….… ………………………...162.5.2 鏈的校核設(shè)計…………………………….… ………………………...17文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- IV -2.5.3 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………….… ………………………...182.6 主軸的設(shè)計…………………………….……… ………...………………..202.6.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………….… ………………………...202.6.2 主軸的載荷分析…………………………….… ………………………...222.7 鏈輪主動軸…………………………….……… ………...………………..242.7.1 鏈輪主動軸的安裝結(jié)構(gòu)…………………….… ………………………...242.7.2 鏈輪主動軸的尺寸設(shè)計…………………….… ………………………...252.8 蝸桿軸…………………………….……… ………...………………..252.8.1 蝸桿軸的安裝結(jié)構(gòu)……………………….… ………………………...252.8.2 蝸桿軸的尺寸設(shè)計………………………….… ………………………...262.9 主動帶輪軸-電機軸…………….……… ………...………………..262.9.1 主動帶輪軸的結(jié)構(gòu)………………………….… ………………………...262.9.2 主動帶輪軸的尺寸設(shè)計…………………….… ………………………...263 后箱體、排線架的設(shè)計..............……..….………………………….…..….………….283.1 后箱體主軸的設(shè)計…………………… ………………………………………..283.1.1 后箱體主軸的結(jié)構(gòu)…………………….… ………………………...282.2.1 后箱體主軸的尺寸設(shè)計…………………….… ………………………...283.2 后箱體微調(diào)軸…………………………….……… ………...………………..283.2.1 后箱體微調(diào)軸的結(jié)構(gòu)………………….… ………………………...283.2.2 后箱體微調(diào)軸的尺寸設(shè)計………………….… ………………………...293.3 后箱體粗調(diào)…………………………….……… ………...………………..293.3.1 蝸桿-蝸輪傳動……………………….… ………………………...293.3.2 蝸桿軸的設(shè)計…………………………….… ………………………...303.4 排線架…………………………….……… ………...………………..303.4.1 滾珠絲杠…………………………….… ………………………...303.4.2 排線機構(gòu)…………………………….… ………………………...314 電氣控制系統(tǒng)及 PLC 的設(shè)計..................…………………………….…..….………….334.1 繞線機的電氣控制原理…………… ………………………………………..334.1.1 繞線機的控制系統(tǒng)硬件選擇………………….…………… …………...334.1.2 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計……………………….… ………………………...344.2 PLC 程序編程 …………………………………………………………………..355 結(jié)論......................……….………….……………………..….……...…..….………...37參考文獻(xiàn)......................…………….…………………..….…..……………….………….38文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- V -致謝......................………………….……………………..…….…………...…………….39附錄......................…………………..…….. . .….. .….. .…...…………………….………40文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- VI -文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- VII -文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 1 -1 前言1.1 繞線機的簡介變壓器繞線機主要是用于繞制變壓器線圈的專用設(shè)備，在變壓器的線圈生產(chǎn)過程中，按照變壓器的線圈的電壓容量對繞線機設(shè)備進(jìn)行分類，有繞制大型電力變壓器線圈的立式繞線機和臥式繞線機；也有繞制配電變壓器高、低壓線圈的箔式線圈繞線機和自動排線繞線機。目前繞線機已經(jīng)發(fā)展成為多種類的適應(yīng)多種線圈的繞線機，其中比較典型的有自動排線繞線機、箔式線圈繞制機、立式繞線機、臥式繞線機。1.1.1 自動繞線機自動排線繞線機是繞制配電變壓器高壓線圈的專用設(shè)備。采用這種設(shè)備繞制出的線圈，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、強度高。為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，新型的繞線機主機轉(zhuǎn)速由 300 rad/min 提高到 500 rad/min。同時配有端絕緣開卷機構(gòu)、導(dǎo)線張緊機構(gòu)，計算機可予置多種參數(shù)，可使線圈繞制一次完成，自動化程度大大提高，減輕了工人的勞動強度，但是成本相應(yīng)地提高了。1.1.2 立式繞線機變壓器的線圈要求在線圈繞制過程中軸向要壓緊，徑向要卷緊，采用立式繞線機正好可以利用線圈的自重，軸向可以實現(xiàn)自然壓緊，徑向使用張緊裝置進(jìn)行控制張力大小。所以現(xiàn)在大型變壓器中高壓線圈的繞制普遍采用了立式繞線機，即使是低壓螺旋式線圈也采用了立式繞線機生產(chǎn)?，F(xiàn)在的立式繞線機也開始進(jìn)一步向大型化發(fā)展。原有的立式繞線機載重只有 20 t，現(xiàn)在已提高到 40 t，線圈直徑最大使用到3500 mm，最大高度達(dá)到到 4000 mm。使用了氣囊板式張緊裝置，而且可以數(shù)字顯示張力大小，張力控制更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。為了提高所繞線圈的尺寸精度，控制立式繞線機徑向跳動，增加了繞線模軸頭固定裝置；為了控制軸向跳動，使用了高精度雙排輥式大型軸承。因此，使變壓器進(jìn)一步降低損耗、減輕重量、降低成本有了可能。1.1.3 臥式繞線機從變壓器的線圈繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，并不是所有線圈都能使用立式繞線機生產(chǎn)。如層式結(jié)構(gòu)、多螺旋結(jié)構(gòu)式線圈。如果這種線圈使用普通臥式繞線機繞制好后，軸向不加任何壓力繞制，線段間隙就會很大，像一個壓簧。線圈經(jīng)壓緊后直徑變大，線圈和紙筒間將會產(chǎn)生間隙，會造成線圈軸向失穩(wěn)，遇有軸向電動力，線圈可能造成損壞。因此，帶有軸向、徑向壓緊式臥式繞線機，在大型變壓器線圈生產(chǎn)中，得文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 2 -到了廣泛使用。隨著變壓器性能要求越來越高，一般中小型變壓器的生產(chǎn)，也逐漸開始使用壓緊式臥式繞線機。原來的壓緊機構(gòu)使用力矩電機或氣缸產(chǎn)生壓力，現(xiàn)已通過伺服電機取代。為了控制繞制線圈尺寸公差，繞線機增加了光柵尺，實時地檢測線圈尺寸。多軸式放線車上的各線盤放線張力可以實現(xiàn)獨立控制，根據(jù)繞制線圈的長度，放線車隨動跟蹤，避免導(dǎo)線的扭曲變形產(chǎn)生新的應(yīng)力，從而降低繞組的蝸流損耗。1.2 國內(nèi)繞線機的現(xiàn)狀國產(chǎn)的繞線機總體來說較國際技術(shù)來講，無論是技術(shù)還是質(zhì)量或是性能上還與發(fā)達(dá)國家有一定的差距的。國產(chǎn)的繞線機自動化水平低、控制手段落后是普遍存在的問題。只能應(yīng)用于繞線要求相對不太高的場合，繞線機的高端設(shè)備都有日本、瑞士、德國等進(jìn)口設(shè)備占領(lǐng)市場，而國產(chǎn)設(shè)備只能在很小的市場份額里以低價來爭得客戶，我國繞線機市場目前處于高速發(fā)展的時期。目前國內(nèi)的繞線機也向多種類的適應(yīng)多種線圈的繞線機方向發(fā)展，其中包括自動排線繞線機、箔式線圈繞制機、立式繞線機、臥式繞線機。近年來，國外開發(fā)研制了全自動繞線機，可以實現(xiàn)自動排線、自動張緊，提高了繞線線圈的質(zhì)量。箔式繞線機以前主要用于繞制干式變壓器高壓線圈，今后會更多應(yīng)用于繞制油浸式變壓器線圈。它具有效率高、繞制線圈的質(zhì)量好，特別是它具有降低整臺變壓器的線圈消耗，提高線圈承受短路的應(yīng)力特點。1.3 臥式繞線機的設(shè)計內(nèi)容臥式繞線機主要用于大容量干式變壓器線圈的生產(chǎn)制造，繞線模由主軸花盤與尾座花盤水平支撐，繞線模由主軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，線圈在一定張力作用下有規(guī)律地在繞線模上繞線。繞線機采用三相交流異步電動機驅(qū)動，經(jīng)帶傳動傳遞動力、無自鎖的蝸輪-蝸桿減速器減速（因電機需要正反轉(zhuǎn)）后，采用鏈傳動的方式將動力傳遞給主軸，由主軸帶動繞線機構(gòu)繞制線圈。由于在繞制過程中，隨著線圈半徑越來越大，主軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之變化，所以三相電機應(yīng)配有變頻器，實現(xiàn)電動機的無級變速。在從動帶輪軸之后安裝有磁粉制動器，其原理是采用導(dǎo)磁的磁粉為媒介，制動部件與運動部件間隙中充填磁粉，借助于磁粉間的電磁吸引力形成的磁粉鏈同工作面間的摩擦力產(chǎn)生制動的功能。1.3.1 臥式繞線機的基本結(jié)構(gòu)臥式繞線機的組成包括主機、變頻調(diào)速系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、操作面板等。主機包括床頭箱、排線架、放線架、尾座和底座等四部分組成。床頭箱里包含三相電動機、蝸桿-蝸輪傳動裝置、帶輪傳動、鏈傳動、磁粉制動裝置、變頻器、箱體等；外面包含花盤、轉(zhuǎn)速表、變速裝置、開關(guān)等。尾座有花盤、頂尖、頂尖調(diào)整裝置、文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 3 -交流伺服電動機、尾座調(diào)節(jié)手柄、蝸桿-蝸輪機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)、箱體等。排線架包含滾筒、滾珠絲杠機構(gòu)、線圈張緊裝置等。臥式繞線機結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1-1：圖 1-1 臥式繞線機結(jié)構(gòu)簡圖1-轉(zhuǎn)速表 2-花盤 3-托輪 4-頂尖 5-鎖桿 6-頂尖調(diào)節(jié)手柄7-尾座 8-底座 9-腳開關(guān) 10-開關(guān) 11-床頭箱 12-變速手柄1.3.2 臥式繞線機的設(shè)計方案在做設(shè)計準(zhǔn)備的過程中，查閱了相關(guān)書籍、期刊、中外文獻(xiàn)等材料，主要通過在圖書館查閱相關(guān)書籍、期刊、中外文獻(xiàn)等，結(jié)合已有的關(guān)于繞線機的材料，對繞線機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于臥式繞線機的材料，對臥式繞線機的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計初步采用三相交流電機帶動鏈輪傳動主軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)繞線功能；由交流伺服電機、滾珠絲杠帶動繞線機構(gòu)，對繞線過程實現(xiàn)控制。繞線機的組成包括主機、變頻調(diào)速系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、操作面板等。主機包括床頭箱、尾座和底座三部分組成。床頭箱里包含電動機、齒輪傳動裝置；外面花盤、轉(zhuǎn)速表、變速裝置、開關(guān)等。尾座由頂尖、頂尖調(diào)整裝置等。床頭除與床尾共同支撐線圈外，主要用來提供扭矩及不同的轉(zhuǎn)速。臥式繞線機的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能滿足的功能及要求為：①平穩(wěn)啟動和勻速轉(zhuǎn)動；②在不同的轉(zhuǎn)速下（必要的間歇轉(zhuǎn)動）能夠提供足夠的轉(zhuǎn)矩；③準(zhǔn)確地計數(shù)；④可適應(yīng)不同線槽的夾具安裝；⑤有效即使制動；⑥能夠排線、張緊；⑦裝卸方便，便于操作。在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候還應(yīng)該注意到可靠性、人機關(guān)系、安全、檢修、美觀、經(jīng)濟價值等問題。設(shè)計過程中主要參數(shù)的確定包括主電機功率、制動器的選擇、帶傳動的設(shè)計、文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 4 -鏈傳動的設(shè)計、主電動機上蝸桿-蝸輪減速機構(gòu)設(shè)計、尾座用的蝸輪蝸桿減速機構(gòu)、電動機軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、排線用的交流伺服電動機、尾座套筒的移動副、變頻器、鏈條的設(shè)計、齒輪齒條的選擇、滾動直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿的設(shè)計、主軸上的軸承、主軸上的光電編碼器、PLC 編程等。（1）繞線系統(tǒng)采用三相異步電機驅(qū)動，經(jīng)無自鎖的蝸桿-蝸輪減速器減速（因電機需要正反轉(zhuǎn)）后，采用鏈傳動的方式等速傳遞給主軸，由主軸帶動繞線機構(gòu)繞線。由于在繞制過程中，隨著線圈半徑越來越大，主軸的轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之變化，所以三相電機應(yīng)配有變頻器，實現(xiàn)電動機的無級變速。在從動帶輪之后安有磁粉制動器，其原理是采用導(dǎo)磁的磁粉為媒介，制動部件與運動部件間隙中充填磁粉，借助于磁粉間的電磁吸引力形成的磁粉鏈同工作面間的摩擦力產(chǎn)生制動功能。用磁粉制動器可對電機進(jìn)行有效的制動。（2）尾箱由蝸輪、蝸桿減速機構(gòu)帶動齒輪齒條沿軸向移動，手動實現(xiàn)其控制。后軸的軸向進(jìn)給也是通過手動控制，通過螺紋傳動實現(xiàn)軸套的伸縮，對繞線架的距離進(jìn)行微調(diào)，最大的微調(diào)距離可達(dá) 150 mm。（3）對主軸、軸承，蝸輪、蝸桿等進(jìn)行必要的機構(gòu)尺寸確定以及強度校合，使其滿足工作要求。（4）控制系統(tǒng)由 PLC 實現(xiàn)。PLC 主要用來控制主軸的正反轉(zhuǎn)、主軸的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，還有交流伺服電機帶動的排線機構(gòu)的進(jìn)給速度。主軸的轉(zhuǎn)速由其末端的光電編碼器檢測，信號傳給 PLC，由 PLC 控制變頻器的電流大小，根據(jù)實際的繞線速度以及線圈的直徑來調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速，使他們的速度相匹配。因 PLC 含有計數(shù)功能，所以可由 PLC 控制主軸旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)；PLC 控制的伺服電機及排線架要與交流電機的轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，以達(dá)到穩(wěn)速緊密繞線的目的。交流電機由磁粉制動器制動，也由 PLC 在繞線完成后控制運行來制動電動機。主機速度控制的 PLC 設(shè)計，應(yīng)用 PLC 控制繞線機實現(xiàn)主軸的各種運動，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高工作效率。具體的 PLC 設(shè)計過程：①確定 PLC 所需 I/O 點個數(shù)； ②用互程序存儲器容量的選擇；③PLC 型號的選擇；④PLC 的程序設(shè)計。1.4 臥式繞線機的技術(shù)參數(shù)中心高：1600 mm；花盤直徑：φ1200 mm, 開四等分 T 形槽；床頭總盤與尾座頂尖距離：1.8 m-3.2 m；最大轉(zhuǎn)速：10 噸；主軸轉(zhuǎn)速：0～24 rpm . 滿圈時 10～12 rpm；電機功率 11 kw ( 由張力機的張緊力確定出 )；起動、制動時間：三分之一圈；文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 5 -張緊力：1000 N。2 前箱體設(shè)計計算2.1 確定主電機功率2.1.1 空線圈啟動狀態(tài)下電動機在啟動到額定轉(zhuǎn)速的過程中，主軸所受的力矩 為，LM（2-LaFM??1）（2-2adwJt）式中， ——加速度產(chǎn)生的力矩；aM——張緊力產(chǎn)生的力矩；F——繞線模轉(zhuǎn)動慣量。J在 =24(rpm)時，啟動時間按照三分之一圈計算，角加速度 為，maxn ?（2-max1240063dwradstt????????????????:3）繞線模的轉(zhuǎn)動慣量 為，LJ（2-4232110.46Lmr????2()kgm?）文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 6 -角加速度力矩 為，aM=160×3=480 （2-aJ?????Nm?5）張緊力矩 為，F(xiàn)M（2-6）3801402FLD???????Nm?式中， ——線圈的張緊力，為恒定力 1000N；LFD——空繞線模的直徑，為 800mm。主軸負(fù)載力矩 為，?LM480aF?????Nm?負(fù)載功率為，（2-7128024.60tLPn??:??kW）式中， ——負(fù)載功率，單位為 Kw；tPn——繞線模轉(zhuǎn)速，單位為 r/min。由于由電機到主軸之間蝸輪蝸桿減速器（非自鎖） ，則 =0.75；鏈傳動1?=0.95；帶傳動及其他機構(gòu) =0.98。2?3?電動機軸負(fù)載功率為,?（2-0123.163.07598tP????:??kW?18）文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 7 -2.1.2 線圈在滿圈狀態(tài)下在繞線模滿圈時，若由于某種原因，繞線機停機，現(xiàn)在需要重新啟動，在此過程中重新啟動繞線。主軸所受的力矩為（2-9'''LaFM??）（2-10'''adwJt）式中， ——加速度產(chǎn)生的力矩；'aM——張緊力產(chǎn)生的力矩。'F由于繞線過程中，隨著繞線模的線圈的繞制，轉(zhuǎn)速需要隨之降低，此時 n 取11rpm，啟動時間按照三分之一圈計算，角加速度為，（2-11）''' max1'2006.93dwtt????????????????:(/)rads線圈及繞線模轉(zhuǎn)動慣量為，（2-12????''232110.6046LJmRr????????2kgm:）（2-13）'' .917aMJ?N?線圈對繞線模的張緊力矩為，（2-14）'' 312060FLD????:??Nm:式中， ——滿載時，線圈對主軸的力矩，單位 N·m；'FM文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 8 -——滿載時，線圈的直徑，為 1200mm。'D主軸負(fù)載力矩為?'''1794602394LaFM?????Nm:主軸負(fù)載功率 為'tP（2-15）''' 1239423.260tLn????:??kW式中， ——滿圈時，線對繞線模的力矩；'LM——滿圈時，繞線模的轉(zhuǎn)速。'n考慮到由電機到主軸之間蝸輪蝸桿減速器（非自鎖） ，則 =0.75；鏈傳動1?=0.95；帶傳動及其他機構(gòu) =0.98。2?3?電機軸負(fù)載功率為，?<11 （2-16）''0120.264.775908tP????:??kW選擇電機 11kW 可以滿足要求。查手冊選用 電機，額定功率 11(kW)，轉(zhuǎn)速 1460(rpm)。64YM?電機啟動后，主軸轉(zhuǎn)速為 24(rpm)，穩(wěn)定運行后主軸為 12(rpm)。由帶傳動 =1，鏈傳動 =1，取蝸桿-蝸輪傳動 =41?1i3i 2i則主軸 及蝸輪軸 的轉(zhuǎn)速， tn221()tnrpm?蝸桿軸轉(zhuǎn)速為 1480?()rpm2.2 制動器的選擇在制動的過程中，存在張力力矩 、減速力矩 、制動力矩'FM'a'zM（2-17）'''1794601zaF?????Nm?文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 9 -式中， ——制動過程中，減速度產(chǎn)生的力矩'aM折算到蝸桿軸上（2-18）''121940.80.75zzmMi???????Nm?式中， ——主軸的制動力矩折合到蝸桿軸上的力矩；'zmM——蝸桿軸和主軸之間的總傳動比。i選用磁粉制動器，為自然冷卻式磁粉制動器空心軸型 ZX-2.5YA?2.3 蝸桿-渦輪減速器2.3.1 蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計方案由于隨著線圈的不斷繞制，線圈的質(zhì)量不斷增大，電動機的轉(zhuǎn)速也應(yīng)該不斷減小，故選用 4 級調(diào)速。線圈滿圈時，質(zhì)量 m=10(噸) ，電機轉(zhuǎn)速為 480(rpm)，線圈為 12(rpm)。 蝸桿-蝸輪兩軸交錯角 ，采用 ZI 漸近線蝸桿。?90??考慮到傳動功率不大，速度只是中等，蝸桿用 45 鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為 。蝸輪用鑄錫磷青銅45HRC:ZCuSn10P1,金屬模制造。僅齒圈用青銅制造，輪芯用灰鑄鐵 HT100 制造。2.3.2 蝸桿-蝸輪減速器的設(shè)計計算按齒面接觸疲勞強度，傳動中心距為（2-19）??232EHZaKT?????????式中，a—— 蝸桿-蝸輪中心距；K——載荷系數(shù)；——接觸系數(shù)Z?——彈性影響系數(shù)。E文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 10 -⑴計算蝸桿功率 1P確定齒輪齒數(shù) =1， =40， =0.75z21?由 =3.26 ，鏈傳動 =0.95，則蝸輪軸功率為t??kW（2-20）23.6.4095tP????kW（2-22.2731T??Nm?21）式中， ——主軸負(fù)載功率；tP——蝸桿軸力矩。2T由 經(jīng)蝸桿-蝸輪傳動 =0.75，則蝸桿功率為2?13.4.570P???kW⑵計算蝸桿載荷系數(shù) K因工作載荷較穩(wěn)定時，故取載荷分布不均系數(shù) =1；由表 11-5 選 =1；由K?AK轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，取 =1.05v（2-22）1.05AvK????⑶材料彈性影響系數(shù) EZ因選用鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿， 160EZ?12MPa??????⑷計算應(yīng)力極限 []H?先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距 a 的比值 =0.36，從圖 11-18 可查得，1d接觸系數(shù)為 =2.85。Z?文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 11 -根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1，金屬模制造，蝸桿螺旋齒面硬度為45HRC，從表 11-7 查得蝸輪的許用應(yīng)力 =268 ， =12000(h)'[]H???MPahL應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為（2-23）7260.86120.8610hNjnL????壽命系數(shù)為781.0.6HNK應(yīng)力極限為（2-24）'[][]1.026873.1HNH???????MPa⑸計算中心距（2-25）??2 2332 160.851.057073EHZaKT??????????????????? ??m取 a=200(mm)，因 ，取 ，q=10 ，4i()m?1d則 ，查教材圖 11-18，180.2da?2.74.9Z??以上滿足條件?2.3.3 蝸桿-蝸輪的結(jié)構(gòu)尺寸⑴蝸桿結(jié)構(gòu)尺寸查表得 ， ，180d?m241z?蝸桿軸向齒距 85.3aP????m直徑系數(shù) q=10，齒頂圓 ， 102896ad?????齒根圓直徑 12.4..f??分度圓導(dǎo)程角 ，蝸桿軸向齒厚''836??1812.572aSm?????m⑵蝸輪結(jié)構(gòu)尺寸=41， =-0.52z2x??m文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 12 -驗算傳動比 =41，傳動比誤差為 ，在誤差允許范圍。21zi?4102.5%??分度圓直徑 28432dm????m齒頂圓直徑 84aah?齒根圓直徑 220.f???2.3.4 蝸輪齒根彎曲疲勞強度校核齒根圓彎曲疲勞強度條件（2-26）??21.53aFFFKTYdm?????式中， ——蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，MPa；F?——蝸輪齒形系數(shù)，由蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)及蝸輪變形系數(shù) x2 查教材圖 11-2aY19；——許用彎曲應(yīng)力，單位 MPa;[]F?——彎曲疲勞強度的重合度系數(shù)，取 =0.667。.Y? Y?當(dāng)量齒數(shù)為，（2-27）??233''413.48cos6vz????式中， ——分度圓導(dǎo)程角；?由 ， ，查圖 11-19，得20.5x??243.8vz 2.87FaY?（2-10.94Y????28）應(yīng)力極限為，（2-??'FFNK???29）文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 13 -（2-30????1280.680.64183.6Bzm????????m）從教材表 11-8 查得鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力為，??'56()FMPa??壽命系數(shù)為，69710.8.8FNK????' 54.F??????Pa??1.5302709125()8 FM???應(yīng)力滿足條件從 GB/T10089-1988 圓柱蝸桿-蝸輪傳動機構(gòu)減速器精度選 8 級。2.4 帶傳動的設(shè)計2.4.1 帶傳動的結(jié)構(gòu)尺寸⑴計算功率 為CaP（2-caAPK?31）式中， ——工作情況系數(shù)；AKP——所需傳遞的額定功率，單位 kW。查教材表 8-7，工作情況系數(shù) 1.AK?又由已經(jīng)條件得 ，04.67P??kW0492n??rpm?1.4675.1CAP????k⑵帶型的選擇及轉(zhuǎn)速文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 14 -查圖 8-11，普通 V 型帶選型圖，應(yīng)該選 B 型帶，取 ，取12540d????m132d???m（2-32）???1 3132490.4306dvnmss??????由傳動比 i=1，則 2d??⑶初定中心距 0a由 得， （2-????121200.7dd???33） ????084.58mam?取?03a???⑷計算帶長 0dL（2-36）??01223051382dda??????????m查表 8-2，取 4dLm⑸實際中心距（2-37）0014038537.22dLa?????????m最小中心距為，（2-38）min0.1537.0154286.5daL???????最大中心距為，（2-39）max0.37.503149.5dL???????m文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 15 -2.4.2 帶的選擇⑴小帶輪包角為（2-40）??21157.38080da??????⑵帶的根數(shù)為（2-41）??0caAr LPKz???:式中， ——包角修正系數(shù)；K?——帶長修正系數(shù)。L查教材表 8-4a，得 ；01.2P???kW查教材表 8-4b，得 ；:查教材表 8-5，得 ；K?查表 8-2，得 0.9L??1.029.18rP????kW467.z取 52.4.3 帶的受力分析⑴單根 V 帶初拉力 F最小初拉力 為0min()（2-42）??20in2.5()CavKPFqz????查表 8-3，得， ， ， ，??0.18qkgm?4.98v???s??4.67CaPkW?1K??5z文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 16 -最小初拉力為 ???20min2.51.4() 0.839()3FN?????⑵帶傳動作用在軸上的壓軸力 為P（2-43）0 1802sin5297.sin2975()PzF????2.4.4 帶輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計由帶輪的基本尺寸，帶輪結(jié)構(gòu)采用孔板式。由手冊查電機主軸尺寸為 42d???m1.8.4276d??查表 8-10，得 ,取 ，取 ， ，1db??1ah??12fh???m34???19e， 。??mf??齒頂圓直徑 ，2340ada??????d??齒根圓直徑 1218ffh?m帶輪寬度 49Be??'1057C?????m取 196D????01.2.29674dd????2.5 鏈傳動的設(shè)計2.5.1 鏈的尺寸設(shè)計⑴采用滾子鏈傳動，雙排鏈，i=1125z?⑵單排鏈的計算功率 （2-44）2AzCaPK?文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 17 -式中，K A——工況系數(shù)，見教材表 9-6；KZ——主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)，見圖 9-13；KP——多排鏈系數(shù)，雙排鏈時 KP=1.75，三排鏈時 KP=2.5查表 9-6，得 1.0A?查圖 9-12，得 z雙排鏈時， ,.75PK24.??kW?1.03196Ca???⑶查圖 9-11，選用型號為 24A 的鏈條查表 9-1，得節(jié)距為 8.()pm分度圓直徑為（2-38.104()10sinsi25dmz??????????????45）⑷初選中心距0(35)(143905)(apm?::選?12m鏈節(jié)數(shù) 為,0PL（2-46）??0 21120PzapLpa??????012508()38.PLm????取 0()m最大中心距為文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 18 -（2-47）??max112pfLz???????式中， ——中心距計算系數(shù)，查教材表 9-7。1f查表 9-7，得 10.25f????max38.12409()??2.5.2 鏈的校核設(shè)計⑴鏈輪的鏈速（2-48）160znpv??式中， ——主動鏈輪轉(zhuǎn)速，單位為 rpm。1n?125138.02()606znpvms???'1max4.?查圖 9-14，選用定期人工潤滑。⑵鏈輪對軸的壓軸力 PF（2-49）PFeK??式中， ——壓軸力系數(shù)，對水平傳動 =1.15；對垂直傳動 =1.05；FP FPFP——有效圓周力，單位為 N。e垂直布置傳動時 1.05FPK?壓軸力為 ?.23467()P?⑶鏈輪材料選用 45 鋼，采用張緊輪進(jìn)行張緊。2.5.3 鏈輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計鏈輪的總體結(jié)構(gòu)選用雙排鏈輪，由于鏈輪的尺寸較小，采用整體式。文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 19 -⑴由安裝軸的尺寸 ，分度圓的直徑7kd???m??304dm?⑵齒頂圓直徑 a查表 9-1，滾子直徑為 ，內(nèi)鏈板高度為12??25h??齒頂圓直徑最小值為，?（2-50）min1.61.63048.2385adpdz?????????????????????m齒頂圓直徑最大值為，（2-51）max1.25304.258.130dpd??????????取 324mm，即?aa??m⑶齒根圓直徑 130428fd?????m⑷齒高 ah（2-52）????min10.50.538.12.05apd???????（2-??ax1.62..3810.538.0254phz???53）式中， ——滾子直徑，查教材表 9-1；1d——鏈的節(jié)距；p取?0ah???m⑸凸緣直徑 gd文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 20 -（2-54）??max2180cot.4.763..350.265gdphz????式中， ——內(nèi)鏈板高度，查教材表 9-1。2h取?60gd???m⑹輪轂厚度（2-55）70.16.40.1342.7kdhK??????式中， ——輪轂直徑。kdK——常數(shù)，查手冊；⑺軸向齒廓尺寸齒側(cè)倒角 0.13.8.15abp?????m齒全寬 2409326.ftfd???齒寬 1.962f ??輪轂直徑 ，且 ，則hk?hgd?72.1.54h??????m滿足 =260g??m⑻輪轂長度 L 3..273.5h???由 min69???取 ，查手冊，選擇鍵 22×14×6380L??2.6 主軸的設(shè)計2.6.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 21 -⑴軸上零件的裝配主軸結(jié)構(gòu)及其上的零件裝配結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2-1：圖 2-1 主軸結(jié)構(gòu)及其上零件裝配圖⑵主軸轉(zhuǎn)矩主軸負(fù)載功率為 3.26()tPkW?負(fù)載轉(zhuǎn)矩為?3.26950594.1ttT????Nm?⑶按扭轉(zhuǎn)強度條件設(shè)計（2-56）30tPdAn?式中，d——主軸最小直徑，單位 mm；A0——查教材表 15-3。由表 15-3，軸的材料為選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，則 取 1120A?3min7.261.5()dm???由軸的結(jié)構(gòu)圖知，最小直徑為連接光電編碼器取 為 74 ，即 ，取 ，min()174d?()140d?()m120L?()⑷查手冊表 5-6 得，選兩個圓螺母 ，D=7552M?，?275d?()236L?()mⅡ-Ⅲ之間的軸肩高度為取 1.5 ,，所以 ，由鏈輪寬度37d?()m80L?文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 22 -，取 ，查手冊選鍵為 22×14×63()m37L?()mⅢ-Ⅳ之間的軸肩起定位作用，取軸肩高度 h 為 0.08 =0.08×77=6.163d()m，取?43289.dh?()490d?()m由 ，取1..61.L???12LⅣ-Ⅴ之間為非定位軸肩，查手冊表 5-6，取圓螺母為 M95×2，取 ，59d?()m53()m⑸初選滾動軸承，因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，所以選用單列圓錐滾子軸承，使用反裝方式。查手冊 GB/T297-1994，選用軸承 30310，取 ，610d?()m27B?()取?632L?()mⅥ-Ⅶ之間軸肩起定位作用，取軸肩高度 h 為 0.08 =0.08×100=8 ()7610816dh???()m取 ，?()m7235L⑹Ⅷ-Ⅸ 之間軸肩起非定位作用，取 為 120 ，選單列圓錐滾子軸承8d()32924， ，B=29 ()?836L?m⑺由軸的結(jié)構(gòu)，取 ， ， ， ，942()16a?()m12b?()17c?()m981.40d()由繞線機花盤的結(jié)構(gòu)尺寸，取 10d()2.6.2 主軸的載荷分析鏈輪的壓軸力為 ，主軸轉(zhuǎn)矩為23467()PFN?259.4()tTNm??⑴軸上載荷圖文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 23 -圖 2-2 軸上載荷圖⑵水平方向受力（N）120NHF?⑶垂直方向受力垂直方向載荷受力圖如圖 2-3：圖 2-3 垂直方向載荷圖各個力的力臂為 '3 214567827923()LBLm??????'3124562771=0LBm???文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 24 -312'''70L????m49' .5Ba?由力矩平衡公式得?（2-56）1341'''2PNVFLGL?????式中，G——繞線模滿圈時所受的重力，單位為 N，滿圈質(zhì)量 m=10 噸。=19080.2(N)1NVF?23467507.??又由 21PNVG?=23467+50000-19080.2=54386.8(N)?NV⑷垂直方向的彎矩垂直方向的彎矩圖如圖 2-4：圖 2-4 垂直方向的彎矩圖最大彎矩值為 312'346710240.6()VPMFLNm?????⑸最大總彎矩 =2440.6(N·m)=2440600(N·mm)扭矩 ????5959tTNm??⑹軸上零件的定位左軸承的右邊采用軸肩定位，左邊采用套筒及雙圓螺母定位；右軸承的左邊采用箱體定位，右邊采用軸肩定位固定。鏈輪的左邊采用雙圓螺母固定定位，右邊采用軸肩定位，與軸采用鍵連接，查手冊中表 4-1，選擇鍵 22×14×63⑺按照彎矩合成應(yīng)力校核軸的強度進(jìn)行校核時，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面，軸單項旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 25 -力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取 =0.6，軸的彎扭合成強度條件為?（2-57）??2213caMTW???????1??式中， ——軸的計算應(yīng)力，單位為 MPa；ca?——軸所受的彎矩，單位為 N·mm；1MT3——軸所受的扭矩，單位為 N·mm；W——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 mm3；= =21.75MPa?ca???223406.59401??前面已經(jīng)選定軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，見表 15-1，查得 =60MPa；??1??< ，故主軸安全，滿足工作要求ca??1?2.7 鏈輪主動軸2.7.1 鏈輪主動軸的安裝結(jié)構(gòu)該鏈輪主動軸的動力由電動機經(jīng)過帶傳動、蝸桿蝸輪減速，傳遞動力到蝸輪，蝸輪安裝在鏈輪主動軸上。鏈輪主動軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2-5 所示：圖 2-5 鏈輪主動軸簡圖2.7.2 鏈輪主動軸的尺寸設(shè)計由于蝸輪軸的轉(zhuǎn)速比較小，所以只進(jìn)行尺寸的確定。文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 26 -⑴由前面主軸的設(shè)計知， =77(mm)，查手冊知，選鍵為 22×14×63，L 1 取1d82(mm)，選緊定螺釘為 M5。⑵由于軸肩起定位作用，所以 h=0.08d1=0.08×77=6.16(mm)=77+2×6.16=89.32(mm)?21dh??選擇軸承為圓錐滾子軸承 30218，取 為 90(mm)，取 =88(mm)2d2L⑶選擇 d3=95(mm)由 B 0.75da1=0.75×96=72(mm)，取 B=70(mm)?L3=65(mm)，選擇平鍵 25×14×50⑷軸環(huán)左側(cè)起定位的作用，選擇 d4=d3+0.08d3=110.2(mm)，選 d4=112(mm)由 L4 1.4h=1.4×8.5=12(mm)，所以選 L4=16(mm)?⑸選 d5=109(mm)，L 5=88(mm)⑹選擇圓錐滾子軸承 30218，取 d6=90(mm)，L6=65(mm)2.8 蝸桿軸2.8.1 蝸桿軸的安裝結(jié)構(gòu)該軸由電機經(jīng)電機軸傳遞動力到蝸桿軸，蝸桿軸上安裝有從動帶輪、磁粉制動器。蝸桿軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2-6 所示：圖 2-6 蝸桿軸結(jié)構(gòu)簡圖2.8.2 蝸桿軸的尺寸設(shè)計由于蝸桿的尺寸較小，所以將蝸桿在軸上直接加工，做成蝸桿軸。⑴ 由電動機軸的直徑?jīng)Q定，取 =42(mm)， 取 115(mm)，選鍵為 12×8×951d1d1L⑵由蝸桿分度圓的直徑為 =80(mm)，選擇 = =55(mm)； (8+0.06z2)435d4L?m，取 =84(mm)。4L⑶由第 2 段右側(cè)，第 6 段左側(cè)起定位軸肩作用，選 = =45(mm)，選單列圓26文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 27 -錐滾子軸承 30209，L 2=20(mm)，L 6=70(mm)。⑷由軸的總體尺寸，確定第 3 段和第 5 段軸部的長度為， = =55(mm)。3L52.9 主動帶輪軸——電機軸2.9.1 主動帶輪軸的結(jié)構(gòu)三相異步電動機由電機軸傳遞動力到主動帶輪，由主動帶輪帶動從動帶輪，從而傳遞動力到主軸。軸上零件的安裝簡圖如下：圖 2-7 帶輪主軸結(jié)構(gòu)簡圖2.9.2 主動帶輪軸的尺寸設(shè)計⑴由電機主軸的功率為 =4.67(kW)，主軸轉(zhuǎn)矩為 =91(N·m)1P1T⑵初步確定軸的最小直徑 mind（2-57）03inA?選軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理；查教材表 15-3，取 A0=112=26.2?3min6.1247d??()m由于最小直徑在帶輪處，取 =42(mm)， 取 125(mm)3d3L選平鍵為 12×8×90選 為 52(mm)，取 為 52(mm)2d2L⑶選 為 65(mm)，選深溝球軸承為 66013， 取 130(mm)1 1L文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 28 -⑷由電機輸出軸的尺寸，取 =42 (mm)， =105 (mm)，選擇平鍵為 12×8×800d0L3 后箱體、排線架的設(shè)計3.1 后箱體主軸的設(shè)計3.1.1 后箱體主軸的結(jié)構(gòu)后箱體主軸上安裝有兩個單列圓錐滾子軸承、尾座微調(diào)軸，前端安裝有花盤。結(jié)構(gòu)簡圖如下：文件包含 CAD 圖紙和三維建模及說明書,咨詢 Q 197216396 或 11970985- 29 -圖 3-1 后尾箱主軸結(jié)構(gòu)簡圖3.1.2 后箱體主軸的尺寸設(shè)計后箱體主軸只受負(fù)載繞線模的重力作用，主要起支撐作用，不傳遞轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)速一