毕业设计：高压线圈全自动绕线机主体设计[管理资料]

摘要
本文设计的是一种用于某些电感线圈、环形变压器、继电器线圈、步进电机线圈等不同规格的线圈进行精确绕线的智能机器。

其设计开发涉及零部件的制造工艺流程、PLC的应用、伺服电机的选择、液晶显示与触摸屏控制的人机平台。

本文重点阐述了绕线机主体结构中主轴箱的结构设计，传动方案的选择确立、装配图及非标准零件图的描绘，并对主轴等零件进行了强度校验。

应用Solidworks三维造型软件对所有零件进行了三维造型，并完成零部件的虚拟装配，并对主轴箱体进行了干涉检验。

设计的主轴箱是全自动绕线机的核心部件，为确保绕线机的设计质量奠定了坚实的基础，为绕线机的平稳运行提供了保障。

关键词：绕线机，五轴联动，主轴箱，线圈
ABSTRACT
This design is accurate routing of intelligent machines that are used in coils of different specifications , such as some coil , toroid, relay coil, step motor coils. The design and development related to parts of the manufacturing process, PLC's application, the choice of the servo motor, LCD display and touch screen control of the machine platform.
This article focuses on the winding machine spindle box in the structural design of the main structure, the choice of transmission scheme and assembly drawings and non-standard part drawings, and the spindle and other parts of the strength check. Software of three-dimensional modeling is Solidworks. The virtual assembly and spindle box intervened test are completed. Headstock design is a core component of automatic winding machine , that ensure the quality of winding machine and laid a solid foundation for the smooth operation of winding machines to provide a guarantee.
Key words:Winding machine, Five-axis, Headstock, Coil
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第一章：全自动绕线机简介 (1)
全自动绕线机历史背景及发展趋势 (1)
全自动绕线机设计意义及价值 (3)
第二章：总体设计 (4)
设计时应注意的问题 (4)
传动方案的比较与选择 (4)
主轴的强度计算 (5)
第三章：主轴箱零件设计与造型 (7)
造型软件的介绍 (7)
三维造型软件Solidworks (7)
绘图软件AutoCAD (10)
(12)
Solidworks三维造型 (12)
工程图绘制 (16)
第四章：主轴箱装配造型 (20)
第五章：总结 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
第一章：全自动绕线机简介
1.1全自动绕线机历史背景及发展趋势
自九十年代初期以来，随着国内经济的迅速发展，对外开放政策的推行，使我国有机会不断学习和借鉴国外的先进技术，随后国内少数几家变压器企业引进了几台国外先进的绕线设备，但由于价格昂贵，对国内多数变压器企业来说难以承受，变压器行业迫切需要提供性能优良、价格相对低廉的国产绕线设备。

经过一段时间的研究实验，国内一些企业开始自主生产销售绕线机，从手动到半自动再到全自动，从单轴到多轴，前进的脚步从未停止。

全自动绕线机是近几年才发展起来的新机种，为了适应高效率、高产量的要求，全自动机种一般都采用多头联动设计，国内的生产厂家大多都是参照了台湾等地的进口机型的设计，采用可编程控制器作为设备的控制核心，配合机械手、气动控制元件和执行附件来完成自动排线、自动缠脚、自动剪线、自动装卸骨架等功能，这种机型的生产效率极高，大大的降低了对人工的依赖，一个操作员工可以同时照看几台这样的设备，生产品质比较稳定，非常适合产量要求高的加工场合。

但是，这种机型由于集成了数控、气动、光控许多的新技术，所以价格小则几万元高则十几万元，价格也使得许多的用户望而叹步，另外由于功能要求决定了该设备的零部件采用了大量非标准件和定制件，所以一旦出现故障相对的维修过程将会很复杂，周期也会比较长。

不过它的先进性和高产量还是吸引了客户。

随着输变电事业的发展，变压器生产工艺的不断改进和变压器产品质量的进一步提高，变压器行业对变压器线圈质量提出了更高的要求。

变压器线圈绕制不紧，变压器的抗突发短路能力就会降低，直接影响变压器质量，而变压器线圈绕制的松紧程度主要取决于绕线设备的性能。

为了满足国内变压器行业的需求，促进行业的技术进步，我们决定投入技术力量和经济力量，借鉴国外的先进经验，结合我国国情开发研制性能优良、价格低廉的全自动绕线。

绕线机整体组成分机械部分和电气控制两大部分，其系统机械运动主要是主轴卷绕运动和排线运动并且主轴卷绕运动与排线运动是完全独立的两运动。

其中主轴卷绕运动，即线圈骨架随主轴旋转运动，使漆包线在骨架上绕制;排线运动，即漆包线沿骨架轴向连续运动或者点动运动，使漆包线能按要求均匀绕制在骨架上，其工作原理是伺服电机接收到来自PLC控制系统的信号后，完成设定的转速旋转，通过二级同步带传动带动主轴旋转，同时滚珠丝杆结构控制xyz方向的移动，使线嘴装置匀速在一个规定的范围中往复布线，并
且决定绕线质量的关键是系统主轴运动与排线运动的协调。

绕线机主要由机架、绕线主轴机构、排线机构、制动机构、插排机构、张力机构以及控制系统等组成。

它们分工不一，功能不小，各司其职。

绕线机的机架是机器的骨骼，设计时需考虑重心高度、空间的布置、机器的稳定等问题，现如今，人性化设计融入各行各业，机架的设计也需要更合理。

绕线主轴机构由三相交流伺服电机带动同步带及中间轴转动，通过二级传动保证绕线两侧主轴转动等速及同步，通过加工及装配精度保证线模具同心，从而保证绕线的质量。

绕线机排线进给机构的驱动通常采用步进电动机作为驱动源，可采用经联轴器驱动滚珠丝杆旋转或采用步进电动机经同步齿型带驱动滚珠丝杆旋转的两种方式。

本文采用步进电动机经联轴器驱动滚珠丝杆的形式，由于在步进电动机轴与滚珠丝杆之间采用柔性连接，对步进电动机座定位面的要求和滚珠丝杆与导向杆件的装配要求相应降低，使箱体孔加工容易，运动更加顺畅。

为了达到设计要求，有针对性地进行了改进，采用复合排线法，大大地改进了整机性能，提高了产品质量。

排线机构的换向控制成为控制绕制面品质的关键问题，可通过软件控制异步电机在换向时速度与时间的匹配，不会造成压叠或松散等现象。

更换不同的绕线夹具可绕制不同规格的线圈，为满足生产需要可灵活设计夹具，通过参数设置以及程序的调换从而达到很好的排线效果。

在绕制细微漆包线和贵重金属细丝时，由于线径比较细，如果张力太大，就会断丝或将线拉长，使线圈的直流电阻增大。

如果张力太小，就会出现乱排线现象，绕制品质下降。

该设备的放线张力器固定于滚珠丝杆的排线杆上，采用毛毡压紧方式控制张力。

在实际生产中，可在重要工艺环节增加张力装置以控制张力的大小，保证排线整齐，无压叠，无松散，通过细致调节完全可以满足不同线径需求。

全自动绕线机发展趋势：
智能化：
(1)自动上料、运转、下料、循环(2)自动清洁(3)张力自动调节(4)自动报警、停止动作、断电(5)主轴能自动锁定(6)显示工作状态、步骤(7)显示绕线圈数(8)自动显示本步骤及下步骤X/Y/Z/S轴坐标位置及旋转的角度
人性化：
(1)触摸屏技术,操作界面简洁明了
(2)危险部位均有挡板及提示
(3)碍手部位均采用圆弧过渡处理
专业化：
(1)产品本身专业化：专业生产绕线机，得到国内外同行一致认可
(2)产品设计专业化：专业的设计的队伍，经验丰富，团队合作精诚团结
(3)产品生产专业化：绕线机零部件、原材料生产产品的专业化，品质更
保证
(4)产品销售的专业化：生产企业、OEM企业、销售公司之间的专业化
多元化：
（1）产品适用范围广泛，只需更换治具夹头
（2）产品系列多样，各种优惠套餐不一
高精密性：
(1) X/Y/Z/X2直线移动精度+/-
(2) °
(3) 日本进口高精度THK直线移动导轨和丝杠
(4) 日本进口高精度NSK高速轴承
(5) 日本进口高精度SMC气动元件
(6) 日本进口高精度UNITA皮带
外观：（1）色彩搭配更潮流、更时尚，更像是一件精美的工艺品、装饰品
（2）电缆线捆扎严密，内蕴其中，不影响视觉效果
1.2全自动绕线机设计意义及价值
随着输变电事业的发展，变压器生产工艺的不断改进和变压器产品质量的进一步提高，变压器行业也对变压器线圈质量提出了更高的要求。

变压器线圈是变压器的核心。

变压器线圈质量的好坏直接影响着变压器产品的质量和性能。

使用优质的全自动绕线机，不仅使得生产出来的高压包线圈绕制均匀美观、电阻值稳定，而且大大提高了效率和精度，触摸屏设计人性化界面，对实现绕线机的科学实用、方便快捷、经济和谐又迈出了一步。

面对日益高涨的人工工资、原材料价格的不断上浮、管理阶层的投入越来越多、同行之间的价格战愈演愈烈，迫使经营者们斥资购买效率高、速度快、便于管理的机器投入生产。

这在一定程度上解放了生产力，提高了生产力，改善了生产关系，促进了科技的进步。

第二章：总体设计
设计时应注意的问题
(1) 要有足够的刚度和稳定性。

(2) 运动要灵活，导向性要好。

(3) 结构布置合理紧凑，便于拆卸和维修。

(4) 中间轴调整得当，皮带的张紧力调节要到位。

（5）留足布线空间。

传动方案的比较与选择
传动一般分为机械传动、流体传动、电力传动三类。

在机械传动和流体传动中，输入的是机械能，输出的仍是机械能，在电传动中，则把电能变为机械能或把机械能变为电能。

机械传动中分为摩擦传动与啮合传动，而摩擦传动中又分为摩擦轮传动、挠性件摩擦传动和摩擦式无级变速传动，啮合传动中又分为齿轮传动、蜗杆传动、挠性啮合传动和螺旋传动，齿轮传动中又分为定轴齿轮传动、非圆齿轮传动，蜗杆传动分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动，挠性啮合传动中包括了链传动和同步齿形带传动，螺旋传动中包括滑动螺旋传动、滚动螺旋传动、静压螺旋传动。

摩擦传动的特点是靠接触面间的正压力产生摩擦力进行传动，外廓尺寸较大，由于弹性滑动的原因，其传动比不能保持恒定。

但结构简单，制造容易，运行平稳，无噪音，借助打滑能起安全保护作用；齿轮传动的特点是靠齿轮的啮合来传递运动和动力，外廓尺寸小，传动比恒定或按照一定函数关系作周期性变化，功率范围广，传动效率高，制造精度要求高，否则冲击和噪声大；蜗杆传动的特点是传递交错轴间运动，工作平稳，噪声小，传动比大，但传动效率低，单头蜗杆传动可以实现自锁；挠性啮合传动具有啮合传动中的一些特点，可实现远距离传动的特点；螺旋传动主要用于变回转运动为直线运动，同时传递能量和力，单头螺旋传动效率低，可自锁；流体传动和电力传动应用的范围较小一些，流体传动分为气压传动、液压传动、液力传动，特点是速度、转矩均可无级调节，具有隔振、减震和过载保护措施，操作简单，易实现自动控制，效率较低，需要一些辅助设备，如过滤装置。

密封要求高，维护要求高；电力传动可实现远距离传动，易控制。

传动类型的选择需要综合考虑以下因素：
1、工作机和执行机构的工况；
2、动力机的机械特性和调速性能；
3、对传动的尺寸、质量和布置方面的要求；
4、工作环境条件，如在工作温度较高、潮湿、多粉尘、易燃、易爆的场合，宜采用链传动、闭式齿轮传动、蜗杆传动，不能采用摩擦传动；
5、经济性，如工作寿命，传动效率，初始费用、运转费用和维修费用等；
6、操作和控制方式；
其他要求，如现场的技术条件（能源、制造能力等）、标准件的选用及环境保护等[2]。

同步带是以钢丝为抗拉体，外面包覆聚氨酯或橡胶而组成。

它的横截面为矩形、其工作面具有等距横向齿的环形传动带。

带轮轮面也制成相应的齿形，工作时靠带齿与轮齿啮合传动。

由于带与带轮无相应滑动，能保持两轮的圆周速度同步，故称为同步带传动。

它具有如下优点：（1）传动比恒定; (2) 结构紧凑（3）由于带薄而轻、抗拉体强度高，故带速可达40m/s ，传动比可达10，传递功率可达200KW ；（4）效率较高，，因而应用日益广泛。

它的缺点是带及带轮价格较高，对制造、安装要求高[25]。

链传动是由装在平行轴上的主、从动链轮和绕在链轮上的环形链条所组成，以链作中间挠性件，靠链与链轮轮齿的啮合来传递动力。

与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用在轴上的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。

与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低；中心距较大时其传动结构简单。

链传动的主要缺点是：瞬时链速与瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作时有一定的冲击和噪声[24]。

°，执行机构只执行旋转运动，且主轴所受力仅限径向力，主轴箱的空间范围也起到了一定的约束作用。

综上所诉，传动系统采用同步带传动。

主轴的强度计算[24]
已知：电机功率1KW ，转速在6000-12000转/分，带与带轮间的摩擦系数μ=，包角α=170（），带轮的外径为24mm ，内径为10mm ，皮带的宽为18mm ，，带的弹性模量E 取300MPa ，每米带长的质量q=
求最大应力σmax
解：V=n×2πr 60
=12000×2××12×
= m/s F=1000×p v =1000×
= N
e μα=
σmax=σ1+σb1=F1
A +σb1=1
A
(F×eμα
eμα−1
+qv2)+2×y×E
d
=×(×+×)+2×1×300
24
= MPa << [] = 343MPa 所以，强度校验合格。

第三章：主轴箱零件设计与造型
造型软件的介绍
三维造型软件Solidworks
SolidWorks三维实体建模软件是美国SolidWorks公司的产品。

自1993年PTC公司技术副总裁与CV公司副总裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出SolidWorks软件以来，SolidWorks软件已经历十多年的历史，版本不断更新，功能日益强大。

SolidWorks 是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，提供了强大的零件建模、装配建模、钣金建模、二维工程图、运动仿真和有限元分析等设计功能，并集成和兼容了所有Windows 系统的卓越性能，具有出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。

1997年，。

并购后，SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。

功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks软件的三大特点。

Solidworks软件功能强大，组件繁多。

Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。

SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。

SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

Solidworks软件特点：
★只有SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。

“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。

★崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。

属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。

★用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。

SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。

★特征模版为标准件和标准特征，提供了良好的环境。

用户可以直接从特征模版上调用标准的零件和特征，并与同事共享。

★SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。

配置管理是SolidWorks软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件设计、装配设计和工程图。

配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。

★SolidWorks 提供了技术先进的工具，使得你通过互联网进行协同工作。

★通过eDrawings方便地共享CAD文件。

eDrawings是一种极度压缩的、可通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。

★通过三维托管网站展示生动的实体模型。

三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。

★SolidWorks 支持Web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就象存本地硬盘一样方便。

★用3D Meeting通过互联网实时地协同工作。

3D Meeting是基于微软NetMeeting的技术而开发的专门为SolidWorks设计人员提供的协同工作环境。

★在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。

在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。

对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。

★SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。

★用智能零件技术自动完成重复设计。

智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。

★镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。

镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。

★SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。

智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。

★SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。

工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。

★从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。

★增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。

★使用RapidDraft技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。

★用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动的顺序。

交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工程图功能。

SolidWorks 2010大幅改善了工程图绘制功能，尺寸标注的操作将更为简洁。

这包括对多段文字可通过拖拽进行合并、多尺寸标注自动实现等间距布局、零件明细表和公差尺寸标注的灵活编辑等。

在装配图中，新版本提供了零部件详细信息的可视化功能，重量、材质、是否外购件、价格等参数还可直接导入Excel进行输出。

3D建模工具中增加了盆腔中段平面和相切平面的草图绘制功能，简化了高复杂度模型设计。

装配环境下允许进行零部件的精确镜面复制、运动干涉检查和参数化应力分析。

随上一版本推出的SpeedPak技术也得到进一步增强，该功能可在保持图形完整细节与关联性的同时降低计算机内存使用率，从而无需调用大量内存便可高效地创建和使用大型装配体及工程图。

此外，对直接导入的实体模型进行编辑是一个非常重要的新特性，这将大幅减少调用旧有设计时的工作量。

用户界面看起来使用了Instant3D技术的标尺，直接拖拽即可修改。

编辑工具将修改产生的新特征记录于特征树中，因此能轻而易举地将导入模型恢复成原始状态。

不同于针对CAD的增强功能，在SolidWorks 2010中还新增一个用于评估设计对环境影响的工具，这是同类软件所没有的。

该工具的研发代号为“Sage”，以PE International公司的一款环境影响量化工具GaBi为基础。

GaBi用于量化材料、工艺、产品和基础结构的
环境性能，包含十万多种影响模式，它能从温室气体、能源、最显著的环境影响、生命周期成本和社会影响等多个不同角度评估可持续性。

“Sage”以一个仪表板的形式出现在用户界面底部。

出于降低不良环境影响的考虑，设计师和工程师可在“Sage”中创建“基准”设计，然后将每个新设计与其相比较。

当设计师选择不同的材料、工艺或设计方法时，仪表板上反映出的影响会随之改变。

例如，设计目标碳排放量为100吨，分析结果可能显示50%源于选材，40%源于制造工艺，10%源于报废后的处理。

如果采用影响较小的材料，就可以减少碳排放量。

“Sage”软件还可生成各种报告，供深入分析使用。

就像设计验证工具Simulation一样，深度集成的“Sage”将帮助工程师在设计过程中对环保指标做出考量，这能大幅减少因环保不达标而导致的返工。

CEO Jeff Ray曾表示，SolidWorks会持续在绿色环保方面的投入，SolidWorks 2010无疑将是标志性的一步，这也是对去年创新日活动的主题“绿色设计激发未来”的延续。

绘图软件AutoCAD
AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD 技术（Computer Aided Design，计算机辅助设计）而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。

AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。

它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。

在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。

AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。

AutoCAD软件具有如下特点：
(1)具有完善的图形绘制功能。

(2)有强大的图形编辑功能。

(3)可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。

(4)可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。

(5)支持多种硬件设备。

(6)支持多种操作平台
(7)具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet 驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善...
AutoCAD基本功能
1、平面绘图
能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。

AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等绘图辅助工具。

正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容易。

2、编辑图形
AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。

（1）标注尺寸。

可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。

（2）书写文字。

能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。

（3）图层管理功能。

图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。

3、三维绘图
可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。

（1）网络功能。

可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。

（2）数据交换。

AutoCAD提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。

（3）二次开发。

AutoCAD允许用户定制菜单和工具栏，并能利用内嵌语言Autolisp、Visual Lisp、VBA、ADS、ARX等进行二次开发。