恒张力绕线机机械结构部分的设计

题目：恒张力绕线机机械部分设计

姓名：王长刚

班级学号：020*******

指导教师：龙泽明

摘要

摘要

本文主要介绍了恒张力绕线机机械结构设计部分，包括其材料的选取、装置的设计等。在材料选取方面，本设计依据的原则是适合设计的需要，材料以价格低廉为主，在装置设计方面以结构简单为主。

机械部分装置由三部分组成，即放线部分、传线部分和绕线部分。放线部分结构为一步进电动机通过联轴器联接传动轴，传动轴设计为阶梯状，两端向中间逐渐加粗，传动轴另一端固定放线辊子。送线部分采用V带传动，电动机轴直接联在V带传动的主动轮上，绕线部分工作台结构类似于放线部分，另外送线部分可通过导轨进行横向的调整，绕线部分的工作台可通过丝杠螺母座带动在导轨上进行纵向的调整。

工作原理为首先调整送线部分，使其与放线部分和绕线部分横向平齐，然后调整绕线部分工作台，达到要求进行固定，这样保证绕线过程始终保持直线运动，绕线部分的辊子为椭圆型，为保证绕线的力为恒力，则要求绕线速度为变化，那么放、送线速度为恒定。装置为数控装置，含有报警等功能，工人只需打断后拆装定子绕组。

关键词绕线机装置联轴器螺母座

Abstract

Abstract

This article mainly introduced the permanent tensity winding machine mechanism design part, including its material selection, installment design and so on. In the material selection aspect, this design basis principle is the need which suits designs very much, the material by the price inexpensive primarily, in installment design aspect by structure simple primarily.

The machine part installment is composed by three parts, namely puts the line part, delivers the line part, and winds thread the part. As soon as puts the line partial structures for to step-by-step the electric motor through the shaft coupling, joins the drive shaft, the drive shaft design is stepped, the both sides adds gradually to among thickly, the drive shaft another end puts the line rollarounds fixedly, delivers the line part to use V belt transmission, the electrically operated engine shaft straight union in on V belt transmission driving pulley, winds thread the partial work table structure to be similar in puts the line part, sends out the line part to be possible in addition to carry on the crosswise adjustment through the guide rail, winds thread the part the work table to be possible to carry on the longitudinal adjustment through the guide screw nut place impetus on the guide rail.

The principle of work for first adjusts delivers the line part, causes it with to put the line part and to wind thread the part crosswise even uneven, then the adjustment winds thread the partial work tables, achieved the request carries on fixedly, like this guaranteed winds thread the process to maintain the translation throughout, winds thread the part the rollarounds is the elliptic type, winds thread the strength for the guarantee is the constant force, then the request threading speed is the change, then puts, delivers the link speed constantly for. The installment is the numerical control installment, includes reports to the police and so on the functions, after the worker only must break disassembles the stator winding.

Keywords Winding machine Installment Shaft coupling Nut place

I

目录

目录

摘要I

Abstract II

第 1 章绪论 (2)

1.1本课题的研究意义 (2)

1.2本课题的基本内容简介 (2)

第 2 章电机的选择 (4)

2.1电机的概述及特点 (4)

2.2步进电动机负载的估算 (5)

2.3系统设计常用计算公式 (6)

2.4步进电动机的选择程序 (7)

2.5确定本设计的电动机 (10)

第 3 章机械部分设计.................................................................... 错误！未定义书签。

3.1放线部分设计............................................................................. 错误！未定义书签。

3.2送线部分设计............................................................................. 错误！未定义书签。

3.2.1 带的选取与结构设计............................................................................. 错误！未定义书签。

3.3绕线部分设计 (17)

第 4 章绕线机电路设计部分 (19)

4.1电路部分的选择 (19)

第 5 章绕线机模拟仿真部分 (20)

5.1系统仿真技术概述 (20)

5.2计算机仿真技术现状与未来 (20)

5.3仿真建模的方法 (21)

参考文献23

致谢24

附录1 25

第 1 章绪论

1.1 本课题的研究意义

本课题研究的绕线机是往电机中的定子铁心上绕制绕组的一种机器，本课题所研究的绕线机为恒张力绕线机，之所以为恒张力，是与以往匀速绕制绕组的绕线机有所不同，其速度是变化的，可控的，依靠线组处的速度变化，使漆包线所受拉力恒定，以确保加工产品的良好绝缘性，这样绕制出的线组性能更安全，从而能够延长电机的使用寿命。

目前我国还未曾研制出恒张力绕线机，希望本课题的研究能为我国恒张力绕线机的诞生贡献微薄之力。本课题的研究对社会具有较大的学术意义和经济价值。在课题设计过程中，学生通过调查研究，收集资料，拟订设计方案的基础上进行绕线机的机械结构部分设计，培养学生正确的设计思想，严谨务实的工作作风，独立工作的能力和勇于创新的进取精神，通过撰写毕业论文，使学生掌握科技论文的撰写规范，通过外文翻译，提高学生综合运用外语的能力，通过此设计学生还会掌握先进的设计理念和先进的绘图方法，熟练应用计算机。

1.2 本课题的基本内容简介

恒张力绕线机主要由机械结构部分，可编程控制部分，模拟仿真三部分主成。本课题主要研究其机械结构部分。

恒张力绕线机与其它绕线机区别在于其速度是非匀速的，这样选其主电机采用步进电动机来控制，使其排线的位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不能长期积累，易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好，停止时可取消自锁能力，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。

在速度方面使其排线速度为非匀速这是本课题所研究的关键之处，因此在设计其绕组时设计为类似椭圆型机构，通过步进电机输入的脉冲信号数使其线组由水平位置到弧度位置时的速度是逐渐增加的，这样是漆包线在通过机构弧度时所受拉力减小，接近其机构水平边时的拉力，这样使漆包线在形成绕组前是以接近恒拉力进行缠绕的。

此绕线机的结构设计方面由三部分组成，放线、缓冲，送线，绕线部分。其送线部

分结构在横向、绕线部分在纵向两方面都能够进行位置的调整，使其绕组中线的疏密程度更为适当，准确。

第 2 章电机的选择

2.1 电机的概述及特点

本设计对电机的选择方面需要易起动、停止、速度变化快并且可调节，而且价格要简单廉价，所以选用步进电动机较适合。就传统的步进电动机来说，步进电动机可以简单地定义为，步进电机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电元件，通俗的讲，就是外加一个脉冲信号在步进电机，步进电机就走一步。步进电机的种类很多，一般分为反应式、混合式、永磁式、直线式，其中反应式和混合式比较常用。

步进电动机是纯数字控制电动机，它的脉冲信号转变成角位移，即电源发一个脉冲，步进电机则转过一个固定角度，称步距角0

。电动机的角位移正比于输入脉冲数。当连

b

续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速正比于脉冲频率，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接受数字量的控制，所以非常适合用单片机进行控制。

步进电动机的特点：

（1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。

（2）位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累。

（3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。

（4）易于起动，停止，正反转及变速，响应性也好。

（5）停止时，可有自锁能力。

（6）步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定运行，通常可以不经减速器直接驱动负载。

（7）速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电动机可使它们完全同步运行。

（8）步进电动机带惯性负载的能力较差。

（9）由于存在失步和共振，因此步进电动机的加减速方法，根据利用状态的不同而复杂化。

（10）不能直接使用普通的交直流电源驱动。

2.2 步进电动机负载的估算

(一). 负载转距的估算

精确计算驱动系统的转距是比较复杂的，习惯的作法是根据实际装置实测求取，本设计就是选用此方法，在选择步进电动机时，常常使用近似公式，先估算出负载的转距，从而为选定电动机提供依据。

本设计放线部分的负载运动可看成直线运动。直线运动系统换算到电动机轴的负载转距T l ，一般由下式估算，即f l T Fl T +=

πη

20

。 式中：T l ——电动机轴的摩擦转距。 L 0——每转机械移动量。 η——驱动系统的效率。

F ——直线运动机械的轴向力。 (二). 负载惯量的计算

根据惯量的定义，物体对某轴的惯量定义为该物体微小体积的质量dm 与该微分体积到轴的距离r 的平方的乘积之总和，即 J= 放线部分的放线体类似为圆柱型则： )(32

)(8142412221D D L D D M J x -=+=

ρπ )3

4(

412

2

221l D D M J Y ++= 式中 J x ——以X 轴为中心的惯量。 J y ——以Y 轴为中心的惯量。

M ——重量 D 1 ——外径 D 2 ——内径 ρ——材料密度 L ——长度

(放线部分的η取0.90 ；ρ取2.8×10-3 kg/cm 3 ； L 取35mm)

2.3 系统设计常用计算公式

(一).分辨率和步距角

若设驱动机构最末级的移动量L0，电动机的步距角为Θb ，减速比为i ，则每个脉冲

的最小输送量，即分辨率为 l=l0·i b

θ

最末一级的单位移动量由驱动机构决定。例如，使用滑轮时若最末一级轮径为D ，则

为L0=360D

π

而使用螺栓时，若螺距为P ，则为L0=360p

(二).移动速度和输入脉冲频率

若已知最小输送量L 和脉冲频率f ，则其移动速度分别为:

V 滑=f

i

D b

θπ?360

V 螺=f

i p b

θ?360

也就是说，根据整个系统要求的速度，可求出驱动步进电动机所需要的输入脉冲频率。

f 滑=b D iv θπ360 f 螺=b p iv

θ360

在设计时，根据上式的计算值来判断可否在自起动动区域驱动，或者需要进行加减速而在运行区域驱动运行。

最末一级的转速 n=bi f

b θ。 (三).移动量和输入脉冲数

若设输入脉冲数为N ，则移动量lt 为 lt=N l

当步进电动机按一定频率f 驱动运行时，在某个时间段t 内的脉冲数为 N=f t 而在包括加速、减速运行的场合，脉冲频率是变化的，则可用频率对时间的积分来计算，即 N=?

dt

t f )( 由式子可以看出其驱动运行方式下脉冲数可用其面积表示。

(四) 加速度和转距惯量比

驱动负载时往往需要计算加速度：

a=t f t

v

d d l d d = 而用电动机的加速转距T 和惯量表示时为：

a=l0

g iJ T a ?π180 而换算到轴的惯量为 J=

2i J J L

M +

式中JM ——电动机本身的惯量。

于是，使加速度为最大的减速比应该为 i=M

l J J

2.4 步进电动机的选择程序

本设计选择步进电动机时遵循下述程序： (一).选择要素

选择步进电动机时，首先要知道机械和时间两个方面要素，机械要素是指负载转距TL 和负载惯量JL 。时间要素是指加速时间t1和t2（即从t1开始加速到t2），运行时间t 。

(二).确定目标

确认脉冲速率。其依据是将物体移动到目标位置的时间

脉冲速率=HZ

步距角转速

?6

计算需要的运行转距

电动机带载运行所需要的转距为 T=Tl+Ta

式中 T ——需要的运行转矩。 Tl ——负载转矩。

Ta ——惯性体的加速转矩。

负载转矩由实测得到或用前述计算式估算。 惯性体的加速转矩可按下式计算

Ta=加速时间电动机希望的脉冲速度

步距角驱动物体惯量?

??1814.37.980

(四).决定电动机的型号

根据已得到的脉冲速率和运行要求的转矩，从电动机产品样本的矩频特性曲线上选取2～3种可用的电动机。 (五).验证

根据选中的电动机，结合转子惯量再次用需要的运行转矩

=负载转距

加速时间脉冲速率

步距角转子惯量驱动物体惯量+???+18014.37.980

(六). 选择电动机的顺序框图见下图:

2.5 确定本设计的电动机

(一). 放线部分的电动机 （1）已知要求条件

放线体直径 D=300mm 放线体长度 D=70mm

放线体密度 ρ=3

3/108.2cm kg -?

摩擦力 F=1.0kg 分辨率 l=0.1mm 加速度 ac=1g 以上 （2）初选电动机

根据上式条件，拟选用四相0.75/1.5步距角，励磁最大静转矩0.8的BYG 型电动

机。 （3）计算：

① 求取满足分辨率要求的减速比

i=1775.1360

=?l

D b

θπ

取减速比i=2.0，可以确定实际用的放线体为300.83mm

② 负载转矩及惯量

Tl=i FD

η2=84kg ·cm

放线体的惯量 Jf=2

47.78932

cm kg lD ?=ρπ

考虑减速比换算到电机轴的惯量 ③ 电源及驱动频率

由于是在高速区域运行，故使用定电流驱动器。电动机的驱动频率由速度可

计算为f=4000HZ ，拟选电动机的空载起动频率2000HZ ，可以看出需采用加速和减速驱动。

④ 对步进电动机要求的转矩为

T=l

c M L T D i

a J J ++)(2=187.85kg.cm

⑤ 使用下式计算

转矩 T=t a L H b T t f f g J +-??180πθ 步数 N=L a H a f t f t t +-)(0

从上述计算可知所选电动机及驱动器满足要求。

安全系数=T T max

=1.37

加速度 a=28

)(2max =+-?L M L

J J i T T D (二). 绕线部分的电动机 （1）已知要求条件 放线体直径 D=200mm 放线体长度 D=40mm

放线体密度 ρ=33/108.2cm kg -?

摩擦力 F=1.0kg 分辨率 l=0.1mm 加速度 ac=1g 以上 （2）初选电动机

根据上式条件，拟选用三相0.9/1.8步距角，励磁最大静转矩0.3的BYG 型电动机。 （3）计算

① 求取满足分辨率要求的减速比

i=125

.1360

=?l D b

θπ

取减速比i=1.5，可以确定实际用的放线体为200mm ② 负载转矩及惯量

T=i FD

η2=73

放线体的惯量 J=4

32

lD ρπ

=175.84kg.cm2

考虑减速比换算到电机轴的惯量 ③ 电源及驱动频率

由于是在高速区域运行，故使用定电流驱动器。电动机的驱动频率由速度可

计算为f=4000HZ ，拟选电动机的空载起动频率2000HZ ，可以看出需采用加速和减速驱动。

④ 对步进电动机要求的转矩为

T=D i

a J J c M L )(2+=99.37kg.cm

⑤ 使用下式计算

转矩 T=t

a

L H b T t f f g J +-??180πθ

步数 N=L a H a f t f t t +-)(0

从上述计算可知所选电动机及驱动器满足要求。

安全系数=T T max

=2.43

加速度 a=64)(2max =+-?L M J J i T T D (二). 绕线部分的电动机 （1）已知要求条件

移动部分总重100kg 外力 F=10kg 摩擦系数 μ=0.08 螺栓机构的效率 η=0.9 螺栓轴径32mm 螺栓长 L=100mm 螺距 P=5mm 分辩率 l=0.01mm

速度 v= 200mm/s 以上 （2）计算

设拟选用三相、0.3/0.6步距角的BYG 型电动机。

速比 i=

=l P b

360θ0.5

轴向力 F=F+μM=10+0.08×100=18kg

负载转矩 TL=2

00382.114.321

208.09.014.3211822cm kg P F FP ?=???+???=+πμπη

螺栓惯量JB=2

4

128.832cm kg D L B B ?=ρπ

移动体惯量 Jt=22

16.0)2(

cm kg P M ?=π

负载惯量为 JL=268.816.0128.8=+=+t B J J

根据以上计算可初选步进电动机，其惯量为J=0.1kg.cm ，空载起动频率f=3000HZ 。

由要求速度可求出运行频率 f=12.3333=L V

需

其中两从动轮拉力可看成一合拉力，当取主动轮一端的带为分离体时，则总摩擦力F和两边拉力对轴心的力矩的代数和ΣT=0，即

由上式可得：

（四）V带的有效拉力关系

预紧力F：最大有效拉力与F0成正比。这是因为F0越大，带与带轮间的正压

力越大，则传动时的摩擦力就越大，最大有效拉力也就越大。但F0

过大时，将使带的磨损加剧，以致过快松弛，缩短带的工作寿命，

如果F0过小，则带传动工作能力得不到充分发挥，运转时容易发

生打滑。

包角α：最大有效拉力随包角的增大而增大，这是因为α越大，带和带轮的接触面上所产生的总摩擦力也就越大，传动能力也就越高。

摩擦系数f：最大有效拉力随摩擦系数的增大而增大，这是因为摩擦系数越大，则摩擦力就越大，传动能力也就越高。

综上本设计时遵循的条件时F要适中，α大一些，f大一些。

（五）V带的设计计算

（1）确定计算功率P

K=1.2 （工作系数）

P=PKA=1.2×4=4.8kw

（2）选取普通V带带型

根据P、n确定选用Y型

（3）确定带轮的基准直径

主动轮基准直径=50mm

从动轮基准直径=60mm

V=

10

768

.3

60000

1440

50

1000

60

1

=

?

?

=

?

π

πn

d

di

m/s

带的速度合适

（4）确定普通V带的基准长度和传动中心距初步确定中心距a=100mm

带所需的基准长度2d=

mm

a

d

d

d

d

a d

d

d

d

20

4

)

(

2

2

1

2

1

2

=

-

+

+

+

π

（5）验算主动轮上的包角α

α1=

1

2

0120

25

.

174

5.

57

180

=

?

-

-

a

d

d

d

d

主动轮上的包角合适。

（6）计算普通V带的根数z

n=1440r/min i=1.2 d1=50mm p=1.6kw Δp=0.23kw k=0.96 k2=0.89

z=81

.396.089.0)23.00.1(4

.4=??+

取z=4 （7）计算预紧力

220)15

.2(500

qv K v P F a

ca +-=

q=0.07kg/m

N F 69.1100=

（8）计算作用在轴上的压轴力

N

ZF F p 5.8802

sin

21

0==α

（9）带轮结构尺寸看零件图，带轮材料为铸铁 牌号HT200.

（10）导轨的选取

本设计选用直线运动滚动支承，直线运动滚动支承就是滚动导轨，它的优点是摩擦系数小和动、静摩擦系数很接近。因此，运动轻便，摩擦力小，摩擦发热少，磨损小，可避免出现爬行，可得到较高的定位精度，此外，滚动导轨可用油脂润滑。但是滚动导轨的抗震性较差，对赃物比较敏感，必须有良好的防护装置。

直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分。导轨条通常为两根，装在支撑件上，每根导轨条上有两个滑块，固定移动件上。这种导轨副的配置与固定，两条导轨条中，一条为基准导轨，上有基准面，另一条为从动导轨，装配时，将基准导轨的基准面靠在

支撑件的定位面上，用螺钉靠后固定，滑块则顶靠在移动件的定位面上。

2.6 绕线部分设计

绕线部分的结构为一丝杠通过丝杠螺母带动工作台在轨道上滑行，工作台由一步进电动机带动一椭圆型辊子进行绕线，辊子实轴长300mm。虚轴长100mm，由塑料制成，之所以为椭圆型，是减小漆包线缠绕过程中的拉力，也为了同电机中的定子铁圈相类似，工作台机械机构为一电机通过联轴器与一传动轴相连，从而带动辊子转动，其结构与放线部分类似，这里就不在说了，另外工作台滑行的导轨在上一节也已经介绍过了，这节只对丝杠螺母的机构的设计进行介绍。

丝杠螺母机构又称螺旋传动机构，它主要用来将旋转运动变为直线运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分，本设计选用滚动丝杠螺母机构，虽然结构复杂、制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力小、传动精度高。根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有四种：（1）螺母固定（2）丝杠转动、螺母移动（3）螺母转动、丝杠移动（4）丝杠固定、螺母转动并移动。

本设计选择第二种传动形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置，其特点是结构紧凑、丝杠刚性好。

在设计导向装置时，采用的是浮动式反向内循环，内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触，在螺母的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杠的螺纹顶部进入相临滚道，形成一个循环回路，一般在同一个螺母上装有2～4个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也比较小。

浮动式反向器的内循环滚珠丝杠副其结构特点是反向器上安装孔有0.01～

0.015mm的配合间隙，反向器弧面上加工有圆弧槽，槽内安装滚珠代替了定位键而对反

向器起到自定位作用。这种反向器的优点是：通道流畅、摩擦特性较好，更适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。

因为滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形，换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能，所以本设计在滚珠丝杠副间隙调整方面采用的是双螺母垫片调整预紧式，调整垫片的厚度，可使两螺母产生相对位移，以达到消除间隙、产生预紧拉力之目的，其