收卷部分(电机,减速器,同步带,收卷辊。轴承座,键等的选择)

第四章收卷机构的设计
该部分主要围绕收卷机构主要部件的设计展开，包括电机的选型，减速器的选型，轴部件的设计等，并对收卷机构进行详细分析，判断结构的合理性，如功能实现的方式和准确性，机械部分强度的合理性、安全性，以及机构的详细结构等等，提出设计和改进方案，并完成收卷机构典型机构的设计。

收卷机构是带材缠绕机的主要机构之一，起到将带材平稳且均匀地缠绕在模具上的作用。

要实现带材的收取动作，则需要收卷机构具有一根外伸的旋转主轴，轴的旋转一般要求电机控制，轴的速度调控可增加一个减速装置，由于收卷时一般要求主轴旋转平稳，则减速装置传动需平稳，故可采用圆柱齿轮轮实现减速传动。

初步拟定主轴旋转的控制及传动方式后，先进行电控系统的相关设计计算：
4.1传动部分及相应元件的设计
4.1.1电机的选择
合理的选择电动机关系到设备的安全正常地运行。

电动机的选择应综合考虑其使用条件、运行环境、技术指标和经济指标等多种因素。

选择时要考虑的因素有：要满足生产机械的各种要求，如负载性质、调速、起动、制动、反转、工作制等各项指标；适当选取电动机的功率，使电动机运行在最佳运行点；满足安装方式的要求，适应电动机的运行环境；运行的安全可靠、维护的方便。

根据这些要求，加之由于带材的宽度为30mm，预备设计速度为60r/min。

综合以上因素，按一般工作要求及条件，选用三相鼠笼式异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y型。

选用Y系列电动机的优点：
体积小、重量轻、运行可靠、结构坚固、外形美观；
起动性能好，具有较高的效率水平，可以达到智能的效果；
经久耐用，寿命长；
电机可以根据用户的要求进行派生制造，转速可制成单速，双速，多速及防潮、防霉等特殊要求的电动机。

理论计算：电动机所需工作功率 P
d =P
w
/η
总
kw （4-1）
其中η
总=η
1
η
2
η
3
=0.94x0.984x0.99=0.86 (4-2）
(η总为电机至缠绕主轴的传动总效率；η
1
为减速器传动效率，精度为8级；
η
2为滚子轴承传动效率；η
3
为齿式联轴器传动效率)
P
W
=FV/1000=mgV/1000=1.35x103x9.8x120/60x1000 kw=26.46 kw (4-3）
(P
W
为主轴旋转端所需功率，F为卷料收取端的有效拉力，V为设备设计速度，即主轴旋转速度)
则P
d =30.77 kw 电机额定功率P
ed
≥P
d
3．确定电动机转速
主轴工作转速为： n=60x1000V/πD=75.2 r/min （4-4）电机驱通过联轴器驱动减速箱，传动比为1；二级圆柱齿轮减速器传动比为i=8~40，则总传动比合理范围为
总
i=8~40 。

故电动机转速的可能范围为 n=601.6~3008 r/min （4-5）
符合这一范围的同步转速有750、1000和1500 r/min。

根据容量和转速，由参考文献[5]，并综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格及减速器传动比，选定电动机型号为Y225S-4，其主要性能见表1、
表2
表4-1 电动机技术参数
表4-2 电动机主要外形和安装尺寸
4.1.2减速器的选择
合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传递功率的大小，转速和运动形式。

此外，还要适应工作条件（工作环境、场地、工作制度等）满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、公益性和经济性合理等要求。

要同时满足这些要求是比较困难的，因此要通过分析比较多种方案来选择能保证重点要求的较好传动方案。

带材缠绕机中，收卷机构有三种传动方案可供选择。

A方案：采用二级圆柱齿轮减速器，适合于繁重及恶劣条件下长期工作，使用维护方便，但结构尺寸较大。

B方案：采用蜗杆减速器，结构紧凑，但传动效率较低，在长期连续使用下不经济
C方案：采用一级圆柱齿轮减速器和开式齿轮传动。

成本较低，但使用寿命较短。

此三种方案虽都能满足带材缠绕机的功能要求，但结构、性能和经济性不同，根据工作条件，最终确定较合理的传动方案。

B方案蜗杆传动能实现较大的传动比，结构紧凑，传动平稳，但效率低，常用于有间歇运动的场合，故不合理。

C 方案中开式齿轮传动的工作环境一般较差润滑条件不好，易磨损，寿命短，故不合理。

采用方案A较合理。

采用如图4-1所示的ZL型二级圆柱齿轮减速器。

图4-1 ZL型二级圆柱齿轮减速器
4.1.3 联轴器的选择
联轴器是机械传动中常用的部件。

它们主要用来连接轴或轴与其它回转部件，以传递运动与转矩，有时也可用作安全装置。

联轴器所连接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而存在着某种程度的相对位移，这就是说在设计联轴器时，要从结构上采取不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的功能。

根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否再发生相对位移的情况下保持连接的功能），联轴器分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。

绝大多数联轴器已经标准化或规格化，所以我们一般只是选用补用设计。

根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被连接两部件的安装精度等，参考各类联轴器的特性，选择一种合适的联轴器类型。

具体选择时可考虑一下几点：所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减震功能的要求。

例如，对大功率的重载转矩传动。

可选用齿式联轴器，对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转震动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。

联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小。

对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选用存在偏心的滑块联轴器等等。

两轴相对位移的大小和方向。

当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器。

例如当径向位移较大时，可选滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的连接可选用万向联轴器。

(4)联轴器的可靠性和工作环境。

通常由金属原件制成的不需润滑的联轴器比较可靠，需要润滑的联轴器，其性能易受到润滑完善程度的影响，且可能污染环境。

含橡胶等非金属元件的联轴器对温度，腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。

(5) 联轴器的制造，安装，维护和成本。

在满足使用性能的前提下，因选用拆装方便，维护简单，成本低的联轴器。

例如刚性联轴器不但结构简单，而且拆装方便，可用于低速，刚性大的传动轴。

根据选择要求和使用条件选用GYH6和GY3型联轴器，它的尺寸及标准如下所表3所示：
表4-3 联轴器的标准
表4-4续联轴器的标准
D1 螺栓L0 重量kg 转动惯量（kg.m2）
80 数量 6直径 M10 224 7.59 0.015
45 数量 6直径 M8 104 2.38 0.0025
根据选择要求和使用条件选用GYH6和GY3型联轴器，如图4-2，图4-3所示。

图4-2 联轴器GYH6
图4-3 联轴器GY3
4.1.4键的选择
键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面，键的类型应根据键的连接特点，适用要求和工作条件来选择，键的尺寸则按照符合标准规格和强度要求来选取。

键的主要尺寸为其截面尺寸与长度L。

键的截面尺寸b*h 按轴的直径由标准选取，键的长度则是按照轮毂的长度来定。

该机构中所用到的键均选择圆头普通平键。

其尺寸如下：
键6x6x25,GB/T 1096
键14x9x45，GB/T 1096
键8x7x36，GB/T 1096
键的结构图，如图4-4所示。

图4-4 键的尺寸
4.1.5轴承和轴承座的选择
前边已经叙述怎样选择轴承。

在该机构中主要承受径向载荷，轴向载荷较小，故采用深沟球轴承。

优先选用60000型轴承，成本低。

均采用的轴承为：6208 GB/T 276-1994。

采用的轴承座为;SN208 GB/T 7813-1998
轴承座和轴承的俯视图，如图4-5所示：
图4-5 轴承座和轴承
4.2同步带和编码器的选择设计
4.2.1同步带的设计选择
同步带是综合了带传动、链条传动和齿轮传动的优点而发展起来的新塑传动带。

它由带齿形的一工作面与齿形带轮的齿槽啮合进行传动，其强力层是由拉伸强度高、伸长小的纤维材料或金属材料组成，以使同步带在传动过程中节线长度基本保持不变，带与带轮之间在传动过程中投有滑动，从而保证主、从动轮间呈无滑差的间步传动。

同步带传动，如图4-6所示，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度-20℃―80℃，v<50m/s，P<300kw,i<10,对于要求同步的传动也可用于低速传动。

图4-6 同步带结构图
同步带传动设计计算： 1.输出轴功率估算
==Tw P 067.01.08.4÷⨯=7.16W
(4-7)
2、确定计算功率
电动机每天使用24小时左右，查表4-1得到工作情况系数A K =1.7。

则计算功率为:
17.127.116.7=⨯==P K P A ca
(4-8)
3、小带轮转速计算
min /96.860067.01.0/r r v n =⨯÷==
(4-9)
4、选定同步带带型和节距
由同步带选型图可以看出，由于在这次设计中功率转速都比较小，所以带的型号可以任意选取，现在选取H 型带，节距mm P b 7.12=
5、选取主动轮齿数1z
查表4知道小带轮最小齿数为14，现在选取小带轮齿数为41。

6小带轮节圆直径确定
82.16514.37
.124111=⨯=
=
π
b
P z d (4-10)
7、大带轮相关数据确定
由于系统传动比为1:1，所以大带轮相关参数数据与小带轮完全相同。

齿数292=z ，节距mm P b 7.12=
8、带速v 的确定
max /1.010006096
.829.11714.31000
60v s m dn
v ≤=⨯⨯⨯=
⨯=
π
(4-11)
9、初定周间间距 根据公式
)
(2)(7.021021d d a d d +≤≤+ (4-12)
得
mm a mm 6632320≤≤
现在选取轴间间距为600mm 。

10、同步带带长及其齿数确定
0L =2
20π
+
a (21d d +)
(4-13)
=2/)82.16582.165(14.36002+⨯+⨯
=1720.67mm
11、带轮啮合齿数计算
有在本次设计中传动比为一，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即m z =20。

12、基本额定功率0P 的计算
1000
)(20v mv T P a -=查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量查表可以
知道a T =2100.85N ，m=0.448kg/m 。

所以同步带的基准额定功率为
0P =
10001
.0)1.0448.085.2100(2⨯-=0.21KW (4-14)
13、计算作用在轴上力r F
r F =
v P d
1000 (4-15)
=71.6N
同步带的设计：在这里，我们选用梯形带。

带的尺寸如表6。

带的图形，如图4-7所示
表6 同步带尺寸
图4-7 同步带
保证带齿能顺利地啮入与啮出。

由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动，因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉，并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。

轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形，能获得大的接触面积，提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时，应使带齿啮入或啮出时变形小，磨擦损耗小，并保证与带齿均匀接触，有较大的接触面积，使带齿能承受更大的载荷。

加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员，从而可提高生产率，降低制造成本。

4、具有合理的齿形角
同步带轮用梯形齿，其图形如图4-8。

图4-8 同步带轮结构
4.2.2 编码器的选择
旋转编码器是用来测量转速的装置，光电式旋转编码器通过光电转换，可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出（REP）。

它分为单路输出和双路输出两种。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。

单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出
的旋转编码器输出两组A/B相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。

编码器如以信号原理来分可分为：增量脉冲编码器:SPC和绝对脉冲编码器:APC。

两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。

按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。

这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

旋转编码器外形图片（标准 GB86），如图4-9所示。

图4-9 旋转编码器
4.3导辊及收卷部分的设计
4.3.1导辊部分的设计
导辊在放卷机构中起到过渡的作用，带材经过张力机构后其缠绕速度和张力经过变量控制后均发生变化，在这种情况下，设计导辊，使得带材的张力达到预想要求后稳定下来，然后缠绕在模具上。

这样不仅使带材缠绕达到技术要求，而且使缠绕过程带材不打滑不弯曲更不易因为张力的变化不均匀。

导辊的设计沿用张力机构导辊的设计方案，稳定，可靠。

导辊内部设计一对轴承，其中第一个轴承的一端内圈采用轴肩定位，外圈利用导辊的退刀槽固定。

第二个轴承和第一个轴承之间采用套筒使其固定，另一端采用孔用弹性挡圈和圆螺母定位。

这样设计，便于操作。

如图4-10所示。

图4-10 导辊部分
4.3.2 收卷模具
收卷模具采用的材料是聚四氟。

其设计个形状如下图所示，它通过键和轴连接在一起。

模具的的一端采用轴肩定位，另一端采用挡圈和螺母固定。

其设计如图4-11所示：
图4-11 收卷模具
4.3.3 收卷机构机架
收卷机构的机架计成L型大长板，板材采用Q235材料。

缠绕机构的各部分，比如减速器、电机、轴承座等通过支撑块固定在L型大长板上。

这样设计，简单便捷，便于安装，更换零件。

也可以使润滑方便。

其结构如图4-12所示。

图4-12收卷机构机架
4.4收卷机构整体图
收卷机构的工作原理是：带材经过导辊后缠绕在模具上。

其中电机产生制动扭矩后，通过减速器，使其转速减小，通过收卷轴带动模具的旋转。

其中，电机和减速器之间采用凸缘联轴器连接，减速器和轴之间也采用凸缘联轴器连接。

编码器是为了测量缠绕主轴的转速。

其机构图如图4-13所示。

图4-13 收卷机构整体图。