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1、第 1章 绪 论1.1 引言随着电子电力工业的发展，线圈的需求量越来越大，品种也越来越多，从 大型的电力变压器、牵引电机绕组到充电用的微型线圈、节能灯具用线圈，以及 各类电子设备都使用线圈。绕线机是用来绕制线圈的设备。现在国内小型绕线机 已有了全自动、多功能、自动化产品。从线圈的上线、排线、绕线、到线圈绕制 下线等，都实现了过程自动化。大中型电机的棱形和椭圆形线圈的绕制大多用机 械式绕线机。机械式绕线机的绕线模绕主轴转动，由于线圈的结构特征引起绕线 振动、张力不均匀,使产品的质量不稳定。现有的一些绕线设备做了一些的改进， 仍然存在一些不足。基于这一现状提出了本课题。1.2 大型电机线圈绕制工艺
2、过程大型电机线圈的制造工艺流程:在准备过程中,将盘状铜带安放于盘料架上， 将编绕模安装于专用线圈编绕机上，将母线首端用紧压快固定于编绕模上，并较 整好整线器。使用包带机包扎棱形线圈和梯形线圈。成型线圈绕线时，导线用线 夹装置拉紧，按技术要求垫好或包好匝间绝缘。在绕制过程中，随时将导线敲平 紧贴于模侧面，防止线匝之间存在空隙。搪锡前，须将引线整理平直，用刮头工 具或在钢丝轮刮头机上清除纤维绝缘层。或用化学剂除去漆膜。在张形整形前， 线圈须包一层保护带，以保护线匝绝缘。把线圈放到整形模内，先矫正直线部分， 夹紧；然后矫正端接部分。在整形后，再拆去保护带，检查匝间绝缘有无损坏（特 别是鼻端及线圈弯曲
3、部分），对损伤部分须用同级绝缘修补好。高压线圈须经过 几次整形（或复形）才能使几何形状一致。经过几次整形（或复形）才能使几何 形状一致。最后将线圈烘干入库。图 1.1 线圈制造工艺流程图1.3 研发背景及意义国内小型平行线圈绕线机的发展速度很快，已形成一定的规模的市场体系， 为了提高机械性能，新结构和新技术已在小型绕线机上广泛地应用，并成为在激 烈的市场竞争中争得一席之地的重要手段。数控绕线机在小型线圈绕制方面得到 快速发展。但在大型电机线圈绕制方面，国内许多厂使用的绕线机仍为半机械化 的，一般绕线靠电机拖动，计数采用机械计数器方法，而排线、跳档大部分是手 动。效率低，劳动强度大，绕线质量部高
4、，严重阻碍了我国大电机的发展。数控 绕线设备在大型线圈绕线方面必将有很大的发展前景。随着我国经济实力的不断增强，各类大型建设在我国如雨后春笋般遍地开 花，如大型水利建设、发电站、工程建设等都要用到大型电机，或用来发电或提 供动力。它成为各大工程建设一种不可缺少的工具，给人们带来更多的方便。但 大型电机线圈在绕制过程中，由于绕线模的长短轴相差较大（有的相差几倍，甚 至几十倍），使得速度相差太大，引起绕线振动、张紧力不均匀，使的产品质量 不高，生产率不高。针对这些问题，各电机制造企业在原有的绕线设备基础进行 改进设计，希望能制造一种解决大型电机线圈绕制的不足，来提高产品质量，提 高生产率的绕线设备
5、，她将会很好的推动我国大中型电机的发展。各个绕线机制 造企业从不同的方面对绕线机作出改进，并取得一定的成果，但仍存在一些不足。 目前从研究进程来看主要有这样两个方面：1 通过微机控制.调节电机转速，使绕 线绕速保持恒定；2.使绕线机绕线模作复合运动（直线运动和圆周运动复合）， 来使绕线速度恒定。第 2 章 复合运动绕线机基本设计方案2.1 传统绕线机设备的局限性原有机械式绕线机的绕线过程：电机转动通过齿轮降速将转动传递到绕线 轴 ，在由绕线轴带著绕线模低速匀速转动，最终完成线圈的绕制。图 1.1 为机 械式绕线机的机械结构示意图。随着线圈业的飞速发展，人们对线圈的性能要求 也越来越高，因此各种
6、不同形状不同规格的线圈随之产生，一些老式绕线机远不 能达到要求。一些新型绕线设备也孕育而生，在小型线圈绕制方面取的了很大成 就，我国在线圈的绕制和系统的控制已达到国际先进水平。但在大型电机线圈绕 制方面还存在很多不足。大型电机的棱形和椭圆形线圈的绕线模的长短轴相差较 大（有的相差几倍，甚至几十倍），又由于主轴绕线速度恒定，在绕制距轴心最 远处绕线的速度最大，当绕制到距轴心最近处绕线的速度最小，使得速度相差太 大。绕制的线圈时而松时而紧，绕线所受的张紧力时而大时而小，使的线圈排线 错乱，松紧不一致。而且在生产过程中，时刻都要有人看着，对错乱的线圈进行 纠正，劳动强度很大。这样的绕线设备生产的产品
7、质量不好，生产效率低，严重 影响了企业的发展。图 2.1 绕线机的机械结构示意图2.2 复合运动绕线机的基本设计思路机械式绕线机在大型电机棱形和椭圆形线圈绕制方面存在众多的不足，严重 影响大型电机的发展，这就要求我们对现有设备进行改进创新，研究提高线圈质 量和生产率的新型复合运动绕线机。要求绕线机能很好的解决大型电机线圈绕制 方面出现的不足，提高产品质量和生产效率。虽然现在一些设备针对这些不足做 了很大的改进，但还是存在一些不足。目前从研究进程来看主要在绕线机构和控 制系统这样两个方面：1. 对数控绕线机控制系统进行改进，编写了新型数控绕 线机设备的控制程序。通过对绕制规律的研究分析，将复杂的
8、线圈绕制动作进行 了动作分解，分解后的动作直观、易于描述，并得到了线圈几何参数和绕制命令 参数之间的转换关系，最终来调节绕线速度使之恒定。2. 对数控绕线机绕线机 机构进行改进，将复杂的线圈绕制动作进行了动作分解，分解成圆周运动和直线 的复合运动。通过微机程序主副电机的停转，来实现运动的复合，解决绕线速度 不稳定的缺点。本设计采用改进数控绕线机的绕线机构进行创新。2.3 整体技术方案的确定2.3.1总体方案的确定复合运动绕线机主要是由绕线机主机、移动机构、剪切装置、校直装置、 送料制动装置五大部分组成。首先将绕线接在绕线模上，通过控制系统的作用， 使绕线机主机在主伺服电机带动下，主轴带动绕线模
9、作圆周运动，当绕线模走完 圆弧部分时，伺服电动机停转，在蜗杆减速器的作用下主轴停止转动。当主伺服 电动机停止转动时，副伺服电动机立即启动，带动移动机构作匀速直线运动，从 而实现绕线速度稳定，张紧力恒定。在当绕线模走完直线部分时，副伺服电机停 止转动，主伺服电动机又启动，这样反复循环，最终完成对线圈的绕制。送料机 构采用机座式磁粉式制动器将绕线缓慢送出，经过校直机构对绕线进行校直，当 控制系统传来线圈绕制完毕的信号时，剪断机构将绕线剪断。如图 1.2 是复合运 动绕线机布局图。由于工作量比较大，时间又有限，本人只负责复合运动绕线机 主机的设计。图2.2 复合运动绕线机示意图1.绕线机主机 2.移
10、动机构 3.台阶 4.剪切装置 5.校直装置6.机座式磁粉制动器 7.支撑台2.3.2 复合运动绕线机移动机构方案的确定复合运动绕线机的移动机构作用是：在电机的带动下完成电机线圈绕制， 保持均匀的线速度。复合运动绕线机的复合运动是由圆周运动和直线运动复合而 成，其中绕线机移动机构就是在导轨上做来回的直线运动，这就要求电机的变速 性能要好，选择伺服电机作为移动机构的动力装置。在绕制线圈过程中，伺服电 机在短时间内要不断的启动和停止，要保证丝杠与电机同步性，选择同步齿形带 作为连接电机和丝杠传动的传动装置。当电机制动时，主轴会因为惯性会继续转 动，这样就会影响后面的移动机构工作，这就要求减速装置能
11、够自锁，所以电机 要带制动器，来保证系统的同步性。绕线机移动机构以伺服电动机作动力源，通过同步齿形带传递到丝杠副运动系统，在直线导轨上做来回的直线运动。2.3.3 复合运动绕线机移动机构控制原理复合运动绕线机主要工作是带动绕线模完成线圈圆弧部分的绕制。移动机 构的动力源是伺服电机，通过传动系统将动力传递给丝杠副，在由主轴带动绕线 模作圆周运动，来实现对线圈的绕制工作。整个过程如下：将绕线接在绕线模上， 做好绕线准备后，按下启动按钮，当信号传来绕制圆弧线圈时，伺服电机通电并 启动，经过同步齿形带将同样的转速传递给丝杠副，把旋转运动转换成直线运动。 在绕线机主机转动时，绕线模在直线导轨上做直线运动
12、。这就是所谓的复合运动， 即在旋转运动中又有直线运动。通过控制信号，来控制移动机构上伺服电机的转 速，从而使绕线模做复合运动。使绕线线速度均匀，从而使得绕线的松紧适度。第 3章 复合运动绕线机移动机构的设计计算3.1 引言复合运动绕线机床应能承担大型电机棱型和椭圆型线圈的绕制，并具有自 动送料（线）、剪断、校直、恒张力绕制等功能。复合运动绕线机的绕线转速变 化范围通常为515r/min；适用于线圈两端轴心距范围为5001800mm；由于本课题属于一种创新设计，所设计的复合运动绕线机主机是机电一体 化产品，其特定的功能要求决定了课题中主机各部件设计的特殊性。由于复合运 动绕线机在国内尚无完整成熟
13、的相关资料可参考，因此本章有关复合运动绕线机 主机的设计计算是探索性的、初步的，具体主要进行了如下几方面的分析计算设 计：（1）伺服电机选型；（2）滚珠丝杠的选取和计算；（3）同步带带传动分析；（4）导轨选择分析；（5）直线导轨的安装；（6）轴承设计计算与校核。3.2 电机机型的选择由于在绕制棱形、椭圆形线圈时，移动机构做直线运动，电机要很好的启 停；当绕线模绕线时，要来回往复运动。这要求电动机能很好的控制起停，所以 我选择伺服电动机作为主机的动力装置。3.2.1 确定输出功率设绕线模的质量为100kg，又已知线圈子的质量为30kg。-取总质量为150kg。则主轴受重力 G = mg = 15
14、0 x 9.8 = 1470kg取绕线模的总长度为1.5-2m3.2.2 初步确定电机功率和转速1 选择电机时的计算条件：a. 工作台和工件的机械规格W：运动部件(工作台及工件)的重量(kgf) =150 kgf 口：滑动表面的摩擦系数=0.05 n：驱动系统(包括滚珠丝杠) 的效率=0.9 fg：镶条锁紧力(kgf) =50 kgf Fc：由拉力引起的反推力(kgf) =100 kgf Fcf：由力矩引起的滑动表面上工作台受到的力(kgf) =30kgfZ1/Z2：变速比=1/1b. 进给丝杠的(滚珠丝杠)的规格 Db :轴径=40 mm Lb：轴长=1000 mm P：节距=8 mmc.
15、电机轴的运行规格Ta：加速力矩(kgf.cm) Vm:快速移动时的电机速 度(mm-1)=3000 mm-1 ta:加速时间(s)=0.10 s Jm:电机的惯量(kgf.cm.sec2) JI:负载 惯量(kgf.cm.sec2) Ks:伺服的位置回路增益(sec-1)=30 sec-11.1负载力矩和惯量的 计算计算负载力矩,加到电机轴上的负载力矩通常由下式算出:Tm =FXL/2nn+TfTm :加到电机轴上的负载力矩(Nm)F :沿坐标轴移动一个部件所需的力(kgf) L :电机转一转机床的移动距离=PX (Zl/Z2)=8 mmTf :滚珠丝杠螺母或轴承加到电机轴上的摩擦力矩=2Nm
16、无论是否在切削，是垂直轴还是水平轴，F值取决于工作台的重量，摩擦系 数。若坐标轴是垂直轴，F值还与平衡锤有关。对于水平工作台，F值可按下 列公式计算：不运动时：F = 口(W+fg)F=0.05 X (1000+50)=52.5 (kgf) Tm = (52.5 X 0.8) / (2 X 口 0.9)+2=9.4(kgf.cm)=0.9(Nm)切削时 F = Fc+ u (W+fg+Fcf)例如：F=100+0.05(1000+50+30)=154(kgf)Tmc=(154X0.8) / (2XuX0.9)+2=21.8(kgf.cm)=2.1(Nm) 为了满足条件 1， 应根据数据单选择电机，其负载力矩在不切削时应大于 0.9(Nm)，最高转速应高于2000r/min。考虑到加/减速，可选择a 2/3
