【2020-13】銅管繞線機設(shè)計【6張CAD+設(shè)計說明書】
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2020-13
6張CAD+設(shè)計說明書
2020
13
銅管
繞線機
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CAD
說明書
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【2020-13】銅管繞線機設(shè)計【6張CAD+設(shè)計說明書】,2020-13,6張CAD+設(shè)計說明書,2020,13,銅管,繞線機,設(shè)計,CAD,說明書
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摘要繞線機在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的機械式繞線機大多采用人工排線，在效率、質(zhì)量、成本等方面存在著諸多弊端。隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展以及新工業(yè)時代的到來，繞線機的原理和結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，控制系統(tǒng)也由人工升級為了數(shù)字系統(tǒng)并逐步向更加先進的人工智能方向發(fā)展，這在很大程度上推動了全球制造業(yè)的發(fā)展和工業(yè)化進程。我國在繞線機的自主設(shè)計生產(chǎn)上較傳統(tǒng)機械強國德、日、美等還有較大的差距，對繞線機的諸多關(guān)鍵技術(shù)仍沒有掌握，眾多型號的繞線機機頭依賴進口。本課題對銅管繞線機的研究將致力于繞線機在排線、主軸進給、線卷軸、支架等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計；對繞線機的工作原理進行論述；分析繞線過程中的張力控制，設(shè)計合理的張力控制系統(tǒng)；對滑塊進行有限元分析，優(yōu)化其工作性能，最后通過選用先進的總控制系統(tǒng)，使整個繞線機工作流程更加完整、連貫、高效。最后通過工程預(yù)算，初步估計繞線機的經(jīng)濟性。關(guān)鍵詞：工業(yè)化 繞線機 控制系統(tǒng) 張力控制 AbstractWinding machine is widely used in daily life and industrial production. Most of the traditional mechanical winding machines use manual wiring, which has many drawbacks in efficiency, quality and cost. With the development of Internet and numerical control technology and the arrival of the new industrial era, the principle and structure of the winding machine are constantly optimized, and the control system is upgraded from manual to digital system and gradually develops towards more advanced artificial intelligence, which, to a large extent, promotes the development and industrialization of the global manufacturing industry. China in the independent design and production of winding machine compared with the traditional machinery power Germany, Japan, the United States and so on still have a big gap, to winding machine many key technologies have not mastered, many models of winding machine head rely on imports.The research on copper tube winding machine will be devoted to the optimization design of winding machine structure, such as lining, spindle feed, wire reel and bracket. The working principle of the winding machine is discussed. The tension control in winding process is analyzed and a reasonable tension control system is designed. The finite element analysis was carried out on the slider to optimize its working performance. Finally, the advanced general control system was selected to make the whole winding machine work flow more complete, coherent and efficient. Finally, the project budget is used to estimate the economy of the winder.Key words: Industrial; Winding Machine ;Control System; Tension Control目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1課題研究背景及意義11.1.1課題研究的背景11.1.2課題研究的意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排2第二章 銅管繞線機總體設(shè)計42.1引言42.2目前國內(nèi)用機42.3銅管繞線機裝配圖62.4銅管繞線機工作原理62.4.1總體工作流程62.4.2線圈繞制原理72.5最終方案的具體設(shè)計72.5.1主軸進給機構(gòu)72.5.2排線機構(gòu)82.5.3線卷軸結(jié)構(gòu)102.5.4支架結(jié)構(gòu)112.6 關(guān)于張力控制的研究112.6.1張力控制的必要性112.6.2張力控制國內(nèi)研究現(xiàn)狀112.6.3 工業(yè)中用到的張力控制方法122.6.4 張力控制系統(tǒng)組成132.7本章小結(jié)13第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計143.1引言143.2控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能143.3控制系統(tǒng)設(shè)備選擇143.3.1主控制器選擇143.3.2操作系統(tǒng)選擇153.4監(jiān)控系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求173.5監(jiān)控界面選擇173.6本章小結(jié)17第四章 滑塊有限元分析194.1引言194.2預(yù)處理194.2.1模型導入194.2.2物料設(shè)置和分配194.3網(wǎng)格化214.5結(jié)果分析234.6 本章小結(jié)24第五章 工程定額預(yù)算255.1繞線機機械主體預(yù)算255.2繞線機的維修成本控制265.3工作環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展26結(jié)論27參考文獻28致謝30IV第一章 緒論1.1課題研究背景及意義1.1.1課題研究的背景近年來隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機械正在向嵌入數(shù)字控制系統(tǒng)的方向發(fā)展。我國制造業(yè)自改革開放來取得快速發(fā)展，對各種機械產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量要求不斷提高，2018年我國線圈總產(chǎn)量達到600多億只，線圈的銷售額也在逐年快速增長，從2016年的30.58億美元增長到2019年的50.33億美元，未來數(shù)年線圈市場的銷售規(guī)模都將保持25以上的增長。新科技的應(yīng)用使得繞線機不斷向智能化，高速化，精密化和操作簡易化的“新機械”方向發(fā)展。其中繞線機應(yīng)用相當廣泛，小到縫紉機所需線圈大到水利工程、航空航天所需大型電機，因此繞線機的發(fā)展在機械現(xiàn)代化中最具代表意義。雖然近年來我國繞線機技術(shù)取得了一定進步，但相較于諸多傳統(tǒng)機械大國，如美國，日本，德國，意大利等還有較大的差距，尤其是在繞線機機頭，伺服控制，人機交互等方面比較落后。1.1.2課題研究的意義繞線機廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，而我國對繞線機所掌握的技術(shù)非常有限。銅管繞線機雖與普通纏繞現(xiàn)狀物繞線機有著一些差別，但很多機構(gòu)的設(shè)計都可互通互用。所以本課題的研究對管狀和線狀物體纏繞設(shè)備的研究都具有重大意義。本課題（銅管繞線機）將著力對排接線裝置，張緊機構(gòu)，主軸進給機構(gòu)，繞線機支架，線卷軸結(jié)構(gòu)等進行創(chuàng)新設(shè)計其中采用的絲杠排線機構(gòu)將具有更大的傳動比和更高的精度；主軸采用矩形花鍵軸設(shè)計，來減小應(yīng)力集中，增大承載能力；支撐機構(gòu)采用兩個軸承箱作支撐，采用深溝球軸承，消除軸向載荷。并對各零件進行有限元分析，對各元件的特性進行分析和優(yōu)化，最后給予布局優(yōu)化，設(shè)計出一套完整，實用的銅管繞線機。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)純機械式繞線機正在被數(shù)控系統(tǒng)控制的新型繞線機所取代。我國由廖建明參與設(shè)計的多軸全自動繞線機處于國際領(lǐng)先地位，其設(shè)計的16軸繞線機實現(xiàn)了全自動繞線生產(chǎn)，最高轉(zhuǎn)速可達18000rpm；采用的xyz三軸聯(lián)動部件和8工位轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)等極大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量；另外由哈爾濱理工大學團隊設(shè)計的全自動變壓器繞線機也處于世界領(lǐng)先水平?？傮w來說國外部分國家在繞線機控制部分（即伺服驅(qū)動器）實現(xiàn)了全閉環(huán)，生產(chǎn)效率更高，如日本三菱伺服驅(qū)動器，在保持高性能的前提下對功能進行限制的AC伺服非常先進；美國高曼公司生產(chǎn)的環(huán)形伺服機型在環(huán)形繞線機領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。在環(huán)形繞線機的排線技術(shù)方面日本德國較為先進，我國機頭大部分為進口，近年來我國西華大學關(guān)于邊滑式繞線機的研究取得一定突破。在人機交互控制屏方面我國也處于落后水平，人機交互正在朝著智能化方向發(fā)展，如大型觸摸屏，人機對話；我國百度公司在人工智能領(lǐng)域處于國際先進水平，廣州泰克奇和成都吉瑞在大型觸摸屏方面技術(shù)較為成熟，眾多繞線機控制器生產(chǎn)公司正在與其合作，加快人機交互智能化。以上列舉了我國和日本，美國，德國在繞線機領(lǐng)域分別的優(yōu)勢，總體來說我國在繞線機的伺服控制和人機交互方面處于落后水平，在機械方面部分保持著一定的優(yōu)勢。在未來較長時間內(nèi)我國依舊應(yīng)該遵循邊創(chuàng)新邊引進的發(fā)展道路。1.3論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排本論文主要從銅管繞線機的實際應(yīng)用出發(fā)，以提高生產(chǎn)效率為宗旨，通過對國內(nèi)繞線機行業(yè)的深入了解，針對其目前還存在的一些問題進行了相關(guān)學習和研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：（1）銅管繞線機系統(tǒng)總體方案的提出；（2）對銅管繞線機排線技術(shù)的研究；（3）對銅管繞線機線圈繞制過程中張力控制的研究；（4）繞線機監(jiān)控管理系統(tǒng)的理論設(shè)計；論文的章節(jié)安排如下：第一章介紹了課題研究的背景機意義，分析對比了銅管繞線機和一些現(xiàn)有繞線機的差別，提出了本文主要研究的內(nèi)容。第二章分析了銅管繞線機的工作原理，圍繞銅管繞線機裝配圖，對主軸進給機構(gòu)，排線機構(gòu)，線卷軸結(jié)構(gòu)，支架結(jié)構(gòu)進行了分析、設(shè)計和優(yōu)化。并對張力控制進行了研究，提出了張力的產(chǎn)生和張力控制的必要性，分析了國內(nèi)張力控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析對比現(xiàn)行張力控制的方法，選擇最佳張力控制方法，并給出了張力控制系統(tǒng)的理論設(shè)計。第三章對銅管繞線機的總控制系統(tǒng)進行設(shè)計選擇，分析其工作原理，論述了監(jiān)控系統(tǒng)的工作任務(wù)和基本要求，為銅管繞線機的自動化奠定了基礎(chǔ)。第四章主要對滑塊進行了有限元分析，分析和優(yōu)化了滑塊的工作性能，為繞線機的穩(wěn)定工作提供了保障。第五章對銅管繞線機生產(chǎn)的成本進行了預(yù)估，同時也從繞線機維修的角度給出了建議，進一步減少了繞線機后續(xù)的附加成本。對繞線機的工作環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展做了相關(guān)論述。第二章 銅管繞線機總體設(shè)計2.1引言銅管繞線機屬于傳統(tǒng)的螺線管繞線機，主要分為直型螺線管繞線機和彎曲螺線管繞線機，本課題主要進行直型銅管繞線機的設(shè)計。銅管繞線機的芯模骨架（銅管）可視為一圓柱體，主軸所處位置為圓柱體軸心，同樣也是線圈的軸向位置。銅管繞線機的繞制工作從大體上講需要同時滿足銅管的回轉(zhuǎn)運動和放線設(shè)備的橫向運動兩個基本運動。因此控制主軸進給速度和橫向放線進給速度的比例就非常重要，即張力控制。下文將會對張力控制進行單獨研究。本課題的設(shè)計從設(shè)計產(chǎn)品上講需要需要滿足基本繞線工作，保證繞線質(zhì)量，同時要符合經(jīng)濟，實用，環(huán)保等要求。2.2目前國內(nèi)用機 圖2-1 一種臥式繞線機（前視）圖2-2 一種臥式繞線機（后視）圖2-1和圖2-2所示是我國常用的一種臥式直型螺線管繞線機。這種型號的繞線機就能滿足主軸回轉(zhuǎn)和放線機構(gòu)的橫向位移?？刂茩C構(gòu)采用伺服電機控制，該種繞線機主要依賴進口。該繞線機分為放線部分、張力控制部分、收線部分三大部分。其放線部分布置在地面工作臺上，可在水平面上按照預(yù)定的進給速度作橫向位移運動，放線盤由伺服電機驅(qū)動，繞線由張力控制系統(tǒng)輸送至繞線機放線臂，繞線機的放線臂前端布置有張力檢測裝置。繞線通過放線盤，經(jīng)由導輥滑輪結(jié)構(gòu)傳送，通過張力裝置調(diào)整張力后，經(jīng)由主軸電機的回轉(zhuǎn)運動，纏繞在預(yù)制的線圈骨架上面。本課題（銅管繞線機）的設(shè)計我將采用立式結(jié)構(gòu)，在排線和零件布局上和臥式有著明顯差別，各有優(yōu)缺點，應(yīng)用于不同場合。2.3銅管繞線機裝配圖1-支架 2-調(diào)節(jié)滑塊 3-電機固定板 4-導架 5-從動輪圖2-3 銅管繞線機裝配圖 本設(shè)計我對零件結(jié)構(gòu)和布局做了比較好的規(guī)劃，整個設(shè)計從外觀上講結(jié)構(gòu)分布合理，并且設(shè)計了電機固定板，方便后續(xù)設(shè)計的控制系統(tǒng)的安裝。 下文我將依照裝配圖論述繞線機工作原理、工作流程，并對繞線機主要結(jié)構(gòu)：主軸進給結(jié)構(gòu)、排線結(jié)構(gòu)、線卷軸結(jié)構(gòu)和支架結(jié)構(gòu)進行分析，論述其設(shè)計特征和工作特點。2.4銅管繞線機工作原理2.4.1總體工作流程銅管生產(chǎn)線自動纏繞機是用于生產(chǎn)銅管生產(chǎn)線的端部纏繞設(shè)備。放線盤的最快放線速度可達22m/min。該設(shè)備由自動纏繞部分，定長測量部分，自動排線部分三部分組成。自動繞線部分采用伺服電機控制，定長測量部分采用米表控制，自動排線設(shè)備采用伺服電機控制。自動繞線機采用對稱式設(shè)計，兩側(cè)同時擰緊或分離。繞線時，先將兩軸分開，人工將卷筒對中，然后擰緊。這個動作固定卷軸。銅管從冷卻系統(tǒng)冷卻后，就是銅管的成品，接下來就要進行卷繞收集工作。 在此之前，銅管必須先穿過張拉系統(tǒng)。目的是使銅管在纏繞時有一定的張力，使纏繞銅管致密不松動。之后通過米表再繞過排線機的線輪，然后將銅管端部放入線盤閉合接觸面的接頭處，拉緊線盤，然后開機繞線。當線盤完全纏繞時，與排線機導輪支撐板相連的氣壓系統(tǒng)工作，推動固定板前進，固定板上的導輪隨銅管落入剪切系統(tǒng)，剪切系統(tǒng)工作，將銅管剪短。至此，銅管的纏繞和收集工作就完成了。主軸可單獨更換，卷軸可更換后再卷繞。2.4.2線圈繞制原理線圈繞制之前，繞線的芯模骨架（即銅管）固定在主軸和基座之間，繞制開始的時候，主軸帶動芯模骨架旋轉(zhuǎn)，放線機構(gòu)以和主軸進給相匹配的速度做往復直線運動，將線料緊密的纏繞在銅管上。由于排線時線料的運動規(guī)律為一螺旋線形狀，并通過對其幾何要素和速度的分析可得出此式： （2-1）式中 導線速度（排線導針的移動速度）； 匝間的法向螺距； 卷繞線速度（單位時間內(nèi)的繞線長度）； 導線卷繞一周的長度。由式可知，在繞制線圈的過程中，想要使排線均勻，必須保持不變。繞線主軸繞制一周的時間為/，在繞線的過程中繞線主軸轉(zhuǎn)速不變，即/保持不變。2.5最終方案的具體設(shè)計2.5.1主軸進給機構(gòu)主軸進給機構(gòu)用于控制主軸的進退。其目的是收緊和放松卷軸。該機構(gòu)采用一對安裝在肩部的角接觸球軸承。臺肩和軸承端蓋固定軸承，它限制了軸承和主軸之間的軸向相對運動。軸承降低了主軸在旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦系數(shù)。由于主軸在工作時除旋轉(zhuǎn)外還有軸向進給作用，所以采用成對安裝的角接觸球軸承。角接觸球軸承既能承受軸向載荷，又能承受徑向載荷，并能在較高的轉(zhuǎn)速下工作。單個角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向載荷，由于主軸有前進和后退兩個運動，所以選用成對安裝的角接觸球軸承。軸承套圈和軸承端蓋固定保護軸承?？刂浦鬏S前進和后退的驅(qū)動器是氣壓系統(tǒng)，氣壓系統(tǒng)與推板相連。推板通過螺釘與軸承套圈連接。氣壓系統(tǒng)工作時，推動板被往復拉動而移動。氣壓系統(tǒng)軸向進給通過推板，軸承套圈和角接觸球軸承的配合，將軸向力傳遞給主軸，從而實現(xiàn)主軸的軸向進退。1軸承 2推板 3螺絲螺母 4螺絲 5振動篩2-4進給機構(gòu)2.5.2排線機構(gòu)常用排線機構(gòu)簡介：1.凸輪排線機構(gòu)凸輪排索機構(gòu)主要由凸輪，回位彈簧和排索桿組成。電機帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪的轉(zhuǎn)動帶動索桿按凸輪的輪廓運動，回位彈簧的工作使索桿按凸輪的輪廓運動。 然后根據(jù)排線桿的運動將銅管排在線盤上。2.絲杠排線機構(gòu)絲杠排線機構(gòu)由絲杠，排線裝置和電機組成。電動機帶動絲杠運動，排線機構(gòu)安裝在絲杠上，絲杠的轉(zhuǎn)動帶動排線器的旋轉(zhuǎn)運動，在絲杠兩端分別安裝行程開關(guān)，當絲杠向前轉(zhuǎn)動時，排線器作正向進給運動。當前進遇到行程開關(guān)時，電機反轉(zhuǎn)。此時，排線器在絲杠上反向運動，反向運動的末端再次遇到行程開關(guān)。此時絲杠再次向前旋轉(zhuǎn)，排線器向前進給。該控制實現(xiàn)了往返運動和排線工作。采用絲杠排線具有傳動比高，精度高等優(yōu)點。但絲杠加工難度高，螺距影響排纜的嚴密性。如果徑向力過大，即銅管質(zhì)量過大或拉力過大，絲杠就會彎曲變形。3.光條式排線機構(gòu)光條排纜機構(gòu)是借鑒國際上一些技術(shù)設(shè)計的。主要由燈桿，行程開關(guān)，換向器和滾動軸承組成。光桿排纜機構(gòu)的工作原理是由電機提供動力驅(qū)動光桿旋轉(zhuǎn)，光桿與滾動軸承環(huán)的配合帶動滾動軸承的運動，從而帶動排纜機構(gòu)的運動。 當排纜裝置遇到開關(guān)時，滾動軸承的運動方向發(fā)生變化。光棒電纜在實現(xiàn)無間歇調(diào)速方面取得了前所未有的進展。燈條的成本很高，遇到較大的力時與軸承的摩擦配合會打滑，從而導致排纜不均勻。光條排纜機構(gòu)適用于受力不是很大的場合。4.軌道式排線機構(gòu)軌道式排索機構(gòu)的排索機構(gòu)作用于固定軌道上，通過軌道上的運動來排索。 適用于排線速度低，產(chǎn)品質(zhì)量高的場合。由于它是軌道式結(jié)構(gòu)，因此能夠承受重載工作場所。由于軌道式排線機構(gòu)質(zhì)量較大，在排線的換向過程中會有較大的慣性，因此小導線不適用于軌道式排線機構(gòu)。這個機構(gòu)就是繞線機的排線機構(gòu)，采用軌道式排線，其安裝順序安裝在定量測量部分之后，繞線機夾持的線盤上方。主要部件有導輪，導輪支撐板，固定板，T型滑塊和壓板。當銅管從米表中出來后，繞過導輪上部，再插入線盤上的固定孔中，啟動繞線機，繞線機開始工作，繞線。排纜器安裝在絲杠上，絲杠通過聯(lián)軸器與伺服電機相連。伺服電機工作時，絲杠轉(zhuǎn)動，然后排線器在絲杠上沿軸向進給。當銅管穿過線盤芯部的寬度時，伺服電機反轉(zhuǎn)，然后排線器沿絲杠的軸向反轉(zhuǎn)并再次穿過芯部的寬度。伺服電機再次向前旋轉(zhuǎn)，排線機再次反轉(zhuǎn)后。 這個圓形動作完成了銅管的排線，使銅管整齊地纏繞在線盤上。支撐板用螺絲固定在T型滑塊上，兩壓板對稱放置固定在固定板上。對稱放置的壓板之間形成的間隙橫截面為T形，正好與T形滑塊配合，T形滑塊插入壓板形成的T形槽中。設(shè)計了壓板和T型滑塊配合剪切機構(gòu)完成剪切動作。導向輪支撐板上連接有氣缸。 當繞線即將完成時，控制排線機伺服電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動。 氣缸工作推動導輪支撐板前進，T形滑塊沿T形槽前進，運動軌跡固定。此時，固定在導輪支撐板上的導輪也向前移動，卡在導輪內(nèi)的銅管被氣壓系統(tǒng)向前推動一個位移，銅管穿過線盤夾持板上的預(yù)留孔，使銅管纏繞在剪切內(nèi)管上，此時剪切機構(gòu)工作，剪切機構(gòu)工作將銅管切割。 電纜排列機構(gòu)如圖所示。1-導孔 2-導盤 3-滑塊 4-螺釘圖2-5 排線機構(gòu)2.5.3線卷軸結(jié)構(gòu)線盤由夾持板和盤芯兩部分組成。固定板用三顆螺絲固定在盤芯上。銅管纏繞在盤芯上，阻擋盤可保持銅管纏繞成型。線盤采用對稱式設(shè)計，可以方便地安裝或拆卸成銅管，導柱可以方便地安裝在線盤中心。在盤芯的外端是一個凹的等腰三角槽，它想與主軸末端的等腰三角凸臺配合。等腰三角形的邊是工作平面。 通過面與面的接觸和配合，主軸的旋轉(zhuǎn)帶動卷筒旋轉(zhuǎn)。由于等腰三角形的特點，使卷筒易于拆卸和安裝在主軸上，節(jié)省了時間，提高了效率。線盤對稱組合的設(shè)計，也省去了另外設(shè)置夾頭的需要，簡化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，操作方便。繞過排線器的銅管，將其線端放入對稱線盤之間的連接處，然后擰緊即可開始工作。盤芯工作面具有一定的錐度，拆下銅管后即可輕松拆下盤片。在對稱盤芯的接觸面上設(shè)計了凹槽，使得兩平面接觸時可以減小張力，方便地擰緊盤。2.5.4支架結(jié)構(gòu)繞線機主軸采用兩個軸承箱作支撐，選用深溝球軸承，因為沒有軸向載荷。 主軸與軸承之間花鍵孔的配合具有良好的指導性。主軸與電機的連接選用剛性聯(lián)軸器。主軸與聯(lián)軸器采用矩形花鍵連接，中性承載能力好，齒根結(jié)實，由于齒根較淺，可減少應(yīng)力集中。花鍵軸的軸和輪轂強度削弱較小，加工更方便。該磨削方法可以獲得較高的精度。2.6 關(guān)于張力控制的研究2.6.1張力控制的必要性隨著線圈的繞制不斷進行，線圈的半徑不斷增大，因此如果主軸進給和放線進給速度不改變，那么線料受到的張力將不斷增大，在材料韌性限度內(nèi)線料不斷被拉伸，但是半徑減小，電阻增大，直接對線圈的工作性能造成影響；進給速度控制過于不合理則還可能直接拉斷線料，導致線圈損壞；除此以外，施加在線料上的張力是線圈成型壓力的唯一來源，所以張力不足會導致線圈繞制成型的壓力不足，進而使線料無法與軸芯相貼合。因此施加在線料上的張力穩(wěn)定可控就顯得非常重要。2.6.2張力控制國內(nèi)研究現(xiàn)狀張力控制主要是對主軸進給和送料速度比例的控制，比例過大會導致線料被拉斷，比例過小會導致繞線松弛、混亂、離縫，這都會導致所繞制線圈的工作性能受到極大影響，甚至直接損壞線圈，因此比例必須控制在合理范圍之內(nèi)。我國對張力的控制系統(tǒng)的研究晚于諸多發(fā)達國家，因此比例控制相比一些國家相對落后，我國所能控制的比例精度較低，只能保證繞制過程中線料不會過于拉伸，但是在精度控制上相對粗糙，因此生產(chǎn)的繞線機線圈線料排布精度較低，因此對于半徑極小的線料的繞制我國還不能獨立完成。2.6.3 工業(yè)中用到的張力控制方法在工業(yè)生產(chǎn)中，為了滿足線圈繞制工藝要求的張力，一般都通過施加不同形式的阻力來實現(xiàn)，工業(yè)中用到的主要施加形式由以下幾種：第一種：在送線通道上安裝摩擦輥，摩擦輥會對放線設(shè)備放出的線料產(chǎn)生摩擦進而提供繞制所需要的張力，通過這種方式施加摩擦需要摩擦輥與線料充分接觸，因此需要一定的接觸面積，所以這種方式適用于半徑較大的線料的繞制，對于細絲料而言，難以產(chǎn)生所需要的繞線張力；同時在繞制過程中摩擦輥與線料的接觸或多或少會對線料或者漆包有一定磨損，因此此種方式現(xiàn)在工業(yè)上占用比例較低。第二種：通過在放線盤與繞線主軸控制回轉(zhuǎn)的螺線管（銅管）管身的繞線傳送通道上安裝制動器，通過制動器制動施加阻力來提供所需要的張力。這種張力控制方式結(jié)構(gòu)簡單，但是會受到機械結(jié)構(gòu)本身的限制，所以張力控制精度并不是很高，所以這種結(jié)構(gòu)一般根據(jù)機械本身結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品要求精度來確定是否使用。第三種：在放線裝置上施加阻力矩，即在放線過程中，在芯軸上安裝可以提供阻力矩的裝置，通過繞線機收線部分的收線回轉(zhuǎn)運動與放線部分的阻力矩，就可以提供在繞線時所需要的張力。通過這種方式產(chǎn)生的張力會隨著繞線的需求而改變，即通過控制使阻力矩保持不變，隨著繞制的進行，張力會隨著線圈實際半徑的改變而改變。這種控制張力的方法難度在于阻力矩恒定的控制，現(xiàn)在常用計算機張力控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。這種張力控制方式既不會對繞線本身造成影響，也不需要考慮機械本身結(jié)構(gòu)的限制，同時控制精度很高，是目前應(yīng)用最廣泛的張力控制方式，也是本課題傾向采取的控制方式。三種方式的原理結(jié)構(gòu)如下：圖2-6 張力的控制方式2.6.4 張力控制系統(tǒng)組成銅管繞線機的張力控制系統(tǒng)可分為三個主要部分：放線盤放線部分，張力檢測與控制部分，銅管管身收線部分。放線部分主要由放線盤、張力控制器、變頻電機（施加阻力矩）。收線部分使用特定夾具固定安裝銅管管身并通過伺服電機控制其回轉(zhuǎn)，從而使線料纏繞到銅管管身上，并控制放線裝置的位置和放線速度。張力檢測裝置實時監(jiān)測線料上的張力值，并將測定的張力信息傳送給張力控制器，張力控制器在接收到信號后，再經(jīng)過計算把所得信息傳送給變頻電機，隨時修改其輸出的反向力矩，進而實現(xiàn)張力的穩(wěn)定可控。設(shè)計的張力控制系統(tǒng)如圖所示：2-7 張力控制系統(tǒng)示意圖2.7本章小結(jié)本章主要提出了繞線機工作的本質(zhì)，給出了目前國內(nèi)用機的前后視圖，并結(jié)合繞線機總裝配圖分析了銅管繞線機的工作原理，同時對主軸進給機構(gòu)，排線機構(gòu)，線卷軸機構(gòu)和支架機構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，并對各機構(gòu)工作性能和優(yōu)點進行論述，論證其相較于過去一些機構(gòu)的長處，以確保銅管繞線機的穩(wěn)定工作。在張力控制必要性的部分提出了張力的產(chǎn)生和張力的必要以及由于張力控制不當會造成的后果。分析張力控制的關(guān)鍵和我國張力控制技術(shù)的現(xiàn)狀，由此引申出張力控制在設(shè)計中的重要性。在第三小段對工業(yè)上目前應(yīng)用到的三種張力控制方法進行分析對比，最后選用施加阻力矩的方法。最后對張力控制系統(tǒng)的組成和工作原理進行了論述，論證上文提到的張力可控。第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1引言總控制系統(tǒng)是繞線機不可或缺的一部分，過去傳統(tǒng)繞線機均采用人工控制和半自動控制，依賴人工不可避免導致了效率低下，質(zhì)量也難以保證。因此本課題所采用的是伺服電機分布式控制系統(tǒng)，就是要采用多個控制器進行分別控制，最后把信息反饋到總控制系統(tǒng)，形成一個閉環(huán)控制，實現(xiàn)全自動控制。在構(gòu)建了銅管繞線機總控制系統(tǒng)之后，為了便于工業(yè)生產(chǎn)，還需要建立一套能實時反應(yīng)繞線機工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)的監(jiān)控系統(tǒng)，在這個過程中需要應(yīng)用到計算機軟件和人機交互界面。3.2控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能控制系統(tǒng)靈活控制放線盤放線速度，在接收到張力檢測裝置的信息反饋之后必須能夠準確計算出主軸進給速度和橫向放線速度的比例，并進行及時的調(diào)節(jié)。具備斷線自動檢測功能，防止出現(xiàn)機械事故。需要對同徑螺線管的繞線信息進行分類存儲的功能，方便同類型產(chǎn)品的再次生產(chǎn)。檢測系統(tǒng)需要具備登錄，運行控制，歷史信息等功能。3.3控制系統(tǒng)設(shè)備選擇3.3.1主控制器選擇目前普遍使用的自動控制系統(tǒng)可供選擇的主要類型有三種：單片機，PLC和微PC。微PC結(jié)構(gòu)較為復雜，操作要求較高，一般應(yīng)用于某些特定場合。應(yīng)用最多的嵌入式控制系統(tǒng)的主要控制方式為單片機控制和PLC控制兩種。PLC是一種基于數(shù)字運算的技術(shù)，其具備編寫程序來控制系統(tǒng)運動方案的能力，是專門為大工業(yè)環(huán)境下的生產(chǎn)而設(shè)計的一種控制技術(shù)。其主要具備的功能包括邏輯運算，順序運算，計時，計數(shù)等等，主要通過數(shù)字形式或者模擬形式的輸入和輸出，來完成各種類型的機械生產(chǎn)，PLC及相關(guān)配套設(shè)施都是按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)組成的一個體系，易于進行功能擴充的準則設(shè)計。隨著幾年來微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得PLC的可靠性大大增加，平均使用壽命的到極大的延長。因此，PLC功能強大，便于維護，應(yīng)用靈活，調(diào)試周期短等優(yōu)點都使其應(yīng)用范圍大大的增加。單片機是一種采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)設(shè)計而成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，因此單片機控制器具有更高的控制性能。根據(jù)繞線機的不同類型而設(shè)計不同的單片機進行控制。綜合比較兩種方式各有優(yōu)缺點，最終決定使用PLC可編程控制器，原因是：單片機雖然具有較好的控制性能，但是容易受到其他因素的干擾而降低設(shè)備的精確度。選擇PLC控制系統(tǒng)是處于對設(shè)備長遠利益考慮，其后期的維修和調(diào)試成本相對來說比較低，而且PLC技術(shù)已經(jīng)相當成熟，控制精度也可以得到不錯的保證。最終選擇使用松下的 FP-X 型PLC，如圖 4-1 所示，它是晶體管輸出型的。該型號的PLC 具有高速演算、大容量程序存儲器、具有獨立的注釋存儲器、最大 I/O點數(shù)可達300點等四大突出優(yōu)勢。圖4-1 松下FP-X型PLC3.3.2操作系統(tǒng)選擇操作系統(tǒng)主要包括觸摸屏，顯示器和操作面板。考慮到繞線機工作場合的不確定性，以及讓操作者方便的生產(chǎn)工藝參數(shù)，監(jiān)控生產(chǎn)過程和報警信息等，控制界面選用普洛菲斯的GP3300H型手持式觸摸屏，其可在電纜長度內(nèi)隨意移動，極大的方便了操作者操作。操作界面如下圖4-2，電氣參數(shù)如下表4-34-2普洛菲斯GP3300H型手持式觸摸屏4-3電氣參數(shù)表類別參數(shù)輸入電壓DC24V額定電壓DC19.2V-28.8V允許失電10ms以下功耗16.7W以下瞬時電流16.7以下，半寬（電流超過30A的時段）：40ms以下絕緣強度AC500V, 20mA小于1分鐘（電源端子和FG端子之間）絕緣電阻DC500V,10兆歐以上（電源端子和FG端子之間）3.4監(jiān)控系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求從直螺線管線圈繞線機的繞制工藝要求與設(shè)備運行的規(guī)律出發(fā)，該繞線機監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)如下：(1) 與下位機通信獲得繞線機張力，速度，位移等等實時工作運行參數(shù)，對繞線機的工作狀態(tài)進行分析，判斷其運行是否正常，若正常工作則顯示其各種參數(shù)，若發(fā)生故障則需要及時報警。(2) 通過對變頻器與控制卡輸入已知的數(shù)據(jù)，以使伺服電機與變頻電機收到對應(yīng)的運行數(shù)據(jù)，并可以對部分參數(shù)進行實時的修改，實現(xiàn)對繞線機運行整個過程的控制。(3) 讀取監(jiān)控界面的各種參數(shù)，并進行詳細記錄；(4) 界面直觀清晰，便于人工操作以及數(shù)據(jù)收集?；谝陨弦?，銅管繞線機的上位機監(jiān)控界面在設(shè)計時應(yīng)滿足以下設(shè)計原則：（1） 用戶需求在控制界面上有良好的顯示；（2） 操作簡單，信息顯示清楚直觀，使用方便；（3） 符合人為操作習慣；（4） 具備操作失誤時自動停止運行功能，防止操作不當時系統(tǒng)發(fā)生損壞。3.5監(jiān)控界面選擇Microsoft Visual Studio（簡稱 VS）支持多種編程語言對系統(tǒng)進行開發(fā)。其中，C#是一種較為新型的編程語言，VC#提供了一種面向?qū)ο蟮木幊汰h(huán)境，有大量的現(xiàn)成控件，便于構(gòu)建 windows 窗體程序，具有良好的可視化性能，完全能夠滿足銅管繞線機的監(jiān)控功能?；谝陨蟽?yōu)點，可以便捷的開發(fā)上位機的監(jiān)控界面。同時，VC#具有強大的編程功能，可以實現(xiàn)多種參數(shù)的編程控制，并且其具有非常好的模塊擴展能力，便于監(jiān)控系統(tǒng)的升級改造。因此本文所述的繞線機運行監(jiān)控系統(tǒng)采用 VC#進行其界面設(shè)計與功能開發(fā)。3.6本章小結(jié)通過對繞線機運動特點和張力控制的控制方式的研究，本章概述了銅管繞線機控制系統(tǒng)的總體設(shè)計要求，并按照同時對運動系統(tǒng)部分和張力系統(tǒng)部分進行控制的要求搭建了繞線機控制系統(tǒng)，并簡單介紹了該控制系統(tǒng)的軟硬件部分。此外，根據(jù)繞線機控制系統(tǒng)的性能要求，應(yīng)用 VC#軟件設(shè)計了可用于繞線機控制系統(tǒng)上位機的監(jiān)控界面，實現(xiàn)了線圈繞制參數(shù)的輸入與繞線機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。這在很大程度上使得整個繞線工作自動化程度更高，進一步提升了工作效率。第4章 滑塊有限元分析4.1引言有限元分析是用數(shù)學方法把物理系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)劃分成眾多而細小的單元。元素之間在一定約束條件下的相互作用可以歸結(jié)為使用有限數(shù)量的元素來近似無線數(shù)未知結(jié)果的方法?；谠摾碚?，可以對負載，磁場，流體，電場等系統(tǒng)進行仿真分析。 目前國外許多公司在實際生產(chǎn)和研究中廣泛使用有限元軟件，如ansys，adams，ideas等，在設(shè)計過程中充分利用有限元軟件對零件的各種特性進行分析和優(yōu)化。例如，通過受力分析可以得到零件的應(yīng)力，應(yīng)變，變形等參數(shù)?？梢灾懒慵欠衲軡M足要求。 通過對不同材質(zhì)的零件進行材質(zhì)分析，可以選擇新的，便宜的材料。從而降低生產(chǎn)成本。對零件形狀的流動分析可以直觀地得到一些數(shù)據(jù)，包括流體的方向和各零件的壓力。這些數(shù)據(jù)在實驗中很難獲得，或者說需要通過更多的投入，人力，物力來獲得。這體現(xiàn)了有限元法的意義。目前，這一技術(shù)手段在國內(nèi)應(yīng)用并不廣泛。這主要是因為我國處于技術(shù)前沿，領(lǐng)域少。工廠大多位于低端加工制造業(yè)。沒有先進的高科技技術(shù)。但隨著國家對工業(yè)制造的重視，越來越多的工業(yè)工程師得到了提拔。而且國外的先進技術(shù)也會被我們廣泛應(yīng)用和接受。對滑塊進行有限元分析的原因：由于在繞線過程中滑塊會頻繁與其他零件摩擦，并且需要經(jīng)常調(diào)節(jié)，所以對滑塊材料的選擇和力學的分析非常重要。通過對銅管繞線機滑塊的有限元分析，可以不斷優(yōu)化滑塊的各種參數(shù)和工作性能，為繞線機的穩(wěn)定工作提供保障。4.2預(yù)處理4.2.1模型導入對三維軟件對滑塊進行建模，建模后將模型導入ansysworkbench4.2.2物料設(shè)置和分配查詢素材庫，如圖4-1所示，知道45Mn的材料參數(shù)如下:圖4-1 45Mn材料參數(shù)材料的楊氏模量為2.04e11PA，泊松比為0.23。在軟件中產(chǎn)生一種新材料，名稱設(shè)置為45MN。點擊左邊的線性特性，在楊氏牟杜勒斯一欄輸入2.04e11，在泊松比一欄輸入0.23，點擊保存，創(chuàng)建一個新材料。如圖4-2所示。圖4-2 創(chuàng)建新材料頁面進入ANSYS軟件后，點擊材料，在材料-分配框后點擊擴展，選擇之前建立的材料45Mn2，就成功地將材料分配到零件中，如圖4-3圖4-3 材料分配界面4.3網(wǎng)格化導入模型后，如上圖所示，打開主界面，將模型網(wǎng)格化，點擊網(wǎng)格功能，右鍵插入網(wǎng)格方法，選擇大小調(diào)整，即可設(shè)置網(wǎng)格大小。 將整個網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm。 點擊網(wǎng)格，軟件將網(wǎng)格模型。 網(wǎng)格劃分影響分析結(jié)果的質(zhì)量。 一般來說，網(wǎng)格劃分越細，分析結(jié)果就越準確。 與簡單的線性結(jié)構(gòu)分析相比，只需將網(wǎng)格的整體質(zhì)量設(shè)置為100即可滿足要求。 劃分結(jié)果如圖4-4所示。圖4-4 網(wǎng)格劃分結(jié)果可以看到最終的網(wǎng)格劃分效果和網(wǎng)格數(shù)量，如下圖4-5所示:4-5網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖所示，網(wǎng)格總數(shù)為487658個，節(jié)點數(shù)為170523個，網(wǎng)格質(zhì)量為1004.4工況設(shè)置網(wǎng)格劃分完成后，需要設(shè)置整個裝置的邊界條件。如下圖所示，是模型的固定條件，即模型中的某些部分是固定的。將滑塊的頂面設(shè)置為固定。即固定支架。此外，設(shè)置約束條件，即應(yīng)力載荷或位移載荷置接觸面上的力為3000N，方向相反。如圖4-6所示圖4-6設(shè)置約束條件示意圖4.5結(jié)果分析預(yù)處理完成后，點擊軟件上的SOLVE按鈕，進入計算過程，對項目進行分析。分析得到的總變形位移如圖4-7所示，最大主應(yīng)力如圖4-8所示。圖4-7 總變形位如圖所示，最大的變形發(fā)生在滑塊端部的紅色部分。符合工作過程中收集的扭轉(zhuǎn)力的方向。在設(shè)計過程中，要保證該部分的強度，減小扭轉(zhuǎn)，增加傳動精度和可靠性。4-8 最大主應(yīng)力從圖中可以看出，滑塊拐角處產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變，且次數(shù)較弱。設(shè)計需要重點加強該部分的結(jié)構(gòu)強度。另外，端部圓軸部分也存在較大的應(yīng)力和變形，可以通過增大圓筒直徑來改善?；蛘咄ㄟ^改變材料，熱處理等來提高整體。4.6 本章小結(jié)本章主要對銅管繞線機的滑塊進行有限元分析，對滑塊進行預(yù)處理，并對其進行網(wǎng)格化分析，得到滑塊的受力情況，選擇合適的材料，以滿足繞線機工作的要求，最后確定對滑塊拐角進行結(jié)構(gòu)強度的加大。通過這一步，使滑塊的工作性能達到了最優(yōu)化。由于篇幅和難度問題，沒有對所有元件進行有限元分析，后續(xù)我將繼續(xù)完善。第5章 工程定額預(yù)算5.1繞線機機械主體預(yù)算序號名稱數(shù)量成本1底座梁11302底座梁21303底座撐板11254固定立柱2455頂部撐板11006大梁1407滑軌31508支架11209橫向滑塊41010腳板11011橫向立柱12512滑軌端蓋220013芯子130014壓緊裝置210015從動輪16016螺母座1317電機固定板15018光軸14019絲杠座23020調(diào)節(jié)滑塊12021電機固定板15022線架115023卡盤座120024鎖緊螺母2425軸銷18026齒盤110027滑塊66028內(nèi)六角M16x303629絲杠螺母225.2繞線機的維修成本控制繞線機的維修方法和相關(guān)提議：整機復位法、備件替換法、改善環(huán)境質(zhì)量法、維修信息跟蹤法。1.整體復位法相當于現(xiàn)在各種機型的恢復出廠設(shè)置，會清空存儲的程序和軟件類信息，但是能快速恢復硬件的正常操作，所以定期脫機存儲不同類型繞線機生產(chǎn)程序等相關(guān)信息將非常有利于整體復位之后快速恢復生產(chǎn)，減少損失。2.備件替換法應(yīng)用于繞線機可拆卸零件的維修，因此在購進繞線機時應(yīng)盡量選擇可拆卸零件較多的設(shè)備，尤其是易磨損的零件，這能極大提高維修的快速性。3.改善環(huán)境質(zhì)量法即通過環(huán)境加濕，降噪，減震等等，降低外界環(huán)境對機器的損害，由于后期大規(guī)模搬運成本過高，所以工廠要根據(jù)自身大多數(shù)設(shè)備的硬性環(huán)境選擇工廠落地位置和規(guī)模等，之后再通多工廠種植綠植降噪加濕，通過減震膜，減震墻等減震，減少外界環(huán)境對設(shè)備的損害。4.維修信息跟蹤法即記錄維修信息，這樣不僅可以大致計算設(shè)備的維修周期，而且能在再次出現(xiàn)同樣問題時快速制定維修方法，因此必須對每一臺設(shè)備的維修信息進行及時記錄。采用以上四種方法都會在很大程度上減少維修成本。5.3工作環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展（1） 對于銅管和不同線料的切割廢料進行分類回收；（2） 繞線時會產(chǎn)生一定的噪聲，可通過在工廠內(nèi)種植綠植降噪；（3） 本課題設(shè)計的銅管繞線機眾多零件具備拆卸功能，能夠快速更換，符合可持續(xù)發(fā)展理念。結(jié)論隨著“新機械”和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，人們對各種線圈的需求量進一步增加，性能要求也越來越高，直螺線管線圈是一種通用的線圈，過去應(yīng)用于各種電機，隨著4G和5G技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于通信和移動設(shè)備。繞線機的控制技術(shù)也從傳統(tǒng)的人工控制成功過渡到了半自動控制，目前正在朝著全自動的方向發(fā)展。本課題對銅管繞線機的研究也采用伺服電機控制，進一步提高了繞線機的自動化水平。通過對繞線機發(fā)展狀況和螺線管類繞線機關(guān)鍵技術(shù)的學習和研究，本課題對主軸進給、排線、線卷軸等結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，張力控制也采用了目前最為先進的恒阻力矩控制方式，設(shè)計出了與現(xiàn)有控制系統(tǒng)匹配的一套經(jīng)濟、實用的銅管繞線機。論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個部分：（1） 對繞線機國內(nèi)外發(fā)展狀況進行了對比分析，確定了本課題所需側(cè)重研究的內(nèi)容。對銅管繞線機機械的主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，包括排線機構(gòu)，主軸進給機構(gòu)等，主軸進給在設(shè)計上采用角接觸軸承，氣壓驅(qū)動，使整個進給運動更加穩(wěn)定。（2） 對所應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)張力控制技術(shù)進行了分析對比，給出了最佳選用方案，并對恒阻力矩的控制進行了分析和論述，最后對控制系統(tǒng)進行理論設(shè)計和原理分析。（3） 對滑塊進行有限元分析，不斷優(yōu)化元件性能，使繞線機工作更加穩(wěn)定。本論文是通過對直螺線管生產(chǎn)工藝和現(xiàn)有繞線機特點的分析，在結(jié)合自己的一些創(chuàng)新想法而設(shè)計的一款銅管繞線機，由于我的個人水平限制，論文可能存在諸多不足之處，后續(xù)還需要不斷改進和完善：（1） 還需要通過大量反復的現(xiàn)場試驗，對其穩(wěn)定性進行考核，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，爭取找到最優(yōu)的方案。（2） 由于時間和難度問題，沒有對所有元件進行有限元分析，有一些元件可能還存在一些下次，在后續(xù)爭取對所有元件進行分析，不斷優(yōu)化，使整個繞線機趨于完善。隨著需求的不斷增加，對彎曲螺線管類繞線機的需求也越來越大，生產(chǎn)彎曲螺線管的環(huán)形繞線機需要的技術(shù)更加復雜，排線和張力控制等方法完全不同，后續(xù)還需要對此類繞線機展開學習和研究。參考文獻1.聶斌.高度自動化的機械制造過程控制方法J.機械設(shè)計,2005,5(22):59- 62.2.楊建平，劉艷玲.自動化技術(shù)在機械應(yīng)用中的發(fā)展研究J.中小企業(yè)管理與科技，2008(1).3.李濤.試論我國機械自動化技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展J.才智，2008(20).4.高文龍.現(xiàn)代制造技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，20045.張列貴.簡述現(xiàn)代機械自動化技術(shù)J.黑龍江科技信息.2007（20）6.
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