铺丝机的结构设计.docx
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铺丝机的结构设计
铺丝机的结构设计
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TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
TheStructuralDesignofFiber-SpreadingDevice
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摘要
铺丝是腈纶烘干的前一道工序，铺丝的质量直接影响到烘干的效率。
目前国内几个腈纶生产厂家所使用的铺丝装置，普遍存在送丝的运动速度难以控制，和铺丝方式落后等问题。
为改进铺丝的质量，本次设计完成一套性能得到改进的铺丝设备。
首先，对铺丝所要完成的功能进行了分析。
根据机电一体化装置设计的基本思想，把铺丝机划分为机械执行部分和控制部分，本次设计主要设计机械执行部分。
机械执行部分包括机械执行机构和驱动电机的控制。
铺丝机在工作过程中，为了达到理想的铺丝效果，需要对几个运动参数进行控制，包括滚轮驱动电机的转速，平台工作台电机的转速、行程等。
这些运动参数需要根据前一级工序生产速度的不断变化进行调整，以达到最佳的铺丝效果。
本次设计的腈纶铺丝装置是典型的机电一体化系统，具有高智能化、高可靠性、易控制等优点。
关键词 铺丝机;腈纶;纺织机械;机电一体化;铺丝
Abstract
Fiber-spreadingistheworkingprocedurebeforefiber-drying，thequalityofwhichinfluencestheresultoffiber-dryingdirectly.Atpresent，speedproblemsoffiber-delivering，existinmostofthefiber-spreadingequipmentsusedinallthefiber-producingfactories，weusedprogrammableLogicControllertodesignanewequipmentoffiber-spreading，byintegratingmechanismandthecontrollingsystem.
First，ananalysiswasmadetothefunctionthatwastobedonebythefiber-spreadingdevice.AccordingtothebasicthoughtoftheMechatronic，afiber-spreadingdeviceisdividedintotwoparts:
machine-executingandmachine-controlling.Theformerincludesmachine-executinganddrivingmachinery.Themovingparametersneedtoadjustaccordingtothechangesofproducingspeedoftheworkingprocedurebeforeit，inordertogetthebestresult.
Thefiber-spreadingdevicedesignedinthisarticleisatypicalMechatronicsystem.Ithaslotsofadvantagessuchashighofintelligenceandability，highofreliability，easytobecontrolledandsoon.
Keywords:
fiber-spreadingdevicefiberspinningweavingmachineryMechatronicfiber-spreading
第1章绪论
1.1课题背景
腈纶丝，学名聚丙烯纤维。
聚丙烯腈纤维（PAN）纤维是指由聚丙烯腈或丙烯晴含量占85%以上，和其它第二、第三单体的共聚物纺织而成的纤维。
各国的聚丙烯腈纤维产品名称各不相同。
在我国的商品名为腈纶。
腈纶丝具有高强度、耐热的特性和优良的纺织性能，主要应用于纺织业。
中国是目前世界上最大的腈纶消费市场，并且预计在今后几年内，国内市场需求量仍将以较高的速度持续增长。
腈纶丝的生产是经过化学合成、喷丝、剔丝、洗涤、烘干、成型等前几道工序处理，成为扁平带的化学纤维束。
其中烘干的前一道工序是把腈纶丝均匀的平铺在传送带上，送进烘干箱。
而烘干的效果主要取决于铺丝的效果，本装置的研究设计正是基于此生产目的而进行的。
本次设计的腈纶铺丝装置是典型的机电一体化系统，具有高智能化、高可靠性、易控制等优点：
（1）高性能；
（2）低成本；（3）智能化；（4）高效率；（5）高可靠性；（6）体积小。
运用机电一体技术已经是在工业制造中获得更价廉，更优质产品的重要手段。
机电一体化是微电子技术向传统机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是机械技术、微电子技术相融合的产物。
他打破了传统的机械工程、电子工程、资讯工程、控制工程等旧模块的划分，形成了融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的一门新兴的交叉学科。
作为多种技术交叉合成的一门新兴的边缘学科，机电一体化技术正在迅速成为现代加工和产品的一个重要元素，并且逐步成为现代制造加工领域获得竞争优势的一种关键性技术。
最近几年，机电一体化技术和智能系统的应用在呈指数增长的同时也有进一步结合的趋势。
机电一体化与模糊控制、人工神经网络等职能系统的相关发展，为从照相机、洗衣机、轿车、轮船等产品的开发研制到工业过程的控制都提供了创新发展的巨大推动力。
1.2铺丝机国内外的发展情况
纵观国内外的铺丝的设计发展，从运动实现的方式看，铺丝的发展经历了从手工到自动的几个阶段。
1．手工铺丝完全依赖于人工的操作，由于生产效率低，工作环境恶劣等原因，现已经淘汰不用。
2．半自动铺丝这种方法使用了电力拖拉机械完成一部分工作，但需要人对铺丝的情况分析、判断，并做出相应的动作，从而限制了铺丝效率和质量的进一步的提高。
由于设备投资低，目前仍在广泛使用。
3．全自动铺丝全自动铺丝不仅在所有运动上实现了机械化，而且具备相应的检测能力。
应变能力和人工智能。
具备了这些条件的铺丝系统将不需要和需要少量的系统监督人员，除可初期投资较大以外，在效率、质量、工作环境等方面是过去的方式所不能比拟的。
这种铺丝方式是铺丝设计发展的主方向，也是铺丝机生产厂家和化工厂的主要生产和应用类型。
目前，国内主要的大型腈纶铺丝机生产厂家有五、六家，根据查阅文献来看，发现了以下几种由于腈纶铺丝目的的设备。
（1）意大利STP公司生产的SMS型纺粘法纺织造布生产设备类型的铺丝机，铺丝机构采用了摆臂式铺丝方式，结构比较简单，而且整体单元可以电动升降，但在实际生产中铺丝效果不理想。
（2）国内也有生产此类铺丝设备：
如邵阳纺织机械厂生产的HT505型铺丝机是引进美国杜邦（DU-PONT）与康泰丝（CHEMTEX）公司的制造技术与图纸而进行制造的，但是多数设备仍存在堆丝，运动速度不匹配的问题。
总体来说，铺丝设备与腈纶生产线其他工序设备一样，目前均已采用胶轮变频电机传动、变频调频、计算机和可编程控制器（PLC）控制为发展方向。
多数国产设备与国际水平仍有较大差别，等待加快新技术的应用，以提高国产设备的机电一体化。
1.3本课题的内容及意义
铺丝是腈纶纺丝生产中非常关键的一道工序，其工艺质量直接影响到以后的烘干质量与效率。
目前大量使用中的国外各种型号的铺丝设备缺点都很明显，普遍存在铺丝不均匀的现象。
由于铺丝工艺不过关，造成下道工序烘干的质量，影响到整个腈纶丝生产的质量，使生产的腈纶丝发黄，质量达不到要求。
本课题用于大庆石化总厂，腈纶分厂生产线的改造，用以替代已老化的，对产品质量有一定影响的纺丝铺丝装置。
此课题的实现，能够有效的提高腈纶的生产质量，并使腈纶丝的自动化生产顺利完成。
目前国内几个腈纶生产厂家所使用的铺丝装置，普遍存在送丝的运动速度难以控制，和铺丝方式落后等问题。
为改进铺丝的质量，本次设计完成一套性能得到改进的铺丝设备。
1.4本次设计的主要工作
根据机电一体化装置设计的基本思想，把铺丝机划分为机械执行部分和控制部分，本次设计主要设计机械执行部分。
机械执行部分包括机械执行机构和驱动电机的控制。
铺丝机在工作过程中，为了达到理想的铺丝效果，需要对几个运动参数进行控制，包括滚轮驱动电机的转速，平台工作台电机的转速、行程等。
这些运动参数需要根据前一级工序生产速度的不断变化进行调整，以达到最佳的铺丝效果。
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第2章方案的选择与论证
2.1铺丝机的技术要求
所设计的F15纺纱铺丝机是代替以老化的。
对产品质量有严重影响的日本的同类产品，在具备原产品的功能外，要求新装置能达到更好的铺丝效果，达到更高大可靠性。
要求：
（1）铺丝机的铺丝速度为4m/s；
（2）铺丝范围为2m。
2.2原理设计与方案的选择
2.2.1原理设计
根据要求和工作原理，进行设计。
铺丝机所要完成的运动由横向拉丝运动和纵向上的铺丝运动组成，对此进行了如下的设计构想。
1．横向：
采用两个滚筒在电机的带动下旋转。
啮合（如图2.1）而带动丝束，实现丝束的横向拉丝移动。
2．纵向：
第一方案：
采用工作台在导轨上的往复运动（如图2.2），从而实现丝束的纵向铺丝运动。
第二方案：
采用一个摆臂式机构的往复运动（如图2.3），从而实现丝束的纵向铺丝运动。
横向和纵向运动的叠加，还有传送带的移动，从而可以达到铺丝的运动要求。
图2.1啮合运动示意图
图2.2工作台往复运动
图2.3摆臂式铺丝机
2.2.2方案选择
1．运动方案的选择
现在铺丝机的拉丝功能的实现选择采用滚筒啮合拉丝，而横向的移动有两种方案可以选择。
下面以这两种方案的优缺点进行了分析。
方案一往复移动式
优缺点：
往复式铺丝是往复直线运动，传动平稳性有了较大改善。
铺丝比较均匀，横向移动速度可以比较方便的实行控制，设备的可靠性比较高。
但是实行起来机构比较复杂，占地比较大。
方案二往复摆臂式
优缺点：
机构比较简单，实现比较容易。
摆臂式铺丝机在产量较低时，该机具有结构简单、易于操作的特点，且到两边时的冲击也能有效控制，但在高产量下，其摆臂长度Ｌ和摆幅角度α均受限制，而且随着Ｌ和α的增大，到两边时的机械惯性增大许多，冲击在所难免，没有有效的办法解决。
其工作台的运动轨迹为圆弧，影响到铺丝的效果。
现在已经有厂家生产出采用方案二设计的铺丝机，但实际工作效果并不理想。
这种铺丝机所铺的丝烘干后颜色发黄，影响了腈纶丝的生产质量。
铺丝效果比较。
图2.4和图2.5分别是摆臂式铺丝机和往复式铺丝机铺丝效果示意图，摆臂式铺丝由于在两端的速度惯性无法避免，势必造成两边铺丝较厚，形成不均匀铺丝，往复是铺丝机则无此缺陷为了保证铺丝的质量，提高系统的稳定性，本次设计准备用第一种方案作为铺丝横向运动的实现方式。
。
往复式铺丝机的铺丝运动主要由以下几个运动合成：
（1）往复直线运动完成横向铺丝，采用简谐运动规律；
（2）喂丝部分的匀速直线运动，其运动速度大小决定丝层的密度；（3）烘燥机链板的匀速直线运动，该运动保证了丝层的动态连续性，形成良好的丝层，具有铺丝均匀，连续性好，无镂空、规程现象等特点。
2．控制组件的选择
本次设计中的驱动部件由交流伺服电机和交流变频电机两种电机可以选择，但从控制效果和生产成本的综合因素来考虑，所设计的铺丝机的驱动组件采用变频电动机比较合适，其信号处理组件，考虑到在对铺丝机进行控制时所需的输入输出点数以及运行速度等因素，选用可编程控制器（PLC）来实现。
图2.4摆臂式铺丝效果图
图2.5往复式铺丝效果图
2.2本章小结
本章给出了所要设计的铺丝技术要求，并且提出了实现其要求的基本设计方案，而且对其进行了比较和选择，确定了基本的设计思想。
往复式铺丝机的铺丝运动主要由以下几个运动合成：
（1）往复直线运动完成横向铺丝，采用简谐运动规律；
（2）喂丝部分的匀速直线运动，其运动速度大小决定丝层的密度；
（3）烘燥机链板的匀速直线运动，该运动保证了丝层的动态连续性，形成良好的丝层，具有铺丝均匀，连续性好，无镂空、规程现象等特点。
第3章机械系统设计
3.1机械运动分析
在所设计的铺丝机装置中，机械系统应包括实现铺丝功能的所有主运动部件，附属部件即驱动部件。
现在对铺丝机所要实现的功能进行分析。
根据铺丝机的基本功能要求和保障它正常工作的其他一些辅助功能要求，所设计的应具备一下功能：
1．铺丝功能
从上级工序中持续不断的拉动腈纶丝束，并把拉出的腈纶丝均匀的平铺在传送带上。
工作速度应能随上级工序的出丝速度变化在大范围无级可调。
2．保险功能
整套装置的运动部件在工作过程中，防止超出正常位置，当运动机构超出正常的运动范围时，系统停止工作。
根据以上的分析，确定腈纶丝在三个方向上的运动如图3.1所示。
图3.1铺丝机工作示意图
由图3-1可知，要达到满意的铺丝效果，腈纶丝的速度
应满足式（3.1）。
式中分别为腈纶丝在
，
方向上的速度。
为腈纶丝拉动的速度。
+
=
（3.1）
根据对系统功能的分析，设计系统的执行机构采用了以下的设计思想：
拉丝功能通过两个滚轮夹紧后高速旋转实现。
而x方向的铺丝功能则由移动架带动拉丝滚轮沿
运动实现。
因为要求的腈纶丝的拉丝速度比较快，为4m/s。
相应的，x、z两方向的拉丝和速度也相应的与此相等。
腈纶丝在y方向上的间距由传送带的速度额定。
可根据调节传送带的运动速度来调节腈纶丝在y方向上的间距。
从而使铺丝效果比较理想。
系统在正常的工作时，支撑架在地面固定不动，工作台带动拉丝滚轮沿
方向往复运动，腈纶丝在被拉动下落的同时不停地来回运动。
同时由于传送带沿+y方向的运动。
最后腈纶丝按“之”字形平铺在传送带上。
3.2机械机构的设计
3.2.1主体部件的设计
所设计的铺丝机主要由移动架和齿轮箱组成。
齿轮箱主要完成传递矩和齿轮换向，使两个拉丝滚轮加紧啮合高速旋转，从而拉动腈纶丝。
移动架是铺丝机的主体部分。
它的功能是带动齿轮箱在x方向往复运动。
1．齿轮箱
齿轮箱使拉丝滚轮夹紧并高速旋转，拉动腈纶丝。
用它来实现腈纶在-z方向上运动。
其基本特点是其机构比较复杂。
几何精度和相对位置精度要求较高，设计后的齿轮箱的简图如图3.2所示。
拉丝滚轮工作是高速旋转，为了拉动腈纶丝下落，需要一定的夹紧力，所以除了保证滚轮制造时的表面圆柱度和粗糙度外安装时还要保证较高的平行度，而滚轮是由齿轮通过轴来带动的，因此对轴的精度和平行度也有较高的要求。
此外出于维修和更换产品等方面的考虑，两个拉丝滚轮的间距要求可调，利用一个快夹就可以很好的实现这个目的。
这样拉丝滚轮1通过轴直接连接在齿轮箱箱体上，而拉丝滚轮2则用一个可绕轴转动的机架连接。
从而可以用两个滚轮达到合紧和分开的目的。
如图3.2，齿轮2作为主动轮，由驱动电机通过同步带驱动。
其余的齿轮啮合转动，方向如图3.2所示。
3.2齿轮箱简图
图3.4齿轮箱传动示意图
电机为动力源，通过同步带把动力传送到轴2，使同轴的齿轮2为主动轮。
与它相啮合的齿轮1和齿轮3传动，让齿轮1和齿轮4旋转方向反向。
这样承担拉丝滚子的轴1和轴4可以啮合，运动方向相反，达到拉丝效果。
在机械设计中，各个相对运动部件之间的联结需要使用轴承。
在轴系部件的设计中，轴承的精度将影响轴的运动精度，因此轴承的选择将在精度方面起重要作用。
与滑动轴承相比，由于滚动轴承为滚动摩擦，因而具有摩擦系数小、效率高、启动灵活、润滑简单等优点。
在选择轴承类型时，一般首先考虑所承受的载荷的大小、方向、性质和转速的高低，其次还要考虑刚度、调心性能、结构尺寸大小、轴承的装卸和经济性等要求。
具体选择可参考以下几点：
（1）当载荷较大或有冲击载荷时,宜用滚子轴承；当载荷较小时宜用球轴承。
（2）当只受径向载荷时，或虽同时受径向载荷和轴向载荷，但以径向载荷为主时，应用向心轴承。
当只受轴向载荷时，一般应用推力轴承，而但转速很高时，可用角接触轴承或深沟球轴承。
当径向载荷和轴向载荷都较大时，应采用角接触轴承。
（3）当转速较高时，宜用球轴承；当转速较低时，可用滚子轴承，也可用球轴承。
（4）当要求支撑具有较大刚度时，应用滚子轴承。
（5）当轴的挠曲变形大或轴承座孔不同、跨度大而对支承有调心要求时，应选用调心轴承。
（6）为了便于轴承的拆装，可选用内、外圈分离的轴承。
（7）从经济角度看，球轴承比滚子轴承便宜，精度低的轴承比精度高的轴承便宜，普通结构轴承比特殊结构的轴承便宜。
在本次设计中，根据受力情况，选深沟球轴承合适。
2．移动架
腈纶丝在x方向的运动主要由工作台完成。
它主要支撑齿轮箱、滚轮驱动电机的基本部件，它既承受其他零部件的质量和工作载荷，又要沿方x向运动，而且还要绕z转动。
结构比较复杂。
设计后工作台的简图如图3.5所示。
移动架由驱动电机通过同步带带动，在导轨架上沿导轨在
方向往复运动。
移动架同时带着齿轮箱，从而实现腈纶丝在
方向的运动。
图3.5移动架示意图
3.2.2传动部件及驱动组件
1．传动部件
在设计中准备采用同步带传动。
带传动是利用张紧在带轮上的带，借助它们之间的摩擦或啮合，在两轴或多轴之间传递运动。
这种传动方式具有结构简单、传动平稳、造价低廉、不需要润滑以及缓冲吸振等特点。
铺丝机的移动架需要往复运动，而且移动架的移动速度和滚轮的转动速度都需要根据前级工序的速度可调。
整个过程中瞬间反向时振动较大，设计时选用同步带传动。
同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，为覆以聚氢脂或丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮结合，这种带传动活动比较准确，对轴作用力小，结构紧凑、耐磨、耐油性好。
传动带不是完全的弹性体，经过一段时间运转后，会因伸长而松弛，从而初拉力F0降低，使传动能力下降甚至丧失。
为保证必须的初拉力，必须对带进行预紧。
预紧装置，可分为定期预紧装置和自动预紧装置两大类。
前者简单，但考虑工作中预紧力的降低，故需要的初拉力要大。
而后者在工作中能自动调节和保持所需的预紧力，故所需初拉力小。
自动预紧又分为保持固定不变预紧力和随外载荷变化而自动调节预紧力两种。
常见的装置有：
（1）定期预紧装置
它是利用定期改变中心距的方法来调节传送带的初拉力，使其重新张紧。
（2）预紧轮预紧装置
采用预紧轮进行预紧，一般用于中心距不可调的情况下。
通常预紧轮置于带的松边，因为置于紧边需要的预紧力大，且预紧轮也容易跳动。
这种装置形式常用于需要增大包角或空间受到限制的传动中。
（3）自动预紧装置
自动预紧装置是一种能随外载荷变化而自动调节预紧力大小的装置。
带传动使用时需要一定的预紧力，预紧力对其传动能力、寿命和轴压力都有很大的影响。
预紧力不足，传递载荷的能力降低，效率低，且使小带轮急剧发热，胶带磨损，预紧力过大，则使带的寿命降低，轴和轴承上的载荷增大，轴承发热和摩损。
系统设计中采用调节驱动电机位置的方式来调节张紧方式，如图3-5所示。
同步带在松动时，就可以通过调节定紧螺丁张紧同步带。
同步带轮选用28T10-25F和48-T10-50两种型号。
2．驱动组件
机械结构的运动离不开驱动组件的驱动。
对于铺丝机工作的两个方向的基本运动，采用了变频电机驱动。
变频电机具有精度高。
转动/惯性比高，能承受较高的加减速、体积小、重量轻、振动小、造价低等优点。
实际设计中选用了德国SEW公司生产的DT90L4-B7和DT90S4-B3两种型号的电机，具体参数如表3-1所示。
表3.1所选电机的规格及参数
额定输出（KW）
转矩（N*m）
转速（r/m）
滚轮驱动电机
1.1
21
32
550
825
平移驱动电机
1.5
96
144
150
225
所选电机是交流驱动电机，电压是2.8。
3.2.3轴的设计及校核
轴系由轴以及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。
主要作用是传递转矩及传动精确的回转运动。
系统设计中，齿轮箱中给拉丝滚轮传递转矩的轴要考虑旋转精度以保证运动的平稳性，这主要体现在轴的直线度、圆度和径向跳动方面的指针上。
除了在加工中对这几项指针提出较高的公差之外，还选用了能够自动调心的外球面深沟球轴承支撑轴的旋转。
由于轴的加工安装误差，以及受载后轴的挠曲变形，轴和内外圈轴线在工作中不可能保持重合，会产生一定偏斜。
调心指自动补偿轴和外壳孔中心线的相对偏斜，从而保证轴承正常工作状态的能力。
轴的设计过程以给拉丝滚轮传递转矩的长轴为例说明。
在铺丝机的设计过程中，在齿轮箱里给拉丝滚轮传递转矩的轴很长，而且考虑安装，结构也较其他轴复杂，查阅机械手册，按弯矩合成力矩近似计算轴的直径，有公式（3.2）。
d
=
c
mm（3.2）
式中：
t－轴剖面中最大扭转剪应力，Mpa；
P－轴传递的功率；
N－轴的转速，r/min；
C－由许用扭转剪应力确定的系数；
d－轴的直径，mm；
轴的材料选用的是45钢，C查的为106.118，[t]查的为30.40Mpa，根据所选的电机功率和转速，分别带入公式可计算得
=15.29mm，根据计算的结果和实际生产情况，设计后的轴如图（3.6）所示。
图3.6长轴的机械图
该轴主要给拉丝滚轮传递转矩，而且轴在铅垂面上还要承受拉丝滚轮的重力，在对该轴进行校核计算的时候还要按弯扭合成强度计算来进行强度校核，轴在铅垂面上得受力简图及弯矩图如图3.7所示。
图3.7长轴的受力简图和弯矩图
对于同时承受弯矩和转矩的转轴，假设计算截面上的弯矩为M，相应的弯曲应力
，转矩为T，相应的扭转剪应力
。
根据第三强度理论，求出危险接口的当量应力
，其强度应满足公式（3-3）。
（3.3）
式中：
W－抗弯剖面模量W＝
（
）
—抗扭剖面模量W＝
（
）
拉丝滚轮的重约为15kg，由此计算出轴所受弯矩为M＝22。
5N*m。
而轴所受的扭矩主要是其传递的电机的转矩T=21N*m。
所以可以根据公式计算出
=147.Mpa,
=6.8Mpa,
从而可计算出
，并且查机械手册得到[
]=130Mpa，
[
]，强度满足要求。
根据计算的结果和经济等方面的考虑，轴承选择GB/T276-94型号。
这种轴承不仅广泛应用，主要承受径向载荷，也能承受一定的双向轴向载荷，可用于交高的高速转动。
调心滚子轴承用GB/T288-29，轴承承载能力大，面位角较小。
3.2本章小结
本章从分析铺丝机的原理及其要实现的基本功能入手，进行了铺丝机机械系统的主体设计和各种主要零部件的选择，如齿轮箱及其轴和齿轮传动设计，移动架设计，传动零件和驱动部件设计。
并对铺丝机中齿轮箱的长轴进行了设计和强度校核，完成了整个铺丝机设计中的机械部分。
第4章控制系统的设计
4.1控制系统的设计
根据铺丝机的基本功能要求和保障它正常工作的其它一些辅助功能要求，控制系统应该具有以下功能：
1．检测移动架在工作过程中的位置，使其在导轨上往复运动，防止超出正常位置，移动架超出正常的运动范围时，系统停止工作。
2．防止缠丝，保证拉丝滚轮的正常工作，当出现缠
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