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圆柱形18650锂电池充放电设备的设计说明书.doc

圆柱形18650锂电池充放电设备的设计【全套7张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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导向柱-A4.dwg

底部充电板-A2.dwg

提升气缸装配图-A2.dwg

气缸底盖-A3.dwg

气缸活塞-A3.dwg

电池充放电设备装配图-A0.dwg

顶部充电板-A2.dwg

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关键词：: 圆柱形锂电池放电设备装备设计全套 cad 图纸毕业论文原创资料

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摘要

锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点。其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂电池通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。

本次设计的圆柱形18650锂电池充放电设备其结构主要设计分为3个部分：极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。工作原理是将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触，达到给锂电池充电的目的。

本文首先通过分析现有锂电池充放电设备研究现况提出自己的设计方案，然后对设计的方案中极耳间距调整机构、充电板的升降及自动取料机构进行了详细的设计与校核，最后用CAD软件绘制了七装配图和主要零件图，本文的研究方法对今后锂电池化成设备的设计有很好的指导意义。

关键字：锂电池，充放电，丝杠螺母，气缸

Abstract

Lithium ion batteries are the 1990s appear green energy environmental protection battery with high energy density, environmentally friendly , no memory effect, long cycle life, low self-discharge and other prominent advantages. The main production process of the coating , slice, lamination , injection solution , and the like into the test composition . Lithium Kasei important step in the production process , it is the first activation of the battery charging and discharging process after the formation of the lithium battery , lithium battery cathode through the electrolyte is embedded in the current action potential of the negative electrode of graphite , a voltage , into the bad largely determines the value of the life of the battery. Research on the subject for improving students' engineering capabilities and has important social significance and market value for the future development of lithium batteries into the device.

The design of the cylindrical 18650 lithium battery charge and discharge device structure design is divided into three main parts: the spacing adjustment tabs , lift and automatic charging plate reclaimer . Working principle is the battery into the battery holder , the use of pneumatic pusher plate driven by the bottom of the charge , so that the height increased from the initial charge sheet , such as the posterior pole of the battery rack ears charging the battery touch panel , battery holder driven rise until the very top of the charging pad make contact with the battery contacts touch very ears , to give lithium battery charging purposes.

Firstly, make their own designs through the analysis of existing lithium battery charge and discharge status of research equipment , and then design programs lug spacing adjustment mechanism , the charging plate lifting mechanism and automatic reclaiming a detailed design and verification, Finally CAD software to draw the seven main parts assembly drawings and maps, research methods for future lithium batteries into the device design has a good guide .

Keywords: Lithium battery , Charge and discharge , Screw nut , Cylinder

摘要1

Abstract2

第一章绪论5

1.1研究目的和意义5

1.2 18650锂电池概述6

1.3国内外发展情况及趋势7

1.4设计要求8

1.4.1设计内容8

1.4.2参数要求9

第二章整体方案设计10

2.1原理分析10

2.2 方案拟定10

2.2.1 极耳间距调整机构10

2.2.2 升降机构10

2.2.3 送取料机构11

2.2.4 自动送取料机构11

第三章主要部件的设计12

3.1极耳间距调整机构设计12

3.1.1整体参数确定12

3.1.2电机的选择12

3.1.4 丝杆螺母的设计13

3.2 升降机构设计17

3.2.1气动系统的设计17

3.2.2 气缸的设计19

3.3 自动送取料机构设计24

3.3.1整体参数确定25

3.3.2 电机的选定25

3.3.3丝杆螺母的设计26

3.3.3 导轨的设计30

3.3.4 滑台的设计33

3.4 机架的设计34

结论35

参考文献36

致谢37

第一章绪论

1.1研究目的和意义

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提升气缸装配图-A2.gif

电池充放电设备装配图-A0.gif

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底部充电板-A2.gif

顶部充电板-A2.gif

气缸底盖-A3.gif

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内容简介：: 圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 1 摘要锂离子电池是 20 世纪 90 年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点。其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂电池通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。本次设计的圆柱形 18650 锂电池充放电设备其结构主要设计分为 3 个部分：极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。工作原理是将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触，达到给锂电池充电的目的。本文首先通过分析现有锂电池充放电设备研究现况提出自己的设计方案，然后对设计的方案中极耳间距调整机构、充电板的升降及自动取料机构进行了详细的设计与校核，最后用 CAD 软件绘制了七装配图和主要零件图，本文的研究方法对今后锂电池化成设备的设计有很好的指导意义。关键字：锂电池，充放电，丝杠螺母，气缸 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 2 Abstract Lithium ion batteries are the 1990s appear green energy environmental protection battery with high energy density, environmentally friendly , no memory effect, long cycle life, low self-discharge and other prominent advantages. The main production process of the coating , slice, lamination , injection solution , and the like into the test composition . Lithium Kasei important step in the production process , it is the first activation of the battery charging and discharging process after the formation of the lithium battery , lithium battery cathode through the electrolyte is embedded in the current action potential of the negative electrode of graphite , a voltage , into the bad largely determines the value of the life of the battery. Research on the subject for improving students engineering capabilities and has important social significance and market value for the future development of lithium batteries into the device. The design of the cylindrical 18650 lithium battery charge and discharge device structure design is divided into three main parts: the spacing adjustment tabs , lift and automatic charging plate reclaimer . Working principle is the battery into the battery holder , the use of pneumatic pusher plate driven by the bottom of the charge , so that the height increased from the initial charge sheet , such as the posterior pole of the battery rack ears charging the battery touch panel , battery holder driven rise until the very top of the charging pad make contact with the battery contacts touch very ears , to give lithium battery charging purposes. Firstly, make their own designs through the analysis of existing lithium battery charge and discharge status of research equipment , and then design programs lug spacing adjustment mechanism , the charging plate lifting mechanism and automatic reclaiming a detailed design and verification, Finally CAD software to draw the seven main parts assembly drawings and maps, research methods for future lithium batteries into the device design has a good guide . Keywords: Lithium battery , Charge and discharge , Screw nut , Cylinder nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 3 目录摘要 . 1 Abstract . 2 第一章绪论 . 5 1.1 研究目的和意义 . 5 1.2 18650 锂电池概述 . 6 1.3 国内外发展情况及趋势 . 7 1.4 设计要求 . 8 1.4.1 设计内容 . 8 1.4.2 参数要求 . 9 第二章整体方案设计 . 10 2.1 原理分析 . 10 2.2 方案拟定 . 10 2.2.1 极耳间距调整机构 . 10 2.2.2 升降机构 . 10 2.2.3 送取料机构 . 11 2.2.4 自动送取料机构 . 11 第三章主要部件的设计 . 12 3.1 极耳间距调整机构设计 . 12 3.1.1 整体参数确定 . 12 3.1.2 电机的选择 . 12 3.1.4 丝杆螺母的设计 . 13 3.2 升降机构设计 . 17 3.2.1 气动系统的设计 . 17 3.2.2 气缸的设计 . 19 3.3 自动送取料机构设计 . 24 3.3.1 整体参数确定 . 25 3.3.2 电机的选定 . 25 3.3.3 丝杆螺母的设计 . 26 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 4 3.3.3 导轨的设计 . 30 3.3.4 滑台的设计 . 33 3.4 机架的设计 . 34 结论 . 35 参考文献 . 36 致谢 . 37 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 5 第一章绪论 1.1 研究目的和意义锂离子电池是 20 世纪 90 年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点。其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂电池通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。目前由于技术和成本因素，国内的电池化成绝大部分还在沿用小容量电池的设备，充电设备效率和网侧功率因数较低，放电时采用将电池内部能量通过电阻放电的方式消耗，造成极大的能源浪费。据估算，电池化成消耗的电能费用可占到成本的 20%-30%，尤其在大量化的趋势下，能量浪费则更加明显。同时，单体电池化成过程的数据由人工手动完成，不易形成系统化的数据，电池的性能只能粗略估计，不能形成合理的客观评价，对电池的串联成组使用带来潜在的性能和寿命隐患。对于小容量的锂离子电池因为电池单体的成本较低，而高效率的电池化成设备成本相对较高，使高效率的电池化成设备没有实际的应用价值，这方面的研究也很少。但随着各电池厂家进入大容量的锂离子动力电池领域，使高效率的电池化成设备应用成为可能，因为单体大容量锂离子电池本身价值很高，充放电过程中会消耗大量能量。大容量锂离子电池生产数量越大，电池化成过程造成的能量浪费问题就会表现的越明显。必须在大容量锂离子电池大规模应用的前期对高效率的电池化成设备进行研究，为大容量锂离子电池大规模应用提供必须的生产设备，既为生产厂家节能，也符合国家节能减排的要求。 (a) (b) nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 6 锂电池化成柜 1.2 18650 锂电池概述 18650 锂电池中的 18650 这几个数字，代表外表尺寸： 18 指电池直径18.0mm ， 650 指电池高度 65.0mm。常见的 18650 电池分为锂离子电池、磷酸铁锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为 1.2V 常见容量为2500MAH，锂离子电池电压为 3.6V 常见容量为 1500MAH-3100MAH。 18650 锂电池锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。充放电过程锂电池充电控制是分为两个阶段的，第一阶段是恒流充电，在电池电压低于4.2V 时，充电器会以恒定电流充电。第二阶段是恒压充电阶段，当电池电压达到 4.2V 时，由于锂电池特性，如果电压再高，就会损坏，充电器会将电压固定在 4.2V，充电电流会逐步减小，当电流减小到一定值时（一般是 1/10 设置电流时），切断充电电路，充电完成指示灯亮，充电完成。锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 7 层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。有些充电器使用廉价的方案实现的，在控制精度上不够好，容易造成电池充电异常，甚至损坏电池。选购充电器的时候尽量选择大品牌的 18650 锂离子电池充电器，质量和售后有保证，延长电池的使用寿命。品牌保障的 18650 锂离子电池充电器拥有四重保护：短路保护、过流保护、过压保护、电池反接保护功能等。过充电保护：当充电器对锂离子电池过充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。为此，保护器件需监测电池电压，当其到达电池过充电压时，即激活过充电保护功能，中止充电。过放电保护：为了防止锂离子电池的过放电状态，当锂离子电池电压低于其过放电电压检测点时，即激活过放电保护，中止放电，并将电池保持在低静态电流的待机模式。过电流及短路保护：当锂离子电池的放电电流过大或短路情况产生时，保护器件将激活过电流保护功能。 1.3 国内外发展情况及趋势在国家鼓励支持及市场前景的推动下，锂离子电池关键技术、关键材料和产品研究都取得了重大进展。其技术和经济性优势显著，推广应用的条件已经日趋成熟。如中信国安盟固利公司提供给北京奥运电动车的新型锂离子动力电池总成比能量已经超过 90wh/kg。但是此前一阶段锂离子电池工作关注重点是关键技术、关键材料和产片研究。锂离子电池的成组技术，成组充电、放电和维护管理等应用技术没有得到应有的重视，致使锂离子电池的充电、放电和维护管理技术及设备研究严重滞后于电池技术达到发展。当前仍然普遍采用的是不能适应锂离子电池特点的电池应用技术和设备。错误的将因为成组技术落后而造成的过充电、过放电、超温和过流问题引起的电池寿命下降、燃烧、炸裂等问题，转嫁到电池本身上。这已经严重制约了其推广应用和产业发展。由于锂电池具有优良的性能而具有广泛的应用价值，将成为动力以及通讯电池的首选。世界上许多大公司竞先加入到该研究产品的研究、开发行列中。如索尼、三洋、东芝、三菱、富士通、日产、 TDK、佳能、永备、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。目前常用的领域为电子产品，如手机、笔记本电脑、微型摄像机等。对其他一些重要的领域，如电动交通工具、航空航天、军事等领域也正在进行渗透。消费者对电池电能要求日渐提高；人们希望在获得大容量电能的同时 , 能够尽量减轻重量 , 提高整个电源系统的使用效率和寿命。尽管国内化成设计技术取得巨大进步，但相比国外的技术还存在一定的差距。 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 8 国内锂电池化成车间 1.4 设计要求本课题名为圆柱形 18650 锂电池充放电设备的设计，据现有的锂电池化成工艺要求，要求设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极片或极板夹紧以及充放电功能。该设备的设计特点极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。 1.4.1设计内容（ 1）极耳间距调整调整极耳间距是为了使充电板上的电极触点与锂电池的继而出触点可以对准并且能够良好的接触。这样才能确保电池化成时每一节锂电池都能得到良好的充放电，从而确保电池的使用性能及使用寿命。该机构通过安装丝杆螺母，使用部件电机来直接驱动。（ 2）升降机构充电板有升降功能。将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让底部充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触。达到给锂电池充电的目的。该机构是通过气压推杆来实现充电板的上升与下降。（ 3）送取料机构电池架可以像抽屉一样进入化成箱工作区域或从工作区域取出。该运动可以通过在电池架与工作框架下方接触部分安装滑槽或者导轨来实nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 9 现。（ 4）自动送取料机构在送取料机构的基础上多加一个传动装置，使电池架可以自动送进送出。这个设计可以方便工作人员取料及放料，从而减少人力工作量提高工作效率。该机构可以通过安装自动滑台来实现。 1.4.2参数要求电池型号： 18650 电池直径： 18mm 电池高度： 65mm 工作气压： 0.5MPa 工作容量： 64颗平台伸缩距离： 400mm nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 10 第二章整体方案设计 2.1 原理分析本课题设计的是一个锂电池的化成箱，其结构主要设计分为 3个部分：极耳间距调整、充电板的升降及自动取料。该化成箱的工作原理是将电池放入电池架，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，等充电板上的极耳与电池架中的电池接触后，带动电池架上升，直到让最顶部的充电板触点与电池的极耳触点接触。达到给锂电池充电的目的。 2.2 方案拟定 2.2.1 极耳间距调整机构安装丝杆螺母用来调整极耳之间的间距，考虑到极耳间距知需进行左右方向的调整而前后间距可以通过送料机构的精确定位保证，左右方向的调整不涉及到传动路线方向变更因此可使用步进电机直接驱动丝杠螺母来实现。图 2-1 极耳间距调整机构 2.2.2 升降机构当电池架装料后并送入工作区域内即电池定位后，利用气压推杆带动最底部的充电板，让充电板从初始高度上升，直至充电板触点与电池接触。该机构通过气压推杆来实现充电板的上升与下降。 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 11 1-顶部充电板 2-工作台 3-底部充电板 4-气压推杆 5-电池架 6-弹簧图 2-2 升降机构 2.2.3 送取料机构在工作台下方安装导轨，工作台可以滑出方便送料和取料。 1-机座 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台图 2-3 送取料机构 2.2.4 自动送取料机构在送取料机构的基础上多加一个丝杠传动装置，使电池架可以自动送进送出。这个设计可以方便工作人员取料及放料，从而减少人力工作量提高工作效率。该机构可以通过安装自动滑台来实现。 1-电机 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台 5-轴承座图 2-4 自动送取料机构 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 12 第三章主要部件的设计 3.1 极耳间距调整机构设计调整极耳间距是为了使充电板上的电极触点与锂电池的继而出触点可以对准并且能够良好的接触。这样才能确保电池化成时每一节锂电池都能得到良好的充放电，从而确保电池的使用性能及使用寿命。为了实现这一功能，安装丝杆螺母用来调整极耳之间的间距，使用步进电机直接驱动。图 3-1 极耳间距调整机构 3.1.1整体参数确定通常极耳间距相差不会太多，只需进行小幅度的距离调整，本次设计的调整范围左右均为 20mm，即极耳间距调整机构的调整行程为 40mm。 3.1.2电机的选择 (1)交流伺服电动机的运行特点： 1) 调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽的范围内连续调节； 2) 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转； 3) 控制功率小，过载能力强，可靠性好； 4) 可控。 (2)电动机的选择原则：基本依据：满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求前提下、力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。对不要求调速、对启动性能无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机；若要求启动转矩较大，可用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。对于要求经常启、制动，负载转矩较大、又有一定调速要求生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机。对于只需要几种速度，不要求无级调速的生产机械，可选用多速异步电动机。 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 13 对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机 (如 TD 型等 )。对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。 (3)确定电动机的型号极耳间距调整机构驱动电机只需驱动顶部充电板左右移动，负载为克服顶部充电板的与支架的阻力和惯性力，负载很小。因此此处选用的伺服电机型号为： SM-40-002-30LFB，额定功率 50W，额定转速 3000rpm，额定转矩 0.13N.m 3.1.4 丝杆螺母的设计极耳间距调整机构由于对定位精度和传动效率均不高，传动负载压不大因此采用一对梯形螺杆、螺母的滑动丝杠传动。梯形螺纹具有牙根强度高，工艺性好，螺纹对中性好等优点。主要缺点是效率低，但并不影响工作。螺杆采用 45 号钢制造，螺母采用 35 号钢整体车制。丝杠所受外载荷 F 包括两种类型，分别为摩擦阻力负载、惯性负载即： F = + Ff+ Fa 1）导轨摩擦阻力负载 Ff 启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于平行导轨 Ff可以由下式求的： Ff = f ( G + FRn ) G 运动部件重力 300N； FRn 垂直于导轨的工作负载，此设计中为零； f导轨摩擦系数，取静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1。求得 Ffs = 0.2300N =60N Ffa = 0.1300N =30N 上式中 Ffs 为静摩擦力， Ffa 为动摩擦力。 3）运动部件速度变化时的惯性负载 Fa nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 14 Fa = Ggvt 式中 g重力加速度； t 加速或减速时间，本设计中取 t =0.2s； v t 时间内的速度变化量。故： Fa = 3009.80.020.2N =3N 根据以上计算结果，丝杠螺母副所示最大负载为 F=63N。 3）设计计算及校核螺纹副耐磨性计算滑动螺旋的磨损多发生在螺母并且与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力 p，使其小于材料的许用压力 p。滑动螺旋传动用梯形、矩形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定。传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度。要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺旋，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定。螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，因此取 3.2 ；该螺旋机构为伺服电机驱动，因此 P提高 20%， P=13MPa。 5.135.05.0 PhmmPh FPd 2.103.22.15.1101314.3 3163 62 取 mmd 122 因此选用 312T 的螺杆，其参数为：公称直径 d 螺距 P 中径 22 Dd 大径 4D 小径 3d1D 12 3 10 13 8 9 表：滑动螺旋副材料的许用压力 P 螺杆螺母的材料滑动速度许用压力 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 15 钢青铜低速 3.0 15 钢钢低速钢铸铁 80mm 时，取 dl 0.16.01 。为保证最小导向长度 H，若过分增大 1l 和 B 都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增加一隔套 K 来增加 H 的值。隔套的长度 C 由需要的最小导向长度H 决定，即 BlHC 121 最小导向长度： mmH 242402080 ，取 H=25mm 活塞宽度： B=0.6D=24mm 5) 缸体长度的确定气缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般气缸缸体长度不应大于内径的 2030 倍。缸体内部长度 mmmmlBL 1048024 （ 3）气缸的结构设计气缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞与活塞杆的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、排气装置及气缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 23 1) 缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。本次设计中采用外半环连接，如下图 3 所示：图 3-9 缸体与缸盖外半环连接方式优点：结构较简单；加工装配方便缺点：外型尺寸大；缸筒开槽，削弱了强度，需增加缸筒壁厚 2) 活塞杆与活塞的连接结构参阅 P15表 2-8，采用组合式结构中的螺纹连接。如下图 4 所示：图 3-10 活塞杆与活塞螺纹连接方式特点：结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的气缸。 2) 活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。在本次设计中，采用导向套导向的结构形式，其特点为：导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更换，导向套也可用耐磨材料。盖与杆的密封常采用 Y 形、 V 形密封装置。密封可靠适用于中高压气缸。 3) 防尘方式常用 J 形或三角形防尘装置。活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 24 运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈，在本次设计中采用 O 形密封圈。综上述，本次设计的气缸结构及主要尺寸如下： 3.3 自动送取料机构设计在工作台下方安装导轨，用丝杆螺母来控制工作台的直线移动，使用步进电机来驱动。 1-机座 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台在送取料机构的基础上多加一个传动装置，使电池架可以自动送进送出。这个设计可以方便工作人员取料及放料，从而减少人力工作量提高工作效率。该机构可以通过安装自动滑台来实现。 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 25 1-电机 2-导轨 3-丝杆螺母 4-工作台 5-轴承座 3.3.1整体参数确定平台伸缩距离： 400mm 由于自动送取料机构对精度要求不高， 3.3.2 电机的选定 (1)交流伺服电动机的运行特点： 1) 调速范围宽，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽的范围内连续调节； (2) 转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转； (3) 控制功率小，过载能力强，可靠性好； (4) 可控。 (2)电动机的选择原则：基本依据：满足生产机械对拖动系统静态和动态特性要求前提下、力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。对不要求调速、对启动性能无过高要求的生产机械，应优先考虑使用一般鼠笼式异步电动机；若要求启动转矩较大，可用高启动转矩的鼠笼式异步电动机。对于要求经常启、制动，负载转矩较大、又有一定调速要求生产机械，应考虑选用线绕式异步电动机。对于只需要几种速度，不要求无级调速的生产机械，可选用多速异步电动机。对于要求恒速稳定运行的生产机械，且需要补偿电网功率因数的场合，应优先考虑选用同步电动机 (如 TD 型等 )。对于需要大的启动转矩，又要求恒功率调速的生产机械，常选用直流串励或复励电动机。对于要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产机械，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 26 (3)确定电动机的型号极耳间距调整机构驱动电机只需驱动顶部充电板左右移动，负载为克服顶部充电板的与支架的阻力和惯性力，负载很小。因此此处选用的伺服电机型号为： SM-60-003-30LFB，额定功率 100W，额定转速 3000rpm，额定转矩 0.3N.m 3.3.3丝杆螺母的设计自动送取料机构由于对定位精度和传动效率均不高，传动负载压不大因此采用一对梯形螺杆、螺母的滑动丝杠传动。梯形螺纹具有牙根强度高，工艺性好，螺纹对中性好等优点。主要缺点是效率低，但并不影响工作。螺杆采用 45 号钢制造，螺母采用 35 号钢整体车制。丝杠所受外载荷 F 包括两种类型，分别为摩擦阻力负载、惯性负载即： F = + Ff+ Fa 1）导轨摩擦阻力负载 Ff 启动时为静摩擦力，启动后为动摩擦力，对于平行导轨 Ff可以由下式求的： Ff = f ( G + FRn ) G 运动部件重力 1000N； FRn 垂直于导轨的工作负载，此设计中为零； f导轨摩擦系数，取静摩擦系数为 0.2，动摩擦系数为 0.1。求得 Ffs = 0.21000N =200N Ffa = 0.1300N =100N 上式中 Ffs 为静摩擦力， Ffa 为动摩擦力。 3）运动部件速度变化时的惯性负载 Fa Fa = Ggvt 式中 g重力加速度； t 加速或减速时间，本设计中取 t =0.5s； v t 时间内的速度变化量。故： nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 27 Fa = 10009.80.020.2N =10N 根据以上计算结果，丝杠螺母副所示最大负载为 F=210N。 3）设计计算及校核螺纹副耐磨性计算滑动螺旋的磨损多发生在螺母并且与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力 p，使其小于材料的许用压力 p。滑动螺旋传动用梯形、矩形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损，而螺杆的直径和螺母的高度也常由耐磨性要求决定。传力较大时，应验算有螺纹部分的螺杆或其他危险部位以及螺母或螺杆螺纹牙强度。要求自锁时，应验算螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺旋，应验算其稳定性，其直径也常由稳定性要求决定。螺母为整体式并且磨损后间隙不能调整，因此取 3.2 ；该螺旋机构为人力驱动，因此 P提高 20%， P=13MPa。 245.05.0 PhmmPh FPd 3.193.22.12101314.3 4210 62 取 mmd 202 因此选用 632T 的螺杆，其参数为：公称直径 d 螺距 P 中径 22 Dd 大径 4D 小径 3d1D 20 4 18 21 15 26 表：滑动螺旋副材料的许用压力 P 螺杆螺母的材料滑动速度许用压力钢青铜低速 3.0 15 钢钢低速钢铸铁 2.4 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 28 注：当 2.5 或人力驱动时， p值可提高 20；若为剖分螺母时则 p值应降低 15 20。螺纹牙强度计算螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。螺纹牙底宽 mmPt 8.366 3 4.06 3 4.01 许用压应力 M P as 6353 1 55 许用切应力 M P a63 许用弯曲应力 M P ab 8.37636.06.0 相旋合螺纹圈数 7642 PHz剪切强度条件 M P azdtF 04.6108.37103314.3 1 6 6 5 3 331 弯曲强度条件 3.14108.3103314.31031665333623321 bM P azdtFh 滑动螺旋副材料的许用应力螺旋副材料许用应力 (MPa) b 螺杆钢 s/(35) 螺母青铜 4060 3040 铸铁 4055 40 钢 (1.01.2) 0.6 螺纹副自锁条件 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 29 78.32914.3 61ar ct anar ct an2 dnP 梯形螺纹的牙型斜角 15 ，其当量摩擦角 5.615c o s 11.0a r c t a nc o sa r c t a n v对于螺旋传动，为保证自锁可靠，实际应取 1v。本设计满足这一条件，因此能够自锁。上式中；为螺纹升角； fV为螺旋副的当量摩擦系数； f 为摩擦系数见下表。表：滑动螺旋副的摩擦系数 f 螺杆螺母的材料摩擦系数 f 钢青铜 0.080.10 淬火钢青铜 0.060.08 钢钢 0.110.17 钢铸铁 0.120.15 螺杆稳定性计算对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力 Q 大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力 Q必须小于临界载荷 Q，则螺杆的稳定性条件为： 4FFcr 表 : 螺杆的长度系数端部支撑情况长度系数两端固定 0.50 一端固定，一端不完全固定 0.60 一端铰支，一端不完全固定 0.70 两端不完全固定 0.75 两端铰支 1.00 一端固定，一端自由 2.00 nts圆柱形 18650锂电池充放电设备的设计 30 NlEIF cr 8.1 1 0 1 2 6 564)104 0 02( )1029(14.3102 0 614.3)( 23 439222 46.616 653 8.11 012 65 FF cr 所以，该螺杆是稳定的。 3.3.3 导轨的设计（ 1）导轨的功用导轨在机器中十分重要，在机床中尤其重要。机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下 (运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力等 )能准确地沿着一定方向的运动。在导轨副中，与运动部件联成一体的运动一方叫做动导轨，与文承件联成一体固定不动的一方为支承导轨，动导轨对于支承导轨通常是只有一个自由度的直线运动或回转运动。（ 2）导轨应满足的基本要求 1）导向精度导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性，影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度，导轨的接触精度及导轨的结构形式，导轨和基础件结构刚度和热变形，动压导软和静压导轨之间油膜的刚度，以及导轨的装配质量等等。 2）刚度导轨的刚度是机床工作质量的重要指标，它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力，若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度，另外还使得导轨面上的

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