电磁铁因其具有用电流的通断控制控制磁场的有无，改变电流大小来改变磁场的强弱，改变电流方向来改变磁场方向的优点而在工业上得到广泛的应用，而且它在工业自动化控制领域中起到了非常重要的作用，可以说电磁铁性能的好坏将直接影响到整个自动化系统的工作，当其失效时有时会导致毁灭性的后果。所以必须严把质量关，其中最重要的一个环节就是严把出厂关，也就是在电磁铁出厂时做好电磁铁的性能测试。一方面，可以保证出厂电磁铁的质量问题;另一方面，可以为用户提供清晰可供参考的性能曲线。

然而，我国电磁铁测试技术却非常落后，有的企业在这方面的技术甚至为零。大部分的电磁铁生产厂商主要是依据工人的经验来判断一个电磁铁的性能好坏，更不能够提供详尽的性能曲线了，这将直接影响自动化系统的性能，进而制约自动化技术的发展。

针对目前电磁铁广泛应用和电磁铁测试技术落后之间的矛盾，如果我们能够自主研发出有自己知识产权的电磁铁测试系统，那么它的意义是不可估量的。

在效益方面:在电磁铁出厂之前，它可以为电磁铁提供完善的性能曲线及相关技术数据。保证了电磁铁的质量，同时也为用户提供了方便。

在社会方面:目前国内尚无成熟地电磁铁测试系统，因此该系统的研究有助于填补我国在电磁铁测试技术研究及产品的空白，对提高我国自动化技术的发展，提升我国电磁铁测试技术的水平都具有重要的意义。

国外研究情况：德国Zwick公司开发和生产了额定载荷高达2000KN的比例电磁铁测试机，可以对多种类型的比例电磁铁进行垂直和水平方向的测试其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行 “低”和“标准”两种等级的额定载荷分别为1KN和25KN的测试，同时Zwick公司还开发了名为testexpert的通用测试软件。日本KYB公司采用电涡流传感器作为其动圈式电一机械转换器的位移检测装置协助完成闭环控制，实现了很好的控制精度。

国内研究情况：在我国电磁铁的生产应用技术和检测技术尚处于起步阶段。电磁铁性能检测设备的检测性能单一、检测技术简单，往往需要几种设备、经过几道工序、配合有经验的检验员手工操作才能完成检测。其缺点是设备性能低，操作烦琐，工人劳动强度大，而且数据可靠性取决于操作者的熟练程度、人为因素较大。但是随着最近几年的高速发展，国内的检测技术有了明显的提高。

北京工业大学潘立新等人提出的有关电磁机构中电磁铁动态吸力特性的测定方案，应用电阻应变片电测技术对ZN4—10/100—16型真空断路器机构中所用的电磁铁的动态吸力特性进行了测试。其测试原理非常简单，主要利用了电阻应变测试技术，将电阻应变片贴在与电磁铁铁芯相连的拉杆上，铁芯运动时拉杆受力变形，其变形量由电阻应变片转换成电压的变化送入动态电阻应变仪从而得到相应的应变值。中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用“工控机+数据采集卡+传感器”测试装置替代传统的“传感器+函数记录仪”模式测试程序由VC++开发。测试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集卡发生，传感器的测试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将测试得到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的性能曲线，测试性能曲线可直接打印。整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统测试方法高。

二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施

研究内容：电磁铁性能测试台的总体设计，动力元件的选择，传动机构的设计，传感器的选择及其他零部件的设计。

预计达到的目标：完成一整套能进行电磁铁力与行程，力与电压等性能测试的试验系统。

技术指标：行程0-15mm

力：0-300N

电压：0-30V

关键理论和技术：电磁铁性能测试台的总体设计中测试方案的选择，以及关键零部件的计算与设计。

完成课题的方案和主要措施：此次课题设计主要措施是以AutoCAD和PRO/E为主要设计软件。

三、主要特色及工作进度

第1周：熟悉课题，调研，收集资料

第2周：总体方案确定。

第3周：撰写开题报告。

第4周至第5周：主要零部件设计。

第6至第8周：装配图绘制。

第8周：撰写中期检查。

第9周至第12周：主要零部件图绘制。

第13周至第14周：撰写说明书，准备答辩。

四、主要参考文献（按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出）

[ 1] 潘立新，张渊，白师贤. 电磁机构中电磁铁动态吸力特征的测定[D]. 北京工业大学，1990.

[ 2] 北京中经先略投资咨询公司. 电磁铁测试台项目可行性研究报告[J]. 北京，2013.

[ 3] 熊诗波，黄长艺. 机械工程测试技术基础[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2006.

[ 4] 杨叔子，杨克冲. 机械工程控制基础[M]. 6版. 武汉：华中科技大学出版社，2011.

[ 5] 陈国强. 电磁铁实验系统的研究[D]. 东北大学，2006 .

[ 6] 刘强. 电磁铁性能极其测试系统的研究[D]. 东北大学，2006.

第1章绪论1

1.1 设计研究的应用目的和现实意义1

1.1.1 电磁铁的应用1

1.1.2 电磁铁性能测试的目的1

1.1.3电磁铁性能测试的现实意义1

1.2 国内外研究动态2

1.2.1 国内研究动态2

1.2.2 国外研究动态2

1.3选题的研究方法、主要观点、创新之处3

1.3.1 选题的研究方法3

1.3.2 选题的主要观点3

1.3.3 选题的创新之处3

第2章电磁铁性能检测台的总体设计4

2.1 测试需求分析4

2.2 测试台结构原理4

第3章动力元件的选择5

3.1 电机的分类5

3.2 电机的选择6

3.2.1 电机类型的确定6

3.2.2 步进电机简介6

3.2.3 步进电机型号的选择6

第4章传动机构的设计9

4.1 机械传动机构的种类：9

4.2 传动机构的选择11

4.2.1传动机构类型的确定11

4.2.2 滚珠丝杠的简介11

4.2.3 确定滚珠丝杠的型号12

第5章传感器的选择16

5.1传感器的定义及其主要作用16

5.2传感器选择17

5.2.1 位移传感器的选择17

5.2.2 力传感器的选择19

第6章其他零部件的设计21

6.1 导套副类型的确定21

6.2 联轴器的选择23

6.3 轴承的选择24

6.4 余下零件设计25

第7章总结26

致谢27

参考文献28

附录：29

1.文献翻译：29

2. 英语原文：38

电磁铁性能测试台设计

摘要

本次设计主要是安装固定步进电机、位移传感器和力传感器等测试传感器、滚珠丝杠和要求被测的电磁铁，设计的主题方案是用步进电机为动力元件，用一个刚性联轴器把步进电机和滚珠丝杠连接起来，使步进电机的旋转运动变换为缓慢的匀速直线运动，从而带动滚珠丝杠上的导轨滑块机构，以此收集电磁铁性能测试过程中所需各种数据。

关键词：电磁铁性能测试步进电机滚珠丝杠传感器

The design of electromagnet performance test

Abstract

This design is mainly fixed stepper motor, displacement sensor and force sensor test sensors, ball screws and requirements measured electromagnet. Thematic program is designed stepper motor driven element, with a rigid coupling to connect the stepper motor and ball screw, rotary motion of the stepper motor is converted into a slow uniform motion, thus boosting the ball on the rail slider mechanism, Performance testing in order to collect the required solenoid various data.

Keywords: Electromagnet Performance Testing Stepper motor ball-screw Sensor

第1章绪论

1.1 设计研究的应用目的和现实意义

1.1.1 电磁铁的应用

电磁铁是电流磁铁效应的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电磁流量计等。

电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：（1）制动电磁铁—主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。（2）牵引电磁铁—主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。（3）自动电器的电磁系统—如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。（4）起重电磁铁——用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。（5）其他用途的电磁铁——如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。

1.1.2 电磁铁性能测试的目的

如今在我国，电磁铁的性能测试应用的极少，有些工厂甚至都不用机器来测试电磁铁的性能，而是仅仅靠老工人的经验来判断电磁铁的好坏，这样做却有很大的危害，一方面工人的经验不能够百分之百的确定电磁铁的好坏，如果失误的话可能造成严重的后果，损害工厂的效益，另一方面却是由于电磁铁性能测试方面的机器缺失造成的，我国的电磁铁性能测试技术比较落后，所以有些工厂根本就找不到有关测试电磁铁性能这一方面的机器。所以，本次设计的目的是为我国的电磁铁性能测试技术抛砖引玉，引起有关这方面技术人才的重视，争取早日与国际接轨，保证电磁铁性能的可靠性，为工厂创造更多的效益。

1.1.3电磁铁性能测试的现实意义

目前我国电磁铁的应用的非常广泛，但是电磁铁的性能测试技术却比较落后，如果我们能够设计出电磁铁性能测试系统，那么它的意义将非常巨大。

在一方面，目前我国还没有设计出成熟地电磁铁性能测试系统，所以本次设计有利于我国在电磁铁测试技术研究及对产品的生产，对提高我国的电磁铁性能测试技术，提升我国电磁铁性能测试的水平都具有重大的意义。

另一方面来说，在电磁铁生产出成品出厂之前，它可以为电磁铁提供完善的性能曲线及相关技术数据。可以保证电磁铁的质量，同时也为用户提供方便。

1.2 国内外研究动态

1.2.1 国内研究动态

北京工业大学的潘立新教授等人提出的有关电磁机构中电磁铁动态吸力特性的测定方案，应用电阻应变片电测技术对ZN4一10/100一16型真空断路器机构中所用的电磁铁的动态吸力特性进行了测试，其测试原理非常简单，主要利用了电阻应变测试技术:将电阻应变片贴在与电磁铁铁芯相连的拉杆上，铁芯运动时拉杆受力变形，其变形量由电阻应变片转换成电压的变化送入动态电阻应变仪从而得到相应的应变值[1]。

中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用“工控机+数据采集卡+传感器”测试装置替代传统的“传感器+函数记录仪”模式，测试程序由VC++开发．剥试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集卡发生，传感器的测试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将剥试得到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的比例电磁铁性能曲线，测试性能曲线可直接打印。整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统剥试方法高[1]。

北京海泉公司开发的高精度位移传感器，性能指标与国际同行的水平相当,LVDT结构简单，灵敏度高,但是，LVDT在动态测试时受载波频率以及过滤频率的局限，其响应速度受到限制，因此LVDT频响范围小，适用于接触式静态测量，不宜用于高频动态测量[1]。

1.2.2 国外研究动态

德国Zwick公司开发和生产了额定载荷高达2000KN的比例电碰铁测试机，可以对多种类型的比例电磁铁进行垂直和水平方向的测试．其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行“低”和“标准”两种等级的额定载荷分别为1KN和2 5KN的测试．同时，Zwick公司还开发了名为testexpert的通用测试软件,美国Schaevitz公司作为全球领先的最大的LVDT生产厂商，其工程师JacksonSzczyrbak等细致的研究了LVDT的信号调理，对激励源、信号调制类型、放大器、过滤器以及专用的调理芯片等给以了详细的介绍[1]。

日本KYB公司采用电涡流传感器作为其动圈式电一机械转换器的位移检测装置，协助完成闭环控制，实现了很好的控制精度；申请者提出了一种新型耐高压电涡流位移传感器，采用螺管式结构，能够实现高压环境下电机械转换器的位移检测[1]。

1.3选题的研究方法、主要观点、创新之处

1.3.1 选题的研究方法

针对此次选题，首先在选题时就应该对此课题有一定的了解，并且对此课题保持一定的兴趣。在选好课题后应随时保持和指导老师联系的状态，遇到不懂的技术难题应及时向指导老师请教，但也不能凡事都依靠指导老师来解决，在自己的能力范围内，我们可以通过各种参考文献进行资料查找，也可以适度的在网上寻找一些对此课题有用的信息，对其整合，然后筛选出最可靠合适的信息进行合理的应用。在条件允许下，我们甚至可以进行实物研究，最直观的给出我们想要的信息。通过各方面的查找以及整合，对所有信息进行分析概况，透过现象看本质，找出实际规律，从而对自己的本次课题进行合理的设计和改进。

1.3.2 选题的主要观点

对于本次设计，首先要保证的是此次设计的合理性，不能异想天开，要符合现实基本规律。不能设计的太过繁杂，也不能够敷衍了事。考虑到此次课题对现实有比较大的作用和意义，此设计不能太过于理想化，要贴近现实，最好能够在现实中被很好的应用。此次设计的数据应精确，测试精度应高，范围尽量大，测试速度应快。

1.3.3 选题的创新之处

本次课题主要测试在额定电压下，电磁铁的吸力和衔铁行程之间的关系，并且对其电磁铁的寿命进行测试。然后在衔铁位置固定时，电压和电磁铁吸力之间的关系。所以，针对此次设计的重点就在力和位移上，在设计时可以用到力传感器和位移传感器，这样能使测试的数据比较直观的表达出来，不需要进行一些不必要的计算，使本次设计达到既不复杂，有能够很好的体现出本次设计的重点。

第2章电磁铁性能检测台的总体设计

2.1 测试需求分析

测试对象：

直流电磁铁

电磁铁技术指标：

力：0-300N

电压：0-30V

电磁铁性能测试要求：

1、在额定电压下，电磁铁吸力与衔铁行程之间的关系测量。

2、在额定电压和负载情况下，电磁铁的寿命试验。

2、在衔铁位置固定的情况下，电磁铁吸力与电压之间的关系测量。

参考文献

[1] 刘志军. 电磁器件性能参数测试系统的设计与实现. 机械与电子，2008

[2] 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第三版）[M].北京：高等教育出版社,2006.5.

[3] 潘立新，张渊，白师贤. 电磁机构中电磁铁动态吸力特征的测定[D]. 北京工业大学，1990.

[4] 熊诗波，黄长艺. 机械工程测试技术基础[M]. 3版. 北京：机械工业出版社，2006.

[5] 杨叔子，杨克冲. 机械工程控制基础[M]. 6版. 武汉：华中科技大学出版社，2011.

[6] 刘强. 电磁铁性能极其测试系统的研究[D]. 东北大学，2006.

[7] 王启平. 机床夹具设计[M]. 哈尔滨工业大学，2005.

[8] 张晓玲. 机械原理课程设计指导[M]. 北京航空航天大学出版社。2008.12

[9] 濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5.

[10] 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学Ⅱ（第七版）[M]. 北京：高等教育出版社，2009.7

[11] 赵如福. 金属机械加工工艺人员手册（第四版）[M]. 上海科学技术出版社，2006.10

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导套支撑单元.gif

底座.gif

电磁铁固定座.gif

电机支承座.gif

刚性套筒联轴器.gif

力传感器接触台.gif

力传感器支撑架.gif

丝杠固定支座.gif

丝杠螺母法兰固定支架.gif

丝杠上滑动板.gif

调整垫片.gif

位移传感器固定板.gif

位移传感器固定座.gif

右端盖.gif

总装配图.gif

左端盖.gif

内容简介：: 湘潭大学机械工程学院毕业论文（设计）工作中期检查表系机电系专业机械设计制造及其自动化班级 09级机械3班姓名周磊学号2009500513指导教师毛美姣指导教师职称副教授题目名称电磁铁性能测试台设计题目来源科研企业其它课题名称电磁铁性能测试台设计题目性质工程设计理论研究科学实验软件开发综合应用其它资料情况1、选题是否有变化有否2、设计任务书有否3、文献综述是否完成完成未完成4、外文翻译完成未完成由学生填写目前研究设计到何阶段、进度状况： 1. 收集查阅了一些有关电磁铁性能检测台的背景资料，初步制定了设计计划； 2. 重温了CAD等画图软件的知识，能够熟练的运用CAD等画图软件。3. 完成了性能测试台主要机构的选择。由老师填写工作进度预测（按照任务书中时间计划）提前完成按计划完成拖后完成无法完成工作态度（学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况）：认真较认真一般不认真质量评价（学生前期已完成的工作的质量情况）优良中差存在的问题与建议：指导教师（签名）：年月日建议检查结果：通过限期整改缓答辩系意见：签名：年月日注：1、该表由指导教师和学生填写。2、此表作为附件装入毕业设计（论文）资料袋存档。湘潭大学机械工程学院本科毕业设计（论文）开题报告题目电磁铁性能测试台设计姓名周磊学号2009500513专业机械设计制造及其自动化班级09级机械3班指导教师毛美姣职称副教授填写时间2013年3 月11 日 2013年3月说明1根据湘潭大学毕业设计(论文)工作管理规定，学生必须撰写毕业设计（论文）开题报告，由指导教师签署意见，系主任批准后实施。2开题报告是毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。学生应当在毕业设计（论文）工作前期内完成，开题报告不合格者不得参加答辩。3毕业设计(论文)开题报告各项内容要实事求是，逐条认真填写。其中的文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。4本报告中，由学生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述，应不少于2000字。5开题报告检查原则上在第24周完成，各系完成毕业设计开题检查后，应写一份开题情况总结报告。6. 填写说明：(1) 课题性质：可填写A工程设计；B论文；C. 工程技术研究；E.其它。(2) 课题来源：可填写A自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；B企、事业单位委托课题；C校级基金课题；D自拟课题。(3) 除自拟课题外，其它课题必须要填写课题的名称。(4) 参考文献不能少于10篇。(5) 填写内容的字体大小为小四，表格所留空不够可增页。本科毕业设计(论文)开题报告学生姓名周磊学号2009500513专业机械设计制造及其自动化指导教师毛美姣职称副教授所在系机电系课题来源自拟课题课题性质工程设计课题名称电磁铁性能测试台设计一、选题的依据、课题的意义及国内外基本研究情况电磁铁因其具有用电流的通断控制控制磁场的有无，改变电流大小来改变磁场的强弱，改变电流方向来改变磁场方向的优点而在工业上得到广泛的应用，而且它在工业自动化控制领域中起到了非常重要的作用，可以说电磁铁性能的好坏将直接影响到整个自动化系统的工作，当其失效时有时会导致毁灭性的后果。所以必须严把质量关，其中最重要的一个环节就是严把出厂关，也就是在电磁铁出厂时做好电磁铁的性能测试。一方面，可以保证出厂电磁铁的质量问题;另一方面，可以为用户提供清晰可供参考的性能曲线。然而，我国电磁铁测试技术却非常落后，有的企业在这方面的技术甚至为零。大部分的电磁铁生产厂商主要是依据工人的经验来判断一个电磁铁的性能好坏，更不能够提供详尽的性能曲线了，这将直接影响自动化系统的性能，进而制约自动化技术的发展。针对目前电磁铁广泛应用和电磁铁测试技术落后之间的矛盾，如果我们能够自主研发出有自己知识产权的电磁铁测试系统，那么它的意义是不可估量的。在效益方面:在电磁铁出厂之前，它可以为电磁铁提供完善的性能曲线及相关技术数据。保证了电磁铁的质量，同时也为用户提供了方便。在社会方面:目前国内尚无成熟地电磁铁测试系统，因此该系统的研究有助于填补我国在电磁铁测试技术研究及产品的空白，对提高我国自动化技术的发展，提升我国电磁铁测试技术的水平都具有重要的意义。国外研究情况：德国Zwick公司开发和生产了额定载荷高达2000KN的比例电磁铁测试机，可以对多种类型的比例电磁铁进行垂直和水平方向的测试其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行 “低”和“标准”两种等级的额定载荷分别为1KN和25KN的测试，同时Zwick公司还开发了名为testexpert的通用测试软件。日本KYB公司采用电涡流传感器作为其动圈式电一机械转换器的位移检测装置协助完成闭环控制，实现了很好的控制精度。国内研究情况：在我国电磁铁的生产应用技术和检测技术尚处于起步阶段。电磁铁性能检测设备的检测性能单一、检测技术简单，往往需要几种设备、经过几道工序、配合有经验的检验员手工操作才能完成检测。其缺点是设备性能低，操作烦琐，工人劳动强度大，而且数据可靠性取决于操作者的熟练程度、人为因素较大。但是随着最近几年的高速发展，国内的检测技术有了明显的提高。北京工业大学潘立新等人提出的有关电磁机构中电磁铁动态吸力特性的测定方案，应用电阻应变片电测技术对ZN410/10016型真空断路器机构中所用的电磁铁的动态吸力特性进行了测试。其测试原理非常简单，主要利用了电阻应变测试技术，将电阻应变片贴在与电磁铁铁芯相连的拉杆上，铁芯运动时拉杆受力变形，其变形量由电阻应变片转换成电压的变化送入动态电阻应变仪从而得到相应的应变值。中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用“工控机+数据采集卡+传感器”测试装置替代传统的“传感器+函数记录仪”模式测试程序由VC+开发。测试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集卡发生，传感器的测试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将测试得到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的性能曲线，测试性能曲线可直接打印。整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统测试方法高。二、研究内容、预计达到的目标、关键理论和技术、技术指标、完成课题的方案和主要措施研究内容：电磁铁性能测试台的总体设计，动力元件的选择，传动机构的设计，传感器的选择及其他零部件的设计。预计达到的目标：完成一整套能进行电磁铁力与行程，力与电压等性能测试的试验系统。技术指标：行程0-15mm力：0-300N电压：0-30V关键理论和技术：电磁铁性能测试台的总体设计中测试方案的选择，以及关键零部件的计算与设计。完成课题的方案和主要措施：此次课题设计主要措施是以AutoCAD和PRO/E为主要设计软件。三、主要特色及工作进度第1周：熟悉课题，调研，收集资料第2周：总体方案确定。第3周：撰写开题报告。第4周至第5周：主要零部件设计。第6至第8周：装配图绘制。第8周：撰写中期检查。第9周至第12周：主要零部件图绘制。第13周至第14周：撰写说明书，准备答辩。四、主要参考文献（按作者、文章名、刊物名、刊期及页码列出） 1 潘立新，张渊，白师贤. 电磁机构中电磁铁动态吸力特征的测定D. 北京工业大学，1990. 2 北京中经先略投资咨询公司. 电磁铁测试台项目可行性研究报告J. 北京，2013. 3 熊诗波，黄长艺. 机械工程测试技术基础M. 3版. 北京：机械工业出版社，2006. 4 杨叔子，杨克冲. 机械工程控制基础M. 6版. 武汉：华中科技大学出版社，2011. 5 陈国强. 电磁铁实验系统的研究D. 东北大学，2006 . 6 刘强. 电磁铁性能极其测试系统的研究D. 东北大学，2006. 指导教师意见指导教师签名：年月日系意见系主任签名：年月日院意见教学院长签名：年月日目录第1章绪论11.1 设计研究的应用目的和现实意义11.1.1 电磁铁的应用11.1.2 电磁铁性能测试的目的11.1.3电磁铁性能测试的现实意义11.2 国内外研究动态21.2.1 国内研究动态21.2.2 国外研究动态21.3选题的研究方法、主要观点、创新之处31.3.1 选题的研究方法31.3.2 选题的主要观点31.3.3 选题的创新之处3第2章电磁铁性能检测台的总体设计42.1 测试需求分析42.2 测试台结构原理4第3章动力元件的选择53.1 电机的分类53.2 电机的选择63.2.1 电机类型的确定63.2.2 步进电机简介63.2.3 步进电机型号的选择6第4章传动机构的设计94.1 机械传动机构的种类：94.2 传动机构的选择114.2.1传动机构类型的确定114.2.2 滚珠丝杠的简介114.2.3 确定滚珠丝杠的型号12第5章传感器的选择165.1传感器的定义及其主要作用165.2传感器选择175.2.1 位移传感器的选择175.2.2 力传感器的选择19第6章其他零部件的设计216.1 导套副类型的确定216.2 联轴器的选择236.3 轴承的选择246.4 余下零件设计25第7章总结26致谢27参考文献28附录：291.文献翻译：292. 英语原文：38电磁铁性能测试台设计摘要本次设计主要是安装固定步进电机、位移传感器和力传感器等测试传感器、滚珠丝杠和要求被测的电磁铁，设计的主题方案是用步进电机为动力元件，用一个刚性联轴器把步进电机和滚珠丝杠连接起来，使步进电机的旋转运动变换为缓慢的匀速直线运动，从而带动滚珠丝杠上的导轨滑块机构，以此收集电磁铁性能测试过程中所需各种数据。关键词：电磁铁性能测试步进电机滚珠丝杠传感器The design of electromagnet performance testAbstractThis design is mainly fixed stepper motor, displacement sensor and force sensor test sensors, ball screws and requirements measured electromagnet. Thematic program is designed stepper motor driven element, with a rigid coupling to connect the stepper motor and ball screw, rotary motion of the stepper motor is converted into a slow uniform motion, thus boosting the ball on the rail slider mechanism, Performance testing in order to collect the required solenoid various data.Keywords: Electromagnet Performance Testing Stepper motor ball-screw Sensor第1章绪论1.1 设计研究的应用目的和现实意义1.1.1 电磁铁的应用电磁铁是电流磁铁效应的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电磁流量计等。电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：（1）制动电磁铁主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。（2）牵引电磁铁主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。（3）自动电器的电磁系统如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。（4）起重电磁铁用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。（5）其他用途的电磁铁如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。1.1.2 电磁铁性能测试的目的如今在我国，电磁铁的性能测试应用的极少，有些工厂甚至都不用机器来测试电磁铁的性能，而是仅仅靠老工人的经验来判断电磁铁的好坏，这样做却有很大的危害，一方面工人的经验不能够百分之百的确定电磁铁的好坏，如果失误的话可能造成严重的后果，损害工厂的效益，另一方面却是由于电磁铁性能测试方面的机器缺失造成的，我国的电磁铁性能测试技术比较落后，所以有些工厂根本就找不到有关测试电磁铁性能这一方面的机器。所以，本次设计的目的是为我国的电磁铁性能测试技术抛砖引玉，引起有关这方面技术人才的重视，争取早日与国际接轨，保证电磁铁性能的可靠性，为工厂创造更多的效益。1.1.3电磁铁性能测试的现实意义目前我国电磁铁的应用的非常广泛，但是电磁铁的性能测试技术却比较落后，如果我们能够设计出电磁铁性能测试系统，那么它的意义将非常巨大。在一方面，目前我国还没有设计出成熟地电磁铁性能测试系统，所以本次设计有利于我国在电磁铁测试技术研究及对产品的生产，对提高我国的电磁铁性能测试技术，提升我国电磁铁性能测试的水平都具有重大的意义。另一方面来说，在电磁铁生产出成品出厂之前，它可以为电磁铁提供完善的性能曲线及相关技术数据。可以保证电磁铁的质量，同时也为用户提供方便。1.2 国内外研究动态1.2.1 国内研究动态北京工业大学的潘立新教授等人提出的有关电磁机构中电磁铁动态吸力特性的测定方案，应用电阻应变片电测技术对ZN4一10/100一16型真空断路器机构中所用的电磁铁的动态吸力特性进行了测试，其测试原理非常简单，主要利用了电阻应变测试技术:将电阻应变片贴在与电磁铁铁芯相连的拉杆上，铁芯运动时拉杆受力变形，其变形量由电阻应变片转换成电压的变化送入动态电阻应变仪从而得到相应的应变值1。中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用“工控机+数据采集卡+传感器”测试装置替代传统的“传感器+函数记录仪”模式，测试程序由VC+开发剥试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集卡发生，传感器的测试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将剥试得到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的比例电磁铁性能曲线，测试性能曲线可直接打印。整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统剥试方法高1。北京海泉公司开发的高精度位移传感器，性能指标与国际同行的水平相当,LVDT结构简单，灵敏度高,但是，LVDT在动态测试时受载波频率以及过滤频率的局限，其响应速度受到限制，因此LVDT频响范围小，适用于接触式静态测量，不宜用于高频动态测量1。1.2.2 国外研究动态德国Zwick公司开发和生产了额定载荷高达2000KN的比例电碰铁测试机，可以对多种类型的比例电磁铁进行垂直和水平方向的测试其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行“低”和“标准”两种等级的额定载荷分别为1KN和2 5KN的测试同时，Zwick公司还开发了名为testexpert的通用测试软件,美国Schaevitz公司作为全球领先的最大的LVDT生产厂商，其工程师JacksonSzczyrbak等细致的研究了LVDT的信号调理，对激励源、信号调制类型、放大器、过滤器以及专用的调理芯片等给以了详细的介绍1。日本KYB公司采用电涡流传感器作为其动圈式电一机械转换器的位移检测装置，协助完成闭环控制，实现了很好的控制精度；申请者提出了一种新型耐高压电涡流位移传感器，采用螺管式结构，能够实现高压环境下电机械转换器的位移检测1。1.3选题的研究方法、主要观点、创新之处1.3.1 选题的研究方法针对此次选题，首先在选题时就应该对此课题有一定的了解，并且对此课题保持一定的兴趣。在选好课题后应随时保持和指导老师联系的状态，遇到不懂的技术难题应及时向指导老师请教，但也不能凡事都依靠指导老师来解决，在自己的能力范围内，我们可以通过各种参考文献进行资料查找，也可以适度的在网上寻找一些对此课题有用的信息，对其整合，然后筛选出最可靠合适的信息进行合理的应用。在条件允许下，我们甚至可以进行实物研究，最直观的给出我们想要的信息。通过各方面的查找以及整合，对所有信息进行分析概况，透过现象看本质，找出实际规律，从而对自己的本次课题进行合理的设计和改进。1.3.2 选题的主要观点对于本次设计，首先要保证的是此次设计的合理性，不能异想天开，要符合现实基本规律。不能设计的太过繁杂，也不能够敷衍了事。考虑到此次课题对现实有比较大的作用和意义，此设计不能太过于理想化，要贴近现实，最好能够在现实中被很好的应用。此次设计的数据应精确，测试精度应高，范围尽量大，测试速度应快。1.3.3 选题的创新之处本次课题主要测试在额定电压下，电磁铁的吸力和衔铁行程之间的关系，并且对其电磁铁的寿命进行测试。然后在衔铁位置固定时，电压和电磁铁吸力之间的关系。所以，针对此次设计的重点就在力和位移上，在设计时可以用到力传感器和位移传感器，这样能使测试的数据比较直观的表达出来，不需要进行一些不必要的计算，使本次设计达到既不复杂，有能够很好的体现出本次设计的重点。 28第2章电磁铁性能检测台的总体设计2.1 测试需求分析测试对象：直流电磁铁电磁铁技术指标：力：0-300N电压：0-30V电磁铁性能测试要求：1、在额定电压下，电磁铁吸力与衔铁行程之间的关系测量。2、在额定电压和负载情况下，电磁铁的寿命试验。2、在衔铁位置固定的情况下，电磁铁吸力与电压之间的关系测量。2.2 测试台结构原理电磁铁性能测试台结构原理如图2-1：图2-1 机械系统结构原理图本次设计主要是安装固定步进电机、位移传感器和力传感器等测试传感器、滚珠丝杠和要求被测的电磁铁，设计的主题方案是用步进电机为动力元件，用一个刚性联轴器把步进电机和滚珠丝杠连接起来，使步进电机的旋转运动变换为缓慢的匀速直线运动，从而带动滚珠丝杠上的导轨滑块机构，以此收集电磁铁性能测试过程中所需各种数据。第3章动力元件的选择3.1 电机的分类1按工作电源种类划分：可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。 2按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。同步电动机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 3按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。4按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。5按转子的结构划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。6按运转速度划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。3.2 电机的选择3.2.1 电机类型的确定因为此次设计的电磁铁性能检测台所需电机转速要求不高，并且需要控制和调节。所以，选用步进电机作为动力元件是最合适的。3.2.2 步进电机简介步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。3.2.3 步进电机型号的选择步进电机选择方法一般按照以下步骤进行：首先确定其负载，然后进行步距角的选择，再对其静转矩进行计算选择，然后通过矩频特征曲线确定电流，根据电流再对静转矩进行修正，以此来对电机型号进行确定。只要不进电机的三要素步距角，静转矩和电流确定了，步进电机的型号便确定了下来。 1、首先需要判断有多大的力矩：一般来说，选择步进电机的主要参数是静扭矩。负载比较大时，需要采用相对大一点的力矩电机。力矩越大，电机的外形也越大。电机运转速度大小的判断：电机转速要求高时，应选择电感相对小，相电流比较大的电机，以此来增加输入功率。2、静力矩的计算与保持转矩的选择步进电机转矩的计算：由本设计可知电磁铁测试位移：L=15mm，测试时间t=5s由以上数据可以得出测试速度：V=L/t=3mm/s=180mm/min选择的滚珠丝杠导程：S=5mm由以上数据可以得出滚珠丝杠转速：n=V/S=180/5=36r/min设定电磁铁产生的最大推力为：F推=300N滚珠丝杠的效率=90%由以上数据可以得出功率:P=因此可以得出步进电机所需转矩：Tmin=由步进电机所需转矩，选择保持转矩为5 N.m的步进电机。3、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作）其中f为每秒脉冲数（简称PPS)综上所述，选择的步进电机型号为86BYG250BN-0401。型号为86BYG250BN-0401的步进电机技术数据如下表3-1所示：表3-1 步进电机技术数据规格型号相数步距角（）相电流（A）保持转矩（N.m）转动惯量（gcm2）重量（Kg）86BYG250BN-040120.9/1.84.0512002.6第4章传动机构的设计4.1 机械传动机构的种类：一般来说，用于步进电机驱动的机械传动机构，分为以下几类：表4-1 传动机构的基本分类机构特点滚珠丝杠(直接连接)用于距离较短的高精度定位。电机和滚珠丝杠只用联轴器连接，没有间隙。滚珠丝杠(减速)选择减速比，可加大向机械系统传递的转矩。由于产生齿轮侧隙，需要采取补偿措施。同步皮带(传送带)与链条比较，形态上的自由度变大。主要用于轻载。皮带轮转动一圈的移动量中包含值，因此需要修正。链条驱动多用于输送线上。必须考虑链条本身的伸长并采取相应的措施。在减速比比较大的状态下使用，机械系统的移动速度小。齿条和小齿轮用于距离较长的(台车驱动等)定位。小齿轮转动一圈包含了值，因此需要修正。转盘分度转盘的惯性矩大，需要设定足够的减速比。转盘的转速低，多使用蜗轮蜗杆。主轴驱动在卷绕线材时，由于惯性矩大，需要设定足够的减速比。在等圆周速度控制中，必须把周边机械考虑进来研究。进料辊将板带上的材料夹入辊间送出。由于未严密确定辊子直径，在尺寸长的物件上将产生误差，需进行补偿。如果急剧加速，将产生打滑，送出量不足。将伺服系统用于机械系统中时，请注意以下各点：减速比为了有效利用伺服电机的功率，应在接近电机的额定速度(最高旋转速度)数值的范围使用。在最高旋转速度下连续输出转矩，还是比额定转矩小。预压转矩对丝杠加预压力，刚性增强，负载转矩值增大。由预压产生的摩擦转矩，请参照滚珠丝杠规格书。保持转矩升降机械在停止时，伺服电机继续输出保持力。在时间充裕的场合，建议使用保持制动。4.2 传动机构的选择4.2.1传动机构类型的确定此次设计电磁铁的性能检测台，定位精度要求高，而测试时速度需要比较慢，因此用短距离的机械传动即可。所以，选择滚珠丝杠（直接连接）作为传动机构比较合适。4.2.2 滚珠丝杠的简介1、按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杆，已俗称丝杆）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等2、当滚珠丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杆的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杆常用的循环方式有2种：内循环和外循环。（1）内循环：内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽2。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键1定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽3，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。（2）外循环：外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。常用外循环方式(a)端盖式；（b）插管式；（c）螺旋槽式。端盖式，在螺母上加工一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。4.2.3 确定滚珠丝杠的型号（1）参数确定的流程：第一步：确定设计的定位、传动精度要求；第二步：根据电机对转速的要求确定丝杆的导程；第三步：确定螺母的尺寸进而确定行程及丝杆轴端的数据；第四步：通过负载及速度分布（加减速）来确定平均轴向力的转速；第五步：平均轴向力确定预压力；第六步：根据预期寿命、轴向负荷、转速确定动额定负荷；第七步：基本额定负荷，导程，临界转速，DmN值限制确定丝杆外径及螺母形式；第八步：外径，螺母，预压，负荷确定刚性；第九步：环境温度，螺母总长确定热变及积累导程；第十步：丝杆刚性，热变位确定预拉力；第十一步：最终确定丝杆的参数。（2）滚珠丝杆种类选择目前滚珠丝杆副的性价比已经相当高，无特别大的载荷要求的时候，基本都选择滚珠丝杆副，滚珠丝杆副具有价格比较便宜，效率高，精度可选的范围广，尺寸标准，安装方便等优点。在精度要求比较高或者载荷超过冷轧丝杆最大的规格额定载荷的时候需要选择磨制或者旋铣滚珠丝杆副。但是不管哪类滚珠丝杆副，螺母的尺寸尽量在系列规格中选择，以此来降低成本要求。（3）滚珠丝杆精度的选择滚珠丝杆副在用于纯传动时，通常选用“T”类（机械手册中提到的传动类），其精度级别一般可选“T5”级（周期偏差在1丝以下），“T7”级或者“T10”级，其总厂范围内偏差一般无要求。所以，价格较低，建议选“T7”，并且上面三种级别的价格相差不大。在用于精密定位传动（有行程上的定位要求）时，则选择“P”类（机械手册中提到的定位类），精度级别在“P1”、“P2”、“P3”、“P4”、“P5”级（精度依次降低），其中“P1”“P2”级价格很贵，一般用于非常精密的工作母机或者要求很高的场合，多数情况下开环使用，而“P3”“P4”级在高精度机床中实用的最多，需要很高精度时一般加装光栅，需要较高精度时开环使用也很好，“P5”则使用大多数数控机床及其改造，如数控车床，数控铣床，数控磨床以及各种配合数控装置的传动机构，需要时也可以加装光栅。（4）滚珠丝杆副规格的选择滚珠丝杆副的规格，首先是要选有足够载荷的规格。根据使用状态，选择符合条件的规格。并且，如果选用的事磨制或者旋铣滚珠丝杆副，要估算长径比（丝杆总长除以螺纹公称直径的比值），但因为长度在设计的时候就已经确定了，在规格的确定上需要调整，原则上使其长径比小于50,。（5）滚珠丝杆副预紧的方式选择对于纯传动的情况，一般要求传动灵活，允许有一定的返向间隙，此种情况多选用单螺母，因为它价格相对来说更便宜，并且传动也更灵活；对于不允许有返向间隙的精密传动的情况，则需要选择双螺母预紧，它能调整预紧力的大小，保持性好，并能够重复调整；另外，在行程空间受限制的情况下，也可以选用变位导程预紧，该方式预紧力比较小，但难以重复调整，一般不选。（6）滚珠丝杆副导程大小的选择选择导程跟所需要的运动速度、系统有关系，通常在4、5、6、8、10、12、20中选择，规格比较大的，导程一般也可以选择比较大。在速度满足的情况下，一般选择较小的导程，较小的导程有利于提高控制精度；对于要求速度高的场合，导程也可以超过20，对磨制丝杆而言导程一般可以做到约等于公称直径，当然，导程也可以选择更大的，但极少考虑。导程越大，同条件下旋转分力越大，周期误差将被放大，速度会越快。所以一般速度很高的场合要求的是灵活，而放弃部分精度需求，对吸要求意义变小，因此，大导程的丝杆一般都是单螺母。（7）滚珠丝杆副的安装形式在实际应用中，滚珠丝杆副的安装方式的选择，同样会影响到整个机构的工作效果，根据具体应用情况的不同，滚珠丝杆副的安装可以有多种不同的方式。不同的安装方式都有各自的特点，选择安装方式时，既要考虑到实际工作的要求，又要结合滚珠丝杆副型号规格的选择，只有两者综合起来考虑，才能实现最佳的效果，发挥出滚珠丝杆副的最大作用。在丝杆旋转类的滚珠丝杆副主要有以下四种支承形式。“固定固定”型：K2=4此种型号适用于高转速、高精度的场合。此形式两断分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。但实际中由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端，所以一般仅在定位要求很高时采用。图4-1 “固定固定”型“固定游动”型：K2=2此种型号适用于中转速、高精度的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担。这种形式结构简单，效果比较好，所以应用的比较广泛。图4-2 “固定游动”型“支承支承”型：K2=1此种型号适用于中转速，中精度的场合。该形式两断分别设有一个轴承，分别承受径向力和单方面的轴向力，随负荷的变化，分别由2个轴承单独承担某一方向的力。由于支承点随受力方向变化，定位可控性比较低，受力情况较差，所以应用的比较少。“固定自由”型：K2=0.25此种型号适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷由同一对轴承副承担，并且需要克服丝杆回转离心力造成的弯矩。此种形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低的情况下也经常用到。图4-3 “固定自由”型综上所述，选择的滚珠丝杆型号为SF2005-4。安装形式为“固定游动”型。型号为SF2005-4的滚珠丝杆的技术数据如下表4-1所示：表4-1 滚珠丝杆技术数据丝杠型号公称直径导程（mm）钢球直径（mm）循环圈数额定载荷（Kgf）动载荷Ca静载荷CoSF2005-42053.175411302380第5章传感器的选择5.1传感器的定义及其主要作用国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。电磁铁性能检测台的工作原理是：向控制器输入不同的电流控制信号，得到电磁铁位移以及作用力的变化与线圈电流相对应的情况，以求得电磁铁的位移输出、力输出与线圈电流的线性关系，即滞环、非线性度、重复精度、起始电流等指标。所以，要完成试验的要求，就需要位移传感器和力传感器。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到fm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。5.2传感器选择本次设计主要是通过通入不同的电流，得到不同电流下电磁的位移以及力的变化，以此绘出电磁铁的位移，力和电流的线性关系图。所以此次设计需要用到的传感器是位移传感器和力传感器。5.2.1 位移传感器的选择根据材质可以分为以下几类位移传感器：电位器式位移传感器：它通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。但是，为实现测量位移目的而设计的电位器，要求在位移变化和电阻变化之间有一个确定关系。图1中的电位器式位移传感器的可动电刷与被测物体相连。物体的位移引起电位器移动端的电阻变化。阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。通常在电位器上通以电源电压，以把电阻变化转换为电压输出。线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损。它的优点是：结构简单，输出信号大，使用方便，价格低廉。霍耳式位移传感器：它的测量原理是保持霍耳元件的激励电流不变，并使其在一个梯度均匀的磁场中移动，则所移动的位移正比于输出的霍耳电势。磁场梯度越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系越接近于线性。图2中是三种产生梯度磁场的磁系统：a系统的线性范围窄，位移Z=0时，霍耳电势0；b系统当Z2毫米时具有良好的线性，Z=0时，霍耳电势=0；c系统的灵敏度高，测量范围小于1毫米。图中N、S分别表示正、负磁极。霍耳式位移传感器的惯性小、频响高、工作可靠、寿命长，因此常用于将各种非电量转换成位移后再进行测量的场合。光电式位移传感器：它根据被测对象阻挡光通量的多少来测量对象的位移或几何尺寸。特点是属于非接触式测量，并可进行连续测量。光电式位移传感器常用于连续测量线材直径或在带材边缘位置控制系统中用作边缘位置传感器。根据运动方式可以分为以下几类位移传感器：角度位移传感器：角度位移传感器应用于障碍处理：使用角度传感器来控制你的轮子可以间接的发现障碍物。原理非常简单：如果马达角度传感器构造运转，而齿轮不转，说明你的机器已经被障碍物给挡住了。此技术使用起来非常简单，而且非常有效；唯一要求就是运动的轮子不能在地板上打滑（或者说打滑次数太多），否则你将无法检测到障碍物。一个空转的齿轮连接到马达上就可以避免这个问题，这个轮子不是由马达驱动而是通过装置的运动带动它：在驱动轮旋转的过程中，如果惰轮停止了，说明你碰到障碍物了直线位移传感器：直线位移传感器的功能在于把直线机械位移量转换成电信号。为了达到这一效果，通常将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值。传感器滑轨连接稳态直流电压，允许流过微安培的小电流，滑片和始端之间的电压，与滑片移动的长度成正比。将传感器用作分压器可最大限度降低对滑轨总阻值精确性的要求，因为由温度变化引起的阻值变化不会影响到测量结果。因为本设计的电磁铁性能测试行程为15mm0.5mm，所以选择W-DC系列中的W-DCD15、W-DCS7.5位移传感器W-DCD15、W-DCS7.5位移传感器技术指标：（1）量程：15、10mm（2）精度等级：0.5（3）供电电压：9V-24V，15V等（4）输出：0-5V，4-20mA等（5）动态频率：0-200Hz 表5-1 W-DC系列传感器尺寸表型号A(mm)B（mm）C(mm)D(mm)E(mm)最小最大W-DCD15、W-DCS7.517830801526M55.2.2 力传感器的选择力传感器简单来说就是能感受外力并转换成可用输出信号的传感器。其主要类别有：1、应变管式又称为应变筒式。此种传感器的机构简单。制造方便，在火箭弹，炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛的应用。2、膜片式：3、组合式本次设计的电磁铁性能检测台用来测试力要求精度比较高，通过综合考虑决定用S型传感器SE来测量电磁铁力的大小。此种传感器外形较好，可以承受很大的拉压力，结构简单，安装方便，互换性好，在载荷作用下弹性体的体积变化小，所以具有优良的自然线性度。并且能够方便的设计为拉、压两用传感器。S型传感器SE图片如图5-1：图5-1 S型传感器SES型传感器SE尺寸如图5-1所示：图5-1 S型传感器尺寸图第6章其他零部件的设计6.1 导套副类型的确定滚珠直线导套副是由导套轴、导套滑座（包括直线运动球轴承和直线运动球轴承支承座）和导套轴支承座组成的直线导向部件。按结构形式分为开放式和封闭式两类，开放式均可调隙，封闭式又可分为可调隙型和不可调隙型两种。由于其结构简单、摩擦系数小（只有 0.0010.004）、寿命长等特点，被广泛应用于数控机床、自动化设备、测量仪器、印刷包装机械、纺织机械、制药机械、玻璃机械以及其他需要直线导向的领域。滚珠直线导套副分为开放式滚珠直线导套副（GTA）和封闭式滚珠直线导套副(GTB)。GTA型开放滚动直线导套副如图6-1：图6-1 GTA型GTB型闭式滚动直线导套副如图6-2：图6-2 GTB型滚珠直线导套副的选用和计算：1、计算载荷：滚珠直线导套副主要用于直线导向，不能承受导套轴圆周方向的扭矩。在选用时，需对受力状态、受力结构进行受力分析，还需对运动过程的受力变化对导向系统产生的影响进行评估。2计算额定寿命：滚珠直线导套副寿命的衡量标准为：在允许的环境条件中，在承受负载等于额定动载荷（KN）的情况下，连续直线运动行程达到50Km（基准行程寿命）时有95%（基准可靠度）不产生材料疲劳破坏。由此可得滚珠直线导套副的额定行程寿命L为：L=(Km)其中，C：导套滑座的额定动载荷，参见“滚珠直线导套副的系列参数”，（KN） Pc：计算载荷，（KN）Ft：温度系数，见表6-1：表6-1 Ft：温度系数工作温度（）100100-150150-200200-250 ft1.000.90 0.73 0.60Fc:接触系数，见表6-2：表6-2 Fc：接触系数每根导套轴上的导套滑座个数12345 fc1.000.810.720.660.61fh：硬度系数， HRC58为基准硬度，低于HRC58时额定动载荷锐减。通常滚珠直线导套副的硬度为HRC58，故取fh=1Fw:载荷系数，见表6-3：表6-2 Fw：载荷系数工作条件无外部冲击和振动速度15m/min无明显冲击和振动速度15-60m/min有外部冲击或振动速度60m/min fw1.0-1.51.5-2.02.0-3.5当行程的长度已定，滚珠直线导套副的额定时间寿命Lh为：Lh=(h)其中，l：工作单行程长度(m) n：每分钟往复次数 L：额定行程寿命(Km) 综上所述，本设计应选择封闭式滚珠直线导套副（GTB），选择的型号是GTBt25。封闭式滚珠直线导套副GTBt25的技术参数：额定动载荷C：870N；额定静载荷CO：1560N。6.2 联轴器的选择联轴器的选择主要是考虑所需传递轴的转速高低，载荷的大小，被连接的两个部件间的安装精度，回转的平稳性以及价格等方面。具体选择的时候可以考虑以下几点：1、有时候联轴器在制造以及安装，或者受载变形和温度的变化时，可能会难以保持两轴之间严格精确的对准。如存在一些X、Y方向的位移和偏斜角CI等。当径向位移比较大的时候，可以选择滑块联轴器。香蕉的两轴连接或者角位移比较大的时候，可以选用万向联轴器。当工作中两轴产生比较大的附加相对位移时，则应该选用挠性联轴器。2、联轴器的工作转速高低和离心力的大小也会影响其选择。对于高速的传动轴，应该选用平衡精度较高的联轴器。3、联轴器所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲的功能要求也应适当考虑。对于大功率的重载传动，可以选用齿式的联轴器。对严重冲击载荷或者要求消除轴系扭转振动的传动，可以选用轮胎式的联轴器。因为绝大多数的联轴器都已经标准化，所以设计者的任务一般是选用而不是去设计。在选用时，转矩的大小是一个比较重要的参数。联轴器的转矩计算如下：已知电磁铁测试位移：L=15mm设定测试完成时间：t=5s所以，测试速度V=L/t=3mm/s=180mm/min选用滚珠丝杠导程：S=5mm所以，滚珠丝杠转速为n=V/S=180/5=36r/min设定最大电磁铁产生推力：F推=300N滚珠丝杠效率=90%故，功率P=所以，联轴器所需转矩T=由联轴器所需转矩以及一些其他需要注意的，本次设计选用圆锥销套筒联轴器。选用的圆锥销套筒联轴器尺寸如图6-3：图6-3 圆锥销套筒联轴器圆锥销套筒联轴器的技术参数如下：（1）圆锥销规格：GB/T 117-2000 322；（2）许用转矩：7.5N.m；（3）轴孔直径：12mm；（4）重量：0.09Kg。6.3 轴承的选择由上文中选择滚珠丝杠的时候就已经确定好滚珠丝杆的支撑方式采用“固定游动”型。所以在固定端将两个止推轴承安装在一起，作为固定的支承，而在另一端因为是游动的支承，所以当丝杠受热膨胀时，可以自由的伸长，并且不会引起丝杠的挠曲。所以本次设计的轴承选用IBC 7003C角接触球轴承。IBC 7003C角接触球轴承技术参数：（1）内径d：17mm（2）外径D：35mm（3）厚度：10mm6.4 余下零件设计余下零件的设计及其技术参数，详情见图纸。第7章总结本次课题主要是设计电磁铁性能测试台的机械部分，为以后电磁铁性能测试提供了一个基础，具有一定的理论和现实意义。在本次设计过程中，各种资料和文献的查找让我对电磁铁有了一定的了解，并且对我这四年来在学校学的知识进行了一次系统的梳理，让我对一些知识有了更加深刻的了解，更加让我感觉到在大学四年中学到的知识的重要性。由于时间的限制，本次设计并没有做出实物，也没有对此设计进行调试。做为一个设计者，在设计的时候应该充分的考虑各个方面带来的影响，使设计有很好的理论意义和现实意义。从本次设计，个人感觉本人对电磁铁的研究还不够深入，还有许多值得我们去思考的地方，如本次设计对电磁铁内部结构没进行研究，测试台的结构还能进行优化等。致谢本次设计是在毛美姣老师的悉心指导下完成的。在毕业设计期间，无论是在计算方面还是在画图方面，毛老师都给予了我极大的帮助。在设计将完成时，毛老师也悉心帮助指出设计中出现的错误，其严谨的态度对我影响深刻。在这次毕业设计中，班主任谭志飞老师也给予了我大量的指导，让我受益匪浅。同学们也很热心为我解决一些问题，让我深深的感激。感谢学校给我这次毕业设计的机会，让我在这段时间中重新梳理了一遍以前所学的各种专业知识，让我更加深刻的了解了知识的重要性。参考文献1 刘志军. 电磁器件性能参数测试系统的设计与实现. 机械与电子，20082 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册（第三版）M.北京：高等教育出版社,2006.5.3 潘立新，张渊，白师贤. 电磁机构中电磁铁动态吸力特征的测定D. 北京工业大学，1990.4 熊诗波，黄长艺. 机械工程测试技术基础M. 3版. 北京：机械工业出版社，2006.5 杨叔子，杨克冲. 机械工程控制基础M. 6版. 武汉：华中科技大学出版社，2011.6 刘强. 电磁铁性能极其测试系统的研究D. 东北大学，2006.7 王启平. 机床夹具设计M. 哈尔滨工业大学，2005.8 张晓玲. 机械原理课程设计指导M. 北京航空航天大学出版社。2008.129 濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2006.5. 10 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学（第七版）M. 北京：高等教育出版社，2009.711 赵如福. 金属机械加工工艺人员手册（第四版）M. 上海科学技术出版社，2006.10附录：1.文献翻译：采用微结构滤波器和多频介电电泳的细胞分离芯片Bang-Chih Liu, Tsan-I Chen and Cheng-Hsien Liu微系统与控制实验室，动力机械工程学系，清华大学，台湾，中华民国摘要：在本文中，我们介绍了介电电泳细胞分离芯片的发展和目前的初步结果。介电电泳力和尺寸过滤显微组织都纳入了我们微芯片的细胞分离功能。通过施加不同频率的单独输入电压与不同微提示行，不同的颗粒根据它们的大小和电动物业能在我们的移动设备中分离出来。该芯片还通过充当一个多尺寸的滤波器来提高分离效率。通过分析，仿真，和实验示范在此报告中来验证我们的分离芯片的功能。关键词：介电泳细胞分离显微滤波器绪论由于MEMS技术，通过MEMS分析DNA成为当今最流行的生物医学研究方法之一。他们包括了基因解释，基因识别，疾病的诊断和病毒分析。在所有这些序列前，可能在样品制备进行之后，从样品靶细胞中分离是一个重要的过程，如细胞裂解和DNA杂交序列。最近，介电电泳（DEP）被广泛的运用在一些生物技术和医疗科学应用程序中1。当它涉及到细胞分子操纵时，DEP可能是一种很有前途的把不同的生物芯片应用集成到一个单片微芯片中的工具2。现在有许多分离细胞的仪器，如流式细胞仪，离心层析法，磁细胞分离器。但这些仪器，尺寸大，笨重，昂贵，而且需要大量的样品。这些仪器不适合用于分析那些有许多种类但只有很少的样品的东西。微机电系统制造的生物芯片可能是一个替代的解决方案，用来满足像生物技术那样的要求。在这项研究中，我们开发了一个介电泳分离芯片，此芯片的功能类似于分离细胞，如分离红细胞和白细胞。基于大小和极性的不同来分离不同的微对象。我们可能会利用介电电泳力来进行生物医学分析平台上的细胞分离。在进一步的将来，它可以用于分离不同的碱基对的DNA，并从血液疾病中提取病毒抗原进行诊断应用。方法介电电泳（DEP）是一个非其次的电场和极化之间的相互作用的机电效果。当粒子被放置在一个电磁场时，由于部分电荷分离的结果，它会变成电极化，从而导致成为偶极矩。DEP力，FDEP，作用于球状体半径r可以表示为3,4:其中，是德尔矢量（梯度）算子，Erms是方均根电场，ReK(w)是一部分真正的CIausius-Mossotti因素，计算方式如下：其中，em和ep分别是复介电常数中的介质和粒子，e*的定义是e*=e-js/w,其中，j=-1，s=电导率，e=介电常数，w=所施加的角频率电压。图1所示的是MATLAB仿真结果的CIausius-Mossotti因素。当输入电压频率变化时，具有不同介电常数和电导率的颗粒有不同的DEP特性。图1.DEP力性能与频率所施加的电压的关系 ReK(w)对频率的依赖性的界限限制在1到1/2，这取决于粒子的极化比介质和随所施加的电压的频率以及复介电常数的介质是多还是少。叫正DEP（pDEP）时，ReK(w)0，定向粒子朝本地最大电场的区域渐变。反之，如果ReK(w)为负，力为负，则叫做负DEP(nDEP)，并且驱动的粒子远离高磁场梯度区域。设计和仿真图2，说明了我们的分离微芯片，微棱锥的电极阵列可以由Al提高到介电泳力和相隔30微米高的微结构。ITO图案与SU-8信道被用作顶盖和电接地。在这些椎体的电极下施加不同的电压具有不同的频率，符号ReK(w)可以变化，在目标粒子上感应或正或负的介电泳力。因此，分离功能可以

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