（机械电子工程专业论文）计量泵机电一体化控制系统的研制.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 计量泵机电一体化控制系统的研制 摘要 计量泵是一种既具有介质输送又具流量调节功能的机械设备，很适于作 执行元件在各种需进行液体介质输送的过程控制系统中使用。但传统的计量 泵调节流量的精度难以满足现代化大规模生产工艺流程控制的自动化要求， 尤其在有害液体的计量，危险环境下的调节等方面，传统设备更是捉襟见 肘，因此，对计量泵实现自动控制、实时监测、精确调节已势在必行。 为解决上述问题，利用单片机技术，以a t 8 9 c 5 2 芯片为核心，并考虑 各种抗干扰措施，同时对计量泵的调节传动部分作了相应的机械改造，研制 开发了计量泵机电一体化控制系统。 本控制系统的研制主要分为机械传动部分的设计以及电路的硬件和软件 设计两部分。机械传动部分采用步进电机驱动一对减速齿轮，然后带动轴转 动，通过滑键使丝杠移动来达到对计量泵的调节。 电路硬件部分采用a t 8 9 c 5 2 芯片为主控制芯片，同时和a t 8 9 c 2 0 5 1 芯 片进行串行口通讯，用以产生控制信号来控制步进电机。软件部分采用了c 语言设计，它因具有方便的模块化编程技术，可容易地植入新程序，能使编 程及程序调试时间显著缩短。 本控制系统具有自动和手动两套方案，以按键的形式切换。在手动状态 下，可以通过键盘直接输入流量值。在自动状态下，通过对采集的4 2 0 m a 模拟信号进行a d 转换后可自动的进行流量控制。 关键词计量泵；机电一体化；单片机；步进电机；u n i g r a p h i c s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n to fm e t r i cp u m p m e c h a t r o n i c sc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t m e t r i cp u m pi sak i n do fm a c h i n e r yt h a th a st h ef u n c t i o no ft r a n s p o r t i n gt h e m e d i u ma n da d j u s t i n gt h ef l u x s oi ti ss u i t a b l et ob ea sa ne x e c u t i v ec o m p o n e n t t h a ti su s e di nt h ep r o c e s so fc o n t r o ls y s t e mw h i c hn e e dt r a n s p o r ta l lk i n d so f l i q u i dm e d i a b u ti t i sd i f f i c u l tf o rt h et r a d i t i o n a lm e t r i cp u m pt o a d j u s tt h e p r e c i s i o no ff l u xt os a t i s f yt h ea u t o m a t i z a t i o nn e e d so fc o n t r o l l i n gt h ef l o wo ft h e m o d e r n i z a t i o nm a s sp r o d u c t i o nt e c h n i c s ，e s p e c i a l l yi nt h em e a s u r e m e n to ft h e n o c u o u sl i q u i da n dt h ea d j u s t m e n tu n d e rd a n g e r o u se n v i r o n m e n t t h et r a d i t i o n a l d e v i c eh a sm o r ep r o b l e m s ，s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt h a tm e t r i cp u m pr e a l i z et h e a u t o - c o n t r o l ，r e a lt i m em o n i t o r i n g ，a n dp r e c i s em o d u l a t i o n i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s ，t h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rt e c h n i q u e i s a d o p t e d ，a t 8 9 c 5 2c h i p i su s e da sc o n t r o lk e r n e l ，v a r i o u sa n t i 。d i s t u r b m e a s u r e sa r ec o n s i d e r e d ，a n dt h ec o n t r o l a n dt r a n s m i s s i o np a r t so ft h em e t r i c p u m pa r ea l t e r e dc o r r e s p o n d e n t l y ，a n dt h e nt h em e t r i cp u m pm e c h a t r o n i c s c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ft h ed e s i g no f m e c h a n i c a l l y d r i v e nd e v i c ea n dh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec i r c u i t t h e m e c h a n i c a l l y - d r i v e nd e v i c ea d o p t ss t e pm o t o rt od r i v eap a i ro fs p e e d - d o w n g e a r s ，a n dt h e nd r i v et h ea x i st or o t a t ew i t hg e a r s ，w h i c hl e a dt h es c r e wm o v e t h r o u g hs l i d i n gk e yt or e a l i z et h er e g u l a t i o nt ot h em e t r i cp u m p a t 8 9 c 5 2i sa d o p t e da sm a i nc m o sc h i pi nt h eh a r d w a r eo fc i r c u i tw h i c h c o m m u n i c a t ew i t ha t 8 9 c 2 0 51t op r o d u c ec o n t r o l l i n gs i g n a li no r d e rt oc o n t r o l s t e pm o t o r s ，a n dcl a n g u a g e i s a d o p t e di ns o f t w a r e b e c a u s ei th a st h e a d v a n t a g e o u sm o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m et e c h n o l o g y , t h en e wp r o g r a mc a nb e p l a n t e de a s i l ya n dt h et i m eo fp r o g r a m m ea n dt h ea d j u s t m e n to ft h ep r o c e s sc a n b ec u td o w nr e m a r k a b l y t h i sc o n t r o ls y s t e mh a st w os e t so fc o n t r o ls c h e m e s ：a u t o m a t i cc o n t r o la n d i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 m a n u a lc o n t r 0 1 t h r o u g h p r e s s i n gs w i t c hk e y s ，t h e yc a nb es w i t c h e de a s i l y i nt h e m a n u a lc o n t r o lc o n d i t i o n ，t h ev a l u eo ff l u xc a nb ei n p u tt h r o u g ht h ek e y b o a r d s t r a i g h t l y w h i l ei n t h ea u t o m a t i s mc o n t r o lc o n d i t i o n ，w i t ha dc o n v e r s i o n c o m p o n e n t ，t h es y s t e mc o n v e r s e st h e4 - 2 0 m aa n a l o gc u r r e n ts i g n a l si n t od i g i t a l s i g n a l st or e a l i z et h ef l o wc o n t r 0 1 k e y w o r d s m e t r i cp u m p ；m e c h a t r o n i c s ；s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r ； s t e pm o t o r ；u n i g r a p h i c s i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文计量泵机电一体化控制系统的研 制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所 取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成 果。对本文研究工作做出贡献的个 和集体，均已葩文中以明确方式注明。本声明的法 律结果将完全由本人承担。 作者签名：灸次起醐：& 礁拐7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 计量泵机电体化控制系统的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文 的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用 学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和 借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手殷保存论文，可以公 布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密匦，在0 年解密后适用授权书。 不保密口 ( 请在以上相应就内打) 作者签名：狄匆足日期：o 靠多月歹日 导p 程名：研鸺日期q 柝乡月7 日 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 1 1 课题的来源及意义 1 i 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题来源于沈阳双环泵业有限公司的项目，解决的问题是如何实现计量 泵机电一体化流量的精确控制。流量控制是计量泵工作的核心内容，对流量实 现机电一体化的控制能够促进企业技术进步、提高企业的现代化管理水平，达 到对企业生产经营过程进行整体优化，增强市场地应变能力和竞争能力，从而 获得更好的经济效益。 1 1 2 课题的意义 计量泵是一种既具有介质输送又具流量调节功能的机械设备。由于其输 出流量与可调参数柱塞行程长度间有较为理想的线性关系如： q = k d 2 n s 4 ( 1 1 ) 式中q 计量泵理论平均流量； d 柱塞直径； ，z 柱塞往复频率； s 柱塞行程长度； 足与d ! s 、n 所取单位相关的常数 所以，很适于作执行元件在各种需进行液体介质输送的过程控制系统中使 用。计量泵是一种可在动态和静态都可以调节流量的往复式柱塞泵，随着现代 化工工业的发展，计量泵在石油、化工、电力、原子能、轻纺、环保、水处 理、食品等国民经济的重要工业领域中起着十分重要的作用，特别是在需要计 量精确、配量可靠、连续输送各种介质的工艺流程中显得更加重要。计量泵可 以按照工艺流程的需要在额定流量从0 1 0 0 范围内任意改变流量的大小，计 量泵输送介质温度可达3 0 , - , + 1 0 0 0 c ，粘度为0 3 8 0 c p 不含固体颗粒腐蚀性和 非腐蚀性介质n 1 。 但在计量泵的实际应用中，有许多环境是不允许工人进入进行调整来改变 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 流量的，或者人工调节是危险的( 如有毒液体) ，同时人工调整是很费时费力 的工作，精度也相对较低，对生产力的提高会产生不利的影响。因此，针对此 种情况，在实际应用中迫切需要一台能进行远程控制，又能提高精度的自动控 制系统心1 。 采用这种系统避免了普通工人进入实际危险环境的必要，并且以单片机为 控制核心的控制仪器具有很高的可行性，所以采用这个控制系统能够扩大计量 泵的应用范围，可以改善工人的劳动环境，同时又能提高精度和劳动效率。 计量泵的机电一体化控制系统的开发在实际的工厂需求中有很大的使用价 值，基本满足和解决了泵类行业在面对当今的机电一体化改造的问题，因此对 本课题进行研究是很有必要的。本课题涉及了多方面的知识，例如机械设计原 理、数字电路、模拟电路、单片机应用技术及其应用软件的编程，是对机电一 体化的尝试。 本控制系统通过具体的软、硬件结合，使计量泵在工作的过程中能够根据 我们的需要来自动调节流量大小，保证计量泵的流量精度，降低产品的成本， 提高生产率。 1 2 计量泵的结构及其原理 1 2 1 计量泵的结构 液压隔膜计量泵由液力端、传动调节机构和电动机三部分组成。传动调节 机构是由蜗轮蜗杆减速，通过曲柄连杆机构将电机的旋转运动转换成往复运动： 柱塞行程长度的调节是通过旋转手轮，使丝杆带动n 形轴产生轴向位移，从而 改变曲柄的旋转半径来实现的。隔膜计量泵的传动调节机构，通常与柱塞计量 泵的传动调节机构通用。隔膜计量泵的液力端是由柱塞的往复运动，通过液压 油驱动隔膜来完成吸排介质口。 1 2 2 计量泵的n 形曲轴传动原理 一般情况下，往复式柱塞泵是用曲轴驱动连杆做往复运动，而n 形曲轴泵 则用n 形曲轴代替普通曲轴h 1 。从图1 1 可知，n 形曲轴l 旋转驱动一个偏心 的凸轮连杆2 ，完成柱塞往复运动。 n 形曲轴位置相对凸轮可以上下移动，以调整凸轮的偏心量。当凸轮处于 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 n 形曲轴中心位置时，其偏心量是最大行程长度的四分之一。n 形曲轴的偏心 量，在轴中心处为零，在n 形轴两端处相同。在凸轮和n 形曲轴组成的机构 中，n 形曲轴向下运动到端点时，n 形曲轴的偏心量与凸轮的偏心量相抵消， 即凸轮中心和n 形曲轴转动中心致，连杆不发生往复运动( 图1 1 a ) ；当n 形曲轴向上运动到另一端时，n 形曲轴和凸轮的偏心量之和即为偏心半径，连 杆往复运动行程为最大( 图1 1 b ) 。n 形曲轴偏心量随着n 形曲轴的上下运动 而成线性变化，因此泵行程可在此范围内任意调节，泵的流量也随之而改变。 萨挚争 图1 1n 形曲轴传动示意图 f i g 1 - 1 t h e d r i v i n gd i a g r a mo f ns h a p ec r a n k 1 2 3 计量泵液力端的工作原理 液压式隔膜计量泵的液力端比较复杂，见图1 2 。它包括由液缸体、柱 塞、填料密封、三阀( 补偿阀、放气阀、安全阀) 组成的液压腔，由缸盖、进出 口阀构成的介质腔和隔膜三部分。隔膜设置在中间，隔开液压腔中的液压油和 介质腔中的被输送介质，形成了以隔膜为主体的压力平衡系统。其工作原理就 是将柱塞的往复运动转换成隔膜的凹凸挠曲变形的交递运动，促使介质腔内的 压力产生变化，实现介质的吸人和排出。在此工作过程中，隔膜只能在两曲面 限制板组成的隔膜腔内起到压力平衡和隔离液压油的作用，隔膜自身不能运 动。当柱塞在吸入行程时，液压油随着柱塞的向后运动而填补了柱塞的空间， 液压腔内趋于负压，此时隔膜随液压油的运动向液压腔方向靠拢，以至最后紧 贴在后限制板上，隔膜就变成了凹曲面，使得介质腔内产生了真空，吸人球阀 自动开启，介质随着压差自动进入介质腔。当柱塞转入排出行程时柱塞由后死 点向前死点运动，液压腔的压力随着上升。由于介质腔的压力低，此时，隔膜 向介质腔靠拢。介质腔内的压力也随之上升，介质在压力下冲开排出阀，进入 输出管路，直至隔膜贴在前限制板为止。这一排出行程，隔膜由凹曲面变成了 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 凸曲面。液压式隔膜液力端就是如此反复交递运行，连续不断地输送介质强1 。 1 柱塞；2 液压腔；3 膈膜；4 放气阀；5 安全阀；6 补偿阀； 7 缸盖；8 液缸体；9 出口球阀；1 0 进口球阀； 1 1 介质腔 图1 2 液力端示意图 f i g 1 - 2 t h ed i a g r a mo f h y d r a u l i ch e a d 1 3 计量泵的发展状况 泵作为一种通用机械设备已有很长的发展历史。但计量泵作为往复泵的分 支，迄今只有7 0 年的发展史。而国内的发展时间更短，只有三十多年。随着 生产的发展和生活质量的不断提高，计量泵的应用范围正不断扩大到国民经济 生产的各个行业。同时，科学技术的发展和生产工艺控制过程要求的提高，对 计量泵的技术含量和技术要求日渐苛刻，也迫使计量泵生产商的开发速度不断 加快n 1 。 1 9 3 6 年，美国米顿罗公司应美国最大的化学药剂生产商之一“贝兹公司 的要求发明了用于定量添加药剂的计量泵。我国在使用和制造计量泵方面起步 较晚，国内计量泵的研制始于1 9 6 7 年，开发的起点比较高，但是，由于计量 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 泵只是作为企业产品的一个种类存在，所以，对后续研发重视不够，加上缺乏 与国外专业生产商的交流，因此在产品种类和控制模式上没有跟上最新的发展 趋势。国内的机械加工手段落后制约了高精度和高质量产品产生。目前，国内 大、中型泵类通用机械生产厂所拥有的大部分加工设备仅是手工控制的车、 铣、刨床。零件加工精度无法达到高精度计量泵的要求。材料科学的发展对计 量泵发展产生影响。“聚四氟乙烯”是具有良好耐腐蚀性的非金属材料，通过 改变材料各层之间纤维组织的方向和其他结构，可提高材料在温度、压力及使 用寿命等各方面的性能，这类材料已在隔膜式计量泵中得到广泛应用。目前， 国内也有类似的隔膜式计量泵。但与国外同类产品比较隔膜材质还有待进一步 提高哺。 9 0 年代以后，计量泵以1 0 以上的速度在国内迅速发展。随着生产的发 展和生活质量的不断提高，计量泵的应用范围正不断扩大到国民经济生产的各 个行业。同时，科学技术的发展和生产工艺控制过程要求的提高，对计量泵的 技术含量和技术要求日渐苛刻，也迫使国内计量泵的生产开发速度不断加快。 对总流量无级调节的要求，使总流量调节部分成为一个独立开发的模块得到不 断发展。 1 4 课题研究的主要内容 双环泵业有限公司对本课题的要求是：研制出单片机控制系统，可以对计 量泵进行远程控制，同时此系统能根据外部输入的4 2 0 m a 模拟信号具有自动 控制流量大小的能力。 本课题的是针对j 1 型计量泵设计的一个控制系统。在机械传动装置中， 考虑了电机的选择与控制。在单片机软硬件上充分考虑实际当中遇到的问题， 设置一些保护措施，主要包括信号的隔离和保护以及在元器件的选择上要采取 一些措施。 本控制系统的最终任务是要满足丝杆的重复定位精度达到1 的要求，决定 j 1 型计量泵的出口流量的丝杠响应参数为：螺距= 2 r a m ，行程为2 0 r a m 。系统 总体结构主要是由一台单片机控制器和机械传动装置组成，在控制过程中可以 手动输入流量，也可以由外部模拟信号自动控制流量。 课题内容包括： 1 传动装置的设计 2 传动装置的u g 模型建立及其装配 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 传动装置的u g 仿真 4 控制系统的硬件电路设计 5 控制系统的软件设计 6 系统的抗干扰设计 哈尔演理t 人学t 学硕j j 学位论文 第2 章传动装置设计 2 1 传动装置的总体结构 丝杆控制传动部分的结构如图2 1 所示：步进电机1 带动小齿轮2 转动，小 齿轮2 带动大齿轮3 转动，大齿轮轴4 被角接触轴承固定在外壳上，仅随大齿轮3 转动。4 与丝杆5 之间由滑动键连接，所以5 在和4 同速转动过程中还上下移动。 丝杆就是计量泵的旋动旋钮部分，它的上下移动即可改变柱塞的有效行程，进 币j 引起i t 量泵流量的变化| 7 。 3 1 步进电机；2 小齿轮；3 大齿轮； 4 大齿轮轴：5 丝杆 图2 1 丝杆传动结构 f i g 2 - 1 t h ed r i v i n gs t r u c t u r eo fs c r e w s 4 5 哈尔演理丁入学丁学硕f j 学位论文 2 2 电机的选择 2 2 1 电机种类的选择 本传动装置中的电机若采用普通的异步电机来带动丝杆改变柱塞泵的行程 具有以下两方面突出缺点：不可避免的会产生对象的纯滞后性，过渡时间 长，超调量大，参数恢复缓慢0 ；运动机构必然具有惯性，因此当电机正反 转控制信号断丌后，执行器输出机构还会继续运动导致定位不准确“列。这 早采用步进电机来驱动机构，电机的速度由软件编程的方式来实现，当实际流 量接近目标流量时，电机采用减速控制，使系统运动惯性减小，准确的到达目 标位置n 4 1 5 1 。本传动装置具有自锁定功能在定位控制方式下，流量一旦 达到给定值，步进电机便处于通电自锁状态，使传动机构位置锁紧，从而避免 了计量泵运行时把当量的相对位移转移而影响流量和计量精度副。 2 2 2 步进电机介绍 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超 载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而 不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这 一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使 得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单u 7 1 n 8 1 。 步进电机的角位移量或线位移量与输入的脉冲数成正比，其转速或线速度 与脉冲频率成正比。由于步进电机的步距不受电压波动、负载变化、环境变化 的影响，而且在负载能力的范围内，其角位移或线位移误差不会长期积累，故 这类电机特别适合于在开环数字控制系统中使用。正因为如此本系统采用了步 进电机作为传动装置的驱动元件n 引。 步进电机的步距角可按下式计算乜训： 0 = 3 6 0 z p ( 2 - 1 ) 式中z 转子齿数； p 运行拍数，p = k m ，m 为步进电动机的绕组相数，k = 1 或2 根据公式( 2 1 ) ，就可以计算出步进电机的步距角。若输入脉冲频率为厂 ( h z ) ，步距角0 的单位为弧度( t a d ) ，则连续输入控制脉冲时步进电动机的 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 转速( 转分) ： 刀：盟：一6 0 f ( 2 2 ) 刀= o = 一 l z zj 2 n z p 由此可见，步进电动机的转速与脉冲频率成正比，并与频率同步。根据式 ( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可知，步进电动机的相数及转子齿数越多，则步距角也就 越小，这种电动机在脉冲频率一定时转速也就越低。 步进电机具有比较好的自锁功能。即当控制脉冲停止输入，且让最后一个 脉冲控制的绕组继续通电，则电机就可以保持在固定的位置上，也就是在最后 一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置上。 2 2 3 步进电机的计算 1 负载转矩z 移动丝杆所需的最大力为： r = 6 0 1 0 = 6 0 0n t a i l 口：卫：兰：! ：0 0 3 6 7 r d3 1 4 2 2 式中口螺旋升角( r a d ) 互= o 5 r d t a n ( 0 r + 口) = 0 5 x 6 0 0 x 2 2 x t a n ( 9 。+ 2 。5 ) 2 1 3 n m 式中 岛当量摩擦角 ( r a d ) 乙= i + 弓。1 3 + 0 7 = 2 0 n 掰 式中 弓估算摩擦力力矩( 所) 2 负载惯量以 直线运动物体的转动惯量( 负载惯量) 为： 以= r x ( p 2 x ) 2 = 6 0 x ( 2 5 x 1 0 1 2 x 3 1 4 ) 2 = l x l o 。5 堙m 2 式中p 丝杠导程( m ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 哈尔滨理下人学工学硕十学位论文 大齿轮的转动惯量为： 也= 彬譬= 2 o 1 2 2 8 = o 0 0 3 6 姆删2 小齿轮的转动惯量为： 以= 叱等= 1 o 0 4 2 僻0 0 0 0 2 船崭 折合到电机上的等效转动惯量为： 以= 以+ ( + j o ) i 2 = 6 0 x 1 0 。k g m 2 3 移动速度的脉冲速率f ( p p s ) 的换算 五= 3 6 0 i v o s p = 3 6 0 x 2 5 0 1 8 x 2 5 = 2 0 0 0 ( p p s ) 式中1 ，移动速度( m m s ) ； 鼠电机的步矩角( o 步) ； ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ，减速比： p 丝杠导程( i t l i n ) 4 计算启动转矩z 在上式( 2 1 1 ) 中求到的脉冲速率因为超过自启动频率，所以，即使把 2 0 0 0 p p s 加到驱动器上，电动机也不转动，因此要按照加速方式来做。该加速 的启动脉冲速率取5 0 0 p p s ，计算出启动转矩z z ：五丝万：6 0 x 1 0 - 4 型x 5 0 0 ：9 0 ，1 0 一5 所t ，2 一- 1 2 ) = 土o ，= 一一3 u u 2 y j u ，行1 z j 3 g1 8 0 。1 1 0 18 0 5 计算加速转矩乙 从5 0 0 p p s 到2 0 0 0 p p s ，如果上升时间为l s ，则此时需要的加速转矩 瓦为： 瓦= 焉( 五吲以击 ：! 兰旦：( 2 0 0 0 5 0 0 ) 6 0 1 0 4 上：3 3 x 1 0 一n 埘 ( 2 1 3 ) 1 0 - 哈尔滨理丁大学工学硕十学位论义 式中 五变速区内的脉冲速度( p p s ) ； 彳自启动区内的脉冲速度( p p s ) 6 计算全负载转矩t 1 1 丁= ( i ) l 7 7 5 ( 3 3 x 1 0 - 4 + 2 0 3 ) 高砘7 5 历( 2 - 1 4 ) 式中7 7 传动效率 7 确定电动机 根据求到的启动转矩z = 9 6 x 1 0 一n m 和全负载转矩r = 0 7 5n m ，选 取2 倍余量，则可得到： 启动转矩为： 2 z = 2 x4 8 x 1 0 4 = 9 6 x 1 0 - 4n m ( 2 1 5 ) 全负载转矩为： 2 t = 2 0 7 5 = 1 5n 所 ( 2 1 6 ) 8 选择步进电机 本系统中我们选用的是常州创伟电机厂生产的5 7 b y g h l 8 1 0 混合式步进 电机作为驱动源，及其相应的步进电机驱动器是x c w 2 2 0 。步迸电机的标准技 术参数：步距角为1 8 度，额定电流3 0 a ，静转矩为2 0n m ，重量为 1 2 5 0 9 。5 7 b y g h l 8 1 0 混合式步进电机是目前常用的、性能较高的步进电动 机。它综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，具有步距角小，出力 大、动态性能好。其工作原理是：电机的定子上有四个均匀的磁极，其夹角是 9 0 度。各磁极上套有线圈，在转子和定子每个磁极的极弧上均布有一些小齿， 且定子、转子小齿的齿距和齿宽均相同，但定子和转子上的小齿数目不相同， 其比值是一个分数，就产生了所谓的齿错位的情况。当某一相磁极小齿和转子 的小齿对齐时，另一相磁极小齿就与转子小齿有一个1 8 度的错位角，于是当 这相绕组通电，就产生定子磁场，其磁力线穿越这相磁极，并力图按磁阻最小 的路径闭合，从而使转子受到反应转矩( 磁阻转矩) 的作用而转动，直到其磁 极上的齿与转子齿对齐，这时转子就恰好转动了1 8 度；接着其它的磁极齿与 转子齿又错开1 8 度，转子就这样不断地顺着一定的方向转动。 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 2 3 齿轮设计 小齿轮用4 0c ，调质处理，硬度2 4 1 h b 一- - 2 8 6 h b ，平均取为2 6 0 h b ，大齿 轮用4 5 钢，调质处理，硬度2 2 9 2 8 6 h b ，平均取为2 4 0 h b 。 1 初步计算： 总转矩： 传动比i ： 小齿轮转矩： 齿宽系数魄： 接触疲劳极限盯矸i i m ： 儿值： 疋= 2 0 n m f = 3 五= 2 0 1 3 = 0 7n m 取吮= 1 0 仃h k 。i 7 1 0 m p al i m 2 = 5 8 0 m p a 初步计算小齿轮直径d z ：d l 取儿= 8 5 = 1 3 3m m( 2 1 7 ) 取函- - 3 0 m m 初步齿宽b ：b = 蛳d l - - 1 x 3 0 = 3 0m i l l ( 2 1 8 ) 2 齿面接触疲劳强度校核： 小齿轮转速为： 取模数为： 则小齿轮齿数为： 大齿轮齿数为： 圆周速度为： 啊= 1 8 0 r r a i n z 2 = i z i = 4 5 v ：! 型! 刍：o 3 8 ，栉s 6 0 1 0 0 0 1 2 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) = ，r一h2 丑一m ，气 l i 所互 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 使用系数： 动载系数： 齿间载荷分配系数k 胁： 由此得出： k a = 1 1 b = 1 1 c 鲁= s o k a f , ；2 0 朋朋 一= i j ，v ，珊m b 乞= 1 8 8 - 3 2 ( - 三- - 专) 】c o s 胛6 7 = 专卅4 2 齿向载荷分布系数： k m p = a + b ( b “。) 2 + c 1 0 _ 3 6 = 1 2 9 载荷系数k ： k = k a k , , k m ，k t - t 口= 2 2 2 弹性系数名： 节点区域系数z 何： 接触疲劳极限岫： z e = 1 8 9 8 肛虿 z h = 2 5 i i m = 5 8 0 m p a 许用接触应力 】：【o n o 9 l i m = 5 2 2 m p a 验算：o - h = z z m 之 传动无严重过载，故不作静强度校核。 3 确定传动主要尺寸： 1 3 - ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) (