毕业设计（论文）-智能采水分析装置研制.doc

天津广播电视大学本科毕业论文 智能采水分析装置研制分校（学院）：滨海学院专业：机械设计制造及其自动化入学时间：2015年9月学号：姓名：指导教师：论文完成日期: 2017年10月1目录摘要4一、 绪论5（一） 研究背景5（二） 功能突出点5二、 智能采水部分的制作6（一） 机械结构与制作方案6三、 3 齿轮齿条的设计12（一） 齿轮传动设计12（二） 齿轮齿条设计与校核13四、 轴系零件的设计16（一） 轴的设计计算16五、 滚珠丝杠设计与校核18（一） 概述18（二） 计算18六、 轴承校核20（一） 轴上轴承的寿命计算与校核20七、 联轴器的选用21八、 导轨导向装置23九、 其余部件设计24（一） 大箱体、水箱及配电箱24（二） 采水装置24十、 智能采水分析装置使用说明26（一） 操作过程26（二） 注意事项26十一、 结束语27十二、 参考文献27天津广播电视大学2015届本科生毕业设计摘要本课题是：智能采水分析装置研制，是基于“智能移动天车装置”的基础上设计的一种智能的对水质量称重研发系统，结构比较简单。该机构是由两大部分组成，一部分为供水装置，另一部分为水采集和称重系统。供水系统是由一个1L的水箱构成，在水箱下端钻了7000多个直径为0.8mm的孔，水的流量是由一个直流可调节泵控制。采集水系统是可在一个可控平面内沿X、Y轴任意移动的水箱，在水箱底部安放称重传感器，传感器将信号传递给放大器，最后在计算机上可直接显示出水的重量，称重结束后由直线电机打开水箱放水口，放出箱内水，然后进入下一个称重位置。所以该设备研发有助于来自测试上压力缓解，对以后各行各业在产品改进、设备的改良等方面的发展起助推的作用。关键词：空中吊车轨道；直流电机；智能分析装置 ；传感器：驱动装置1、 绪论在化学医药等行业中，化学原料的配重比例是至关重要的。比重的不同，多多影响了它的作用以及疗效。因此，检测是相当重要的，相对于人工抽查检测即显得繁琐又需要大量的时间和经历作为付出，这样不但增加了附加值，而且检测误差也比较大。为了解决这些问题，研制一种智能的设备智能采水分析装置来替代人力劳动，不但可以减少劳动量，而且效率也相应的提高。同时符合了科学技术的一个发展趋势：高（速度、智能）化、高可靠(化)性。 智能采水分析装置是根据“智能移动天车装置”的基础上设计的一种智能水物质质量称重研发系统，结构比较简单。该机构是由两大部分组成，一部分为供水装置，另一部分为采集水和称重系统。供水系统是由一个1L的水箱构成，在水箱下端钻了7000多个直径为0.8mm的孔，水的流量是由一个直流可调节泵控制。采集水系统是可在一个可控平面内沿X、Y轴任意移动的水箱，在水箱底部安放称重传感器，传感器将信号传递给放大器，最后在计算机上可直接显示出不同时刻、不同位置采集水的重量，从而分析比较实际生产当中的液体输送进给是否正确、满足比例要求。称重结束后由直线电机控制打开水箱放水口，放出箱内已收集的水，然后进入其他个称重点。依次进行比较已采集的水质量(m)大小。（1） 研究背景针对直径较大的分离、反应设备，如果要利用智能采水分析装置检查它的均匀性，其中怎么样在现场更加直观地测试设备均匀程度却成了有些部门最为头疼的问题，或许，他们可以间接地得到想要的数据，可是怎么样才能保证可靠的和真实的呢?比如体积、重量、流量等来衡量，但与现场测试以及检测的效果、能力、程度规范要求、检测装置的适应性做比较，可以看出在诸许多面有着大的完善空间。所以我们结合企业要求的信息与美好广阔的市场前景来设计出检测精度高、自动化、使用范围大而强、处理方面效率高地智能移动称重装置是可行的。此设备的研制将缓解企业检测方面的需求，为企业的产品完善和企业设备的改进提供基础与保障，同时增强了企业竞争能力，也为各化工企业生产效率的升速起到助推的作用，保证了在世界范围内的化工企业占据地位。（2） 功能突出点1.智能机构采用多传感点布置单向扫描的方式，移动模块为横向、纵向和竖直方向分别用三个电机同步控制，其中两个移动电机上安放编码器自动反馈移动信号，使移动信号更加精准。2.在称重装置的基础上采取压力传感器，这样称重会更加精准，另外加装测量水的体积传感器在已知液体的比重前提下便可计算出液体的重量起到了双向保险的作用，很大程度地改善了设备本身的精度以及可靠性等。传动部分由可调电机驱动，由中央处理器控制，然后在行程两端可装上能够起限位作用的开关设备。3.测取得数据通过某分析库归纳总结然后经有关显示设备，能够行成某种相对直接的曲线或者表格状态趋势的表达形式，来判断其能够达到的能力。控制部分由触屏装置构成，可以有选择性的采集样本，方便快捷，实现了人机互动的优越性能。2、 智能采水部分的制作（1） 机械结构与制作方案l 机械结构设计智能移动、测重装置的机械结构设计是：在移动天车装置总体设计功能的基础上，根据初步确定的试验原理和方案，确定并绘出具体的零件图、装配图纸，将抽象的工作原理通过构件、零部件的组合来实现，综合考虑确定结构件的材料、形状样式、尺寸大小、公差配合的范围、热效处理方案、表面状况的同时，也考虑零件的加工和工艺方法即强度、刚度、精度在每一个零件相互种的重要性问题。一般情况，结构设计地直接产物为技术图纸，图纸表达的是设计方案的一门语言，综合性的技术具体化是设计上一项基本内容。本次设计采用的是自下向上设计的方法，先设计总体结构，用UG建模、装配，检查机械结构是否合理，结合老师的意见进行修改，最终定型,制定加工工艺卡片，按制定的工艺加工各个零件，完成装配工作，如图2-1所示：图2-1 整体三维结构设计图1-电脑 2-配电箱 3-导轨 4-电机1（实现X方向的移动） 5-滑块 6-电机2（实现Y方向的移动） 7-齿轮齿条 8-滑轨 9-箱体 10-采水装置 11-液压密封元件 12-管路 13-采水箱l 选择原则1.选择扭矩，也就是电机所称的“功率”，步进电机的结构区别于交流、直流的电机，他的输出功率是可以变化的。一般情况下根据需要的转矩大小（扭矩）来选择与之匹配的电机型号，通常情况下，当扭力在0.8N.m左右的时候，选择机身直径或者方度（mm）为20、28mm、35mm、39mm、42mm扭力在1N.m下，初步定为57的，也不能排除扭力更大的情行，也有86、110、130等大小不同规格类型型号。2.选择转速，对于电机输出似的转矩来说，它与电机的转速成反比，电机在低速旋转的时候，输出的转矩往往比再高速状态下输出的转矩要小很多。3.启动频率（空载启动），为选择电机的参数依据的指标。当机器瞬间启动、停止的次数频繁，而且转速要求也高的情况下，我们要作以考虑。4.电机相数，在不相等的相数电机，它的工作效果也是不经相同的，其原理为：步距角越小，相数却变多，振动量也减小。第五，使用环境：是否需要防水、防油，在一些情况特殊场合下的工作。5.根据我们使用的要求采取自行定制。l 步进电机特性对于定子绕组给电的状态每转变一次，他的转子也会跟着转过一定的角，与输入的脉冲数量成正比例关系。转子转动的快慢与否，是由定子绕组通电状态的速度改变觉定的，当加快给电状态的速度时，转子上对应旋转速度也跟着发生变化正比关系。转子旋转的方向跟定子通电顺序一致，有自锁能力，当定子通电状态不变时，其电机位置是停留不变的。步距角、定子、相数、转子的齿数、通电状态满足下面关系：m-相数，-步距角，z-转子上的齿数，k-为通电方式。l 电机的计算选择本设计预将X、Y方向的进给采用相同型号的步进电机对其设备进行动力的输送，可以排除一些干扰因素，比如，两个电机的功率大小导致X、Y方向的进给不能以相同的速度运动；Z轴电机采用伸缩电机，推动水箱底部开关，实现水箱自动排水的功能。电机通过静转矩、步距角（涉及相数）、电流等参数构成。一般情况之下，我们要根据三大要素一一逐步的确定，通过这些参数的查对有关电机规格表，确定电机规格型号。步距角由与它联接的负载决定是将负载的分辨率（最小）转换到电机轴，计算出电机转动对应角度。注意的是步距角应不大于此时的角度值。市场现有电机的步距角有以下几种规格：/（五相电机） /（二和四相电机）/（三相电机）等。在这里设计选用步距角为的直流步进电机。 步电机的动力矩在短时间内难以定下来，通常第一步计算它的静力矩数值。静力矩的依据源于载荷，也就是所说的负载（惯性、摩擦二种类型）。两者不可单独存在，直起时（一般由低速）时以二种负载的均匀性作为参考，准备加速起动时要以惯性负载为主，稳定的速度过程中摩擦负载是考虑范畴。一般地，静力矩为摩擦负载的（23）倍，在定下静力矩确定的情况下，相应的也就知道了电机机座长度规格以及整个电机型号。本装置一般为连续运转,属于载荷不变的变化，所以采用直流低压电源对其进行电力供电。水箱质量M=5kg，螺距,丝杆传动比i=1, 效率,在垂直方向的力矩: 折算到电机轴上得D=0.144实际当中太小,圆整取为D=8mm。则有电机功率数据如表2-1所示。同时结合圆柱齿轮传动比范围为（35），总传动比范围为（925），综合以上述参数，故电动机转速范围为在（107.5298.5）r/min职中；综合考虑以上参数因素，决定采用两相四线42BYGH403AA混合式直流步进电机，其信息参数如下表2-2所示。表2-1 电机功率数据公式值输出转速输出功率传动系统效率实际输出功率 表2-2 电机参数信息表电动机型号额定功率(kw)同步转速额定转速重量输出直径42BYGH403AA500g8mm 注：42为机座尺寸、BYG为混合式名称、4-两相 4线,其电机实体如图2-2：图2-2 电机实体图电机二维尺寸结构，如图2-3所示:图2-3 电机二维尺寸结构图273、 3 齿轮齿条的设计（1） 齿轮传动设计l 设计概述齿轮传动在作为机械当中尤为重要的传动之一，被广泛的应用，形式多种多样，结构之紧凑、传递效率高、工作稳定可靠是被看重的要点。可是它的失效也是不容忽略的主要有：1.轮齿折断，是齿受载荷时，根部位有较大的弯曲内应力（产生）会让齿根截面变化，而加工过的痕迹也可能使的应力进一步集中起来，整个转动过程中轮齿是重复受载，来自齿根处的疲劳会蔓延，到极限时折断发生的这种现象。2.齿面点蚀齿，在传动时齿面材应力发生交变，疲劳过程中会产生一些麻点状剥落的损伤现象，继续旋转的话麻点慢慢扩大到一定程度，轮齿表面上的那些材掉下来形成凹坑。3.位于齿面部位的磨损，重点是存在硬质磨粒，落入了齿的工作面，当在齿旋转会有磨损。4.齿面胶合，齿面在一定压力情况下齿面上的附着金属颗粒发生粘着，齿面进一步滑动，附着金属从齿面上撕裂并分离下来形成沟槽，也就是所说的齿面发生了胶合.5.齿面上塑性变形，因为重载或者过载传动的传动产生摩擦力，导致比较软些的齿轮部位材料有可顺着摩擦力发生的方向运动，这样主从动摩擦力与原来方向相反指向节线，出现凹沟、凸楞的现象。根据不同的失效形式，来制定符合要求的准则，其中有关齿根的弯曲和齿面接触产生的疲劳强度的计算尤为重要。l 齿轮材料选择由于材料种类繁多，选材要注意：1.齿轮齿条的材料性能一定要符合工况条件。2.对齿轮毛坯规格大小、热处理方法以及制造加工工艺方案需要确定。3.正过火后的钢，无论坯料加工过程怎样，仅仅适载荷范围较小平稳、小冲击的齿轮，承受不了大相对大冲击载荷；调制处理的，适用于加工冲击载荷较小工作环境。4.合金钢一般用来加工高速、重载同时有冲击工况下的轮齿。5.由于该齿轮承受载荷比相对较小，所以选用齿面硬度350HBS的，所以选择齿轮材质37siMnMoV,调质处理，硬度在320340HB之间，齿条材质为45#钢并进行调质，硬度达到280300HB。得、；、.（2） 齿轮齿条设计与校核l 参数确定1取压力角=直齿圆柱齿轮。2介于=的直齿轮,取17,则齿形系数、校正应力系数。 3齿宽系数:根据材质查机械设计手册图13-1-75取,按照表13-1-79选取齿宽系数，根据修整后。4载荷相对平稳，载荷系数K取1.25工作寿命（给定的参数）：3年，200工作日，工作日为4小时，即：。6计算许用应力 （接触疲劳许用应力） （齿根弯曲许用应力） 式中：-应力循环系数，其应循设计时给定值，即：N=60121800=1.29,查机械设计手册得，安全系数定为s=1、s=1.2,带入计算的：,。l 综合计算 电机输出功率为2.8,齿条进给速度v=11cm/min。 1.齿根弯曲强度设计 模数： (圆整为2) 转矩: 即取m=1,分度圆直径与齿条速度关系： 2.接触疲劳强度设计 分度圆直径： 其中查材料特性系数机械设计手册表2-1取，由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以=1。综合比较模数大小，其主要是取决于弯曲的承载力，疲劳强度是承载能力决定因素，按照m=2计算：齿宽 取整为10mm 齿高 取整为5mm最终确定齿轮数据：模数m=2 齿数z=17 分度圆直径d=34mm 齿高h=5mm 齿宽b=10mm 转速n=12r/min 齿轮中心到齿条基线距离 其中：为齿轮转速r/min; 标准齿轮=0.最终三维齿轮设计如图3-3所示：3-3 齿轮三维设计图在实际制作过程当中，取计算数值的1.5倍进行加工制作。4、 轴系零件的设计 1.轴设计的任务：要把满足强度、刚度要求想进去，同时要确定结构合理性以及轴的全部的几何尺寸；其结构不仅与载荷有关系，同时受轴上零与之联接件个数、安装、位置、定位方法和加工工艺等因素的影响。要注意的是：轴没有固定的标准结构，设计是应该根据具体问题具体灵活的对待原则，设计机构必须在设计计算之间相互交互的进行。 2.设计原则是：机构应利用提高轴的刚度与强度，保证或者力求轴受力合理，以免减轻或避免应力集中的现象；结构形状合理，其定位牢固可靠，是工作中有准确的工作位置的保证。 3.注意事项：轴（肩、环）上零件定位时倒圆角半径、毂轮倒角、高度以及轴肩高 度h符合rc(保证零件紧靠定位面)；r+ch,差值在轴向力作用下有足够的强度。套筒定位时注意：轴头距离越等于轮毂宽度；套筒和零件接触高度如果过小，可以将套筒制作为梯形结构；套筒同时接触动静面（轴承），为了避免过度磨损，一端设计在与轴承内圈处。阶梯轴直径差必须分清楚，是定需要还是便于轮毂装入，定位需要足够的定位高度，而便于装入要保证轴径差的存在。（1） 轴的设计计算l 光轴设计 1.轴的材料为45#，并正火。由表查得 2.按转矩估算最小直径： 轴功率 转速 转矩 由表查取C=118，根据计算公式：,根据计算公式得,考虑实际情况，确定d=8mm.3.、轴结构设计如图4-1所示:图4-1 轴二维图a、轴零件定位：此轴为光轴，轴两端均为螺纹固定。b、注意部分倒圆角、倒角尺寸标注问题。5、 滚珠丝杠设计与校核（1） 概述l 滚珠丝杆特性是将电机的回转和工件的直线运动之间的相互转化的理想产品，当以丝杆为运动主体在电机驱动下，螺母伴随丝杆转动角度按照导程规律转化为直线运动，从动件用螺母连接实现直线运动。兼有高精度、高效率和可逆性特点。（2） 计算l 导程计算在电机确选型完毕后，根据其额定转速以及水箱运动速度，决定丝杠的导程。驱动电机为两相四线42BYGH403AA混合式步进电机，最高转速为为12rpm，两者通过联轴器连接，传动比为0.9，水箱,即110mm/min，得到丝杠导程为： 按照实际取为10mm可达到要求。l 丝杠副的载荷、转速计算 这里用取静摩擦系数来计算=0.006，导轨产生的静摩擦力： 其中：M-水箱收集水下的质量为5。 -导轨滑块阻力，按照2个计算，每个为5N。因为工作的时候阻力来源于 丝杠副当量载荷： 当量转速: l 预期额定载荷 1.按照丝杠工作时间进行计算： 式中： -当量转速，-预期工作时间，-符合系数，无冲击选择1，-精度系数，按照2级精度取为1，-可靠系数，选1。 2.按照丝杠预行距离计算: 其中-初步运行距离，定为488.5mm 3.按最大轴向载荷计算： -丝杆最大载荷, -预加载荷，轻载选为6.7 4.轴向变形量：定位精度为mm 5.丝杠螺纹底径： 确定两固定支承间距（行程为400mm）： 丝杠螺纹底径： 圆整为8mm.6、 轴承校核（1） 轴上轴承的寿命计算与校核轴承型号为60000，查表得基本额定动载荷,查得温度系数。 1.当量动载荷： 式中：径向载荷，Fr=0.045kN 轴向载荷,轴向载荷很小，可以忽略不计。 2.基本额定动载荷C 式中， 寿命系数，由轴承的预期寿命，得 力矩载荷因数，力矩载荷较小，所以 冲击载荷因数，载荷稳定，所以 速度因数， 温度因数，T120。, 3.基本额定寿命计算 经过校核计算得出额度寿命大于实际预期寿命，所以选取的轴承满足使用要求。7、 联轴器的选用由于是标准件，选择的时候课根据（计算转矩、工作条件）选择合适的规格类型,再根据轴直径、转矩及转速在现有的参数或者手册中比较查询的到数据相近的型号，也可以自行设计，尽可能的要验算工作零件的强度和其他性能。选择是满足： (7-1). (7-2)Tc、Tm依次是联轴器计算转矩与额定的转矩（N*m）;n,【n】分别为联轴器转速和许用应力转速(r/min)；K 为工作情况系数按照轴上的最大转矩计算，公式：Tc=KT得： 差机械设计手册，考虑选择选用弹性联轴器类型联接，查的联轴器的工矿系数k=0.9,额定转矩Nmm、额定转速,由公式(7-2)计算得,根据机轴直径d=8mm查标准，满足使用要求.选用弹性联轴器的是由于： 属于较小力矩的轴联接、零回转间隙；弹性作用补偿径向、角向、轴向偏差；顺逆时针回转特性相同；定位是用螺丝夹紧定位；适合与步进电机、丝杆联接，其结构如图7-1所示：图7-1 弹性联轴器8、 导轨导向装置导轨的主要是用来承受除自身之外的重载和引导装置的运动方向轨迹起导向作用。输送过程中进给导轨与起支撑作用的（动静）导轨间速度相对较小。用滚动摩擦性能，广泛用于进给运动指导现场。再本设计里面存在两种类型：一是与丝杠安装在一起的，用来对丝杠传动的导向以及平衡来自水箱压力，减轻丝杠承受力；二是支承整个结构的装置，为了使得该装置能够准确可靠的实现有效的传动，则采用导轨和滑块组合形式来完成结构的运动方向和支撑辅助作用。导轨与导向装置如图8-1所示：图8-1 导轨导向实体图9、 其余部件设计（1） 大箱体、水箱及配电箱l 大箱体根据工作要求和空间结构，选定其材料为有机玻璃，确定结构以及基本尺寸如下：大箱体为有机玻璃材质1： 长 L=500mm 宽 D=350mm大箱体为有机玻璃材质2： 长 L=500mm 宽 D=350mm大箱体为有机玻璃材质3： 长 L=500mm 宽 D=500mml 水箱考虑到防锈的问题，并根据工作要求和空间结构，选定其材料为不锈钢，确定的结构与基本尺寸如下：水箱： 长 L=500 mm, 宽 D=500mm, 高 h=110mm。l 配电箱根据工作要求和空间结构设计，选定其材料为铝板，确定基本尺寸如下：配电箱铝板1：长 L=210mm 宽 D=180mm配电箱铝板2：长 L=210mm 宽 D=120mm配电箱铝板3：长 L=180mm 宽 D=120mm（2） 采水装置l 分流水板为了使采集到的水均匀可用，则采用有机玻璃板作为采水板，并在其表面钻均匀的直径为的小孔。采水板：长 L=500 mm, 宽 D=500mm, 高 h=5mml 采水桶根据工作要求和空间结构设计，选定其材料为铝板，采水桶：直径 d=77 mm, 高 h=68mm，三维实体设计整体装配图如图9-1、9-2所示：l 采水桶制作工艺卡片如图9-3所示： 图9-1 水桶三维设计结构(修改后）图 图9-2 水桶组装图10、 智能采水分析装置使用说明（1） 操作过程1.把智能采水分析装置净重约10千克左右，应放置于水平面上，如 （桌子、实验仪器台等）。2.连接各仪器的连接线并连接电源。3. 打开电脑，并按设备仪的开启键。4.对仪器进行有关的设置，封闭仪器箱体后，按下运行按钮即可。（2） 注意事项1.保证电源装置可供本仪器能够正常运行。2.使用本仪器时，应将采水装置的锁紧螺母锁死，以防止在运转过程中松动。3不可以使用酸、碱和其他易腐进行擦洗，长久不用时箱子内外需要不定时用中性洗涤剂做清洁工作，保持仪器内部干燥。4.如果仪器设定完毕后出现异常情况，要及时切断电源开关。5.暂停时的测量通道，应设输入方式为“GND”，触发电平为“OFF”。6.使用当中，家人数据读取记录仪突发断电，再次通电需要初始化。7.切勿在仪器顶部放任何东西。8.开通电源送电，仪器工作正常，如果需精工作，则需事先预热一段时间。9.电入缆线尽可能避开靠近高压及其他干扰源。11、 结束语毕业设计的题目是智能采水分析装置，之所以是智能是利用了plc对机械运动进行控制，使运行速度、位置精确，在设计过程中首先是利用三微软进行建模设计，然后进行分析，绘制二维的零件加工设计图纸，通过实际加工过程，对于图样上的表达标注是否合理能够做出判断，对国家的尺寸标注的标准也有了解，对机械的整体机构我了进一步的理解与加深，对零件设计与计算更加熟练。同时对设计软件的应用更加熟心应手，动作快捷、效率大大提高，也提高了自己实际操作的水平。这次设计是确立一套可行的智能采水分析装置系统。在设计过程中综合考虑设计方案的可靠性，如零件的受力分析，材料的强度、质量，机构的运动特性，各个零件的位置