灌装机拨瓶机构机械设计.doc

毕 业 设 计设计（论文）题目：灌装机拨瓶机构机械设计 及其驱动系统设计姓 名： 专 业： 机电一体化指导教师： 2009年 9 月 12 日灌装机转台机械及驱动系统设计摘要：本文提出了种一灌装机转台系统的设计方案，并用变频器实现其变速功能，从而达到方便实用的目的。首先，要进行的是灌装机机械部分的设计。根据实际生产要求计算本系统所需要的转速及功率。动力通过转台系的芯轴传入，芯轴通过键将动力传给转台，转台上面即是灌装机的机头。对于转台系统，主要的传动零件就是齿轮,拨瓶系与转台系通过传动比为1：1的一对齿轮相连，使机头与拨瓶轮同步吻合。然后，根据变频调速三相异步电动机的电磁设计特点和结构特点，针对实际生产时所需的不同转速，对电动机的转速，功率等各项参数进行计算，三相异步电动机实际上是灌装机转台系统速度控制系统的执行部分，进而设计出根据不同生产状况实现变速的灌装机转台驱动系统。该系统具有操作方便，运行可靠，成本低，自动化程度高等优点。所以对灌装机的研制开发具有一定的参考意义。关键词：灌装机 电机 变频器 前言11灌装机简介21.1灌装机的结构及其工作原理简介21.2灌装机驱动系统的概况21.3本课题的主要研究内容32灌装机转台系统设计42.1灌装机转台系统材料的选择42.2传动方案的拟订52.3转台系统零件的计算和选择52.3.1齿轮的设计52.3.2芯轴的设计计算82.3.3轴承的选择93系统机电参数计算和电动机的选型103.1三相异步电动机的结构与工作原理103.1.1三相异步电动机的组成103.1.2三相异步电动机的转动原理103.1.3三相异步电动机的运行性能133.2三相异步电动机的选型154变频器调速系统设计174.1调速的意义174.2调速系统的选择174.2.1变频器的调速原理174.2.2输入与显示部分设计194.2.3信号采集与处理部分设计214.2.4强电控制的电路设计224.2.5变频器的选择234.3单片机的选用25结束语27致谢28参考文献29山东大学自学考试毕业设计（本科）前言灌装机械制造水平的发展体现在灌装阀核心技术的发展上:从重力灌装到先进的抽真空等压灌装:从平面阀密封结构到锥形阀密封结构;从凸轮的机械接触控制到PLC全时间程序控制;从传统机械弹簧阀到现代电控气动电子阀。这些都体现了技术的进步和发展。我国的灌装机械制造业，经历了仿制、引进技术、消化吸收、创新、自主开发的过程，技术进步及创新的速度很快，而且在不断缩小与国外先进技术之间的差距。国内很多厂家生产的灌装机比较有代表性，能在模仿的基础上发展出自己的特色，且能够溶入高新技术，比如有灌装时灌装头自动伸入瓶内缓缓上升，使液体不外溢，灌装量通过PLC控制在荧屏显示，适合有一定泡沫的药液或化妆品的潜入式灌装机:攻克了屋顶形包装机不能热灌装、不能加盖、不适用B型盒和B型屋顶形包装机等。灌装工艺对灌装机的转台结构及其驱动系统的要求比较高，要求它既是一个调速比大的平滑无级调速系统，同时是一个起动、制动、电动的操作时间短，控制过程平稳，定位准确的系统。80年代前国内外的灌装机的驱动控制系统多采用交流电磁滑差调速系统或液压调速系统，但却存在调速性能不理想、效率低、结构复杂、故障多、难维修等缺点。随着交直流异步电机技术的不断完善和变频技术的日趋成熟，灌装机的驱动控制系统被直流调速系统和交流调速系统所取代，尤其是交流变频调速系统有取代直流调速系统的趋势。随着市场经济的完善和发展, 商品流通的深度和广度进一步扩大, 包装工业在国民经济中的作用和地位越来越高。根据各国经济发展水平不同, 包装工业的产值通常占国民生产总值的1.5%- 2.2%。经济越发达, 包装工业所占的比重就越大。灌装机就是包装机械的一种。建国以后, 我国陆续建立了一些灌装设备生产厂, 但主要是一些小型设备, 技术落后。八十年代初,国家开始积极引进国外先进灌装技术, 当时灌装技术主要掌握在少数国有企业手中。随着改革开放的推进, 一些原来从事机床、农机制造的企业也转到灌装设备的开发制造上, 从业厂商逐渐增多。我国的灌装设备主要是应用在酒业、饮料的灌装上, 从灌装原理上大体可分为负压灌装机、常压灌装机、等压灌装机、定量灌装机、料位灌装机等几种类型。但是目前各个设备生产厂家的灌装机在灌装能力、效率、适宜瓶型范围及自动化程度等方面各有优缺点, 不同程度地制约着产品包装质量和生产率。但是, 现在灌装机的应用主要在酒类、饮料类等食品行业上, 适用于一种瓶形。对于药品灌装来说, 尤其是小批次的临床试验用药, 灌装要求多变, 所以加工能适应规格变化多样的灌装需求、成本较低的灌装机还有很大的市场空间。这就需要将计算机技术进入包装机械设计领域, 以达到机械性能的柔性化和系统化程度的迅速提高, 以满足不同的市场需求, 降低设计与生产成本。该设计主要是结合相关药品企业的要求进行的非标产品的整机设计与制造, 主要设计思路是借鉴美国进口设备, 用计算机辅助设计的方法进行设计, 并验证了其工作性能, 达到了灌装要求, 为灌装机在药品制造业的的应用提供了新的研究思路。1灌装机简介1.1灌装机的结构及其工作原理简介本课题的灌装机是一种对盛药水的玻璃瓶进行灌装的一种机械。它适合于对不同直径不同高度的瓶子，容积较小，瓶口不大的玻璃瓶进行全自动灌装。它主要由转台系统和拨瓶系统两大部分组成，具有结构简单合理，精度高，机型小巧，灌装量和灌装速度均可任以调节，无瓶不灌装，灌装量准确，并有自动计数功能，自动化程度高等优点。转台系统和电动机相连，通过变频调速满足不同生产率的要求，该机防腐性能良好、密封可靠，操作方便简单、快捷，并具有过载保护功能。本课题提出了一种新的方法：用单片机、三相异步电动机和测速系统实现转台的转动，并实现了灌装过程的自动控制。1.2灌装机驱动系统的概况科学的发展也推动了机械的不断前进。在控制系统方面，随着时代的变迁，灌装机越来越趋向于自动化，传动则由单机联动到单独传动，工作幅度也由以前的一次给一只玻璃瓶灌装到给现在的给多瓶灌装，工作温度也由常温常压发展到高温高压，由紧式发展到松式。其中，最为显著的特点是机电一体化程度越来越高，机电一体化是目前新型灌装机发展的必然趋势和目标。机电一体化系统是将传统的机械技术与新兴的微电子技术及信息技术相结合，可以说机电一体化是现代机械的标志。目前，机械的机电一体化设计具有以下几个特点：(1)自动控制技术、计算机应用技术不断深入。(2)采用新的驱动方法。(3)多种方式控制技术相结合。(4)控制系统的数字化、计算机化。由此可见，由单片机、三相异步电动机和测速系统实现的转台恒线速控制不仅适合机电一体化的发展方向，而且，目前这种控制方式是一种新型的控制方式。具有工作可靠、成本低的优点。1.3本课题的主要研究内容(1)灌装机转台系统的设计(2)系统机电参数计算和电动机的选型(3)变频器调速系统的设计2灌装机转台系统设计现代机器的设计主要是在当前技术发展所能达到的条件下，根据生产及生活的需要提出来的。一般来说，会对机器提出以下的基本要求：(1)使用功能的要求 设计一台机器其主要目的是为了使用，因此设计一台机器应使其具有预定的使用功能。这主要得从正确地选择机器的工作原理，正确地设计或选用能够全面实现功能要求的执行机构、传动机构和原动机，以及合理地配置必要的辅助系统来实现。(2)经济性要求设计一台机器时经济性的考虑是很重要的。机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，设计制造的经济性表现在机器的成本低；使用经济型表现在高生产率，高效率，较少地消耗能源、原材料和辅助材料，以及低的管理和维护费用等 。(3)劳动保护和环境保护要求在劳动保护上，我们要使设计的机器为操作者提供方便和安全的条件。因此设计时要尽可能减少操作手柄的数量，操作手柄及按钮等应放在操作者便于操作的位置。同时，设置完善的安全防护及保安装置、报警装置、显示装置等。(4)可靠性要求机器不能正常工作，说明机器由于某种故障而不能完成其预定的功能，即失效。因此，机器的可靠性也成为机器的一种固有属性。它在机器的设计、制造阶段就已经确定了。我们在设计机器的时候，可靠性的要求是绝不容忽视的。 对于本次机械部分的设计主要是对与电动机相连的转台系统的设计。2.1灌装机转台系统材料的选择 对于一台机器，其材料的选择应该考虑到多方面的内容，主要应该从其工作的环境、工作条件、工作对象、工作时是否能够产生危险以及经济性等方面着手。本次设计的灌装机转台系统，由于其工作时的强度不大，并且对转台的转速要求不是很精确，因此对于机器材料的选择主要就考虑到经济性及工作对象。 该机的对象主要是玻璃瓶、药瓶、酒瓶等容器，并且在灌装后，瓶子中装有液体，因此，首选之一是材料应具有防锈和防腐蚀能力。由于在工作过程中其工作力度不大，故其主要特性是耐腐蚀、润滑性能良好等。 由以上分析知，我们对转台系统材料选择合金钢。2.2传动方案的拟订由其工作原理和设计规则得知，最后我们拟订了传动方案简图，即图2.1。图2.1 传动方案简图2.3转台系统零件的计算和选择对于转台系统，主要的传动零件就是齿轮，由于传动比不是很大，并且传递力也不大，其工作寿命为20年，每年工作约270天，每天工作16小时，其生产效率为1250瓶/小时/头，可以算得齿轮转速为20.8r/min，故我们选择直齿圆柱齿轮即可满足条件。 2.3.1齿轮的设计 (1)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1)由上图传动方案简图知，选用直齿圆柱齿轮传动就符合要求。 2)转台系统为一般工作机器，速度不高，故选用9级精度（GB1009588）。 3)材料选择。考虑到其工作条件查表得该中心齿轮的材料可选用HT200，硬度选为220HBS。 4)齿数选择。由于转台系统和灌装系统属于两个独立的系统，且两者通过齿轮啮合进行速度传递，故两齿轮的传动比可选为1：1，故两者的齿数相等，并且齿数比我们一般设计的齿轮齿数要多，这样才能够传动平稳和承受较大的转矩。我们初步选择齿数为100。 (2)该系统属于开式齿轮传动，故应该采取按照齿根弯曲疲劳强度进行设计。 设计计算公式为 m 1)确定公式内各计算数值 a、由图查得齿轮弯曲疲劳强度极限Fe=180Mpa b、计算应力循环次数N=60njL=6020.81（1627020）=1.07810 c、计算齿轮传动转矩 T=9550000P1/n=95500001.5/20.8=688701.9Nmm d、由图查得弯曲疲劳寿命系数K=0.85 e、计算弯曲疲劳需用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4,得 =K/S=0.85180/1.4=109.29Mpa f、计算圆周速度v v=dn/(601000)= 221.720.8/(601000)=0.24m/s g、计算载荷系数 根据v=0.24m/s,9级精度，由图查得动载系数K=1.08； 直齿轮，假设KF/b100N/mm。由表查得K=K=1.2； 由表查得使用系数K=1； 由表查得9级精度、悬臂齿轮时K=1.15+0.18(1+6.7)+0.3110 b 将数据代入得 K=1.15+0.18(1+6.711)11+0.3110 88.68=2.5635； 由b/h=17.84, K=2.5635查图得K =2.65；故动载系数 K=KKvKK=11.081.22.5635=3.32 h、查齿形系数 由表得 Y=2.18 i、 计算齿宽b b=d=0.4221.7=88.68mm j、查应力校正系数 由表得 Y=1.79 k、计算 YY/ YY/=2.181.79/109.29=0.0357 l、设计计算m m=2.97mm故最后选择分度圆直径为300mm，模数为3mm，内径选择65mm。 2)几何尺寸计算 a、计算分度圆直径 d=mz=3100=300mm b、计算齿宽b b=d=0.4221.7=88.68mm 取齿宽b=90mm （3）验算 Ft=2T1/d=2688701.9/300=4591.346N KF/b=14591.346/9051N/mm，合适故以上齿轮的选择符合题意。齿顶圆直径：da=(Z+2ha*)*m=(100+2X1)X3=306da500 做成腹板式结构，如图2.2所示：图2.2 中心齿轮2.3.2芯轴的设计计算 (1)轴的材料选择 轴的材料一般主要是碳钢和合金钢。由于碳钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故我们选择转台系统轴的材料为碳钢，并且选择45钢，调质处理。 (2)轴的结构设计 在轴的结构设计中，我们主要考虑轴的外形设计和尺寸的设计。 对于转台系统，芯轴是其核心部分，由于其结构比较简单，我们对轴设计成三段阶梯即可。由齿轮的内径为65mm，并且转台立套套在轴的外侧，两者为间隙配合。故我们估算轴的直径为3050mm。 (3)轴的校核 表2-1列出了轴常用的几种材料的及A0值 表2-1轴的材料Q235-A、20Q275、35（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr13/Mpa1525203525453555A014912613511212610311297 该转台系统轴主要承受扭矩，故轴的扭转强度条件为 =T/=9550000/(0.2d )；故可得出轴的直径为 d=A；式（2-1） 由表2.1中45钢中我们选择数据，本次设计中轴端需要安装联轴器，故我们选择取较小的值，故由表选择=105。代入式（2-1）轴的设计公式可得 d105=38mm；图2.3 芯轴 由于轴外部有个转台立套套住芯轴，芯轴如图2.3所示，并且轴承和齿轮都套在转台立套上，这样相对来说加大了轴的直径，故我们选择轴的直径为35mm、38mm和40mm。92.3.3轴承的选择 由于轴承属于标准件，故我们在选择轴承时可以直接查表选择合适的轴承即可。 本转台系统属于悬臂齿轮，故主要承受径向载荷，但同时也承受微小的轴向载荷，考虑到经济方面和普遍使用情况，我们选择深沟球轴承即可。 由轴的直径和转台立套的厚度我们可以选择深沟球轴承。由机械设计手册，我们查得轴径较小的部分轴承选择6213；对于轴径较大的部分轴承选择6315。1 10 113系统机电参数计算和电动机的选型 电动机可分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机。它被广泛地应用来驱动各种金属切削机床、传送带、功率不大的通风机及水泵等。3.1三相异步电动机的结构与工作原理 三相异步电动机实际上是灌装机转台系统速度控制系统的执行部分，首先对三相异步电动机的组成、原理及运行性能作一个简单的介绍，这样对正确使用三相异步电动机和正确选择三相异步电动机都有重要的意义。3.1.1三相异步电动机的组成 三相异步电动机由定子（固定部分）和转子（旋转部分）两个基本部分组成。三相异步电动机的定子由机座和装在机座内的圆筒形铁心以及其中的三相定子绕组组成。机座是用铸铁或铸钢制成的，铁心是由相互绝缘的硅钢片叠成的。铁心的内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组AX，BY，CZ，有的联结成星形，有的联结成三角形。3.1.2三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机接上电源，就会转动。现在就其原理作个简要的说明。(1)旋转磁场1)旋转磁场的产生三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组AX，BY和CZ，将三相绕组联结成星形，接在三相电源上，绕组上便通入三相对称电流。其波形如图4所示。在wt=0的瞬时，这时iA=0；iB是负的，其方向与参考方向相反，即自Y到B；iC是正的，其方向与参考方向相同，即自C到Z。将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。合成磁场的方向是自上而下的。同理，如图当wt=60时，合成磁场已在空间转过了60；当wt=90时的合成磁场比wt=60时的合成磁场在空间又转过了30。由上可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。2)旋转磁场的转向由图3.1分析知，在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为ABC，因此，磁场的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关。3)旋转磁场的极数三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120空间角，则产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；如果每相绕组有两个线圈相串联，绕组的始端之间相差60空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即p=2。同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40（=120/p）空间角。 图3.1 三相异步电动机波形图4)旋转磁场的转向由图3.1分析知，在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为ABC，因此，磁场的旋转方向是与该顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关。5)旋转磁场的转速三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速决定于磁场的极数。当旋转磁场具有p对极时，磁场的转速为n=60f/p因此，旋转磁场的转速n决定于电流频率f和磁场的极对数p，而后者又决定于三相绕组的安排情况，在我国，工频f=50Hz可得出对应于不同极对数p的旋转磁场转速n，如表3-1所示 表3-1P123456n0 (r/min)300015001000750600500(2)电动机的转动原理图3.2为三相异步电动机转动原理示意图。三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n=60f/p。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下为南极S，如图3.7所示。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用表示；在下半部则由外向里，用表示。原理：定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势（发电机右手定则），在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。(n不能等于n0)特点：电动机内必须有一个以n0旋转的磁场。实现能量转换的前提；电动运行时n恒不等于n0（异步）必要条件nn0;建立转矩的电流由感应产生。流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁力作用,力F的方向可用左手定则确定，如图3.8所示。电磁力作用于转子导体上,对转轴形成电磁转矩,使转子按照旋转磁场的方向旋转起来,转速为n0。三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n1。因为只有这样，转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见n1n ，且nn1 ,是异步电动机工作的必要条件,“异步”的名称也由此而来。 图3.2 电动机的转动原理图(3)转差率虽然电动机转子转动的方向和磁场旋转的方向相同，但是转子的转速n不可能达到旋转磁场的转速n相等，即nn。这也是异步电动机名称的由来，而旋转磁场的转速n常称为同步转速。用转差率s来表示转子转速n与磁场转速n相差的程度，即s=( n-n)/ n通常异步电动机在额定负载时的转差率约为1%-9%。当n=0时，s=1，这时的转差率最大。3.1.3三相异步电动机的运行性能 电磁转矩T是三相异步电动机的最重要的物理之一，机械特性是它的主要特性。(1)转矩公式异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流 I相互作用而产生的。故可得出转矩T的公式为 T=KtIcos其中Kt是一个常数，它与电动机的结构有关。(2)机械特性曲线在一定的电源电压U1和转子电阻R2之下，转矩与转差率的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。如图3.3所示图3.3 机械特性曲线图研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能。从机械特性曲线上讨论三个转矩1)额定转矩额定转矩是电动机在额定负载时的转矩，它可以从电动机铭牌上的额定功率（输出机械功率）和额定转速应用式求得。该式为=9550 P/n其中： P电动机的额定功率（KW） n电动机的额定转速（r/min） 电动机额定转矩（NM）2)最大转矩从机械特性曲线上可知，转矩有一个最大值，称为最大转矩或临界转矩。对应于最大转矩的转差率为,它由dT/ds求得，即= R/X。故可得出最大转矩的公式为 =K U/2X。由上式可得与U成正比，而与转子电阻R无关；与R有关，并且R愈大，也愈大。当负载转矩超过最大转矩时，电动机就不带动负载了，发生所谓闷车现象。闷车后，电动机的电流马上升高六七倍，电动机严重过热，以致烧毁。另外，电动机的最大过载可以接近最大转矩。如果过载时间较短，电动机不至于立即过热，是允许的。因此，最大转矩也表示电动机短时容许过载能力。电动机的额定转矩小于,两者之比成为过载系数，一般三相异步电动机的过载系数为1.82.2。3)起动转矩Tst电动机刚起动（n=0,s=1)时的转矩称为起动转矩。可以得出起动转矩公式为 Tst=KRU /(R+X)由上式可得：Tst与U及R有关。当电源电压U1降低时，起动转矩就会减小。当转子电阻适当增大时，起动转矩就会增大。2 33.2三相异步电动机的选型 在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。同时，也要考虑到负载转矩及动力机构引起的误差考虑在内，使总的误差小于机构允许的误差。(1)功率的选择在选择电动机时，首先要选择电动机的功率。如果电动机的功率选大了，这不仅使设备投资增加和电动机未被充分利用，而且由于电动机经常不是在满载下运行，会造成对电动机的损害。如果电动机的功率选小了，就不能保证电动机和机械系统的正常运行，不能充分发挥生产机械的效能。本课题的机械部分灌装机转台系统属于连续运行的系统。对连续运行的系统的电动机，首先要算出机械系统的功率，所选的电动机的额定功率须等于或稍大于机械系统的功率即可。本次设计的灌装机一般灌装直径在18mm32mm，并且工作强度不大，故可选择功率比较小的电动机。(2)种类的选择如果没有特殊要求，一般都选择交流电动机。三相异步电动机的转子根据构造上的不同分为鼠笼式和绕线式两种，但是，三相鼠笼式异步电动机结构简单，坚固耐用，工作可靠，价格低廉，维护方便；其主要缺点是调速困难，功率因数较低，起动性能差。绕线式电动机的基本性能与鼠笼式相同，其特点是起动性能较好，并可在不大的范围内平滑调速，但其价格比鼠笼式要贵，维护亦较不便。本设计的灌装机属于功率不大的一般机械系统，并且调速范围也不是很精确，因此，由以上分析可知，我们可以选择鼠笼式三相异步电动机。(3)结构型式的选择由于机械工作环境的不同，从而使得电动机也有几种不同的结构型式。目前电动机主要制成开启式、防护式、封闭式和防爆式四种。开启式在构造上无特殊防护装置，用于干燥无灰尘的场所，通风非常好；防护式在机壳或端盖下面有通风罩，以防止铁屑等杂物掉入，也有将外壳做成挡板状，以防止在一定角度内有雨水滴溅入水中；封闭式电动机的外壳严密封闭，电动机靠自身风扇或外部风扇冷却，并在外壳带有散热片；防爆式整个机器严密封闭，用于有爆炸性气体的场所。本设计的工作环境相对来说比较优良，且工作力度也不算很大，故由以上对四种型式的电动机分析可知，本次设计可选择开启式电动机。(4)电压和转速的选择电动机电压等级的选择，要根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。Y系列鼠笼式电动机的额定电压只有380V一个等级。故本次设计的灌装机电压不大，可使用380V的Y系列鼠笼式电动机。其转速可为2850r/min。综合以上分析可得，在本次对灌装机转台系统的设计中，我们可以选择Y系列开启式鼠笼式三相异步电动机作为主动部分。由相关的资料查得：我们选择Y系列三相异步电动机的型号是Y90S-2。64变频器调速系统设计4.1调速的意义 调速就是在同一负载下能得到不同的转速,以满足生产过程的要求。各行各业的机械品种十分繁多，对调速的具体要求和目的也千差万别。但归结起来，调速的意义主要有以下三个方面： (1)提高产品质量 (2)提高工作效率 (3)节约能源4.2调速系统的选择 在讨论异步电动机的调速时，首先从研究公式n=（1s）n=60(1s)/p出发。 从该公式可以看出，改变异步电动机的转速有三种方法，即改变电源频率f，极对数p及转差率s。前两者是鼠笼式三相异步电动机的调速方法，后者是绕线式异步电动机的调速方法。在本次设计中，我们选用的是改变频率来实现调速，即用变频器来实现调速。4.2.1变频器的调速原理 (1)变频器的功用 目前主要采用如图4.1所示的变频器调速装置，它主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将工频为50Hz的三相交流电变换为频率f可调、电压有效值U也可调的三相交流电，供给三相鼠笼式电动机。由此可得到电动机的无级调速，并具有硬的机械性。图4.1 变频器调速装置 如图4.2所示，变频器的输入端接至频率固定的三相交流电源；输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。图4.2 变频器的输入和输出 (2)变频调速的工作原理 n = 60 f (1 - s) / p (1)式中n 异步电动机的转速；f 异步电动机的频率；s 电动机转差率；p 电动机极对数。由式(1)可知,转速n 与频率f 成正比,只要改变频率f 即可改变电动机的转速,当频率f 在050 Hz 的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。变频器主要采用交直交方式,先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器,逆变部分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 当频率f连续可调时，电动机的同步转速n也连续可调。又因为异步电动机的转子转速n总是比同步转速n略低一些。所以，当n连续可调时，电动机转子转速n也连续可调。 由于磁极对数p不同的电动机，在相同频率时的转速是不同的。所以，即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的。今将磁极对数不同的异步电动机在两倍频率范围内调频时，电动机的转速调节范围可见表4-1表4-1极数（2p）同步转速r/min额定转速r/min频率范围Hz转速调节范围r/min2300028800.510028.857604150014400.510014.42880610009600.51009.6192087507200.51007.21440106005800.51005.81160 (3)变频调速的方式 变频调速通常有以下两种方式：1)在f f，即高于额定转速调速时，应保持U=U。这时磁通和转矩T都将减小。转速增大，转矩减小，将使功率近于不变。这是恒功率调速。如果把转速调高时U/f的比值不变，在增加f的同时U也要增加。U超过额定电压也是不允许的。频率调节范围一般为0.5320Hz。4.2.2输入与显示部分设计这一部分采用控制面板和数码管以及发光二极管显示，操作简单，直观，灵活性大，便于控制，编程和调整工艺参数，面板如设计图所示。单片机应用系统中是一个关键的部件，它向实现向计算机输入数据，传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘实际上一组按键开关的组合。在整个恒线速控制系统中，键盘部分的各个按键互相独立，采用独立式键盘输入，每个按键各接一根线到8051，通过软件来查询输入口的电平状态，进而判断是哪一个键被按下，然后系统执行相应的功能。变频器的工作状态：当磁钢经过传感器时，指示灯就亮，否则就灭，便于检查变频器是否正常工作。织物运行状态显示的是的是设置的工作状态是参数输入还是手动上布或是自动状态，变频器的工作状态显示变频器的运行频率上升、下降以及变频器故障显示。数码管显示电路原理图如设计图所示，有两片MAX7219驱动16个数码管。从目前的LED显示电路来看，美国MAXIM公司MAX7219的串行LED显示驱动器避免了CPU直接定时对LED服务，CPU让出更多的时间对LED服务，适合实时性强的工控系统。(1)MAX7219的引脚功能和电路特点：MAX7219采用24脚双列直插封装，其引脚如图3.6。各引脚功能如下：DIN为串行数据输入端；DIG0DIG7为8根驱动连线端。GND为接地端。CLR为时钟输入端，最大频率为10MHZ，时钟上升沿把DIN数据移入内部16位移位寄存器，时钟下降沿把数据移向DOUT端口。SEGASEGG和SEGDP为七段驱动和小数点驱动连线端。ISET端线通过一个SET电阻和电源端相连，以提供段电流。V为电源端LOAD为装入数据控制端，在LOAD上升沿锁存最后移入的16位串行数。DOUT为串行数据输出，进入DIN端数据在16.5个时钟后送到DOUT端，数据入出的关系如设计图所示。图3.6 MAX7219引脚图(2)位寄存器和控制寄存器片内寄存器分为8个位寄存器和6个控制寄存器，每个位寄存器用来存放点亮对应LED的具体内容。控制寄存器决定LED的工作方式，六个寄存器分别为：译码方式寄存器、亮度调节寄存器、扫描个数寄存器、关闭寄存器、显示测试寄存器、不工作方式寄存器，用户只需对他们编程，就可以选择译码方式、LED个数、显示亮度、关闭等一些功能。4.2.3信号采集与处理部分设计在以单片机为核心的信息处理与过程控制相结合的过程中，信号传感及测电路是整个控制系统一个重要的组成部分。为了适应卷染的环境，采用霍尔传感器进行线速度信息、道数信息的检测与采集，并将采集到的信息转化为相应的电信号，送入单片机8051处理，进而去控制变频器，实现恒线速控制的目的。其原理框图如下图 8051传感器整形光电耦合器 卷染机恒线速度控制系统中采用HKZ8002D型霍尔传感器，此类传感响应频率宽（50100KHz），回差复位，无开关瞬态抖动；工作电压宽（8-30V）；负载能力强；高可靠性，长寿命；具有工作状态指示灯和极性、浪涌保护等功能，可与微机直接借口。 脉冲被捕获，然后将其转化为单片机可以处理的电信号。线路中采用测量导布辊线速的方法是使用霍尔传感器和单片机来测量导布辊旋转一周的时间，以该时间作为线速的中间参量，通过时间参量来间接反映线速度的快慢。另外两个需要检测的参数为A，B卷辊的卷染层数，主要用于织物的伸长补偿和自动循环控制，其主要原理见第四章软件部分。下面结合具体的线路图来加以分析。INTA，INTB，INTC分别为安装于A，B两个卷辊和导布辊的三个霍尔传感器，卷辊A，B和导布辊每旋转一周，则霍尔传感器输出一个低电平。这个低电平由霍尔传感器输入光电耦合器，光电耦合器的LED发光二极管便导通发光，相应的光敏三极管感光后导通，于是在施密特触发器的输入端便会产生一个高电平信号，这个高电平信号通过施密特触发整形，放大，反相后送入单片机8051进行处理。施密特触发器的输出端接至单片机的三个中断口INT0，INT1，T0，利用中断服务程序对采集的信号进行判断，运算等处理。线路中的电阻和电容构成了RC滤波网络，用于对光电耦合器的输出信号进行滤波。检测信号线路采用+12V电源进行单独供电，其地线与单片机控制统的地线向隔离，以防止检测部分与单片机之间通过电源和地相互干扰。检测部分和单片机控制部分除了在电源和地上进行隔离以外，还对信号的传递通过光电耦合器进行隔离，使检测部分和单片机控制部分电器隔离，进一步提高了整个恒线速控制系统的抗干扰能力。4.2.4强电控制的电路设计强电控制电路部分实际上是整个恒速控制系统的执行部分，包括电机的切换控制，变频器调整控制两个部分。输入信息经8051处理后，通过7407来提高带负载能力。因为8051每个端口电流驱动能力只有10mA，经过7407提高到50mA。按照整个卷染控制过程要求，控制系统必须能够自动切换电机，进行往复卷染。在这一部分设计中，采用固态继电器开关输出方式，利用固态继电器作为控制系统的输出到驱动的第一级执行机构，可完成从低压支流到高压交流的过渡，从而利用继电器来实现以弱控强的触点功率控制。固态继电器SSR（SOLID STATE RELAY）是一种新型的四端固定开关器件，其输入控制电压低（3-14V），驱动电流小（3-15mA），输入控制电压与TTL，DTL，HTL电平相兼容。支流或脉冲电压均能够作为输入控制电压。另外，固态继电器的输入和输出之间一般采取光电隔离。可在实现以弱控强的同时，实现强电与弱点的隔离，以防止相互干扰。输出部分内部一般含有RC过压吸收回路，以防止瞬间过压，保护固态继电器。考虑到控制系统的要求，希望固态继电器对外干扰小，线路中采用了过零触发型固态继电器。固态继电器的输入控制方式采用了支流电压控制，由于固态继电器输入部分含有限流电阻（电阻型）或恒流电路（恒流型），所以可直接用开关接通或断开直流（3-14V）电压来控制输出的通断。固态继电器的输出方式采用交流输出型，利用小直流信号控制高电压，大电流的交流负载电路的通断。在设计固态继电器SSR的输出控制线路时，还必须考虑固态继电器的过压/过流保护。负载的短路是造成固态继电器SSR损坏的主要原因，因此应采用与负载串接的快速熔断器或空气开关（小容量负载可采用一般保险丝即可）的方法来进行负载短路保护。另外，在选用固态继电器的额定电流时，考虑到电源接通的瞬间，可能产生超过额定电流的浪涌电流，应该留有足够的余量，可按负载平时的工作电流约为固态继电器额定电流的三分之二来选择固态继电器。考虑到交流接触器电机为感性及容性负载，在固态继电器的输出端并联压敏电阻，以抑制瞬时过压及断电时感性负载上产生的感生过电压。在选择压敏电阻时，可按其工作电压为电源电压有效值的（23倍）来选用。4.2.5变频器的选择 目前，国内外已有众多生产厂家定型生产多个系列的变频器，使用时应根据实际需要选择满足使用要求的变频器。（1）电动机转速为了维持某一速度，电动机所传动的负载必须接受电动机供给的转矩，其值与该转速下的机械所作的功和损耗相适应。这称之为速度下的负载转矩。根据此负载转矩和电动机产生的转矩，惯性系统的运行方程式可用下式表示：=(GD/4g)(2/60)=(GD/375) （式4-1）式中： 加速转矩（Nm） 电动机转矩（Nm） 负载转矩（Nm） GD电动机飞轮转矩（N） n转速（r/min） t加速时间（s） g重力加速度（m/） 由该式可得：1)=0时，速度n保持一定；2)0时速度n上升；3)0时速度n下降。（2）加减速时间电动机转速从n达到n所需要的时间，根据上式可用下式表示：t=( GD/375) （式4-2） 对于转差频率控制和适量控制的变频器，由于具有快速电流限制功能，即使速度指令（频率指令）急速改变，其本身也能将电流限制在容许值以内，以最大转矩进行加减速。如果求出各速度下的加速度转矩，根据（式2）就可以求出加减速时间。另一方面，对于电压型通用变频器的U/f控制，多数是积极限制电流的功能不足，可产生的再生转矩值也小，因此加速时必须限制频率指令的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防止过电压。所以用频率指令的上升率或下降率来确定加减速时间。 通常，加速率是以频率从零变到最高频率所需要的时间；减速率是从最高频率到零的时间。加速时间给定的要点是：在加速时产生的电流限制在变频器过电流容量以下，也就是不应使过电流失速防止回路动作。减速时间给定的要点是：防止平滑回路的电压过大，不使再生电压失速防止回路动作。对于恒转矩负载和二次方转矩负载，可用简易的计算方法和查表来计算出加减速时间。 给定时也可采用不计算加减速时间的方法，可先给定充分长的时间，然后利用报警灯把它缩短到最佳时间。加减速运转中失速报警部动作时，就将给定的时间变短。重复操作便可确定最佳加减速时间。即使通过计算给定时间，也要利用失速报警灯进行最终确认，报警发出时必须将时间延长。 如果以电动机产生的最大转矩加速，给定时间短，致使过电流失速防止功能动作，不仅容易产生过电流跳闸，加速时间也反而比不失速时更长。变频器与电动机间装设变压器或配电线路长时，由于阻抗压降增大，特别是在低速区转矩减小，往往启动时间变长，所以给定加速时间时要注意。（3）调速系统采用变频调速时的注意点电动机采用变频调速时的注意事项如下：1)速度控制范围。根据系统要求，必须选择能覆盖所需速度控制范围的变频器。作为速度控制范围的表示法，有的用实际数值表示，如1451450r/min或550Hz；有的用比率表示，如1：10；还有用百分比表示，如10%。2)避免危险速度下的运转。在速度控制范围内，如果存在着能引起大的扭转谐振速度或危险速度等，就必须避免在这些速度下连续运转。3)电动机在低速区的冷却能力。对于自冷方式，转速下降则电动机的冷却能力降低。在二次方转矩负载下，因转速下降引起的输出功率减小比冷却能力的降低要大，所以不成问题。但对于恒转矩负载，由于低速区冷却能力的降低需要限制转速的下限，或者电动机改用其他通风方式。4)在低速区轴承的润滑。自己给油的滑动轴承在低速区的润滑有问题。最低转速在自己给油限度（通常为200r/min左右）以下时，需要改用强制给油方式。5)速度传感器和调节器的使用。作为构成闭环系统的器件，有电动机速度检测器和调节器两种。为了充分发挥闭环的性能，对于这些器件及其接线要考虑温度漂移和干扰的影响。4.3单片机的选用本系统选用的是8051单片机，其功能完全可以满足恒线速度卷染控制的要求， 8051单片机是系统的核心部分，经有256字节的RAM；4KB的掩膜ROM；两个16位的定时器计数器个8位的输入输出端口一个全双工串行接口；5个中断源，即外部中断源两个，计时器计数器中断源2个，串行中断源一个。(1)电源部分Vcc接+5V，Vss接地。(2)晶振部分XTAL1和TAL2管脚内部是一个振荡器电路，但需外接一个石英晶体，需要两只30PF左右的电容。(3)并行I/O口，该单片机共有4个8位I/O口，称为P0，P1，P2，P3，共有32个管脚，每个口的管脚为8个。(4)控制信号它控制单片机的正常工作。RST是复位信号，一般外接RC电路和复位键。每当上电和按复位键时，利用管脚外部来的正脉冲使单片机初始化，实现可靠的复位操作。EA/VPP是一个复合管脚，叫读外部ROM允许EPPOM编程管脚。当EA为1时，将从内部ROM开始访问，但地址范围超过内部ROM的最大时，将自动转向为外部ROM取址。当EA为0时，将从ROM取址。所以使用时该管脚接+5V。ALEPROG管脚有两个功能。第一个功能为低八位地址锁存允许，从该管脚输出的由高到底的下