电磁铁性能检测台机械部分设计

目录目录 第 1 章 引言 1 1 1 设计研究的应用背景及意义 1 1 1 1 电磁铁的应用日趋广泛 1 1 1 2 电磁铁的发明 1 1 1 3 我国电磁铁测试技术的现状 2 1 1 4 自主研发电磁铁测试系统的重要意义 2 1 2 国内外研究动态 2 1 2 1 国外研究动态 2 1 2 2 国内研究动态 3 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 4 1 3 3 选题的创新之处 4 第 2 章 电磁铁性能检测台的总体设计 5 2 1 测试需求分析 5 2 2 测试台总体设计 6 2 2 1 测试台结构原理 6 2 2 2 测试台设计方案比较 6 第 3 章 动力元件的选择 8 3 1 电机的基本分类 8 3 2 电机的选择 8 3 2 1 电机类型的确定 8 3 2 2 所选电机的简介 8 3 2 3 电机型号的确定 9 第 4 章 传动机构的设计 13 4 1 适合电磁铁检测台的传动机构基本分类 13 4 2 传动机构的选择 14 4 2 1 传动机构类型的确定 14 4 2 2 关于滚珠丝杠的简介 14 4 2 3 滚珠丝杠型号的确定 15 第 5 章 传感器的选择 19 5 1 传感器的基本分类 19 5 2 传感器的选择 20 5 2 1 位移传感器的选择 20 5 2 2 力传感器的选择 21 第 6 章 其他零部件的设计 24 6 1 确定电磁铁检测台的结构类型 24 6 2 其他零部件的确定 24 6 2 1 确定导套副类型 24 6 2 2 联轴器的设计 26 6 2 3 轴承的选择 28 6 2 4 余下零件设计 28 第 7 章 结论及展望 29 7 1 结论 29 7 2 展望 29 参考文献 31 致谢 32 附录 33 1 文献翻译 33 2 英语原文 41 电磁铁性能检测台机械部分设计电磁铁性能检测台机械部分设计 摘要摘要 电磁铁已经广泛应用于国民经济的各行各业 对各行业技术和生产效率产生了重要影响 电磁 铁是机电一体化系统中连接电气技术和机械技术的重要电气一机械转换器 其性能优劣对电控机械 元件及系统性能有着重大的影响 由于影响电磁铁性能的因素较多 因此在对其性能进行研究的过 程中 往往更注重实际性能特性测试 实测结果比理论计算结果更能准确地反映其实际特性 然后 依据其测试结果的分析研究结论对电磁铁进行改进设计 长期以来 电磁铁的静动态性能检测方法是采用简易的人工检测 其缺点是检测效率低 人 为因素影响大 自动化水平低 随着科学技术的发展 自动化技术越来越多地应用到工业中 用人 工进行电磁铁静动态性能检测的方法已经跟不上时代的步伐 电磁铁静动态性能的自动化检测必将 成为该行业的主流 本设计研究的电磁铁性能检测台正是这样的自动化检测设备 它将改变目前人 工检测的状况 实现检测过程的自动化 提高检测效率 减少人为因素的影响 电磁铁性能测试系统可分为试验台架本体和计算机检测两大部分 本次主要设计的是试验台 架 电磁铁性能测试台以步进电机和滚珠丝杠的传动机构为核心 并结合精密的力传感器和位移传 感器能快速准确力和位移信号 从而得到静动态性能指标与曲线 并具有通信和打印接口 可以实 现即时打印和与计算机联机 该测试台具有很好的开放性能 可以满足不同型号电磁铁静态和动态 测试需要 关键词关键词 电磁铁 性能检测 自动化 步进电机 滚珠丝杠 Performance testing platform designed electromagnet Abstract Electromagnet has been widely used in industries of national economy to technology and production efficiency of the industry had a major impact Mechatronic systems in the electromagnet is connected in electrical technology and mechanical technology a major electrical machinery converter electronic control of its performance advantages and disadvantages of mechanical components and system performance have a significant impact Because many factors affect the performance electromagnet so its performance in the course of the study the actual performance characteristics tend to be more emphasis on testing the measured results than the theoretical results more accurately reflect its actual properties and then based on their test results Analysis of the electro magnet to improve the design conclusions Long term since the static and dynamic performance testing electromagnets is the simple method of artificial detection its shortcoming is testing the efficiency is low the artificial factors affect large automation level is low With the development of science and technology automation technology increasingly applied to industrial using artificial for electromagnet static and dynamic performance testing methods have couldn t keep up with the pace of The Times the static dynamic performance electromagnets automated testing will become the mainstream of the industry This design research electromagnets performance test bench is such automated detection equipment it will change the present situation of artificial detection to realize the automation and improve the inspection process detection efficiency reduce artificial factors influence Electromagnet performance test system can be divided into test rig ontology and computer testing two much The main design is the test bench Electromagnet performance testboard to stepping motor and the ball screw drive mechanism as the core combining sophisticated sensors and displacement sensor can fast and accurate force and displacement signal thus obtains the static and dynamic performance index and the curve and with communication and print interface can realize real time print and computer online This one has the very good opening performance can satisfy different types electromagnet static and dynamic tests need to Keywords magnetic plug performance monitoring automation stepper motor ball screw 1 第第 1 1 章章 引言引言 1 11 1 设计研究的应用背景及意义设计研究的应用背景及意义 1 1 11 1 1 电磁铁的应用日趋广泛电磁铁的应用日趋广泛 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 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 2 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 3 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 4 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 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 当代社会随着世界范围内工业控制领域的飞速发展 人们对自动化的要求 也就日趋严格 机 电 液 光一体化技术正在慢慢地占领熬头 然而电磁铁 是联系机 电 液 光技术之间关键纽带之一 比如 电磁继电器 接触器 电 磁铁等等 这样就更进一步地增加了电磁铁在市场上的需求 1 1 21 1 2 电磁铁的发明电磁铁的发明 1822 年 法国物理学家阿拉戈和吕萨克发现 当电流通过其中有铁块的绕 线时 它能使绕线中的铁块磁化 这实际上是电磁铁原理的最初发现 1823 年 斯特金也做了一次类似的实验 他在一根并非是磁铁棒的 U 型铁棒上绕了 18 圈 铜裸线 当铜线与伏打电池接通时 绕在 U 型铁棒上的铜线圈即产生了密集的 磁场 这样就使 U 型铁棒变成了一块 电磁铁 这种电磁铁上的磁能要比永磁 能大放多倍 它能吸起比它重 20 倍的铁块 而当电源切断后 U 型铁棒就什么 铁块也吸不住 重新成为一根普通的铁棒 斯特金的电磁铁发明 使人们看到 了把电能转化为磁能的光明前景 这一发明很快在英国 美国以及西欧一些沿 海国家传播开来 1829 年 美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新 绝缘导线 代替裸铜导线 因此不必担心被铜导线过分靠近而短路 由于导线有了绝缘层 就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起 由于线圈越密集 产生的磁场就越强 2 这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力 到了 1831 年 亨利试制出了一块 更新的电磁铁 虽然它的体积并不大 但它能吸起 1 吨重的铁块 1 1 31 1 3 我国电磁铁测试技术的现状我国电磁铁测试技术的现状 电磁铁的应用如此广泛 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 有时 甚至是毁灭性的结局 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静动态性能测试 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 这将是工业控制领域的重中之重 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 1 1 41 1 4 自主研发电磁铁测试系统的重要意义自主研发电磁铁测试系统的重要意义 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 1 21 2 国内外研究动态国内外研究动态 1 2 11 2 1 国外研究动态国外研究动态 通过分析国外电磁铁产品可以看出 国外电磁铁测试系统的研究与开发方 面己经积累了丰富的经验 同时己有较为成熟的产品投入市场 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 3 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 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 2 21 2 2 国内研究动态国内研究动态 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 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 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 Visualc 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 31 3 选题的研究方法 主要观点 创新之处选题的研究方法 主要观点 创新之处 1 3 11 3 1 选题的研究方法选题的研究方法 1 文献研究 通过查阅与本课题相关的文献资料 及时了解本课题的研 4 究进程 全面掌握相关信息 为课题研究提供科学的论证依据 研究导向 2 观察 为了了解事实真相 从而发现某种现象的本质和规律 通过现 场的观察 以便能更好的进行设计与改进 3 行动研究 对于本课题进行试验研究 将采用行动研究方法 边实验 边总结 边推广 4 个案研究 抓住典型实例 针对课题实施前后其计算 设计与校 5 网上调查 利用网络的便利性 作相关查阅与调查 及时指导与调整 下步行动 6 经验总结 经验总结法是根据实践所提供的事实 分析概括现象 挖 掘现有的经验材料 并使之上升到理论的高度 以便更好地指导新的实践活动 的一种研究方法 关键是要能够从透过现象看本质 找出实际经验中的规律 从而更好地更加理性地改进自己的设计 1 3 21 3 2 选题的主要观点选题的主要观点 电磁铁性能检测台的设计至少要满足下列几个条件 整体策划 符合 普遍使用的规律 符合拆装简便的条件 所有资源在一个统一框架下建设 根据具体需求 要成为一个整体 要满足这些条件 绝对不是简单购买各厂家 的资源 或大量搜集资料就可以的 不是量大就有效 需要大量的资源 但不 是简单量的积累 我认为 电磁铁性能检测台应采取整体规划 统一设计 测试精度要高 测试速度要快 测试范围要广 1 3 31 3 3 选题的创新之处选题的创新之处 电磁铁的额定值测试可以计算出额定电流 额定力 额定位移等指标 电磁 铁的性能包括对应于不同输入信号线圈电流输出和电磁铁位移以及电磁铁作用 力输出的特性 具体方法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 5 第第 2 2 章章 电磁铁性能检测台的总体设计电磁铁性能检测台的总体设计 2 12 1 测试需求分析测试需求分析 测试对象 直动型电磁铁 电磁铁技术要求 1 电磁铁额定电压 22VDC 2 行程 30 0 5mm 吸力不小于 35kg 电磁铁性能测试要求 1 在额定电压下产品吸力与衔铁行程之间关系的测量 2 在衔铁位置给定的情况下 电磁吸力与电压之间关系的测量 3 带额定负载时的寿命试验 4 吸合电压 断开电压 启动电流 保持电流的测量 测试台关键仪器技术要求 表表 2 12 1 测试台关键仪器技术指标要求测试台关键仪器技术指标要求 指标参数 力传感器量程 10000N 力传感器精度 2 5 FS 力传感器响应频率 800Hz 位移传感器量程 50mm 位移传感器精度 20 m 位移传感器响应频率 800Hz 6 2 22 2 测试台总体设计测试台总体设计 2 2 12 2 1 测试台结构原理测试台结构原理 结构原理 电磁铁性能检测台主要由机械系统和测控系统 2 部分组成 本 课题主要研究机械系统 图图 2 12 1 机械系统结构原理图机械系统结构原理图 机械系统主要是安装固定力传感器和位移传感器等测试传感器 步进电机 滚珠丝杠和被测电磁铁 采用步进电机作为动力元件 连接滚珠丝杠将旋转运 动转换为均匀慢速的直线运动 并带动导轨滑块机构 完成对电磁铁性能测试 过程中所需的定位要求 从而得到测试分析数据 测控系统由上位机 工控机 数据采集处理模块和下位机 PLC 自动控制模块 组成 上位机数据采集处理模块通过数据采集卡高速采集高精度力传感器和位 移传感器的测量值 以及 RS232 串口与下位机 PLC 通信 向 PLC 发出控制指令 及接受 PLC 反馈回的指令信息 然后由基于专业信号测试软件 LabVIEW8 2 强大 的数据处理及分析能力对采集到的数据进行分析处理 绘制所需的相关性能曲 线 计算出相应的关键性能指标 力滞环 额定行程 额定输出力 电流滞环 输出力电流增益 线性度 重复精度等 最后根据测试者的需要对测试结果进 行保存 打印报表及添加入试验管理数据库 下位机 PLC 自动控制模块的主要 任务有 根据上位机发送过来的指令 控制步进电机将传感器定位到测试项目所 需的位置 同时向上位机反馈所定位状况 2 2 22 2 2 测试台设计方案比较测试台设计方案比较 方案一 动力元件为步进电机 采用普通滑动螺旋机构 将回转运动转换 7 为直线运动 配合滚动直线导轨带动滑块 完成测试数据的采集工作 方案二 动力元件为步进电机 采用滚珠丝杠作为主要的传动机构 配合 滚珠直线导套副 带动滑块机构 完成数据采集 通过比较可以得出以下结论 滑动螺旋 构造简单 传动比大 承载能力高 加工方便 传动平稳 工 作可靠 易于自锁 但是磨损快 寿命短 低速时有爬行现象 滑移 摩擦损 耗大 传动效率低 30 40 传动精度低 滚珠丝杠 传动效率高 可达 90 起动力矩小 传动灵活平稳 低速不 爬行 同步性好 定位精度高 正逆运动效率相同 可实现逆传动 预紧后刚 度好 定位精度高 重复定位精度高 但不自锁 需附加自锁装置 抗振性差 结构复杂 制造工艺要求高 成本较高 滚动直线导轨 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球 使 滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦 大大降低二者之间的运动摩擦阻力 从而使得 动 静摩擦力之差很小 随动性极好 有益于提高测试系统的响应速 度和灵敏度 但是结构复杂 制造工艺要求高 成本较高 滚珠直线导套副 滚珠直线导套副是将滑块与光轴配合 中间放入钢球 二者之间的摩擦力很小 随动性较好 结构简单 制造工业要求不高 成本适 中 综上所述 选择方案二较好 既能达到电磁铁检测台的基本要求 完成试 验的结果 经济成本又不高 8 第第 3 3 章章 动力元件的选择动力元件的选择 3 13 1 电机的基本分类电机的基本分类 按工作电源种类划分 可分为直流电机和交流电机 1 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 2 其中交流电机还可分 单相电机和三相电机 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 1 同步电机可划分 永磁同步电动机 磁阻同步电动机和磁滞同步电动 机 2 异步电机可划分 感应电动机和交流换向器电动机 按用途划分 驱动用电动机和控制用电动机 1 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 2 控制用电动机又划分 步进电动机和伺服电动机等 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 3 23 2 电机的选择电机的选择 3 2 13 2 1 电机类型的确定电机类型的确定 由于本设计做的是电磁铁性能检测台 所需电机转速要求不高 而且需要 控制调节 所以 选用步进电机作为动力元件比较合适 9 3 2 23 2 2 所选电机的简介所选电机的简介 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步进电机件 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 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 称为 步距角 它的旋转是以固定 的角度一步一步运行的 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 步进电机具有以下应用特点 1 能直接接受数字量的控制信号 在单片机应用系统中 它可以直接接 受由计算机系统输出的数字信号 而不需要进行模 数转换 2 可方便地实现机械位移 例如 在机械控制部分 步进电机配合丝杠 和齿轮可把角度变化转变为直线位移 3 控制灵敏度高 步进电机具有快速起动和快速停止的能力 能在瞬间 实现起 停 4 速度变化时不失步 一般步进电机的速率为 200 1000 步 秒 在速率 变化时 仍然不会失掉一步 5 步距角变化大 且精度高 步距角是指每步所转过的角度 在没有齿 轮减速的情况下 步距角可以由每步 90 低到每步 0 36 6 能精确返回原位 无论变阻式步进电机还是水磁式步进电机都能精确 地返回电机的起始位置 7 控制脉冲与角度位移能精确同步 在单片机应用系统中 可以利用电 机控制脉冲与它的角位移精确同步的特点 实现对物理量的控制 8 控制方便 可靠 精确定位 例如 在执行机构的控制中 步进电机 可方便地带动多圈电位器或旋转变压器 以调节电压或电流 实现对执行机构 的控制 3 2 33 2 3 电机型号的确定电机型号的确定 1 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求 将负载的最小分辨率 当量 换算 到电机轴上 每个当量电机应走多少角度 包括减速 电机的步距角应等于或 小于此角度 目前市场上步进电机的步距角一般有 0 36 度 0 72 度 五相电机 10 0 9 度 1 8 度 二 四相电机 1 5 度 3 度 三相电机 等 最终选择 0 9 度 1 8 度的两相混合式步进电机 2 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定 我们往往先确定电机的静力矩 静 力矩选择的依据是电机工作的负载 而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种 单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的 直接起动时 一般由低速 时 二种负载均要考虑 加速起动时主要考虑惯性负载 恒速运行进只要考虑摩擦 负载 一般情况下 静力矩应为摩擦负载的 2 3 倍内好 静力矩一旦选定 电 机的机座及长度便能确定下来 几何尺寸 步进电机选择的计算 已知电磁铁测试位移 L 30mm 设定测试完成时间 t 5s 所以 测试速度 V L t 6mm s 360mm min 选用滚珠丝杠导程 S 4mm 所以 滚珠丝杠转速为 n V S 360 4 90r min 设定最大电磁铁产生推力 F推 5000N 滚珠丝杠效率 90 故 功率 P VF推 KW333 00 90 06 005000 所以 步进电机所需转矩 Tmin m 34 53 90 333 009550 n 9550 N P 最终选择保持转矩为 7 5 N m 的步进电机 3 电流的选择 静力矩一样的电机 由于电流参数不同 其运行特性差别很大 可依据矩 频特性曲线图 判断电机的电流 参考驱动电源 及驱动电压 综上所述选择 电机一般应遵循以下步骤 11 图 3 1 步进电机选择步骤 4 步进电机应用中要注意的地方 1 步进电机应用于低速场合 每分钟转速不超过 1000 转 0 9 度时 6666PPS 最好在 1000 3000PPS 0 9 度 间使用 可通过减速装置使其在此间 工作 此时电机工作效率高 噪音低 2 步进电机最好不使用整步状态 整步状态时振动大 3 由于历史原因 只有标称为 12V 电压的电机使用 12V 外 其他电机的 电压值不是驱动电压伏值 可根据驱动器选择驱动电压 建议 57BYG 采用直 流 24V 36V 86BYG 采用直流 50V 110BYG 采用高于直流 80V 当然 12 伏的电 压除 12V 恒压驱动外也可以采用其他驱动电源 不过要考虑温升 4 转动惯量大的负载应选择大机座号电机 5 电机在较高速或大惯量负载时 一般不在工作速度起动 而采用逐渐 升频提速 一电机不失步 二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度 6 高精度时 应通过机械减速 提高电机速度 或采用高细分数的驱动 器来解决 也可以采用 5 相电机 不过其整个系统的价格较贵 生产厂家少 其被淘汰的说法是外行话 7 电机不应在振动区内工作 如若必须可通过改变电压 电流或加一些 阻尼的解决 8 电机在 600PPS 0 9 度 以下工作 应采用小电流 大电感 低电压 来驱动 9 应遵循先选电机后选驱动的原则 综上所述 最终选择型号为 86BYG250CN 0501 的步进电机 86BYG250CN 0501 步进电机技术数据 表表 3 1 技术数据技术数据 12 86BYG250CN 0501 步进电机外形尺寸 图图 3 23 2 步进电机外形尺寸步进电机外形尺寸 规格 型号 相数步距角 保持 转矩 N m 定位 转矩 N m 相电阻 相电感 mH 86BYG250CN 050120 9 1 8 7 50 360 86 8 13 第第 4 4 章章 传动机构的设计传动机构的设计 4 14 1 适合电磁铁检测台的传动机构基本分类 适合电磁铁检测台的传动机构基本分类 通常来说 用于步进电机驱动的机械传动机构 一般有以下几类 表表 4 14 1 传动机构的基本分类传动机构的基本分类 机构机构特点特点 滚珠丝杠滚珠丝杠 直接连接直接连接 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 齿条和小齿轮齿条和小齿轮 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 同步皮带同步皮带 传送带传送带 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 14 4 24 2 传动机构的选择传动机构的选择 4 2 14 2 1 传动机构类型的确定传动机构类型的确定 电磁铁性能检测台 要求速度较慢 定位精度要很高 短距离的机械传动即可 所以 选择滚珠丝杠作为主要的传动机构最为合适 4 2 24 2 2 关于滚珠丝杠的简介关于滚珠丝杠的简介 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动 或将直线运动转化为回转运动的理想的 产品 滚珠丝杠由螺杆 螺母和滚珠组成 它的功能是将旋转运动转化成直线运动 这 是滚珠螺丝的进一步延伸和发展 这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚 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 1 返向器 2 螺母 3 丝杠 4 滚珠 图图 4 1 滚珠丝杠副滚珠丝杠副 常用的循环方式有两种 外循环和内循环 滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接 触的称为外循环 始终与丝杠保持接触的称为内循环 滚珠每一个循环闭路称为列 每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数 内循环滚珠丝杠副的每个螺母有 2 列 3 列 4 列 5 列等几种 每列只有一圈 外循环每列有 1 5 圈 2 5 圈和 3 5 圈等几种 滚珠丝杠的特点 1 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1 3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 所以能得到较 高的运动效率 与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1 3 以下 即达到同样运动结果 15 所需的动力为使用滚动丝杠副的 1 3 在省电方面很有帮助 2 高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的 特别是在 研削 组装 检查各工序的工厂环境方面 对温度 湿度进行了严格的控制 由于完善 的品质管理体制使精度得以充分保证 3 微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 所以启动力矩极小 不会出现滑动运动那样的爬 行现象 能保证实现精确的微进给 4 无侧隙 刚性高 滚珠丝杠副可以加予压 由于予压力可使轴向间隙达到负值 进而得到较高的刚性 滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 在实际用于机械装置等时 由于滚珠的斥力可使丝母 部的刚性增强 5 高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高 发热小 所以可实现高速进给运动 4 2 34 2 3 滚珠丝杠型号的确定滚珠丝杠型号的确定 1 公称直径 即丝杠的外径 常见规格有 12 14 16 20 25 32 40 50 63 80 100 120 公称直径和负载基本成正比 直径越大的负载越大 这里只说明两个概念 动额定负荷与静额定负荷 前者指运动 状态下的额定轴向负载 后者是指静止状态下的额定轴向负载 设计时参考前者即可 需要注意的是 额定负荷并非最大负荷 实际负荷与额定负荷的比值越小 丝杠的理 论寿命越高 推荐 直径尽量选 16 63 2 导程 也称螺距 即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离 常见导程有 1 2 4 6 8 10 16 20 25 32 40 中小导程现货产品一般只有 5 10 大导 程一般有 1616 2020 2525 3232 4040 4 位数前两位指直径 后两位指导程 导 程与直线速度有关 在输入转速一定的情况下 导程越大速度越快 推荐 导程尽量 选 5 和 10 3 长度 长度有两个概念 一个是全长 另一个是螺纹长度 螺纹长度中也有 两个部分 一个是螺纹全长 一个是有效行程 前者是指螺纹部分的总长度 后者是 指螺母直线移动的理论最大长度 螺纹长度 有效行程 螺母长度 设计裕量 在设计绘 图时 丝杠的全长大致可以按照一下参数累加 丝杠全长 有效行程 螺母长度 设计余 量 两端支撑长度 轴承宽度 锁紧螺母宽度 裕量 动力输入连接长度 如果使用联 轴器则大致是联轴器长度的一半 裕量 推荐 长度尽量选 6 米以下 超过的用齿轮 16 齿条更划算了 4 螺母形式 各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式 一般型号中的前几 个字母即表示螺母形式 按法兰形式分大约有圆法兰 单切边法兰 双切边法兰和无 法兰几种 按螺母长度分有单螺母和双螺母 在安装尺寸和性能允许的情况下 设计 者在选用时应尽量选择常规形式 以避免维护时备件的货期问题 推荐 频繁动作 高精度维持场合选双螺母 其他场合选双且边单螺母 推荐 螺母形式尽量选内循环 双切边法兰单螺母 5 精度 滚珠丝杠按 GB 分类有 P 类和 T 类 即传动类和定位类 精度等级有 1 2 3 4 一般来说 通用机械或普通数控机械选 C7 任意 300 行程内定位误差 0 05 或以下 高精度数控机械选 C5 0 018 以上 C3 0 008 以下 光学或 检测机械选 C3 以上 特别需要注意的是 精度和价格关联性很大 并且 精度的概念 是组合和维持 也就是说 螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差 出厂精度合格 不能说明额定使用寿命内都维持这个精度 推荐 精度尽量选 C7 6 额定动载荷 滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规 格 额定动载荷是指 一批规格相同的滚珠丝杠经过运转一百万万次后 90 的丝杠 副不产生疲劳剥伤 点蚀 时的轴向载荷 在实际运行中额定动载荷值可按下式计算 d n Hdh P f fff C 式中 fh为寿命系数 按滚珠丝杠预期寿命选定 fd为载荷性质系数 按工作载荷性质选取 fH为动载荷硬度影响系数 按滚珠及滚道表面硬度选取 fn为转速系数 按丝杠平均转速 nd选取 pd为平均轴向载荷 在计算出额定载荷后 可按额定载荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号 7 滚珠丝杠副的安装 滚珠丝杠的支承主要有以下四种 由于支承方式不同 使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同 固定 固定 适用于高转速 高精度 17 图图 4 24 2 滚珠丝杠的安装 滚珠丝杠的安装 1 1 固定 支承 适用于中等转速 高精度 图图 4 34 3 滚珠丝杠的安装 滚珠丝杠的安装 2 2 支承 支承 适用于中等转速 中精度 图图 4 44 4 滚珠丝杠的安装 滚珠丝杠的安装 3 3 固定 自由 适用于低转速 中精度 短轴丝杠 18 图图 4 54 5 滚珠丝杠的安装 滚珠丝杠的安装 4 4 综上所述 所选滚珠丝杠的型号为 THK 公司的 DIK 2504 08 DIK 2504 08 的技术数据 表表 4 2 滚珠丝杠技术数据滚珠丝杠技术数据 丝杠型 号 丝杠外 径 mm 导程 mm 负荷圈 数 列 圈 沟槽谷 径 mm 额定动 载荷 KN 额定静 载荷 KN 刚性 N m DIK 2504 08 254 4 1 22 87 419 9620 19 第第 5 5 章章 传感器的选择传感器的选择 5 15 1 传感器的基本分类传感器的基本分类 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感受到的信 息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传 输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的 首要环节 国家标准 GB7665 87 对传感器下的定义是 能感受规定的被测量 并按照一定的规律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 可以用不同的观点对传感器分类 它们的转换原理 传感器工作的基本物理或化 学效应 它们的用途 它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等 根据传感器工作原理 传感器分类可分为物理传感器和化学传感器二大类 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应 诸如压电效应 磁致伸 缩现象 离化 极化 热电 光电 磁电等效应 被测信号量的微小变化都将 转换成电信号 化学传感器包括那些以化学吸附 电化学反应等现象为因果关系的传感器 被测信号量的微小变化也将转换成电信号 有些传感器既不能划分到物理类 也不能划分为化学类 大多数传感器是 以物理原理为基础运作的 化学传感器技术问题较多 例如可靠性问题 规模 生产的可能性 价格问题 等 解决了这类难题 化学传感器的应用将会有巨大 增长 传感器分类 1 按照其用途 传感器可分类 压力敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 射线辐射传感器 热敏传感器 传感器分类 2 按照其原理 传感器可分类 20 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等 传感器分类 3 以其输出信号为标准可将传感器分为 模拟传感器 将被测量的非电学量转换成模拟电信号 数字传感器 将被测量的非电学量转换成数字输出信号 包括直接和间接 转换 膺数字传感器 将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出 包括直接或间接转换 开关传感器 当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时 传感器相应地输 出一个设定的低电平或高电平信号 传感器分类 4 按照材料分类 在外界因素的作用下 所有材料都会作出相应的 具有特征性的反应 它 们中的那些对外界作用最敏感的材料 即那些具有功能特性的材料 被用来制 作传感器的敏感元件 从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类 1 按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物 2 按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 3 按材料的晶体结构分 单晶 多晶 非晶材料 传感器分类 5 按照其制造工艺 可以将传感器区分为 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 5 25 2 传感器的选择传感器的选择 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 5 2 15 2 1 位移传感器的选择位移传感器的选择 位移传感器又称为线性传感器 它分为电感式位移传感器 电容式位移传 21 感器 光电式位移传感器 位移传感器超声波式位移传感器 霍尔式位移传感 器 电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件 接通电源后 在开关 的感应面将产生一个交变磁场 当金属物体接近此感应面时 金属中则产生涡 流而吸取了振荡器的能量 使振荡器输出幅度线性衰减 然后根据衰减量的变 化来完成无接触检测物体的目的 在试验台中 测试的是电磁铁的直线运动距离 所以 这里需要直线位移 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 图图 5 15 1 直线位移传感器直线位移传感器 电磁铁测试行程为 30mm 0 5mm 最终选择北京天宇恒创传感技术有限公 司 W AC 型系列位移传感器 W AC 型系列位移传感器技术数据 1 型号 W ACD50 2 量程 50mm 3 精度等级 0 05 4 动态频率 0 200Hz 5 开机特性 免预热 6 工作时间 可长期工作 7 工作温度 10 60 5 2 25 2 2 力传感器的选择力传感器的选择 力传感器是由一个或多个能在受力后产生形变的弹性体 和能感应这个形 22 变量的电阻应变片组成的电桥电路 如惠斯登电桥 以及能把电阻应变片固定 粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等三大部分 组成 在受到外力作用后 粘贴在弹性体的应变片随之产生形变引起电阻变化 电阻变化使组成的惠斯登电桥失去平衡输出一个与外力成线性正比变化的电量 电信号 测力传感器弹性体材料 一般选用金属材质 可选用的材质大部分为铝合 金材质 合金钢材质及不锈钢材质 合金材质既有刚度保证形变一致及形变恢 复 又有良好的耐候防腐性能 弹性体的主要要求就是能够精确传递受力信息 并保持在相同受力时的形变一致性和完全复位性 电阻应变片的组成复杂 是 复合型制造产品 应变片的基材和应变铜质的组合千变万化 根据其应变要求 目前 大约有近千种产品 一般 基材采用高分子薄膜材料 应变材质为高纯 度康铜 基材上的康铜通过光学处理后刻蚀不同感应形变的电阻栅丝 因此 电阻应变片的品质不仅与基材材质和复合的金属纯度有关 而且与复合工艺 刻蚀技术及工艺 刻蚀化学材料及后处理工艺和材料等等因素相关 电阻应变 片贴片用粘合剂主要采用双组分高分子环氧系列粘合剂 高分子化学产品的性 能与各个组分的物理及化学指标密切相关 如纯度 分子链的结构和大小 储 存时间 组分的配比 分子改性 混合方式 混合熟化使用时间 固化时间 固化温度 助剂及百分比等因素 在焊接技术及设备不充分的测力传感器初期 阶段 均采用专用硅橡胶密封胶系列 硅橡胶具有长期化学稳定性 因此 防 腐 防潮 耐老化 绝缘等各项性能优异 长期以来一直是所有密封胶的首选 产品导线依然是测力传感器组成的一部分 测力传感器导线的金属材质 由于 家庭电器的电线使用 质量差异都有切身体会 毕竟导线是桥路供电 信号输 出 长线激励电压补偿的通路 镀银线肯定比铜线传导效果好 铜线肯定比铝 线传导效果好 其作用不言而喻 随着 各种高频 无线电波等越来越多的干 扰 测力传感器的优良屏蔽也是保护信号稳定的重要方法 另外 环境侵蚀 虫鼠侵害 防火阻燃等也需要传感器保护层的材料防腐防虫防火防爆 甚至需 要采用铠甲保护 套管防护等方法 电磁铁性能检测台采用 S 型力传感器 来测试电磁铁运行过程中力的大小 S 型传感器的结构特点是双连孔 S 型 精度高 载荷拉压对称度好 测量精度高性 能稳定 能在高湿度环境中工作 具有较强抗扭 抗侧和抗偏能力 该检测台测试电磁铁产生的力大于 35KG 经考量决定 选取北京天宇恒创 传感技术有限公司 CYT 202 系列 S 型拉压力传感器 该传感器适用于指定的标 准称量 尤其适用于一些要求精度高的工业称量系统 因其高度可靠性及密封 设计 即使在恶劣环境下仍能长时间连续稳定的工作 23 图图 5 2 S 型力传感器型力传感器 CYT 202 系列 S 型拉压力传感器主要技术指标 1 型号 CYT 202 2 量程 10KN 3 输出 0 10mA 4 非线性 0 03 F S 5 滞后 0 03 F S