电动执行机构现场控制单元的设计说明书

- I -1 前言1.1 选题背景电动执行器是利用电能驱动，并且在信号的作用下提供直线或者旋转运动的驱动装置。电动执行器分为直行程电动执行器、角行程电动执行器、电动调节阀、PID电动调节执行器和电磁阀。它随着人们对自动控制技术和控制性能的要求和发展而快速发展。我国的电动执行机构起步比较晚，从苏联的有触电的执行机构开始研制的，因此技术不成熟。在60年代末70年代初,逐步发展出现了DDZ-III型和DDZ-II型产品。80年代以来,随着电力技术的发展,电动执行器发展非常快速,无触点的DKZ型角行程和DKJ型直行程电动执行机构两大类产品进入市场, DKJ、DKZ 是我国唯一的、最早生产的电动执行器,此产品以经济实用、结构简单等优点被最早的国营大型企业使用。随着线代工控计算机管理的发展，目前我国的整体技术水平普遍上升，多数产品实现了智能化。智能型电动执行机构采用全封闭、一体化结构；传动部分采用螺杆螺母式，传动比较平稳、承载能力强、传动精度高；具有自诊断、自调整和PID调节功能。随着电子电力技术的发展，电动执行器发展迅速，我国的行业整体综合水平普遍上升。但国内的许多执行器仍是引进国外先进技术生产的。但国内的许多执行器仍是引进国外先进技术生产的。因此，与国际先进水平相比，我国的电动执行机构仍显得控制方式落后，可靠性不高，影响了电动执行机构的应用。在安全防暴功能得方面，远远低于气动执行机构，影响了它的使用。1.2 选题意义电动执行机构是自动控制系统中不可缺少的重要设备，其主要任务是将调节器送来的控制信号成比例的转换成为直线位移或者角位移去带动阀门、挡板等调节机构，以实现自动控制，因而广泛应用与电力、冶金、石油和化工得工业部门的自动控制领域。随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节方式在许多场合已经不在适用。要实现管网系统的工业自动化管理，更是离不开电动执行机构。特别在某些应用场合，对阀门的控制不仅仅是简单的开关控制，还涉及到开度控制以及流量等各种关系控制，这就对阀门电动执行机构控制器的智能性提出了更高的要求。因此，研究电动执行机构对我国工业自动化具有很重要的作用。1.3 设计内容及目的通过本次设计，对电动执行机构的现场控制单元进行初步设计，实现开/关与现场/停止/遥控的切换。使用磁性开关来替代比较老旧的机械开关，使寿命更长，操作更加准确及时，方便工作人员的操作。并且实现一下几个目的：- II -通过选择遥控/现场开关，执行器可以按照来自远程如 PLC,MCC控制器的操作命令或来自现场的操作命令工作。通过选择现场命令开关，用户可以使执行器打开，停止和关闭。4 个指示灯将根据开关位置显示每个状态。- III -2 电动执行机构机械部分的设计电动执行机构机械部分主要由三相鼠笼电动机、联轴器、离合器、蜗轮蜗杆减速部分等组成。它的任务是接受由控制电路传来的信号来控制电动机的正反转，经过减速器减速之后，变成输出力矩来控制阀门；与此同时，位置发生器根据阀门的位置，发出相应数值的直流电流信号反馈至放大器的输入端，与来自调节器的输出电流相平衡。在此处我们主要选择电动机型号，进行涡轮蜗杆减速部分的设计。2.1 电动机的选择型号的确定：输出转矩 T=240N 初步确定第一级涡轮涡杆减速比为 10，第二级涡轮涡杆减速比为 172.1.1 传递装置的总效率3748.09.*7.098.*2624361 总(2.1)查表可得 =0.99（弹性链轴器） ， =0.98（滚子轴承） ， =0.73（涡杆） ，1 23=0.90（铸造的开式齿轮传动）42.1.2 折算到电动机轴上的转矩(2.2) )2.3748.052 mNiTL （总总 2.1.3 电动机的计算功率(2.3) )(4827.095 KWnTpLr查机械工程手册选择 Y801-4 型三相异步电动机，额定功率为 0.55KW，额定转矩为 2.4 额定转速 n=1390r/minmN- IV -2.2 传动部分的参数图 2.1 执行机构简图2.2.1 各轴的转速=1390（r/min） 1n（2.4）mi)/(139012rin（2.5）in)/(7.813923rin（2.6）2.2.2 各轴的输出功率轴 )(54.09.01 KWP（2.7） - V -轴 )(34.0625.4.0-12 KWP（2.8）轴 )(1.78.-23（2.9）2.2.3 各轴的输出转矩电动机 T=2.4 mN轴 T1=2.4轴 )(6.23194.05.9105.96262 mNnpT （2.10）轴 )(24517.805.9105.96363np（2.11）2.3 一级蜗轮蜗杆减速装置的设计2.3.1 选择蜗杆的传动类型根据 GB/T 10085-1988 的推荐，采用渐开线蜗杆（ ZI)。2.3.2 选择材料考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45 钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿面圈用青铜制造，而轮芯用 HT100 制造。2.3.3 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距（2.12）322)(HEZTKa确定作用在蜗轮上的转矩 T 通过上述计算可知 )(1036.294.015.9105.9 46262 mNnp（2.13）- VI -确定载荷系数 K因工作载荷较稳定，故取载荷分部不均系数 ；选取使用系数 ；1K15.AK由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 ；则05.(2.14) 21.05.1A确定弹性影响系数 ZE因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故 )(16021MPaZE确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值 ，则查图 11-1814可查得35.1d9.2Z确查表可得 MPaH268查表 11-714可得 应力循环次数 (2.15) 82 10)53082(190hLnjN寿命系数 87.87HNK（2.16）则 )(94.23768.0 MPaKHNH（2.17）计算中心距)(572.4)9.237160(.21)(3 24322 mZTaHE （2.18）取中心距为 50mm，因 i=10，查表 11-214取模数 m=2mm，蜗杆分度圆直径为22.4mm。这时 查图 11-1814可得接触系数48.01ad 6.2ZZ所以上述计算正确2.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸- VII -蜗杆轴向齿距 (2.19)(28.6mPa直径系数 (2.20)141dq齿顶圆直径 (2.21)(4.2614.2*1 mhdaaa 齿根圆直径 (2.22)(.1750()(2*mcdf 分度圆导程角 340.9蜗杆轴向齿厚 (2.23)(1.2Sa蜗轮蜗轮齿数 ;39Z变位系数 ；1.0验算传动比 这时传动比误差为 ，是允许的。75.412i 25107.9蜗轮分度圆直径 ； (2.24)(83922mZmd蜗轮节圆直径 ； (2.25)(4.7.2 蜗轮喉圆直径 ； (2.26)722haa蜗轮齿根圆直径 ； (2.27)(.3.18mdff 蜗轮咽喉母圆半径 ； 25022rag（2.28）图 2.2 为蜗轮蜗杆尺寸示意图- VIII -图 2.2 涡轮蜗杆尺寸示意图2.3.5 校核齿根弯曲疲劳强度(2.29)53.122FFaFYmdTK计算当量齿数 (2.30)37.410.9cos332Z根据 从表 11-1614可查得齿形系数10.7.42 35.2FaY螺旋角系数 (2.31)867.10Y需用弯曲应力 FNFK从表 11-814表中可查的有 ZCuSn10P1 制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 MPaF56寿命系数 （2.32）46.01986FN)(.254.056MPaF)(728.196.0191783.4 FMPa（2.33）- IX -弯曲强度是满足的。2.3.6 验算效率（2.34） )tan()98.05.(已知 ， ， 与相对滑动速度 有关341.frcts)/(459.130.9os062cos06 mds （2.35）从 11-1814中可以查出 算得的效率 =0.6529 大于原估计值4.f720.6，所以不用重算。2.3.7 对蜗杆轴的设计蜗杆上的功率为 0.55KW 转速 N 为 1390r/min 转矩 T 为 2.4 。mN蜗杆轴选用 45 钢，硬度为 217255HBS。查表 15-314得： =1100A(2.36)(076.81395.30 mmnPd表中 ，从表 15-314中可以根据轴的材料选择面不同的值。302.95TpA考虑到有键槽，将直径增大 7%，则)(56.8%)71(8md因此选 d=10mm蜗杆上零件的定位、固定和装配。从上倒下依次为联轴器、套筒、垫片、轴承、蜗杆、轴承。按照转矩应该小于联轴器的转矩和考虑到蜗杆与电动机连接处电动机输出轴的直径查文献，选用 lT2 行联轴器如表 2.1 所示；表 2.1 联轴器 LT2 参数型号 公称转矩(N.m)许用转速(r/min)L1（mm)L(mm)轴的直径(mm)LT2 16 7600 20 42 16- X -初步选用角接触球轴承因为在此处轴的直径为 20 查表可得出选用型号为 7004C 其参数为：dDB=204212 轴肩高度为 25因此在第-处长度 L=20mm d=16mm-处长度为 20-处长度为 10-处长度为 70-处长度为 10=处长度为 20如图 2.3 所示图 2.3 蜗杆轴的结构示意图2.3.8 对蜗杆轴的校核计算蜗杆和蜗轮的扭矩(2.37)(78.31905.5.911 mNnPT(2.38)(6.24.22 计算圆周力、径向力和轴向力(2.39)(34.0178.31 KNdTFtt (2.40)59622ta(2.41)(28.tan59.0nr 对蜗杆轴进行受力分析- XI -受力情况如图 2.4 所示 F FFtF FFraFtrFa Fd2Fd1图 2.4 一级蜗杆轴的受力图根据计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图可以看出中间断面是轴的危险截面，简支梁的轴的支承跨度为 102mm。计算支持力、弯矩 M、和总弯矩(2.42)(109.5.21 KNFFrNV(2.43)(295.aH)(36.23mT(2.44)27.15NFMNH)(9.V综合以上数据，表 2.2 综合表述了蜗杆轴的受力表 2.2 蜗杆轴上的载荷- XII -载荷 H V1NF2N1NF2N支反力 N0.2995KN 0.2995KN 0.109KN 0.109KN弯矩 M mH27.5 mMV59.21总弯矩 M mMVH5.6213.NT扭 矩校核轴的强度(2.45)()2(4) 122WTMTWca式中： :轴的计算应力；caM：轴所受的弯矩；T：轴所受的扭矩； 进行校核时，通常只校核轴上承受最大的弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，a 取值为 0.6 轴的计算应力：(2.46)(60)(341.021.0)6.(561.0)( 1232 MpapadaTMca 故安全。2.3.9 滚动轴承的选择及校核计算根据条件，轴承预算寿命为 12000h轴承的选择采用角接触球轴承，根据轴直径为 20，选择角接触球轴承的型号为 7004C，主要参数为：d=20mm;D=42mm;B=12mm基本额定静载荷 )(08.6KNC基本额定动载荷 51r极限转速为 14000r/min已知 )(28.0Fr- XIII -)(59.0KNFa74.218.r查表得 7004C 型号轴承的 e=0.43由 查表 11-1914查得 ， ；eFra4.0X3.1Y轴承受力分析如图 2.5 所示FrFaeFr1Fd1 Fd2Fr2图 2.5 轴承受力分析图 )(079.8.2121 KNYFrd（2.47）)(6.59.02dae（2.48） )(7.1KNFd12dae所以，轴承 1 被压紧轴承 2 放松 )(678.021dae（2.49） )(9.2KNFda= 11arYXP )(9258.0.4128.04KN（2.50） )(14.7.22Far- XIV -P1P2，所以只需对轴承 1 进行校核hLh120（2.51）hpCfnt 531066 2.)5.(390)( hL满足要求，所以轴承合格。2.4 二级蜗轮蜗杆减速装置的设计由于此处计算与一级蜗轮蜗杆减速装置相似，相似计算公式及过程在前面已经列出，所以此处简化。在此出现的部分公式为表达需要，所用公式都是 2.3 章节的引用。2.4.1 选择蜗杆的传动类型以及材料选择根据 GB/T 10085-1988 的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI)。考虑到蜗杆传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用 45 钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿面圈用青铜制造，而轮芯用 HT100 制造。2.4.2 蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸轴向齿距 15.7mm，直径系数为 8 ，齿顶圆直径 50mm，齿根圆直径 36mm，分度圆导程角 ，蜗杆轴向齿厚 7.85mm，蜗轮齿数 ，变位系数3.1 342Z；50.蜗轮分度圆直径 170mm，蜗轮喉圆直径 180mm，蜗轮齿根圆直径 155mm，蜗轮咽喉母圆半径 15mm。 转矩 ，动载荷系数 K=1.21，弹性影响系)(10245.6mNT数 ，接触系数 ，许用接触应力 ，应力循环系)(16021MPaZE9.ZMPaH268数 ，寿命系数 1.068，中心距 a=100mm。 609.5hLnjN2.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度及效率验算此处校核与一级蜗轮蜗杆处相似，故省略步骤，只出现最后公式47.3912.08751704.23. FF MPa 弯曲强度是满足的，所以满足条件。- XV -(2.34)tan()98.05.(已知 与相对滑动速度 有关得出 3.1farctns )/(296.0sms算得的效率 =0.62 大于原估计值 0.6所以不用重算。2.4.4 二级蜗杆轴的设计蜗杆上的功率为 0.21KW 转速 N 为 139r/min 转矩 T 为 23.6N.m。选用 45 钢调制，硬度为 217255HBS。考虑到有键槽，将直径增大 7%)(05.16%)7(15md因此选 d=20mm(2.36)(8.1430nPAd蜗杆上零件的定位、固定和装配；从左到右一次为盘簧、轴承、推力盖、一级蜗轮、手动/自动切换机构、离合器在对蜗杆设计过程当中我们已经知道了蜗轮的分度圆直径为 40mm，齿根圆的直径为 36.初步确定选用圆锥滚子轴承 30207 其参数为：dD B=357218.25段主要由盘簧和圆锥滚子轴承组成，由于轴承的宽度 B 为 18.25mm，根据执行机构外壳尺寸选定断长度为 35mm。短是轴肩，其半径为 21，长度为 6mm。三段主要为蜗齿部分，选定主要蜗齿长度为 100mm，其左端要有单独的凸轮机构来驱动限位开关，所以暂定凸轮机构位置长度为 5mm。段为轴承、盘簧、推力盖。轴承为 30207 型号，其宽度 B 为 18.25mm，由在断选择的数据做对比，段在此基础上加上了推力盖，因此我们选择短长度为40mm。段为一级蜗轮的位置，由于计算已经得出了一级蜗杆的宽度，所以定位18mm。段主要为离合器连接部分，暂定长度为 30mm。如图 2.6 所示- XVI -图 2.6 二级蜗杆轴2.4.5 对二级蜗杆轴和滚动轴承的校核计算过程与一级涡轮蜗杆出相同，只列出蜗杆轴上的载荷表，如表 2.3 所示表 2.3 蜗杆轴上的载荷载荷 H V支反力 N 1NF2N1NF2N1.5313KN 1.5313KN 0.557KN 0.557KN弯矩 M )(8.4mH )(75.421mMV总弯矩 M )(6.2221 mMVH)(5NT扭 矩轴承的强度 )(60)(1946.0)( 1321 papadaca 故安全。轴承采用圆锥滚子轴承，根据轴直径为 35，选择角接触球轴承的型号为 30207，主要参数为：d=35mm;D=72mm;B=17mm基本额定静载荷 KNC5.630基本额定动载荷 r24极限转速为 5300r/min轴承的校核与一级蜗轮蜗杆轴承的校核过程相同，此处简化，只出现最后寿命 hLh120)(47.6- XVII -，所以轴承合格。hL3 电动执行机构控制部分的设计- XVIII -电动执行机构是以三相交流鼠笼式电动机为驱动装置的机构。由配接的位置定位器接受板接受调节系统的 4-20mA 直流控制信号与位置发送器的位置反馈信号进行比较，比较后的信号差经过放大使功率级导通，电动机旋转驱动执行机构的输出件朝着减小这一偏差的方向移动(在其间位置发生器不断将输出轴的实际位置转化为电信号反馈至位置定位器） ，直到偏差值信号小于设定值为止。此时执行机构的输出件就稳定的在输入信号相对的位置上了。3.2 电动执行机构内部控制部分电动执行机构内部装有控制开关单元，即行程开关和扭矩开关、限位开关及位置反馈装置。行程开关：行程开关由凸轮组和微动开关组成的。该凸轮组通过齿轮减速装置，与减速器传动轴相连，通过调整分别作用于正、反方向微动开关的凸轮板的位置可限定执行机构的行程。行程开关在不同方向上是由两个可调的重复精度很高的计数机构来带动的，设定精度可达到 1/10 转，在扭矩关闭的情况下，行程开关被用作信号显示。扭矩开关：扭矩开关是以滑动蜗杆的原理来工作的。所需要设定的力矩值可以很容易地在相应的指针表盘上对开闭两个方向分别设定。扭矩开关被中途侵动会使电动机停机而行程开关不会输出信号。这就被当作一个故障而给出信号。这一故障可能是由于阀门需要更大的扭动矩或者阀门被管道中的异物卡住造成的。这样来扭矩开关就起到了在被驱动的阀门在整个行程上的过载保护作用限位开关：限位开关是有两个附加的计数齿轮机构和两幅相关联的开关。这些开关可以被设定在两个终点位置中间的任何位置上。如图 3.1 所示。如果在整个行程上空心轴的转数不超过 120 转，这种开关可以在从设定点到全开或者全闭点之间一直保持被压下的状态。不过随着电子技术的发展，限位机构也逐渐的变为了电子限位机构，这种限位机构精度更高，更准确。这种传感器的原理是是通过改变电位计元件的电刷位置，实现将位移转换为电阻。这种传感器实际上是由一个金属电阻丝或一个绕线电阻与一个电刷（或触头）组成的可变电阻。触头的移动即可实现位移量转换为电阻变化。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。这样电压信号进入到单片机中，经过单片机处理之后命令电机运转，来达到了限位目的。- XIX -图 3.1 限位机构电位计：电位计是典型的接触式绝对型角传感器，有一个在碳电阻或塑料薄膜上的滑动触电，这个可变电阻与角度滑动触电的移动位置成正比。在电动执行机构中，它由驱动齿轮、心轴以及滑块组成。调整电机驱动齿轮转动，滑块在心轴作左右滑移，电阻值通过接线端输出并反馈给控制单元。如图 3.2 为电位计内部结构图：图 3.2 电位计内部结构图远程位置控制器（RPC）：RPC 卡作为比例调节专用控制器，有 12 位 A/D 转换器与 8 位微处理器构成，比较输入信号与执行器的位置值，使执行器正转或者反转，并且输出执行器的当前位置值。它接受由电位计、限位开关等开关提供的模拟量的输入进行处理，最终转化为位置值控制电机转动。- XX -3.3 现场控制单元的设计现场控制单元是电动执行机构的外加控制单元，工作人员通过操作现场控制单元面板上的开关来实现远程/现场控制。当打到现场控制旋钮时，就可以通过面板上的开/关/停开关来实现电动执行机构现场控制的目的。当打到远程控制时，可以通过远程遥控器来实现电动执行机构远程控制的目的。3.3.1 现场控制单元硬件部分现场控制单元外部硬件组成现场控制单元模块主要由一下几部分组成：外壳（带开关、指示灯的盖和主体） 、两个选择开关（一个用于选择遥控/现场，一个用于现场命令）和 4 个指示执行器当前位置的指示灯。其外部形状如图 3.3 所示；图 3.3 现场控制单元外部图外壳由压铸铝构成，经过硬氧化处理，轻巧结实。当用户达到 LO 时，可实现现场控制。达到 RE 时，可实现远程控制。各个指示灯所表示的显示状态如表 3.1 所示。- XXI -表 3.1 现场控制单元的显示状态LED 颜色 含义REMOTE 蓝灯亮 远程模式LOCAL 白灯亮 现场模式CLOSE 绿灯亮 全关状态OPEN 红灯亮 全开状态现场控制单元内部硬件组成现场控制单元内部主要有磁性开关以及接线柱、电路板组成。磁性开关我们主要选用霍尔式开关，它是一种不需要与与运动部件进行接触而可以操作的位置开关。当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。相比于老旧的机械开关，它具有动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。因为磁性开关需要工作电源，在作位置传感时，一般令磁体随被测物体运动，将霍尔期间固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测出的电压值变化来确定磁体位置，从而知道旋钮打到的是现场还是远程控制位置。检测出的信号进入单片机，经过单片机处理，做出相应的反应。如图 3.4 所示为霍尔开关的原理图：图 3.4 霍尔开关原理图在此处我们选用 AH3144E/L 型，它采用半导体集成技术制造，由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为数字电压信号。它的特点是体积小、灵敏度高、相应速度快、精度高、可靠性高。- XXII -为了清楚的表达现场控制单元的内部硬件组成，我们将其的开盖示意图画出。现场控制单元的开盖图如图 3.5 所示图 3.5 现场控制单元内部开盖示意图磁性开关上出来的线与接线柱上的柱头进行连接，在连接内部电路，实现控制。3.3.2 现场控制单元电路部分的设计开关部分电路设计图 3.6 所示为现场控制单元的开关部分电路图，开关采用磁性开关。S1 为现场/远程控制开关，S2 为在现场控制的时候，为用户准备的开/关/停开关。图 3.6 开关部分电路图- XXIII -现场控制单元单片机的电路设计 接线柱和电动执行机构内部的电路相连接，可以实现信息交换，将外部命令传达到内部单片机进行处理，然后驱动电动机进行运转，带动阀门关闭。如图 3.7 所示图 3.7 单片机电路图现场控制流程图Y Y初始化系统检测有错误？开/关/停选择开关错误处理发送控制信号1N现场/ 远程选择开关现场？N建立远程连接开始- XXIV -1数据采集单片机处理控制输出位置传感器LED 灯显示- XXV -4 结 论在本次设计中，通过对电动执行机构现场控制单元的设计，用磁性开关代替机械开关，使电动执行机构的寿命更长，性能更好，为现代工业生产提供安全安全保障。本次设计使我对电动执行机构有了全面的了解，熟悉了电动执行机构的工作原理，并且对机械零件进行了选择与校核，也遇到了很多困难，许多理论知识在实际计算的时候应当怎么去对待，这些都使我在设计中一度陷入困境，但是在同学和老师的帮助下，我渐渐掌握了技巧，并且完成了本次设计。在本次设计中，查了大量的书籍和课本，从书本中温故了以前的旧知识，并且还学到了很多新知识，使我在机械设计方面的经验更加的丰富。在设计过程当中，也有很多问题没有解决，例如有一些零件算的不准确，精度达不到；还有一些零件没有在说明书中指明，所以还需要改进。我相信在以后的发展当中，电动执行机构必然会发展的趋于完美，在工