包带机电气系统设计毕业论文.doc

*包带机电气系统设计摘 要21世纪初期20年是我国进行全面建设小康社会的重要历史时期。“十五”期间，我国经济社会快速发展阶段，能源问题是电力供应虽然十分紧张，但电力建设规模之大，速度之快，是世界罕见的。为了满足电力工业的发展需要，相关的设备就必须能跟上形势的发展。大型水电和火电部门，都需要用到大型发电机。高压电机定子绕组线圈的主绝缘由云母带半叠包绕形成。云母带即绝缘带的包绕就是由包带机来完成的。目前，国内采用的包带方法大多数仍是手动包带或半自动包带。为了克服许多人为因素对线圈绝缘带包绕质量的影响及提高生产率，需要使用数控包带机!目前国际许多大型水、火发电机制造公司己经采用了多轴数控包带机。国内在生产中所用的多轴数控包带机都是从国外公司进口的使用较多的是瑞士的麦克梅森公司生产 的包带机。它可以克服人为因素对线圈绝缘带包绕质量的影响。在国内，数控包带机系统的研究与开发已有十多年的历史，哈尔滨电机厂、上海电机厂等做出了一定的产品，但是由于设计和技术的一些问题，相关部分并没有完全国产化。目前国内所用的多轴数控包带机基本都是从国外进口的，产品主要来自于瑞士依索拉等公司。这些设备价格昂贵，维护不方便，而且根据对目前市场需求的预测分析，现有包带机的数量远不能满足生产的需要。这样就得大量的从国外进口。如在2007年9月“江西特种电机股份有限公司首次公开发行股票招股意向书”中，其主要设备选型中就向股民声明要引进瑞士依索拉公司的数控包带机.除过大型发电机外，一些大、中型的电动机和发电机线圈也需要用包带机来包绕绝缘带。像中国北车集团永济电机厂大功率风力发电机产业化技术改造项目的“数控包带机、全自动涨型机招标公告中，要求满足线圈直线段长 1 50-1 500mm。这属于中型电机的需求参数，上面所述的大型发电机相应参数最大可达15m.从这些方面来看包带机确实具有十分广泛的市场。本文通过分析包带机各部分的工作原理以及对其电气系统方面的设计及其改造，确定了包带机运行时的电气参数与电气元件，使包带机能在正常条件下正常，稳定工作。在电气元件的选择方面，选择了各个轴运动时所需的不同型号电动机。同时，也确定了与之相应配合的减速器等装置。通过绘制电气原理图，使该机器能在控制下完成所需动作，使其准确、安全，可靠工作！关键词：包带机；数控；电气；机械制造Package with Electrical System DesignAbstractThe early 21st century is China 20 years building a well-off society in an important historical period. Tenth Five-Year period, Chinas rapid economic and social development, energy, especially electricity supply is very tight though, but the scale of power construction, the speed, is the worlds rare. In order to meet the development needs of the electric power industry, related equipment must be able to keep pace with the development of the situation. Large-scale hydropower and thermal power sector, will need to use large-scale generators. High-voltage motor stator windings of the main insulation from the formation of mica tape surrounded a half stack. Mica tape insulation zone that is surrounded by a belt pack to be completed. At present, methods used to bring the package is still the majority of packages with manual or semi-automatic belt pack. In order to overcome the many man-made factors on the quality of coil insulation wrapping with the impact and improve the productivity, the need to package with the use of CNC machine! At present, many large-scale water, fire generator manufacturing company has been using a package with multi-axis CNC machine, it can overcome the man-made factors on the quality of coil insulation wrapping the impact zone. Germany, Switzerland and the technology level of the worlds leading products. At home, NC packet system with more than ten years of research and development history, Harbin Electrical Machinery Plant, Shanghai, such as electrical machinery plant to make a certain product, but design and technology as a result of a number of issues, the relevant parts of the country does not completely the middle of. Currently used in multi-axis CNC machine with the basic package are imported from abroad, mainly from companies such as Switzerland, according to Sola. The equipment is expensive, inconvenient to maintain, but also based on the current forecast of market demand analysis, the existing package with the number of machines is far from meeting the production needs. This would have a large number of imports from abroad. In September 2007 Jiangxi Special Electric Co., Ltd. IPO prospectus a letter of intent in the main equipment selection in a statement to shareholders pursuant to the introduction of the Swiss Solar package with the companys CNC machines. In addition to large-scale generators, some large and medium-sized coil of the motor and generator is also needed to package wrapping with insulation tape machine. Cart groups like the North China Electric Factory Yongji the industrialization of high-power wind turbine technology projects package with CNC machines, fully automatic machine up a tender notice, the requirements to meet the long straight coil 1 50 1 1 500mm. This is the demand for medium-sized electrical parameters, the above-mentioned parameters of large-scale generators up to 15m. from the point of view we do have a package with a wide range of local markets. In this paper, by analyzing the belt package of the working principle of the various parts, as well as its electrical systems design and transformation, to identify the packet with the electrical machine run-time parameters and electrical components, so that packets with the function under normal conditions in the normal, stable jobs.In the choice of electrical components, the choice of axis movement of each of the different models required motor. At the same time, also identified with the corresponding device, such as the reducer. Through the drawing of electrical schematics, so that the machine can be under the control of the completion of the necessary action so that it is accurate, safe, reliable work!Keywords：Wrapping machine;CNCsystem;Electric; machinery manufacturing- III -目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 包带机的介绍及其背景11.1.2 包带机的分类21.1.3 数控包带机主要功能51.2 课题论文设计的主要内容.5第2章 机械与电气系统分析62.1 机械设计部分主要技术参数.62.1.1 有效长度（X轴）62.1.2 宽度（Y轴）62.1.3 高度（Z轴）62.1.4 旋转运动的工作范围62.2 机械工作原理82.3 电气系统分析82.4 包胶带机控制器设计82.4.1 硬件设计82.4.2 软件设计10第3章 驱动电机的选择113.1 驱动电动机的选择与设计113.1.1 驱动电动机的选择与设计113.1.2 实现直线运动和旋转运动的驱动电动机的选型与设计113.1.3 减速箱的选择143.1.4 电动机的校核153.1.5 其他四轴的驱动电动机的选择和减速箱的选择153.1.6 实现包带头旋转运动的驱动电动机的选型与设计153.2 本章小结18第4章 电气系统的设计194.1 变频器的介绍194.1.1 矢量控制204.1.2 变频器的制动214.1.3 关于提高制动能力214.1.4 变频器的选择224.2 驱动器的介绍234.3 断路器234.4 变压器24结论29参考文献30附录31致谢37黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）- 40 -包带机电气系统设计第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 包带机的介绍及其背景21世纪初期20年是我国进行全面建设小康社会的重要历史时期。“十五”期间，我国经济社会快速发展时期，能源问题特别是电力供应虽然十分紧张，但电力建设规模之大，速度之快，在全世界实数罕见。“十五”的五年中电力装机容量年均增长9.9%，五年累计新增装机1.92亿kW，到2005年全国装机达到5.13亿kW，其中2005年一年就新增装机8000万kW，为世界电力建设史上所未有。初步预测“十一五”期间，全社会需电量增长平均将达7.6%、发电装机容量增长速度可望达到10.8%。到2010年，预计全国发电装机将达8.6亿kW左右，而全社会用电将在3.8万亿kW /h以上。为了满足电力工业的发展需要，相关的设备就必须要跟上形势的发展。大型水电和火电部门，都需要用到大型发电机。在大型发电机中电机的定子线圈称线棒，需要包扎绝缘带才能够在实际生产中使用。 目前，国内采用的包带方法大部分仍是手工包带或着机械式半自动包带。为了能够提高包扎绝缘带的质量及效率，加强产品的竞争力，需要使用多轴数控包带机，高压电机定子绕组线圈的主绝缘由云母带半叠包绕形成。云母带即绝缘带，包绕就是由包带机来完成的。为了克服许多的人为因素对线圈绝缘带包绕质量的影响及能够有效提高生产率，需要使用数控包带机。目前国际许多大型水、火发电机制造公司己经采用了多轴数控包带机，它可以克服人为因素对线圈绝缘带包绕质量的影响。其中德国、瑞士的技术及产品具有世界领先水平。在国内，数控包带机系统的研究与开发已有十多年的历史，哈尔滨电机厂、上海电机厂等做出了一定的产品，如上海电气电站集团使用的瑞士 M I C A M A T I O N公司生产的 M I 一 1 5 8型数控包带机，但是由于设计和技术的一些问题，相关部分并没有完全国产化。目前国内所用的多轴数控包带机基本都是从国外进口的，产品主要来自于瑞士依索拉等公司。这些设备价格昂贵，维护不方便，而且根据对目前市场需求的预测分析，现有包带机的数量远不能满足生产的需要。这样就得大量的从国外进口。如在2007年9月“江西特种电机股份有限公司首次公开发行股票招股意向书”中，其主要设备选型中就向股民声明要引进瑞士依索拉公司的数控包带机除过大型发电机外，一些大、中型的电动机和发电机线圈也需要用包带机来包绕绝缘带。像中国北车集团永济电机厂大功率风力发电机产业化技术改造项目的“数控包带机、全自动涨型机招标公告中，要求满足线圈直线段长 1 50-1 500mm。这属于中型电机的需求参数，上面所述的大型发电机相应参数最大可达15m.从这些方面来看包带机确实具有十分广泛的市场。1.1.2 包带机的分类手动、半自动包带机图1是一种典型的手动包带机。其适用于大、中型高压框形线圈及各种条形线圈的包绕绝缘层。结构简单、操作方便、脚踏开关、链条传动、台式操作。其实质是用手扶着电机线圈，用脚踏开关控制进行包绕。可以看出其是相当落后的，但是国内有些企业还在用，这种设备可以国产。图1-1 手动包带机图2是湘潭电机厂采用的半自动包带机。包带时，要保持包带头中心时刻与电机线圈中心重合，并保持包带盘平面与线圈横截面在同一平面上。这里是采用导轨达到这个目的。上面的包带盘外壳是完全固定的，当包带盘和底座沿导轨移动时，包带盘旋转，将包带缠绕在线圈上。显然，如果换一种线圈，就得改变导轨轨迹。其产品适应面窄，并目包络质量不易保证。 图1-2 半自动包带机 图1-3 全自动数控包带机图2和图3包带机工作过程是一样的，只是图3可以满足大型线线圈包绕的需要。此两种形式的半自动包带机可以国产。全自动数控包带机图4是某电机厂由瑞士进口的龙门架结构数控包带机。它可以实现6轴联动，从而可以改变包带盘的空间位置，自动跟踪线圈中心位置，实现对线圈的包绕。龙门架结构数控包带机可以基本国产，但是大多还是进口产品。图5是某电机厂由瑞士进口的机器人结构数控包带机。它实质上是一个垂直多关节型机器人，当然可以实现包带盘的空间6自由度联动，满足包带的要求。机器人结构数控包带机基本上是进口产品。图1-4机器人结构数控包带机手动和半自动的包带机应该改造成全自动的数控包带机，而大型的数控包带机像龙门架结构和机器人结构应该通过努力实现国产。当然，这个方面还要走相当长的路程。国内一些有实力的企业做了多年的工作，但是效果不甚明显。数控包带机：包带机工作原理：数控包带机工作原理数控包带机现在市场上主要有龙门架结构和机器人结构两种形式，下面以龙门架结构为例，介绍数控包带机的工作原理。 龙门架结构简图如图6所示。各轴定义如下:龙门架整体运动时，所在的轴定义为X轴。龙门架横梁上的包带小车运动时，所在的轴定义为Y轴。包带小车所带动的机械部分被称为包带盘，包带盘升降定义为Z轴，Z轴回转为C轴，包带盘绕B点旋转为D轴，包带盘自转为A轴。包带机各轴运动均由独立的位置伺服系统控制，可以在正反两个方向作点位运动、连续运动。， 通过电机驱动器的码盘反馈给系统的信号可以确定包带盘圆心在空间任意一点的位置以及包带盘的姿态。设备工作时，线棒被夹紧固定。 图1-5 龙门架结构数控包带机 图 1-6龙门架结构简图车3包带盘包带机工作时，线圈被线圈坚固系统固定。 安装在导轨上的气顶可以进行,X 、Y 和 Z轴方向的调整包带机工作时，X 、Y、Z轴带动包带盘，使包带盘圆 心沿着线棒中心线轨迹以一定速度移动,控制包带盘姿态的 B 、C轴, 使包带盘平面始终和线棒中心线的法平面重合。带盘的自转轴 A轴高速旋转,将绝缘带缠绕到线棒上去，往复加工多层，直至满足工艺要求。为了使绝缘带和线圈紧密、平整的结合，要求包带机包带时包带盘中心随时与线圈中心线上的点重合，同时要求包带盘平面和线圈中心线时时垂直。线圈的中心线是一个空间曲线，所以包带过程中要不断调整包带盘的空间位置和姿态。包带机系统需要解决的一个关键问题是如何获得线圈的形状，即如何获得线圈中心线的空间轨迹，通常采用的方法是示教。示教学习是机器人运动技能获取的一种高效手段。1.1.3 数控包带机主要功能1 ) 自动示教对一批新型线棒进行包扎加工时，为提高工作效率和加工精确度 ，包带机必须要先获得线棒中心线的轨迹才能够开始自动包扎。本系统采用在包带盘上安装示教叉的方法，通过与示教叉相连接，传感器获得位移数据，结自动示教算法自动地获得线棒的中心线轨迹。示教后可形成示教文件，对同型号线棒可直接应用。2 ) 恒张力控制包扎过程中，不论绝缘带盘的半径是多少，只有绝缘带上始终持一个恒定的张力 ，包扎后绝缘层才能够均匀，绝缘效果才能最好。该功能采用安装在包带盘上由半径检测装置、磁粉制动器、电流放大器组成的恒张力控制系统来实现。3 ) 自动倾角缠绕绝缘带要满足一定的叠绕比，才能满足生产工艺要 ，要让对称安装在包带盘上的包带卷和包带盘平面之间有一个夹角，即倾角，而且在换向时要自动翻转。包带盘上配备两台倾角电机 ，其电压由受继电器板控制的变压器提供 。4 ) 气顶自动支撑大型电机的线棒都比较长，有一定的弹性，包带时绝缘带 上 有张力，因此包带时线棒必须被固定以防产生晃动。线棒两端采用电动端夹固定，中问部 分采用由P L C控 制的气顶支撑 ，气顶可以自动升降 。5 ) 故障自动检测主要检测系统电机驱动系统和气顶支撑系统的故障，大部分功 能由P L C 完成 ，并向上位机发出报警信号。6 )自动包带在上述主要功能的支持下，H M E C K M X M可进行全自动绝缘带包扎 ，同时还具有断带保护、触摸屏输入、文件存储 速度调节、设备归零 、急停报警等辅助功能。1.2 课题论文设计的主要内容1、搜集资料，了解包带机的相关技术，对其工作原理进行系统分析，理解其工作方式。 2、分析包带机的各组成部分功能，了解各部分分别在什么条件下能发挥作用，并分析其间联系。 3、确定机械、电气设计方案。使包带机能在人工操作下准确，迅速，稳定运行。4、确定电气参数及电气元件，绘制电气原理图。 第2章 机械与电气系统分析2.1 机械设计部分主要技术参数2.1.1 有效长度（X轴）1、长度：总长度为（2000+）直线长度2000，端部长500。2、传动机构：由电动机驱动齿轮齿条机构完成。3、导轨的类型：采用滚动导轨，且为SBG25SL直线型滚动导轨作为滑轨。4、驱动电动机的技术参数：采用的是4极异步减速电动机，其功率为200W，频率为50Hz，沿X轴移动的线速度为6000。5、测速装置：采用计数编码器。2.3.2 宽度（Y轴）1、长度：总的有效长度为600，运动轨迹为“U”型轨迹。2、传动机构：传动依然由齿轮齿条传动机构完成。3、导轨的类型：滑轨与X轴方向采用相同的导轨，即SBG25SL型直线导轨。4、驱动电动机的技术参数：驱动电动机也是4极异步减速电动机，输出功率同样是200W，运行频率依然是50Hz，直线运动速度是4000。5、测速装置：采用计数编码器。2.1.3 高度（Z轴）1、高度：整体有效高度为250。2、传动机构：采用异步电动机带动的滚珠丝杠机构来完成上下升降的动作。3、导轨的类型：滑轨依然采用SBG25SL型直线滚动导轨作为轨道。4、驱动电动机的技术参数：驱动电动机采用4极异步减速电动机，输出功率为200W，运行频率是50Hz，直线运动速度是500。5、测速装置：采用计数编码器。2.1.4 旋转运动的工作范围旋转（A轴）1、旋转角度：能完成整周的旋转运动，即旋转角度为360。2、传动机构：采用链轮传动的形式来完成。3、驱动电动机的技术参数：电动机类型及输出功率满足使用要求即可，可自行进行选取，运行频率为50Hz，转速为240.4、测速装置：采用计数编码器。倾斜轴（B轴）1、可变换角度：可调角度为。2、传动机构：采用蜗轮蜗杆机构来完成。具体的讲就是用电动机带动蜗杆，驱动蜗轮转动，有蜗轮再带动B轴旋转来完成。蜗轮，蜗杆零件图如图2-1，图2-2。3、驱动电动机的技术参数：可以根据使用要求自行选取。4、位置检测装置：采用计数编码器。 图2-1蜗杆零件示意图图2-2蜗轮零件示意图回转轴（Z轴）1、可变换角度：可调角度为。2、传动机构：采用蜗轮蜗杆机构来完成。具体的讲就是用电动机带动蜗杆，驱动蜗轮转动，有蜗轮再带动Z轴旋转来完成。3、驱动电动机的技术参数：可以根据使用要求自行选取。4、位置检测装置：采用计数编码器。2.2 机械工作原理 本自动包带机采用双轴式包胶带，胶带轴心距离按实际需要可以调整，山带有两个材料夹具的圆盘通过翻转交林使用，此圆盘内侧有两个减速卡口，由移位电机带动;粘胶带位置可以微调，小同的产品只需更换需要的材料夹具和进行适当的调整就可以使用;材料夹具通过卷付电机带动包胶带，卷付电机装有一个带有减速计数的小圆盘;切贴电机带动一把切刀，切贴电机旋转一周切刀伸缩切贴一次;自动包胶带机下而有一个踏板键，当工人装好了材料后，脚踏踏板键完成一次包胶带操作。机械动作流程:加料一确认一移位一切贴一卷付一退料。2.3 电气系统分析目前市场上大部分自动包带机的控制器是由数十个继电器组成的控制组，山预置计数器完成圈数及产量的设置与显示，因继电器自身特性原因导致这些产品在使用过程中会出现性能小够稳定、维护困难、成本高的缺陷。本文设计的自动包胶带机采用Mcs- 51单片机为核心的控制器来完成所有的动作，具有自动和手动两种工作方式，控制器配介相应的机械部分即是一台自动化生产设备，其中控制器可以对每个电机控制轴进行任何角度的设定，具有操作简单方便，维护更新周期短，工作效率高，成本低等特点，具有一定的市场竞争力。 2.4 包胶带机控制器设计2.4.1 硬件设计 控制硬件山以89C51为核心，主要山单片机控制器、数据存储、信息显示、操作键盘和隔离驱动等五部分组成，并且配置了数据存储器掉电保护电路、地址译码电路和功能扩展接日。单片机控制器主要完成系统各部分的信息处理、生产现场控制信号、协调操作等工作;地址译码电路完成8155扩展与数据存储器的地址分配功能;功能扩展接日部分主要用于后续功能开发，比如扩展PC机监控多功能的多机系统;隔离驱动部分通过光电祸介与继电器控制移位、切贴、卷付电机的启停，有效隔离了电机与单片机之间的冲击十扰。包带机山“踏板”信号触发进入生产子程序，完成:移位一切贴一卷付三个过程，其中卷付减速计数盘的触发信号通过施密特触发器连接到89C51内置定时/计数器Tb进行卷付圈数计数。显示器与键盘 显示器LED7 .EDO采用动态显示，可以节省硬件成本;控制键盘由【踏板键】、【确认键】、【自动/乎动键】、【移位键】、【切贴键】、【卷付键】和【09】共十六键构成，其中【踏板键】、【确认键复介为用户管理进入按键，移位键、切贴键复介为上、下翻页键，当按下【踏板键】三秒钟以上接着按【确认键】控制系统进入用户管理系统。数据存储单元数据存储单元使用了16K的62128数据存储器，用于保存系统参数和每次生产的现场信息，该部分配置了掉电保护电路如图三，62128的片选端为高电平时，即进入微功耗状态。此时需2V的电源电压，5 4。微安的电流就可以芯片内的保持数据小变。在正常供电时，+5 V电源通过2AK加芯片的VCC端，同时使品体管工作，输出为低电“!凡，使低电“!凡加在芯片的片选端。由于2CP两个二极管的端电压小于1.4V，两个二极管均小工作，则备用电源小提供电压。当+SV电源失去时，山于2CP两个二极管的端电压大于1.4V，二极管导通，备用电源工作，提供电压。使品体管截I卜，高电平加在芯片的片选端。芯片处于数据保持状态，芯片功耗极小。图2-3 单片机控制电路框图图2-4 掉电保护2.4.2 软件设计程序设计主要山主程序和设置、生产、系统设置、信息查询、显示、键盘等子程序构成。主程序完成初始化、顺序控制、系统监控等任务，开机初始化完毕后，程序进入系统监控和顺序控制等功能的流程，为了方便管理人员对现场生产参数的设置和现场生产信息的查询，特别设置了系统管理入日;山于现场操作有时需要对包带机进行调试即手动操作功能，方便处理现场故障;生产结束时控制器还会对现场生产信息进行保存，以便管理统筹。 显示子程序在生产工作时动态显示包扎圈数、当前生产产量，在设置状态下显示各种设置和操作信息，管理状态下显示各种系统信息和生产资料;控制键盘子程序完成设备启动、系统设置、系统管理及手动操作等任务的扫描操作。第3章 驱动电机的选择3.1 驱动电动机的选择与设计在本次的设计中我们所用到的驱动电动机有实现X轴、Y轴和Z轴方向直线运动的驱动电动机；实现A轴转动的驱动电动机；实现B轴、C轴转动的驱动电动机：和实现张力的恒力距电动机。所以我们针对以上所需要的电动机进行选型和设计。3.1.1 驱动电动机的选择与设计在本次的设计中我们所用到的驱动电动机有实现X轴、Y轴和Z轴方向直线运动的驱动电动机；实现A轴转动的驱动电动机；实现B轴、C轴转动的驱动电动机：和实现张力的恒力距电动机。所以我们针对以上所需要的电动机进行选型和设计。3.1.2 实现直线运动和旋转运动的驱动电动机的选型与设计经过我们的仔细分析，我们发现，在X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴之间，X轴与Y轴的驱动结构相类似，都是齿轮齿条的传动，Z轴方向的驱动结构与前两者不同。在旋转运动中，由于都是采用的蜗轮蜗杆传动完成旋转动作的。由于所有的阻力载荷都是滚动摩擦，唯独驱动Z轴方向的直线运动的滚珠丝杠的滚动摩擦要比沿X轴、Y轴方向的滚动导轨以及B轴、C轴方向滚动轴承所产生的摩擦要大得多。所以Z轴方向的驱动机构对电动机的要求要较X轴、Y轴B轴和C轴方向的电动机高，所以我们这对Z轴的电动机进行设计，其他的电动机的设计与Z轴的设计相类似。主要表现在启动力矩方面。所以我们在这里只对Z轴方向的驱动电动机进行选择与设计，而X轴与Y轴方向的驱动电动机直接抄袭Z轴方向的驱动电动机的型号即可，而B轴、C轴的电动机的设计我们则直接给出结果。主要的设计计算参数的确定1、旋转角度系数的确定：我们选用的是STK3205-4-R型号的滚珠丝杠，与之配合的螺母型号是STK3205FK-P3型，所以我们查得其基本动载荷率。在第2章我们进行的各部分质量估算之中，我们可知Z轴方向的载荷。由于，所以我们查太敬样本，取旋转角度系数。2、理论传动效率的计算：（1）滚珠丝杠的螺旋升角的计算：其中：滚珠丝杠的导程，我们在之前已经对其值进行选择过，我们取其值为5。滚珠丝杠的公称直径，我们在之前已经对其值进行选择过，我们查本次设计的表3.2取其值为31.6。故我们算得：（2）摩擦角的计算：（3）计算理论传动效率计算：1、实际传动效率的计算：由于我们的滚珠丝杠是竖直安装，所以我们的实际传动效率和理论传动效率有很大的差别，故我们应该进行计算实际传动效率：驱动力矩的确定其中：滚珠丝杠沿轴向所受的载荷，即Z轴方向的包带头的总重量，我们已经估算其值为1.52。滚珠丝杠的导程，5。滚珠丝杠的实际传动效率，我们所得其值为0.87。故我们算得：初选电动机的型号根据我们计算的驱动力矩，我们可知，电动机的启动转矩和额定转矩必须大于1.39。而且，Z轴方向的负载在突然断电是要马上自锁，所以要求电动机本身带有断电负载保护的作用。所以我们参考厦门精研电动机样本，我们选取电动机的型号为100YB200GY38型伺服电动机。该型号的交流伺服电机是电磁制动电机，其特点是：断电后立即制动保持负载；内转失电电磁制动器，断电后立即产生制动力保持负载；可实现复杂的瞬时的正、反转，每分钟可以停止6次；制动速度快等。我们从精研的样本上摘取该型号电动机的技术参数如下表：表3.1 100YB200GY38型伺服电动机的技术参数表输出功率200额定转速电压/频率380启动转矩1.99电流0.61额定转矩1.54从技术参数上我们可以看出电动机的启动转矩和额定转矩都大于1.39。故我们选用的电动机满足要求。图3-1为电动机示意图 图3-1 电动机示意图3.1.3 减速箱的选择根据Z轴方向的移动速度，我们算得滚珠丝杠的转速要求是100，而电动机的额定转速为1300。我们必须选择减速箱与电动机配合使用。于是我们根据转速的要求，在精研的样本上选取了型号为100GF12.5RT型的减速箱与电动机配合使用。该减速箱的减速比为12.5。而且在运行频率为50时，额定输出转速为120，额定转矩为13.9。由于额定输出转速和额定扭矩均比丝杠要求的大，所以减速箱的选择合理。图3-2为电机，减速箱与主轴连接示意图. 图3-2 连接示意图3.1.4 电动机的校核电动机的扭矩校核：由于有减速箱的作用，所以电动机的输出转矩大于即可。我们查得的100YB200GY38型伺服电动机的技术参数表，我们可知该型号的电动机的启动转矩和额定转矩都远远大于0.1112。所以我们选择的电动机的扭矩符合要求。输出功率的校核：由于我们选择的扭矩合理，输出功率肯定满足要求，故不必进行校核。3.1.5 其他四轴的驱动电动机的选择和减速箱的选择我们选择的电动机的方法与Z轴方向的电动机选择方法相同，故我们不再进行计算直接选取型号。其他五轴的电动机型号：100YS200GY38（X轴、Y轴、B轴）；90YS90GY38（C轴）。减速箱型号：100GF30RT（X轴）；100GF60RT（Y轴）。3.1.6 实现包带头旋转运动的驱动电动机的选型与设计该部分的电动机我们已经在进行包带头带传动的设计中完成了选择，以下是选择过程：我们已经在本章第1节中的第8部分已经对包带环的质量进行了精确估算，大约为67，重力为670。再加上小带轮上的传动链加在包带环上的正压力。我们估算正压力=1000。而且包带环的中存在的摩擦是铜与钢之间的油润滑摩擦。故我们取油润滑的滑动摩擦系数。故启动时所需的沿着包带环圆周切线方向的推力为：受力示意图如下：图3-3 包带环的受力简图则有：在包带机的结构装配图（1#图）中，我们量取，包带环的直径约为。所以我们计算包带环启动时的启动力矩：其中：启动时所需的沿着包带环圆周切线方向的推力，80。包带环的半径。故我们算得：由于，我们估算链传动的传动比大约等于4，而我们设计的带传动的传动比为1，所以整个传动链的传动比大约为4，我们推算电动机的启动转矩。所以我们选用的是常州宝马公司的110ST-M4010型伺服电动机。其技术参数如下表：表3-2 110ST-M4010型伺服电动机的技术参数表额定功率0.42KW额定电流1.73A额定转矩4Nm最大电流5.19A最大转矩12 Nm转子惯量0.6510-3kgcm-3额定转速1000r/min电机重量5.0kg最大转速2000 r/min编码器线数2500P/rev根据表中数据该伺服电动机瞬间最大转矩为12 Nm3.5 Nm,所以满足启动要求。 图3-4 包带头示意图3.2 本章小结驱动电机的选择是对包带机进行电气系统设计中必不可少的一部分，也是比较重要的部分。选择合理、适合的电机，不仅能为包带机精确、快速、稳定的工作提供了必要的前提条件，同时，也避免了不必要的消耗和浪费。本章就是通过对包带机进行细致的分析之后，选择了与各轴工作时相配合的不同型号的电机。而且在通过选择之后，进行了全面、正确的校核，确保了所选电动机的准确性。 第四章 电气系统的设计4.1 变频器的介绍通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。在现代机床生产中，一般采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自的电机来拖动。由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动应能进行调速，主轴调速系统一般采用交流主轴系统，随着变频调速技术的发展，数控机床的主轴的交流拖动，同样能够很好满足需要。主驱动电机通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮(以获得更大的转矩)带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC），我们把实现这种转换的装置称为“变频器”（inverter）。 变频器也可用于家电产品。使用变频器的家电产品中不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少，可以用以下公式估算： 发热量的近似值 变频器容量（KW）55 W在这里, 如果变频器容量是以恒转矩负载为准的(过流能力150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算: 变频器容量（KW）60 W因为各变频器厂家的硬件都差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上面或旁边等。那么, 怎样采能降低控制柜内的发热量呢? 当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的! 关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器， 都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。 注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。另外，散热问题还要注意以下两个问题：（1）在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大， 所以也要看具体应用。 比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。 （2）开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。 因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容， 就是这个道理。 4.1.1 矢量控制 （1） 转矩提升：此功能增加变频器的输出电压，以使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的技术,使用矢量控制，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做转矩提升（*1）。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。4.1.2 变频器的制动 制动的概念:指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作再生制动，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做功率返回再生方法。在实际中，这种应用需要能量回馈单元选件。4.1.3 关于提高制动能力 为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力，不能制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te,P=Pe) 变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用制动电阻、制动单元或功率再生变换器等选件来改善变频器的制动容量转矩的确定。我们经常听到下面的说法：电机在工频电源供电时（*1）时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流 (*2) ）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减些减小的实际数据在有的变频