滑塊厚度綜合檢測(cè)平臺(tái)分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
滑塊厚度綜合檢測(cè)平臺(tái)分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)_第2頁(yè)
滑塊厚度綜合檢測(cè)平臺(tái)分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)_第3頁(yè)
滑塊厚度綜合檢測(cè)平臺(tái)分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)_第4頁(yè)
滑塊厚度綜合檢測(cè)平臺(tái)分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)_第5頁(yè)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè) 1 目 次 1 引言 1 1.1 課題的背景 1 1.2 課題的研究目的與意義 1 1.3 研究方法和手段 1 2 滑塊厚度綜合檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案探討 4 2.1 檢測(cè)對(duì)象 4 2.2 總體設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案 4 3 機(jī)械結(jié)構(gòu) 總體設(shè)計(jì) 6 3.1 自動(dòng)分料系統(tǒng)方案初步探討 6 3.2 自動(dòng)分料系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.3 復(fù)位彈簧的設(shè)計(jì) 11 3.4 電磁鐵的選型 14 3.5 步進(jìn)電機(jī)的選型 16 4 滑塊厚度綜合檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 4.1 控制系統(tǒng)的組成 25 4.2 控制系統(tǒng)的功能要求 26 4.3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 4.4 PLC 控制電機(jī)功能的實(shí)現(xiàn) 28 4.5 總控制流程圖 30 結(jié) 論 31 致 謝 33 參 考 文 獻(xiàn) 34 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè) 1 引言 尖端技術(shù)的發(fā)展要求機(jī)械制造工 廠的生產(chǎn)向著快速、靈活、高質(zhì)量、大批量的自動(dòng)化方向發(fā)展,與此同時(shí),產(chǎn)品檢測(cè)能否跟得上生產(chǎn)的速度就決定了工廠生產(chǎn)率的高低。顯然,傳統(tǒng)的人工操作檢測(cè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后了 ,尤其是對(duì)大批量生產(chǎn)的重要元件的檢測(cè),靠人工檢測(cè)顯然 費(fèi)力 、 費(fèi)時(shí) 。 此時(shí), 如果能有一條自動(dòng)檢測(cè)生產(chǎn)線來(lái)取代原來(lái)的手工操作,就顯得非常必要,本課題就屬于這樣的范疇。 1.1 課題的背景 本課題的設(shè)計(jì)檢測(cè)主體 滑塊是空氣調(diào)節(jié)器中的關(guān)鍵部件,其 加工質(zhì)量嚴(yán)重影響了空氣調(diào)節(jié)器的性能指數(shù),其 加工的 尺寸、 平行度 和 垂直度 等的 精度 要求 非常高,因此滑塊檢測(cè)尤為重要。由于滑塊生產(chǎn)量較 大,現(xiàn)同步相關(guān)工廠每天生產(chǎn)數(shù)萬(wàn)只,對(duì)滑塊 厚度 的檢測(cè)采用人工手動(dòng)的方式,大部分測(cè)量用千分表來(lái)進(jìn)行,測(cè)量分辨率 1 m 2 m,部分測(cè)試項(xiàng)目用萬(wàn)分表來(lái)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量分辨率 0.1 m 0.2 m,檢測(cè)效率是5000 片 /8 人 天。這樣不僅要耗費(fèi)較大的人力、物力、財(cái)力,若稍有不甚, 檢測(cè)精度就較難保證,而且明顯與當(dāng)今機(jī)械制造、檢測(cè)自動(dòng)化的方向不 符。 少數(shù)國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的工廠都采用流水線作業(yè) 的自動(dòng)檢測(cè)方式,從產(chǎn)品的尺寸測(cè)量、翻轉(zhuǎn),到測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸、與上位機(jī)的通訊,再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)作分類處理,到最后實(shí)現(xiàn)分組,都 是由生產(chǎn)線自動(dòng)完成的。 1.2 課題的研究目的與意義 本課題就是擬采用流水線的 作業(yè) 方式對(duì)滑塊進(jìn)行檢測(cè),核心工作就是要設(shè)計(jì)一套滑塊自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)取代原有的人工檢測(cè),測(cè)試過(guò)程要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,操作工人只負(fù)責(zé)將滑塊放入工作臺(tái)第一個(gè)工位和收取流水線上分組后的滑塊。滑塊自動(dòng)檢測(cè)裝置的應(yīng)用,將有效地提高企業(yè)的自動(dòng)化水平,在提高了測(cè)量精度的基礎(chǔ)上,極大的提高工廠的生產(chǎn)檢測(cè)效率,提高產(chǎn)品質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力,可以產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。因此,此檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,具有極高的實(shí)用價(jià)值與推廣價(jià)值,有著重要的意義 1.3 研究方法和手段 本課題為實(shí)現(xiàn)滑塊厚度 尺寸精度的綜合自動(dòng)檢測(cè),主要采用的流水線為導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu),在導(dǎo)軌中完成滑塊的運(yùn)行、姿態(tài)的變換,并在完成綜合檢測(cè)后自動(dòng)分料,導(dǎo)軌用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙面同步齒形帶傳動(dòng),分料機(jī)構(gòu)用步進(jìn)電機(jī)及電磁鐵實(shí)現(xiàn);采用可編程本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè) 序控制器( PLC)作為系統(tǒng)的控制核心,通過(guò)串行通訊與工控機(jī)組成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊檢測(cè)、分料過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)控制。 1.3.1 可編程控制器技術(shù) 可編程控制器是一種典型的采樣控制系統(tǒng),它通過(guò)循環(huán)方式進(jìn)行閉環(huán)控制,包括數(shù)字量和模擬量控制。它既可進(jìn)行順序控制,也可實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制,隨著微處理器技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,可編程序 控制器已不僅僅是傳統(tǒng)意義上的控制元件,其功能日益完善。它整合了 CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出端口,使其成為一個(gè)小型微處理器,不僅能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)繼電器吸合、延時(shí)等功能,還有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、指令運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換等控制功能,它與其它外部設(shè)備如數(shù)采卡、 CRT、打印機(jī)、計(jì)算機(jī)組成分布式測(cè)控系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)顯示、監(jiān)控、打印及報(bào)表生成。 1.3.2 串行通訊技術(shù) 串行通訊是按位傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式,由于其傳輸距離遠(yuǎn)、價(jià)格低而被廣泛使用。串行通訊分為同步通訊和異步通訊方式,采用同步方式時(shí),除需傳送數(shù)據(jù)信號(hào)外,還需傳送用于位指示的時(shí)鐘信號(hào);而采用 異步方式時(shí),收發(fā)雙方分別使用各自的時(shí)鐘信號(hào),發(fā)送端可選擇任何時(shí)刻開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù),異步通訊用一個(gè)起始位表示一個(gè)字符的開(kāi)始,用停止位表示字符的結(jié)束,采用幀來(lái)傳送數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳送速度用波特率表示,其常用的波特率有: 110、 300、 600、 1200、 2400、 9600、 14400、 19200 等。 1.3.3 擬采取的檢測(cè)方法 經(jīng)研究決定,擬采用流水線為導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu),滑塊的運(yùn)行、姿態(tài)的變換均在導(dǎo)軌中完成,且由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)自動(dòng)完成,以滿足自動(dòng)化要求?;瑝K在檢測(cè)過(guò)程中每種工位完成不同的參數(shù)測(cè)試,最終滿足檢測(cè)的數(shù)據(jù)要求。 根據(jù)初步的探討,自動(dòng)檢 測(cè)系統(tǒng)采用接觸式測(cè)量,在待檢測(cè)滑塊運(yùn)動(dòng)到傳感器位置時(shí),經(jīng)過(guò)一個(gè)傳感器探頭,獲得三個(gè)所需的厚度值,然后滑塊旋轉(zhuǎn) 90,經(jīng)過(guò) 另一個(gè)傳感器探頭, 測(cè)得另三個(gè)所需的厚 度值 , 滑塊繼續(xù)前進(jìn),再經(jīng)過(guò)翻面過(guò)程 , 經(jīng)過(guò)另一組即先后兩個(gè)傳感器探頭,又獲得另一個(gè)面的五個(gè) (或六個(gè) , 中間一個(gè)重復(fù)) 所需厚度值,完成所需待測(cè)參量的測(cè)量。 測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化,操作工人只負(fù)責(zé)將滑塊放入測(cè)試平臺(tái)和收取測(cè)試分組后的滑塊。 1.3.4 本文的主要內(nèi)容如下 在整個(gè)滑塊自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中,本文將在簡(jiǎn)述檢測(cè)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,重本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 點(diǎn)完成分料口部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 第一章引言 介紹了滑塊厚度測(cè)量系統(tǒng)的相關(guān)概念以及國(guó)內(nèi)外在該課題方面的發(fā)展概況及趨勢(shì),并闡述了本課題研究的方法、手段及意義。 第二章總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單介紹了本課題的總體設(shè)計(jì)思想,以及在測(cè)量、傳送、分類、數(shù)采等方面設(shè)計(jì)中遇到的難點(diǎn)及初步解決方案。 第三章介紹了系統(tǒng)主體部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中,詳細(xì)介紹了滑塊傳送系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、方案認(rèn)證及其具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和選型進(jìn)行了詳細(xì)的分析、計(jì)算及認(rèn)證。且介紹了傳動(dòng)及分料機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)的選型及驗(yàn)證。 第四章滑塊厚度綜合檢測(cè) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 部分 詳細(xì)地介紹了控制系統(tǒng)(主 要是分料機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng))設(shè)計(jì),包括 控制系統(tǒng)組成、功能要求、 PLC 硬件 選擇 以及 控制流程設(shè) 計(jì)等。 結(jié)論部分 中 隊(duì)本課題做了簡(jiǎn)單總結(jié),并詳細(xì) 介紹了本人在本課題中 所做 工作 、所得收獲,以及在工作中發(fā)現(xiàn)的不足、有待解決的問(wèn)題等。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 滑塊厚度綜合檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案探討 滑塊自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想如下:采用 數(shù)字幾何量傳感器 來(lái)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量分辨率高,能保證測(cè)試精度;各個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)獨(dú)立測(cè)量,流水進(jìn)行,以保證測(cè)量的效率;利用數(shù)采卡采集數(shù)據(jù), 通過(guò)工控機(jī) 計(jì)算各個(gè)指標(biāo),如厚度和平行度,以綜合判斷該滑塊合格或是不合格,并進(jìn)行分組。 2.1 檢 測(cè)對(duì)象 滑塊是空調(diào)壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其外形如 圖 2.1所示,滑塊規(guī)格見(jiàn) 表 2.1(單位 : mm)。 圖 2.1 滑塊外形圖 本課題中,按產(chǎn)量最大的一個(gè)規(guī)格 ( 53527) 進(jìn)行設(shè)計(jì),并保留足夠的空間以備在其后幾臺(tái)研制中通過(guò)更改夾具等方法兼容其它規(guī)格的測(cè)試要求。 厚度檢測(cè)系統(tǒng) 測(cè)試 滑塊 中心厚度及四個(gè)角的厚度,五個(gè)數(shù)據(jù)的最大差值為厚度平行差。設(shè)七個(gè)分組出口,按平均厚度分組:合格、中心厚度超上限、中心厚度超下限、平均厚度超上限、平均厚度超下限、平行差超。分組方式可以通過(guò)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)整。 2.2 總體設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案 檢測(cè)對(duì)滑 塊的平面度和垂直度有一定要求,測(cè)量精度較高, 測(cè)量分辨率 0.1m,測(cè)量重復(fù)性 0.1m, 在此精度要求,接觸式傳感器完全可以滿 足要求,且成本相對(duì)較低,所以我們采用接觸式傳感器, 而 不考慮用 非接觸式傳感器。此外,用作測(cè)量的檢測(cè)平臺(tái)也要滿足很高的精度要求,才能作為基準(zhǔn)。 需 對(duì)滑塊 兩個(gè) 平面的厚度值進(jìn)行測(cè)量,因而要用一定裝置實(shí)現(xiàn)滑塊的定時(shí)定位旋轉(zhuǎn) 和 翻轉(zhuǎn) , 而且對(duì)旋轉(zhuǎn) 和 翻轉(zhuǎn)的時(shí)間也要有很好的控制。 此時(shí), 可考慮先用氣缸將滑塊頂起,再由步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn),用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)滑塊的翻轉(zhuǎn) 。 但這樣一個(gè)工位非常耗時(shí),想要在 2s3s 內(nèi)完成不 易實(shí)現(xiàn), 所以我們想辦法在滑 塊傳送過(guò)程中,利用導(dǎo)軌來(lái)面符號(hào) 尺 寸 最 大 最 小 S/T 厚度 d 5.3 3.2 U/V 高度 h 45 16 W 寬度 w 30 23 表 2.1 滑塊規(guī)格表 : 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè) 實(shí)現(xiàn)滑塊的旋轉(zhuǎn) 和翻轉(zhuǎn),這就是本課題最終選用的設(shè)計(jì)方案。具體的介紹將由本團(tuán)體中另一同學(xué)詳細(xì)討論。 測(cè)試速度要求較高,一般為每個(gè)測(cè)點(diǎn) 2s3s,流水測(cè)試,每天至少要測(cè)試 一 萬(wàn)片以上,由于流水線采用多工位測(cè)量方式傳動(dòng),因而每個(gè)滑塊的檢測(cè)速度取決于滑塊通過(guò)最慢的工位所用的時(shí)間,因而生產(chǎn)線上每個(gè)工位的操作時(shí)間需要在 2s3s 內(nèi)完成??v觀整個(gè)流水線作業(yè)過(guò)程,無(wú)疑分料口 滑塊分類這一工位耗時(shí)最久,因而如何能在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程就是能否提高檢測(cè)速度的關(guān)鍵所在。 由表 2.1 可知,檢測(cè)對(duì)象滑塊的外形相似,但尺寸大小不一,而且對(duì)滑塊的厚度、高度和寬度都有最大最小值界定,這給檢測(cè)之后的產(chǎn)品分組帶來(lái)一定難度,可采用可編程序控制器( PLC)作為系統(tǒng)的控制核心,通過(guò)串行通訊與工控機(jī)組成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊檢測(cè)、分料過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和自動(dòng)控制。采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù),再由 計(jì)算機(jī) 進(jìn)行處理分組,在 計(jì)算機(jī) 上修改合格要求和分組要求。 由于檢測(cè)工序的上述特點(diǎn),本系統(tǒng)采用接觸式測(cè)量的光柵測(cè)長(zhǎng)儀。整個(gè)測(cè)試過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,操作工人只負(fù)責(zé)將滑塊放入測(cè)試平臺(tái)和收取測(cè)試分組后的滑塊。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3 機(jī)械 結(jié)構(gòu) 總體設(shè)計(jì) 我們研制的滑塊厚度綜合檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如 圖 3.1所示。其可以分成三大功能單元,即滑塊傳送系統(tǒng)、滑塊翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)和自動(dòng)分料系統(tǒng)。本文主要對(duì)自動(dòng)分料系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。 為滿足安裝和使用的方便,在總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中作了以下幾點(diǎn)考慮: 1. 為避免因摩擦產(chǎn)生的影響,在設(shè)計(jì)傳送帶時(shí),我們采用了組合式的滑塊夾具,即在外滑塊夾具內(nèi)配上圓形的與滑塊相配的內(nèi)夾具,盡量減少滑塊與導(dǎo)軌的摩擦,且要有滑塊保護(hù)罩; 2. 由于滑塊合格產(chǎn)品占多數(shù),在設(shè)計(jì)時(shí) ,把中間一個(gè)出口作為合格產(chǎn)品的出口,再考慮到盡可能減少步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)過(guò)角度,在出料口左右兩邊各設(shè)三個(gè)分料出口; 3. 為使傳送帶具有良好的穩(wěn)定性,需要設(shè)計(jì)壓帶輪部件以壓帶輪彈簧的彈性減弱外部環(huán)境引起的震動(dòng); 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè) 4. 在設(shè)計(jì)測(cè)頭夾具時(shí),要考慮到如何保護(hù)傳感器探頭及有效夾緊。 3.1 自動(dòng)分料系統(tǒng)方案初步探討 在滑塊厚度檢測(cè)結(jié)束后,根據(jù)不同結(jié)果把他們分成七類。如何實(shí)現(xiàn)在 2s 鐘內(nèi)完成自動(dòng)分類成為本課題設(shè)計(jì)的瓶頸。本節(jié)將在比較之后確定最終方案。 下面分別介紹幾種可考慮的設(shè)計(jì)思想: 3.1.1 斜面導(dǎo)軌: 可以選擇勻速流水線型導(dǎo)軌,導(dǎo)軌成 斜坡 形,運(yùn) 行 速 度為 0.5 m/s。 導(dǎo)軌由七個(gè)擋板組成,每個(gè)擋板對(duì)應(yīng)一種不同的分類 。 當(dāng)相應(yīng)的類型的滑塊滑到此擋板時(shí),由電磁鐵或繼電器等其它執(zhí)行器帶動(dòng)擋板下翻,使滑塊從該口跳出 ,以實(shí)現(xiàn)分類。但是,這樣的七個(gè)分料口需要七個(gè)將滑塊分類 的裝置,既浪費(fèi)資源又占用較大空間,不易實(shí)現(xiàn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 8 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 3.1 滑塊厚度綜合檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3.1.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 另一個(gè)可考慮的設(shè)計(jì)方案是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如 圖 3.2所示。 圖 3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 對(duì)圖中字符的含義作如下說(shuō)明: 1C 、 2C 滑塊的兩個(gè)極限位置 1 、 2 滑塊前進(jìn)、后退對(duì) 應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的角度 1B 、 2B 曲柄端點(diǎn)的兩個(gè)極限位置 1 曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 偏距 極位夾角 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是由平面四桿機(jī)構(gòu)演化而來(lái),它含有一個(gè)移動(dòng)副。本次設(shè)計(jì)如采用的是偏置曲柄 滑塊機(jī)構(gòu),具有急回特性。雖然對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)無(wú)急回特性,但這樣一個(gè) 機(jī)構(gòu), 各參數(shù)需自己設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜,成本較高 。 3.1.3 圓盤(pán)電磁鐵: 綜合比較以上幾種方法,用一個(gè)電磁鐵帶動(dòng)推出裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)所有 類型滑塊的推出是比較理想的。這樣,就形成了本課題中的分料系統(tǒng)設(shè)計(jì),步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊和電磁鐵旋轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,由電磁鐵裝置將滑塊推出。分類結(jié)束后步進(jìn)電機(jī)回到起始狀態(tài),等待下一個(gè)滑塊的到來(lái)。 該套裝置共設(shè) 7 個(gè)分組出口,按厚度和平行差工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分組,把中間一個(gè)出口作為合格產(chǎn)品的出口,再考慮到盡可能減少步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)過(guò)角度,在出料口左右兩本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 10 頁(yè) 共 34 頁(yè) 邊各設(shè)三個(gè)分料出口,如 圖 3.3所示 : 圖 3.3 出料口示意圖 方案一旦確定后,剩下的重點(diǎn)就是步進(jìn)電機(jī)的選擇、電磁鐵的選型和滑塊吸收座的設(shè)計(jì),本文將在后面幾節(jié)給以討論。 3.2 自動(dòng)分料系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)分料系統(tǒng)主要包括:轉(zhuǎn)盤(pán)、滑塊吸收座、電磁鐵、電動(dòng)機(jī)、減速器、安裝座、出料導(dǎo)軌等裝置。 3.2.1 轉(zhuǎn)盤(pán) 根據(jù)滑塊的外形尺寸,初步取分料轉(zhuǎn)盤(pán)直徑約為 30 厘米。要在其上安裝電磁鐵等裝置。 滑塊從檢測(cè)平臺(tái)上滑到此圓盤(pán)上,應(yīng)避免使滑塊的棱角發(fā)生磕碰,也要考慮盡量減少摩擦。所以,我們把 轉(zhuǎn)盤(pán)材料選 為 塑料, 且安裝容易, 能同時(shí)滿足穩(wěn)定性的要求。為了即方 便安裝,又保持轉(zhuǎn)盤(pán)的穩(wěn)定,可以在塑料 圓 盤(pán)下面再裝一個(gè)密度較大的鋼質(zhì)圓盤(pán),直徑稍小于塑料圓盤(pán)即可。 3.2.2 滑塊吸收座 設(shè)計(jì)滑塊吸收座時(shí),主要考慮以下幾點(diǎn): 1. 當(dāng)滑塊厚度檢測(cè)完畢,通過(guò)出樣導(dǎo)軌從檢測(cè)平臺(tái)滑到分料轉(zhuǎn)盤(pán)上,這時(shí),需考慮一個(gè)滑塊吸收座來(lái)接收滑塊。并在滑塊被彈出前,滑塊一直位于吸收座中隨吸收本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 座運(yùn)動(dòng)。 2. 本課題利用電磁鐵將滑塊彈出,電磁鐵線圈斷電后無(wú)復(fù)位裝置 ,所以,需安裝彈簧,在線圈斷電時(shí),依靠彈簧的存儲(chǔ)能帶動(dòng)銜鐵彈出,再通過(guò)合適的裝置將滑塊彈出。 3. 彈簧不可能裝在銜鐵與磁扼之間,所以,要考慮如何實(shí)現(xiàn)銜鐵的復(fù)位,即彈簧的安裝方式位置。 4. 在 30 cm 這樣一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)上,既要安裝電磁鐵,又要安裝滑塊吸收座,還要考慮彈簧等。所以,盡量采用整體式設(shè)計(jì),以節(jié)省占用空間。 綜合考慮這四點(diǎn),可初步考慮 如 圖 3.4 所示這個(gè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn): 圖 3.4 滑塊吸收座部件圖 顯然,這樣一個(gè)滑塊吸收座能同時(shí)滿足以上四點(diǎn)要求。 其工作狀態(tài)如 圖 3.5所示: 圖 3.5 滑塊吸收座工作 狀態(tài) 圖 各零件的具體尺寸需要在設(shè)計(jì)出復(fù)位彈簧及選定電磁鐵后計(jì)算得出。復(fù)位彈簧和電磁鐵的設(shè)計(jì)選型在后面將給 予 詳細(xì)介紹。 1.外座 2.推桿 3.擋塊 4.出樣簧 電磁鐵吸合,帶動(dòng)推桿壓縮彈簧, 電磁鐵失電,彈簧復(fù)位,推動(dòng)推桿,彈出滑塊。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3.2.3 動(dòng)平衡 在分料轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí),如設(shè)計(jì)不當(dāng),就會(huì)引起振動(dòng),為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)平衡,電磁鐵和滑塊吸收座的安裝位置也需特別考慮。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)構(gòu)件將產(chǎn)生慣性力和慣性力偶矩,它們?cè)跈C(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副中引起動(dòng)壓力,并傳到機(jī)架上。 由于慣性力和慣性力偶矩的大小和方向隨著機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的循環(huán)而產(chǎn)生周期性變化,因此當(dāng)它們不平衡時(shí),將使整個(gè)機(jī)器發(fā)生振動(dòng),引起工作精度和可靠性下降、零件的磨損和疲勞以及有害人的噪聲。如該振動(dòng)頻率接近振動(dòng)系統(tǒng)得固有頻率時(shí),有可能引起共振而使機(jī)器損壞,甚至影響周圍建筑和人員的安全。因此,盡量消除附加動(dòng)壓力,減輕有害的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象,以改善機(jī)器工作性能和延長(zhǎng)使用壽命,就是研究機(jī)構(gòu)平衡的目的。 繞固定軸回轉(zhuǎn)構(gòu)件的慣性力平衡:這類機(jī)構(gòu)只有一個(gè)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)構(gòu)件,動(dòng)壓力的產(chǎn)生主要是由于回轉(zhuǎn)件上質(zhì)量分布不均勻所致,故可用重新調(diào)整其 質(zhì)量大小和分布的方法是回轉(zhuǎn)件上所有質(zhì)量的慣性力形成一平衡力系,從而消除運(yùn)動(dòng)副中的動(dòng)壓力及機(jī)架的振動(dòng)。 本課題中,電磁鐵和滑塊吸收座等固定在轉(zhuǎn)盤(pán)上,且轉(zhuǎn)盤(pán)軸向?qū)挾群苄?,可以通過(guò)適當(dāng)?shù)牟贾秒姶盆F和滑塊吸收座的位置,把它的質(zhì)量近似地認(rèn)為均勻的分布在同一回轉(zhuǎn)面內(nèi)。此時(shí),轉(zhuǎn)盤(pán)離心力系的合力和合力偶矩都等于零,即該轉(zhuǎn)盤(pán)即滿足了靜平衡 ,另一方面,由于此機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速較低,對(duì)動(dòng)平衡要求不高,所以,滿足了靜平衡的同時(shí)可以認(rèn)為它也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平衡 。 3.3 復(fù)位彈簧的設(shè)計(jì) 當(dāng)電磁鐵銜鐵吸合時(shí),推桿收回,當(dāng)電磁鐵斷電時(shí),銜鐵彈出,將滑塊推出,但電 磁鐵斷電時(shí),銜鐵不會(huì)自動(dòng)復(fù)位。這時(shí)就考慮利用彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)銜鐵的復(fù)位。當(dāng)銜鐵吸合時(shí),推桿向相應(yīng)方向移動(dòng)壓縮復(fù)位彈簧,產(chǎn)生彈性變形。 彈簧在此處的作用主要是幫助電磁鐵復(fù)位,以實(shí)現(xiàn)彈出滑塊的功能。當(dāng)電磁鐵收到滑塊分類信號(hào),電磁鐵斷電,喪失吸力,這時(shí)利用復(fù)位彈簧在彈性變形下產(chǎn)生的作用力,帶動(dòng)銜鐵推動(dòng)推桿向外將滑塊彈出。在此過(guò)程中,彈簧的彈性力只是用來(lái)在斷電的瞬間,克服各種摩擦的同時(shí)給滑塊一個(gè)沖擊力。 1、初步選定彈簧 根據(jù)彈簧的工作性質(zhì),我們選用圓柱螺旋彈簧,材料為碳素彈簧鋼絲( GB4357-89)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè) GBD 1997-GB / T 3 4 2-h11-0 . 8再根據(jù)滑塊吸收 座的尺寸結(jié)構(gòu)及彈簧設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)初步選定:彈簧預(yù)裝尺寸H1=20mm,工作行程 H=5mm,外徑 D2=16mm。 2、彈簧的最大作用力: 滑塊接收彈簧給的沖量( Ftt),轉(zhuǎn)化為動(dòng)量( mv0),滑塊擁有動(dòng)能,在滑出轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí),一部分用來(lái)克服摩擦,轉(zhuǎn)化為熱能( J),剩余的能量為滑塊出轉(zhuǎn)盤(pán)時(shí)擁有的動(dòng)能( mv12),顯然,此動(dòng)能必須大于零,即( v10)。 設(shè)計(jì)此彈簧,需求出滑塊能自由滑出滑塊吸收座所需最小能量,即彈簧給它的最小力( Ftm)。 Ftm t=m v0m m 0m2=J( v1=0) 因?yàn)?J 和 t 很難精確計(jì) 算,所以用實(shí)驗(yàn)的方法求得 Ftm。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得 : Ftm4.5N 所以,我們?nèi)椈傻淖畲笞饔昧?F5N。 3、根據(jù)負(fù)載類型定 、 G: 本系統(tǒng)實(shí)際工作情況:每臺(tái)的工作量約為每天檢測(cè) 一 萬(wàn)片,壽命約為 一 年。 這樣,彈簧工作次數(shù)約為: 1042300=6106 次 所以,此彈簧所受載荷為第 類載荷(受變載荷作用次數(shù)在 106 次以上的彈簧)。再初選此彈簧的材料為碳素彈簧鋼絲( GB4357-89)。 查彈簧材料的綜合性能得: b=1400 MPa (強(qiáng)化鋼絲強(qiáng)度下限值); 許用切應(yīng)力 =( 0.300.38) b=( 0.300.38) 1400=420 MPa532 MPa; 切變模量 G=78.8103MPa; 4、根據(jù)質(zhì)量最輕原則設(shè)計(jì)彈簧 如 圖 3.6所示,為本課題設(shè)計(jì)彈簧: 彈簧材料:碳素彈簧鋼絲 彈簧材料直徑 d=0.8mm 彈簧中徑 D=16-0.8=15.2mm 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) cos 2)(n Dl節(jié)距 p=6mm 圖 3.6 復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 圈數(shù): 有效圈數(shù) n=15, 支承圈 nz 取 1.5, 總?cè)?shù) n1=n+nz=16.5, 預(yù)壓長(zhǎng)度 H1=22mm 工作長(zhǎng)度 H2=H1+5=27mm 5、簡(jiǎn)單分析、校核: 螺旋升角 =arctg( p/D) =arctg( 6/15.2) =7.16 螺旋角推薦用值為 59,本彈簧滿足此要求,則計(jì)算變形時(shí)不需考慮 螺旋角的影響。 彈簧螺旋線長(zhǎng)度: 當(dāng)圓柱螺旋彈簧受到軸向載荷 F 和扭矩 T 作用時(shí),彈簧產(chǎn)生軸向變形,仍保持螺本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 旋形,但基本參數(shù):彈簧中徑 D、升角 、螺旋線的長(zhǎng)度 l 均發(fā)生變化,彈簧材料截面尺寸也要發(fā)生變化。 當(dāng)彈簧兩端固定,從自由高度壓倒并緊時(shí),中徑增大值為 D=0.05( p2-d2) / D 當(dāng)兩端面與支承座可以自由回轉(zhuǎn)而摩擦力比較小時(shí),中徑增大值為 D=0.10( p2-0.8pd-0.2-d2) / D 本次設(shè)計(jì)可根據(jù)第二個(gè)公式計(jì)算,得 D =0.10( p2-0.8pd-0.2d2) /D =0.10( 62-0.860.8-0.20.8) /15.2 =0.21mm 所以,滑塊吸收座中,推桿內(nèi)徑 D =16.5mm D+D =16.21mm 能滿足要求。 3.4 電磁鐵的選型 1、 電磁鐵類型 本課題的目的是將檢測(cè)結(jié)束后的滑塊實(shí)現(xiàn)分類,我們之所以選用推拉式電磁鐵是基于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 線圈用高導(dǎo)磁率外殼覆蓋住,由于輔助磁路的作用會(huì)產(chǎn)生很大的吸引力。在線圈上施加電壓,銜鐵就被吸引到線圈的那邊,如果使用安裝螺栓側(cè)的軸,就發(fā)生推動(dòng)作;如果使用銜鐵側(cè)的軸,就發(fā)生拉動(dòng)作,兩者都能使用。 在本課題中,我們使用銜鐵側(cè)的軸, 在 使用時(shí)將磁扼安裝在固定支架上,而將銜鐵活動(dòng)地連接于牽引桿上,當(dāng)吸引線圈通電時(shí)銜鐵被吸合,經(jīng)過(guò)連桿帶動(dòng)滑塊吸收座中的推桿復(fù)位, 在線圈斷電時(shí),復(fù)位彈簧依靠變形能將銜鐵拉出,同時(shí)帶動(dòng)推桿將滑塊彈出。 2、使用中需注意電磁鐵性能 關(guān)于直流電磁鐵,電阻、電流、電壓、功率、漆包線線徑、漆包線匝數(shù)、行程等等與力量的關(guān)系如下: 行程越小力量越大,當(dāng)問(wèn)及力量的時(shí)候,一定要加上行程,因?yàn)槎咧苯酉嚓P(guān)。 一般情況下,功率越大力量越大,近似正比關(guān)系。當(dāng)功率大到一定程度時(shí),電磁鐵接近磁飽和,力量增加很小。 工作時(shí)間的長(zhǎng)短決定功率 的大小,長(zhǎng)時(shí)間通電時(shí),功率不能太大,否則易發(fā)熱燒本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) 壞。 當(dāng)不能滿足發(fā)熱要求時(shí), 要選更大體積的電磁鐵,才不致于發(fā)熱那么嚴(yán)重。 3、根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,如彈簧,導(dǎo)軌的角度等,考慮電磁鐵的行程、吸力 彈簧行程為 f =5mm,所以選電磁鐵行程 ff =5mm 彈簧預(yù)緊力: F1 k1 f1 k1( H0-H1) = k1( 91.2-22) 5.4 N k1=0.0780 N/mm F2 k2 f2 k2( H0-H2) = k2( 91.2 27) = 4.8 N k2 0.0748 N/mm 因?yàn)?k1 k2,所以, 取 彈簧剛度系數(shù) k = k1 = 0.0780 N/mm。 彈簧最大工作力取 F1 = 0.0780*64.2=5.4 N 考慮到溫度變化地、電壓變動(dòng)等因素, 取安全系數(shù) 1.5=2, 所以,選用電磁鐵吸力 F F2= 10 N 4、選定電磁鐵 根據(jù)上面所計(jì)算吸力、行程等參數(shù),可知,該系統(tǒng)需要電磁鐵對(duì)吸力和行程的要求較低。 綜合比較各參數(shù),查閱電工手冊(cè),我們選定電磁鐵型號(hào)為 MQ1-1.5N( -5101)。 其技術(shù)數(shù)據(jù)如 表 3.1所示下: 表 3.1 MQ1-1.5N 電磁鐵技術(shù)數(shù)據(jù) 使用 方式 額定吸力( N) 額定電壓 ( V) 額定行程( mm) 通電率( %) 操作次數(shù)(次 /小時(shí)) 消耗功率 起動(dòng) 吸合 拉動(dòng)式 15 220 20 60 600 450 67 5、校核 此電磁鐵通過(guò)一角形鐵,固定在塑料轉(zhuǎn)盤(pán)上??紤]到動(dòng)平衡因素,與滑塊吸收座本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 沿轉(zhuǎn)軸成慣性力矩對(duì)稱分布。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,此電磁鐵滿足各方面性能要求。 3.5 步 進(jìn)電機(jī)的選型 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。 根據(jù)本課題機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,我們選擇步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)與通常直流、交流電機(jī)一樣是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電磁元件,但其運(yùn)行原理,驅(qū)動(dòng)單元和控制方式等方面存在特殊性 。其有如下特點(diǎn): 1. 采用脈沖通電方式,將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移 ; 2. 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系。 在本設(shè)計(jì)中,步進(jìn)電機(jī)的選型主要考慮以下幾點(diǎn): 1. 要有足夠小的步距角,滿足精度要求; 2. 提供足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩; 3. 提供足夠大保持轉(zhuǎn)矩即靜轉(zhuǎn)矩 。 3.5.1 步進(jìn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)型式 1. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī):亦稱磁阻式( VR)步進(jìn)電機(jī)。其定轉(zhuǎn)子磁路均由軟磁材料制成,定子上有多相勵(lì)磁繞組,利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其特點(diǎn)如下: 1) 步距角小。最小可做到 10左 右; 2) 要求驅(qū)動(dòng)電源功率較大,系統(tǒng)效率較低 ; 3) 電機(jī)的內(nèi)阻尼較小,但不運(yùn)行 振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng) ; 4) 斷電時(shí)沒(méi)有定位轉(zhuǎn)矩。 2. 永磁式步進(jìn)電機(jī):轉(zhuǎn)子或定子的某一方面具有永磁鋼的步進(jìn)電機(jī),另一方面由軟磁材料制成,繞組輪流通電,建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。其特點(diǎn): 1) 步距角大 ; 2) 相數(shù)為偶數(shù)為多 ; 3) 啟動(dòng)頻率低。負(fù)載啟動(dòng)頻率一般在 300Hz 以下; 4) 控制功率小 ; 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè) 5) 內(nèi)部電磁阻尼較大,單步鎮(zhèn)當(dāng)時(shí)減小 ; 6) 斷電時(shí)具有一定的保持轉(zhuǎn)矩,可用作定位使用。 3. 混合式步進(jìn)電機(jī):轉(zhuǎn)子上有磁鋼,但從定子或轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來(lái)看,又和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相似,是反應(yīng)式和永磁式電機(jī)的結(jié)合,又稱作感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)。具有反應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)步距小,響應(yīng)頻率高等優(yōu)點(diǎn) ,還具有永磁式步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高和有定位轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)。 3.5.2 步進(jìn)電機(jī)的性能簡(jiǎn)述 在本裝置中,步進(jìn)電機(jī)主要作用是在給定頻率的數(shù)字脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)下,驅(qū)動(dòng) V 形帶、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)滑塊傳送和分類。而要可靠有效地完成上述功能,必須考慮步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的脈沖頻率與所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系,衡量這些關(guān)系有如下性能指標(biāo): 1. 步距角( )及精度 對(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào),電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角位移用 表示。 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求,將負(fù)載的最小分辨率(當(dāng)量)換算到電機(jī)軸上,每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角 度(包括減速)。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。 對(duì)于使用步距角定位的系統(tǒng),步距角大小的選擇直接影響到負(fù)載的定位精度,步距角的精度通常用步距角的百分比來(lái)衡量, 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步 距 角的 3%5%,且不累積 。本課題中步距角的誤差允許在 1 左右。 2. 轉(zhuǎn)矩 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),控制繞組統(tǒng)一直流電,如果在轉(zhuǎn)子上施加一個(gè)外加轉(zhuǎn)矩,因其定轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi),則電機(jī)將產(chǎn)生一電磁轉(zhuǎn)矩,這個(gè)轉(zhuǎn)矩就是靜轉(zhuǎn)矩。它的存在勢(shì)必使轉(zhuǎn)子恢復(fù)到平衡位置。當(dāng)外加力矩加大到一定程度,超過(guò)使轉(zhuǎn)子回到原來(lái)的平衡位置時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩時(shí),轉(zhuǎn)子將旋轉(zhuǎn)到一個(gè)角度,處于不穩(wěn)定狀態(tài)。這個(gè)能使轉(zhuǎn)子回復(fù)到原來(lái)平穩(wěn)狀態(tài)平穩(wěn)位置的極限電磁轉(zhuǎn)距角最大靜轉(zhuǎn)矩。 保持轉(zhuǎn)距( HOLDING TORQUE)是指電機(jī)各相繞組通額定電流,且處于靜態(tài)鎖定狀態(tài)時(shí),定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力 矩隨速度的增大而不斷衰減,輸出功率也隨速度的增大而變化,所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如,當(dāng)人們說(shuō) 2Nm 的步進(jìn)電機(jī),在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為 2Nm 的步進(jìn)電機(jī)。 定位轉(zhuǎn)距 ( DETENT TORQUE) 是指電機(jī)各相繞組不通電且處于開(kāi)路狀態(tài)時(shí),由本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) 于混合式電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁材料產(chǎn)生磁場(chǎng),從而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距。一般定位轉(zhuǎn)距遠(yuǎn)小于保持轉(zhuǎn)距。是否存在定位轉(zhuǎn)距是混合式步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的重要標(biāo)志。 3. 起動(dòng)頻率 步進(jìn)電機(jī)能無(wú)失步起動(dòng)和停轉(zhuǎn)的最高頻率,稱為起動(dòng)頻率。分為空載起動(dòng)頻率和負(fù)載起 動(dòng)頻率。 空載啟動(dòng)頻率,即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機(jī)不能正常啟動(dòng),可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下,啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng),脈沖頻率應(yīng)該有加速過(guò)程,即啟動(dòng)頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?在該裝置中,步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載啟動(dòng)頻率與電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。 4. 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載條件下,頻率連續(xù)上升能無(wú)失步運(yùn)行的最高頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。 5. 起動(dòng)矩頻特征 步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其他條件不變的情況下,起動(dòng)頻率 和最大輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為起動(dòng)矩頻特征。 6. 運(yùn)行矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及其他條件不變的情況下,運(yùn)行頻率和最大輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系稱為運(yùn)行矩頻特性。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì);頻率越高,反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下,電機(jī)隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導(dǎo)致力矩下降。 7. 慣頻特性 步進(jìn)電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩及其他條件不變的情況下,啟動(dòng)頻率和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系稱為起動(dòng)慣頻特性。它是反應(yīng)步進(jìn)電機(jī)能帶慣性負(fù)載能力的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。如果對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高,建議選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最好為 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 2 倍,否則只要負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量即可。 8. 步進(jìn)電機(jī)的外表溫度 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁,從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步,因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng) 取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn);一般來(lái)講,磁性材料的退磁點(diǎn)都在 130 以上,有的甚至高達(dá) 200 以上,所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在 80 90 完全正常。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 20 頁(yè) 共 34 頁(yè) 9. 電機(jī)的共振點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域,二、四相感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在( 180250) PPS 之間(步距角 為 1.8 )或在 400 PPS 左右(步距角為 0.9 ),電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓越高,電機(jī)電流越大,負(fù)載越輕,電機(jī)體積越小,則共振區(qū)向上偏移,反之亦然,為使電機(jī)輸出電矩大,不失步和整個(gè)系統(tǒng)的噪音降低,一般工作點(diǎn)均應(yīng)偏移共振區(qū)較多 。 3.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算 感應(yīng)子式(混合式)步進(jìn)電機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),不僅步距角小、響應(yīng)頻率高還有定位轉(zhuǎn)矩,故為本系統(tǒng)選用。 滑塊的分類依靠分類電機(jī)輸出不同的相位來(lái)區(qū)分,其分類號(hào)由上位機(jī)給出。因此,要精確控制電機(jī)的輸出脈沖數(shù)目以及頻率。脈沖數(shù)目關(guān)系到輸出的角度;頻率的大小關(guān)系到分類的速度。選用合適的頻率使電機(jī)能夠在不失步的情況下,頻率最大 。 1. 步距角 本課題的分料機(jī)構(gòu)中,由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,以實(shí)現(xiàn)滑塊分類,也就是說(shuō)步進(jìn)電機(jī)要有高的分辨率和定位精度。由分料機(jī)構(gòu)示意圖得,每種分類最小當(dāng)量約為 30。該角度定位直接利用控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)步數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),故對(duì)步距角應(yīng)盡量的取小 。 目 前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36/0.72(五相)、 0.9/1.8(二、四相)、 1.5/3(三相)等 。 我們初步選取兩相電動(dòng)機(jī),取步距角為 0.9 /1.8。能滿足一般要求。 2. 電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì) 電機(jī)轉(zhuǎn)速有如下兩個(gè)換算公式: 1 = ( 180/) ; 1 r/m = 60/s =/30 /s; 本課題中,需在 2s3s 間完成滑塊的分類,最大的分類角度約為 imax=90 。 假設(shè):當(dāng)分類角度約為 30時(shí), 電機(jī)通過(guò)直線加速后剛好達(dá)到穩(wěn)定頻率就減速,恰 好 停止在準(zhǔn)確位置。 則 設(shè)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò) 30所需時(shí)間為 t1, 則其轉(zhuǎn)過(guò) 90所需時(shí)間為 t2: 則: t2=1s1.5s t1= t2/2=0.5s0.75s。 即: 電動(dòng)機(jī)起步時(shí), 分料轉(zhuǎn)盤(pán)在 0.25s 內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò) 15。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 21 頁(yè) 共 34 頁(yè) 所以, 在加速啟動(dòng) 階段內(nèi), 轉(zhuǎn)盤(pán)平均角速度 ( /s)和平均轉(zhuǎn)速 n ( r/m)分別約為: =1/ t1 =30/( 0.50.75) =40 60 /s =2/9 /s /3 /s n =30 / =7 r/m 10 r/m 加速時(shí)間 t (s)約為: t =0.25s0.375s 角加速度 ( /s2)約為: =2 /t =( 2/9/3) 2/( 0.250.375) =16/9 /s2 在電動(dòng)機(jī)正常勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其轉(zhuǎn)速 n 為: n=2n =14 r/m20 r/m 顯然,轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速太低, 可通過(guò)減速裝置 提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,使其 工作 在較合適期間 ,初步設(shè)減速器傳動(dòng)比 i =1:5 則,電機(jī)轉(zhuǎn)速 n( r/m)約為: n =n /i =(1420)5 =70 r/m100 r/m 電機(jī)轉(zhuǎn)速 n( r/m)與脈沖頻 率 f( KHZ)的關(guān)系: n =1000 f /6 f =6n/ (1000) =(420600)/360 =1.17KHZ1.67 KHZ, 綜合考慮電機(jī)的啟動(dòng)與停止加、減速的存在,取 f=1.5 KHZ。 3. 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)矩的估算: 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 22 頁(yè) 共 34 頁(yè) 由前面的動(dòng)平衡分析可知:在分析負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí),我們可以簡(jiǎn)化認(rèn)為電磁鐵和滑塊吸收座是均勻分布在轉(zhuǎn)盤(pán)上的。轉(zhuǎn)盤(pán)是塑料的,跟其下面的鋼質(zhì)的圓盤(pán)比起來(lái)可忽略不計(jì)。我們可以近似認(rèn)為該負(fù)載質(zhì)量為 m=0.9 kg,半徑為 r=4 cm。 所以,負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J (kgm 2)約為: J =1/2mr2 =1/20.90.0016 =7.210-4 kgm 2 旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)矩 TL( Nm)約為: TL =J =7.210-4 16/9 =4.0210-2 Nm 4. 力矩 驅(qū)動(dòng)慣性體時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程式( 1-2)所述: (1-2) 式中 JM 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, kgm 2; JL 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的符合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, kgm 2; 角速度, rad/s; TL 負(fù)荷轉(zhuǎn)矩, Nm ; T 所需轉(zhuǎn)矩, T=加速度轉(zhuǎn)矩 Ta+負(fù)荷轉(zhuǎn)矩 TL, Nm; g 重力加速度, 9.8 m/s2 加速度轉(zhuǎn)矩在變速區(qū)內(nèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí),根據(jù)加速、減速的方式而定。本課題中,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速運(yùn)動(dòng)圖形為直線, 如 圖 3.7所示 。 圖 3.7 步進(jìn)電機(jī)直線加速和減速運(yùn)動(dòng)圖形 T Ltg J LJ MT 步進(jìn)頻率(速度) 時(shí)間(步數(shù)) t1 t0-2t1 f2 f1 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 23 頁(yè) 共 34 頁(yè) 直線加速場(chǎng)合下,加速轉(zhuǎn)矩按式( 1-1)計(jì)算: ( 1-1) 式中 f1 自啟動(dòng)區(qū)內(nèi)的脈沖速度,個(gè)脈沖 /s; f2 變速區(qū)內(nèi)的脈沖速度,個(gè)脈沖 /s; t1 加速時(shí)間, s; 步距角,度 /步。 把負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量換算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上,考慮到減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,減速器效率取 =80%, 安全系數(shù)取 1.3 左右,得: JL =1.3J =7.210-41.3 =9.3610-4 kgm2 加速時(shí)間 t1 = ta=0.25s 初選電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JM 為: JM 460 gcm2 則,由式( 1-1)得: Ta =( JM +J L) =(0.4610-4 +810-4)20/3 =1.7310-2 Nm 取 安全系數(shù) 為 1.3 左右, 選用 電機(jī)的保 持轉(zhuǎn)為: T 1.731.310-2 Nm =2.2510-2 Nm 5. 電動(dòng)機(jī) 定型 根據(jù)以上的分析和計(jì)算,我們 考慮選用四通公司的混合式步進(jìn)電機(jī)。 綜合考慮各項(xiàng)因素,我們選四通公司的兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 56BYG250D。 各項(xiàng)技術(shù)數(shù)據(jù)如 表 3.2所示: tffgJ LJ MT a 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 24 頁(yè) 共 34 頁(yè) 表 3.2 電動(dòng)機(jī)( 56BYG250D)技術(shù)數(shù)據(jù) 步距角 ( ) 靜態(tài)相電流( A) 保持轉(zhuǎn)矩( Nm) 定位轉(zhuǎn)矩( Nm) 空載啟動(dòng)頻率 (半步)( KHZ) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( g cm2) 0.9/1.8 2.4 1.72 0.07 3.0 460 其矩頻特性如 圖 3.8所示: 圖 3.8 電機(jī) ( 56BYG250D) 矩頻特性 3.5.4 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選型 步進(jìn)電機(jī)必須使用專用的驅(qū)動(dòng)電源才能夠正常工作。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源一 般由環(huán)行分配器、功率放大器等部分組成。 步進(jìn)電機(jī)一經(jīng)定型,其性能取決于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高,力距越大則要求電機(jī)的電流越大,驅(qū)動(dòng)電源的電壓越高。 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是步進(jìn)系統(tǒng)中的核心組件之一。如 圖 3.9所示,它按照控制器發(fā)來(lái)的脈沖 /方向指令(弱電信號(hào))對(duì)電機(jī)線圈電流(強(qiáng)電)進(jìn)行控制,從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)軸的位置和速度。 圖 3.9 步進(jìn)電機(jī)控 制圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文 ) 第 25 頁(yè) 共 34 頁(yè) 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為了提高工作可靠性,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用商品化的整體結(jié)構(gòu),選用北京四通電機(jī)公司的 SH-20806,其采用數(shù)字式升頻升壓驅(qū)動(dòng)方式,并結(jié)合了恒電流控制技術(shù),采用 36V 交流電源供電,輸入控制信號(hào)為 TTL 電平信號(hào),且提供過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、步距角切換、雙 /單脈沖控制模式切換和試機(jī)等功能。 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器工作模式有三種基本的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式:整步、半步、細(xì)分。其主要區(qū)別在于電機(jī)線圈電流的控制精度(即激磁方式)。 本課題中,我們選用 半步驅(qū)動(dòng) 方式: 在單相激磁時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)軸停至整步位置上,驅(qū)動(dòng)器收到下一脈沖 后,如給另一相激磁且保持原來(lái)相繼處在激磁狀態(tài),則電機(jī)轉(zhuǎn)軸將移動(dòng)半個(gè)步距角,停在相鄰兩個(gè)整步位置的中間。如此循環(huán)地對(duì)兩相線圈進(jìn)行單相然后雙相激磁步進(jìn)電機(jī)將以每個(gè)脈沖 0.9 的半步方式轉(zhuǎn)動(dòng) 。 和整步方式相比,半步方式具有

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