滑塊厚度綜合檢測(cè)平臺(tái)分料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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