滑块厚度综合检测平台分料机构设计

本科毕业设计说明书（论文 ） 第 I 页 共 I 页 1 目 次 1 引言 1 1.1 课题的背景 1 1.2 课题的研究目的与意义 1 1.3 研究方法和手段 1 2 滑块厚度综合检测系统总体设计方案探讨 4 2.1 检测对象 4 2.2 总体设计难点及解决方案 4 3 机械结构 总体设计 6 3.1 自动分料系统方案初步探讨 6 3.2 自动分料系统设计 9 3.3 复位弹簧的设计 11 3.4 电磁铁的选型 14 3.5 步进电机的选型 16 4 滑块厚度综合检测控制系统设计 25 4.1 控制系统的组成 25 4.2 控制系统的功能要求 26 4.3 控制系统硬件设计 26 4.4 PLC 控制电机功能的实现 28 4.5 总控制流程图 30 结 论 31 致 谢 33 参 考 文 献 34 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 1 页 共 34 页 1 引言 尖端技术的发展要求机械制造工 厂的生产向着快速、灵活、高质量、大批量的自动化方向发展，与此同时，产品检测能否跟得上生产的速度就决定了工厂生产率的高低。显然，传统的人工操作检测已经远远落后了 ,尤其是对大批量生产的重要元件的检测，靠人工检测显然 费力 、 费时 。 此时， 如果能有一条自动检测生产线来取代原来的手工操作，就显得非常必要，本课题就属于这样的范畴。 1.1 课题的背景 本课题的设计检测主体 滑块是空气调节器中的关键部件，其 加工质量严重影响了空气调节器的性能指数，其 加工的 尺寸、 平行度 和 垂直度 等的 精度 要求 非常高，因此滑块检测尤为重要。由于滑块生产量较 大，现同步相关工厂每天生产数万只，对滑块 厚度 的检测采用人工手动的方式，大部分测量用千分表来进行，测量分辨率 1 m 2 m，部分测试项目用万分表来进行测量，测量分辨率 0.1 m 0.2 m，检测效率是5000 片 /8 人 天。这样不仅要耗费较大的人力、物力、财力，若稍有不甚， 检测精度就较难保证，而且明显与当今机械制造、检测自动化的方向不 符。 少数国内比较先进的工厂都采用流水线作业 的自动检测方式，从产品的尺寸测量、翻转，到测点数据的传输、与上位机的通讯，再经过计算机对数据作分类处理，到最后实现分组，都 是由生产线自动完成的。 1.2 课题的研究目的与意义 本课题就是拟采用流水线的 作业 方式对滑块进行检测，核心工作就是要设计一套滑块自动检测系统来取代原有的人工检测，测试过程要实现自动化，操作工人只负责将滑块放入工作台第一个工位和收取流水线上分组后的滑块。滑块自动检测装置的应用，将有效地提高企业的自动化水平，在提高了测量精度的基础上，极大的提高工厂的生产检测效率，提高产品质量和竞争力，可以产生极大的经济效益。因此，此检测装置的设计和应用，具有极高的实用价值与推广价值，有着重要的意义 1.3 研究方法和手段 本课题为实现滑块厚度 尺寸精度的综合自动检测，主要采用的流水线为导轨式结构，在导轨中完成滑块的运行、姿态的变换，并在完成综合检测后自动分料，导轨用步进电机带动双面同步齿形带传动，分料机构用步进电机及电磁铁实现；采用可编程本科毕业设计说明书（论文 ） 第 2 页 共 34 页 序控制器（ PLC）作为系统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系统，实现对滑块检测、分料过程的实时监视和自动控制。 1.3.1 可编程控制器技术 可编程控制器是一种典型的采样控制系统，它通过循环方式进行闭环控制，包括数字量和模拟量控制。它既可进行顺序控制，也可实现过程控制，随着微处理器技术和通信技术的发展，可编程序 控制器已不仅仅是传统意义上的控制元件，其功能日益完善。它整合了 CPU、存储器、输入输出端口，使其成为一个小型微处理器，不仅能实现传统继电器吸合、延时等功能，还有逻辑运算、算术运算、指令运算、数制转换等控制功能，它与其它外部设备如数采卡、 CRT、打印机、计算机组成分布式测控系统就能实现显示、监控、打印及报表生成。 1.3.2 串行通讯技术 串行通讯是按位传输数据的一种通讯方式，由于其传输距离远、价格低而被广泛使用。串行通讯分为同步通讯和异步通讯方式，采用同步方式时，除需传送数据信号外，还需传送用于位指示的时钟信号；而采用 异步方式时，收发双方分别使用各自的时钟信号，发送端可选择任何时刻开始发送数据，异步通讯用一个起始位表示一个字符的开始，用停止位表示字符的结束，采用帧来传送数据，数据传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 拟采取的检测方法 经研究决定，拟采用流水线为导轨式结构，滑块的运行、姿态的变换均在导轨中完成，且由设计结构自动完成，以满足自动化要求。滑块在检测过程中每种工位完成不同的参数测试，最终满足检测的数据要求。 根据初步的探讨，自动检 测系统采用接触式测量，在待检测滑块运动到传感器位置时，经过一个传感器探头，获得三个所需的厚度值，然后滑块旋转 90，经过 另一个传感器探头， 测得另三个所需的厚 度值 ， 滑块继续前进，再经过翻面过程 ， 经过另一组即先后两个传感器探头，又获得另一个面的五个 （或六个 ， 中间一个重复） 所需厚度值，完成所需待测参量的测量。 测试过程自动化，操作工人只负责将滑块放入测试平台和收取测试分组后的滑块。 1.3.4 本文的主要内容如下 在整个滑块自动检测系统中，本文将在简述检测平台总体设计方案的基础上，重本科毕业设计说明书（论文 ） 第 3 页 共 34 页 点完成分料口部分机械结构和控制系统的设计。 第一章引言 介绍了滑块厚度测量系统的相关概念以及国内外在该课题方面的发展概况及趋势，并阐述了本课题研究的方法、手段及意义。 第二章总体设计简单介绍了本课题的总体设计思想，以及在测量、传送、分类、数采等方面设计中遇到的难点及初步解决方案。 第三章介绍了系统主体部分的机械结构设计，其中，详细介绍了滑块传送系统的方案设计、方案认证及其具体的机械结构设计，并对关键部件的设计和选型进行了详细的分析、计算及认证。且介绍了传动及分料机构步进电机的选型及验证。 第四章滑块厚度综合检测 控制系统设计 部分 详细地介绍了控制系统（主 要是分料机构的控制系统）设计，包括 控制系统组成、功能要求、 PLC 硬件 选择 以及 控制流程设 计等。 结论部分 中 队本课题做了简单总结，并详细 介绍了本人在本课题中 所做 工作 、所得收获，以及在工作中发现的不足、有待解决的问题等。本科毕业设计说明书（论文 ） 第 4 页 共 34 页 2 滑块厚度综合检测系统总体设计方案探讨 滑块自动检测系统的总体设计思想如下：采用 数字几何量传感器 来进行测量，测量分辨率高，能保证测试精度；各个测试数据点独立测量，流水进行，以保证测量的效率；利用数采卡采集数据， 通过工控机 计算各个指标，如厚度和平行度，以综合判断该滑块合格或是不合格，并进行分组。 2.1 检 测对象 滑块是空调压缩机的关键部件之一，其外形如 图 2.1所示，滑块规格见 表 2.1(单位 ： mm)。 图 2.1 滑块外形图 本课题中，按产量最大的一个规格 （ 53527） 进行设计，并保留足够的空间以备在其后几台研制中通过更改夹具等方法兼容其它规格的测试要求。 厚度检测系统 测试 滑块 中心厚度及四个角的厚度，五个数据的最大差值为厚度平行差。设七个分组出口，按平均厚度分组：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。分组方式可以通过控制计算机进行调整。 2.2 总体设计难点及解决方案 检测对滑 块的平面度和垂直度有一定要求，测量精度较高， 测量分辨率 0.1m,测量重复性 0.1m， 在此精度要求，接触式传感器完全可以满 足要求，且成本相对较低，所以我们采用接触式传感器， 而 不考虑用 非接触式传感器。此外，用作测量的检测平台也要满足很高的精度要求，才能作为基准。 需 对滑块 两个 平面的厚度值进行测量，因而要用一定装置实现滑块的定时定位旋转 和 翻转 ， 而且对旋转 和 翻转的时间也要有很好的控制。 此时， 可考虑先用气缸将滑块顶起，再由步进电机实现旋转，用机械手实现滑块的翻转 。 但这样一个工位非常耗时，想要在 2s3s 内完成不 易实现， 所以我们想办法在滑 块传送过程中，利用导轨来面符号 尺 寸 最 大 最 小 S/T 厚度 d 5.3 3.2 U/V 高度 h 45 16 W 宽度 w 30 23 表 2.1 滑块规格表 ： 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 5 页 共 34 页 实现滑块的旋转 和翻转，这就是本课题最终选用的设计方案。具体的介绍将由本团体中另一同学详细讨论。 测试速度要求较高，一般为每个测点 2s3s，流水测试，每天至少要测试 一 万片以上，由于流水线采用多工位测量方式传动，因而每个滑块的检测速度取决于滑块通过最慢的工位所用的时间，因而生产线上每个工位的操作时间需要在 2s3s 内完成。纵观整个流水线作业过程，无疑分料口 滑块分类这一工位耗时最久，因而如何能在最短的时间内实现这一过程就是能否提高检测速度的关键所在。 由表 2.1 可知，检测对象滑块的外形相似，但尺寸大小不一，而且对滑块的厚度、高度和宽度都有最大最小值界定，这给检测之后的产品分组带来一定难度，可采用可编程序控制器（ PLC）作为系统的控制核心，通过串行通讯与工控机组成上位机监控系统，实现对滑块检测、分料过程的实时监视和自动控制。采用数据采集系统将测点数据传入数据库，再由 计算机 进行处理分组，在 计算机 上修改合格要求和分组要求。 由于检测工序的上述特点，本系统采用接触式测量的光栅测长仪。整个测试过程实现自动化，操作工人只负责将滑块放入测试平台和收取测试分组后的滑块。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 6 页 共 34 页 3 机械 结构 总体设计 我们研制的滑块厚度综合检测系统总体结构如 图 3.1所示。其可以分成三大功能单元，即滑块传送系统、滑块翻转系统和自动分料系统。本文主要对自动分料系统进行详细分析。 为满足安装和使用的方便，在总体结构的设计中作了以下几点考虑： 1. 为避免因摩擦产生的影响，在设计传送带时，我们采用了组合式的滑块夹具，即在外滑块夹具内配上圆形的与滑块相配的内夹具，尽量减少滑块与导轨的摩擦，且要有滑块保护罩； 2. 由于滑块合格产品占多数，在设计时 ，把中间一个出口作为合格产品的出口，再考虑到尽可能减少步进电机的转过角度，在出料口左右两边各设三个分料出口； 3. 为使传送带具有良好的稳定性，需要设计压带轮部件以压带轮弹簧的弹性减弱外部环境引起的震动； 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 7 页 共 34 页 4. 在设计测头夹具时，要考虑到如何保护传感器探头及有效夹紧。 3.1 自动分料系统方案初步探讨 在滑块厚度检测结束后，根据不同结果把他们分成七类。如何实现在 2s 钟内完成自动分类成为本课题设计的瓶颈。本节将在比较之后确定最终方案。 下面分别介绍几种可考虑的设计思想： 3.1.1 斜面导轨： 可以选择匀速流水线型导轨，导轨成 斜坡 形，运 行 速 度为 0.5 m/s。 导轨由七个挡板组成，每个挡板对应一种不同的分类 。 当相应的类型的滑块滑到此挡板时，由电磁铁或继电器等其它执行器带动挡板下翻，使滑块从该口跳出 ，以实现分类。但是，这样的七个分料口需要七个将滑块分类 的装置，既浪费资源又占用较大空间，不易实现。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 8 页 共 34 页 图 3.1 滑块厚度综合检测系统总体结构 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 9 页 共 34 页 3.1.2 曲柄滑块机构 另一个可考虑的设计方案是曲柄滑块机构。如 图 3.2所示。 图 3.2 曲柄滑块机构 对图中字符的含义作如下说明： 1C 、 2C 滑块的两个极限位置 1 、 2 滑块前进、后退对 应曲柄转过的角度 1B 、 2B 曲柄端点的两个极限位置 1 曲柄转动角速度 偏距 极位夹角 曲柄滑块机构是由平面四杆机构演化而来，它含有一个移动副。本次设计如采用的是偏置曲柄 滑块机构，具有急回特性。虽然对心曲柄滑块机构无急回特性，但这样一个 机构， 各参数需自己设计，实现起来较复杂，成本较高 。 3.1.3 圆盘电磁铁： 综合比较以上几种方法，用一个电磁铁带动推出装置来实现所有 类型滑块的推出是比较理想的。这样，就形成了本课题中的分料系统设计，步进电机带动滑块和电磁铁旋转过一定角度，由电磁铁装置将滑块推出。分类结束后步进电机回到起始状态，等待下一个滑块的到来。 该套装置共设 7 个分组出口，按厚度和平行差工艺标准进行分组，把中间一个出口作为合格产品的出口，再考虑到尽可能减少步进电机的转过角度，在出料口左右两本科毕业设计说明书（论文 ） 第 10 页 共 34 页 边各设三个分料出口，如 图 3.3所示 ： 图 3.3 出料口示意图 方案一旦确定后，剩下的重点就是步进电机的选择、电磁铁的选型和滑块吸收座的设计，本文将在后面几节给以讨论。 3.2 自动分料系统设计 自动分料系统主要包括：转盘、滑块吸收座、电磁铁、电动机、减速器、安装座、出料导轨等装置。 3.2.1 转盘 根据滑块的外形尺寸，初步取分料转盘直径约为 30 厘米。要在其上安装电磁铁等装置。 滑块从检测平台上滑到此圆盘上，应避免使滑块的棱角发生磕碰，也要考虑尽量减少摩擦。所以，我们把 转盘材料选 为 塑料， 且安装容易， 能同时满足稳定性的要求。为了即方 便安装，又保持转盘的稳定，可以在塑料 圆 盘下面再装一个密度较大的钢质圆盘，直径稍小于塑料圆盘即可。 3.2.2 滑块吸收座 设计滑块吸收座时，主要考虑以下几点： 1. 当滑块厚度检测完毕，通过出样导轨从检测平台滑到分料转盘上，这时，需考虑一个滑块吸收座来接收滑块。并在滑块被弹出前，滑块一直位于吸收座中随吸收本科毕业设计说明书（论文 ） 第 11 页 共 34 页 座运动。 2. 本课题利用电磁铁将滑块弹出，电磁铁线圈断电后无复位装置 ，所以，需安装弹簧，在线圈断电时，依靠弹簧的存储能带动衔铁弹出，再通过合适的装置将滑块弹出。 3. 弹簧不可能装在衔铁与磁扼之间，所以，要考虑如何实现衔铁的复位，即弹簧的安装方式位置。 4. 在 30 cm 这样一个转盘上，既要安装电磁铁，又要安装滑块吸收座，还要考虑弹簧等。所以，尽量采用整体式设计，以节省占用空间。 综合考虑这四点，可初步考虑 如 图 3.4 所示这个装置来实现： 图 3.4 滑块吸收座部件图 显然，这样一个滑块吸收座能同时满足以上四点要求。 其工作状态如 图 3.5所示： 图 3.5 滑块吸收座工作 状态 图 各零件的具体尺寸需要在设计出复位弹簧及选定电磁铁后计算得出。复位弹簧和电磁铁的设计选型在后面将给 予 详细介绍。 1.外座 2.推杆 3.挡块 4.出样簧 电磁铁吸合，带动推杆压缩弹簧， 电磁铁失电，弹簧复位，推动推杆，弹出滑块。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 12 页 共 34 页 3.2.3 动平衡 在分料转盘旋转时，如设计不当，就会引起振动，为了实现系统的动平衡，电磁铁和滑块吸收座的安装位置也需特别考虑。 机械结构设计时，机构运转时构件将产生惯性力和惯性力偶矩，它们在机构各运动副中引起动压力，并传到机架上。 由于惯性力和惯性力偶矩的大小和方向随着机械运转的循环而产生周期性变化，因此当它们不平衡时，将使整个机器发生振动，引起工作精度和可靠性下降、零件的磨损和疲劳以及有害人的噪声。如该振动频率接近振动系统得固有频率时，有可能引起共振而使机器损坏，甚至影响周围建筑和人员的安全。因此，尽量消除附加动压力，减轻有害的机械振动现象，以改善机器工作性能和延长使用寿命，就是研究机构平衡的目的。 绕固定轴回转构件的惯性力平衡：这类机构只有一个作回转运动的活动构件，动压力的产生主要是由于回转件上质量分布不均匀所致，故可用重新调整其 质量大小和分布的方法是回转件上所有质量的惯性力形成一平衡力系，从而消除运动副中的动压力及机架的振动。 本课题中，电磁铁和滑块吸收座等固定在转盘上，且转盘轴向宽度很小，可以通过适当的布置电磁铁和滑块吸收座的位置，把它的质量近似地认为均匀的分布在同一回转面内。此时，转盘离心力系的合力和合力偶矩都等于零，即该转盘即满足了静平衡 ，另一方面，由于此机构转速较低，对动平衡要求不高，所以，满足了静平衡的同时可以认为它也实现了动平衡 。 3.3 复位弹簧的设计 当电磁铁衔铁吸合时，推杆收回，当电磁铁断电时，衔铁弹出，将滑块推出，但电 磁铁断电时，衔铁不会自动复位。这时就考虑利用弹簧来实现衔铁的复位。当衔铁吸合时，推杆向相应方向移动压缩复位弹簧，产生弹性变形。 弹簧在此处的作用主要是帮助电磁铁复位，以实现弹出滑块的功能。当电磁铁收到滑块分类信号，电磁铁断电，丧失吸力，这时利用复位弹簧在弹性变形下产生的作用力，带动衔铁推动推杆向外将滑块弹出。在此过程中，弹簧的弹性力只是用来在断电的瞬间，克服各种摩擦的同时给滑块一个冲击力。 1、初步选定弹簧 根据弹簧的工作性质，我们选用圆柱螺旋弹簧，材料为碳素弹簧钢丝（ GB4357-89）。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 13 页 共 34 页 GBD 1997-GB / T 3 4 2-h11-0 . 8再根据滑块吸收 座的尺寸结构及弹簧设计的相关标准初步选定：弹簧预装尺寸H1=20mm，工作行程 H=5mm，外径 D2=16mm。 2、弹簧的最大作用力： 滑块接收弹簧给的冲量（ Ftt），转化为动量（ mv0），滑块拥有动能，在滑出转盘时，一部分用来克服摩擦，转化为热能（ J），剩余的能量为滑块出转盘时拥有的动能（ mv12），显然，此动能必须大于零，即（ v10）。 设计此弹簧，需求出滑块能自由滑出滑块吸收座所需最小能量，即弹簧给它的最小力（ Ftm）。 Ftm t=m v0m m 0m2=J（ v1=0） 因为 J 和 t 很难精确计 算，所以用实验的方法求得 Ftm。 经实验测得 : Ftm4.5N 所以，我们取弹簧的最大作用力 F5N。 3、根据负载类型定 、 G： 本系统实际工作情况：每台的工作量约为每天检测 一 万片，寿命约为 一 年。 这样，弹簧工作次数约为： 1042300=6106 次 所以，此弹簧所受载荷为第 类载荷（受变载荷作用次数在 106 次以上的弹簧）。再初选此弹簧的材料为碳素弹簧钢丝（ GB4357-89）。 查弹簧材料的综合性能得： b=1400 MPa （强化钢丝强度下限值）； 许用切应力 =（ 0.300.38） b=（ 0.300.38） 1400=420 MPa532 MPa； 切变模量 G=78.8103MPa； 4、根据质量最轻原则设计弹簧 如 图 3.6所示，为本课题设计弹簧： 弹簧材料：碳素弹簧钢丝 弹簧材料直径 d=0.8mm 弹簧中径 D=16-0.8=15.2mm 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 14 页 共 34 页 cos 2)(n Dl节距 p=6mm 图 3.6 复位弹簧设计简图 圈数： 有效圈数 n=15， 支承圈 nz 取 1.5， 总圈数 n1=n+nz=16.5， 预压长度 H1=22mm 工作长度 H2=H1+5=27mm 5、简单分析、校核： 螺旋升角 =arctg（ p/D） =arctg（ 6/15.2） =7.16 螺旋角推荐用值为 59，本弹簧满足此要求，则计算变形时不需考虑 螺旋角的影响。 弹簧螺旋线长度： 当圆柱螺旋弹簧受到轴向载荷 F 和扭矩 T 作用时，弹簧产生轴向变形，仍保持螺本科毕业设计说明书（论文 ） 第 15 页 共 34 页 旋形，但基本参数：弹簧中径 D、升角 、螺旋线的长度 l 均发生变化，弹簧材料截面尺寸也要发生变化。 当弹簧两端固定，从自由高度压倒并紧时，中径增大值为 D=0.05（ p2-d2） / D 当两端面与支承座可以自由回转而摩擦力比较小时，中径增大值为 D=0.10（ p2-0.8pd-0.2-d2） / D 本次设计可根据第二个公式计算，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，滑块吸收座中，推杆内径 D =16.5mm D+D =16.21mm 能满足要求。 3.4 电磁铁的选型 1、 电磁铁类型 本课题的目的是将检测结束后的滑块实现分类，我们之所以选用推拉式电磁铁是基于它的结构特点： 线圈用高导磁率外壳覆盖住，由于辅助磁路的作用会产生很大的吸引力。在线圈上施加电压，衔铁就被吸引到线圈的那边，如果使用安装螺栓侧的轴，就发生推动作；如果使用衔铁侧的轴，就发生拉动作，两者都能使用。 在本课题中，我们使用衔铁侧的轴， 在 使用时将磁扼安装在固定支架上，而将衔铁活动地连接于牵引杆上，当吸引线圈通电时衔铁被吸合，经过连杆带动滑块吸收座中的推杆复位， 在线圈断电时，复位弹簧依靠变形能将衔铁拉出，同时带动推杆将滑块弹出。 2、使用中需注意电磁铁性能 关于直流电磁铁，电阻、电流、电压、功率、漆包线线径、漆包线匝数、行程等等与力量的关系如下： 行程越小力量越大，当问及力量的时候，一定要加上行程，因为二者直接相关。 一般情况下，功率越大力量越大，近似正比关系。当功率大到一定程度时，电磁铁接近磁饱和，力量增加很小。 工作时间的长短决定功率 的大小，长时间通电时，功率不能太大，否则易发热烧本科毕业设计说明书（论文 ） 第 16 页 共 34 页 坏。 当不能满足发热要求时， 要选更大体积的电磁铁，才不致于发热那么严重。 3、根据结构设计的要求，如弹簧，导轨的角度等，考虑电磁铁的行程、吸力 弹簧行程为 f =5mm，所以选电磁铁行程 ff =5mm 弹簧预紧力： 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 因为 k1 k2，所以， 取 弹簧刚度系数 k = k1 = 0.0780 N/mm。 弹簧最大工作力取 F1 = 0.0780*64.2=5.4 N 考虑到温度变化地、电压变动等因素， 取安全系数 1.5=2， 所以，选用电磁铁吸力 F F2= 10 N 4、选定电磁铁 根据上面所计算吸力、行程等参数，可知，该系统需要电磁铁对吸力和行程的要求较低。 综合比较各参数，查阅电工手册，我们选定电磁铁型号为 MQ1-1.5N（ -5101）。 其技术数据如 表 3.1所示下： 表 3.1 MQ1-1.5N 电磁铁技术数据 使用 方式 额定吸力（ N） 额定电压 （ V） 额定行程（ mm） 通电率（ %） 操作次数（次 /小时） 消耗功率 起动 吸合 拉动式 15 220 20 60 600 450 67 5、校核 此电磁铁通过一角形铁，固定在塑料转盘上。考虑到动平衡因素，与滑块吸收座本科毕业设计说明书（论文 ） 第 17 页 共 34 页 沿转轴成惯性力矩对称分布。 经实验证明，此电磁铁满足各方面性能要求。 3.5 步 进电机的选型 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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 根据本课题机械系统设计要求，我们选择步进电机作为控制执行元件。步进电机与通常直流、交流电机一样是将电能转化为机械能的电磁元件，但其运行原理，驱动单元和控制方式等方面存在特殊性 。其有如下特点： 1. 采用脉冲通电方式，将数字脉冲信号转变为相应的角位移 ； 2. 电机的转速与脉冲信号的频率保持严格的同步关系。 在本设计中，步进电机的选型主要考虑以下几点： 1. 要有足够小的步距角，满足精度要求； 2. 提供足够大的输出转矩； 3. 提供足够大保持转矩即静转矩 。 3.5.1 步进电机的基本结构型式 1. 反应式步进电机：亦称磁阻式（ VR）步进电机。其定转子磁路均由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。其特点如下： 1） 步距角小。最小可做到 10左 右； 2） 要求驱动电源功率较大，系统效率较低 ； 3） 电机的内阻尼较小，但不运行 振动时间长 ； 4） 断电时没有定位转矩。 2. 永磁式步进电机：转子或定子的某一方面具有永磁钢的步进电机，另一方面由软磁材料制成，绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。其特点： 1） 步距角大 ； 2） 相数为偶数为多 ； 3） 启动频率低。负载启动频率一般在 300Hz 以下； 4） 控制功率小 ； 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 18 页 共 34 页 5） 内部电磁阻尼较大，单步镇当时减小 ； 6） 断电时具有一定的保持转矩，可用作定位使用。 3. 混合式步进电机：转子上有磁钢，但从定子或转子的导磁体来看，又和反应式步进电机相似，是反应式和永磁式电机的结合，又称作感应子式步进电机。具有反应式步进电 机步距小，响应频率高等优点 ,还具有永磁式步进电机励磁功率小、效率高和有定位转矩等优点。 3.5.2 步进电机的性能简述 在本装置中，步进电机主要作用是在给定频率的数字脉冲信号驱动下，驱动 V 形带、转盘转动，实现滑块传送和分类。而要可靠有效地完成上述功能，必须考虑步进电机驱动电源的脉冲频率与所带负载的转矩和转动惯量之间的关系，衡量这些关系有如下性能指标： 1. 步距角（ ）及精度 对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。 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。 对于使用步距角定位的系统，步距角大小的选择直接影响到负载的定位精度，步距角的精度通常用步距角的百分比来衡量， 一般步进电机的精度为步 距 角的 3%5%，且不累积 。本课题中步距角的误差允许在 1 左右。 2. 转矩 步进电机转子静止时，控制绕组统一直流电，如果在转子上施加一个外加转矩，因其定转子齿错开，则电机将产生一电磁转矩，这个转矩就是静转矩。它的存在势必使转子恢复到平衡位置。当外加力矩加大到一定程度，超过使转子回到原来的平衡位置时的电磁转矩时，转子将旋转到一个角度，处于不稳定状态。这个能使转子回复到原来平稳状态平稳位置的极限电磁转距角最大静转矩。 保持转距（ HOLDING TORQUE）是指电机各相绕组通额定电流，且处于静态锁定状态时，定子锁住转子的力矩。通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力 矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2Nm 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2Nm 的步进电机。 定位转距 （ DETENT TORQUE） 是指电机各相绕组不通电且处于开路状态时，由本科毕业设计说明书（论文 ） 第 19 页 共 34 页 于混合式电机转子上有永磁材料产生磁场，从而产生的转距。一般定位转距远小于保持转距。是否存在定位转距是混合式步进电机区别于反应式步进电机的重要标志。 3. 起动频率 步进电机能无失步起动和停转的最高频率，称为起动频率。分为空载起动频率和负载起 动频率。 空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 在该装置中，步进电机的负载启动频率与电机和负载的转动惯量有关。 4. 连续运行频率 步进电机在负载条件下，频率连续上升能无失步运行的最高频率称为连续运行频率。 5. 起动矩频特征 步进电机在负载转动惯量及其他条件不变的情况下，起动频率 和最大输出转矩的关系称为起动矩频特征。 6. 运行矩频特性 步进电机在负载转动惯量及其他条件不变的情况下，运行频率和最大输出转矩的关系称为运行矩频特性。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 7. 惯频特性 步进电机在负载转矩及其他条件不变的情况下，启动频率和负载转动惯量之间的关系称为起动惯频特性。它是反应步进电机能带惯性负载能力的一项重要性能指标。如果对动态响应要求比较高，建议选择电机的转动惯量最好为 负载转动惯量的 2 倍，否则只要负载的转动惯量小于电机的转动惯量即可。 8. 步进电机的外表温度 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应 取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在 130 以上，有的甚至高达 200 以上，所以步进电机外表温度在 80 90 完全正常。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 20 页 共 34 页 9. 电机的共振点 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在（ 180250） PPS 之间（步距角 为 1.8 ）或在 400 PPS 左右（步距角为 0.9 ），电 机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多 。 3.5.3 步进电动机的计算 感应子式（混合式）步进电机综合了反应式和永磁式步进电机的优点，不仅步距角小、响应频率高还有定位转矩，故为本系统选用。 滑块的分类依靠分类电机输出不同的相位来区分，其分类号由上位机给出。因此，要精确控制电机的输出脉冲数目以及频率。脉冲数目关系到输出的角度；频率的大小关系到分类的速度。选用合适的频率使电机能够在不失步的情况下，频率最大 。 1. 步距角 本课题的分料机构中，由步进电机带动转盘转过一定角度，以实现滑块分类，也就是说步进电机要有高的分辨率和定位精度。由分料机构示意图得，每种分类最小当量约为 30。该角度定位直接利用控制步进电机的驱动步数来实现，故对步距角应尽量的取小 。 目 前市场上步进电机的步距角一般有 0.36/0.72（五相）、 0.9/1.8（二、四相）、 1.5/3（三相）等 。 我们初步选取两相电动机，取步距角为 0.9 /1.8。能满足一般要求。 2. 电机转速估计 电机转速有如下两个换算公式： 1 = （ 180/） ； 1 r/m = 60/s =/30 /s； 本课题中，需在 2s3s 间完成滑块的分类，最大的分类角度约为 imax=90 。 假设：当分类角度约为 30时， 电机通过直线加速后刚好达到稳定频率就减速，恰 好 停止在准确位置。 则 设转盘转过 30所需时间为 t1， 则其转过 90所需时间为 t2： 则： t2=1s1.5s t1= t2/2=0.5s0.75s。 即： 电动机起步时， 分料转盘在 0.25s 内转过 15。 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 21 页 共 34 页 所以， 在加速启动 阶段内， 转盘平均角速度 （ /s）和平均转速 n （ r/m）分别约为： =1/ t1 =30/（ 0.50.75） =40 60 /s =2/9 /s /3 /s n =30 / =7 r/m 10 r/m 加速时间 t (s)约为： t =0.25s0.375s 角加速度 ( /s2)约为： =2 /t =（ 2/9/3） 2/（ 0.250.375） =16/9 /s2 在电动机正常匀速转动时，其转速 n 为： n=2n =14 r/m20 r/m 显然，转盘的转速太低， 可通过减速装置 提高电机转速，使其 工作 在较合适期间 ，初步设减速器传动比 i =1:5 则，电机转速 n（ r/m）约为： n =n /i =(1420)5 =70 r/m100 r/m 电机转速 n（ r/m）与脉冲频 率 f（ KHZ）的关系： n =1000 f /6 f =6n/ (1000) =(420600)/360 =1.17KHZ1.67 KHZ， 综合考虑电机的启动与停止加、减速的存在，取 f=1.5 KHZ。 3. 负载转动惯量和转矩的估算： 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 22 页 共 34 页 由前面的动平衡分析可知：在分析负载转动惯量时，我们可以简化认为电磁铁和滑块吸收座是均匀分布在转盘上的。转盘是塑料的，跟其下面的钢质的圆盘比起来可忽略不计。我们可以近似认为该负载质量为 m=0.9 kg，半径为 r=4 cm。 所以，负载的转动惯量 J (kgm 2)约为： J =1/2mr2 =1/20.90.0016 =7.210-4 kgm 2 旋转盘转矩 TL（ Nm）约为： TL =J =7.210-4 16/9 =4.0210-2 Nm 4. 力矩 驱动惯性体时的运动方程式（ 1-2）所述： (1-2) 式中 JM 电动机转子的转动惯量， kgm 2； JL 换算到电动机轴上的符合转动惯量， kgm 2； 角速度， rad/s； TL 负荷转矩， Nm ； T 所需转矩， T=加速度转矩 Ta+负荷转矩 TL， Nm； g 重力加速度， 9.8 m/s2 加速度转矩在变速区内进行驱动时，根据加速、减速的方式而定。本课题中，步进电动机的加减速运动图形为直线， 如 图 3.7所示 。 图 3.7 步进电机直线加速和减速运动图形 T Ltg J LJ MT 步进频率（速度） 时间（步数） t1 t0-2t1 f2 f1 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 23 页 共 34 页 直线加速场合下，加速转矩按式（ 1-1）计算： （ 1-1） 式中 f1 自启动区内的脉冲速度，个脉冲 /s； f2 变速区内的脉冲速度，个脉冲 /s； t1 加速时间， s； 步距角，度 /步。 把负载转动惯量换算到电动机转轴上，考虑到减速器的转动惯量，减速器效率取 =80%， 安全系数取 1.3 左右，得： JL =1.3J =7.210-41.3 =9.3610-4 kgm2 加速时间 t1 = ta=0.25s 初选电动机转动惯量 JM 为： JM 460 gcm2 则，由式（ 1-1）得： Ta =（ JM +J L） =(0.4610-4 +810-4)20/3 =1.7310-2 Nm 取 安全系数 为 1.3 左右， 选用 电机的保 持转为： T 1.731.310-2 Nm =2.2510-2 Nm 5. 电动机 定型 根据以上的分析和计算，我们 考虑选用四通公司的混合式步进电机。 综合考虑各项因素，我们选四通公司的两相混合式步进电机 56BYG250D。 各项技术数据如 表 3.2所示： tffgJ LJ MT a 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 24 页 共 34 页 表 3.2 电动机（ 56BYG250D）技术数据 步距角 （ ） 静态相电流（ A） 保持转矩（ Nm） 定位转矩（ Nm） 空载启动频率 （半步）（ KHZ） 转动惯量 （ g cm2） 0.9/1.8 2.4 1.72 0.07 3.0 460 其矩频特性如 图 3.8所示： 图 3.8 电机 （ 56BYG250D） 矩频特性 3.5.4 步进电机的驱动器选型 步进电机必须使用专用的驱动电源才能够正常工作。步进电机的驱动电源一 般由环行分配器、功率放大器等部分组成。 步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。 步进驱动器是步进系统中的核心组件之一。如 图 3.9所示，它按照控制器发来的脉冲 /方向指令（弱电信号）对电机线圈电流（强电）进行控制，从而控制电机转轴的位置和速度。 图 3.9 步进电机控 制图 本科毕业设计说明书（论文 ） 第 25 页 共 34 页 在本系统设计中，为了提高工作可靠性，步进电机的驱动器采用商品化的整体结构，选用北京四通电机公司的 SH-20806，其采用数字式升频升压驱动方式，并结合了恒电流控制技术，采用 36V 交流电源供电，输入控制信号为 TTL 电平信号，且提供过流保护、过压保护、步距角切换、双 /单脉冲控制模式切换和试机等功能。 步进驱动器工作模式有三种基本的步进电机驱动模式：整步、半步、细分。其主要区别在于电机线圈电流的控制精度（即激磁方式）。 本课题中，我们选用 半步驱动 方式： 在单相激磁时，电机转轴停至整步位置上，驱动器收到下一脉冲 后，如给另一相激磁且保持原来相继处在激磁状态，则电机转轴将移动半个步距角，停在相邻两个整步位置的中间。如此循环地对两相线圈进行单相然后双相激磁步进电机将以每个脉冲 0.9 的半步方式转动 。 和整步方式相比，半步方式具有