直行程电动执行器

1、 第31页第一章 绪论1.1电动执行机构概述 执行机构，是一种自动控制领域的常用的机电一体化器件，又称作执行器。是检测设备、调节设备和执行设备三大自动化仪表组成部分中的执行设备，主要是对一些设备和装置进行自动操作、控制开关和调节，代替人工作业。是自动控制系统不可缺少的组成部分,它接受控制器或人工给定的控制信号,将其进行功率放大,并转换为输出轴相应的转角或直线位移,连续地或断续地去推动各种控制机构,如控制阀、挡板,以完成对生产过程各种参量的控制。 执行机构按动力类型可分为气动、液动、电动和电液动等几类。按运动形式可分为直行程、角行程、回转型等几类。相对于其他动力，电动执行器其发展最快，应用最广。

2、 电动执行机构电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。但是由于执行器本身具有伺服功能，无须外接伺服放大器；可以带过载保护单元；任意选择正反动作；断电后阀门自锁；电动机内部有温度保护开关从而保护电机不被烧毁的等特点。电动执行器在不断改进有扩大应用的趋势。 随着自动化，电子和计算机技术的发展，现在越来越多的执行机构已经向智能化发展，很多执行机构已经带有通讯和智能控制的功能，比如很多厂家的厂品都带现场总线接口。我们相信今后执行器和其他自动化仪表一样会越来越智能化，这是大势所驱。电动型按标准可分为组合式结构、机电一体化结构电器控制型、电子控制型、智能控制型等。 1.2电动执行机构发展

3、 自从1929年美国LIMITORQUE（利密托克）公司制造出了世界上第一台电动执行机构以来, 国际上电动执行器技术水平发展迅速。20世纪80年代起，国外相继推出了符合各种现场总线标准的智能执行器，在工业现场取得了较好的应用效果。由于高新技术的迅猛发展，目前国外已开发出新一代智能化电动执行机构产品，电子计算机技术、微机控制技术已在阀门设计中得到广泛应用。我国电动执行器的研制起步较晚，最初是70年代从仿制苏联的执行机构开始的。80年代以来随着电力电子技术的发展，电动执行器发展快速DKJ型角行程和DKZ型直行程电动执行机构两大类产品进入市场，DKJ、DKZ是我国最早的、唯一生产的电动执行器，此产品

4、以结构简单、经济实用等优点被最早的国营大型企业使用。90年代以后，随着现代工控计算机水平的发展，目前我国仪器仪表行业整体综合技术水平普遍上升，微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中普遍采用，多数产品实现了智能化。智能型的电动执行器实现了智能控制、防护等级高、控制精度较高、重量轻、稳定性好的功能。但与国际上先进的智能化电动执行器相比，现有的国产电动执行机构仍存在控制方式落后，可靠性不高，不能根据生产的实际要求进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制等问题。在安全防爆性能等方面，远远低于气动执行机构，影响了它的广泛应用。目前国内普遍使用DKJ和DKZ型两大类产品，一些企业使用DKJ、DKZ的更

5、新换代产品，但在控制要求较高的实验、生产控制中，主要还是依赖价格较高的国外智能产品。1.3电动执行机构的特点 目前，国际电动执行器的主要有以下特点： （1）智能通信，智能控制智能电动执行器利用微机技术和现场通信技术，实现双向通信、PID调节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制水平。 （2）机电一体化新型智能化电动执行机构将伺服放大器与执行机构合为一体，驱动电路应用功能强大的集成模块，结构简单，控制性能好。 （3）控制策略更为先进，先进的控制方法有利于解决电机的惯性问题，实现准确定位，提高控制精度。1.4电动执行机构发展趋势 电力电子技术、计算机技术及通讯技术的快

6、速发展必将推动电动执行器更加快速的发展，机电一体化将取代分体式结构；智能通讯取代模拟信号；控制精度将越来越高，使用环境越来越广；功能更强大，可靠性更高，以适应不断发展的自动控制的要求。1.总线化、网络化国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了长足的发展，作为自动控制中自动化仪表之一的电动执行器为适应这一发展趋势，也应具有标准的串行通信接口和专用的局域网接口，以增强其与其它控制设备间的互联能力，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台、甚至数十台电动执行器与上位计算机连接成为整个数控系统。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行

7、、数字式、多点通信的数据总线。现场总线企业网作为今后控制系统的发展方向，以其所具有的开放性，网络化等优点，使它与Internet的结合成为可能，现场总线技术应用于电动执行器成为必然趋势。现场总线技术的应用，取代了传统的420mA模拟信号，实现了电动执行器的远程监控，状态、故障、参数信息传送，完成远程参数化工作，提高了它的可靠性，降低了系统及工程成本。目前有影响的现场总线主要有PROFIBUS，FF，HART，CAN等。其实，国外目前的智能电动执行器一般都带有现场总线接口，我国也开发了一些带现场总线接口的智能执行器。2.数字化、智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，价格低廉的单片机和新型

8、高速微处理器将全面代替以模拟电子器件为主的电动执行器的控制单元，从而实现完全数字化的控制系统。全数字化的实现，将原有的硬件控制变成了软件控制，从而可以在电动执行器中应用现代控制理论的先进算法（如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）来提高控制性能。传统的电动执行器一般被看作是线性系统，由放大环节和积分环节组。但实际上，绝大多数执行器参数在运行期间会显著地发生改变，应用参数调度和模型辨识自适应控制将大大提高电动执行器的控制性能。相对气动、液动执行器来说，接线简单、功能强大、使用可靠的智能电动执行器将不断扩大应用范围。 3.小型化、机电一体化电力电子的高度集成化，单片机的使用以及一些功能强

9、大模块的使用，使电动执行器的体积越来越小，向小型化，轻便化发展。目前，智能电动执行器一般将整个控制回路装在一台现场仪表里，将伺服电机，现场仪表控制器安装为一体。电动执行器一体化，使得执行器的安装与调试工作都得到了简化；将整个控制回路装在一台现场仪表里，又减少了因信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响，提高了系统的可靠性。1.5执行机构应用领域电动执行机构主要应用在以下三大领域：1. 发电厂-火电行业应用 送风机风门挡板、一次进风风门挡板、二次 进风风门挡板、主风箱风门挡板 、燃烧器调节杆、燃烧器摇摆驱动器、球阀和蝶阀控制、 滑动门等。 其它电力行业的阀门执行器应用 球阀、叶轮机转速控制、冷凝

10、水再循环、脱 氧机、锅炉给水、再加热恒温控制器及其它相关阀门应用。 2.过程控制-用于化工、石化、模具、食品、医药、包装 等行业的生产过程控制，按照既定的逻辑指 令或电脑程序对阀门、刀具、管道、挡板、 滑槽、平台等进行精确的定位、起停、开合、 回转，利用系统检测出的温度、压力、流量、 尺寸、辐射、亮度、色度、粗糙度、密度等 实时参数对系统进行调整，从而实现间歇、 连续和循环的加工过程的控制。 3.工业自动化-用于较为广泛的航空、航天、军工、机械、 冶金、开采、交通、建材等方面，对各类自 动化设备和系统的运动点(运动部件)进行 各种形式的调节和控制。 第二章 设计方案设计2.1总体视图2.2主要

11、参数 输出力： 6500N工作速度： 2.8mm/s最大行程： 100mm 第三章 电动机选择根据 额定输出力 速度 及各传动机构的效率计算输出功率P=FV=6500x2.8x0.001=18.2W带传动效率=0.95滚动轴承=0.99螺旋转动滑动丝杠=0.4电机所需功率P=P/(0.95x0.4x0.99)=18.2/0.372438=48.9W选YY系列电容运转异步电动机YY56-60（摘自JB/T 1012-1991，机械设计手册第2版本 1,9.1-43）减速比选10.0 由1500r/min减速至150r/min，列出所选电机参数。电机特性表额定功率W效率（%）功率因数堵转转矩/额定

12、转距堵转电流（A）额定转速（r/min）声功率级/dB(A)60900.94410.45140065电机尺寸表(摘自JB/T 10091012-1991，机械设计手册第2版本 1,9.1-44）规格减速比DFGELNTABHh1h2SYY60318015512381854073611018130908.5减速比选7 由1400r/min减速至200r/min第4章 螺旋转动设计4.1 螺旋传动转动的概念和特点 螺旋传动是靠螺旋与螺旋牙面旋合实现回转运动与直线运动转换机械传动同时进行能量和力的传递，或者调整零件的相互位置。也有将直线运动转换为旋转运动的。4.2 螺旋传动的分类4.2.1按工作特点

13、，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。 （1）传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。 （2）传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋。 （3）调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。4.2.2按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋转动和滚动螺旋转动。 （1）滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿

14、形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差、强度较低等原因应用很少;对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。 （2）用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动。滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。4.3螺旋副的设计计算绘出执行器中螺旋传动机构图，按手册进行设计计算。 螺旋副1. 螺杆中径=12.65mm 整体式

15、梯形螺纹 这里取=1.3 -许用压强 查表5-12取p=20Mpa F轴向载荷按算出的由标准中选取相应的公称直径d和螺距p 查机械设计手册19-1得：公称直径d=16mm 大径D=16.5mm中径15mm小径=13.5mm螺距P=2mm2 螺母高度 其中 取=1.6 则 3.旋和圈数4.螺纹的工作高度 梯形螺纹5. 工作压强 6.螺纹升角= = = 为螺纹中径处升角 当量摩擦角 摩擦系数 由表5-12 取 S 导程 mm通常可使 7. 当量应力= 式中为螺纹中径处升角，为当量摩擦角 T-传递转距 N.mm-螺杆材料的许用应力 查机械设计 表5-13=普通炭素钢= 255 275MPaMPa符合

16、强度计算的条件8. 梯形螺纹螺纹牙底宽度 9.螺杆剪切强度 材料的许用切应力查机械设计 表5-1310. .螺杆弯曲强度 11. 螺母剪切强度 12. 螺母弯曲强度MPa 材料的许用切应力材料的许用弯曲应力b13.螺杆的稳定性 螺杆稳定,其中： 螺杆稳定安全系数，对于传导螺旋，取2.54.0l 螺杆的最大工作长度mm 螺杆危险截面的轴惯性矩i 螺杆危险截面的惯性半径A 螺杆危险截面的面积 长度系数与螺杆的端部结构有关，查表5-14得一端固定一端自由14.轴向载荷使导程产生的变形 E-螺杆材料的弹性模量，对于钢 MPa15.转矩使导程产生的变形 螺杆危险截面的极惯性矩 G 螺杆材料的切变模量，对

17、于钢 16. 导程总变形量 轴向载荷与运动方向相反时取+号17横向振动临界转速 对于钢制螺杆 -螺杆两支承间的最大距离 系数，与螺杆的端部结构有关，查表5-14，一端固定，一端自由, g 重力加速度 重度 对于钢 18.驱动转矩 螺纹力矩 轴承的摩擦力矩19. 效率 （0. 950.99）为轴承效率，决定于轴承形式，滑动轴承取小值，轴向载荷与运动向相反时取+号。开始参数初始化读取数据执行A/D转换获取输出机构当前位置控制运算控制电机输出运行状态显示和警报显示是有错误吗？接收控制命令执行控制命令显示控制命令是否上位机有输入否？LCD显示否系统程序流程图读取参数开始选择控制方式检测阀门位置及行程修

18、改控制命令及参数发送数据N发送完毕？Y显示N故障？Y停机电机放大器单片机放大器输入信号制动装置位置发送器放大器工作原理框图图第5章 同步带传动设计绘出执行器中同步带传动机构图，按手册进行设计计算，如：大带轮转速 V 带传动的设计计算1.设计功率由机械设计表 8-8 查得 P 所需传递的额定功率，如电动机的额定功率或名义的负载功率，W -工作情况系数 2 选定带型、节距 根据和 由表 8-41确定 选L 型同步带， 节距-小带轮转速3小带轮齿数Z1 Z min 由机械传动装置设计手册（上册）表8-38 查得小带轮最小齿传动比i= -小带轮的转速-大带轮的转速4小带轮的节圆直径 5. 大带轮齿数

19、6. 大带轮节圆直径 7. 带速 同步带尺寸 1小带轮 2同步带 3大带轮8. 初定轴间距 9.带长及其齿数由机械传动装置设计手册 表8-32查得应选用带长代号为210的L型号同步带选择 10. 实际轴间距 此结构轴间距可调 11. 小带轮啮合齿数 12. 基本额定功率 查机械传动装置设计手册表8-44， -宽度为的带的许用工作拉力m-宽度为的带的线质量13. 带宽 由机械传动装置设计手册表8-31 查得L型带,标准宽度代号为100， 查8-45查得 基准宽度（mm） 小带轮啮合齿数系数14. 作用在轴上的力 15. 切应力和压力验算 16.带轮的结构和尺寸小带轮 Z1=14, d=42.45

20、mm大带轮Z2=37, d=112.2mmL 型双边挡圈带轮最小宽度= 20.3 同步带轮的设计按手册进行表8-83 带轮尺寸和公差项目符号L型槽齿槽底宽齿高槽半角齿跟圆角半径齿顶圆角半径两倍节顶距外圆直径外圆节距跟圆直径第六章 轴承的选用和校和画出螺旋套及其轴承结构图，按手册进行选用和校核d=35mm,D=72mm,T=18.25mm,B=17mm,E=58.844mm 额定动负荷C 为51.5KN,额定静负荷C0 为37.2KN螺旋套下端选用30206圆锥滚子轴承系列d=30mm,D=62mm,T=17.25mm,B=16mm, E=49.99mm额定动负荷C 为41.2KN, 额定静负荷

21、C0 为29.5KN6.3轴承寿命校核用工作小时数表示：-轴承寿命 小时hn-轴承转速r/min 44.25 Fa1 73.16 Fa2 Fa Fr Fr1 Fr2 图 6.2 轴承受力分析已知: F a =10000N，Fr=213.77N 计算F1 和F2F1=Fr+F2 (6.1)F144.25=F2（44.25+73.16） (6.2)计算得：F1=343.07N F2=129.30N校核30207圆锥滚子轴承:（1）确定轴承的承载能力查手册 C 为51.5KN, C0 为37.2KN为（2）计算当量动载荷内部轴向力 (6.3)A=S+=10000+107.21=100107.21N

22、(6.4)=0.4 =1.6P = XR + YA =0.4 343.07+1.6 10107.21=16308.76N (6.1)（3）校核轴承寿命 (6.5)每日工作8小时机械，预计寿命12xh12xh,故满足要求。第七章 连杆及弹簧的设计画结构图，进行设计计算7.1 连杆的设计连杆材料 普通碳素钢Q235 屈服极限 安全因数（静载下，对塑性材料）计算公式: (7.1)-连杆的横截面积（mm）-轴向力 （N）-许用应力 （MPa）将数据代入公式中得：所以：d=22mm满足要求螺牙强度的校核 螺杆 钢 螺母 青铜一般螺母的材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺牙的强度矩形螺纹螺母材料的许用切应力 (7.2) 合格螺母材料的许用曲应力 (7.