推拉型電磁鐵性能測試臺設計

推拉型電磁鐵性能測試臺設計,推拉型電磁鐵性能測試臺設計,推拉,電磁鐵,性能,機能,測試,設計 目錄 第1章 緒論 1 1.1 設計研究的應用目的和現(xiàn)實意義 1 1.1.1 電磁鐵的廣泛運用 1 1.1.2 電磁鐵的發(fā)明 1 1.1.3 我國電磁鐵測試技術的現(xiàn)狀 2 1.1.4電磁鐵性能測試的現(xiàn)實意義 2 1.2國外和國內(nèi)研究動態(tài)的比較 2 1.2.1 國外研究動態(tài) 2 1.2.2國內(nèi)研究動態(tài) 3 1.3選題的研究方法、主要觀點、創(chuàng)新之處 3 1.3.1 選題的研究方法 3 1.3.2 選題的主要觀點 4 1.3.3 選題的創(chuàng)新之處 4 第2章 電磁鐵性能檢測臺的總體設計 5 2.1 測試需求分析 5 2.2 測試臺方案的選取 5 第3章 動力元件的選擇 7 3.1電機類型的確定選擇 7 3.2 步進電機型號的選擇 7 第4章 傳動機構的設計 9 4.1 機械傳動機構的列舉： 9 4.2 傳動機構的選擇 10 4.2.1傳動機構類型的確定 10 4.2.2 滾珠絲杠的概念 10 4.2.3滾珠絲杠的型號的選取 11 第5章 傳感器的選擇 15 5.1傳感器的概念 15 5.2傳感器選擇 15 5.2.1 位移傳感器的選擇 15 5.2.2 力傳感器的選擇 17 第6章 其他零部件的設計 18 6.1 導套副類型的確定 18 6.2 聯(lián)軸器的選擇 20 6.3 軸承的選擇 21 6.4 余下零件設計 22 第7章 總結(jié) 23 致謝 24 參考文獻 25 推拉型電磁鐵性能測試臺設計 摘要：電磁體性能測試臺的設計主要有安裝固定步進電機、位移傳感器和力傳感器等測試傳感器、滾珠絲杠和要求被測的電磁鐵，設計的主題方案是用步進電機為動力元件，用一個剛性聯(lián)軸器把步進電機和滾珠絲杠連接起來，使步進電機的旋轉(zhuǎn)運動變換為緩慢的勻速直線運動，從而帶動滾珠絲杠上的導軌滑塊機構，以此收集電磁鐵性能測試過程中所需各種數(shù)據(jù)。 關鍵詞：電磁鐵 性能測試 步進電機 滾珠絲杠 傳感器 The design of electromagnet performance test Abstract：This design is mainly fixed stepper motor, displacement sensor and force sensor test sensors, ball screws and requirements measured electromagnet. Thematic program is designed stepper motor driven element, with a rigid coupling to connect the stepper motor and ball screw, rotary motion of the stepper motor is converted into a slow uniform motion, thus boosting the ball on the rail slider mechanism, Performance testing in order to collect the required solenoid various data. Keywords: Electromagnet Performance Testing Stepper motor ball-screw Sensor 第1章 緒論 1.1 設計研究的應用目的和現(xiàn)實意義 1.1.1 電磁鐵的廣泛運用 電磁鐵是電流磁鐵效應的一個應用，與生活聯(lián)系緊密，如電磁繼電器、電磁起重機、磁懸浮列車、電磁流量計等。 電磁鐵可以分為直流電磁鐵和交流電磁鐵兩大類型。如果按照用途來劃分電磁鐵，主要可分成以下五種：（1）制動電磁鐵—主要用于對電動機進行制動以達到準確停車的目的。（2）牽引電磁鐵—主要用來牽引機械裝置、開啟或關閉各種閥門，以執(zhí)行自動控制任務。（3）自動電器的電磁系統(tǒng)—如電磁繼電器和接觸器的電磁系統(tǒng)、自動開關的電磁脫扣器及操作電磁鐵等。（4）起重電磁鐵——用作起重裝置來吊運鋼錠、鋼材、鐵砂等鐵磁性材料。（5）其他用途的電磁鐵——如磨床的電磁吸盤以及電磁振動器等。 1.1.2 電磁鐵的發(fā)明 1822年，法國物理學家阿拉戈和呂薩克發(fā)現(xiàn)，當電流通過其中有鐵塊的繞線時，它能使繞線中的鐵塊磁化。這實際上是電磁鐵原理的最初發(fā)現(xiàn)。1823年，斯特金也做了一次類似的實驗：他在一根并非是磁鐵棒的U型鐵棒上繞了18圈銅裸線，當銅線與伏打電池接通時，繞在U型鐵棒上的銅線圈即產(chǎn)生了密集的磁場，這樣就使U型鐵棒變成了一塊“電磁鐵”。這種電磁鐵上的磁能要比永磁能大放多倍，它能吸起比它重20倍的鐵塊，而當電源切斷后，U型鐵棒就什么鐵塊也吸不住，重新成為一根普通的鐵棒。斯特金的電磁鐵發(fā)明，使人們看到了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的光明前景，這一發(fā)明很快在英國、美國以及西歐一些沿海國家傳播開來。? 1829年，美國電學家亨利對斯特金電磁鐵裝置進行了一些革新，絕緣導線代替裸銅導線，因此不必擔心被銅導線過分靠近而短路。由于導線有了絕緣層，就可以將它們一圈圈地緊緊地繞在一起，由于線圈越密集，產(chǎn)生的磁場就越強，這樣就大大提高了把電能轉(zhuǎn)化為磁能的能力。到了1831年，亨利試制出了一塊更新的電磁鐵，雖然它的體積并不大，但它能吸起1噸重的鐵塊。 1.1.3 我國電磁鐵測試技術的現(xiàn)狀 電磁鐵的應用如此廣泛，而且它在工業(yè)自動化控制領域中起到了非常重要的作用，可以說電磁鐵性能的好壞將直接影響到整個自動化系統(tǒng)的工作，有時甚至是毀滅性的結(jié)局。所以必須嚴把質(zhì)量關，其中最重要的一個環(huán)節(jié)就是嚴把出廠關，也就是在電磁鐵出廠時做好電磁鐵的靜動態(tài)性能測試。一方面，可以保證出廠電磁鐵的質(zhì)量問題;另一方面，可以為用戶提供清晰可供參考的性能曲線。這將是工業(yè)控制領域的重中之重。 然而，我國電磁鐵測試技術卻非常落后，有的企業(yè)在這方面的技術甚至為零。大部分的電磁鐵生產(chǎn)廠商主要是依據(jù)工人的經(jīng)驗來判斷一個電磁鐵的性能好壞，更不能夠提供詳盡的性能曲線了，這將直接影響自動化系統(tǒng)的性能，進而制約自動化技術的發(fā)展。 1.1.4電磁鐵性能測試的現(xiàn)實意義 針對目前電磁鐵廣泛應用和電磁鐵測試技術落后之間的矛盾，如果我們能夠自主研發(fā)出有自己知識產(chǎn)權的電磁鐵測試系統(tǒng)，那么它的意義是不可估量的。 在效益方面:在電磁鐵出廠之前，它可以為電磁鐵提供完善的性能曲線及相關技術數(shù)據(jù)。保證了電磁鐵的質(zhì)量，同時也為用戶提供了方便。 在社會方面:目前國內(nèi)尚無成熟地電磁鐵測試系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)的研究有助于填補我國在電磁鐵測試技術研究及產(chǎn)品的空白，對提高我國自動化技術的發(fā)展，提升我國電磁鐵測試技術的水平都具有重要的意義。 1.2國外和國內(nèi)研究動態(tài)的比較 1.2.1 國外研究動態(tài) 通過分析國外電磁鐵產(chǎn)品可以看出，國外電磁鐵測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)方面己經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，同時己有較為成熟的產(chǎn)品投入市場。 德國Zwick公司開發(fā)和生產(chǎn)了額定載荷高達2000KN的比例電碰鐵測試機，可以對多種類型的比例電磁鐵進行垂直和水平方向的測試．其功能較為齊全，自動化水平也較高，可進行 “低”和“標準”兩種等級的額定載荷分別為1KN和25KN的測試．同時，Zwick公司還開發(fā)了名為testexpert的通用測試軟件。 日本KYB公司采用電渦流傳感器作為其動圈式電一機械轉(zhuǎn)換器的位移檢測裝置，協(xié)助完 成閉環(huán)控制，實現(xiàn)了很好的控制精度；申請者提出了一種新型耐高壓電渦流位移傳感器，采用螺管式結(jié)構，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓環(huán)境下電機械轉(zhuǎn)換器的位移檢測。 1.2.2國內(nèi)研究動態(tài) 在我國電磁鐵的生產(chǎn)應用技術和檢測技術尚處于起步階段。電磁鐵性能檢測設備的檢測性能單一、檢測技術簡單，往往需要幾種設備、經(jīng)過幾道工序、配合有經(jīng)驗的檢驗員手工操作才能完成檢測。其缺點是設備性能低，操作煩瑣，工人勞動強度大，而且數(shù)據(jù)可靠性取決于操作者的熟練程度、人為因素較大。但是隨著最近幾年的高速發(fā)展，國內(nèi)的檢測技術有了明顯的提高。 北京工業(yè)大學潘立新等人提出的有關電磁機構中電磁鐵動態(tài)吸力特性的測定方案，應用電阻應變片電測技術對ZN4一10/100一16型真空斷路器機構中所用的電磁鐵的動態(tài)吸力特性進行了測試。其測試原理非常簡單，主要利用了電阻應變測試技術:將電阻應變片貼在與電磁鐵鐵芯相連的拉桿上，鐵芯運動時拉桿受力變形，其變形量由電阻應變片轉(zhuǎn)換成電壓的變化送入動態(tài)電阻應變儀從而得到相應的應變值。 中國煤炭科學研究院上海分院液壓研究所的楊璐碩士提出一種用“工控機+數(shù)據(jù)采集卡+傳感器”測試裝置替代傳統(tǒng)的“傳感器+函數(shù)記錄儀”模式，測試程序由Visualc++開發(fā)。剝試過程中比例電磁鐵的輸入信號由數(shù)據(jù)采集卡發(fā)生，傳感器的測試信號由數(shù)據(jù)采集卡采集輸入到工控機，工控機再將剝試得到的力、位移或電流信號數(shù)據(jù)自動繪制成相關的比例電磁鐵性能曲線，測試性能曲線可直接打印。整個系統(tǒng)的自動化程度較高，測試效率比傳統(tǒng)剝試方法高。 1.3選題的研究方法、主要觀點、創(chuàng)新之處 1.3.1 選題的研究方法 （1）文獻研究：通過查閱與本課題相關的文獻資料，及時了解本課題的研究進程，全面掌握相關信息，為課題研究提供科學的論證依據(jù)、研究導向。 （2）觀察：為了了解事實真相，從而發(fā)現(xiàn)某種現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。通過現(xiàn)場的觀察，以便能更好的進行設計與改進。 （3）行動研究：對于本課題進行試驗研究，將采用行動研究方法，邊實驗，邊總結(jié)，邊推廣。 （4）個案研究：抓住典型實例，針對課題實施前后其計算、設計與校 （5）網(wǎng)上調(diào)查：利用網(wǎng)絡的便利性，作相關查閱與調(diào)查，及時指導與調(diào)整下步行動。 （6）經(jīng)驗總結(jié)：經(jīng)驗總結(jié)法是根據(jù)實踐所提供的事實，分析概括現(xiàn)象，挖掘現(xiàn)有的經(jīng)驗材料，并使之上升到理論的高度，以便更好地指導新的實踐活動的一種研究方法。關鍵是要能夠從透過現(xiàn)象看本質(zhì)，找出實際經(jīng)驗中的規(guī)律；從而更好地更加理性地改進自己的設計。 1.3.2 選題的主要觀點 推拉型電磁鐵性能測試臺的設計應采取整體規(guī)劃，統(tǒng)一設計。設計要符合現(xiàn)實基本規(guī)律。其次設計不能太過復雜拆裝要簡便。測試臺為了其實用性所以設計不能太過于理想化，能夠在現(xiàn)實中被很好的應用。設計的測試臺測試精度要高，范圍盡量大，測試速度應快。 1.3.3 選題的創(chuàng)新之處 電磁鐵的額定值測試可以計算出額定電流、額定力、額定位移等指標;電磁鐵的性能包括對應于不同輸入信號線圈電流輸出和電磁鐵位移以及電磁鐵作用力輸出的特性。具體方法是向控制器輸入不同的電流控制信號，得到電磁鐵位移以及作用力的變化與線圈電流相對應的情況，以求得電磁鐵的位移輸出、力輸出與線圈電流的線性關系，即滯環(huán)、非線性度、重復精度、起始電流等指標。在設計時可以用到力傳感器和位移傳感器，這樣能使測試的數(shù)據(jù)比較直觀的表達出來，不需要進行一些不必要的計算，使本次設計達到既不復雜，有能夠很好的體現(xiàn)出本次設計的重點。 23 第2章 電磁鐵性能檢測臺的總體設計 2.1 測試需求分析 測試對象： 直流電磁鐵 電磁鐵技術指標： 力：±100N 電壓：0-30V 行程：±15 外形尺寸：150*φ100*115(長度*直徑*中心高) 電磁鐵性能測試要求： 1、在額定電壓下，電磁鐵吸力與銜鐵行程之間的關系測量。 2、在額定電壓和負載情況下，電磁鐵的壽命試驗。 3、在銜鐵位置固定的情況下，電磁鐵吸力與電壓之間的關系測量。 2.2 測試臺方案的選取 電磁鐵性能測試臺結(jié)構原理如圖2-1： 圖2-1 機械系統(tǒng)結(jié)構原理圖 本次設計主要是安裝固定步進電機、位移傳感器和力傳感器等測試傳感器、滾珠絲杠和要求被測的電磁鐵，設計的主題方案是用步進電機為動力元件，用一個剛性聯(lián)軸器把步進電機和滾珠絲杠連接起來，使步進電機的旋轉(zhuǎn)運動變換為緩慢的勻速直線運動，從而帶動滾珠絲杠上的導軌滑塊機構，以此收集電磁鐵性能測試過程中所需各種數(shù)據(jù)。 根據(jù)以上工作原理能得出以下兩種方案： 方案一：動力元件為步進電機。采用滾珠絲杠作為主要的傳動機構，配合滾珠直線導套副，帶動滑塊機構，完成數(shù)據(jù)采集。? 方案二：動力元件為步進電機。采用普通滑動螺旋機構，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。配合滾動直線導軌帶動滑塊，完成測試數(shù)據(jù)的采集工作。 通過比較可以得出以下結(jié)論：? 滑動螺旋：構造簡單、傳動比大，承載能力高，加工方便、傳動平穩(wěn)、工作可靠、易于自鎖。但是磨損快、壽命短，低速時有爬行現(xiàn)象（滑移），摩擦損耗?大，傳動效率低（30~40%）傳動精度低。? 滾珠絲杠：傳動效率高（可達90%），起動力矩小，傳動靈活平穩(wěn)，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆運動效率相同，可實現(xiàn)逆?zhèn)鲃印ｎA緊后剛度好，定位精度高（重復定位精度高）。但不自鎖，需附加自鎖裝置，抗振性差，結(jié)構復雜，制造工藝要求高，成本較高。? 滾動直線導軌：滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉颍够瑝K與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而使得動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，有益于提高測試系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。但是結(jié)構復雜，制造工藝要求高，成本較高。? 滾珠直線導套副：滾珠直線導套副是將滑塊與光軸配合，中間放入鋼球，二者之間的摩擦力很小。隨動性較好。結(jié)構簡單，制造工業(yè)要求不高，成本適中 。 綜上所述，選擇方案一較好。既能達到電磁鐵檢測臺的基本要求，完成試驗的結(jié)果。經(jīng)濟成本又不高。 第3章 動力元件的選擇 3.1電機類型的確定選擇 電機若按工作原理和結(jié)構劃分：可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。 因為此次設計的電磁鐵性能檢測臺所需電機轉(zhuǎn)速要求不高，并且需要控制和調(diào)節(jié)。所以，選用步進電機作為動力元件是最合適的。 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。 3.2 步進電機型號的選擇 步進電機選擇方法一般按照以下步驟進行： 先是確定其負載，然后進行步距角的選擇，再對其靜轉(zhuǎn)矩進行計算選擇，然后通過矩頻特征曲線確定電流，根據(jù)電流再對靜轉(zhuǎn)矩進行修正，以此來對電機型號進行確定。只要不進電機的三要素步距角，靜轉(zhuǎn)矩和電流確定了，步進電機的型號便確定了下來。 1、首先需要判斷有多大的力矩：一般來說，選擇步進電機的主要參數(shù)是靜扭矩。負載比較大時，需要采用相對大一點的力矩電機。力矩越大，電機的外形也越大。 電機運轉(zhuǎn)速度大小的判斷：電機轉(zhuǎn)速要求高時，應選擇電感相對小，相電流比較大的電機，以此來增加輸入功率。 2、靜力矩的計算與保持轉(zhuǎn)矩的選擇 步進電機轉(zhuǎn)矩的計算：由本設計可知電磁鐵測試位移：L=15mm，測試時間t=5s 由以上數(shù)據(jù)可以得出測試速度： V=L/t=3mm/s=180mm/min 選擇的滾珠絲杠導程：S=5mm 由以上數(shù)據(jù)可以得出滾珠絲杠轉(zhuǎn)速： n=V/S=180/5=36r/min 設定電磁鐵產(chǎn)生的最大推力為：F推=100N 滾珠絲杠的效率η=90% 由以上數(shù)據(jù)可以得出功率: P== 因此可以得出步進電機所需轉(zhuǎn)矩： Tmin= 由步進電機所需轉(zhuǎn)矩，選擇保持轉(zhuǎn)矩為2 N.m的步進電機。 3、力矩與功率換算 ??? 步進電機一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下： ???? P= Ω·M ???? Ω=2π·n/60 ???? P=2πnM/60 ???? 其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米 ???? P=2πfM/400(半步工作） ???? 其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS) 綜上所述，選擇的步進電機型號為86BYG250BN-0401。 型號為86BYG250BN-0401的步進電機技術數(shù)據(jù)如下表3-1所示： 表3-1 步進電機技術數(shù)據(jù) 規(guī)格 型號 相數(shù) 步距角（°） 相電流 （A） 保持 轉(zhuǎn)矩（N.m） 轉(zhuǎn)動 慣量 （g．cm2） 重量 （Kg） 86BYG250BN-0401 2 0.9/1.8 4.0 5 1200 2.6 第4章 傳動機構的設計 4.1 機械傳動機構的列舉： 步進電機驅(qū)動中的機械傳動機構，有以下幾類： (1)滾珠絲杠(直接連接) 用于距離較短的高精度定位。機和滾珠絲杠只用聯(lián)軸器連接，沒有間隙。 (2)滾珠絲杠(減速) 選擇減速比，可加大向機械系統(tǒng)傳遞的轉(zhuǎn)矩。由于產(chǎn)生齒輪側(cè)隙，需要采取補償措施, (3)齒條和小齒輪 用于距離較長的(臺車驅(qū)動等)定位。小齒輪轉(zhuǎn)動一圈包含了π值，因此需要修正。 (4)同步皮帶(傳送帶) 與鏈條比較，形態(tài)上的自由度變大。主要用于輕載。皮帶輪轉(zhuǎn)動一圈的移動量中包含π值，因此需要修正。 (5)鏈條驅(qū)動 多用于輸送線上。必須考慮鏈條本身的伸長并采取相應的措施。在減速比比較大的狀態(tài)下使用，機械系統(tǒng)的移動速度小。 以上用于機械系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)要考慮的因素： ①減速比 為了有效利用伺服電機的功率，應在接近電機的額定速度(最高旋轉(zhuǎn)速度)數(shù)值的范圍使用。在最高旋轉(zhuǎn)速度下連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩，還是比額定轉(zhuǎn)矩小。 ②預壓轉(zhuǎn)矩 對絲杠加預壓力，剛性增強，負載轉(zhuǎn)矩值增大。 由預壓產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，請參照滾珠絲杠規(guī)格書。 ③保持轉(zhuǎn)矩 升降機械在停止時，伺服電機繼續(xù)輸出保持力。 在時間充裕的場合，建議使用保持制動。 4.2 傳動機構的選擇 4.2.1傳動機構類型的確定 推拉型電磁鐵的性能檢測臺，速度方面要求是慢速度的，而精度要求高，所以用短距離的機械傳動比較合適。故選擇滾珠絲杠（直接連接）作為傳動機構比較合適。 4.2.2 滾珠絲杠的概念 滾珠絲杠由滾珠、螺桿、螺母組成。它能把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，滾珠螺絲發(fā)展而來的，該發(fā)展的意義就是能將軸承從滑動動作變成滾動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。 作為精密機械上最常使用的傳動元件，它的主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，有著高效、高精度和不錯可逆性的特點。 滾珠絲桿常用的循環(huán)方式有2種：內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。 （1）內(nèi)循環(huán)：內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對準螺紋滾道方向。扁圓鑲塊反向器，反向器為一般圓頭平鍵鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽，用鑲塊的外輪廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。 （2）外循環(huán)：外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。常用外循環(huán)方式(a)端蓋式；（b）插管式；（c）螺旋槽式。端蓋式，在螺母上加工一縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開有滾珠的回程口，滾珠由此進入回程管，形成循環(huán)。插管式，它用彎管作為返回管道，這種結(jié)構工藝性好，但是由于管道突出螺母體外，徑向尺寸較大。螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種結(jié)構比插管式結(jié)構徑向尺寸小，但制造較復雜。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。 4.2.3滾珠絲杠的型號的選取 （1）參數(shù)確定的流程： 第一步：確定設計的定位、傳動精度要求； 第二步：根據(jù)電機對轉(zhuǎn)速的要求確定絲桿的導程； 第三步：確定螺母的尺寸進而確定行程及絲桿軸端的數(shù)據(jù)； 第四步：通過負載及速度分布（加減速）來確定平均軸向力的轉(zhuǎn)速； 第五步：平均軸向力確定預壓力； 第六步：根據(jù)預期壽命、軸向負荷、轉(zhuǎn)速確定動額定負荷； 第七步：基本額定負荷，導程，臨界轉(zhuǎn)速，DmN值限制確定絲桿外徑及螺母形式； 第八步：外徑，螺母，預壓，負荷確定剛性； 第九步：環(huán)境溫度，螺母總長確定熱變及積累導程； 第十步：絲桿剛性，熱變位確定預拉力； 第十一步：最終確定絲桿的參數(shù)。 （2）公稱直徑的選擇 ： 公稱直徑即絲杠的外徑，常見規(guī)格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120。公稱直徑和負載基本成正比，直徑越大的負載越大，這里只說明兩個概念：動額定負荷與靜額定負荷，前者指運動狀態(tài)下的額定軸向負載，后者是指靜止狀態(tài)下的額定軸向負載。設計時參考前者即可。需要注意的是，額定負荷并非最大負荷，實際負荷與額定負荷的比值越小，絲杠的理論壽命越高。推薦：直徑盡量選16~63。 （3）導程的選?。? 導程也稱螺距，即螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺母直線運動的距離，常見導程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小導程現(xiàn)貨產(chǎn)品一般只有5、10，大導程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位數(shù)前兩位指直徑，后兩位指導程）。導程與直線速度有關，在輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下，導程越大速度越快。推薦：導程盡量選5和10。 （4）長度的選?。? 長度有兩個概念，一個是全長，另一個是螺紋長度。螺紋長度中也有兩個部分，一個是螺紋全長，一個是有效行程。前者是指螺紋部分的總長度，后者是指螺母直線移動的理論最大長度，螺紋長度=有效行程+螺母長度+設計裕量。在設計繪圖時，絲杠的全長大致可以按照一下參數(shù)累加：絲杠全長=有效行程+螺母長度+設計余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）。推薦：長度盡量選6米以下，超過的用齒輪齒條更劃算了。 （5）螺母形式的確定： 各廠家的產(chǎn)品樣本上都會有很多種螺母形式，一般型號中的前幾個字母即表示螺母形式。按法蘭形式分大約有圓法蘭、單切邊法蘭、雙切邊法蘭和無法蘭幾種。按螺母長度分有單螺母和雙螺母。在安裝尺寸和性能允許的情況下，設計者在選用時應盡量選擇常規(guī)形式，以避免維護時備件的貨期問題。推薦：頻繁動作、高精度維持場合選雙螺母，其他場合選雙且邊單螺母。推薦：螺母形式盡量選內(nèi)循環(huán)雙切邊法蘭單螺母。 （6）精度的選取： 滾珠絲杠按GB分類有P類和T類，即傳動類和定位類，精度等級有1、2、3、4.....一般來說，通用機械或普通數(shù)控機械選C7（任意300行程內(nèi)定位誤差±0.05）或以下，高精度數(shù)控機械選C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光學或檢測機械選C3以上。特別需要注意的是，精度和價格關聯(lián)性很大，并且，精度的概念是組合和維持，也就是說，螺桿的導程誤差不能說明整套絲杠的誤差，出廠精度合格不能說明額定使用壽命內(nèi)都維持這個精度。推薦：精度盡量選C7。 (7)額定動載荷的選?。? 滾珠絲杠副設計時一般按額定動載荷來確定滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格。額定動載荷是指，一批規(guī)格相同的滾珠絲杠經(jīng)過運轉(zhuǎn)一百萬萬次后，90％的絲杠副不產(chǎn)生疲勞剝傷（點蝕）時的軸向載荷。 在實際運行中額定動載荷值可按下式計算： 式中：fh為壽命系數(shù)，按滾珠絲杠預期壽命選定； fd為載荷性質(zhì)系數(shù)，按工作載荷性質(zhì)選??； fH為動載荷硬度影響系數(shù)，按滾珠及滾道表面硬度選?。? fn為轉(zhuǎn)速系數(shù)，按絲杠平均轉(zhuǎn)速nd選取； pd為平均軸向載荷。 在計算出額定載荷后，可按額定載荷從樣本中選取滾珠絲杠的公稱直徑和型號。 （8）滾珠絲杠副的安裝： 滾珠絲杠的支承主要有以下四種，由于支承方式不同，使容許軸向載荷及容許回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同。 在絲桿旋轉(zhuǎn)類的滾珠絲桿副主要有以下四種支承形式。 “固定—固定”型：K2=4 此種型號適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的場合。此形式兩斷分別由一對軸承約束軸向和徑向自由度，負荷由兩組軸承副共同承擔。但實際中由于徑向力的存在幾乎很少能用兩個推力軸承作為固定端，所以一般僅在定位要求很高時采用。 圖4-1 “固定—固定”型 “固定—游動”型：K2=2 此種型號適用于中轉(zhuǎn)速、高精度的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個軸承約束徑向自由度，負荷由一對軸承副承擔。這種形式結(jié)構簡單，效果比較好，所以應用的比較廣泛。 圖4-2 “固定—游動”型 “支承—支承”型：K2=1 此種型號適用于中轉(zhuǎn)速，中精度的場合。該形式兩斷分別設有一個軸承，分別承受徑向力和單方面的軸向力，隨負荷的變化，分別由2個軸承單獨承擔某一方向的力。由于支承點隨受力方向變化，定位可控性比較低，受力情況較差，所以應用的比較少。 “固定—自由”型：K2=0.25 此種型號適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，軸向長度短的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈自由狀態(tài)，負荷由同一對軸承副承擔，并且需要克服絲桿回轉(zhuǎn)離心力造成的彎矩。此種形式結(jié)構簡單，受力情況差，但在行程小、轉(zhuǎn)速低的情況下也經(jīng)常用到。 圖4-3 “固定—自由”型 綜上所述，選擇的滾珠絲桿型號為SF2005-4。安裝形式為“固定—游動”型。 型號為SF2005-4的滾珠絲桿的技術數(shù)據(jù)如下表4-1所示： 表4-1 滾珠絲桿技術數(shù)據(jù) 絲杠 型號 公稱 直徑 導程（mm） 鋼球 直徑 （mm） 循環(huán) 圈數(shù) 額定載荷（Kgf） 動載荷Ca 靜載荷Co SF2005-4 20 5 3.175 4 1130 2380 第5章 傳感器的選擇 5.1傳感器的概念 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、 記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 可以用不同的觀點對傳感器分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。 根據(jù)傳感器工作原理，傳感器分類可分為物理傳感器和化學傳感器二大類 ： 傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。 化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 由此可見，傳感器技術在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。 5.2傳感器選擇 電磁鐵性能檢測臺是通過向控制器輸入不同的電流控制信號，得到電磁鐵位移以及作用力的變化與線圈電流相對應的情況，以求得電磁鐵的位移輸出、力輸出與線圈電流的線性關系，即滯環(huán)、非線性度、重復精度、起始電流等指標。所以，要完成試驗的要求，就需要位移傳感器和力傳感器。 5.2.1 位移傳感器的選擇 位移傳感器又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，位移傳感器超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。 電感式位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，接通電源后，在開關的感應面將產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。 在試驗臺中，測試的是電磁鐵的直線運動距離，所以，這里需要直線位移傳感器。直線位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉(zhuǎn)換成電信號。為了達到這一效果，通常將可變電阻滑軌定置在傳感器的固定部位，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值。傳感器滑軌連接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和始端之間的電壓，與滑片移動的長度成正比。將傳感器用作分壓器可最大限度降低對滑軌總阻值精確性的要求，因為由溫度變化引起的阻值變化不會影響到測量結(jié)果。 因為本設計的電磁鐵性能測試行程為15mm±0.5mm，所以選擇W-DC系列中的W-DCD15、W-DCS7.5位移傳感器 W-DCD15、W-DCS7.5位移傳感器技術指標： （1）量程：15、±10mm （2）精度等級：0.5％ （3）供電電壓：9V-24V，±15V等 （4）輸出：0-5V，4-20mA等 （5）動態(tài)頻率：0-200Hz 表5-1 W-DC系列傳感器尺寸表 型號 A(mm) B（mm） C(mm) D(mm) E(mm) 最小 最大 W-DCD15、W-DCS7.5 178 30 80 15 Φ26 M5 5.2.2 力傳感器的選擇 力傳感器簡單來說就是能感受外力并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。其主要類別有： 1、應變管式 又稱為應變筒式。此種傳感器的機構簡單。制造方便，在火箭彈，炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛的應用。 2、膜片式： 3、組合式 本次設計的電磁鐵性能檢測臺用來測試力要求精度比較高，通過綜合考慮決定用S型傳感器SE來測量電磁鐵力的大小。此種傳感器外形較好，可以承受很大的拉壓力，結(jié)構簡單，安裝方便，互換性好，在載荷作用下彈性體的體積變化小，所以具有優(yōu)良的自然線性度。并且能夠方便的設計為拉、壓兩用傳感器。 第6章 其他零部件的設計 6.1 導套副類型的確定 滾珠直線導套副是由導套軸、導套滑座（包括直線運動球軸承和直線運動球軸承支承座）和導套軸支承座組成的直線導向部件。按結(jié)構形式分為開放式和封閉式兩類，開放式均可調(diào)隙，封閉式又可分為可調(diào)隙型和不可調(diào)隙型兩種。由于其結(jié)構簡單、摩擦系數(shù)?。ㄖ挥?0.001～0.004）、壽命長等特點，被廣泛應用于數(shù)控機床、自動化設備、測量儀器、印刷包裝機械、紡織機械、制藥機械、玻璃機械以及其他需要直線導向的領域。 滾珠直線導套副分為開放式滾珠直線導套副（GTA）和封閉式滾珠直線導套副(GTB)。 GTA型開放滾動直線導套副如圖6-1： 圖6-1 GTA型 ?GTB型閉式滾動直線導套副如圖6-2： 圖6-2 GTB型 滾珠直線導套副的選用和計算： 1、計算載荷：滾珠直線導套副主要用于直線導向，不能承受導套軸圓周方向的扭矩。在選用時，需對受力狀態(tài)、受力結(jié)構進行受力分析，還需對運動過程的受力變化對導向系統(tǒng)產(chǎn)生的影響進行評估。 2計算額定壽命：滾珠直線導套副壽命的衡量標準為：在允許的環(huán)境條件中，在承受負載等于額定動載荷（KN）的情況下，連續(xù)直線運動行程達到50Km（基準行程壽命）時有95%（基準可靠度）不產(chǎn)生材料疲勞破壞。 由此可得滾珠直線導套副的額定行程壽命L為： L=?(Km) 其中，C：導套滑座的額定動載荷，參見“滾珠直線導套副的系列參數(shù)”，（KN） 　　 Pc：計算載荷，（KN） Ft：溫度系數(shù)，見表6-1： 表6-1 Ft：溫度系數(shù) 工作溫度（℃） ≤100 ＞100-150 ＞150-200 ＞200-250 ft 1.00 0.90 0.73 0.60 Fc:接觸系數(shù)，見表6-2： 表6-2 Fc：接觸系數(shù) 每根導套軸上的導套滑座個數(shù) 1 2 3 4 5 fc 1.00 0.81 0.72 0.66 0.61 fh：硬度系數(shù)， HRC58為基準硬度，低于HRC58時額定動載荷銳減。 通常滾珠直線導套副的硬度為HRC58，故取fh=1 Fw:載荷系數(shù)，見表6-3： 表6-2 Fw：載荷系數(shù) 工作條件 無外部沖擊和振動 速度≤15m/min 無明顯沖擊和振動 速度＞15-60m/min 有外部沖擊或振動 速度＞60m/min fw 1.0-1.5 1.5-2.0 2.0-3.5 當行程的長度已定，滾珠直線導套副的額定時間壽命Lh為： 　　Lh=?(h) 其中，l：工作單行程長度(m) 　　　　 n：每分鐘往復次數(shù) 　　　　 L：額定行程壽命(Km) 綜上所述，本設計應選擇封閉式滾珠直線導套副（GTB），選擇的型號是GTBt25。 封閉式滾珠直線導套副GTBt25的技術參數(shù)： 額定動載荷C：870N； 額定靜載荷CO：1560N。 6.2 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器的選擇主要是考慮所需傳遞軸的轉(zhuǎn)速高低，載荷的大小，被連接的兩個部件間的安裝精度，回轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性以及價格等方面。具體選擇的時候可以考慮以下幾點： 1、 有時候聯(lián)軸器在制造以及安裝，或者受載變形和溫度的變化時，可能會難以保持兩軸之間嚴格精確的對準。如存在一些X、Y方向的位移和偏斜角CI等。當徑向位移比較大的時候，可以選擇滑塊聯(lián)軸器。香蕉的兩軸連接或者角位移比較大的時候，可以選用萬向聯(lián)軸器。當工作中兩軸產(chǎn)生比較大的附加相對位移時，則應該選用撓性聯(lián)軸器。 2、 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和離心力的大小也會影響其選擇。對于高速的傳動軸，應該選用平衡精度較高的聯(lián)軸器。 3、 聯(lián)軸器所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖的功能要求也應適當考慮。對于大功率的重載傳動，可以選用齒式的聯(lián)軸器。對嚴重沖擊載荷或者要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動的傳動，可以選用輪胎式的聯(lián)軸器。 因為絕大多數(shù)的聯(lián)軸器都已經(jīng)標準化，所以設計者的任務一般是選用而不是去設計。在選用時，轉(zhuǎn)矩的大小是一個比較重要的參數(shù)。 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算如下： 已知電磁鐵測試位移：L=15mm 設定測試完成時間：t=5s 所以，測試速度 V=L/t=3mm/s=180mm/min 選用滾珠絲杠導程：S=5mm 所以，滾珠絲杠轉(zhuǎn)速為 n=V/S=180/5=36r/min 設定最大電磁鐵產(chǎn)生推力：F推=300N 滾珠絲杠效率η=90% 故，功率P== 所以，聯(lián)軸器所需轉(zhuǎn)矩 T= 由聯(lián)軸器所需轉(zhuǎn)矩以及一些其他需要注意的，本次設計選用圓錐銷套筒聯(lián)軸器。 選用的圓錐銷套筒聯(lián)軸器尺寸如圖6-3： 圖6-3 圓錐銷套筒聯(lián)軸器 圓錐銷套筒聯(lián)軸器的技術參數(shù)如下： （1） 圓錐銷規(guī)格：GB/T 117-2000 3×22； （2） 許用轉(zhuǎn)矩：7.5N.m； （3） 軸孔直徑：12mm； （4） 重量：0.09Kg。 6.3 軸承的選擇 由上文中選擇滾珠絲杠的時候就已經(jīng)確定好滾珠絲桿的支撐方式采用“固定—游動”型。所以在固定端將兩個止推軸承安裝在一起，作為固定的支承，而在另一端因為是游動的支承，所以當絲杠受熱膨脹時，可以自由的伸長，并且不會引起絲杠的撓曲。所以本次設計的軸承選用IBC 7003C角接觸球軸承。 IBC 7003C角接觸球軸承技術參數(shù)： （1） 內(nèi)徑d：17mm （2） 外徑D：35mm （3） 厚度：10mm 6.4 余下零件設計 余下零件的設計及其技術參數(shù)，詳情見圖紙。 第7章 總結(jié) 本次課題主要是設計電磁鐵性能測試臺的機械部分，為以后電磁鐵性能測試提供了一個基礎，具有一定的理論和現(xiàn)實意義。 在本次設計過程中，各種資料和文獻的查找讓我對電磁鐵有了一定的了解，并且對我這四年來在學校學的知識進行了一次系統(tǒng)的梳理，讓我對一些知識有了更加深刻的了解，更加讓我感覺到在大學四年中學到的知識的重要性。 由于時間的限制，本次設計并沒有做出實物，也沒有對此設計進行調(diào)試。做為一個設計者，在設計的時候應該充分的考慮各個方面帶來的影響，使設計有很好的理論意義和現(xiàn)實意義。從本次設計，個人感覺本人對電磁鐵的研究還不夠深入，還有許多值得我們?nèi)ニ伎嫉牡胤剑绫敬卧O計對電磁鐵內(nèi)部結(jié)構沒進行研究，測試臺的結(jié)構還能進行優(yōu)化等。 致謝 畢業(yè)設計期間，在毛美姣老師的悉心指導下。無論是在計算方面還是在畫圖方面，毛老師都給予了我極大的幫助。在設計將完成時，毛老師也悉心幫助指出設計中出現(xiàn)的錯誤，其嚴謹?shù)膽B(tài)度對我影響深刻。 在這次畢業(yè)設計中，小組同學也給予了我大量的指導，讓我受益匪淺。他們很熱心為我解決一些問題，讓我深深的感激。 通過這次畢業(yè)設計，我得以重新梳理了一遍以前所學的各種專業(yè)知識，讓我更加深刻的了解了知識的重要性。感謝能獲得這么一次機會。 參考文獻 [1]王永華.現(xiàn)代電器控制及PLC應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社社 [2]顧繩谷.電機及拖動基礎[M.機械工業(yè)出版社] [3]黃賢武，鄭筱霞 傳感器原理與應用[M].成都：電子科技大學出版社，高等教育版出版社 [4]黃堅。 可編程控制器原理及其應用[M].北京：高等教育出版社 [5]戴佳，戴衛(wèi)恒。執(zhí)行電動機[M]. 北京：電子工業(yè)出版社 [6]何立民.機電傳動控制技術[M.北京：北京航空航天大學出版社 [7]近角聰信.鐵磁性物理[M].蘭州：蘭州大學出版社 [8]機械零件設計手冊[M]：冶金工業(yè)出版社 [9]陶紅艷 余成波.傳感器與現(xiàn)代檢測技術[M]北京：清華大學出版社 [10]童秉樞 等機械CAD技術基礎[M]北京：清華大學出版社 36