工作台往返循环电机拖动系统设计

工作台往返循环电机拖动系统设计电机与拖动课程设计说明书工作台往返循环电机拖动系统设计学生姓名学号学院名称专业名称电气工程及其自动化指导教师韩成春年月日目录1绪论(1)1.1工业生产动力的发展(1)1.2由电机拖动的工作台往返循环系统在现在工业生产中的应用(1)2拖动系统的分析(2)2.1拖动系统的整体分析(2)2.2拖动系统的具体分析(2)2.2.1电动机部分(2)2.2.2工作台部分(3)3电动机的选择(5)3.1电动机容量的选择(5)3.1.1负载转矩的测量(5)3.1.2电动机类型的选择(5)3.1.3电动机电压和转速的选择(5)3.1.4电动机外形结构的选择(6)3.1.5工作制的选择(6)3.1.6电动机型号的选择(7)3.2电动机选择的校验(8)3.2.1电动机的起动校验(8)3.2.2电动机的过载校验(8)3.2.3电动机的稳定运行校验(8)3.2.4电动机的发热校验(9)4系统电路图设计(10)4.1主电路的设计(10)4.1.1主电路设计分析(10)4.1.2主电路电路图(10)4.2控制电路设计(11)4.2.1控制电路设计分析(11)4.2.2控制电路电路图(11)结论(13)参考文献(14)1绪论1.1工业生产动力的发展石器时代人类制造和使用的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单工具是后来出现的机械的先驱。几千年前，人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用于提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力由人力发展到畜力、风力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作3个部分的完整机械。鼓风器对人类.发展起了重要作用。强大的鼓风器使冶金炉获得足够高的炉温，得从矿石中炼取金属。西周时期，中国就已有了冶铸用的鼓风器。15——16世纪以前，机械工程发展缓慢。17世纪以后，资本主义商品经济在英、法等国迅速发展，许多人致力于改进各产业所需要的工作机械和研制新的动力机械——蒸汽机。18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉和冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改为金属。机械制造工业开始形成，并逐渐成为重要产业。机械工程从分散性的、主要依赖匠师个人才智和手艺的技艺发展成为有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18——19世纪的工业革命和资本主义机械大生产的主要技术因素。17世纪后期，随着机械的改进。煤和金属矿石需求量的增加，只依靠人力和畜力已不能适应生产提高的要求，于是在18世纪初出现了T．纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。1765年，J．瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。1781年。瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展。促进矿业和工业生产、铁路和搬运机械动力化。几乎成为19世纪唯一的动力源。但蒸汽机及其锅炉、凝汽器和冷却水系统等体积庞大、笨重，应用不便。19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。1.2由电机拖动的工作台往返循环系统在现在工业生产中的应用工作台往返循环电机拖动系统在现在工业中常用于机床、物流分拣等领域，此系统的应用大大提高了工业运作的效率，节省了大量的人力物力，实现了工业生产的现代化。2拖动系统的分析2.1拖动系统的整体分析工作台往返循环电机拖动系统是由电动机通过齿轮带动工作台在规定的区域内左右平移，并能实现手动和自动控制的一个系统。具体模型如图2-1所示。图2-1系统模型2.2拖动系统的具体分析2.2.1电动机部分将电动机与电源正反接实现电动机的正反转，并将电动机与齿轮相连从而带动工作台进行平移运动，模型如图2-2所示图2-2电动机带动齿轮参考模型2.2.2工作台部分图2-3系统参考模型如图2-3所示，工作台上的条齿与齿轮相连，工作台行程由开关SQ1-SQ4来决定，其中SQ1、SQ2为限位开关，SQ3、SQ4为超限开关。正常情况下工作台应该在SQ3和SQ4之间来回运动，如果工作台运动范围超过该范围则一定有故障发生，应该停机检查并排除故障。图2-4齿轮带动工作台参考模型正视图图2-5齿轮带动工作台参考模型侧视图图2-4和图2-5表示齿轮和工作台之间的联系。因为工作台安放在滑动导轨上，所以在一定程度上存在滑动摩擦力，所以增加了电动机的负载转矩，但是在电动机反转时，滑动摩擦力又大大帮助电动机实现工作台的减速。3电动机的选择3.1电动机容量的选择3.1.1负载转矩的测量因为工作台实现的是平移运动，根据平移作用力折算的等效负载转矩公式式（3.1）mmmmtt60=2nLFFTυυηπη=Ω式（3.1）式中：LT——表示等效负载转矩mF——表示平移作用力mυ——表示工作台移动速度tη——表示传动效率Ω——表示电动机角速度n——表示电动机的转速假设电动机的重力m=20210NG，移动速度m=0.4m/sυ，工作台与导轨之间的摩擦系数0.1μ=，传动机构与图（4）相同，电动机的转速920/minnr=，传动效率t0.8η=。则，平移作用力0.1202102021mmFGNNμ==?=等效负载转矩mmt606020210.410.3852n6.280.8920LFTNmNmυπη?==?=?3.1.2电动机类型的选择选择哪种类型的电动机，一方面要根据生产机械对电动机的机械特性、起动特性性能、调速特性、制动方法和过载能力等方面的要求，对各种类型的电动机进行分析比较；另一方面在满足上述要求的前提下，还要从节省初期投资，减少运行费用等经济方面进行综合分析，最后将电动机的类型确定下来。在对起动、调速等性能没有特殊要求的情况下，优先选用三相笼型异步电动机。所以选择的电动机类型类三相笼型异步电动机。3.1.3电动机电压和转速的选择因为电动机的功率比较小，所以选用380V三相笼型异步电动机。对于额定功率相同的电动机额定转速高，电动机的重量轻、体积小、价格低、效率和功率因数（对三相异步电动机而言）比较高。若生产机械的转速比较低，电动机的额定转速比较高，则传动机构复杂、传动效率降低，增加了传动机构的成本和维修费用。因此，综合分析电动机和生产机械两方面的各种因素最终确定电动机的额定转速为910/minNnr=。3.1.4电动机外形结构的选择根据电动机的使用环境选择电动机的外形结构为封闭式，这种电动机的机座和端盖上均无通风孔，完全是封闭的，外部的潮气和灰尘不易进入电动机，多用于灰尘多、潮湿、有腐蚀性气体、易引起火灾等恶劣环境中。3.1.5工作制的选择因为电动机一旦起动就处于连续工作状态，当电动机电源反接时，电动机转轴不能实现立即反转，存在一小段时间的反转制动，然后又继续工作，如此循环往复，是周期工作制，所以选用包括电制动的连续周期工作制（S7工作制）。图3-1S7工作制负载功率、电动机输出功率、电动机温度变化图图中：P——负载；Pv——电气损耗；Q——温度；——达到的最高温度；Qmaxt——时间；——负载周期；TC——起动／加速时间；△tD——恒定负载运行时间；△tp一—电制动时间；△tF负载持续率=1Y系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。安装尺寸和功率等级符合IEC标准，外壳防护等级为IP44，冷却方法为IC411，连续工作制（S1）。适用于驱动无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、搅拌机、运输机械、农业机械、食品机械等。Y系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。Y80~315电动机符合Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件JB/T9616-1999。Y355电动机符合Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件JB5274-91。Y80~315电动机采用B级绝缘。Y355电动机采用F级绝缘。额定电压为380V，额定频率为50Hz。功率3kW及以下为Y接法；其它功率均为△接法。电动机运行地点的海拔不超过1000m；环境空气温度随季节变化，但不超过40℃；最低环境空气温度为-15℃；最湿月月平均最高相对湿度为90%；同时该月月平均最低温度不高于25℃。额定转矩的计算公式602nNNNPTπ=式（3.2）式中：NT——表示额定转矩NP——表示额定功率nN——表示额定转速根据电动机的详细参数计算得：因为负载转矩10.385LTNm=，所以选择Y90L-6型号电动机。又因为是小功率电动机，3kwNP≤所以选用Y接法。3.2.1电动机的起动校验根据查表得Y90S-6型电动机的起动转矩倍数=2.0SSTNTTα=、起动电流倍数=5.5SSCNIIα=。起动转矩为2.011.5523.1(1.11.2)=11.423512.462mSSTNLTTTα==?=≥（）N起动转矩ST大于起动时的负载转矩的（1.1~1.2）倍，起动转矩满足起动条件。起动电流为5.53.217.6A20ASSCNIIα==?=≤起动电流SI小于电路保护的额定电流，起动电流满足起动条件3.2.2电动机的过载校验根据查表得Y90S-6型电动机的最大转矩倍数=2.2MMTNTTα=2.211.5525.4110.385mMMTNLTTTNα==?=≥=电动机的最大转矩MMTNTTα=大于电动机的负载转矩，过载转矩符合过载要求。3.2.3电动机的稳定运行校验把920/minnr=、m=20210NG、m=0.4m/sυ、0.1μ=、t0.8η=带入式（3.1）求得mmt606020210.410.3852n6.280.8920LFTNmNmυπη?==?=?0nn1000-910==0.09n1000NNs-=Ms=2.211.550.37440.0800010.385MMLTssT?????===????()()0110.080001000920/minLnsnrn=-=-?==当电机转速为920/minr时电动机可以稳定运行，即当负载转矩为10.385Nm时，电动机的转速为920/minr。设SQ1和SQ2之间的距离足够长为5米，SQ1和SQ3之间的距离为0.1米，近似假设电动机在启动和反转制动时的功率为NP，电动机在稳定运行时的功率为负载功率2P，数值为22n6.2892021.385===10006060LLTPWπ??图3-2电机运行一个周期中功率变化的近似图假设11100NPPW==、1s=0.07m、1t=0.25s，近似满足式（3.3）21111t=+2mPmFsυ式（3.3）所以假设成立。再假设31100NPPW==、3s=0.03m、3t=0.1s，近似满足式（3.4）23331t=2mPmFsυ-式（3.4）所以假设成立。21000PW=、2s=5+0.030.07=4.96m-、22s4.96t===12.4s0.4υ将上列数据带入式（3.5），进行发热校验LP=式（3.5）得PLNP=≤所以正常运行时的发热符合要求。同理，当工作台的限位开关出现问题时，SQ3、SQ4代替SQ1、SQ2发挥作用，LLPP'≤，所以发热也符合要求。4系统电路图设计4.1主电路的设计4.1.1主电路设计分析因为任务要求电动机能实现正反转，所以电动机主电路必须由两个开关来控制两个主电路的通断，且两个电路不能同时接通，另外主电路中应该存在熔断器和热继电器来保护电路，由于两个电路实现电动机的转向不同，所以两个电路连接电动机的相序不同。另外电动机的额定功率比较小，所以采用Y接法。4.1.2主电路电路图图4-1系统主电路图图中：L1、L2、L3——表示三相380V交流电源QS——表示电路电源开关FU1——表示主电路熔断器KM1——表示电动机正转电路开关KM2——表示电动机反转电路开关FR——表示热继电器当KM1闭合时电动机正转，当KM2闭合时电动机反转。4.2控制电路设计4.2.1控制电路设计分析设计任务要求，当工作台挡铁1从右向左触碰到限位开关SQ1时，电动机从正接变为反接，工作台减速至零，挡铁1停在限位开关SQ1和超限开关SQ3之间，并开始从