毕业设计论文单向牵引式变频调速测控装置设计.doc

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1、 贵州大学毕业论文(设计) 第 67 页目录单向牵引式变频调速测控装置设计III摘 要III第一章前言31.1设计内容31.2设计要求31.3需要完成的任务31.4设计的目的和意义3第二章整体方案设计32.1传动设计32.2结构布置32.3控制原理32.4控制设计3第三章结构设计及设备选型33.1电动机的选型33.1.1电动滚筒的选型33.1.2电动机功率的计算33.1.3电动机型号的选择33.2减速器的选型33.2.1减速器额定扭矩的确定33.2.2减速器额定转速的确定33.2.3减速器传动比的确定33.2.4减速器传递功率的确定33.2.5减速器型号的选择33.3离合器的选型33.3.1磁

2、粉离合器结构及工作原理33.3.2磁粉离合器的特性33.3.3磁粉离合器的选择33.4制动器的选型33.4.1磁粉制动器的工作原理优点33.4.2磁粉制动器的选择33.5联轴器的选型33.5.1联轴器的作用及常用联轴器33.5.2凸缘联轴器的结构及特性33.5.3LK11系列单节凸缘联轴器33.5.4电机输出端与离合器输入端联轴器的选型33.5.5离合器输出端与减速器输入端联轴器的选型33.5.6减速器输出端与电动滚筒输入端联轴器的选型33.6平键联接的选型及验算33.6.1电机输出端平键的选型及验算33.6.2离合器伸出轴平键的选型及验算33.6.3减速器输入轴平键的选型及验算33.6.4减

3、速器输出轴平键的选型及验算33.6.5制动器输出轴平键的选型及验算33.7钢丝绳的选型33.7.1钢丝绳拉力的计算33.7.2钢丝绳型号的选择33.8轨道的选型33.8.1 轨道类型的选择33.8.2托辊的选型33.9小车的设计33.9.1小车车体的设计33.9.2小车钢丝绳接口的设计33.9.3电子元件安装盘结构的设计33.10角钢的选型33.11槽钢的选型33.12轨道的设计33.12电动滚筒支座的设计3第四章 控制设计及设备选型34.1控制内容及控制需求34.2变频器的选型34.2.1变频器的工作原理34.2.2变频器的选型34.2.3变频器主要参数34.2.4变频器外型尺寸34.3可编

4、程控制器的选型34.3.1可编程控制器概况34.3.2可编程控制器的结构及配置34.3.3可编程控制器的选型34.4 低压电器的选型34.4.1低压电器概述34.4.2熔断器的选型34.4.3主令电器的选型34.4.4交流接触器的选型34.4.5继电器的选型34.4.6速度传感器的选型34.5基本控制电路34.6控制流程图3第五章 总结3参考文献3致谢3附录3单向牵引式变频调速测控装置设计 摘 要本设计结合教学内容，按给定条件和要求设计单向牵引式变频调速测控装置，本装置通过PLC进行PID运算，再利用变频器变频调速，使小车的速度在规定时间内达到规定大小并具备相当的精度要求，此外，本装置还要求具

5、有一定的远程监测和控制功能。本设计主要包含：总体方案设计、结构设计及控制设计等三个模块。其中总体方案设计主要解决的是课题总体方案的可行性的问题，是整个设计的纲领和核心；结构设计主要解决测控装置执行机构的具体尺寸、结构及材料等方面的问题，是整个设计的基础和支柱；控制设计主要解决的是测控装置的控制方面的问题，此模块是整个测控装置的关键，是本方案可行性的保证也是实现本方案的主要手段。本设计是一个集机械、电子技术、传感器技术、测试及控制技术，网络通信技术等多门学科为一体的综合性课题，其着重运用本科所学的基本理论、专业知识，并通过远程控制系统的构建和设计，培养学生的动手能力和创新能力，从而提高学生运用网

6、络通信的能力和分析与解决工程技术问题的能力。关键词：变频调速 PID运算 远程监控 闭环控制回路 One-way Frequency Control Traction Control Device AbstractThe design combines the teaching content, according to the given conditions and to design a one-way tractor-frequency speed control device, the device through the PLC to PID operation, re-use i

7、nverter frequency control, so that cars speed within a specified time up to the required size and with considerable precision, in addition, the device also requires a certain degree of remote monitoring and control functions. This design mainly includes: the overall design, structure design and cont

8、rol design of three modules. Overall design of which is the main issue addressed the feasibility of the overall program, it is the design of the program and the core; structural design of the main implementing agencies to solve specific measurement and control equipment size, structure and materials

9、, etc., it is the basis for the design and pillar; control design is the main settlement monitoring device control issues, this module is the key to the monitoring device is to ensure the feasibility of this program is the primary means to achieve this program. This design is a set of mechanical, el

10、ectronic technology, sensor technology, testing and control technology, network communication technology and many other subjects as an integrated subject, its emphasis on undergraduate use of the basic theory, expertise, and through the remote control system Construction and Design, to develop stude

11、nts practical ability and creativity to enhance the capacity of students to use network traffic and analyze and solve engineering problems.Keywords：Frequency PID operation Remote monitoring Closed-loop controlcircuit第一章 前言1.1设计内容产品重量40kg，要求在50m范围内实现匀速直线运动，其中30m为测试范围段，即在30m范围内必须保证100.5m/s的速度要求，产品匀速运动

12、过程即为测试产品参数的技术条件。在直线运动过程中运行速度应可调节，最高不超过15m/s。因此整个装置设计包括了传动、结构、精度、控制等方面。1.2设计要求整个过程要求计算机自动控制，并能对运行过程进行有效监测。装置设计过程中应考虑可靠性、稳定性、经济性。1.3需要完成的任务（1）完成检测装置总体方案设计；（2）完成控制部分方案设计；（3）完成控制程序深化设计。1.4设计的目的和意义 本设计课题结合专业方向和教学内容，对速度测控系统进行深入分析，按给定条件和要求完成测控系统的设计并进行系统精度验算和经济性分析。本课题以速度的测试及控制为背景，涉及了机械制造、电子技术、传感器技术、测试及控制技术，

13、网络通信技术等多门学科，着重培养学生运用本科所学的基本理论和专业知识，提高分析与解决工问题的能力。并通过具体方案的构建和设计，培养和提高学生的动手能力与创新能力。第二章 整体方案设计2.1传动设计 根据课题要求，本设计采用变频电机带动和钢丝绳牵引的传动方式及托辊轨道作为载体。2.2结构布置根据课题要求及传动方案的设计，本测控系统的结构布置如图（2-1） 图 2-11 电动滚筒 2 钢丝绳 3引导装置 4 托辊 5 平板小车 6 减速箱7 离合器 8电动机 2.3控制原理由设计内容知控制对象只有一个，就是小车的速度，而小车的速度又直接由右边的滚筒转速决定，故控制对象可转为滚筒的转速。控制框架如图

14、（2-2）滚筒电流变送器AD转换卡速度传感器PLCPID模块交变电机变频器 图2-2控制过程描述如下：（1）启动交变电机（2）变频器plc的控制下以一定的规律提高电源频率，从而提高电机转速（3）当电机转速到达一定值时闭合离合器带动滚筒转动（4）速度传感器将滚筒的转速转变为标准电流通过AD转换卡后变为PLC能识别的信号并输入PLC的输入端（5） PLC将输入端数据与设定值比较后输出一控制信号并传递给PID模块的输入端（6）PID模块通过运算得到最终的控制信号并输送给变频器（7）变频器根据控制信号改变电源频率即改变滚筒的转速（8）滚筒转速到达设定值，板车匀速运动（此阶段在板车运行10米前完成）（9

15、）板车运动到40米处触发另一传触发感器，并将一开关信号送给PLC输入端（10）PLC控制右端离合器松开，左端制动器启动，板车制动（11）控制完成2.4控制设计根据课题内容，要求小车在50m范围内实现匀速直线运动，其中30m为测试范围段，即在30m范围内必须保证100.5m/s的速度要求。故须对小车进行速度及加速度的控制，保证其速度在前10m内达到10m/s。由位移公式： 及速度公式： 将s=10m v=10m/s代入公式，即可算得加速度a=5m/由上画出小车的速度-位移图和加速度-位移图如下： 速度-位移图 加速度-位移图控制关键：1小车速度在10m前须达到10m/s2速度精度为0.5m/s3

16、小车加速度不能过高第三章 结构设计及设备选型3.1电动机的选型3.1.1电动滚筒的选型本设计选用如图3-1所示YZWII型外装式电动滚筒。 图3-1滚筒的安装尺寸简图如下： 图3-2滚筒选型参数如表3-1： 表3-1 滚筒的选型的主要参考参数为滚筒的直径D和滚筒的重量m。当滚筒直径D越小时，所需电动机的转速则越大。当滚筒直径过大时，则滚筒的质量便会太大，电动机要将其加速启动时，会消耗过大的功率，使电动机的选型参数提高。综合上述因素，本设计选取直径D=400mm，有效长度B=650mm的滚筒，滚筒的质量m=300kg，滚筒的其余参数见表格3-13.1.2电动机功率的计算小车的质量初定为60kg，

17、由控制设计知小车的加速度a=10m/s，小车的最大速度v=10m/。由加速度公式：a= ，得 f=am=560=300N由功率公式：P=v.f ，得小车消耗的最大功率电动滚筒的计算参数:D=400mm , m=300kg ，令电动滚筒的转动惯量中心为滚筒的外圆。由转动惯量公式：J= ，得 电动滚筒的转动惯量=由角加速度公式： 得 电动滚筒的角加速度由转矩公式：M= 得 电动滚筒的转矩由角速度公式： 得 电动滚筒的角速度由功率公式：P=.M 得 单一电动滚筒消耗的功率令安全系数=1.2，得电动机的计算功率为 3.1.3电动机型号的选择 由于本课题中的速度调节选用的式变频调速，故选择的电动机为变频

18、调速三相异步电动机。而本设计采用的电动机为如下图所示YVP系列变频调速三相异步电动机。 图3-3产品概述：YVP系列电机绝缘等级为B级（可选F，H级）；防护等级为IP44级，派生产品有变频调速电磁制动电机，变频调速轨道电机，变频调速纺织电机，可附带各种光电编码器，安装形式：同Y3 系列。产品型号含义：极数变频调速三相异步电动机 YVP 160 M 2 - 2铁芯长度代号机座号(中心高mm）机座长度代号根据3.1.2电动机功率的计算，故在表3-2中选取功率为45kw、极数为4的电机，电机型号为：YVP 225 1178 2-4。下表数据为380V，50Hz供电，额定载荷条件下的平均值 表3-2功

19、率（kw） 2 极4 极机座号额定转矩N.m电流（A）机座号额定转矩N.m电流（A） 45225M 143.2 82.5225M286 88.4电机的安装简图如图3-4： 图3-4电机的安装尺寸如下表所示：表3-3电机座号极数 安 装 尺 寸H ABCDEFGDGKTMNPS225M4 6 8225356311149601401811531954003504508续表电机座号极数 外 型 尺 寸（参考值）AB ACADHDHFL5356109501020225M4 6 8435475345530注：1. 80,90机座无吊环，立式安装（V1）形式的180以上机座有对称双吊环，风罩上部另加风帽

20、2 凸缘端盖上S为通孔，H200时 = ，4控均布； H255时= ，8孔均布。 3 凸缘端盖的凸缘配合面轴伸肩的距离为0。 4 H160机座出线盒靠肩伸端。3.2减速器的选型3.2.1减速器额定扭矩的确定由于减速器直接与电动滚筒连接，故减速器传递的扭矩应为加速小车和两个电动滚筒所需要的全部扭矩。小车所需的扭矩为： 由此得减速器的额定扭矩为：3.2.2减速器额定转速的确定 由于减速器直接带动电动滚筒，故滚筒所需最大转速即为减速器的额定转速。 由转速公式：n= 其中线速度v=10m/s， 直径D=400mm，得 减速器额定转速3.2.3减速器传动比的确定从传递扭矩方面考虑，由于变频电动机的额定转

21、矩为 ，而减速器需要传递的扭矩 ，故电动机到减速器的扭矩放大比为： 从传递转速方面考虑，为了让电动机能正常工作，电动机应在50Hz时的75%以上额定转速工作。 电动机在50Hz时，同步转速 故电动机到减速器的转速传动比为： 故取减速器的传动比 i=2.363.2.4减速器传递功率的确定由于减速器与电动机连接，故减速器与电动机的功率必须匹配，即存在以下关系： 3.2.5减速器型号的选择本设计选用的减速器为R系列斜齿硬齿面减速机，其外形图如图3-5所示： 图3-5 技术参数：功率：0.12kw160kw转矩：1.4N.m23200N.m输出转速：0.061090r/min结构形式：R：空心轴 RF

22、：法兰盘安装RF：底脚法兰盘安装 RM：法兰盘安装带加长轴承箱RX：单级底脚安装 RXF：单级法兰盘安装 选型参数：R系列斜齿硬齿面减速机的选型参数如表3-4 表3-4功率Kw 输出速度 r/min输出扭矩N.m传动比 i使用系数fe机型号Type 极数 P45 88 4586 16.8 1.64 R137 445 183 2203 8.07 1.27 RF107 445571 737 2.59 1.51 RX127 445 751 2.64 1.04 RX107 4 根据以上对减速器参数的计算，从表3-4中选得减速器型号为RX127，减速器各参数如下表所示： 表3-5功率Kw 输出速度 r/

23、min输出扭矩N.m传动比 i使用系数fe机型号 Type 极数 P45571 737 2.59 1.51 RX127 4减速器安装简图如下图所示： 图3-6减速器安装尺寸参数可在如下表中查得： 表3-6查得型号为RX127的减速器安装尺寸参数如下表所示： 表3-7型号 安装尺寸 轴伸尺寸H0A0B0A2d0h1dcblsRX127160270400352615775m679.520140M24续表型号 外型尺寸g1LABH1ThH2RX127450400350510541120556153.3离合器的选型3.3.1磁粉离合器结构及工作原理磁粉离合器是由传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)合

24、并而成。在两组单元之间的空间，填有粒状的磁粉（休积大约40微米）。图3-7显示高磁化效应的磁性铁粒子。当磁性线圈不导电时，转矩不会从传动轴传于从动轴，但如将线圈电磁通电，就由于磁力的作用而吸引磁粉产生硬化现象，在连继滑动之间会把转矩传达（参见图3-8及3-9）。磁粉离合器可分为伸出轴式（见图3-10）及空心轴式两种（见图3-11）。一般而言，空心轴式的体积较小，而所需磁化力（磁动力）亦比伸出轴式小。但是由于空心轴式的磁性线圈是藏在传动组件上，所以需要通过滑环电刷磁通线圈（见图3-11）。相反，在伸出轴式离合器中，磁性线圈与传动单元之间有小空隙（见图3-10），所以需求较大的磁化力。因此线圈及机

25、身体积亦相对增大，但所需输入轴的飞轮矩亦相应减小。 图3-10 图3-113.3.2磁粉离合器的特性激励电流与转矩成线性关系 如图3-12所示，传达的转矩是大致上跟随激励电流的大小有所变化。因此只要变更激励电流便会在较大的范围内可容易控制转矩大小。一般而言，在5100%的额定转矩内，激励电流与传达转矩成正比例线性关系。 图3-12稳定的转差转矩但激励电流保持不变时，转矩将会稳定地传达（见图3-13）。不会受转差速度（传动组件与从动组件之间的差速）所影响。换言之，静摩擦转矩与动摩擦转矩无分别，因此可稳定地传达恒定的转矩。此优点如用在张力控制上，用户只需调整激磁电流便能准确地控制传达转矩，从而有效

26、地控制卷料的张力。 图3-13有效防止由于滑动所致的发热现象通常连续滑动时摩擦部分免不了发热，甚至会烧损。但本设备具有完备的散热装置，长时间运转也不会过于发热，导致烧损，而且耐用寿命长。图3-14显示容许连续滑动的热损耗比例与输入转速之关系。 图3-14 防止有黏合摩擦所致的发热现象图3-15显示容许黏合能量与黏合次数的关系。黏合能量是在粘合过程中，磁粉与工作面所致的摩擦热能。 图3-15 3.3.3磁粉离合器的选择本设计选取FL系列磁粉离合器，离合器的外型尺寸见图如下图所示： 图3-16FL系列磁粉离合器选型参数表如下： 表3-8本设计中离合器的选型依据主要是额定转矩和许用转速。由于离合器的

27、连接的是电动机的输出端及减速器的输入端，故离合器所需传递的转矩 ，离合器所需传递的转速 ,最终选择离合器的型号为FL400,此离合器的具体参数如下表所示： 表3-9格规型号额定转矩N.m滑差功率 W激磁电流 A许用转速r/s外型尺寸 D LFL4004001000 31000 398416续表格规型号 轴联接尺寸止口支撑尺寸d（h7）b（p7）L1L2L3D1 D2d1*深度FL4004514826 25 200130M12*183.4制动器的选型3.4.1磁粉制动器的工作原理优点磁粉制动器的内部结构及工作原理与磁粉离合器相近，都是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的。其具有激磁电流和传递转矩基本

28、成线性关系的特点。磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件，是由传动单元和从动单元合并而成。它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段达到控制制动。在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点。是一种多用途、性能优越的自动控制元件。现已被广泛应用于造纸、印刷、 塑料、橡胶、纺织、印染、电线电缆、冶金、压片机以及其他有关卷取加工行业中的放卷和收卷张力控制。磁粉制动器还经常被用于传动机械的测功加载和制动等。磁粉制动器和磁粉离合器经常配对使用3.4.2磁粉制动器的选择本设计选取FZ系列磁粉制动器，制动器的外型尺寸见图如下图所示： 图3-17L

29、Z系列磁粉制动器选型参数表如下： 表3-10规格型号额定转距N.m滑差功率KW激磁电流A许用转速r/min外型尺寸轴联结尺寸机座支撑尺寸冷却方式HLdH7bP7L1L2L3L4L5L6H1d1FZ25.J2520.81500196109206368709615018011012自然冷FZ50.J/Y5041150024013325842118010518021013012单水冷FZ100.J/Y10071.21500284233308581410013025029015512双水冷FZ200.J/Y200101.810003292443510581212016528033018015双水冷FZ

30、400.J/Y400122.510004002984514822213018033039021515双水冷FZ630.J/Y630152.575044135360181052015021041048024019双水冷FZ1000.J/Y1000202.575052339070201053516021047054028019双水冷 本设计中制动器的选型参数主要是额定转矩，电动机经过减速器启动系统时，启动转矩为660N.m ，为了使系统更快制动，制动器所能提供的制动转矩应大于启动转矩。故在表3-10中，型号为FZ1000的制动器满足设计要求。制动器的各参数可在表3-10中查得。3.5联轴器的选型3

31、.5.1联轴器的作用及常用联轴器 联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器 ，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。3.5

32、.2凸缘联轴器的结构及特性 凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴联接，然后用螺栓把两个半联轴器联成一体，以传递运动和转矩(下图)。这种联轴器有两种主要的结构型式：下图是普通的凸缘联轴器，通常是靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中；下图是有对中榫的凸缘联轴器，靠一个半联轴器上的凸肩与另一个半联轴器上的凹槽相配合而对中。联接两个半联轴器的螺栓可以采用A级或B级的普通螺栓，此时螺栓杆与钉孔壁间存在间隙，转矩靠半联轴器接合面的摩擦力矩来传递(下图)；也可采用铰制孔用螺栓，此时螺栓杆与钉孔为过渡配合，靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转矩(下图 )。为了运行安全，凸缘联轴器可作成带防护边的(下图)。 图

33、3-18凸缘联轴器的材料可用灰铸铁或碳钢，重载时或圆周速度大于30m/s时应用铸钢或锻钢。由于凸缘联轴器属于刚性联轴器，对所联两轴间的相对位移缺乏补偿能力，故对两轴对中性的要求很高。当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。但由于构造简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时亦常采用。3.5.3LK11系列单节凸缘联轴器特点：利用键槽联接的膜片型联轴器零回转间隙，拆装方便高灵敏度，传递力矩大顺时间与逆时间回转特性完全相同不锈钢膜片补偿径向，角向和轴向偏差常用于伺服电机，步进电机联接外型尺寸表： 表3-11 技术参数表：

34、表3-123.5.4电机输出端与离合器输入端联轴器的选型本设计中联轴器的选型参数主要是传递的转矩，转速和联接轴的直径。电机输出端与离合器输入端联轴器需传递的转矩 ，联轴器需传递的转速为 ，而电动机输出端轴径 ，离合器输入端 ，参照表3-11和表3-12选择离合器型号为LK11-144K。3.5.5离合器输出端与减速器输入端联轴器的选型离合器输出端与减速器输入端联轴器需传递的转矩 ，联轴器需传递的转速为 ，而离合器输出端轴径 ，减速器输入端 ，参照表3-11和表3-12选择离合器型号为LK11-144K。3.5.6减速器输出端与电动滚筒输入端联轴器的选型离合器输出端与减速器输入端联轴器需传递的转

35、矩 ，联轴器需传递的转速为 ，而减速器输出端轴径 ，电动滚筒输入端 ，参照表3-11和表3-12选择离合器型号为LK11-152K。3.6平键联接的选型及验算3.6.1电机输出端平键的选型及验算根据电机伸出轴端键槽尺寸，查表6.22选择相应平键型号为：C1811110 GB 1096-79键的材料选择45钢查表6-21查出键静联接的挤压许用应力 =80Mpa键的接触长度 l=L-0.5b=110-9=101mm =键联接强度足够3.6.2离合器伸出轴平键的选型及验算根据离合器伸出轴端键槽尺寸，查表6.22选择相应平键型号为：C14970 GB 1096-79键的材料选择45钢查表6-21查出键

36、静联接的挤压许用应力 =80Mpa键的接触长度 l=L-0.5b=70-7=63mm =键联接强度足够3.6.3减速器输入轴平键的选型及验算根据减速器输入轴端键槽尺寸，查表6.22选择相应平键型号为：C1811110 GB 1096-79键的材料选择45钢查表6-21查出键静联接的挤压许用应力 =80Mpa键的接触长度 l=L-0.5b=110-9=101mm =键联接强度足够3.6.4减速器输出轴平键的选型及验算根据减速器输出轴端键槽尺寸，查表6.22选择相应平键型号为：C2012125 GB 1096-79键的材料选择45钢查表6-21查出键静联接的挤压许用应力 =80Mpa键的接触长度

37、l=L-0.5b=125-10=115mm =键联接强度足够3.6.5制动器输出轴平键的选型及验算根据制动器输出轴端键槽尺寸，查表6.22选择相应平键型号为：C2012100 GB 1096-79键的材料选择45钢查表6-21查出键静联接的挤压许用应力 =80Mpa键的接触长度 l=L-0.5b=100-10=90mm =键联接强度足够3.7钢丝绳的选型3.7.1钢丝绳拉力的计算启动时钢丝绳承受的拉力为钢丝绳的最大拉力，要计算此时钢丝绳的拉力可从钢丝绳所作的功入手。而钢丝绳此时所做的功则主要用于加速启动小车及从动滚筒。根据公式：= .v 其中为小车和从动滚筒所消耗的功率之和，即 而 从而 令安全系数=1.2 ，得钢丝绳计算拉力3.7.2钢丝绳型号的选择 本设计中，选用