母线槽参数检测机构传动系统设计Word文档下载推荐.docx
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NanjingInstituteofTechnology
June,2008
摘要
母线槽是一种新型配电导线，它的两个主要技术参数是指绝缘强度和导线的电阻。
论文根据自动检测母线槽导电片电阻和导电片之间绝缘强度的要求，主要介绍了母线槽参数检测机构中气压传动控制系统的设计方法、过程参数和结果等，另外还介绍了步进电机驱动电路的设计。
本传动机构共有六个动作需要由气压传动装置控制，需要八只气缸。
其中，两只气缸控制母线槽两端测量头的伸缩；
两只气缸控制测量头横向定位；
两只气缸控制母线槽长度方向定位；
两只气缸控制母线槽的升降（然后对其进行包装）。
论文涉及到各个气压传动回路图的设计，各个气缸及辅助元件的相关尺寸的计算，接着是控制回路中的各种气压元件的选择。
另外还计算出了普通型单活塞双作用气缸的各个参数值，并设计出了它的结构图。
设计五相十拍步进电动机驱动电路时选择了89C2051作为环形分配器，而功率器件选用电压型的VMOS管。
该电路设计成恒流斩波电路，论文中大概介绍了步进电机的相关知识和基本工作原理，并详细介绍了斩波恒流细分驱动方案的原理。
此外，本次设计还分别对相序分配的硬件接线和软件程序部分做了设计和说明。
关键词：
母线槽；
气压传动；
步进电机驱动器
ABSTRACT
TheBusductisanewkindofleadforelectricconductivity,ThetwoofmaintechniquesoftheBusductareInsulationStrengthandResistanceofwires.Accordingtotherequirementsofautomaticallydetectingtheresistanceofconductingplatesandtheinsulationstrengthbetweenthem,ThedesignofPneumaticTransmissionsystemandSteppingMotorDriveControlCircuitsfortheBusductParameterDetectionmachineareintroducedinthisthesis.Inaddition,thedesignofStepMotorDriveControlCircuitsisintroduced.
ThePneumaticTransmissionsetuphassixactionswhichneedtobecontrolledbyPneumaticTransmission.EightCylindersareneeded.Twoofthemareusedforcontrollingtheflexofthedetection.Twoareusedforcontrollingtransverseorientationofthedetection.TwoareusedforcontrollingorientationinlengthoftheBusduct.AnothertwoareusedforcontrollingtheupanddownoftheBusduct（preparingforpackingit）.ThenthethesiscomesdowntodesigningdrawingsoftheloopsinPneumaticTransmissionsystem,andthesizeofCylindersanddevicerelationallyarecalculatedinthisthesis,withthatdevicesofCylinderscontrolsystemarechosen.Inaddition,eachparameterofthemedium-sizedCylinderwithsolepistonarecalculated,andit’sdrawingofstructureisdesigned.
Whendesigningthestepmotordrivecircuitof5phase10pat，89C2051isadoptedastheLoopallotter.TheVMOSisadoptedinpowerelements.Itisdesignedaschopper-typeconstantcurrentcircuit.Inthethesistherelatedknowledgeandbasicprincipleofthestepmotordriveareprobablyintroduced,andaprincipleofaschemeisintroducedindetail,whichisofthechopper-typeconstantcurrentsubdivide.Ontopofthat,Inthisdesign,thehardwareconnectionandsoftwareprogramofthePhaseSequenceallotteraredesignandelucidationrespectively.
Keywords:
Busduct；
PneumaticTransmission；
stepmotordriver
第一章绪论1
1.1引言1
1.2选题的背景及意义1
1.3母线槽简介2
1.4检测内容3
1.5自动检测系统的组成及控制流程5
1.5.1母线槽参数检测系统的组成5
1.5.2母线槽参数检测系统的工作流程5
第二章气压传动系统设计与计算9
2.1气压传动概述9
2.1.1气动技术的应用9
2.1.2气压传动的组成及工作原理9
2.1.3气压传动的优缺点10
2.2气压传动系统控制对象10
2.3总气压传动系统回路设计11
2.3.1选择总气压回路的控制方式11
2.3.2选择气压发生装置与辅助元件11
2.3.3选择执行元件11
2.3.4选择控制元件13
2.3.5设计总气压传动回路15
2.4包装台纵向定位装置气压传动回路设计与计算16
2.4.1回路设计16
2.4.2回路计算16
2.4.3元件选择18
2.5检测台侧向定位装置气压传动回路设计与计算19
2.5.1回路设计19
2.5.2回路计算19
2.5.3元件选择21
2.6测量头动作控制气压传动回路设计与计算22
2.6.1回路设计22
2.6.2回路计算22
2.6.3元件选择23
2.7包装台升降机构气压传动回路设计与计算24
2.7.1回路设计24
2.7.2回路计算25
2.7.3元件选择26
2.8气缸设计26
2.8.1气缸的主要尺寸设计26
2.8.2气缸的主要结构设计27
第三章驱动电路设计30
3.1步进电机的种类以及工作原理30
3.1.1步进电机的种类31
3.1.2步进电机的工作原理31
3.2控制方案拟定32
3.3步进电动机相序分配电路33
3.3.1相序分配电路33
3.3.2相序分配软件35
3.4步进电机驱动电路设计38
第四章结论41
4.1论文总结41
4.2感想42
致谢43
参考文献44
附录A：
英文资料45
附录B：
英文资料翻译60
附录C：
驱动电路原理图和PCB图72
附录D：
总气压传动图74
附录E：
气缸装配图75
附件：
毕业论文光盘资料
第一章绪论
1.1引言
随着现代化工程设施和装备的涌现，各行各业的用电量迅增，尤其是众多的高层建筑和大型厂房车间的出现，作为输电导线的传统电缆现在大电流输送系统中已不能满足要求，多路电缆的并联使用给现场安装施工连接带来了诸多不便。
母线槽作为一种新型配电导线应运而生，与传统的电缆相比，在大电流输送时充分体现出了它的优越性。
母线槽产品结构发展经历过三代：
第一代–空气型，从上世纪50年代中期起，将导电排用绝缘衬垫支撑在壳体内，靠空气介质绝缘，其特点是加工工艺简单、成本较低，用出线盒可以很方便地进行分接，其最大的缺点是相间距大（一般为50mm），因而导致阻抗大、载流量低、损耗大、散热差、温升高、不适用于大电流的传输，而且体积大、安装不方便；
第二代–密集型，从上世纪80年代中期开始，将导电排用绝缘材料覆盖后再与两侧紧固在一起，其优点是体积小、电抗小、散热好、温升低、热稳定性好，载流量大，具有良好的节能效果。
但密集型也有制作工艺较复杂，绝缘要求比较高等缺点；
第三代-复合绝缘型，从1995年开始，母线槽除了导电排本身具有绝缘层外，各相线之间还有一定的空气绝缘；
由于是复合绝缘方式，所以防潮性能、绝缘可靠性散热性能比空气型和密集型都要好。
母线槽经过半个多世纪的发展过程，已经得到了充分的发展。
随着母线产品的广泛应用，母线槽技术参数的检测问题也就随之产生。
母线的主要技术参数是导线电阻和绝缘强度，对这两个参数的检测在国内还是由人工完成的，其自动检测技术在国内还是个空白。
检测人员手动控制检测头去检测母线槽的导线电阻和绝缘强度，手动定位很容易带来由于定位不准而产生的操作误差，这与我们对母线槽技术参数准确性的要求是相冲突的。
另外，在检测母线槽的绝缘强度时，需要对母线槽通以高压，这无疑会威胁到检测人员的人身安全。
随着社会的不断发展，人工检测技术远远不能满足社会对生产率的要求，开发母线槽参数检测机，可以完成对母线槽主要技术参数的自动检测，这可以有效地提高检测的自动化程度，提高检测精度，保证检测人员的安全。
1.2选题背景与意义
母线槽内部一般用铜片作为导体。
铜片的电阻是影响母线槽导电能力的重要因素。
电阻越大，母线槽在电传输过程中消耗就会越大，传输的效率就会越低。
母线槽作为导线，知道其内部导电体的电阻是非常必要的。
而母线槽内部导电体之间的绝缘填充物的绝缘强度则是影响安全性的重要因素。
但是在实际应用过程中并不是母线槽内导电体的电阻越小越好，绝缘填充物的绝缘强度越大越好。
由于受到成本因素的限制，母线槽制造商必须制造出适合不同场合应用的母线槽，这就需要准确知道母线槽的两个参数指标。
由于母线导电片的横截面积大、电阻小，再加上检测技术的落后。
目前国内的母线生产厂家基本都不对导电片的电阻进行检测，而只是人工检测导电片之间的绝缘强度。
在检测时，检测人员手持绝缘检测头对母线槽进行检测，若母线槽绝缘强度不够，绝缘强度检测仪就会报警，而且，检测过程中，检测头是通以高压的，对操作人员的人身安全也是个威胁。
在国外，不仅能检测导线电阻，而且检测的自动化程度相当高，国内与之存在的差距十分巨大。
因此，迫切希望设计一个控制系统对母线槽技术参数进行自动检测，这样就可以提高企业的生产效率，减少人员的投入，给企业带来广阔的市场前景和显著的社会效益。
1.3母线槽简介
母线槽是一种新型的输配电设备，是替代传统的电缆和电缆桥架输配电系统的更新换代产品，尤其在大电流输送电方面母线槽居于主导地位。
在近几年的电气设计以及施工现场配合工作中，母线槽都已经成为了极其重要的一种输配电的设备。
1．母线槽的基本结构及特点
一般的母线槽都是用于高层建筑、多层工业工房、机床密集的车间、产品工艺多变的车间、老车间和厂房的改造，以及各种实验室、展览馆、体育馆等对于输配电电流比较大的场所。
母线槽特点是具有系列配套、商品性生产、体积小、容量大、设计施工周期短、装拆方便、不会燃烧、安全可靠、使用寿命长、载流能力强、防护等级高、分配电能方便、传输安全可靠等特点，是一种理想的配电产品。
母线槽产品适用于交流50Hz，额定电压380V，额定电流250A～4000A的三相四线制供配电系统工程中。
母线槽的结构如图1.1所示，在母线槽系统中一般由以下几个单元组成：
馈电式母线（不带插口）或插接式母线（带插口）直线段单元；
与变压器，配电柜等设备接口的进（出）线单元；
换向单元有L形单元，T型单元，Z型单元；
膨胀单元有膨胀节母线单元；
插接单元有插接箱单元。
所有单元通常均由母线槽制造商进行标准设计，也可以根据工程需要进行现场测量后采取非标设计，以满足用户及安装需要。
2.．母线槽的种类及性能
母槽线主要的类型有三相三线制、三相四线制和三相五线制，其中母线槽又有单通道和双通道之分。
其按制造工艺和用途，又可以分为：
密集型母线槽、空气型母线槽、高性能型母线槽、耐火型母线槽、防水型母线槽、绝缘型母线槽等。
母线槽按绝缘方式可分为空气式插接母线槽、密集绝缘插接母线槽和高强度插接母线槽三种母线槽是由金属板（钢板或铝板）为保护外壳、导电排、绝缘材料及有关附件组成的母线系统。
它可制成每隔一段距离设有插接分线盒的插接型封闭母线，也可制成中间不带分线盒的馈电型封闭式母线。
在高层建筑的供电系统中，动力和照明线路往往分开设置，母线槽作为供电主干线在电气竖井内沿墙垂直安装一趟或多趟。
按用途一趟母线槽一般由始端母线槽、直通母线槽（分带插孔和不带插孔两种）、L型垂直（水平）弯通母线、Z型垂直（水平）偏置母线、T型垂直（水平）三通母线、X型垂直（水平）四通母线、变容母线槽、膨胀母线槽、终端封头、终端接线箱、插接箱、母线槽有关附件及紧固装置等组成。
母线槽虽然在目前的电传输领域应用广泛，但同样也存在着一些缺陷，例如依靠螺钉联接的部位过多，安装施工复杂；
同时维护量大、维护费用高。
在运行过程中常遇到电磁振动、热胀冷缩、膨胀系数及外力等因素的影响，这些都会造成螺钉的松动。
如果一只螺钉出现松动，就会出现故障点发热、高温等现象，影响整条母线槽的运行稳定性。
尤其是对五线母线槽的不当使用，还会造成PE线接触电阻增大违反国家规定。
但母线槽在大容量的情况下，还是存在着其自身的优势的。
因为当电流达到数千安培时，如果采用电缆，即使是单芯电缆也要多根进行敷设，否则达不到相应的大电流容量，此时母线槽就体现出自身的优势。
1.4母线槽参数检测机的检测内容
母线槽参数检测机的主要检测内容为：
①母线槽内各个导电片的电阻；
②母线槽内导电片之间的绝缘强度。
导电片电阻和导电片之间的绝缘强度是母线槽的主要技术参数。
导电片电阻是影响母线槽导电能力的主要因素。
我们都知道，导线电阻的增大，会增加电能在传输过程中的电损耗，而母线槽也是如此。
另外，导电片之间的绝缘强度则是影响母线槽安全性能的主要因素。
因此，检测母槽线这两个技术参数是十分重要的，这可以帮助我们更加准确有效地把不同种类及型号的母线槽应用到最适合它们的场合。
在检测绝缘强度时，其中一个检测头固定于第一片导电片上，另外一个检测头从第二片导电片开始按照次序依次移动到各片导电片上。
如此类推，对母线槽内部导电片之间绝缘强度进行两两检测。
在移动到每一片导电片上时，绝缘强度检测仪会检测出两个检测头所检测的两片导电片之间的绝缘强度。
检测导电片电阻则比检测绝缘强度简单的多，只要控制两个检测头同时移动到同一片导电片的两端，微欧计即可测出此导电片的电阻。
测得的导电片电阻和绝缘强度自动传送到上位机。
导电片电阻和绝缘强度两个参数的检测如图1.2所示，其中图（a）检测的是导电片电阻，图（b）检测的是导电片之间的绝缘强度。
1.5自动检测系统的组成及控制流程
1.5.1母线槽参数检测系统的组成
母线槽参数检测系统主要由上位机、运动机构控制系统（下位机）、贴标机、打印机、包装机构、检测机构、气压传动机构等部分组成，其中母线槽参数检测机的控制系统主要由控制电路和气压传动两部分组成。
图1.3为母线槽参数检测系统的组成简图。
1.5.2母线槽参数检测系统的工作流程
母线槽参数检测机控制系统的下位机部分控制的信号有：
检测台上的传送电机，一个纵向定位气缸，两个横向气缸和这两个气缸上的压力继电器；
包装台上的传送电机，一个纵向定位气缸，两个上升气缸；
两个检测头的气缸；
X、Y、U、V四轴的正反转；
X、Y、U、V四个坐标方向的进给，X、Y、U、V的超程。
检测台和包装台的传动机构如图1.4所示。
1－检测平台2－母线槽3－检测纵向定位气缸4－检测平台移送电机5－包装平台6－包装台纵向定位气缸7、9－母线槽包装台升降气缸8－包装台移送电机10、27－纵向到位检测传感器11、26－左右端横向定位滑台12、25－左右端测量头驱动气缸13、24－X轴及U轴滑台14、23－X轴、U轴步进电机15、22－左右端横向定位气缸16、21－左右端垂直升降台17、19－Y轴及V轴步进电机18、20－左右端移动立柱
图1.4检测台和包装台的传动机构示意图
参数检测系统工作过程如下：
上位机（PC机）发送启动信号给下位机，然后，下位机开始工作。
下位机控制检测台传送装置和气压传动定位机构传送及定位母线槽。
之后，下位机通过运动机构控制检测系统检测导电片的电阻以及导电片之间的绝缘强度，并把结果传送给上位机。
上位机接受到检测完毕的信号后，根据检测结果判断母线槽是否合格，若合格，则发送信号给打印机，打印机打印出所测母线槽的条码。
然后，上位机发送信号给贴标机，并控制贴标机把条码贴到母线槽上。
贴标机贴标完毕后发送信号给上位机，上位机接着发送信号给下位机，由下位机控制完成对母线槽的包装。
其中，下位机由8031单片机构成，主要控制气缸传动系统和步进驱动系统，相应执行机构单元根据控制系统发出的控制信号动作。
贴标机系统由8031及外围电路组成，接收上位机控制信号，控制贴标机械手，抓取打印机打印的标签并粘贴到母线槽的外壳上。
定位机构是由气缸驱动的。
下面将按照工作过程给出母线槽参数检测机（下位机）控制系统的工作流程图（图1.5）。
图1.5母线槽参数检测机控制系统（下位机）的工作流程
第二章气压传动系统设计与计算
2.1气压传动概述
2.1.1气动技术的应用
气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。
气压传动与控制技术简称气动技术。
远在两千多年前，人们就开始利用空气的能量完成各种工作。
比如，希腊人利用压缩空气来增大石弩的射程。
在近代，车辆的制动装置、采煤用的风钻等都应用了气动装置。
到20世纪30年代，气动技术成功地应用于自动门的开闭以及各种机械的辅助动作上，但这些都还只是将气动技术作为传动的一种手段。
进入到20世纪60年代及70年代，随着工业机械化的发展，气动技术广泛应用于生产自动化的各个领域，形成了现代气动技术[1]。
2.1.2气压传动的优缺点
气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。
气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。
这主要是因为气压传动与机械、电气、电子、液压传动相比有以下特点。
1．气压传动的优点
1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。
气体不易堵塞流动通道，用之后可将其随时排人大气中，不污染环境，压力等级低，使用安全；
2）空气的特性受温度影响小。
在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。
且温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能；
3）空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送；
4）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。
液压系统要保持压力，一般需要能源泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变；
5）相对液压传动和电气方式而言，气动动作迅速、反应快，正常只需0.02～0.3s就可达到工作压力和速度。
液压油在管路中流动速度一般为1～5m／s，而气体的流速最小也大于10m／s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速。
气缸动作速度一般为50～500mm/s,最低可在3mm/s平行运动，高速可达3m/s[2]；
6）气动元件可靠性高，使用寿命长。
电气元件的有效动作次数约为数百万次，而气动元件可运行2000～4000万次；
7）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护；
8）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越。
2．气压传动的缺点
1）由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，气缸的动作速度易受负载变化的；
2）由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。
在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。
气压传动装置的输出力不宜大于10—40kN；
3）气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。
同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；
4）噪声较大，在高速排气时要加消声器[3]。
2.1.3气压传动的组成及工作原理
气压传动的原理是利用空压机把电动机或其他原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功[4]。
由此可知，气压传动是由四部分组成的，它们是：
（1）气源装置是获得压缩空气的装置。
其主要部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；
（2）控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环；
（3）执行元件是将气体的压力能转换为机械能的一种能量转换装置。
它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等；
（4）辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。
2.2气压传动系统控制对象
本课题所要求设计八只气缸，分别控制六个动作。
其中两只气缸控制母线槽两端测量头的伸缩；
两只气缸控制母线槽升降（升起后对母线槽两端进行包装）。
2.3总气压传动系统回路设计
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