机械毕业设计560电磁铁性能检测台机械部分设计.docx
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机械毕业设计560电磁铁性能检测台机械部分设计
电磁铁性能检测台机械部分设计
摘要
电磁铁已经广泛应用于国民经济的各行各业，对各行业技术和生产效率产生了重要影响。
电磁铁是机电一体化系统中连接电气技术和机械技术的重要电气一机械转换器，其性能优劣对电控机械元件及系统性能有着重大的影响。
由于影响电磁铁性能的因素较多，因此在对其性能进行研究的过程中，往往更注重实际性能特性测试，实测结果比理论计算结果更能准确地反映其实际特性，然后依据其测试结果的分析研究结论对电磁铁进行改进设计。
长期以来，电磁铁的静动态性能检测方法是采用简易的人工检测，其缺点是检测效率低、人为因素影响大、自动化水平低。
随着科学技术的发展，自动化技术越来越多地应用到工业中，用人工进行电磁铁静动态性能检测的方法已经跟不上时代的步伐，电磁铁静动态性能的自动化检测必将成为该行业的主流。
本设计研究的电磁铁性能检测台正是这样的自动化检测设备，它将改变目前人工检测的状况，实现检测过程的自动化，提高检测效率，减少人为因素的影响。
电磁铁性能测试系统可分为试验台架本体和计算机检测两大部分。
本次主要设计的是试验台架。
电磁铁性能测试台以步进电机和滚珠丝杠的传动机构为核心，并结合精密的力传感器和位移传感器能快速准确力和位移信号，从而得到静动态性能指标与曲线，并具有通信和打印接口，可以实现即时打印和与计算机联机。
该测试台具有很好的开放性能，可以满足不同型号电磁铁静态和动态测试需要。
关键词：
电磁铁性能检测自动化步进电机滚珠丝杠
Performancetesting platform designed electromagnet
Abstract
Electromagnethasbeenwidelyusedinindustriesofnationaleconomy,totechnologyandproductionefficiencyoftheindustryhadamajorimpact. Mechatronicsystemsintheelectromagnetisconnectedinelectricaltechnologyandmechanicaltechnology,amajorelectricalmachineryconverter,electroniccontrolofitsperformanceadvantagesanddisadvantagesofmechanicalcomponentsandsystemperformancehaveasignificantimpact. Becausemanyfactorsaffecttheperformanceelectromagnet,soitsperformanceinthecourseofthestudy,theactualperformancecharacteristicstendtobemoreemphasisontesting,themeasuredresultsthanthetheoreticalresultsmoreaccuratelyreflectitsactualproperties,andthenbasedontheirtestresults Analysisoftheelectro-magnettoimprovethedesignconclusions.
Long-termsince,thestaticanddynamicperformancetestingelectromagnetsisthesimplemethodofartificialdetection,itsshortcomingistestingtheefficiencyislow,theartificialfactorsaffectlarge,automationlevelislow.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,automationtechnologyincreasinglyappliedtoindustrial,usingartificialforelectromagnetstaticanddynamicperformancetestingmethodshavecouldn'tkeepupwiththepaceofTheTimes,thestaticdynamicperformanceelectromagnetsautomatedtestingwillbecomethemainstreamoftheindustry.Thisdesignresearchelectromagnetsperformancetestbenchissuchautomateddetectionequipment,itwillchangethepresentsituationofartificialdetection,torealizetheautomationandimprovetheinspectionprocessdetectionefficiency,reduceartificialfactorsinfluence.
Electromagnetperformancetestsystemcanbedividedintotestrigontologyandcomputertestingtwomuch.Themaindesignisthetestbench.Electromagnetperformancetestboardtosteppingmotorandtheballscrewdrivemechanismasthecore,combiningsophisticatedsensorsanddisplacementsensorcanfastandaccurateforceanddisplacementsignal,thusobtainsthestaticanddynamicperformanceindexandthecurve,andwithcommunicationandprintinterface,canrealizereal-timeprintandcomputeronline.Thisone,hastheverygoodopeningperformance,cansatisfydifferenttypeselectromagnetstaticanddynamictestsneedto.
Keywords:
magneticplug,performancemonitoring,automation,steppermotor,ball-screw
第1章引言
1.1设计研究的应用背景及意义
1.1.1电磁铁的应用日趋广泛
电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。
如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：
（1）牵引电磁铁——主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务。
（2）起重电磁铁——用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料。
（3）制动电磁铁——主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的。
（4）自动电器的电磁系统——如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等。
（5）其他用途的电磁铁——如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。
当代社会随着世界范围内工业控制领域的飞速发展，人们对自动化的要求也就日趋严格。
机、电、液、光一体化技术正在慢慢地占领熬头，然而电磁铁是联系机、电、液、光技术之间关键纽带之一。
比如:
电磁继电器，接触器，电磁铁等等。
这样就更进一步地增加了电磁铁在市场上的需求。
1.1.2电磁铁的发明
1822年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它能使绕线中的铁块磁化。
这实际上是电磁铁原理的最初发现。
1823年，斯特金也做了一次类似的实验：
他在一根并非是磁铁棒的U型铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与伏打电池接通时，绕在U型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使U型铁棒变成了一块“电磁铁”。
这种电磁铁上的磁能要比永磁能大放多倍，它能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，U型铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。
斯特金的电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来。
1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，绝缘导线代替裸铜导线，因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。
由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。
到了1831年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸起1吨重的铁块。
1.1.3我国电磁铁测试技术的现状
电磁铁的应用如此广泛，而且它在工业自动化控制领域中起到了非常重要的作用，可以说电磁铁性能的好坏将直接影响到整个自动化系统的工作，有时甚至是毁灭性的结局。
所以必须严把质量关，其中最重要的一个环节就是严把出厂关，也就是在电磁铁出厂时做好电磁铁的静动态性能测试。
一方面，可以保证出厂电磁铁的质量问题;另一方面，可以为用户提供清晰可供参考的性能曲线。
这将是工业控制领域的重中之重。
然而，我国电磁铁测试技术却非常落后，有的企业在这方面的技术甚至为零。
大部分的电磁铁生产厂商主要是依据工人的经验来判断一个电磁铁的性能好坏，更不能够提供详尽的性能曲线了，这将直接影响自动化系统的性能，进而制约自动化技术的发展。
1.1.4自主研发电磁铁测试系统的重要意义
针对目前电磁铁广泛应用和电磁铁测试技术落后之间的矛盾，如果我们能够自主研发出有自己知识产权的电磁铁测试系统，那么它的意义是不可估量的。
在效益方面:
在电磁铁出厂之前，它可以为电磁铁提供完善的性能曲线及相关技术数据。
保证了电磁铁的质量，同时也为用户提供了方便。
在社会方面:
目前国内尚无成熟地电磁铁测试系统，因此该系统的研究有助于填补我国在电磁铁测试技术研究及产品的空白，对提高我国自动化技术的发展，提升我国电磁铁测试技术的水平都具有重要的意义。
1.2国内外研究动态
1.2.1国外研究动态
通过分析国外电磁铁产品可以看出，国外电磁铁测试系统的研究与开发方面己经积累了丰富的经验，同时己有较为成熟的产品投入市场。
德国Zwick公司开发和生产了额定载荷高达2000KN的比例电碰铁测试机，可以对多种类型的比例电磁铁进行垂直和水平方向的测试．其功能较为齐全，自动化水平也较高，可进行“低”和“标准”两种等级的额定载荷分别为1KN和25KN的测试．同时，Zwick公司还开发了名为testexpert的通用测试软件。
日本KYB公司采用电涡流传感器作为其动圈式电一机械转换器的位移检测装置，协助完成闭环控制，实现了很好的控制精度；申请者提出了一种新型耐高压电涡流位移传感器，采用螺管式结构，能够实现高压环境下电机械转换器的位移检测。
1.2.2国内研究动态
在我国电磁铁的生产应用技术和检测技术尚处于起步阶段。
电磁铁性能检测设备的检测性能单一、检测技术简单，往往需要几种设备、经过几道工序、配合有经验的检验员手工操作才能完成检测。
其缺点是设备性能低，操作烦琐，工人劳动强度大，而且数据可靠性取决于操作者的熟练程度、人为因素较大。
但是随着最近几年的高速发展，国内的检测技术有了明显的提高。
北京工业大学潘立新等人提出的有关电磁机构中电磁铁动态吸力特性的测定方案，应用电阻应变片电测技术对ZN4一10/100一16型真空断路器机构中所用的电磁铁的动态吸力特性进行了测试。
其测试原理非常简单，主要利用了电阻应变测试技术:
将电阻应变片贴在与电磁铁铁芯相连的拉杆上，铁芯运动时拉杆受力变形，其变形量由电阻应变片转换成电压的变化送入动态电阻应变仪从而得到相应的应变值。
中国煤炭科学研究院上海分院液压研究所的杨璐硕士提出一种用“工控机+数据采集卡+传感器”测试装置替代传统的“传感器+函数记录仪”模式，测试程序由Visualc++开发。
剥试过程中比例电磁铁的输入信号由数据采集卡发生，传感器的测试信号由数据采集卡采集输入到工控机，工控机再将剥试得到的力、位移或电流信号数据自动绘制成相关的比例电磁铁性能曲线，测试性能曲线可直接打印。
整个系统的自动化程度较高，测试效率比传统剥试方法高。
1.3选题的研究方法、主要观点、创新之处
1.3.1选题的研究方法
（1）文献研究：
通过查阅与本课题相关的文献资料，及时了解本课题的研究进程，全面掌握相关信息，为课题研究提供科学的论证依据、研究导向。
（2）观察：
为了了解事实真相，从而发现某种现象的本质和规律。
通过现场的观察，以便能更好的进行设计与改进。
（3）行动研究：
对于本课题进行试验研究，将采用行动研究方法，边实验，边总结，边推广。
（4）个案研究：
抓住典型实例，针对课题实施前后其计算、设计与校
（5）网上调查：
利用网络的便利性，作相关查阅与调查，及时指导与调整下步行动。
（6）经验总结：
经验总结法是根据实践所提供的事实，分析概括现象，挖掘现有的经验材料，并使之上升到理论的高度，以便更好地指导新的实践活动的一种研究方法。
关键是要能够从透过现象看本质，找出实际经验中的规律；从而更好地更加理性地改进自己的设计。
1.3.2选题的主要观点
电磁铁性能检测台的设计至少要满足下列几个条件：
①整体策划；②符合普遍使用的规律；③符合拆装简便的条件；④所有资源在一个统一框架下建设，根据具体需求，要成为一个整体。
要满足这些条件，绝对不是简单购买各厂家的资源、或大量搜集资料就可以的，不是量大就有效，需要大量的资源，但不是简单量的积累。
我认为，电磁铁性能检测台应采取整体规划、统一设计。
测试精度要高，测试速度要快，测试范围要广。
1.3.3选题的创新之处
电磁铁的额定值测试可以计算出额定电流、额定力、额定位移等指标;电磁铁的性能包括对应于不同输入信号线圈电流输出和电磁铁位移以及电磁铁作用力输出的特性。
具体方法是向控制器输入不同的电流控制信号，得到电磁铁位移以及作用力的变化与线圈电流相对应的情况，以求得电磁铁的位移输出、力输出与线圈电流的线性关系，即滞环、非线性度、重复精度、起始电流等指标。
第2章电磁铁性能检测台的总体设计
2.1测试需求分析
测试对象：
直动型电磁铁
电磁铁技术要求：
1、电磁铁额定电压22VDC。
2、行程30±0.5mm，吸力不小于35kg。
电磁铁性能测试要求：
1、在额定电压下产品吸力与衔铁行程之间关系的测量。
2、在衔铁位置给定的情况下，电磁吸力与电压之间关系的测量。
3、带额定负载时的寿命试验。
4、吸合电压、断开电压、启动电流、保持电流的测量。
测试台关键仪器技术要求：
表2-1测试台关键仪器技术指标要求
指标
参数
力传感器量程
10000N
力传感器精度
2.5‰FS
力传感器响应频率
800Hz
位移传感器量程
±50mm
位移传感器精度
20μm
位移传感器响应频率
800Hz
2.2测试台总体设计
2.2.1测试台结构原理
结构原理：
电磁铁性能检测台主要由机械系统和测控系统2部分组成。
本课题主要研究机械系统。
图2-1机械系统结构原理图
机械系统主要是安装固定力传感器和位移传感器等测试传感器、步进电机、滚珠丝杠和被测电磁铁，采用步进电机作为动力元件，连接滚珠丝杠将旋转运动转换为均匀慢速的直线运动。
并带动导轨滑块机构，完成对电磁铁性能测试过程中所需的定位要求，从而得到测试分析数据。
测控系统由上位机（工控机）数据采集处理模块和下位机PLC自动控制模块组成。
上位机数据采集处理模块通过数据采集卡高速采集高精度力传感器和位移传感器的测量值，以及RS232串口与下位机PLC通信，向PLC发出控制指令及接受PLC反馈回的指令信息。
然后由基于专业信号测试软件LabVIEW8.2强大的数据处理及分析能力对采集到的数据进行分析处理，绘制所需的相关性能曲线，计算出相应的关键性能指标（力滞环、额定行程、额定输出力、电流滞环、输出力电流增益、线性度、重复精度等），最后根据测试者的需要对测试结果进行保存、打印报表及添加入试验管理数据库。
下位机PLC自动控制模块的主要任务有:
根据上位机发送过来的指令，控制步进电机将传感器定位到测试项目所需的位置，同时向上位机反馈所定位状况。
2.2.2测试台设计方案比较
方案一：
动力元件为步进电机。
采用普通滑动螺旋机构，将回转运动转换为直线运动。
配合滚动直线导轨带动滑块，完成测试数据的采集工作。
方案二：
动力元件为步进电机。
采用滚珠丝杠作为主要的传动机构，配合滚珠直线导套副，带动滑块机构，完成数据采集。
通过比较可以得出以下结论：
滑动螺旋：
构造简单、传动比大，承载能力高，加工方便、传动平稳、工作可靠、易于自锁。
但是磨损快、寿命短，低速时有爬行现象（滑移），摩擦损耗大，传动效率低（30~40%）传动精度低。
滚珠丝杠：
传动效率高（可达90%），起动力矩小，传动灵活平稳，低速不爬行，同步性好，定位精度高，正逆运动效率相同，可实现逆传动。
预紧后刚度好，定位精度高（重复定位精度高）。
但不自锁，需附加自锁装置，抗振性差，结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。
滚动直线导轨：
滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而使得 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，有益于提高测试系统的响应速度和灵敏度。
但是结构复杂，制造工艺要求高，成本较高。
滚珠直线导套副：
滚珠直线导套副是将滑块与光轴配合，中间放入钢球，二者之间的摩擦力很小。
随动性较好。
结构简单，制造工业要求不高，成本适中。
综上所述，选择方案二较好。
既能达到电磁铁检测台的基本要求，完成试验的结果。
经济成本又不高。
第3章动力元件的选择
3.1电机的基本分类
按工作电源种类划分：
可分为直流电机和交流电机。
（1）直流电动机按结构及工作原理可划分：
无刷直流电动机和有刷直流电动机。
有刷直流电动机可划分：
永磁直流电动机和电磁直流电动机。
（2）其中交流电机还可分：
单相电机和三相电机。
按结构和工作原理划分：
可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
（1）同步电机可划分：
永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。
（2）异步电机可划分：
感应电动机和交流换向器电动机。
按用途划分：
驱动用电动机和控制用电动机。
（1）驱动用电动机划分：
电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。
（2）控制用电动机又划分：
步进电动机和伺服电动机等。
按运转速度划分：
高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。
低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。
3.2电机的选择
3.2.1电机类型的确定
由于本设计做的是电磁铁性能检测台，所需电机转速要求不高，而且需要控制调节。
所以，选用步进电机作为动力元件比较合适。
3.2.2所选电机的简介
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机具有以下应用特点：
（1）能直接接受数字量的控制信号。
在单片机应用系统中，它可以直接接受由计算机系统输出的数字信号，而不需要进行模/数转换。
（2）可方便地实现机械位移。
例如，在机械控制部分，步进电机配合丝杠和齿轮可把角度变化转变为直线位移。
（3）控制灵敏度高。
步进电机具有快速起动和快速停止的能力，能在瞬间实现起、停。
（4）速度变化时不失步。
一般步进电机的速率为200~1000步/秒，在速率变化时，仍然不会失掉一步。
（5）步距角变化大、且精度高。
步距角是指每步所转过的角度，在没有齿轮减速的情况下，步距角可以由每步90°低到每步0.36°。
（6）能精确返回原位。
无论变阻式步进电机还是水磁式步进电机都能精确地返回电机的起始位置。
（7）控制脉冲与角度位移能精确同步。
在单片机应用系统中，可以利用电机控制脉冲与它的角位移精确同步的特点，实现对物理量的控制。
（8）控制方便、可靠，精确定位。
例如，在执行机构的控制中，步进电机可方便地带动多圈电位器或旋转变压器，以调节电压或电流，实现对执行机构的控制。
3.2.3电机型号的确定
1、步距角的选择
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
最终选择0.9度/1.8度的两相混合式步进电机。
2、静力矩的选择
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
步进电机选择的计算：
已知电磁铁测试位移：
L=30mm
设定测试完成时间：
t=5s
所以，测试速度
V=L/t=6mm/s=360mm/min
选用滚珠丝杠导程：
S=4mm
所以，滚珠丝杠转速为
n=V/S=360/4=90r/min
设定最大电磁铁产生推力：
F推=5000N
滚珠丝杠效率η=90%
故，功率P=
=
所以，步进电机所需转矩
Tmin=
最终选择保持转矩为7.5N.m的步进电机。
3、电流的选择
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。
综上所述选择电机一般应遵循以下步骤：
图3-1步进电机选择步骤
4、步进电机应用中要注意的地方
（1）步进电机应用于低速场合---每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS），最好在1000-3000PPS（0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。
（2）步进电机最好不使用
升级会员 