淮阴工学院机电传动课程设计工作台往返循环电机拖动系统设计.doc

(完整word版)淮阴工学院机电传动课程设计工作台往返循环电机拖动系统设计

淮 阴 工 学 院

课程设计说明书

作 者:

学 号：

学 院:
机械工程学院
专 业:

题 目:
工作台往返循环电机拖动系统设计

指导者：

目录

1 绪论 1
1.1设计背景 1
1.2设计任务及要求 1
1.3设计指导 1
2 工作台往返循环电机拖动系统原理分析 1
2.1 拖动系统的机械运动示意图 1
2.2 拖动系统的工作原理 2
3 电动机的选择 2
3.1 负载转矩的测量 2
3.2 电动机类型的选择 3
3.3电动机电压和转速的选择 3
3.4电动机工作制的选择 4
3.5电动机型号的选择 4
4电动机的校验 5
4.1电动机的起动校验 5
4.2电动机的过载校验 6
4.3电动机的稳定运行校验 6
4.4电动机的发热校验 6
5 系统电路图的设计 7
5.1主电路的设计 7
5.2控制电路设计 8
结论 10
参考文献 10

1 绪论
1.1设计背景
科学技术不断创新发展，促使工厂走向自动化的新阶段。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。
1.2设计任务及要求
1）设计一个电气原件的工作台自动往返循环控制线路
2）工作台循环工作电机应可靠起动、运转、停止
3）工作台往返工作既可实现手动也可满足自动
1.3设计指导
查阅资料理解工作台的往返循环工作的原理及结构。为简化设计过程，工作台驱动电机可自行选择，但选择电机后需要进行校验（如类型、容量、起动能力、过载能力、温升及工作制等），对题目未知的参数可根据类似产品的说明书或电气工程手册查询。
2 工作台往返循环电机拖动系统原理分析
2.1 拖动系统的机械运动示意图
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
2.2 拖动系统的工作原理
工作台处于行程开关SQ1和SQ2之间时，可通过启动开关控制电动进正转或者反转。例如：按下开关SB3，电动机正转，通过齿轮带动工作台向左行驶。或者按下开关SB2，齿轮带动工作台向右行驶。
当工作台到达终点左往行程开关SQ1时候，需通过控制，使电动机停转；同时通过开关键变化，使电动机反转，拖动工作台向右移动；并为下次正转做准备。
当电机反转拖动工作台向右移动到一定位置时，挡块2碰到行程开关SQ2，通过控制，使电动机停转；同时通过开关键变化，使电动机再次开始正转。
如此反复循环，使工作台在预定行程内自动反复往返运动。
3 电动机的选择
为使电力拖动系统经济、可靠的运行，必须正确地选择电动机，电动机的选择包括电动机额定容量的选择，电动机种类、电流的种类、形式、额定电压和额定转速的选择。
3.1 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）
式（3.1）
式中：——表示等效负载转矩
——表示平移作用力
——表示工作台移动速度
——表示传动效率
——表示电动机角速度
——表示电动机的转速
假设电动机的重力，移动速度，工作台与导轨之间的摩擦系数，电动机的转速n=1400r/min，传动效率。则平移作用力

等效负载转矩

3.2 电动机类型的选择
在满足生产机械对拖动系统的静态和动态特性要求的前提下，对电动机种类的选择力求结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。
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。
由于异步电机特别是鼠笼式异步电机具有结构简单、运行可靠、维护方便和价格低廉等优点，被广泛应用于国民经济和日常生活的各个领域，是应用最广泛的电机。鼠笼式异步电机的启动和调速性能差，功率因数低，常用于不要求测速，且对起动性能要求不要的机械，故优先选用三相笼型异步电动机。
3.3电动机电压和转速的选择
电动机额定电压的选择应依据与电网电压一致的原则。
一般工厂企业的低压电网为380V，因此中小型电动机都是低压的，额定电压为380/220V（Y/连接）、220/380V（/Y连接）、380/660V（/Y连接）。后两种可用Y-换接起动。
由于高压电器设备的初期投资和维护费用比低压电器设备贵的多，一般当电动机额定功率时，往往选用380V电机。的电动机一般都是高压电动机，由于3kV电网的损失较大，而10kV电动机的价格又较昂贵，除特大型电机外，一般大中型电动机都选用6kV电压。
故最终确定电动机的额定电压为380V。
额定功率相同的电动机，额定转速越高，电动机的尺寸越小，相应的电动机质量和价格也就越低，因此选用高速电动机比较经济。但生产机械的转速是一定的，电动机的转速越高，则传动机构的传动比就越大，使传动机构更复杂，所以应综合电动机和生产机械两方面的各种因素来选择电动机的额定转速。
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。
3.4电动机工作制的选择
根据电动机的工作方式选择电动机的工作制。国产电动机按发热与冷却情况的不同，分为九种工作制，如连续工作制、短时工作制、断续周期工作制，等等。选择工作制与实际工作方式相当的电动机比较经济。
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）。
3.5电动机型号的选择
Y系列电机具有高效、节能、起动转矩高、噪声小、可靠性高、寿命长等优点。安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为IC411。
Y系列电机，额定电压为380V，额定频率为50Hz，3kW及以下为“Y”接法，4kW以上为“”接法。
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℃。

表3-1电动机型号及相关参数
型 号
额定
功率
额定
电流
转速
效率
功率
因数
堵转转矩
堵转电流
最大转矩
噪声
振动
速度
重量
额定转矩
额定电流
额定转矩
1级
2级
kW
A
r/min
%
COSФ
倍
倍
倍
dB(A)
mm/s
kg
同步转速 1500r/min 4 级
Y80M1-4
0.55
1.5
1390
73.0
0.76
2.4
6.0
2.3
56
67
1.8
17
Y80M2-4
0.75
2
1390
74.5
0.76
2.3
6.0
2.3
56
67
1.8
17
Y90S-4
1.1
2.7
1400
78.0
0.78
2.3
6.5
2.3
61
67
1.8
25
Y90L-4
1.5
3.7
1400
79.0
0.79
2.3
6.5
2.3
62
67
1.8
26
额定转矩的计算公式
式（3.2）
式中：——表示额定转矩
——表示额定功率
——表示额定转速
根据电动机的详细参数计算得：
表3-2不同型号对应的额定转矩
型号
额定转矩（）
Y80M1-4
3.78
Y80M2-4
5.15
Y90S-4
7.50
Y90L-4
10.23
因为负载转矩，所以选择Y90S-4型号电动机。
4电动机的校验
4.1电动机的起动校验
根据查表得Y90S-4型电动机的起动转矩倍数、起动电流倍数
起动转矩为

起动转矩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

起动电流小于电路保护的额定电流，起动电流满足起动条件。
4.2电动机的过载校验
根据查表得Y90S-4型电动机的最大转矩倍数

电动机的最大转矩大于电动机的负载转矩，过载转矩符合过载要求。
4.3电动机的稳定运行校验

可以稳定运行
4.4电动机的发热校验
图4-4
假设工作台匀速运动，由动能定理
（式4—4）
式中 ——表示电动机启动的时间；
——表示电动机的额定功率；
——表示电动机的功率因数；
——表示工作台的质量；
——表示工作台的平移速度。
可求得
恒定负载运行时，

假设恒定负载运行,由等效功率校验法，
等效功率

由于，所以发热校验合格。
5 系统电路图的设计
5.1主电路的设计
5.1.1主电路设计分析
任务要求电动机能够实现正反转，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。
5.1.2主电路电路图
图5-1 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
KM2——表示电动机正转电路开关
KM1——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。
5.2控制电路设计
5.2.1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，并开始从左向右运动，当挡铁2从左向右触碰到限位开关SQ2时，电动机从反接变为正接，工作台减速至零，挡铁2停在限位开关SQ2和超限开关SQ4之间，并开始从右向左运动。若限位开关SQ1或SQ2失效时，工作台会继续向左或向右运动然后挡铁1或挡铁2会触碰到超限开关SQ3或超限开关SQ4，此时需要电机停止转动排除故障或者让超限开关自行进行校正代替限位开关实现控制功能，人为停止系统停止，并排除故障。本系统选择的是后者。除此之外控制回路应有自己的线路保护，并当主回路温度过高时可以自动使系统停止运行，当启动开关按下时，线路应该有自锁电路使通过电磁继电器线圈的电流保持。停止按钮应该保持常闭，当按下时整个控制回路应该失电。电路通过转换开关SA实现手动和自动控制。当转换开关SA闭合时，可实现自动控制；当转换开关SA断开时，可实现点动控制。
5.2.2控制电路电路图

图5-2工作台往返循环电机拖动系统电路图

图中：FU2——表示控制回路熔断器
SB1——表示停止自恢复按钮
SB3——表示正转按钮
SB2——表示反转按钮
KM1、KM2——表示电磁继电器线圈
SQ1——表示限位开关
SQ2——表示限位开关
SQ3——表示超限开关
SQ4——表示超限开关
FR——表示热继电器
按下电源开关QS，主电路和控制电路得电，此时按下正转开关SB3，电流经SQ1、SQ3、KM1辅助常闭开关、KM2电磁线圈，使继电器KM2闭合，则主电路通，电机M正转，KM2辅助常开开关闭合，和SQ1、SQ3、KM1辅助常闭开关、KM2线圈构成自锁电路，当工作台挡铁1从右向左碰到SQ1时，SQ1由闭合变成断开，线圈KM2没有电流通过，继电器KM2断开；同时SQ1由常开变为闭合，电流经过SQ2、SQ4、KM2辅助常闭开关、KM1线圈，使继电器KM1闭合，KM1辅助常开开关闭合和SQ2、SQ4、KM2辅助常闭开关、KM1线圈构成自锁回路，同时主电路另一条电路通道导通，由于电源三相U、V、W中的U相和W相位置互换，电动机反转制动，然后反向旋转，带动工作台从左向右运动。当工作台挡铁2从左向右碰到SQ2时，SQ2动作、继电器KM1断开、继电器KM2闭合，电机正转制动，并带动工作台从右向左运动，如此循环往复。若SQ1或者SQ2失去作用，工作台继续运动，此时SQ3或SQ4将代替SQ1、SQ2的作用实现工作台自动往返循环运动。
结论
经过几天对课题的研究，网上查阅资料，课本的知识，和同课题的同学讨论，利用一个礼拜的时间理解了工作台往返循环电路的基本运行过程，以及其应用的领域。
总的来说，本课题实验电路的研究过程比较简易，通过本次课程设计，让我更清晰的了解到本实验的基本。最困难的部分莫过于电机的选择，电机的校验。通过对《电机与拖动》的学习以及网上查询资料。对于电机的选择可以通过1.对负载转矩的预测量2.电动机类型的选择3.电动机的转速和电压的选择4.最终确定电动机的选择。然后进行的便是对所选电机的校验，又通过几个步骤:1.电机的起动校验2.电机的过载校验3.电机的稳定运行校验4.电机的发热校验。通过这几个步骤，最终预选确定电动机的类型和型号。
参考文献
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