电机与拖动课程设计工作台自动往返循环控制.doc

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生学号学院名称信电工程学院专业名称电气工程及其自动化指导教师张旭隆年月日摘要随着时代的进步，世界开始进入新技术革命时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，现代工业生产过程中，要用各种自动化设备来监视和控制整个生产过程，使各个设备能够在工作过程中呈现出最佳状态，生产出最好的产品。因此，没有电气自动化的发展，现代化生产也就失去了根基。所以，自动化就是将信息化和工业化一起发展。大力发展电气自动化技术，既可以对传统产业有所帮助，又可以加快信息化的发展，以实现我国电气的全面工业化。因此，自动化作为我国实现工业化和信息化的大政方针，必须成为我国行业的重中之重。目前大中型企业普通采用了先进的自动化系统对生产过程进行控制，但绝大部分小型企业尚未应用自动化系统和产品对生产过程进行控制。因此，自动化在我国的应用潜力远没有得到充分发挥。在自动化生产线上，有些生产机械的工作台需要按一定的顺序实现自动往返运动，并且有的还要求在某些位置有一定的时间停留，以满足生产工艺要求。用自动化系统实现工作台自动往返顺序控制，不仅具有程序设计简单、方便、可靠性高等特点，而且程序设计方法多样，便于不同层次设计人员的理解和掌握。在本次设计中，通过对工作台自动往返循环系统原理分析，理解工作台的运行过程和其中的制约关系。然后预选出电动机，对电动机的校验最终确定电动机的机型。再对工作台的制约关系，设计电路的主控电路和控制电路，最终完成课程设计。关键词 自动化；工作台；往返循环控制目 录1 绪论 . 11.1设计背景 . 11.2设计目的 . 11.3设计任务及要求 . 11.4设计指导 . 22 工作台往返循环电机拖动系统 . 32.1拖动系统的机械运动示意图 . 32.2拖动系统的工作原理 . 33 电动机及其他电气元件的选择 . 43.1电动机容量的选择.43.1.1电动机额定功率的选择.43.1.2负载转矩的测量 . 43.1.3电动机类型的选择 . 53.1.4电动机电压的选择 . 53.1.5电动机转速的选择.63.1.6电动机外形结构的选择.63.1.7电动机工作制的选择 . 73.1.8电动机型号的选择 . 83.2电动机的校验 . 93.2.1电动机的起动校验 . 93.2.2电动机的过载校验 . 103.2.3电动机的稳定运行校验 . 103.2.4电动机的发热校验 . 103.3其他电气元件的选择.123.3.1接触器的选用.123.3.2继电器的选用.124 系统电路图设计 . 144.1主电路的设计 . 144.1.1主电路设计分析 . 144.2控制电路设计 . 154.2.1控制电路设计分析 . 154.2.2控制电路电路图及原理 . 15结论 .20参考文献 . 211 绪论1.1 设计背景传统制造业使用大量人力进行加工的模式在现在成本费用不断提高的今天，面临巨大的压力。国际竞争的高压力，自动化技术日益被制造业接受。随着市场竞争的日趋激烈和能源成本的逐步上扬，广大机器设备生产商和工业最终用户在自动化应用、能效管理等方面的意识和要求正在逐步提升，对信息化和自动化的紧密结合提出了更高的要求。如何利用行业创新技术和成功应用经验，帮助企业自身提升信息化协同、运营维护管理能力和实现能效优化是广大自动化企业的使命。随着计算机技术、无线技术、现场总线技术、工业以太网技术、IT技术、机器人技术，传感器技术以及安全技术等科学技术的不断发展与创新，工厂自动化发展到了新阶段，不断增加的功能集成提升了所有驱动技术中集散的智能化，保证这些设备在初次连接时能得到恰如其分的使用，并在系统中充分地发挥各自的优势。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设计目的 在实际生产中,有些生产机械的工作台需要自动往复运动,并且有的还要求在两终端要有一定时间的停留,以满足生产工艺要求。在机床电气设备中，有些是通过工作台自动往复循环控制的，例如万能铣床，龙门刨床的工作台上下、前后、左右的运动等。这些生产机械运动部件的行程或位置要受到限制，或者需要其运动部件在一定范围内自动往返循环等。这些都要让我们会正确识别、选用安装、使用行程开关，熟悉电动机位置控制、自动往返控制电路的构成和工作原理。会安装与检测电动机位置控制和自动往返控制线路。还要让我们学会运用机械设计与制造的知识，正确选择工作台的传动装置、支撑部分，另外机床工作台系统的材料也要合理的选择以符合工程力学。电动机的正反转是实现工作台自动往复循环的基本环节。1.3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1.4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。工作台自动往返循环控制线路，包括主接线和控制线路。控制线路需要选择相应的电气元件，电气元件的选择应符合供电要求。2 工作台往返循环电机拖动系统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。图中SQ1、SQ2分别为位置行程开关；SQ3、SQ4为极限位置开关；SB1、SB2和SB3分别为停止、正转和反转起动按钮。具体模型如图2-1。图2-1工作台往返循环电机拖动系统2.2 拖动系统的工作原理当工作台挡板停在行程开关SQ1和SQ2之间任意位置时，可以通过启动开关使电动机带动工作台运行。例如按下开关SB1，电动机正转，带动工作台向左进。或按下开关SB2,电动机反转，带动工作台右进。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；并未下次正转做准备。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电动机及其他电气元件的选择3.1电动机容量的选择3.1.1电动机额定功率的选择电动机的额定功率的选择，一般主要考虑电机的容量应大于它所拖动的机械设备的轴功率。电动机额定功率过大，电动机就经常处于轻载运行，电动机本身的容量得不到充分发挥，同时电动机运行效率低、性能不好，都会增加运行费用；电动机额定功率比生产机械要求的小，电动机电流超过额定电流，电机内损耗加大，效率降低是小事，重要的是影响电机的寿命，即使过载不多，电动机的寿命也会减少较多；过载较多，会破坏电机绝缘材料的绝缘性能甚至烧毁。因此，应使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械所需要的功率。具体方法有以下几种：（1） 类比法。通过调研，参照同类生产机械来决定电动机的额定功率。（2） 统计法。经统计分析从中找出电动机的额定功率与生产机械主要参数之间的计算公式，按此公式计算出电动机的额定功率。（3） 实验法。用一台同类型或相近类型的生产机械进行实验，测出所需功率的大小。（1）、（2）、（3）三种方法也可以结合进行。（4） 计算法。根据电动机的负载情况，从电动机的发热，过载能力和起动能力等方面进行考虑，通过计算法求出所需要的额定功率。3.1.2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见式（3.1） 式3.1式中：TL表示等效负载转矩Fm表示平移作用力um表示工作台移动速度ht表示传动效率W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Gm=20000N，移动速度um=0.4m/s，工作台与导轨之间的摩擦系数m=0.1，传动机构与图（4）相同，电动机的转速n=920r/min，传动效率ht=0.8。则，平移作用力Fm=mGm=0.120000N=2000N等效负载转矩uph=3.1.3 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。大致可分为以下几种情况：（1）对起动、制动及调速无特殊要求的一般生产机械,如机床、水泵、风机等，应选用笼型异步电动机。（2）对需要分级调速的生产机械，如某些机床、电梯等，可选用多速异步电动机。（3）对起动、制动比较频繁，要求起动、制动转矩大,但对调速性能要求不高，调速范围不宽的生产机械,可选用绕线转子异步电动机。（4）当生产机械的功率较大又不需要调速时，多采用同步电动机。(5）对要求调速范围宽、调速平滑、对拖动系统过渡过程有特殊要求的生产机械，可选用他励直流电动机因为此系统对起动、调速等性能没有特殊要求，所以优先选用电动机类型为三相笼型异步电动机。3.1.4电动机电压的选择根据电动机的额定功率和供电电压的情况选择电动机的额定电压。例如，三相异步电动机的额定电压主要有380V，3000V，6000V和10000V等几种，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PN200kw时，往往选用380V电动机。因此此系统选用380V三相笼型异步电动机。3.1.5电动机转速的选择根据生产机械的转速和传动方式，通过经济技术比较后确定电动机的额定转速。额定功率相同的电动机，额定转速高时，其体积小，价格低，由于生产机械的转速有一定的要求，电动机转速越高，传动机构的传动比就越大，导致传动机构复杂，增加了设备成本和维修费用。因此，应综合考虑电动机和生产机械两方面的各种因素后再确定较为合理的电动机额定转速。对连续运转的生产机械，可从设备初投资，占地面积和运行维护费用等方面考虑，确定几个不同的额定转速，进行比较，最后选定合适的传动比和电动机的额定转速。经常起动，制动和反转，但过渡过程时间对生产率影响不大的生产机械，主要根据过渡过程能量最小的条件来选择电动机的额定转速。电动机经常起动，制动和反转，且过渡过程持续时间对生产率影响较大，则主要根据过渡过程时间最短的条件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nN=910r/min。3.1.6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。电动机的外形结构有几下几种：（1） 开启式。电动机的定子两侧和端盖上开有很大的通风口，散热性好、价格比较低，但是容易进灰尘、水滴和铁屑等杂物，只能在清洁、干燥的环境中使用。（2） 防护式。电动机的机座和端盖下方有通风口，散热性比较好，能防止水滴和铁屑等杂物从上方落入电动机内，但是潮气和灰尘仍可进入。一般用在比较干燥、清洁的环境中。（3） 封闭式。电动机的机座和端盖上均无通风口，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。（4） 密封式。电动机的密封程度高，外部的气体和液体都不能进入电动机的内部，可以浸在液体中使用，如潜水泵电动机。（5） 防爆式。电动机不但有严密的封闭结构，外壳又有足够的机械轻度。一旦少量爆炸性气体侵入电动机内部发生爆炸时，电动机外壳能承受爆炸时的压力，火花不会窜到外面以致引起外界气体再爆炸。适用于有易燃、易爆气体的场所。如矿井、油库、和煤气站等。此系统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。3.1.7电动机工作制的选择电机的工作制表明电机在不同负载下的允许循环时间。电动机工作制为:S1S10;其中:(1)S1工作制:连续工作制，保持在恒定负载下运行至热稳定状态;简称为S1;(2)S2工作制:短时工作制，本工作制简称为S2，随后应标以持续工作时间。如S260min;(3)S3工作制:断续周期工作制，按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停机、断能时间。本工作制简称为S3，随后应标以负载持续率，如S325%;(4)S4工作制:包括起动的断续周期工作制。本工作制简称为S4，随后应标以负载持续率以及折算到电机轴上的电机转动惯量JM、负载转动惯量Jext，如S425%JM=0.15kg.m2,Jext=0.7kg.m2;(5)S5工作制:包括电制动的断续周期工作制。本工作制简称为S5，随后应标以负载持续率以及折算到电机轴上的电机转动惯量JM、负载转动惯量Jext，如S525%JM=0.15kg.m2,Jext=0.7kg.m2;(6)S6工作制:连续周期工作制。每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间，无停机、断能时间。本工作制简称为S6，随后应标以负载持续率，如S640%;(7)其他还有:S7工作制:包括电制动的连续周期工作制;S8工作制:包括负载-转速相应变化的连续周期工作制;S9工作制:负载和转速作非周期变化的连续周期工作制;S10工作制:离散恒定负载工作制。电机可以运行直至热稳定，并认为与S3S10工作制中的某一工作制等效因为此系统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）。见图3-1=gg图3-1 S7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；Qmax达到的最高温度；t时间；TC负载周期；tD起动加速时间；tp恒定负载运行时间；tF一电制动时间；负载持续率=13.1.8电动机型号的选择根据前述各项的选择结果选择电动机的型号。国产电动机为了满足生产机械的不同需要，做成许多在结构形式、应用范围、性能水平等各异、功率按一定比例递增并成批生产的系列产品，并冠以规定的产品型号。它们的特点和数据可以从电动机产品目录中查到。例如Y系列电动机是我国20世纪80年代设计的封闭式笼型异步电动机，YR系列为绕线型三相异步电动机；YD系列为三相多速异步电动机；YB系列为防爆型三相异步电动机；T系列为三相同步电动机，Z系列为直流电动机，等等。其中Y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。Y80315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。Y80315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额定转矩的计算公式见式3.2: 式3.2式中： TN表示额定转矩PN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：表3-2不同型号对应的额定转矩因为负载转矩TL=10.385Nm，所以选择Y90L-6型号电动机。又因为是小功率电动机,PN3kw,所以选用Y接法。3.2电动机的校验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起动电流倍数起动转矩起动转矩TS大于起动时的负载转矩的（1.11.2）倍，起动转矩满足起动条件。起动电流为起动电流IS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电动机的最大转矩TM=aMTTN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n=920r/min、Gm=20000N、um=0.4m/s、m=0.1、ht=0.8带入式（3.1）求得当电机转速为920r/min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920r/min。3.2.4电动机的发热校验设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PN，电动机在稳定运行时的功率为负载功率P2，数值为图3-2 电机运行一个周期中功率变化的近似图假设P1=PN=1100W、s1=0.07m、t1=0.25s，近似满足式（3.3） 式3.3所以假设成立。再假设P3=PN=1100W、s3=0.03m、t3=0.1s，近似满足式（3.4） 式3.4所以假设成立。P2=1000W、s2=5+0.03-0.07=4.96m、t2=s2/v=4.96/0.4=12.4s将上列数据带入式（3.5），进行发热校验得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，PLPL，所以发热也符合要求。3.3其他电气元件的选择3.3.1接触器的选用选择接触器主要依据以下数据：电源种类（直流或交流）；主触点额定电流；辅助触点的种类、数量和触点的额定电流；电磁线圈的电源种类、频率和额定电压；额定操作频率等。机床用的最多的是交流接触器。交流接触器的选择主要考虑主触点的额定电流、额定电压、线圈电压等。交流接触器主触点的额定电压一般按高于线路额定电压来确定。根据控制回路的电压决定接触器的线圈电压。为保证安全，一般接触器吸引线圈选择较低的电压。但如果在控制线路比较简单的情况下，为了省去变压器，可选用380V电压。值得注意的是，接触器产品系列是按使用类 别设计的，所以要根据接触器负担的工作任务来选用相应的产品系列。接触器辅助触点的数量、种类满足线路的需要。3.3.2继电器的选用继电器的选择大概可分为以下几种：1）一般继电器的选用一般继电器是指具有相同电磁系统的继电器，又称电磁继电器。选用时，除满足继电器线圈电压或线圈电流的要求外，还应按照控制需要分别选用过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器中间继电器等。另外电压、电流继电器还有交流、直流之分，选择时也应当注意。2）时间继电器的选择时间继电器是压力机控制线路中常用电器之一。它的类型有：电磁式，空气阻尼式，电动式及电子式等。用的较多的是空气阻尼式时间继电器，它的特点是工作可靠，结构简单，延时整定范围较宽（可达0.4s180s）时间继电器型式多样，各具特点，选择时应从以下几方面考虑。(1) 根据控制线路的要求来选择延时方式，即通电延时型或断电延时型。(2) 根据延时准确度要求和延时时间的长短来选择。(3) 根据使用场合、工作环境选择合适的时间继电器。3）热继电器的选择热继电器的选择应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素来考虑。一方面要充分发挥电动机的过载能力，另一方面，对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响。热继电器结构形式的选择。星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。热元件选好后，还需根据电动机的额定电流来调整它的整定值。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。主电路电路图如图4-1。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。电路要能实现手动和自动控制。4.2.2控制电路电路图及原理行程开关是一种将机械信号转换为电气信号，以控制运动部件位置或行程的自动控制电器。而位置控制就是利用生产机械运动部件上的挡铁与位置开关碰撞，使其触头动作，来接通或断开电路，以实现对生产机械运动部件的位置或行程的自动控制。控制电路图见图4-2SB2SQ19876543201KM1KM2FRSB3SB2SB1W11U11V11W13W121V12U12V11U11WVUKM1KM2FU1FU2PEQSL1L3L2M3FRKM2KM1KM2KM1图4-2系统控制线路电路图（右）图中：FU2表示控制回路熔断器SB3表示停止自恢复按钮SB1表示正转自恢复按钮SB2表示反转自恢复按钮KM1、KM2表示电磁继电器线圈SQ1、SQ表示限位开关FR表示热继电器图4-2线路工作原理叙述如下：先合上电源开关QS。按下SB1移至限定位置，挡铁1碰撞位置开关SQ1电动机M启动连续正转KM1自锁触头闭合自锁KM1线圈得电KM1主触头闭合KM1联锁触头分断对KM2联锁行车停止前移SQ1常闭触头分断行车前移电动机M失电停转KM1自锁触头分断解除自锁KM1线圈失电KM1主触头分断KM1联锁触头恢复闭合解除联锁1、行车向前运动：此时，即使再按下SB1，由于SQ1常闭触头已分断，接触器KM1线圈也不会得电，保证了行车不会超过SQ1所在的位置。按下SB2电动机M启动连续反转KM2自锁触头闭合自锁KM2线圈得电KM2主触头闭合KM2联锁触头分断对KM1联锁行车后移（SQ1常闭触头恢复闭合）移至限定位置，挡铁2碰撞位置开关SQ2SQ2常闭行车停止后移触头分断电动机M失电停转KM2自锁触头分断解除自锁KM2线圈失电KM2主触头分断KM2联锁触头恢复闭合解除联锁2、行车向后运动：停车时只需按下SB3即可。2.机械设备中的机床工作台需要在一定的距离内能自动往复不断循环，以使工件能连续工作。图2-1是机床工作台往复循环的运动示意图，控制电路见图4-3，实质上是用行程开关来自动实现电动机正反转。图4-3线路的工作原理如下：先合上QS。按下SB1电动机M正转KM1自锁触头闭合自锁KM1线圈得电KM1主触头闭合KM1联锁触头分断对KM2联锁