《移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)》畢業(yè)答辯論文

1、I移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘摘 要要隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大提出了一種基于 PLC 對多種液體，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)存加注的監(jiān)控和操控的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，加液車是一種液體轉(zhuǎn)存過程中使用的專用車輛，常用于液體運(yùn)輸過程中的加注作業(yè)階段，完成對液體的抽取和轉(zhuǎn)存目的，課題要求設(shè)計(jì)一套裝置，將液體輸送至目標(biāo)區(qū)域，操作簡便、可靠，具備一定的安全警示功能。提高了液體轉(zhuǎn)存、加注及液體運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化程度和生產(chǎn)效率。通過可編程控制器（西門子 S7-200）控制兩臺(tái)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)在水平面內(nèi) 360旋轉(zhuǎn)，豎直面內(nèi) 90的展開與收起。并且實(shí)現(xiàn)對加液車各個(gè)泵、電機(jī)、液位的監(jiān)視和控制，統(tǒng)一在觸摸屏人機(jī)界面上進(jìn)

2、行顯示和操作，同時(shí)設(shè)計(jì)操作面板，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，提供必要的警示功能。另外，為了保證整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)還采用了多種傳感器對系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行保護(hù)。通過系統(tǒng)調(diào)試，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、高效、可靠及操作方便。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。所有，本次設(shè)計(jì)是非常有必要的。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：加液車，編程控制器，人機(jī)界面，警示功能，

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)IITo move the liquid filling liquid vehicle system designAbstractWith the popularization and development of industrial automation , the controller increases the demand for year proposed a PLC based on a variety of liquid fluid , filling dump achieve monitoring and control of the control system d

4、esign ideas, plus liquid vehicle is special vehicles used during dump , commonly used in the process of filling liquid transport session , complete liquid extraction and dump purposes, subject to design a device , the liquid delivered to the target area , easy to operate , reliable, have some securi

5、ty warning. Improved liquid dump , filling and degree of automation and productivity liquid transport. Through the programmable controller ( Siemens S7-200) control two DC motors to achieve 360 rotating bodies in the horizontal plane , the vertical plane by 90 expanded and retracted . And add liquid

6、 vehicle to achieve the various pumps, motors , level of monitoring and control , unified on the touch screen display and operation, while the design control panel, for manual operation , to provide the necessary warning. In addition, to ensure the stability and reliability of the control system ope

7、ration , the system also uses a variety of sensors to protect key aspects of the system . Debugging through the system , the system is able to accurately and efficiently , reliable and easy to operate . In modern industry , the production process of mechanization and automation has become a prominen

8、t theme. With the further development of industrial modernization , automation has become an important pillar of the modern enterprise , no shop , no production lines , etc., have been everywhere. Meanwhile, modern production , there is a wide variety of production environments , such as high temper

9、ature , Radioactive , toxic gases, harmful gases occasions and underwater operations , these harsh production environment is not conducive to manual operation. All this design is very necessary .Keywords:Add liquid vehicles, programmable controllers, HMI, warning function, system designIII目 錄摘 要 .IA

10、bstract .II1 緒 論.11.1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.11.2 移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義.11.3 方案討論.21.3.1 動(dòng)力系統(tǒng)及機(jī)械機(jī)構(gòu).21.3.2 電氣控制系統(tǒng).21.4 主要任務(wù) .32 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .42.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式選擇.42.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .62.2.1 底座設(shè)計(jì).72.2.2 支架設(shè)計(jì).72.2.3 夾具設(shè)計(jì).82.2.4 電機(jī)的選擇與計(jì)算.93 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .123.1 可編程序控制器 .123.1.1 PLC 的介紹.123.1.2 可編程序的控制類型.123.1.3 PLC 的特點(diǎn).123.1.4 PLC 的工作原理 .133.2

11、PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì).153.2.1 PLC 的 I/O 口分配.153.2.2 PLC 的 I/O 接線圖.163.3 電機(jī)控制部分 .183.3.1 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式及其比較 .183.4 編碼器的選型 .223.4.1 編碼器信號(hào)輸出形式.233.4.2 編碼器的應(yīng)用 .244 人機(jī)界面(HMI)設(shè)計(jì) .254.1 觸摸屏概述.25IV4.2 EasyBuilder8000 .254.2.1 功能介紹 EB8000 .255 總結(jié)與展望 .29致 謝 .30參 考 文 獻(xiàn) .311移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 緒 論1.1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，我國工程機(jī)械行業(yè)已具備了相

12、當(dāng)?shù)囊?guī)模和技術(shù)水平，能生產(chǎn)出接近和達(dá)到國際領(lǐng)先水平的產(chǎn)品，并出現(xiàn)了在國際上享有一定知名度的品牌，行業(yè)基本形成了一個(gè)完整的體系，除特種大型的工程機(jī)械外，能夠生產(chǎn)國內(nèi)工程建設(shè)所需要的二十大類產(chǎn)品、280 多個(gè)系列、1700 多個(gè)品種、4000 多個(gè)規(guī)格。2013 年，工程機(jī)械出口一路高歌，極大地提振了行業(yè)信心。龍頭企業(yè)徐工國際化進(jìn)程逆勢提速，出口額五年來累計(jì)達(dá) 42.2 億美元，出口規(guī)模保持國內(nèi)行業(yè)第一，成為中國制造“走出去”的標(biāo)桿。目前，我國已超越美國、日本、歐洲成為全球最大的工程機(jī)械市場，這對投資者來說意味著良好的投資機(jī)會(huì)。大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展等，都將直接帶動(dòng)工程機(jī)械

13、市場繼續(xù)發(fā)展。隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，很多城市興建樓房、基礎(chǔ)設(shè)施，工程機(jī)械需求量很大，還有很多發(fā)展中國家，由于國內(nèi)不能夠滿足需求也需要從國外進(jìn)口，這樣就給我們創(chuàng)造了很多機(jī)會(huì)。國內(nèi)的的工程機(jī)械一直都以廉價(jià)、實(shí)用，以及售后服務(wù)贏得國外市場，這樣的產(chǎn)品對他們來說也是合適的選擇。1.2 移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義移動(dòng)加液車是實(shí)現(xiàn)液體轉(zhuǎn)存和抽取，將原料輸送到目標(biāo)區(qū)域。所以加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得的尤為重要，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)加液炮臂在平面內(nèi) 90 度展開、收起，整體應(yīng)用PLC（S7-200）控制，并且對液車各個(gè)泵、電機(jī)、液位的監(jiān)控和控制，統(tǒng)一在觸摸屏人機(jī)界面（EB8000）上進(jìn)行顯示和操作，同時(shí)設(shè)計(jì)操作面板，實(shí)現(xiàn)

14、手動(dòng)操作，提供必要的警示功能。本課題移動(dòng)加液車設(shè)計(jì)一套液體加注系統(tǒng)，題目是一個(gè)綜合性的設(shè)計(jì)課題，對學(xué)生的要求很全面。通過本次環(huán)節(jié)很好的把教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，是一次綜合性的大檢驗(yàn)。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生新產(chǎn)品的開發(fā)能力，以及熟練掌握文獻(xiàn)檢索、寫作能力、溝通能力。2*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1.3 方案討論1.3.1 動(dòng)力系統(tǒng)及機(jī)械機(jī)構(gòu)圖 1-1 機(jī)械結(jié)構(gòu)（1）機(jī)械機(jī)構(gòu)：可用電瓶直接驅(qū)動(dòng)輔助液壓泵收起加液炮臂；保證各運(yùn)動(dòng)件工作靈活，按要求配置旋轉(zhuǎn)軸固定座、旋轉(zhuǎn)軸、固定座、銷軸等。加液炮臂收回后要有固定架，所有結(jié)構(gòu)做防銹處理。（2） 液壓系統(tǒng)：動(dòng)力單元包括：直流電機(jī)、泵、溢流閥、電磁換向閥、閥塊、限位

15、開關(guān)、油箱（4L）等。油缸（參考尺寸 50 350mm ） 、管路（軟管、管夾、接頭）等。應(yīng)提供各液壓泵、液壓缸制造商全稱、國別、品牌、型號(hào)、詳細(xì)參數(shù)、廠址的說明。 （3） 加液炮臂結(jié)構(gòu)，已知參考數(shù)據(jù)：加液炮臂總長 5 米，前部 4 米，后部 1 米。不銹鋼管采用 893。 （4） 操作控制采用：觸摸屏控制（置于駕駛員側(cè)設(shè)備廂內(nèi)） 。1.3.2 電氣控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)：整車控制系統(tǒng)采取 PLC 觸摸屏控制，在車體一側(cè)設(shè)置觸摸屏控制面板，控制面板上需提供照明裝置，其中包括發(fā)電機(jī)組控制和整個(gè)動(dòng)力控制面板，實(shí)現(xiàn)整車所有功能全觸摸屏控制功能，并配置手動(dòng)控制功能，且能實(shí)現(xiàn)觸摸控制及手動(dòng)控制切換?？刂泼姘宄?/p>

16、寸：400 寬*700 高（參考尺寸） ，顏色：白色。（1） 液壓控制：利用 24V 電瓶電源，可以開啟電磁換向閥、溢流閥、液壓泵；油缸工作，可以進(jìn)行加液炮臂展開及收起。液壓控制應(yīng)采用直流接觸器。3移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2） 照明控制：利用 24V 電瓶電源，觸摸屏上界面切換至照明控制，在車頭、車尾和最高點(diǎn)設(shè)有黃色警示燈和示寬燈用于夜間安全警示，在人工操作部分安裝防爆照明燈（一用一備）用于夜間工作照明配，前后設(shè)備廂安裝照明燈。（3） 發(fā)電機(jī)控制：（發(fā)電機(jī)廠家提供，控制廂面板放置在駕駛員側(cè)設(shè)備廂內(nèi)， ，固定之） ，安裝電瓶開關(guān)。（4） 液位報(bào)警顯示及控制（具有液位數(shù)顯、高低液位報(bào)警、消音功

17、能，液位顯示儀表、報(bào)警器、消音按鈕，液位計(jì)廠家提供，液壓控制廠家安裝在控制柜上） ，避免泵空轉(zhuǎn)或液體溢出。（5） 5 臺(tái)泵的控制：加液泵 ISGB80-20(I)A，功率為 7.5kw，2 臺(tái)；進(jìn)液泵 KCB-483.3，功率為 7.5 kw，3 臺(tái)。每臺(tái)泵配置：啟停按鈕、運(yùn)行故障指示燈。必須有空開、交流接觸器、熱繼。（6） 電磁閥的控制：打開、關(guān)閉除冰液管路上電磁閥 2 臺(tái)（24V） 。（7） 安裝雷達(dá)和倒車影像系統(tǒng)，攝像頭必須高清、防水、防霧并帶夜視功能。監(jiān)視屏放置在駕駛室。1.4 主要任務(wù) （1）查閱資料并整理，提出測量儀機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，同時(shí)完成開題報(bào)告。 （2）提出系統(tǒng)控制方案，選定主控

18、系統(tǒng)類型，設(shè)計(jì)加液操作的炮臂伺服控制方案，實(shí)現(xiàn)對加液車各個(gè)泵、電機(jī)、液位的監(jiān)視和控制。 （3）觸摸屏并且在人機(jī)界面上進(jìn)行顯示和操作，同時(shí)設(shè)計(jì)操作面板，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作，提供必要的警示功能。 （5）完成設(shè)計(jì)圖紙，撰寫 1.5 萬字的說明書，翻譯 3000 字的專業(yè)技術(shù)文章。4*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式選擇按照設(shè)計(jì)要求，加液炮臂需滿足 360旋轉(zhuǎn)，且需設(shè)計(jì)固定架。為保證加液炮臂完成加液操作，加液炮臂需滿足升降功能。加液炮臂可能的形式很多，按照坐標(biāo)形式分類，可分為直角坐標(biāo)式，圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式，下面對加液炮臂可能的形式進(jìn)行簡單的對比。1）直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)式可

19、滿足加液炮臂的上升下降、前移后移和左移右移，可以向 X、Y、Z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，但是不能實(shí)現(xiàn)加液炮臂的旋轉(zhuǎn)，不滿足設(shè)計(jì)要求。圖 2-1 直角坐標(biāo)2）圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)允許加液炮臂的旋轉(zhuǎn)，上升下降，即可以繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)，沿 Z 軸運(yùn)動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。圖 2-2 圓柱坐標(biāo)3）球坐標(biāo)式結(jié)構(gòu) 0球坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)允許加液炮臂繞 X、Y、Z 軸旋轉(zhuǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。5移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 2-3 球坐標(biāo)4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)綜上所述，滿足要求的結(jié)構(gòu)形式為圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)和球坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，考慮到加液炮臂前端有一根用于加注操作的軟管，所以加液炮臂的升降沒有很高的精度要求，球狀式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為簡單便捷，根據(jù)實(shí)際

20、需求，本次設(shè)計(jì)只需用到球狀坐標(biāo)的 Z 軸正半軸以上空間，且加液炮臂不允許向上抬升至 90，本次設(shè)計(jì)設(shè)定最大仰角 =60。 圖 2-4 關(guān)節(jié)坐標(biāo)2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在水平面內(nèi)適用于 360加液炮臂旋轉(zhuǎn)的展開、收起操作控制，在豎直面內(nèi)可以 90 內(nèi)旋轉(zhuǎn)，加液炮臂總長 5 米，前部 4 米，后部 1 米。采用 89 不銹鋼管。6*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書圖 2-5 機(jī)械結(jié)構(gòu)（1）如圖所示，炮臂的在水平面內(nèi) 360旋轉(zhuǎn)是通過安裝在水平面內(nèi)的齒輪來實(shí)現(xiàn)的。圖 2-6 360旋轉(zhuǎn)示意圖（2）如圖所示，炮臂在豎直面內(nèi) 90展開與收起是通過豎直面的渦輪實(shí)現(xiàn)。 圖 2-7 豎直面 90展開與收起7移動(dòng)加

21、液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.2.1 底座設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)底座是承載機(jī)構(gòu)所有重量的基礎(chǔ)，它對強(qiáng)度、穩(wěn)定性、可加工性要求很嚴(yán)格。一個(gè)機(jī)構(gòu)的底座主要實(shí)現(xiàn)支撐功能，這也涉及到整體設(shè)計(jì)的布局和結(jié)構(gòu)。另外機(jī)座還要求有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)構(gòu)工作時(shí)的穩(wěn)定行。 圖 2-8 底座2.2.2 支架設(shè)計(jì) 支架主要實(shí)現(xiàn)整體機(jī)構(gòu)的 360旋轉(zhuǎn)和支撐水平軸，360旋轉(zhuǎn)是通過安裝在支架軸上的齒輪連接直流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。支架通過兩個(gè)推力軸承安裝在底座內(nèi)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。8*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 2-9 支架2.2.3 夾具設(shè)計(jì) 夾具安裝在支架內(nèi)，通過一個(gè)縮緊套夾住炮臂來在豎直面內(nèi)展開與收起。它的動(dòng)力是通過安裝在夾具軸上的一個(gè)渦輪來提

22、供。 圖 2-10 夾具自鎖機(jī)構(gòu)：自鎖是如果作用于物體的主動(dòng)力的合力 Q 的作用線在摩擦角之內(nèi)，則無論這個(gè)力怎樣大，總有一個(gè)全反力 R 與之平衡，物體保持靜止；反之，如果主動(dòng)力的合力 Q 的作用線在磨擦角之外，則無論這個(gè)力多么小，物體也不可能保持平衡。這種與力大小無關(guān)而與摩擦角有關(guān)的平衡條件稱為自鎖條件。物體在這種條件下的平衡現(xiàn)象稱之自鎖現(xiàn)象。蝸輪減速機(jī)特點(diǎn)與自鎖功能的應(yīng)用 9移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 2-11 蝸輪蝸桿實(shí)際上蝸輪減速機(jī)就是蝸輪蝸桿減速器，因?yàn)槲佪喤c蝸桿在減速器的應(yīng)用當(dāng)中都是成對出現(xiàn)的。減速器中有一個(gè)蝸桿就一定會(huì)有一個(gè)蝸輪，因此蝸輪減速器只是人們對蝸輪蝸桿減速器的一種口語

23、化叫法。但通常大家更喜歡把蝸輪蝸桿減速器稱為蝸輪蝸桿減速機(jī)?；蛘哒f蝸輪蝸桿減速機(jī)是更通用的一種叫法。 簡單介紹一下蝸輪及蝸桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)： 蝸輪蝸桿可以得到很大的傳動(dòng)比，比交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊。兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯(cuò)軸斜齒輪機(jī)構(gòu) 蝸桿傳動(dòng)相當(dāng)于螺旋傳動(dòng)，為多齒嚙合傳動(dòng)，故傳動(dòng)平穩(wěn)、噪音很小。具有自鎖性。當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時(shí)，機(jī)構(gòu)具有自鎖性，可實(shí)現(xiàn)反向自鎖，即只能由蝸桿帶動(dòng)蝸輪，而不能由蝸輪帶動(dòng)蝸桿。如在其重機(jī)械中使用的自鎖蝸桿機(jī)構(gòu)，其反向自鎖性可起安全保護(hù)作用。 傳動(dòng)效率較低，磨損較嚴(yán)重。蝸輪蝸桿嚙合傳動(dòng)時(shí)，嚙合輪齒間的相對滑動(dòng)速度大，故摩擦損耗大、

24、效率低。另一方面，相對滑動(dòng)速度大使齒面磨損嚴(yán)重、發(fā)熱嚴(yán)重，為了散熱和減小磨損，常采用價(jià)格較為昂貴的減摩性與抗磨性較好的材料及良好的潤滑裝置，因而成本較高 蝸桿軸向力較大。 蝸輪蝸桿減速機(jī)自鎖功能的應(yīng)用： 在減速機(jī)的傳動(dòng)方式中,蝸輪傳動(dòng)具備其他齒輪傳動(dòng)所沒有特性,即蝸桿可以輕易轉(zhuǎn)動(dòng)蝸輪，但蝸輪無法轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿。這是因?yàn)槲佪單仐U的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)是通過摩擦實(shí)現(xiàn)的造成的。 蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式具有的自鎖止功能在機(jī)械應(yīng)用很有用處，比如卷揚(yáng)機(jī)，輸送設(shè)備等等。然而也是因?yàn)槲佪單仐U的摩擦傳動(dòng)方式，也造成了蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率相對齒輪傳動(dòng)要低很多。 10*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書備注：不過要注意的一點(diǎn)是，不是所有的蝸輪減速機(jī)都具有

25、很好的自鎖功能，蝸輪的自鎖功能要達(dá)到一定的速比才能實(shí)現(xiàn)。這和導(dǎo)程角有關(guān)，即小速比的蝸輪蝸桿自鎖功能就不那么理想。2.2.4 電機(jī)的選擇與計(jì)算電機(jī)選型表中有部分參數(shù)需要計(jì)算來得到。但是實(shí)際計(jì)算中許多情況我們都無法得到確切的機(jī)械參數(shù)，因此，這里只給出比較簡單的計(jì)算方法。 （a）靜態(tài)力矩 圖 2-13 炮臂尺寸 M(炮臂界面)=（ R12-R22）1+R222=（44.52-432）*7.9+432*2=3.26+5.8=9.06kgT 水平軸=M 右-M 左=1.75*9.06-0.5*9.06=11.325Nm則，F(xiàn)t2=渦=11.325/200mm=56.625N根據(jù)蝸輪蝸桿公式：傳動(dòng)比：i=

26、Z2/Z1=32/1=32蝸輪蝸桿總效率：=123=0.8T2=T1iFa1=Ft2=2T2/D2得，F(xiàn)t1=0.22NT 電機(jī) 1=Ft1*50mm=0.22*0.05= 0.011Nm (b ) 初定炮臂以 =0.2m/s渦輪 V=*r=0.2*0.2=0.04m/s蝸桿 V=0.04*32=1.28m/s則，n=V/D=1.28/*0.05m=8.148r/min 圖 2-14 蝸輪蝸桿受力分析(c) 驅(qū)動(dòng)要求分析（1） 估算驅(qū)動(dòng)力矩由設(shè)計(jì)要求可知，加液炮臂長 l=5m，不銹鋼材質(zhì)，管口尺寸為：893。由solidworks 質(zhì)量測量工具測量可知，加液炮臂的質(zhì)量為 m=31.205kg。

27、當(dāng)加液炮臂處于3500mm500mm11移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平位置時(shí)，炮臂對固定架的扭矩達(dá)到最大，此時(shí)加液炮臂對固定架的扭矩約為：N1=mg(L-l)=31.2059.8(2-0.5)=458Nm (2-1)在加液過程中，加液炮臂靜止不動(dòng)，此時(shí)炮臂內(nèi)有加注液體，以液體的密度為水的密度的 2 倍計(jì)算，估算此時(shí)的加液炮臂（包括管內(nèi)液體）的質(zhì)量為 M=54kg。加液炮臂對固定架的最大扭矩為：N2=Mg(L-l)=549.8(2-0.5)=793.8Nm (2-2)加液炮臂支撐柱由兩個(gè)單列圓錐滾子軸承固定，圓錐滾子軸承承受著執(zhí)行機(jī)構(gòu)的豎直壓力，由于受力方向單一，2 個(gè)單列圓錐滾子軸承采用同向安

28、裝的形式。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的水平旋轉(zhuǎn)主要克服圓錐滾子軸承的摩擦力矩。（2） 估算所需功率加液炮臂在操作過程中要求低速緩慢的轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定升降轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 0.5rmp（約為0.05rad/s） ，即加液炮臂每秒轉(zhuǎn)動(dòng) 3，加液炮臂前端每秒升降 0.2m。設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度為1.2rmp（約為 0.125rad/s） ，即加液炮臂每秒水平旋轉(zhuǎn) 7，炮臂前端每秒轉(zhuǎn)過的弧度為：0.5m。由公式 3-3 可知：P=T （2-3）加液炮臂升降時(shí)所需功率 P1=22.9w。根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求分析，未進(jìn)行輸液時(shí)，加液炮臂對固定架支點(diǎn)的最大扭矩約為458NM，最大靜力矩為 793Nm,無刷直流電機(jī)通過行星齒輪減速器減速輸出，并且在輸

29、出軸上安裝一個(gè)半徑為 15mm 的直齒輪 A，A 與加液炮臂上固定架上的大直齒輪B（半徑 150mm）連接，減速器輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩最小為：45.8Nm，加液過程中所需的靜力矩為：79.3Nm，根據(jù)轉(zhuǎn)矩要求，選擇減速器型號(hào)為：北京和利時(shí) WPNF120 型減速器，該減速器的額定輸入轉(zhuǎn)速為 3000rmp，額定輸出轉(zhuǎn)矩為 230NM，最大輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的兩倍，無刷電機(jī)的選擇型號(hào)為：北京和利時(shí) 57BL-0730N1-LS-B，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為 3000rmp，額定功率為 70W，由于加液炮臂要求緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，本設(shè)計(jì)減速器的減速比為 320，所以輸出轉(zhuǎn)速為 9.4rmp，經(jīng)過大小齒輪再一次減速，加液炮

30、臂的的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 1.4rmp，滿足緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，估算出加液炮臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的功率為約 53W，滿足加液炮臂的正常工作要求。驅(qū)動(dòng)加液炮臂水平轉(zhuǎn)盤電機(jī)同為上述型號(hào)，經(jīng)測算符合驅(qū)動(dòng)要求。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器為和利時(shí)公司為電機(jī)適配的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為：BL040812*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 可編程序控制器 3.1.1 PLC 的介紹 可編程序控制器（programmable controller） ，現(xiàn)在一般簡稱為PLC（programmable logic controller） ，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通

31、 信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置。以其顯著的優(yōu)點(diǎn)在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動(dòng)作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對象改變時(shí)，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。3.1.2 可編程序的控制類型1）用于邏輯控制 這是 PLC 最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用 PLC 取代繼電器控制和順序控制

32、器控制。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動(dòng)電梯控制等。2）用于模擬量控制 PLC 通過模擬量 I/O 模塊，可實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。3）用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制 現(xiàn)代 PLC 具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制（NC）及計(jì)算機(jī)控制（CNC）緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。4）用于工業(yè)機(jī)器人控制5） 用于多層分布式控制系統(tǒng) 高功能的 PLC 具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實(shí)現(xiàn) PLC 與 PLC 之間、PLC 與遠(yuǎn)程I/O 之間、PLC 與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。3.1.3 PLC 的特點(diǎn)1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) PLC

33、能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、溫度變化等中可靠地工作，PLC 的平均無故障間隔時(shí)間高，日本三菱公司的 F1 系列 PLC 平均無故障時(shí)間間13移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)隔長達(dá) 30 萬 h，這是一般微機(jī)所不能比擬的。2） 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng) 由于 PLC 是采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當(dāng)控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時(shí)，不必改變 PLC 的硬件設(shè)備，只需相應(yīng)改變軟件程序。3）編程簡單、使用、維護(hù)方便4）組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣 PLC 既可用于開關(guān)量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機(jī)控制，又可用于組成多級(jí)控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控

34、制復(fù)雜系統(tǒng)。因此，PLC 應(yīng)用范圍很廣。5） 體積小、重量輕、功耗低 PLC 采用了半導(dǎo)體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時(shí)功耗也很低，空載功耗約 1.2KW。3.1.4 PLC 的工作原理 可編程序控制器有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)與停止（STOP）狀態(tài)。在運(yùn)行狀態(tài)，可編程控制器通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。為了使可編程序控制器的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直至可編程序控制器停機(jī) 或切換到 STOP 工作狀態(tài)。 除了執(zhí)行用戶程序之外，在每次循環(huán)過程中，可如上圖編程序控制器還要完成，內(nèi)部處理、通信處理等工

35、作，一次循環(huán)可分為 5 個(gè)階段。可編程序控制器的這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式。由于計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度極高，從外部輸入-輸出關(guān)系來看，處理過程似乎是同時(shí)完成的。 在內(nèi)部處理聯(lián)合階段。可編程序控制器檢查 CPU 模塊內(nèi)部的硬件是否正常，將監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位，以及完成一些別的內(nèi)部工作。 在通信服務(wù)階段，可編程序控制器與別的帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容。當(dāng)可編程序控制器處于停止（STOP）狀態(tài)時(shí)，只執(zhí)行以上的操作。可編程序控制起處于（RUN）狀態(tài)時(shí)，還要完成另外 3 個(gè)階段的操作。 在可編程序控制器的存儲(chǔ)器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號(hào)和輸出信號(hào)

36、的狀態(tài)，它們分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器?？删幊绦蚩刂破魈菪螆D中別的編程元件也有對應(yīng)的映像存儲(chǔ)區(qū)，它們統(tǒng)稱為元件映像寄存器。在輸入處理階段，可編程序控制器把所有外部輸入電路的接通/斷開（ON/OFF）狀態(tài)讀入輸入寄存器。 外接的輸入觸點(diǎn)電路接通時(shí)，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“1”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)14*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)接通，常閉觸點(diǎn)斷開。外接的輸入觸點(diǎn)電路斷開，對應(yīng)的輸入映像寄存器為“0”狀態(tài)，梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器的常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)接通。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入映像寄存器的狀態(tài) 也不會(huì)隨之而變，輸入信號(hào)變化了的狀態(tài)只能在下一

37、個(gè)掃描周期的輸入處理階段被讀入。 可編程序控制器的用戶程序由若干條指令組成，指令在存儲(chǔ)器中按步序號(hào)順序排列。在沒有跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，CPU 從第一條指令開始，逐條順序的執(zhí)行用戶程序，直到用戶程序結(jié)束之處。在執(zhí)行指令時(shí)，從輸入映像寄存器或別的元件映像寄存器中將有關(guān)編程元件的 0/1 狀態(tài)讀出來，并根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入到對應(yīng)的元件映像寄存器中，因此，各編程元件的映像寄存器（輸入映像寄存器除外）的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而變化。在輸出處理階段，CPU 將輸出映像寄存器的 0/1 狀態(tài)傳送到輸出鎖存器。體型圖某一輸出繼電器的線圈“通電”時(shí)，對應(yīng)的輸出映像寄存器為“1”狀態(tài)。信號(hào)經(jīng)輸出模塊

38、隔離 和功率放大后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈通電，其常開觸點(diǎn)閉合，使外部負(fù)載通電工作。 若梯形圖中輸出繼電器線圈斷電對應(yīng)的輸出映像寄存器為“0”狀態(tài)，在輸出處理階段后，繼電器型輸出模塊中對應(yīng)的硬件繼電器的線圈斷電，其常開觸點(diǎn)斷開，外部負(fù)載斷電，停止工作。某一編程元件對應(yīng)的映像寄存器為“1”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為 ON，映像寄存器為“0”狀態(tài)時(shí)，稱該編程元件為 OFF。 掃描周期可編程序控制器在 RUN 工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一的掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期，其典型值為1100ms。指令執(zhí)行所需的時(shí)間與用戶程序的長短、指令的種類和 CPU 執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時(shí)

39、，指令執(zhí)行時(shí)間在掃描周期中占相當(dāng)大的比例。不過嚴(yán)格地來說掃描周期還包括自診斷、通信等。圖 3-1 掃描過程（1）輸入采樣階段 在輸入采樣階段，PLC 以掃描方式依次讀入所有的數(shù)據(jù)和狀態(tài)它們存入 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序行和輸出刷新階段。在這兩個(gè)階段中，即使輸入數(shù)據(jù)和狀態(tài)發(fā)生變化 I/O 映象區(qū)的相應(yīng)單元的數(shù)據(jù)和狀態(tài)也不會(huì)改變。所以15移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入如果是脈沖信號(hào)，它的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。（2）用戶程序執(zhí)行階段 在用戶程序執(zhí)行階段，PLC 的 CPU 總是由上而下，從左到右的順序依次的掃描梯形圖。并對控

40、制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并以此刷新該邏輯線圈或輸出線圈在系統(tǒng) RAM 存儲(chǔ)區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)?；蛘叽_定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。例如：算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳達(dá)等。 （3）輸出刷新階段 在輸出刷新階段，CPU 按照 I/O 映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)刷新所有的數(shù)據(jù)鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動(dòng)響應(yīng)的外設(shè)。這時(shí)才是 PLC 真正的輸出。 (4)輸入/輸出滯后時(shí)間 輸入/輸出滯后時(shí)間又稱系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指可編程序控制器的外部輸入信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，它由輸入電路濾波時(shí)間、輸出電路的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間三部分組成。輸入模塊的

41、CPU 濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外接輸入觸點(diǎn)動(dòng)作是產(chǎn)生的抖動(dòng)引起的不良影響，濾波電路的時(shí)間常數(shù)決定了輸入濾波時(shí)間的長短，其典型值為 10ms 左右。輸出模塊的滯后時(shí)間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時(shí)間一般在 10ms 左右；雙向可空硅型輸出電路在負(fù)載接通時(shí)的滯后時(shí)間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時(shí)的最大滯后時(shí)間為 10ms；晶體管型輸出電路的滯后時(shí)間約為1ms。由掃描工作方式引起的滯后時(shí)間最長可達(dá)到兩個(gè)多掃描周期?？删幊绦蚩刂破骺偟捻憫?yīng)延遲時(shí)間一般只有幾十 ms，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入輸出信號(hào)之間的滯后時(shí)間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的可編程序控

42、制器或采取其他措施。3.2 PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)分析選擇用“CPU226 AC/DC/繼電器 24 輸入/16 繼電器輸出”型 PLC，同時(shí)，考慮到 I/O 端的分組情況以及隔離與接地要求，增加 10%-20%的裕量。另配一個(gè)EM223 24 VDC 數(shù)字組合 8 輸入/8 輸出的擴(kuò)展模塊和一個(gè) EM221 位控模塊。3.2.1 PLC 的 I/O 口分配本控制系統(tǒng)的 PLC 的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的確定是根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。 1）PLC 的輸入端口包括自動(dòng)循環(huán)工作按鈕、點(diǎn)動(dòng)按鈕、總停按鈕等，還包括電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)繼電器輸入，外接電路電磁閥的輸入點(diǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器的輸

43、入等。16*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2）PLC 的輸出端口包括運(yùn)行指示燈、繼電器、外部接口、伺服電機(jī)接口、EM223。EM221 輸入等。 輸入端子 I 輸出端子 Q地址名稱注釋地址名稱注釋I0.0XA旋轉(zhuǎn)編碼器 AQ0.0BG1首尾指示燈及旋轉(zhuǎn)警示燈I0.1XB旋轉(zhuǎn)編碼器 BQ0.1BG2示寬燈I0.2XZ旋轉(zhuǎn)編碼器 ZQ0.2BG3觸摸屏照明燈I0.3Q0.3BG4操作間防爆燈I0.4Q0.4BG5操作間備用防爆燈I0.5Q0.5BG6前設(shè)備箱照明燈I0.6Q0.6BG7后設(shè)備箱照明燈I0.7Q0.7BG8越程報(bào)警燈I1.0SF1啟動(dòng)Q1.0KF1上升完成I1.1SB1報(bào)警消除Q1.1KF2下

44、降完成I1.2SB2上升Q1.2KF3左旋完成I1.3SB3下降Q1.3KF4右旋完成I1.4SB4左旋轉(zhuǎn)Q1.4IN1電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入 1I1.5SB5右旋轉(zhuǎn)Q1.5IN2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入 2I1.6BG1上升極限Q1.6IN3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入 3I1.7BG2下降極限Q1.7IN4電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸入 4I2.0BG3左旋極限Q2.0KF7加液泵 1I2.1BG4右旋極限Q2.1KF8加液泵 2I2.2SB6復(fù)位按鈕Q2.2KF9進(jìn)液泵 1I2.3SF2警示燈開關(guān)Q2.3KF10進(jìn)液泵 2I2.4SF3示寬燈開關(guān)Q2.4KF11進(jìn)液泵 3I2.5SF4觸摸屏照明燈開關(guān)Q2.5P1報(bào)警器I2.6SF5操

45、作間防爆燈開關(guān)I2.7SF6備用防爆燈開關(guān)I3.0SF7前設(shè)備箱照明燈I3.1SF8后設(shè)備箱照明燈I3.2SF9加液泵 1 開關(guān)I3.3SF10加液泵 2 開關(guān)17移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)I3.4SF11進(jìn)液泵 1 開關(guān)I3.5SF12進(jìn)液泵 2 開關(guān)I3.6SF13進(jìn)液泵 3 開關(guān)I3.7SB7一鍵完成 表 3-1 I/O 分配（移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)）3.2.2 PLC 的 I/O 接線圖PLC 的輸入接口 I0.0I0.2 為旋轉(zhuǎn)編碼器 A、B、C 輸入點(diǎn)，I81.0I1.5 為操作面板的輸入按鈕信號(hào)，輸入點(diǎn) I1.6I2.1 為行程開關(guān)的輸入信號(hào)輸入點(diǎn)，I2.4、I2.5 為兩個(gè)

46、機(jī)構(gòu)接近開關(guān)的信號(hào)輸入點(diǎn)，I2.6、I2.7 為伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警輸入點(diǎn)，I3.0、I3.1 為伺服電機(jī)定位完成的信號(hào)輸入點(diǎn)。PLC 的輸出點(diǎn) Q0.0Q0.6 為各種燈信號(hào)的輸出，Q0.7Q1.4 輸出給外部的信號(hào)，來確定機(jī)構(gòu)當(dāng)前的狀態(tài)，Q1.5Q1.7 輸出至驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源，Q2.0Q2.3 輸出至定位模塊來控制伺服電機(jī)的運(yùn)行停止，Q2.4、Q2.5接通進(jìn)液泵、報(bào)警器。18*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 3-2 I/O 分配19移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3 電機(jī)控制部分3.3.1 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式及其比較對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的主要要求有：（1) 有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；（2）在滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟

47、動(dòng)電流越小越好；（3） 啟動(dòng)平滑，即啟動(dòng)時(shí)平滑加速，以減小對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊；（4） 啟動(dòng)設(shè)備安全可靠，力求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；（5） 啟動(dòng)過程中的功率損耗越小越好。一般電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子從電網(wǎng)中取用的電流約為電機(jī)額定電流的 57 倍。小電機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)一兩秒鐘，隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸升高，電流迅速減??；而大電機(jī)要經(jīng)十幾秒，甚至幾十秒后轉(zhuǎn)子才能達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。即要到啟動(dòng)結(jié)束，電流才降為額定值左右。異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大，會(huì)對使用帶來什么問題呢?如果這臺(tái)電機(jī)使用時(shí)啟動(dòng)次數(shù)頻繁，電機(jī)則會(huì)由于啟動(dòng)電流的影響而發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)影響電機(jī)正常使用壽命。此外，如果所使用的電機(jī)啟動(dòng)次數(shù)雖然不頻繁，當(dāng)它的容量超過電源變壓器容量

48、的 30%時(shí)，由于啟動(dòng)電流大，會(huì)造成變壓器對外供電的輸電線上的電壓降過大，從而影響接在同一臺(tái)變壓器上的其他用電設(shè)備的工作。因而在啟動(dòng)時(shí)必須采取一定的措施，以限制啟動(dòng)電流不致過大。由于使用電機(jī)種類不同，生產(chǎn)情況不同，所以電機(jī)啟動(dòng)方法也不同。（1）直接啟動(dòng)（全壓啟動(dòng)）所謂直接啟動(dòng)就是將電動(dòng)機(jī)的定子繞組通過閘刀開關(guān)或接觸器直接接入電源，在額定電壓下啟動(dòng)，如圖 2-2.由于直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流很大，因此，在什么情況下才允許采用直接啟動(dòng)，有關(guān)供電、動(dòng)力部門都有規(guī)定，主要取決于電動(dòng)機(jī)的功率與供電變壓器的容量之比值。一般在有獨(dú)立變壓器供電（即變壓器供動(dòng)力用電）的情況下，若電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁，則電動(dòng)機(jī)功率小于變壓

49、器容量的 20%時(shí)允許直接啟動(dòng)；若電動(dòng)機(jī)不經(jīng)常啟動(dòng)，則電動(dòng)機(jī)功率小于變壓器容量的 30%時(shí)也允許直接啟動(dòng)。如果在沒有獨(dú)立的變壓器供電的情況下，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)比較頻繁，則常按經(jīng)驗(yàn)公式估算，滿足下列關(guān)系即可直接啟動(dòng)：111134stNkv AIKIkw電源總?cè)萘科饎?dòng)電動(dòng)總功率（3-1）如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓啟動(dòng)的方法，通過減壓，把啟動(dòng)電流20*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書Ist 限制到允許的數(shù)值。M3FU1FU2FU3KM圖 3-3 直接啟動(dòng)原理圖（2）傳統(tǒng)減壓啟動(dòng)方式減壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓，待起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。減壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小

50、。因此，減壓起動(dòng)方法一般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動(dòng)的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起動(dòng)的方法：(a)定子繞組串接電阻或電抗起動(dòng)定子繞組串電阻或電抗相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路可知：起動(dòng)電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。但考慮到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)降低的更多。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起動(dòng)場合。對于容量較小的異步電動(dòng)機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)，考慮到串接電阻會(huì)造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動(dòng)。如圖 2-3 所示：當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，合上開

51、關(guān) Q，交流接觸器 KM 斷開，使電源經(jīng)電阻或電抗 R 流進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成時(shí) KM 吸合，短接電阻或電抗 R。21移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)KMM3FU2FU3FU1RFRQUVW圖 3-4 定子繞組串電阻或電抗起動(dòng)原理圖(b)丫-降壓啟動(dòng)圖 2-4 為 Y-降壓啟動(dòng)的原理接線圖，啟動(dòng)時(shí)，接觸器的觸點(diǎn) KM1 和 KM2 閉合，KM3 斷開，將定子繞組接成星形，待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將 KM2 斷開，KM3 閉合，將定子繞組接成三角形，待電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程完成而轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。這適用于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的情況。設(shè)1U為電源線電壓，stYI及stI為定子繞組分別接成星形及三角形的啟

52、動(dòng)電流(線電流)，Z 為電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)每相繞組的等效阻抗。則有1/3stYIUZ （3-2） 13/stIUZ （3-3）所以/3stYstII，即定子接成星形時(shí)的啟動(dòng)電流等于接成三角形時(shí)啟動(dòng)電流的1/3，而接成星形時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩2211/3/3stYTUU，接成三角形時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩21stTU，所以，/3stYstTT，即 Y 連接降壓啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有連接直接啟動(dòng)時(shí)的 1/3。這種啟動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)、啟動(dòng)電流??；缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且啟動(dòng)電壓不能按實(shí)際需要調(diào)節(jié)，故只適用于空載或輕載啟動(dòng)的場合，并只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組按三角形接線的異步電動(dòng)機(jī)。由于這種方法應(yīng)用廣泛，我國規(guī)定 4k

53、w 及以上的三相異步電動(dòng)機(jī)，其定子額定電壓為 380V，連接方法為三角形。當(dāng)電源線電壓為 380V 時(shí)，它們就能采用Y 換接啟動(dòng)8。22*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書KM3KM1M3FU2FU3FU1FRQUVWKM2圖 3-5 星-三角形啟動(dòng)法的原理圖 (c)自耦變壓器啟動(dòng)自耦變壓器啟動(dòng)法就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器從電源切除，而使電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行的一種啟動(dòng)方法。圖 2-5 所示為自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路?？刂七^程如下：合上空氣開關(guān)Q 接通三相電源。按啟動(dòng)按鈕后 KM1 線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦

54、變壓器線圈接成星形，與此同時(shí)由于 KM1 輔助常開觸點(diǎn)閉合，使得接觸器 KM2 線圈通電吸合，KM2 的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭(例如 65)將三相電壓的 65接入電動(dòng)。當(dāng)時(shí)間繼電器 KT 延時(shí)完畢閉合后，KM1 線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星端打開；同時(shí) KM2 線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使 KM3 線圈得電吸合，KM3 主觸頭接通電動(dòng)機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦變壓器一般有 65和 80額定電壓的兩組抽頭。若自耦變壓器的變比為 k，與直接起動(dòng)相比，采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，其一次側(cè)起動(dòng)線電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動(dòng)的 l/k2。自耦變壓器起動(dòng)法不受電動(dòng)機(jī)繞組接線方式(丫接法或接法)的限制

55、，允許的起動(dòng)電流和所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。23移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 3-6 異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器啟動(dòng)法自耦變壓器起動(dòng)適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用非常廣泛，有手動(dòng)及自動(dòng)控制線路。其優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇；缺點(diǎn)是質(zhì)量大、體積大、價(jià)格高、維護(hù)檢修費(fèi)用高。（d）智能軟啟動(dòng)軟啟動(dòng)器是一種集軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的電機(jī)控制裝置，國外稱為 Soft Starter。實(shí)現(xiàn)在整個(gè)啟動(dòng)過程中無沖擊而平滑的啟動(dòng)電機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來調(diào)節(jié)啟動(dòng)過程中的各種參數(shù)，如限流值、啟動(dòng)時(shí)間等。軟啟動(dòng)器主要是由串接于電源與被控電機(jī)

56、之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路所構(gòu)成，如圖 2-6 所示。圖 3-7 軟啟動(dòng)器工作原理軟啟動(dòng)器的工作原理是，控制電路運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)的函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至啟動(dòng)結(jié)束，賦予電動(dòng)24*大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書機(jī)全電壓，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。在軟啟動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。采用軟啟動(dòng)器，可以控制電動(dòng)機(jī)電壓，使其在啟動(dòng)過程中逐漸升高，很自然地控制啟動(dòng)電流，這就意味著電動(dòng)機(jī)可以平穩(wěn)啟動(dòng)，機(jī)械和電應(yīng)力降至最小。異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無需維護(hù)的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。然而由于其啟動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生較大沖擊電流（一般為 Ie 的 5-

57、8 倍），同時(shí)由于啟動(dòng)應(yīng)力較大，使負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。隨著傳動(dòng)控制對自動(dòng)化要求的不斷提高，采用可控硅為主要器件、單片機(jī)為控制核心的智能型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)備軟啟動(dòng)器，已在各行各業(yè)得到越來越多的應(yīng)用，由于軟啟動(dòng)器性能優(yōu)良、體積小、重量輕，并且具有智能控制及多種保護(hù)功能，而且各項(xiàng)啟動(dòng)參數(shù)可根據(jù)不同負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，其負(fù)載適應(yīng)性很強(qiáng)。軟啟動(dòng)器的主要特點(diǎn)有：過載保護(hù)功能、斷相保護(hù)功能、過熱保護(hù)功能、測量回路參數(shù)功能、通過電子電路的組合在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)其它種種聯(lián)鎖保護(hù)。軟啟動(dòng)器從本質(zhì)上是一種能夠自動(dòng)控制的降壓啟動(dòng)器，由于能夠任意調(diào)節(jié)輸出電壓，作電流閉環(huán)控制，因而比傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)方式（如串電阻啟動(dòng)，丫-降壓啟動(dòng)、自

58、耦變壓器啟動(dòng)等）有更多優(yōu)點(diǎn)。在上述基礎(chǔ)上，把功率因數(shù)控制技術(shù)結(jié)合進(jìn)去，以及采用微處理器代替模擬控制電路，使早期的軟起動(dòng)器已發(fā)展成智能軟起動(dòng)器，因此本次設(shè)計(jì)選用智能軟啟動(dòng)器。3.4 編碼器的選型炮臂的位置需要控制，這里通過編碼器來控制位置。由于本次位置控制不需要太高的精度，因此在產(chǎn)品的選擇上可以降低要求。其中長春三豐光電儀器制造有限公司正式推出增量型實(shí)心軸編碼器 PIB 系列，主要用來偵測機(jī)械運(yùn)動(dòng)的速度、位置、角度、距離或計(jì)數(shù)堅(jiān)固，耐用，承載能力大，安裝方便。由于產(chǎn)品已進(jìn)入量產(chǎn)的成熟穩(wěn)定期，有一定的市場占有率并且價(jià)格合理。 選用 PIB10-1024-G5E 型編碼器，脈沖數(shù) 1024P/R，電

59、纜側(cè)出，電壓 5V，電壓輸出，和 PIB8-102-G5E 型編碼器，脈沖數(shù) 1024P/R，電纜側(cè)出，電壓 5V，電壓輸出。圖 3-8 旋轉(zhuǎn)編碼器25移動(dòng)加液車液體加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1 編碼器信號(hào)輸出形式編碼器信號(hào)輸出12有并行輸出、串行輸出、總線型輸出、變送一體型輸出等輸出形式。（1）并行輸出對于絕對編碼器，信號(hào)并行輸出是時(shí)間上數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)出；空間上，每個(gè)位數(shù)的數(shù)據(jù)各占用一根線纜。對于位數(shù)不高的絕對編碼器，一般就直接以此形式輸出數(shù)碼，可直接進(jìn)入 PLC 或上位機(jī)的 I/O 接口。輸出即時(shí)，連接簡單。對于位數(shù)較多的絕對編碼器，有許多芯電纜，由此帶來工程難度和諸多不便、降低了可靠性。因此，絕對

60、編碼器在多位數(shù)輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出。（2）串行輸出串行輸出是時(shí)間上數(shù)據(jù)按照約定，有先后輸出；空間上，所有位數(shù)的數(shù)據(jù)都在一組電纜上(先后)發(fā)出。這種約定稱為“通訊協(xié)議，其連接的物理形式有RS232、RS422(TTL)、RS485 等。串行輸出連接線少，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性就大大提高了，但傳輸速度比并行輸出慢。（3）現(xiàn)場總線型輸出現(xiàn)場總線型編碼器是多個(gè)編碼器各以一對信號(hào)線連接在一起，通過設(shè)定地址，用通訊方式傳輸信號(hào)。信號(hào)的接收設(shè)備只需一個(gè)接口，就可以讀多個(gè)編碼器信號(hào)。常用總線型編碼器有 PROFIBUS，DP、CAN、Device Net、Inter bus 等。總線型編碼器可以