机械毕业设计1399推拉型电磁铁性能测试台设计说明书Word下载.docx
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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电磁铁性能测试的现实意义
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国外和国内研究动态的比较
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
推拉型电磁铁性能测试台的设计应采取整体规划，统一设计。
设计要符合现实基本规律。
其次设计不能太过复杂拆装要简便。
测试台为了其实用性所以设计不能太过于理想化，能够在现实中被很好的应用。
设计的测试台测试精度要高，范围尽量大，测试速度应快。
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。
在设计时可以用到力传感器和位移传感器，这样能使测试的数据比较直观的表达出来，不需要进行一些不必要的计算，使本次设计达到既不复杂，有能够很好的体现出本次设计的重点。
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：
直流电磁铁
电磁铁技术指标：
力：
±
100N
电压：
0-30V
行程：
15
外形尺寸：
150*φ100*115（长度*直径*中心高）
电磁铁性能测试要求：
1、在额定电压下，电磁铁吸力与衔铁行程之间的关系测量。
2、在额定电压和负载情况下，电磁铁的寿命试验。
3、在衔铁位置固定的情况下，电磁铁吸力与电压之间的关系测量。
2.2测试台方案的选取
电磁铁性能测试台结构原理如图2-1：
图2-1机械系统结构原理图
本次设计主要是安装固定步进电机、位移传感器和力传感器等测试传感器、滚珠丝杠和要求被测的电磁铁，设计的主题方案是用步进电机为动力元件，用一个刚性联轴器把步进电机和滚珠丝杠连接起来，使步进电机的旋转运动变换为缓慢的匀速直线运动，从而带动滚珠丝杠上的导轨滑块机构，以此收集电磁铁性能测试过程中所需各种数据。
根据以上工作原理能得出以下两种方案：
方案一：
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。
方案二：
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。
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，选择方案一较好。
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电机类型的确定选择
电机若按工作原理和结构划分：
可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。
因为此次设计的电磁铁性能检测台所需电机转速要求不高，并且需要控制和调节。
所以，选用步进电机作为动力元件是最合适的。
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。
3.2步进电机型号的选择
步进电机选择方法一般按照以下步骤进行：
先是确定其负载，然后进行步距角的选择，再对其静转矩进行计算选择，然后通过矩频特征曲线确定电流，根据电流再对静转矩进行修正，以此来对电机型号进行确定。
只要不进电机的三要素步距角，静转矩和电流确定了，步进电机的型号便确定了下来。
1、首先需要判断有多大的力矩：
一般来说，选择步进电机的主要参数是静扭矩。
负载比较大时，需要采用相对大一点的力矩电机。
力矩越大，电机的外形也越大。
电机运转速度大小的判断：
电机转速要求高时，应选择电感相对小，相电流比较大的电机，以此来增加输入功率。
2、静力矩的计算与保持转矩的选择
步进电机转矩的计算：
由本设计可知电磁铁测试位移：
L=15mm，测试时间t=5s
由以上数据可以得出测试速度：
V=L/t=3mm/s=180mm/min
选择的滚珠丝杠导程：
S=5mm
由以上数据可以得出滚珠丝杠转速：
n=V/S=180/5=36r/min
设定电磁铁产生的最大推力为：
F推=100N
滚珠丝杠的效率η=90%
由以上数据可以得出功率:
P=
=
因此可以得出步进电机所需转矩：
Tmin=
由步进电机所需转矩，选择保持转矩为2N.m的步进电机。
3、力矩与功率换算
步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：
P=Ω·
M
Ω=2π·
n/60
P=2πnM/60
其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·
米
P=2πfM/400（半步工作）
其中f为每秒脉冲数（简称PPS）
综上所述，选择的步进电机型号为86BYG250BN-0401。
型号为86BYG250BN-0401的步进电机技术数据如下表3-1所示：
表3-1步进电机技术数据
规格
型号
相数
步距角（°
）
相电流
（A）
保持
转矩（N.m）
转动
惯量
（g．cm2
重量
（Kg）
86BYG250BN-0401
2
0.9/1.8
4.0
5
1200
2.6
第4章传动机构的设计
4.1机械传动机构的列举：
步进电机驱动中的机械传动机构，有以下几类：
（1）滚珠丝杠（直接连接）
用于距离较短的高精度定位。
机和滚珠丝杠只用联轴器连接，没有间隙。
（2）滚珠丝杠（减速）
选择减速比，可加大向机械系统传递的转矩。
由于产生齿轮侧隙，需要采取补偿措施,
（3）齿条和小齿轮
用于距离较长的（台车驱动等）定位。
小齿轮转动一圈包含了π值，因此需要修正。
（4）同步皮带（传送带）
与链条比较，形态上的自由度变大。
主要用于轻载。
皮带轮转动一圈的移动量中包含π值，因此需要修正。
（5）链条驱动
多用于输送线上。
必须考虑链条本身的伸长并采取相应的措施。
在减速比比较大的状态下使用，机械系统的移动速度小。
以上用于机械系统的伺服系统要考虑的因素：
①减速比
为了有效利用伺服电机的功率，应在接近电机的额定速度（最高旋转速度）数值的范围使用。
在最高旋转速度下连续输出转矩，还是比额定转矩小。
②预压转矩
对丝杠加预压力，刚性增强，负载转矩值增大。
由预压产生的摩擦转矩，请参照滚珠丝杠规格书。
③保持转矩
升降机械在停止时，伺服电机继续输出保持力。
在时间充裕的场合，建议使用保持制动。
4.2传动机构的选择
4.2.1传动机构类型的确定
推拉型电磁铁的性能检测台，速度方面要求是慢速度的，而精度要求高，所以用短距离的机械传动比较合适。
故选择滚珠丝杠（直接连接）作为传动机构比较合适。
4.2.2滚珠丝杠的概念
滚珠丝杠由滚珠、螺杆、螺母组成。
它能把旋转运动转化成直线运动，滚珠螺丝发展而来的，该发展的意义就是能将轴承从滑动动作变成滚动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
作为精密机械上最常使用的传动元件，它的主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，有着高效、高精度和不错可逆性的特点。
滚珠丝杆常用的循环方式有2种：
内循环和外循环。
（1）内循环：
内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。
圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。
反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。
扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。
两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。
但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。
（2）外循环：
外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。
外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。
常用外循环方式（a）端盖式；
（b）插管式；
（c）螺旋槽式。
端盖式，在螺母上加工一纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。
插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。
螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。
外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。
其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。
4.2.3滚珠丝杠的型号的选取
（1）参数确定的流程：
第一步：
确定设计的定位、传动精度要求；
第二步：
根据电机对转速的要求确定丝杆的导程；
第三步：
确定螺母的尺寸进而确定行程及丝杆轴端的数据；
第四步：
通过负载及速度分布（加减速）来确定平均轴向力的转速；
第五步：
平均轴向力确定预压力；
第六步：
根据预期寿命、轴向负荷、转速确定动额定负荷；
第七步：
基本额定负荷，导程，临界转速，DmN值限制确定丝杆外径及螺母形式；
第八步：
外径，螺母，预压，负荷确定刚性；
第九步：
环境温度，螺母总长确定热变及积累导程；
第十步：
丝杆刚性，热变位确定预拉力；
第十一步：
最终确定丝杆的参数。
（2）公称直径的选择：
公称直径即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120。
公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大，这里只说明两个概念：
动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。
设计时参考前者即可。
需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。
推荐：
直径尽量选16~63。
（3）导程的选取：
导程也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位数前两位指直径，后两位指导程）。
导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。
导程尽量选5和10。
（4）长度的选取：
长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。
螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程。
前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量。
在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照一下参数累加：
丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。
长度尽量选6米以下，超过的用齿轮齿条更划算了。
（5）螺母形式的确定：
各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式，一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。
按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。
按螺母长度分有单螺母和双螺母。
在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。
频繁动作、高精度维持场合选双螺母，其他场合选双且边单螺母。
螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。
（6）精度的选取：
滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±
0.05）或以下，高精度数控机械选C5（±
0.018）以上C3（±
0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。
特别需要注意的是，精度和价格关联性很大，并且，精度的概念是组合和维持，也就是说，螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差，出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度。
精度尽量选C7。
（7）额定动载荷的选取：
滚珠丝杠副设计时一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠副的尺寸规格。
额定动载荷是指，一批规格相同的滚珠丝杠经过运转一百万万次后，90％的丝杠副不产生疲劳剥伤（点蚀）时的轴向载荷。
在实际运行中额定动载荷值可按下式计算：
式中：
fh为寿命系数，按滚珠丝杠预期寿命选定；
fd为载荷性质系数，按工作载荷性质选取；
fH为动载荷硬度影响系数，按滚珠及滚道表面硬度选取；
fn为转速系数，按丝杠平均转速nd选取；
pd为平均轴向载荷。
在计算出额定载荷后，可按额定载荷从样本中选取滚珠丝杠的公称直径和型号。
（8）滚珠丝杠副的安装：
滚珠丝杠的支承主要有以下四种，由于支承方式不同，使容许轴向载荷及容许回转转速也有所不同。
在丝杆旋转类的滚珠丝杆副主要有以下四种支承形式。
“固定—固定”型：
K2=4
此种型号适用于高转速、高精度的场合。
此形式两断分别由一对轴承约束轴向和径向自由度，负荷由两组轴承副共同承担。
但实际中由于径向力的存在几乎很少能用两个推力轴承作为固定端，所以一般仅在定位要求很高时采用。
图4-1“固定—固定”型
“固定—游动”型：
K2=2
此种型号适用于中转速、高精度的场合。
该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端由单个轴承约束径向自由度，负荷由一对轴承副承担。
这种形式结构简单，效果比较好，所以应用的比较广泛。
图4-2“固定—游动”型
“支承—支承”型：
K2=1
此种型号适用于中转速，中精度的场合。
该形式两断分别设有一个轴承，分别承受径向力和单方面的轴向力，随负荷的变化，分别由2个轴承单独承担某一方向的力。
由于支承点随受力方向变化，定位可控性比较低，受力情况较差，所以应用的比较少。
“固定—自由”型：
K2=0.25
此种型号适用于低转速，中精度，轴向长度短的场合。
该形式一端由一对轴承约束轴向和径向自由度，另一端悬空呈自由状态，负荷由同一对轴承副承担，并且需要克服丝杆回转离心力造成的弯矩。
此种形式结构简单，受力情况差，但在行程小、转速低的情况下也经常用到。
图4-3“固定—自由”型
综上所述，选择的滚
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