电磁铁测试系统机械结构的设计.docx
《电磁铁测试系统机械结构的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁铁测试系统机械结构的设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电磁铁测试系统机械结构的设计
摘要
本课题研制出自动化测试电磁铁性能的测试装置，主要研究内容如下：
第一章，概述了比例电磁铁及其测试装置研究现状及趋势，论述了本课题的研究意义和研究内容。
第二章，阐述了比例电磁铁测试系统的总体设计，并对整个系统结构组成部分及测试原理进行了简单的介绍。
第三章，设计了比例电磁铁测试系统的机械组成部分。
第四章，主要总结本课题研究结论。
本课题主要研究的目的在于设计出自动化测试比例电磁铁动静态性能的机械组成部分。
本课题研究的主要成果是设计出一套实现自动化测试比例电磁铁的动静态性能的测试装置。
关键词：
比例电磁铁；机械设计；算例分析；动静态特性。
Abstract
Thistopictodeveloptestautomationelectromagnetperformancetestingdevice,themainresearchcontentisasfollows:
Firstchapter,thispapersummarizestheproportionalelectromagneticvalveanditstestequipmentresearchpresentsituationandtrend,thispaperdiscussestheresearchsignificanceofthistopicandresearchcontent.
Proportionalelectromagneticvalveisinthesecondchapter,thispaperexpoundsthegeneraldesignofthetestingsystem,andpartofthewholesystemstructureandtestprinciplehascarriedonthesimpleintroduction.
Thethirdchapter,designthemechanicalpartoftheproportionalelectromagnettestingsystem.
Thefourthchapter,mainlysummarizedthistopicresearchconclusion.
Thepurposeofthistopicresearchistodesignatestautomationproportionalsolenoidmechanicalpartofthedynamicandstaticperformance.
Themainresearchresultsofthissubjectistodesignasetofautomatedtestsofdynamicandstaticperformanceofproportionalsolenoidtestdevice.
Keywords:
proportionalelectromagneticvalve;Mechanicaldesign;exampleanalysis;Dynamicandstaticcharacteristics.
1绪论..............................................3
1.1比例电磁铁国内外的发展现状及类型..............................3
1.2比例电磁铁的测试技术..........................................4
1.3本课题研究的内容及意义........................................4
2电磁铁自动测试平台总体设计......................................6
2.1电磁铁测试系统的设计和组成....................................6
2.1.1控制柜布局设计..............................................6
2.1.2机械系统的布局设计..........................................8
2.2电磁铁的测试系统原理.........................................12
2.2.1测试装置的结构组成及连接...................................12
2.2.2测试系统原理...............................................12
3测试系统的机械设计.............................................15
3.1测试装置的机械设计...........................................15
3.1.1台架的设计.................................................15
3.1.2转接头的机构设计...........................................18
3.1.3中间传动轴的结构设计.......................................19
3.1.4直线轴承座的结构设计.......................................20
3.1.5传动齿轮的结构设计.........................................21
3.1.6花键轴的结构设计...........................................22
3.1.7定位销的设计..............................................24
3.2控制柜的结构设计............................................25
3.2.1控制柜的骨架设计...........................................25
3.2.2控制柜的外壳设计...........................................25
4总结...........................................................28
参考文献..........................................................29
致谢..............................................................30
1.绪论
1.1.比例电磁铁国内外的发展现状及类型
比例电磁铁作为电液比例控制元件的电气一机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输给的电流信号转换成力或位移。
比例电磁铁推力大，结构简单，对油质要求不高，维护方便，成本低廉，衔铁腔可做成耐高压机构，在各类电液控制系统中有着广泛的应用。
比例电磁铁的发展较早起步于国外，特别是西德和日本。
生产厂家主要有bos、Bind、Rexro、Boseh、Vieke、Magnetsehuz油研等。
国内有上海机床电器三厂和安阳机床电器厂引进了西德Bosch公司的比例电磁铁生产技术。
从1982年起，先后开发出了三种规格（额定输出力分别为55N，70N，145N）的普通型和高频响型耐高压比例电磁铁，以及耐高压双应极化式比例电磁铁、旋转比例电磁铁、防爆比例电磁铁等。
根据使用情况和调节参数不同，比例电磁铁可分为力型、位移型和位置调节型三种应用类型。
力型比例电磁铁直接输出力，工作行程短。
在工作区内，具有水平的位移一力特性，即输出力与输入的电流成一定的比例，与位移无关；位移型比例电磁铁是由力型比例电磁铁与负载弹簧共同工作而形成的。
电磁铁输出的力，通过弹簧转换成位移，由此实现了电流—力—位移的线性转换。
这种类型的比例电磁铁，输出量是与电流成正比的位移，其工作行程大，大多用在直接控制型比例阀上。
位移型比例电磁铁与力型比例电磁铁结构完全相同，只有使用条件的区别，因此它们的控制特性曲线是一致的，都具有水平的位移一力特性和线性的电流一力特性；如果对位移型和力比例电磁铁的衔铁位置通过位移传感器检测，构成位置电反馈闭环，就形成了位置调节型比例电磁铁。
位置调节型比例电磁铁的衔铁位置或由其推动的阀芯位置，通过一闭环调节回路进行调节。
只要电磁铁运行在工作区域内，其衔铁就保持与输入电信号相对应的位置不变，而与所受反力无关，即它的负载刚度很大。
位置调节型比例电磁铁多用于控制精度要求较高的直接控制式比例阀上。
在结构上,除了衔铁的一端接上位移传感器外，其余的与力型、位移型比例电磁铁是相同的。
除了普通比例电磁铁外。
常见的电磁铁还有双向极化式耐高压比例电磁铁、插装阀式比例电磁铁，旋转比例电磁铁、防爆比例电磁铁、内装集成比例放大器式比例电磁铁等。
注：
资料来源：
王俊霞．阀用电磁铁动静态性能自动测试平台的研制[D]．浙江．浙江大学．2008．5．
1.2比例电磁铁的测试技术
比例电磁铁测试装置从起步至今，主要经历了两个阶段：
手工测试、记录阶段和计算机辅助测试（CAT）阶段。
由于手工测试记录装置控制部分结构复杂、成本高、故障率高且故障排除难度大，同时在测试时有太多人为因素的影响，从而导致测试精度低、测试速度慢，且劳动强度大。
因此本课题的测试系统采用的是计算机辅助测试（CAT）技术、虚拟仪器（VI）技术和自动控制技术的测试台。
计算机辅助测试（CAT）技术是测试技术发展的重要产物，目前大多数测试装置都以功能强大的计算机为基础。
计算机技术和虚拟仪器技术结合后可以将信号分析与处理、结果表达与输出通过计算机完成。
计算机软件可以实现各种各样的信号分析、处理，完成多种多样的测试功能。
计算机显示器可以形象、方便地模拟各种仪器控制面板，以各种形式表达输出检测结果，充分利用计了算机丰富的软硬件资源，可以较大突破传统仪器在数据处理、表达、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。
1.3本课题研究的内容及意义
本课题的目的及意义就在于对比例电磁铁的性能测试装置进行研究，实现半自动化或者自动化测试的目的，研究测试装置的机械结构的力学性能、材料结构性能等。
本课题以比例电磁铁自动测试平台为研究对象，以实现半自动化或者自动化测试比例电磁铁的动、静态性能。
本课题的主要研究内容如下：
（1）测试系统的总体布局；
（2）测试系统仪器的选用；
（3）测试系统的机械设计及材料选用；
（4）测试平台测试精度分析及实现；
自动测试平台开发研制过程中，存在如下技术难点：
（1）拉压力传感器的安装
拉压力传感器是通过转接头与左右两边的电磁铁和中间传动轴非紧固连接的，因此每次进行测试时均要进行轴线的校核，使拉压力传感器两边的转接头的轴线与两边的轴线重合。
（2）测试装置台架的设计
测试装置的电磁铁、传感器等器材均固定在台架的相应的支架上，为了保持真个测试装置的所有分支轴线均在同一中间轴线上，因此台架的支架与底座的垂直度要求比较高，才能保证所有分支轴线保持在同一中间轴线上。
因此技术难点在于台架支架与底座垂直度的设计。
2.电磁铁测试系统的总体设计
本章介绍了电磁铁测试系统的组成结构及其规格参数和电磁铁的测试原理以及测试性能指标。
2.1电磁铁测试系统的设计和组成
本课题所研制的电磁铁自动测试平台主要由控制系统（控制柜）和机械系统（测试装置）两部分组成。
控制系统主要完成电磁铁测试信号发生，测试数据的采集和处理，以及绘制测试性能曲线和显示、打印测试结果等功能。
在测试控制柜上安装有外部有状态指示灯和电子显示仪表，操作人员通过控制开关按钮，根据状态指示灯和显示仪表的指示可以完成自动控制测试所需要的基本设置。
机械系统主要是为被测试电磁铁、测试过程中所需的各种检测传感器、定位机构等提供必要的机械支持、固定和精确的机械传动，以得到控制系统分析所需要的数据。
2.1.1控制柜布局设计
根据人机工程学界面设计的基本设计理念，控制柜的总体外形尺寸为1200×600×1400mm，电磁铁的机械系统（测试装置）的安装位置距离地面760mm，为卧式操作方式。
控制柜主要主要结构如图2-1所示。
为了能够合理设计出控制柜实验桌子的内部详细结构，以下简单介绍所选用仪器的基本规格性能参数。
1.键盘架2.显示屏3.按钮开关4.接线柱5.LED指示灯6.显示仪表7.可调电源8.测试装置9.工控机10.打印机柜
图2-1电磁铁测试系统总装图
1）工控机
采用的是深圳研江智能科技有限公司生产的嵌入式无风扇工控机（型号：
YJBOX-N455），YJBOX-N455工控机是由深圳研江智能科技有限公司推出的一款MINIPC。
集成Intel®GMA3150核心显卡，提供VGA、LVDS显示输出，支持同步/异步，LVDS支持单通道18bi。
2个SATAII硬盘接口，1个MSATA插槽,支持SSD硬盘，均可完成传输速度为3Gbps的强大功能。
背板配有1个I/O接口：
1个12VDC_JACK输入，1个PS/2键盘鼠标接口，1个LPT打印口，1个COM接口、第9pin支持5V/12V带电功能，1个VGA接口，4个USB2.0接口。
2）显示屏
显示屏主要是提供操作界面、显示实验数据和其它一些图形或表格，所选用的显示屏是深圳市希之望科技有限公司生产的15英寸CTFLY工业显示器（型号：
1501M），采用防干扰金属外壳，无辐射，并提供良好的散热，可应对严格的环境。
5ms的响应时间，显示高速的运动图像，配备USB和COM的接口，0.297的分辨率。
3）可调电源
是香港龙威牌的直流稳压电源（PS-305DM），数字显示输出高精度稳压、稳流，输出电压、电流可从0到标称值之间连续可调，输出电压连续可调范围DC0V-32V,而且稳压稳定度:
≤0.01%+2mV。
输出电流连续可调范围0－5Ａ，并且独具毫安控制功能,显示精确可达到1mA以及稳流稳定度:
≤0.2%+2mA，同时带负载能力强和具有限流量保护和短路保护功能。
其输入电压:
220V±10%，频率:
50/60Hz。
4）打印机
选用的是佳能CP900热升华打印机，可支持网路打印。
5）LED指示灯和按钮开关
（1）LED指示灯
选用的是圣达电器AP1M系列的型号为AP1M111的指示灯，颜色多种多样，安装方便。
（2）按钮开关
选用的是圣达电器A1系列的照明AL1M-A11按钮开关指示灯。
6）显示仪表
显示仪表主要包括力传感器用、测量位移传感器用、行程控制传感器用、
电流传感器用四台显示仪表和直流线性电源自身配带的显示仪表。
2.1.2机械系统的布局设计
本课题所研制的测试系统的机械系统即为电磁铁测试装置，是整个测试系统的核心机构。
电磁铁测试装置的加工精度以及各传感器和机构的安装精度直接关系到整个测试系统的测试准确度和测试精度，更为重要的是它的设计是否合理直接决定着整个测试装置是否能够实现完成电磁铁性能测试。
测试装置主要是由比例电磁铁、拉压力力传感器、直线轴承、推力球轴承、直线步进电机、位移传感器等机构固定在400×200mm的测试台架上，如图2-2所示。
1.比例电磁铁2.转接头3.拉压力传感器4.直线步进电机5.直线轴承6.直线轴承座-左7.直线步进电机齿轮8中间传动轴9.花键轴10.传动齿轮11.推力球轴承12.定位销13.直线轴承座-右14.位移传感器15.台架
图2-2测试装置的结构设计
台架能提供与被测试器件匹配的标准螺纹安装接口，保证被测试器件的输出杆与位置调整机构的中心、拉压力传感器保持在同一轴线上。
位置调整机构由中间传动轴、花键轴、两个直线轴承和直线轴承座、两个推力球轴承、两个不一样的齿轮、直线步进电机以及定位销组成，并提供与位移传感器的安装接口。
两个直线轴承起到支撑中心轴杆的作用，直线轴承分别安装在两个固定在台架上的直线轴承座内。
两个推力球轴承起到限制花键轴的左右移动，并安装在台架的两肋里边。
花键轴内螺纹与中间传动轴上的螺纹段配合，外花键连接齿轮，起到传动的作用。
中间传动轴上开有一个通空，通孔内嵌入定位销并固定在台架一个肋的小孔中，用以限制中间传动轴的转动。
为了准确设计台架及相关传动或固定机构的基本结构，以下先简单介绍测试装置中所选仪器器材的基本规格和性能。
1）电磁铁
（1）比例电磁铁
（2）BS-0928V-02-电磁阀
（3）比例阀用电磁铁（3）湿式电磁铁
图2-3比例电磁铁
电磁铁的形式多种多样，种类繁多，其中比例电磁铁铁就是其中的一种。
本课题选用典型的力型比例电磁铁作为电磁铁测试系统的研究对象。
采用的电磁铁是安阳派菲克电磁科技公司力型比例电磁铁PM-H6-045，如图2-3
（1），选用的比例电磁铁的技术参数如表2-1：
表2-1比例电磁铁的技术参数
额定电压（V）
DC24
额定电流（A）
0.8
电阻（Ω/20℃）
21
额定推力（N）
63
额定行程（mm）
3
力滞环（%）
2
电流滞环（%）
2
重复精度（%）
1
通电持续率（%）
100
推杆伸出长度（mm）
11
承受油压（MPa）
21
防护等级
IP65
2）拉压力传感器
拉压力传感器主要是测量电磁铁的吸力，然而传感器需要比较高的灵敏度，因此本次选用的南京顺来达测控设备有限公司生产的拉压力传感器，均可承受拉力和压力，且输出对称性好。
拉压力传感器的技术参数如表2-2。
表2-2拉压力传感器的的技术参数
额定载荷
5-50kg
综合精度
0.02（线性+滞后+重复性）
灵敏度
2.0mV/V
蠕变
±0.02％F·S/30min
零点输出
±1％F·S
零点温度影响
±0.02％F·S/10℃
输出温度影响
±0.02％F·S/10℃
工作温度
-20℃～+65℃
输入阻抗
380±10Ω
输出阻抗
350±3Ω
绝缘电阻
〉5000MΩ
安全过载
150％F·S
供桥电压
建议10VDC
材质
合金钢或不锈钢
3）直线轴承
选用的是浙江直线轴承制造有限公司生产的型号为LM6直线轴承。
4）推力球轴承
选用的是SHRZDE的F10-18M推力球轴承，平面推力球轴承垫片材料是轴承钢，分为带沟道和不带沟道。
保持器的材料分为不锈钢和铜，平面推力球属可分离型轴承，接触角90°，可以分别安装。
5）直线步进电机
选用的是常州森尔科机电有限公司生产的型号为42bBYGH0425直线步进电机。
步距角为1.8°，相电压为3.1V，相电流为2.5A，静转矩为0.48N·M，定位力矩为2.8N·cm，
6）直线位移传感器
选用的是米朗科技的KSC系列微型自恢复式直线位移传感器。
有效行程：
5mm，线性精度：
≤0.3％，阻值：
2.0±5%。
重复精度达到0.01mm。
2.2电磁铁的测试系统原理
2.2.1测试装置的结构组成及连接
测试装置的结构组成主要由台架、位置调整机构、拉压力传感器、位移传感器等组成，如图2-2。
被测电磁铁的衔铁依次连接转接头、装接头、拉压力传感器、转接头、位移调整机构及位移传感器，位置调整机构是由直线轴承座、直线轴承、推力球轴承传动轴、带有花键和内螺纹的齿轮轴套、齿轮、直线步进电机等机构组成。
由于电磁铁的衔铁与拉压力传感器非紧固连接，只测量衔铁输出的压力，故该测试台体只适用于单向电磁铁的测试。
2.2.2测试系统原理
计算机测控系统如图2-4所示，主要由测试计算机、信号处理器、信号发生器、放大器、采样电阻等部分组成。
信号发生器产生各种电磁铁测试信号，放大器驱动电磁铁来处理信号，采样电阻两端的电压监测产生驱动电流信号并输出至信号处理器，位移传感器产生位移信号至信号处理器，拉压力传感器产生的力信号输至信号处理器，信号处理器对电流、位移、力信号进行调整，使之满足计算机采集的要求。
图2-4计算机测控系统原理图
测试系统采用的是计算机辅助技术对采集的信号进行分析和计算，可得到电磁铁的静动态力特性，如静态位移一力特性、静态电流一力特性以及固定位置下的力阶跃响应特性和力幅频、相频特性等。
1）静态位移一力特性曲线
比例电磁铁被固定在试验台的台架的支座上，当通入不同的恒定电流信号时，其衔铁会全部伸出（位于吸合区），而后直线步进电机间接带动力传感器下低速运行，与衔铁接触后停止，实现零位的标定。
在行程范围内，直线步进电机通过其伺服控制器实现低速连续往复运行，带动力传感器移动而间接改变比例电磁铁的衔铁位置。
同时，通过力传感器和位移传感器获得衔铁在不同位置的力、位移相对应的信号，经软件处理后获得不同的恒定电流下比例电磁铁的静态位移一力特性曲线。
2）静态电流一力特性
与静态位移一力特性测试方法类似，只是在零位标定后，调节直线步进电机，使直线步进电机不发生转动，以防止轴轴向移动，使得电磁铁的衔铁固定在行程内的某一位置下，在允许范围内，输入比例电磁铁连续的电流控制信号，通过力传感器监测到该位置下相应的力信号，从而可得到行程内某一位置下的静态电流一力特性曲线。
3）力阶跃响应特性
在行程内的某一固定位置下，当电磁铁通入阶跃电压信号时，由拉压力传感器监测可得到力阶跃响应特性。
4）力幅频和相频特性
在行程内的某一固定位置下，当电磁铁通入恒定幅值变频率正弦电流信号时，通过拉压力传感器监测的力幅值和相位信号与输入电流的幅值和相位信号相比较，可得到动态力幅频和相频特性。
3.测试系统的机械设计
3.1测试装置的机械设计
测试装置是整个测试系统核心组成部分，它的设计是否合理直接关乎测试数据是否准确，从而影响被测电磁铁的性能的测试。
测试装置的装配精确与否直接与测试装置的机械零部件的设计有关。
本小节的内容主要介绍测试装置中的机械零部件的机械设计。
3.1.1台架的设计
在整个测试装置中，台架起到安装固定位置的作用，如图3-1。
台架的设计是否合理直接影响整个测试实验的结果。
台架是固定被测电磁铁、各传感器和步进电机的一个机构，为各种元件的安装提供安装基准和载体，使各零件有机结合成为具有一定功能的机械结构整体。
同时台架底座又担当着保证整个测试台架的水平度、稳定度的角色。
1.被测电磁铁支架2.底座3、4.直线轴承座支架
图3-1测试装置台架
在测试过程中，台架的固定被测电磁铁支架所受的力最大，最大达到电磁铁的吸力。
被测电磁铁支架受力发生变形时，会使被测电磁铁推杆轴心与原定设计时的轴线方向形成一定的夹角，如果夹角过大则会影响被测电磁铁推杆与转接头的配合，从而影响测试装置的性能。
因此被测电磁支架（包括其他支架）的设计刚度和强度都要在机械设计标准的允许范围内，需要进行设计仿真。
（1）被测电磁铁支架加加强筋
根据被测电磁铁最大吸力63N，拟定被测电磁铁支架的最大受力100N，材料为Q235状
升级会员 