高壓噴嘴性能檢測系統(tǒng)

1、高壓水除磷噴嘴性能參數(shù)自動測試裝置設(shè)計摘要隨著我國市場經(jīng)濟的發(fā)展和加入WTO，我國制造的鋼鐵產(chǎn)品要面對國際市場的激烈競爭。鋼材產(chǎn)品質(zhì)量主要受其尺寸和形狀精度、表面質(zhì)量和力學性能三個方面的影響。高壓水除磷系統(tǒng)主要通過高壓水除去鋼鐵表面的氧化膜，從而達到提高鋼鐵產(chǎn)品表面質(zhì)量的目的。 本文針對目前鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)中存在的表面質(zhì)量問題，提出了基于PLC控制的高壓水除磷噴嘴性能參數(shù)自動檢測的方案。選用S7-200和四個擴展模塊，結(jié)合伺服電機與觸摸屏，開發(fā)了高壓水噴嘴性能參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括工作臺運動控制部分和性能參數(shù)采集部分，工作臺運動控制部分實現(xiàn)了工作臺手動控制、自動控制以及工作臺歸零位程序的設(shè)計，性

2、能參數(shù)采集部分中包括對高壓水噴嘴性能參數(shù)的采集、存儲、讀取功能，通過這兩部分設(shè)計的結(jié)合，實現(xiàn)了對高壓水噴嘴參數(shù)的準確、快速的采集。該系統(tǒng)在控制工作平臺運動的基礎(chǔ)上完成了對噴嘴性能參數(shù)的采集，繪出了噴嘴壓力分布圖，從而能夠更好地提高鋼鐵除磷效果。關(guān)鍵詞高壓水除磷；PLC；伺服電機；參數(shù)采集High pressure water spray nozzle performance parameters phosphorus automatic test equipment design AbstractAlong with the development of the market economy

3、and joining WTO, China's manufacturing of steel products to face fierce competition in the international market. The quality of Steel product is made up of three facets: size and form precision, surface quality, dynam capability. High-pressure water through high pressure water system mainly phos

4、phorus steel surface to remove the oxide film, so as to improve the surface quality of steel products purposes. To solve the problem of the surface quality in steel product manufacture, the parameter detection system of muzzle based on PLC control is put forward. S7-200 and four optional expansion m

5、odules, combined with the servo motor and the touch screen, the development of high-pressure water nozzle performance parameter acquisition system. The Servo Motor and the data acquisition card of NI Company are used to design the system including two portions: workbench control design and parameter

6、 acquisition design. The design of workbench is composed three parts: manual control、auto control、back to initial position. The parameter acquisition, storage, read function constitute the capability parameter acquisition. The system implement the parameter acquisition precise and fleetly via the co

7、mbination of the two parts. The working platform motion control system based on the completion of the performance parameters of the acquisition of the nozzle, the nozzle pressure distribution plot, which can better improve the iron phosphorus removal. Keywords dephosphorize by high pressure water; P

8、LC; servo motor; param- -eter acquisition不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題背景11.2 課題研究意義及國內(nèi)外發(fā)展概況2 研究意義2 課題研究在國內(nèi)外的發(fā)展概況21.3 本課題的主要研究內(nèi)容4第2章 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計52.1 系統(tǒng)工作原理52.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計6 軟件的模塊劃分6 工作臺控制部分6 高壓水噴嘴參數(shù)采集部分62.3 本章小結(jié)7第3章 工作臺控制部分83.1 工作平臺簡述83.2 電機的選擇8 交流伺服電機簡介8 交流伺服電機的選擇原則與容量計算9 伺服電機容量選擇123.3 1FL

9、5交流伺服電機的特性143.4 工作臺控制系統(tǒng)的實現(xiàn)163.5 工作臺控制系統(tǒng)的實現(xiàn)16 控制系統(tǒng)工作原理16 控制系統(tǒng)完成的功能213.6 本章小結(jié)21第4章 高壓水噴嘴參數(shù)采集部分224.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基本概念224.2 數(shù)據(jù)采集24 數(shù)據(jù)采集方案的選擇24 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成24 系統(tǒng)軟件的簡介254.3 觸摸屏的設(shè)計264.4 噴嘴性能參數(shù)采集的實現(xiàn)27 電動調(diào)節(jié)閥開度控制和流量、壓力信號的采集27 二維平臺運動控制模塊28 繪制流量- 壓力曲線, 打擊力三維圖29 保存測試的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫304.5 本章小結(jié)30結(jié)論31致謝32參考文獻33附錄34千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行

10、不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行第1章 緒論1.1 課題背景 隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，并隨著我國進入WTO，我國生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅要面對國內(nèi)市場的激烈競爭，同時也要面對國際市場的激烈競爭，尤其鋼材產(chǎn)品要面對國際市場更加激烈的競爭。如何提高產(chǎn)品的內(nèi)在和外在質(zhì)量是擺在我們面前的一個迫切任務(wù)，只有不斷提高鋼材產(chǎn)品質(zhì)量，才能增加產(chǎn)品的競爭力，使我們的鋼材產(chǎn)品在市場上處于不敗之地。 鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量指標主要由尺寸和形狀精度、表面質(zhì)量、力學性能三個方面組成。而在國內(nèi)冶金行業(yè)的板材、型材、線材及棒材生產(chǎn)廠中，由于加熱爐內(nèi)產(chǎn)生的氧化鐵皮

11、及軋制過程中再生氧化鐵皮的大量存在，不僅極大的影響了產(chǎn)品的精度及內(nèi)外質(zhì)量，同時也加劇了對軋輥的磨損及周邊環(huán)境的污染；導致生產(chǎn)成本的加大，經(jīng)濟效益的降低。隨著控制技術(shù)的發(fā)展和煉鋼技術(shù)的改進，鋼鐵產(chǎn)品精度和力學性能得到很大的提高，因此如何更好地解決鋼鐵產(chǎn)品的表面質(zhì)量的問題擺在我們面前。鋼坯的高壓水除磷裝置正是在這種形勢下得到了快速應(yīng)用和發(fā)展。高壓水除磷的工作原理：主要利用高壓水的沖擊力，鋼管與水接觸時產(chǎn)生汽化的爆炸力，將磷片除去。 高壓水除磷的效應(yīng)： 1破裂效應(yīng) 鐵磷在高壓水產(chǎn)生的沖擊力作用下破裂脫落。 2冷卻效應(yīng) 高溫軋件在高壓水噴射作用下冷卻時，由于材料基體和鐵鱗冷卻收縮率不同而產(chǎn)生的切向剪力

12、使鐵鱗脫落基體。 3蒸汽效應(yīng) 軋件表面鐵鱗的裂縫中進入水滴，水滴在基體和鐵鱗之間突然汽化而爆炸，將鐵鱗從基體上剝落。 4沖刷效應(yīng) 已經(jīng)和將要脫落的鐵鱗在高壓水的沖刷下沖走，使鐵鱗不要進入軋輥而在軋件上。 以上四種效應(yīng)并不單獨存在，幾種效應(yīng)會同時發(fā)生，各種因素的除鱗效果難以分別用數(shù)衡量。一般在設(shè)計中以高壓水產(chǎn)生的沖擊力的大小作為衡量除鱗效果的好壞指標。 在國外，由于高壓水除磷裝置效果明顯、設(shè)備相對簡單，投資少，幾乎所有的鋼鐵產(chǎn)品熱軋生產(chǎn)中都采用了高壓水除磷裝置來去除氧化鐵皮，以提高熱軋產(chǎn)品的表面質(zhì)量。國內(nèi)近幾年，這項新興技術(shù)也得到了快速應(yīng)用和發(fā)展，如寶鋼、包鋼等大型鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)。 本文將虛擬儀器

13、技術(shù)應(yīng)用到高壓水除磷噴嘴性能參數(shù)檢測系統(tǒng)中，依靠虛擬儀器獨特的優(yōu)勢設(shè)計一套操作簡單、測量準確的檢測系統(tǒng)。為我國鋼鐵企業(yè)的除磷設(shè)備性能的提升以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高有較大的幫助。1.2 課題研究意義及國內(nèi)外發(fā)展概況1.2.1 研究意義在軋鋼生產(chǎn)過程中,板坯、方坯等在加熱爐中加熱都會發(fā)生氧化,并生成很厚的氧化鐵皮,附著在鋼鐵材料表面上。另外,鋼鐵在軋制過程中,還會發(fā)生二次氧化,形成薄薄的二次氧化鐵皮。在軋輥的輾壓作用下,一部分氧化鐵皮被破碎成小片狀自動脫落,另一部分則被壓入金屬表面,形成夾渣、麻點、疤痕等,成為影響軋材表面質(zhì)量的重要因素之一。為了改善成品質(zhì)量,目前在鋼鐵軋制中廣泛采用在線高壓水除磷系統(tǒng)。

14、高壓水除磷系統(tǒng)是利用高壓水噴出時產(chǎn)生的強大的沖刷力和冷卻力,由于軋材的基體材料和氧化鐵皮層的冷卻收縮率不同而產(chǎn)生的剪切力,又因高壓水水滲入基體材料和氧化鐵皮之間產(chǎn)生的蒸汽膨脹而爆裂,使氧化鐵皮破碎并與基體表面脫離,同時高壓水還可將氧化鐵皮沖掉。 高壓水除磷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是高壓水除磷噴嘴。研制一套高壓水除磷噴嘴的性能測試系統(tǒng),對國產(chǎn)以及進口的噴嘴進行特性測試,為生產(chǎn)選擇合適噴嘴、提高除磷效果和板坯質(zhì)量,具有十分重要的意義。1.2.2 課題研究在國內(nèi)外的發(fā)展概況近年來,國內(nèi)外一些研究人員對高壓水除磷噴嘴進行了大量的研究,結(jié)果表明,噴嘴的除磷效果和冷卻效果不僅僅與噴水條件有關(guān),還和噴嘴的種類、結(jié)構(gòu)以

15、及安裝布局有很大的關(guān)系；國內(nèi)外熱軋除磷普遍采用基于流體力學原理的高壓水去除一、二次氧化鐵皮，用高壓水的機械沖擊力除去氧化鐵皮是一種最為經(jīng)濟的除磷方式，形式上比較統(tǒng)一，但布置上有較大差異，主要是根據(jù)產(chǎn)品的軋制工藝、產(chǎn)品的形狀及產(chǎn)品標準的要求而確定；隨著軋制技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量的高要 求，對除磷技術(shù)和除磷效果的要求也在不斷提高，同時，近10多年來，射流技術(shù)在中國有了飛躍的發(fā)展，對高壓水除磷技術(shù)的發(fā)展也起了很大的推動作用，現(xiàn)在高壓水泵、噴嘴、噴射閥等設(shè)備及零部件的專業(yè)研究部門和生產(chǎn)廠已具備很強的配套能力，高壓水除磷的趨勢將始終向高壓力、大打擊力、鋼坯溫降小、節(jié)約能源及裝備低故障率高壽命的方向發(fā)展。

16、20世紀80年代美國國家儀器公司（National Instruments Company簡稱NI）首先提出了虛擬儀器的概念。這一概念的核心思想是：以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此在國際上把這類新型的儀器稱為“虛擬式儀器”或稱“軟件即儀器”。自20世紀80年代以來，NI 公司已研制和推出了多種總線系

17、統(tǒng)的虛擬式儀器，特別是它推出的LabVIEW圖形編程環(huán)境已享譽世界，成為這類新型儀器開發(fā)系統(tǒng)的世界生產(chǎn)大戶。在NI公司之后，美國惠普（HP）公司緊緊跟上。該公司推出HPVEE編程系統(tǒng)可以提供數(shù)十至數(shù)百種虛擬儀器的組建單元和整機，用戶可以用它組建或挑選自己所需的儀器。除此之外，世界上陸續(xù)有數(shù)百家公司，如Tektronix公司，Racal公司等也相繼推出了總線系統(tǒng)多達數(shù)百個品種的虛擬式儀器。作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù)，虛擬式儀器的研究、開發(fā)在國內(nèi)已經(jīng)過了起步階段。從90年代中期以來，國內(nèi)的重慶大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學、西安電子科技大學、成都電子科技大學、中科泛華電子科技公司等院校和高科技

18、公司，在研究和開發(fā)儀器產(chǎn)品和虛擬式儀器設(shè)計平臺以及引進消化NI公司、HP公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，取得了一批矚目的成果。虛擬儀器的出現(xiàn)和興起，改變了傳統(tǒng)儀器的概念、模式和結(jié)構(gòu)，改變了人們的儀器觀，據(jù)“世界儀表與自動化”雜志報道，21世紀初葉，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達到數(shù)千種，市場占有率將達到電測儀器的50%。這一預測對整個儀器儀表領(lǐng)域，不啻是一次強烈的震撼，使從事電測儀器科學技術(shù)研究與開發(fā)的科學家和工程師們都看清了虛擬式儀器對傳統(tǒng)儀器的巨大挑戰(zhàn)，認識到在本世紀虛擬式儀器將成為電測儀器的發(fā)展方向。虛擬儀器最核心的思想是利用計算機的強大資源使本來需要硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件華，以

19、便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。因此，虛擬儀器是受益和依賴于計算機技術(shù)。其外部特征與傳統(tǒng)的儀器相比有較大的不同，其中最突出的特點就是面板及相應(yīng)的控件和指示器等，不再是由一些無禮的實體所構(gòu)成，而是由計算機內(nèi)部強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能建立起來的虛擬面板所替代，人們稱之為“軟面板”；從內(nèi)部特征看，原來智能儀器中較為復雜的微處理器及其部件，現(xiàn)在大多可共享計算機內(nèi)部的軟、硬件資源，并借助其完善的數(shù)據(jù)分析和處理能力，實現(xiàn)測試儀器所需的全部測試功能。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，高壓水除磷技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，因此對整個系統(tǒng)噴嘴性能參數(shù)采集部分成為本系統(tǒng)的重點。對于整個系統(tǒng)的設(shè)計來說，這部分功能

20、是最為重要的，也是系統(tǒng)設(shè)計的最終目的。借助于PLC數(shù)據(jù)采集功能，通過對工作臺處于不同位置時對安裝在工作臺上的力傳感器的信號進行采集、分析，從而較為準確的得到高壓水噴嘴的性能參數(shù)。另外還添加了對所采集數(shù)據(jù)的存儲和讀取功能，以供以后分析使用。虛擬技術(shù)、計算機通訊技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)最重要的組成部分，它們被稱為21世紀科學技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬技術(shù)蘊涵的巨大潛力，使發(fā)達國家趨之若鶩，在這一領(lǐng)域的研究上投入了巨資，希望有朝一日能在它的帶動下率先進入信息時代。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容本課題的研究是：高壓水噴嘴壓力檢測采用固定于固定工作臺上的一排壓力傳感器,由兩軸伺服電機帶動噴嘴掃描一定的檢測

21、范圍，即可以檢測到噴嘴的壓力分布。 本課題主要內(nèi)容包括噴嘴試驗用小型X-Y工作臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算機控制與數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)研制。本研究主要內(nèi)容包括以下幾方面： 1、 確定高壓水噴嘴壓力檢測系統(tǒng)的總體方案，撰寫開題報告； 2、 設(shè)計并繪制高壓水模擬系統(tǒng)的原理示意圖； 3、 設(shè)計噴嘴壓力檢測X-Y工作臺機械結(jié)構(gòu)，包括伺服電機，滾珠絲 杠和導軌的選擇，繪制裝配總圖和零件圖； 4、 顯示噴嘴壓力分布狀態(tài)的觸摸屏程序設(shè)計； 5、 數(shù)據(jù)采集和兩路伺服電機控制電路設(shè)計。第2章 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計本課題的目的是研究開發(fā)出一套系統(tǒng)設(shè)備，用于采集、分析高壓水噴嘴性能參數(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過伺服電機對工作平臺進行控

22、制，通過對工作臺在不同位置時高壓水噴射在力傳感器上產(chǎn)生的信號進行采集、數(shù)據(jù)處理和顯示，從而確定噴嘴的壓力分布。2.1 系統(tǒng)工作原理 檢測系統(tǒng)硬件由伺服電機、力傳感器、流量計、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。對運動控制的最有效的方式是對運動源的控制，而電機是最常用的運動源，因此，可以通過對伺服電機的控制來是實現(xiàn)本系統(tǒng)工作臺的運動控制。交流伺服電機的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式、可分為同步交流伺服電機和感應(yīng)式交流伺服電機。同步交流伺服電機又分為永磁式同步交流伺服電機和勵磁式同步交流伺服電機?，F(xiàn)代自動監(jiān)測和自動控制都離不開傳感器，它是測試與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，它能把被測物理量直接轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的并容易檢

23、測的電信號輸出，以滿足信息的傳輸、記錄、顯示、分析、處理以及控制等要求。數(shù)據(jù)采集是檢測系統(tǒng)的核心部分，擔當著采集各種信號的任務(wù)，因此對數(shù)據(jù)采集方案的選擇在采樣精度和采樣率方面都有較高的要求。本系統(tǒng)采用的是基于S7-200 CN的數(shù)據(jù)采集方案。整個檢測系統(tǒng)由如下部分組成： （1）工作臺運動控制部分； （2）噴嘴性能參數(shù)采集部分； （3）用戶操作面板部分。根據(jù)檢測系統(tǒng)的工作要求，系統(tǒng)的總體布局如下圖2-1所示。由圖2-1可以看出系統(tǒng)的工作原理是通過PLC發(fā)出脈沖，經(jīng)過伺服電機驅(qū)動器將脈沖信號放大，然后驅(qū)動伺服電機運動到合適的位置，然后通過PLC采集流量計和高壓水噴射在力傳感器上產(chǎn)生的信號，通過A/

24、D轉(zhuǎn)換進行數(shù)字化。然后計算及通過軟件對信號進行顯示、存儲和處理。系統(tǒng)的整體構(gòu)架以及步進電機的控制程序和數(shù)據(jù)采集程序均使用VB軟件編寫，極大的縮短了軟件開發(fā)的周期。該系統(tǒng)具有使用方便、通用性好、功能擴展易實現(xiàn)等優(yōu)點，可根據(jù)用戶不同的需求增加不同的模塊。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計2.2.1 軟件的模塊劃分 系統(tǒng)軟件功能包括：工作臺控制部分、噴嘴性能參數(shù)采集部分、數(shù)據(jù)讀取部分和幫助功能。 對一個測試系統(tǒng)來說，軟件界面是其設(shè)計中最重要的一環(huán)。因為對于用戶，他們的任務(wù)只是單純的使用，并不需要領(lǐng)會整個軟件設(shè)計的設(shè)計思想以及功能如何實現(xiàn)。所以一個測試系統(tǒng)的成功與否與設(shè)計者能否設(shè)計出一個對使

25、用者來說更為方便、快捷的用戶界面有很大關(guān)系。界面的設(shè)計在滿足用戶需求功能的前提下應(yīng)盡可能的簡潔，有利于使用者的操作。2.2.2 工作臺控制部分 工作臺控制部分是本系統(tǒng)的重要組成部分。因為對于噴嘴參數(shù)的數(shù)據(jù)采集是一個動態(tài)的過程，需要工作臺運動到不同的位置。工作臺控制部分的設(shè)計主要應(yīng)用PLC和兩臺伺服電機，通過選用四個擴展模塊（兩個EM253，兩個EM235）配合S7-200使用來控制X、Y方向伺服電機運動，從而達到控制工作臺運動的功能。工作臺控制部分分為手動控制、自動控制和歸零控制三個部分。2.2.3 高壓水噴嘴參數(shù)采集部分 噴嘴參數(shù)采集部分是本系統(tǒng)的重點。對于整個系統(tǒng)的設(shè)計來說，這部分功能是最

26、為重要的，也是系統(tǒng)設(shè)計的最終目的。借助于基于S7-200 CN的數(shù)據(jù)采集方案，通過對工作臺處于不同位置時對安裝在工作臺上的力傳感器的信號進行采集、分析，從而較為準確的得到高壓水噴嘴的性能參數(shù)。另外還添加了對所采集數(shù)據(jù)的存儲和讀取功能，以供以后分析使用。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的組成和工作原理，并提出了系統(tǒng)總體的設(shè)計方案和工作臺控制部分的組成，同時針對整個系統(tǒng)軟件的功能進行了劃分，并且簡單介紹了系統(tǒng)軟件各個部分的主要功能。第3章 工作臺控制部分3.1 工作平臺簡述 由于高壓水噴嘴噴射出來的高壓水面積有限，大概是100mm*3mm 的面積，所以要求裝載噴嘴的工作平臺是一個運動的平臺，能夠

27、在蓄能器能量恒壓得這段時間內(nèi)完成規(guī)定的運動軌跡并且完成參數(shù)采集工作。考慮到本裝置需要檢測的高壓水寬度是一個很精確的數(shù)據(jù)，根據(jù)步進電機的快速起停能力以及精度高的特點，因此我們選用步進電機作為工作臺的控制裝置；在工作臺運動時，噴嘴距離工作臺的距離是不變的，因此在設(shè)計本系統(tǒng)是只需要對工作臺平面運動進行控制，即工作臺X、Y方向運動控制如圖3-1所示?？刂葡到y(tǒng)需要分別對應(yīng)于X、Y方向控制的兩臺步進電機。圖3-1 工作臺示意圖3.2 電機的選擇3.2.1 交流伺服電機簡介 交流伺服電機的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式、可分為同步交流伺服電機和感應(yīng)式交流伺服電機。同步交流伺服電機又分為永磁式同步交流伺服電機和勵磁式

28、同步交流伺服電機。永磁式同步交流伺服電機根據(jù)其磁極的結(jié)構(gòu)，可分為凸極型和隱極型兩種；感應(yīng)式交流伺服電機又分為一相、二相、三相等幾種；圖3-2所示為交流伺服電機的結(jié)構(gòu)示意圖，用做伺服電機的主要是永磁式同步交流伺服電機和感應(yīng)式交流伺服電機。永磁式同步交流伺服電機的結(jié)構(gòu)特點是，轉(zhuǎn)子用永磁材料制成，構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁極，定子與感應(yīng)式交流電動機一樣裝有繞組，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極的相互作用，轉(zhuǎn)子以和旋轉(zhuǎn)磁場相同的旋轉(zhuǎn)速度同步旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)式交流伺服電機結(jié)構(gòu)和普通鼠籠感應(yīng)電動機相同。圖3-2 交流伺服電機結(jié)構(gòu)示意圖3.2.2 交流伺服電機的選擇原則與容量計算 伺服電機主要用于位置和速度控制系統(tǒng)中，其動

29、力選擇除了考慮電機的功率與扭矩參數(shù)外，還要考慮系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量匹配問題，一般選擇伺服主要從下面四個方面考慮： (1) 負荷轉(zhuǎn)矩； (2) 負載轉(zhuǎn)動慣量； (3) 加速/減速時間； (4) 運行模式。1. 交流伺服電機的選擇原則及計算公式 (1)電機的最高轉(zhuǎn)速 電機選擇首先依據(jù)機床等被驅(qū)動部件的快速行程速度。快速行程的電機轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 (2)轉(zhuǎn)動慣量匹配原則 負載慣量對電機的控制特性和快速移動的加/減速時間有很大的影響。負載慣量增加時，計算機發(fā)出指令到伺服電機執(zhí)行完畢之間的時間就長，即指令變化后，需要較長的時間達到新指令指定的速度。若機床沿著兩個軸高速運動加工圓弧等曲線，會

30、造成較大的加工誤差。若負載慣量為電機的3倍以上，則電機的控制特性就會降低，若為5倍以上則電機的可操控性大大下降；反之，負載慣量若小于或等于電機的慣量時，則不會出現(xiàn)上述問題。為了保證系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏性和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，負載慣量應(yīng)限制在2.55倍的電機慣量之內(nèi)，即： （3-1） (3)空載轉(zhuǎn)矩 機床等設(shè)備無負載運行時，加在電動機上的力矩應(yīng)小于電動機的連續(xù)額定力矩的50%以下。否則，在切削或加減/速時電動機就可能過熱。 (4)負載轉(zhuǎn)矩 在正常工作狀態(tài)下，負載轉(zhuǎn)矩不超過電機額定轉(zhuǎn)矩的8090%。根據(jù)系統(tǒng)的減速比，電機軸的負載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，按下式選擇電機功率： （3-2）式中： ：對電機軸換算的負載轉(zhuǎn)

31、矩()； ：伺服電機額定轉(zhuǎn)速()； ：傳動系統(tǒng)的總效率。 (5)核算加速/減速時間 對初選電機根據(jù)機械系統(tǒng)的要求，加減速時間，必須小于機械系統(tǒng)要求值。通常，負載力矩能夠幫助電動機的減速，因此，如果加速能在允許時間內(nèi)完成的話，減速也可在相同的時間內(nèi)完成，因此只需核算加速時間或轉(zhuǎn)矩即可。加速/減速時間及轉(zhuǎn)矩計算公式如下： 最短加速/減速時間： （3-3） 加速/減速轉(zhuǎn)矩： （3-4）式中： ：加速/減速時間()； ：伺服電機慣性矩()； ：對電機軸換算的負載慣性矩()； ：對電機軸換算的負載轉(zhuǎn)矩()； ：加速/減速轉(zhuǎn)矩()； ：最高轉(zhuǎn)速()； ：加速初始啟動轉(zhuǎn)速或減速終止轉(zhuǎn)速()。 若大于初選電機

32、的額定轉(zhuǎn)矩，但小于電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩（510 倍額定轉(zhuǎn)矩），也可以認為電機初選合適。圖3-3 典型的伺服電機定位控制工作方式 (6)不同工作方式時的熱校核計算 當電機工作在頻繁地定位、加/減速頻繁以及負載波動工作情況時會使電動機發(fā)熱，所以要計算一個工作周期的負載力矩的均方根值，并使其小于電動機的額定力矩。例如當采用圖3-3所示的工作方式時， 一個循環(huán)周期的負載力矩的均方根值計算公式為： （3-5）式中： ，：為起動時間()和加速轉(zhuǎn)矩()； ，：為正常運行時間()和負載轉(zhuǎn)矩()； ，：為減速時間()和減速轉(zhuǎn)矩()； ：為停歇時間()。當，即實際轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，則可以按指定的運行模式連續(xù)運行。2

33、. 伺服電機容量選擇的步驟 伺服電機容量選擇的步驟如圖3-4所示。值得說明的一點是，對于圖中“重新審定機械規(guī)格”，即當時，需重新審查以下項目： 在允許范圍內(nèi)，將加速/減速時間加長一些；1. 延長運轉(zhuǎn)頻率(增加循環(huán)時間長度)；2. 當旋轉(zhuǎn)速度有余量時，加大減速比；3. 加大電機容量；4. 當升降機械停止時間長時，加機械制動；5. 在高頻率運行時，盡量加大減速比，減小慣性矩。圖3-4 伺服電機容量選擇流程圖3.2.3 伺服電機容量選擇圖3-5 伺服電機驅(qū)動工作臺示意圖 為了方便計算，選擇兩絲杠中受力最大的作為計算對象，并將本設(shè)計伺服電機驅(qū)動工作臺簡化為如圖3-5所示的工作臺，其中，絲杠螺距 p=1

34、0mm，輸送重量W=20 kg，推力0 kg(無)，試選擇伺服電機的容量。1 最大移動速度v由于采用直接傳動，減速比i=1，當選擇電機的額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min時，工作臺的最大移動速度為： （3-6）2 負載慣性矩 首先計算絲杠折算到電機軸的負載慣性矩，假定絲杠直徑d=20、長度為l=500 mm，有: （3-7） 根據(jù)以上計算公式，移動部分折算到電機軸的負載慣性矩為: （3-8）于是，總慣性矩 為： （3-9）3 換算到電機軸端的負載轉(zhuǎn)矩假定工作臺導軌移動摩擦系數(shù)=0.1，機械效率=0.9，對電機換算的負載轉(zhuǎn)矩為:（3-10）4 電機容量預選 （3-11） （3-12） 假設(shè)選電機轉(zhuǎn)速為3000 r/min （3-13） 查表25-2-61，可得到符合選擇條件的1FL5 ()5 最短加速/減速時間 （3-14） 若工作時加減速時間為0.08s