1、电机与拖动课程设计工作台往返循环电机拖动系统设计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支昊学生学号20110502114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成春2014年1月8日 摘要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
2、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1 绪论1.1 设计背景随着计算机技术、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
3、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1.3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。2 工作台往返循环电机拖动系统原理分析2
4、.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左右平移，并能实现手动和自动控制的一个系统。具体模型如图2-1所示。图2-12.2 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
5、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自动反复往返运动。 3 电动机的选择3.1 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式（3.1） 式（3.1）式中：表示等效负载转矩表示平移作用力表示工作台移动速度表示传动效率表示电动机角速度表示电动机的转速假设电动机的重力，移动速度，工作台与导轨之间的摩擦系数，电动机的转速n=1390r/min，传动效率。则平移作用力等效负载转矩3.2 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
6、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。在对起动、调速等性能没有特殊要求的情况下，优先选用三相笼型异步电动机。3.3电动机电压和转速的选择因为电动机的功率比较小，所以选用380V三相笼型异步电动机。对于额定功率相同的电动机额定转速高，电动机的重量轻、体积小、价格低、效率和功率因数（对三相异步电动机而言）比较高。若生产机械的转速比较低，电动机的额定转速比较高，则传动机构复杂、传动效率降低，增加了传动机构的成本和维修费用。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
7、额定转速为。3.4电动机工作制的选择因为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）。3.5电动机型号的选择Y系列电动机是全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机。Y系列电机具有高效、节能、起动转矩高、噪声小、可靠性高、寿命长等优点。安装尺寸和功率等级完全符合IEC标准。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为IC411。Y系列电机，额定电压为380V，额定频率为50Hz，3kW及以下为“Y”接法，4kW以上为“”接法。Y系列电动机效率高、
8、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型 号额定功率 额定电流 转速 效率 功率
9、因数 堵转转矩堵转电流最大转矩噪声振动速度 重量额定转矩额定电流额定转矩1级2级kWAr/min%COS倍倍倍dB(A)mm/skg同步转速 1500r/min 4 级Y80M1-40.551.5139073.00.762.46.02.356671.817Y80M2-40.752139074.50.762.36.02.356671.817Y90S-41.12.7140078.00.782.36.52.361671.825Y90L-41.53.7140079.00.792.36.52.362671.826额定转矩的计算公式 式（3.2）式中：表示额定转矩表示额定功率表示额定转速根据电动机的详细参
10、数计算得：表3-2不同型号对应的额定转矩型号 额定转矩（）Y80M1-43.78Y80M2-45.16Y90S-47.51Y90L-410.24因为负载转矩，所以选择Y80M2-4型号电动机。4电动机的校验4.1电动机的发热校验图4-1假设工作台匀速运动，由动能定理 （式41）式中 表示电动机启动的时间； 表示电动机的额定功率； 表示电动机的功率因数； 表示工作台的质量； 表示工作台的平移速度。可求得 恒定负载运行时，假设恒定负载运行,由等效功率校验法，等效功率由于，所以发热校验合格。4.2电动机的起动校验根据查表得Y80M2-4型电动机的起动转矩倍数、起动电流倍数起动转矩为起动转矩大于起动时
11、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小于电路保护的额定电流，起动电流满足起动条件4.3电动机的过载校验根据查表得Y80M2-4型电动机的最大转矩倍数电动机的最大转矩大于电动机的负载转矩，过载转矩符合过载要求。4.4电动机的长期运行校验因为,所以此电动机可以长期运行。5 系统电路图的设计5.1主电路的设计5.1.1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
12、的额定功率比较小，所以采用Y接法5.1.2主电路电路图图5-1 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。5.2控制电路设计5.2.1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
13、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。5.2.2控制电路电路图图5-2工作台往返循环电机拖动系统电路图图中：FU2表示控制回
14、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 SQ1-1、SQ-1表示限位开关常闭 SQ1-2、SQ2-2表示限位开关常开 SQ3-1、SQ4-1表示超限开关常闭 SQ3-2、SQ4-2表示超限开关常开 FR表示热继电器 按下电源开关QS，主电路和控制电路得电，此时按下正转开关SB1，电流经SQ1-1、SQ3-1、KM2辅助常闭开关、KM1电磁线圈，使继电器KM1闭合，则主电路通，电机M正转，KM1辅助常开开关闭合，和SQ1-1、SQ3-1、KM2辅助常闭开关、KM1线圈构成自锁电路，当工作台挡铁1从右向左碰到SQ1时
15、，SQ1-1由闭合变成断开，线圈KM1没有电流通过，继电器KM1断开；同时SQ1-2闭合，电流经过SQ2-1、SQ4-1、KM1辅助常闭开关、KM2线圈，使继电器KM2闭合，KM2辅助常开开关闭合和SQ2-1、SQ4-1、KM1辅助常闭开关、KM2线圈构成自锁回路，同时主电路另一条电路通道导通，由于电源三相U、V、W中的U相和W相位置互换，电动机反转制动，然后反向旋转，带动工作台从左向右运动。当工作台挡铁2从左向右碰到SQ2时，SQ2-1断开、继电器KM2断开、SQ2-2闭合、继电器KM1闭合，电机正转制动，并带动工作台从右向左运动，如此循环往复。若SQ1或者SQ2失去作用，工作台继续运动，此
16、时SQ3或SQ4将代替SQ1、SQ2的作用实现工作台自动往返循环运动。结论这次课程设计持续了两周的时间，我拿到的题目是工作台往返循环电机拖动系统设计。经过几天对课题的研究，网上查阅资料，课本的知识，和同课题的同学讨论。理解了工作台往返循环电路的基本运行过程，以及其应用的领域。总结来说，本课题实验电路的研究过程比较简易，通过实验报告册，让我更清晰的了解到本实验的基本。最困难的部分莫过于电机的选择，电机的校验。通过对电机与拖动的学习以及网上查询资料。对于电机的选择可以通过1.对负载转矩的预测量2.电动机类型的选择3.电动机的转速和电压的选择4.最终确定电动机的选择。然后进行的便是对所选电机的校验，
17、又通过几个步骤:1.电机的起动校验2.电机的过载校验3.电机的稳定运行校验4.电机的发热校验。通过这几个步骤，最终预选确定电动机的类型和型号。参考文献1 唐介. 电机与拖动（第二版）. ：高等教育， 2007.2 顾绳谷. 电机及拖动基础M2版. ：机械工业，2000.3 近芳. 大学物理学（第三版）上. ：邮电大学，2008.4 伯时. 电力拖动自动控制系统. ：机械工业，1992.5 王兆安. 电力电子技术. ：机械工业（第四版），2000.6 跃红. 机械工程的发展与展望J.中国新技术新产品,2009,157 天明著，电机与拖动，中国林业，2008.8 Y系列电动机型号大全.wenku.baidu./view/1b93c6ee81c758f5f61f674e.html.8 位置控制与自动往返控制线路.wenku.baidu./view/7563b80b6c85ec3a87c2c55d.html.
