【文章內(nèi)容簡介】 作溫度范圍較窄。結(jié)合上述的兩種特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)應(yīng)采用監(jiān)測動態(tài)性能很好的壓電式傳感器，它是由PLC公司生產(chǎn)的動態(tài)力傳感器。由于本設(shè)計(jì)所對應(yīng)的直線電機(jī)參數(shù)是可檢測的動態(tài)速度不小于100m/min；可檢測的最大推力為4000N，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，選擇型號為221B04系列的動態(tài)力傳感器。參數(shù)如表11所示：,；，足可滿足本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求。 . 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)劃測力儀已經(jīng)選定，對于測力儀如何安裝在機(jī)床上進(jìn)行動態(tài)測力這是關(guān)鍵。當(dāng)一個變化的力作用于測力儀的工作面時，從輸出的信號端我們可以看到一個變化的力。由于直線電機(jī)在工作時是在連續(xù)運(yùn)動的，我們不可能拿著測力儀進(jìn)行測力，那么測力儀的安裝就成了關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)初，想了兩種方案。（1） 用液壓控制，實(shí)現(xiàn)動態(tài)力的測量。測力儀直線電機(jī)液壓油缸數(shù)據(jù)線電腦（內(nèi)添加采集卡）臺架左端右端側(cè)端圖13圖13所體現(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是測力儀的右端與直線電機(jī)固定起來，左端與液壓油缸所連接。由于油缸具有一定的伸縮量，這樣在直線電機(jī)運(yùn)動的過程之中，處于中間狀態(tài)的測力儀即可時刻監(jiān)測電機(jī)的受力情況。液壓油缸可固定于臺架之上。由于次裝備只是用來試驗(yàn)，故要拆裝方面，由此以來，臺架可設(shè)計(jì)為移動試。試想在下面裝有輪子，在做實(shí)驗(yàn)時推過去，用地腳螺栓固定住，做完試驗(yàn)后在推走即可。如果臺架做成可升降式，則在試驗(yàn)的過程中可調(diào)節(jié)高度，適用于高度不同的各種直線電機(jī)。（2） 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)力的測量。圖14此方案采用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵之處是發(fā)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)，它是用日本orientalmotor公司生產(chǎn)的BX系列的無刷直流電機(jī)。次電機(jī)最大的特點(diǎn)就是除了能像普通電機(jī)一樣工作外，還能產(chǎn)生再生磁力，提供一個恒定的轉(zhuǎn)矩，比如在上下驅(qū)動時可控制均勻的速度。試想如果以次電機(jī)去提供一個恒定的轉(zhuǎn)矩通過機(jī)構(gòu)的變化使之變成一個恒定的阻力，在與測力儀連接的同時，即可得到電機(jī)從運(yùn)動到靜止時力的變化情況。如何將恒定的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ牧Γ⑶以谶@一過程中還可以實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動這一運(yùn)動方向的改變。如圖14所示：對于換向機(jī)構(gòu)，常用的有齒輪齒條機(jī)構(gòu)，斜齒輪機(jī)構(gòu)，及絲杠螺母機(jī)構(gòu)等。首先，斜齒輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)換向，但在此試驗(yàn)的測試中，要實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量，即在直線電機(jī)運(yùn)動的過程之中要時刻監(jiān)測到力的變化情況，斜齒輪顯然不能滿足要求。第二，齒輪齒條機(jī)構(gòu)，如果將齒輪與電機(jī)相連，齒條固定，電機(jī)提供了恒定的轉(zhuǎn)矩，齒輪與齒條嚙合滾動的同時又可進(jìn)行動態(tài)的測量。此方案，看似已經(jīng)滿足了要求，但仔細(xì)想一下還是存在許多問題：齒輪與電機(jī)相連，齒輪在滾動的同時電機(jī)也要運(yùn)動，那么對于電機(jī)的放置又存在了問題。如果齒輪與電機(jī)相連，齒輪固定，齒條運(yùn)動，在測試的過程中看似也能實(shí)現(xiàn)一動態(tài)測量，但也有很嚴(yán)重的問題：測力儀如何與齒條連接起來，齒條的剛度肯定不能承受所測的力的大小；由于齒條在運(yùn)動，所測的直線電機(jī)運(yùn)行的距離為2m左右，在電機(jī)運(yùn)動到端點(diǎn)時，則齒條會伸出很長一段距離，由于齒條不能彎折，伸出的長度如何處理又存在很多問題。如此看來，齒輪齒條換向機(jī)構(gòu)也不是很好的選擇。最后，看一下絲杠螺母機(jī)構(gòu)。如果將絲杠固定不動，轉(zhuǎn)動絲杠可以實(shí)現(xiàn)螺母的直線運(yùn)動。反之，如果推動螺母，也可以實(shí)現(xiàn)絲杠的轉(zhuǎn)動。試想，可以選定一種合適類型的絲杠，我們選用的測力儀信號尺寸很小，長度只有3cm左右，完全可以方便的裝到螺帽上。絲杠固定住，一端與電機(jī)相連，用電機(jī)提夠恒定的轉(zhuǎn)矩，通過絲杠與螺母的轉(zhuǎn)換，即可提供一個恒定的阻力。測力儀左端與螺母相連，右端與直線電機(jī)相連，即可實(shí)現(xiàn)一動態(tài)的測量。由于此電機(jī)的不能承受很大的軸向力，故加一齒輪箱，使軸向力不要直接作用與電機(jī)軸上。恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)與齒輪箱可固定于臺架上。同理，這個臺架也是可移動，也調(diào)節(jié)高度的臺架。（3） 比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn) 對于液壓控制方案，可實(shí)現(xiàn)動態(tài)的測量，但是不容易提供穩(wěn)定的阻力，液壓缸的伸長量也有一定限制。對于機(jī)構(gòu)控制方案，機(jī)構(gòu)簡單，使用安裝都非常方便，可以用簡單的方法解決問題，因此本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。 參數(shù)的計(jì)算 本直線電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)是最大速度不超過100m/s,最大推力為4000N。則對于絲杠螺母傳動，齒輪傳動首先要達(dá)到零件的性能要求，使零件在試驗(yàn)的過程中保持最小的變形，試驗(yàn)精度達(dá)到最高。初步估計(jì)，所要測試的剛度有絲杠的變形程度，齒輪的齒根彎曲強(qiáng)度與齒面接觸強(qiáng)度軸承的壽命計(jì)算等等，具體將在后面章節(jié)做詳細(xì)介紹。第2章 測力原理 直線電機(jī)的工作原理如圖21所示,直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展開成平面而成。 圖21 直線電機(jī)的轉(zhuǎn)變過程由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。在實(shí)際應(yīng)用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內(nèi)初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機(jī)可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級?？紤]到制造成本、運(yùn)行費(fèi)用，目前一般均采用短初級長次級。直線電動機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)相似。以直線感應(yīng)電動機(jī)為例：當(dāng)初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產(chǎn)生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產(chǎn)生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運(yùn)動；反之，則初級做直線運(yùn)動。 恒轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理本試驗(yàn)采用的電機(jī)為BX系列的無刷直流電機(jī)【11】，它可以提供恒定的轉(zhuǎn)矩,在上下驅(qū)動的場合也可以控制恒定的速度，同理，在此次試驗(yàn)中，我們只是將上下運(yùn)動的場合改為水平運(yùn)動用于提供一個恒定的阻力。 恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)的工作特性（1）廣泛的速度控制范圍均勻轉(zhuǎn)矩在30r/min～3000r/min廣泛的可變速度控制范圍內(nèi)、發(fā)揮低速至高速的均勻轉(zhuǎn)矩。通過更高的起動轉(zhuǎn)矩時可在起動、停止時，使用較大的轉(zhuǎn)矩。（2）卓越的速度穩(wěn)定性其速度變動率為177。%（對負(fù)載）時，實(shí)現(xiàn)了高精度的速度控制。此外，可在中高速時、大幅減低運(yùn)行的不均勻現(xiàn)象。（3）上下驅(qū)動時可控制速度使用帶電磁制動電動機(jī)進(jìn)行上下驅(qū)動（下降運(yùn)行）時，仍可穩(wěn)定的控制速度。也可以通過驅(qū)動器進(jìn)行自動控制電磁制動。請注意∶ 上下驅(qū)動時，產(chǎn)生再生能量。請務(wù)必使用另售的再生器。（4）系統(tǒng)升級套件可提升性能加上另售的系統(tǒng)升級套件并經(jīng)數(shù)字設(shè)定后，可大幅提高速度控制的功能與特性。擴(kuò)大速度控制范圍 3～3000r/min；改善速度變動率對溫度∶177。%（基本型∶177。%）；最多可設(shè)定8段速度數(shù)據(jù)（基本型∶2段）。圖22 系統(tǒng)升級套件樣板（5）轉(zhuǎn)矩限制功能使用系統(tǒng)升級套件，即可使用轉(zhuǎn)矩限制功能。對應(yīng)用途或使用狀況，轉(zhuǎn)矩限制功能可控制電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。圖23說明了它的使用情況。圖23（6）定位控制模式只需以系統(tǒng)升級套件設(shè)定數(shù)據(jù)，即可控制定位。?（500脈沖／1轉(zhuǎn)）節(jié)，最多可設(shè)定6點(diǎn)的定位數(shù)據(jù)，其中可設(shè)定至2點(diǎn)為連續(xù)運(yùn)行用。此外，也可以設(shè)定機(jī)械原點(diǎn)返回、電原點(diǎn)返回運(yùn)行。 恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖24所示：此電機(jī)的組成設(shè)備有電機(jī)，彈性聯(lián)軸器，驅(qū)動器，中繼電纜線，速度可設(shè)定變阻器，系統(tǒng)升級套件，再生器（由于上下驅(qū)動或大慣性的急劇起動時釋放出大量能量，此儀器起到一定散熱作用，在上述場合中使用時必須必備）。圖24系統(tǒng)構(gòu)成圖 速度控制規(guī)格速度控制規(guī)格分為基本型和系統(tǒng)升級時兩種類型。對于基本型，電機(jī)驅(qū)動器的基本組合產(chǎn)品在使用時適用產(chǎn)品。它的速度控制范圍為303000r/min(模擬信號設(shè)定)。緩慢起動、緩慢減速時間（3000r/min）所有速度數(shù)據(jù)通用，模擬信號（內(nèi)部緩慢起動緩慢減速時間設(shè)定器）～15s。轉(zhuǎn)速設(shè)定方法是由模擬信號設(shè)定，2段速度。轉(zhuǎn)速控制指令有兩種：內(nèi)部速度設(shè)定用可變電阻器（1個）；外部模擬信號設(shè)定外部速度設(shè)定用可變電阻器（20kΩ，1/4W）或外部直流電壓（DC0～5V、輸入阻抗15kΩ）。速度變動率針對的對象不同，變動率也不同。對負(fù)載速度變動率為177。%（3000r/min額定轉(zhuǎn)矩時）；對電壓的速度變動率為177。%（電源電壓輸入范圍3000r/min無負(fù)載時）；對于溫度的速度變動率為177。%（環(huán)境溫度0～＋50℃3000r/min無負(fù)載時）。在系統(tǒng)升級時，要使用適用于使用另售之系統(tǒng)升級套件(OPX1A)時的規(guī)格。(速度控制模式與定位控制模式通用)它的速度變化范圍在模擬信號設(shè)定時為303000r/min,在數(shù)字設(shè)定時以1r/min單位設(shè)定為3～3000r/min。緩慢起動、緩慢減速時間（3000r/min時）為兩種情況：一種為模擬信號（內(nèi)部緩慢起動緩慢減速時間設(shè)定器）～15s；一種為數(shù)字設(shè)定時0～30s（以1s單位設(shè)定）。轉(zhuǎn)速設(shè)定方法也有兩種：一種為模擬信號設(shè)定2段速度 ；一種為數(shù)字設(shè)定8段速。轉(zhuǎn)速控制指令有三種情況，分別為：數(shù)字設(shè)定（由系統(tǒng)升級套件進(jìn)行設(shè)定）；內(nèi)部速度設(shè)定用可變電阻器（1個）；外部模擬信號設(shè)定，外部速度設(shè)定用可變電阻器（20kΩ，1/4W）或外部直流電壓（DC0～5V、輸入阻抗15kΩ）。速度變動率同樣分三種情況，具體情況與基本型相同。 恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制功能這種功能是在系統(tǒng)升級時適用，因追加另售的系統(tǒng)升級套件(OPX1A)，可在速度控制模式與定位控制模式下，對電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定限制。對于轉(zhuǎn)矩限制指令可按以下條件、設(shè)定任何1種轉(zhuǎn)矩限制。數(shù)字統(tǒng)一設(shè)定∶對于全部數(shù)據(jù)設(shè)定統(tǒng)一的轉(zhuǎn)矩限制值。數(shù)字個別設(shè)定：8點(diǎn)數(shù)據(jù)分別設(shè)定不同的轉(zhuǎn)矩限制值。外部模擬信號統(tǒng)一設(shè)定∶外部速度設(shè)定用可變電阻器（20kΩ，1/4W）、或以外部直流電壓（DC0～5V）任意設(shè)定。 對全部數(shù)據(jù)設(shè)定統(tǒng)一的轉(zhuǎn)矩限制值。如將電動機(jī)的瞬間最大轉(zhuǎn)矩視為100%時，可以設(shè)定其范圍以下的轉(zhuǎn)矩限制值。轉(zhuǎn)矩限制范圍數(shù)字設(shè)定時∶1～100%（1%單位設(shè)定）；外部模擬信號設(shè)定時∶外部速度設(shè)定用可變電阻器（20kΩ，1/4W）、或以外部直流電壓（DC0～5V）1～100%設(shè)定。這時應(yīng)注意∶因設(shè)定速度或電源電壓電動機(jī)電纜線、延長距離等因素可能造成設(shè)定值與產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的最大誤差約為20%左右。但特別按同一條件的反應(yīng)精度約可達(dá)到10%左右。建議轉(zhuǎn)矩限制值設(shè)定在20%以上。 恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)的規(guī)格恒轉(zhuǎn)矩電機(jī)的規(guī)格可分為通用規(guī)格和一般規(guī)格。對于通用規(guī)格電動機(jī)絕緣等級為A種（105℃），控制方式為正弦波PWM方式。速度定位控制檢測方式為光學(xué)編碼器（500P/R），速度定位控制檢測方式是光學(xué)編碼器（500P/R）。輸入信號經(jīng)由光耦合器輸入方式， 內(nèi)藏電源＋15V即可工作，順時針方向運(yùn)轉(zhuǎn)（起動）、可作運(yùn)行數(shù)據(jù)選擇、電動機(jī)控制解除、制動或警報(bào)解除。其輸出信號為開路集電極輸出，～、運(yùn)行中（轉(zhuǎn)矩限制中），警報(bào)脈沖為40mA以下，速度輸出為20mA以下。保護(hù)功能有輸出警報(bào)信號，此時電動機(jī)會自然停止或帶電磁制動自動停止，還有過載保護(hù)、過壓保護(hù)、位置偏差過大保護(hù)、