电动控制器的设计

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1、图书分类号：密 级：毕业设计(论文)电动控制器的设计THE DESIGN OF ELECTRIC CONTROLLER 学生姓名学院名称专业名称指导教师20*年5月27日 徐州工程学院毕业设计(论文)摘要这篇课程设计的论文主要阐述的是一套系统的关于阀门的电动控制器的设计，这是实现对开环系统中的阀门的开关闭合的控制实现阀门自控，程控和遥控不可缺少的驱动设备。本文借鉴国内外阀门电动执行机构及其控制器的有效的成功经验,在此基础上，遵循“安全、可靠、简便、先进”的设计原则。在论文中，首先，根据要求对该系统提出了传动系统的方案设计，接着通过查阅资料确定选用电动机的型号，接着对主要参数进行分析计算选择确定

2、合适的传动部件。然后对其结构粗设计，接着就按设计准则和设计理论进行尺寸的计算和校核。最后是对电气控制部分的电路设计。由于阀门的应用非常广泛，手工机械调节的方式在许多场合已不再适用。本设计能够在较安全的情况下工作，而且效率提高几倍，故设计阀门电动控制器具有实际意义。电动控制器是工业过程控制系统中一个十分重要的现场驱动装置 ，有体积小、接线方便、精度高、操作简单、智能化的优点, 是一种经济实用的产品, 具有广阔的市场开发前景。关键词 阀门；联轴器；电动控制器；蜗轮蜗杆减速器；PLCAbstract This article mainly elaborates the course design o

3、f the paper was a system about elctric controller of valve.This is an indispensable drive device to achieve the self-control and remote control valve of an open loop. In the paper, i use the success of valve actuators controller from home and abroad as an reference.On this basis ,followed by the rul

4、es ofsafe 、reliable、simple、advanced.Firstly, upon request made to the system,i came up with the idea of transmission system design, followed by access to information used to determine the motor type, and then calculatethe main parameters are analysis to determine the appropriate transmission compone

5、nts selected. Then rough design of its structure, then according to the design criteria for the size and design theory calculation and verification. The last part of the design is about electric control. As the valve is widely used, manual mechanical adjustment of the way in many cases no longer app

6、ly, the design can work under safer conditions, and efficiency many times, so the design of electric valve controller has practical significance. Motor controllers for industrial process control system a very important field drive, a compactand easy to wire, high precision, simple operation, the adv

7、antages of intelligence, isan economical and practical products, and has broad market prospects of development. Keywords valve coupling electric controller worm reducer PLCI徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论12 传动装置总体设计22.1 传动机构整体设计23 电动机的选择及传动比33.1 电动机类型的选择33.2 电动机功率选择33.3 传动比的分配34传动零件的设计计算44.1选择蜗轮蜗

8、杆材料及精度等级44.2初选几何参数44.3 计算和校核44.4 按齿面接触疲劳强度设计64.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与尺寸74.6 校核齿根弯曲疲劳强度85 输出轴的设计95.1选择轴的材料和确定许用应力95.2 按扭转强度估算轴径95.3 设计轴的结构并绘制结构草图96 滚动轴承的选择及校核计算156.1滚动轴承的选型原则156.2 主传动轴上轴承的选择计算156.3 蜗杆两端轴承的选择计算166.4 电机转子轴承的选择177 联轴器的选择和计算188离合器的选择和计算199 减速器的润滑与密封以及箱体的设计209.1润滑方式209.2密封209.3控制器箱体的结构设计2110 电动控制器

9、控制系统部分的设计2310.1引言2310.2 控制系统总体方案的设计2410.3 正反转换向控制电路2510.4 反馈装置的选择2710.4.1 编码器的选择2810.4.2编码器的安装使用3010.4.3 PLC的选择3110.4.4 PLC程序编写3110.4.5 操作说明32结论34致谢35参考文献36谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载此设计说明书（不包含CAD图纸）。我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书（附带：外文翻译）和CAD图纸。需要压缩包的朋友联系QQ客服1：1459919609或QQ客服2：1969043202。需要其他设计题目直接联系！ 61 绪论 在阀门

10、的各个类型中，自动控制调节阀所占比例最大，将近占市场总份额的20%以上，随着工业自动化的发展，传统的手工机械调节的方式在许多场合已不再适用。但阀门电动控制器的主要传动机构的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点。由于在传动的理论上、工艺水平和材料品质方面没有突破，因此，没能从根本上解决传递功率大、传动比大、体积小、重量轻、机械效率高等这些基本要求。独立控制器的主要优点是在维修控制器时不需要拆卸阀门。缺点是其阀门总高度高于其他结构。国外电动控制器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方

11、面占据优势，工作可靠性好，使用寿命长。但其传动机构形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。电气控制部分的反馈装置的方法大多数以限位机构来实现的，精度不高。当今的减速器是向着大功率、大传动比、小体积、高机械效率，智能化以及使用寿命长的方向发展。本设计可主要分为两个大方面的设计，第一为机械传动部分的设计，第二为电动控制部分的设计。设计主要针对传动机构的运动，PLC自动控制程序以及编码器的反馈应用与设计。为了达到要求的运动精度和生产率，必须要求传动系统具有一定的传动精度并且各传动元件之间应满足一定的关系，以实现各零部件的协调动作。该设计均采用新国标，运用模块化设计，设计内容包括传动件的

12、设计，执行机构的设计及设备零件等的设计。2 传动装置总体设计2.1 传动机构整体设计本设计所研究的电动控制器，是对开环控制系统中最终控制元件（如阀门）的运行进行控制的一种装置，使用于对截止阀、闸阀、节流阀、水阀等的控制。主要在开和关位置上操作。考虑到电动控制器结构的特殊性，通过查阅大量资料后，我初步决定选用蜗轮、蜗杆传动作为电动控制器的减速机构，因为它可以用于交错轴间传递运动及动力。而且传动比大，工作平稳，结构紧凑。图2.1.1传动装置总体结构图本设计主要展开传动部分、控制部分以及布局。设计在此我将电动控制器的设计计算部分分为机械传动部分（电动机，减速器，连接部分）和控制系统部分，首先是机械部

13、分的设计计算。3 电动机的选择及传动比3.1 电动机类型的选择电动机已经标准化、系列化，应按照工作机的要求，根据选择的传动方案，选择电动机的类型、容量和转速，并在产品目录中查出其型号。因为是短时工作且供电电源是：380V 50HZ,按工作要求和条件，选择全封闭自散冷式笼型三相异步电动机，电压380，型号选择Y系列三相异步电动机。3.2 电动机功率选择电动机的功率选择直接影响到电动机工作性能和经济性能的好坏。如果所选电动机的功率小于工作要求的话，则不能保证工作机正常工作，使电动机经常过载而提前损坏；如果所选电动机的功率过大，则电动机经常不能满载运行，功率因素和效率较低，从而增加电能消耗，造成浪费

14、。因此在设计中一定要选择合适的电动机的功率。根据设计要求可知：输出转矩T=50N*M，蜗轮转速n=48r/min由T=9550*P/n 代入数据：50=9550*P/48 可得工作机的功率P=0.25kw查阅机械设计手册中机械传动效率可知：双头蜗杆蜗轮的传动效率为=0.75，轴承的传动效率 =0.99，联轴器的传动效率 =0.99所以传动系统总效率=* =0.75*0.99*0.99*0.97 =0.713022则电动机功率 P1=P / =0.25/0.713022 =0.35kw查阅资料，初选电机型号为阀门专用单相电机YJC4/370其额定功率为0.37Kw,额定转速 =1190r/min

15、3.3 传动比的分配所选电动机额定功率为0.37Kw,额定转速 =1190r/min 所以传动比 I=n/ =1190/48=24.8 因选用的是单级涡轮蜗杆减速，所以取取蜗轮蜗杆传动比为24.8 （单级减速器合理）查阅机械设计手册，取I=254传动零件的设计计算4.1选择蜗轮蜗杆材料及精度等级蜗杆：由于蜗杆转速较高、环境温度高，但功率不大，故选用蜗杆材料为45钢表面淬火，硬度HRC。蜗轮：采用抗胶合性能好的铸锡青铜。ZCnSnPb5Zn5砂型铸造，精度为GB10089-88 8级。4.2初选几何参数查阅机械设计手册，取I=25当公称传动比I值为25时，取蜗杆头数=2则蜗轮齿数=*I=25*2

16、=50 查阅实用机械设计手册初选。环境温度系数=1.87。小时载荷率系数=0.57（先计算得Jc=25%）。啮合质量系数=1。综上，载荷系数载荷系数1.17。4.3 计算和校核查阅机械设计手册图12-1 查得=0.85。以估算的蜗轮圆周速度,确定采用浸油润滑，查得润滑速度影响系数=0.87=123 =1230.850.87=90.958按闭式传动接触强度计算 = =8.6查表122得，初选4，40， 10 200 a= ( d1 +d2 )/2=120取标准中心距 125查表124得 则 514204 0.530.53 所以取 31由表122，123得查得 10 校核 88.9990.958蜗

17、轮轮齿弯曲强度计算 4 =20 蜗杆轴挠度验算 轴承惯性矩 125600 0.004m=0.016 蜗杆轴挠度 4.6 温度计算 传动效率计算 2.53m/s查表1212得 得当量摩擦角 0.97 =0.97 =0.84散热表面积计算 A90。729箱体工作温度 20 28.8296润滑油粘度核润滑的方法 润滑油粘度 根据2.53m/s 查阅机械设计由表137选取 320 润滑方法 由表137可以采用浸油润滑圆柱蜗杆蜗轮基本尺寸： 取齿顶高m=4 径向间隙c=0.2m=0.8 蜗杆轴向齿距3.144=12.56 蜗杆导程 =3.1442=25.12 蜗杆齿顶直径=4.8 蜗杆齿根圆直径=30.

18、4蜗杆节圆直径=46齿宽=57.69基圆直径=19.5 蜗轮喉圆直径=214 蜗轮齿根圆直径=196.4 外径=218 咽喉母圆半径=13节圆直径=200齿宽角=101.61 以上为蜗轮蜗杆的设计计算，下面进入输出轴部分的设计4.4 按齿面接触疲劳强度设计传动中心距：（1） 蜗杆上的转矩T2=9.55106P2/n2=9.551063.22/54.61=563100 Nmm（2） 载荷系数K：因为工作时轻微振动，故查表11-5知载荷分布不均匀系数为=1，=1.15，由于转速不高，冲击不大，动载系数=1.05故K=1.15*1*1.05=1.21（3） 弹性影响系数铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配，故

19、=160（4） 接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值=0.3，查图11-18可查得=3.1（5） 许用接触应力蜗轮材料：铸锡磷青铜ZCuSn10P1。金属模铸造。蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,表11-7知涡轮的基本许用应力=268Mpa应力循环系数：=60*1*54.61*10*300*16=寿命系数： =0.7088则=0.7088x268=189.96Mpa（6）、计算中心距a=166.854mm取中心距a=200mm,因=2，故从机械设计第八版表11-2中取模数m=6.3,蜗杆分度圆直径=63mm，这时=0.315，从机械设计第八版表11-18中可查的接触系数,因此以上计算结果

20、都可以用。4.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与尺寸蜗杆：轴向齿距 =19.782mm直径系数 =10齿顶圆直径 75.6mm齿根圆直径 47.88mm分度圆导程角=111836 蜗杆轴向齿厚9.891mm蜗轮：蜗轮齿数=53变位系数+0.246验算传动比：i= = =26.5传动比误差为%=0.5%5%,满足条件允许蜗轮分度圆直径=333.9mm蜗轮喉圆直径 349.5996mm 蜗轮齿根圆直径 321.2244mm蜗轮咽喉母圆半径=25.2112mm4.6 校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数： =56.21 根据=0.246，56.21。从机械设计第八版图11-1中可查的齿形系数=2.2。螺旋角系数：

21、=0.9192许用变应力：从机械设计第八版表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用应力为=56Mpa。寿命系数：=0.570 =56X0.570Mpa=31.92Mpa =15.907Mpa0.8因此不用重算。5 输出轴的设计5.1选择轴的材料和确定许用应力考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。所以对其材料没有特殊的要求，所以选用45钢，并对其进行调质处理。图5-1 输出轴 查表可得=650，=360。5.2 按扭转强度估算轴径因轴上作用力以及轴承位置尚未确定，轴上的 支反力以及弯矩无法求得，所以按转矩来计算，但是许用扭转应力予以降低，以此降低弯矩

22、的 影响。查表162可得 轴强度计算公式的 系数C106118（106118）18.420.5 考虑到轴的最小直径处还需要安装离合器，会有键槽存在，所以将估算直径加大到37%,所以取为18.921.9由机械设计手册得，取标准值225.3 设计轴的结构并绘制结构草图（1）确定轴上零件的 位置和固定方式由题意可得，蜗轮应该布置在箱体内部中央，蜗轮上端安装离合器，轴的最上端安装轴承，还要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的 拆装顺序和固定方式。为此确定蜗轮从轴的的 上端装入，蜗轮的上端用套筒固定，轴承在加上套筒的 基础上再采用过盈配合（2）确定各轴段的直径a.支承采用单列向心球轴承206（GB27

23、682），取右端轴颈直径为22，中间再加上垫块，同时过盈配合。b.为了 便于拆装离合器和不 损伤右端轴颈表面，安装离合器的轴段直径为24。c.在轴上安装蜗轮的 轴度直径为26。d.在最后传动链取轴段直径为28。（3）确定各个轴段的长度1、已知计算可得蜗轮宽度312、为了保证蜗轮固定可靠轴段的长度应该长于蜗轮宽度，所以取为50，蜗轮端面于箱体内壁之间应该保证一定的间距，所以轴长度应该取为32。轴长度为303、右端轴颈长度取为36。4、查阅机械手册表143，可以取肩自由表面的 过渡圆角半径为1，离合器于轴同导向平键连接。键槽宽度8。槽深4，槽长应该小于离合器的轮驳宽度，取18。画出轴的 受力图:a

24、 示意图：图5-2b 结构图：图5-3c 垂直面受力图：图5-4d 垂直弯矩图：图5-5e 水平面受力图：图5-6计算蜗轮受力：蜗轮受力转矩为 =500NM=5圆周力 500N 径向力 182N轴向力 106.5N=27所以 法向力 543.5计算支承反力和绘制弯矩图以及扭矩图：1 垂直面内支撑点反力为：250N 250N2 计算-处的弯矩250N=21250 计算-处的弯矩250N=212503 水平平面的支撑点A的支反力 28.4 =153.6水平面内剖面处的 弯矩13056106502406N 13056N水平面内剖面-处的 弯矩241428121065010250N作弯矩图如下：图5-

25、7合成弯矩计算： 截面：= -截面:= 作合成弯矩图如下：图5-84 转矩图： N图5-9 许用应力 查表163 MTa MTa 应力校正系数 0.59 当量转矩 M 当量弯矩： 截面： -截面: 当量弯矩图：图5-10校核轴颈：最细轴的直径 为22 所以综上所述：设计的轴有足够的强度，并有一定的余量6 滚动轴承的选择及校核计算6.1滚动轴承的选型原则（1）载荷条件轴承承受载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。载荷较大时应该选用线接触的滚子轴承；受纯轴向载荷时通常选用推力轴承；主要承受径向载荷时应该选用深沟球轴承；同时承受径向和轴向载荷时应该选用角接触轴承；当轴向载荷比径向载荷大很多

26、时，常用推力轴承和深沟轴承的 组合结构；承受冲击载荷时宜选用滚子轴承。应该注意推力轴承不能承受径向载荷，圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷。（2）转速条件选择轴承类型时应该注意其的允许极限转速。当转速较高而且旋转精度较高时，应该选用球轴承；当工作转速较高，但是轴向载荷不大时，可以采用角接触球轴承或者深沟球轴承；为减小滚动体施加于外圈滚动的 离心力，应该选用外径和滚动体直径较小的轴承；若工作转速超过轴承的极限转速，可以通过提高轴承的公差等级，适当加大其径向游隙等措施来满足要求！（3）装调性能3类（圆锥滚子轴承）和圈N类（圆柱滚子轴承）的内外可以分离，便于装拆。为方便安装在长轴上轴承的 拆装和紧固，可以

27、选用带内锥孔和紧固套的 轴承。（4）调心性能 轴承内外圈轴线间的 偏位角应该控制在极限值之内，否则会增加轴承 的附加载荷而降低其寿命。对于刚度差或安装精度较差的轴承系，宜选用调心轴承，如类（调心球轴承）、类（调心滚子轴承）等等。（5）经济性在满足使用性能要求的 情况下优先选用价格低廉的 轴承，一般球轴承的 价格低于滚子轴承，轴承的 精度越高价格就越高。在同精度的 轴承中，深沟球轴承的 价格最低。同型号不同公差等级的 轴承价格比有以下关系： 。 另外选用高精度的 轴承时应该进行性能价格比的分析。6.2 主传动轴上轴承的选择计算转速48，由前面的 计算可以知道，轴颈直径24， 径向载荷， 轴向载荷

28、要求寿命 取为6000，工作温度60（1） 考虑到我所设计的 控制器的 特殊结构，初选6208型轴承。查阅机械设计手册表1518额定动载荷，额定静载荷极限转速9500（脂润滑）。（2）按额定动载荷计算： （球轴承） 由 查表1518得 查表15-11 得 取 0.561822.0106.5 =315N （3）按额定静载荷校核: 查表1513得 取 由 查表1518得 时， 得 所以满条件。（4）按极限转速校核： 由 查图155得 查图得 所以满足条件。6.3 蜗杆两端轴承的选择计算蜗杆轴颈直径，mm;转速，径向载荷,轴向载荷,使用寿命，工作温度（2060），初选6204型， 6202型，计算校

29、核同上。 经过校核，满足条件要求. 6.4 电机转子轴承的选择根据电机的特性，型号选为6206 计算校核同上。 经过校核，满足条件要求. 7 联轴器的选择和计算联轴器是传动装置的连接用，在选定联轴器的类型时，主要考虑其使用要求和工作条件，联轴器的承载能力、缓冲和减振性能应与工作转矩的大小和载荷的性质（冲击、振动）相适应。其最高转速应满足工作转速的要求。此外，工作转速高时，还应考虑所选联轴器外缘的离心应力或弹性元件的变形及联轴器的动平衡精度。联轴器所具有的补偿两轴相对位移的能力，包括能补偿两轴由受载和温升产生的变形和部件间的相对位移以及因联轴器自身制造和安装误差引起的两轴相对位移。从安装、调整和

30、维修方面考虑，联轴器和结构外形尺寸应能适应给定的操作空间。对大型设备和不便检修的场合，还应能在不需轴向移动的情况下装拆联轴器或更换易损件。 此外，选择联轴器时还应考虑联接的可靠性，工作环境、使用寿命、润滑和密封以及成本等方面的要求。目前，常用的联轴器都已经标准化或规格化了，在一般的情况下，选定联轴器的类型后，可按转矩、轴径和转速等条件确定标准联轴器的型号和主要尺寸。必要时应对联轴器中易损的薄弱环节进行承载能力等的校核计算。 选择或校核时的主要依据是联轴器实际所需传递的转矩，由于各种机械的转矩变化规律常较复杂，不易精确确定，通常可按计算转矩来选择或校核。-联轴器传递的理论转矩-联轴器的工作情况系

31、数查阅简明机械设计手册 表17-2，取K=1.3，所以 = 查表17-1，选用凸缘联轴器。其图如下：图7-1 联轴器示意图8离合器的选择和计算 离合器是用来联接两轴，但是可以在机器运转过程中随时进行接合或分离。离合器按其工作原理可分为牙嵌式、摩擦式和电磁式三类；按控制方式可分为操纵式和自动式两类；操纵式离合器需要借助于人力或动力（如液压、气压、电磁等）进行操纵；自动式离合器不需要外来操纵，可在一定条件下实现自动分离和接合。对于已标准化的离合器，其选择步骤和计算方法与联轴器相同。对于非标准化或不按标准制造的离合器，可先根据工作情况选择类型，在进行具体的设计计算，具体的计算方法及计算内容可查阅有关

32、资料。本次设计所选用的离合器为牙嵌式离合器，它由两个端面带牙的半离合器组成，从动半离合器用导向平键与轴联接，另一半离合器用平键与轴联接，对中环用来使两轴对中，滑环可操纵离合器的分离或接合。牙嵌式离合器的常用牙型有矩形、梯形和锯齿形等。矩形齿接合、分离困难，牙的强度低，磨损后无法补偿，仅用于静止状态的手动接合；梯形齿牙根强度高，接合容易，且能自动补偿牙的磨损与间隙，因此应用较广；锯齿形牙根强度高，可传递较大转矩，但只能单向工作。为减小齿间冲击、延长齿的寿命，牙嵌式离合器应在两轴静止或转速差很小时接合或分离。由于本次设计的电动控制器其输出转速较低，而且强度也比较低，用矩形牙嵌式离合器即可。查阅机械

33、设计手册，选定型号为端面离合器其示意图如下：图8-1离合器示意图9 减速器的润滑与密封以及箱体的设计9.1润滑方式润滑的主要作用是减小摩擦和磨损，降低工作表面的温度。液体润滑剂还能带走摩擦产生的热量，对降温更为有效。此外，润滑剂有防锈、传递动力、消除污物、减振、密封等作用。润滑方式有液体润滑、半固体润滑、气体润滑、和固体润滑四大类，查阅机械设计手册，在本控制器中，选择润滑方式为液体润滑方式中的油润滑，具体由可划分为以下三种：（1）飞溅润滑由传动带的传动带起润滑油直接溅入轴承内，或先溅到箱壁上，顺着内壁流入箱体的油槽中，再沿油槽流入轴承内。此时端盖端部必须开槽，并将端盖端部的直径取小些，以免油路

34、堵塞。当传动件直径较小，或者传动件是斜齿轮或蜗杆（斜齿轮具有沿齿轮向排油的作用）时，会使过多的润滑油冲向轴承而增加轴承的阻力，这种情况下，应在轴承前装上挡油板。（2）浸油润滑将轴承直接浸入箱内油中进行润滑，这种润滑方式常用于下置式蜗杆减速器蜗杆轴承的润滑，油面高度应不超过轴承最低滚动体的中心，以免加大搅油损失。若传动件直径小于轴承滚动体中心分布圆直径时，可在轴上装设溅油轮并使其浸入油中，传动件不接触油面而靠溅油润滑，轴承人使用浸油润滑。（3）刮油润滑当传动件圆周速度很低（v=2m/s）时，可利用装在箱体内的刮油板刮油润滑轴承，刮油板和传动件之间应留0.10.5mm的间隙。另外，润滑油有粘度、闪

35、点、凝点、酸值、残炭、灰分、水分、机械杂质等质量指标，亦是影响润滑油选择的主要因素。在本控制器中，蜗轮蜗杆采用闭式传动，其工作环境为：温度 -20 60 湿度 90%查阅机械设计手册，选定润滑油为合成齿轮油（SY402483），其牌号为4403号，其运动粘度（100）为2629mm/s, 闪点（开口）230，凝点（倾点-35，酸值0.2mgKOH/g9.2密封轴伸端密封方式有接触式和非接触式两种。橡胶油封是接触式密封中的一种，密封效果好。橡胶油封中常用的密封件有V型橡胶油封、U型橡胶油封、Y型橡胶油封、L型橡胶油封和J型橡胶油封等几种。其中较为常用的是J 型橡胶油封，可用于脂润滑和油润滑的轴承

36、中。安装时应注意油封的安装方向，当以防漏油为主时，油封的唇边对着箱内；当以防外界灰尘、杂质为主时，油封的唇边对着箱外；当两油封相背放置时，则防漏防尘能力都好。为使油封安装方便，轴上可做出斜角。毡圈密封是接触式密封中寿命较低、密封效果相对较差的一种，但其结构简单、价格低廉，适用于脂润滑轴承中。毡圈的剖面为矩形，工作时将毡圈嵌入剖面为梯形的环形槽中并压紧在轴上，以获得密封效果。毡圈密封的接触面易磨损，一般用于圆周速度小于45m/s 场合。为避免磨损可采用非接触式密封，油沟密封是其中常用的一种，它是利用充满润滑脂的环形间隙来达到密封效果。油沟密封结构简单、成本低，但不够可靠，适用于脂润滑的轴承中。若

37、要求更高的密封性能，可采用迷宫式密封。采用迷宫式密封的转动件和固定件之间存在着曲折的轴向间隙和径向间隙，利用其间充满的润滑脂来达到密封效果，可用于脂润滑和油润滑，迷宫式密封的结构复杂，制造和装配要求较高。选择密封方式时要考虑轴的圆周速度、润滑剂种类、环境条件和工作温度。在本带能动控制器中，采用O型密封圈比较合理。9.3控制器箱体的结构设计本课题所设计的减速器，其基本结构设计是在参照机械设计基础课程设计图10-8装配图的基础上完成的，该项减速器主要由传动零件（蜗轮蜗杆），轴和轴承，联结零件（键，销，螺栓，螺母等）。箱体和附属部件以及润滑和密封装置等组成。 控制器箱体起着支承和固定轴系零件，保证传

38、动件的啮合精度和良好润滑以及轴系的可靠密封等重要作用，其质量约占控制器总质量的30%50%。设计箱体结构时必须综合考虑传动质量、加工工艺及成本等因素。控制器箱体可以采用铸造的方法制造。进行控制器箱体的结构设计时应考虑以下几方面的问题（1）箱体要具有足够的刚度若箱体的刚度不够，在加工和使用过程中会引起变形，使轴承孔中心线过度偏斜而影响传动件的运动精度。设计箱体时首先要保证轴承座的刚度，使轴承座有足够的壁厚，并在轴承座上加支承胫。（2）箱体应有可靠的密封且便于传动件的润滑和散热为保证密封，箱体剖分面处的联接凸缘应有足够的宽度，联接螺栓的间距也不应过大，以保证足够的压紧力。为提高密封性，可在剖分面上

39、制出回油沟，使渗出的油可沿回油沟的斜槽流回箱内。为提高密封性有时也允许在剖分面间涂密封胶。由于蜗杆控制器工作时发热量较大，其箱体的大小应考虑散热面积的需要，并要进行热平衡计算。若不能满足热平衡要求，则应适当增大箱体尺寸或增设散热片和风扇，散热片的方向应与空气的流动方向一致。发热严重时还可以在油池中设置蛇形冷却水管，以降低油温。（3）箱体结构要有良好的工艺性箱体结构工艺性的好坏对于提高加工精度和装配质量，提高生产效率以及便于检修维护等方面有很大影响，主要应考虑以下两方面的问题。a.铸造工艺的要求在设计铸造箱体时应考虑箱体的铸造工艺特点，力求壁厚均匀、过渡平稳，不要出现局部金属积聚。铸件的箱壁不可

40、太薄，砂型铸造圆角半径可取r5mmb.机械加工工艺性的要求设计箱体的结构形状时，应尽量减少机械加工的面积。设计时应尽量工件和刀具的调整。例如同一轴心线上两轴承座孔的直径应尽量一致，以便于镗孔并保证镗孔精度。同一方向上的平面应尽量能一次调整、加工完成。各轴承座端面应在同一平面上。（4）箱体形状应力求均匀、美观 箱体的外形应简洁、整齐、尽量减少外凸形体。如采用“方形小圆角过渡”的造型比“曲线大圆角过渡”更美观。10 电动控制器控制系统部分的设计10.1引言电动控制器是对开环控制系统中最终控制元件（如阀门）的运行进行控制的一种装置，使用于对截止阀、闸阀、节流阀、水阀等的控制。主要在开和关位置上操作。

41、通常电动执行机构和阀门连接起来，经过安装调试后成为电动阀。电动阀使用电能作为动力来接通电动执行机构驱动阀门，实现阀门的开关、调节动作。从而达到对管道介质的开关或是调节目的。阀门智能控制水平的提高，有助于提高国内阀门电动执行机构的产品水平，也有利于提高生产控制的自动化水平，最终实现生产过程的智能化，价值十分显著。阀门电动控制机构广泛应用于现代工业控制系统中，阀门电动控制器是阀门电动执行机构的核心部件。在水利、电力及化工行业，不同种类的阀类，如截止阀、闸阀、蝶阀等得到了最广泛的应用。在对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀门电动执行机构是一种必不可少的执行部件。随着能源、化工、钢铁、运

42、输和建筑等现代工业高速发展以及与其有密切联系的水、气(汽)、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用，因而对阀门电动执行机构的功能和使用要求也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，以提高生产效率。本设计的电动控制器的原理是首先通过加、减、调整三个按钮手动调整好阀门的上限位和下限位，同时由编码器把阀门在上限位和下限位时的门的驱动电机的脉冲数送入PLC储存记忆起来。在要开启和关闭阀门时按开启或关闭的按钮，由带机械离合器的直流电机驱动带动阀杆正转或反转，在上升到PLC记忆的上限位或下降到PLC记忆的下限位时电机停转，并由机械离合器抱闸制动。电动执行器以AC

43、220单相交流电为电源，接受来自DCS、PLC系统和其他操作器的DC420mA，标准信号来控制执行器进行开关阀门。电子控制模块采用先进的混合集成电路，包含完整的保护功能，可现场控制或远程控制，被设计成匣子形式，并用树脂浇铸密封。驱动采用高性能导电塑料电位器、精度高、寿命长等特点，可与各种角行程调节机构组合成高性能、高可靠性的电动调节阀。在对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀门电动执行机构是一种必不可少的执行部件。随着微电子技术、电力电子技术、微机控制技术及通讯技术等现代科学技术的发展，国外许多相关厂家长期对电动阀门的研究开发和改进，形成了新一代智能电动阀门，增加了许多的功能，并扩

44、展了它的应用领域，各项指标和性能也得到了提高，广泛应用于工业生产。运用数字技术、电力电子技术等先进技术，开发研制性能先进、功能完善，尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制，以满足国内广大用户生产使用的要求，适合我国工业生产和发展需要的新型智能电动阀门执行机构，具有十分重要的现实意义。现在的大多数PLC都具有高速计数器功能，不需增加特殊功能单元就可以处理频率高 达几十或上百KHz的脉冲信号，合理的选用编码器，让脉冲频率即能在PLC处理的范围内又可以满足正反转的精度要求。利用PLC对驱动电机进行脉冲计数成为可能；而电动控制器对开启，关闭系统的精度和响应速度要求不是很高。可以通过PLC对电

45、动控制器开关系统驱动电机的上升和下降脉冲数的计算，在开关的过程中，让PLC对所接收的两个脉冲数与设定好的两个脉冲数值进行比较，根据比较结果确定是否到阀杆转动圈数的上限，控制电机是否运转。从而保证了阀杆的开启和关闭的可行性；所有PLC都具有可擦写的软元件，使软元件中的内容可根据要求随时动态更新。在需要更改开启和关闭所需要转动的圈数的时侯可把手动调整的开启和关闭的上下限位的的驱动电机分别的脉冲数存储到PLC的辅助继电器中记忆起来，使用PLC做电动控制器的电子定位也成为可能。在控制系统中，可以利用24V直流电源（电源部分的电容，二极管有配件，24V电源可修复）作为需要24V的控制系统和直流电机的供给

46、电源。从而简化了直流电源部分。还有可以利用简单的四个输入按钮，不需另外增加输入按钮。在这次的毕业设计中，我对现有的国内外阀门电动执行机构及其控制器进行了简单的对比和分析，借鉴和传承了它们的有效的成功经验，在此基础上，设计出新型的阀门电动执行机构的智能控制器。它以三菱公司的PLC为控制的核心部件，不仅具有常规的控制调节功能，而且由于PLC的可编程，使其更具智能化。根据“安全、可靠、简便、先进”的设计原则，我对阀门电动执行机构进行了总体方案的设计，前面已经做了机械传动部分的设计，在此基础上进行整个控制系统的设计开发工作，同时，为了提高系统的抗干扰能力，采取了一系列软件、硬件抗干扰措施。力求使系统整

47、体设计合理、性能可靠，并实现预期设计目标。10.2 控制系统总体方案的设计阀门电动装置是实现阀门程控、自控和遥控不可缺少的驱动设备，其运动过程可由行程、转矩或轴向推力的大小来控制。由设计说明书“电动控制器是对开环控制系统中最终控制元件（如阀门）的运行进行控制的一种装置，使用于对截止阀、闸阀、节流阀、水阀等的控制。主要在开和关位置上操作。”再根据现场的工艺要求可知，该控制器为开关电气控制方式。本设计的主要思路是用控制器驱动电动机转动，然后经过减速器减速，由连接减速器的轴将转速，转矩传给阀杆。具体工作原理流程如下图所示：图10-1 阀门电动控制机构的工作原理对于该系统的起停方式，我准备采用定时器的

48、方式，所设定的时间根据实际情况中阀杆所要转动的圈数与转速的比来确定，为防止扭矩过大，损坏阀杆，故在所得到的时间参数的基础上乘以一个比例因子，这样子就完成了对阀门的开关的精确控制并起到对阀杆的保护作用。在实际情况中，开关型的控制方式相对来说比较简单，在本设计里我将把它设计成正反转控制电路。电源供电方式可以根据电源板选择，国内基本上都是用380V，或220V.10.3 正反转换向控制电路要实现电动机的正反转就必须改变电动机定子三相绕阻所接电源任意两相对调，改变电动机的定子电源相序，就可以改变电动机的转动方向。图10-2(a)相序为1-2-3 图10-2(b)相序为3-2-1用KM1，KM2分别完成

49、电动机的正反向控制，那么由正转与反转起动电路组合起来就成了最基础的正反转控制主电路图10-3 三相异步电动机主电路图由图可知，若KM1，KM2分别闭合，则电动机的定子绕阻所接两相电源对调，结果电动机转向不同。接下来我们将研究控制电路部分如何工作图10-4(a) 电动机正反转控制电路1如图，按下SB2，正转接触器KM1得电工作；按下SB3，反转接触器KM2得电工作。因为电路中把接触器的动断辅助触点相互串联在对方的控制回路中，就使两者之间产生了制约关系：一方工作的时候切断另一方的控制回路，使另一方的起动按钮失去作用。正转，反转接触器通过互锁避免了同时接通造成电路的可能性。但在上图中，我们不难发现正

50、，反转切换的过程中间要经过 “停”，显然操作不方便，故设计出下图图10-4(b)电动机正反转控制电路2上图利用复合按钮SB2，SB3就可直接实现由正转变成反转，反之亦然。如果取消上图中两接触器间的互锁触点，只用按钮进行连锁是不可靠的。因为在实际工作中可能出现这种情况，由于负载短路或大电流的长期作用接触器的主触点被强烈的电弧“烧”焊在一起，或者接触器的动作机构失灵，使衔铁卡住总是处在吸合状态，这都可能使主触点不能断开，这时如果另一接触器线圈通电动作，其主触点正常闭合就会造成电源短路事故。采用接触器动断辅助触点进行互锁，不论什么原因，只要一个接触器的触点（主触点与辅助触点在机械上保持动作一致）是吸

51、合状态，它的互锁动断触点就必然将另一接触器线圈电路切断，这就能避免事故的发生。所以采用复合按钮后，接触器辅助动断触点的互锁仍必不可少，电路安全可靠。10.4 反馈装置的选择方案一：选用定时器考虑到自动控制阀门的开启，关闭到什么程度，电动机运行多久是上面的电路所没有考虑到的。由于本任务书中未给出确定的阀门以及更具体的转动圈数等参数，所以刚开始我设阀杆转动圈数为N（具体参数视具体情况而定）。则完全开启阀门所需时间T=NV其中V为阀杆的额定转速所以在电路中必须加入时间继电器，用时间继电器的延时动断触点来断开主电路，控制电动机正转，反转的时间即开启阀门或闭合阀门的时间。但实际工作过程中因为各种摩擦损耗

52、因素，实际情况并不是我们理论上所能精确控制的。方案二：在阀杆的输出端用锥齿轮将运动导出，然后算出锥齿轮与阀杆之间的传动比，这时候在锥齿轮的输出轴上串联一个凸轮，拧阀门的把手，分别到阀门完全开启闭合的位置，记下两处的位置，在两处加上限位感应机构，当运动经减速器传到输出轴的时候，凸轮碰到限位机构的挡块，这时候将这个信号传给PLC处理器，继电器动作，去驱动电动机，实现电动机的正反转或停的状态。方案三：利用编码器对输出轴转动的圈数进行计数，将阀门的分开度显示出来，送到控制器PLC,然后结合PLC的高速计数器指令，高速比较置位指令对控制器进行反馈信号。这种方案相对方案三而言更加精确，并且机械部分比方案三

53、更加简洁，控制器部分容易修改重新利用，整个系统可修复性强。所以选择以编码器对整个系统进行反馈控制电机动作，接下来详细对编码器的工作原理以及与PLC的连接方式，程序进行介绍。10.4.1 编码器的选择利用电磁感应原理将两个平面型绕组之间的相对位移转换成电信号的测量元件，用于长度测量工具。 感应同步器（俗称编码器、光栅尺）分为直线式和旋转式两类。前者由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；后者由定子和转子组成，用于角位移测量。1957年美国的R.W.特利普等在美国取得感应同步器的专利，原名是位置测量变压器，感应同步器是它的商品名称，初期用于雷达天线的定位和自动跟踪、导弹的导向等。在机械制造中，感应同步

54、器常用于数字控制起床、加工中心等的定位反馈系统中和坐标测量机、镗床等的测量数字显示系统中。它对环境条件要求较低，能在有少量粉尘、油雾的环境下正常工作。定尺上的连续绕组的周期为2毫米。滑尺上有两个绕组，其周期与定尺上的相同，但相互错开1/4周期 (电相位差90)。感应同步器的工作方式有鉴相型和鉴幅型的两种。前者是把两个相位差90、频率和幅值相同的交流电压U1 和U2分别输入滑尺上的两个绕组，按照电磁感应原理，定尺上的绕组会产生感应电势U。如滑尺相对定尺移动，则U的相位相应变化，经放大后与 U1和U2比相、细分、计数，即可得出滑尺的位移量。在鉴幅型中，输入滑尺绕组的是频率、相位相同而幅值不同的交流

55、电压，根据输入和输出电压的幅值变化，也可得出滑尺的位移量。由感应同步器和放大、整形、比相、细分、计数、显示等电子部分组成的系统称为感应同步器测量系统它的测长精确度可达3微米/1000毫米，测角精度可达1/360。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。 增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。 绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。（REP）旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号(高速脉冲信号)。编码器的选取要符合两个方面，一

56、是PLC接收的最高脉冲频率，二是进给的精度。我选用旋转编码器，旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。因些可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。输出两相脉冲的旋转编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。电源 - 端要与编码器的COM端连接， + 与编码器的电源端连

57、接。编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。从接近开关、光电开关到旋转编码器，工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：1 除了定位，控制室还可知道其具体位置；2 拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长；3 除了定位，还可以远传当前位置；4