手机电池在线检测装置的设计【说明书+CAD】
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附件2:湖 南 科 技 大 学毕业设计(论文)任务书 机电工程 院 测控技术与仪器 系(教研室)系(教研室)主任: (签名) 年 月 日学生姓名: 彭 杰 学号: 1103010304 专业: 机械设计制造及其自动化 1 设计(论文)题目及专题: 手机电池参数在线检测装置设计 2 学生设计(论文)时间:自2015 年 3 月 9 日开始至 2015 年 6 月 5 日止3 设计(论文)所用资源和参考资料: (1)原始资料:手机电池型号:诺基亚 BL-4C,电压测量范围010v,精度0.001v,按5级分拣。 (2) 汤秀华,关为国等. 小型锂离子电池检测技术研究. 中国测试,2010.5:33-43 (3) 贾恒义,靳增会. 基于单片机技术电池检测系统的设计.电源技术,2011.6. 4 设计(论文)应完成的主要内容: (1) 手机电池在线检测技术概述 (2) 手机电池在线检测及分拣装置总体方案设计 (3) 手机电池在线检测及分拣装置的结构设计 (4) 检测及分拣装置机电设备选择设计 5 提交设计(论文)形式(设计说明与图纸或论文等)及要求:(1) 设计图纸(限3.5张零号图纸):手机电池在线检测装置总装图、检测及分拣装置装配图、零件图。 (2) 设计说明书一份(限3560页),要求文字通顺,格式正确,计算机打印。(3) 按要求填写开题报告和实习报告,分别装订。(4) 有与设计(论文)内容或专业相关的外文资料翻译内容,且中文译文的字数不少于1500字。原文及译文作为附录装订在毕业设计(论文)中。6 发题时间: 2014 年 12 月 25 日指导教师: 杨书仪 (签名)学 生: (签名)摘 要手机电池在线检测及分拣,是对手机电池的电压、内阻进行实时在线监视、检测、来进行设计。本设计主要就电池检测分拣系统的检测部分进行设计,针对工人上料之后,对电池的分离检测各部件进行合理的设计,达到要求。现阶段,在手机锂电池的检测分拣过程中,主要是以人工操作为主,由于日生产量大,导致工人日劳动量变大,同时也增加了生产成本。该设计便是通过对手机电池的参数进行在线检测、轻了劳动量,降低了劳动力成本。本设计对手机锂电池的电压参数进行检测,检测范围为010V,分为五级后经过分拣装置将电池按照不同等级输出。关键字:手机电池,参数,在线检测。ABSTRACTThe battery of the mobile phone online detecting and sorting, real-time online monitoring, testing and to the design of mobile phone battery voltage, resistance.This design mainly designs the detection part of the battery detection and sorting system. According to the workers, the separation and detection of the battery is reasonable and the design can meet the requirements.At this stage, in the cell phone lithium battery detection sorting process is mainly dominated by manual operation, due to the large production capacity, resulting in workers, labor quantity, but also an increase of production costs.The design is through the parameters of the mobile phone battery detection, light labor, and reduce labor costs.The design of the battery voltage parameters of the mobile phone battery detection, detection range of 010V, divided into five after the sorting device will battery according to different levels of output.Keywords: mobile phone battery, parameters, on-line detection.目 录前 言- 1 -第一章 设计总方案- 2 -1.1 选题目的- 2 -1.2 系统硬件设计- 2 -1.2.1 检测部分- 2 -1.2.2 分拣部分- 3 -1.3 系统软件设计- 4 -第二章 检测转盘- 5 -2.1 主要组成部分- 5 -2.1.1 步进电机- 5 -2.1.2 检测转盘- 11 -2.1.3 支架- 12 -2.1.4 电磁铁定位装置- 13 -2.2 功能实现- 14 -2.2.1 功能简介- 14 -2.2.2 功能实现- 14 -2.3 设计难点- 14 -第三章 电池盒- 15 -3.1 主要组成部分- 15 -3.2 功能实现- 16 -3.2.1 检测之前- 16 -3.2.2 检测过程中- 16 -3.2.3 检测之后- 17 -3.3 设计难点- 17 -第四章 参数检测装置- 18 -4.1 主要组成部分- 18 -4.1.1 分离齿轮- 18 -4.1.2 步进电机型号选择- 19 -4.1.3 啮合齿轮的设计- 21 -4.1.4 气缸- 30 -4.1.5 滑块- 30 -4.1.6 参数采集触头- 30 -4.2 功能实现- 30 -4.3 设计难点- 31 -第五章 检测部分运行总结- 32 -5.1 检测部分硬件运行介绍- 32 -5.2 检测部分软件设计- 33 -5.2.1 检测部分流程框图- 33 -5.2.2 PLC端口设置- 34 -第六章 总体介绍- 35 -6.1 分拣部分- 35 -6.1.1 自动分拣技术的发展及其现状- 35 -6.1.2 分拣部分流程框图- 37 -6.1.3 总流程框图- 38 -6.2 总体设计图- 39 -参考文献- 44 -致 谢- 45 -湖南科技大学本科生毕业设计第一章 背景介绍从镍镉电池到镍氢电池再到锂离子以及今天的聚合物锂离子电池。电池的发展一直都在向着更加环保、续航能力更强的路线前进着。在手机应用繁多的今天,如果没有更好的电力支持、真的不能为用户带来更好的智能时代体验。先不提一些概念化的燃料电池或者太阳能电池等新型能源。就目前来看,手机用的电池主要以锂离子电池为主。同时,近期手机电池的发展主要是围绕两方面来进行。接下来就介绍一下目前主流的锂离子电池发展情况。 图1.1 市面上各种各样的锂电池首先是传统的液体锂离子电池在正、负极材料、电解液方面的改进。手机功能的日趋多样化对电池性能提出了更高的要求,不断推出新型电极材料电池将是今后一段时间各锂离子电池厂商的竞争焦点。目前,日本三洋和索尼公司已利用Ni、Co、Mn三组分材料生产出4.4V的高容量电池;而正极活性材料Li(NiCoMn)1/3O2已由日本本庄公司商业化。笔者认为:这些材料的成本相对低廉,因而它们的应用将使锂电池特别是锂动力电池的价格降低一个档次其次就是聚合物锂离子电池在手机中的应用比例会逐步上升,并会逐步取代传统锂电池。目前聚合物锂离子电池在能量密度和充放电次数方面与传统液体锂电池基本一致,其优势主要体现在尺寸和形状的可任意性。然而手机电池的设计正在趋向内置式和标准化,对电池尺寸和形状多元化的要求越来越少,聚锂电池难以在性能和价格上对普通锂电池造成有力冲击。但随着各厂商的不断加入,聚合物锂电池的价格持续下降,这为其彻底取代液态锂离子电池正在奠定成本优势。首先为你介绍一下移动充电的概念。移动电源概念是随着目前数码产品的普及和快速增长而发展起来的,其定义就是方便易携带的大容量随身电源。目前数码产品功能日益多样化,使用也更加频繁,如何提高数码产品使用时间,发挥其最大功用的问题就尤为重要了。移动电源,就是针对并解决这一问题的最佳方案。拥有一块电源,就可以在移动状态中随时随地为多种数码产品提供电能以往,人们对于手机续航能力不足采取的措施多为随身携带一款备用电池为主。让人非常郁闷的是,手机所谓的标准配置,其“一电一充”的规格已经多年未改。在黑白机的时代,在只需要保障通话时间、待机时间的年代,这样的配置确实已经够用。就像飞利浦在不断更新其待机王手机的同时,并没有添加更多的功能进去。现在的手机,传统的“一电”只能让用户体验“天天充电”的无奈感觉。中国市场智能手机的热卖,直接推动了锂离子电池需求的高速增长。2013年中国手机市场对锂离子电池的需求量高达292.79万kWh,较上年的183.32万kWh增长了59.71%。其中,智能手机用锂离子电池需求量为263.10万kWh,同比增长123.28%;传统功能手机用锂离子电池需求量为29.69万kWh,同比下降54.66%。 图1.2 2010年2013年中国市场手机销量统计在此背景下,设计一个自动检测电池电压内阻的机构很有意义第二章 总体设计方案及电机选型1.1 选题目的手机电池作为手机的必要配件,直接影响手机的使用性能,而生产过程中由于各种因素导致产品质量不一,因此需要对其进行质量参数检测和分级,目前大都为人工操作,分拣效率和精度都不高;有部分采用检测装置自动检测和分拣,但亦存在如下不足:1、电池供料一般采用传送带,需要人工连续上料,因此检测效率受人工熟练程度等的影响;2、电池检测过程中,一般采用直线式或转盘式检测台,电池需要装夹和推送,有的工序还需短暂停顿,影响检测效率;3、这题目能够充分利用“机械设计制造及其自动化”专业的知识,对我而言是一次实践运用专业知识的机会。1.2 系统机构设计该系统全称为“手机锂电池在线检测分拣系统”,顾名思义,就是对手机锂电池的参数进行在线实时检测、分拣。其工作原理为:通过相应的检测机构,对手机锂电池的电压参数进行检测,然后对检测数据进行采集、分析,再对经过检测的锂电池进行分级。经过分级之后的锂电池,运输至分拣机构,通过分拣机构的部件,在确定的级数输出通道进行输出。这样,根据对各电池进行检测的参数数据的分析处理,参数不同的锂电池,就会被分为不同的级别并在不同级别的输出通道里输出。该系统主要分为:硬件跟软件两大部分。其中,硬件部分又分为检测部分跟分拣部分。软件部分主要是对硬件的检测、分拣两部分相应机构的控制。1.3 系统的组成及工作原理该系统由检测装置和分拣装置构成,如下图所示 图1.31,总装正视图1-导向杆 2-分拣气缸 3-斜面滑道 4-翻版机构 5-分拣联轴器 6- 分拣主轴组件 7-轴 8-伺服电机 9-步进电机1 10-检测联轴器 11-轴 12-检测上盘 13-检测下盘 14-电池盒 15-分离齿轮 16-步进电机2 17出头气缸 18-底座 检测部分包括检测转台,包括机架、电磁定位装置、检测步进电机、检测主轴组件和上、下检测盘等。电磁定位装置是由电磁铁和带缓冲弹簧的定位珠组成,检测盘具有多工位,当检测盘待检工位需要转到检测工位时,电磁铁通电将定位珠拉起脱离上检测盘,步进电机驱动检测盘转动,当检测盘待检工位转到检测工位时,电磁铁失电,定位珠在缓冲弹簧作用下,嵌入上检测盘相应位置的定位凹坑中,确定检测转台的检测工位;上、下检测盘与电池周转盒配合,使周转盒内的电池处于待测位置。每个电池盒里能够盛放五十只手机锂电池,在检测装置将电池盒里的五十只手机锂电池全部检测并分级之后,检测装置通过大气缸,向远离检测转盘的方向运动,从而使得检测转盘在转动的时候,电池盒不会受到检测装置的影响。之后,检测转盘再通过步进电机1,转过90度角,将第二个装满电池的电池盒运送至上一个电池盒的位置。此外,为了能够保证检测转盘转过的角度的精确性,特设计添加了一个电磁铁定位装置,以确保经过检测的电池准确释放进下方的分拣转盘中,以便进行分拣。触头机构,包括分离齿轮、检测触头、电磁驱动装置、转轴组件、齿轮、滑动台板、步进电机、触头气缸等。分离齿轮的齿槽横截面与电池两侧横截面形状相适应,且两分离齿轮转动中心平面相对应的内空齿槽间距与电池宽度相适应,两个分离齿轮由步进电机通过两个相同齿轮联系的转轴组件驱动相向转动;电磁驱动装置控制检测触头伸缩,使其压向电池触点,因触头带有压力缓冲弹簧,能保证触头与电池触点可靠接触,检测信号传输给检测分析仪;滑动台板置于滑道架的滑道内,触头气缸的两端分别与滑动台板和滑道架的横梁铰接,控制滑道台板及其安装其上的分离齿轮、检测触头等同步在滑道内直线移动电池盒用来盛放电池,将电池盒安装至检测转盘上之后,检测装置便对锂电池进行逐个检测、确定级数,然后,通过检测装置上的分离齿轮将已经检测完毕的电池与没有经过检测的电池分离出来,并送至检测转盘上。然后,检测装置通过大气缸向前推进,通过检测装置上的分离齿轮将电池盒里的电池托住,然后小气缸向前推进,使得触头装置接触到电池的触点上,对电池电压参数进行检测。检测所得数据经过PLC控制系统进行分析处理,从而将检测的锂电池进行分级。触头通过小气缸,向远离电池的方向运动。经过分级后的电池通过检测装置上的分离齿轮分离出来,下落到位于检测转盘下方的分拣转盘上。然后小气缸将触头装置向前推进,对下一只锂电池的电压参数进行检测。由是运动,对每一只锂电池进行电压参数检测 分拣机构,包括底座、导向杆、分拣气缸、斜面滑道、分拣转盘、翻板机构、分拣主轴组件、分拣联轴器、伺服电机等。其中转盘部分由底座、分拣转盘、分拣主轴组件、分拣联轴器和伺服电机组成,由伺服电机驱动分拣转盘转动;由导向杆、分拣气缸、斜面滑道和翻板机构组成卸料机构,其中翻板机构由限位板、滚珠组件、翻板、耳座、转轴组成。分别固定在翻板和分拣转盘相应位置的四个耳座与转轴将翻板和分拣转盘组成铰接副,限位板固定在分拣转盘上,保证翻板与分拣转盘的相对位置不变;滚珠组件固定在翻板上。斜面滑道的倾斜方向是沿分拣转盘转动方向上升,由分拣气缸驱动升降,由导向杆与气缸共同作用保证其升降中倾斜方向不变。在分拣转盘转动运行中,当不需要分拣卸料时,翻板机构的滚珠组件与斜面滑道不相交,翻板无动作;当需要分拣卸料时,分拣气缸进气驱动斜面滑道上升,滑道斜面的最低点与滚珠组件滚珠的外圆面最低点一致,随分拣转盘的转动,滚珠组件的滚珠随分拣转盘转动并沿斜面向上运行,托起翻板后部上升形成自溜倾角,放置在翻板上的电池自溜滑出翻板,落入相应的容器中,随后滚珠组件在斜面最高点离开斜面滑道自重下落,带动翻板回复初始位置,完成卸料1.4 步进电机的选型1.41步进电机1的选择1. 步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。2. 基本原理步进电机分三种:永磁式(PM) ,反应式(VR)和混合式(HB)永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。国内外对细分驱动技术的研究十分活跃,高性能的细分驱动电路,可以细分到上千甚至任意细分。目前已经能够做到通过复杂的计算使细分后的步距角均匀一致,大大提高了步进电机的脉冲分辨率,减小或消除了震荡、噪声和转矩波动,使步进电机更具有“类伺服”特性。对实际步距角的作用:在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己对步距角的要求。如果使用细分驱动器,则用户只需在驱动器上改变细分数,就可以大幅度改变实际步距角,步进电机的“相数”对改变实际步距角的作用几乎可以忽略不计。3. 基本参数(1)电机固有步距角。它表示控制系统每发一个步进脉冲信号,电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值,如86BYG250A型电机给出的值为0.9/1.8(表示半步工作时为0.9、整步工作时为1.8),这个步距角可以称之为电机固有步距角,它不一定是电机实际工作时的真正步距角,真正的步距角和驱动器有关。通常步进电机步距角的一般计算按下式计算:=360/(ZmK)。式中 步进电机的步距角;Z转子齿数;m步进电动机的相数;K控制系数,是拍数与相数的比例系数。(2)步进电机的相数。是指电机内部的线圈组数,目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同,其步距角也不同,一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。在没有细分驱动器时,用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器,则相数将变得没有意义,用户只需在驱动器上改变细分数,就可以改变步距角。(3)转矩。HOLDING TORQUE(保持转矩)。是指步进电机通电但没有转动时,定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一,通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减,输出功率也随速度的增大而变化,所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如,当人们说2N.m的步进电机,在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。DETENT TORQUE(无激磁保持转矩)。是指步进电机没有通电的情况下,定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式,容易使大家产生误解;由于反应式步进电机的转子不是永磁材料,所以它没有DETENT TORQUE。4. 特点特性(1)特点。一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积;步进电机外表允许的最高温度;步进电机的力矩会随转速的升高而下降;步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用。(2) 特性。步进电机必须加驱动才可以运转, 驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲的时候,步进电机静止,如果加入适当的脉冲信号,就会以一定的角度(称为步角)转动。转动的速度和脉冲的频率成正比;三相步进电机的步进角度为7.5 度,一圈360 度, 需要48 个脉冲完成;步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性;改变脉冲的顺序, 可以方便的改变转动的方向。因此,目前打印机,绘图仪,机器人,等等设备都以步进电机为动力核心。5. 步进电机型号选择(1) 电机选型计算方法*电机最大速度选择。步进电机最大速度一般在6001000rpm。机械传动系统要根据此参数设计。*电机步距角选择。机械传动比确定后,可以根据控制系统的定位精度选择步进电机的步距角以及驱动器的细分等级。一班选电机的一个步距角对应于系统定位精度的1/2或更小。注意:当细分等级大于1/4后,步距角的精度不能保证。*电机力矩选择。转动惯量计算。在旋转运动中,物体的转动惯量J对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷,就必须计算物体的转动惯量J盒角加速度,然后得到惯性力矩Y=J。物体的转动惯量为 (2.1),式中:为体积元,为物体密度,r为体积元与转轴的距离。单位:。以圆柱体为例: (2.2)式中:L:长度,mmD:直径。Mm:材质密度,表 2.1常用材质密度铜 黄铜 不锈钢 铁 铝 聚缩醛 将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量,常见传动机构与公式如下(1) 滚珠丝杠 (2.3)W:可动部分总质量kg Bp: 丝 杠 螺 距 mm GL:减速比(无单位)(2)齿条和小齿轮传送带链条传动 (2.4)(3)旋转体转盘驱动 (2.5):转盘的惯性矩W:转盘上物体的重量kgL:物体与旋转轴的距离mmGL:减速比(无单位)(4)加速度计算。控制系统要定位准确,物体运动必须有加减速过程已知加速时间、最大速度,很容易算出电机的角加速度 (2.6)电机力矩计算。 (2.7)其中:为系统外力折算到电机上的力矩; 为传动系统的效率。表 2.2常用机构的机械效率凸缘联轴器 0.980.99 齿条盒齿轮 0.8齿轮减速器 0.80.95 皮带传动 0.95 链条传动 0.9根据计算出的力矩T再加上一定的安全系数,即可选出电机型号。(2) 计算步骤转 盘(2个):直径D1=500mm,厚度H=20mm 体积电池盒(4个):外部尺寸为65*55*250 (mm) 内部尺寸为54*35*250(mm)电 池:单个质量 19.5g 每个电池盒盛放的50只电池的总质量19.5*50=0.975kg由公式2.2可得出上下两个转盘的惯性矩(转动惯量)4个电池盒加上盒子里的电池总质量:由公式2.5可得总转动惯量由公式2.6可得加速度由公式2.7可得电机力矩安全系数为1.2,故而要选取保持力矩不小于1.2T=0.72Nm的步进电机。比较之下,本文选取的是森创公司生产的型号为56BYG250C0241的步进电机,其相关参数如下:表 2.3相关参数规格型号 56BYG250C0241 相数 2 步距角 0.9/1.8 相电流 2.4 保持力矩 1.04 重量 260 外形尺寸 56*56*54(3) 电机放置为了便于处于上方的检测装置与处于下方的分拣装置分别工作时互不干扰,将驱动转盘的步进电机放在上方,而将驱动检测转盘的电机放在下方。步进电机是倒置向下,驱动检测转盘部分转动。驱动分拣转盘的电机是转轴向上,以驱动分拣转盘。两个电机互不干扰,检测与分拣装置也互不影响。此外,由于步进电机的输出轴直径小,带动的转盘加上所要检测的电池的重量较大,加上轴较长。容易发生轴心偏移等情况,从而影响对产品进行的检测,故而,需要加上轴固定装置。电机实物图如下图1.32 56BYG250C0241步进电机本次计算确定带动检测转盘的步进电机,命名为步进电机12步进电机2的选择(5) 计算步骤电池质量:19.5*50=975g=0.975kg;由公式4.3可得分离齿轮的惯性转矩:由公式4.4分离齿轮的总转动惯量:由公式4.5可得加速度:由公式4.6可得步进电机转动力矩:故而,选择与带动检测转盘的步进电机型号相同的步进电机完全可以,为了与带动检测转盘的步进电机进行区别,故,将带动检测转盘的步进电机命名为“步进电机1”,带动分离齿轮的步进电机命名为“步进电机2”。步进电机2的相关参数如下表:表 4.3相关参数规格型号 56BYG250C0241 相数 2 步距角 0.9/1.8 相电流 2.4 保持力矩 1.04 重量 260 外形尺寸 56*56*54第三章 检测转盘及电池盒的机构设计3.1.1.检测转盘转盘的相关尺寸参数如下:表 2.4(b)检 测 转 盘 1位 置 上 方 转盘外缘直径 500 mm 厚 度 20 mm 材 质 铁 中心孔直径 20 mm 电池卡槽数量 4 个 上方卡槽尺寸 655510 mm 下方卡槽尺寸 543510 mm表 2.4(a)检 测 转 盘 2 位 置 位于电池盒1下方 转盘外缘直径 500 mm 厚 度 20 mm 材 质 铁 中心孔直径 20 mm电池卡槽数量 4 个电池卡槽尺寸 655510 mm此外,检测转盘上还设有卡槽,便于电磁铁定位装置对检测转盘进行定位。卡槽是圆形的,但是由于需要将电磁铁上的挡块卡住,故在卡槽内设置了四个挡位。当检测转盘转至设定位置的时候,为了使其定位较为精确,电磁铁定位装置上的挡块便在检测转盘上的卡槽内将检测转盘进行卡位,使得检测转盘停止旋转,以便进行下一步的检测工作。3.1.2 支架支架,就是位于检测、分拣两个装置一侧的支柱以及横梁部分,是与地面固定在一起的装置。由于支架是固定在地面上的,不会发生位移,故而,其主要作用是固定相关装置的作用,并且不会影响检测、分拣两装置的运行。按照设计,检测装置处在分拣装置上方,检测、分拣两个装置分工明确,而且不会互相影响,故而,检测装置需要被固定在分拣装置上方。而检测装置的动力是来自步进电机,所以,步进电机就需要被固定在检测装置上方。支架的功能之一,就是起到把步进电机固定在分拣装置的上方,同时还可以讲步进电机吊住,并吊住连在步进电机轴上的检测转盘、待检测电池等器件。支架的功能之二,就是将定位检测转盘位置的电磁铁定位装置也固定住,以保证检测转盘每次的定位都一样且不会影响分拣装置的运行。其具体功能介绍在下节介绍。 图 3.1.1 支架2.1.4 电磁铁定位装置该装置的主视图下:图 3.1.2 电磁铁定位装置虽然检测转盘是通过步进电机带动的,但是仍有适当的位移误差,或者有可能发生其他位移不当的情况,为使得检测转盘的位移更为精准,故设置此定位装置。该定位装置是与支架固结在一起的,位于检测转盘上方,并且不会影响电池盒跟检测转盘的运行。为了使得此装置轻便、廉价、运行可靠、控制方便,本设计采用的是电磁铁式定位装置。此定位装置的运行原理如下:1、 电磁铁通电,电磁铁便有了磁性,之后原本卡在检测转盘上的挡块被电磁铁吸引向上运动,检测转盘没有挡块的卡位作用,就会在步进电机的带动下进行转动。2、 电磁铁断电之后,电磁铁没有了磁力,挡块就会在重力的作用下落在检测转盘上,当检测转盘转动到设定位置的时候,就被挡块给卡住,从而保证转盘的定位精确性。3、 电磁铁的默认状态为断电状态,只有在一个电池盒里的电池都检测完毕之后,带动检测转盘的步进电机即将动作的时候,该装置才开始动作。4、 当电磁铁定位装置动作之后,带动检测转盘的步进电机才开始动作。等电磁铁定位装置上的挡块过了检测转盘上的挡位的时候,电磁铁因断电而失去磁性,电磁铁定位装置上的挡块便落到检测转盘上的卡槽,一直到下次电池盒里的电池都用检测完毕,该定位装置便再次进行动作。3.2 功能实现 3.2.1 功能简介检测转盘的功能主要是承载盛放有电池的电池盒,并且停止固定在设定位置上,以便于相关检测装置对该位置上的电池盒里的电池进行电压参数检测,并且在每一块电池间隙检测完毕之后,通过检测转盘2上的卡槽,将该电池下放至位于检测装置下方的分拣转盘上,以便进行分拣工作。3.2.2 功能实现设计功能上,除了在硬件尺寸设计之外,还要通过软件对相应的硬件结构进行控制。此阶段内,软件设计控制的对象包括:步进电机、电磁铁定位装置。3.3 设计难点难点主要分为硬件设计难点与软件设计难点。硬件设计难点是在于硬件尺寸设计上。软件设计难点是在于输送给步进电机的脉冲的控制与电磁铁定位装置与步进电机的配合两方面上。电磁铁定位装置与步进电机的配合上不够。如果电磁铁定位装置上的挡块不能及时将检测转盘上的挡位卡住,便会造成检测转盘的位置有可能不精准,从而导致之后的检测跟分拣无法进行。输送给步进电机的脉冲的控制上的精度。如输送给步进电机的脉冲数不对,则会造成步进电机与电磁铁定位装置配合度不够,也会影响检测转盘的位置精度,从而影响之后的检测、分拣工作。3.4 主要组成部分电池盒的主要组成部分是:盒体、托杆机构。由于本设计所采用的检测对象是诺基亚BL-4C电池,其尺寸为53 34 5mm,故而电池盒内部尺寸也应根据此尺寸进行设计,但是,考虑到要人工将电池放入电池盒里,如果电池盒内部尺寸为53 34 5mm,则会因为电池盒与电池接触配过于紧密,会很难讲电池放入电池盒,故而,将电池盒内部尺寸设计为54 35 250mm,故而电池盒内的电池两侧都有1mm的盈余量,避免电池卡在电池盒里。电池盒外部尺寸设计为6555 250mm,以保证电池盒的结构坚固性。为了能够保证人工上料方便,在电池盒上方镂空处的设计是电池盒前端是电池盒内部宽度,但是左右两侧的镂空仍然要保证电池不会从电池盒的左右两侧掉出来。根据电池尺寸,由于电池厚度仅仅为5mm,故而,一个电池盒里可以盛放50只电池。电池盒底部设置的是两个光滑的杆子(托杆机构),以便托住电池盒里的电池,同时,为了能够保证在参数检测装置对电池进行检测之前和在参数检测装置脱离电池盒之后,托杆机构能够在电池盒内部,托住电池,以确保电池不会在重力的影响下没有经过参数检测装置对其进行电压参数检测便下落至分拣装置里,即,托杆机构能够在没有外力影响的前提条件下,可以自动恢复原位,起到相应的承托作用,特在电池盒上设置了弹簧机构。托杆机构尺寸设计。托杆机构的两根杆子的直径是10mm,长度为50mm。为了能够使得检测装置的分离齿轮能够顺利运行并达到预期效果,还要在分离齿轮工作的部位对电池盒进行设计,以不影响检测过程的运行。检测装置上的分离齿轮的相关参数,将会在“第四章 参数检测装置”部分进行介绍。此外,电池盒不是封闭型的,而是以框架结构为主,既减轻了电池盒的原料成本,有使得检测转盘上的承载重量减轻了,从而在选取步进电机时,更加方便。在工作过程中,也能减轻步进电机转轴的力矩,提高系统工作的稳定性。在计算过程中,是以封闭型进行计算的,这样既便于计算,同时也能使得计算结果在实际运用中更加可靠,不会造成理论与实践分家。电池盒的主视图如下:图3.4.1 电池盒3.5 功能实现3.5.1 检测之前电池盒虽然是框架结构,但是其设计前提是保证电池不会从旁边的镂空处掉出来。在电池参数检测装置运行之前,电池盒子里的电池是被托杆机构托住的。该机构是为了防止电池在没有进行检测完之前就落至位于检测转盘下方的分拣机构里。3.5.2 检测过程中当对手机锂电池进行电压参数检测时,通过相关机构,使得参数检测机构运动至电池盒内部,开始对相应电池盒里的电池进行逐个电压参数检测。在电压参数检测机构运动至电池盒之时,位于参数检测机构最前端的是分离齿轮。首先,分离齿轮先跟电池盒里的托杆机构进行接触,然后将托杆机构向电池盒后部推动,使得托杆机构撤出,同时,托杆机构被分离齿轮替代,换为分离齿轮将位于电池盒底部的电池托住。3.5.3 检测之后当该电池盒里的电池检测完毕之后,电池参数检测机构在相应的机构带动下后撤,脱离开电池盒。但是,在参数检测机构脱离开电池盒之后,在电池盒内部仍需要托杆机构将下次人工放上去的电池托住。但是,这就需要托杆机构自动恢复原位将新添加的手机锂电池托住,而不是人工操作,故而,在设计托杆机构的时候,配置的弹簧机构会使得托杆机构自动恢复原位。托杆机构恢复原位之后,当人工重装电池之后,便会重新再检测转盘的带动下运动至固定的检测位置,重新依次进行检测、分拣程序。3.3 设计难点该设计不需要软件程序进行配合,只需要对硬件尺寸进行精准设计即可。其硬件设计的难点主要在托杆机构的设计以及电池盒左右两侧上的关于分离齿轮运行的部分的尺寸设计。托杆机构设计难点在于,托杆机构需要有弹簧装置,以便于在参数检测装置退出工作状态的时候,托杆机构能够自动恢复原位。弹簧装置不能安装在会影响其他装置的运行,故而只能设计在电池盒后端。电池盒跟参数检测装置上的分离齿轮运行相配合难点在于要考虑到在托杆机构退出之时,分离齿轮会直接将处于电池盒下方的电池托住,并准备对电池盒里的电池进行检测第四章 分离齿轮和裂和齿轮的结构设计4.1.1 分离齿轮的结构设计(1) 分离齿轮功能。分离齿轮主要是用来将电池盒里的电池在经过检测之后与其他未经过检测的电池分离开来。(2) 分离齿轮设计思路。分离齿轮的设计思路是根据其功能来设计的。由于分离齿的功能是在检测过程中将电池进行分离开来,而不是机械中用来进行传动的标准齿轮,故而,其设计只要能够保证将电池进行分离即可。同时还要满足参数检测装置开始工作时,分拣齿轮位于电池中部左右,防止电池从一端滑落,影响参数检测。此外,分离齿轮还要保证在将托杆装置推出电池盒的同时将电池也托住。(3) 电池的厚度仅为5mm且电池是紧挨着的,故而分离齿轮上两齿之间的距离要保证能够将两个紧挨着的电池进行分离。由于手机锂电池两长边边缘是具有圆滑的倒角的,故而,分离齿两齿之间距离可以保证在56mm之间,齿宽可以保证在0.10.5mm之间。此外,由于电池盒内部尺寸是5435250 mm,故而分离齿的厚度设计为40mm,有14mm的尺寸间隙是防止分离齿轮与电池盒接触过紧,从而影响电池检测工序的进行。(4) 为了保证分离齿轮与托杆机构能够顺利配合,本设计将分离齿轮托住电池时的位置定位水平位置,且与分离齿轮轴心线处在同一水平面上。(5) 此外,在保证两分离齿轮的两齿与齿轮轴心线处在同一水平面上的前提下,还要保证即将要起作用的下一对齿不会与电池进行过度接触,因为过度接触会造成电池刮伤、电池被卡住等问题,故而两分离齿轮轴心距也要设计好。分离齿轮的相关参数如下:表 4.1 分离齿轮的相关参数 分离齿轮个数 2 个 齿轮外缘直径 35 mm 齿根圆直径 29 mm 齿轮内孔直径 10 mm 齿轮厚度 40 mm 两齿轮轴心距 65 mm 每一个齿的角度 20 度4.1.2 啮合齿轮的设计(1)受力分析不计摩擦力,轮齿所受工作载荷即为沿啮合线作用的法向力Fn。因为齿向载荷的分布情况由K考虑,所以认为轮齿啮合传动时,Fn沿接触线均匀分布,并将其简化为集中力。图 4.2当小齿轮传递的扭矩不变时,Fn大小不变,方向沿啮合线垂直于齿面。将Fn在分度圆上分解成两个互相垂直的分力,即切于分度圆的圆周力Ft和径向力Fr。 (4.7)若已知P1、n1 Nm 图4.3主动轮上Ft1与圆周速度相反,从动轮上Ft2与圆周速度相同。外啮合齿轮传动Fr1 、Fr2指向各自轮心。(2)齿根弯曲疲劳强度计算1. 齿根弯曲应力计算图4.4因为齿轮轮缘刚性较大,所以可将齿看成宽度为的悬臂梁,并以此作为推导齿根弯曲应力计算公式的力学模型。1).危险剖面及其位置 受载齿的危险剖面是一在轮齿根部的平剖面,位置在与齿廓对称中线各成300的二直线与齿根过渡曲线相切处。2) .载荷及其作用位置图4.5的齿轮传动,当载荷作用于齿顶时,(力一定)力臂最大,但此时相邻的一对齿仍在啮合,载荷由两对齿分担,齿根弯矩不一定最大。当轮齿在节线附近啮合时,只有一对齿啮合,但此时力臂不是最大,齿根弯矩不一定最大。齿根所受最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区最高点。进行弯曲疲劳强度计算时,对于制造精度较低(7级及以下)的齿轮传动,因为制造误差较大,可认为载荷的大部分甚至全部由在齿顶啮合的轮齿承受,轮齿根部产生最大弯矩。为简化计算,对于制造精度较低(7级及7级以下)的齿轮传动,常将齿顶作为齿根弯曲强度计算时的载荷作用位置,并按全部载荷作用于一对轮齿进行计算。对制造精度较高(6级及以上)的齿轮传动,应考虑重合度的影响,其计算方法参GB3480-83或有关资料。3) .齿根弯曲应力计算公式图 4.6将分解成和,并将其简化到危险截面上,-产生剪应力,产生压应力,产生弯曲应力。分析表明其主要作用,若只用计算齿根弯曲疲劳强度,误差很小(5%),在工程计算允许范围内,所以危险剖面上只考虑。单位齿宽(b=1)时齿根危险截面的理论弯曲应力为: (4.8)令 (4.9),代入上式,得 (4.10)令 (4.11)-齿形系数,表示齿轮齿形对F的影响。的大小只与轮齿形状有关(z、ha、c、)而与模数无关,其值查表10-5。齿根危险截面理论弯曲应力为 (4.12)实际计算时,应计入载荷系数及齿根危险剖面处的齿根过渡曲线引起的应力集中的影响。 (4.13)式中:-考虑齿根过渡曲线引起的应力集中系数,其影响因素同,其值可查参考文献10表10-5。2. 齿根弯曲疲劳强度计算校核公式 : MPa (4.14)令,-齿宽系数。将代入上式设计公式 (4.15)由上式可知:在一定的使用条件和寿命下,当b、z、齿轮材料及其热处理规范一定时,齿根弯曲疲劳强度取决于模数。配对二齿轮的、不同,、也不同。所以进行校核时,应分别对二齿轮进行校核。设计时,应将和中较大者代入设计公式。3. 齿面接触疲劳强度计算图 4.71.齿面接触应力计算一对齿的啮合过程,可近似看成二曲率半径随时间变化着的平行圆柱体的接触。所以将赫兹公式作为推导齿面接触应力公式的基础。1).危险位置由于变化的曲率半径和齿间载荷分配的综合影响,轮齿表面在不同啮合位置的接触应力不同。因此,计算齿面的接触强度时,应同时考虑啮合点所受的载荷及综合曲率的大小。对端面重合度2的直齿轮传动,以小齿轮单对齿啮合的最低点(D点)产生的接触应力最大,与小齿轮啮合的大齿轮,对应的啮合点是单对齿啮合的最高点,位于大齿轮的齿顶面上。由前述可知,同一齿面往往齿根面先发生点蚀,然后才扩展到齿顶面,即齿顶面比齿根面具有较高的接触疲劳强度。因此,虽然此时接触应力大,但对大齿轮不一定会构成威胁。由右图可看出,大齿轮在节点处的接触应力较大,同时,大齿轮单对齿啮合的最低点(D点)处接触应力也较大。按理应分别对小齿轮和大齿轮节点与单对齿啮合的最低点处进行接触强度计算。但按单对齿啮合的最低点计算接触应力比较麻烦,并且当小齿轮齿数z120时,按单对齿啮合的最低点计算所得的接触应力与按节点啮合计算得的接触应力极为相近。为了计算方便,通常以节点啮合为代表进行齿面的接触强度计算。2).齿面接触应力计算二齿轮在节点处啮合,曲率半径为 (4.16)P点的当量曲率为: (4.17)齿数比 (4.18)与关系为:增速传动 (4.19) 减速传动 (4.20) (4.21)节点处只有一对齿啮合,将以上二式代入赫兹公式并考虑载荷系数 (4.22)令, (4.23) MPa (4.24)式中: -弹性系数,仅与齿轮材料特性有关,其值查表10-6。 -节点区域系数,考虑节点位置的齿廓曲率半径等因素对接触应力的影响,标准直齿轮时,=2.5。+-外啮合;-内啮合。2.齿面接触疲劳强度计算校核公式 MPa (4.25)将代入上式设计公式 mm (4.26)由上式可知:在一定的使用条件和寿命下,当b、u、齿轮材料及其热处理规范一定时,齿轮传动的接触疲劳强度取决于d1(中心距a)。配对齿轮的,但不一定等于,所以设计或校核时,应以、中较小者代入上式。由公式4.25可得一对标准钢制齿轮 MPa由公式4.26可得 mm4. 齿轮传动的强度计算说明1.当配对齿轮均为硬齿面时,两轮的材料、热处理方法及硬度均可取成一样的。设计时,可分别按齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度的设计公式进行计算,并取其中较大者作为设计结果。2.当用设计公式初步计算齿轮的分度圆直径d1(或模数mn)时,动载系数Kv、齿间载荷分布系数K及齿向载荷分布系数K不能预先确定,此时可试选一载荷系数Kt,则计算出来的分度圆直径(或模数)也是一个试算值d1t(或mnt),然后按d1t值计算齿轮的圆周速度,查取动载系数Kv、齿间载荷分布系数K及齿向载荷分布系数K,计算载荷系数K。若算得的K值与试选的值Kt相差不多,就不必修改原计算;若二者相差较大时,应按下式校正 试算所得的分度圆直径d1t(或mnt): (4.27)综上所述,根据设计要求计算,啮合齿轮选用m=1.25,z=52的标准齿轮。4.1.4 气缸气缸有采用单气缸。气缸的作用:将整个参数检测装置向电池盒推进,以便于进行对电池的电压参数检测,同时也可以对检测过的手机锂电池进行分拣。4.1.5 滑块滑块是为了固定整个参数检测装置并承受整个参数检测装置的重量,更有利于整个参数检测装置沿着设计轨道前行,防止参数检测装置因偏离运行轨道而使得检测工序无法完成。4.1.6参数采集触头参数采集触头属于参数检测装置的一部分,需要在电磁铁的作用下对手机锂电池的电压参数进行检测。当检测完毕之后,参数采集触头便在电磁铁的作用下脱离手机锂电池,同时将电压参数输送给处理器,将刚检测过的电池进行分级,然后将相应的级别信息传递给分拣机构,以便于分拣机构将其进行分拣。4.2 功能实现参数检测装置的功能是对手机锂电池进行电压参数检测并将其与剩下的为进行检测的电池分离开。首先,通过气缸将整个参数检测装置向电池盒推进,位于检测装置前端的分离齿轮将处于电池盒底部的托杆机构推开,同时,分离齿轮替代托杆机构将电池锂电池托住。其次,电磁铁将参数采集触头向前推进,使其与手机锂电池进行接触并检测出电池的电压参数。第三,在电压参数采集之后,电磁铁便将参数采集触头后撤,脱离开电池。最后,当小气缸将参数采集触头后撤之后,步进电机2便转过20度角,将检测过的手机锂电池与其他电池分离开。参数检测装置的三维图如下:图 4.24.3 设计难点这部分的设计难点包括硬件设计与软件设计两部分。硬件设计的难点在于分离齿轮的设计、参数采集触头的设计。分离齿轮要恰好能够将厚度为5mm的手机锂电池进行分离开且不对电池产生明显的损毁;参数采集触头的设计要根据电池上的触点进行设计。使得触头能够在小气缸的推动下顺利推向电池并进行电压参数检测。软件设计的难点在于两个地方。一个是步距角的设定上,第二个就是大气缸与小气缸工作先后的分配上。由于选定的步进电机的步距角是,而分离齿轮要想顺利将电池进行分离,就需要转过角,这就需要对步进电机的步距角进行细分,经过计算,需要进行4细分,每个脉冲布局电机会转过角,转过角需要89个脉冲。步进电机的细分是指在步进电机最小步进角的基础上实现步进细分。步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术,其主要目的是提高电机的运转精度,实现步进电机步距角的高精度细分。其次,细分技术的附带功能是减弱或消除步进电机的低频振动,低频振荡是步进电机(尤其是反应式电机)的固有特性,而细分是消除它的唯一途径。第五章 总结5.1 检测部分硬件运行介绍人工将手机锂电池装入电池盒里,电池盒底部的托杆机构将电池托住,以备对电池进行参数检测。之后将电池盒安装到检测转盘的卡槽上。按下启动按钮,确认位于检测位置的电池盒里装有电池,然后大气缸将整个参数检测装置推进到电池盒内部,将电池盒底部的托杆机构推开并将电池托住。小气缸将参数采集触头向前推进,对电池的电压参数进行检测并进行分析处理。采集完该电池的电压参数之后,便将电池分成相应的等级,将等级信号输送给分拣系统。采集完电池电压参数之后,小气缸便将参数采集触头向后撤,脱离开电池。等参数采集触头撤离开电池之后,步进电机2便驱动分离齿轮,将刚检测完毕的电池与剩下没有经过检测的电池分离开,并下落到位于检测系统下方的分检系统的分拣转盘上,同时分离齿轮将剩下的手机锂电池托住并准备对下一块电池进行电压参数检测。依次执行以上步骤,每执行依次,计数器计数器计数加1,等到计数器计数达到50之后,步进电机2开始动作,带动检测转盘转动,将新的电池盒转至检测位置并开始进行电池检测程序。检测部分三维设计图如下:图5.15.2 检测部分软件设计5.2.1 检测部分流程框图图 5.26.1.3 总流程框图图6.3 参考文献1 濮良贵,纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,2011.2 邓星钟.机电传动控制M.武汉:华中科技大学出版社,2011.3 任济生,唐道武,马克新.机械设计课程设计M.徐州:中国矿业大学出版社,2009.4 刘鸿文.材料力学M.北京:高等教育出版社,2010.5 李必文,胡仲勋等.机械精度设计与检测M.长沙:中南大学出版社,2011.6 孙恒,陈作模.机械原理M.北京:高等教育出版社,2010.7 机械设计手册编委会。机械设计手册M.北京:机械工业出版社,2005.8 大连理工大学工程图学教研室.机械制图M.北京:高等教育出版社,2009.9 高为国.机械工程材料M.长沙:中南大学出版社,2009.、
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