电视报靶中的自动卷靶机设计设计.doc

电视报靶中的自动卷靶机设计毕业设计第一章 前 言随着我国国防工业现代化轻兵器靶场测试及野外实弹演习应用方面产生了轻兵器靶场采用自动卷靶和电视报靶代替人工报靶技术，是轻兵器精度测试技术中的重大工艺改进。这一技术的出现，不仅仅使轻兵器靶场的测试人员从人工挂靶，传递靶纸、验靶纸、糊靶纸等繁重的工作中解脱出来，而且还为国家大大节约了人力、物力、财力和时间，同时也为工作人员的身心健康提供了保障，具有很好的社会效益和经济效益。本装置的特点是验靶迅速，不会出现试验与靶纸不一一对应的差错，随打随验、操作简单、安全可靠、避免了验靶时子弹过多浪费，因为对脱靶或精度较低的试验枪可及时调整准星。另外，不需要专业的挂靶人员，解决了工作人员长期在阴冷潮湿的地下室工作所引起的一系列职业病，节省了社会劳动力，保障了工作人员的身心健康。此装置采用了幻灯技术，不但使靶纸图像清晰可辩，而且降低了靶纸的质量要求和成本，节约了制作固定靶纸用框架的木材，还可使靶纸充分利用。自动卷靶机的卷、倒靶和张紧靶纸的控制均采用了三相鼠笼式感应电动机，方便耐用，易维修，尤其是张紧靶纸电机工作在堵转状态，这在感应电动机的实际应用中实属少见。本装置经有关单位实际应用，证明是切实可行的。第二章 兵器靶场采用电视报靶的设计方案2.1 方案设计示意图（见图<1>） 图1 设计方案总图 图（1）所示为测试靶场具有多个靶口的设计方案。该方案中将卷靶机构与张紧靶纸机构均安装于地下室，考虑到当一条靶纸纸带及控制系统出现鼓掌需要维修，可于地下室进行，而不必中断其他靶口的实验。若靶场只有一个靶口，亦可将卷靶机构和张紧机构分别安置于屋顶上方和地下室两处。2.2 幻灯技术和靶纸技术由于整个靶场建造得具有很好的挡光性能，因此，地下室与其上方悬挂靶纸相当于一个暗室。采用普通幻灯机将特制的靶纸幻灯片打到靶纸上时，靶纸上可以呈现清晰标准的靶纸图形。2.3 摄影机和工业电视的应用 过幻灯片得到靶纸图形被摄象机摄取后转换为电信号通过电缆传输给工业电视，则在电视屏幕上呈现出清晰可见的完整靶纸图形，可直接观察靶纸情况，随打随验兵器是否合格。枪弹若击中靶纸并留下比较规则的孔洞，则会在电视屏幕上显示出一个暗黑色的圆形图象，该图象为弹着点。由这样获得的一组弹着点可以验出枪的精度。以某种轻兵器为例，精度检验时，一组弹着点规定为四发，其四个弹着点构成的四边形的重心应在d=100mm的圆内，其分布应在d=150mm的圆内，否则精度就不合格。 当屏幕显示出的弹着点图象较多，以至难于辨认时检验员可按动控制柜上的卷靶机指示的按钮，约三秒钟即可重新呈现一张新的靶纸图象，若卷靶机卷过的新靶纸过多时，可按动控制柜上的倒靶指示按钮，将多余的靶纸倒回来，重新在靶纸上继续实验。第三章 靶机的结构设计方案及其电机的功率计算3.1 自动卷靶机部分的方案论证方案一：采用直流电动机，启停速度快，效率高，便于控制，可以通过直接改变端电压来控制电机速度。也可使用电机处于堵转状态。而不必通过减速装置来降低速度使结构更简单。方案二：采用步进电机，由于步进电机在负载的范围内转速与脉冲频率F有关，而不因电源电压和负载的大小环境元件的波动而变化，有利于精确的控制电机的速度但是由于步进电机的功率小价格高耐用性差，一般只用于控制方面而且卷靶机对精度的要求并不是很高故不予采用。方案三：采用三相感应电动机，通过齿轮减速系统可直接从电机轴上输出几转/分的低速度。并且转速稳定度高，震荡和噪声小，长期处于堵转状态而不会烧坏等优点。采用常见的三相异步电动机能满足要求。方案四：还可以通过改变频率来控制电机的转速但系统结构复杂，造价高不易维修，不予考虑。综上，方案一中的直流动力电来源不便不予采用，对方案三异步电机还具有控制简单，造价不高，耐用及维修方便等优点，故予采用。3.2 自动卷靶机构设计方案简介自动卷靶机构由卷靶机和堵转机构两部分组成，用来实现纸带的传动与张紧，即可以实现纸带前进和倒退，并使纸带停止，前进和倒退时均有适合的张力，使靶纸纸带总处于张紧的状态。根据靶纸的尺寸，其长约0.8m，宽约0.5m，靶纸的纸卷尺寸约为直径0.15-0.4m，纸卷骨架直径约为0.15m。靶纸至直径为0.4m时，靶纸的传动速度设为0.3m左右，则约三秒钟可移动一张靶纸的距离。当选用两对极鼠笼式感应电动机作为卷靶机构的原动机时，起转速约为1450转/分，经30：1涡轮蜗杆减速，再经过2：1皮带轮减速后，靶纸直径较小时，所卷的靶纸远小于直径较大时所卷的靶纸。因此，实际上卷动靶纸的速度大部分时间是偏向0.5米/秒即大部分时间能够满足0.4米/秒。根据上述分析卷靶机构与堵转机构的机架与靶纸骨架做一样的。卷靶机构的纸卷卷动速度竟蜗母箱与皮带轮两极减速即可，纸卷的转动采用滚动球轴承，而堵转机构经堵转电机通过一对2：1降速皮带轮即刻实现。因为设计上保证了堵转电机控制了纸卷转速远大于卷靶电机控制的纸卷转速，因此，保证了倒靶时靶纸也总能处于张紧状态。3.3 卷靶机的选择与计算3.3.1 理论依据机械特性的三种表达方式：（A） 机械特性的物理表达式由于 则 （3-1）式中 为折算到定子边的感应电动机的转矩常数；为基波磁场的每级磁通；为转子电流的折算值；为转子回路的功率因素。此式根从物理概念出发，根据而推倒出来的电磁转矩公式完全相同，它阐明了刚应电动机的电磁转局跟气隙每级磁通和转子电流有功分量的成绩成正比的物理本质，故称式 为感应电动机机械特性的物理表达式。（B） 机械特性的参数表达式 有感应电动机的简化等值电路图可得转子电流为： 将上式及带入可得： （3-2） 式（3-2）反映了感应电动机的电磁转矩T跟电源电压，频率，电机的参数（，及）以及转差率S有关，令S在之间变化，有式（3-2）算出不同的S所对应的T值，T-S坐标中化除T=f(s)曲线，如图3-1唆使，经过简单的坐标变换（即把S坐标换成n坐标轴），则上述的T=f(s)曲线即为感应电动机的机械特性n=f(T)。 由图3-1可知，当转差率为某一数值是，电磁转矩达最大值，对应转差称为临界转差率。将式（3-2）对S求导数并令，可得： = (3-3)将上式代入式（3-2）即得最大转矩为： (3-4) =在一般感应电动机中，通常r1，为此，上二式可近似为： (3-5)其中“+”号用于电动状态，“-”号用于发电状态。由式（3-3）和式（3-4）可知，电动状态与发电的相同，但是由于r1的存在，使发电状态的比电动状态的Tm大些。如果忽略r1的影响，由式（3-3）可知电动状态与发电状态的相等。 是感应电动机可能产生的最大转矩，为使电动机在运行中不会因可能出现的短时过载而停机，要求其额定运行时的转矩Tn小于，因而具有一定的过载能力，用 表示。即 是感应电动机的一个重要性能指标，他表明了电动机短 过载的极限。一般感应电动机的。 由式（3-4）可知，最大转矩主要与下述因素有关：（1） 点电源频率及电机参数不变的情况下，最大转矩与定子向电压平方成正比，而临界转差率与无关：（2） 当，及其他参数不变而仅改变转子回路电阻r2时，最大转矩不变而临界转差率与r2成正比：（3） 当U1，f1及其他参数不变而仅改变 时，都近似与 成反比。（C）机械特性的实用表达式用式（3-4）去除式（3-2），可得： （3-7）又由式（3-3）可得： 将此式代入式（3-7），并经整理化简可得： （3-8）式中 。在一般情况下，所以，由于不论S为何值时，所以为此，只要从产品目录中查出该电机的。由式（3-10）至式（3-12）算出 ，然后代入式（3-9）即得该机的机械特性表达式，所以式（3-9）用起来方便实用，故称为机械特性的实用表达式。以后所有的分析计算，几乎都用此表达式进行的。因为实用表达式将、代入实用表达式得：根据即可做出电机的M.S曲线如图23.3.2 电机的选择及功率计算要使电力拖动系统经济且可靠运行，必须正确的选择拖动电动机。这包括电动机的电流种类、型式、额定电压、额定转速和功率的确定。着重讨论如何确定拖动电动机的容量。电动机的容量选择太小，电机长期过载而使电机过早损坏，如果电动机的容量过大，不仅使电机得不到充分利用，造成设备上的浪费，而且，效率低及感应电动机的功率因素降低。正确地选择电动机的容量，必须从生产的机械工艺过程、负载转距的性质、电机的工作制、工作环境及经济性的几方面进行综合考虑。其中主要应考虑电动机在运行中的发热与温升，允许短时过载的能力以及起动能力三个因素。在一般情况下以发热问题最为重要。电机在运行中，由于电机内部各种损耗变为热能将电机的温度升高。如果温度过高，则使绕组的绝缘材料老化，变脆而缩短电机的使用寿命，严重时甚至使绝缘材料碳化、失去绝缘性能而使电机烧坏。因此，电机容量的选择，首先应该校验电机运行时的实际温度是否超过了绝缘材料的最高允许温度。电机铭牌上给出的额定功率，就是指当环境温度为国家规定的标准值40而且带动额定负载长期连续工作时，电机的最高温度不会超过其绝缘材料所允许的极限。由于电动机的负载大多数是变化的，有时是冲击性的负载，这种短时的过载对电动机的发热影响不大，但是因为电动机的短时过载能力是有限的，所以在根据发热情况而确定电动机的容量之后，还必须校验电动机的短时过载能力，应满足一下条件 式中 为电动机在运行中所承受的最大转距 为电动机的允许过载倍数。对感应电动机，受电机的最大转距的限制，考虑到电网电压的下降，一般取；对于直流电动机，短时过载能力受换向所允许的最大电流的限制，其电流过载倍数一般为；对于同步电动机，转距过载倍数一般为。如果过载能力校验不能通过，必须另选过载能力较大或功率较大的电机。对笼型感应电动机除发热与过载能力之外，有时还必须校验起动能力。对于电动机种类的选择，由于最普通的动力电源是三相交流电。因此，在满足生产机械运行要求的前提下，应当尽量选用交流电动机，且三相异步电动机的优点甚多。如：电源方便，工作可靠，结构简单，价格便宜，维护方便等。因此，对本设计的不要求调整的纸带传动装置，选用三相异步电动机是合适的。他能满足工作要求。选择张紧靶纸所需的力可由实际测试确定，本设计确定F=1Kg。电动机功率的计算依据公式如下：电动机在启动加速的过程中。其转距平衡关系为： <1> 式中： M：电磁转距 ：空载转距 ：负载转距 ：加速转距或惯性转距 或 <2> <3>电动机的空载起动时间：= <4>式中 为机械启动时间常数= <5>电动机的最大输出转矩 对应的转差率：= <6>过载系数为： <7>电动机的最大输出转矩 当选定电动机可查表由 确定。电动机在启动加速过程中实际所需的电磁转矩 显然应小于电动机的最大输出转矩。其卷靶时的功率平衡关系应满足： <8>式中 为电动机的输出功率。 转换效率或写成： <9>式中 <10>空载转矩为： <11>负载转矩 <12>考虑到所需电动机的功率不会太大，不妨选一小电机，选电机型号为J02-11-4型，其额定功率为0.6千瓦，下面以此电机为例，介绍一下卷靶电机的功率计算。1> 的计算取根据曲线图<2>以上计算参数均已知，当S=1时：；当S=0时：M=0J02-11-4型电机，转子外径为75mm，铁芯长度10.5cm，钢的密度为7.8g/cma> 空载启动时间的计算；根据=0.0455（s） = 0.0455= 0.061 （s）b> 电动机及其各部分的惯性矩计算电动机带上负载的启动时间：减速系统及传动装置示意图如图<3>所示：减速涡轮蜗杆的减速比为1：30皮带轮的减速比为1：2，这样张靶线的速度为：米/秒r为纸卷的最大半径2> 飞轮矩的计算a> 当纸卷的最大直径为0.4米，此时为纸卷的最大直径，而另一个纸卷为空纸卷，且纸卷密度为0.69公斤/分米，纸卷叠压系数为0.75，并设每个纸卷骨架各为15公斤，堵转的电子转子重15公斤，且外径均为20cm。设卷靶纸直径为0.4米，堵转纸直径为0.15米，堵转电机的转速：纸卷的回转直径为： 则b> 对于电机转子：有卷靶电动机外径80mm，铁芯长度12.5cm，硅钢片叠制而成，则c> 对于涡轮：直径为80mm，厚b=20mm用耐磨铜合金制成，则d> 对于蜗杆直径设计为 16mm,长度为150mm钢制而成，则e> 对于主皮带轮直径为D=100mm，宽为 18mm 则f> 对于从皮带轮直径为D=200mm，宽为18mm 则g> 堵转电机堵转电机的转子重15公斤且外径为20cm，则3> 总飞轮距的计算最后求得 之和： ，为传动效率蜗抡蜗杆为0.50.7 平带传动 为0.90 做额定转速运行时所需的转距。j 为转动比4> 的计算 自动卷靶机系统的空载转距应为不带负载，即不带纸卷而维持系统由于拖动电机蜗母箱相等的体积与重量相对来讲比较小，故忽略之。而主要考虑纸卷骨架及堵转电机的空载转距。当纸卷骨架选用单列向心球轴承，用标为GB276-64，其内径为30mm，外径D为62mm，则中径为： 同理，若堵转电机的轴承为205型，起中径为： 则 并认为该系统运行时，其 5> 的计算6> 的计算7> P2的计算 与换一张靶纸的时间相比不是百分之几，完全不影响，若过于缓慢则会使电机发热，而挂靶电机的功率则可按稳态运行的来求，即： 即拖动电机只需22.2瓦。 选600瓦（0.6千瓦）的最小电动机就可以达到要求。3.4 张紧靶纸用堵转电动机的选择和功率计算张紧电机采用堵转状态作为正常状态，只有在卷靶或倒靶时才与拖动电动机作正向或反向距暂旋转运行，因此，对该电机的要求有两点：一是其堵转状态下产生1公斤左右张紧靶纸所需要的力；二是倒靶时能产生克服电机本身与纸卷连骨架产生的静摩擦所需的拖动力距，并且还要保证倒靶时靶纸应始终处于张紧状态，即拖动电机反能退回靶时，堵转电机带动的纸卷都能立即将其卷上，而不会产生靶纸张不紧的情形。本设计中选用 JQ2-52-8 鼠笼式三相异步电动机，其额定功率为5.5千瓦，额定电压为380伏。3.4.1 选择电机的原则 同选择拖动电动机的原则一样，该堵转电动机的功率选择的足够大，由感应电动机的转子堵转时，运行原理可知，该电机不动且属于转子绕组短路时，该短路的情形是和变压器副边短路是一样的。由于定、转子漏抗很小，故短路电压在定子电流为额定值时，不仅为0.150.25的标准值。即堵转电机所加的控制小于（0.150.25）倍的380伏，即不得超过95伏方可维持电机长期工作此时电机温升并不过甚，但此时通过额定电流，风扇冷却系统未起作用，处于堵转时与正常运转通过额定电流的温升显然要高，故根据实际情况，可用已设的电风扇冷却。3.4.2 电机的计算对于上述选用的电机由 额定电压下起动转矩的计算 得出当所加的控制电压为0.25倍的额定电压时，其起动转矩由下式可知： 上式有三相异步电动机的“一”型等值电路导出，忽略激磁阻抗。推导如下：如图：异步电动机的转子不动，转子绕组短路的情况下，定子漏抗和转子漏抗各为0.080.12左右，此时的短路电压在定子通过额定电流是为0.150.25的标值的数值只约为0.1左右，故激磁电流可忽略，复杂的电路<1>可简化成电路<2>得出公式： 我们知道： 又知 而 由公式中参数都由电机本身或电路决定，可以认为是恒定，得出结论： 即 已经能够满足张紧纸用1公斤的1.98N.m的要求了。若此时显得稍大，实际运行中可根据需要调试得出合适的控制电压值。利用堵转电机将倒过来的靶纸重新卷进时，此时的Me应大于堵转机构的静摩擦转矩,而卷靶机构的转动所需之转距由拖动电机供给，不包括在其中。第四章 结 论 应该值得注意的是对长期处于堵转中那台运行的感应电动机的功率选择应适当，不宜选择过大，若选择过大势必增加堵转机构的体积与重量，如果电机功率选小了，将不适于长期工作在堵转状态小运行的要求，关键是发热的问题，该设计的堵转状态下运行的感应电动机是一种很少见的特殊情况，它起的作用是挂靶和倒靶的张紧作用。当从发展的观点来看，卷靶机的三相异步电动机有许多缺点，它终究会被更加优良的减速同步电动机或其它传动装置所代替。在这三个月的毕业设计过程中，康老师在繁忙的教学科研之余，耐心细致地给我解答各种问题，对于主观的错误给予精心的指导，他严谨的治学态度渊博的知识，严肃、认真、一丝不苟的科研精神深深地感染了我，使我懂得了作为一个科研工作者应具备的优秀品质。在毕业设计期间，我查阅了大量有关资料，细心研究各个设计环节。使我对过去的理论知识得到了实际验证，更进一步加深了理论知识的理解，更为重要的一点是得到了实际锻炼，积累了实际经验，提高了处理实际问题的能力。