1、電機與運動控制系統課程設計任務書一、設計題目 題目1：某橋式起重機吊鉤控制系統設計二、目的意義本課程設計是自動化專業學生在學完專業課程“電機與運動控制系統”之后進行的一項實踐性教學環節。通過此環節，使學生能結合已完成的基礎課、技術基礎課和專業課對“電機與運動控制系統”課程的主要內容進行較為綜合的實際運用，進一步培養學生應用所學的理論知識解決實際設計問題的能力，初步掌握設計的方法和步驟，增強獨立查閱資料、分析問題和解決問題的能力，以及刻苦鉆研的工作作風和嚴肅認真的工作態度。為畢業設計和將來從事實際工作奠定基礎。三、設計要求起重機在實際生產中用途極為廣泛，從港口碼頭、車站貨場，到各種冶金、機械、化

2、工、軍事等領域，都離不開起重機。起重機最顯著的特點是位能性負載，交直流電動機均可使用。本專業學生應充分掌握根據生產工藝流程，繪制電動機的轉矩負載圖，選擇合適的電動機和控制設備，組成控制系統。包括系統構成、設備及器件選擇、參數整定計算以及繪制系統電路原理圖等內容，并能用先進控制器實現控制策略。（一）生產工藝流程及基本參數起重機吊鉤的工作循環為：控鉤下放、重載提升、重載下放和控鉤提升四個階段。已知數據為：起重量49000N，提升及下放速度均為10.5m/min；提升高度為16m，空鉤重量為2943N，負載持續率為30%。 設提升負載效率為0.85，下放負載效率為0.84，提升空鉤效率為0.37，下

3、放空鉤效率為0.1。 電動機經傳動裝置帶動卷筒旋轉，卷筒直徑為0.38m，電動機與卷筒間的傳速比為82。預選電動機：（ZC%=25%），Km=2.9，。設所有旋轉部件（不包括電動機轉子）的飛輪力矩為GDd2的30%。設電動機的平均起動轉矩為1.6TN, 平均制動轉矩為1.4TN, 起制動過程中轉矩為恒值?？浙^提升及下放時，電動機接近空載，負載極小，轉矩可修正為0.6 TN（設I0/I1N=0.6）。電源電壓為交流380V。（二） 設計具體要求1. 繪制電動機的轉矩負載圖，并校驗電動機的發熱及過載能力（設當ZC=25%時，）。2. 選擇控制器（自主）。3. 動態指標：起制動性能好、定位過程無超調

4、量。3. 系統具有過流、過壓、過載、過熱保護。四、 設計內容（一）主回路選擇和計算1. 確定電動機包括：繪制電動機的轉矩負載圖，校驗電動機的發熱及過載能力，選擇電動機型號整，具體計算。2主回路相關器件的選擇3電路保護環節的選擇和計算（二）控制電路設計控制器的選擇輸入輸出通道及其接口設計、電流反饋通道、轉速反饋通道、位置反饋通道。 （三）繪圖畫出控制系統電路原理圖（包括主電路和控制電路，采用標準圖紙打?。?。（四）系統的軟件結構（可選項）控制算法設計（五）設計報告（說明書）要求1. 論述全面，敘述簡潔，層次分明，書寫清楚，圖形、符號、曲線、數據等符合規范； 2. 有完整的設計說明、計算過程和系統工

5、作原理； 3. 圖紙清晰，規范，使用標準A×號圖紙；4. 封面、任務書、圖紙、須打?。徽n設報告摘要、正文、參考文獻可手寫或打印，統一為A4紙；5. 報告字數不少于4000字(不含圖紙)。中、英文摘要（各200字左右），關鍵字（35個），列出參考文獻（格式規范）；6. 裝訂：頁面左側裝訂。裝訂順序：封面，任務書，中、英文摘要，目錄，正文，參考文獻，附錄1：電氣元器件明細表，附錄2：控制系統電路原理圖。五、設計時間20152016學年 第2學期 第16、17周 2016-6-1摘  要橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設

6、在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。 橋式起重機廣泛地應用在室內外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。橋式起重機可分為普通橋式起重機、簡易粱橋式起重機和冶金專用橋式起重機三種。 普通橋式起重機一般由起重小車、橋架運行機構、橋架金屬結構組成。起重小車又由起升機構、小車運行機構和小車架三部分組成。起升機構包括電動機、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機通過減速器，帶動卷筒轉動，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物。關鍵詞：橋式起重機;起重小車;電動機AbstractB

7、ridge crane is a bridge type crane running on the elevated track, also known as crane. Bridge crane bridge laying along the elevated track in the vertical sides of runs, heavy cart along the laying on the bridge transverse running track, constitute a rectangular scope of work, you can make full use

8、of space below the bridge lifting material, from the ground equipment hindered. Bridge crane widely used in indoor and outdoor warehouses, factories, docks and open storage yard, etc. Bridge crane can be divided into ordinary bridge crane simplebeam bridge crane for bridge crane and metallurgical th

9、ree. General by the general bridge crane lifting trolley and bridge operationorganization bridge metal structure. Lifting trolley is .posed of three parts, the lifting mechanism, the trolley running mechanism and the small frame. The hoisting mechanism .prises an electric motor, a brake, a speed red

10、ucer, a drum and a pulley block. The electric motor drives the drum to rotate through the speed reducer, so that the steel wire rope is wound on the drum or is dropped from the drum to lift the heavy object. Key words: bridge crane;lifting trolley; motor目錄摘  要1Abstract2第1章 緒論41.1 橋式起重

11、機41.2 橋式起重機分類41.3橋式起重機的技術參數41.4橋式起重機的發展史51.5橋式起重機電氣控制發展趨勢5第2章 給定數據及預選電機62.1生產工藝流程及基本參數62.2預選電機6第3章 繪制轉矩負載圖7第4章 校驗電動機的發熱及過載能力104.1發熱校驗104.2 過載能力校驗11第5章 起升機構控制系統115.1控制系統組成115.2起升機構控制電路圖125.3起升機構的工作原理125.4系統的保護14第6章 結論14參考文獻15附錄 控制系統電路原理圖16第1章 緒論1.1 橋式起重機現代工業企業要求有各種類型的起重機械來滿足企業物流機械化需求，又要有效地運

12、用和增加設備的利用能力，以達到最經濟的效果。在現代生產中，起重機械被廣泛應用于各種物料的起重、運輸、裝卸、安裝和人員輸送等作業中，有些起重機械還能在生產過程中進行某些特殊的工藝操作，成為生產流水作業中的主體設備組成部分，實現生產過程的機械化和自動化。 橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。  橋式起重機廣泛地應用在室內外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。 1.2&#

13、160;橋式起重機分類 橋式起重機可分為普通橋式起重機、簡易粱橋式起重機和冶金專用橋式起重機三種。  普通橋式起重機一般由起重小車、橋架運行機構、橋架金屬結構組成。起重小車又由起升機構、小車運行機構和小車架三部分組成。起升機構包括電動機、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機通過減速器，帶動卷筒轉動，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物。本文重點研究起重機的控制，通過使用串電阻的調速方法已實現對電機的控制，從而控制起重機。 1.3橋式起重機的技術參數 橋式吊鉤起重機的主要技術參數如下。 1.重量 起重量又稱額定起重量，它是

14、指起重機實際允許的起吊最大負荷量，通常以噸作單位。 2.跨度 起重機主梁兩端車輪中心線間的距離，即大車軌道中心線間的距離，通常以米作單位。 3.起升高度 吊具或抓取裝置的上極限位置與下極限位置之間的距離，又可稱為起升的最大高度，以米作單位。 4.起升速度 起升機構在電動機的額定轉速時，取物裝置上吊的速度，用米/分作單位。 5.運行速度 遠行機構在電動機額定轉速下運行的速度，用米/分作單位。6.外型尺寸 外型尺寸指起重機長、寬、高的尺寸，用米作單位。 7. 工作類型 起重機各機

15、構按照其載荷率和工作繁忙程度劃分為輕級、中級、重級和超重級四種工作類型。 我國現行通用橋式起重機指起重量為5250噸，吊具為吊鉤、抓斗、電磁盤及其兩用與三用的橋式起重機，其工作環境溫度為-25-40。 1.4橋式起重機的發展史 起重機的雛形，中國古代灌溉農田用的桔是臂架型起重機的雛形。  14世紀，西歐出現了人力和畜力驅動的轉動臂架型起重機。  19 世紀前期，出現了橋式起重機；起重機的重要磨損件如軸、齒輪和吊具等開始采用金屬材料制造，并開始采用水力驅動。  19世紀后期，蒸汽驅動的起重機逐漸取

16、代了水力驅動的起重機。20世紀20年代開始，由于電氣工業和內燃機工業迅速發展，以電動機或內燃機為動力裝置的各種起重機基本形成。     目前世界上最大起重量的橋式起重機,是煙臺來福士海洋工程有限公司自行設計建造的巨型起重機-“泰山”，專為建造大型鉆井平臺設計制造，設備總體高度為118米，主梁跨度為125米，采用高低雙梁結構，設計提升重量達20160噸。 1.5橋式起重機電氣控制發展趨勢 隨著現代工業的迅速發展，新技術、新工藝的充分應用，社會生產力又躍上了一個新水平。由于市場競爭的需要，起重機生產方式也由單件小批量向著多品種的

17、變批量方向發展。   (1)設計、制作的計算機化、自動化近年來，隨著電子計算機的廣泛應用，許多國內外起重機制造商從應用計算機輔助設計系統，提高到應用計算機進行起重機的模塊化設計。在嚴密的科學理論指導下，擬定起重機結構、機構、部件等多層次的標準化、模塊化單元。起重機采用模塊單元化設計，不僅是一種設計方法的改革，而且將影響整個起重機行業的技術、生產和管理水平，老產品的更新換代、新產品的研制速度都將大大加快。對起重機的改進，只需針對幾個需要修改的模塊：設計新的起重機只需選用不同的模塊重新進行組合；提高了通用化程度，可使單件小批量的產品改換成相對批量的模塊生產。亦能以較少

18、的模塊形式，組合成不同功能和不同規格的起重機，滿足市場的需求，增加競爭能力。例如，德馬克公司開發了一種標準車輪箱模塊系列，上面有多組聯接孔，選用不同型號的驅動單元，可組裝成臺車?？膳c金屬構件組合后用作橋式、門式起重機或其它軌行式起重運輸機械。其車輪有多種踏面形式可供選用，由于不受輪距的限制，組合更加靈活，用途更加廣泛。（2)起重機控制元件的革新與應用起重機的定位精度是對起重機的重要要求，多數采用轉角碼盤、齒輪鏈、激光頭與鋼板孔帶來保證。在起重機起升速度、制動器方面的改進，則使用低速運行的起重機吊鉤精確定位，起重機的剎車系統也應用微處理進行控制和監視工作。遙控系統用于橋式起重機及其它移動式起重運

19、輸機械，不僅節省人力。提高工作效率，而且使操作者的作業條件得到改善起重機的距離檢測防撞裝置，采用無線電信號型防撞裝置，防撞裝置由三相系統組成，用來監控起重機前端行駛距離，一般首先發出信號警告，接著將大車車速減小到50，最后切斷電機電源，將大車制動。   (3)新材料、新工藝的應用由于鋼鐵工業新技術的應用，鋼材質量得以提高，在設計起重機主梁強度時，可使用較高的許用應力，而不需要很高的安全系數，以便減少起重機材料用量(這并不意味著不安全)，從而降低設備的重量和價格。因起重機重量的減小，可用功率較小的驅動裝置啟動，因此而減少電力，節省開支。在機加工方面，盡管采用少切削的

20、精密鑄件，尤其是鋁合金鑄件占多；加工設備大量采用高精、高效的加工中心，數控自動機床等。既保證加工質量，又提高了生產率、降低了成本 國內外起重機廠商為了能迅速制造和裝配出品種多樣化的產品來，要求企業之間密切聯系和協調，企業走向專業化、標準化和系列化因為使用標準件設備能迅速組合和安裝，減少標準件外組合部分的加工制造就顯得特別重要。組合構件的使用比生產非標準件起重機來，有助于減少成本。 第2章 給定數據及預選電機2.1生產工藝流程及基本參數起重機吊鉤的工作循環為：控鉤下放、重載提升、重載下放和控鉤提升四個階段。已知數據為：起重量49000N，提升及下放速度均為10.5m/min；

21、提升高度為16m，空鉤重量為2943N，負載持續率為30%。 設提升負載效率為0.85，下放負載效率為0.84，提升空鉤效率為0.37，下放空鉤效率為0.1。 電動機經傳動裝置帶動卷筒旋轉，卷筒直徑為0.38m，電動機與卷筒間的傳速比為82。2.2預選電機預選電動機：（ZC%=25%），Km=2.9，。設所有旋轉部件（不包括電動機轉子）的飛輪力矩為GDd2的30%。設電動機的平均起動轉矩為1.6TN, 平均制動轉矩為1.4TN, 起制動過程中轉矩為恒值?？浙^提升及下放時，電動機接近空載，負載極小，轉矩可修正為0.6 TN（設I0/I1N=0.6）。電源電壓為交流380V。第3章 繪制轉矩負載圖

22、147N.m將提升下放速度轉換成電機轉速 721.6r/minGD2的計算重載提升或者下放重物時，直線運動部分折算到電動機軸上的飛輪慣量為1.12N/m2其中GZ為起重量與空鉤重量之和。此時系統總的飛輪矩為24.78N/m2空鉤提升或者下放時，直線運動部分折算到電動機軸上的飛輪慣量為 0.06N/m2 空鉤運行時，系統總的飛輪慣量為 23.72N/m21. 重載提升計算（轉矩、時間、距離）各時間段轉矩提升重載加速起動轉矩 235.2N/m提升重載勻速運行負載轉矩 141.5N/m141.5/m提升制動轉矩 -205.8N/m 各段時間： 起動、加速時間 0.51s在tr1期間移動的距離 0.0

23、4m制動時間 -0.74s在tr3期間內移動的距離 0.06m等速穩定運行距離 15.9m等速穩定運行時間 90.86s2. 重載下放計算（轉矩、時間、距離）下放重載起動轉矩 -235.2N/m下放重載負載轉矩 101.1N/m101.1N/m 下放重物制動轉矩 205.8N/m下放重物加速時間 -0.36s在td1內移動的距離 0.03m下放重物制動時間 0.46s在td3內移動的距離 0.04m等速下放重物運行距離 15.93m等速下放重物運行時間 91.02s3. 空鉤提升計算（轉矩、時間、距離）空鉤提升加速轉矩 88.2N/m提升空鉤勻速運行負載轉矩 18.4N/m18.4N/m空鉤提

24、升制動轉矩 -205.8N/m空鉤提升加速時間 0.65s在tr10內上升的距離 0.06m空鉤提升制動時間 -0.24s在tr30內上升的距離 0.02m提升空鉤勻速上升的距離 15.92m提升空鉤勻速上升的時間 90.97s4. 空鉤下放計算（轉矩、時間、距離）空鉤下放加速起動轉矩 -88.2N/m空鉤勻速下放負載轉矩 0.68N/m0.68N/m 空鉤下放制動轉矩 205.8N/m空鉤下放加速啟動時間 -0.52s在td10內下降的距離 0.05m空鉤下放制動時間 0.22s在td30內下降的距離 0.02m空鉤等速下放運行距離 15.93m空鉤等速下放運行時間 91.02s根據以上計算

25、數據，可繪制出電動機的轉矩負載圖 第4章 校驗電動機的發熱及過載能力4.1發熱校驗等效轉矩法：=89N/mTdx= Tdx/+k(c/x-1)  ( k取1)=74.16N/m由于Tdx< TN，故發熱校驗通過。4.2 過載能力校驗 Tmax/TN<=km=1.6<=2.9,故過載能力校驗通過。第5章 起升機構控制系統5.1控制系統組成 主提升控制系統包括接觸器控制開關，三相異步電動機，主令控制器，電壓繼電器，過電流繼電器，中間繼電器，以及限位開關等。5.2起升機構控制電路圖5.3起升機構的工作原理 

26、60; 合上電源開關，當主令控制器手柄置于0位時，SA-1閉合，電壓繼電器KV線圈通電并自鎖，為啟動作準備。當控制器手柄離開零位，處于其他工作位置是，雖然觸頭SA-1斷開，并不影響KV的吸合狀態。但電源斷開后，卻必須將控制器手柄返回0位后才能再次啟動，這就是零電壓和零位保護的作用。1.提升重物的控制?？刂破魈嵘刂?個檔位，在提升各檔位上，控制器觸頭SA3，SA4，SA6與SA7都閉合，于是將上升行程開關SGU2接入，起提升限位保護作用；接觸器KMU,KMB,KM1始終通電吸合，電磁抱閘松開，短接R1電阻，電動機按提升相序接通電源，產生提升方向電磁轉矩，在提升1位時，由于啟動轉矩小，

27、一般吊不起重物，只做張緊鋼絲繩和消除齒輪間隙的預備啟動級。當主令控制器手柄依次扳到上升2至5檔時，控制器觸頭SA8-SA11依次閉合，接觸器KM2-KM5線圈依次通電吸合，將R2-R5各段電阻逐級短接。根據負載大小選擇適當檔位進行提升操作，可獲得5種提升速度。 2.下放重物控制。主令控制器在下放重物時也有5個檔位，但在前2個檔位，正轉接觸器線圈KMU通電吸合，電動機仍以提升相序接線，產生向上的電磁轉矩，只有在下降的后3個檔位，反轉接觸器KMD才通電吸合，電動機產生向下的電磁轉矩，所以，前2個檔位為倒拉反接制動下放，而后3個檔位為強力下放。（1）下放1檔位預備檔。此時控制器觸頭SA4斷

28、開，KMB斷電釋放，制動器未松開；觸頭SA6，SA7，SA8閉合，接觸器KMU,KM1，KM2通電吸合，電動機轉子電阻R1，R2被短接，定子按提升相序接通三相交流電源，但此時由于制動器未打開，故電動機并不旋轉。該檔位是為適應提升機構由提升變換到下降重物，消除因機械傳動間隙產生沖擊而設定的。所以此檔不能停留，必須迅速通過該檔扳向下放其他檔位，以防電動機在堵轉狀態下時間過長而燒毀電動機。 （2）下放2檔是為載荷低速下放而設的。此時控制器觸頭SA4，SA6，SA7,SA8閉合，接觸器KMB,KMU,KM1，KM2線圈通電吸合，制動器打開，電動機轉子串入R1，R2電阻，定子按提升相序接線，載

29、荷獲得倒拉反接制動低速下放。所以，控制器手柄在該檔位時，將穩定運行低速下放載荷。 在上述制動下放的2個檔位，控制器觸頭SA3始終閉合，將提升限位開關SQU2接入，其目的在于預防對吊物重量估計不準。重物不但不下降反而上升，此時SQU2起上升限位作用。 （3）控制器手柄在下放3,4,5檔位時為強力下放。此時，控制器觸頭SA2，SA4，SA5,SA7，SA8始終閉合，接觸器KMD,KMB,KM1，KM2線圈通電吸合，制動器打開，電動機定子按下放重物相序接線，轉子電阻逐級短接，提升機構在電動機下放電磁轉矩和重力矩共同作用下，是重物下放。3.電路的聯鎖與保護。由過流繼電器KI5實現過

30、流保護；電壓繼電器KV與主令控制器SA實現零電壓保護欲零位保護；行程開關SQU2實現上升的限位保護，KMU,KMD實現上升與下降的聯鎖保護，在加速接觸器KM3，KM4，KM5線圈電路中串接了前一級加速接觸器的常開輔助觸點，確保轉子電阻按順序依次短接，實現機械特性平滑過渡，電動機轉速逐級提高。 接觸器主要由電磁系統、觸點系統、滅弧系統及其它部分組成。電磁系統：電磁系統包括電磁線圈和鐵心，是接觸器的重要組成部分，依靠它帶動觸點的閉合與斷開。  觸點系統：觸點是接觸器的執行部分，包括主觸點和輔助觸點。主觸點的作用是接通和分斷主回路，控制較大的電流，而輔助觸點是在控制回路

31、中，以滿足各種控制方式的要求。 滅弧系統：滅弧裝置用來保證觸點斷開電路時，產生的電弧可靠的熄滅，減少電弧對觸點的損傷。為了迅速熄滅斷開時的電弧，通常接觸器都裝有滅弧裝置，一般采用半封式縱縫陶土滅弧罩，并配有強磁吹弧回路。  其它部分：有絕緣外殼、彈簧、短路環、傳動機構等。   工作原理：當接觸器電磁線圈不通電時，彈簧的反作用力和銜鐵芯的自重使主觸點保持斷開位置。當電磁線圈通過控制回路接通控制電壓(一般為額定電壓)時，電磁力克服彈簧的反作用力將銜鐵吸向靜鐵心，帶動主觸點閉合，接通電路，輔助接點隨之動作  采用串電阻調

32、速的優點：繞線式異步電動機轉子串電阻調速最為簡單經濟，適合于低速運行要求不高的場合，因此仍廣泛的應用于各種對調速性能要求不高的起重機械運輸上。 5.4系統的保護 橋式起重機的動力源是電動機，通過控制電動機的正反轉，以及速度來控制橋式起重機，所以對于起重機的電動機要進行保護。 在許多需要連續運行的重要的生產單位，如發電廠煤的輸送，鋼鐵廠和水泥廠散狀物料的輸送，以及港口內船舶裝卸等均采用輸送機，輸送機的動力傳輸裝置是電動機。電動機在高溫、高濕、多塵埃的工況條件下，容易使電動機出現堵轉、短路、斷相、漏電和長期過負荷導致絕緣受損等故障。一旦輸送機的動力傳輸裝置電動機發生故障，拆卸更換和修理電動機需要很長時間，這必將造成其所在生產線的停工, 它甚至會影響整個大生產系統的工藝流程。另外，由于電機的故障、損壞所造成的