1413-離心泵的設計及其密封

1413-離心泵的設計及其密封,離心泵,設計,及其,密封 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 離心泵的設計及其密封 學號： 2006183917 姓名： 謝力爭 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 文美純 系主任： 周友行 一、主要內(nèi)容及基本要求1、了解離心泵的基本原理和密封在應用中的重要性。 2、設計離心泵的內(nèi)部零件以及密封部件。用 CAD 繪圖合計 2 張 A0 圖紙。 3、設計說明書 7000 字以上，內(nèi)容完整，計算準確。 4、外文翻譯 5000 字符以上，中文翻譯通順。 二、重點研究的問題離心泵的工作原理和設計及其機械密封設計。 三、技術指標 主要技術參數(shù)：離心泵的揚程 40m，流量 100m3/h。 機械密封的端面比壓 0.58Mpa。 四、進度安排序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間1 查閱與課題相關資料 1 周2 開題報告、制定設計方案 2—3 周3 設計計算 4 周4 校核計算 5 周5 CAD 繪圖 6-10 周6 整理說明書、外文翻譯 11 周7 修改圖紙和說明書 12 周8 打印圖紙、畢業(yè)設計答辯 13 周四、應收集的資料及主要參考文獻1.《機械設計》吳宗澤主編 北京：高等教育出版社，2001 2.《離心泵與軸流泵》丁成偉著 南寧：機械工業(yè)出版社，1985 3.《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡著 北京：宇航出版社，1995 4.《機械設計手冊》 （第二卷）機械設計手冊編委會編著 北京：機械工業(yè)出版社，2004.8 5. 《機械設計標準應用手冊》 （第二卷）汪凱著 北京：機械工業(yè)出版社，1997.8 6. 《中國機械設計大典》(第三卷) 南昌:江西科學技術出版社,2002.1 7. 《材料力學》宋子康 蔡文安著 北京:同濟大學出版社,1993.8 8. 《機械制圖》(第五版) 大連理工大學工程畫教研室編 北京:高等教育出版社,2003.89. 《工程流體力學》侯國祥等編 北京:機械工業(yè)出版社,2006.7 10.《機械設計基礎課程設計》陳立德主編 北京：高等教育出版社，2006.7 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文題 目： 離心泵的設計及其密封 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化學 號： 2006183917 姓 名： 謝力爭 指導教師： 文美純 完成日期： 2010 年 06月 06日 目錄一 內(nèi)容摘要……………………………………………………………1二 離心泵的工作原理以及密封方案選擇……………………………22.1 離心泵的工作原理………………………………………… 22.2 密封方案選擇……………………………………………… 2三 離心泵的設計………………………………………………………43.1 離心泵的基本原理………………………………………… 43.2 離心泵氣蝕余量的計算…………………………………… 5 3.3 離心泵基本參數(shù)的確定…………………………………… 61 確定泵的進口直徑…………………………………………62 確定泵的出口直徑…………………………………………63 泵轉速的確定………………………………………………74 軸功率和原動機功率確定 ……………………………… 73.4 壓入室和吸出室的計算…………………………………… 81 壓出室水力計算………………………………………… 82 吸入室的水力設計……………………………………… 83.5 軸的計算…………………………………………………… 91 扭矩的計算……………………………………………… 92 泵軸直徑的初步計算…………………………………… 93 軸的強度計算……………………………………………194 軸的強度校核……………………………………………123.6 葉輪結構設計及主要尺寸計算……………………………141 結構設計…………………………………………………142 葉輪結構型式的確定……………………………………143 葉輪輪轂直徑 的計算…………………………………14hd4 葉輪進口直徑 的計算 ……………………………… 15jD5 葉輪外徑的計算…………………………………………156 葉輪出口寬度的計算……………………………………167 葉片數(shù)的計算和選擇……………………………………168 精算葉輪外徑……………………………………………179 葉輪出口速度……………………………………………1710 葉輪進口速度……………………………………………1811 葉輪強度計算……………………………………………193.7 泵體和鍵的強度計算………………………………………211 泵體強度計算……………………………………………212 鍵的強度校核……………………………………………23四 離心泵的密封設計及其計算…………………………………… 264.1 密封的介紹…………………………………………………264.2 端面比壓的計算……………………………………………27五 結論………………………………………………………………29 六 參考文獻…………………………………………………………30七 附錄………………………………………………………………31英文翻譯…………………………………………………………31湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 2006183917 姓名 謝力爭 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 離心泵的設計及其密封 評價項目 評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價評閱人： 2010 年 6 月 7 日1題目 離心泵的設計及其密封摘要：在當今社會離心泵的應用是很廣泛的,在國民經(jīng)濟的許多部門要用到它。在供給系統(tǒng)中幾乎是不可缺少的一種設備。在泵的實際應用中損耗嚴重，特別是化工用泵在實際應用中損耗，主要是軸封部分，在輸送過程中由于密封不當而出現(xiàn)泄漏造成重大損失和事故。軸封有填料密封和機械密封。填料密封使用周期短，損耗高，效率低。本設計使用機械密封。主要以自己設計的離心泵為基礎，對泵的密封進行改進，以減少損耗，提高離心泵壽命。本設計其主要工作內(nèi)容如下，自己設計一臺揚程為 40m，流量為 100m /h 的離心泵。電機功率為 7.5kw，轉速為 2900r/min，.在 0—380 C 工作環(huán)境下輸送帶雜質液體的離心泵的機械密封。0關鍵詞： 泵 填料密封 離心泵 機械密封Centrifugal pump design and sealingAbstract: In today's society, the centrifugal pump is applied widely in the national economy, many departments should use it. In the supply system is almost an indispensable equipment. The practical application in pump industry, especially with serious loss in actual application of pump shaft seals, mainly is loss in the process of conveying, due to improper seal leakage caused heavy losses and accidents. Shaft seals have packing seal and mechanical seal. Packing seal use short cycle, the loss is high. Efficiency is low. This design USES mechanical seal. Mainly in their design based on centrifugal pump, and the improved seal pump, in order to reduce loss, improve the centrifugal pump life. This design is the main content of work, design a head for 40 MB, flow 100m/h of centrifugal pump. Electric power is 7.5 kw, speed for 2900r/min, the 0-80 C work environment impurity liquid conveyer belt of centrifugal pump mechanical seal.Keywords: pump packing seal centrifugal pump mechanical seal2二 離心泵的工作原理以及方案選擇2.1 離心泵的工作原理離心泵工作前，先將泵內(nèi)充滿液體，然后啟動離心泵，葉輪快速轉動，葉輪的葉片驅使液體轉動，液體轉動時依靠慣性向葉輪外緣流去，同時葉輪從吸入室吸進液體，在這一過程中，葉輪中的液體繞流葉片，在繞流運動中液體作用一升力于葉片，反過來葉片以一個與此升力大小相等、方向相反的力作用于液體，這個力對液體做功，使液體得到能量而流出葉輪，這時候液體的動能與壓能均增大。就可以達到效果。離心泵依靠旋轉葉輪對液體的作用把原動機的機械能傳遞給液體。由于離心泵的作用液體從葉輪進口流向出口的過程中，其速度能和壓力能都得到增加，被葉輪排出的液體經(jīng)過壓出室，大部分速度能轉換成壓力能，然后沿排出管路輸送出去，這時，葉輪進口處因液體的排出而形成真空或低壓，吸水池中的液體在液面壓力（大氣壓）的作用下，被壓入葉輪的進口，于是，旋轉著的葉輪就連續(xù)不斷地吸入和排出液體。2.2 密封方案選擇離心泵的密封也叫軸封。它是旋轉軸和泵體之間的密封。分為機械密封和填料密封。填料密封一般采用油浸石棉盤根或油浸棉紗盤根。他的優(yōu)點是結構簡單、成本低、適用范圍廣。但是在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的狀況：新修好的設備，開始運行時軸封狀況良好，但用不了多久，泄漏量便不斷增加，調(diào)整壓蓋和更換填料的工作也逐漸頻繁，運轉不到一個周期，軸套就已磨損成花瓶狀，嚴重時還會出現(xiàn)軸套磨斷，并且水封環(huán)后面更換不到的盤根均已腐爛，無法起到密封作用。它的主要缺點是 1、填料與軸直接接觸，且相對轉動，造成軸與軸套的磨損，所以必須定期或不定期更換軸套。2、為了使填料與軸或軸套間產(chǎn)生的摩擦熱及時散掉，填料密封必須保持一定量的泄漏，而且不易控制。3、填料與軸或軸套間的摩擦，造成電機有效功率降低，消耗電能，有時甚至達到 5％－10％的驚人比例。也就是說：從填料密封的原理來看，流體在密封腔內(nèi)可泄漏的通道有三處：其一是流體穿透纖維材料造成泄漏；其二是從填料與填料箱體之間泄漏；其三是從填料與軸表面之間泄漏。機械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。 常用機械密封結構由靜止環(huán)（靜環(huán)）1、旋轉環(huán)（動環(huán)）2 、彈性元件 3、彈簧座4、緊定螺釘 5、旋轉環(huán)輔助密封圈 6 和靜止環(huán)輔助密封圈 8 等元件組成，防轉銷 7 固定在壓蓋 9 上以防止靜止環(huán)轉動。旋轉環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補償能力而稱為補償環(huán)或非補償還。相對于填料密封，機械密封的優(yōu)點是：1 密封可靠在長周期的運行中，密封狀態(tài)很穩(wěn)定，泄漏量很小，按粗略統(tǒng)計，其泄漏量一般僅為軟填料密封的 1/100；2 使用壽命長在油、水類介質中一般可達 1～2 年或更長時間，在化工介質中通常也能達半年以上；3 摩擦功率消耗小機械密封的摩擦功率僅為軟填料密封的 10%～50%；4 軸或軸套基本上不受摩損；35 維修周期長端面磨損后可自動補償，一般情況下，毋需經(jīng)常性的維修；6 抗振性好 對旋轉軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜不敏感；7 適用范圍廣機械密封能用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉速，以及各種腐蝕性介質和含磨粒介質等的密封。8 對現(xiàn)今許多工廠的“零泄漏” 需要，填料無法達到此要求；根本適應范圍廣，隨意性更大，但對于在工廠，經(jīng)常更換或維護將對工廠造成很大損失。但是機械密封由于零件相對較多，所以結構較復雜，對制造加工要求高，并且安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術水平。發(fā)生偶然性事故時，處理較困難。還有機械密封的一次性投資高，必須考慮成本問題。綜合二種密封方式，考慮本設計中輸送的化學液體，并可能帶有腐蝕性，一旦泄漏會出重大事故。必須選擇密封性能好的方式。故本設計采用機械密封。要求計算出機械密封的各種力和端面比壓。4三 離心泵的設計3.1 離心泵的基本原理泵是把原動機的機械能轉換成液體能量的機器。泵用來增加液體的位能、壓能、動能.原動機通過泵軸帶動葉輪旋轉,對液體做功,使其能量增加,從而使需要數(shù)量的液體,使液體經(jīng)泵的過流部件輸送到要求的高度或要求壓力的地方。如下圖 1-1 所示,是簡單的離心泵裝置。原動機帶動葉輪旋轉,將水從 A 處吸入泵內(nèi),排送到 B 處。泵中起主導作用的是葉輪,葉輪中的葉片強迫液體旋轉,液體在離心力作用下向四周甩出。這種情況和轉動的雨傘上的水滴向四周甩出去的道理一樣。泵內(nèi)的液體甩出去后,新的液體在大氣壓力下進入泵內(nèi),如此連續(xù)不斷地從 A 處向 B 處供水。泵在開動前,應先灌滿水。如不灌滿水,葉輪只能帶動空氣旋轉,因空氣的單位體積的質量很小,產(chǎn)生的離心力甚小,無力把泵內(nèi)和排水管路中的空氣排出,不能在泵內(nèi)造成一定的真空,水也就吸不上來。泵的底閥是為灌水用的,泵出口側的調(diào)節(jié)閥是用來調(diào)節(jié)流量的。如圖 3-1底 閥下 液 面 p1p0圖 （ 2） ： 工 作 原 理 示 意 圖圖 3-153.2 泵汽蝕余量的計算方法汽蝕余量對于泵的設計、試驗和使用都是十分重要的汽蝕基本參數(shù)。設計泵時根據(jù)對汽蝕性能的要求設計泵,如果用戶給定了具體的使用條件,則設計泵的汽蝕余量必須小于按使用條件確定的裝置汽蝕余量 。欲提高泵的汽蝕性能,應盡rNPSHaNPSH量減小 。泵試驗時,通過汽蝕試驗驗證 ,這是確定 唯一可靠的方法。r r rS它一方面可以驗證泵是否達到設計的 值。另一方面,考慮一個安全余量,得到許r用汽蝕余量[ ],作為用戶確定幾何安裝高度的依據(jù).可見,正確地理解和確定汽蝕NPS余量是十分重要的。為了深入理解汽蝕的概念,應區(qū)分以下幾種汽蝕余量：1. ——裝置汽蝕余量又叫有效的汽蝕余量。是由吸入裝置提供的, 越大aH aNPSH泵越不容易發(fā)生汽蝕。2. ——泵汽蝕余量又叫必需的汽蝕余量,是規(guī)定泵要達到的汽蝕性能參數(shù), rNPS越小,泵的抗汽蝕性能越好。r3. ——試驗汽蝕余量,是汽蝕試驗時算出的值, 試驗汽蝕余量有任意多個,但對tH應泵性能下降一定值的試驗汽蝕余量只有一個,稱為臨界汽蝕余量,用表示。cNPS4. ——許用汽蝕余量,這是確定泵使用條件(如安裝高度)用的汽蝕余量,它應大??于臨界汽蝕余量,以保證泵運行時不發(fā)生汽蝕,通常取 =??NPSH或 = +k, k 是安全值。??cNPSH5.1~??cNPSH這些汽蝕余量有如下關系: arc ??泵汽蝕余量的計算:HNPSr???式中: ——托馬汽蝕系數(shù)；——泵最高效率點下的泵單級揚程；6——最高效率點下的泵汽蝕余量。rNPSH根據(jù)【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著，宇航出版社。 】 查圖 4-7取 =0.075?所以 =0.035 40=3r??3.3 泵的基本參數(shù)的確定1 確定泵的進口直徑泵進口直徑也叫泵吸入口徑,是指泵吸入法蘭處管的內(nèi)徑.吸入口徑由合理的進口流速確定。泵的進口流速一般為 3m/s 左右，從制造經(jīng)濟行考慮，大型泵的流速取大些，以減小泵體積，提高過流能力。從提高抗汽蝕性能考慮，應取較大的進口直徑，以減小流速。常用的泵吸入口徑，流量和流速的關系如圖所示。對抗汽蝕性能要求高的泵，在吸入口徑小于 250mm 時，可取吸入口徑流速 ，在吸入口徑大于smVs/8.1~0?250mm 時，可取 。選定吸入流速后，按下式確定 ,在該設計中，此smVs/2.~41? sD泵為單吸離心泵。 sVQD?吸入口徑（mm）40 50 65 80 100 150 200 250流速（m/s）1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83單級泵流量（m 3/h） 6.25 12.5 25 50 100 180 300 500表 3-1注：此表取自【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著，宇航出版社。 】取吸入口流速 V =3.2m /h，代入公式得：S3 mQRs 123.064????入取泵的吸入口徑為 125mm。2. 確定泵的出口直徑泵出口直徑也叫泵排出口徑，是指泵排出法蘭處管的的內(nèi)徑。對于低揚程泵，排出口徑可與吸入口徑相同；對于高揚程泵，為減小泵的體積和排出管路直徑，可取排出口徑小于吸入口徑，一般取sDR)7.0~1(?出7式中：R ——泵的排出口徑出R ——泵的吸入口徑入根據(jù)該泵的特性，由于該泵的流量大，考慮排水管路的經(jīng)濟性 mDS1057.0. ???出取 m10?出3. 泵轉速的確定 確定泵轉速應考慮以下因素：(1).泵的轉速越高，泵的體積越小，重量越輕，據(jù)此應選擇盡量高的轉速；(2).轉速和比轉數(shù)有關，而比轉數(shù)和效率有關，所以轉速應該和比轉數(shù)結合起來確定；(3).確定轉速應考慮原動機的種類（電動機、內(nèi)燃機、汽輪機等）和傳動裝置（皮帶傳動、齒輪傳動、液力偶合器傳動等） ；(4).轉速增高，過流部件的磨損加快，機組的振動、噪聲變大；(5).提高泵的轉速受到汽蝕條件的限制，從汽蝕比轉數(shù)公式4362.5rNPSHQnC?式中： ——泵的轉速（r/min）——泵流量（m 3/s）可知：轉速 和汽蝕基本參數(shù) 及 有確定的關系，如得不到滿足，將發(fā)生nrNPSHC汽蝕。對既定得泵汽蝕比轉數(shù) 值為定值，轉速增加，流量增加，則 增加，當rNPSH該值大于裝置汽蝕余量 時，泵將發(fā)生汽蝕。a選 ,. =3，150?CrNPSHsmQ/05.3?則 in/79.62.51. 443 rnr??根據(jù)汽蝕要求，泵的轉速應小于 ，而實際轉速為3min/290r4. 軸功率和原動機功率的確定泵的軸功率 KwgQHP356.7608.10149?????軸原動機功率 KwKt 25.3.7??原8式中: ——余量系數(shù) 查【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著】 表 7-10K取 =1.1(原動機為電動機)——傳動效率 查【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著】 表 7-11t?取 (直聯(lián))0.1?t所以選擇 7.5Kw 的電動機可滿足要求,查【《機械零件手冊》吳宗澤主編】選擇電動機的型號為 Y132S2-23.4 壓出室和吸入室的設計1. 壓出室的水力設計壓出室的作用在于：1 將葉片中流出的液體收集起來并送往下一級葉輪或管路系統(tǒng)。2.降低液體的流速，實現(xiàn)動能到壓能的轉化，并可減小液體流往下一級葉輪或管路系統(tǒng)的損失。3.消除液體流出葉輪后的旋轉運動，以避免由于這種旋轉運動帶來的水力損失。本設計采用的壓出室是蝸形體，即螺旋形渦室。2. 吸入室的水力設計(1) 吸入室的作用吸入室是指泵的吸入法蘭到葉輪入口前泵體的過流部分，吸入室的作用是將吸入管中的液體以最小的損失均勻地引向葉輪。吸入室中的水力損失要比壓出室的水力損失小的多，因此，與壓出室相比，吸入室的重要性要小的多，盡管如此，吸入室仍是水泵不可缺少的部件，它直接影響著葉輪的效率和泵的汽蝕性能。(2) 吸入室的分類吸入室有以下四類：直錐形吸入室、環(huán)形吸入室、半螺旋形吸入室、單吸泵螺旋形吸入室直錐形吸入室常用于單級懸臂式泵中，它能保證液流逐漸加速而均勻地進入葉輪。環(huán)形吸入室又叫同心吸入室，在接近入口處設有許多導向徑，以防止液體在其中打轉而產(chǎn)生預旋，常用于雜質泵和多級泵。半螺旋形吸入室主要用于單級泵中和水平式開式泵等,能保證在葉輪進口得到均勻的速度場。本次設計泵采用單吸泵螺旋形吸入室。這種結構的吸入室性能好，結構簡單，制造方便，液體在單吸泵螺旋形吸入室內(nèi)流動速度遞增，使液體在葉輪進口能得到均勻的速度，液體在雙吸泵螺旋形吸入室水力損失很小，汽蝕性能也比較好。3.5 軸的設計離心泵軸的設計為空心軸和電機軸用聯(lián)軸器直接相聯(lián)。為了保證這根軸符合要求,我們最后按外伸梁方法分析計算。1 扭矩的計算 9mNnPnMcn ??????1.29705.12.1950原式中: ——扭矩( )mN?——計算功率 取P原2.12 泵軸直徑的初步計算 ??mMdn 0276.152.0..3531 ????式中: ——材料的許用切應力( ) 查【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著】 表 7-Pa12 取 ??Pa51???值的大小決定軸的粗細,軸細可以節(jié)省材料,提高葉輪水力和汽蝕性能;軸粗能增強泵的剛度,提高運行可靠性.故泵軸的最小軸徑取 ,泵軸的最大尺寸取md30?m603 軸的強度計算（1）葉輪所受徑向力的計算( )32108.9??BHDKFrN式中: ——泵揚程 m4?——葉輪外徑 2 25.02——包括蓋板的葉輪出口寬度( )B3...02????——試驗系數(shù) 查【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著】 rK圖 17-30 取 2.rK則 NBHDFr32108.9??N1506.7013?（2）葉輪所受徑向不平衡離心力的計算(N)0290298.18.2RnGRGnc ??????式中: ——最大半徑處的殘余不平衡質量(g)取Ggc3?10——葉輪的最大半徑( ) 0RmR153?則 NRnGFcc 38.4229098.10198.2 ????????（3）水平總的受力: Fc8.4'3?垂直總的受力: CR .1353（4）計算水平面支承反力 ?? NFFQRR 4.63598702.1598223'3'1 ???????RQR .30.'3'2 ??（5）計算垂直面支承反力 ??NFFRR 4.28359.1859831 ?????RR.223（6）計算水平面 C 和 D 處的彎矩(考慮到 C 和 D 處可能是危險截面)mNNFMRCH ?????2.18034.68'1???? mND ????1734546352'（7）計算垂直面 C 處和 D 處的彎矩RCV ?????2.8034.831 mNFMD 549125（8）計算合成彎矩C 點合成彎矩：mNCVH ??????? 197522.80.22D 點合成彎矩： mNMDV ??80549173222（9）計算 C 和 D 處當量彎矩查【《機械設計》吳宗澤主編】表 2-7 由插入法得??3.21??b???3.10?b???591??b???6.01??b??11????mNTMC ???????? 2342106.19752222' ?D 180780'（10）校核軸的強度根據(jù)彎矩大小及軸的直徑選定 C 和 D 兩截面進行強度校核，由【《機械設計》吳宗澤主編】表 2-5，當 45 鋼 ，按表 2-7 用插值法得MPab64????MPab591???C 截面當量彎曲應力： ??bCmNdMW133''' 095.041.2.0 ??????（因 C 截面有鍵槽，考慮對軸強度削弱影響，故 d 乘以 0.95）D 截面當量彎曲應力： ??bDMPad133''' 20451.087. ??????? ??因此：C 和 D 兩截面均安全（11）校核軸徑在葉輪中心截面處： mNMC?23'1在電動機第一軸承處： ????mNT ??????? 2637106.422212?在電動機中間截面處：?945.3722223??mMdb 45591.041.03??????b6..27.33122???mdb 58.59.04.0331 ??????軸的受力分析如下12FR3R1MnFR2FR3R3R1R2FQ軸 受 力 簡 圖水 平 面 受 力 R1R2垂 直 面 受 力水 平 面 彎 矩 圖垂 直 面 彎 矩 圖 8002.圖 3-24 軸的強度校核軸的校核（1）按彎扭合成應力校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取 = =18.6Mpa；ca?WTM/)(2321??13查表《機械設計》表 15-1 查得[ ]=60Mpa;因此 ＜[ ]，故安全。 （2）精1??ca?1?確校核軸的疲勞強度S =S *S / ≥Sca??2??S?S = /K * + * ≥S1?a?m截面Ⅲ抗彎截面系數(shù) W=0.1d =0.1*55 =16637mm333抗扭截面系數(shù) W =0.2 d =0.2*55 =33250 mmT截面Ⅲ的左側的彎矩 M 為M=166758*(71-36)/71=92534N.m 截面Ⅲ上的扭矩 T 為T=960000N.m截面上的彎曲應力=M/W=92534/16637=5.6Mpa?截面上的扭轉切應力=T/ W =960000/33250=28..2Mpa?T軸的材料為 45 鋼，調(diào)質處理。由表 15-1 查=640Mpa； =275Mpa； =155Mpa；?B?1?截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù) 及 按表查取，因???r/d=2.0/55=0.036,D/d=60/55=1.09;經(jīng)插值得， =1.310.2????軸按磨削加工，得表面質量系數(shù)為= =0.92???軸未經(jīng)表面強化處理，即 =1，得qK =2.80 K =1.62??計算安全系數(shù) S 值，caS =S *S / =9.5＞＞S=1.5ca??2???14故可知其安全。3.6 葉輪結構設計及主要尺寸計算1 結構設計葉輪是離心泵傳遞能量的主要部件，通過它把電能轉換為液體的壓力能和動能，因此，要求葉輪具有足夠的機械強度和完好的葉片形狀，在材料上，除了考慮介質腐蝕，磨損外，由于它是旋轉部件，故還應考慮離心力作用下的強度。通常，用于葉輪的材料有鑄鐵，青銅鑄件，不銹鋼，鉻鋼等。當葉輪圓周速度超過30m/s，考慮鑄鐵強度不能承受這樣大的離心力的作用，則需改用青銅作材料，由于本設計泵屬于中小型泵，其圓周速度遠小于 30m/s，在考慮到材料來源的難易，鑄造上的方便與否，同時考慮到泵的效率和抗汽蝕性能的要求，故選灰口鑄鐵，雖然它的強度不高，但它的生產(chǎn)工藝簡單，價格低廉，易于熔化，澆鑄性能好，冷凝的收縮性小，而且，其切削性能好，便于加工，減振性好，可以減輕由于水力沖擊造成的振動，而HT200 又是在灰口鑄鐵中這些性能更為突出的，所以，本設計中葉輪的材料選用 HT200作為原材料，熱處理采用退火，許用應力為[&]25-35MP2 葉輪結構型式的確定本設計選用半閉式葉輪。閉式葉輪由前蓋板，后蓋板，葉片和輪轂組成，半閉式葉輪多用于雜質泵。葉輪主要尺寸的確定有三種方法：相似換算法、速度系數(shù)法、葉輪外徑 或葉2D片出口角 的理論計算。2?葉輪采用速度系數(shù)法設計，速度系數(shù)法是建立在一系列相似泵基礎上的設計，利用統(tǒng)計系數(shù)計算過流部件的個部分尺寸。圖 3-33 葉輪輪轂直徑 的計算hd葉輪輪轂直徑必須保證軸孔在開鍵槽之后有一定的厚度，使輪轂具有足夠的強度，15通常 ，在滿足輪轂結構強度的條件下，盡量減小 ，則有利于改善流??ihdd4.1~2? hd動條件。取 ??Pa50??軸直徑 ?? mMdn 6.270.152...353 ????根據(jù)葉輪輪轂直徑應取 1.2～1.4 倍的軸直徑，根據(jù)設計要求，取葉輪所在的軸的直徑為 35 ，所以 。取mmh.. dh4 葉輪進口直徑 的計算jD因為有的葉輪有輪轂（穿軸葉輪） ，有的葉輪沒有輪轂（懸臂式葉輪） ，為從研究問題中排除輪轂的影響，即考慮一般情況，引入葉輪進口當量直徑 的概念。以OD為直徑的圓面積等于葉輪進口去掉輪轂的有效面積，即 。 按OD ??422?hjd??O下式確定3nQKO?2hOjdD??式中： ——泵流量（m 3/s）對雙吸泵取 ；Q——泵轉速（ ）ni/r——系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計資料選取OK主要考慮效率 0.4~53?OK兼顧效率和汽蝕 主要考慮汽蝕 .OmnQKDO 810.293601.43 ????dhj 822?取 mj105 葉輪外徑的計算16????3213212 90606.9~5.06.9~35. ??????????????? ??nQDsm..1取 256 葉輪出口寬度的計算 ????3653652 2901107.~4.107.~4. ???????????????nQbsm.因為兩個葉輪設計在一起，所以葉輪出口寬度 mb2?7 葉片數(shù)的計算和選擇葉片數(shù)對泵的揚程、效率、汽蝕性能都有一定的影響。選擇葉片數(shù)，一方面考慮盡量減小葉片的排擠和表面的摩擦；另一方面又要使葉道有足夠的長度，以保證液流的穩(wěn)定性和葉片對液體的充分作用。葉輪葉片數(shù)： 2sin131???eRZm對于低比轉數(shù)離心泵葉輪， ，??21R?12e??則 sin23sin13 21121 ??????eRZi5.6i5.6 212212??D60sin70.sin.112 ????????jDK53.式中： ——葉輪進口直徑j——葉片進口直徑1——葉輪外徑2D17——葉片進口角 取1?012??——葉片出口角 取2 6低比轉數(shù)葉輪取大值0.~71?K通常采用葉片數(shù) ，取該葉輪葉片數(shù)為 65Z8 精算葉輪外徑（1）.葉片出口排擠系數(shù) 95.0sin2612536sin1222 ????????????????????? ctgctgD??????（2）.出口軸面速度 smbQVVm /83.296.0.0.42 ??（3）.出口圓周速度 6.1308.26.283.00222 ???????????????????tgtgHttgUtmm?s/8.（4）.葉輪外徑 mnD256.02983602 ????外與假定值接近，不再進行計算9 葉輪出口速度（1）.出口軸面速度（由上述計算得）5.02??smV/83（2）. 出口圓周速度 smsnDU/26.38/60295.60????外（3）. 出口圓周分速度 ssmgHVtU /./2.38792（4）. 無窮葉片數(shù)出口圓周分速度18smsUgHVt /45.3/26.381092????10 葉輪進口速度（1）.葉輪進口圓周速度進口分點半徑為 ??22hji RnR???式中: ——所分的流道數(shù)n——從軸線側算起欲求的流線序號如圖所示,中間的流線序號為 ,所分的i 2?i流道 4?圖 3-4則: ????mRRhja 8.453045343 2222 ????????hjb .12222????mRRhjc 360435042222 ??????? ssnDUaa /9.1/698.6011 ??bb /5.2/0241.11 ??smnDUcc /1/693.2601??（2）.葉片進口軸面液流過水斷面面積19221 013.04.5.2mbRFaca ????8679b 221 4..3.cc（3）.C 流線處葉片進口角(假定 ).01?c?smsFQVCmlc /7.36/9.042.9651????''''1 17387???????cc??5?（4）.校核 c1?2111sin??????????ccc tgDZ????290i75362?t894.0?由軸面投影圖假設 ,與假設 相近.?1?c?901?c?11 葉輪強度計算(1） 蓋板強度計算蓋板中的應力主要由離心力造成的，半徑越小的地方應力越大，葉輪簡圖如下：圖 3-5葉輪外徑： mD25.0?材料密度： 3/78Kg?20葉輪簡圖： mDx09.? sradMPn/5.2601.5???葉輪出口圓周速度 的值按下式計算：2UsmgHK/3.4078.9203.1???式中： ——出口圓周速度系數(shù) 根據(jù)比轉數(shù)查《葉片泵設計手冊》圖 5-3 得2U.2按等強度設計蓋板，蓋板任意直徑處的厚度 按下式計算xD???????????422nDxe?????????????409.25.10426782.0.m4?式中： ——材料密度（ ）?3/Kg——許用應力 對鋼 ，對鑄鐵?????4~s???6~5s??——材料的屈服強度s ??Pa——材料的抗拉強度b該蓋板符合要求(2) 葉片厚度計算根據(jù)葉片工作面和背面的壓力差，可近似得出下面計算葉片厚度的公式： mZHADS8.2675.0132 ???式中： ——泵的揚程——葉片數(shù)——葉輪外徑2A——系數(shù)，與比轉數(shù)和材料有關，查【《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡編著，宇航出版社。 】表 19-9 取 A=3.1根據(jù)實際情況和鑄造工藝要求取 為合適。mS4?21（3) 輪轂強度計算熱裝葉輪輪轂和軸配合的選擇對一般離心泵，葉輪和軸是間隙配合，但鍋爐給水水泵等有時采用過盈配合，為了使輪轂和軸的配合不松動，運轉時離心力產(chǎn)生的變形應小于軸與輪轂配合的最小公盈。離心力在輪轂中產(chǎn)生的應力亦可用下式計算，即 KPau10453.78025.8.02?????軸與輪轂的配合：孔 軸.0?59.4?最大間隙： m.ax?最小間隙： 018in?mEDe 036.245.9???m18.036.???式中： ——輪轂平均直徑e——材料的彈性模量E輪轂強度計算輪轂中的應力為裝配應力（有過盈時）和停泵后輪轂和軸心溫差應力之和溫差應力： KPat 4573210261.92 ???????安全系數(shù)： ??5.47302??nnb3.7 泵體和鍵的強度計算1 泵體強度計算(1)殼體壁厚因渦殼幾何形狀復雜,且受力不均,故難以精確計算,下面可以用來估計壁厚 ??)(5.9806cmHQSd???式中: ——泵揚程(m)——泵流量( ) s/3——許用應力(Pa) (鑄鐵)???????aKP1470~98?22——當量壁厚,按下式計算dS2.7084.15??ssdn.6.6?453則 ???.980??HQSd 1405.986736245.?mc.1?(2)強度校核用魯吉斯方法進行校核,本方法假定最大應力發(fā)生在尺寸最大的軸面上,角度為處m?圖 3-6aKP80?m026.??R174.0?12.?15.74.0R??.2.6???????64.0217.507.114242 ?????????K23?????radKm3.164.025.123????軸面應力 KPaPu 1895.07215.85.15.1332 ?????????????.4.06.31p ?????? ????? 15.0.172405.172.15.72803KPa436KPapu 84369811 ???圓周應力 31252.0???u?? 3317.2501.7280652.897. ???KPa64????????3322 41..0?????P ??????????323 17.504.7.5.718Ka624.7? KPaPu 691.64.2 ???徑向應力 a803?25.????KPaaud 35488025.341 ????（符合條件）1.7580??dbn軸向變形24??0212?????EP???026.1285.7. 93?????????m179.0?2 鍵的強度校核（1）葉輪與軸相連處的鍵圖 3-7葉輪鍵尺寸： 91407???hbl軸徑： md45扭矩： NMn?.21工作面的擠壓應力： dhlMlFnj42??Pa70.9.05.1?????KPaKj 1963~4347????a—a 斷面的剪切應力： dblMFn70..05.22??????aPaj 86~94,169????則該鍵符合要求。（2）電動機軸與葉輪軸相連處的鍵25圖 3-8鍵尺寸： 1067???hbl軸徑： md5扭矩： NMn?.21工作面的擠壓應力： dhlMlFnj42??Pa07.105.?????KPaKaj 1963~4193???a—a 斷面的剪切應力： dblMFn07..05.22??????aPaj 86~94,6854????則該鍵符合要求。26四 離心泵的密封設計及其計算4.1 密封的介紹旋轉的泵軸和固定的泵體間的密封簡稱軸封，我在本設計中用的是機械密封。在次泵的設計中，機械密封的作用主要是防止高壓液體從泵中漏出和防止空氣進入泵內(nèi)。盡管機械密封在離心泵中所占的位置不大，但泵是否能正常運行，卻和機械密封密切相關。機械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。 常用機械密封結構由靜止環(huán)（靜環(huán)）1、旋轉環(huán)（動環(huán)）2 、彈性元件 3、彈簧座 4、緊定螺釘 5、旋轉環(huán)輔助密封圈 6 和靜止環(huán)輔助密封圈 8 等元件組成，防轉銷 7 固定在壓蓋 9 上以防止靜止環(huán)轉動。旋轉環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補償能力而稱為補償環(huán)或非補償還。機械密封中流體可能泄漏的途徑有 A、B、C、D 四個通道。C 、D 泄漏通道分別是靜止環(huán)與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封，二者均屬靜密封。B 通道是旋轉環(huán)與軸之間的密封，當端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補償環(huán)沿軸向作微量的移動，實際上仍然是一個相對靜密封。因此，這些泄漏通道相對來說比較容易封堵。靜密封元件最常用的有橡膠 O 形圈或聚四氟乙烯 V 形圈，而作為補償環(huán)的旋轉環(huán)或靜止環(huán)輔助密封，有時采用兼?zhèn)鋸椥栽δ艿南鹉z、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結構。A 通道則是旋轉環(huán)與靜止環(huán)的端面彼此貼合作相對滑動的動密封，它是機械密封裝置中的主密封，也是決定機械密封性能和壽命的關鍵。因此，對密封端面的加工要求很高，同時為了使密封端面間保持必要的潤滑液膜，必須嚴格腔制端面上的單位面積壓力，壓力過大，不易形成穩(wěn)定的潤滑液膜，會加速端面的磨損；壓力過小，泄漏量增加。所以，要獲得良好的密封性能又有足夠壽命，在設計和安裝機械密封時，一定要保證端面單位面積壓力值在最適當?shù)姆秶畠?nèi)。由于是單機單吸離心泵，可采用單端面外裝式平衡型密封?；緢D 4-1 如下；271-密封墊 2-靜止環(huán) 3-旋轉環(huán) 4-密封圈 5-推環(huán) 6-彈簧 7-彈簧座 8-緊定螺釘圖 4-1一些基本數(shù)據(jù)d ——軸徑，mm；0D ——密封環(huán)接觸端面內(nèi)徑，mm；1D ——密封環(huán)接觸端面外徑，mm；2P ——密封腔介質壓力，Mpa ；LP ——彈簧比壓， Mpa；s4.2 端面比壓的計算1， 密封環(huán)接觸端面平均壓力 p /MpaP =pL??P =2.8Mpa =0.5L?)(321D?p =0.5 2.8=1.4Mpa?2 密封環(huán)接觸端面液膜推開力 R/NR= (D -D )P4?21PD =69mm D =58mm2R= （69 -58 ） =1535.3N24.?3 總的彈簧力 F /NsF = (D -D )PS4?21SP =0.3MpaF = （69 -58 ） 0.3=329Ns2?4 密封腔內(nèi)介質作用力 F /NL28F = ( D - d ) PL4?210Ld =35mm0F = (69 -35 ) 2=5551.5NL2?5 動環(huán)所受的合力 F/NF= F + F -RSL=329+5551.5-1535.3=4345.2N6 端面比壓 p /Mpac=4F/ ( ) =P +P (K- )CP?21D?SL?K=0.6P =0.3+2.8(0.6-0.5)=0.58MpaC7 校核 P v 值查《機械設計手冊 潤滑與密封》表 10-3-27 可知；P v （P v） C?P故符合要求。29結 論離 心 泵 的 機 械 密 封 設 計 完 成 了 ， 通 過 為 時 兩 個 月 的 設 計 ， 將 我 四 年 所 學 的 知識 做 了 一 次 大 的 串 聯(lián) ， 使 我 逐 漸 把 一 些 分 散 的 知 識 點 結 合 成 了 一 個 整 體 。通 過 畢 業(yè) 設 計 ， 使 我 對 離 心 泵 的 基 本 工 作 原 理 、 設 計 步 驟 的 關 鍵 環(huán) 節(jié) 以 及機 械 密 封 的 各 種 知 識 等 有 了 一 個 詳 細 的 認 識 ， 了 解 了 它 的 設 計 過 程 ， 學 會 了 查 閱相 關 資 料 和 各 種 設 計 手 冊 ， 翻 閱 理 論 課 程 書 。機 械 設 計 是 需 要 細 心 和 耐 心 的 一 項 工 作 ， 要 求 設 計 人 員 能 夠 在 設 計 的 過 程 中 有條 理 ， 一 絲 不 茍 ， 并 且 要 有 一 定 的 耐 心 來 培 養(yǎng) 自 己 做 設 計 的 信 心 ， 這 樣 才 能 有 利于 設 計 ， 切 不 可 在 設 計 過 程 中 有 半 點 的 煩 躁 心 理 ， 否 則 便 會 事 倍 功 半 。通 過 這 次 設 計 使 我 明 白 了 我 們 無 論 做 什 么 事 情 都 要 使 自 己 有 濃 厚 的 興 趣 ， 以 嚴謹 持 之 以 恒 的 態(tài) 度 來 面 對 ， 這 樣 才 能 把 一 件 事 情 做 好 。30參 考 文 獻1.《機械設計》吳宗澤主編 北京：高等教育出版社，20012.《離心泵與軸流泵》丁成偉著 南寧：機械工業(yè)出版社，19853.《現(xiàn)代泵技術手冊》關醒凡著 北京：宇航出版社，19954.《機械設計手冊》 （第二卷）機械設計手冊編委會編著北京：機械工業(yè)出版社，2004.85. 《機械設計標準應用手冊》 （第二卷）汪凱著 北京：機械工業(yè)出版社，1997.8 6. 《中國機械設計大典》(第三卷) 南昌:江西科學技術出版社,2002.17. 《材料力學》宋子康 蔡文安著 北京:同濟大學出版社,1993.88. 《機械制圖》(第五版) 大連理工大學工程畫教研室編 北京:高等教育出版社,2003.89. 《工程流體力學》侯國祥等編 北京:機械工業(yè)出版社,2006.710. 《機械設計基礎課程設計》陳立德主編 北京：高等教育出版社，2006.731附錄英文翻譯鞋楦掃描機的控制系統(tǒng)的開發(fā)1 引言在全球制鞋業(yè)中，中國制鞋業(yè)可謂異軍突起。短短的十多年，中國一躍升為全球最大的鞋類生產(chǎn)國和出口國。制鞋業(yè)的迅猛發(fā)展也帶動了鞋楦業(yè)，鞋子的樣式越來越多，就要求鞋楦也要不斷翻新，這促成了鞋楦從耐用品變成易耗品。機械鞋楦機采用的是仿形加工的原理，它實現(xiàn)了鞋楦加工的批量生產(chǎn)，帶來了鞋楦業(yè)的飛速發(fā)展。但是機械鞋楦機也有其不可避免的缺點：首先，從產(chǎn)品角度來講，它加工出來的鞋楦的鞋幫兩側，總有幾道較明顯的縱痕，鞋楦很不光滑，這對于要求越來越高的制鞋業(yè)來說，是不能滿足要求的；其次，機械鞋楦機在實現(xiàn)鞋楦的縮放時，需要工人憑經(jīng)驗手工調(diào)整機器，這對工人要求比較高；再次，也是最重要的，傳統(tǒng)的加工方法無法建立工件尺寸的文件，也無法做任何的外形修改。2 數(shù)控鞋楦機的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)數(shù)控鞋楦機可以避免機械鞋楦機的缺點。數(shù)控鞋楦機采用數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)，數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)在對鞋楦模型進行三維掃描后，得到模型的三維數(shù)據(jù)文件，通過處理數(shù)據(jù)文件（如表面光滑處理，插值處理等） ，實現(xiàn)對鞋楦模型的縮放，并能改變鞋楦加工表面的螺旋線的螺距，從而改善加工表面的質量。同時，所得數(shù)據(jù)文件可以存入電腦，需要時可再調(diào)出來，同一類型的鞋楦只需掃描一次，管理非常方便。顯然，這樣的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)才是滿足現(xiàn)代鞋楦業(yè)的發(fā)展的。數(shù)控鞋楦機的數(shù)字逆向工程流程圖如圖 1 所示：圖 1 數(shù)控鞋楦機的數(shù)字逆向工程流程圖國外的數(shù)控鞋楦機到目前為止已經(jīng)非常完善了，在實際應用中也得到極大肯定。我們國內(nèi)由于種種原因，起步較晚，所以筆者所在實驗室在參考國外機器的前提下，以實際應用作為主要目的，進行數(shù)控鞋楦機的研制，為國內(nèi)在該領域的企業(yè)提供一些參考。該數(shù)控鞋楦機有兩部分組成，一部分是掃描機，它通過掃描得到鞋楦的三維數(shù)據(jù)，另一部分是刻楦機，它利用掃描得到的三維數(shù)據(jù)加32工出鞋楦。本文主要討論鞋楦掃描機的控制系統(tǒng)設計，只有掃描得到的數(shù)據(jù)文件準確，才能保證加工出來的鞋楦的質量，因此鞋楦掃描機是實現(xiàn)鞋楦加工的基礎和前提。3 鞋楦掃描機的掃描原理首先，簡要介紹一下鞋楦掃描機的掃描原理，如下圖 2 所示。圖 2 鞋楦掃描機的掃描原理圖如上圖所示，X 軸帶動鞋楦的自轉， Y 軸為指向鞋楦中心線， Z 軸在鞋楦長度方向移動，即掃描輪移動的方向。鞋楦掃描機采用接觸式測量方式，所用測量工具為掃描輪，它安裝在 Y 軸方向，掃描輪靠在鞋楦上，其后面由氣泵頂著，掃描輪隨著鞋子的運動而前后移動，掃描輪后面的光柵尺采集鞋楦數(shù)據(jù)。4 鞋楦掃描機的控制系統(tǒng)概述鞋楦掃描機采用 PC 機作為上位機，利用面向對象的語言 VC＋＋進行軟件設計、開發(fā)，通過運動控制卡驅動系統(tǒng)并采集三根軸的數(shù)據(jù)，得到掃描數(shù)據(jù)文件，以用于加工。上位機作為掃描機的操作界面，完成數(shù)據(jù)分析、處理以及對執(zhí)行機構的控制等任務。運動控制卡作為控制核心，完成發(fā)送及接收脈沖。伺服電機接受板卡發(fā)送的脈沖，驅動各個軸運動，同時，伺服電機編碼器反饋給運動控制。整個控制系統(tǒng)簡圖如下圖 3 所示。圖3 控制系統(tǒng)總框圖下面主要介紹運動控制卡，伺服電機以及光柵尺的選擇及控制334．1 運動控制卡的選擇及控制在掃描系統(tǒng)中，運動控制卡是整個系統(tǒng)的核心，因此選擇合適的運動控制卡是很重要的。在掃描過程中，運動控制卡需要控制 Z 軸和 X 軸的伺服電機，運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)。運動控制卡還接受光柵尺反饋信號。由于是采集鞋楦三維的數(shù)據(jù)，采樣點越密集，加工出來的產(chǎn)品越光滑。在本系統(tǒng)中，設定鞋楦轉一圈需要采樣幾百個點，因此對運動控制卡的驅動輸出脈沖要求比較高，對編碼器輸入頻率也有一定要求，控制軸數(shù)要求三軸。綜合考慮各種性能以及經(jīng)濟性等,選擇深圳雷賽公司的 DMC3000 系列運動控制卡。本系統(tǒng)的運動控制卡是基于 PCI 總線的高性能運動控制卡，可控制多達四軸步進或伺服電機。此系列具有即插即用、最高 4MHz 脈沖頻率、S 曲線減振功能、編碼器反饋、隨時變速等高級功能。本運動控制卡的每一軸的兩個信號輸出口 PUL 和 DIR 可用來輸出脈沖和方向信號，這兩個輸出口可以由程序設成正脈沖+反脈沖（雙脈沖）模式或脈沖+方向模式（單脈沖） 。本系統(tǒng)采用脈沖+方向形式，并設定脈沖為差分輸出方式，在差分輸出模式下，每一個信號可以被差分成一對相異的信號。使用差分輸出方式可有效的減少傳輸中的干擾，提高可靠性。X 軸和 Z 軸的伺服電機驅動器接收來自運動控制卡的脈沖和方向信號。本運動控制卡可同時控制四根軸，每一軸都有三對差分的 A 相、B 相和 Z 相輸入信號，EA 和EB 信號用來進行位置計算， EZ 信號用作原點索引信號。每一軸都有一個原點開關信號，通過機械原點信號輸入來查找該軸的原點，可通過軟件設定原點開關模式。每一軸都有兩個位置限位信號EL+（正向限位）和 EL-（反向限位） ，可通過軟件設定限位開關模式。在本系統(tǒng)中，X 軸和 Z 軸的伺服電機編碼器反饋的脈沖信號都接入運動控制卡。由于每根軸運動初始有個起始位，因此需要用原點信號，軟件通過搜索原點信號來確定起始位。X 軸為旋轉方向，不需要正反限位，只采用一個原點信號。Z 軸除了原點信號外，還接入正負兩個位置限位信號，兩個限位起保護作用。通用數(shù)字輸入輸出口也可用來接一些開關信號。對于單軸運動，按照運動距離來分,本運動控制卡有定長運行模式和連續(xù)運行模式。按照運動速度來分，本運動控制卡有梯形速度運行模式和 S 曲線運行模式。S 曲線運行模式用來讓一根軸以S 曲線速度運行指定脈沖數(shù)，S 曲線運行模式可以有效消除并改善加減速時的振動，使運動非常平滑。如下圖 4 所示:34圖 4 S 曲線速度及加速度由于 S 曲線運行模式較于梯形速度運行模式的優(yōu)點，本系統(tǒng)中均采用 S 曲線運行模式。在掃描開始前，為了測量鞋楦的底板直長，需要將鞋楦轉過一定角度，這時采用定長運行模式。在掃描過程中，Z 軸和 X 軸執(zhí)行同時但獨立的運動，并且是連續(xù)運動。同時保證這兩根軸以一定的比例速度運動。實際情況證明，本運動控制卡能滿足本系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)鞋楦數(shù)據(jù)的三維掃描，從而得到鞋楦三維據(jù)文件。4．2 伺服電機的選擇及控制由于本控制系統(tǒng)對實時性要求比較高，運動控制卡發(fā)送脈沖給電機驅動器，要求電機立即發(fā)脈沖，不得延遲，不得有誤。因此本控制系統(tǒng)不能采用步進電機，而必須采用伺服電機系統(tǒng)。同時伺服電機具有控制精度高，較強的過載能力，速度響應性能好，運行性能可靠等一系列優(yōu)點。在本系統(tǒng)中，我們選用 Panasonic 全數(shù)字式交流伺服驅動器 MSDA0231A1A，配置的伺服電機為MSM022A1。驅動器所帶電機的額定輸出功率為 1.5kw，旋轉編碼器為增量型 2500P/r，輸入電源為 3 相 220V，額定速度為 2000r/m。本系統(tǒng)中要求到位比較準確迅速，由于在鞋楦轉一圈（即 X 軸轉動一圈）需要采樣幾百個點，因此對伺服系統(tǒng)的響應要求比較高。同時，伺服電機的參數(shù)對掃描質量也有一定影響。在系統(tǒng)采用的控制模式下，將伺服電機的參數(shù)調(diào)整到比較好的情況，主要是以下幾個參數(shù)。1．參數(shù) NO.10（第一位置環(huán)增益）定義位置控制的響應曲線，增益設定越高，定位時間越快。2．參數(shù) NO.11（第一速度環(huán)增益）和參數(shù) NO.10 一起獲得伺服系統(tǒng)的總響應曲線。盡可能設定高增益。3．參數(shù) NO.15（速度前饋）設定位置控制中速度前饋量。在電機恒速運轉時，若將此值設為100％，位置偏差幾乎為零。此值設定得較高，可在較小的位置偏差獲得較快反應，但可能會導致超調(diào)。通過對 NO.46，NO.4B 參數(shù)的設置，可以很方便的與各種頻率的指令脈沖相匹配，以達到理想的控制分辨率(角度/脈沖)。二者的值差異過大會造成控制精度下降。所以推薦設置NO.46/NO.4B(即：電子齒輪比)為：1/50<電子齒輪比<20。354．3 光柵尺的選擇及控制在本控制系統(tǒng)中，光柵尺用于采集 Y 軸數(shù)據(jù)，它安裝在掃描輪的后面，在掃描過程中，掃描輪不斷前后移動，從而帶動光柵尺移動，光柵尺采集到的脈沖信號反饋到運動控制卡。結合實際應用情況，考慮精度、可靠性、經(jīng)濟性等各種因素，我們選用 FAGOR MVX-225 線性光柵尺。它采用的玻璃鍍鉻刻度柵距為 20um，精度為 ±5um，分辨率為 1um，其輸出信號為差動 TTL 信號，輸出信號周期“T”為 4um，最大速度為 60m/min。由于在本系統(tǒng)中，光柵尺需要不停前后移動，而該光柵尺讀數(shù)頭移動采用滾動軸承，可最小限度減小磨損，大大提高使用壽命，該光柵尺的移動壽命超過9000km。FAGOR 反饋系統(tǒng)提供的電信號是通過鍍刻在直尺上的鉻線柵格，通過光電處理轉換成電信號。FAGOR 反饋系統(tǒng)用紅外線發(fā)光二極管作為光源，這種光源具有安全、可靠和壽命長的特點。為在測量中提供一個絕對參考點，在線性光柵尺臨近反饋刻線的某些位置提供參考點標記信號。此標記信號是由特定的刻線產(chǎn)生的一個脈沖，當運行通過該點時能確定機床的絕對位置，這主要是為防止數(shù)控機床掉電后軸意外移動而產(chǎn)生誤差。FAGOR 線性光柵尺每隔 50mm 就有一個參考點標記 Io。此標記產(chǎn)生的信號，是和反饋信號同步的，目的是為保證可靠的測量重復精度。實際情況證明，F(xiàn)AGOR MVX-225 線性光柵尺能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求。5 結束語如上，運動控制卡，伺服系統(tǒng)和光柵尺構成了鞋楦掃描機的數(shù)字控制系統(tǒng)。實際證明，整個控制系統(tǒng)運作非常穩(wěn)定，將掃描得到的數(shù)據(jù)文件用于鞋楦刻楦機加工，加工出來的產(chǎn)品很光滑，完全避免了機械鞋楦機的缺點，能夠滿足市場的需求。參考文獻：1．許智欽 孫長庫 編著 《3D 逆向工程技術》 中國計量出版社2．深圳雷賽 DMC3000 控制板硬件手冊3．深圳雷賽 DMC3000 控制板軟件手冊4．Panasonic 交流伺服電機驅動器 MINAS A 系列使用說明5．FAGOR 光柵尺使用說明Last scanner control system development1 Introduction In the global footwear industry, which has been China's footwear industry is. A short period of 10 years, China has risen remarkably, to the world's largest footwear producer and exporter. The rapid development of the footwear industry was driven by the shoe last industry, more and more shoe styles, and also requires constant renovation shoe last, which led to the shoe last from durable goods become consumables. Mechanical shoe last copying machine is used for processing princip