(论文)单级圆柱齿轮减速器论文(2013年优秀毕业设计论文)

课程设计说明书（机电一体化工程）地 市： 准考证号： 姓 名： 自学考试高等教育自学考试课程设计任务书一、 课程设计题目： 单级圆柱齿轮减速器 二、 课程设计工作自 2009年 12 月 08日起至 2010 年 01月 12 日止三、 课程设计进行地点： 四、 课程设计内容要求：课题的来源要有现实意义；有系统框图的分析；包括机械传动设计的计算 ；有执行元器件的选用说明；要编写机械和电气其它的说明书； 指导教师：批准日期：课 程 设 计 评 审 意 见 书指导老师初审意见及建议评分等级 指导老师签字： 年 月 日工作单位职称主考院校审核意见及评分审核人： 年 月 日目 录设计计划任务书 1传动方案说明2电动机的选择3传动装置的运动和动力参数5传动件的设计计算6轴的设计计算8 联轴器的选择10 滚动轴承的选择及计算13 键联接的选择及校核计算14 减速器附件的选择15 润滑与密封16 PLC的工作原理- PLC控制系统的设计和调试- 引言 1.PLC控制原理2 PLC系统设备选型2.1 确定PLC 控制系统的规模2.2 确定PLC I/O 点的类型2.3 确定PLC编程工具3 PLC控制系统的设计3.1 PLC控制系统的硬件设计3.2 PLC 控制系统的软件设计4 PLC控制系统程序的调试4.1 I/O端子测试4.2 系统调试5 结束语设计小结16 参考资料16一.拟定传动方案为了估计传动装置的总传动比范围，以便选择合适的传动机构和传动方案，可先由已知条件计算其驱动卷筒的转速nw,即v=1.1m/s;D=350mm; nw=60*1000*v/(*D)=60*1000*1.1/(3.14*350) 一般常选用同步转速为r/min或r/min的电动机作为原动机，因此传动装置总传动比约为7或25。二.选择电动机）电动机类型和结构形式按工作要求和工作条件，选用一般用途的（）系列三相异步电动机。它为卧式封闭结构。）电动机容量（）卷筒轴的输出功率F=2800r/min; Pw=F*v/1000=2800*1.1/1000 (2)电动机输出功率PdPd=Pw/t传动装置的总效率t=t1*t22*t3*t4*t5式中，t1,t2,为从电动机到卷筒之间的各传动机构和轴承的效率。由表查得：弹性联轴器 1个t4=0.99; 滚动轴承2对t2=0.99; 圆柱齿轮闭式1对t3=0.97; V带开式传动1幅t1=0.95; 卷筒轴滑动轴承润滑良好1对t5=0.98; 则t=t1*t22*t3*t4*t5=0.95*0.992*0.97*0.99*0.980.8762 故Pd=Pw/t=3.08/0.8762 （）电动机额定功率Ped由第二十章表选取电动机额定功率ped=4KW。3）电动机的转速为了便于选择电动事，先推算电动机转速的可选范围。由表查得V带传动常用传动比范围24，单级圆柱齿轮传动比范围36，可选电动机的最小转速Nmin=nw*6=60.0241*6=360.1449r/min 可选电动机的最大转速Nmin=nw*24=60.0241*24=1440.6 r/min同步转速为960r/min选定电动机型号为321。）电动机的技术数据和外形、安装尺寸由表、表查出321型电动机的方根技术数据和外形、安装尺寸，并列表刻录备用。电机型号额定功率同步转速满载转速电机质量轴径mmY132M1-64Kw10009607328大齿轮数比小齿轮数=101/19=5.3158 三计算传动装置总传动比和分配各级传动比）传动装置总传动比nm=960r/min; i=nm/nw=960/60.0241=15.9936 ）分配各级传动比取V带传动比为i1=3; 则单级圆柱齿轮减速器比为i2=i/i1=15.9936/3=5.3312 所得i2值符合一般圆柱齿轮和单级圆柱齿轮减速器传动比的常用范围。四计算传动装置的运动和动力参数）各轴转速电动机轴为轴，减速器高速轴为轴，低速轴为轴，各轴转速为n0=nm; n1=n0/i1=60.0241/3=320r/min n2=n1/i2=320/5.3312=60.0241r/min ）各轴输入功率按机器的输出功率Pd计算各轴输入功率，即P0=Ped=4kw 轴I 的功率P1=P0*t1=4*0.95=3.8kw 轴II功率P2=P1*t2*t3=3.8*0.99*0.97=3.6491kw ）各轴转矩T0=9550*P0/n0=9550*4/960=39.7917 Nm T1=9550*P1/n1=9550*3.8/320=113.4063 Nm T2=9550*P2/n2=9550*3.6491/60.0241=580.5878 Nm 二、设计带轮1、计算功率P=Ped=4Kw 一班制，工作小时，载荷平稳，原动机为笼型交流电动机查课本表，得KA=1.1; 计算功率Pc=KA*P=1.1*44.4kw 2选择普通带型号n0 =960r/min 根据Pc=4.4Kw，n0=960r/min,由图13-15（205页）查得坐标点位于A型d1=80100、确定带轮基准直径表及推荐标准值小轮直径d1=100mm; 大轮直径d2=d1*3.5=100*3.5=350mm 取标准件d2=355mm; 4、验算带速验算带速v=*d1*n0/60000=3.14*100*960/60000=5.0265m/s在525m/s范围内从动轮转速n22=n0*d1/d2=960*100/355=270.4225m/s n21=n0/3.5=960/3.5=274.2857m/s 从动轮转速误差=(n22-n21)/n21=270.4225-274.2857/274.2857=-0.0141 5、V带基准长度和中心距初定中心距中心距的范围amin=0.75*(d1+d2)=0.75*(100+355)=341.2500mm amax=0.8*(d1+d2)=0.8*(100+355)=364mm a0=350mm; 初算带长Lc=2*a0+pi*(d1+d2)/2+(d2-d1)2/4/a0 Lc = 1461.2mm 选定基准长度表8-7,表8-8查得Ld=1600mm; 定中心距a0+(Ld-Lc)/2=(1600-1461.3)/2=419.4206mm a=420mm; amin=a-0.015*Ld=420-0.015*1600=396mm amax=a+0.03*Ld=420+0.03*1600=468mm 6、验算小带轮包角验算包角180-(d2-d1)*57.3/a=180-(355-100)*57.3/a145.2107 120度 故合格7、求V带根数Z由式（13-15）得查得 n1=960r/min , d1=120mm查表13-3 P0=0.95由式13-9得传动比i=d2/(d1(1+0.0141)=350/(100*(1+0.0141)=3.5查表（13-4）得由包角145.21度查表13-5得Ka=0.92KL=0.99z=4.4/(0.95+0.05)*0.92*0.99)=38、作用在带上的压力F查表13-1得q=0.10故由13-17得单根V带初拉力三、轴初做轴直径： 轴I和轴II选用45#钢 c=110d1=110*（3.8/320）(1/3)=25.096mm取d1=28mmd2=110*(3.65/60)（1/3）=43.262mm由于d2与联轴器联接，且联轴器为标准件，由轴II扭矩，查162页表取YL10YLd10联轴器Tn=630580.5878Nm 轴II直径与联轴器内孔一致取d2=45mm四、齿轮1、齿轮强度由n2=320r/min,P=3.8Kw,i=3采用软齿面，小齿轮40MnB调质，齿面硬度为260HBS，大齿轮用ZG35SiMn调质齿面硬度为225HBS。因，SH1=1.1， SH2=1.1，因：，SF=1.3所以2、按齿面接触强度设计设齿轮按9级精度制造。取载荷系数K=1.5，齿宽系数小齿轮上的转矩 按 计算中心距u=i=5.333mm齿数z1=19,则z2=z1*5.333=101模数m=2a/(z1+z2)=2.0667 取模数m2.5 确定中心矩a=m(z1+z1)/2=150mm齿宽b=b1=70mm,b2=60mm3、验算弯曲强度齿形系数YF1=2.57，YF2=2.18按式（11-8）轮齿弯曲强度4、齿轮圆周速度按162页表11-2应选9做精度。与初选一致。五、轴校核：圆周力Ft=2T/d1径向力Fr=Ft*tan =20度 标准压力角d=mz=2.5*101=252.5mmFt=2T/d1=2*104.79/252.5=5852.5NFr=5852.5*tan20=2031.9N1、求垂直面的支承压力Fr1,Fr2 由Fr2*L-Fr*L/2=0得Fr2=Fr/2=1015.9N2、求水平平面的支承力FH1=FH2=Ft/2=2791.2N3、垂直面弯矩L=40/2+40/2+9010=140mmMavFr2*L/21015.9*140/2=71.113Nm4、水平面弯矩MaH=FH*L/2=2791.2*140/2=195.384Nm5、求合成弯矩图6、求轴传递转矩T=Ft*d2/2=2791.2*2.5*101/2=352.389Nm7、计算危险截面处轴的直径轴的材料，用45#钢，调质处理，由表14-1查得由表13-3查得许用弯曲应力，所以考虑到键槽对轴的削弱，将轴的最小危险直径d加4%。故d=1.04*25.4=26.42mm由实际最小直径d=40mm,大于危险直径所以此轴选d=40mm,安全六、轴承的选择由于无轴向载荷，所以应选深沟球轴承6000系列径向载荷Fr=2031.9N，两个轴承支撑，Fr1=2031.9/21015.9N工作时间Lh3*365*8=8760（小时）因为大修期三年，可更换一次轴承所以取三年由公式式中 fp=1.1,P=Fr1=1015.9N,ft=1 (工作环境温度不高)（深沟球轴承系列）由附表选6207型轴承七、键的选择选普通平键A型由表10-9按最小直径计算，最薄的齿轮计算b=14mm,h=9mm,L=80mm,d=40mm由公式所以选变通平键，铸铁键所以齿轮与轴的联接中可采用此平键。八、减速器附件的选择1、通气器：由于在外界使用，有粉尘，选用通气室采用M181.52、油面指示器：选用油标尺，规格M163、起吊装置：采用箱盖吊耳，箱座吊耳4、放油螺塞：选用外六角细牙螺塞及垫片M161.55、窥视孔及视孔盖选用板结构的视孔盖九、润滑与密封：1、齿轮的润滑：采用浸油润滑，由于低速级大齿轮的速度为：查课程设计P19表3-3大齿轮浸油深度为六分之一大齿轮半径，所以取浸油深度为30mm。2、滚动轴承的润滑采用飞溅润滑在箱座凸缘面上开设导油沟，并设挡油盘，以防止轴承旁齿轮啮合时，所挤出的热油溅入轴承内部，增加轴承的阻力。3、润滑油的选择齿轮与轴承用同种润滑油较为便利，考虑到该装置用于小型设备选用L-AN15润滑油4、密封方式选取：选用凸缘式端盖，易于调整轴承间隙，采用端盖安装毡圈油封实现密封。轴承盖结构尺寸按用其定位的轴承外径决定。PLC控制系统的设计和实践经验1 引言 在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。2.PLC控制原理PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制2 PLC系统设备选型PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。目前市场上的PLC产品众多，国外知名品牌有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产品牌有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。2.1 确定PLC 控制系统的规模依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。小规模PLC控制系统:单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。大规模PLC控制系统:生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。2.2 确定PLC I/O 点的类型根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出;各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。2.3 确定PLC编程工具（1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。（2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。（3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC 开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中高档PLC系统的硬件组态和软件编程。3 PLC控制系统的设计PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。3.1 PLC控制系统的硬件设计硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。（1） PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源。的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。（2） PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。当PLC扫描频率为10次/min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。（3） PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。一般采用以下几种方式:隔离:由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。屏蔽:一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。布线:强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。3.2 PLC 控制系统的软件设计在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。（1） PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。（2） PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。（3） PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程必须遵循的原则。下面介绍几点技巧。PLC各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者 RQ4.0）。如果要使PLC多个输出为固定值 1 （常闭），可以采用字传送指令完成，例如 Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。例如:我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。模块化编程思想的应用:我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC 程序的编制。4 PLC控制系统程序的调试PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。4.1 I/O端子测试用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常;反之，应检查接线或者是I/O点坏。我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常。反之，应检查接线或者是I/O点坏。4.2 系统调试系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前全面检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试消除可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当修改以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行: