立式往复升降机设计.doc

哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） 摘摘 要要 立式往复升降机是机械行业，建筑行业中用于喷涂的一种机械设备。传统的 喷涂工作通常是由手工操作完成的，通过人工的经验或者视觉来进行喷涂工作。 这样的工作量大，并且精度很低，工作效率不高，喷涂往往不均匀，难以达到工 作要求。随着科学技术的发展，自动化科学的发展，这种手工操作已经可以用机 电产品来代替完成。这种手工操作不适合现代发展的需要。 本设计的任务是设计一台机电产品，来进行喷涂，以更好更快的完成喷涂工 作。本设计采用链传动，传动比为 1：1，链轮在垂直方向上，上下各置一个。在 链轮中间连接一个移动小车，移动小车通过链带动，在立柱上滚动。喷涂喷枪就 安装在小车上。通过链传动带动小车上下往复运动，从而实现垂直往复喷漆。链 传动由交流变频电机驱动链轮以实现，往复运动的位移、速度、启动、停止采用 plc 和变频器进行控制。本设备设有专门的控制面板。 关键词：垂直往复喷涂机；链传动；plc 控制 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） abstract vertical reciprocating elevator is a mechanical equipment used for spraying in mechanical industry and architecture industry.usually, traditional work of spray is complete by handwork,and progress spray work through manual experience and vision. in this way, the quantity of work is great, precision and work efficiency are low, and something spraying is growl or not uniformity. so it is difficult to meet the demand of work. along with the development of science and technology, automation science; such handwork does not suit the development of modernization and it can be substituted by mechanical-electrical equipment. the mission of this design is to designs a mechanical-electrical equipment to complete the spray work more fine and more rapidly. this equipment adopts chain drive, and the rate of the transmission is one to one. the chain wheel is fixed on the perpendicular direction, the top and bottom is each to place. in the middle of the chain, set a small car which is drive by the chain transmission and roll on the vertical pole. the spray guns install on the small car. through the chain transmission drives the small car doing top and bottom moving. just this vertical back and forth spray is complete. and the chain is drived by a direct current frequency conversion electromotor. the displacement, speed startup and halt of the back and forth moving, are controlled by plc and transducer. and this facility mounts a special control panel. key words vertical reciprocating elevator；chain transmission；plc 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） i - 目目 录录 第第 1 章章 绪绪 论论.1 1.1 课题背景1 1.2 设计任务1 1.3 软件概述1 第第 2 章章 机械结构设计机械结构设计.3 2.1 总体方案设计3 2.2 总体结构设计4 2.3 零件设计7 2.4 本章小结30 第第 3 章章 电气控制设计电气控制设计.31 3.1 plc 简介.31 3.2 变频调速技术简介34 3.3 本章小结.36 第第 4 章章 产品说明书产品说明书.37 4.1 产品简介.37 4.2 产品特点.37 4.3 安装说明.37 4.4 设定和调整.39 4.5 操作说明.40 4.6 本章小结.41 结结 论论.42 致致 谢谢.43 参考文献参考文献.44 附录附录 a.45 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 1 - 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 课题背景课题背景 随着汽车行业、建筑行业、材料等行业的发展，目前国内外的喷涂市场有着 一个较好的前景由于现代发展的需要，在机械行业和建筑行业，喷涂工作越来越 多。而传统喷涂工作用手工操作完成，但是这种操作效率底，并且精度不高，所 完成的工作质量不高，越来越难满足现代发展进程的需要。好的喷涂质量不仅在 目前国内外的喷涂市场有着一个较好的前景工业中作为防腐的手段是十分必要的， 同时美的质感对产品的销售有着不可小视的作用喷涂质量的好坏关系到产品的销 售。现在表面涂饰方法主要是喷涂、辑涂和淋涂等。目前国内几乎 90%左右的企 业使用喷涂法喷涂在各类喷涂中，手工喷涂又占据了很大的比例。采用手工喷涂 的漆膜质量受人为控制的因素影响很大，如运枪的速度、喷涂的距离、喷涂量、 采用的喷涂方法和工人的技术水平等，因此生产质量难以控制。随着科学技术的 发展，更多的企业开始使用高效自动的喷涂设备。本次的课题就是在这样的背景 下产生的。 1.21.2 设计任务设计任务 本设计的主要任务是根据厂方给的要求和相关数据，进行机械机构设计，零 件设计，设计出比较优良的机械装置，能较好的完成喷涂任务。另外，对自动控 制进行大致的原理性设计。 1.31.3 软件概述软件概述 在进行机械设计的时候，本设计使用了 autocad 2004 工程软件进行辅助设 计。auto cad 是目前国内外最为广泛使用的计算机设计绘图软件包，它的发行 开创了绘图和设计领域的一个新纪元。为工程设计带来了翻天覆地的革命，使设 计人员甩掉了绘图板，大大减少了重复的机械劳动，提高了工作效率，从而使工 作人员把精力转移到了设计本身而非制图。如今，它已经广泛应用于机械、建筑、 电子等各领域。 autocad 2004 基于 hoops 技术的现代化三维几何算法，具有丰富的可视化、 硬拷贝和图像处理能力。另外针对 32 位的 windows 操作系统，autocad 2004 已经完全优化，它还能识别 web 网上的信息。autocad 2004 在它强大的技术平 台框架之上又结合了许多用户所追求的特性，构成了充满活力而又轻松易用的设 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 2 - 计环境。通过创新的、智能化的轻松设计环境，autocad 2004 使在设计过程中 变得更透明，使用户能将精力更集中于设计本身。 autocad 2004 软件功能的主要表现在平面绘图，并且，它对许多机械上常 用的零件和图框等进行了模板化，方便了设计，大大的节省了设计时间。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 3 - 第第 2 2 章章 机械结构设计机械结构设计 机械结构是本设备的最主要的部分，本章的任务就是设计一个合理的机械结 构，使其能更好的完成喷漆工作，并且在满足性能要求的前提下，我们还应该尽 量考虑经济性、环保等诸多方面的因素。尽量做到各方面因素的最佳结合。 本章主要分为三大部分：第一部分，立式往复升降机的总体方案设计。第二 部分，立式往复升降机的总体结构设计。第三部分，具体的零件图设计。主要的 设计思路是，首先确定关键部分应该采取的结构、方式；然后对机械结构的部分 总体进行构思；最后才逐个进行具体的零件设计。 2.12.1 总体方案设计总体方案设计 2.1.12.1.1 传动类型的选择传动类型的选择 通常用传动方式主要有齿轮传动、蜗轮、蜗杆传动、链传动、带传动等。 根据厂方提供的基本要求，由于该设备为立式往复升降机。按其垂直方向的 行程规格的不同，要提供 1.5 米，2.0 米，2.5 米三种规格。垂直行程较大，若采 用齿轮传动，则整体结构就显得笨重，并且这样成本就比较高，不符合经济性。 并且由于要安装喷涂设备，结构不易安排，所以齿轮传动不可取。 考虑蜗轮、蜗杆传动，同样的，由于该设备要求的垂直方向的行程较大，若 采用蜗轮、蜗杆传动，那么成本就很高，并且结构显得庞大，结构不易设计。所 以排除采用蜗轮、蜗杆传动。 再考虑带传动。考虑垂直方向的行程，带传动可以满足要求，并且结构可以 安排得比较紧凑，只要选择 v 带传动就可以（因为平带在垂直安装下太容易打滑） 。但是考虑到 v 带要带动喷涂设备，这样即便 v 带也容易造成打滑现象出现， 虽然比平带要好得多，并且 v 带摩擦损失较大。这与该设备的基本特性要求不相 容。因为其往复喷涂运动要求连续性，否则喷涂不均匀或不连续，喷涂功能就无 从谈起了。所以带传动也不可取。 考虑链传动。首先，链传动效率较高，运动连续。这些特性正好适合本设备。 但链传动噪音较大，并且极不适合急速换向运动。不过，由于本设备在低速条件 下运行的，所以链传动的缺点不成大碍。采用链传动基本能符合要求，故初步选 择链传动。 2.1.22.1.2 考虑功率消耗考虑功率消耗 根据该设备的喷涂要求知，垂直往复运动十分频繁，所以链的损耗很大，功 率消耗也较大。传统的常用的保护方法是进行润滑保护，以减少摩擦损失，达到 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 4 - 保护链和节省功率的目的。但是，只是这样仍然不够，功率损耗依然很大。并且， 喷涂设备往上运动时消耗的功率和往下运动时消耗的功率一致或者相近。 通常在这样的情况下，采用配重。通常配重是根据与之配合部分的重量以用 设备形状尺寸来确定的。本设备中，配重质量等于喷涂部分的质量，其形状根据 设备尺寸确定。这样就可以基本消除冲击载荷，并且能极大的减小功率消耗和磨 损。 2.1.32.1.3 导柱形状选择导柱形状选择 导柱形状可以选择为圆形或多边形，通常选用圆形或者正方形。若采用圆形 导柱，那么导轮的固定不容易操作，定位也很难固定。因为如果采用圆形的导柱， 则定位、支承件都要采用环型的。而采用正方形导柱，定位精准，并且固定和夹 紧容易操作。采用角铁支架配合螺栓轴的方式进行定位与夹紧。 2.1.42.1.4 关于各连接件的联接与配合关于各连接件的联接与配合 由于各类机械配置，不论属什么类型的，只要是一个完整的产品，其必然有 许多的零件。而零件相互间的配合较多。就机械而言，更多的是螺栓或螺钉联接。 这就关系到螺纹孔、通孔的配合、位置问题。在零件较多的情况下，这一设计较 为繁琐。因为，一旦改动某些零件，那么必须按照联接关系逐一进行。为了避开 这一情况。本设计中在一些这样的配合中采用配钻方式，即先设计较为重要的或 变动较少的零件的尺寸，这样与配合的件上的通孔或螺纹孔就不用再设计了，直 接配钻就可以。这样就更方便设计的修整，也节省了很多时间和精力。 2.22.2 总体结构设计总体结构设计 2.2.12.2.1 传动小车整体结构设计传动小车整体结构设计 2.2.1.1 传小车滚动部分设计传小车滚动部分设计 如图 2-1 所示，小车安装在正方形的导柱上。根据厂方所给数据，取方管为 9999mm 。上、下各安置 8 个尼龙轮，尼龙轮中装有轴承。如 2.2.3 所述，小 2 车的定位与夹紧由支架和螺栓轴完成。如图 2-1。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 5 - 图 2-1 导柱配合图 采用三个小支架和一个大支架，在用 42=8 个螺栓轴锁紧。选用一大个支 架是为了给链条一个空间，以及安装挂板。支架两端都设计为封闭。所以其竖起 方向中部应该设计一个孔，让链条通过。孔的位置由链轮直径以及相关的螺栓配 合尺寸。 关于锁紧，由于每个四上都有两个导轮，其间需要一定的间隙。所以在设计 螺栓轴的时候要考虑这一点，让两导轮间间隔的一固定的距离。综合各方而把因 素和经验，有两种方案可以选择。一是采用轴套，二是采用阶梯轴。采用轴套， 那就要 24 个轴套，这样零件就显得太多。增加了安装的工作量和难度。采用阶 梯轴，可以减少零件数，但是需要轴为两端均为螺纹并且采用阶梯轴比采用轴套 节省材料，成本也相对低些。所以采用第二种方案。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 6 - 图 2-2 挂板示意图 2.2.1.22.2.1.2 喷涂部分喷涂部分 喷涂装置的喷枪联接在小车上。为了安装喷涂装置，设计二挂板。挂板通过 四螺栓轴联接在支架上，从而达到定位和锁紧。如图 2-2 所示，螺栓轴分别布置 在大支架和与之相邻的二小支架上，每侧各二个螺栓轴。然后在由挂板确定的平 面上安装一连接板。这样在连接板上就可以安装部分的装置。挂板的定位单是螺 栓轴还是不够的。所以设计轴套进行定位和夹紧。挂板应该设计在轴的中间位置。 连接板和挂板配合的孔进行配钻。 2.2.22.2.2 底部设计底部设计 为了方便操作以及工作需要，立式往复升降机需要一定的水平位移。所以在 喷涂机底部设计二条平行的角铁导轨，用以实现水平方向的运动。为了与此配合， 需要设计地轮及其需要的一些安装零件，比如地轮架等等。 电机箱的设计首先要确定电机的功率。一般情况下，电机功率能满足本设备 的要求（负重不是很大），主要是考虑经济问题和电机的安装尺寸。这样才可以 确定电机箱的机构尺寸。由于电机工作时发热，需采用散热装置，所以在电机箱 两侧各开一散热口。 2.2.32.2.3 导向柱的安装导向柱的安装 在该设备中对导向柱的位置要求较高，因为喷涂装置安装在移动小车上，而 小车又依靠导向柱而运动。所以设计应该满足导向柱的垂直度需要。即设计应使 其位置十分稳靠。导向柱立着安装，下端安装在电机箱上，中间有基板；上端安 装在上基板上。为了保证导向柱在工作中不动，在其两端设计螺纹孔，使用螺钉 坚固。与之配合的上板和基板上则需要焊接一方铁，以布置孔和导向柱配合。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 7 - 2.2.42.2.4 前后壳的配合前后壳的配合 由于要求密封性，所以最理想的方法是前后壳封闭，形成腔体。但是，由于 挂板和装置，不可能采用这种方法。后壳设计较为容易，只要在考虑尺寸的情况 下能盖住小车部分就可以；而前壳在小车之前挂板之后，所以必然的前后壳体之 间有一定的间距，不可能密封。在本设计中，主要考虑的问题在于防尘。采用弹 簧油纸即可达到要求。 2.32.3 零件设计零件设计 2.3.12.3.1 电机选择和导向柱电机选择和导向柱 2.3.1.12.3.1.1 电机选择电机选择 根据厂方的要求，升降的最高速度为 0.75m/s。本设计中采用三相异步电机 驱动。由于链条线速度低，而电机转速较快，所以需要设计一个变速器。常用的 变速器有齿轮变速和蜗轮、蜗杆变速器。考虑安装尺寸，若采用齿轮变速，则结 构较为庞大，而采用蜗轮、蜗杆变速则小得多。再考虑安装方式，若采用齿轮变 速，那么电机必须和链轮轴同向。采用蜗轮、蜗杆则电机轴和链轮轴交错。综合 考虑，选择蜗轮、蜗杆变速器。电机轴和蜗杆联接，而蜗轮轴通过联轴器和链轮 轴联接。电机轴和变速器及链轮之间的配合关系如图 2-3 所示。 图 2-3 变速器与链轮的配合示意图 在本设计中考虑功率，由于在低速下运行，所以，在电机选择时，转速一般 都能满足，主要虑电机负载。又由于设计有配重，链条受力均衡，所以电机负载 很小。考电机轴受 3 个方向的力轴向力、切向力、和法向力，如图 2-4。主要考 虑切向力。在这里，我们估计 f=300n。对链轮尺寸进行估计，取 r=50mm，电 机轴 r=10mm,则公式 p=fv （2- 1） 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 8 - 有 kwp45 . 0 01 . 0 05 . 0 1075 . 0 300 考虑损失系数 取 =0.85 则 （2-kw p p53 . 0 85 . 0 45 . 0 2） 所以选电机 y90l-6 重量为 27kg， 其功率为 0.75kw。它的安装尺寸为： l=330mm,hd=195mm,ac=175mm,ad=155mm,h=90mm,d=24mm,e=50mm fr ft fa w=0.7510/r rad/s 图 2-4 电机受力图 选用 nmrv（带输入 法兰式减速成机）系列涡轮蜗杆变速器。减速比为 1：10，dz，y0.75 其与电机配合如图 2-5. 图 2-5 nmrv 系列蜗轮减速器 2.3.1.22.3.1.2 导向柱导向柱 根据厂方的原始要求，取导向柱为 9999，材料为 45 钢。由于导向柱 2 mm 基本不受水平方向力，并且其垂直方向的负载也不是很大，所以取其厚度为 3mm，确定其长度尺寸。由于要求升降机的往复行程要求为：1.5 米、2 米、2.5 米。取导向柱长度为 2500mm。如前所述，导向柱在其两端应布置螺纹孔以保证 其在工作中不产生晃动。具体布置如图 2-6 所示，在方管的每侧各设四个螺纹孔， 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 9 - 方管两端各二，对称分布。孔的位置如图，孔中心离导向柱端面距离为 20mm， 到与孔所在面较近面的距离为 25mm。导向柱是方管，棱角进行倒圆角 r3。 导向柱上安装有移动小车，而移动小车和导向柱之间是通过 16 个导轮来配 合的。导轮在导向柱上滚动从而实现小车的垂直运动。为了保障小车运动的精度， 即小车运动需要垂直，需要对导向柱进行表面处理。因为和导轮接触的表面摩擦 损失相对较大，所以我们采用在外表面喷涂聚四氯乙烯。在这里，影响小车运动 精度的主要是表面粗糙度。该表面的粗糙度取为 1.6，其余部分相对而言没这么 重要，取粗糙度为 3.2。 30 5025 20 2500 99 99 3 1.6 图 2-6 导向柱 2.3.22.3.2 小车结构设计小车结构设计 2.3.2.12.3.2.1 导轮、支架及挂板导轮、支架及挂板 首先选择导轮，这样才能方便设计。选用塑脂轮 603010，60 为外径， 30 为导轮宽，10 为导轮内径。 在移动小车结构中，采用支架结构用于定位和锁紧。定位和锁紧是通过支架 和螺栓轴的配合来实现的。先分析支架间的配合关系。首先，支架要锁紧导轮， 如前面所叙述的，上下各需要 4 螺栓轴，即每个支架的两端各有 2 孔，每侧一个。 关于孔位置的安排，在一般机械装置中都采用对齐对称的布局，但是考虑到本装 置中尺寸较小，若对齐对称安装，可能会产生干涉，所以将孔错开一定距离，以 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 10 - 确保安装方便。另外支架还支承挂板，这一功能由大支架和相邻的两小支架来实 现。因为挂板要支承喷涂部分的装置，受力相对较大，所以设计其支承轴外径为 16mm，设计挂板宽度 135 mm，取其厚度为 5mm，材料为 45 钢，如图 2-7 所示。 由于挂板从大支架两侧伸出，并形成平面以安装连接板，所以它中间拐角必须为 135 度。与连接板配合部分的尺寸设计如图 2-7。 135 1050.5 5 2xm8 80 80 115 135 20 35 20 2x16+0.0430 -0.0000 图 2-7 挂板 两螺栓孔中心距为 105mm，与连接板配合的两个孔中心距设计为 80，配合 宽度为 35mm。 所以，支承挂板的支架上也必须有 16mm 孔。设计支架长度为 350mm，厚 度为 3mm，材料为 45 钢。孔的水平方向的位置如图 2-8。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 11 - 3 20 20 4x10+0.043 -0.000 85 60 15 40 r5 90 13 13 25 25 60 43 图 2-8 支架截面图 小支架上支承导轮轴的孔和支承挂板的孔到支架另一面的距离均为 20mm。 大支架上螺栓孔到其顶角的距离为 25mm，孔分布在三角两侧。大支架除支承导 轮和挂板外，还要连接链条，这就要设计相关零件，本设计采用拉杆用以连接。 所以在大支架上需留出一个孔，采用方孔，其尺寸和位置由链条和链轮可以确定。 支架上的孔在垂直方向的配合如图 2-9。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 12 - 1001050.5 40 105 2x16+0.043 0.000 40 100 40 105 2x16+0.043 0.000 6040 40 图 2-9 支架垂直方向配合图 该图为大支架及其相邻的两个小支架。连接挂板的两个孔，离端面最近的孔 距离为 100mm,两孔间的距离和挂板上的两螺栓孔一致，均为 105mm ,偏差设计为 0.5mm。两支承导轮的螺栓孔在上图已经清楚的表示出来。大支架每端的两个孔 都错开 25mm，与之配合的小支架上的孔位置也相应的变动。另外一个支架（没 和大支架配合的支架）其外形尺寸和别的小支架一样，其上支承导轮的孔，在垂 直方向上到较近端面距离为 25mm。 为保护支架，防止其受磨檫损失，采取保护措施。采用最常用并且较为经济 的方法，在支架表面喷黑漆。 2.3.32.3.3 螺栓轴设计螺栓轴设计 支承导轮的螺栓轴，如第一章中所分析，采用阶梯式两头螺母锁紧结构。由 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 13 - 于导向柱为 9999mm ，并且导轮轮宽为 30mm，所以导向柱除与导轮接触外， 2 还有 39mm，故设计阶梯轴部分为 20mm。轴材料采用钢。由于导轮内径为 10mm，所以设计阶梯轴部分为 14mm。螺栓轴两端的螺纹设计时，考虑到导轮 的固定。这里，采用轴套固定方式，即在导轮旁加个轴套用以定位和锁紧导轮。 所以，设计螺纹时，距离阶梯轴 45mm 开始到螺栓轴端点。轴套长度可以在装配 图中确定。由以上设计结果，可以大致画出小车部分的装配图 2-10。 13 13 120 图 2-10 小车部分装配图 这样就可以确定螺栓轴的长度。联接导轮的螺栓轴长度确定为 145mm，而联 接挂板的螺栓由长度为 140mm。螺栓轴的具体尺寸可见下图 2-11。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 14 - 20 140 2020 145 10 14 1x45 45 16 图 2-11 螺栓轴 2.3.42.3.4 链和链轮的选择链和链轮的选择 2.3.4.12.3.4.1 链条设计链条设计 首先进行载荷估计。链条带动的负载，主要是小车部分和喷涂部分的重力。 喷涂部分尚未进行设计，对其质量进行估计，估计其质量 m=60kg。然后对小车 质量进行估算。由于小车这部分材料均采用钢，所以可以估算其体积，然后就可 以估算出它的质量。三个小支架体积： 3 1 5640034040 2 1 2340323503mmv 大支架体积 ： 3 2 21000034035023503602mmv 导轮螺栓轴体积 ： 322 3 6 . 103117714 . 3 20514 . 3 1258mmv 挂板螺栓轴体积 ： 32 4 120576814 . 3 1504mmv 挂板体积： 所以有 m= 3 5 31050051353551358051351152mmv （2-3）kgmmcmgv292 . 6 6 . 800593/86 . 7 33 再考虑导轮等重量，设总重量为 m=100kg。则总负载为 f=1000n。 则由参考文献（一）表 14.1 可选择链 tg158，即 10a 型号链，节距离 p=15.875mm。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 15 - 选择链轮齿数。齿数过少时将增加传动的不均匀性和动载荷；并且增加链间 的相对角，从而功率消耗；增加铰链承压面的压强，从而加速铰链磨损。而齿数 过多则将缩短链的寿命，并且容易产生脱链现象。一般在动力传动中， v=（0.63）m/s 1715 1 z v=（38） m/s 21 1 z v8m/s 2523 1 z 根据厂方给的数据，选择=22，又在本设计中链轮垂直安装，而且链的主 1 z 要作用是往复传动，所以设计为两个链轮一样，即。22 21 zz 中心距的确定。由于两个链轮安装在导轮柱两侧，所以中心距大于 2500mm，又节距 p=15.875mm。所以取 a=177p。 则可以算出链节数 （2- a pzz p azz lp 2 2 2 1221 4） = p p p p 17714 . 3 2 2222177 2 2 2222 2 =376 取 375 p l 实际中心距 （2- 2 12 2 2121 2 8 224 zzzz l zz l p a pp 5） = 22 14 . 3 2 2222 8 2 2222 360 2 2222 375 4 875.15 既有 a=1753.968mm 取 a=1750mm。 考虑到小车部分代替一部分链，支架长 350 mm，其代替的链长为 350 mm。 则实际链节数为 354 875.15 350 376 a l 由公式 得 （2- o pz a p kk pk a pz k kkp p 0 6） 式中：查机械手册得： 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 16 - 0 . 1 13 .14 13 . 1 a p z k k k 取 得表 kwp75 . 0 0 选出了链条，则大支架上链的连接孔尺寸可以确定，根据链，取 13 13mm 方孔。 1 2.3.4.22.3.4.2 链轮设计链轮设计 由公式 计算出齿顶圆直径 （2- z pda 180 cot54 . 0 7） 22 180 cot54 . 0 875.15 a d =119.2mm 取 mm120 a d 分度圆直径 d=mm （2-111 22 180 sin 875.15 180 sin z p 8） 链轮内直径设计为 16mm。链轮为 2 个，上下各一个。下方的链轮和我轮轴相 连接，所以在链轮上焊接一部分，如图 2-12，用以和涡轮联接。焊接部分相当于 一个联轴器，其一侧用键联合，为了保证配合，另一侧用螺钉锁紧。所以在焊接 部分一侧加工一螺纹孔。由于链轮宽度较小，为标准件，所以上方的链轮安装的 时候不容易定位，所以和下方的链轮一样焊接一部分，以保证链轮的安装和定位。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 17 - 8 16 2538 111 120 20 p=15.875 z=22 图 2-12 链轮 链轮尺寸设计好，则大支架上的连接孔位置可以确定，其中心到三角顶点 的距离可以在图 2-10 中定位，为 43mm。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 18 - 2.3.5前后壳设计前后壳设计 195 212 13 13 120 图 2-13 装配图 由于前后壳和导向柱一起配合，所以设计其长度为 2500mm。前后壳主要起 封闭作用，因此，从装配图可以确定尺寸。如图 2-13，从装配关系中确定出基本 尺寸。取前壳宽度为 195mm，高取 65mm，卷边宽度取 20mm。采用 45 钢。前后 壳受力小，所以设计其厚度我 2mm. 材料用钢板。为了安装，在前壳上设计 4 个 孔 10mm，用以螺钉连接。孔设计在前侧，两端各设两个，对称布置，较近两 个孔中心距设计为 150mm。具体尺寸如图 2-14 所示。类似的，可以设计出立柱 后壳。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 19 - 150 65 2020 2500 12 15 2 195 图 2-14 立柱前壳 于前壳不同的是，后壳两端设计卷边，用以支撑和安装：并且立柱后壳设 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 20 - ab ab a-a b-b 40 40 2 20 10 2600.5 4x9 10 15 10 210 2000.5 60100 2x10 1500.5 240 280 图 2-15 立柱后壳 计有数据线孔，且安装孔比立柱前壳多两个，底端面也设计有 4 个 9 安装 孔，主要是考虑后壳可能承受较大的负载风险，所以多加孔以使其安装得更加可 靠。具体设计尺寸如下图 2-15 所示。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 21 - 2.3.62.3.6 电机箱设计电机箱设计 在本设计中，导向柱通过基板连接在电机箱上。并且立柱前后壳均安装在电 机箱上，所以要考虑各个零件的尺寸关系。首先，电机安装在电机箱内。为了简 化结构，将电机箱设计为四方体，考虑电机尺寸，初步设计电机箱为 580540250mm 的长方体，其壁厚设计为 3mm，采用 45 钢。又电机安装在 3 底板上，这里可以采用螺钉连接。所以，在其底面设计 25mm 的卷边，用以布置 螺钉。考虑电机箱尺寸较大，所以在其底面的卷边上设计 12 个螺纹孔 m8，每个 角布置一个，然后每边布置两个，如图 2-17.然后考虑基板，为固定基板设计 6 个 螺纹孔 m8，布置如下图。最后，由于立柱后壳也安装在电机箱上，并且立柱后 壳的后边设计有穿线孔和连接螺纹孔。相应的，在电机箱上也有相应的设计。 如前所述，电机工作时发热，所以在电机箱两侧设计两散热窗口。设计散热 窗口为 200120mm，如图 2-16 所示.另外，为了安装散热板，设计 8 个螺纹孔 m6，每侧 4 个。 8xm6 200 140 220 120 60 40 图 2-16 电机箱侧视图 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 22 - 280 240 4xm8 2x15 200 100 70 2600.5 240 2100.5 20 250 4xm8 540 15 15 580 25 15 15 140115 300 270 30 图 2-17 电机箱主、俯视图 2.3.72.3.7 基板基板、地轮架和底座设计、地轮架和底座设计 2.3.7.12.3.7.1 基板设计基板设计 基板和电机箱配合，所以，确定其基本尺寸为 540300mm，取厚度为 10mm，采用 45 钢。又基板上通过链轮，所以基板上必须设计两个孔，且孔中心 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 23 - 距为链轮外径 120mm。并且导向柱也安装在基板上，根据前面分析，基板上焊接 一个方铁，其尺寸要和导向柱相当，外尺寸设计为 111111mm，高取 50mm，内 尺寸为 9999mm。焊接方铁上的 8 个 8 孔和导向柱下端 8 个 8 孔配钻，如图 2-18.又基板安装在电机箱上，其与电机箱之间的连接 280 510 540 11070 15270 300 10 30 50 60 50 4m9 6 8 1901 2601 1.6 1.6 8 a a a-a 图 2-18 基板 通过螺钉来实现。这里。6 个 m6 螺纹孔与电机箱上 6 个 m6 配钻。由于基 板支撑着导向柱、立柱前后壳，所以其表面粗糙度有要求。同样，其与电机箱配 合的表面也有表面粗糙度要求，这样才可以保证导向柱垂直位置、喷枪运动的精 确性。设计基板上下粗糙度为 1.6.其余表面为 3.2。 2.3.7.22.3.7.2 底座和地轮架设计底座和地轮架设计 底座的主要功能是支撑上部结构。另外它还连接地轮架。设计底座尺寸时， 主要考虑电机箱尺寸，设计为底座尺寸比电机箱大，因为其上要连接地轮架。设 计为 700690100mm 的长方体，壁厚取 3mm，用 45 钢。因为底座上放电机， 而电机工作时发热。虽然电机箱上设计有散热窗，但为了更好的散热，在底座上 一个孔进行散热。将底座上的散热孔设计为 100，布置在底座正中。底座和电 机箱配合通过 12 个 m8 螺钉来实现，其上的 12 个孔好电机箱上的 12 个 m8 的孔 配钻。为了使其间的连接更加紧凑可靠，在 12-m8 上后置螺母。地轮架也通过螺 钉连接在底座上。考虑底座外尺寸，设计设计地轮架如下图 2-19，材料我 45 钢， 其底面设计为跑道形，两边的半圆半径为 56mm，两端的连接孔为 8，板厚取 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 24 - 10mm，其余尺寸见图。有了地轮架的尺寸，就可以确定在底座上与地轮架配合 的螺纹孔位置。首先，每对螺纹孔中心距为 260mm，这是由地轮架决定的。其在 底座上的具体分布如下图 2-20 所示。 100 11 r20 2x7 5 15 r28 5 70 图 2-19 地轮架 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 25 - 0 700 100 110 260 2xm8 90 690 图 2-20 底座 2.3.82.3.8 上基板和上罩设计上基板和上罩设计 2.3.8.12.3.8.1 上基板设计上基板设计 件上部连接导向柱，和基板一样，其上需要焊接一块方铁。并且链条要通过 上基板，所以，上基板上要设计二孔，这和基板一样。另外考虑到上方链轮的安 装，需要布置两轴承座。将这二轴承座设计在基板下首先分析与上基板与基板配 合的零件，就可以分析出上基板应该满足的结构条上基板上，所以上基板需要折 回一部分，用以安装轴承座。轴承座和上基板的连接用螺钉来实现。 由于上基板主要支撑在导向柱上，所以在确定它的尺寸的时候要考虑其支撑。 所以其尺寸不能太大，否则就支撑不平衡了。考虑导向柱为 9999，并且上基板 还要支撑轴承座，通过链条，设计其水平尺寸为 185290mm 板厚取 3mm，折 2 边设计高度为 50mm，宽度为 40mm，材料采用 45 钢。布置的时候使 290mm 的 边和基板的窄边平行放置和基板一样，其上通过链条的两孔中心距为 120mm，即 链轮外径。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 26 - 85 18 12 70 20 120 100 75 290 185 20 35 8 8 85 40 30 50 150 40 50 bb a a 20 11 a-a b-b 图 2-21 上基板 二孔也设计为圆孔，分别为 40mm 和 85mm。轴承支座和上基板之间也 用螺钉连接。每个轴承座用两个螺钉 2m8 连接，四螺纹孔对称分布，一边两个， 中心距取 70mm。由于设计中，上基板较长边布置为横向。所以在安装上罩的时 候，其 290mm 边与上罩配合。为了定位上罩，在上基板较长边两侧各设计两个 螺纹孔 m8，孔中心距取 150mm，离上基板底面的距离取 18mm。具体如图 2- 21。 2.3.8.22.3.8.2 上罩设计上罩设计 上罩主要是设计来盖住上边的链轮部分，而链轮安装在上基板上，根据上基 板和立柱后壳尺寸，设计上罩横截面尺寸为 295200mm 。根据链轮中心距和 2 上基板及链轮尺寸，设计上罩高度为 150mm。壁厚设计为 1.5mm，采用 45 钢。 如前所述，为了安装上罩，上基板上有四个螺纹孔，与其对应的，上罩上也有对 应的四个螺纹孔 m8。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 27 - 200 1.5 150 18 11 4 30 30 295 150 4x8 图 2-22 上罩 但是，为了使上罩在设备工作时不下移，在其内部设计二挂架，用来靠在上 基板上，保证上罩不脱落。挂架正中分布，其形状如图 2-22。 2.3.92.3.9 链轮轴链轮轴 链轮轴是支撑上方链轮的。由于链轮安装在轴承座上，所以，设计其为阶梯 轴，两端设计一个阶梯，用以和轴承座配合，阶梯宽度设计为 12mm，采用 45 钢。 考虑上基板上的轴承座布置位置，设计链轮轴总长度为 160mm。根据链轮尺寸， 设计链轮轴大径为 20mm，和轴承配合的小径设计为 15mm。为了固定链轮，在 链轮轴上设计一平键，根据链轮大径，采用 a 型平键，选用 b=8mm 型号，布置 如图 2-23。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 28 - a a 1.61.6 160 145 15.00+0 -0.05 12 16.00+0 -0.05 12 136 20 16 a-a 4 8 3.2 图 2-23 链轮轴 由于在此，链轮和链轮轴，以及轴和轴承之间的配合精度，要求比较高。因 为，配合的精度，直接影响到垂直往复运动的精确性，所以，对链轮轴表面的粗 糙度要求比较高。设计为大径部分粗糙度为 3.2，小径为 1.6。与其配合键为键 816 gb109690。两端配合轴承选用深沟球轴承 6302。 2.3.102.3.10 连接板以及竖架座设计连接板以及竖架座设计 连接板和横杆之间的配合通过设计竖架座来完成。根据整个结构情况 75 55 r15 20 2 27 图 2-24 竖架座 横杆设计为 20mm，材料选用 45 钢，考虑横杆上要安装喷枪及喷枪安装件， 长取 720mm。设计竖架座为圆柱形，每端用两个竖架座固定横杆，竖架座形状尺 寸如图 2-24。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 29 - 连接板和挂板配合，所以根据挂板尺寸及挂板在装配图 2-13 中的布置，可 以设计出连接板的尺寸。首先挂板宽 135mm，在装配图中两挂板对应中心距为 214mm 又挂板上孔离挂板侧边的距离为 20mm，所以设计连接板长度为 252mm，使 其在横向正好盖住挂板。挂板材料用 45 钢。又连接板还连接线架（数据线）和 横管。所以，需要对和连接板配合的零件分布进行布局。设计中，将与挂板配合 部分布置在上部，与横杆的配合布置在中部，与线架配合的部分在下方。设计与 挂板配合的上边的孔到上边的距离是 20mm。连接板和竖架座配合的孔布置如图 2-25.图中与挂板配合的 4 个孔 4-8 采取配钻方式，连接板表面喷黑漆。 252 212 40 15 30 122 20 142 80 4m6 4m8 4m6 170 20 55 图 2-25 连接板 2.3.112.3.11 喷枪支撑件喷枪支撑件 喷枪安装在横管上，横管和喷枪均为圆柱形，所以，在此采用三个固定座， 用以实现喷枪的安装。三者的配合关系如图 2-26， 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 30 - 图 2-26 喷枪固定件的配合图 2 和 3 件用于紧固在横杆上，而 1 和 2 杆配合固定喷枪。喷枪直径为 15mm，则可以设计这三个零件。三个零件均采用铝材，且设计为圆台形。1 件， 命名为横向固定座 1，设计如图 2-27，它与 2 件的配合用螺钉来完成。 75 55 30 2 25 r20 r5 27 图 2-27 横向固定座 1 同样设计出 2 件，竖架固定座和 3 件，横向固定座 2。如图 2-28 和 2-29 所示。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 31 - r20 75 r15 2 2 4m6 40 图 2-29 竖架固定座 30 r20 2 75 27 55 图 2-30 横向固定座 2 2.42.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了机械结构设计和零件设计，怎么选择相应的设备和零件，为 下章做基础。 哈尔滨石油学院本科生毕业设计（论文） - 32 - 第第 3 3 章章 电气控制设计电气控制设计 3.13.1 plcplc 简介简介 3.1.13.1.1 plcplc 的概念的概念 plc 即可编程控制器（programmable logic controller） ，是指以计算机技术为 基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（international electrical committee）颁布的 plc 标准草案中对 plc 做了如下定义： “plc 是一种专门为 在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存 储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操 作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产 过程。plc 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易 于扩展其功能的原则而设计。 ”plc 主要由 cpu 模块、输入模块、输出模块和编 程器组成。 3.1.23.1.2 plcplc 的特点的特点 1.可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc 由于采用现代大规模集成电路 技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高 的可靠性，工作时间长。从 plc 的机外电路来说，使用 plc 构成控制系统，和 同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分 之一，故障也就大大降低。此外，plc 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时 可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断 程序，使系统中除 plc 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系 统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2.配套齐全，功能完善，适用性强 plc 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于 各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代 plc 大多具有完善的数 据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来 plc 的功能单元大量涌现，使 plc 渗透到了位置控制、温度控制、cnc 等各种工业控制中。加上 plc 通信能