毕业设计72一种新型链式提升机的机械结构设计及其PLC控制

浙江工业大学之江学院 毕业设计说明书 题 目： 一种新型链式提升机的机械结构设计及其 PLC 控制 学生姓名： 学 号： 200220070321 系（部）： 机 械 工 程 及 自 动 化 专业班级： 机 自 203 班 指导教师 (姓名及专业技术职务 )： 钱 （讲师） 评阅者 (姓名及专业技术职务 )： 2006 年 6 月 杭州 1 中 文 摘 要 随着科学技术的发展，交流拖动正在广泛使用 ;计算机的应用正在快速推广，在全世界迎接知识经济到来的时候， “创新”和“发展”已逐渐成为世界各国所关注的最重要的内容。社会的进步、国家的发展依靠创新，提升机的发展同样离不开创新。因此我们提出了一种新型提升机设计方法 。 论文介绍了一种新型提升机的设计方法，该种提升机的传动装置由链传动代替了 传统的带传动或钢丝绳传动，克服了无弹性滑动和打滑现象，保证了准确的平均传动比，提高了传动效率；动力装置由变频电机代替了恒速直流电机，使装置具有高效率的驱动性能及良好的控制特性；用 PLC 进行控制，提高了控制系统的可靠性。为了便于理解，在本论文中还介绍了链传动的特点、变频器的调速原理以及 PLC 的优点。 关键词： 电路控制；提升机；控制系统； PLC；机电一体化； 2 外 文 摘 要 Title： Introduction to the chain type lifting machine Abstract： This thesis has introduced a new kind of lifting machine design methods, the transmission device of this kind of lifting machine has been replaced traditional taking the transmission or steel wire rope transmission by the transmission of the chain, it overcome it without elasticity slip and phenomenon of skidding,it last accurate transmissions average than, have improved transmission efficiency; The motive equipment has been replaced the constant speed direct current machine by the electrical machinery of frequency conversion, make the device have high-efficiency drive performance and good control characteristic; Control with PLC , has improved the dependability of the control system. In order to understand , have also introduced adjusting the speed principle and PLC advantage of the characteristic of the transmission of the chain , frequency converter in this thesis. Keywords ： Electric circuit control; hoist; Control system; PLC; mechatrics; 0 目 录 0 引言 1 1 整体设计方案 . 2 1.1 原动机方案的确定 . 2 1.2 传动方案的确定 . 5 1.3 控制方案的确定 7 2 提升机的机械结构的设计 11 2.1 提升机的主要组成部分 11 2.2 电机功率计算 15 2.3 链的设计 17 2.4 轴的设计 1 8 3 提升机的电器控制 21 3.1 变频器的 选择 21 3.2 外部电路介绍 23 3.3 软件流程图 25 结论 34 致谢 35 参考文献 36 图 1 提升机总装图 . 38 图 2 零件图 . 39 1 引 言 提升机作为 一种垂直运输工具 ， 在各种社会生产中占有极其重要的地位。我国早在公元前 1100年左右就发明和使用了辘轳提水和提升重物，这就是现代提升机的始祖。但由于我国长期处于封建社会，工业技术没有得到发展，直到解放我国还不能生产矿井提升机。解放后，我国建立了自己的提升机制造业，并且不断发展。 1953年抚顺重型机器厂制造了我国第一台单绳缠绕式提升机； 1958年洛阳矿山机械厂制造了第一台多绳 摩擦式提升机。目前我国已经可以成批生产各种现代化大型提升机以及各种配套设备，无论从设备、制造、自动控制等方面，我国生产的矿井提升设备都正在跨入世界先进的行列。国外矿井提升机的发展已有 170多年的历史。其中有几个代表性的时期 :1827年出现第一台蒸汽机提升机 ;1877年制造了第一台单绳摩擦式提升机 ;1905年使用了第一台电动提升机 ;1938年创造了第一台多绳摩擦提升机 ;1957年发明了多绳摩擦式提升机 (Blair提升机 )。此外，提升设备的各项具体技术也都有飞速的发展，诸如新型制动器，提升钢丝绳，电力拖动和自动 化控制等。 随着科学技术的发展，交流拖动正在广泛使用 ;计算机的应用正在快速推广， 在全世界迎接知识经济到来的时候， “创新”和“发展”已逐渐成为世界各国所关注的最重要的内容。社会的进步、国家的发展依靠创新，提升机的发展同样离不开创新。因此我们提出了一种新型提升机设计方法 。 本设计的优点是： 1）基于 PLC控制技术在提升机运行过程中的应用 ，能够在 准确的位置采集信号 ，发出控制信号，并且能 精确 的达到目标要求，以保证系统正常、稳定的工作。 还能够简化外部接线图，使电气原理图简单化。 2） 采用了变频器电机，不但具有 良好的调速性能， 而且 能节约大量电能 3）链传动的使用， 能保持准确的平均传动比 ,较高的传动效率。 4）系统可以在自动和手动两种状态下运行，在自动状态下能实现全自动化；在手动状态下，可以进行分步运行及调试。 2 1 整体设计方案 机器的发展经历了一个由简单到复杂的过程。人类为了满足生产及生活的需要，设计和制造了类型繁多、功能各异的机器。但是总的来说机器的基本组成是相同的。如下图 1-1中，表示的是一部完整机器的组成部分。 图 1-1 1.1 原动机方案的确定 原动机是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。它们是把其他形式的能量转换为可以利用的机械能。一般来说，都是以电动机作为机器的动力源。 1.1.1电磁调速电机 一、概述 电磁调速技术是通过电磁调速电动机实现调速的技术。电磁调速电动机 (又称滑差电机 )由三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电机组成。该技术也是国内最成熟的交流调速技术之一。适用于容量在 0.55 630kW范围内的风机、水泵或压缩机。它的优点是结构简单，维护方便，初始投资不高 (比普通笼型电动机高约 220元 /kW) 二、电磁调速的 特点 （ 1） 控制性能好、起动转矩大。 （ 2） 控制功率小、扭矩大。 （ 3） 电压适应性好，体积小 。 三、电磁调速的缺点 普通电磁调速的调速性能比较令人满意，但有一个最严重的缺点就是效率低，耗能大，发热严重，越是低速运行，这个缺点就越突出，故往往被限制在某一转速以上运行。另一个严重缺点是占用空间位置大。普通电磁调速电机实际上是一台机组，它由一台普通异步电动机与一台电磁离合器组成，体积很大，组成机组后占用很大的空间。 1.1.2 直流电机 直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生于 19世纪，距今已有 100多年的历史，控制部分 原动机部分 传动部分 执行部分 3 并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统 80左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机 (包括异步电动机和同步电动机 )，而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的是直流电动机。 但是，众所周知，由于结构上的原因，直流电动机存在以下缺点： （ 1）需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短。 （ 2）由于直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； （ 3）结构复杂，难以制造大容量、高转速和 高电压的直流电动机。 1.1.3 变频电机 一、变频器的作用 变频器在机电一体化产品中的运用。 变频器主要用于交流电动机 (异步电机或同步电机 )转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用 .变频器主要用于交流电动机 (异步电机或同步电机 )转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案，除了具有卓越的调速性能之外，变频器还有显著的节能作用，是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。自上世纪 80 年代被引进中国以来，变频器作为节能应用与速度 工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速发展和广泛的应用。在电力、纺织与化纤、建材、石油、化工、冶金、市政、造纸、食品饮料、烟草等行业以及公用工程 (中央空调、供水、水处理、电梯等 )中，变频器都在发挥着重要作用。 二、变频器的优点 变频调速，可以大大提高电机转速的控制精度，使电机在最节能的转速下运行。以风机水泵为例，根据流体力学原理，轴功率与转速的三次方成正比。当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。因此，精确调速的节电效果非常可观。与此类似，许多变动负载电机一般按最大需求来生产电动机的 容量，故设计裕量偏大。而在实际运行中，轻载运行的时间所占比例却非常高。如采用变频调速，可大大提高轻载运行时的工作效率。因此，变动负载的节能潜力巨大。 变频调速是交流电动机调速的发展方向，而且有的变频调速系统在动态性能及稳态性能的指标上已超过直流调速。因此在机电一体化系统设计时可优先选用交流电动机变频调速方案。 交流电动机变频调速系统中，变频器就是一个功率驱动接口。目前已形成了规格 4 较为齐全的通用化、系列化产品，因此在系统设计时，主要是解决变频器的选用、与控制系统的连接及控制算法的实现等问题。 三、变频器的分类 变频器的作用是将供电电网的工频交流电变为适合于交流电动机调速的电压可变、频率可变的交流电。按照变频方式和控制方式可分为： 图 1-2变频器的分类 控制器根据变频调速的不同控制方式，产生相应的控制信号来控制功率逆变器各功率元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电。控制器有两种控制方式：一种是以集成电路构成的模拟控制方式；另一种是以控制计算机构成的数字控制方式。后者是目前常用的控制方式。 四、 变频器的基本构成 变频器的发展已有数十年的历史，在变 频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，但是目前成为市场主流的变频器基本上有着下图所示的基本结构。图 1-3 对于采用了矢量控制方式的变频器来说，由于进行矢量控制时需要进行大量的运 5 算，其运算电路中有时还有一个以 DSP(数字信号处理器 )为主的转矩计算用 CPU以及相应的磁通检测和调节电路。 通过对以上三种电机的比较，变频电机的优势不言而喻。 1.2 传动方案的确定 传动部分就是把动力部分的运动形式、运动及动力参数转变为所需要的运动形式、运动及动力参 数。 1.2.1 齿轮传动 在用于直线移动和旋转运动相互转换的机械传动当中，齿轮齿条传动是应用非常广泛的一种传动方式。传统的齿轮齿条传动存在着诸多缺陷： （ 1） 啮合传动过程当中，齿面间存在滑动摩擦； （ 2） 标准齿轮节圆处压力角为 20 ，传动中产生无效径向分力； （ 3） 齿轮齿数不能过少，否则易发生根切现象； （ 4） 制造工艺性差，难以制造出用于精密传动的齿轮齿条装置。 这些缺陷的存在，一方面使齿轮齿条的传动效率降低；另一方面难以制造出体积小、重量轻的齿轮齿条传动装置。 最主要 的是齿轮齿条结构太单一化，在提升机的运行过程中，难以实现制动， 以及对于齿轮齿条的运行的控制更是难以实现。 1.2.2 链传动 一、 链传动的特点及应用 链传动是应用的一种机械传动。它是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮上制有特殊齿形的齿 ,依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。 链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比 ,链传动无弹性滑动和打滑现象 ,因而能保持准确的平均传动比 ,传动效率较高 ;又因链条不需要像带那样张得很紧 ,所以作用于轴上的径向压力较小 ;在同样使用条件下 , 链传动结 构较为紧凑 .同时链传动能在高温及速度较低的情况下工作。与齿轮传动相比 ,链传动的制造与安装精度要求较低 ,成本低廉 ;在远距离传动 (中心距最大可达十多米 )时 ,其结构比齿轮传动轻便得多。 在机械制造中，如农业、矿山、起重运输、冶金、建筑、石油、化工等机械都广泛地应用着链传动。 按用途不同 ,链可分为 :传动链 、输送链、和起重链。 6 二、 链传动的结构特点 (一 ) 滚子链 滚子链一般由内链节、外链节和连接链节组成。 1内链节 也称滚子链节，由两片内链板两个套筒和两个滚子所组成 (如 1-4b图 )。链板为钢制， 8 字形，链板两孔中心距 离控制在严格的公差范围内以保证装配好的链条节距一致。链板孔与套筒需保持过盈配合，以防止套筒在板孔内转动。套筒的内、外表面具有较高的硬度以提高耐磨性能。套筒的直径尺寸被控制在严格的公差内以保证与销轴和滚于的正确配合和平滑运转。滚子表面硬而光洁，直径尺寸精确，每个滚子高度适当以使其在两链板之间能自由转动。 2外链节 也称销轴链节，出两片外链板和两个销铀组成 (图 1 4a)。销铀的芯部韧性要好以耐受冲击，而表面硬度要高以提高耐磨性能，销铀两端铆接以防止与外链板松脱同时，销轴与链板孔过盈配合以防止发生相对转动。 滚 子链一般由内链节、外链节和连接链节组成。图 1-4 3连接链节 当安装链条时，为连接链条两端，可采用连接链节或过渡链节，或者复合过渡链节。通常，在设计传动中心距时，应使链条具有偶数个链节，以避免使用过渡链节。如设计要求链条的节数为奇数时，就必须采用过渡链节或复合过渡链节，而复合过渡要稍好于过渡链行。 连接链节是由两个销轴压配并铆接在一块外链板上，另一块外链板上的板孔尺寸则与销轴的另一端滑配或轻压配， 以便于安装和连接链条。连接链节用开口销、弹性锁片或钢丝来锁住。 (二 )齿形链 齿形链又称“无声链 ” ,它是由一组带有两个齿的连板左右交错并列铰接而成 .链齿外侧是直边 ,工作时链齿外侧边与链轮轮齿相啮合来实现传动 ,其啮合的齿楔角有 7 60度和 70度两种 . 由于在本设计中要提升的货物较轻 ,故选用滚子链 . 1.3 控制方案的确定 1.3.1 PLC控制 一、 PLC的结构、特点 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多 品种、多规格、低成本和高质量的产品 ,为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性， PLC(Programmable Controller，可编程序控制器 )正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。 PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要装置之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其他领域 (例如民用和家庭自动化 )的应用也得到了迅速的发展。 PLC的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种机械 设备和生产过程的电气控制装置中，各行各业也涌现出了大批应用 PLC改造设备的成果。了解 PLC的工作原理，具备设计、调试和维护 PLC控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。 (一 ) PLC的基本结构 PLC主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程器以配备特殊功能模块，用来完成某些特殊的任务。 1 CPU模块 CPU 模块主要由微处理器 (CPU 芯片 )和存储器组成相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，存程序和数据。 2 I/O模块 输 入 (Input)模块和输出 (Output)模块简称为 I/O 模块，它们是系统的眼、耳、脚，是联系外部现场设备和 CPU模块的桥梁。 输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量 8 电流、电压信号。 开关是输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行 装置。图 1-5 CPU 模块的工作电压一段是 5V，而 PLC 的输入 /输出信号电压一般较高，如直流24V和交流 220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏 PLC 模块中的元器件，或使 PLC不能正常工作。在 I/O模块中，用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离 PLC的内部电路和外部的 I/O电路， I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。 3编程器 编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器 不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一段用来给小型 PLC 编程，或者用于现场调试和维护 . 使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能回程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。 4. 电源 PLC 一般使用 220V 交流电源或 24v 直流电源。内部的开关电源为各模块提供 DC 5V， 24v等直流电源。小型 PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器 (如接近开关 )提供 24v直流电源，驱动 PLC负载的直流电源一般由用户提供。 (二 ) PLC的特点 1编程方法简单易学 梯形图是使用得最多的 PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原 9 理图相似，梯形国语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。 梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，译成汇编语言后再去执行。 2功能强，性能价格比高 一台小型 PLC内有成百上 千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。 PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 3硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。 PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。 PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。 硬件配置确定后，通过 修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。 4可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。 PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，乎均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场， PLC己被广大用户 公认为最可靠的工业控制设备之一。 5系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、 器件，使控制柜的设计、安装、接线工作员大大减少。 PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，如果掌握了正确的设计方法，设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时问要少得多。 可以在实验室模拟调试 PLC的用户程序，输入信号用小开关来模拟，可通过 PLC上的发光二极管观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接 线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得 10 多。 6维修工作量小，维修方便 PLC 的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。 PLC 或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据 PLC上的发光二极管或编程器提供的信息方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。 7体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型毗的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来 的1/2l 10。 PLC控制系统的配线比继电器控制系统的少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少很多安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。 二、 PLC的原理 PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。 这种用计算机程序实现的“软继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。由于以上原因，在介绍 PLC的工作原理之前，首先简要介绍物理继电器的结构和工作原理。 1. 继 电器 图（ 1-5）是继电器结构示意图，它主要由磁线圈、铁心 、触点和复位弹簧组成。 图 1-6 11 继电器有两种不同的触点，在线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点 (如图中的触点 3， 4)，处于闭合状态的触点称为常闭触点 (如图中的触点 1， 2)。 当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常闭触点断开，常开触点闭合。线圈电流消失后，复位弹簧使衔铁返回原来的位置，常开触点断开，常闭触点闭合。图 b是继电器的线圈、常开触点 和常闭触点在电路图中的符号。一只继电器可能有若干对常开触点和常闭触点。在继电器电路图中，一般用相同的字母、数字组成的文字符号 (如 KA2)来标注同一个继电器的线圈和触点。 2.逻辑运算 使用继电器电路或 PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。 PLC的梯形图，梯形图中某些编程元件（如输出继电器和辅助继电器 )的线圈“通电”时，其常开触点闭合，常闭触点断开，称该编程元件为 1 状态。当它们的线圈“断电”时，其常开触点断开，常闭触点闭合，称该编程元件为 0状态。 用继电器电路或梯形图可以实现基本逻辑运算，触点的串联 可实现“与”运算，触点的并联可实现“或”运算，用常闭触点控制线圈可实现“非”运算。多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。 2 提升机的机械结构的设计 提升机的主要由二大部分组成：水平输送部分和垂直输送部分。水平输送部分由滚筒和电机组成；垂直部分由链条、链轮、托台、蜗轮蜗杆和电机组成。 2.1 提升机的主要组成部分 2.1.1 水平输送部分 滚筒是组成提升机的托台的主要一部分，托台是由一排的滚筒固定在同一支架上所组成的。通过电机的运行，带动滚筒运动，从而带动货物的运行到所需的位置。 12 图 2-1 滚筒的结构 2.1.2 垂直输送部分 电机的动力通过蜗轮蜗杆传到联轴节，而带动链轮运行，从而带动链条提升货物。蜗轮蜗杆的作用是在提升的过程中，起到制动保护作用，以免提升机在工作中突然停机时，货物由于重力而下降。如右图 3-2所示： 链条是带动提升机垂直运动的主要部件，前面已经对链条的介绍已经很全面了，现在主要是链条的设计和选择。 链传动的主要参数选择 1.传动比的选择 传动比过大时，会导 致小链轮包角过小，同时啮合齿数减少，这将加速链轮轮齿的磨损且容易出现跳齿现象，故包角最好不小于 120 。为此，限制传动比 i 7 ，本课题中由于为了保持托台的水平，主、从动链轮的大小必须相同，所以传动比 i=1。 2.链轮齿数 Z1 、 Z2 齿数选择总原则上不宜太少，也不宜过多。当小链轮齿数 Z1 过少时，尽 管可以减少轮廓尺寸，但将会引起： 传动的不均匀性和附加动载荷增大；链条进入和退出啮合时，链节间的相对转角增大，加速铰链的磨损失效； 在节距和传递功率一定条件下，链所需传递的圆角力增大，加速链和链轮的损坏。 当链轮齿数过多时，不仅会增大链传动的外形尺寸，还将缩短链的使用寿命由于链节数一般取为偶数，为使链和链轮齿的磨损较均匀，链轮齿数一般取为与链节数互质的奇数。小链轮的齿数 Z1 可依据链速参考表选取。 图 2-2 蜗轮蜗杆结构图 13 在本设计中，由于链速为 25m/s,属于低速。应该按传动比 i来确 定齿数，查表 D的 i=29。 3.链的节距和排数 在一定条件下，链节距越大，承载能力就越大，相应产生的冲击、振动、噪音也越严重。所以设计时，在满足承载能力条件下，为使结构紧凑、寿命长，应尽量选取小节距的单排链。在高速、大功率时，可选取小节距的多排链。当中心距小，传动比大时，选取小节距多排链，以使小链轮有一定啮合齿数。当中心距大、传动比小而且速度不太高时，可选用大节距单排链。 链的节距可根据传递功率 P按下式算出额定功率 P0后选出。 P0=mLZA KKK PK式中 P 传递功率（ KW）； KA 工作情况系数，查表； Kz 小链轮齿数系数，查表； KL 链长系数，查表； KM 多排链排数系数，查表。 2.1.3 提升机的总体结构图 原动机部分是驱动 整部机器以完成预定功能的动力源。通常一部机器只用一个原动机，复杂的机器也可能有好几个动力源。一般地说，它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。在少数情况下也有用直线运动马达或滚筒 以直线运动的形式输出一定的推力或拉力。 执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机械可以只有一个执行部分；也可以把机器的功能分解成好几个执行部分（提升机的链条执行上升和下降运动的功能，滚筒执行横向运送重物的功能）。 提升机的原动机部分结构图： 14 图 2-3 电机与蜗轮传动简图 图 2-4 蜗轮与主轴传动简图 提升机的执行部分的结构图： 图 2-5 主轴简图 15 因为提升机的主要靠轴的转动，从而带动链轮的运转，通过链条带动托台上升和下降。横向运动是通过滚筒的运动带动货物进入提升机的托台。它的执行部分也就包括这两个方面，当然为了实现两个方向的运动就必须要两个电机控 制两个方向。所以在设计的过程中，对轴的要求是非常高的。 提升机的总体结构图： 图 2-7 提升机的总体结构图 2.2 电动机功率计算 通常我们选择电动机的首先要考虑电动机能够提供负载所需要的转矩和转速。从偏于安全的意义上来讲，就是能够提供克服峰值负载所需要的功率。其次，当电动机的工作周期可以与其发热时间常数相比较时，必须考虑电动机的热额定问题，通常用负载的均方根功率作为确定电动机发热功率的基础。 如果要求电动机在峰值负载转矩下以峰值转速不断的驱动负载，则电动机 功率 图 2-6 滚筒简图 16 Pm=（ 1.52.5）159LPLPnT 式中 TLP 负载峰值力矩（ N m）； nLP 电动机负载峰值转速（ r/s）； 传动装置的效率。考虑了初步估算时取 =0.70.9； 1.52.5 系数， 属经验数据。考虑了初步估算负载力矩有可能取不全面或不精确，以及电动机有一部分功率要消耗在电动机转子上。 当电动机长期连续的工作在变负载之下时，比较合理的是按负载方均根功率来估算电动机功率 P （ 1.52.5）159LrLrnT 式中 TLr 负载方均根力矩（ N m）； nLr 负载方均根转速（ r/m） 。 估算出 Pm后就可选取电动机，使其额定功率 PN满足 PN Pm而在本课题中，我们要选的电动机所满足的条件不够，所以也就很难估算出电动机的额定功率。那必须采用其他方法估算电动机功率。因为电动机的功率主要是提供提升机的提升所需功率，假设电动机的输出功率有 20%是转化给提升机的提升所需的功率。如果算出提升机的提升功率，就可以估算电动机的输出功率。 根据设计要求，提升机的提升物体的重量大概 m=100kg，提升高度是 h=2.815m,提升速度为 v=0.2815m/s。 解：根据能量守恒定律有 w=mgh+21mv2 =100 10+21 100 0.28152 =2815+5.9=2820.9 j 又 t=vh=2815.0 815.2=10s P=tw=0.2815kw P电机功率=80%p=8.02815.0=0.351875kw 17 查表取升降电机型号为 YEJ 90L-4 P额=1.5kw n=1440r/min 因为水平进退所消耗的能量很小，即功率也很小， 所以查表选取水平进退电机的型号为 YEJ 60L-4 P额=0.55kw n=720r/min 2.3 链的计算 一、 确定连轮齿数 i=1 查表得连轮齿数为 Z1 =Z2 =29 二、 选链条 选择减速器的传动比 i=31.5. 查表得 KA =1.0, KZ =1.58,KI =0.82,KP =1 p0=paIZ KKKKP = 145.182.058.1 75.05.1 XXX X =0.598kw n1 =5.311440=45.7r/min 故 查表得应选去链号为 16 号的链条 P=25.4mm. 三、 验算链速 v=100060XZPn=100060 7.454.2529 X XX=0.56m/s48 所以链条不会破裂，安全的 六、 链轮 选用 45 钢 调质 回火 （ 4050） HRC （ 1）节圆直径 d=)180sin(0Zp =)29180sin(4.250=236mm (2) 齿顶圆直径 da =p(0.54+ctg(z0180 )=247.3mm (3) 齿根圆直径 dT =15.88mm df=d- dT =220.12mm (4) 齿侧凸缘最 大直径 dg=p(ctg(z0180 )-1) 0.80=204.98mm 查表得 dk=139.2mm 链轮轮毂长 查表得 L=60mm 最大齿根距离 Lx=d cos(z090 )-dT =220mm 齿宽 b1f=0.95b1 =15mm 倒角宽 ba=01.5p=3.81mm 倒角半径 rx=25.4mm 倒角深度 h=0.5p=12.7mm 齿侧凸缘圆角半径 ra=0.04p=1.016mm 2.4 轴的设计 轴是机器中的重要零件，其功能在于支承转动零件，使转动零件具有确 定的工作位置，并传递运动和动力。 一般情况下，合理的结构和足够的强度是轴的设计必须满足的基本要求。如果轴的结构设计不合理，会影响轴的加工和装配工艺性，增加制造成本，乃至影响轴的强 19 度和刚度。如果轴的强度不足，则会发生塑性变形或断裂失效，使其不能正常工作。 轴的一般设计步骤是： 按工作要求选择材料。 估算轴的基本直径。 轴的结构设计。 1、 估算轴的基本直径 轴的设计中，一般是按轴所传递的转矩估算出轴上受扭转轴段的最小直径，并以其作为基本参考尺寸进行轴的结构设计。 d A0 3 np在本课题中的主轴所选用的材料是 45 钢，通过查表可得 1 =60 MP， A0=103 P= P额 =1.5 0.8=1.2kw 又 已知 n=n1 =5.311440=45.7r/min d A0 3 np=1033 7.452.1=30.6mm 所求 d 应为受扭转轴段的直径，即带传动轮处的轴径。因考虑到其它因素的影响，即取标准直径 d=35mm。 2、 轴的结构设计 （ 1） 初定各轴段的直径 图 2-8 为了满足半联轴器的要求， I-II 段左端需制出一轴肩 且 L III =82mm 故 d6 =d2 =40mm 据 d6 =d2 =40mm，选用轴承 1508 型 d D B=40 80 23 20 由于端盖的厚度约为 68mm 故 Lvivi=30mm Liiii=40mm 由于滚子轴承的左端需一轴肩进行轴向定位，且开了一个槽 故取 d5 =d3 =47mm Lvvi=Livii=2 9801125 +30=102.5mm (1)初定各轴段的直径 位置 轴直径 /mm 说明 输出传动处 35 按电动机功率估算的基本直径 轴承处 40 按传动时轴承承受的弯矩估算直径 链轮处 47 按传递转矩估算直径 轴环处 60 链轮靠轴环定位，按链轮处直径 d=47mm，轴环 h=（ 0.070.1） d，取 h=3mm。 表 2-1 （ 2）确定各轴段长度（由右至左） 位置 轴段长度 /mm 说明 输出传动处 82 按带传动传递的功率估算 轴承处 70 按柜架的厚度和承受的弯矩估算 链轮处 102.5 按链轮的轮廓尺寸估算 轴径处 920 按柜架的尺寸估算 全轴长 1277 各轴段之和 表 2-2 (3) 轴的校核： 易知轴的危险截面是 B 截面 M合 = F拉 （ 980-30+102.5+14） =526250N*mm W=1614.33d -d tdbt 2 )( =16 4714.33X - 2472)1047(1016XX =18045.05 T=95507.45125.1 106 =261214.4 N mm 21 T=0.6 261214.4 =153728.6652 N mm Qce =WTM 22 )( =05.180456652.1567285.860513 22 =30.42Mpa 由于 b1=60 Mpa 故合格。 (4)传动零件的周向固定，链轮处与带传动处均采用 A型普通平键，链轮处为键 16 9 GB1096，带传动处为键 10 8 GB1096。 (5)其它尺寸，为了加工方便，并参照 7209 C型轴承的安装尺寸（见轴承手册） ，轴上过度圆角半径全部取 r=1mm，轴端倒角为 2 45。 3 提升机的电器控制 3.1 变频器的选择 一、变频器选择 电动机的容量及负载特性是变频器选择的基本依据。在选择变频器前，首先要分析控制对象的负载特性并选择电动机的容量，根据用途合适的变频器类型，然后再进一步确定变频器的容量，一般的原则是： （ 1） 连续运行场合 要求变频器容量（ kVA）满足 变频器容量cosMKP 式中 PM 负载要求的电动机输出功率（ kVA）； 电动机效率，通常为 0.8左右； cos 电动机的功率因数，通常为 0.75左右； K 考虑电动机波形的修正系数， K=1.051.1。 本课题的电动机输出功率是 1.05KW，所以通过计算： 变频器容量 cosMKP = 75.08.0 3816.01.1 xx =0.7KW 所以在选用变频器的容量必须大于 0.7KW。 （ 2）起动时变频器所需的容量 在起动（加速）过程中应考虑动态加速转矩，即为 22 克服机械传动系统转动惯量 J 所需的动态转矩，这时变频器容量（ kVA）计算为 ： 变频器的容量 cos973 Kn ALfz tXJT 375 式中 JL 机械传动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量 ； Tfz 负载转矩（ N m） ; 电动机转速（ r/min）； tA 电动机加速时间（ s）。 在选择变频器时，除确定容量外，还应正确变频器的输入电源、输出特性、操作功能等，使选用的变频器满足使用要求。 二、变频器的使用方法 变频器作为交流电动机变频调速的标准功率驱动接口，在使用上十分简便，它可以单独使用也可以与外部控制器连接进行在线控制。 变频器是通过装置上的接线端子与外部连接的。接线端子分为主回路端子和控制回路端子，前者连接供电电源、交流电动机及外部能耗制动电路 ，后者连接变频控制按钮开关或控制电路。 下面列举变频器的二种接线图： 23 图 3-1 常用变频器的接线图 2、外部电路介绍 一、电气原理图 电气原理图是根据工作原理而绘制的，具有结构简单、层次分明、便于研究和分析电路的工作原理等优点。在各种生产机械的电器控制中，无论在设计部分或生产现场都得到广泛的应用。 绘制电气原理图应遵循以下原则： 1) 电器控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路和控制电路。主电路包括从电源到电动机的电路， 是强电流通过的部分，用粗线条画在原理图的左边。控制电路是通过弱电流的电路，一般由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触头等组成，用细线条画在原理图的右边。 2)电气原理图中，所有电器元件的图形、文字符号必须采用国家规定的统一标准。 24 3)采用电器元件展开图的画法。同一电器元件的各部分可以不画在一起，但需要用同一文字符号标出。若有多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字序号的下标，如 KM1 、 KM2 等。 4)所有按钮、触头 均按没有外力作用和没有通电时的原始状态画出。 5)控制电路的分支线路，原则上按照动作先后顺序排列，两线交叉连接时的电气连接点须用黑点标出。、 三、控制的实现 产品通过传送带进入运动平台，传感器控制产品是否到位，发出信号给电机，电机启动带动链条的上升，在此过程中，变频器开始工作，变频器输出“慢 -快 -慢”信号，从而控制电机的转动快慢，运动平台是否到位通过限位开关控制，平稳的停在所需要的位置。再输出货物，传感器控制产品是否全部输出，发出信号给电机，电机带动链条下降。循环上述过程。 提升机工作过程分析 图 3-2提升机运动过程分析图 上升过程：外部货物送入光电开关 1收到信号启动电机 1，低速进货滚筒运行送货物进入提升机托台光电开关 2收到信号停止电机 1 和启动电机 2低速提升货物碰到位置开关 2高速提升货物碰到位置开关 3低速提升货物碰到位置开关 4停止电机 2 和启动电机 1，高速出货货物送出光电开关 3 收到信号货物输送完毕。 25 下降过程：光电开关 3收到信号启动电机 2提升机托台低速下降碰到位置开关 3托台高速下降碰到位置开关 2托台低速下降碰到位置开关 1停止 电机 2。 3、 软件流程图 一、 设计主电路 因要求电机 1 及电机 2分别控制水平方向和垂直方向的运动，以及它们都要实现正、反运转，而且电机 2还必须自动调节速度故采用四个接触器以改变电源相序和变频器自动调节速度，如图 3-3所示： 图 3-3 主电路接线图 二、 确定控制电路的基本部分 设置有起动、停止按钮、正反向接触器组成的控制电动机正反转的基本控制环节、 26 以及必要的自锁环节和互锁环节，如下是电器元件的编号及说明： 表 3-1 电气原理图如下所示： 27 图 3-4 电气原理图 在上图中，中间继电器 KA11、 KA12、 KA13、 KA14是实现手动状态下的机器的工作过程；中间继电器 KA21、 KA22、