三工位回转台说明书

机电一体化课程设计 1 题目题目 数控旋转工作台设计数控旋转工作台设计 学院 学院 机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院 班级 机制班级 机制 111 专升本 专升本 日期 日期 2012 12 14 姓名姓名学号学号在项目中主要承担内容和工作比例在项目中主要承担内容和工作比例 邵擎邵擎 311011201 5 机械总设计 液压设计 机械总设计 液压设计 PLC 设计设计 胡梦胡梦 311011200 4 机械设计 齿轮计算 机械设计 齿轮计算 朱亚运朱亚运 311011201 6 机械设计 蜗轮蜗杆计算 机械设计 蜗轮蜗杆计算 编编 号号名名 称称件件 数数备注备注 1机械机械 CAD 图纸图纸3 2电气原理图电气原理图3 3液压图液压图1 4 机电一体化课程设计 2 目录目录 目录 2 第 1 章 概述 3 第 2 章 机械系统方案 4 第 3 章 三工位工作台机械设计 5 第 4 章 PLC 控制系统方案 10 第 5 章 PLC 控制系统设计 12 设计心得 21 参考文献 22 5 6 7 机电一体化课程设计 3 第第 1 章章 概述概述 数控旋转台 三工位工作台 是由输送 钻孔 卸载三部分组成 工作台每 旋转 120 完成一个工位 循环运行 来实现工件的快速输送 钻孔 卸载的流 水作业系统 设计要求包括 三工位工作台是由输送 钻孔 卸载三部分组成 工作台 每旋转 120 完成一个工位 循环运行 工作台直径 1000mm 最大轴向载荷 Tmax 1000N 工件的夹紧 推进都是由液压系统构成 传动部分 三工位工作台一般由原动机 传动装置和工作台组成 传动装 置在原动机和工作台之间传递运动和动力 并可实现分度运动 在本课题中 原动机采用步进电机 工作台为 T 形槽工作台 传动装置由齿轮传动和蜗杆传 动组成 在本设计中 工件的夹紧 推进都是由液压系统构成 液压系统是以流体 为介质 来实现能量的转换 传递及控制 它由若干基本回路组成传递系统 来进行工件的推进 推出及夹紧 以液体为介质的液压系统具有无级调速和传 动平稳的优点 通过与 PLC 的连接 能顺利完成本设计的各项指定动作 在控制电路的选择上 选择三菱 PLC 随着科学技术的不断更新 继电器 控制已逐渐背 PLC 控制代替 它不仅能减低能耗 节约能源 而且大大的提高 了工作效率 本次课程设计使用了 FX2N 系列机型 来完成工作台的流程控制 最后期望效果 既达到 120 的旋转后 三工位同时运动 完成后再次旋 转 120 循环往复 直到按下停止按钮后结束 机电一体化课程设计 4 第第 2 章章 机械系统方案机械系统方案 2 12 1 传动方案要求传动方案要求 三工位工作台一般由原动机 传动装置和工作台组成 传动装置在原动机 和工作台之间传递运动和动力 并可实现分度运动 在本课题中 原动机采用 步进电机 工作台为 T 形槽工作台 传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成 2 22 2 传动方案及其分析传动方案及其分析 三工位工作台传动方案为 步进电机 齿轮传动 蜗杆传动 该传动方案分析如下 齿轮传动特点 齿轮传动平稳 传动比精确 工作可靠 效率高 寿命长 使用的功率 速度和尺寸范围大 例如传递功率可以从很小至几十万千瓦 速度最高可达 300m s 齿轮直径可以从几毫米至二十多米 蜗杆传动特点 传动比大 结构紧凑 在动力传动中 一般取传动比 i 10 80 可以实现自锁 和螺纹副相同 当蜗杆螺旋升角小于其齿面间的当量摩擦 角时 反行程自锁 这种蜗杆传动常用于起重装置中 传动平稳 蜗杆齿是连续的螺旋齿 与蜗轮的啮合是连续的 因此 传动平 稳 噪声低 蜗杆传动缺点 由于齿面间存在较大的相对滑动 传动中摩擦大 发热大 效率低 通常为 0 7 0 8 自锁时啮合效率低于 0 5 因而需要良好的润滑和散 热条件 不适合于大功率传动 一般不超过 50KW 为了减少齿面磨损和防止 胶合 便于跑和 涡轮齿圈常需用比较贵重的有色金属 如青铜 制造 由以上分析可得 将齿轮传动放在传动系统的高速级 蜗杆传动放在传动 机电一体化课程设计 5 系统的低速级 传动方案较合理 第第 3 章章 三工位工作台机械设计三工位工作台机械设计 3 13 1 步进电机的选择及运动参数的计算步进电机的选择及运动参数的计算 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或直线位移的机电执行 元件 每当输入一个电脉冲时 转子就转动一个固定的角度 脉冲一个接一个 地输入 转子就一步一步地转动 步进电机的角位移量与输入电脉冲的个数成正比 旋转速度与输入电脉冲 的频率成正比 即控制输入电脉冲的个数 频率和定子绕组的通电方式 就可 以控制步进电动机转子的角位移量 旋转速度和旋转方向 步进电机步距角定为 1 8 步进电机选用 滑动导轨摩擦系数为 f 0 005 导轨半径 500mm 工作台承受最大转矩 Tmax 1000 0 005 500 2 5N M 3 10 蜗轮所承受转矩 T 2 5N M 4 蜗杆 T T 30 0 083N M 34 大齿轮 T T 0 083N M 23 小齿轮 T T 5 0 0167N M 12 步进电机静转不能低于小齿轮上的转矩 由以上得 步进电机如下所示 步进电机转速计算公式 n 60 360 f 机电一体化课程设计 6 为步距角 f 为通电频率 步 S 工作台工作时带负载 电机运 动频率应低于空载启动频率 故运行时频率取 1000 步 S 带入得 n 300r min 3 23 2 齿轮传动的设计齿轮传动的设计 由于前述所选电机可知 T 2 5N M 传动比设定为 i 5 选择齿轮传动的类型 根据 GB T10085 1988 采用直齿 轮传动的形式 选择材料 传动无特殊要求 便于制造 采用软齿面齿轮 小齿轮选用 40MnB 钢调制 241 286HBS 大齿轮选用 45 钢正火 169 217HBS 按齿面接触强度设计 一对钢制外啮合齿轮设计公式 小齿轮转矩 T 2 5N M 1 选择小齿轮齿数 Z 25 大齿轮齿数 Z 125 12 转速不高 功率不大 选择齿轮精度 8 级 载荷平稳 对称布置 轴的刚度较大 取载荷综合系数 K 1 2 齿款系数取 0 9 d 确定许用接触应力 1 3 1 671 1 Hd KTu d u 机电一体化课程设计 7 查得 720MPa 460MPa 由表得 1 lim1H lim2H minH s 得 720MPa 460MPa 所以 460 MPa 1H 2H 1H 2H 计算小齿轮分度圆直径 20 5mm 计算模数 0 82 11 mdz 取 m 1 计算齿轮主要尺寸及圆周速度 m z 1 25 25mm 1 d 1 m z 1 125 125mm 2 d 2 a 75mm 12 2 m zz 齿轮齿宽 b 0 9 25 22 5mm 取 b 22 5mm b 20mm1 2 圆周速度 v 0 4m s 可以选用 8 级精度 11 60 1000 dn 小齿轮 27mm 采用实心式齿轮 1a d 大齿轮 127mm 采用腹板式齿轮 2a d 3 33 3 蜗轮蜗杆传动设计蜗轮蜗杆传动设计 由于前述所选电机可知 T 12 5N M 传动比设定为 i 30 3 1 671 4 51 1 2 2500 4604 50 9 d 机电一体化课程设计 8 选择蜗杆传动类型 根据 GB T10085 1988 的推荐 采用渐开线蜗杆 选 择材料 蜗轮基本都用复合金属就是芯是铸铁或者铸钢外面啮合的部分用青铜 蜗杆基本都用 45 刚调质加工后 淬火的也有用 40Cr 由于蜗杆的传动效率较 小 速度中等 因此蜗杆采用 45 号钢 为了能提高效率并且具有较好的耐磨性 采用蜗杆螺旋齿面淬火法 硬度为 45 55HRC 蜗轮采用铸锡磷青铜 Zcusn10p1 与金属铸造 由于有色金属成本较高 齿圈用青铜制造 而轮芯用灰铸铁 HT100 制造 按齿面接触疲劳强度设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则 先按齿面接触疲劳强度进行设计 在校核 齿根弯曲疲劳强度 传动中心距 2 3 2 E H Z Z akT 确定作用在蜗轮上的转距 T 4 按 Z1 1 估取效率 0 8 则 T T i 252N M 4 确定载荷系数 K 因工作载荷较稳定 故取载荷分布不均系数 K 1 由使用系数 KA表从而 选取 KA 1 15 由于转速不高 冲击不大 可取动载系数 KV 1 1 则 K KA K KV 1 1 15 1 1 1 265 1 27 确定弹性影响系数 ZE 选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配 确定接触系数 Z 先假设蜗杆分度圆直径 d1和传动中心距 a 的比值 d1 a 0 30 从而可查出 机电一体化课程设计 9 Z 3 12 确定许用应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 zcusn10p1 金属模铸造 蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC 但是 当传动为短时工作的 锡青铜的 H 可提高 40 50 从而可 查得蜗轮的基本许用应力 H 280MPA 因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的 故初步定位 其寿命系数为 KHN 0 92 则 H KHN H 0 92 280 257 6 258MPA 3 5 计算中心距 3 6 2 3 160 2 7 a1 27 25200096 4 258 取中心距 a 97 5mm m 2 5mm 蜗杆分度圆直径 d 45mm 这时 q 0 462 从而可查得接触系数 2 72 因为 0 3 Z 因此以上计算结果可用 3 43 4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 蜗杆 直径系数 q 18 m 2 5 分度圆直径 d1 45mm 150 蜗杆头数 Z 2 分 2 d 度圆导程角 6 37 蜗杆轴向齿距 PA 7 85mm 蜗杆齿顶圆直径 mm mm 11 250 a ddm 11 2 439 f ddm 蜗轮 蜗轮齿数 Z2 60 变位系数 0 22 150dmz 22 2155 a ddm 22 2 4144 f ddm 22 157 5 ea ddm 机电一体化课程设计 10 21 0 50 220 af Rdm 21 0 50 225 5 fa Rdm 第第 4 章章 PLC 控制系统方案控制系统方案 4 14 1 控制要求控制要求 1 用选择开关来决定控制系统的全自动 半自动运行和手动调整方式 2 手动调整采用按钮点动的控制方式 包括上料进 退操作 工件夹紧 放松操作 钻头下降 上升操作 卸料进 退操作 工作台旋转操作 3 系统处于全自动运行方式时 可实现自动往复地循环执行 4 上料器 夹紧装置 卸料器 钻头上下运动由液压缸驱动 夹紧力由压 力继电器检测控制 钻头旋转 工作台旋转由电动机驱动 4 24 2 制定控制方案制定控制方案 1 用选择开关来决定控制系统的全自动 2 系统处于全自动运行方式时 可实现自动往复地循环执行 3 系统运动不很复杂 采用三台电动机 主动电动机 液压电动机和工 作台旋转电动机 除了主轴转动和工作台旋转用电动机拖动外 其他所有所有 运动都可以采用液压传动 4 对于部分与顺序控制和工作循环过程无关的主零部件和控制部件 采 用进入 PLC 的控制方式以达到方便控制 4 34 3 控制方式选择控制方式选择 三工位旋转工作台控制系统的设计任务 最主要的就是工作台旋转的 PLC 梯形图设计 也就是程序设计 其次是液压控制原理图的设计 三工位旋转工作台控制系统在很大程度上是利用继电器实现的 而最初的 机电一体化课程设计 11 PLC 就已经有很完善的继电器控制功能了 在这里选用 PLC 控制较为方便 三 菱 PLC 英文名又称 Mitsubish Power Line Communication 是三菱电机生产 的主力产品 它采用一类可编程的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运 算 顺序控制 定时 计数与算术操作等面向用户的指令 并通过数字或模拟 式输入 输出控制各种类型的机械或生产过程 三菱 PLC 常见的有以下型号 FR FX1N FR FX1S FR FX2N FR FX3U FR FX2NC FR A FR Q 此 PLC 软 件简单实用 非常适合本次课题的要求 机电一体化课程设计 12 第第 5 章章 PLC 控制系统设计控制系统设计 5 15 1 动作特性动作特性 三工位旋转工作台控制动作特性如下 其工作示意如图 5 1 所示 一个工位将工件送到圆形工作台上 然后送料 压缸退回 另一工位将工件夹紧并钻孔 钻完孔后钻头向上返回初始位置 并 放开工件 第三个工位自动卸下加工好的工件 然后卸料缸返回 三个工位操 作完成后 工作台顺时针旋转 120 在 最后返回初始步 图 5 1 三工位旋转工作台系统示意图 工位 1 工作台旋转到工位 1 后上料器推进 送料 料到位后退回等待 工位 2 工工作台旋转到工位 2 后 夹紧装置将料加紧 钻头下降进给钻 孔 下钻到位后退回 退回到位后工件松开 放松完成后等待 工位 3 工作台旋转到工位 3 后 卸料器向前将加工完成的工件推出 推 出到位后退回 退回到位后等待 机电一体化课程设计 13 5 25 2 液压控制部分的设计液压控制部分的设计 按旋转工作台的动作要求 进料过程 使用三位四通液压电磁阀 首先送料开始时 1YA 得电 液压缸 运动 当送料器送料到位后 触发送料到位行程开关 使得 2YA 得点 同时 1YA 失电 液压阀供油方向改变 活塞杆退回 活塞杆退回到位后 触发退回 到位行程开关 此时 1YA 和 2YA 均失电 液压阀处于中间位置 工位 1 处于 等待状态 夹紧过程 使用三位四通液压电磁阀 工作台转动到位后 3YA 动作 液 压阀开始夹紧动作 夹紧后压力继电器 KPR 动作使活塞缸处于保压状态 钻孔过程 钻头旋转下降 等钻头下降达到行程开关位置处时 5YA 失 电钻头停止下降 上升继电器 6YA 得电 钻头上升 钻头上升到位碰到行程开 关 钻头停止转动和上升 3YA 失电并且活塞杆放松工件 放松完成碰到行 程开关使工位 2 处于等待状态 卸料过程 7YA 得电 卸料器推进 当送料器送料到位后 触发送料到位 行程开关 使得 8YA 得点 同时 7YA 失电 液压阀供油方向改变 卸料器退 回 待三个工位都停止动作后 工作台旋转电磁阀的电 工作台旋转进入下一 个循环 根据要求做出合理的液压原理图如图 5 2 示 机电一体化课程设计 14 图 5 2 液压原理图 5 35 3 控制流程图控制流程图 根据三工位旋转工作台的控制要求 在不同的工位能同时进行加料 钻孔加工和卸料 根据课程设计的具体要求 分析并设计如下流程图 5 3 机电一体化课程设计 15 图 5 3 控制流程图 5 45 4 I OI O 地址分配表地址分配表 分配表如下表所示 表 1 输入输出信号对照表 机电一体化课程设计 16 输入信号名称外部元件内部地址输出信号名称外部元件内部地址 工作台旋转按钮SB1X000脉冲产生接触器KM1Y000 工作台停止按钮SB2X001方向产生接触器KM2Y001 手动运行选择SA4 1X002送料器推进电磁阀YA1Y002 半自动运行选择SA4 2X003送料退回电磁阀YA2Y003 全自动运行选择SA4 3X004工件夹紧电磁阀YA3Y004 上料器推进按钮SB3X005工件放松电磁阀YA4Y005 上料器退回按钮SB4X006钻头下降电磁阀YA5Y006 工件夹紧按钮SB5X007钻头上升电磁阀YA6Y007 工件放松按钮SB6X010卸料推进电磁阀YA9Y010 钻头下降按钮SB7X011卸料退回电磁阀YA10Y011 钻头上升按钮SB8X012电机转动接触器KM3Y012 卸料器推进按钮SB9X013钻头转动接触器KM4Y013 卸料器退回按钮SB10X014 上料到位行程开关SQ1X015 上料退回到位行程开关SQ2X016 钻头下降到位行程开关SQ3X017 钻头上升到位行程开关SQ4X020 卸料器推进到位行程开关SQ5X021 卸料器退回到位行程开关SQ6X022 工作台旋转到位行程开关SQ7X023 放松到位行程开关SQ8X024 压力继电器触点SP1X025 5 55 5 I OI O 接线图接线图 PLC 输入输出 I O 接线图如图 5 4 所示 机电一体化课程设计 17 图 5 4 I O 接线图 5 65 6 梯形图梯形图 根据课题要求 在相应软件上具体做出控制系统梯形图并且自动生成语句 表 三工位旋转工作台控制梯形图如下 机电一体化课程设计 18 进料器推进电磁阀得电 进料器退回继电器得电 进料器退回电磁阀得电 继电器得电控制工作台旋转 夹紧继电器得电 机电一体化课程设计 19 夹紧电磁阀得电 钻头下降继电器得电 钻头下降 钻头旋转电磁阀得电 钻头上升继电器得电 钻头上升电磁阀得电 机电一体化课程设计 20 放松继电器得电 放松电磁阀得电 继电器得电控制工作台旋转 卸料器推进继