电动转笔刀虚拟设计

电动转笔刀的虚拟设计及运动仿真摘要：本文设计的电动转笔刀是利用微型电机给整个装置提供动力，动力通过减速装置流向刀具，把动力源的电能转变为刀具的动能。本设计首先确定电动转笔刀的总体方案设计，在此基础上选择刀具，计算负载功率。然后选择直流电机驱动，确定电机的功率。之后完成传动零件的设计计算，得出最终设计方案。最后将五个同样的电动转笔刀组装到一起，并利用PLC实现对每个电动转笔刀的启动和停止。本设计中的电动转笔刀工作效率高，方便快捷，适合推广使用。关键词：电动，转笔刀，刀具，电机，PLCIElectricPencilSharpenerVirtualDesignandMotionSimulationAbstract：Theelectricsharpenerthispaperdesignutilizemicromotortoprovidethepowertothewholedevice.Thepowerflowtothetoolthroughdecelerationdevice,whichchangetheelectricenergytokineticenergyofthetool.Thisdesigndetermineoverallstructureofelectricpencilsharpener,onthebasisofwhich,theselectionoftoolandcalculationofloadpoweraredetermined.AndchooseDCmotordrivetodeterminethemotorpower.Thendesignandcalculatethetransmissionparts.Thefinerdesignisformed.FinallyassemblefivesameelectricpencilsharpenerstogetherandusePLCtostartandstopthemachine.Thiselectricpencilsharpenerisconvenientandefficient,andsuitableforuse.Keywords:Electric，Pencilsharpener，Thetool，ElectricalAppliances，PLCII目录1绪论.11.1设计目的及意义.11.2国内外研究进展.11.3本设计的主要内容.22电动转笔刀总体方案的设计.32.1电动转笔刀的结构和原理.32.2减速装置的设计.32.3刀具的设计计算.52.4电动机的选择.63传动零件的设计计算.73.1齿轮传动的设计.73.2轴的设计.123.3联轴器的选择.184转笔刀整体结构的设计.204.1刀具的固定.204.2主要零件的位置排布.204.3夹紧装置.214.4外壳的设计.225PLC控制.245.1削笔器的控制要求.245.2系统控制线路图.245.3削笔器的输入输出点分配.265.4控制系统的梯形图.276运动仿真.286.1虚拟装配.286.2设定初始位置.286.3运动仿真与动画.297结论.30参考文献.31致谢.32III论文框架图01绪论1.1设计目的及意义铅笔是我们日常生活中最常见的一种物品，无论工作还是学习都经常用到，对机械专业来说必不可少。目前在市场上销售的削铅笔工具最常见的有两种：一种是铅笔刀，一种是手动转笔刀。在制图教室中，经常见同学们用铅笔刀很认真的削铅笔，但由于手的用力大小不均匀，削出来的铅笔外观难看，而且削出的铅芯长度难以掌握，容易断芯，并且削铅笔速度也比较慢，影响效率。手动转笔刀是在一个本体上设一个有排屑槽及刀片的圆锥孔，铅笔在圆锥孔中转动推进，由刀片将铅笔的木杆及铅芯削成圆锥形。这种手动转笔刀依然是依靠手的推力，因此也存在手的用力不均匀的情况。电动转笔刀的优点比较突出，结构简单合理，使用方便，有效解决了铅笔刀和手动转笔刀必须使用人力才能削铅笔的缺陷。1.2国内外研究进展转笔刀的整个发展史与铅笔的发展是密不可分的。18世纪末，雅克、路易孔泰(1755-1805)制作出了书写流利，而且质量上好的石墨笔。他当时的制作方法是将石墨等原料按一定的比例正确地混合，并将这种混合物加压焙烧，这样变得到不同的硬度。所以说，在铅笔刀出现之前，也许人们只是简单的用锉刀或者刨刀来削铅笔6。铅笔刀出现之后，由于社会发展比较落后，需要削铅笔时，人们只能用手拿着当时的铅笔刀来削铅笔。随著社会的进步，到了19世纪初，由于人们不仅需要用到更多的铅笔，而且对削铅笔的效率，削出铅笔的质量也有了更高的标准。拥有机械原理的卷笔刀就是在这种环境下应时而生的。据史料记载，结构比较简单的转笔刀是英国人GF埃克斯坦和RB库功坦首次发明的。转笔刀上面安装两只成直角的锉刀，用起来相对比较方便。在1828年，法国数学家伯纳德拉斯蒙发明了世界上第一个转笔刀。这种转笔刀，内部凿有一个圆锥形孔道，用于安装铅笔。尽管这种转笔刀仅仅是一种内部开槽、甚至没有刀片的工具，但它却为后来转笔刀的慢慢成型奠定了基础。到了1847年，泰利在前人基础上，发明了第一个机械式转笔刀。转笔刀的黄金时期大概是在上世纪80年代1中期到90年代初期。电动型转笔刀的出现至少要追溯到二十世纪初期。转笔刀经历了一个世纪的发展后，已经从手动式转变为更加方便的电动式，从单一削笔功能的学习工具，发展到现在的种类繁多，功能齐全的系列产品，具有较高的使用价值和欣赏价值。电动转笔刀如图1.1所示。图1.1电动转笔刀1.3本设计的主要内容（1）根据电动转笔刀的结构和原理，设计出一种电动转笔刀的方案。根据方案，对刀具进行设计计算，并选择电动机，设计传动装置。（2）对传动零件进行设计计算。其中包括齿轮传动的设计计算，输入轴和输入轴的设计以及计算，轴承的选择与校核等内容。（3）根据计算结果确定零部件的尺寸，绘制零件图和装配图，并建立转笔刀的三维模型，进行运动仿真。（4）利用PLC控制五个同样的转笔刀，实现停止与启动，并进行编程。22电动转笔刀总体方案的设计电动转笔刀的种类繁多，需要从转笔刀的结构原理入手，设计出一种合理简洁的转笔刀方案。本章将在分析转笔刀的结构原理的基础上，设计大体方案。然后设计传动方案，并对刀具进行受力分析，并选择合适的材料、设计刀具具体参数。最后通过受力和速度关系，估算出整个结构的功率，并选择合适的电机作为机构的动力源。2.1电动转笔刀的结构和原理电动转笔刀有壳体、控制电路、削笔装置、传动装置、夹紧机构、笔屑盒组成。控制电路是由电池、电机、开关、导线等组成。电池的正极与开关一端相连，开关另一端与电机正极相连，电机负极与电池的负极相连。电机转轴通过传动装置与削笔装置传动连接。削笔装置由刀具和刀架组成，刀具固定在刀架上，随着刀架的转动而转动。笔屑盒可进行拆装，方便清理。电动转笔刀的原理就是，利用动力源给整个装置提供动力，动力通过减速装置流向刀具，把动力源的电能转变为刀具的动能。其中减速装置的作用是增大刀具的扭矩，减小刀具的运动速度。刀具的作用就是通过切削作用原理，切削铅笔。2.2减速装置的设计在电动转笔刀中，只有一个动作需要动力源带动，那就是刀具的旋转运动。3在机械传动设计中，动力源一般就是用电机。具体电机的类别与型号，将在2.4节中详细讨论。本节中，主要讨论减速装置的选择。由于一般电机速度都比较快，而在电动转笔刀中，刀具的速度不能太快，不然会出现断芯等现象，所以在电机和刀具之间必须用到减速装置。（1）通用减速器通用减速器，就是有国标规定的，各项参数都可查表得到的减速器。设计中国确定减速器的参数后，可确定减速器的代号，此种减速器可直接通过厂家购买，方便快捷。但由于此种减速器一般都较大，本设计中功率较小，且减速器价格比较昂贵，会提高设计成本，故设计中不选用9。（2）带传动带传动的优点包括具有简单的结构、速度平稳，能减小振动，在机械传动中有着广泛的应用。带传动的单级传动比一般都小于10，且由于包角不能太小，轴与轴之间的距离较大。在设计中，如果选用带传动，就会加大整个机构的尺寸，故不选用带传动作为设计的减速装置。（3）链传动链传动的优点比较明显，在传动过程中，整体的传动比比价平均，工作可靠、传动效率较高、能适应各种恶劣的环境。但缺点也比较明显，只能实现平行轴间链轮的同乡传动，成本高、易磨损、传动平稳性差、运转时噪声比较大。在设计中，转笔刀是日常生活用品，使用频率高，且不宜有过多的噪声，所以把链传动作为减速装置的方案不合适。（4）蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动能得到比较大的传动比，而且结构紧凑，在两交错轴之间传递动力和运动的方向，在空间上垂直。这种传动方式噪声很小，传动平稳，但当蜗杆头数较少时，传动的效率低。在材质方面，常需要采用贵重的减摩有色金属材料，制造成本高，且相对来说，加工制造比较复杂，磨损较快，所以设计中不采用蜗轮蜗杆的传动方案。（5）齿轮传动在机械传动中，齿轮传动是最重要的传动方式之一，应用广泛。它的传动效率高达90%以上，是所有传动方式中最高的。而且齿轮的生产也便于模型化，符合要求的产品具有较高的经济价值，再加上齿轮使用时间长，在工作过程种不易损坏，所以在设计中采用此种传动方式作为减速装置。42.3刀具的设计计算转笔刀是用来削木质铅笔用的，刀具就是用来切削木材的。而木材切削的实质是木材在刀具的作用下切削区发生变形的过程，撇开木材间的联系，它的原理就是指工件相对于刀具的运动，从而取得需要的物件。切削三要素为：切削速度、进给量和背吃刀量。切削运动可分为主运动和进给运动。在设计的转笔刀中，是刀具的旋转运动来切削铅笔，刀具的旋转运动为主运动，铅笔的运动为进给运动。切削速度就是切削运动的速度，在设计中，刀具旋转运动的角速度为，铅笔的进给运动是由夹紧装置控制的，在设计中不需要给出。背吃刀量是指每一次切削的量，在转笔刀中为。切削角度、切削速度。切削力的计算一般是采用经验公式，单位切削力的大小与切削厚度、刀具锋利程度、切削方向、刀具角度、木材的性质和切削速度等因素有关系。单位切削力的基本经验公式如式所示10。tfhvwsaaK为在切削角、切削厚度、切削速度时的单位K045m1smv/10切削力。查表可得、木材树种修正系数值、木材含水率修正系数12.s值、切削角修正系数值、切削速度修正系数值、切削厚1wa9.a2.va度修正系数值、铣削时附加摩擦力修正系数值、刀具变钝系数h1f。7.t把数值代入，可以得到：0392.4712.901.K切削力的公式bhKF其中：切削深度，取0.1mm；h切削宽度。b在转笔刀中，整个刀具是要形成一个锥度的，其中锥角为。20mm为转笔刀刀具的宽度，6mm为铅笔的半径。3.026sin切削功率的公式5vFP其中为刀具的线速度，而由于刀具是有一个锥度的，所以线速度不是固定的，不同的地方，线速度不一样，表达式为2sin106510644bDnvdFP0.392.可以求得。W8.02.4电动机的选择电动机的分类比较多，且非常复杂，按供电方式可分为交流和直流。本设计的转笔刀体积较小，功率不高，且需要方便携带和使用，因此采用直流电机，直接用干电池供电，比较合适。如图2.1.在上一节，我们已经计算出刀具的功率为0.38W，力矩从刀具由齿轮传动再到电机，其中会有功率损耗，在选取电机的功率时，选择额定功率为0.5W的电机，供电采用6V的直流电，通过4节7号干电池提供。电机参数表功率（W）转速（r/min）0.5480图2.1直流电动机03传动零件的设计计算3.1齿轮传动的设计齿轮传动是机械传动中的一种很普遍的传动形式，应用十分广泛。在设计齿轮传动之前，我们需要对齿轮的失效形式进行分析，确定设计准则，然后设计齿轮传动，并校核齿轮的强度。3.1.1齿轮的失效形式分析在确定了各个传动齿轮的参数之后，需要对齿轮传动的强度进行校核计算。在校核计算之前，我们必须先明确齿轮传动的失效形式。一般来说，齿轮传动的失效主要是轮齿的失效，轮齿的失效形式又是多种多样的，常见的有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形五种3。轮齿折断有多种形式，通常发生的部位为齿根部分，这是由于在齿根部位的应力最大，并且应力表现较为集中。轮齿折断一般有两种形式，一种折断是因为轮齿在瞬时受力过大或冲击过载而引起的；而另一种折断是因为轮齿的应力反复变化而引起的疲劳折断。齿面磨损是齿面随着工作的条件不同出现多种不同的磨损形式。开式齿轮传动的主要失效形式之一是磨粒磨损，它是由于在啮合的齿轮的齿面间落入像铁屑、砂粒等磨料性质时，齿面慢慢被磨损而导致损坏。齿面点蚀是齿面疲劳损伤的现象之一。它是指齿面产生麻点损伤的现象。产生这种现象的原因是齿面材料，齿面材料由于接触应力的变化就会发生疲劳现象，这种现象是齿轮损伤的主要原因之一。这种点蚀可能会随机的出现在齿面上。随着疲劳的加剧，这些点蚀就会连接起来，最终造成对齿面的破坏。所以在齿轮的使用过程中，要防止这种现象的产生。有些情况下轻微点蚀仍可使用，但加重了磨损，严重点蚀会引起振动、噪声和轮齿断裂。齿轮传动中，高速重载时，主要失效形式是齿面胶合。当齿面胶合发生时，齿面间的压力过大，导致瞬时温度变高，润滑效果变差，相啮合的两齿面就会粘在一起，并且由于此时啮合的两齿面又在作相对运动，使相啮合的部位就会被撕破，导致齿轮间在相对运动的地方形成伤痕。而这种情况往往发生在齿面瞬时温度高，压力比较大，相对速度高的地方3。1齿面塑形变形是指在齿轮工作时，齿面上会有一个接触应力，这个应力不能超过齿面材料的抗剪极限。如果超过的话，将会对齿面的材料造成难以恢复的损伤。这种破坏不仅发生在韧性较软的齿面上，也会发生在淬硬的齿面上。这种破坏会引起齿轮剧烈振动，甚至发生断裂。针对以上的失各种工作情况和失效形式，都应该有相应的设计准则。但是对于齿面磨损、塑形变形等，还没有建立行之有效的计算方法及设计数据，所以在设计一般使用的齿轮传动时，通常按齿根弯曲疲劳强度及齿面接触疲劳强度两大准则进行计算。3.1.2齿轮传动的设计已知工作所需功率为，单级齿轮传动效率为，齿轮设计时，WP38.0%95传递功率取，小齿轮转速，由电动机驱4.0min/40rn2.3u动，使用寿命100小时。计算结果及步骤如下：1.选定齿轮类型、材料及热处理方式、精度等级及齿数1）按图3.1所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。图3.1齿轮传动方案2）转笔刀为一般工作机，由于削铅笔所需速度较低，所以选用7级精度（GB1009588）。3）材料选择。查参考文献3中，小齿轮选用45钢调质，取，大齿轮选用45钢正火，175,HBS1250HBS2167HBS:取。二者材料硬度差为50HBS。204）选小齿轮齿数，大齿轮齿数。1z6412uz2.按齿面接触强度进行设计2由设计计算公式进行计算，即21312.EtdHKTZud（1）确定公式内的各计算数值1）试选载荷系数。.2t2）计算小齿轮传递的转矩。由式得：950IpTn10.4957.9588TNm3）由查参考文献3中表10-7，取d4）查参考文献3中表10-6得：1.EZa5）由参考文献3中图10-21d得接触接触疲劳极限lim11350HBS3502MP60Hli22a46）计算应力循环次数。616048012.80HIhNnjL6521/./39u7）由图10-19取接触疲劳寿命系数，1.HNK21.3HN8）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得lim1160.9456HNMPaSli221.312HHK（2）计算1）根据公式，代入中较小的值计算小齿轮的分度圆直径。1td321312.EtdHKTZu32.79583.06223189.53.814m2）计算圆周速度。v1.0.95/1tIdns3）计算齿宽b。1.5382.6dm4）计算齿宽与齿高之比。h模数1.0.1962tmz齿高2.5.4285thm1906.4285b5）计算载荷系数。根据，7级精度，由图10-8查得动载系数；0.98/vms1.08vK直齿轮，；1.2HFK由表10-2查得使用系数=1.1；由表10-4运用插值法查得7级精度、小齿轮相对支承对称布置时，1.H由，查图10-13得；故载荷系数267bh1.HK1.FK.08.4VA6）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（10-10a）得331/.12.4/.05ttdm7）计算模数m。1.05.2dz4取模数m=0.25。8）计算中心距。210.526410.5nmzam9）计算分度圆直径。10.25dzm10）确定实际齿宽。10.52.dbm取，2bm12.53.按齿根弯曲强度校核。由参考文献5中式8-19知校核公式为：12FFaSFnKTYbdm确定公式内的各计算数据齿形系数和应力修正系数。查参考文献3中表6-4，75.21aY，查参考文献3中表6-4，。27.aYF5.1aYS3S弯曲疲劳强度极限，由参考文献3中图6-15得lim110.74320.740FHBMPali28832S3）弯曲疲劳强度寿命系数，由参考文献3中图6-17得：120.9,.5NNY4)取，。min1FS2.0stY5）计算弯曲疲劳许用应力。lim11n50.932751FNstMPaSli22mn.41FstY6）校核齿面弯曲疲劳强度。5111122.479582.153.260FFaSFnKTYMPabdm2212.36.8aSFFF由上述得所设计的齿轮满足强度要求。齿轮的三维模型图如图3.2所示。图3.2齿轮三维图模型图3.2轴的设计轴是机器中的重要支承件之一，用来支承作回转运动的传动零件，一般起着传递运动和扭矩的作用。设计中的轴都是转轴，在设计转轴时，开始需按扭转强度或弯扭结合强度估算轴的直径。3.2.1输入轴的设计1、选择材料该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，由参考文献3表8-2知3，；许用应力值为：590bMPa295sa125MPa140a。1obb2、计算作用在齿轮上的力因为知道所传递的转矩为。m98.7NT61227.9580.3794IttTFNFdtan.tan2.148rN3、初步确定轴的最小直径由参考书5表15-3知：45钢，由式得6035A3PdCn3.4(1605)1.278dm所以最小的轴径取大于。m24.轴的圆周速度480.5/601dnvs5.轴承的润滑：轴承采用脂润滑，选用毛毡圈密封；6、轴的强度验算先作出轴的受力计算简图，如图3.3所示。图3.3轴的受力简图1）计算轴承的支反力水平面上的支反力：2110.4820.71+rHFLN21.39.5tV水平面上的弯矩：HMmNLF7241.0.017垂直面上的弯矩：VMmNLF985.10.1合成弯矩：VH7.2.724.2扭矩：TmNT958.按弯扭合成应力校核轴的强度2222().170.6=5.3CMNm（）在此取0.6。在齿轮处当量弯矩最大，所以校核该截面的强度135.26.01cebMPaW所以轴的强度满足要求。图3.4轴的强度计算83.2.2输出轴的设计设计低速轴，在这根轴上，装了两个轴承，一个齿轮，在轴端还装了一个轧辊，所以在整个轴上，就有两个键槽，设计步骤如下：1.选择轴的材料该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，由参考文献3表8-2知3，；许用应力值为：590bMPa295sPa125Ma140Pa。12obb2.计算作用在齿轮上的力因为知道所传递的转矩为。m985.7NT1220.3794IttFFdtan.9tan2.148rN3.初步确定轴的最小直径由参考文献5表15-3知5：45钢，由式得6035A3PdCn3.4(1605)2.18.7dm所以最小的轴径取大于3mm。4.轴的圆周速度3150.23/601dnvs5.轴承的润滑：轴承采用脂润滑，选用毛毡圈密封；6.轴的强度验算先作出轴的受力计算简图，如图3.4所示。9图3.4低速轴的受力简图1)计算轴承的支反力水平面上的支反力：2110.4820.71+rHFLN21.4r垂直面上的支反力：2110.397.185tVFLN21.tV水平面上的弯矩：HMmNLF7241.0.01垂直面上的弯矩：V985.1合成弯矩：MmNVH17.2.724.02扭矩：TmNT6.5按弯扭合成应力校核轴的强度2222().170.4=15.CMNm（）在此取0.6。10图3.5轴的强度计算在齿轮处当量弯矩最大，所以校核该截面的强度1315.4.70cebMPaW所以轴的强度满足要求。轴的三维图如图3.7所示。11图3.7轴的三维图3.3联轴器的选择联轴器是连接两轴或连接轴和回转件的一个部件，在传递运动和动力过程中和轴一同回转不脱开。联轴器可以分为刚性联轴器和弹性联轴器，刚性联轴器又可以分为固定式刚性联轴器和可移式刚性联轴器。在一般的机械设计中，凸缘式刚性联轴器运用比较广泛，这是由于这种联轴器结构相对简单、制作成本低，并且能够传递较大的转矩，在零件转速低、无冲击的情况下，最适合用此种联轴器。在本设计中，由于只有一对齿轮啮合传动，齿轮轴相对而言不是很长，由上一节的计算可以得出，输入轴的挠度不大，不属于细长轴。转速也不高，且不存在冲击问题，选用凸缘式联轴器是比较合适的。根据轴径和承载选择联轴器的具体参数如表所示。联轴器的三维图如下图3.8。联轴器的参数公称转矩（Nm）许用转速（r/min）轴孔直径（mm）3120002、312图3.8联轴器的三维图04转笔刀整体结构的设计电动转笔刀整体结构的设计，主要包括刀具的固定，电机、齿轮啮合机构和刀具的排布，夹紧装置，外壳的设计四个部分的内容。4.1刀具的固定在转笔刀中，刀具由输出轴带动，作旋转运动。刀具的固定主要就是要把刀具与输出轴固定起来。由于刀具本身是没有办法与输出轴固定的，所以首先需要设计一个刀架，刀架与输出轴连接，刀具通过螺栓固定在刀架上。这样，输出轴的旋转运动就可以传递给刀具了。刀架的设计，我们可以参照传统的手动转笔刀，在刀架上设一个有排屑槽及刀片的圆锥孔，刀架旋转就会使刀具发生旋转运动，加上铅笔在圆锥孔里面的推进运动，就可以完成铅笔的切削过程。设计好的刀架及刀具三维图如图4.1所示。图4.1刀架及刀具三维图4.2主要零件的位置排布机械设计中，零件的位置排布是一个很重要的内容。同样的传动方式，采用不同的位置排布，可能会影响传动效率和整体尺寸。在转笔刀中，主要是对电机、齿轮啮合机构和刀具的排布。主要有两种排布方式，下面对两种方式的优劣进行分析，进而选择出合适的方式。第一种，电机和刀具在齿轮传动的两侧分布，就是把齿轮传动的输入和输出放在两侧，这种方式会增加轴向尺寸，让转笔刀整体尺寸加大，但是存放木1屑的空间会比较大，可以使用多次之后才手动清理一次。简图如图4.2所示。图4.2位置排布（1）第二种，电机和刀具在同一侧。这种方式，就是把齿轮传动的输入和输出放在同一侧，主要的优点就是节省了空间，减少了轴向的尺寸，让转笔刀的结构更加紧凑。缺点就是存放木屑的空间相对会比较小，手动清理的周期会缩短。简图如图4.3所示。图4.3位置排布（2）4.3夹紧装置电动转笔刀的夹紧装置如图所示，转笔刀上有一个控制爪盘的按键，放置铅笔时按下这个键当三个爪盘分开才可以将铅笔插入孔中。爪盘中安装有卡簧，卡簧的作用是当控制键松开时爪盘在卡簧的作用下恢复到原状态，这时铅笔就会被爪盘卡牢。在削铅笔的过程中，铅笔通过夹紧装置上导向销上的弹簧进行进给运动。2图4.4电动转笔刀夹紧装置整体图图4.5电动转笔刀夹紧装置分解图4.4外壳的设计转笔刀外壳的结构，就决定了转笔刀拆卸的方式和难易程度，同时也决定了转笔刀的外观是否美观。外壳一般都会采用弧形结构，这样看起来会比较美观，外壳少了边角，会减小划伤使用者的机会，这一点是比较重要的。外壳一般都是由两个部分或者多个部分组合而成，只有这样才方便装拆。如果外壳是一个整体，那么拆装将无法进行。根据转笔刀的功能，本设计中采用塑料为外壳材料。整体三维图如图4.6所示。3图4.6电动转笔刀三维图05PLC控制PLC，是可编程控制器的简称。可编程控制器是一种新型工业自动控制装置，以微处理器为核心，融合了通信技术、计算机技术和自动控制技术，迅速发展起来。PLC实质上是一种工业控制计算机，所以PLC与计算机的组成十分相似，从硬件结构上看，由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口组成。PLC的工作方式是按集中输入、集中输出、不断的周期性循环扫描的方式进行工作的。在PLC的发展初期，由于当时继电器控制装置应用比较广泛，而且价格低廉，使得PLC推广不开，使用比较少。但最近十多年来，PLC的应用面越来越广，其主要原因是：（1）PLC的核心原件微处理器芯片及其他元件的价格大幅度下降，使得PLC的应用成本也随之大幅度下降；（2）PLC的功能也变得更加全面，能解决现实生活中比较复杂的计算和通信问题。目前，PLC在国内外已经应用于采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、环保和娱乐等行业。PLC的应用范围通常可分成五类：顺序控制，运动控制，过程控制，数据处理和通信网络4。在本次设计中，综合考虑决定采用西门子S-200系列PLC.5.1削笔器的控制要求为了适应制图教室中画图需要大量削铅笔，将之前设计的五个同样的电动转笔刀装配在一起，组成一个削笔器。削笔器可以同时削五只铅笔，这样可以提高同学的画图效率。本设计中用PLC控制每个电动转笔刀的启动停止以及整个削笔器的启动和停止。每个转笔刀的工作都是独立的。5.2系统控制线路图电气控制线路是由许多电器元件按一定的控制要求连接起来的。在图中用不同的图形符号表示个种电器元件。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分。主电路是电气控制线路中大电流通过的部分，包括从电源到电机之间相连的电器元件。辅助电路是控制线路中除主电路以外的电路，其通过的电流比较小。系统控制线路图如图5.1。1表5.1代号名称KR1热继电器SB1削笔器停止按钮KM1KM5转笔刀启动接触器SB2，SB31转笔刀停止，启动按钮SB4，SB52转笔刀停止，启动按钮SB6,SB73转笔刀停止，启动按钮SB8，SB94转笔刀停止，启动按钮SB10，SB115转笔刀停止，启动按钮图5.1系统控制线路图25.3削笔器的输入输出点分配系统输入输出点分配如表5.2表5.2输入输出点分配表输入信号输出信号按钮名称按钮代号输入点编号按钮名称按钮代号输出点编号总启动按钮SB1I2.11转笔刀工作KM1Q0.11转笔刀启动按钮SB2I0.12转笔刀工作KM2Q0.21转笔刀停止按钮SB3I1.13转笔刀工作KM3Q0.32转笔刀启动按钮SB4I0.24转笔刀工作KM4Q0.42转笔刀停止按钮SB5I1.25转笔刀工作KM5Q0.53转笔刀启动按钮SB6I0.33转笔刀停止按钮SB7I1.34转笔刀启动按钮SB8I0.44转笔刀停止按钮SB9I1.45转笔刀启动按钮SB10I0.55转笔刀停止按钮SB11I1.535.4控制系统的梯形图控制系统的梯形图如图5.2图5.2梯形图06运动仿真在进行机械设计时，为了能够在虚拟的环境中模拟现实中的机构的运动，我们往往需要在建立模型后用一些虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构。这样，不仅能提高设计的效率，而且对现实中降低本设计的成本也有很大的帮助。Pro/engineer中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。PROE的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanismdesign（机械设计）和Mechanismdynamics（机械动态）两个方面的分析功能。使用“机械设计”分析功能可看做是对机构的运动仿真，使用“机械设计”分析功能是对机构的运动模拟，为了实现模拟，需要在这部分创建某种机构，并连接与之配合的运动副，还必须有能使其运动起来的伺服电动机。然后观察，并分析所记录的结果，可以测量诸如位置、速度、加速度等运动特征，可以通过图形直观的显示这些测量量。也可以用物理方法描述运动，就是创建运动包络和轨迹曲线。如果要在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等一些特征，可使用此模块当的使用“机械动态”分析功能。但是要达到真实的模拟现实的目的，光定义这些特征还不够，还要设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构。如果只是研究机构的一些运动特征，而不涉及参数，例如质量，重量等，只需要使用“机械设计”分析功能即可。如果在运动仿真中还需要更进一步分析机构受外界的影响，比如重力，力和力矩，阻尼等的影响，则必须使用“机械设计”来进行静态分析，动态分析等等。136.1虚拟装配为了对机构进行运动仿真，在进行转笔刀的虚拟装配时，不能全部使用无连接接口的装配约束，需要根据真实的运动情况选择装配类型，使用得最多的就是“销钉”连接。通过销钉连接，可以使得大小齿轮都可以绕着自身的中心轴旋转。6.2设定初始位置整个转笔刀的运动仿真是在proe的”机构”界面里面进行的。经过上面的装配，运动仿真其实已经可以进行了，但由于整个装配过程中使用了连接装配，1齿轮轮齿啮合关系不明确。为了更清晰的表达运动时各齿轮轮齿的啮合关系，并且不对后面的干涉分析产生不利影响，就必须对各个齿轮的初始位置进行重新设定，这就需要用到凸轮连接。先把太阳轮跟行星轮连接起来，分别选择太阳轮与行星轮靠得较近的一对轮齿的齿面作为第一凸轮和第二凸轮，创建凸轮连接。按照同样的方法把所有有啮合关系的齿轮都建立凸轮连接，初始位置就建立完成。拍下当前”快照”记录初始位置，再删除所有凸轮连接，进入下一步骤。6.3运动仿真与动画为了让我们对转笔刀的工作情况有更直观的了解，我们需要对它进行运动仿真。在”机构”界面中，所有使用连接装配的零部件都会变成加亮主体，每一个加亮主体都可以添加驱动电机。在本次装配中，每一个齿轮都会是加亮主体，最常用的做法就是添加齿轮连接副，把让每一对相互啮合的齿轮都添加齿轮连接副，这样只用添加与整个机构自由度相同的驱动电机，就可以得到确定的运动。点击回放，选择合适的视角，在播放仿真画面的时候点击捕获，系统会自动生成动画。下图为输入输出速度曲线图，从图中可以很清晰看出输入输出速度的关系。2图6.1输入输出曲线图37结论目前在市场上销售的削铅笔工具最常见的有两种：一种是铅笔刀，一种是手动转笔刀。两种转笔刀由于手的用力不均匀，削出来的铅笔外观难看，而且削出的铅芯长度难以掌握，容易断芯，并且削铅笔速度也比较慢，影响效率。本文设计一种电动转笔刀，结构简单，使用便捷。一般铅笔刀必须靠人力才能完成削铅笔，本转笔刀有效解决了这个缺陷。并且将多个电动转笔刀组装成一个削笔器，提高了效率。通过设计，得到以下结论：（1）通过对比每种机械传动的特点及优缺点，确定了使用齿轮传动作为电动转笔刀的减速装置。（2）在刀具的设计计算中，由于刀具切削木材是个比较复杂的过程，本设计在计算当中只考虑刀具和工件之间的相对运动而忽略了其他复杂的因素。从而确定了电机的选择。（3）利用PLC实现了对削笔器的启动和停止的控制，使其使用更加方便、快捷。（4）根据论文中计算出的结果，完成了装配图和零件图，并建立了三维模型。在整个毕业设计过程中，明显感觉到自己在课堂上