立式往复升降机设计 精品.doc

第1章绪论1.1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。1.2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。1.3软件概述在进行机械设计的时候，本设计使用了AutoCAD 20XX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 20XX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 20XX已经完全优化，它还能识别Web网上的信息。AutoCAD 20XX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计环境。通过创新的、智能化的轻松设计环境，AutoCAD 20XX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 20XX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。第2章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。2.1总体方案设计2.1.1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。2.1.2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。2.1.3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。2.1.4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。2.2总体结构设计2.2.1传动小车整体结构设计2.2.1.1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，小车的定位与夹紧由支架和螺栓轴完成。如图2-1。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。图2-2挂板示意图2.2.1.2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。2.2.2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。2.2.3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。2.2.4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。2.3零件设计2.3.1电机选择和导向柱2.3.1.1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）有 考虑损失系数 取=0.85则 （2-2）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2-5NMRV系列蜗轮减速器2.3.1.2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，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。图2-6导向柱2.3.2小车结构设计2.3.2.1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。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。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。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。2.3.3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，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。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。 图2-11螺栓轴2.3.4链和链轮的选择2.3.4.1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：大支架体积 ： 导轮螺栓轴体积 ：挂板螺栓轴体积 ：挂板体积：所以有M= （2-3）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。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/sV=（38） m/sV8m/s根据厂方给的数据，选择=22，又在本设计中链轮垂直安装，而且链的主要作用是往复传动，所以设计为两个链轮一样，即。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 （2-4）=376取实际中心距（2-5）=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 由公式 得 （2-6）式中：查机械手册得： 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1313mm方孔。2.3.4.2链轮设计由公式 计算出齿顶圆直径 （2-7） =119.2mm 取 mm 分度圆直径 d=mm （2-8）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。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。2.3.5 前后壳设计 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。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。2.3.6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。图2-16电机箱侧视图图2-17电机箱主、俯视图2.3.7基板、地轮架和底座设计2.3.7.1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。2.3.7.2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。图2-19地轮架图2-20底座2.3.8上基板和上罩设计2.3.8.1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。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。2.3.8.2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。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。2.3.9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。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。2.3.10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。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。图2-25连接板2.3.11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，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。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。图2-29竖架固定座图2-30横向固定座2 2.4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。 第3章电气控制设计3.1PLC简介3.1.1PLC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 mittee）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。3.1.2PLC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、C等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3.易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5.体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。本次设计就是使用S7-200系列实现立式往复升降机的垂直运动控制。3.1.3S7-200 简介S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。S7-200 CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，参见图1-1。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备。为了更好地满足应用要求，S7-200系列为您提供多种类型的扩展模块。您可以利用这些扩展模块完善CPU的功能。STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发您的应用程序，STEP 7-Micro/WIN软件为您提供了种程序编辑器。为了便于您找到所需的信息，STEP 7-Micro/WIN提供了一个详尽的在线帮助以及一个文档光盘，该光盘含有本显示面板文本显示器（TD 200和TD 200C）TD 200和TD 200C是20字符双行显示器，可以连接在S7-200上。通过TD 200向导，您可以轻松地在S7-200上实现文本消息和其它应用程序数据的显示。TD 200和TD 200C可以为您提供价格低廉的人机界面，通过它们您将能够查看、监控和改变应用程序的过程变量。TP070和TP170触摸屏TP070 和TP17 0 触摸屏可以连接至7-200。通过该触摸屏，您可以自定义操作接口。通过用户友好触摸屏，这些设备可以显示自定义图形、滚动条、应用程序变量、用户自定义按钮等等。本设计就是采用S7200实现可编程控制。3.1.4本设备对PLC的应用说明附录图1为小车垂直运动示意图，设计中小车用三相异步电机驱动，如附录图2所示，KM1和KM2分别是控制小车下行和上行的交流接触器。用KM1和KM2的主触点改变进入电动机的三相电源的相序，即可改变小车的运动方向。图中的FR 是热继电器，在电动机过载一定的时间后，他的常开触点闭合，使KM1和 KM2的线圈断电，电动机停转。 附录图3和图4分别给出了PLC控制系统的外部接线图和梯形图。按下下行起动按钮SB2或上行起动按钮后，要求小车在上限位开关SQ1和下限位开关SQ2之间不停的循环往返，按下停止按钮SB1后，电动机断电，制动电磁铁的线圈通电，使电动机迅速停机，到达定时器T38设定的制动时间后，T38的常闭触点断开，切断电磁铁的电源。 图附录图3用两个起保停电路来分别控制小车的上行和下行，按下正转起动按钮SB2，I0.0变为ON，其常开触点接通，Q0.0的线圈“得电”并且自保持，使KM1的线圈接通，小车开始下行。按下停止按钮SB1，I0.1变为ON，其常闭触点断开，使Q0.0线圈“失电”，电动机停止运动。 控制下行，上行和制动的接触器同时只能有一个工作，在附录图3的梯形图中，将Q0.0 、Q0.1和Q0.2的线圈分别与三者中另外两个输出点的常闭触点串联，这样就可以保证Q0.0Q0.2这三个中同时只能有一个为ON，这种安全措施称为软件互锁。为了方便操作和保证Q0.0和Q0.1不会同时为ON，在梯形图中还设置了“按钮联锁”，即将上行起动按钮对应的I0.1的常闭触点与控制下行的Q0.0的线圈串联，将下行起动按钮对应的I0.0的常闭触点与控制上行的Q0.1的线圈串联。设Q0.0为ON，小车下行，这时如果想改为上行，可以不按停止按钮SB1，直接按上行起动按钮SB3，I0.1变为ON，它的常闭触点断开,使Q0.0的线圈“失电”，停止下行；同时I0.1的常开触点接通，使Q0.1的线圈“得电”并且自保持，小车由下行变为上行。为使小车的运动在极限位置自动停止，将下限位开关I0.4的常闭触点与控制下行Q0.0的线圈串联，将上限位开关I0.3的常闭触点与控制上行的Q0.1的线圈串联。为使小车自动改变方向，将上限位的开关I0.3的常开触点与手动起停下行I0.0的常开触点并联，将下限位开关I0.4的常开触点与手动起动的I0.1的常开触点并联。假设按下上行起动按钮I0.1，Q0.1变为ON，小车开始上行，碰到上限位开关时，I0.3的常闭触点断开，使Q0.1的线圈“断电”，小车停止上行。I0.3的常开触点接通，使Q0.0的线圈“通电”，开始下行。以后将不断的这样往复运动下去，直到按下停止按钮I0.2。附录图4中用起保停电路来控制制动用的继电器Q0.2。按下停止按钮I0.2、Q0.2变为ON并自保持，同时定时器T38的线圈接通，开始定时。设定的时间到时，T38的常闭触点断开。Q0.2变为OFF，停止制动，Q0.2的自保持触点断开，T38被复位。附录图4的梯形图中的软件互锁和按钮联锁电路并不保险，在电动机切换旋转方向的时候，可能原来接通的接触器的主触点的电弧还没有熄灭，另一个接触器的主触点已经闭合了，由此造成了电源相间短路，使熔断器熔断。此外，如果因主电路电流过大或接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔断而被粘结，其线圈断电后主触点还是接通的，这时如果另一接触器的线圈通电，也会造成三相电源短路的情况，为了防止出现这种事故，应该在PLC外部设置由KM1KM3的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路见附录图1，假设KM1的主触点被电弧熔焊，这时它的与KM2和KM3线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，由此KM2和KM3的线圈不可能得电。3.2变频调速技术简介3.2.1变频器的原理及基本构成 交流电动机的变频调速系统己被公认为近代交流调速中性能最优越的一种电力拖动系统，在调速性能和节能方面都有着无可比拟的优点。其主要归功于三方面技术的突破：一是全控型电力电子器件的出现和不断完善，简化了变频器的主回路；二是PWM技术刷新了逆变器的性能指标，使变频器得以广泛应用；三是大规模集成电路，尤其是单片机和专用芯片和 ASIC的使用，大大简化了变频器电路，提高了可靠性。 70年代中期以来，变频器的逆变器几乎都采用无自关断能力的晶闸管，它只负责调节频率，电压的调节则由可控的晶闸管整流器来完成。这种变频器的交流输出电压谐波成分较大，使负载电动机的谐波损耗增加，效率和功率因数降低，温升升高，且转矩脉动较大，使振动和噪声增大:特别是在低速运行时，明显影响转速的稳定性。 如今，在电动机变频调速装置中，变压变频电源己由变频器提供。变频器有多种分类方法，通常按结构形式和电源性质可分成：1. 变频器按其结构形式可划分为交一直一交型变频器和交一交型变频器两类；2. 变频器按其中间直流环节的电源性质又可划分为电压源型变频器和电流源型变频器两类。 在工业领域中，感应电动机常用的变频器是交一直一交型变频器，它把工频交流电网的三相电压源通过整流环节变成直流电压 (电流)，然后通过逆变环节将直流电压 (电流)变换成频率可变的交流输出电压 (电流)。 前己述及，所谓电流型逆变电路是指直流电源为电流源的逆变电路。常常是在逆变电路的直流侧串联一个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可将其近似看作直流电流源。 电流型逆变电路具有一下主要特点：1. 直流侧串联有大电感，相当于直流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗；2. 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同；3. 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。 以电流型三相桥式逆变电路为例，介绍用IGBT模块作为开关元件组成的电路的工作原理。由于在IGBT模块中大多已集成了反向并联二极管，而电流型逆变电路无需续流，也就是不需要这个续流二极管，故在每个 IGBT模块下串联一个二极管，用于消除块内二极管的影响，并可增强 IGBT的反向电压耐受能力。在为电动机负载供电时，为减小电动机转矩的脉动，应使每相绕组在任何时刻都有电流，一般负载多采用三角形连接。在换流时，为给负载中的感性电流提供流通路径、吸收负载电感中储存的能量，必须在负载端并联三相电容器.否则将产生巨大的换流过电压造成电力电子元件的损坏。3.3本章小结本章是这次设计的重点，主要介绍了新型喷涂机的控制系统，简要的介绍了S7-200的特点。第4章产品说明书4.1产品简介本产品主要用于在各种材料表面进行喷涂工作，以保护材料或者进行装潢。能很好的完成喷涂工作，喷涂均匀且不脱落。产品能产生双坐标的位移，具有双自由度。产品采用三相交流电机驱动，用变频器和程控器控制喷涂运动的起停、换向、以及调速等.本产品的机械传动部分采用链传动，链的传动比为1:1。设有专门的控制面板，方便拥护的使用和调节。4.2产品特点 本产品主要有以下特点：（1）本产品采用西门子程控器和变频器进行控制，设有控制面板，方便顾客的操作。（2）按照形成的不同,提供了1.5米、2.0米、2.5米三种规格,以供顾客选择。（3）每一种规格的产品均可通过控制面板上的电位器进行工作的行程调节。（4）用户可以根据自己的要求，在控制面板上设定安全限位开关点（5） 用户可以在控制面板上对所有的运行参数进行监控和调整。（6）升降机的最高速度可达到0.75m/s。（7）设定简单并且易于修改和调整.（8）产品在即使掉电的情况下，三相交流电机也会在系统的控制下进行减速,直到停止。（9）升降机结构牢固,不易损坏，并且采用了密封防尘设计，以保护内部的支架和传动链以及传动链轮。（10）设计精良，噪音低。（11）各零件、组件均经过精心的挑选，可以保证产品出色的运行和较长的寿命。（12）为了满足用户的不同需要,设计有多种多样的喷枪枪杆和枪夹。4.3安装说明必须有专业的电气人员来进行所有的安装工作。并且按照下面的安装步骤来进行本产品的安装。图4-1升降机总体视图(1)小心将升降机从包装箱中取出，然后除去所有的包装材料。ER5S-B 控制箱已预先安装在总电控柜上。(2)将ER5S-B型升降机远离障碍物固定，要确保在整个的安装,以及整个的行程中，支架、喷枪、和软管不会碰及障碍物。(3)确保升降机上的电源开关被置于“0”，即关闭位置,以免在调试的时候发生意外。(4)将电源线一端连接到220V 50HZ电源上。在接线中必须要接地线,以保安全。(5)将升降机控制箱上的速度和上、下限位电位器设定至如下参数值：1. 速度电位器 最小2. 下限电位器 30%3. 上限电位器 70%(6)然后参照3.3章节的内容设定和调整升降机。4.4设定和调整4.4.1注意事项注意事项：由于本设备采用强劲的交流电机驱动，所以，即使在以低速运行时，也会产生很大的作用力。请小心操作和安装，注意安全。绝对不要接触正在工作的支架，以免发生事故。必须依照如下方法设定升降机的安全行程以避免支架或喷枪撞及喷房的开口边缘。如果不进行这项工作，那么可能会发生由于支架撞及障碍物，从而导致升降机翻倒，或者损坏喷枪或喷房。当点机以非常低的速度运行时，制冷风机的效果会降低.这可能会导致电机过热，从而可能会导致变频器跳闸。4.4.2设定、调整过程设定和调整过程如下：(1)将喷枪枪杆和自动喷枪安装在升降机支撑杆合适的位置,按需要连接自动喷枪的有关电缆、气管和粉管。(2)将喷枪电缆、气管和粉管安装入电缆保护链中，并且固定好，要确保即使升降机在全行程工作时，也不会牵拉电缆、气管和粉管。(3)确保在升降机的全行程内，没有障碍物接触或阻隔支撑杆、枪杆或喷枪。(4)为了便于升降机的设定和调整，可先打开控制箱的门。但要注意，在控制箱内进行带电操作时，不要碰到电线。(5)确保所有的电线都符合安装说明书中的指示。(6)确保