环面蜗轮蜗杆减速器-准平行环面蜗杆提升机设计【含CAD图纸和说明书】
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准平行环面蜗杆提升机 摘要:这篇毕业设计的论文主要阐述的是一套系统的关于环面蜗轮蜗杆减速器的设计方法。环面蜗轮蜗杆减速器是蜗轮蜗杆减速器的一种形式.这个方法是以加工过程和蜗轮减速器的使用条件的数学和物理公式为基础的。在论文中，首先，对蜗轮蜗杆作了简单的介绍，接着，阐述了蜗轮蜗杆的设计原理和理论计算。然后按照设计准则和设计理论设计了环面蜗轮蜗杆减速器。接着对减速器的部件组成进行了尺寸计算和校核。该设计代表了环面蜗轮蜗杆设计的一般过程。对其他的蜗轮蜗杆的设计工作也有一定的价值。 目前，在环面蜗轮蜗杆减速器的设计、制造以及应用上，国内与国外先进水平相比仍有较大差距。国内在设计制造环面蜗轮蜗杆减速器过程中存在着很大程度上的缺点，正如论文中揭示的那样，重要的问题如：轮齿的根切；蜗杆毛坯的正确设计；蜗轮蜗杆的校核。 关键词：环面；蜗轮蜗杆；减速器；Abstract This paper of graduation project mailnly presents a systematic approach for the design of circular worm gear reducer . circular worm gear reducer is one of the members in the worm gear reducer family . the approach is based on the mathematical formulations and physical formulation on the generation process and conditions for the type of worm reducer . In the paper , first of all , it is introducetion about the circular worm gear reducer .then , it is the principles about choose component parts of circular worm gear reducer. After that the circular worm gear reducer is designed abase on the principle. Then, it is checking computations about main component parts.of circular worm gear reducer，this design represent the common process of circular worm gear reducer，it is worth for the design of other kinds of worm gear reducer At present, we still fall far short of abroad advanced technology in design, manufacture and using. There are a lot of fault in the design of circular worm gear reduce. As can be revealed from the literature search , important problem such as： tooth undercutting ；proper design of worm gear blank；computations of worm and lebel gear。Key words : circular ；worm gear；reducer目录1 前言11.1 课题来源及分析1.2 研究目的1.3国内外发展及研究现状1.4设计思路2 准平行环面蜗杆提升机总体设计2.1电机的选择2.2传动装置的传动比及动力参数计算2.3减速器部件的选择计算2.3.1蜗杆传动设计计算2.3.2环面蜗轮蜗杆校核计算2.3.3轴的结构设计和校核2.3.4滚动轴承的选择及校核2.35键联接的选择及校核2.3.6箱体结构尺寸及说明2.3.7减速器的润滑和密封2.3.8减速器的附件2.3.9减速器的安装维护和使用3滚筒和钢丝绳的选择3.1 滚筒的选择3.2滚筒端盖的选择3.3钢丝绳的选择4 控制系统及程序设计4.1电气控制装置及原理初步设计4.2电气控制技术参数设计4.3可编程控制器的选定4.4 PLC的工作原理及电路设计4.5 电气原理图设计4.6 程序设计4.7控制系统的构建5 结论参考文献致谢附录1前言1.1 课题来源与分析课题准平行环面蜗杆提升机来源于盐城众诚机电设备经营部。本课题主要包括硬件总体设计以及控制系统软件设计.其设计需要满足以下条件：提升线速度约810m/min，所选电动机转速约为9101000r/min，同时面板可调。检测控制元件采用小行程开关、接近开关、光电传感器、电磁传感器等方式。控制精度在2mm以内。小型提升机结构简单，安全可靠。各种不同型号的提升机，虽经长期实践不断改进，但其工作原理和结构大同小型，而其工作性能的好坏却相差较大。小型提升机的技术性能主要取决于减速器的性能，电动机的选择和滚筒的选择。在这次设计中，我根据自己所掌握的知识以及同组同学们的讨论，主要根据设计要求对提升机中最关键的部分减速器的结构尺寸和运动参数以及润滑密封做了比较合理的设计计算。为了对提升机有一个更全面的认识，还介绍了提升机的安全性能，使用维护等方面的内容。为了清楚表现，在必要的地方配有插图。1.2 研究目的提升机的作用是将一定的质量的重物以一定的速度提起或落下，在提升过程中必须保证安全性。近年来广泛应用于各个生产部门中，在国民经济中占有较重要的地位。1.3 国内外发展及研究现状小型提升机的主要部分是原动机和工作机之间的减速机构，通常的减速机构主要有齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器减速器在原动机和工作机之间起匹配转速和传递转矩的作用，在现代机械中应用极为广泛。减速器按用途可分为通用减速器和专用减速器两大类，二者的设计、制造和使用特点各不相同。7080年代，世界减速器技术有了很大发展。通用减速器体现以下发展趋势：（1）高水平、高性能。（2）积木式组合设计。基本参数采取优先数，尺寸规格整齐、零件通用性和互换性强、系列容易扩充和花样翻新，利于组织批量生产和降低成本。（3）形式多样化、变型设计多。摆脱了传统的单一底座安装方式，增添了空心轴悬挂式、浮动支承底座、电动机与减速机一体式联接，多方位安装面等不同型式，扩大使用范围。根据蜗杆分度曲面的形状，蜗杆传动可以分成三大类：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动。蜗杆分度曲面是圆环内表面的一部分，蜗杆轴线平面内理论齿廓为直线的蜗杆传动称为直廓环面蜗杆传动，俗称“球面蜗轮传动”。它始于1921年的美国造船业，其代表产品是美国CONE DRIVE，50年代起在我国得到推广应用。与普通圆柱蜗杆传动相比，这种蜗杆同时包容齿数多，双线接触线形成油膜条件好，两齿面接触线诱导法曲率半径大。因此，承载能力是相同中心矩普通蜗杆的1.53倍（小值适应于小中心矩，大值适应于大中心矩）。在传递同样功率时，中心矩可缩小20%-40%。由于性能优良，美国、日本、俄罗斯等国都将这种传动作为动力传动中的主要形式之一广泛使用。美国生产产品系列中心矩为151320；速比为5343000；最高传动效率可达97%。我国经过40年的研究和发展，目前这种蜗杆的生产品种也十分可观，最大中心矩可达到1200；最少齿数比为5；蜗杆头数达6；最高传动效率可达94%。1.4 设计思路课题的设计过程主要划分为机械手的总体设计和控制系统设计两部分：a.总体设计 包括提升机的结构和运动形式的确定，减速器的结构确定，各个零件的确定,以及对其驱动方式和驱动设备的选择。b.控制系统设计 包含确定其控制原理图，编写PLC控制程序。根据设计要求并结合以上分析，我们在设计中采用准平行啮合线环面蜗杆减速器。具体设计方案是：选用的电动机输出转速是940r/min，由凸缘联轴器将电动机轴和准平行啮合线环面蜗杆减速器的输入轴相联接，经过减速器的减速，电动机输出的转速降为18.8r/min，再有凸缘联轴器将减速器的输出轴与滚筒轴联接，将减速器输出轴的转速传给滚筒，滚筒转动带动绕在其上面的钢丝绳旋转，由钢丝绳提起具有一定质量的灯具。1电动机 2 联轴器3 减速器4 联轴器5 滚筒2准平行环面蜗杆提升机的总体设计2.1电机的选择一 初选电动机类型和结构型式 电动机是专门工厂批量生产的标准部件，设计时要根据工作机的工作特性、电源种类(交流或直流)、工作条件(环境温度、空间位置等)、载荷大小和性质(变化性质、过载情况等)、起动性能和起动、制动、正反转的频繁程度等条件来选择电动机的类型、结构、容量(功率)和转速，并在产品目录中选出其具体型号和尺寸。 电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于生产单位一般多采用三相交流电源，因为此，无特殊要求时均应选用三相交流电动机，其中以三相异步交流电动机应用最广泛。根据 不同防护要求，电动机有开启式、防护式、封闭自扇冷式和防爆式等不同的结构型式。 Y系列三相笼型异步电动机是一般用途的全封闭自扇冷式电动机，由于其结构简单、工作作可靠、价格低廉、维护方便，因此广泛应用于不易燃、不易爆、无腐蚀性气体和无特殊要求的机械上，如金属切削机床、运输机、风机、搅拌机等。对于经常起动，制动正反转的机械，如起重、提升设备，要求电动机具有较小的转动惯量和较大过载能力，应选用冶金及起重用三相异步电动机Yz型(笼型)或YzR型(绕线型)。 电动机的容量(功率)选择的是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。容量选得过小，不能保证工作机正常工作，或使电动机因超载而过早损坏；而容量选得过大，则电动机的价格高，能力又不能充分利用，而且由于电动机经常不满载运行，其效率和功率因数较低，增加电能消耗而造成能源的浪费。电动机的容量主要根据电动机运行时的发热条件来决定。 由以上的选择经验和要求，我选用：三相交流电 Y系列笼型三相异步交流电动机。二 电动机的容量1 确定提升机所需的功率 由滚筒圆周力和滚筒速度v,得其中： （N）m提升重量，m=450kg， N N s带入数据得 = KW KW KW 2确定传动装置效率传动装置的效率由以下的要求：(1) 轴承效率均指一对轴承而言。 (2) 同类型的几对运动副或传动副都要考虑其效率，不要漏掉。 (3) 蜗杆传动的效率与蜗杆头数z1有关，应先初选头数后，然后估计效率。此外，蜗杆传动的效率中已包括了蜗杆轴上一对轴承的效率，因此在总效率的计算中蜗杆轴上轴承效率不再计入。各传动机构和轴承的效率为：法兰效率： 设计中，电动机与减速器相连的法兰，相当于一个凸缘联轴器一级环面蜗杆传动效率: 一对滚动轴承传动效率：凸缘联轴器效率： 从电动机至工作机主动轴之间的总效率故传动装置总效率：， 电动机的输出功率考虑传动装置的功率损耗，电动机输出功率则， KW KW3电动机的技术数据根据计算的功率可选定电动机额定功率，取同步转速1000，6级由简明机械设计手册选用Y100L6三相异步电动机，其主要参数如下电动机额定功率：=1.5kw； =1.5kw电动机满载转速：=940 =940电 流 ： I=5.6A I=5.6A电动机外形和安装尺寸为： D=28mm D=28mmE=60mm E=60mmH=100mm H=100mmA=160mm A=160mmB=140mm B=140mmC=63mm C=63mmK=12mm K=12mmAB=205mm AB=205mmAD=180mm AD=180mmAC=105mm AC=105mmHD=245mm HD=245mmAA=40mm AA=40mmBB=176mm BB=176mm2.2传动装置的传动比及动力参数计算一 总传动比及滚筒初定由于选定转速比为：i50/1i50/1所以滚筒转速 940/50=18.8 18.8从而，滚筒直径： D mm， D155mm圆整为155 mm 二 传动装置运动参数的计算 1各轴功率计算=KW 1.47KW=KW 0.97KW2各轴转速的计算n940， n940nn940/50=18.8 n=18.8（3）各轴输入扭矩的计算 =14.93Nmm =492.74Nmm各参数列表如图：轴 名功率Kw转速扭矩蜗杆轴1.4794014.93蜗轮轴0.9718.8492.742.3减速器部件的选择计算2.3.1蜗杆传动设计计算一 选择蜗杆、蜗轮材料1.选择蜗杆传动的类型采用准平行环面蜗杆传动.2.选择蜗杆、蜗轮材料，确定许用应力考虑蜗杆传动中，传递的功率不大，速度只是中等，根据机械零件课程设计表52，蜗杆选用40Cr，因希望效率高些，耐磨性好故蜗杆螺旋齿面要求：调质HB265285.蜗轮选用铸锡磷青铜ZQSn10-1，金属模铸造，为了节约贵重有色金属，仅齿圈用锡磷青铜制造，轮芯用灰铸铁HT100制造由机械零件课程设计表53查得蜗轮材料的许用接触应力 =190 =190由机械零件课程设计表55查得蜗轮材料的 许用弯曲应力=44 =44二 确定蜗杆头数Z及蜗轮齿数Z由机械零件课程设计表56，选取Z1 Z1则ZZi15050故取Z50 Z50三 验算滚筒的速度实际传动比 i50/1 i50/1工作机滚筒转速 n940/50=18.8钢丝绳的提升速度 = m/s速度误差 0.785%，合适四 确定蜗杆蜗轮中心距a 1.确定蜗杆的计算功率 式中 K使用场合系数，每天工作一小时,轻度震动由机械工程手册查得：K0.7；K制造精度系数，取7级精度，查得：K0.9；K材料配对系数，齿面滑动速度 10由机械工程手册查得：K0.85。代入数据得 KW =KW以等于或略大于蜗杆计算功率所对应的中心距作为合理的选取值根据机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2522a，选取蜗杆的中心距：a100mm.a100mm由于准平行二次包络环面蜗杆为新型得蜗杆,它的优点是:接触面大,导程角,它的值稳定且一定,则润滑好,接.触面大应直接根据“原始型”传动蜗杆设计参数。五 蜗杆传动几何参数设计准平行二次包络环面蜗杆的几何参数和尺寸计算表1.中心距：由机械工程手册/传动设计卷（第二版）标准选取a=100mm2.齿数比：u503.蜗轮齿数：由机械工程手册/传动设计卷（第二版）选取4.蜗杆头数：由机械工程手册/传动设计卷（第二版）选取 5.蜗杆齿顶圆直径：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516选取 =45mm6.蜗轮轮缘宽度：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516选取b=28mm7.蜗轮齿距角：8.蜗杆包容蜗轮齿数：K=5 9.蜗轮齿宽包角之半：0.5（K0.45）=10.蜗杆齿宽：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516选取 =53mm11.蜗杆螺纹部分长度：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516，选取=59mm12.蜗杆齿顶圆弧半径：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516，选取R=82mm13.成形圆半径：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516选取=65mm14.蜗杆齿顶圆最大直径：机械工程手册/传动设计卷（第二版）表2.516，选取=53.8mm15.蜗轮端面模数：m=mm16.径向间隙：=0.5104mm17.齿顶高：h=0.75 m=2.233mm18.齿根高：h= h+ C=2.7434mm19.全齿高：h= h+ h=4.9764mm20.蜗杆分度圆直径：（0.624）a 40.534mm21.蜗轮分度圆直径：2a159.466mm22.蜗轮齿根圆直径：d2 h=153.9792mm23.蜗杆齿根圆直径：d2 h=35.05，判断：因为=28.12mm,满足要求24.蜗轮喉圆直径：d2 h=163.932mm25.蜗轮齿根圆弧半径：=82.475mm26.蜗杆螺纹包角之半：=27.蜗轮喉母圆半径：=25.88mm28.蜗轮外缘直径：由作图可得=164.95mm29.蜗杆分度圆导程角：=30.蜗杆平均导程角：31.分度圆压力角：=32.蜗杆外径处肩带宽度： 取3mm33.蜗杆螺纹两端连接处直径：=35mm34.蜗轮分度圆齿厚：数据带入公式得 5.508mm35.齿侧隙：查表4-2-6得36.蜗杆分度圆齿厚：=4.298437.蜗杆分度圆法向齿厚：=4.28538.蜗轮分度圆法向齿厚：=5.4939.蜗轮齿冠圆弧半径：=19.277540.蜗杆测量齿顶高： =2.203541.蜗杆测量齿顶高：=2。1852.3.2环面蜗轮蜗杆校核计算环面蜗杆传动承载能力主要受蜗杆齿面胶合和蜗轮齿根剪切强度的限制。因而若许用传动功率确定中心距，则然后校核蜗轮齿根剪切强度。 由于轴承变形增加了蜗杆轴向位移，使蜗轮承受的载荷集中在23个齿上。而且，由于蜗轮轮齿的变形，造成卸载，引起载荷沿齿高方向分布不均，使合力作用点向齿根方向偏移。 因而，蜗轮断齿主要由于齿根剪切强度不足造成的校核：其中 作用于蜗轮齿面上的及摩擦力影响的载荷; 蜗轮包容齿数 蜗杆与蜗轮啮合齿间载荷分配系数; 蜗轮齿根受剪面积;公式中各参数的计算1.的计算=作用在蜗轮轮齿上的圆周力， 蜗杆喉部螺旋升角 ，4.5 当量齿厚，滑动速度 2.04m/s=2.01m/s根据滑动速度查机械设计手册339得将数据带入公式得 =N N2.计算得 = 53.蜗轮齿根受剪面积 蜗轮齿根圆齿厚；由上可知 蜗轮端面周节； 蜗轮理论半包角； 蜗轮分度圆齿厚所对中心角。数据带入公式得 =7.03mm =7.03mm由上可得 对于锡青铜齿圈 取查手册取铸锡磷青铜，砂模铸造，抗拉强度=225MPa， 则 1.53.53.51010粘度值612414506288352198242ISO-VG或GB-N级680460320220由于蜗杆的滑动速度为2m/s，所以润滑油的粘度选为4602润滑方式的选择由于所设计减速器采用蜗杆下置式传动，且转速不高，故选择浸油润滑。蜗杆浸油深度h11个螺牙高，但不高于蜗杆轴轴承的最底滚动体的中心。润滑时，传动件的浸入油中的深度要适当，既要避免搅由损失过大，又保证充分的润滑，油池应保持一定的深度和贮油量。如下图所示：2.3.8减速器的附件为了保证减速器的正常工作，减速器的箱体上通常设置一些装置或附加结构，以便于减速器润滑油的注油，排油，检查油面高度和拆装，检修等。一 窥视孔和视孔盖为检查传动件的啮合情况，接触斑点，侧隙和向箱内倾注润滑油，在传动件啮合区上方箱盖上开设窥视孔。窥视孔应有足够的大小，以便手能伸人进行操作，为此，方形窥视孔长应90mm，宽应50mm。为防止润滑油飞溅出来和污物进入箱体内，在窥视孔上应设有视孔盖密闭，盖板用螺钉固定在箱盖上，在盖板与箱盖上应放置密封垫片。二 通气器减速器工作时，箱体温度升高，气体膨胀，压力增大，对减速罪各接缝面的密封很不利，通常在箱盖顶部或检查孔盖上装有通气器。使减速器内热膨胀的气体能自由逸出，保持箱内压力正常，从而保证减速器各部接缝面的密封性能。通气器设置在箱盖顶部或视孔盖上。较完善的通气器内部制成一定的曲路，并设有金属网。选择通气器时应考虑其对环境的适应性，规格尺寸应与减速器的大小相适应。 通气器三 定位销为了保证箱体轴承座孔的镗制和装配精度，需在箱体分箱面凸绦长度方向两侧各安装个圆锥定位销。两销应置远一些，但不宜对称布置。定位销孔应在箱盖和箱座紧固后钻空，其位置应便于钻、铰和装拆，不应与邻近箱壁和螺钉相碰。定位销的直径可取d：(o7o8)d：(d：为凸缘上螺栓的直径)，长度应大于分箱面凸缘的总厚度。四 起盖螺钉为了保证减速器的密封性，常在箱体的剖分面上涂有水玻璃或密封胶，为便于拆卸箱盖，在箱盖凸缘上设置1到2个起盖螺钉。拆卸箱盖时，拧动起盖螺钉，便可顶起箱盖。起盖螺钉设置在箱盖联接凸缘上，其螺纹有效长度应大于箱盖凸缘厚度。起盖螺钉直径可与凸缘联接螺钉相同，螺钉端部制成圆柱形并光滑倒角或制成半球形。五 起吊装置为了搬运和装卸箱盖，在箱盖上装有吊环螺钉或铸有吊耳，吊钩。为了搬运箱盖或整个减速器，在箱座两端联接凸缘处铸出吊钩。 吊耳环六 放油孔及螺塞为了排除污油，在减速器的箱座最底处设有放油孔，并用放油螺塞和密封垫圈将其堵住。 放油孔及螺塞2.3.9减速器的安装维护和使用一 减速器的安装1 减速器输入轴直接与原动机连接时，根据设计要求推荐采用凸缘联轴器；减速器输出轴与工作机联接时，根据设计要求推荐采用凸缘联轴器，联轴器不得用锤击装列轴上2 减速器应牢固地安装在稳定的水平基础上，油槽的油应能排除，且冷却空气循环流畅。3 减速器、原动机和工作机之间必须仔细对中，其误差不得大于所用联轴器的许用补偿量4 减速器安装好后用手转动必须灵活，无卡死现象蜗杆和蜗轮轴承的轴向间隙应符合技术要求规定5 安装好的减速器在正式使用前，应进行空转，部分额定载荷间歇运转13h后可正式运转，运转应平稳、无冲击、无异常振动和噪声及漏油等现象。二 减速器的使用和维护1减速器润滑油的更换1）减速器(或新更换的蜗轮副)第一次使用时，当运转150300h后须更换润滑油，在以后的使用中应定期检查油的质量对于混入杂质或变质的油须及时更换。一般情况下，对于长期连续工作的减速器，每500一1000h必须换油一次对于每天工作时间不超过8h的减速器，每12003000h换油一次2）减速器应加入与原来牌号相同的油不得与不同牌号的油相互混用牌号相同而粘度不同的油允许混合使用3）在换油过程中，蜗轮应使用与运转时相同牌号的油清洗(用煤油损害密封件，并影响润滑油的性能）。4）工作中，当发现油温超过80度或油池温度超过100度及产生不正常的噪声等现象时，应停止使用，检查原因如围齿面胶合等原因所致，必须排除故障，更换润滑油后，方可继续运转2减速器检修 减速器应定期检修如发现擦伤、胶合及显著磨损，必须采用有效措施制止或予以排除备件必须按标准制造，更新的备件必须经过跑合和负荷试验后才能正式使用。3减速器维护 用户应有合理的使用维护规章制度，对减速器的运转情况和检验中发现的问题应作认真记录 3滚筒和钢丝绳的选择3.1滚筒的选择（一）选择提升机卷筒的原则是：钢丝绳在卷筒上缠绕时，不会产生很大的弯曲应力，从而延长钢丝绳的使用寿命。基于这一点，对卷筒直径D 和钢丝绳直径d的比值做了如下的规定： D/d80根据计算选择卷筒的直径。（二）卷筒的宽度B应能容纳以下几部分钢丝绳：1）提升高度H2）钢丝绳试验长度3）为减少钢丝绳在滚筒固定处的张力所留的三圈摩擦圈。4）当钢丝绳做双层缠绕时，每两个要错动1/4圈，根据钢丝绳使用年限，一般取错绳圈数n=2到4圈。 所以卷筒宽度应满足以下要求：式中： 绳圈之间的间隙 卷筒平均缠绕直径（三）提升机最大静张力及最大静张力差的验算 为了保证提升机有足够的强度，还必须验算所选提升机的最大静张力T（它影响卷筒的强度和主轴的强度）及最大静张力差T（它影响主轴的强度）应使之满足下式： 式中Q次提升量（公斤） Q”容器自重（公斤） P 每米钢丝绳重量（公斤/米）T和可由提升机产品规格表中查得。如果验算不通过，则须重设计提升机。卷筒的作用主要是通过联轴器和减速机相连，把减速机传递给它的转速转化成绕在它上面的钢丝绳的线速度。卷筒主要有卷筒，卷筒端盖和芯轴等组成，使用中根据所提升灯具的重量不同而选择不同型号的卷筒。根据使用和设计要求，在设计中我选用的卷筒结构如下：3.2卷筒端盖的选择卷筒端盖的结构如下图： 3.3钢丝绳的选择钢丝绳和卷筒相连，将卷筒的转速转化为线速度，下端和灯具相连，是直接提起灯具的设备，在设计中要充分考虑安全性。根据设计要求和所选的卷筒并考虑安全性，在设计中选用截面直径为8mm的钢丝绳。4 控制系统及程序设计4.1电气控制装置及原理初步设计A机床一般是由电动机来拖动的，电动机则是通过某种自动控制方式来进行控制的。电气控制线路是由各种有触点的接触器，继电器，按钮，行程开关等组成的控制线路。电气控制线路的作用是实现对电力拖动系统的启动、反向、制动和调速等运行性能的控制；实现对拖动系统的保护；满足生产工艺要求实现生产加工自动化。各种机床的加工对象和生产工艺要求不同，电气控制线路就不同。电气控制装置设计一般分成三个阶段：初步设计，技术设计，产品设计。B生产机械的种类繁多，其控制装置也各不相同，但任何生产机械电控装置的设计原则却是相同的：第一，设计应满足生产机械对电气控制提出的要求，这些要求包括控制方式、控制精度、自动化程度、响应速度等等，在电气原理设计是要根据这些要求制定出总体设计方案。第二，设计应满足控制装置本身的制造、使用和维护等需要，全套控制的造价要经济，结构要合理，这些问题应在电气控制装置的工艺设计阶段予以充分的考虑。电气控制系统设计过程应遵循的基本原则：a大限度地满足机械设备对电气控制提出的要求；b妥善处理机与电的关系，采用机电结合的方法，达到系统的控制要求；c在满足控制要求的前提下，设计方案力求简单，避免盲目的追求高性能、高指标；d积极慎重的采用新技术、新工艺；e正确合理地选用电气元件，尽可能减少元气件的品种和规格，降低成本；f操作、维护要方便，外型要协调、美观。C.初步设计是研究系统和电气控制装置的组成，并寻求最佳控制方案的初步阶段，是技术设计的依据。初步设计可由机械设计人员和电气设计人员共同提出，也可由机械设计人员提供有关机械结构资料和工艺要求，由电气设计人员完成初步设计。初步设计应确定下述内容：a名称、用途、工艺过程、设备性能、传动参数及现场工作条件。b供电电网种类、电压等级、频率和容量；c对电气控制的特性要求（如电气控制的基本方式、自动化程度、自动工作循环的组成、电气保护及联锁等）；d对电气传动的基本要求（如传动方式、电动机选择、负载特性、调速范围、平滑度对电动机起动、制动等要求）；e有关操作及显示方面的要求；电气传动自动控制的原理方案及预期的主要技术性能指标，提出几种参考方案，f并进行技术性能比较，供用户选择；g投资费用估算及技术经济指标：初步设计主要是给上级部门或用户的一份总体方案设计报告，这份报告是进行技术设计和产品设计的依据。只有在总体方案正确的前提下，才能保证生产设备各项技术指标的实现。如果在设计过程中只有某个细节或环节设计不当，可通过试验和改进来达到设计要求，但总体方案出错，将导致整个设计的失败，造成的损失是非常大的。因此，初步设计必须认真做好调研，注意借鉴已或成功应用并经过生产考验的类似设备和生产工艺，在几种可能实现的方案中，根据技术、经济指标及现有的条件进行综合分析，作出决策。4.2 电气控制技术参数设计A电源380V，50Hz交流电，对电气控制的要求，电机可以正反转，整个系统可以联系动作，又可以点动控制。B测头驱动电机机架传动设计人员选择的电动机为Y801-4系列的普通电动机，净重17kg，功率0.55kw，转速1390n/min，额定电流2.25A。根据电动机选择其它电器：a交流接触器根据电动机的额定电流，选择CJ105型交流接触器。b熔断器因为，所以选择型号为RC1A10，。适用于交流50HZ，电压380V及以下的电气线路中，作为电气设备，电缆等分支线路的过载及短路保护用。c热继电器的选择热继电器用于电动机的过载保护。热继电器的选择主要是依据电动机的额定电流来确定其型号和规格。热继电器元件的额定电流应接近或略大于电动机的额定电流。热继电器的整定电流值是指热元件通过的电流超过此值的20%时，热继电器应当在20min内动作。选用时整定电流应与电动机额定电流一致。如电动机的额定电流为15.4A，可选用JR16B2013型热继电器，热元件电流等级为16A，它的电流调节范围为1016A，可将电流调节在15.4A。所以热继电器选型为JR16B23/3额定电流 5A刻度电流可调范围3.25 C开关选择a按钮的选择选择LA1911型触头对数：常开 1 ；常闭 1结构形式：一般式额定电压（V）：交流 380V额定控制容量（VA）：300额定发热电流：交流 5A外型尺寸：473559b行程开关的选择由于机床的连续动作与控制，所以决定用一定量的行程开关。根据小组的讨论，从安装的方便程度和经济性考虑，选用LX23型行程开关。结构形式：推杆式触头数：常开 2 ；常闭 2工作行程：12.5mm电压：交流380V接通电流：5A分断电流：0.5A功率因数：0.30.4操作频率（次/h）：2400通电率（%）：40动作次数：100万次外形尺寸：100104404.3 可编程控制器选定可编程控制器是一种数字运算操作的控制系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用于其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC的功能：a开关量的逻辑控制；b定时控制；c计数控制；d过程控制；e位置控制；f步序控制；g数据控制；h通讯和联网；i监控功能；PLC特点：a性能高，抗干扰能力强；b编程简单易学；c设计、安装容易，调试周期短，维护简单；d模块品种丰富，通用性好，功能强大；e体积小，能耗低。表41 PLC与继电器控制系统比较比较项目 继电器控制可编程序控制器控制逻辑接线较多，体积大，连线复杂，修改困难存贮逻辑，体积小，连线小，控制灵活，易于扩展控制速度通过触点开闭实现控制作用，动作速度为几十毫秒，会出现触点抖动由半导体电路实现控制作用，每条指令执行时间在微秒级，不会出现触点抖动限时控制由时间继电器实现，精度差，易受环境温度影响用半导体集成电路实现，精度高，时间设置方便，不受环境温度影响设计与施工设计、施工、调试必须按顺序进行，周期长，修改困难在系统设计后，现场施工与程序设计可同时进行，周期短，调试修改方便可靠性与可维护性有触点系统，寿命短，可靠性强无触点系统，寿命长，可靠性高，易于维护价格使用机械开关，继电器价格便宜使用中，大规模集成电路，价格较贵4.4 PLC的工作原理及电路设计A中央处理单元（CPU）中央处理器主要完成以下任务：a从存贮器中读取指令；b执行指令；c准备读取下一指令；d处理中断。B存贮器PLC的存贮器包括系统程序存贮器和用户程序存贮器。用户程序由使用者通过编程器输入到PLC的读写存贮器（RAM）中，允许修改由用户启动运行。 C输入/输出接口电路输入/输出接口电路用来连接PLC主机与外部设备。 D编程器编程器用来对用户程序进行写入、检查、修改和调试，也可以在线监视PLC的运行，是PLC最重要的外部设备，也是PLC不可缺少的一部分。它经过编程器接口与CPU联系，完成人机对话。E电源部分一般情况下，PLC还为用户提供24V直流电源作为输入电源或负载电源。F其它接口电路a.I/O扩展接口b. 智能I/O接口c. 通讯接口GPLC的外部设备a打印机b外存贮器cEPROM写入器工作原理:PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后首先进行初始化处理，包括清除I/O及内部输出继电器，复位所有定时器，检查I/O单元的连接等。开始运行后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可分为如下四个阶段：A公共处理阶段执行包括复位系统定时器，检查程序存贮器，检查I/O总线，检查扫描时间等。B执行外围设备命令阶段当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC连接时，则PLC在每次循环时都执行来自外部设备的命令。C程序执行阶段CPU将指令逐步调出并执行。D输入、输出更新阶段PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。电路设计:APLC的选型根据PLC原理图（附图）可以知道，整个系统需要23个输入接口和12个输出接口，所以PLC我选用西门子S7-200型。B.S7-200型PLC特性S7-200是西门子公司近年来推出的高性能小型可编程控制器，它的硬件包括基本单元、扩展单元、扩展模块、模拟量输入输出模块、各种特殊功能模块及外部设备等。表4-2 S7-200系列PLC的环境指标环境温度使用温度0550C，储存温度-20700C环境湿度使用时35%85%RH（无凝露）防震性能JISC0911标准，1055HZ，0.5(最大2G),3轴方向各2次(但用DIN导轨安装时为0.5G)抗冲击性能JISC0912标准,10G,3轴方向各3次抗噪声能力用噪声模拟器产生电压为1000伏(峰峰值)、脉宽1s、30100Hz的噪声绝缘耐压AC1500V,1min(接地端与其他端子间)绝缘电阻5M以上（DC500V兆欧表测量，接地端与其他端子间）接地电阻第三种接地，如接地有困难，可以不接使用环境无腐蚀性气体，无尘埃。表4-3 S7-200系列PLC的输入技术输入端项目X0X3（FX0S）X4X17（FX0S）X0X7（FX0N、1S、1N、2N）X10（FX0N、1S、1N、2N）X0X3（FX0S）X4X17（FX0S）输入电压DC24V10%DC12V10%输入电流8.5mA7mA5mA9mA10mA输入阻抗2.7k3.3 k4.3 k1 k1.2 k输入ON电流4.5mA以上4.5mA以上3.5mA以上4.5mA以上4.5mA以上输入OFF电流1.5mA以下1.5mA以下1.5mA以下1.5mA以下1.5mA以下输入响应时间约10ms, 其中：FX0S、FX1N的X0X17和FX0N的X0X7为015ms可变，FX2N的X0X17为060ms可变输入信号形式无电压触点，或NPN集电极开路晶体管电路隔离光电耦合器隔离输入状态显示输入ON时LED灯亮表4-3 S7-200系列PLC的输出技术指标项目继电器输入晶闸管输出晶体管输出外部电源AC250V或DC30V以下AC85240VDC5V30V最大电阻负载2A/1点、8A/4点、8A/8点0.3A/点、0.8A/4点（1A/1点2A/4点）0.5A/1点、0.8A/4点（0.1A/1点、0.4A/4点）（1A/1点、2A/4点）（0.3A/1点、1.6A/16点）最大感性负载80VA15VA/AC100V、30VA/AC200 V12W/DC24V最大灯负载100W30W1.5W/DC24V开路漏电流1mA/AC100V2mA/AC200v0.1mA以下响应时间约10msON：1ms，OFF：10msON：0.2ms、OFF：0.2ms大电流OFF为0.4ms以下电路隔离继电器隔离光电晶闸管隔离光电耦合器隔离输出动作显示输出ON时LED亮4.5电气原理图的设计设计分为两个部分，原理设计和工艺设计。A原理图设计的步骤a根据选定的拖动方案及控制方式设计系统的原理框图，拟订出各部分的主要技术要求和主要技术参数。b根据各部的要求，设计出原理框图中各个部分的具体电路。对于每一部分的设计总是按总电路控制电路辅助电路联锁与保护总体检查反复修改与完善的步骤进行。c绘制总原理图。按系统框图结构将各部分联成一个整体。d正确选用原理线路中每一个电器元件。B工艺设计的步骤a根据电气设备的总体配件及电器元件的分布状况和操作要求划分电器组件，绘制电气控制系统的总装配图和总接线图。b根据电器元件的型号、外型尺寸、安装尺寸、绘制每一组件的元器件布置图（如电器安装板、控制面板等）。c根据元件布置图和电气元理编号绘制组件接线图，统计组件进出线的数量、编号以及各组件之间的连接方式。d绘制并修改工艺设计草图后，便可按机械、电气制图要求绘制工程图纸。最后依设计过程和设计结果编写设计说明书。具体原理图见图41图41 龙门物料传送机械手电气原理图4.6程序设计A程序设计流程图根据上述的步骤，可归纳出PLC程序设计流程图，如图42所示。 图42 PLC程序设计流程图设计龙门式机械手的控制程序，要求的控制逻辑如下：系统加电，系统进行初始化，如果系统正常，系统应该初始化。初始化位置设置为横向气缸停在最左边，纵向气缸停在最上边，电磁铁断电。SB1按钮按下，系统会处于手动状态，ST1按下，系统会处于自动状态。SB1与ST1切换之前，必须使系统复位。（因为自动程序运行，必须先使系统处于初始状态。）否则，系统会报错，此时，报警灯LP4（红色灯）会亮，并且机械手会停止动作。按下SB3按钮系统复位（即恢复系统的初始位置）。当处于“手动模式”时：a 按ST2按钮，横向气缸控制电磁阀左位LHEM上电，右位RHEM断电，气缸向左边运动，灯LP1灭，当到达位置后，横向气缸左边传感器HSE1亮，且灯LP2亮；b 按ST3按钮，横向气缸控制电磁阀右位RHEM上电，左位LHEM断电，气缸向右边运动，灯LP2灭，当到达位置后，横向气缸右传感器HSE2亮，且灯LP1亮； c 按SB2按钮，纵向气缸控制电磁阀VEM上电，气缸向下运动，灯LP3灭，当到达位置后，纵向气缸下边传感器VSE1亮，且灯LP4亮；d SW2旋到SW2-1档，电磁铁上电。e SW2旋到SW2-2档，电磁铁断电。.当处于“自动模式”时，按SB2按钮，系统气动自动运行。无论处于“自动模式”，还是处于“手动模式”，当按下EM按钮时，系统停止运行。按下SB3，系统恢复初始位置。SW1旋钮控制系统的控制状态，SW1-1为PLC控制，SW1-2为上位机控制。A 编程前工作分析控制要求。主要理解前面问题中提出的八点要求，并且总结出在设计过程中需要注意的事项。根据被控对象选择PLC的型号。假定我们选择的是SIEMENS S7-200小型机。给各个I/O设备分配I/O号，如表51所示。表51 I/O设备分配表设 备 状 态 设 备 I/O端子号 输入设备（IN） SB1 I0.3输入设备（IN）SB2 I0.6输入设备（IN）SB3 I0.7输入设备（IN）ST1 I1.0输入设备（IN）ST2 I1.1输入设备（IN）ST3 I1.2输入设备（IN） HSE1 I2.0输入设备（IN） HSE2 I2.1输入设备（IN） VSE1 I2.2输入设备（IN） VSE2 I2.3输入设备（IN） SW11 I0.1输入设备（IN） SW12 I0.2输入设备（IN） SW21 I0.4输入设备（IN） SW22 I0.5输入设备（IN） EMG I0.0输入设备（IN） SE5 I2.4输入设备（IN） SE6 I2.5 输出设备（OUT） LP1 Q0.3输出设备（OUT）LP2 Q0.4输出设备（OUT）LP3 Q0.5输出设备（OUT）LP4 Q2.1设 备 状 态 设 备 I/O端子号输出设备（OUT）LP5 Q0.6输出设备（OUT）LP6 Q2.2输出设备（OUT）LP7 Q0.7输出设备（OUT）LP8 Q1.0输出设备（OUT）LHEM Q0.0输出设备（OUT）RHEM Q2.0输出设备（OUT）VEM Q0.1输出设备（OUT）CEM Q0.2输出设备（OUT）X4 Q1.1B 编程根据I/O端口分配以及控制原理图，结合西门子S7-200的特点，设计出机械手的梯形图全部控制程序，并能使系统正常运行，能完成机械手的各个动作的控制，使整个系统能实现自动和手动运行的切换,从而完善整个系统。程序详见附录：程序清单。4.7控制系统的构建PLC程序编制完成后，PLC的各个输入输出端子的含义都进行了定义，接下来，主要对控制面板上的各个按钮、状态显示灯与PLC的各个端子进行对应定义。定义完成后，对控制箱接线，组建系统。系统的组建时以PLC程序的控制逻辑为基础的，程序中各个端子的含义决定了系统如何进行组建。a控制按钮接线。 控制按钮是输入设备，主要有SB1SB3、ST1ST3，SW1，EM。输入设备与对应PLC端子用电线连接起来。并且，这些输入设备COM端连接的电源端子要与PLC的输入端子COM端连接的电源端子相反，即PLC输入端子COM连接DC24V端子，则输入设备COM端连接0V端子，反之交换。只有这样才能形成回路。但是，一般情况下，PLC的输出端子的COM端子连接DC24V电源端子，主要是方便传感器的连接，很多传感器要求所连接的PLC输入端子的COM端为“”，所以COM2（控制按钮公共端）、COM3端子（急停按钮公共端）接0V端子。b状态显示灯接线。 状态显示灯是输出设备，主要有LP1-LP7。将这些输出设备与PLC对应的输出端子连接起来。同样，此处也要注意输出设备COM端连接的电源端子与PLC输出端子的COM端连接的电源端子相反，才能形成回路,COM1端子（状态显示灯公共端）接24V端子。c电磁阀接线。各个电磁阀控制位是输入设备，主要有LHEM、RHEM、VEM、CEM。与a中相似，COM端连接的电源端子要与PLC的输入端子连接的电源端子相反。d传感器连线。有四个电磁感应传感器。这些电磁感应开关，只需要接两根线。两根线需接成回路，PLC根据接入的回路的通断来判断有没有信号。在此例中，按钮，状态显示灯，及急停按钮公共端均接DC24V端子，PLC输出端子公共端均接0V端子，传感器输入端子接DC24V，其余输入端子均接0V
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