616锅炉膜式壁管屏双头自动气割机传动及控制系统设计

摘要本设计是锅炉膜式壁管屏双头自动气割机，是针对上海锅炉厂生产的锅炉膜式壁管屏的切割工艺进行改进。由于现有的切割设备存在生产效率低、工人劳动强度大和产品质量不稳定等问题，进行技术改造是势在必行。本设计在现有的机械系统的基础上，添加合适的传动部件，并引入控制系统，实现该机器的自动运行。具体如下：X轴方向采用齿轮齿条传动，通过伺服电机来驱动，实现整个机身的前后移动；Y轴方向采用梯形同步带传动，通过步进电机来驱动，实现切割头的左右移动；Z轴方向采用滚轴丝杠传动，通过步进电机驱动，实现切割头的上下运动；控制部分采用PLC来实现自动控制，控制程序分为自动运行部分和手动调整部分，便于操作工人对机器的控制。导向方面：X轴采用工字型钢轨，单侧驱动，另一侧随动的方式；Y轴采用矩形镶嵌导轨，既能承受切割头的重力，又能承受切割头侧面安装产生的倾覆力矩；Z轴采用滚动导轨，减小摩擦力，提高传动精度。本文主要进行传动部件和控制系统的设计，系统地介绍了该机械各个运动部分的组成。通过进行技术改造，可大大弥补现有设备的不足，对产品质量的提高是大有裨益的。关键词：锅炉膜式壁管屏，双头气割机设计，轨道式气割机，自动化切割，可编程逻辑控制器

ABSTRACTThisdesignisadouble-headedautomaticgascuttingmachineoftheboilermembranewallpipe,anditisspeciallyusedforimprovethemanufacturingprocessoftheproductsofShanghaiBoilerWorksCo.Ltd.Duetotheexistingequipmenttheseproblemssuchaslowproductivity,intensivelaborandunsteadyquality,conductingthetechnologyimprovementisnecessary.Thisequipmentisaddedthetransmissionpartsandintroducesthecontrolsystemtoachieveautomaticoperation,whichisbasedontheexistingmachine.Thedetailsareasfollowing:IntheXaxis,Iadopttherack-and-piniontransmission,whichisdrivenbytheservomotor,implementingtheforeandbackmotionsofthebodyofthemachine;IntheYaxis,Iadoptthetrapezoidteethsynchronousbeltstransmission,whichisdrivenbythesteppingmotor,implementingtheleftandrightmotionsoftheZaxis;IntheZaxis,Iadopttheballscrewtransmission,whichisdrivenbythesteppingmotor,implementingtheupanddownmotionsofthecuttinghead;ThecontrolsystemisbasedonthePLCwhichisconvenienttomanualadjustingandautomaticoperatingbyprogramming.Theguidingparts:IntheXaxis,IadopttheI-Railsandsingle-sidedrive,andanotherfollows;IntheYaxis,Iadopttherectangularmosaicguidewhichcanbearnotonlythegravityofthecuttingheadbutalsotheoverturningmomentoftheside-mountedcuttinghead;IntheZaxis,Iadopttherollingguide,whichcanreducethefrictionandimprovethetransmissionprecision.Thisarticleintroducesthedesignofthetransmissionpartsandcontrolsystemsystematically.Throughtheimprovement,thoseproblemscanbegreatlyimprovedanditisbeneficialtoimprovetheproducts’quality.Keywords:theboilermembranewallpipe,designofthedouble-headedgascuttingmachine,stripgascuttingmachine,automaticcutting,programmablelogicalcontroller

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1绪论 11.1火焰切割机的发展和优点 11.2锅炉膜式壁管屏的工艺简介 22设计方案 32.1机械部分 32.2电气部分 32.3控制方式的选择 43设计计算 53.1Z轴传动部件的选择与校核计算 53.2Y轴传动部件的选择与校核计算 123.3X轴传动部件的选择与校核计算 213.4电机参数数据汇总 254标准连接件的选型与校核 274.1联轴器的选型与校核 274.2轴承的选型与校核 284.3键的分类及选用 305电气控制设计 335.1电机驱动器的选用 335.2电机驱动器与PLC连接 335.3PLC的I/O分配表 345.4系统工作流程 366结论 386.1总结 386.2展望 38参考文献 39致谢 40附录 411绪论1.1火焰切割机的发展和优点1.2锅炉膜式壁管屏的工艺简介大容量高参数的电站锅炉及环保型循环流化床锅炉都广泛地采用了膜式水冷壁结构。膜式水冷壁的使用，能够保证炉膛、炉墙的密封性，降低排烟热损失，减少燃烧室、炉膛漏风，可以实现微正压燃烧，提高热效率。同时也减小炉膛的蓄热能力，使燃烧室升温快，冷却也快，可缩短启动和停炉时间，降低成本。图1-1管屏结构示意图由于焊接之后的锅炉膜式壁管屏都有一定的余量，因此要将其从管屏上切掉，现在大型的锅炉都是采用龙门式双头或者多头来进行管屏的切割，但是大都是工人们手工控制，切割质量难以保证。随着计算机技术的发展，新的控制技术也引入到了管屏切割里面，自动化生产已成为发展的趋势。图1-2直排膜式壁管屏

2设计方案2.1机械部分机械手总共有三个自由度，分别为X,Y,Z三个方向的直线移动，其中X轴方向的直线运动靠电机带动齿轮齿条而实现，Y轴方向的直线运动靠电机带动同步带而实现，Z轴方向的直线运动靠电机带动滚珠丝杠而实现，通过这三根轴的组合运动来实现气割头的定位。X轴(前后)方向运动范围为20m，Y轴(左右)方向运动范围为2000mm，Z轴(上下)方向运动范围为600mm。图2-1系统简易三维模型图2.2电气部分电动机的选用：步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。步进电动机的输出位移量与输入脉冲个数成正比、转速与脉冲频率成正比、转向与脉冲分配到步进电机各相绕组的相序有关。所以只要控制脉冲数量、频率和电机绕组通电顺序便可控制步进电动机的角位移、转速、转向，这使得步进电动机具有转动惯量低、定位精确度高、无累积误差、控制简单方便等特点。步进电动机在自动控制装置中常被选作为执行元件,广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。步进电机的优点在于：(1)输入脉冲数与电动机角位移严格成正比,电动机运转一周后没有累积误差,因此具有良好的跟随特性；(2)步进电动机可以与驱动器组成开环数字控制系统,同时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统；(3)步进电动机的动态响应快,易于起动、停止、正反转和变速；(4)步进电动机的速度可以在相当宽的范围内平滑调节,在低速状态下仍能获得很大的转矩。但是由于步进电机的容量较小，驱动负载能力较差，所以它只适用于轻载场合。为了保证满足负载要求，又不失控制精度，在功率较大的场合，常常要采用伺服电动机，与步进电机相比，伺服电机有如下特点：(1)调速范围广：伺服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内实现连续调节；(2)响应速度快：伺服电机的转子惯量小，能实现快速启动、停转；(3)热容量大：伺服电机的控制功率小，过载能力强，可靠性高。2.3控制方式的选择根据工作需要，需控制五个电机，由于需要的接口数量较多，为简化控制电路，故采用PLC来实现对电机的控制，实现各个轴的直线运动。

3设计计算3.1Z轴传动部件的选择与校核计算3.1.1脉冲当量的确定根据设计的分析和计算要求，X方向（前后）的脉冲当量为=mm/脉冲，Y方向（左右）为=mm/脉冲，Z方向（上下）为=0.02mm/脉冲。3.1.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）工作载荷Fm的计算Fm为工作最大载荷，是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重G=50N，所以Fm=G*μ=50*0.005=0.25N。（2）FQ最大动载荷的计算设Z方向最快的速度v=0.05m/s=3m/min，初选丝杠基本导程=6mm,则此时丝杠转速n=1200v/=600r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h(一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数=540(单位为：106r)。查表3-30，取载荷系数=1.1，再取硬度系数=1.0，代入公式：（3-1）得最大动载荷=2.239N。（3）初选型号根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选用启东润泽机床附件有限公司生产的FL2506型滚珠丝杠副，为浮动反向器内循环式，其公称直径为=25mm，基本导程为=6mm，双螺母滚珠总圈为32圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为10400N，大于，故满足要求。（4）传动效率的计算将公称直径=25mm，基本导程=6mm，代入（3-2）得丝杠螺旋升角=4°22´,将摩擦角=10´，代入，得传动效率=96.3%。（5）刚度的验算1）纵向滚珠丝杠的支承，采用单推——单推的方式，采取圆锥滚子轴承面对面组配。已知左、右支承的中心距离约为=710mm；钢的弹性模量=；查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-33，得滚珠直径=3.5mm，算得丝杠底径=-=25-3.5=21.5mm，则丝杠截面积（3-3）得S=363.05丝杠的拉伸或压缩变形量（3-4）I为丝杠底径的截面。惯性矩（其中“+”号用于拉伸，“-”用于压缩。由于转矩M一般较小，式中第二项在计算是可酌情忽略）。所以，（3-5）综上求得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量=0.23mm。2）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量无预紧时（3-6）有预紧时（3-7）——滚珠直径，单位为mm；——单圈滚珠数，（外循环），（内循环）；——滚珠总数量，=Z圈数列数；——预紧力，单位为N。（当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达到轴向工作载荷的1/3时，值减小一半左右）单圈滚珠数目Z==（π25/6）-3=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6圈，总滚珠总数量=206=120。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力16.67N。代入公式（3-7）得，=7.42mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的三分之一，所以实际变形量可减小一半，取=2.47mm。3）将以上算出的、代入（3-8）得变形总量=2.7。由表3-27形成偏差和变动量知，4级精度滚珠丝杠任意630mm~800mm轴向行程内行程的变动量允许25，而对于跨度为710mm的滚珠丝杠，总的变形量只有2.7，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核滚珠丝杠属于细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷应满足：（3-9）——临界载荷，单位为N；——丝杠支承系数；——压杆稳定安全系数，一般取2.5~4，垂直安装时取小值；——滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。查表3-34可知单推—单推的丝杠支承系数=1，丝杠底径=21.5mm，求得界面惯性矩10488.75；压杆稳定安全系数K取2.5；滚动螺母至轴向固定处的距离710mm取最大值。代入上式，得临界载荷17248.6N，远大于工作载荷Fm=0.25N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求。先初选电动机型号110BC380F，三相磁阻式，由常州宝马集团前杨电机电器有限公司生产，最大静转矩为11.76，三相六拍运行时的步距角为0.75。3.1.3直线移动导轨副的计算与选型（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的Z轴工作台为竖直布置，采用双导轨、两滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于工作台面的工作载荷全部由一个滑块全部承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：（3-10）其中：丝杠的驱动转矩，导轨中心间距，带入式（3-10），得最大工作载荷。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，根据工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为系列的型，其额定动载荷，额定静载荷。任务书规定工作台面尺寸为，考虑工作行程应留有一定余量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为。（2）距离额定寿命的计算已知上述选取的系列型导轨副的滚道硬度为，工作温度不超过，每根导轨上配有一只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-36和表3-40，分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代入式（3-11）得导轨的距离额定寿命：（3-11）远大于，故导轨的距离额定寿命满足要求。3.1.4步进电动机的计算与选型（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径=25mm，总长（带接杆）=760mm，导程=6mm，材料密度=；Z向移动部件总重量G=50N。参照表4-1，可以算的各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量=2.288；折算到丝杠上的转动惯量=4.56。初选的Z轴方向的步进电动机型号为110BC380F，从表4-3查得该型号电动机转子的转动惯量=9。则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为：=++（3-12）得=15.85（2）计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩，分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式=++可知，包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。故有：（3-13）根据式=，考虑Z轴方向的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：=（3-14）——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；——步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间，单位为s。其中：（3-15）——Z方向空载最快移动速度，为3000mm/min；——Z方向步进电动机步距角，为0.75º；——Z方向脉冲当量，=0.02mm/脉冲。将以上各式带入式，算得=312.5。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s，Z轴方向的传动链总效率=0.96；则由式=求得=0.135由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：（3-16）——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005；——工作台的重力；——Z向传动总效率，取0.96；代入数据得：=0.0013最后由式，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为：=+=0.1362）最大工作负载状态下电机转轴所承受的负载转矩由式=++可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。故有：（3-17）其中，折算到电机轴上的最大工作负载转矩由公式知：所以：（3-18）经过上述计算后，得到加载步进电机上的最大等效负载转矩：（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：=0.544（3-19）对于前面预选的110BC380F步进电动机，由表可知，其最大静转矩=11.76，可见完全满足式4的要求。（4）步进电机的性能校核1）最大移动速度时电动机输出转矩校核Z向最大工进速度=3000mm/min，脉冲当量=0.02mm/脉冲，由式求出电动机对应的运行频率=3000/（60*0.02）=2500Hz。从110BC380F的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩=3.8Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.136Nm，故满足要求。2）最大移动速度时电动机运行频率校核最快空载移动速度=3000mm/min，对应的电动机运行频率=2500Hz。查表得110BC380F的极限运行频率为12000Hz，可见没有超出范围。3）启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量=15.85kg，电动机转子自身的转动惯量=9kg，查表4-3可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率=1200Hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：（3-20）得=722.17Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于876.4Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里Z轴的执行元件选用110BC380F步进电动机，可以满足设计要求。3.2Y轴传动部件的选择与校核计算3.2.1脉冲当量的确定根据设计的分析和计算要求，X方向（前后）的脉冲当量为=mm/脉冲，Y方向（左右）为=0.02mm/脉冲，Z方向（上下）为=mm/脉冲。3.2.2工作台的受力分析如图3-1所示，Y轴行走机构的受力方向如图所示：图3-1Y轴行走机构的受力分析根据行走轮的受力，建立力学模型，如图3-2所示：图3-2Y轴行走机构的力学模型根据建立的力学模型，将工作台的重力G平移到行走机构的中心，如图3-3所示：图3-3变换后的力学模型已知工作台的重力G=1500N，由上图可以得到，由于重力G平移引起的附加力矩T=G0.15=15000.15=225。故而有：（3-21）解得，。查《机械设计简明手册》（杨黎明、杨志勤主编，国防工业出版社）表1-4得，圆柱形车轮的滚动摩擦系数μ=0.05，故而可以得出，驱动工作台左右移动所需要的牵引力：F=μ（）=0.05（833.33+1500+833.33）=158.33N（3-22）已知Y轴运动的速度，所以工作台需要的的驱动功率：（3-23）3.2.3同步带的计算和选型（1）确定同步带传动的设计功率（3-24）式中：——载荷修正系数，根据原动机工作类型和每日运转时间等因素查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-18，取K=1.2（载荷变动微小，每天工作小时<10h）；——工作机上的驱动功率，=31.67W；则有：（2）确定同步带传动的带型和节距根据同步带传动的设计功率=38W和带轮转速，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》图3-14查得带的型号为H型，对应节距。（3）确定小带轮的齿数和节圆直径由带轮转速和H型带，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-17得小带轮的最少许用齿数，由于在Y轴传动中，同步带是用于将电机的回转运动变成工作台的直线运动，故大小带轮的带轮齿数应一样。为了保证在工作台和同步带的连接位置拥有足够的连接强度，故选取。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-16得，大小带轮的节圆直径，外径。（4）确定同步带的接线长度和齿数已知两个带轮的中心距，由公式：（3-25）得：。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-13得，，对应齿数为：。（5）校验同步带与小带轮的啮合齿数由公式：（3-26）由于，故可得：故满足啮合要求。（6）计算基准额定功率（3-27）式中：——基准带宽下的许用工作拉力，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-21得，；——单位长度质量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-21，得；——同步带的线速度，单位为：；将已知条件代入上述公式得：（7）确定实际所需要的同步带宽度确定实际所需要的同步带宽度为：（3-28）式中：——带所能传递功率，单位为：kW；——小带轮啮合齿数系数啮合系数；查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-22得，因为，所以取；代入数据得：故取基准带宽即可满足使用要求。（8）带的工作能力验算由公式：（3-29）其中：——啮合系数，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-22得，；——齿宽系数；；——基准带宽下的许用工作拉力，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-21得，；——单位长度质量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-21，得；——同步带的线速度，单位为：；带入已知数据，可得带的工作能力：因此带的校验合格，满足使用要求。（9）带的规格数据整理1)带：选用H型同步带，，，；2)带轮：，，，；3）传动中心距：精确计算，；带的型号为1700H300，对应带轮型号选择H300，采用双边挡圈，带轮最小宽度。3.2.4步进电动机的计算与选型（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：同步带的带轮轴的平均直径=30mm，长度=157mm；带轮的平均直径=80.0mm，宽度=79.0mm；材料密度=；Y轴方向的移动部件的质量m=150kg。参照表4-1，可以算的各个零部件的转动惯量如下：带轮轴的转动惯量=0.63；折算到带轮轴上的转动惯量=12.25。初选的纵向步进电动机型号为110BYG2502，从表4-5查的该型号电动机转子的转动惯量=15。则加在步进电动机转轴上能够的总转动惯量为：=++得=27.88（2）计算加在步进电动机转轴上能够的等效负载转矩，分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式=++可知，包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件折算到电动机转轴上的摩擦转矩、同步带预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。根据公式可知，同步带传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。故有：根据式=，考虑Y轴方向的总效率，计算快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：=——Y轴方向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；——步进电动机有静止到加速至转速所需要的时间，单位为s。其中：——Y方向空载最快移动速度，为15000mm/min；——Y方向步进电动机步距角，为0.9º；——Y方向脉冲当量，=0.02mm/脉冲。将以上各式带入式，算得=1875。设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s，Y向传动链总效率=0.96；则由式=，求得=4.5由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.05；——工作台的重力；——Y向传动总效率，取0.96；代入数据得：=0.33最后由式，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为：=+=4.832）最大工作负载状态下电机转轴所承受的负载转矩由式=++可知，包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件折算到电动机转轴上的摩擦转矩、同步带预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为同步带的传动效率很高，根据公式可知，相对于和很小，可以忽略不计。故有：其中，折算到电机轴上的最大工作负载转矩由公式知：所以：经过上述计算后，得到加载步进电机上的最大等效负载转矩：（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压减低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑到安全系数。这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：4=19.32对于前面预选的110BYG2502行步进电动机，由表可知，其最大静转矩=20，可见满足式4的要求。（4）步进电机的性能校核1）最大移动速度时电动机输出转矩校核Y向最大工进速度=15000mm/min，脉冲当量=0.02mm/脉冲，由式求出电动机对应的运行频率=15000/（60*0.02）=12500Hz。从110BYG2502的运行矩频特性可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩=5Nm，大于最大工作负载转矩=4.83Nm，故满足要求。2）最大移动速度时电动机运行频率校核最快空载移动速度=15000mm/min，对应的电动机运行频率=12500Hz。查表得110BYG2502的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出范围。3）启动频率的计算已知电动机转轴上的总惯量=27.88kg，电动机转子自身的转动惯量=15kg，查表4-3可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率=1800Hz。则由式可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为：得=1065.1Hz。上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1065.1Hz。实际上，在采用软件升降时，启动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。综上所述，这里Y轴的执行元件选用110BYG2502步进电动机，可以满足设计要求。3.3X轴传动部件的选择与校核计算3.3.1脉冲当量的确定根据设计的分析和计算要求，X方向（前后）的脉冲当量为=mm/脉冲，Y方向（左右）为=0.02mm/脉冲，Z方向（上下）为=mm/脉冲。3.3.2齿轮齿条传动的设计与计算已知整个机器的总重力m=900kg，查《机械设计简明手册》（杨黎明、杨志勤主编，国防工业出版社）表1-4，得圆柱形车轮的滚动摩擦系数μ=0.05，故可以算出要实现X轴的运动，所需要的驱动力：（3-30）对于该齿轮齿条传动，由于是开式齿轮传动，查《机械设计》（第八版）（濮良贵，纪名刚主编）中关于开式齿轮传动设计的说明：在开式齿轮转动中，仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则，为了延长开式齿轮传动的寿命，可以视具体情况将计算所得齿轮模数适当放大。查《机械设计》（第八版）（濮良贵，纪名刚主编）中关于开式齿轮传动设计的说明：在开式齿轮传动中，由于轮齿主要为磨损失效，为使轮齿不至于过小，故小齿轮不宜选取太多齿数，一般可取。（1）选定齿轮的类型、精度等级、材料和齿数故选取齿轮的齿数，齿面硬度为380HBS，材料为锻钢，精度等级为7级。齿条的材料为锻钢，齿面硬度为350HBS，精度等级为7级。两者表面均进行硬化处理。（2）按齿根弯曲强度进行设计设计计算公式：（3-31）确定式中的各计算数值：1.确定载荷系数K由公式：(3-32)可知：因为火焰切割是无接触的，查《机械设计》（第八版）表10-2，所以取：；因为已知X轴的线速度，齿轮精度为7级，查《机械设计》（第八版）图10-8得，故取：；因为齿轮为直齿轮，故取：；在X轴的传动系统中，齿轮是做悬臂式布置，取齿宽系数，查《机械设计》（第八版）表10-4得，接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数，再由《机械设计》（第八版）图10-13可得：已知，齿条的宽度为，故齿轮宽度，取，可得：；将所取数据代入公式（3-32）得，齿轮的载荷系数：2.查《机械设计》图10-20d知，齿轮的弯曲疲劳强度极限，齿条的弯曲疲劳强度极限；3.取齿宽系数；4.计算齿轮的应力循环次数由公式：（3-33）得：取，齿轮的转速，，代入上述公式；5.查《机械设计》图10-18得，齿轮的弯曲疲劳寿命系数；6.计算弯曲疲劳许用应力由公式：（3-34）式中：——齿轮的弯曲疲劳安全系数，对于开式齿轮传动，取；——齿轮的弯曲疲劳寿命系数；——齿轮的弯曲疲劳强度极限；代入已知数据，可得：7.查取齿轮的齿形系数和应力校正系数查《机械设计》（第八版）表10-5得，齿形系数，应力校正系数；8.齿轮传递的转矩已知X轴的驱动力，齿顶圆直径，故可得转矩：（2）设计计算将已得数据代入齿轮的设计公式，可得最小模数：为保证齿轮足够的强度，故取齿轮的模数。（3）几何尺寸计算1）计算齿轮分度圆直径：2）齿顶圆直径：3）齿根圆直径：4）齿高：5）齿宽：，圆整取齿条宽度，齿轮宽度6）齿条厚度：为了保证齿条的安装，齿条不宜过厚，由于齿高：所以齿条的厚度H=20mm7）齿轮结构设计由于设计齿轮的毂孔直径，故可知齿根到键槽底部的距离：加上齿轮本身直径较小，故做成实心结构。图3-5齿轮结构图3.3.3伺服电机的选型与计算已知负载转矩由于一般的伺服电机的转子惯量都很小，而转速又很大，考虑X轴的运动速度很小，负载惯量会比较大，故而添加行星齿轮减速器，型号为PGL90-10-P2，输出转速为3~200。假设电机的加速时间为0.05s，稳定运行的时间为750s，刹车时间为0.05s，画出电机的曲线如图所示：图3-5电机运行的曲线经计算所得，所选电机的额定转速为3000，额定运行转矩为0.64，而负载转矩为，故而选择传动比为，再通过编程控制来调节输出转速和输出转矩。经计算通过减速器之后，移动部件折算到电机轴上的转动惯量:0.032查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-23得，交流伺服电机ASMT02L25AK即可满足使用要求，其参数为：额定功率为200W，额定转矩为0.64，额定转速为3000，转子惯量为0.05故而上述电机满足使用要求。3.4电机参数数据汇总（1）Z轴电机（110BC380F）：启动频率，对应启动转矩；稳定运行频率为，对应稳定运行时的转矩；由于电机的运行频率较高,故采用分频电路,以减小控制器产生脉冲的频率。（2）Y轴电机（110BYG2502）：启动频率，对应启动转矩；稳定运行频率为，对应稳定运行时的转矩；由于电机的运行频率较高,故采用分频电路,以减小控制器产生脉冲的频率。（3）X轴电机（ASMT02L25AK）：启动转矩，加速时间为0.05s；稳定运行时的转矩，运行时间为750s；刹车转矩，刹车时间为0.05s；

4标准连接件的选型与校核4.1联轴器的选型与校核4.1.1联轴器的分类根据对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类：1.刚性联轴器这类联轴器有套筒式、夹壳式和凸缘式等。凸缘联轴器是把两个带有凸缘的半联轴器联成一体，以传递运动和转矩。凸缘联轴器的材料可用灰铸铁或碳钢，重载时可使用铸钢。由于刚性联轴器对所联两轴的相对位移缺乏补偿能力，故对两轴的对中性的要求很高。当两轴有相对位移存在时，就会在机件内引起附加载荷，使工作情况恶化，这是它的主要缺点。但由于其构造简单、成本低、可传递较大转矩，故在转速低、无冲击、轴的刚性大和对中性较好的场合常被采用。2.挠性联轴器这类联轴器因具有挠性，故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件，故不能缓冲减振。常用的有以下几种：（1)十字滑块联轴器十字滑块联轴器由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘所组成。由于凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料可用45钢，工作表面须进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用Q235钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。（2）滑块联轴器这种联轴器与十字滑块联轴器相似，只是两边半联轴器上的沟槽很宽，并把原来的中间盘改为两面不带凸牙的方形滑块，且通常用夹布胶木制成。由于中间滑块的质量减小，又具有较高的极限转速，因此该种联轴器可用于高速场合。另外，中间滑块也可用呢绒制成，并在配制时加入少量的石墨或二硫化钼，以便在使用时可以自行润滑。这种联轴器结构简单，尺寸紧凑，适用于小功率、高转速且无剧烈冲击的场合。4.1.2联轴器的选型与校核本设计中，由于Y轴和Z轴的转矩都不大，且安装方便，故选用套筒式联轴器，已知Z轴方向上最大转矩，Y轴上的最大转矩，使用套筒式联轴器可满足使用要求。对于X轴上的联轴器，由于其最大转矩为，查《机械设计课程设计指导书》表14-2，故而选用刚性联轴器GYS2有对中榫的凸缘联轴器，其公称转矩为，额定转速为，故满足使用要求。4.2轴承的选型与校核4.2.1轴承的主要分类及用途常用的轴承主要由以下几种：1.深沟球轴承最具代表性的滚动轴承，用途广泛，可承受径向负荷与双向轴向负荷，适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场合。主要用途：汽车的后轮、变速器、电气装置部件，仪表、内燃机、建筑机械、铁路车辆、装卸搬运机械、农业机械等各种生产机械。2.角接触球轴承套圈与球之间有接触角，标准的接触角为15°、25°和40°。接触角越大，所能承受的轴向载荷也越大，但接触角越小，越有利于高速旋转。主要用途：单列：机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差速器小齿轮轴等。双列：油泵、罗茨鼓风机、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械等。3.圆柱滚子轴承圆柱滚子与滚道呈线接触，径向负荷能力大，即适用于承受重负荷与冲击负荷，也适用于高速旋转N型及NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，最适应用作自由端轴承NJ型及NF型可承受一定程度的单向轴向负荷，NH型及NUP型可承受一定程度的双向轴向负荷内圈或外圈可分离，便于装拆NNU型及NN型抗径向负荷的刚性强，大多用于机床主轴。主要用途：中型及大型电动机、发电机、内燃机、燃汽轮机、机床主轴、减速装置、装卸搬运机械等各类生产机械。4.圆锥滚子轴承该类轴承装有圆台形滚子，滚子由内圈大挡边引导，设计上使得内圈滚道面、外圈滚道面以及滚子滚动面的各圆锥面的顶点相交于轴承中心线上的一点，单列轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷，双列轴承可承受径向负荷与双向轴向负荷，适用于承受重负荷与冲击负荷。按接触角α的不同，该类轴承可分为小锥角、中锥角和大锥角三种类型，接触角越大，轴向负荷能力也越大。主要用途：汽车的前轮、后轮、变速器、差速器小齿轮轴，机床主轴、建筑机械、大型农业机械、铁路车辆齿轮减速装置和轧钢机辊颈及减速装置。5.推力球轴承由带滚道的垫圈形滚道圈与球和保持架组件构成，与轴配合的滚道圈称作轴圈，与外壳配合的滚道圈称作座圈。单向轴承可承受单向轴向负荷，双向轴承可承受双向轴向负荷。主要用途：汽车转向销、机床主轴。4.2.2轴承选型与校核在本设计中，由于Z轴是垂直安装，轴向力是不可避免的，为了保证系统有足够的使用寿命，故而采用圆锥滚子轴承30203，面对面配对。对于Y轴，由于工作台是直线运动，所以几乎没有轴向力，采用深沟球轴承6005。而对于X轴，由于齿轮是做悬臂式布置，采用一对角接触球轴承7005C支承。已知系统的使用寿命为3年，Z轴丝杠的转速为540，Y轴的电机转速为200，X轴的转速为20，由轴承的寿命公式可得：（4-1）对于球轴承，；对于滚子轴承，。查《机械设计课程设计指导书》表13-2，得6005的额定动载荷C=10.0kN；表13-1，得30203额定动载荷为C=20.8kN；表13-3得，7005C的额定动载荷C=11.5kN。由公式：（4-2）对于Z轴：由于是垂直安装，加上有导轨承受径向载荷，因此可忽略不计，故只有。又因为，故查《机械设计课程设计指导书》表13—1得，Y=1.7，带入已知数据，可得：对于Y轴：由于水平传动几乎没有什么轴向力，因此可忽略不计，故，查《机械设计》（第八版）表13-5得：X=1,Y=0，因此。经计算所得，带轮和传动轴的重量约为m=6.5kg，故有，因此：对于X轴：由于齿轮传递的转矩，故可得齿轮所受的圆周力和径向力：圆周力径向力故折算到齿轮中心的等效径向力故经过计算轴承所受的径向力，忽略轴的重力，故有，查《机械设计》（第八版）表13-5得，X=1,Y=0。因此：将算得数据代入校核公式得：故Y轴轴承校核通过；故Z轴轴承校核通过；故X轴轴承校核通过。4.3键的分类及选用4.3.1键的分类1.平键连接平键具有结构简单、装拆方便、对中性较好等优点，因而得到广泛应用。键的两个侧面是工作面，靠它来传递扭矩，但不能承受轴向力，不起轴向固定的作用。根据键的外形，平键有圆头（A型）、方头（B型）和单圆头（C型）三种。键一般用抗拉强度≥235MPa的碳钢或精拔钢制造，常用的材料为45号钢。2.半圆键连接这种键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂中键槽的斜度，工作时，其侧面来传递扭矩。特点是：工艺性较好，装配方便、尤其适用于锥形轴与轮毂的联接。缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大，故一般只用于轻载联接。3.楔键连接工作时，靠键的楔紧作用来传递扭矩，同时还可承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向的轴向定位作用。它分为普通楔键及钩头楔键两种。常用于一些低速、轻载和对传动精度要求不高的联接。4.切向键连接工作时，靠工作面上的挤压力和轴与轮毂间的摩擦力来传递扭矩。用一个切向键时，只能单间传动；有反转要求时，必须用两个切向键，常用于重型机械、直径较粗的轴等场合。4.3.2键的选用和校核在本设计不需要用键轴向固定，故采用平键联接。已知，各轴上的键的尺寸和轴上的最大力矩如下：Z轴：，最大力矩；Y轴：，最大力矩；X轴：，最大力矩；根据普通平键连接的强度校核公式：（4-3）式中：T——键传递的扭矩，单位为；k——键与轮毂槽的接触高度，，单位为mm；l——键的工作长度，对于普通平键，，单位为mm；d——键所在的轴的直径，单位为mm；[]——键、轴和轮毂中最弱材料的许用挤压应力，单位为MPa。已知，将已知数据带入校核公式得：故X轴的键强度校核通过；故Y轴的键强度校核；故Z轴的键强度校核通过。综上可知，本设计中所采用的联轴器、轴承和键强度校核通过，符合使用要求。

5电气控制设计5.1电机驱动器的选用已知Z轴电机的型号为110BC380F，Y轴电机的型号为110BYG2502，X轴电机的型号为ASMT02L250，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-13得，Y轴和Z轴的步进电机驱动器（数据由常州宝马集团公司提供）型号如下：表5-1Y轴和Z轴的步进电机的驱动器参数表轴名型号相数输入电压相电流分配方式Y轴BD28Nc2110~220V4/6/8A二相八拍Z轴BD36Nc3110~220V4/6A三相六拍对于X轴的伺服电机，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-24得，X轴伺服电机的驱动器（数据由台达电子工业股份有限公司提供）的型号为ASD-A0221L，其规格参数如下：输入电压及相数：220V单相；因此，综上可知，为了便于电机同时控制，减少电源的种类，所有驱动器的电压一律选用220VAC单相。5.2电机驱动器与PLC连接（1）步进电机的驱动器与PLC的连接如下图所示：FXFX2N-64MTCOM1Y0DC+DC-B+B-A+A-公共端脉冲信号输入方向信号输入脱机信号输入驱动器驱动器输入电源DC24V电源DC5V图5-1步进电机驱动器的接线图（2）伺服电机的驱动器与PLC的连接如下图所示：L1L1L2RSUVW/SINGPULSESONE5VE0VCN2PSPSVDDCOM+COM-CWLEMGSSINGCN1171145、47、4932303637439CCWL/PULSE3141DC+24VY1为脉冲信号FX2N-64MTCOM1Y1Y3DC0VY3为方向信号图5-2伺服电机驱动器的接线图5.3PLC的I/O分配表表5-2I/O分配表输入输出名称代号接口名称接口启动按钮SB0X0X轴脉冲输入Y0Z轴下限位1SQ0X1X轴方向输入Y1Z轴上限位1SQ1X2Y轴脉冲输入1Y2X轴前限位SQ2X3Y轴方向输入1Y3X轴后限位SQ3X4Y轴脉冲输入2Y4Y轴左限位1SQ4X5Y轴方向输入2Y5Y轴右限位1SQ5X6Z轴脉冲输入1Y12Y轴左限位2SQ6X7Z轴方向输入1Y13名称代号接口名称接口Y轴右限位2SQ7X10Z轴脉冲输入2Y16手动向前按钮SB1X11Z轴方向输入2Y17手动向后按钮SB2X12运行指示灯Y23气割头1手动向左按钮SB3X13Z轴电磁抱闸1Y24气割头1手动向右按钮SB4X14Z轴电磁抱闸2Y25气割头2手动向左按钮SB5X15气割头2手动向右按钮SB6X16气割头1手动上升按钮SB7X17气割头1手动下降按钮SB8X20自动切割按钮SB9X21单头切割按钮SB10X22双头切割按钮SB11X23Z轴下限位2SQ8X24Z轴上限位2SQ9X25停止按钮SB12X26气割头2手动上升按钮SB13X27气割头2手动下降按钮SB14X30切