【《某PLC外壳的总体设计案例》7600字】

某PLC外壳的总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u14151某PLC外壳的总体设计案例 1190871.1上端盖设计 1282181.1.1上端盖上端面的设计 152841.1.2上端盖壁厚设计 2121171.2下端盖设计 5120031.2.1下端盖卡扣设计 553831.2.2下端盖卡扣强度计算校核 7310131.2.3下端盖散热孔设计 14313231.3上下端盖连接设计 16231601.3.1上下端盖沟槽设计 1624541.3.2上下端盖辅助凸台设计 17240181.3.3上下端盖辅助定位槽设计 1932101.4PLC外壳固定设计 22上端盖设计上端盖上端面的设计上端盖的尺寸大小需要根据各个PLC分模块的尺寸大小进行合理选择，通过测量，三块板的长度为90mm，且三块板之间的最大距离为40mm，考虑到上端盖壁厚与加工误差，同时考虑到美观，寿命等条件，最终将上端盖的长度设计为95mm，宽度设计为55mm。同时，上端盖上需要开足够的孔来使这些PLC模块上的零件可以与其他配件（如USB接线等）连接使用。故综上，设计出的上端盖的俯视图如图3-1所示。图3-1上端盖俯视图孔1是用于输入口和输出口的接入，孔2是用于2个旋转按钮的接入，孔3是用于开关按钮的接入，孔4是用于输入信号端口的接入，孔5是用于输出信号端口的接入。上端盖壁厚设计该PLC外壳的上端盖的外壁可以简化成在整个版面上作用均匀分布的载荷，四边固定的等厚矩形模型。根据弹力力学计算，最大应力点发生在矩形长边的中心位置，如图所示的P点。最大挠度位置发生在面板中心位置，即下图图3-2上的O点。当两个板相交为锐角的时候，则该处的应力将会增加；若两个板相交为圆角的时候，则该处的应力集中将会降低，所以在设计时应该尽量在两个板相交的地方靠圆角相交。该PLC外壳的上端盖的模型用下图的结构简图表示：图3-2四边固定的等厚矩形板模型板面中心的最大弯曲正应力（1）最大挠度（2）式中α，β——与矩形长和宽比值有关的系数（见表1）；b——矩形板的宽度，mm；q——实验压力，MPa；t——矩形板的厚度，mm；E——材料的弹性模量。表3-1系数αβ与矩形长和宽比值的关系PLC外壳通常采用塑料材质。可以根据第三强度理论（3）相当应力（4）即（5）式中σs——材料屈服点；n——材料屈服极限的安全系数，一般塑料n取1.5。在不考虑加肋板的情况下，矩形外壳外壁厚度可根据上式（5）计算得出：（6）将该上端盖的各个数据代入可得：所以PLC上端盖厚度t取1mm较为合理，并且满足强度要求。下端盖设计下端盖卡扣设计该PLC外壳采用上下合盖式，常见的上下合盖的连接主要是螺栓连接和卡扣连接，如果采用螺栓连接，需要在上端盖和下端盖内开螺纹孔，在拼装时对孔，不仅会增加制造的工作量，提高生产成本，并且在PLC外壳上开螺栓孔还会造成PLC外壳截面强度削弱，增加生产制造成本，影响PLC外壳寿命和PLC外壳的美观。故此PLC外壳不宜采用螺栓连接。卡扣是用于两个零件间的嵌入连接或整体闭锁的一种连接机构，在生活和工业上通常用于塑料零件的连接，卡扣的材料通常采用是具有一定柔性、韧性的塑料。卡扣连接两个零件的最大的特色是安装方便、拆卸方便，可以做到不用任何工具就可拆卸连接的两个零件。如果采用卡扣连接，只需要在下端盖设计卡扣，并且在上端盖设计相应的卡扣孔，安装时，操作者将卡扣卡进相应的卡扣孔中，一般卡扣在安装靠位时出现一些比较明显的现象，如声音以及手感上的变化。若需要拆开上下端盖，只需要将卡扣分开出卡扣孔。在设计卡扣时，需要在卡扣上选择合适的变形量。卡扣通过紧固件的“变形”和反弹来实现两个零件的连接。卡扣连接的变形量不能太小也不能太大，太小的变形量容易造成两个零件的安装不牢固的情况发生;而太大的变形量又容易导致两个零件的安装困难甚至出现无法安装的情况，最后导致卡扣的损坏。同时设计时，必须要注意卡扣的约束数量是否适当，不能出现过约束或者欠约束的情况。约束过多，对连接的两个零件的加工精度要求比较高。在实际连接两个零件的过程中，很容易出现安装不到位或不能安装的情况；约束过少，对两个零件的连接不是很稳定，容易出现松动的情况。所以，该PLC外壳的上下端盖采用卡扣连接，其设计卡扣与卡扣孔如下图3-3，3-4所示。图3-3下端盖轴测图图3-4上端盖正视图在PLC外壳下端盖设计4个相同大小的卡扣，分别设计在下端盖的前后面上，为了防止出现过约束，导致安装困难甚至无法安装，因此卡扣不宜过多。同样为了防止出现安装不稳定的情况，卡扣也不宜过少，所以只在下端盖设计4个卡扣。在PLC外壳上端盖设计4个相对应大小的卡扣孔，安装时只需要将下端盖的卡扣扣进卡扣孔内，在连接的过程中，当卡扣在安装到达预定位置的时侯会出现一些比较明显的现象，比如清脆的声音以及手感上的变化，此时，表明安装已经到位，即上端盖与下端盖已经固定在一起。若需要将固定在一起的上端盖与下端盖分开，只需要施加一定的分离力，卡扣便会脱开卡扣孔，上端盖和下端盖即可分离。下端盖卡扣强度计算校核由于在卡扣扣下时的一瞬间，卡扣才会受到作用力，因此卡扣连接的设计就必须要保证在这卡扣受到作用力的一瞬间卡扣受到的作用力在不超过弹性范围，并且在保证卡扣安装完毕后，卡扣处于一种零受力的状态。重要参数正割模数卡扣在安装连接的瞬间会承受很大的应力，此时卡扣的应力—应变线已经不满足正比例函数，而是一条近似的正割曲线，为了与通常的弯曲模数区别开，此时的弯曲弹性模数我们将其称为正割模数。如图3-5所示。图3-5应力-应变图像如图所示，正割模数不是一个常数，它是在卡扣的弹性范围内任一应力-应变线上的点的应力与应变的比值。在卡扣连接安装的计算时运用正割模数可以较为准确地反映卡扣抵抗弯曲应力变形的能力。许用应变根据胡克定律（1）式中σ为卡扣受到的应力，E为卡扣的弹性模数，ε为卡扣相应的应变。在卡扣连接安装的时候弯曲弹性模数可以由正割模数（Es）来代替，故许用应变：（2）式中，为卡扣的许用应变；为卡扣的屈服应力；Es为卡扣的正割模数。对一些需要经常拆装的连接零部件，许用应变值选取应该保留一些余量，此时可以将实际取用指取其许用应变的一半，这里所讨论的许用应变是瞬间许用应变，而不是平均许用应变。表3-2给出了几种常见塑料材质的正割模数。表3-3给出了常用塑料材质的瞬间许用应变。表3-2几种常见塑料材质的正割模数（Es）表3-3常用塑料材质的瞬时许用应变（）塑料名称代号瞬间许用应变ɛmp(%)聚乙烯PE4—8聚丙烯PP4—6聚苯乙烯PS2高抗冲聚苯乙烯UIPS1.5丙烯晴—丁二烯共聚物ABS2—3聚酰胺PA4—6聚碳酸酯PC4聚甲醛POM4—6聚酯PBT4—6增强聚酯PBT/30GR1注：对于一些需要频繁拆卸安装的卡扣，其取用的许用应变（）值应取表中的一半摩擦系数卡扣连接安装的卡入力与卡扣扣紧卡扣孔时的接触面上受到的摩擦力大小有关系。表3-4给出了一些常用塑料的摩擦系数（µ）值。表3-4常用塑料的摩擦系数（µ）注：1.表中摩擦系数（µ）数值是指各自对应的塑料对钢的摩擦系数（但不包括括号内的数字）2.摩擦系数（µ）取表中的最大值或最小值的时候，应该视连接零件的在装配安装时的相对速度，压力大小，表面粗糙度和装配安装精度等等条件而定3.对两种不同塑料材质安装装配的零件可以略低于表中的数值4.对两种相同的塑料材质安装装配的零件，取值应该等于表中摩擦系数（µ）数值与括号内数字的乘积悬臂卡扣计算公式悬臂卡扣在连接两个零件的计算时需要计算在处于弹性变形内零件的许用过盈量（y），挠曲力(P)和卡入力(W)，而将另一个被连接零件视为一个刚体，对悬臂卡扣连接主要是对于悬臂卡扣的计算校核，如图3-6所示：图3-6悬臂卡扣连接受力图1.许用过盈量（y）许用过盈量（y）就是理论力学中所所谈到的许用挠度（Y），也就是悬臂卡扣在进入卡扣孔前端所产生的弹性变形的尺寸。2.挠曲力（P）挠曲力（P）是指悬臂卡扣卡入卡扣孔时施加在前端的垂直向下的力，当悬臂卡扣产生的是弹性变形而不是塑性变形的时候，此时的变形力则称作挠曲力（P）。计算挠曲力是计算卡入力的需要，实际上有的悬臂卡扣连接的装配和拆开就是施加卡入力而完成的挠曲力。3.卡入力（W）卡入力（W）是与卡扣安装装配方向相同的作用力，卡入力（W）与挠曲力(P)之间确定的力学关系如图3-7所示：悬臂卡入力的计算公式图3-7卡入力与挠曲力的关系可见，卡扣安装时的导入角α的大小与卡入力（W）的大小有十分重要的关系，其间的关系为：导入角α取值越大，则卡入力（W）也就越大，如果导入角α过小则会导致卡扣悬臂前端的卡钩尺寸过长，导入角一般可取20°到40°。在卡钩的另外一侧有另外一个导出角α'，这样的卡扣在安装连接的时候就是一个可拆卸的装置。此时将两个连接的零件拆开的力称之为拔脱力，其计算的时候仍需要用上面公式来计算。当导出角α'为直角的时侯，则该安装连接成为不可拆安装连接。需特别指出的是这里所讨论的安装连接成为不可拆卸式安装连接，是指只施加水平方向力（W），则安装连接不可拆卸；当连接的两个零部件允许施加垂直向下的挠曲力（P），则连接仍是可拆卸的。悬臂许用挠度，挠曲力的计算公式常用的悬臂卡扣的横截面形状为矩形和梯形，但特殊的横截面形状也有为扇形的，在沿着悬臂的水平长度的方向上，悬臂可采用等截面，因为这样模具制造起来比较简单、方便，同时也可以节约生产成本。如果悬臂卡扣的截面和悬臂卡扣形状是不同的时候，许用过盈量（y）和挠曲力（P）的计算是不同的。各种形状的悬臂卡扣的计算公式如表3-5所示。表3-5悬臂的许用挠度，挠曲力的计算公式注：1.当拉伸力取得最大值不是发生在上表中公式所计算的悬臂卡扣截面内的时候，则需找出并且计算与校核最大应力截面是否符合强度。2.截面模量的取值可以在一般机械类工程手册中查到。Y—许用挠度=许用过盈量—许用应变Es—正割模数Z—截面模量P—许用挠曲力C—形心至截面外缘的距离h—悬臂根部厚度L—悬臂长度a—悬臂顶部宽度b—悬臂根部宽度悬臂卡扣的计算悬臂卡扣的形状和尺寸如图3-8所示：图3-8悬臂卡扣的形状和尺寸查以上表格和公式，该卡扣的材料材质选用聚碳酸酯材料，牌号为3000，宽度b=10mm，壁长L=3mm，过盈量Y=0.3mm，导入角α=30°，故：首先确定厚度（h）由于该PLC外壳需要经常拆装，故查上表3-1可知确定挠度力（P）由表可得：P=P=确定卡入力（W）由表可得：µ=0.50×1.2=0.6，且已知α=30°四．计算结果分析该PLC外壳的厚度为1mm，所以该悬臂卡扣的壁厚设计成0.5mm是最佳理想的尺寸，因为这样在生产制造的过程中不容易产生收缩痕；同时在下端盖上设计4个相同大小的卡扣比较合理，因为这样不容易出现过定位和欠定位的情况，由于该PLC外壳上有4个悬臂卡扣，所以1.1×4=4.4N，这个卡入力的大小不靠其他工具，只靠手工进行装配连接是十分恰当的。下端盖散热孔设计到目前为止，市面上采用最多的散热技术和散热方式有：回路热管散热、液冷散热、加装电扇强制散热和散热孔散热等等，本文主要就是介绍通过PLC外壳上设计散热孔来实现更良好的空气自然对流进行PLC模块运行的散热。PLC外壳作为PLC模块的外在保护壳，同样也会影响到PLC模块运行效果和使用寿命。由于PLC外壳其所用的材料是塑料，需要使内外部空气自由流动，这样才不会使PLC外壳内部的温度一直升高而导致内外的压力差，可大幅度地延长PLC模块的寿命及工作强度，并且工程塑料的成本更低。现考虑到空气的自然对流能对散热起到良好的作用，在保证使用性的情况下，在PLC外壳中设计了一系列的散热孔，如下图图3-9所示。图3-9下端盖侧视图在该PLC外壳下端盖的两侧开散热孔，每侧左右两边从上至下一共开14个15mm*2mm的矩形孔，中间同样从上至下一共开14个10mm*2mm的矩形孔。自然对流散热指的是在不采用其他外部辅助设施（比如：风扇，液冷，水泵等），进而实现机器原件的热量散发到空气中达到降温、控温的效果。对于PLC外壳来说，PLC模块运行过程中产生的热量最终是通过外界环境空气的对流热量交换而散发开的。所以在PLC外壳上开足量的散热孔可以加速空气自然对流散热，即散热孔对PLC模块的散热起到了举足轻重的作用。上下端盖连接设计上下端盖沟槽设计常见的连接方式有螺栓连接，焊接，沟槽连接，铆钉连接等等。螺栓连接主要是通过螺栓把两个不同的零部件连接成为一体，其中螺栓连接又可以分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接，虽然螺栓连接连接简单、安装方便，也便于拆卸，但如果在PLC模块上采用此连接方式，则不可避免的需要在PLC结构模块上开孔和安装装配时对孔，不仅会增加生产制造工作量，提高生产成本，降低生产效率，并且在PLC模块上开螺栓孔还会使PLC结构模块截面强度削弱，造成一些安全隐患，故该PLC模块与PLC外壳的连接不采用螺栓连接。焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。由于该PLC模块在与PLC外壳连接时需要拆卸，如果采用焊接技术，不仅不便于拆卸，并且由于PLC外壳属于薄壁件，同时PLC结构模块上有很多电子零件，在焊接过程中容易损坏，增加不必要的经济损失。故也不采用焊接。铆钉连接是将一端带有半圆形预制钉头的铆钉，将钉杆烧红后迅速插入连接件的钉孔中，然后用铆钉枪将另一端也打铆成钉头，以使连接达到紧固。虽然铆接传力可靠、塑性韧性均较好，质量易于检查和保证，但铆接工艺复杂、制造费工费料，且劳动强度高，生产成本高，生产效率低，同时采用铆钉连接与螺栓连接一样不利于安装拆卸，故同样放弃铆钉连接。凹槽连接是通过在PLC外壳上设计沟槽，使PLC结构模块固定在沟槽内，从而达到固定连接的作用效果。由于该外壳采用塑料材质，在该外壳上设计沟槽部分是比较容易的，也是比较合理的，并且采用此方式固定，PLC结构模块方便拆卸，而且成本较低，故固定方式采用沟槽固定。PLC分模块的厚度为2mm，且三块分模块的厚度一样，故需要在PLC外壳上设计3个相同大小的沟槽，但由于PLC外壳下端盖会设计散热孔，所以沟槽不能全部设计在下端盖内，同时由于上端盖高度较低，所以沟槽也不能全部设计在上端盖内，故固定含有输入输出端口PLC模块的沟槽需同时设计在上端盖和下端盖内，且处于同一条直线上，其余两个固定PLC模块的沟槽分别设计在上端盖和下端盖内，这种方法不仅使沟槽合理的避开了散热孔，并且也有效地分别固定了三块PLC模块，起到了固定连接的作用。沟槽的设计如下图图3-10所示。图3-10PLC外壳侧视图沟槽1在上端盖和下端盖内，呈一条直线状，用于固定三块PLC模块中含输入输出端口的分模块。沟槽2在下端盖内，用于固定含输入信号端口的分模块。沟槽3在上端盖内，用于固定含输出信号端口的分模块。沟槽1，2在下端盖的部分位于散热孔之间，不仅起到了固定PLC模块的作用，同时也起到了分隔散热孔的作用。沟槽3设计在上端盖利于PLC模块的散热与空气的流通。由于每块PLC分模块的厚度均为2mm，考虑到加工误差与装配误差，沟槽的厚度设置到2mm-2.5mm均可满足要求。故沟槽的厚度设置为2.5mm。上下端盖辅助凸台设计由于该卡扣连接为可拆卸式连接，故固定较为牢固，但为了使PLC外壳为牢固，需要在上端盖和下端盖设置一些凸台结构，使其辅助卡扣对上端盖和下端盖起到更加牢固的作用。其凸台结构如下图图3-11，图3-12，图3-13所示。图3-11上端盖正视图该图为PLC外壳上端盖的正视图。凸台1，2，3，4均在上端盖的下表面，，由于凸台1，4离卡扣距离较近，为防止影响卡扣的连接，此凸台的长度应较小，故设置为4mm，而凸台2，3离卡扣距离较远，所以长度可以较长，故设置为12mm。凸台1，2，3，4的高度统一设置为2mm。由于凸台分布前后两侧对称，所以该PLC外壳上端盖后面的凸台结构分布和前面的凸台结构分布完全一致。后面的凸台不再讨论赘述。图3-12上端盖左视图该图为PLC外壳上端盖的左视图，凸台5，6，7均在上端盖的下表面，由于此面没有卡扣设计，故此面的凸台的长度都取7mm，高度均为2mm。3个凸台均匀分布在此端面上。由于凸台分布左右两侧对称，所以PLC外壳上端盖的右边凸台的结构分布与左边凸台的结构分布完全一致。右侧的凸台在此不再讨论赘述。图3-13下端盖等轴测图该图为PLC外壳下端盖的等轴测图，凸台8，9，10，11位于下端盖的上端面，由于四个凸台位于四个转角处，受力相较于其他凸台受力更加复杂，所以尺寸不应过大，否则很容易出现凸台裂开甚至断裂的情况。所以该凸台在每个面的长度均为3mm，高度均为2mm。上下端盖辅助定位槽设计由于上下端盖辅助定位槽是为了定位凸台，即定位槽的设计尺寸位置只需要根据对应的凸台即可，由于辅助凸台的尺寸位置均已经确定，则辅助定位槽的定位图如下图3-14，图3-15，图3-16。3-14下端盖正视图该图为PLC外壳下端盖的正视图。PLC外壳下端盖上端的定位槽1，2，3，4分别对应上端盖上的凸台1，2，3，4，当上端盖与下端盖固定在一起时，只需要将凸台1，2，3，4安装进定位槽1，2，3，4，分离上端盖与下端盖只需要将凸台1，2，3，4退出定位槽1，2，3，4即可。由于定位槽前后分布两侧对称，所以该PLC外壳下端盖后面的定位槽结构分布和前面的定位槽结构分布完全一致。后面的定位槽在此不再讨论赘述。图3-15下端盖侧视图该图为PLC外壳下端盖的侧视图。PLC外壳下端盖上端的定位槽5，6，7分别对应上端盖上的凸台5，6，7当上端盖与下端盖固定在一起时，只需要将凸台5，6，7安装进定位槽5，6，7，分离上端盖与下端盖只需要将凸台5，6，7退出定位槽5，6，7即可。由于定位槽前后分布两侧对称，所以该PLC外壳下端盖后面的定位槽结构分布和前面的定位槽结构分布完全一致。后面的定位槽在此不再讨论赘述。图3-16上端盖斜轴