方块地毯裁切机设计含SW三维爆炸及14张CAD图
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摘 要裁切机是一种自动化的机器，是用来代替传统的人工裁剪的，把裁剪的速度、工作的质量、裁剪的效率都能大大提升，从整个缝制设备行业来看，属于很重要的一种缝前机器，在服装厂是常常用到的。这次设计的是地毯裁切机，它的核心元件是滚珠丝杠。机器里面有XY两个轴，传动系统的主要部分是电动机、滚珠丝杠、联轴器、导轨等。装的裁刀是震动式的；系统还装了纠偏装置，可以避免送料的时候地毯移位，这样裁出来也东西也不符合要求；我们根据地毯裁切机的理论原则，先确认了伺服进给传动系统的相关方案，定出机器的设计精度；接着对地毯裁切机XY轴的滚珠丝杠进行相关计算，并确定出最合适的型号、选出滚珠丝杠支承轴承的型号，决定出进给传动系统以及相关元器件型号，校验传动系统的刚度、惯量匹配大小是否符合条件；继续按要求选出伺服电动机、联轴器、导轨等并进行相关验证，最后借助PLC把控制系统全部设计出来。关键词：自动化；地毯裁切机；滚珠丝杠；传动系统；控制系统 AbstractThe cutting machine is an automatic machine, which is used to replace the traditional artificial cutting. It can greatly improve the speed of cutting, the quality of work and the efficiency of cutting. From the view of the whole sewing equipment industry, it is a very important kind of sewing machine, which is often used in the garment factory.This design is carpet cutting machine, its core component is ball screw. There are two XY axes in the machine. The main parts of the transmission system are motors, ball screws, couplings, guideways and so on. The cutting tool is vibratory, and the system is equipped with a correction device to avoid the shift of the carpet when the material is delivered, so that it is not in conformity with the requirements. According to the theory of the carpet cutting machine, we first confirm the relevant scheme of the servo feed transmission system, set the design precision of the machine, and then cut the carpet. The ball screw of the XY shaft is calculated, and the most suitable model is determined. The model of the ball screw bearing bearing is selected. The feed transmission system and the related components are determined. The stiffness of the transmission system and the matching size of the inertia are checked. The servo motor, coupling, and guide are selected as required. Rail and other related validation, and finally, with PLC, the control system is designed.Key words: automation; carpet cutting machine; ball screw; drive system; control system目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题的意义11.2国内外地毯裁切机的研究现状11.3 设计的内容和目的32 地毯裁切机结构的总体方案设计42.1 驱动方案的确认42.1.1 液压驱动42.1.2 气压驱动42.1.3 电动机驱动52.1.4 方案的确认52.2总体方案确定52.3 各个机构说明62.3.1机架单元62.3.2 人机控制系统72.3.3 裁切横移模组82.3.5 裁切刀装置82.3.6 纠偏装置92.4本章小结103 地毯裁切机整体设计计算113.1 拟定技术参数113.2 滚珠丝杠的计算及选择113.3 滚珠丝杠支承轴承的选择143.4 滚珠丝杠的校核153.4.1 临界压缩负荷163.4.2 临界转速173.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率173.4.4 滚珠丝杠扭转刚度193.4.5 滚珠丝杠传动精度计算203.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算213.6 伺服电机的选择与计算233.7 联轴器的选择263.8 X轴传动机构的设计274 地毯裁切机控制系统硬件设计284.1 PLC控制系统结构组成284.2 PLC和I/O扩展模块的选型284.3 两轴原点位置光电开关284.4 PLC I/0的分配284.5伺服电气图294.6 PLC输入、输出电路305 系统软件设计325.1 三菱的GX WORKS2编程软件简介325.2 系统程序设计方法335.2.1 经验设计335.2.2逻辑设计法335.2.3 顺序控制法335.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明345.3.1 运行参数设置程序345.3.2 两轴进给手动运行程序355.3.3 上电回原点程序355.3.4 极限位置保护程序365.4 本章小结37结 论38致 谢39参考文献40IV1 绪论1.1课题的意义地毯裁切机属于自动化的设备，它把光、机、电进行集成，跟传统机器来比一下，更加科技，加工出来的产品精度更高，材料达到了很好的利用率，产品的生产成本直线下降，人工也减少了，从制造业一行来看，这场技术革新很成功。整个设计跟课堂学习是完全不一样的，一开始指导老师给出了很多设计的基本要求和相关思路，让我很好的进行选题。整个毕业设计是遵守机械设计制造专业设计的规范来的，为了更加深入的理解并掌握大学的专业知识，加强专业技能。整个设计过程是通过查阅相关资料，了解整体构造，然后进行相关设计。这次毕业设计我尝试了独立思考问题，通过自己翻阅相关资料，利用手上现有的资料去解决实际遇到的问题。相信这样的体验对以后的学习和生活都大有帮助。毕业设计的整个流程走下来，遇到的一些专业难题，知道了自己在专业基础知识上还有哪些地方比较薄弱，需要加强和巩固。还学会了把几门课程的综合运用起来去解决难题。 这次设计之后我们学到了很多，掌握了很多新的知识，运用了很多学习的技能，也确实把所学的理论知识与生产实践得到了有机结合，加强了我们的综合素养。 1.2国内外地毯裁切机的研究现状裁切机足以替代人工来进行裁剪工作，把裁剪的速度、工作的质量、裁剪的效率全部大大提升，属于缝制之前的一类相当重要的产品，服装厂大多会用到。裁切机产品现在可以分成两种：一种是产能很高、生产的批量也很高的裁切机；另外一种是一人一台、单独的定制的专用裁切机。对于缝制前范围内，两种裁切机都会用到。市面上卖的成衣很多都是均码，因此第一种的裁切机还是主要的产品，不过近些年来，生活水平越来越高，高级定制还有提出特别要求的衣服也变多了，一人一台的裁切机也相应的多起来。裁切机发展到现在，价格是每年都有下降，我们把裁切机的价格进行比较，分出不同的档次：一类是国产的和鹰牌裁切机，大约是每台四十万元，另外一类是日本的AGMS牌，大约是每台五十多万元，高于国产的。价格上有差距，不是质量不行，只是国内外生产的裁切机带的功能、结构不太一样。日本产的AGMS裁切机，有些功能在行业里都是比较先进的，比如在面料上面打孔、还能印上彩色标记等，还比如裁剪牛仔布的技术也比国产的机器更厉害、更精确。日本开发出这些新兴的技术，先是用到日本出品的裁切机上面，一直等到技术普及了，国内的裁切机才用的上。生产裁切机的国内外企业，他们的市场定位不一样，国内的生产推广大多用从下往上走的方向，国外的销售大多是从上往下走的推广方向。拿格柏公司举例说明，格柏在有五十年的发展史，他家的技术和累积的客户都是很深厚的，他们绝大多数的客户还是大企业或者是跨国企业，这就要求机器的质量、生产数量、生产精度一定是非常高的；对于国产的机器，大多是中小型企业会用到，不管是机器的速度、生产数量、机器的精度条件都不是很高。换句话来说，国内市场要的裁剪机都是入门款、基础款的，而那些出名的大企业/跨国公司，只要中高档的、功能多样的、技术更高的机器。从外表来看，裁切机好像都差不多，不过它的品质、质量、技术、软件等部分还是千差万别的，国产的机器技术上还达不到外国的机器，想要技术达标并赶超，还是需要再发展的。不过不管是国内还是国外，裁切机需要的量都很大，市面上需求的数量是按每年多一倍的速度来增长的。对于一家服装厂，用的最多的成本一是人工的费用，还有一个是原料的费用，这两个就达到了总费用的70%，所以从管理来看，节省原料放在首位，节省人力费用放第二，那么这次设计的自动化的裁切机就以这两个目的来的。况且人工裁布料达到的精度、准确程度肯定跟机器裁剪的效果比不起来，尤其是裁小片的布料，机器随便放哪个地方都好入刀开始裁，很精准而且效率也高，要是人工裁的话就只好从外面往里面裁，根本不好从中间开始裁，这样裁出来的布料不一定又准又美观，速度相对也不快，有时还会浪费很多面料。在中国，劳动力的成本越来越高、熟练工也缺少的情况下，裁切机还要大力发展，整个市场前景还是很广阔的。虽然裁切机的市场很大，需求数量不小，不过机器的价格也很高，尤其是国外的机器，功能又多又先进，它的价格也让中小企业负担不起，这也成了裁切机大力推广的小障碍。国产的长园和鹰给出了很多购买对策，用来帮小企业有可能用上机器。比如先前提出的零首付策略，可以用融资租赁的法子就好用上裁切机了，想要买裁切机的企业不用花大钱来采购、只要负担一些租凭费就好了。长园和鹰给出了三年时间的租期，零首付，先让负担不起的服装厂用上机器，之后企业就可以很好的创收了，好多用了机器的服装厂只用了一年时间，收到的效益就足够购买机器的成本了，达到了互惠互利。1.3 设计的内容和目的这次是对地毯裁切机设计出总体方案、算出伺服进给机构确定好型号、设定机器结构、把装配图画出来、决定出控制系统的结构、对应的翻译出相关外文资料，最后详细写出设计说明书。这次设计就是要把基础、专业知识活学活用，把几门课程综合运用起来去解决实际的工程设计问题，确实是学到的理论知识与生产实践得到了有机结合，加强了我们的综合素养。这次设计之后我们在绘制工程图、处理相关数据、外文文献的查找翻译、查相关手册等方面都有了相当大的提升，学到了很多，掌握了很多新的知识，运用了很多学习的技能、对于设计要认真严谨，也学会了团队建设。2 地毯裁切机结构的总体方案设计2.1 驱动方案的确认我们通常把驱动方式分成三种：液压式的、气动式的、电动式的。分别比较一下这三种驱动方式，选出最合适的。2.1.1 液压驱动如果用液压来驱动，主要特点是：(1) 我们常常会用到的液压大小是2.56.3MPa，液压传动很快就能到比较高的压力，整体比较小巧，工作后得到的推力/转矩都比较大；(2)液压系统里面的介质压缩比较小，工作起来安全可靠，得到的位置很精准；(3)在液压传动里，可以自动操控力的大小、速度的大小和需要的方向；(4)液压系统的介质是油液，它对防锈和自润滑的效果都很好，把运转的效率、工作的寿命充分提升了。主要缺点是：(1)工作起来温度会上升，油液的粘度会变差，这样特别容易发生燃爆炸等事故；(2)油液是液体，就会发生泄漏，这就要求液压元件制造的精度以及质量都要足够高，成本显然会上涨；(3)整个驱动要有单独的供油系统，对于电液的伺服系统还要加滤油设备，不然的话很容易出事故。对于液压式的驱动，能输出更大的力、功率输出也更大，可以做成伺服机构，在大型设备的驱动上经常会用到。2.1.2 气压驱动跟液压式的驱动比较一下，气压式的主要特点是：(1)压缩的空气粘度不大，容易达到很高的转速；(2)可以借助工厂的空气压缩站来进气，就少了动力设备了；(3)空气介质不会造成污染，工作起来很安全，高温环境也好用；(4)气动元件的工作压力不大，所以相应的条件没有液压元件高。主要缺点是：(1)压缩空气一般是在0.40.6MPa的压力范围，要更大的力，它的整体结构就要加大了；(2)空气特别容易压缩，工作起来不算平稳，速度很难控制住，到不了特备精确的位置；(3)压缩空气需要进行去水，弄不好的话钢类的零件容易生锈，出现失灵失控。排气的时候还有很大的噪音。一般在点位进行控制、抓取、开关控制、顺序控制等的设备上面可以选气动式的驱动。2.1.3 电动机驱动电动机方式的驱动还能分成普通交/直流电动机来驱动、交/直流伺服电动机来驱动、步进电动机来驱动这三大类。其中普通的交/直流电动机，一般要加上减速器的，虽然它的输出力矩比较大，不过不太好控制，惯性太大了，在中型或重型的设备上比较常用到。伺服电动机、步进电动机的输出力矩小一点，不过能很好的控制，速度以及位置都比较精确，在中小型的设备上常常会用上。对于交/直流的伺服电动机，通常是闭环式的控制系统，而对于步进电动机，大多是开环式的，如果要求速度、位置的准确度不算高的话可以用步进式的。2.1.4 方案的确认这次是设计的地毯裁切机，位置的精确程度提出的条件还是比较高的，就选伺服电机来做机器的驱动系统。2.2总体方案确定整体结构见下图图2-1整体设计图从图上可以看到，机架的单元、裁切的工作面板、人机操控的系统、裁切的横移模组、横切刀的部分、纠偏装置共同组成了一个机器。每一个机构会详细地说明一下。2.3 各个机构说明2.3.1机架单元机架的单元结构，见下图：图2-2 机架单元结构看到图上的机架单元，这里是用50*50*5大小的无缝方管来焊接组装的。对于焊接起来的机架，它一定要有足够的刚性、保持很好的稳定状态。2.3.2 人机控制系统人机控制系统的结构，见下图：图2-3 人机控制的系统从上图来看，人机控制的系统的主要控制中心是PLC，上面带触摸屏，是人机界面，辅助的原件是下面的按钮，这样可以很容易操控地毯裁切机，方便设定输进各种参数。2.3.3 裁切横移模组裁切横移模组的结构，见下图：图2-4 裁切横移的模组见上图，裁切横移模组上面装了伺服电机，电机会让滚珠丝杠运动，带着移动滑板沿着直线导轨开始运动。因为用的是伺服电机来驱动滚珠丝杠的组成结构，那么工作起来位置相当精确，裁切得也特别准。2.3.5 裁切刀装置裁切刀的结构见下图：图2-5 裁切刀机构从上图可以看出，裁切的压紧机构、裁切刀、裁切的电机、裁切额摆动装置、裁切刀的升降气缸共同组成了裁切刀的整体装置。其中裁切的压紧装置是用来压紧地毯的，可以避免在裁的时候地毯移动了、或者拱起来了，确保裁的位置精确；裁切时就是裁切电机开始工作旋转，装在偏心刀盘上面的裁切刀，会跟着在上下摆动，完成裁切工作；升降气缸是用来调切刀上下位置的。2.3.6 纠偏装置纠偏装置的结构，见下图：图2-6 纠偏装置见上图，工作送卷料的时候，如果两边出现偏差，纠偏装置就可以在运动过程里把卷料的位置调好，这种就叫位移方式的纠偏，也就是把卷料在进口到出口之间跨度改正好，卷料边的修正工作就完成了。整个结构是一个固定死的底座加上一根或者几根旋转设置，旋转起来会变成一个摆动的支架，绕着一个固定死的或者模拟的点进行转动。2.4本章小结这一章节把地毯裁切机的大体结构进行了确认设计，让系统可以稳定地运行。整个设计的过程里，把高效率高智能高准确性的原则贯彻到底。把裁切机的运行原理选出来，接着对各个部位的装置功能一一的列明。383 地毯裁切机整体设计计算3.1 拟定技术参数把裁切机的相关参数先确定下来：最大的工作行程是；慢速的进给速度大小是：；快速的进给速度大小是：；X轴加上裁切刀装置的大致质量是：；滑板大致的尺寸大小是：长宽高=；机器的材料选 。3.2 滚珠丝杠的计算及选择1、先把滚珠丝杠工作的导程长短算出来这次设计是把电机直接连着丝杠连，它的传动比取，电机的最快转速假定是，那么丝杠的导程是： ，取整数 2、算出丝杠的等效转速大小 第一个式子推算出在进给速度最大时，丝杠的转速也是最大的： 同理算出进给速度最小时，丝杠的最小转速：假定，那么丝杠的等效转速： 其中，分别是在转速，时候用的时间，单位是s。3、把质量大小、承重多少估算出来总质量大小是：4、丝杠的等效负载大小是多少工作的负载大小，就是实际工作的时候滚珠丝杠上受到的轴向压力大小。这次我们选导轨当成滑动导轨，摩擦系数定0.3，那么5、求出丝杠上受到的动载荷最大数 是负荷性质的系数；查表可以知道，正常运转，这里取。是温度的系数；是硬度的系数；查表可以知道，滚道的硬度HRC58的话，取。是精度系数；查表可以知道，精度等级是3的时候，取。是可靠性系数；查表可以知道，可靠性达90%的时候，取。是等效负荷大小，单位是N；是等效的转速大小，单位是r/min；是工作的寿命长短(h)。查表可以知道，地毯裁切机的寿命定。6、通过丝杠的轴向压力大小，确认出丝杠的底径多少 其中， ，单位是mm；， 单位是mm；，单位是N；，系数怎么选请看下表表3-1 系数和的选取支承的方式双推-双推式21.920.3双推-支承式15.110.2单推-单推式9.75.1双推-自由式3.41.3其中的大小保证强度精度符合条件，初步取来算。把已知数代进去，算出：。7、求出最大的转速极限数滚珠丝杠最大的转速一定要符合： 其中， 是丝杠的底径大小，单位是mm；是丝杠最大的转速大小，单位是r/min； 一般在=5000070000的范围丝杠的最大转速是已经确定了，来求得：。8、丝杠的直径取值范围选出滚珠丝杠还要满足：9、选择滚珠丝杠的型号我们经过查资料，查表，选的是上银精密丝杠制造有限公司出品的丝杠，这款丝杠特点是外循环插管式的+垫片进行预紧+导珠管埋入型的。具体是 BSBR1606型号，公称的直径大小是，基本导程是。3.3 滚珠丝杠支承轴承的选择求动态的等效载荷大小时，相关系数请看下表列出：表3-2 径向的载荷系数（）+轴向的载荷系数 （）组合列数2列3列4列组合形式代号DFDTDFDDTDDFTDFFDFTDTT承受轴向载荷的列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列1.91.432.331.172.332.530.540.770.350.890.350.260.920.920.920.920.920.920.920.920.92动态的等效载荷大小是： 其中，是径向的载荷大小，单位是N；是轴向的载荷大小，单位是N；是径向的载荷系数；是轴向的载荷系数。接着求出动载荷大小： 查资料可以知道，滚珠丝杠的底径是12.9mm，丝杠外径要比右边的轴承的内径稍微大一点，这里取，确定出型号是12TAC47A，符合相关条件。这一次的设计里面，滚珠丝杠专用的轴承是固定装的+用两个螺母垫片进行预紧+滚珠保持成对的形式。 这种滚珠丝杠的专用轴承主要有下面几种特点：1、用的材料刚性足够大。保持架是用特殊的尼龙来成形的，钢球的数量变多了，让接触角保持60大小，轴向的刚性会比较强。2、不用进行预调整。不管怎么组合，厂家出厂前就把机器达到最适合预紧力的间隙控制好了，用户在装的时候根本不要再调了，只要按顺序排好厂家给的各个部位的序列号，装紧就能工作了。3、这个轴承的起动力矩不大。比圆锥滚子的轴承、圆柱滚子的轴承起动力矩还要小。这次设计想要滚珠螺母跟轴承之间的不同轴度吸收得更加便利，我们决定用正面组装的方法。3.4 滚珠丝杠的校核 对于滚珠丝杠副的拉压系统，整个系统刚度决定了它能不能准确的定位、决定了轴向拉压振动额固有频率大小。它的扭转刚度大小关系到扭转的固有频率大小。想要知道有轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度Ke大小是多少，包含了丝杠本身的拉压刚度大小Ks，丝杠副里面滚道的接触刚度大小Kc，轴承的接触刚度大小KB，螺母座的刚度大小KH，我们通过支承组合的形式不一样，算出来不同的系统刚度。 3.4.1 临界压缩负荷丝杠是怎么支承的，这对丝杠的刚度的大小关系很大，如果把两头固定住来支承、再把丝杠预拉伸处理一下，这时丝杠的潜能都被充分开发出来。临界的压缩负荷大小是： 其中 ，； ，单位是m； 是安全系数，这里取； ，单位是 N； ；这次双固-双固进行支承的话，取， ，单位是m4： 其中 是丝杠的公称直径大小，单位是mm； 是滚珠的直径，单位是 mm。那么求出丝杠螺纹一段的长是，就取 求出丝杠的全长是 比大得多，可以知道临界的压缩负荷符合条件。3.4.2 临界转速 其中 是丝杠的最小横截面大小： ：这次设计取 ，是安全系数，通常是 ；是材料的密度，这里取；，查表可以知道，那么转速是符合条件的。3.4.3 滚珠丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率求出滚珠丝杠系统的轴向拉压系统的刚度大小Ke：这时是选两头固定住的 其中 ，单位是N/m； ，单位是N/m；，单位是N/m；，单位是N/m； ，单位是N/m。（1）丝杠副里面滚道的接触刚度大小，参看滚珠丝杠副的型号样本来确定；（2）轴承的接触刚度大小，查看轴承型号的样本来确定；（3）螺母座的刚度大小，可以近似看成1000；（4）确定丝杠本身的拉压刚度的大小。丝杠的支承是两头固定住进行组合的，那么： 其中 ，；，； ，单位是m；，单位是 m。已经确定出：轴承的接触刚度是，丝杠螺母的接触刚度是，丝杠的最小拉压刚度是，螺母座的刚度是。那么求出丝杠系统的轴向拉压振动的固有频率大小是： 其中 ，单位是N/m； ，单位是N/m。看上面的得数，丝杠的扭转振动的固有频率比1500r/min大得多，所以是符合条件的。3.4.4 滚珠丝杠扭转刚度求出滚珠丝杠的扭转刚度是： 其中 是丝杠的平均直径多少；是丝杠的长度多少求出扭转振动的固有频率： 其中 ，单位是kgm2； ，单位是kgm2； ，单位是 kgm2。查资料，平移物体的转动惯量大小是：丝杠的转动惯量大小是： 看上面的得数，丝杠的扭转振动的固有频率比1500r/min大得多，所以是符合条件的。3.4.5 滚珠丝杠传动精度计算求出滚珠丝杠的拉压刚度大小 ： 当导轨移到两头极限的位置，这时就是最大、最小的拉压刚度， L大小是取9mm、100mm。分别求出最大的、最小的传动刚度：分别求出最大的、最小的机械传动刚度：通过选出的传动装置，求出它的定位误差是 如果是 3级的滚珠丝杠，每300mm的导程公差是 ，设备的定位精度是，可以知道，传动刚度不同带来的定位误差要比1/31/5的机器定位精度还要小，完全符合。如果还是闭环反馈系统，可以进一步补偿精度只会更高。3.5 滚珠丝杠进给传动系统变形计算 这次设计的是地毯裁切机，它的进给传动机构是闭环控制的，进给系统的每个零部件的精度直接关系到系统的精度高低，总共会出现下面几种误差形式：生产滚珠丝杠副的误差；丝杠、螺母、轴承、联轴器、伺服系统在载荷、温度大小变化时各自生成的误差 。滚珠丝杠副的制造误差主要取决于丝杠副的精度大小，这里就按每一个300mm行程里面，行程的变化大小来确定。滚珠丝杠精度计算如下：1、求出滚珠丝杠的轴向变形情况丝杠的拉伸、压缩的变形情况大小是轴向会有载荷工作，顺着轴线的方向，丝杠要么拉伸要么压缩，变形的大小主要跟选的支承方法、螺母的地点有关系。因为这次丝杠是两头固定住的，通过力学分析算出相应的变形大小： 其中，单位是N；，如果是钢材料，； ，通过底径大小来算，单位是；，单位是；，单位是如果螺母移到两个支承端的中点，这时的变形是最大的： 丝杠的底径是12.9mm，F=180N，L=930mm，把这些数代进去，求出丝杠发生扭转变形，轴向变形的大小是丝杠工作的时候，变形产生的一个导程的变化大小是： 其中，单位是mm；，单位是rad。那么扭矩下的丝杠，在支承长度L上发生的轴向变形大小是： 接着算出扭转角大小： 其中，；。 ，那么：丝杠相对是比较短的，那它的自身重量弯曲带来的轴向变形量可以直接忽略。 所以一定的载荷下，丝杠的轴向变形大小是：2、对于滚珠跟滚道面的弹性接触变形，会产生的轴向变形大小对于螺母体的变形量大小：螺母+螺母座的变形大小、固定螺母的螺栓带来的轴向变形大小、滚道面的弹性接触变形带来的轴向变形大小。其中螺母+螺母座的刚性还是不错的，这方面的变形就不考虑。因为机器选的是预紧螺母，那么固定螺栓的变形也不用算上了。最后螺母体的变形大小只要看滚珠跟滚道面的弹性接触之间的变形大小。，得出： 其中：，单位是mm；、分别是滚珠的半径+直径，单位是mm；是接触角，这里取=；是工作的滚珠数量，；是轴向的预紧力大小，单位是N；，单位是mm。最后求出：mm=。3、对于支承滚珠丝杠的轴承，产生的轴向变形大小轴承的刚度是1080，最大的轴向变形是：选3级精度的滚珠丝杠，每300mm的导程公差是 ，机器的定位精度保持在，那么求出机器的X轴方向的进给系统的定位误差是：看上面的数，定位的精度也是符合条件的。3.6 伺服电机的选择与计算这次设计确定用进给系统的伺服电机组合，注意下面几个部分：1、给出的进给速度的大小范围，空载时候的进给力矩大小不能比额定的转矩大；2、最大的切削力矩不能超过额定的转矩大小；3、加速、减速的时间要在给出的时间常数范围里面；4、快速进给的频繁度大小也要在给出的数值里面。找到满足上面条件的电动机，我们要算负载扭矩，求功率的大小，求出加减速时的扭矩大小，校验相应的惯量匹配。先求出扭矩的过程：1、理论上来看，确定出动态预紧的转矩大小是3级滚珠丝杠查表得到 ， 2、确定出最大的动态摩擦力矩大小是3级滚珠丝杠， 3、确定出驱动最大负载时的转矩大小 4、确定出支承轴承需要的启动扭矩大小查表可以知道：直径的轴承，直径的轴承，那么。5、确定出驱动滚珠丝杠副需要的扭矩大小 6、确定好电机的额定转矩大小 7、系统快进到最大的速度时，消耗的功率大小： 其中，单位是kw；是快进的速度，单位是m/s，是惯性力大小，单位是N。电动机的功率大小要在下面范围： 其中，这里结合了丝杠预紧、导轨、联轴器的效率，决定；，大多是1.25。通过上面的计算验证，这次选的电机在转矩、功率上都符合要求，转矩：，功率：。我们初步确定是用台达的电机，电机的型号是A2-750交流伺服电机，相关参数是： 在买电机的同时，要求装上脉冲编码器、制动器。进给伺服电机的校核如下： 对电机惯量大小进行求解验证把每个部位都折算到丝杆轴的转动惯量上：1、折算到丝杆上的转动惯量是： 2、丝杆的转动惯量是： 最后求出： 3、螺母的转动惯量大约是：负载+传动装置总共的转动惯量是：4、对于台达牌电动机的转动惯量是：5、多有部位的转动惯量是： 进行惯性的匹配，得到是在 范围以内通过上面的验算求解，这次选的电机是满足条件的。3.7 联轴器的选择滚珠丝杠跟电动机之间是通过联轴器直接联接在一起的，查看相关资料，选出来的联轴器一定要可以在高温、低温的环境，高速、中速的转速，大转矩，有油有水的工作环境下进行。我们结合电机轴的直径、长度、丝杠链接的尺寸把型号定下来，是选HL114-12型号的弹性联轴器。对于型号HL114-12的弹性柱销联轴器，它的结构不复杂，尼龙的柱销换起来很方便，两个半联轴器不用移；里面的尼龙材质的柱销，分成耐磨、而且润滑也不错，维护起来很方便。3.8 X轴传动机构的设计因为要满足通用情况，这次设计的X轴和Y轴都选一样的配置结构，在 Y轴方向进行了相关计算，X轴上的负载的只是裁切刀机构，所以两个轴用一样的配置可以满足设计条件。4 地毯裁切机控制系统硬件设计4.1 PLC控制系统结构组成这一次的控制系统的硬件是分成：PLC、伺服电机、伺服的控制器、行程开关，光电开关等部分。4.2 PLC和I/O扩展模块的选型 PLC的选的型号对不对很关键，这跟PLC控制系统对应的技术指标、经济指标都有大帮助。选PLC主要是看机型，容量，I/O模块这几个点。 这次地毯裁切机的输入分配是：10个点，输出分配是：6个点。系统带了二个伺服电机，就有二个脉冲输出点，对于三菱牌的PLC，FX3G和FX3U可以满足条件。最终就选三菱公司出品，可编程控制器FX3G-32MT-001系列，输入端子是16点，输出端子是16点，控制条件可以达到，产品性价比也不低，小规模的控制里面用的特别多。FX3G-32MT-001的CPU相关参数是：输入16点，输出16点，输入、输出都是晶体管，电源是AC220V。4.3 两轴原点位置光电开关 在地毯裁切机里面，机器通电、机器加工完成，这样的指令发出后，机器都要重新返回原点，那么两个轴上都要设好原点，这里用红外光电开关来设定，这次选上海坤式 GBL41X系列，NPN型，可以工作的距离是5M，直流电压24V，2线输出 电流是1000MA。4.4 PLC I/0的分配输入点/输出点的信号、输出点跟输出控制都得对应好。分配完了之后，根据系统配好的通道、接点号，再分给每一个输入信号、输出信号，也就好进行编号了。对于FX3G型的PLC，它的输入/输出通道的序号，都是自由进行配置的、选好固定的通道。输入、输出的继电器随便怎么选，输入继电器就对应输入点，输出继电器就对输出点。根据控制要求，我们把地毯裁切机的控制系统，输入输出接口全都列出来。 表4-1 I/O 接口分配输入分配输出分配名称地址名称地址X轴原点X0X轴控制Y0Y轴原点X1Y轴控制Y1X2Y2X轴反转限位X3X轴方向Y3X轴正转限位X4Y轴方向Y4Y轴正转限位X5Y5Y轴反转限位X6裁切刀装置Y6X7蜂鸣报警Y7X101#报警X112#报警X12X13急停X144.5伺服电气图 这次机器用了两个伺服驱动器，伺服驱动器都是通三相220V的交流电，相关伺服电路图见下图。图4-1 伺服电机的电路图看上图，X轴、Y轴上伺服驱动器，L1、L2、L3端口都是通三相220V的交流电，空气开关QF可以控制通电与否。伺服驱动器的控制是SP1和ST1，SP1是脉冲的输入控制，ST1是脉冲的方向控制。B+和B-连接电机的制动器，U、V、W是连接着伺服电机。4.6 PLC输入、输出电路PLC的信号输入、输出相关电气图，见下图，对于输出的接口已经把作用标注在图上，万一要维修，直接看功能找输入的信号。假如没有办法停机，先看电气图，看急停按钮的分配输入点在哪里，输入点是X014，在看PLC I /O的状态或者是根据梯形图来查PLC有没有输入，也能用万用表来测，常闭触点的两个点之间有没有通，有没有电流流过。图4-2 PLC输入输出电路5 系统软件设计5.1 三菱的GX WORKS2编程软件简介打开软件GX Developer，可以看到初始界面，找到【文件】下拉菜单，单击“新建”这个菜单项，创建出一个新的文件。【设备名称】里面输设备的名称，设备的类型一栏就选PLC的类型，紧接着单击设定的按钮，选好CPU的类型，点击确定，进入到梯形图的编程界面，进行相关编程，见下图。图5-1 编程界面编程工作结束，接着编译、链接、调试这几步。编译过程没有发现错误，就能在线试运行了。如果编译的时候发生错误，就要立即改正，在梯形图的编程下面可以改正，在助记符的方式下也是可以改正的。编译工作结束，只要不出现语法的错误，就能把程序加载到PLC里去，开始在线运行。5.2 系统程序设计方法一般我们进行工程方面的设计时，对于可编程控制器的设计，设计人员通过不同级别的技术距离、不同习惯进行灵活变通。下面就介绍几种最常用的设计方法。 5.2.1 经验设计经验设计，通常还能叫做尝试法。对于控制系统最终的设计条件，我们要结合控制对象的相关经验总结，这都是在典型的控制环节和电路设计时要注意的。选这种方法的控制系统都不复杂，设计出来的效果也不错。不过它有一些尝试和随机性，最终选出来的结果并不是唯一一个。用经验来设计的相关过程:(1)把输入/输出的电气设备确认好；(2)输入点/输出点的数目定下来，选出PLC模型接着进行分配I/O；(3)把项目的整体流程图确认出来；(4)PLC指令选好，编写相关程序；(5)把其他相关控制指令和要求全面的确定出来。5.2.2逻辑设计法工业电气里面，绝大多数的控制电路主要是靠继电器加上其他电气元件共同完成的。对于继电器，它的触点只有开启、关闭两个状态，所以就能用0和1作为电控线逻辑代数来完成设计。这种方法是以数字电子设计的逻辑作为设计基础，设计出PLC方面的程序，用了相关逻辑表达式，想要表达出来的内容可以画成梯形表达式。逻辑设计用到设计PLC上也是可以的。5.2.3 顺序控制法设计的比较理想化的可以用顺序编程来进行控制。顺序控制相对来说行为、规律程度都比较强，程序越长，它的结构还是很清晰的，解读起来也不麻烦。我们选这个方法来设计的时候，函数图一定要学会运用。函数都有基本步骤，序列函数图也能很清楚的进行变换，直接代表着工作条件的变化，还有代表了步骤的切换。功能图主要包含了过程的步骤、定向的线段、传输、动作。要按照下面来进行：(1)步骤跟步骤之间一样转移才好分离；(2)转让跟转让之间一定要分步才好继续；(3)用有向线段连到步骤上去的时候，绘制出功能的正常方向是从上到下/从左到右。如果是正常顺序来绘制的，没有加箭头的话一样要加有向线段，不然的话箭头不能少。(4)对于顺序函数图，至少存在一个初始的步骤。可编程控制器的设计语言相当多，因为继电器的地位，他们大多还是属于开关控制的。很多地方的表现也是电气符号，还能直接用上。所以PLC的形式不一样，对于梯形图读出的语言，从简单明了的流程图、简短的语句表达上面可以展现它的通用特点，这就方便了工程人员很好读出电气方面的程序，也可以当做电子工程人员的参考资料。 5.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明5.3.1 运行参数设置程序想要地毯裁切机可以正常稳定地工作，每个轴的运行参数都要设定好，它的梯形图见下图图5-2 运行参数设置程序从上图可以知道，我们是在上位机的触摸屏上来输入设置相关参数的。PLC通电之后，在一个扫描周期时间以内，M8002就会被接通，上位机设置的一些参数数值，就会自动的写进数据寄存器D里面，在进行加工的时候，想要运行的速度、距离进行调整，重新到上位机里面D200改一下输入数值，按下M8，数据就会进行自动传送，经过MOV传到D2020等里面去。5.3.2 两轴进给手动运行程序地毯裁切机通电之后，还要进行手动检修、手动定位的操作，那么就还要进行手动控制两轴上的进给伺服电机，相关程序见下图：图5-3 进给轴手动程序从上面的程序可以知道，对于两个轴的手动运行程序，都是经过上位机来发给每个轴的手动信号，是需要正反转运动的信号。看程序第71步、91步，M100接通了执行X轴开始正转的信号，M102接通了执行X轴开始反转的信号。DDRVI K999999999 D1000 Y000 Y003这条指令就意味着：DDRVI是绝对定位质量， K999999999是脉冲数和脉冲反向，这个时候就是正方向，脉冲数就是无限个。D1000就是每一秒发出的脉冲的格式。Y000就是X轴上的脉冲输出，Y003就是脉冲的方向。想要避免误操作发生，X轴的正转和反转之间一定是互锁的回路。5.3.3 上电回原点程序机器每一次上电，每一次加工结束之后，一定会进行上电返回原点的动作，一部分的梯形图见下图图5-4 上电返回原点的操作M8002、C1就是上电回原点动作发出来的信号，PLC通上电之后，M213就会置位，上电的时间就会延长，第221步程序开始进行，延时等待到X轴开始回到原点， Y轴、Z轴全都回到原点。ZRN 死PLC里面内置好的回到原点的指令。5.3.4 极限位置保护程序在系统进行工作的时候，系统到达了极限点的位置，这时主轴一定要停下来，这一步程序见下图：图5-5 极限位置的保护通过上面程序可以知道，辅助的继电器M8343和M8344主要是对应着X轴的正转、反转的限位保护，一旦M8343、M8344接通之后，Y000就会停止发出脉冲信号，完成了保护的功能。5.4 本章小结 这一章节主要把PLC控制的地毯裁切机整个软件设计部分分步骤说明，介绍了 PLC编程的软件、程序如何设计、梯形图如何设计等，还把重点的程序段代表的控制功能进行一一说明，这样可以让我们更好地理解程序，方便PLC控制程序的设计。结 论整个毕业设计即将步入尾声，没开始做毕业设计之前，想当然的觉得毕业设计只要把大学四年所学的知识进行一个总结和做出相关计算就可以了。但经过这十几周的设计书写，发现自己以前的想法真是太单纯太片面了。这个设计不仅仅要学生把大学四年所学的知识灵活运用起来，还涉及到了大学的很多其它课程。这次设计的课题是
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