三工位工作台—机电一体化课程设计_secret.doc

西南大学机电一体化系统设计课程论文 题 目：三工位工作台系统设计学 院： 工程技术学院 专 业：机械设计制造及其自动化年 级：2007级机制4班 学 号：222007322222216 姓 名： 王 辉 指导教师： 谭 为 民 成 绩： 工程技术学院 2010 年 6月目 录第一章 绪论第二章 上料皮带输送机设计第一节 输送机的简介.第二节 构架的选择第三节 流动方式的确定和设计第三章 三工位旋转台设计.第一节 工作台面及立轴的设计第二节 啮合齿轮的选择第三节 电机机架及心轴的设计第四节 其他构件的设计第五节 液压系统的设计第四章 卸料皮带输送机设计第一节 链轮的选择第二节 滚子链的选择第三节 运输部分的设计第五章 电气控制及PLC控制第六章 总结及参考文献 第一章 绪论三工位工作台是由输送,钻孔，卸载三部分组成。工作台每旋转120完成一个工位，循环运行。来实现工件的快速输送,钻孔，卸载的流水作业系统。 在本设计中，工件的夹紧，推进都是由液压系统构成。液压系统是以流体为介质，来实现能量的转换，传递及控制。它由若干基本回路组成传递系统，来进行工件的推进，推出及夹紧。以液体为介质的液压系统具有无级调速和传动平稳的优点，通过与PLC的连接，能顺利完成本设计的各项指定动作。在工作台的输送和卸载两部分，分别应用了皮带传动和链传动。一般的普通V带其等腰梯形的高与节宽之比（h/bp）约为0.7，楔角为40，主要应用于一般的机械传动装置。其结构由包布、顶胶、抗拉体和底胶等部件构成。带传动属于挠性传动，传动平稳，噪声小，可缓冲吸振。带传动允许较大的中心距，结构简单，制造、安装和维修方便，且成本低廉。链传动是一种具有中间挠性件（链条）的啮合传动，它同时具有刚、柔特点，应用十分广泛。链传动不需要很大的初拉力，对轴的拉力小,它可以像带传动那样实现中心距较大的传动，而比齿轮传动轻便的多，但不能保持恒定的瞬时传动比。传动中有一定的动载荷和冲击。通过晶闸管整流调速电路来调节皮带电动机和链轮电动机的运行速度，使之达到同步运行。随着科学技术的不断更新，继电器控制已逐渐背PLC控制代替。它不仅能减低能耗，节约能源，而且大大的提高了工作效率。本次课程设计使用了FX2N系列机型，来完成工作台的流程控制。一设计内容1,机械部分A,三工位旋转工作台B,送料输送机C,卸料输送机二.控制部分A,液压传动与控制B,动力与控制电压设计C,电气控制与PLC应用三控制介绍(1)工序描述,在工位(1)上料,工位(2)钻孔，工位(3)卸料。(2)工艺特点:三工位同时工作,工位(1)上料器推进,料到位后,退回等待,工位(2)工件夹紧后,钻头向下进给钻孔,钻到位后退回,退回到位后,松开工件,松开到位后等待,工位(3)卸料器向前推动加工完的工件，推动到位持料器退回,退回到位后等待。（3）控制要求:利用开关实现全自动运行,按下启动按纽系统,开始运行,三个工位同时工作,每进一位工作台旋转120完成一个循环后自动重复运行。(4)施动采用四台电动机，上料，卸料，夹紧，松开采用液压传动。PLC输入点包括开关,起动按纽行程开关和压力继电器触点,输出点包括电动机,接触器和电磁阀线圈可采用小型整体式St-200机CPU226控制!+ 传送带的设计在该设计中选用V型带，查表选其型号为SPZ型，具体数据如下： Dmin=63mm Dd1=71mm n1=390r/min Dd2=n1/n2*Dd1=390/130*71=213mm 取Dd2=212mm 传动比：i=Dd2/Dd1=212/71=2.99 n2=n1/i=390/2.99=130.43r/min 1.从动轮的转速误差率为：（130.43-130)/130*100%=0.33% 带速v=*Dd1*n1/(60*1000)= *71*390/60000=1.45m/s2.带的基准长度Ld和实际中心距a按结构需求初定为中心距a0=1000mm L0=2a0+/2*(dd1+dd2)+(dd2-dd1)/(4*a0)=2*1000+/2*(71+212)+(212-71)/4000=2449mm取Ld=2500mm则实际中心距a=a0+(Ld-Lo)/2=1025.5mm3.中心距变动范围：amin=a-0.015*Ld =1025.5-0.015*2500=988mmamax=a+0.03*Ld=1025.5+0.03*2500=1100.54.校验小带轮包角1=180-(Dd2Dd1)/a*57.3=180(212-71)/1025.5*57.3=172.121205V带根数Z的计算： ZPc/(Po+P) * Ka*KL 用内插法可得 P0=0.25+(0.44-0.25)/(400-200) * (390-200)=0.4305kw取P0=0.43KW功率增量：P0=Kb*n1* (1-1/Ki)查表可知,其中 Kb=1.2834*10 传动比：i=2.99 查表得Ki=1.1373 所以P0=1.2834*10(-3) *390* (1-1/1.1373)=0.06KW查表得长度修正系数 KL=1.07 包角系数Ka=0.97 得普通V带根数 Z=1.56/(0.43+0.06) *0.97*1.07=3.01 取Z=3根其单位质量为 q=0.07kg/m 6. 单根V带的初拉力 F0=500*Pc/(Z*V) * (2.5/Ka-1)+q*v=500*1.56/(3*1.45)(2.5/0.97-1)+0.07*1.45=274.49N7.作用在轴上的压力FQ为：FQ=2*F0*Z*sin(1/2)=2*274.49*3*sin(172.12/2)=1643.05N8. 最后确定V带的型号及各项参数指标为：选用3根SPZ2500GBV带 其中心距：a=1025.5mm 带轮直径;Dd1=71mm Dd2=212mm 轴上压力：FQ=1643.05N六、输送皮带的选择输送带是输送机中的曳引构件和承载构件。抗拉体（芯层）有棉帆布、尼龙帆布、聚酯帆布和钢丝绳芯。本设计采用普通型输送带。1、皮带参数 选用皮带型号为：EP-100-NREP为聚酯（涤纶）芯NR为天然橡胶扯断强度=100N/(mm.层),每层厚度1.2mm,每层重量1.22kg/m,参考力伸长率1.5层数为5层，覆盖胶厚度上：4.5mm下：3mm每毫米厚胶料重量1.19kg/m2、输送带的参数计算 （1）输送带的厚度 输送带的厚度可按下式计算： 输送带厚度（mm）=布层数每层厚度（mm）+上胶厚（mm）+下胶厚（mm） =51.2+4.5+3=13.5mm （2）输送带质量 输送带质量参考各厂样本选取或按下式计算： 输送带质量（kg）=布层数每层质量（kg/m）+(上胶厚（mm）+下胶厚（mm）) 每毫米胶料质量（kg/m） 带宽（m）带长（m）=51.22+(4.5+3)1.19 0.41.58=9.5kg（3）输送带的最大工作张力 输送带的最大工作张力按下式计算 Smax=20KN 式中 Smax-输送带的最大工作张力，N; B-带宽，mm； -输送带纵向扯断强度，N/(mm.层)； Z-输送带芯层帆布层数； n-输送带安全系数； 注：输送带的安全系数应该根据安全、可靠、寿命及制造质量、经济成本、接头效率、启动系数、现场条件、使用经验等综合考虑确定 尼龙、聚酯帆布带：n=1012；要求特别安全时应大于12。 （ 机械图纸上由于时间紧没有具体说明皮带的拉紧装置）机械旋转部分齿轮的设计与计算一设计一齿轮传动装置，要求传送功率P=7.5KW,电机驱动，小齿轮转速n1=239r/min，传动比i=3，单向运转，载荷平稳，使用寿命10000小时，单班制工作。设计过程：（1）选择齿轮材料及精度等级，小齿轮选用45度钢调质，硬度取为220250HBS；大齿轮选用45度钢正火，硬度取为170210HBS；选择齿轮精度等级为8级，要求齿面粗糙度Ra=3.26.3um（2）按齿面接触疲劳强度设计因两齿轮均为钢质齿轮，可应用公式d176.43，确定有关系数与参数1）转距T1，T1=9.55*10*P/n1=9.55*10*10/2394*10N.mm=400N.m2）载荷系数，查表取k=1.13)齿数Z1和齿宽系数d小齿轮齿数Z1=39,大齿轮齿数Z2=115,圆齿轮传动为悬臂布置,齿面类型为软齿面,查表取 d=0.34)许用接触应力查图得Hlim1=560Mpa lim2=530Mpa查表得SH=1 N1=60nj*ln=60*1000*1*1000 N2=N1/i=6*10/3=2*10查图得ZNT1=1, ZNT2=1.06由h1=ZNT1*Hlim1/SH=1*560/1=560Mpa h 2=ZNT2*Hlim2/SH=1.06*530/1=562MPa故 得分度圆直径：d1=76.43*=138mm取标准摸数:m=d1/z=138/39=3.5（3)主要尺寸计算:分度圆直径：d1=m*z1=138; d2=m*z2=402.锥距：R=0.5=212.5齿宽：bR/3=70.8圆整为：b=70圆心距：a=0.5*m* (z1+z2)=0.5*3.5* (39+115)=269.5（4)按齿根弯曲疲劳强度校核：由式F=2KT1/(b*m*m*z1)*YF*Ys得出F,如FF则校核合格.确定有关系数与参数:1)齿型系数:YF查表得:YF1=2.85 YF2=2.302)应力修正系数Ys查表得:Ys1=1.55 Ys2=1.733)许用弯曲应力:F由图查得Flim1=210MPa Flim2=190Mpa由表得;SF=1.3由图得;YNT1=YNT2=1由式得:F1=Ynt1*Flim1/SF=210/1.3162MpaF2=YNT2*Flim2/SF=190/1.3=146Mpa故F1=2KT/(b*m*m*z1) *YF2*Ys2=2*1.1*4*100000*2.85*1.55/(70*3.0*3.0*39)=158F1 F2=F1*YF2*Ys2/(Ys1*YF1)=158*2.3*1.73/(2.85*1.55)=140.采用两个直尺圆锥齿轮相啮合。 2.计算俩齿轮的结构尺寸。 2.对三位工件的工艺流程进行PLC编程。 1选用日本三菱生产的FX2N系列的可编程控制器。 2在三位工作台的工作流程设计中，把工作台的控制过程分解为多个状态，其状态的任务转移条件，转移方向如下：在初始状态下，按下启动按钮，状态转移到S21，此状态下工件传送到工作台上，状态转移到S22状态，在此状态下，钻床准备并进行钻孔，完成钻孔后转至下一状态S23，工作台旋转。此三工作位同时工作，重复进行，如有意外情况发生可以通过X0的常闭开关来切断电源，控制工作台的工作。3 .确定输入/ 输出分配表。4 .设计状态转移图及梯形图。3. 对工作台、啮合齿轮、支架、电机、及其他元件等进行选择。 1 .工作台的选择 使用热压钢板，公称厚度：50mm 体积：V=*100*100*5=157dm 重量：m=v=157*7.85=1.2T 压力：F=mg=1.2*10*9.8=12000N. 2立轴的材料设计及选用 由公式：dc=130*58.95所以取立轴的直径为60mm 根据立轴直径为60，确定键的公差尺寸为181110 立轴的截面积：S=r=3.14*0.03=2.82610m 强度：=F/S=4.2MPa查手册选用35#钢，采用热处理正火的工艺方法，毛坯直径100mm3联轴器的选择已知轴孔直径d=50mm 查手册知联轴器选用型号为GY6型。（GB/Y5843-2003）其转距Tn=900NM 许用转速n=6800r/min 轴孔长度l=112mm D=140mm D1=80mm b=40mm s=8mm 转动惯量：0.015 质量：7.59kg符合工作条件。4心轴的选择和设计 由电动机的类型Y160L-8得出转矩T为2.0*10，在T的作用下产生剪应力 =T/Wr=2.0*10*p/(0.2*d*n) 可得出：d=c 其中c=130得出 d130*43.4mm所以取心轴的直径为50mm根据轴的直径5058 查表可知键的公差尺寸为161025 许用净应力=208MPa许用疲劳应力=140161MPa 心轴直径d=50mm长度 l=250mm 用联轴器将轴与电机主轴相接。5心轴上轴承设计于选择由心轴的直径和连接方式通过查表（JB/T2561-2007）知：选择对开式二螺柱正滑动轴承，型号H2050.d=50mm D=55mm D1=70mm B =60mm H=105mmL1=120mm L3=90mm 材料选用热轧槽钢：规格80*43*5 如上图所示螺柱连接选用：M10 R=5mm6滚动轴承的选择查表选择：深沟球阀轴承 代号6010 d=50 D=80 B=16 Wc=1/01.1 WCr=0.91.2 WMn=0.250.45 WSi=0.150.35 淬火温度810C830C 回火温度150C170C，额定载荷cr=22.0KN cor=16.2KN 回火后硬度6266HRC该滚动轴承的运行范围为一般工作条件下小尺寸的滚动体和内外套圈 7螺母规格：（GB/T6170-2000）P=1 =11.5 Mmax=5.2 Mmin=4.9Smax=10.00 Smin=9.98 螺纹规格：D=M6螺栓规格：(GB/T5782-2000)8滑动支架的设计于选择支架的设计：选用钢管，规格要求为10#钢 热处理工艺为正火 a=205MPa b=335MPa 外径=g壁厚d=3.0mm 钢管单位质量为2.737kg/m 钢珠的选择：钢珠应具有较高的硬度和接触疲劳强度，良好的耐磨性和冲击韧性。在该设计中采用GC15材料，经热处理后强度可达60-65HRC 直径=30mm 采用油润滑。9主轴轴承的选择于设计 代号6012 内径d=65mm 外径D=95mm 基本额定载荷Cr=31.5/KN Cor=24.2/KN 脂润滑：6300r/min 油润滑:7500r/min 链传送带的设计9z525立式钻床改造后的的技术规格：1， 最大钻孔直径 25mm2， 主轴锥孔锥度 莫氏3号锥度3， 主轴最大行程 175mm4， 进给箱行程 200mm5， 主轴中心线到导轨面距离 250mm6， 主电机功率 3kw7， 主轴最大进给力 9000N8， 主轴转速 1420r/min9， 主轴进给量 0.1-0.8mm/r10, 冷却泵电动机功率及流量 0.55kw 1390r/min11,机床外形尺寸（长宽高）1链轮的选择及尺寸962mm825mm2300mm （1） 大链轮尺寸齿数结构形式360/zDD0D1D2D3D4D530工12100364.49383342.36323120B1B2Bdbt重量(kg)图号3090301659.320.9DL-2a（2）小链轮尺寸齿数结构形式360/zDD0D1D2D3B1B215工24100364383161.0223.4Bdbt重量(kg)图号51351038.37.6XL-5a2.滚子链的选择链号节距排距滚子外径内链节内宽销轴直径内连板高极限拉伸载荷单位质量PPtDrb 1d 2h 2FQ/NQ(kg/m)RA19.0522.7811.9112.575.9418.08311001.51传动比：i=Z2/Z1=30/15=22设n1=120r/s 根据i=n1/n2=60r/s3确定链节数：初定中心距为a0=40p 得链结数LP为; Lp=2a0/p+(Z1+Z2)/2+P* (Z2-Z1)/(39.5*a0)=2*40p/p+45/2+p*15/(39.5*40p)=80+22.5+0.14=102.64 取整Lp=103 4验算链速 V=Z*P*n1/(60*1000)=15*19.05*120/60000=0.5715m/s 5计算实际中心距 a=(Lp-)+ =19.05/4*103-45/2+(103-45/2)-8* (30-15)/2 =19.05/4* (103-22.5)+80.495 =19.05/4*160.995 =766.739mm3.辊子的选择 DdLbhf旋转部分的质量图号质量（kg）8920465146143.89DTIIGP11055.2410825465188174.89DTIIGP23057.26159304652281710.53DTIIGP440513.764轴承的选择 轴承代号 d D B Ymin Cr Cor 脂/油转速 d D r 原轴代号6204 20 47 14 1 12.8 6.65 14000/18000 26 42 1 2046205 25 52 15 1 14 7.88 12000/15000 31 47 1 2056206 30 62 16 1 19.5 11.5 9500/13000 36 56 1 2062、深沟球轴承的特点： 结构简单、使用方便。6000型在再安装、密封、配合无特殊要求的地方都可使用。外圈带止动槽的可简化轴向定位，缩小轴向尺寸；防尘性好；两面带防尘盖的已装入适量润滑脂，工作中在一定时期内不用再加油。其内圈较一般轴承宽，以供安装密封及紧定螺丝或偏心套用、安装、拆卸和使用方便。使用于密封要求较高的长轴，安装或受载荷时弯曲，倾斜较大的轴上对主机的制造安装精度要求较低三、角钢的选择选b=50mm,d=4mm,r=5.5mm,Z0=1.38mm的角钢型号为Q235AGB70088碳素结构刚 注： r1=d/3四、键的选择 选用轴径d=30,b=10,h=8,t=5,t1=3.3,k=3的普通平键特点：B型键用盘铣刀加工轴槽，轴的应力集中较小；靠侧面传递，对中良好，装拆方便，但不能实现轴上零件的固定液压控制部分一,设计要求:1,确定执行元件(液压缸)的主要结构尺寸。2,绘制的液压系统图。3,选择各种元件和辅助元件的规格。4,确定系统的主要参数。5,进行必要的性能估算。二、设计课题,三位工作台,加工件定位,推进,推出,夹紧等功能,主轴最大进给力9000N,工作进给0.1-0.8mm/r,工作行程100mm,导轨型式为平导轨.一,确定液压缸的结构和尺寸1,液压缸的造型,选定,缸定式单杆活塞缸。2,初选液压缸的工作压力。机床机械一般用中低压液压缸,2.56.3MPa查表选p1=30*10pa,符合一般要求。3,计算液压缸的结构尺寸单杆式液压缸,A1为无杆式液压腔A2为有杆式液压腔估A1=2A2 （d=0.707D）因为是钻孔加工,为防止钻通孔时工作部件突然前冲,回腔路中应有背压,查表PB=P2=6*10pa由于液压缸为差动连接管路中有压力损失这时液压缸中有杆腔的压力P2必大于无杆腔中压力P1,若估算这部分的压力损失为P=5*10 PaP2=P1+P=P1+5*10 Pa杆退回时,油液从液压缸无杆腔流出,有阻力故也有背压此时背压按5*10 Pa估取根据公式A1=F/P1-(P2/2)A1=9000/(30-1/2*6) *10 =9000/27*10 =33.3cm 2由公式A1=D/4D=65mm按标准取65mm 活塞杆直径d为：d=0.70765=45.95 d标准直径为45mm由此求得液压缸实际有效工作面积无杆腔面积A1=33.16cm有杆腔的面积A2=(D-d)=(65-45)=17.27cm(二)拟定液压回路1,利用开式调速系统出口节流调速回路泵的出口-执行元件-油箱-泵的入口为增加运动的平稳性,防止工件钻通时,工件部件突然前冲,故采用调速阀的出口节流调整回路，出口调速。控制排油量Q2，控制调速。进入液压缸的流量Q1，受排油量Q2的控制，用节流阀来调整排油量，也就是实现对进油量Q1的控制。多余部分的油量经溢流阀流回油箱。出口节流调速回路，特点：（1）适用于低压小流量负载变化不大的液压系统。（2）由于回路上有背压，故此能承受量负载在工作过程中运动较平稳。2换向回路 本系统由于工作压力不变、流量不大，拟采用电磁阀换向3压力控制回路 在出口调速回路中由溢阀和定量泵组合在一起便构成了单级调压回路，如上图由溢流阀调定出口压力。 4行程终点控制本机台用于钻孔，因此要求位置定位极高。在行程终点利用死挡铁停留控制方式（有压力继电器发出信号，操纵电磁动作（用电磁换向阀切换）。 三 多缸控制回路 本系统由一个液压泵驱动四个油压缸工作，为多缸控制回路，此系统为多缸顺序动作回路。 采用行程控制式顺序动作回路。 1三位四通阀 四组成液压系统图五,计算和选择液压元件1.确定液压泵的规格和电机功率这种顺序由电器元件控制灵活多变， 动作的可靠性决定。(1)液压泵工作压力的计算,选用工作压力30*10pa利用出口节流调速回路,故进油路压力损失,取:Sp1=5*10Pa则压力为P1=30*10+5*10=35*10Pa(2)液压泵流量的计算液压缸需要的最大流量: 选最大流量为17L/min泄漏折算系数取 K=1.2Qp=17*1.2=20L/min选取Y13-101-2型双联叶片泵(3)电动机功率的确定,查图P=ep*QP/(60*np)=2.274*20/(60*0.75)=1.1kwnp效率=0.75Qp:泵的最大流量20L/minep:泵输出压力2.274Pa同步轴n1=1000r/min总结电气控制及PLC应用1、主轴、液压泵、水泵电机的控制在工作台工作状态下，主轴、液压泵、水泵这三台电机需要连续运转，它们的工作原理如下：启动：按下SB1KM线圈得电KM主触头闭合，同时自锁触头闭合电动机M得电开始运转。停止：按下SB2KM线圈失电KM主触头断开，同时KM自锁触头解除自锁电动机M失电停止运转。在接触器自锁正转控制线路中，由熔断器FU作短路保护，由接触器KM作欠压或失压保护，但这样还不够，因为电动机在运行过程中，如果长期负载过大或启动操作频繁，或者缺相运行，都可能使电动机的定子绕组的电源增大，超过其额定值，而在这种情况下熔断器并不熔断，从而引起定子绕组过热，使温度升高，若温度超过允许温升就会使就会使绝缘层破坏，缩短电动机的使用寿命，严重时会使电动机的定子绕组烧毁。因此，对电动机还必须采取过载保护措施，在此电路中增加了一个热继电器FR，并把其热元件串接在三相主电路中，把常闭触头接在控制电路中。2、整流调速电路晶闸管也叫硅可控整流器（SCR），是目前工业中实现大