焊缝自动跟踪系统-焊接小车设计(机械CAD图纸)

aaaaaaaa目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"Abstract 2\o"CurrentDocument"概述 3\o"CurrentDocument"第1章机械传动装置总体设计 41.1拟订传动方案 41.2丝杠螺母的选择 41.3电动机选择 6\o"CurrentDocument"第2章机械减速器设计 92.2轴的设计 112.3键的选择与校核 142.5箱体结构尺寸选择 16第3章焊接专用夹具的设计（略） 18\o"CurrentDocument"第4章直流调速系统设计 194.1直流电动机调速原理 194.2直流调速系统结构框图设计 204.3直流调速系统各组成电路设计 204.4晶闸管直流调速系统原理电路图 24\o"CurrentDocument"第5章PLC程序设计设计 275.1电气控制系统概述 275.2可编程控制器的特点 27\o"CurrentDocument"第6章设计小结 33\o"CurrentDocument"第7章参考资料 34摘要在设计中焊接机是最为典型且应用最广泛的机动式焊接机械装备，他主要包括电气控制部分和机械部分，本设计重点介绍了自动焊机的机械部分和自动控制。机械部分是驱动焊体的移动部分，包括电动机，联轴器，轴承和减速器等。自动控制部分主要是PLC自动控制。FLC图kutoCAIi图形301O减速器A.uioCAU图形359KTDWG摘要目录Micrusett'A1crd9...41KE总装图kutoCAD图形301KE总装图2AutoCAD276KB■夹具AutoCAD图形296KBAutoCAL289EE图形~d夹具装配图AutoCAD图形0W（j■'■'设计说明书（论文）M1crosoftWori9...543Ki土任舞书Mlcroso£iWord9...43KE留d焊机总装囲AutoCAD塚形所。疫KE:焊缝冒劫跟瞟票藐二埠.按小车设计icroso£tWord.9...AbstractTheseamwelding,designisthemostmodernandversaticemachinemotiveweldingmechanicaluntis.Itiscomposedofelectroniccotrolingandmechaniacalunits，introducedthestructureofitsmechanismandtheautomaticcontrolling.thestructureofitsmechanismiswhichtheweldingpiecewasdrivenedincludingmotorcoplingpiecewasdrivened.bearingrotation wheel.degradation——conveyorandsoon.theautomaticcontrollingmainisPLCautomaticcontrolling概述自动控制气体保护焊接是一种高效焊接方法，由于它具有气体保护，所以用它能进行高质量焊接，又由于采用了PLC自动控制，因而焊缝均匀。该方法自问世以来!就一直受到人们的重视（1969年美国DEC公司研制出第一台PLC用于GM公司生产线上并获得成功。进入20世纪8。年代!随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展!极大地推动了PLC的发展。目前PLC已广泛应用于冶金、矿产、机械、轻工等领域!为工业自动化提供了有力的工具!加速了机电一体化的实现。在自动控制焊机中选择PLC作为控制核心的原因有：a、可靠性高b、控制功能强c、编程方便d、适用于恶劣的工业环境!抗干扰能力强e、具有各种接口！与外部设备连接非常方便f、维修方便等。正因为如此，用PLC控制的气体保护自动焊机在我国被广泛的应用。第1章机械传动装置总体设计1.1拟订传动方案根据设备技术要求及各种传动机构的性能制定传动方案如图（1）aaaaaaaa传动系统设计方案（1）传动方案分析：该设备用于管类零件的直缝焊接，焊接的速度比较低，焊接的质量取决与焊接的速度快慢与稳定性。减速器采用单级圆柱直齿圆柱齿轮，大齿轮输出轴作为减速器的低速轴，可以使输出轴的转速稳定。整个系统传动不太大，电机须频繁启动，对系统的调速性能要求高，为了实现较好的无级调速，选择直流电动机，利用直流电路调速系统实现无级调速。减速器采用单级圆柱直齿圆柱齿轮减速器可以得到一定的传动比，利用二者联合调速可以得到较好的调速性能。1.2丝杠螺母的选择1、丝杠螺母传动的特点及应用用较小的扭矩转动丝杠(或螺母)可使螺母(或丝杠)获得较大的牵引力。可达到较高的降速传动比，使降速机构大为简化，传动链得以缩短。能达到较高的传动精度，用于进给机构还可用作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小读数值可达。.OOlmmo传动平稳，无噪声。在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动，此特点特别适用于作部件升降传动，可防止部件因自重而自动降落。鉴于以上优点，有参考文献②丝杠螺母的传动方式及其应用见表5.7-1的丝杠螺母传动简图(2):V图(2)丝杠螺母传动简图2、丝杠螺母副的选择由参考文献②表5.7-6初选丝杠螺母副丝杠螺母副的基本参数如aaaa表（1）:螺丝杠丝杠螺母丝杠螺纹升丝杠断丝杠距(mm)螺母(mm)断面角面极惯断面(外内中径外内积A性矩I惯性m径径d2径径(n(cm4矩Im)ddl(mm)dd'1cm2))(cm4)4215.1820.11.894°2,40.5660.3305566"741表（1）丝杠螺母副丝杠螺母副的基本参数丝杠的传动效率：由参考文献②查得门=0.7丝杠螺母强度的校核计算：由参考文献②式5.7-19的。顼1+1.6（丄）2<[a]A\：门d其中P一为丝杠所要的最大轴向力NoaaaaaaaaA—丝杠内经的截面积mm2由上表知€d2A=——=1.89x102mm24d一丝杠的内径mm1n一丝杠的传动效率［。］一许用拉应力由于螺纹所引起的应力集中系数不能精确确定，因此取b］=占5，七为材料的屈服点（%"・o=Pi+1.6（丄）2=677-7 '1+1.6（—_4）2=3.96N/ <仏］A\： nd］ 1.89X102 0.7X15.5 /mm21.3电动机选择1、确定驱动负载所需的外力和转矩焊枪的移动速度v由设计要求可知焊枪移动速度范围v=0.5m/min—1.5m/min丝杠的转速n丝杠的螺距为4mm,由参考文献②式当v=0.5m/min时v为n=1000卩=1000乂0・5=125r/minS4当v=1.5m/min时v为n=1°°°卩=1°°。xL5=375"min5 4所以丝杠的转动速度范围为125r/min—375r/min2、 电动机类型和结构形式选择因本设备运转速度低，调速范围广，周期性运行，切运转要平稳可靠，为了得到较好的调速性能，选用Z2系列直流电动机，利用调速电路实现系统的无级调速。安装形式选择卧式。3、 电动机容量确定⑴本设备负载小，属于惯性旋转机构，固按旋转运动计算驱动功率。⑵计算移动部件摩擦阻力矩移动部件的摩擦力矩为主要的功率消耗所以其它的摩擦可以忽不计，由于移动部件的重力定为500N所以移动部件所受的摩擦力为由参考文献②表5.7-3知摩擦系数f=0.1F=500f=500x0.1=50N摩擦阻力矩由参考文献⑥式5-32得FL-f-2兀qi其中L一丝杠螺距i一齿轮减速比为4€—传动效率定为0.7M,LfL=50x4=11.4Nmf2兀qi2兀x0.7x4当丝杠作旋转运动时，克服摩擦阻力矩所需的功率P=0.1047mn/n=0.1047X11.4x375/0.7=639.5W丝 f由参考文献⑦表2-4机械传动的效率得：a、 闭式圆柱齿轮的机械传动效率为q=0.971b、 一对滚动轴承的机械传动效率为q=0.992则机械传动链的总效率€为：€=qq€=0.97x0.99x0.99=0.9512 2驱动功率为：P=丄=6395=673.2W€ 0.95为了扩大设备加工范围，设备的驱动转矩应有足够的余量.另因为传动比较大，调速范围宽，固应选择较高的电机，由参考文献①表13-65,选择系列化FANUC型直流电动机5M型.该电动机技术指标如表（2）:型号额定电压额定转矩额定转速额定功率最大转矩重量5M220V5.9Nm2000800W54Nm17Kgaaaaaaaar/min表（2）电动机技术指标⑶计算传动比由参考文献③知，可选择电力拖动系统为调速范围为中等调速系统即3€D€50n—max=4nn—max=4nmin_nn=—max

min42000=500r/min4i=n/n=500/125=4丝当丝杠转速为375r/min时电机的转速为375x4=1500r/min所以要求电动机的调速范围为500r/min—1500r/min所以能满足要求。i=iXi，为了得到较大调速范围，用晶闸管直流调系统实现无级调晶齿速，调速范围i=4;机械减速利用齿轮单级减速器实现，传动比i=4.晶 齿⑷计算传动装置的运动和动力参数计算各轴转速：按最高转速计算I轴n1=n=1500r/minH轴n2=n1/i=1500/4=375r/min齿丝杠n3=n2=375r/min计算各轴输入功率：I轴P1=pXn联Xr|晶=8OOXO.99XO.9=712.8WH轴P2=p1Xn齿Xn承=712.8X0.97X0.99=684.5W丝杠P3=p2Xn承=684.5X0.99=677.7W计算各轴的输入转矩：I轴T1=TXi Xn联=5.9X4X0.99=23.4Nm晶H轴T2=T1XiXn齿Xn承=23.4X4X0.98X0.99=90.7Nm齿丝杠T3=T2Xn承=90.7X0.99=89.76Nm将运动和动力参数计算结果进行整理并列于表(3)。项目电机轴高速轴I低速轴H丝杠转速(r/min)20001500375375功率(w)800712.8684.5677.7转矩(Nm)5.923.490.789.76传动比4141效率0.90.8730.860.856表(3)运动和动力参数计算结果第2章机械减速器设计2.1齿轮的设计与计算一、 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、 按图所方案，选定直齿圆柱齿轮示的传动传动。移动部件为一般机构，速度不高，故齿轮选定8级精度。2、 齿轮选用便于制造且价格便宜的材料，由参考文献表3-2选取小齿轮材料为45号钢(调质)，HBS=240,大齿轮材料为45号钢(常化)1HBS=200.23、 选取小齿轮数Z=20,大齿轮数Z=iZ=4X20=80。因齿面硬度小1 2 1于350HBS的闭式传动，所以按齿面接触疲劳强度设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。二、 按齿面接触疲劳强度设计由参考文献⑧式(3-24)得设计公式为：d…2.32f打■x"„'x()2mmd H1、确定公式内各参数的数值试选载荷系数K=1.3t计算小齿轮传递的转矩，按高速轴的最低转速计算aaaaaaaaT=95.5 X1=13614.5Nmm=13.6Nm10T=95.5 X1=13614.5Nmm=13.6Nm105p/n=95.5x105x0.7128500由表3-9选取齿宽系数 屮d=0.8由表3-7查得弹性影响系数Z=189.^;MPa由参考文献⑧表3-59查得接触疲劳强度极限。=590Mp;由TOC\o"1-5"\h\zHlim1 a表3-59查得接触疲劳强度极限。=470MpHlim2 a由式3-29计算应力循环次数N=60njL=60X500X1X16X300X15=21.6X1081 1hN=N/u=21.6X108/4=5.4X1082 1由图3—57查的寿命系数K=K=1HN1 HN2计算接触疲劳许用应力。取失效概论为1%,安全系数为S=1,由3—30得Ly]=K3—30得H1 HN1Hlim1[„]=K =470MPaH2 HN2 Hlim22.计算2.计算1)计算小齿轮分度圆直径d:1t/n、KTu+1,Z、今b 丄3x13.65,189.8、QQQd>2.32疽一^• •(闩)2=2.32x3 x_x( )2=38.3m1t 3。u ET] 30.8 4 470d Hm计算圆周速度：V=丸x38.3x500=1m/s60x1000计算载荷系数。根据卩•Z/100=1x20/100=0.2m/s，由图3—10查得1K=1.08;因是直齿圆柱齿轮，取K=1;同时由3—5查得K=1;由图卩 a A3—12查得K=1.12；K=1.25。故载荷系数为H€ F€K=K•K•K•K=1.08x1x1x1.21=1.21AVa€（4）按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径，由3—27B得d=d3K/K=38.3x31.21/1.3=37.4mm计算模数：m=d/Z=37.4/20=1.87mm1 1由参考文献⑨表7—2取模数为标准值，m=2mm计算分度圆直径：d=Zm=20x2=4011d=Zm=80x2=1602 2计算中心矩：a=(d+d)/2=(40+160)/2=100mm1 2计算齿轮宽度：b=^dXd=0.8X40=32mm圆整，取B=35mm,B=40mm21三、校核齿根弯曲疲劳强度由式(16-4)得校核公式为：KYYY」］、b=—tFasa<IOJMPaFbmf1、确定公式内的各参数数值⑴计算圆周力F=2T/d=2X13614.5/40=680.7Ntii⑵查取应力校正系数。由表3-8查得：Y=2.8Y=1.55;Y=2.22;Y=1.77Fa1 Sa1 Fa2 Sa2⑶计算载荷系数：K=KXKXKXK=1X1.08X1X1.25=1.35AVaFp⑷查取弯曲疲劳强度极限及寿命系数。由图3-58查得。 =450Mp;Flim1 a由图3-58查得o =390Mp;由图3-56查得KF=KF=1.Flim2 a N1N2⑸计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=S=1.4,由式3-28F得：[o]= 尸1曲i,1^5°,321.43MPaTOC\o"1-5"\h\zF1 S 1.4K •€ 1x390[o]=———Fiim2, =278.57MPaF2 S 1.4⑹校核计算€,1.35gx2.8x158,50.81依《口F1 40x2 FiYY€ ，€ —Fa2―F2F1YYFaYY€ ，€ —Fa2―F2F1YYFa1sa12.8x1.552.2轴的设计一、高速轴的设计1、 选择轴的材料并确定许用应力由于该减速器传动功率不大，而且对其重量和尺寸也无特殊要求。故选择45号钢，正火处理。由表1。-1查得。=588Mpa;Bo=294Mpa;o=238Mpa;i=138Mpa;[ob]=196Mpa;8 -1 -1 +1[o]=93Mpa;[ob]=54Mpaob -12、 初步估算轴的最小直径，并选择联轴器为保证输出轴上零件装拆方便，安装联轴器轴的直径d为轴的最1小直径。根据公式(10-2)g爲|帶=C・*其中由参考文献⑧表1。-2得t]=35,C=110Td>110x322空=12.4mm3500考虑该轴段上有键槽，将周径增大10%,则取d=12.4x(1+10%)=13.6圆整为d=14mm选择联轴器，按轴传递的扭矩，由参考文献⑦表17-4。选择HL1型弹性柱销联轴器其轴直径为14mm，与轴配合部分的长度为32mm,故该轴最小直径确定为d=14mmoi3、拟定轴上零件的装拆方案如图(3)VIIVIVIVIIIIII图(3)轴上零件的装拆方案(1)确定轴的各段直径和长度I段：如前所示，为轴的最小直径，为和联轴器配合，其直径按轴器其内孔直径确定d=14mm.该轴段长度比联轴器孔长度略小。取1L=30mm，这样可保证轴端挡圈压紧联轴器。1□段直径的确定：为保证联轴器左端用轴肩定位和固定，根据轴肩高度h=(0.07-0.1)d,取h=0.1d=0.1X14=1.4mm,则d=d+2h=14+22 1X1.4=16.8,圆整取d=17mm.这样符合密封毡圈的标准直径。2□段长度的确定：为此应选择轴承型号，由参考文献⑦，因该轴传递的功率不大，选择结构简单价格便宜的深沟球轴承6004,查手册可得轴承内径为20mm，宽度为12mm，同时还应选出轴承端盖的类型及尺寸，轴承端盖根据轴径来选，其宽度尺寸20mm。为了便于装拆轴承端盖至联轴器左端面长度为20mm,考虑以上因素Laaaaaaaa=20+20=40mm2m段直径的确定：该段安装轴承所以直径为20mmm段长度的确定：该段安装轴承轴承宽度为12mmW段直径的确定：该段为轴承的定位轴肩由参考文献⑦得直径为25mmW段长度的确定：该段长度为5mmV段直径的确定：轴承的直径d€44mm.1V段长度的确定：轴承的宽度为b€451卩段直径的确定：该段为轴承的定位轴肩由参考文献⑦得直径为25mm卩段长度的确定：该段长度为5mmVII段直径的确定：该段安装轴承所以直径为20mmVII段长度的确定：该段安装轴承轴承宽度为12mm轴 的 总 长 为L=L+L+L+L+L+L+l=30+40+12+5+45+5+12=149mm1 2 3 4 5 6 7aaaaaaaa经分析可得轴的支撑跨距为137mm、低速轴的设计1、 选择轴的材料，并确定许用应力由于传递的功率不大，而且对其重量和尺寸无特殊要求，故选择45#钢。正火处理，由表10-1查得o=588Mpa;o=294Mpa;B 8o=238Mpa;i=138Mpa;[ob]=196Mpa;[o]=93Mpa;-1 -1 +1 ob[ob]=54Mpa-12、 初步估算轴的最小直径为保证输出轴上零件装拆方便，安装联轴器轴的直径d为轴的最1小直径。根据公式 ，根据公式小直径。根据公式 ，根据公式(10-2)d>955x106■oirrT其中由参考文献⑧表10-2得L]=35,C=110Td>110x30.6845„13.4mm3375考虑该轴段上有键槽，将轴径增大10%,则取d=13.4x(1+10%)=14.7mm。圆整取d=15mm。选择联轴器，按轴传递的扭矩，由参考文献⑦表17-4。选择HL】型弹性柱销联轴器其轴直径为16mm,与轴配合部分的长度为42mm,故该轴最小直径确定为d=16mm。13、拟定轴上零件的装拆方案如图(4)VIVIVIIIII I图(4)轴上零件的装拆方案(1)确定轴的各段直径和长度I段：如前所示，为轴的最小直径，为和联轴器配合，其直径按联轴器其内孔直径确定d=16mm.该轴段长度比联轴器孔长度略小。取1L=40mm,这样可保证轴端挡圈压紧联轴器。1n段直径的确定：为保证联轴器左端用轴肩定位和固定，根据轴肩高度h=(0.07-0.1)d,取h=0.1d=0.1X16=1.6mm剛d=d+2h=16+22 1X1.6=19.2,圆整取d=20mm.这样符合密封毡圈的标准直径。2n段长度的确定：为此应选择轴承型号，由参考文献⑦，因该轴传递的功率不大，选择结构简单价格便宜的深沟球轴承6005,查手册可得轴承内径为25mm，宽度为12mm，同时还应选出轴承端盖的类型及尺寸，轴承端盖根据轴径来选，其宽度尺寸20mm。为了便于装拆轴承端盖至联轴器左端面长度为20mm,考虑以上因素L=20+20=40mm2m段直径的确定：该段安装轴承所以直径为25mmm段长度的确定：该段安装轴承轴承宽度为12mm，挡圈宽度为5mm。W段轴要缩进2mm,所以该段的长度为19mm。W段直径的确定：该段为齿轮的安装轴段，所以该段轴的直径为30mm。W段长度的确定：该段长度为齿轮宽度为40-2=38mmV段直径的确定：该段轴为齿轮挡环，其直径为38mm.V段长度的确定：齿轮挡环的宽度为5mm。卩段直径的确定：该段安装轴承所以直径为25mm卩段长度的确定：该段安装轴承轴承宽度为12mm轴的总长为：L=L+L+L+L+L+L=40+40+19+38+5+12=154mm,1 2 3 4 5 6经分析可得轴的支撑跨距为142mm。2.3键的选择与校核一、高速级轴键的选择及校核1.键类型的选择aaaaaaaa高速级轴上只有与联轴器相配合的轴段有键，其轴径为14mm,联轴器轴孔长度为32mm。由表1。-5查得选用圆头普通平键C型，13为5mm,h为5mm,键槽t=3.0mm,其长度L=B-(5〜10)mm=32-(5〜10)=22〜27mm。由表10-5标准系列查得L=25mm，故选键的型号为C5X25GB1096-72。校核其强度其挤压强度条件由式10-35得q=2T/dklV[q]Mp,式中P PaT=23.4Nm=23400Nmm,d=14mml=L-b/2=25-2.5=22.5mm,k=h/2=5/2=2.5mm,[o]由表10-6查得:P[q]=130MpP a贝，校核其强度Q=2T/dkl=2X23400/14X2.5X22.5=59.4MpP aV130Mpa故强度足够二、低速轴上键的选择及校核键类型的选择低速轴上高速级大齿轮的宽度为40mm,轴径为30mm，由表10-5查得选用圆头普通平键A型上为8mm,h为7mm,其长度L=B-(5〜10)=38-(5〜10)=28〜33mm.由表10-5查得标准系列长度L=28mm，故键型号为8X28 BG1096-79校核其强度其挤压强度条件由式10-35得。=2T/dkl<[q]Mp,式中P PaT=90.7Nm=90700Nmm,d=30mml=L-b/2=38-4=36mm,k=h/2=7/2=3.5mm,[o]由表10-6查得P[o]=130MpP a贝，校核其强度O=2T/dkl=2X90700/30X3.5x36=48Mp<P a130Mpa故强度足够2.4轴承的选择与校核一、高速轴上滚动轴承的寿命1、 圆周力F=1170N,轴向载荷F=0N,t A径向载荷F=Ftga=1170Xtg20°=425.8NRt2、 确定C,C查手册6004型轴承的基本额定动载荷C=7.22KN,ror r基本额定静载荷C=4.45KN.or3、 计算F/C值，并确定e值F/C=0则e=0Aor Aor4、 计算当量动载荷PP=XF+YF,因F/F=0，由参考文献⑧表8-9查得X=l,Y=0,RA AR于是P=XF+YF=1X213=213NRA5、 计算轴承寿命L=16667(fC/fP)£/n，由表8-1查得f=1(常温)，h tp t由表8-8查得f=1.0〜1.2,取f=1.2,6004型号为深沟球轴承，寿命P P指数£=316667nfc—t16667nfc—t—[fp丿'P/16667(1x7220,31000<1.2x425.8丿h=47022.8h、低速轴上滚动轴承的寿命1、 圆周力F=1134N，轴向载荷F=0N，tA径向载荷F=Ftga=1134Xtg20°=413NRt2、 确定C,C查手册6005型轴承的基本额定动载荷C=7.75KN,ror r基本额定静载荷C=4.95KN.or3、 计算F/C值，并确定e值F/C=0则e=0Aor Aor4、 计算当量动载荷PP=XF+YF，因F/F=0，由表8-9查得X=1,Y=0,RAAR于是P=XF+YF=1X413=413NRA5、 计算轴承寿命L=16667(fC/fP)£/n，由表8-1查得f=1(常温)，h tp t由表8-8查得f

「1.。〜1.2,取fp=1.2,6208型号为深沟球轴承，寿命指数f3h=63733.6h16667(3h=63733.6h1000[1.2x413丿2.5箱体结构尺寸选择箱座壁厚箱座壁厚底板箱座壁厚箱座壁厚底板箱座凸缘厚度箱盖凸缘厚度箱座底凸缘厚度地脚螺钉数目地脚螺钉直径轴承旁联接螺栓直径箱盖与箱座联接螺栓直径联接螺栓d的间距2轴承端盖螺钉直径6=12mmiP=2.56=2.5X12=30mmb=1.56=1.5X12=18mmb=1.56=1.5X12=18mm1 1b=2.56=2.5X12=30mm21n=44d=M16td=0.75d=0.75X16=12mm1 fd=(0.5〜0.6)d=0.5X16=8mm2fL=180mmd=0.5d=12mm3 faaaaaaaa定位销直径Ddd至外箱壁距离定位销直径Ddd至外箱壁距离ff2Dd至凸缘边缘距离f2轴承旁凸台半径外箱壁至轴承座距离齿轮外圆与内箱壁距离齿轮轮毂端面与内箱壁距离箱盖、箱座肋厚轴承端盖凸缘厚度t=(1〜1.2)d=1X12=12mm3d=0.8X8=6.4mmC=22mmiC=20mm2R=C=20mmi2l=C+C+(8〜12)=22+20+10=52mmii2△>1.26=1.2X12=14.4mm取15mm1△>6=12mm取15mm2mr0.856=0.85x12=10.2mm11m^0.856=0.85X12=10.2mm第3章焊接专用夹具的设计（略）aaaaaaaa第4章直流调速系统设计4.1直流电动机调速原理直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。直流电机的调速性能好且启动转矩较大，所以本焊接设备采用直流电机，可以得到较好的调速性能，且传动准确，稳定可靠。直流电动机的电磁转矩T与机械负载转矩T1及空载损耗转矩T2相平衡。当轴上的机械负载发生变化时，电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩会自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。电动机的调速是指在同一负载下获得不同的转速，以满足生产要求。由直流电动机机械特性得他励电动机转速公式：n=(U-IR)/K也他励电动机的接线图如图(5)图(5)电动机的接线图调速过程：当磁通也保持不变时，减小电压U。由于转速不会立即发生变化，反电动势E也暂不变化，于是电流I减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则T<Tc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小。I和T也随着增大，直到T=Tc时为止。但是这时电机转速已经降低了。这种调速方法机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性良好;调速幅度较大，而且均匀调节电枢电压，可得到平滑的无级调速aaaaaaaa4.2直流调速系统结构框图设计直流调速系统如用专用设备调节电压，投资费用较高,该设备利用晶闸管整流电源对电动机进行调压以改变其转速.在晶闸管调速系统中，电动机是控制对象，转速n是被调量.采用反馈控制可减小转速降，提高机械特性的硬度,增大调速幅度.综合考虑电机工作原理及晶闸管工作原理等模电知识设计如下小功率晶闸管直流调速系统示意图：如图（6）晶闸管整流II滤波电路｝电机供电及反馈系统交流—电交流—电源整流电路——稳压电路整流电路—稳压电路放大电路触发电路图（6）晶闸管直流调速系统示意图4.3直流调速系统各组成电路设计一、单相半控桥式整流电路（主电路）单相半控桥式整流电路如图（7）:

将单相不可控桥式整流电路其中两个臂的二极管用晶闸管取代，就形成本电路。利用两个二极管D1,D2和两个晶闸管T1,T2的轮流导通,来得到一个脉动的直流电。通过改变晶闸管控制极触发脉冲到来的时间及改变晶闸管导通角的大小，来改变整流电路输出电压的平均值。因为本设备的直流电机额定电压为220V，固外部输入电源为220V交流电。桥式整流电路输出电压和输出电流的平均值为：Uo=0.9U(1+cosa)/2Io=0.9U/Rl(1+cosa)/2另外，晶闸管承受过电压和过电流的能力很差，为了保证电路不被损坏，设备正常运行，采取以下措施：⑴在整流电路的输入端接两个快速熔断器FU1,FU2。因为晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，元件可能会被烧坏，内部发生短路或开路。选用专用于保护晶闸管的快速熔断器，熔丝为银质熔丝，它在同样的过电流倍数之下，可以在晶闸管熔坏之前熔断。将其接在输入端可同时对输出端短路和元件短路实现保护。选择熔断器时其电流定额应接近实际工作电流的有效值。⑵将阻容吸收元件R1,C1串联之后并联在整流电路的输入端。晶闸管耐受过电压的能力很差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，时间很短，就会将元件损坏。因此在输入端并联电容来吸收晶闸管上出现的过电压。就是将造成过电压的能量变成电场能储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉，实现过电压保护。⑶在整流电路输出端即负载两端并联一个二极管D3。因为本电路接有电机励磁绕组和电感滤波，整流电路在接电感性负载时，晶闸管的导通角将大于（180°-a）。在导通周期上，负载会承受负电压，造成整流输出电压和电流的平均值会减小。将二极管并联在负载两端，利用二极管与负载形成回路，从而使晶闸管因承受反向电压而截止。电感元件释放的能量消耗在电阻上。aaaaaaaa二、 滤波电路（主电路）整流电路是将将交流电转换为直流电，但是得到的输出电压是单向脉动的。本焊接设备对工件的调速性能要求高而且平稳性好，固加在电机两端的电压脉动应小，因此还需改善输出电压的脉动程度。利用在整流电路中加接滤波器来改善输出电压波形。因本设备主电路输入为晶闸管电源，对输出电压的脉动程度要求不太高且负载变动较大，固仅需在整流电路输出端串连一个电感滤波器即可。三、 电机供电和反馈电路设计（主电路）触点及反馈电路如图（8）：他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，在电路中分别用励磁绕组电源电压Uv和电枢电源电压U两个直流电源供电.励磁绕组电压用另一个整流器4D供电.利用交流接触器的常开主触点的通断来实现电动机的转动、停止.在本调速系统中利用电压负反馈和电流正反馈来实现电动机转速的自动调节.电压负反馈由电阻Rf来实现，通过电阻Rf将本焊接系统电机电枢两端的电压的一部分经过反馈回路转化为输入端信号Ui的变化。当需要调节转速时，通过一个整流器和一个可变电阻来调节反馈回路中给定直流电aaaaaaaaUs的大小来调节转速。图（8）供电和反馈电路四、整流和稳压电路（控制电路）在单结晶体管的两个基极间和其一个基极与发射极端都需加直流电压。所以在控制电路中根据电路调节幅度的大小，选用两个整流器来得到脉动的直流电。在整流器与交流电源之间接一个变压器，根据需要得到的电压值来选择变压器的型号。为了防止交流电源电压的波动和负载电流的变化引起电机转速不稳定，需在整流电路后端加稳压电路。最简单的直流稳压是通过稳压管来稳定电压。即在整流电路和负载之间再经过限流电阻R和稳压管Dz组成的稳压电路。这样在输出端就可得到一个比较稳定的电压。在选择稳压管时，取aaaaaaaaUz=UoIzm=（1.5一3）IomUi=（2—3）Uo五、放大器和触发电路放大器和触发电路如下图（9）:本电路用于给晶闸管整流电路提供触发脉冲，从而来控制晶闸管导通的时刻。该触发电路为单结晶体管触发电路，利用单结晶体管当其发射极与第一基极之间电压等于晶体管峰点电压Up时，单结晶体管导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压Uv时，单结晶体管就截止这个特点。该触发电路前端带有放大器。由晶体管T1和T2组成直接耦合直流放大电路。T1是NPN型管，T2是PNP型管。Ui是触发电路的输入电压，由给定电压Ug及反馈信号等叠加在一起而得。Ui经T1放大后加到T2。当Ui增大时，T1集电极电流Ic1也增大，从而使T1的集电极电位Vc1，即T2的基极电位Vb2降低，使T2导通，T2的集电极电流Ic2增大。因T2两端电压是不变的，这样相当于晶体管T2的电阻变小，从而使电容器C3的充电加快，充电时间常数等于（R7+R）C。使输出脉冲前移，输出脉冲直接从R8上引出，来触发晶闸管导通，从而使晶闸管的导通角增大。同理，Ui减小时，T2电阻变大，T2电阻的变化对输出脉冲起移相作用，达到调压目的。另外，在电路中加入一些辅助元件，使电路更完善，如下所示：⑴、在放大电路输入信号Ui的给定信号Ug前端需接稳压管D，是为了将整流电路输出的电压变换为梯形波，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲的时间不受交流电源电压的波动的影响。⑵、通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。⑶、晶体管T1输入端的二极管D4用做负电压限幅，以保护T1的发射极不致承受过高的反向电压。R4和C2组成的滤波电路，是为了滤去晶体管输入信号中的高频干扰分量。4.4晶闸管直流调速系统原理电路图经分析现选用晶闸管控制调速，用调节触发电路的触发脉冲来控制晶闸管的输出电压，从而调节直流电机的转速。本设备直流调速系统原理电路图如下图（10）：aaaaaaaa图(10)晶闸管直流调速系统原理电路图一、主电路在主电路中采用的是单相半控桥式整流电路，核心元件是晶闸管，利用其导通时刻可调来工作°D3是续流二极管，L是滤波电抗器°KM3、KM4是电动机正反转交流接触器的触点。电动机的励磁绕组另有整流器供电。aaaaaaaaRl、cl是阻容吸收电路，FU1、FU2是快速熔断器，分别作晶闸管的过电压和过电流保护用。二、 放大器和触发电路图中Us是给定电压，由单独的整流器供给，其值根据生产机械所要求的转速确定，可调节电位器Rp2来改变它的大小。从电位器Rp1和电阻R3上分别取得电压负反馈电压Ufu和电流正反馈电压Ufi，它们在放大器输入端与给定电压比较后，取得差值电压Ud=Ui=Ug-Ufu+Ufi作为晶体管T1的输入电压。放大器是晶体管T1和T2组成的直接耦合直流放大电路，在这里T2相当一个可变电阻，利用电容器充电快慢来衡量单结晶体管输出脉冲的时刻，从而改变晶闸管导通角的大小。三、 晶闸管直流调速系统工作原理工作时，首先根据负载所要求的转速，调节电位器Rp2,来调节触发电路触发脉冲到来的时刻，使晶闸管可控整流电路输出电压的平均值U，满足电动机转速的要求。根据直流电动机调速原理n=(U-IaRa)/Ke也。当电动机负载增大时，电动机转矩增大，因为电动机的转矩与电枢电流成正比，所以电枢电流也增大；由于整流电源内部压降增大，使电动机端电压U降低，根据电机调速原理，转速n也下降，然后通过电压负反馈和电流正反馈回路Us—Ufu—Ufi—Ui反馈后，因Ufu减小，Ufi增大，在放大器输入端与给定电压比较后，得差值电压Ui=Us-Ufu+Ufi,使差值电压Ui增高,并作为晶体管T1的输入电压，Ui经T1放大后加到T2，因Ui增大，使T1集电极电流Icl也增大，从而使T1的集电极电位Vcl，即T2的基极电位Vb2降低，使T2导通，T2的集电极电流Ic2增大。因T2两端电压是不变的，由整流器4X2CP6C供给。这样相当于晶体管T2的电阻变小，从而使电容器C3的充电加快，充电时间常数等于（R7+R）Co使单结晶体管加快导通，输出脉冲前移，输出脉冲直接从R8上引出，加在晶闸管的控制极，晶闸管导通，从而使晶闸管的导通角增大。单相半控桥式整流电路输出电压的平均值也就增大，在一定程度上补偿了电动机电枢两端电压的下降，转速的下降，使转速得以自动调节。但此时转速已经较先前较小了，达到平滑调节电机转速的目的。第5章PLC程序设计设计5.1电气控制系统概述在现代化生产过程中，许多自动控制设备、自动化生产线，均需要配备电气控制装置.电气控制装置的输入输出信号可分为两类:一类为，开关量或数字信号，输入信号有按钮、开关、时间继电器、压力继电器、温度继电器、过电流过电压继电器;输出信号有接触器、继电器、电磁阀.另一类其输入信号是压力传感器、温度传感器、湿度传感器等信号,输出信号是输出电动机、电动阀、距离、速度等控制信号.以往的电气控制装置主要采用继电器、接触器、或电子元器件来实现，由连接导线将这些元器件按照一定的工作程序组合在一起，以完成一定的控制功能，称为接线程序控制.接线程序控制的电气装置体积大,生产周期长，费工费时，接线复杂，故障率高，可靠性差,需要经常地、定时地进行检修维护.控制功能略加变动，就需重新进行硬件组合、增减元器件、改变接线.由于生产的快速发展,人们对自动控制装置提出了更通用、更灵活、更可靠的要求.现在的工业控制系统，可编程序控制器即PLC以广泛取代接线程序控制系统.PLC是利用计算机作为核心设备,用存储的程序控制代替的原来的接线程序控制，并且有较大的存储能力和功能很强的输入输出接口.这种系统不仅具有逻辑运算、定时、记数等功能，而且还能进行中断控制、智能控制、过程控制、远程控制等.通过网络可以与上位机通信,配备数据采集系统、数据分析系统、彩色图像系统的操纵台，可以管理、控制生产线、生产流程、生产车间或整个工厂，实现自动化工厂的全面要求。aaaaaaaa5.2可编程控制器的特点可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计.它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、记数和算术运算等操作的指令，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.可编程控制器与其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计.PLC主要具有以下特点.一、可靠性高PLC采用微电子技术，大量开关动作由无触点的半导体电路来完成,平均无故障时间很长.其完善的自诊断功能，能及时诊断出PLC系统的软件、硬件故障，并能保护故障现场，保证了PLC控制系统的工作安全性.利用存储在其内部的程序来实现控制，又进一步加强了PLC的可靠性.二、 环境适应性强PLC可应用于十分恶劣的工业现场，具有很强的抗空间电磁干扰能力，抗峰值高达10。。伏、脉宽1。卩s的矩形波，电磁干扰,具有良好的抗振能力和抗冲击能力.一般在环境温度-20~65°C情况下可正常工作.三、 灵活通用首先PLC产品系列化，结构形式多种多样，有很大的选择余地.其次,PLC利用应用程序实现控制，在程序编制上有较大的灵活性.在实现不同的控制任务时,PLC具有良好的通用性.四、 使用方便、维护简单PLC控制模块具有即插即卸功能，连接容易；PLC提供标准通讯接口，可以方便构成PLC-PLC网络或计算机-PLC网络;PLC应用程序的编制和调试非常方便；PLC具有监控和诊断功能，可以迅速查找到故障点,对大多数故障都可以及时予以排除.5.3自动直缝焊接设备电气控制系统设计一、控制系统方案概述设备控制要求:本设备用于焊接直缝，焊接时工件固定不动，送丝机构、焊接电源两者需同步启动、停止，且保护气体要先于送丝机构、焊接电源.且操作方式能实现手动、自动切换.焊接过程中，输送二氧化碳气体保护气，有设备的气路系统供应.控制方案:焊接设备控制系统原理图，如图(11)急停过电流保护左限位开关右限位开关自动开关手动开关手动送气启动开关手动送气停止开关自动左进开关左行程开关自动停止开关左进反接电阻信号"一TSE2JSl:3SB-1y急停过电流保护左限位开关右限位开关自动开关手动开关手动送气启动开关手动送气停止开关自动左进开关左行程开关自动停止开关左进反接电阻信号"一TSE2JSl:3SB-1ySEGJ区齐舟Sbt11：启『手动/点动左进开关1自动右进开关-右行程开关-右进反接电阻信号.手动/点动右进开关】Mw]0.110.2DO.l]0.3]■■■-in..；I0.uL10./GO.j]：...11.：[)W・Pco.LI..4C—In]：.Gxl.U11.7]L；：■!.：-LUNI4己冷L电源指示灯自动指示灯手动指示灯手动送气左进电机启动自动左进送气延时停止左进切除反接电阻右进电机启动自动右进送气延时停止右进切除反接电阻3J，••交流电图(11)焊接设备控制系统原理图动作顺序：手从零件中取出工件放在V型块上，然后用专用夹具夹紧，准备焊接。移动焊枪，焊矩与工件位置由手轮调整.按动启动按钮，气路系统开始向焊接区送入二氧化碳保护气体.两秒钟后，主电机、送丝机构、焊接电源三者同时启动，开始焊接.aaaaaaaa（4） 在焊接过程中，由行程开关检测焊接终点位置，当焊枪移动到焊接终点位置时，行程开关给PLC一个信号,主电机、送丝机构、焊接电源停.（5） 以上步骤全部正确操作完毕，此焊接工序结束.二、 硬件设计这是一个单体控制的小系统，没有特殊的控制要求，开关量输入点有17个（自动保护开关、复位、手动/自动、手动启动/停止、行程开关、限位开关），开关量输出点有1。个（三个状态指示灯、六个接触器、四个时间继电器等），输入输出点共为27个。据此，可以选用一般中小型控制器。本焊接设备需要不断改进，来提高焊接工艺。固在这里我们留出一些输入输出点，以备系统改进用。本设备选用环境适应性较强的西门子公司（SIEMENS）生产的PLC,S7-20。型。输入/输出点总共为40个，其中输入点为24个，输出点为16个。该设备的总体控制系统原理图如附图三、 控制流程图如图（12）本程序设计中不但要求能够自动控制，而且自动/手动可切换.本控制的原始条件是主电机、送丝机、焊接电源均未启动,工作台上没装工件,所有