基于PLC的切管機設計論文

1、基于plc的切管機設計第一章前言此次設計的切管機，主要用于機車車輛上所用通風、通水管。因此，下料所要求的精度不高。車輛廠平時需要切削大量的3/8和4/8英寸的金屬管。如果用手工切斷，勞動強度大，生產效率低，產品質量差。因此，需要一臺，通用性好，耐用以與抗磨損的切管機。切管機的主要參數為，滾珠轉速70r/min,圓盤刀片的直徑為80mm,加工管件的直徑圍為3/8-4/8英寸，電動機的額定功率為1.5千瓦，滿載轉速1400r/min，每天工作十小時，工作載荷變動小。切管機的工作原理如下：動力由電動機經過三角帶輸出，渦輪減速箱，開始齒輪傳動傳到一對磙子。從而帶動工件的旋轉。實現(xiàn)切削時的主運動。與此同

2、時，操作手輪，通過螺旋傳動，將圓環(huán)刀片向下運動，并在不斷增加刀片對管子的壓力過程中，實現(xiàn)管子的切割工作。為了順利實現(xiàn)上面的運動，要對傳動系統(tǒng)中的電動機做出選擇，擬定傳動方案，并且對于各軸的轉速、功率和轉矩以與各主要傳動件的參數（包括帶傳動的設計、齒輪模數的確定以與蝸桿蝸輪模數的確定和齒數的確定）進行設計與計算，對于各軸的最小直徑，各主要傳動件的尺寸，包括（三角帶輪，齒輪，蝸桿蝸輪），也要給出相應的計算。接著，對各數值進行校核。最后再由經過計算的數值來繪制裝配圖，完成設計。由于產品較大，大致可以分為五個部分：刀頭架，滾子，機柜，電器和減速箱。而各部分時分開設計的，因此要注意考慮各部分的裝配關系。

3、其中減速箱部分需要著重進行設計，由于這里結構眾多且結構復雜，而整個箱體又時在整體焊接后需要進行裝配密封的部件，所以需要詳細標注。切管機的運用，主要是為了降低勞動強度，節(jié)省人力，提高產品質量。當然，保證性價比也是這次設計的重要考慮項目之一。由于切管機在實際生產中早已廣泛應用，在使用與制造方面，已有一定的經驗，本次設計中有關切管機的一些參數，都采用已有的規(guī)定。因水平有限，論文中不免有疏忽與錯誤的地方，敬請批閱老師指正。第二章切管機控制方法與控制系統(tǒng)的確定切割機控制系統(tǒng)有繼電器控制、單片機控制、PLC控制等。現(xiàn)將幾種控制系統(tǒng)作出分析比較選取最優(yōu)的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)其功能。（1）PLC與繼電器控制的比較1

4、.功能強，性能價格比高2.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強3.可靠性高，抗干擾能力強4.系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少5.編程方法簡單6.維修工作量少，維修方便7.體積小，能耗低（2）PLC與單片機的比較1 對單項工程或重復數極少的項目，采用PLC方案是明智、快捷的途徑，成功率高，可靠性好，但成本較高。 2對于量大的配套項目，采用單片機系統(tǒng)具有成本低、效益高的優(yōu)點，但這要有相當的研發(fā)力量和行業(yè)經驗才能使系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運行。最好的方法是單片機系統(tǒng)嵌入PLC的功能，這樣可大大簡化單片機系統(tǒng)的研制時間，性能得到保障，效益也就有保證。2.1 PLC的特點1.高可靠性：所有的I/O接口電路均采用光

5、電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC部電路之間電氣上隔離。各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為1020ms.各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。采用性能優(yōu)良的開關電源。對采用的器件進行嚴格的篩選。良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2.豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如：按鈕；行程開關；接近開關；傳感器與變送

6、器；電磁線圈；控制閥等直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯(lián)網的接口模塊，等等。3.采用模塊化結構為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架與電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。4.編程簡單易學PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5.安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)

7、境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。6. PLC的功能：(1) 邏輯控制。(2) 定時控制。(3) 計數控制。(4) 步進(順序)控制。(5) PID控制。(6) 數據控制：PLC具有數據處理能力。(7) 通信和聯(lián)網。(8) 其它：PLC還有許多特殊功能模塊，適用于各種特殊控制的要求，如：定位控制模塊，CRT模塊。第三章 切管機傳動裝置的設計計算傳動裝置的設計與動力的選擇有關，在動力選擇好之

8、后就可以擬定傳動方案，進行運動學的計算。方案說明： 用碾壓的方法切斷金屬管，需要金屬旋轉的切削運動和圓盤刀片向下的進給運動。這種方法是連續(xù)切削的。生產效率高，機器的結構不太復雜。但是這種傳動方案的一大缺點是，在切削時的擠壓過程中，管子的徑會縮小。一般用于對管子要求不高的場合。2.1電動機的選擇2.1.1電動機功率的選擇電動機工作環(huán)境為連續(xù)工作，變化很少，并且載荷穩(wěn)定的場合。一般PmPr10%此處：Pm已經給出所以：Pm1.5kw2.1.2電動機轉速的選擇此處電動機的轉速已經給出 n1400r/min2.1.3電動機類型的選擇經查表，得同一功率的三相異步電動機有以下三種型號、轉速的選擇：Y90S

9、-2 2840r/minY90L-4 1400r/minY100L-6 940r/min根據要求，最終選定三相異步電動機的型號是： Y90L-42.2 傳動方案的擬定總的傳動比的確定：綜合考慮各方面要求，確定傳動方案如下：初定傳動比：2.3計算各軸的轉速、功率和轉矩已知電動機的數據如下：查表可知各級傳動效率如下：（1）計算各軸轉速如下：（2）各軸功率計算如下：（3）各軸傳遞的轉矩計算如下：注：軸3為設計上特別增加的惰輪，所以，軸3不承受轉矩，只承受彎矩。2.4進行傳動機構的設計與計算2.4.1帶傳動的設計與計算工況系數 查表得 計算功率 選擇帶的型號 查表得 A型小帶輪直徑 查表得 取大帶輪直

10、徑 大帶輪轉速 （2）計算帶長求求初取中心距 帶長 由V帶基準長度圖表，可得 （3）求中心距與包角中心距 小帶輪包角 >(4)求帶的根數帶速 傳動比 帶的根數 由查表得 由查表得 由查表得 由查表得 所以（5）求軸上載荷緊力 軸上載荷 V帶輪的尺寸計算（1）小帶輪小帶輪直徑 查表 得mm 輪寬 外徑 孔徑 此處的孔徑依據電機的輸出軸為準 由查表 （2）大帶輪大帶輪直徑 查表 得 mm 外徑 （3）結構選擇選擇輻板式結構輪緣直徑 輪轂直徑 mm輻板孔圓周定位尺寸 2.4.2蝸桿蝸輪傳動的設計與計算查表選?。何仐U采用45鋼、表面硬度>45HRC。 蝸輪的材料選用ZCuSn10P1、砂型

11、鑄造初選的值當量摩擦系數 設 由查表 取最大值 、 、 、（2）中心距的計算蝸輪轉矩使用系數 查表 得轉速系數彈性系數 根據蝸輪副材料查表 得 壽命系數接觸系數 由查表 得接觸疲勞極限 由查表 得 接觸疲勞最小安全系數 自定中心距（3）傳動基本尺寸蝸桿頭數 由查圖表 得 、蝸輪齒數模數 蝸桿分度圓直徑 取蝸輪分度圓直徑蝸桿導程角蝸輪寬度蝸桿圓周速度相對滑動速度當量摩擦系數 經查表 得（4）齒面接觸疲勞強度計算許用接觸應力最大接觸應力應為105MPa<173MPa 所以 合格（5）齒輪彎曲疲勞強度驗算齒根彎曲疲勞強度極限 由查表 得 彎曲疲勞最小安全系數 自取 許用彎曲疲勞應力 齒輪最大彎

12、曲應力 應為< 所以 合格（6）蝸桿軸撓度驗算軸的慣性距 允許蝸桿撓度 蝸桿軸撓度 合格2.4.3齒輪傳動的設計與計算 第一對齒輪（齒輪2為惰輪）齒輪材料選擇小齒輪材料：40Gr 、采用調制處理，硬度241HB-086HB 、取平均260HB大齒輪材料：45鋼、 采用調制處理，硬度 229HB-286HB 、 取平均240HB齒面接觸疲勞強度計算初步計算轉矩齒寬系數 由查表 得 接觸疲勞極限 由查圖 得 初步計算得許用接觸應力值 由查表 得 初步計算小齒輪直徑 取初步齒寬b 取2）校核計算圓周速度 精度等級 由查表 得 選取八級精度齒數z與模數m初取齒數 取則 使用系數 由查表 得 動載

13、系數 由查表 得 齒間載荷分配系數 先求由此 得 齒向載荷分布系數 由查表 得載荷系數彈性系數 由查表 得 節(jié)點區(qū)域系數 由查表 得 接觸最小安全系數 由查表 得 總工作時間 接觸壽命系數 由查表 得 許用接觸應力MPa驗算 因為小于690MPa 合格計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調整。（2）確定傳動主要尺寸實際分度圓直徑mm中心距齒寬（2）齒根彎曲疲勞強度驗算重合度系數齒間載荷分配系數 經查表 齒間載荷分布系數載荷系數齒形系數 由圖表 得應力修正系數 由圖表 得彎曲疲勞極限 由圖表 得彎曲最小安全系數 由圖表 得應力循環(huán)次數 由查表 得 彎曲壽命系數 由查表 得 許用彎曲應

14、力 彎曲壽命 由查表 得 驗算 第二對齒輪的計算齒輪2 為惰輪，即此處的大齒輪。材料為45鋼，調制處理，硬度為229HB-286HB。平均取 240HB（主動）。齒輪3 為小齒輪，材料選擇40Gr，調制處理，硬度值為241HB286HB,平均取260HB.(1)齒面接觸疲勞強度計算1)初步計算轉矩齒寬系數 由查表 得 接觸疲勞極限 由查圖 得 初步齒寬b ?。?）校核計算圓周速度 精度等級 由查表 得 選取八級精度齒數z與模數m已知 使用系數 由查表 得 動載系數 由查表 得 齒間載荷分配系數 先求由此 得 齒向載荷分布系數 由查表 得載荷系數彈性系數 由查得 節(jié)點區(qū)域系數 由查表 得 接觸最

15、小安全系數 由查表 得 總工作時間 接觸壽命系數 由查表 得 許用接觸應力驗算 因為小于884MPa 所以合格計算結果表明，接觸疲勞強度較為合適，齒輪尺寸無需調整。（3）確定傳動主要尺寸實際分度圓直徑mm中心距齒寬（2）齒根彎曲疲勞強度驗算重合度系數齒間載荷分配系數 經查表 載荷系數齒形系數 由圖表 得 應力修正系數 由圖表 得 彎曲疲勞極限 由圖表 得 彎曲最小安全系數 由圖表 得 彎曲壽命系數 由查表 得 許用彎曲應力 彎曲壽命 由查表 得 驗算 第三章 結構計算3.1各傳動軸尺寸的計算與校核3.1.1蝸桿軸的尺寸計算與校核（1）估計軸的基本直徑。材料選用 45鋼、正火處理。 查表 得：硬

16、度（HBS）17.217強度極限， 屈服極限， 彎曲疲勞極限查表 ?。?）初估直徑應為最小處開有鍵所以直徑增大（3）軸的受力分析1.求軸傳遞的轉矩 2.蝸桿上圓周力蝸桿上徑向蝸桿上軸向力畫出受力圖（b）3.計算支反力水平面反力 垂直面支反力 水平面（xy）受力圖 見圖（c）垂直面（xz）受力圖 見圖（e）4.畫軸的彎矩圖水平面彎矩圖 見圖（d） 圖垂直面彎矩圖 見圖（f） 圖合成彎矩圖 見圖（g） 5.畫軸的轉矩圖軸受轉矩轉矩圖 見圖（h）6.許用應力許用應力值 查表 得7.畫當量彎矩圖當量轉矩 當量彎矩 蝸輪中間截面處 右軸頸中間截面處3.1.2蝸輪軸的尺寸計算與校核（1）估計軸的基本直徑。

17、材料選用 45鋼、正火處理。 查表 得：硬度（HBS）170-217強度極限， 屈服極限， 彎曲疲勞極限查表 取（2）初估直徑應為最小處開有鍵所以直徑增大（3）軸的受力分析1.求軸傳遞的轉矩 2.蝸桿上圓周力蝸桿上徑向蝸桿上軸向力畫出受力圖（b）3.計算支反力水平面反力 垂直面支反力 水平面（xy）受力圖 見圖（c）垂直面（xz）受力圖 見圖（e）4.畫軸的彎矩圖*99水平面彎矩圖 垂直面彎矩圖 合成彎矩圖 見圖（g）5.畫軸的轉矩圖軸受轉矩 轉矩圖 見圖（h）6.許用應力許用應力值 查表 得7.畫當量彎矩圖當量轉矩 當量彎矩 蝸輪中間截面處 3.1.3滾輪軸的尺寸計算與校核（1）估計軸的基本

18、直徑。材料選用 45鋼、正火處理。 查表 得：硬度（HBS）170-217強度極限， 屈服極限， 彎曲疲勞極限查表 ?。?）初估直徑應為最小處開有鍵所以直徑增大（3）軸的受力分析1.求軸傳遞的轉矩 2.蝸桿上圓周力蝸桿上徑向蝸桿上軸向力畫出受力圖（b）3.計算支反力水平面反力 垂直面支反力 水平面（xy）受力圖 見圖（c）垂直面（xz）受力圖 見圖（e）4.畫軸的彎矩圖水平面彎矩圖 合成彎矩圖 5.畫軸的轉矩圖軸受轉矩 轉矩圖 見圖（h）6.許用應力許用應力值 查表 得7.畫當量彎矩圖當量轉矩 當量彎矩 第五章 結論此次畢業(yè)設計的題目是金屬切管機的設計，在整個設計的過程中，充分回顧了在大學四年

19、里所學習的機械原理、機械設計、材料力學、理論力學、工程制圖學等等的科目。從這一設計題目的綜合運用中，更是把所學的這些知識有了一個大的融會與應用，從而所學的知識也不再是死的，有了一個比較全面的復習。在設計與計算的過程中，也遇到了許多的困難與問題。通過查找資料，將這些問題解決的這種獨立的解決問題和思考的方法，是在這次設計中我得到的一個最大的收獲。當然，從中也大致了解了一些產品設計的基本方法，這也將是一次寶貴的實踐經驗。相信在以后的工作中，將會有很大幫助。第六章 致在此，最要感的是指導我這次畢業(yè)設計的老師。他不厭其煩的指導和幫助，以與其本人嚴謹而認真的工作研究態(tài)度，也給我留下了深刻的印象。最后，再次向在我的這次畢業(yè)設計中幫助、指導我的各位老師與同學，表達最真誠的意。第七章 參考文獻1 邱宣懷. 機械設計（第四版）. 高等教育， 1997：233-237、317-3192 紀名剛. 機械設計（第七版）. 高等教育，2001：344-3763 黃純穎機械創(chuàng)新設計高等教育，2000：87-984 何珍秀機械系統(tǒng)設計工業(yè)大學，2001：324-3545 桓. 機械原理（第七版）. 高等教育， 2006：217-233、345-4346 申永勝機械原理教程(第1版)清華大學，1999：1-567 單輝祖. 材料力學（第二版）. 高等教育， 2004：162-1788 徐祖茂. 機械工程