機電一體化課程設(shè)計

1、課程設(shè)計的目的2機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)及設(shè)計參數(shù)2一、系統(tǒng)總體改造方案的確定4二、工作臺旋轉(zhuǎn)機械部分的改進4三、工作臺升降機械部分改進7四、最佳方案9五、其他機械部分改進10六、控制部分方案設(shè)計13小結(jié)16參考文獻16附圖課程設(shè)計的目的1）學(xué)習(xí)機電一體化系統(tǒng)總體設(shè)計方案擬定、分析與比較的方法。2）通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計掌握兒種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計 計算方法與選用原則。齒輪同步帶減速裝置、蝸桿副、滾珠絲杠螺母副、直線滾 動導(dǎo)軌副等。3）通過對進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電動機的工作原理、計算選擇方 法與控制驅(qū)動方式，學(xué)會選用典型的位移速度傳感器；如交流、步進伺服進給系

2、 統(tǒng)，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，直線光柵等。4）通過對控制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握一些典型碩件電路的設(shè)計方法和控制軟件的設(shè) 計思路；如控制系統(tǒng)選用原則、cpu選擇、存儲器擴展、i/o接口擴展、a/d與 d/a配置、鍵盤與顯示電路設(shè)計等，以及控制系統(tǒng)的管理軟件、伺服電機的控制 軟件等。5）培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的 思路。6）鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻資料以及撰寫科技論文的能力。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計任務(wù)及設(shè)計參數(shù)1、課程設(shè)計名稱旋轉(zhuǎn)工作臺的機電一體化設(shè)計2、設(shè)計任務(wù)1.1機械部分說明該機構(gòu)的工作原理、傳動支撐方式、導(dǎo)向方式、預(yù)緊方式等；若有必 要，可在提供

3、的cad圖中按自己認為合理的方式進行修改。設(shè)計限位裝置（如接近開關(guān)的安裝支座）1.2控制部分該裝置由兩臺異步電動機驅(qū)動，其中一臺電機控制工作臺在90度范圍內(nèi)往 復(fù)旋轉(zhuǎn)，另一臺電機控制工作臺上的托車昆轉(zhuǎn)動，完成工件輸入、停止和輸出的動 作。要求用繼電器接觸器控制系統(tǒng)、或plc、或單片機完成上述動作的控制1.3提交的設(shè)計文件設(shè)計說明書（a4）、機械部分圖紙（al） i張、電氣控制圖（a3） 23張。3相關(guān)電氣參數(shù)3.1電機y系列（ip44）小型三相異步電動機技術(shù)數(shù)據(jù)（380v、50hz）.型號： y801-2額定功率/kw:0.75鐵心長度/mm:65氣隙長度/mm:0.3定子外徑/mm:120定

4、子內(nèi)徑/mm:67定子線規(guī)nc-dc:1 -0.63每槽線數(shù)：111并聯(lián)支路數(shù)：3繞組型式：單層交叉節(jié)距： 19/210/1811榊數(shù) z1/z2:18/16轉(zhuǎn)動慣量/（kg ma2）:0.00075質(zhì)量/kg： 163.2 plc（參考）fx2n-32mr-001電源電壓220v ac輸出電壓220v ac 3.3接近開關(guān)（參考）系統(tǒng)總體改造方案的確定我這次課程設(shè)計主要針對旋轉(zhuǎn)工作臺機械部分的改造。將原方案中的rti原來 的通過電機帶動渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動是工作臺旋轉(zhuǎn)，由液壓缸伸縮控制工作臺升降；改 成由液壓缸升降工作臺使與工作臺固定的軸在特制的套筒按一定的軌跡移動，已 達到旋轉(zhuǎn)特定角度且上升到指定

5、高度的口的；工作臺上升高度可以通過手動控制 液壓缸的電磁閥控制。這樣不僅簡化了轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)，降低加工制造成本，而且 提高了旋轉(zhuǎn)角度的定位精度。工作臺傳送工件rti電機通過減速器和聯(lián)軸器帶動限 力式輾軸的轉(zhuǎn)動，輾軸間通過鏈條連接，已達到傳送工件的目的，而工件的位置 則由擋板控制。二、工作臺旋轉(zhuǎn)機械部分的改進1、原方案（圖一）圖一該方案的工作過程：電動機止轉(zhuǎn)經(jīng)聯(lián)軸器帶動蝸桿渦輪使工作轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn) 到90°后，電動機停轉(zhuǎn)，電動機反轉(zhuǎn)時，工作轉(zhuǎn)臺回到原來的位置。分析不合理處：a、該方案中采用三相異步電動機不合理。在工作中電機需頻繁啟動，很容 易使電機損壞。b、電動機與蝸桿直接用聯(lián)軸器連接不

6、合理。首先，三相界步電機轉(zhuǎn)速都較 快，而轉(zhuǎn)臺只需轉(zhuǎn)半圈，則需耍較大傳動比的渦輪蝸桿，結(jié)構(gòu)過大，明顯不適合 用在此處。其次，若工作過程中發(fā)生卡死故障，由于電動機與蝸桿直接用聯(lián)軸器 連接，很可能導(dǎo)致燒壞電機并11有可能引發(fā)安全事故。c、軸承端沒有擋油環(huán)，不利于潤滑2、改進方案（1）針對a處改進方案 槽輪機構(gòu)該方案與方案一的類似，不同之處為聯(lián)軸器后面加上了一個槽輪機構(gòu)（圖三）, 由榊輪帶動渦輪蝸桿轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)動工作臺。其工作原理為撥銷盤以不變的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)，撥銷轉(zhuǎn)過20時，槽輪轉(zhuǎn)過相鄰兩槽間的夾角為2°,在撥銷轉(zhuǎn)過其余 的部分時，即2（龍一 “），槽輪靜止不動，直到撥銷進入下一個槽內(nèi)，又重復(fù)

7、以 上循環(huán)，這樣就將撥銷盤的連續(xù)運動變?yōu)椴圯喌拈g歇運動。圖三圖二槽輪傳動機構(gòu)分析：采用槽輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速迅速，從動件能在較短的吋間內(nèi)轉(zhuǎn)過的 較大的角度，傳動效率高，槽輪單位時間內(nèi)與靜止時間比值相等，由于槽輪的角 速度不是常數(shù)，轉(zhuǎn)速的開始和結(jié)束有一定大小的速度，從而產(chǎn)生了沖擊，采用鎖 緊弧和定位弧定位，其定位精度不是很高，與方案一相比，避免了電機的頻繁啟 動，直選首先設(shè)置好時間節(jié)拍即口j,保護了電機的及電路，降低了事故發(fā)生的頻 率。 將三相異步電機換成液壓馬達，因為液壓馬達時將液壓轉(zhuǎn)換成機械能， 不會因頻繁啟動而燒壞。 在電機與聯(lián)軸器間增加一個離合器，當(dāng)工作臺達到指定位置時，松開離 合器

8、。而電機町以連續(xù)工作。 蝸形凸輪傳動機構(gòu)圖四蝸形凸輪的傳動機構(gòu)工作原理：蝸形凸輪以角速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)過&時，轉(zhuǎn)盤就 轉(zhuǎn)過°,在凸輪轉(zhuǎn)過其余角為（2龍一°）,轉(zhuǎn)盤停止不動，并靠凸輪的棱邊卡在 兩滾子中間，使轉(zhuǎn)盤定位。這樣，凸輪的連續(xù)運動就轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)盤的間歇運動。(2)、針對b處改進方案 對于速度較快問題，可以在電機和聯(lián)軸器之間加上減速器，降低輸入軸 速度。 而為防止卡死時電機損壞，我們可以將剛性銷連接改成安全銷連接，其 結(jié)構(gòu)如下圖。原理當(dāng)輸出軸扭矩過大時，安全銷會自動切斷，已達到保護電機的 效果。還可以在電動機后加一個帶傳動機構(gòu)，當(dāng)發(fā)生卡死時，帶輪會出現(xiàn)打滑。原方案改進后

9、對比分析：與前兩種方案相比，只是在聯(lián)軸器的后面加上一個蝸形凸輪傳動機構(gòu), 就能得到如下特點：(1)能得到任意轉(zhuǎn)位時間和靜止時間之比，其工作吋間系數(shù) k比槽輪機構(gòu)??；(2)能實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤所要求的各種運動規(guī)律;(3)與槽輪機構(gòu)相比， 能夠用于工作位數(shù)較多的設(shè)備上，而但不需要加入其它的傳動機構(gòu)；(4)在一般 情況卜，凸輪棱邊的定位糟度已滿足耍求，而不需要其它定位裝置；(5)有足夠 的剛度和韌性、裝拆方便；而不足之處為成本較高，與前兩種方案相比，造價是 最昂貴的，其效果也是最好的，避免了電機的頻繁啟停，保護了電路和電機，更 加安全可靠。三、工作臺升降機械部分改進1、原方案（圖七）圖七工作原理：液壓缸工作使

10、工作臺上升，宜至超過扌當(dāng)板后，電動機的啟動帶動 渦輪蝸桿，使工作臺旋轉(zhuǎn)90°,該方案用液壓缸與驅(qū)動工作臺上升，太復(fù)雜冃液 壓缸精度要求高，造價昂貴，工作效率不高，耗能大，轉(zhuǎn)動部分采用電動機帶動 渦輪蝸桿，從而使工作臺旋轉(zhuǎn)90°,較復(fù)雜且渦輪蝸桿造價高，不經(jīng)濟。木方案的工作原理：液壓缸工作使桿支撐工作太上升，到曲槽剛好到達工作臺高 于擋板，桿沿曲槽上升旋轉(zhuǎn)到曲槽頂時，剛好旋轉(zhuǎn)90°。與原方案相比：都用了液壓缸，但缺少了電動機帶動渦輪蝸桿使工作臺旋轉(zhuǎn)，用 曲槽代替，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本，相比第一種方案好。3、改進方案二設(shè)計(圖九)此方案的工作原理：絲桿軸的旋轉(zhuǎn)可使其在水

11、平方向的移動，使支撐桿 仲張和收縮，從而使工作臺的上下移動。圖九方案比較：與前兩種方案相比較，用絲桿代替液壓缸，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)約成本，操 作方便。綜合考慮：第三種方案最經(jīng)濟，前兩種方案都用了液壓缸，第二種方案比第一 種方案好，液壓缸精度高，但效率很低，成木不經(jīng)濟。第三種方案升降部分用絲 桿軸的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)部分用電機帶動渦輪蝸桿，從而地使工作臺旋轉(zhuǎn)90°,沒方 案二的旋轉(zhuǎn)部分經(jīng)濟，但整體考慮，方案三比方案二更好。四. 最佳方案將工作臺的旋轉(zhuǎn)和升降設(shè)計成由一個系統(tǒng)控制如圖，工作原理：當(dāng)液壓缸上升時, 工作臺帶動軸上升，而軸由于被限制在套筒屮，只能按照套筒上所開的槽的軌跡 移動。套筒上的槽形軌

12、道是螺旋上升且只旋轉(zhuǎn)9()度。這樣不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 減少成本；而且滿足旋轉(zhuǎn)精度。-于-五. 其他機械部分改進1、潤滑密封原方案中軸的軸承部分（圖十）； 匚圖十分析：該方案軸承的下端沒有擋油環(huán)，故潤滑脂很容易漏岀來，且會冇雜質(zhì)進入 潤滑脂中影響軟化效杲。改進后的方案（圖十一）圖十一對比分析：改進后，下端面加擋油環(huán)，潤滑時將潤滑油滴入軸承，影響軸承的運 轉(zhuǎn)和壽命，左端增加了一個隙縫密封，在密封隙里加入潤滑脂，在捉高密封效果 的同時防止了雜質(zhì)進入軸承，以免損壞軸承。2、導(dǎo)軌部分（圖十二）分析：該方案溝槽內(nèi)部不方便能潤滑，月旋轉(zhuǎn)是摩擦較大。加工業(yè)不經(jīng)濟，所以 得改進。改進后的方案（圖十三）分析對比

13、：與原方案相比，導(dǎo)軌榊位v型椚，可儲存潤滑劑，加工方便，結(jié)構(gòu) 簡單，加工成本低，降低了摩擦阻力，方向精度高，對溫度變化不敏感，工藝性 好。2)升降導(dǎo)軌的設(shè)計考慮到工作臺是豎直方向移動，所以，選用閉式矩形導(dǎo)軌或燕尾槽式導(dǎo)軌，由于 這里對導(dǎo)向精度沒有較高要求，我這里選擇閉式矩形導(dǎo)軌如圖閉式矩形導(dǎo)軌3、傳送部分機械改進1) 原方案有三相異步電動機通過減速機構(gòu)再帶動轆筒轉(zhuǎn)動，使工件達到指定位置，有扌肖板這個方案中冇擋板定位不夠精確，并且會對擋板產(chǎn)生較犬沖擊力，當(dāng)工件到達擋 板后電機還會轉(zhuǎn)動，使輾筒與工件之間則會產(chǎn)生較大摩擦力。2）改進方案將餛筒用限力式餛筒，當(dāng)工件到達擋板后，電機轉(zhuǎn)動但餛筒外表而不會轉(zhuǎn)

14、動。六. 控制部分方案設(shè)計1、工件傳送控制工件傳送只需控制電機正反轉(zhuǎn)即可，采用接觸器聯(lián)鎖的正反轉(zhuǎn)控制。電氣圖如下 a.控制原理：當(dāng)按下正轉(zhuǎn)啟動按鈕sb1后，屯源相通過熱繼屯器fr的動斷接點、停止按鈕 sb3的動斷接點、正轉(zhuǎn)啟動按鈕sb1的動合接點、反轉(zhuǎn)交流接觸器km2的常閉 輔助觸頭、正轉(zhuǎn)交流接觸器線圈km1,使正轉(zhuǎn)接觸器km1帶電而動作，其主觸 頭閉合使電動機正向轉(zhuǎn)動運行,并通過接觸器km1的常開輔助觸頭自保持運行。 反轉(zhuǎn)啟動過程與上面相似，只是接觸器km2動作后，調(diào)換了兩根電源線u、w 相（即改變電源相序），從而達到反轉(zhuǎn)目的。b.互鎖原理:接觸器km1和km2的主觸頭決不允許同吋閉合，否則

15、造成兩相電源短路事故。為了保證一個接觸器得電動作時，另一個接觸器不能得電動作，以避免電源的相 間短路，就在正轉(zhuǎn)控制電路屮串接了反轉(zhuǎn)接觸器km2的常閉輔助觸頭，而在反 轉(zhuǎn)控制電路中吊接了止轉(zhuǎn)接觸器km1的常閉輔助觸頭。當(dāng)接觸器km1得電動 作時，串在反轉(zhuǎn)控制電路中的km1的常閉觸頭分斷，切斷了反轉(zhuǎn)控制電路，保 證了 km1主觸頭閉合時，km2的主觸頭不能閉合。同樣，當(dāng)接觸器km2得電 動作時，km2的常閉觸頭分斷，切斷了正轉(zhuǎn)控制電路，可靠地避免了兩相電源 短路事故的發(fā)生。這種在一個接觸器得電動作時，通過英常閉輔助觸頭使另一個 接觸器不能得電動作的作用叫聯(lián)鎖（或互鎖）。實現(xiàn)聯(lián)鎖作用的常閉觸頭稱為聯(lián)

16、2、工作臺升降和旋轉(zhuǎn)控制工作臺升降和旋轉(zhuǎn)采用三位四通電磁閥控制液壓回路，如圖a3工作原理：當(dāng)有壓力油進入時，回油路的單向閥被打開，壓力油進入工作液壓缸。 但當(dāng)三位四通電磁換向閥（y型）處于中位或液壓泵停止供油時，兩個液控單向 閥把工作液壓缸內(nèi)的油液密封在里面，使液壓缸停止在該位置上被鎖住。（如果 工作液壓缸和液控單向閥都具有良好的密封性能，即使在外力作用下，回路也能 使執(zhí)行元件保持t期鎖緊狀態(tài)）。在圖示位置時，由于y型三位四通電磁換向閥處于屮位，a、b、t 口連通，p 口不向工作液壓缸供油，保持壓力，缸兩腔連通。此時，液壓泵輸出油液經(jīng)溢流 閥流回油箱，因無控制油液作用，液控單向閥a, b關(guān)閉，

17、液壓缸兩腔均不能進 排油，于是，活塞被雙向鎖緊。要使活塞向上運動，則需使換向閥1dt通電， 左位接入系統(tǒng)，壓力油經(jīng)液控單向閥a進入液壓缸，同時也進入液控單向閥b 的控制油口 k,打開閥b,使液壓缸右腔回油經(jīng)閥b及換向閥流回油箱，同時工 作液壓缸活塞向右運動。當(dāng)換向閥右位接通，液控單向閥b開啟，壓力油打開 閥a的控制口 k,工作液壓缸向下行，回油經(jīng)閥a和換向閥t 口流回油箱。當(dāng)工件在工作臺上定位后，液壓缸上升帶動工作臺旋轉(zhuǎn)上升，當(dāng)轉(zhuǎn)到90度后, 可以通過液壓缸控制工作臺高度。工件加工完后，液壓缸冋油帶動工作臺下降且 旋轉(zhuǎn)。3、全自動控制方案在按加工需要工作臺首尾兩端各安裝一個傳感器脈沖開關(guān)sbk

18、sb2和導(dǎo)軌上下 各安裝一個傳感器脈沖開關(guān)sb3、sb4,且每個開關(guān)均有手動控制裝置。用plc 控制，其接線圖如圖圖中接觸器km1控制電機止轉(zhuǎn)；接觸器km2控制電機反轉(zhuǎn)；接觸器km3 控制三位四通電磁閥左位得電，即液壓缸上升；接觸器km4控制三位四通電磁 閥右位得電，即液壓缸下降；工作原理：按下啟動按鈕sb1,線圈km1得電，km1主觸頭閉合，電機正轉(zhuǎn)； 當(dāng)工件接觸到工作臺尾端傳感器，sb2閉合，延吋1秒，線圈km2得屯，km2 主觸頭閉合，電磁閥左位得電，液壓缸上升；當(dāng)導(dǎo)軌滑塊接觸導(dǎo)軌上端傳感器， sb3閉合，延時50秒，等待工件加工后，線圈km3得電，km3主觸頭閉合， 電磁閥右位得電，液壓缸下降；當(dāng)導(dǎo)軌滑塊接觸導(dǎo)軌下端傳感器，sb4閉合，延 時一秒，線圈km4得