旋轉(zhuǎn)工作臺的機電一體化設(shè)計

1、沈陽大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 機電一體化課程設(shè)計說明書 題 目 （旋轉(zhuǎn)工作臺的機電一體化設(shè)計） 專 業(yè) 機電一體化 姓 名 苗 壯 指導(dǎo)教師 劉小燕 完成日期 2012年 4 月 19 日沈陽大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院機電一體化課程設(shè)計任務(wù)書 題 目 （旋轉(zhuǎn)工作臺的機電一體化設(shè)計） 專 業(yè) 機電一體化 姓 名 苗 壯 指導(dǎo)教師 劉小燕 預(yù)計完成日期 2012 年 4 月 19 日 任務(wù)書發(fā)放日期 2012 年 4 月 7 日 沈陽大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院 機電一體化課程設(shè)計指導(dǎo)書 題 目 （旋轉(zhuǎn)工作臺的機電一體化設(shè)計） 專 業(yè) 機電一體化 姓 名 苗 壯 指導(dǎo)教師 劉小燕 預(yù)計完成日期 2012 年 4 月 19 日

2、任務(wù)書發(fā)放日期 2012 年 4 月 7 日 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 01 設(shè) 計 過 程目 錄課程設(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)3一、系統(tǒng)總體改造方案的確定3二、工作臺旋轉(zhuǎn)機械部分的改進(jìn)5三、工作臺升降機械部分改進(jìn)8四、最佳方案11五、其他機械部分改進(jìn)12六、控制部分方案設(shè)計16小 結(jié).21參考文獻(xiàn)22 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 02 設(shè) 計 過 程課程設(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)計掌握幾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、

3、蝸桿副、滾珠絲杠螺母副、直線滾動導(dǎo)軌副等。3） 通過對進(jìn)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(jìn)伺服進(jìn)給系統(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，掌握一些典型硬件電路的設(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(xiàn)資料以及撰寫科技論文的能力。 機電

4、一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 03 設(shè) 計 過 程機電一體化系統(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，可在提供的CAD圖中按自己認(rèn)為合理的方式進(jìn)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輥轉(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）。3、

5、 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 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 04 設(shè) 計 過 程氣隙長度/mm: 0.3定子外徑/mm: 120定子內(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槽數(shù)Z1/Z2: 18/16轉(zhuǎn)動慣量/(kg·m2): 0.00075質(zhì)量/kg: 163.2 PLC (參考)FX2N-32MR-001電源電壓220V AC輸出電壓 2

6、20V AC一、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。將原方案中的由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(dá)到旋轉(zhuǎn)特定角度且上升到指定高度的目的；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。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 05 設(shè) 計 過 程工作臺傳送工件由電機通過減速器和聯(lián)軸器帶動限力式輥軸的轉(zhuǎn)動，輥軸間通過鏈條連接，已達(dá)到傳送工件的目的，而工件的位置則由擋

7、板控制。二、工作臺旋轉(zhuǎn)機械部分的改進(jìn)1、原方案（圖一） 圖一該方案的工作過程：電動機正轉(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)軸器連接不合理。首先，三相異步電機轉(zhuǎn)速都較快，而轉(zhuǎn)臺只需轉(zhuǎn)半圈，則需要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)致燒壞電機并且有可能引發(fā)安全事故。C、軸承端沒有擋油環(huán)，不利于潤滑 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明

8、 書 NO 06 設(shè) 計 過 程2、 改進(jìn)方案 （1）針對A處改進(jìn)方案1 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），由槽輪帶動渦輪蝸桿轉(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2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（），槽輪靜止不動，直到撥銷進(jìn)入下一個槽內(nèi)，又重復(fù)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。圖二 圖三槽輪傳動機構(gòu)分析：采用槽輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)速迅速，從動件能在較短的時間內(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

9、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)拍即可，保護(hù)了電機的及電路，降低了事故發(fā)生的頻率。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 07 設(shè) 計 過 程2 將三相異步電機換成液壓馬達(dá)，因為液壓馬達(dá)時將液壓轉(zhuǎn)換成機械能，不會因頻繁啟動而燒壞。3 在電機與聯(lián)軸器間增加一個離合器，當(dāng)工作臺達(dá)到指定位置時，松開離合器。而電機可以連續(xù)工作。4 蝸形凸輪傳動機構(gòu)蝸形凸輪傳動機構(gòu) （ 1、轉(zhuǎn)盤 2、滾子 3、蝸形凸輪 ）圖四（2） 、針對B處改進(jìn)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

10、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(dá)到保護(hù)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。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 08 設(shè) 計 過 程原方案 改進(jìn)后對比分析： 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，其工作時間系數(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，而且不需要加入其它的傳動機構(gòu)；（4）在一般情況下，凸輪棱邊

11、的定位精度已滿足要求，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(hù)了電路和電機，更加安全可靠。三、工作臺升降機械部分改進(jìn) 1、原方案（圖七） 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 09 設(shè) 計 過 程 圖七工作原理： 液壓缸工作使工作臺上升，直至超過擋板后，電動機的啟動帶動渦輪蝸桿，使工作臺旋轉(zhuǎn)，該方案用液壓缸與驅(qū)動工作臺上升，太復(fù)雜且液壓缸精度要求高，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)，較復(fù)雜且渦輪蝸桿造價高，不經(jīng)濟(jì)。2、改進(jìn)

12、方案一的設(shè)計（圖八）圖八 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 10 設(shè) 計 過 程本方案的工作原理：液壓缸工作使桿支撐工作太上升，到曲槽剛好到達(dá)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)。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(jìn)方案二設(shè)計（圖九）此方案的工作原理：絲桿軸的旋轉(zhuǎn)可使其在水平方向的移動，使支撐桿伸張和收縮，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。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 11 設(shè) 計 過

13、 程綜合考慮：第三種方案最經(jīng)濟(jì)，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，成本不經(jīng)濟(jì)。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) ，沒方案二的旋轉(zhuǎn)部分經(jīng)濟(jì)，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中，只能按照套筒上所開的槽的軌跡移動。套筒上的槽形軌道是螺旋上升且只旋轉(zhuǎn)90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。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 12 設(shè) 計 過 程五、其他機械部分改

14、進(jìn)1、潤滑密封1 原方案中軸的軸承部分（圖十） 圖十分析：該方案軸承的下端沒有擋油環(huán)，故潤滑脂很容易漏出來，且會有雜質(zhì)進(jìn)入潤滑脂中影響軟化效果。 2 改進(jìn)后的方案（圖十一） 圖十一 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 13 設(shè) 計 過 程對比分析：改進(jìn)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，在提高密封效果的同時防止了雜質(zhì)進(jìn)入軸承，以免損壞軸承。2、導(dǎo)軌部分（圖十二）圖十二分析：該方案溝槽內(nèi)部不方便能潤滑，且旋轉(zhuǎn)是摩擦較大。加工業(yè)不經(jīng)濟(jì)，所以得改進(jìn)。改進(jìn)后的方案（圖十三） 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 N

15、O 14 設(shè) 計 過 程 圖十三分析對比：與原方案相比，導(dǎo)軌槽位V型槽，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。1) 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 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 15 設(shè) 計 過 程3、 傳送部分機械改進(jìn)1) 原方案有三相異步電動機通過減速機構(gòu)再帶動輥筒轉(zhuǎn)動，使工件達(dá)到指定位置，有擋板定位。如圖這個方案中有擋板定位不夠精確，并且會對擋板產(chǎn)生較大沖擊力，當(dāng)工件到達(dá)擋板后電機還會轉(zhuǎn)動，

16、使輥筒與工件之間則會產(chǎn)生較大摩擦力。2) 改進(jìn)方案將輥筒用限力式輥筒，當(dāng)工件到達(dá)擋板后，電機轉(zhuǎn)動但輥筒外表面不會轉(zhuǎn)動。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 16 設(shè) 計 過 程六、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，電源相通過熱繼電器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

17、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(dá)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時閉合，否則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)控制電路中串接了反轉(zhuǎn)接觸器KM2的常閉輔助觸頭，而在反轉(zhuǎn)控制電路中串接了正轉(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?jǐn)?，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?jǐn)?，切斷了正轉(zhuǎn)控制電

18、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，通過其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)鎖觸頭（或互鎖觸頭）。 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 17 設(shè) 計 過 程 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 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 18 設(shè) 計 過 程工作原理：當(dāng)有壓力油進(jìn)入時，回油路的單向閥被打開，壓力油進(jìn)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

19、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)行元件保持長期鎖緊狀態(tài)）。在圖示位置時，由于Y型三位四通電磁換向閥處于中位，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，液壓缸兩腔均不能進(jìn)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(jìn)入液壓缸，同時也進(jìn)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

20、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，液壓缸回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)SB1、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 機電一體化 課 程 設(shè) 計 說 明 書 NO 19 設(shè) 計 過 程圖中接觸器KM1控制電機正轉(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，延時1秒，線圈KM2得電，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