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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
設(shè)計(jì)（論文）題目：
全自動(dòng)鋁型材切割機(jī)系的主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系 別： x
專 業(yè)： x
班 級(jí)： x
學(xué) 號(hào)： x
姓 名： x
指導(dǎo)教師： xx
xxxx年x月
目錄
摘 要 4
關(guān)鍵詞 4
ABSTRACT 5
Keyword 5
第1章 引 言 6
第2章 總體設(shè)計(jì) 8
2.1 設(shè)計(jì)要求 8
2.2 方案設(shè)計(jì) 8
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.3.1砂輪片的選取 9
2.3.2 電機(jī)的選取 9
2.3.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 10
2.3.4 氣缸的選擇 13
第三章 滾珠絲杠 16
3.1滾珠絲杠副特性 17
3.2滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
第四章 臺(tái)達(dá)PLC介紹 25
4.1臺(tái)達(dá)PLC概述 25
4.2臺(tái)達(dá)PLC的特點(diǎn) 25
結(jié) 論 28
辭 謝 29
參考文獻(xiàn) 30
摘 要
隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)生產(chǎn)率的要求也越來越高，因此，大批量、自動(dòng)化安全生產(chǎn)成為了時(shí)代的要求，而全自動(dòng)鋁型材切割機(jī)就可以滿足著一需求，我們有必要來研究它。通過自動(dòng)控制和機(jī)械制造我們可以高效、準(zhǔn)確、省時(shí)、省力的完成對(duì)鋁型材的切割工作。另外，PLC控制技術(shù)也廣泛的應(yīng)用于當(dāng)今世界的制造業(yè)。由主機(jī)系統(tǒng)、送料定位夾緊系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，集機(jī)械、氣動(dòng)和PLC控制技術(shù)為一體的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以更好的達(dá)成高質(zhì)量、高效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，因此為了滿足企業(yè)工廠的實(shí)際需要，我們有必要對(duì)全自動(dòng)鋁型材切割機(jī)送料定位與夾緊系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：全自動(dòng)、鋁型材切割機(jī)、PLC
ABSTRACT
With the continuous development of machinery manufacturing industry, the social requirements of productivity is more and more high, therefore, high-volume, automated production safety has become the requirement of the times, and the full-automatic aluminum cutting machine can meet a demand, it is necessary for us to study it. Through the automatic control and mechanical manufacturing we can be efficiently, accurate, time-saving, labor-saving on aluminium profile cutting. In addition, the PLC manufacturing control technology is widely used in the world today. By the host system, feeding and positioning clamping system and automatic control system composition, design of the whole system set mechanical, pneumatic and PLC control technology, can better achieve high quality, high efficiency, reduce the labor intensity of workers, so in order to meet the actual needs of enterprises factory, we have the necessity to full-automatic aluminum cutting machine feeding positioning and clamping system research and design.
Keyword: Full automatic, aluminum profile cutting machine, PLC
第1章 引 言
機(jī)電一體化產(chǎn)品廣泛應(yīng)用各種加工業(yè)，切割技術(shù)也有了飛速的發(fā)展，手工切割已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。同時(shí)，切割機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)也有了迅速的發(fā)展，一些簡單的機(jī)械手已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。簡單的機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種也在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大。簡單的機(jī)械手是一種仿人操作、自動(dòng)控制、的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
我們?cè)O(shè)計(jì)的鑄棒線切割機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，性能安全可靠，操作方便可行，很好的實(shí)現(xiàn)了其預(yù)定功能。鑄棒線切割機(jī)主要由三個(gè)大的部分組成，即切割部分、夾緊部分和縱橫行走部分。
切割部分是由電極帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)，由氣缸控制砂輪上下移動(dòng)完成切割。夾緊部分主要采用了一個(gè)氣動(dòng)夾緊機(jī)械手，電磁閥控制氣缸活塞的伸縮來實(shí)現(xiàn)夾緊和放松。縱橫行走部分是由氣缸控制縱向、橫向行走板，使之沿直線導(dǎo)軌前進(jìn)或返回。
整個(gè)機(jī)器由PLC控制各個(gè)氣動(dòng)換向閥的電磁鐵，由氣缸驅(qū)動(dòng)完成順序切割動(dòng)作過程。而隨動(dòng)工作臺(tái)的隨動(dòng)前進(jìn)速度也可以通過夾緊機(jī)械手夾緊鑄棒使之與鑄棒速度同步。橫向切割時(shí)的切割速度可以通過氣缸來調(diào)節(jié)。
與一般的切割機(jī)相比，這種切割機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：
一、實(shí)現(xiàn)了機(jī)械工程和自動(dòng)控制的有效結(jié)合，機(jī)械部分采用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都進(jìn)行了綜合技術(shù)比較與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。
二、整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都采用了氣壓傳動(dòng)控制，與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)有無介質(zhì)費(fèi)用、處理方便、無泄露污染、無介質(zhì)變質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)。
三、在設(shè)計(jì)過程中，縱橫行走裝置采用了直線導(dǎo)軌，既提高了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，又很大程度的減小了摩擦力，達(dá)到了節(jié)能的效果。
四、整個(gè)切割過程都由PCL控制，以其結(jié)構(gòu)簡單合理、設(shè)備性能良好、使用壽命長、安全系數(shù)高等因素，滿足了自動(dòng)化大批量的生產(chǎn)要求。
這種切割機(jī)具有控制方便，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)、修改方便、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
第2章 總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)要求
機(jī)械制造畢業(yè)設(shè)計(jì)涉及的內(nèi)容比較多，它是基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課以及專業(yè)課的綜合，是在學(xué)完機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)和全部專業(yè)課以及進(jìn)行了畢業(yè)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是我們對(duì)所有課程的一次深入的綜合性的總復(fù)習(xí)，也是一次理論聯(lián)系實(shí)際的訓(xùn)練，因此，它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要的地位。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我們能綜合運(yùn)用機(jī)械制造的基本理論，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中學(xué)到的技能知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決工藝問題，初步具備設(shè)計(jì)一個(gè)中等復(fù)雜程度自動(dòng)定位夾緊和送料系統(tǒng)的能力和運(yùn)用PLC控制的設(shè)計(jì)的基本原理和方法，擬定自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成自動(dòng)送料系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)控制自動(dòng)定位和夾緊，可自動(dòng)定尺寸鋸切，精度為0.5mm。此次設(shè)計(jì)研究過程，也是熟練和運(yùn)用有關(guān)手冊(cè)、圖標(biāo)等技術(shù)資料及編寫技術(shù)文件等基本技能的一次實(shí)踐機(jī)會(huì)。
2.2 方案設(shè)計(jì)
切割部分主要有砂輪、電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。現(xiàn)在在切割部分有兩種可行的方案：第一，電動(dòng)機(jī)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)砂輪片轉(zhuǎn)動(dòng)。第二，電動(dòng)機(jī)通過圓錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)砂輪片轉(zhuǎn)動(dòng)。考慮到切割過程中電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)砂輪高速旋轉(zhuǎn)，所以優(yōu)先選取第一種方案，因?yàn)閳A錐齒輪傳動(dòng)不宜應(yīng)用在轉(zhuǎn)速太高的場合，而且運(yùn)用齒輪傳動(dòng)時(shí)，還要考慮到這樣消除震動(dòng)和怎樣潤滑齒輪，這樣就增加了設(shè)計(jì)成本。
1. 45度夾角的兩個(gè)切刀，切出鋁型材為梯形底角45°
2. 送料步驟為：預(yù)送料，將鋁型材送至刀1下方，擋塊抵住定位，夾具夾緊切割第一刀
控制材料退回設(shè)定長度（此長度為材料切割成型后的要求長度）再次送料，長度為設(shè)定值，夾具夾緊，兩個(gè)刀一起切割，然后推送。一次反復(fù)。送料需要用滾珠絲杠保證精度。
3. 方案設(shè)計(jì)：1動(dòng)作節(jié)拍
2送料系統(tǒng)方案選擇：
1） 工件采用氣動(dòng)技術(shù)。送料夾緊、切割?yuàn)A緊
2） 工件送料采用滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)
3） 動(dòng)作節(jié)拍控制采用PLC技術(shù)
4） 工件安裝
4.料長5米，成型材聊為梯形，底邊245mm，底角45°
全自動(dòng)切割機(jī)如圖所示，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)砂輪片高速旋轉(zhuǎn)，切割片與軸線成45度夾角，切割氣缸可推動(dòng)砂輪片上下移動(dòng)，完成切割。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，可推動(dòng)工作臺(tái)橫向移動(dòng)，4套夾緊氣缸夾緊后，通過工作臺(tái)移動(dòng)，控制切割的長度。6套定位氣缸，固定鋁合金型材。使砂輪片能分別切割兩根鑄棒。其中電動(dòng)機(jī)和氣缸都通過電磁閥由PLC機(jī)控制，從而實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作。
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1砂輪片的選取
經(jīng)過調(diào)研，切斷能力為50 的砂輪片，其規(guī)格為mm，所需電機(jī)的最小功率為kw，轉(zhuǎn)速為=2840 r/min, 砂輪片的最大線速度為70m/s。
最終選取砂輪片的型號(hào)為TL-001型，其磨料為棕剛玉，粒度為20#。
2.3.2 電機(jī)的選取
根據(jù)砂輪片的要求，現(xiàn)選用比較常用的Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，這是由于Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)和安裝尺寸與國外同類型的先進(jìn)產(chǎn)品相當(dāng)，因而具有與國外同類型產(chǎn)品之間良好的互換性，供配套出口及引進(jìn)設(shè)備替換。選取功率為3.0KW，滿載時(shí)的轉(zhuǎn)速為2870r/min。額定電流6.39A，功率因數(shù)0.87，效率82%，額定轉(zhuǎn)矩2.3。
2.3.3 帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
1.確定計(jì)算功率
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第108頁表7-7查得工作情況系數(shù)=1.2（電機(jī)帶動(dòng)砂輪切割鐵棒，載荷性質(zhì)為載荷變動(dòng)較大），則功率為
（1-1）
2.初選帶的型號(hào)
根據(jù)和，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》書中第108頁圖7-14初選A型普通V帶。
3.確定帶輪的基準(zhǔn)直徑和
1）由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第109頁表7-8查得A型=75mm,考慮到帶輪太小，其彎曲應(yīng)力過大，所以要使，取=150
2）驗(yàn)算帶的速度
m/s （1-2）
因?yàn)? 5m/s < 22.6m/s < 25m/s
帶速符合要求。
3）計(jì)算
（1-3）
由于電機(jī)轉(zhuǎn)速與砂輪轉(zhuǎn)速基本同步，選速比 =1，則
==150 mm
4.確定中心距和帶的基準(zhǔn)長度
1）初選中心距
由0.7（+）2（+），考慮到結(jié)構(gòu)要求，初選=900 mm
（1-4）
mm
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第96頁表7-2取帶的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)長度 mm
2)最后確定中心距
mm （1-5）
則 mm （1-6）
mm （1-7）
最后取 mm。
5.驗(yàn)算帶輪包角
（1-8）
（合適）
6.確定帶的根數(shù)
（1-9）
其中：
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第107頁表7-5查得彎曲影響系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第107頁表7-5查得傳動(dòng)比系數(shù)
kw
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第107頁表7-6查得包角系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第106頁表7-4查得長度系數(shù)
采用非化纖結(jié)構(gòu)的普通帶，取材質(zhì)系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第105頁圖7-13查得 kw。
kw
取根。
7.確定單根帶的初拉力
（1-10）
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》第96頁表7-1查得
N （1-11）
8.計(jì)算帶對(duì)軸的壓力
N （1-12）
9.帶輪的設(shè)計(jì)
1） 帶輪的設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)帶輪時(shí)應(yīng)滿足的要求有：質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無過大的鑄造應(yīng)力，質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)速高時(shí)經(jīng)過動(dòng)平衡，輪槽工作面加工精細(xì)，以減小帶的磨損，各槽的尺寸和角度保持一定的精度，以使載荷分布均勻。
2） 帶輪的材料
帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號(hào)為HT150或HT200，轉(zhuǎn)速較高時(shí)宜采用鑄鋼，或用鋼板沖壓后焊接而成。在本次設(shè)計(jì)中，采用了比較常見的HT150。
3） 帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸
由于帶輪的基準(zhǔn)直徑，軸的直徑，根據(jù)帶輪的選擇原則：即當(dāng) 時(shí)采用腹板式結(jié)構(gòu)。
2.3.4 氣缸的選擇
SMC（中國）有限公司是SMC集團(tuán)于1994年9月在北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)投資建立的獨(dú)資子公司，為北京市首批高新技術(shù)企業(yè)之一。目前投資額已達(dá)5億美元，在中國建有一個(gè)研發(fā)中心、四個(gè)加工及物流工廠，占地面積為52萬平方米，員工接近5100人，生產(chǎn)用于工業(yè)自動(dòng)化的氣動(dòng)元件。公司采用當(dāng)今世界同行業(yè)最精銳的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，引進(jìn)了完整的現(xiàn)代化氣動(dòng)元件制造工藝。經(jīng)過18年的高速發(fā)展，SMC（中國）有限公司已成為世界上最大的氣動(dòng)元件生產(chǎn)和出口基地之一，產(chǎn)品銷售全球55個(gè)國家和地區(qū)。同時(shí)在全國主要工業(yè)城市建立了64個(gè)銷售服務(wù)分支機(jī)構(gòu)。
SMC（中國）有限公司1994年成立，至今已在北京建立了4個(gè)現(xiàn)代化工廠，研發(fā)中心也于2006年落成，目前SMC（中國）有限公司已成為SMC最重要的海外生產(chǎn)出口基地。
SMC（中國）公司具有很多和其他外企相比不同的特點(diǎn)：
1、指導(dǎo)思想和定位的不同，即面向全球的生產(chǎn)出口基地；
2、SMC（中國）有限公司引進(jìn)了全球同行業(yè)最精銳的、最現(xiàn)代化的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，以及從精密鑄造到精密加工、表面處理、組裝、出廠檢驗(yàn)等全套現(xiàn)代化的氣動(dòng)元件生產(chǎn)制造工藝；
3、SMC（中國）有限公司工廠生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都出于SMC最
新設(shè)計(jì)理念；
4、SMC（中國）有限公司擁有一支非常年輕、優(yōu)秀的高素質(zhì)員工隊(duì)伍，其中近400名員工曾被送到日本進(jìn)行培訓(xùn)；
5、SMC（中國）有限公司重視與理工科大學(xué)間的產(chǎn)學(xué)研合作，奠定了公司的技術(shù)基礎(chǔ)。[1]
SMC一直堅(jiān)持走產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的道路。源源不斷的技術(shù)創(chuàng)新是其在中國這一全球競爭最為激烈的市場中制勝的法寶。多年來，SMC已經(jīng)成為中國經(jīng)濟(jì)不可分割的一部分，是中國用戶值得信賴的合作伙伴。SMC將其最前沿的氣動(dòng)、液壓、電動(dòng)控制技術(shù)與創(chuàng)新解決方案全面投入到與中國的合作中，彰顯了其致力于幫助中國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的堅(jiān)定決心。
至今，SMC已在中國建立了3家公司80個(gè)辦事處。[2
氣缸選型：
氣爪4套，型號(hào)MHL2-20D-Y69A-82
定位夾緊氣缸6套，型號(hào)CXSM20-50-Z76
切割氣缸1套，型號(hào)C95SDF100-100-A56
第三章 滾珠絲杠
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。
滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。
滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。
1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
2)高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度·濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
3)微進(jìn)給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。
4)無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。
5)高速進(jìn)給可能
滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。
3.1滾珠絲杠副特性
· 傳動(dòng)效率高
滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá)90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)絲杠系統(tǒng)的2～4倍，如圖1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)可逆）。
· 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)
滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)、低速時(shí)無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。
· 高精度
滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
· 高耐用性
鋼球滾動(dòng)接觸處均經(jīng)硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動(dòng)，相對(duì)對(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。
· 同步性好
由于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。
· 高可靠性
與其它傳動(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。
· 無背隙與高剛性
滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀（見圖2.1.2—2.1.3）、使鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn)。若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性，減
· 少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。
現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一批又一批的高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。它不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出了很高的要求：(1)最大進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到40m/min或更高；(2)加速度要高，達(dá)到1g以上；(3)動(dòng)態(tài)性能要好，達(dá)到較高的定位精度。
3.2滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算
已知條件：
工作臺(tái)重量=40KG=400N 工件及夾具最大重量=200N 工作臺(tái)最大行程=500mm工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為u=0.1 快速進(jìn)給速度 =4m/min 定位精度為20um/300mm,全行程25um,重復(fù)定位精度為10um 要求壽命為10000小時(shí)（單班制工作十年）。各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q及其他見下表
表一各種切削方式的縱向切削力Fa,速度V和時(shí)間比例q
切削方式
縱向切削力
Pxi(N)
垂向切削力
Pzi(N)
進(jìn)給速度
Vi(m/min)
工作時(shí)間百分比
%
絲杠軸向載荷
(N)
絲杠轉(zhuǎn)速
r/min
強(qiáng)力切削
2000
1200
0.6
10
2200
60
一般切削
1000
500
0.8
30
1150
80
精切削
500
200
1
50
620
100
快速進(jìn)給
0
0
４
５
1000
375
1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；
I ：傳動(dòng)比
電機(jī)與絲杠間為直接連接式，i=1
由上表查得=4m/min，=1500r/min
代入得2.7mm
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》取10mm
2） 初選滾珠絲杠副
由公式《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》（3.7－24）知
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表（3.7－51）—表（3.7－54）
得＝1，＝1，＝1，＝0.53，=1.3，＝10000h
代入數(shù)據(jù)可求得＝13589N=13.58KN
4)確定允許的最小螺紋底徑
（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量
①（1/3—1/4）重復(fù)定位精度
② (1/4—1/5 )定位精度
：最大軸向變形量
已知重復(fù)定位精度10
定位精度25
①＝3，②＝6
取兩種結(jié)果最小值＝3
（2）估算最小螺紋底徑
絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式
：最小螺紋底徑mm
L＝（1.1—1.2）行程+(10—14)
靜摩擦力=
已知行程500mm，＝400N, =0.2
代入數(shù)據(jù)得L=600mm，＝160N, =9.5mm
5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)
（1） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式
（2） 由計(jì)算出的，，在《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD2005-10
=5, =22000N>=13589N
6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
=
其中＝2200
＝733N
7)行程補(bǔ)償值與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值C=11.8
式中＝
查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》＝500
＝110，＝（2—4）＝15
溫差取
代入數(shù)據(jù)得C=32
(2)預(yù)拉伸力
＝1.95
代入得＝4807N
8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格
（1）軸承所承受得最大軸向載荷
＝4807＋2200＝7007
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承
（3） 軸承內(nèi)徑
d略小于＝40，=，取d＝30
帶入數(shù)據(jù)得＝2336N
（4） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷
（5） 按《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取軸承型號(hào)規(guī)格
當(dāng)d＝30mm，預(yù)加負(fù)荷為：
所以送7602030TVP軸承
d＝30，預(yù)加負(fù)荷為2900>＝2336N
9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)
(1)絲杠螺紋長度
由表查得余程
（2）兩固定支承距離，絲杠L
(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離
＝1290，＝1350
＝1410，＝30
10）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
（1）絲杠抗壓剛度
1）絲杠最小抗壓剛度
＝6.6
:絲杠底徑
：固定支承距離
代入數(shù)據(jù)＝782N/
2）絲杠最大抗壓剛度
＝6 .6
代入數(shù)據(jù)得9000 N/
（2）支承軸承組合剛度
1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度
：滾珠直徑mm， Z：滾珠數(shù)
：最大軸向工作載荷N
· ：軸承接觸角
由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得
7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍
＝8700N/ =375 N/
2）支承軸承組合剛度
＝750 N/
3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度
：《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的剛度
＝2150 N/, =2200N, =733N
代入數(shù)據(jù)得＝1491 N/
11）剛度驗(yàn)算及精度選擇
=3.5，Z＝17，＝
（1）
代入前面所算數(shù)據(jù)得＝
代入前面所算數(shù)據(jù)得
已知＝800N, =0.2, =160N
:靜摩擦力，：靜摩擦系數(shù)，：正壓力
（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度
＝；已知反向差值或重復(fù)定位精度為10
＝30>25.6
（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差
＝（－），代入＝5
（4）確定精度
：任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言
0.8×定位精度－
定位精度為20/300
<14.3,絲杠精度取為3級(jí)
＝12<14.3
（5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)
已確定得型號(hào)：BIF
公稱直徑：40，導(dǎo)程：10
螺紋長度600，絲杠長度700
P類3級(jí)精度
所選規(guī)格型號(hào)：FFZD4005-10-P3/700×600
12）驗(yàn)算臨界壓縮載荷
絲杠所受大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力F
不用驗(yàn)算
13）驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速
：臨界轉(zhuǎn)速n/min
f：與支承形式有關(guān)的系數(shù)
：絲杠底徑
：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度mm
由《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得f＝21.9, =40, =
可得＝5028>=1500
第四章 臺(tái)達(dá)PLC介紹
?臺(tái)達(dá)PLC，是臺(tái)達(dá)Programmable Logic Controller的縮寫，又名臺(tái)達(dá)可編程、臺(tái)達(dá)可編程控制器、臺(tái)達(dá)可編程序控制等，是臺(tái)達(dá)為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)ｉT設(shè)計(jì)的、實(shí)現(xiàn)數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 臺(tái)達(dá)PLC采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。
4.1臺(tái)達(dá)PLC概述
臺(tái)達(dá)PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。
4.2臺(tái)達(dá)PLC的特點(diǎn)
臺(tái)達(dá)PLC以高速、穩(wěn)健、高可靠度而著稱，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械；
臺(tái)達(dá)PLC除了具有快速執(zhí)行程序運(yùn)算、豐富指令集、多元擴(kuò)展功能卡及高性價(jià)比等特色外，并且支持多種通訊協(xié)議，使工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體。
臺(tái)達(dá)PLC的特點(diǎn)
為適應(yīng)工業(yè)環(huán)境使用，與一般控制裝置相比較，PLC機(jī)有以下特點(diǎn)：
1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
工業(yè)生產(chǎn)對(duì)控制設(shè)備的可靠性要求：
①平均故障間隔時(shí)間長
②故障修復(fù)時(shí)間（平均修復(fù)時(shí)間）短
任何電子設(shè)備產(chǎn)生的故障，通常為兩種：
①偶發(fā)性故障。由于外界惡劣環(huán)境如電磁干擾、超高溫、超低溫、過電壓、欠電壓、振動(dòng)等引起的故障。這類故障，只要不引起系統(tǒng)部件的損壞，一旦環(huán)境條件恢復(fù)正常，系統(tǒng)也隨之恢復(fù)正常。但對(duì)PLC而言，受外界影響后，內(nèi)部存儲(chǔ)的信息可能被破壞。
②永久性故障。由于元器件不可恢復(fù)的破壞而引起的故障。
如果能限制偶發(fā)性故障的發(fā)生條件，如果能使PLC在惡劣環(huán)境中不受影響或能把影響的后果限制在最小范圍，使PLC在惡劣條件消失后自動(dòng)恢復(fù)正常，這樣就能提高平均故障間隔時(shí)間；如果能在PLC上增加一些診斷措施和適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)手段，在永久性故障出現(xiàn)時(shí)，能很快查出故障發(fā)生點(diǎn)，并將故障限制在局部，就能降低PLC的平均修復(fù)時(shí)間。為此，各PLC的生產(chǎn)廠商在硬件和軟件方面采取了多種措施，使PLC除了本身具有較強(qiáng)的自診斷能力，能及時(shí)給出出錯(cuò)信息，停止運(yùn)行等待修復(fù)外，還使PLC具有了很強(qiáng)的抗干擾能力。
·硬件措施：
主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，大量開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子存儲(chǔ)器完成，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)和信號(hào)調(diào)理電路。
① 屏蔽——對(duì)電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。
② 濾波——對(duì)供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或π型濾波網(wǎng)絡(luò)，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。
③ 電源調(diào)整與保護(hù)——對(duì)微處理器這個(gè)核心部件所需的+5V電源，采用多級(jí)濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓、欠電壓的影響。
④ 隔離——在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/O接口與CPU之間電的聯(lián)系，減少故障和誤動(dòng)作；各I/O口之間亦彼此隔離。
⑤ 采用模塊式結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時(shí)修復(fù)。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；同時(shí)也有助于加快查找故障原因。
·軟件措施：
有極強(qiáng)的自檢及保護(hù)功能。
①故障檢測——軟件定期地檢測外界環(huán)境，如掉電、欠電壓、鋰電池電壓過低及強(qiáng)干擾信號(hào)等。以便及時(shí)進(jìn)行處理。
②信息保護(hù)與恢復(fù)——當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時(shí)，不破壞PLC內(nèi)部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復(fù)正常，繼續(xù)原來的程序工作。所以，PLC在檢測到故障條件時(shí)，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲(chǔ)器，軟件配合對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行封閉，禁止對(duì)存儲(chǔ)器的任何操作，以防存儲(chǔ)信息被沖掉。
③設(shè)置警戒時(shí)鐘WDT（看門狗）——如果程序每循環(huán)執(zhí)行時(shí)間超過了WDT規(guī)定的時(shí)間，預(yù)示了程序進(jìn)入死循環(huán)，立即報(bào)警。
④加強(qiáng)對(duì)程序的檢查和校驗(yàn)——一旦程序有錯(cuò)，立即報(bào)警，并停止執(zhí)行。
⑤對(duì)程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備——停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會(huì)丟失。
PLC的出廠試驗(yàn)項(xiàng)目中，有一項(xiàng)就是抗干擾試驗(yàn)。它要求能承受幅值為1000V，上升時(shí)間1nS，脈沖寬度為1μS的干擾脈沖。一般，平均故障間隔時(shí)間可達(dá)幾十萬～上千萬小時(shí)；制成系統(tǒng)亦可達(dá)4～5萬小時(shí)甚至更長時(shí)間。
2 .通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便
PLC品種齊全的各種硬件裝置，可以組成能滿足各種要求的控制系統(tǒng)，用戶不必自己再設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。用戶在硬件確定以后，在生產(chǎn)工藝流程改變或生產(chǎn)設(shè)備更新的情況下，不必改變PLC的硬設(shè)備，只需改編程序就可以滿足要求。因此，PLC除應(yīng)用于單機(jī)控制外，在工廠自動(dòng)化中也被大量采用。
3.功能強(qiáng)，適應(yīng)面廣
現(xiàn)代PLC不僅有邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，還具有數(shù)字和模擬量的輸入輸出、功率驅(qū)動(dòng)、通信、人機(jī)對(duì)話、自檢、記錄顯示等功能。既可控制一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械、一條生產(chǎn)線，又可控制一個(gè)生產(chǎn)過程。
4.編程簡單，容易掌握
目前，大多數(shù)PLC仍采用繼電控制形式的“梯形圖編程方式”。既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀，又考慮到大多數(shù)工廠企業(yè)電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及編程水平，所以非常容易接受和掌握。梯形圖語言的編程元件的符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器控制電路原理圖相當(dāng)接近。通過閱讀PLC的用戶手冊(cè)或短期培訓(xùn)，電氣技術(shù)人員和技術(shù)工很快就能學(xué)會(huì)用梯形圖編制控制程序。同時(shí)還提供了功能圖、語句表等編程語言。
PLC在執(zhí)行梯形圖程序時(shí)，用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行（PLC內(nèi)部增加了解釋程序）。與直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比，執(zhí)行梯形圖程序的時(shí)間要長一些，但對(duì)于大多數(shù)機(jī)電控制設(shè)備來說，是微不足道的，完全可以滿足控制要求。
5.減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及施工的工作量
由于PLC采用了軟件來取代繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)安裝接線工作量大為減少。同時(shí)，PLC的用戶程序可以在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量。并且，由于PLC的低故障率及很強(qiáng)的監(jiān)視功能，模塊化等等，使維修也極為方便。
6.體積小、重量輕、功耗低、維護(hù)方便
PLC是將微電子技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固，體積小，重量輕，功耗低。并且由于PLC的強(qiáng)抗干擾能力，易于裝入設(shè)備內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。以三菱公司的F1-40M型PLC為例：其外型尺寸僅為305×110×110mm，重量2.3kg，功耗小于25VA；而且具有很好的抗振、適應(yīng)環(huán)境溫、濕度變化的能力。現(xiàn)在三菱公司又有FX系列PLC，與其超小型品種F1系列相比：面積為47%,體積為36%，在系統(tǒng)的配置上既固定又靈活，輸入輸出可達(dá)24～128點(diǎn)。
結(jié) 論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從題目確定開始，經(jīng)過查資料、調(diào)研、方案的提出及確定，再到完成總裝圖、部件圖，直到最后結(jié)束論文，才使本次畢業(yè)設(shè)計(jì)最終圓滿完成。
本次設(shè)計(jì)的題目是“鑄棒線切割機(jī)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)”。鑄棒線切割機(jī)是針對(duì)鑄鐵在連續(xù)鑄造過程中的切割而采用的一種專門的切割機(jī)。連續(xù)鑄造過程主要由保溫爐、牽棒機(jī)、切割機(jī)和壓斷機(jī)組成，在工作過程中拉棒機(jī)能從保溫爐中同時(shí)拉出兩條鑄鐵棒。題目要求切割機(jī)在連續(xù)鑄造過程中工作，并根據(jù)定長信號(hào)分別切割兩條連續(xù)的鑄鐵棒，實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄棒的準(zhǔn)確定長切割，切割后自動(dòng)返回初始位置，其切口深度為35mm。再由壓斷機(jī)進(jìn)行壓斷。整個(gè)切割過程都由自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。
此次設(shè)計(jì)的主要工作分為兩大部分，第一部分為切割機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)，其中主要包括砂輪片的選擇、電機(jī)的選擇、砂輪片傳動(dòng)方式的選擇和優(yōu)化、電機(jī)和砂輪的安裝、各個(gè)氣缸力的計(jì)算及其參數(shù)選擇計(jì)算、滑動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)以及其他部分和整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最后完成總裝圖、部件圖和零件圖。第二部分為電氣原理及控制部分的設(shè)計(jì)，主要包括氣動(dòng)控制原理圖的設(shè)計(jì)、電氣原理圖的設(shè)計(jì)、配線圖的設(shè)計(jì)、控制柜的設(shè)計(jì)及電路控制面板的設(shè)計(jì)。
鑄棒線切割機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，性能安全可靠，操作方便可行，很好的實(shí)現(xiàn)了其預(yù)定功能。由PLC控制的氣動(dòng)隨動(dòng)鑄棒線切割機(jī)，由氣缸驅(qū)動(dòng)完成順序切割動(dòng)作過程。這種切割機(jī)具有控制方便，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)、修改方便、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
在本次設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過自己不懈的努力和指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，各項(xiàng)任務(wù)都已經(jīng)順利完成并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但由于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)不足，知識(shí)能力有限，在設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤和疏漏再所難免，產(chǎn)品在性能方面也可能存在一些不足，欠妥之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
辭 謝
厲經(jīng)幾個(gè)月時(shí)間的努力，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的全部內(nèi)容。通過這次設(shè)計(jì)，我對(duì)并對(duì)本專業(yè)有了較深刻的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)學(xué)到了更多的關(guān)于機(jī)械方面的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以及電氣控制方面的 相關(guān)知識(shí)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)的歸納和總結(jié)，對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)踐意義。
當(dāng)然我之所以順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)主要因?yàn)橹笇?dǎo)老師的屢不厭煩的教導(dǎo)。我將特別感謝我的導(dǎo)師高燕老師，她治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，知識(shí)淵博，經(jīng)驗(yàn)豐富，不但給我悉心指導(dǎo)，還帶領(lǐng)我參觀調(diào)研，使我更加體會(huì)到了一個(gè)令人尊敬的老師對(duì)學(xué)生無微不至的關(guān)懷，也賦予了我進(jìn)一步努力、不斷進(jìn)取的熱情。
請(qǐng)?jiān)S我再次向高艷老師表示誠摯的謝意，感謝各位老師批評(píng)斧正。并祝各位老師身體健康，工作順利！
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