车桥桥头打磨工作台设计.docx
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车桥桥头打磨工作台设计
一、设计题目：
车桥桥头打磨工作台设计
二、设计任务要求及主要原始资料：
某生产线对车桥进行转运并打磨车桥桥头，转运采用电动小车，打磨采用安装在小车上的工作台打磨。
已知参数：
车桥长度为2000~2500mm；车桥头端直径为140~180mm；重量为250~300Kg，要求采用机械方式快速夹紧工件，人工打磨车桥头部一侧，车桥转动一定的角度，再打磨相应部分，车桥转动一周，车桥头部打磨完毕。
打磨时车桥停止不动。
试设计该打磨工作台。
摘要
机械自动化是当代机械加工发展的必然趋势，也是我国机械发展的必由之路。
本文设计的车桥桥头打磨工作台是对车桥桥头进行机械打磨的一种装置。
此装置实现了人工和机械自动化结合，极大提高了工作效率，一改以往的全人工打磨耗时耗力的弊病。
打磨工作台的设计主要包含两大方面的设计，软件设计和硬件设计。
软件设计我选择PLC设计，PLC相较于继电器控制有以下优点：
通用性、适用性强；
完善的故障诊断能力，维修方便；
可靠性高，柔性强；
编程简单等优点。
PLC设计实现自动转动一定角度，人工打磨车桥桥头相应部分，直到车桥转动一周，车桥头部全部打磨完毕。
硬件设计即工作台面的设计、电动机的选择、皮带的选择、减速器的选择。
由电动机提供车桥运转动力，通过皮带传动并由减速器控制车桥运转速度，实现安全正常生产。
关键词
车桥；打磨工作台；PLC控制
Abstract
Machineryautomationisaninevitabletrendofmodernmachiningdevelopment,butalso
theonlywayforthedevelopmentofChina'smachinery.Thisdesignoftheaxlebridgetableisadeviceforgrindingbridgeaxlemechanicallypolished.Thisdeviceimplementsacombinationofartificialandmechanicalautomation,greatlyimprovedworkefficiency,havechangedthewholetime-consumingmanualpolishingills.Polishedtabledesignincludestwomainaspectsofthedesign,softwaredesignandhardwaredesign.IchosetodesignsoftwaredesignPLC,PLCrelaycontrolthanhasthefollowingadvantages:
①universalapplicability;②improvedtroubleshootingcapabilities,easymaintenance;③highreliability,flexibilityandstrong;④programmingandsimple.PLCdesignandimplementationofautomaticrotationangle,thecorrespondingportionofthebridgemanuallypolishedaxleuntilonerotationaxle,axleheadallpolishedfinish.Hardwaredesignthatcountertopdesign,selectionofthemotor,beltselectionreducerchoice.Providedbyanelectricmotorpoweredaxlerunningthroughthebeltdriveaxlesbycontrollingtheoperatingspeedreducertorealizesafeandnormalproduction.
Keyword
Axle;polishedtable;PLCcontrol
第一章前言
1.1课题研究背景及意义
随着社会的发展，科技的进步，人们的交通方式也随之发生了重大改变。
先如今汽车已然成为了人们日常生活生产活动的重要工具之一。
车桥作为车辆行驶以及承重系统的重要组成部分之一，有着极为重要的作用。
它承担着行驶和承重双重责任。
行驶的安全运转可提升效率，承重的安全型关乎人民生命财产安全。
因此车桥的设计生产工作显得尤为重要。
然而车桥从最初的设计到投入使用需要完成许多生产工作。
每个工序的操作都会影响车桥的整体性能。
本次设计的重点在于车桥打磨工作台的设计。
要求采用机械方式快速加紧工作，人工打磨车桥头部一侧，车桥转动一定的角度，再打磨相应的部分，车桥转动一周，车桥头部打磨完毕。
打磨时车桥停止不动。
通过对本次课题的分析研究，我发现设计的主体与车床的设计非常相似。
因此，在进行本次设计时，我参考了车床设计的方法，内部传动系统的设计以及外部框架设计都借鉴了车床的设计。
为了提高工作效率，本次设计采用气动卡盘依靠气动控制来加紧车桥桥头。
供气装置安装在空心转轴的尾部。
供气装置依靠通过空心转轴的通气管与气动卡盘相连。
内部传动系统依靠一个三相异步电动机和减速器彼此间通过带轮传动来实现传动。
由于需要转动一定的角度完成下一部分的打磨，但是转动惯性的存在要求必须有一个制动器来控制转动角度，因此，本次设计选择一个电磁制动器来完成紧急制动的工作。
软件部分我选用PLC控制。
设计完成投入生产使用可以大大节省劳动力，提高工作效率。
1.2本次课题要求
某生产线对车桥进行运转并打磨车桥桥头，转运采用电动小车，打磨采用安装在小车上的打磨工作台。
已知参数：
车桥长度为2000～2500mm；车桥头端直径为140～180mm，重量为250～300Kg，要求采用机械方式快速夹紧工件，人工打磨车桥头部一段，车桥转动一定角度，再打磨相应的部分，车桥转动一周，车桥头部打磨完毕。
打磨时车桥停止不动。
试设计该打磨工作台。
第二章车桥桥头打磨工作台的总体设计
车桥桥头打磨工作台主要由气动控制系统、传动系统、电控系统、以及工作台外形框架、小车等组成。
车桥桥头打磨工作台的气动控制系统主要由气动卡盘、通气管、供气控制装置、供气装置组成。
传动系统主要由电动机、带轮、减速器、转轴、制动器组成。
电控系统则有继电器控制和PLC控制。
车桥桥头打磨工作台的整体机构为钢结构，小车的整体结构也采用钢结构，台面平铺钢板，焊接的车架。
而工作台工作时的供电系统采用360V交流电。
制动器采用电磁盘式制动器，可以满足通电时不制动，断电时及时制动。
在分配各个系统应该按如下两个原则：
占用最小空间原则；
质量均匀分配原则；
下图为打磨工作台的整体设计方案一：
主视图
1234567891011
俯视图
图2.1整体设计方案图一
1、小车平板2、车桥3、气动卡盘4、法兰盘5、转轴6、带轮
7、减速器8、V带9、电磁制动器10、三相异步电动机11、供气控制装置
以下为打磨工作台的整体设计方案二：
主视图
1234567891011
俯视图
图2.2整体设计方案图二
1、小车平板2、车桥3、气动卡盘4、法兰盘5、转轴6、带轮
7、减速器8、V带9、电磁制动器10、三相异步电动机11、供气控制装置
本次设计共有两个方案，两个方案大同小异，由同样的传动系统，同样的气动控制系统以及同样的电气控制系统。
但有一点不同，方案一中制动器安装在减速器的高速轴上，方案二的制动器安装在转动轴上。
两种方案中制动器安装位置不同，效果也不同。
经过查阅资料得知，当功率一样或者相近时，转速越高转矩越小，由公式
可知。
不仅如此，如果按方案二的设计安装制动器时，需要为制动器添加一个支座，这样提高了设计的复杂程度，与本次设计的思想违背。
所以综上所述，本次的设计选择方案一作为设计的方案。
如上图一所示为本次车桥打磨工作台的整体设计方案，在打磨车桥桥头时将车桥2由天车及机械手负责将车桥桥壳放置打磨工作台上，待加工车桥一端由气动夹具夹紧，另一端放在两个橡胶轮之间。
刚开始时车桥不转动，工人师傅负责打磨工作，当一部分打磨工作结束时，由工人师傅按动启动按钮电动机开始转动在一定时间内电动机停止转动，此时电磁制动器开始工作，瞬时间转动轴停止转动，工人师傅开始下一部分的打磨，如此循环下去。
第三章传动系统的设计
3.1电动机的选择
3.1.1确定电动机的转速
令车桥转动一次时间为0.4秒，转动角度为45o，所以规定转速
n=18.75r/min （3－1）
本次设计选择V带与车桥转动轴连接传动，按高等教育出版社出版的《机械设计课程设计指导书》（第二版）表一推荐的传动比合理范围，取V带传动的传动比i1’=2~4，本次选择传动比为2。
则减速器输出轴的转速可知
n3=nx2=18.75x2=37.5r/min （3－2）
二级圆柱齿轮减速器传动比i2’=8~40,则总传动比合理范围为ia’=16~160,故电动机转速的可选范围为
nd’=ia’n=（16~160）x37.5=600~6000r/min （3－3）
符合这一范围的电动机有很多，按工作要求和条件，选用三相笼型异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y型。
因为本题要求，当打磨车桥桥头时，处于静止状态，所以电动机提供的动力只需要能够让车桥旋转起来即可，故为了节约成本和资源选择功率较小的电动机。
经查表可得到如下可供选择的电动机
表3－1电动机型号
方案
电动机型号
额定功率Ped
KW
电动机转速r/min
电动机重量
N
参考价格
元
功率因数
cosβ
效率
%
转动惯量
kg·m2
1
Y2-801-6
0.37
900
170
230
0.70
62
0.00158
2
Y2-90S-6
0.75
910
230
350
0.72
69
0.0029
3
Y2-160M-6
7.5
970
1190
750
0.77
86
0.0881
3.1.2确定电动机功率
根据容量和转速，由有关手册查出三种较为适合的电动机型号。
综合考虑电动机和传动装置尺寸、重量、价格和带传动、减速器的传动比，可见第二方案比较适合。
因此选择电动机型号为Y2-90S-6，其主要性能如下
表3－2 Y2-90S-6的相关参数
型号
额定功率
KW
满载时
最大转矩/额定转矩
启动电流/额定电流
启动转矩/额定转矩
转速
r/min
电流
A
效率
%
功率因数
cosβ
Y2-90S-6
0.75
910
2.3
69
0.72
2.1
5.5
2.0
3.2选择减速器
3.2.1确定总传动比和分配传动比
由选定的电动机满载转速nm和工作机主动轴转速n，可得传动装置总传动比为
ia=nm/n=910/37.5=24.27 （3－4）
ia为总传动比
ia=i0·i （3－5）
式中i0、i分别为带传动和减速器的传动比。
为使V带传动外廓尺寸不致过大，初步取i0=2.8（实际的传动比要在设计V带传动时，由所选大小轮的标准直径之比计算），则减速器传动比为：
i=ia/i0=24.27/2.8=8.67 （3－6）
分配减速器的的各级传动比
按展开式布置。
考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，可由相关资料图的展开式曲线查得i1=3.4,则
i2=i/i1=8.67/3.4=2.55 （3－7）
各轴转速
n1=nm/i0r/min （3－8）
式中：
nm为电动机满载转速；
i0为电动机1轴的传动比。
3.2.2减速器各个轴的参数
各轴转速为
1轴n1=nm/i0=910/2.8=325r/min （3－9）
2轴n2=n1/i1=325/3.4=95.56r/min （3－10）
3轴n3=n2/i2=95.56/2.55=37.5r/min （3－11）
夹具轴n4=n3=37.5r/min
各轴输入功率
按照各轴间的关系：
P1=Pd·η01KWη01=η1
所以1轴P1=0.75x0.96=0.72KW （3－12）
P2=P1·η12KWη12=η2·η3
所以2轴P2=0.72x0.98x0.97=0.68KW （3－13）
P3=P2·η23KWη23=η2·η3
所以3轴P3=0.68x0.98x0.97=0.65KW （3－14）
夹具轴P4=P3·η34KWη34=η2·η4
所以夹具轴P4=0.65x0.98x0.97=0.63KW （3－15）
1-3轴的输出功率则分别为输入功率陈轴承效率0.98，例如1轴输出功率
P1‘=P1x0.98=0.72x0.98=0.71KW （3－16）
其余类推。
各轴输入转矩
电动机轴输出转矩
Td=9550Pd/nm=9550x0.75=7.87N·m （3－17）
1-3轴输入转矩
1轴T1=Td·i0·η01=Td·i0·η1
=7.87x2.8x0.96
=21.26N·m （3－18）
2轴T2=T1·i1·η12=T1·i1·η2·η3
=21.16x3.4x0.98x0.97
=68.39N·m （3－19）
3轴T3=T2·i2·η23=T2·i2·η2·η3
=68.39x2.55x0.98x0.97
=165.78N·m （3－20）
夹具轴输入转矩
T4=T3·η2·η4
=165.78x0.98x0.99
=160.84N·m （3－21）
1-3轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率0.98，例如1轴的输出转矩T1’=T1x0.98=21.16x0.98=20.74N·m，其余类推。
运动和动力参数计算结果整理于下表:
表3－3各轴参数表
轴名
效率P
KW
转矩T
N·m
转速n
r/min
传动比
i
效率
η
输入
输出
输入
输出
电动机轴
0.75
7.87
910
2.8
0.96
1轴
0.72
0.71
21.16
20.74
325
2轴
0.68
0.67
68.39
67.02
95.56
3.4
0.95
3轴
0.65
0.64
165.78
162.46
37.5
2.55
0.95
夹具轴
0.63
0.62
160.84
157.62
18.75
2.00
0.97
3.2.3减速器的外形尺寸
第一步，按减速器的机械强度功率表选取，要记入工况系数KA，还要考虑安全系数SA。
带式传动机负荷为均匀载荷，减速器失效会引起生产线停止生产。
查表3—5，表3—6，得KA=0.8，SA=1.3，机械强度计算功率为
P2M=P2KASA=0.63KWx0.8x1.3=0.66KW （3－22）
式中P2M为机械强度计算功率，KW；
P2为负载功率，KW；
KA为工况系数（即使用系数）；
SA为安全系数。
按i=9及n1=910r/min接近公称转速1000r/min,查化学工业出版社出版的《机械设计手册》（第五版）表16-2-5ZLY125,i=9，n1=1000r/min,P1=27KW。
当n1=910r/min时，这算公称功率
P1=27KWx910/1000=24.57KW （3－23）
P2M=0.66KW第二步，校核热功率P2t能否通过。
要计入系数ƒ1，ƒ2，ƒ3，应满足
P2t=P2ƒ1，ƒ2，ƒ3≤PG1或PG2
式中P2t-计算热功率，kw；
PG1，PG2-减速器热功率，无冷却装置为PG1，有冷却装置为PG2。
ƒ1，ƒ2，ƒ3-系数分别为环境温度系数，载荷率系数，公称功率利用系数。
查表3—7～表3—9得ƒ1=1，ƒ2=0.86（每日10小时连续工作），ƒ3=1.25（P2/P1=0.63/27=0.023=2.3％≤40％）。
P2t=0.63KWx1.25x1x0.86=0.68KW （3－24）
查化学工业出版社出版的《机械设计手册》（第五版）表16-2-7得：
ZLY125，PG1=28kw，PG1≥P2t，采用盘状管冷却时，PG2=50kw，PG2≥P2t。
因此可以选定：
ZLY125-9-
减速器，采用油池润滑，盘状水管通水冷却润滑油。
表3-4工况系数KA
原动机
每日工作时间/h
均匀载荷U
中等冲击载荷M
强冲击载荷H
电机
汽轮机
水利机
≤3
>3~10
>10
0.8
1
1.25
1
1.25
1.5
1.5
1.75
2
4~6缸的活塞发动机
≤3
>3~10
>10
1
1.25
1.5
1.25
1.5
1.75
1.75
2
2
1~3缸的活塞发动机
≤3
>3~10
>10
1.25
1.5
1.75
1.5
1.75
2
2
2.25
2.5
表3－5工况系数KA
原动机
每日工作时间/h
均匀载荷U
中等冲击载荷M
强冲击载荷H
电机
汽轮机
水利机
≤3
>3~10
>10
0.8
1
1.25
1
1.25
1.5
1.5
1.75
2
4~6缸的活塞发动机
≤3
>3~10
>10
1
1.25
1.5
1.25
1.5
1.75
1.75
2
2
1~3缸的活塞发动机
≤3
>3~10
>10
1.25
1.5
1.75
1.5
1.75
2
2
2.25
2.5
表3－6 安全系数SA
重要性和安全要求
一般设备，减速器失效仅引起单机停产且易更换备件
重要设备，减速器失效引起机组、生产线或全厂停产
高度安全要求，减速器失效引起设备、人身事故
SA
1.1~1.3
1.3~1.5
1.5~1.7
表3－7 环境温度系数ƒ1
冷却条件
环境温度/℃
10
20
30
40
50
无冷却
0.9
1
1.15
1.35
1.65
冷却管冷却
0.9
1
1.1
1.2
1.3
表3－8 载荷率系数ƒ2
小时载荷率/％
100
80
60
40
20
ƒ2
1
0.94
0.86
0.74
0.56
表3－9公称功率利用系数ƒ3
（P2/P1）/％
40
50
60
70
80~100
ƒ3
1.25
1.15
1.1
1.05
1
图3.1ZLY型减速器外形图
图3.2装配方式
查阅相关手册得到本次选择减速器ZLY125-9-
的外形尺寸如下表：
表3－10 ZLY125-9-
的外形尺寸表mm
型号ZLY（低速级中心距）
125
A
425
B
235
H≈
309
a
215
28
42
157
8
31
55
82
197
16
59
3.3制动器的计算与选用
本次设计中由于惯性原因，在电动机断电时，转动轴无法立即停止，这必将影响到打磨工作的进行，为了保证电动机停止转动时转动轴也停止转动，本次设计选择电磁片式制动器。
片式电磁制动器的工作原理
当有电流通过时，磁性线圈产生电磁力，电磁力吸合刹车片，刹车片释放制动盘，这时传动轴带着制动盘正常运转。
当没有电流通过磁性线圈时，此时刹车片贴合制动盘，制动盘与刹车片及法兰盘之间生产摩擦力矩，这样使得使用传动轴快速停止。
制动器的型号选用
制动转矩：
=9549x
=71.95N·m （3－25）
根据转矩的大小，选择的片式制动器的型号为DZD5-80B,DZD5-80B型片式电磁制动器的各项参数见下表：
表3－11DZD5-80B型电磁片式制动器各项参数
技术参数
技术参数
规格
5
10
20
40
80
160
320
1000
额定动扭矩（N·m）
5
10
20
40
80
160
320
1000
额定电压（DCV）
24
24
24
24
24
24
24
24
额定功率（W200C）
11
15
20
25
35
45
60
100
最高转速（rpm）
6000
5000
4000
3500
3000
3000
2000
1500
根据以上参数选择的片式电磁制动器的规格为额定转矩为80N·m的。
其基本尺寸见下表：
表3－12规格为80的参数表
规格
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
L1
L2
80
160
120
100
100
103.5
215
230
41.5
86.5
规格
L3
L4
J
B
M
80
50.5
36
7
2.7
45
3.4带传动设计
定V带型号和带轮直径
工作情况系数工人做打磨工作采用换班制，一般工作时间在10~16小时，且工作平稳，所以根据表十三查得工作情况系数为
KA=1.2
计算功率Pc=KAP=1.2x0.65=0.78KW （3－26）
式中Pc为计算功率
KA为工况系数
P为3轴的输出功率
选带型号由高等教育出版社出版的《机械设计》第四版图11.15选择带型号为A型
小带轮直径由表十四取D1=75mm
大带轮直径D2=（
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