移动加液车液体加注系统设计毕业论文Word格式.doc

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1.1国内外技术现状及发展趋势 1

1.2移动加液车液体加注系统设计的意义 1

1.3方案讨论 2

1.3.1动力系统及机械机构 2

1.3.2电气控制系统 2

1.4主要任务 3

2机构设计 4

2.1执行机构结构形式选择 4

2.2机械结构设计 6

2.2.1底座设计 7

2.2.2支架设计 7

2.2.3夹具设计 8

2.2.4电机的选择与计算 9

3控制系统设计 12

3.1可编程序控制器 12

3.1.1PLC的介绍 12

3.1.2可编程序的控制类型 12

3.1.3PLC的特点 12

3.1.4 

PLC的工作原理 

13

3.2PLC系统设计 15

3.2.1PLC的I/O口分配 15

3.2.2PLC的I/O接线图 16

3.3电机控制部分 18

3.3.1电动机的启动方式及其比较 18

3.4编码器的选型 22

3.4.1编码器信号输出形式 23

3.4.2编码器的应用 24

4人机界面（HMI）设计 25

4.1触摸屏概述 25

4.2EasyBuilder8000 25

4.2.1功能介绍EB8000 25

5总结与展望 29

致谢 30

参考文献 31

31

1绪论

1.1国内外技术现状及发展趋势

经过长时间的发展，我国工程机械行业已具备了相当的规模和技术水平，能生产出接近和达到国际领先水平的产品，并出现了在国际上享有一定知名度的品牌，行业基本形成了一个完整的体系，除特种大型的工程机械外，能够生产国内工程建设所需要的二十大类产品、280多个系列、1700多个品种、4000多个规格。

2013年，工程机械出口一路高歌，极大地提振了行业信心。

龙头企业徐工国际化进程逆势提速，出口额五年来累计达42.2亿美元，出口规模保持国内行业第一，成为中国制造“走出去”的标杆。

目前，我国已超越美国、日本、欧洲成为全球最大的工程机械市场，这对投资者来说意味着良好的投资机会。

大规模的基础设施建设，国家战略性新兴产业的发展等，都将直接带动工程机械市场继续发展。

随着国内经济发展，很多城市兴建楼房、基础设施，工程机械需求量很大，还有很多发展中国家，由于国内不能够满足需求也需要从国外进口，这样就给我们创造了很多机会。

国内的的工程机械一直都以廉价、实用，以及售后服务赢得国外市场，这样的产品对他们来说也是合适的选择。

1.2移动加液车液体加注系统设计的意义

移动加液车是实现液体转存和抽取，将原料输送到目标区域。

所以加注系统设计显得的尤为重要，步进电机可以实现加液炮臂在平面内90度展开、收起，整体应用PLC（S7-200）控制，并且对液车各个泵、电机、液位的监控和控制，统一在触摸屏人机界面（EB8000）上进行显示和操作，同时设计操作面板，实现手动操作，提供必要的警示功能。

本课题移动加液车设计一套液体加注系统，题目是一个综合性的设计课题，对学生的要求很全面。

通过本次环节很好的把教学与实践相结合，是一次综合性的大检验。

培养学生的实践能力、培养学生新产品的开发能力，以及熟练掌握文献检索、写作能力、沟通能力。

1.3方案讨论

1.3.1动力系统及机械机构

图1-1机械结构

（1）机械机构：

可用电瓶直接驱动辅助液压泵收起加液炮臂；

保证各运动件工作灵活，按要求配置旋转轴固定座、旋转轴、固定座、销轴等。

加液炮臂收回后要有固定架，所有结构做防锈处理。

（2）液压系统：

动力单元包括：

直流电机、泵、溢流阀、电磁换向阀、阀块、限位开关、油箱（4L）等。

油缸（参考尺寸φ50×

350mm）、管路（软管、管夹、接头）等。

应提供各液压泵、液压缸制造商全称、国别、品牌、型号、详细参数、厂址的说明。

（3）加液炮臂结构，已知参考数据：

加液炮臂总长5米，前部4米，后部1米。

不锈钢管采用φ89×

3。

（4）操作控制采用：

触摸屏控制（置于驾驶员侧设备厢内）。

1.3.2电气控制系统

控制系统：

整车控制系统采取PLC触摸屏控制，在车体一侧设置触摸屏控制面板，控制面板上需提供照明装置，其中包括发电机组控制和整个动力控制面板，实现整车所有功能全触摸屏控制功能，并配置手动控制功能，且能实现触摸控制及手动控制切换。

控制面板尺寸：

400宽*700高（参考尺寸），颜色：

白色。

（1）液压控制：

利用24V电瓶电源，可以开启电磁换向阀、溢流阀、液压泵；

油缸工作，可以进行加液炮臂展开及收起。

液压控制应采用直流接触器。

（2）照明控制：

利用24V电瓶电源，触摸屏上界面切换至照明控制，在车头、车尾和最高点设有黄色警示灯和示宽灯用于夜间安全警示，在人工操作部分安装防爆照明灯（一用一备）用于夜间工作照明配，前后设备厢安装照明灯。

（3）发电机控制：

（发电机厂家提供，控制厢面板放置在驾驶员侧设备厢内，，固定之），安装电瓶开关。

（4）液位报警显示及控制（具有液位数显、高低液位报警、消音功能，液位显示仪表、报警器、消音按钮，液位计厂家提供，液压控制厂家安装在控制柜上），避免泵空转或液体溢出。

（5）5台泵的控制：

加液泵ISGB80-20（I）A，功率为7.5kw，2台；

进液泵KCB-483.3，功率为7.5kw，3台。

每台泵配置：

启停按钮、运行故障指示灯。

必须有空开、交流接触器、热继。

（6）电磁阀的控制：

打开、关闭除冰液管路上电磁阀2台（24V）。

（7）安装雷达和倒车影像系统，摄像头必须高清、防水、防雾并带夜视功能。

监视屏放置在驾驶室。

1.4主要任务

（1）查阅资料并整理，提出测量仪机械结构方案，同时完成开题报告。

（2）提出系统控制方案，选定主控系统类型，设计加液操作的炮臂伺服控制方案，实现对加液车各个泵、电机、液位的监视和控制。

（3）触摸屏并且在人机界面上进行显示和操作，同时设计操作面板，实现手动操作，提供必要的警示功能。

（5）完成设计图纸，撰写1.5万字的说明书，翻译3000字的专业技术文章。

2机构设计

2.1执行机构结构形式选择

按照设计要求，加液炮臂需满足360°

旋转，且需设计固定架。

为保证加液炮臂完成加液操作，加液炮臂需满足升降功能。

加液炮臂可能的形式很多，按照坐标形式分类，可分为直角坐标式，圆柱坐标式，球坐标式和关节式，下面对加液炮臂可能的形式进行简单的对比。

1）直角坐标式结构

直角坐标式可满足加液炮臂的上升下降、前移后移和左移右移，可以向X、Y、Z三个方向运动，但是不能实现加液炮臂的旋转，不满足设计要求。

图2-1直角坐标

2）圆柱坐标式结构

圆柱坐标式结构允许加液炮臂的旋转，上升下降，即可以绕Z轴旋转，沿Z轴运动，满足设计要求。

图2-2圆柱坐标

3）球坐标式结构0

球坐标式结构允许加液炮臂绕X、Y、Z轴旋转，满足设计要求。

图2-3球坐标

4）关节坐标式结构

综上所述，满足要求的结构形式为圆柱坐标式结构和球坐标式结构，考虑到加液炮臂前端有一根用于加注操作的软管，所以加液炮臂的升降没有很高的精度要求，球状式结构设计更为简单便捷，根据实际需求，本次设计只需用到球状坐标的Z轴正半轴以上空间，且加液炮臂不允许向上抬升至90°

，本次设计设定最大仰角α=60°

。

图2-4关节坐标

2.2机械结构设计

根据设计要求，在水平面内适用于360°

加液炮臂旋转的展开、收起操作控制，在竖直面内可以90º

内旋转，加液炮臂总长5米，前部4米，后部1米。

采用φ89不锈钢管。

图2-5机械结构

（1）如图所示，炮臂的在水平面内360°

旋转是通过安装在水平面内的齿轮来实现的。

图2-6360°

旋转示意图

（2）如图所示，炮臂在竖直面内90°

展开与收起是通过竖直面的涡轮实现。

图2-7竖直面90°

展开与收起

2.2.1底座设计

机构底座是承载机构所有重量的基础，它对强度、稳定性、可加工性要求很严格。

一个机构的底座主要实现支撑功能，这也涉及到整体设计的布局和结构。

另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机构工作时的稳定行。

图2-8底座

2.2.2支架设计

支架主要实现整体机构的360°

旋转和支撑水平轴，360°

旋转是通过安装在支架轴上的齿轮连接直流电机来实现。

支架通过两个推力轴承安装在底座内，可以满足设计要求。

图2-9支架

2.2.3夹具设计

夹具安装在支架内，通过一个缩紧套夹住炮臂来在竖直面内展开与收起。

它的动力是通过安装在夹具轴上的一个涡轮来提供。

图2-10夹具

自锁机构：

自锁是如果作用于物体的主动力的合力Q的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个全反力R与之平衡，物体保持静止；

反之，如果主动力的合力Q的作用线在磨擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。

这种与力大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。

物体在这种条件下的平衡现象称之自锁现象。

蜗轮减速机特点与自锁功能的应用 

图2-11蜗轮蜗杆

实际上蜗轮减速机就是蜗轮蜗杆减速器，因为蜗轮与蜗杆在减速器的应用当中都是成对出现的。

减速器中有一个蜗杆就一定会有一个蜗轮，因此蜗轮减速器只是人们对蜗轮蜗杆减速器的一种口语化叫法。

但通常大家更喜欢把蜗轮蜗杆减速器称为蜗轮蜗杆减速机。

或者说蜗轮蜗杆减速机是更通用的一种叫法。

简单介绍一下蜗轮及蜗杆机构的特点：

蜗轮蜗杆可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。

两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构 

蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。

具有自锁性。

当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。

如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。

传动效率较低，磨损较严重。

蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。

另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高 

蜗杆轴向力较大。

蜗轮蜗杆减速机自锁功能的应用：

在减速机的传动方式中,蜗轮传动具备其他齿轮传动所没有特性,即蜗杆可以轻易转动蜗轮，但蜗轮无法转动蜗杆。

这是因为蜗轮蜗杆的结构和传动是通过摩擦实现的造成的。

蜗轮蜗杆传动方式具有的自锁止功能在机械应用很有用处，比如卷扬机，输送设备等等。

然而也是因为蜗轮蜗杆的摩擦传动方式，也造成了蜗轮蜗杆的传动效率相对齿轮传动要低很多。

备注：

不过要注意的一点是，不是所有的蜗轮减速机都具有很好的自锁功能，蜗轮的自锁功能要达到一定的速比才能实现。

这和导程角有关，即小速比的蜗轮蜗杆自锁功能就不那么理想。

2.2.4电机的选择与计算

电机选型表中有部分参数需要计算来得到。

但是实际计算中许多情况我们都无法得到确切的机械参数，因此，这里只给出比较简单的计算方法。

（a）静态力矩

500mm

3500mm

图2-13炮臂尺寸

M（炮臂界面）=（R12-R22）πρ1+R22πρ2=（44.52-432）*π*7.9+432π*ρ2=3.26+5.8=9.06kg

T水平轴=M右-M左=1.75*9.06-0.5*9.06=11.325Nm

则，Ft2=涡=11.325/200mm=56.625N

根据蜗轮蜗杆公式：

传动比：

i=Z2/Z1=32/1=32

蜗轮蜗杆总效率：

η=η1η2η3=0.8

T2=T1iη

Fa1=Ft2=2T2/D2

得，Ft1=0.22N

T电机1=Ft1*50mm=0.22*0.05=0.011Nm

（b）初定炮臂以ω=0.2m/s

涡轮V=ω*r=0.2*0.2=0.04m/s

蜗杆V=0.04*32=1.28m/s

则，n=V/Dπ=1.28/π*0.05m=8.148r/min

图2-14蜗轮蜗杆受力分析

（c）驱动要求分析

（1）估算驱动力矩

由设计要求可知，加液炮臂长l=5m，不锈钢材质，管口尺寸为：

φ89×

由solidworks质量测量工具测量可知，加液炮臂的质量为m=31.205kg。

当加液炮臂处于水平位置时，炮臂对固定架的扭矩达到最大，此时加液炮臂对固定架的扭矩约为：

N1=mg（L-l）=31.205×

9.8×

（2-0.5）=458N•m（2-1）

在加液过程中，加液炮臂静止不动，此时炮臂内有加注液体，以液体的密度为水的密度的2倍计算，估算此时的加液炮臂（包括管内液体）的质量为M=54kg。

加液炮臂对固定架的最大扭矩为：

N2=Mg（L-l）=54×

（2-0.5）=793.8N•m（2-2）

加液炮臂支撑柱由两个单列圆锥滚子轴承固定，圆锥滚子轴承承受着执行机构的竖直压力，由于受力方向单一，2个单列圆锥滚子轴承采用同向安装的形式。

驱动执行机构的水平旋转主要克服圆锥滚子轴承的摩擦力矩。

（2）估算所需功率

加液炮臂在操作过程中要求低速缓慢的转动，设定升降转动速度为0.5rmp（约为0.05rad/s），即加液炮臂每秒转动3°

，加液炮臂前端每秒升降0.2m。

设定旋转速度为1.2rmp（约为0.125rad/s），即加液炮臂每秒水平旋转7°

，炮臂前端每秒转过的弧度为：

0.5m。

由公式3-3可知：

P=T•ω（2-3）

加液炮臂升降时所需功率P1=22.9w。

根据驱动要求分析，未进行输液时，加液炮臂对固定架支点的最大扭矩约为458N•M，最大静力矩为793N•m,无刷直流电机通过行星齿轮减速器减速输出，并且在输出轴上安装一个半径为15mm的直齿轮A，A与加液炮臂上固定架上的大直齿轮B（半径150mm）连接，减速器输出轴的输出转矩最小为：

45.8N•m，加液过程中所需的静力矩为：

79.3N•m，根据转矩要求，选择减速器型号为：

北京和利时WPNF120型减速器，该减速器的额定输入转速为3000rmp，额定输出转矩为230NM，最大输出转矩为额定转矩的两倍，无刷电机的选择型号为：

北京和利时57BL-0730N1-LS-B，电机输出转速为3000rmp，额定功率为70W，由于加液炮臂要求缓慢转动，本设计减速器的减速比为320，所以输出转速为9.4rmp，经过大小齿轮再一次减速，加液炮臂的的转动速度为1.4rmp，满足缓慢转动的要求，根据转动速率，估算出加液炮臂转动所需的功率为约53W，满足加液炮臂的正常工作要求。

驱动加液炮臂水平转盘电机同为上述型号，经测算符合驱动要求。

电机的驱动器为和利时公司为电机适配的电机驱动器，驱动器的型号为：

BL0408

3控制系统设计

3.1可编程序控制器

3.1.1PLC的介绍

可编程序控制器（programmablecontroller），现在一般简称为PLC（programmablelogiccontroller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。

传统的继电器控制具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用甚广。

但是控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线刻控制盘（柜）就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。

3.1.2可编程序的控制类型

1）用于逻辑控制

这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。

用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。

例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。

2）用于模拟量控制

PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。

3）用于机械加工中的数字控制

现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。

4）用于工业机器人控制

5）用于多层分布式控制系统

高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PL