机电一体化旋转工作台课程设计.doc
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机电一体化课程设计说明书
题目：
旋转工作台的机电一体化设计
专业：
机电一体化
姓名：
好同学
指导教师：
好老师
完成日期2013年5月20日
目录
课程设计的目的 2
《机电一体化系统设计》课程设计任务及设计参数 3
一、系统总体改造方案的确定 3
二、工作台旋转机械部分的改进 5
三、工作台升降机械部分改进 8
四、最佳方案 11
五、其他机械部分改进 12
六、控制部分方案设计 16
小结……………………………………………………………………………………..……..21
参考文献 22
课程设计的目的
1）学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。
2）通过对机械系统的设计掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。
齿轮同步带减速装置、蜗杆副、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。
3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式，学会选用典型的位移速度传感器；如交流、步进伺服进给系统，增量式旋转编码器，直线光栅等。
4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、A/D与D/A配置、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电机的控制软件等。
5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思路。
6）锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。
《机电一体化系统设计》课程设计任务及设计参数
课程设计名称
旋转工作台的机电一体化设计。
设计任务
机械部分
说明该机构的工作原理、传动支撑方式、导向方式、预紧方式等；若有必要，可在提供的CAD图中按自己认为合理的方式进行修改。
设计限位装置（如接近开关的安装支座）
控制部分
该装置由两台异步电动机驱动，其中一台电机控制工作台在90度范围内往复旋转，另一台电机控制工作台上的托辊转动，完成工件输入、停止和输出的动作。
要求用继电器接触器控制系统、或PLC、或单片机完成上述动作的控制。
提交的设计文件
设计说明书（A4）。
相关电气参数
3.1电机
Y系列（IP44）小型三相异步电动机技术数据（380V、50Hz）.
型号:
Y801-2
额定功率/kW:
0.75
铁心长度/mm:
65
气隙长度/mm:
0.3
定子外径/mm:
120
定子内径/mm:
67
定子线规nc-dc:
1-0.63
每槽线数:
111
并联支路数:
3
绕组型式:
单层交叉
节距:
1～9/2～10/18～11
槽数Z1/Z2:
18/16
转动惯量/（kg·m^2）:
0.00075
质量/kg:
16
PLC（参考）
FX2N-32MR-001
电源电压220VAC
输出电压220VAC
一、系统总体改造方案的确定
我这次课程设计主要针对旋转工作台机械部分的改造。
将原方案中的由原来的通过电机带动涡轮蜗杆转动是工作台旋转，由液压缸伸缩控制工作台升降；改成由液压缸升降工作台使与工作台固定的轴在特制的套筒按一定的轨迹移动，已达到旋转特定角度且上升到指定高度的目的；工作台上升高度可以通过手动控制液压缸的电磁阀控制。
这样不仅简化了转台整体结构，降低加工制造成本，而且提高了旋转角度的定位精度。
工作台传送工件由电机通过减速器和联轴器带动限力式辊轴的转动，辊轴间通过链条连接，已达到传送工件的目的，而工件的位置则由挡板控制。
二、工作台旋转机械部分的改进
1、原方案（图一）
图一
该方案的工作过程：
电动机正转经联轴器带动蜗杆涡轮使工作转台旋转，当转到后，电动机停转，电动机反转时，工作转台回到原来的位置。
分析不合理处：
A、该方案中采用三相异步电动机不合理。
在工作中电机需频繁启动，很容易使电机损坏。
B、电动机与蜗杆直接用联轴器连接不合理。
首先，三相异步电机转速都较快，而转台只需转半圈，则需要较大传动比的涡轮蜗杆，结构过大，明显不适合用在此处。
其次，若工作过程中发生卡死故障，由于电动机与蜗杆直接用联轴器连接，很可能导致烧坏电机并且有可能引发安全事故。
C、轴承端没有挡油环，不利于润滑
改进方案
（1）针对A处改进方案
槽轮机构
该方案与方案一的类似，不同之处为联轴器后面加上了一个槽轮机构（图三），由槽轮带动涡轮蜗杆转动，从而转动工作台。
其工作原理为拨销盘以不变的转速旋转，拨销转过2时，槽轮转过相邻两槽间的夹角为2，在拨销转过其余的部分时，即2（），槽轮静止不动，直到拨销进入下一个槽内，又重复以上循环，这样就将拨销盘的连续运动变为槽轮的间歇运动。
图二 图三
槽轮传动机构分析：
采用槽轮机构具有结构简单，转速迅速，从动件能在较短的时间内转过的较大的角度，传动效率高，槽轮单位时间内与静止时间比值相等，由于槽轮的角速度不是常数，转速的开始和结束有一定大小的速度，从而产生了冲击，采用锁紧弧和定位弧定位，其定位精度不是很高，与方案一相比，避免了电机的频繁启动，直选首先设置好时间节拍即可，保护了电机的及电路，降低了事故发生的频率。
将三相异步电机换成液压马达，因为液压马达时将液压转换成机械能，不会因频繁启动而烧坏。
在电机与联轴器间增加一个离合器，当工作台达到指定位置时，松开离合器。
而电机可以连续工作。
蜗形凸轮传动机构
蜗形凸轮传动机构（1、转盘2、滚子3、蜗形凸轮）
图四
、针对B处改进方案
①对于速度较快问题，可以在电机和联轴器之间加上减速器，降低输入轴速度。
②而为防止卡死时电机损坏，我们可以将刚性销连接改成安全销连接，其结构如下图。
原理当输出轴扭矩过大时，安全销会自动切断，已达到保护电机的效果。
还可以在电动机后加一个带传动机构，当发生卡死时，带轮会出现打滑。
原方案 改进后
对比分析：
与前两种方案相比，只是在联轴器的后面加上一个蜗形凸轮传动机构，就能得到如下特点：
（1）能得到任意转位时间和静止时间之比，其工作时间系数K比槽轮机构小；
（2）能实现转盘所要求的各种运动规律;（3）与槽轮机构相比，能够用于工作位数较多的设备上，而且不需要加入其它的传动机构；（4）在一般情况下，凸轮棱边的定位精度已满足要求，而不需要其它定位装置；（5）有足够的刚度和韧性、装拆方便；而不足之处为成本较高，与前两种方案相比，造价是最昂贵的，其效果也是最好的，避免了电机的频繁启停，保护了电路和电机，更加安全可靠。
三、工作台升降机械部分改进
1、原方案（图七）
图七
工作原理：
液压缸工作使工作台上升，直至超过挡板后，电动机的启动带动涡轮蜗杆，使工作台旋转，该方案用液压缸与驱动工作台上升，太复杂且液压缸精度要求高，造价昂贵，工作效率不高，耗能大，转动部分采用电动机带动涡轮蜗杆，从而使工作台旋转，较复杂且涡轮蜗杆造价高，不经济。
2、改进方案一的设计（图八）
本方案的工作原理：
液压缸工作使杆支撑工作太上升，到曲槽刚好到达工作台高于挡板，杆沿曲槽上升旋转到曲槽顶时，刚好旋转。
与原方案相比：
都用了液压缸，但缺少了电动机带动涡轮蜗杆使工作台旋转，用曲槽代替，结构简单，节约成本，相比第一种方案好。
改进方案二设计（图九）
此方案的工作原理：
丝杆轴的旋转可使其在水平方向的移动，使支撑杆伸张和收缩，从而使工作台的上下移动。
图九
方案比较：
与前两种方案相比较，用丝杆代替液压缸，结构简单，节约成本，操作方便。
综合考虑：
第三种方案最经济，前两种方案都用了液压缸，第二种方案比第一种方案好，液压缸精度高，但效率很低，成本不经济。
第三种方案升降部分用丝杆轴的旋转，旋转部分用电机带动涡轮蜗杆，从而地使工作台旋转，没方案二的旋转部分经济，但整体考虑，方案三比方案二更好。
四、最佳方案
将工作台的旋转和升降设计成由一个系统控制如图，工作原理：
当液压缸上升时，工作台带动轴上升，而轴由于被限制在套筒中，只能按照套筒上所开的槽的轨迹移动。
套筒上的槽形轨道是螺旋上升且只旋转90度。
这样不仅简化了系统结构，减少成本；而且满足旋转精度。
五、其他机械部分改进
1、润滑密封
原方案中轴的轴承部分（图十）
图十
分析：
该方案轴承的下端没有挡油环，故润滑脂很容易漏出来，且会有杂质进入润滑脂中影响软化效果。
改进后的方案（图十一）
图十一
对比分析：
改进后，下端面加挡油环，润滑时将润滑油滴入轴承，影响轴承的运转和寿命，左端增加了一个隙缝密封，在密封隙里加入润滑脂，在提高密封效果的同时防止了杂质进入轴承，以免损坏轴承。
2、导轨部分（图十二）
图十二
分析：
该方案沟槽内部不方便能润滑，且旋转是摩擦较大。
加工业不经济，所以得改进。
改进后的方案（图十三）
图十三
分析对比：
与原方案相比，导轨槽位V型槽，可储存润滑剂，加工方便，结构简单，加工成本低，降低了摩擦阻力，方向精度高，对温度变化不敏感，工艺性好。
升降导轨的设计
考虑到工作台是竖直方向移动，所以，选用闭式矩形导轨或燕尾槽式导轨，由于这里对导向精度没有较高要求，我这里选择闭式矩形导轨如图
闭式矩形导轨
传送部分机械改进
原方案
有三相异步电动机通过减速机构再带动辊筒转动，使工件达到指定位置，有挡板定位。
如图
这个方案中有挡板定位不够精确，并且会对挡板产生较大冲击力，当工件到达挡板后电机还会转动，使辊筒与工件之间则会产生较大摩擦力。
改进方案
将辊筒用限力式辊筒，当工件到达挡板后，电机转动但辊筒外表面不会转动。
六、控制部分方案设计
工件传送控制
工件传送只需控制电机正反转即可，采用接触器联锁的正反转控制。
电气图如下
控制原理：
当按下正转启动按钮SB1后，电源相通过热继电器FR的动断接点、停止按钮SB3的动断接点、正转启动按钮SB1的动合接点、反转交流接触器KM2的常闭辅助触头、正转交流接触器线圈KM1，使正转接触器KM1带电而动作，其主触头闭合使电动机正向转动运行，并通过接触器KM1的常开辅助触头自保持运行。
反转启动过程与上面相似，只是接触器KM2动作后，调换了两根电源线U、W相（即改变电源相序），从而达到反转目的。
互锁原理：
接触器KM1和KM2的主触头决不允许同时闭合，否则造成两相电源短路事故。
为了保证一个接触器得电动作时，另一个接触器不能得电动作，以避免电源的相间短路，就在正转控制电路中串接了反转接触器KM2的常闭辅助触头，而在反转控制电路中串接了正转接触器KM1的常闭辅助触头。
当接触器KM1得电动作时，串在反转控制电路中的KM1的常闭触头分断，切断了反转控制电路，保证了KM1主触头闭合时，KM2的主触头不能闭合。
同样，当接触器KM2得电动作时，KM2的常闭触头分断，切断了正转控制电路，可靠地避免了两相电源短路事故的发生。
这种在一个接触器得电动作时，通过其常闭辅助触头使另一个接触器不能得电动作的作用叫联锁（或互锁）。
实现联锁作用的常闭触头称为联锁触头（或互锁触头）。
工作台升降和旋转控制
工作台升降和旋转采用三位四通电磁阀控制液压回路，如图
工作原理：
当有压力油进入时，回油路的单向阀被打开，压力油进入工作液压缸。
但当三位四通电磁换向阀（Y型）处于中位或液压泵停止供油时，两个液控单向阀把工作液压缸内的油液密封在里面，使液压缸停止在该位置上被锁住。
（如果工作液压缸和液控单向阀都具有良好的密封性能，即使在外力作用下，回路也能使执行元件保持长期锁紧状态）。
在图示位置时，由于Y型三位四通电磁换向阀处于中位，A、B、T口连通，P口不向工作液压缸供油，保持压力，缸两腔连通。
此时，液压泵输出油液经溢流阀流回油箱，因无控制油液作用，液控单向阀A，B关闭，液压缸两腔均不能进排油，于是，活塞被双向锁紧。
要使活塞向上运动，则需使换向阀1DT通电，左位接入系统，压力油经液控单向阀A进入液压缸，同时也进入液控单向阀B的控制油口K，打开阀B，使液压缸右腔回油经阀B及换向阀流回油箱，同时工作液压缸活塞向右运动。
当换向阀右位接通，液控单向阀B开启，压力油打开阀A的控制口K，工作液压缸向下行，回油经阀A和换向阀T口流回油箱。
当工件在工作台上定位后，液压缸上升带动工作台旋转上升，当转到90度后，
可以通过液压缸控制工作台高度。
工件加工完后，液压缸回油带动工作台下降且旋转。
全自动控制方案
在按加工需要工作台首尾两端各安装一个传感器脉冲开关SB1、SB2和导轨上下各安装一个传感器脉冲开关SB3、SB4，且每个开关均有手动控制装置。
用PLC控制，其接线图如图
图中接触器KM1控制电机正转；接触器KM2控制电机反转；接触器KM3控制三位四通电磁阀左位得电，即液压缸上升；接触器KM4控制三位四通电磁阀右位得电，即液压缸下降。
工作原理：
按下启动按钮SB1，线圈KM1得电，KM1主触头闭合，电机正转；当工件接触到工作台尾端传感器，SB2闭合，延时1秒，线圈KM2得电，KM2主触头闭合，电磁阀左位得电，液压缸上升；当导轨滑块接触导轨上端传感器，SB3闭合，延时50秒，等待工件加工后，线圈KM3得电，KM3主触头闭合，电磁阀右位得电，液压缸下降；当导轨滑块接触导轨下端传感器，SB4闭合，延时一秒，线圈KM4得电，KM4主触头闭合，电机反转；当工件接触到工作台首端传感器，SB5闭合，延时5秒，返回前面操作。
其梯形图如图
小结
在设计的过程中，我深刻地体会到机电一体化系统的设计，是多学科的交叉与综合，涉及了大学课程里的大部分知识，是对过去所学知识的一次复习、巩固和实际的操作，强化训练了我们的学科融合的思维能力，进一步加强了我们对机电一体化系统设计技术总体思想，初步了解到了设计一个机电一体化系统的方法，培养了一个机电工程师应具备的思维能力。
在设计中我学到了很多从书本上无法体会的东西。
学习实践技能得到明显的提高，使自己的综合能力得到进一步的提高，从而为自己毕业后更快地适应社会工作打下良好的基础。
但我们还需要在实践中不断的学习，提高，掌握新概念、新技术、将来才能成为机电一体化的复合人才。
参考文献
张建民等，机电一体会系统设计（第三版）高等教育出版社，2010
王信义，机电一体化技术手册（第二版）机械工业出版社，2000
机械设计委员会，机械设计手册，机械工业出版社2004
李建勇.机电一体化技术.科学出版社.2004
徐灏.机械设计手册（3）.机械工业出版社,2003
张建民.机电一体化系统设计.北京理工出版社,2004
杨入清.现代机械设计—系统与结构[M].上海:
上海科学技术文献出版社,2000
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