機電課程設計--自動制釘機傳動控制

1、<p><b>　　機電方向課程設計</b></p><p>　　題 目 自動制釘機傳動及控制系統(tǒng)設計</p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　專業(yè)班級 機械104 </p><

2、p>　　所在學院 機械工程學院 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　指導單位 機械電子工程教研室</p><p>　　10機電專業(yè)課程設計任務書</p><p>　　一、題目：自動制釘機傳動及控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　二、設計要求：&

3、lt;/b></p><p>　　制釘機制造出的排釘廣泛用于裝飾、家具制造及制鞋業(yè)等領域。欲設計一臺制釘機，其中釘頭鐓粗采用液壓傳動，要求通過電液控制實現(xiàn)鐓粗缸工作循環(huán)為快速左行，慢速鐓粗，快速回程，原位停止。軸向鐓粗力F=160KN，快進行程為100mm，工進行程為30mm，快進、快退速度為50mm/s，工進速度為30mm/ s，移動部件總質量為500kg，往復運動加減速時間不超過0.1s，工作臺采用平導

4、軌，靜、動摩擦因數(shù)fs=0.2，fd=0.1。</p><p><b>　　三、工作量：</b></p><p>　　1、擬定整體設計方案，設計液壓系統(tǒng)，繪制液壓系統(tǒng)圖1張。</p><p>　　2、完成PLC選型及硬件電路的設計。繪制PLC端子接線圖1張。</p><p>　　3、完成系統(tǒng)的軟件設計。繪制梯形圖與列出主

5、要控制程序指令語句1張。 </p><p>　　4、編寫設計說明書。內容包括設計方案的確定原則、元器件的選擇依據、工作原理及詳細功能介紹等。字數(shù)不少于3000字。</p><p>　　該題目由4-5人合作完成，每個人要適當分工，每個人的工作內容都要有不同的側重點，并在設計說明書中注明，對于自己側重的部分，要詳細進行論述。</p><p><b>　　四、工

6、作計劃：</b></p><p>　　熟悉項目準備資料半周、總體方案設計半周、詳細設計與編寫說明書一周半、完善材料及準備答辯與答辯半周，共計三周。</p><p>　　五、設計說明書格式及要求</p><p>　　1、封面（由學校統(tǒng)一印刷）包括：題目、學院、班級、學生簽字、指導教師簽字及日期。</p><p>　　2、任務書（由指

7、導教師填寫，用B5紙）</p><p>　　3、摘要（僅對論文）：一般不超過400字。要有4個左右的關鍵詞。</p><p>　　4、目錄：給出標題及頁次，目錄的最后一項是無序號的“參考文獻”。</p><p>　　5、正文：應按目錄章節(jié)撰寫，要求計算正確、論述清楚、文字簡練通順、插圖簡明、書寫整潔。</p><p>　　6、參考文獻：必須是

8、在課程設計中真正閱讀和運用過的，文獻按照在正文的出現(xiàn)順序排列。各類文獻的書寫格式如下：</p><p>　　a、圖書類的參考文獻：序號 作者名.書名.（版次）.出版單位，出版年：引用部分起止頁碼。</p><p>　　b、翻譯圖書類的參考文獻：序號 作者名.書名.譯者（版次）.出版單位，出版年：引用部分起止頁碼。</p><p>　　c、期刊類的參考文獻：序號 作者

9、名.文集名.期刊名.年，卷（期）：引用部分起止頁碼。</p><p>　　說明書打印用5號字，采用B5紙，字數(shù)不少于3000字。格式符合下列順序：題目（封面）；設計任務及要求；目錄；引言；正文；參考資料；附錄；封底。要求文字通順、書寫工整，標題符合規(guī)范。繪制的圖紙符合國家標準。</p><p><b>　　六、課程設計的考核</b></p><p&

10、gt;　　按計劃完成課程設計任務，經指導教師審查通過并在其圖紙、說明書等文件上簽字,方可獲得答辯資格。答辯由答辯小組主持,每個學生答辯總時間約為15分鐘。</p><p>　　設計成績根據學生平時的工作情況、設計水平、圖紙及說明書質量、獨立工作能力、以及答辯情況綜合衡量，最后由答辯小組討論評定。</p><p>　　答辯成績定為五級：優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格。不及格者須重做。<

11、/p><p>　　指導教師： 教研室主任： 2013年3月4日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一 引言 1</b></p><p>　　二 擬定整體設計方案，設計液壓系統(tǒng) 2</

12、p><p>　　2.1整體方案設計 2</p><p>　　2.2設計方案的確定原則 3</p><p>　　2.3液壓系統(tǒng)原理圖設計 5</p><p>　　2.4確定負載和執(zhí)行元件參數(shù) 7</p><p>　　2.5動力元件及輔助元件的選擇 9</p><p>　　2.6驗證液壓系統(tǒng)壓

13、力損失 10</p><p>　　三 PLC選型及硬件電路的設計 11</p><p>　　3.1控制系統(tǒng)的選擇 11</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)的設計（PLC） 12</p><p>　　四 結束語 19</p><p>　　五 參考文獻 20</p><p><

14、;b>　　一 引言</b></p><p>　　射釘槍由于其效率高，使釘受力均勻、一致，使用方便等優(yōu)點而廣泛用于包裝、廣告裝 飾及家具制造、制鞋業(yè)等方面。而作為其“子彈”的排釘，也就有了大量的需求。這種釘子不僅在本地區(qū)而且在港澳、東南亞等地，都有相當?shù)男枰洕б婵捎^。</p><p>　　制釘機又名廢舊鋼筋制釘機，它本著一切從廢物利用節(jié)能高效，變廢為寶的角度出發(fā)，以經

15、濟實用性為主，達到了技術含量高，操作使用方便，節(jié)約能源，性能穩(wěn)定可靠。質量達到標準，該設備具有體積小，靈活移動方便，低噪聲、低耗電、易安裝等特點。故此項目已成為各企業(yè)、個體、下崗職工、農民朋友快速致富投資的理想項目。</p><p>　　液壓系統(tǒng)是以電機提供動力基礎，使用液壓泵將機械能轉換為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向，從而推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作，完成各種設備不同的動作需要。

16、液壓系統(tǒng)已經在各個工業(yè)及農林牧漁等許多部門得到愈來愈廣泛的應用，而且與先進的設備，其應用液壓系統(tǒng)的部分就愈多。</p><p>　　本人負責選擇液壓元件和課程設計說明書的排版工作。</p><p>　　關鍵詞：制釘機 液壓系統(tǒng) 閥門 液壓傳動</p><p>　　二 擬定整體設計方案，設計液壓系統(tǒng)</p><p>　　2.1 整體方案設計&

17、lt;/p><p>　　排釘制造前的材料準備過程：</p><p>　?。?）壓線——將一定直徑、一定強度的鐵絲在壓輥機上壓扁； </p><p>　　（2）排線——將若干條（一般為 80～150 條）壓扁的鐵線拉直并排在一起； </p><p>　?。?）并線——將排好的線用粘合劑粘合在一起并烘干，成為板料； </p><p

18、>　?。?）制釘——將板料送到制釘機上成型。制釘機結構如下圖所示，主要由垂直、水平兩個液壓缸和送料機構、推料機構組成。</p><p>　?。?）在制釘機上制釘?shù)墓ぷ餮h(huán)為： </p><p>　　第一工序：送料。送料機構將板料送到垂直液壓缸下方； </p><p>　　第二工序：切料夾緊。垂直液壓缸帶動切斷模及夾緊裝置下降，將板料切斷并夾緊，為下一工序作準

19、備； </p><p>　　第三工序：鐓粗。水平液壓缸帶動鐓頭前進，將板料頭部鐓粗成為釘頭； </p><p>　　第四工序：鐓粗退回。水平液壓缸帶動鐓頭退后，離開釘頭。 </p><p>　　第五工序：切斷退回。垂直液壓缸上升，離開板料； </p><p>　　第六工序：推料。推料氣缸動作，將成品推出模具。</p><p

20、>　　2.2設計方案的確定原則</p><p>　　液壓系統(tǒng)的設計與主機的設計是密切相關的，首先應滿足主機的功能要求：主機拖動、動作要求、循環(huán)要求等；其次還應符合結構組成簡單、工作安全可靠、使用維護方便、體積小、重量輕等設計原則。因此，液壓系統(tǒng)設計應遵循從總體到細部的原則，首先從分析機械系統(tǒng)開始，充分理解、分析設計任務要求，然后根據所學液壓基本知識，做出液壓系統(tǒng)總體設計方案，設計出液壓系統(tǒng)原理圖，并對液壓系

21、統(tǒng)中所涉及的液壓元件進行選擇，主要包括液壓泵、電機、液壓閥及輔助元件的選擇，最后則是設計出液壓站。對于一般的液壓系統(tǒng)，在設計過程中應遵循以下幾個步驟：</p><p>　　明確設計要求，進行工況分析；</p><p>　　擬定液壓系統(tǒng)原理圖；</p><p>　　計算和選擇液壓元件；</p><p>　　發(fā)熱及系統(tǒng)壓力損失的驗算；</p

22、><p>　　繪制工作圖，編寫技術文件。</p><p>　　上述工作部分情況下要穿插、交叉進行，對于比較復雜的系統(tǒng)，需經過多次反復才能最后確定。在設計簡單系統(tǒng)時，有些步驟可以合并或省略。</p><p>　　一個完整的液壓系統(tǒng)由四個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件。動力元件的作用是將原動件的機械能轉換成液壓的壓力能，指液壓系統(tǒng)中的油泵，它向整個液壓系

23、統(tǒng)提供動力。液壓泵的結構形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。執(zhí)行元件的作用是將液體的壓力能轉換為機械能，驅動負載作直線往復運動或回轉運動。控制元件在液壓系統(tǒng)中控制和調節(jié)液體的壓力、流量和方向。輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫等。</p><p>　　液壓由于其傳動力量大，易于傳遞及配置，在工業(yè)、民用行業(yè)應用廣泛。當前，液壓技術在實現(xiàn)高壓、高速、大功率、高效率、低噪聲、經久耐用、高速集

24、成化、微型化、只能化等各項要求方面都取得了重大的進展，在完善比例控制、伺服控制、數(shù)字控制的技術上也有許多新成就。此外，在液壓元件和液壓系統(tǒng)的計算機輔助設計，計算機仿真和優(yōu)化以及計算機控制開發(fā)性研究方面成就更大。</p><p>　　液壓設備以其“柔性”的動力和單一的直線驅動力，使系統(tǒng)具有較長的生命和較高的工作效率，加上液壓設備與PLC結合很容易實現(xiàn)壓力、行程、速度及自動、半自動循環(huán)工作控制，已成為成型機械首選驅動

25、方式。</p><p>　　本次設計的自動制釘機傳動及控制系統(tǒng)充分綜合這些特點，利用PLC控制液壓機械。</p><p>　　2.3液壓系統(tǒng)原理圖設計</p><p>　　（1）、液壓系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　1—液壓泵

26、 2—溢流閥</p><p>　　3—三位四通電磁換向閥 4—液壓缸</p><p>　　5—二位三通電磁換向閥 6—單向調速閥</p><p>　　如圖所示回路是利用二位三通電磁換向閥實現(xiàn)液壓缸差動連接的回路。當閥3左位接入，同時閥5右位接入時，液壓缸差動連接做快進運動。當閥5電磁鐵通電，差動連接被切斷，液壓缸回油經過單向調速閥6，實現(xiàn)工進。閥3

27、右位接入后，缸快退。這種連接方式，可在不增加泵流量的情況下提高執(zhí)行元件的運行速度。</p><p>　　液壓傳動部分主要包括一個切斷液壓缸和一個鐓粗液壓缸工作循環(huán)如下圖所示: </p><p><b>　　圖2</b></p><p>　?。?）、選擇液壓基本回路</p><p>　　供油方式：因為系統(tǒng)為中、高壓系統(tǒng)，一

28、般型號的的齒輪泵壓力不足且效率低。葉片壓力泵脈動小、結構簡單、緊湊噪音小。所以采用限壓式定量葉片泵。</p><p>　　換向方式：換向回路一般要求換向時具有良好的平穩(wěn)性和靈敏性，換向可靠且精度合適，所以采用三位四通換向閥的換向回路。</p><p>　　調速方式：采用液壓缸差動連接連接回路，這種連接方式可在不增加泵流量的情況下提高執(zhí)行元件的運行速度。</p><p&g

29、t;　?。?）、執(zhí)行元件的結構形式及參數(shù)的確定</p><p>　　制釘機的液壓系統(tǒng)屬于中、高壓系統(tǒng)，其工作壓力約 10～16MPa（見表2），背壓力約在計算負載可以忽略不計（見表3）。由于機構的運動形式簡單，而且有簡單的速度變化，故選擇單桿差動液壓缸。</p><p><b>　　表2</b></p><p><b>　　表3<

30、;/b></p><p>　　2.4確定負載和執(zhí)行元件參數(shù)</p><p><b>　?、瘛⒐ぷ髫撦d Fw</b></p><p>　　不同的機器有不同的工作負載，根據設計要求，F(xiàn)W=160KN</p><p>　?、?、導向摩擦負載 Ff</p><p>　　機床工作部件對動力滑臺導軌的法向

31、力為</p><p>　　Fn=mg=500×9.81=4905N，所以摩擦阻力</p><p>　　Ff動=fsFn=0.1×4905=490.5N</p><p>　　Ff靜= fdFn=0.2×4905=981N</p><p><b>　　Ⅲ、慣性負載 Fa</b></p>

32、;<p>　　慣性負載是運動部件在啟動和加速或制動減速時的慣性力，根據牛頓第二定律：</p><p><b>　　取△t=0.1s</b></p><p>　　Fa=m△v/△t=500×0.03/0.1=150N</p><p><b>　?、?、重力負載 Fg</b></p><

33、;p>　　重力負載指的是由運動部件的重力所決定的負載，由于運動部件是水平放置，F(xiàn)g=0</p><p><b>　?、酢C械效率 ηm</b></p><p>　　一般液壓缸的機械效率為0.90~0.97，這里取0.95。</p><p><b>　　表4</b></p><p>　?、?、確定

34、執(zhí)行元件主要參數(shù)</p><p>　　由表2，液壓系統(tǒng)宜取壓力P1=15Mpa，鑒于動力滑臺要求快進、快退速度相等，這里的液壓缸可選用單活塞桿式，并在快進時做差動連接。這種情況下液壓缸無桿腔的工作面積A1應該是有桿腔A2兩倍，即Φ=A1/A2=2，而活塞桿直徑d與缸筒直徑D成d=0.707D的關系。則根據公式有：</p><p>　　A2=F/ηm（P1Φ）=59.28×10-4

35、m2</p><p>　　A1=2 A2=118.55×10-4m2</p><p>　　D=√(4 A1/π)=0.123m</p><p>　　d=0.707D=0.087m</p><p>　　將這些直徑按GB/T 2348-2001圓整成就近標準值得</p><p><b>　　D=0.12

36、5m</b></p><p><b>　　d=0.09m</b></p><p>　　由此求得液壓缸的實際有效面積為</p><p>　　A1=π×D2/4=122.66×10-4m2</p><p>　　A2=π×（D2-d2）/4=59.071×10-4m2<

37、/p><p>　　根據上述D和d的值，可以估算出液壓缸在各個工作階段的壓力、流</p><p><b>　　流量和功率</b></p><p>　　2.5動力元件及輔助元件的選擇</p><p><b>　?。?）液壓泵</b></p><p>　　液壓缸在整個工作循環(huán)的最大工作

38、壓力為14.4MPa，若取油路上的壓力損失為0.8MPa，則最大工作壓力為</p><p>　　P=14.4+0.8=15.2Mpa</p><p><b>　　最大流量為</b></p><p>　　0.354×60=21.24L/min，因為系統(tǒng)比較簡單，取泄露系數(shù)K=1.1，則液壓泵的實際流量應為</p><

39、p>　　Q=1.1×21.24=23.4 L/min</p><p>　　根據以上壓力和流量的數(shù)值查閱產品樣本，選取PV2R1-23,額定轉速為750r/min，額定功率10.4KW,其理論排量為23.4ml/r，總效率80%</p><p>　　當液壓泵轉速np=750r/min時，</p><p>　　Q=23.4×750×0

40、.95/1000=16.67L/min</p><p>　　由于液壓缸在工進時輸入功率最大，這時液壓泵的工作壓力為14.4MPa，液壓泵的總效率80%，則液壓泵驅動電機所需功率P=14.4×16.67/(60×0.8)=5.01KW.選取YM-40的驅動電機，轉速為1000-2000r/min。</p><p><b>　　（2）輔助元件</b>&

41、lt;/p><p>　　根據輔助元件的最大工作壓力和通過該元件的最大實際流量，選型。</p><p>　　2.6 驗證液壓系統(tǒng)壓力損失</p><p>　　由于系統(tǒng)的管路布置尚未具體確定，整個系統(tǒng)壓力損失無法全面估算，故只能先估算閥類元件的壓力損失，待設計好管路布局后，加上管路的沿程損失和局部損失即可。</p><p><b>　　（1

42、）快進</b></p><p>　　滑臺快進時，輸入流量為Q入=（A1Q）/（A1-A2）=（122.656×16.67）/(122.656-59.071)=32.16L/min此時液壓缸差動連接，進油路上油液通過三位四通電液閥進入無桿腔，然后與液壓缸有桿腔的回油匯合，進油路上的總壓降為P進=0.5×（16.67/60）2+0.5×(32.16/63)2=0.17Mpa；

43、</p><p>　　此值與原估計值基本相符</p><p><b>　?。?）工進</b></p><p>　　滑臺工進時的壓力P2=0.5×(21.24/60)2+0.5×(8.34/63)2+0.5×(8.34/60)2=0.08Mpa。</p><p>　　P1={(F/ηm) +P

44、2A2}/A1=14.54Mpa</p><p><b>　　（3）快退</b></p><p>　　滑臺快退時油液在進油路上的總壓降△P總=2×0.5×(16.67/63)2+0.5×(16.67/60)2=0.108MPa</p><p>　　回油路上的總壓降P回=0.5×(44.6/60)2=0.1

45、5Mpa</p><p>　　所以快退時工作壓力PP=P1+△P總=14.54+0.108=14.648 Mpa</p><p>　　三 PLC選型及硬件電路的設計</p><p>　　3.1控制系統(tǒng)的選擇</p><p>　　制釘機的控制特點是以開關量循環(huán)順序控制為主，各順序之間的約束和禁止也很緊密，并要求實現(xiàn)自動和手動功能，以便能隨時改變

46、和增加工序或者調整等，為此，我們采用較為廣泛使用的可編程控制器。在設計PLC控制系統(tǒng)時，應遵循以下基本原則：</p><p>　　最大限度的滿足工藝流程和控制要求。</p><p>　　監(jiān)控參數(shù)和精度要求以滿足實際需要為準，不宜過多、過高，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、使用及維修方便，并降低系統(tǒng)的復雜性和開發(fā)成本。</p><p>　　保證控制系統(tǒng)的運行安全、穩(wěn)定、可靠

47、。</p><p>　?。?）考慮到生產的發(fā)展和工藝的改進，在選擇PLC容量時，應適當留有余量。</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)的設計（PLC）</p><p>　　PLC的設計步驟為：</p><p>　　第一步：分析目標系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)需要做什么，需要哪些原件，它們的關系如何，然后確定原件如何操作，即在何時，用多長時間來完成該

48、操作。</p><p>　　第二步：分配元件地址，選擇PLC類型和型號。</p><p>　　第三步：PLC程序輸入和編輯，繪制PLC端子接線圖。</p><p>　　第四步：編寫梯形圖。</p><p>　　第五步：程序調試和改進。</p><p>　　根據制釘機的工作循環(huán)，即各動作之間的相互關系，可確定：</

49、p><p>　　PLC系統(tǒng)輸入：電機啟動；線路控制；快下壓力；鐓粗中限位；鐓粗左限位；鐓粗右限位；快上限位；推料限位；自動／手動；快進；工進；快退；送料。</p><p>　　PLC系統(tǒng)輸出：電機；送料；快下；鐓粗快進；鐓粗工進；鐓粗快退；快上；推料。</p><p>　　PLC選型：考慮到PLC接觸不多，采用大四機電控制書籍的PLC和編程器。</p>&

50、lt;p><b>　　PLC端子接線圖</b></p><p><b>　　PLC梯形圖</b></p><p><b>　　PLC編程代碼：</b></p><p>　　原理說明：按下X000電機啟動，按下X001電機自動程序開始運行，X001接通，則，Y000接通，送料開始，且定時計時器TI

51、開始計時，到時間后，常開TI閉合，常閉T1斷開，送料停止，垂直缸下降；當垂直缸下降到快下壓力控制開關X002時，常開X002閉合，常閉X002斷開，快下停止，水平缸作用鐓粗快進；鐓粗快進行至中限位開關X003處，常開X003閉合，常閉X003斷開，快進停止，鐓粗工進動作；工進至左限位開關X004處，常開X004閉合，常閉X004斷開，鐓粗工進停止，鐓粗快退開始；快退至右限位開關X005處，常開X005閉合，常閉X005斷開，快退終止，垂

52、直缸作用，快上開始；垂直缸快上至上限為開關X006處，常開X006閉合，常閉X006斷開，推料動作開始。定時繼電器T2延時過后，推料裝置完全退回到位后，垂直液壓缸才下降，不會與推料機構產生干涉，如此，一個工作循環(huán)便完成了。</p><p><b>　　四 結束語</b></p><p>　　經過了為期兩個星期的課程設計，今天終于基本完成了，期間參考了網上相關資料，上屆

53、師兄師姐的課程設計論文，以及查閱了相關設計工藝圖，這期間最大的感受，就是做好課程設計，不僅要細心，更要有耐心，而且富有責任心。細心能避免自己因錯誤，而需要大量重新計算，浪費精力和時間。耐心就是得堅持做下去，一步一步做下去，雖然還有好些問題不大懂，理解不透，但是自己堅持下來了，就是最大的勝利而在課程設計期間，對于數(shù)據處理和圖形的繪制，難免要使用到CAD和Excel，使我對這兩個軟件的使用更加熟悉，這也為我們以后畢業(yè)設計打下基礎。在設計中，

54、對于其中過程的步驟該如何進行的考慮，鍛煉我們處理事情的能力。同時在這次設計，我也學到了做事情要一步一個腳印，細心處理每個數(shù)據，這樣才可以順利地完成設計。 作為一名機械專業(yè)的學生，希望多學點這方面的知識，或許設計方面不是很在行，但原理，設計方向有一定的認識對將來還是比較好的。 總之，通過這次課程設計，自己還是有收獲的，希望自己以后做任何事都要有這態(tài)度. </p><p><b>　　五 參考文獻<

55、/b></p><p>　　【1】液壓與氣壓傳動 王積偉 機械工業(yè)出版社</p><p>　　【2】液壓站設計與使用 張利平 海軍出版社</p><p>　　【3】深入淺出PLC技術及應用設計 郭丙君 中國電力出版社</p><p>　　【4】電氣控制與PLC應用 陳建明 電子工業(yè)出版社</p><p