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1、目 录摘要1Abstract2概述3第1章 机械传动装置总体设计41.1 拟订传动方案41.2 丝杠螺母的选择41.3 电动机选择6第2章 机械减速器设计92.2 轴的设计112.3 键的选择与校核142.5 箱体结构尺寸选择16第3章 焊接专用夹具的设计（略）18第4章 直流调速系统设计194.1 直流电动机调速原理194.2 直流调速系统结构框图设计204.3直流调速系统各组成电路设计204.4 晶闸管直流调速系统原理电路图24第5章 PLC程序设计设计275.1 电气控制系统概述275.2 可编程控制器的特点27第6章 设计小结33第7章 参考资料34摘要在设计中焊接机是最为典型且应用最
2、广泛的机动式焊接机械装备，他主要包括电气控制部分和机械部分，本设计重点介绍了自动焊机的机械部分和自动控制。机械部分是驱动焊体的移动部分，包括电动机，联轴器，轴承和减速器等。自动控制部分主要是PLC自动控制。Abstract The seam welding ,design is the most modern and versatice machine motive welding mechanical untis .It is composed of electronic cotroling and mechaniacal units ，introduced the structure of
3、 its mechanism and the automatic controlling . the structure of its mechanism is which the welding piece was drivened in cluding motor copling piece was drivened . bearing rotation -wheel .degradation -conveyor and so on . the automatic controlling main is PLC automatic controlling 概述 自动控制气体保护焊接是一种高
4、效焊接方法，由于它具有气体保护，所以用它能进行高质量焊接，又由于采用了PLC自动控制，因而焊缝均匀。该方法自问世以来!就一直受到人们的重视(1969年美国 DEC公司研制出第一台 PLC用于GM公司生产线上并获得成功。进入 20 世纪 80年代!随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展!极大地推动了PLC的发展。目前PLC已广泛应用于冶金、矿产、机械、轻工等领域!为工业自动化提供了有力的工具!加速了机电一体化的实现。在自动控制焊机中选择PLC作为控制核心的原因有：a、可靠性高b、控制功能强c、编程方便d、适用于恶劣的工业环境!抗干扰能力强e、具有各种接口!与外部设备连接非常方便f、维修方便等。正因
5、为如此，用PLC控制的气体保护自动焊机在我国被广泛的应用。第1章 机械传动装置总体设计1.1 拟订传动方案根据设备技术要求及各种传动机构的性能制定传动方案如图(1) 传动系统设计方案（1）传动方案分析：该设备用于管类零件的直缝焊接，焊接的速度比较低，焊接的质量取决与焊接的速度快慢与稳定性。减速器采用单级圆柱直齿圆柱齿轮，大齿轮输出轴作为减速器的低速轴，可以使输出轴的转速稳定。整个系统传动不太大，电机须频繁启动，对系统的调速性能要求高，为了实现较好的无级调速，选择直流电动机，利用直流电路调速系统实现无级调速。减速器采用单级圆柱直齿圆柱齿轮减速器可以得到一定的传动比，利用二者联合调速可以得到较好的
6、调速性能。1.2 丝杠螺母的选择1、丝杠螺母传动的特点及应用（1）用较小的扭矩转动丝杠（或螺母）可使螺母（或丝杠）获得较大的牵引力。（2）可达到较高的降速传动比，使降速机构大为简化，传动链得以缩短。（3）能达到较高的传动精度，用于进给机构还可用作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小读数值可达0.001mm。（4）传动平稳，无噪声。（5）在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动，此特点特别适用于作部件升降传动，可防止部件因自重而自动降落。鉴于以上优点，有参考文献丝杠螺母的传动方式及其应用见表5.7-1的丝杠螺母传动简图（2）： 图（2）丝杠螺母传动简图2、丝杠螺母副的选择由参考文献表
7、5.7-6初选丝杠螺母副丝杠螺母副的基本参数如表（1）：螺距（mm）丝杠(mm)丝杠螺母螺母(mm)丝杠断面积A（）螺纹升角丝杠断面极惯性矩（）丝杠断面惯性矩I（）外径d内径d1中径d2（mm）外径内径42015.51820.5161.8942460.56670.3341 表（1）丝杠螺母副丝杠螺母副的基本参数丝杠的传动效率：由参考文献查得=0.7丝杠螺母强度的校核计算：由参考文献式5.7-19的=其中P为丝杠所要的最大轴向力N。A丝杠内经的截面积由上表知=丝杠的内径mm丝杠的传动效率许用拉应力由于螺纹所引起的应力集中系数不能精确确定,因此取=，为材料的屈服点().=3.961.2=1.212
8、=14.4mm 取15mm齿轮轮毂端面与内箱壁距离 2=12mm 取15mm箱盖、箱座肋厚 m10.851=0.8512=10.2mm m0.85=0.8512=10.2mm轴承端盖凸缘厚度 t=(11.2)d3=112=12mm第3章 焊接专用夹具的设计（略）第4章 直流调速系统设计4.1 直流电动机调速原理直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。直流电机的调速性能好且启动转矩较大，所以本焊接设备采用直流电机，可以得到较好的调速性能，且传动准确，稳定可靠。直流电动机的电磁转矩T与机械负载转矩T1及空载损耗转矩T2相平衡。当轴上的机械负载发生变化时，电动机的转速、电动势、电流及电磁转
9、矩会自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。电动机的调速是指在同一负载下获得不同的转速，以满足生产要求。由直流电动机机械特性得他励电动机转速公式：n=(U-IR)/K 他励电动机的接线图如图(5) 图（5）电动机的接线图调速过程：当磁通保持不变时，减小电压U。由于转速不会立即发生变化，反电动势E也暂不变化，于是电流I减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则TTc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小。I和T也随着增大，直到T=Tc时为止。但是这时电机转速已经降低了。这种调速方法机械特性较硬,并且电压降低后硬度不变,稳定性良好;调速幅度较大,而且均匀调节电枢电压,可得到平滑的无级调速
10、4.2 直流调速系统结构框图设计直流调速系统如用专用设备调节电压,投资费用较高,该设备利用晶闸管整流电源对电动机进行调压以改变其转速.在晶闸管调速系统中,电动机是控制对象,转速n是被调量.采用反馈控制可减小转速降,提高机械特性的硬度,增大调速幅度.综合考虑电机工作原理及晶闸管工作原理等模电知识设计如下小功率晶闸管直流调速系统示意图：如图（6） 图（6）晶闸管直流调速系统示意图4.3直流调速系统各组成电路设计一、单相半控桥式整流电路(主电路)单相半控桥式整流电路如图(7): 图（7）单相半控桥式整流电路 将单相不可控桥式整流电路其中两个臂的二极管用晶闸管取代，就形成本电路。利用两个二极管D1,D
11、2和两个晶闸管T1,T2的轮流导通，来得到一个脉动的直流电。通过改变晶闸管控制极触发脉冲到来的时间及改变晶闸管导通角的大小，来改变整流电路输出电压的平均值。因为本设备的直流电机额定电压为220V，固外部输入电源为220V交流电。桥式整流电路输出电压和输出电流的平均值为： Uo=0.9U（1+cos）/2 Io=0.9U/Rl（1+cos）/2另外，晶闸管承受过电压和过电流的能力很差，为了保证电路不被损坏，设备正常运行，采取以下措施： 在整流电路的输入端接两个快速熔断器FU1，FU2。因为晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，元件可能会被烧坏，内部发生短路或开路。选用专用于保护晶闸管的快速熔断器，
12、熔丝为银质熔丝，它在同样的过电流倍数之下，可以在晶闸管熔坏之前熔断。将其接在输入端可同时对输出端短路和元件短路实现保护。选择熔断器时其电流定额应接近实际工作电流的有效值。 将阻容吸收元件R1，C1串联之后并联在整流电路的输入端。晶闸管耐受过电压的能力很差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，时间很短，就会将元件损坏。因此在输入端并联电容来吸收晶闸管上出现的过电压。就是将造成过电压的能量变成电场能储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉，实现过电压保护。 在整流电路输出端即负载两端并联一个二极管D3。因为本电路接有电机励磁绕组和电感滤波，整流电路在接电感性负载时，晶闸管的导通角将大于（180-）。
13、在导通周期上，负载会承受负电压，造成整流输出电压和电流的平均值会减小。将二极管并联在负载两端，利用二极管与负载形成回路，从而使晶闸管因承受反向电压而截止。电感元件释放的能量消耗在电阻上。二、滤波电路(主电路) 整流电路是将将交流电转换为直流电，但是得到的输出电压是单向脉动的。本焊接设备对工件的调速性能要求高而且平稳性好，固加在电机两端的电压脉动应小，因此还需改善输出电压的脉动程度。利用在整流电路中加接滤波器来改善输出电压波形。因本设备主电路输入为晶闸管电源，对输出电压的脉动程度要求不太高且负载变动较大，固仅需在整流电路输出端串连一个电感滤波器即可。三、电机供电和反馈电路设计（主电路）触点及反馈
14、电路如图（8）：他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的,在电路中分别用励磁绕组电源电压Uv和电枢电源电压U两个直流电源供电.励磁绕组电压用另一个整流器4D供电.利用交流接触器的常开主触点的通断来实现电动机的转动、停止.在本调速系统中利用电压负反馈和电流正反馈来实现电动机转速的自动调节.电压负反馈由电阻Rf来实现，通过电阻Rf将本焊接系统电机电枢两端的电压的一部分经过反馈回路转化为输入端信号Ui的变化。当需要调节转速时，通过一个整流器和一个可变电阻来调节反馈回路中给定直流电Us的大小来调节转速。 图（8）供电和反馈电路四、整流和稳压电路（控制电路） 在单结晶体管的两个基极间和其一个基极与发射极端都需
15、加直流电压。所以在控制电路中根据电路调节幅度的大小，选用两个整流器来得到脉动的直流电。在整流器与交流电源之间接一个变压器，根据需要得到的电压值来选择变压器的型号。为了防止交流电源电压的波动和负载电流的变化引起电机转速不稳定，需在整流电路后端加稳压电路。最简单的直流稳压是通过稳压管来稳定电压。即在整流电路和负载之间再经过限流电阻R和稳压管Dz组成的稳压电路。这样在输出端就可得到一个比较稳定的电压。在选择稳压管时，取 Uz=Uo Izm=(1.53)IomUi=(23)Uo五、放大器和触发电路放大器和触发电路如下图（9）： 图（9）放大器和触发电路本电路用于给晶闸管整流电路提供触发脉冲，从而来控制
16、晶闸管导通的时刻。该触发电路为单结晶体管触发电路，利用单结晶体管当其发射极与第一基极之间电压等于晶体管峰点电压Up时，单结晶体管导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压Uv时，单结晶体管就截止这个特点。该触发电路前端带有放大器。由晶体管T1和T2组成直接耦合直流放大电路。T1是NPN型管，T2是PNP型管。Ui是触发电路的输入电压，由给定电压Ug及反馈信号等叠加在一起而得。Ui经T1放大后加到T2。当Ui增大时，T1集电极电流Ic1也增大，从而使T1的集电极电位Vc1，即T2的基极电位Vb2降低，使T2导通，T2的集电极电流Ic2增大。因T2两端电压是不变的，这样相当于晶体管T2的电阻变小，从
17、而使电容器C3的充电加快，充电时间常数等于（R7+R）C。使输出脉冲前移，输出脉冲直接从R8上引出，来触发晶闸管导通，从而使晶闸管的导通角增大。同理，Ui减小时，T2电阻变大，T2电阻的变化对输出脉冲起移相作用，达到调压目的。另外，在电路中加入一些辅助元件，使电路更完善，如下所示：、在放大电路输入信号Ui的给定信号Ug前端需接稳压管D，是为了将整流电路输出的电压变换为梯形波，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲的时间不受交流电源电压的波动的影响。、通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。、晶体管T1输入端的二极管D4用做负电压限幅，以保
18、护T1的发射极不致承受过高的反向电压。R4和C2组成的滤波电路，是为了滤去晶体管输入信号中的高频干扰分量。4.4 晶闸管直流调速系统原理电路图经分析现选用晶闸管控制调速，用调节触发电路的触发脉冲来控制晶闸管的输出电压，从而调节直流电机的转速。本设备直流调速系统原理电路图如下图（10）： 图（10） 晶闸管直流调速系统原理电路图一、主电路 在主电路中采用的是单相半控桥式整流电路，核心元件是晶闸管，利用其导通时刻可调来工作。D3是续流二极管，L是滤波电抗器。KM3、KM4是电动机正反转交流接触器的触点。电动机的励磁绕组另有整流器供电。R1、c1是阻容吸收电路，FU1、FU2是快速熔断器，分别作晶闸
19、管的过电压和过电流保护用。 二、放大器和触发电路 图中Us是给定电压，由单独的整流器供给，其值根据生产机械所要求的转速确定，可调节电位器Rp2来改变它的大小。从电位器Rp1和电阻R3上分别取得电压负反馈电压Ufu和电流正反馈电压Ufi，它们在放大器输入端与给定电压比较后，取得差值电压Ud=Ui=Ug-Ufu+Ufi 作为晶体管T1的输入电压。放大器是晶体管T1和T2组成的直接耦合直流放大电路，在这里T2相当一个可变电阻，利用电容器充电快慢来衡量单结晶体管输出脉冲的时刻，从而改变晶闸管导通角的大小。三、晶闸管直流调速系统工作原理 工作时，首先根据负载所要求的转速，调节电位器Rp2，来调节触发电路
20、触发脉冲到来的时刻，使晶闸管可控整流电路输出电压的平均值U，满足电动机转速的要求。根据直流电动机调速原理n=（U-IaRa)/Ke。当电动机负载增大时，电动机转矩增大，因为电动机的转矩与电枢电流成正比，所以电枢电流也增大；由于整流电源内部压降增大，使电动机端电压U降低，根据电机调速原理，转速n也下降，然后通过电压负反馈和电流正反馈回路UsUfuUfiUi反馈后，因Ufu减小，Ufi增大，在放大器输入端与给定电压比较后，得差值电压Ui=Us-Ufu+Ufi，使差值电压Ui增高，并作为晶体管T1的输入电压，Ui经T1放大后加到T2，因Ui增大，使T1集电极电流Ic1也增大，从而使T1的集电极电位Vc1，即T2的基极电位Vb2降低，使T2导通，T2的集电极电流Ic2增大。因T2两端电压是不变的，由整流器42CP6C供给。这样相当于晶体管T2的电阻变小，从而使电容器C3的充电加快，充电时间常数等于（R7+R）C。使单结晶体管加快导通，输出脉冲前移，