锅炉膜式壁管屏双头自动气割机传动及控制系统设计机械.docx
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1、摘 要本设计是锅炉膜式壁管屏双头自动气割机,是针对上海锅炉厂生产的锅炉膜式壁管屏的切割工艺进行改进。由于现有的切割设备存在生产效率低、工人劳动强度大和产品质量不稳定等问题,进行技术改造是势在必行。本设计在现有的机械系统的基础上,添加合适的传动部件,并引入控制系统,实现该机器的自动运行。具体如下:X轴方向采用齿轮齿条传动,通过伺服电机来驱动,实现整个机身的前后移动;Y轴方向采用梯形同步带传动,通过步进电机来驱动,实现切割头的左右移动;Z轴方向采用滚轴丝杠传动,通过步进电机驱动,实现切割头的上下运动;控制部分采用PLC来实现自动控制,控制程序分为自动运行部分和手动调整部分,便于操作工人对机器的控制
2、。导向方面:X轴采用工字型钢轨,单侧驱动,另一侧随动的方式;Y轴采用矩形镶嵌导轨,既能承受切割头的重力,又能承受切割头侧面安装产生的倾覆力矩;Z轴采用滚动导轨,减小摩擦力,提高传动精度。本文主要进行传动部件和控制系统的设计,系统地介绍了该机械各个运动部分的组成。通过进行技术改造,可大大弥补现有设备的不足,对产品质量的提高是大有裨益的。关键词:锅炉膜式壁管屏,双头气割机设计,轨道式气割机,自动化切割,可编程逻辑控制器ABSTRACTThis design is a double-headed automatic gas cutting machine of the boiler membrane
3、 wall pipe, and it is specially used for improve the manufacturing process of the products of Shanghai Boiler Works Co. Ltd. Due to the existing equipment these problems such as low productivity, intensive labor and unsteady quality, conducting the technology improvement is necessary. This equipment
4、 is added the transmission parts and introduces the control system to achieve automatic operation, which is based on the existing machine. The details are as following: In the X axis, I adopt the rack-and-pinion transmission, which is driven by the servomotor, implementing the fore and back motions
5、of the body of the machine; In the Y axis, I adopt the trapezoid teeth synchronous belts transmission, which is driven by the stepping motor, implementing the left and right motions of the Z axis; In the Z axis, I adopt the ball screw transmission, which is driven by the stepping motor, implementing
6、 the up and down motions of the cutting head; The control system is based on the PLC which is convenient to manual adjusting and automatic operating by programming. The guiding parts: In the X axis, I adopt the I-Rails and single-side drive, and another follows; In the Y axis, I adopt the rectangula
7、r mosaic guide which can bear not only the gravity of the cutting head but also the overturning moment of the side-mounted cutting head; In the Z axis, I adopt the rolling guide, which can reduce the friction and improve the transmission precision. This article introduces the design of the transmiss
8、ion parts and control system systematically. Through the improvement, those problems can be greatly improved and it is beneficial to improve the products quality.Key words: the boiler membrane wall pipe, design of the double-headed gas cutting machine, strip gas cutting machine, automatic cutting, p
9、rogrammable logical controller目 录1 绪论11.1 火焰切割机的发展和优点11.2 锅炉膜式壁管屏的工艺简介22 设计方案32.1 机械部分32.2 电气部分32.3控制方式的选择43 设计计算53.1 Z轴传动部件的选择与校核计算53.2 Y轴传动部件的选择与校核计算123.3 X轴传动部件的选择与校核计算213.4 电机参数数据汇总254 标准连接件的选型与校核274.1 联轴器的选型与校核274.2 轴承的选型与校核284.3 键的分类及选用305 电气控制设计335.1 电机驱动器的选用335.2 电机驱动器与PLC连接335.3 PLC的I/O分配表3
10、45.4系统工作流程366 结论386.1 总结386.2 展望38参考文献39致 谢40附录411 绪论1.1 火焰切割机的发展和优点1.2 锅炉膜式壁管屏的工艺简介大容量高参数的电站锅炉及环保型循环流化床锅炉都广泛地采用了膜式水冷壁结构。膜式水冷壁的使用,能够保证炉膛、炉墙的密封性,降低排烟热损失,减少燃烧室、炉膛漏风,可以实现微正压燃烧,提高热效率。同时也减小炉膛的蓄热能力,使燃烧室升温快,冷却也快,可缩短启动和停炉时间,降低成本。图1-1 管屏结构示意图由于焊接之后的锅炉膜式壁管屏都有一定的余量,因此要将其从管屏上切掉,现在大型的锅炉都是采用龙门式双头或者多头来进行管屏的切割,但是大都
11、是工人们手工控制,切割质量难以保证。随着计算机技术的发展,新的控制技术也引入到了管屏切割里面,自动化生产已成为发展的趋势。图1-2 直排膜式壁管屏2 设计方案2.1 机械部分机械手总共有三个自由度,分别为X,Y,Z三个方向的直线移动,其中X轴方向的直线运动靠电机带动齿轮齿条而实现,Y轴方向的直线运动靠电机带动同步带而实现,Z轴方向的直线运动靠电机带动滚珠丝杠而实现,通过这三根轴的组合运动来实现气割头的定位。X轴(前后)方向运动范围为20m,Y轴(左右)方向运动范围为2000mm,Z轴(上下)方向运动范围为600mm。图2-1 系统简易三维模型图2.2 电气部分电动机的选用:步进电动机是一种用电
12、脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。步进电动机的输出位移量与输入脉冲个数成正比、转速与脉冲频率成正比、转向与脉冲分配到步进电机各相绕组的相序有关。所以只要控制脉冲数量、频率和电机绕组通电顺序便可控制步进电动机的角位移、转速、转向,这使得步进电动机具有转动惯量低、定位精确度高、无累积误差、控制简单方便等特点。步进电动机在自动控制装置中常被选作为执行元件,广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。步进电机的优点在于:(1) 输入脉冲数与电动机角位移严格成正比,电动机运转一周后没有累积误差,因此具有良好的跟随特性;(2) 步进电动机可以与驱动器组成开环数字控制系
13、统,同时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统;(3) 步进电动机的动态响应快,易于起动、停止、正反转和变速;(4) 步进电动机的速度可以在相当宽的范围内平滑调节,在低速状态下仍能获得很大的转矩。但是由于步进电机的容量较小,驱动负载能力较差,所以它只适用于轻载场合。为了保证满足负载要求,又不失控制精度,在功率较大的场合,常常要采用伺服电动机,与步进电机相比,伺服电机有如下特点:(1) 调速范围广:伺服电机的转速随着控制电压改变,能在宽广的范围内实现连续调节;(2) 响应速度快:伺服电机的转子惯量小,能实现快速启动、停转;(3) 热容量大:伺服电机的控制功率小,过载能力强,可靠性高。2
14、.3控制方式的选择根据工作需要,需控制五个电机,由于需要的接口数量较多,为简化控制电路,故采用PLC来实现对电机的控制,实现各个轴的直线运动。3 设计计算3.1 Z轴传动部件的选择与校核计算3.1.1 脉冲当量的确定根据设计的分析和计算要求,X方向(前后)的脉冲当量为=mm/脉冲,Y方向(左右)为=mm/脉冲,Z方向(上下)为=0.02 mm/脉冲。3.1.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型(1)工作载荷Fm的计算 Fm为工作最大载荷,是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重G=50N,所以 Fm=G*=50*0.005=0.25N。(2)FQ最大动载荷的计算设Z方向最快的速
15、度v=0.05m/s=3m/min,初选丝杠基本导程 =6mm,则此时丝杠转速n=1200v/ =600r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T= 15000h(一般机电设备取T=15000h;n为丝杠每分钟转速),代入,得丝杠寿命系数=540(单位为:106 r)。查表3-30,取载荷系数=1.1,再取硬度系数 =1.0,代入公式: (3-1) 得最大动载荷 =2.239N。(3)初选型号 根据计算出的最大动载荷,查表3-33,选用启东润泽机床附件有限公司生产的FL2506型滚珠丝杠副,为浮动反向器内循环式,其公称直径为=25mm,基本导程为=6mm,双螺母滚珠总圈为3 2圈=6圈,精度等级取4级
16、,额定动载荷为10400N,大于,故满足要求。(4)传动效率的计算 将公称直径 =25mm,基本导程 =6mm,代入 (3-2)得丝杠螺旋升角 =422,将摩擦角 =10,代入,得传动效率 =96.3% 。(5)刚度的验算1)纵向滚珠丝杠的支承,采用单推单推的方式,采取圆锥滚子轴承面对面组配。已知左、右支承的中心距离约为=710mm;钢的弹性模量=;查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-33,得滚珠直径=3.5mm,算得丝杠底径=-=25-3.5=21.5mm,则丝杠截面积 (3-3)得S=363.05丝杠的拉伸或压缩变形量 (3-4)I为丝杠底径的截面。惯性矩(其中“+”号用于拉伸,“-”
17、用于压缩。由于转矩M一般较小,式中第二项在计算是可酌情忽略)。所以, (3-5)综上求得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量 =0.23mm 。 2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形量无预紧时 (3-6)有预紧时 (3-7)滚珠直径,单位为mm; 单圈滚珠数,(外循环),(内循环);滚珠总数量, =Z圈数列数;预紧力,单位为N。(当滚珠丝杠副有预紧力,且预紧力达到轴向工作载荷的1/3时,值减小一半左右)单圈滚珠数目Z=(25/6)-3=20;该型号丝杠为双螺母,滚珠总圈数为32=6圈,总滚珠总数量 =206=120 。滚珠丝杠预紧时,取轴向预紧力16.67N 。代入公式(3-7)得 , =7.
18、42mm。因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的三分之一,所以实际变形量可减小一半,取=2.47mm。3)将以上算出的、代入 (3-8)得变形总量 =2.7。由表3-27形成偏差和变动量知,4级精度滚珠丝杠任意630mm800mm轴向行程内行程的变动量允许25 ,而对于跨度为710mm 的滚珠丝杠,总的变形量只有2.7,可见丝杠刚度足够。(6)压杆稳定性校核滚珠丝杠属于细长杆,如果轴向负载过大,则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷 应满足: (3-9) 临界载荷,单位为N;丝杠支承系数;压杆稳定安全系数,一般取2.54,垂直安装时取小值;滚珠丝杠两端支承间的距离,单位为mm 。查表3-34可知单推
19、单推的丝杠支承系数 =1,丝杠底径 =21.5mm ,求得界面惯性矩 10488.75;压杆稳定安全系数K取2.5;滚动螺母至轴向固定处的距离710mm取最大值 。代入上式,得临界载荷 17248.6N,远大于工作载荷Fm=0.25N,故丝杠不会失稳。综上所述,初选的滚珠丝杠螺母副满足使用要求。先初选电动机型号110BC380F ,三相磁阻式,由常州宝马集团前杨电机电器有限公司生产,最大静转矩为11.76,三相六拍运行时的步距角为0.75 。3.1.3 直线移动导轨副的计算与选型(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的Z轴工作台为竖
20、直布置,采用双导轨、两滑块的支承形式。考虑最不利的情况,即垂直于工作台面的工作载荷全部由一个滑块全部承担,则单滑块所受的最大垂直方向载荷为: (3-10)其中:丝杠的驱动转矩,导轨中心间距,带入式(3-10),得最大工作载荷。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-41,根据工作载荷,初选直线滚动导轨副的型号为系列的型,其额定动载荷,额定静载荷。 任务书规定工作台面尺寸为,考虑工作行程应留有一定余量,查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-35,按标准系列,选取导轨的长度为。(2)距离额定寿命的计算已知上述选取的系列型导轨副的滚道硬度为,工作温度不超过,每根导轨上配有一只滑块,精度为4级,工作
21、速度较低,载荷不大。查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36和表3-40,分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数,代入式(3-11)得导轨的距离额定寿命: (3-11)远大于,故导轨的距离额定寿命满足要求。3.1.4 步进电动机的计算与选型(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知:滚珠丝杠的公称直径 =25mm,总长(带接杆)=760mm,导程 =6mm,材料密度 =;Z向移动部件总重量G=50N。参照表4-1,可以算的各个零部件的转动惯量如下:滚珠丝杠的转动惯量=2.288;折算到丝杠上的转动惯量 =4.56。初选的Z轴方向的步进电动机型号为110BC380F,从表
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