空中横移车机械设计.docx
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空中横移车机械设计
1绪论
1.1课题来源
汽车装配车间流水线工作中，需要将车头从生产线移到装配线，这时就要把车头吊起移动到需要装配的地方。
为了完成这项工作就要用到空中横移车。
或者在目前随着汽车保有量不断增长,很多小区没有配备足够的车库供停车,因此很多车主只能把车子停在小区的通道上,前后排成一列。
夹在中间的车子由于前后车距不够大而又无法找到该车车主时,不能把自己的车子开出来。
这时候就需要有一种汽车横移装置来解决这个问题。
1.1.1空中横移车的结构特点
空中横移车的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，形成矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。
空中横移车由桥架、小车运行机构、电气设备等部分组成。
桥架和运行机构用来将小车和物品做纵向移动，以达到在跨度内和规定高度内组成的三维空间里作搬运货物的作用。
在同一平面内能够使机构进行横向移动的方法有很多种，而且在不同的机械上得以应用。
在现有的输送机械中，它们的输送形式也可以简化为一个简单的横移机构，例如：
电机带动链条实现横移；电机带动皮带实现横移等。
而在其它机械中实现横移的方法也是多种多样的，可以采用六杆滑块机构传动，也可采用齿轮传动，亦可采用蜗杆传动。
总而言之，在诸多领域都有用到横移机构，只是在不同的工作条件下实现横移的机构是不同的。
现在在社会中使用横移机构较为频繁的就是现代化车库中的升降横移装置。
而且在各种横移装置中，在升降横移车库中图1.1所使用的存取机构则是现代车库的一种主要的横移机构。
在过度板上装有直齿轮和滚子轨道，在托盘底部有与之配合的齿条和凸起。
在过度板上装有独立的电动机，控制齿轮和齿条的运动，可使托盘移动。
当托盘到达停车位上方时，停车位上的液压千斤顶顶住车辆的底盘。
把车辆顶高。
这时，过度板上的电动机反转。
托盘返回。
液压千斤顶回位，车辆就放置到了停车位上[5]。
图1.1存取机构简图
在轧钢生产线上，有一种横移机构链式拉钢机，它则是通过链条进行的横移输送。
如图1.2所示，主动链轮4均装在同一根传动轴3上。
考虑到维修方便，
1.电动机2.减速机3.传动轴4.主动链轮5.链条6。
张紧滑轮7.拨爪8.从动链轮
图1.2链式拉钢机简图
此轴常分成几段，用联轴器联接。
其动作过程是电动机1通过减速器2，带动链轮4使链条5向前移动。
当拨爪7通过辊道盖板链槽的有底部分时，拨爪竖起而托运轧件。
当通过链槽的无底部分时，由于拨爪向后倾倒，而使轧件停止下来。
这样就把轧件众一列辊道移送到另一列辊道上[6]。
1.2空中横移车的发展前景
空中横移车目前主要用于汽车厂、机械厂设备生产中，未来将应用到生活中，比如停车位、停车场的空间狭小利用它可以更方便的解决停车难的问题；其次是吨位和准确性上做得更高更标准，解决因货物过重无法移动的现象和不能精确的将货物移动到指定的地点，这样能更好的提高工作效率，节省人力。
1.3西门子S7—200
1.3.1西门子S7——200的概述
S7_200系列PLC是德国西门子公司设计和生产的一类小型PLC。
它具有功能强大（许多功能已经能够达到大、中型PLC的水平）、体积小、价格低廉等很多优点。
因此，S7——200系列PLC一经推出就受到了广大技术人员的关注和青睐。
S7——200系列PLC从生产至今已经经历了两代产品的发展。
第一代产品的CPU模块为CPU21*，主机都可以拓展，它有CPU212、CPU214、CPU215、和CPU216等4种不同结构配置的CPU单元，不过现在已经停产。
第二代产品的CPU模块为CPU22*，它于21世纪投放市场。
它具有速度快、通信能力强的特点，有5种不同的CPU结构配置单元。
S7——200推出的CPU22*系列PLC（它是CPU21*的替代品）系列具有多种可提供选择的特殊功能模块和人机界面（HMI），所以其系统容易集成，并且可以非常方便地组成PLC网络。
它同时拥有功能齐全的编译和工业控制软件，因此，在设计控制系统时更加方便、简单，可以完成大部分的功能控制程序。
S7——200系列PLC的完整组成系列如图所示，它主要有以下几个部分组成。
1.基本单元
基本单元可以成为CPU某块，有的又称为主机或者本机。
CPU的模块CPU、存储器、基本输入/输出（即I/O）点和电源等，是PLC的主要部分。
实际上，CPU模块相当于一个完整的控制系统，因为它可以单独完成特定的控制任务。
2.拓展单元
S7——200CPU22*系列PLC具有2~7个拓展模块，用户可以根据需要拓展各种I/O模块。
3.特殊功能模块
当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要用到拓展模块和功能模块。
它是完成某种特殊控制任务的装置。
4.相关设备
为了充分利用系统硬件和软件资源，开发有一些相关设备，主要包括程序设备、网络设备和人机操作界面等。
5.工业软件
工业软件是指为了能够更好的管理和使用以上设备开发的配套程序。
它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类组成。
1.3.2西门子S7——200的发展前景
PLC发展至今，已有30余年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天复地的变化，PLC亦在不断的发展变化之中，PLC正朝着新的技术、绿色环保的可持续发展的方向前进。
1.3.3西门子s7—200主要功能
（1）中断功能，包括开关量输入中断、定时中断、高速计数输入中断、高速脉冲输出中断和通信中断等
（2）脉冲捕获功能，可捕获脉宽为数十μs的输入脉冲。
（3）内置的实时钟，或可以选配实时钟模块。
（4）整数运算、浮点数运算和函数运算功能
（5）用EEPROM代替RAM和锂电池，使PLC成为完全免维护的设备。
（6）用户程序可用密码保护，有的可设多级密码。
使用编程向导简化编程过程:
S7－200的编程软件STEP7－MicroWIN32配备了大量的编程向导，如PID、网络读写、高速计数器和高速输出指令的编程向导，位置控制模块、文本显示器TD200、调制解调器模块、以太网模块、互联网模块、AS－i通信模块等的编程向导。
使用这些编程向导时，只需要输入要求的数据或确定选项，编程软件就可以自动地生成用户程序。
编程软件配备仿真功能:
有的PLC生产厂家提供了在计算机上运行，可以用来代替PLC的硬件调试用户程序的仿真软件，例如西门子公司与STEP7编程软件配套使用的S7－PLCSIM仿真软件。
提高通信的开放程度:
早期的PLC基本上采用厂家专用的通信协议，给不同厂家的产品互联互通和用户的使用带来了很大的困难。
现在的发展趋势是尽可能地采用符合国际标准的通信协议。
1.4本文主要内容
1.4.1机械系统设计
机电系统的设计主要包括:
电机的选择、轴的结构设计以及校核、轴承以及连轴器的选择、导轨的选择、机械系统的结构设计和选材。
1.4.2电气系统S7——200
电气系统S7——200主要包括：
电气系统的动作过程、控制对象设置、控制方式的硬件设置、软件西门子S7——200的设置以及CPU的选择、PLC硬件接线图跟PLCAO模块的选择、电机的选择、电机原理图的绘制、变频器原理图的绘制。
2方案分析
2.1机械传动方案分析
2.1.1常用的传动类型及特点
①带传动
带传动传递的功率不大（可用于中小功率），机构尺寸比其他传动类型大，易出现皮带打滑造成皮带磨损剧烈，但传动平稳，能缓冲吸收冲击振动。
由于摩擦产生静电，不适用于有瓦斯及煤尘等爆炸危险的场合，常用于高速级传动中。
②链传动
链传动只能实现平行轴间链轮的运转时不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪音；不宜用在载荷变化很大、高速和急速反向的传动中。
一般多用于低速级传动及传动比要求不太严格的场合。
③齿轮传动
齿轮传动瞬时传动比稳定，且效率高，体积小，是在传动中使用最多的一种传动件。
直齿圆柱齿轮的设计加工容易，但速度高时有噪音，故多用于减速器低速级中，亦可用于高速级但噪音大。
斜齿圆柱齿轮传递运动平稳，音小，承噪载能力高，故多用在减速器中高速级上，低速级上也可以使用。
人字齿轮基本上与斜齿轮相同，它对轴承不产生轴向力，多用于大型减速器。
锥齿轮将较困难，特别是模数，直径大时受到机床的限制，故一般在改变轴的方向等情况下才使用，使用时应尽量使模数直径小些，以利于加工。
锥齿轮常用于高速级上，如用弧齿锥齿轮时噪音小，工作平稳，故速度可高些。
开式齿轮较闭式齿轮磨损大，多用于低速级。
④蜗杆传动
蜗杆传动传动速比大，传递运动平稳，冲击载荷小，噪声低，但效率低，特别是在出现自锁现象时。
因此普通圆柱面蜗杆传动适用于中小功率，由于其效率低，不适用于连续工作，故多用于间歇工作的场合。
2.12横移车运动分析
由于本系统是在空中作业，所以选择传动比稳定、效率高、体积小的传动方式，齿轮传动。
在空中作业要注意安全性所以横移车的速度要小，选择减速机要减速比大的四级减速，而且选择电机与减速机一体的更为方便。
横移车的传动方式，小车下面的吊具将要运送到货物吊起，电机正转，此时小车开始移动，以已经控制好的速度运送到货物要横移到的目的地，然后放下货物，电机反转，横移车返回。
完成一个循环。
2.1.3机械传动系统设计时应注意的事项
①在满足传动要求的情况下，应尽量使机构的数目减少，使传动链短，这样可以提高机械效率，减低生产成本。
②当机械传动系统的总传动比较大而采用多级传动时，应合理分配各传动机构的传动比。
传动比的分配原则时使总的体积小和发挥各类传动机构本身的优势。
③合理安排传动机构的次序。
当总传动比
时，要考虑多级传动。
如有带传动时，一般将带传动放置在高速级；如采用不同类型的齿轮机构组合，圆锥齿轮传动和蜗杆传动一般放置在高速级；链传动一般不宜放在高速级。
④在满足传递要求的前提下，应尽量采用平面传动机构，使制造，组装，维修更加方便。
⑤在对传动系统的尺寸的要求较小时，可采用行星轮系机构。
2.2电气分析
2.2.1PLC变频器
PLC变频器是自动化行业中常见并常用的配件。
主要在机械设备中起到控制的作用，在设备上有着举足轻重的作用，能调整机器的运转控制达到用户所能要求到机器手。
目前，PLC变频器已被各自动设备行业广为使用。
常用PLC变频器除西门子、三菱等知名品牌外，像LS产电的PLC变频器目前在包装机械、水处理机械、电工电力机械、塑料机械、以及玻璃机械中。
用PLC的数字量输出点，如果PLC是继电器输出，可以直接接变频器的启动信号端子。
如果是电压输出，可以通过继电器转换为无源触点后接启动信号端子。
这样控制PLC的输出与否即可启动/停止变频器。
PLC控制变频器的频率：
1。
模拟量控制，可以用模拟量输入和输出模块，根据变频器的具体要求选择0-10V电压或4-20mA电流输出，控制变频器的频率，变频器的频率反馈根据要求可以选择模拟量输入进行采集（也可以不采集，开环控制）。
2。
串行总线通信控制，高档的变频器有通信接口，像uss，profibusDP,simolink等，可以通过PLC的通信端口（或通信模块）给定频率值，变频器和PLC间相互通信。
横移车控制系统的总体工作原理图框图
2.3方案总结
空中横移车是利用plc控制机械传动从而达到传送的目的，充分的利用好两者才能达到更好的解决方案。
3机械设计
3.1电机的选择
一、计算出实际所需的扭矩、减速机输出转速
已知行走轮V=27m/min工作载荷滑撬+吊具750kg车体600kg
横移车为线性运动：
（K系列减速机4级减速取
）
计算静功率P－Kw;
运行阻力F－N，
运行速度V－m／s
（
查得机械设计手册，45钢与尼龙
）
二、确定合适的使用系数计算SEW使用系数
这个使用系数取决于停止／起动频率、负载的变化次数，惯性加速系数和每日运行时间。
选型时，减速器的许用输出转矩必须大于或等于计算转矩。
I：
惯性加速系数≤0.2
II：
惯性加速系数≤3
III：
惯性加速系数≤10
工作制－每天运行时间：
24小时连续运转
每小时载荷变化次数：
起停次数30次/小时
通过查图可知
三、选择减速机
据计算得，电机实际功率至少大于P=0.68KWT=129.50Nm
=1.41
=48rpm根据设计手册，选电机KA37/TDRE80M4BE1/ZTH/HF/IS
电机型号DRE80M4P=0.75KW
减速机型号K37
=48rpm
=1390r/mini=28.83
制动器BMG1
四、校核径向力
传动部件
传动部件系数fz
备注
齿轮
1.0
>17齿
链轮
1.4
＜13齿
链轮
1.25
＜20齿
窄V型带
1.75
张紧力影响
宽平皮带
2.5
张紧力影响
正时带
2.5
张紧力影响
作用在电机或减速机轴伸上径向力按下式计算:
Fz=1.0
—径向载荷（N）
—力矩（Nm）
—节圆直径（mm）fz—传动部件数
五、安装位置
1、应用行业以及具体设备工况，环境温度等为室温；
2、驱动方案：
变频控制;
3、电机功率或负载扭矩与速度（传动比i=28.83、输出转速Ma=150N.m、）
4、电机参数：
普通变频,级数3级；
5、确定减速机的系列：
K系列安装方式：
实心轴地脚安装；
6、若实心轴安装，存在径向力不存在轴向力；
7、其它附件：
制动器，逆止器，编码器；
8、安装位置M1，出轴方向A+B,接线盒角度0º，出线嘴位置X/1/2/3等；
3.2联轴器的选择
1、连轴器的选择原则：
（1）承载能力与缓冲、减振性能。
（3）补充两轴相对位移的能力。
安装维修，另外，倾动机械要求在分减速机高速轴实现可靠制动，所以联轴器要有制动轮。
根据动力机和联轴器载荷类别、转速、工作环境等综合因素，选定联轴器品种，根据联轴器的配套、联接情况等因素选定联轴器型式；根据公称转矩、轴孔直径与轴孔长度作校核验算，以最后确定联轴器的型号。
在轴系传动中一般均存在不同程度两轴线相对偏移，应选用挠性联轴器；当轴系传动中工作载荷产生冲击、振动时，则应选用弹性联轴器，从减振、缓冲效果和经济性考虑，宜选用非金属弹性元件弹性联轴器。
2、联轴器所传递的名义转矩：
计算转矩Tc
Tc=KT=1.5
5.15=7.73Nm
由于公称转矩Tn>Tc许用转速[n]>n且轴直径d=35mm根据机械手册选择SWC-I100型十字万向联轴器
其中Tn=1200Nm>Tc符合许用转速
[n]=1500r/min>1390r/min符合
SWC-I100联轴器参数
D=100mmD1=84mm
3.3轴的设计及校核
根据工作条件，初选轴的材料为45钢，调制处理。
n=48rpm
轴的截面上有两个键槽，对于有两个键槽的轴，应增大10%~15%。
ab段和cd段直径为30mmbc直径为35mm
1、主动轮轴校核
轴材料为45钢，调制处理，查表得
=255Mpa
=590Mpa
=295Mpa
=140Mpa[
]=55Mpa
由于轴同时受到弯矩和扭矩所以需要弯扭校核
由弯矩产生的弯曲应力是对称循环盈利，扭矩产生的是脉动循环应力
T=148.6Nm
M=121.57Nm
抗弯截面系数
故轴是安全的。
3.4键选择
1．键的选择：
键一般采用抗拉强度极限ss<600MPa的碳钢制造，通常用45钢。
⑴类型选择：
键的类型应根据键联接的结构、使用特性及工作条件来选择。
选择时应考虑以下各方面的情况：
需要传递转矩的大小；联接于轴上的零件是否需要沿轴滑动及滑动距离的长短；对于联接的对中性要求；键是否需要具有轴向固定的作用；以及键在轴上的位置（在轴的中部还是端部）等。
⑵尺寸选择：
键的剖面尺寸b×h按轴的直径d由标准中选定。
键的长度L一般按轮毂宽度定，要求键长比轮毂略短5~10mm，且符合长度系列值。
（1）选择键时应考虑：
1、所需传递转矩的大小。
2、轴上零件是否需要沿轴向滑移及滑移距离的长短。
3、对中性的要求。
4、键在轴的中部还是端部。
选择圆头普通平键，圆头普通平键在键槽中轴向固定良好，平键的两个侧面是工作面并用于传递转矩，键的上面与轮毂槽底之间留有间隙，为非工作面。
（2）平键的优点
结构简单、对中性好、装拆方便。
平键联接对轴上零件不能起到轴向固定的作用。
根据轴设计的直径d=35mm
选择圆头平键
尺寸为
L=50t=5.0
细轴ab段d=30mm
选择圆头平键尺寸为
L=36t=4.0
细轴cd段d=30mm
选择圆头平键
L=70t=4.0
3.5轴承的选择与润滑剂的选择
选择轴承类型时，全面掌握轴承的使用条件是至关重要的。
1.轴承的安装空间能容纳于轴承安装空间内的轴承型由于设计轴系时注重轴的刚性和强度，因此一般先确定轴径，即轴承内径。
但滚动轴承有多种尺寸系列和类型，应从中选择最为合适的轴承类型。
2.内圈与外圈的相对倾斜分析使轴承内圈与外圈产生相对倾斜的因素（如负荷引起的轴的挠曲、轴及外壳的精度不良或安装误差），并选择能适应这种使用条件的轴承类型。
因此应选择可以承受这种倾斜的轴承类型。
如果内圈与外圈的相对倾斜过大，轴承会因产生内部负荷造成损伤。
3.负荷轴承负荷的大小、方向和性质[轴承的负荷能力用基本额定负荷表示，其数值载于轴承尺寸表]轴承负荷富于变化，如负荷的大小、是否只有径向负荷、轴向负荷是单向还是双向、振动或冲击的程度等等。
在考虑了这些因素后，再来选择最为合适的轴承类型。
一般来说，相同内径的轴承的径向负荷能力按下列顺序递增：
深沟球轴承＜角接触球轴承＜圆柱滚子轴承＜圆锥滚子轴承＜调心滚子轴承
4.安装与拆卸定期检查等的装拆频度及装拆方法装拆频繁时，使用内圈与外圈可分离的圆柱滚子轴承，滚针轴承及圆锥滚子轴承较为方便。
深沟球轴承、接触球轴承、圆柱滚子轴承
滚子轴承承受负荷生的变形比球轴承小。
对轴承施加预紧（负游隙）可以提高刚性。
该方法适用于角接触球轴承和圆锥滚子轴承。
5.转速能适应机械转速的轴承类型[轴承转速的界限值基准用极限转速表示，其数值载于轴承尺寸表]轴承的极限转速不仅取于轴承类型还限于轴承尺寸、保持架型式、精度等级、负荷条件和润滑方式等，因此，选择时必须考虑这些因素。
根据轴径d=35mm选用深沟球轴承
型号为FYK35TF带座轴承
各参数d=35mmD=72mmB=42.9mmS=17.5mmL=117mmJ=92mmA=34mmA1=15mmA2=19mm
润滑剂的选择
由于
所以选择脂润滑
3.6轨道设计及校核
由于行走轮宽55mm,查机械手册，选择h=80mm的热轧普通槽钢（型号为8）作为轨道
h=80mmd=5mmr=8mmr1=4mmt=8mmE=206GPaI=101.3
E-----弹性模量
I------惯性矩
-----挠度
轨道校核
许用挠度等于
轨道合格。
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