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本科學(xué)生畢業(yè)論文
自動疊衣機(jī)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計
系部名稱：
專業(yè)班級：
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱：
XX學(xué)院
二○一九年六月
XX學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
本設(shè)計將多手臂折疊法運(yùn)用于折疊裝置中，通過PLC編程控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動折疊手臂旋轉(zhuǎn)。通過光電傳感器識別衣服狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)架，實現(xiàn)了衣物自動疊放。本設(shè)計巧妙地使用齒輪和曲柄連桿機(jī)構(gòu)，只用一臺電機(jī)提供動力，實現(xiàn)了三塊折疊板的間歇運(yùn)動。本設(shè)計作為一種家用智能疊衣機(jī)，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，能夠方便快捷地折疊衣服，實現(xiàn)疊衣服的智能化。
關(guān)鍵詞：折疊法；PLC；光電傳感器；間歇運(yùn)動
I
蚌埠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
ABSTRACT
In this design, multi-arm folding method is used in folding device. The motor is controlled to rotate by PLC programming, and then the folding arm is driven to rotate. The state of clothes is identified by photoelectric sensors, and the rotating frame is driven by the motor, which realizes the automatic stacking of clothes. This design ingeniously uses gear and crank connecting rod mechanism, and only uses one motor to provide power to realize the intermittent movement of three folding plates. As a kind of household intelligent folding machine, this design has small size, simple structure, and can fold clothes conveniently and quickly, so as to realize the intelligent folding of clothes.
Key words: Folding method; PLC; Photoelectric Sensor; Intermittent movement
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 本文研究的內(nèi)容 2
第2章 總體方案的設(shè)計 3
2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)想 3
2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案 3
2.2.1 方案一 3
2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案二 4
2.3 傳動方案 5
2.4 整體機(jī)構(gòu)示意圖 5
第3章 自動疊衣機(jī)部分零部件的外形設(shè)計 7
3.1衣物折疊裝置 7
3.2開關(guān)手柄 7
3.3大錐齒輪 8
3.4 曲柄輪 8
第4章 齒輪的強(qiáng)度設(shè)計與計算 10
4.1直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度設(shè)計計算 10
4.2根據(jù)劉易斯方程式設(shè)計計算直齒圓柱齒輪強(qiáng)度 10
4.3根據(jù)赫茲應(yīng)力的面壓設(shè)計計算 14
4.4 直齒輪傳動計算 16
4.5齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇 23
4.6 圓錐齒輪設(shè)計計算 27
第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計 32
5.1 控制系統(tǒng)的選擇 32
5.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 33
5.2.1 PLC基本結(jié)構(gòu) 33
5.2.2 PLC工作原理 34
5.2.3功能特點 35
5.2.4 PLC型號的選擇 36
5.2.5 按鈕設(shè)置 36
5.2.6光電傳感器 37
5.3整體設(shè)計框圖? ???? 37
5.4 PLC程序I/O端口分配表 37
5.5 PLC系統(tǒng)接線圖 38
結(jié) 論 39
參考文獻(xiàn) 40
致 謝 41
39
蚌埠學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
第1章 緒 論
1.1 研究目的及意義
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活節(jié)奏的加快，越來越多的人沒有時間照顧自己的生活。在日常生活中，疊衣服是一項非常頻繁和瑣碎的工作。人們主要依靠手工折疊，沒有合適的自動化設(shè)備來折疊衣服。
對于辦公室工作人員來說，工作壓力越來越大，所以花在家務(wù)上的時間越來越少。大多數(shù)人不愿意自己做衣服。例如，襯衫是許多專業(yè)辦公室的必備品，它最能反映出聰明和熟練的工作場所。襯衫的折疊要求很高。由于手工折疊和容易折疊，襯衫很難恢復(fù)原來的外觀。對我們的大學(xué)生來說，課程越來越多，學(xué)習(xí)也越來越艱苦。每天在書房和圖書館努力學(xué)習(xí)，很難抽出時間把衣服收起來，疊衣服對我們來說是一件很頭痛的事。折疊的不規(guī)則性要比不折疊好，當(dāng)衣服數(shù)量較大時，比較費(fèi)時費(fèi)力。對于那些失去自我照顧能力的老年人和殘疾人來說，很難安排衣服。
折疊衣物有許多優(yōu)點，如看起來整潔，養(yǎng)成良好的習(xí)慣，節(jié)省空間，減少污染的可能性，及時找到衣物。但是花很多時間疊衣服是非常令人沮喪的。
目前，一方面，折板已經(jīng)出現(xiàn)在市場上折疊衣服，但仍然需要手動折疊衣服，所以它不是最佳的選擇。另一方面，雖然市場上有一些高科技的智能機(jī)器人來代替家務(wù)勞動，但它們普遍價格昂貴，使用復(fù)雜，維修困難，難以普及。因此，市場迫切需要一種廉價、操作簡單、維護(hù)方便、高效的機(jī)器人作為生活助手，為他們解決一些家務(wù)勞動中的不便。
為了解決這一生活中的小問題，我設(shè)計制造了一臺經(jīng)濟(jì)型家用智能折頁機(jī)，以滿足上述需求并解決這些困難。本發(fā)明提供了一種家用智能折疊機(jī)，可以方便快捷地折疊衣物。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國內(nèi)對自動疊衣機(jī)的研究還非常少，在國外對自動疊衣機(jī)的研究比國內(nèi)多。一家名為Foldinate的公司宣稱研發(fā)了一部疊衣機(jī)器。這部和公司同名的自動疊衣機(jī)Fo ld in ate用法非常簡單，只要將衣物夾好，機(jī)器就會將衣物疊好，期間還會噴出蒸氣將皺紋燙平，甚至可以添加香味或柔順劑。疊好的衣物會堆疊起來，提醒用戶取走。
據(jù)了解，這款FoldMate自動疊衣機(jī)能夠?qū)⒊Ｒ?guī)的襯衣、褲子以及毛衣等衣物折疊整齊，用戶需要做的就是將這些衣物掛在這款設(shè)備搭配的衣架上，剩下的工作它會替我們完成。就目前而言，這款FoldMate自動疊衣機(jī)還無法折疊毛衣、襪子、內(nèi)衣或者其他類型的不規(guī)則狀衣物。這款設(shè)備能夠-次性折疊10到15件襯衫。
法國的DM公司近期推出了也-款自動疊衣機(jī)，看起來比同類產(chǎn)品小巧，但其功能卻相差無幾。DM公司的自動疊衣機(jī)會將洗過但是未經(jīng)熨燙的衣服經(jīng)過高溫蒸汽熨燙之后再自動疊好。如果想讓衣服聞起來有香味，還可以添加香薰或柔順劑，整個過程只需在觸控屏幕上完成。消費(fèi)者唯一要做的事情就是手動將洗好的衣服夾在自動疊衣機(jī)上，剩下的機(jī)器會自動完成。
1.3 本文研究的內(nèi)容
查閱有關(guān)書籍和資料，了解自動疊衣機(jī)由來及研究領(lǐng)域;掌握自動疊衣機(jī)基本結(jié)構(gòu)和分類，了解自動疊衣機(jī)的應(yīng)用及其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀;了解自動疊衣機(jī)的工作方式和原理; 本次畢業(yè)設(shè)計的基本內(nèi)容為設(shè)計一款自動疊衣機(jī)，先對整體方案進(jìn)行設(shè)計，然后再分別細(xì)化設(shè)計各個零部件，再加上PLC自動控制。
1．自動疊衣服機(jī)構(gòu)包括連桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)三種常用機(jī)構(gòu)。
2．設(shè)計各機(jī)構(gòu)的相對位置和各構(gòu)件的尺寸。
3. 利用CAD畫出各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方案簡圖。
4. 齒輪機(jī)構(gòu)的計算與設(shè)計。根據(jù)傳動比選擇齒輪，根據(jù)齒寬確定各兩齒輪的齒數(shù)，給出模數(shù)，進(jìn)而確定齒輪的各個參數(shù)。
XX學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
第2章 總體方案的設(shè)計
2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)想
通過折疊衣物的動作，可以知道，機(jī)器折疊衣物可以通過旋轉(zhuǎn)180度來實現(xiàn)。因此，假設(shè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)提供動力并使活動部件旋轉(zhuǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動，折板實現(xiàn)衣物的折疊運(yùn)動。設(shè)計了執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由連桿機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)組成，傳動部分由齒輪系組成。
運(yùn)動過程設(shè)計：電機(jī)的轉(zhuǎn)動提供動力，引起主動件轉(zhuǎn)動。主動件引起整個機(jī)構(gòu)運(yùn)動，折疊板實現(xiàn)衣物折疊運(yùn)動，整個機(jī)構(gòu)以機(jī)械原理課本上的齒輪機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為主導(dǎo)來實現(xiàn)衣物的折疊運(yùn)動。該機(jī)構(gòu)采用電力驅(qū)動，傳動方式為：電機(jī)-主軸轉(zhuǎn)動-齒輪轉(zhuǎn)動-工作部分的折疊運(yùn)動。
2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案
2.2.1 方案一
如圖2—2所示，該方案主要利用了連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中存在的死點，通過死點來實現(xiàn)疊衣服的工作要求，實現(xiàn)了接近180度的轉(zhuǎn)動，執(zhí)行件的轉(zhuǎn)動角度只能是接近180度，而且大于180度。
圖2—1 方案一機(jī)構(gòu)簡圖
2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案二
該方案是在執(zhí)行件的轉(zhuǎn)角處裝了復(fù)位彈簧，通過復(fù)位彈簧的作用可使執(zhí)行件轉(zhuǎn)動180度時速度為零，并且反向運(yùn)動，實現(xiàn)疊衣服的工作要求。三維建模圖以及機(jī)構(gòu)見圖如圖2—2所示。
圖2—2三維建模圖以及機(jī)構(gòu)見圖
方案比較：方案一是通過自身運(yùn)動過程中的死點實現(xiàn)確定的運(yùn)動但是執(zhí)行件的轉(zhuǎn)角大于180度，而疊衣板是需要做180度的轉(zhuǎn)動，但是該種方案通過減小擺角使執(zhí)行件的轉(zhuǎn)動盡可能達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動效果但是永遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的運(yùn)動效果。 然而方案二是在上一種方案上進(jìn)行了改進(jìn)，該種方案更能使機(jī)構(gòu)作確定的運(yùn)動。
2.3 傳動方案
從上面的機(jī)構(gòu)示意圖可知，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動不能同時運(yùn)動，必須將兩個機(jī)構(gòu)的運(yùn)動錯開，為此選擇了間歇機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)該種運(yùn)動的要求，間歇傳動機(jī)構(gòu)示意圖如圖2—3所示：位于中央的曲柄輪轉(zhuǎn)動一圈，會帶動位于周圍的四槽連接機(jī)構(gòu)依次轉(zhuǎn)動一個角度，從而實現(xiàn)間歇傳動的功能。
圖2—3 間歇機(jī)構(gòu)示意圖
2.4 整體機(jī)構(gòu)示意圖
整體傳動機(jī)構(gòu)如圖2—4所示：
5
4
3
2
1
1.電機(jī) 2.直齒輪傳動 3.曲柄連桿機(jī)構(gòu) 4.錐齒輪機(jī)構(gòu) 5.間歇機(jī)構(gòu)
圖2—4 整體機(jī)構(gòu)示意圖
整體傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程如下：電機(jī)通過一組直齒輪將動力傳遞到間歇機(jī)構(gòu)，間歇機(jī)構(gòu)再將動力依次傳遞給曲柄連桿機(jī)構(gòu)，從而帶動折板翻轉(zhuǎn)。
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第3章 自動疊衣機(jī)部分零部件的外形設(shè)計
3.1衣物折疊裝置
將多手臂折疊法運(yùn)用于折疊裝置中，該裝置由上左板、右板、中板和上板組成。衣物折疊裝置如圖3-1所示，該裝置的主體部分是一個箱體。箱體的上表面由3塊可以繞固定軸旋轉(zhuǎn)的塑料板組成。該裝置通過板子的翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)衣物的折疊。
圖3-1 折疊板
3.2開關(guān)手柄
在自動疊衣機(jī)箱體下部設(shè)有開關(guān)手柄，將衣物放在疊衣機(jī)上后，按下手柄，疊衣機(jī)自動運(yùn)行，三塊面板依次折疊，將衣物疊好。手柄還可以隨時中止疊衣機(jī)的運(yùn)行。在疊衣機(jī)工作時因為故障或緊急情況需要中斷運(yùn)行時，可以抬起手柄，手柄的另一端會插入間歇機(jī)構(gòu)的凹槽中，從而中斷動力傳輸，同時切斷電機(jī)電源保證安全。
圖3-2 開關(guān)手柄
3.3大錐齒輪
大錐齒輪是整個傳動機(jī)構(gòu)中的重要部件，電機(jī)經(jīng)過3個直齒輪和1個小錐齒輪將動力傳遞給大錐齒輪，大錐齒輪通過4個扇形支架和曲柄輪嚙合，它們是間歇機(jī)構(gòu)的重要組成部分。大錐齒輪的造型如下圖3-3所示。
圖3-3 大錐齒輪
3.4 曲柄輪
曲柄輪是間歇機(jī)構(gòu)的核心組件，它把從大錐齒輪傳遞過來的動力按照一定的時間順序依次傳遞給4槽連接，從而帶動三個折板翻轉(zhuǎn)。曲柄輪的造型如下圖3-4所示。
圖3-4 曲柄輪
3.5 四槽連接
四槽連接巧妙地利用曲柄輪的曲柄和四槽連接的四個槽的嚙合運(yùn)動實現(xiàn)了間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)。四槽連接的造型如下圖3-5所示。
圖3-5 四槽連接
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第4章 齒輪的強(qiáng)度設(shè)計與計算
塑料齒輪的強(qiáng)度設(shè)計計算一般可以從影響齒輪壽命的兩個主要方面考慮：一是齒根處的齒斷裂；二是齒距圓附近的齒磨損或粗化導(dǎo)致的齒斷裂。計算齒輪失效強(qiáng)度的方法很多。例如，正齒輪的強(qiáng)度設(shè)計可以用劉易斯方程計算，而第二種情況下可以用赫茲應(yīng)力系數(shù)的表面壓力計算。在本附錄中，路易斯方程用于討論運(yùn)動儀器塑料齒輪斷裂強(qiáng)度的設(shè)計和計算。簡要介紹了用赫茲法計算表面壓力的方法。
4.1直齒圓柱齒輪的強(qiáng)度設(shè)計計算
路易斯計算式，是以齒輪輪齒進(jìn)人嚙合，在齒頂受力時，力來考慮的，這是齒輪單齒受力的最惡劣條件。實際計算時，節(jié)圓附近的齒形系數(shù)?！X輪的強(qiáng)度涉及的因素較多，計算時有下述幾項主要約定
①不考慮山負(fù)載方向所產(chǎn)生的作用于齒根上的垂直應(yīng)力，產(chǎn)生的作用于齒根上的剪切應(yīng)力。該齒齒根所產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)計算式中的齒形系數(shù)往往采用以及由負(fù)載圓周方向分力所產(chǎn)生的作用于齒根上的剪切應(yīng)力。
②不考慮輪齒齒根圓角處的應(yīng)力集中。
③對于精度較高，特別是齒形已作修形的齒輪，k`J頂受全負(fù)載的假設(shè)是不存在的。
④由齒根過度曲線與齒廓相接點附近的危險斷面與實例是否一致，尚無法確定。此外，也不易求得此點處的齒厚。
⑤最理想的狀況，是齒輪傳動時在整個齒寬上嚙合，但由于加工誤差和實際傳動誤差，則必須考慮齒寬方向的實際接觸的寬度
4.2根據(jù)劉易斯方程式設(shè)計計算直齒圓柱齒輪強(qiáng)度
(1)作用在輪齒上的切向負(fù)載、傳遞扭矩和傳遞功率。劉易斯計算式中，直齒輪的負(fù)載p及傳動力矩T，按下式計算。
p=σbbmy'
T=σbb?2y'2000z
式中 P――作用在齒輪上的切向負(fù)載，Ｎ或kgf；
T——傳動力矩，N.m或kgf.com;
σb——彎曲應(yīng)力,MPa或kgf/mm2;
b——齒寬，mm；
m——齒輪模數(shù)，mm；
d——分度圓直徑，mm；
y'——在節(jié)點附近的齒形系數(shù)；
z——齒數(shù)。
在m=1mm標(biāo)準(zhǔn)齒輪節(jié)點附近受負(fù)荷時的齒形系數(shù)y'，見表4-1。
表4-1齒形系數(shù)y'（標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)）（在節(jié)點附近受到負(fù)荷是的值）
壓力角
z
14??
20?標(biāo)準(zhǔn)
20?低齒
壓力角
z
14??
20?標(biāo)準(zhǔn)
20?低齒
12
0.355
0.415
0.496
28
0.534
0.597
0.688
13
0.377
0.443
0.515
30
0.540
0.606
0.697
14
0.399
0.468
0.540
34
0.553
0.628
0.713
15
0.415
0.490
0.556
38
0.565
0.650
0.729
16
0.430
0.503
0.578
43
0.575
0.672
0.738
17
0.446
0.512
0.587
50
0.587
0.694
0.757
18
0.459
0.522
0.603
60
0.603
0.713
0.773
19
0.471
0.534
0.616
75
0.613
0.735
0.792
20
0.481
0.543
0.628
100
0.622
0.757
0.807
21
0.490
0.553
0.638
150
0.635
0.779
0.829
22
0.496
0.559
0.647
300
0.650
0.801
0.855
24
0.509
0.572
0.663
齒條
0.660
0.823
0.880
26
0.522
0.587
0.679
當(dāng)確定了所設(shè)計齒輪的所需要素和運(yùn)轉(zhuǎn)條件，則可以根據(jù)式(附2-1)、式(附2-2)計算出所需要扭矩.但是，這里所存在的間題是最大許用彎曲應(yīng)力6、應(yīng)為多少。這可是齒輪強(qiáng)度計算中的一個必須解決的重要問題。
(2)最大許用育曲應(yīng)力許用彎曲應(yīng)力不僅與各種傳動條件有關(guān)，同時也隨齒輪模數(shù)大小的不同而變化。圖附2-1所示為標(biāo)準(zhǔn)條件下，試驗所得的與各種模數(shù)相對應(yīng)的最大許用彎曲應(yīng)力。以此為基礎(chǔ)，根據(jù)各種不同的傳動條件，求出最大許用彎曲應(yīng)力。
σh=σb'×KVKTKLKMKGCs
σb——實際運(yùn)轉(zhuǎn)中的最大許用彎曲應(yīng)力，MPa或kgf/mm2;
σb'——由4-1查得標(biāo)準(zhǔn)條件下最大許用彎曲應(yīng)力，MPa或kgf/mm2;
cs——使用狀況系數(shù)，見表4-2；
KV——速度補(bǔ)償系數(shù)，見圖4-1；
KT——溫度系數(shù)；
KL——潤滑系數(shù)；
KM——材料系數(shù)；
KG——材料強(qiáng)度修正系數(shù)。
表4-2 使用狀況系數(shù)Cs
負(fù)載的種類
一天的運(yùn)轉(zhuǎn)時間
24h
8~10h
3h
0.5h
均一負(fù)載
1.25
1.00
0.80
0.50
輕度沖擊
1.50
1.25
1.00
0.80
中度沖擊
1.75
1.50
1.25
1.00
重度沖擊
2.00
1.75
1.50
1.25
圖4—1 標(biāo)準(zhǔn)條件下最大許用彎曲應(yīng)力 圖4—2 速度補(bǔ)償系數(shù)
溫度系數(shù)KT:驅(qū)動輪系的工作溫度較高時，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來說，運(yùn)動中的齒輪強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度的溫度依存性與靜止彎曲強(qiáng)度有一定的關(guān)系;因此、必須用彎曲強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系對溫度進(jìn)行補(bǔ)償。彎曲強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，如圖4-1所示。
潤滑系數(shù)KL:按以下情況選。
齒輪無潤滑時KL=0. 75
油脂初期潤滑KL=1. 0
連續(xù)潤滑KL=1. 5-3.0
不同的潤滑條件，如是否為循環(huán)油潤滑等，其效果是不同的。故潤滑系數(shù)在上述范圍內(nèi)選擇。對于一次性潤滑，其潤滑系數(shù)為KL=1. 5,
材料系數(shù)KM
POM齒輪與金屬齒輪嚙合時，KM=1. 0;
POM齒輪與POM齒輪嚙合時，Km =0.75。
POM齒輪與金屬齒輪嚙合時，金屬肯輪應(yīng)有相適應(yīng)的粗糙度要求，齒面過于粗糙的金屬齒輪，則會加劇POM齒輪齒面的磨損。材料強(qiáng)度修正系數(shù)KG:參見表附4-3
表4-3 材料強(qiáng)度修正系數(shù)Ka
品級
KG
品級
KG
M270
0.9
AW-01
0.9
M90
1
SW-01
1
M25
1.2
NW-01
1.1
對于由圖4-1求得的標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下的最大許用彎曲應(yīng)力，所要求的標(biāo)準(zhǔn)傳動條件如下。
② 使用狀況:均勻負(fù)載。
? ? ②轉(zhuǎn)時間:8-10h/日，CS=1(見表4-2), ? ? ?
③ 節(jié)圓速度:14m/s, Kv=1(見圖4-2). ? ? ??
④ 溫度:常溫(20℃), KT=1(見圖4-3).
? ? ⑤潤滑:油脂初期潤滑，KL=1. 0.
⑤ 材料系數(shù):POM齒輪與金屬齒輪嚙合，KM=1,
⑥ 材料強(qiáng)度修正系數(shù):POM齒輪KG =1(見表4-3).
? ? ?此時，實際運(yùn)轉(zhuǎn)中最大許用彎曲應(yīng)力在數(shù)值上等于標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下的最大許用彎曲。
? ? 圖4-1中的模數(shù)范圍在m=0. 8 - 2 mm,一般來說，這是當(dāng)前塑料齒輪的常用模數(shù)。當(dāng)模數(shù)m<0. 8mm8時/日，用模數(shù)m=0. 8mm進(jìn)行最大許用彎曲應(yīng)力的計算，從齒輪強(qiáng)度上說，一則安全性更好。
?如果齒輪模熬m=3mm時，可選取模數(shù)m=2mm時的最大許用彎曲應(yīng)力的80%也被認(rèn)為是可行的。
?另外，考慮到使用狀況的誤差與離散性，實際上圖附2-1曲線比實驗的平均值低約25%左右，以確保選用時不發(fā)生強(qiáng)度方面的間題。
?(3)重合度如上所述，劉易斯計算式為單齒的齒頂承受負(fù)載時的齒根強(qiáng)度。而齒輪嚙合時，實際上往往是1對輪齒以上在同時嚙合?！X形角為。于200的齒輪輪系，‘重合度在ε=1-2之間。例如，z1=20齒輪與z2=3。大齒輪相嚙合廠重合度約為ε==1. 6。簡單地說，也就是平均有1.6對齒在同時嚙合傳動，_因此，如前所述，在使用劉易斯計算式時，如果用單齒齒頂承受負(fù)載時的齒形系數(shù)，就顯得過于保守。為此本附錄選用在節(jié)圓附近承受,負(fù)載時的齒形系數(shù)y'。
4.3根據(jù)赫茲應(yīng)力的面壓設(shè)計計算
在有潤滑油的條件下，POM齒輪的磨損量很小;但在無潤滑油的條件下，塑料齒輪很容易因齒面磨損而導(dǎo)致輪齒發(fā)生斷裂。:這種現(xiàn)象在載荷大、傳動速度高和散熱條件不良的情況下，更容易發(fā)生。為此，有必要根據(jù)赫茲應(yīng)力的面壓來設(shè)計計算齒輪強(qiáng)度。參考文獻(xiàn)[9]是通過下式和圖4-4來求出面壓Sc:
Sc=Pbd1×i+1i×1.41E1+1E2sin2α
式中 P——齒面上所承受的切向負(fù)荷，N或kgf；
b——齒寬，mm;
d1——小齒輪的節(jié)圓直徑，mm；
i——齒數(shù)比，?=z2∕z1；
E——材料彎曲彈性系數(shù)，MPa；或kgf/mm2，POM參見圖附2-5；
α——齒形角；
下標(biāo)1為小齒輪；
小標(biāo)2為POM-M90齒輪；
圖4-4 圓柱直齒輪最大許用面壓
圖4-4是在以下，所得到的試驗值為基準(zhǔn)，考慮了標(biāo)準(zhǔn)分散后，所決定許約定條件下用彎曲應(yīng)力的值。
? ? ①齒輪材質(zhì)組合:鋼/POM,
? ? ②齒輪副模數(shù):m=2mm,
? ? ③環(huán)境溫度:·常溫。
? ? ④潤滑條件:無潤滑劑。
? ? ⑤鋼齒輪齒面:經(jīng)過磨削、研磨加工。
? ? ⑥磨損量限度:為齒厚的10%。如果齒面未經(jīng)過磨削或研磨，齒面粗糙度最大值RQ( 55m,許用面值壓必須比圖附2-5的最大許面壓值小4-8MPa。
圖4-5 POM彎曲強(qiáng)度與溫度依存性
4.4 直齒輪傳動計算
齒輪傳動承載能力計算依據(jù)
輪輻、輪緣、輪轂等設(shè)計時，由經(jīng)驗公式確定尺寸。若設(shè)計新齒，可參《工程手冊》20、22篇，用有限元法進(jìn)行設(shè)計。
輪齒的強(qiáng)度計算：
齒根彎曲強(qiáng)度計算：應(yīng)用材料力學(xué)彎曲強(qiáng)度公式進(jìn)行計算。數(shù)學(xué)模型：將輪齒看成懸臂梁，對齒根進(jìn)行計算，針對齒根折斷失效。
輪齒表面接觸疲勞計算。由赫茲公式進(jìn)行計算。將一對相互嚙合的齒看成兩個圓柱體，針對齒面點蝕失效。
幾何尺寸計算（參機(jī)械原理）。
受力分析
不計摩擦力，輪齒所受工作載荷即為沿嚙合線作用的法向力Fn。因為齒向載荷的分布情況由Kβ考慮，所以認(rèn)為輪齒嚙合傳動時，F(xiàn)n沿接觸線均勻分布，并將其簡化為集中力。
當(dāng)小齒輪傳遞的扭矩不變時，F(xiàn)n大小不變，方向沿嚙合線垂直于齒面。將Fn在分度圓上分解成兩個互相垂直的分力，即切于分度圓的圓周力Ft和徑向力Fr。
若已知P1、n1
N.mm
主動輪上Ft1與圓周速度相反，從動輪上Ft2與圓周速度相同。外嚙合齒輪傳動Fr1 、Fr2指向各自輪心。
齒根彎曲強(qiáng)度計算
齒根彎曲應(yīng)力計算
因為齒輪輪緣剛性較大，所以可將齒看成寬度為的懸臂梁，并以此作為推導(dǎo)齒根彎曲應(yīng)力計算公式的力學(xué)模型。
危險剖面及其位置 受載齒的危險剖面是一在輪齒根部的平剖面，位置在與齒廓對稱中線各成300的二直線與齒根過渡曲線相切處。
載荷及其作用位置
的齒輪傳動，當(dāng)載荷作用于齒頂時，（力一定）力臂最大，但此時相鄰的一對齒仍在嚙合，載荷由兩對齒分擔(dān)，齒根彎矩不一定最大。當(dāng)輪齒在節(jié)線附近嚙合時，只有一對齒嚙合，但此時力臂不是最大，齒根彎矩不一定最大。齒根所受最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單對齒嚙合區(qū)最高點。
進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度計算時，對于制造精度較低（7級及以下）的齒輪傳動，因為制造誤差較大，可認(rèn)為載荷的大部分甚至全部由在齒頂嚙合的輪齒承受，輪齒根部產(chǎn)生最大彎矩。為簡化計算，對于制造精度較低（7級及7級以下）的齒輪傳動，常將齒頂作為齒根彎曲強(qiáng)度計算時的載荷作用位置，并按全部載荷作用于一對輪齒進(jìn)行計算。
對制造精度較高（6級及以上）的齒輪傳動，應(yīng)考慮重合度的影響，其計算方法參GB3480-83或有關(guān)資料。
齒根彎曲應(yīng)力計算公式
將分解成，并將其簡化到危險截面上，--產(chǎn)生剪應(yīng)力τ，產(chǎn)生壓應(yīng)力σc，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力σF。分析表明，σF起主要作用，若只用σF計算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，誤差很?。?5%），在工程計算允許范圍內(nèi)，所以危險剖面上只考慮σF。
單位齒寬（b=1）時齒根危險截面的理論彎曲應(yīng)力為
令，代入上式，得
令
--齒形系數(shù)，表示齒輪齒形對σF的影響。的大小只與輪齒形狀有關(guān)（z、h*a、c*、α）而與模數(shù)無關(guān)，其值查表10-5。
齒根危險截面理論彎曲應(yīng)力為
實際計算時，應(yīng)計入載荷系數(shù)及齒根危險剖面處的齒根過渡曲線引起的應(yīng)力集中的影響。
式中：--考慮齒根過渡曲線引起的應(yīng)力集中系數(shù)，其影響因素同，其值可查表10-5。
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算
校核公式 MPa
令，--齒寬系數(shù)。
將代入上式
設(shè)計公式
由上式可知：在一定的使用條件和壽命下，當(dāng)b、z、齒輪材料及其熱處理規(guī)范一定時，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度取決于模數(shù)。
配對二齒輪的、不同，、也不同。所以進(jìn)行校核時，應(yīng)分別對二齒輪進(jìn)行校核。設(shè)計時，應(yīng)將和中較大者代入設(shè)計公式。
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
齒面接觸應(yīng)力計算
一對齒的嚙合過程，可近似看成二曲率半徑隨時間變化著的平行圓柱體的接觸。所以將赫茲公式作為推導(dǎo)齒面接觸應(yīng)力公式的基礎(chǔ)。
危險位置
由于變化的曲率半徑和齒間載荷分配的綜合影響，輪齒表面在不同嚙合位置的接觸應(yīng)力不同。因此，計算齒面的接觸強(qiáng)度時，應(yīng)同時考慮嚙合點所受的載荷及綜合曲率的大小。對端面重合度≤2的直齒輪傳動，以小齒輪單對齒嚙合的最低點（D點）產(chǎn)生的接觸應(yīng)力最大，與小齒輪嚙合的大齒輪，對應(yīng)的嚙合點是單對齒嚙合的最高點，位于大齒輪的齒頂面上。由前述可知，同一齒面往往齒根面先發(fā)生點蝕，然后才擴(kuò)展到齒頂面，即齒頂面比齒根面具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度。因此，雖然此時接觸應(yīng)力大，但對大齒輪不一定會構(gòu)成威脅。由右圖可看出，大齒輪在節(jié)點處的接觸應(yīng)力較大，同時，大齒輪單對齒嚙合的最低點（D點）處接觸應(yīng)力也較大。按理應(yīng)分別對小齒輪和大齒輪節(jié)點與單對齒嚙合的最低點處進(jìn)行接觸強(qiáng)度計算。但按單對齒嚙合的最低點計算接觸應(yīng)力比較麻煩，并且當(dāng)小齒輪齒數(shù)z1≥20時，按單對齒嚙合的最低點計算所得的接觸應(yīng)力與按節(jié)點嚙合計算得的接觸應(yīng)力極為相近。為了計算方便，通常以節(jié)點嚙合為代表進(jìn)行齒面的接觸強(qiáng)度計算。
齒面接觸應(yīng)力計算
二齒輪在節(jié)點處嚙合，曲率半徑為
P點的當(dāng)量曲率為：
齒數(shù)比
與關(guān)系為：增速傳動
減速傳動
節(jié)點處只有一對齒嚙合，
將以上二式代入赫茲公式并考慮載荷系數(shù)
令，
MPa
式中： --彈性系數(shù)，僅與齒輪材料特性有關(guān)，其值查表10-6。
--節(jié)點區(qū)域系數(shù)，考慮節(jié)點位置的齒廓曲率半徑等因素對接觸應(yīng)力的影響，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時，=2.5。+--外嚙合；—--內(nèi)嚙合。
齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
校核公式 MPa
將代入上式
設(shè)計公式 mm
由上式可知：在一定的使用條件和壽命下，當(dāng)b、u、齒輪材料及其熱處理規(guī)范一定時，齒輪傳動的接觸疲勞強(qiáng)度取決于d1(中心距a)。
配對齒輪的，但不一定等于，所以設(shè)計或校核時，應(yīng)以、中較小者代入上式。
一對標(biāo)準(zhǔn)鋼制齒輪
MPa
mm
齒輪傳動的強(qiáng)度計算說明
當(dāng)配對齒輪均為硬齒面時，兩輪的材料、熱處理方法及硬度均可取成一樣的。設(shè)計時，可分別按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計公式進(jìn)行計算，并取其中較大者作為設(shè)計結(jié)果。
當(dāng)用設(shè)計公式初步計算齒輪的分度圓直徑d1（或模數(shù)mn）時，動載系數(shù)Kv、齒間載荷分布系數(shù)Kα及齒向載荷分布系數(shù)Kβ不能預(yù)先確定，此時可試選一載荷系數(shù)Kt，則計算出來的分度圓直徑（或模數(shù)）也是一個試算值d1t（或mnt），然后按d1t值計算齒輪的圓周速度，查取動載系數(shù)Kv、齒間載荷分布系數(shù)Kα及齒向載荷分布系數(shù)Kβ，計算載荷系數(shù)K。若算得的K值與試選的值Kt相差不多，就不必修改原計算；若二者相差較大時，應(yīng)按下式校正 試算所得的分度圓直徑d1t（或mnt）：
4.5齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)、許用應(yīng)力與精度選擇
齒輪傳動設(shè)計參數(shù)的選擇
壓力角α
由《機(jī)械原理》可知，增大壓力角α，輪齒的齒厚及節(jié)點處的齒廓曲率半徑亦隨之增加，有利于提高齒輪傳動的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度。我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角α=200。為增強(qiáng)航空齒輪用齒輪傳動的彎曲強(qiáng)度及接觸強(qiáng)度，規(guī)定α=250的標(biāo)準(zhǔn)壓力角。對重合度接近2的高速齒輪傳動，推薦采用齒頂高系數(shù)為1~1.2，壓力角為160~180的齒輪，可增加輪齒的柔性，降低和動載荷。
小齒輪齒數(shù)z1
若齒輪傳動的中心距不變，增加齒數(shù)z1---增大重合度、改善傳動平穩(wěn)性---減小模數(shù)、降低齒高---減少金屬切削量，節(jié)省制造費(fèi)用。
降低齒高---減小滑動速度---減少磨損及減小膠合的可能性。
但模數(shù)小---齒厚減薄---降低輪齒的彎曲強(qiáng)度。
對閉式齒輪傳動，傳動尺寸主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度較充裕，此時，在保持齒輪傳動尺寸不變的前提下，為提高傳動的平穩(wěn)性，減小沖擊振動，齒數(shù)多一些，z1=20~40。開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒主要為磨損失效，為使輪齒不致過小，齒數(shù)取少一些，z1=17~20。
模數(shù)m
模數(shù)值必須取標(biāo)準(zhǔn)系列值。
模數(shù)m越大---輪齒尺寸越大---在齒寬b、齒數(shù)z相同的條件下---輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度越高。
但模數(shù)m越小---中心距不變的條件下，齒數(shù)z越多---重合度越大---傳動越平穩(wěn)；且模數(shù)m越小---齒高越小---齒頂圓越小---節(jié)省材料---切齒時切去的金屬量少---提高效率。
所以，在滿足齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的條件下，模數(shù)m取小一些。
齒寬系數(shù)φd
輪齒越寬---承載能力越高---輪齒不宜過窄；
但輪齒越寬---齒面上載荷分布更不均勻—輪齒不宜過寬。
φd薦用值見表10-7。對于標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪減速器，，對外嚙合齒輪傳動
φa的值規(guī)定為0.2，0.25，0.30，0.40，0.50，0.60，0.80，1.0，1.2。運(yùn)用設(shè)計公式時，對標(biāo)準(zhǔn)減速器，先選定φa后再計算出相應(yīng)的φd值。
計算齒寬，圓整。為防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減小，常把小齒輪的齒寬在計算齒寬的基礎(chǔ)上人為加寬約5~10mm。
齒輪傳動的許用應(yīng)力
本書薦用的齒輪疲勞極限是用m=3~5mm，α=200，b=10~50mm，v=10m/s，齒面粗糙的度為0.8的直齒付試件，失效概率為1%，經(jīng)持久疲勞實驗確定。一般齒輪傳動，因絕對尺寸、表面粗糙度、速度及潤滑對實際齒輪疲勞極限影響不大，不預(yù)考慮，只考慮N對疲勞極限的影響。
式中：S---疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)。對接觸疲勞強(qiáng)度計算，點蝕破壞發(fā)生后，只引起、振動，不立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，所以。
若一旦發(fā)生斷齒，會發(fā)生嚴(yán)重事故，所以。
KN---壽命系數(shù)。KFN ---圖10-18；KHN ---圖10-19。
式中：n---齒輪轉(zhuǎn)速，rpm；
j---每轉(zhuǎn)一圈，同側(cè)齒面的嚙合次數(shù)。
---工作壽命，h。
---齒輪疲勞極限。彎曲：（---實驗齒輪應(yīng)力校正系數(shù)），圖10-20；點蝕：，圖10-21。
---取中間偏下值，即在MQ及ML中間選值。
若齒面硬度超出圖中薦用范圍，可大體按外插法查相應(yīng)的、。
圖10-20為脈動循環(huán)的，對稱循環(huán)的極限應(yīng)力值僅為脈動循環(huán)應(yīng)力的70%。
齒輪精度的選擇
各類機(jī)器所用齒輪傳動的精度等級范圍參表10-8，按載荷及速度推薦的齒輪傳動精度等級如圖10-22。
直齒圓柱齒輪傳動的設(shè)計
齒輪傳動的基本要求
傳動準(zhǔn)確、平穩(wěn)；
在尺寸小、重量輕的前提下，承載能力高。
已知條件
齒輪傳動的工作條件，P、n、i；原動機(jī)、工作機(jī)的工作特性等；（2）結(jié)構(gòu)要求；（3）工藝條件；（4）使用要求；（5）環(huán)境條件。
承載能力計算---根據(jù)計算準(zhǔn)則
閉式軟齒面齒輪傳動：
應(yīng)用齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計公式求d1；
由參數(shù)選擇原則及幾何關(guān)系確定z、m及其它；
校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
閉式硬齒面齒輪傳動及開式齒輪傳動
應(yīng)用齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計公式求m，開式傳動將求得的m增大10~20%，以補(bǔ)償磨損對輪齒的削弱；
由參數(shù)選擇原則及幾何關(guān)系確定z、d1及其它；
校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度（開式不需）。
由前面根據(jù)承受載荷情況設(shè)定齒輪模數(shù)m=3mm，選取壓力角為α=20°，齒頂高系數(shù)ha*=1，頂隙系數(shù)c*=0.25，并且e=s，則該直齒圓柱齒輪的幾何尺寸參數(shù)如下表4—4、表4—5所示：
齒輪1 表4—4
名稱
代號
計算數(shù)值
名稱
代號
計算數(shù)值
模數(shù)
3mm
壓力角
齒數(shù)
18
分度圓直徑
54mm
齒頂高
3mm
齒根高
3.75mm
齒全高
6.75mm
齒頂圓直徑
60mm
齒根圓直徑
46.5mm
基圓直徑
50.7mm
齒距
基圓齒距
尺厚
齒槽寬
齒輪2 表4—5
名稱
代號
計算數(shù)值
名稱
代號
計算數(shù)值
模數(shù)
3mm
壓力角
齒數(shù)
36
分度圓直徑
108mm
齒頂高
3mm
齒根高
3.75mm
齒全高
6.75mm
齒頂圓直徑
114mm
齒根圓直徑
100.5mm
基圓直徑
101.4mm
齒距
基圓齒距
尺厚
齒槽寬
4.6 圓錐齒輪設(shè)計計算
一：初步設(shè)計
1，已知條件
初定小齒輪Z1=8、大齒輪Z2=16（，齒數(shù)比u=i=Z2÷Z1=16÷8=2。
2，初定力矩
設(shè)定一字槽扳手手柄處直徑為￠20mm、擰扳手所需要的力為50N。
根據(jù)公式M=FL，可得：
M=10×10-3×50 N·m
=0.5 N·m
3，載荷系數(shù)K=KA·KV·Kα·Kβ
通過查表得：使用系數(shù)：KA=1 、動載系數(shù)：KV=1
齒間載荷分配系數(shù)：Kα=1 、齒向載荷分配系數(shù)：Kβ=1
則K=1×1×1×1.2=1.2
4，估算齒輪許用接觸應(yīng)力：
查圖得=900N/mm2 , 初定安全系數(shù)=1.1
=900÷1.1 N/mm2 =818.18 N/mm2
5，估算 =14.925mm
二：幾何計算
分錐角：=26.565°， =63.435°
大端模數(shù)：=1.8656（查表取me=1.75）
大端分度圓直徑：de1=Z1me=8×1.75=14mm , de2=Z2me=16×1.75=28mm
外錐距：=14÷2sin26.565°=12.516mm
齒寬系數(shù)：￠R=0.3 (一般取0.25-0.35)
齒寬：b=￠RRe=0.3×12.516=3.7548mm ，圓整后取整數(shù)4
實際齒寬系數(shù)￠R=b/Re=4÷12.516=0.32
7, 中點模數(shù)：mm= me(1-0.5￠R)=1.75(1-0.5×0.32)=1.47mm
8, 中點分度圓直徑：dm1=de1(1-0.5￠R)=14(1-0.5×0.32)=11.76mm
dm2=de2(1-0.5￠R)=28(1-0.5×0.32)=23.52mm
9, 頂隙：C=C*me=0.2×1.75=0.35mm (C*查GB12369-1990齒制C*=0.2)
10，切向變位系數(shù)：xt1=0 , xt2=0
11，高變位系數(shù)：x1=0 ,x2=0
12，大端齒頂高：ha1=(1+x1)me =1.75mm , ha2=(1+x1) me =1.75mm
13，大端齒根高：hf1=(1+C*- x1)me=2.1mm ，hf2=(1+C*- x2)me=2.1mm
14，全齒高：h=(2+ C*)me=3.85mm
15，齒根高：9.5°，=9.5°
16，齒頂角：θa1=θf2=9.5°, θa2=θf1=9.5°(采用等頂隙收縮齒)
17，頂錐角：δa1=δ1+θa1=36.065°, δa2=δ2+θa2=72.935°
18，根錐角：δf1=δ1-θf1=17.065°, δf2=δ2-θf2=53.935°
19，大端齒頂圓直徑：dae1=de1+2ha1cosδ1=17.1304mm , dae2=de2+2ha2cosδ2=29.5645mm
20，冠頂距：=13.21775mm，=5.4348mm
21，大端分度圓弧齒厚：s1= me(π/2+2x1tanα+xt1)=2.7475mm , s2=πme- s1=2.7475mm
22，大端分度圓弦齒厚：2.73mm , 2.743mm
23，大端分度圓弦齒高：1.87mm ,1.78mm
24，當(dāng)量齒數(shù)：8.9445（小于直齒圓柱齒輪的根切齒數(shù)17，但其工作載荷平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速極小、安裝空間小，故不做調(diào)整。）
62.63
25，當(dāng)量齒輪分度圓直徑：13.15mm , 52.59mm
26，當(dāng)量齒頂圓直徑：dva1=dv1+2ha1=16.65mm , dva2=dv2+2ha2=56.09mm
27，當(dāng)量齒輪根圓直徑：dvb1=dv1cosα=12.355mm ，dvb2=dv2cosα=49.42mm
28，當(dāng)量齒輪傳動中心距：av=1/2(dv1+dv2)=32.87mm
29，當(dāng)量齒輪基圓齒距：pvb=πmmcosα=5.16mm
30，嚙合線長度：68mm
31，端面重合度：1.317
32，齒中部接觸線長度：3.42
33，齒中部接觸線投影長度：
三：強(qiáng)度校核
A:由于是開式齒輪，所以不進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核；
B：以下進(jìn)行齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核。
齒根抗彎疲勞強(qiáng)度校核：
計算公式：
(查表得：KA=1、KV=1、KFβ=KHβ=1.5、KFα=KHα=1) Ft=85N
復(fù)合齒形系數(shù)YFS1=4.5 , YFS2=4.35 (根據(jù)zv1和zv2查表得)
重合度系數(shù)：0.82
錐齒輪系數(shù)：1
載荷分配系數(shù)：1
齒根彎曲應(yīng)力計算值：80N/mm2 ,=77.33 N/mm2
齒根許用彎曲應(yīng)力：
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度基本值：200N/mm2 (查圖得)
壽命系數(shù)：KNT=1
相對齒根圓敏感系數(shù)：
相對齒根表面狀況系數(shù)：YRrelT=1
尺寸系數(shù)：YX1=YX2=1 (查圖得)
最小安全系數(shù)：SFmin=1.4
許用彎曲應(yīng)力值143N/mm2
齒根彎曲強(qiáng)度核算結(jié)果：80N/mm2<143N/mm2 ,通過！
77.33 N/mm2<143N/mm2 ,通過！
第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計
折疊板設(shè)有三個定位孔，光電傳感器分別安裝于定位孔內(nèi)，衣服置于折疊板上，通過衣服遮住不同位置的光電傳感器，向控制器輸入不同的信號，從而實現(xiàn)衣服的自動識別功能。由傳感器向控制器輸入信號，控制器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，驅(qū)動折疊板旋轉(zhuǎn)。
5.1 控制系統(tǒng)的選擇
在市場上找到的信息，目前大部分的家用疊衣機(jī)以單片機(jī)作為控制中心使用，而單片機(jī)具有體積小，能耗少，實時控制功能強(qiáng)，但它也有一些缺點，在實際應(yīng)用中存在的一些弊端。第一單指令系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要多種電路保護(hù)裝置，如電流、電壓、電機(jī)過載、過熱、欠壓保護(hù)裝置，這些裝置都比較復(fù)雜的硬件故障，這當(dāng)然也是隱含的增加，這將不可避免地增加成本和維護(hù)難度。本家用疊衣機(jī)的設(shè)計采用PLC控制系統(tǒng)來克服單片機(jī)的不足，首先PLC是一個數(shù)字操作的電子系統(tǒng)。采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程控制。其次是PLC的總體模型，并重點介紹了驅(qū)動程序、檢測和保護(hù)電路等。而且還注重通訊組網(wǎng)功能，體積小，重量輕，能耗低。因此，硬件和編程語言的使用相對簡單，易于測試，易于維護(hù)，同時也大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。
圖5-1 PLC的基本結(jié)構(gòu)框圖
5.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
5.2.1 PLC基本結(jié)構(gòu)
可編程邏輯控制器實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機(jī)相同，基本構(gòu)成為：
電源
可編程邏輯控制器的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此，可編程邏輯控制器的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網(wǎng)上去
中央處理單元(CPU)
中央處理單元(CPU)是可編程邏輯控制器的控制中樞。它按照可編程邏輯控制器系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運(yùn)算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有的用戶程序執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運(yùn)行，直到停止運(yùn)行。
為了進(jìn)一步提高可編程邏輯控制器的可靠性，對大型可編程邏輯控制器還采用雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。
存儲器
存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。
存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。
輸入輸出接口電路
1．現(xiàn)場輸入接口電路由光耦合電路和微機(jī)的輸入接口電路，作用是可編程邏輯控制器與現(xiàn)場控制的接口界面的輸入通道。
2．現(xiàn)場輸出接口電路由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成，作用可編程邏輯控制器通過現(xiàn)場輸出接口電路向現(xiàn)場的執(zhí)行部件輸出相應(yīng)的控制信號。
功能模塊
如計數(shù)、定位等功能模塊。
通信模塊
5.2.2 PLC工作原理
當(dāng)可編程邏輯控制器投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間，可編程邏輯控制器的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。
一、輸入采樣階段
在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。
二、用戶程序執(zhí)行階段
在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。
即，在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。
在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。
三、輸出刷新階段
當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進(jìn)入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。
5.2.3功能特點
可編程邏輯控制器具有以下鮮明的特點。
1.使用方便，編程簡單
采用簡明的梯形圖、邏輯圖或語句表等編程語言，而無需計算機(jī)知識，因此系統(tǒng)開發(fā)周期短，現(xiàn)場調(diào)試容易。另外，可在線修改程序，改變控制方案而不拆動硬件。
2.功能強(qiáng)，性能價格比高
一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，有很強(qiáng)的功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。它與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性能價格比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。
3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)
PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和小型交流接觸器。
硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。
4.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的中間繼電器、時間繼電器，由于觸點接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。
PLC采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，平均無故障時間達(dá)到數(shù)萬小時以上，可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。
5.系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少
PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計、安裝、接線工作量大大減少。
PLC的梯形圖程序一般采用順序控制設(shè)計法來設(shè)計。這種編程方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計梯形圖的時間比設(shè)計相同功能的繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。
PLC的用戶程序可以在實驗室模擬調(diào)試，輸入信號用小開關(guān)來模擬，通過PLC上的發(fā)光二極管可觀察輸出信號的狀態(tài)。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的統(tǒng)調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。
6.維修工作量小，維修方便
PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故
5.2.4 PLC型號的選擇
根據(jù)本設(shè)計要求，在疊衣機(jī)的PLC控制中，輸入點為5個點，輸出點為4個點，故選