电梯曳引机与控制系统设计.docx

摘 要本次设计是以三菱FX2n为核心的电梯控制系统的硬件组成及软件设计，采用PLC来控制轿箱提升电机的起、停和正、反转。这里主要是对电梯曳引机的参数进行设计、计算、（包括电动机、减速器、轴、轴承、联轴器、制动器）以及工艺的编排和相关图形的绘制，另外对PLC控制系统的设计，主要是PLC控制电路图、程序流程图以及PLC编程。其中对曳引机的设计重点是减速器的选择和箱体零件的设计和加工。减速器选择的是蜗杆减速器，轴承是调心滚子轴承，联轴器选择的是弹性柱销联轴器。PLC控制程序设计是考虑到电梯的上升和下降逻辑，以及楼层显示，运作时的加速和减速。现在电梯都采用传统的继电器群的控制方法，由于所用的继电器较多，控制柜体积庞大，控制系统成本高，而且众多继电器的动作会产生较大的噪音，污染环境。采用PLC配合接口进行控制，可将传统的继电器控制逻辑变为计算机程序控制逻辑，去掉所有用于逻辑控制的中间继电器，使电梯系统的成本和噪音大大降低，控制柜的体积也可大大缩小。关键词：PLC ;曳引机 ;电动机 ;减速器 ;联轴器 ;制动器AbstractThis design is take FX2n as the core elevator control system hardware composition and the software design, uses the PLC integrated circuit to control the sedan box to promote the electrical machinery, to stop with, the reverse. Here mainly is carries on the design, the computation to the elevator tractor parameter, (including electric motor, reduction gear, axis, bearing, shaft coupling, brake) as well as the craft arrangement and the correlation graph plan, moreover to the PLC integrated circuit control system design, mainly is the PLC integrated circuit control circuit diagram, the program flow diagram as well as the PLC integrated circuit programming.The most important of this design is changed huge parts of contents. The new version increases plenty of new technical contents and new calculation method.PLC integrated circuit control system design. Besides a few parts are changed according to the Chinse lift situations, this revised version is basically compliantNow the elevator all uses the method of traditional the relay group control, because of many relay have been used, control the cabinet volume huge, the cost of control system is high, most of the multitudinous relay movement have the big noise, the pollution environment. Uses the PLC integrated circuit coordination connection to carry on the control, may become the traditional black-white control logic the computer program control logic, removes all uses in the logical control intermediate relay, causes the cost of the elevator system and the noise reduces greatly, controls the cabinet the volume also to be possible to reduce greatly. Key words：PLC integrated circuit；Tractor;Electricmotor;Reduction gear;Shaft coupling;Brake目录1绪论1 1.1电梯的起源1 1.2电梯的种类1 1.2.1按用途分类1 1.2.2按速度分类2 1.2.3按拖动电动机类型分类2 1.2.4按驱动方式分类2 1.2.5按控制方式分类3 1.3电梯主要组成及结构3 1.3.1曳引机构的组成4 1.3.2曳引机构的减速器52有关参数的计算7 2.1曳引机的确定7 2.1.1选择曳引机8 2.1.2曳引机容量的计算8 2.1.3曳引力计算8 2.2减速器设计9 2.2.19 2.2.210 2.2.312 2.316 2.3.116 2.3.216 2.3.316 2.3.4轴的强度计算16 2.420 2.522 2.5.1 22 2.5.222 2.5.3主要尺寸计算23 2.6制动器的设计与计算23 2.7工艺24 2.7.1零件的分析24 2.7.2工艺规程设计2629 293293.1.2 PLC 的特点303.1.3PLC 与继电器控制系统的比较323.1.4 PLC 的基本结构333.1.5 PLC 的工作原理353.2 PLC 控制系统的设计分析373.2.1 PLC 控制系统的设计基本原则373.2.2PLC 控制系统的设计的主要内容383.2.3.PLC 控制系统程序设计的步骤394040414243444结论465参考文献476翻译48 6.1外文资料48 6.2译文547致谢591绪论1.1电梯起源电梯是现代多层及高层建筑物中不可缺少的垂直运输设备。早在公元前1100年前后，我国古代的周朝时期就出现了提水用的辘轳，这是一种由木制的支架、卷筒、曲柄和绳索组成的简单卷扬机。公元前236年在古希腊，由著名的科学家阿基米德制成了第一台人力驱动的卷筒式卷扬机。这些就是电梯的雏形。1.2电梯的种类电梯作为一种通用垂直运输机械，被广泛用于不同的场合，其控制、拖动、驱动方式也多种多样，因此电梯的分类方法也有下列几种。1.2.1按用途分类这是一种常用的分类方法，但由于电梯有一定的通用性，所以按用途分类在使用中用得较多。但实际标准不很明确。a乘客电梯用于运送乘客为主，兼以运送重量和体积合适的日用物件。适用于高层住宅、办公大楼、宾馆或饭店等人流较大的公共场合。其轿厢内部装饰要求较高，运行舒适感要求严格，具有良好的照明与通风设施，为限制乘客人数，其轿厢内面积有限，轿厢宽深比例较大，以利于人员出入。为提高运行效率，其运行速度较快。派生品种有住宅电梯、观光电梯等。b载货电梯用于运送货物为主，并能运送随行装卸人员。因运送货物的物理性质不同，其轿厢内部容积差异较大。但为了适应装卸货物的要求，其结构要求坚固。由于运送额定重量大，一般运行速度较低，以节省设备投资和电能消耗。轿厢的宽深比例一般小于1。c客货两用电梯主要用于运送乘客，也可运送货物。其结构比乘客电梯坚固，装饰要求较低。一般用于企业和宾馆饭店的服务部门。d病床电梯用于医疗单位运送病人，医疗救护器械。其特点为轿厢宽深比小，深度尺寸=2.4m，以能容纳病床，要求运行平稳，噪声小，平层精度高。e杂物电梯这是一种专用于运送小件品的的电梯，最大载重量为500g，如果轿厢额定载重量大于250Kg应设限速器和安全钳设施。为防止发生人身事故，严禁乘人和装卸货物将头伸入，为此限制轿厢分格空间高度不得超过1.4m，面积不得大于1.25m*m，深度不得大于1.4m。其他特种用途的电梯还有汽车电梯，船舶电梯等。1.2.2按速度分类电梯的额定运行速度正在逐步提高，因此按速度分类的国家标准正待颁布。目前的习惯划分为：a低速电梯这种电梯的额定速度=1m/s2.5m/s。c高速电梯这种电梯的额定速度2.5m/s4m/s。d超高速电梯这种电梯的额定速度4m/s。1.2.3按拖动电动机类型分类a交流电梯将采用交流电动机拖动的电梯。其中又可分为单、双速拖动，采用该变电动机极对数的方法调速。调压拖动，通过改变电动机电源的方法调速。调频调压拖动，采用同时改变电动机电源电压和频率的方法调速。b直流电源这是一种采用直流电动机拖动的电梯。由于其调速方便，加减速性好，曾被广泛采用随着电子技术的发展，直流拖动正被节省能源的交流调速拖动代替。1.2.4按驱动方式分类a钢丝绳驱动式电梯它可分成两种不同的型式，一种是被广泛采用的摩擦曳引式。另一种是卷筒强制式。前一种安全性和可靠性都较好，后一种的缺点较多，已很少采用。b液压驱动式电梯这种驱动式电梯历史较长，它可分为柱塞直顶式和柱塞侧置式。优点是机房设置部位较为灵活，运行平稳，采用直顶式时不用轿厢安全钳及底坑地面的强度可大大减小，顶层高度限制较宽。但其工作高度受柱塞长度限制，运行高度较低。在采用液压油作为工作介质时，还须充分考虑防火安全的要求。c齿轮齿条驱动式电梯它通过两对齿轮齿条的齿和来运行；运行振动、噪声较大。这种型式一般不需要设置机房，由轿厢自备动力机构，控制简单，适用于流动性大的建筑工地。目前已划入建筑升降机类。d链条链轮驱动式电梯这是一种强制驱动型式，因链条自重较大，所以提升高度不能过高，运行速度也以因链条链轮传动性能局限而较低。但它在用于企业升降物料的作业中，有着传动可靠，维护方便，坚固耐用的优点。其他驱动方式还有气压式。直线电机直接驱动，螺旋驱动等。1.2.5按控制方式分类目前电梯技术的发展使电梯控制日趋完善，操作趋于简单，功能趋于多样，控制方式正向广泛应用微电子新技术的方向发展。目前常见的控制方式有：微机集选控制（按钮操作）；门微机并联、梯群控制（按钮操作）；继电器信号控制和手柄控制（手柄或按钮操作）。除上述常见的分类外，目前还有按机房位置、钢丝绳传动型式等分类方法。1.3电梯的主要组成及结构机房内的主要部件通常有主机、控制屏（柜）、限速器、选层器、极限开关等。井道内的主要部件通常有轿厢（及其安装在它上面的一些附件或设施如轿门、轿顶轮、导靴、安全钳、悬挂装置、随行电缆等）、对重装置（及其安装在它上面的设施如导靴、悬挂装置等）、层门（及其附属设施如门锁、地坎等）等。底坑内的主要部件通常有缓冲器、对重侧护栏、限速绳张紧装置等。图1-1所示： 图1-11.3.1电梯的曳引机构1.3.1.1曳引机构的组成电梯曳引机构一般由电动机、制动器、减速箱、联轴器及曳引轮所组成。以电动机与曳引轮之间有无减速箱可分为有齿轮曳引机和无齿轮曳引机。a无齿轮曳引机（无减速器曳引机）无齿轮曳引机用在运行速度v2.0m/s的高速电梯上。这种曳引机的曳引轮紧固在曳引电动机轴上，没有机械减速机构，整机结构比较简单。曳引电动机是专为电梯设计和制造的，能适应电梯运行工作特点，具有良好调速性能的直流电动机（或交流变频电动机）。该曳引机制动时所需要的制动力矩要比有减速器曳引机大得多，因此无减速器曳引机的制动器比较大。由于无减速器曳引机多数情况是用于复绕传动结构中，所以曳引轮轴、复绕轮轴及其轴承的受力要比有减速器曳引机大得多，相应的轴也显得粗大。由于无减速器曳引机没有减速器等有利因素，所以使用寿命比较长。b有齿轮曳引机有齿轮曳引机广泛用于运行速度v=2.0m/s的各种货梯、客梯、杂物电梯上。为了减小曳引机运行时的噪声和提高平稳性，一般采用蜗轮副作减速传动装置。这种曳引机主要由曳引电动机、蜗杆、制动器、曳引绳轮、机座等构成，也有行星齿轮作减速器的行星曳引机（EPD）。根据设计参数及要求，选择有齿轮曳引机1.3.1.2曳引机构的减速器电梯的工作特性要求曳引机减速器具有体积小、重量轻、传动平稳，承载能力大、传动比大、噪声低等特点。还要有工作可靠、寿命长、维护保养方便的要求。电梯常用的减速器有以下几种：a蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器具有传动平稳、噪声低、抗冲击承载能力大，传动比大和体积小的优点。这是电梯曳引机最常用的减速器。电梯用蜗轮蜗杆减速器通常有上置、下置和侧置三种蜗杆布置型式。早期蜗杆减速器因润滑要求常采用下置式布置蜗杆，这种配置方式由于润滑液面加至蜗杆轴心线平面，因此蜗轮摩擦面润滑条件较好，有利于减少起动磨损，提高润滑效率。但是蜗杆轴伸处容易漏油，增加了蜗杆轴油封的复杂性。随着蜗杆传动润滑技术的发展和曳引机轻量化的发展要求，采用法兰盘套装连接电动机的上置和侧置形式的减速器大量出现。这种布置可减小曳引机座面积，安装方便，布置灵活，但润滑设计要求较高。b斜齿轮减速器斜齿轮减速器斜齿轮减速器在20世纪70年代开始用于电梯曳引机构。斜齿轮传动具有传动效率高，制造方便的优点。也存在着传动平稳性不如蜗轮传动，抗冲击承载能力不高，噪声较大的缺点。因此斜齿轮减速器在曳引机上应用，要求有很高的疲劳强度，齿轮精度和配合精度；要保证总起动次数2000万次以上不能发生疲劳断裂。在电梯紧急制动，安全钳和缓冲器动作等冲击载荷作用时，确保齿轮不会有损伤，保证电梯运行安全。c行星齿轮减速器行星齿轮减速器具有结构紧凑，减速比大，传动平稳性和抗冲击承载能力优于斜齿轮传动，噪声小等优点。在交流拖动占主导地位的中高速电梯上有广阔的发展前景。它有利于采用小体积，高转速的交流电机；且有维护要求简单、润滑方便、寿命长的特点，是一种新型的曳引几减速器。噪声低等特点，而蜗轮蜗杆减速器正好符合这方面的要求，所以选择蜗轮蜗杆减速器。接下来开始进行有关参数的计算。2有关参数的计算2.1曳引机的确定图2-1为满足上面曳引条件，在设计曳引系数时应按下式进行T1C1C2/T1C1=(g+a)/(g-a)=(9.8+2)/(9.8-2)=1.51按GB7588-95的电梯制造与安全规范中规定，C1的最小允许值为1.150.63m/sv40Z164342323121Z2293628322752287250812880402.2.3.2蜗杆传动的承载能力计算蜗杆头数Z1 蜗杆传动效率蜗杆头数Z1蜗杆传动效率170%75%382%87%275%82%487%92%蜗杆材料 蜗轮材料铸锡青铜铸铝青铜灰铸铁球墨铸铁钢1551561621814原动机工作特点平稳中等冲击严重冲击电动机0.81.250.91.511.75蜗轮材料铸造方法适用的滑动速度vs(m/s)机械性能蜗杆齿面硬度一侧受载两侧受载350HBS45HRCZCuSn10P1砂模金属模13017022031018020020022051703240ZCuSn5Pb5Zn5砂模金属模9010020025011013512515033402429ZCuAl10Fe3砂模金属模18020049054082906480ZCuAl10Fe3Mn2砂模金属模_490540_100_90ZCuZn38Mn2Pb2砂模金属模_24534562_56_HT150砂模_1504025HT200砂模_2004830HT250砂模_2505635 式中-蜗杆导程角； -当量摩擦角，取决于蜗杆蜗轮材料和两者啮合处的滑动速度，见表2-8：=， =0.52=52%95%98%=48.41%2.3轴的设计与计算a按转矩估算轴径实心轴：式中：d-计算剖面处轴的直径P-轴传递的功率N-轴的转速A-与轴的材料及相应的许用扭剪应力有关的设计系数见表2-9：-空心轴的内径d0与外径d之比，通常取=0.50.6几种常用轴材料的与A值（表2-9）轴的材料Q235A,20354540Cr,35SiMn,38SiMnMo2Cr13,42SiMn,20CrMnTi1Cr18Ni9Ti (MPa)12202030304040521525A16013513511811810710798148125A的取值范围为118107蜗杆传动=0.48，滚动轴承=0.98，联轴器=0.98p=P=11.20.480.990.985.22 (kw)n=1460/3147.1(r/min) mm考虑到轴的最小直径处要安装曳引轮会有键槽存在，故将估算直径加大3%5%取52.960.172，由设计手册取标准直径d2=60mm.d1 (mm)考虑到轴的最小直径处要安装联轴器会有键槽存在，故将估算直径加大3%5%取 22.0824.15，由设计手册取标准直径d1=24mm. 图2-4 b按许用弯曲应力计算：齿轮受力：圆周力：径向力： =18009.8=2.4轴承的设计与计算 轴承类型单列轴承双列轴承深沟球轴承0.0140.0280.0560.0840.110.170.280.420.560.190.220.260.280.300.340.380.420.44100.562.301.991.711.551.451.311.151.041.00100.562.31.991.711.551.451.311.151.041角接触轴承0.0150.0290.0580.0870.120.170.290.440.580.380.40.430.460.470.500.550.560.56100.441.471.401.301.231.191.121.021.001.0011.651.571.461.381.341.261.141.121.120.722.392.382.1121.931.821.661.631.63载荷性质机器举例平稳运转或轻微冲击电机、通风机、汽轮机1.01.2中等冲击车辆、机床、起重机、冶金设备1.21.8强大冲击破碎机、轧钢机、工程机械1.83.02.5联轴器的设计与计算（1）（1）（2）动力机特性工作机特性转矩变化小转矩变化冲击载荷中等转矩变化冲击载荷大电动机、汽轮机1.31.51.71.92.33.1多缸内燃机1.51.71.92.12.53.3单、双缸内燃机1.82.42.22.82.84.0表2-12取联轴器的规格选择：联轴器的规格选择：查手册选取型弹性柱销联轴器柱销个数：个柱销直径：柱销长度：2.6制动器的设计与计算制动器制动力矩的确定：当电动机功率已经确定以后，可用下式计算：查手册选短行程电磁铁式制动器电磁铁式制动器参数尺寸（表2-13）曳引机电梯额定载重量/kg制动轮直径/mm闸瓦宽度/mm圆弧角度有齿轮1002005007503000150200300659014088o88o88o无齿轮1000150084020088o选择2.7工艺：-蜗杆蜗轮啮合效率 -考虑润滑油搅动及飞溅损耗的效率，一般情况=94%99%； -轴承的效率，现代蜗杆减速器多半采用滚动轴承， =98%99%。 由下式确定产类型与生产纲领的关系，可以确定其生产类型为小批生产。根据零件的材料确定毛坯为铸件。通过分析计算，毛坯的铸造方法选用金属模机械造型。此外，为消除残余应力，铸造后应安排人工时效。机械加工工艺手册中，该种铸件的尺寸公差等级CT为810级，加工余量等级MA为G级。故取CT为10级，MA为G级。通过机械加工手册，查表法确定各表面的总余量如表2-14所示：各加工表面的总余量（表2-14）加工表面基本尺寸（）加工余量等级加工余量数值（）说明N面455G5.5底面，双侧加工Q面455H7.5顶面降1级，双侧加工L面320G5.0左面，双侧加工R面320G5.0右面，双侧加工I面330G5.0前面，双侧加工H面330G5.0后面，双侧加工S面160G5.0右下面，双侧加工的孔16H5.0孔降1级，双侧加工的孔12H5.0孔降1级，双侧加工的孔6H5.0孔降1级，双侧加工由机械加工工艺手册可得主要尺寸如表2-15所示：主要毛坯尺寸及公差（表2-15）主要面尺寸零件尺寸总余量毛坯尺寸N，Q面尺寸4555.5+7.5468左右对台面尺寸3205+5330前后对台面尺寸3305+5340mm孔164+418mm孔123+314mm孔62+28确定圆角半径查表2-16：铸造圆角（表2-16）铸造方法铸造圆角计算公式最小圆角半径（mm）铝合金镁合金铜合金锌合金黑色金属砂型铸造23323金属型铸造122-2壳型铸造11.51.5-2压力制造111.512熔模铸造1-1-1砂型铸造对于砂型及金属型铸件一般统一用R3或R5。铸造斜度查表2-17：各种铸造方法的最小铸造斜度（表2-17）斜度位置铸造方法砂型金属型壳型压铸外表面内表面砂型铸造外表面最小，取，内表面最小。铸造壁的最小厚度查表2-18得：砂型铸造的铸件最小壁厚（表2-18）铸件面积砂型铸造的铸件最小壁厚铝硅合金ZM-5ZL-201ZL-301铸铁25232251002.53.52.51002253432254003.54.544001000455100016005661600以上677取 2.7.2工艺规程设计a定位基准的选择 精基准的选择：Q面既是装配基准，有是设计基准，用它做精基准，能使加工遵循“基准重合原则”，实现箱体零件“一面两孔”的典型定位方式；其余各面的加工也能用它定位，这样使工艺路线遵循了“基准统一”的原则。此外，N面面积较大，定位比较稳定，夹紧方案也比较简单，可靠，操作方便。 粗基准的选择：考虑到以下几点要求，选择箱体零件的重要孔的毛坯孔作粗基准：第一，在保证各加工面均有加工余量的前提下，使加工孔的加工余量尽量均匀；第二，装入箱体内的旋转零件与箱体内部有足够的间隙；此外还应保证定位准确，加工可靠。 最先进行加工的表面是精基准面。b制定工艺路线根据各表面加工要求和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面加工方法如下：N面，Q面，L面，R面，I面，H面：粗铣-精铣；S面：粗铣；、的孔:粗镗-精镗；7级-9级精度的未铸出孔：钻-扩-铰。修改后的工艺路线如表2-19：工序号工序内容1铸造2时效3涂漆4对要铣的N面和S面进行画线5粗铣N面精铣N面6铣S面7对的孔划中心线8钻的孔至铰的孔9对的孔划中心线10钻的孔至铰的孔11对要铣的Q面进行画线12粗铣Q面精铣Q面13对要铣的I、H、L、R面进行画线14粗铣L、R面精铣L、R面15粗铣I、H面精铣I、H面16锪孔17钻的孔至铰的孔18检验19入库表2-19c选择加工设备及刀、夹、量具由于生产类型为小批量生产，故加工设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机床。其生产方式为以通用机床加通用夹具为主，划线加工即可，辅以少量专用机床的流水生产线。工件在各机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。粗铣N面，精铣N面。考虑到工件定位夹紧方案，及夹具结构等问题，采用立铣，选择X52T立式铣床。选择直径D为的硬质合金整体套式面铣刀，通用铣夹具，游标卡尺，刀口形直尺。铣S面，采用卧式铣床X63T，直径D为可转位面铣刀，通用铣夹具，游标卡尺。钻的孔，采用摇臂钻床Z3025，麻花钻，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。铰的孔，采用摇臂钻床Z3025，机用铰刀，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。粗铣Q面，精铣Q面。采用立式铣床X52T，直径D为的硬质合金整体套式面铣刀，通用铣夹具，游标卡尺，刀口形直尺。钻的孔，采用摇臂钻床Z3025，麻花钻，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。铰的孔，采用摇臂钻床Z3025，机用铰刀，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。粗铣L，R面，精铣L，R面。采用组合机床，直径D为的硬质合金整体套式面铣刀，通用铣夹具，游标卡尺，刀口形直尺。粗铣I，H面，精铣I，H面。采用组合机床，直径D为的硬质合金整体套式面铣刀，通用铣夹具，游标卡尺，刀口形直尺。锪孔，采用摇臂钻床Z3025，带导柱平底锪钻，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。钻的孔，采用摇臂钻床Z3025，麻花钻，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。铰的孔，采用摇臂钻床Z3025，机用铰刀，通用钻夹具，游标卡尺，塞规。 d加工工序设计粗铣N面：精铣N面：精铣S面，保证粗糙度钻孔铰孔至钻孔铰孔至粗铣Q面精铣Q面，保证粗糙度粗铣L、R面精铣L、R面，保证粗糙度粗铣I、H面精铣I、H面，保证粗糙度锪孔3.1 PLC 系统概述由于 PLC 在不断发展，因此，对它下一个确切的定义是困难的。在二十世纪七十年代PLC 问世后，由美国电气制造商协会(National Electric Manufacturer Associa-tion-NEMA)对 PLC 下过如下的定义:PLC 是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指 令，实现逻辑运算、顺序运算、计数计时和算术运算等功能，用来对各种