摘要
在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置（例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数、温度、压力、流量的设定与控制等），采用可编程序控制器（PLC）来解决工业现场中的这些自动控制问题已成为最有效的工具之一。
XK5040立式铣床主运动系统的设计：首先分析立式铣床的加工特点和加工要求，确定其主参数（包括运动和动力参数）；再根据主参数和设计要求进行主运动系统机械结构设计及校核（其中主运动系统采用有级变速实现动力传递）；使其达到更高的加工精度、加工效率和更小的能源消耗的目的。
XK5040铣床电气控制线路设计为可编程控制器控制。首先通过对XK5040型立式铣床的电气控制原理进行分析，然后确定输入点和输出点等，画出接线图和其梯形图。再在程序输入机床后进行调试，实现了自动化控制，从而可以减少维护、维修的工作量，提高了整个电气控制系统的工作性能。
关键词：立式数控铣床；主传动系统；电气控制；PLC
Abstract
In modern industrial production equipment, digital and analog control devices (such as the motor starts and stops, the solenoid valve opening and closing of the count, temperature, pressure, flow rate setting and control, etc.), the use of programmable logic controller (PLC) to solve automatic control problems in the industrial field has become one of the most effective tool.The XK5040 vertical milling machine motion system design: First analysis of vertical milling machine processing characteristics and processing requirements, determine the main parameters (including the movement and power parameters); main parameters and design requirements for the mechanical structure of the main motion system design and school nuclear (including the main movement systems have variable speed and power transmission); to achieve higher machining accuracy and processing efficiency, and smaller energy consumption purposes.The XK5040 milling electrical control circuit design to control the programmable controller. The first principle of the right the XK5040 type vertical milling machine, electrical control, and then determine the input and output points, draw a wiring diagram and ladder. After the program into the machine tool for debugging, automated control, which can reduce the workload of maintenance, repair, improve the performance of the entire electrical control system.
Keywords: CNC vertical milling machine; main drive system; electrical control; PLC
目录
摘要·································I Abstract ························错误！未定义书签。
第1章绪论 (1)
1.1 设计的选题意义 (1)
1.2 设计的主要内容 (1)
第2章数控铣床及主传动系统简介 (1)
2.1 数控铣床简介 (2)
2.2 立式数控铣床主传动系统的简介 (3)
2.3 对立式数控铣床的主传动系统的要求 (3)
2.4 主传动系统控制的总体方案 (3)
第3章主传动系统机械设计 (5)
3.1 传动系统的设计 (5)
3.1.1、参数的拟定 (5)
3.1.2、传动结构和结构网的选择 (5)
3.1.3、转速图拟定 (6)
3.1.4、齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制 (9)
3.2 传动件的估算与验算 (12)
3.2.1、传动轴的估算和验算 (12)
3.2.2、齿轮模数的估算 (15)
3.3 展开图设计 (20)
3.3.1、结构设计的内容及技术要求 (20)
3.3.2、齿轮块的设计 (21)
3.3.3、传动轴设计 (24)
3.3.4、主轴组件设计 (26)
3.4 制动器设计 (31)
3.5 截面设计 (32)
3.5.1、轴的空间布置 (33)
3.5.2、操纵机构 (33)
3.5.3、箱体设计的有关问题 (33)
第4章电气控制部分设计 (35)
4.1 XK5040铣床的电气控制原理图 (35)
4.2 主电路分析 (35)
4.3 控制电路分析 (36)
4.3.1、主轴电动机M1的控制 (36)
4.3.2、进给运动的控制 (37)
4.4 圆形工作台的控制 (38)
第5章 PLC控制及程序编写 (39)
5.1控制方式选择 (39)
5.2 PLC的简单介绍 (39)
5.2.1、可编程控制器（PLC）的由来 (39)
5.2.2、PLC的特点及应用领域 (39)
5.2.3、PLC的工作原理 (41)
5.3 PLC设计方案的确定 (42)
5.4 PLC设计XK5040铣床 (43)
5.4.1、PLC机型的选择 (43)
5.4.2、PLC程序设计 (44)
5.4.3、I/O接线图和梯形图 (45)
5.4.4、PLC的程序语句表 (47)
5.5 PLC调试 (50)
结论 (51)
参考文献 (52)
致谢 (53)
第1章绪论
1.1 设计的选题意义
我国是世界上机床数量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低的水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势。一方面国内市场对数控机床有大量的需求，另一方面却有不少国产机床滞销积压，从而导致了国外机床产品占据着市场的现象，这严重影响了我国数控机床自主发展的势头。其原因除了有经营、产品质量和促销手段等因素外，还有一个重要的因素就是我国生产的数控机床品种少、性能差，新产品开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
本次设计旨在改善现有数控机床的性能，使其性能更优良，效率、性价比更好。同时希望借助此次设计来提高自身的专业技能和素质，为大学四年的学习画一个完美的句号。
1.2 总体设计的主要内容
此次设计主要分成三部分内容[]8：
（1）主传动系统机械设计部分：本部分主要设计XK5040立式数控铣床的主运动系统设计以及主轴组件和轴承的设计和校核。
（2）主传动系统电气控制部分：本部分主要设计可以实现主轴调速控制，同时介绍PLC控制的方法。
（3）主传动系统程序编写部分：本部分主要编写用来控制主轴正转、反转、制动和机械变速的程序。
第2章数控铣床及主传动系统简介
2.1 数控铣床简介
一般的数控铣床是指规格较小的升降台式数控铣床，其工作台宽度多在400mm以下，规格较大的数控铣床（如工作台宽度在500mm以上的），其功能已向加工中心靠近，进而演变成荣幸加工单元。数控铣床多为三坐标、两轴联动的机床，也称两轴半控制，即在X、Y、Z三个坐标轴中，任意两轴都可以联动。
图2-1 XK5040A型数控铣床的布局图
1-底座 2-强电柜 3-变压器箱 4-垂直升降进给伺服电动机 5-主轴变速手柄和按钮板
6-床身 7-数控柜 8-保护开关 9-挡铁 10-操纵台 11-保护开关 12-横向溜板
13-纵向进给伺服电动机 14-横向进给伺服电动机 15-升降台 16-纵向工作台
一般情况下，在数控铣床上只能用来加平面曲线的轮廓。对于有特殊要求的数控铣床，还可以加进一个回转的A坐标或C坐标，即增加一个数控分度头或数控回转工作台，它可安装在机床工作台的不同位置，这时机床的数控系统为四坐标的数控系统，可用来加工螺旋槽、叶片等立体曲面零件[]2。
与普通铣床相比，数控铣床的加工精度高，精度稳定性好，适应性强，操作劳动强度低，特别适应于板类、盘类、壳具类、模具类等复杂形状的零件或对精度保持性要求较高的中、小批量零件的加工。数控铣床按其主轴位置的不同分三类：数控立式铣床，卧式数控铣床，立、卧两用数控铣床。
2.2 立式数控铣床主传动系统的简介
主传动系统即是用来实现机床主运动的传动系统，它要有一定的转速以及一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工各种材料、尺寸、加工要求等不同的任务，并能方便快速地实现运动的开停、变速、换向和制动等。主传动系统主要由电动机、传动系统和主轴部件组成。
2.3 对立式数控铣床的主传动系统的要求
（1）为满足机床的运动要求，主轴要具有一定的转速、足够的转速范围和足够的转速级数，以能够实现运动的开停、变速、换向和制动。
（2）为满足机床的动力要求，主电动机要具有足够大的功率，所有机构和各个元件必须具有适合的强度和刚度，
（3）为满足机床的工作性能要求，跟主传动有关的结构（特别是主轴组件）必须要有足够高的精度、抗振性；此外，热变形和噪声要小，传动效率要高[]3。
（4）操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。
（5）结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。
2.4 主传动系统控制的总体方案
现代的数控铣床都已经配备了先进的数控系统。对于主轴控制单元而言，采用的形式也各有不同，本次设计的XK5040立式数控铣床（如图2-1）的主轴控制单元为开放式控制系统，采用PLC控制的形式，即由PLC通过中间继电器来控制变频器的各个开关，同时PLC还控制液压系统的开关来实现主轴箱内滑移齿轮的换挡，使机床实现自动化。该系统的原理图如图2-2：
图2-2 控制原理图
当数控系统接收到S指令和M指令时，系统会将其转换成相应的脉冲信号，通过系统的OUT接口传输到PLC，PLC再将其翻译成相应的开关量信号，驱动对应的继电器通电。与此同时，PLC的输出端输出相应的电压来控制变频器上的各个功能，使主轴实现正转、反转、制动、点动的功能。PLC还根据接收到的S指令来判断主轴箱是高速启动还是低速启动，从而控制液压拨叉来拨动双联滑移齿轮[]4。
第3章 主传动系统机械设计
3.1 传动系统的设计
3.1.1、参数的拟定
选定公比。一般确定各级传送机床常用的公比为1.26或1.41，这里考虑适当地减少相对速度的损失，取公比为1.26。由给出的条件：主运动部分Z=18级，再根据标准数列表，确定各级转速为：30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300、375、475、600、750、950、1180、1500，单位：R/min 。
3.1.2、传动结构和结构网的选择
3.1.2.1 变数组数目和各变数组中传动副的数目的确定
此机床的变数范围较大，主轴所需的转速必须要经过较长的传动链减速才能从电机的转速降到所需数值。级数为Z 的传动系统由若干个传动副组成，各传动组分别有
1z .2z .3z ……个传动副，即Z=123z z z ……。由于结构的限制，传动副数通常采用P=2
或3，即变速Z 应为2或3的因子：Z=2a x 2b 因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。 3.1.2.2 对传动组的传动顺序的安排
18级转速传动系统的传动组，可以排成：3x3x2，或3x2x3。
选择传动组的安排方式时，要考虑到机床主轴变速率的具体结构、装置和性能。I 轴如果安置制动的电磁离合器时，为减少轴向尺寸，第一传动组的传动副数不能过多，以2为宜，有时甚至用一个定比传动副；另外主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮最好少些；最后一个传动组的传动副选用2 ，或一个定比传动副[]5。
这里，根据“前多后少”的原则，选择18=3x3x2方案。 3.1.2.3 传动系统的扩大顺序安排
对于18=3x3x2的传动，有3！=6种安排的可能，即有6种机构副和对应的结构网。在传动方案中，扩大顺序跟传动顺序可以一致。在结构式18=13x 33x 92的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而18=33x 13x 92的扩大顺序与传动顺序不一
致，因此根据“前密后疏”的原则，选择18=13x 33x 92的结构式。 3.1.2.4 验算变速组的变速范围
齿轮的最小传动比min U ≥1/4，最大传动比max U ≤2，由此决定了一个传动组的最大变速范围：
max Y =max U /min U =8
根据传动比及指数 x ，'x 的值（如表3-1）
表3-1 传动比及指数
极限值传动比指数\公比 1.26 x 值：min U =1/x
φ=1/4 6 '
x 值：max U ='
x φ=2 3 （x+'x ）值：min r ='x x φ+=8 9
因此，选择传动方案18=13x 33x 92即可。 其结构网如下图3-1：
图3-1 结构网
3.1.3、转速图拟定
运动参数确定后，主轴各级转速就已知，可以确定电机功率；在此基础上，选择电机的型号，分配各变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速。
3.1.3.1 主电机的选择
一般中型机床上都采用交流异步电动机作为动力源，可在下列中选用。
电机功率根据机床切削能力的要求来确定。由于电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。
异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750r/min，这取决于电动机的极对数P
d
n=60f/p=60x50/p ( r/min)
1500 r/min和3000r/min 是机床中最常用的两种，要选用的是使电机转速与主轴最
高速度
max
n、工轴转速相近为宜，避免采用过大或过小的降速传动。
根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表3-2：
表3-2 所选电机型号
电机型号额定功率KW 载荷转速r/min 同步转速r/min
Y132M-4 7.5 1440 1500
3.1.3.2 分配最小传动比、拟定转速图
1. II轴的转速：
II轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相近；显然，从动件在高速运转下工作时所受扭矩最小来考虑，II轴转速不宜将电机转速降得太低。I轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，因此，II轴转速也不宜过高，II轴转速一般取700~1000r/min左右较合适。
因此，使中间变速组降速缓慢，以减少结构的径向尺寸；在电机轴I到主传动系统前端轴II增加一对26/54的降速齿轮副，这样有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，可以将主轴18级转速一起提高或降低。
2．中间轴的转速
对于中间传动轴的转速要考虑的原则是妥善解决结构尺寸的大小和噪音、振动等性能要求之间的矛盾。
中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩较小，可以使轴径和齿轮模数小些：
d∞4M，m∞3M（3-1）
从而可使结构紧凑。但这样易引起空载功率N
空和噪音
p
L加大：
N 空=1/610(3.5n εd a +C d 主n) kW （3-2） 式中：C ——系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10； d a ——所有中间轴轴径的平均值； d 主——主轴前后轴径的平均值； n ε——中间传动轴的转速之和；
N ——主轴转速（r/min ）；
p L =20lg 6110lg () 4.5(1tan )()a n c mz q mz n εβ??+-??主主-K （3-3）
式中：()a mz ——所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm ； ()mz 主——主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm ； Q ——传到主轴上所经过的齿轮对数； β——主轴齿轮螺旋角；
1c ，K ——系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床1c =3.5，车床K=54，铣床K=50.5。
由上述经验公式可知，主轴n 和中间传动轴的转速对机床噪音和发热的关系，在确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正：
a 、高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些；
b 、控制齿轮圆周速度v<8 m/s(可用7级齿轮精度)，在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。 3．齿轮传动比的限制
机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：
a 、升速传动中，最大传动比 m a x U ≤2 ，过大，容易引起振动的噪音。
b 、降速传动中，最小传动比 min U ≥1/4。过小，则主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大将导致结构庞大。 4．分配最小传动比
a 、决定轴V-VI 和VI-V ∏的传动比，根据台式铣床的结构特点，及对同类车床的比较，为使传动平稳取其传动比为1；
b 、决定各变速组的传动比，由前面2轴的转速及中间轴转速的分析，根据“前缓
后急”的原则，取轴IV-V 的最小降速比为极限值的1/4，φ=1.26，61.26=4，轴III-IV 和轴II-III 均取min U =1/4φ。 5．拟定转速图：
根据结构图、结构网图及传动比的分配，拟定转速图，如下图3-2所示：
图3-2 传动系统图
3.1.4、齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制
3.1.
4.1 齿轮齿数的确定的要求
可用计算法或查表确定齿轮齿数，后者更为简便，根据要求的传动比u 和初步定出的传动副齿数和Z S ，查表即可求出小齿轮齿数： 选择是应考虑：
a 、传动组小齿轮不应小于允许的最小齿数，即：[]min min Z Z ≥ 推荐：
对轴齿轮[]min Z =12，特殊情况下[]min Z =11；
对套装在轴上的齿轮，[]min Z =16，特殊情况下
[]min Z =14，
对套装在滚动轴承上的空套齿轮
[]min Z =20； 图3-3 齿轮齿根圆到键槽的壁厚
当齿数少于不发生根切的最小齿数时（压力角a=20的直齿标准，min Z =17），一般需对齿轮进行正变位修正； b 、保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚2mm δ≥，一般取
5mm δ>， 如图3-3所示；
c 、同一传动组各齿轮副的中心矩应相等。若模数相等时，则齿数和也相等；但由于传动比要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足不了上述要求，机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心矩使其相等但修正量不能太大，一般齿数差不能超过3~4个齿。
3.1.
4.2 变速传动组中齿轮齿数的确定
为了减少齿轮数目和缩短变速箱的轴向尺寸，这里采用了公用齿轮。但由于公用齿轮的采用，使两个传动组间的传动比互相牵制，不能独立地按照最紧凑的原则决定传动件的尺寸，因此，径向尺寸一般较大。此外，公用齿轮的两侧齿面同时啮合会影响其磨损和寿命。这里我们采用查表法来确定齿轮的齿数。查《机床设计手册》[]1确定个齿轮齿数如下：
（1）轴II-III 间变速齿轮齿数的确定： 由于公比φ=1.26，传动比为
1U =1/4φ=41.26-，2U =1/3φ=31.26-，3U =1/21.26-
设：传动组中最小齿轮齿数1Z =16，查《机床设计手册》可查得：
1U =16/39，2U =19/36，3U =22/33
齿数和为z S =55，公用齿轮选为'1Z =39。
（2）轴III-IV 间变速组齿轮齿数的确定：传动比为
1U =1/4φ 2U =1/3φ 3U =2φ
根据3U =21.26，主动轮齿数为39，从表7.3-14可查得：
1U =18/47 ，2U =28/37 ，3U =39/26
齿数和为：z S =65。
（3）轴IV-V 间变速组齿轮齿数的确定：
由于变速组齿轮传动比和各传动副上受力差别较大，齿轮副的速度变化，、受力差别较
大，为了得到合理的结构尺寸，可采用不同模数的齿轮副。 轴IV-V 间的两对齿轮，其传动比为
1U =1/4，2U =2
分别取1m ＝4，2m ＝3则
1Z S ／2Z S ＝2e ／1e ＝3／4
取K ＝30，1Z S ＝30x3=90，2Z S =30x4=120。 按传动比将齿数分配如下：
1U =1/4=18/72≈19/71 ，2U =2=80/40≈82/38
轴V-VI 及VI-VII 间齿数确定：
由于这两个传动组只是改变传动方向，不起变速作用，故只需考虑其结构尺寸、磨损振动和噪音等因素。取V-VI 轴间锥齿轮齿数为29，ＶI-VII 轴间齿轮齿数为67。 3.1.4.3 主轴转速系列的验算
主轴转速在使用上并不要求十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响，但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。
由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符，需要验算主轴
各级转速，最大误差不得超过10
1%φ±-（）即 n n n n -?=理论
实际理论
≤10
1φ-（）% 主轴的各级实际转速分别为：29.4，37.8，47.7，58，74.6，94.3，115，148，187，236.7，304.5，384.6，468，602，760，927，1192.6，1526.5 r/min
n n n n -?=
理论实际理论=29.430
30
-=2%
而101φ-（）%=2.6%故符合条件。同理，经验算，其他各级转速也满足要求。
3.1.
4.4 传动系统图的绘制
转速图和齿轮齿数确定后，变速箱的结构复杂程度也基本确定了（如齿轮个数，轴数，支承轴）。为使变速箱的结构紧凑，合理布置齿轮是一个重要的问题，因为它直接影响变速箱的尺寸、变速操作的方便性和结构实现的可行性问题，在考虑主轴适当的支承距和散热条件下，一般应尽可能减少变速箱尺寸。这里为使变速操作方便、提高效率而采用电磁离合器操纵方式。根据计算结果，绘制出传动系统图，如图3-4所示
图3-4 传动系统图主运动传动链的传动路线表达式如下：
电动机I-26
54
-II—
16
39
19
36
22
33
??
??
??
??
??
??
??
??
??
—III—
18
47
28
37
39
26
??
??
??
??
??
??
??
??
??
—IV—
19
71
82
38
??
??
??
??
??
??
=V—
29
29
—VI—
67
67
—VII（主轴）
3.2 传动件的估算与验算
3.2.1、传动轴的估算和验算
传动轴除应满足强度要求和刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求高，不允许有较大的变形。因此，疲劳强度一般不是主要矛盾，除载荷很大的情况下，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。若刚度不足，轴上的零件如齿轮、轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或产生振动、噪声、发热、过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。可以先按扭转刚度估算轴的直径，画出草图
后，再根据受力情况，布置结构和有关尺寸，验算弯曲刚度。 3.2.1.1 传动轴直径的估算
传动轴直径按扭转刚度用下列公式估算：
[]
4
91Φ=j n N
d （3-4）
式中： N ——该传动轴的输入功率
N =N y ? kW （3-5）
N ?——电机额定功率；
y ——从电机到该传动轴之间传动件的传动效率乘积（不计该轴轴承上的效率）。效率y 对估算轴径d 影响不大，可以忽略；
j n ——该传动轴的计算转速；
计算转速j n 是传动件能传递全部功率的最低转速，各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车，铣床主轴的计算转速为：
j
n )
(主=13
min z
n φ
- （3-6）
[]φ——每米长度上允许的扭转角（deg/m ）；可根据传动轴的要求选取（如表3-3）。
表3-3 传动轴刚度要求允许扭转角
对传动轴刚度要求允许扭转角
主轴 一般传动轴 较低的轴 []φ（deg/m ）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
各轴的计算转速：
13
min 6z
vj j j n n n n n φ-====从主=95 r/min IVj n =118 r/min
IIIj n =300 r/min IIj n =750 r/min Ij n =1450 r/min
轴径的估算：
I d =91x 4
7.514501?=24.4 II d =91x 47.5
7501?=28.78
III d =91x 4
7.53001?=36.18 IV d =91x 47.5
1181
? =45.69
V d =91x 4
7.5
951
?=48.24 这里I d 取45mm ，V d =VI d =48.24mm ，VI d 取45mm 。 3.2.1.2 传动轴刚度的验算
1.轴弯曲变形的条件和允许值
机床的主传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承处的挠度y 和倾角θ。各类轴的挠度y ，装齿轮和轴承处的倾角θ，应小于弯曲刚度的许用值[]y 和[]θ，即
[]y y ≤ []θθ≤ （3-7）
轴的弯曲变形的允许值：
表3-4 轴的弯曲变形的允许值
轴的类型
允许挠度[y] (mm) 变形部位
允许倾角(rad) 一般传动轴 （0.0003~0.0005）ι
装轴承处，装齿轮处 0.0025 0.0001 刚度要求较高轴 0.0002 ι 装单列圆锥磙子轴承 0.0006 安装齿轮的轴 （0.01~0.03）m 装滑动轴承处 0.001 安装蜗轮的轴
（0.02~0.05）m
装单列径向圆锥磙子轴承处
0.001
2.轴的弯曲变形计算公式：
计算花键轴的刚度时可采用平均直径1d 或当量直径2d 计算公式：矩形花键轴：
平均直径1d =（D+d ）/2 （3-8）
惯性矩：
I =
42
6()()64
d z D d D d π+-+ （3-9）
确定矩形花键轴的平均直径d 1，当量直径d 2和惯性I n ，可定如下表3-5：
表3-5确定的平均直径惯和性矩
花键轴尺寸
Z D d b ???
（GB1144-74）
平均直径
1d
mm 惯性矩 n
I
4mm
轴Ⅱ：6423610??? 39 116671 轴Ⅲ：6484212??? 45 207420 轴IV ：6555014??? 52.5 379148 轴V ：6555014???
52.5
379148
3.校核二轴弯曲刚度：
根据公式
22
3c Pa b f EIl
=
（3-10） 计算二轴危险处弯曲刚度，当
2622
5433
?时是受载最严重状态。 式中：a=531mm ，b348mm ，E=200GPa ，I=1166714mm ，p=2365N ； 所以
22
3c Pa b f EIl
==2.580x 1610-m<[y] （3-11）
轴合格。同理，校核其他轴，经计算均满足要求。
3.2.2、齿轮模数的估算
3.2.2.1 估算
按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知的情况下才能确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前先估算，再选用标准齿轮模数。
齿轮弯曲疲劳强度的估算：
w m ≥3
32nj
N
Z mm （3-12） 齿面点蚀的估算：
A 3
370j
N
n ≥ mm （3-13） 其中 j n 为大齿轮的计算转速，A 为齿轮中心矩，由中心矩A 及齿数1z ，2z 求出模数
j m =2A/12()z z + mm （3-14）
根据估算所得w m 和j m 中较大的值，选择相近的标准模数， 各齿轮的计算转速为：
26z j n =1450r/min 22z j n =695r/min 18z j n =300r/min 38z j n 235r/min
71z j n =95r/min 36z j n =273r/min 37z j n =235r/min 54z j n =695r/min 33z j n =475r/min 47z j n =118r/min 19z j n =695r/min 16z j n =695r/min 39z j n =300r/min 28z j n =300r/min 82z j n =118r/min 轴I —II 间传动组齿轮模数的估算 齿轮弯曲疲劳估算：
w m ≥3
32nj N
Z =3237.554695
?=1.87 mm 齿轮点蚀的估算：
A 3
370j
N
n ≥=370x 3
7.5
695
= 81.76 mm j m =2A/12()z z +=2x81.76/(26+54)= 2.04 mm
所以模数为m=3.
轴II —III 传动组齿轮模数的估算 齿轮弯曲疲劳估算：
w m ≥3
32nj N
Z =3237.539300
?= 2.759 mm 齿面点蚀估算：
A 3
370j
N
n ≥=370x 3
7.5
300
= 108.18 mm j m =2A/12()z z +=2x108.18/(16+39)= 3.93 mm
机床主传动系统设计 多轴箱是组合机床的重要专用部件。它是根据加工示意图所确定的工件加工孔的数量和位置、切削用量和主轴类型设计的传递各主轴运动的动力部件。其动力来自通用的动力箱，与动力箱一起安装于进给滑台，可完成钻扩铰镗孔等加工工序。 通用主轴箱采用标准主轴，借助导向套引导刀具来保证被加工孔的位置精度。 5.1大型主轴箱的组成 大型通用主轴箱由通用零件如箱体、主轴、传动轴、齿轮和附加机构等 组成。有箱体、前盖、后盖、上盖、侧盖等为箱体类零件；主轴、传动 轴、手柄轴、传动齿轮、动力箱或电动机齿轮等为传动类零件；叶片泵、 分油器、注油标、排油塞、油盘和防油套等为润滑及防油元件。 5.2多轴箱通用零件 1．通用箱体类零件箱体材料为HT200，前、后、侧盖等材料为HT150。 多轴箱的标准厚度为180mm，前盖厚度为55mm，后盖厚度为90mm。 2．通用主轴 1)滚锥轴承主轴 2)滚针轴承主轴 3)滚珠轴承主轴：前支承为推力球轴承、后支承为向心球轴承或圆锥滚子 轴承。因推力球轴承设置在前端，能承受单方向的轴向力，适用于钻孔 主轴。 3．通用传动轴 通用传动轴一般用45＃钢，调质T235；滚针轴承传动轴用20Cr钢， 热处理S0.5～C59。 4．通用齿轮和套 多轴箱用通用齿轮有：传动齿轮、动力箱齿轮和电机齿轮。 5.3通用多轴箱设计 1．多轴箱设计原始依据图
1) 多轴箱设计原始依据图 图5－1.原始依据图 2) 主轴外伸及切削用量 表5－1.主轴参数表 3) 被加工零件：箱体类零件，材料及硬度，HT200，HB20～400 2． 主轴、齿轮的确定及动力的计算 1) 主轴型式和直径、齿轮模数的确定 主轴的型式和直径，主要取决于工艺方法、刀具主轴联结结构、刀具的进给抗力和切削转矩。钻孔采用滚珠轴承主轴。主轴直径按加工示意图所示主轴类型及外伸尺寸可初步确定。传动轴的直径也可参考主轴直径大小初步选定。 齿轮模数m （单位为mm ）按下列公式估算： (30~m ≥=≈1.9（《组合机床设计简明手册》p62）
控制系统仿真课程设计 （2011级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2014年6月
控制系统仿真课程设计一 ———交流异步电机动态仿真 一 设计目的 1．了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。 2. 设计交流异步电机动态结构系统； 3．掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 二 设计及Matlab 仿真过程 异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下： 1.85, 2.658,0.2941,0.2898,0.2838s r s r m R R L H L H L H =Ω=Ω===， 20.1284Nm s ,2,380,50Hz p N N J n U V f =?===，此外，中间需要计算的参数如下： 21m s r L L L σ=-，r r r L T R =，22 2 s r r m t r R L R L R L +=，10N m TL =?。αβ坐标系状态方程： 其中，状态变量： 输入变量： 电磁转矩： 2p m p s r s L r d ()d n L n i i T t JL J βααωψψβ=--r m r r s r r d 1d L i t T T ααβαψψωψ=--+r m r r s r r d 1d L i t T T ββαβψψωψ=-++22s s r r m m m s r r s s 2r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ααβαα σψωψ+=+-+22 s s r r m m m s r r s s 2 r r r r d d i R L R L L L L i u t L T L L ββαββ σψωψ+=--+[ ] T r r s s X i i αβαβωψψ=[ ] T s s L U u u T αβ=()p m e s s s s r n L T i i L βααβ ψψ=-
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 第一章概述 1.1机床主轴箱课程设计的目的 （1）通过机床主传动系统的机械变速机构设计，使学生树立正确的设计思想和掌握机床设计的基本方法； （2）巩固和加深所学理论知识，扩大知识面，并运用所学理论分析和解决设计工作中的具体问题； （2）通过机械制造装备课程设计，使学生在拟订机床主传动机构、机床的构造设计、各种方案的设计、零件的计算、编写技术文件和设计思想的表达等方面，得到综合性的基本训练； （3）熟悉有关标准、手册和参考资料的运用，以培养具有初步的结构分析和结构设计计算的能力。 1.2设计参数 普通车床传动系统设计的设计参数： （a）主轴转速级数Z=12； （b）主轴转速范围r/min； （c）公比φ=1.41； （d）电机功率为7.5KW； （e）电机转速为1440r/min。 第二章参数的拟定 2.1 确定极限转速 由 因为=1.41 ∴得=44.64 取=45 ∴ r/min 取标准转速1440r/min 2.2 主电机选择 已知异步电动机的转速有3000 、1500 、1000、750，已知是4KW，根据《车床设计手册》附录表2选Y132S-4，额定功率5.5，满载转速1440，。
第三章传动设计 3.1 主传动方案拟定 可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。 3.2 传动结构式、结构网的选择 结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为Z的传动系统由若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有、、……个传动副。即 传动副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子：，可以有3种方案： 12=3×2×2；12=2×3×2；12=2×2×3 3.2.2 传动式的拟定 12级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。 主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，最后一个传动组的传动副常选用2。 综上所述，传动式为12=3×2×2。 3.2.3 结构式的拟定 对于12=2×3×2传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为： 根据主变速传动系统设计的一般原则
机械工程学院 课程设计说明书 专业机械设计制造及其自动化 班级 XXXXXXXXXXX 姓名 XXXXXXXX 学号 XXXXXXXXXXXX 课题普通车床主传动系统设计 指导教师 XXXXXXXXXX 年月日
普通车床主传动系统设计说明书 一、 设计题目：设计一台普通车床的主传动系统，设计参数： (选择第三组参数作为设计数据) 二、运动设计 （1）传动方案设计（选择集中传动方案） （2）转速调速围2000 max 44.4445 min n Rn n == = （3）根据《机械制造装备设计》78P 公式（3-2）因为已知 1 -=z n R ? ∴ Z=?lg lg n R +1 ∴?=)1(-Z n R =114.44=1.411 根据《机械制造装备设计》77P 表3-5 标准公比?。这里我们取标准公比系列 ?=1.41，因为?=1.41=1.066，根据《机械制造装备设计》77P 表3-6标准数列。首先找到最小极限转速25，再每跳过5个数（1.26～1.066）取一个转速，即可得到公比为1.41的数列：45、63、90、125、180、250、355、500、710、1000、1400、 2000。 （4）结构式采用：13612322=??
1）确定系数' 0x ' 0ln 1111210ln n R x Z ? = -+=-+= 2）确定结构网和结构式： 确定基本组传动副数，一般取 02 P =，在这里取 03 P = 3）基型传动系统的结构式应为：12612232=g g 4）变型传动系统的结构式，应在原结构式的基础上，将元基本组基比指数 加上' x 而成，应为' 0x 为0，故不发生改变。 根据“前多后少”，“前密后疏”的原则，取13612322=?? 5）验算原基本组变形后的变速围 () 2213(21)32 1.41 1.41 2.88x P R ? -?-====< 6）验算最末变速的组变速围 () 3316(21)63 1.41 1.417.8588x P R ? -?-====< 根据中间变速轴变速围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下： 传动系的结构网
实验七 对汽车控制系统的设计与仿真 一、实验目的： 通过实验对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程，熟悉用Matlab 和Simulink 进行系统仿真的基本方法。 二、实验学时：4 个人计算机，Matlab 软件。 三、实验原理： 本实验是对一个汽车运动控制系统进行实际设计与仿真，其方法是先对汽车运动控制系统进行建摸，然后对其进行PID 控制器的设计，建立了汽车运动控制系统的模型后，可采用Matlab 和Simulink 对控制系统进行仿真设计。 注意：设计系统的控制器之前要观察该系统的开环阶跃响应，采用阶跃响应函数step( )来实现，如果系统不能满足所要求达到的设计性能指标，需要加上合适的控制器。然后再按照仿真结果进行PID 控制器参数的调整，使控制器能够满足系统设计所要求达到的性能指标。 1. 问题的描述 如下图所示的汽车运动控制系统，设该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，该汽车运动控制系统可简化为一个简单的质量阻尼系统。 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为： ? ??==+v y u bv v m & 系统的参数设定为：汽车质量m =1000kg ， 比例系数b =50 N ·s/m ， 汽车的驱动力u =500 N 。 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N 时，汽车将在5秒内达到10m/s 的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10％的最大超调量和2％的稳态误差。这样，该汽车运动控制系统的性能指标可以设定为： 上升时间：t r <5s ； 最大超调量：σ％<10％； 稳态误差：e ssp <2％。 2、系统的模型表示
新疆工程学院机械工程系毕业设计（论文）任务书 学生姓名专业班级机电一体化09-11（1）班设计(论文)题目数控机床主传动系统及主轴设计 接受任务日期2012年2月29日完成任务日期2012年4月9日指导教师指导教师单位机械工程系 设 计(论文)内容目标 培养学生综合应用所学的基本理论，基础知识和基本技能进行科学研究能力的初步训练；培养和提高学生分析问题，解决问题能力。通过毕业设计，使学生对学过的基础理论和专业知识进行一次全面地系统地回顾和总结。通过对具体题目的分析和设计，使理论与实践结合，巩固和发展所学理论知识，掌握正确的思维方法和基本技能。 设计(论文)要求 1．论文格式要正确。 2．题目要求：设计题目尽可能选择与生产、实验室建设等任务相结合的实际题目，完成一个真实的小型课题或大课题中的一个完整的部分。 3．设计要求学生整个课题由学生独立完成。 4．学生在写论文期间至少要和指导老师见面5次以上并且和指导教师随时联系，以便掌握最新论文的书写情况。 论文指导记录 2012年3月1号早上9：30-12：00在教室和XX老师确定题目。2012年3月6日早上10：00-12:00在教室确定论文大纲与大纲审核。2012年3月13日早上10:00-12：00在教室确定论文格式。 2012年3月20日早上9：30-12:00在教室对论文一次修改。 2012年3月27日早上9：30-12:00在教室对论文二次修改。 2012年4月6日早上9：30-12：30在教室对论文三次修改。 2012年4月9日早上9:30-12：00在教室老师对论文进行总评。 参考资料[1]成大先.机械设计手册-轴承[M].化学工业出版社 2004.1 [2]濮良贵纪名刚.机械设计[M].高等教育出版社 2006.5 [3]李晓沛张琳娜赵凤霞. 简明公差标准应用手册[M].上海科学技术出版社 2005.5 [4]文怀兴夏田.数控机床设计实践指南[M].化学工业出版社 2008.1 [5][日]刚野修一(著). 杨晓辉白彦华(译) .机械公式应用手册[M].科学出版社 2004
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 控制系统设计与仿真上机实验报告 学院：自动化学院 班级：自动化 姓名： 学号： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 一、第一次上机任务 1、熟悉matlab软件的运行环境，包括命令窗体，workspace等，熟悉绘图命令。 2、采用四阶龙格库塔法求如下二阶系统的在幅值为1脉宽为1刺激
下响应的数值解。 2?，??n10?0.5,??(s)G n22?????2ss nn3、采用四阶龙格库塔法求高阶系统阶单位跃响应曲线的数值解。 2?，，??5T?n100.5,???Gs)( n22???1)?s(?2s)(Ts?nn4、自学OED45指令用法，并求解题2中二阶系统的单位阶跃响应。 程序代码如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
;曲线如下： 法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。．阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
法拉兹·日·阿卜——学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。． 阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根 二、第二次上机任务 试用simulink方法解微分方程，并封装模块，输出为。得到各、1x i 状态变量的时间序列，以及相平面上的吸引子。 ?x?x??xx?3121? ??xx?x???322 ??xx?xx??x??32321参数入口为的值以及的初值。（其中，以及??????x28?10,?8/,,3,?i1模块输入是输出量的微分。）初值分别为提示：0.001xxx?0,?0,?312s:Simulink
1． 机床主要技术参数： （1） 尺寸参数： 床身上最大回转直径： 400mm 刀架上的最大回转直径： 200mm 主轴通孔直径： 40mm 主轴前锥孔： 莫式6号 最大加工工件长度： 1000mm （2） 运动参数： 根据工况，确定主轴最高转速有采用YT15硬质合金刀车削碳钢工件获得，主 轴最低转速有采用W 16Cr 4V 高速钢刀车削铸铁件获得。 n max =min 1000max d v π= 23.8r/min n min = max min 1000d v π =1214r/min 根据标准数列数值表，选择机床的最高转速为1180r/min ，最低转速为26.5/min 公比?取1.41，转速级数Z=12。 （3） 动力参数： 电动机功率4KW 选用Y112M-4型电动机 2． 确定结构方案： （1） 主轴传动系统采用V 带、齿轮传动； （2） 传动形式采用集中式传动； （3） 主轴换向制动采用双向片式摩擦离合器和带式制动器； （4） 变速系统采用多联滑移齿轮变速。 3． 主传动系统运动设计： （1） 拟订结构式： 1） 确定变速组传动副数目： 实现12级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合： A ．12=3*4 B. 12=4*3 C 。12=3*2*2 D ．12=2*3*2 E 。12=2*2*3 方案A 、B 可节省一根传动轴。但是，其中一个传动组内有四个变速传动 副，增大了该轴的轴向尺寸。这种方案不宜采用。 根据传动副数目分配应“前多后少”的原则，方案C 是可取的。但是，由
于主轴换向采用双向离合器结构，致使Ⅰ轴尺寸加大，此方案也不宜采用，而应选用方案D 2）确定变速组扩大顺序： 12=2*3*2的传动副组合，其传动组的扩大顺序又可以有以下6种形式：A．12=21*32*26B。12=21*34*22 C．12 =23*31*26D。12=26*31*23 E．22*34*21F。12=26*32*21 根据级比指数非陪要“前疏后密”的原则，应选用第一种方案。然而，对于所设计的机构，将会出现两个问题： ①第一变速组采用降速传动（图1a）时，由于摩擦离合器径向结构尺寸限制， 使得Ⅰ轴上的齿轮直径不能太小，Ⅱ轴上的齿轮则会成倍增大。这样，不仅使Ⅰ-Ⅱ轴间中心距加大，而且Ⅱ-Ⅲ轴间的中心距也会加大，从而使整个传动系统结构尺寸增大。这种传动不宜采用。 ②如果第一变速组采用升速传动（图1b），则Ⅰ轴至主轴间的降速传动只能由 后两个变速组承担。为了避免出现降速比小于允许的极限值，常常需要增加一个定比降速传动组，使系统结构复杂。这种传动也不是理想的。 如果采用方案C，即12 =23*31*26，则可解决上述存在的问题（见图1c）。其结构网如图2所示。
陕西理工学院 车床主传动系统设计 设计题目 系别 专业 学生姓名 班级学号 设计日期
目录 第一章概述--------------------------------------------------------------4 1、车床主传动系统课程设计的目的----------------------------4 2、设计参数----------------------------------------------------------4 第二章参数的拟定-----------------------------------------------------4 1、确定极限转速----------------------------------------------------4 2、主电机选择-------------------------------------------------------5第三章传动设计--------------------------------------------------------5 1、主传动方案拟定-------------------------------------------------5 2、传动结构式、结构网的选择----------------------------------5 3、转速图的拟定----------------------------------------------------6第四章传动件的估算---------------------------------------------------7 1、三角带传动的计算----------------------------------------------7 2、传动轴的估算----------------------------------------------------9 3、齿轮齿数的确定和模数的计算-------------------------------11 4、齿宽确定----------------------------------------------------------15 5、齿轮结构设计----------------------------------------------------16 6、带轮结构设计----------------------------------------------------16 7、传动轴间的中心距----------------------------------------------16 8、轴承的选择-------------------------------------------------------17第五章动力设计---------------------------------------------------------17
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid
第一章 概述 1.1机床主轴箱课程设计的目的 （1）通过机床主传动系统的机械变速机构设计，使学生树立正确的设计思想和掌握机床设计的基本方法； （2）巩固和加深所学理论知识，扩大知识面，并运用所学理论分析和解决设计工作中的具体问题； （2）通过机械制造装备课程设计，使学生在拟订机床主传动机构、机床的构造设计、各种方案的设计、零件的计算、编写技术文件和设计思想的表达等方面，得到综合性的基本训练； （3）熟悉有关标准、手册和参考资料的运用，以培养具有初步的结构分析和结构设计计算的能力。 1.2设计参数 普通车床传动系统设计的设计参数： （a ）主轴转速级数Z=12； （b ）主轴转速范围min =31.5n r/min ； （c ）公比φ=1.41； （d ）电机功率为7.5KW ； （e ）电机转速为1440r/min 。 第二章 参数的拟定 2.1 确定极限转速 由 n R n n =min max 1-=z n R ? 因为?=1.41 ∴得n R =44.64 取n R =45 ∴ max min 1386n n n R ==r/min 取标准转速1440r/min
2.2 主电机选择 已知异步电动机的转速有3000 /min r 、1500/min r 、1000/min r 、750 /min r ，已知额P 是4KW ，根据《车床设计手册》附录表2选Y132S-4，额定功率5.5kw ，满载转速1440 min r ，87.0=η。 第三章 传动设计 3.1 主传动方案拟定 可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们采用集中传动型式的主轴变速箱。 3.2 传动结构式、结构网的选择 结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。 3.2.1 确定传动组及各传动组中传动副的数目 级数为Z 的传动系统由若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有1Z 、 2Z 、……个传动副。即ΛΛ321Z Z Z Z = 传动副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z 应为2和3的因子： b a Z 3?2= ，可以有3种方案： 12=3×2×2；12=2×3×2；12=2×2×3 3.2.2 传动式的拟定 12级转速传动系统的传动组，选择传动组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。 主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，最后一个传动组的传动副常选用2。 综上所述，传动式为12=3×2×2。 3.2.3 结构式的拟定 对于12=2×3×2传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为： 62123212??= 61323212??= 14223212??= 24123212??= 31623212??= 12623212??= 根据主变速传动系统设计的一般原则13612322=??
银河航空航天大学 课程设计 （论文） 题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿 真 班级 学号 学生姓名 指导教师
目录 0. 前言 (1) 1. 总体方案设计 (2) 2. 三种系统结构和原理 (3) 2.1 串级控制系统 (3) 2.2 前馈控制系统 (3) 2.3 解耦控制系统 (4) 3. 建立Simulink模型 (5) 3.1 串级 (5) 3.2 前馈 (5) 3.3 解耦 (7) 4. 课设小结及进一步思想 (15) 参考文献 (15) 附录设备清单 (16)
复杂过程控制系统设计与Simulink仿真 姬晓龙银河航空航天大学自动化分校 摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。 关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。 0.前言 单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。 计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。
目录 前言 0 1．设计任务和目的 (1) 2．运动设计 (1) 1）运动参数的确定 (1) 2）拟定结构式 (3) 3)确定是否需要增加降速的定比传动副 (4) 4)分配个变速组的最小传动比，拟定转速图 (4) 5）齿数的确定 (4) 6)选择最佳转速 (5) 7)皮带轮直径的确定 (5) 3．动力计算 (7) 1)计算各轴的功率和扭矩 (7) 2)确定个传动件的计算转速 (7) 3）主轴及各轴直径的估算 (8) 4）齿轮模数估算和几何尺寸计算 (8) 5)主轴及各传动组件的结构分析与选择 (9) 4.主轴组件的设计计算 (10) 5．参考资料…………………………………… 5．结束语……………………………………
机床主传动系统设计 摘要：本课题为机床主传动系统的设计，经过全面的分析比较确定一种比较合理的方案使该系统能完成18级变速，基本满足通用型普通车床的加工要求和技术要求。本系统的设计过程中运用了分析比较，逆推等方法来完成了各种不同方案的优化选择，从而确定了一套比较合理的方案。 关键词：优化设计、逆推法、公比、基本组、扩大组 1.设计任务和目的： 该机床主传动系统可提供各种车削工作所需转速，使车床完成各种公制、英制、模数螺纹的车削任务。 主轴三支撑均采用滚动轴承；该系统具有刚性好、功率大、操作方便等特点。2.运动设计： 1）运动参数的确定： 已知：主轴的最高转速Nmax=1440rpm，最低转速：Nmin=30rpm，求主轴的转速级数Z及公比Ф。 a.公比Ф的确定： 依据资料要求，对于中型通用机床，万能性较大，因而要求转速级数Z要多一些，但结构又不能过于复杂。因此，公比Ф常推荐优先选择1.25或1.41。 b.转速级数Z的确定及分析比较： 由R n =N max ／N min =1400／30=46.667，Z=1+ L g R n ／L g Ф 当Ф=1.26时，经计算Z=1+L g 46.667／L g 1.26≈18级； 当Ф=1.41时，经计算Z=1+ L g 46.667／L g 1.41≈12级。 分析比较： 当Ф=1.26时，计算得Z=18级转速，级数较大，机床主传动系统结构较复杂，所需传动件相对较多，但适用范围更广，有利于机床主传动系统功能的充分发挥。在选择车削速度时，更有利于优化选择，与同类级数较少的机床相比较，更能发挥其性能。同时速度损失相对较小； 当Ф=1.41时，计算得Z=12级转速，级数较小，机床主传动系统结构相对简单，但通用性不强。 综上所述： 本系统选择Ф=1.26，Z=18级转速方案。 按标准转速数列为：30、37.5、47.5、60、75、95、118、150、190、235、300 、375、475、600、750、950、1180、1500（rpm）。 2）拟定结构式： a．确定变速组的数目和各变速组中的传动副的数目。 该主传动系统的变速范围较大，级数较多，需经过较长的传动链才能将其速度降到主轴的所需转速，通常采用P=2或3，18=33332，共需三个变速组。 b．确定不同传动副数的各变速组的排列次序：
课程设计报告 题目PID控制器应用 课程名称控制系统仿真院部名称机电工程学院专业 班级 学生姓名 学号 课程设计地点 课程设计学时 指导教师 金陵科技学院教务处制成绩
一、课程设计应达到的目的 应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 二、课程设计题目及要求 1．单回路控制系统的设计及仿真。 2．串级控制系统的设计及仿真。 3．反馈前馈控制系统的设计及仿真。 4．采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。 三、课程设计的内容与步骤 (1)．单回路控制系统的设计及仿真。 （a）已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。 （b）画出单回路控制系统的方框图。 （c）用MatLab的Simulink画出该系统。 （d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应
曲线。注明所用PID调节器公式。PID调节器公式Wc（s）=50(5s+1)/(3s+1) 给定值为单位阶跃响应幅值为3。 有积分作用单回路控制系统 无积分作用单回路控制系统
大比例作用单回路控制系统 （e）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？ 答：由上图分别可以看出无积分作用和大比例积分作用下的系数响应曲线，这两个PID调节的响应曲线均不如前面的理想。增大比例系数将加快系统的响应，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长，加入微分环节，有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加。 (2)．串级控制系统的设计及仿真。 （a）已知主被控对象传函W 01(s) = 1 / (100s + 1)，副被控对象传函W 02 (s) = 1 / (10s + 1)，副环干扰通道传函W d (s) = 1/(s2 +20s + 1)。 （b）画出串级控制系统方框图及相同控制对象下的单回路控制系统的方框图。（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。
远程与继续教育学院 本科毕业论文（设计） 题目：温控系统的设计及仿真(MATLAB) 学习中心： 学号： 姓名： 专业：机械设计制造及自动化 指导教师： 2013 年 2 月 28 日
摘要 温度是工业对象中一个主要的被控参数，它是一种常见的过程变量，因为它直接影响燃烧、化学反应、发酵、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、挤压成形，结晶以及空气流动等物理和化学过程。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。温度控制是许多设备的重要的构成部分，它的功能是将温度控制在所需要的温度范围内，以利于进行工件的加工与处理。 一直以来，人们采用了各种方法来进行温度控制，都没有取得很好的控制效果。如今，随着以微机为核心的温度控制技术不断发展，用微机取代常规控制已成必然，因为它确保了生产过程的正常进行，提高了产品的数量与质量，减轻了工人的劳动强度以及节约了能源，并且能够使加热对象的温度按照某种指定规律变化。 实践证明，用于工业生产中的炉温控制的微机控制系统具有高精度、功能强、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，节约能源，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。 本设计以89C51单片机为核心控制器件，以ADC0809作为A/D转换器件，采用闭环直接数字控制算法，通过控制可控硅来控制热电阻，进而控制电炉温度，最终设计了一个满足要求的电阻炉微型计算机温度控制系统。 关键词：1、单片机；2、PLC；3、MATLAB
目录 1单片机在炉温控制系统中的运用 (3) 1、1系统的基本工作原理 (3) 2温控系统控制算法设计 (3) 2.1温度控制算法的比较 (3) 2.2数字PID算法 (6) 3 结论................................................ 错误！未定义书签。致谢 (17) 参考文献 (18)
制造装备 课程设计任务书 （2015~2016学年） 设计题目普通车床主传动系统的设计 学院名称电气工程与自动化学院机械工程系 专业（班级）机械设计制造及自动化 姓名（学号）Z41214054XX 起讫日期 指导教师 下发任务书日期 201X年 X月 X 日
安徽大学制造装备课程设计任务书
安徽大学 审阅 课程设计成绩评定 答辩
目录１、参数的拟定 ２、运动的设计 ３、传动件的估算和验算 ４、展开图的设计 ５、总结
一、参数拟定 １、确定公比φ 已知Ｚ＝8级（采用集中传动） n max =1250 n min=40 R n=φz-1 所以算得φ≈1.26 2、确定电机功率N 已知电机功率N=4.4kw 二、运动的设计 1、列出结构式 8=2[2] 3[] 2[4] 因为：在I轴上如果安置换向摩擦离合器时，为减小轴向尺寸，第一传动组的传动副数不能多，以2为宜。在机床设计中，因要求的R较大，最后扩大组应取2更为合适。由于I轴装有摩擦离合器，在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。 2、拟定转速图 1）主电机的选定 电动机功率N：4.4KW 电机转速n d:
因为n max =1250vr/min ，根据N=4.4KW ，由于要使电机转速n d 与主轴最高转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。所以初步定电机为：Y132m-4，电机转速1440r/min 。 2）定比传动 在变速传动系统中采用定比传动，主要考虑传动、结构和性能等方面要求，以及满足不同用户的使用要求。为使中间两个变速组做到降速缓慢，以利于减少变速箱的径向尺寸，故在Ⅰ-Ⅱ轴间增加一对降速传动齿轮。 3）分配降速比 8级降速为：250315400500 630 8001000 315 1250 （r/min ） 画出转速图 8=2[2]2[2]2[4] 电 ⅡⅢ Ⅳ Ⅰ250 315400500 630800100012501440r/min 结构大体示意图:
北京理工大学珠海学院 《计算机仿真》课程设计说明书题目: 控制系统建模、分析、设计和仿真 学院：信息学院 专业班级：自动化四班 学号： 学生姓名： 指导教师： 2012年 6 月 9 日
北京理工大学珠海学院 课程设计任务书 2011 ～2012 学年第2学期 学生姓名：专业班级： 指导教师：范杰工作部门：信息学院 一、课程设计题目 《控制系统建模、分析、设计和仿真》 本课程设计共列出10个同等难度的设计题目，编号为：[0号题]、[1号题]、[2号题]、[3号题]、[4号题]、[5号题]、[6号题]、[7号题]、[8号题]、[9号题]。 学生必须选择与学号尾数相同的题目完成课程设计。例如，学号为09xxxxxxxx2的学生必须选做[2号题]。 二、课程设计内容 （一）《控制系统建模、分析、设计和仿真》课题设计内容 最少拍有波纹控制系统
[8号题] 控制系统建模、分析、设计和仿真 设连续被控对象的实测传递函数为： 用零阶保持器离散化，采样周期取0.02秒，分别设计一单位加速度信号输入时的最少拍有波纹 控制器Dy(z)和一单位速度信号输入时的最少拍无波纹控制器Dw(z)。具体要求见（二）。 （二）《控制系统建模、分析、设计和仿真》课题设计要求及评分标准【共100分】 1、求被控对象传递函数G(s)的MATLAB 描述。（2分） 2、求被控对象脉冲传递函数G(z)。（4分） 3、转换G(z)为零极点增益模型并按z-1形式排列。（2分） 4、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位加速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际闭环系统稳 定的要求。（6分） 5、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dy(z)可实现、最少拍和实际闭环系统稳定的要求。 （8分） 6、根据4、5、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。（12分） 7、求针对单位加速度信号输入的最少拍有波纹控制器Dy(z)并说明Dy(z)的可实现性。（3分） 8、用程序仿真方法分析加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（7分） 9、用图形仿真方法(Simulink)分析单位加速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（8分） 10、确定误差脉冲传递函数Ge(z)形式,满足单位速度信号输入时闭环稳态误差为零和实际闭环系统稳 定的要求。（6分） 11、确定闭环脉冲传递函数Gc(z)形式，满足控制器Dw(z)可实现、无波纹、最少拍和实际闭环系统稳 定的要求。（8分） 12、根据10、11、列写方程组，求解Gc(z)和Ge(z)中的待定系数并最终求解Gc(z)和Ge(z) 。（12分） 13、求针对单位速度信号输入的最少拍无波纹控制器Dw(z)并说明Dw(z)的可实现性。（3分） 14、用程序仿真方法分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（7分） 15、用图形仿真方法(Simulink)分析单位速度信号输入时闭环系统动态性能和稳态性能。（8分） 16、根据8、9、14、15、的分析，说明有波纹和无波纹的差别和物理意义。（4分） ) 7)(5)(2()6)(1(879)(2+++++= s s s s s s s G