棒料切割机的设计.

江苏食品职业技术学院2012届毕业项FI摘要:通过对切割过程的观察和研究，本课题采用了机电一体化系统设计思想， 对其整体造型、机械结构和控制系统进行设计，此棒料切割机电一体化系统主 要由四个部分组成：机械本体、电子控制单元、执行器和动力源。工作原理 是电动机通过带传动带动切割片做高速旋转运动，电机与工作台之间采用钱 支撑方式，升降液压缸可推动切割片进行上下移动带动刀片完成顺序切割动 作。切割机采用PLC控制各个液压换向阀的电磁铁，实现棒料的自动下料和 切割以及检测工作。随动工作台前进速度也可以通过夹紧机械手夹紧棒料使 之与棒料速度同步。横向切割吋的切割速度可以通过液压缸来调节。现场运 行情况表明，此切割机具有动作快、运动平稳以及与计算机联机方便等优点, 能够降低工人的劳动强度，实现自动控制，提高劳动牛产率。 关键词： 切割机；机电一体化；液压；棒料；PLC控制1切割部分设计I1.1切割部分设计要求I1.2切割部分设计方案11.3切割部分工作原理21.4切割部分结构设计31.4.1带传动设计31.4.2升降液压缸的设计31.4.3滚动轴承的选取及校核31.4.4升降液压缸的设计61.4.5滚动轴承的选取及校核102夹紧部分设计132.1夹紧机构设计要求132.2夹紧部分方案设计133纵横行走部分的设计143.1纵横行走装置设计要求143.2纵横行走部分方案设计143.3直线导轨的选择计算143.3.1选定条件143.3.2选择方式144液压传动系统设计174.1液压传动机构174.2液压传动原理图175电气控制的设计185电气控制设计要求185.2电气控制设计方案185.3可编程控制器PLC控制流程19参考文献20致 谢21附录APLC I/O端口分配图 22附录B棒料切割机装配图23江苏食品职业技术学院2012届毕业项FI1切割部分设计1.1切割部分设计要求为了保证棒料的剪断，剪应力应超过材料的许应剪应力刃，即切断棒料的条件为：r = y 274063N取切割机的Q = 280000N项H设计采用机电一体化设计思想，要求棒料切割机采用PLC对棒料的切割过程及检 测进行口动控制，并能根据PLC定长信号分别切割两条连续的棒料，完成了系统的硕件和 软件设计后可以实现对棒料的准确定长切割，切割后动返回初始位置。原始棒料尺寸范 围在角钢：100x100x10圆钢:050槽钢:120x53钢管:0135x6,切割成0.1m之 间的棒料，其切口深度为535mm,再用压断机进行压断处理。1.2切割部分设计方案切割部分主要有砂轮切片、电动机和传动机构组成。现在设计的在切割部分有两种方 案可行：第一，电动机通过带传动带动切割片转动。第二，电动机通过圆锥齿轮传动方式 带动切割片转动。但考虑到切割过程屮电动机带动切割片进行高速旋转运动，所以优先选 取第一种方案，原因是圆锥齿轮传动不宜应用在转速太高的场合，并且在运用齿轮进行传 动吋，还应考虑怎样消除震动和用什么方法润滑齿轮，这样就会使设计成本增加，而带传 动则具有结构简单，传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等优点。切割部分结构如图2-1所示。3图2-1切割部分结构图1-电动机：2-升降液压缸：3砂轮片；4-支撑板：5-传送带1.3切割部分工作原理切割部分的原理如图2-2所示，电动机带动割切片高速旋转运动，电机与工作台之间 采用较链支撑方式，升降液压缸可推动切割片进行上下移动，完成切割运动。横向行走液 压缸可推动工作台横向移动，控制切割的长度。纵向行走液压缸可使工作台纵向移动，使 切割片能切割两根棒料。其屮电动机和液压缸电磁阀都需要通过由PLC机控制，实现其按 照顺序完成动作。I23图2-2切割部分原理简图1-带轮；2-传送带：3-电机；4-砂轮：5-升降液压缸：6-进料道：7-横向行走板；8-夹具；9-待加工棒料；10-横向行 走液压缸:11-纵向行走板；12-纵向行走液圧缸1.4切割部分结构设计1.4.1切割片的选取设计任务所需电机的最小功率为Pmin=2.2KW，主轴转速：2800r-Pm条件下，轮片的最大线速度为40加/$。最终选取砂轮片的型号为A型,其规格 为400x3.2x32,磨料为棕刚玉,粒度为20# ,硬度为R2。1.4.2电机的选取根据切割系统的要求，应考虑电动机的种类、型式、额定电压、额定转速和额定功率、工作方式，在决定电动机功率时考虑到电动机的发热，允许过载能 力启动能力等问题，现选用比较适合的Y系列三相杲步电动札 这是由于Y系列三相异步 电动机的功率等级和安装尺寸与国外同类型的先进产品相当，因而具有与国外同类型产品 之间良好的互换性，供配套出口及引进设备替换。选取功率为3. 0KW,额定电压：380V, 频率：50HZ,额定转速为2880r. p. m,额定转矩2.3N加，型号为Y100-2,电动机选用三 角型启动方法启动3。1.4.3带传动设计 根据带截面形状的不同，带传动可分为：平带传动、多楔带传动、 圆带传动、V带传动等。在一般的机械屮由于V带的楔形增压原理，结构紧凑，允许的传 动比大，且多标准化并大批量牛产，所以被广泛应用。本设计屮选用V带传动。由于V带传动屮的带及带轮槽型均已标准化，所以设计的主 要内容包括带的型号、确定基准长度、根数、屮心距、带轮的材料、基准直径以及结构尺 寸、初拉力和压轴力、张紧装置等参数。(1) 确定计算功率由机械设计查得工作情况系数Ka=124(电机带动砂轮切割铁棒，载荷性质 为载荷变动较大)，则计算功率为P(l =心P = 1.2x3 = 3.6KW(2-2)公式中：Ka工作系数3；P所需传递的额定功率，KW。(2) 初选带的型号根据心和由机械设计查的初选普通V带4。(3) 确定带轮的基准直径也和心2,并验算带速1) 机械设计查得V带的最小基准直径-=75加4,考虑到带轮太小，其弯曲应力 过大，所以要使為皿取ddx=l60mm72）验算带的速度-_ 7iddx -/Z _ ,/r x 160 x 2880 V 60x100060x1000=24.1m / 5(2-3)带速不宜过高或过低，一般应使心525加/$,因为5/n 120（合适）（6）确定带的根数z一 P KaP(2-11)其中:匕一额定功率，KW ；由机械设计查得：A=O.3WC； 由机械设计查得包角系数心=1；由机械设计查得长度系数心=1.03工； 采用非化纤结构的普通带，取材质系数K = ().75。由机械设计查得V带处于临界打滑状态所能传递的最大功率P. = 22KW 4Pf = (22 xlxl.03) x 0.75 = 1.70K WPr 1.70取z=3根。确定单根带的初拉力Fo花=500x(25_KJP(t * qyK-zv (2-12)查得q=0.L,对于新安装的带，初拉力为15(坨馬；对于运转后带初拉力1.3()mill R=500x(2” I )x3.6 +ox24.12 = 95.47V(2-13)01.0x3x24.1(8) 计算带对轴的压力QaI QAOQ = 2F(忆 sin 乞=2 x 95.4 x 3 x sin =572.6N(2-14)2 2(9) 张紧装置的选择各种材质的V带都不是完全的弹性体，在预紧力的作用下，经过一定吋间的运转后， 就会由于塑性变形而松弛，使初拉力降低。为了保证带传动的能力，应定期检查初拉力的 数值。如发现不足吋，必须重新张紧，才能正常工作。常见的张紧装置有以下几种：定期 张紧装置、口动张紧装置和采用张紧轮的装置。因为在本方案屮屮心距不能调节，可采用 张紧轮将带张紧。张紧轮放在松边内侧，使带只受单向弯曲，同时张紧轮还应尽量靠近大 轮，以免过分影响小带轮的包角。(10) 带轮的设计带轮的设计要求及设计内容设计带轮时应满足的要求有：质量小，结构工艺性好，无过大的铸造应力，质量分布 均匀，转速高吋经过动平衡，轮槽工作面加工精细，以减小带的磨损，各槽的尺寸和角度 保持一定的精度，以使载荷分布均匀。设计内容为根据带轮的基准直径和带轮的转速等己 知条件，确定带轮的材料，结构形式、轮槽、轮辐和轮毂的几何尺寸、公差和表面粗糙度 以及相关技术要求。1) 带轮的材料带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200,转速较高吋宜采用铸 钢，或用钢板冲压后焊接而成。在本次设计小，采用了比较常见的HT150o2) 带轮的结构尺寸由于带轮的基准巨径dd = 160mm,轴的直径d = 30mm ,根据带轮的选择原则：即当2.5f/ di( F=300N估算得砂轮片的支反力为7V=600o再由所设计切割机的切割受力示意图（如图2-5所示）由于砂轮所受的支反力相同，算得液压缸所承受的力即理论推力为F = 1200N（4）工作压力当前所用的液压缸的负载小于5Kg的工作压力一般在O.SMPa左右，所以选取其正常 工作压力为MPa5o因为在设计吋一般要求安全系数比较高，所以在选取液压缸的吋候一 般要求有较大余量，所以在缸径选择吋，其工作压力一般按IMP。计算。（5）缸径选择图2-5棒料切割机受力示意图1-砂轮片：2-液压缸理论推力为1200N时，需选择其缸径为40/nm 考虑到安全系数，初选缸径为60加n。(6) 行程大小根据机构简图(如图2-6所示)，其屮实线为机构初始位置，在初始位置时，砂轮片 的直径在最大状态，当砂轮切割到终位(图2-6 虚线部分)吋，连杆所转过的角度为10。， 此时砂轮直径为最小直径。卜砂轮:2-液压缸；3-1#在初始位置时测得液压缸的总长度为厶=540mm,在终了位置时测得液压缸的总长为 厶厂440肋2,所以在此过程中气缸的行程L = L、一 L2 = lOOm/n(215)即升降液压缸的行程为L = 100加加(7) 液压缸稳定性校核1)液压缸直径校核 液压工作压力J ixlOUa,则液压缸直径(2-16)仃理论力I 4x1200 一 .二 11 = 39.1 mm龙 xP| 作V-xlxlO6取D = 40mm o考虑到安全系数，选缸径为60加加合理。2)液丿*缸活塞杆选择及校核伦压缸(2-17)乃 X 0.052 X lx 1()64=1962.5.1(N)F理论=1200N649故设计符合要求。由d70 = 0.2-0.3,可计算出活塞杆直径(2-18)(2-19)(0.2-0.3)D = 12-18mm可取活塞杆直径 = 12mm。通过公式4尸：什 12()()_ 3 6mm l5，须进行稳定校核，应使活塞杆承 受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临界压力巴，但考虑到安全性，安全因数 = 工作应大于规定的许用安全因数,以免发牛纵向弯曲，破坏液压缸的正常工作。 (厲作二为液压缸杆工作负载；心二46)关于稳定安全因数可在设计手册屮查到。两端较支链接的、细长压杆的临界力的欧拉公式6(2-20)=於EI cr = W 其中：截面的惯性矩：I=d江苏食品职业技术学院2012届毕业项FI杆件的两端都是较链连接：/ = !;(2-21)Fcl = g & 竹=4 x 1 x 1 ()6 x 乃 x (60 x 10)$ N = 45216N0.215m = 215mm(2-22)#则所选取的杆长不超过215加加，且大于行程2x100mm,所以选取液压缸活塞杆的长度3）缸筒壁厚的计算(2-23)(2-24)(2-25)缸筒壁厚nJ按薄壁筒公式计算:式中:8缸筒壁厚（mm）；D液压缸内径（60mm）；Pp实验压力,取Pp=2P,作=2x10认;材料为:ZQ的许用应力cr= 2AMPa可计算出壁厚60x2xl05 _ ou 厶 3 mm2x2.4xl06因此，液压缸外径D = 60 + 2 x 2.5 = 65mm(8) 确定液压缸型号综上所述，根据液压与气压传动,选用型的标准液压缸ZQ-60/12X200-F27合适, 缸径为60加加，活塞杆直径为nmm ,液压缸行程为20（）m/n ,带防尘罩F数量为2。1.4.5滚动轴承的选取及校核 在结构设计屮，采用了既有转速高的优点，乂能够承受 少量轴向力的角接触球轴承，（其屮轴向力的主要来源是安装或拆卸带轮时所承受的载荷 估算载荷大小为100N）。据分析，在安装和拆卸带轮时的力相同的情况下，拆卸带轮时， 轴承所受的力更大，所以选取轴向力心的方向向右，如图2-6所示。图屮M为电极的输出转矩，F为砂轮的切割阻力，在切割过程屮，电极的输出转矩与砂轮 所受的切割阻力矩大小和同，方向和反，在切割吋相互抵消，所以在计算过程屮不再考虑 电极输出转矩和切割阻力对轴承的影响。由于轴承受一定的轴向力，所以选取接触角Q = 25。的角接触球轴承。其代号为7207ACJE7,基木额定动载荷C2.5KN ,基本额定静载荷C“=165KN8。 轴承的校核计算(1) 计算轴承所受的径向力&、凡，其受力如图2-6所示 由力矩平衡条件工“2 =得径向力尺厂 F, x200 -F.x20& = 180_ 800x200-550x20 (80= 8362由工Mi =0得径向力/?2口 _ F2 x200)X20 180_ 550x200-800x20 180(2-26)(2-27)= 522NII2018020IR.R ,1 - 211 ,F(2-28)(2-29)图2-6轴承计算简图（4）计算当量动载荷人、P2155270.63863(2-30)(2-31)A2 _ 627522由简明机械零件于册查得7207ACJ型轴承的轴向载荷影响的判断系数= 0.68因为AJRX =0.63 所以 /=1,乙=0；AJR2 =1.20e,所以 X2 =0.41,r2 =0.87由机械设计查得，当轴承受中等冲击或中等惯性力时,取载荷系数力=出4,由于 轴承1、2均不受力矩载荷的作用，所以取九广1,九2。则（2-32）= 1.5x1.0x（1.0x836 + 0x527）= I254N=Z/xL2（W2+M2）（2-33）= 1.5xl.0x （0.41x522 + 0.87 x 627）= 1140N（5）计算所需轴承的动载荷由机械设计查得，当轴承的工作温度小于匕。时，其温度系数/14比较两当量动载荷知，人卩2，所以应该按片计算（球轴承应取 = 3 ）则所需轴承的额定动载荷(2-34)_ _1254 3 60x2840x365x12Tov io5=匚里 #60x2840x4830100= 11286N（6）确定轴承型号由简明机械零件手册查得轴径 =35加加时，应选轴承的代号为7207ACJ8,其额定载荷为G = 22.5KN c =11.286KN故选用代号为7207ACJ的轴承合适。2夹紧部分设计2.1夹紧机构设计要求夹紧机构不但要求在切割之前机械手能够根据事先收到的信号准确地运动到每个工 位，而且在切割过程屮要夹紧运动着的棒料，使砂轮与棒料同步。2.2夹紧部分方案设计夹紧部分是由液压缸推动机械手实现夹紧和放松的。这部分的两种可行性方案是：一 是用一个机械手同吋负责夹紧两根铸棒，根据需要对被切割的那条进行夹紧。二是用两个 机械手，毎个机械手负责夹紧一根铸棒。第一种方案屮，机械手可通过一个二位液压缸和 一个三位液压缸实现对棒料的夹紧。第二种方案小，每个机械手都需要两个二位液压缸来 实现对棒料的夹紧。考虑到第一种方案设计工作量小，安装方便，而且控制简单，所以优 先使用第一种方案。1 -夹紧机械手：2-夹紧气压缸：3-横向行走气压缸：4-纵向行走板；5-纵向行走液压缸：6-横向行走板夹紧部分原理如图3-1所示，夹紧气缸能使夹紧机械手夹紧或放松工件，当活塞向右 移动吋，机械手夹紧工件，当活塞向左移动吋，机械手放松工件。横向行走气缸推动工作 台左右移动，能控制机械手使Z夹紧左边或右边的工件，从血对夹紧的工件进行切割。纵 向行走液压缸的作用是当完成一次切割过程完成时，推动工作台使之恢复到初始位置。整 个工作过程都由PLC控制实现。其屮ST4-ST9为控制液压缸的行程开关。3纵横行走部分的设计3.1纵横行走装置设计要求纵横行走装置主要是为了配合切割装置和夹紧装置，使砂轮片和夹紧机械手能够在走 刀过程屮横向移动，迅速准确地达到工作位，在切割过程屮能够随着棒料纵向移动，切完 后在返回初始位置。3.2纵横行走部分方案设计纵横行走装置主要是为了实现切割机砂轮片的纵向和横向移动，使之完成切割动作。 为了设计和制造方便，在方案设计屮纵、横向行走装置的原理大致和同，即采用结构简单 而又便于控制的液压传动方式，液压缸带动纵向行走板或横向行走板在导轨上滑动。在设计过程小，考虑到能量的损耗程度，纵横行走装置采用了直线导轨，既提高了运 动系统的运动精度，乂很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。3.3直线导轨的选择计算3. 3. 1选定条件（1）载荷 根据粗略计算，导轨上横向行走部分的总质量为2檢所以重量 W=200x10 = 2000N（2）行程 根据设计结构的要求，选定行程Ls = 2.5m（3）往复次数4=2 （次/分）（4）寿命要求 假设机器寿命为5年，则导轨寿命为厶厶= 5x365x24 = 35000 小时假设安装4个滑块，要计算一个滑块的负载人，可用下式巴亠000N44同时由于两个滑块装在一个导轨上，因此接触系数=0.81 o3. 3. 2选择方式（1）根据静态安全系数选型号G) X fcf(4-1)其小人一静态安全系数几一载荷系数（在无外部冲击或振动、低速吋取1.5）C。一基本额定静载荷现设静态安全系数人=5则有Co ls X(4-2)fc_ 5x5000.81=3086切在正常运行吋一般选取安全系数为5,根据上述情况，选取SBG35FL的导轨比较理想。(2)根据寿命要求选型号根据标准寿命L计算公式L = 0.54 x 17500 = 9450肋2若使用17500小时，则总的移动距离为厶L =(.心仏X L X )3 X 50(4-3)其川fr温度系数(由手册查得当导轨的工作温度小于100C吋，其温度系数取 1.08)fH硬度系数(为了使直线运动系统达到最佳承载能力，需要保持导轨的硬度在HRC58-62,由手册查得几为1. 0泾)C基本动载荷fT x / x f C .L = ( X)3 x50所以九 &1x1x0.81 C 3 59450 = (x ) x 501.5250解得C = 3000矽因此，选取 SGB45FL ( C = 3800 )(3) 复查理论上选取SGB35FL或上一级似乎比较恰当，但考虑到标准寿命，选择SGB45FL8更理想。纵横行走部分的结构图如图4-1所示：江苏食品职业技术学院2012届毕业项FI#24-1纵横行走部分的结构图1-横向行走导轨；2-纵向行走导轨4液压传动系统设计4.1液压传动机构根据切割机的机构原理，绘制的机构简图如图5-1所示，其 | ST0-ST4为控制液压缸的行程开关。5-1切割机机构简图1-带轮；2-传送带；3-电机；4-砂轮；5-升降液压缸;6-横向行走液压缸；7-横向行走板：8-纵向行走液压缸；9-纵向行走板4.2液压传动原理图如图5-2液压传动原理图17江苏食品职业技术学院2012届毕业项FI5电气控制的设计5.1电气控制设计要求电气控制线路的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的，是传动形式与控 制方案的具体化。应满足机电设备对电气控制线路的要求，工艺耍求准确、控制线路简单、 经济、安全、可靠地工作，具有必要的保护装置10。5.2电气控制设计方案电气控制线路的设计运用经验设计法11进行设计的，先从满足牛产工艺的要求出发, 按照电动机的控制方法，利用各种基本的控制环节和控制方法，借鉴典型的控制线路，把 它们综合地组合成一个整体以满足牛产需要。由于切割机需要控制的对彖较多，所以系统 的控制部分比较复杂，电气在接收PLC命令对系统进行设置后，还要根据要求切割过程完 成输入信号的循环监控，并输出不同的信号对系统的各个执行部件进行控制，使其协调工 作，完成工件的切割,电气原理图如图6-1所示,其中为PLC的I/O端口分配见附录 Ao3Q13.0KW6-1电气原理图I85.3可编程控制器PLC控制流程6. 2-控制流程图21参考文献1梁景凯，盖玉先.机电一体化技术与系统皿北京：机械工业出版社，2012. 1.2徐 澈.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，1991.3陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计M上海：上海科学技术文献岀版社,1995.4濮良贵，纪名刚.机械设计M. 8版.北京：高等教育出版社，2006. 5.5刘延俊.液压与气压传动M. 1版.北京：清华大学出版社，2012. 12. 刘鸿文.材料力学M4版.北京：高等教育出版社，2004. 5.7孙恒.机械原理M. 8版.北京：高等教育岀版社，2008. 5.8蔡春源.简明机械零件手册M北京：冶金工业出版ft, 1996. 3. 李红萍工控组态技术及应用一组态王M.西安：西安电子科技大学出版社，2011. 5.10黄大宇，梅瑛.机械设计课程设计M.吉林：吉林大学岀版社，2006. 12.11王永华.现代电气控制及PLC应用技术M. 2版.北京：北京航空大学出版社, 2008. 2.12陈建叽电气控制与PLC应用练习与实践M. 4版.北京：电子工业出版社,2006. 2.时光飞逝，四年的大学牛活将随着本次毕业论文的完成而画上完美的句号。感谢李宏老师在木次论文设计屮对我的悉心指导，不论是从课题选择到具体的写作过程， 还是论文初稿与定稿，都透露出老师的心血和汗水。在本次毕业论文设计期间，闫冰洁老 师一丝不苟的工作作风，治学严谨的态度，让我受益匪浅，深受感动。多谢老师在专业他 识上的指导和提出的一些富于创造性的建议，在这样无私的帮助和熏陶下，我终于顺利完 成了我的毕业设计。在此，向老师至于我深深地感谢和祟高的敬意。借此毕业Z际，向各位给予我悉心教诲的老师表示真诚的谢意。感谢他们四年来对我的辛 勤栽培，让我能很好的掌握和运用专业知识，并在设计屮得以体现，顺利完成此次论文。通过毕业设计的锻炼，使我们运用专业知识的能力得到了进一步提高，知识得到了巩 固，使我们对设备的整体设计思想有了更进一步的认识，通过对棒料切机的设计，我运用 了各门专业课程，再一次夯实了我的知识。最后，谢谢帮助我的同学和舍友，感谢你们给我的启发、提出的宝贵意见。MfAPLC抬刀换向阀DTI走刀1换向阀I)T2走刀2换向阀DT3夹紧换向阀DT4随动换向阀DTB初位指示灯HL2白动指示灯HL31位指示灯11L42位指示灯HL5电机启动KH1七si初位邕号 舟ST 0抬刀缸原位2 吕)茫t抬飢终位辰ST 2走少1终位當ST3走刀密ST4走坐2原位 ST 5走少2终位 密ST6夹鑒原位 茫ST7夹瘗终位 g ST8行生稣原位 己ST9行辱终位电SB1启翌停止 刃SB2自塑手动 汶SB3抬少落刀已SB4走丿卫步前进/返冋 羽SB5走与前进/返冋5 SB6夹氐祐V. SB7随动/返回20 一 2J1.卡巨昌zn -、0匾口步亀因3i附录B棒料切割机装配图23CITCX匸 002 uonL 02巴b a用一1?01SQQ1700I. WWOKW.乌疏.加加n2- 0别&2用：700322如玻:为佗p.少MmT7亦附录-B棒料切割机装配图(2)计算派生轴向力、2 3 * 52所选的轴承型号为7207ACJ,其派牛轴向力5 = 0.63/?则5, = 0.63/?, = 0.63 x 863 = 521NS2 = 0.63/?2 = 0.63 x 522 = 329N(3)求轴承所受的轴向力人、仏S + Fa = 527 + 100 = 627N S2故轴承2被压紧，轴承1被放松，所以有A? = Fa +5, =527 + 100 = 627 NA, =S| = 5277V