(毕业设计)钢筋弯曲机的结构设计

本科毕业设计(论文)题目：数控弯曲机的结构设计 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2014年 6月数控弯曲机的结构设计摘 要钢筋弯曲机是建筑工地必不可少的机械，能有效的提高生产效率，减少工人劳动强度，提高钢筋弯曲精度。本文所设计的钢筋弯曲机适用于弯曲4-12毫米的钢筋。相比于市场上常用的其他钢筋弯曲机，本机可弯曲建筑用钢中的长钢筋，解决了目前大多数弯曲机不能装夹、送料、弯曲连续作业的问题。本机先通过矫直机构对盘状钢筋进行矫直，再通过弯曲装置对钢筋进行弯曲，满足弯曲要求之后，切断装置进行切断，最后卸料装置进行卸料。钢筋的弯曲角度由PLC通过控制步进电机来实现，能实现弯曲角度的自动化本文对V带轮、轴和一些关键零部件进行了设计计算，并对轴、键和带等关键部件进行了力学分析计算和强度校核，表明该钢筋弯曲机完全符合设计要求。 关键词：钢筋弯曲机；钢筋矫直机构；钢筋卸料机构；自动化A Structure Design of Numerical Control Bending MachineAbstractRebar bending machine is essential for construction machinery, can effectively improve the production efficiency, reduce the workers labor intensity and improve the bending precision.Thisarticle rebar bending machine is suitable for the design of bending 4-12 mm reinforcement.Compared with the practical application of all kinds of steel bar bending machine, this machine has one big characteristic wicth is able to bend steel of long bar,and solve the problem that most bending machine cant make clamping, feeding and bending a continuous operation.First through straightening device for wire rod steel bar straightening and then bending device for steel bar bending ,and steel cutting device cut it to meet a certain length,at last,steel unloading device unload steel bar bent. The angle is realized by PLC wicth controlling the step motor , automatically.In this paper, the V belt wheel, shaft and some key parts are designed and calculated, and the shaft, key and key components such as the mechanics analysis and calculation and strength check, show that the rebar bending machine fully meet the design requirements.Keywords: Rebar bending machine, Rebar straightening mechanism , Rebar unloading mechanism , Automation1目录中文摘要1英文摘要21 绪论11.1 综述11.2 折弯机的发展和研究情况11.2.1 折弯机的国内外发展状况11.3 课题背景31.4 研究设计内容31.5 研究设计路线32 方案的确定42.1钢筋弯曲机的组成42.2 钢筋的送料机构42.3钢筋的矫直机构42.3.1 矫直机的工作原理52.3.2 矫直机构的结构示意52.4钢筋弯曲机工作原理6 2.4.1钢筋弯曲的角度控制.72.5钢筋切断机构82.5.1钢筋切断原理82.6钢筋弯曲机整体布局93 电动机的选择103.1 矫直部分电机的选择113.1.1钢筋受力情况分析113.1.2 矫直电机的确定123.2 送料部分电机的选择133.3 钢筋弯曲部分电机的选择133.3.1钢筋弯曲受力情况与计算有关的几何尺寸133.3.2弯曲12钢筋所需弯矩133.3.3弯曲电动机的选择153.4切断电机的选择163.4.1切断钢筋时受力分析163.4.2 功率计算163.4.3切断电机的选择174 确定传动比和参数184.1传动比的分配184.1.1矫直部分传动比的分配184.1.2切断部分传动比的分配195 V带传动的设计206 轴的设计校核226.1 轴的设计226.1.1参数确定226.1.2求作用在带轮上的力226.1.3初步确定轴的最小直径226.1.4轴的结构设计236.2 轴的校核236.2.1 按当量弯矩法校核236.2.2 轴的刚度计算267 弯曲电机轴上键的校核277.1 平键的选择277.2验算键的挤压强度278 滑块的设计298.1滑块设计需要考虑的因素298.2 滑块设计309 支撑箱体的设计309.1箱体设计需要考虑的因素309.2 箱体设计图3010 总结31致谢32参考文献33毕业设计（论文）知识产权声明34毕业设计（论文）独创性声明35需要论文全本以及CAD图纸、零件三维图、翻译、文献，请加QQ757032980（图纸折合3张A0有余）21 绪论1.1 综述 建筑业是我国国民经济发展的支柱产业，建筑用钢材是建筑工程用基础材料之一，对建筑业的发展起着举足轻重的作用。我国土木工程、房屋建筑都是以钢筋混凝土结构作为基本结构形式。据估计，全国每年用于混凝土结构的配筋，包括预应力钢筋和非预应力钢筋，总重量超过了5000万吨。钢筋是混凝土结构中的关键材料，其强度等级直接影响建筑工程质量和安全。我国正大力发展城市化建设,各种土木工程及高楼的建设耗费了大量的钢筋，其中对钢筋的弯箍加工的效率和质量是最棘手的问题之一。钢箍使用量非常大,且形状和尺寸的要求也比较多，尺寸精度要求高，加工起来费时费力。钢筋加工过程中，加工成型被认为是最耗时间的部分。若无法及时地完成钢筋加工，那么一切建筑工程无法进行。在传统的手工加工过程中，大把时间花费在更换各种型号、各种直径钢筋上，这种加工方式不仅浪费大量的人力、物力，而且还成为钢筋加工工业中的瓶颈，极大地降低了钢筋制品的生产效率。 随着工业生产的发展，对于钢筋的需求增大，对于钢筋的形状的要求增多。不过，钢筋弯曲机的出现解决了这个问题。钢筋弯曲机能将钢筋加工成各种满足工业生产需求的形状。如今钢筋弯曲机是建筑工地必不可少的机械，如何更有效提高机械生产效率、减轻人工劳动强度、提高弯曲加工过程自动化程度、提高加工精度一直是钢筋弯曲机研发者所关注的问题。自从钢筋弯曲机出现后，其发展非常迅猛。从最初的小型液压式半自动、机械式半自动弯曲机到目前的大型多轴全自动数控弯曲机。就建筑业普遍采用的数控型半自动弯曲机来说，该弯曲机有如下特点：首先，机电一体化程度较高，加工效率相对较高。其次，维护管理比较简单。再次，由于采用微机控制，针对不同直径钢筋的弯曲方式的切换及加工角度改变一可由软件实现，自动化程度得了很大的提高。不过，其缺点也很明显：首先，上料仍然采用人工方式，卸料同样由工人完成。这导致了整个加工过程仍然费时间。这就需要自动化程度更高的弯曲机，但是成本相对较高。1.2 弯曲机的研究和发展情况1.2.1 弯曲机的国内外发展状况 数控弯曲机在国外相当普遍，例如瑞典Pulhnax公司的Ursviken分部年产约200台弯曲机，其中九成以上带有数控系统。该公司开发的一种弯曲机具有伺服控制系统;“双工作基准面”可以补偿折弯过程中机身的形变，重复精度高达0.01mm;高性能的多轴控制可使弯曲机实现有效控制;悬浮结构和液压模具夹紧装置可实现模具的自动快速切换，并装有板料测厚装置，可以检查折弯工件的厚度变化是否在折弯工艺的允许范围之内。 Amada公司从60年代中期引进了法国Promecam公司的下动式弯曲机生产技术以来，一直致力于下动式弯曲机的生产和改进，在80年代中期开发了FINE&BENDER系列精密下动式弯曲机。该弯曲机采用平行加压技术，在不同外载荷和不同折弯长度时能使上横梁和下滑块产生相同的均匀变形，并采用2组或者3组滚轮用于导向，提高了抗偏载的能力。 LVD公司是国外规模最大的弯曲机制造商之一。旗下MMC8500和MNC9000数控系统采用了CAD/CAM技术，开发了一套专用三维软件，使对钢筋的折弯加工完全实现了自动化。将待弯曲工件参数输入系统后，系统便能自动计算出折弯工序所需的所有数据，确定专门的控制程序，发送指令操纵计算机系统实施折弯加工。Hammerle公司于70年代中期研制了一种结构独特的三点式弯曲机，在弯曲工艺和机体结构上都有不少的创新和突破。如今，该公司所生产的弯曲机除了仍然具有三点式弯曲模具、滑块液压垫等特色机构之外，两个油缸各自采用比例阀和光栅尺构成了闭环控制系统，实现对滑块速度、压力、位置的精确控制，同步精度达到0.005mm。FASTI公司研制的904-125130型弯曲机，其折弯力为1230kN，工作台长度为3050mm。两个油缸分别用比例阀和光栅尺构成闭环控制系统，实现对滑块速度、压力、位置和同步的精确控制。小松产机株式会社出品的的PHS系列弯曲机折弯力为500kN至2000kN。该弯曲机工作台最大长度为4000mm，共有13种规格。此系列弯曲机采用伸长抵消机构，依靠其独特的构造抵消负荷及油温的变化而引起的机架开口变形量，使深度位置保持一定。因配有角度控制器，可简单的调整全长角度。配有3D CAD/CAM系统，可自动计算弯曲工序并可在屏幕上同时显示8道工序的折弯形状。村田公司研制的的HPB - 8525A型弯曲机，折弯力为850kN，工作台长度为2500mm。该型号弯曲机采用传统的扭轴实现滑块同步，传动装置涡轮蜗杆装在油缸的下盖中，转动螺母套，螺杆套会上下移动，用来控制活塞的下死点位置。说到国内弯曲机的发展情况，总体而言，我国的钢筋加工机械的技术水平总体上相比国外比较落后，所能加工的钢筋等产品，品种规格少、结构形式相对传统、自动化程度和制造精度较低，国际竞争能力弱。由于传统的弯曲加工方法达不到加工精度和通用型的要求，基于绕弯工艺的弯曲机逐渐成为了最通用的钢筋弯曲加工解决方案。我国钢筋弯曲机的发展从70年代开始起步，初期生产一些简易的弯曲装置，结构形式为机械传动辅以手动操作。在80年代初形成一定的规模，其中以GW-40A型钢筋弯曲机为代表。GW-40A传动部分采用蜗轮蜗杆，通过齿轮变速箱调节弯曲速度，弯曲机构由机体台面上的带有插入孔的工作圆盘、拨叉、中柱和档料架等组成，利用可逆转换开关，通过手动按钮直接控制电动机的开启来进行弯曲、停止及换向动作，弯曲角度的精度依靠操作工人的技术水平和经验保证，因此工人的劳动强度比较大。弯曲机可以对钢筋进行不同弯曲角度的弯曲加工，功能性、通用性有了一定的提高，但同一种弯曲件只能加工一种弯曲角度，加工精度、自动化水平仍比较低。随着计算机技术的快速发展，其应用已经广泛地渗透并影响着社会生产和社会生活，并在全球形成了一场新的技术革命。数控系统便是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用。它集计算机、微电子、机械加工和自动控制等多项技术于一体，是近年来发展十分迅速的一项高新技术。随着数控技术的发展和在生产过程中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性的变化。数控技术应用于各种建筑机械当中，同时也制造出了数控弯曲机。数控技术应用于弯曲机上使加工精度和速度提高，生产效率大幅度增长，加工质量得到极大完善，并实现了人工很难做到的对各种复杂弯曲条件的自动加工。最近几年钢筋弯曲机也是在全速的发展，各项投入都在增加。1.3 课题背景 目前，在路桥、楼宇、地铁等建筑过程中，需大量使用具有一定几何形状及尺寸的钢型材。但是目前大多数钢型材的折弯工作仍然依靠工人手工完成。为了提高生产效率，降低生产成本，提高折弯钢筋的加工质量，本课题拟对数控钢筋弯曲机进行结构设计，以满足建筑钢型材的生产加工要求。课题要求在系统分析市场现有各类弯曲设备的基础上，通过弯曲机构功能分析，研究数控弯曲机的工作原理，分析设计弯曲机的机械结构，使其能够满足钢型材的折弯要求。通过本课题的设计，锻炼学生应用专业知识解决实际问题的能力，并培养其创新思维的能力。 1.4 研究设计内容 本课题研究的钢筋自动弯曲机拟采用数控驱动方式，能够自动实现钢筋的矩形、圆形折弯。设计内容包括：折弯模具的手动调整、自动折弯工序的设计与实现、自动卸料装置的设计及其辅助系统的设计。 技术要求：加工钢型材的类型：级螺纹钢、圆钢（Q235-A）；弯曲钢筋直径范围：4-12mm; 工作圆盘直径：400mm; 驱动电机功率：7.5KW。1.5 研究设计路线调查研究完成开题报告确定总体方案钢筋弯曲机整体方案的设计确定组成部分的具体方案动力设备选型计算各部分的动力传动装置设计绘制钢筋弯曲机的总装配图及零件图撰写设计论文。32方案的确定2.1钢筋弯曲机的组成为了运输方便，建筑用钢筋大部分都是以盘条的形式存放，要实现钢筋的弯曲，首先要对钢筋进行矫直。本设计直接对盘条钢筋进行送料并矫直、弯曲到既定形状后直接切断并下料，整个过程连续。综上，该钢筋弯曲机设计由四部分组成：钢筋的送料机构、钢筋的矫直机构、钢筋的弯曲机构、钢筋的切断下料机构。2.2 钢筋的送料机构送料作为对盘条状钢筋加工最初始的工序，也是数控钢筋弯曲机必不可少的一部分。本设计采用一组传动辊对钢筋进行压紧并递送。这组传动辊经皮带轮由电动机提供转动动力，下方的辊作为主动轮，上方的辊作为压紧轮，压紧力通过滑块和压紧螺丝调节。如图2.1图2.1 钢筋送料机构2.3钢筋的矫直机构矫直作为钢筋弯曲加工的前部工序，矫直机构也是数控钢筋弯曲机必不可少的一部分。按结构可分为辊式矫直机、滚筒矫直机、管棒材矫直机、压力矫直机、拉伸矫直机、拉伸弯曲矫直机等。现今矫直设备品类众多，规格也是各不相同。按工作原理可划分为五类：第一类为旋转弯曲式矫直机，使工件在塑性弯曲状态下以旋转变形方式从大的等弯矩区向小的等弯矩区过渡，在走出塑性区时变直。可以是工件旋转，可以是矫直工具旋转，也可以是变形方位旋转。如生产中常见的斜辊矫直机、平动式矫直机。第二类称为反复弯曲式矫直机，如辊式矫直机及压力矫直机，依靠压头或辊子在同一平面内对工件进行反复压弯并逐渐减小压弯量，直到压弯量与弹复量相等而变直。第三类称为拉弯矫直机，它是把弯曲与拉伸变形结合起来，使得工件全截面的拉伸变形以及两个表层较大的拉伸变形这三者不在同一时间发生，全断面各层纤维的弹复变形也不在同一时间发生。这样既防止了板带的断裂，又提高了矫直质量。第四类称为拉坯矫直装置，它的拉力主要是为了克服外部阻力，在拉动连铸坯下行的同时使铸坯的弧形弯曲渐伸变直。第五类是拉伸矫直机，它依靠拉伸变形把原来长短不一的纵向纤维拉成等长度并进入塑性变形后经卸载以及弹复而变直，如连续拉伸矫直机以及钳式拉伸矫直机。2.3.1 矫直机的工作原理本矫直机采用塑性拉弯矫直理论。钢筋在轧制以及平整工序中内部产生不均匀的应力，当其应力值达到一定值时，会造成形状的瓢曲或浪形，该拉弯矫直机正利用了内应力的存在来改善钢筋形状。待矫平的钢筋在张力辊组施加的张力的作用下，连续经过上下交替布置的多组小直径的弯曲辊的剧烈弯曲，如图2.2。各条不均匀的纵向纤维长度在拉伸和弯曲的合作用下，沿长度方向上产生了不同程度的塑性延伸。拉伸弯曲矫直技术使各条纵向纤维的长度趋向于一致。图2.2 矫直部分原理 。2.3.2 矫直机构的结构示意 如图2.3所示，该矫直机构由铅直矫直辊系、水平矫直辊系以及夹送辊等三部分组成。电动机通过带轮带动减速器减速后带动夹送辊为钢筋矫直提供动力。其铅直矫直部分所用箱体结构为如下图2.4所示图2.3 矫直机构示意 图2.4 矫直部分箱体结构2.4钢筋弯曲机工作原理钢筋弯曲机工作原理为：电动机所提供的动力，经过齿轮减速机构传递给工作圆盘，从而带动工作盘转动。钢筋的弯曲加工就在工作圆盘上实现。工作盘上装有两根轴，分为芯轴和弯曲轴，轴上通过套上不同厚度的套筒以改变两轴之间的间距，方便弯曲不同直径的钢筋。当工作盘转动时，芯轴和弯曲轴都在转动，由于芯轴在转动中心上，即使圆盘转动，芯轴位置却并未改变。此时，弯曲轴就可以绕芯轴做圆弧运动。此时将钢筋插入工作圆盘中的芯轴和弯曲轴之间就可以将钢筋弯曲成型了。通过控制弯曲轴的转动角度就可以控制钢筋的加工角度。当弯曲不同直径的钢筋时，只需将工作圆盘上的芯轴和弯曲轴的套筒更换即可。例如，当弯曲细钢筋时，芯轴和弯曲轴上的轴套都换成粗直径的即可，但注意轴套的大小也要合适。当弯曲粗直径的钢筋时，芯轴换成细直径的，轴换成稍细直径的，更换时要考虑钢筋弯曲的角度和最小钢筋直径。而弯曲段的长度则由电机控制并将信号由编码器反馈给控制器实现控制，弯曲结束后利用切断装置切断.其原理图如图2.5所示图2.5 弯曲工作原理钢筋弯曲时受力示意图如图2.6所示图2.6 弯曲部分工作示意图1 压弯销轴 2钢筋 3中心销轴 4工作圆盘 5支撑挡销2.4.1钢筋弯曲的角度控制初步设计钢筋弯曲机的工作盘尺寸为： 直径,，, 。 开始弯曲钢筋时，弯曲轴相对中心轴在竖直方向，因此，当弯曲轴转动到接触钢筋时，弯曲轴已经走过。弯曲轴转动的角度总比钢筋弯曲角度大。本设计需要对钢筋做矩形弯曲，所以，当对钢筋弯曲时，弯曲轴从初使位置转动。以此类推，当需要弯曲时，弯曲轴转动。 2.5钢筋切断机构2.5.1钢筋切断原理钢机切断机构的组成：电动机、传动系统、蓄势装置、减速机构、曲轴连杆机构、机体以及切断刀。可用于切断440mm普通碳素钢筋。原理图如图2.6所示图2.6 钢筋切断原理工作原理：电动机动力经过V带轮驱动飞轮轴、圆柱齿轮减速器带动偏心轴旋转。在偏心轴上装有连杆，连杆经过销轴与动刀块连接，推动动刀块做往复运动切断钢筋。动刀块通过轴支撑安装在在机体上。2.6钢筋弯曲机整体布局 钢筋弯曲机整体布局见图2.7需要论文全本以及CAD图纸、零件三维图、翻译、文献，请加QQ7570329809图2.7 钢筋弯曲机整体布局3 电动机的选择生产单位一般用三相交流电源，如无特殊要求，一般选用交流电动机。交流电动机有异步和同步电动机两类。异步电机分为有笼型和绕线型，其中普通笼型异步电动机应用最多。我国Y系列三相笼型异步电动机属于一般用途的全封闭自扇冷电动机，结构简单、工作可靠，价格低廉、维护方便，适用于普通机械和无特殊要求机械上，由于气动性能较好，也适用于某些要求启动转矩较高的机械。目前，各种数控机床采用的动力主要有:步进电机，电液伺服马达及伺服电机，三相异步电机。（a）步进电机优点：步进电机相对普通电机来说，他可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。但是步进电机不适合使用在长时间同方向运转的情况，容易烧坏产品，即使用时通常都是短距离频繁动作较佳。 相对伺服电机来说，伺服电机内部通过安装旋转编码器实现了反馈控制，伺服电机可以达到的转矩要高于步进电机，但是价格相对也高，所以在转矩能满足的情况下，推荐用步进电机。 步进电机配合驱动器使用，很多驱动器都支持细分功能，即实现很小的步进角，控制更精确。(b)伺服电机与电液伺服马达的比较:伺服电机又称为执行电机，具有服从控制信号要求而动作的职能，信号到来之前转子静止不动，信号到来之后转子立即转动，信号消失转子立即停止转动。将输入的电压信号变换为轴上的角速度或角位移输出，转轴的转向和转速则随信号电压的方向和大小而定，并能带动一定大小的负载，在自动控制系统中作为执行元件。华中理工大学新型电机厂生产的三相交流永磁同步伺服电机(STZ系列)130机座号有4Nm、5Nm、6Nm、7。5Nm、10Nm、15Nm;175机座号有18Nm、27Nm、36Nm、45Nm、54Nm。电机采用高工作温度、高磁能积的永磁材料，气隙磁场为正弦波，电机运行不仅输出功率大，而且低速运行平稳。电机可装光电编码器，亦可装旋转变压器，也可装失电制动器。我们采用的是130STZ15一2型，它的额定功率为3.4千瓦，额定转速是2500rpm。目前国外生产的钢筋自动成型加工机采用的原动力为电液步进马达，它属于增量式数字控制的电液伺服元件，通常由步进电机和控制阀接受数字电路发出的脉冲序列信号，进行信号的转换和功率放大，从而驱动液压马达输出功率信号。电液步进马达的输出为输入脉冲数成比例的角位移，或与输入脉冲频率成比例的角速度。用电液步进马达进行直线的数字位移或速度控制时，必须通过齿轮和滚珠轮旋转运动变成直线运动，从而使传动装置结构变得很复杂，且传动部件的间隙及结构柔度还会降低控制精度。它主要由步进电机和液压转矩放大器组成(直接反馈式液压伺服机构)，输入脉冲时，减速齿轮带动阀芯旋转，液压马达不动，阀口开启，压力油经滑阀的阀口进入液压马达，马达旋转，反馈螺母又使阀芯返回零位，使液压马达停止旋转。如果连续输入脉冲，则马达以一定的速度旋转;改变输入脉冲的频率就可改变其转速。从以上分析可以看出:电液伺服马达主要组成部分为步进电机及液压马达。实际工作中，通过步进电机对液压马达进行控制，步进电机将数控电路输入的电脉冲信号转换成角位移并经功率放大器后由减速齿轮带动滑阀的阀芯旋转，达到对液压马达的控制。而伺服电机直接将数控电路中的电压信号转化为轴上的角位移输出，简化了控制过程，使得故障率大大减少，同时控制精度得到了很大提高。动力源是保证系统稳定运行的前提，选择动力主要依据是否能满足数控钢筋成型机的功率要求及是否易于完成控制任务。随着电动机控制技术的发展和大功率电子器件的出现，步进电动机的功率和控制问题都得到很好的解决。由于钢筋加工需要很大的作用力，因此在最初的设计过程中，动力的选择成为最重视的问题。根据所设计钢筋自动成型加工机的高频率，大负荷，作时间长的特点，结合上述几种动力的优缺点，最终采用步进电机作为动力。要求使用的步进电机功率相对较大，而目前国内大多数厂家只生产小功率的步进电机，为了寻找到所需的电机，通过大量的调研工作，最后找到需要的电机，它们是130BYG系列三相步进电动机非常适合钢筋自动成型加工机的使用。这种电动机具有输出功率大，驱动系统的安全性高等特点。3.1 矫直部分电机的选择3.1.1钢筋受力情况分析 矫直过程中，受到辊子的作用以及牵引轮的拉伸作用，此时钢筋受力如图3.1所示。图3.1 钢筋的受力分析