（机械制造及其自动化专业论文）螺旋箍筋成形机系统设计.pdf

中文摘要 在建筑施工中，混凝土立柱对于建筑结构的稳定性起到了至关重要的作用。 传统立柱的成形是将普通筋箍捆扎在立筋上，然后向其中浇注混凝土。这种工艺 存在施工时间长，结点区域不稳定等缺点。新型螺旋连续箍筋结构克服了普通筋 箍存在的问题，具有显著的技术优势，将在重要建筑工程中获得广泛的应用。基 于此，本文对螺旋箍筋成形机进行了研究，以期满足工程上的实际需要。 本文根据螺旋箍筋成形工艺的特点及实际需要，对螺旋箍筋成形机总体方案 进行了分析研究，着重对弯曲机头和螺旋箍筋承接装置进行了方案设计：在此基 础上，利用有限元数值模拟方法，分析了螺旋箍筋弯曲成形加工过程，获得了螺 旋箍筋成形加工力、能参数，并验证了承接装置的有效性；依据螺旋箍筋成形过 程及成形机机械结构，设计了螺旋箍成形机控制系统。结果表明，该螺旋箍筋成 形机能够完成螺旋箍筋的连续弯曲成形，克服传统螺旋箍筋分散加工的缺点，提 高加工效率和精度，从而满足工程实际要求。 关键词：螺旋箍筋弯曲控制d e f o r m 仿真 a b s t r a c t i nt i ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n ，c o n c 屯t ec o l u m np l a y sa l li m p o r t a n tr o l e i nt h e s 协b i l 耐o fb u i l d i n gs t r u c t u r e t h et r a d i t i o n a lm e t h o do ff o r m i n g c o n c r e t ec o l u m n1 s t y i n go r d i n a r yh o o p so nt h es t u da n dc o n c r e t i n g t h i st e c h n i q u e h a ss o m ew e a k n e s s s u c ha sl o n gt i m ee o n s t r u c t i o n ，u n s t e a d yj o i n td i s t r i c ta n d s oo n s p i r a lh o o pw i l lh a v e ag o o dp r o s p e s to fa p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t so b v i o u sa d v a n t a g e s a c c o r d i n gt 0t h em e t h o do fp r o c e s s i n go r d i n a lh o o p sa n d t h ef e a t u r e so fs p i r a l h o o p ，w ea n a l y z ea n dc o m p a r es o m ed i f f e r e n td e s i g np r o p o s a l s h e r ew em a i n l y i n t r o d u c et h eb e n d i n gm a c h i n ea n dt h ec o l l e c t i o nd e v i c e t h e n ，w es e tu pa v i r t u a i s vs _ c c mw i t hd e f o r mt os i m u l a t et h ep r o c e s so ff o r m i n g t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ， w ec 觚g e tt h em e c h a n i c a lp a r a m e t e ra n dv c r t i f yt h ea v a i l a b i l i t yo f c o l l e c t i o nd e v i c e f i n a i i v w ei n t r o d u c et h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e mo f t h es p i r a lh o o pf o r m i n gm a c h i r e t h ec o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h em a c h i n e c a l lf i n i s ht h ew h o l ef o r m i n gt e c h n o l o g y i t s 0 1 v e sn l ew e a _ i ( i l e s so fd i s p e r s i o np r o c e s s i n g ，r a i s e se f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no f p r o c e s s i n g t h u si tc a n s a t i s f yt h ea c t u a lp r o j e c tr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：s p i r a lh o o p ，b e n d i n g ，c o n t r o l ，d e f o r m ，s i m u i g i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：于) 胡刮 签字日期：即7 年多月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：了嗍叫 签字日期：珈7 年，6 月jg 日 导师签名芗 槲”7 年多月驴日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 螺旋箍筋的应用技术是建设部在“九五 期间大力推广应用的十项新技术之 一【l 】，在工业与民用建筑结构中有着广泛的应用前景。这一技术既有利于提高结 构的抗震性能，又可节省工耗、钢材或砼，还很好地解决了抗震框架柱节点区箍 筋不便施工的难题。螺旋箍筋应用的技术瓶颈之一是螺旋箍筋的高效、精确成形 工艺及其装备，这已成为螺旋箍筋推广应用的当务之急【2 1 。 1 2 螺旋箍筋简介 1 2 1 螺旋箍筋的工作性能和特点 普通复合箍筋柱和螺旋复合箍筋柱，都是使用箍筋约束砼。普通箍筋是不连 续的，每一圈都有锚固弯勾。柱子在承受如地震力的反复作用，并发生较大变形 后，常因砼破裂，箍筋末端崩开，失去对砼的约束作用，也失去了箍筋的抗剪承 载能力。而螺旋箍筋则是连续的，不存在箍筋末端崩开的问题，吸收能量及耐变 形的能力更大l j j 。 在建筑结构的抗震设计中，控制柱子的压轴比是保证乃至整个结构具有足够 延性的重要措施之一。在一些较大型的工程，许多受力柱的截面尺寸常常都是由 压轴比( p = 4 尼) 控制的，框架柱加密区箍筋的配箍量又常常是由建筑抗 震设计规范中规定的最小体积配箍率( 只。妯) 控制的。一般来说，较高压轴比的 柱应配置较多的箍筋来改善其延性性能，而在相同的延性要求下，螺旋箍筋的配 箍量，显著低于普通矩形箍筋的配箍量。反之，若在相同的延性要求和配箍量的 前提下，配置螺旋箍筋柱子的压轴比限值，可大于配置普通箍筋柱子的压轴比限 制，从而可在一定程度上，减小柱子的截面尺寸。 螺旋箍筋应用，显著改善的砼柱强度、韧性，此外，在实际施工中，螺旋箍 筋还有着独特的优点。首先是制作快捷。便于采用专用机械连续生产，尺寸一致 性好、精度高，劳动强度低；其次是节省钢材。螺旋箍筋无需弯勾，据测算，弯 勾所耗钢筋约占普通复合箍筋用钢总量的2 0 左右；第三是方便施工。多年来框 架柱节点区柱子箍筋的施工，一直是困扰施工人员的难题，常因节点区钢筋密集， 1 第一章绪论 普通复合箍筋难以到位，而采用开口箍对焊等措施，增加了劳动强度，还难以保 证质量，有时甚至会出现少放或漏放的现象，给工程带来隐患，而螺旋箍筋有其 固有的特性，给抗震框架节点区的施工带来了便利【。 表1 1 配箍用钢量对比( 相同截面尺寸和压轴比情况下) 太 截面尺寸 ( m i n xm m ) 压轴力压轴比 p ，岫理论值 理论用钢量弯勾 ( 埘)p n ( 实际值)( 实际用钢量)用钢量 箍筋形式 1 0 3 0 2 9 k g m6 5 5 k g 普通复合箍6 0 0 6 0 04 5 0 0o 8 3 ( 1 1 ) ( 3 2 6 1 k g m ) m 0 8 1 9 k g m 复合螺旋箍筋 6 0 0 6 0 0 4 5 0 0o 8 3o ( 0 引6 ) r 1 9 4 k g m ) 工程中常用的柱截面形式有矩形柱、方形柱和圆形柱，这三种柱形均可以采 用螺旋箍筋( 采用内箍和外箍均为螺旋式的复合螺旋箍筋) 。除圆形柱外，一般 外箍为矩形或方形螺旋箍筋，内箍可为圆形螺旋箍筋或菱形螺旋箍筋。矩形柱还 可以采用井字形、四边形复合螺旋箍筋。采用螺旋形式以双斜式为好，但也可采 用单斜式以方便施工。 螺旋箍筋柱的经济性是极其明显的，现以一算例掷箍筋来加以说明。以普 通框架长柱，抗震等级为三级。柱低轴压力组合设计值为4 5 0 0 k n ，截面尺寸为 6 0 0 x 6 0 0 ，c 3 0 砼，疋= 1 5 n m m 2 箍筋采用i 级钢筋，f ，= 2 1 0 n m m 2 ，其压 轴比p = 0 8 3 (1 h鞫 hh j 孝皂2 。_ 习 )( i(1 i ) j( )( l 带轮咖9 8 hh h1 4 每亏 1 ( 1 ) j ，牯。邕l h hhz 一5 l 、z t - l i _ 一 、 、 、蔓繁咝塾 第二章螺旋箍筋成形机方案设计 式中，搅油及溅油效率，它与装油量、回转件转速和浸油深度等有关取 0 9 6 ； 编：轴承效率，在此不计功率损失； 仉，蜗轮螺旋副啮合效率。 当蜗杆主动时， 仇3 = t a n ，y t a n ( , , + 风) ( 2 - 3 ) 式中，1 分度圆柱导程角； j d ，啮合摩擦角，由啮合摩擦系数p 确定，即p ，= t a n 叫p 。 大多数生产厂家的蜗杆采用4 5 。钢，蜗轮采用灰铸铁( 或球铁) ，而导程角在 1 2 。左右，蜗杆的分度圆直径d = 7 6 m m 左右，其蜗轮蜗杆表面的滑动速度 u = r c x d x n ( 6 x 1 0 4 ) ，代入相关参数计算得v 0 5 9 8 m s 。 根据文献【1 1 】表2 3 5 - 1 4 有风5 4 3 i , 仇3 = t a n l 2 。t a n ( 1 2 。+ 5 。4 3 7 ) 0 6 6 。故 = 0 9 6 x 0 6 6 = 0 6 3 9 ，即叼= 0 9 8 x 0 9 8 x 0 6 3 9 = 0 6 1 。 对于齿轮传动方案，其传动效率为： 77=研仍仍(2-4) 式中，r i ，仍，分别为第1 ，2 ，3 级齿轮传动的效率，均取为0 9 8 。 则町= o 9 4 。 由上述计算可知，蜗轮蜗杆传动方案的效率仅为全齿轮传动的6 5 。实际上， 如果计入带传动、支撑轴承的功率损失，蜗轮蜗杆传动的弯曲机效率将在5 0 以下，远低于齿轮传动方案。 此外，带传动在带与带轮接触面间有滑动，不能保证准确的传动比。 提高传动效率和保证传动比准确性是钢筋弯曲机传动系统设计需要解决的 关键问题之一。 2 5 3 钢筋剪断方案 弯曲机前端的钢筋剪断机的位置，或者能否将弯曲机和剪断机一体化集成， 也是需要考虑的问题。 钢筋剪断机在弯曲机前端放置有两种方式：近切和远切。采用远切方案时， 无需特别设计剪断机的结构，但占地空间较大，同时存在完成一组螺旋箍成形剪 断后，后续钢筋的衔接问题；采用近切设计方案时，则节省占地空间，也不存在 后续钢筋的衔接问题，但是结构上需要特别设计。 基于上述考虑，钢筋剪断方案采用近切方式，剪刀头位于出料口处，采用液 压驱动剪刀头动作。如图2 - 6 所示。 第二章螺旋箍筋成形机方案设计 2 5 4 钢筋弯曲机设计方案 基于上述分析，钢筋弯曲机方案设计关键在于解决如下问题，即弯曲机传动 类型的选择、弯曲机和前端的剪断机之间相对位置及剪断和弯曲功能集成。 ( 1 ) 弯曲传动方案的选择。由于带传动和蜗轮蜗杆传动自身传动效率较低 的缺陷，我们采用伺服电机配合锥齿轮传动的传动方式。这种传动方式能够提高 传动效率，同时由于采用伺服电机驱动，可以控制行程速度和空载速度，提高弯 曲速度，同时能够获得较高的控制精度。 ( 2 ) 剪断和弯曲功能一体化集成。将弯曲机与前端的剪断机集成为一体， 使得该弯曲机同时具有弯曲和剪断功能，从而节省空间，提高加工效率。这里我 们采用液压驱动的方式控制剪刀头的动作。当钢筋弯曲结束后，剪刀头动作将钢 筋剪断。 钢筋弯曲机设计方案如图2 - 6 所示。 剪刀头 电机 图2 - 6 弯曲机示意图 2 5 5 弯曲机力能参数 ( 1 ) 材料达到屈服极限时的始弯矩 拨料柱 柱套 导向柱 液压缸 第二章螺旋箍筋成形机方案设计 按掷钢筋公称直径计算 m o = k w c r 。 ( 2 5 ) 式中，心始弯矩； 形瑚弯截面模数，对圆截面矽= 7 耐3 3 2 ； 蜀截面系数，对圆截面k = 1 7 。 对于q 2 3 5 钢筋吒= 2 3 5 m p a ，则得出始弯矩 m o = 1 t x 讥- x 8 3x 2 3 5 3 2 = 2 0 n - i t i ( 2 ) 钢筋变形硬化后的终弯矩 钢筋在塑性变形阶段出现变形硬化( 强化) ，产生变形硬化后的终弯矩： m = ( k + k 2 足) 矿吼 ( 2 6 ) 式中，瓦目对强化系数，k o = 2 1 6 。= 2 i 0 2 6 = 8 ； 6 。延伸率，q 2 3 5 的6 ，= 2 6 ； r ，相对直径，r ，= r d ，r 为弯心直径，r = 3 d ； 则得出终弯矩【4 j m = ( 1 7 + 8 6 ) x t r x 8 3 3 2 x 2 3 5 = 3 5 8 n n l ( 3 ) 钢筋弯曲所需弯矩【1 2 】 m 7 = 【( m o + m ) 2 k = ( 2 0 + 3 5 8 ) 2 x 1 0 5 = 2 9 3 n m 式中，k 弯曲时的滚动摩擦系数，k = i 0 5 。 按上述计算方法同样可以得出西1 2 钢筋弯曲所需弯矩： m r = 【( 6 8 + 1 2 1 ) 2 x 1 0 5 = 6 3 5 n m 取此较大者作为以下计算依据。 ( 4 ) 电机功率 由功率扭矩关系公式 4 = t n 9 5 5 0 = 6 3 5 x 4 9 5 5 0 = - 0 0 2 7 k w 式中，以输出功率； 船主轴转速，n = 4 r p m ； 7 丁主轴传递的扭矩，t = m ，= 6 3 5n r l l 。 考虑到传动部分机械效率叼0 9 6 ，则电机最大负载功率 a = 4 r l = 0 0 3 0 9 6 = 0 0 3 k w 故选用额定功率为1 5 k w 的电机。 2 6 螺旋箍筋承接装置方案设计 由于螺旋箍筋形状和尺寸的多样性，螺旋箍筋承接装置应具有如下功能： 第二章螺旋箍筋成形机方案设计 ( 1 ) 它能够承接已经弯曲成形的钢筋； ( 2 ) 它能够完成不同规格尺寸形状的螺旋箍筋的承接任务。 这里我们对两种不同的承接方式进行分析比较。如图2 7 所示，为下承接方 式。采用这种承接方式，其承接装置的前端机器将一同放置在二层的支撑架上， 承接装置位于一层的弯曲机的下面。该承接装置主要由承接器底座、导向柱、轴、 压油罐、齿轮、托料盘等组成。其中，托料盘用来承接已弯曲成形的钢筋，轴和 导向柱起到定位和支撑作用，压油罐配合柱塞调节托料盘的高度，电机带动齿轮 控制托料盘的旋转运动。该承接装置总高度大约为1 7 5 0 m m ，最大长度和宽度分 别为2 0 0 0 r a m 和1 3 2 0 m m 。 工作时，。先人工调整承接装置的位置，使其位于已弯曲成形钢筋的下方，同 时调整托料盘的高度。随着已弯曲成形的钢筋段数的增加，托料盘在齿轮的带动 下随着钢筋的动作而动作，同时调节压油罐控制柱塞的高度，保证已弯曲成形钢 筋下落的顺畅性。 柱塞 导向柱 图2 7 螺旋箍筋下承接方案 另一种承接方式为上承接方式，如图2 8 所示。采用这种承接方式，承接装 置和前端机器将布置在同一平面上。该承接装置主要由底座、承接梁、承接台等 组成。其中，底座起支撑作用，承接粱和承接台完成螺旋箍筋的承接任务。承接 梁的位置可根据不同尺寸的螺旋箍筋进行调整。该承接装置的总高度为1 5 0 m m ， 长度和宽度分别为3 1 0 0 m m ，2 0 0 0 m m 。 工作时，已弯曲成形的钢筋在底座上运动，当钢筋的前端接触到承接台时， 第二章螺旋箍筋成形机方案设计 将沿着承接台的斜坡爬上承接台的顶平面，随着弯曲和送迸的进行，已经位于承 接台顶平面的钢筋将和承接梁相接触，从而完成螺旋箍筋的承接任务。 承接 l jljl j ， j lj lj 广1广广。1广广 图2 - 8 螺旋箍筋上承接方案 梁 由以上两种承接装置机械结构和工作过程的分析，可知： ( 1 )占地空间上，采用下承接方式时，弯曲机等前端机器都位于二层平 台上，而且承接装置自身比较高，所以整个螺旋箍筋成形机的占地空间比较大； 采用上承接方式时，承接装置位于弯曲机的上部，无需二层平台，节省空间。 ( 2 ) 机械结构上，下承接方式的机械结构比较复杂，包括齿轮传动，液 压驱动等；上承接方式的机械结构相对比较简单。 ( 3 ) 采用下承接方式时，承接装置要随着钢筋的动作而动作，同时托料 盘要进行旋转运动，柱塞要进行上下运动，控制复杂，需要协调好它们之间的运 动关系；采用上承接方式时，钢筋通过承接装置的结构完成承接任务，无需任何 控制。 ( 4 ) 经济性上，明显采用上承接方式的制造成本低于下承接方式的制造 第二章螺旋箍筋成形机方案设计 成本。 综合上述分析，在螺旋箍筋成形机设计中采用上承接方式完成螺旋箍筋的承 接任务。 2 7 螺旋箍筋成形机总体方案 螺旋箍筋成形加工过程为：钢筋盘条开卷衔入收直 定长 送进弯曲 ，r 一承接剪断。如图2 - 9 为螺旋箍筋成形机总体方案，螺 旋箍筋成形机系统由喂料机、调直机、送料机、弯曲剪断机和承接装置等部分组 成。 调直机 调直机 2 8 本章小结 图2 - 9 螺旋箍筋成形机总体方案 本章首先分析了螺旋箍筋成形机的客户需求分析，以及产品设计思路，然后 主要针对螺旋箍筋成形机中的关键部分弯曲机和承接装置的设计方案进行选择 比较，最后介绍了螺旋箍筋成形机总体设计方案。 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 3 1 引言 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 在实际工作中，螺旋箍筋的材料、尺寸和形状各不相同，要求弯曲机能够满 足不同螺旋箍筋的要求。本章利用d e f o r m 模拟螺旋箍筋的成形过程，并对仿 真结果进行分析，为弯曲机驱动功率的选择提供一定依据，同时验证螺旋箍筋成 形机承接装置的稳定性。 3 2 螺旋箍筋成形加工仿真 3 2 1d e f o r m 3 d 简介 d e f o i 己m 3 d 系统是一个高度集成化、模块化的模拟系统，它主要包括有限 元模拟器、前处理器和后处理器模块。其中有限元模拟器是集弹性、弹塑性、刚 塑性、热传递等于一体的有限元求解器；前处理器是模型和材料的几何信息的输 入、模拟条件的输入等，与常用的造型软件如m d t 、i d e a s 等有接口，便于几 何信息的输入，还包括有限元网格自动生成器等；后处理器是将模拟结果可视化 并输出用户所需要的模拟信息( 1 3 j 。 d e f o r m 3 d 是基于更新的l a g r a n g e 方法的隐式程序，软件提供了丰富的 材料库，支持的材料模型包括弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性和刚性 等。同时允许用户自定义材料本构模型和材料属性参数。 随着有限元技术的日益成熟，d e f o 刚软件也在不断发展完善。目前， d e f o r m 软件已经能够用于考虑热力耦合的非等温问题和三维变形问题【悼怕 。 此外，d e f o r m 系统的可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动重划分技 术，都使d e f o r m 这一商业软件在现代工业生产中变得愈来愈实用可靠。 3 2 2 仿真模型的建立 d e f o r m 3 d 中，没有几何图形生成能力，但其前处理器和其它的图形生成 软件有接口，可以把在其它软件如p r o e 、u g 、c a d 等生成的图形输入到 d e f o r m 中0 7 - i s 。 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 在本文中，几何图形在p r o e 中生成，咀s t l 格式存储并输入到d e f o r m 前处理嚣中即可完成几何模型的建立。考虑到分析上的需要及实际结构，仿真模 型由十部分组成：底座，二层平台，长粱1 ，长粱2 ，长粱3 ，短粱i 短粱2 弯头，转盘和钢筋。通过d e f o r m 的前处理模块的对象定位( o m e 札p o s i t i o n i n g ) 对各个部件进行装配定位，如图3 - 1 所示。 屡平台 短粱 短粱 底座 图3 - i 仿真初始几何捶型 眭桨 长凝 将钢筋划分为3 2 1 9 8 个单元。这里我们在钢筋受力变弯区域附近指定了网格 密度窗n ，在其内部划分更小的髓格，减小囡网格畸变而降低求解精度和减少出 现负值的j a c o b i a n 矩阵的几率。 模型中，工件定义为塑性体，其本构模型为 万= 厅正，己t ) ( 3 1 ) 式中：彳硫动应力； f 应变： 应变速率： r 温度。 在本课题研究中，选用的材料是建筑上常用的q 2 3 5 1 ”i ，其屈服强度 以兰2 3 5 m p a ，抗拉强度为“三4 1 0 m p a ，其本构关系如图3 - 2 所示。 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 o 胤0 0 8 3 3 8 9 0 1 2 7 6 7 8 0 1 7 1 9 6 7 0 2 1 6 2 5 6 0 0 b q 5 5 s t r a l p l 图3 - 2q 2 3 5 在温度丁= 2 0 0 c 的流动应力应变曲线 在d e f o r m 中模拟弯曲加工过程，需要定义接触关系、摩擦和分离标准( 2 1 。 ( 1 ) 把其他构件和钢筋设为主从( m a s t e r s l a v e ) 关系，这样可以保证钢 筋材料不会渗透到其他构件中。 ( 2 ) 摩擦设置为剪切摩擦状态，摩擦力与剪切屈服应力成正比，用公式 表示为： 。= m 七 式中，z 摩擦应力； 七剪切屈服应力； 肌剪切摩擦系数，模拟中取m = 0 0 0 8 。 ( 3 ) 分离标准采用d e f o r m 3 d 默认的标准， 缩力大1 0 时，节点开始分离。 ( 3 2 ) 即节点受到的拉伸力比压 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 图3 - 3 各组件内部关系设置 将转盘的运动设置为绕y 轴以u = 04 j8 5 7 9 r a d s c c 速度运行，给定钢筋位移 约束：选取钢筋末端的一段长度的节点，井设置这些节点的x 向和y 向速度为 0 ，即对钢筋导向定位，如图3 4 所示。 囝3 4b c c 设置 l o j c ti “) i “ _ 曼：_ | 熏莩二 巨 台 一i ”6 以上条件设置完成后经过模型检查，生成数据库文件，就可以进行加二芝 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 程的仿真。 3 2 3 螺旋箍筋成形加工过程仿真结果 仿真前，需要设置仿真时间步长等控制参数，这里以钢筋网格大小为基础， 设置的步长一般来说不能超过钢筋中较小罔格边长的的三分之一n 3 】，否则，将产 生迭代困难，影响计算的收敛性和准确性。图3 5 为部分仿真结果。 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 l g ) s t e p ：4 0 0 图3 - 5 仿真过程示意图 图3 - 5 所示仿真过程中钢筋的直径d = 8 m m ，总长为8 9 0 0 m m ，弯曲成形后 的螺旋箍筋最大边长为1 4 0 0 r a m ，最短边长为4 0 0 r a m ，弯曲角度为9 0 0 ，弯曲半 径r = 1 8 m m 。圈3 - 5 中a ) 为仿真初始状态，c ) 为弯曲成形第一个9 0 。弯角状志， o 为弯曲成形第二个9 0 。弯角状态，g ) 、h ) 为钢筋始端沿平台斜坡爬行状态。 3 3 螺旋箍筋成形j n r 过程仿真结果分析 3 3 1 弯曲加工的力能参数 通过d e f o r m 的后处理模块可以得出在时间历程上的转矩图。如图3 - 6 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 所示。 图3 - 6 转矩圈 图中最大弯矩值为35 8 1 0 4 nm m ，娜用该计算所得的的主轴功率为 = rn 9 5 5 0 = 3 5 8 ： 4 1 9 5 5 0 = 0 0 1 5 k w 满足25 节中所选电机的功率要求。 图3 - 6 所示转矩图为钢筋材料为q 2 3 5 直径d = g m m 的仿真结果，我们可以 利用这种方法得出不同条件下的功率选择。通过选择不同材料，不同直径的钢筋， 对其弯曲过程仿真，对仿真结果进行后处理得出的转矩图，可以作为弯曲机功室 的选择依据。 3 3 2 承接装置有效性的验证 由于螺旋箍筋承接装置在设计上没有任何动力元件，完全是依靠钢筋在承接 装置上的运动来完成承接任务的。而且对于尺寸比较大的螺旋箍筋它在承接装 置上的运动是否会和装置本身发生干涉是我们关心的问题。敲我们通过仿真呆 模拟出螺旋箍筋在承接装置上的动作过程，从而验证承接装置的有效性。 仿真结果表明，钢筋能够按照最初设计时的设想一样动作，当钢筋前端接蛀 到平台斜坡，能够顺利的沿着斜坡上行。 第三章螺旋箍筋成形加工过程仿真 3 4 本章小结 本章建立了螺旋箍筋弯曲成形有限元仿真模型；通过仿真得出弯曲机力能参 数，与经验计算值比较吻合，同时验证了承接装置的有效性。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 4 1 引言 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 在机电一体化系统中，控制系统起着极其重要的作用，机电有机结合、信息 的获取与处理、机器的智能化都离不开控制系统，控制技术已成为现代机械系统 必不可少的重要组成部分c 2 2 埘】。生产设备的电气控制系统设计是生产设备设计的 重要组成部分，生产设备的电气控制系统设计应满足生产设备的总体设计方案。 螺旋箍筋成形机控制系统设计的前提是要对螺旋箍筋成形机的机械系统有 清楚的认识，通过对机械系统和功能的分析，得出螺旋箍筋成形机控制系统的设 计方案。 基于以上考虑，本章对螺旋箍筋成形机控制系统设计进行了系统分析与设 计。 4 2 螺旋箍筋成形机控制系统设计要求 螺旋箍筋成形机控制系统设计依据如下基本原则【2 5 】： ( 1 ) 最大限度地满足被控制对象的控制要求。设计前，应深入现场进行 调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同 拟定电气控制方案，协同解决实际中出现的各种问题； ( 2 ) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用和维 护方便： ( 3 ) 保证控制系统的安全、可靠； ( 4 ) 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择p l c 容量时，应适当留有 裕量。 依据上述原则，螺旋箍筋成形机控制系统应满足如下要求： ( 1 )螺旋箍筋成形机控制系统能够完成设计上的动作要求： ( 2 ) 为了便于调试和操作，应有手动和自动两种控制方式； ( 3 ) 控制系统设有电气保护措施，确保控制系统安全、可靠； ( 4 ) 为了便于功能扩展，设计上i 0 点数应留有2 0 左右的裕量，并旦 主机及特殊功能模块也应选择功能较强的型号。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 4 3 螺旋箍筋成形机控制系统总体方案设计 在利用p l c 构成应用系统时，首先要明确对控制对象的要求，然后根据实 际需要确定控制系统和系统工作时的运行方式，这些都是总体方案设计的内容。 一般来说，由p l c 构成的单机控制系统可有以下几种类型： ( 1 ) 由p l c 构成的单机控制系统； ( 2 )由p l c 构成的集中控制系统； ( 3 )由p l c 构成的分布式控制系统； ( 4 ) 由p l c 构成远程i o 控制系统。 由于螺旋箍筋成形机的的被控对象是一台机器，其控制是用一台p l c 来实 现对被控对象的控制，如图4 1 所示。这种系统对p l c 的输入输出点数和存储 器的容量要求较小，控制系统的构成较简单【2 眈7 】。 p l c i i被控对象 图4 1 单柳控制系统 为了满足不同运行要求，螺旋箍筋成形机采用自动和手动两种运行方式。 自动运行方式是螺旋箍筋成形机控制系统的主要运行方式。这种运行方式的 主要特点是在系统工作过程中，系统按给定的程序自动完成被控制对象的动作， 不需要人工干预。系统的启动可由p l c 本身的启动系统进行，也可由操作人员 根据p l c 提示信号确认并按下启动按钮来实现。 手动控制方式用于设备调试、系统调整和特殊情况下的运行方式，是自动运 行方式的辅助方式。 4 4 螺旋箍筋成形机控制系统设计步骤 螺旋箍筋成形机控制系统设计流程如图4 2 所示。 设计时按以下步骤进行： ( 1 ) 熟悉控制对象，确定控制范围。全面详细了解被控对象螺旋箍筋成 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 形机的特点和生产工艺过程，归纳出状态流程图； ( 2 )制定控制方案，进行p l c 选型。通过研究工艺过程和机械运动的各 个步骤和状态，来确定各种控制信号和检测反馈信号的相互转换和联系，并且确 立哪些信号需要输入p l c ，哪些信号要从p l c 输出或者哪些负载要由p l c 驱动， 统计出各输入输出量的性质和参数，根据所得结果，选择合适的p l c 型号并确 定各种硬件配置； ( 3 ) 硬件和软件设计。p l c 选型和i o 配置是硬件设计的主要内容。对 p l c 的输入、输出合理地进行地址编号，会给p l c 系统的硬件设计、软件设计 和系统调整带来更多方便。输入输出地址编号确定后，硬件设计和软件设计工 作可同时进行。所谓软件设计，即编写p l c 程序，可以为梯形图或语句表等形 式。 图4 2p l c 系统设计流程 4 5 螺旋箍筋成形机控制系统方案选择 针对螺旋箍筋成形机机械系统功能和螺旋箍筋成形工艺要求，提出螺旋箍筋 成形机各个部分的控制对象和控制要求，如表4 1 所示。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 表4 1 螺旋箍筋成形机控制对象和控制要求列表 装置名称控制对象控制要求 控制方法备注 弯曲、剪断时停 喂料机减速机 启停 接触器 止 ： 调直机( 一般交流机+ 电磁离合 弯曲、剪断时停 2 ) 器 启停电磁阀 止 交流伺服电机l + 行星摆 定长送进 送料机 行程控制旋转编码器单动有正反转； 线减速机 程序动作无反转 剪断器 液压缸启停电磁阀间断性启停 弯曲机交流伺服电机2 + 减速机 转角控制旋转编码器定角度弯曲 通过分析，我们得出在螺旋箍筋成形机控制系统中，控制的重点是送料机的 定长送进和弯曲机的定角度弯曲。对于送料机的定长送进，利用p l c 对旋转编 码器输出的脉冲进行计数，实现定长控制1 2 8 - 2 9 ；对于定角度弯曲，利用旋转编码 器配合交流伺服系统来实现弯曲机的定角度弯曲控制1 3 0 - 3 2 1 。 这里提出两套实现方案，如图4 3 、4 _ 4 所示。 f x l n 一6 0 1 i t伺服放大嚣( 驱动弯曲机) a c 孑= u uu曼 l l 出 !- n y l e e - - - 1 c 砣 。一n p 纠： 2 _世 y 1 5n ：7 - l j j ， x 0 i 0 耀 s口乜 跏 ! 立 培 c c h日苷 1 6 c i 7 n r 弋广 5 l b 图4 _ 3 螺旋箍筋成形机控制方案一 方案一选用f x i n 系列p l c ，可通过内置相对位置控制指令( d r v i ) 独立控 制两轴的运动，其输出脉冲串仅能指定输出继电器y 0 和y 1 ，将该脉冲串发送 给伺服放大器，即可对伺服电机进行简易定位控制。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 f - 己n 一6 4 n rf x 2 n l p 6 f m l 黻a ( 驱动闻f l t 帆) l 4 。正 u 葛 c mj f q r i p p一。 垤 龋 _ _ 一 m 咽哺 l j o x 1 公 x i x s “ 习： 广，l x n 离 - h i , i 戡l - 图4 - 4 螺旋箍筋成形机控制方案二 方案二选择f x 2 n 系列p l c ，f x 2 n 系列p l c 本身不具备内置定位指令， 但可以通过f r o m t o 指令与其扩展单元f x 2 n 1p g 脉冲输出模块进行数据交 换，通过向伺服放大器发送指定数量的脉冲串，实现对伺服电机的简单定位控制。 一台f x 2 n 系列的可编程控制器可以连接多达8 个f x 2 n 1 p g 脉冲输出模块，从 而最多可以实现8 轴的运动控制。 考虑到f x l n 系列p l c 以d r v i 指令以相对驱动方式执行单速位置控制【3 3 】， 不适用于弯曲机的变速运动控制，而f x 2 n 系列p l c 较f x l n 系列功能更强大， 故选择方案二作为螺旋箍筋成形机控制系统控制方案。 4 6 螺旋箍筋成形机控制系统硬件设计 4 6 1 可编程控制器的选型 基于以下考虑，选择f x 2 n 系列6 4 点p l c 作为螺旋箍筋成形机控制系统 p l c 。 ( 1 ) 功能合理p l c 的选型基本原则是满足控制系统的功能需要，兼顾 维修、备件的通用性。f x 2 n 系列是p l cf x 家族中最先进的系列。由于f x 2 n 系列具有如下优点：最大范围地包含了标准特点、程式执行更快、全面补充了通 信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可 以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 ( 2 )i o 点数准确地统计出被控设备对输入输出点数的总需求量是 p l c 选型的基础。把各输入设备和被控设备详细列出，然后在实际统计出i o 点 数的基础上加上2 0 0 0 , , 3 0 的备用量，以便以后系统调整和扩展。f x 2 n 系列p l c 主机分为16 、3 2 、4 8 、6 4 、8 0 、1 2 8 点六档。在螺旋箍筋成形机控制系统中，考 虑留有一定的裕量，选用6 4 点的主机。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 ( 3 ) 输入输出信号性质除决定好i o 点数外，还要注意输入输出信号 的性质、参数等。例如，输入信号电压的类型、等级和变化率，信号源是电压输 出型还是电流输出型，是n p n 输出型还是p n p 输出型，还要注意输出端的负载 特点，选择相应的机型和模块。在该系统中，还要考虑到如何对旋转编码器输出 的高速脉冲信号进行计数陟3 5 j 。 ( 4 ) 响应时间要求对于大多数应用场合来说，p l c 的响应时间不是主 要的问题。响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。p l c 的顺序 扫描工作方式使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。为此，需 要选取扫描速度高的p l c 。f x 2 n 系列p l c 中基本指令处理时间为0 0 8 舢指令， 应用指令处理时间为1 5 2 至几百“s 脂令。 ( 5 )其他方面关于p l c 的选型问题，还应考虑p l c 价格、系统可靠性 等方面的因素。 4 6 2 螺旋箍筋成形机控制系统硬件设计 螺旋箍筋成形机控制系统硬件设计包括硬件配置图、i o 硬件接口图和i o 地址表。 ( 1 ) 硬件配置图硬件配置图是系统设计的一部分，它反应的是p l c 输 入输出模块与现场设备的连接。实际上也是p l c 控制系统外部接线的一部分。 硬件配置图中的各种表示符号在整个系统中应完全统一；图中同时也应给出具有 相应意义的注释以便于理解。螺旋箍筋成形机硬件配置图如图4 5 ( a ) 、( b ) 所 示。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 勺 几 广广广 r u 卜 ( a ) - 3 1 母 辎 蒲 帛 霪 二辎 水 量 哥 避 - 嫱 嘛 彗 毋 蜷 蕾 h 赫 鬟 誊 丹 菪l 奢n彗 热 m 露 4 睇 爱卜 誊 毋 肆 翼 营 墅 期 害肇 耆 寄萋 营 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 卫 n 广广广 6 , 2r o o ( b ) 图4 5 螺旋箍筋成形机硬件配置图 露 黼 离 妇 赞譬 哿- m e 爿遏l 锛船 蒙囊 铡、粥 譬 蔷 最 主妊 彗 滋 墅 盛 嬖 畿 蹙 h 辞 鐾 彗 茕每 期 壹芝 择 ( 2 )i 0 地址表在系统设计中还要把输入孳| i i 出列成表，给出相应的地址 和名称，以备软件编程和系统调试时使用，这种表称为i 0 地址表，也叫输入 输出表f 3 6 】。i 0 地址表反应了p l c 系统中输入端子与外部输入信号、输出端子与 外部负载之间的对应关系。表4 - 2 为螺旋箍筋成形机控制系统i 0 地址表。 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 表4 2 螺旋箍筋成形机控制系统i o 地址表 输入信号输出信号 名称代号输入点编号名称 代号输出点编号 旋转编码器a 相输入 a x o喂g t g m l 接触器k m ly o 旋转编码器b 相输入bx l调直机m 2 接触器y l 送料机m 3 正转接触 总停止按钮s b 0x 2眦y 2 器 送料机m 3 反转接触 程序动作按钮 s b lx 3 k m 4y 3 器 单步动作按钮 s b 2 x 4送料机电磁阀y c ly 4 喂料机m i 启动按钮s b 3x 5剪断机电磁网y c 2y 5 喂料机m i 停止按钮s b 4 x 6调直机电磁网y c 3y 6 调直机m 2 启动按钮s b 5x 7 调直机m 2 停止按钮 s b 6x 1 0 送料机m 3 正转启动按 s b 7x 1 1 钮 送料机m 3 反转启动按 s b 8x 1 2 钮 送料机m 3 停止按钮s b 9x 1 3 剪断机m 4 启动按钮s b l ox 1 4 剪断机m 4 停止按钮 s b l lx 1 5 弯曲机m 5 正转启动按 s b l 2 x 1 6 钮 弯曲机m 5 反转启动按 s b l 3x 1 7 钮 弯曲机m 5 停止按钮s b l 4x 2 0 弯曲机上光电开关 s b l 5x 2 l p g u - 错误复位s b l 6x 2 2 p g u s t o ps b 】7 x 2 3 p g u 前向限位s b l 8x 2 4 p g u - 反向限位s b l 9 x 2 5 p g u - j o g +s b 2 0x 2 6 p g u j o g s b 2 1x 2 7 - 3 3 - 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 i原始位置s b 2 2x 3 0 l i开始 s b 2 3x 3 1 ( 3 )1 1 0 硬件接口图。1 1 0 硬件接口图给出p l c 输入偷出模块与现场设备 的链接。实际上也是p l c 控制系统外部接线的一部分f 3 卫3 9 1 。图4 - 6 为螺旋箍筋 控制系统i 0 硬件接口图。 图4 6 螺旋箍筋控制系统i 0 硬件接口图 第四章螺旋箍筋成形机控制系统设计 4 6 3 螺旋箍筋成形机交流伺服系统设计 螺旋箍筋成形机中，要求弯曲机弯头动作不仅能够实现频繁启停，同时还要 求工作行程和空载行程具有不同速度，能够实现不同的弯角要求，故在设计上采 用交流伺服控制系统。通过旋转编码器对主轴转角值进行测量，输出脉冲信号输 出给伺服驱动器，进而由伺服驱动器完成对交流伺服电机的控制【4 叫2 1 。 由于旋转编码器输出的高频信号相对p l c 的刷新频率过高，会导致信号的 丢失及错误的测量结果。这里我们选用f x 系列特殊功能模块f x 2 n 1 p g 脉冲发 生器单元，它能够及时响应、记录高频信号。f x 2 n l p g ( 简称为p g u ) 是 一种根据f r o m t o 指令进行与f x 2 n 系列p l c 数据交换的特殊功能模块，通 过向伺服电机的驱动放大器提供指定数量的脉冲来实现一个轴的定位。p g u 单 元是作为f x 2 n 系列p l c 的扩展部分配置的。每一个p g u 单元都作为一个特殊 的时钟起作用，使用f r o m t o 指令，并占用8 个点的输入或输出与p l c 进行 数据传输。一个p l c 可以连接多达8 个f x 2 n d l p g 单元从而可以实现8 个独立 的操作。图4 7 所示为f x 2 n - - 1 p g