棒料切割机的设计论文

1、摘要0关键词0Abstract： 0Key words： 0引言11概述11.1选题背景11.2研究意义12切割部分设计22.1切割部分设计要求22.2切割部分设计方案22.3切割部分工作原理32.4切割部分结构设计42. 4.3带传动设计42. 4.4升降液压缸的设计72. 4.5滚动轴承的选取及校核113夹紧部分设计133.1夹紧机构设计要求133.2夹紧部分方案设计134纵横行走部分的设计144.1纵横行走装置设计要求144.2纵横行走部分方案设计144.3直线导轨的选择计算154.3.1选定条件154. 3.2选择方式155液压传动系统设计165. 1液压传动机构165.2液压传动原理

2、图176电气控制的设计176. 1电气控制设计要求176.2电气控制设计方案186.3可编程控制器PLC控制流程187结论19附录APLC I/O端口分配图21附录B棒料切割机装配图21致谢23棒料切割机的设计棒料切割机的设计机械电子专业学生韦忠爽指导教师 闫冰洁摘要：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 之间采用铁支撑方式，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

3、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。横向切割时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，提高劳动生产率。关键词：切割机；机电一体化：液压；棒料；PLC控制Design of Bar Cutting MachineStudent majonng in mechanical and electronic engineering Name Wei ZhongshuangT

4、utor Yan BmgjieAbstract： Based on the research of the cutting process, this subject adopts mechanical and electrical integration of system design idea, the overall modeling, mechanical stmctuie and control system design, bar stock cutting the mechanical and electrical integration system is maiiilv c

5、omposed of four parts: the basic niachiiie, electioiiic control unit, actuators, and power supply. Wdiking principle is the motor drives the cutting piece of high-speed movement, motor and adopts tlie liuiged support method between the workbench, a fallmg cylinder can be diiven to move up and down p

6、ush cutting disc blade cutting action completed order, each hydiaulic cutting macluiie adopts PLC control reversing valve electromagnet, unplement automatic cutting and blanking bar work and tests. And servo table speed can also be tluough the clamping manipulator clampmg bar to that of the bar spee

7、d synchionization. Transverse cutting when the cutting speed can be adjust by hydraulic cylinder. Field operation shows tliat, the design of the cutting niacluiie is fast, smooth movement, and convenient with computer on line, it can improve the labor intensity of workers, to acliieve automatic cont

8、rol, miprove labor productivity.Key words： Cutting machine; Mechanical and electrical integration; Hydraulic pressuie; bar; PLC control引言当今时代正是中国发展的黄金时代，中国乂是一个发展中国家，要想谋求更大的发 展，行业的转型是一定的，所以轻工业的转型，重工业与机械制造的行业的重视是必然 的。就这一点来看，让我们清晰看到机械行业的发展前景有着如此大的潜力。它与其他 行业有着千丝万缕的联系，随着经济的发展和科技的进步，越來越多的产品智能化、自 动化、网络化，单纯

9、的机械己经不能适应行业发展的需要，渐渐地就出现了机电一体化。 现代机械的机电一体化的目标是综合利用机、电、信息、控制等各方面的相关技术的优 势，扬长避短以达到系统优化的效果，取得显著地社会效益和技术经济效益。1概述1.1选题背景机电一体化产品广泛应用各种加工业，切割技术也有了飞速的发展，手工切割已经 适应不了现代工业发展的要求。如今己进入以通用机械时代。儿十年來，切割技术的研 究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种也在不断的增加，应用领域也在不断 的扩大。而目前市面上有很多型号的棒料切割机结构复杂，调节，维修不方便，生产效 率低，智能化低等不足。1.2研究意义本棒料切割机的切割机构属于机

10、械技术领域，它解决了现有的自动切割机所存在的 精度不高，操作复杂，智能化低等问题。本课题针对目前市场上的切割机设计的不足， 对棒料切割机进行改造创新，增加智能化程度，设计出具有控制方便，性能稳定，结构 简单，调节、维修方便，安全可靠，低能耗，在切割过程中能使棒料位置稳定、切割长 度准确，生产率高，运行平稳，提高产品质量，提高生产效率等优点的具有广泛应用前 景的方案。与一般现在市面上的切割机相比，本次设计的这种切割机有以下优点：1）实现了机械工程和自动控制的有效结合，机械部分釆用机械优化设计，整个设 计过程中都进行了综合技术比较与经济评价，实现了预定的功能。2）整个运动过程都釆用了液压传动控制，

11、与气压传动相比，液压传动有可在大范 围内实现无级调速；液压传递运动均匀、平稳；易于实现过载保护等优点。3）在设计过程中，纵横行走装置釆用了直线导轨，既提高了运动系统的运动精度, 又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。4）整个切割过程都由PCL控制，以其结构简单合理、设备性能良好、生产率高、 安全系数高等因素，满足了自动化大批量的生产要求。所设计的棒料切割机，融合了液压自动控制、机器人技术和PLC控制技术。PLC控 制各个液压换向阀的电磁铁，由液压缸驱动机械手完成顺序切割过程，实现了机械设计、 电器控制和液压传动控制的有效结合。此棒料切割机是一种既能有效的提高生产率，乂 在价格和使用方面能

12、被广大用户所接受的一种新型的自动控制切割机。2切割部分设计2.1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打，即切断棒料的条件为： r = r(2-1)A查资料可知棒料的许用剪应力为：r=128 -285 MPa，取最大值285MR/。由 于本切断机切断的最大棒料粗度为：“皿辭=35枷。则本机器的最小切断力0由(2-1)得：门、 274063N取切割机的0 = 280000项目设计釆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 检测进行自动控制，并能根据PLC定长信号分别切割两条连续的棒料，完成了系统的硬 件和软件设计后可以实现对棒料的准确定长切割，切

13、割后自动返回初始位置。原始棒料 尺寸范围在角钢：100x100x10圆钢：,取ddl=160mm2) 验算带的速度p(2-3)心心5 =160x2880 = 245“60x100060x1000带速不宜过高或过低，一般应使v = 5-25m/s,因为5m 24.1 25m带速符合要求。3) 计算大带轮的基准直径并根据机械设计加以取整(2-4)由于电机转速与砂轮转速基本同步，选速比化/心二1,则基准直径“心 dd2 = ddl = 160n?/n(4) 确定中心距a并选择V带的基准长度Ld1)根据带传动总尺寸的限制条件或要求的中心距初定中心距為 由综合式0.7(占 +dd2)aQ 120(合适)

14、(6) 确定带的根数z(2-11)其中:巴一额定功率，KW；由机械设计查得： 处=0.3川仏叫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； 采用非化纤结构的普通带，取材质系数K = 0.75。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PQ = 2.2KW:,P = (22x lx L03)x075 = 1.70/CIVZ- = = 2.12Pt 1.70取z = 3根。(7) 确定单根带的初拉力尸。化= 500x(Z、；K“)“)+ qj(2-13)KaZV (2-12) 查得g = 0.1巴对于新安装的带，初拉力为1.5(編)區；对于运转后带初拉力1.3(化)

15、还 代=500x(25-1)x36 * % 24. p = 95.4N1.0x3x24.1(8) 计算带对轴的压力0a1 QAO0 = 275111-L = 2x95.4x3xsui= 5726N(2-14)(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，经过一定时间的运转后, 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。如发现不足时，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、自动张紧装置和采用张紧轮的装置。因为在本方案中中心距不能调节， 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，

16、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，转速高时经过动平衡，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釆用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200,转速较高时宜釆用 铸钢，或用钢板冲压后焊接而成。在本次设计中，采用了比较常见的HT15

17、0o2) 带轮的结构尺寸由于带轮的基准直径心=160叽 轴的直径d = 30，根据带轮的选择原则：即 当2.5J d( 论=1200 N(2-17)故设计符合要求。由d/) = 0.2-0.3,可计算出活塞杆直径dd =(0.2 0.3) = 12 1811111可取活塞杆直径d = 12mm。AF通过公式、= 3.6nnn 25行程的前提下Ud15,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尸“，但考虑到安全性，安全因数 n = FCI/Fav应大于规定的许用安全因数弘，以免发生纵向弯曲，破坏液压缸的正常工 作o （= PA为液压缸杆工作负载；心二4窗）关

18、于稳定安全因数可在设计手册中查到。截面的惯性矩：I = d64杆件的两端都是较链连接：“ =1;5/F1=4xlxl06xx(60xl0_3)2N = 452162x(210x109P)x=0.215/77 = 215mm1x45216则所选取的杆长不超过215“，且大于行程2xl00/nm,所以选取液压缸活塞杆的长度200/n/n,3）缸筒壁厚的计算缸筒壁厚可按薄壁筒公式计算：(2-23)(2-24)(2-25)宀20式中：5缸筒壁厚（mil）；D液压缸内径（6011111）；P实验压力，取Pp=2P匸作=2xlO5Pa；材料为：ZQ的许用应力a = lAMPa可计算出壁厚560x2x105

19、 一8 = = 2.3nm2x2.4x106因此，液压缸外径DD = 60+2x2.5 = 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, 棒料切割机的设计缸径为60mm ,活塞杆直径为12mm,液压缸行程为200mm,带防尘罩F数量为2。2.4.5滚动轴承的选取及校核 在结构设计中，釆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，(其中轴向力的主要來源是安装或拆卸带轮时所承受的载 荷估算载荷大小为100N) o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，所以选取轴向力厲的方向向

20、右，如图2-6所示。图中M为电极的输出转矩，F为砂轮的切割阻力，在切割过程中，电极的输出转矩 与砂轮所受的切割阻力矩大小相同，方向相反，在切割时相互抵消，所以在计算过程中 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4 = 25。的角接触球轴承。其代号为 7207ACJE基本额定动载荷C,. = 22.5KN ,基本额定静载荷Cor = 16.5KN。轴承的校核计算(1) 计算轴承所受的径向力&、R,其受力如图2-6所示 由力矩平衡条件0得径向力&(2-26)(2-27)c F,x200-F,x20800x200-550x20180= 8362由工M】=0

21、得径向力凡F,x200-f20R. = - 180_ 550x200-800x20 180= 522N11荷泽学院本科毕业设计（论文）20ISO20S2图2-6轴承计算简图(2) 计算派生轴向力S2(2-28)(2-29)所选的轴承型号为7207ACJ,其派生轴向力S = 0.63/? 则,=0.63 & = 0.63 x 863 = 527 NS2 = 0.63 凡=0.63 x 522 = 329 N(3) 求轴承所受的轴向力人、A,S+C =527 +100 =627 2 S?故轴承2被压紧，轴承1被放松，所以有儿=Fa + , = 527 +100 = 627 N A = S = 52

22、7 N(4) 计算当量动载荷片、P2人 _ 527863= 0.63627522= 1.2(2-30)(2-31)由简明机械零件手册查得7207ACJ型轴承的轴向载荷影响的判断系数e = 0.68：9：因为&/&=063vs 所以 =1,=0：A2/?2 =1.20e,所以X2 =0.41,y2 =0.87由机械设计査得，当轴承受中等冲击或中等惯性力时，取载荷系数力=15，由于 轴承1、2均不受力矩载荷的作用，所以取心= 1.0, Z,l2=1.0o则=+ W（2-32）=1.5 x 1.0x(1.0x836+0x527)=1254N(2-33)棒料切割机的设计= 1.5x1.0x（0.41x

23、522 + 0.87x627）=1140/V（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120C时，其温度系数=1.0,比 较两当量动载荷知，人 匕，所以应该按片计算（球轴承应取 = 3 ）则所需轴承的额 定动载荷为cc.= Pl6OnxLlo/,（2-34）z V 106_ 1254 （60x2840 x 365 x121.0 v 10=2840x4830100= 112862（6）确定轴承型号由简明机械零件手册查得轴径d = 35和时，应选轴承的代号为7207ACJ，其 额定载荷为 C, = 22.5KN c = 11.286KN。故选用代号为7207ACJ的轴承合适。3

24、夹紧部分设计3.1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，而且在切割过程中要夹紧运动着的棒料，使砂轮与棒料同步。3.2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时负责夹紧两根铸棒，根据需要对被切割的那条进行夹紧。二是用 两个机械手，每个机械手负责夹紧一根铸棒。第一种方案中，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。第二种方案中，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

25、。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 右移动时，机械手夹紧工件，当活塞向左移动时，机械手放松工件。横向行走气缸推动 工作台左右移动，能控制机械手使之夹紧左边或右边的工件，从而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。其中ST4-ST9为控制液压缸的行程开关。4纵横行走部分的设计4.1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

26、机械手能够在 走刀过程中横向移动，迅速准确地达到工作位，在切割过程中能够随着棒料纵向移动， 切完后在返回初始位置。4.2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，在方案设计中纵、横向行走装置的原理大致相同，即釆用结 构简单而乂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。在设计过程中，考虑到能量的损耗程度，纵横行走装置釆用了直线导轨，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。4.3直线导轨的选择计算4.3.1选定条件（1）载荷 根据粗略计算，导轨上横向行走部分的总

27、质量为200Rg所以重量 W = 200x10 = 2000（2）行程 根据设计结构的要求，选定行程Ls = 2.5m往复次数心=2 （次/分）（4）寿命要求 假设机器寿命为5年，则导轨寿命为厶 = 5x365x24 = 35000 小时假设安装4个滑块，要计算一个滑块的负载心，可用下式VV2000P =:0A4-5000N4同时由于两个滑块装在一个导轨上，因此接触系数 = 0.81。4.3.2选择方式（1）根据静态安全系数选型号其中一静态安全系数九一载荷系数（在无外部冲击或振动、低速时取1.5） 口一基本额定静载荷现设静态安全系数A=5(4-2)则有C。空如5x5000.81=3086矽在正

28、常运行时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厶计算公式乙= 0.54x17500 =9450畑若使用17500小时，则总的移动距离为厶L = & X X L X ）3 X 50（4-3）A p。其中fr 一一温度系数（由手册查得当导轨的工作温度小于100C时，其温度系数取1.0）fH-一硬度系数（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fH为1. 0：3）C一一基本动载荷15棒料切割机的设计所以解得x f w x f C ,L =( 一仏一 x)3 x 50L p。9450 = (

29、1X1XQ 81 x )3 x501.5250C =3000席因此，选取 SGB45FL ( C = 3800席)(3) 复査4-1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SGB45FI?：5液压传动系统设计5. 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，其中ST0-ST4为控制液压 缸的行程开关。1带轮:5. 2液压传动原理图劝行疋fil.如图5-2液压传动原理图6电气控制的设计6. 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

30、体化。应满足机电设备对电气控制线路的要求，工艺要求准确、控制线路 简单、经济、安全、可靠地工作，具有必要的保护装置剛。6.2电气控制设计方案电气控制线路的设计运用经验设计法进行设计的，先从满足生产工艺的要求出 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生产需要。由于切割机需要控制的对象较多， 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，完成工件的切割血，电气原理图如图6-1所示，其中为PLC的I

31、/O 端口分配见附录A。AECNSQ13.0KW6-1电气原理图6. 3可编程控制器PLC控制流程6. 2-控制流程图7结论切割机在完成装配后（装配图见附录B）具备直切、连续切割两种方式。使切 割机能够高效率的切割不同尺寸的零件，增强了使用范围。选用砂轮片的下半部分切割, 在砂轮片尺寸一定时，最大限度的提高了切割机切割能力切割机可以进行连续切割动作，并根据定长信号分别切割两条连续的棒料，实 现对棒料的准确定长切割，切割后自动返回初始位置，其切口深度为35mm,再由压断机 进行压断，且整个切割过程都由自动控制实现。（3）这样所设计的棒料切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，智能化 程度高，

32、很好的实现了其预定功能。设计过程中，主要考虑了机器的性能以及经济性， 在保证其完成工作要求的前提下，尽可能的提高其性价比，由PLC控制液压传动系统的 棒料切割机，乂具有控制方便，性能稳定，调节、修改方便、生产率高等优点，具有广 阔的应用前景。参考文献1 梁景凯，盖玉先.机电一体化技术与系统M.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：上海科学技术文献出版社，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：清华犬学出版社，2012. 12.6 刘鸿文.材料力学M. 4版.北京：高等教育出版社，2004. 5.7 孙