棒料切割机的机电一体化设计

1、第1章绪论1.1 前言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。同时,切割机的夹紧机构也有了迅速的发展,一些简单的机械手已经得到广泛的应用。简单的机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代。几十年来,这项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。简单的机械手是一种仿人操作、自动控制、的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。1.2 选题背景我们设计的棒料切割机结

2、构简单,性能安全可靠,操作方便可行,很好的实现了其预定功能。棒料切割机主要由三个大的部分组成,即切割部分、夹紧部分和纵横行走部分。切割部分是由电机带动砂轮旋转,由气缸控制砂轮上下移动完成切割。夹紧部分主要采用了一个气动夹紧机械手,电磁阀控制气缸活塞的伸缩来实现夹紧和放松。纵横行走部分是由气缸控制纵向、横向行走板,使之沿直线导轨前进或返回。整个机器由PLC控制各个气动换向阀的电磁铁,由气缸驱动完成顺序切割动作过程。而随动工作台的随动前进速度也可以通过夹紧机械手夹紧铸棒使之与铸棒速度同步。横向切割时的切割速度可以通过气缸来调节。与一般的切割机相比,这种切割机有以下优点:一、实现了机械工程和自动控制

3、的有效结合,机械部分采用机械优化设计,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。二、整个运动过程都采用了气压传动控制,与液压传动相比,气压传动有无介质费用、处理方便、无泄露污染、无介质变质等优点。三、在设计过程中,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,又很大程度的减小了摩擦力,达到了节能的效果。四、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、使用寿命长、安全系数高等因素,满足了自动化大批量的生产要求。1.3 研究意义这种切割机具有控制方便,性能稳定,结构简单,调节、修改方便、生产率高等优点,具有广阔的应用前景。1.4 本文的结构本文在现有

4、的棒料切割系统进行分析的基础上,根据棒料切割系统的总体结构,从机械和电气控制两方面对系统各个部分的设计分章节展开了详细的介绍。第二章 切割部分设计2.1 设计要求项目要求切割机能够根据定长信号分别切割两条连续的铸铁棒,实现对铸棒的准确定长切割,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。2.2 方案设计切割部分主要有砂轮、电动机和传动机构组成。现在在切割部分有两种可行的方案:第一,电动机通过带传动带动砂轮片转动。第二,电动机通过圆锥齿轮传动带动砂轮片转动。考虑到切割过程中电动机带动砂轮高速旋转,所以优先选取第一种方案,因为圆锥齿轮传动不宜应用在转速太高的场合,而且运用齿

5、轮传动时,还要考虑到这样消除震动和怎样润滑齿轮,这样就增加了设计成本。横向行走板纵向行走板砂轮片升降气缸纵向行走气缸横向行走气缸带轮带电机图1-1 切割部分原理图切割部分的原理如图1-1所示,电动机带动砂轮片高速旋转,电机与工作台之间采用铰支撑,开降气缸可推动砂轮片上下移动,完成切割。横向行走气缸可推动工作台横向移动,控制切割的长度。纵向行走气缸可使工作台纵向移动,使砂轮片能分别切割两根铸棒。其中电动机和气缸都通过电磁阀由PLC 机控制,从而实现其动作。2.3 结构设计 2.3.1砂轮片的选取经过调研,切断能力为50 的砂轮片,其规格为322.3400mm ,所需电机的最小功率为2.2min

6、=P kw ,转速为1n =2840 r/min, 砂轮片的最大线速度为70m/s 。最终选取砂轮片的型号为TL-001型,其磨料为棕刚玉,粒度为20#1。根据砂轮片的要求,现选用比较常用的Y 系列三相异步电动机,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2。选取功率为3.0KW ,满载时的转速为2870r/min 。额定电流6.39A ,功率因数0.87,效率82%,额定转矩2.32mN 3。根据带截面形状的不同,带传动可分为:平带传动、V 带传动(及窄V 带传动、多楔带传动、同步带传动等。

7、在一般的机械中由于V 带的楔形增压原理,结构紧凑,且多标准化并大批量生产,所以被广泛应用。本设计中选用V 带传动。由于V 带传动中的带及带轮槽型均已标准化,所以带传动设计的主要任务就是满足工作要求的带类型(或截面尺寸、大小带轮的基准直径、带的基准长度、带传动的中心距、小轮包角、带根数、压轴力等参数。 1.确定计算功率由机械设计教程第43页表2-9查得工作情况系数A K =1.2(电机带动砂轮切割铁棒,载荷性质为载荷变动较大,则功率为根据ca P 和1n ,由机械设计教程书中第44页图2-8初选A 型普通V 带。 3.确定带轮的基准直径1d d 和2d d1由机械设计教程第37页表2-4查得A

8、型min d d =75mm,考虑到带轮太小,其弯曲应力过大,所以要使1d d min d d ,取1d d =160mm 2验算带的速度7.231006028401601006011n d V d m/s (1-2因为 5m/s < 23.7m/s < 25m/s 带速符合要求。3计算2d d1212d d d n n d =(1-3 由于电机转速与砂轮转速基本同步,选速比 21n n =1,则2d d =1d d =160 mm4.确定中心距和带的基准长度 1初选中心距由0.7(1d d +2d d 0a 2(1d d +2d d ,考虑到结构要求,初选0a =900 mm 带

9、的初始长度:2121204(22'a d d d d a L d d d d d -+=(1-4 9004160160(160160(2900222302 mm由机械设计教程第37页表2-5取带的标准基准长度2000=d L mm 2最后确定中心距 7492230220009002'0-=60180121ad d d d (1-860765150150180 >=120180 (合适 6.确定带的根数'P P z ca(1-9 其中: K P K K P P L a ('000+= 11(10ib K n K P -= 由机械设计教程第41页表2-7查得:

10、 3.00 P kw由机械设计教程第42页表2-8查得包角系数1=a K 由机械设计教程第37页表2-5查得长度系数03.1=L K 采用非化纤结构的普通带,取材质系数75.0=K 由机械设计教程第41页表2-6查得06.40 P kw 。15.113.36.3'0P P z ca 取2 z 根。7.确定单根带的初拉力 2015.2(500qv K vz P F aca +-= (1-10 查得1.0=q8.计算带对轴的压力 5462180sin39122sin210=z F Q N (1-129.带轮的设计1 带轮的设计要求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

11、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4。2 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,转速较高时宜采用铸钢,或用钢板冲压后焊接而成5。在本次设计中,采用了比较常见的HT150。3 带轮的结构尺寸由于带轮的基准直径mm d d 160 ,轴的直径mm d 30=,根据带轮的选择原则:即当mm d d d 300035.2( 时采用腹板式结构,铸造带轮的结构如图1-2所示。两处0.01A0.02A3.23.2A1.63.26.36.333.3+0.2 09.536°8.

12、6128?5556.36.32X45°其余6.36.33.23.28±0.02斜度1:25?12084056?156?150?42?30+0.021图1-2 带轮的结构1.选取气缸类型根据设计所用资料,现选取DNC 标准气缸。 2.选择安装方式根据结构设计的要求,要实现砂轮片的上下移动完成切割,要求气缸在上下伸缩的同时,还要绕一点转动,所以选用后绞式安装方式。手柄NF砂轮片图1-3 手动切割机受力示意图3.负载大小根据手动切割机的工作原理(如图1-3所示,图中F=20 kg 估算得砂轮片的支反力为N=40kg。再由所设计切割机的切割工作原理(如图1-4所示由于砂轮所受的支反

13、力相同,算得气缸所承受的力即理论推力为F=80 kg合800N。4.工作压力经调查,当前所用的气缸的工作压力一般在0.4MP左右,所以选取其正常工作压力为0.4MP。气动元件一般要求安全系数比较高,所以在选取的时候一般要求有较大余量,所以在缸径选择时,其工作压力一般按0.3 MP计算6。5.缸径选择由气动自动化系统优化设计书中第46页表2-7查得工作压力为0.3 MP,砂轮片气缸NF'图1-4 铸棒切割机受力示意图气缸砂轮片工件图1-5 气缸行程计算简图理论推力为800N 时,其缸径为60mm 7。考虑到安全系数,初选缸径为80mm 。6.行程大小根据机构简图(如图1-5所示,其中实线

14、为机构初位,在初位时,砂轮片的直径在最大状态,当砂轮切割到终位(图1-5中虚线部分时,连杆所转过的角度为10,此时砂轮直径为最小直径。在初位时测得气缸的总长度为mm L 5401=,在终位时测得气缸的总长为mm L 4402=,所以在此过程中气缸的行程mm L L L 10021=-=即 升降气缸的行程为mm L 100= 7.确定气缸型号综上所述,根据气动自动化系统优化设计中第50-54页查得,选用SNC-80-100-PPV 型的标准气缸合适。1. 轴承的选择在结构设计中,我采用了既有转速高的优点,有能够承受少量轴向力的角接触球轴承,(其中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

15、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A F 的方向向右,如图1-6所示·0。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=25的角接触球轴承。其代号为7207ACJ ,基本额定动载荷KN C r 5.22=,基本额定静载荷 KNC or 5.16=3。2. 轴承的校核计算(1计算轴承所受的径向力1R 、2R ,其受力如图1-

16、6所示 由力矩平衡条件02=M 得=F F R18020550200800-=N 836=由01=M =F F R18020800200550-=N 522=FF 2MF 1R 2A121F S S R图1-6 轴承计算简图(2计算派生轴向力1S 、2S所选的轴承型号为7207ACJ ,其派生轴向力R S 63.0=21627100527S N F S A >=+=+ 故轴承2被压紧,轴承1被放松,所以有N S F A A 62710052712=+=+= N S A 52711= (4计算当量动载荷1P 、2P63.086352711

17、=R A (1-152.152262722=R A (1-16 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68.0=e 因为 e R A <=63.0/11,所以 0,111=Y X ;e R A >=20.1/22,所以 87.0,41.022=Y X由机械设计第262页 表12-8查得,当轴承受中等冲击或中等惯性力时,取载荷系数5.1=d f ,由于轴承1、2均不受力矩载荷的作用,所以取0.11=m f ,0.12=m f 。由由机械设计第260页 表12-6查得,当轴承的工作温度小于C 120时,其温度系数0.1=t f 比较两当量动载荷知,1P &

18、gt;2P ,所以应该按1P 计算 (球轴承应取3=则所需轴承的额定动载荷为6'10'1060htL n f P c =(1-19 3610123652840600.11254=348302840601001254=N 11286=(6确定轴承型号由简明机械零件手册查得轴径mm d 35=时,应选轴承的代号为7207ACJ ,其额定动载荷为KN C r 5.22=>'c =KN 286.11故选用代号为7207ACJ 的轴承合适。第三章夹紧部分设计3.1设计要求夹紧机构不但在切割之前机械手抓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

19、铸铁棒,使砂轮与铸棒同步。3.2方案设计夹紧部分是由气缸推动机械手实现夹紧和放松的1。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气缸和一个三位气缸实现对铸棒的夹紧。第二种方案中,每个机械手都需要两个二位气缸来实现对铸棒的夹紧。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。夹紧机械手夹紧气缸横向行走气缸纵向行走板横向行走板纵向行走气缸图2-1 夹紧部分原理图夹紧部分原理如图2-1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

20、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8。纵向行走气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PLC由控制实现。第四章 纵横行走部分的设计4.1 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铸棒纵向移动,切完后在返回初始位置。4.2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、

21、横行走装置的原理大致相同,即采用结构简单而又便于控制的气压传动方式,气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,纵横行走装置采用了直线导轨,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。1.载荷 根据粗略计算,导轨上横向行走部分的总重量为kg 200 所以 N g m W 200010200=2.行程 根据设计结构的要求,选定行程m L s 5.2=3.往复次数 21=n (次/分4.寿命要求 假设机器寿命为5年,则导轨寿命为 35000243655=L 小时(H 假设安装4个滑块,要计算一个滑块的负载,可用下式 N W P 500

22、04200040=同时由于两个滑块装在一个导轨上,因此接触系数81.0=c f 10。1.根据静态安全系数选型号s wcf f P f C 00 (3-1其中 s f 静态安全系数w f 载荷系数 (在无外部冲击或振动、低速时取1.5 0C 基本额定静载荷 0P 冲击载荷 现设静态安全系数5=s f 则有 cs f P f C 00 (3-2 81.05005=(3086kgf = 在正常运行时一般选取安全系数为5,根据上述情况,选取SBG35FL (kgf C 28550=的导轨比较理想10。2.根据寿命要求选型号根据标准寿命计算公式 (94501750054.0km L = 若使用1750

23、0小时,则总的移动距离为: 50(3=P C f f f f L w c H T(3-3其中 T f 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 H f 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H f 为1.0 C 基本动载荷 所以 50(3=P C f f f f L w c H T5025094503=C解得 kgf C 3000= 因此,选取SGB45FL (kgf 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SGB45FL 更理想。第五章 PLC概述

24、5.1 可编程控制器PLC的基本原理可编程控制器(简称PC或PLC是发展极为迅速、应用极广泛的工业控制装置。在现代化生产设备中有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量需要控制,例如,电机的启停,电磁阀的开闭,产品的计数,温度、压力、流量的设定与控制等。PLC是在固定接线式老装置显然不能适应这种要求的情况下,按照成熟有效的继器控制理念和设计思想,利用不断发展的新技术、新电子器件,逐步形成了具有特色的各种系列产品11。一般机械设备的控制系统,由输入设备、输出设备和逻辑控制三部分组成。1、输入设备输入设备是电气控制系统进行信号才的界面设备,完成人与机之间的信号采集和机与机之间的信号采集。操作人员发出

25、的主令信号通过按钮、各类手动开关送入控制系统,现场自动运行的控制信号通过行程开关等现场检测设备送入控制系统。2、输出设备输出设备是用控制系统发出的控制信号去控制执行机构,实现要求的运动的输出和显示设备运行的状态。被信号驱动的执行机构有继电器、交流接触器、控制液压系统的电磁阀、信号显示灯等。3|、逻辑控制系统逻辑控制系统根据给定的控制对输入设备送来的控制、检测信号进行计算处理,并将计算结果转换为控制信号经输出设备控制机械设备运行。组成控制系统的器件有两类:一是继电器控制系统,其控制逻辑由硬件构成,另一类为用可编程控制器构成的控制系统,其控制逻辑由编程软件构成。5.2 可编程控制器的特点设备采用继

26、电器控制系统,设备的简单控制及设备复杂的自动控制均能实现,但是复杂的控制系统中,由于继电器控制系统本身的特点而使设备运行存在许多的问题。问题一是继电器控制系统由分立元件组成,因此,系统有较高的故障率;问题二是继电器控制系统采用固定的接线方式构成控制逻辑,变更控制逻辑困难。问题三是难以实现网络控制。现在计算机技术的发展,使得电气控制元件和控制系统有了极大的改观,继电器控制系统的硬件逻辑可由逻辑函数表达式描述,该逻辑函数表达式描述的控制逻辑也可用软件程序来实现,可编程控制器运行软件程序,即可完成继电器控制硬件逻辑的控制功能。采用计算机技术的可编程控制器,不仅解决了分立元件的故障率问题,也解决了固定

27、控制的问题,同时,为与计算机联网,实现大规模自动化生产和远程控制提供了可能性。两类系统通过逻辑函数联系起来,两者均能完成相同要求的控制功能12。可编程控制器实际是工业专业控制计算机,也称工控机,可编程序控制器具有以下特点:1、具有很高的工作可靠性和抗干扰能力;2、控制程序可变,具有很好的柔性;3、程序简单,控制功能丰富,使用方便;4、扩充方便,组合灵活,可构成各类控制系统;5、可将运行数据直接送入管理计算机,实现网络运行;6、设备体积小巧,维护方便,插件更换灵活。以上特点使得可编程序控制器,在设备电气控制系统中广泛应用。第六章电气控制线路的设计6.1 电气控制线路设计的一般要求电气控制线路的设

28、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。电气控制线路根据用途的不同可能会有其特殊的要求,设计所需要遵循的一般要求是:1应满足机电设备对电气控制线路的要求,按照工艺要求准确、可靠地工作。2在满足生产要求的前提下,应力求使控制线路简单、经济,尽量选用经过实际考验过的线路。3保证控制的安全、可靠,具有必要的保护装置和连锁环节,误操作时不至于发生重大事故。4尽量便于操作和维修12。6.2电气控制线路的设计方法电气控制线路的控制方法有两种:一种是经验设计法,另一种是逻辑设计法。1. 经验设计法经验设计法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

29、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满足生产需要。这种设计方法比较简单,但要求设计人员必须熟悉控制线路,掌握多种典型线路的设计资料,同时具有丰富的设计经验。另外,初步设计出来的控制线路可能有几种,这时要加以比较分析,反复地修改简化,甚至要通过实验加以验证,才能确定比较合理的设计方案13。2. 逻辑设计法逻辑设计法是根据生产工艺的要求,利用逻辑代数方法这一数学工具来分析、化简、设计线路的。逻辑设计法设计的线路结构比较合理,所用元件的数量较少,得到的设计方案是最佳的。但是当设计的控制系统比较复杂时,这种方法就显得比较烦琐,工作量很大,而且容易出错14。6.3 气动原理图设

30、计根据切割机的机构原理,绘制的机构简图如图5-2所示,其中ST0-ST9为控制气缸的行程开关。纵向行走板横向行走板电机带带轮横向行走气缸纵向行走气缸升降气缸砂轮片夹紧机械手夹紧气缸横向行走气缸纵向行走板横向行走板纵向行走气缸图5-1切割机机构简图沈阳工业大学机自0007班更改文件号制图工艺审校设计处数标记分 区切割机气动原理图重量数量1年 月 日批号比例1:1石建科石建科QDYL-0DT5DT4DT3DT2DT1返 回走 刀ST1ST0ST9ST8ST7ST6ST5ST4ST3ST2行走缸随动前进返 回松 开夹 紧夹紧缸落刀抬刀抬刀缸石建科石建科沈阳工业大学机自0007班更改文件号设计制图工艺

31、审校处数标记分 区重量控制流程图1数量年 月 日批号比例初位断电2位走刀返回1位走刀返回断电断电随动返回断电上电保持抬刀落刀随动上电保持夹紧相继上电保持上电保持断电工作2位工作1位待命刀走结论从题目确定开始,经过查资料、调研、方案的提出及确定,再到完成总装图、部件图,直到最后结束论文,才使本次毕业设计最终圆满完成。本次设计的题目是“棒料切割机的机电一体化设计”。棒料切割机是针对铸铁在连续铸造过程中的切割而采用的一种专门的切割机。连续铸造过程主要由保温炉、牵棒机、切割机和压断机组成,在工作过程中拉棒机能从保温炉中同时拉出两条铸铁棒。题目要求切割机在连续铸造过程中工作,并根据定长信号分别切割两条连

32、续的铸铁棒,实现对铸棒的准确定长切割,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。整个切割过程都由自动控制实现。此次设计的主要工作分为两大部分,第一部分为切割机的机械设计,其中主要包括砂轮片的选择、电机的选择、砂轮片传动方式的选择和优化、电机和砂轮的安装、各个气缸力的计算及其参数选择计算、滑动导轨的设计以及其他部分和整体结构的设计。最后完成总装图、部件图和零件图。第二部分为电气原理及控制部分的设计,主要包括气动控制原理图的设计、电气原理图的设计、配线图的设计、控制柜的设计及电路控制面板的设计。棒料切割机结构简单,性能安全可靠,操作方便可行,很好的实现了其预定功能。由PLC控制的气动随动棒料切割机,由气缸驱动完成顺序切割动作过程。这种切割机具有控制方便,性能稳定,结构简单,调节、修改方便、生产率高等优点,具有广阔的应用前景。在这次设计过程中,经过自己不懈的努力和指导老师的悉心指导,各项任务都已经顺利完成并达到设计要求,坚信了自己在机电一体化方向发展的目标。但由于设计者经验不足,知识能力有限,在设计过程中的错误和疏漏再所难免,产品在性能方面也可能存在一些不足,敬请各位老师批评指正。辞谢在几个月时间的努力,很高