课程设计说明书- 钢筋弯曲机的设计

课程设计说明（计算）书专业课程设计说明书题目：钢筋弯曲机的设计学院（系）：机械工程与自动化学院目录第一章绪论…………11.1研究背景……………11.2研究内容……………1第二章总体方案设计……………22.1箱体设计方案………………………22.2工作台设计方案……………………22.3传动方案设计.………………………2第三章钢筋弯曲机的机械系统设计……………33.1弯矩计算与电动机选择……………3（1）工作状态………………………3（2）材料达到屈服极限时的始弯矩…………………33.2V带传动设计………………………43.3圆柱齿轮设计………………………8（1）选择材料………………………8（2）圆柱齿轮计算…………………8（3）圆柱齿轮校核…………………19（4）齿轮工作图……………………123.4第三级圆柱齿轮的设计……………12（1）选择材料………………………12（2）圆柱齿轮计算………………12（3）圆柱齿轮校核………………15（4）齿轮工作图如下………………163.5轴的设计……………17（1）计算作用在轴上的力…………17（2）计算支力和弯矩………………17（3）对截面进行校核………………193.6主轴设计……………21（1）计算作用在轴上的力………21（2）计算支力和弯矩……………22（3）对截面进行校核……………243.7轴承的选择…………25（1）滚动轴承选择…………………25第四章钢筋弯曲机的控制系统设计…………264.1PLC的定义及其特点………………264.2PLC的基本结构……………………264.3PLC型号选择………………………304.4控制系统程序流程图………………314.5控制系统硬件电路图………………31结论……………………32参考文献………………33PAGEPAGE17第一章绪论1.1研究背景当前我国正在大力发展基础建设及城市化建设。各种建筑耗费了大量的钢筋，其中钢筋的加工的效率和质量是最难解决的问题之一，钢筋不仅使用量非常大，而且形状和尺寸变化复杂，尺寸精度要求高，钢筋的制做在原钢筋加工中是劳动强度大，人力物力消耗大，低效率，低质量保证的环节。随着我国建筑业的高速发展，大型工程项目也日渐增多，工程中使用的钢筋直径有逐渐增大的趋势。钢筋弯曲机是钢筋加工必不可少的设备之一，它主要用于各类建筑工程中对钢筋的弯曲。钢筋弯曲机通常与切断机配套使用，也应用十分广泛。随着国家投资拉动的效果显然，尤其是国家大力开展高铁的建设，钢筋弯曲机的生产销售增长迅速。1.2研究内容本文第一章为绪论，说明了研究钢筋弯曲机的研究意义和研究现状。第二章为总体方案设计，其中包含了箱体设计、工作台设计、传动方案设计。并且提出钢筋弯曲机的总体设计方案；第三章为机械系统的设计计算，分别对齿轮设计、V带轮设计、电动机选择、主轴和中心轴设计等部件进行设计、计算和校核；第四章为控制系统的设计，根据钢筋弯曲机的控制要求，进行控制器的选型和控制电路的设计。总体方案设计2.1箱体设计方案钢筋弯曲机包含两个减速箱和一个电动机，用两个支架将减速箱固定在箱体里面，保证彼此之间结构紧凑，并且互不影响。从而达到效率较高的工作效果。2.2工作台设计方案工作外是钢筋弯曲机的重要组成部分，也是钢筋弯曲机实现加工钢筋目的的核心所在。工作台面主要是由工作盘、芯轴、成型轴等部件构成的。芯轴，按照赶紧弯曲的规定，钢筋的弯曲半径应该是钢筋直径的1.25倍。因此直径不同的钢筋弯曲半径也是不同的，这就需要不同直径的芯轴。根据钢筋弯曲机芯轴的设计要求，有的钢筋弯曲机在成型轴上加了一个偏心套，就是为了调节成型轴就是为了调节成型轴、芯轴和钢筋三者之间的距离。挡铁轴的目的是防止钢筋和成型轴一起旋转，如果没有专门的挡铁轴，可以使用一般的芯轴来代替。想要钢筋和挡铁轴不发生摩擦，可以把偏心套加在挡铁轴上面。2.3传动方案设计传动方式采用了全齿轮传动方式：一级带传动和三级齿轮传动。将高转数电动机进行减速从而获得更大的转矩，在本次钢筋弯曲机采用的是圆柱齿轮减速机 。由于电机的转速控制在1500r/min以内从经济和性能方面选用圆柱齿轮减速机最为合适。并且效率不低于0.94，拥有较高的传动效率。圆柱齿轮减速机工作环境为零下40度到零上40度。第三章钢筋弯曲机的机械系统设计3.1弯矩计算与电动机选择（1）工作状态1.钢筋受力情况与计算有关的几何尺寸标记图1。设钢筋所需弯矩：Mt=式中F为拨斜柱对钢筋的作用力；Fr为F的径向分力;a为F与钢筋轴线夹角。当Mt一定，a越大则拨斜柱及主轴径向负荷越小；a=arcos(L1/Lo)一定，Lo越大。因此，弯曲机的工作盘应加大直径，增大拨斜柱中心到主轴中心距离L0钢筋弯曲机的工作盘设计：直径Ф500mm，空间距460mm，L0=80mm，a=43.80。2.钢筋弯曲机所需主轴扭矩及功率按照钢筋弯曲加工规范规定的弯曲半径弯曲钢筋，其弯曲部分的变形量均接近或过材的额定延伸率，钢筋应力超过屈服极限产生塑性变形。(2)材料达到屈服极限时的始弯矩1.按Ф40螺纹钢筋公称直径计算M0=K1Wσs式中，M0为始弯矩，W为抗弯截面模数，K1为截面系数，对圆截面K1=1.7；对于25MnSi螺纹钢筋M0=373（N/mm2）,则得出始弯矩M0=3977（N·m）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=（K1+K0/2Rx）Wσs式中，K0为强化系数，K0=2.1/δp=2.1/0.14=15,δp为延伸率，25MnSi的δp=14%，Rx=R/d0,R为弯心直径，R=3d0，则得出终弯矩M=11850（N·m）。3.钢筋弯曲所需距Mt=[(M0+M)/2]/K=8739（N·m）式中，K为弯曲时的滚动摩擦系数，K=1.05按上述计算方法同样可以得出Ф50I级钢筋（σb=450N/mm2）弯矩所需弯矩：Mt=8739（N·m）,取较大者作为以下计算依据。4.电动机功率由功率扭矩关系公式A0=T·n/9550=2.9KW,考虑到部分机械效率η=0.75，则电动机最大负载功率A=A0/η=2.9/0.75=3.9（KW），电动机选用Y系列三相异步电动机，额定功率为=4（KW）,额定转速=1440r/min。3.2V带传动设计计算（1）V带轮的设计计算电动机与齿轮减速器之间用普通v带传动，电动机为Y112M-4，额定功率P=4KW，转速=1440，减速器输入轴转速=514，输送装置工作时有轻微冲击，每天工作16个小时。1.设计功率根据工作情况由表4-4查得工况系数=1.2，=P=1.24=4.8KW2.选定带型根据=4.8KW和转速=1440，有图8—1—2选定A型实心式3.计算传动比Ì===2.84.小带轮基准直径由图4-12表4-5和表4-6取小带轮基准直径=75mm5.大带轮的基准直径大带轮的基准直径=（1-）取弹性滑动率=0.02=（1-）=2.8=205.8mm由表4-6查=212实际传动比==2.88从动轮的实际转速===500转速误差=2.7%对于带式输送装置，转速误差在范围是可以的6.带速==5.627.初定轴间距0.7（+）（+）0.7（75+205）（75+205）196取=400mm8.所需v带基准长度=2+=2=1262.32mm查表8—1—8选取9.实际轴间距a=406mm考虑安装、调整、补偿预紧力、中心距需要一定调整范围，其大小为=387.25mm=368.5mm10.小带轮包角=-=V带的根数ZZ=0.6515KW=0.1547=-0.070=0.9取Z=6根12.单根V带的预紧力=500（由表8—1—24查得A型带m=0.10则=500（=99.53N15.压轴力==2=1372N16.绘制工作图3.3圆柱齿轮设计（1）选择材料确定和及精度等级参考表5-1选择两齿轮材料为：大，小齿轮均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为48-50HRc，精度等级为8级。按硬度下限值，由表5-2中的MQ级质量指标查得==1120Mpa；σFE1=σFE2=700Mpa,σFlim1=σFlim2=350（2）圆柱齿轮计算计算应力循环次数N(由教材式5—33)=60jLh=60×514×1×(10×300×8)=7.4×108=/=7.4×108/5.5=1.345×108查教材图5-17得=1,=1取Zw=1.0，=1.0，=0.92，=1.0由教材图5-16(b)得:=690Mpa，=690MPa由教材式(5-28)计算许用接触应力=ZN1ZXZWZLVR==1173Mpa=ZN2ZXZWZLVR==897Mpa2.按接触疲劳强度计算中心距取1.0由教材表5—5查得：=189.8取=0.4T1==87324.9初取：估取：由式5—41计算==2.5==182mm圆整取：a=200mm一般取：取标准模数：小齿轮齿数：z1=/(u+1)=20.51整取：z1=21大齿轮齿数：z2==115.5取：z1=21z2=116实际传动比：传动比误差：＜5%故在范围内。（3）圆柱齿轮校核由5-3按电动机驱动，轻度冲击按8级精度查取5-4(d)得：齿宽：取整：b2=75b1=80按，考虑到轴的刚度较大和齿轮相对轴承为非对称位置查5-7a得：按8级精度查5-4得：齿顶圆直径：齿顶压力角：由5-13得：由式（5-17）计算齿面接触应力校核齿根弯曲疲劳强度按查图5-14得：=2.9,=2.3查图5-15得：=1.52,=1.82由式5-24计算：=0.25+=0.25+=0.674由式5-32计算弯曲疲劳许用应力查图5-16b得：350MPa,350MPa查图5-19得：1.0取：Yx=1.0取：==500Mpa==500Mpa===352MPa<=500Mpa经过校验结果安全===279.17MPa<=500MPa经过校验结果安全齿轮主要几何参数：Z1=21Z2=116mn=3mmd1=63mmd2=348mm==69mm==353mm（4）齿轮工作图由于第一级齿轮传动比与第二级传动比相等，则对齿轮的选择，计算以及校核都与第一级一样。3.4第三级圆柱齿轮的设计（1）选择材料参考表5-1选择两齿轮材料为：大，小齿轮均为40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为48-50HRc，精度等级为8级。按硬度下限值，由表5-2中的MQ级质量指标查得==1120Mpa；σFE1=σFE2=700Mpa,σFlim1=σFlim2=350（2）圆柱齿轮计算计算应力循环次数N(由教材式5—33)=60jLh=60×514×1×(10×300×8)=2.4×108=/=2.4×108/1.7=1.4×查教材图5-17得=1.45,=1.5取Zw=1.0，=1.0，=1，=1.0由教材图5-16(b)得:=690Mpa，=690MPa由教材式(5-28)计算许用接触应力=ZN1ZXZWZLVR==1000.5Mpa=ZN2ZXZWZLVR==1035Mpa2.按接触疲劳强度计算中心距取1.0由教材表5—5查得：=189.8取=0.4T1==初取：估取：由式5—41计算==2.5==199.779mm圆整取：a=250mm一般取：取标准模数：小齿轮齿数：z1=/(u+1)=61.7整取：z1=62大齿轮齿数：z2==105.4取：z1=21z2=106实际传动比：传动比误差：＜5%故在范围内。（3）圆柱齿轮校核由5-3按电动机驱动，轻度冲击按8级精度查取5-4(d)得：齿宽：取整：b2=95b1=100按，考虑到轴的刚度较大和齿轮相对轴承为非对称位置查5-7a得：按8级精度查5-4得：齿顶圆直径：齿顶压力角：由5-13得：由式（5-17）计算齿面接触应力校核齿根弯曲疲劳强度按查图5-14得：=2.4,=2.35查图5-15得：=1.75,=1.81由式5-24计算：=0.25+=0.25+=1.0272由式5-32计算弯曲疲劳许用应力查图5-16b得：350MPa,350MPa查图5-19得：1.0取：Yx=1.0取：==500Mpa==500Mpa===334.25MPa<=500Mpa安全===338.5077MPa<=500MPa安全5．齿轮主要几何参数Z1=62Z2=106mn=3mmd1=186mmd2=318mm==192mm==302.4mm（4）齿轮工作图如下3.5轴的设计（1）计算作用在轴上的力大轮的受力：圆周力==径向力轴向力小轮的受力：圆周力=径向力=轴向力=（2）计算支力和弯矩1.垂直平面中的支反力：2.水平面中的支反力：==2752.3N==261N3.支点的合力，：=轴向力应由轴向固定的轴承来承受。4.垂直弯矩：截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ5.水平弯矩：截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ=2752=504N合成弯矩：截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ计算轴径截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ（3）对截面进行校核1.截面Ⅰ—Ⅰ校核（由表4—1—2得）齿轮轴的齿（由表4—1—17得）（由表4—1—17得）S>1.8则轴的强度满足要求2.截面Ⅱ—Ⅱ校核（由表4—1—2得）齿轮轴的齿（由表4—1—17得）（由表4—1—17得）S>1.8则轴的强度满足要求3.6主轴设计（1）计算作用在轴上的力1.齿轮的受力：扭矩TT=圆周力==径向力轴向力2.工作盘的合弯矩Mt=[(M0+M)/2]/K=8739（N·m）式中，K为弯曲时的滚动摩擦系数，K=1.05按上述计算方法同样可以得出Ф50I级钢筋（σb=450N/mm2）弯矩所需弯矩：Mt=8739（N·m）由公式Mt=式中F为拨斜柱对钢筋的作用力；Fr为F的径向分力;a为F与钢筋轴线夹角。则工作盘的扭矩所以T>齿轮能够带动工作盘转动（2）计算支力和弯矩1.垂直平面中的支反力：2.水平面中的支反力：==11198.37N==-3217.9N3.支点的合力，：=轴向力应由轴向固定的轴承来承受。4.垂直弯矩：截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ5.水平弯矩：截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ=11198.37=-66.77N6.合成弯矩：截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ7.计算轴径截面Ⅰ—Ⅰ截面Ⅱ—Ⅱ（3）对截面进行校核1.截面Ⅰ—Ⅰ校核（由表4—1—2得）齿轮轴的齿（由表4—1—17得）（由表4—1—17得）S>1.8则轴的强度满足要求。3.6轴承的选择（1）滚动轴承选择.根据拨盘的轴端直径选取轴承，轴承承受的力主要为径向力，因而采用深沟球轴承，选定为型号为60000的轴承。深沟球轴承的优点：

1、大多数滚动轴承能同时受径向和轴向载荷，故轴承组合结构简单。

2、径向游隙比较小，向心角接触轴承可用预紧可用预紧力消除游隙，运转精度高。

3、一般条件下，滚动轴承的效率和液体动力润滑轴承相当，但较混合润滑轴承要高一些。

4、对于同尺寸的轴径，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的轴向结构紧凑。

5、标准化程度高，成批生产，消耗润滑剂少，便于密封，易于维护，不需要有用有色金属成本低。第四章钢筋弯曲机的控制系统设计PLC的定义及其特点钢筋弯曲机作为机电一体化产品，控制器是必不可少的部分。当今应用最为广泛的控制器有：51系列单片机，PIC单片机，PLC（可编程控制器）等，它们都拥有各自的使用群体。本次设计采用PLC控制，因为可编程控制器多用于顺序控制，稳定可靠，抗干扰能力强且使用方便。4.1PLC的定义及其特点（1）PLC的定义PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各个类型的机械或生产过程，PLC及其有关设备，都应该按易于工业控制系统形成一个统一的整体、易于扩充其功能的原则设计。（2）PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强2.通用性强，使用方便。3.功能强，适用性广。4.编程方法简单，容易掌握。5.PLC控制系统的设计、安装、调试维护方便。6.体积小、重量轻、功耗低。4.2PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。b、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。f、通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。4.3PLC型号选择目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。所以权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要满足系统功能需要为宗旨，不要盲目地贪大求全，以免造成投资和设备的浪费。机型的选择可以从一下几个方面考虑。1、对输入/输出点的选择盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费。要先弄清楚控制系统的I/O总数，再按照实际需要的总点数的15~20%留出备用量（为系统的改造留有余地）后确定所需PLC的总点数。另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时连接的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点数的60%；PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限制的，有的PLC其每点输出的电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时候要注意这些问题。PLC的输出点可以分为供点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应该选择前两种输出方式的PLC。2、对存储容量的选择对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点+输出的总点数乘5字/点估算；计数器/定时器按（3~5）字/个估算；有运算处理时按（5~10）字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/（或输出）一路模拟量约需（80~100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。最后一般按估算容量的50~100%留有余量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有的余量要大些。3、对I/O响应时间的选择PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫面工作方式引起的时间延迟（一般在2~3个扫面周期）等。对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制系统、特别是闭环控制系统就要考虑这个问题。4、根据输出负载的特点选型不同负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型，而不应该选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对平便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。5、对在线和离线编程的选择离线编程是指主机和编程器功用一个CPU,通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。编程状态时，CPU只为编程器服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机与编程器各有一个CPU，主机CPU完成对现场的控制，在每个扫描周期哦末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按照新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需要购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。6、根据是否联网通信选型若PLC控制系统需要连入工厂自动化网络，则PLC需要有通信连网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大中型机都有通信功能，目前部分小型机也具有通信功能。7、对PLC结构形式的选择在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便，容易判断故障等优点，要按照实际情况选择PLC的结构形式。根据以上选用原则，选用西门子公司的S7-200型PLC，CPU选用226型。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价格比。S7-200集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU226分别输出400mA,可用作负载电源。CPU226集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS