定長棒料切割機的設(shè)計（含CAD圖紙和說明書）

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摘要：通過對切割過程觀察和研究，本課題采用機電一體化系統(tǒng)設(shè)計思想對整體造型、機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,此棒料切割機電一體化系統(tǒng)主要由四個部分組成：機械本體、電子控制單元、執(zhí)行器和動力源。工作原理是電動機通過帶傳動帶動切割片做高速旋轉(zhuǎn)運動，電機與工作臺之間采用鉸支撐方式，升降液壓缸可推動切割片進(jìn)行上下移動帶動刀片完成順序切割動作。切割機采用PLC控制各個液壓換向閥的電磁鐵，實現(xiàn)棒料的自動下料和切割以及檢測工作。隨動工作臺前進(jìn)速度也可以通過夾緊機械手夾緊棒料使之與棒料速度同步。橫向切割時的切割速度可以通過液壓缸來調(diào)節(jié)。現(xiàn)場運行情況表明，此切割機具有動作快、運動平穩(wěn)以及與計算機聯(lián)機方便等優(yōu)點，能夠降低工人的勞動強度，實現(xiàn)自動控制，提高勞動生產(chǎn)率。 關(guān)鍵詞：定長切割機；機電一體化；液壓；棒料；PLC控制 第一章 概述 1.1 選題背景 機電一體化產(chǎn)品廣泛應(yīng)用各種加工業(yè)，切割技術(shù)也有了飛速的發(fā)展，手工切割已經(jīng)適應(yīng)不了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。如今已進(jìn)入以通用機械時代。幾十年來，切割技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種也在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴大。而目前市面上有很多型號的棒料切割機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)，維修不方便，生產(chǎn)效率低，智能化低等不足。 棒料切割機的設(shè)計是通過對以往類似的棒料切割機進(jìn)行參考和研究，從而制定出了該棒料切割機的整體方案，然后進(jìn)行細(xì)化。由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越個人掌握所有，一些專業(yè)知識是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術(shù)交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術(shù)的進(jìn)步和整個塊的技術(shù)，提高外部條件變化的適應(yīng)能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益為目標(biāo)，并研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個超級經(jīng)濟目標(biāo)和任務(wù)。機器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務(wù)。現(xiàn)代機械工程機械和機械設(shè)備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復(fù)雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細(xì)胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學(xué)已經(jīng)開始加強，并部分代替人腦科學(xué)，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復(fù)雜的工作，從而促進(jìn)手功能。又一方面實踐促進(jìn)人腦智力。在人類的進(jìn)化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進(jìn)和平行進(jìn)化。 大腦和手之間的人工智能和機械工程的近似關(guān)系，唯一不同的是，智能硬件還需要使用機械制造。在過去，各種機械離不開人類的操作和控制，反應(yīng)速度和運算精度的進(jìn)化是非常緩慢的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，人工智能將消除這種限制。相互促進(jìn)，計算機科學(xué)和機械工程進(jìn)展之間的平行，將在更高層次的新一輪發(fā)展的開始使機械工程。在第十九世紀(jì)，機械工程的知識總量仍然是有限的，大學(xué)在歐洲，它與一般的土木工程是一門綜合性的學(xué)科，稱為土木工程，下半場的第十九個世紀(jì)成為一門獨立的學(xué)科。在第二十世紀(jì)，隨著機械工程和知識增長的發(fā)展開始分解，機械工程專業(yè)，有分支機構(gòu)。在第二十世紀(jì)中期趨勢分解，在時間之前和之后的第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束時達(dá)到的峰值。由于機械工程的知識總量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)從個人掌握所有，一些專業(yè)是必不可少的。但是過度的專業(yè)知識使分割，視野狹隘，可以查看和統(tǒng)籌大局和全球工程和技術(shù)交流，縮小范圍，新技術(shù)的進(jìn)步和整個塊的技術(shù)，外部條件變化的適應(yīng)能力差。封閉的專業(yè)知識的專家太狹，考慮的問題太特殊，在工作協(xié)調(diào)困難，不利于自我提高。因此，自上世紀(jì)第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎(chǔ)理論，拓寬領(lǐng)域，對專業(yè)合并的分化。綜合職業(yè)分化和發(fā)展知識循環(huán)過程的合成，是合理和必要的。從不同的專業(yè)和專業(yè)知識的專家，也有綜合的知識了解不夠，看看其他學(xué)科和項目作為一個整體，從而形成一種相互強烈的集體工作。綜合和專業(yè)水平。有機械工程全面而專業(yè)的沖突；在綜合性工程技術(shù)也有綜合和專業(yè)問題。在人類所有的知識，包括社會科學(xué)，自然科學(xué)和工程技術(shù)，有一個更高的水平，更廣泛的綜合性和專業(yè)性的問題。 本論文主要研究運用SolidWorks對棒料切割機進(jìn)行設(shè)計。通過對棒料切割機進(jìn)行設(shè)計，來了解棒料切割機的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及以后的發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀。該課題來自于棒料加工型機械公司的生產(chǎn)實際，通過設(shè)計出棒料切割機，從而來掌握棒料切割機的整個設(shè)計生產(chǎn)流程，培養(yǎng)工程意識[2]。 我國生產(chǎn)的棒料切割機結(jié)構(gòu)簡陋，切割效率始終不高，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近期產(chǎn)品的質(zhì)量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質(zhì)量及設(shè)計水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的棒料切割機的總體水平與進(jìn)口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍有較大差距，棒料切割機的生產(chǎn)也是如此，為滿足市場需求，開發(fā)出一種新型的棒料切割機勢在必行！本文運用大學(xué)所學(xué)的知識，提出了棒料切割機的結(jié)構(gòu)組成、工作原理以及主要零部件的設(shè)計中所必須的理論計算和相關(guān)強度校驗，構(gòu)建了棒料切割機總的指導(dǎo)思想，從而得出了該棒料切割機的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且校正質(zhì)量高，運行平穩(wěn)的結(jié)論。 1.2 研究意義 本棒料切割機的切割機構(gòu)屬于機械技術(shù)領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有的自動切割機所存在的精度不高，操作復(fù)雜，智能化低等問題。本課題針對目前市場上的切割機設(shè)計的不足，對棒料切割機進(jìn)行改造創(chuàng)新，增加智能化程度，設(shè)計出具有控制方便，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)、維修方便，安全可靠，低能耗，在切割過程中能使棒料位置穩(wěn)定、切割長度準(zhǔn)確，生產(chǎn)率高，運行平穩(wěn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點的具有廣泛應(yīng)用前景的方案。 目前機械式棒料切割機將逐漸被全自動棒料切割機所代替。傳統(tǒng)的機械式的棒料切割機已經(jīng)不能完全滿足當(dāng)今市場的需要，迫切需要各種多功能的棒料切割機來滿足市場需求，如是福建金明公司加大人力開發(fā)出了五個規(guī)格十四種類型的棒料切割機，然而我國機械人業(yè)所需的棒料切割機全部依賴進(jìn)口，這使得國產(chǎn)機械人配備棒料切割機后，成本增加很大，而裝備自行開發(fā)生產(chǎn)棒料切割機，其成本提高不大，說明棒料切割機的市場前景令人樂觀 與一般現(xiàn)在市面上的切割機相比，本次設(shè)計的這種切割機有以下優(yōu)點： 1）實現(xiàn)了機械工程和自動控制的有效結(jié)合，機械部分采用機械優(yōu)化設(shè)計，整個設(shè)計過程中都進(jìn)行了綜合技術(shù)比較與經(jīng)濟評價，實現(xiàn)了預(yù)定的功能。 2）整個運動過程都采用了液壓傳動控制，與氣壓傳動相比，液壓傳動有可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速；液壓傳遞運動均勻、平穩(wěn)；易于實現(xiàn)過載保護等優(yōu)點。 所設(shè)計的棒料切割機，融合了液壓自動控制、機器人技術(shù)和PLC控制技術(shù)。PLC控制各個液壓換向閥的電磁鐵，由液壓缸驅(qū)動機械手完成順序切割過程，實現(xiàn)了機械設(shè)計、電器控制和液壓傳動控制的有效結(jié)合。此棒料切割機是一種既能有效的提高生產(chǎn)率，又在價格和使用方面能被廣大用戶所接受的一種新型的自動控制切割機。 1.3 本課題研究的主要內(nèi)容 定長棒料切割機作為切割機械的一種，在加工棒材的公司有著非常普及的應(yīng)用，目前市面上的棒材切割機切割精度不高是主要的問題，所以在參考了以往的類似的棒材切割機的基礎(chǔ)上，通過市場調(diào)研和歸納總結(jié)，得出了本次設(shè)計的棒材切割機的總體方案與具體結(jié)構(gòu)。 主要針對定長棒料切割機進(jìn)行設(shè)計，從棒料切割機的整體方案出發(fā)，然后具體細(xì)化出具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個方面： （1）通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館查找各種關(guān)于棒材切割機的相關(guān)資料，對棒料切割機進(jìn)行方案的比較和預(yù)定。 （2）分析棒料切割機的結(jié)構(gòu)與參數(shù) （3）確定設(shè)計總體方案 （4）確定具體設(shè)計方案 （5）棒料切割機的三維圖的繪制、CAD裝配圖、零件圖的繪制。 （6）說明書的整理 第二章 切割部分設(shè)計 2.1 切割部分設(shè)計要求 為了保證棒料的剪斷，剪應(yīng)力應(yīng)超過材料的許應(yīng)剪應(yīng)力,即切斷棒料的條件為： （2-1） 查資料可知棒料的許用剪應(yīng)力為：,取最大值。由于本切斷機切斷的最大棒料粗度為：。 則本機器的最小切斷力由（2-1）得： 取切割機的 項目設(shè)計采用機電一體化設(shè)計思想，要求棒料切割機采用PLC對棒料的切割過程及檢測進(jìn)行自動控制，并能根據(jù)PLC定長信號分別切割兩條連續(xù)的棒料，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計后可以實現(xiàn)對棒料的準(zhǔn)確定長切割，切割后自動返回初始位置。被切割的工件為6～8m的圓柱實心鋼柱，材料為45鋼，直徑60mm～1000mm，切割機能切割的長度范圍為1000mm～1500mm，切割到一定深度停止切削，最后用壓斷機進(jìn)行壓斷處理。 2.2 切割部分設(shè)計方案 本棒料切割機的切割機構(gòu)屬于機械技術(shù)領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有的自動切割機所存在的精度不高，操作復(fù)雜，智能化低等問題。本課題針對目前市場上的切割機設(shè)計的不足，對棒料切割機進(jìn)行改造創(chuàng)新，增加智能化程度，設(shè)計出具有控制方便，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)、維修方便，安全可靠，低能耗，在切割過程中能使棒料位置穩(wěn)定、切割長度準(zhǔn)確，生產(chǎn)率高，運行平穩(wěn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點的具有廣泛應(yīng)用前景的方案。 切割過程是電動機帶動割切片高速旋轉(zhuǎn)運動，電機與工作臺之間采用鉸鏈支撐方式，升降氣缸可推動切割片進(jìn)行上下移動，完成切割運動。橫向行走氣缸可推動工作臺橫向移動，控制切割的長度?？v向行走液壓缸可使工作臺縱向移動，使切割片能切割棒料。其中電動機和氣缸電磁閥都需要通過由PLC控制系統(tǒng)來控制，實現(xiàn)其按照順序完成動作 切割部分主要有砂輪切片、電動機和傳動機構(gòu)組成。現(xiàn)在設(shè)計的在切割部分有兩種方案可行： 方案一：液壓夾緊，切割中被夾緊的圓鋼柱要自轉(zhuǎn)，并且邊自轉(zhuǎn)邊向前進(jìn)給。刀具邊隨鋼柱運動，邊切割，同時刀具也要轉(zhuǎn)動。 方案二：液壓夾緊切割中被夾緊的圓鋼柱要自轉(zhuǎn)，進(jìn)給到指定長度后，停止進(jìn)給，刀具開始切割，刀具也要轉(zhuǎn)動。 由于在切削的過程中，刀片的轉(zhuǎn)速較快，如果棒料在刀具轉(zhuǎn)動的同時依然進(jìn)給，這樣會不利于刀具的壽命，為了安全起見，也為了延長刀具的壽命，我們選用方案2來進(jìn)行設(shè)計。 圖2-1 切割部分結(jié)構(gòu)圖 1-電動機；2-升降液壓缸；3-砂輪片；4-支撐板；5-傳送帶 2.3 切割部分工作原理 切割部分的原理如圖2-2所示，電動機帶動割切片高速旋轉(zhuǎn)運動，電機與工作臺之間采用鉸鏈支撐方式，升降液壓缸可推動切割片進(jìn)行上下移動，完成切割運動。橫向行走液壓缸可推動工作臺橫向移動，控制切割的長度?？v向行走液壓缸可使工作臺縱向移動，使切割片能切割兩根棒料。其中電動機和液壓缸電磁閥都需要通過由PLC機控制，實現(xiàn)其按照順序完成動作。 圖2-2 切割部分原理簡圖 1-帶輪；2-傳送帶；3-電機；4-砂輪；5-升降液壓缸；6-進(jìn)料道；7-橫向行走板；8-夾具；9-待加工棒料；10-橫向行走液壓缸；11-縱向行走板；12-縱向行走液壓缸 2.4 切割部分結(jié)構(gòu)設(shè)計 切割部分主要有切割鋸片、電動機和傳動機構(gòu)組成?，F(xiàn)在設(shè)計的切割部分有兩種方案可行：第一，電動機通過帶傳動帶動切割片轉(zhuǎn)動。第二，電動機通過圓錐齒輪傳動方式帶動切割片轉(zhuǎn)動。但考慮到切割過程中電動機帶動切割片進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運動，所以優(yōu)先選取第一種方案，原因是圓錐齒輪傳動不宜應(yīng)用在轉(zhuǎn)速太高的場合，并且在運用齒輪進(jìn)行傳動時，還應(yīng)考慮怎樣消除震動和用什么方法潤滑齒輪，這樣就會使設(shè)計成本增加，而帶傳動則具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)、價格低廉和緩沖吸振等優(yōu)點 2.4.1 切割片的選取 設(shè)計任務(wù)所需電機的最小功率為，主軸轉(zhuǎn)速：條件下，輪片的最大線速度為。最終選取砂輪片的型號為A型，其規(guī)格為，磨料為棕剛玉，粒度為，硬度為R[2]。 2.4.2 電機的選取 根據(jù)切割系統(tǒng)的要求，應(yīng)考慮電動機的種類、型式、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速和額定功率、工作方式，在決定電動機功率時考慮到電動機的發(fā)熱，允許過載能力啟動能力等問題，現(xiàn)選用比較適合的Y系列三相異步電動機，這是由于Y系列三相異步電動機的功率等級和安裝尺寸與國外同類型的先進(jìn)產(chǎn)品相當(dāng)，因而具有與國外同類型產(chǎn)品之間良好的互換性，供配套出口及引進(jìn)設(shè)備替換。選取功率為3.0KW，額定電壓：380V，頻 率：50HZ ,額定轉(zhuǎn)速為2880r.p.m，額定轉(zhuǎn)矩，型號為Y100-2，電動機選用三角型啟動方法啟動[3]。 2.4.3 帶傳動設(shè)計 根據(jù)帶截面形狀的不同，帶傳動可分為：平帶傳動、多楔帶傳動、圓帶傳動、V帶傳動等。在一般的機械中由于V帶的楔形增壓原理，結(jié)構(gòu)緊湊，允許的傳動比大，且多標(biāo)準(zhǔn)化并大批量生產(chǎn),所以被廣泛應(yīng)用。 本設(shè)計中選用V帶傳動。由于V帶傳動中的帶及帶輪槽型均已標(biāo)準(zhǔn)化，所以設(shè)計的主要內(nèi)容包括帶的型號、確定基準(zhǔn)長度、根數(shù)、中心距、帶輪的材料、基準(zhǔn)直徑以及結(jié)構(gòu)尺寸、初拉力和壓軸力、張緊裝置等參數(shù)。 (1)確定計算功率 由《機械設(shè)計》查得工作情況系數(shù)[4]（電機帶動砂輪切割鐵棒，載荷性質(zhì)為載荷變動較大），則計算功率為 （2-2） 公式中： —工作系數(shù)[3]； —所需傳遞的額定功率，。 (2)初選帶的型號 根據(jù)和，由《機械設(shè)計》查的初選普通V帶[4]。 (3)確定帶輪的基準(zhǔn)直徑和，并驗算帶速 1)《機械設(shè)計》查得V帶的最小基準(zhǔn)直徑[4],考慮到帶輪太小，其彎曲應(yīng)力過大，所以要使，取 2）驗算帶的速度 （2-3） 帶速不宜過高或過低，一般應(yīng)使,因為 帶速符合要求。 3）計算大帶輪的基準(zhǔn)直徑，并根據(jù)《機械設(shè)計》加以取整 （2-4） 由于電機轉(zhuǎn)速與砂輪轉(zhuǎn)速基本同步，選速比 =1，則基準(zhǔn)直徑 (4)確定中心距并選擇V帶的基準(zhǔn)長度 1）根據(jù)帶傳動總尺寸的限制條件或要求的中心距初定中心距 由綜合式 ， （2-5） 考慮到結(jié)構(gòu)要求，初選 帶的初始長度： （2-6） 由《機械設(shè)計》V帶的基準(zhǔn)長度系列及長度系數(shù)表中取帶的[4]，帶基準(zhǔn)長度 2)最后確定中心距 （2-7） 則 （2-8） （2-9） 最后取 (5)驗算帶輪包角 （2-10） （合適） (6)確定帶的根數(shù) （2-11） 其中： —額定功率，； 由《機械設(shè)計》查得： [4]； 由《機械設(shè)計》查得包角系數(shù)[4]； 由《機械設(shè)計》查得長度系數(shù)[4]； 采用非化纖結(jié)構(gòu)的普通帶，取材質(zhì)系數(shù)[4]。 由《機械設(shè)計》查得V帶處于臨界打滑狀態(tài)所能傳遞的最大功率[4] 取根。 (7)確定單根帶的初拉力 （2-12）查得[4],對于新安裝的帶，初拉力為；對于運轉(zhuǎn)后帶初拉力 (2-13） (8)計算帶對軸的壓力 （2-14） (9)張緊裝置的選擇 各種材質(zhì)的V帶都不是完全的彈性體，在預(yù)緊力的作用下，經(jīng)過一定時間的運轉(zhuǎn)后，就會由于塑性變形而松弛，使初拉力降低。為了保證帶傳動的能力，應(yīng)定期檢查初拉力的數(shù)值。如發(fā)現(xiàn)不足時，必須重新張緊，才能正常工作。常見的張緊裝置有以下幾種：定期張緊裝置、自動張緊裝置和采用張緊輪的裝置。因為在本方案中中心距不能調(diào)節(jié)，可采用張緊輪將帶張緊。張緊輪放在松邊內(nèi)側(cè)，使帶只受單向彎曲，同時張緊輪還應(yīng)盡量靠近大輪，以免過分影響小帶輪的包角。 (10)帶輪的設(shè)計 帶輪的設(shè)計要求及設(shè)計內(nèi)容 1)帶輪的材料 帶輪的材料主要采用鑄鐵，常用材料的牌號為HT150或HT200，轉(zhuǎn)速較高時宜采用鑄鋼，或用鋼板沖壓后焊接而成[7]。在本次設(shè)計中，采用了比較常見的HT150。 2)帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸 由于帶輪的基準(zhǔn)直徑，軸的直徑，根據(jù)帶輪的選擇原則：即當(dāng) 時采用腹板式結(jié)構(gòu)，鑄造帶輪的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3 帶輪的結(jié)構(gòu) 2.4.4 升降液壓缸的設(shè)計 （1）液壓缸設(shè)計要求 根據(jù)主機系統(tǒng)設(shè)計的要求，應(yīng)考慮液壓系統(tǒng)的執(zhí)行件的數(shù)量、運動形式、工作循環(huán)、行程范圍、各執(zhí)行件的運作順序、液壓元件承受的負(fù)載、運動速度、變化范圍。對液壓系統(tǒng)的性能要求有調(diào)速性能，運動平穩(wěn)性能、轉(zhuǎn)換精度、可靠性程度、使用與維修的方便性等 （2）選擇安裝方式 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，要實現(xiàn)砂輪片的上下移動完成切割，要求液壓缸在上下伸縮的同時，還要繞點轉(zhuǎn)動，所以選用鉸鏈連接安裝方式。 圖2-4 手動切割機受力示意圖 1-砂輪片；2-手柄 （3）負(fù)載大小 根據(jù)手動切割機的工作原理（如圖2-4所示）， 圖中F=300N 估算得砂輪片的支反力為。 再由所設(shè)計切割機的切割受力示意圖（如圖2-5所示） 由于砂輪所受的支反力相同，算得液壓缸所承受的力即理論推力為 （4）工作壓力 當(dāng)前所用的液壓缸的負(fù)載小于的工作壓力一般在左右，所以選取其正常工作壓力為[5]。因為在設(shè)計時一般要求安全系數(shù)比較高，所以在選取液壓缸的時候一般要求有較大余量，所以在缸徑選擇時，其工作壓力一般按計算。 （5）缸徑選擇 圖2-5 棒料切割機受力示意圖 1-砂輪片；2-液壓缸 理論推力為時，需選擇其缸徑為?？紤]到安全系數(shù)，初選缸徑為。（6）行程大小 根據(jù)機構(gòu)簡圖（如圖2-6所示），其中實線為機構(gòu)初始位置，在初始位置時，砂輪片的直徑在最大狀態(tài)，當(dāng)砂輪切割到終位（圖2-6中虛線部分）時，連桿所轉(zhuǎn)過的角度為，此時砂輪直徑為最小直徑。 圖2-6 氣缸行程計算簡圖 1-砂輪 ；2-液壓缸；3-工件 在初始位置時測得液壓缸的總長度為，在終了位置時測得液壓缸的總長為，所以在此過程中氣缸的行程 （2-15）即升降液壓缸的行程為 （7）液壓缸穩(wěn)定性校核 1) 液壓缸直徑校核 液壓工作壓力,則液壓缸直徑 = (2-16) 取?？紤]到安全系數(shù)，選缸徑為合理。 2)液壓缸活塞桿選擇及校核 (2-17) = 故設(shè)計符合要求。 由，可計算出活塞桿直徑 (2-18) 可取活塞桿直徑。 通過公式 (2-19) 對進(jìn)行校核， 其中 ； ； 則 選活塞桿直徑為的液壓缸符合要求。 在所需要的的前提下，須進(jìn)行穩(wěn)定校核，應(yīng)使活塞桿承 受的力F不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界壓力,但考慮到安全性，安全因數(shù)應(yīng)大于規(guī)定的許用安全因數(shù)，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。（為液壓缸桿工作負(fù)載；=4[6]）關(guān)于穩(wěn)定安全因數(shù)可在設(shè)計手冊中查到。 兩端鉸支鏈接的、細(xì)長壓桿的臨界力的歐拉公式[6] (2-20) 其中: 截面的慣性矩： ； 桿件的兩端都是鉸鏈連接：； (2-21) (2-22） 則所選取的桿長不超過，且大于行程，所以選取液壓缸活塞桿的長度， 3) 缸筒壁厚的計算 缸筒壁厚可按薄壁筒公式計算: (2-23) 式中： ——缸筒壁厚； ——液壓缸內(nèi)徑； ——實驗壓力，取； 材料為：ZQ的許用應(yīng)力[6] 可計算出壁厚 (2-24) 因此，液壓缸外徑 (2-25) (8)確定液壓缸型號 綜上所述，根據(jù)《液壓與氣壓傳動》，選用型的標(biāo)準(zhǔn)液壓缸ZQ-60/12×200-F2[7]合適，缸徑為，活塞桿直徑為，液壓缸行程為，帶防塵罩F數(shù)量為。 2.4.5 滾動軸承的選取及校核 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用了既有轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點，又能夠承受少量軸向力的角接觸球軸承，（其中軸向力的主要來源是安裝或拆卸帶輪時所承受的載荷估算載荷大小為100N）。據(jù)分析，在安裝和拆卸帶輪時的力相同的情況下，拆卸帶輪時，軸承所受的力更大，所以選取軸向力的方向向右，如圖2-6所示。 圖中M為電極的輸出轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為砂輪的切割阻力，在切割過程中，電極的輸出轉(zhuǎn)矩與砂輪所受的切割阻力矩大小相同，方向相反，在切割時相互抵消，所以在計算過程中不再考慮電極輸出轉(zhuǎn)矩和切割阻力對軸承的影響。 由于軸承受一定的軸向力，所以選取接觸角的角接觸球軸承。其代號為7207ACJ[7],基本額定動載荷，基本額定靜載荷 [8]。 軸承的校核計算 （1）計算軸承所受的徑向力、，其受力如圖2-6所示 由力矩平衡條件得徑向力 （2-26） 由得徑向力 （2-27） 圖2-6 軸承計算簡圖 （2）計算派生軸向力、 所選的軸承型號為7207ACJ，其派生軸向力 則 （2-28） （2-29） （3）求軸承所受的軸向力、 故軸承2被壓緊，軸承1被放松，所以有 （4）計算當(dāng)量動載荷、 （2-30） （2-31） 由《簡明機械零件手冊》查得7207ACJ型軸承的軸向載荷影響的判斷系數(shù)[9] 因為 ，所以 ； ，所以 由《機械設(shè)計》查得，當(dāng)軸承受中等沖擊或中等慣性力時，取載荷系數(shù)[4]，由于軸承1、2均不受力矩載荷的作用，所以取，。 則 （2-32） （2-33） （5）計算所需軸承的動載荷 由《機械設(shè)計》查得，當(dāng)軸承的工作溫度小于時，其溫度系數(shù)[4] 比較兩當(dāng)量動載荷知，，所以應(yīng)該按計算 （球軸承應(yīng)?。﹦t所需軸承的額定動載荷為 （2-34） （6）確定軸承型號 由《簡明機械零件手冊》查得軸徑時，應(yīng)選軸承的代號為7207ACJ[8]，其額定載荷為。 故選用代號為7207ACJ的軸承合適。 第三章 夾緊部分設(shè)計 3.1 夾緊機構(gòu)設(shè)計要求 夾緊機構(gòu)不但要求在切割之前機械手能夠根據(jù)事先收到的信號準(zhǔn)確地運動到每個工位，而且在切割過程中要夾緊運動著的棒料，使砂輪與棒料同步。 3.2 夾緊部分方案設(shè)計 夾緊部分是由液壓缸推動機械手實現(xiàn)夾緊和放松的。這部分的兩種可行性方案是：一是用一個機械手同時負(fù)責(zé)夾緊兩根鑄棒，根據(jù)需要對被切割的那條進(jìn)行夾緊。二是用兩個機械手，每個機械手負(fù)責(zé)夾緊一根鑄棒。第一種方案中，機械手可通過一個二位液壓缸和一個三位液壓缸實現(xiàn)對棒料的夾緊。第二種方案中，每個機械手都需要兩個二位液壓缸來實現(xiàn)對棒料的夾緊?？紤]到第一種方案設(shè)計工作量小，安裝方便，而且控制簡單，所以優(yōu)先使用第一種方案。 圖3-1 夾緊部分原理圖 1-夾緊機械手；2-夾緊氣壓缸；3-橫向行走氣壓缸；4-縱向行走板；5-縱向行走液壓缸；6-橫向行走板 夾緊部分原理如圖3-1所示，夾緊氣缸能使夾緊機械手夾緊或放松工件，當(dāng)活塞向右移動時，機械手夾緊工件，當(dāng)活塞向左移動時，機械手放松工件。橫向行走氣缸推動工作臺左右移動，能控制機械手使之夾緊左邊或右邊的工件，從而對夾緊的工件進(jìn)行切割?？v向行走液壓缸的作用是當(dāng)完成一次切割過程完成時，推動工作臺使之恢復(fù)到初始位置。整個工作過程都由PLC控制實現(xiàn)。其中ST4-ST9為控制液壓缸的行程開關(guān)。 第四章 縱橫行走部分的設(shè)計 4.1 縱橫行走裝置設(shè)計要求 縱橫行走裝置主要是為了配合切割裝置和夾緊裝置，使砂輪片和夾緊機械手能夠在走刀過程中橫向移動，迅速準(zhǔn)確地達(dá)到工作位，在切割過程中能夠隨著棒料縱向移動，切完后在返回初始位置。 4.2 縱橫行走部分方案設(shè)計 縱橫行走裝置主要是為了實現(xiàn)切割機砂輪片的縱向和橫向移動，使之完成切割動作。為了設(shè)計和制造方便，在方案設(shè)計中縱、橫向行走裝置的原理大致相同，即采用結(jié)構(gòu)簡單而又便于控制的液壓傳動方式，液壓缸帶動縱向行走板或橫向行走板在導(dǎo)軌上滑動。 在設(shè)計過程中，考慮到能量的損耗程度，縱橫行走裝置采用了直線導(dǎo)軌，既提高了運動系統(tǒng)的運動精度，又很大程度的減小了摩擦力，達(dá)到了節(jié)能的效果。 4.3 直線導(dǎo)軌的選擇計算 4.3.1選定條件 （1）載荷 根據(jù)粗略計算，導(dǎo)軌上橫向行走部分的總質(zhì)量為 所以重量 （2)行程 根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)的要求，選定行程 (3)往復(fù)次數(shù) （次/分） (4)壽命要求 假設(shè)機器壽命為5年，則導(dǎo)軌壽命為 小時 假設(shè)安裝4個滑塊，要計算一個滑塊的負(fù)載，可用下式 同時由于兩個滑塊裝在一個導(dǎo)軌上，因此接觸系數(shù)。 4.3.2選擇方式 （1）根據(jù)靜態(tài)安全系數(shù)選型號 （4-1） 其中 —靜態(tài)安全系數(shù) —載荷系數(shù) （在無外部沖擊或振動、低速時取1.5） —基本額定靜載荷 現(xiàn)設(shè)靜態(tài)安全系數(shù) 則有 （4-2） 在正常運行時一般選取安全系數(shù)為5，根據(jù)上述情況，選取SBG35FL的導(dǎo)軌比較理想。（2）根據(jù)壽命要求選型號 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壽命計算公式 若使用17500小時，則總的移動距離為 （4-3） 其中 ——溫度系數(shù) （由手冊查得當(dāng)導(dǎo)軌的工作溫度小于100時，其溫度系數(shù)取1.0[8]） ——硬度系數(shù) （為了使直線運動系統(tǒng)達(dá)到最佳承載能力，需要保持導(dǎo)軌的硬度在HRC58-62，由手冊查得為1.0[8]） ——基本動載荷 所以 解得 因此，選取SGB45FL（） （3）復(fù)查 理論上選取SGB35FL或上一級似乎比較恰當(dāng)，但考慮到標(biāo)準(zhǔn)壽命，選擇SGB45FL[8]更理想?？v橫行走部分的結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示： 4-1縱橫行走部分的結(jié)構(gòu)圖 1-橫向行走導(dǎo)軌；2-縱向行走導(dǎo)軌 第五章 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計 5.1液壓傳動機構(gòu) 根據(jù)切割機的機構(gòu)原理，繪制的機構(gòu)簡圖如圖5-1所示，其中ST0-ST4為控制液壓缸的行程開關(guān)。 5-1切割機機構(gòu)簡圖 1-帶輪；2-傳送帶；3-電機；4-砂輪；5-升降液壓缸；6-橫向行走液壓缸；7-橫向行走板；8-縱向行走液壓缸；9-縱向行走板 5.2 液壓傳動原理圖 如圖5-2液壓傳動原理圖 第六章 電氣控制的設(shè)計 6.1 電氣控制設(shè)計要求 電氣控制線路的設(shè)計是在傳動形式及控制方案選擇的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是傳動形式與控制方案的具體化。應(yīng)滿足機電設(shè)備對電氣控制線路的要求，工藝要求準(zhǔn)確、控制線路簡單、經(jīng)濟、安全、可靠地工作，具有必要的保護裝置[10]。 6.2 電氣控制設(shè)計方案 電氣控制線路的設(shè)計運用經(jīng)驗設(shè)計法[11]進(jìn)行設(shè)計的，先從滿足生產(chǎn)工藝的要求出發(fā)，按照電動機的控制方法，利用各種基本的控制環(huán)節(jié)和控制方法，借鑒典型的控制線路，把它們綜合地組合成一個整體以滿足生產(chǎn)需要。由于切割機需要控制的對象較多，所以系統(tǒng)的控制部分比較復(fù)雜，電氣在接收PLC命令對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置后，還要根據(jù)要求切割過程完成輸入信號的循環(huán)監(jiān)控，并輸出不同的信號對系統(tǒng)的各個執(zhí)行部件進(jìn)行控制，使其協(xié)調(diào)工作，完成工件的切割[12]，電氣原理圖如圖6-1所示，其中為 PLC的I/O端口分配見附錄A。 圖6-1 電氣原理圖 6.3可編程控制器PLC控制流程 待命 走刀 工作1位 工作2位 夾緊 隨動 落刀 抬刀 隨動返回 1位走刀返回 2位走刀返回 DT2斷電 DT2,DT1/斷電 /、13 DT1,DT2,DT5,DT7,DT9斷電9 DT2上電保持 DT2,DT3相繼上電 DT4上電保持 DT1上電保持 DT5斷電 DT1斷電 DT3，DT4,DT6,DT8 初位 圖6.2-控制流程圖 7 結(jié) 論 這樣所設(shè)計的棒料切割機結(jié)構(gòu)簡單，性能安全可靠，操作方便可行，智能化程度高，很好的實現(xiàn)了其預(yù)定功能。設(shè)計過程中，主要考慮了機器的性能以及經(jīng)濟性，在保證其完成工作要求的前提下，盡可能的提高其性價比，由PLC控制液壓傳動系統(tǒng)的棒料切割機，又具有控制方便，性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)、修改方便、生產(chǎn)率高等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過初期方案的制定，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才能做到最好，總之，在老師和同學(xué)的幫助下完成了設(shè)計，感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以完成。 附錄A— PLC I/O端口分配圖 附錄-A PLC I/O端口分配 參考文獻(xiàn) [1] 梁景凱，蓋玉先． 機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M]． 北京：機械工業(yè)出版社，2012．1． [2] 徐 灝．機械設(shè)計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社， 1991． [3] 陸鑫盛，周洪. 氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1995． [4] 濮良貴，紀(jì)名剛. 機械設(shè)計[M]．8版．北京：高等教育出版社，2006．5． [5] 劉延俊．液壓與氣壓傳動[M]．1版． 北京：清華大學(xué)出版社，2012．12． [6] 劉鴻文．材料力學(xué)[M]．4版．北京：高等教育出版社，2004．5． [7] 孫 恒. 機械原理[M]．8版．北京：高等教育出版社，2008．5． [8] 蔡春源．簡明機械零件手冊[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1996．3． [9] 李紅萍.工控組態(tài)技術(shù)及應(yīng)用—組態(tài)王[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2011．5． [10] 黃大宇，梅瑛.機械設(shè)計課程設(shè)計[M].吉林：吉林大學(xué)出版社，2006.12. 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Beardsly, Mechanical Engineering, Regents Publishing Company,Inc,2003:99—103 致謝 時光飛逝，三年的大學(xué)生活將隨著本次畢業(yè)論文的完成而畫上完美的句號。 感謝老師在本次論文設(shè)計中對我的悉心指導(dǎo)，不論是從課題選擇到具體的寫作過程，還是論文初稿與定稿，都透露出老師的心血和汗水。在本次畢業(yè)論文設(shè)計期間，老師一絲不茍的工作作風(fēng)，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，讓我受益匪淺，深受感動。多謝老師在專業(yè)知識上的指導(dǎo)和提出的一些富于創(chuàng)造性的建議，在這樣無私的幫助和熏陶下，我終于順利完成了我的畢業(yè)設(shè)計。 在此，向所有幫助過我的老師送上我深深地感謝和崇高的敬意。 通過畢業(yè)設(shè)計的鍛煉，使我們運用專業(yè)知識的能力得到了進(jìn)一步提高，知識得到了鞏固，使我們對設(shè)備的整體設(shè)計思想有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，通過對定長棒料切機的設(shè)計，我運用了各門專業(yè)課程，再一次夯實了我的知識。