裝配圖高精度數(shù)控旋切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配圖高精度數(shù)控旋切機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),裝配,高精度,數(shù)控,旋切機(jī),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 河南科技學(xué)院 2009 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目：鋼管旋切機(jī)設(shè)計(jì) —控制部分設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)號：20040315033 學(xué)生姓名：杜顯峰 所在院系： 機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育 導(dǎo)師姓名： 陳錫渠 完成時(shí)間：2009 年 5 月 20 日 摘 要 本設(shè)計(jì)通過對薄壁鋼管的工藝性分析和無削切削工藝方案的分析，確定采 用理論與實(shí)際相結(jié)合的方式并利用現(xiàn)有的條件來設(shè)計(jì)旋切機(jī)，在此基礎(chǔ)上對鋼 管旋切機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得出整體結(jié)構(gòu)方案。通過主要技術(shù)指標(biāo) 對鋼管和選擇，最終確定其裝配總圖。通過此次設(shè)計(jì)，掌握了機(jī)床電控的相關(guān) 知識以及 plc 自動控制的知識，對于 ProE3.0/AutoCAD 等軟件的應(yīng)用方面有了 進(jìn)一步的提高。旋切機(jī)的電控部分進(jìn)行選擇和安裝，然后對鋼管旋切機(jī)的其它 主要零件進(jìn)行設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞：電氣控制，薄壁鋼管，無屑切削，自動切割，旋切機(jī)，plc. Abstract The design of thin-walled tube through analysis of technology and no cutting process analysis and determination by combining theory with practice and use the existing conditions of the way to design the cutting machine, on the basis of steel lathe cutting electrical control system design, and the whole structure scheme. Through the main technical indexes of steel tube and selection, determine the general assembly. Through the design, master knowledge of electric machine and PLC automatic control of knowledge, for ProE3.0 / AutoCAD software applications have further improved. Part of the electronic spin machine, and then choose to install and steel lathe cutting machine of the other major parts design Keywords: electrical control, tubes, without crumbs cutting, automatic lathe cutting machine, cutting, PLC 目 錄 1 緒論 ..........................................................................................................1 2 設(shè)計(jì)要求 ....................................................................................................1 3 主要技術(shù)指標(biāo) ............................................................................................1 4 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) ......................................................1 4.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...................................................................................2 4.2 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的工作原理 ..................................................................2 4.3 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) ......................................................................................2 5 鋼管旋切機(jī)改進(jìn)方案 ..................................................................................2 6 切割工藝分析 .............................................................................................2 6.1 工藝特點(diǎn) ..............................................................................................2 6.2 鋼管軋切過程 .......................................................................................3 6.3 鋼管軋切時(shí)的變形分析 .......................................................................5 6.4 各參數(shù)對軋切工藝的影響 .....................................................................6 6.4.1 壓下量的影響 ...........................................................................................6 6.4.2 軋切速度的影響 .......................................................................................6 6.5 刀具參數(shù)的影響 ...................................................................................6 6.6 結(jié)論 ....................................................................................................7 7 旋切機(jī)的自動控制 .....................................................................................7 7.1 貯料與上料部分 ...................................................................................7 7.2 裝料與進(jìn)料部分 ...................................................................................7 7.3 軋切部分 .............................................................................................8 8 電控系統(tǒng) ...................................................................................................8 8.1 系統(tǒng)構(gòu)成 .............................................................................................8 8.2 程序設(shè)計(jì)思想 ......................................................................................9 8.3 割刀運(yùn)動控制 ......................................................................................9 8.4 卸料運(yùn)動控制 ....................................................................................10 8.5 鋼管旋切機(jī)傳感器及行程開關(guān)的選擇 ..................................................10 8.6 電氣控制系統(tǒng)電器的選擇 ...................................................................11 8.7 旋切機(jī)自動控制 PLC 系統(tǒng)原理 ...........................................................12 8.8 故障保護(hù) ...........................................................................................15 致謝 ...........................................................................................................15 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................16 1 1 緒論 目前我 國 機(jī) 械 工 業(yè) 鋼 管 使 用 量 已 達(dá) 到 數(shù) 千 噸 以 上 ， 鋼 管 的 切 割 量 非 常 大 ； 但 就 目 前 鋼 管 旋 切 技 術(shù) 過 于 陳 舊 落 后 ， 自 動 化 程 度 不 高 ， 加 工 精 度 低 ， 噪 聲 環(huán) 境 污 染 嚴(yán) 重 ， 隨 著 國 內(nèi) plc 和 變 頻 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 為 鋼 管 旋 切 機(jī) 的 改 進(jìn) 提 供 了 技 術(shù) 支 持 ， 此 設(shè) 計(jì) 通 過 plc 技 術(shù) 和 傳 感 技 術(shù) 對 鋼 管 的 從 上 料 到 切 斷 完 全 實(shí) 現(xiàn) 了 機(jī) 電 一 體 化 和 自 動 控 制 ， 不 盡 節(jié) 省 了 人 的 體 力 勞 動 ， 而 且 提 高 了 生 產(chǎn) 率 ， 節(jié) 約 了 鋼 材 的 浪 費(fèi) 。 在設(shè)計(jì)的過程中，能培養(yǎng)我綜合運(yùn)用所學(xué)知識，分析和解決實(shí)際中所遇到的 問題，并且能鞏固和深化我所學(xué)的專業(yè)知識，使我在調(diào)查研究和收集資料等方面 有了顯著的提高，對所學(xué)過的一些東西又有了許多新的認(rèn)識，同時(shí)在理解分析能 力、制定設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案能力、設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力方面有較大的進(jìn)步；另外我 的技術(shù)分析和組織工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中， 能充分發(fā)揮出我們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)，牢 牢把握住這次在走上崗位之前的實(shí)踐機(jī)會，充分提高自己的實(shí)際動手能力，增強(qiáng) 自己的工作能力。 2 設(shè)計(jì)要求 鋼管旋切機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求為： （1）對現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，擬定改進(jìn)方案。 （2）進(jìn)行鋼管旋切機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)。 （3）對鋼管旋切機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （4）對鋼管旋切機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （5）利用 Pro/ENGINEER 軟件設(shè)計(jì)出鋼材旋切機(jī)各主要涉及部件的形狀及 鋼管旋切機(jī)的總體形狀。 3 主要技術(shù)指標(biāo) （1） 切管直徑 50～80mm （2） 割管壁厚 1.5～5mm （3） 割管長度 20～1000mm （4） 鋼管長度 6m （5） 軋切精度±0.15mm （5） 液壓工作壓力 7.85MPa （7） 壓縮空氣壓力 0.49MPa 4 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 旋切機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)和國外有很大差別，主要原因是自動控制技術(shù)和傳感 技術(shù)以及 plc 和變頻技術(shù)的落后。 2 4.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外旋切技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，無論從機(jī)械部分還是自動控制部分，隨著傳感 技術(shù)和變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)日趨完善，國內(nèi)旋切技術(shù)也一定的 提高，但和外國相比還有很大差距。 4.2 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的工作原理 主運(yùn)動：一臺主電機(jī)加一組減速機(jī)構(gòu)和一組切割片。主電機(jī)通過減速裝置進(jìn) 而帶動切割片旋轉(zhuǎn)。 進(jìn)給運(yùn)動：主電機(jī)裝在一機(jī)架上，通過移動機(jī)架，使切割片對固定的壁鋼管 進(jìn)行切割。 4.3 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：工作原理簡單，工作可靠，使用維護(hù)方便，便于攜帶運(yùn)輸，價(jià)格便宜， 適用于加工精度不高的場合。 缺點(diǎn)：加工精度不高，對環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，浪費(fèi)資源，不宜與實(shí) 現(xiàn)自動化，勞動強(qiáng)度大。 5 鋼管旋切機(jī)改進(jìn)方案 根據(jù)現(xiàn)在旋切機(jī)加工精度不高，對環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，浪費(fèi)資源， 不宜與實(shí)現(xiàn)自動化，勞動強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，做如下改進(jìn)：采用無屑軋切工藝，生產(chǎn) 效率高管材利用好，可對不同直徑，壁厚和長度的鋼管作定長切斷，鋼管自動上 料，自動切斷，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，有可編程控制器對液壓缸，電機(jī)， 電磁閥，傳感器等系統(tǒng)進(jìn)行控制，從上料、裝料、定位、進(jìn)料到軋切，整個(gè)加工 過程完全實(shí)現(xiàn)了自動化。該設(shè)備還裝有累加計(jì)數(shù)和預(yù)置計(jì)數(shù)裝置，分別對切斷的 工件進(jìn)行累計(jì)和設(shè)定計(jì)數(shù)，便于統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量和計(jì)數(shù)更換刀具。 6 切割工藝分析 此鋼管切割機(jī)是利用金屬材料的塑性，對鋼管進(jìn)行塑性切斷，以此來滿足下 道加工工序要求的、符合規(guī)定形狀和尺寸的坯件。 6.1 工藝特點(diǎn) 此設(shè)備是利用管料塑性軋制切斷，簡稱塑性軋切工藝它具有如下特點(diǎn)： （1） 效率高---軋切速度為 1～2mm/s，與普通車削工藝相比，可提高功效 10 倍以上。 （2） 材料利用率高 -----因?yàn)闊o屑切削，切斷過程中不產(chǎn)生切屑，管材可得 3 到充分利用。同有屑切斷工藝相比，材料利用率可提高 13%左右，割管長度越短， 效果越為明顯。 （3） 精度高----- 采用專門的機(jī)械定位裝置，切割長度偏差不超過士 0.15mm， 表面粗糙度R a可達(dá)1.6 。m? （4） 斷口直接成形—凡對斷口形狀有一定要求的工件，利用刀具刀刃形狀， 就可一次直接成形。 （5） 刀具形狀簡單—與斜軋或楔橫軋所用的軋輥相比，本工藝所用刀具形 狀簡單，因而易于制造，成本低廉，且安裝、調(diào)整方便。 在軋切工藝中，各工藝參數(shù)、刀具形狀參數(shù)及軋切溫度等因素對軋切過程與 軋切質(zhì)量均有較大的影響。 6.2 鋼管軋切過程 6.2.1 切割階段分析 如圖1 所示，被軋切的管子2置于一對托輪3上，首先刀具1先旋轉(zhuǎn)，隨后液 壓缸帶動連桿迫使刀具向下運(yùn)動進(jìn)行切割。整個(gè)切割過程可分為三個(gè)階段： (1) 切入階段 ——旋轉(zhuǎn)的刀具開始切入靜止的管子，并通過摩擦力帶動管子 轉(zhuǎn)動； (2) 軋切階段 ——刀具在帶動管子轉(zhuǎn)動的同時(shí)，繼續(xù)向下運(yùn)動軋切工件，此 時(shí)管子材料因屈服而產(chǎn)生塑性變形，刀具刃口下部的管材沿徑向、軸向和切向三 個(gè)方向產(chǎn)生流動，使管壁厚度逐漸減小。 (3) 切斷階段 ——在刀具持續(xù)軋切下，管壁越來越薄，直到管子被切斷為止。 圖 1 管子扎切示意 1－刀具；2－工件；3－托盤 6.2.2 管子的旋轉(zhuǎn)條件 為使旋轉(zhuǎn)的刀具壓住管子后能帶動它轉(zhuǎn)動，某些工藝參數(shù)和刀具參數(shù)必須滿 足一定條件，稱之為旋轉(zhuǎn)條件。軋切初期，沿刀刃和管子之間的接觸圓弧A B ， 4 工件受到刀刃所加的壓力，該 壓力是一種分布載荷，同時(shí)工 件還與刀刃處于轉(zhuǎn)動接觸狀態(tài)， 而受到摩擦力的作用，如圖2 所示。為簡化分析起見，作如 下兩點(diǎn)假設(shè)。 (1) 刀刃作用于工件的分布壓力 和刀刃與工件間的摩擦力均看 作為集中力，它們均作用于接 觸弧的中點(diǎn)C；刀刃對工件的壓 力以P 表示, 其方向?yàn)檠氐毒叻?向；摩擦力以T 表示，方向沿 刀具的切向，順轉(zhuǎn)向?yàn)檎? 圖2 中 a ——T 力離工件中心的垂直 距離； b——P 力離工件中心的垂直距離； ? ——接觸弧A B 所對應(yīng)的刀具圓 心角； r0 ——工件入口處的半徑； r ——工件出口處的半徑； R ——刀具半徑； Z ——壓下量； (2) 工件在轉(zhuǎn)動過程中所受的其他阻力忽略不計(jì)。 由圖2 可知，作用于管子的力P 與T 分別產(chǎn)生軋制力矩M p和摩擦力矩M t，為滿 足旋轉(zhuǎn)條件，M p必須大于或等于M t，即 Mt≥Mp ，或T a ≥ P b 6-1 因T = μP ，得到b/a≤ μ 其中μ為摩擦系數(shù)。 由圖2分析可得cosФ/2=a+R/R+r 推出a=r·cosΦ/2-RcosΦ/2(1/cosΦ/2-1) 于是可得a=[r-R(1/cosΦ/2-1)]cosΦ/2 6-2 將b = (R + r) sinΦ/2， 及a = [ r - R ( 1/cosμ/2- 1) ]cosФ/2 6-3 代入上式，且當(dāng)Ф ≈ 0 時(shí)， cosФ/2 ≈ 1 ， 可得μ≥ (1 + R/r) tgФ/2 經(jīng)變換，上式可簡化為 [2] 圖 2 軋切力分析 5 ≥ (1 +d/D)·( Z/d) 或Z/d≤ ·(1 + d/D) 6-4?2 ?2 由上式可見，μ值越大，旋轉(zhuǎn)條件越容易滿足，這是很顯然的。當(dāng)摩擦系數(shù) μ，管子與刀具直徑之比d/D 一定時(shí)，存在有一個(gè)相應(yīng)的滿足旋轉(zhuǎn)條件的極限相 對壓下量Z/d 。當(dāng)管子與刀具直徑之比d/D較大時(shí)，相對壓下量必須取較小的值， 而d/D 較小時(shí)，則允許的相對壓下量就比較大。 當(dāng)?shù)毒咧睆紻 = 300mm，管子直徑 d = 70mm， 根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工況取摩擦系數(shù)μ= 0.1時(shí)，可算出極限壓下量Zmax = 0. 6mm。而設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際壓下量僅0.1～0.2mm，故旋轉(zhuǎn)條件能充分得到滿足。 6.3 鋼管軋切時(shí)的變形分析 軋切時(shí)，隨著楔形刀刃的軋入，鋼管在徑向壓力的作用下，產(chǎn)生劇烈而復(fù) 雜的變形，這種變形，是由刀刃刃口及兩側(cè)作用于鋼管所引起的。刃口作用于鋼 管主要產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展及軸向延伸等變形。其中徑向壓縮包括鋼管的徑 向壓縮和材料本身的徑向壓縮，前者指材料向鋼管內(nèi)部流動產(chǎn)生的減徑作用后者 則是軋切的主要變形，唯此鋼管才得以被塑性切斷。刀刃軋入工件后，部分材料 沿切向流動，使工件呈橢圓狀。刀刃下部的材料還會沿軸向延伸而變形，這時(shí)在 連皮材料內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，成為延伸變形的阻力。刀刃側(cè)面作用于鋼管,使材 料產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展、軸向壓縮和外徑擴(kuò)展等變形。其中徑向壓縮和切向 擴(kuò)展同刀刃刃口作用時(shí)所產(chǎn)生的變形情況相似。軸向壓縮使刃口下部的連皮材料 產(chǎn)生拉應(yīng)力，外徑擴(kuò)展是指切口斜面受壓后，材料向管子外徑方向流動，致使工 件沿切口外徑邊緣處略微鼓起并呈橢圓狀。以上凡由切向擴(kuò)展和外徑擴(kuò)展所引起 的橢圓變形，在整個(gè)軋切過程中沿整個(gè)圓周不斷重復(fù)交替出現(xiàn)，隨著軋切深度的 增加將逐漸減弱，甚至接近消失。因外徑擴(kuò)展產(chǎn)生的凸起狀，將在托輪的對滾碾 壓作用下漸趨敷平。 軋切時(shí)，管子在刀具刃口及兩側(cè)的作用下，產(chǎn)生劇烈而復(fù)雜的變形。刃口作 用于管子，主要產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展及軸向延伸。徑向壓縮包括管子的徑向 壓縮和材料本身的徑向壓縮，前者指材料向管子內(nèi)部流動產(chǎn)生的減徑作用，后者 則是軋切的主要變形，唯此管子才得以被塑性切斷。刀刃軋入工件后，部分材料 沿切向移動產(chǎn)生切向擴(kuò)展，并使工件呈橢圓狀。同時(shí)刀刃下部的材料還會向軸向 壓縮，這時(shí)管壁尚相連部分材料內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，成為延伸變形的阻力。 刀刃兩側(cè)作用于管子，使管子材料產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展、軸向壓縮和外 徑擴(kuò)展等變形。其中，徑向壓縮和切向擴(kuò)展同刃口作用時(shí)情況相似。軸向壓縮使 刃口下部尚相連部分材料產(chǎn)生拉應(yīng)力，外徑擴(kuò)展是指材料向管子外徑方向流動， 致使切口外徑邊緣處略顯鼓起并呈橢圓狀。由切向擴(kuò)展和外徑擴(kuò)展共同引起的橢 6 圓變形，在整個(gè)軋切階段中，沿整個(gè)圓周不斷地重復(fù)交替出現(xiàn)，隨著軋切深度的 增加，這種變形逐漸減小，甚至近乎消失。至于外徑擴(kuò)展產(chǎn)生的突起狀，將在托 輪的對滾碾壓作用下趨于敷平。在軋切初期，變形主要由刃口的作用引起，到軋 切后期，刀刃兩側(cè)造成的軸向壓縮變形所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力起主要作用，當(dāng)拉應(yīng) 力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，管子就被切斷。 根據(jù)以上的工藝分析，在設(shè)計(jì)過程中，對各有關(guān)的工藝參數(shù)、刀具形狀、參 數(shù)、軋切溫度以及潤滑條件等因素，作了細(xì)致、合理的選擇，實(shí)踐表明本設(shè)備的 工藝要求能得到充分的滿足。 6.4 各參數(shù)對軋切工藝的影響 6.4.1 壓下量的影響 壓下量Z 一方面影響到管子的旋轉(zhuǎn)，另一方面影響到軋切壓力、軋切力矩與 軋切效率。 壓下量Z 越大，軋切效率就越高，但軋切壓力與軋切力矩也越大，對機(jī)床的 力學(xué)要求也就越高，當(dāng)然壓下量的增大受到極限壓下量Zmax 的限制，否則將影 響軋切過程的順利進(jìn)行。 壓下量Z 越小，軋切壓力與軋切力矩就越小，但軋切效率也就越低。在軋切 初期刀刃開始作用于管子時(shí)，刀刃與管子摩擦?xí)r間增多，刀刃受到的沖擊力增多。 在軋切時(shí)刀刃兩側(cè)與管子的摩擦?xí)r間增多，特別在管子不直時(shí)，刀刃受到的軸向 沖擊力增多，刀具極易崩刃。 另外，壓下量Z 越大，在軋切時(shí)每一瞬時(shí)對管子端面的壓下量也大，在軋切 結(jié)束時(shí)管子端面的不平整程度就大，成形質(zhì)量差，尺寸精度下降，反之成形質(zhì)量 好，尺寸精度高。故應(yīng)從整體上選擇合適的壓下量Z ，使刀具具有較長的壽命， 對機(jī)床的力學(xué)要求相對較低，同時(shí)具有較高的生產(chǎn)效率。 6.4.2 軋切速度的影響 軋切速度直接影響軋切效率，速度越低效率越低，反之速度越高效率越高。 但軋切速度不可能無限提高，因其受到機(jī)床輸入功率與機(jī)床力學(xué)性能的限制, 特 別是在被軋切管子的直線度較差時(shí)，刀刃受到的不穩(wěn)定沖擊力大增，刀刃極易崩 裂。 另外，軋切速度提高將使刀具溫升增大，磨損增大，刀具壽命降低。故應(yīng)在 保證軋切能順利進(jìn)行的前提下，盡可能選取大些的軋切速度，同時(shí)采取有效措施 降低刀具溫升，減小摩擦。 6.5 刀具參數(shù)的影響 7 (1)刀具直徑 刀具直徑對軋切過程的影響主要在同樣刀具轉(zhuǎn)速下，管子轉(zhuǎn)速隨刀具直徑變 大而變大，此時(shí)相對壓下量可適當(dāng)取大些，可提高工作效率。其次，當(dāng)?shù)毒咧睆?增大時(shí)，其對管子產(chǎn)生的切向擴(kuò)展將會變小，可減小軋制力矩。 (2)刀刃角 刀刃角的大小對管子材料的變形有較大影響，當(dāng)?shù)度薪禽^大時(shí)，其兩側(cè)作用 于管子，使材料產(chǎn)生的徑向壓縮增大，軸向延伸與外徑擴(kuò)展減小，其對軋切壓力 與軋切力矩的影響也較大。刀刃角越大所需軋切壓力與軋切力矩也越大。 當(dāng)然，刀刃角的大小決定了切割后工件端面的倒角，也就是說其實(shí)際上取決 于工件的形狀要求。如果可能的話，將其設(shè)計(jì)得小些，對減小軋切壓力與軋切力 矩是有利的。 6.6 結(jié)論 (1) 軋切的旋轉(zhuǎn)條件為： μ2 ≥ (1 + d/D)·( Z/d) 或Z/d≤μ2/(1 +d/D) ； 6-5 (2) 刀具直徑 D 越大，允許的相對壓下量 Z/d也越大； (3) 刀刃刃角越大，軋切壓力與軋切力矩也就越大； (4) 應(yīng)選擇合適的刀刃圓角，以提高其強(qiáng)度與使用壽命； 7 旋切機(jī)的自動控制 該設(shè)備的機(jī)械部分主要由貯料、上料、裝料、送料及軋切等部分組成，下面 對各部分的構(gòu)成與作用作扼要敘述。 7.1 貯料與上料部分 這部分主要由貯料架和上料機(jī)構(gòu)組成。每次可在儲料板上放置10根鋼管，儲 料板設(shè)置一定的斜度，可使鋼管自動向下滾落。儲料板上裝料完成時(shí)，按下啟動 開關(guān)，擋塊縮回，物料慢慢向下滾落，當(dāng)檢測物料的傳感器檢測到傳動鏈上有物 料后，驅(qū)動控制電器使擋塊伸出，以擋住上面的物料不再繼續(xù)下落，同時(shí)送料電 機(jī)啟動，通過減速器帶動傳動鏈輪轉(zhuǎn)動，當(dāng)物料傳動過去時(shí)，檢測物料的傳感器 再次啟動，擋塊收回，再次使物料向下運(yùn)動，當(dāng)有物料放到傳動鏈上時(shí)，檢測物 料的傳感器再次啟動，擋塊擋住上面的物料不繼續(xù)下落，如此循環(huán)。 7.2 裝料與進(jìn)料部分 裝料部分主要由管子支架、擋塊、裝料機(jī)構(gòu)、檢測裝置、傳送裝置等部件組 成。支架起支承鋼管的重量和儲料的作用；擋塊起防止儲料板上的物料持續(xù)下落 8 的作用；檢測裝置主要由傳感器控制其它電器來完成；傳送裝置主要是完成鋼管 的傳送。 裝料時(shí),先使物料擋塊縮回，因儲料板有一定的傾斜度，鋼管開始向下慢慢 滾動，當(dāng)檢測物料的傳感器檢測到有物料經(jīng)過時(shí)，擋塊伸出以防止上面的物料繼 續(xù)向下運(yùn)動，同時(shí)送料電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動 傳動鏈轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)送料的目的。由液壓缸帶動控制軋切部分沿滑槽上下移動，實(shí)現(xiàn) 刀具的向下壓緊或抬起放松。軋切時(shí)，首先切削電機(jī)旋轉(zhuǎn)并通過帶輪帶動傳送帶 轉(zhuǎn)動，從而帶動刀具旋轉(zhuǎn)，通過液壓缸帶動切削部分沿滑槽向下運(yùn)動或上升，實(shí) 現(xiàn)軋切。液壓缸帶動軋切部分以適當(dāng)?shù)膲毫鹤′摴?，以減少鋼管轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的 徑向跳動。 進(jìn)料機(jī)構(gòu)由傳動鏈實(shí)現(xiàn)，進(jìn)料時(shí)，傳動鏈帶動鋼管向前運(yùn)動,直到鋼管端頭 被擋塊擋住為止，送料電機(jī)隨即停轉(zhuǎn)。進(jìn)料傳感器檢測到物料到達(dá)后，軋切電機(jī) 開始啟動并通過傳送帶帶動刀具旋轉(zhuǎn)，通過液壓缸的伸縮使軋切部分沿滑槽上下 移動，依此控制刀具上下移動，控制刀具以適當(dāng)?shù)膲毫χ饾u切入鋼管，隨著切入 深度的一步步加深，直到拉應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，管子就被切斷為止，切 斷的鋼管自動落入料槽，檢測物料傳感器控制液壓缸帶動刀具上升，進(jìn)料電機(jī)再 次啟動進(jìn)行送料，實(shí)現(xiàn)下一次的切削。 7.3 軋切部分 這部分主要由割刀部件、支撐托輪、擋塊和導(dǎo)向滑槽等組成，其中割刀部件 包括主軋電動機(jī)、傳送帶、控制液壓缸等機(jī)件。 刀具安裝在傳送帶輪的輸出軸上，主軋電動機(jī)通過傳送帶裝置帶動刀具轉(zhuǎn)動， 電機(jī)轉(zhuǎn)速也可通過變頻器調(diào)節(jié)。刀具的進(jìn)給運(yùn)動，由液壓缸帶動軋切部分上下移 動來實(shí)現(xiàn)，支撐輪在軋切過程中起支撐工件的作用。擋塊裝在所需料長的固定位 置上。當(dāng)傳送帶傳送鋼管到位被擋塊擋住后，切割電動機(jī)通過傳送帶帶動刀具旋 轉(zhuǎn)，控制液壓缸帶動軋切部分沿滑槽向下運(yùn)動，隨著軋切深度的不斷加深，鋼管 最終被切斷，隨后刀具在控制液壓缸的作用下向上運(yùn)動，送料電機(jī)隨后起動繼續(xù) 向前等待下一次的切削，滾輪主要起支撐物料實(shí)現(xiàn)軋切的目的。擋塊前端頂盤的 仲出長度及其中心高度，可分別予以調(diào)整，以適應(yīng)不同直徑的鋼管和不同長度的 割件。 導(dǎo)向滑槽的作用是通過液壓缸帶動軋切部分上下移動。切斷的物料可直接掉 入料槽中。 8 電控系統(tǒng) 8.1 系統(tǒng)構(gòu)成 9 本系統(tǒng)采用FP0型可編程控制器 (PLC)作為控制核心，選用了一個(gè)十槽的 CPU 框架和一個(gè)十槽的擴(kuò)展框架。除CPU模塊外, 框架中共裝有11個(gè)輸入、輸出模塊 和1個(gè)撥盤模塊，模塊的選用，主要根據(jù)觸點(diǎn)的數(shù)量，負(fù)載的大小和動作頻率的 高低而定。輸入器件中包括操作控制面板上的按鈕和選擇開關(guān)，各種功能和限位 傳感器。其中輸出部分還包括： 三項(xiàng)交流電動機(jī)、以及接觸器和直流電磁閥線 PLC體積小，可靠性高，尤其是它無需改動任方便地改變輸出器件的狀態(tài)或 動作順序的控制柔性，特別適用于本設(shè)備這一類機(jī)電一體化產(chǎn)品。 8.2 程序設(shè)計(jì)思想 PLC的控制程序，是根據(jù)管子的軋切工藝、設(shè)備功能和操作要求來進(jìn)行設(shè)計(jì) 的。 設(shè)備開機(jī)后只需按下啟動按鈕，設(shè)備即開始自動連續(xù)運(yùn)行。對這一運(yùn)行狀態(tài)， 程序的基本設(shè)計(jì)思想如下： 首先判定支承上有無料，若有料，進(jìn)入正常軋切循環(huán), 直到將割剩的料尾推 出為止。此時(shí)支承處于無料狀態(tài)，于是需判定支架上是否有料，如有料，則向支 承裝料，然后返回前面的程序，如無料，進(jìn)一步判定貯料架中是否有料，若貯料 架有料，則先向支架上料，然后再向支承裝料。 8.3 割刀運(yùn)動控制 割刀運(yùn)動是整個(gè)加工過程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將直接關(guān)系到軋切的質(zhì) 量和效率。前已提及割刀的進(jìn)給運(yùn)動，是由軋切液壓缸帶動軋切機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動來 圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 10 實(shí)現(xiàn)的。為控制進(jìn)刀距離，采用了一對行程開關(guān)控制軋刀的上下運(yùn)動，根據(jù)薄壁 鋼管的直徑和厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，已達(dá)到切斷鋼管的目的。 8.4 卸料運(yùn)動控制 當(dāng)薄壁鋼管被切斷后，軋刀停止轉(zhuǎn)動，1.5秒后刀具上升至上限位行程開關(guān) 處，等待下一循環(huán)，當(dāng)上料電機(jī)開始上料時(shí)將滾筒上的鋼管頂落入料巢。 8.5 鋼管旋切機(jī)傳感器及行程開關(guān)的選擇 （1）傳感器選擇 物料檢測和扎切長度檢測用傳感器檢測，物料檢測用電感式傳感，長度檢 測用對射光電傳感器。 電感式接近開關(guān)（見圖4） 型號：LJ6A3-1-Z/BX 泄漏,消耗,靜態(tài)電流: DC三線消耗<3.0mA 檢測物體：A3鐵材(磁性金屬) 響應(yīng)頻率：DC:150HZ AC:25HZ 輸出電流：300mA(要求更大電流可定做) 工作環(huán)境溫度：-25攝氏度-+55 攝氏度 輸出電壓降：DC三線<=0.8V DC二線<=4V 外殼材料：黃銅鍍鉻 對射傳感器（見圖5） 產(chǎn)品型號：XL-E3KG-10D 工作電壓：DC12-24V 感應(yīng)距離：10米內(nèi) 輸出方式：繼電器輸出，一種常開+常閉觸點(diǎn) 出觸點(diǎn)容量：1A 250V AC 從直徑8mm-直徑30mm,接近距離最大15mm 行程開關(guān)（見圖5） 額定電壓 / 電流:10(4)A, 125, 250VAC/6(2)A，380VAC 電感負(fù)載 接觸電阻:25m Ω 以下 ( 初期值 ) 絕緣電阻:100m Ω 以上 ( 在 500VDC) 耐電壓:同極端子間： 10VAC, 50/60HZ 持續(xù) 1 分鐘 載電流與無載電流零件間：50/60 HZ 持續(xù) 1 分鐘 各端子與地之間：1500VAC，50/60 HZ 持續(xù) 1 分鐘 圖 5 對射光電傳感器 圖 4 電感接近開關(guān) 11 電氣壽命：500，000 次 10A 250VAC 機(jī)械壽命：10，000， 000 次以上 操作速度：5mm /s to 0.5m /s (2)PLC的選擇 （見圖6） 型號：FP0-C16 程序容量：16點(diǎn) 連接方法：MIL連接器型 工作電壓：24VDC 輸入類型：24VDC 輸出類型：繼電器 8.6 電氣控制系統(tǒng)電器的選擇 交流接觸器：CJX2-1810 [5] （見圖7） 額定電壓：AC 380V 線圈電壓:AC 110V 額定電流：10A 電壓頻率：50HZ 小繼電器的選擇 型號：歐姆龍OMRON LY2NJ，帶工作指示燈 工作電壓：DC24V， （見圖8） 觸點(diǎn)負(fù)載：10A 240VAC(阻性） 出頭數(shù)：兩對 額定電流：20mA 斷路器 型號：DZ108系列低壓塑料外殼斷路器 額定電壓：AC220V-AC380V 額定電流：20A 脫扣器電流：15-20A 主觸頭數(shù)：3對 輔助觸點(diǎn)：2對 電磁閥（液壓） [13](見圖9) 型號：4V210-08 位置數(shù)：二位五通 耗電量：3w 額定電壓：DC24V 圖 9 液控電磁閥 圖 8 中間繼電器 圖 7 交流接觸器 圖 6 FP0PLC 12 最高動作頻率：3次／秒 電磁閥（氣動） （見圖10） 型號：2V025－08 耗電量：DC24Ｖ 3Ｗ 額定電流：120ｍＡ 額定電流：DC20.4∽26.4Ｖ 液壓缸的選擇（見圖11） 型號：MOB─FA 缸徑：Φ160mm 受壓面積：122.26cm 2 液壓工作壓力：7.85MPa 氣壓缸的選擇：（見圖12） 型號：SSC-50Χ50-S-LB 缸徑：Φ80mm 氣缸工作壓力：0.49MPa 8.7 旋切機(jī)自動控制 PLC 系統(tǒng)原理 旋切機(jī)裝配圖如下（見圖13） 圖 10 氣動電磁 閥 圖 11 液壓缸 圖 12 氣壓缸 13 8.7.1 旋切機(jī)可編程控制器 I/O 分配表 [6] PLC輸入： X0 ---------- 啟動按鈕 X1 ---------- 停止按鈕 X2 ---------- 急停按鈕 X3 ---------- 物料檢測 X4 ---------- 軋切上限位 X5 ---------- 軋切下限位 X6 ---------- 軋切長度測量 X7 ---------- 上料上限位 PLC輸出： Y0 ---------- 啟動指示燈 Y1 ---------- 上料液壓缸向下 Y2 ---------- 軋切刀具上升 Y3 ---------- 軋切刀具下降 Y4 ---------- 軋切電動機(jī) Y5 ---------- 進(jìn)給電動機(jī) Y6 ---------- 停止指示燈 圖14 I/O分配表 8.7.2 旋切機(jī) plc 電氣接線圖 （見圖15） 圖 13 裝配圖 圖 15 電器接線圖 14 8.7.3 旋切機(jī) PLC 梯形圖 （如圖 16 所示） 15 圖 16 PLC 梯形圖 8.7.4 旋切機(jī) PLC 指令表 （如圖 17 所示） 圖 17 PLC 指令表 8.8 故障保護(hù) 本設(shè)備設(shè)有較完善的故障檢測系統(tǒng)，電控系統(tǒng)裝有過載保護(hù)和過流保護(hù)裝置， 一擔(dān)發(fā)生短路或過載立刻關(guān)斷電源啟動保護(hù)作用，并配有急停開關(guān)，一擔(dān)按下急 停開關(guān)，真?zhèn)€系統(tǒng)停止工作。 致謝 非常感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師給我提供了這次良好的深入學(xué)習(xí)的機(jī)會和寬松的學(xué) 習(xí)環(huán)境。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但使我將大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識再次回顧學(xué)習(xí)， 16 而且也使我學(xué)到了專業(yè)領(lǐng)域中一些前沿的知識。 非常感謝在本次設(shè)計(jì)中曾給予我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的陳老師及幫助過我的 同學(xué)，正是由于他們的幫助和鼓勵才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中克服種種困難， 最終順利完成論文，他們的學(xué)識和為人也深深地影響著我。在此，請?jiān)试S我再次 向曾直接給予我多次指導(dǎo)的導(dǎo)師表示最忠誠的敬意！ 參考文獻(xiàn) ［1］中國機(jī)械工程學(xué)會．金屬材料手冊[Ｍ]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005 ［2］施平．機(jī)械工程專業(yè)英語[Ｍ] ．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2002 ［3］孫波．機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[Ｍ] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2008 ［4］楊黎明．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊[Ｍ] ．北京：國防工業(yè)出版社， 1997 ［5］孫波．機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[Ｍ] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2008 ［6］張以鵬．實(shí)用切削手冊[Ｍ] ．遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 2007 ［7］上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會．金屬切削手冊[Ｍ] ．上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2006 ［8］杜祥瑛、薛順德．機(jī)電一體化技術(shù)詞典[Ｍ] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997 ［9］梁桂芳．切割技術(shù)手冊[Ｍ] ．西安：機(jī)械工業(yè)出版社， 1997 ［10］李春勝、黃德彬．金屬材料手冊[Ｍ] ．長春：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004 ［11］于民治、張超．新編金屬材料速查速算手冊[Ｍ] ．長春：化學(xué)工業(yè)出版社， 2007 ［12］曾正明、彭福泉．機(jī)械工程材料手冊[Ｍ] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1998 ［13］三浦宏文．機(jī)電一體化實(shí)用手冊[Ｍ] ．武漢：科學(xué)出版社， 2007 ［14］何慶．機(jī)械制造專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)與范例[Ｍ] ．長春：化學(xué)工業(yè)出版 2008 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