机械毕业设计377棒料切割机设计
毕业设计(论文)
设计（论文）题目：
棒料切割机
系 别： 机械工程系
专 业： 机械制造/计算机
班 级：
学 号：
姓 名：
引 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
1
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。
我们设计的铸棒线切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其预定功能。铸棒线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。
切割部分是由电极带动砂轮旋转，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。
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
2
高等优点，具有广阔的应用前景。
摘 要
连续铸造是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的铸件，连续不断地从结晶器的另一端拉出，它可获得任意长或特定的长度的铸件。
连续铸造在国内外已被广泛采用，例如连续铸锭（钢或有色金属锭），连续铸
3
管等。连续铸造和普遍铸造法比较有下述优点：
1. 由于金属被迅速冷却，结晶致密，组织均匀，机械性能较好；
2. 连续铸造时，铸件上没有浇注系统的冒口，故连续铸锭在轧制时不用切头去尾，节约了金属，提高了收得率；
3. 简化了工序，免除造型及其它工序，因而减轻了劳动强度；所需生产面积也大为减少；
4. 连续铸造生产易于实现机械化和自动化，铸锭时还能实现连铸连轧，大大提高了生产效率。
铸棒线割机在连续的铸造中工作，它的工作是由PLC 控制电磁阀，使电磁阀控制气缸，并由气缸驱动与其连接的部件，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。一个切割机分别切割两条铸棒，其切口深度为35mm ，然后由压断机进行压断。
铸棒线割机是一种既能有效的提高生产率，又在价格和使用方面能被广大用户所接受的一种新型的自动控制切割机。由PLC 控制的气动铸棒切割机，其中融合了气压自动控制、机器人技术和PLC 控制技术。PLC 控制各个气动换向阀的电磁铁，由气缸驱动机械手完成顺序切割过程，实现了机械设计、电器控制和气动控制的有效结合。这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、维修方便，生产率高等优点，具有广泛的应用前景。
目 录
引言
摘要
第一章 切割部分设计
1.1设计要求 ……………………………………………………………………… 6
1.2方案设计 ……………………………………………………………………… 6
4
1.3结构设计 ……………………………………………………………………… 7
第二章 夹紧部分设计
2.1设计要求 ………………………………………………………………………18
2.2方案设计 ………………………………………………………………………18
第三章 纵横行走部分设计
3.1设计要求 ………………………………………………………………………20
3.2方案设计 ………………………………………………………………………20
3.3直线导轨的选择计算 …………………………………………………………20
第四章 PLC 概述
4.1可编程控制器PLC 的基本原理 ………………………………………………23
4.2可编程控制器的特点 …………………………………………………………24
第五章 电气控制线路的设计
5.1电气控制线路设计的一般要求 ………………………………………………25
5.2电气控制线路的设计方法 ……………………………………………………25
5.3气动原理图的设计 ………………………………………………………… 26
结 论 …………………………………………………………………………… 30 谢 辞 …………………………………………………………………………… 31 参考文献 ………………………………………………………………………… 32
第一章 切割部分设计
1.1 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
5
行压断。
1.2 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。
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，气缸1可推动砂轮片上下移动，完成切割。气缸2可推动工作台横向移动，控制切割的长度。气缸3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。
1.3 结构设计
6
1.3.1砂轮片的选取
经过调研，切断能力为50 的砂轮片，其规格为400⨯3. 2⨯32mm ，所需电机的最小功率为P min =2. 2kw ，转速为n 1=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]。
1.3.2 电机的选取
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2.3N ⋅m 2[3]。
1.3.3 带传动设计
1. 确定计算功率
由《机械设计》第108页表7-7查得工作情况系数K A =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
P ca =K A ⋅P =1. 2⨯3=3. 6 （1-1）
2. 初选带的型号
根据P ca 和n 1，由《机械设计》书中第108页图7-14初选A 型普通V 带。
3. 确定带轮的基准直径d d 1和d d 2
1）由《机械设计》第109页表7-8查得A 型d d min =75mm,考虑到带轮太小，其弯曲应力过大，所以要使d d 1≥d d min ，取d d 1=150
7
2）验算带的速度 V =πd d 1⋅n 1
60⨯100=π⨯150⨯2840
60⨯100=22. 6m/s （1-2）
因为 5m/s
带速符合要求。
3）计算d d 2
d d 2=n 1⋅d d 1 （1-3） n 2
由于电机转速与砂轮转速基本同步，选速比 n 1n 2=1，则
d d 2=d d 1=150 mm
4. 确定中心距和带的基准长度
1）初选中心距
由0.7（d d 1+d d 2）≤a 0≤2（d d 1+d d 2），考虑到结构要求，初选a 0=900 mm
L ' d =2a 0+π
2(d d 2(d d 2-d d 1) 2 （1-4） +d d 1) +4a 0
(150-150) 2
=2⨯900+(150+150) + 24+900π
=2270 mm
由《机械设计》第96页表7-2取带的标准基准长度L d =2000 mm
2) 最后确定中心距 a =a 0+L d -L ' d 2000-2270=900+=765mm （1-5） 22
则 a min =a -0. 015L d =765-0. 015⨯2000=735 mm （1-6） a max =a +0. 030L d =765-0. 030⨯2000=825 mm （1-7）
8
最后取 a =735~825 mm。
5. 验算带轮包角 d d 2-d d 1⨯60︒ （1-8） α1=180︒-a
=180︒-150-150
765⨯60︒
=180︒>120︒ （合适）
6. 确定带的根数 z ≥P ca
P '
其中： P ' 0=(P 0K a K L +∆P 0) K ∆P 0=K b n 1(1-1
K )
i
由《机械设计》第107页表7-5查得弯曲影响系数K b =1. 03⨯10-3
i =d d 2
d =150=1
d 1150
由《机械设计》第107页表7-5查得传动比系数K i =1. 05 ∆P 0=1. 03⨯10-3⨯2880⨯(1-1
1. 0) =0kw
由《机械设计》第107页表7-6查得包角系数K a =1
由《机械设计》第106页表7-4查得长度系数K L =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》第105页图7-13查得P 0=2. 2 kw。
P ' 0=(2. 2⨯1⨯1. 03) ⨯0. 75=1. 7 kw
9 1-9） （
z ≥
取z =3根。
7. 确定单根带的初拉力 P ca 3. 6==2. 12 P ' 01. 7
F 0=500P ca 2. 5∙(-1) +qv 2 （1-10） vz K a
由《机械设计》第96页表7-1查得q =0. 1 F 0=500⨯
8. 计算带对轴的压力 Q =2F 0z sin
9. 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d d =150mm ，轴的直径d =30mm ，根据带轮的选择原则：即当 (2. 5~3) d ≤d d ≤3000铸造带轮的结构如图1-2mm 时采用腹板式结构，
所示。
10 3. 62. 5⨯(-1) +0. 1⨯22. 62=91N （1-11） 22. 6⨯31. 0α12=2⨯91⨯3⨯sin 180︒=546N （1-12） 2
图1-2 带轮的结构
1.3.4 升降气缸的选择
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。
11
手柄
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，
12
图1-4 铸棒切割机受力示意图
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），其中实线为机构初位，在初位时，砂轮片的
13
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L 1=540mm ，在终位时测得气缸的总长为
L 2=440mm ，所以在此过程中气缸的行程
L =L 1-L 2=100mm
即 升降气缸的行程为L =100mm 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。
1.3.5 滚动轴承的选取及校核
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F A 的方向向右，如图1-6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α=25︒的角接触球轴承。其代号为7207ACJ ，基本额定动载荷C r =22. 5KN ，基本额定静载荷 C or =16. 5KN 2. 轴承的校核计算
（1）计算轴承所受的径向力R 1、R 2，其受力如图1-6所示
14
[3]
。
由力矩平衡条件∑M 2=0得
F 1⨯200-F 2⨯20
180
800⨯200-550⨯20
=
180
R 1=
=836N 由∑M 1=0得
F 2⨯200-F 1⨯20
180
550⨯200-800⨯20
=
180
R 2=
=522N
图1-6 轴承计算简图
（2）计算派生轴向力S 1、S 2
所选的轴承型号为7207ACJ ，其派生轴向力S =0. 63R
则 S 1=0. 63R 1=0. 63⨯863=527N （1-13）
15
S 2=0. 63R 2=0. 63⨯522=329N （1-14） （3）求轴承所受的轴向力A 1、A 2
S 1+F A =527+100=627N >S 2 故轴承2被压紧，轴承1被放松，所以有
A 2=F A +S 1=527+100=627N A 1=S 1=527N （4）计算当量动载荷P 1、P 2
A 1527
==0. 63 （1-15） R 1863
A 2627==1. 2 （1-16） R 2522
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 因为 A 1/R 1=0. 63e ，所以 X 2=0. 41, Y 2=0. 87
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f d =1. 5，由于轴承1、2均不受力矩载荷的作用，所以取f m 1=1. 0，
f m 2=1. 0。
则 P 1=f d ∙f m 1(X 1R 1+Y 1A 1) （1-17） =1. 5⨯1. 0⨯(1. 0⨯836+0⨯527) =1254N
P 2=f d ∙f m 2(X 2R 2+Y 2A 2) （1-18）
16
=1. 5⨯1. 0⨯(0. 41⨯522+0. 87⨯627) =1140N （5）计算所需轴承的动载荷
由由《机械设计》第260页 表12-6查得，当轴承的工作温度小于120︒C 时，其温度系数f t =1. 0
比较两当量动载荷知，P 1>P 2，所以应该按P 1计算 （球轴承应取ε=3）则所需轴承的额定动载荷为
P c =
f t
'
'
60n ∙L 10h
（1-19） 6
10
= =
125460⨯2840⨯365⨯12
6
1. 010
125460⨯2840⨯4830100
=11286N （6）确定轴承型号
由《简明机械零件手册》查得轴径d =35mm 时，应选轴承的代号为7207ACJ ，其
额定动载荷为C r =22. 5KN >c ' =11. 286KN
故选用代号为7207ACJ 的轴承合适。
17
第二章 夹紧部分设计
2.1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铸铁棒，使砂轮与铸棒同步。
2.2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
图2-1 夹紧部分原理图
18
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。
19
第三章 纵横行走部分的设计
3.1 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。
3.2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、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。
3.3 直线导轨的选择计算
3.3.1选定条件：
1. 载荷 根据粗略计算，导轨上横向行走部分的总重量为200kg 所以 W =m ⋅g =200⨯10=2000N 2. 行程 根据设计结构的要求，选定行程L s =2. 5m 3. 往复次数 n 1=2（次/分）
4. 寿命要求 假设机器寿命为5年，则导轨寿命为
20