气动式定尺飞锯机的结构设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 41 页1 引言1.1 气动式飞锯机的功用随着国民经济的发展，现代化的大型厂房、大跨度的展览场馆、体育运动场馆、大型仓储、桥梁、机场、起重、运输、车辆等各行各业广泛地采用钢结构，使得钢结构需求量大幅度增加，对钢结构钢材材质、规格品种也提出了更高的要求。2001 年我国冷弯型钢生产 30 万吨（不包括钢管和涂层板）。据中国钢协冷弯型钢分会统计 2001 产量约有 70 万吨，加上其他行业（农机、水电、汽车、机械等）约有 150 万吨，占全国钢材产量的 1左右，而国外工业发达国家冷弯型钢占全国钢材的 3.05.0。冷弯型钢的特点： 可生产各种复杂的断面与热轧型钢相比具有断面形状合理、重量轻，强度高的优点，又在冷弯加工中提高了强度。比一般热轧型钢的构件节约钢材 10.050.0。在线定长切割飞锯机是冶金企业连续轧制各种型材、管材等生产线上不可缺少的重要设备，用于连续生产中将无限长的钢管按预定的长度在线自动切断。定尺飞锯机在生产中决定着管材的质量、长度等。它的精度保证了管材的精度 1。1.2 定尺飞锯机的国内外现状在国外定尺飞锯机的发展很快，基本上都能达到国际标准。我国焊管生产设备起步较晚，一些关键设备比较陈旧。随着钢铁行业的飞速发展，对钢铁加工行业提出了要求。全国各地加工业也开始着眼于技术开发。就定尺飞锯机来说，从技术含量较低的液压传动，气动传动，发展到如今的微机控制定尺飞锯机，电液数控飞锯机等。下面介绍几种现代主要应用生产中的飞锯机：（1）微机控制定尺飞锯机是由微机控制系统、大功率可逆伺服系统、机械液压、气路系统所组成的机电一体化高技术产品焊管、冷弯生产线的关键组成设备，可用于高速跟踪自动切割钢管、型材等。（2）电液数控飞锯机是由微机控制电子液压传动，一般包括液压箱，电子计算机，软件等几部分组成，采用半开环控制无参数调整，电路简单，性能稳定，故障率低。机床可实现程序锯切，预设多种锯切定尺与其根数，自动转换可不停车，改变定尺要求，也可人为暂时中断运行。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 41 页（3）伺服飞锯机是于2002年面世的一种新型飞锯机，锯切长度5.5m6m时，锯切精度为0mm+5mm，高于国际上通用的英国Bs标准(0mm+6mm)。锯切精度提高了16.7，且在这方面处于国际先进的水平 1。1.3 本设计的目的与意义目前市场上大量应用的在线定尺飞锯机主要有气动式飞锯机，液动式飞锯机，电脑锯等几种形式。其中，气动式飞锯机的锯切割装置，夹紧装置，主传动装置都是气动的，与近些年市场上推广的电脑锯相比，气动式飞锯机的定尺精度稍微低点儿，但是，电脑锯它也存在着一定的缺陷， 例如：(1)价格偏高，一台设备近30万元。一次性投资很大，一般中小厂家难以承受；(2)微机抗干扰性能差，使得控制设备结构复杂。现场安装要求高；(3)调试以及维修保养困难，需专门人员维护，一旦发生故障很难立即排除。但它也具有一定的缺陷，噪音大，利用率低，无功损耗大，工作速度不稳定，零部件损坏的概率大等。而气动式飞锯机恰恰具有成本低、寿命长、工作可靠、使用维修方便的特点，其定尺精度也足以满足要求，固市场前景广阔 2。因此，针对大量中小企业这一中低端市场，结合我国的国情，选定了“气动式定尺飞锯机”作为毕业设计的攻关课题。1.4 设备简介FJZ60 型气动式定尺飞锯机可用于高速跟踪自动切割钢管、型材等。具有定尺精度高，设备可靠性高，结构简单，易于维修等特点。因此，该机将会运行状况良好，效率高，发展前景远大。飞锯主要技术参数：型材生产速度：60m/min；锯切精度：5mm；锯切长度：4m6m锯切次数：10 次/分15 次/分锯切型材径向尺寸：1290外型：长宽=4.31.35（米）1.5 设计中需注意的问题（1）锯切小车与定尺小车之间要刚性联接且稳定，一般多采用 50mm 钢管制本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 41 页作。（2）锯切小规格钢管时因钢管刚性差，易弯曲，从而影响定尺精度，需要增加防弯压辊。（3）气压源压力要稳定可靠，才能准确、协调完成飞锯机的各项动作，保证定尺精度的准确和生产的连续。（4）在夹紧、锯切到松夹的过程中，飞锯小车的行走速度应与焊管轧制速度基本同步。（5）锯切精度要满足焊管产品标准要求。（6）由于飞锯是生产线上的一个重要环节，因此要求设备运行可靠， 否则一出故障将全线停产。（7）控制系统的关键问题是在小车与轧管速度同步的瞬间，如何使锯片与管端间的距离正好是定尺钢管的设定长度。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 41 页2 气动式定尺飞锯机总体设计方案2.1 气动式定尺飞锯机应实现的功能气动式定尺飞锯机定尺飞锯机适用于连续轧制各种管材、型材生产线，如焊管、钢筋、铝管、合金管的生产线。其显著特点是锯切效率高，可锯切的管类直径范围大，这得益于它的气压装置，体现了气压技术高压、高效、可控制性强的特点。其整体结构简单，工作性能可靠，应用广泛。本机适用于型材行走速度为 60m/min，锯切型材径向尺寸范围为 1290，锯切长度为 4m6m 的型材生产线，其设计使用锯切精度为4mm，锯切次数为 10 次/分15 次/分。目前国内型材生产线上型材的行走速度在 60m/min 以下，其径向尺寸大都在 1290之间，4mm 的锯切精度也符合国家标准，10 次/分15 次/分的锯切次数也能达到大多厂家的要求，尤其是大量的中小厂家 3。2.2 气动式定尺飞锯机的总体方案制定开始拟定的几套气动式定尺飞锯机的总体方案：方案一：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令行走气压缸牵引飞锯小车行走，助推气压缸同步助推，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，同时夹紧装置的气压缸动作钳口夹紧，夹紧装置的钳口同时也已经夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在行走气压缸牵引力作用下回复到原位，等待开始下一次锯切。方案二：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令行走气压缸牵引飞锯小车行走，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，同时夹紧装置的气压缸动作钳口夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后延时一小段时间，锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 41 页完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在行走气压缸牵引力作用下回复到原位，等待开始下一次锯切。方案三：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令夹紧装置的气压缸动作，同时行走气压缸牵引飞锯小车行走，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，夹紧装置的钳口同时也已经夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后延时一小段时间，锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在行走液压缸牵引力作用下回复到原位，等待开始下一次锯切。方案四：当行进中的钢管端部靠近接近开关时，由可编程序控制器，发出夹紧命令，夹紧钢管后，锯切气压缸起动，进行锯切，抬锯，夹紧松开，锯车返回气压缸起动，锯车返回，等待下一次循环。方案五：当行进中的钢管端部靠近接近开关时，由可编程序控制器，发出夹紧命令，夹紧钢管后，锯切气缸起动，进行锯切，经可编程控制器延时后，抬锯，夹紧松开，再经可编程序控制器延时后，锯车返回气缸起动，锯车返回，等待下一次循环。上述五种方案的比较如下：方案一中，“助推气压缸助推”这一步骤是多余的，因为拖动气缸可以完成推动行走小车跟踪到行进的管材，但是反方向复位时由于设计要求速度很大，拖动气缸达不到要求，所以“助推气压缸助推”这一步骤要设置在反方向复位时。另外，此方案中“锯切完成后锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起”，没有“延时一小段时间”这一步骤，是一种设计缺陷，是不合理的。方案二中，“锯切完成后延时一小段时间，锯片抬起”，在锯切完成之后，锯片抬起之前就延时了一小段时间，这是不符合实际情况的，属于不合理设计。方案三中，“发讯开关指令夹紧装置的气压缸动作，同时行走气压缸牵引飞锯小车行走”，夹紧气压缸动作与行走气压缸同步，这是不合理的，这样影响了行走小车对管材（或型材）的跟踪，夹紧气压缸应在管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步是实施夹紧。方案四和方案五是用可编程序控制器对系统进行控制，考虑到成本因素，我们选择用行程开关对系统进行控制，另外方案四中缺少延时的步骤。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 41 页2.3 气动式定尺飞锯机的总体方案设计通过以上对这五种方案的分析比较，我们设计并完善了我们的气动式定尺飞锯机的总体方案：当管材（或型材）运行接触到发讯开关时，发讯开关指令行走气压缸牵引飞锯小车行走，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，同时夹紧装置的气压缸动作钳口夹紧，管材（或型材）与飞锯小车运行中达到同步，夹紧装置的钳口同时也已经夹紧，之后管材运行距离达到锯切长度，接近开关指令锯切装置运作实现锯切。锯切完成后锯片抬起，同时指令夹紧气压缸抬起，完成定尺锯切的全部动作，锯切后的定尺管材离开飞锯沿辊道前进到下一步工序，同时飞锯小车在行走气压缸牵引力作用、助推气压缸同步助推下回复到原位，等待开始下一次锯切 4。正如图 1 所示：管移动锯车原位管移动锯车返回管移动锯车与管同步管移动锯车同步跟踪夹紧落锯管移动锯车同步跟踪松夹管移动锯车同步跟踪抬锯管移动锯车移动零点到位抬锯到位松夹到位图1 控制原理图本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 41 页3 气动式定尺飞锯机的设计计算3.1 飞锯小车运动描述飞锯小车的运动可分为以下七个阶段（见图 2） 。图 2 飞锯车速度示意图（1）等待段 如图 2 中 AB 段，飞锯机处在零位，当焊管相对于飞锯小车的伸量达到预伸值时，计算机发出指令，指挥飞锯车启动，进入追踪段。（2）追踪段 如图 2 中 BC 段，飞锯小车在计算机控制下，以指数曲线升速，当飞锯小车运行到 C 点，正好被加速到与焊管同步，此时焊管相对于飞锯机的伸出量正好达到定值，系统转入同步运行段。（3）同步段 如图 2 中 CE 段，进入同步段后，焊管相对于飞锯机的伸出量便固定不变了，D 点是飞锯小车进入同步段后，经过一定的延时开始锯切的时刻，也是锯切气缸开始动作的时刻。延时时间是由飞锯小车的速度超调量所决定的。E 点是飞锯车同步结束的时刻，此时飞锯小车已完成锯切任务，锯切气缸恢复到原位，飞锯车开始进入正向减速段。DE 段时间是由锯切周期所决定的。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 41 页（4）正向减速段 如图 2 中 EF 段，飞锯小车受制动，按等减速运动，当速度降至零时，转入反向加速段。（5）反向运行段 图 2 中 FG 段为反向追踪段。GH 为反向同步段。HI 段为反向减速段。以上各段与与正向运动相对应的速度曲线完全一致。当速度为零时，飞锯小车正好停在零位。至此，一个工作循环结束。3.2 确定飞锯小车各段运动曲线（1）追踪段 追踪段在向同步段过渡时会产生超调现象，超调量直接影响到锯切精度，因此追踪段的运动曲线非常重要，我们采用数控技术，无论采用何种运动曲线，实际曲线都不能与理论曲线完全吻合，如图3所示，t越小实际曲线越接近理论曲线。在整个追踪段中，我们一共分成了256个小段，每一小段都相当于接受了一个新的阶跃信号，当飞锯车加速追踪时，我们可以把系统看成为二阶系统，由自动控制原理可知，当二阶系统输入阶跃信号时，二阶系统对应的阶跃响应为 图3 追踪段速度曲线)(sin(1)(2tAtetvdt （3.1）2nd（3.2）21arctg（3.3）式中 -系统的阻尼比-系统的固有频率nA（ t）-阶跃值本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 41 页图4为二阶系统阶跃响应图，从图3可以看出速度在平衡位置上振荡，超调量随时间的推移越来越小。超调量的计算式为5 )(sin(1)(2tAtetvdt （3.4） 分析公式，当其他参数不变时， A（ t）越小，超调量越小。图4 二阶系统的阶跃响应通过以上的分析可知，对于追踪段数学曲线的选择原则是：阶跃值 A(t)应越来越小，这样方能保证超调量越来越小，当过渡到同步段时，不会引起过大的振荡，以使焊管定尺精度提高。对于等加速曲线，如图5， A（ t）值从头至尾一样大，不满足要求。对于正弦曲线，如图6， A（ t）值在尾部稍有变化。对于指数曲线，如图3， A（ t）值越来越小。经过反复比较，我们认为指数曲线是最为理想的曲线，最终飞锯车追踪段的运动方程为 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 41 页tktxyxekt0)1(图5