钢板定长剪切机结构及PLC控制系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 1 摘 要 本文所介绍的是钢板剪切机机构方面和 制方面的设计。 首先是机械结构部分的设计，主要从钢板传送机构设计、液压缸的选用、电动机的选用、减速机构设计、导轨的选择等方面进行了分析和论证。本文更侧重于传送部分的设计。 其次是 制方面的设计，包括钢板传送运动数学模型的建立、操作面板的设计、气压回路的设计、梯形图的设计等。介绍了钢板定长切割的 统的工作原理，给出了详细的程序设计过程。该系统可以实现连续操作和手动操作。连续操作能自动完成钢板剪切的各个动作，提高的剪切机的效率。手动操作为实现自动 操作做准备，即将钢板停到合适的位置。 本文还介绍了电动机与 气压回路之间的连接。通过这些设计，使 较好完成各个动作的控制。 关键词： 制；定长切割； 钢板传送；减速器 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 2 is LC of is on of is LC of so LC in do to in to on LC to of 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 3 目 录 摘 要 第 1 章 概 述 . 1 钢板定长剪切机简介 . 9 钢板定长剪切控制系统总体方案设计 . 10 主要技术要求 . 10 第 2 章 整 体机械机构设计 . 11 2. 1 夹送辊 机构设计及参数计算 . 11 辊轮的设计 . 11 系统参数的初步拟定 . 13 传动轴的设计过程和结果 . 14 减速器部分的设计 . 15 齿轮传动的设计 . 15 减速机 轴的设计 . 17 联轴器的选用 . 22 电动机的选择及各轴的计算 . 23 电动机的选择 . 24 各轴的计算 . 24 轴承的选用 . 25 液压缸的选择 . 26 导轨的选择 . 27 第 3 章 钢板定长剪切机 制系统 . 28 总体方案设计 . 29 数学模型的建立 . 29 操作面板的设计 . 31 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 4 . 31 I/. 31 块选择 . 33 气压回路设计 . 34 梯形图设计 . 35 系统总流程设计 . 35 手动程序设计 . 36 连续与单周期程序设计 . 37 结 论 . 38 致 谢 . 39 参考文献 . 40 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 5 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 6 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 7 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 8 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 9 第 1 章 概 述 钢板定长剪切机简介 近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理器机为核心组成的可编程序控制器得到了迅速的发展，并广泛用于各种领域中，以满足现代化生产中的高效的、大量的自动化要求。可编程序控制器（ 其简单、易用、可靠性高，同时具有较大的灵活性，广泛用于工业自动控制中，用其完成钢板定长剪切就是一个工程实例。 定长剪切机是由电动机经过减速器减速后，减速器 与夹送辊同轴相连。具体工作原理如图 速机的减速比是 K，电机每转 送辊旋转一圈，带动钢板向前运动 D 当钢板向前运动 L 剪切尺寸到触碰到开关 切到位后行程开关 气缸向上运动即抬剪动作。抬剪到位后行程开关 通电动机，使夹送辊带动钢板向前运动 L 备下一次剪切动作。 图 a） 定长 剪切原理示意图 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 10 图 b） 定长剪切原理示意图 钢板定长剪切控制系统总体方案设计 本机构由电动机提供动力，通过减速器减速后带动夹送辊使钢板向前运动， 切。 主要技术要求 1） 长度设定： 1000 2） 钢板速度为 5m/ 加速度 a 1-3 m/； 3） 辊轮直径 D 50 4） 减速比 K 1 5） 定尺精 度 0.1 6） 钢板的宽度 15 7） 钢板的厚度 3 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 11 第 2 章 整体机械机构设计 夹送辊 机构设计及参数计算 辊轮的设计 在工作过程中支撑轮的主要失效形式是磨损，所以材料必须有很好的耐磨性和较高的强度、硬度。比较各材料的特性，选择 45 钢并进行高频淬火处理。夹送辊 根据实际情况 选用橡胶摩擦轮，可以增大与钢板间的摩擦力，更好的传递转矩。 1. 辊轮的结构设计 辊轮传动的受力分析，如图 图 轮传动原理图 2. 辊轮受力分析 根据要求设计钢板通过夹送辊机构最大的长度为 2000度为 150度为3送辊直径定为 160 查机械设计手册可知，钢材的密度为 337 . 8 4 1 0 k g / m ， 由 m/v 3m = v = 7 . 8 4 1 0 2 0 . 1 5 0 . 0 3 7 0 . 5 6 k g m g 7 0 . 5 6 9 . 8 6 9 1 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 12 根据设计在传送机构在长度 20个支撑辊，则每个承受的正压力 W 支撑辊总的摩擦力阻力 中 : 钢与钢之间的摩擦系数 查机械设计手册 (软件版 )擦轮材料的摩擦系数如表 表 同材料间的摩擦系数 查表 人公式（ 9 1 0 . 2 0 1 0 1 3 8 2F W N 夹送辊与钢板之间的摩擦力应大于支撑辊的摩擦力才能带动钢板运动 n s 2 n s 1 F式中 : 支撑辊的支撑力 钢与钢之间的摩擦系数 橡胶与钢之间的摩擦系数 查表 解出528N 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 13 夹送辊的驱动力 n 528 N , 人公式（ 得488 N 系统负载转矩 中 : 夹送辊的驱动力 D 夹送辊的直径 将488 N , D =160 人公式（ 得 T =398 N m 轴向力 系统参数的初步拟定 1. 辊轮转速 式中 : V 钢板的最高速度 d 夹送辊的直径 将钢板最高运动速度 V=30m/辊轮直径 D 160 人公式（ 得 n=60 1000/160=60r/机械设计手册 ，减速器采用单级圆柱齿轮减速器 i=4 ， 初步确定电动机转速 n=60 4=240r/. 系统功率 式中： P 设备的功率； T 负载的转矩； n 负载的转速。 将 T =398N m , n=60r/人得， P=2.5 得两联轴器的传动效率为 98%，一级圆柱减速器效率为 99%； 传动功率 P =98% 98% 99%= 设计时应考虑过载问题，故设计功率为 10 2T 1 0 0 0V 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 14 传动轴的设计过程和结果 1. 选择轴的材料，确定许用应力 在工作过程中轴的主要失效形式是疲劳损伤，故轴的材料应具有高的强度及刚度，对应力集中的敏感性低。故选用强度、塑性与韧性等机械综合性能较好的 45 钢，并进行正火和调质处理。由机械设计手册查得其机械性能：强度极限 B=650用应力 60 2. 按扭转强度估算轴径 根据查机械设计手册“常用材料的 C=118 107 估算轴径 d C =(107 118) 考虑到轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在，故将估算直径加大 3% 5%取为 由设计手册取标准直径 d=35 3. 设计轴的结构并绘制结构草图 此轴是用来传递转矩的，故两端应开键槽，一端与联轴器相连，一端与 传动辊相连。 1) 确定各轴段的直径 如图 段 1,3的（外伸端）直径最小， 55虑到要 对安装在轴段 1 上的联轴器进行定位，轴段 2 上应该有轴肩，同时也能很顺利的在轴段 2上安装轴承，轴段 2必须满座轴承内径的标准，故取轴段 2的直径为 42 2) 确定轴的各段长度 轴段 1 通过联轴器与减速器低速轴相连，故 13 0 轴段 2 5 轴段 3 用于安装传送辊，故 02 3) 选定轴的结构细节 按设计结果画出轴的结构草图，如图 示。 图 轴的结构草图 3 10 3 2 . 7 4 3 6 . 1 0365 买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 15 减速器部分的设计 齿轮传动的设计 此设计传动功率较低，故采用一级减速就可达到此要求。 选择齿轮材料及精度等级 1. 选择齿轮材料及精度等级 小齿轮选用 45钢调质，硬度为 220 250齿轮选用 45钢正火，硬度为 170210为是普通减速器，查“常用机器中齿轮的进度等级” 0095 8 级精度，要求齿 面粗糙度 . 按齿面接触疲劳强度设计 因两齿轮均为钢质齿轮，可应用式 求出 定有关参数和系数： 1) 转矩 1=106 106N 0513 N ) 载荷系数 K 查表 取 K=) 齿数 5，则大齿轮齿数 00。因是单级齿轮传动为对称布置，而齿轮齿面又为软齿面，由表“齿宽系数 d” d=1 4) 许用接触应力 H 查表得“试验齿轮的接触疲劳极限 60 30表得“接触疲劳寿命系数 ， 据上述系数可得 H1= H=1*560/1 60 H2= 30/1 562 = =m= = =1( 1)3 21( 1)3 21 0 5 1 3 51 4 5 6 011子版图纸， Q 11970985 或 401339828 16 由表“渐开线齿轮的模数（ 357 取标准模数 m=. 主要尺寸计算 d1=25=d2=100=225mm b= d 57=整圆后取 0mm b1=5mm a=z1+=（ 25+100） =. 按齿跟弯曲疲劳强度校核 由式 f= = f得出 f 如 f f则校核合格。 5. 确定有关系数与参数 1) 齿形系数 表“标准外齿轮的齿形系数 得 ) 应力修正系数 表“标准外齿轮的应力修正系数 得 ) 许用弯曲应力 f 查表得 10 90 F= 故 f1= =210/62 f2= =190/46 f1=162 2 1 0 5 1 36 0 2 2 52111*1m 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 17 = f2=146 跟弯曲强度校核合格 。 6. 验算齿轮的圆周速度 v v= 57 360/60 1000=s 由表“常用精度等级齿轮的加工方法（ 可知，选 8级精度是合适的。 减速机轴的设计 此减速机为一级减速，所以减速机有两轴，高速轴和低速轴。高速轴通过联轴器与步进电机相连，低速轴也是通过联轴器与传动 轴相连。结构图如图 图 速轴基本结构 1. 低速轴的设计 1) 选择轴的材料，确定许用应力 由于减速器传递的功率属于中小功率，对材料无特殊要求，故选用 45 钢并经调质处理。查得强度极限 B=650 用弯曲应力 60 2) 按扭转强度估算轴径 由材料查得 C=118 107 3 5 11000购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 18 故 d C =（ 107 118） =虑轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在 ，故将估算直径加大 3% 5%，设计手册取标准直径（ 5) 设计轴的结构并绘制结构草图 由于设计的是单级减速器，可将齿轮布置在箱体内部中央，将轴承对称安装在齿轮两侧，轴的外伸端安装联轴器。 （ 1) 确定轴上零件的位置和固定方式 要确定轴的结构形状，必须先确定轴上零件的装配顺序和固定方式。参照下图式，确定齿轮从轴的左端装入，齿轮的右端用轴肩（或轴环）定位，左端用套筒固定。这样齿轮在轴上的轴向位置被完全确定。齿轮的周向固定采用平键连接。 轴承对称安装于齿轮的两侧，其轴向用轴肩固定，周向采用过盈配合固定。 （ 2） 确定轴的各段直径 如图 段 1的（外伸端）直径最小， 5虑到要对安装在轴段 1上的联轴器进行定位，轴段 2上应该有轴肩，同时也能很顺利的在轴段 2上安装轴承，轴段 2必须满座轴承内径的标准，故取轴段 2的直径为 40同样的方法确定轴段 3，4的直径 55 （ 3） 确定轴的各段长度 齿轮轮毂宽度为 60保证齿轮固定可靠，轴段 3的长度应略短于齿轮轮毂宽度，取为 58保证齿轮端面与箱 体内壁不相碰，齿轮端面与箱体内壁 间应留有一定的间距，取该间距为 10段 4取 10承支点的距离 L=108据箱体结构及联轴器距轴承盖要有一定的距离要求，取 L=75阅有关的联 轴器的手册取 L=70段 1， 3 上分别加工出键槽，使两键槽处于轴的同一轴母线上，键槽的长度比相应的轴毂宽度小约 5 （ 4） 选定轴的结构细节 按设计结果画出轴的结构草图（图 4) 按弯扭合成强度校核轴径 轴的圆周力 =2 279231 /225=向力 =向力 = 为节圆上的压力角，对标准齿轮有 =20o 222子版图纸， Q 11970985 或 401339828 19 为分度圆上的螺旋角 =（ 1） 绘出轴的受力图（图 （ 2） 作水平平面内的弯矩图（图 支座反力为： 截面处的弯距为： -截面处的弯矩为： 1 2 4 1 . 0 2 5 * 2 0 2 4 8 2 0 . 5 m m （ 3） 作垂直平面内的弯矩图（图 支座反力为： （ d 为分度圆直径） 2 9 0 3 . 3 9 ( 5 5 . 3 3 ) 9 5 8 . 7 2V B r V F N 截面左侧的弯矩为： = 截面右侧的弯矩为： -截面处的弯矩为： * 2 0 9 5 8 . 7 2 * 2 0 1 9 1 7 4 . 4 m m（ 4） 作合成弯矩图（图 22 M 公式 截面： = 22 6 7 0 8 1 . 5 7 N m m 22左 （ + （ 67015 ） 22 8 4 6 8 3 . 2 1 M N m m 22右 右 （ 51771 ） （ 67015 ） -截面： 22 3 1 3 6 4 . 3 7 M N m m 22 （ 19174 ） （ 24821 ）（ 5） 作转矩图（ （ 6） 求当量弯矩 因减速器单向运转，故可认为转矩为脉动循环变化，修正系数 为 截面： 2 1 8 7 7 2 4 . 2 4M M N m m 2 2 2右（ T ） （ 84683 ） + （ 79231 ） 22 * 9 0 3 . 3 9 4 8 6 . 9 5( ) 5 5 . 3 32 2 2 2 * 1 0 8 108* 5 5 . 3 3 * 2 9 8 7 . 8 222VA m m 108* 9 5 8 . 7 2 * 5 1 7 7 0 . 8 822VB m m1081 2 4 1 . 0 2 5 * 6 7 0 1 5 . 3 5266 1 0 . 6 7 2 29 . 5 5 1 0 9 . 5 5 1 0 2 7 9 2 3 1 . 5 3365 m 2 2 4 8 2 . 0 5 1 2 4 1 . 0 2 522 H B N 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 20 -截面： 2 170449 N m m 2 2 2 （ T ） （ 31364 ） + （ 79231 ）图 速器从动轴设计 （ 7） 确定危险截面及校核强度 由图 面 ， -所受转矩相同，但弯矩eI ，且轴上还有键槽，故截面 可能为危险截面。但由于截径32故也应对截面 -进行校核。 截面： 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 21 -截面： 查表“轴的许用弯曲应力”得 6 0b M ，满足1的条件，故设计的轴有足够的强度，并有一定的裕量。如图 图 速轴外行尺寸 2. 高速轴的设计 高速轴的设计与低速轴同理。 1） 选择轴的材料，确定许用应力 由于减速器传递的功率属于中小功率，对材料无特殊要求，故选用 45钢并经调质处理。查得强度极限 B=650 用弯曲应力 60 2） 按扭转强度估算轴径 由材料查得 C=118 107 故 d C =（ 107 118） =321 7 0 4 4 9 1 7 0 4 4 9 3 1 . 0 60 . 1 0 . 1 * 3 8 p 3331 8 7 7 2 4 1 8 7 7 2 4 2 0 . 6 00 . 1 0 . 1 * 4 5 p 3 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 22 考虑轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在， 故将估算直径加大 3% 5%，取为 设计手册取标准直径（ 4） 确定轴的各段直径 如图（ 示，轴段 1的（外伸端）直径最小， 4虑到要对安装在轴段 1上的联轴器进行定位，轴段 2上应该有轴肩，同时也能很顺利的在轴段 2上安装轴承，轴段 2必须满座轴承内径的标准，故取轴段 2的直径为 30同样的方法确定轴段 3， 4的直径 54 4） 确定轴的各段长度 齿轮轮毂宽度为 65低速轴设 计相仿，设计此轴各段长度为： 05mm，00 5） 修改轴的结构 因所设计轴的强度裕量不大，此轴不必在做修改。 6） 绘制轴的零件图 图 速轴外行尺寸 联轴器的选用 联轴器通常用来连接两轴并在其间传递运动和扭矩，有时也可以作为一种安全装置用来防止被连接机件承受过大的载荷，起到过载保护的作用。 电动机与减速器的联轴器选用刚性联轴器中的凸缘联轴器（ 843凸缘联轴器购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 23 不具备径向，轴向和角向的补偿功能，钢性好，传递扭矩大，结构简单，工作可靠，维护简便等优点。 凸缘联轴器如图 种联轴器有两种对中方式：一种是通过分别具有凸槽和凹槽的两个半联轴器的相互嵌合来对中，半联轴器之间采用普通螺栓连接，靠半联轴器接合面间的摩擦来传递转矩；另一种是通过铰制孔用螺栓与孔的紧配合对中，靠螺栓杆承受载荷来传递转矩。当尺寸相同是后者传递的转矩较大，且装拆时轴不必做轴向移动。所以本设计采用后者。 图 圆联轴器 减速机与高速轴选用：型号为 减速机与低速轴选用：型号为 联轴器的数据如表 表 轴器的基本数据 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 24 电动机的选择及各轴的计算 电动机的选择 1. 选择电动机的类型和结构形式 电动机类型和机构形式要根据电源（交流或支流 ）、工作条件（温度、环境、空间尺寸等）和载荷特点（性质，大小、启动性能和过载情况）来选择。 2. 选择电动机的容量 标准电动机的容量用额定功率表示。所选的电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。容量小于工作要求，则不能保证工作机正常的工作，或使得电机长期过热、过载而过早损坏；容量过大则成本增加，并且由于效率和功率数低而造成浪费，电动机的容量主要是由于运行时的发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续运行的机械，只要其电动机的负载、不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和启动力矩。 已知参 数 : 辊轮转速 n=60 r/ 功 率 P=2.5 选用 2型三相异步电机 电机技术参数 P=3.0 n=1430 r/ G=38 转转矩 最大转矩 各轴的计算 计算传动装置的运动和动力参数 查机械设计手册得凸缘联轴器的传动效率为 98%，一级减速器的传动效率为 99%，系统额定功率为 11以： 对 0轴（电动机轴） 对 1轴（减速器高速轴） 101 1 0661111 4 6 0 / m i n* 0 . 9 8 * 1 1 1 0 . 7 81 0 . 7 89 . 5 5 * 1 0 9 . 5 5 * 1 0 7 0 5 1 31460n n K W K 00660001 4 6 0 / m i 5 5 * 1 0 9 . 5 5 * 1 0 7 1 9 5 21460 m 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 25 对 2轴（减速器低速轴） 对 3轴（夹送辊传动轴） 通过以上的计算，为后面的设计做好准备工作。 轴承的选用 轴承的选择根据载荷条件，转速条件，装调性能，调心性能，经济性考虑。 选用常用滚动轴承中的深沟球轴承 ( 276 低速轴的轴承选用型号为 6208的滚动轴承。高速轴选用 6207的滚动轴承。 型号为 6207， 6208具体数据如表 表 承的具体数据 轴承的计算校核： 旋转着的轴承，内、 外圈滚道及滚动体经受着迅速变化的接触应力，当工作循环达到一定次数后，接触表面可能发生疲劳点蚀。这是滚动轴承失效的主要形式。由失效分析知，对于一般转速（ n10r/轴承，应进行防止疲劳点蚀的寿命计算，对于静止或极慢转数（ 0r/轴承，应作静强度计算。 计算过程及结果如图 示。 022 1 2 06622214603 6 5 / m i 9 8 * 0 . 9 9 * 1 1 1 0 . 6 7 2 21 0 . 6 7 2 29 . 5 5 * 1 0 9 . 5 5 * 1 0 2 7 9 2 3 1365p K W K m 032223 1 2 06633314603 6 5 / m i 9 8 * 0 . 9 9 * 1 1 1 0 . 4 5 8 71 0 . 4 5 8 79 . 5 5 * 1 0 9 . 5 5 * 1 0 2 7 3 6 4 6365nn n p K W K m 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 26 图 承 6208 的校核结果 传动部分的轴承仍然选用型号为 6208的滚动轴承。具体数据和疲劳校核如上。 液压缸的选择 根据所需的夹紧力设计液压缸。 1. 工作压力 可根据负载大小及机器的类型来初步确定，选取液压缸工作压力为 2. 计算液压缸内径 d。 由负载图可知最大负载 F 为 15000N，按表可取 虑到快进、快退速度相等，取 d 上述数据代入公式可得， 查机械设计手册将液压缸内径圆整为标准系列直径 D=50塞杆直径 d，按 dD= d=35 2254 1 5 0 0 0 0 . 5 1 1 053 . 1 4 3 5 1 0 0 . 9 5 1 1 0 . 735 购买文档送 子版图纸， Q 11970985 或 401339828 27 导轨的选择 1 导轨的作用和特点 如图 动构件 1的导轨，称为动导轨，常见的为工作台，拖板或溜板的导轨；支承件 2的导轨，称为静导轨，常见的为床身导轨。由于动导轨沿静导轨作定向运动，运动的直线性直接影响到系统的工作精度。因此导轨在机电一体化系统中具有很重要的作用，其特点是： 1） 工作运动速度低，精密机械常要求工作台移动速度为 5低速情况下运动不爬行。所以设计时要考虑低速爬行问题； 2） 导轨工作部分刚性较差，对于一般机械和仪器工作台的静导轨，既长又薄，是系统中刚性最薄弱 的环； 3） 受力较复杂计算较困难； 4） 大型导轨加工的工作量较大，需要专门机床