管料自动存储分料装置机电系统项目设计方案

0 管料自动存储分料装置机电系统 项目设计方案 课题设计的目的 自动送料系统的研究是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中一个重要的组成部分，当下我国许多行业仍属于劳动力密集型，因此自动化的使用已经越来越重要。 本课题涉及一种用于加工管材的自动分料装置，是一种把一定数量的管材依次送入生长线的自动化供料装置，本装置的进一步目的在于提供一种能适用于多种长度尺寸规格，且调节幅度更大的管料自动送料装置，作用在于能够很好的提高生产效率降低劳动强度 1。 题背景 现代制造技术的不断发展，为社会生产力带来了巨大飞跃，自 80 年代柔性系统进入实用阶段以来，使机械加工的面貌发生了质的变化。零件制造、金属成型、切削加工等日臻综合自动化，伴随着计算机辅助技术和信息技术的发展，当今机械制造业将进入全盘自动化的时代。 然而，由于加工技术超前于送料技术许多年，目前送料环节多数仍处于手动阶段，两者形成了明显反差。虽然对于许多块状及板状原料的加工开始了自动送料的研究，并已取得了不错的成果，但管类材料的加工自动化给料仍处于较大的空白阶段，故而希望设计成功管料的自动存储粉料装置。 计 现状和发展趋势 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题，我国现有的管材加工中，在没有实现流水线生产的情况下，工件的分料、提升及定位主要依靠1 人工完成。多品种、小批量、加工时间较长的零件，上下料在整个生产周期里所占的时间较少，采取人工上下料是切实可行的。但对于大批量零件加工且没有实现流水线生产的场合，采取人工上下料，既增加了劳动强度，又增加了辅助时间，降低了生产效率，应该采取可靠、高效的自动上下料方式。而现有的管料自动存储供料系统中，在流水线生产中将大批管料工件分离多采用链轮链条和棘轮棘爪等分料机构， 此类机构存在分料时噪音大、容易卡料且占地面积大等缺陷。 自动化水平的高低，早已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。目前，一些发达国家早已将注意力像自动送料方向加强，并获得了一定的成果 2。这一方面，由于我国人口众多、劳动力便宜，企业不愿意加强投资，但是随着市场经济体制的完善，国内外竞争越来越激烈，企业对生产全面自动化需求也会日趋增长。从近来发展趋势来看，新型自动管料送料装置的出现已经是不可或缺的，同时，要求也更加严格。不但需要保证供料的稳定性、快捷性，还要求自动装置能够更好地便于控制及占地小等必须条件 。使用自动存储分料系统的目的在于减少工人的劳动强度，增加必要的安全性，这就要求了新型自动供料系统便于操作的必然性，而且要提高自动化水平，加强控制精度，以便于能够更好地加工机械供应原料，从而提高生产效率。我相信管料自动分料装置在我国得到全面的应用将在不久的将来逐一实现。 课题的优势及基本原理 点及相关优势 自动分料机构是实现坯料、工件或产品传送到相应的加工、装配或测试、分类等操作工位上的自动执行机构。正确选用和设计好送料机构是实现单机自动化，建立自动化生产线的基本条件之一。 本课题是管料自 动存储分料装置的机电系统设计，涉及机加工设备领域，是一种分料提升机构，具体地说，是一种管料分料提升装置，可实现管料的分料，并提升到固定位置的装置，这样极大地提高了整个料仓中管料的输送速度，可以保证管料始终处在和加工机械在同一水平面上，很大程度上节省了管料的传递时间。同时在本装置的分料口处添加了管料定位装置，更好地保证了送料位置的精确性，提高了加工精度减少了机械加工部分的再调整环节。此外，本2 装置载料板取用倾斜式，使管料在自身重力下，直接顶靠在分料口，便于分料。分料口处利用拨叉式机构分料，增加了自动分料装置的灵 活性。相对于其它分料装置，本装置灵活性更高，送料效率更好，并能为多种加工机械提供不同尺寸长度的管料自动存储和送料，优势十分明显。 本工作原理 本发明包括底座、料仓、自动旋转的分料拨叉、垂直升降机构、自动对正装置以及必要的液压装置等部分组成，其通过料仓底部液压缸提供动力，利用齿条齿轮机构改变动力的传动方向，经过传动轴带动两侧链条升降，从而使料仓底部的载料板能够自由上升和下降，当料仓中管料位置略高于出料口时，停止载料板的移动，保证能够顺利送料。载料板采用倾斜式设计，使管料在自身重力下可以直接停靠在挡 料板上，便于出料。本装置的出料部分采用拨叉式机构设计，利用旋转拨叉来带动管料的运送，结构灵活简易，便于操作。同时本装置在管料出料口增加了管料的对正设计，减少了某些自动化加工机械因给料偏差而出现废品的几率，相对于普通加工机械也减少了管料的调整时间。因而本发明操纵方便、实用可靠，占地面积小。 计的基本要求及主要任务 本设计的基本要求，该管料自动存储分料装置应能适用于绝大多数管状材料，管料直径在 89 189 之间，管料最长长度可达 6000材的重量在 3吨左右，料仓底部载料板可以自由升降，且该管料自 动存储分料装置可适用于多数管料加工机械的自动送料。 设计的主要任务，完成总体的运动方案选择，设计相关驱动方法，即升降部件 、调整部件和分料部件。同时完成电气控制系统的设计，包括电气原理图、液压原理图、控制面板、 I/O 分配、 形图等。 3 第二章 总体设计方案 械部分设计方案 该装置是把成捆的管型材料统一存放在管料舱内，然后实现管料单根出料的自动化分粉料装置，集自动存储和分料于一体。 本装置的基本要求，该管料自动存储分料装置应能适用于绝大多数管状材料，管料直径在 89 189 之间，管料最长长度可 达 6000材的重量在 3吨左右，料仓底部载料板可以自由升降，且该管料自动存储分料装置可适用于多数管料加工机械的自动送料。根据本装置的要求，主要涉及升降、调整管料位置及出料几个基本动作。总体方案如图 2示 3 图 2体设计方案 整部分设计方案 管料的调整需要保证左右的位置对中，所以采用两端前法兰式液压缸来保4 证中心，此方案的好处是位置控制精确，便于操作。如图 2示 图 2整设计方案 料部分设计方案 挡料板处的分料装置设计，在挡料板处控制管料的分料装置需要把管材继续向前传递且不断重复此过程，决定采用液压缸驱动拨叉旋转机构来实现，液压缸 1 推动连杆 2 绕转动副 C 旋转，使其向上摆动从而将管料送出 4。 图 2料设计方案 5 降部分设计方案 载料板的升降设计，在管料自动分料的过程中，料仓底部的载料板需要往复的做升降动作，并且需要承担管料本身的自重，故决定采用液压缸驱动，同时利用齿条齿轮装置来改变动力的传动方向，使其由水平方向作用变为竖直方向作用。利用链条式升降方 式实现载料板的上下移动。液压缸 1 推动齿条齿轮机构旋转，利用传动轴 3 带动链轮 4，经链轮 5、 6 传动到链轮 7、 8 处，利用链条带动载料板升降。如图 2示 图 2降部分设计方案 控部分设计方案 本课题采用可编程控制器控制，可编程控制器 (简称 发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。在现代化生产设备中有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量需要控制，例如，电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等。 在固定接线式老装置显然不能适应这种要求的情况下，按照成熟有效的继器控制理念和设计思想，利用不断发展的6 新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。 目前国际上生产可编程控制器的厂家很多，它们主要分布在美国、日本、欧洲各国。无论哪个厂家的产品，就其技术而言大同小异，可概括有如下特点：可靠性高，抗抗干扰能力强（平均无故障时间一般可达 3 5 万小时）；维修方便灵活；功能完善；接线简单；编程简单，使用方便。 可编程序控制器的性能 ： 1、 工作环境，一般 工作的温度为 0 设施度到 55 设施度，最高为 60设施度 ，存储温度为 施度之 +85 设施度；相对温度为 5%95%。（空气条件，周围不能混有可然性，易爆性和腐蚀性气体） 。 2、 耐振动，冲击性能强，一般 承受振动和冲击频率为 1055幅为 速度为 2g，冲击为 10g 3、 循环扫描，一周期扫描时间为 10右，因此 障率低，不易坏，可靠性高。 本设计采用 列 特点是具有丰富的 元；独具变频器简易定位功能；覆盖小规模机器控制的需求；最大 180 点 I/O 扩展能力；最大程序容量 10k 字，最大数据容量 32k 字；脉冲输出 1002 轴；高速计数相位差方式 502 轴；单相 1004 轴；最大 2 个串行通讯接口（ 选）；标准配置 程接口；支持 T 编程； 件板提供丰富的显示 /监控功能 5。 7 第三章 升降部分设计 压缸选择 液压缸需要提供能够升起 3T 重的管材加上载料板的总重量，经计算推力 。 选取工作压力为 45，得 由 得 选活塞直径，液压缸型号选取冶金用标准液压缸，由表 得活塞杆直径。 系统实际工作压力为 轮齿条传动部分设计 轮齿条设计 已知 1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (1）选用直齿圆柱齿轮齿条传动。 (2）该设备为液压驱动，速度不高，故选用 8 级精度（ 0095 (3）材料选择。由表 10选择齿轮齿条材料均为 45 号钢（调质），小齿轮硬度为 250齿轮硬度为 220者材料硬度相差 30 2、 按齿根弯曲强度设计 由公式 （ 3 代入 8 得 (3(1)确定公式内各计算数值 1)载荷系数 K 使用系数，由表 10查得，传动均匀平稳的液压驱动取 动载荷系数，由图 10， 8 级精度 齿间载荷分配系数，由表 10查得，直齿圆柱齿轮 齿向载荷分布系数，由图 10得， 所以 2）初取 3）齿形系数及应力校正系数 由表 10查得 ， 4）传递扭矩 (3代入数据得 （ 2）计算 1）取模数 2） 计算齿轮相关参数 （ 3）校核齿面接触疲劳强度 1）载荷系数 3.1 2）由表 10查得材料的弹性影响系数 3）区域系数 9 4）由图 10查得齿轮的接触疲劳强度极限 50 5）由图 10取接触疲劳寿命系数 算接触疲劳许用应力。 取时效概率为 1%，安全系数 ，则 （ 3 代入数据得 7）校核接触强度公式 （ 3 代入数据得 故齿轮接触疲劳强度校核合格 传动轴设计 1、传动轴受力分析 传动轴受力分析如图 3示 图 3动轴受力 2、初步确定轴的最小直径 利用扭转强度条件设计 8 （ 3 代入数值得 查表 15得， 10 3、轴的结构设计 （ 1）拟定轴上零件的装配方案 装配方案如图 3示 图 3配方案图 （ 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）为了满足半联轴器的轴向定位要求， 1 轴段右端需制出一轴肩，结合轴的最小直径要求，故取，半联轴器与轴配合的毂孔长度， 1长度应比毂孔长度略短一些，现取。 1右端需制出轴肩，故取。 2）初步选择滚动轴承。因轴承受较大径向力和较小的轴向力的作用，故选用角接触球轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承 7000 型 02 系列 7213C 轴承，查得其尺寸为231 2 065 根据结构和距离要求取。 3）根据齿轮的安装要求，取安装齿轮处的轴段的直径，由齿轮厚度及及结构要求，取齿轮段轴的长度。 4）为满足齿轮的轴向定位要求，需在 3上用轴肩定位，故取。长度为。 5） 6需要安装轴承，型号与前轴承相同，所以取 ，长度 6)7装配联轴器，型号与前面相同，故，。 （ 3）轴上的周向定位 1）联轴器的周向定位采用平键连接，按表 6得平键截面尺寸， 键槽采用键槽铣刀加工，长度为 110时为保证联轴器与轴有良好的对中性，选取联轴器与轴的配合为67 2）圆柱齿轮的周向定位采用平键连接，由表 6查得平键截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工，长度为 63时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选11 择齿轮轮毂与轴的配合为67 3）滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为 4、通过弯扭合成强度条件计算 通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零 件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。计算步骤如下： （ 1）作出轴的计算简图 轴所受的载荷是从轴上零件传来的，将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。先求出轴上受力零件的载荷，并将其分解为水平分力和垂直分力，如图 3示。 （ 2）做出弯矩图 根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩图（图 3和垂直面上的弯矩图（图 3然后计算出总弯矩并作出 M 图，如图 30。 （ 3）做出扭矩图 扭矩图如图 3示 图 3算简图 12 图 3直方向弯矩图 图 3平方向弯矩图 图 3矩合成图 13 图 3矩图 表 3矩、扭矩表 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F 弯矩M 总弯矩 扭矩 14 T （ 4）校核轴的强度 按第三强度理论，计算应力 (3则轴的弯扭合成强度为 选定轴材料为 45 号钢，调质处理，查得 11。因此，故安全。 的强度校核 该键为与齿轮配合的键，键为普通平键，尺寸。键与轴的材料为 45 钢查得许用应力 M 20100 ，取 10 9键与轴所受扭矩 因此，键的挤压强度为 （ 3 代入数据得 所以键的强度合格。 列链轮部件设计 的选择 1、链传动的失效形式 链传动的失效形式包括：链的疲劳破坏、链条铰链的磨损以及链条铰链的胶合。 2、选取传动链 根据需要传动的拉力 由表 13取抗拉载荷 的单排滚子链 08A，节距 3、相关尺寸 15 查表 13得，链的相关尺寸如图 3示 （ 1）滚子直径 （ 2）销轴直径 （ 3）空套直径 （ 4）链节内宽 （ 5）内链节外宽 （ 6）链节宽 图 3示意图 轮设计 1、链轮齿数的选择 双列链轮是链传动中的主动轮，同时也是大链轮。当给定磨损量，即链节的长增长量一定时，链轮的齿数越多，链轮上一个链节所对应的圆心角就越小，铰链所在圆的直径的增加量越大，铰链会更接进齿顶，从而增大了跳链和脱链的机会。因此，链轮的齿数不宜过多，通常限制链轮的最大齿数。取 2、链轮的基本参数和主要尺寸，如表 3示 表 3本尺寸 名称 符号 计算公式 数值（ 16 分度圆直径 d 230 齿顶圆直径 238 齿根圆直径 222 齿高 表 齿宽 8 凸缘直径 115 轮毂长度 l 50 链轮如图 3示 图 3轮示意图 17 轮轴设计 1、初步确定轴的最小直径 利用扭转强度条件设计 （ 3 代入数值得 查表 15得， 所以，轴的直径 2、轴的结构设计 （ 1）拟定轴上零件的装配方案 装配方案如图 3示 图 3配方案图 （ 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）初步选择滚动轴承。因轴承受较大径向力和较小的轴向力的作用，故选用角接触球轴承。结合轴的最小直径要求，取，由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承 7000 型 02 系列 7212C 轴承，查得其尺寸为 312065 故根据结构和距离要求取。 2）根据链轮的安装要求，取安装链轮处的轴段的直径，由链轮宽度及结构要求，18 取齿轮段轴的长度。 3） 3需要安装轴承，型号与前轴承相同，所以取， 4）为了满足半联轴器的轴向定位要求， 4段左端需制出一轴肩，结合轴的最小直径要求，故取，半联轴器与轴配合的毂孔长度， 4长度应比毂孔长度略短一些，现取。 （ 3）轴上的周向定位 1）联轴器的周向定位采用平键连接，按表 6得平键截面尺寸，键槽采用键槽铣刀加工，长度为 110时为保证联轴器与轴有良好的对中性，选取联轴器与轴的配合为67 2）链轮的周向定位采用平键连接，由表 6得平键截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工，长度为 110时为链轮与轴配合有良好的对中性，故选择链轮轮毂与轴的配合为67 3）滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为 3、计算轴上的载荷 根据轴的结构简图 3算其弯矩、扭矩。弯矩图、扭矩图如图 3示 图 3算简图 19 图 3矩图 图 3矩图 计算得， 4、校核轴的强度 按第三强度理论，计算应力 则轴的弯扭合成强度为 选定轴材料为 45 号钢，调质处理，查得。因此，故安全。 列链轮部分设计 20 列链轮设计 1、链轮齿数的选择，选取。 2、链轮的基本参数和主要尺寸，如表 3示 表 3本尺寸 名称 符号 计算公式 数值（ 分度圆直径 d 117 齿顶圆直径 124 齿根圆直径 110 续表 齿高 宽 凸缘直径 100 轮毂长度 l 32 轮轴设计 1、初步确定轴的最小直径 利用扭转强度条件设计 （ 3 代入数值得 查表 15， 所以，轴的直径 21 2、轴的结构设计 （ 1）拟定轴上零件的装配方案 装配方案如图 3示 12 图 3装配示意图 （ 2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1）初步选择滚动轴承。因轴承受较大径向力和较小的轴向力的作用，故选用角接触球轴承。结合轴的最小直径要求，取，由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承 7000 型 02 系列 7208C 轴承，查得其尺寸为 88040 故根据结构和距离要求取。 13 2）为了满足轴承的轴向定位要求， 3段左端需制出一轴肩，故取，。 3）法兰部分长度 22 第四章 调整及翻料部分设计 整部分设计 本装置的一大优势设计是在管料出料口增加了管料的调整设计，减少了某些自动化加工机械因给料偏差而出现废品的几率，相对于普通加工机械也减少了管料的调整时间。 调整部分的主要结构是在出料口处安装一对自动对正液压缸，液压缸采用前法兰式安装，极大地节省了所需要的占用的空间，提高了灵活性，同时利用两侧同步液压缸，很好的保证了管料再出料后的加工中心 14。 正液压缸的选择 对正只需要克服一根管料自重所产生的摩擦力，不需太大驱动力，同时满足行程要求即可，所以选择液压缸型号 。 料部分设计 本装置的出料部分采用拨叉式机构设计，利用旋转拨叉来带动管料的运送，结构灵活简易，便于操作。即利用液压缸带动传动轴旋转形成绕轴线旋转的机构，从而带动轴上固定的翻料板旋转，使管料顺着翻料板翻出。 料液压缸的选择 翻料缸需要提供的驱动力最大约为 1350N，结合作图所得行程要求，取液压缸型号 料板的结 构设计 翻料板不只需要把管料翻出，同时还必须达到挡料的目的，在未翻料前挡住管材，使管材不至于滚落。其结构设计如图 4示 23 图 4料板 第五章 电控部分设计 该装置是一种用于加工管材的自动分料装置，是一种把一定数量的管材依次送入生长线的自动化供料装置。装置主要由底座、料仓、自动旋转的分料拨叉、垂直升降机构、自动对正装置以及必要的液压装置等部分组成，能够实现管料的分料，并提升到固定位置的装置，这样极大地提高了整个料仓中管料的输送速度，很大程度上节省了管料的传递时间。自动存储分料装置的简图如图5示。 图 5气控制简图 工作过程：通过料仓底部液升降压缸提供动力，利用齿条齿轮机构改变动力的传动方向，经过传动轴带动两侧链条升降，从而使料仓底部的载料板能够自由上升和下降，当料仓中管料位置略高于出料口时，管料滚出，碰到上升终24 止开关停止上升。同时启动对中液压缸，运行到对中终止位后返回对中液压缸到对中开始位。启动分料液压缸，运行到分料上位，停止分料返回到分料下位，然后开始下降，直到触碰到回程终止开关。 压驱动设计 本装置的驱动部分均采用液压驱动，画出液压原理图，如图 5示 4 图 5压原理图 制面 板设计及 入输出分配 制面板设计 根据控制要求设计人机对话面板如图 5示，各按钮功能如表 5示。 25 图 5制面板 表 5按钮功能 面板按钮 说明 电源灯 示电控柜内已经上电 系统上电灯 示系统已经上电 自动指示灯 示设备工作在自动状态 手动指示灯 示设备工作在手动状态 就绪灯 示设备处于原位 报警灯 示设备处于危险报警状态 系统上电按钮 统工作前给系统上电 系统断电按钮 统断电，停止工作 自动、手动按钮 功能选择按钮 26 续表 停止按钮 统在工作状态下停止其动作 启动按钮 自动工况下的操作 管料上升按钮 手动工况下使载料板上升 管料下降按钮 手动工况下使载料板下降 对中前进按钮 手动工况下对中缸前进 对中返回按钮 手动工况下对中缸返回 翻料前进按钮 手动工况下翻料缸前进 翻料返回按钮 手动工况下翻料缸返回 急停按钮 止一切运行状态 复位按钮 系统回到初位 I/O 分配表 输入部分包括两部分：面板控制按钮、指令开关和表示位置的行程开关，输出部分包括面板上的被控指示灯和执行动作的线圈，输入输出分配见表 5 表 5入输出分配表 现场器件 地址 说明 动按钮 动按钮 止按钮 位按钮 料上升按钮 输入 料下降按钮 共 16 个输入 中前进按钮 点 中返回按钮 料前进按钮 料返回按钮 27 续表 升止位行程开关 中始位行程开关 中止位行程开关 料始位行程开关 料止位行程开关 降止位行程开关 输出 共 10 个输出点 动指示灯 动指示灯 位就绪指示灯 升线圈 降线圈 中前进线圈 中后退线圈 料前进线圈 料后退线圈 荷线圈 根据输入、输出点预留 15要求， 际输入点数不少于 20 个，输出点数不少于 12 个。 根据产品样本，选用 输入点为 36 点，输出点为 24 点 15。 形图 形图如图 5示 28 29 图 5制梯形图 30 作时序图 分析装置的的工作过程作出如图 5示时序图 16 图 5作时序图 制电气原理图 控制线路采用 24源供电，设有系统急停开关， 系统上电指示灯有一个空气开关作短路保护，五个指示灯、七个线圈分别由三个空气开关作短路保护。输入模块的电源亦由 24流提供。如图 5示 16 31 图 5气原理图 32 第六章 结论 本次设计的题目是“管料自动存储分料装置机电系统设计”。涉及机加工设备领域，是一种分料提升机构，具体地说，是一种管料分料提升装置，可实现管料的分料，并提升到固定位置的装置，这样极大地提高了整个料仓中管料的输送速度，很大程度上节省了管料的传递时间。同时在本装置的分料口处添加了管料定位装置，更好地保证了送料位置的精确性，提高了加工精度减少了机械加工部分的再调整环节。此外，本装置