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毕 业 设 计（论 文）毕 业 设 计（论 文） 设计设计(论文论文)题目：题目：弯管机的结构设计 学生姓名： 吴涛指导教师：王珺 二级学院： 机电工程学院专业机械设计制造及其自动化 班级：12 机械单学号： 1204201023 提交日期：年月日答辩日期：年月日 金陵科技学院学士学位论文目录 目 录 摘 要.a ABSTRACT2 第一章绪论 3 1.1引言. 3 1.2 课程的目的及意义4 1.3 课题内容 4 第二章弯管机系统设计总体方案5 2.1 弯管机工作原理概述5 2.2 总体结构设计6 2.2.1 设计的总体思路6 2.2.2 盘上夹紧装置设计6 2.2.3 总体方案设计.7 第三章弯管机关键组成部分的设计8 3.1 前言. 8 3.2 驱动装置部分.8 3.2.1、驱动弯管方案的确定8 3.2.2、管材弯曲力矩的相关计算8 3.2.3、电动机的选择9 3.2.4、电动机选择的相关计算10 3.2.5、蜗杆减速器的特点11 3.2.6、蜗杆减速器的选择11 3.2.7、一级减速器的选择12 3.2.8、一级减速箱的特点12 3.2.9、转动平台内用轴承的选择与计算13 3.2.10、滚子链传动的设计与计算14 3.2.11、轴的结构设计与计算校核17 3.3 随动模夹紧装置部分.18 金陵科技学院学士学位论文目录 3.3.1、液压的优点19 3.3.2、随动模部分19 3.4 进给部分的总体设计与计算.19 3.4.1 进给设计方案.19 3.4.2、电机的选择20 3.4.3、滚珠丝杠的选择20 第四章液压系统的设计以及相关计算21 4.1液压系统的设计计算21 4.1.1、明确设计要求，分析工况21 4.1.2、确定液压系统的主要参数23 4.1.3、液压执行元件的工况图24 第五章总结与展望28 参考文献 29 致 谢.30 金陵科技学院学士学位论文摘要 1 摘 要 一般来说弯管机的基本原理是利用矢量基准，靠着电脑程序来掌控，来达到能够满足 各个自由度方向的弯管的要求，是现今工业发展中必不可少的设备。本次设计的弯管机不 仅具有以上的优点，还要实现高效化，自动化，大幅度降低劳动成本。而对于装置的进给 装置，选用伺服电机进行驱动，可以实现对进给装置的伺服控制，有利于提高效率以及操 作精度。本次设计除了能够满足弯管的要求，也使操作规程变得简单，对其弯管机的结构 有了一定的改良，不仅能够达到效率高质量好的效果，而且还能够大大的增加生产效率以 及生产成本，提高了能源利用率。对于现代弯管机行业的发展有了一定的推进作用。 关键词关键词：弯管机；伺服驱动；自动化 金陵科技学院学士学位论文Abstract 2 ABSTRACT Bending machine is a normal mordern curved plastic processing equipment,which is based on the vector theory,used computer control,to complete any space for three-dimensional tube to meet users requirmentsThis design elbow not only has the above advantages, but also realize the efficiency, automation, greatly reduce labor costs.we used proe graphics software for the preliminary design, its size and the relevant requirements of the projections, making three-dimensional assembly drawings and two-dimensional parts chart. For the feed device of the device, the servo motor can be used to drive the feed device, and it can improve the efficiency and operation accuracy.This design improves the bending operation, simplifying the bending process, improve the pipe bending machine.For improving the yield and quality of product, improving labor production capacity, reduceding less equipment investment, dynamic consumption and low production cost,Which is of great significance to achieve high quality and high yield, low consumption. Keywords：bending machine;Servo drive;automation 金陵科技学院学士学位论文第一章绪论 3 第一章绪论 1.1引言 随着当今工业社会的发展，弯管结构的产品越来越普遍而且实用，一些家用电器、可 以锻炼身体的设备还有一些较为常见的生活器件都包含了具有弯管的构造； 而且有的弯管 材料还会应用到石油的输送、天然气的输送以及一些液体油的输送，而且在一些汽车领域 航天领域以及生活应用到的器材方面起到了必不可少的作用。 世界各国在发展工业的时候 都在不断的研究比较实用先进的弯管生产的设备。7现在全国应用的弯管设备一般是在 工业计算机或者具有控制能力的计算机上增加增加一些可以移动的设备以及结构来完成 的，利用计算机系统用控制，再加上一些价格不菲的具有控制能力的软件来组成的。此种 方法设计的弯管机价格比较昂贵、能源利用率不高。然而此次设计的产品就弥补了这个缺 陷，设计出一个成本低使用灵活方便而且占用的空间比较小的弯管机，而且还包括使用性 能方面提高改进，运用能够自由控制的伺服电机来大大的增加弯曲材料的精度。很大程度 上降低了电机控制系统的结构复杂程度，使用相当方便。 一般来说弯管机有比较多的构造形式，按不同的基准有很多的分类方法，通过传动 方法分类的话包括气动控制、手动控制、液体压力控制以及机械控制四种方式，然而其 按照控制又可以把其分为手动控制、自动控制、半自动式的控制以及数子控制系统控制。 通纯机械方式设计的设备构造方面比较简易，造价低而且适用范围广。9靠液体提供动 力的弯管机传动动力比较平稳、稳定、声音小，外形比较小巧，可以完成不同要求的材 料。然而对于一些不能完全控制的设备来说，通常可以完成自动的对管材弯曲的角度掌 控，其大部分适用在一些要求不多的生产需求中。 在当今快科学技术以及社会不断发展的年代，出现了许多各种各样的弯管机，但是 在现在的工作条件却对弯管机的种类有着很高的要求，不管是工作的条件还是弯管的角 度，都在决定着弯管机的发展。 现在全国应用的弯管设备一般是在工业计算机或者具有控制能力的计算机上增加增加一些可以 移动的设备以及结构来完成的，利用计算机系统用控制，再加上一些价格不菲的具有控制能力的软件 来组成的。此种方法设计的弯管机价格比较昂贵、能源利用率不高。然而此次设计的产品就弥补了这 个缺陷，设计出一个成本低使用灵活方便而且占用的空间比较小的弯管机，而且还包括使用性能方面 提高改进，运用能够自由控制的伺服电机来大大的增加弯曲材料的精度。 金陵科技学院学士学位论文第一章绪论 4 弯管机，而且其对管材弯曲的能力在一定程度上有了很大范围的改善。小型的计算机以 及单片机和能够控制的编程以及一些数字控制技术在弯管机的设计中起到了很大的作用。 1.2 课程的目的及意义 选择这个课题的初衷就是能设计一种效率更高成本比较低的可以实现数字化控制的 弯管机。可以独自完成材料的补给以及能够比较好的对弯曲的一些参数有更好的控制，能 够增加制造的质量以及很大的程度上增大单位时间加工的产品。 改变在工作时候的操作以及使工作过程简单化，对设备的结构稍作改良，对增大生产 效率、提高能源利用率以及减少生产成本具有重要的意义。3 1.3 课题内容 （1）通过查找以及阅读一些对设计比较有用的资料,从而能够比较系统完整的对设备的 运行特点以及工作时候的状况有很好的了解； （2）提出几种制造数控弯管机的不同方案，从技术、设计、成本等各个方面比较论证， 选择最理想的方案并进行详细的设计； （3）对不同型号的伺服电机进行深入了解，明确不同型号电动机的适用场合，选择合适 的型号进行驱动； （4）选择合适的减速器、伺服电动机及一些标准件。 金陵科技学院学士学位论文第二章弯管机系统设计总体方案 5 第二章弯管机系统设计总体方案 2.1 弯管机工作原理概述 一般来说所有的机器所需要的设备， 都是需要导管来输送液体的油液或者气体等等， 然而其在航天领域也是相当普遍应用的。各种各样的导管参数不同意，形状不一样，数量 要求的比较多就大大增大了制造的难度。 一般常用的弯曲管材是靠一些列相配合的设备来 完成的。弯管的步骤大致是： 1.对管材固定并且空出前面首要的直线距离。 2.弯曲。 3.松开模具，取出管子，使模具复位。 4.通过固定加紧以及不同的模具来制造不同的外形的材料。 5.弯曲。 6.然后不断的对3步骤重复到结束。 图 2.1 此装置是以 O 为中心而不断做旋转运动的， 它的重要的起到控制作用的不管是材料还 是电动机的功率，都在影响着弯曲力的大小。当然，也可以通过一些参数来确定，但是。 在整个工作过程中，是以动模来进行弯曲的，因此，需要确定动模的一些相关参数，比如 说动模的直径，角度，转速。 金陵科技学院学士学位论文第二章弯管机系统设计总体方案 6 参数主要是靠它的转动时候所需要的力矩 M 和它的角速度以及它的可以转动的角 位移体现的；靠液体的压力来推动设备的运动，让材料和此实验工作台一起同步运动， 以便能够得到一定形状的材料； 而整个工作过程的控制都是由可以实现控制功能的电机来 完成的。 2.2 总体结构设计 2.2.1 设计的总体思路 管子是在进给装置推送管子的前提下， 由随动模保证其进给方向才能完成下一步操作 的，这里就需要对随动模的自由度做出一定的要求。要让随动模与被加工件保持接触，因 为这里可能会产生随动模与被加工件的相对滑动，所以就可能产生摩擦力，在这里在选用 液压缸提供夹紧力的同时，可以设计一个导轨带有光滑平面来减少不必要的力，轨道设计 如下图所示。 图 2.2.1 2.2.2 盘上夹紧装置设计 盘上加紧装置局部视图如下，在这里可以看到液压缸要提供径向压紧力。在这里要还 要保证加紧装置与被加工件的较为完整的接触， 所以可以做一个可以替换的带有管子半径 凹槽的装置。 金陵科技学院学士学位论文第二章弯管机系统设计总体方案 7 图 2.2.2 2.2.3 总体方案设计 弯管部分的动力由驱动装置提供，这里选用的是交流伺服电机提供动力，经涡轮蜗杆 减速器减速后，最后经过链传动传递到轴上。进给装置类似。 总体装图 2.2.3 配 图 金陵科技学院学士学位论文第三章弯管机关键组成部分的设计 8 第三章弯管机关键组成部分的设计 3.1 前言 本次毕业设计的任务是设计制造一个更加高效， 自动化的弯管机， 由于在本次设计中， 使用 cad 绘图软件要对弯管机的模型进行模拟，所以要求要有较高的软件操作技能。而且 还要选用相关的联轴器以及减速器，所以要查阅相对应的标准。 3.2 驱动装置部分 3.2.1、驱动弯管方案的确定 驱动装置一共包括三个部分，分别是直流伺服电机，蜗杆减速器以及一级减速器。电 机提供驱动力，经过蜗杆减速器减速后，经过链传动到一级减速器再一次减速后，一级减 速器输出轴通过键连接带动与转动平台的连接部分，然后驱动转动平台旋转规定的角度， 通常来说弯管使用的模具是连接在设计的转动平台上的， 并且伴随着转动平台一起做旋转 运动的，管子是在夹紧过程之后然后再进行弯管过程的。3 3.2.2、管材弯曲力矩的相关计算 通常来说弯曲材料的所需要的力的大小的得出是设计弯管机构造结构必不可少的前 提。在得出材料所需要的弯曲时候提供的力矩之后，才可以得出其所需要提供的力等一些 必不可少的参数。根据公式 s x W R k kM 4 0 1 其中 tD tD k 3 2 275. 1 1 , D Rx ， D dD W 32 44 11 可以求得弯曲力矩。现在已知的数据就是设计的弯管机所加工的材料的直径为40， 通常管坯是 20 号钢组成，它的尺寸为440mm，能够凭借此来得出管子的弯曲力矩，这 部分尤为的重要，应为将直接影响弯管的效率以及管子的弯曲程度。 由上的公式我们可以得出 金陵科技学院学士学位论文第三章弯管机关键组成部分的设计 9 来得出管子所需要的弯曲力矩。D=40mm， t=4mm,d=32mm, mm120 , mmk 6 . 11 0 , Mpa s 240 0 k材料相对强系数； s 材料屈服限（MPa） D管材外径（mm） t管材壁厚（mm） d管材内径（mm） 弯曲半径（mm）) 代入以上公式可得到下式：3 40 120 D Rx ，46. 1 1240 840 275. 1 1 k， 746 . 0 4032 3240 44 W， 由此可得MNw R k kM x x 8 .414240746. 0 34 6 .11 46. 1 4 0 1 所以弯曲力矩是 414.8MN 。所以伺服电机的选取可以由以下这样做：初步设计弯管速 度为 10minr，所以有kWMP8 . 0 60 210 8 .414 所以电机的效率为 54 4 321 工 P P ， 上式的数据 54321 分别所代表的意思依次为链传动、涡轮传动、联轴器、齿轮、轴承 的传动效率。在这里取以上的各个部件的效率为 98 . 0 ,97. 0,99 . 0 , 9 . 0,96. 0 54321 所以电动机的功率为 KWP91. 0 98. 097. 099. 09 . 096. 0 8 . 0 4 3.2.3、电动机的选择 金陵科技学院学士学位论文第三章弯管机关键组成部分的设计 10 1.一般的交流伺服电机主要有一下几部分组成， 主要有不可以动的定子以及可以转动 的铁芯和电机本身所带的轴以及各种转换器和绕组组成。 而且它通过转换绕组的相的方法 比较简单，能够通过方形的波纹的方式或者是正弦波纹的形式来转换相位的。而且此种电 机不需要维修再加上不会有电磁衰减的情形，所以它的工作效率一般来说比较高，工作的 环境要求的温度不高，声音也比较小，使用时间长而且使用比较广泛，因此需要采用交流 电的伺服电机。 交流伺服电动机的优点： 没有转换方向的构件以及电刷，所以运行平稳，从而在后期工作条件限制比较低。 定子绕组散热比较方便。 其运行的时候转动惯量比较小，很方便快捷。 适应于高速大力矩工作状态 2.一般来说一个电动机所能容纳的电量是靠其在工作过程中产生热量的因素体现的， 但是其产生热又是和它的运行状况密切相关的。通过查阅一些资料能够知道，此次选用的 交流电动机的型号是 Y90S-4。6 3.2.4、电动机选择的相关计算 由上面可得到电动机的功率 kwpm1 . 1 轴 I 的输入功率 kwpp cm 089 . 1 99 . 0 1 . 1 1 轴 II 的输入功率 kwpp g 475. 097. 045. 0089. 1 11 轴 III 的输入功率 kwpp g 44232. 097. 096. 0475. 0 223 轴 IV 的输入功率 kwpp gc 416. 097. 097. 0442. 0 34 各个轴的输入转矩 金陵科技学院学士学位论文摘要 11 MN n p T428. 71400089. 195509550 1 1 1 MN n p T6 .12935475. 095509550 2 2 2 MN n p T6 .3578125.11442. 095509550 3 3 3 MN n p T227075. 1416. 095509550 4 4 4 通过计算工作的时候，提供动力轴向外传递的转矩是 2270NM ，比弯曲材料时所需 要的扭矩 348.84NM ，可以达到所要求的效果。所以要选用 Y 系列（IP44）三项异步伺 服电动机，其电动机型号为 Y90s-4 3.2.5、蜗杆减速器的特点 1.单级速比大圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动的单级速比一般最大为 1/10 左右， 而速比 1/70-1/100 的祸轮蜗杆传动是容易制选的。由此可见此种减速器能够通过很小的 空间来达到比较大的速度传动比。 2.运转口产生的噪音低、振动相对较小 ， 一般来说圆柱形齿轮以及圆锥形齿轮在 心合时，主要是依靠滚动来互相接触的，然而蜗轮却是靠滑动来互相接触的，因此产生噪 音和振动的因素少。为此，驱动电动扶梯、电梯、移动人行道以及近年来防止公害的机器， 都喜欢使用蜗轮蜗杆减速器。 3.轴可以垂直布置而互不相交 蜗杆轴和蜗轮轴的布置，有时可做到既能节约原动机 和从动机的安装面积而又方便和合理。 4.能够更好的避免回转当其导程的角度比它的摩擦角度要小的时候，一般是不会 用此种减速器的，换句话说能够制造出能够自己锁定运动的设备也是可行的。9 金陵科技学院学士学位论文第三章弯管机关键组成部分的设计 12 3.2.6、蜗杆减速器的选择 蜗杆减速器从市场上购买 VQZF30A-40-P056B5-B6-DZ，安装类型为支脚型，减速比为 40，输入轴配置：正交，轴径为 15mm。校核：当选择的轴的直径是 15mm 的时候，此时可 以计算出最大的切应力Mpa D T w T t 195 )015. 0( 6 . 12916 16 33 max 一般选用轴的材质为 45 号钢，而 max 由于轴 3 上的轴承要承受轴向和径向载 荷，且要与输出轴 2 配合，故选用 UKB 球轴承，深沟型日本由于选用的蜗杆减速器中 装有轴承，故不用选取。 3.2.7、一级减速器的选择 选用厂家为江苏省的一种型号为 ZD10 的圆柱形带有齿轮副的减速器，它的具体参数 为 H=240mm L=325mm B=140mm高速轴直径 D=25mm低速轴直径 1 D=40mm校核：高速 轴 Mpa D T 3 .15 025. 0 6 .3571616 33 max 低速轴 Mpa D T 180 04. 0 22701616 33 max 所以满足条件 减速机适用范围如下: 1、高速轴转速不大于 1500 转/秒； 2、当运动轨迹为圆形的时候，此时齿轮传递的速度一般不会超过 20 米/秒； 3、其一般适用的条件为零下 40 到正 45 度，当工作的环境比 0 度低的时候，在发动的时 候要先通过一定的方法使温度达到零度以上， 而且此种减速机能够实现正向和反向两个方 向。 金陵科技学院学士学位论文第三章弯管机关键组成部分的设计 12 3.2.8、一级减速箱的特点 1、选用的齿轮是通过渗碳作用然后在经过淬火加热的具有很好的刚度以及强度的钢材制 成的，它的能够达到 HRC58-62，而且它的性能好实用性强； 2、传动效率高，双级大于 93%； 3、运转平稳，噪声低； 4、易于拆检，易于安装。14 3.2.9、转动平台内用轴承的选择与计算 依据它的工作时候的情况现适合采用两个角接触球轴承，其中它的径向载荷 r F= 5500N， a F =2700N，选择的轴承转动时候速度比较慢，装配轴承的地方它的直径能够在规 定的范围 70-90mm 中选用，而且在运动的时候有比较小的冲击作用，初步预计它的寿命 h L =4000h。 1.求比值 r a F F = 5500 2700 =0.49 通过查表格可以知道，一般来说角接触球轴承的最大 e 值为 0.46，那么现在 r a F F e。 2.初步计算当量动载荷 P，根据公式得 P= d f (X r F+Y a F ) 按照表， d f =1.0-1.2，取 d f =1.2 金陵科技学院学士学位论文摘要 14 按照表，X=0.56，Y 值需在已知型号和基本额定静载荷 0 C 后才能求出。先暂选一近似 中间值，取 Y=1.5，则 P=1.2*（0.56*5500+1.5*2700）N=8556N 3.由以上公式能够得出，球接触型轴承应该有的基本额定动载荷值 C=P 6 h 10 60nL =8556*3 6 10 5000*1250*60 N=61699N 4.按照轴承样本或者设计手册选择 C=70kN 的 7316C 轴承 （1） 求相对轴向载荷对应的 e 值与 Y 值。相对轴向载荷为 0 0 C F = 38000 2700 =0.07105，在表中介 于 0.07-0.13 之间。对应的 e 值为 0.27-0.31，Y 值为 1.6-1.4。 （2）用线性插值法求 Y 值。 Y=1.4+ 07. 013. 0 )07105. 013. 0(*)4 . 16 . 1 ( =1.597 故 （4）验算 7316C 轴承的寿命，根据式 h L= 6 n60 10 P C = 3 6 28.8870 61800 1250*60 10 h=4509.12h50000 液压缸工作压力 MPa 7 活塞杆直径 d（0.3-0.5）D(0.5-0.55)D(0.6-0.7)D0.7D 通过查询一些经查阅资料能够知道，液压系统所能承载的最大负载约为 3000N 时，宜 取 1 p=1MPa.考虑到靠液压缸提供动力来驱动的元件要保证速度相同， 此时液压缸采用具有 一个活塞杆的单杆式的活塞杆，其中直径 d 与缸筒直径 D 要满足 d=0.707D 的关系。 3）缸筒的长度是通过其在工作的时候能够达到的最大的距离来确定的。 4）液压缸的稳定性计算 此时要求只需要确定一下整个液压缸的稳定性。 当活塞杆的轴的方向受到很大的力的 时候，此时能够允许的力 F 不可以比它平稳的状态下提供的临界的力 max F，避免产生竖直 方向上发生弯曲的情况，如果不遵守就会对液压 金陵科技学院学士学位论文第四章 液压系统的设计以及相关计算 26 缸的正常使用产生误差。 其中活塞杆工作时的稳定性检验是通过下面的公式来检验的。 安全 n F F max 式中 安全 n为安全系数，一般取 安全 n=2-4（在这里暂取为 3） 当活塞杆的细长比为 2 1 x r l 时， 2 2 2 max l EJ F ， 当活塞杆的细长比 2 1 x r l 时， x r la fA F 2 max 1 式中l为安装长度，其值与安装方式有关，在液压传动课本可知，当支撑方式为一端 自由，一端固定时， 2 = 4 1 。 x r是活塞表面容许的可以实现回转的最小半径此时选取为 20 mm， 1 是柔性系数，又表 3 查出。E 是活塞杆容许的弹性模量，数值是 211 /1006. 2mN， J 代表活塞杆横截面的惯性力矩， A 代表活塞杆的横截面积， f 是通过材料自身的一些性能 来确定的，为系数，由表 3 可得。 材料 f 28 /10mN 1 铸铁5.61/160080 锻铁2.51/9000110 钢4.91/500085 金陵科技学院学士学位论文第五章总结与展望 27 第五章总结与展望 本次毕业设计的目的是要设计出一个新兴高效的多功能弯管机的结构。 全文大体上是 围绕弯管机的结构功能以及所能实现的作用来完成的设计， 以前和现在弯管机行业的发展 状况入手，于此同时融入了一些多功能可以实现智能化控制的现代高科技技术，而且很清 楚的讲明了此次设计要求的目的和研究的意义。 文章主要讲述了数控弯管机在工作的过程 中的一些状况以及工作原理， 文章比较系统的介绍了弯管机组成部分的结构和能够实现的 功能以及工作的过程中的运动原理。 校核过程中应注意的问题是：一、对于齿轮的校核主要是对其刚度的校核，因为所选 用的材料一般情况下强度都是满足的；二、对轴校核时必须对轴的形状进行简化，使其成 为一根光轴，这样可以方便计算；三、轴承的校核必须是计算寿命大于其所需寿命。这就 为弯管机的基本计算过程。 本次设计研发的弯管机是通过比较先进的伺服电机来进行控制， 而且其在当今工业生 产中应用也是相对比较普遍的，它整体来说功耗比较低、实用性比较强、性
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