机械毕业设计（论文）-棒料切割机设计【全套图纸】 .pdf

黑龙江工程学院本科生毕业设计 i 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。铸棒切割机在连续的铸造中工作，实现对铸棒 的准确定长切割。随着国内外机械行业的发展，对棒料切割机的要求越来越高，人们 就将电器控制与棒料切割机有效的结合起来，研制了新型的棒料切割机。 本论文设计了一种新型的自动控制切割机，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。本设计拟定了棒料切割机的总体结构方案，进行了相关参数的计 算；完成了切割部分、夹紧部分、纵横行走部分等结构的设计。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。 关键词：plc；电磁阀；连续铸造；棒料切割；气动 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 黑龙江工程学院本科生毕业设计 ii abstract continuous casting is an advanced method of casting, the principle is to melt the metal, constantly pouring into a mold known as a special type of metal, the solidification (crust) of the casting, continuous from the other side of mold out, it will be any particular length or the length of the casting. casting rod cutting machine that works in the continuous casting can achieve the exact fixed- length cutting. with the development of the domestic machinery industry, the demand of the bar cutting machine is higher and higher, people will combine electrical control with bar cutting machine effectively. so a new type bar cutting machine is developed. a new automotive control cutting machine is designed in this paper, the principle is that the plc controls solenoid valve, the solenoid valve controls cylinder and the cylinder drives its connecting parts to achieve accurate casting rods fixed- length cutting, it can return to initial position automatically after cutting. this design includes the overall structure design of bar cutting machine, the calculation of the relevant parameters, and the design of cutting, clamping, vertical and horizontal walking part. this cutting machine has a convenient control, stable performance, simple structure, regulation, maintenance convenience, high productivity, a wide range of applications. keywords: plc; electromagnetic valve; continuous casting; bar cutting; pneumatic 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第1章 绪 论 1.1 棒料切割机的设计目的和意义 随着国内外机械行业的发展，对棒料切割的要求越来越高 ，人们就将电器控 制与棒料切割机有效的结合起来，研制了新型的棒料切割机。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 快速更新换代起着十分重要的作用。 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。 目前，我国机械工业钢材使用量已达到3亿吨以上，钢材的切割量非常大； 随着现代机械工业的发展，对板材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时 提高。因而棒料切割机的市场潜力还是很大、市场前景尤为乐观,棒料切割机的 不断改进对社会的发展尤为重要。 棒料切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。它解决了现有的棒料切割机的切割装置需要人类 操作而且对物料定长切割时需要进行测量特效切割速度慢的技术问题，具有广泛的应 用前景。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。 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； 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 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。 棒料切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。 1.2 棒料切割机的现状发展概况 经过几十年的发展，各类型切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了 长足的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种方式(砂轮、 火焰、等离子、激光、高压水射流)切割方式；切割机的控制系统已由当初的简 单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、 图形化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天 的全数字式伺服驱动；棒料切割机也已步入技术简单稳定高效率的智能化的时 代。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。 目前，我国机械工业钢材使用量已达到3亿吨以上，钢材的切割量非常大； 随着现代机械工业的发展，对板材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时 提高。因而棒料切割机的市场潜力还是很大、市场前景尤为乐观,棒料切割机的 不断改进对社会的发展非常重要。 棒料切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其预定功能。 它解决了现有的棒料切割机的切割装置需要人力操作而且对物料定长切割时需要进行 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 测量导致切割作业速度慢的技术问题。随着国内外机械行业的发展，对棒料切割机的 要求越来越高，人们就将电器控制与棒料切割机有效的结合起来，研制了新型的棒料 切割机。切割机应用各种加工业，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 1.3 课题的设计内容 棒料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。 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。本设计拟定了棒料切割 机的总体结构方案，进行了相关参数的计算；完成了切割部分、夹紧部分、纵横行走 部分等结构的设计。 我设计的棒料切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其 预定功能。它解决了现有的棒料切割机的切割装置需要人力操作而且对物料定长切割 时需要进行测量导致切割作业速度慢的技术问题。本棒料切割机包括电机、通过传动 机构与电机相连接的砂轮片， 传动机构与推动机构相联接， 推动机构由控制电路控制， 夹紧机械手与砂轮片的距离固定，切割机切割下棒料的长度也就确定了。本棒料切割 机的切割装置对棒料能够实现连续、定长切割，具有不需要人力操作，节省劳动力的 特点。 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 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。 本棒料切割机包括电机、通过传动机构与电机相连接的砂轮片，传动机构与推动 机构相联接，推动机构由控制电路控制，夹紧机械手与砂轮片的距离固定，切割机切 割下棒料的长度也就确定了。 棒料切割机是针对铸铁在连续铸造过程中的切割而采用的一种专门的切割机。连 续铸造过程主要由保温炉、牵棒机、切割机和压断机组成，在工作过程中拉棒机能从 保温炉中同时拉出两条铸铁棒。题目要求切割机在连续铸造过程中工作，并根据定长 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。再由压断机进行压断。整个切割过程都由自动控制实现 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 切割部分设计 2.1 切割部分设计要求 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。再由压断机进行压断。 2.2 切割部分方案设计 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。 横向行走板 纵向行走板 砂轮片 升降气缸 纵向行走气缸 横向行走气缸 带轮带 电机 图 2.1 切割部分原理图 切割部分的原理如图 2.1 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。 2.3 切割部分结构设计 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 2.3.1 砂轮片的选取 经过调研，切断能力为 50 的砂轮片，其规格为322 . 3400mm，所需电机的最小 功率为2 . 2 min =pkw，转速为 1 n =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 。 2.3.2 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 2.3 2 mn 3 。 2.3.3 带传动设计 1 确定计算功率 由参考文献14第 153 页表 8.9 查得工作情况系数 a k =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 6 . 332 . 1=pkp aca 2 初选带的型号 根据 ca p 和 1 n ，由参考文献14书中第 154 页图 8.12 初选 a 型普通 v 带。 3 确定带轮的基准直径 1d d和 2d d 1）由参考文献14第 145 页表 8.4 查得 a 型 mind d=75mm,考虑到带轮太小，其弯 曲应力过大，所以要使 1d d mind d，取 1d d=150 2）验算带的速度 6 . 22 10060 2840150 10060 11 = = = ppnd v d m/s 因为 5m/s =120180 （合适） 6 确定带的根数 0 p p z ca （2.4） 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 其中： kpkkpp la )( 000 d+= ) 1 1 ( 10 i b k nkp-=d 由参考文献14第 145 页表 7.5 查得弯曲影响系数 3 1003 . 1 - = b k 1 150 150 1 2 = d d d d i 由参考文献14第 153 页表 7.5 查得传动比系数05 . 1 = i k 0) 0 . 1 1 1 (28801003 . 1 3 0 =-=d - pkw 由参考文献14第 152 页表 8.8 查得包角系数1= a k 由参考文献14第 143 页表 8.3 查得长度系数03 . 1 = l k 采用非化纤结构的普通带，取材质系数75. 0=k 由参考文献14第 154 页图 8.12 查得2 . 2 0 =p kw。 7 . 175 . 0 )03 . 1 12 . 2(0=p kw 12 . 2 7 . 1 6 . 3 0 =p p z ca 取3=z根。 7 确定单根带的初拉力 2 0 ) 1 5 . 2 (500qv kvz p f a ca +-= （2.5） 由参考文献14第 142 页表 8.2 查得1 . 0=q nf91 6 . 221 . 0) 1 0 . 1 5 . 2 ( 3 6 . 22 6 . 3 500 2 0 =+- = 8 计算带对轴的压力 nzfq546 2 180 sin3912 2 sin2 1 0 = = a 9 带轮的设计 1) 带轮的设计要求 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 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mmdd150=，轴的直径mmd30=，根据带轮的选择原则： 即当 mmdd d 3000)35 . 2( 时采用腹板式结构，铸造带轮的结构如图 2.2 所示。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 图 2.2 带轮的结构 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 2.3.4 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。 砂轮片 手柄 f n 图 2.3 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 2.3 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 2.4 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 由参考文献7书中第 46 页表 2.7 查得工作压力为 0.3 mp， 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 砂轮片 气缸 n f 图 2.4 铸棒切割机受力示意图 气缸 砂轮片 工件 图 2.5 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 2.5 所示） ，其中实线为机构初位，在初位时，砂轮片的直径 在最大状态，当砂轮切割到终位（图 2.5 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mml540 1 =，在终位时测得气缸的总长为 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 mml440 2 =，所以在此过程中气缸的行程 mmlll100 21 =-= 即 升降气缸的行程为mml100= 7 确定气缸型号 综上所述，根据参考文献7中第 50- 54 页查得，选用 snc-80-100-ppv 型的标准 气缸合适。 2.3.5 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 a f 的方向向右，如图 2.6 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=25a的角接触球轴承。其代号为 7207acj ，基本额定动载荷kncr 5 . 22=，基本额定静载荷 kncor 5 . 16= 3 。 2 轴承的校核计算 （1）计算轴承所受的径向力 1 r 、 2 r ，其受力如图 2.6 所示 由力矩平衡条件0 2 =s m得 180 20200 21 1 - = ff r 180 20550200800- = n836= 由0 1 =s m得 180 20200 12 2 - = ff r 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 180 20800200550- = n522= f f2 m f 1 r 2 a 1 2 1f ss r 图 2.6 轴承计算简图 （2）计算派生轴向力 1 s 、 2 s 所选的轴承型号为 7207acj，其派生轴向力rs63. 0= 则 nrs52786363 . 0 63 . 0 11 = nrs32952263 . 0 63 . 0 22 = （3）求轴承所受的轴向力 1 a 、 2 a 21 627100527snfs a =+=+ 故轴承 2 被压紧，轴承 1 被放松，所以有 nsfa a 627100527 12 =+=+= nsa527 11 = （4）计算当量动载荷 1 p 、 2 p 63 . 0 863 527 1 1 = r a 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 2 . 1 522 627 2 2 = r a 由参考文献7查得 7207acj 型轴承的轴向载荷影响的判断系数68. 0=e 因为 era= 20 . 1 / 22 ，所以 87 . 0 ,41 . 0 22 =yx 由参考文献14第 233 页 表 12.7 查得，当轴承受中等冲击或中等惯性力时，取 载荷系数5 . 1= d f， 由于轴承 1、 2 均不受力矩载荷的作用， 所以取0 . 1 1 = m f，0 . 1 2 = m f。 则 )( 111111 ayrxffp md += （2.6） )52708360 . 1 (0 . 15 . 1+= n1254= )( 222222 ayrxffp md += （2.7） )62787 . 0 52241 . 0 (0 . 15 . 1+= n1140= （5）计算所需轴承的动载荷 由由参考文献14第 231 页 表 12.5 查得，当轴承的工作温度小于c120时，其 温度系数0 . 1= t f 比较两当量动载荷知， 1 p 2 p ，所以应该按 1 p 计算 （球轴承应取3=e）则 所需轴承的额定动载荷为 e 6 10 10 60 h t ln f p c = （2.8） 3 6 10 12365284060 0 . 1 1254 = 3 4830284060 100 1254 = n11286= （6）确定轴承型号 由参考文献7查得轴径mmd35=时，应选轴承的代号为 7207acj，其额定动载 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 荷为kncr 5 . 22= c =kn286.11 故选用代号为 7207acj 的轴承合适。 2.4 本章小结 本章我们主要设计的是切割部分，其中主要包括砂轮片的选择、电机的选择、砂 轮片传动方式的选择和优化、电机和砂轮的安装、气缸力的计算及其参数选择计算， 通过计算我们选定了电动机通过带传动带动砂轮片进行切割的计算。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 第 3 章 夹紧部分设计和纵横行走部分设计 3.1 夹紧部分设计要求 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。 3.2 夹紧部分方案设计 夹紧部分是由气缸推动机械手实现夹紧和放松的。这部分的两种可行性方案是： 一是用一个机械手分别负责夹紧两根铸棒，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 横向行走气缸 纵向行走板 横向行走板 纵向行走气缸 图 3.1 夹紧部分原理图 夹紧部分原理如图 3.1 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 复到初始位置。整个工作过程都由 plc 控制实现。 3.3 纵横行走部分设计要求 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。 3.4 纵横行走部分方案设计 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。 3.5 纵横行走部分直线导轨的选择计算 3.5.1 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kg200 所以 ngmw200010200= 2 行程 根据设计结构的要求，选定行程mls5 . 2= 3 往复次数 2 1 =n（次/分） 4 寿命要求 假设机器寿命为 5 年，则导轨寿命为 35000243655=l小时（h） 假设安装 4 个滑块，要计算一个滑块的负载，可用下式 n w p5000 4 2000 4 0 = 同时由于两个滑块装在一个导轨上，因此接触系数81 . 0 = c f 10 。 3.5.2 选择方式 1 根据静态安全系数选型号 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 s w c f fp fc 0 0 （4.1） 其中 s f 静态安全系数 w f 载荷系数 （在无外部冲击或振动、低速时取 1.5） 0 c 基本额定静载荷 0 p 冲击载荷 现设静态安全系数5= s f 则有 c s f pf c 0 0 （4.2） 81 . 0 5005 = )(3086 kgf= 在 正 常运行时一般选 取安全系数为 5，根据上述情况，选取 sbg35fl （kgfc2855 0 =）的导轨比较理想 10 。 2 根据寿命要求选型号 根据标准寿命计算公式 )(94501750054 . 0 kml= 若使用 17500 小时，则总的移动距离为： 50)( 3 0 = p c f fff l w cht （4.3） 其中 t f 温度系数 （由手册查得当导轨的工作温度小于 100c时，其 温度系数取 1.0） h f硬度系数 （为了使直线运动系统达到最佳承载能力，需要保 持导轨的硬度在 hrc58- 62，由手册查得 h f为 1.0） c基本动载荷 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 所以 50)( 3 0 = p c f fff l w cht 50) 2505 . 1 81 . 0 11 (9450 3 = c 解得 kgfc3000= 因此，选取 sgb45fl（kgfc3800=） 3 复查 理论上选取 sgb35fl 或上一级似乎比较恰当，但考虑到标准寿命，选择 sgb45fl 更理想。 3.6 本章小结 夹紧装置部分通过大量资料的记叙，综合实际情况，通过机械手的夹紧方案选定 了一个机械手同时负责夹紧两根棒料的设计方案，这种方案工作量小安装方便，控制 简单。 纵横行走装置是为了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的目 的，我们选用了直线导轨和便于控制的气压传动方式。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 第 4 章 电气控制线路的设计 4.1 电气控制线路设计的一般要求 电气控制线路的设计是在传动形式及控制方案选择的基础上进行的， 是传动形式 与控制方案的具体化。 电气控制线路根据用途的不同可能会有其特殊的要求， 设计所需要遵循的一般要 求是： 1）应满足机电设备对电气控制线路的要求，按照工艺要求准确、可靠地工 作。 2）在满足生产要求的前提下，应力求使控制线路简单、经济，尽量选用经过实际 考验过的线路。 3）保证控制的安全、可靠，具有必要的保护装置和连锁环节，误操作时不至于发 生重大事故。 4）尽量便于操作和维修 12 。 4.2 电气控制线路的设计方法 电气控制线路的控制方法有两种：一种是经验设计法，另一种是逻辑设计法。 1 经验设计法 经验设计法先从满足生产工艺的要求出发，按照电动机的控制方法，利用各种基 本的控制环节和控制方法，借鉴典型的控制线路，把它们综合地组合成一个整体满足 生产需要。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉控制线路，掌握多种典 型线路的设计资料，同时具有丰富的设计经验。另外，初步设计出来的控制线路可能 有几种，这时要加以比较分析，反复地修改简化，甚至要通过实验加以验证，才能确 定比较合理的设计方案 13 。 2 逻辑设计法 逻辑设计法是根据生产工艺的要求，利用逻辑代数方法这一数学工具来分析、化 简、设计线路的。逻辑设计法设计的线路结构比较合理，所用元件的数量较少，得到 的设计方案是最佳的。 但是当设计的控制系统比较复杂时， 这种方法就显得比较烦琐， 工作量很大，而且容易出错 14 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 4.3 气动原理图设计 根据切割机的机构原理，绘制的机构简图如图 6.1 所示，其中 st0-st9 为控制气 缸的行程开关。 纵向行走板 横向行走板 电机带 带轮 横向行走气缸 纵向行走气缸 升降气缸 砂轮片 (1) 夹紧机械手 夹紧气缸 横向行走气缸 纵向行走板 横向行走板 纵向行走气缸 (2) 图 6.1 切割机机构简图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 4.3.1 气动原理图 dt5 dt4dt3dt2 dt1 返 回 走 刀 st1 st0 st9st8st7st6 st5 st4st3 st2 行走缸 随动前进 返 回 松 开 夹 紧 夹紧缸 落 刀 抬 刀 抬 刀 缸 图 6.2 气动原理图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 24 4.3.2 控制流程图 初位 断电 2位走刀返回1位走刀返回 断电 断电随动返回 断电 上电保持 抬刀 落刀 随动 上电保持 夹紧 相继上电保持上电保持 断电 工作2位工作1位 待命 刀走 图 6.3 控制流程图 4.4 本章小结 通过切割机机构简图、气动原理图、控制流程图更清晰的理解棒料切割机的工作 原理。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 25 结 论 本次设计的题目是 “棒料切割机设计” 。 棒料切割机是针对铸铁在连续铸造过程中 的切割而采用的一种专门的切割机。连续铸造过程主要由保温炉、牵棒机、切割机和 压断机组成，在工作过程中拉棒机能从保温炉中同时拉出两条铸铁棒。题目要求切割 机在连续铸造过程中工作，并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。再由压断机进行压 断。整个切割过程都由自动控制实现。 此次设计主要包括砂轮片的选择、电机的选择、砂轮片传动方式的选择和优化、 电机和砂轮的安装、各个气缸力的计算及其参数选择计算、滑动导轨的设计以及其他 部分和整体结构的设计。最后完成总装图、部件图和零件图。 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。铸棒切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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 26 参考文献 1徐灏.机械设计手册m. 北京：机械工业出版社，2009. 2shigley j e, uicher j j.theory of machines and mechanismsj. newyork:mcgraw-hill book company,2010. 3蔡春源. 简明机械零件手册m. 北京：冶金工业出版社，2008.3. 4王德玺，裴垠欣.机械设计m. 北京：煤炭工业出版社，2007. 5唐克中，朱同钧.画法几何及工程制图m.北京：高等教育出版社，2012.8. 6范永胜，王岷.电气控制与 plc 应用m.北京：中国电力出版社，2011. 7陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计m.上海：上海科学技术文献出版社， 2008. 8nikravesh pe. computer-aided analysis of mechanical systemsj. newyork:prentice-hall inc,2003. 9殷玉枫，苗淑杰.机械设计课程设计m.北京：机械工业出版社，2012.6. 10周军，海心.气动控制及 plcm. 北京：机械工业出版社，2011.8. 11朱善君等.可编程序控制系统m. 北京：清华大学出版社，2012. 12孙桓，陈作模. 机械原理m. 第五版.北京：高等教育出版社，2011. 13马秋生，杨建伟，王宁侠.机械设计基础m.北京：机械工业出版社，2010.12. 14明仁雄，万会雄.液压与气压传动m. 北京：国防工业出版社，2009. 15崔铁庆.节能环保型切割机的研究与设计d.河北：河北农业大学，2011. 16吴元修.可编程控制系统设计与实训m. 北京：北京师范大学出版社， 2011.6.1. 17白柳.液压与气压传动m.北京：机械工业出版社，2009.08. 18崔铁庆,孙维连,王会强,孙铂,邢艳秋.农机金相切割机的设计与研究j.农机 化研究.2011（4） ：58-68. 19emily w.ellis. adjustable cuttion machine.newyork，2009.06. 20kai yang.jiangsu(cn); kenji abe.anjo-shi(jp). cuttion. machine,2009.05. 21任意， 石小英， 曾胜.全自动型材切割机设计与实现j.电机与控制应用， 2008. 22康文明,张洪润,王军莉.浅谈数控切割机在制造工业中的应用j. 中国科技 产业, 2009. 黑龙江工程学院本科生毕业设计 27 致 谢 厉经几个月时间的努力，我顺利完成了毕业设计的全部内容。通过这次设计，我 对并对本专业有了较深刻的认识和理解，同时学到了更多的关于机械方面的经验知识 以及电气控制方面的 相关知识。 此次毕业设计是对我大学四年学习的归纳和总结， 对 我今后的学习和工作有重要的指导意义和实践意义。 当然我之所以顺利完成毕业设计主要因为指导老师的屡不厌烦的教导。我将特别 感谢我的导师付彦虹老师，她治学严谨，知识渊博，经验丰富，不但给我悉心指导， 还带领我参观调研，使我更加体会到了一个令人尊敬的老师对学生无微不至的关怀， 也赋予了我进一步努力、不断进取的热情。 请许我再次向付彦虹老师表示诚挚的谢意，感谢各位老师批评斧正。并祝各位老 师身体健康，工作顺利！ 黑龙江工程学院本科生毕业设计 28 附 录 高速切削加工的发展及需求 高速切削加工是当代先进制造技术的重要组成部分，拥有高效率、高精度及高表 面质量等特征。本文介绍此技术的定义、发展现状、适用领域以及中国的需求情况。 高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量 为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广 泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 高速切削是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和设备的通用化使之具有 很高的生产效率。可以说，高速切削加工是一种不增加设备数量而大幅度提高加工效 率所必不可少的技术。高速切削加工的优点主要在于：提高生产效率、提高加工精度 及降低切削阻力。 有关高速切削加工的含义，目前尚无统一的认识，通常有如下几种观点：切削速 度很高，通常认为其速度超过普通切削的5- 10倍；机床主轴转速很高，一般将主轴转 速在10000- 20000r/min 以上定为高速切削；进给速度很高，通常达15- 50m/min，最高 可达90m/min； 对于不同的切削材料和所釆用的刀具材料， 高速切削的含义也不尽相同； 切削过程中， 刀刃的通过频率(tooth passing frequency)接近于 “机床刀具工件” 系统的主导自然频率(dominant natural frequency)时，可认为是高速切削。可见高 速切削加工是一个综合的概念。 1992年，德国 darmstadt 工业大学的 h. schulz 教授在 cirp 上提出了高速切削加 工的概念及其涵盖的范围，如图1所示。认为对于不同的切削对象，图中所示的过渡区 (transition)即为通常所谓的高速切削範围，这也是当时金属切削工艺相关的技术人 员所期待或者可望实现的切削速度。 高速切削加工对机床、刀具和切削工艺等方面都有一些具体的要求。下面分别从 这几个方面阐述高速切削加工技术的发展现状和趋势。 现阶段，为了实现高速切削加工，一般釆用高柔性的高速数控机床、加工中心， 也有釆用专用的高速铣、钻床。这些设备的共同之处是：必须同时具有高速主轴系统 和高速进给系统，才能实现材料切削过程的高速化。高速切削与传统切削最大的区别 是， “机床刀具工件”系统的动态特性对切削性能有更强的影响力。在该系统中， 黑龙江工程学院本科生毕业设计 29 机床主轴的刚度、刀柄形式、刀长设定、主轴拉刀力、刀具扭力设定等，都是影响高 速切削性能的重要因素。 在高速切削中，材料去除率(metal removal rate，mrr)，即单位时间内材料被切 除的体积，通常受限于“机床-刀具-工件”工艺系统是否出现“颤振” 。因此，为了满 足高速切削加工的需求，首先要提高机床动静刚度尤其是主轴的刚度特性。现阶段高 速切削之所以能够成功，一个很关键的因素在于对系统动态特性问题的掌握和处理能 力。 为了更好地描述机床主轴的刚度特性，工程上提出新的无量纲参数dn 值，用以 评价机床的主轴结构对高速切削加工的适应性。 所谓 dn 值即 “主轴直径与每分钟转速 之积” 。新近开发的加工中心主轴 dn 值大都已超过100万。为了减轻轴承的重量，还釆 用了比钢制品要轻得多的陶瓷球轴承；轴承润滑方式大都釆用油气混合润滑方式。在 高速切削加工领域，目前已开发空气轴承和磁轴承以及由磁轴承和空气轴承合并构成 的磁气/空气混合主轴。 在机床进给机构方面，高速切削加工所用的进给驱动机构通常都为大导程、多头 高速滚珠丝槓， 滚珠釆用小直径氮化硅 （si3n4） 陶瓷球， 以减少其离心力和陀螺力矩； 釆用空心强冷技术来减少高速滚珠丝槓运转时由于摩擦产生温升而造成的丝槓热变 形。 近几年来，用直线电机驱动的高速进给系统问世，这种进给方式取消了从电动机 到工作台溜板之间的一切中间机械传动环节，实现了机床进给系统的零传动。由于直 线电机没有任何旋转元件，不受离心力的作用，可以大大提高进给速度。直线电机的 另一大优点是行程不受限制。直线电机的次极是一段一段连续铺在机床的床身上。次 极铺到哪里， 初极工作台就可运动到哪里， 而且对整个进给系统的刚度没有任何影响。 釆用高速丝槓或直线电机，能够大大提高机床进给系统的快速响应。直线电机最高加 速度可达2-10g(g 为重力加速度)，最大进给速度可达60-200m/min 或更高。 2002年举世瞩目的上海浦东磁悬浮列车工程中的磁浮轨道钢梁加工，釆用沈阳机 床控股有限公司集团中捷友谊公司厂生产的超长进给系统高速大型加工中心实现。该 机床的进给系统为直线导轨和齿轮齿条传动， 工作台最大进给速度60m/min， 快速行程 100m/min，加速度2g，主轴最高转速20000r/min，主电机功率80kw。其 x 轴的行程长 达30m，切削25m 长的磁浮轨道钢梁误差小于0.15mm，为磁悬浮列车工程的顺利竣工提 供了有力的技术保证。 此外，机床的运动性能也将直接影响加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的 黑龙江工程学院本科生毕业设计 30 高速切削加工中， 主要釆用小切深大进给的加工方法。 要求机床在大进给速度条件下， 应具有高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补。圆弧加工是釆用 立铣刀或螺纹刀具加工零部件或模具时，必不可少的加工方法。 刀具材料的发展：高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。