机械毕业设计（论文）-带钢液压捆扎机设计【全套图纸】.doc

摘 要目录摘要1Abstract21综述31.1 引言31.2 捆扎机在国内外的发展41.3 研究捆扎机的意义72带钢捆扎机的总体设计92.1 带钢捆扎机总体方案92.2 带钢捆扎机的结构，参数工作原理及配置92.2.1 带钢捆扎机的结构92.2.2 钢材捆扎机的技术参数102.2.3 带钢捆扎机的工作原理102.2.4 带钢捆扎机的电液配置方案113带钢捆扎机的机械设计探讨133.1 捆扎单元133.1.1 捆扎单元前序部件功能简介与设计思想探讨133.1.2 捆扎单元的作用133.1.3 捆扎单元的组成143.1.4 钢丝在捆扎单元中前进的路线143.1.5 捆扎单元中各组件功能与设计143.2 导套装置263.2.1 导套装置的作用263.2.2 导套装置的构成263.2.3 导套装置各零部件功能分析与设计简介263.2.4 导丝板上滚子选择及间距确定283.3 带钢打捆机送丝导路分析293.3.1 送丝力的分析计算303.3.2 捆丝发生弹塑性弯曲变形时的内力313.3.3 捆丝通过导路的条件与导路设计333.4 支座的设计364电控系统39结论40致谢41参考文献422摘要本文通过对国外先进捆扎机的研究，结合我国的实际情况，对带钢液压捆扎机做出了更加优化的设计。本文在对捆扎机各零部件的结构、参数、工作原理及配置的设计基础上，用CAD制图软件加以配合，使各部件能直接投入生产。在机械手的设计当中，提出了自己的改进方案，并在经过大量的验证后，证明其对提高捆扎机的整体性能具有积极的意义。本设计在注重机械部分设计的基础上，对电液和电控部分也进行了必要的设计，使得此设计更趋完善。带钢全自动液压打捆机是一个机、电、液、计算机控制一体化设备，具有一定的“智能”功能，可以根据生产现场情况自动调节打捆状态。它具有如下主要动作：蓄丝、送丝、抽丝、剪断、拧紧、挤平、打捆机位置调节等；使用6.5，6.0的退火盘条或直接采用6.0的热轧盘条作捆丝；其捆结拧紧720，然后挤平，保证了捆结牢固，不易松脱。全套图纸，加153893706关键词：带钢；捆扎；液压；扭结AbstractAbstractThis text is making a better designation about band steel hydraumatic strapper combined with the study of foreign developed strapper and the actual circumstance of the our country. This text makes each part be able to throw in production directly through the designation of structure, parameter, operating principle and collocation of strapper combining the CAD graphics software. This text presents the own improvement project in the designation of magic hand, and the aggressive meaning of improvement of strapper whole performance is proved by a great deal of verification. This text also designs the part of electric hydraumatic and control to make this design better which is based on the design part of mechanism. Band steel full-automatic hydraumatic strapper is an equipment having certain intelligence function combined with mechanism, electricity, hydraumatic and computer, and it can regulate the banding appearance automatically according to the spot production circumstance. It has mainly actions as follows： accumulating steel wire; sending steel wire; drawing steel wire; clipping; tighten; squeezing flat; regulating position of strapper, etc; using annealed rod of 6.5，6.0 or hot-finished rod of6.0 directly as strapping steel wire; it straps and tightens for 720,and then squeezing flat to make sure that it straps firm and not easily loose.KeyWords： band steel, strap, hydraumatic, twist2综述1 综述1.1 引言2005年是钢铁行业不平凡的一年，钢材市场由前几年的供不应求转变为供大于求，四月份开始钢材价格一路走低，行业整体利润迅速下滑。在此情况下，产品质量和形象已成为企业生存发展的决定性因素之一。而随着社会对钢材需求的日益增加以及钢铁企业现代化程度的日益提高，越来越多的钢铁企业发现钢铁产品的包装质量成为影响钢铁产量提高的关键。传统的人工包装效率低，工作强度大，作业环境差，而且易产生散捆、混号和捆松的情况，从而大大制约了钢铁产量的提高，在此基础上便有了钢材捆扎机的诞生。钢材打捆机(又名捆扎机,或称打捆机器人)是现代化连轧生产线上的一种重要设备，也是钢材精整包装的核心设备，国际上只有SundBirsta、Danieli等公司掌握了精整包装自动化关键技术，能生产全自动钢材打捆机。我国从90年代起开始研究捆扎机，我国捆扎机械的生产，在经历了二十多年的发展之后，从无到有，从简到精，已经成为我国包装机械领域中的主要产品。它以量大面广、无所不捆的鲜明特点，广泛应用于制造业、食品业、运输业、商业、金融业和服务行业等，成为现代工业化社会不可缺少的设备之一。捆扎机械作为包装设备中的一个主要分支，是一种将一个或多个包装物用捆扎带(绳)紧束一起的机器,它使包装件便于运输、保管和装卸，属于外包装设备。钢铁生产是一个复杂的过程，它包括连铸坯、粗轧、预精轧、飞剪、中轧、精轧、冷却、精整和入库的全过程。其中精整又分为称重、打号和打捆等步骤。每道工序的控制器、执行元件和传感器占据了工厂的各个角落，全集成自动化管理控制已成为当前的趋势。现场总线作为开放式、数字化、多点通讯的底层控制网络,已被广泛应用在制造业、流程工业的自动化系统中。因此其钢材的捆扎就显的尤为重要。而现在带钢的包装打捆工作多为人力手工操作，劳动强度大，包装质量低，容易造成仓储、运输中的散包，是钢材营销、外贸中的主要质量问题。带钢打捆机是大中型钢铁厂连扎生产线精整包装工段自动化包装的核心设备，是一种针对型钢打捆及包装的专用机械，它不同于其它普通的捆扎设备。由于带钢捆扎具有重量大的特点，因此带钢捆扎机必须满足捆扎材料强度高、捆扎力大、捆扎牢固可靠的要求。由此可见带钢捆扎机有很好的市场前景，同时研究一种适合为国内大中型钢铁厂的打捆设备，代替手工打捆，不但实现钢材包装的自动化，还可以提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度，降低危险性，提高包装质量，而且可以减少包装现场的工伤事故。并可以为国家、企业节约外汇。随着中国钢铁企业的迅速成长，其对钢材的包装要求也是越来越高。这就对我国的钢材捆扎机行业提出了更高的要求。1.2 捆扎机在国内外的发展国外捆扎机械的应用可追溯到上世纪初期，如美国的SIGNODE公司、德国的CYKLOP公司等就涉足捆扎行业，以生产钢带捆扎设备为主,但其规模和生产技术水平都还较低。直到本世纪的五十年代，由于塑料材料的问世，以塑料带作为捆扎材料成为现实，这大大地促进了塑料带捆扎机企业的发展，如较早的日本的下岛、日鲁工业株式会社等。至1991年，日本的塑料带捆扎机总产量达14万台，约占包装机械总量的19.5%，总产值达300亿日元。每年约有30%的塑料带捆扎机出口，几乎占领了全部东南亚市场。由于他们能成功地引进和消化吸收别国的经验，不断改进发展，使他们的捆扎机械结构较为简单，可靠性高，在国际市场上有很大的竞争能力。其中最大的生产厂家为下岛株式会社，于1969年开始正式生产自动捆扎机，至1985年总产量就突破5万台，年销售额达61亿日元。全公司仅150多人，主要从事产品开发，产品质量控制和推销工作，其零部件加工和装配均通过扩散的办法。在国内设有17家分公司和270个代销点，并在35个国家和地区设有代理点。产品品种达200多个，主要生产品种为29种。美国的SIGNODE公司则是一家以钢带捆扎机为主，塑料带、聚酯带捆扎工为辅的跨国公司，属于美国ITW上市公司。在美国和其他六个国家设有分公司，该公司自1913年就开始从事捆扎机械的生产，为100多个国家的工业产品包装提供服务，并为各国用户提供24小时的配件供应服务，他们不仅具有巨大的生产能力，而且还有一支精益求精的研制和开发队伍，通过对捆扎机械各功能部件的反复试验和多方案对比，生产出的捆扎机械具有很好的可靠性和最佳的经济寿命，虽然价格昂贵，但仍然是国际市场上的强手。我国捆扎机械生产自1976年开始，随着我国社会经济的不断发展和各行业对改善产品包装产品质量的要求日益迫切，使捆扎机械不论在生产能力、生产技术、整机性能等方面都有了很大的提高，其主要表现为：1、已将微机技术应用于捆扎机程序控制，具有温度控制，自动计数，定长送带，故障报警等多种功能，不仅可单机使用也可多机联用或与自动生产线配套使用。2、从机器的传动形式来看，有机械传动，液压传动和气动，特别是液压传动具有结构简单，制造方便的特点，是我国特有的机型。3、品种规格比较齐全,，为适应不同的用户需要，已有全自动、半自动和手提式捆扎器，根据包装件捆扎要求不同，除通用的普通型外，又有带压力的捆扎机，双轨道捆扎机，侧封式捆扎机等，其工作台面有高有低，可适应单件捆扎或自动连续捆扎的需要，目前最大的自动捆包尺寸可达20001200毫米，最小的可捆扎5080毫米的包装件。品种已达二十多种。4、捆扎能力在每分钟1221道之间，基本能满足国内当前的生产需要。5、目前仍大量采用宽度为13.5毫米的塑料捆扎带和直径为30毫米的筒形薄膜捆扎绳，并正在开发使用宽度为510毫米的塑料捆扎带的捆扎机，但国外大量使用的钢带自动捆扎机在国内尚未开发。6、捆扎带粘接主要利用烫头将捆扎带两端加热至一定温度后再施压使之粘合，称为热熔搭接型，其接头的拉力强度可达母带强度的80%。塑料绳捆结机则以打结的形式捆紧包件。7、目前已能生产二十多个品种的捆扎机和三个品种的捆结机，基本上能满足国内需求，其中半自动捆扎机的整机性能已接近国外先进水平，故每年有较大的批量出口，而自动捆扎机仍与国外有较大的差距。然而我国目前所能生产制造的打捆机多为应用于轻工、服务行业的手动、半自动和全自动打捆包装设备，且只是一些通用型的捆扎机械。高水平高效率的全自动钢材打捆机，如应用钢带的全自动打捆机的生产至今仍是一个空白，无法满足钢铁冶金产品包装的需求。为了满足国内钢铁企业对提高产品包装质量，符合国际包装标准的需要，替代进口钢材打捆设备，我国对全自动钢管打捆机进行了研究与开发，并取得了成功。我国自行研制的型钢捆扎机的控制系统的特点和主要功能为：1、控制和协调各个动作油缸、液压马达等，自动完成钢材的捆扎包装；2、实现了液压高低压控制电路，这样不仅可以节能，更避免了液压系统无功用压力循环造成油液发热，影响液压系统性能；3、通过电路设计和触摸屏、PLC的配合，实现了现场离线故障的检测；采用光电旋转编码盘和PLC的高速计数器，辅助进行盘条送抽丝长度以及拧丝角度的监测；4、与型钢包装自动化工作站控制器通信，多设备协同进行型钢的定位、预成形和打捆包装；5、通过触摸屏与PLC实现了智能人机交互；6、具备手动调试和维护功能。采用上述功能控制系统智能化技术的两台钢材全自动打捆机，已成功应用到我国第一条国产钢材连轧生产线吉林通化钢铁集团型钢连轧厂，运行1年来，满足了钢材连轧后续精整工艺的要求，提高了设备的可操作性、可靠性、可维护性。与国外捆扎机械生产技术水平相比，国产机差距主要表现为：品种单一，生产能力低，虽然经过二十多年的发展，但只能生产20多个品种，还不及国外一个公司的品种数，而且只能生产通用型的产品，如钢带自动捆扎机的生产至今仍是一个空白，无法满足一些特殊行业的需要。据调查，1996年全国产量已达9000台，但仍大大落后于国外的水平。我国捆扎机械的生产起步较晚，主要是靠引进国外的样机经消化改进二次开发生产的，因此在生产中着重于产品的整机性能而忽视了对零部件的研究，导致在捆扎速度、接头粘接方式和送带轨道等主要技术性能方面不及国外先进水平。而且工作可靠性较差，特别是捆扎带和元器件的质量不稳对整机的性能带来很大的影响。我国的捆扎机的发展趋势主要有以下几点：1、发展多品种，系列化生产。由于社会商品生产的逐渐发达和捆扎机械在使用过程中所显示的极大适应性，使捆扎机械的应用越来越广，除了要满足一般重量,大小和批量的包件捆扎外，还要求有能适应防水(水产品和易腐蚀品等液体包装品)，防尘(建材和粉状物品包装)，防爆(易爆物品包装)型捆扎机，能适应特重物品、松轻物品的捆扎机，能十字自动捆扎，多道同时捆扎，加压捆扎和带托盘捆扎的捆扎机。在今后的十年中,捆扎机将会实现两个突破，其一是使用对象不仅仅是工业系统,，而会向办公、银行、邮电等部门发展。捆扎的目的也不会再局限于保护商品，便于运输，而是向美化商品发展，如礼品的包装捆扎，超级市场的小包装捆扎，借助多彩的捆扎带给商品增添美感。其二是在捆扎用带方面，除了现在大量使用的聚丙烯塑料带外，将会有钢带捆扎，聚胺酯带捆扎机，以适应钢铁等重型物品的捆扎。塑料薄膜拉伸捆扎将会越来越广泛，以适应带托盘集合包装物的捆扎和型材的捆扎。2、提高自动化程度。工业生产的发展，对包装捆扎的自动化程度要求越来越高，虽然在八十年代已成功的开发了微机控制的自动捆扎机，具备了烫头温度控制，故障报警，自动捆扎，自动计数的功能，但对于流水线生产中的自动送包、自动定位、自动转位，以及十字捆扎，井字形捆扎等功能来讲，还没有成功的机型，对提高捆扎机的监控水平来讲，应利用微机控制或光导纤维控制，实现远距离操纵，并通过监视系统和报警系统，及时发现问题，排除故障。此外，通过自动化水平的提高，还应使机器的操作与维修更趋向方便，无需熟练的工人就可操作，无需有一定水平的技术人员就能维修，使之达到机器智能化，这在一定的程度上可促进捆扎机械推广使用。3、提高捆扎速度。为适应生产流水线的需要，必须相应的提高捆扎速度，目前我国自动捆扎机的普遍水平为每道捆扎时间比国外先进水平慢34秒。4、改进捆紧机构。理想的捆扎应是对包件施以足够的捆紧力，并能针对包件的变化，通过调整确保捆紧力。目前，我国的自动捆扎机大多采用调整张紧臂的摆动角度来实现调整。半自动捆扎机则是通过调整压缩弹簧对摩擦离合器的压力，以此改变送带滚轮的传动力来实现捆紧力的调整，前者属于定距离型捆紧，而后者则是属于定力量型，从调整的范围和对包件的适应性来讲，定力量型能更好地实现有效捆扎，因此对于自动捆扎机来讲，有必要改进捆紧机构，以便根据不同的包件(硬包、软包)进行自如的调整。在这几十年的发展中，我们已经可以明显的看到中国捆扎行业的进步。我们的发展步伐也在一步步地加快。在不久的将来我国的捆扎机行业将会与国际看齐。1.3 研究捆扎机的意义我国钢产量在1996年突破1亿吨后仍持续快速增长，2005年为2亿吨，年均增长8.6%，2005年比2004年增长19.1%，2005年18月又比上年同期增长22.2%。由于除自产外还大量进口钢坯生产钢材，故从2005年以来我国钢材产量超过钢产量。2005年为2.5亿吨，比1996年增长68.6%，年均增长11%。2005年18月，钢材产量比上年同期增长19.6%。初步分析，近年来我国工业(包括机械、轻工、化工、冶金、电力、煤炭、石油等)用钢材约占总消费量的38%左右，交通运输业(包括铁道、公路等)用钢材约占总消费量的6%左右，建筑业(包括基本建设、房地产开发、城市建设、基础设施等)用钢材占总消费量的55%左右，其他约占1%。可见，建筑业是钢材消费的第一大户，其次是工业。从1997年至2001年，全社会固定资产投资增长45.8%。其中，基本建设投资增长47.7%，更新改造投资增长52.2%，房地产投资增长101%。大规模建设以及房地产开发快速增长，是带动钢材消费增长的最主要因素。此外，工业生产回升、出口增长(特别是机电产品出口，已占总量的52%左右)，是带动钢材消费增长的另一个主要因素。机械和轻工是工业用钢材量最大的两个行业，其用钢材量分别占全国总消费量的11%和15%左右。2004年，机械、轻工行业完成总产值分别比上年增长16.5%和14.4%；2005年18月，机械、轻工行业同比增长又分别为22.7%和16.5%。总的情况是，进口钢材大部分用于工业，国产钢材大多用于建筑业。如此巨大的钢铁产量，便需要于之配套的包装设备体系，可我国的带钢包装研究还处于起步阶段，国内生产的带钢捆扎设备相对于型钢来说也还比较落后。这不仅仅影响了带钢的产量，还由于带钢的包装质量差，防锈不到位致使带钢的质量无法得到保证，由此造成的损失已相当的严重。在我国中小型轧钢车间的精整收集线上，堆垛、包装与捆扎等收集工序历来就是一个比较薄弱的生产环节。由于它的机械化程度低，劳动强度大，在一定程度上限制了车间劳动生产率的提高，并影响了生产工人的工作质量。随着中小型轧钢车间的日益发展，对成品及半成品的收集捆扎实现机械化、自动化的要求是更为迫切了，所以对捆扎设备的深入研究势在必行。对带钢捆扎机的研究设计，是在对SUND/BIRST公司捆扎机进行消化吸收的基础上提出的。其研究目的在于：通过借鉴SUND/BIRST公司捆扎机的原理，对捆扎机的设计理论及设计思想进行探讨。并最终完成自己的设计。使此打捆机的工作性能更加完善、可靠。为我国的捆扎机行业做出贡献。带钢捆扎机的研制成功将为减轻工人的劳动强度，提高工作效率，保证捆扎质量，改善精整收集线的面貌做出巨大的贡献。28带钢捆扎机的总体设计2 带钢捆扎机的总体设计2.1 带钢捆扎机总体方案此处带钢是指带圈直径900mm1400mm，重量在0.5t1.5t之间的带钢。带钢全自动液压打捆机是一个机、电、液、计算机控制一体化设备，具有一定的“智能”功能，可以根据生产现场情况自动调节打捆状态。它具有如下主要动作：蓄丝、送丝、抽丝、剪断、拧紧、挤平、打捆机位置调节等；使用6.5，6.0的退火盘条或直接采用6.0的热轧盘条作捆丝；其捆结拧紧720，然后挤平，保证了捆结牢固，不易松脱。2.2 带钢捆扎机的结构，参数工作原理及配置2.2.1 带钢捆扎机的结构带钢捆扎机由机械部分、电气系统和液压系统三部分组成。机械部分由送丝架、捆扎单元、捆扎机头架座、导槽装置组成。送丝架的作用是为了控制钢丝不歪斜，基本保持在一个平面内，尤其是当钢丝反抽时使钢丝运动方向得以控制。引丝板的作用是控制钢丝正确进入送丝装置，其次也对钢丝进行再矫直。为了减少前进或后退时对钢丝及设备磨损，在钢丝前进通道设有滚子或定滑轮。捆扎单元由送丝装置，扭转剪切装置、弯倒装置四部分组成。送丝装置送丝是通过液压马达变速后驱动一个送丝来完成。捆丝首先由引轮组人工引入送丝轮盘处，然后由引轮组和夹送器压紧在送丝轮盘上，送丝轮盘属于固定不可调式。当轮盘转动时，靠摩擦力引导捆丝前进或后退。引轮组和夹送器压紧轮盘的程度由弹簧机构来调节。夹紧装置就是当钢丝经过扭转头和导槽，再穿过扭转头并到达一定位置后由一个液压缸驱动夹紧机构将钢丝端压紧在扭转头上，以便送丝盘反转张紧。在扭转剪切开始的瞬间，另一个液压缸驱动夹紧机构松离扭转头。扭转剪切装置是通过液压马达驱动扭转头转动实现扭转捆丝并与扭转头后部刀片配合，同时完成钢丝的剪断。钢丝拧花打结的多少是由扭转头旋转的圈数多少来决定的。打完结后弯倒装置将打成的结弯倒在钢捆上。当扭转剪切动作完成后,扭转剪切装置还应保证扭转头回复到初始位置以迎接下一个工作周期。导槽装置：控制捆丝运行的正确方向，并在适当时候实现钢丝脱离导槽。导槽装置由液压缸驱动实现导槽的封闭与打开。2.2.2 钢材捆扎机的技术参数 带钢捆扎机的技术参数如下： 捆扎用钢丝：6.0mm 捆丝力大小：Fmax=3.5KN 捆重：0.5-1.5t 捆径：8001400mm 钢丝导槽内径：600mm 捆扎道数：单道 捆扎时间：约18s2.2.3 带钢捆扎机的工作原理在捆扎机工作之前，首先由人工将捆丝引入送丝装置。具体做法是由人工搬动手柄，通过机械机构使引转组移离送丝轮盘，然后人工将捆丝插入。该捆扎机自动捆扎过程及原理为：将带钢送至捆扎机的支座上，由支架固定。当捆扎指令下达后，钢丝导槽闭合，送丝装置立即送丝。当钢丝端头接触到夹紧机构并夹紧后，送丝装置立即反向旋转，使钢丝收紧。当收紧力达到预先设定的压力后，再第二次送丝。该送丝量很小，够打花结用即可。其后扭转头立即旋转切断钢丝，拧花打结开始。结打好后，弯倒装置将扭结压倒在钢捆上。然后钢丝导槽张开，车体后退到初始位置，捆扎工作周期完毕。捆扎机的一个自动捆扎周期如下：图1 捆扎周期图2.2.4 带钢捆扎机的电液配置方案本机全部驱动均由液压来完成，以保证构件动作平稳，无噪声。它的全部动作都由PLC自动控制。这样不仅控制改变的灵活性强，而且可以保证动作准确可靠。液压系统主要由以下设备组成：油缸、油箱、电动机传动装置、回油过滤器、压力开关、压力表、电磁阀以及液压缸、液压马达等。整个液压装置均安装在捆扎机本体上。具体油缸及马达如下：（1） 全机进退油马达（2） 送丝油马达（3） 扭转剪切油马达（4） 支座传动马达（5） 捆扎单元升降用油缸（6） 钢丝导槽闭合用油缸（7） 钢丝卡紧用油缸（8） 导套装置活门油缸供电方案如下：三相电源由附近电磁站引出。动力电源经控制开关直接进入动力器件及负载。控制电源经过隔离变压器进入主控盘。主控盘上有下列操作开关：（1） 手动操作，自动操作选择开关（2） 油泵启动开关（3） 整机启动开关（4） 再送丝开关（5） 送丝故障复位开关（6） 故障排除后，设备重复一个新的工作循环开关（7） 紧急停车开关（8） 总电源开关主控制面板上还要有下列显示：（1） 控制电源接通显示（2） 液压系统油泵启动显示，以及低油位显示（3） 设备是在初始位置，还是在捆扎位置显示（4） 送丝卡紧，送丝张紧显示（5） 导槽张开，闭合显示（6） 自动操作显示带钢捆扎机的机械设计探讨3 带钢捆扎机的机械设计探讨Qq414238600导套装置的构成由三部分组成：导丝板1，导丝板2和导丝板3。其中导丝板1固定在捆扎单元座上是不动的，导丝板2和导丝板3由液压缸带动是可以动作的。在不工作时，导丝板3在液压缸带动下打开。在正常工作时，导丝板1，导丝板2和导丝板3形成一个封闭的导套。3.2.3 导套装置各零部件功能分析与设计简介1、导丝板2是一个组装件，盘条在送丝轮盘驱动下穿越扭转头之后，首先要进入导丝板2。为了控制盘条顺利进入导丝板2，在导丝板的入口处有一导向钢板。该钢板的切入角度应与从扭转头穿出的盘条的速度方向相一致。为了减小磨损，导向钢板之后，导丝板上安装一圈导向轮，来控制盘条前进的方向。为了保证盘条抽丝张紧是一个逐渐的过程，并控制盘条的运行方向，在导丝板上安装有导丝器。导丝器有两种，一种是由液压缸带动的。当送丝时，该导丝器将导槽封闭，防止盘条飞离，在张紧过程中，在适当的时机，油缸带动支板旋转，使导丝器滚子移离导槽从而使盘条拉出，该种导丝器的液压缸选择依据是克服钢丝张紧力所需的液压力。另一种导丝器是由弹簧代替液压缸。在正常情况下，导丝器滚子紧靠导丝板2的内侧与导丝板上的滚子形成一个容纳盘条运行的通道。在钢丝张紧过程中，当盘条拉紧到一定程度时，盘条拉动导丝器滚子，使之随支板一起围绕一销轴转动，从而使导丝器滚子与导槽内侧分离使盘条拉出，由于受压弹簧要恢复到原来的位置，就迫使导丝器滚子恢复到初始位置，这样，导丝器滚子又与导丝板2形成一个封闭通道。导丝板2上之所以选择弹簧式导丝器，主要是因为该导丝器位于张紧过程的最后一道关卡，显然这种弹簧式导丝器有利于钢丝完全张紧，因为只有张紧力达到一定的大小时，该导丝器滚子才能被拉动。为了更好的控制盘条的运行方向，弹簧式导丝器上还装有一个档块，在液压缸导丝器之后还装有一个引板。为了保证在离开导丝板2之后，盘条能顺利地进入与之相邻的导丝板，在导丝板2的出口处装了一个导丝块，该导丝块的作用是使盘条前进的通道越来越窄，即对盘条的限制越来越严格。导丝板直线部分的确定：直线部分的长度应超过盘条由导丝板1到导丝板2的飞跃点。该线与扭结头所有尺寸不能太小，若太小将会造成盘条前进的困难，同时该段长度也不能太短，否则也将造成前行的困难。2、导丝板1导丝板1属于固定式，它固定在捆扎机头的底座上，与剪丝座相邻端。导槽内安装有一导丝块，该导丝块的作用就是控制盘条正确的运行方向，并使其运行路径越来越窄。即在导丝块的入口处有一斜面使盘条导入路径，在导丝块的出口处，内侧一路导槽使盘条切入剪丝座后进入扭转头，外侧一路切入剪丝座后直接进入导丝板3。导丝板1上也装有一个导丝器，该导丝器也为液压缸式，原理同前。为了减少磨损，导丝板上设置均布的滚子作为盘条前进的路径。3、导丝板3导丝板3分别与导丝槽1和2相接，共同形成一个封闭环。它在液压缸的作用下可以打开以便使捆扎机随意进出作业线。导丝板3上有三个导丝器，均为液压缸式，原理同前，其中内侧安装一个，外侧安装两个。为了减小磨损，导丝板上设置均布滚子，在导丝板3的出口处有一导块来限制盘条前进的路径，导块要求耐磨，高强度，高韧性，材质为20CrMo。导丝板3的驱动机构：液压缸活塞杆带动一连杆，最后带动一个摆动法兰，摆动法兰与导丝板3连接在一起。而液压缸固定在捆扎机底座上，液压缸行程和摆动法兰长度应配套设计以保证捆扎机退出捆扎线时导丝板完全张开而不至于使捆好的钢捆相碰。导槽装置的设计主要考虑如下两个问题：（1）捆丝前进过程中所受到的摩擦力最小；捆丝从一个导丝板到另一个导丝板时前进通道应遵循宽进严出的原则；导槽装置的内径大小与钢丝的材质及直径直接相关。经分析确知，捆丝的刚度越大，捆丝所能顺利通过的导槽曲率半径越大。（2）实现单双道捆。为了既能实现单道捆又能实现双道捆，组成导槽装置的三个导丝板从结构上都有两条捆丝前进的通道。导丝板1和导丝板3在其轴线方向上固定不动，而导丝板2在液压缸的带动下沿其轴线方向可以摆动。实现单道捆捆丝前进路径即：扭转头导丝板2的通道1导丝板3的通道2导丝板1的通道2扭转头。实现双道捆的路径即：扭转头导丝板2的通道1导丝板3的通道1导丝板1的通道1飞跃扭转头导丝板3的通道2导丝板1的通道2扭转头。3.2.4 导丝板上滚子选择及间距确定滚子的选择关系到盘条的前进，滚子太宽则盘条前进方向不精确，太窄则盘条前进困难。由于盘条直径为6.0mm，所以轴承宽选8mm,型号为6101单列向心球轴承。滚子间距的选择是盘条能否顺利通过导丝槽的关键。捆丝前进过程中与一个滚子接触，产生了一个径向力。轴向力为送丝力，径向力达到能使捆丝弯曲就可以，取为200N。（7）mm（8）图10 滚子受力图6101轴承的各部件尺寸：d=12mmD=28mmB=8mm图中m=6mm为捆丝直径，S为导槽内径与滚子外径间隙，S=22mm,R=300mm。为导丝槽内半径，则：（9）上面为临界条件，适当减小，取=8，则一周共用45个滚子即可满足要求。3.3 带钢打捆机送丝导路分析打捆机导丝槽送丝导路的设计是非常重要的。设计合理的送丝导路，选择合理地送丝力及合理的捆丝材料、直径、强度和刚度就显得尤为重要了。为解决这个设计难点，首先分析送丝过程中送丝力的变化，捆丝在各阶段的变形与送丝导路曲率半径的关系，再分析捆丝顺畅通过导路的条件及有关因素变化规律，最后进行结构设计。根据打捆工艺及工作原理的要求，其导路的大致形状及送丝机构的结构布置如下图所示。图11 导路示意图3.3.1 送丝力的分析计算在送丝的初始阶段，捆丝由直线工作状态变成曲线工作状态。此时可将进入导路的捆丝近似视为一失稳压杆。压杆弯曲变形后失稳的临界压力的大小即可视为初始送丝力的大小。由材料力学可知，假设捆丝在送丝力及导路阻力作用下弯曲失稳满足欧拉公式的应用条件，即：（10）（11），约束系数取1.5,则：N而实际送丝力还应考虑穿丝沿导路的摩擦力，送丝力应为：（12）下面求上式沿导路的摩擦阻力F之值。设捆丝进入曲线导路时轴向力为Pn，该Pn值将随着捆丝进入导路约束力的变化而变化。若设捆丝在某一位置的约束反力为dR，则可近似视捆丝为一受倾斜载荷dR作用的悬臂梁。再假定捆丝与导路间的摩擦角为，悬臂梁的横向载荷集度为q,则有： (3)图12 受力分析图再由水平方向的平衡方程得：将式（3）代入上式积分得：（考虑捆丝通过范围）式中为导路在该处的曲率半径，积分上式得到横向载荷集度：（13）而法向反力：（14）若摩擦系数f=0.15，则可得：（15）由式（8）可知，欲使捆扎通过导路，送丝力应不低于T=Pcr+F=1.83Pcr,T=783N,实际设计中取T=750N850N获得较好的送丝效果。3.3.2 捆丝发生弹塑性弯曲变形时的内力根据捆丝过程及其运动特点，可将捆扎理想成一变长度，受均布载荷q(s)横向力作用的弯曲悬臂梁。由弯曲过程的分析可知捆丝在通过导路的过程中将发生弹塑性弯曲变形，其横截面上的应力将逐渐由弹性应力过渡到塑性屈服应力，故其横截面内的弯矩及弹塑性极限弯矩可以表述如下：设弹性阶段的应力分布如下图所示，弹塑性阶段的应力分布为：图13 弹性阶段的应力分布图在弹性阶段：（16）,当捆丝处于弹性极限状态时，其横向截面上下表面处于塑性应力，此时所对应的弯矩即为弹性极限弯矩:（17）在弹塑性阶段，设弹性核高度为，则有：当捆丝处于塑性极限状态时，整个横截面都将进入塑性，此时的塑性极限矩为：（19）由式（10）和式（12）可知:3.3.3 捆丝通过导路的条件与导路设计1、导路轨迹的变化规律及外形根据打捆工艺要求，送丝导路必须设计成环状闭合曲线，且出入端为直线。入口为水平直线，出口为竖直直线，二者在扭转头外交汇。可首先假定在导路水平直线与竖直直线间用一条等曲率的光滑圆弧将其连接起来。该圆弧的曲率半径为R，在理想情况下，捆丝在送丝力作用下应沿此光滑圆弧行进。由此可得到捆丝弯曲变形的挠度与导路曲率半径的关系： （20）由于我们已将捆丝视为理想弹塑性材料组成的悬臂梁在送丝力作用下梁沿分布集度载荷的方向发生弹塑性变形，因而其挠曲线为：（21）如果我们假定捆丝在通过圆弧形轨道导路时也发生同样的弹塑性弯曲变形，则由式（14）和（15）便可得到送丝导路的曲率半径R与不同位置之间的关系：（22）为了设计出导路轨迹的具体形状，可假定等不同点，求出各点的曲率半径，然后将这些点用光滑曲线联接起来，即可得导路闭合曲线的形状。R和变化关系曲线如下图：图14 R和变化曲线2、在捆丝给定的条件下，导路曲率半径的极小值如果用于打捆的钢丝已给定，则其抗弯强度EI及屈服应力已知。由此可导出捆丝简化为悬臂梁时所能承受的最大塑性极限弯矩，并由此导出送丝导路所对应的最小曲率半径Rmin之值。由塑性力学可知，在弹性极限状态时，弹性极限弯矩。所对应的挠曲线曲率为：。随着载荷的增加，当M时，捆丝上下层的塑性区逐渐扩大，弹性核高度1.11并逐渐减小,其曲率可描述成：（23）而对于理想弹塑性材料,其内应力M与的关系又可由下式描述：（24）其中，为进一步明确起见，将与n的数值关系列表如下:则弹性核的高度可表述成：（25）表1由上表可知，当K=6Ke,即M=1.671Me时，捆丝所承受的弯矩就基本达到塑性极限弯矩了。此时所对应的曲率半径即为导路曲率半径的极小值。将式（19）代入（17）得：（26）对所选捆丝，若取E=196GPa，=335MPa，r=3mm,n=代入式（20），计算得到曲率半径的极小值Rmin293mm.3、导路曲率半径与捆丝抗弯刚度的关系由式（20）可知导路的曲率半径与捆丝的弹性模量及捆丝的半径成正比，亦即表示越刚硬的捆丝需要的导路曲率半径就越大，越能获得良好的通过性能，从优化设计的角度出发，为使设备的外形尺寸不致过大，在捆丝能通过导路的前提下应尽可能使导路的曲率半径减小。换句话说，在保证捆丝自由端在一定范围内为弹性变形以便顺利进入竖直导管的前提下，应该使捆丝在入口端部产生一定的塑性变形。因此应考虑，捆丝承受塑性极限弯矩的作用，故在式（20）中取即K=6Ke，此时式（20）成为：（27）由上式即可得到导路的曲率半径与捆丝刚度间的关系变化曲线如图所示：图15 R与EI关系图最后，讨论一下在导路极限曲率半径Rmin=293mm的条件下能通过导路的捆丝的最大刚度。从式（21）可知，捆丝的抗弯刚度EI与导路的曲率半径成正比。在=Rmin给定的条件下，即可求得对应的捆丝的最大半径为： （22）将E=196GPa，=335MPa和=293代入得，。即所用捆丝的最大直径必须限制在6.0mm以内。所选捆丝材质即为45号钢正火处理。3.4 支座的设计支座是的作用是固定和支撑被捆带钢卷。当带钢卷被搬送到支座上，由三根主轴对其进行支撑，并由两个支架对其进行固定。三根主轴由一传动马达提供动力，当捆扎部分完成一个捆扎周期以后，给传动马达下达指令，使其带动三根主轴同时转动。再由主轴带动带钢卷完成其绕自己圆心的120度的转动。然后将指令回馈给捆扎单元，此时捆扎单元进行第二个周期的捆扎。其工作流程图为：图16 工作流程图1、轴的设计由于三根主轴的受力情况相同，所以其选材和受力分析在下面作统一的设计。由于轴的受的支撑力比较大，所以选择45钢，并进行调质处理。估算最小轴径d。根据式（29）,查表（轴常用材料和C值表），取c=112。（29）已知送丝时间为5秒，所以支座带动带钢卷转动120度的时间为5秒，所以三根主轴的线速度为V：已知带钢卷的最大重量为1.5t,带钢卷于主轴的摩擦系数为，则摩擦力F：（30）则功率P为：（31）则有：（32）即：则取d=50mm。则轴的结构草图为：图17 轴的结构草图2、V带传动的选择因为主轴的转速较高，承载力较大，所以选择V带传动。图18 V带结构图图19 支座结构图电控系统4 电控系统由于打捆机要完成拉紧、合钳、剪切、开臂、拧进、挤平、拧退、蓄丝、合臂、送丝等十多个动作,动作多,逻辑关系强,且工作频繁,条件恶劣。为确保生产的稳定持续运行,控制器的选择就显得尤为重要,SIEMENSS7-200系列PLC具有结构小巧、运行速度快、通用性好、可靠性高等特点,很适合钢铁厂的作业环境。并考虑到整个打捆机控制系统的输入输出量、控制程序编排、PLC存储容量和控制系统的价格,我们选用2个CPU216模块作为控制核心,采用主从机形式。其中上位机CPU216-1主要用于现场人机交互处理,包括参数设定、系统调试、警情显示及控制面板操作响应等;下位机CPU216-2则按上位机的要求,协调打捆动作,完成打捆目的。为了避免驱动电流过大,对PLC造成损伤,在PLC与电磁阀之间加入中间继电器,PLC通过控制继电器的触发来控制电磁阀线圈的通断,而且通过中间继电器实现PLC控制和手动开关控制的转换,便