毕业设计（论文）-数控钢筋调直机设计.doc

济南大学毕业设计1 前 言1.1 课题的背景和意义伴随着建筑业的迅猛发展，建筑钢筋的用量在迅速增加，建筑行业大都趋于使用带肋钢筋(螺纹钢筋)。该钢筋大都为圆形盘料，钢筋弯曲较大，无法直接使用，因此就需要对其进行调直。当今建筑工地大都使用人力或半自动化这些传统方式对盘料钢筋进行调直剪切。此种方法不仅耗费大量人力物力而且劳动生产效率很低。传统的调直方法已经满足不了现代化生产的要求。数控钢筋调直机则应运而生，它是一种高效率、高质量的钢筋加工设备，可实现钢筋的定尺剪切。数控钢筋调直机的自动化程度高，生产效率高，钢筋的调直质量好，与传统方式相比可以节省大量的人力物力，其中最重要的是调直的精度高，质量好，可以实现无划伤调直，大大提高了被调直钢筋的质量。它在提高建筑工程质量上起着十分重要的作用，同时对加快建筑生产和建工速度，也具有十分重要的作用。1.2 国内外调直理论研究及发展现状国外在调直理论和技术的研究方面起步比较早，具有一定程度广泛性，并且取得了显著的研究成果。与此同时国外的许多研究成果已经被应用于实际生产中，并产生了相当可观的的经济效益。国外一些调直技术发展较发达的国家，已经形成了一系列的调直设备。同时他们还在钢筋调直理论、工艺和设备的研究方面也进行了大量的工作，并取得了一批较有影响的成果，同时生产一些具有世界先进水平的钢筋调直设备，例如数控钢筋调直机、数控调直切断机等。国内在调直理论和技术的研究方面也做了很大的努力，使调直理论和技术的研究工作得到了广泛的重视，同时也取得了一些令人瞩目的研究成果。其中部分成果的一处与世界领先水平。目前我国已拥有了自行设计和生产板、带、线、型、管材的调直设备的能力，设备的精度和控制水平也在不断提高。在引进和吸收国外先进的钢筋调直设备和技术的基础上，我国在数控钢筋调直机、数控钢筋调直切断机方面的生产水平也在不断提高，并涌现了例如天津建科等一些发展较好的钢筋设备生产厂家，而且其生产的例如数控钢筋调直机具有十分先进的调直技术，具有生产效率高、自动化程度高等特点。自21世纪以来，随着建筑业的发展，对建筑机械的需求在不断地增加，其中像数控钢筋调直机、数控钢筋调直切断机是建筑行业不可或缺的基础生产设备，对其的需求量将会不断增加，对其质量的要求也会不断增加。这不断促进数控钢筋调直机等的换代更新及下一步的发展，无论国内还是国外，数控钢筋调直机等钢筋加工设备都得到了长期的发展，产品的质量和性能在不断的提高。1.3 设计的主要内容本设计课题为数控钢筋调直机设计。数控钢筋调直机的设计内容包括机械系统部分设计和控制系统部分设计。 机械系统部分设计机械系统包括放料机构、导料机构、调直系统、牵引系统、承料机构等部分组成。机械部分设计的重点是调直系统设计，调直系统采用组合式调直方式。同时还对放料机构、导料机构、牵引系统、承料机构等进行了简单的改进。 控制系统部分设计控制系统主要实现钢筋调直机的数控控制。其中主要进行电路设计，并绘制PLC电路原理图，电气控制原理图等，同时还需根据设计要求编写PLC梯形图以实现控制系统的软件设计。2 数控钢筋调直机的总体设计方案2.1 数控钢筋调直机的技术性能指标(1)、调直钢筋抗拉强度：14mm时，b=550N/mm2；(2)、调直钢筋直径：414mm；(3)、调直速度：50m/min。2.2 设计方案及工作原理2.2.1 工作原理由放料架引出的盘料钢筋在导料辊的带动下，首先被送入水平调直区进行水平预调直，接着进入垂直调直区进行垂直预调直，两调直区都是由两组品字形调直辊组成，调直辊上有U型槽，通过品字形调直辊可以有效地限制盘料钢筋向任何地方弯曲，在两组调直辊的强制作用下盘料钢筋有所变直，从而实现了对钢筋的预调直，钢筋从预调直区出来后进入旋转调直区，旋转调直区采用1-1-2（3/3）辊系配置，转毂内装有6个按照一定规律倾斜布置的调直辊，与钢筋保持适当的距离，构成了4个低频弯曲单元，每个斜辊都有一定的偏移量，该偏移量可以通过调整螺钉来调节。在旋转调直过程中斜辊不仅随转毂的转动而转动，而且绕其自身轴线转动，被调直钢筋从斜辊所形成的孔行中通过，在前进的过程中钢筋各断面将发生多次弹塑性弯曲，最终消除各方向的弯曲，以得到全周性的的调直效果。随后的牵引辊在伺服电机的带动下，在牵引钢筋的同时对钢筋进行定尺，由随后的剪切机构进行剪切，从而得到定长的调直钢筋。调直机的调直方案如图2.1所示。1-导料辊 2-水平调直3-钢筋 4-垂直调直 5-转毂 6-斜辊 7-带轮 8-牵引辊图2.1 调直方案示意图2.2.2 总体方案数控钢筋调直机的总体结构主要分为放料机构、导料机构、调直系统、牵引系统、剪切机构、承料机构、电动系统及数控系统等。拉伸调直、拉弯调直、反弯调直及旋转调直是盘条料的几种主要调直的方法。本设计采用水平调直、垂直调直和旋转调直组合调直形式。其中水平和垂直调直为预调直，旋转调直为最终调直。旋转调直部分由变频电机通过带传动驱动；在转毂前端使用深沟球轴承，后端使用角接触球轴承；旋转调直部分主要由斜辊、转毂、皮带轮、调整螺钉等部件组成。斜辊在转毂内是按照一定的规律分布的，一般都有一定的倾斜角度，而且还具有一定的偏移量，偏移量是可以调节的，一般根据实际工作情况调节。调整螺钉可以改变偏移量的大小，在工作中根据实际情况可通过调整螺钉调整偏移量。此处将整个转毂置于机座之中，与上下机座形成一个整体，可以有效的减小振动。提高钢筋调直质量 2.2.3 导料机构导料机构在引导被调直钢筋进入调直区后，会自动承托起被调直钢筋的尾部，并限制被调直钢筋尾部在机尾的摆动幅度，已达到安全作用。以往的导料机构都有刚性强等缺陷，为解决这一问题本设计采用了一种柔性的导入机构。将下导料辊固定，使其不能上下移动，仅能转动。两导料辊在紧密接触同时，上导料辊还可以上下浮动，从而实现了钢筋的柔性导入。工作时，当钢筋进入调直区后，被调直钢筋尾部就会对导料机构的上、下两导料辊产生冲击，这种冲击可以通过上导料辊传导到弹簧上，并将冲击能量释放在弹簧上。整个过程都在弹簧上完成，可以有效德避免对钢筋表面的磨损。2.2.4 调直系统在冷轧钢筋的调直过程中，包含水平调直、垂直调直和旋转调直三个环节，其中水平调直和垂直调直为预调直，旋转调直为最终调直。旋转调直大多采用斜辊式转毂调直法。特点是利用转毅的旋转代替圆材的旋转，从而达到调直的目的。斜辊的交错布置将使线材在前进过程中发生多次的反弯。斜辊数与反弯次数成正比，斜辊数越多，反弯次数就越多，此时的反弯属于低频弯曲。但当斜辊随转毅旋转时，线材的弯曲就变成全周性的旋转弯曲，此时属于高频弯曲。因此钢筋在被调直时会同时发生低频和高频两种弯曲，在两种弯曲的作用下钢筋逐渐被调直，达到要求的直线度。由于斜辊作用是通过旋转来调直钢筋并无送料功能，因此在转毅的后面需要安装牵引辊，以引导钢筋的前行，以避免卡料的出现。2.2.5 牵引系统由于钢筋调直的范围是414mm，则需要通过调整牵引机构的上、下两牵引辊之间的距离，以实现钢筋与牵引辊的紧密接触。经过分析，此处可以利用螺钉与弹簧相配套的方式来调整两牵引辊间的距离。调整螺钉通过压缩或放松弹簧便可以调整弹簧对轴承座的压力从而达到调整两牵引辊之间距离的目的。2.2.6 数控系统本设计将应用PLC技术，从而使钢筋调直机实现数字化控制。此处采用了二级计算机控制系统，并配有触摸式显示屏，可以直接在触摸屏上编辑数据，修正切断误差。从而实现定长剪切。本数控系统主要部分是将PLC同时与伺服电机和变频电机相连。利用PLC对两电极进行控制。旋转脉冲编码器发出的脉冲信号由PLC机型接受和计数，从而对钢筋长度进行计算，当计算后的长度与触摸屏上设定长度相同时，PLC输出剪切信号。同时该数控系统还具备在发生故障和材料用完时自动停车功能。3 数控钢筋调直机机械系统设计数控钢筋调直机的整个机械系统可分为：放料机构、导料机构、调直系统、牵引系统等几部分。3.1 放料机构设计放料架主要包括转动轴、水平肋、斜面肋和底盘四部分；如图3.1所示。将待调直的圆盘钢筋套在承料架上，将盘料钢筋的一头导入调直机，在牵引辊的牵引作用下，卡在斜面肋上的钢筋就会绕转动轴转动，逐渐进入调直机中随后被调直。1-转动轴2-水平肋 3-斜面肋4-底盘图3.1 放 料 架3.2 导料机构设计导料机构的作用是引导盘料钢筋进入调直系统，同时承托住被调直钢筋的尾部，以限制了盘料钢筋在调直机尾部大幅度摆动，可以起到安全的作用。钢筋在调直时表面有可能被划伤，影响调直质量。此处为了使被调直钢筋表面无划伤，为了提高导料机构的工作稳定性，将导料机构设计成柔性系统。将导料机构的下辊固定在机架上，使其只能转动，不能上下移动。在保证上、下两导料辊紧密接触的同时，上导料辊还可以上下浮动，从而实现了钢筋的柔性导入。工作时，当钢筋进入调直系统后，导料机构处的钢筋就会发生摆动，从而对上、下导料辊产生一定的冲击，这种冲击便可通过上导料辊传导到弹簧上，使冲击产生的能量在弹簧上得以释放。由于整个过程都在弹簧上完成，从而避免了对钢筋表面的磨损，实现了钢筋的无划伤导入。导料辊中间开有U型槽，该槽大小基本与钢筋直径相同，两导料辊不工作时紧密接触，当有钢筋导入时，上滚辊便可根据被调直钢筋的直径上下浮动。 3.3 调直系统设计3.3.1 调直方法本设计采用双重调直模式既水平和垂直预调直以及旋转终调直的组合模式。其中旋转调直为主要调直方式。旋转调直主要用于圆材棒料的调直, 最常见的方法是孔模式调直法和斜辊调直法。两者都是采取圆材棒料旋转前进的方式。在旋转调直中,孔模式调直的发展最早,该方法是以转毂的旋转代替圆材的旋转,从而实现调直的目的, 此方法适用于盘料的调直，但是此方法有很多缺点如摩擦损失大、孔模消耗大；容易损伤圆材的表面、送料困难及较大的转动摩擦力；在调直时，盘料尾部钢筋往往随着转毂的转动而转动，导致其得不到应有的调直；当送料受阻时，被调直钢筋将会被孔模磨细。斜辊式调直是后来开发出来的新的调直方法，该方法是将调直辊的轮廓设计成双曲线外型，将调直辊按照一定的规律排列安装于转毂内部，而且按安装时调直辊还具有一定的倾斜角度和偏移量。在调直过程中,调直辊在随转毂转动的同时还绕自身轴线转动，这样就可以实现对钢筋表面无划伤,并且该方法的调直直线性好;生产效率高,节约动力，噪声小，同时也克服了孔模式调直存在的缺点。本设计选用水平调直、垂直调直和斜辊式旋转调直的组合式调直法，工作原理图如图3.2所示7。1-水平调直 2-钢筋 3-垂直调直 4-转毂 5-斜辊 6-旋转调直图3.2钢筋调直示意图3.3.2 调直系统的力能参数计算 调直辊所承受的调直力水平调直过程为预调直过程，此过程中钢筋的受力状况如图3.3所示，此处取首尾两调直辊的压下量为0，其余各辊处钢筋断面的弯矩分配方案为: (3.1)式中 钢筋弹塑性弯矩极限值；钢筋弹性弯矩极限值；h 调直辊数量；i调直辊序号，i=2，3，h-1。图3.3水平调直调直力分析则得各调直辊的调直力为: (3.2) （i=2,3,h-1） (3.3) (3.4)本设计中,弹塑比取,钢筋强化系数，钢筋的塑弯比: (3.5) 钢筋的弹性极限弯矩为: (3.6)钢筋的弹塑性极限弯矩为: (3.7)各辊处钢筋断面的弯矩分别为:则可得各辊的调直力分别为:同理，对垂直调直部分进行调直力分析，将得到与水平调直部分相同的分析结果。在旋转调直部分，1-1-2（3/3）辊系配置，可按照图3.4所示的受力模型进行简化，斜辊所受的力为集中力，由于第5、6个斜辊同时起着固端和导向作用，因此在第5个斜辊力的作用点处出现弹塑性弯曲，钢筋在1-1-2（3/3）整个辊系中将出现4 次弯曲。图3.4 1-1-2(3/3)辊系受力模型此处钢筋的塑弯比系数为，第1个斜辊所受的弯矩是：则其受力为 (3.8)由三弯矩方程可求得 对于转毂式斜辊调直机的压下量无需太大，也无需严格的递减规律，因此，可取相同值。即 (3.9)同理，可得第3个斜辊的受力为 (3.10)而第6个斜辊的受力为 (3.11)对于转毂式斜辊调直，接触长度为J与辊身长度为有关,。一般与J的近似关系为 (3.12)第5个斜辊，主要受固端力的影响，固端力为 (3.13)则可得 (3.14)得转毂总的调直力为则可得各斜辊的受力分别为: 调直功率此处计算的调直功率仅是旋转调直部分的调直功率，因为水平和垂直调直部分的调直辊是被动驱动，因此无调直功率。旋转调直功率由钢筋低频弯曲塑性变形所需功率、旋转弯曲的塑性变形功率、斜辊摩擦功率、转毂轴承摩擦功率四部分组成。 钢筋低频弯曲塑性变形所需功率低频弯曲的塑性变形能为: (3.15)计算可得: (3.16) 旋转弯曲的塑性变形功率高频弯曲的塑性变形能为: (3.17)次处调直速度，则所需转毂转速，计算可得: (3.18) 斜辊摩擦功率斜辊与钢筋的滚动摩擦系数，斜辊与轴承的摩擦系数，斜辊内径。计算可得:(3.19) 转毂轴承摩擦功率在设计中，采用了在转毂进口处安置深沟球轴承，在其出口处安置成对的角接触球轴承这一配置方案。此处皮带张力:，转毂重量:，转毂内径:，转毂轴与轴承摩擦系数:。计算可得: (3.20)皮带传动效率:，得调直功率为 (3.21)3.3.3 调直系统电机及带轮的选择 电机的选择本设计的调直速度为，根据公式 (3.22)式中：调直速度 n调直筒的旋转速度d钢筋直径由计算得：，调直功率为6.3kw，所以需要的电机功率为7.5kw电机转速为1440r/min。本设计选用Y132M-4型电机。 带轮的选择 确定计算功率计算功率是根据传递的功率P，并考虑到载荷性质和每天运转时间长等因素的影响而确定的。即 (3.23)式中：计算功率，单位为kW； P传递的额定功率（例如电动机的额定功率），单位kw； 工作情况系数，一般取1.2。 选择V带的带型根据计算功率=9kW和小带轮的转速=1440r/min选定带形为A带。 确定带轮的基准直径 初选小带轮的基准直径=140mm，则大带轮的基准直径 (3.24)圆整为=150mm。 验算带速主动轮圆周速度 (3.25) 确定V带轮的中心距a和基准长度 根据 0.7（+）2（+） (3.26) 得 203580取=400 计算带的基准长度 (3.27)所以取 =1250mm 计算实际中心距a (3.28)变动范围： 验算主动轮的包角 (3.29)确定V带的根数 (3.30)查表得=0.995，=0.93，=2.28kw，=0.02。3.4 牵引系统设计3.4.1 牵引系统的力能参数计算 牵引力的计算牵引力的计算公式如下: (3.31)式中 盘圆钢筋开卷所需牵引力； 钢筋通过调直系统所需牵引力。 (3.32)式中 钢筋的工程直径； 开卷张力系数，k=0.030.05;盘圆钢筋与盘料架摩擦系数； 盘圆钢筋所受重力；=12100N 钢筋的屈服极限。则又 (3.33)钢筋弯曲变形所需牵引力；克服钢筋与调直辊摩擦所需的牵引力；克服调直辊轴承所需的摩擦力。计算得:; ; 所以得:则得: 牵引辊压紧力P (3.34)式中 牵引辊与钢筋的摩擦系数取0.2。计算得: 牵引功率 (3.35)式中牵引辊的总传动力矩；钢筋的速度；系统的传动效率；0.94牵引辊的工作直径。 (3.36)式中 牵引辊轴承摩擦系数；取0.8 牵引辊辊颈直径。40mm计算得： 则可得： 3.4.2 牵引系统电机的选择及带轮的设计在本设计中牵引电机与三菱电机公司的PLC、伺服驱动器等配套使用三菱的伺服电机。伺服电机型号为： HC-MFS-151M 型。伺服电机的转速可由伺服驱动器来调节。在到达牵引系统之前钢筋的前进速度就已经达到调直时的牵引速度。因此牵引系统的带传动已经起不到减速的作用，仅是传递动力而已，但此处的速度又不能有损失，以免影响定长切断系统的准确运行，所以此处不能再使用普通的V带，应该选用同步带。在带轮的设计时，两带轮的直径相同，即传动比为1。 计算功率 (3.37)式中：N 同步带所传递功率，KW； 工作情况系数，取1； 张紧轮影响系数，一般取0.8。可得： 选择模数根据计算功率Nca和主动轮转速n1,可查表的模数m=10。 确定主、从动带轮的齿数及节圆直径查表可得，主动轮的齿数为Z=12。由于传动比为1，则从动轮的齿数也为12,从而求得节圆直径d。 (3.38) 验算同步带的线速度由： (3.39)可得： 确定同步带的长度根据钢筋调直机的电机安装的设计尺寸，可知中心距a0=512mm。由：可得： (3.40)查表得带的长度为1250mm。 验算主动轮与同步带的啮合齿数对于不使用紧张轮的两轴传动，可得主动抡的啮合齿数为： (3.41)计算可得：由于，当时，。所以本设计符合要求。 确定同步带的宽度式中：计算功率； 同步带齿形单位宽度的许用拉力，15N/mm； 同步带齿形单位宽度的离心拉力，可得： (3.42)查表可得带的宽度为：50mm。得同步带带轮如图3.5所示。 图3.5 带轮示意图 4 数控钢筋调直机控制系统设计数控钢筋调直机的控制系统采用了以可编程序控制器(PLC)为基础的数控控制系统，主要包括PLC、伺服驱动器、光电旋转编码器、变频器等。4.1 PLC的选型三菱PLC具有结构灵活、传输质量高、速度快、带宽稳定、范围广、低成本、适用面广等特点。三菱FX2N系列PLC具有小型化、高速度、高性能的特点，它是FX系列中最高档次的超小程序编程装置，适用于多个基本组件间的连接，可实现模拟控制，定位控制等功能。本设计选择型号为FX2N-32MR-001的三菱PLC。图4.1为PLC的硬件框图图4.1 PLC的硬件框图4.2 电机的选型 调直电机选型本设计的调直电机需要通过变频调速改变电机的转速，进而改变旋转调直部分的转毂转速以及斜辊转速，从而可以对直径为414mm的钢筋进行调直。本设计的调直电机与三菱电机公司的FX2N-32MR-001型PLC、FR-A540-7.5K-CH三菱变频器配套使用。选择型号为：Y132-4M三相异步电动机。该组合电机可实现变频电机的功能， 牵引电机选型 本设计的牵引电机需要实现对钢筋进行定尺剪切的功能。故此处应选择伺服电机，伺服电机的旋转编码器，在电机每转一圈都会发出一定的脉冲，将伺服电机与PLC相连接，通过PLC统计脉冲数，编辑相应程序输出给伺服电机，对伺服电机进行控制，即可实现定尺剪切这一功能。本设计的牵引电机与三菱FX2N-32MR-001型PLC、三菱伺服驱动器配套使用。选择型号为HC-MFS-151M的三菱伺服电机。图4.2为伺服驱动器与伺服电机的接线图图4.2 伺服驱动器与伺服电机的接线图4.3 调直控制电路设计开关量逻辑控制是PLC最早、最基本的应用，PLC可灵活的应用于逻辑控制、顺序控制等，利用PLC取代常规的继电器逻辑控制已经是非常广泛的一种应用。本设计采用开关量来控制调直电机的启动和停止。三相异步电动机启、停控制是电动机最基本的控制，应用与非常多的场合。如下图，其中图4-3为电机主回路，图4-4为开关量控制回路。图4-3 电机主回路ST-启动按钮、SP-停止按钮图4-4 PLC开关量控制回路5 结 论 通过此次毕业设计，使我对数控钢筋调直机的机械部分以及控制部分的设计都有了比较深刻地了解，并且学到了选多设计方法及知识。 本次毕业设计主要包括机械系统设计和控制系统设计两方面的内容。其中机械系统主要包括：放料机构、导料机构、调直系统以及牵引系统等的设计；控制部分设计主要包括：PLC，电机等的选型，以及PLC对电机的控制电路设计，并完成相应的PLC梯形图控制程序。 在机械系统的设计过程中，我查阅的大量相关的资料文献，获得了一些数控钢筋调直机最新的发展情况，机技术设计等。通过对类似调直设备的学习，对数控钢筋调直机的机械部分有了较深入的理解。通过绘制机械系统的图纸，掌握了设备各部分配合关系、各部分的作用及联系。 在控制系统的设计过程中，我通过查阅相应的文献及部分电子器件的说明书，对控制系统的总体功能的实现有了深入的了解，对设计起到了促进作用。 毕业设计不是简单的计算，也不是理论上设计，它需要我们在结合理论的同时考虑一下实际工况，理论与实践结合，进行设计和创新。此次设计使我明白了无论做什么事情都需要拟定计划，循序渐进的完成，此次设计老师给我们制定了设计计划，使我们可以循序渐进逐步的完成们一部分的设计，使整个设计过程显得很充实。本次设计也让我明确了个人工作与集体合作的联系。自己固步自封是不行的还需要与老师及同学之间的探讨研究，以获得新的启示和设计思路。本设计也使我感受到老师对工作一丝不苟、严谨认真的态度，这应当是我在以后的工作岗位上应当努力做到的。总之，本次毕业设计使我得到了很多。不仅使我把大学期间的学习得所有专业知识作了一次系统的回顾，更重要的是使我明白了许多道理，这些道理对我以后的学习、工作和自身发展有十分深远影响。参 考 文 献1 卢秀春，金贺荣，赵占良，等SGTK6/12数控钢筋矫直切断机的总体设计J，建筑机械，2006:93-952 何立民MCS-51单片机应用系统设计、系统配置与接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，19953 金贺荣数控冷