铝锭码垛机机电系统设计.doc

密级：公开 铝锭码垛机机电系统设计Design of aluminum ingots stacker electromechanical systems学 院： 专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师：年 月摘 要铝锭是电解铝厂的主要产品，浇铸后的铝锭出厂前需经过码垛，称重，打捆等多道工序，目前许多厂家铝锭码垛由人工完成，这样不仅劳动强度大，且码垛不齐，以至于在称重，保管，运输中容易出现散包现象。针对这一系列的弊端，研究一种全自动铝锭码垛设备迫在眉睫。不仅可以减小铝锭生产的人力成本，也大大提高了生产效率。目前，国内一些电解铝厂使用着国外生产的码垛机，但国外产品结构复杂，造价昂贵。如果使用国内某些厂家生产的产品，虽然价格相对便宜，结构简单，但却存在着自动化程度不高，可靠性差等问题。本文介绍一种结构简单，工作可靠并且自动化程度高的全自动铝锭码垛机，详细介绍了该机的整体组成部分，着重研究了生产工艺和技术参数，对关键零部件进行了强度计算，阐述了该机控制系统的设计及可编程序控制器(PLC)在其上的应用。考虑到各运动执行部件的运动所需的力比较小，距离也比较短，因此可以采用气压作为动力源，即以气缸控制各执行部件的运动。在码垛机的机械设计部分中，首先对冷却运输机进行设计，接着对爪开合装置进行设计，然后设计旋转平移装置和机架。在码垛机电气控制设计中，分别对铝锭码垛机的气动原理、控制面板、I/O分配、工作时序以及电气原理进行设计。关键字：铝锭；码垛机；电气控制；PLCIAbstractAluminum ingot is the main product of electric aluminum plant,the aluminum ingot after casting should go through a lot of procedures like stocking ,weighting and bunding before it can be sell. At present, numerous plants use workers to stow aluminum ingot, this kind of work has some drawbacks ,such as heavy labor intensity and low quality of stowing. As a result of this problem its easy to appear scattered bag phenomenon in the process of weighting,keeping,and transportation. For this serious of drawbacks , its inevitable and necessary to research a automatic aluminum ingots stacking equipment. For it can not only save the human resource cost,but also consumedly enhance produce efficiency. Currently, some domestic electrolytic aluminum plant use foreign production of Aluminum ingot stocker, but the structure of foreign production is complex,and the price is expensive. Thought Certain domestic manufacturers of products is relatively cheap, simple structure, but there are some problems like do not have a high degree of automation,and reliability .This article describes a aluminum ingots stacking equipment which has simple structure,reliable operation and high degree of automation.Integral parts of this machine are introduced in detail.The production process and technical parameters are focused research. As to some key components,I carried out strength calculation. In the end is a statement of the design of mechanical control system and the application of programmable logic controller(PLC).Considering each executive component required for movement of force is relatively small, with short distance, so the use of air pressure as the power source, namely with the cylinder to control the implementation of the moving parts of the movement. The mechanical design of the stacker section, cooling conveyor design first, followed by the opening and closing device for claw design, then design the rotation and translation devices and racks. In the design of electrical control of stocker, respectively, on the principle of pneumatic, control panel, I/O distribution, time sequence,and schematic design. IIKey words：aluminum ingot; stocker; Electrical control；PLCIII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1第2章 总体方案设计32.1 机械设计部分32.2 电控部分的选择4第3章 接锭装置设计63.1 求气缸推力与气缸选择73.1.1 选取气缸类型73.1.2 选择安装方式73.1.3 确定负载大小及工作压力73.1.4 缸径选择83.1.5 确定气缸行程83.2 接锭轴的设计83.2.1 选择轴的材料83.2.2 轴上零件的布置93.2.3 轴上零件的定位和固定93.2.4 轴的具体结构93.3 接锭轴的校核103.3.1 接锭轴垂直方向的受力分析103.3.2 接锭轴水平方向的受力分析113.3.3 计算并画出弯矩和扭矩图113.3.3 轴强度的校核并确定各轴段的大小143.4 键的选择和校核143.4.1 已知条件143.4.2 选择键的类型和尺寸153.4.3 键联接强度计算15第4章 爪开合装置的设计164.1求气缸推力与气缸选择174.1.1 选取气缸类型174.1.2 选择安装方式174.1.3 确定负载大小及工作压力174.1.4 缸径选择174.1.5 确定气缸行程184.2 求轴所受内力184.3 机械手爪轴的设计和校核184.3.1 选择轴的材料194.3.2 轴上零件的布置194.3.3 轴上零件的定位和固定194.3.4 轴的具体结构204.4 按弯扭合成强度条件校核轴204.5 轴强度的校核，并确定各轴段的大小264.6 键的选择和校核264.6.1 已知条件264.6.2 选择键的类型和尺寸274.6.3 键联接强度计算274.7 螺栓的选择和校核284.7.1 计算每个螺栓承受的最大工作载荷284.7.2 确定螺栓的公称直径284.7.3 计算螺栓所受总的拉力294.7.4 校核最大应力29第5章 旋转平移装置的设计305.1 求气缸推力与气缸选择305.1.1 气缸类型的选择305.1.2 安装方式的选择305.1.3 确定负载的大小305.1.3 选择旋转气缸的缸径315.1.5 确定气缸行程315.2 平移气缸的选择325.2.1 气缸类型的选择325.2.2 安装方式的选择325.2.3 确定负载的大小325.2.4 选择平移气缸的缸径325.2.5 确定气缸行程325.3 提升气缸的选择335.3.1 气缸类型的选择335.3.2 安装方式的选择335.3.3 确定负载的大小335.3.4 选择平移气缸的缸径335.3.5 确定气缸行程33第6章 电控部分346.1 工作要求346.1.1 码垛方式346.1.1 码垛机需要完成的动作346.2 工作过程356.3 绘制气动原理图356.4 控制面板的设计366.5 PLC的I/O分配设计386.6 绘制电气原理图396.7 PLC I/O分配及配线简图396.8 列出动作顺序表406.9 注意事项436.10 故障处理43第7章 结论44参 考 文 献45致 谢46VII第1章 绪论铝锭码垛机是应用于电解铝行业中用于对铝锭自动打捆的设备。铝锭在出厂前需要码垛打捆以利运输，因此铝锭的码垛是该行业中不可缺少的一种作业方式。在我国的铝锭行业中，很长一段时间以来铝锭的码垛始终困扰着电解铝厂。因为铝锭包装质量与国外同行业相比相对较差，多为人工码垛。存在诸多缺点.例如生产效率低，使轧制生产与包装产生脱节，造成中间库存大。有些铝锭温度比较高，工人的工作环境恶劣，劳动强度大，人工费用高。手工码垛容易造成产口表面污染和损伤。包装质量差，很难达到咬合堆垛，紧密平齐。为减轻工人的劳动强度，提高铝锭的包装质量，增强市场的竞争力，提高企业的经济效益和社会效益，需要设计一种能自动、高效、精确堆垛铝锭的设备。所以利用铝锭码垛机使生产自动化 ，加快码垛效率变的尤为重要。铝锭码垛机一般安装在铝锭铸造设备之后。铝锭码垛机大体组成可分为以下几大部分：原动部分、驱动部分、执行部分、控制部分以及辅助系统、照明设施、电铃报警等。它的主要优点在于实现了整个生产线的自动控制，从而提高码垛机的码垛效率，这也是铝锭码垛发展的趋势。它不仅克服了过去人工码垛的生产效率低、打捆质量差、成本高、工作环境危险等缺点，更重要的是解决了铝锭码垛对整个铝锭生产线发展的阻碍，很大程度上提高铝锭生产线的效率和产量。目前，世界上堆垛机的发展已经很成熟了，早在八十年代中后期，日本、德国等一些工业发达国家已开始研究在铝锭的搬运、码垛过程中实行自动化生产模式，现已取得显著成就。但是他们研究的产品技术复杂，价格昂贵，在国内使用并不普遍。我国电解铝厂目前所采用的铝锭码垛机主要有2种：半自动铝锭码垛机和全自动铝锭码垛机全自动铝锭堆垛机自动化程度较半自动堆垛机高，产量达16t/h，操作方便，但成本高半自动铝锭码垛机成本较低，但效率低，可靠性差，最高产量6 t/h。最近几年，国内各个厂家也相继开发出了多种尺寸铝锭的码垛设备，但都普遍存在着可靠性差，自动化程度不高的问题。针对上述情况，本次设计的主要目的是针对上述存在的问题设计一种新型的铝锭码垛机，加强可靠性，实现完全自动化生产。本课题综合运用了机械设计，PLC，气压与液压传动，材料力学等多学科的知识，就设计过程中遇到的问题进行了详细的研究。在零部件的选取中，通过计算优化了结构的强度，增强了码垛的可靠性。PLC的运用，大大提高了铝锭码垛机的自动化程度。第2章 总体方案设计本课题的设计内容主要有两部分：机械设计部分和电控制设计部分。铝锭的码垛按照每层4块或者5块，相交的方式，每垛11层。2.1 机械设计部分机械设计部分主要包括两部分的内容。铝锭的冷却运输和铝锭的码垛。冷却运输包含的机构如下：接锭机构,移锭机构，提锭机构，推锭机构以及铝锭码层机构；码垛部分包含的机构如下：机械手爪开合装置，旋转和平移装置，机架。机构运动简图如图2-1所示。图2-1 铝锭码垛机机构运动简图铝锭铸造设备铸造的铝锭在脱离模具后经传送带送到冷却运输机处，这时接锭装置的气缸作用，将接锭爪提升至接锭工位，锭随机掉入接锭爪。气缸再作用，将铝锭放入水槽中的移锭装置，并且在水槽中进行冷却。移锭气缸在铝锭落入移锭装置后作用，将铝锭一步一步移到提锭装置的下方。提锭装置在铝锭到达下方后作用将铝锭提升到翻锭或者不翻锭的工位。在推锭装置的作用下，铝锭进入到码层装置，在码层装置中完成码层工位。当铝锭层到达机械手爪开合装置的下方时，旋转和提升装置动作，使手爪向下运动。当机械手爪开合装置到位时，手爪开合气缸动作，卡紧这一层铝锭上升。上升到上位时，平移气缸作用，使小车向右运动到右位，此时提升气缸又作用使铝锭下降到码垛工作台上。此时，手爪开合气缸回位，铝锭脱离机械手爪，提升气缸回位，接着平移气缸回位，进入下一个码垛工序。其中移锭机构和接锭机构之间构成一个工作循环，接锭机构每下一次锭，移锭机构动作一次，这个循环是包含在整个机构的大循环之内的。2.2 电控部分的选择PLC= Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。PLC已经广泛应用于石油、建材、钢铁、机械制造、化工、电力、汽车、环保、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，它具有抗干扰能力强、高可靠性、功能强大、灵活，体积小，重量轻，易学易用、价格便宜的优点。本课题采用可编程逻辑控制器控制，采用的是OMRON的CP1LM60小型可编程控制器1。OMRON的CP1LM60型PLC是一种功能完善的可编程序控制器，它是为16位至128位输入输出端的PLC系统而设计的。它由电源、中央处理器和I/O单元组成，所有这些部件连接组成一个紧凑的PLC系统。下面对CP1LM60型PLC的主要性能做下介绍。CP1L有许多特性，主要有：丰富的CPU单元（10/14/20/30/40/60点RY/TR型）；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步，最大数据容量32k字；脉冲输出轴；高速计数相位差方式轴；单相轴；最大2个串行通讯接口（RS232/RS485任选）；标准配置USB编程接口；支持FB/ST编程；LCD选件板提供丰富的显示/监控功能。CP1L-M60DR-A共有输入继电器36点，输出继电器24点。本课题除了采用CP1L-M60DR-A之外，还得加上一个拓展的PLC，型号为CP1W-40EDR。CP1W-40EDR共用输入继电器24点，输出继电器16点。第3章 接锭装置设计接锭装置的机构简图如图3-1所示。图3-1 接锭装置机构简图 接锭装置整体受力分析如图3-2所示。图3-2 接锭机构总体受力分析图在正常工作的情况下，浇铸好的铝锭需要经过接锭装置进入冷却水槽进行冷却。当铝锭在传送带下到接锭装置上的时候，接锭装置承受了很大的冲击载荷，由实际生产可知，在一定高度的情况下，这个载荷约为铝锭静载情况下的重力的五倍。单块铝锭的重量为20KG，故冲击载荷的大小为1000N ，单个接锭爪臂上所受冲击载荷大小为500N。由于接锭爪臂选用的是实心的钢件，故其自重不可忽略不计，由设计估算可知，单个接锭爪臂的重力约为160N。图中和是爪臂上所受铝锭的冲击载荷，和是接锭爪臂的自重，是气缸对接锭装置所作用的推力。3.1 求气缸推力与气缸选择接锭爪臂的受力分析如图3-3所示。图3-3 接锭爪臂受力分析3.1.1 选取气缸类型现选取非ISO标准普通型气缸。3.1.2 选择安装方式根据结构设计的要求，该气缸需要实现以下功能：在浇铸好的铝锭从传送带上传送快掉入冷却水槽时，气缸伸出，使接锭装置向上抬起，接着铝锭掉入两个接锭爪臂上，气缸缩回，将铝锭放在没于水槽之下的导轨上。根据图3-3，此时气缸在垂直面内会做小角度的旋转，故选择中间法兰式安装机构。3.1.3 确定负载大小及工作压力根据图3-3所示，此时接锭爪臂处于接锭状态，爪臂受到铝锭的冲击载荷和爪臂自重，这两个力都得要由气缸的输出力所平衡。根据力矩平衡原理，将所有的力都向B点取矩，则可得如下计算。考虑到铝锭在下落的一瞬间，爪臂受力很大，但是过了这一瞬间，受力大幅回落。此时气缸会向回缩进，然后又再次伸出，根据计算结果和实际的生产情况，气缸推力为极限状态下大约一半即可。即。3.1.4 缸径选择工业应用中气缸的系统压力一般在0.4MPa 左右，故选取系统压力为0.4MPa。实际选型时，留有一定的余量，故其工作压力按0.3 MP来计算。由此可得如下计算。由此查机械设计手册4卷气压部分，选取爪开合气缸的缸径为。3.1.5 确定气缸行程选取行程为200mm,后根据作图法确定机械手爪的开合角度。3.2 接锭轴的设计3.2.1 选择轴的材料该轴用于传递小功率，非整周旋转，无特殊要求，故选用45号优质碳素钢，进行调质处理。根据表11-13，查得其机械性能如下数据所示。， ，初步以的等直径轴为基础进行设计。3.2.2 轴上零件的布置如图3-4所示，轴的两端安装内径为50的深沟球轴承4，取爪臂和轴连接轴套的宽度为70mm，两爪臂各自离深沟球轴承的距离为181.5mm。在轴的右端预留长度，用以焊接气缸连接杆。图3-4 轴上零件的布置3.2.3 轴上零件的定位和固定滚动轴承连同轴一起固定在自行设计的非标轴承座内。接锭爪臂和轴套采用焊接，轴套同轴之间的连接采用一个定位螺钉和普通平键，从而实现爪臂轴套同轴的径向和轴向定位。滚动轴承的周向固定选用有过盈量的配合联接。轴向则通过轴肩和轴承端盖进行定位。如图3-5所示。图3-5 轴上零件的定位和固定3.2.4 轴的具体结构考虑零件的装拆方便，轴右边的零件从右边向着左边安装，轴环左边的零件从左边向着右边安装，轴两端直径为50mm，用于放置轴承。其余各段根据结构将轴径逐渐加大。综上，轴的具体结构如图3-6所示。图3-6 轴的具体结构3.3 接锭轴的校核接锭轴的综合受力分析如图3-7所示。图3-7 接锭轴综合受力分析3.3.1 接锭轴垂直方向的受力分析接锭轴垂直方向的受力分析如图3-8所示。图3-8 接锭轴垂直方向受力分析将垂直面内的所有力分别向C点和F点简化，列平衡方程如下。得出：3.3.2 接锭轴水平方向的受力分析水平方向的受力分析如图3-9所示。图3-9 接锭轴水平方向受力分析将水平面内的的所有力分别向C点和F点简化，列平衡方程如下。得出：3.3.3 计算并画出弯矩和扭矩图（1） 垂直面弯矩图垂直面弯矩图如图3-10所示。图3-10 垂直面弯矩图（2） 水平面弯矩图水平面弯矩图如图3-11所示。图3-11 水平面弯矩图（3） 合成弯矩图合成弯矩图如图3-12所示。图3-12 合成弯矩图（4） 转矩图 转矩分析如下图3-13所示。图3-13 转矩分析图由以上计算得出转矩图如图3-14所示。图3-14 转矩图（5） 计算弯扭合成图转矩按脉动循环变化处理，取= 0.6，按第三强度理论的修正公式计算5由公式： 可得以下计算。 (3-3)由以上计算可以得出弯扭合成图，如图3-15所示。图3-15 弯扭合成图3.3.3 轴强度的校核并确定各轴段的大小由上文可知，设计之初假定B、C、D、E、F三处的直径相等。在弯扭合成图中可看出，在D剖面处所承受的计算弯矩最大，故D剖面较危险，应对D剖面进行校核。D剖面的计算应力为:。按表11-33，查得:，所以，根据设计结构取轴径强度合格。最后取D点的轴径为。3.4 键的选择和校核3.4.1 已知条件连杆和轴套焊为一体，轴套和轴通过键连接，从而使其沿周向不发生滑动。如图3-16所示。由扭矩图可知，在危险截面D点，键联接所传递的最大扭矩，轴与连杆孔的配合直径为60mm，轴套的宽度为70mm，孔为7级精度，材料为45号钢。图3-16 连杆和轴套的定位形式3.4.2 选择键的类型和尺寸由于轴套孔是7级精度，故要求有较高的对中性，因此选择用平键联接。又因为是静联接，所以选用圆头普通平键，由，查表5-3-56得键的剖面尺寸，对比连杆的宽度，选择键长，键的材料选45号钢。3.4.3 键联接强度计算键联接的主要失效形式是键，轴，轴套三个零件中，任意一个材料较弱的零件工作表面被压溃，由于这三者材料均为45号钢，故可按失效发生在键上进行挤压强度核算。由表5-13查得45号钢的许用应力为（受冲击）。得键联接工作表面上的挤压应力如下。左爪臂 右爪臂 故所选用的键联接强度足够。第4章 爪开合装置的设计在正常工作情况下，机械手到位后放下铝锭、爪打开，在爪打开的过程中爪几乎不受力；在运铝锭的过程中，组成爪的不等边角钢受力，爪臂上的内六角螺钉受剪应力。当出现意外情况，如由于铝锭叠放不够整齐（这种情况发生的可能性很大），爪打开时和下面的铝锭接触，此时，爪受力比正常工作时大了很多。当出现上述情况时，爪必须也能正常工作。因为当爪被卡住时不等边角钢和螺钉的受力均比正常工作时大，现根据爪被卡住的情况进行设计。爪的受力情况如图4-1所示。图4-1 爪开合装置机构简图爪开合机构的受力分析如图4-2所示。图 4-2 爪开合机构受力分析4.1求气缸推力与气缸选择4.1.1 选取气缸类型现选取非ISO标准普通型气缸。4.1.2 选择安装方式根据结构设计的要求，该气缸需要实现如下功能：当气缸电磁阀带电时，机械手手爪合上，当气缸电磁阀失电时，机械手手爪打开。根据图3-1所示，气缸在此时会作小角度的旋转，故选用中间法兰式安装方式来确保实际操作过程中气缸能够旋转。4.1.3 确定负载大小及工作压力根据图3-1，在A点处，A点受铝锭对机械手手爪向上的推力。此时由于气缸电磁阀还处于得点状态，机械手爪有打开的运动趋势，故爪还受铝锭对它的摩擦力。假定为气缸的推力，为爪所受重力的反力，为爪所受摩擦力。由设计估算可知知机械手爪开合装置重量约为250Kg（含铝锭），取摩擦系数。得出，。根据力矩平衡原理，将所有的力向点F取矩，可得如下公式。 (4-1)由此可以得出，气缸所需要的最小理论推力为。4.1.4 缸径选择工业应用中气缸的系统压力一般在0.4MPa 左右，故选取系统压力为0.4MPa。气动元件一般要求安全系数比较高，所以在选取相应型号的时候一般要求留有较大余量，所以在选择缸径时，其工作压力按0.3 MP来计算。由此可得如下公式。由此查机械设计手册4卷气压部分，选取爪开合气缸的缸径为。4.1.5 确定气缸行程选取行程为25mm,后根据作图法确定机械手爪的开合角度。4.2 求轴所受内力由图4-2可知如下公式。 (4-2)设力FF与水平面的夹角为，则 (4-3)4.3 机械手爪轴的设计和校核已知：该轴为爪开合装置所用轴，在正常的工况下，负载时，轴所受的力来自于铝锭的重力和机械手爪的自重。在不负载时，轴受力来自于机械手爪自重和气缸的推力。这些力都不是很大。在当手爪被卡住时，轴受力会有很大的增加，设计时考虑此种情况，能够大大增加轴的安全性，减少设备故障率。4.3.1 选择轴的材料该轴用于传递小功率，非整周旋转，无特殊要求，故选用45号优质碳素钢，进行调质处理。根据表11-13，查得其机械性能如下： ，初步以的等直径轴为基础进行设计。4.3.2 轴上零件的布置如图4-3，在轴的两端安装内径为30mm的滚动轴承，取爪臂与轴联接轴套的宽度为60mm，且两爪臂相对于轴中心对称，两爪臂之间距离取为400mm;在两爪臂之间，在靠近右侧的爪臂位置放置连杆，连杆与轴连接轴套宽度取50mm，与爪臂之间的距离取70mm。图4-3 轴上零件的布置4.3.3 轴上零件的定位和固定滚动轴承连同轴一起固定在自行设计的非标轴承座内。爪臂和气缸连杆采用一个定位螺钉，从而实现爪臂及气缸连杆的轴向定位。而同一侧的两个爪臂的下侧有不等边角钢将两爪臂固定在一起。爪臂和气缸连杆的周向固定用平键联接，滚动轴承的周向固定选用有过盈量的配合联接。轴向则通过轴肩和轴承端盖进行定位。如图4-4所示。图4-4 轴上零件的定位和固定4.3.4 轴的具体结构考虑零件的装拆方便，轴右边的零件从右边向着左边安装，轴环左边的零件从左边向着右边安装，轴两端直径为30mm，用于放置轴承。其余各段根据结构将轴径逐渐加大。综上，轴的具体结构如图4-5所示。图4-5 轴的具体结构4.4 按弯扭合成强度条件校核轴4.4.1 画出轴的力学模型图轴的力学模型，如图4-6所示：图4-6 轴的力学模型4.4.2 对轴各处进行受力分析由上述计算和已知条件，可以得出以下数据。（1）在水平面上进行受力分析水平面受力分析如图4-7所示。图4-7 水平面受力分析将力都向左边轴承支点简化，则可求得水平方向轴承支持力。 将力都向右边轴承支点简化，则可求得水平方向轴承支持力。 （2）在垂直面上进行受力分析垂直面受力分析如图4-8所示。图4-8 垂直面受力分析将力都向左边轴承支点简化，则可求得水平方向轴承支持力。 将力都向右边轴承支点简化，则可求得水平方向轴承支持力。 4.4.3 计算并画出弯矩及扭矩图（1）水平面弯矩图水平弯矩图如图4-9所示。图4-9 水平面弯矩图（2）垂直面弯矩图垂直弯矩图如图4-10所示。图4-10 垂直面弯矩图（3）合成弯矩图合成弯矩图如图4-11所示。 (4-4)图 4-11 合成弯矩图（4）计算转矩。所以，扭矩如图4-12所示。图 4-12 扭矩图（5）计算弯扭合成图转矩按脉动循环变化处理，取，按第三强度理论的修正公式计算5由公式： 得 (4-5)得出弯扭合成图，如图4-12 所示。图 4-12 弯扭合成图4.5 轴强度的校核，并确定各轴段的大小由上文可知，设计之初假定A、B、C三处的直径相等。在弯扭合成图中可看出，在B剖面处所承受的计算弯矩最大，故B剖面较危险，应对B剖面进行校核。B剖面的计算应力公式如下。按表11-33，查得:，所以，取轴径强度合格。最后取B点的轴径为。4.6 键的选择和校核4.6.1 已知条件连杆和轴套焊为一体，轴套和轴通过键连接，从而使其沿周向不发生滑动。如图4-13所示。由扭矩图可知，在危险截面B点，键联接所传递的最大扭矩，轴与连杆孔的配合直径为40mm，轴套的宽度为50mm，孔为7级精度，材料为45号钢图4-13 已知条件4.6.2 选择键的类型和尺寸由于轴套孔是7级精度，故要求有较高的对中性，因此选择用平键联接。又因为是静联接，所以选用圆头普通平键，由，查表5-3-56得键的剖面尺寸，对比连杆的宽度，选择键长，键的材料选45号钢。4.6.3 键联接强度计算键联接的主要失效形式是键，轴，轴套三个零件中，任意一个材料较弱的零件工作表面被压溃，由于这三者材料均为45号钢，故可按失效发生在键上进行挤压强度核算。由表5-13查得45号钢的许用应力为（受冲击）。得键联接工作表面上的挤压应力如下所示。（1）连杆部分故所选用的键联接强度足够。同理，机械手爪部分的键也可按上述步骤进行校核，如下所示。（2）手爪部分A点 故所选用的键联接强度足够。 (3)手爪部分C点： 故所选用的键联接强度足够。4.7 螺栓的选择和校核铝锭码垛机如果在底板与机械手爪臂联接处，出现螺栓联接强度不够的情况，那将很危险。螺栓失效，机械手有可能掉下来，这种现象是不允许发生的，故现对该处进行强度校核。已知：爪开合装置的总重量（含铝锭）约为2500N，螺栓数目为。4.7.1 计算每个螺栓承受的最大工作载荷由表7-316中公式求出每个螺栓所承受的工作载荷如下。4.7.2 确定螺栓的公称直径取螺栓材料为A3，由表7-33中查得数据如下。屈服强度拉压疲劳强度假设所用螺栓的公称直径为。由表7-73查得安全系数，故简化计算时螺栓的许用拉应力如下所示。根据表7-23简化计算法确定螺栓直径的公式确定所需螺纹内径为：。由表6-33查得，螺距，满足要求并符合假设，考虑到安全因素，选取螺栓时留有一定的余量，故选用M8的螺栓，稍微大于许用的直径，确保发生突发情况时螺栓仍能够安全工作。4.7.3 计算螺栓所受总的拉力由表7-23得总拉力的计算公式为，由表7-43选取（按要求紧固，变载荷联结）,由表7-43查取（钢板联结+金属垫），则总拉力计算如下。4.7.4 校核最大应力符合强度条件。第5章 旋转平移装置的设计旋转平移装置的主要作用就是将排锭台上的铝锭在机械手爪夹紧后从左往右移动。在需要使铝锭层旋转的时候，旋转平移装置动作。其机构简图如图5-1所示。 图5-1旋转平移装置机构简图5.1 求气缸推力与气缸选择5.1.1 气缸类型的选择现选取非ISO标准普通型气缸。5.1.2 安装方式的选择旋转气缸的主要功能是带动机械手爪抓取的铝锭做的回转，故气缸在水平面内会有呈一定角度的摆动，所以选取中间法兰式的安装方式。5.1.3 确定负载的大小由设计得知手爪开合装置和旋转装置总重量约为450Kg（含铝锭），取旋转小轮与底板间的滚动摩擦系数。所以，如图4-1所示：摩擦力。由图5-2受力分析可知，气缸所需的推力的最大位置即为旋转的初始位置，沿圆周切向的分力最大。根据力矩平衡可得如下计算。图5-2旋转装置受力分析5.1.3 选择旋转气缸的缸径系统压力为0.4MPa。为留有较大余量，所以在选择缸径时，其工作压力按0.3MP来计算。由此可得如下公式。由此查机械设计手册4卷气压部分，选取爪开合气缸的缸径为。5.1.5 确定气缸行程根据作图法，在旋转的情况下，行程确定为500mm。5.2 平移气缸的选择5.2.1 气缸类型的选择现选取非ISO标准普通型气缸。5.2.2 安装方式的选择平移气缸的主要作用是带动整个小车机构在导轨上做左右的移动。可能在某些情况下气缸会在会沿着垂直方向发生小的晃动。故为了安全考虑，选择中间法兰式的安装方式。5.2.3 确定负载的大小由设计知机械手爪开合装置和旋转平移装置总重量约为500Kg（含铝锭），取导轮和导轨间的滚动摩擦系数。所以，气缸的推力至少需要5.2.4 选择平移气缸的缸径系统压力为0.4MPa。为留有较大余量，所以在选择缸径时，其工作压力按0.3 MP来计算。由此可得：。为防止在行进过程中有杂物卡住导轮，故气缸缸径应选大些。由此查机械设计手册4卷气压部分，选取爪开合气缸的缸径为。5.2.5 确定气缸行程根据设计可知，气缸行程选用1500mm。5.3 提升气缸的选择5.3.1 气缸类型的选择现选取非ISO标准普通型气缸。5.3.2 安装方式的选择提升气缸的主要作用是使爪开合装置沿着垂直方向上下运动，故选择前法兰式的安装方式。5.3.3 确定负载的大小由设计数据可知，爪开合装置的重量约为250KG（含铝锭）。所以气缸的拉力至少需要2500N。5.3.4 选择平移气缸的缸径系统压力为0.4MPa。为留有较大余量，所以在选择缸径时，其工作压力按0.3 MP来计算。由此可得：。由此查机械设计手册4卷气压部分，选取爪开合气缸的缸径为。5.3.5 确定气缸行程由设计可知，气缸行程选取1500mm。第6章 电控部分6.1 工作要求6.1.1 码垛方式每垛铝锭共11层，计54块。其排列方式为：第1层4块并排反向放置，以利打捆机叉运；第2第11层每层5块，排列为正、反、正、反、正，以铝锭侧面上的沟槽互相啮合在一起；相邻层交叉放置。6.1.1 码垛机需要完成的动作接锭爪开合，移锭装置左右移动，提锭装置上下运动，推锭装置左右运动，小车平移运动，手爪旋转运动，手爪升降运动，手爪开合运动。铝锭码垛机的详细简图如图6-1所示。图6-1 铝锭码垛机结构简图6.2 工作过程工作过程1：接锭手爪上升，上升到位后停止上升，延时两秒，接锭手爪开始下降，下降到位后下降停止，延时两秒，移锭装置左移，左移到位后左移停止，移锭装置右移，右移到位后右移停止。工作过程2：铝锭到位后，提锭装置正锭部分上升，上升到位后上升停止，延时两秒，推锭装置右移，右移到位后右移停止，推锭装置左移，左移到位后左移停止。工作过程3：铝锭到位后，提锭装置反锭部分上升，上升到位后上升停止，延时两秒，推锭装置右移，右移到位后右移停止，推锭装置左移，左移到位后左移停止。工作过程4：机械手爪下降，下降到位后停止下降，机械手爪闭合，闭合到位后，延时两秒，机械手爪上升，上升到位后停止上升，开始逆时针旋转，逆时针旋转到闭位后旋转停止，小车开始右行，右行到位后右行停止，机械手爪开始下降，下降到位后下降停止，机械手爪开，机械手爪开到位后，延时两秒，手爪开始上升，手爪上升到位后上升停止，开始逆时针旋转，逆时针旋转到位后旋转停止，小车开始左行，左行到位后，左行停止。工作过程5：机械手爪下降，下降到位后停止下降，机械手爪闭合，闭合到位后，延时两秒，机械手爪上升，上升到位后上升停止，小车开始右行，右行到位后右行停止，机械手爪开始下降，下降到位后下降停止，机械手爪开，开到位后，延时两秒，机械手爪开始上升，上升到位后上升停止，小车开始左行，左行到位后，停止。工作过程1，自启动按钮自动运行后，一直按过程一循环。工作过程2和工作过程3受到计数和提锭信号的控制，交替循环。工作过程4和和工作过程5受到机械手下降和计层信号的控制交替进行动作，并以此循环或停止。6.3 绘制气动原理图气动原理图8如图6-2所示。图6-2 气动原理图6.4 控制面板的设计控制面板的设计9如图6-3所示。图6-3 控制面板各按钮功能如表6-1所示。表6-1 各按钮功能面板按钮说明电源灯HL0表示电控柜内已上电系统上电灯HL1表示系统已经上电自动运行灯HL2表示设备工作早自动状态初位灯HL3表示设备处于原位暂停灯HL4表示设备展示停止运行警报灯HL5表示设备运行出现故障复位SBF重新使设备回复到原位急停SBJ使设备紧急停止工作系统上电SB1系统工作前给系统上电系统断电SB2系统断电停止工作启动/暂停SB3为自动运行工况下的操作自动/手动SA功能选择按钮接锭SB4为手动工况下使接锭爪开启下锭SB5为手动工况下使接锭爪闭合移锭左SB6为手动工况下使移锭装置左移移锭右SB7为手动工况下使移锭装置右移正锭上SB8为手动工况下使正锭气缸上移正锭下SB9为手动工况下使正锭气缸下移反锭上SB10为手动工况下使反锭气缸上移反锭下SB11为手动工况下使反锭气缸下移推锭左SB12为手动工况下使推锭气缸左移推锭右SB13为手动工况下使推锭气缸右移小车左SB14为手动工况下使小车左行 续表6-1小车右SB15为手动工况下使小车右行正旋转SB16为手动工况下使机械手正旋转逆旋转SB17为手动工况下使机械手逆旋转上升SB18为手动工况下使机械手上升下降SB19为手动工况下使机械手下降爪开SB20为手动工况下使机械手开启爪合SB21为手动工况下使机械手关闭6.5 PLC的I/O分配设计PLC的I/O分配9具体如下列表格6-2和6-3所示。表6-2 输入分配表器件地址器件地址器件地址器件地址器件地址器件地址SBF0000SB70008SB150016SQ20024SQ100032SQ180040SBJ0001SB80009SB160017SQ30025SQ110033SQ190041SA10002SB90010SB170018SQ40026SQ120034SQ200042SA20003SB100011SB180019SQ50027SQ130035SQ210043SB30004SB110012SB190020SQ60028SQ140036SQ220044SB40005SB120013SB200021SQ70029SQ150037SQ230045SB50006SB130014SB210022SQ80030SQ160038SB60007SB140015SQ10023SQ90031SQ170039表6