基于PLC控制的冲床自动送料机的设计

1基于 PLC 控制的冲床送料机摘 要 ： 本篇文章内容是基于西门子 PLC 控制的冲床自动送料机构的设计，针对冲床薄片的自动送料机构在工艺系统中的应用。从加工工艺系统要求和控制系统硬件要求来设计自动送料机构部分确定了控制系统的硬件构成采用了西门子 S7-200 可编程控制器作为冲床系统的核心控制器，使系统达到体积小、控制灵活、故障检测容易，并且提高了生产效率。关键词：自动冲床；冲压；PLC 控制；自动送料；夹送辊 The Desigh of Automatic Feeding Mechanism of Puching Machine Based on PLC ControlAbstract : This article was the design of automatic feeding mechanism of punching machine Siemens based on PLC control, countering to the application of punching sheet automatic feeding mechanism in the process of machining process. I designed feeding mechanism part determines the structure of control system hardware using Siemens S7-200 programmable controller as the the core controller punch automatic feeding system from system requirements and the hardware of the control system requirements. Allowing the system to achieve the small size, flexible control, fault detection, and improves the production efficiency.Keywords: automatic punching machine; PLC control; automatic feeding; pinch roll1 前 言冲压是金属塑性成形加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也称为板料成形。冲压既能够制造尺寸比较小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件；既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制2造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。冲压具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、操作简单、便于实现机械化、自动化与标准化等一系列优点，因此在设备、汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等生产和发展具有十分重要的意义。大批量的中、小型零件冲压生产一般是采用复合模或多工位的连续模。占全世界钢产 60%70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。1.1 冲 压 在 机 械 制 造 中 的 地 位 及 特 点冲压既能够制造尺寸比较小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件；既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件，又能够制造精密（公差在微米级）和复杂形状的零件。占全世界钢产 60%70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，具有十分重要的地位。冲压件重量轻、厚度薄、刚度好。它的尺寸公差是由模具保证的，所以质量比较稳定，一般不需再经机械切削即可使用。冷冲压件的金属组织与力学性能优于原始坯料，且表面光滑美观。冷冲压件的公差等级和表面状态要优于热冲压件。大批量的中、小型零件冲压生产一般是采用复合模或多工位的连续模。以现代高速多工位压力机为中心，配置带料开卷、矫正、成品收集、输送以及模具库和快速换模装置，并利用计算机程序控制，可组成生产率极高的全自动冲压生产线。采用新型模具材料和各种表面处理技术，改进模具结构，可得到高精度、高寿命的冲压模具，从而可以在提高冲压件质量的同时，降低冲压件的制造成本。冲压生产的工艺和设备正在不断发展，除传统的使用压力机和钢制模具制造冲压件外，还有液压成形以及旋压成形、超塑成形、爆炸成形、电水成形、电磁成形等各种各样的特种冲压成形工艺亦迅速发展，把冲压的技术水平提高到了一个全新的高度。特种冲压成形工艺尤其适合多品种的批量（甚至是数十件）零件的生产。对于普通冲压工艺，可采用简易模具、低熔点合金模具、成组模具和冲压柔性制造系统等，组织多品种的中小批量零件的冲压加工。总之，冲压模具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、操作简单、便于实现机械化、自动化与标准化等一系列优点。采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理，加工更为方便，可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件。从而提高生产效率，降低生产成本。1.2 现 代 冲 压 加 工 发 展 趋 势制造冲压件用的传统金属材料，正逐步被各种复合材料或高分子材料替代。在模具的设计与制造中，开发并应用 CAD/CAM 系统，发展高、新制造技术和模具、装置等，以适应冲压产品的更新换代和各种生产批量的要求。推广应用数控冲压等设备，进行3机械化与自动化的流水线冲压生产。某些传统的冲压加工方法将被液压成形、旋压成形、爆炸成形等新颖的技术所取代，产品的冲压加工趋于更合理、更经济。冲模的核心部分是工作零件，即凸模和凹模。其形状和尺寸是由冲压工序的性质决定的。冲裁冲孔落料模的凸、凹模之间间隙很校，并做成锋利的刃口，以便形成强大的剪切力进行剪切，从而使坯件与板料分离。在现代化的机加工过程中，消耗于送料的时间损失是组成零件单件加工时间占比重较大的一部分，它属于辅助时间。要想提高生产率，减少生产中的辅助时间将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间，就必须提高其生产的自动化程度。利用 PLC 可以直接对伺服电机进行位置和速度的控制，通过送料机构进行送料，无需增加定位模块，有效节约成本。PLC 的处理速度高，输出脉冲的频率也很高，而且指令也很简单，在系统联机的情况下也可方便地进行所有指令的修改工作，PLC 控制的送料机构设计简单，通用性强，一种材料的送料机构只需做少许调整改动，既可用于其他材料的送料。本系统通过 PLC 进行调节控制,使操作简单,也减少了在运行过程中的故障查找环节，大大提高了工作效率。改机构就是与 PLC 配套使用的送料机构，可以很好的实现 PLC 的控制功能，实现送料的精确性。1.3 数 控 送 料 机 在 冲 床 系 统 中 的 应 用 概 述近年来，PLC 在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着 PLC 技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多，越来越成熟。在冲床的实际设计和生产过程中，为了提高冲床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。1.4 我 国 冲 床 行 业 市 场 发 展 趋 势目前，整个冲床工具行业企业发展迅猛，对冲床附件的需求量激增，国内市场容量很大。尤其是近几年来，我国汽车工业发展极为迅速，使冲床厂各行业市场变得更加旺盛。目前，国内中低档数控冲床附件产品的市场，基本由国内产品占领，部分产品如数控分度头、刀杆还有一定的批量出口。但是，近几年来台湾等地区的产品大量涌入，中档数控冲床附件产品的市场竞争变得越来越激烈。高端技术水平的产品主要依靠进口，从工业发达国家如日本、德国、意大利等进口较多。一般机械类、传统类冲床附件大量出口国际市场。2007 年虽有部分冲床附件出口量有所增加，但是各类冲床附件的出口总量并不是很大，说明国内市场的需求正在不断的变大。国外及台湾商为了进入我国大陆市场，产品价格逐步调低，其市场份额也正在逐步扩大。目前由于国内产品在售前技术业务交流及售后服务比国外厂商存有明显优势，使国产冲床厂的4数控冲附件产品能够不断的发展。但随着外商采用大陆本地化生产方式之后，我们就会逐渐失去这些优势。近几年部分发展中国家的冲床工具行业发展速度加快，也逐步向大陆市场进口冲床附件等，并有一定的价格竞争优势。例如：印度企业，正在快速发展各类冲床附件产品，各类卡盘、数控转台、数控刀架，在价格方面与其他进口商相比也有一定优势。因此，市场的容量是比较大的，但是竞争的压力也是存在的。就冲床附件的品种而言，大部分的品种国内冲床附件企业都有，也基本属于专业化生产，能够满足主机的需要。但是，随着数控技术的发展，新技术、新工艺的不断应用，国外新品种、新结构数控冲床附件不断出现，例如伺服电机直接驱动的数控回转工作台(单轴高速数控转台或两轴联动高速可倾转台)已经有几家海外厂商在 cimt2005 中国国际机床展会上登场，完全改变了传统的结构原理，回转速度远高于传统的机械结构。加工中心用角度转换镗铣头、数控龙门铣床用 a-c 轴双摆动数控铣头(包括机械式和伺服电机直接驱动式)、为车铣中心配套的 b 轴或 b、y 两轴运动的铣镗滚齿用数控铣头，目前，国内只有个别研究机构或厂家处于研究阶段，没有形成生产能力，主机基本依赖进口配套。另外，高效数控冲床用动力卡盘、刀杆的高速特性及夹持精度均比国外还有较大差距。数控冲床附件产品的水平比起前几年有一定提高。分度类数控附件、数控刀架、动力卡盘等产品，规格及品种也在不断完善，结构也在不断改进，主要性能和可靠性方面均有了很大的提高。目前，国产数控冲床附件应该说能够满足中档数控冲床的配套需要，但为某些高端水平数控冲床配套的冲床附件与国外相比仍有很大差距，主要差距的原因在于整体装备制造能力、协作配套能力、企业自身技术改造能力的不足。这也是目前我国产品水平较国外产品水平低的主要原因。近几年来，因市场订单猛增，新产品开发力度受到影响。从机床附件分会秘书处掌握的情况来看，行业企业新产品开发主要集中在骨干企业。大多数行业企业在保证大量的市场订单时，还应更加注意技术储备产品的研发工作，解决好订单产品与新产品开发的矛盾。既要保当前的市场，又要注意发展将来的市场竞争能力。1.5 我 国 冲 床 与 国 际 水 平 的 差 距近几年，国产冲床总量增加很快，但市场占有率仍然不高(尤其是数控冲床)，目前高档产品绝大部分是依靠进口的，中档产品市场中进口产品也占有很大的份额。从行业总体来看，产业核心竞争力不强。我国虽然是冲床制造大国，但还不是冲床制造强国。主要差距是：第一技术创新能力不足。1、企业基础研究、技术攻关和新产品开发投入不足，直接影响了创新能力的提高。2、自主开发产品的能力差，关键的零部件依赖进口，对引进国外先进技术的消化吸收、创新和提高工作不力。3、科技5人才不能满足产业发展需求，特别是缺乏技术带头人。存在科研与生产、设计与制造、新产品开发与用户个性化需求三脱节现象，直接影响新产品的开发和企业技术创新能力的提高。第二产业化水平不高。1、产业结构不尽合理。主要是专业化水平不高；高档产品开发比较缓慢，市场占有率低；中档产品有一定产量，但竞争力不强；数控冲床功能部件发展滞后，严重制约国产数控冲床的发展。2、经济规模、生产效率与发达国家相比尚有较大的差距。生产厂点过多，生产效率低，赢利能力太差。3、工艺装备陈旧，基础制造技术落后。行业装备数控化率平均仅为 23。原来生产普通冲床的设备用来批量生产数控冲床，在精度、效率和可靠件方面都难以满足使用的要求，严重阻碍了产业化水平的提高。第三综合服务能力不强。1、服务体系不健全，全方位服务能力不强，在市场开拓、成套服务等方面尚有较大差距。国内企业虽然已经重视了服务问题，但普遍缺乏对用户加工工艺的研究，往往是在被动应付的局面。企业国际市场的售后服务更为薄弱，绝大部分企业还不具备国际市场的开拓和服务能力。2、旧的管理模式和管理机制不适应现代服务体系要求，快速反映能力差，运用信息化手段提高企业基础管理能力尚有较大差距。1.6 本 文 的 主 要 研 究 内 容利用 PLC 可以直接对伺服电机进行位置和速度控制，无需增加定位模块，节约成本。因此，本文主要针对 PLC 控制系统设计与之相配套的机械机构。该机构结构简单，制造容易，成本低廉，故障率低，工作效率高，易于维修保养，通用性强。 2 冲 床 自 动 送 料 机 构 方 案 设 计2.1 冲 床 自 动 送 料 机 构 系 统 功 能 概 述本系统由 PLC 控制伺服驱动器，实现伺服电机转角的精确控制，利用皮带传动，从而实现水平方向的精确位移。其采用自动加工方式：工作准备 工作进给 冲压. 加工完毕 停机报警。2.2 初 步 确 定 冲 床 自 动 送 料 机 构 的 方 案将要求加工的数据传给 PLC，PLC 作为核心控制器，进行数据的运算并发送指令脉冲给伺服驱动器，伺服驱动器通过编码线使伺服电机运转实现定位。传动结构由皮带传动和齿轮传动来实现，最终驱动压辊旋转，压辊带动带料使其前进，从而完成送料动作，之后由 PLC 控制冲床实现冲压，完成一次冲压工作。6图 1 自动送料机构方案 Fig. l The automatic feeding mechanism scheme 2.3 初 步 确 定 冲 床 自 动 送 料 机 构 的 工 作 流 程冲 床 送 料 机 构 的 工 作 流 程 分 为 三 个 部 分 ： 工 作 准 备 阶 段 ： 由 工 人 预 先 将 带 料送 至 压 辊 内 抬 辊 并 使 其 接 触 夹 紧 。 完 成 上 料 后 开 机 ， 有 右 边 传 感 器 来 检 带 料 是 否到 位 ， 并 将 带 料 送 至 冲 头 模 具 处 。 完 成 冲 压 送 料 钱 的 准 备 工 作 。 冲 床 工 作 阶 段 ：由 左 边 传 感 器 检 测 带 料 是 否 充 足 ， 若 带 料 充 足 ， 则 由 伺 服 电 机 旋 转 ， 由 压 辊 进 行送 料 。 完 成 送 料 后 ， 由 PLC 给 冲 床 提 供 控 制 信 号 ， 完 成 冲 压 。 之 后 再 回 到 上 一 环节 继 续 工 作 。 工 作 结 束 阶 段 ： 由 左 边 传 感 器 检 测 带 料 是 否 充 足 ， 若 带 料 不 足 ， 则驱 动 伺 服 电 机 旋 转 ， 将 余 料 退 出 并 警 报 提 醒 工 人 进 行 换 料 。3 冲 床 送 料 机 构 的 设 计 计 算3.1 送 料 机 构 的 分 析 说 明3.1.1 送 料 流 水 线 说 明本送料机构主要是用于厚度为 1mm，宽度为 100mm 的 Q235 热轧带钢的加工送料。带钢生产出来后放置在材料架上，通过矫平机矫平之后，然后再送至送料机上。矫平机与送料机的距离必须足够长，才能给送料机与矫平机有缓冲的空间。但距离也不宜太长，过长的距离增加了机器负担且占用太大的空间造成浪费。根据以往的经验，取距离为 4000mm。7图 2 送料流水线 Fig. 2 Feeding pipeline3.1.2 送 料 机 的 受 力 分 析已 知 该 型 号 的 冲 床 在 冲 压 时 所 需 要 的 压 力 为 10000N， 通 过 对 冲 床 数 据 的 研究 并 查 手 册 可 得 ， 在 实 践 对 冲 床 送 料 及 其 模 具 检 测 得 到 冲 床 在 冲 压 间 歇 的 送 料 阻力 为 T=530N， 送 料 的 速 度 为 320mm/s， 使 用 年 限 为 5 年 ， 每 年 工 作 时 间 为 300天 ， 每 天 工 作 为 两 班 制 。 冲 床 送 料 机 构 主 要 是 以 此 为 根 据 进 行 设 计 计 算 ， 并 得 到基 本 的 结 构 尺 寸 。3.2 压 辊 尺 寸 的 设 计 计 算本送料机构最主要的零件为压辊，运动形式的转换，速度的变换，送料过程的实现，主要是由压辊加紧带料旋转，通过与带料的摩擦使带料前进。实现自动送料。因此，压辊的设计，尺寸的选取非常重要。根据送料要求的条件，下面对压辊进行分析。3.2.1 压 辊 的 尺 寸 选 择对于棍子送料来说，防止辊子与材料的相对滑动可以通过提高辊子和材料的压力，增大辊子直径从而提高与材料的接触面积，或者材料与材料之间的摩擦系数来实现。增大材料的摩擦系数的唯一途径是使接触面粗糙。但是，材料表面的光洁度是恒定的，而辊子的光洁度必须很高防止压坏材料表面，因此增加摩擦系数这一方案并不可行。过多的提高辊子与材料间的压力会致使材料表面受到破坏而变形；过大的辊子直径会增加质量使惯量增加影响送料的准确性，也会过大的占用空间且浪费材料。因此，参照多方面的原因，根据以往设计经验并查标准手册，暂定辊子直径为 80mm，宽度为120mm。在之后的计算中再进行校核。83.2.2 压 辊 的 受 力 分 析如 图 3.2.1 受 力 分 析 图 所 示 ， 上 压 辊 自 身 的 重 力 为 ， 受 到 轴 承 及 齿 轮 的1G作 用 力 取 些 许 余 量 ， 大 约 为 1.2 ， 受 到 弹 簧 的 压 力 为 P， 作 用 在 板 料 上 的 合 力G为 1.2 。 作 用 在 下 压 辊 轴 上 的 力 为 1.2 。PG 2图 3 压辊受力分析Fig. 3 Stress analysis of pressure roller计算压辊的体积：）（ 2221 m608148.h4DV（1）计 算 上 压 辊 的 质 量 ：）（ kgM70.416028791 （2）计 算 压 辊 所 受 重 力 ： ）（ Ng08.46.97G1由 受 力 条 件 可 知 ：TP2112.）（3）计 算 所 受 总 压 力 为 ： ）（ NG530.2T2.19所 需 附 加 的 压 力 为 ： ）（ N70.5248.61-530G2.1-P3.2.3 压 辊 压 力 的 校 核查 设 计 手 册 可 得 校 核 公 式 ：pRLEp418.0（ 4）依 据 公 式 进 行 校 核 ： ）（）（ MpaRLGEp 3005.681402538.418.0 因 此 ， 压 辊 并 不 会 对 材 料 形 态 造 成 破 坏 。 因 此 最 终 确 定 辊 子 的 直 径 为80mm， 辊 子 的 长 度 为 120mm。 由 于 棍 子 间 有 摩 擦 ， 考 虑 到 磨 损 ， 选 取 材 料 为q235 号 钢 调 质 处 理 后 再 表 面 硬 化 。3.3 弹 簧 尺 寸 的 设 计 计 算3.3.1 弹 簧 的 受 力 分 析由 上 节 分 析 可 知 ， 弹 簧 的 所 要 求 提 供 的 压 力 为 。 为 防 止 因 材）（ NP70.524料 过 薄 时 导 致 压 力 不 足 而 使 板 料 滑 动 ， 应 提 高 其 预 紧 力 的 大 小 。 现 取 预 紧 力 为3500N， 工 作 压 力 为 5500N， 变 形 大 小 为 1mm， 取 工 作 高 度 为 100mm。3.3.2 弹 簧 的 尺 寸 设 计由 手 册 可 知 弹 簧 的 计 算 方 法 ， 应 用 机 械 设 计 手 册 （ 软 件 版 ） V3.0 进 行 计 算 ，可 是 计 算 简 化 。 下 面 为 弹 簧 尺 寸 的 计 算 程 序 报 告 ： 压 缩 弹 簧 设 计 报 告 一 、 设 计信 息 设 计 者 Name=蔡 战 设 计 单 位 Comp=湖 南 农 业 大 学 设 计 Date=2013/4/26 设 计 时 间 Time=16:31:44。 二 、 设 计 要 求 安 装 载 荷 (要 求 ) F1=5000 (N) 安装 高 度 H1=100 (mm) 工 作 载 荷 (要 求 ) F2=5500 (N) 工 作 行 程 h=1 (mm) 要求 刚 度 k=500 (N/mm) 载 荷 作 用 次 数 N=999 (次 )载 荷 类 型 NType= 类 三 、材 料 材 料 名 称 M_Name=碳 素 弹 簧 钢 丝 C 级 切 变 模 量 G=79000 (MPa) 弹 性 模量 E=206000 (MPa) 抗 拉 强 度 b=1320 (MPa) 许 用 切 应 力 b=541.2 (MPa) 四 、 端 部 型 式 端 部 型 式 sType=Y 压 并 圈 取 值 范 围 n2=1 2.5 压 并 圈 数 n2=2 五 、 弹 簧 基 本 参 数 钢 丝 直 径 d=10.0 (mm) 弹 簧 中 径 D=32.00 (mm) 旋10绕 比 C=3.2 曲 度 系 数 K=1.53 有 效 圈 数 n=6 压 并 圈 数 n2=2 弹 簧 总 圈 数 n1=8 实 际 刚 度 k=502.27 (N/mm) 六 、 校 核 与 分 析 要 求 刚 度 k=500 (N/mm) 实 际 刚 度 k=502.27 (N/mm) 刚 度 相 对 误 差 k=0.45 (%) 安 装 变 形 量 f1=9.95 (mm) 安 装 载 荷 (设 计 ) F1=5000 (N) 工 作 变 形 量 f2=10.95 (mm) 工作 载 荷 (设 计 ) F2=5500 (N) 试 验 变 形 量 fs=15.87 (mm) 最 小 变 f1/fs=0.63 弹 簧 特 性 (安 装 ) Tf1=满 足 要 求 最 大 变 形 比 f2/fs=0.69 弹 簧 特 性 (工 作 ) Tf2=满 足 要 求 最 小 切 应 力 min=623.38 (MPa) 最 大 切 应 力 max=685.72 (MPa)切 应 力 特 性 系 数 =0.91 最 大 切 应 力 比 抗 拉 强 度 max/ b=0.52 弹 簧疲 劳 强 度 Tq=满 足 要 求 稳 定 性 要 求 Tw=满 足 要 求 安 全 系 数 S=1.55 七 、 其 余尺 寸 参 数 安 装 高 度 H1=100 (mm) 工 作 高 度 H2=85.92 (mm) 压 并 高 度 Hb=80 (mm)试 验 高 度 Hs=81 (mm) 节 距 p=13.64 (mm) 螺 旋 角 =7.729261 (度 ) 弹簧 材 料 展 开 长 度 L=804.25 (mm)由 上 面 的 计 算 结 果 可 知 ， 其 参 数 为 钢 丝 直 径 d=10(mm)， 弹 簧 中 径 D=32.00(mm)， 自 由 高 度 为 H=109.95(mm)， 有 效 圈 数 n=6， 压 并 圈 数 n2=2， 弹 簧 总 圈 数 n1=8， 实 际 刚 度 k=502.27(N/mm)， 材 料 名称 为 碳 素 弹 簧 钢 丝 C 级 ， 端 部 为 冷 卷 压 缩 弹 簧 两 端 圈 并 紧 并 磨 平 。 弹 簧 的 代 号表 示 为 ： 。 材 料 为 ： 65Mn。YA95.103TGB/926.3级C3.4 伺 服 电 机 的 设 计 计 算3.4.1 皮 带 的 功 率 分 析分 析 上 压 辊 的 力 矩由 滚 动 轴 承 在 轴 颈 处 的 摩 擦 力 矩 为 ：)(34.15720.3657821 mNPfdMp （ 5）由 上 棍 子 产 生 的 摩 擦 力 矩 为 ：)(106485321TDGf （ 6）综 合 可 得 上 压 辊 的 力 矩 为 ： )(35.1078.51061 NMfp 分 析 下 压 辊 的 力 矩 ：11由 滚 动 轴 承 在 轴 颈 处 的 摩 擦 力 矩 为 ：)(38.160250.)3.1850(2).1(2 mNfdGPMp （ 7由 上 棍 子 产 生 的 摩 擦 力 矩 为 ：)(10648532TDf （ 8）综 合 可 得 上 压 辊 的 力 矩 为 ：)(38.1076.10622 mNMfp （ 9）分 析 压 辊 的 滚 动 摩 擦 力 矩 ：由 于 压 力 并 非 绝 对 对 中 产 生 滚 动 摩 擦 力 矩 ：)(265G,21 mNtt ，（ 10）综 合 可 得 总 的 滚 动 摩 擦 力 矩 ：)(53021Mttt （ 11）最 后 计 算 可 得 皮 带 所 需 传 递 的 力 矩 为 ：)(73.204821 mNt （ 12）已 知 送 料 的 速 度 为 ，smV/30由 此 可 知 计 算 电 机 所 需 要 的 功 率 ：)/(84032sradR（ 13）)(987.159.731 wMP电（ 14）3.4.2 伺 服 电 机 的 选 择12伺 服 电 机 选 型 应 考 虑 的 问 题 ： 电 机 的 最 高 转 速 电 机 选 择 首 先 依 据 冲 床 快 速行 程 速 度 。 快 速 行 程 的 电 机 转 速 应 严 格 控 制 在 电 机 的 额 定 转 速 之 内 。 取 传 动 比 为1/1.31， 则 本 电 动 机 的 转 速 应 为 3000rpm， 配 合 伺 服 电 机 减 速 机 ， 使 其 转 速 降 为100rpm。 惯 量 匹 配 问 题 及 计 算 负 载 惯 量 为 了 保 证 足 够 的 角 加 速 度 使 系 统 反 应 灵 敏和 满 足 系 统 的 稳 定 性 要 求 , 负 载 惯 量 JL 应 限 制 在 2.5 倍 电 机 惯 量 JM 之 内 ， 即 为。ML5J.22N1jj2M1jjL)V()(J（15）计算可知，改系统的惯量为：MLJJ5.23.45.（16）空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的 80% 以内。%8060)(2maxmax AFacMLTtJnT（17）西门子的经济型伺服机技术参数包括 V80 系列，V80 的功率范围为 0.1 kW0.75 kW,并与 S7-200 一起构成简易、经济型伺服控制系统。图 4 SINAMICS V80 伺服系统Fig. 4 SINAMICS V80SINAMICS V80 伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分，伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80 伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列，进行速度和位置的控制，通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。INAMICS V80 的技术特点与优势13硬件系统：最小化的尺寸，节省安装空间； 优化的散热和通风设计，无需散热风扇； 标准化的接口与端子，简化安装与维护；速度设定直接为脉冲输入，方便系统设计； 伺服驱动器与伺服电机配套设计，配合完美。 技术功能：无需参数调试，简单易用；高精度的控制脉冲，更好的满足控制的要求； 集成的编码器接口，可直接实现闭环控制。通讯连接：标准的连接电缆，与 PLC 实现顺畅、可靠的连接； 全面的实现全集成的自动化（TIA ）。通过以上设计计算最终选定 V80伺服电机的型号为：1FL4032-0AF21-0AB0 使用的驱动器型号为：6SL3210-5CB11-7AA0 并选用标准私服电机减速机：SPB_Planetary_Drive 少齿差行星减速器 SPB60 其减速比为 1:30。3.5 轴 尺 寸 的 设 计 计 算3.5.1 估 算 轴 的 直 径已 知 轴 的 转 速 为 76.3944r/min， 其 所 传 递 的 功 率 为 0.2kw， 根 据 查 表 可 得 ，Q235 调 质 后 A 为 120。 由 此 可 以 估 算 轴 的 直 径 ：)(54.163inmPAdo（ 18）考 虑 到 键 对 轴 承 的 削 弱 作 用 ， 应 当 适 当 取 大 直 径 并 圆 整 ， 最 终 得 到 轴 的 直 径 为20mm。3.5.2 轴 的 受 力 分 析轴 上 零 件 的 安 排 为 皮 带 轮 、 轴 承 、 压 辊 、 齿 轮 、 轴 承 。 下 面 将 对 其 进 行 受 力分 析 。 分 别 在 竖 直 和 水 平 面 进 行 力 的 分 析 ， 最 后 再 进 行 所 受 力 矩 的 分 析 。 得 出 如下 结 果 。 首 先 分 析 垂 直 面 分 析 已 知 的 上 夹 送 辊 的 力 矩 得 到 )(35.6781mM计 算 齿 轮 所 受 的 轴 向 力 ：)(9.268035.172NDMFt （ 19）)(.7tan9.68tan（ 20）分 别 计 算 轴 的 支 持 力 ：vaFG2180680avFG21（ 21）解 得 ： )(3.951Nv )(60.42NV14然 后 分 析 水 平 面HF123HF231806（ 22）解 得 ： )(7.42N)9.71N（其 截 面 上 的 转 矩 为 ： )(3.08mM517)(.62N3.5.3 绘 制 力 与 力 矩 图通 过 上 面 的 计 算 结 果 ， 结 合 轴 的 设 计 理 论 ， 并 由 轴 的 初 步 分 配 可 以 绘 制 出 轴的 受 力 图 形 ， 水 平 面 的 受 力 、 力 矩 图 和 垂 直 平 面 的 受 力 力 矩 图 。 再 通 过 观 察 得 出其 受 力 与 力 矩 最 大 的 位 置 。图 5 轴力图Fig. 5 Axial force diagram由 上 图 可 以 ， 由 于 再 水 平 面 受 到 的 力 与 力 矩 很 小 ， 可 以 忽 略 不 计 。 在 设 计 计算 是 只 需 要 适 当 的 增 大 其 直 径 即 可 。 通 过 分 析 可 以 知 道 ， 轴 在 左 边 轴 承 处 受 到 的弯 矩 最 大 ， 而 且 此 时 所 受 的 扭 矩 也 达 到 最 大 值 ， 因 此 其 危 险 截 面 即 为 左 轴 承 所 在的 位 置 。153.5.4 按 弯 扭 合 成 校 核 轴 的 强 度首 先 ， 要 校 核 一 下 轴 的 强 度 ：1322322 84.0316.07.4845981.0 dTMca（ 23）满 足 使 用 条 件 ， 但 考 虑 到 键 槽 对 轴 的 削 弱 作 用 ， 因 此 轴 最 小 直 径 最 终 确 定 为20mm。 其 次 ， 需 要 校 核 一 下 辊 子 的 强 度 ：1322322 6.0801.7.4691.0 dTMca（ 24）辊 子 满 足 使 用 条 件 。由 此 计 算 校 核 最 终 得 到 轴 的 设 计 数 据 ， 根 据 计 算 结 果 及 原 来 的 设 计 安 排 ， 再进 行 轴 的 结 构 的 精 确 布 置 ， 设 计 的 最 终 结 果 见 机 械 制 图 。3.6 皮 带 尺 寸 的 设 计 计 算3.6.1 确 定 设 计 功 率由 上 节 计 算 可 知 ， 伺 服 电 机 的 功 率 为 0.2kw，查 表 可 得 其 工 况 系 数 为 ， 计 算 功 率2.1AK)(4.Pd（ 25）3.6.2 选 择 带 的 型 号已 知 皮 带 轮 的 计 算 功 率 和 小 带 轮 的 转 速 ， 参 照 皮 带 轮 选 取 的 设 计 手 册 上 的 数据 ， 最 终 选 定 皮 带 的 型 号 为 ： A 型 ， 并 选 取 小 带 轮 的 基 准 直 径 为 75mm。 因 此 大带 轮 的 基 准 直 径 为 98.175mm， 圆 整 后 ， 大 带 轮 的 基 准 直 径 为 100mm。 其 传 动 的误 差 率 为 1.825%， 因 此 ， 该 传 动 方 案 是 可 行 的 。 并 且 其 误 差 率 控 制 在 一 个 很 小 的范 围 内 。3.6.3 验 算 带 的 速 度计 算 带 的 速 度 ：)/(39.0167501 smndV（ 26）由 此 可 以 看 出 ：16max538.0V（ 27）所 以 带 的 速 度 是 满 足 使 用 要 求 的 。3.6.4 确 定 带 的 中 心 距 和 基 准 长 度选 取 带 的 基 准 中 心 距 ： 21021)(7.0dda35.为 了 运 行 平 稳 ， 选 择 带 的 中 心 距 长 度 为 200mm计 算 带 的 基 准 长 度 ：)(68.7520417520221/ maddaLd （ 28）查 手 册 选 定 带 的 长 度 为 )(71mLd计 算 实 际 中 心 距 ：)(16.3728.6571032/0ad （ 29）3.6.5 计 算 小 带 轮 的 包 角48.1753.18012ada（ 30）3.6.6 确 定 初 拉 力=69.43(N)220 .0196.013.4505.2 mvKvzPFd（ 31）则 初 拉 力 的 大 小 为 69.43N。3.6.7 作 用 在 轴 上 的 压 力 )(62.1348.75sin43.6921sin0 NFq 3.6.8 确 定 带 轮 的 结 构本 设 计 中 要 求 的 转 速 不 高 ， 因 此 选 用 铸 铁 材 料 来 制 造 带 轮 ， 其 中 ， 由 于 小 带轮 与 大 带 轮 的 尺 寸 适 中 ， 因 此 选 用 腹 板 式 。 带 轮 的 结 构 尺 寸 见 图 纸 。3.7 齿 轮 的 设 计 计 算173.7.1 齿 轮 受 力 分 析齿 轮 所 受 的 圆 周 力 ， 齿 轮 传 递 的 功 率 为 0.1kw。 齿 轮 的 设 计 主NFt96.28要 参 照 这 个 数 据 进 行 计 算 。3.7.2 选 择 齿 轮 材 料 及 精 度 等 级 考 虑 此 对 齿 轮 传 递 的 功 率 不 大 ， 故 大 、 小 齿 轮 都 选 用 软 齿 面 。 齿 轮 选 用 45钢 ， 调 质 ， 齿 面 硬 度 为 220 HBS。 因 是 传 动 用 齿 轮 ， 要 求 精 度 不 高 ， 选 7 精 度 ，要 求 齿 面 粗 糙 度 。mRa.3613.7.3 按 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 设 计确 定 有 关 参 数 如 下 ：齿 数 Z 和 齿 宽 系 列 d取 齿 轮 齿 数 为 Z=40， 则 齿 轮 模 数 m=2。因 齿 轮 为 非 对 称 布 置 ， 因 此 ， 取 =0.3d转 矩 和 载 荷 系 数 K。 转 矩1M)(5.1781NMT查 表 可 知 其 载 荷 系 数 为 35.计 算 许 用 接 触 应 力首 先 计 算 应 力 循 环 次 数 810.530169.760nrtNL查 表 可 以 得 到 寿 命 系 数 为 NTZ因 为 其 为 开 式 齿 轮 ， 因 此 其 工 作 条 件 比 较 复 杂 。所 以 安 全 系 数 取 1.HS查 表 可 得 其 应 力 为 Mpa520MpaSZNT4681.9052H计 算 允 许 的 最 小 直 径 SaFFYzbmK12（ 31）d.561因 此 ， 取 齿 数 为 40， 模 数 为 2， 得 到 直 径 为 80mm 的 齿 轮 满 足 条 件 。3.7.4 校 核 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度分 度 圆 直 径 和 齿 宽18已 知 分 度 圆 直 径 为 80mm， 计 算 得 齿 宽 为 24mm。齿 形 系 数 和 应 力 修 正 系 数根 据 查 表 可 得 齿 形 系 数 为 ， 应 力 修 正 系 数 为8.FaY734.1saY许 用 弯 曲 应 力 )(.025.1920MpSFNTF（ 32）校 核 弯 曲 疲 劳 强 度32114.76HdKTd（ 33）解 得 FFMpa62.14因 此 该 齿 轮 满 足 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度3.7.5 齿 轮 其 他 数 据 说 明已 知 齿 轮 的 模 数 和 齿 数 ， 计 算 可 得 到 齿 轮 的 标 准 中 心 距 为 80mm。 符 合 使 用的 条 件 。 根 据 传 动 的 要 求 ， 查 表 可 以 得 到 齿 轮 的 精 度 等 级 为 7 级 即 可 满 足 传 动的 使 用 要 求 ， 齿 轮 的 其 他 参 数 和 要 求 参 见 图 纸 。3.8 滚 动 轴 承 的 设 计 计 算3.8.1 初 选 轴 承 类 型 与 尺 寸由 于 轴 承 主 要 承 受 的 是 轴 向 力 而 没 有 径 向 力 ， 且 轴 承 承 受 的 力 比 较 大 ， 因 此 ，选 用 圆 柱 滚 子 轴 承 。 根 据 轴 的 直 径 最 小 直 径 为 20mm， 初 选 轴 承 的 内 径 为25mm。 则 轴 承 的 代 号 为 NU 205 E。3.8.2 轴 承 受 力 分 析分析轴承所受径向力： Fr3.9分析所受的轴向力： a03.8.3 计 算 当 量 动 载 荷轴 向 力 与 径 向 力 比 值 为 r此时 。eFra计算当量动载荷 P，19)(arPYFXf（34）按照 X=1，Y=0, ，5.1Pf N503284.296017. ）（3.8.4 验算轴承的寿命hPCnLrh240673794.7131066）（）（ （35）所以所选的轴承 NU 205 E 满足要求。3.9 键 的 设 计 计 算3.9.1 皮带轮键的选择已知棍子轴的直径最小为 16mm，考虑了键对轴的削弱作用最终得到轴的直径为20mm。根据轴的受力情况选择：普通平键中的单圆头平键进行连接，根据轴的直径选择：键宽为 d=6mm，键高为 h=6mm。由公式：PPkldT2（36）因此计算键的长度为： )(6.327065.248mkdlP因此该键的工作长度为 32.66mm，总长度为 35.66mm。取标准长度为 36mm。因为皮带轮的宽度并未达到 36mm。因此，该设计并不合理，不能达到使用要求，因此采用双键连接，并进行计算。 )(78.215.mls因此该键的工作长度为 21.78mm，总长度为 25.78mm。取标准长度为 28mm。能够满足使用要求。3.9.2 齿轮键的选择由轴的设计可知，齿轮轴上的直径为 26mm。根据轴的受力情况选择：普通平键中的圆头平键进行连接，根据轴的直径选择：键宽为 d=8mm，键高为 h=7mm。由公式：PPkldT2（37）因此计算键的长度为：20)(4.6120875.03.2mkdTlP因此该键的工作长度为 6.4mm，总长度为 14.4mm。取标准长度为 16mm。能够满足使用要求。 3.10 螺 钉 的 选 择螺钉的选择计算比较简单，并且大部分螺钉的受力较小。选择的范围较大。在此不多做叙述。螺钉的尺寸主要有：电机与变速机螺栓：GB/T 57802000 M525变速器与机架螺栓：GB/T 57802000 M525机架与机座螺栓：GB/T 57802000 M880机架与机盖螺栓：GB/T 57802000 M880弹簧螺栓：GB/T 57802000 M1080皮带轮连接螺钉：GB/T 652000 M2123.11 检 测 元 器 件 选 型光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。光电传感器的特点：检测距离长，如果在对射型中保留 10m 以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法离检测。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。根据上述结论，最终选定光电传感器的型号为：CCD-463-231。4 冲 床 自 动 控 制 系 统 功 能 软 件 实 现4.1 冲 床 自 动 控 制 系 统 的 流 程21图 6 自动控制系统的流程Fig. 6 Automatic control system flow首先，在编写软件之前需要根据系统所需要求制定软件流程图，当软件流程图绘制成功了，那么对自己所要编写的程序就有了一个大致的编写内容和编写方向。如图6 所示，是系统的总体软件流程图。系统总共有两种操作方式，根据人机界面的操作选择加工方式，其加工方式的编程可逐一编制。手动加工方式需按下“下一步”按钮，冲床才会根据所编写的程序，进行加工一次的步骤。自动加工方式需按下“启动”按钮，冲床才会根据所编写的程序，进行整板的全部加工，指导系统出现故障或操作停止。由于总体软件流程图，不能够使软件准确的实现系统功能，所以又将伺服系统和冲头切片的控制流程进行的分析。4.1.1 伺 服 系 统 控 制 流 程伺服是冲床自动控制系统的主要部分，它完成工件冲孔位置的确定。如图 7 是伺服系统的控制流程图。22准 备结 束首 次 启 动 ？运 动 开 始继 续 运 动到 达 位 置 ？是是否否将 移 位 数 据传 送 给 伺 服驱 动 器图 7 伺服系统控制流程图Fig. 7 The servo system control flow chart其中将移位数据传送给伺服驱动器是关键，所以要解决移位数据的计算。因为电机的额定转速是 3000 转每分，即 50 转每秒，电机每转一圈需要 1000 个脉冲。且伺服电机运转一圈，皮带位移 100mm，即 PLC 送给伺服 1000 个脉冲，皮带带动工件移动了 100mm。脉冲的传送可以用 PLS 指令来完成。脉冲输出指令（PLS）用于在高速输出（Q0.0 和 Q0.1）