切棒料机设计

摘 要切棒料机是将棒状材料由传输机构供给切压机构切断，通过切压机构和切压模板台的共同作用，切断出符合工作要求的指定长度的相应材料。切棒料机目前在一些电子产品制造企业中是一种必要的设备，可以有效的提高企业生产自动化水平，减少劳动强度，提高生产率。切棒料机的整体系统，主要是由传输机构、切压机构和切压模板台共同组成，以电能为输入能量，带动机构运动，并使用 PLC 程序进行控制，使之能切断出符合要求的材料。主题词： 切棒料机，机构，电机，切压AbstractCut bar feeders machine is a club-shaped materials by transmission institutions supply cut pressure machinery is cut off, through cutting pressure machinery and cut pressure template function of both, cutting machine that meets the specified length work requires the corresponding materials. Cut bar feeders machine at present in some electronic products manufacturing enterprises is a necessary equipment, which can effectively improve the enterprise production automation level, reduce labor intensity, improve productivity. Cut bar feeders machine of the overall system, is mainly composed of transmission organizations, cut pressure machinery and cut pressure template Taiwan common component based on the power for energy input, drive mechanism motion and the use of PLC program control, can cut out to meet the requirements of materials. Key words： Cut bar feeders, institutions, motor, cut pressure目 录摘要 1第一章 切棒料机的功能介绍3第一节 切棒料机设备的市场需求及特点 3第二节 切棒料机的优缺点分析 6第三节 课题的提出及意义 7第二章 切棒料机的设计过程8第一节 总体设计方案的确定及解决的问题8第二节 进给机构的设计 10第三节 切压机构的设计 14第四节 辅助机构的设计 18第三章 控制系统的设计 19第一节 PLC 简介 19第二节 基于 PLC 的进给系统控制设计 23结束语 切棒料机机械结构设计总结 30参考文献 31后记 32切棒料机机械结构设计研究第一章 切棒料机的功能介绍第一节 切棒料机设备的市场需求及特点一、 工程塑料的应用状况及分类在各种工程应用，企业生产活动中广泛使用着工程塑料，工程塑料英文名为engineering-plastics,工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性，耐热性，硬度及抗老化性均优的塑料。日本业截将它定义为“可以作为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在 100以上，主要运用在工业上。 ”工程塑料主要分为热塑性塑料和热固性塑料，在工程应用上，以以下五类工程塑料最为常见和常用：A、 聚 酰 胺 ：（ PC） 既 具 有 类 似 有 色 金 属 的 强 度 ， 同 时 又 兼 备 延 展 性 及 强 韧 性 ， 它 的 冲 击 强度 极 高 ， 用 铁 锤 敲 击 不 能 被 破 坏 ， 能 经 受 住 电 视 机 荧 光 屏 的 爆 炸 。 聚 碳 酸 酯 的 透明 度 又 极 好 ， 并 可 施 以 任 何 着 色 。 由 于 聚 碳 酸 酯 的 上 述 优 良 性 能 ， 已 被 广 泛 用 于 各种 安 全 灯 罩 、 信 号 灯 ， 体 育 馆 、 体 育 场 的 透 明 防 护 板 ， 采 光 玻 璃 ， 高 层 建 筑 玻 璃 ，汽 车 反 射 镜 、 挡 风 玻 璃 板 ， 飞 机 座 舱 玻 璃 ， 摩 托 车 驾 驶 安 全 帽 。 用 量 最 大 的 市 场 是计 算 机 、 办 公 设 备 、 汽 车 、 替 代 玻 璃 和 片 材 ， CD 和 DVD 光 盘 是 最 有 潜 力 的 市 场 之一 。B、 聚 碳 酸 酯（ PC） 既 具 有 类 似 有 色 金 属 的 强 度 ， 同 时 又 兼 备 延 展 性 及 强 韧 性 ， 它 的 冲 击 强度 极 高 ， 用 铁 锤 敲 击 不 能 被 破 坏 ， 能 经 受 住 电 视 机 荧 光 屏 的 爆 炸 。 聚 碳 酸 酯 的 透明 度 又 极 好 ， 并 可 施 以 任 何 着 色 。 由 于 聚 碳 酸 酯 的 上 述 优 良 性 能 ， 已 被 广 泛 用 于 各种 安 全 灯 罩 、 信 号 灯 ， 体 育 馆 、 体 育 场 的 透 明 防 护 板 ， 采 光 玻 璃 ， 高 层 建 筑 玻 璃 ，汽 车 反 射 镜 、 挡 风 玻 璃 板 ， 飞 机 座 舱 玻 璃 ， 摩 托 车 驾 驶 安 全 帽 。 用 量 最 大 的 市 场 是计 算 机 、 办 公 设 备 、 汽 车 、 替 代 玻 璃 和 片 材 ， CD 和 DVD 光 盘 是 最 有 潜 力 的 市 场 之一 。C、 聚 甲 醛（ POM） 被 誉 为 “超 钢 ”， 这 是 由 于 它 具 有 优 越 的 机 械 性 能 和 化 学 性 能 ， 因此 它 可 用 作 许 多 金 属 和 非 金 属 材 料 所 不 能 胜 任 的 材 料 ， 主 要 用 作 各 种 精 密 度 高 的 小模 数 齿 轮 、 几 何 面 复 杂 的 仪 表 精 密 件 、 自 来 水 龙 头 及 爆 气 管 道 阀 门 。 我 国 使 用 聚甲 醛 用 于 农 业 喷 灌 机 械 上 ， 可 以 节 省 大 量 铜 材 。D、 聚 对 苯 二 甲 酸 丁 二 醇 酯（ PBT） 是 一 种 热 塑 性 聚 酯 ， 非 增 强 型 的 PBT 与 其 它 热 塑 性 工 程 塑 料 相 比 ， 加 工性 能 和 电 性 能 较 好 。 PBT 玻 璃 化 温 度 低 ， 模 具 温 度 在 50 时 即 可 迅 速 结 晶 ， 加 工周 期 短 。 聚 对 苯 二 甲 酸 丁 二 醇 酯 （ PBT） 被 广 泛 应 用 于 电 子 、 电 气 和 汽 车 工 业 中 。由 于 PBT 的 高 绝 缘 性 及 耐 温 性 可 用 作 电 视 机 的 回 扫 变 压 器 、 汽 车 分 电 盘 和 点 火 线 圈 、办 公 设 备 壳 体 和 底 座 、 各 种 汽 车 外 装 部 件 、 空 调 机 风 扇 、 电 子 炉 灶 底 座 、 办 公 设 备壳 件 。E、 聚 苯 醚（ PPO） 树 脂 具 有 优 良 的 物 理 机 械 性 能 、 耐 热 性 和 电 气 绝 缘 性 ， 且 吸 湿 性 低 ，强 度 高 ， 尺 寸 稳 定 性 好 ， 高 温 下 耐 蠕 变 性 是 所 有 热 塑 性 工 程 塑 料 中 最 优 异 的 。 可 应用 于 洗 衣 机 压 缩 机 盖 、 吸 尘 器 机 壳 、 咖 啡 器 具 、 头 发 定 型 器 、 按 摩 器 、 微 波 炉 器皿 等 小 型 家 电 器 具 方 面 。 改 性 聚 苯 醚 还 用 于 电 视 机 部 件 、 电 传 终 点 设 备 的 连 接 器等 方 面 。我 国 工 程 塑 料 工 业 历 经 10 余 年 发 展 ， 成 果 丰 硕 ， 已 逐 步 形 成 了 具 有 树 脂 合 成 、塑 料 改 性 与 合 金 、 加 工 应 用 等 相 关 配 套 能 力 的 完 善 产 业 链 。 这 是 中 国 工 程 塑 料 工 业协 会 理 事 长 杨 伟 才 在 5 月 27 日 北 京 召 开 的 中 国 工 程 塑 料 工 业 协 会 峰 会 上 表 示 的 。而 在 各 种 工 程 塑 料 的 应 用 中 ， 截 面 为 圆 形 的 棒 状 材 料 的 应 用 尤 为 广 泛 。 本 次设 计 的 课 题 详 细 介 绍 了 各 企 业 生 产 过 程 中 的 关 键 机 构 之 一 的 切 棒 料 机 的 工 作 原 理 、结 构 及 设 计 思 路 。二、切棒料机的设计思路及特点A、切棒料机的特点由以上所述，塑料棒料是企业生产应用中的重要原材料，应用十分广泛,尤其是10mm 以下的棒料在精密仪器生产制造领域中应用最多。在加工生产中，切断棒料是其中必不可少的一个步骤。为其正确配置一台高效能的切棒料机，在中、大批量生产中是保证整线生产能力和自动化水平的关键所在。以下所介绍的切棒料机是我们专门为某机械制造厂成型生产线而设计的。其特点是在机器指令下，一次可同时切断四根棒料，且切削形式独特，切口光滑平整，无切屑、毛刺之忧，棒料可省却一道清晰工序、极具有重要的经济价值。另外，该切棒料机，可支持 4-10mm 各种直径的棒料的切断加工，也可以按照指令设定切断长度以符合生产制造的需要。B、切棒料机的原理切棒料机具备的运动是：进给运动：由电机控制将塑料棒料沿着指定轨迹送入切刀口。切断运动：由气缸控制切刀将棒料按照指令中的长度进行切断。辅助运动：在切刀的的进给料口设计专用装备对棒料的把持和导向运动，以避免棒料未按照指定轨迹送入切刀口。切削原理如下图所示：由图中可见，在棒料切口处，还应具有切压模板台在切刀的下方，起支承棒料径向切削力的作用。切刀在做切断运动的同时，由于护刀板与切压模板台的共同作用于棒料的径向，切刀快速切断棒料，最终导致棒料塑变断裂，整个切削过程都不产生切屑，故可称之为无屑切削。第二节 切棒料机的优缺点分析一、 切棒料机的优点在传统的企业机械加工过程中，车削加工占据了很大的比重，约占机床总数的 50%。车削加工，即在车床上，利用工 件 的 旋 转 运 动 和 刀 具 的 直 线 运 动 或 曲 线 运 动 来 改 变毛 坯 的 形 状 和 尺 寸 ， 把 它 加 工 成 符 合 图 纸 的 要 求 。 棒 料 的 切 断 加 工 也 是 车 削 加 工中 的 一 部 分 ， 但 是 在 棒 料 切 断 的 中 、 大 批 量 生 产 中 ， 使 用 车 床 进 行 切 断 加 工 显 然 是不 合 宜 的 。 另 外 在 车 削 加 工 中 存 在 着 相 当 多 的 安 全 技 术 问 题 ：1、 切 屑 的 伤 害 及 防 护 措 施 。 车 床 上 加 工 的 各 种 钢 料 零 件 韧 性 较 好 ， 车 削 时 所产 生 的 切 屑 富 于 塑 性 卷 曲 ， 边 缘 比 较 锋 利 。 在 高 速 切 削 钢 件 时 会 形 成 红 热 地 、 很 长的 切 屑 ， 极 易 伤 人 ， 同 时 经 常 缠 绕 在 工 件 、 车 刀 及 刀 架 上 ， 所 以 工 作 中 应 经 常 用 铁钩 及 时 清 理 或 拉 断 ， 必 要 时 应 停 车 清 除 ， 但 绝 对 不 许 用 手 去 清 除 或 拉 断 。 为 防 止 切屑 伤 害 常 采 取 断 屑 、 控 制 切 屑 流 向 措 施 和 加 设 各 种 防 护 挡 板 。 断 屑 的 措 施 是 在 车 刀上 磨 出 断 屑 槽 或 台 阶 ； 采 用 适 当 断 屑 器 ， 采 用 机 械 卡 固 刀 具 。 2、 工 件 的 装 卡 。 在 车 削 加 工 的 过 程 中 ， 因 工 件 装 卡 不 当 而 发 生 损 坏 机 床 、 折断 或 撞 坏 刀 具 以 及 工 件 掉 下 或 飞 出 伤 人 的 事 故 为 数 较 多 。 所 以 ， 为 确 保 车 削 加 工 的安 全 生 产 ， 装 卡 工 件 时 必 须 格 外 注 意 。 对 大 小 、 形 状 各 异 的 零 件 要 选 用 合 适 的 卡 具 ，不 论 三 爪 、 四 爪 卡 盘 或 专 用 卡 具 和 主 轴 的 联 接 必 须 稳 固 可 靠 。 对 工 件 要 卡 正 、 卡 紧 ，大 工 件 卡 紧 可 用 套 管 ， 保 证 工 件 高 速 旋 转 并 切 削 受 力 时 ， 不 移 位 、 不 脱 落 和 不 甩 出 。必 要 时 可 用 顶 尖 、 中 心 架 等 增 强 卡 固 。 卡 紧 后 立 即 取 下 搬 手 。 3、 安 全 操 作 。 工 作 前 要 全 面 检 查 机 床 ， 确 认 良 好 方 可 使 用 。 工 件 及 刀 具 的 装卡 保 证 位 置 正 确 、 牢 固 可 靠 。 加 工 过 程 中 ， 更 换 刀 具 、 装 卸 工 件 及 测 量 工 件 时 ， 必须 停 车 。 工 件 在 旋 转 时 不 得 用 手 触 摸 或 用 棉 丝 擦 拭 。 要 适 当 选 择 切 削 速 度 、 进 给 量和 吃 力 深 度 ， 不 许 超 负 荷 加 工 。 床 头 、 刀 架 及 床 面 上 不 得 放 置 工 件 、 工 卡 具 及 其 他杂 物 。 使 用 锉 刀 时 要 将 车 刀 移 到 安 全 位 置 ， 右 手 在 前 ， 左 手 在 后 ， 防 止 衣 袖 卷 入 。机 床 要 有 专 人 负 责 使 用 和 保 养 ， 其 他 人 员 不 得 动 用 。综 上 所 述 ， 在 中 、 大 批 量 生 产 中 ， 使 用 车 床 进 行 棒 料 的 切 削 加 工 是 不 合 宜 的 ，而 且 本 切 棒 料 机 的 设 计 能 够 实 现 连 续 自 动 化 切 断 ， 在 一 定 程 度 上 能 满 足 中 、 大 批量 的 生 产 ， 提 高 劳 动 生 产 率 ， 增 加 生 产 安 全 性 ， 减 少 劳 动 强 度 。 可 以 有 效 的 提 高 企业 生 产 自 动 化 水 平 。二、 切棒料机的缺点本切棒料机的缺点主要有以下几个方面：1、在切断运动时由于切刀的冲击及护刀板的压力，噪音比较大。2、在切棒料机运行时，不能随时微调切棒料的长度。3、在进给的装置中，由于切断的力量太大，由于棒料不能固定，塑料棒料本身密度均比较小，具有一定的弹性，容易发声弯曲，翘起等现象。造成几个问题的原因主要是设计经验的不足，还有控制切刀的部分与棒料的长度比率较大，在不断连续的切断过程中，因为棒料的行经路径不能固定，造成了棒料在运动中产生了晃动，须待以后改进。第三节 课题的提出及意义一、 课题背景中国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平落后，特别是一些老的机械制造厂大多还是比较旧的机床，远远不能满足加工的要求。针对目前制造业的技术装备现状，对传统机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中的一些技术问题，用现代先进技术设计新型设备进行提升，是我国制造业的发展方向。本课题是针对目前机械加工中的塑料棒料材料下料工序进行工艺装备设计，其现实意义在于如何寻找一种可行的、有推广价值的设备设计方法，对传统机械制造行业的技术装备进行技术提升，以解决目前提高加工效率，实现可操作性能好，减少劳动强度，实现批量生产，提高产能。二、 本课题研究的必要性及意义本课题以研究设计一种新型的棒料塑料下料的机械设备为例，通过对次课题的研究开发，随着科学技术水平和人类生活水平的提高，对机械产品的质量要求越来越高，产品品种越来越多，中大批量的产品需求越来越少，而单件小批量生产模式迅速增加，作为实现单件小批量加工自动化的机械设备，由于其突出的优点而得到广泛应用。本课题所涉及的棒料切断机，可以批量的快速的加工出传统机床需要一定时间才能加工出来的零件。可以实现加工的自动化，加工的零件精度高，具有实用性。本课题立足于实践操作，运用行动研究法，边行动边研究。 毕业设计在我们学完大学的全部基础课、技术基础课之后进行，这是我们在进行毕业设计对所学各课程的深入综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们的大学生活中占有重要的地位。另外在做完这次毕业设计之后，我得到了一次在毕业工作前的综合性实践训练。提高了结构设计能力，学会了使用手册以及图表资料。从中锻炼了自己发现问题、分析问题和解决问题的能力，为今后参加工作打下了一个良好的基础。第二章 切棒料机的设计过程第一节 总体设计方案的确定及解决的问题机械系统总体设计是机械设计过程中极其重要的一步，对机械的性能、尺寸、外形、质量及生产成本具有重大的影响。 总体设计应尽可能考虑人机关系、环境条件以及与加工装配、运行管理系统等的联系，使机械系统与外部系统协调和适应，以求设计更臻完善。机械系统的总体设计主要包括：总体方案的设计、总体布置的设计、主要参数的确定等内容。基于本切棒料机的功能系统原理可分解为进给运动、切断运动及导向和夹持辅助运动三部分。对于进给运动机构的设计，由于棒料的长度与直径之比较大，是长行程进给运动，可选择的设计方案有滚珠丝杠传动，带传动和链传动，其各种传动机构的优缺点如下：丝杠的应用是将旋转运动通过丝母转变为直线运动。丝杠传动，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确，频繁换向时容易产生冲击振动。滚珠丝杠与电机连接时中间必须加装联轴器以达到柔性连接。滚珠丝杠丝母间因无间隙，直线运动时精度较高，尤其在频繁换向时无需间隙补偿。滚珠丝杠丝母间摩擦力很小，转动时非常轻松。带传动的应用是传递旋转运动，改变旋向，改变速比。带传动，传动平稳，消除振动，重负荷时容易丢转。同步带则可以直接用同步轮与电机出力轴连接。链传动可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;传递效率较高,一般可达 0.950.97;链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;安装和维修要求较高.链轮材料一般是结构钢等.基于以上各种传动系统的特点已经本切棒料机的进给运动机构的特点，需要进给位置准确才能使棒料切断符合生产要求，同时在进料以后的退回比较方便，故进给运动应选用丝杠传动。切断运动机构是一种往复运动装置，因此可选择的方案为液压传动和气压传动，其各自优缺点简单描述如下：和机械、电力等传动相比，液压传动有如下优点： 能方便地进行无级调速，且调速范围大。 功率质量比大。一方面在相同的输出功率前提下，液压传动设备的体积小、质量轻、惯性小、动作灵敏(这对于液压自动控制系统具有重要意义);另一方面，在体积或质量相近的情况下，液压传动的输出功率大，能传递较大的转矩或推力(如万吨水压机等)。 调节、控制简单，方便，省力，易实现自动化控制和过载保护。 可实现无间隙传动，运动平稳。 因传动介质为油液，故液压元件有自我润滑作用，使用寿命长。 可采用大推力的液压缸和大转矩的液压马达直接带动负载，从而省去了中间的减速装置，使传动简化。 液压元件实现了标准化、系列化，便于设计、制造和推广使用。液压传动的缺点是： 泄漏。因传动介质油液是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免的要产生泄漏。同时，由于油液不是绝对不可以压缩的，油管等也会产生弹性变形，这就使得液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。 发热。在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热、总效率降低。故液压传动不宜用于远距离传动。 液压传动的性能对温度较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染亦较敏感，故要求有良好的过滤设施。 液压元件要求的加工精度高，在一般情况下又要求有独立的能源(如液压泵站)，这些可能使产品成本提高。 液压系统出现故障时不易查找原因，不易迅速排除故障。气压传动的优点 空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。 空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应(空压站)和远距离输送。 因压缩空气的工作压力较低(一般为 0.30.8MPa)，因此，对气动元件的材料和制造精度上的要求较低。 气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题。 使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。气压传动的缺点 气动装置中的信号传递速度较慢，仅限于声速的范围内。所以气动技术不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中，同时，实现生产过程的远距离控制也比较困难。 由于空气具有可压缩的特性，因而运动速度的稳定性较差。 因为工作压力较低，又因结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力很大。 目前气压传动的传动效率较低。基于本切棒料机的机构设计比较简单，切断时信号传递速度不快，切断直径仅为 10mm 以内，运动行程不大，大约 50mm 足够，结构尺寸不大，为了方便维修和使用，故而选用气动机构。对于导向和夹持辅助运动的设计，由于棒料均为塑料件，压力不大，夹持调节范围不大，故导向装置可选择使用螺纹压紧装置，为了减轻重量，导向装置也应该使用铝制材料加工。第二节 进给机构的设计1、 电动机的选择由以上总体设计方案可知，进给机构采用丝杠螺母传动方式，因此需要采用电动机作为动力驱动元件，有伺服系统可以实现进给速度的自动无级调速，无须机械变速，所以，进给传动链大大缩短。本课题的棒料送料轨迹为直线轨迹，对于直线移动的执行部件，由于本课题中直线运动的速度较低，所需要的传动精度不高，在进给工作和回退时基本是匀速直线运动，因此可以选择使用步进电机，同时，步进电机可以直接通过联轴器与撕杠连接，缩短传动链尺寸，极大的提高传动精度和刚度。尽管如此，为了保证进给系统的传动性能要求，在机械传动结构设计时，除选较高精度的传动元件外，还必须在结构上减少和消除传动间隙。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。1)步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速） 。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相电机） 、0.9 度/1.8 度（二、四相电机） 、1.5 度/3 度 （三相电机）等。本课题中负载精度较低，因此可选择用 0.9 度/1.8 度（二、四相电机） 。 2)静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率” 。当然，有着本质的区别。步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的。通常根据需要的转矩大小(即所要带动物体的扭力大小)，来选择哪种型号的电机。大致说来，扭力在 0.8N.m 以下，选择 28、35、39、42(电机的机身直径或方度，单位：mm);扭力在 1N.m 左右的，选择 57 电机较为合适。扭力在几个 N.m 或更大的情况下，就要选择 75、85、86、90、110、130 等规格的步进电机。对于电机的转速也要特别考虑。因为，电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电机在低速(每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大)，在高速旋转状态的转矩(1000 转/分-9000 转)就很小了。当然，有些工况环境需要高速电机，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十 mH,电阻也要大一些为好。 （见电机驱动与控制专用集成电路及应用 ） 。本课题中滚珠丝杠较为简单，电动机只需要承受一种形式的力矩即恒定的负载转矩，选择电机时的计算过程，已知W：运动部件的重量（kg）=滚珠丝杠螺母+滚珠丝杠+推力工作台+余量=2.84*2+0.75+1+1=8.43kg：滑动表面的摩擦系数=0.05：驱动系统（包括滚珠丝杠）的效率=0.9Ph: 滚珠丝杠的导程选择进给速度为 10mm/s,则马达所需要的转速：Nm=V*1000*60/Ph*1=60r/min加到电机轴上的负载力矩通常由下式计算：Tm=F*L/2+Tf=8.43*10*10/2*3.14*0.9+360=480N*mm=0.48N*m其中：Tm：加到电机轴上的负载力矩(N*m)F：沿坐标轴移动一个部件所需要的力（kgf）L：电机转一转的移动距离（mm）Tf：滚珠丝杠螺母或者轴承加到电机轴上的摩擦力矩 3)电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）根据现场实际工作条件，本课题选用 220V 交流电作为驱动电流。4)力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M =2n/60 P=2nM/60其中 P 为功率单位为瓦， 为每秒角速度，单位为弧度，n 为每分钟转速，M 为力矩单位为牛顿米P=2fM/400(半步工作）其中 f 为每秒脉冲数（简称 PPS)根据以上条件，现选择深圳研控自动化科技公司的步进电机产品 YK57XN55-03A电机，其具体参数查阅深圳研控自动化科技公司的网站，可得结果如下：型号 步距角额定电压电机长度保持转矩额定电流 相电阻 相电感转子惯量电机重量电机线数YK57XN55-03A 1.8 2.4V 54.5mm 0.925N*m 3A 0.8 1.3mH 245g*cm 0.45kg 6其中额定保持转矩（0.925N*m）0.48N*m，故所选电机符合工作要求。2、 丝杠传动机构的选择设计丝杠螺母副是回转运动与直线运动相转换的传动装置。滚珠丝杠有很多优点：a.传动效率高：传动效率可达 0.90.96b.运动平稳启动力矩小，传动灵敏；不容易产生爬行；c.寿命高，精度保持性好d.可预紧来消除间隙提高刚度；e.不能自锁，具有可逆性；缺点：a. 工艺复杂，成本高；b. 垂直安装须增添制动装置；基于本课题，滚珠丝杠的选择及计算过程如下：2.1 以负载确定直径假设四条 2 米长度的聚 酰 胺 同 时 处 工 作 台 进 料 槽 之 中 ， 其 密 度 为 1.16g/cm3， 可得 所 需 要 的 推 力 是 ：Fa= 静*V*g=1*1.16*4*3.14/4*2 米*1 2*9.8=0.7N获得所需要的推力的驱动扭矩：T=Fa*Ph/2 *1其中：T：驱动扭矩 Fa：推力 Ph：进给丝杠的导程 1：进给丝杠的正效率。由于所需要的推力及驱动扭矩均很小，但是行程却很长，所以滚珠丝杠的轴径不能太小，目前国内所使用的滚珠丝杠，主要品牌供应商里以 NSK、THK 两家性能最好，现选择 THK 公司的滚珠丝杠，可查阅样本，得 C5 级精度的行程为 2 米，滚珠丝杠轴径应为 25mm。2.2 以直线速度和旋转速度确定滚珠丝杠的导程。本课题直线速度和旋转速度都比较低，按照滚珠丝杠轴径与导程的标准组合方式，查阅 THK 样本表，得导程确定为 Ph=5mm。2.3 以实际需要确定滚珠丝杠长度：总长=工作行程螺母长度+ 安全余量+安装长度 +连接长度+余量，因此，可确定本课题所需要的滚珠丝杠总长度=2000+25=2025mm。2.4 以实际需要确定滚珠丝杠的精度。一般机械选择 C7 级以下即可，本课题实际选取精度等级为 C5 级2.5 由安装条件和尺寸结构确定滚珠丝杠的螺母结构形式，根据实际安装结构需要，查阅 THK 样本，可选使用 BNF 型法兰螺母。由此可确定滚珠丝杠的型号为 BNF2505-5-RR-G0-2025L-C5-B第三节 切压机构的设计1、 气缸的选择由总体设计方案可知，本设计切刀的切断运动宜采用气压传动方式。根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。由此来选择气缸时应该使气缸的输出力稍有余量。若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时消耗气量增大，造成能源浪费。下 面 是 气 缸 理 论 出 力 的 计 算 公 式 ： F= /4*(10-2)D2*P其 中 ：F： 气 缸 的 理 论 输 出 力 （ kgf）D: 气 缸 缸 径P： 压 缩 空 气 工 作 压 力 （ kgf/cm2） ：通常在工程中确定输出力的大小时，可直接查阅经验表。本切棒料机的设计中，依据实际需要查表可知缸径为 63mm 的气缸，空气压力为 0.4MPa 时，效率为 85%时的输出压力为 125kgf，可以满足生产需要。本切棒料机为切刀提供上下往复运动动力，行程不需要太大，故可以选行程为50mm 即可满足需要，由于是上下往复运动，可安装于切刀的上方，因此选择基本式的安装方式即可。气缸有专业生产厂家生产的标准气缸，目前国内外各供应商主要有 SMC，亚德客等，其中 SMC 公司生产的气缸系列全，质量可靠，性能优越，由上所述，可确定气缸型号为 SMC 公司的 CDQ2B63-50D。1、 气动系统回路的设计典型气动系统回路的示意图如下：进气口油压过滤器电磁阀单向调节阀气缸由上面选定的气缸，可依次选定气动系统回路中的各个部件：2、 线性滑轨的选择线性滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到微米级的定位精度。滑块与滑轨间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计让HIWIN 的线性滑轨有更平顺且低噪音的运动。线性滑轨又称直线滚动导轨，简称线轨，是替代传统滑动导轨的机床组件，具有精度高、精度维持时间长等优点。本设计中刀具的上下往复运动宜采用线性导轨作为传动，为了使用传动平稳，宜采用 MR 系列微型标准型线性滑轨。目前，线性滑轨制造商中，性价比较高的品牌一般都是台湾品牌，如 HIWIN、 ABBA，CPC，TBI 等。本设计中选用台湾 CPC 公司的 MR 15WL，其主要参数是：基本额定动负荷 C 动 =6725N，基本额定静负荷 C 静 =12580N静扭矩 Mro=191.9NmMpo=93.1Myo=93.1完全能满足需求。3、 刀具材料的选择刀具材料的性能的优劣是影响切断加工表面质量、切削加工效率、刀具寿命的基本因素。切削加工时，直接担负切削工作的是刀具的切削部分。刀具切削性能的好坏大多取决于构成刀具切削部分的材料、切学部分的集合参数及刀具结构和选择和设计是否合理。每一品种刀具材料都有其特定的用途范围，4.1 刀具材料应具备的性能主要有：4.1.1 高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料必须具备的基本特征，刀具要从工件上切下切屑，其硬度笔削比工件材料的硬度大。耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，其耐磨性就越好。4.1.2 足够的强度和韧性要使刀具在承受很大的压力，以及在切削过程经常出现的冲击和振动条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。4.1.3 高的耐热性耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温条件下保持一定的硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。4.1.4 良好的热物理性能和耐热冲击性能刀具材料的导热性越好，切削热越容易从切削区散走，有利于降低切削温度。刀具在连续切削时，常常受到很大的热冲击。4.1.5 良好的工艺性能为了便于刀具的制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、高温塑性变形性能、磨削加工性能等。4.1.6 经济性经济性是刀具材料的重要指标之一，优质刀具材料虽然单件刀具成本很高，但因其使用寿命长，分摊到每个零件的成本则不一定很高，因此在选择刀具材料时要综合考虑其经济效果。4.2 主要刀具材料的分类4.2.1 高速钢高速钢是一种加高速钢是一种加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的强度和韧性，并且具有一定的硬度和耐磨性。适合各类刀具的要求。高速钢刀具制造工艺简单，容易磨成锋利切削刃，因此尽管各种新型刀具材料不断出现，高速钢刀具在金属切削中仍占较大的比例。可以加工有色金属和高温合金。由于高速钢具有以上性能，活塞加工中的铣浇冒口、铣横槽及铣膨胀槽用铣刀、钻油孔用钻头等刀具都为高速钢材料。4.2.2 硬质合金硬质合金是由难熔金属碳化物(如 WC、TiC、TaC、NbC 等)和金属粘结剂(如Co、Ni 等)粉末经粉末冶金的方法制成。由于硬质合金中都含有大量的金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金材料的硬度、耐磨性、耐热性都很高。常用硬质合金的硬度为 8993HRA，比高速钢的硬度(8386.6HRA)高，在8001000时尚能进行切削。在 540时，硬质合金的硬度为 8287HRA，在 760时，硬度仍能保持 7785HRA。因此，硬质合金的切削性能比高速钢高得多，刀具耐用度可提高几倍到几十倍，在耐用度相同时，切削速度可提高 410 倍。4.2.3 金刚石金刚石是目前已知矿物材料中硬度最高、热传导性最好的物质，与各种金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金的 1/501/800，是制作切削刀具最理想的材料。然而，金刚石目前价格较高，经济性较差。4.2.4 立方氮化硼聚晶立方氮化硼(PCBN)是由 CBN 微粉与少量粘结相(Co，Ni 或 TiC、TiN、Al203)在高温高压下加入催化剂烧结而成的。它具有很高的硬度(仅次于金刚石)和耐热性(13001500)，优良的化学稳定性、比金刚石刀具高得多的热稳定性(达 1400)和导热性，低的摩擦系数，但其强度较低。与金刚石相比，PCBN 的突出优点是热稳定性高得多，可达 1200(金刚石为 700800)，可承受较高的切削速度；另一个突出优点是化学惰性大，与铁族金属在 12001300下也不起化学反应，可用于加工钢铁。因此，PCBN 刀具主要用于高效加工黑色难加工材料。4.2.5 陶瓷陶瓷刀具材料的主要优点是：有很高的硬度与耐磨性，常温硬度达 9195HRC；有很高的耐热性，在 1200高温下硬度为 80HRC；而且高温条件下抗弯强度、韧性降低极少；有很高的化学稳定性，陶瓷与金属亲和力小，高温抗氧化性能好，即使在熔化温度下也不与钢相互作用。因而刀具的粘结、扩散、氧化磨损较少；有较低的摩擦系数，切屑不易粘刀，不易产生积屑瘤。陶瓷刀的缺点是：脆性大，强度与韧性低，抗弯强度只有硬质合金的1/21/5，因此使用时必须选择合适的几何参数与切削用量；避免承受冲击负荷，以防崩刃与破损；此外，陶瓷刀导热率低，仅为硬质合金的 1/21/5，热膨胀系数却比硬质合金高 1030%，抗热冲击性较差。目前，陶瓷刀具还没有应用于铝活塞加工过程中。4.3 切棒料机刀具材料的选择综合以上所述，切棒料机刀具材料的选择宜使用 W18Cr4V 高速钢，既经济又使用，能满足生产需求。在钢中，碳主要与铬、钨、钼和钒(碳化物的形成元素)等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。钨是提高红硬性的主要元素，它在钢中形成碳化物。加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其他合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。在回火时，一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。在加热时，未溶的碳化物则起到阻止奥氏体晶粒长大的作用.钒能显著地提高高速钢的红硬性、硬度及耐磨性。钒形成的碳化物在加热时，部分溶入奥氏体，回火时以细小的质点弥散析出，造成二次硬化而提高钢的红硬性。铬在高速钢中主要是增加其淬透性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。钴也能显著提高钢的红硬性及硬度。故切棒料机刀具材料 W18Cr4V 高速钢经淬火处理后硬度可以达到 HRC58-62第四节 辅助机构的设计1、 切压机构护刀板和刀具模板台的设计切压机构护刀板和刀具模板台的设计示意图如下: 如图所示，8 上刀安装于 7 上刀座之上，并通过 12 压刀板螺钉和 9 压刀板固定。在 9 压刀板与 7 上刀座之间安装有小压缩弹簧，压刀板可起到保护刀刃口的作用。另外当上刀自上而下进行切断运动时，压刀板与下刀撞击，使弹簧产生压缩，并有一定的压力作用于棒料之上，使棒料齐整切断。2、 导向及夹持装置的设计导向及夹成持装置机构设计示意图如下：如图所示，当棒料通过 3 导管输送槽进入切刀之前，首先进入了 1 导管导向板与3 导管输送槽之间设定的型槽中进行校直和导向，由于 1 导管导向板是铝板，密度比较小，自身的自重轻压在棒料之上，不影响棒料的输送，同时有起到了校直的作用。同时由有四个型槽可使棒料在输送槽内分流成为四个方向，便于获得符合要求棒料。另外型槽被设计为同时与最小直径 4mm 的棒料和最大 10mm 直径棒料的圆弧面相切的位置，可以增加可切断棒料的类型。在不需要进行切断操作或者中止切断操作时，可通过松开 5 螺钉手动将导管导向板提上，将棒料取下。第三章 控制系统的设计第一节 PLC 简介1、 PLC 概念 可编程控制器（Programmable Controller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC。它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称 PLC。2、PLC 的特点1）高可靠性A、所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上隔离。B、各输入端均采用 RC 滤波器，其滤波时间常数一般为 10-20ms。C、各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。D、采用性能优良的开关电源。E、对采用的器件进行严格的筛选。F、良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施，以防止故障扩大。G、大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统，使可靠性进一步提高。2）丰富的 I/O 接口模块PLC 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流动；开关量或模拟量；电压或电流；冒充或电位；强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如：按纽、行程开关、接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接选接。另外为了提高操作性能，她还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。3）采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构，PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4）编程简单易学PLC 的编程大多数采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识。因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5）安装简单，维修方便PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。3、PLC 的功能PLC 是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动化（FA）和计算机集成制造系统（CTMS）内占重要地位。今天 PLC 功能，远不仅是替代传统的继电器逻辑。PLC 系统一般由以下基本功能构成：1） 控制功能逻辑控制：PLC 具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可