棒料切割机装置总体结构设计-机械毕业设计说明书论文CAD图
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棒料切割机装置总体结构设计-机械毕业设计说明书论文CAD图,切割机,装置,总体,结构设计,机械,毕业设计,说明书,论文,CAD
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摘 要就现如今的机械发展来看，机械行业的发展越来越迅速，特别是一些机械加工企业，对材料的成型一块研究的越来越多。本设计主要以研究机械结构为出发点，力求设计出一种可以对棒料进行快速切割的切割机，一般传统切割机的整体功能都是比较简单的，其中包括了手动切割机以及高自动化的切割机，我们平时见的比较多的是人为手动操控整个切割机，通过砂轮实现对棒料或者其它方料的切割，这种切割方式的效率不是很好，通过人手动去操作切割机来实现切割，首先在切割过程中不能保证切割的平稳性，另外工作效率不是很高，所以为了提高现有的切割机的加工精度以及保证切割机的平稳性，人们开始进行切割机的不同结构和功能的研究，通过采用不同的方式来提升切割机的使用性能，本设计主要从优化传统的手动切割机入手，对该切割机的整体结构进行相应的设计研究，其中包括了它的电机的选型，传动方式的确定、气缸的选择以及滚动轴承的选取校核等，为了提升该棒料切割机的整体使用性能，增加该棒料切割机的加工效率，通过分析它的纵横行走方式进行细致的设计研究，采用合适的方法来保证设计出来的棒料切割机符合设计的要求，并且对该棒料切割机的电气控制部分进行了细致的分析研究，保证它的整体的运动符合机电一体化设备的要求，采用机械与电气相结合的方式来实现本设计中棒料切割机的整体设计，运用到PLC控制来实现它的整体的控制，这是对本设计中的棒料切割机的整体分析，在接下来会对该棒料切割机的各个位置结构整体进行详细的设计研究。关键词 棒料；切割机；结构；控制IAbstractFor todays mechanical development, the development of the machinery industry is more and more rapid, especially some mechanical processing enterprises, the forming of a piece of material is more and more studied. This design mainly studies the bar material as the starting point, and strives to design a cutting machine that can cut the bar material quickly. Compared with the transmission cutting machine, the overall function of the general traditional cutting machine is better Can be relatively simple, the type of cutting machine is also diverse, including manual cutting machine and high automation cutting machine, we usually see more manual control of the whole cutting machine, through the grinding wheel to achieve the cutting of bar or other square materials, the efficiency of this cutting method is not very good, through the manual operation of the cutting machine to achieve one of its advantages Cutting, first of all, in the cutting process can not guarantee the smoothness of the cutting, in addition to the working efficiency of the cutting machine, its processing efficiency is not very high, so in order to improve the machining accuracy of the existing cutting machine and ensure the smoothness of the cutting machine, people began to study the different structures and functions of the cutting machine, through the use of different ways and methods to improve the cutting efficiency Cutting machine performance, this design is mainly to optimize the traditional manual cutting machine, the overall structure of the cutting machine corresponding design and research, including the selection of its motor, also includes the determination of its transmission mode and the selection of cylinder, in order to improve the overall performance of the bar cutting machine, increase the processing efficiency of the bar cutting machine Through the analysis of its vertical and horizontal walking mode, detailed design and research are carried out, and appropriate ways and methods are adopted to ensure that the designed bar cutting machine meets the design requirements, and the electrical control part of the bar cutting machine is analyzed and studied in detail, so as to ensure that its overall movement meets the requirements of mechatronics equipment, and the combination of mechanical and electrical is adopted To achieve the overall design of the bar cutting machine in this design, the use of PLC control to achieve its overall control, this is the overall analysis of the bar cutting machine in this design, in the next will carry out a detailed design and Research on each position structure of the bar cutting machine.Keywords bar material cutter structure controlIV目 录摘 要AbstractII1 绪 论11.1 课题研究的意义11.2 国内外棒料切割机的发展现状11.3 本设计的创新点与亮点31.4 本设计的主要结构安排42 切割部分总体设计42.1 设计要求42.2 方案设计42.3 切割部分部件的设计52.3.1 砂轮片的确定52.3.2 电机的选取62.3.3 带传动设计72.3.4 升降气缸的选择112.3.5 滚动轴承的选取及校核142.4 本章小结173 夹紧机构设计183.1 设计要求183.2 方案分析183.3 夹紧方案的确定193.4 本章小结204 纵横行走部分的设计214.1 设计要求214.2 方案设计214.3 直线导轨的选择计算214.3.1选定条件214.3.2选择方式224.4 本章小结235 PLC控制原理和电气控制路线的确定255.1 可编程控制器PLC的基本原理255.2 可编程控制器的特点255.3 电气控制线路设计的一般要求265.4 电气控制线路的设计方法275.5 气动原理图设计275.6本章小结296 棒料切割机的维护和保养30结 论31致 谢32参考文献331 绪 论1.1 课题研究的意义本设计主要研究的是棒料切割机，研究棒料切割机的主要目的是为了提升棒料的切割性能，对于我国这种机械制造大国来说，机械行业领域的发展是比较迅速的，棒料是金属铁质材料，所以对于它们的加工是比较麻烦的，使用传统的切割机不能实现它们切割的完整性，所以不能实现较高的功能，并且不能保证它的一 个加工载荷作业，通过采用合适的方法才能保证它的加工的可靠性，本设计主要对传统的棒料切割机进行优化型设计，通过增加纵横行走装置来增加它的可动性和加工效率，采用控制系统以及液压缸活塞运动来实现它对棒料的切割，这样可以很大程度上提高切割机的工作效率，总的来说一方面可以对现有的传统切割机的结构做出改善，提升切割机的加工效率，降低生产成本；另外一方面根据切割机工作原理和工作方式，了解它的整体工作流程，通过对新型的切割机的设计研究一方面是对我们大学所学知识的一个实践考核，另外一方面也提升了我们自主学习设计的能力，研究设计知识涵盖面比较广的切割机可以在一定程度上提升我们的设计能力，增强我们的机械设计水平，为我们在以后更好适应机械设计方面的工作提供了基础，另外一方面对于我所设计研究的棒料切割机，它的整体结构的设计研究，以及它的功能的可靠性为以后其它机械制造企业提供了参考。同时，切割机的夹紧机构也有了迅速的发展，一些简单的机械手已经得到广泛的应用。简单的机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种也在不断的增加，应用领域也在不断的扩大。简单的机械手是一种仿人操作、自动控制、的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产，它对稳定提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。1.2 国内外棒料切割机的发展现状随着机械行业的飞速发展，棒料切割机已经成为人们在机械设备制造过程中必不可少的机械设备，对于棒料切割机来说，它的主要作用是实现对棒料的切割，实现物理结构上的改变，通过对长度比较长的棒料进行切割，最后得到长度比较短的棒料，根据棒料的用途的不同，棒料切割机被运用在不同的领域，它们所切割出来的材料也被运用在不同的领域里面，棒料切割机的分类还包括对不同材料的切割分析，切割不同的材料，它们所使用的砂轮的材料也是不同的，随着机械制造行业的不断发展，越来越多的金属材料被开发出来，各种材料结构的棒料被研究出来，我们平常见的多的主要是铸铁类的棒料以及钢类的棒料，另外还有一些合金钢的棒料，比如20Cr等材料等，这些材料具有不同的强度和刚度，对于切割机的作用来说，切割机主要通过砂轮片的刀刃与金属结构的表面进行摩擦的目的，破坏棒料结构的物理分子结构，从而起到一个在高热和快速摩擦的作用下来实现棒料的一个切割，所以各个国家对于棒料切割机的设计研究主要以几个方面来进行设计研究，其中包括了自动化研究，切割机的高效自动化是保证切割机能进行高效率的工作前提，通过切割机在高效率的机械设备中进行切割作用，可以大大提高切割机的使用效率，降低生产劳动成本，用自动化的机械设备代替传统的人工操作的机械设备，对该棒料切割机的整体设计研究还包括了对该棒料切割机的整体控制系统的研究，需要实现切割机的自动化，需要采用控制系统来实现它的切割过程，在切割机的运动过程中我们不难发现，切割机的工作包括了水平移动以及纵向移动，这两种移动方式的设计都是当前研究比较深入的话题，通过该棒料切割机的刀具走向的分析，以及棒料切割机的直线导轨的设计分析才能保证设计出来的棒料切割机符合设计的要求，对于棒料切割机的发展来说，我国最开始的棒料切割机应该属于锯子结构，锯子整体具有齿形状的拉条，通过人力操作锯子整体做水平方向的工作，从而实现对棒料的切割作用，棒料切割机最早是在我国发展的，鲁班时期就有了锯子的由来，这就是棒料切割机的雏形，随后各个国家通过在它的基础上进行设计优化，才保证设计出来的切割机能达到一定的自动化，我国每年的消耗的机械钢材在3亿吨以上，由此可见我国的棒料钢材等材料的使用范围之广，钢材棒料的迅猛发展带动了我国机械制造行业的飞速发展，越来越多的机械制造企业都投入到了棒料切割机的设计发展队伍中来，经过几十年的发展，各类型切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了良好的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种方式(砂轮、火焰、等离子、激光、高压水射流)切割方式;切割机的控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式;驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动;棒料切割机也已步入技术简单、稳定高效率的智能化的时代。机电一体化产品广泛应用各种加工业，切割技术也有了飞速的发展，手工切割已经适应不了现代工业发展的要求。同时，切割机的夹紧机构也有了迅速的发展，一些简单的机械手也得到了应用，通过机械手代替人手来实现它们的一个整体的切割加工，这是对该切割机设计的具体分析，各类型切割机在切割能源和数控控制系统两方面不停地创行与发展，在传统切割机的基础上进行优化设计，保证设计出来的棒料切割机符合设计的要求，国内的切割机发展也是向着这个方向所发展的，今后的切割机发展会向着更加智能化以及高自动化方向所发展。1.3 本设计的创新点与亮点首先对于棒料切割机来说，棒料切割机本身是我们日常生活中比较常见的东西，如果需要在它的整体上进行大的优化和创新不太现实，因为现有的人们已经比较熟练掌握现有的切割机加工技术，所以为了提升切割机的加工效率，需要在现有的切割机基础上进行相应的优化设计，本设计主要对该切割机的大体部分进行相应的设计创新，其中包括了采用的砂轮片的形态结构的优化，砂轮片刀刃角度的不同形态，以及电机的选择等，另外包括了该切割机的驱动方式，其中主要包括了对该传动方式的优化选择，在考虑齿轮传动以及带传动等方式方面进行优化设计，通过分析最终选择带传动来作为本设计的传动方式，另外本设计的亮点还在于本设计中的驱动方式采用了气缸驱动方式来实现，气缸驱动大大降低了生产成本，由于电机需要电力输出，而气缸则不需要电力的驱动，并且气缸可以达到较大的力矩，从而实现对该棒料切割机切割装置设计，同时包括了对该棒料切割机的控制系统的选择，采用PLC来控制该棒料切割机，实现了它切割的可靠性，这些是本设计的主要创新点，相对于传统的手动操作的棒料切割机来说，在传统的棒料切割机的基础上进行了相应的优化型设计，保证设计出来的棒料切割机符合设计的要求，通过对棒料切割机的整体的控制部分设计以及机械部分的设计，保证设计出来的棒料切割机具有更高的效率和更好的操作加工性能。1.4 本设计的主要结构安排本设计主要设计研究的是棒料切割机，所以对该棒料切割机的整体结构设计是很重要的，特别是对该棒料切割机的机械部分的设计，机械部分的设计包括了动力元件的设计、传动方式的选择、砂轮片材料大小的选择、气缸参数的计算、轴承的选取校核、切割机的棒料夹紧部分的设计等，此外还包括对该棒料切割机的纵横行走部分的设计，最后对该棒料切割机的控制部分进行相应的设计分析，总的来说，本设计主要先设计考虑棒料切割机的机械设计部分，然后考虑棒料切割机的控制部分，最后对该棒料切割机的控制部分进行设计研究，先对总体结构进行设计研究再到每个部件零件的分析计算，采用先主后次的研究设计方法来实现它的整体设计研究，最终保证设计出来的棒料切割机符合设计的要求，具有更好的操作性能，这是本设计的主要结构安排。2 切割部分总体设计2.1 设计要求首先预设分析它需要实现满足的功能，在本设计中根据它的功能确定棒料切割机在一定的定长信号情况下连续对两条棒料进行切割，通过对该棒料定点切割以后可以保证该棒料切割机能在规定的时间范围以内返回，然后进行下一个棒料的切割作用，本设计中棒料切割机要实现对棒料的切割深度达到35mm，并且切出切口以后通过压断机来实现它的一个压断，这样就实现了切割机的整个工作过程，这是对该切割机设计要求的具体分析，通过满足这些要求进而对该切割机的各个部件位置尽心相应的设计分析，保证设计出来的切割机符合设计的要求，这是对本设计中棒料切割机的具体设计要求的分析。2.2 方案设计首先，棒料切割机的主要作用是实现棒料的切割，所以对于棒料切割机的工作来说，棒料切割机的切割部分是很重要的，通过对棒料切割机的分析，切割部分主要包括了电机、砂轮组以及传动机构，它们共同构成了切割机的切割部分，切割机的传动方式主要有带传动和齿轮传动，再考虑本设计中的切割方式，同时分析带传动与齿轮传动的优缺点，对于本设计中的切割加工，主要是实现砂轮的高速运转，对于砂轮的高速运转来说，高速度的运转方式来带动砂轮的转动，从而实现砂轮的一个摩擦切割的作用，对于齿轮的运动分析可以知道，齿轮基本被用在转速不高的场合，因为齿轮是通过齿轮齿形之间的啮合而实现的传动，在高速运动过程中容易导致断齿的形象出现，并且如果运用齿轮强度较高的齿轮，那该切割机的切割部分的成本也比较高，这样就导致了成本过高的问题，并且对于齿轮出传动来说，它们之间的震动也比较大，所以为了消除震动还需要增加消除震动的方法，这样也增加了它的一个成本，所以对于切割机来说，降低它的成本，增加它的实用性是很有必要的，本设计根据切割机的切割作用，通过采用带轮驱动的方式来驱动切割机的切割部分的作用，这样就实现了它的一个切割的作用，这是对本设计中切割机的传动部分的分析，通过对本设计中切割机的传动方式的确定，最终确定了该切割机的整体设计方案如下图2-2所示： 图2-2 切割部分原理图本次设计的棒料切割机的整体采用的是砂轮切割的方式来实现，对于本设计中的棒料切割机，它的整体结构采用一整套切割系统以及行走系统，根据它的功能运动的剖析可知，当需要进行棒料的切割的时候，需要操作切割部分去接触棒料，此时的升降气缸就起到了调节切割组的重要作用，升降气缸采用铰链连接的方式，实现了该砂轮机构能进行正常的上下移动作用，通过在气缸的调节作用下实现切割组的一个上下移动，从而控制切割机去接触棒料，实现它的一个切割，另外除开切割部分，该设计增加了它的纵向和横向装置，横向切割装置主要负责对该切割机操作可以控制连续切割加工两根棒料，而对于纵向装置来说可以实现对棒料长度的切割，这样就实现了它的整体切割的作用，通过合理的方式方法来保证切割的可行性，这是对该切割机切割部分的设计。根据设计的要求，确定本设计中割部分的动力源以及控制系统，对于本设计中的气缸运动以及电机的驱动等采用的是电磁阀整体运用PLC来实行控制，这样就实现了本设计中的切割机的整体运动，通过对切割机的各个部分的设计研究来保证它的一个可靠性，接下来需要对该切割机的切割部分整体进行细致的设计分析，确保每个部件的设计符合设计的要求，保证它的设计环节在合理的范围以内，这是对本设计中切割机切割部部分的总体方案设计。2.3 切割部分部件的设计2.3.1 砂轮片的确定对于切割机来说，切割机的主要部分也是它的主要工作部分是它的砂轮片，因为在切割过程中砂轮片通过高速的运动从而使砂轮片与棒料进行接触切割，这样就实现了它的一个切割作业，砂轮片的材料有多种多样，一般对于砂轮片来说主要分为磨砂砂轮以及白玉砂轮，有些对砂轮的切削要求比较高的还增加了陶瓷结构的砂轮，对于砂轮的材料结构一般分为了普通磨料砂轮和天然磨料砂轮和金刚石，立方碳化硼等材料的砂轮，它们都是根据与磨削材料的不同而分布在不同的场合里面，首先对于本设计的分析可以知道，本设计的砂轮工作场合主要是进行对棒料的切割，通过对棒料的强度和刚度的分析，选择合适磨料的砂轮结构，对于砂轮整体来说，砂轮的整体结构主要分为磨粒，结合剂以及气孔等三部分组成，它们之间构成三种形态，其中主要是紧密，中等以及疏松，根据磨料的大小颗粒的不同从而切割的东西也具有不同，对于一些要求切割比较精密的物件来说，通常就采用比较紧密的砂轮材料来实现它的切割作用，而对于一切要求切割力矩比较大的场合则需要比较疏松或者中等紧密程度的磨粒分布来实现它的一个切割作用，通过对本设计的切割机的切割整体分析，参考市面上的砂轮切割机的砂轮材质结构以及砂轮的规格大小，根据它可达到的转速的要求，最终选择如下：切断能力为50 的砂轮片，其规格为mm，所需电机的最小功率为kW，转速为=2840 r/min, 砂轮片的最大线速度为60m/s。最终选取砂轮片的型号为TL-001型，其磨料为棕刚玉，粒度为20。2.3.2 电机的选取本设计中需要保证砂轮的转速大小为2840r/min，根据根据砂轮片的工作的要求，进而分析该电机的参考设计要求，根据砂轮片的工作要求，计算分析所需要选择的电机，本设计的驱动方式所选择的是带轮驱动，接下来对该电机进行细致的设计选择，通过对比分析选择合适的棒料切割驱动电机，这样才能实现它的一个精准加工，这是对本设计的电机选择的分析，对于之前要求的电机功率大小最低要保证在2.2kW,所以对于本设计中的电机驱动来说，需要对本设计的电机整体功率分析需要大于2.2kW才能保证它的一个可靠性，接下来对本设计的电机进行细致的设计分析，参考电机驱动功率在2.2kW以上比较符合要求的电动机可以采用Y型三相笼型异步电机，该种电机结构是封闭式结构的，并且该种电机的电压在380V,采用Y型结构，对于本设计中的棒料切割机来说，它的工作速度与工作功率所要实现的具体如下：（2-1）式中：PW输出轴输出功率（kW）；Fw工作时带轮摩擦的阻力（N）；工作速度（m/s）。 首先对于本设计的设计要求来说，本设计主要实现电机驱动带轮做转向运动，而带轮驱动整个砂轮盘进行旋转作用，根据带轮所要达到的功率进行逆向分析，带传动以及轴承连接，它们之间具有一定的传动效率比，根据分析现要求的砂轮所要达到的功率的大小在2.2kW,参考该带轮的运动根据砂轮需要达到的设计要求进行细致的分析设计，保证设计出来的可靠性，分析该电机的最大输出功率的大小要求计算如下：为了计算电动机的所需功率，先要确定从电动机至输出带轮之间的总效率，为（2-2）式中，、分别为轴承、带轮传动和联轴器的传动效率。由附录1取，则可求得电动机的总效率为（2-3）电动机所需输出功率为（2-4）根据设计的要求，参考机械设计课程设计手册第五版第十二章电动机的选择可以确定，电动机的额定功率在3.0kW的电动机有两种，Y100L-2机型和Y100L2-4，虽然都是3kW的电动机，两种电动机的不同之处在于前者的同步转速可以达到3000r/min，而后者只能达到1500r/min，根据之前砂轮所要达到的设计要求，最终电机选择Y100L-2型三相笼型异步电机，该种电机可以实现对本设计中的带轮的整体驱动和砂轮的工作要求，该电机选择符合设计的要求，通过对该电机选择以及砂轮片的选择之后，可以确定本设计中带轮的传动方式，包括了带轮的设计计算等，通过第三小结进行细致的分析和设计。2.3.3 带传动设计1.确定计算功率对于本设计中的带轮传动方式下的切割机来说，它的整体加工时间和它的整体加工参数可以确定它的一个工作情况系数，在本设计中的切割机的载荷变动比较大，预设本设计中的棒料切割机工作时间在10-16小时，根据它的控制启动方式确定它的整体工作情况系数大小值为=1.2（电机带动砂轮切割铁棒，载荷性质为载荷变动较大），则功率为kW（2-5）2.初选带的型号根据和，并且参考机械设计第九版的157页的普通V带选型图，可以确定它的带型结构为A型普通V带。3.确定带轮的基准直径和1）根据设计的要求确定本设计中的普通带型的基准直径的大小，参考A带型的最小值为,考虑到带轮太小，其弯曲应力过大，所以要使，取=150mm2）验算带的速度（2-6)根据要求可以确定该带轮的速度大小范围在：所以该带速是符合设计要求的，进而分析在该带速下的大带轮的直径大小值3） 计算(2-7)首先在本设计中的切割机来说，它不实现它的一个传动比，不进行减速和增速的作用，所以在本设计中的砂轮的转速大小与电机的转速大小是基本同步的，可以确定带传动之间的传动比的大小在1，也就是 ，因此计算得出：(2-8)4.确定中心距和带的基准长度1）初选中心距由0.7（+）2（+），考虑到结构要求，初选=900 mm(2-9) 参考机械设计手册，最终选择该带轮之间的中心距的大小值为 2)最后确定中心距(2-10)则最后取 5. 验算带轮包角(2-11) 6.确定带的根数 (2-12)其中： (2-13)(2-14)根据机械手册第九版确定它的一个弯曲系数的大小值为(2-15)根据机械手册第九版查得它的一个是实际传动比(2-16)根据机械手册第九版查得包角系数根据机械手册第九版查得长度系数采用非化纤结构的普通带，取材质系数根据机械手册第九版查得kW。kW(2-17)(2-18)取根。7.确定单根带的初拉力(2-19)根据机械手册第九版 V带单位长度质量的大小A型值的N(2-20)8.计算带对轴的压力N(2-21)9.带轮的设计1） 带轮的设计要求根据之前带轮的设计要求可以知道，确定带轮的基准直径以及带型结构和带的根数的数量等，因此可以根据这些要求，确定带轮的整体结构和它的整体的尺寸，对于本设计中的带轮结构来说，本设计中的带轮整体结构设计，需要保证该带轮的整体质量在一定范围以内，并且对于该带轮的整体设计需要保证设结构工艺性好，无过大的铸造应力，质量分布均匀，转速高时经过动平衡，轮槽工作面加工精细，以减小带的磨损，各槽的尺寸和角度保持一定的精度，以使载荷分布均匀。2） 带轮的材料首先对于本设计中的带轮材料选择来说，我们比较常见的带轮材料一般选择HT200或者HT150来作为带轮材料，有的则采用20Cr或者45钢等材料来作为带轮材料，带轮材料的不同也跟带轮工作的场所所联系的，通过带轮在不同场所的传动方式进而实现了它的一个传动，本设计根据带轮的传动方式进行了细致的设计研究，本设计的带轮主要运用在3000转速下的砂轮驱动转动，所以该转速下的速度是比较大的，为了保证带轮在较高的转速作用下并且不发生带轮的变形和带轮的断裂现象的出现，所以对于该带轮的材料选择我们平时比较常见的HT150来作为本设计的带轮材料，这是对本设计中的带轮材料的具体分析，该带轮材料可以采用铸钢来实现，这样可以保证带轮工作的可靠性。3） 带轮的结构尺寸根据之前带轮的整体尺寸结构的分析，通过确定本设计中的带轮的基准直径的大小值为，孔轴配合考虑它的轴的直径大小在，参考带轮的选择的原则可以确定该带轮整体结构如下：即当 时采用腹板式结构，铸造带轮的结构如图2-3所示。图2-3 带轮的结构2.3.4 升降气缸的选择1.选取气缸类型对于气缸的功能分析在本设计中的气缸的主要作用是实现砂轮整体可以进行线上的运动作用，根据配合综横走向来实现它们的一个移动自由度，通过合理的方式方法来保证它的一个运动的可靠性，根据气缸的选择要求，气缸的整体主要实现它的一个线性的运动，通过对该气缸的选择来说是多种多样，随着气缸所要实现的功能来说，根据气缸的整体要求，以及所要实现的功能，可以选择上下移动的气缸，本设计根据气缸的整体设计要求，选择DNC标准气缸。2.选择安装方式对于气缸的安装来说，气缸的主要作用是实现它的一个上下移动的作用，所以在本设计中根据气缸所要实现的功能来说，气缸可以操作整个缸体进行上下运动从而实现砂轮的上下移动作业，实现一个自由度的运动，整体的运动方式带动了整个砂轮机构的运动，通过伸缩运动来实现砂轮的整体运动，后边的转动采用的是铰链连接的方式来实现它的一个整体的转动运动，该切割机在进行切割的时候气缸根据人体的受力情况进行分析，最终保证设计出来的切割机符合设计的要求，根据本设计中的切割机的设计要求，分析该切割机力为在人手动受力的情况下所实现的，具体如下图，根据结构设计的要求，要实现砂轮片的上下移动完成切割，要求气缸在上下伸缩的同时，还要绕一点转动，所以选用后绞式安装方式。图2-3 手动切割机受力示意图3.负载大小根据上图所示的手动切割机的工作原理的大小，分析该手动切割机的整体受力情况可以确定在本设计中的砂轮片所受力的大小图中F=20 kg 估算得砂轮片的支反力为N=40kg。由于砂轮所受的支反力相同，算得气缸所承受的力即理论推力为F=80 kg 合800N。4.工作压力对于本设计的分可以只带，在本设计中所用的气缸的工作压力一般在0.4MPa左右，所以选取其正常工作压力为0.4MPa。气动元件一般要求安全系数比较高，所以在选取的时候一般要求有较大余量，所以在缸径选择时，其工作压力一般按0.3 MPa计算。5.缸径选择参照气动自动化系统优化设计设计资料选择气缸运动时的工作压0.3 MPa， 图1-4 铸棒切割机受力示意图图1-5 气缸行程计算简图理论推力为800N时，其缸径为60mm。考虑到安全系数，初选缸径为80mm。6.行程大小根据本设计中的结构运动，可以确定它的整体运动过程，通过保证砂轮片在合适的运动来保证它的一个整体的运动，最终分析得出当砂轮切割到终位（图1-5中虚线部分）时，连杆所转过的角度为，此时砂轮直径为最小直径。在初位时测得气缸的总长度为540mm，在终位时测得气缸的总长为440mm，所以在此过程中气缸的行程(2-22)即升降气缸的行程为7.确定气缸型号综上所述，参考设计资料以及气缸选择设计手册，最终选择选用SNC-80-100-PPV型的标准气缸合适。2.3.5 滚动轴承的选取及校核1. 轴承的选择对于轴承的作用来说，根据本设计切割机的运动分析来说，带轮在实际运动过程中的速度已经达到了3000r/min，属于高速运转状态，所以对该带轮的设计分析可以确定，采用合适的方式和方法能保证带轮运动的可靠性，由于传动速度比较高，根据传动速度高低以及能承的量轴向力大小分析，最终选择角接触球轴承，从而实现它的一个整体的运动，对于本设计中的切割机运动来说，主要承受的是带轮所带来的载荷力，通过对它的分析本设计中的带轮安装和装卸时的载荷力的大小在100N左右，通过对该载荷力的水平分析和轴向分力的分析具体如下图2-5所示：根据图中的设计要求可以确定在本设计图中M为电极的输出转矩，F为砂轮的切割阻力，在切割过程中，电极的输出转矩与砂轮所受的切割阻力矩大小相同，方向相反，在切割时相互抵消，所以在计算过程中不再考虑电极输出转矩和切割阻力对轴承的影响。由于轴承受一定的轴向力，所以选取接触角的角接触球轴承。其代号为7207ACJ ，基本额定动载荷，基本额定静载荷 。2. 轴承的校核计算（1）计算轴承所受的径向力、，其受力如图2-5所示由力矩平衡条件得(2-23) 由得(2-24) 图2-5 轴承计算简图（2）计算派生轴向力、所选的轴承型号为7207ACJ，其派生轴向力则 (2-25)(2-26)（3）求轴承所受的轴向力、 (2-27)故轴承2被压紧，轴承1被放松，所以有(2-28)（4）计算当量动载荷、(2-29)由机械设计手册和资料可以确定本设计中的轴承7207ACJ的轴向载荷影响的判断系数值的大小为因为 ，所以 ； ，所以 根据机械设计手册分析，最终确定本设计中的轴承运动时所受到的载荷以及冲击力的大小具体确定它运动的载荷系数，由于轴承1、2均不受力矩载荷的作用，所以取，。则 (2-30) (2-31) （5）计算所需轴承的动载荷根据机械设计手册第九版的设计要求，确定轴承工作情况分析得出，当轴承的工作温度小于时，其温度系数比较两当量动载荷知，所以应该按计算 （球轴承应取）则所需轴承的额定动载荷为(2-32) （6）确定轴承型号由机械设计手册第九版的设计要求，确定该轴承的轴径值的大小为，根据轴承直径的大小值为35mm时，应选轴承的代号为7207ACJ，其额定动载荷为=，因此选择代号为7207ACJ的轴承符合设计的要求。2.4 本章小结根据本设计的切割机的要求，本设计主要对切割机的设计要求进行了分析，通过确定本设计所设计出来的切割机应该达到的方案进行相应的设计分析，在制定本设计中切割机的合理方案以后来进行本设计的切割机的方案的设计，在方案设计一块进行了两个方案设计的对比分析，其中包括了传动方式的分析，选择是否选择齿轮传动和带传动，在确定了本设计中的传动方案以及整体的切割机的布局之后进行各个位置的细致分析，本章节主要对该切割机的切割部分进行了细致的设计研究，其中包括了对该切割机的砂轮片的设计研究，以及电机的选型计算等，通过参考机械设计手册和机械课程设计手册对电机选型进行了细致的分析计算，在完成电机的选型以后对该驱动方式的带轮结构进行了细致的分析设计，其中包括了带轮的基准直径的选择以及带轮中心距的确定，另外对该带轮的带型以及带的根数进行了细致的设计计算，通过采用合适的结构来保证它的一个合理性，这是对本设计中带轮选择的具体分析，通过采用合适的方式方法来保证它的一个可靠度，本设计根据带轮的整体参数结构进行了细致的分析设计选择，另外对本设计中的升降气缸也进行了相应的分析设计，通过采用模拟参考的方式来保证设计出来的带轮尺寸结构符合设计的要求，另外对于本设计中的整体结构进行设计分析以后通过在本设计中的结构基础上进行细致的设计分析，其中包括了对本设计中的轴承的选择设计分析，通过对轴承的设计分析，保证设计出来的轴承符合设计的要求，针对这点保证它的设计的可靠性，这是本章节的主要设计内容。3 夹紧机构设计3.1 设计要求 首先对于夹紧机构的分析可以了解到，在本设计中根据棒料切割机的整体结构分析，棒料在放置在一个位置的时候，需要保证它的整体结构被夹紧，所以对于棒料的放置是本设计的主要分析问题，通过对该棒料进行合适的夹紧，才能实现棒料在切割过程中受到一定的摩擦力的效果，这样才能实现棒料的一个切割，如果棒料不进行固定，在升降液压缸进行操作的时候，砂轮与棒料只能进行表面的一个接触作用，而不能进行切割的作用，对于本设计中的切割机来说，之前所需要设计达到的要求是，通过纵横行走机构需要实现对两根棒料的定位切割，所以对于夹紧部分的要求来说，在切割定点的时候，夹紧装置需要移动到合适的位置进行夹紧工件这样就实现了它的一个夹紧作业，通过对本设计中的棒料切割机的分析，通过采用气缸驱动的方式来实现棒料的切割，这是对本设计中的棒料切割机的具体分析，采用合适的夹紧机构保证了各个位置能做到精准加工，保证切割机的加工效率，通过合适的方式方法来实现它的定点切割作用，这是对本设计中的切割机的主要设计要求。3.2 方案分析 首先对于切割机的夹紧部分来说，切割机的夹紧可以采用手动夹紧也可以采用液压夹紧，针对手动夹紧的方案来说，需要完成对棒料的固定作用，根据我们平时所了解到的棒料结构的材料，一般采用三爪卡盘进行固定，采用自动定心夹紧，在本设计中根据棒料所要实现的夹紧来说，手动夹紧需要实现对两根棒料的夹紧，所以根据三爪卡盘的整体结构分析，可以采用四个三爪卡盘呈现两端面分布，从而实现对工件的一个夹紧，这样的成本相对比较高，并且它所能实现的功能不够完善，手动夹紧相对于自动夹紧来说增加了大量的成本和劳动力，这样不利于棒料切割机的整体设计成本的要求，另外相对于手动夹紧来说的方案就是自动夹紧方案，在自动夹紧方案里面主要分成了两种设计方案，其中包括了机械手一次夹紧两根棒料，在进行棒料切割时根据需要切割的一根进行加压力的作用，增大它的夹紧力来实现单根棒料的夹紧，在实现对单根棒料的夹紧之后进行切割加工，另外一种设计方案是通过机械手来进行对两根棒料的定位夹紧，通过机械手分别对棒料的夹紧来实现对棒料的一个夹紧过程，这是对本设计的夹紧的三种方案的分析。3.3 夹紧方案的确定 对于之前的夹紧方案的分析可以知道，在本设计中的切割机的夹紧方案有三种方案，其中一种方案是采用手动夹紧的方式来实现对棒料机构的夹紧，另外两种方案是采用自动夹紧的方式来进行夹紧，首先对于本设计中的夹紧机构来说，棒料的夹紧需要采用自动化的夹紧才能保证对工件的一个夹紧作业，在本设计中根据棒料的整体结构和功能，棒料采用手动夹紧不能保证它的一个自动化的要求，所以对于本设计中的棒料夹紧机构只考虑自动化的夹紧方式，在本设计中根据方案二和方案三的分析可以知道，在棒料切割机的方案二中，采用了二位气缸和一个三位的气缸，这样可以根据需要切割的棒料选择相应的棒料进行夹紧，而对于方案三来说，方案三采用的是单根棒料的夹紧来实现它的整体棒料的夹紧作业，对于方案三来说每一根棒料的夹紧都需要两个气缸来实现，该种方案的夹紧采用了比较繁琐的气缸，所以相对于成本来说的话方案二优于方案一，并且结构上更加简便，整体的造价也是优于方案三的，而对于方案三来说，它拥有一套单独的单件控制系统，虽然在结构上比较复杂，但是它所能实现的功能比较强大，在功能上优于方案二，综合考虑最终选择方案二来作为本设计的夹紧方案，该种夹紧方案下能实现对棒料的夹紧，保证夹紧的可靠性，通过采用合适的方式方法来保证它夹紧的可靠性，针对该种设计方案，我设计出了如下的具体夹紧方案示意图如下图3-3所示： 图3-3 夹紧部分原理图由图形结构可以分析得出，该夹紧气缸的工作情况能使夹紧机械手夹紧或放松工件，当活塞向右移动时，机械手使工件夹紧；当活塞向左移动时，机械手使工件放松。纵向行走气缸推动工作台左右移动，能控制机械手夹紧工件合适部位，对夹紧的工件进行切割；横向行走气缸的作用是当完成一次切割过程时，推动工作台使之恢复到初始位置。3.4 本章小结本章节主要对本设计中的棒料切割机的夹紧部分进行了设计研究，其中包括了对本设计中的夹紧机构的设计要求的分析，另外在保证设计要求的前提下，对本设计的设计要求制定合适的设计方案，在夹紧方案中制定了三种设计方案，通过对三种设计方案进行对比分析，最终保证设计出来的夹紧结构符合设计的要求，针对整体的设计，最终确定本设计的夹紧方案采用气缸控制机械手夹紧的方式来实现，其中还包括了它的气缸的参数选择等等进行了细致的设计分析，采用一个二位气缸和一个三位气缸来实现它的一个运动，配合机械手实现它的整体夹紧，通过对它的整体方案的确定来保证它运动的可行性，这是本章节的棒料切割机夹紧装置的具体分析，通过合适的方式和方法来保证它的一个可靠性。4 纵横行走部分的设计4.1 设计要求首先对于本设计中的棒料切割机来说，通过对本设计的总体结构方案的设计，确定在本设计中的装置还包括了纵横行走装置，通过纵横行走装置来实现切割机的一个精准切割和定位切割，在本设计中根据棒料切割机的使用要求，确定在本设计中的棒料切割机的纵横行走装置分成了纵向行走装置和横向行走装置，它们的作用分别是纵向行走装置是要保证在切割的过程中能随着棒料进行纵向的移动，而对于横向装置来说，它的主要作用是配合切割装置和夹紧装置实现它的一个横向的移动，通过它们的横向移动来保证它运动的可行性，在完成正确的切割作业以后能进行快速的返回作业，实现切割棒料的精准定位，这是对棒料切割机的具体分析，通过合适的方式和方法来保证它的一个可靠性。4.2 方案设计 首先在本设计中的棒料切割机它的纵横行走装置主要是实现它的一个纵向移动和横向的移动，对于我们来说，它就是进行一个平面的二维空间移动，通过进行X轴和Y轴的移动，从而实现对棒料切割机的整体结构移动，而对于直线运动来说，我们接触比较多的通常是直线导轨，通过直线运动来实现它的线性的运动，根据线性运动的要求，一般采用了气动装置或者液压装置来实现它的位移，在本设计中考虑节能的效果，采用气动气压的装置结构来实现它的一个直线的运动，这样就可以保证它的可靠性，气缸带动纵向和横向的移动板进行直线运动，通过采用直线导轨的方式大大降低了能量的磨损，由于直线导轨的光滑度很高，所以存在的摩擦磨损基本很小，能实现移动版的精准定位，这是对本设计中的棒料切割机的纵横行走装置的具体分析，通过采用合适的方式和方法来保证它的可靠度，采用直线导轨来进行驱动纵横行走装置一方面提高了运动系统的运动精度，另外一方面在很大的程度上减小了摩擦力，达到了节能的效果。4.3 直线导轨的选择计算 4.3.1选定条件1.载荷 首先分析本设计中的横向载荷的计算，横向载荷主要包括了电机带轮以及升降气缸等，总体来说他们的总质量可以达到200kg根据它承受的总质量的大小可以计算得出它的所受重力的大小具体分析如下所示：(4-1)2.行程 根据设计的要求，参考设计手册得出本设计的行程距离大小为 3.往复次数 （次/分）4.寿命要求 假设机器寿命为5年，则导轨寿命为（H）(4-2)假设安装4个滑块，要计算处其中一个滑块的负载，可用以下公式(4-3）与此同时，因为两个滑块装在一个导轨上面，所以接触系数为。4.3.2选择方式1.根据静态安全系数选择型号（4-4）其中 静态安全系数 载荷系数 （在无外部冲击或振动、低速时取1.5） 基本额定静载荷 冲击载荷现在设静态安全系数（4-5）则有 在正常运行时一般选取安全系数为5，根据上述情况，选取SG35FL（）的导轨比较理想。2.根据寿命要求选择型号根据标准寿命计算公式 （4-6） 若使用17500小时，则总的移动距离为：（4-7）其中 温度系数 （由手册查得当导轨的工作温度小于100时，其温度系数取1.0） 硬度系数 （为了使直线运动系统达到最佳承载能力，需要保持导轨的硬度在HRC58-62，由手册查得为1.0） 基本动载荷所以 解得 因此，选取SGB45FL（）3.复查根据设计的要求，选择参考SGB35FL已经可以满足设计的要求，但是理论分析选择它的上一级似乎更加合适，并且考虑本设计的棒料切割机的整体使用寿命为5年，所以选择比它更为优化的SGB45FL。4.4 本章小结首先根据整体的设计要求，对本设计中的纵横行走装置进行了设计研究，通过对纵横行走装置的整体参数进行设计研究，包括了纵横行走装置的整体参数的计算， 其中包括了对该纵横行走装置的设计方案的分析，最终决定选择线性导轨来实现它的一个运动，通过对不同种方案的分析研究，之中确定采用直线导轨，根据直线导轨的优越性能，分析直线导轨的选择，确定在一定的载荷动力情况下，选择符合设计要求的直线导轨，这样做到了直线导轨的使用的准确性，通过对直线导轨的选定条件以及它的选择方式等进行了细致的对不分析，最终设计出来符合设计要去纵横行走方式，通过本章节的纵横行走部分的设计，基本实现了对本设计中机械设计部分的全部研究，这是对本设计中的棒料切割机的具体分析。5 PLC控制原理和电气控制路线的确定5.1 可编程控制器PLC的基本原理对于我们平时在大学里面所学习到的知识点来说，PLC是的中文看名称是可编程逻辑控制器工业控制装置，所以对于PLC来说，它的主要控制原理就是通过控制器等实现对电机以及液压缸等的控制，通过数字信号转化成模拟型号，控制设备的运作，其中包括了控制电机的启动以及电磁阀的开关等，这都是PLC所控制的范围，通过对它制定合理的控制路线可以保证设计出来的电气路线符合设计的要求，对于PLC来说，它的发展道路是比较广阔的，随着PLC控制系统的发展，不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。对于PLC所控制的机械设备来说，它们的整体结构构成主要包括了一输入设备、输出设备和逻辑控制三部分组成。1、输入设备输入设备是电气控制系统进行信号采集的界面设备，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中，完成人与机之间的信号采集和机与机之间的信号采集 。操作人员发出的主令信号通过按钮、各类手动开关送入控制系统，现场自动运行的控制信号通过行程开关等现场检测设备送入控制系统。2、输出设备输出设备是用控制系统发出的控制信号去控制执行机构，实现要求的运动的输出和显示设备运行的状态。被信号驱动的执行机构有继电器、交流接触器、控制液压系统的电磁阀、信号显示灯等，常用的输出设备有显示器、打印机、磁记录设备等。3、逻辑控制系统逻辑控制系统根据给定的数据对输入设备送来的控制、检测信号进行计算处理，并将计算结果转换为控制信号经输出设备控制机械设备运行。组成控制系统的器件有两类：一是继电器控制系统，其控制逻辑由硬件构成；另一类为用可编程控制器构成的控制系统，其控制逻辑由编程软件构成。5.2 可编程控制器的特点设备采用继电器控制系统，设备的简单控制及复杂的自动控制均可以实现，但是复杂的控制系统中，因为继电器控制系统本身的特点而使设备运行存在许多的问题。第一个问题是继电器控制系统由分立元件组成，因此，系统有较高的故障率；第二个问题是继电器控制系统采用固定的接线方式构成控制逻辑，变更控制逻辑更加困难。第三个问题是比较难以实现网络控制。根据可变程序控制的整体功能以及在计算机当中实现的可能性，对它进行了一下特点的分析具体分析如下：1 高的可靠性和强的抗干扰能力PLC是专为工业环境而设计的，其可靠性高，抗干扰能力强，其平均故障间隔时间可达5年以上，主要体现在：1)对元器件进行严格筛选和抗老化处理，I/O接口电路采用光电隔离。2)结构上考虑耐热、防潮、防尘和抗震的要求。3)硬件上采用隔离、屏蔽、滤波和接地等有效措施。4)软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施等。5)采用循环扫描的工作方式。2功能比较完善PLC除基本逻辑处理功能以外，配合特殊的功能模块可用于数字控制领域并可实现与上位机的通信等功能。在工业控制的各种领域，都可应用PLC来实现控制的基本要求。3便于操作PLC具有易操作的特点，主要体现在：1)程序的输入和更改更加方便。2)有多种程序设计语言可以使用。3)自我诊断功能使得维修更加方便。4灵活性和可扩展性强PLC的灵活性表现在下列三个方面：1)采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、菜单图、功能模块图和语言描述编程语言等，只需要掌握其中一种语言就可以进行合理有效的编程。2)根据应用规模的不断扩展，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展，非常方便。3)设计、编程和安装的工作量减少，易实现过程监视和控制。5.3 电气控制线路设计的一般要求对于电气控制来说，电气控制可以采用不同的方式方法来保证它的一个可靠性，电气控制的可以提高切割机的加工效率，为了提升切割机的工作效率，对该切割机的整体部分进行细致的设计研究，通过分析确定本设计中棒料切割机的主要设计要求，参考棒料切割机的整体工作原理，里面包含了电机以及气缸和液压缸等，通过合理布局它的电气控制路线才能保证它的一个可靠性，对于设计分析具体确定本设计中棒料切割机所需要遵循的一般原则是：1）应满足机电设备对电气控制线路的要求，能够按照工艺要求准确、可靠地工作。2）在满足生产要求的前提下，应力求使控制线路简单、经济，尽量选用经过实际验证过的线路。 3）保证控制的安全、可靠，应具有必要的保护装置和连锁环节，确保在误操作时不至于发生重大事故。4）尽量便于操作和维修。5.4 电气控制线路的设计方法电气控制线路的控制方法有两种：一种是经验设计法，另一种是逻辑设计法。1. 经验设计法经验设计方法主要是通过参考合理的设计方案来提升它的一个整体的布局，根据电动机的工作原理，参考相应的设计资料和分析，通过采用合适的方式方法来保证设计出来的电气路线符合设计的要求，通过掌握现有的典型路线进行相应的设计分析，最终设计得出了本设计的主方案，根据经验方法的设计要求，需要掌握多种典型线路的设计资料，同时具有丰富的设计经验。另外，初步设计出来的控制线路可能有几种，这时要加以比较分析，反复地修改简化，甚至要通过实验加以验证，才能确定比较合理的设计方案。2. 逻辑设计法逻辑设计法是根据生产工艺的要求，利用数学工具逻辑代数方法来分析、简化、设计线路的。逻辑设计法设计的线路结构比较合理，用较少数量元件，因此得到的设计方案是最佳的。但是当设计比较复杂的控制系统时，这种方法就显得比较烦琐，工作量很大，而且比较容易出错。5.5 气动原理图设计根据切割机的机构原理，绘制的机构简图如图5-2所示，其中ST0-ST9为控制气缸的行程开关。 图5-1切割机机构简图5.6本章小结本章节主要对本设计中的棒料切割机的控制部分进行了设计研究，其中包括了对本设计中棒料切割机的控制部分进行了详细的分析研究，包括了对本设计中的PLC控制原理的分析以及电气控制原理的分析，通过采用合适的方式和方法来保证设计控制出来的控制系统符合设计的要求，对于本设计中的棒料切割机而言，棒料切割机采用的整体动力运动部分基本都需要使用到控制系统，通过控制系统来实现各个位置的运动分布，本设计中根据它的控制原理的整体设计分析，通过采用间歇式的控制方法来控制整个设备的运行，这样可以实现对棒料切割机的精准定位，实现棒料切割机的定点定位切割，通过合适的方式和方法来保证设计出来的棒料切割机符合设计的要求，采用PLC控制与电气控制相结合的方式来保证它运动的可靠性，这是对本设计中的棒料切割机的控制部分的具体分析。6 棒料切割机的维护和保养对于棒料切割机来说，棒料切割机的维护和保养是很重要的，通过对本设计中的分析，棒料切割机每天的工作时长在10-16小时，棒料切割机的整体材料采用钢材料结构，对于棒料切割机整体来说，棒料切割机的整体构成分为切割部分，夹紧机构以及纵横行走机构这三个机械部分，对于软控制部分主要是电气控制占据主导位置，对于棒料切割机来说，在它工作的时候主要通过砂轮来进行切割，通过砂轮的切割作用从而实现它们的一个切割作用，另外在传动方面采用的是带轮传动，带轮传动一块就需要考虑到带轮的磨损和带的磨损，通过对这些位置的保养和维护可以大大提高切割机的使用寿命，根据切割机的主要工作位置砂轮来说，对砂轮的保养通常进行定时的查看砂轮表面是否具有破损口，如果有小的破损口需要进行及时进行更换，避免在切割过程中由于出现的破损口导致整体的带轮组出现破坏的现象，并且随时要检查带轮与砂轮的接触是否良好，是否有螺钉松动的情况，因为如果螺钉出现松动的情况下，在进行切割作用的时候，由于较高的离心力的作用可能会导致砂轮被甩脱出去，从而造成伤亡事故，另外还需要检查设备的电路是否接触良好，避免电线接触处接触到火星等，所以需要对棒料切割机的电线线路等进行保护，通过合理的保护才能保证切割机的一个可靠性，在完成这些以后需要对棒料切割机的重点位置进行抹油防护，避免切割机出现锈蚀的情况，这是本设计中的棒料切割机的维护和保养分析。结 论本设计主要设计研究的是棒料切
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