金属棒切割机的机电一体化设计

1、 摘摘 要要连续铸造是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属，不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的铸件，连续不断地从结晶器的另一端拉出，它可获得任意长或特定的长度的铸件。金属棒切割机在连续的铸造中工作，其的工作是由 PLC 控制电磁阀，使电磁阀控制气缸，并由气缸驱动与其连接的部件，实现对金属棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。一个切割机分别切割两条金属棒，其切口深度为 35mm，然后由压断机进行压断。金属棒切割机是一种既能有效的提高生产率，又在价格和使用方面能被广大用户所接受的一种新型的自动控制切割机。由 PLC 控制的气动金属棒切割机，其中融合了气压自动控制、机器人

2、技术和 PLC 控制技术。PLC 控制各个气动换向阀的电磁铁，由气缸驱动机械手完成顺序切割过程，实现了机械设计、电器控制和气动控制的有效结合。这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、维修方便，生产率高等优点，具有广泛的应用前景。关键词：自动控制；切割；PLCABSTRACTABSTRACTContinuous casting is an advanced casting methods, the principle is to molten metal, continuously poured into a mold called the special metal mold, th

3、e solidification (crust) of the casting, continuous from the other side of mold pulled out, it will be of arbitrary length or a specific length of the castings.Casting rod line cutting continuous casting machine at work, it is handled by the PLC control solenoid valve, so that the solenoid valve con

4、trol cylinder by cylinder drive connected components, implementation of accurate casting rods fixed-length cutting, cutting return to initial position automatically. A cutting machine cutting two separately-cast rods, the incision depth of 35mm, then by breaking machine is breaking.Casting rod is a

5、line cutting machine can effectively enhance the productivity, but also in terms of price and use the vast numbers of users can be accepted by a new type of automatic cutting machine. By the PLC-controlled pneumatic cutting machine casting rod, one of the convergence of air pressure automatic contro

6、l, robotics and PLC control technology. PLC control of all pneumatic solenoid directional valve, cylinder drive machinery by hand to complete the order of cutting process, implementation of mechanical design, electrical control and effective integration of pneumatic control. This cutting machine has

7、 a convenient control, stable performance, simple structure, regulation, maintenance convenience, high productivity, has broad application prospects.Keywords：Automatic；Control；cut；plc目目 录录第一章 绪论 .11.1 前言 .11.2 选题背景 .11.3 主要特点 .21.4 文章的结构 .2第二章 PLC 概述.32.1 可编程控制器的特点.32.2 可编程控制器 PLPLC 的基本原理.3第三章 切割部分设

8、计 .53.1 设计要求 .53.2 方案设计.53.3 结构设计.63.3.1 机电的选取. .63.3.2 砂轮片的选取.63.3.3 升降气缸的选取.63.3.4 带传动的设计.93.3.5 滚动轴承的选取及校核.13第四章 纵横行走部分的设计 .174.1 设计要求 .174.2 方案设计 .174.3 直线导轨的选择计算.174.3.1 选定条件.174.3.2 选择方式.18第五章 夹紧部分设计 .205.1 设计要求.205.2 方案设计.20第六章 电气控制线路的设计 .226.1 电气控制线路设计的一般要求 .226.2 电气控制线路的设计方法.226.3 气动原理图设计.2

9、36.3.1 气动原理图.256.3.2 控制流程图.26结 论 .27致谢 .28参考文献 .29 第一章第一章 绪论绪论1.11.1 前前 言言机电行业的有关技术在现代的科学技术发展中得到了广泛的应用，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。近年来，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

10、用。切割技术也有了广阔的发展前景，现如今手工切割技术已经适应不了现代工业发展的要求。 ，切割机的夹紧机构也有了迅速的发展。他们过硬的技术含量为科学发展奠定了坚实的基础。1.21.2 选题背景选题背景金属棒切割机主要由三个大的部分组成，即切割部分、夹紧部分和纵横行走部分。夹紧部分主要采用了一个气动夹紧机械手，电磁阀控制气缸活塞的伸缩来实现夹紧和放松。切割部分是由电极带动砂轮旋转，由气缸控制砂轮上下移动完成切割。纵横行走部分是由气缸控制纵向、横向行走板，使之沿直线导轨前进或返回。整个机器由 PLC 控制各个气动换向阀的电磁铁，由气缸驱动完成顺序切割动作过程。而随动工作台的随动前进速度也可以通过夹紧

11、机械手夹紧金属棒使之与金属棒速度同步。横向切割时的切割速度可以通过气缸来调节。与一般的切割机相比，这种切割机有以下优点：（1） 、实现了机械工程和自动控制的有效结合，机械部分采用机械优化设计，整个设计过程中都进行了综合技术比较与经济评价，实现了预定的功能。（2） 、整个运动过程都采用了气压传动控制，与液压传动相比，气压传动有无介质费用、处理方便、无泄露污染、无介质变质等优点。 （3） 、在设计过程中，纵横行走装置采用了直线导轨，既提高了运动系统的运动精度，又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。（4） 、整个切割过程都由 PCL 控制，以其结构简单合理、设备性能良好、使用寿命长、安全系数高

12、等因素，满足了自动化大批量的生产要求。1.3 主要特点这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、修改方便、生产率高等优点，具有广阔的应用前景。1.4 文章的结构本文在现有的棒料切割系统进行分析的基础上，根据棒料切割系统的总体结构，从机械和电气控制两方面对系统各个部分的设计分章节展开了详细的介绍。第二章第二章 PLCPLC 概述概述2.12.1 可编程控制器的特点可编程控制器的特点可编程控制器是在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上发展开发出来的。并逐步发展成为了以微处理器为核心、集计算机技术、自主控制技术、通信技术于一体的的一种新兴工业控制装置。设备采用继电器控制系统，设备的简单控制

13、及设备复杂的自动控制均能实现，但是复杂的控制系统中，由于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。问题一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；问题二是继电器控制系统采用固定的接线方式构成控制逻辑，变更控制逻辑困难。问题三是难以实现网络控制。现在计算机技术的发展，使得电气控制元件和控制系统有了极大的改观，继电器控制系统的硬件逻辑可由逻辑函数表达式描述，该逻辑函数表达式描述的控制逻辑也可用软件程序来实现，可编程控制器运行软件程序，即可完成继电器控制硬件逻辑的控制功能。采用计算机技术的可编程控制器，不仅解决了分立元件的故障率问题，也解决了固定控制的问题，同时，为与计

14、算机联网，实现大规模自动化生产和远程控制提供了可能性。两类系统通过逻辑函数联系起来，两者均能完成相同要求的控制功能。12 可编程控制器实际是工业专业控制计算机，也称工控机，具有以下特点： 1、可靠性强、抗干扰能力强； 2、控制程序可变，具有很好的柔性； 3、程序简单，使用方便； 4、扩充方便，配置灵活，可构成各类控制系统； 5、可将运行数据直接送入管理计算机，实现网络运行； 6、设备体积小巧，维护方便，插件更换灵活。以上特点使得可编程序控制器，在设备电气控制系统中广泛应用。2.22.2 可编程控制器可编程控制器 PLCPLC 的基本原理的基本原理PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式

15、 PLC 包括 CPU 板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。可编程控制器(简称 PC 或 PLC)是发展极为迅速、应用极广泛的 工业控制装置。在现代化生产设备中有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量需要控制，例如，电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等。PLC 是在固定接线式老装置显然不能适应这种要求的情况下，按照成熟有效的继器控制理念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。一般机械设备的控制系统，由输入设备、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才的

16、界面设备，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。3|、逻辑控制系统逻辑控制系统根据给定的控制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

17、控制系统，其控制逻辑由编程软件构成。第三章第三章 切割部分设计切割部分设计3.13.1 设计要求设计要求项目要求切割机能够根据定长信号分别切割两条连续的铸铁棒，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。其切口深度为 35mm。再由压断机进行压断。3.23.2 方案设计方案设计切割部分主要有砂轮、电动机和传动机构组成。现在在切割部分有两种可行的方案：第一，电动机通过带传动带动砂轮片转动。第二，电动机通过圆锥齿轮传动带动砂轮片转动。考虑到切割过程中电动机带动砂轮高速旋转，所以优先选取第一种方案，因为圆锥齿轮传动不宜应用在转速太高的场合，而且运用齿轮传动时，还要考虑到这样消除震动和怎样润滑齿

18、轮，这样就增加了设计成本。 横向行走板纵向行走板砂轮片升降气缸纵向行走气缸横向行走气缸带轮带电机图 3-1 切割部分原理图 切割部分的原理如图 3-1 所示，电动机带动砂轮片高速旋转，电机与工作台之间采用铰支撑，气缸 1 可推动砂轮片上下移动，完成切割。气缸 2 可推动工作台横向移动，控制切割的长度。气缸 3 可使工作台纵向移动，使砂轮片能分别切割两根铸棒。其中电动机和气缸都通过电磁阀由 PLC 机控制，从而实现其动作。3.33.3 结构设计结构设计3.3.1 电机的选取 根据砂轮片的要求，现选用比较常用的 Y 系列三相异步电动机，这是由于 Y系列三相异步电动机的功率等级和安装尺寸与国外同类型

19、的先进产品相当，因而具有与国外同类型产品之间良好的互换性，供配套出口及引进设备替换。选取功率为 3.0KW，满载时的转速为 2870r/min。额定电流 6.39A，功率因数 0.87，效率 82%，额定转矩 2.3。2mN 3.3.2 砂轮片的选取经过调研，切断能力为 50 的砂轮片，其规格为mm，所需电机322 . 3400的最小功率为kw，转速为=2840 r/min, 砂轮片的最大线速度为2 . 2minP1n70m/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#。3.3.3 升降气缸的选择1.选取气缸类型根据设计所用资料，现选取 DNC 标准气缸。2.选

20、择安装方式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。3.负载大小根据手动切割机的工作原理（如图 3-2 所示） ，图中 F=20 kg 估算得砂轮片的支反力为 N=40kg。再由所设计切割机的切割工作原理（如图 3-3 所示）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。砂轮片手柄FN 图 3-2 手动切割机受力示意图4.工作压力经调查，当前所用的气缸的工作压力一般在 0.4MP 左右，所以选取其正常工作压力为 0.4MP。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

21、求有较大余量，所以在缸径选择时，其工作压力一般按 0.3 MP 计算。5.缸径选择由气动自动化系统优化设计书中第 46 页表 2-7 查得工作压力为 0.3 MP， 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.行程大小根据机构简图（如图 3-4 所示） ，其中实线为机构初位，在初位时，砂轮片的直径在最大状态，当砂轮切割到终位（图 3-4 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。10在初位时测得气缸的总长度为，在终位时测得气缸的总长为mmL5401，所以在此过程中气缸的行程mmL4402mmLLL10021即 升降气缸的行程为mmL

22、100砂轮片气缸NF 图 3-3 铸棒切割机受力示意图气缸砂轮片工件图 3-4 气缸行程计算简图在初位时测得气缸的总长度为，在终位时测得气缸的总长为mmL5401，所以在此过程中气缸的行程mmL4402mmLLL10021即 升降气缸的行程为mmL1007.确定气缸型号综上所述，根据气动自动化系统优化设计中第 50-54 页查得，选用 SNC-80-100-PPV 型的标准气缸合适3.3.4 带传动设计1.确定计算功率由机械设计第 108 页表 7-7 查得工作情况系数=1.2（电机带动砂AK轮切割铁棒，载荷性质为载荷变动较大） ，则功率为 （1-1）6 . 332 . 1PKPAca2.初选

23、带的型号根据和，由机械设计书中第 108 页图 7-14 初选 A 型普通 V 带。caP1n3.确定带轮的基准直径和1dd2dd 1）由机械设计第 109 页表 7-8 查得 A 型=75mm,考虑到带轮太小，其mindd弯曲应力过大，所以要使，取=1501ddmindd1dd 2）验算带的速度 m/s （1-2）6 .221006028401501006011ndVd 因为 5m/s 22.6m/s ，所以应该按计算 （球轴承应取）则1P2P1P3所需轴承的额定动载荷为 （1-6101060htLnfPc19） 3610123652840600 . 11254 34830284060100

24、1254 N11286（6）确定轴承型号由简明机械零件手册查得轴径时，应选轴承的代号为 7207ACJ，其mmd35额定动载荷为=KNCr5 .22cKN286.11故选用代号为 7207ACJ 的轴承合适。 第四章第四章 纵横行走部分的设计纵横行走部分的设计4.14.1 设计要求设计要求纵横行走装置主要是为了配合切割装置和夹紧装置，使砂轮片和夹紧机械手能够在走刀过程中横向移动，迅速准确地达到工作位，在切割过程中能够随着铸棒纵向移动，切完后在返回初始位置。4.24.2 方案设计方案设计 纵横行走装置主要是为了实现切割机砂轮片的纵向和横向移动，使之完成切割动作。为了设计和制造方便，在方案设计中纵

25、、横行走装置的原理大致相同，即采用结构简单而又便于控制的气压传动方式，气缸带动纵向行走板或横向行走板在导轨上滑动。在设计过程中，考虑到能量的损耗程度，纵横行走装置采用了直线导轨，既提高了运动系统的运动精度，又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。4.34.3 直线导轨的选择计算直线导轨的选择计算4.3.1 选定条件：1.载荷 根据粗略计算，导轨上横向行走部分的总重量为kg200所以 NgmW2000102002.行程 根据设计结构的要求，选定行程mLs5 . 23.往复次数 （次/分）21n4.寿命要求 假设机器寿命为 5 年，则导轨寿命为小时（H）35000243655L假设安装 4 个

26、滑块，要计算一个滑块的负载，可用下式 NWP50004200040同时由于两个滑块装在一个导轨上，因此接触系数。81. 0cf4.3.2 选择方式1.根据静态安全系数选型号 （3-swcffPfC001）其中 静态安全系数sf 载荷系数 （在无外部冲击或振动、低速时取 1.5）wf 基本额定静载荷0C 冲击载荷0P现设静态安全系数5sf则有 （3-csfPfC002） 81. 05005 )(3086 kgf在正常运行时一般选取安全系数为 5，根据上述情况，选取 SBG35FL（）的导轨比较理想。kgfC285502.根据寿命要求选型号根据标准寿命计算公式 )(94501750054. 0km

27、L若使用 17500 小时，则总的移动距离为： （3-50)(30PCffffLwcHT3）其中 温度系数 （由手册查得当导轨的工作温度小于 100时，TfC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Hf持导轨的硬度在 HRC58-62，由手册查得为 1.0） Hf 基本动载荷C所以 50)(30PCffffLwcHT 50)2505 . 181. 011(94503C解得 kgfC3000因此，选取 SGB45FL（）kgfC38003.复查理论上选取 SGB35FL 或上一级似乎比较恰当，但考虑到标准寿命，选择SGB45FL 更理想。第五章第五章 夹紧部

28、分设计夹紧部分设计5.15.1 设计要求设计要求 夹紧机构不但在切割之前机械手抓能够根据事先收到的信号准确地运动到每个工位，而且在切割过程中要夹紧运动着的铸铁棒，使砂轮与铸棒同步。5.25.2 方案设计方案设计 夹紧部分是由气缸推动机械手实现夹紧和放松的。这部分的两种可行性方1案是：一是用一个机械手同时负责夹紧两根铸棒，根据需要对被切割的那条进行夹紧。二是用两个机械手，每个机械手负责夹紧一根铸棒。第一种方案中，机械手可通过一个二位气缸和一个三位气缸实现对铸棒的夹紧。第二种方案中，每个机械手都需要两个二位气缸来实现对铸棒的夹紧。考虑到第一种方案设计工作量小，安装方便，而且控制简单，所以优先使用第

29、一种方案。夹紧机械手夹紧气缸横向行走气缸纵向行走板横向行走板纵向行走气缸图 5-1 夹紧部分原理图夹紧部分原理如图 5-1 所示，夹紧气缸能使夹紧机械手夹紧或放松工件，当活塞向右移动时，机械手夹紧工件；当活塞向左移动时，机械手放松工件。横向行走气缸推动工作台左右移动，能控制机械手使之夹紧左边或右边的工件，从而对夹紧的工件进行切割。纵向行走气缸的作用是当完成一次切割过程完成时，推动工作台使之恢复到初始位置。整个工作过程都 PLC 由控制实现。第六章第六章 电气控制线路的设计电气控制线路的设计6.16.1 电气控制线路设计的一般要求电气控制线路设计的一般要求 电气控制线路的设计是在传动形式及控制方

30、案选择的基础上进行的，是传动形式与控制方案的具体化。 电气控制线路根据用途的不同可能会有其特殊的要求，设计所需要遵循的一般要求是：1）应满足机电设备对电气控制线路的要求，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，尽量选用经过实际考验过的线路。 3）保证控制的安全、可靠，具有必要的保护装置和连锁环节，误操作时不至于发生重大事故。 。6.26.2 电气控制线路的设计方法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 经验设计法先从满足生产工艺的要求出发，按照电动机的控制方法，利用各种基本的控制

31、环节和控制方法，借鉴典型的控制线路，把它们综合地组合成一个整体满足生产需要。这种设计方法比较简单，但要求设计人员必须熟悉控制线路，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，利用逻辑代数方法这一数学工具来分析、化简、设计线路的。逻辑设计法设计的线路结构比较合理，所用元件的数量较少，得到的设计方案是最佳的。但是当设计的控制系统比较复杂时，这种方法就显得比较烦琐，工作量很大，而且容易出错。6.36.3 气动原理图设计

32、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 6-2 所示，其中 ST0-ST9 为控制气缸的行程开关。纵向行走板横向行走板电机带带轮横向行走气缸纵向行走气缸升降气缸砂轮片 6-2 夹紧机械手夹紧气缸横向行走气缸纵向行走板横向行走板纵向行走气缸切割机机构简图6.3.1 气动原理图 沈阳工业大学机自0007班更改文件号制图工艺审校设计处数标记分 区切割机气动原理图重量数量1年 月 日批号比例1:1石建科石建科QDYL-0DT5DT4DT3DT2DT1返 回走 刀ST1ST0ST9ST8ST7ST6ST5ST4ST3ST2行走缸随动前进返 回松 开夹 紧夹紧缸落刀抬刀抬刀缸6.3.2

33、控制流程图石建科石建科沈阳工业大学机自0007班更改文件号设计制图工艺审校处数标记分 区重量控制流程图1数量年 月 日批号比例初位断电2位走刀返回1位走刀返回断电断电随动返回断电上电保持抬刀落刀随动上电保持夹紧相继上电保持上电保持断电工作2位工作1位待命刀走结结 论论自从毕业设计题目确定开始，经过从各个方面查资料、调研、方案的提出及确定，再到完成总装图、部件图，直到最后结束论文，才使本次毕业设计最终圆满完成。本次设计的题目是“金属棒切割机的机电一体化设计” 。金属棒切割机是针对铸铁在连续铸造过程中的切割而采用的一种专门的切割机。连续铸造过程主要由保温炉、牵棒机、切割机和压断机组成，在工作过程中

34、拉棒机能从保温炉中同时拉出两条铸铁棒。题目要求切割机在连续铸造过程中工作，并根据定长信号分别切割两条连续的铸铁棒，实现对铸棒的准确定长切割，切割后自动返回初始位置，其切口深度为 35mm。再由压断机进行压断。整个切割过程都由自动控制实现。此次设计的主要工作分为两大部分，第一部分为切割机的机械设计，其中主要包括砂轮片的选择、电机的选择、砂轮片传动方式的选择和优化、电机和砂轮的安装、各个气缸力的计算及其参数选择计算、滑动导轨的设计以及其他部分和整体结构的设计。最后完成总装图、部件图和零件图。第二部分为电气原理及控制部分的设计，主要包括气动控制原理图的设计、电气原理图的设计、配线图的设计、控制柜的设

35、计及电路控制面板的设计。金属棒切割机结构简单，性能安全可靠，操作方便可行，很好的实现了其预定功能。由 PLC 控制的气动随动金属棒切割机，由气缸驱动完成顺序切割动作过程。这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、修改方便、生产率高等优点，具有广阔的应用前景。在本次设计过程中，经过自己不懈的努力和指导老师的悉心指导，各项任务都已经顺利完成并达到设计要求。但由于设计者经验不足，知识能力有限，在设计过程中的错误和疏漏再所难免，产品在性能方面也可能存在一些不足，欠妥之处，敬请各位老师批评指正。 致致 谢谢 为期一个多月的毕业设计业已经结束。回顾整个毕业设计过程，虽然充满了困难与曲折，但我感到受益匪浅。本设计是学完所有大学期间本专业应修的课程和完成毕业实习以后所进行的，是对我三年半来所学知识的一次大检验，也是对我实习过程的再学习。使我能够在毕业前将理论与实践更加融会贯通，并且学到了书本上没有的知识点，加深了我对理论知识的理解，强化了实际生产中的感性认识。 通过此次毕业设计，我认识到了在设计过程中