金属切割机控制系统设计

贵州理工学院本科毕业设计（论文）设计（论文）题目：金属切割机控制系统设计学院：＿＿＿＿＿＿＿＿专业：＿＿＿＿＿＿＿＿班级：＿＿＿＿＿＿＿＿学号：＿＿＿＿＿＿＿＿学生姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿指导教师：＿＿＿＿＿＿＿＿年月日贵州理工学院本科毕业设计（论文）-[20]。本装置作为棒料切割机，控制较为简单，因此选择西门子SimaticS7-200系列PLC，这个装置适用于小型自动化控制和简单生产线的控制，具有较低的采购成本、易于使用和耐用的特点。S7-200系列PLC有6个不同的基本型号的CPU模块，分别为CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU224XPsi和CPU226，各自具有不同的电源电压和控制电压。CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。图4-1西门子SimaticS7-200系列CPU226模块本装置有五个丝杠电机，一个交流伺服电机，一个三相异步电机，三个86步进电机，共10个电机。以及测长传感器，激光测距仪，压力传感器和红外传感器，共4个传感器。因此，加上启动，停止两个输入，共设置10个输入，13个输出。因此选用拥有10点输入，13点输出的控制的S7-200系列CPU226，而且其在棒料切割机系统中使用还有余量，可供备用。4.1.2I/O口设计根据所选用的CPU226以及棒料切割机的控制系统要求，PLC的I/O接口分配如表4-1所示。表4-1I/O口设计输入输出启动I0.0上料电机Q0.0红外检测I0.1棒料传送带电机Q0.1上下夹板压力检测I0.2上下夹紧电机(正转)Q0.2左右夹板压力检测I0.3左右夹紧电机(正转)Q0.3测距检测(距离过短)I0.4夹板移动电机(正转)Q0.4测距检测(距离过长)I0.5横向圆锯电机1(正转)Q0.5测距检测(距离合适)I0.6横向圆锯电机2(反转)Q0.6测长检测(长度合适)I0.7纵向圆锯电机1(正转)Q0.7测长检测(长度过短)I1.0纵向圆锯电机2(反转)Q1.0停止I1.1夹板移动电机(反转)Q1.1上下夹紧电机(反转)Q1.2左右夹紧电机(反转)Q1.3切割电机Q棒料切割机的控制流程棒料切割机的结构简图如图4-2所示。1-上料架；2-步进电机；3-上料装置；4-伺服电机；5-丝杠移动板；6-上下夹持装置；7-丝杠动力滑台；8-测长传感器；9-左右夹持装置；10-切割刀；11-传送带；12-收集箱；13-激光测距仪；14-压力传感器；15-红外传感器图4-2棒料切割机结构简图上料架1通过步进电机2驱动上料装置3将棒料带到传送带11上并排列好，由伺服电机4驱动传送带11将棒料移至夹持装置6、9处进行夹持，之后由夹持装置6、9将棒料通过丝杠动力滑台7移到切割刀10处进行切割，切割完成的棒料将直接落入收集箱12中。其中，上料架1主要将横放在上料架上的棒料通过翻滚架翻滚到11传送带上进行原材料的上料工作。传送带11上有测长传感器8，测长传感器用于检测棒料加工末端时的残余长度，若小于某个定值，则传送带会直接将余料送至收集装置中，开启下一个生产周期。6为上下夹持装置，通过丝杠上下移动。9为左右夹持机构，由一个齿轮和两幅齿条构成，通过电机旋转齿轮带动齿条进行左右移动。主要限制棒料在切割时不随意晃动，保持切割稳定性。在夹持装置上装有红外传感器和压力传感器。红外传感器安装在夹板上，用于检测棒料是否到达夹板，以便对棒料切割长度进行控制。压力传感器安装在夹持装置两侧，通过检测棒料对左右夹持装置的压力来控制电机旋转，保证左右夹持机构能够正确夹紧棒料而不会因为力度过大而导致齿轮和齿条崩齿。切割刀10安装在丝杠移动板5上，通过四个丝杠电机16和丝杠控制移动，并且分为两个纵向电机和两个横向电机。其中纵向电机在丝杠上纵向移动，控制丝杠移动板带动切割刀前后移动进行切割。横向电机在丝杠上横向移动，控制丝杠移动板带动切割刀10左右移动，调整棒料切割长度。激光测距仪安装在切割刀10上，通过测量切割刀10与夹持装置之间的距离，从而通过PLC对横向丝杠电机进行控制，移动丝杠移动板，实现对棒料切割长度的控制。4.1.4棒料切割机的控制要求棒料上料机的上料次数为十次。棒料在切割工作进行到末尾时，剩余的棒料长度不足以完成加工要求，需要通过传感器测出剩余长度，以便判断是否能够继续加工。若长度足够则继续加工，若剩余长度小于加工长度，则直接控制传送带将剩余棒料之间传送至收集装置中，开启下一轮棒料加工。控制夹板夹持的力度，防止用力过大造成崩齿和滑丝等情况。确定控制棒料传送长度的方式。确定切割刀具与夹板之间的距离，用于控制棒料切割的长度。4.1.5传感器元器件选型1.测长传感器测长传感器原理是利用物体在运动中或者在受力作用下，长度发生微小变化的原理来进行测量的一种传感器。常见的测长传感器有压电式测长传感器、电阻式测长传感器、光纤式测长传感器等。压电式测长传感器是利用压电效应来进行测量的。当压电晶体受到外界的压力或拉伸时，会产生电荷量的变化，利用这个变化可以测量物体的长度变化。电阻式测长传感器是利用电阻的变化来测量物体的长度变化。当电阻材料受到外力作用时，其电阻值会发生微小的变化，利用这个变化可以测量物体的长度变化。光纤式测长传感器是利用光的传输来测量物体的长度变化。光纤传感器由光源、光纤、接收器等部分组成。当光纤受到外力作用时，光纤中的光会发生微小的弯曲，从而导致光的传输路径发生变化，利用这个变化可以测量物体的长度变化。在本装置中，由于结构，环境等因素影响，选择如图4-3所示的光纤式传感器作为测量棒料长度的传感器类型，在型号上选择欧姆龙的智能传感器ZX-LT。其采用光量判别方式，从投光器向受光器发射平行激光光束，受光器通过透镜在受光元件上聚光。由于在投光器和受光器间有物体，则会减少激光的受光量，因此物体的宽度变化以线性输出的变化形式进行输出。用于检测棒料外径，检测不透明体边缘位置。因此非常适用于本装置工作环境。图4-3欧姆龙智能传感器ZX-LT2.激光测距仪激光测距仪是一种利用激光束测量距离的测量仪器。它包括发射器、接收器和计算器三部分组成。激光发射器产生一个激光束并将其照射到被测物体上，然后接收器检测反射的激光信号并将其转换为电信号，计算器通过计算得出激光从发射到反射并返回接收器的时间，并计算出被测物体的距离。本装置选择如图4-4所示Dimetix公司的DPE-10-500激光测距仪，它的测量范围0~500m，测量精度1毫米，拥有两个数字量输出，一个错误信号输出和一个数字信号输入，有着最大250Hz的检测频率，完全可以实时检测刀具与夹板之间的距离。图4-4Dimetix公司DPE-10-500激光测距仪3.红外传感器本装置的红外传感器安装在夹板上，主要用于检测棒料是否到达夹板，并发出信号控制传送带的交流伺服电机转动，从而控制棒料的输送长度。本装置采用如图4-5所示的漫反射光电开关式红外传感器，它通过发送一束光线并检测光线的反射来检测物体的存在和位置。有一个发射器和一个接收器。发射器向物体发送一束光，然后接收器通过接收被物体反射后的光来检测它的存在和位置，这样可以检测棒料是否到达夹板位置。图4-5漫反射光电开关式红外传感器4.压力传感器压力传感器是一种将物理压力转化为电信号的传感器。有着变压器式压力传感器，电阻应变式压力传感器，压力传送器等种类。它是一种可以测量液体或气体中压力的设备，它可以将压力转换为相应电信号，这些信号可以被显示器、控制器、计算机或其他电子设备读取和处理。本装置选择如图4-6所示的压力传感器来检测夹板与棒料之间的压力，以便可以通过合适的力度来夹持和夹紧棒料，防止因为力度过大而导致齿轮和齿条之间产生崩齿，丝杠与电机之间产生过载等问题。图4-6压力传感器4.2PLC控制系统软件设计4.2.1控制系统流程图设计根据控制系统的工作流程可以绘制系统的工作流程图如图4-7所示。图4-7控制系统流程图4.2.2顺序功能图设计通过棒料切割机控制系统的流程图以及控制要求可以知道控制系统动作的顺序，结合PLC的I/O接口分配可以绘制出棒料切割机控制系统的顺序功能图如图4-8所示。在顺序功能图中，用输入量M控制代表每一步的编程元件，Q控制代表输出量。图4-8顺序功能图4.3控制系统梯形图设计根据棒料切割机控制系统的顺序功能图可以绘制出控制系统的梯形图，棒料切割机控制系统的梯形图如下。4.3.1梯形图输入与转换1.利用SM0.1启动M0.0步，如图4-9所示。图4-9启动M0.0的梯形图2.启动M0.1步，复位M0.0步。上料电机开始工作，上满十根棒料后进入下一步，梯形图如图4-10所示。图4-10上料电机开始工作的梯形图3.启动M0.2步，复位M0.1步。传送带电机开始工作，棒料到达夹板处进入下一步，梯形图如图4-11所示。图4-11传送带开始工作的梯形图4.启动M0.3步，复位M0.2步。传送带电机继续工作，直到棒料到达切割长度后进入下一步，梯形图如图4-12所示。图4-12传送带继续工作的梯形图5.启动M0.4、M0.5步，复位M0.3步。棒料长度到达要求后，夹板对棒料进行夹持，进入下一步，梯形图如图4-13所示。图4-13夹板对棒料进行夹持的梯形图6.启动M0.6步，复位M0.4、M0.5步。夹持移动装置带动夹板移动到预定位置后进入下一步，梯形图如图4-14所示。图4-14夹持移动装置带动夹板的梯形图7.分条件启动M0.7步或M1.0步，复位M0.6步。切割装置判断与夹持装置的距离，调整合适的切割位置，梯形图如图4-15所示。a)距离过短b)距离过长图4-15切割装置调整位置的梯形图8.启动M1.1步，复位M0.7步、M1.0步。位置调整后对棒料进行切割，梯形图如图4-16所示。a)距离过短调整完毕b)距离过长调整完毕图4-16棒料切割的梯形图9.启动M1.2步，复位M1.1步。切割完成后，切割刀回缩，梯形图如图4-17所示。图4-17切割刀回缩的梯形图10.启动M1.3、M1.4步，复位M1.2步。此时夹板松开对棒料的夹持，梯形图如图4-18所示。图4-18切割刀回缩的梯形图11.分条件启动M1.5步或M1.6步，复位M1.3步、M1.4步。判断剩余棒料能否进行下次切割，梯形图如图4-19所示。b)长度不足检测b)长度充足检测图4-19判断剩余棒料能否切割梯形图12.启动M1.7步或M2.0步，复位M1.5步或M1.6步。若棒料长度足够，则夹板直接移动到传送带处，若棒料长度不足，则传送带直接启动，将剩余棒料推到收集装置中，梯形图如图4-20所示。a)长度充足b)长度不足图4-20判断剩余棒料能否切割梯形图13.在上一步的前提下启动M2.1步或M2.2步，复位M1.7步或M2.0步。此时夹板都是移动到传送带处，梯形图如图4-21所示。a)长度充足夹板返回b)长度不足夹板返回图4-21判断剩余棒料能否切割梯形图14.在上一步的前提下返回M0.3步或M0.0步，复位M2.1步或M2.2步。若棒料剩余长度足够则继续切割，反之返回到最开始。梯形图如图4-22所示。a)长度充足继续切割b)长度不足返回第一步图4-22继续切割或从头开始的梯形图4.3.2梯形图输出1.M0.1输出T37定时器和C37计数器，定时器控制上料电机旋转时间，计数器控制上料电机旋转十次，梯形图如图4-23所示。a)电机旋转一圈b)电机旋转十圈图4-23上料电机上料十次的梯形图2.M0.3输出T38定时器，控制传送带输送棒料的长度，梯形图如图4-24所示。图4-24控制传送带输送棒料长度的梯形图3.M0.6输出T39定时器，控制夹板移动装置将夹板移动到预定的位置，梯形图如图4-25所示。图4-25控制夹板移动装置的梯形图4.M1.1、M1.2输出T40、T41定时器，控制切割装置对棒料进行来回切割，梯形图如图4-26所示。a)切割刀前进b)切割刀返回图4-26切割装置来回切割棒料的梯形图5.M1.3、M1.4输出T42、T43定时器，控制夹板松开对棒料的夹持，梯形图如图4-27所示。a)左右夹板b)上下夹板图4-27夹板松开对棒料的夹持的梯形图5.M1.6输出T44定时器，控制传送带将剩余棒料推至收集装置中，梯形图如图4-28所示。图4-28控制传送带将剩余棒料推至收集装置的梯形图6.M1.7、M2.0输出T45、T46定时器，控制夹板移动装置将夹板移动到传送带处，梯形图如图4-29所示。a)长度足够夹板复位b)长度不足夹板复位图4-29控制夹板移动装置将夹板移动到传送带处的梯形图4.4程序仿真本文使用宇龙机电仿真软件进行PLC程序仿真，在宇龙仿真软件的西门子s7-200CPU226PLC中编写的梯形图程序并调试，完成后发现PLC可以按照棒料切割机的控制要求进行工作，说明编写的梯形图程序没有问题和错误。1.当控制系统按下启动按钮I0.0时，上料电机Q0.0开始转动10次，之后传送带Q0.1对棒料进行传送，对应的软件调试结果如图4-30所示。a)上料过程b)运输过程图4-30程序第一步仿真输出结果2.当棒料到达夹板处时，夹板上的红外传感器感应到棒料，向传送带发送信号输入I0.1，此时传送带开始计时，控制棒料输送的长度。对应的软件调试结果如图4-31所示。图4-31程序第二步仿真输出结果3.当棒料到达指定长度后，夹板Q0.2、Q0.3开始对棒料进行夹持。对应的软件调试结果如图4-32所示。图4-32程序第三步仿真输出结果4.当棒料对夹板的压力达到一定程度时，夹板上的压力传感器将信号I0.2、I0.3发给夹板移动装置，由夹板移动装置Q0.4带动夹板移动到指定位置。对应的软件调试结果如图4-33所示。图4-33程序第四步仿真输出结果5.接下来切割装置的激光测距仪测量与夹板之间的距离，比较与切割距离的长短，若距离过短，则发送信号I0.4给切割横向移动装置，拉长与夹板之间的距离Q0.6。反之距离过长则发送信号I0.5，缩短与夹板之间的距离Q0.5。对应的软件调试结果如图4-34所示。a)过短判断b)过长判断图4-34程序第五步仿真输出结果6.当距离合适时，激光测距仪发送信号I0.6给切割横向移动装置使其停止，同时启动切割电机Q1.4，开始对棒料进行来回切割Q0.7、Q1.0。对应的软件调试结果如图4-35所示。a)切割刀前进b)切割刀返回图4-35程序第六步仿真输出结果7.切割完毕后，夹板松开对棒料的夹持Q1.2、Q1.3。对应的软件调试结果如图4-36所示。图4-36程序第七步仿真输出结果8.此时传送带上的测长传感器测量传送带上剩余棒料的长度是否能够继续加工，若可以，则发送信号I0.7给夹板移动装置Q1.1，返回到第二步运行。若长度不足，则发送信号I1.0给传送带Q0.1，将传送带上的剩余棒料送至收集箱中，随后夹板移动装置Q1.1返回传送带处，开始新一轮加工。对应的软件调试结果如图4-37所示。a)长度足够b)长度不足图4-37程序第八步仿真输出结果4.5本章小结本章对棒料切割机的控制方面做了详细设计，通过对PLC进行选型，设置I/O口，在根据控制要求完成传感器的选型，流程图和顺序功能图的绘制。最后编写棒料切割机的梯形图控制程序，并对其中的主要程序段作解释说明。结论本文主要对棒料切割机进行了结构上的设计和PLC程序的设计，并对其中具体的部分零件进行了计算设计，使用SolidWorks绘制了棒料切割机的三维图纸，确定了其中的零件和装配体的配合关系。最终使用CAD完成了棒料切割机二维图纸的绘制和PLC程序仿真，在理论上可以实现棒料切割机总体流程的基本功能。本文的主要研究成果如下：1.提出了一种传统棒料切割机，并且此装置能够进行全自动的完成棒料的上料和切割工作，而且能够同时切割多根棒料完成高效率工作。2.通过检索和查阅大量中外文献，了解国内外发展过程和研究现状，比对国内外的同类产品在结构，价格，效率等方面，通过对比其中的优点和缺点，确定了PLC为控制元件的棒料切割机总体设计方案。3.完成了棒料切割机的结构设计，确定了具体的结构组成，通过尺寸计算设计了棒料切割机中的切割装置，夹持装置，上料装置等结构，并且对其中的部分零件和电机进行选型。比如切割装置采用V带轮进行切割传动，计算刀具尺寸和质量得出功率，选用Y160L-8三相异步电动机。对夹板连接件进行设计和有限元分析，计算夹板的质量和丝杠的轴向载荷，对丝杠的导程和长度进行选型，使其符合相应的要求。4.采用西门子S7-200CPU226PLC进行控制，并对通过棒料切割机的控制流程和要求，编写相应梯形图控制程序，并通过宇龙机电程序仿真，证明其可信性。完成了棒料切割机的控制系统设计。致谢本论文是在老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。感谢老师在我毕业设计选题、并在论文撰写的整个过程中的悉心指导，在毕业设计过程中对我相关设计问题提出的宝贵的意见和建议，对我毕业论文的指点，老师时刻以实事求是的科学研究精神影响我、指引我，让我以严谨的态度进行工作和学习。感谢父母，在生活上父母给予我无微不至的关心与爱护，是父母的支持，才让我安心学习，勇往直前。最后，再次感谢所有教导我、关心我、鼓励我、支持我的无比亲爱的老师、亲人、朋友们！祝你们身体安康、工作顺利、万事如意！参考文献[1]韩相争.西门子S7-200SMARTPLC编程从入门到实践[M]化学工业出版社，2021.[2]阳胜峰.快速学会S7-300/400PLC[M].北京：中国电力出版社,2016.[3]MouradMakaci,PaulReaidy,KarineEvrardSamuel.PooledWarehouseManagement:AnEmpiricalStudy[J].Computers&IndustrialEngineering,2017.[4]张帆.工业控制网络技术[M].北京：机械工业出版社，2018.[5]汤晓华，范其明，蒋正炎.电气控制系统安装与调试项目教程（西门子系统）[M].北京：高等教育出版社,2018.[6]梁强.机械产品数字化设计及关键技术研究[J].农机使用与维修,2023.[7]北岛李工.西门子S7-200SMARTPLC应用技术：编程、通信、装调、案例[M]化学工业出版社,2020.[8]张慧明,张翠芳.PLC技术在自动化控制工程中的应用研究[J].中国设备工程,2023.[9]马春阳.CAD技术在机械设计与制造过程中的应用[J].内江科技,2022.[10]黄河清.PLC步进电机控制技术研究[J].电子元器件与信息技术,2022.[11]周金华．一种棒料切割机：中国，201821047677.0[P]．2018-07-03．[12]史修金．一种切割效率高的棒料切割机：中国，202011400487.4[P]．2022-06-07．[13]应鹏飞，赵志孟，岳奉奎，等．一种棒料切割机：中国，202121275554.4[P]．2021-11-23．[14]桑原康宏．一种可同时切割多件棒料的圆锯切割机：中国，202221679803.0[P]．2022-11-11．[15]蒲娟，陈勇．棒料切割机自动上料机构设计与实施[J]．机械工程师，2019.[16]DUShiwen，LIYongtangandBLei．DesignandDynamicCharacteristicResearchontheHydraulicSystemofAHighSpeedBarCuttingMachine[J]．2022(2)：70-80．[17]DAGhatge，CBirjeandPSYadav．UseofShearingOperationforMSBarCuttingbyPneumaticBarCuttingMachine．2017(04)：133-139．[18]颜伊庆，潘丽萍．基于PLC的自动分拣系统[J]．机电工程，2012.[19]杨传华，方宪法，杨学军等．基于PLC的蔬菜钵苗移栽机自动输送装置[J]．农业机械学报，2013.附录A英文文献原文DesignofCuttingHeadforEfficientCuttingMachineofThinwalledStainlessSteelPipeJuYi，YingpingQian*，ZhiqiangShang，ZhihongYan，YangJiaoProcediaEngineering,2017(174)：1276–1282Abstract:Astainlesssteelpipecuttingdevice,whichisforthediameterofabout130-150mmandwallthicknessof1.2mmstainlesssteelpipe,ismainlyusedfortheautoventpipe.Theproblemsexistinginthetraditionalcuttingmethodsandthepartofcorecuttingheadarecomprehensivelyanalyzedinthispaper.Akinematicschemebasedondouble-bladesymmetricalandplanetarycuttingmachinewasproposed.Thisschemesolvedtheproblemsofstainlesssteelpipeinmachiningincisionthatwerecausedbyunevenforce,shrinkage,verticalityandsmoothness.Thecuttingtechnologywasofgreatsignificancetoimprovetheproductionefficiency,saveenergyconsumptionandenhancethecompetitivenessofindustryintheinternationalmarket.Thepipecuttingmachinehashighcuttingprecision,makingiteconomicallyfeasible.KeywordsPipecuttingmachine,Thin-walledstainlesssteelpipe,Planetarycutting1.IntroductionTheso-calledthin-walledstainlesssteelisakindofstainlesssteelpipethattheratioofthewallthicknessandexternaldiameterisnotmorethan6%.Inrecentyears,thethin-walledstainlesssteelpipehasbeendeployedincreasinglywiderinmachineryindustry.Withtherapiddevelopmentofmodernmechanicalmanufacturingindustry,therequirementofproductionefficiencyandmachiningaccuracyonthesteelpipecuttingproductionaresimultaneouslyincreased.Thefactorsthataffecttheprecisionofthin-walledpartsaresummarizedasfollows[1]˖precisionofmachinetool,thermaldeformationofthetool,deformationofthetool,toolwearanddeformationofworkpiece.Duetothepoorrigidityofthethin-walledstainlesssteelpipeandclampingdeformation,thedeformationoftheworkpiecesisthemostimportantfactoraffectingthemachiningaccuracy.Theresearchobjectofthispaperis409ferritestainlesssteelwithwallthicknessof1.0-1.5mmanddiameterof75-135mm,whichismainlyusedinautomotiveexhaustpipe.Thedeviceadoptedthesteelpipefixed,doublesymmetricrotatingcuttingscheme.Duringtheprocessofrotarycutting,thebladesplayedtheroleofmutualsupport,whichensuredthatthecuttingsectionwasabsolutelyverticalwithoutburr.Thefeedmovementandthemaintransmissionwererespectivelyrealizedbytheeccentricgearsfixedontheplanetgearsandtheplanetgearsmeshingwiththesungear.Atthesametime,thedeviceadoptedthemethodofautomaticfeedtoguaranteecompletelycutting.Becauseofitshighheatresistance,goodperformanceandlowerprice,thephenomenonofreplacingcastironwithferriticstainlesssteelpipeisbeinganewtrendinselectionofexhaustpipe[2].Inrecentyears,withtheattentiontotheglobalenvironmentalissues,therequirementsofautomotiveenergy-savingenvironmentalprotectionandlightweighthavebeenputforwardcontinuously.Meanwhile,theimprovementofthelevelofautomobileexhaustemissionisincreasedcontinuously.Thecastingmetaloftraditionalexhaustsystemcannotmeettherequirementsofproductionandprocessing.Therefore,thehigh-performance409stainlesssteeliswidelyusedincomponentsofautomotiveexhaustsystem.Inaddition,thecuttingmethodsofChina'sthin-walledsteelpipearemainlywirecutting,grindingwheelcutting,etc[3].Thetraditionalmethodsofmachiningcaneasilycausemachiningdeformation,whichwillreducethedimensionalaccuracyofpartsandsurfacequality.Thus,itisparticularlyimportantthatresearchesoncuttingmethodofthin-walledstainlesssteelpipeshouldbeconducted.2.Themotionprincipleandbasicstructureofcuttingmachine2.1ThemotionprincipleofcuttingmethodThemainfunctionoftheplanettypetubecuttingmachineistocompletethecuttingworkpieceofdifferentdimension,andaccomplishcontinuouscutting.Thepipecuttingmachinemainlyconsistsoffeedingdevice,clampingdevice,coolingdeviceandcuttingheaddevice.Theresearchobjectofthispaperisthemostimportantpart--cuttingheaddevice.Thecuttingmotionofthepipecuttingmachinemainlyincludestwosections:(1)Mainmovement.Itcausesthecuttingedgeofthetoolandthesurfaceofitsadjacenttooltocutexcessmaterialontotheworkpieceandtransformitintocutting,whichforminganewsurfaceoftheworkpiece.(2)Feedmovement.It’sanadditionalrelativemovementbetweenthetoolandtheworkpieceprovidedforthemachineorhumanandmaterialresources,whichcooperateswiththemainmotiontocutoffthemachiningredundancyontheworkpiecewiththedesiredgeometricalcharacteristicssuccessivelyorcontinuously.Alotofexperimentalevidenceshaverevealedthatmetalcuttingisaprocessofcuttingtheexcessmetallayerfromthesurfaceoftheworkpiecethroughthecuttingmotiontoformaqualifiedmachinedsurface.Andthisissimilartometalmaterialbyextrusionwithplasticdeformationresultinginshearingslipofthedeformationprocess.Whenthecuttingmetallayermovesclosertothecuttingedge,itissubjectedtothepositivepressureFNandthefrictionforceF1ofthetool,resultinginelasticdeformationandplasticdeformation[4,5].Thereareseveralproblemsoccurredintraditionalcuttingmethodasfollows:thedifficultclamping,thebigdeviationofthecuttingsizeandthelowproductionefficiencyandmaterialwaste.Inordertosolvetheproblemsabove,itisnecessarytobreakthetraditionalthoughtpatternsandadoptthemethodoffixingthepipewithtwocuttingtoolsrotatingatthesametime.Thatistosay,themainmovementandfeedmovementarebothcompletedbythecuttingtool,whichiscalledtheplanetarycuttingoperation.Selectionoftwomillingcuttercannotonlyensurethegeometricaccuracyofstainlesssteelpipebutalsoenhancethecuttingefficiency.AsshowninFigure1,thetoolscutthroughthesteelpipefirstly,andthenrotatedaroundthesteelpipetocutitthroughbyrollingthewallsofpipes.Figure1.Cuttingprincipleofpipecuttingmachine2.2ThebasicstructureofpipecuttingmachineAsshowninFigure2,theplanetarycuttingmachineismainlycomposedofclampingdevice,frame,cutterhead,hollowshaftandeccentricgears,etc.Thesteelpipewasclampedbythejigdevice.Thegeardriveswiththeadvantagesofaconstantinstantaneousratio,hightransmissionefficiency,compactstructureandlongservicelife,whichadoptedintheleadingorbitalrevolutionofblades.Thetoolmovementwasmainlydividedintothreesteps:(1)Theservomotordrivedthetoolrotation.Thecuttingspeedcanbeadjustedautomaticallyaccordingtothematerialandthediameterofthesteelpipe.(2)Thesymmetricacuttersweredrivenbyreciprocallinearmovementoffeed-indevice(eccentricgears)tofulfillthecuttingaction.(3)Thecuttersweredriventorotatewiththehollowshaftbymeansofthemaindrivemotor.Figure2.Appearanceofcuttinghead3.TransmissionschemeThemotionschemebasedontoolrotatingandtubefixedwasadoptedinthepipecuttingmachineforthinwallstainlesssteelpipe.Inordertoimprovethecuttingefficiency,realizethesteplessspeedregulationandsavethecost,oneservomotorwasfinallyadoptedtocontroltherotation,feedmovementandplanetarymotionoftheblade.AsshowninFigure3,thecuttingtoolswerefixedintheplanetarygearsbytheeccentricgears,soastheeccentricgearscompletedthelinearfeedmotion.Theformulatedtransmissionschemeofcuttingmachinewasasfollows:thesungearwasusedasdrivingmember.theplanetgearswereusedasfollowerandtheannulargearwasusedasfixedpart,namelythepowerwasinputfromthesungearandoutputfromtheplanetgear.Figure3.Appearanceofcuttinghead3.1.AnalysisoffeedschemeThefeedmotionofthecutterwasaccomplishedbytheeccentricgearfixedontheplanetarygear.Thesteelpipewaspassedthroughhollowshaftbeforecutting.Theaxisofthesteelpipeshouldbeconsistentwiththeaxisofthehollowshaft.Afterstartingthemotor,thecuttingtoolrotatedarounditsaxis.Thepowerwastransferredtotheplanetarygearbythemotor.Furthermore,theeccentricgearwasdrivenbytheplanetarygear.Thenthecuttingtoolwasdriventofulfilllinearfeedbyeccentricgear.Thatwastosay,thetransmissionchainoffeedmovementwas:motor→reducer→hollowshaft→sungear→planetgear→eccentricgear→tool.AsshowninFigure4,theplanetarygearrotatedaroundthesungear.Therefore,ThecenterpointoftheplanetarygearmovementcanbeseenasrotatingaroundthecenterOofthesteeltube.Themotiontrajectorycanbeconsideredasacircle.Asthetoolwasfixedontheeccentricgear,Thetrajectoryofthetool’scenterpointcanberegardedasthetrackoftheeccentricgearwhosemotionconsistsoftwoparts:(1)Rotatingaroundthecenterofthesungear,thatwas,tocompletetherevolutionofthetoolmovement.(2)Rotationaroundthecenteroftheplanetgear,thatwas,tocompletethefeedmovementofthetool.Thetwopartscanbesynthesizedtotrajectorydiagramoftool.BasedonFigure4,thetrajectoryofcuttingtoolcanbeseenasawavelinerotatingaroundthecenterofthesteeltube.Whenitwasapproachingthecenter,thetoolcontactwithpipewall.Andthecuttingoperationofthesteelpipewascompleted.Whenitwasremovedfromthecenter,themovementofcutter-shaftbackstrokingwascompleted.Inaddition,thesungearwasrotatingwithhollowshafttoachievethetransectionofrevolution.Andthenthebladeandtheclampingdevicewasresetinturntocompleteonecuttingprocessofthesteelpipeandprepareforthenextcutting.Figure4.Trajectorydiagramofthecentersofplanetgearandcuttingtool3.2PrincipleanalysisofmainmotionTherevolvingcuttingpartofthedevicewasthecorepartofthepipecuttingmachine.Externalgearingcylindricalgearwiththefeaturesoflargetransmissionpower,widescopeofapplication,highworkingreliability,longservicelifeandhightransmissionefficiencywasselectedinthemaindrivesystem.Whenthemotorwasstarted,themovementwastransmittedtothedrivegearviathereducer.Andthenthedrivengearwasdriventodocircularmotion.Thedrivengearwasconnectedtothehollowshaftwhichjoinedwiththesungearbyakeyconnection.Thentherotationspeedwastransmittedtotheplanetarygear.Continually,thecuttingtoolconnectedwiththeplanetarygearwasrotatedaroundthepipetodorotarymotion.Themainkinematicchainwas:servomotor→geartransmission→hollowshaft→sungear→cuttingtool.Theservomotorcanautomaticallyadjustthecuttingspeedaccordingtothedifferentpipematerialsandpipediameters.Andthecuttingtoolwasincontactwiththeworkpiecetoachievecontinuouscuttingthroughouttheprocess.Inordertoimprovetheproductivity,theschemethatthefeedmotionwascompletedaheadoftherevolutionofcuttingwasraised.Thatwas,thecuttingtoolwassqueezedintothepipewallbyanexternalforce.Andtheplasticdeformationofthetubewallarose,resultinginshearslipdeformation.Thenthecuttingtoolsachievedrevolutionwiththesungear,thepipewascutoffbytherevolutionmovementsubsequently.Afterthecompletionofacircularcuttingaction,thefeedingmechanismaccomplishedthenextcutautomatically.Andthecyclecuttingwascompleted,andsoforth.4.CharacteristicsofcuttingheadCounteringtheproblemsexistingintheprocessingequipmentofpipe,suchaslowdegreeofautomation,lowproductionefficiency,seriouswasteofmaterialsandsoon,adouble-bladesymmetricalplanetarypipecuttingmachinewasputforward.Onthisfoundation,theprincipleofcuttingwasanalyzedandafeasibleschemeofmainmotionandfeedmotionwasproposed.4.1Cuttingmethodoftwo-bladesymmetricalplanetaryAschemeofsteelpipefixedandcuttingtoolrotatingwaspresented.Thepipewasfixedtoaself-centeringclampingdevice.Twobladeswassymmetricallyarrangedwiththecuttinghead.Duringtheprocessofrotarycutting,thebladesplayedtheroleofmutualsupport,whichensuredthatthecuttingsectionisabsolutelyverticalandwithoutburr.Thefreedeformationofthepipecanprovidefundamentalguaranteeforfollow-onweldingwork.4.2ThecuttingtransmissionwascompletedbytheplanetarygearThefeedmovementandthemaintransmissionwererespectivelyrealizedbytheeccentricgearsfixedontheplanetgearsandtheplanetgearsmeshingwiththesungear.Thedesigneddeviceshastheadvantagesofsmallerdimensionofappowertransmission.Aboveall,thetransmissionefficiencyandcuttingprecisionishigher,whichisconducivetotheproductionandprocessing[5]..4.3AutomaticfeedcontrolsystemThecuttingdevicewasdrivenbyaservomotortoensurestrongdrivingforce.Thetransmissionratiobetweenthemaindriveandthefeedmotioncanbestrictlyensuredwithonemotor[6].Andtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingpipecuttingmachinewereanalysedandconcluded.Theschemeofmachiningwasproposedtomeetthedesignrequirements.ThefullautomationcuttingsystemwasachievedbydrivesystemofCNCwithcentralizedwithcentralizedcontrolmode.Thecontrolmethodwaseasytoimplementandoperate.Theutilitymodelhasgoodmanufacturability,thusimprovingthequalityofparts.4.4Highspeedsteel(HSS)cuttingtoolsHighspeedsteel(HSS)isakindofhigh-alloysteelwithalloyingelements,suchastungsten,molybdenum,chromiumandvanadiumIthashighstrength,toughness,hardness,wearresistanceandhighthermalstability.Theobjectofthispaperis409stainlesssteelwiththecharacteristicsofhighcoefficientofthermalconductivityandsmallcoefficientofexpansion.Toensurethatthecuttingtoolcancompletenormalcuttingwithoutplasticdeformation,highspeedsteel(HSS)W6Mo5Cr4V2withmeritsofsmallandhomogeneouscarbidedistribution,highbendingresistanceandgoodmechanicalpropertieswasselected[7].5.Determinationofthemainparametersofcuttinghead5.1DeterminationofplanetarygearparametersTheobjectofthisdouble-bladesymmetricalplanetarypipecuttingmachineistheferriticstainlesssteel409withdiameterof75-135mmandwallthicknessof1.0-1.5mm.Theinnerdiameterofthehollowshaftshallbegreaterthanthemaximumdiameterofthepipetoensurethatthesteelpipewasfavourabletogoacrossthehollowshaft[8].Thereforethediameterofthehollowshaftwasselectedtobe140mm.Inviewofthebendingresistanceofgearteeth,themoduluswasselectedas2.5mminthestandardmodulusseriesofGB1357-78,namely,m=2.5mm.Inordertofacilitatethemeshingbetweenthesungearandtheplanetarygear,thediameterofthegraduatedcircleofthesungearwasselectedas300mm,namely,d1=300mm[9].Theplanetarygearsplayedtheroleofmainmovementandfeedmovementintheentireprocessofcuttinghead.Thetransmissionratiowastakenas2inaccordancewiththerequirementsoftheenterprise,namely,i=2.Sothediameterofgraduatedcirclewastakenas150mm,namely,d2(d3)=150mm.5.2DeterminationofannulargearparametersFromthepropertiesofgearmeshing,itcanbeobtainedthat:thepitchcirclediameteroftheinternalgearwasselectedasd4=d1+d2+d3=600mm.Themoduluswasalsochosentobe2.5mm.Fromthecylindricalspurgearformulad=m•z,thenumberofteethwasz4=240.6.ConclusionsAnewtypeofplanetarytubecutterwasdesignedonthebasisoftheadvantagesofexistingpipecuttingmachineequipment.Thetoolpathwasanalyzedandafeasiblemotionschemewasproposed.Thesymmetricaldouble-bladecuttingschemenotonlyplayedtheroleofautomaticcentering,butalsoensuredthequalityofincisionandimprovesproductionefficiencyThedevicewascompactinstructure,whichcanimprovetheprocessingefficiencyofthepipe,savethecostofrawmaterialsandreducetherejectrate.Inaddition,theuseofhigh-speedsteelcuttingtoolscanreducethedustandnoiseofproductionprocessinlinewiththeidealsofgreenenvironmentalprotection.Thefeedingandcuttingpartsofthepipecuttingmachinewerecombined,andthewholecontrolpartwascentrallycontrolledbytheprogrammablecontroller.Theman-machinecommunicationpatterncancompleteautomaticoperationinsteadofmanualoperationwithhighproductionefficiencyeconomicallyfeasible.ReferencesH.L.Ma，H.DuanandA.J.Tang．SurveyonTheDeformationofMillingThin-walledParts[J]．MachineToolandHydraulics，2010，(09)：117-119．X.B.Zhang．DevelopmentofFerriticStainlessSteelUsedinAutoExhaustSystem[J]．ShanghaiSteelandIronResearch，2005，(04)：46-50．H.P.An，L.LiandL.Wang．ResearchOnDesigningProjectofTransmissionSystemAboutMachineforCuttingMetalCannulation[J]．CoalTechnology，2009，(12)：17-19．Q.Q.SunandZ.M.Zhou．PrinciplesandEquipmentofMetalCutting[M]．SciencePress，2005：15-19．W.J.Zhang．MetalCuttingtheoryandCuttingTool[M]．ZhejiangUniversityPress，2005：27-34．K.TaoandL.Zhang．MotionRealizationofPlanetaryCNCPipeCuttingMachinewithoutCrumbs[J]．MechanicalEngineer，2011，(02)：77-78．L.LiandH.A.Kishawy．Amodelforcuttingforcesgeneratedduringmachingwithself-propellderotarytool[J]．MachineTools&Manufacture，2006，(46)：1388-1394．Y.P.Qian，X.HuangandX.Z.Zhou．DevelopmentofaTubeCuttingHeadforThin-walledStainlessSteel[J]．MachineToolandHydraulics，2014，(16)：18-19．W.Xu，C.LiandD.Zhao．TheSystemDesignoftheSymmetricPipeAutomaticCuttingMachine[J]．JournalofHubeiUniversityofTechnology，2015，(30)：1-4．附录B英文文献译文薄壁不锈钢管高效切割机切割头的设计JuYi,YingpingQian*,ZhiqiangShang,ZhihongYan,YangJiaoProcediaEngineering，2017(174)：1276–1282摘要：不锈钢管切割装置，适用于直径约130-150mm，壁厚为1.2mm的不锈钢管，主要用于汽车排气管。本文综合分析了传统切削方法和部分型芯切削头存在的问题。提出了一种基于双叶片对称行星切割机的运动学方案。该方案解决了不锈钢管在加工切口中因力不均匀、收缩、垂直度和光滑度引起的问题。该切割技术对提高生产效率、节约能耗、增强工业在国际市场上的竞争力具有重要意义。切管机切割精度高，经济可行。关键词切割机；薄壁不锈钢管；