毕业设计（论文）-钢筋弯曲机结构设计

I钢筋弯曲机结构设计摘要随着建筑行业的快速发展，钢筋作为重要的建筑材料，其加工设备——钢筋弯曲机的性能要求也日益提高。本文选题背景在于探讨如何设计一款高效、精确的钢筋弯曲机，以满足现代建筑工地对钢筋加工的高效率和高质量需求。本文首先分析了钢筋弯曲机的设计要求和国内外研究现状，确定了基于蜗杆传动和PLC控制技术的总体设计方案。在传动系统设计中，通过电机的选择与计算、蜗杆蜗轮的设计及校核、传动带和传动轴的设计与校核，以及轴承与键的设计与计算，确保了传动系统的稳定性和可靠性。在控制系统设计中，采用PLC作为核心控制器，设计了合理的程序流程和I/O地址分配，实现了对钢筋弯曲过程的精确控制。在主要结构设计部分，本文详细阐述了弯曲机构、剪切机构和送料机构的设计思路，确保了钢筋弯曲机的整体性能。关键词钢筋；弯曲机；传动系统；控制系统AbstractWiththerapiddevelopmentoftheconstructionindustry,rebar,asanimportantbuildingmaterial,theperformancerequirementsofitsprocessingequipment-rebarbendingmachinearealsoincreasing.Thebackgroundofthetopicofthispaperistoexplorehowtodesignanefficientandaccuraterebarbendingmachinetomeetthehighefficiencyandhighqualitydemandforrebarprocessinginmodernconstructionsites.Thispaperfirstanalyzesthedesignrequirementsoftherebarbendingmachineandthecurrentstatusofresearchathomeandabroad,anddeterminestheoveralldesignschemebasedonwormgeartransmissionandPLCcontroltechnology.Inthedesignofthetransmissionsystem,thestabilityandreliabilityofthetransmissionsystemisensuredthroughtheselectionandcalculationofthemotor,thedesignandcalibrationofthewormgear,thedesignandcalibrationofthedrivebeltanddriveshaft,andthedesignandcalculationofthebearingsandkeys.Inthedesignofthecontrolsystem,PLCisusedasthecorecontroller,andareasonableprogramflowandI/Oaddressallocationaredesignedtorealizetheprecisecontrolofthesteelbendingprocess.Inthemainstructuredesignsection,thispaperdetailsthedesignideasofthebendingmechanism,shearmechanismandfeedingmechanismtoensuretheoverallperformanceofthesteelbendingmachine.KeywordsPackagingmachine;fruitpackaging;orangefruit目录4104摘要 I3743Abstract II23829第1章绪论 194581.1研究背景及意义 1158281.1.1研究背景 1172011.1.2研究意义 178711.2国内外研究现状 2302251.2.1国外研究现状 2274791.2.2国内研究现状 3118461.3本文主要内容 5327421.4本章小结 629613第2章钢筋弯曲机总体方案设计 7303522.1设计要求 7191212.2工作原理 745122.3总体方案 896822.4本章小结 921867第3章钢筋弯曲机传动系统设计 11195843.1电机的选择与计算 11139053.2蜗杆的设计 12106583.2.1选择蜗杆传动类型 1291073.2.2选择材料 12183063.2.3按齿面接触疲劳强度进行设计 12159043.2.4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 13112553.2.5蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核 14170323.3传动带的设计与计算 1679423.4传动轴的设计与校核 19101563.4.1轴的计算 19305383.4.2轴的校核 20163693.5齿轮的设计与计算 2189343.5.1齿轮材料的选择 21227783.5.2齿轮参数计算 2263563.5.3校核齿轮弯曲强度 23302593.6轴承与键的设计与计算 23321963.6.1轴承的选择 23257793.6.2键的选择与校核 24248183.7本章小结 256978第4章钢筋弯曲机控制系统设计 27226764.1PLC选型 27121724.2程序流程 27171024.3I/O地址分配 28127284.4梯形图设计 29223624.5本章小结 312565第5章钢筋弯曲机主要结构设计 33223325.1弯曲机构设计 3341325.2剪切机构设计 34213015.3送料机构 3546945.4本章小结 351762结论 3729348参考文献 3930109谢辞 41第1章绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景随着建筑行业的不断发展，钢筋弯曲机的应用范围越来越广泛，对其性能和功能的要求也越来越高。传统的手工弯曲方式不仅效率低下，而且存在一定的安全隐患，难以满足现代建筑施工的高效、安全需求。因此，自动化钢筋弯曲机应运而生，并在提高生产效率、降低劳动强度、确保施工质量等方面发挥了重要作用。目前，市场上存在多种类型的钢筋弯曲机，包括手动、半自动和全自动等不同类型。其中，全自动钢筋弯曲机因其高效率、高精度和操作简便等优点，逐渐成为行业发展的主流趋势。然而，随着使用需求的多样化，现有的钢筋弯曲机在结构设计、控制系统、操作便捷性等方面还存在一定的改进空间。此外，建筑行业对钢筋弯曲机的要求不仅限于基本的弯曲功能，还包括设备的稳定性、耐用性和适应性等方面。特别是在一些大型基础设施建设项目中，钢筋弯曲机需要处理大规格、高强度的钢筋，这对设备的性能提出了更高的要求。因此，研究和开发性能更加优越的钢筋弯曲机具有重要的实际意义。为了适应市场需求的变化和技术进步的要求，钢筋弯曲机的设计研究逐渐向智能化、多功能化和模块化方向发展。智能控制技术的引入，使得钢筋弯曲机在操作过程中能够实现自动检测、自动调整和故障诊断，提高了设备的智能化水平和可靠性。同时，模块化设计理念的应用，使得钢筋弯曲机的维护和升级更加方便，提高了设备的使用寿命和经济效益。1.1.2研究意义钢筋弯曲机结构设计的研究，在当今建筑工业迅猛发展的背景下，显得尤为重要。钢筋作为建筑行业的核心材料，其加工质量直接关系到工程的安全与稳定。钢筋弯曲机作为钢筋加工的关键设备，其结构设计不仅关乎加工效率，更影响着整个建筑工程的质量。深入研究钢筋弯曲机的结构设计，旨在通过优化机械构造，提高加工精度，实现钢筋的高效、精准弯曲，从而满足现代建筑对钢筋制品日益增长的需求。同时，这一研究也有助于推动钢筋加工设备的技术创新，提升我国建筑工业的整体水平，为行业的可持续发展提供有力支撑。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在19世纪末期，西方的先进国家已经开始深入研究核心技术并取得了显著成果。比如，N.Gwangwava在2014年提出了一种创新的弯曲机构，它能够根据产品的大小进行相应的调整。紧接着，在2015年，LcastelliniLC和团队开发了一种新型的机电一体化的永磁同步电机（PMSM），该电机与机械部件结合在滚珠丝杠结构中，有效减小了整个系统的惯性和执行器的体积。到了2017年，Hsien-ILin团队研发了一套利用激光测距技术的弯曲板抓取和跟踪系统，它能够测量板材与机器人之间的距离，并通过PID控制技术实现板材的自动跟踪。在同一年，MurenaE等人建立了一个基于网络的金属板弯曲误差检测系统。在弯曲机械领域，众多国际企业已经掌握了关键技术。以图1.1A为例，比利时LVD公司生产的EASY-FORM全自动极限弯曲机利用了CAD/CAM技术，并配备了涡轮液压系统以及智能学习数据库，实现了完全自动化的生产过程。该液压系统的压力范围从80吨到640吨，能够处理1.5米至8米长度的弯曲，并且能够根据弯曲长度的不同进行压力的调整。智能数据库的使用让实时参数能够反馈到弯曲机中，通过数据库自动控制，并在人机交互界面上显示，使得操作更加便捷。这使得弯曲角度的误差能够达到±0.3°的高精确度。经过这种弯曲系统处理的不同角度的金属板材，如图1.1（b）所示。图1.1(a)型号EASY-FORM比利时弯曲机(b)不同角度的弯曲钣金图1.2（a）描绘了德国SCHRÖDER公司制造的动力本工业双向电动折边机。这款机器使用电机作为动力来源，与液压系统相比，它具有无油渍、清洁度高的特点。该折边机能够处理长达5米的折边，最大折边宽度为8mm，并且折边速度可达到150度每秒。设计上的一大亮点是采用旋转压边板的方式，使得梁的上下两侧叶片能够迅速切换。此外，该机器还配备了全球独有的材料数据库，具备自动挠度补偿、压边板调节和折边板倾斜等功能。由于整个传动系统采用了全伺服技术，实现了数据的实时更新和传输，确保了折弯角度的高精确度和直线度。如图1.2（b）所示，使用这台机器加工的工业产品展示了其广泛的应用范围和高精度加工能力。图1.2(a)施诺德PowerBendIndustrial双向电动折边机（b）不同形状的折边效果图1.3呈现了由日本阿马达公司推出的HG-1003ATC型号的全自动换模装置的弯曲机。这款机器在2017年首次亮相市场，能够承受高达1000千牛的压力，其极限弯曲长度达到3110毫米，移动梁的行程为250毫米。其新式的控制器AMNC3i显著地提升了操作的便捷性，并且配备了类似智能手机的多点触控液晶屏，为操作者提供了更加便捷的操作体验。在控制技术方面，HG-1003ATC采用了创新的混合驱动系统和中间补偿机制，这使得机器能够高效且精确地加工从厚板到薄板的材料。该机器的一个显著优势是其全自动换模装置，包括上模和下模，能够安装15至18个模具。通过不同模具的配合使用，可以实现最佳的弯曲效果，即使是工艺复杂或简单的弯曲板，也能一次性完成加工。图1.3（b）展示了机器加工的样品，其结构复杂，通过不同模头的组合加工，充分展现了其在各个方面的细节处理能力。图1.3（a）日本AmadaHG1003ATC全自动模具交换装置折曲加工机（b）加工样品1.2.2国内研究现状与国际先进水平相比，我国在弯曲机技术及相关领域的发展起步较迟，技术层次相对落后。然而，国内在这一领域的研究与开发正持续向前推进。2012年，华南科技大学的戴敏教授首次将开放式CNC控制系统EMC2应用于全自动弯折机，该机器能够适应特殊弯曲工艺的需求，允许对弯折模型进行编程与模拟，以提升成型率。2013年，华南科技大学的史步海教授开发了一种基于偏置耦合的多电机同步控制弯曲机，该系统通过调整各工作轴电机的运动偏差，增强了弯折机构的性能和精度。华中理工大学、南京航天大学、北方理工大学等高校和研究机构也在弯曲机技术领域取得了显著的研究进展，他们运用先进的数控技术和控制系统，有效提升了弯管的精度与效率。国内最初使用的弯曲设备为手弯机，如图1-4所示，该设备仅具备基础的人工定位功能，无法精确确定弯曲点。操作时需手动旋转机器一端的手轮，使上刀口下移，以实现剪切或弯曲。由于加工精度较低，主要适用于对精度要求不高的弯曲加工件。随着技术的发展和引进国外先进技术，国内开始研制液压弯折和数控弯折机，并取得了成效。1986年，甘肃省天水市天水锻压厂成功开发了国内首套数控弯曲设备，为该技术领域的发展指明了方向。此后，国内逐渐培育了一批具备自主开发能力的企业，例如江苏宏威重工股份有限公司。他们研制的W67K型全自动电液同步数控弯曲机如图1-5所示，具有高效率、低成本、高精度的特点。该设备采用电液比例伺服阀和电子放大器，与数控系统形成闭环控制，通过光栅尺检测装置精确反馈滑块位置，确保滑块与工作台的相对位置和同步精度，使得数控弯曲机两端同步运动，确保弯曲的深度、角度和精度。总体来看，尽管我国在弯曲机技术领域的起步较晚，但通过不懈努力和创新，已经取得了一定的成就。展望未来，随着技术的持续进步和应用领域的扩大，预计我国在弯曲机技术方面将实现更大的突破和发展。图1.4某品牌手动弯曲机图1.5全自动电液同步数控弯曲机Tailift公司，台湾一家致力于开发高端弯折设备的公司，已经推出了多款CNC伺服液压弯折机。图1.6展示了Tailift为TCH-100型号专门设计的液压弯折机。该机器的X轴移动速度范围为0至500毫米每秒，R轴的最大行程为290毫米，而Z轴的最大行程达到2350毫米。其核心控制单元由尖端的CNC数控系统构成，使得操作变得简单且精度极高。用户可以通过编程的人机交互界面，以编码方式输入弯折参数，随后由CNC系统执行加工任务。这款弯折机不仅提升了弯折工艺的精确度和效率，还为操作者提供了更大的操作自由度和便利性。图1.6台湾TailiftTCH-100伺服液压弯曲机1.3本文主要内容钢筋弯曲机结构设计的主要研究内容围绕着如何构建一台高效、稳定且易于操作的钢筋加工设备。本研究内容涵盖了从总体方案设计到具体机械部件设计的全过程，旨在确保钢筋弯曲机能够满足现代建筑行业的实际需求。在总体方案设计阶段，本研究首先明确了钢筋弯曲机的设计要求，包括加工精度、生产效率、设备稳定性等方面的具体指标。随后，通过对工作原理的深入分析，确定了以蜗杆传动为核心传动方式，并结合PLC控制系统实现自动化操作的总体方案。在传动系统设计方面，本研究重点关注了电机的选择与计算，以确保提供足够的动力支持。同时，对蜗杆传动进行了详细的设计，包括传动类型的选择、材料的选择、齿面接触疲劳强度的计算以及蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸的确定。此外，还对传动带、传动轴、轴承与键等关键部件进行了设计与计算，以确保传动系统的整体稳定性和可靠性。在控制系统设计方面，本研究选用了PLC作为核心控制器，设计了合理的程序流程和I/O地址分配，实现了对钢筋弯曲过程的精确控制。通过梯形图的设计，确保了控制程序的逻辑清晰、易于实现和维护。在主要结构设计方面，本研究详细设计了弯曲机构、剪切机构和送料机构。弯曲机构是钢筋弯曲机的核心部件，负责实现钢筋的弯曲加工。本研究通过优化结构设计，提高了弯曲精度和效率。剪切机构用于切断钢筋，通过合理设计剪切刀片和剪切力传递机构，确保了剪切过程的平稳和可靠。送料机构则负责将钢筋送入加工区域，通过设计精确的送料速度和位置控制，确保了加工过程的连续性和稳定性。1.4本章小结本章介绍了钢筋弯曲机的研究背景及意义，概述了国内外研究现状，并简要说明了本文的主要内容和结构安排。第2章钢筋弯曲机总体方案设计2.1设计要求钢筋弯曲机是一种用于将钢筋弯曲成各种形状以满足建筑施工需求的机械设备。其设计要求主要涵盖以下几个方面：（1）结构稳定与安全性：钢筋弯曲机必须具备稳定的机架结构，能够承受钢筋在弯曲过程中产生的巨大力量。同时，设备应配备完善的安全保护装置，以防止操作失误或设备故障导致的人员伤害或设备损坏。（2）高效性与精确性：钢筋弯曲机应具备高效的传动系统和精确的弯曲机构，能够迅速且准确地完成钢筋的弯曲任务。此外，设备还应具备调整弯曲角度和弯曲速度的功能，以适应不同施工需求。（3）操作便捷性：设备的操作界面应简洁明了，操作过程应尽可能简化，以方便操作人员快速掌握设备的使用方法。同时，设备还应具备智能化控制功能，能够自动调整参数，提高操作效率。（4）耐用性与维护性：钢筋弯曲机应选用高质量的材料和零部件，以确保设备的耐用性和稳定性。此外，设备的维护应简便易行，方便用户进行日常维护和保养。2.2工作原理钢筋弯曲机作为一种重要的建筑设备，其工作原理主要依赖于电机的驱动。在详细阐述其工作原理之前，先来了解一下钢筋弯曲机的基本构成。钢筋弯曲机主要由电机、皮带轮系统、齿轮传动机构、蜗轮蜗杆、工作盘、插入座、辅助支架和工作板等部件组成，这些部件协同工作，共同完成了钢筋的弯曲任务。电机是钢筋弯曲机的动力来源，它产生的旋转力通过电机轴传递给皮带轮系统。皮带轮系统是一种常用的动力传输方式，它具有传递动力稳定、可靠性高的特点。在皮带轮系统的作用下，动力得以顺利地传递给齿轮传动机构。齿轮传动机构是实现动力传递的关键部件，它能够将电机产生的旋转力通过齿轮之间的啮合作用进行传递和放大。在这个过程中，齿轮的转速和扭矩都会发生相应的变化，以适应后续工作部件的需求。接下来，动力通过齿轮传动机构传递给蜗轮蜗杆。蜗轮蜗杆是一种具有减速功能的传动机构，它能够将高速低扭矩的动力转换为低速高扭矩的动力。这种转换对于钢筋弯曲机来说至关重要，因为钢筋的弯曲需要较大的扭矩和较慢的转速，以确保弯曲过程的稳定和精确。蜗轮蜗杆减速后，动力最终传递给工作盘。工作盘是钢筋弯曲机的主要工作部件，它负责带动钢筋进行弯曲。钢筋通过插入座固定在工作盘上，随着工作盘的转动，钢筋被逐渐弯曲成所需的角度和形状。在这个过程中，辅助支架和工作板发挥着重要的支撑和导向作用。辅助支架能够稳定地支撑钢筋，防止在弯曲过程中发生晃动或偏移；而工作板则提供了钢筋弯曲的基准面，确保钢筋能够按照预定的轨迹进行弯曲。整个钢筋弯曲过程由控制系统进行监控和调整。控制系统能够实时监测各部件的工作状态，并根据需要调整电机的转速、齿轮的传动比以及工作盘的转动角度等参数，以确保各部件之间的协调工作。通过控制系统的精确控制，钢筋弯曲机能够实现自动化的钢筋弯曲操作，大大提高了工作效率和弯曲质量。总的来说，钢筋弯曲机的工作原理基于电机的驱动和一系列传动机构的协作，通过精确的控制和调整，实现了钢筋的自动化弯曲操作。这种设备在建筑行业中具有广泛的应用前景，能够提高工作效率、降低劳动强度，并提升钢筋弯曲的精度和一致性。随着技术的不断进步和创新，相信钢筋弯曲机将会在未来发挥更加重要的作用。2.3总体方案钢筋弯曲机的总体结构设计基于多种关键部件的合理组合和优化配置，包括电机轴、平键、轴承、大小皮带轮、大小齿轮、蜗轮蜗杆、支撑板、壳体、V轴、上下箱体、工作板、辅助支架、钢筋、工作盘、插入座等。设计中，电机轴通过平键与大小皮带轮连接，传递动力。大小皮带轮通过齿轮传动机构，与蜗轮蜗杆相连，形成一个高效的传动系统，确保动力的平稳传递和工作精度。轴承用于支撑转动部件，减少摩擦，提高设备的运行稳定性和寿命。支撑板、壳体和上下箱体构成了钢筋弯曲机的主要框架，提供了坚固的结构基础，确保设备在高负荷下的稳定性和耐用性。工作板、工作盘和辅助支架等部件则直接与钢筋接触，通过合理的设计和布局，实现对钢筋的精准弯曲。插入座的设计使得钢筋能够方便地置入和固定，确保弯曲过程的连续性和一致性，其结构如图2.1所示。图2.1钢筋弯曲机的总体结构2.4本章小结本章在明确了钢筋弯曲机的设计要求和工作原理的基础上，提出了总体设计方案。通过对设备的功能需求、性能要求和操作便捷性等方面的综合考虑，确定了以蜗杆传动和PLC控制为核心的总体方案。该方案不仅满足了钢筋弯曲机的基本功能需求，还保证了设备的稳定性和可靠性。同时，本章还总结了总体方案设计的关键点，为后续章节的具体设计提供了指导。

第3章钢筋弯曲机传动系统设计3.1电机的选择与计算电机的挑选对机械系统的整体性能起着决定性作用，它作为能量供应的核心，其适配性直接关系到系统的整体表现。挑选电机时，需要考虑电机的类型、结构、容量（即功率大小）和转速，以及具体型号的确定。在决定电机的类型和结构时，要考虑供电方式（交流或直流）、工作环境（包括温度、环境因素、空间大小等）以及负载特性（包括负载的性质、大小、启动特性和过载能力）等因素。电机的结构形式有多种，例如开放式、防护型、密封式和防爆型等，应根据所需的防护等级来选择。同时，同一类型的电机可能提供多种安装方式，需要依据实际的安装环境来决定。在本设计案例中，电机的选择被视作关键环节，功率的确定是选择过程中的核心要素。根据该机构的工作特性，其电机功率的选择应符合平稳负载且持续工作的条件。额定功率的计算：（3.1）式中：pe——电动机额定功率（kw）；Pz——负载功率（kw）；mz——折算到电动机轴上的静负载转矩（n·m）；ne——电动机额定转速（r/min）。带轮所需功率为：（3.2）考虑到传动装置的功率消耗，电动机的输出功率为（3.3）式中，为从电动机到小带轮之间的总效率，，为弹性联轴器的传动效率，为一对滚动轴成效率，为一对滚动轴成效率，为弹性联轴器与v带的传动效率。电动机的输出功率为，因此本次设计中电动机的型号为CGWQJ-09，额定功率为3kW，转速为960r/min。3.2蜗杆的设计3.2.1选择蜗杆传动类型根据GB/T10085-1988的推荐，本设计蜗杆采用渐开线蜗杆（ZI）。3.2.2选择材料考虑到材料特性以及蜗杆传动系统所传递的功率较小且速度处于中等水平，蜗杆选用了45号钢材。为了提高效率和耐磨性，蜗杆的螺旋齿面需要进行淬火处理，以达到45至55HRC的硬度。至于蜗轮，选用了铸锡磷青铜材料ZCuSn10P1，通过金属模具进行铸造。为了节约成本较高的有色金属，仅蜗轮的齿圈部分采用青铜材料制作，而轮芯部分则采用灰铸铁HT100。3.2.3按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲强度。传动中心距：（3.4）（1）确定作用在蜗轮上的转矩T2按估取效率，则：（3.4）（2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数；工作情况系数；由于转速不高，冲击不大，可驱动载荷系数为。则：（3）确定弹性影响的系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=。（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值/a=0.35，（5）确定许用接触应力[]根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度〉45HRC，查表12.6可得到接触应力[]=220MPa。（6）计算中心距（3.6）取中心距a=125mm，因i=22，取模数m=5mm蜗杆分度圆直径：这时，得接触系数=2.74，因为<，因此计算结果可用。3.2.4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆主要参数齿顶高：齿根高：犬齿高：分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：蜗杆分度圆导程角：蜗杆轴向齿距：蜗杆导程：（2）蜗轮主要参数蜗轮齿数：，变位系数：X=0.5验算传动比，这时传动比误差为＜5%，在允许范围内。蜗轮齿顶高：（3.7）蜗轮齿根高：（3.8）犬齿高：分度圆直径：齿顶圆直径：齿根圆直径：（3.9）咽喉半径：（3.10）蜗轮右旋螺旋角：图3.1蜗杆3.2.5蜗轮齿根弯曲疲劳强度校核由经验可知对闭式蜗杆传动通常只作蜗轮齿根弯曲疲劳强度的校核计算。查得蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算公式为：（3.11）式中：——蜗轮齿根弯曲应力，单位为MP；——蜗轮齿形系数；——螺旋角影响系数；——蜗轮的许用弯曲应力，单位为MP；当量齿数：（3.12）根据，由第八版图11-9查得齿形系数=4.25螺旋角影响系数：（3.13）（3.14）查表第2版12.6，得许用弯曲应力=56MPa校验结果为34.12MP<56MP。所以蜗轮齿根弯曲疲劳强度是满足要求的。图3.2蜗轮3.3传动带的设计与计算钢筋弯折机主要采用带式传动系统，以适应多样化的工作条件。带式传动是一种通过带轮与带子之间的摩擦力或啮合来完成两轴间的动力或运动传递的方法。它具有结构简洁、成本经济，且无需润滑的优点。为了降低带子磨损，带轮的工作表面应保持平滑，一般使用灰铸铁来制造。出于安全考虑，带式传动系统应被安装在铁丝网或防护罩之中。电动机输出功率（1）确定计算功率由《机械设计》表8-7查得工作情况系数，故（3.15）（2）选择V带类型根据，=970r/min，由《机械设计》可知，选用B型带（3）确定带轮的基准直径并验算带速，初选小带轮基准直径，查表8-6=125mm（3.16）大带轮直径/=，得出=537.60mm（4）验算带速（3.17）因为，故带速合适。（5）确定V带的中心距和基准长度由式得，取计算带所需的基准长度（3.18）由《机械设计》表8-2选取V带基准长度计算实际中心距（3.19）（3.20）（3.21）（6）验算小带轮上的包角（3.22）（7）计算带的根数Z查《机械设计》表8-5得（0.95-0.93）（156.83-155）/(160-155)+0.93=0.94（3.23）查表8-2得查表8-4a，8-4b得（3.17-2.66）（970-950）/(1200-950)+2.66=2.70KW（3.24）（3.25）（3.26）取3根V带。（8）计算单根V带的初拉力的最小值由《机械设计》表8-3得A型带的单位长度质量，所以（3.27）应使带的实际初拉力。（9）计算压轴力轴力的最小值为=156.83°（3.28）（3.29）（10）带轮的结构设计1）选择带轮的材料、带轮的结构形式因为带轮圆周速度＜25m/s，故带轮的材料可选用HT150；由于大带轮基准直径d1＜71×2.5=177.5mm，故采用实心式。2）计算基本结构尺寸表3.1V带轮的轮槽尺寸项目符号槽型Z基准宽度（节宽）b(b)8.5基准线上槽深h2.0基准线下槽深h7.0槽间距e120.33）带轮的其他结构尺寸小带轮的结构尺寸，其结构如图3-3：Dd1=71mmd1=(1.8～2)d=21.6～24mm，取d1=22.5mmda=dd1+2h=71+2×2=75mm大带轮的结构尺寸：d1′=(1.8～2)d′=50.4～56mm，取d1′=52.5mmC′=(1/7～1/4)B=24.2～26mm，取C′=25mm图3.3小带轮结构示意图3.4传动轴的设计与校核3.4.1轴的计算选择45号钢作为轴的制造材料，并对其进行调质处理。轴上零件的装配、定位以及轴的制造工艺是选择材料和处理方式的依据。参照《机械设计基础》第二版第230页的表格，确定系数A的范围为107至118，这个系数A是根据材料属性和使用条件来确定的。根据教材中的表13-2，45号钢的许用切应力τ可以设定为35兆帕（Mpa）。在本设计中，取A的值为112。对于轴的强度计算，需要通过特定的公式来确定轴的最小直径。具体的计算公式为：（3.30）p为轴传递的功率（kW）n为轴的转速（r/min）得出dmin=计算轴的输出力矩T，由公式：（3.31）可以得出由以上计算可知轴的输出直径不是很大，并且与轮盘和从动轮的尺寸比例不协调，电动机的输出直径为24mm，数据远大于dmin，所以把25mm作为最小轴径dmin。3.4.2轴的校核求轴的载荷，首先根据轴的结构，做出轴的计算简图。根据轴的计算图，做出轴的弯矩图和扭矩图。图3.4轴的载荷分析图从上图中可以看出靠近大带轮轴承上的截面为危险截面。现将计算的危险截面处的M、MH、MV。选取轴的材料为45号钢，调质处理。上面已经算出轴的最小直径为25mm，扭矩为36N.m。所以，可以计算出作用在轴上的力圆周力Ft：（3.32）（3.33）作用在刀片上的力径向力Fr：（3.34）可以得出Fr=166.2N根据上面的数据和轴的机构以及弯矩和扭矩图中可以看出，受载荷最大的面是靠近大带轮的轴承端面，因此求得此截面的弯矩扭矩如下表：表3.2截面的弯矩扭矩载荷平行于轴垂直于轴支反力F1125NN弯矩MMH=34245N/mm总弯矩扭矩TT2=131759.8N.mm（3）按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，一般只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。查《机械设计基础》式（13-3P231），以及上表的数据、轴单向旋转、扭转切应力为脉动循环变应力，取，计算轴的应力，由公式：（3.35）得出轴的应力：=37.6MPa（3.36）查得经调制处理的45号钢[σ-1]=60Mpa，所以计算出轴安全。该轴在此截面的右侧的强度也是符合要求的。由于本设计没有大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性，故可略去静强度校核。至此，轴的校验结束，轴的校验合格。3.5齿轮的设计与计算3.5.1齿轮材料的选择在本设计中，预期齿轮轴的使用寿命为8年，按照每年365天，每天工作8小时进行计算，且采用两个齿轮轴交替使用。齿轮轴的工作环境为室内，其运动形式为旋转，并且负载保持相对稳定。尽管产品对精度和紧凑性有较高的标准，但所选齿轮类型为直齿齿轮，并在材料选择上，优先采用中等硬度的材料。根据《机械设计基础》一书第10-1节的资料，对于由45号钢制成的小型齿轮，其硬度标准为220HBS；而相同材料的大型齿轮，则硬度标准为180HBS。3.5.2齿轮参数计算（1）确定许用应力依据所选择的材质及硬度，参考《机械设计基础》中的图表10-7，得出了啮合疲劳的界限σHlim，小齿轮和大齿轮的取值：σHlim1=560MPa，σHlim2=530MPa。由于硬度均小于350HBS可知两齿轮均为软齿面，根据表10-4查得安全系数SH=1.1，故：（3.37）（3.38）查图10-10可得齿轮的弯曲疲劳极限σFlim1=190MPa，σFlim2=170MP，根据表10-4查得安全系数SF=1.4，故：（3.39）（3.40）（2）确定齿轮构造参数按齿面接触强度设计。齿轮按8级精度制造。查《机械设计基础》表10-3可取载荷系数K=1.1，Ѱa=0.4。小齿轮上的转矩为：（3.41）已知，所以按《机械设计基础》公式10-6可得：（3.42）取小齿轮齿数z1=32，则大齿轮z2=uz1=7.78×32=248.96≈250。故实际传动比为：（3.43）模数为：，查表3-1取m=1。所以，中心距为：（3.44）齿宽为：（3.45）取b2=57mm，则b1=62mm。为补偿安装误差，保证接触齿宽，通常小齿轮齿宽应该比大齿轮齿宽大5～10mm。3.5.3校核齿轮弯曲强度首先，齿宽应取接触齿宽b=57mm。查《机械设计基础》图10-9，齿形系数YF1=2.34。YF2=2.31，得（3.46）（3.47）故弯曲强度足够。3.6轴承与键的设计与计算3.6.1轴承的选择（1）轴承的选择轴承在承受径向力的同时，也承受着轴的重量以及轴上其他部件的重量。故选用7207C角接触球轴承。轴承的主要参数：内径：35mm外径：72mm接触角：15度预计寿命为8年工作小时数Lh预计为12000小时（2）轴承的校核在挑选角接触球轴承的材料时，必须确保其具备高硬度、高接触疲劳强度、良好的耐磨性和足够的冲击韧性。这种轴承的显著特点是，它不仅能承受径向的负载，还能承担一个方向的轴向负载。轴承的接触角对其承载力有显著影响：当接触角较大时，其承载轴向负载的能力会增强；而接触角较小时，轴向负载的承载力则会减弱。因此，具有较小接触角的轴承更适合于承受径向负载，并且更适用于高速旋转的场合。在综合考虑了这些因素之后，决定采用角接触球轴承。因此，选择了型号7016C的角接触球轴承，并对其进行了检验。因该轴承受和的作用，必须求出当量动载荷P。计算时用到的径向系数X、轴向系数Y要根据Fa/C0r值查取，而C0r是轴承的径向额定静载荷，在轴承型号未选出前暂时不知道，所以需要试算。由《机械设计基础》表10-9（P164），暂取Fa/C0r=0.17，则e=0.5。因Fr=288N，Fa=166.2N，则Fa/Fr=0.57>e，由《机械设计基础》表10-9（P164）查得X=0.44，Y=1.4。由公式（3.49）（3.50）计算所需径向基本额定动载荷值，由公式：（3.51）fp=1.2（《机械设计基础》表10-12（P167））；ft=1（《机械设计基础》表10-11（P166），因工作温度不高）；Lh是使用寿命，为12000h所以：（3.52）Cr=2910>2900NC0r=1920N故7016C的角接触球轴承的Fa/C0r=288/1920=0.15与原估算接近，适用。3.6.2键的选择与校核（1）键的选择均为一般连接，可选用普通平键中的圆头普通平键。由以上计算可知此处轴的直径d1=25mm，查《机械设计课程设计手册》表3-1得，键的截面尺寸如下：宽度b=8mm，高度h=7mm，取键长L=14mm。与皮带轮连接的键的选择：由以上计算得此处轴径为d2=25mm，同理选用键的宽度b=8mm，高度h=7mm，取键长L=18mm。（2）键的校核键、轴的材料都是钢，键采用静联接，冲击轻微。查《机械设计基础》表13-4（P237）得出许用挤压应力[σp]=125～150MPa，取[σp]=135MPa。键1的工作长度l=L-b=13-7=7mm，键与刀盘的接触高度k=0.5h=3.5mm由《机械设计基础》公式3-22（P236）：=（3.53）得出σp为116MPa小于[σp]所以键1的强度合适。键2的工作长度l=L-b=25-6=19mm，键与皮带轮的接触高度k=0.5h=3mm。=（3.54）得出σp为136MPa小于[σp]所以键1的强度合适T——传动的转矩N·mk——键与轮毂键槽的接触高度l——键的工作长度mmd——轴的直径3.7本章小结本章详细介绍了钢筋弯曲机传动系统的设计过程。首先，通过电机的选择与计算，确定了合适的动力源。然后，对蜗杆传动进行了详细的设计，包括传动类型的选择、材料的选择、齿面接触疲劳强度的计算和蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸的确定。此外，还对传动带、传动轴、轴承与键等关键部件进行了设计与计算。通过本章的研究，确保了传动系统的稳定性和可靠性，为钢筋弯曲机的正常运行提供了有力保障。

第4章钢筋弯曲机控制系统设计4.1PLC选型在钢筋弯折机的控制系统设计环节，选择PLC（ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器）极为关键，PLC作为控制体系的中枢组件，对整个系统的性能与稳定性起着决定性作用。经过详尽的分析与对比，最终选定西门子（Siemens）品牌的6ES7511-1AKO0-0ABO型号作为控制中枢。这款PLC组件具备卓越的性能参数，它装备了先进的处理器和计算单元，具备快速的运算速度和充足的存储空间，能够高效处理复杂的控制逻辑和大量数据，满足钢筋弯折机对于高速度和高精度控制的需求。此外，6ES7511-1AKO0-0ABO型号的PLC还展现出极高的可靠性。作为自动化控制行业的领军企业，西门子的产品品质和稳定性获得了业界的普遍认可。这款PLC组件采用了工业级的设计与制造技术，展现出卓越的抗干扰性能和耐用度，能够确保在严苛的工业环境中稳定运作。同时，该PLC组件还具备高度的扩展性和适应性，支持多样的通信端口和网络协议，能够与多种设备实现迅速且稳定的数据交互和信息共享，满足钢筋弯折机控制系统的多样化需求。图4.1电气原理图4.2程序流程在钢筋弯曲机的主程序控制流程中，首先进入自动模式，系统便自动初始化，等待钢筋通过输送带送入。钢筋进入输送区域后，到位感应器检测到钢筋到达预定位置，立即向PLC发送信号。接收到信号后，PLC指令钢筋弯曲机开始启动，对钢筋进行精确弯曲。弯曲过程严格控制，确保每一根钢筋的弯曲角度和形状符合标准和要求。弯曲完成后，PLC控制系统自动转入下一步骤，PLC再次接收到弯曲完成的信号，随即指令输送带启动，将处理完成的钢筋送出弯曲机。钢筋出料后，系统检测到出料完成信号，整个弯曲过程宣告完成。整个控制流程高度自动化，从钢筋进入到完成出料，每一步骤都由PLC精准控制，确保了生产线的高效率和弯曲质量，同时大大减少了人工干预，提高了生产效率和安全性。图4.2PLC接线图4.3I/O地址分配通过对钢筋弯曲机控制系统的输入输出数据进行统计分析，确定各输入输出点的具体含义及重要性。为此，编制了输入和输出信号地址指派表。这些表提供了IO点的详细信息，包括其功能、用途和信号类型等，以确保系统的正常运行。通过对IO点的合理分配，可以更好地控制钢筋弯曲机的各项功能，并确保其在生产线上的高效稳定运作。表4.1输入信号地址分配表I/O点地址描述信号类型备注输入点I0.0启动按钮DI手动启动输入点I0.1停止按钮DI手动停止输入点I0.2急停按钮DI安全紧急停止输入点I0.3入料感应器DI检测钢筋到位输入点I0.4弯曲完成信号DI弯曲完成检测输入点I0.5出料感应器DI检测钢筋出料输入点I0.6弯曲角度反馈AI模拟量输入输出点Q0.0输送带电机DO控制输送带启动输出点Q0.1弯曲电机DO控制弯曲操作输出点Q0.2出料电机DO控制出料操作输出点Q0.3报警指示灯DO故障报警输出点Q0.4操作完成指示灯DO任务完成提示输出点Q0.5弯曲角度控制AO模拟量输出4.4梯形图设计在钢筋弯曲机的PLC控制程序设计中，梯形图是关键部分，通过图形化的方式展现了控制逻辑，使得程序设计、实现和故障排查变得直观和高效。程序的流程从初始化开始，这个阶段主要是确保系统的所有部分都处于起始状态，为接下来的操作提供基础。首先，操作人员按下启动按钮，PLC接收到启动信号后，系统进入自动模式，并初始化所有相关设备，包括感应器和执行机构，确保系统处于初始状态。系统初始化完成后，PLC进入等待状态，准备接收钢筋。入料感应器检测到钢筋到位后，立即向PLC发送信号，PLC接收到信号后，激活输送带将钢筋移动到弯曲位置。钢筋到达弯曲位置后，到位感应器检测到钢筋到位，触发弯曲操作的启动信号。此时，PLC指令弯曲电机开始运行，按照设定的弯曲角度对钢筋进行弯曲。弯曲过程中，PLC通过读取弯曲角度反馈信号，实时监控弯曲角度，确保弯曲精度符合要求。弯曲操作完成后，弯曲完成感应器检测到弯曲完成信号，并向PLC发送完成信号。PLC接收到弯曲完成信号后，立即指令出料输送带启动，将弯曲完成的钢筋送出弯曲机。出料感应器检测到钢筋出料后，向PLC发送出料完成信号，整个弯曲过程宣告完成。出料完成后，PLC控制系统返回初始状态，准备接收下一根钢筋。整个控制流程高度自动化，依赖于PLC的逻辑控制，通过一系列感应器信号和执行命令的精确协调，保障了生产线的高效率和弯曲作业的高质量。PLC程序在梯形图中清晰地定义了每个操作步骤，包括初始化、入料、弯曲和出料，通过图形化的逻辑控制，使得故障排查和维护变得更加简便，同时极大地减少了人工干预，提升了系统的整体性能和可靠性，其梯形图如图4.3所示。图4.3程序梯形图4.5本章小结本章主要介绍了钢筋弯曲机控制系统的设计。首先，根据设备的控制需求，选择了合适的PLC型号。然后，设计了合理的程序流程和I/O地址分配，实现了对钢筋弯曲过程的精确控制。通过梯形图的设计，使控制程序更加直观和易于实现。本章的研究不仅提高了钢筋弯曲机的自动化程度，还提高了加工精度和生产效率。

第5章钢筋弯曲机主要结构设计5.1弯曲机构设计钢筋自动弯曲机是一种普遍使用的金属加工机械，主要用于将钢筋弯曲成形，以适应建筑和桥梁建设等领域的需要。在弯曲机的结构规划中，弯曲机构扮演着至关重要的角色，其主要功能是利用弯曲转盘来完成钢筋的弯曲作业。弯曲转盘设计为圆形，上面配备了多套预先设定的弯曲模具。在执行弯曲任务时，钢筋被固定于相应的弯曲模具之中，随后通过旋转弯曲转盘，钢筋在模具的作用下被弯曲成形。由于转盘上配备了多种弯曲模具，可以通过更换不同的模具来实现不同角度和形状的弯曲作业。在弯曲机的结构规划中，弯曲机构的规划至关重要，其设计质量与精度直接关系到弯曲作业的成果与品质。因此，在设计和制造阶段，必须特别关注机器的精确度和可靠性，以确保其稳定运行和持久耐用。如图5.1展示，弯曲机构主要依靠弯曲转盘来执行弯曲操作。图5.1弯曲转盘结构图5.2剪切机构设计可以实现剪切功能的机构很多，在相似功能的设备中经常采用的有以下几种：（1）切管机式结构在操作数控切管设备进行加工时，通常需要将管道材料裁剪成长度符合要求的管道半成品。为完成这一过程，必须借助专用的切管设备。这种切管设备一般通过电动马达驱动切割工具，使其高速旋转以切断钢管。要执行这项任务，切管设备至少需要在三个方向上进行移动：切割铣刀的旋转、管道的直线送进以及切割铣刀沿管道轴线垂直方向的往返移动。工作流程如下：首先，夹持装置（例如与管道相匹配的橡胶垫）将钢管固定。然后，管道在直线送进方向上被圆筒推动至一定位置。接着，在电动马达的带动下，切割工具在另一个圆筒的驱动下沿垂直于管轴的方向移动，直至管道被切断。最后，部件返回到初始位置。尽管这种机构相对容易构建，且工作效率较高，但切管设备通常需要电动马达通过皮带传动来驱动铣刀轴，因此整体结构尺寸较大，切割部件需随机头架转动。然而，由于安全考虑，在高速可调钢筋弯曲机上，这种结构很难实现。因此，在设计可调速钢筋弯曲机时，必须考虑剪切操作的实施方法，以期提升生产效率和加工品质。（2）偏心块式先锋12B型CNC弯曲钢筋机，是利用电动机驱动一个偏心轮，使其围绕中心旋转，实现对钢丝绳的剪切。该方案具有结构简单，整体尺寸小，安全性高等特点，适用于速度可调式钢筋弯曲装置的设计。（3）本课题设计的钢筋自动弯曲机剪切部分原理简介本课题组设计的钢筋自动弯曲机部分原理如下图5.2所示：图5.2剪切部分原理图5.3送料机构钢筋弯曲机的送料机构设计是一个复杂且精细的过程，它涵盖了机械传动、控制系统和结构设计等多个方面。在送料机构设计中，需考虑送料的精准度、速度和稳定性，同时还要保证操作的安全性和便捷性。送料机构的设计首先着眼于实现钢筋的精确送料。通过采用高精度的传动装置，如伺服电机和精密减速器，能够实现对送料速度的精确控制。同时，利用传感器和反馈系统，实时监测送料位置，确保钢筋在弯曲过程中的准确位置。在送料机构的稳定性方面，采用稳固的机架结构和优化的动力布局是关键。机架的设计需要足够坚固，能够承受送料过程中产生