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第1章绪论1.1前言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选题背景我们设计的棒料切割机结构简单,性能安全可靠,操作方便可行,很好的实现了其预定功能。棒料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。切割部分是由电机带动砂轮旋转,由气缸控制砂轮上下移动完成切割。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。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机械手夹紧铸棒使之与铸棒速度同步。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:一、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。二、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。三、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。四、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、安全系数高等因素,满足了自动化大批量的生产要求。1.3研究意义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本文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。第二章切割部分设计2.1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。2.2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1-1切割部分原理图切割部分的原理如图1-1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,开降气缸可推动砂轮片上下移动,完成切割。横向行走气缸可推动工作台横向移动,控制切割的长度。纵向行走气缸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。2.3结构设计2.3.1砂轮片的选取经过调研,切断能力为50的砂轮片,其规格为322.3400⨯⨯mm,所需电机的最小功率为2.2min=Pkw,转速为1n=2840r/min,砂轮片的最大线速度为70m/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#]1[。2.3.2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]2[。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2.32mN⋅]3[。2.3.3带传动设计根据带截面形状的不同,带传动可分为:平带传动、V带传动(及窄V带传动、多楔带传动、同步带传动等。在一般的机械中由于V带的楔形增压原理,结构紧凑,且多标准化并大批量生产,所以被广泛应用。本设计中选用V带传动。由于V带传动中的带及带轮槽型均已标准化,所以带传动设计的主要任务就是满足工作要求的带类型(或截面尺寸、大小带轮的基准直径、带的基准长度、带传动的中心距、小轮包角、带根数、压轴力等参数。1.确定计算功率由《机械设计教程》第43页表2-9查得工作情况系数AK=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6.332.1=⨯=⋅=PKPAcaKW(1-12.初选带的型号根据caP和1n,由《机械设计教程》书中第44页图2-8初选A型普通V带。3.确定带轮的基准直径1dd和2dd1由《机械设计教程》第37页表2-4查得A型mindd=75mm,考虑到带轮太小,其弯曲应力过大,所以要使1dd≥mindd,取1dd=160mm2验算带的速度7.231006028401601006011ndVdm/s(1-2因为5m/s23.7m/s25m/s带速符合要求。3计算2dd1212dddnnd⋅=(1-3由于电机转速与砂轮转速基本同步,选速比21nn=1,则2dd=1dd=160mm4.确定中心距和带的基准长度1初选中心距由0.7(1dd+2dd≤0a≤2(1dd+2dd,考虑到结构要求,初选0a=900mm带的初始长度:2121204((22'addddaLddddd-+++=π(1-49004160160(160160(2900222302mm由《机械设计教程》第37页表2-5取带的标准基准长度2000=dLmm2最后确定中心距7492230220009002'0ddLLaamm(1-5则7352000015.0765015.0min=⨯-=-=dLaamm(1-68252000030.0765030.0max=⨯-=+=dLaamm(1-7最后取825~735=amm。5.验算带轮包角︒⨯--︒=60180121addddα(1-860765150150180︒︒=120180(合适6.确定带的根数'PPzca≥(1-9其中:KPKKPPLa('000∆+=11(10ibKnKP-=∆由《机械设计教程》第41页表2-7查得:3.00Pkw由《机械设计教程》第42页表2-8查得包角系数1=aK由《机械设计教程》第37页表2-5查得长度系数03.1=LK采用非化纤结构的普通带,取材质系数75.0=K由《机械设计教程》第41页表2-6查得06.40Pkw。13.375.003.1106.4('0Pkw15.113.36.3'0PPzca取2z根。7.确定单根带的初拉力2015.2(500qvKvzPFaca+-∙=(1-10查得1.0=q916.221.010.15.2(36.226.350020=⨯+-⨯⨯⨯=FN(1-118.计算带对轴的压力5462180sin39122sin210=︒⨯⨯⨯==αzFQN(1-129.带轮的设计1带轮的设计要求设计带轮时应满足的要求有:质量小,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]4[。2带轮的材料带轮的材料主要采用铸铁,常用材料的牌号为HT150或HT200,转速较高时宜采用铸钢,或用钢板冲压后焊接而成]5[。在本次设计中,采用了比较常见的HT150。3带轮的结构尺寸由于带轮的基准直径mmdd160,轴的直径mmd30=,根据带轮的选择原则:即当mmddd30003~5.2(≤≤时采用腹板式结构,铸造带轮的结构如图1-2所示。两处0.01A0.02A3.23.2A1.63.26.36.333.3+0.209.536°8.6128?5556.36.32X45°其余6.36.33.23.28±0.02斜度1:25?12084056?156?150?42?30+0.021图1-2带轮的结构2.3.4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。手柄NF砂轮片图1-3手动切割机受力示意图3.负载大小根据手动切割机的工作原理(如图1-3所示,图中F=20kg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1-4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’=80kg合800N。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求有较大余量,所以在缸径选择时,其工作压力一般按0.3MP计算]6[。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0.3MP,砂轮片气缸NF'图1-4铸棒切割机受力示意图气缸砂轮片工件图1-5气缸行程计算简图理论推力为800N时,其缸径为60mm]7[。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1-5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1-5中虚线部分时,连杆所转过的角度为︒10,此时砂轮直径为最小直径。在初位时测得气缸的总长度为mmL5401=,在终位时测得气缸的总长为mmL4402=,所以在此过程中气缸的行程mmLLL10021=-=即升降气缸的行程为mmL100=7.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。2.3.5滚动轴承的选取及校核1.轴承的选择在结构设计中,我采用了既有转速高的优点,有能够承受少量轴向力的角接触球轴承,(其中轴向力的主要来源是安装或拆卸带轮时所承受的载荷估算载荷大小为100N。据分析,在安装和拆卸带轮时的力相同的情况下,拆卸带轮时,轴承所受的力更大,所以选取轴向力AF的方向向右,如图1-6所示·0。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︒=25α的角接触球轴承。其代号为7207ACJ,基本额定动载荷KNCr5.22=,基本额定静载荷KNCor5.16=]3[。2.轴承的校核计算(1计算轴承所受的径向力1R、2R,其受力如图1-6所示由力矩平衡条件02=∑M得18020200211⨯-⨯=FFR18020550200800⨯-⨯=N836=由01=∑M得18020200122⨯-⨯=FFR18020800200550⨯-⨯=N522=FF2MF1R2A121FSSR图1-6轴承计算简图(2计算派生轴向力1S、2S所选的轴承型号为7207ACJ,其派生轴向力RS63.0=则NRS52786363.063.011=⨯==(1-13NRS32952263.063.022=⨯==(1-14(3求轴承所受的轴向力1A、2A21627100527SNFSA=+=+故轴承2被压紧,轴承1被放松,所以有NSFAA62710052712=+=+=NSA52711==(4计算当量动载荷1P、2P63.086352711==RA(1-152.152262722==RA(1-16由《简明机械零件手册》查得7207ACJ型轴承的轴向载荷影响的判断系数68.0=e因为eRA=63.0/11,所以0,111==YX;eRA=20.1/