旋管式切管機(jī)

旋管式切管機(jī),旋管式切管機(jī) 河南科技學(xué)院 2009 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目：鋼管旋切機(jī)設(shè)計(jì) —控制部分設(shè)計(jì) 學(xué)生學(xué)號(hào)：20040315033 學(xué)生姓名：杜顯峰 所在院系： 機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育 導(dǎo)師姓名： 陳錫渠 完成時(shí)間：2009 年 5 月 20 日 摘 要 本設(shè)計(jì)通過對(duì)薄壁鋼管的工藝性分析和無削切削工藝方案的分析，確定采 用理論與實(shí)際相結(jié)合的方式并利用現(xiàn)有的條件來設(shè)計(jì)旋切機(jī)，在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼 管旋切機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而得出整體結(jié)構(gòu)方案。通過主要技術(shù)指標(biāo)對(duì) 鋼管和選擇，最終確定其裝配 總圖。通 過此次設(shè)計(jì)，掌握了機(jī)床電控的相關(guān)知識(shí) 以及 plc 自動(dòng) 控制的知識(shí)， 對(duì)于 ProE3.0/AutoCAD 等軟件的應(yīng)用方面有了進(jìn)一步 的提高。旋切機(jī)的電控部分 進(jìn)行選擇和安裝，然后 對(duì)鋼 管旋切機(jī)的其它主要零件 進(jìn)行設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞：電氣控制，薄壁鋼管，無屑切削，自動(dòng)切割，旋切機(jī)，plc. Abstract The design of thin-walled tube through analysis of technology and no cutting process analysis and determination by combining theory with practice and use the existing conditions of the way to design the cutting machine, on the basis of steel lathe cutting electrical control system design, and the whole structure scheme. Through the main technical indexes of steel tube and selection, determine the general assembly. Through the design, master knowledge of electric machine and PLC automatic control of knowledge, for ProE3.0 / AutoCAD software applications have further improved. Part of the electronic spin machine, and then choose to install and steel lathe cutting machine of the other major parts design Keywords: electrical control, tubes, without crumbs cutting, automatic lathe cutting machine, cutting, PLC 目 錄 1 緒論 ..........................................................................................................1 2 設(shè)計(jì)要求 ....................................................................................................1 3 主要技術(shù)指標(biāo) ............................................................................................1 4 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) ........................................................1 4.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...................................................................................2 4.2 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的工作原理 ..................................................................2 4.3 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) ......................................................................................2 5 鋼管旋切機(jī)改進(jìn)方案 ..................................................................................2 6 切割工藝分析 .............................................................................................2 6.1 工藝特點(diǎn) ..............................................................................................2 6.2 鋼管軋切過程 .......................................................................................3 6.3 鋼管軋切時(shí)的變形分析 .......................................................................5 6.4 各參數(shù)對(duì)軋切工藝的影響 .....................................................................6 6.4.1 壓下量的影響 ...........................................................................................6 6.4.2 軋切速度的影響 .......................................................................................6 6.5 刀具參數(shù)的影響 ...................................................................................6 6.6 結(jié)論 ....................................................................................................7 7 旋切機(jī)的自動(dòng)控制 .....................................................................................7 7.1 貯料與上料部分 ...................................................................................7 7.2 裝料與進(jìn)料部分 ...................................................................................7 7.3 軋切部分 .............................................................................................8 8 電控系統(tǒng) ...................................................................................................8 8.1 系統(tǒng)構(gòu)成 .............................................................................................8 8.2 程序設(shè)計(jì)思想 ......................................................................................9 8.3 割刀運(yùn)動(dòng)控制 ......................................................................................9 8.4 卸料運(yùn)動(dòng)控制 ....................................................................................10 8.5 鋼管旋切機(jī)傳感器及行程開關(guān)的選擇 ..................................................10 8.6 電氣控制系統(tǒng)電器的選擇 ...................................................................11 8.7 旋切機(jī)自動(dòng)控制 PLC 系統(tǒng)原理 ...........................................................12 8.8 故障保護(hù) ...........................................................................................15 致謝 ...........................................................................................................15 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................16 1 1 緒論 目前我 國(guó) 機(jī) 械 工 業(yè) 鋼 管 使 用 量 已 達(dá) 到 數(shù) 千 噸 以 上 ，鋼 管 的 切 割 量 非 常 大 ； 但 就 目 前 鋼 管 旋 切 技 術(shù) 過 于 陳 舊 落 后 ，自 動(dòng) 化 程 度 不 高 ，加 工 精 度 低 ，噪 聲 環(huán) 境 污 染 嚴(yán) 重 ，隨 著 國(guó) 內(nèi) plc 和 變 頻 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 ，為 鋼 管 旋 切 機(jī) 的 改 進(jìn) 提 供 了 技 術(shù) 支 持 ，此 設(shè) 計(jì) 通 過 plc 技 術(shù) 和 傳 感 技 術(shù) 對(duì) 鋼 管 的 從 上 料 到 切 斷 完 全 實(shí) 現(xiàn) 了 機(jī) 電 一 體 化 和 自 動(dòng) 控 制 ，不 盡 節(jié) 省 了 人 的 體 力 勞 動(dòng) ，而 且 提 高 了 生 產(chǎn) 率 ， 節(jié) 約 了 鋼 材 的 浪 費(fèi) 。 在設(shè)計(jì)的過程中，能培養(yǎng)我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析和解決實(shí)際中所遇到的問 題，并且能鞏固和深化我所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，使我在 調(diào)查 研究和收集資料等方面有 了顯著的提高，對(duì)所學(xué)過的一些東西又有了許多新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在理解分析能力、 制定設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案能力、 設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖能力方面有較大的進(jìn)步；另外我的技術(shù) 分析和組織工作的能力也有了一定程度的提高。希望在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，能充分 發(fā)揮出我們的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神，樹立良好的學(xué)術(shù)思想和工作作風(fēng)，牢牢把握 住這次在走上崗位之前的實(shí)踐機(jī)會(huì)，充分提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)自己的 工作能力。 2 設(shè)計(jì)要求 鋼管旋切機(jī)的具體設(shè)計(jì)要求為： （1）對(duì)現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，擬定改進(jìn)方案。 （2）進(jìn)行鋼管旋切機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)。 （3）對(duì)鋼管旋切機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （4）對(duì)鋼管旋切機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （5）利用 Pro/ENGINEER 軟件設(shè)計(jì)出鋼材旋切機(jī)各主要涉及部件的形狀及鋼 管旋切機(jī)的總體形狀。 3 主要技術(shù)指標(biāo) （1） 切管直徑 50～80mm （2） 割管壁厚 1.5～5mm （3） 割管長(zhǎng)度 20～1000mm （4） 鋼管長(zhǎng)度 6m （5） 軋切精度±0.15mm （5） 液壓工作壓力 7.85MPa （7） 壓縮空氣壓力 0.49MPa 4 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 旋切機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r國(guó)內(nèi)和國(guó)外有很大差別，主要原因是自動(dòng)控制技術(shù)和傳感 技術(shù)以及 plc 和變頻技術(shù)的落后。 2 4.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外旋切技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，無論從機(jī)械部分還是自動(dòng)控制部分，隨著傳感 技術(shù)和變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)日趨完善，國(guó)內(nèi)旋切技術(shù)也一定的 提高，但和外國(guó)相比還有很大差距。 4.2 現(xiàn)有鋼管旋切機(jī)的工作原理 主運(yùn)動(dòng)：一臺(tái)主電機(jī)加一組減速機(jī)構(gòu)和一組切割片。主電機(jī)通過減速裝置進(jìn)而 帶動(dòng)切割片旋轉(zhuǎn)。 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：主電機(jī)裝在一機(jī)架上，通過移動(dòng)機(jī)架，使切割片對(duì)固定的壁鋼管進(jìn) 行切割。 4.3 特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：工作原理簡(jiǎn)單，工作可靠，使用維護(hù)方便，便于攜帶運(yùn)輸，價(jià)格便宜，適 用于加工精度不高的場(chǎng)合。 缺點(diǎn)：加工精度不高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，生 產(chǎn)效率低，浪費(fèi)資源，不宜與實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng) 度大。 5 鋼管旋切機(jī)改進(jìn)方案 根據(jù)現(xiàn)在旋切機(jī)加工精度不高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，生產(chǎn)效率低，浪 費(fèi)資源，不 宜與實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，做如下改 進(jìn)：采用無屑軋切工藝，生 產(chǎn)效率 高管材利用好，可對(duì)不同直徑，壁厚和長(zhǎng)度的鋼管作定長(zhǎng)切斷， 鋼管自動(dòng)上料，自 動(dòng)切斷，是一種典型的機(jī)電 一體化產(chǎn)品，有可 編程控制器對(duì)液壓缸， 電機(jī)，電磁閥， 傳感器等系統(tǒng)進(jìn)行控制，從上料、裝料、定位、進(jìn)料到軋切，整個(gè)加工過程完全實(shí) 現(xiàn)了自動(dòng)化。該設(shè)備還裝有累加計(jì)數(shù)和預(yù)置計(jì)數(shù)裝置，分別對(duì)切斷的工件進(jìn)行累 計(jì)和設(shè)定計(jì)數(shù)，便于統(tǒng)計(jì)產(chǎn) 量和計(jì)數(shù)更換刀具。 6 切割工藝分析 此鋼管切割機(jī)是利用金屬材料的塑性，對(duì)鋼管進(jìn)行塑性切斷，以此來滿足下道 加工工序要求的、符合規(guī)定形狀和尺寸的坯件。 6.1 工藝特點(diǎn) 此設(shè)備是利用管料塑性軋制切斷，簡(jiǎn)稱塑性軋切工藝它具有如下特點(diǎn)： （1） 效率高---軋切速度為 1～2mm/s，與普通車削工藝相比，可提高功效 10 倍 以上。 （2） 材料利用率高-----因?yàn)闊o屑切削，切斷過程中不產(chǎn)生切屑，管材可得到充 3 分利用。同有屑切斷工藝相比，材料利用率可提高 13%左右，割管 長(zhǎng)度越短，效果 越為明顯。 （3） 精度高----- 采用專門的機(jī)械定位裝置，切割長(zhǎng)度偏差不超過士0.15mm， 表面粗糙度R a可達(dá)1.6 。m? （4） 斷口直接成形—凡對(duì)斷口形狀有一定要求的工件，利用刀具刀刃形狀， 就可一次直接成形。 （5） 刀具形狀簡(jiǎn)單—與斜軋或楔橫軋所用的軋輥相比，本工藝所用刀具形狀 簡(jiǎn)單，因而易于制造，成本低廉，且安裝、調(diào)整方便。 在軋切工藝中，各工藝參數(shù)、刀具形狀參數(shù)及軋切溫度等因素對(duì)軋切過程與軋 切質(zhì)量均有較大的影響。 6.2 鋼管軋切過程 6.2.1 切割階段分析 如圖1 所示，被軋切的管子2置于一對(duì)托輪3上，首先刀具1先旋轉(zhuǎn)，隨后液 壓 缸帶動(dòng)連桿迫使刀具向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切割。整個(gè)切割過程可分為三個(gè)階段： (1) 切入階段 ——旋轉(zhuǎn)的刀具開始切入靜止的管子，并通過摩擦力帶動(dòng)管子轉(zhuǎn) 動(dòng)； (2) 軋切階段 ——刀具在帶動(dòng)管子轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)軋切工件，此時(shí) 管子材料因屈服而產(chǎn)生塑性變形，刀具刃口下部的管材沿徑向、 軸向和切向三個(gè)方 向產(chǎn)生流動(dòng)，使管壁厚度逐 漸減小。 (3) 切斷階段 ——在刀具持續(xù)軋切下，管壁越來越薄，直到管子被切斷為止。 圖 1 管子扎切示意 1－刀具；2－工件；3－托盤 6.2.2 管子的旋轉(zhuǎn)條件 為使旋轉(zhuǎn)的刀具壓住管子后能帶動(dòng)它轉(zhuǎn)動(dòng)，某些工藝參數(shù)和刀具參數(shù)必須滿 足一定條件，稱之為旋轉(zhuǎn)條件。軋切初期，沿刀刃和管子之間的接觸圓弧A B ，工 4 件受到刀刃所加的壓力，該壓力 是一種分布載荷，同時(shí)工件還與 刀刃處于轉(zhuǎn)動(dòng)接觸狀態(tài)，而受到 摩擦力的作用，如圖2 所示。為 簡(jiǎn)化分析起見，作如下兩點(diǎn)假設(shè)。 (1) 刀刃作用于工件的分布?jí)毫?和刀刃與工件間的摩擦力均看 作為集中力，它們均作用于接觸 弧的中點(diǎn)C ；刀刃對(duì)工件的壓力 以P 表示, 其方向 為沿刀具法向； 摩擦力以T 表示，方向沿刀具的切向，順轉(zhuǎn)向?yàn)檎? 圖2 中 a ——T 力離工件中心的垂直距離； b——P 力離工件中心的垂直距離； ? ——接觸弧A B 所對(duì)應(yīng)的刀具圓 心角； r0 ——工件入口處的半徑； r ——工件出口處的半徑； R ——刀具半徑； Z ——壓下量； (2) 工件在轉(zhuǎn)動(dòng)過 程中所受的其他阻力忽略不計(jì)。 由圖2 可知，作用于管子的力P 與T 分別產(chǎn)生軋制力矩 Mp和摩擦力矩M t，為滿足 旋轉(zhuǎn)條件，M p必須大于或等于M t，即 Mt≥Mp ，或 T a ≥ P b 6-1 因T = μP ，得到b/a≤ μ 其中μ為摩擦系數(shù)。 由圖2分析可得cosФ/2=a+R/R+r 推出a=r·cosΦ/2-RcosΦ/2(1/cosΦ/2-1) 于是可得a=[r-R(1/cosΦ/2-1)]cosΦ/2 6-2 將b = (R + r) sinΦ/2， 及a = [ r - R ( 1/cosμ/2- 1) ]cosФ/2 6-3 代入上式，且當(dāng)Ф ≈ 0 時(shí)，cosФ/2 ≈ 1 ， 可得μ≥ (1 + R/r) tgФ/2 圖 2 軋切力分析 5 經(jīng)變換，上式可簡(jiǎn)化為 [2] ≥ (1 +d/D)·( Z/d) 或Z/d≤ ·(1 + d/D) 6-4?2 ?2 由上式可見，μ值越大，旋 轉(zhuǎn)條件越容易滿足， 這是很顯然的。當(dāng)摩擦系數(shù)μ， 管子與刀具直徑之比d/D 一定時(shí)，存在有一個(gè)相應(yīng)的滿足旋轉(zhuǎn)條件的極限相對(duì)壓 下量Z/d 。當(dāng)管子與刀具直徑之比 d/D較大時(shí)，相 對(duì)壓 下量必須取較小的值，而 d/D 較小時(shí)， 則允許的相對(duì)壓下量就比 較大。 當(dāng)?shù)毒咧睆紻 = 300mm，管子直徑d = 70mm， 根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工況取摩擦系數(shù)μ= 0.1時(shí)，可算出極限壓下量Zmax = 0. 6mm。而 設(shè)備工作時(shí)的實(shí)際壓下量?jī)H0.1～0.2mm，故旋轉(zhuǎn)條件能充分得到滿足。 6.3 鋼管軋切時(shí)的變形分析 軋切時(shí)，隨著楔形刀刃的軋入， 鋼管在徑向壓力的作用下，產(chǎn)生劇烈而復(fù)雜 的變形， 這種變形，是由刀刃刃口及兩側(cè)作用于鋼管所引起的。刃口作用于鋼管主 要產(chǎn)生徑向壓縮、切向 擴(kuò)展及 軸向延伸等變形。其中徑向壓縮包括鋼管的徑向壓 縮和材料本身的徑向壓縮，前者指材料向鋼管內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的減徑作用后者則是 軋切的主要變形，唯此鋼管才得以被塑性切斷。刀刃 軋入工件后，部分材料沿切向 流動(dòng)，使工件呈橢圓狀。刀刃下部的材料 還會(huì)沿軸向延伸而 變形， 這時(shí)在連皮材料 內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，成 為延伸 變形的阻力。刀刃 側(cè)面作用于 鋼管,使材料產(chǎn)生徑向 壓縮、切向 擴(kuò)展、軸向壓縮和外徑擴(kuò)展等變形。其中徑向壓縮和切向擴(kuò)展同刀刃刃 口作用時(shí)所產(chǎn)生的變形情況相似。軸向壓縮使刃口下部的連皮材料產(chǎn)生拉應(yīng)力， 外徑擴(kuò)展是指切口斜面受壓后，材料向管子外徑方向流動(dòng)，致使工件沿切口外徑 邊緣處略微鼓起并呈橢圓狀。以上凡由切向擴(kuò)展和外徑擴(kuò)展所引起的橢圓變形， 在整個(gè)軋切過程中沿整個(gè)圓周不斷重復(fù)交替出現(xiàn)，隨著軋切深度的增加將逐漸減 弱，甚至接近消失。因外徑擴(kuò)展產(chǎn)生的凸起狀，將在托輪的對(duì)滾碾壓作用下漸趨敷 平。 軋切時(shí)，管子在刀具刃口及兩側(cè)的作用下， 產(chǎn)生劇烈而復(fù)雜的變形。刃口作用 于管子，主要產(chǎn)生徑向壓縮 、切向擴(kuò)展及軸向延伸。徑向壓縮包括管子的徑向壓縮 和材料本身的徑向壓縮，前者指材料向管子內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的減徑作用，后者則是 軋切的主要變形，唯此管子才得以被塑性切斷。刀刃 軋入工件后，部分材料沿切向 移動(dòng)產(chǎn)生切向擴(kuò)展，并使工件呈 橢圓狀。同 時(shí)刀刃下部的材料 還會(huì)向軸向壓縮， 這 時(shí)管壁尚相連部分材料內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，成為延伸變形的阻力。 刀刃兩側(cè)作用于管子，使管子材料產(chǎn)生徑向壓縮、切向擴(kuò)展、 軸向壓縮和外徑 擴(kuò)展等變形。其中，徑向壓縮和切向擴(kuò)展同刃口作用 時(shí)情況相似。 軸向壓縮使刃口 下部尚相連部分材料產(chǎn)生拉應(yīng)力，外徑擴(kuò)展是指材料向管子外徑方向流動(dòng)， 致使 6 切口外徑邊緣處略顯鼓起并呈橢圓狀。由切向擴(kuò)展和外徑擴(kuò)展共同引起的橢圓變 形，在整個(gè)軋切階段中，沿整個(gè)圓周不斷地重復(fù)交替出現(xiàn)，隨著 軋切深度的增加， 這種變形逐漸減小，甚至近乎消失。至于外徑擴(kuò)展產(chǎn)生的突起狀，將在托 輪的對(duì)滾 碾壓作用下趨于敷平。在軋切初期， 變形主要由刃口的作用引起，到 軋切后期，刀 刃兩側(cè)造成的軸向壓縮變形所產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力起主要作用，當(dāng)拉應(yīng)力超過材料 的拉伸強(qiáng)度時(shí)，管子就被切斷。 根據(jù)以上的工藝分析，在設(shè)計(jì)過程中， 對(duì)各有關(guān)的工藝參數(shù)、刀具形狀、參數(shù)、 軋切溫度以及潤(rùn)滑條件等因素，作了細(xì)致、合理的 選擇 ，實(shí)踐表明本設(shè)備的工藝要 求能得到充分的滿足。 6.4 各參數(shù)對(duì)軋切工藝的影響 6.4.1 壓下量的影響 壓下量Z 一方面影響到管子的旋轉(zhuǎn)，另一方面影響到軋切壓力、軋切力矩與 軋切效率。 壓下量Z 越大，軋切效率就越高，但軋切壓力與軋切力矩也越大，對(duì)機(jī)床的力 學(xué)要求也就越高，當(dāng)然壓下量的增大受到極限壓下量Zmax 的限制，否則將影響軋 切過程的順利進(jìn)行。 壓下量Z 越小，軋切壓力與 軋切力矩就越小，但軋切效率也就越低。在軋切初 期刀刃開始作用于管子時(shí)，刀刃與管子摩擦?xí)r間增多，刀刃受到的沖擊力增多。在 軋切時(shí)刀刃兩側(cè)與管子的摩擦?xí)r間增多，特別在管子不直時(shí)，刀刃受到的軸向沖 擊力增多，刀具極易崩刃。 另外，壓下量Z 越大，在 軋切時(shí)每一瞬時(shí)對(duì)管子端面的壓下量也大，在軋切結(jié) 束時(shí)管子端面的不平整程度就大，成形質(zhì)量差，尺寸精度下降，反之成形 質(zhì)量好， 尺寸精度高。故應(yīng)從整體上 選擇合適的壓下量Z，使刀具具有較長(zhǎng)的壽命，對(duì)機(jī)床 的力學(xué)要求相對(duì)較低，同時(shí) 具有較高的生產(chǎn)效率。 6.4.2 軋切速度的影響 軋切速度直接影響軋切效率，速度越低效率越低，反之速度越高效率越高。 但軋切速度不可能無限提高，因其受到機(jī)床輸入功率與機(jī)床力學(xué)性能的限制, 特 別是在被軋切管子的直線度較差時(shí)，刀刃受到的不穩(wěn)定沖擊力大增，刀刃極易崩 裂。 另外，軋切速度提高將使刀具溫升增大，磨 損增大，刀具壽命降低。故應(yīng)在保 證軋切能順利進(jìn)行的前提下，盡可能選取大些的軋切速度，同時(shí)采取有效措施降 低刀具溫升，減小摩擦。 7 6.5 刀具參數(shù)的影響 (1)刀具直徑 刀具直徑對(duì)軋切過程的影響主要在同樣刀具轉(zhuǎn)速下，管子轉(zhuǎn)速隨刀具直徑變 大而變大，此 時(shí)相對(duì)壓下量可適當(dāng)取大些，可提高工作效率。其次，當(dāng)?shù)毒咧睆皆?大時(shí)，其 對(duì)管子產(chǎn)生的切向 擴(kuò)展將會(huì)變小，可減小 軋 制力矩。 (2)刀刃角 刀刃角的大小對(duì)管子材料的變形有較大影響，當(dāng)?shù)度薪禽^大時(shí)，其兩側(cè)作用 于管子，使材料產(chǎn)生的徑向 壓縮增大， 軸向延伸與外徑 擴(kuò)展減小，其 對(duì)軋切壓力與 軋切力矩的影響也較大。刀刃角越大所需軋切壓力與軋切力矩也越大。 當(dāng)然，刀刃角的大小決定了切割后工件端面的倒角，也就是說其實(shí)際上取決 于工件的形狀要求。如果可能的話，將其 設(shè)計(jì)得小些，對(duì)減小軋切壓力與軋切力矩 是有利的。 6.6 結(jié)論 (1) 軋切的旋 轉(zhuǎn)條件為： μ2 ≥ (1 + d/D)·( Z/d) 或Z/d≤μ2/(1 +d/D) ； 6-5 (2) 刀具直徑 D 越大，允許的相對(duì)壓下量Z/d也越大； (3) 刀刃刃角越大，軋切壓力與軋切力矩也就越大； (4) 應(yīng)選擇合適的刀刃 圓角，以提高其強(qiáng)度與使用壽命； 7 旋切機(jī)的自動(dòng)控制 該設(shè)備的機(jī)械部分主要由貯料、上料、裝料、送料及軋切等部分組成，下面對(duì) 各部分的構(gòu)成與作用作扼要敘述。 7.1 貯料與上料部分 這部分主要由貯料架和上料機(jī)構(gòu)組成。每次可在儲(chǔ)料板上放置10根鋼管，儲(chǔ) 料板設(shè)置一定的斜度，可使 鋼管自動(dòng)向下滾落。 儲(chǔ)料板上裝料完成時(shí)，按下啟 動(dòng)開 關(guān)，擋塊縮 回，物料慢慢向下滾落，當(dāng)檢測(cè)物料的傳 感器檢測(cè)到傳動(dòng)鏈上有物料后， 驅(qū)動(dòng)控制電器使擋塊伸出，以 擋住上面的物料不再繼續(xù)下落，同時(shí)送料電機(jī)啟動(dòng)， 通過減速器帶動(dòng)傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)物料傳動(dòng)過去時(shí)，檢測(cè)物料的傳感器再次啟動(dòng)， 擋塊收回，再次使物料向下運(yùn) 動(dòng)，當(dāng)有物料放到 傳動(dòng)鏈 上時(shí)， 檢測(cè)物料的傳感器再 次啟動(dòng)， 擋塊擋住上面的物料不繼續(xù)下落，如此循 環(huán) 。 7.2 裝料與進(jìn)料部分 裝料部分主要由管子支架、擋塊、裝料機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置、傳送裝置等部件組成。 8 支架起支承鋼管的重量和儲(chǔ)料的作用；擋塊起防止儲(chǔ)料板上的物料持續(xù)下落的作 用；檢測(cè)裝置主要由傳感器控制其它電器來完成；傳送裝置主要是完成鋼管的傳送。 裝料時(shí),先使物料擋塊縮回，因儲(chǔ)料板有一定的傾斜度，鋼管開始向下慢慢滾 動(dòng)，當(dāng)檢測(cè) 物料的傳感器檢測(cè) 到有物料經(jīng)過時(shí)， 擋塊 伸出以防止上面的物料繼續(xù) 向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)送料電動(dòng)機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，通 過減速機(jī)構(gòu) 帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而 帶動(dòng)傳動(dòng) 鏈轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)送料的目的。由液 壓缸帶動(dòng)控制軋切部分沿滑槽上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀具 的向下壓緊或抬起放松。軋 切時(shí)，首先切削 電機(jī)旋轉(zhuǎn) 并通過帶輪帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，通過液 壓缸帶動(dòng)切削部分沿滑槽向下運(yùn)動(dòng)或上升，實(shí)現(xiàn)軋切。 液壓缸帶動(dòng)軋切部分以適當(dāng)?shù)膲毫鹤′摴?，以減少鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)。 進(jìn)料機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)鏈實(shí)現(xiàn)，進(jìn)料時(shí)， 傳動(dòng)鏈帶動(dòng)鋼管向前運(yùn)動(dòng),直到鋼管端頭被 擋塊擋住為止，送料電機(jī)隨即停轉(zhuǎn)。 進(jìn)料傳感器檢測(cè) 到物料到達(dá)后， 軋切電機(jī)開始 啟動(dòng)并通過傳送帶帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，通過液壓缸的伸縮使軋切部分沿滑槽上下移動(dòng)， 依此控制刀具上下移動(dòng)，控制刀具以適當(dāng)?shù)膲毫χ饾u切入鋼管，隨著切入深度的 一步步加深，直到拉應(yīng)力超 過材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)，管子就被切斷為止，切斷的 鋼管 自動(dòng)落入料槽，檢測(cè)物料傳 感器控制液壓缸帶動(dòng)刀具上升，進(jìn)料電機(jī)再次啟動(dòng)進(jìn) 行送料，實(shí)現(xiàn)下一次的切削。 7.3 軋切部分 這部分主要由割刀部件、支撐托輪、 擋塊和導(dǎo)向滑槽等組成，其中割刀部件包 括主軋電動(dòng)機(jī)、傳送帶、控制液壓缸等機(jī)件。 刀具安裝在傳送帶輪的輸出軸上，主軋電動(dòng)機(jī)通過傳送帶裝置帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)， 電機(jī)轉(zhuǎn)速也可通過變頻器調(diào)節(jié)。刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由液壓缸帶動(dòng)軋切部分上下移 動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，支撐輪在軋切過 程中起支撐工件的作用。擋塊裝在所需料長(zhǎng)的固定位 置上。當(dāng)傳送帶傳送鋼管到位被擋塊擋住后，切割 電動(dòng) 機(jī)通過傳送帶帶動(dòng)刀具旋 轉(zhuǎn)，控制液壓缸帶動(dòng)軋切部分沿滑槽向下運(yùn)動(dòng)，隨著軋切深度的不斷加深， 鋼管最 終被切斷，隨后刀具在控制液壓缸的作用下向上運(yùn)動(dòng)，送料電機(jī)隨后起動(dòng)繼續(xù)向 前等待下一次的切削，滾輪 主要起支撐物料實(shí)現(xiàn)軋切的目的。擋塊前端頂盤的仲 出長(zhǎng)度及其中心高度，可分 別予以調(diào)整，以適 應(yīng)不同直徑的鋼管和不同長(zhǎng)度的割 件。 導(dǎo)向滑槽的作用是通過液壓缸帶動(dòng)軋切部分上下移動(dòng)。切斷的物料可直接掉 入料槽中。 9 8 電控系統(tǒng) 8.1 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)采用FP0型可編程控制器 (PLC)作為控制核心， 選用了一個(gè)十槽的CPU 框架和一個(gè)十槽的擴(kuò)展框架。除CPU 模塊外, 框架中共裝有11個(gè)輸入、 輸出模塊和 1個(gè)撥盤模塊，模塊的選用，主要根據(jù)觸點(diǎn)的數(shù)量，負(fù)載的大小和動(dòng)作頻率的高低 而定。輸 入器件中包括操作控制面板上的按鈕和選擇開關(guān)，各種功能和限位傳感 器。其中輸出部分還包括： 三項(xiàng)交流電動(dòng)機(jī)、以及接觸器和直流電磁閥線 PLC體積小，可靠性高，尤其是它無需改動(dòng)任方便地改 變輸出器件的狀態(tài)或動(dòng) 作順序的控制柔性，特別適用于本設(shè)備這一類機(jī)電一體化產(chǎn)品。 8.2 程序設(shè)計(jì)思想 PLC的控制程序，是根據(jù)管子的 軋切工藝、設(shè)備功能和操作要求來 進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 設(shè)備開機(jī)后只需按下啟動(dòng)按鈕，設(shè)備即開始自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。對(duì)這一運(yùn)行狀態(tài)， 程序的基本設(shè)計(jì)思想如下： 首先判定支承上有無料，若有料，進(jìn)入正常軋切循環(huán), 直到將割剩的料尾推出 為止。此 時(shí)支承處于無料狀 態(tài)，于是需判定支架上是否有料， 如有料，則向支承裝 料，然后返回前面的程序，如無料，進(jìn)一步判定貯料架中是否有料，若貯料架有料， 則先向支架上料，然后再向支承裝料。 圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 10 8.3 割刀運(yùn)動(dòng)控制 割刀運(yùn)動(dòng)是整個(gè)加工過程中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將直接關(guān)系到軋切的質(zhì) 量和效率。前已提及割刀的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是由 軋切液壓 缸帶動(dòng)軋切機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)來 實(shí)現(xiàn)的。 為控制進(jìn)刀距離，采用了一對(duì)行程開關(guān)控制 軋刀的上下運(yùn)動(dòng)，根據(jù)薄壁 鋼 管的直徑和厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，已達(dá)到切斷鋼管的目的。 8.4 卸料運(yùn)動(dòng)控制 當(dāng)薄壁鋼管被切斷后，軋刀停止轉(zhuǎn)動(dòng)， 1.5秒后刀具上升至上限位行程開關(guān)處， 等待下一循環(huán)，當(dāng)上料電機(jī)開始上料時(shí)將滾筒上的鋼管頂落入料巢。 8.5 鋼管旋切機(jī)傳感器及行程開關(guān)的選擇 （1）傳感器選擇 物料檢測(cè)和扎切長(zhǎng)度檢測(cè)用傳感器檢測(cè)，物料檢測(cè)用電感式傳感，長(zhǎng)度檢測(cè) 用對(duì)射光電傳感器。 電感式接近開關(guān)（見圖4） 型號(hào)：LJ6A3-1-Z/BX 泄漏,消耗,靜態(tài)電流: DC三線消耗<3.0mA 檢測(cè)物體：A3鐵材(磁性金屬) 響應(yīng)頻率：DC:150HZ AC:25HZ 輸出電流：300mA(要求更大電流可定做) 工作環(huán)境溫度：-25攝氏度-+55 攝氏度 輸出電壓降：DC三線<=0.8V DC二線<=4V 外殼材料：黃銅鍍鉻 對(duì)射傳感器（見圖5） 產(chǎn)品型號(hào)：XL-E3KG-10D 工作電壓：DC12-24V 感應(yīng)距離：10米內(nèi) 輸出方式：繼電器輸出，一種常開+常閉觸點(diǎn) 出觸點(diǎn)容量：1A 250V AC 從直徑8mm-直徑30mm,接近距離最大15mm 行程開關(guān)（見圖5） 額定電壓 / 電流:10(4)A, 125, 250VAC/6(2)A，380VAC 電感負(fù)載 接觸電阻:25m Ω 以下 ( 初期值 ) 圖 5 對(duì)射光電傳感器 圖 4 電感接近開關(guān) 11 絕緣電阻:100m Ω 以上 ( 在 500VDC) 耐電壓:同極端子間： 10VAC, 50/60HZ 持續(xù) 1 分鐘 載電流與無載電流零件間：50/60 HZ 持續(xù) 1 分鐘 各端子與地之間：1500VAC，50/60 HZ 持續(xù) 1 分鐘 電氣壽命：500，000 次 10A 250VAC 機(jī)械壽命：10，000， 000 次以上 操作速度：5mm /s to 0.5m /s (2)PLC的選擇 （見圖6） 型號(hào)：FP0-C16 程序容量：16點(diǎn) 連接方法：MIL連接器型 工作電壓：24VDC 輸入類型：24VDC 輸出類型：繼電器 8.6 電氣控制系統(tǒng)電器的選擇 交流接觸器：CJX2-1810 [5] （見圖7） 額定電壓：AC 380V 線圈電壓:AC 110V 額定電流：10A 電壓頻率：50HZ 小繼電器的選擇 型號(hào)：歐姆龍OMRON LY2NJ， 帶工作指示燈 工作電壓：DC24V， （見圖8） 觸點(diǎn)負(fù)載：10A 240VAC(阻性） 出頭數(shù)：兩對(duì) 額定電流：20mA 斷路器 型號(hào)：DZ108系列低壓塑料外殼斷路器 額定電壓：AC220V-AC380V 額定電流：20A 脫扣器電流：15-20A 主觸頭數(shù)：3對(duì) 輔助觸點(diǎn)：2對(duì) 電磁閥（液壓） [13](見圖9) 圖 9 液控電磁閥 圖 8 中間繼電器 圖 7 交流接觸器 圖 6 FP0PLC 12 型號(hào)：4V210-08 位置數(shù)：二位五通 耗電量：3w 額定電壓：DC24V 最高動(dòng)作頻率：3次／秒 電磁閥（氣動(dòng)）（見圖10） 型號(hào)：2V025－08 耗電量：DC24Ｖ 3Ｗ 額定電流：120ｍＡ 額定電流：DC20.4∽26.4Ｖ 液壓缸的選擇（見圖11） 型號(hào)：MOB─FA 缸徑：Φ160mm 受壓面積：122.26cm 2 液壓工作壓力：7.85MPa 氣壓缸的選擇：（見圖12） 型號(hào)：SSC-50Χ50-S-LB 缸徑：Φ80mm 氣缸工作壓力：0.49MPa 8.7 旋切機(jī)自動(dòng)控制 PLC 系統(tǒng)原理 旋切機(jī)裝配圖如下（見圖13） 圖 10 氣動(dòng)電磁 閥 圖 11 液壓缸 圖 12 氣壓缸 13 8.7.1 旋切機(jī)可編程控制器 I/O 分配表 [6] PLC輸入： X0 ---------- 啟動(dòng)按鈕 X1 ---------- 停止按鈕 X2 ---------- 急停按鈕 X3 ---------- 物料檢測(cè) X4 ---------- 軋切上限位 X5 ---------- 軋切下限位 X6 ---------- 軋切長(zhǎng)度測(cè)量 X7 ---------- 上料上限位 PLC輸出： Y0 ---------- 啟動(dòng)指示燈 Y1 ---------- 上料液壓缸向下 Y2 ---------- 軋切刀具上升 Y3 ---------- 軋切刀具下降 Y4 ---------- 軋切電動(dòng)機(jī) Y5 ---------- 進(jìn)給電動(dòng)機(jī) Y6 ---------- 停止指示燈 圖14 I/O分配表 8.7.2 旋切機(jī) plc 電氣接線圖 （見圖15） 圖 13 裝配圖 14 8.7.3 旋切機(jī) PLC 梯形圖 （如圖 16 所示） 圖 15 電器接線圖 15 圖 16 PLC 梯形圖 8.7.4 旋切機(jī) PLC 指令表 （如圖 17 所示） 圖 17 PLC 指令表 8.8 故障保護(hù) 本設(shè)備設(shè)有較完善的故障檢測(cè)系統(tǒng)，電控系統(tǒng)裝有過載保護(hù)和過流保護(hù)裝置， 一擔(dān)發(fā)生短路或過載立刻關(guān)斷電源啟動(dòng)保護(hù)作用，并配有急停開關(guān)，一擔(dān)按下急 16 停開關(guān)，真?zhèn)€系統(tǒng)停止工作。 致謝 非常感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師給我提供了這次良好的深入學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和寬松的學(xué) 習(xí)環(huán)境。通 過這次畢業(yè)設(shè)計(jì) ，不但使我將大學(xué)期 間所學(xué)的專業(yè)知識(shí)再次回顧學(xué)習(xí)， 而且也使我學(xué)到了專業(yè)領(lǐng)域中一些前沿的知識(shí)。 非常感謝在本次設(shè)計(jì)中曾給予我耐心指導(dǎo)和親切關(guān)懷的陳老師及幫助過我的 同學(xué)，正是由于他們的幫助和鼓勵(lì)才使我能夠在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中克服種種困難， 最終順利完成論文，他們的學(xué) 識(shí)和為人也深深地影響著我。在此， 請(qǐng)?jiān)试S我再次向 曾直接給予我多次指導(dǎo)的導(dǎo)師表示最忠誠(chéng)的敬意！ 參考文獻(xiàn) ［1］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)．金屬材料手冊(cè) [Ｍ]．北京： 化學(xué)工業(yè) 出版社，2005 ［2］施平．機(jī)械工程專業(yè)英語[Ｍ] ．哈 爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002 ［3］孫波．機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典 [Ｍ]．西安：西安 電子科技大學(xué)出版社，2008 ［4］楊黎明．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 手冊(cè)[Ｍ] ．北京：國(guó)防工 業(yè) 出版社，1997 ［5］孫波．機(jī)械專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典 [Ｍ]．西安：西安 電子科技大學(xué)出版社，2008 ［6］張以鵬．實(shí)用切削手冊(cè)[Ｍ] 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