棒料切割機及 PLC 控制設計I棒料切割機及 PLC控制設計摘 要本次設計主要做出了棒料切割機及 PLC 控制設計切割部分、夾緊部分、縱橫行走部分等機械部分，切割機的電氣控制線路和 PLC 自動控制等控制部分，切割機的氣壓系統(tǒng)等傳動部分的設計。為了降低生產成本，提高生產效率要求切割機必須能夠實現(xiàn)較高精度的定長切割，必須有較快的運動速度及運動精度，在這樣的要求下我及我公司多位同仁的共同努力下，經過多次的實驗改進終于做出了DJ-01 這臺較優(yōu)秀的金屬棒料切割機，它的工作是由 PLC 控制電磁閥，使電磁閥控制氣缸，并由氣缸驅動與其連接的部件，實現(xiàn)對棒料的準確定長切割，切割后自動返回初始位置。一個切割機分別切割兩條鎢棒，其切口深度為 35mm，然后由壓斷機進行壓斷。從我們的實際使用情況來看這臺機器操作簡便，運行穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)點，大大的提高了生產效率。該產品性能良好，不但能切鎢棒，還可以切割其他的金屬棒料并且功耗小可以廣泛應用。關鍵詞：自動控制，切割，PLC棒料切割機及 PLC 控制設計IIDJ-01 BAR CUTTING MACHINE DESIGNABSTRACTThis design made the main bar cutting machine to cut parts, clamping parts, mechanical parts such as vertical and horizontal moving parts, cutting machines electrical control circuits and PLC automatic control, control parts, cutting machine pneumatic systems, transmission parts design. In order to reduce production costs, improve production efficiency requirements cutting machine must be able to achieve higher precision fixed-length cutting, there must be a faster movement speed and movement precision, such a request in for me and my company the joint efforts of many colleagues, After several experiments to improve the DJ-01 has finally made this station a more excellent cutting machine metal sticks, which is handled by the PLC control solenoid valve, solenoid valve to control the cylinder by cylinder drive connected components, to achieve the accuracy of the bar fixed-length cutting, cutting back to initial position automatically. A cutting machine cutting two tungsten rods, respectively, the incision depth of 35mm, then the pressure off machine pressure off. From our perspective the actual use of the machine easy to operate, stable running, easy maintenance and so greatly improved the production efficiency. Good performance of the product, not only can cut tungsten rod, you can also cut the other Metal Rod and power consumption can be widely used.KEY WORDS: Automatic Control, cut, PLC棒料切割機及 PLC 控制設計III目 錄前 言 .1第 1章 切割機的整體結構 .2第 2章 切割部分設計 .32.1 設計要求 32.2 方案設計 .32.3 結構設計 .42.3.1 砂輪片的選取 .42.3.2 電機的選取 .42.3.3 帶傳動設計 .42.3.4 升降氣缸的選擇 .82.3.5 滾動軸承的選取及校核 10第 3章 夾緊部分設計 .143.1 設計要求 143.2 方案設計 .14第 4章 縱橫行走部分的設計 .164.1 4.1 設計要求 .164.2 方案設計 164.3 直線導軌的選擇計算 .164.3.1 選定條件： .164.3.2 選擇方式 .17第 5章 控制部分的設計 .195.1 電氣控制線路的設計 .195.2 氣動原理圖設計 .195.3 PLC 自動控制電路設計 .215.3.1PLC 的組成 215.3.2 可編程控制器的特點 22結 論 .24謝 辭 .26棒料切割機及 PLC 控制設計IV參考文獻 .27附 錄 .28外文資料翻譯 .32棒料切割機及 PLC 控制設計1前 言機電一體化產品廣泛應用各種加工業(yè)，切割技術也有了飛速的發(fā)展，手工切割已經適應不了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。同時，切割機的夾緊機構也有了迅速的發(fā)展，一些簡單的機械手已經得到廣泛的應用。簡單的機械手經過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改，品種也在不斷的增加，應用領域也在不斷的擴大。簡單的機械手是一種仿人操作、自動控制、的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。選題背景由于鎢棒無法做得太長不能滿足加工需要，必須使其焊接才能繼續(xù)后邊的加工工序。但是由于鎢棒兩端晶粒組織不均勻，焊接后拉絲時容易斷絲，增加了工藝難度、提高了生產成本，所以鎢棒兩端必須切頭至組織晶粒均勻處才能夠焊接，以致必須實現(xiàn)定長切割。普通切割機切割準確度不高、生產效率低，不能滿足加工要求，我們必須做出更準確、更高效的棒料切割機已滿做生產需要。棒料切割機及 PLC 控制設計2第 1章 切割機的整體結構棒料切割機主要由三個大的部分組成，即切割部分、夾緊部分和縱橫行走部分。切割部分是由電機帶動砂輪旋轉，由氣缸控制砂輪上下移動完成切割。夾緊部分主要采用了一個氣動夾緊機械手，電磁閥控制氣缸活塞的伸縮來實現(xiàn)夾緊和放松。縱橫行走部分是由氣缸控制縱向、橫向行走板，使之沿直線導軌前進或返回。切割部分包括砂輪片、軸、軸承、氣壓缸等零件的設計、選型、校核等。夾緊部分由氣壓缸帶動機械手進行加緊控制，縱橫行走部分的自動進給同樣由氣壓缸控制。整個機器由 PLC 控制各個氣動換向閥的電磁鐵，由氣缸驅動完成順序切割動作過程。而隨動工作臺的隨動前進速度也可以通過夾緊機械手夾緊棒料使之與棒料速度同步，橫向切割時的切割速度可以通過氣缸來調節(jié)。所以切割機的設計主要有切割部分的設計、加緊部分的設計、從橫行走不分的設計及控制電路設計和PLC 自動控制系統(tǒng)的設計幾大部分組成。棒料切割機及 PLC 控制設計3第 2章 切割部分設計2.1 設計要求項目要求切割機能夠根據(jù)定長信號分別切割兩條連續(xù)的鑄鐵棒，實現(xiàn)對鑄棒的準確定長切割，切割后自動返回初始位置。其切口深度為 35mm。再由壓斷機進行壓斷。2.2 方案設計切割部分主要有砂輪、電動機和傳動機構組成?，F(xiàn)在切割部分有兩種可行的方案：第一，電動機通過帶傳動帶動砂輪片轉動。第二，電動機通過圓錐齒輪傳動帶動砂輪片轉動?？紤]到切割過程中電動機帶動砂輪高速旋轉，所以優(yōu)先選取第一種方案，因為圓錐齒輪傳動不宜應用在轉速太高的場合，而且運用齒輪傳動時，還要考慮到這樣消除震動和怎樣潤滑齒輪，這樣就增加了設計成本。 業(yè) 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)圖 2-1 切割部分原理圖切割部分的原理如圖 2-1 所示，電動機帶動砂輪片高速旋轉，電機與工作臺之間采用鉸支撐，開降氣缸可推動砂輪片上下移動，完成切割。橫向行走氣缸可棒料切割機及 PLC 控制設計4推動工作臺橫向移動，控制切割的長度?？v向行走氣缸可使工作臺縱向移動，使砂輪片能分別切割兩根鑄棒。其中電動機和氣缸都通過電磁閥由 PLC 機控制，從而實現(xiàn)其動作。2.3 結構設計2.3.1 砂輪片的選取經過調研，切斷能力為 50 的砂輪片，其規(guī)格為 mm，所需電機32.40?的最小功率為 kw，轉速為 =2840 r/min, 砂輪片的最大線速度為2.min?P1n70m/s。最終選取砂輪片的型號為 TL-001 型，其磨料為棕剛玉，粒度為 20# 。]1[2.3.2 電機的選取根據(jù)砂輪片的要求，現(xiàn)選用比較常用的 Y 系列三相異步電動機，這是由于 Y系列三相異步電動機的功率等級和安裝尺寸與國外同類型的先進產品相當，因而具有與國外同類型產品之間良好的互換性，供配套出口及引進設備替換 。選取]2[功率為 3.0KW，滿載時的轉速為 2870r/min。額定電流 6.39A，功率因數(shù) 0.87，效率 82%，額定轉矩 2.3 。2mN?]3[2.3.3 帶傳動設計根據(jù)帶截面形狀的不同，帶傳動可分為：平帶傳動、V 帶傳動（及窄 V 帶）傳動、多楔帶傳動、同步帶傳動等。在一般的機械中由于 V 帶的楔形增壓原理，結構緊湊，且多標準化并大批量生產，所以被廣泛應用。本設計中選用 V 帶傳動。由于 V 帶傳動中的帶及帶輪槽型均已標準化，所以帶傳動設計的主要任務就是滿足工作要求的帶類型（或截面尺寸） 、大小帶輪的基準直徑、帶的基準長度、帶傳動的中心距、小輪包角、帶根數(shù)、壓軸力等參數(shù)。1.確定計算功率由《機械設計教程》第 43 頁表 2-9 查得工作情況系數(shù) =1.2（電機帶AK動砂輪切割鐵棒，載荷性質為載荷變動較大） ，則功率為KW （2-1）6.32.1????PKAca棒料切割機及 PLC 控制設計52.初選帶的型號根據(jù) 和 ，由《機械設計教程》書中第 44 頁圖 2-8 初選 A 型普通 V 帶。caP1n3.確定帶輪的基準直徑 和1d2a 由《機械設計教程》第 37 頁表 2-4 查得 A 型 =75mm,考慮到帶輪太mind小，其彎曲應力過大，所以要使 ，取 =160mm1d?min1b 驗算帶的速度m/s （2-2）7.230684061??????nVd因為 5m/s ，所以應該按 計算 （球軸承應取 ）1P21P3??則所需軸承的額定動載荷為（2-19）?6'10'htLnfc??36235284.5?3001?棒料切割機及 PLC 控制設計13N1286?（6）確定軸承型號由《簡明機械零件手冊》查得軸徑 時，應選軸承的代號為 7207ACJ，md35?其額定動載荷為 =KCr.2'cN286.1故選用代號為 7207ACJ 的軸承合適。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）14第 3章 夾緊部分設計3.1 設計要求夾緊機構不切割之前機械手抓能夠根據(jù)事先收到的信號準確地運動到每個工位，而且在切割過程中要夾緊運動著的鑄鐵棒，使砂輪與棒料同步。3.2 方案設計夾緊部分是由氣缸推動機械手實現(xiàn)夾緊和放松的 。這部分的兩種可行性方]1[案是：一是用一個機械手同時負責夾緊兩根鑄棒，根據(jù)需要對被切割的那條進行夾緊。二是用兩個機械手，每個機械手負責夾緊一根鑄棒。第一種方案中，機械手可通過一個二位氣缸和一個三位氣缸實現(xiàn)對鑄棒的夾緊。第二種方案中，每個機械手都需要兩個二位氣缸來實現(xiàn)對鑄棒的夾緊?？紤]到第一種方案設計工作量小，安裝方便，而且控制簡單，所以優(yōu)先使用第一種方案。 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)圖 3-1 夾緊部分原理圖夾緊部分原理如圖 3-1 所示，夾緊氣缸能使夾緊機械手夾緊或放松工件，當活塞向右移動時，機械手夾緊工件；當活塞向左移動時，機械手放松工件。橫向行走氣缸推動工作臺左右移動，能控制機械手使之夾緊左邊或右邊的工件，從而洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）15對夾緊的工件進行切割 ?？v向行走氣缸的作用是當完成一次切割過程完成時，]8[推動工作臺使之恢復到初始位置。整個工作過程都 PLC 由控制實現(xiàn)。氣壓缸的選型、設計及計算見第 2 章。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）16第 4章 縱橫行走部分的設計4.1 4.1 設計要求縱橫行走裝置主要是為了配合切割裝置和夾緊裝置，使砂輪片和夾緊機械手能夠在走刀過程中橫向移動，迅速準確地達到工作位，在切割過程中能夠隨著鑄棒縱向移動，切完后在返回初始位置。4.2 方案設計縱橫行走裝置主要是為了實現(xiàn)切割機砂輪片的縱向和橫向移動，使之完成切割動作。為了設計和制造方便，在方案設計中縱、橫行走裝置的原理大致相同，即采用結構簡單而又便于控制的氣壓傳動方式，氣缸帶動縱向行走板或橫向行走板在導軌上滑動。在設計過程中，考慮到能量的損耗程度，縱橫行走裝置采用了直線導軌，既提高了運動系統(tǒng)的運動精度，又很大程度的減小了摩擦力，達到了節(jié)能的效果。4.3 直線導軌的選擇計算4.3.1 選定條件：1.載荷 根據(jù)粗略計算，導軌上橫向行走部分的總重量為 kg20所以 NgmW201????2.行程 根據(jù)設計結構的要求，選定行程 mLs5.3.往復次數(shù) （次/ 分）21n4.壽命要求 假設機器壽命為 5 年，則導軌壽命為小時（H）3046??L假設安裝 4 個滑塊，要計算一個滑塊的負載，可用下式NWP5420同時由于兩個滑塊裝在一個導軌上，因此接觸系數(shù) 。81.0?cf][洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）174.3.2 選擇方式1. 根據(jù)靜態(tài)安全系數(shù)選型號（4-1）swcfPC??0其中 ——靜態(tài)安全系數(shù)sf——載荷系數(shù) （在無外部沖擊或振動、低速時取 1.5）w——基本額定靜載荷0C——沖擊載荷P現(xiàn)設靜態(tài)安全系數(shù) 5?sf則有 （3-2） （4-2）csfP00??81.05??)(36kgf在正常運行時一般選取安全系數(shù)為 5，根據(jù)上述情況，選取 SBG35FL（）的導軌比較理想 。kgfC2850?]10[1. 根據(jù)壽命要求選型號根據(jù)標準壽命計算公式 )(945075.kmL???若使用 17500 小時，則總的移動距離為：（4-3）)(30?PCfwcHT其中 ——溫度系數(shù) （由手冊查得當導軌的工作溫度小于 100 時，Tf C?其溫度系數(shù)取 1.0） ——硬度系數(shù) （為了使直線運動系統(tǒng)達到最佳承載能力，需要Hf保持導軌的硬度在 HRC58-62，由手冊查得 為 1.0） Hf——基本動載荷C所以 50)(3???PCfLwcT)25.180(943解得 kgfC3?因此，選取 SGB45FL（ ）803.復查洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）18理論上選取 SGB35FL 或上一級似乎比較恰當，但考慮到標準壽命，選擇SGB45FL 更理想。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）19第 5章 控制部分的設計5.1 電氣控制線路的設計電氣控制線路的設計是在傳動形式及控制方案選擇的基礎上進行的，是傳動形式與控制方案的具體化。電氣控制線路根據(jù)用途的不同可能會有其特殊的要求，設計所需要遵循的一般要求是：1.應滿足機電設備對電氣控制線路的要求，按照工藝要求準確、可靠地工作。2.在滿足生產要求的前提下，應力求使控制線路簡單、經濟，盡量選用經過實際考驗過的線路。3.保證控制的安全、可靠，具有必要的保護裝置和連鎖環(huán)節(jié)，誤操作時不至于發(fā)生重大事故。4.盡量便于操作和維修。在滿足控制要求及設計要求的前提下設計出了電氣原理圖見附錄 5.1.1 5.2 氣動原理圖設計根據(jù)切割機的機構原理，繪制的機構簡圖如圖 5-1 所示，其中 ST0-ST9 為控制氣缸的行程開關。有氣壓系統(tǒng)設計出氣動原理圖 5-2。氣壓缸的選型、設計及計算見第 2 章。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）20業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)圖 5-1 切割機機構簡圖洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）21業(yè)業(yè)07業(yè)業(yè)業(yè)業(yè) 業(yè)業(yè)業(yè) 業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)1業(yè) 業(yè)業(yè)1:業(yè)QDYL-0 DT5DT4DT3DT2DT1 返 回 走刀ST1 ST0ST9ST8ST7ST6ST5ST43ST2行走缸 隨動前進返 回松 開 夾緊夾緊缸落刀 抬刀 抬刀缸圖 5-2 氣動原理圖5.3 PLC 自動控制電路設計5.3.1PLC 的組成一般機械設備的控制系統(tǒng)，由輸入設備、輸出設備和邏輯控制三部分組成。1. 輸入設備輸入設備是電氣控制系統(tǒng)進行信號才的界面設備，完成人與機之間的信號采洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）22集和機與機之間的信號采集 。 。2. 輸出設備輸出設備是用控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號去控制執(zhí)行機構，實現(xiàn)要求的運動的輸出和顯示設備運行的狀態(tài)。3. 邏輯控制系統(tǒng)邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)給定的控制對輸入設備送來的控制、檢測信號進行計算處理，并將計算結果轉換為控制信號經輸出設備控制機械設備運行。5.3.2 可編程控制器的特點可編程控制器實際是工業(yè)專業(yè)控制計算機，也稱工控機，可編程序控制器具有以下特點：1、具有很高的工作可靠性和抗干擾能力2、控制程序可變，具有很好的柔性3、程序簡單，控制功能豐富，使用方便4、擴充方便，組合靈活，可構成各類控制系統(tǒng)5、設備體積小巧，維護方便，插件更換靈活以上特點使得可編程序控制器，在設備電氣控制系統(tǒng)中廣泛應用。根據(jù)氣壓系統(tǒng)的控制要求及電路原理圖分析切割機的工作流程繪制控制流程圖如圖 5-3。然后根據(jù)繪制的控制流程圖分配 PLC 的 I/O 地址、繪制 PLC 硬件接線圖，繪制 PLC 自動控制梯形圖，編寫程序語句表。I/O 地址分配、硬件接線圖見附錄 5.3.2。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）23圖 5-3 控制流程圖洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）24結 論在黃桂琴老師的精心指導下從題目確定開始，經過查資料、調研、方案的提出及確定，再到完成總裝圖、部件圖，直到最后結束論文，才使本次畢業(yè)設計最終圓滿完成。本次設計的題目是“DJ-01 棒料切割機的設計” 。鎢棒切割機是針對鑄鐵在連續(xù)鑄造過程中的切割而采用的一種專門的切割機。加工過程主要由保溫爐、切割機和壓斷機組成，在工作過程中拉棒機能從保溫爐中同時拉出兩條鑄鐵棒。題目要求切割機在連續(xù)鑄造過程中工作，并根據(jù)定長信號分別切割兩條連續(xù)的鑄鐵棒，實現(xiàn)對鎢棒的準確定長切割，切割后自動返回初始位置，其切口深度為 35mm。再由壓斷機進行壓斷。整個切割過程都由自動控制實現(xiàn)。此次設計的主要工作分為兩大部分，第一部分為切割機的機械設計，其中主要包括砂輪片的選擇、電機的選擇、砂輪片傳動方式的選擇和優(yōu)化、電機和砂輪的安裝、各個氣缸力的計算及其參數(shù)選擇計算、滑動導軌的設計以及其他部分和整體結構的設計。最后完成總裝圖、部件圖和零件圖。第二部分為電氣原理及控制部分的設計，主要包括氣動控制原理圖的設計、電氣原理圖的設計、配線圖的設計、控制柜的設計及電路控制面板的設計。鑄棒線切割機結構簡單，性能安全可靠，操作方便可行，很好的實現(xiàn)了其預定功能。由 PLC 控制的氣動隨動鑄棒線切割機，由氣缸驅動完成順序切割動作過程。這種切割機具有控制方便，性能穩(wěn)定，結構簡單，調節(jié)、修改方便、生產率高等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。與一般的切割機相比，這種切割機有以下優(yōu)點：一、實現(xiàn)了機械工程和自動控制的有效結合，機械部分采用機械優(yōu)化設計，整個設計過程中都進行了綜合技術比較與經濟評價，實現(xiàn)了預定的功能。二、整個運動過程都采用了氣壓傳動控制，與液壓傳動相比，氣壓傳動有無洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）25介質費用、處理方便、無泄露污染、無介質變質等優(yōu)點。 三、在設計過程中，縱橫行走裝置采用了直線導軌，既提高了運動系統(tǒng)的運動精度，又很大程度的減小了摩擦力，達到了節(jié)能的效果。四、整個切割過程都由 PCL 控制，以其結構簡單合理、設備性能良好、使用壽命長、安全系數(shù)高等因素，滿足了自動化大批量的生產要求。洛陽理工學院畢業(yè)設計論文26謝 辭在黃桂琴老師的指導下經過幾個月時間的努力，我順利完成了畢業(yè)設計的全部內容。通過這次設計，我對并對本專業(yè)有了更加深刻的認識和理解，同時學到了更多的關于機械方面的經驗知識以及電氣控制方面的相關知識，發(fā)現(xiàn)了自己的不足，知識欠缺。此次畢業(yè)設計是對我大學四年學習的歸納和總結，對我今后的學習和工作有重要的指導意義和實踐意義。當然我之所以順利完成畢業(yè)設計主要因為指導老師的屢不厭煩的教導。我將特別感謝我的導師，她治學嚴謹，知識淵博，經驗豐富，不但給我悉心指導，還帶領我參觀調研，使我更加體會到了一個令人尊敬的老師對學生無微不至的關懷，也賦予了我進一步努力、不斷進取的熱情。請許我再次向我的導師表示誠摯的謝意，感謝各位老師批評扶正。并祝各位老師身體健康，工作順利！