基于PLC控制的冲床送料机的设计【含CAD图纸和说明书】
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全日制普通本科生毕业设计基于PLC控制的冲床自动送料机的设计THEDESIGNOFAUTOMATICFEEDINGMECHANISMOFPUCHINGMACHINEBASEDONPLCCONTROL学生姓名:学号:年级专业及班级:指导老师及职称:学院:工学院提交日期: 本科生毕业论文设计诚 信 声 明本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文(设计)是本人在指导老师的指导下,进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文设计作者签名: 年 月 日目 录 摘要1关键词11前言2 1.1 冲压在机械制造中的地位及特点2 1.2 现代冲压加工发展趋势3 1.3 数控送料机在冲床系统中的应用概述3 1.4 我国冲床行业市场发展趋势3 1.5 我国冲床与国际水平的差距4 1.6 本文的主要研究内容5 2 冲床自动送料机构方案设计5 2.1 冲床自动送料机构系统功能概述5 2.2 初步确定冲床自动送料机构的方案5 2.3 初步确定冲床自动送料机构的工作流程6 3 冲床送料机构的设计计算6 3.1 送料机构的分析说明6 3.1.1 送料流水线说明6 3.1.2 送料机的受力分析7 3.2 压辊尺寸的设计计算7 3.2.1 压辊的尺寸选择7 3.2.2 压辊的受力分析8 3.2.3 压辊压力的校核9 3.3 弹簧尺寸的设计计算9 3.3.1 弹簧的受力分析9 3.3.2 弹簧的尺寸设计93.4 伺服电机的设计计算103.4.1 皮带的功率分析103.4.2 伺服电机的选择113.5 轴尺寸的设计计算123.5.1 估算轴的直径123.5.2 轴的受力分析133.5.3 绘制力与力矩图133.5.4 按弯扭合成校核轴的强度143.6 皮带尺寸的设计计算153.6.1 确定设计功率153.6.2 选择带的型号153.6.3 验算带的速度153.6.5 计算小带轮的包角153.6.4 确定带的中心距和基准长度163.6.6 确定初拉力163.6.7 作用在轴上的压力163.6.8 确定带轮的结构163.7 齿轮的设计计算163.7.1 齿轮受力分析163.7.2 选择齿轮材料及精度等级163.7.3 按齿面接触疲劳强度设计163.7.4 校核齿根弯曲疲劳强度173.7.5 齿轮其他数据说明173.8 滚动轴承的设计计算173.8.1 初选轴承类型与尺寸173.8.2 轴承受力分析183.8.3 计算当量动载荷183.8.4 验算轴承的寿命183.9 键的设计计算183.9.1 皮带轮键的选择183.9.2 齿轮键的选择193.10 螺钉的选择193.11 检测元器件选型194 冲床自动控制系统功能软件实现204.1 冲床自动控制系统的流程204.1.1 伺服系统控制流程214.1.2 冲头切片控制流程224.2 PLC的I/O地址分配234.3 PLC的型号的选择235 结论23参考文献24致谢25附录一 机械整体效果27基于PLC控制的冲床送料机 摘 要:本篇文章内容是基于西门子PLC控制的冲床自动送料机构的设计,针对冲床薄片的自动送料机构在工艺系统中的应用。从加工工艺系统要求和控制系统硬件要求来设计自动送料机构部分确定了控制系统的硬件构成采用了西门子S7-200可编程控制器作为冲床系统的核心控制器,使系统达到体积小、控制灵活、故障检测容易,并且提高了生产效率。关键词:自动冲床;冲压;PLC控制;自动送料;夹送辊 The Desigh of Automatic Feeding Mechanism of Puching Machine Based on PLC Control Abstract : This article was the design of automatic feeding mechanism of punching machine Siemens based on PLC control, countering to the application of punching sheet automatic feeding mechanism in the process of machining process. I designed feeding mechanism part determines the structure of control system hardware using Siemens S7-200 programmable controller as the the core controller punch automatic feeding system from system requirements and the hardware of the control system requirements. Allowing the system to achieve the small size, flexible control, fault detection, and improves the production efficiency.Keywords: automatic punching machine; PLC control; automatic feeding; pinch roll1 前言冲压是金属塑性成形加工的基本方法之一,它主要用于加工板料零件,所以也称为板料成形。冲压既能够制造尺寸比较小的仪表零件,又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件;既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件,又能够制造精密(公差在微米级)和复杂形状的零件。冲压具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、操作简单、便于实现机械化、自动化与标准化等一系列优点,因此在设备、汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等生产和发展具有十分重要的意义。大批量的中、小型零件冲压生产一般是采用复合模或多工位的连续模。占全世界钢产60%70%以上的板材、管材及其他型材,其中大部分经过冲压制成成品。1.1 冲压在机械制造中的地位及特点冲压既能够制造尺寸比较小的仪表零件,又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件;既能够制造一般尺寸公差等级和形状的零件,又能够制造精密(公差在微米级)和复杂形状的零件。占全世界钢产60%70%以上的板材、管材及其他型材,其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、机械、家用电器、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中,具有十分重要的地位。冲压件重量轻、厚度薄、刚度好。它的尺寸公差是由模具保证的,所以质量比较稳定,一般不需再经机械切削即可使用。冷冲压件的金属组织与力学性能优于原始坯料,且表面光滑美观。冷冲压件的公差等级和表面状态要优于热冲压件。大批量的中、小型零件冲压生产一般是采用复合模或多工位的连续模。以现代高速多工位压力机为中心,配置带料开卷、矫正、成品收集、输送以及模具库和快速换模装置,并利用计算机程序控制,可组成生产率极高的全自动冲压生产线。采用新型模具材料和各种表面处理技术,改进模具结构,可得到高精度、高寿命的冲压模具,从而可以在提高冲压件质量的同时,降低冲压件的制造成本。 冲压生产的工艺和设备正在不断发展,除传统的使用压力机和钢制模具制造冲压件外,还有液压成形以及旋压成形、超塑成形、爆炸成形、电水成形、电磁成形等各种各样的特种冲压成形工艺亦迅速发展,把冲压的技术水平提高到了一个全新的高度。特种冲压成形工艺尤其适合多品种的批量(甚至是数十件)零件的生产。对于普通冲压工艺,可采用简易模具、低熔点合金模具、成组模具和冲压柔性制造系统等,组织多品种的中小批量零件的冲压加工。总之,冲压模具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、操作简单、便于实现机械化、自动化与标准化等一系列优点。采用冲压与焊接、胶接等复合工艺,使零件结构更趋合理,加工更为方便,可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件。从而提高生产效率,降低生产成本。1.2 现代冲压加工发展趋势制造冲压件用的传统金属材料,正逐步被各种复合材料或高分子材料替代。在模具的设计与制造中,开发并应用CAD/CAM系统,发展高、新制造技术和模具、装置等,以适应冲压产品的更新换代和各种生产批量的要求。推广应用数控冲压等设备,进行机械化与自动化的流水线冲压生产。某些传统的冲压加工方法将被液压成形、旋压成形、爆炸成形等新颖的技术所取代,产品的冲压加工趋于更合理、更经济。冲模的核心部分是工作零件,即凸模和凹模。其形状和尺寸是由冲压工序的性质决定的。冲裁冲孔落料模的凸、凹模之间间隙很校,并做成锋利的刃口,以便形成强大的剪切力进行剪切,从而使坯件与板料分离。在现代化的机加工过程中,消耗于送料的时间损失是组成零件单件加工时间占比重较大的一部分,它属于辅助时间。要想提高生产率,减少生产中的辅助时间将是非常重要的一个环节。而要想减少辅助时间,就必须提高其生产的自动化程度。利用PLC可以直接对伺服电机进行位置和速度的控制,通过送料机构进行送料,无需增加定位模块,有效节约成本。PLC的处理速度高,输出脉冲的频率也很高,而且指令也很简单,在系统联机的情况下也可方便地进行所有指令的修改工作,PLC控制的送料机构设计简单,通用性强,一种材料的送料机构只需做少许调整改动,既可用于其他材料的送料。本系统通过PLC进行调节控制,使操作简单,也减少了在运行过程中的故障查找环节,大大提高了工作效率。改机构就是与PLC配套使用的送料机构,可以很好的实现PLC的控制功能,实现送料的精确性。1.3 数控送料机在冲床系统中的应用概述近年来,PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广,它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多,越来越成熟。在冲床的实际设计和生产过程中,为了提高冲床加工的精度,对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。1.4 我国冲床行业市场发展趋势目前,整个冲床工具行业企业发展迅猛,对冲床附件的需求量激增,国内市场容量很大。尤其是近几年来,我国汽车工业发展极为迅速,使冲床厂各行业市场变得更加旺盛。目前,国内中低档数控冲床附件产品的市场,基本由国内产品占领,部分产品如数控分度头、刀杆还有一定的批量出口。但是,近几年来台湾等地区的产品大量涌入,中档数控冲床附件产品的市场竞争变得越来越激烈。高端技术水平的产品主要依靠进口,从工业发达国家如日本、德国、意大利等进口较多。一般机械类、传统类冲床附件大量出口国际市场。2007年虽有部分冲床附件出口量有所增加,但是各类冲床附件的出口总量并不是很大,说明国内市场的需求正在不断的变大。国外及台湾商为了进入我国大陆市场,产品价格逐步调低,其市场份额也正在逐步扩大。目前由于国内产品在售前技术业务交流及售后服务比国外厂商存有明显优势,使国产冲床厂的数控冲附件产品能够不断的发展。但随着外商采用大陆本地化生产方式之后,我们就会逐渐失去这些优势。近几年部分发展中国家的冲床工具行业发展速度加快,也逐步向大陆市场进口冲床附件等,并有一定的价格竞争优势。例如:印度企业,正在快速发展各类冲床附件产品,各类卡盘、数控转台、数控刀架,在价格方面与其他进口商相比也有一定优势。因此,市场的容量是比较大的,但是竞争的压力也是存在的。就冲床附件的品种而言,大部分的品种国内冲床附件企业都有,也基本属于专业化生产,能够满足主机的需要。但是,随着数控技术的发展,新技术、新工艺的不断应用,国外新品种、新结构数控冲床附件不断出现,例如伺服电机直接驱动的数控回转工作台(单轴高速数控转台或两轴联动高速可倾转台)已经有几家海外厂商在cimt2005中国国际机床展会上登场,完全改变了传统的结构原理,回转速度远高于传统的机械结构。加工中心用角度转换镗铣头、数控龙门铣床用a-c轴双摆动数控铣头(包括机械式和伺服电机直接驱动式)、为车铣中心配套的b轴或b、y两轴运动的铣镗滚齿用数控铣头,目前,国内只有个别研究机构或厂家处于研究阶段,没有形成生产能力,主机基本依赖进口配套。另外,高效数控冲床用动力卡盘、刀杆的高速特性及夹持精度均比国外还有较大差距。数控冲床附件产品的水平比起前几年有一定提高。分度类数控附件、数控刀架、动力卡盘等产品,规格及品种也在不断完善,结构也在不断改进,主要性能和可靠性方面均有了很大的提高。目前,国产数控冲床附件应该说能够满足中档数控冲床的配套需要,但为某些高端水平数控冲床配套的冲床附件与国外相比仍有很大差距,主要差距的原因在于整体装备制造能力、协作配套能力、企业自身技术改造能力的不足。这也是目前我国产品水平较国外产品水平低的主要原因。近几年来,因市场订单猛增,新产品开发力度受到影响。从机床附件分会秘书处掌握的情况来看,行业企业新产品开发主要集中在骨干企业。大多数行业企业在保证大量的市场订单时,还应更加注意技术储备产品的研发工作,解决好订单产品与新产品开发的矛盾。既要保当前的市场,又要注意发展将来的市场竞争能力。1.5 我国冲床与国际水平的差距近几年,国产冲床总量增加很快,但市场占有率仍然不高(尤其是数控冲床),目前高档产品绝大部分是依靠进口的,中档产品市场中进口产品也占有很大的份额。从行业总体来看,产业核心竞争力不强。我国虽然是冲床制造大国,但还不是冲床制造强国。主要差距是:第一技术创新能力不足。1、企业基础研究、技术攻关和新产品开发投入不足,直接影响了创新能力的提高。2、自主开发产品的能力差,关键的零部件依赖进口,对引进国外先进技术的消化吸收、创新和提高工作不力。3、科技人才不能满足产业发展需求,特别是缺乏技术带头人。存在科研与生产、设计与制造、新产品开发与用户个性化需求三脱节现象,直接影响新产品的开发和企业技术创新能力的提高。第二产业化水平不高。1、产业结构不尽合理。主要是专业化水平不高;高档产品开发比较缓慢,市场占有率低;中档产品有一定产量,但竞争力不强;数控冲床功能部件发展滞后,严重制约国产数控冲床的发展。2、经济规模、生产效率与发达国家相比尚有较大的差距。生产厂点过多,生产效率低,赢利能力太差。3、工艺装备陈旧,基础制造技术落后。行业装备数控化率平均仅为23。原来生产普通冲床的设备用来批量生产数控冲床,在精度、效率和可靠件方面都难以满足使用的要求,严重阻碍了产业化水平的提高。第三综合服务能力不强。1、服务体系不健全,全方位服务能力不强,在市场开拓、成套服务等方面尚有较大差距。国内企业虽然已经重视了服务问题,但普遍缺乏对用户加工工艺的研究,往往是在被动应付的局面。企业国际市场的售后服务更为薄弱,绝大部分企业还不具备国际市场的开拓和服务能力。2、旧的管理模式和管理机制不适应现代服务体系要求,快速反映能力差,运用信息化手段提高企业基础管理能力尚有较大差距。1.6 本文的主要研究内容利用PLC可以直接对伺服电机进行位置和速度控制,无需增加定位模块,节约成本。因此,本文主要针对PLC控制系统设计与之相配套的机械机构。该机构结构简单,制造容易,成本低廉,故障率低,工作效率高,易于维修保养,通用性强。 2 冲床自动送料机构方案设计2.1 冲床自动送料机构系统功能概述本系统由PLC控制伺服驱动器,实现伺服电机转角的精确控制,利用皮带传动,从而实现水平方向的精确位移。其采用自动加工方式:工作准备工作进给冲压.加工完毕停机报警。2.2 初步确定冲床自动送料机构的方案将要求加工的数据传给PLC,PLC作为核心控制器,进行数据的运算并发送指令脉冲给伺服驱动器,伺服驱动器通过编码线使伺服电机运转实现定位。传动结构由皮带传动和齿轮传动来实现,最终驱动压辊旋转,压辊带动带料使其前进,从而完成送料动作,之后由PLC控制冲床实现冲压,完成一次冲压工作。图1 自动送料机构方案 Fig. l The automatic feeding mechanism scheme 2.3 初步确定冲床自动送料机构的工作流程冲床送料机构的工作流程分为三个部分:工作准备阶段:由工人预先将带料送至压辊内抬辊并使其接触夹紧。完成上料后开机,有右边传感器来检带料是否到位,并将带料送至冲头模具处。完成冲压送料钱的准备工作。冲床工作阶段:由左边传感器检测带料是否充足,若带料充足,则由伺服电机旋转,由压辊进行送料。完成送料后,由PLC给冲床提供控制信号,完成冲压。之后再回到上一环节继续工作。工作结束阶段:由左边传感器检测带料是否充足,若带料不足,则驱动伺服电机旋转,将余料退出并警报提醒工人进行换料。3 冲床送料机构的设计计算3.1 送料机构的分析说明3.1.1 送料流水线说明本送料机构主要是用于厚度为1mm,宽度为100mm的Q235热轧带钢的加工送料。带钢生产出来后放置在材料架上,通过矫平机矫平之后,然后再送至送料机上。矫平机与送料机的距离必须足够长,才能给送料机与矫平机有缓冲的空间。但距离也不宜太长,过长的距离增加了机器负担且占用太大的空间造成浪费。根据以往的经验,取距离为4000mm。图2 送料流水线 Fig. 2 Feeding pipeline3.1.2 送料机的受力分析已知该型号的冲床在冲压时所需要的压力为10000N,通过对冲床数据的研究并查手册可得,在实践对冲床送料及其模具检测得到冲床在冲压间歇的送料阻力为T=530N,送料的速度为320mm/s,使用年限为5年,每年工作时间为300天,每天工作为两班制。冲床送料机构主要是以此为根据进行设计计算,并得到基本的结构尺寸。3.2 压辊尺寸的设计计算本送料机构最主要的零件为压辊,运动形式的转换,速度的变换,送料过程的实现,主要是由压辊加紧带料旋转,通过与带料的摩擦使带料前进。实现自动送料。因此,压辊的设计,尺寸的选取非常重要。根据送料要求的条件,下面对压辊进行分析。3.2.1 压辊的尺寸选择对于棍子送料来说,防止辊子与材料的相对滑动可以通过提高辊子和材料的压力,增大辊子直径从而提高与材料的接触面积,或者材料与材料之间的摩擦系数来实现。增大材料的摩擦系数的唯一途径是使接触面粗糙。但是,材料表面的光洁度是恒定的,而辊子的光洁度必须很高防止压坏材料表面,因此增加摩擦系数这一方案并不可行。过多的提高辊子与材料间的压力会致使材料表面受到破坏而变形;过大的辊子直径会增加质量使惯量增加影响送料的准确性,也会过大的占用空间且浪费材料。因此,参照多方面的原因,根据以往设计经验并查标准手册,暂定辊子直径为80mm,宽度为120mm。在之后的计算中再进行校核。3.2.2 压辊的受力分析如图3.2.1受力分析图所示,上压辊自身的重力为,受到轴承及齿轮的作用力取些许余量,大约为1.2,受到弹簧的压力为P,作用在板料上的合力为1.2。作用在下压辊轴上的力为1.2。 图3 压辊受力分析Fig. 3 Stress analysis of pressure roller计算压辊的体积: (1)计算上压辊的质量: (2)计算压辊所受重力:由受力条件可知: (3)计算所受总压力为:所需附加的压力为:3.2.3 压辊压力的校核查设计手册可得校核公式: (4)依据公式进行校核:因此,压辊并不会对材料形态造成破坏。因此最终确定辊子的直径为80mm,辊子的长度为120mm。由于棍子间有摩擦,考虑到磨损,选取材料为q235号钢调质处理后再表面硬化。3.3 弹簧尺寸的设计计算3.3.1 弹簧的受力分析由上节分析可知,弹簧的所要求提供的压力为。为防止因材料过薄时导致压力不足而使板料滑动,应提高其预紧力的大小。现取预紧力为3500N,工作压力为5500N,变形大小为1mm,取工作高度为100mm。3.3.2 弹簧的尺寸设计由手册可知弹簧的计算方法,应用机械设计手册(软件版)V3.0进行计算,可是计算简化。下面为弹簧尺寸的计算程序报告:压缩弹簧设计报告 一、设计信息 设计者 Name=蔡战 设计单位 Comp=湖南农业大学 设计Date=2013/4/26 设计时间 Time=16:31:44。二、设计要求 安装载荷(要求) F1=5000 (N) 安装高度 H1=100 (mm) 工作载荷(要求) F2=5500 (N) 工作行程 h=1 (mm) 要求刚度 k=500 (N/mm) 载荷作用次数 N=999 (次)载荷类型 NType=类 三、材料 材料名称 M_Name=碳素弹簧钢丝C级 切变模量 G=79000 (MPa) 弹性模量 E=206000 (MPa) 抗拉强度 b=1320 (MPa) 许用切应力 b=541.2 (MPa) 四、端部型式 端部型式 sType=Y 压并圈取值范围 n2=12.5 压并圈数 n2=2 五、弹簧基本参数 钢丝直径 d=10.0 (mm) 弹簧中径 D=32.00 (mm) 旋绕比 C=3.2 曲度系数 K=1.53 有效圈数 n=6 压并圈数 n2=2 弹簧总圈数 n1=8 实际刚度 k=502.27 (N/mm) 六、校核与分析 要求刚度 k=500 (N/mm) 实际刚度 k=502.27 (N/mm) 刚度相对误差 k=0.45 (%) 安装变形量 f1=9.95 (mm) 安装载荷(设计) F1=5000 (N) 工作变形量 f2=10.95 (mm) 工作载荷(设计) F2=5500 (N) 试验变形量 fs=15.87 (mm) 最小变f1/fs=0.63 弹簧特性(安装) Tf1=满足要求 最大变形比 f2/fs=0.69 弹簧特性(工作) Tf2=满足要求 最小切应力 min=623.38 (MPa) 最大切应力 max=685.72 (MPa)切应力特性系数 =0.91 最大切应力比抗拉强度 max/b=0.52 弹簧疲劳强度 Tq=满足要求 稳定性要求 Tw=满足要求 安全系数 S=1.55 七、其余尺寸参数 安装高度 H1=100 (mm) 工作高度 H2=85.92 (mm) 压并高度 Hb=80 (mm)试验高度 Hs=81 (mm) 节距 p=13.64 (mm) 螺旋角 =7.729261 (度) 弹簧材料展开长度 L=804.25 (mm)由上面的计算结果可知,其参数为钢丝直径 d=10(mm),弹簧中径 D=32.00(mm),自由高度为H=109.95(mm),有效圈数 n=6,压并圈数 n2=2,弹簧总圈数 n1=8,实际刚度 k=502.27(N/mm),材料名称为碳素弹簧钢丝C级,端部为冷卷压缩弹簧两端圈并紧并磨平。弹簧的代号表示为: 。材料为: 65Mn。3.4 伺服电机的设计计算3.4.1 皮带的功率分析分析上压辊的力矩由滚动轴承在轴颈处的摩擦力矩为: (5)由上棍子产生的摩擦力矩为: (6)综合可得上压辊的力矩为:分析下压辊的力矩:由滚动轴承在轴颈处的摩擦力矩为: (7由上棍子产生的摩擦力矩为: (8)综合可得上压辊的力矩为: (9)分析压辊的滚动摩擦力矩:由于压力并非绝对对中产生滚动摩擦力矩: (10)综合可得总的滚动摩擦力矩: (11)最后计算可得皮带所需传递的力矩为: (12)已知送料的速度为,由此可知计算电机所需要的功率: (13) (14)3.4.2 伺服电机的选择伺服电机选型应考虑的问题:电机的最高转速电机选择首先依据冲床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。取传动比为1/1.31,则本电动机的转速应为3000rpm,配合伺服电机减速机,使其转速降为100rpm。惯量匹配问题及计算负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求, 负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内,即为。 (15)计算可知,改系统的惯量为: (16)空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80% 以内。 (17)西门子的经济型伺服机技术参数包括V80系列,V80 的功率范围为0.1 kW0.75 kW,并与S7-200一起构成简易、经济型伺服控制系统。图4 SINAMICS V80伺服系统Fig. 4 SINAMICS V80SINAMICS V80伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机两部分,伺服驱动器总是与其对应的同等功率的伺服电机一起配套使用。SINAMICS V80伺服驱动器通过脉冲输入接口来接受从上位控制器发来的脉冲序列,进行速度和位置的控制,通过数字量接口信号来完成驱动器运行的控制和实时状态的输出。INAMICS V80的技术特点与优势硬件系统:最小化的尺寸,节省安装空间; 优化的散热和通风设计,无需散热风扇; 标准化的接口与端子,简化安装与维护;速度设定直接为脉冲输入,方便系统设计; 伺服驱动器与伺服电机配套设计,配合完美。 技术功能:无需参数调试,简单易用;高精度的控制脉冲,更好的满足控制的要求; 集成的编码器接口,可直接实现闭环控制。通讯连接:标准的连接电缆,与 PLC 实现顺畅、可靠的连接; 全面的实现全集成的自动化(TIA)。通过以上设计计算最终选定V80伺服电机的型号为:1FL4032-0AF21-0AB0使用的驱动器型号为:6SL3210-5CB11-7AA0并选用标准私服电机减速机:SPB_Planetary_Drive 少齿差行星减速器 SPB60其减速比为1:30。3.5 轴尺寸的设计计算3.5.1 估算轴的直径已知轴的转速为76.3944r/min,其所传递的功率为0.2kw,根据查表可得,Q235调质后A为120。由此可以估算轴的直径: (18)考虑到键对轴承的削弱作用,应当适当取大直径并圆整,最终得到轴的直径为20mm。3.5.2 轴的受力分析轴上零件的安排为皮带轮、轴承、压辊、齿轮、轴承。下面将对其进行受力分析。分别在竖直和水平面进行力的分析,最后再进行所受力矩的分析。得出如下结果。首先分析垂直面分析已知的上夹送辊的力矩得到计算齿轮所受的轴向力: (19) (20)分别计算轴的支持力: (21)解得: 然后分析水平面 (22)解得: 其截面上的转矩为:3.5.3 绘制力与力矩图通过上面的计算结果,结合轴的设计理论,并由轴的初步分配可以绘制出轴的受力图形,水平面的受力、力矩图和垂直平面的受力力矩图。再通过观察得出其受力与力矩最大的位置。图5 轴力图Fig. 5 Axial force diagram由上图可以,由于再水平面受到的力与力矩很小,可以忽略不计。在设计计算是只需要适当的增大其直径即可。通过分析可以知道,轴在左边轴承处受到的弯矩最大,而且此时所受的扭矩也达到最大值,因此其危险截面即为左轴承所在的位置。3.5.4 按弯扭合成校核轴的强度首先,要校核一下轴的强度: (23)满足使用条件,但考虑到键槽对轴的削弱作用,因此轴最小直径最终确定为20mm。其次,需要校核一下辊子的强度: (24)辊子满足使用条件。由此计算校核最终得到轴的设计数据,根据计算结果及原来的设计安排,再进行轴的结构的精确布置,设计的最终结果见机械制图。3.6 皮带尺寸的设计计算3.6.1 确定设计功率由上节计算可知,伺服电机的功率为0.2kw,查表可得其工况系数为,计算功率 (25)3.6.2 选择带的型号已知皮带轮的计算功率和小带轮的转速,参照皮带轮选取的设计手册上的数据,最终选定皮带的型号为:A型,并选取小带轮的基准直径为75mm。因此大带轮的基准直径为98.175mm,圆整后,大带轮的基准直径为100mm。其传动的误差率为1.825%,因此,该传动方案是可行的。并且其误差率控制在一个很小的范围内。3.6.3 验算带的速度计算带的速度: (26)由此可以看出: (27)所以带的速度是满足使用要求的。3.6.4 确定带的中心距和基准长度选取带的基准中心距:为了运行平稳,选择带的中心距长度为200mm计算带的基准长度: (28)查手册选定带的长度为计算实际中心距: (29)3.6.5 计算小带轮的包角 (30)3.6.6 确定初拉力=69.43(N)(31)则初拉力的大小为69.43N。3.6.7 作用在轴上的压力3.6.8 确定带轮的结构本设计中要求的转速不高,因此选用铸铁材料来制造带轮,其中,由于小带轮与大带轮的尺寸适中,因此选用腹板式。带轮的结构尺寸见图纸。3.7 齿轮的设计计算3.7.1 齿轮受力分析齿轮所受的圆周力,齿轮传递的功率为0.1kw。齿轮的设计主要参照这个数据进行计算。3.7.2 选择齿轮材料及精度等级 考虑此对齿轮传递的功率不大,故大、小齿轮都选用软齿面。齿轮选用45钢,调质,齿面硬度为 220 HBS。因是传动用齿轮,要求精度不高,选7精度,要求齿面粗糙度。3.7.3 按齿面接触疲劳强度设计确定有关参数如下:齿数Z和齿宽系列取齿轮齿数为Z=40,则齿轮模数m=2。因齿轮为非对称布置,因此,取=0.3转矩和载荷系数K。转矩查表可知其载荷系数为计算许用接触应力首先计算应力循环次数查表可以得到寿命系数为因为其为开式齿轮,因此其工作条件比较复杂。所以安全系数取查表可得其应力为 计算允许的最小直径 (31) 因此,取齿数为40,模数为2,得到直径为80mm的齿轮满足条件。3.7.4 校核齿根弯曲疲劳强度分度圆直径和齿宽已知分度圆直径为80mm,计算得齿宽为24mm。齿形系数和应力修正系数根据查表可得齿形系数为,应力修正系数为许用弯曲应力 (32)校核弯曲疲劳强度 (33)解得 因此该齿轮满足齿根弯曲疲劳强度3.7.5 齿轮其他数据说明已知齿轮的模数和齿数,计算可得到齿轮的标准中心距为80mm。符合使用的条件。根据传动的要求,查表可以得到齿轮的精度等级为7级即可满足传动的使用要求,齿轮的其他参数和要求参见图纸。3.8 滚动轴承的设计计算3.8.1 初选轴承类型与尺寸由于轴承主要承受的是轴向力而没有径向力,且轴承承受的力比较大,因此,选用圆柱滚子轴承。根据轴的直径最小直径为20mm,初选轴承的内径为25mm。则轴承的代号为 NU 205 E。3.8.2 轴承受力分析分析轴承所受径向力: 分析所受的轴向力: 3.8.3 计算当量动载荷轴向力与径向力比值为 此时。计算当量动载荷P, (34)按照X=1,Y=0,,3.8.4 验算轴承的寿命 (35)所以所选的轴承NU 205 E满足要求。3.9 键的设计计算3.9.1 皮带轮键的选择已知棍子轴的直径最小为16mm,考虑了键对轴的削弱作用最终得到轴的直径为20mm。根据轴的受力情况选择:普通平键中的单圆头平键进行连接,根据轴的直径选择:键宽为d=6mm,键高为h=6mm。由公式: (36)因此计算键的长度为:因此该键的工作长度为32.66mm,总长度为35.66mm。取标准长度为36mm。因为皮带轮的宽度并未达到36mm。因此,该设计并不合理,不能达到使用要求,因此采用双键连接,并进行计算。因此该键的工作长度为21.78mm,总长度为25.78mm。取标准长度为28mm。能够满足使用要求。3.9.2 齿轮键的选择由轴的设计可知,齿轮轴上的直径为26mm。根据轴的受力情况选择:普通平键中的圆头平键进行连接,根据轴的直径选择:键宽为d=8mm,键高为h=7mm。由公式: (37)因此计算键的长度为:因此该键的工作长度为6.4mm,总长度为14.4mm。取标准长度为16mm。能够满足使用要求。 3.10 螺钉的选择螺钉的选择计算比较简单,并且大部分螺钉的受力较小。选择的范围较大。在此不多做叙述。螺钉的尺寸主要有:电机与变速机螺栓:GB/T 57802000 M525变速器与机架螺栓:GB/T 57802000 M525机架与机座螺栓:GB/T 57802000 M880机架与机盖螺栓:GB/T 57802000 M880弹簧螺栓:GB/T 57802000 M1080皮带轮连接螺钉:GB/T 652000 M2123.11 检测元器件选型光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。光电传感器的特点:检测距离长,如果在对射型中保留10m以上的检测距离等,便能实现其他检测手段(磁性、超声波等) 无法离检测。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测,因此不会对检测物体和传感器造成损伤。便于调整 在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。根据上述结论,最终选定光电传感器的型号为:CCD-463-231。4 冲床自动控制系统功能软件实现4.1 冲床自动控制系统的流程 图6 自动控制系统的流程 Fig. 6 Automatic control system flow首先,在编写软件之前需要根据系统所需要求制定软件流程图,当软件流程图绘制成功了,那么对自己所要编写的程序就有了一个大致的编写内容和编写方向。如图6所示,是系统的总体软件流程图。系统总共有两种操作方式,根据人机界面的操作选择加工方式,其加工方式的编程可逐一编制。手动加工方式需按下“下一步”按钮,冲床才会根据所编写的程序,进行加工一次的步骤。自动加工方式需按下“启动”按钮,冲床才会根据所编写的程序,进行整板的全部加工,指导系统出现故障或操作停止。由于总体软件流程图,不能够使软件准确的实现系统功能,所以又将伺服系统和冲头切片的控制流程进行的分析。4.1.1 伺服系统控制流程伺服是冲床自动控制系统的主要部分,它完成工件冲孔位置的确定。如图7是伺服系统的控制流程图。 图7 伺服系统控制流程图 Fig. 7 The servo system control flow chart其中将移位数据传送给伺服驱动器是关键,所以要解决移位数据的计算。因为电机的额定转速是3000转每分,即50转每秒,电机每转一圈需要1000个脉冲。且伺服电机运转一圈,皮带位移100mm,即PLC送给伺服1000个脉冲,皮带带动工件移动了100mm。脉冲的传送可以用PLS指令来完成。脉冲输出指令(PLS)用于在高速输出(Q0.0和Q0.1)上控制脉冲输出(PTO)和脉宽调制(PWM)功能。S7-200有两个PTO/PWM发生器,它们可以产生一个高速脉冲串或者一个脉宽调制波形,分别是Q0.0、Q0.1。一个指定的特殊寄存器(SM)位置为每个发生器存储下列数据:一个控制字节(8位),一个计数值(32无符号数)和一个周期或脉宽值(16位无符号数)。PLS指令会从特殊存储器SM中读取数据,使程序按照其存储值控制PTO/PWM发生器,SMB67控制PTO0或者PWM0,SMB77控制PTO1或者PWM1。表5.1.2为PTO/PWM控制寄存器SM标志数据,通过改变其数据就可以改变其控制方式。编程软件时,我们使用Q0.0高速脉冲输出口,采用脉宽调制(PWM)控制方式,所以SM67的存储内容为“16#DB”。将输出脉冲周期数(距离)送给SMW68,将PWM脉冲宽度值(速度)送给SMW70。Q0.0Q0.1控制字节SM67.0SM77.0PTO/PWM更新周期值0=不更新; 1=更新周期值SM67.1SM77.1PWM更新脉冲宽度值0=不更新; 1=脉冲宽度值SM67.2SM77.2PTO更新脉冲数0=不更新; 1=更新脉冲数SM67.3SM77.3PTO/PWM时间基准选择0=1 /格; 1=1ms/格SM67.4SM77.4PWM更新方法0=异步更新; 1=同步更新SM67.5SM77.5PTO操作0=单端操作; 1=多段操作SM67.6SM77.6PTO/PWM模式选择0=选择PTO; 1=选择PWMSM67.7SM77.7PTO/PWM允许0=禁止; 1=允许SMW68SMW78PTO/PWM周期值(2到65535)SMW70SMW80PWM脉冲宽度值(0到65535)SMD72SMD82PTO脉冲计数值(1到4,294,967,295)SMB166SMB176进行中的段数(仅在多段PTO操作中)SMW168SMB178包络表的起始位置,用从V0开始的字节偏移表示SMB170SMB176线性包络状态字节SMB171SMB181线性包络结果寄存器SMD172SMD182手动模式频率寄存器4.1.2 冲头切片控制流程图8 冲头切片控制流程图Fig. 8 Punch biopsy control flow chart冲床的冲头和切片动作是冲床对板材的加工过程。如图8所示是冲头和切片动作的流程图。伺服定位完成后,使其POS_OK置数,然后执行冲头的动作。在冲孔动作中,要判断板材是否已经冲孔完毕,即Dn没有设置距离,若没冲完且切片不需要动作时,则冲头气缸继续进行冲孔加工工艺;若板材已经冲孔完毕且切片不需要动作时,那么冲头就不需要动作,继续让伺服运动到此次加工零件长度距离的结束,然后重新进行下一个零件的加工,此距离的计算是就是伺服需要移动的距离。4.2 PLC的I/O地址分配根据冲床系统要求,PLC输入需要HMI和硬件急停、开始、初始化;又因为系统具有两种工作方式,所以需要“手动”、“自动”按键的选择,还有一个定位传感器和两个气缸限位开关,以及伺服系统的定位完成信号。所以需要11个输入口。伺服系统需要三个PLC输出口脉冲输出、清除脉冲、伺服使能;示灯需要三个PLC输出口红、黄、绿;以及冲头、切片气缸电磁阀的控制,分别需要一个PLC输出口。所以需要8个PLC输出口。输入输出I0.0HMI急停 Q0.0脉冲输出 I0.1下步 Q0.1清除脉冲 I0.2急停复位 Q0.2使能I0.3手动 Q0.3绿灯I0.4自动 Q0.4黄灯I0.5启动 Q0.5红灯I0.6定位传感器 Q0.6冲头气缸电磁阀I0.7冲头气缸下限位 Q0.7切片气缸电磁阀I1.0切片气缸下限位I1.1POS_OKI1.2初始化4.3 PLC的型号的选择目前PLC使用性能较好的SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司,根据性价比的选择,根据被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑,本设计采用SIEMENS公司的S7-200系列PLC。5 结论2013年2月,我开始了我的毕业论文工作,时至今日,论文基本完成。从最初的茫然,到慢慢的进入状态,再到对思路逐渐的清晰,整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战,紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受,我感慨万千,在这次毕业设计的过程中我拥有了无数难忘的回忆和收获。最开始我的毕业论文题目定了下来,是:基于PLC控制的冲床自动送料机的设计。当选题报告,开题报告定下来的时候,我当时便立刻着手资料的收集工作中。在搜集资料的过程中,我认真准备了一个笔记本。我在学校图书馆,还在网上查找各类相关资料,将这些宝贵的资料全部记在笔记本上,尽量使我的资料完整、精确、数量多,这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料仔细整理分类,以便对论文的编写。在此过程中老师还主动询问了搜集资料的进度和资料的正确性。为了画出自己满意的计算数据、设计图纸等,且由于没有设计经验,觉得无从下手,空有很多设计思想,却不知道应该选哪个,经过导师的指导,我的设计渐渐有了头绪,通过查阅资料,逐渐确立系统方案。方案中辊子和机座的设计是个比较头疼的问题,在反复推敲,对比的过程中,终于机构完成。当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累,但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的,我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习,再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里,面对无数书本的罗列,最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋;亲手设计电路图的时间里,记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情;为了论文我曾赶稿到深夜,但看着亲手打出的一字一句,心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布,实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中,掌握了很多冲床送料的知识,让我对我所学过的知识有所巩固和提高,并且让我对当今PLC的最新发展技术有所了解。在整个过程中,我学到了新知识,增长了见识。在今后的日子里,我仍然要不断地充实自己,争取在所学领域有所作为。 脚踏实地,认真严谨,实事求是的学习态度,不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练,是对我实际能力的一次提升,也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了,同学之间互相帮助,有什么不懂的大家在一起商量,听听不同的看法对我们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学。在此更要感谢我的导师和专业老师,是你们的细心指导和关怀,使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上,我不仅学到了扎实、宽广的专业知识,也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。参考文献1 濮良贵,纪名刚.机械设计(第七版)M.北京:高等教育出版社,2006:33-452 吴宗泽,罗盛国.机械设计课程设计手册(第3版)M.北京:高等教育出版社,2006:22-453 洪钟德.简明机械设计手册M.同济大学出版社,2002:33-454 周明衡.减速器选用手册M.化学工业出版社,2003:23-255 刘希平.工程机械构造图册M.机械工业出版社,2004:23-256 刘朝儒,彭福荫,高治一.机械制图(第四版)M.高等教育出版社,2012:23-25 7 廖念钊,古莹庵,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量(第四版)M.中国计量出版社,2011:13-258郁汉琪编.电气控制与可编程序控制器应用技术M.东南大学出版社.2009:9-109龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术提高篇M.人民邮电出版社,2008:43-7510吴祖育,秦鹏飞 .数控机床(第三版)M. 上海科学技术出版社,2000:10-1111罗良玲,刘旭波.数控技术及应用J.清华大学出版社,2008:22-2312李莉芳、周克媛、黄伟 .数控技术及应用M.清华大学出版社,2012:2.313蔡行建.深入浅出西门子S7-200PLCM.北京航空航天大学出版社,2005:138-14614龚仲华.S7-200/300/400PLC应用技术提高篇M.人民邮电出版社,2008:43-7515王翔.S7-200PLC在数字伺服电机控制中的应用J.自动化技术与应用,2006,25(6):29-3116肖明耀.PLC原理与应用M.中国劳动社会保障出版社,2006:43-6417胡佑德,马东升,张莉松.伺服系统原理与设计M.北京理工大学出版社,1995:1518常斗南.可编程控制器原理、应用、实验M.机械工业出版社,199819王翔.S7-200PLC在数字伺服电机控制中的应用J.自动化技术与应用,2006,25(6):29-3120David G,JohnsonProgrammable Controllers for Factory AutomationM. Marcel Dekker Inc, 2003: 8-1621Berger, Hans. Programmable controllersM. Berlin Siemens Aktiengesellschaft,1993,25(6):29-31 致谢历时将近四个月的时间终于将这篇论文写完,烈感谢我的论文指导老师:周光永老师,他对我进行了无私的指导和帮助,不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进,他严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。另外,其他老师也给予了我很大的帮助,在听其他老师讲解了我毕业设计的大体方向和研究内容后,让我对我的设计有了明确的设计目标和设计思路。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢!还要感谢我的同学和朋友,你们的幽默和风趣让我在做毕业设计中都有着愉快的心情。在我写论文的过程中他们还给予我了很多有用的素材,还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。在这里请接受我诚挚的谢意!谢谢你们!附录:附录一 机械整体效果附录一 机械整体效果33
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