砂轮切割毕业设计.docx
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四川理工学院毕业设计（论文）
砂轮切断机自动切割系统设计
学生：
学号：
专业：
机械制造及其自动化设计
班级：
级班
指导教师：
四川理工学院机械工程学院
二O一六年六月
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
砂轮切断机自动切割系统设计
学院：
机械工程学院专业：
机械设计班级：
班学号：
学生：
指导教师：
接受任务时间
系主任（签名） 院长（签名）
1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
1）切断机装配图设计；
2）切断机主要零件设计及强度校核；
3）切断机进给部分液压传动系统设计；
4）电机驱动电路部分设计；
5）出图：
切断机装配图（A0图纸），主要零件设计；液压传动原理图;
6）编写毕业设计说明书。
2．指定查阅的主要参考文献及说明
《机电一体化系统设计》《液压传动》《机械设计手册》
《机电一体化设计手册》《SolidWorks2012软件教程》
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅资料，完成开题报告，车库总体方案设计
01.04~03.15
2
主要零件设计计算及强度校核
03.16~03.29
3
装配图设计和零件图
03.30~04.15
4
部分主要零件的强度分析（建议用分析软件）
04.16~05.10
5
装配图完善
05.11~05.19
6
编写毕业设计说明书
05.20~05.30
7
修改完善，提交，准备答辩
05.31~06.10
摘要
通过对切割过程观察和研究，本课题采用机电一体化系统设计思想对整体造型、机械结构、控制系统进行设计,此棒料切割机电一体化系统主要由四个部分组成：
机械本体、电子控制单元、执行器和动力源。
工作原理是电动机通过带传动带动切割片做高速旋转运动，电机与工作台之间采用铰支撑方式，升降液压缸可推动切割片进行上下移动带动刀片完成顺序切割动作。
切割机采用PLC控制各个液压换向阀的电磁铁，实现棒料的自动下料和切割以及检测工作。
随动工作台前进速度也可以通过夹紧机械手夹紧棒料使之与棒料速度同步。
横向切割时的切割速度可以通过液压缸来调节。
现场运行情况表明，此切割机具有动作快、运动平稳以及与计算机联机方便等优点，能够降低工人的劳动强度，实现自动控制，提高劳动生产率。
关键词：
电气控制；自动进给；砂轮切断；电一体化；液压；棒料
ABSTRACT
ThisProject:
Throughthecuttingprocessobservationandresearch,thispaperusingmechatronicssystemdesignideasofoverallshape,mechanicalstructureandcontrolsystemdesign,thebarcuttingmechatronicsystemismainlycomposedoffourparts:
machinebody,electroniccontrolunit,actuatorandapowersource.Workprincipleisthemotorthroughthebeltdrivesthecuttingbladeisrotatedathighspeed,themotorandthetablebetweenthehingesupportmeans,theliftinghydrauliccylindercanpushacuttingbladeonthemovingbladeisdriventocompletetheorderofcuttingaction.ThecuttingmachineadoptsPLCtocontroltheelectromagnetofeachhydraulicdirectionalvalve,realizestheautomaticblankingandcuttingofthebarmaterialandthedetectionwork.Theforwardspeedofthefollow-upworkingtablecanalsobesynchronizedwiththespeedofthebarthroughtheclampingoftheclampingmechanism.Thecuttingspeedcanbeadjustedbythehydrauliccylinder.Thefieldoperationshowsthatthecuttingmachinehastheadvantagesoffastaction,stablemovementandconvenientwithcomputeronline,whichcanreducethelaborintensityofworkers,realizeautomaticcontrolandimprovelaborproductivity.
Keywords:
Electricalcontrol;automaticallyfeed;Grindingwheelcutting；Mechatronics;Barmaterial
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1背景 1
1.2砂轮切断机概况 1
1.2.1切断磨损主要特性 2
1.2.2砂轮切断机的优点 2
1.2.3砂轮切断机切断方法 3
1.3砂轮切断机的总体设计 3
第2章切断设计部分 5
2.1设计的要求 5
2.2方案的设计 5
2.3切割部分工作原理 6
2.4切割部分结构设计 7
2.4.1切割片的选取 7
2.4.2电机的选取 7
2.4.3带传动设计 7
2.4.4升降液压缸的设计 11
2.4.5滚动轴承的选取及校核 15
第3章夹紧部分设计 19
3.1设计要求 19
3.2简述加紧部分的作用 19
3.3方案设计 19
第4章三维建模 21
4.1三维软件的选择 21
4.2砂轮切割机三维建模 21
第5章进给部分设计 27
5.1设计要求 27
5.2方案设计 27
5.3直线导轨的选择计算 29
5.3.1选定条件 29
5.3.2选择方式 30
5.4液压系统设计 32
5.4.1设计依据 32
5.4.2工况分析 32
5.4.3液压系统参数的确定 32
第6章电气控制线路设计 38
6.1设计要求 38
6.2控制电路的设计方法 38
6.3电机驱动电路部分设计 40
6.4液压控制设计 45
总结 47
参考文献 48
致谢 49
63
四川理工学院毕业设计（论文）
第1章绪论
1.1背景
砂轮起动机的种类繁多，但是工业应用中以直线式以及直线式的变形型式最为多见。
砂轮切断技术应用广泛，可以适应各种被切断材料及工作场合。
尤其对难切屑的材料切断有明显的优势。
技术发展趋向于自动化，将会有更为广发的应用前景。
国外在各方面发展走在前列，而国内则相对落后。
在进入二十一世纪以后，随着我国加入WTO以后，切断机行业的出口数量不断增加，我国国民经济的的也不断地发展，我国切断机行业自身也保持了多年快速增长，这就要求我们对砂轮切断机的品质有更进一步的提升，才很满足出口的要求，我们国家自己对砂轮切断机的工作需求，迫使我们要对砂轮切断机的各种种类有进一步的了解，技术要求更加了解，自动化程度要求也提高，更加要求我们和国外的技术水准进一步缩小。
2008年全球金融危机爆发，我国切断机行业的发展显然也会遇到很大的困难，很大的麻烦；比如出口量减少，国内需求量下降等，切断机行业都普遍出现了不景气以及利润下降的情况，这些问题都是金融危机带来的，这就要求我们必须更进一步提高在砂轮切断机的技术水平，提高竞争力。
在2009年随着全球经济走出低谷和我国经济刺激计划的出台，我国切断机行业也终于逐渐从2008年的金融危机中慢慢的恢复了过来，重新进入良性发展轨道，这也不能说是我们不需要对砂轮切断机进行研究，反而要对各个方面的技术水平去提高，去研究，去发展，在激烈的竞争中不落败下来。
1.2砂轮切断机概况
砂轮切断机是钢筋以及很多硬质材料加工过程中必不可少的设备之一，砂轮切断机的主要用在机械的加工、桥梁、隧道、电站、大型水利和房屋建筑等工程中对棒料的定长切断。
砂轮切断机和其他切断机相比的主要优点在于：
耗能少、安全性高、重量轻、体积小、效率高、操作便捷、工作可靠等，总之砂轮切断机在国民经济的发展中有着很大的作用，在建筑行业也起到了不可缺少的作用，是我们加工硬质棒料的主要根据。
1.2.1切断磨损主要特性
砂轮切断机是利用高速旋转的平型薄片砂轮来切割、切断工件的专用机床。
其对工件的切割、切断的切削机理仍属于磨削加工范畴，具有磨削加工的高速、强力、重磨削特征。
但是，与磨削加工常用方法（外圆、内圆、平面磨削）相比，砂轮切断机的得切断磨削有其自身特点：
（1）砂轮切断磨削主要追求高的生产率即高的磨削比。
砂轮一般速度为80m/s，压力为7-10KN，磨削比为40-50。
（2）砂轮切断机属于自由磨削，因而加工精度和表面粗糙度不是其主要考虑对象。
（3）切断磨削过程中的磨削力和一般磨削方法相比很大。
而磨削工况兼有高速磨削和缓进给深磨特征。
（4）切断磨削过程中砂轮损耗很大，所用砂轮为大粒度、中软砂轮，砂轮不需修整。
1.2.2砂轮切断机的优点
与锯削等用切削刀具进行的切断相比，砂轮切断有以下优点：
（1）可以容易地切断用切断刀具难以切断的高硬度材料。
（2）切断过程所用的时间短、效率高。
（3）无需象对切断刀那样刃磨刀具。
（4）切断断面美观、精度高。
由于切断磨削具有以上特征、优点，所以这一技术在各个领域的应用非常广泛，尤其在机械加工、桥梁、隧道、电站、大型水利、房屋建筑等大型工程中拥有重要的低位。
与一般切割机比较，本次设计的新型切割机具有以下的优点：
（1）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。
（2）在设计过程中，纵横行走装置采用了直线导轨，即提供了系统的运动精度，又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。
（3）整个切割过程全部由电气控制，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。
1.2.3砂轮切断机切断方法
砂轮切断机的种类较多，其磨削方式可分为如图1-1所示的几种方式。
其中a）所示的悬挂式切断机属于手动方式，不作重点描述。
b）和c）两种均属于直线式切断机应用广泛，技术含量高。
d）中所示摆动式切断机是对直线式切断机的发展，对切断过程进行了改善，有其独特的一面。
图1-1切断磨削的各种方式
a）悬挂式切割机b）横向进给式切割机
c）工件旋转式切断机d）摆动式切断机
1.3砂轮切断机的总体设计
本次设计的砂轮切断机的性能安全很可靠，操作方便可行，结构较简单，能够很好的实现预定功能。
砂轮切断机主要由切割部分、夹紧部分和纵横行走部分三个部分组成。
其中切割部分是由电动机通过V带带动砂轮片旋转来切断棒料，再由液压缸来控制砂轮片的上下移动来配合完成切割；夹紧部分主要采用了一个简单的液压夹紧机械手来加紧棒料，而且由液压缸活塞的伸缩来实现机械手对棒料的夹紧和放松；纵横行走部分也是由液压缸控制纵向、横向行走板，使之沿直线导轨前进或返回。
在与传统的一般切断机比较的过程中可以得出本次设计的新型切断机具有很多优点：
第一，整个切割过程全部由电气控制，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。
第二，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。
第三，在设计过程中，纵横行走装置采用了直线导轨，既提高了系统的运动精度，又很大程度的减小了摩擦力，达到了节能的效果。
第四，砂轮切割机是一种既能有效的提高生产率，又在价格和使用方面能被广大用户所接受的一种新型的自动控制切割机。
这种切割机具有控制方便，性能稳定，结构简单，调节、维修方便，生产率高等优点，具有广泛的应用前景。
在现在的很多行业都采用机电一体化来实现生产产品管理，切割技术也在不断的发展，不断的进步，由于传统的手工切割机，加工精度低、加工质量低、劳动力大，加工效率低、工作环境差、自动化程度低等一系列缺点，显然已经不能适二十一世纪工业发展的生产要求。
为了提高砂轮切断机的自动化程度，棒料的加紧是一个必须解决的问题，在人们的日常工作学习研究中，对于其夹紧机构也有了很大的发展，一些结构简单的机械手在砂轮切断机的加紧装置上已经得到了广泛的应用，而且效果非常明显，提高了加工精度以及加工效率。
在最近几十年的发展中简单的机械手得到了很大程度的进步，现在在很多行业都采用了机械手来帮助工人的工作，显然已进入以通用机械手为标志的时代。
一直以来对于机械手的研究和发展一直比较活跃，不断地对以前的设计进行修改，对已有的品种加以创新，对未知的方式方法加以尝试，从而机械手的应用领域也在不断的扩大，不断的推广。
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的简单设备，只能进行简单的操作。
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。
第2章切断设计部分
2.1设计的要求
要求切断机能够根据要求切割直径为Ф12～30mm，长度为1000mm的棒料，实现对棒料的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。
其切口深度为40mm。
电机转速为2840rpm，砂轮转速为1800rpm。
为了保证棒料的剪断，剪应力应超过材料的许应剪应力,即切断棒料的条件为：
（2-1）
查资料可知棒料的许用剪应力为：
取最大值。
由于本切断机切断的最大棒料粗度为：
。
则本机器的最小切断力由（2-1）得：
取切割机的
项目设计采用机电一体化设计思想，要求棒料切割机采用PLC对棒料的切割过程及检测进行自动控制，并能根据PLC定长信号分别切割两条连续的棒料，完成了系统的硬件和软件设计后可以实现对棒料的准确定长切割，切割后自动返回初始位置。
原始棒料尺寸范围在角钢：
圆钢：
槽钢：
钢管：
，切割成之间的棒料，其切口深度为,再用压断机进行压断处理。
2.2方案的设计
切割部分主要有砂轮切片、电动机和传动机构组成。
现在设计的在切割部分有两种方案可行：
第一，电动机通过带传动带动切割片转动。
第二，电动机通过圆锥齿轮传动方式带动切割片转动。
但考虑到切割过程中电动机带动切割片进行高速旋转运动，所以优先选取第一种方案，原因是圆锥齿轮传动不宜应用在转速太高的场合，并且在运用齿轮进行传动时，还应考虑怎样消除震动和用什么方法润滑齿轮，这样就会使设计成本增加，而带传动则具有结构简单，传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等优点。
切割部分结构如图2-1所示。
图2-1切割部分结构图
1-电动机；2-升降液压缸；3-砂轮片；4-支撑板；5-传送带
2.3切割部分工作原理
切割部分的原理如图2-2所示，电动机带动割切片高速旋转运动，电机与工作台之间采用铰链支撑方式，升降液压缸可推动切割片进行上下移动，完成切割运动。
横向行走液压缸可推动工作台横向移动，控制切割的长度。
纵向行走液压缸可使工作台纵向移动，使切割片能切割两根棒料。
其中电动机和液压缸电磁阀都需要通过由PLC机控制，实现其按照顺序完成动作。
图2-1切断部分的原理图
2.4切割部分结构设计
2.4.1切割片的选取
设计任务所需电机的最小功率为，主轴转速：
条件下，轮片的最大线速度为。
最终选取砂轮片的型号为A型，其规格为，磨料为棕刚玉，粒度为，硬度为R[2]。
2.4.2电机的选取
根据切割系统的要求，应考虑电动机的种类、型式、额定电压、额定转速和额定功率、工作方式，在决定电动机功率时考虑到电动机的发热，允许过载能力启动能力等问题，现选用比较适合的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。
选取功率为3.0KW，额定电压：
380V，频率：
50HZ,额定转速为2880r.p.m，额定转矩，型号为Y100-2，电动机选用三角型启动方法启动[3]。
2.4.3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、多楔带传动、圆带传动、V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，允许的传动比大，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，所以设计的主要内容包括带的型号、确定基准长度、根数、中心距、带轮的材料、基准直径以及结构尺寸、初拉力和压轴力、张紧装置等参数。
（1）确定计算功率
由《机械设计》查得工作情况系数（电机带动砂轮切割铁棒，载荷性质为载荷变动较大），则计算功率为
（2-2）
公式中：
—工作系数[3]；
—所需传递的额定功率，。
（2）初选带的型号
根据和，由《机械设计》查的初选普通V带[4]。
（3）确定带轮的基准直径和，并验算带速
1）《机械设计》查得V带的最小基准直径,考虑到带轮太小，其弯曲应力过大，所以要使，取
2）验算带的速度
（2-3）
带速不宜过高或过低，一般应使.,因为带速符合要求。
3）计算大带轮的基准直径，并根据《机械设计》加以取整
（2-4）
由于电机转速与砂轮转速基本同步，选速比，则基准直径
（4）确定中心距并选择V带的基准长度
1）根据带传动总尺寸的限制条件或要求的中心距初定中心距
由综合式
（2-5）
考虑到结构要求，初选
带的初始长度：
（2-6）
由《机械设计》V带的基准长度系列及长度系数表中取带的[4]，带基准长度
2）最后确定中心距
（2-7）
则（2-8）
（2-9）
最后取
（5）验算带轮包角
（2-10）
（合适）
（6）确定带根数
（2-11）
其中：
—额定功率，；
由《机械设计》查得：
[4]；
由《机械设计》查得包角系数[4]；
由《机械设计》查得长度系数[4]；
采用非化纤结构的普通带，取材质系数[4]。
由《机械设计》查得V带处于临界打滑状态所能传递的最大功率：
[4]
取根。
（7）确定单根带的初拉力
（2-12）
查得[4],对于新安装的带，初拉力为；对于运转后带初拉力
（2-13）
（8）计算带对轴的压力
（2-14）
（9）张紧装置的选择
各种材质的V带都不是完全的弹性体，在预紧力的作用下，经过一定时间的运转后，就会由于塑性变形而松弛，使初拉力降低。
为了保证带传动的能力，应定期检查初拉力的数值。
如发现不足时，必须重新张紧，才能正常工作。
常见的张紧装置有以下几种：
定期张紧装置、自动张紧装置和采用张紧轮的装置。
因为在本方案中中心距不能调节，可采用张紧轮将带张紧。
张紧轮放在松边内侧，使带只受单向弯曲，同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过分影响小带轮的包角。
（10）带轮的设计
带轮的设计要求及设计内容
1）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[7]。
在本次设计中，采用了比较常见的HT150。
2）带轮的结构尺寸
由于带轮的基准直径，轴的直径，根据带轮的选择原则：
即当时采用腹板式结构，铸造带轮的结构如图2-3所示。
图2-3带轮的结构
2.4.4升降液压缸的设计
（1）液压缸设计要求
根据主机系统设计的要求，应考虑液压系统的执行件的数量、运动形式、工作循环、行程范围、各执行件的运作顺序、液压元件承受的负载、运动速度、变化范围。
对液压系统的性能要求有调速性能，运动平稳性能、转换精度、可靠性程度、使用与维修的方便性等
（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，要求液压缸在上下伸缩的同时，还要绕点转动，所以选用铰链连接安装方式。
图2-4手动切割机受力示意图
1-砂轮片；2-手柄
（3）负载大小
根据手动切割机的工作原理（如图2-4所示），
图中F=300N估算得砂轮片的支反力为。
再由所设计切割机的切割受力示意图（如图2-5所示）
由于砂轮所受的支反力相同，算得液压缸所承受的力即理论推力为
（4）工作压力
当前所用的液压缸的负载小于的工作压力一般在左右，所以选取其正常工作压力为[5]。
因为在设计时一般要求安全系数比较高，所以在选取液压缸的时候一般要求有较大余量，所以在缸径选择时，其工作压力一般按计算。
（5）缸径选择
理论推力为时，需选择其缸径为。
考虑到安全系数，初选缸径为。
（6）行程大小
根据机构简图（如图2-6所示），其中实线为机构初始位置，在初始位置时，砂轮片的直径在最大状态，当砂轮切割到终位（图2-6中虚线部分）时，连杆所转过的角度为，此时砂轮直径为最小直径。
图2-5棒料切割机受力示意图
1-砂轮片；2-液压缸
图2-6气缸行程计算简图
1-砂轮；2-液压缸；3-工件
在初始位置时测得液压缸的总长度为，在终了位置时测得液压缸的总长为，所以在此过程中气缸的行程
（2-15）
即升降液压缸的行程为
（7）液压缸稳定性校核
1）液压缸直径校核
液压工作压力,则液压缸直径
（2-16）
取。
考虑到安全系数，选缸径为合理。
2）液压缸活塞杆选择及校核
（2-17）
故设计符合要求。
由，可计算出活塞杆直径
（2-18）
可取活塞杆直径
通过公式:
（2-19）
对进行校核，
其中
则
选活塞
升级会员 