冲床自动送料装置机械结构设计毕业设计 精品推荐.docx
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冲床自动送料装置机械结构设计
目录
中文摘要I
英文摘要iI
第1章引言1
1.1我国冲压设备与送料装置的现状及课题研究的实际意义1
1.2课题研究的相关背景3
1.3数控机床与自动送料技术的国内外发展概况及发展趋势3
1.3.1数控机床的产生3
1.3.2计算机数控的发展3
1.3.3冲压设备及自动送料装置的发展方向4
1.4课题研究的任务及达到的预期目标5
第2章系统的总体设计6
2.1自动送料装置的平面图6
2.2供料方案分析6
2.3控制系统设计7
2.3.1控制系统的硬件设计7
2.3.2控制系统的软件设计8
第3章冲床自动送料机构组件丝杠的设计9
3.1计算选定编号10
3.1.1导程10
3.1.2平均转速10
3.1.3平均载荷10
3.1.4时间寿命与回转寿命11
3.1.5额定动载荷11
3.1.6预紧载荷11
3.1.7丝杠螺纹长度11
3.2丝杠公称直径11
3.3滚珠丝杠传动系统刚度12
3.3.1丝杠刚度12
3.3.2螺母刚度12
3.3.3支承刚度13
3.3.4轴向总刚度13
3.4总弹性变形量（单边）13
3.5电机的选定14
3.5.1驱动转矩14
3.6检校15
3.6.1丝杠理论容许轴向载荷15
3.6.2丝杠工作容许轴向载荷15
3.6.3临界转速15
3.6.4允许工作转速15
第4章基于Pro/E的冲床自动送料机构装配图16
4.1冲床自动送料机构重要组件零件图16
4.1.1导向杆16
4.1.2导向杆座17
4.1.3丝杠17
4.1.4丝杠螺母17
4.1.5轴承支座18
4.2冲床自动送料机构组件丝杠绘制过程18
结论21
结束语23
参考文献25
致谢26
第1章引言
1.1我国冲压设备与送料装置的现状及课题研究的实际意义
冲床或称冲压机,是一种普遍使用的延性金属机械冷加工设备,除主流的应用范围机械器件的塑性成型外,还作为许多专用设备的本体和母机,用于筛网、垫网、防护罩等的冲剪加工.常规冲压机主体有两种主要形式曲柄冲压机和液压冲床.曲柄冲压机是由曲柄滑块机构的主传动带动滑块上下运动,由固装于滑块上的成形器（或模具或刀具）对来料实施冲制.来料一般为钢带或板料,每一冲压循环完成一次加工.冲压加工的主要特点是:
无废料或少废料;出率高;被冲制的零件/器件的整体强度高。
冲压成形的冲压件具有重量轻、厚度薄、刚性好和质量稳定等一系列优点，冲压设备被广泛使用。
但由于传统的冲床控制采用接触器、继电器控制，手工送料的方式，所以往往存在着效率低、速度慢、精度不能保证、安全存在隐患等方面的一系列问题，虽然购置新的数控设备可以解决这一问题，但往往资金投入较大，小型企业难以承受，若能在保留原有机床的基本功能基础上，对其进行适当的改造与改进，不失为一种好的方法。
一方面可以节约资金，另一方面也不会使原来的机床闲置浪费，基于此种思想，对冲床进行了全面改造，本文对设计的详细过程进行了全面的论述。
设计主要包含了两方面内容:
即原有控制系统的改造与自动送料装置的研制。
设计思想是:
利用接近开关检测冲头的位置，采集的信息经处理后馈送到PLC控制器，PLC控制器通过程序控制放料电机、喂料步进电机带动机械传动装置与吹风阀协调工作，从而完成“放料—喂料—冲模—吹风”这一系列动作，并借助于触摸屏完成相应参数的显示与选择，运动的启动、停止等控制操作，最后把相关信息再馈送到中央控制室，借助于PC机完成系统的监控。
本论文在内容安排上首先介绍了题目的来源与意义及其相关的背景;系统方案的
确定、总体的组成、设计思想与理论依据等;系统经调试自运行以来，无论是在稳定性、可靠性方面，还是在系统的精度与效率方面都有了很大的提高，同时节约了成本，降低了操作人员的劳动强度与人身危险系数，使系统的自动化、现代化程度大大提高，具体实施有较高的参考与使用价值，在同行业中有一定的推广与应用的实际意义。
近年来,一些高新技术产品的出现,要求冲制微型元件,由之带来了冲床的小型化.传统冲床速度低、精度差、特性硬等方面的问题在设备小型化后显得十分突出,所以冲床小型化后的创新设计或改进设计变得重要．目前,德国产的一种冲剪膨胀金属网的小型冲床（SP350型）的最高速度可达1600次/min,台湾产同类冲床的速度也在500次/min以上．而我国用于同样目的的机械给料式最小型冲床的最高冲剪速度只有180次/min．针对这一问题,通过多方案的分析，遴选,采用了机电结合的自动步进供料方案,使得改造后的冲剪机的加工速度大大提高.实际应用表明,该机的加工速度的提高并没有降低机器的进料精度和加工精度．为提高工作效率和产品质量,对原有生产过程进行深入了解，根据产品需要用冲床冲制成型,成品与废料分离、码料。
整个工艺过程均为人工操作,工作效率低,劳动强度大,废品率高,工人操作安全很难保障。
鉴于此生产现状,课题组结合厂家已有设备:
冲床、涂漆机,设计、制造一套全自动生产线,该生产线不需要将卷料剪切,上卷后直接连续生产,实现储料、步进送料、冲制一体化功能。
冲压成形是一种塑性加工方法，因冲压件具有重量轻、厚度薄、刚性好和质量稳定的特点，所以冲压设备被广泛使用，其中钣金件的90%是靠冲压成形。
冲压成形作为一门古老而又年轻的制造技术，几乎渗透到国民经济的每一个部门。
冲压制件无论在汽车制造业、农业机械、动力机械、建筑机械、化工机械、精密机械、仪器仪表、医疗器械、日用五金等等，还是在航空航天、军事兵器等各个门类，都占据着相当重要的地位。
冲床是属于点位控制机床，在中间行程中不进行加工，由于一般加工产品单一，模具不经常进行更换，所以在传统的冲床控制中一般采用继电器控制，送料一般采用手工送料，但此种方式存在着效率低、速度慢、精度不能保证、安全存在隐患等方面的一系列问题。
而在我国的乡镇企业、私营企业，由于受资金管理等方面的限制，简易式冲压设备使用较多，其送料绝大多数是靠人工手动送料，且缺乏保护装置，“效率低，劳动强度大”是这些厂矿显著的特点。
我们注意到，在这些企业里的冲压设备操作人员中，大多数人员都没有经过正规培训，并且在使用中违反操作规程或长期疲劳操作时有发生，因此给操作者带来了较大的安全隐患，具不完全统计，全国每年因冲压造成的事故高达100多起，严重的造成手断臂折成为终生残疾。
随着市场经济的发展，国内、国际市场竞争日益激烈，产品更新更为迅速，尤其是随着工业的发展，冲压制件类型、工艺、外形越来越复杂，精度要求越来越高，传统的冲床己经不能满足要求，数控冲床应运而生。
数控冲床自动化的最终目标就是:
尽可能的减少人的直接参与，最大限度地降低操作人员的劳动强度。
冲压生产自动化具体来说主要是指包括材料供给、制品及废料的排出、模具更换、冲床的调整与运转、冲压过程异常状况的监视等作业过程的自动化，将这些技术应用到冲压生产流水线的相应环节从而实现冲压生产过程的自动化。
近年来，由于计算机控制技术、检测技术及电力电子技术的发展进步，交流伺服技术越来越多的应用到冲压生产领域，使得冲压生产自动化、智能化、柔性化的水平大大提高，但作为数控冲床的辅助装置—自动送料机构，一直没有得到应有的重视。
自动送料机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的要求，它的自动化程度高低，直接影响着冲压生产效率、生产节拍以及冲压生产整体自动化水平，只有其自动化程度与冲压设备相匹配甚至高于冲压设备，才能够实现冲压生产的完全自动化。
因此，在发展冲压成形设备的同时，给予送料机构足够的重视和研究是有着其实际的意义。
1.2课题研究的相关背景
冲压生产的自动化，手工送料逐步由自动送料机构所取代，从而进一步满足冲压生产自动化，大幅度提高生产节拍、生产质量，己是“大势所趋”，但结合我国的实际国情及生产设备的现状，传统的冲压设备在相当长的一段时间里可能还要进行“服役”，要完全实现自动化可能还要有很长的一段路要走。
获得自动化数控生产的能力可以通过购买新设备及对旧设备进行更新改造，但购买新数控设备所需资金投入较大，淘汰替换下来的机床不但占用空间，同时也是资源上的一种浪费，尤其是在在资金短缺的情况下，通过对旧设备的改造获得数控加工能力不失为一种有效的途径，一方面可以节约资金，另一方面可以将废旧闲置的设备进行充分的利用.为了保证工人的人身安全，提高生产效率和产品精度，我们对冲压机自动化送料系统进行了研制，在不对原设备进行“根本性”改造的前提下，使铝箔板件的冲压实现了自动化。
我们本着节约资金、降低成本，提高生产效率，保障人身安全的科学人性化管理的方针，对冲床进行了数控改造和送料机构的研制。
1.3数控机床与自动送料技术的国内外发展概况及发展趋势
1.3.1数控机床的产生
机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。
在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的70%～80%。
为满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频繁变化的“柔性”自动化机床，在此背景下，数控机床应运而生。
1.3.2计算机数控的发展
世界上的第一台数控机床是由美国在五十年代开发研制的，使用电子管元件，体积庞大。
到六十年代，由于半导体晶体管的开发与应用，数控系统的可靠性提高、价格下降。
七十年代随着中小规模集成电路的应用并伴随着纸带传输系统的出现，大大提高了机床的加工效率及使用的灵活性，也使数控机床日趋完善。
八十年代以来，微处理器的发展与应用，数控技术也迎来了计算机数字控制（CNC）时代，随着微处理器的运算速度的不断提高，数控机床的功能和应用范围也在不断的发展与扩大。
数控装置先后经历了电子管（1925年）、晶体管（1959年）、小规模集成电路（1956年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。
前三代属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为CNC数控装置。
第四代数控系统出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机，这种数控系统称为计算机数控系统（CNC）。
自1974年开始，以微处理机为核心的数控装置得到迅速发展。
我国从1958年开始研制数控机床，自20世纪60年代中期进入实用阶段，80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。
经过“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻关，我国己掌握了现代数控技术的核心内容。
目前我国已有数控系统（含主轴与进给驱动单元）生产企业五十多家，数控机床生产企业百余家。
1.3.3冲压设备及自动送料装置的发展方向
随着电子、计算机、自动控制以及精密机械与测试技术的不断提高和发展，数控冲压设备与自动送料装置也在随着数控机床的发展而在迅速发展和演变。
概括起来主要表现在以下一些方面:
1．高精度化
当代工业产品对精度的要求越来越高，很多精密零件的误差范围要求在微米以内，与之相适应，在计算机技术发展的推动下，各种加工精度补偿技术得到了应用和发展，机床结构材料也开始普遍采用各种性能稳定、温度影响小的新型材料，如:
花岗岩、精密陶瓷等，使得数控机床的各项精度越来越高。
作为数控自动化的辅助装置，自动送料装置的精度会直接影响产品的精度，追求自动送料装置的高精度化是永恒的主题，这主要表现在定位和进给量的大小上。
2．高速度化
提高生产效率主要表现在提高机床主轴的转速和送料的进给量方面。
如日本DIMAC公司生产的NC伺服辊轮送料机，能实现连续高速送料，最高速度可以达到100m/min，使机床的加工效率大幅提高。
3．高柔性化
市场竞争的日益激烈，利用最少的设备来生产尽可能多的冲压制件，间接的降低生产成本成为各个厂家竟相追求的目标之一;同时当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求，如在一台冲压设备中完成不同的模具加工等。
这种将各种加工功能在一台机床上进行集成，均是为了在一台机床上实现一次装卡、送料就能完成对零件的不同加工要求，这充分展示了机床及生产线加工的柔性，并有利于提高加工精度。
4．高自动化
自动化是指在全部加工过程中，减少“人”的介入，而能自动地完成规定的任务。
特别是现代数控机床与自动送料装置的结合，使其真正的高度自动化成为可能。
5．高可靠性
大规模集成电路及计算机的应用，使得数控机床越来越可靠。
但是，由于使用现场环境的复杂性，往往会受到很多的干扰，所以追求高可靠性是研究的一项重要课题。
随着我国冲压行业的发展，冲压设备性能与世界的接轨，冲压生产自动化程度的进一步提高，对冲压生产的送料技术也提出越来越高的要求，以满足与冲压设备的配套。
6．交流伺服系统自动送料机构
近20多年来，由于电力电子技术的发展，计算机控制技术以及现代控制理论的应用，交流伺服驱动技术得到了飞速发展.交流伺服自动送料的动力来自交流伺服电动机，具有柔性化、智能化的特点，工作性能和工艺适应性很强。
在我国，较先进的自动送料装置是深圳力豪公司的NCHF系列三合一伺服系统送料机，它适合于各种五金、电子、电器、玩具伺服送料及汽车零件连续冲压加工，送料矫正;送料时可任意设定送料长度，操作容易，安全及稳定性高。
但是，在该送料机中所用的伺服马达、电子元件和控制器等都是从日本引进的，国内在这方面的技术还比较落后，因此，我们必须给予这方面技术充分的重视，加快研究开发，以较快的速度追赶发达国家的研究步伐。
1.4课题研究的任务及达到的预期目标
本次改造任务包括机床的数控改造和自动送料装置的设计。
改造的基本思想是保留原来的冲床机械装置，对其控制电路进行重新设计，使系统可在自动或手动方式下工作;设计出自动送料装置，进料速度要能自动调节且和冲床工作情况相协调;整个装置应具有以下特点:
（1）整个生产过程可在高度自动化状态下完成，自动化程度达到或高于国内同行先进水平。
（2）人机交互应直观方便、界面友好、操作简单，中文数据处理显示。
（3）监视画面可以动态监视整个生产过程，反映相关参数，比如进料长度、电机转速、启动时间、停止时间、成品数量、所选档位等。
（4）进料长度可以在一定的范围内调节，以适应不同规格的产品。
（5）有一定的故障自诊断画面报警功能。
（6）要有相关的安全保护措施，比如双启动、急停、过流、过压保护等。
（7）可对系统进行手动调节、点动控制、参数设定等。
（8）系统要有较高的精度，进料精度保证在0.5毫米以内。
（9）自控系统无论在硬件选择还是软件编程上，应保证系统的可靠性，使控制系统长时间工作在无故障或少故障状态。
（10）在保证系统基本性能指标的前提下，尽量节约成本，系统的性能价格比高，
（11）系统件应具备可扩展性和开放性，保证系统投资的长期效应以及系统功能不断扩展的需要，并提供开放式数据通讯，以适应整个车间或单位联网进行集散控制的需要。
第2章系统的总体设计
2.1自动送料装置的平面图
如图2.1所示
图2.1
自动送料装置的工作原理：
当生产条件满足,用PLC人机工作屏控制步进电机运转,使步进电机输出步进角通过丝杠的转动牵引送料，当达到设定长度时,步进电机停止,送料到位静止后,冲床冲压,将芯片成型。
通过计数器计数，从而使其往复自动送料。
2.2供料方案分析
不同吨位的冲床因其冲压力、运动惯性及运动部件惯量/冲量作用,其冲频是相对有限的。
微型或小型器件的冲制,因冲压力小,运动件惯性小,作业时设备的稳定性容易保持,因而具备提速的潜能,但提速的幅度与步进的最大步距有关。
目前,小型冲床极少采用液压驱动式,这是因为液压冲床要求的外围设备多且需频繁进行维护。
针对主作业机构为曲柄滑块机构的冲床而设计的自动步进送料系统根本目的是为了提高冲床的加工速度。
根据冲床配置送料机构的动力源不同可以将步进送料方式分为机械式、机电式、液压式和气动式四类。
由于后两种方式对液压、气动系统有独立的外围配套要求,小型冲床普遍用机械式或机电式送料。
常规机械方式有许多不同的设计方案:
不完全齿轮机构、棘轮机构多杆组合机构等。
这些送料方式的共性问题是送料运动稳定性差、刚性冲击大、响应速度慢。
高速冲压加工时,或者难以保证成型产品的精度;或者引起运动失步而根本无法完成冲制。
因此不宜用作高速冲床的送料方案。
文献[1]全面论述了一种精密间隙机构———空间凸轮机构,可以被选择用来实现步进送料。
间歇凸轮机构有两种形式———端面凸轮或径向凸轮,这是一类具有高分度精度的空间传动装置具有一系列的特点:
能够通过机械的强制锁合使主辅运动保持同步联动;具有高承载能力和低维修率可满足用户所要求的特殊运动特征,对其运动规律进行合理设计可得到好的高速动态性能。
这类机构已广泛应用于数控机床的自动换刀装置（ATC）、电机矽钢片冲制以及其他步进给料装置中。
但尽管如此,如果结合具体的冲床设计,会发现这类机构也存在问题:
①要保证加工精度,必先保证进料精度,进料精度主要取决于凸轮机构的运动和定位精度。
故凸轮机构本身的加工制造需要专用的机床,尤其是服役于高速下的凸轮需进行磨削加工。
②空间凸轮机构送料的冲床,加工柔性差,难以实现供料步距的无级化目标。
③一般而言,小型冲床为上驱动式,主
运动与供料运动的空间距离较大,同时分支传动的减速比大,故需采用较长的传动连接,这样势必产生大的累积误差,导致精度下降。
基于此,本设计提出并应用了基于单片机控制的机电结合的冲床快速步进供料系统的解决方案。
步进角检验
PC控制
光电开关
送料工作台
步进电机
驱动器
图2.2
2.3控制系统设计
2.3.1控制系统的硬件设计
步进电机送料控制系统主要包括单片机主控电路、步进电机及其驱动电路、显示电路、检测电路及接口电路等部分.控制系统硬件电路如图2.3所示.
图2.3单片机控制系统电路组成
单片机选用89C52,由于其内部含Flash存储器,使系统在开发及调试过程中十分容易进行程序的修改.同时,在系统工作过程中,能有效地保存一些数据信息.单片机的看门狗电路采用集成的看门狗电路X25045,接线十分简单.系统显示部分由6位LED数码管组成,其中最高两位作为功能、状态指示符,低4位用来显示数据.显示驱动器选用的是带有串行接口的8位LED控制驱动器PS7219,它可同时、直接驱动8位LED,与单片机的接口采用简单的3线SPI方式,因此硬件线路十分简单.键盘输入设置了16个按键,识别方法采用简单实用的线反转法,16个按键按4@4的矩阵接到P2口的8位I/O口上,采用查询方式工作.三相步进电机的驱动器选用了厂家配套的驱动系统,它与主机的接口是单片机的P1口,并通过光电隔离电路隔离,以避免驱动器的强电部分对主机的干扰.为保证送料精度,步进电机启停阶段采用运动平稳性最好的三相六拍工作方式,以减小其脉冲当量.冲头位置检测传感器采用电感式接近开关,如图2所示接到单片机的INT1口.为保证送料的准确、及时,应通过调试将其安装到合适的位置.冲头位置检测以中断方式工作.
2.3.2控制系统的软件设计
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：
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该论文已经通过答辩
在步进电机及其控制设计时,要将设定的行程和速度转换成电机的步数和定时常数,以选择步进电机.系统的软件设计采用模块化,使得结构简单清晰,便于调试和修改.软件模块主要包括:
初始化模块、按键处理模块、输入处理模块、显示模块等,程序流程如图2.4所示.步进电机的控制通过中断子程序完成,当冲头位置信号到即进入中断子程序.
图2.4程序流程图
初始化程序的主要任务是设置状态标志和用户数据存储区、置初始值、完成定时器初始化、PS7219初始化及中断初始化.按键识别程序采用查询方式,可分为两步:
第一步,将行线编程为输入线,列线编程为输出线,并使输出为全零电平,则行线中电平由高到低所在行为按键所在行;第二步,将行线编程为输出线,列线编程为输入线,并使输出为全零电平,则列线中电平由高到低所在行为按键所在列;综合一、二步的结果,即可确定按键所在的行和列.为保证系统稳定可靠,程序中采用了数据冗余、模块令牌、程序陷阱等措施,以提高系统运行时的可靠性和抗干扰能力.送料系统采用作为控制核心,实现开卷、松卷、储料、步进送料、纠偏等功能,并与原有设备协调工作.
第3章冲床自动送料机构组件丝杠的设计
图3.1
选取的滚珠丝杠转动系统为：
磨制丝杠（右旋）
轴承到螺母间距离（临界长度）ln=1200mm,固定端轴承到螺母间距离Lk=1200mm
设计后丝杠总长=1600mm,最大行程=1200mm,工作台最高移动速度Vman=14（m/min）
寿命定为Lh=24000工作小时。
μ=0.1（摩擦系数）,电机最高转速nmax=1800（r/min）
定位精度：
最大行程内行程误差=0.035mm,300mm行程内行程误差=0.02mm,
失位量=0.045mm,支承方式为（固定—支承）,W=1241kg+800kg（工作台重量+工件重量）
g=9.8m/sec2（重力加速度）,I=1（电机至丝杠的传动比）
Fw=μ×W×g=0.1×2041×9.8≈2000N（摩擦阻力）
表3.1
运转方式
轴向载荷
Fa=F+Fw（N）
进给速度
（mm/min）
工作时间
比例
无切削
F1=2000
V1=14000
q1=15
轻切削
F2=4000
V2=1000
q2=25
普通切削
F3=7000
V3=600
q3=50
重切削
F4=11000
V4=120
q4=10
Fa---轴向载荷（N）F---切削阻力（N）Fw---摩擦阻力（N）
从已知条件得丝杠编号：
此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求，所以螺母选形为：
FDG（法兰式双螺磨制丝杠），从定位精度得出精度精度不得小于P5级丝杠FDG_-_X_R-_-P5-1600X____
3.1计算选定编号
3.1.1导程
式（3-1）
在此为了安全性考虑：
Pho=10（mm）
表3.2
运转方式
进给速度（mm/min）
进给转速（r/min）
无切削
V1=14000
n1=1400
轻切削
V2=1000
n2=100
普通切削
V3=600
n2=60
重切削
V4=120
n2=12
3.1.2平均转速
式（3-2）
3.1.3平均载荷
式（3-3）
3.1.4时间寿命与回转寿命
式（3-4）
3.1.5额定动载荷
以普通运动时确定fw取1.4
式（3-5）
得：
额定动载荷Ca≥39673N
以Ca值从FDG系列表及（丝杠直径和导程、丝杠长度表）中查出适合的类型为：
公称直径：
d0=40mm丝杠底径：
d0=33.9mm导程：
Pho=10mm循环圈数：
4.5
额定动载荷为：
48244N。
丝杠编号：
FDG40×10R-P5-4.5-1600×____
3.1.6预紧载荷
Fao=Fmax/3=11000/3≈3666N式（3-6）
3.1.7丝杠螺纹长度
Lu=L1-2Le得出L1=Lu+2Le=1200+2×40=1280mm式（3-7）
丝杠螺纹长度不得小于1280mm加上螺母总长一半84mm（从系列表中查出螺母总168mm）。
得丝杠螺纹长度≥1364m。
在此取丝杠螺纹长度L1=1400mm,则轴承之间的距离Ls=1400mm丝杠编号：
FDG-10R-P5-4.5-1600×1400
3.2丝杠
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