鋸條齒部刃磨機設計【6張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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This paper describes the design of saw blade grinder. Firstly, based on sawing tools especially blade market and processing status of a full range of research, based on proposed the saw blade grinding machine scheme; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, on the electrical control system design. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn the saw blade grinding machine assembly drawing, part drawings and electrical schematics. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Keywords: Blade,Grinding, Grinding wheel, Gear shifting 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2鋸條刃磨機研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.1鋸齒磨削的現(xiàn)狀 1 1.2.2鋸齒磨削機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 1 1.3現(xiàn)有鋸條刃磨機簡介及存在問題 2 1.3.1現(xiàn)有鋸條刃磨機簡介 2 1.3.2現(xiàn)有鋸條刃磨機存在問題 2 1.4主要內容及基本要求 3 第2章 總體方案設計 4 2.1鋸條概述 4 2.2砂輪類型選取 6 2.3砂輪驅動形式的選取 7 2.4進給傳動裝置的選取 7 2.4.1齒輪齒條機構 7 2.4.2絲杠螺母機構 8 2.5導軌的選取 8 2.6總體的設計 9 第3章 結構設計計算 11 3.1主要技術參數(shù)的確定 11 3.2電機的選取 11 3.3進給絲杠的計算 11 3.3.1擬定設計參數(shù) 11 3.3.2確定工作負載 12 3.3.3確定螺紋中徑 12 3.3.4螺母高度的計算 12 3.3.5基本牙型高度 12 3.3.6手輪驅動力計算 12 3.4 絲杠的校核 13 3.4.1臨界壓縮負荷 14 3.4.2臨界轉速 14 3.4.3固有頻率 15 3.4.4扭轉剛度 16 3.5砂輪的設計 17 3.5.1砂輪的選擇 17 3.5.2砂輪的平衡方法 18 3.5.3砂輪的修整 19 3.6底座機架的設計 20 3.6.1機架結構類型 20 3.6.2機架結構的選擇 20 3.6.3機架的確定 21 第4章 電氣控制系統(tǒng)設計 22 4.1刃磨工藝流程分析 22 4.2硬件設計 23 4.2.1硬件部分總體分析、設計 23 4.2.2 PLC選型 23 4.2.3其它硬件的選型、設計 26 4.3軟件設計 27 4.3.1 PLC軟件設計 27 4.3.2 PLC程序調試 31 總 結 33 參考文獻 34 致 謝 35 IV 第1章 緒 論 1.1研究背景及意義 為了切斷工件，在鋸齒的尖部，需要加工出鋒利的齒尖刃口，但是經過一段時間的磨損，鋸齒刃口變鈍，鋸切后的工件端面質量變差，甚至不能滿足供貨要求，這時就要換下鋸條進行修磨。一般來說，工廠會采用不同種類的鋸條刃磨機進行磨削，但是，不論哪種機器，其砂輪的磨削進給方向都是沿著鋸條半徑方向刃磨，砂輪的圓弧形狀都要留在鋸齒的根部和尖部，使橫刃變成一條弧線，而且刃口較虛，在齒尖淬火時容易燒損，降低鋸條的使用壽命[1,2]。我公司多年來一直為鋼鐵行業(yè)提供金屬冷熱切圓鋸條，對它的使用狀況和修復后存在的問題進行過深入分析，仿照新鋸條銑齒加工的原理，特別設計、制造了軸向磨削式鋸條刃磨機，修磨后的鋸齒形狀與新鋸條非常相近，經過生產實踐證明可以大大提高修復鋸條的使用效果，能夠給用戶帶來良好的經濟效益。 1.2鋸條刃磨機研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1鋸齒磨削的現(xiàn)狀 隨著我國木材加木工業(yè)的不斷發(fā)展，各木材制造生產廠商不斷涌現(xiàn)，對硬質合金鋸條的需求量不斷增加，因而硬質合金鋸條的市場潛力很大，許多鋸條專業(yè)生產廠商都在不斷更新設備，以提高生產效率和增加經濟效益。然而，在實際鋸材生產中，由于磨削技術水平低和使用不當，往往使鋸條達不到工藝質量要求，使用壽命不到設計的一半。這不僅僅影響產品質量，而且增加了費用支出。通常鋸條的磨削工作是由維修工完成的，由于這項工作技術性很強，又屬于輔助工序，而且操作時間不固定，因此磨削工作往往是鋸材加工生產管理中比較薄弱的環(huán)節(jié)。 1.2.2鋸齒磨削機的現(xiàn)狀與發(fā)展前景 鑒于鋸條磨削比較困難，需要專業(yè)人員進行，磨削不好不但起不到提高工作效率，提高加工質量的效果，還將直接影響到鋸條使用壽命。同時，為了降低加工成本，提高效率，更考慮到數(shù)控技術發(fā)展的大趨勢，鋸齒磨削機產生了。采用PLC作為控制核心，能夠充分利用其豐富軟件功能來達到控制目的，從而克服原控制部分因由傳統(tǒng)的繼電器和接觸器組成，觸點多、線路復雜而帶來的種種弊端。 鋸齒磨削機的產生極大的提高了效率，但是，在我國，由于人力資源豐富，最主要是磨齒機價格比較高，初期投資比較大，鋸齒的磨削要幾臺機器來完成，集成度不夠高，這些因素直接影響到了磨齒機的推廣與應用。所以目前為止磨齒機的應用還是比較局限的。另外一方面，目前所用的鋸齒磨削機主要來自進口，我國在該方向上的研究比較少，技術不夠成熟，雖然也有廠家生產出了技術含量很高的機器，但是受長期進口的影響，采用國產磨削機的還是比較少。[6] 從現(xiàn)在存在的問題來看，我國鋸齒磨削機的研究需要解決以下幾個方面的問題，以便達到廣泛應用，提高效率，精度，取代進口的目的。第一，精度上要加強，達不到精度要求的機器沒有實用性。第二，降低成本，當然這不能通過降低質量來實現(xiàn)，國產機器本來在質量上就不比別人強，如果質量上有問題，那就徹底沒有了市場。第三，提高集成度，目前多采用多臺機器磨削鋸齒，我們可以想辦法用一臺機器來代替，從而降低成本，提高簡潔性和實用性。[7] 1.3現(xiàn)有鋸條刃磨機簡介及存在問題 1.3.1現(xiàn)有鋸條刃磨機簡介 目前，國內外鋸條刃磨機生產廠家眾多：國外廠家主要有德國瓦格納、Vollmer以及法國、韓國、日本等廠家；國內廠家多而雜，部分設備為自行改造加工而成，通過文獻資料可知，國內最主要的有北京科技大學臧勇等人設計制造的鋸條刃磨機，其糅合了日本、德國等國外設備的優(yōu)點研制而成，功能強大，應用范圍廣[3]。其他較為正規(guī)的廠家有武漢機床廠，從上世紀50年代開始仿制了國外的兩款機型，分別是M6620和M6615，至今一直在生產，并且沒有明顯的改進。現(xiàn)階段，國內外眾多鋸條刃磨機除了撥齒機構有些區(qū)別以外，磨削原理大同小異，都是砂輪沿著鋸條的半徑方向從外向內磨削，向外退刀。這些設備廣泛應用于鋸條生產行業(yè)及軋鋼企業(yè)生產廠現(xiàn)場，是金屬冷熱切圓鋸條重磨加工過程中的重要裝備。 1.3.2現(xiàn)有鋸條刃磨機存在問題 在刃磨工藝方面，上邊介紹過的眾多鋸條刃磨機中，砂輪的進給方式多為沿鋸條半徑方向的徑向進給，砂輪在圖2中所示位置1、2間往復運動，導致修磨后的鋸齒刃部存在軸向圓弧，在使用過程中，齒頂部軸向圓弧的兩個端點在齒尖淬火時易燒損，且在切削過程中極易磨損或崩刃，從而改變鋸齒實際切削部位，影響鋸條的鋸切效果。目前采用徑向進給方式修磨出的鋸條，在實際使用中的切割壽命遠不如新片，僅為新片的50—70%，且徑向進給式鋸條刃磨機只能修復部分齒形，應用范圍受限。 在設備結構方面，現(xiàn)有刃磨機雖外形構造有多不同，但砂輪進給導軌均采用普通滑動式，磨損較快，設備精度低，且砂輪旋轉方向面向操作者，危險性較大。 1.4主要內容及基本要求 ①對鋸類工具特別是鋸條市場并加工現(xiàn)狀進行全方位調研，寫出此類工具及加工設備、加工方法的綜述村料； ②設計一臺鋸條齒部自動刃磨機，鋸條參數(shù)如下 鋸切普通碳鋼帶鋸條，帶鋸條的齒尖是HSS-M42的材料，其最大參數(shù)為80x1.6（寬*厚）2/3；（前面的參數(shù)你再落實一下） ③完成此設備的結構設計及相關計算，完成控制系統(tǒng)的選型或設計，繪制其裝配圖與部分零件圖，圖紙量符合第2項要求； ④撰寫電子、紙質設計計算說明書； ⑤綜合運用所學專業(yè)知識、參考相關資料，按時獨立保質保量完成畢業(yè)設計課題。 第2章 總體方案設計 2.1鋸條概述 （1）帶鋸條切削的特點 從帶鋸條切斷的比較來看，作為優(yōu)點，它具有對鋼材的通用性更強的特點?，F(xiàn)在明顯地看出使用帶鋸條幾乎可切斷所有類型的鋼材。 從材料利用率方面比較其優(yōu)越性的話，如下所示，材料利用率與鋸縫的大小密切相關，對切斷成本有著很大的影響。在節(jié)省資源的今天，使用帶鋸床和帶鋸條有著明顯的優(yōu)勢。原來在切斷方法依賴于弓鋸床、圓盤鋸的歐洲，特別是在德國，能夠看到帶鋸床在顯著普及，這充分證明了帶鋸床的優(yōu)越性。 利用率實例比較 材料： 45號鋼 尺寸： ￠100mm 參數(shù)： 按61.23KG／M計算 切斷數(shù)10000個 切縫尺寸 每10000個切縫的重量 帶 鋸 1.6mm 979.68KG 弓 鋸 2.5mm 1530.75KG 圓盤鋸 3.0mm 1836.90KG 由此可見，光從切縫所節(jié)約的材料費用就可以說明帶鋸條鋸切的絕對優(yōu)勢。 以目前市場迅速擴張的為例（273407N）： 鋸條厚度（0.9mm）+分齒量（0.34mm）×2=1.58mm（鋸口寬度） （2）帶鋸條的選定方法 為了進行高效率切斷，選擇與被切削材料材質相適應的鋸條品種及依據材料形狀大小，選擇適宜的齒形是至關重要的 ①帶鋸條的構成 齒寬：又稱為等高。從齒的尖端到背部的長度稱為齒寬。寬度越大帶鋸條強度越高，越能進行高精度切削。 齒厚：帶鋸條的板厚。厚度越大帶鋸條的鋼性越強，從而能進行重力切削。但隨著厚度的增加，回轉曲率也相應增加，帶鋸條易產生疲勞。 齒型：又稱為齒節(jié)。是指在1英寸（25.4mm）范圍內所容納的齒數(shù)。齒形的選擇對切削作業(yè)有著直接的影響。鋸齒與齒溝的組合變化可防止切削中鐵屑的阻塞。 齒距：相鄰兩齒頂之間的距離。 齒槽：又稱為齒溝。是齒尖之間的空間。是為把切削時所產生的切屑完全排除到被切削材料之外而不可缺少的空間。 齒深：從齒頂?shù)烬X溝最低部位的距離。 前面：切屑在上面流過的刀齒表面。 后面：工件上加工出來的表面在其上通過的刀具表面。 切削刃：用以進行切削的前面邊緣。它由前面和后面的交線構成。 齒底圓弧半徑：連接刀齒前面和前一齒后面的圓弧半徑。 基面：通過切削刃上選定點并垂直于背邊的平面。 前角：假定未分齒的前面和基面間的夾角。 楔角：未分齒前面和后面之間的夾角。 分齒量：為形成切削間隙而使鋸齒向側面的凸出量。 總分齒量：考慮到每一側的分齒量，在兩個相對刀齒之間的鋸條總厚度，這一厚度決定鋸條切削時的總寬度。 ②齒型的種類 等齒：以鋸條原始齒節(jié)1英寸為基準規(guī)定齒數(shù)，齒尖之間的長度都是相同尺寸。 變齒：這是為大幅度地減輕切斷的振動、噪音而開發(fā)的鋸條。使齒尖的長度和齒高變化，以獨特的錯齒型（耙形定向+直線定向）構成。因抑制了切削中的振動，故沒有韌性翻卷，可高速切削。與常規(guī)齒節(jié)相比，適應材料的直徑范圍增大，因此，通用性更強。 ③材料的特性與鋸條的切斷范圍 雖然被切削材料的形狀、材質決定帶鋸條的選擇和切削條件，但由于切削材料硬度差別的影響，帶鋸條往往難以充分地發(fā)揮其作用。盡管材料內部和外部硬度值相同，但由于生產產家的不同，材料組織、內部應力、機械性質等有差異，對帶鋸條的切削會產生直接或間接的影響 切削與材料的硬度有密切的聯(lián)系。我們經常說：這種材料有點硬，但這跟鋸條還可以切。那么怎么抓住“軟”和“硬”這兩個概念進行順利地切削？ 我們通常用“硬度”來表示材料的這一概念。所謂硬度就是金屬材料抵抗壓入物壓陷能力的大小，也可以說材料對局部朔變形的抗力。常用的硬度制標有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度(HRC)和維氏硬度（HV） 總的來說帶鋸條對硬度高的材料會產生滑動摩擦和摩擦熱，造成切削性能相對較差。這就是硬的材料比較難切的道理。我們應該根據被切削材料的硬度來選擇切削條件，如果被切削材料硬度低，就要提高鋸條的線速度，切削效率也可以提高。同時，考慮其排屑通暢的因素，齒距也可相應放大。但是切削不銹鋼等硬度低、粘性較大的材料時，鋸條線速度要放慢，并且切削效率也要相應降低?？紤]其排屑通暢的因素，齒距也相應放大。 （3）鋸條參數(shù)如下： ①各種齒形分齒量的參數(shù) 齒型 分齒量（mm） 8Z、5／8Z 0.32±0.05 6Z、4Z、4／6Z、3／4Z、 0.34±0.05 2／3Z、 0.37±0.05 1／2Z 0.48±0.05 1／1Z 0.52±0.05 ②各種規(guī)格鋸條的厚度表 規(guī) 格 M19 M27 M34 M41 M54 M67 厚 度 0.9mm 0.9mm 1.06mm 1.25mm 1. 6mm 1.6mm ③齒型和齒距的對照表 齒距單位：mm 齒型 3Z 4Z 6Z 8Z 5/8Z 4/6Z 齒距 8.5 6.4 4.2 3.2 4.1 5.1 齒型 3/4Z 2/3Z 1/1Z 齒距 7.3 10.2 19.5 2.2砂輪類型選取 目前常用的砂輪有兩種；一種是氧化鋁砂輪，氧化鋁砂輪多呈白色其砂粒韌性好，比較鋒利，但硬度稍低（即砂輪磨粒容易從砂輪上脫落），適用于刃磨高速鋼鋸條和硬質合金鋸條的齒柄部分，氧化鋁砂輪又稱白剛玉砂輪；另一種是碳化硅砂輪，其砂粒硬度高，切削性能好，但較脆，適用于刃磨硬質合金材料的鋸條，該砂輪外表顏色一般是綠色。 砂輪的粗細以粒度來表示；GB/T2477-1983中規(guī)定了砂輪分為41個粒度號，如“60#、80#、120#、”等。粒度號越大砂輪越細，反之粒度號越小則砂輪越粗。粗磨鋸條的齒柄時一般應選用60#以下砂輪，精磨鋸條的硬質合金時應選80#或120#砂輪（即粗磨鋸條時使用粒度號小的砂輪；精磨鋸條時使用粒度號大的砂輪）。 2.3砂輪驅動形式的選取 目前機械設備的主要驅動形式有三大類：液壓驅動、氣動驅動和電機驅動。 液壓驅動具有輸出功率大、控制精度高、可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制等優(yōu)點。但是液壓傳動有較多的能量損失(泄漏損失、壓力損失等)，傳動效率相對低。液壓傳動需要配套設備如：液壓站、各種液壓控制閥等，它適用于重載、低速驅動，成本較高。這種驅動方式顯然不適合。 氣動驅動功率/質量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小，成本低。但是由于氣體壓縮性大，精度低，低速時不易控制，需要專門的氣源輸送站。所以這種驅動方式和液壓驅動一樣，不適合。 電機驅動與氣動驅動和液壓驅動相比，具有能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服性好等優(yōu)點；另外結構簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境，因此本設備采用電機驅動。 2.4進給傳動裝置的選取 2.4.1齒輪齒條機構 此機構的特點是制造簡單，成本低。一般由于結構上和降速的需要，齒輪的齒數(shù)都做得很少（如在C620-1型車床上用12齒），因此嚙合系數(shù)小，加上有齒側間隙，所以傳動的平穩(wěn)性較差，特別在速度很低時更為明顯。它主要用于速度比較高些，而精度又不需要太高的普通機床進給系統(tǒng)中。齒輪齒條由于不能自鎖，在垂直移動時用它不可靠。有的機構，如龍門銑床，為了提高它的平穩(wěn)性，才用蝸桿和斜齒條傳動。不適合本次設計。 2.4.2絲杠螺母機構 絲杠螺母傳動的特點有如下幾點： （1）本身降速比大，因此在中速和低速移動部件上，無需采用降速很大的減速機構。但是由于本身降速比大，這就不適合于高速運動。如果移動速度較高時，絲杠轉速高，磨損就快。因此這種機構使用于中、低速的機床上。 （2）能傳遞較大的軸向力。因本身的轉速比大，因而傳遞的力大，而回轉絲杠所需的里比較小，適用于重型機床和加緊機構。 （3）移動準確，運動平穩(wěn)。因絲杠和螺母接觸面積大，且連續(xù)接觸，故傳遞比較平穩(wěn)。提高絲杠的精度比提高齒條的精度容易。因此，易作為精密機床的執(zhí)行機構和調整機構。 （4）傳遞效率低，能自鎖。傳遞的效率一般為50%左右，因此不宜用在主傳動中。絲杠螺母機構用于垂直移動部件能有自鎖作用，防止部件下滑。 因此本次刃磨機選用絲杠螺母傳動形式。 2.5導軌的選取 機床的工作部件是沿著導軌的表面運動的。導軌是保證工作臺、刀架、溜板等運動方向的導向面，為了使工作部件沿著一定的方向運動和承受一定的力矩，一般機床都是二根導軌組合而成，某些大型機床為了保證工作部件的剛度，也有用三根導軌的（如大型的龍門刨床等）。 機床上常用的導軌通常都是由二根導軌組成，而且常常配置著鑲條或壓板，以調整導軌面的間隙或防止顛覆。 圖2-1導向原理 對于直線運動的導軌，為了使運動部件只沿著一個方向運動，導軌必須限制運動部件繞X、Y、Z三根軸線的轉動和兩個方向的移動。并且導軌必須只具有單方向的導向性。 由平面所組成的導軌。每根導軌都是由二個窄長的平面組成，他限制了X向和Z向的移動及Z軸和X軸的轉動。但由于導軌面很窄，所以還不能限制繞Y軸的轉動。為此，我們通常增加了一個平面或加寬一個導軌面來限制其繞Y軸轉動。 由圓柱所組成的導軌。單根圓柱只能限制X向和Z向的移動及繞X軸和Z軸的轉動。加鍵以后可以限制繞Y軸的轉動。一般情況都采用雙圓柱式，這樣即滿足了導向要，同時受力情況也好。 2.6總體的設計 該機器是屬于小型的工具機械，設計要求機構簡單、結構緊湊、外形小、體積小、質量輕、方便搬運、操作簡單，使得加工效果好、效率高。其結構總圖如下圖2-2所示： 圖2-2 總體布局圖 砂輪直接連接在電機主軸上，電機座通過三角形導軌、絲杠螺母和手輪實現(xiàn)前后方向移動，同時還可以實現(xiàn)俯仰運動。鋸條移動過程中推動撥齒機構上下跳動帶動砂輪俯仰進給，本裝置的優(yōu)點是可以適應不同形式的鋸條。 第3章 結構設計計算 3.1主要技術參數(shù)的確定 鋸條參數(shù)為：鋸切普通碳鋼帶鋸條，帶鋸條的齒尖是HSS-M42的材料，其最大參數(shù)為80x1.6（寬*厚）2/3。 3.2電機的選取 合理地確定磨床的電動機功率—砂輪架電動機功率，若功率選的過大，則消耗電力多，造成浪費；選用的過小，則又使機床的使用效能受到限制。 在確定電動機功率時，選用公式：； 式中：--砂輪架電動機功率, Kw --磨削功率, Kw --損耗功率, Kw 根據對設計提出的要求，本設計磨削機上采用GBDABW125x63x25砂輪，砂輪線速度V=35 m/s；磨削深度t從0.02 mm—0.1mm。=0.6~0.7。 代入計算公式計算： Kw 根據經驗公式，估計空載時所消耗的功率0.01~0.02kw; 則 =0.23~0.25 Kw 根據上述的估算，并考慮機床的效率，應選用0.25 Kw的電動機比較合適。 選取電動機型號：YS-71L 1-2。上海革新電機廠。 防護等級IP44，工作方式，冷卻方法IOC41,絕緣等級E級。 3.3進給絲杠的計算 3.3.1擬定設計參數(shù) 估算砂輪結構總重量：50KG 手輪直徑：90mm 有效傳動距離：270mm 3.3.2確定工作負載 工作負載是指機器工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.05。 3.3.3確定螺紋中徑 式中：F——為軸向載荷，N [p]——為許用比壓，， 因為是整體式螺母，取 故初選 3.3.4螺母高度的計算 3.3.5基本牙型高度 3.3.6手輪驅動力計算 圖3-1 絲杠受力圖 絲杠傳遞力的計算如圖所示，當用P力去轉動半徑為R的手輪時，所產生的扭距M使絲杠中徑r出產生切向力Q ,計算公式計算如下： 這個Q力可使螺母獲得軸向牽引力W： 考慮摩擦力，則 將Q帶入，得 式中： W—軸向牽引力，N P—轉動手輪的力,N r—絲杠中徑,mm —螺旋升角，“+”號表示右旋螺紋逆時針旋轉，“-”表示右旋螺紋順時針旋轉。 --摩擦角，以知梯形螺紋摩擦角。 查表得，絲杠螺母的摩擦系數(shù)f=0.15，梯形螺紋的齒形半角=15， 所以，。 又因為，絲杠中徑r=10mm,螺距S=4mm，手輪半徑R=20mm，則螺母的軸向牽引力為： 當時，絲杠螺母機構具有自鎖性，它能使導軌不因為振動而造成偏移。 3.4 絲杠的校核 絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓振動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度Ke由絲杠本身的拉壓剛度Ks，絲杠副內滾道的接觸剛度Kc，軸承的接觸剛度KB，螺母座的剛度KH，按不同支承組合方式的計算而定。扭轉剛度按絲杠的參數(shù)計算。 3.4.1臨界壓縮負荷 絲杠的支承方式對絲杠的剛度影響很大，采用兩端固定的支承方式并對絲杠進行預拉伸，可以最大限度地發(fā)揮絲杠的潛能。 臨界壓縮負荷按下式計算： 式中 E——材料的彈性模量E鋼=2.1×1011(N/m2)； L0——最大受壓長度(m)； K1——安全系數(shù)，取K1=1/3； Fmax——最大軸向工作負荷(N)； f1——絲杠支承方式系數(shù)；(支承方式為雙固——雙固時，f1=4，f2=4.730) I——絲杠最小截面慣性矩(m4)： 式中 d0——絲杠公稱直徑(mm)； 經過設計論證絲杠全長為 可見遠大于，臨界壓縮負荷滿足要求。 3.4.2臨界轉速 式中 A——絲杠最小橫截面： ——臨界轉速計算長度： 取 ， ——安全系數(shù)，一般取 ； ——材料的密度：； ——絲杠支承方式系數(shù)，查表得， 滿足要求。 3.4.3固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式： 兩端固定： 式中 Ke ——絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)； Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 （1）絲杠副內滾道的接觸剛度可查絲杠副型號樣本； （2）軸承的接觸剛度可查軸承型號樣本； （3）螺母座的剛度可近似估算為1000； （4）絲杠本身的拉壓剛度。 對絲杠支承組合方式為兩端固定的方式： 式中 A——絲杠最小橫截面，； E——材料的彈性模量，E=2.11011(N/m2)； l——兩支承間距(m)； a——螺母至軸向固定處的距離(m)。 已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛度，絲杠的最小拉壓剛度，螺母座剛度。 絲杠系統(tǒng)軸向拉壓振動的固有頻率： 式中 m——絲杠末端的運動部件與工件的質量和(N/μm)； Ke——絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)。 顯然，能滿足要求。 3.4.4扭轉剛度 絲杠的扭轉剛度按下式計算： 式中 ——絲杠平均直徑： L——絲杠長度 扭轉振動的固有頻率: 式中 JW——運動部件質量換算到絲杠軸上的轉動慣量(kg·m2)； JZ——絲杠上傳動件的轉動慣量(kg·m2)； JS——絲杠的轉動慣量(kg·m2)。 由文獻[7，8]得： 平移物體的轉動慣量為： 絲杠轉動慣量： 顯然，可以滿足設計要求。 3.5砂輪的設計 3.5.1砂輪的選擇 砂輪的特性由磨料、粒度、硬度、結合劑和組織5個因素決定。 1) 磨料，常用的磨料有氧化物系、碳化物系和高硬磨料系3種。船上和工廠常用的是氧化鋁砂輪和碳化硅砂輪。氧化鋁砂輪磨粒硬度低(HV2000-HV2400)、韌性大，適用刃磨高速鋼鋸條，其中白色的叫做白剛玉，灰褐色的叫做棕剛玉。 碳化硅砂輪的磨粒硬度比氧化鋁砂輪的磨粒高(Hv2800以上) 。性脆而鋒利，并且具有良好的導熱性和導電性，適用刃磨硬質合金。 其中常用的是黑色和綠色的碳化硅砂輪。而綠色的碳化硅砂輪更適合刃磨硬質合金鋸條。 2) 粒度：粒度表示磨粒大小的程度。以磨粒能通過每英寸長度上多少個孔眼的數(shù)字作為表示符號。例如60粒度是指磨粒剛可通過每英寸長度上有60個孔眼的篩網。因此，數(shù)字越大則表示磨粒越細。 粗磨鋸條應選磨粒號數(shù)小的砂輪，精磨鋸條應選號數(shù)大( 即磨粒細) 的砂輪。船上常用的粒度為46 號—臺0 號的中軟或中硬的砂輪。 3) 硬度：砂輪的硬度是反映磨粒在磨削力作用下，從砂輪表面上脫落的難易程度。 砂輪硬，即表面磨粒難以脫落；砂輪軟，表示磨粒容易脫落。 砂輪的軟硬和磨粒的軟硬是兩個不同的概念，必須區(qū)分清楚。 刃磨高速鋼鋸條和硬質合金鋸條時應選軟或中軟的砂輪. 另外，在選擇砂輪時還應考慮砂輪的結合劑和組織。 船上和工廠一般選用陶瓷結合劑(代號A)和中等組織的砂輪。 綜上所述，我們應根據鋸條材料正確選用砂輪。選擇砂輪如圖所示。采用碗型(BW)砂輪端面刃磨法，選擇砂輪的粒度80，磨料為單晶白剛玉（符號為GBD），硬度為中軟(符號為)，陶瓷（符號為A）黏結劑。結構參數(shù)為：外徑125mm。厚度：63mm，內徑25mm。具體的砂輪型號為：GBDABW125x63x25。 圖3-2 碗形砂輪GBDABW125x63x25 3.5.2砂輪的平衡方法 砂輪的中心與它的回轉軸線不重合時，砂輪就不平衡。引起砂輪不平衡的原因是：砂輪幾何形狀不對稱；砂輪個部分的密度不平衡；以及安裝時偏心等。 不平衡的砂輪在高速回轉時會產生震動，從而影響加工質量，嚴重時還會造磨床損壞和砂輪碎裂。因此，使用直徑大于125毫米的砂輪必須進行平衡。 （1）砂輪平衡的方法 自動平衡法：在機床上裝的傳感器，儀表顯示出旋轉時砂輪的不平衡量（包括砂輪卡盤），通過手柄或按鈕，調整平衡塊的方位與距離，同時觀察儀顯示的數(shù)值，使其調整到最小的不平衡量。 靜平衡法： ① 出砂輪的重心所在的直徑AB。 ② 重心的位置加上平衡塊C，并使A和B兩點位置不變。 ③ 加上平衡塊D、E，并使A和B位置不變；若有變動可以調整D、E,使A、B兩點恢復原位。此時砂輪左右已平衡。 ④ 將砂輪轉動90度，若不平衡，將D、E兩平衡塊同時向一個方向移動，只動平衡為止。 ⑤ 經過上述反復后，一般砂輪在八個方位都能保持平衡。 綜合考慮個方面因素，本設計中采用靜平衡法來平衡砂輪。 3.5.3砂輪的修整 砂輪工作一段時間后，工作表面會出現(xiàn)磨粒鈍化，表面堵塞，外形失真等現(xiàn)象，將會影響磨削工作的正常進行，而且直接影響被加工工件的表面質量。所以，砂輪必須定期修整，以保持磨粒的鋒利，以避免產生燒傷退火及磨削裂紋。對于本設計中的碗形砂輪端面，一般采用油石手工修整，使其呈現(xiàn)內凹的錐面，如圖3-3所示。 圖3-3 油石修整砂輪 油石的硬度要比砂輪硬，一般可采用TH24CYASF20x150-200。如果用砂輪的外圓錐面或外圓柱面為磨削工作面時，特別是鋸條的幾何形狀精度及表面光潔度要求較高時，手工修整較難滿足要求，一般采用金剛石筆借助修整夾具修整。 3.6底座機架的設計 在機器中支承或容納零部件稱為機架。如支承罐的塔架、容納傳動齒輪的減速器的殼體，機床的床身等等統(tǒng)稱為機架。 3.6.1機架結構類型 （1）按機架外形分類 按機架外形分類：網架式、框架式、梁柱式、板塊式和箱殼式。 （2）按機架的制造方法和材料分類 按制造方法，機架可分為鑄造機架、焊接機架和螺栓或鉚接機架。按機架材料可分為金屬機架、非金屬機架。非金屬機架又可分為混凝土機架、素混凝土機座平臺、花崗巖機架、塑料機架等。 鑄造機架常用材料為鑄鐵、鑄鋼和鑄鋁。小型設備（如儀表等）的機架則有銅制或塑料制造。 3.6.2機架結構的選擇 進行機架結構形式的選擇是一個較復雜的過程，對結構形式、構件截面和結點構造等均需要結合具體的情況進行仔細的分析。對結構方案要進行技術經濟比較。由于各種設備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的機架結構選擇方法較困難。但是，可以利用結構力學的知識提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了節(jié)約材料在選擇形式時應遵守的一般規(guī)律。 （1）結構的內力分布情況要與材料的性能相適應，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點。軸力較彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時，截面上的材料分布是均勻的，所有材料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應力分布是不均勻的，所以材料的應力分布不夠經濟。 機械結構中許多構件所受的都是沿垂直于桿軸的方向作用的。彎矩沿桿變化很迅速。有垂直載荷處，彎矩曲線有曲率，且曲率與載荷集度成正比。最大的彎矩限于一小段內，在較長段內材料不能充分利用，這是彎曲構件不經濟的另一原因。 （2）結構的作用在于把載荷由施力點傳到基礎。載荷傳遞的路程愈短，結構使用的材料愈省。 （3）結構的連續(xù)性可以降低內力，節(jié)省材料。 3.6.3機架的確定 綜合考慮機器的工作時所受的力，我選用機體材料HT200鑄造機架，力學性能：=200MPa, =340MPa.適于制造箱體、底座類零件。 第4章 電氣控制系統(tǒng)設計 4.1刃磨工藝流程分析 本鋸條刃磨機主要用來磨削鋸齒，要完成這一任務磨齒機必須有以下功能：[8] （1）手動功能：主要用來調試撥齒、夾片、進刀、砂輪/水泵、磨進、磨退、是否按設定的正常運行。[9] （2）設定功能：主要用來設定總齒數(shù)、水口槽數(shù)、AC距離、OA速度進、BA速度磨進、AB退速度、AO退速度、撥齒時間、磨削次數(shù)、OA距離、AB距離等參數(shù)。 （3）自動功能：用來自動完成圓鋸條的鋸齒側角磨削過程。 根據鋸條側角磨削機的手動、設定、自動功能可以把側角磨齒機的操作面板分為顯示界面、電源指示燈、手動\設定按鈕、自動按鈕、急停按鈕、啟動按鈕，如圖4-1所示。側角磨齒機的總體功能圖如圖4-2所示： 圖4-1 操作面板 圖4-2 總體功能圖 4.2硬件設計 4.2.1硬件部分總體分析、設計 通過前文對鋸條側角磨削機的工藝流程分析知道，我們的主要控制點有：用于壓片、撥齒、上片的三個氣動閥，控制砂輪啟停的繼電器，控制的水泵啟停的繼電器，控制異步電機啟停的信號線等。這些控制點都是開關量，由PLC發(fā)出開或關的指令信號來控制它們。[12] 系統(tǒng)總體的框架如圖4-3所示： 圖4-3 鋸條側角磨削機系統(tǒng)框圖 PLC是整個控制系統(tǒng)的硬件核心，下面我們對PLC進行選型。 4.2.2 PLC選型 （1）控制點確定 為了確定PLC的容量，方便選型，我們需要對控制點進行分析，把I/O點數(shù)數(shù)出來。通過前面的分析，我們知道我們的控制對象是鋸條側角磨削機，控制范圍包括用于夾片、撥齒、上片的三個氣動閥，控制砂輪的繼電器，控制水泵的繼電器，交流接觸器，控制異步電機的信號線等。根據系統(tǒng)I/O控制點，作出詳細的I/O點數(shù)分配表，如表4-1所示： 表4-1 I/O點數(shù)分配 信號作用 輸入信號 控制 輸出過程 電源 啟動 限位開關 磨刀在初始點 磨削到位 砂輪在初始點 模件旋轉到位 完成 I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 開砂輪 水泵 磨刀進 磨削 磨刀退 磨齒 旋轉 磨進/磨退 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 （2）PLC選型 隨著PLC的推廣普及，PLC產品的種類和數(shù)量越來越多。近年來，從國外引進的PLC產品，國內廠家組裝或自行開發(fā)的產品已經有幾十個系列，上百個型號。PLC的品種繁多，其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有不同，適用場合也各有側重。因此，合理選擇PLC對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標起著重要作用。PLC的選擇應包括機型選擇、容量選擇、I/O模塊選擇、電源模塊等幾個方面，我們這里分別介紹并對我們的系統(tǒng)進行PLC的選型。[13] ①機型選擇 機型選擇的基本原則是在功能滿足要求的前提下，保證可靠、維護使用發(fā)表改變以及最佳的性價比。具體應該考慮： 結構上合理，安裝要方便，對于復雜高要求的系統(tǒng)一般選擇模塊式PLC，否則選整體式，價格比較低； 功能上要相當，對于開關量控制的設備，一般的小型PLC即可，而不應該去選擇增強型功能的PLC； 機型上應統(tǒng)一，一個企業(yè)用的PLC型號最好統(tǒng)一，方便互用； 是否在線編程，這要根據被控設備工藝要求來決定，工藝不常變動的設備，應選用離線編程的PLC，反之用在線； 是否滿足響應時間的要求； 對聯(lián)網通信功能的要求，看是否需要納入工廠自動控制網絡決定。 ②容量選擇 PLC的容量指I/O點數(shù)和用戶存儲的存儲容量（字數(shù)）兩方面的含義。在選擇PLC型號時不應盲目追求過高的性能指標，但是在I/O點數(shù)和存儲器容量方面除了要滿足控制系統(tǒng)要求外，還應留有裕量，以做備用或系統(tǒng)擴展時使用。I/O點數(shù)通?？砂磳嶋H需要的10~15%考慮裕量。存儲器一般可按照實際需要的25~30%考慮裕量。[14] ③I/O模塊的選擇 I/O部分的價格占PLC價格的一半以上。不同的I，O模塊，其電路和性能不同，它直接影響著PLC的應用范圍和價格，應根據實際情況合理選擇。根據以上標準，考慮到我們的控制系統(tǒng)都是開關量的控制，可以考慮小型PLC，該系統(tǒng)有8個輸入點，8個輸出點。再結合市場情況，考察PLC生產廠家的產品及其售后服務、技術支持、網絡通信等綜合情況，我們選擇了工作穩(wěn)定、可靠、抗干擾性能好且性價比較高的臺達DVP32ES型PLC。其基本性能有：輸入16點,輸出16點，輔助繼電器一般用512點M0–M511，程序容量：內置RAM存儲器(1808步)，命令種類基本命令(順序命令)32個(含步進階梯命令)，輸入/輸出控制方式結束再生方式，演算控制方式內存程序?往返式來回掃瞄方式，程序語言指令加階梯圖定時器100ms64點，計數(shù)器112點。圖4-4是PLC外部接線圖： 圖4-4 PLC外部接線圖 4.2.3其它硬件的選型、設計 我們這里主要介紹一下步進電機的選擇及PLC控制步進電機的方式。 （1）在這個系統(tǒng)中選用和步進電機配套的SH-2H090MH型步進電機驅動器。該驅動器需要5V電源和的60V交流電源，整臺機子用的是380V交流電。其中包括報警燈等已用了交流380V轉換成交流220V的變壓器，這里還用了一個交流220V轉交流60V的變壓器。如果要改變步進電機的轉向，另外有兩個控制信號，一個是驅動步進電機運轉的信號，一個是控制步進電機方向的信號。在步進電機驅動器1中選用Y6作為控制信號，Y7作為方向控制信號。A,A`，B,B`用來連接步進電機，不同的組合能使步進電機產生不同轉向，接線如圖4-5所示：[15] 圖4-5 步進電機驅動器連線圖 （2）PLC控制步進電機的方式：PLC控制步進電機系統(tǒng)的示意圖如圖4-6所示。在控制面板上設定移動距離、速度和方向等參數(shù)。PLC讀入這些設定值后，通過運算產生脈沖、方向信號，控制步進電機的驅動器，達到對距離、速度、方向控制的目的。 圖4-6 PLC控制步進電機系統(tǒng)示意圖 根據磨削機控制性能的要求，結合使用元器件的特性，所設計的鋸條側角磨削機控制系統(tǒng)的外部電路電氣連接圖如圖4-7所示： 圖4-7 鋸條刃磨機電氣系統(tǒng)連接圖 4.3軟件設計 4.3.1 PLC軟件設計 （1）編程軟件選型及介紹 PLC是專門為工業(yè)自動控制而開發(fā)的裝置，主要使用對象是廣大工程技術人員及操作維護人員，為了滿足他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，PLC通常不直接采用微機的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程。 為電子技術所以領域制定全球性標準的世界性組織IEC（國際電工委員會）于1994年5月公布了可編程控制器標準（IEC1131），該標準鼓勵不同種類的PLC制造廠商提供在外觀上和操作上相似的指令。該標準中定義了5種PLC編程語言的表達方式：[16] ①梯形圖； ②語句表； ③功能塊圖； ④結構文本； ⑤順序功能圖 其中，梯形圖是在傳統(tǒng)的電器控制系統(tǒng)電路圖的基礎上演變而來的，在形式上類似于電器控制電路，由觸點、線圈和用方框表示的功能塊等組成。所以梯形圖成了使用最廣泛的PLC圖形編程語言。它的主要特點有： ①PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，但是他們不是真實的物理繼電器（即硬件繼電器），而是軟件中使用的編程元件。每一編程元件與PLC存儲器中元件映像寄存器的一個存儲單元相對應。以輔助繼電器M0為例，如果對應的存儲單元為0狀態(tài)，梯形圖中M0的線圈“斷電”，其常開觸點斷開，常閉觸點閉合，稱M0為0狀態(tài)，或者稱為OFF。反之為1狀態(tài)，或ON。 ②根據梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關系，求出與圖中各線圈對應的編程元件的ON/OFF狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。邏輯解算是按梯形圖中從上到下、從左到右的順序進行的。解算的結果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據輸入映像寄存器中的值，而不是根據解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進行的。 ③梯形圖中各編程元件的常開觸點和常閉觸點均可以無限多次的使用。 ④輸入繼電器的狀態(tài)唯一地取決于對應的外部輸入電路的通斷狀態(tài)，因此在梯形圖中不能出現(xiàn)繼電器的線圈。 （2）PLC程序設計 應用程序的設計是PLC控制系統(tǒng)設計的核心。要設計好PLC的應用程序，首先必須充分了解被控對象的情況，諸如生產工藝、技術特性、工作環(huán)境，及其對控制的要求等。據此，設計出PLC控制系統(tǒng)，包括設計出控制系統(tǒng)圖、選出合適的PLC型號、確定PLC的輸入器件和輸出執(zhí)行器、確定接線方式等，這些內容在前面已經分析過了。本章就是在上述工作的基礎上，詳細介紹PLC應用程序的設計。[17] 與一般的計算機應用程序設計類似，PLC的應用程序設計是根據控制系統(tǒng)硬件結構和工藝要求，在軟件系統(tǒng)規(guī)格書的基礎上，使用相應的編程語言，對用戶控制程序的編制和相應文件的形成過程。設計流程應該包括： ①熟悉被控對象； ②熟悉編程器和編程語言； ③參數(shù)表的定義； ④程序框圖的設計； ⑤程序的編寫； ⑥程序的調試； ⑦程序說明書的編寫。 前三步已經完成，程序框圖我們只把其中最重要的部分——自動執(zhí)行過程的部分畫出框圖，還有兩個部分是設定/手動，可以在程序開始后復位，然后選擇程序走向即可。那兩個部分用于調試，故障的時候，平時都是自動執(zhí)行。圖4-8是自動執(zhí)行部分的流程圖： 圖4-8 自動磨削流程圖 下表4-2為PLC控制指令 表4-2 PLC控制指令程序 地址 指令 操作數(shù) 0 LD M0.0 1 AND I0.0 2 AND I0.3 3 AND I0.5 4 S M0.1 5 R M0.0 6 LD M0.1 7 AND I0.1 8 S M0.2 9 S M0.5 10 R M0.1 11 LD M0.2 12 AND I0.2 13 S M0.3 14 R M0.2 15 LD M0.5 16 AND I0.3 17 S M0.4 18 R M0.3 19 LD M0.5 20 AND I0.4 21 S M0.6 22 R M0.5 23 LD M0.6 24 AND I0.5 25 S M0.7 26 R M0.6 27 LD M0.7 28 CD C0 29 LD M0.4 30 AND M0.7 31 AND C0 32 S M1.0 33 R M0.4 34 R M0.7 35 LD M0.1 36 AND I0.6 37 S M0.2　 38 S M0.5 39 R M0.1 40 LD M0.4　 41 AND M0.7 42 ANI C0 43 S M1.1　 44 R M0.4 45 R M0.7 46 LD M1.1 47 AND I0.7 48 S M0.0 49 R M1.1 50 LD M0.0 51 SC C0 C#3 52 LD M0.1 53 OUT Q4.0 54 OUT Q3.7 55 LD M0.2 56 OUT Q4.1 57 LD M0.3 58 OUT Q4.2 59 LD M0.5 60 OUT Q4.3　 61 LD M0.6 62 OUT Q4.4 63 LD M1.0 64 OUT Q4.5 65 LD M1.1 66 OUT Q4.6 67 END 至此，PLC軟件設計完成。 4.3.2 PLC程序調試 PLC程序的調試有好幾種方法，一種是編程軟件自帶仿真器，可以給指定地址輸入值，然后觀察輸出是否符合設計要求，如果不符合，檢查程序，排解錯誤。這種方法不用和PLC進行實際連接進行，直接在PC上完成調試，相當方便，也可以避免出錯，調試好以后下載到PLC上再執(zhí)行，如果沒有得到正確結果，那就要仔細檢查硬件了，這個時候硬件的可疑性比較大。另外一種方法是先仔細檢查程序，沒問題之后進行編譯，修正語言錯誤，完成之后下載到PLC，PLC不直接和各種現(xiàn)場設備連接，而是在輸入處連接開關，輸出處可以連接發(fā)光二極管，當然電路上要注意，不要燒掉設備。這種調試方法主要應用在開關量為主的系統(tǒng)，否則的話就不怎么實用了。而我們的鋸片側角磨削機控制系統(tǒng)正符合這樣的條件，進刀，退刀，開關砂輪，水泵都是開關量，所以我們先把通過WPLSoft-2.08編寫，編譯過的程序下載到PLC上面，連接開關，顯示輸出狀態(tài)的發(fā)光二極管進行調試，不斷修正程序直到符合設計要求。最后再把機械裝置連接上進行調試，這樣可以很好的保護設備。 總 結 這次畢業(yè)設計幾乎用到了我們大學所學的所有專業(yè)課程，可以說是我們大學所學專業(yè)知識的一次綜合考察和評定.通過這次畢業(yè)設計，使我們對以前所學的專業(yè)知識有了一個總體的認識與融會貫通.例如我們在設計過程當中需要用到所學的工程制圖、材料力學、機械工程材料、機械設計、極限配合與公差以及CAD計算機輔助制圖等基礎的專業(yè)知識.在做畢業(yè)設計的過程中，不僅使我們熟悉了舊的的知識點，還使我們發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意的細節(jié)問題，而這些細節(jié)問題恰恰是決定我們是否能夠成為一名合格的機械技術人才的關鍵所在。 此外，我感覺兩個月的畢業(yè)設計極大的豐富了我們的知識面，使我學到了許多知識，不僅僅局限于多學的專業(yè)知識.在做設計的過程中，由于需要用到課本外的知識，這要求我們上網或者到圖書館等查閱資料。例如在設計方案時就需要我們對卸豬機設計的工作環(huán)境和工作能力等由一定的了解才能選用合適的方案。由于以前沒有注意此方面的問題，所以必須通過實踐認識和查閱資料才能做到更好。 參考文獻 [1] 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