高精度数控旋切机控制系统设计.docx

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高精度数控旋切机控制系统设计

摘要

本设计通过对薄壁钢管的工艺性分析和无削切削工艺方案的分析，确定采用理论与实际相结合的方式并利用现有的条件来设计旋切机，在此基础上对钢管旋切机电气控制系统进行设计，从而得出整体结构方案。

通过主要技术指标对钢管和选择，最终确定其装配总图。

通过此次设计，掌握了机床电控的相关知识以及plc自动控制的知识，对于ProE3.0/AutoCAD等软件的应用方面有了进一步的提高。

旋切机的电控部分进行选择和安装，然后对钢管旋切机的其它主要零件进行设计

关键词：

电气控制，薄壁钢管，无屑切削，自动切割，旋切机，plc.

Abstract

Thedesignofthin-walledtubethroughanalysisoftechnologyandnocuttingprocessanalysisanddeterminationbycombiningtheorywithpracticeandusetheexistingconditionsofthewaytodesignthecuttingmachine,onthebasisofsteellathecuttingelectricalcontrolsystemdesign,andthewholestructurescheme.Throughthemaintechnicalindexesofsteeltubeandselection,determinethegeneralassembly.Throughthedesign,masterknowledgeofelectricmachineandPLCautomaticcontrolofknowledge,forProE3.0/AutoCADsoftwareapplicationshavefurtherimproved.Partoftheelectronicspinmachine,andthenchoosetoinstallandsteellathecuttingmachineoftheothermajorpartsdesign

Keywords:

electricalcontrol,tubes,withoutcrumbscutting,automaticlathecuttingmachine,cutting,PLC

目录

1绪论1

2设计要求1

3主要技术指标1

4现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点1

4.1国内外研究现状2

4.2现有钢管旋切机的工作原理2

4.3特点及优缺点2

5钢管旋切机改进方案2

6切割工艺分析2

6.1工艺特点2

6.2钢管轧切过程3

6.3钢管轧切时的变形分析5

6.4各参数对轧切工艺的影响6

6.4.1压下量的影响6

6.4.2轧切速度的影响6

6.5刀具参数的影响6

6.6结论7

7旋切机的自动控制7

7.1贮料与上料部分7

7.2装料与进料部分7

7.3轧切部分8

8电控系统8

8.1系统构成8

8.2程序设计思想9

8.3割刀运动控制9

8.4卸料运动控制10

8.5钢管旋切机传感器及行程开关的选择10

8.6电气控制系统电器的选择11

8.7旋切机自动控制PLC系统原理12

8.8故障保护15

致谢15

参考文献16

1绪论

目前我国机械工业钢管使用量已达到数千吨以上，钢管的切割量非常大；但就目前钢管旋切技术过于陈旧落后，自动化程度不高，加工精度低，噪声环境污染严重，随着国内plc和变频技术的不断发展，为钢管旋切机的改进提供了技术支持，此设计通过plc技术和传感技术对钢管的从上料到切断完全实现了机电一体化和自动控制，不尽节省了人的体力劳动，而且提高了生产率，节约了钢材的浪费。

在设计的过程中，能培养我综合运用所学知识，分析和解决实际中所遇到的问题，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面有了显著的提高，对所学过的一些东西又有了许多新的认识，同时在理解分析能力、制定设计或试验方案能力、设计计算和绘图能力方面有较大的进步；另外我的技术分析和组织工作的能力也有了一定程度的提高。

希望在此次毕业设计中，能充分发挥出我们的创新能力和团队精神，树立良好的学术思想和工作作风，牢牢把握住这次在走上岗位之前的实践机会，充分提高自己的实际动手能力，增强自己的工作能力。

2设计要求

钢管旋切机的具体设计要求为：

（1）对现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点进行分析，拟定改进方案。

（2）进行钢管旋切机的工作原理设计。

（3）对钢管旋切机的结构进行设计。

（4）对钢管旋切机的控制系统进行设计。

（5）利用Pro/ENGINEER软件设计出钢材旋切机各主要涉及部件的形状及钢管旋切机的总体形状。

3主要技术指标

（1）切管直径50～80mm

（2）割管壁厚1.5～5mm

（3）割管长度20～1000mm（4）钢管长度6m

（5）轧切精度±0.15mm（5）液压工作压力7.85MPa

（7）压缩空气压力0.49MPa

4现有钢管旋切机的原理、特点及优缺点

旋切机的发展状况国内和国外有很大差别，主要原因是自动控制技术和传感技术以及plc和变频技术的落后。

4.1国内外研究现状

国外旋切技术已经相当成熟，无论从机械部分还是自动控制部分，随着传感技术和变频技术的不断发展，机电一体化技术日趋完善，国内旋切技术也一定的提高，但和外国相比还有很大差距。

4.2现有钢管旋切机的工作原理

主运动：

一台主电机加一组减速机构和一组切割片。

主电机通过减速装置进而带动切割片旋转。

进给运动：

主电机装在一机架上，通过移动机架，使切割片对固定的壁钢管进行切割。

4.3特点及优缺点

优点：

工作原理简单，工作可靠，使用维护方便，便于携带运输，价格便宜，适用于加工精度不高的场合。

缺点：

加工精度不高，对环境污染严重，生产效率低，浪费资源，不宜与实现自动化，劳动强度大。

5钢管旋切机改进方案

根据现在旋切机加工精度不高，对环境污染严重，生产效率低，浪费资源，不宜与实现自动化，劳动强度大的缺点，做如下改进：

采用无屑轧切工艺，生产效率高管材利用好，可对不同直径，壁厚和长度的钢管作定长切断，钢管自动上料，自动切断，是一种典型的机电一体化产品，有可编程控制器对液压缸，电机，电磁阀，传感器等系统进行控制，从上料、装料、定位、进料到轧切，整个加工过程完全实现了自动化。

该设备还装有累加计数和预置计数装置，分别对切断的工件进行累计和设定计数，便于统计产量和计数更换刀具。

6切割工艺分析

此钢管切割机是利用金属材料的塑性，对钢管进行塑性切断，以此来满足下道加工工序要求的、符合规定形状和尺寸的坯件。

6.1工艺特点

此设备是利用管料塑性轧制切断，简称塑性轧切工艺它具有如下特点：

（1）效率高---轧切速度为1～2mm/s，与普通车削工艺相比，可提高功效10倍以上。

（2）材料利用率高-----因为无屑切削，切断过程中不产生切屑，管材可得到充分利用。

同有屑切断工艺相比，材料利用率可提高13%左右，割管长度越短，效果越为明显。

（3）精度高-----采用专门的机械定位装置，切割长度偏差不超过士0.15mm，表面粗糙度Ra可达1.6

。

（4）断口直接成形—凡对断口形状有一定要求的工件，利用刀具刀刃形状，就可一次直接成形。

（5）刀具形状简单—与斜轧或楔横轧所用的轧辊相比，本工艺所用刀具形状简单，因而易于制造，成本低廉，且安装、调整方便。

在轧切工艺中，各工艺参数、刀具形状参数及轧切温度等因素对轧切过程与轧切质量均有较大的影响。

6.2钢管轧切过程

6.2.1切割阶段分析

如图1所示，被轧切的管子2置于一对托轮3上，首先刀具1先旋转，随后液压缸带动连杆迫使刀具向下运动进行切割。

整个切割过程可分为三个阶段：

（1）切入阶段——旋转的刀具开始切入静止的管子，并通过摩擦力带动管子转动；

（2）轧切阶段——刀具在带动管子转动的同时，继续向下运动轧切工件，此时管子材料因屈服而产生塑性变形，刀具刃口下部的管材沿径向、轴向和切向三个方向产生流动，使管壁厚度逐渐减小。

（3）切断阶段——在刀具持续轧切下，管壁越来越薄，直到管子被切断为止。

6.2.2管子的旋转条件

为使旋转的刀具压住管子后能带动它转动，某些工艺参数和刀具参数必须满足一定条件，称之为旋转条件。

轧切初期，沿刀刃和管子之间的接触圆弧AB，工件受到刀刃所加的压力，该压力是一种分布载荷，同时工件还与刀刃处于转动接触状态，而受到摩擦力的作用，如图2所示。

为简化分析起见，作如下两点假设。

图2轧切力分析

（1）刀刃作用于工件的分布压力和刀刃与工件间的摩擦力均看作为集中力，它们均作用于接触弧的中点C；刀刃对工件的压力以P表示,其方向为沿刀具法向；摩擦力以T表示，方向沿刀具的切向，顺转向为正。

图2中　a——T力离工件中心的垂直距离；

b——P力离工件中心的垂直距离；

Ø——接触弧AB所对应的刀具圆心角；

r0——工件入口处的半径；

r——工件出口处的半径；

R——刀具半径；

Z——压下量；

（2）工件在转动过程中所受的其他阻力忽略不计。

由图2可知，作用于管子的力P与T分别产生轧制力矩Mp和摩擦力矩Mt，为满足旋转条件，Mp必须大于或等于Mt，即

Mt≥Mp，或Ta≥Pb6-1

因T=μP，得到b/a≤μ

其中μ为摩擦系数。

由图2分析可得cosФ/2=a+R/R+r

推出a=r·cosΦ/2-RcosΦ/2（1/cosΦ/2-1）

于是可得a=[r-R（1/cosΦ/2-1）]cosΦ/26-2

将b=（R+r）sinΦ/2，

及a=[r-R（1/cosμ/2-1）]cosФ/26-3

代入上式，且当Ф≈0时，cosФ/2≈1，

可得μ≥（1+R/r）tgФ/2

经变换，上式可简化为[2]

≥（1+d/D）·（Z/d）或Z/d≤

·（1+d/D）6-4

由上式可见，μ值越大，旋转条件越容易满足，这是很显然的。

当摩擦系数μ，管子与刀具直径之比d/D一定时，存在有一个相应的满足旋转条件的极限相对压下量Z/d。

当管子与刀具直径之比d/D较大时，相对压下量必须取较小的值，而d/D较小时，则允许的相对压下量就比较大。

当刀具直径D=300mm，管子直径d=70mm，

根据设备的实际工况取摩擦系数μ=0.1时，可算出极限压下量Zmax=0.6mm。

而设备工作时的实际压下量仅0.1～0.2mm，故旋转条件能充分得到满足。

6.3钢管轧切时的变形分析

轧切时，随着楔形刀刃的轧入，钢管在径向压力的作用下，产生剧烈而复杂的变形，这种变形，是由刀刃刃口及两侧作用于钢管所引起的。

刃口作用于钢管主要产生径向压缩、切向扩展及轴向延伸等变形。

其中径向压缩包括钢管的径向压缩和材料本身的径向压缩，前者指材料向钢管内部流动产生的减径作用后者则是轧切的主要变形，唯此钢管才得以被塑性切断。

刀刃轧入工件后，部分材料沿切向流动，使工件呈椭圆状。

刀刃下部的材料还会沿轴向延伸而变形，这时在连皮材料内部将产生拉应力，成为延伸变形的阻力。

刀刃侧面作用于钢管,使材料产生径向压缩、切向扩展、轴向压缩