自动剪切机结构设计毕业设计.docx

自动剪切机结构设计毕业设计.docx

《自动剪切机结构设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自动剪切机结构设计毕业设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

自动剪切机结构设计毕业设计

本科毕业设计

题

目

自动剪切设备系统设计——剪切模块结构设计

作者：

专业：

指导教师：

完成日期：

南通大学

毕业设计（论文）

题目：

自动剪切设备系统设计——剪切模块结构设计

姓名：

指导教师：

专业：

南通大学机械工程学院

2007年6月

摘要

剪切机是钢板连续生产线上不可缺少的重要的设备,它的用途就是用来剪切定尺、切边、切试样及切除钢板的局部缺陷等。

使用自动剪切设备，实现连续方式的生产，可以大大提高生产效率。

目前，对剪切机的功能需求在不断的扩展，同时也对剪切机的生产效率和加工精度提出更高的要求。

在对国内外剪切机的应用和技术发展情况进行综合论述基础上，我们分析研究了剪切机结构及原理。

由于现有剪切机在实际生产中剪刃间隙调整难、耗时较长，造成设备生产能力降低或出现故障而停机，影响快速、连续生产。

板材的需求量越来越大，这里对剪切机的结构重新进行了改良设计，并利用可编程序控制器取代继电器、接触器，改进剪切机的控制系统，提高设备的可靠性与生产柔性。

通过重新改造设计，改善了设备的控制精度，提高了产品质量，减少了废品量，降低了维修率。

关键词:

剪切机，可编程控制器，结构设计，控制系统

ABSTRACT

Theshearingmachineisoneofthemostindispensabilityandpivotalequipmentinthecontinuousproducinglineofsteel.Thepurposesofusingshearmachineareachievingdefinitedimension,edgeshearing,samplecuttinganddisfigurementchucking.Usingautomaticshearingequipmentcanrealizecontinuousmodeofproductionandimproveproductionefficiencygreatly.Now,thefunctionoftheshearingmachineisincreasingincessantly.Theproductionefficiencyandmachiningprecisionarerequiredmoreconsumingatthesametime.

Afterdiscussingdomesticandoverseasapplicationsandtechnologyimprovementsoftheshearingmachinegenerally,theframeworkandthetheoryofshearingmachinearealsostudied.Becausetheadjustmentoftheshearingbladegapistime-consuminganddifficultinexistingshearingequipment,thethroughputofthedeviceisdepressed.Sometimeithasbeenstoppedfortheerrors.Andcelerityandcontinuityoftheproducinglineareinducedbythesefactors.Withtheincreasingrequirementofsteelboardroughcast,thestructureoftheshearingmachineisreformedhere.Toamendingthecontrolsystemofshearingmachine,theoldcontrolsystemusingrelaysisreplacedbyPLC.Inthisway,thereliabilityandflexibilityofcontrolsystemareimprovedhardly.Throughinnovatorydesignofshearingmachine,thecontrollingaccuracyoftheequipmentisameliorated,andtheproductqualityisenhanced.Andmore,thewasterisreduced,andthemaintenanceisdecreased.

Keywords:

ShearMachine,ProgrammableLogicController,StructuralDesign,ControlSystem

第一章绪论

当今世界，科技进步突飞猛进，特别是机电一体化技术日臻完善，深刻影响着制造领域。

与此同时，全球经济一体化和市场竞争国际化的趋势又对制造业提出了全球化和国际化的新挑战。

曾一度被视为“夕阳产业”的传统制造业，其发展方向和出路重新又引起了人们的思考和探索。

近几年来，制造业的全球化为我们带来了新的契机，并且在国内外呈现出了良好的市场前景。

这必须引起我们的高度关注。

为了加快我国改造传统制造业的步伐，参与制造业国际竞争，我们有必要深入研究我国的制造技术，大力推动制造业的高技术化。

1.1课题概述

剪切机是在轧件运动中对轧件实施剪切工艺的一种设备，是连续式轧钢生产线上不可缺少的、非常关键的设备之一。

特别是，随着现代化钢材生产的产量和品种不断增加，要求轧钢生产向高速、连续化生产方式发展的今天，剪切机的需求量不断增加，自然而然地对的设计和制造质量提出了更高的要求。

由于是在运动中对轧件实施剪切，因此，对剪切机的运动特性、反应灵敏性、动作准确性，以及工作稳定可靠件等各方面，都必须具有很高的要求。

对金属材料进行剪切的剪机随所剪材料的不同有各种不同形式。

有类似剪刀的插口剪，有剪刃为水平放置的平口剪，还有剪刃有一定斜度专门用来剪切较宽板带材的斜刃剪。

以上几种传统剪机有一共同的特点:

都是往复式的，也就是说它们工作方式不是连续的，当剪刃向某一方向移动剪断了被剪物后，它们还需要有一个返回不工作的空行程，让剪刃回到原来的位置，准备着再从事另一次的剪切。

而本机组通过PLC自动控制，使被剪材料进入刀刃间后，刀架不断上下移动，被剪材料就会连续地被剪下去，直至被剪的材料剪完为止，这是一种连续作业的剪机。

1.2剪切机的发展及现状

剪切机是冶金行业用于切断金属材料的一种机械设备。

在冶金行业轧制的生产过程中，大断面的钢坯经过轧制后，其断面变小，长度增加。

为了满足后续工序和产品尺寸规格等生产功能的要求，各种钢材生产过程中都必须有剪切工序。

剪切机的用途就是用来剪切定尺、切头、切尾、切边、切试样及切除钢板的局部缺陷等。

剪切机是轧钢机械中重要的辅助设备之一，剪切机的能力大小，直接影响轧机生产能力能否充分发挥以及轧制生产线金属流程的平衡问题。

剪切机还广泛地在机械制造和修理等部门使用。

剪切机是随着工业自动化进程的深入而得到越来越广泛的应用。

近二十年来，国内的轧钢生产得到了长足的发展，由于市场对产品不断提出新的要求，生产厂对各种剪切机的要求也在不断的变化。

从理论上来说，最初的金属切削理论主要研究方向是研究切削过程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat,Wiebe和Joessele1851年，H.Cocquihat研究了在铸铁，黄铜和石头等材料上钻孔时，切去一定体积材料所需要的功。

1864年，Joesse探讨了刀具几何角度对切削力的影响。

在1881年，Mallock提出了类似于卡片模型的理论，而Zvorkin则在1893年建立了剪切角关系式，他假设剪切面是剪应力最大面。

值得注意的还有塑性力学Durcker公设的提出者Durcker等力学家的工作。

第二研究阶段可称为切削可加工性时期，大致从1900—1930年共约30年时间。

在这一时期随着社会生产力的发展，金属切削加工技术也有了长足的进步，新的刀具材料和加工工艺不断出现。

新的刀具材料的出现使切削加工的生产效率大大提高，应用范围越来越广。

以高速钢的应用为例，Trent在他的名著《MetalCutting》中写到“高速钢刀具的出现引起了金属切削实践的革命，大大提高了机械加工车间的生产率。

第三研究阶段从二十世纪30年代至今，可以称之为理论推广应用时期，传统意义上的金属切削理论研究在二十世纪六七十年代达到高峰。

在这一时期总结了上两个时期的研究成果，将切屑成形机理与切削可加工性的关系的研究发展到了一个新的高度，其研究重点是切削过程中出现的各种现象及其发生机理的研究，例如剪切角关系、切削温度分布和刀具磨损、切屑卷曲机理以及积屑瘤形成机理等等。

比较重要的工作有:

Bisacres和Chao在40年代中期首先研究了切削过程中的切削温度分布，提出了温度参数的概念。

在正交切削模型的研究方面，Pisspen,Merchant,Lee和Shaffer,Shaw以及Oxley等都做了重要的开创性工作。

日本的工藤英明，臼井英治利用视塑性方法构造滑移线场，从而建立切削方程式的新方法也值得加以重视。

我国的金属切削理论研究者也作出了重要的贡献。

东北重型机械学院连家创先生在实验的基础上利用滑移线理论推导出平行刃剪切机剪切力计算公式，陈艳丽等在针对平行刃剪切机冷剪不同材质的金属，在改变剪刃相对侧向间隙o/h0（五种值）以及有无压板的情况下，实测了剪切铅、铝、钢时的剪切力，并结合理论计算进行了分析比较。

在实践方面，西安重型机械研究所、华东冶金学院、辽宁冶金技术装备设计研究所等单位也对超过20mm规格的钢板剪切机也作了技术研究，成功地实现了25mm钢板的在线剪切，提高了生产率，改善了钢板的剪切质量，满足了生产的需要。

随着2002年国家科技部将制造业信息化列为重大专项，剪切设备的研究方向逐步向新产品自动控制技术方向发展。

自动化技术是本世纪以来发展极其迅速和影响极大的科学技术之一。

现代自动化技术是一种完全新型的生产力，是直接创造社会财富的重要手段，对人类的生产活动和物质文明起着巨大的推动作用。

因此，受到世界各国的广泛重视和越来越多的应用。

机械自动化，主要指在机械制造业中应用自动化技术，实现加工对象的连续自动生产，实现优化有效的自动生产过程，加快生产投入物的加工变换和流动速度。

机械自动化技术的应用与发展，是机械制造业技术改造、技术进步的主要手段和技术发展的主要方向。

机械自动化的技术水准，不仅影响整个机械制造业的发展，而且对国民经济各部门的技术进步有很大的直接影响。

当前，我国剪切机械制造业中自动化装备少、水准低，不仅在数量上同世界先进国家有较大差距，而且在品种上、质量上、应用上，同世界先进水准也存在阶段性差距。

在这种国情下，要把庞大的劳动力大军从剪切机械制造业生产岗位上撤一下来，投入巨额资金改造现有的大量落后设备和研制大量的现代自动化装备及控制装置，在科学技术水准和人员素质不太高的情况下采用先进的技术装备，都是不现实的。

而大力发展低成本自动化技术，却是潜力大，前景广，投资省，见效快，可以收到事半功倍的经济效果，适合我国现阶段的发展需要和国情。

1.3剪切机的分类

剪切机的种类很多。

对剪切机的分类，从不同的角度出发，有不同的分法。

按剪切方式可分为横剪和纵剪；按被剪切钢板的温度分为热剪和冷剪；按剪切机的驱动方式分为机械剪、液压剪和气动剪；按机架的形式分为开式剪和闭式剪；按剪切钢板的品种又可分为钢坯剪切机、钢板剪切机、型钢剪切机和切管机等。

通常，按剪切机的剪刃形状与配置等特点可分为平行刃剪切机、斜刃剪切机和圆盘剪切机。

下面按剪切机的剪刃形状的分类对三种结构分别进行介绍：

1、平行刃剪切机

图1.1平行刃剪切机

见图1.1为平行刃剪切机示意图。

平行刃剪切机的两个剪刃是彼此平行的，它通常用来在热态下横向剪切方形及矩形断面的钢坯。

也可用来冷剪型材，将刀片做成成型剪刃来剪切非矩形断面的钢板。

平行刃剪切机按剪切机构的运动特点，分为上切式和下切式两种型式。

上切式剪切机的下剪刃是固定的，由上剪刃的上下运动进行剪切。

其剪切机构通常采用曲柄连杆机构。

下切式剪切机的两个剪刃都运动，剪切过程是通过下剪刃上升来实现剪切的。

其剪切机构通常有偏心轴式和浮动式。

平行刃剪切机，在工作时能承受的最大剪切力是它的主要参数，故人们习惯上以最大剪切力来命名。

2、斜刃剪切机

图1.2斜刃剪切机

图1.2为斜刃剪切机示意图。

斜刃剪切机的一个剪刃相对另一个剪刃成某一角度放置。

斜刃剪切机按剪切机构的运动特点也可分为上切式、下切式和复合式等。

①上切式斜刃剪:

这种剪切机的下剪刃平直而固定，上剪刃是倾斜的并上下运动实现剪切。

上切式斜刃剪通常是作为单独设备，用来剪切宽的板材，当板材厚度大于20mm时，可用在连续作业线上横切板材，但要有摆动辊道，另外，当板材厚度大于25mm不能用圆盘剪切边时，在连续作业线上的两边设置上切式斜刃剪进行切边。

②下切式斜刃剪:

这种剪切机的上剪刃是固定的，由下剪刃上下运动进行剪切。

由于它是下剪刃向上运动进行剪切，故不需要设置摆动辊道，一般多用于连续作业线上横切带材。

这种剪刃机的剪刃通常上剪刃是倾斜的，下剪刃是水平的。

但近来采用上剪刃是水平的，下剪刃是倾斜的愈来愈多，生产经验证明，这种型式能够保证钢板的剪切面相对带材中心线及表面垂直度。

其缺点是由于压板要放在下面而造成结构复杂化。

③复合式斜刃剪:

在连续式作业线上的尾部，为了将原来焊接起来的长带材分成一定重量的卷材，设有复合式斜刃剪切机。

这种剪中间有固定的双刃刀架，上下有活动刀架，也称上下双层斜刃剪切机。

当带材通过固定双刃刀架上部，带材由一台卷取机卷取。

当需要分卷时，上活动刀架下降切断带材，后面的带材通过固定双刃刀架下部，由另一台卷取机卷取。

3、圆盘式剪切机

图1.3为圆盘式剪切机示意图。

这种剪切机的上下剪刃是圆盘状的。

剪切时，圆盘刀以相等于钢板的运动速度做圆周运动，形成了一对无端点的剪刃。

圆盘剪通常设置在板材或带材的剪切线上，用来纵向剪切运动的板材或带材。

图1.3圆盘式剪切机

1.4本课题的研究意义及主要工作任务

随着国内经济的进一步发展和市场的全球化，市场对于钢板的需求会进一步加大，对于钢板尺寸精度的要求也会进一步提高。

通过剪切机的优化分析可以提高钢板的剪切精度，提高钢板的生产效率，降低设备的故障率，减少成品的成本，降低废品率，提高钢板在市场上的占有率。

对于提高我国板材剪切技术，提升我国钢铁产品在国际市场上的竞争力，为其他行业的进一步发展提高打下坚实的基础，以及振兴民族经济具有较大的作用。

毕业设计的主要任务是设计自动剪切设备中剪切模块结构，并进行控制系统的改造。

毕业设计论文的内容就本人所做的主要工作展开说明，具体内容如下：

第一章：

绪论

第二章：

自动剪切设备的总体设计

第三章：

剪切机的方案分析及工作原理

第四章：

剪切机的结构设计

第五章：

剪切机部分控制系统设计

第六章：

总结

第二章自动剪切设备的总体设计

在此次剪切机的设计中，分为机械部分设计和控制部分设计两大部分。

2.1机械部分

机械部分设计即设计出能够实现剪切机功用的机构组合。

所谓机构是人们将能实现预期的机械运动的各构件（包括机架）的基本组合。

各种机器设计的共同问题可以归纳成机构的结构和运动学以及机构机器的动力学两大部分来讨论。

（1）机构的结构和运动学：

分析机构的结构是为了研究机构运动的可能性和确定性，并进一步讨论机构的组成原理；机构的运动学不考虑引起机构运动的力的作用，而从几何的观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度的求法，以及按已知条件来设计新机构的方法。

（2）机构和机器的动力学：

研究在机械运动过程中作用在机构各结构上的力分析和惯性力的平衡问题；并研究确定机械效率的方法和已知力作用下机械的真实运动规律，以及作用力、运动构件的质量和这些构件的运动之间的关系，即机械的运转和调速问题。

图2.1钢板卷材整平自动剪切设备的工艺流程图

图2.1为钢板卷材整平自动剪切设备的工艺流程图。

图2.2为钢板卷材整平剪切机总结构示意图，剪切机的机械部分由放料机构、校平机构、防偏机构、定尺装置、剪切机、出料机构组成。

放料机构是由原料架及恒张力控制装置组成。

带材在夹送动力作用下前进，为防止其自身的重心偏移造成的不良因素，设置恒张力控制，使得带材以恒定阻力被夹送。

校平机构是由电动机、蜗轮减速器、齿轮、夹送辊、保护膜架、保护膜放送装置、制动器构成。

电动机经蜗轮减速箱减速后，再通过齿轮传动使得夹送胶辊在同一线速下夹送带材，同时，在夹送辊前上方设置保护膜放送架，配套制动装置，使得带材在前进过程中可稳定的同定时贴上保护膜，以保证板材在下一个工序（拉伸或成型）时，尽量减少制品表面的伤痕。

钢板经过整平有定长装置定长，最后有平行刃剪切机切断，在由出料部分出料，完成整个过程。

图2.2自动剪切设备总结构示意图

2.2控制部分

控制部分设计分为继电器控制系统设计和可编程控制系统设计，以及气动、电气等机械系统与控制系统的关联设计。

用继电器、行程开关、转换开关等有接触点低压电器构成的电器控制系统，称为继电器控制系统。

其特点是动作状态一目了然，但系统接线比较复杂，变更控制过程以及扩展比较困难，灵活性和通用性比较差。

可编程控制器PLC是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机。

其基本工作原理是建立在计算机工作原理的基础上的，即在硬件的支持下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制任务。

随着科学技术的发展，自动控制技术已被广泛应用于工农业生产和国防建设。

实现自动化的技术手段，在目前主要有两个：

电气（电子）控制和流体动力控制。

流体动力控制有三类：

（1）液压控制，工作流体主要是矿物油；

（2）气压控制，工作介质主要是压缩空气，还有燃气和蒸气；（3）射流技术，工作介质有气体也有液体，该技术在一些多管道的生产流程中得到应用。

以下对液压传动和气压传动作了一下比较。

液压传动的优点：

（1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力。

在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑；

（2）液压装置工作比较平稳；（3）液压装置能在大范围内实现无级调速；（4）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制；（5）液压装置易于实现过载保护；（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便；（7）用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。

液压传动的缺点：

（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等）；

（2）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作；（3）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感；（4）液压传动出现故障时不易找出原因。

气压传动的优点：

（1）空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境；

（2）空气的粘度很小，在管道中的压力损失较小，因此压缩空气便于集中供应（空压站）和远距离输送；（3）因压缩空气的工作压力较低（一般为0.3—0.8MPa），因此，对气动元件的材料和制造精度上的要求较低；（4）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题；（5）使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。

气压传动的缺点：

（1）气压传动装置的信号传递速度限制在声速（约340m／s）范围内，所以它的工作频率和响应速度远不如电子装置，并且信号要产生较大的失真和延滞，也不便于构成较复杂的回路，但这个缺点对工业生产过程不会造成困难；

（2）空气的压缩性远大于液压油的压缩性，因此在动作的响应能力、工作速度的平稳性方面不如液压传动；（3）气压传动系统出力较小，且传动效率低。

结合此次所设计的剪切设备的具体情况，选取气动控制。

气动控制系统选用气动装置中被广泛采用的顺序控制系统。

根据JIS的定义；按照预先确定的顺序或条件，控制动作逐渐进行的系统叫做顺序控制系统。

即在一个顺序控制系统中，下一步执行什么动作是预先确定好的。

前一步的动作执行结束后，马上或经过一定时间间隔再执行下一步动作，或者根据控制结果选择下一步应执行的动作。

第三章剪切机方案分析及原理

3.1剪切机方案分析

如前所述，剪切机结构分为平行刃剪切机、斜刃剪切机、圆盘剪切机三大类型。

以下对其各自的特点进行分析：

（1）斜刃剪切机：

斜刃剪切机的剪切方式可分为上切式、下切式和复合式等类型。

上切式斜刃剪切机的类型中传统形式主要有单面传动斜刃剪切机、双面传动斜刃剪切机、下传动斜刃剪切机；现在为提高剪切质量，也出现了上刀台作摆动或滚动的摆式剪切机。

斜刃剪切机的优点是结构简单，制造方便，应用较广，但是剪后的钢板弯曲变形大，同时也不能用来进行剖分剪切。

（2）圆盘式剪切机：

其广泛应用于纵向剪切厚度小于20-30mm的钢板及薄带钢。

由于刀片是旋转的圆盘，因而可连续纵向剪切运动着的钢板或带钢。

由于上述特点，目前各国都在研究扩大圆盘剪剪切厚度的范围。

圆盘剪通常设置在精整作业线上，用来将运动着的钢板的纵向边缘切齐或切成窄带钢。

根据其用途可将圆盘剪分为两种型式：

剪切板边的圆盘剪和剪切带钢的圆盘剪。

圆盘剪切机在连续剪切钢板的同时要对其切下的板边进行处理，通常在圆盘剪后面设置碎边机，将板边剪成碎段送到专门的滑槽中去。

此外，对于薄带带也有用卷取机来处理的，其缺点是需要一定手动操作，卸卷时要停止剪切等。

（3）平行刃剪切机：

平行刃剪切机的剪切方式有上切式和下切式两种。

平行刃剪切机通常采用曲柄连杆机构，运动和结构简单。

剪切过程的特点是：

剪切开始时，上剪刃下降，几乎达到与钢板接剪切长的钢板时，压板先压住钢板，然后进行剪切。

这种剪切方法钢板不会产生弯曲；活动压板保证剪切断面较垂直；机架不承受剪切力；由于能缩短剪切周期的间隙时间，提高了剪切生产率。

通过上述几种剪切机的对比，决定选用平行刃剪切机。

3.2剪切机的工作原理

通过生产实践和科学实验证实：

剪切过程是由压入变形和剪切滑移两个阶段组成，剪切过程的实质是金属塑性变形的过程。

如图3.1所示，当上剪刃下移与钢板接触后，剪刃便开始压入钢板，由于P力在开始阶段比较小，在钢板剪切断面上产生的剪切力小于钢板本身的抗剪能力，因此钢板只能发生局部塑性变形，故这一阶段称为压入变形阶段。

随着上剪刃下移量增加，钢板压入变形增大，力P也不断增加。

当剪刃压入到一定深度，即力P增加到一定值时，钢板的局部压入变形阻力与剪切断面的剪切力达到相等，剪切过程处于由压入变形阶断过渡到剪切滑移阶段的临界状态。

当剪切力大于钢板本身的抗剪能力时，钢板沿着剪切面产生相对滑移，开始了真正的剪切，这一阶段被称为剪切滑移阶段。

在剪切滑移阶段，由于剪切断面不断变小，剪切应力也不断变小，直至钢板的整个断面被剪断为止，完成一个剪切过程。

下面分析一下剪切过程中作用力的变化。

为了便于分析，我们忽略剪刃与钢板之间的摩擦力、剪刃的间隙、钢板的重量以及其它因素。

图3.1剪切过程作用力图

由图3.1看出，当剪刃压入钢板后，上下