最新管料自动存储分料装置机电系统设计终稿.docx
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最新管料自动存储分料装置机电系统设计终稿
摘要
本课题是管料自动存储分料装置的机电系统设计，涉及机加工设备领域，是一种管料分料提升装置，可实现管料的分料，并提升到固定位置的装置，这样极大地提高了整个料仓中管料的输送速度，很大程度上节省了管料的传递时间。
同时在本装置的分料口处添加了管料定位装置，更好地保证了送料位置的精确性，提高了加工精度减少了机械加工部分的再调整环节。
本设计包括底座、料仓、自动旋转的分料拨叉、垂直升降机构、自动对正装置以及必要的液压装置等部分组成，其通过料仓底部液压缸提供动力，利用齿条齿轮机构改变动力的传动方向，经过传动轴带动两侧链条升降，从而使料仓底部的载料板能够自由上升和下降。
载料板采用倾斜式设计，使管料在自身重力下可以直接停靠在挡料板上，便于出料。
本装置的出料部分采用拨叉式机构设计，利用旋转拨叉来带动管料的运送，结构灵活简易，便于操作。
同时本装置在管料出料口增加了管料的对正设计，减少了某些自动化加工机械因给料偏差而出现废品的几率，相对于普通加工机械也减少了管料的调整时间。
同时设计了电气控制系统，包括电气原理图、控制面板图、I/O分配、PLC选型和梯形图，最终实现了管料的自动升降、调整及分料过程。
关键词：
自动存储分料；升降机构；对中机构；分料机构
Abstract
Thistopiciselectricalsystemdesignoftheautomaticpipingmaterialstoragedepillardevice,involvingmachineprocessingequipmentfieldthatisapipingmaterialliftingdevice,whichcanrealizethedepillarmaterialofthepipingmaterial,andascendtothedeviceofthefixedposition,therebygreatlyimprovingtheconveyingspeedofthepipingmaterialinthewholehopper,whichlargelysavingdeliverytimeofthepipingmaterial.Meanwhile,thepositioningdeviceofthepipingmaterialisaddedinthedischargeportofthedevice,whichisbettertoensuretheaccuracyoffeedinglocation,improvingtheprocessingaccuracy,andreducingtheadjustmentprocessofthemechanicalprocessingpart.
Thedesignincludesabase,hopper,theseparatingforkofautomaticrotation,averticalliftingmechanism,automaticcenteringdevice,andthenecessaryhydraulicdevice,whichprovidespowerthroughhydrauliccylinderofthebottomofthesilo,changingtransmissiondirectionofthepowerbymeansofarackandpiniongear,drivingtheliftingofchainsofbothsidesthroughthetransmissionshaftsothattheloadingplateofthebottomofthesilocanfreelyriseandfall.Thecarryingboardadoptsaninclineddesign,makethepipematerialcanbedirectlyattheretainingplateinitsowngravity,fordischarging.Thedischargingpartofthedeviceadoptstheforkmechanismdesign,drivingthedeliveryofthepipematerialthrougharotatingfork,structureisflexibleandsimple,operationisconvenient.Meanwhile,thedeviceincreasesthecorrectdesignofthepipingmaterialintheoutlettube,reducingsomeautomatedrefinedmachinesfordeviationthatappearstherateofthescrap,comparedtoordinaryprocessingmachinery,whichalsoreducetheadjustmenttimeofthepipingmaterial.
Meanwhile,designingoftheelectricalcontrolsystem,includingtheelectricalschematicdiagram,controlpanel,I/O,PLCselectionanddistributionofladderdiagram,whichfinallyrealizestheautomaticliftingofthepipingmaterial,adjustinganddistributingprocess.
Keywords:
AutomaticStorageMaterial;LiftingMechanism;theBodyMechanism;FeedingMechanism.
第一章绪论
1.1本课题设计的目的
自动送料系统的研究是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中一个重要的组成部分，当下我国许多行业仍属于劳动力密集型，因此自动化的使用已经越来越重要。
本课题涉及一种用于加工管材的自动分料装置，是一种把一定数量的管材依次送入生长线的自动化供料装置，本装置的进一步目的在于提供一种能适用于多种长度尺寸规格，且调节幅度更大的管料自动送料装置，作用在于能够很好的提高生产效率降低劳动强度[1]。
1.2选题背景
现代制造技术的不断发展，为社会生产力带来了巨大飞跃，自80年代柔性系统进入实用阶段以来，使机械加工的面貌发生了质的变化。
零件制造、金属成型、切削加工等日臻综合自动化，伴随着计算机辅助技术和信息技术的发展，当今机械制造业将进入全盘自动化的时代。
然而，由于加工技术超前于送料技术许多年，目前送料环节多数仍处于手动阶段，两者形成了明显反差。
虽然对于许多块状及板状原料的加工开始了自动送料的研究，并已取得了不错的成果，但管类材料的加工自动化给料仍处于较大的空白阶段，故而希望设计成功管料的自动存储粉料装置。
1.3设计现状和发展趋势
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题，我国现有的管材加工中，在没有实现流水线生产的情况下，工件的分料、提升及定位主要依靠人工完成。
多品种、小批量、加工时间较长的零件，上下料在整个生产周期里所占的时间较少，采取人工上下料是切实可行的。
但对于大批量零件加工且没有实现流水线生产的场合，采取人工上下料，既增加了劳动强度，又增加了辅助时间，降低了生产效率，应该采取可靠、高效的自动上下料方式。
而现有的管料自动存储供料系统中，在流水线生产中将大批管料工件分离多采用链轮链条和棘轮棘爪等分料机构，此类机构存在分料时噪音大、容易卡料且占地面积大等缺陷。
自动化水平的高低，早已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。
目前，一些发达国家早已将注意力像自动送料方向加强，并获得了一定的成果[2]。
这一方面，由于我国人口众多、劳动力便宜，企业不愿意加强投资，但是随着市场经济体制的完善，国内外竞争越来越激烈，企业对生产全面自动化需求也会日趋增长。
从近来发展趋势来看，新型自动管料送料装置的出现已经是不可或缺的，同时，要求也更加严格。
不但需要保证供料的稳定性、快捷性，还要求自动装置能够更好地便于控制及占地小等必须条件。
使用自动存储分料系统的目的在于减少工人的劳动强度，增加必要的安全性，这就要求了新型自动供料系统便于操作的必然性，而且要提高自动化水平，加强控制精度，以便于能够更好地加工机械供应原料，从而提高生产效率。
我相信管料自动分料装置在我国得到全面的应用将在不久的将来逐一实现。
1.4本课题的优势及基本原理
1.4.1特点及相关优势
自动分料机构是实现坯料、工件或产品传送到相应的加工、装配或测试、分类等操作工位上的自动执行机构。
正确选用和设计好送料机构是实现单机自动化，建立自动化生产线的基本条件之一。
本课题是管料自动存储分料装置的机电系统设计，涉及机加工设备领域，是一种分料提升机构，具体地说，是一种管料分料提升装置，可实现管料的分料，并提升到固定位置的装置，这样极大地提高了整个料仓中管料的输送速度，可以保证管料始终处在和加工机械在同一水平面上，很大程度上节省了管料的传递时间。
同时在本装置的分料口处添加了管料定位装置，更好地保证了送料位置的精确性，提高了加工精度减少了机械加工部分的再调整环节。
此外，本装置载料板取用倾斜式，使管料在自身重力下，直接顶靠在分料口，便于分料。
分料口处利用拨叉式机构分料，增加了自动分料装置的灵活性。
相对于其它分料装置，本装置灵活性更高，送料效率更好，并能为多种加工机械提供不同尺寸长度的管料自动存储和送料，优势十分明显。
1.4.2基本工作原理
本发明包括底座、料仓、自动旋转的分料拨叉、垂直升降机构、自动对正装置以及必要的液压装置等部分组成，其通过料仓底部液压缸提供动力，利用齿条齿轮机构改变动力的传动方向，经过传动轴带动两侧链条升降，从而使料仓底部的载料板能够自由上升和下降，当料仓中管料位置略高于出料口时，停止载料板的移动，保证能够顺利送料。
载料板采用倾斜式设计，使管料在自身重力下可以直接停靠在挡料板上，便于出料。
本装置的出料部分采用拨叉式机构设计，利用旋转拨叉来带动管料的运送，结构灵活简易，便于操作。
同时本装置在管料出料口增加了管料的对正设计，减少了某些自动化加工机械因给料偏差而出现废品的几率，相对于普通加工机械也减少了管料的调整时间。
因而本发明操纵方便、实用可靠，占地面积小。
1.5设计的基本要求及主要任务
本设计的基本要求，该管料自动存储分料装置应能适用于绝大多数管状材料，管料直径在Φ89～Φ189之间，管料最长长度可达6000mm，管材的重量在3吨左右，料仓底部载料板可以自由升降，且该管料自动存储分料装置可适用于多数管料加工机械的自动送料。
设计的主要任务，完成总体的运动方案选择，设计相关驱动方法，即升降部件、调整部件和分料部件。
同时完成电气控制系统的设计，包括电气原理图、液压原理图、控制面板、I/O分配、PLC梯形图等。
第二章总体设计方案
2.1机械部分设计方案
该装置是把成捆的管型材料统一存放在管料舱内，然后实现管料单根出料的自动化分粉料装置，集自动存储和分料于一体。
本装置的基本要求，该管料自动存储分料装置应能适用于绝大多数管状材料，管料直径在Φ89～Φ189之间，管料最长长度可达6000mm，管材的重量在3吨左右，料仓底部载料板可以自由升降，且该管料自动存储分料装置可适用于多数管料加工机械的自动送料。
根据本装置的要求，主要涉及升降、调整管料位置及出料几个基本动作。
总体方案如图2-1所示[3]
图2-1总体设计方案
2.1.1调整部分设计方案
管料的调整需要保证左右的位置对中，所以采用两端前法兰式液压缸来保证中心，此方案的好处是位置控制精确，便于操作。
如图2-2所示
图2-2调整设计方案
2.1.2翻料部分设计方案
挡料板处的分料装置设计，在挡料板处控制管料的分料装置需要把管材继续向前传递且不断重复此过程，决定采用液压缸驱动拨叉旋转机构来实现，液压缸1推动连杆2绕转动副C旋转，使其向上摆动从而将管料送出[4]。
图2-3翻料设计方案
2.1.3升降部分设计方案
载料板的升降设计，在管料自动分料的过程中，料仓底部的载料板需要往复的做升降动作，并且需要承担管料本身的自重，故决定采用液压缸驱动，同时利用齿条齿轮装置来改变动力的传动方向，使其由水平方向作用变为竖直方向作用。
利用链条式升降方式实现载料板的上下移动。
液压缸1推动齿条齿轮机构旋转，利用传动轴3带动链轮4，经链轮5、6传动到链轮7、8处，利用链条带动载料板升降。
如图2-4所示
图2-4升降部分设计方案
2.2电控部分设计方案
本课题采用可编程控制器控制，可编程控制器（简称PLC）是发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。
在现代化生产设备中有大量的开关量、数字量、脉冲量以及模拟量需要控制，例如，电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等。
PLC是在固定接线式老装置显然不能适应这种要求的情况下，按照成熟有效的继器控制理念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品。
目前国际上生产可编程控制器的厂家很多，它们主要分布在美国、日本、欧洲各国。
无论哪个厂家的产品，就其技术而言大同小异，可概括有如下特点：
可靠性高，抗抗干扰能力强（平均无故障时间一般可达3—5万小时）；维修方便灵活；功能完善；接线简单；编程简单，使用方便。
可编程序控制器的性能：
1、工作环境，一般PLC的工作的温度为0设施度到55设施度，最高为60设施度，存储温度为-20设施度之+85设施度；相对温度为5%~95%。
（空气条件，周围不能混有可然性，易爆性和腐蚀性气体）。
2、耐振动，冲击性能强，一般PLC能承受振动和冲击频率为10~55HZ，振幅为0.5mm加速度为2g，冲击为10g
3、循环扫描，一周期扫描时间为10ms左右，因此PLC故障率低，不易坏，可靠性高。
本设计采用OMRON的CP1L系列PLC，其特点是具有丰富的CPU单元；独具变频器简易定位功能；覆盖小规模机器控制的需求；最大180点I/O扩展能力；最大程序容量10k字，最大数据容量32k字；脉冲输出100kHz×2轴；高速计数相位差方式50kHz×2轴；单相100kHz×4轴；最大2个串行通讯接口（RS232/RS485任选）；标准配置USB编程接口；支持FB/ST编程；LCD选件板提供丰富的显示/监控功能[5]。
第三章升降部分设计
3.1液压缸选择
液压缸需要提供能够升起3T重的管材加上载料板的总重量，经计算推力
。
选取工作压力为45MPa
由，得
由
得
选活塞直径，液压缸型号选取冶金用标准液压缸，由表23.6-73[7]得活塞杆直径。
系统实际工作压力为
3.2齿轮齿条传动部分设计
3.2.1齿轮齿条设计
已知
1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数
（1）选用直齿圆柱齿轮齿条传动。
（2）该设备为液压驱动，速度不高，故选用8级精度（GB10095-88）。
（3）材料选择。
由表10-1[6]选择齿轮齿条材料均为45号钢（调质），小齿轮硬度为250HBS，大齿轮硬度为220HBS，二者材料硬度相差30HBS。
2、按齿根弯曲强度设计
由公式
（3-1）
代入
得
（3-2）
（1）确定公式内各计算数值
1）载荷系数K
①使用系数，由表10-2[6]查得，传动均匀平稳的液压驱动取
②动载荷系数，由图10-8[6]，8级精度
③齿间载荷分配系数，由表10-3[6]查得，直齿圆柱齿轮
④齿向载荷分布系数，由图10-13[6]得，
所以
2）初取
3）齿形系数及应力校正系数
由表10-5[6]查得，
4）传递扭矩
（3-3）
代入数据得
（2）计算
1）取模数
2）计算齿轮相关参数
（3）校核齿面接触疲劳强度
1）载荷系数
。
2）由表10-6[6]查得材料的弹性影响系数
3）区域系数
4）由图10-21d[6]查得齿轮的接触疲劳强度极限
5）由图10-19[6]取接触疲劳寿命系数
6）计算接触疲劳许用应力。
取时效概率为1%，安全系数
，则
（3-4）
代入数据得
7）校核接触强度公式
（3-5）
代入数据得
故齿轮接触疲劳强度校核合格
3.2.2主传动轴设计
1、传动轴受力分析
传动轴受力分析如图3-1所示
图3-1传动轴受力
2、初步确定轴的最小直径
利用扭转强度条件设计[8]
（3-6）
代入数值得
查表15-3[7]得，
3、轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案
装配方案如图3-2所示
图3-2装配方案图
（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1）为了满足半联轴器的轴向定位要求，1轴段右端需制出一轴肩，结合轴的最小直径要求，故取，半联轴器与轴配合的毂孔长度，1-2段长度应比毂孔长度略短一些，现取。
1-2轴右端需制出轴肩，故取。
2）初步选择滚动轴承。
因轴承受较大径向力和较小的轴向力的作用，故选用角接触球轴承。
参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承7000型02系列7213C轴承，查得其尺寸为
故根据结构和距离要求取。
3）根据齿轮的安装要求，取安装齿轮处的轴段的直径，由齿轮厚度及及结构要求，取齿轮段轴的长度。
4）为满足齿轮的轴向定位要求，需在3-4段上用轴肩定位，故取。
长度为。
5）6-7段需要安装轴承，型号与前轴承相同，所以取，长度
6）7-8段装配联轴器，型号与前面相同，故，。
（3）轴上的周向定位
1）联轴器的周向定位采用平键连接，按表6-1查得平键截面尺寸，键槽采用键槽铣刀加工，长度为110mm，同时为保证联轴器与轴有良好的对中性，选取联轴器与轴的配合为
。
2）圆柱齿轮的周向定位采用平键连接，由表6-1[8]查得平键截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工，长度为63mm，同时为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为
。
3）滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为k6。
4、通过弯扭合成强度条件计算
通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。
计算步骤如下：
（1）作出轴的计算简图
轴所受的载荷是从轴上零件传来的，将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。
先求出轴上受力零件的载荷，并将其分解为水平分力和垂直分力，如图3-3a所示。
（2）做出弯矩图
根据上述简图，分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别做出水平面上的弯矩图（图3-3b）和垂直面上的弯矩图（图3-3c），然后计算出总弯矩并作出M图，如图3-3d[10]。
（3）做出扭矩图
扭矩图如图3-3e所示
图3-3a计算简图
图3-3b垂直方向弯矩图
图3-3c水平方向弯矩图
图3-3d弯矩合成图
图3-3e扭矩图
表3-1弯矩、扭矩表
载荷
水平面H
垂直面V
支反力F
弯矩M
总弯矩
扭矩T
（4）校核轴的强度
按第三强度理论，计算应力
（3-7）
则轴的弯扭合成强度为
选定轴材料为45号钢，调质处理，查得[11]。
因此，故安全。
3.2.3键的强度校核
该键为与齿轮配合的键，键为普通平键，尺寸。
键与轴的材料为45钢查得许用应力
，取
[9]键与轴所受扭矩
因此，键的挤压强度为
（3-8）
代入数据得
所以键的强度合格。
3.3双列链轮部件设计
3.3.1链的选择
1、链传动的失效形式
链传动的失效形式包括：
链的疲劳破坏、链条铰链的磨损以及链条铰链的胶合。
2、选取传动链
根据需要传动的拉力
由表13-2-1选取抗拉载荷的单排滚子链08A，节距
3、相关尺寸
查表13-2-1[9]得，链的相关尺寸如图3-4所示
（1）滚子直径
（2）销轴直径
（3）空套直径
（4）链节内宽
（5）内链节外宽
（6）链节宽
图3-4链示意图
3.3.2链轮设计
1、链轮齿数的选择
双列链轮是链传动中的主动轮，同时也是大链轮。
当给定磨损量，即链节的长增长量一定时，链轮的齿数越多，链轮上一个链节所对应的圆心角就越小，铰链所在圆的直径的增加量越大，铰链会更接进齿顶，从而增大了跳链和脱链的机会。
因此，链轮的齿数不宜过多，通常限制链轮的最大齿数。
取
2、链轮的基本参数和主要尺寸，如表3-2所示
表3-2基本尺寸
名称
符号
计算公式
数值（mm）
分度圆直径
d
230
齿顶圆直径
238
齿根圆直径
222
齿高
12.4
25.2
续表
齿宽
8
凸缘直径
115
轮毂长度
l
50
链轮如图3-4所示
图3-4链轮示意图
3.3.3链轮轴设计
1、初步确定轴的最小直径
利用扭转强度条件设计
（3-9）
代入数值得
查表15-3[6]得，
所以，轴的直径
2、轴的结构设计
（1）拟定轴上零件的装配方案
装配方案如图3-5所示
图3-5装配方案图
（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
1）初步选择滚动轴承。
因轴承受较大径向力和较小的轴向力的作用，故选用角接触球轴承。
结合轴的最小直径要求，取，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承7000型02系列7212C轴承，查得其尺寸为
故根据结构和距离要求取。
2）根据链轮的安装要求，取安装链轮处的轴段的直径，由链轮宽度及结构要求，取齿轮段轴的长度。
3）3-4段需要安装轴承，型号与前轴承相同，所以取，
4）为了满足半联轴器的轴向定位要求，4-5轴段左端需制出一轴肩，结合轴的最小直径要求，故取，半联轴器与轴配合的毂孔长度，4-5段长度应比毂孔长度略短一些，现取。
（3）轴上的周向定位
1）联轴器的周向定位采用平键连接，按表6-1查得平键截面尺寸，键槽采用键槽铣刀加工，长度为110mm，同时为保证联轴器与轴有良好的对中性，选取联轴器与轴的配合为
。
2）链轮的周向定位采用平键连接，由表6-1查得平键截面尺寸，键槽用键槽铣刀加工，长度为110mm，同时为链轮与轴配合有良好的对中性，故选择链轮轮毂与轴的配合为
。
3）滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的尺寸公差为k6。
3、计算轴上的载荷
根据轴的结构简图3-5计算其弯矩、扭矩。
弯矩图、扭矩图如图3-6所
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