数控冲床自动送料机.doc

1 前言
这一部分是对该毕业设计总体的工作内容和任务的介绍，包括选题的目的和意义、对送料机的概述、对于数控冲床送送料机国内外研究的新技术及本次对于数控冲床送料机的设计步骤。
1.1 选题的目的和意义
目的:设计一台能够实用并能工用于相关生产的数控冲床送料机，以提高在冲压生产中的工作效率，并且能够最大限度的改善工人的工作环境。
意义：能够通过本次设计，提高自己对于机构分析、机电设计、机械设计、控制方法等多方面对于设计的能力，以及对于总体的综合设计能力的提高。可以稳固大学之中学到的各种知识（比如机械设计、机械原理、控制工程、机电传动与控制、PLC编程等学科，以及CAD等制图软件等等），能把自己学到的这些知识整合利用，用于自己的设计之中，提高自己的设计水平以及对于知识的实践和应用能力，为自己将来的实际工作实践打下良好的基础。
1.2 关于送料机的相关的介绍
送料机是专门用于片状料，粒料,粉料的运输,送料机一般精度较高以满足生产的需要，并且环保省时,很大程度上减少劳动强度.　　
送料机的种类
1.2.1 埋刮板送料机
　　埋刮板送料机由封闭的壳体、刮板链条、驱动装置及张紧装置等部件组成。埋刮板送料机工作时，物料经进料口进入机壳承载段，受到刮板的推力，与刮板链条形成整体一同向前运动，达料槽的卸料口自行排出，刮板链条沿机壳的空载段返回。因其在工作时刮板链条被埋没在物料中与物料一起向前移动，故称为“埋刮板送料机”。
1.2.2 带式送料机
　　带式送料机的一般结构主要由输送带、滚筒、支承装置、驱动装置、张紧装置、卸料装置、清扫装置和机架等部件组成。带式送料机是一种连续送料机械，用一根环绕于前、后两个滚筒上的输送带作为牵引及承载构件，驱动滚筒依靠摩擦力驱动输送带运动，并带动物料一起运行，从而实现输送物料的目的。
1.2.3 斗式送料机
　　斗式送料机主要由牵引构件（橡胶带或链条）承载构件（料斗）头轮和底轮、驱动装置、张紧装置、机壳等组成。闭合的牵引构件环绕于头轮和底轮上，并被张紧装置张紧。牵引构件的全长上，每个一定距离装置一个料斗。为防止物料的抛撒和灰尘飞扬，这些运动的部件用机壳封闭。工作时，外部的驱动装置通过头轮带动牵引构件和料斗运行。物料从机座的进料口进入机座底部，被运动着的料斗挖起并向上提升。达机头后，物料再重力和离心力的作用下脱离料斗，从卸料口排出。
1.2.4 振动送料机
　　振动送料机主要由输送槽、激振器、主振弹簧、导向杆、隔振弹簧、平衡底架、进料装置和卸料装置组成。振动送料机是利用某一形式的激振器使槽体沿某一倾斜方向产生振动，从而将物料由某一位置运送至另外一个位置。
1.2.5 螺旋送料机
螺旋送料机主要由料槽、螺旋叶片和转动轴组成的螺旋体、两端轴承、中间悬挂轴承及驱动装置所组成。当螺旋体转动时，进入机槽的物料受到旋转叶片的法向推力，该推力的径向分量和叶片对物料的摩擦力将使物料绕轴转动；而物料的重力和机槽对物料的摩擦力又阻止物料绕轴转动。当螺旋叶片对物料法向推力的轴向分量克服了机槽对物料的摩擦力及法向推力的径向分量，物料和睦螺旋一起旋转，只沿料槽向前远移。（参考来源：百度百科）
1.3 数控冲床自动送料机国内外研究的新技术
现代送料机技术发展迅速，现代的送料机向全自动化、高效率、可加工工件的高精度化和大型化等方向发展。
床身一般采用高抗压向的铸铁制造，以满足大型零件加工时对床身的强度要求；传动部件采用精度相对较高的滚珠丝杠；对于导轨的要求采用摩擦系数较小的滑动导轨、滚动导轨和混合型的导轨；工作的台面现在一般采用滚珠球结构，以保证加工时不会划伤板材；所用到的电缆、电线等采用屏蔽式电缆，并且采用拖链保护，以此来有效地防止干扰；夹具采用气动夹具来满足自动化的要求，并提高加工效率，降低工人的劳动强度；对于系统现在一般采用的是智能工控机系统，能够实现Autocad的自动图像的转换，保证加工效率和加工零件的强度。
1.4 对于本次数控冲床自动送料机设计的相关介绍
1.4.1 对于总体设计的构思，包括总体的设计框架、工作原理、控制的实现等方面
通过查阅有关数控冲床送料机的相关知识和新闻，对其有一定的认识，然后通过对这些知识的分析，弄明白相关的工作原理与控制方式，初步确定所设计的送料机用于较大钢板的加工，送料机可以带动钢板做横向、纵向两个方向的水平移动。
并用PLC控制电机并工作台是工作台实现点动控制
1.4.2 总体构思完成后，对各机械零件的设计计算
在进行总体结构的构思之后，设定该冲床用于对于钢板的运输，主要满足于加工瓶盖、钢板打孔等工作的需要，根据生产工作的需要（即所要运输的物料的最大的重量，每天所生产的工作量的要求以及送料机的工作寿命等），对组成送料机的零件进行设计计算。包括滚珠丝杠，电机的选择等。
1.4.3 送料机总体装配的设计和改进
根据所设计的各个零件的大小确定出机床床身的长、宽、高。画出总体的装配图，并结合实际的生产需要，优化改进方案。
1.4.4 送料机控制部分的设计
控制部分采用PLC编程控制，电动机直接带动丝杠转动。
控制部分实现：
第一步，当按钮按下，工作台与冲床同时启动，并且工作台将物料准确的放到要加工的位置。
第二步，加工过程中，首先工作台横向单方向点动，当加工完一行，横向停止运动，纵向单方向移动一个位置；下一步纵向停止运动，横向反方向单向移动。以此循环，直到物料加工完毕。
第三步，当物料加工完毕后，冲床停止，工作台回到起始位置。

2 机械部分的设计
2.1 滚珠丝杠的设计
2.1.1 横向进给丝杠的设计（x向）
(1)计算进给率引力（N）
横向进给为圆导轨
=G=0.15×600=120(N)
式中，——滑动导轨摩擦系数0.15-0.18,取0.15；
G——工作台及溜板重力：G=800N。
(2)计算最大动载荷C
=

C==10.17×1.2×120=1464.17(N)
式中，——滚珠丝杠导程，初选；
——最大进给速度，取最高进给速度的1/2。此处Vs=60mm/s=3.6m/min；
T——使用寿命，按29200h；
——运转系数，按一般运转取fw=1.2~1.5，这里取1.2；
L——寿命，以转为1单位。
(3)滚珠丝杠螺母副的选型
查阅设计手册，并结合设计以及工作的需要，可选用外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，设定长度为2.199m，其额定动载荷为16400N，选定精度为3级。
(4)传动效率的计算
η===0.9534
式中，——螺旋升角， ；
——摩擦角取。
(5)刚度检验

图2.1 结构分析图
纵向进给丝杠的支撑如图1所示，最大牵引力为120N，支撑间距为L=160mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3
(5.1)丝杠的压缩及拉升变形量(mm)
工作负载的作用引起的导程的变化量：

公式中，——在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm）；
——工作负载，即进给率引力（N）；
——滚珠丝杠的导程（mm）
E——材料的弹性模数，这里材料为钢，取；
F——滚珠丝杠截面积（按内径确定）（）。
“+”号表示用于拉伸时，“-”号表示用于压缩时。

丝杠总长度上拉伸的变形量：
=
公式中，L——滚珠丝杠的受力长度(mm)。
=

因为均采用角接触轴承，并且丝杠进行了提前预拉伸，所以他的抗压刚度可以提高四倍，其实际的变形量(mm)为：
=
(5.2)滚珠与螺纹滚道间接触变形
此项在总的变形量当中也占较大比值。当对滚珠丝杠加油预紧力，并且为轴向最大载荷的三分之一时，δ的值可以减少一半。
查阅W系列2.5圈1列丝杠副滚珠与螺纹滚道的接触变形图。
W系列2.5圈1列滚珠与螺纹滚道接触变形量：

因进行了预紧
=
(5.3)支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采用7007c角接触轴承，d=35mm，滚动体直径=7mm，数量z=18。

因施加预紧力，所以

总的变形量为:定位精度

显而易见，
（6）稳定性校核
滚珠丝杠两端角接触轴承，不会产生失稳现象，所以不需要做稳定性的校核。
2.1.2 纵向进给丝杠
(1)计算进给率引力（N）
纵向进给也给圆导轨

式中，f——滑动导轨摩擦系数0.15-0.18,取0.15；
G——工作台及溜板重力：G=60N。
(2)计算最大动载荷C

C==10.17×1.2×90=1098.12（N）
(3)滚珠丝杠螺母副的选型
查阅设计手册，并结合设计以及工作的需要，可选用外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，设定长度为1.7m，其额定动载荷为16400N，选定精度为3级。
(4)传动效率的计算
η===0.9534
(5)刚度检验
参考图2.1，纵向进给丝杠的支撑如图2所示，最大牵引力为90N，支撑间距为L=2110mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
(5.1)丝杠的压缩及拉升变形量
工作负载的作用引起的导程的变化量：

丝杠总长度上拉伸的变形量：
=
因为均采用角接触轴承，并且丝杠进行了提前预拉伸，所以他的抗压刚度可以提高四倍，其实际的变形量(mm)为：
=
(5.2)滚珠与螺纹滚道间接触变形
此项在总的变形量当中也占较大比值。当对滚珠丝杠加油预紧力，并且为轴向最大载荷的三分之一时，δ的值可以减少一半。
查阅W系列2.5圈1列丝杠副滚珠与螺纹滚道的接触变形图。
W系列2.5圈1列滚珠与螺纹滚道接触变形量：

因进行了预紧
=
(5.3)支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采用7007c角接触轴承，d=35mm，滚动体直径=7mm，数量z=18。

因施加预紧力，所以

总的变形量为:定位精度

显而易见，
(6)稳定性校核
滚珠丝杠两端角接触轴承，不会产生失稳现象，所以不需要做稳定性的校核
滚珠丝杠的设计如图：

图2.2 丝杠结构图
丝杠螺母传动副的设计图：

图2.3 丝杠螺母传动副
2.2步进电动机的计算和选用
2.2.1横向（即X轴）电机的选用
在选择步进电动机时，必须第一步根据所设计的机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等向转动惯量，然后分别计算出需要的等效力矩，最后根据步进电机的启动、运行据频特性和所需的最大静转矩选择合适的步进电动机。
（1）转动惯量的折算
(1.1)丝杠上转动惯量的计算
圆柱体转动转动惯量（kg·cm²）计算公式如下：
J=MD²/8
对于钢材J=0.78L×
=0.78L×=
(1.1.1)工作台折算到丝杠上的转动惯量:
=
(1.1.2)丝杠折算到电机轴上的转动惯量:
因为装配采用的是电机与滚珠丝杠直接相连的形式，所以传动比i=1，所以:

(1.1.3)整个传动系统对电机轴的总的传动惯量

(2)电机力矩的计算
电机在快速空载启动时所需力矩和快速进给时所需力矩两种工况下所需力矩是不同的，下面分这两个方面分别设计计算。
(2.1)快速空载启动时需要的力矩

式中，——快速空载启动力矩
——空载启动折算到电机轴上的加速力矩
——折算到电机轴上的加速力矩
——由于丝杠预紧时折算到电机轴上的摩擦力矩
空载启动折算到电机轴上的加速力矩：

式中，——传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量（）；
——电机的最大转速(r/min)；
——运动部件量最大快进速度(mm/min)；
——不仅电机的步距角(°)；
——运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）。

=
折算到电机轴上的摩擦力矩：

式中，——导轨的摩擦力(N)；
G——横向运动部件的总重量（N）；
——导轨摩擦系数；
i——齿轮降速比；
——传动链的纵的效率，在这里取0.8；
——滚珠丝杠的导程（cm）；

由于丝杠预紧时折算到电机轴上的摩擦力矩

式中，——滚珠丝杠预加负载荷，在这里取40N；
——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，这里取0.95。

由以上各式得，快速空载启动时需要的力矩：

(2.2)快速进给时需要的力矩

显而易见
由计算得，根据快速启动确定电动机的类型。
(3)步进电动机的选择
该数控冲床自动送料机采用反应式步进电动机。
第一步，根据最大的转矩初选电动机的型号
又：
步进电机
相数
三相
四相
五相
六相
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12

0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
表3.1 步进电机的最大最大静转矩M和步进电机启动转矩之间的关系
由表可得，选择步进电机为三相六拍时，，所以，

通过查表可得，电机采用国产BF反应式步进电机，初选型号型号为55BF002，最大静转矩为0.245N·m，大于所需要的最大静转矩。
第二步，电机工作频率的计算
计算步进电机工作时的最大频率

第三步，验证步进电机电机的启动频率和运行矩频特性
查表可得，55BF002型电机的最高空载启动频率为850Hz，运行频率为12000Hz。由55BF002步进电机电机的启动频率和运行矩频特性图可知，启动矩频为800Hz时，起动转矩M<5N·cm，远远不能满足要求，故采用升降速控制，可以调整启动频率降到50Hz以下，然后再电路上采用高低压驱动电路，电动机输出力矩还可以扩大一倍。
快速进给时满足电机的矩频特性完全满足要求。
2.2.2 纵向（即Y向）电机的计算和选用
(1)转动惯量的折算
(1.1)丝杠上转动惯量的计算
圆柱体转动转动惯量（kg·cm²）计算公式如下：
J=MD²/8
对于钢材J=0.78L×
=0.78L×=
(1.2)工作台折算到丝杠上的转动惯量:
=
(1.3)丝杠折算到电机轴上的转动惯量:
因为装配采用的是电机与滚珠丝杠直接相连的形式，所以传动比i=1，所以:

整个传动系统对电机轴的总的传动惯量

(2)电机力矩的计算
电机在快速空载启动时所需力矩和快速进给时所需力矩两种工况下所需力矩是不同的，下面分这两个方面分别设计计算。
(2.1)快速空载启动时需要的力矩

空载启动折算到电机轴上的加速力矩：

=
折算到电机轴上的摩擦力矩：

由于丝杠预紧时折算到电机轴上的摩擦力矩

由以上各式得，快速空载启动时需要的力矩：

(2.2)快速进给时需要的力矩

显而易见
由计算得，根据快速启动确定电动机的类型。
(3)步进电动机的选择
该数控冲床自动送料机采用反应式步进电动机。
第一步，根据最大的转矩 初选电动机的型号
由表1可得，选择步进电机为三相六拍时，，所以，

通过查表可得，电机采用国产BF反应式步进电机，初选型号型号为55BF002，最大静转矩为0.245N·m，大于所需要的最大静转矩。
第二步，电机工作频率的计算
计算步进电机工作时的最大频率

第三步，验证步进电机电机的启动频率和运行矩频特性
查表可得，55BF002型电机的最高空载启动频率为850Hz，运行频率为12000Hz。由55BF002步进电机电机的启动频率和运行矩频特性图可知，启动矩频为800Hz时，起动转矩M<5N·cm，远远不能满足要求，故采用升降速控制，可以调整启动频率降到50Hz以下，然后再电路上采用高低压驱动电路，电动机输出力矩还可以扩大一倍。
快速进给时满足电机的矩频特性完全满足要求。

3 控制部分的设计
本部分设计的任务包括三部分：
第一，能够实现当启动按钮按下，工作台与冲床同时启动，并且工作台将物料准确的放到要加工的位置。
第二步，实现在加工过程中，首先工作台横向单方向点动，当加工完一行，横向停止运动，纵向单方向移动一个位置；下一步纵向停止运动，横向反方向单向移动。以此循环，直到物料加工完毕。
第三步，实现当物料加工完毕后，冲床停止，工作台回到起始位置。
3.1 PLC简介
3.1.1 PLC基本概念
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。
3.1.2 PLC的运作方式
虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 　　步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生。
3.2 控制设计
工作流程流程如图所示：

图3.1 工作流程图
控制要求：
首先应该保证工作台移动的距离的精度，以此来保证加工的精度。
控制部分实现：
第一步，当按钮按下，工作台与冲床同时启动，并且工作台将物料准确的放到要加工的位置。
第二步，加工过程中，首先工作台横向单方向点动，当加工完一行，横向停止运动，纵向单方向移动一个位置；下一步纵向停止运动，横向反方向单向移动。以此循环，直到物料加工完毕。
第三步，当物料加工完毕后，冲床停止，工作台回到起始位置。
整个控制部分采用PLC编程程序控制步进电动机来实现工作台的间隔移动。
控制部分的设计：
一个PLC控制系统由信号输入元件（如按钮、限位开关、传感器等），输出执行元件（如电磁阀、接触器、电铃等），显示器件和PLC构成。因此，PLC控制系统的设计就包括这些器件的选取和连接等。
该工作台是够实现左右、前后的移动（即共有2个自由度），每个输入以及输出元件都采用常开继电器与PLC相连；由于工作台共有俩个自由度，所以在两个方向上各配有一个步进电动机，根据计算两个步进电动机采用同一型号。由于所选用的CPM1A的输出电流较小，所以需经过放大电路放大后才能驱动电机运转。

总 结
到现在为止，关于毕业设计的所有的工作已经完成，包括机械装配图的绘制、控制电路的设计及电路图的绘制、关于机械部分手工图纸的绘制工作和毕业设计说明书的编写等部分。
通过这次毕业设计，我学会了很多。首先，应该是自己的对与专业知识的掌握又加深了一步，感觉到真的是活到老学到老，自己不懂的知识还有很多很多。其次，就是自己资料的能力以及学习能力，还有自己的创新精神都有了很大程度的提高，不得不承认毕业设计是考察学生四年来努力程度的最好的方法，只有平时把基础的知识掌握了，知道什么地方有有哪个知识点，什么地方可以查到相关的知识来作为自己毕业设计题目的参考，这样可以省去自己很大一部分的时间和精力，并且越来约有目标与信心来完成自己的设计。最后，也是最大的收获就是自己对于知识的应用有了很大程度上的认识和提高，包括在思念大学期间学过的机械设计、机械原理、机电传动与控制、微型计算机应用技术、PLC编程等等。通过这次设计自己才会去思考怎样将这些自己学到的知识更好的应用于生产之中。总之，自己在这次毕业设计中学到了很多，很认识到自己的很多的不足，以后一定加倍努力克服自己的不足之处。

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63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究
77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制
112. PIC单片机在空调中的应用
113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究
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