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1、上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 _立式金属带锯床的机械设计与控制系统的研究 _学 院 机械学院 专 业 机电一体化 班 级 BJ0807 学 号 44 姓 名 指导教师 定稿日期： 2011 年 12月 日立式金属带锯床的设计与控制1 选题背景及其意义本课题源于对现有的一种卧式金属带锯床的改造项目。以此为背景研究了金属带锯床控制系统，在此过程中设计了立式金属带锯床的机械结构，并对锯条张紧力的确定、液压系统控制问题进行了试验研究，并设计了基于windows操作系统的带锯床控制系统。金属带锯床是机械加工的备料设备，国内外对卧式带锯床研究较多，由于立式带锯床锯架运动较难控制，金属锯带需
2、要扭转90度，锯带寿命低，没有找到合理的锯切参数等原因，影响到立式带锯机的设计及应用。全套图纸，论文加153893706本课题设计的金属带锯床之所以采用立式结构，是因为同尺寸的锯轮，立式金属带锯床比卧式所锯切的尺寸大，同时锯床占地面积小，结构紧凑，安全可靠操作灵活，易于观察，调整方便。金属带锯床作为轴类零件、模具等制造的第一道工序所需设备，其加工精度和自动化程度直接关系到后续工序的效率和质量，因此，金属带锯床控制系统设计研究也具有现实意义。随着我国制造自动化水平的提高和生产过程管理自动化的发展，需要加工设备有良好的操作界面，能够对加工状态进行实时监控、保存、显示和处理加工过程数据、历史数据，并
3、对数据进行分析与计算。机电一体化技术使电子技术、计算机技术与机械产品有机结合，为机械行业和制造业注入了新的活力，正在得以广泛的应用。本课题的研究工作就是在完成立式金属带锯床的机械结构基础上，将在线监测和自动控制引入了金属带锯床控制系统，采用windows作为系统操作平台，利用PC机及PLC对金属带锯机进行控制和管理，实现金属带锯床的自动北、网络化。实现一人多机的生产条件，提高劳动生产率，“便于企业实现对各环节的统一管理”。2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）2.1金属带锯床的国内外研究与应用概况2.1.1金属带锯床的发展历史弓锯床、圆盘锯床及带锯床是三种主要锯床形式，其中带锯床正逐步代替传
4、统弓锯床和圆盘锯床而开始占据主导地位。虽然带锯床开发、普及的历史较短，但技术进步显著。上世纪60年代切断150mm的45号钢需要1520min，今日仪需152min，30多年间效率提高了10倍。在材料的利用率方面，带锯床也具有明显优势，如切断100mm的45号钢锯口处，带锯床与弓型锯相比可节约原材料56，与圆盘锯床相比节约原材料高达875。由此可见，带锯床具有切割速度快、尺寸精度高、材料损失小等特点。除此之外，金属带锯床适应性厂、动力消耗低、操作简便、易于维护并可进行角度切割，因而获得了越来越广泛的应用。在欧美等发达国家，弓锯床已基本被淘汰，而带锯床迅速普及，这一趋势在德国尤为明显。以世界头号
5、锯床生产厂家德国贝灵格(BEHRINGER)公司为例，其生产双立柱带锯床的历史已有20余年，至今己开发近百个型号，达到了很高的技术水平。2.1.2我国金属带锯床的发展概况随着近年来我国国民经济的快速发展，带锯床逐渐开始普及，目前已有生产厂家通过技术创新，研制开发了数控带锯床。目前我国锯床制造水平有了很大程度的提高，提高的途径主要有锯床用户积极和科研院所联合，对已有的普通带锯床进行数控化改造；锯床生产商利用可编程控制器实现锯床的自动化或采用其它改进措施；科研机构对锯床做一定深度的理论研究，如哈尔滨理工大学的全自动带锯床的模糊控制系统的研究等。虽然我国制造水平虽有很大程度的提高，但众多的国内锯床生
6、产厂家，总体又以中低档产品居多，存在返修率高和锯口粗糙、加工范围较窄等问题。如包头某一钢铁公司购置的一台大型锯床，投入使用不久就发生多起故障。由于设备生产商的检修费用较高，用户又缺少必要的技术手段与资料，导致设备一直不能正常工作。但同样一台先进的德国锯床使用达十几年却很少出故障，所以锯床返修率高的问题已成为制约许多国内锯床企业发展的一个重要因素。另一制约因素是对于有色金属及特硬难加工材料的锯切往往依赖于进口国外先进锯床。所以我国锯床产业急需提高制造档次，向着生产中、高档锯床产品的方向发展。2.1.3金属带锯床的发展趋势金属带锯床作为机械加工制造的第一道工序所需设各，其加工精度和自动化程度直接关
7、系到后续工序的效率和质量，加工精度需要进一步提高。采用先进的变频电动机驱动、精密的滚珠丝杠传动和光栅定位方式，配以伺服控制的液压系统，由计算机自动在线监控锯切全过程，锯条速度、进给速度、卡紧力均可做到任意设置、最优化组合，由此提高锯床的加工精度。提高锯切效率，尤其是提高厚材及硬金属锯切效率，避免锯切成为整条生产线的瓶颈，一直是锯切及锯床技术领域多年关注的焦点。德国贝灵格锯床锯切不锈钢切削率达48cm：min。该公司还设计了安装两个锯切系统的锯床，可同时对工件进行两次锯切，从而大大提高生产效率，改善了锯切加工的经济性。锯床全数控化、网络化的发展趋势。大型工件的切割过程往往持续数小时，为保证一人多
8、机的生产条件，提高锯切加工的精度和效率，锯切过程的全数控化势在必行。网络化生产、远程诊断及维护是当今数控机床的发展趋势，数控锯床也不例外。网络化生产可以使锯切过程与其余环节相联系，提高生产率，便于企业对各环节实现高教的统一管理。远程诊断和维护更是经济全球化的结果，可以提供跨国跨区域极为迅捷的设备维护”。2.2本文的研究目标与应用前景我国机加工工厂目前约有几十万个，每个工厂至少应具备一台金属带锯床，则全国需要几十万台，所以现今国内锯床市场广阔。国外发展金属带锯床较早，从历届国际机床展览会上看，其自动化平和设计水平发展很快。但国内最先进的全自动金属带锯床目前只是采用PLC控制系统。国内现有金属带锯
9、床还普遍存在结构复杂，使用过程中带锯条易断裂、掉带，只适用于金属圆钢、方钢的切割，自动化程度低，精度低，多台协同加工困难等问题。随着坯料精度要求的提高及生产管理的自动化，尤其是企业CIMS的实行，对备料设备金属带锯床的要求越来越高。于是基于windows操作系统，利用PC机及PLC对金属带锯机进行控制和管理，并采取相应机械结构，即可以实现自动化加工的目的，又提高了金属带锯机的加丁精度， 而且使之适合于企业的CIMS系统，成为现代企业自动化加工的新要求。针对带锯床出现的这些问题，我们形成了新的设计思路，设计最大切割尺寸为180mm的立式金属带锯床，并对控制系统做如下改进第一：改进操作方法，以实现
10、全自动加工。可编程控制器(PLC)来实现对机床动作的判断与自动控制，可实现不需人参与的加工。第二：由个人计算机(PC)控制多台金属带锯床同时进行相同或不同的加。工人只需根据机床的不同在PC上输入各项参数即可完成全部工作，从而人大提高了加工效率和加工精度，降低了工人的劳动强度。第三：采用调速电机实现对带锯速度的调节，使该机床可加工材料的范围得到了扩大。第四：由液压系统控制锯架的进给，可自动适应不同材料的加工。第五：应用双夹具，液压夹紧，通过液压装置完成自动送料。基于windows的金属带锯机控制系统具有良好的人机界面，使用操作十分方便，既可以提高带锯机的加工精度，又便于企业实现高效的统一管理，使
11、之适于企业的CIMS系统，符合了当前的发展趋势，满足现代企业自动化加工的新要求。3 研究内容3.1金属带锯床的机械系统设计（夹紧装置、夹具、锯带张紧装置等）3.1.1立式带锯结构原理 机床由机架、主传动、锯架、工作台、冷却机构、电气系统、进给系统和导向系统等九个部分组成。（1）机架：由底座、左右端支柱、侧支柱、两条导轨支架及外围护板等组成。见图1-1：图3-1 机床平面图左右端支柱、侧支柱、导轨支架等，均焊固在底座上，结为一长方体筐架。各部件局面安装在底座上。机架顶端固定着内、外工作台。两条导轨支架上平铺着经过表面加工的钢轨，支承、并供锯架纵向往返滑移，实现快进、工进、快退，完成切割工作。机架
12、内、外设有护板，内护板接住工作台上流下的铁屑、冷却水，流放到容屑槽内。（2）主传动：采用交流变频无极调速齿轮减速箱，主动锯轮固装在主传动主轴上与变速箱伸出轴连接，驱动系在锯轮上的带锯条，可分别获得12-60M/min的切割线速度。锯架：锯架为组焊的弓形箱体。箱体侧面装有带锯条导向机构、操作台、操作面板。箱体下部装有进给系统、滚轮机构、冷却系统。箱体内装有锯轮从动锯轮I、从动锯轮II、主动锯轮、张紧机构与控制元件、电气系统。滑座板用三副套装的M30、M16螺钉与锯架主板连接。滑座板上装有带锯条张紧机构和从动锯轮I。张紧油缸、滑块、从动锯轮均系在从动锯轮轴上。油缸拖动滑块在滑座板内作上、下滑行，滑
13、行全程70MM，以适应调节不同长度的带锯条的使用。调节三副螺钉，改变从动锯轮位置，从而达到从动锯轮与主动锯轮高精度的共面度和轴线平行度。锯架由固定在底座上的滚子导轨支持，有进给系统驱动锯架左右滑行，完成切削和退刀运动。两端设有行程开关，用以控制锯架的极限行程。跟随锯架移动的电缆、液压油管经拖链、锯架腔内进入配电板，机床整齐、美观、大方。（3）进给机构：由交流变频电动机、控制板、减速箱、电磁离合器、支架、滚珠丝杆及导轨支架等组成。锯架与滚轮机构用螺钉固为一体。电动机控制的传动链，驱动横跨在两条导轨上的滚轮，使锯架获得无极调整的进给速度，数值可以在显示屏幕上显示。（4）工作台：内外工作台之间留有供
14、带锯条穿过的通槽。内工作台与左右端支柱之间没有螺丝连结的两垫板，只需启动液压油缸抬升内工作台，卸下垫板，就要更换锯条。（5）升降滑台导向机构：主要起到锯带导向作用，由夹持带锯条的硬质合金“导向压块”分部在工件的两侧。下导向压块固定，尽可横向微调。上导向压块装在可沿导向座上下滑动的导向杆上。松动导向臂板上的螺钉，调整“导向压块”使带锯条处于张紧后的“完好直线”状态。3.1.2主要技术参数：锯架采用矩形封闭断面，具有足够的刚度，两锯带导向器之距大于工件尺寸5mm，两导向槽平行度为0. Olmm,锯带运动的直线轨迹与两固定钳连线的垂直度为0.005。工作台平面与锯带垂直度为0.005，两锯轮锯带背定
15、位面在垂直工作台平面内的平行度为0.02，两轮轴线平行度为0.01。送料导轨与夹紧固定钳面平行度为0.005。3.1.3设计夹紧机构时应满足的基本要求1、应具有足够夹紧力，并有较高的加紧刚度，以保证整个加工过程中不应由于切削力和自重的作用而产位移，从而保证加工精度。夹紧力的大小应能调节。2、应具有自锁性能，在动力源切断后，还能可靠的加紧，以保证安全。3、夹紧时不应使被夹紧部件产生过大的变形，为此应正确选择夹紧力的作用点。4、夹紧时，被夹紧部件不应产生额外的移动，以保证定位精确。5、夹紧机构松开时，被夹紧部件移动时的阻力应很小。操纵方便，易于实现集中或远距离操纵。夹紧动作应力求迅速，以缩短辅助时
16、间，有时要求在夹紧或松开时能发出信号3.1.4锯带张紧装置的设计目的由于锯切不同材料利锯带的张紧程度不同及锯带更换方便，我们设计了液压张紧装置。为了方便拆装，把张紧装置固定在上导带轮上，用它调节上导带轮的位置来改变中心距。预定调节压力值由计算机从数据库中选取，调节时通过压力传感器监测。当压力值达到预定值时换向阀置中位停止进油，调节结束。3.2液压系统的设计3.2.1液压系统部分一个完整的液压系统由以下四部分组成（1）动力装置最常见的形式就是液压泵，是将电动机输出的机械能转换成油液液压能的装置。其作用是向液压系统提供压力油。（2）执行装置包括液压缸和液压马达，是将油液的液压能转换成驱动负载运动的
17、机械能的装置。（3）控制调节装置包括压力、流量、方向等控制阀，是对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装置。（4）辅助装置包括上述三部分以外的其他装置，例如油箱、过滤器、油管等。它们对保证液压系统正常工作起着重要的作用。3.2.2液压系统流程图3-2液压系统流程3.3控制系统的设计3.3.1PLC控制系统的优点过去使用的电气控制系统中，都是采用继电器控制逻辑，继电气控制系统接线复杂，故障诊断和排除困难，还存在以下问题：1、接触器触点很容易被电弧烧坏从而导致接触不良有时还会造成短路损坏设备；2、继电器的控制功能被固定在电气线路中，功能很固定、单一、灵活性差等。而PLC具有1、通用性、适
18、应性强；2、完善的故障诊断能力，维修方便；3、可靠性高，柔性强；4、抗干扰能力强；5、编程简单；6、性价比高等优点，在机床等生产设备的电气控制电路改造中发挥了极其重要的作用。3.3.2对系统控制分析图3-3PLC系统控制图4 研究方案4.1 总体方案该研究旨在设计研究一种立式金属带锯床,这种带锯床可锯切180mm以下的各种金属、非金属材料.研究的方法是从机电一体化系统的角度进行分析研究.机械选型布置与结构设计首先适应控制的要求, PLC对金属带锯机进行控制和管理,并采取相应机械结构,即可以实现自动化加工的目的,又提高了金属带锯机的加工精度,适应现代企业自动化加工的要求.锯带速度采用变频器进行变
19、频调速控制,锯架进给速度通过调节输出电流的大小改变液压比例流量阀的流量,达到调节速度的目的.在设计过程中分析研究了锯带张紧力.被锯切的材料不同,力学参数的匹配值也不同.不同材料的力学参数的匹配值,通过历史记录数据,进行优化选择.立式金属带锯床的机械设计和控制系统的研究提高了锯切精度,实现了无人监控操作,降低了劳动强度,提高了工作效率,适应锯床全数控化、网络化的需要,具有很好推广应用价值.4.2 拟采取的技术措施4.2.1液压系统分析设计（1）.方案选择：根据系统对动作的要求及负载的性质（输出力或转矩），确定执行元件种类及工作形式，从而确定执行元件的工作状态，为参数确定提供依据。（2）.确定参数
20、：系统参数主要是压力和流量，这是系统计算、元件选择、系统验算的依据。而无论哪种参数均以保证执行元件输出工况需要为前提的，因此，参数确定主要是执行元件的参数确定。4.2.2液压机电气控制方案设计电气控制要求与总体控制方案（1）能够实现手动、半自动控制；（2）能够准确实现速度的调节控制；（3）系统过载时自动启动过载保护；（4）为随时了解系统所处的工作状态，设置工况指示灯；（5）系统稳定性好，能够保证液压机安全正常的工作。4.3 预期能达到的目标通过本次设计将自己大学四年所学的机械原理、机械设计、PLC控制技术等知识联系起来，并将这些知识用到生产中去。4.4 遇到问题以及应对方式设计中可能遇到的问题
21、：1、方案的合理性2、理论上能实现的 实际上并不能实行3、实验数据与理论数据有较大的偏差解决措施：查找资料与询问同学。5 进度计划第1-2周： 市场调研、资料收集和整理。第3-4周： 主要原器件的匹配选型计算。第5-10周： 整体详细图纸的设计。第11-13周： 液压系统及电气控制部分。第14周： 主要部件的强度、稳定性的校核计算，第15周： 提交设计说明（计算）终稿、工程图纸。参考文献1宁湘南影响带锯机锯切质量的原因及处理措施J有色冶金节能，20032王启义金属切削机床M北京：冶金工业出版社，1994 3卢金鼎，山建民机电一体化技术M 北京：中国轻工业出版社 19994季维发等机电一体化技术
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25、J液压气动与密封，199533谢骐机床夹具设计中的技巧J机械工程师，1998 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日开题答辩小组意见1、论文选题：有理论意义；有工程背景；有实用价值；意义不大。2、论文的难度：偏高；适当；偏低。3、论文的工作量：偏大；适当；偏小。4、设计或研究方案的可行性：好；较好；一般；不可行。5、学生对文献资料及课题的了解程度：好；较好；一般；较差。6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：好；较好；一般；较差。7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：好；较好；一般；较差。8、对论文选题报告的总体评价：好；较好；一般；较差（在相应的方块内作记号“”）建议结论评议小组组长签名：评议小组组员签名： 年 月 日
