1、河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 荀涛 学 号： 110502 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 机械设计制造及其自动化 题 目： 自动圆管切割机机械设计 指导者： 陈贵亮 高级工程师 评阅者： 2015年 5 月 15日毕业设计（论文）中文摘要 题 目：自动圆管切割机机械设计摘要：近些年来铝以及铝管行业在我国发展的非常迅速，由于铝管的优良性能，所以它被广泛的应用到了各个行业中，但是对于铝管的定长切割方面的机械自动化设备却比较缺乏，所以自动圆管切割机应运而生，并且以目前铝管行业的发展趋势来看，自动圆管切割机械的具有很好的发展前景。为了能够节省人力劳动并且能够提高生产效率，不仅要
2、完成圆管切割机械的设计还要考虑到自动化流水线的设计，这样才能实现企业自动化生产，管理和控制，更有利于企业整体利益的提升。机械自动化设备在工业生产中应用十分的广泛，不过机械自动化设备的设计过程非常的复杂，只有按照合理的方法进行设计才能得到预期的机械自动化设备。并且只有规范的机械自动化设备才能提高我国的机械化水平，提高企业的经济效益。 关键字： 铝管切割 机械自动化 流水线- 1 -河北工业大学2015届本科毕业论文毕业设计（论文）外文摘要Title Automatic pipe cutting machine mechanical design AbstractAluminum and alum
3、inum tube industry in recent years developing very rapidly in our country, the good performance of the aluminum tube, so it is widely applied to various industries, but for aluminum pipe fixed length cutting of mechanical automation equipment is lack, so automatic pipe cutting machine, and to the de
4、veloping trend of aluminum tube industry at present, automatic pipe cutting machine has the very good development prospect.In order to be able to save the human labor and can improve the efficiency of production, not only to complete the design of pipe cutting machine and considering the design of t
5、he automatic assembly line, so as to achieve automatic production enterprise, management and control, more conducive to the interests of the whole enterprise.Mechanical automation equipment is widely used in industrial production, but the mechanical automation equipment design process is very compli
6、cated, only according to the reasonable method to carry on the design can obtain the expected machinery automation equipment. And only specification machinery automation equipment can improve the mechanization level of our country, improve the economic benefits of enterprises.Keywords： Aluminum tube
7、 cutting Mechanical automation Assembly line 目 录 1 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究目的和意义21.3 国内外研究现状及发展趋势21.3.1 我国目前机械自动化的发展现状21.3.2 发展趋势31.4 本课题研究的基本内容31.5 本课题主要研究解决的难点问题和拟采用的办法42 总体方案确定62.1 总体布局的确定62.1.1 功能的实现62.2 驱动方式的选择72.2.1 驱动方式的确定72.2.2 电机的选择82.2.3 无齿锯选型93 机构计算113.1 圆管质量计算113.2 上料机构设计及计算113.2.1 斜面设计113.2
8、.2 料箱设计123.2.2 料箱挡板设计123.3 夹具设计133.4 输送装置143.5 抛光机设计153.6 换工位结构设计174 主要零件选型及校核174.1 轴的设计及校核174.2 轴承的选型及校核204.3 滚珠丝杠副尺寸选择计算214.4 进料同步带轮选型与计算224.5 无齿锯切割部分的设计与计算24结 论28 参 考 文 献29 致 谢30- - 4 - -1 绪论薄壁铝管是常用的工业材料，如果可以实现各种规格铝管的自动上料、下料、切割以及去毛刺，这对于薄壁铝管的加工行业来说可以很大程度上节省成本、提高下料质量，对于企业来说就可以提高材料利用率和节省人力，因此具有良好的市场
9、前景。本次课题需要设计一种用于自动切割薄壁圆管的切割机的机械系统，圆管为直径为 20-50mm，壁厚小于3mm 的铝质管，原料长度3000mm。切割长度500-200mm。要求完成自动上料、切割、两端去毛刺、下料一系列动作，切割刀具使用无齿锯。11 课题背景相关资料显示，铝在地壳中含量非常的丰富在所有已知元素中含量居第三位，跟其它金属元素相比含量也比较高，含量居金属元素第一位。有人对我国铝消耗量进行了研究，根据研究结构我们可以明确的知道铝在国内消耗量非常的大，仅仅是2005年国内消费的原生铝就达到了726.2104t,另外再生铝消耗量为166.3104t,由数据我们不难看出中国已经成为铝的消耗
10、大国1。众所周知铝合金作为工业中应用最广泛的有色金属，被广泛的应用于航天、汽车、机械制造等各个工业领域中2。薄壁铝管作为一种常用的工业材料，它的密度低，但是强度却比较高，并且它具有良好的耐蚀性。铝合金的非常好，在性能方面接近甚至超过优质钢，并且成本比较低，可用于加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，铝合金被广泛的应用于工业的各个领域。根据相关资料显示仅仅2012年一年的时间我国的铝合金管消耗总量就达到了约620万吨，不仅如此我国的铝合金管消费量仍然在不断的增加，铝合金管的市场非常广阔3。目前的铝管切割方法可以用锯床或者无齿锯切割，这样的切割方法切割表面不光滑，有很多毛刺，锯齿容易把
11、铝合金管切割变形，并且会有粉尘污染。在如此市场要求下，原有的铝管加工方法已经不足以完成工作。在这种情况下，具有高效率的自动圆管切割机就应运而生。1.2 课题研究目的和意义传统的圆管切割机是以人工操作无齿锯切割为主，需要人工测量圆管长度然后切割。这种方法效率低，工作量大，精确度比较低，浪费大量人力劳动，不能满足现代工业对工作效率的要求。在此种切割机的基础下我们需要设计一种自动圆管切割机，本次课题研究的方向是设计一条自动加工的生产线，实现对薄壁铝管的自动上料，夹紧，送料，定长切割和去除毛刺等动作，整个工作过程不需要人的参与，以实现节省人力、降低劳动强度、提高质量、提高生产效率的目的。本次研究需要将
12、铝管切割的整个工作过程实现自动化，其中包括自动上料，夹紧，送料，切割，换工位，去毛刺等一系列工作，即本次研究的目标是完成整个自动化生产流水线。在机械生产过程中广泛的使用自动化生产线，能够很大程度上提高劳动效率以及产品的质量，除此之外还能够改善工人劳动条件、降低能源消耗4。自动生产线是在计算机技术和人工智能技术迅速发展的前提下产生的,自动生产线是将智能设备应用于工业生产中,使得机械生产过程具有一定自适应能力。因此自动生产线是很多工业技术的综合展现，这其中包含了机械装配、气动、传感器和PCL控制等技术,自动化生产线的实践性非常强，对于我国的机械行业发展具有非常重要的意义5。1.3 国内外研究现状及
13、发展趋势1.3.1 我国目前机械自动化的发展现状改革开放以来我国各个行业得到了非常迅速的发展，工业作为国家的重要领域也得到了迅猛的发展，机械制造业一直以来都是工业中的一个重要部分，改革开放之后它在我国的发展也是十分快速并且很稳定，到目前为止被规划到机械制造行业的企业就达到了11.4 万个，尽管如此机械制造产业的发展非常的快但是也不得不面临许多问题，例如企业发展结构不平衡、产业结构总体水平低于现代发展要求、手工作业的现象十分严重，这些都在很大的程度上影响了我国机械制造行业发展，除此之外我国很多企业还不具备独立开发研究现代机械自动化流水线生产的能力。我国的机械制造行业不仅在生产设备、生产水平和生产
14、效率方面低于发达国家的现有水平，在产品质量、产品种类和产品性能方面也存在很大的差距。单凭一个人或一个企业的力量是很难推动机械自动化技术在我国的发展，创新和改进的过程需要循序渐进，只有不断努力不断创造才能全面发掘机械自动化在我国潜在的市场。1.3.2 发展趋势机械自动化不仅仅是制造业和自动化技术的交叉领域，同时也是其它各个学科的融合结晶产物，它在我国的发展经历了一个非常漫长的过程，同时随着科学技术的不断发展与进步，各种新型科学技术不断被运用到机械自动化当中，从而使得机械自动化有了新的发展趋势：1.光机电化方向：光机电化方向是指在原有机械系统的基础上引入光学技术，对系统性能进行优化和改进，使机械自
15、动化系统更具现代气息；2.柔性化方向：柔性机械自动化，在保证加工精度和加工质量的同时，可以大幅度的提高生产工具的使用效率；3.智能化方向：智能具备语言和行为表达能力，因而它在机械制造领域将是一个重要的发展方向；4.模块化方向：为了满足对机械系统高精度加工的要求，需要对硬件系统进行模块化设计；5.全球信息化方向：机械自动化之所以能持续不间断的工作，很大程度上是取决于计算机和信息网络，全球信息化可以帮助那些跨国制造企业进行信息交流和资源共享，从而达到提高企业运作效率的目的；6.绿色化制造方向：为了响应国家可持续发展的战略要求，绿色化制造行业必将成为机械生产行业发展的一个重要发展方向6。1.4 本课
16、题研究的基本内容本课题主要针对薄壁铝管的切割加工设计。铝管的规格为：圆管直径为20-50mm，壁厚小于3mm ，原料长度3000mm，切割长度200-500mm。自动圆管切割机按照要求实现六个基本动作，依次为上料、装卡、送料、切割、换工位、去除毛刺、下料。工作流程图1.4-1: 切割 送料 装卡 上料 下料去毛刺换工位图1.4-1本课题主要是对自动圆管切割机机械系统进行设计，包括上料机构、装卡机构、送料机构、切割机构、去毛刺机构和气压控制原理设计。自动圆管切割机的布置简图1.4-2：上料单元 切割单元 装卡及送料单元 去除毛刺单元 图1.4-2下料（料箱） 设计的主要内容：1：各部分机械装置的
17、空间布局；2：上料机构的设计；3：切割机构选用无齿锯，无齿锯的布置安装；4：夹具的设计；5：自动进料机构的设计；6：去除毛刺刀具选取；7：气压控制原理设计。1.5 本课题主要研究解决的难点问题和拟采用的办法在现已查阅的资料情况下部分结构已经可以确定：切割单元（无齿锯）、上料机构（斜坡结构）、夹紧机构（气缸加V型块）、去毛刺部分（抛光刷）。可以选择的部分：送料机构、下料机构备选方案：1、送料机构（1）、电机丝杠传送（2）、气缸传送（3）、机械连杆机构传送 2、下料机构（1）、自然坠落（2）、机械手落料（3）、斜坡滑落至料箱方案选择：送料机构课题要求铝管定长送料，并且需要连续送料，综合考虑三种方案
18、的经济型、复杂程度以及满足课题要求程度，最后决定采用电机丝杠的方式来做为送料机构。下料机构自然落料可能会使薄铝管变形成为废料，机械手落料又会无形中增加机构的整体造价与设计的复杂程度，所以最后确定落料方式为沿斜坡滑落入料箱。综合上述，最后各个部分的方案可以确定为：1、切割单元的选型及布置方案：传统的切割圆管方法是使用无齿锯进行切割，无齿锯切割对于圆管切割非常适用，所以本次课题设计切割部分同样采用无齿锯，但是需要在现有的产品情况下进行改造，无齿锯需要安装在水平模块上，使其实现可以移动7。2、上料机构：经过查阅资料以及适用性分析，最终采用斜坡的形式进行上料，并使用气缸以及设计的夹具实现每次一根圆管的
19、上料。3、夹紧机构：对于夹紧圆管，采用V型块和气缸的配合是一个很合适的选择，V型块常用于于夹紧圆柱形工件。4、输送机构的设计：对于连续进料，定长切割，电机丝杠方式输送，可以依靠转角来控制圆管进料长度，完成一根圆管切割之后，可以用电机反转回到初始位置进行下一次的工作循环。5、换工位机构：将已切割完成圆管换到去毛刺工位，需要将现有的下料机构进行改进。6、去除毛刺工具：机械刷去毛刺是一种简便的去除毛刺方法，具有刷子与工件的接触应力小，转速高，能有效地进行切削和抛光，提高耐磨性和抗疲劳强度的特点。抛光刷主要用来对所抛光物件的表面进行去毛刺、精细打磨等处理。7、下料机构：完成去除毛刺后可以将圆管延斜坡滑
20、落至料箱，完成下料。最终方案示意图如图1.5-1图1.5-12 总体方案确定2.1 总体布局的确定2.1.1 功能的实现 自动圆管切割机按照要求实现六个基本动作，依次为上料、送料、装卡、切割、去除毛刺、下料。虽然切割和去除毛刺两个动作是主要实现的功能，但是每一个动作都必须实现才能够保证整个自动化设备功能的实现。 非标准机械自动化生产设备相对于标准机械自动化生产而言具有非常明显的优势，首先可以根据特定的企业需要进行机械设备的制造，然后还可以实现现有的标准机械设计所不能实现的一些功能，作为标准机械的辅助设备，非标准机械自动化生产设备目前已经被广泛应用于各个行业。非标准自动化设备设计一个很明显的特点
21、是重视设计的标准化、模块化和简约化的总原则。功能分解是我们在设计过程中常用的方法，用这个方法可以很大程度上简化自动化装配设备的设计难度，并且还可以帮助设计者找到最优的功能实现方式。各个功能单元模块的相互配合就能够完成该机械系统总功能的实现，进行设备功能设计就是寻求功能单元解的过程，也是将功能单元具体化、结构化的过程，解决功能单元解的可行性，要通过“功能效应作用原理”的求解过程，寻求功能单元实现的机械结构、装置或物理效应。完成上述过程之后还需要对所有的功能单元解进行综合、集成和系统化，以实现各功能单元解能够完成匹配和协同，从而得到一个我们需要的系统化的功能解。生产设备的功能分解、求解过程和生产工
22、艺的设计过程是一个相辅相成，互相促进的过程，设计过程需要以产品生产的工艺流程为主线，还需要考虑到产品的性能要求，然后对功能求解过程进行检查和优化，依次为基础提出新的工艺方法，这样就可以完成对生产设备的进一步优化设计改造。2.2 驱动方式的选择2.2.1 驱动方式的确定2.2.1.1 电动驱动装置 电动驱动装置是目前使用的最广泛的驱动装置。它的能源简单并且容易获得，电机驱动的速度变化范围大，效率高，转速和定位精度都很高，它们多数情况下需要与减速装置一起使用，用电机直接完成驱动相对来说比较困难。电动驱动器又可分为直流(Dc)、交流(Ac)伺服电机驱动和步进电机驱动。步进电机驱动多数是开环控制，控制
23、简单但跟其它电机驱动相比输出功率比较小，多用于低精度小功率系统。直流伺服电机有很多优点，但它的电刷易磨损，且易形成火花。随着科学技术的不断发展，近年来交流伺服电机也取得了很大的进步，它的优势也越来越明显，因此交流伺服电机驱动正在逐渐取代直流伺服电机，交流伺服电机驱动很快就会成为工业中最主要驱动装置。2.2.1.2 液压驱动装置 液压驱动是常用的驱动方式，它有很多的优点，例如功率大，结构简单，能直接与被驱动的杆件相连，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但是在拥有这些优点的同时它的缺点也很明显比如说伺服驱动需要增设液压源，并且在使用的过程中容易产生液体泄漏，液压驱动的使用有很多的限制所以目前多用于需
24、要特大功率驱动的系统。2.2.1.3 气动驱动装置 气动驱动装置从能源和结构方面来说都比较简单，但是由于气压压力比较低，跟液压驱动相比在相同的体积条件下功率较小，而且速度不易控制，所以气压驱动装置常用于精度要求不高的点位控制系统。综上所述，针对于自动加工设备驱动负载小，结构简单，定位精度要求不是非常高的特点，夹具和进料机构等应选用气动驱动装置。2.2.2 电机的选择2.2.2.1 切割部分电动机 图2.2-1电动机：三相异步电动机型号：Y90S-2额定功率：1.5kW额定转速：2800rpm型号频率极数额定转速额定功率额定电流满载时效率Y90S-250Hz22800rpm1.5kW3.44A7
25、8功率因数堵转电流堵转转矩最大转矩转动惯量重量机座号0.857A2.2N.m2.3N.m0.001222kgY90S 表2.2-12.2.2.2 去除毛刺部分电动机步进电机 型号：SS3402AP45A型号接线电机长度（mm）电机静力矩（mNm）线束步距角(DEG)电流(A)电阻(OHMS)每相电感（MH）转动惯量电机重量（KG）SS3402AP45A单极96430081.84.50.662.718502.7 表2.2-22.2.3 无齿锯的选型型材切割机是的操作相对来说比较简便，但是生产效率却比锯床提高了7-8倍，因此电动型材切割机被广泛应用于切割各种型材8。无齿锯通常被称为砂轮切割机或热锯
26、，被广泛的应用于切割型钢、管材、棒材、方坯和薄板等工作, 并可以完成定长切割，对于切割高硬度合金或非金属材料在各种条件下的切割，型材切割机控制面板上设有停止、快速返回等按钮，可以根据需要完成特定的功能，切割机的转速以及进给速度都可以通过智能仪表进行参数设定。市场上的无齿锯有各种类型，如图2.2-2所示为常见的无齿锯切割机。无齿锯所涉及的加工设备根据要求进行选型即可，不必进行具体设计。如图2.1-6所示为电动型材切割机产品型号、规格及性能表。虽然无齿锯很成熟但是对于本次设计并不能完全适用，随意需要对现有无齿锯进行改进。本次课题设计需要将如图2.2-2所示的无齿锯切割机的切割单元拆卸下来并另外设计
27、一套水平运动台，载着切割单元对圆铝管进行切割，运动台进给方式采用电机丝杠。 图2.2-2表2.2-3电动型材切割机产品型号、规格及性能 表2.2-43 机构计算3.1 圆管质量计算圆管的最大直径取r=50mm，壁厚=3mm，长度l=3000mm.V=1328220（1）铝管的密度为M=（2）重力加速度G=35.14N（3）3.2 上料机构设计及计算 圆管为直径为20-50mm，壁厚小于3mm 的铝质管，原料长度3000mm，设计一个斜面使得圆管滚落到输送装置中。斜面下端采用上挡板和下挡块两个简单的机构，用于控制每次落到输送装置中有且只有一根铝管。3.2.1 斜面设计常用材料摩擦因数（有润滑的条
28、件下）钢铝 保证才可以使得圆管下滚所以设计时初取L=350mm，故求得h7mm设计选定L=350mm，h=50mm.如图3.1-1为进料所需的斜面，考虑节省材料以及加工过程的难易程度，决定将斜面做成3mm的不锈钢板材，然后跟料箱焊接成一体。图3.2-13.2.2 料箱设计图3.2-2如图3.1-2所示为本次设计的料箱料箱长度a=3200mm，宽度b=350mm，高度c=150mm。架体采用铝型材搭建，用螺栓连接。3.2.3 料箱挡板设计本次设计最多放入7根圆铝管，根据结构需要，本次设计的挡板如图3.2-3所示挡板分为上下两部分，并安装在气缸上，通过气缸的动作完成每次一根圆铝管的进料。气缸选型SMC系列MY1B20G-100 缸径20mm，行程100mm 工作气源设定为p=0.5Mpa 图3.2-33.3 夹具设计由于切割时采用的是无齿锯切割所以可以根据磨削加工的计算方法，计算切割圆管时的切削力。但是由于切割过程计算比较复杂，影响因素很多，不能直接用切割过程的方法来计算，所以利用功率来求取主切削力的平均值9。 （4） 主切削力 砂轮速度 （5） 砂轮电动机功率 机械效率 0.65-0.85 最大切削力 夹紧机构所需加紧力计算公式：10（6） W利用平衡力求处的夹紧力 K安全系
