型钢堆垛机毕业设计说明书

摘 要型钢堆垛机是一种用于对成型钢材自动打捆的设备。本文简要介绍了型钢堆垛机的整体组成部分及其分类，阐述了型钢堆垛机的总体设计，重点介绍了型钢堆垛机的自动控制系统设计、压紧机构的设计。主要包括型钢堆垛机自动控制系统的功能分析、控制系统类型的选择、输入/输出设备的确定、PLC 简介及设备选型、PLC 的 I/O 口的分配、PLC 控制系统硬件、软件设计、PLC 程序编制、系统调试；还包括压紧机构液压缸的结构设计、强度校核。关键字：型钢堆垛机；自动控制；PLC；压紧机构AbstractThe section steel stacking machine is an equipment for profile steel automatic baling.This article introduced overall components and sorting of Steel bar stacker, and simply introduced the design of overall stacker for bar shape, and introduced the design of control system of automatic stacker for bar shape and impaction emphasis mechanism in detail. In this paper, there has mainly included the function analysis of control system of automatic stacker for bar shape, the tape selection of control system, the determination of input and output device, the introduction of PLC and the type selection for control equipment, the input-output device allocation of PLC, the design of hardware and software system of PLC control system, the program composition of PLC and system test; and in that there were also including the structural design of impaction mechanism oil cylinder and the strength checking.Keywords:Section steel stacking machine; Automatic control; Programmable Logic Controller; Impaction emphasis mechanism目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 概述 .11.1 型钢堆垛机简介 .11.2 毕业设计的内容及任务 .2第 2 章 型钢堆垛机总体设计 .32.1 型钢堆垛机的设计参数 .32.2 堆垛机的工艺流程 .32.3 堆垛机的机构平面位置分布 .32.4 堆垛机的结构设计 .42.5 堆垛机的总体尺寸 .52.6 堆垛机传动系统的选择 .52.7 堆垛机自动控制系统的基本设计 .52.7.1 设计的基本要求 .62.7.2 设计的基本思路 .62.8 堆垛机压紧机构的基本设计 .62.8.1 设计的基本要求 .62.8.2 设计的基本思路 .6第 3 章 型钢堆垛机自动控制系统的设计 .73.1 自动控制系统系统分析 .73.1.1 系统功能分析及控制要求 .73.1.2 控制系统类型的选择 .73.1.3 可编程序控制系统设计基本原则 .93.1.4 控制所需输入/输出设备的确定 .103.2 PLC 简介及设备选型 .173.2.1 PLC 概述 .173.2.2 PLC 基本结构及原理 .223.2.3 PLC 设备选型 .253.3 PLC 的 I/O 口的分配 .283.4 PLC 控制系统的设计 .293.4.1 PLC 控制系统硬件设计 .293.4.2 PLC 控制系统软件设计 .303.5 PLC 控制系统程序调试 .333.5.1 I/O 端子测试 .333.5.2 系统调试 .33第 4 章 型钢堆垛机压紧机构的设计与计算 .354.1 压紧机构概述 .354.2 压紧机构平面布置方案设计 .354.3 压紧机构的结构设计 .354.4 压紧机构液压缸的设计 .354.4.1 液压缸的类 型选择 .354.4.2 基本参数设计 .364.4.3 液压缸结构 设计与校核 .384.4.4 液压缸的活塞杆的强度校核和弯曲稳定性验算 .40第 5 章 经济性分析 .42第 6 章 结论 .43参考 文献 .44附录一 PLC 自动控制系统编程梯形图 .45附录二 PLC 自动控制系统编程指令表 .49致 谢 .51西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页第 1 章 概述1.1 型钢堆垛机简介型钢堆垛机是一种用于对成型钢材自动打捆的设备。其安装在矫直设备和定尺剪切设备之后。型钢自动打捆生产线是由机械部分（包括单传辊道、拨钢机构、移钢机构、分组机构、定位机构、平移堆垛机构、翻转机构、垛台升降机构、压紧机构及垛台单传辊道等 10 个子机构） 、液压控制系统、PLC 自动控制系统等组成。型钢堆垛机大体组成可分为以下几大部分：原动部分、驱动部分、执行部分、控制部分以及辅助系统、照明设施、电铃报警等。它的主要优点在于实现了整个生产线的自动控制，从而提高堆垛机的堆垛效率，这也是钢材堆垛打捆发展的趋势。它不仅克服了过去人工堆垛的生产效率低、打捆质量差、成本高、工作环境危险等缺点，更重要的是解决了型钢堆垛打捆对整个轧钢生产线发展的阻碍，很大程度上提高钢材生产线的效率。目前，世界上堆垛机的发展已经很成熟了；已发展形成了各种类型的小型车间用的标准堆垛机主要有两大类：磁性和非磁性堆垛机。第一类是磁性堆垛机。轧件由装有可调磁性的翻转臂和输送小车进行一车堆垛，并且层与层之间是面对面或背对背交替放置的。该系统主要运用于中型型钢堆垛，全部由计算机自动操作。从矫直机和冷剪（停剪或冷飞剪）出来的型钢层通过翻转臂从输出辊道上移送到堆垛机前的输送机上，翻转臂上装有可调磁性的磁头，对钢材层进行制动和定位。输送机一般较长，目的是使钢材有较长的滞留时间；同时也给该堆垛机的操作带来更高的灵活性。由于其上没有齐头辊道和专用挡板，故需要所有钢材层在运输中齐头。磁性堆垛机还有一个紧急运输系统，它可以在停产时或轧件不满足矫直公差要求时将型钢收集在一个专用的料筐内。抬高挡板可以将后面跟来的料层分开，形成预定数量的钢材层，这些料层被磁性运输车托起或被磁性翻砖臂拾取。磁性堆垛机把钢材堆垛后，由平立辊道输送到打捆区，平立辊道的宽度是可调的，以避免料垛散落。另一类是非磁性堆垛机。轧制由两套液压-机械机构控制的机械手进层层堆垛，其动作类似于人手。可夹持并移送钢材，将钢材层面对面或背对背的进行堆放，主要适用于中小断面型钢，可避免料层中钢材在堆垛臂失磁时散落，形成不正确的料捆成形状。非磁性堆垛机堆垛钢材时，矫直后的钢材从堆垛前辊入辊道上被移向并收集在装有专用链条的缓冲区。其专用链条用于避免单根钢材在运输中重叠；其升降挡板与一个易西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页更换的梳料装置相结合，可奇数、偶数交替而精确地选择每单层的数量。已成型的料层由直线运动的升降臂或通过夹持系统翻转料层来实现料层面对面或背对背交替堆放于步进下降的运输架上形成料垛。非磁性堆垛机即纯机械堆垛机的显著特点就是无故障的处理双层型钢的能力，故其机械效率可提高一倍。1.2 毕业设计的内容及任务本次设计的堆垛机属于第一类磁性堆垛机。通过在移钢机构和翻转机构上安装堆垛电磁铁来实现槽钢的交替堆放。堆垛方式是槽钢：6 根/层，共 4 层，如图 1-1 所示，每层分为正反两排（角钢是每层 5 根，共 6 层，每层也分为正反两排，一排槽口向下 3 根，另一排槽口向上 2 根，如图 1-2 所示） 。由于槽钢和角钢的结构不同要在不改变堆垛机结构条件下实现不同钢的堆垛就需要在 PLC 程序上加以变化，这也是 PLC 自动控制的优点；这里主要根据槽钢堆垛进行 PLC 控制系统的设计和编程。槽 钢图 1-1 槽钢堆垛方式角 钢图 1-2 角钢堆垛方式本次设计主要设计型钢堆垛机自动控制系统及其压紧机构。设计参数：型钢（槽钢 20 号）长度为 810m；单传辊道辊边速度 1.88 m/s；平移堆垛机构动作周期 33 s；翻转堆垛机构动作周期 11s，液压系统额定工作压力：10MPa。设计内容：1、堆垛机总体设计。包括堆垛机总体尺寸的确定，堆垛机各机构平面布置位置的确定，传动系统的选择；西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页2、堆垛机电气控制系统。包括堆垛机电气控制系统的功能分析、选型设计和 PLC 编程；3、堆垛机压紧机构。包括压紧机构结构设计、压紧机构设计与校核。第 2 章 型钢堆垛机总体设计型钢堆垛机的总体设计是设计人员在根据工厂所需要的成型钢材堆垛设备，对堆垛机作出的初步的、总体的设计。堆垛机总体设计主要包括：确定型钢堆垛机的工艺流程、型钢堆垛机平面示意图的初步确定、主要机构的简单结构设计、总体尺寸的确定、堆垛机驱动装置的确定和自动控制系统的基本设计。2.1 型钢堆垛机的设计参数(1) 堆垛机堆垛的型钢为：20#槽钢，根据 ，查得：5材 料 力 学其线密度为 ，定尺长度范围为 810m；m/kg7.25线(2) 堆垛速度约为 4 分钟捆； (3) 班垛能力为 450470 吨/班；(4) 堆垛成捆的型钢做到一头齐，符合国家堆垛包括标准 GB210189。2.2 堆垛机的工艺流程轧制好的钢材经单传辊道输送到型钢堆垛机上，再由拨钢机构将钢材拨到移钢机构的链条上，然后由移钢机构将钢材输送到定位机构，中途有分组机构将钢材分为 3 根一组，分好组的钢材到定位机构后被精确的定位后，再由平移机构送至垛台上，下一组分好组的钢材被定位机构定位后，经由翻转机构旋转 送至垛台上，垛台上的钢材排成180了形如图 1-1 所示的排放形式。然后垛台下降相应的高度，使下一轮堆垛的钢材和这一次的高度相等。经过 4 次循环后，垛台上的钢材就排成了 6 根/层，共 4 层的形状。然后由压紧机构把钢材压紧，到此堆垛过程结束，再由垛台输送辊道将堆垛好的钢材输送出去。此后，型钢堆垛机按这个顺序再进行下一轮的堆垛。2.3 堆垛机的机构平面位置分布根据现场要求、堆垛机的工艺流程和其他同类设备的使用情况，初步确定型钢堆垛机的机构平面位置分布，如图 2-1 所示。拨钢机构是将电动机布置在一端，而移钢机构是将电动机布置在两根输出轴的联接一端，大体上在堆垛机的中间。拨钢过程中拨抓只需克服单根槽钢与滚筒之间的滑动摩擦，因此载荷较小需要传递的最大扭矩也较小，综合考虑现场其他结构的布置情况将电动机布置在传动轴的一端。移钢机构在工作时，由于传动距离较大(约 6.4m)并且载荷较西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页拨钢大的多，轴较长，最大扭矩较大，因此将电动机布置在两根轴的中间，这样单根轴所承受的最大扭矩要小得多。根据型钢堆垛机的机构平面位置分布，可确定型钢自动堆垛的生产线的设备及其功能要求如下：（1）几组输送辊道；输送辊道选用单传辊道，当非连续的少数电机故障时，不影响其他电机的使用。（2）拨钢机构；拨钢机选用链条拨爪拽引，链条（平速片）速度 0.34 米/秒。（3）移钢机构；把合格产品送到分组、定位、翻转机构。图 2-1 堆垛机机构平面位置分布图（4）分组机构；保证钢材以三根或两根的形式可靠分组。（5）定位机构；使钢材能停留在指定位置接受平移堆垛或者翻转。（6）平移堆垛机构；翻转堆垛机构；通过交替运行堆垛分好组的型钢。（7）垛台升降机构；保证垛台与床面平齐。（8）钢垛压紧机构；使堆垛排列紧密、整齐，便于输送。（9）堆垛输送运输辊道；输送运输辊道选用单传辊道，当非连续的少数电机故障时，不影响其他电机的使用。西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页2.4 堆垛机的结构设计根据上述工艺过程和图 2-1 可知，该设备主要由以下机构组成：单传辊道、拨钢机构、移钢机构、分组机构（槽钢分组机构） 、定位机构、平移机构、翻转机构、垛台升降机构、压紧机构及垛台单传辊道。单传辊道部分由电机、行星齿轮减速器、单传辊道等组成；拨钢机构部分由电机、齿轮减速器、链条（含拨爪） 、链轮等组成；移钢机构同拨钢机构类似，也是由电机、齿轮减速器、链条、链轮等组成；分组机构是由液压缸、四连杆机构等组成；定位机构同分组机构类似，也是是由液压缸、四连杆机构等组成；平移机构由液压缸、液压马达、升降梁、电磁铁等组成；翻转机构由液压缸、轴、齿轮、电磁铁等组成；垛台升降机构是由液压缸、控制垛台、固定滑轨等组成；压紧机构是由液压缸、推头、底座等组成；垛台单传辊道也是由电机、行星齿轮减速器、单传辊道等组成。2.5 堆垛机的总体尺寸由现场的技术要求和同类设备的安装使用情况，可以初步确定堆垛机的总体尺寸约为： 。m3107m1260高宽长2.6 堆垛机传动系统的选择根据现场要求、堆垛机的工艺流程和其他同类设备的使用情况，各机构的传动方式选择如下：由单传辊道、拨钢机构和移钢机构的结构特点、运动特性，该三部分均选取三相交流异步电动机直接驱动。由于单传辊道与拨钢机构的交错布置且传动距离较长（约 6m） ，其选择分布式驱动，而拨钢机构和移钢机构之间平行布置并且驱动功率不太大，拨钢机构需要频繁启动，因此选择分别集中驱动。而分组、定位、平移和垛台升降及压紧动作较简单（多为直线运动） ，且载荷不太大，这里选择液压驱动。用液压缸的伸缩来完成分组、定位、翻转和垛台升降及压紧，用液压马达来实现平移。翻转机构的运动为轴的旋转运动，它的动力系统的主要要求为低速可调，交流电动机不能满足要求，直流电动机虽然有低速可调的性能，但是直流电动机价钱昂贵，也不能选取，液压传动的鲜明特点就是低速可调，所以我们最后选液压传动作为翻转机构的动力源。各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置，不需要复杂的传动系统。综上所述：分组机构、定位机构、平移机构、翻转机构、升降机构、压紧机构均采用液压驱动；单传辊道、拨钢机