机械弯管机设计

毕业设计

机械弯管机设计

学生姓名：

专业班级：机械电子工程2010-1班指导教师：

学院：机电工程学院

2014年6月

机械弯管机设计

摘要

数控弯管机是基于矢量弯管原理，运用微机控制，完成用户所需的任意空间立体管形，是现代弯曲整形的重要加工设备。本文主要针对弯管机这一数控装备进行嵌入式测控系统的硬件系统研究开发，以嵌入式微处理器为硬件平台，代替传统的通用计算机和工控机，对机床的加工过程进行有效控制。在此基础上加装运动控制卡PCI-1240U，通过运动控制卡实现对伺服电机驱动器的控制，从而控制伺服电机带动各轴进行准确的旋转走位操作。本文主要对该嵌入式测控系统进行硬件系统的研究开发，针对工业现场控制电路的基本要求，利用PROTEL软件绘制四个控制电机的电路原理图和现场总体电路分布结构设计图；根据设计精度要求和对元器件性价比的比较，对包括嵌入式系统、运动控制卡、伺服电机、伺服电机驱动器、输入输出卡、编码器及传感器等元件在内的各类硬件设备的选型。本文所设计的嵌入式测控系统用于控制数控弯管机的工业现场实际运行，主要实现弯管机的送料、旋转、弯曲等功能的控制。所设计的电路及选取的硬件在工业现场调试中基本能够达到预期的效果。

关键词数控弯管机、嵌入式、运动控制卡、伺服驱动器

Mechanical bending machine design

Abstract

CNC pipe bending machine is an important modern curved plastic processing equipment, which is based on the vector theory, using computer control, to complete any space for three-dimensional tube to meet users requirements. In this paper, it mainly about the research and development of hardware systems on the numerical control equipment for pipe bending machine embedded control system, using embedded microprocessor hardware platform, instead of the traditional general-purpose computers and industrial machines, to control the machining process effectively. On this basis, installation of motion control card PCI-1240U, realized through the motion control card servo motor drive control, to control each axis servo motor drive for accurate operation of rotating gears. In this paper, it mainly about the control system of the embedded hardware systems’ research and development, for in dustrial control circuit of the basic requirements, using PROTEL software to draw four motor control circuit schematic diagrams and field distribution of the overall structure of the circuit design; according to the design precision and comparison of the cost on components, select the equipment including embedded systems, motion control cards, servo motor, servo motor drive, input and output cards, encoders , sensors and various types of hardware components. This embedded control system designed to control the pipe bending machine for industrial on-site practical operation, mainly about feeding, rotating, bending and other functions of the control. The circuit design and selection of hardware debugging in the industrial field can achieve the desired results.

Keywords CNC pipe bending machine、embedded、Motion Control Card、servo drive

目录

摘要

Abstract

1 前言 (5)

1.1 弯管机在自工工业中的地位和各种弯管机的性价比......... 错误！未定义书签。

1.2 弯管机的基本原理与选择 (2)

2 弯管机设计 (4)

2.1 工件工艺分析 (4)

2.2 计算弯曲力矩 (4)

2.3 电机选取 (5)

2.4 传动比的计算与各传动装置的运动与参数 (6)

2.5 皮带轮与皮带的计算与选择 (7)

2.6 涡轮蜗杆减速箱的计算与选择 (8)

2.7 联轴器的计算与选择 (8)

2.8 轴承的选择 (9)

2.9 轴的初步计算与设计及校核 (9)

2.10齿轮的计算与设计 (13)

2.11大小齿轴前后端盖及轴承座的结构设计 (14)

2.12轴套的结构设计 (16)

2.13盖板的结构设计及计算 (16)

2.14机身的机构设计与计算 (17)

2.15弯管机的主要参数 (18)

3挡料架的结构设计 (19)

3.1 挡料架的结构设计 (19)

4用电器选择与电路 (20)

4.1 各用电器的选择与电路设计 (20)

结论 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

致谢 (25)

1 前言

1.1 弯管机在自工工业中的地位和各种弯管机的性价比

现今工业发达，无论是哪一种机器设备、健身器材、家具等几乎都有结构钢管，有导管，用以输油、输气、输液等，而在飞机、汽车及其发动机，健身器材，家具等等占有相当重要的地位。各种管，对大，形状复杂，种类数，带来了很多的困难，在管加工。对许多小企业，家庭作坊，需要管的场合或大型企业，如压力管道工程机械，液压管路，机床厂机油，健身器材管等，这些应用程序不需要折弯机功能齐全，不高的拟合和加工难度，简单的手动式折弯机可满足要求。折弯机手动夹紧，机械弯曲模式，该机具有结构简单，控制元件少，所以更易被用户所接受的价格。

现在市场上有很多种类的大型弯管机销售，但市面上现有的自动弯管机大多数是液压的、数控的(如图1-1,1-2)，因他们的大面积（2.5 ~ 4m长），且价格相对昂贵的（约20000 ~价格在50000元以上）。相对很多企业不需要这样的大型和昂贵的弯管机，自动弯曲机小便宜和方便的区域可以被许多企业所接受。

本设计从满足市场及使用者需求等方面出发，计划出一种价格低廉、面积较小、使用简单的自动弯管机（长900mm，宽800mm，高1100mm，价格9000元人民币左右）。并对进一步加强弯曲设置属性，使它能弯曲在不同直径和不同类型的钢管。同时采用制动电机以提高弯曲机的弯曲精度，大大的简化了电气控制系统，便于操作。

图1-1液压弯管机

图1-2 数控弯管机

1.2 弯管机的基本原理与选择

自动式弯管机的弯管原理,在通常情形下分为如下俩种方式，即滚弯式与缠绕式。 如图1-3、图1-4所示。

弯管模

图 1-3 图 1-4

二者各有优缺点：

绕线式主要用于方形弯管结构复杂，和弯曲型主要用于弯曲管也可用于管弯曲，在弯曲管绕稍差，但相比之下弯滚式结构更加简单容易设计且成本更低。故本弯管机采用滚弯式。

以下是弯管机的工作步骤：

1.留出第一段直线段长度，并用夹紧件夹紧管子。

2.启动弯管机，将管材弯曲。

3.夹紧块松开弯管件，拿出工艺管材，然后把模具重置。按照所需要管的标准样品在夹具上检查加工出的管形标准并校正。

4.重复第1步，直至将管材弯曲到理想程度为止。

2 弯管机设计

2.1 工件工艺分析

本设计选用的管材是直径30mm ，厚度为2mm 的钢件，钢管需是无缝的，选材为10号钢，其最小弯曲半径为60mm ,整个管件的弯曲半径为100mm 。10号钢力学性能如下：

抗拉强度b σ(MPa ):≥335 屈服强度s σ(MPa ):≥205 伸长率δ(%):≥31

断面收缩率ψ(%):≥55

硬度：未热处理，≤137HBs 试样尺寸：试样尺寸纵向25mm

加工技术。弯曲部分的要求，不得有裂纹，不能有凸起的大，不能有皱纹。其工件如图2-1,2-2所示。

图 2-1 图 2-2

2.2 计算弯曲力矩

管弯曲力矩的计算是在自动折弯机机械参数的基础上确定的。由于管弯曲半径小的时候，弯曲的弯曲力矩管在弯矩最小半径的钢管。依据力学的塑性理论分析，剖析出管材均匀弯折时的弯矩理论表达式为：

ρπσσ343

83

2tr t r M s b += (2-1) 其中 s σ为弹性应力

r 为管材内径 t 为管材壁厚 b σ为屈服应力

ρ为中性层的弯曲半径

95

326220843

26233383

2

?????+

???=πM =2420m N ?

2.3 电机选取

按照经验弯管器的弯管速度选择为8r/min 则有

P =ω?M =2346≈??60

28π

2kw (2-2) 因为工作功率确定为2kw 所以由电机功率公式P =4

12345

P ηηηηη工

(2-3) 1η、2η、3η、4η、5η分别为带传动、蜗轮蜗杆传动、联轴器、工作齿轮、轴承的传动效率。取1η=96%、2η=90%、3η=99%、4η=97%、5η=98%得

P =98

.097.099.09.096.02

4????=2.5kw 由于满足弯曲各种钢筋的弯曲类型，因此选用的电动机功率较大，这样弯曲机可以弯曲更大范围的弯曲半径，电机设有制动功能是因为折弯机需要内在的制动功能，且电机转速不宜过大是因为电机正反的频率过大。因此，电机的速度是960r ／min 达到上述要求，yep132s-6电机类型选择，电机的基本性能如表[2]2-1

表2-1 yep132-6主要性能参数

电机的主要安装尺寸如下

图2-2

表2-2 电机的安装尺寸 单位（mm ）

2.4 传动比的计算与各传动装置的运动与参数

由与转速为N 1=960r/min ，并且之前机器的速率初步确定为N 5 =8r/min 所以

总传动比 总i =N 1/N 5=120

由皮带轮的传动比为1～4 可以将皮带轮的传动比确定为1i =2.5，由于齿轮齿数的传动比为1～8 。便拟定取齿轮传动比3i =3,则蜗轮蜗杆的传动比2i =16,蜗轮的传动比不大这有利于提高蜗轮的寿命。

方便的计算传动部分的设计，需要计算转速和转矩的轴（或功率）。 该传动装置由高到低顺序各轴，1轴，2轴...... 以及

1i ,2i , … 为相邻两轴间的传动比； 01η，12η… 为相邻两轴间的传动效率；

P 1，P 2… 为各轴的输入功率（kw ）； T1，T2… 对于每个轴输入扭矩（N·米）； N 1 ,N 2… 为各轴的转速（r/min ）； （1） 各轴转速

电机轴的转速为960转/分钟

蜗轮的小轴部分N 1=0

i N

m =5.2960=384 r/min

蜗轮的大轴部分N 2=

11i N =16

384=24 r/min N 3= N 2=24 转/分钟速度的小齿轮

N 4=

2

3i N =324=8 转/分钟速度的大齿轮 工作台N 5= N 4=8 转/分钟的速度

（2） 各轴的输入功率

电机的输出功率 P 0=3kw

蜗轮小轴的输入功率 P 1= P 0?01η=3?1η=3?0.96=2.88kw 蜗轮大轴的输入功率 P 2= P 1?12η= P 1?2η=2.88?0.9=2.59kw 齿轮小轴的输入功率 P 3= P 2?23η= P 2?3η=2.59?0.99=2.56kw 齿轮大轴的输入功率 P 4= P 3?34η= P 3?2

4η=2.56?0.972=2.41kw

输入功率 P 工= P 4?45η= P 4?2

4η?5η=2.41?0.972?0.98=2.22kw （3） 各轴输入转矩

电机的输出转矩 0T =9550?m N P 0=9500?3

960

=29.84 N·m

蜗轮小轴的扭矩输出 1T =0T ?1i ?1η=29.84?2.5?0.96=71.62 N·m

蜗轮大轴的输出转矩 2T =1T ?2i ?2η=71.62?16?0.9=1031.27 N·m 齿轮小轴输出转矩 3T =2T ?3η=1031.27?0.99=1020.96 N·m 齿轮大轴的扭矩输出 4T =3T ?2

4η?3i =1020.96?3?0.972=2881.86 N·m

输出转矩 5T =4T ?2

4η?5η=2881.86?0.972?0.98=2657.31 N·m

2.5 皮带轮与皮带的计算与选择

电机的转速与功率是一定值，故可以采用A 型普通皮带作为传动带。 由A 型带的小带轮最小直径为70mm 为已知，故确定小带轮的直径为为1d =100mm 。

皮带速度验算

1000

6096010014.310006001???=?=n d πυ=5.03 （2-4）

所以5<υ

所以此带轮合格

则从动轮 2d =2i ?1d =100?2.5=250mm 初选 da L =1600mm

则有 a=A+B A -2 （2-5）

其中 A=8)

250100(14.3416008)(421+-=+-d d L da π=262.63 (2-6)

B=()8212d d -=()8

1002502

-=2812.5 （2-7）

所以 a=262.63+5.281263.2622-=519.6mm 主动轮包角 α=0012

05.576

.519100

2501805.57180?--=?--a d d (2-8) =05.163>0120

带的根数 z=

()L

K K P P P α带带?+0

(2-9)

其中取 带P =00.97kw

带P ?=0.11kw αK =0.96 L K =0.99 可得 z=()99

.096.011.097.03

??+=2.92

取z=3

2.6 涡轮蜗杆减速箱的计算与选择

我们需要将蜗杆安装在涡轮的侧面所以要选用CWS 型的蜗轮蜗杆减速器，又由于 蜗轮大轴的输入转矩为 27.10312=T N·m 蜗轮小轴的输入功率为 P 1=2.88kw 传动比为 i =16

所以选用的蜗轮蜗杆型号为[6] CWS-125 JB/T 7935 其基本性能如表2-3

表2-3 蜗轮减速器的主要参数

2.7 联轴器的计算与选择

由于这种耦合需要承受较大的扭矩，且需要考虑到成本和轴向孔径配合的关系。弹

性柱销齿式联轴器具有结构简单，易于制造的优点，不需要特殊的加工设备，工作无需润滑，维修方便，易损件的快速更换，成本低，满足上述要求，因此弹性柱销齿式联轴器是不二选择。

由于 3T =1020.96 N·m 且蜗轮轴径大小为55mm 所以选用联轴器的型号为ZL4，

其型号为 84

55112

5541X D J X YB ZL GB5015—1985

其主要尺寸及参数如表2-4

表2-4联轴器的主要参数

2.8 轴承的选择

由于弯管机的轴承同时受有径向力和轴向力的作用而且在运行过程中需要一个平稳

的平台，所以无法选用深沟滚子轴承。因为轴承转速较低应力很小，所以圆锥滚子轴承的选择时，可以选择较小的轴承外径的折弯机更加紧凑和低成本。本设计选用32912和32918这俩种型号的圆锥滚子轴承。

其主要参数及基本尺寸如表2-5

表2-5轴承的主要参数 未注的单位为（mm ）

2.9 轴的初步计算与设计及校核

初步计算轴径

使用45钢作为轴的材料并进行调质处理。

3

n

P

A d ?≥ (2-10) P 为轴所传递的功率，kw n 为轴的转速，r/min

A 的系数范围为A=103～126，其值是由轴的剪切应力来确定的 现在取A=115

则 3424

56

.2115?≥d =54.54 mm 取 4d =55mm 则 358

41

.2115?≥d =77.09mm 取 5d =85 mm

需要一个轴肩来满足轴向定位半联轴器和联轴器之间的要求，由于轴段长度相比半联轴器长度略小，且半联轴器的连接长度为L=84mm 故取轴段L1为82mm ，半联轴器

与轴径直径取值均为d1=55mm 。轴肩的后头是齿轮部份，因为轴承的存在所以选取d2为60毫米，轴承端部底盖的总厚度取值设定为42毫米，此值是由箱体及轴承端盖的结构设定而确定。因为安装简单方便的需求加上轴承需要添加润滑脂，所以预留联轴器左面与端盖的外端面之间的距离为L2=10mm ，因为轴承必须用轴承座来进行支撑，所以可取轴承底座的壁厚为25mm ，根据需要设定齿轮与轴承座之间需要空出15毫米间隙，已知齿轮的厚度是175mm ，在齿轮的左端也需要制出一个轴肩来满足设计需求，由上文设定齿轮与轴承座之间的距离为15mm 且轴承与轴承座之间的间距相差8mm ，由此轴肩可设计为23毫米，由于轴承的宽度为17mm 则轴肩到轴承左边必须比轴承的宽度多出一些，故取值18mm 且其半径为30mm 。

到这里已经初步确定了轴的基本设计尺寸。

利用平键的功能对斜齿轮、半径联轴器与轴进行设计选用来确定周向定位。查找材料取得键的截面为 b ?h=18?11

使用键槽刀对键槽进行加工，其长度为160mm ，同时为了确保结合优秀对中性的齿轮与轴，所以选择组合为H7/n6的轮毂与轴；同样地，平键连接轴与半联轴器尺寸应为16mm ?10mm ?70mm ，半联轴器的配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为n6。取轴端倒角为2?450。

轴上载荷的计算与轴的校核 3T =1020.96 Nm

t F =

5

32d T =4201096.102023

??=4861 N (2-11) 0

7.9cos 20tan 4861cos tan ?

==βαn t r F F =1794 N (2-12) 07.9tan 4861tan ?=?=βt a F F =830.9 N (2-13)

通过设计结构尺寸轴和安装条件需要满足，考虑轴承寿命，设计支承跨距为a=221 毫米的支撑梁的轴，轴和轴的弯矩图中可以看到的危险截面结构C 部分。计算出的C 部分，H M 、V M 、M 的数值如表2-6所示

表2-6

轴的弯矩图:

图2-4

校正核查的时候只检查轴所承受的强度以来能承受的最强弯矩和扭矩截面（即高危截面C ）的强度。则由公式

ca σ=

()

W

aT M 2

32

1+=

3

2

2

601.0)10209606.0(290653??+=31.39Mpa (2-14)

之前已选用的材料为45钢，进行淬火及回火处理，可得[]1-σ=60Mpa 因此ca σ<[]1-σ，所以安全可靠 故小轴的结构尺寸如图2-5

图2-5

由于轴的大、小轴的大部分结构设计与计算同理。因此，类似的计算略，且由经验表明，此轴是一个安全的轴。

由于轴与弯曲模直接连接，并不是与半联轴器相连。由于轴的转矩较大且要求工作台需平稳以减小误差，因此采用矩形花键来连接轴与弯曲模。

由静联接有 ][1023

p zhld T m

p σ?σ≤?= (2-15)

对矩形花键进行验算。

不均的载荷分布系数与齿轮齿数有关，一般取?=0.7～0.8，被设计取?=0.8 花键的齿数 z =8

花键齿侧面工作高度h =2d

D - (2-16)

h =2

62

68-=3mm

齿的工作长度 l =80mm

花键平均直径 m d =2d

D - (2-17)

m d = 2

62

68+=60mm

故有

p σ=

65803875.010265723

??????=56.77Mpa<[]p σ=100～140Mpa (2-18) 故此矩形花键安全

此外，螺纹孔轴钻孔弯曲模固定在轴上，加工螺纹孔的M12 - 30毫米深，主要设计尺寸和结构如图2-6所示

图2-6

2.10 齿轮的计算与设计

由于齿轮传动只有一对，为利于机器的平稳，寿命及制造方便，故选用直齿齿轮传

动。本机是一般的工作机工作速度低可使用7级的精密锻造生产。小齿轮的原料选取40Cr （调质热处理），坚硬程度达到280HBS ，大齿轮的原料选取45号钢（调质热处理）坚硬程度达到240HBS ，俩种材料的坚硬程度差为40HBS

按齿面接角强度设计

2

3

1

1132.2???

?

??±?

?≥H E

d

t t Z i i T K d σφ (2-19)

式中

取载荷系数为 t K =1.3 取小齿轮所传递的转矩为 1T =1020.96 N·m 取齿宽的系数为 d φ==1

查资料知弹性影响系数为 E Z =189.8MPa 1/2MPa 接触疲劳强度极限（大齿轮）2σ=550Mpa 接触疲劳强度极限（小齿轮）1σ=600Mpa 各取值代入公式

则得 ≥t d 113.9 mm 由于齿轮小直径为55mm 而为了达到≥t d 12?1d 故取 t d 1=14.0mm 所以齿轮中心矩 ()i d a t

+≥

12

1=()312140+=280 mm (2-20)

初步定 a =280

一般1z =17~30，β=80~150初选 1z =23，β=100，则2z =i ，1z =69

则 m= 2

1cos 2z z a +β =692310cos 28020

+?=5.99 (2-21)

取 m=6

则 21z z +=m a βcos 2=6

10cos 28020

?=91.9 (2-22)

取 21z z +=92 则按2z =i 1z 可得 1z =23，2z =69

则 β=()

a

z z m 2cos 211+-=070.9 (2-23) 则小齿轮 t d 1=

βcos 1

m z =140.00 mm 大齿轮 t d 2=β

cos 1

m z =420.00 mm

则齿厚 b =t d d 1?=1.2?140=168 mm

取大齿轮厚 2b =170mm 则小齿轮厚取 1b =175mm

验算齿轮,由 t F =t

d T 132=14096

.10202??103=14571 N (2-24)

2b F

K

t

A=83.26N/mm<100N/mm合适(2-25)大齿轮与小齿轮的结构及尺寸如图2-7，图2-8所示

图2-7大齿轮

图2-8小齿轮

2.11 大小齿轴前后端盖及轴承座的结构设计

轴主要是由钢板进行支撑，为经济性考虑钢板不能选用太厚，45号钢是常用中碳调质结构钢。45号钢的冷塑性还行，热处理后力学性能较好，具备一定的强度和良好的切削加工性，材料的获得很容易，考虑综合条件，所以选用45号钢。但是轴承的厚度又相对厚一些故选择安装轴承底座并用螺钉紧固于钢板从而来支撑轴和轴承，这样做可以大大降低设计成本，且结构相对简单也更便于安装与维修。由于前后紧固轴力不大，可采用M10型号的内六角螺钉4根来紧固轴的前后端盖及轴承座，足够支撑。

它的的结构及尺寸图2-9，2-10，2-11，2-12，2-13，2-14

图2-9大轴前端盖图2-10大轴后端盖

图2-11大轴承座图2-12小轴承座

图2-13小轴后端盖图2-14小轴前端盖

2.12 轴套的结构设计

轴套的厚度s可在0.5d～2.0d之间进行选择

小轴的直径为60mm小轴厚度为6mm

大轴的直径为90mm 大轴厚度为8mm

套管材料是45钢，为了轴与轴承之间，更好，更耐用的配合，故把轴套材料进行调

质处理，如图2-15和图2-16所示轴套的尺寸结构

图2-15大轴轴套图2-16 小轴轴套

2.13 盖板的结构设计及计算

由于对盖板上的装置的行程需要，齿轮齿条，齿轮轴端盖的开关尺寸和一个定位孔和大量的部件的装置。故盖板选择厚度为20mm的45号钢。电机的空间位置和涡轮蜗杆占据的位置是盖板长度选取的重要条件，由于

电机中心与蜗轮蜗杆中心的距离a=519.6mm

大飞轮的分度圆直径为d2=250mm

电机的安装地脚宽为L1=280mm

取壁至电机脚的空间长度L0=90mm

取壁到大飞轮的空间长度L2=110mm

壁厚取b1=10mm

又因盖板要比壁凸出以便于与壁配合b0=10mm

故盖板长度L=2?b0+2?b1+L2+L0+L1/2+d2/2+a=1024.6mm

取L=1025mm

大齿轮和电机罩板及其相互空间位置决定盖板的宽厚

齿轮与机箱壁的距离B1=100mm

齿轮到机箱壁另一端的距离B2=160

同大齿轮的d5=420mm则B=B1+B2+d5=100+160+420=680mm

则得知盖板的尺寸为B?L?h=680?1025?20(mm)