1、轮毂坯料自动堆料机设计前 言随着现代科技技术的发展，堆料机已经广泛应用在各种生产中。堆料机主要由堆料机构、旋转及俯仰装置、行走台车、门柱及支架、司机室、进料带式输送机联接装置等组成。不论在顺行或逆行时，堆料机的行走速度都要保持相同的平铺料层厚度，以保证矿石匀化效果。堆料机应设除尘或洒水装置，以减少料堆粉尘污染；堆料机卸料头部装有料堆高度探测器，能按一定节距随料堆高度调节俯仰程度。堆料机作为散装物料装卸机械的使用是从上世纪初期开始的，它是由挖掘机演变来的。我国从 20 世纪 60 年代中期开始研发堆料机。经过 40 余年的发展，国内堆料机的设计制造水平有了很大提高尤其是从 20 世纪 80 年代
2、后期，计算技术的应用和结构有限元的分析计算的使用使得设计手段得到了极大的改善。同时从 20 世纪 80 年代初期开始到现在，已经有几十次的产品进口、技术引进、合作制造，几乎囊括了日本、美国、德国、法国、奥地利、意大利等世界上知名的散装物料装卸机械公司的产品，这些项目的是实施，对国内制造商提高产品的设计制造水平起到了极大的促进作用，使我国的堆料机设计技术发生了巨大的变化。另外通过技术的不断创新，国内的制造商也陆续设计制造出了性能优良的堆料机产品，逐渐的满足了国内外用户的需要。堆料机正向着大型化、自动化的方向发展，设备选型更加多样化和环保化，产品配套的国际化，PLC 控制和变频器调速系统多元化，系
3、统通讯网络化，并且随着产品设计和制造质量的提高逐步走向世界。第一章 堆料机简介1.1 堆料机的结构堆料机主要由悬臂式堆料机、桥式刮板取料机和中心柱等组成，见图 1.1图 1.1 1悬臂式堆料机 2桥式刮板取料机 3中心柱1.1.1 悬臂式堆料机悬臂式堆料机支承在中心柱上层回转平台上，堆料臂架铰支在回转平台上的支承上，其上布置有胶带运输机，配重则布置在堆料臂架的后部末端。悬臂堆料机能实现上下变幅和沿料场圆周方向回转。回转平台靠一回转支承与中心柱相连，回转支承在一套回转驱动装置的带动下实现堆料机绕中心柱作圆周运动。液压系统中的液压动力站驱动液压油缸，使堆料臂上仰或下俯。胶带机在堆料机回转和变幅复合
4、运动的同时实现预定方式的堆料功能。1.1.2 桥式刮板取料机桥式刮板取料机由箱形梁、行走端梁、刮板系统和料耙系统组成。行走端梁上设置传动装置，驱动取料机沿料场圆周方向运行。箱形梁一端支承在行走端梁上，另一端铰支在中心柱下回转支承外圈上，支承整个取料机绕中心柱回转。刮板取料系统布置在箱梁下面，刮板链在中心柱一端的传动装置驱动下循环运行，实现取料功能。设置在箱形梁一侧的料耙在液压系统驱动下，沿料堆的横端面上将物料耙落，辅助刮板系统完成取料工作。在料耙往复运动、行走端梁沿料场圆周方向进给的同时，经刮板系统刮取物料，完成其取料过程。堆料和取料预定方式均由可编程控制系统按照预编程序进行控制。为适应自动化
5、工艺流程、调试、维护保养及特殊工况的处理，堆取料机设置了自动控制、手动控制和机旁控制三种控制方式，三种方式各自独立。1.2 堆料机的分类（1） 臂式斗轮堆取料机： 臂式斗轮堆取料机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它广泛应用于火电厂、港口码头、钢铁冶金、建材水泥、矿山、化工、煤炭与焦化厂等原料储运场，可实现煤炭、矿石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。（2） 摇（动）臂混匀堆料机：摇（动）臂混匀堆料机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它应用于钢铁冶金、港口码头、建材水泥、矿山、化工等行业大型现代化原料储运场，实现煤炭、矿石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作
6、业。（3） 摇臂堆料机：摇臂堆料机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它应用于钢铁冶金、港口码头、建材水泥、矿山、化工等行业大型现代化原料储运场，实现煤炭、矿石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。（4） 门式斗轮堆料机：门式斗轮堆取料机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它广泛应用于火电厂、港口码头、钢铁冶金、建材水泥、矿山、化工、煤炭与焦化厂等原料储运场，可实现煤炭、矿石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。（5） 圆形料场堆取料机：圆形料场堆取料机是一种连续、高效的散状物料装卸输送机械，它广泛应用于火电厂、建材水泥、矿山、化工、煤炭等原料储运场，可实现煤炭
7、、矿石、化工原料等散状物料的堆取、转运、装卸的连续作业。第二章 方案设计2.1 总体方案设计汽车轮毂冲压剪切下料后,需要酸洗除锈,为提高效率和质量,要求坯料有序地排放在料架上。自动推料机应具有以下功能：（1） 推料过程自动完成（2） 从下料机上自动接料（3） 设计两种规格料架（4） 自动检测和报警（5） 料道高度 1.1m（6） 节拍 30S/件酸洗槽规格 1.8 X 3（m）轮毂坯料的垂直高度为 260mm 根据设计说明任务及要求，本次设计的根本任务是把轮毂坏料有序地排列到料架中使其实现自动化。要点是: （1） 自动化。 （2） 有序摆放。自动化的实现部分要用涉及到控制动力，很自然地要用到机
8、电传动。即以电动机为原动机驱动输送机械。将电能转化为机械能。电机的选择用交流伺服电动机，它与普通电机相比具有以下特点：（1） 调整范围广，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内调节；（2） 转子的惯性小，即能实现迅速启动，停转；（3） 控制功率小，过载能力强，可靠性好。整个过程主要以下两个环节：（1） 推料器把轮毂坯料推到升降机上； （2）由升降机上的推料器把轮毂坯料推进小车内。中间过程升降机要起降，由于传动的多环节性，控制系统要有自动的测量控制信号，选用传感器，其类似于人的感觉器官。它把被测量转换为易测信号。传送给测量系统的信号调理环节，控制信号的处理要用到继电器-接触器控制系统
9、。为实现过程的逻辑性，要用到时可编程序控制器。轮毂坯料自动输送流程简图如下图2.1：图 2.1 轮毂坯料自动输送流程简图2.2 具体方案设计2.2.1 裁板机推料器动力的选择可选动力有：（1） 电动机 1）螺旋传动 2）链传动 3）带传动（2） 气缸（3） 液压缸考虑到现场工作环境（轮毂坯料下料后有大量的锈渣，在冲击条件下有下落）从而去除螺旋传动和链传动。因为它们要求有相对清洁的工作环境。带传动平稳性和精确性相对较差，去除。液压设备功率大，辅助设备要求较高，考虑到此推料器推力不大，而气缸具有设备简单，气源方便的优点。因此选用气缸作为裁板机推料器的动力。2.2.2 料架内堆料层数、数量、相对位置
10、的确定酸洗槽规格为：1.83(m)，轮毂坯料的垂直高度为 260mm，估算轮毂坯料的重量，设计料架内装三层坯料，估算坯料重心，设计坯料与料架底面成 11 度垂直摆放，综合空间性此角度较为合适。综上所述，根据轮毂坯料空间几何尺寸确定轮毂坯料数量为：第一层 25 个，第二层 24 个，第三层 23 个，共 72 个。2.2.3 升降机传动的选择由于要三层堆料，考虑传动的平稳性，选择螺旋传动。螺旋传动一般是将旋转运动变成直线运动，或反过来将直线运动变为旋转运动，并同时进行能量和力的传递。螺旋传动按螺纹间摩擦状态又可分为滑动螺旋，滚动螺旋与静压螺旋三大类。滑动螺旋的特点：（1） 结构简单，加工方便，成
11、本低廉（2） 当螺纹升角小于摩擦角时，能自锁（3） 传动平稳（4） 磨擦阻力大，效率较低，仅在 0.30.7 之间，自锁时低于 0.5，常在0.30.4 之间（5） 螺纹间有侧向间隙，反向时有空行程，定位精度及轴向风度较差（6） 磨损快（7） 低速及微调时可能出现爬行滑动螺旋副常采用梯形螺纹，锯齿形螺纹或矩形螺纹。矩形螺纹的特点：牙型为正方形，牙型角为 0。传动效率高，但精度制造困难；螺纹强度比梯形螺纹，锯齿螺纹低，对中精度低：螺纹副磨损后的间隙难于以补偿佤修复。综合考虑和对比各种传动副的特点及机器传动的要求选用矩形螺纹。2.2.4 升降机上推料器传动选择考虑到推料器要求传动速度快，平稳的特点
12、，选择链传动作为此推料器的传动装置。因为链传动能保持准确的平稳传动。传动效率高；结构较为紧凑。作用在轴上的压力较小；能在高温低速重载条件下工作。链条按功用不同可分为传动链，输送链，起重曳引链和专用特种链，考虑到本机器的特点，选用传动链。2.2.5 小车方案（1） 小车能在水平方向移动并能定位到任何位置；（2） 料架能方便的安放到小车上，并且和小车相对位置要求精确；（3） 小车传动用螺旋传动，动力为交流伺服控制电机。2.2.6 料架辅助装置为了能使轮毂坯料准确的摆放在料架上，设计轮毂坯料要求有导辊起导向作用。此装置动力由一气缸提供。由于辅助装置上升幅度较小，气缸的行程要求不大，根据气缸的特点，能
13、满足工作要求。2.2.7 输送时间分配根据设计任务的参数（节拍：30s/件）及各种传动的速度的合理性，分配时间简述如下：第一层堆料：裁板机推料器接收到传动命令后用 3 秒时间把轮毂坯料推到升降机的待输送状态，停 1 秒钟后用 3 秒返回待命位置。升降机推料器接收到传动信号后用 5 秒时间将轮毂坯料摆放到料架指定位置，停 1 秒后用 5 秒时间返回到原位置。料架辅助装置和升降机推料器同时启动，用 1 秒时间托起，保持 5 秒后用 1 秒时间退回。小车在料架下落后启动，用 1 秒时间移动 1 单元距离。到第 25 个轮毂坯料摆放好后小车用 17 秒时间快速退回到开始位置。第二层堆料：裁板机推料器和
14、升降机推料器动作和第一层堆料相同。料架辅助装置停止工作。不同的是轮毂坯料到升降机待命位置后往上提升一单元距离，用秒的时间提升， ，然后再由升降机推料器把轮毂推到小车的指定位置。然后再用秒的时间回退。到第个轮毂坯料摆放好后，小车迅速回退到初始位置。第三层推料：和第二层堆料基本相同，不同的是升降机要向上提升两单元距离(一单元距离为轮毂坏料在升降机上摆放时的垂直高度） 。到第个轮毂坏料摆放好后，报警机报警，将料架由起重机吊起放进酸洗槽中。整个过程的时间分配简单示意图如下：图 2.2 输送第 1-24 个轮毂的时间简单示意图图 2.3 输送第 25 个轮毂的时间简单示意图图 2.4 输送第 26-49
15、 个轮毂的时间简单示意图图 2.5 输送第 50 个轮毂的时间简单示意图图 2.6 输送第 51-75 个轮毂的时间简单示意图上列图图表字母代号名称：A：截机板机推料器 B：升降机 C：料架辅助装置 D：升降机推料器第三章 机电控制设计3.1 传感器概述3.1.1 传感器的定义信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。
16、最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC: International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号” 。按照 Gopel 等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件” ，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器” 。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。3.1.2 传感器的组成传感器一般由敏感器件与其他辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信
17、号进行必要的转换输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用的电信号的装置。随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个检测器中形成一种心形的“智能化传感器” 。3.1.3 传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：（1） 按传感器的物理量分类，可分为位移传感器、力传感器、速度传感器、温度传感器、流量传感器、气体成份等传感器；（2） 按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶
18、等传感器；（3） 按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“”和“”或“开”和“关” ）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。（4） 按信号变换特征分类，可分为物性型传感器和结构性传感器。（5） 按传感器与被测量之间的关系分类，可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。（6） 按传感器输出量的性质来分，可分为模拟式传感器和数字式传感器。3.1.4 传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入
19、量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。3.1.5 传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。3.1.6 传感器的线性度通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
