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摘 要
目 錄
摘要 1
Abstract 2
1 綜述 3
1.1 引言 3
1.2 捆扎機在國內外的發(fā)展 4
1.3 研究捆扎機的意義 7
2 帶鋼捆扎機的總體設計 9
2.1 帶鋼捆扎機總體方案 9
2.2 帶鋼捆扎機的結構，參數工作原理及配置 9
2.2.1 帶鋼捆扎機的結構 9
2.2.2 鋼材捆扎機的技術參數 10
2.2.3 帶鋼捆扎機的工作原理 10
2.2.4 帶鋼捆扎機的電液配置方案 11
3 帶鋼捆扎機的機械設計探討 13
3.1 捆扎單元 13
3.1.1 捆扎單元前序部件功能簡介與設計思想探討 13
3.1.2 捆扎單元的作用 13
3.1.3 捆扎單元的組成 14
3.1.4 鋼絲在捆扎單元中前進的路線 14
3.1.5 捆扎單元中各組件功能與設計 14
3.2 導套裝置 26
3.2.1 導套裝置的作用 26
3.2.2 導套裝置的構成 26
3.2.3 導套裝置各零部件功能分析與設計簡介 26
3.2.4 導絲板上滾子選擇及間距確定 28
3.3 帶鋼打捆機送絲導路分析 29
3.3.1 送絲力的分析計算 30
3.3.2 捆絲發(fā)生彈塑性彎曲變形時的內力 31
3.3.3 捆絲通過導路的條件與導路設計 33
3.4 支座的設計 36
4 電控系統(tǒng) 39
結論 40
致謝 41
參考文獻 42
1
摘要
本文通過對國外先進捆扎機的研究，結合我國的實際情況，對帶鋼液壓捆扎機做出了更加優(yōu)化的設計。本文在對捆扎機各零部件的結構、參數、工作原理及配置的設計基礎上，用CAD制圖軟件加以配合，使各部件能直接投入生產。在機械手的設計當中，提出了自己的改進方案，并在經過大量的驗證后，證明其對提高捆扎機的整體性能具有積極的意義。本設計在注重機械部分設計的基礎上，對電液和電控部分也進行了必要的設計，使得此設計更趨完善。帶鋼全自動液壓打捆機是一個機、電、液、計算機控制一體化設備，具有一定的“智能”功能，可以根據生產現(xiàn)場情況自動調節(jié)打捆狀態(tài)。它具有如下主要動作：蓄絲、送絲、抽絲、剪斷、擰緊、擠平、打捆機位置調節(jié)等；使用φ6.5，φ6.0的退火盤條或直接采用φ6.0的熱軋盤條作捆絲；其捆結擰緊720°，然后擠平，保證了捆結牢固，不易松脫。
關鍵詞：帶鋼；捆扎；液壓；扭結
Abstract
Abstract
This text is making a better designation about band steel hydraumatic strapper combined with the study of foreign developed strapper and the actual circumstance of the our country. This text makes each part be able to throw in production directly through the designation of structure, parameter, operating principle and collocation of strapper combining the CAD graphics software. This text presents the own improvement project in the designation of magic hand, and the aggressive meaning of improvement of strapper whole performance is proved by a great deal of verification. This text also designs the part of electric hydraumatic and control to make this design better which is based on the design part of mechanism. Band steel full-automatic hydraumatic strapper is an equipment having certain "intelligence" function combined with mechanism, electricity, hydraumatic and computer, and it can regulate the banding appearance automatically according to the spot production circumstance. It has mainly actions as follows： accumulating steel wire; sending steel wire; drawing steel wire; clipping; tighten; squeezing flat; regulating position of strapper, etc; using annealed rod of φ6.5，φ6.0 or hot-finished rod ofφ6.0 directly as strapping steel wire; it straps and tightens for 720°,and then squeezing flat to make sure that it straps firm and not easily loose.
KeyWords： band steel, strap, hydraumatic, twist
2
綜述
1 綜述
1.1 引言
2005年是鋼鐵行業(yè)不平凡的一年，鋼材市場由前幾年的供不應求轉變?yōu)楣┐笥谇螅脑路蓍_始鋼材價格一路走低，行業(yè)整體利潤迅速下滑。在此情況下，產品質量和形象已成為企業(yè)生存發(fā)展的決定性因素之一。而隨著社會對鋼材需求的日益增加以及鋼鐵企業(yè)現(xiàn)代化程度的日益提高，越來越多的鋼鐵企業(yè)發(fā)現(xiàn)鋼鐵產品的包裝質量成為影響鋼鐵產量提高的關鍵。傳統(tǒng)的人工包裝效率低，工作強度大，作業(yè)環(huán)境差，而且易產生散捆、混號和捆松的情況，從而大大制約了鋼鐵產量的提高，在此基礎上便有了鋼材捆扎機的誕生。
鋼材打捆機(又名捆扎機,或稱打捆機器人)是現(xiàn)代化連軋生產線上的一種重要設備，也是鋼材精整包裝的核心設備，國際上只有SundBirsta、Danieli等公司掌握了精整包裝自動化關鍵技術，能生產全自動鋼材打捆機。我國從90年代起開始研究捆扎機，我國捆扎機械的生產，在經歷了二十多年的發(fā)展之后，從無到有，從簡到精，已經成為我國包裝機械領域中的主要產品。它以量大面廣、無所不捆的鮮明特點，廣泛應用于制造業(yè)、食品業(yè)、運輸業(yè)、商業(yè)、金融業(yè)和服務行業(yè)等，成為現(xiàn)代工業(yè)化社會不可缺少的設備之一。捆扎機械作為包裝設備中的一個主要分支，是一種將一個或多個包裝物用捆扎帶(繩)緊束一起的機器,它使包裝件便于運輸、保管和裝卸，屬于外包裝設備。
鋼鐵生產是一個復雜的過程，它包括連鑄坯、粗軋、預精軋、飛剪、中軋、精軋、冷卻、精整和入庫的全過程。其中精整又分為稱重、打號和打捆等步驟。每道工序的控制器、執(zhí)行元件和傳感器占據了工廠的各個角落，全集成自動化管理控制已成為當前的趨勢?，F(xiàn)場總線作為開放式、數字化、多點通訊的底層控制網絡,已被廣泛應用在制造業(yè)、流程工業(yè)的自動化系統(tǒng)中。因此其鋼材的捆扎就顯的尤為重要。而現(xiàn)在帶鋼的包裝打捆工作多為人力手工操作，勞動強度大，包裝質量低，容易造成倉儲、運輸中的散包，是鋼材營銷、外貿中的主要質量問題。帶鋼打捆機是大中型鋼鐵廠連扎生產線精整包裝工段自動化包裝的核心設備，是一種針對型鋼打捆及包裝的專用機械，它不同于其它普通的捆扎設備。由于帶鋼捆扎具有重量大的特點，因此帶鋼捆扎機必須滿足捆扎材料強度高、捆扎力大、捆扎牢固可靠的要求。由此可見帶鋼捆扎機有很好的市場前景，同時研究一種適合為國內大中型鋼鐵廠的打捆設備，代替手工打捆，不但實現(xiàn)鋼材包裝的自動化，還可以提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度，降低危險性，提高包裝質量，而且可以減少包裝現(xiàn)場的工傷事故。并可以為國家、企業(yè)節(jié)約外匯。
隨著中國鋼鐵企業(yè)的迅速成長，其對鋼材的包裝要求也是越來越高。這就對我國的鋼材捆扎機行業(yè)提出了更高的要求。
1.2 捆扎機在國內外的發(fā)展
國外捆扎機械的應用可追溯到上世紀初期，如美國的SIGNODE公司、德國的CYKLOP公司等就涉足捆扎行業(yè)，以生產鋼帶捆扎設備為主,但其規(guī)模和生產技術水平都還較低。直到本世紀的五十年代，由于塑料材料的問世，以塑料帶作為捆扎材料成為現(xiàn)實，這大大地促進了塑料帶捆扎機企業(yè)的發(fā)展，如較早的日本的下島、日魯工業(yè)株式會社等。至1991年，日本的塑料帶捆扎機總產量達14萬臺，約占包裝機械總量的19.5%，總產值達300億日元。每年約有30%的塑料帶捆扎機出口，幾乎占領了全部東南亞市場。由于他們能成功地引進和消化吸收別國的經驗，不斷改進發(fā)展，使他們的捆扎機械結構較為簡單，可靠性高，在國際市場上有很大的競爭能力。其中最大的生產廠家為下島株式會社，于1969年開始正式生產自動捆扎機，至1985年總產量就突破5萬臺，年銷售額達61億日元。全公司僅150多人，主要從事產品開發(fā)，產品質量控制和推銷工作，其零部件加工和裝配均通過擴散的辦法。在國內設有17家分公司和270個代銷點，并在35個國家和地區(qū)設有代理點。產品品種達200多個，主要生產品種為29種。美國的SIGNODE公司則是一家以鋼帶捆扎機為主，塑料帶、聚酯帶捆扎工為輔的跨國公司，屬于美國ITW上市公司。在美國和其他六個國家設有分公司，該公司自1913年就開始從事捆扎機械的生產，為100多個國家的工業(yè)產品包裝提供服務，并為各國用戶提供24小時的配件供應服務，他們不僅具有巨大的生產能力，而且還有一支精益求精的研制和開發(fā)隊伍，通過對捆扎機械各功能部件的反復試驗和多方案對比，生產出的捆扎機械具有很好的可靠性和最佳的經濟壽命，雖然價格昂貴，但仍然是國際市場上的強手。我國捆扎機械生產自1976年開始，隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展和各行業(yè)對改善產品包裝產品質量的要求日益迫切，使捆扎機械不論在生產能力、生產技術、整機性能等方面都有了很大的提高，其主要表現(xiàn)為：
1、已將微機技術應用于捆扎機程序控制，具有溫度控制，自動計數，定長送帶，故障報警等多種功能，不僅可單機使用也可多機聯(lián)用或與自動生產線配套使用。
2、從機器的傳動形式來看，有機械傳動，液壓傳動和氣動，特別是液壓傳動具有結構簡單，制造方便的特點，是我國特有的機型。
3、品種規(guī)格比較齊全,，為適應不同的用戶需要，已有全自動、半自動和手提式捆扎器，根據包裝件捆扎要求不同，除通用的普通型外，又有帶壓力的捆扎機，雙軌道捆扎機，側封式捆扎機等，其工作臺面有高有低，可適應單件捆扎或自動連續(xù)捆扎的需要，目前最大的自動捆包尺寸可達2000×1200毫米，最小的可捆扎50×80毫米的包裝件。品種已達二十多種。
4、捆扎能力在每分鐘12—21道之間，基本能滿足國內當前的生產需要。
5、目前仍大量采用寬度為13.5毫米的塑料捆扎帶和直徑為30毫米的筒形薄膜捆扎繩，并正在開發(fā)使用寬度為5—10毫米的塑料捆扎帶的捆扎機，但國外大量使用的鋼帶自動捆扎機在國內尚未開發(fā)。
6、捆扎帶粘接主要利用燙頭將捆扎帶兩端加熱至一定溫度后再施壓使之粘合，稱為熱熔搭接型，其接頭的拉力強度可達母帶強度的80%。塑料繩捆結機則以打結的形式捆緊包件。
7、目前已能生產二十多個品種的捆扎機和三個品種的捆結機，基本上能滿足國內需求，其中半自動捆扎機的整機性能已接近國外先進水平，故每年有較大的批量出口，而自動捆扎機仍與國外有較大的差距。
然而我國目前所能生產制造的打捆機多為應用于輕工、服務行業(yè)的手動、半自動和全自動打捆包裝設備，且只是一些通用型的捆扎機械。高水平高效率的全自動鋼材打捆機，如應用鋼帶的全自動打捆機的生產至今仍是一個空白，無法滿足鋼鐵冶金產品包裝的需求。為了滿足國內鋼鐵企業(yè)對提高產品包裝質量，符合國際包裝標準的需要，替代進口鋼材打捆設備，我國對全自動鋼管打捆機進行了研究與開發(fā)，并取得了成功。我國自行研制的型鋼捆扎機的控制系統(tǒng)的特點和主要功能為：
1、控制和協(xié)調各個動作油缸、液壓馬達等，自動完成鋼材的捆扎包裝；
2、實現(xiàn)了液壓高低壓控制電路，這樣不僅可以節(jié)能，更避免了液壓系統(tǒng)無功用壓力循環(huán)造成油液發(fā)熱，影響液壓系統(tǒng)性能；
3、通過電路設計和觸摸屏、PLC的配合，實現(xiàn)了現(xiàn)場離線故障的檢測；采用光電旋轉編碼盤和PLC的高速計數器，輔助進行盤條送抽絲長度以及擰絲角度的監(jiān)測；
4、與型鋼包裝自動化工作站控制器通信，多設備協(xié)同進行型鋼的定位、預成形和打捆包裝；
5、通過觸摸屏與PLC實現(xiàn)了智能人機交互；
6、具備手動調試和維護功能。
采用上述功能控制系統(tǒng)智能化技術的兩臺鋼材全自動打捆機，已成功應用到我國第一條國產鋼材連軋生產線——吉林通化鋼鐵集團型鋼連軋廠，運行1年來，滿足了鋼材連軋后續(xù)精整工藝的要求，提高了設備的可操作性、可靠性、可維護性。
與國外捆扎機械生產技術水平相比，國產機差距主要表現(xiàn)為：
品種單一，生產能力低，雖然經過二十多年的發(fā)展，但只能生產20多個品種，還不及國外一個公司的品種數，而且只能生產通用型的產品，如鋼帶自動捆扎機的生產至今仍是一個空白，無法滿足一些特殊行業(yè)的需要。據調查，1996年全國產量已達9000臺，但仍大大落后于國外的水平。
我國捆扎機械的生產起步較晚，主要是靠引進國外的樣機經消化改進二次開發(fā)生產的，因此在生產中著重于產品的整機性能而忽視了對零部件的研究，導致在捆扎速度、接頭粘接方式和送帶軌道等主要技術性能方面不及國外先進水平。而且工作可靠性較差，特別是捆扎帶和元器件的質量不穩(wěn)對整機的性能帶來很大的影響。
我國的捆扎機的發(fā)展趨勢主要有以下幾點：
1、發(fā)展多品種，系列化生產。
由于社會商品生產的逐漸發(fā)達和捆扎機械在使用過程中所顯示的極大適應性，使捆扎機械的應用越來越廣，除了要滿足一般重量,大小和批量的包件捆扎外，還要求有能適應防水(水產品和易腐蝕品等液體包裝品)，防塵(建材和粉狀物品包裝)，防爆(易爆物品包裝)型捆扎機，能適應特重物品、松輕物品的捆扎機，能十字自動捆扎，多道同時捆扎，加壓捆扎和帶托盤捆扎的捆扎機。在今后的十年中,捆扎機將會實現(xiàn)兩個突破，其一是使用對象不僅僅是工業(yè)系統(tǒng),，而會向辦公、銀行、郵電等部門發(fā)展。捆扎的目的也不會再局限于保護商品，便于運輸，而是向美化商品發(fā)展，如禮品的包裝捆扎，超級市場的小包裝捆扎，借助多彩的捆扎帶給商品增添美感。其二是在捆扎用帶方面，除了現(xiàn)在大量使用的聚丙烯塑料帶外，將會有鋼帶捆扎，聚胺酯帶捆扎機，以適應鋼鐵等重型物品的捆扎。塑料薄膜拉伸捆扎將會越來越廣泛，以適應帶托盤集合包裝物的捆扎和型材的捆扎。
2、提高自動化程度。
工業(yè)生產的發(fā)展，對包裝捆扎的自動化程度要求越來越高，雖然在八十年代已成功的開發(fā)了微機控制的自動捆扎機，具備了燙頭溫度控制，故障報警，自動捆扎，自動計數的功能，但對于流水線生產中的自動送包、自動定位、自動轉位，以及十字捆扎，井字形捆扎等功能來講，還沒有成功的機型，對提高捆扎機的監(jiān)控水平來講，應利用微機控制或光導纖維控制，實現(xiàn)遠距離操縱，并通過監(jiān)視系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)問題，排除故障。此外，通過自動化水平的提高，還應使機器的操作與維修更趨向方便，無需熟練的工人就可操作，無需有一定水平的技術人員就能維修，使之達到機器智能化，這在一定的程度上可促進捆扎機械推廣使用。
3、提高捆扎速度。
為適應生產流水線的需要，必須相應的提高捆扎速度，目前我國自動捆扎機的普遍水平為每道捆扎時間比國外先進水平慢3～4秒。
4、改進捆緊機構。
理想的捆扎應是對包件施以足夠的捆緊力，并能針對包件的變化，通過調整確保捆緊力。目前，我國的自動捆扎機大多采用調整張緊臂的擺動角度來實現(xiàn)調整。半自動捆扎機則是通過調整壓縮彈簧對摩擦離合器的壓力，以此改變送帶滾輪的傳動力來實現(xiàn)捆緊力的調整，前者屬于定距離型捆緊，而后者則是屬于定力量型，從調整的范圍和對包件的適應性來講，定力量型能更好地實現(xiàn)有效捆扎，因此對于自動捆扎機來講，有必要改進捆緊機構，以便根據不同的包件(硬包、軟包)進行自如的調整。
在這幾十年的發(fā)展中，我們已經可以明顯的看到中國捆扎行業(yè)的進步。我們的發(fā)展步伐也在一步步地加快。在不久的將來我國的捆扎機行業(yè)將會與國際看齊。
1.3 研究捆扎機的意義
我國鋼產量在1996年突破1億噸后仍持續(xù)快速增長，2005年為2億噸，年均增長8.6%，2005年比2004年增長19.1%，2005年1～8月又比上年同期增長22.2%。由于除自產外還大量進口鋼坯生產鋼材，故從2005年以來我國鋼材產量超過鋼產量。2005年為2.5億噸，比1996年增長68.6%，年均增長11%。2005年1～8月，鋼材產量比上年同期增長19.6%。
初步分析，近年來我國工業(yè)(包括機械、輕工、化工、冶金、電力、煤炭、石油等)用鋼材約占總消費量的38%左右，交通運輸業(yè)(包括鐵道、公路等)用鋼材約占總消費量的6%左右，建筑業(yè)(包括基本建設、房地產開發(fā)、城市建設、基礎設施等)用鋼材占總消費量的55%左右，其他約占1%?？梢?，建筑業(yè)是鋼材消費的第一大戶，其次是工業(yè)。從1997年至2001年，全社會固定資產投資增長45.8%。其中，基本建設投資增長47.7%，更新改造投資增長52.2%，房地產投資增長101%。大規(guī)模建設以及房地產開發(fā)快速增長，是帶動鋼材消費增長的最主要因素。此外，工業(yè)生產回升、出口增長(特別是機電產品出口，已占總量的52%左右)，是帶動鋼材消費增長的另一個主要因素。機械和輕工是工業(yè)用鋼材量最大的兩個行業(yè)，其用鋼材量分別占全國總消費量的11%和15%左右。2004年，機械、輕工行業(yè)完成總產值分別比上年增長16.5%和14.4%；2005年1～8月，機械、輕工行業(yè)同比增長又分別為22.7%和16.5%?？偟那闆r是，進口鋼材大部分用于工業(yè)，國產鋼材大多用于建筑業(yè)。
如此巨大的鋼鐵產量，便需要于之配套的包裝設備體系，可我國的帶鋼包裝研究還處于起步階段，國內生產的帶鋼捆扎設備相對于型鋼來說也還比較落后。這不僅僅影響了帶鋼的產量，還由于帶鋼的包裝質量差，防銹不到位致使帶鋼的質量無法得到保證，由此造成的損失已相當的嚴重。
在我國中小型軋鋼車間的精整收集線上，堆垛、包裝與捆扎等收集工序歷來就是一個比較薄弱的生產環(huán)節(jié)。由于它的機械化程度低，勞動強度大，在一定程度上限制了車間勞動生產率的提高，并影響了生產工人的工作質量。隨著中小型軋鋼車間的日益發(fā)展，對成品及半成品的收集捆扎實現(xiàn)機械化、自動化的要求是更為迫切了，所以對捆扎設備的深入研究勢在必行。
對帶鋼捆扎機的研究設計，是在對SUND/BIRST公司捆扎機進行消化吸收的基礎上提出的。其研究目的在于：通過借鑒SUND/BIRST公司捆扎機的原理，對捆扎機的設計理論及設計思想進行探討。并最終完成自己的設計。使此打捆機的工作性能更加完善、可靠。為我國的捆扎機行業(yè)做出貢獻。
帶鋼捆扎機的研制成功將為減輕工人的勞動強度，提高工作效率，保證捆扎質量，改善精整收集線的面貌做出巨大的貢獻。
28
帶鋼捆扎機的總體設計
2 帶鋼捆扎機的總體設計
2.1 帶鋼捆扎機總體方案
此處帶鋼是指帶圈直徑900mm～1400mm，重量在0.5t～1.5t之間的帶鋼。
帶鋼全自動液壓打捆機是一個機、電、液、計算機控制一體化設備，具有一定的“智能”功能，可以根據生產現(xiàn)場情況自動調節(jié)打捆狀態(tài)。它具有如下主要動作：蓄絲、送絲、抽絲、剪斷、擰緊、擠平、打捆機位置調節(jié)等；使用φ6.5，φ6.0的退火盤條或直接采用φ6.0的熱軋盤條作捆絲；其捆結擰緊720°，然后擠平，保證了捆結牢固，不易松脫。
2.2 帶鋼捆扎機的結構，參數工作原理及配置
2.2.1 帶鋼捆扎機的結構
帶鋼捆扎機由機械部分、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)三部分組成。
機械部分由送絲架、捆扎單元、捆扎機頭架座、導槽裝置組成。
送絲架的作用是為了控制鋼絲不歪斜，基本保持在一個平面內，尤其是當鋼絲反抽時使鋼絲運動方向得以控制。
引絲板的作用是控制鋼絲正確進入送絲裝置，其次也對鋼絲進行再矯直。為了減少前進或后退時對鋼絲及設備磨損，在鋼絲前進通道設有滾子或定滑輪。
捆扎單元由送絲裝置，扭轉剪切裝置、彎倒裝置四部分組成。
送絲裝置送絲是通過液壓馬達變速后驅動一個送絲來完成。捆絲首先由引輪組人工引入送絲輪盤處，然后由引輪組和夾送器壓緊在送絲輪盤上，送絲輪盤屬于固定不可調式。當輪盤轉動時，靠摩擦力引導捆絲前進或后退。引輪組和夾送器壓緊輪盤的程度由彈簧機構來調節(jié)。
夾緊裝置就是當鋼絲經過扭轉頭和導槽，再穿過扭轉頭并到達一定位置后由一個液壓缸驅動夾緊機構將鋼絲端壓緊在扭轉頭上，以便送絲盤反轉張緊。在扭轉剪切開始的瞬間，另一個液壓缸驅動夾緊機構松離扭轉頭。
扭轉剪切裝置是通過液壓馬達驅動扭轉頭轉動實現(xiàn)扭轉捆絲并與扭轉頭后部刀片配合，同時完成鋼絲的剪斷。鋼絲擰花打結的多少是由扭轉頭旋轉的圈數多少來決定的。打完結后彎倒裝置將打成的結彎倒在鋼捆上。當扭轉剪切動作完成后,扭轉剪切裝置還應保證扭轉頭回復到初始位置以迎接下一個工作周期。
導槽裝置：控制捆絲運行的正確方向，并在適當時候實現(xiàn)鋼絲脫離導槽。導槽裝置由液壓缸驅動實現(xiàn)導槽的封閉與打開。
2.2.2 鋼材捆扎機的技術參數
帶鋼捆扎機的技術參數如下：
捆扎用鋼絲：φ6.0mm
捆絲力大?。篎max=3.5KN
捆重：0.5-1.5t
捆徑：φ800～φ1400mm
鋼絲導槽內徑：φ600mm
捆扎道數：單道
捆扎時間：約18s
2.2.3 帶鋼捆扎機的工作原理
在捆扎機工作之前，首先由人工將捆絲引入送絲裝置。具體做法是由人工搬動手柄，通過機械機構使引轉組移離送絲輪盤，然后人工將捆絲插入。
該捆扎機自動捆扎過程及原理為：將帶鋼送至捆扎機的支座上，由支架固定。當捆扎指令下達后，鋼絲導槽閉合，送絲裝置立即送絲。當鋼絲端頭接觸到夾緊機構并夾緊后，送絲裝置立即反向旋轉，使鋼絲收緊。當收緊力達到預先設定的壓力后，再第二次送絲。該送絲量很小，夠打花結用即可。其后扭轉頭立即旋轉切斷鋼絲，擰花打結開始。結打好后，彎倒裝置將扭結壓倒在鋼捆上。然后鋼絲導槽張開，車體后退到初始位置，捆扎工作周期完畢。
捆扎機的一個自動捆扎周期如下：
圖1 捆扎周期圖
2.2.4 帶鋼捆扎機的電液配置方案
本機全部驅動均由液壓來完成，以保證構件動作平穩(wěn)，無噪聲。它的全部動作都由PLC自動控制。這樣不僅控制改變的靈活性強，而且可以保證動作準確可靠。
液壓系統(tǒng)主要由以下設備組成：油缸、油箱、電動機傳動裝置、回油過濾器、壓力開關、壓力表、電磁閥以及液壓缸、液壓馬達等。整個液壓裝置均安裝在捆扎機本體上。
具體油缸及馬達如下：
（1） 全機進退油馬達
（2） 送絲油馬達
（3） 扭轉剪切油馬達
（4） 支座傳動馬達
（5） 捆扎單元升降用油缸
（6） 鋼絲導槽閉合用油缸
（7） 鋼絲卡緊用油缸
（8） 導套裝置活門油缸
供電方案如下：三相電源由附近電磁站引出。動力電源經控制開關直接進入動力器件及負載。控制電源經過隔離變壓器進入主控盤。
主控盤上有下列操作開關：
（1） 手動操作，自動操作選擇開關
（2） 油泵啟動開關
（3） 整機啟動開關
（4） 再送絲開關
（5） 送絲故障復位開關
（6） 故障排除后，設備重復一個新的工作循環(huán)開關
（7） 緊急停車開關
（8） 總電源開關
主控制面板上還要有下列顯示：
（1） 控制電源接通顯示
（2） 液壓系統(tǒng)油泵啟動顯示，以及低油位顯示
（3） 設備是在初始位置，還是在捆扎位置顯示
（4） 送絲卡緊，送絲張緊顯示
（5） 導槽張開，閉合顯示
（6） 自動操作顯示
帶鋼捆扎機的機械設計探討
3 帶鋼捆扎機的機械設計探討
Qq414238600
導套裝置的構成由三部分組成：導絲板1，導絲板2和導絲板3。其中導絲板1固定在捆扎單元座上是不動的，導絲板2和導絲板3由液壓缸帶動是可以動作的。
在不工作時，導絲板3在液壓缸帶動下打開。在正常工作時，導絲板1，導絲板2和導絲板3形成一個封閉的導套。
3.2.3 導套裝置各零部件功能分析與設計簡介
1、導絲板2是一個組裝件，盤條在送絲輪盤驅動下穿越扭轉頭之后，首先要進入導絲板2。為了控制盤條順利進入導絲板2，在導絲板的入口處有一導向鋼板。該鋼板的切入角度應與從扭轉頭穿出的盤條的速度方向相一致。為了減小磨損，導向鋼板之后，導絲板上安裝一圈導向輪，來控制盤條前進的方向。
為了保證盤條抽絲張緊是一個逐漸的過程，并控制盤條的運行方向，在導絲板上安裝有導絲器。
導絲器有兩種，一種是由液壓缸帶動的。當送絲時，該導絲器將導槽封閉，防止盤條飛離，在張緊過程中，在適當的時機，油缸帶動支板旋轉，使導絲器滾子移離導槽從而使盤條拉出，該種導絲器的液壓缸選擇依據是克服鋼絲張緊力所需的液壓力。
另一種導絲器是由彈簧代替液壓缸。在正常情況下，導絲器滾子緊靠導絲板2的內側與導絲板上的滾子形成一個容納盤條運行的通道。在鋼絲張緊過程中，當盤條拉緊到一定程度時，盤條拉動導絲器滾子，使之隨支板一起圍繞一銷軸轉動，從而使導絲器滾子與導槽內側分離使盤條拉出，由于受壓彈簧要恢復到原來的位置，就迫使導絲器滾子恢復到初始位置，這樣，導絲器滾子又與導絲板2形成一個封閉通道。
導絲板2上之所以選擇彈簧式導絲器，主要是因為該導絲器位于張緊過程的最后一道關卡，顯然這種彈簧式導絲器有利于鋼絲完全張緊，因為只有張緊力達到一定的大小時，該導絲器滾子才能被拉動。
為了更好的控制盤條的運行方向，彈簧式導絲器上還裝有一個檔塊，在液壓缸導絲器之后還裝有一個引板。
為了保證在離開導絲板2之后，盤條能順利地進入與之相鄰的導絲板，在導絲板2的出口處裝了一個導絲塊，該導絲塊的作用是使盤條前進的通道越來越窄，即對盤條的限制越來越嚴格。
導絲板直線部分的確定：直線部分的長度應超過盤條由導絲板1到導絲板2的飛躍點。該線與扭結頭所有尺寸不能太小，若太小將會造成盤條前進的困難，同時該段長度也不能太短，否則也將造成前行的困難。
2、導絲板1
導絲板1屬于固定式，它固定在捆扎機頭的底座上，與剪絲座相鄰端。導槽內安裝有一導絲塊，該導絲塊的作用就是控制盤條正確的運行方向，并使其運行路徑越來越窄。即在導絲塊的入口處有一斜面使盤條導入路徑，在導絲塊的出口處，內側一路導槽使盤條切入剪絲座后進入扭轉頭，外側一路切入剪絲座后直接進入導絲板3。
導絲板1上也裝有一個導絲器，該導絲器也為液壓缸式，原理同前。為了減少磨損，導絲板上設置均布的滾子作為盤條前進的路徑。
3、導絲板3
導絲板3分別與導絲槽1和2相接，共同形成一個封閉環(huán)。它在液壓缸的作用下可以打開以便使捆扎機隨意進出作業(yè)線。導絲板3上有三個導絲器，均為液壓缸式，原理同前，其中內側安裝一個，外側安裝兩個。
為了減小磨損，導絲板上設置均布滾子，在導絲板3的出口處有一導塊來限制盤條前進的路徑，導塊要求耐磨，高強度，高韌性，材質為20CrMo。
導絲板3的驅動機構：液壓缸活塞桿帶動一連桿，最后帶動一個擺動法蘭，擺動法蘭與導絲板3連接在一起。而液壓缸固定在捆扎機底座上，液壓缸行程和擺動法蘭長度應配套設計以保證捆扎機退出捆扎線時導絲板完全張開而不至于使捆好的鋼捆相碰。
導槽裝置的設計主要考慮如下兩個問題：（1）捆絲前進過程中所受到的摩擦力最?。焕z從一個導絲板到另一個導絲板時前進通道應遵循寬進嚴出的原則；導槽裝置的內徑大小與鋼絲的材質及直徑直接相關。經分析確知，捆絲的剛度越大，捆絲所能順利通過的導槽曲率半徑越大。（2）實現(xiàn)單雙道捆。為了既能實現(xiàn)單道捆又能實現(xiàn)雙道捆，組成導槽裝置的三個導絲板從結構上都有兩條捆絲前進的通道。導絲板1和導絲板3在其軸線方向上固定不動，而導絲板2在液壓缸的帶動下沿其軸線方向可以擺動。
實現(xiàn)單道捆捆絲前進路徑即：扭轉頭—導絲板2的通道1—導絲板3的通道2—導絲板1的通道2—扭轉頭。
實現(xiàn)雙道捆的路徑即：扭轉頭—導絲板2的通道1—導絲板3的通道1—導絲板1的通道1—飛躍扭轉頭—導絲板3的通道2—導絲板1的通道2—扭轉頭。
3.2.4 導絲板上滾子選擇及間距確定
滾子的選擇關系到盤條的前進，滾子太寬則盤條前進方向不精確，太窄則盤條前進困難。由于盤條直徑為6.0mm，所以軸承寬選8mm,型號為6101單列向心球軸承。
滾子間距的選擇是盤條能否順利通過導絲槽的關鍵。捆絲前進過程中與一個滾子接觸，產生了一個徑向力。軸向力為送絲力，徑向力達到能使捆絲彎曲就可以，取為200N。
…………………………（7）
mm…………………………（8）
圖10 滾子受力圖
6101軸承的各部件尺寸：
d=12mm
D=28mm
B=8mm
圖中m=6mm為捆絲直徑，S為導槽內徑與滾子外徑間隙，S=22mm,R=300mm。為導絲槽內半徑，則：
…………（9）
上面為臨界條件，適當減小，取=8，則一周共用45個滾子即可滿足要求。
3.3 帶鋼打捆機送絲導路分析
打捆機導絲槽送絲導路的設計是非常重要的。設計合理的送絲導路，選擇合理地送絲力及合理的捆絲材料、直徑、強度和剛度就顯得尤為重要了。為解決這個設計難點，首先分析送絲過程中送絲力的變化，捆絲在各階段的變形與送絲導路曲率半徑的關系，再分析捆絲順暢通過導路的條件及有關因素變化規(guī)律，最后進行結構設計。根據打捆工藝及工作原理的要求，其導路的大致形狀及送絲機構的結構布置如下圖所示。
圖11 導路示意圖
3.3.1 送絲力的分析計算
在送絲的初始階段，捆絲由直線工作狀態(tài)變成曲線工作狀態(tài)。此時可將進入導路的捆絲近似視為一失穩(wěn)壓桿。壓桿彎曲變形后失穩(wěn)的臨界壓力的大小即可視為初始送絲力的大小。由材料力學可知，假設捆絲在送絲力及導路阻力作用下彎曲失穩(wěn)滿足歐拉公式的應用條件，即：
………………………………（10）
…………………（11）
，約束系數取1.5,則：
N
而實際送絲力還應考慮穿絲沿導路的摩擦力，送絲力應為：
………………………………（12）
下面求上式沿導路的摩擦阻力F之值。設捆絲進入曲線導路時軸向力為Pn，該Pn值將隨著捆絲進入導路約束力的變化而變化。若設捆絲在某一位置的約束反力為dR，則可近似視捆絲為一受傾斜載荷dR作用的懸臂梁。再假定捆絲與導路間的摩擦角為ψ，懸臂梁的橫向載荷集度為q,則有：
(3)
圖12 受力分析圖
再由水平方向的平衡方程得：
將式（3）代入上式積分得：（考慮捆絲通過范圍）
式中為導路在該處的曲率半徑，積分上式得到橫向載荷集度：
…………………………（13）
而法向反力：
…………………………（14）
若摩擦系數f=0.15，則可得：
………………………………（15）
由式（8）可知，欲使捆扎通過導路，送絲力應不低于T=Pcr+F=1.83Pcr,T=783N,實際設計中取T=750N～850N獲得較好的送絲效果。
3.3.2 捆絲發(fā)生彈塑性彎曲變形時的內力
根據捆絲過程及其運動特點，可將捆扎理想成一變長度，受均布載荷q(s)橫向力作用的彎曲懸臂梁。由彎曲過程的分析可知捆絲在通過導路的過程中將發(fā)生彈塑性彎曲變形，其橫截面上的應力將逐漸由彈性應力過渡到塑性屈服應力，故其橫截面內的彎矩及彈塑性極限彎矩可以表述如下：
設彈性階段的應力分布如下圖所示，彈塑性階段的應力分布為：
圖13 彈性階段的應力分布圖
在彈性階段：
…………（16）
,當捆絲處于彈性極限狀態(tài)時，其橫向截面上下表面處于塑性應力，此時所對應的彎矩即為彈性極限彎矩:
…………………………（17）
在彈塑性階段，設彈性核高度為，則有：
當捆絲處于塑性極限狀態(tài)時，整個橫截面都將進入塑性，此時的塑性極限
矩為：
……………………………（19）
由式（10）和式（12）可知:
3.3.3 捆絲通過導路的條件與導路設計
1、導路軌跡的變化規(guī)律及外形
根據打捆工藝要求，送絲導路必須設計成環(huán)狀閉合曲線，且出入端為直線。入口為水平直線，出口為豎直直線，二者在扭轉頭外交匯。
可首先假定在導路水平直線與豎直直線間用一條等曲率的光滑圓弧將其連接起來。該圓弧的曲率半徑為R，在理想情況下，捆絲在送絲力作用下應沿此光滑圓弧行進。由此可得到捆絲彎曲變形的撓度與導路曲率半徑的關系：
………………………………（20）
由于我們已將捆絲視為理想彈塑性材料組成的懸臂梁在送絲力作用下梁沿分布集度載荷的方向發(fā)生彈塑性變形，因而其撓曲線為：
……………………………（21）
如果我們假定捆絲在通過圓弧形軌道導路時也發(fā)生同樣的彈塑性彎曲變形，則由式（14）和（15）便可得到送絲導路的曲率半徑R與不同位置之間的關系：
………………………………（22）
為了設計出導路軌跡的具體形狀，可假定等不同點，求出各點的曲率半徑，然后將這些點用光滑曲線聯(lián)接起來，即可得導路閉合曲線的形狀。R和變化關系曲線如下圖：
圖14 R和θ變化曲線
2、在捆絲給定的條件下，導路曲率半徑的極小值
如果用于打捆的鋼絲已給定，則其抗彎強度EI及屈服應力已知。由此可導出捆絲簡化為懸臂梁時所能承受的最大塑性極限彎矩，并由此導出送絲導路所對應的最小曲率半徑Rmin之值。
由塑性力學可知，在彈性極限狀態(tài)時，彈性極限彎矩。所對應的撓曲線曲率為：。隨著載荷的增加，當M>時，捆絲上下層的塑性區(qū)逐漸擴大，彈性核高度<1.11并逐漸減小,其曲率可描述成：
……………………………………（23）
而對于理想彈塑性材料,其內應力M與的關系又可由下式描述：
………………（24）
其中，為進一步明確起見，將與n的數值關系列表如下:
則彈性核的高度可表述成：
…………………………………（25）
表1
由上表可知，當K=6Ke,即M=1.671Me時，捆絲所承受的彎矩就基本達到塑性極限彎矩了。此時所對應的曲率半徑即為導路曲率半徑的極小值。將式（19）代入（17）得：
……………………………………（26）
對所選捆絲，若取E=196GPa，=335MPa，r=3mm,n=代入式（20），計算得到曲率半徑的極小值Rmin293mm.
3、導路曲率半徑與捆絲抗彎剛度的關系
由式（20）可知導路的曲率半徑與捆絲的彈性模量及捆絲的半徑成正比，亦即表示越剛硬的捆絲需要的導路曲率半徑就越大，越能獲得良好的通過性能，從優(yōu)化設計的角度出發(fā)，為使設備的外形尺寸不致過大，在捆絲能通過導路的前提下應盡可能使導路的曲率半徑減小。換句話說，在保證捆絲自由端在一定范圍內為彈性變形以便順利進入豎直導管的前提下，應該使捆絲在入口端部產生一定的塑性變形。因此應考慮，捆絲承受塑性極限彎矩的作用，故在式（20）中取即K=6Ke，此時式（20）成為：
……………………………（27）
由上式即可得到導路的曲率半徑與捆絲剛度間的關系變化曲線如圖所示：
圖15 R與EI關系圖
最后，討論一下在導路極限曲率半徑Rmin=293mm的條件下能通過導路的捆絲的最大剛度。
從式（21）可知，捆絲的抗彎剛度EI與導路的曲率半徑成正比。在=Rmin給定的條件下，即可求得對應的捆絲的最大半徑為：
（22）
將E=196GPa，=335MPa和=293代入得，。即所用捆絲的最大直徑必須限制在6.0mm以內。
所選捆絲材質即為45號鋼正火處理。
3.4 支座的設計
支座是的作用是固定和支撐被捆帶鋼卷。當帶鋼卷被搬送到支座上，由三根主軸對其進行支撐，并由兩個支架對其進行固定。三根主軸由一傳動馬達提供動力，當捆扎部分完成一個捆扎周期以后，給傳動馬達下達指令，使其帶動三根主軸同時轉動。再由主軸帶動帶鋼卷完成其繞自己圓心的120度的轉動。然后將指令回饋給捆扎單元，此時捆扎單元進行第二個周期的捆扎。其工作流程圖為：
圖16 工作流程圖
1、軸的設計
由于三根主軸的受力情況相同，所以其選材和受力分析在下面作統(tǒng)一的設計。
由于軸的受的支撐力比較大，所以選擇45鋼，并進行調質處理。
估算最小軸徑d。
根據式（29）,查表（軸常用材料[]和C值表），取c=112。
……………………………………（29）
已知送絲時間為5秒，所以支座帶動帶鋼卷轉動120度的時間為5秒，所以三根主軸的線速度為V：
已知帶鋼卷的最大重量為1.5t,帶鋼卷于主軸的摩擦系數為，則摩擦力F：
…………………（30）
則功率P為：
……（31）
則有：
……………………………（32）
即：
則取d=50mm。
則軸的結構草圖為：
圖17 軸的結構草圖
2、V帶傳動的選擇
因為主軸的轉速較高，承載力較大，所以選擇V帶傳動。
圖18 V帶結構圖
圖19 支座結構圖
電控系統(tǒng)
4 電控系統(tǒng)
由于打捆機要完成拉緊、合鉗、剪切、開臂、擰進、擠平、擰退、蓄絲、合臂、送絲等十多個動作,動作多,邏輯關系強,且工作頻繁,條件惡劣。為確保生產的穩(wěn)定持續(xù)運行,控制器的選擇就顯得尤為重要,SIEMENSS7-200系列PLC具有結構小巧、運行速度快、通用性好、可靠性高等特點,很適合鋼鐵廠的作業(yè)環(huán)境。并考慮到整個打捆機控制系統(tǒng)的輸入輸出量、控制程序編排、PLC存儲容量和控制系統(tǒng)的價格,我們選用2個CPU216模塊作為控制核心,采用主從機形式。其中上位機CPU216-1主要用于現(xiàn)場人機交互處理,包括參數設定、系統(tǒng)調試、警情顯示及控制面板操作響應等;下位機CPU216-2則按上位機的要求,協(xié)調打捆動作,完成打捆目的。為了避免驅動電流過大,對PLC造成損傷,在PLC與電磁閥之間加入中間繼電器,PLC通過控制繼電器的觸發(fā)來控制電磁閥線圈的通斷,而且通過中間繼電器實現(xiàn)PLC控制和手動開關控制的轉換,便于單機調試和故障診斷及排除。同時選用SIMATICHMITP7觸摸面板作為現(xiàn)場級顯示、交互設備,提供良好的人機交互環(huán)境。
軟件設計則根據PLC周期的執(zhí)行掃描程序的特點,按各個輸入點及相關寄存器的當前狀態(tài)做出相應的處理。首先是在上電第一次掃描時調用初始化子程序,然后調用警情處理子程序,處理完后判斷是否還存在警情,若無則執(zhí)行后面相應的功能處理子程序,反之則直接跳到程序尾,開始下一輪掃描,如圖7所示。而打捆步驟執(zhí)行程序控制中,在泵源壓力足夠的情況下,我們采用了行程開關和時間限制的余度控制方法,以確保打捆周期不超過18秒。
圖20 程序流程
結 論
結論
作為帶鋼生產線上必不可少的精整包裝設備,全自動帶鋼打捆機有很好的市場前景。而上述打捆機是針對中國鋼鐵企業(yè)的生產體系和生產狀況設計的,適合作為國內大中型鋼鐵廠的打捆設備,代替手工打捆。一方面，實現(xiàn)鋼材包裝的自動化，提高了勞動生產率，減輕了工人的勞動強度，降低了危險性，提高了包裝質量，而且還減少了包裝現(xiàn)場的工傷事故。并為國家、企業(yè)節(jié)約了外匯；另一方面，從一定程度上改善我國打捆機生產中著重于產品的整機性能而忽視了對零部件的研究，導致在捆扎速度、接頭粘接方式和送帶軌道等主要技術性能方面不及國外先進水平的現(xiàn)狀。并且提高了捆扎機的工作可靠性,特別是減小了捆扎帶和元器件的質量不穩(wěn)定對整機的性能帶來的影響。
由于我們所學的知識有限，所以在設計中還有很多問題沒有得到解決。在指導教師的幫助下，本設計的內容得到了很好的完善。但有些問題依然存在。例如捆扎的速度還是沒有達到預定的要求、捆扎機械手的設計在徑向進給方面還需要改進等。
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