貴州理工學院本科畢業設計（論文）設計（論文）題目：金屬切割機控制系統設計學院：＿＿＿＿＿＿＿＿專業：＿＿＿＿＿＿＿＿班級：＿＿＿＿＿＿＿＿學號：＿＿＿＿＿＿＿＿學生姓名：＿＿＿＿＿＿＿＿指導教師：＿＿＿＿＿＿＿＿年月日貴州理工學院本科畢業設計（論文）-[20]。本裝置作為棒料切割機，控制較為簡單，因此選擇西門子SimaticS7-200系列PLC，這個裝置適用于小型自動化控制和簡單生產線的控制，具有較低的采購成本、易于使用和耐用的特點。S7-200系列PLC有6個不同的基本型號的CPU模塊，分別為CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU224XPsi和CPU226，各自具有不同的電源電壓和控制電壓。CPU221具有6個輸入點和4個輸出點，CPU222具有8個輸入點和6個輸出點，CPU224具有14個輸入點和10個輸出點，CPU226具有24個輸入點和16個輸出點。圖4-1西門子SimaticS7-200系列CPU226模塊本裝置有五個絲杠電機，一個交流伺服電機，一個三相異步電機，三個86步進電機，共10個電機。以及測長傳感器，激光測距儀，壓力傳感器和紅外傳感器，共4個傳感器。因此，加上啟動，停止兩個輸入，共設置10個輸入，13個輸出。因此選用擁有10點輸入，13點輸出的控制的S7-200系列CPU226，而且其在棒料切割機系統中使用還有余量，可供備用。4.1.2I/O口設計根據所選用的CPU226以及棒料切割機的控制系統要求，PLC的I/O接口分配如表4-1所示。表4-1I/O口設計輸入輸出啟動I0.0上料電機Q0.0紅外檢測I0.1棒料傳送帶電機Q0.1上下夾板壓力檢測I0.2上下夾緊電機(正轉)Q0.2左右夾板壓力檢測I0.3左右夾緊電機(正轉)Q0.3測距檢測(距離過短)I0.4夾板移動電機(正轉)Q0.4測距檢測(距離過長)I0.5橫向圓鋸電機1(正轉)Q0.5測距檢測(距離合適)I0.6橫向圓鋸電機2(反轉)Q0.6測長檢測(長度合適)I0.7縱向圓鋸電機1(正轉)Q0.7測長檢測(長度過短)I1.0縱向圓鋸電機2(反轉)Q1.0停止I1.1夾板移動電機(反轉)Q1.1上下夾緊電機(反轉)Q1.2左右夾緊電機(反轉)Q1.3切割電機Q棒料切割機的控制流程棒料切割機的結構簡圖如圖4-2所示。1-上料架；2-步進電機；3-上料裝置；4-伺服電機；5-絲杠移動板；6-上下夾持裝置；7-絲杠動力滑臺；8-測長傳感器；9-左右夾持裝置；10-切割刀；11-傳送帶；12-收集箱；13-激光測距儀；14-壓力傳感器；15-紅外傳感器圖4-2棒料切割機結構簡圖上料架1通過步進電機2驅動上料裝置3將棒料帶到傳送帶11上并排列好，由伺服電機4驅動傳送帶11將棒料移至夾持裝置6、9處進行夾持，之后由夾持裝置6、9將棒料通過絲杠動力滑臺7移到切割刀10處進行切割，切割完成的棒料將直接落入收集箱12中。其中，上料架1主要將橫放在上料架上的棒料通過翻滾架翻滾到11傳送帶上進行原材料的上料工作。傳送帶11上有測長傳感器8，測長傳感器用于檢測棒料加工末端時的殘余長度，若小于某個定值，則傳送帶會直接將余料送至收集裝置中，開啟下一個生產周期。6為上下夾持裝置，通過絲杠上下移動。9為左右夾持機構，由一個齒輪和兩幅齒條構成，通過電機旋轉齒輪帶動齒條進行左右移動。主要限制棒料在切割時不隨意晃動，保持切割穩定性。在夾持裝置上裝有紅外傳感器和壓力傳感器。紅外傳感器安裝在夾板上，用于檢測棒料是否到達夾板，以便對棒料切割長度進行控制。壓力傳感器安裝在夾持裝置兩側，通過檢測棒料對左右夾持裝置的壓力來控制電機旋轉，保證左右夾持機構能夠正確夾緊棒料而不會因為力度過大而導致齒輪和齒條崩齒。切割刀10安裝在絲杠移動板5上，通過四個絲杠電機16和絲杠控制移動，并且分為兩個縱向電機和兩個橫向電機。其中縱向電機在絲杠上縱向移動，控制絲杠移動板帶動切割刀前后移動進行切割。橫向電機在絲杠上橫向移動，控制絲杠移動板帶動切割刀10左右移動，調整棒料切割長度。激光測距儀安裝在切割刀10上，通過測量切割刀10與夾持裝置之間的距離，從而通過PLC對橫向絲杠電機進行控制，移動絲杠移動板，實現對棒料切割長度的控制。4.1.4棒料切割機的控制要求棒料上料機的上料次數為十次。棒料在切割工作進行到末尾時，剩余的棒料長度不足以完成加工要求，需要通過傳感器測出剩余長度，以便判斷是否能夠繼續加工。若長度足夠則繼續加工，若剩余長度小于加工長度，則直接控制傳送帶將剩余棒料之間傳送至收集裝置中，開啟下一輪棒料加工。控制夾板夾持的力度，防止用力過大造成崩齒和滑絲等情況。確定控制棒料傳送長度的方式。確定切割刀具與夾板之間的距離，用于控制棒料切割的長度。4.1.5傳感器元器件選型1.測長傳感器測長傳感器原理是利用物體在運動中或者在受力作用下，長度發生微小變化的原理來進行測量的一種傳感器。常見的測長傳感器有壓電式測長傳感器、電阻式測長傳感器、光纖式測長傳感器等。壓電式測長傳感器是利用壓電效應來進行測量的。當壓電晶體受到外界的壓力或拉伸時，會產生電荷量的變化，利用這個變化可以測量物體的長度變化。電阻式測長傳感器是利用電阻的變化來測量物體的長度變化。當電阻材料受到外力作用時，其電阻值會發生微小的變化，利用這個變化可以測量物體的長度變化。光纖式測長傳感器是利用光的傳輸來測量物體的長度變化。光纖傳感器由光源、光纖、接收器等部分組成。當光纖受到外力作用時，光纖中的光會發生微小的彎曲，從而導致光的傳輸路徑發生變化，利用這個變化可以測量物體的長度變化。在本裝置中，由于結構，環境等因素影響，選擇如圖4-3所示的光纖式傳感器作為測量棒料長度的傳感器類型，在型號上選擇歐姆龍的智能傳感器ZX-LT。其采用光量判別方式，從投光器向受光器發射平行激光光束，受光器通過透鏡在受光元件上聚光。由于在投光器和受光器間有物體，則會減少激光的受光量，因此物體的寬度變化以線性輸出的變化形式進行輸出。用于檢測棒料外徑，檢測不透明體邊緣位置。因此非常適用于本裝置工作環境。圖4-3歐姆龍智能傳感器ZX-LT2.激光測距儀激光測距儀是一種利用激光束測量距離的測量儀器。它包括發射器、接收器和計算器三部分組成。激光發射器產生一個激光束并將其照射到被測物體上，然后接收器檢測反射的激光信號并將其轉換為電信號，計算器通過計算得出激光從發射到反射并返回接收器的時間，并計算出被測物體的距離。本裝置選擇如圖4-4所示Dimetix公司的DPE-10-500激光測距儀，它的測量范圍0~500m，測量精度1毫米，擁有兩個數字量輸出，一個錯誤信號輸出和一個數字信號輸入，有著最大250Hz的檢測頻率，完全可以實時檢測刀具與夾板之間的距離。圖4-4Dimetix公司DPE-10-500激光測距儀3.紅外傳感器本裝置的紅外傳感器安裝在夾板上，主要用于檢測棒料是否到達夾板，并發出信號控制傳送帶的交流伺服電機轉動，從而控制棒料的輸送長度。本裝置采用如圖4-5所示的漫反射光電開關式紅外傳感器，它通過發送一束光線并檢測光線的反射來檢測物體的存在和位置。有一個發射器和一個接收器。發射器向物體發送一束光，然后接收器通過接收被物體反射后的光來檢測它的存在和位置，這樣可以檢測棒料是否到達夾板位置。圖4-5漫反射光電開關式紅外傳感器4.壓力傳感器壓力傳感器是一種將物理壓力轉化為電信號的傳感器。有著變壓器式壓力傳感器，電阻應變式壓力傳感器，壓力傳送器等種類。它是一種可以測量液體或氣體中壓力的設備，它可以將壓力轉換為相應電信號，這些信號可以被顯示器、控制器、計算機或其他電子設備讀取和處理。本裝置選擇如圖4-6所示的壓力傳感器來檢測夾板與棒料之間的壓力，以便可以通過合適的力度來夾持和夾緊棒料，防止因為力度過大而導致齒輪和齒條之間產生崩齒，絲杠與電機之間產生過載等問題。圖4-6壓力傳感器4.2PLC控制系統軟件設計4.2.1控制系統流程圖設計根據控制系統的工作流程可以繪制系統的工作流程圖如圖4-7所示。圖4-7控制系統流程圖4.2.2順序功能圖設計通過棒料切割機控制系統的流程圖以及控制要求可以知道控制系統動作的順序，結合PLC的I/O接口分配可以繪制出棒料切割機控制系統的順序功能圖如圖4-8所示。在順序功能圖中，用輸入量M控制代表每一步的編程元件，Q控制代表輸出量。圖4-8順序功能圖4.3控制系統梯形圖設計根據棒料切割機控制系統的順序功能圖可以繪制出控制系統的梯形圖，棒料切割機控制系統的梯形圖如下。4.3.1梯形圖輸入與轉換1.利用SM0.1啟動M0.0步，如圖4-9所示。圖4-9啟動M0.0的梯形圖2.啟動M0.1步，復位M0.0步。上料電機開始工作，上滿十根棒料后進入下一步，梯形圖如圖4-10所示。圖4-10上料電機開始工作的梯形圖3.啟動M0.2步，復位M0.1步。傳送帶電機開始工作，棒料到達夾板處進入下一步，梯形圖如圖4-11所示。圖4-11傳送帶開始工作的梯形圖4.啟動M0.3步，復位M0.2步。傳送帶電機繼續工作，直到棒料到達切割長度后進入下一步，梯形圖如圖4-12所示。圖4-12傳送帶繼續工作的梯形圖5.啟動M0.4、M0.5步，復位M0.3步。棒料長度到達要求后，夾板對棒料進行夾持，進入下一步，梯形圖如圖4-13所示。圖4-13夾板對棒料進行夾持的梯形圖6.啟動M0.6步，復位M0.4、M0.5步。夾持移動裝置帶動夾板移動到預定位置后進入下一步，梯形圖如圖4-14所示。圖4-14夾持移動裝置帶動夾板的梯形圖7.分條件啟動M0.7步或M1.0步，復位M0.6步。切割裝置判斷與夾持裝置的距離，調整合適的切割位置，梯形圖如圖4-15所示。a)距離過短b)距離過長圖4-15切割裝置調整位置的梯形圖8.啟動M1.1步，復位M0.7步、M1.0步。位置調整后對棒料進行切割，梯形圖如圖4-16所示。a)距離過短調整完畢b)距離過長調整完畢圖4-16棒料切割的梯形圖9.啟動M1.2步，復位M1.1步。切割完成后，切割刀回縮，梯形圖如圖4-17所示。圖4-17切割刀回縮的梯形圖10.啟動M1.3、M1.4步，復位M1.2步。此時夾板松開對棒料的夾持，梯形圖如圖4-18所示。圖4-18切割刀回縮的梯形圖11.分條件啟動M1.5步或M1.6步，復位M1.3步、M1.4步。判斷剩余棒料能否進行下次切割，梯形圖如圖4-19所示。b)長度不足檢測b)長度充足檢測圖4-19判斷剩余棒料能否切割梯形圖12.啟動M1.7步或M2.0步，復位M1.5步或M1.6步。若棒料長度足夠，則夾板直接移動到傳送帶處，若棒料長度不足，則傳送帶直接啟動，將剩余棒料推到收集裝置中，梯形圖如圖4-20所示。a)長度充足b)長度不足圖4-20判斷剩余棒料能否切割梯形圖13.在上一步的前提下啟動M2.1步或M2.2步，復位M1.7步或M2.0步。此時夾板都是移動到傳送帶處，梯形圖如圖4-21所示。a)長度充足夾板返回b)長度不足夾板返回圖4-21判斷剩余棒料能否切割梯形圖14.在上一步的前提下返回M0.3步或M0.0步，復位M2.1步或M2.2步。若棒料剩余長度足夠則繼續切割，反之返回到最開始。梯形圖如圖4-22所示。a)長度充足繼續切割b)長度不足返回第一步圖4-22繼續切割或從頭開始的梯形圖4.3.2梯形圖輸出1.M0.1輸出T37定時器和C37計數器，定時器控制上料電機旋轉時間，計數器控制上料電機旋轉十次，梯形圖如圖4-23所示。a)電機旋轉一圈b)電機旋轉十圈圖4-23上料電機上料十次的梯形圖2.M0.3輸出T38定時器，控制傳送帶輸送棒料的長度，梯形圖如圖4-24所示。圖4-24控制傳送帶輸送棒料長度的梯形圖3.M0.6輸出T39定時器，控制夾板移動裝置將夾板移動到預定的位置，梯形圖如圖4-25所示。圖4-25控制夾板移動裝置的梯形圖4.M1.1、M1.2輸出T40、T41定時器，控制切割裝置對棒料進行來回切割，梯形圖如圖4-26所示。a)切割刀前進b)切割刀返回圖4-26切割裝置來回切割棒料的梯形圖5.M1.3、M1.4輸出T42、T43定時器，控制夾板松開對棒料的夾持，梯形圖如圖4-27所示。a)左右夾板b)上下夾板圖4-27夾板松開對棒料的夾持的梯形圖5.M1.6輸出T44定時器，控制傳送帶將剩余棒料推至收集裝置中，梯形圖如圖4-28所示。圖4-28控制傳送帶將剩余棒料推至收集裝置的梯形圖6.M1.7、M2.0輸出T45、T46定時器，控制夾板移動裝置將夾板移動到傳送帶處，梯形圖如圖4-29所示。a)長度足夠夾板復位b)長度不足夾板復位圖4-29控制夾板移動裝置將夾板移動到傳送帶處的梯形圖4.4程序仿真本文使用宇龍機電仿真軟件進行PLC程序仿真，在宇龍仿真軟件的西門子s7-200CPU226PLC中編寫的梯形圖程序并調試，完成后發現PLC可以按照棒料切割機的控制要求進行工作，說明編寫的梯形圖程序沒有問題和錯誤。1.當控制系統按下啟動按鈕I0.0時，上料電機Q0.0開始轉動10次，之后傳送帶Q0.1對棒料進行傳送，對應的軟件調試結果如圖4-30所示。a)上料過程b)運輸過程圖4-30程序第一步仿真輸出結果2.當棒料到達夾板處時，夾板上的紅外傳感器感應到棒料，向傳送帶發送信號輸入I0.1，此時傳送帶開始計時，控制棒料輸送的長度。對應的軟件調試結果如圖4-31所示。圖4-31程序第二步仿真輸出結果3.當棒料到達指定長度后，夾板Q0.2、Q0.3開始對棒料進行夾持。對應的軟件調試結果如圖4-32所示。圖4-32程序第三步仿真輸出結果4.當棒料對夾板的壓力達到一定程度時，夾板上的壓力傳感器將信號I0.2、I0.3發給夾板移動裝置，由夾板移動裝置Q0.4帶動夾板移動到指定位置。對應的軟件調試結果如圖4-33所示。圖4-33程序第四步仿真輸出結果5.接下來切割裝置的激光測距儀測量與夾板之間的距離，比較與切割距離的長短，若距離過短，則發送信號I0.4給切割橫向移動裝置，拉長與夾板之間的距離Q0.6。反之距離過長則發送信號I0.5，縮短與夾板之間的距離Q0.5。對應的軟件調試結果如圖4-34所示。a)過短判斷b)過長判斷圖4-34程序第五步仿真輸出結果6.當距離合適時，激光測距儀發送信號I0.6給切割橫向移動裝置使其停止，同時啟動切割電機Q1.4，開始對棒料進行來回切割Q0.7、Q1.0。對應的軟件調試結果如圖4-35所示。a)切割刀前進b)切割刀返回圖4-35程序第六步仿真輸出結果7.切割完畢后，夾板松開對棒料的夾持Q1.2、Q1.3。對應的軟件調試結果如圖4-36所示。圖4-36程序第七步仿真輸出結果8.此時傳送帶上的測長傳感器測量傳送帶上剩余棒料的長度是否能夠繼續加工，若可以，則發送信號I0.7給夾板移動裝置Q1.1，返回到第二步運行。若長度不足，則發送信號I1.0給傳送帶Q0.1，將傳送帶上的剩余棒料送至收集箱中，隨后夾板移動裝置Q1.1返回傳送帶處，開始新一輪加工。對應的軟件調試結果如圖4-37所示。a)長度足夠b)長度不足圖4-37程序第八步仿真輸出結果4.5本章小結本章對棒料切割機的控制方面做了詳細設計，通過對PLC進行選型，設置I/O口，在根據控制要求完成傳感器的選型，流程圖和順序功能圖的繪制。最后編寫棒料切割機的梯形圖控制程序，并對其中的主要程序段作解釋說明。結論本文主要對棒料切割機進行了結構上的設計和PLC程序的設計，并對其中具體的部分零件進行了計算設計，使用SolidWorks繪制了棒料切割機的三維圖紙，確定了其中的零件和裝配體的配合關系。最終使用CAD完成了棒料切割機二維圖紙的繪制和PLC程序仿真，在理論上可以實現棒料切割機總體流程的基本功能。本文的主要研究成果如下：1.提出了一種傳統棒料切割機，并且此裝置能夠進行全自動的完成棒料的上料和切割工作，而且能夠同時切割多根棒料完成高效率工作。2.通過檢索和查閱大量中外文獻，了解國內外發展過程和研究現狀，比對國內外的同類產品在結構，價格，效率等方面，通過對比其中的優點和缺點，確定了PLC為控制元件的棒料切割機總體設計方案。3.完成了棒料切割機的結構設計，確定了具體的結構組成，通過尺寸計算設計了棒料切割機中的切割裝置，夾持裝置，上料裝置等結構，并且對其中的部分零件和電機進行選型。比如切割裝置采用V帶輪進行切割傳動，計算刀具尺寸和質量得出功率，選用Y160L-8三相異步電動機。對夾板連接件進行設計和有限元分析，計算夾板的質量和絲杠的軸向載荷，對絲杠的導程和長度進行選型，使其符合相應的要求。4.采用西門子S7-200CPU226PLC進行控制，并對通過棒料切割機的控制流程和要求，編寫相應梯形圖控制程序，并通過宇龍機電程序仿真，證明其可信性。完成了棒料切割機的控制系統設計。致謝本論文是在老師的親切關懷和悉心指導下完成的。感謝老師在我畢業設計選題、并在論文撰寫的整個過程中的悉心指導，在畢業設計過程中對我相關設計問題提出的寶貴的意見和建議，對我畢業論文的指點，老師時刻以實事求是的科學研究精神影響我、指引我，讓我以嚴謹的態度進行工作和學習。感謝父母，在生活上父母給予我無微不至的關心與愛護，是父母的支持，才讓我安心學習，勇往直前。最后，再次感謝所有教導我、關心我、鼓勵我、支持我的無比親愛的老師、親人、朋友們！祝你們身體安康、工作順利、萬事如意！參考文獻[1]韓相爭.西門子S7-200SMARTPLC編程從入門到實踐[M]化學工業出版社，2021.[2]陽勝峰.快速學會S7-300/400PLC[M].北京：中國電力出版社,2016.[3]MouradMakaci,PaulReaidy,KarineEvrardSamuel.PooledWarehouseManagement:AnEmpiricalStudy[J].Computers&IndustrialEngineering,2017.[4]張帆.工業控制網絡技術[M].北京：機械工業出版社，2018.[5]湯曉華，范其明，蔣正炎.電氣控制系統安裝與調試項目教程（西門子系統）[M].北京：高等教育出版社,2018.[6]梁強.機械產品數字化設計及關鍵技術研究[J].農機使用與維修,2023.[7]北島李工.西門子S7-200SMARTPLC應用技術：編程、通信、裝調、案例[M]化學工業出版社,2020.[8]張慧明,張翠芳.PLC技術在自動化控制工程中的應用研究[J].中國設備工程,2023.[9]馬春陽.CAD技術在機械設計與制造過程中的應用[J].內江科技,2022.[10]黃河清.PLC步進電機控制技術研究[J].電子元器件與信息技術,2022.[11]周金華．一種棒料切割機：中國，201821047677.0[P]．2018-07-03．[12]史修金．一種切割效率高的棒料切割機：中國，202011400487.4[P]．2022-06-07．[13]應鵬飛，趙志孟，岳奉奎，等．一種棒料切割機：中國，202121275554.4[P]．2021-11-23．[14]桑原康宏．一種可同時切割多件棒料的圓鋸切割機：中國，202221679803.0[P]．2022-11-11．[15]蒲娟，陳勇．棒料切割機自動上料機構設計與實施[J]．機械工程師，2019.[16]DUShiwen，LIYongtangandBLei．DesignandDynamicCharacteristicResearchontheHydraulicSystemofAHighSpeedBarCuttingMachine[J]．2022(2)：70-80．[17]DAGhatge，CBirjeandPSYadav．UseofShearingOperationforMSBarCuttingbyPneumaticBarCuttingMachine．2017(04)：133-139．[18]顏伊慶，潘麗萍．基于PLC的自動分揀系統[J]．機電工程，2012.[19]楊傳華，方憲法，楊學軍等．基于PLC的蔬菜缽苗移栽機自動輸送裝置[J]．農業機械學報，2013.附錄A英文文獻原文DesignofCuttingHeadforEfficientCuttingMachineofThinwalledStainlessSteelPipeJuYi，YingpingQian*，ZhiqiangShang，ZhihongYan，YangJiaoProcediaEngineering,2017(174)：1276–1282Abstract:Astainlesssteelpipecuttingdevice,whichisforthediameterofabout130-150mmandwallthicknessof1.2mmstainlesssteelpipe,ismainlyusedfortheautoventpipe.Theproblemsexistinginthetraditionalcuttingmethodsandthepartofcorecuttingheadarecomprehensivelyanalyzedinthispaper.Akinematicschemebasedondouble-bladesymmetricalandplanetarycuttingmachinewasproposed.Thisschemesolvedtheproblemsofstainlesssteelpipeinmachiningincisionthatwerecausedbyunevenforce,shrinkage,verticalityandsmoothness.Thecuttingtechnologywasofgreatsignificancetoimprovetheproductionefficiency,saveenergyconsumptionandenhancethecompetitivenessofindustryintheinternationalmarket.Thepipecuttingmachinehashighcuttingprecision,makingiteconomicallyfeasible.KeywordsPipecuttingmachine,Thin-walledstainlesssteelpipe,Planetarycutting1.IntroductionTheso-calledthin-walledstainlesssteelisakindofstainlesssteelpipethattheratioofthewallthicknessandexternaldiameterisnotmorethan6%.Inrecentyears,thethin-walledstainlesssteelpipehasbeendeployedincreasinglywiderinmachineryindustry.Withtherapiddevelopmentofmodernmechanicalmanufacturingindustry,therequirementofproductionefficiencyandmachiningaccuracyonthesteelpipecuttingproductionaresimultaneouslyincreased.Thefactorsthataffecttheprecisionofthin-walledpartsaresummarizedasfollows[1]?precisionofmachinetool,thermaldeformationofthetool,deformationofthetool,toolwearanddeformationofworkpiece.Duetothepoorrigidityofthethin-walledstainlesssteelpipeandclampingdeformation,thedeformationoftheworkpiecesisthemostimportantfactoraffectingthemachiningaccuracy.Theresearchobjectofthispaperis409ferritestainlesssteelwithwallthicknessof1.0-1.5mmanddiameterof75-135mm,whichismainlyusedinautomotiveexhaustpipe.Thedeviceadoptedthesteelpipefixed,doublesymmetricrotatingcuttingscheme.Duringtheprocessofrotarycutting,thebladesplayedtheroleofmutualsupport,whichensuredthatthecuttingsectionwasabsolutelyverticalwithoutburr.Thefeedmovementandthemaintransmissionwererespectivelyrealizedbytheeccentricgearsfixedontheplanetgearsandtheplanetgearsmeshingwiththesungear.Atthesametime,thedeviceadoptedthemethodofautomaticfeedtoguaranteecompletelycutting.Becauseofitshighheatresistance,goodperformanceandlowerprice,thephenomenonofreplacingcastironwithferriticstainlesssteelpipeisbeinganewtrendinselectionofexhaustpipe[2].Inrecentyears,withtheattentiontotheglobalenvironmentalissues,therequirementsofautomotiveenergy-savingenvironmentalprotectionandlightweighthavebeenputforwardcontinuously.Meanwhile,theimprovementofthelevelofautomobileexhaustemissionisincreasedcontinuously.Thecastingmetaloftraditionalexhaustsystemcannotmeettherequirementsofproductionandprocessing.Therefore,thehigh-performance409stainlesssteeliswidelyusedincomponentsofautomotiveexhaustsystem.Inaddition,thecuttingmethodsofChina'sthin-walledsteelpipearemainlywirecutting,grindingwheelcutting,etc[3].Thetraditionalmethodsofmachiningcaneasilycausemachiningdeformation,whichwillreducethedimensionalaccuracyofpartsandsurfacequality.Thus,itisparticularlyimportantthatresearchesoncuttingmethodofthin-walledstainlesssteelpipeshouldbeconducted.2.Themotionprincipleandbasicstructureofcuttingmachine2.1ThemotionprincipleofcuttingmethodThemainfunctionoftheplanettypetubecuttingmachineistocompletethecuttingworkpieceofdifferentdimension,andaccomplishcontinuouscutting.Thepipecuttingmachinemainlyconsistsoffeedingdevice,clampingdevice,coolingdeviceandcuttingheaddevice.Theresearchobjectofthispaperisthemostimportantpart--cuttingheaddevice.Thecuttingmotionofthepipecuttingmachinemainlyincludestwosections:(1)Mainmovement.Itcausesthecuttingedgeofthetoolandthesurfaceofitsadjacenttooltocutexcessmaterialontotheworkpieceandtransformitintocutting,whichforminganewsurfaceoftheworkpiece.(2)Feedmovement.It’sanadditionalrelativemovementbetweenthetoolandtheworkpieceprovidedforthemachineorhumanandmaterialresources,whichcooperateswiththemainmotiontocutoffthemachiningredundancyontheworkpiecewiththedesiredgeometricalcharacteristicssuccessivelyorcontinuously.Alotofexperimentalevidenceshaverevealedthatmetalcuttingisaprocessofcuttingtheexcessmetallayerfromthesurfaceoftheworkpiecethroughthecuttingmotiontoformaqualifiedmachinedsurface.Andthisissimilartometalmaterialbyextrusionwithplasticdeformationresultinginshearingslipofthedeformationprocess.Whenthecuttingmetallayermovesclosertothecuttingedge,itissubjectedtothepositivepressureFNandthefrictionforceF1ofthetool,resultinginelasticdeformationandplasticdeformation[4,5].Thereareseveralproblemsoccurredintraditionalcuttingmethodasfollows:thedifficultclamping,thebigdeviationofthecuttingsizeandthelowproductionefficiencyandmaterialwaste.Inordertosolvetheproblemsabove,itisnecessarytobreakthetraditionalthoughtpatternsandadoptthemethodoffixingthepipewithtwocuttingtoolsrotatingatthesametime.Thatistosay,themainmovementandfeedmovementarebothcompletedbythecuttingtool,whichiscalledtheplanetarycuttingoperation.Selectionoftwomillingcuttercannotonlyensurethegeometricaccuracyofstainlesssteelpipebutalsoenhancethecuttingefficiency.AsshowninFigure1,thetoolscutthroughthesteelpipefirstly,andthenrotatedaroundthesteelpipetocutitthroughbyrollingthewallsofpipes.Figure1.Cuttingprincipleofpipecuttingmachine2.2ThebasicstructureofpipecuttingmachineAsshowninFigure2,theplanetarycuttingmachineismainlycomposedofclampingdevice,frame,cutterhead,hollowshaftandeccentricgears,etc.Thesteelpipewasclampedbythejigdevice.Thegeardriveswiththeadvantagesofaconstantinstantaneousratio,hightransmissionefficiency,compactstructureandlongservicelife,whichadoptedintheleadingorbitalrevolutionofblades.Thetoolmovementwasmainlydividedintothreesteps:(1)Theservomotordrivedthetoolrotation.Thecuttingspeedcanbeadjustedautomaticallyaccordingtothematerialandthediameterofthesteelpipe.(2)Thesymmetricacuttersweredrivenbyreciprocallinearmovementoffeed-indevice(eccentricgears)tofulfillthecuttingaction.(3)Thecuttersweredriventorotatewiththehollowshaftbymeansofthemaindrivemotor.Figure2.Appearanceofcuttinghead3.TransmissionschemeThemotionschemebasedontoolrotatingandtubefixedwasadoptedinthepipecuttingmachineforthinwallstainlesssteelpipe.Inordertoimprovethecuttingefficiency,realizethesteplessspeedregulationandsavethecost,oneservomotorwasfinallyadoptedtocontroltherotation,feedmovementandplanetarymotionoftheblade.AsshowninFigure3,thecuttingtoolswerefixedintheplanetarygearsbytheeccentricgears,soastheeccentricgearscompletedthelinearfeedmotion.Theformulatedtransmissionschemeofcuttingmachinewasasfollows:thesungearwasusedasdrivingmember.theplanetgearswereusedasfollowerandtheannulargearwasusedasfixedpart,namelythepowerwasinputfromthesungearandoutputfromtheplanetgear.Figure3.Appearanceofcuttinghead3.1.AnalysisoffeedschemeThefeedmotionofthecutterwasaccomplishedbytheeccentricgearfixedontheplanetarygear.Thesteelpipewaspassedthroughhollowshaftbeforecutting.Theaxisofthesteelpipeshouldbeconsistentwiththeaxisofthehollowshaft.Afterstartingthemotor,thecuttingtoolrotatedarounditsaxis.Thepowerwastransferredtotheplanetarygearbythemotor.Furthermore,theeccentricgearwasdrivenbytheplanetarygear.Thenthecuttingtoolwasdriventofulfilllinearfeedbyeccentricgear.Thatwastosay,thetransmissionchainoffeedmovementwas:motor→reducer→hollowshaft→sungear→planetgear→eccentricgear→tool.AsshowninFigure4,theplanetarygearrotatedaroundthesungear.Therefore,ThecenterpointoftheplanetarygearmovementcanbeseenasrotatingaroundthecenterOofthesteeltube.Themotiontrajectorycanbeconsideredasacircle.Asthetoolwasfixedontheeccentricgear,Thetrajectoryofthetool’scenterpointcanberegardedasthetrackoftheeccentricgearwhosemotionconsistsoftwoparts:(1)Rotatingaroundthecenterofthesungear,thatwas,tocompletetherevolutionofthetoolmovement.(2)Rotationaroundthecenteroftheplanetgear,thatwas,tocompletethefeedmovementofthetool.Thetwopartscanbesynthesizedtotrajectorydiagramoftool.BasedonFigure4,thetrajectoryofcuttingtoolcanbeseenasawavelinerotatingaroundthecenterofthesteeltube.Whenitwasapproachingthecenter,thetoolcontactwithpipewall.Andthecuttingoperationofthesteelpipewascompleted.Whenitwasremovedfromthecenter,themovementofcutter-shaftbackstrokingwascompleted.Inaddition,thesungearwasrotatingwithhollowshafttoachievethetransectionofrevolution.Andthenthebladeandtheclampingdevicewasresetinturntocompleteonecuttingprocessofthesteelpipeandprepareforthenextcutting.Figure4.Trajectorydiagramofthecentersofplanetgearandcuttingtool3.2PrincipleanalysisofmainmotionTherevolvingcuttingpartofthedevicewasthecorepartofthepipecuttingmachine.Externalgearingcylindricalgearwiththefeaturesoflargetransmissionpower,widescopeofapplication,highworkingreliability,longservicelifeandhightransmissionefficiencywasselectedinthemaindrivesystem.Whenthemotorwasstarted,themovementwastransmittedtothedrivegearviathereducer.Andthenthedrivengearwasdriventodocircularmotion.Thedrivengearwasconnectedtothehollowshaftwhichjoinedwiththesungearbyakeyconnection.Thentherotationspeedwastransmittedtotheplanetarygear.Continually,thecuttingtoolconnectedwiththeplanetarygearwasrotatedaroundthepipetodorotarymotion.Themainkinematicchainwas:servomotor→geartransmission→hollowshaft→sungear→cuttingtool.Theservomotorcanautomaticallyadjustthecuttingspeedaccordingtothedifferentpipematerialsandpipediameters.Andthecuttingtoolwasincontactwiththeworkpiecetoachievecontinuouscuttingthroughouttheprocess.Inordertoimprovetheproductivity,theschemethatthefeedmotionwascompletedaheadoftherevolutionofcuttingwasraised.Thatwas,thecuttingtoolwassqueezedintothepipewallbyanexternalforce.Andtheplasticdeformationofthetubewallarose,resultinginshearslipdeformation.Thenthecuttingtoolsachievedrevolutionwiththesungear,thepipewascutoffbytherevolutionmovementsubsequently.Afterthecompletionofacircularcuttingaction,thefeedingmechanismaccomplishedthenextcutautomatically.Andthecyclecuttingwascompleted,andsoforth.4.CharacteristicsofcuttingheadCounteringtheproblemsexistingintheprocessingequipmentofpipe,suchaslowdegreeofautomation,lowproductionefficiency,seriouswasteofmaterialsandsoon,adouble-bladesymmetricalplanetarypipecuttingmachinewasputforward.Onthisfoundation,theprincipleofcuttingwasanalyzedandafeasibleschemeofmainmotionandfeedmotionwasproposed.4.1Cuttingmethodoftwo-bladesymmetricalplanetaryAschemeofsteelpipefixedandcuttingtoolrotatingwaspresented.Thepipewasfixedtoaself-centeringclampingdevice.Twobladeswassymmetricallyarrangedwiththecuttinghead.Duringtheprocessofrotarycutting,thebladesplayedtheroleofmutualsupport,whichensuredthatthecuttingsectionisabsolutelyverticalandwithoutburr.Thefreedeformationofthepipecanprovidefundamentalguaranteeforfollow-onweldingwork.4.2ThecuttingtransmissionwascompletedbytheplanetarygearThefeedmovementandthemaintransmissionwererespectivelyrealizedbytheeccentricgearsfixedontheplanetgearsandtheplanetgearsmeshingwiththesungear.Thedesigneddeviceshastheadvantagesofsmallerdimensionofappowertransmission.Aboveall,thetransmissionefficiencyandcuttingprecisionishigher,whichisconducivetotheproductionandprocessing[5]..4.3AutomaticfeedcontrolsystemThecuttingdevicewasdrivenbyaservomotortoensurestrongdrivingforce.Thetransmissionratiobetweenthemaindriveandthefeedmotioncanbestrictlyensuredwithonemotor[6].Andtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingpipecuttingmachinewereanalysedandconcluded.Theschemeofmachiningwasproposedtomeetthedesignrequirements.ThefullautomationcuttingsystemwasachievedbydrivesystemofCNCwithcentralizedwithcentralizedcontrolmode.Thecontrolmethodwaseasytoimplementandoperate.Theutilitymodelhasgoodmanufacturability,thusimprovingthequalityofparts.4.4Highspeedsteel(HSS)cuttingtoolsHighspeedsteel(HSS)isakindofhigh-alloysteelwithalloyingelements,suchastungsten,molybdenum,chromiumandvanadiumIthashighstrength,toughness,hardness,wearresistanceandhighthermalstability.Theobjectofthispaperis409stainlesssteelwiththecharacteristicsofhighcoefficientofthermalconductivityandsmallcoefficientofexpansion.Toensurethatthecuttingtoolcancompletenormalcuttingwithoutplasticdeformation,highspeedsteel(HSS)W6Mo5Cr4V2withmeritsofsmallandhomogeneouscarbidedistribution,highbendingresistanceandgoodmechanicalpropertieswasselected[7].5.Determinationofthemainparametersofcuttinghead5.1DeterminationofplanetarygearparametersTheobjectofthisdouble-bladesymmetricalplanetarypipecuttingmachineistheferriticstainlesssteel409withdiameterof75-135mmandwallthicknessof1.0-1.5mm.Theinnerdiameterofthehollowshaftshallbegreaterthanthemaximumdiameterofthepipetoensurethatthesteelpipewasfavourabletogoacrossthehollowshaft[8].Thereforethediameterofthehollowshaftwasselectedtobe140mm.Inviewofthebendingresistanceofgearteeth,themoduluswasselectedas2.5mminthestandardmodulusseriesofGB1357-78,namely,m=2.5mm.Inordertofacilitatethemeshingbetweenthesungearandtheplanetarygear,thediameterofthegraduatedcircleofthesungearwasselectedas300mm,namely,d1=300mm[9].Theplanetarygearsplayedtheroleofmainmovementandfeedmovementintheentireprocessofcuttinghead.Thetransmissionratiowastakenas2inaccordancewiththerequirementsoftheenterprise,namely,i=2.Sothediameterofgraduatedcirclewastakenas150mm,namely,d2(d3)=150mm.5.2DeterminationofannulargearparametersFromthepropertiesofgearmeshing,itcanbeobtainedthat:thepitchcirclediameteroftheinternalgearwasselectedasd4=d1+d2+d3=600mm.Themoduluswasalsochosentobe2.5mm.Fromthecylindricalspurgearformulad=m?z,thenumberofteethwasz4=240.6.ConclusionsAnewtypeofplanetarytubecutterwasdesignedonthebasisoftheadvantagesofexistingpipecuttingmachineequipment.Thetoolpathwasanalyzedandafeasiblemotionschemewasproposed.Thesymmetricaldouble-bladecuttingschemenotonlyplayedtheroleofautomaticcentering,butalsoensuredthequalityofincisionandimprovesproductionefficiencyThedevicewascompactinstructure,whichcanimprovetheprocessingefficiencyofthepipe,savethecostofrawmaterialsandreducetherejectrate.Inaddition,theuseofhigh-speedsteelcuttingtoolscanreducethedustandnoiseofproductionprocessinlinewiththeidealsofgreenenvironmentalprotection.Thefeedingandcuttingpartsofthepipecuttingmachinewerecombined,andthewholecontrolpartwascentrallycontrolledbytheprogrammablecontroller.Theman-machinecommunicationpatterncancompleteautomaticoperationinsteadofmanualoperationwithhighproductionefficiencyeconomicallyfeasible.ReferencesH.L.Ma，H.DuanandA.J.Tang．SurveyonTheDeformationofMillingThin-walledParts[J]．MachineToolandHydraulics，2010，(09)：117-119．X.B.Zhang．DevelopmentofFerriticStainlessSteelUsedinAutoExhaustSystem[J]．ShanghaiSteelandIronResearch，2005，(04)：46-50．H.P.An，L.LiandL.Wang．ResearchOnDesigningProjectofTransmissionSystemAboutMachineforCuttingMetalCannulation[J]．CoalTechnology，2009，(12)：17-19．Q.Q.SunandZ.M.Zhou．PrinciplesandEquipmentofMetalCutting[M]．SciencePress，2005：15-19．W.J.Zhang．MetalCuttingtheoryandCuttingTool[M]．ZhejiangUniversityPress，2005：27-34．K.TaoandL.Zhang．MotionRealizationofPlanetaryCNCPipeCuttingMachinewithoutCrumbs[J]．MechanicalEngineer，2011，(02)：77-78．L.LiandH.A.Kishawy．Amodelforcuttingforcesgeneratedduringmachingwithself-propellderotarytool[J]．MachineTools&Manufacture，2006，(46)：1388-1394．Y.P.Qian，X.HuangandX.Z.Zhou．DevelopmentofaTubeCuttingHeadforThin-walledStainlessSteel[J]．MachineToolandHydraulics，2014，(16)：18-19．W.Xu，C.LiandD.Zhao．TheSystemDesignoftheSymmetricPipeAutomaticCuttingMachine[J]．JournalofHubeiUniversityofTechnology，2015，(30)：1-4．附錄B英文文獻譯文薄壁不銹鋼管高效切割機切割頭的設計JuYi,YingpingQian*,ZhiqiangShang,ZhihongYan,YangJiaoProcediaEngineering，2017(174)：1276–1282摘要：不銹鋼管切割裝置，適用于直徑約130-150mm，壁厚為1.2mm的不銹鋼管，主要用于汽車排氣管。本文綜合分析了傳統切削方法和部分型芯切削頭存在的問題。提出了一種基于雙葉片對稱行星切割機的運動學方案。該方案解決了不銹鋼管在加工切口中因力不均勻、收縮、垂直度和光滑度引起的問題。該切割技術對提高生產效率、節約能耗、增強工業在國際市場上的競爭力具有重要意義。切管機切割精度高，經濟可行。關鍵詞切割機；薄壁不銹鋼管；