臺式數控等離子切割機設計

臺式數控等離子切割機設計,臺式,數控,等離子,切割機,設計 廣東技術師范學院天河學院 本科畢業(yè)設計任務書 純機械+數控 2D 3D 論文 運動仿真 數控部分 3D運用UG軟件 系 別 機電工程系 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 學生姓名 學號 指導教師 職稱 題 目 臺式數控等離子切割機 論文（設計）的主要任務與具體要求（有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術指標要求） 該課題首先介紹目前國內外模具設計的現狀進行分析對比，找出玩具遙控器塑料件注射模具設計的最佳方案。并增加自己的創(chuàng)新點，最后提出自己的最優(yōu)設計方案。 主要完成 1、開題報告（包含文獻綜述），外文資料的翻譯（2000字符以上）； 2、確定機床的設計方案、并進行概念設計、畫出草圖； 3、完成三維造型及三維裝配； 4、完成臺式數控等離子切割機的設計，并完成運動仿真，完成裝配工程圖、主要零件工程圖； 5、完成機床主要零件的數控加工； 6、完成設計說明書（至少8000字以上）。 進度安排（包括時間劃分和各階段主要工作內容） 第七學期 第八周~第十三周 畢業(yè)設計開題報告 第七學期 第十四周~第十九周 主要設計工作，包括草圖、結構設計及工程圖等 第八學期 第三周 中期檢查 第八學期 第六周末 上交初稿（包括圖紙、說明書、外文資料），老師審閱初稿，提出修改意見。 第八學期 第十一周 交終稿（上交所有資料的紙質和電子版） 第八學期 第十二周～第十三周(2012.5.26日前) 答辯 主要參考文獻 指導教師簽名 系（教研室）審核意見 任務接受人（簽名） 年 月 日 審核人簽名： 年 月 日 年 月 日 備注：1、本任務書一式三份，由指導教師填寫相關欄目，經系審核同意后，系、指導教師和學生各執(zhí)一份。 2、本任務書須裝入學生的畢業(yè)設計（論文）檔案袋存檔。 廣東技術師范學院天河學院 本科畢業(yè)設計開題報告 題 目： 臺式數控等離子切割機 系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 何卓坤 學 號： 2009030743211 指導教師： 王永超 年 月 日 - 7 - 廣東技術師范學院天河學院 本科畢業(yè)設計開題報告 系別 機電工程系 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 本機制092 姓名 何卓坤 學號 2009030743211 聯(lián)系方式 13392768255 題目 臺式數控等離子切割機 開題申請：（包括選題的意義與目的、文獻綜述、研究現狀、創(chuàng)新思路、論文提綱、進度安排、參考文獻等。） 一、選題的目的與意義 1. 目的 通常認為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)為物質的三種形態(tài)，然而離子體是物質存在的第四種狀態(tài)。由于等離子體中帶負電荷的電子與帶正電荷的離子處于平衡狀態(tài)，它可以通過很大的電流，因而具有很高的能量密度和極高的溫度。通過控制等離子的能量密度、溫度和運行速度等，可以對金屬進行切割、焊接和噴涂。等離子切割是利用等離子將被切割的金屬加熱至熔化狀態(tài)，然后再利用輔助氣體將熔化的金屬吹開，達到切割目的。利用數控技術，將噴嘴相對于工件的移動軌跡進行編程，使等離子切割機工作自動化，高效率化并降低勞動強度等特點。通過研究等離子切割機的原理，設計出臺式數控等離子切割機，實現等離子的全自動化，節(jié)省成本，改善勞動環(huán)境。 2.意義 目前，正處于科學技術飛速發(fā)展的信息時代，自動化、最優(yōu)化、集成化、智能化和精密化等使現代機械制造業(yè)正經歷著巨大的變化，也是今后發(fā)展的必然趨勢。而臺式等離子切割機是由原來的手工操作走向自動化、智能化和精密化的機器。 數控等離子切割機廣泛運用于汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業(yè)、通用機械、工程機械、鋼結構等各行各業(yè)。并主要通過從水蒸氣中獲取等離子這樣安全，簡便，有效，多功能且環(huán)保的方法對0.3mm以上厚度的金屬進行熱加工處理（切割，熔焊，釬焊，淬火，噴涂等等），這在金屬加工工業(yè)史上實屬首創(chuàng)。而且數控等離子切割機更加可以用薄片分層疊加成型法，利用計算機根據所要設計工件形狀來編寫程序的指令來切割所需要的圖形的設備，為生產復雜零件的模具提供了一種新的方法。 我的這次畢業(yè)設計是對大學四年專業(yè)知識的綜合運用。通過這次設計，更好的掌握了專業(yè)知識，對其也有更深入的理解，這對我將來的工作、學校都是一個莫大的幫助，使我們受益匪淺。 二、文獻綜述 等離子技術開始于二戰(zhàn)時期軍工加工領域，因為當時的戰(zhàn)局對武器裝備的加工速度和品質要求極其強烈，這就促使人們不斷地去研究新技術，有很多現代所用的技術都是在那個時候產生的，等離子技術就是其中之一。在二戰(zhàn)時期，等離子最初是應用于焊接領域，當時人們發(fā)現通過電流電解的氣體可以在焊接點附近形成一道屏障，以防止氧化。從而使得焊縫更加整齊，連接結構的強度更堅固。再后來，人們發(fā)現加快氣流速度和縮小氣孔會引出溫度極高的電離弧，而這個溫度是當時傳統(tǒng)加工工藝所不能及的，因此等離子不僅再作為焊接保護手段更作為直接的焊接工藝出現在人們的視野，這使得軍工加工速度和品質成倍的翻新。后來等離子弧漸漸的應用于熱切割領域，并表現出了優(yōu)秀的性能，等離子電弧的引入革命性地提高了切割速度、精度以及切割材質的種類，使人類的加工業(yè)獲得了質的提高。 在1948年，美國軍方對軍械的精度要求越來越高，一般的加工設備難以適應，；美國美國帕森斯公司提出了數字脈沖控制機床的設想，為數控技術的出現奠定了理論依據。在1949年，該公司和麻省理工學院開始了共同研究。1952年，終于試制出第一臺三坐標數控銑床。為數控技術投入了實際生產中打下了基礎。在20世紀80年代初以來，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高。因此，數控技術水平的高低已經成為衡量一個國家機械制造業(yè)水平的重要標志。 過去，在切割生產中，下料主要靠氧氣乙炔的手工割炬來手工切割，這種加工方法效率低下、切割精度不高、且浪費原材料。然而將等離子切割技術與數控技術相結合的數控等離子切割技術卻具有效率高，切割精度高，自動化程度高，節(jié)省能源和材料，并可以對幾乎所有的金屬材料進行切割，且數控等離子切割還有著切割速度快，工件變形小等優(yōu)點。使得數控等離子切割技術是現代金屬切割技術發(fā)展的趨勢之一。 三、研究現狀 1.國外研究現狀 在20世紀50年代中期，美國成功研制出了等離子切割技術。近幾年來，由于對切割質量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，國外的大型水下等離子切割法、精細等離子切割法等先進等離子切割技術得到較快發(fā)展，其相應產品在我國的市場需求量也逐年上升。而國外數控切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本。其主要廠家有德國的伊薩(E SAB)、梅塞爾(MESSER)，日本的田中(TANAKA)、小池(KOIKE)，美國的L-TEC、林德(LINDA) 等。能夠代表數控等離子切割技術最高水平的一家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最全，功能最多，水平最高，幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數控切割機。 其中NEC520連續(xù)軌跡控制器與RPC600(單臺或雙臺并聯(lián))水射流式等離子系統(tǒng)配合可以切割130mm以下金屬板材；與HD3070精細等離子配合可對1～12mm金屬材料實施高速(7.6m/min)和高精度(接近激光切割下限)切割。 上述配置代表了數控等離子切割機的最高配置，其主要特點如下： (1)自動化切割即等離子切割的全部過程(如初始定位、引弧、穿孔、切割、調高、升降水等)均在數控指揮下完成，并可通過編程來修改其參數。 (2)多功能即通過加掛不同附件增加數控機床的柔性，為下道工序提供定位、焊接、儲存基礎。例如打標記功能可提供安裝和定位基準。等離子切割可進行X、V、Y和K形等坡口加工，且不僅可完成直線坡口還可完成曲線、圓弧形坡口，為焊接提供方便。 (3)水下切割可有效地減小鋼板熱變形，充分抑制塵粉、弧光、噪聲和飛濺。 美國海寶公司的等離子系統(tǒng)代表著當今世界等離子系統(tǒng)的最高水平，其產品規(guī)格覆蓋從普通等離子、水射流式等離子直至精細等離子等所有熱切割用等離子系統(tǒng)。普通等離子電源輸出電流為20～200A，切割厚度可達50mm以下；水射流式等離子電源輸出電流最高可達1000A，切割厚度可達130mm以下；精細等離子電源輸出電流最高可達100A，切割厚度可達12mm以下 ，其中精細等離子割縫寬0.65～0.75mm，與數控切割機配合可達±0.2mm的切割精度。 2.國內研究現狀 隨著國內經濟形勢的蓬勃發(fā)展以及“以焊代鑄趨勢的加速，數控切割的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認識。數控切割不僅使板材利用率大幅度提高，產品質量得到改進，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數控切割機是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應現代生產的需要，而目前市場需求的數控切割機多為數控等離子切割機，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現為：發(fā)達國家金屬加工行業(yè)90%為數控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數控等離子切割下料所占比例更小。究其原因，較高的設備成本、復雜和維護和操作制約了數控切割在我國的進一步普及。因此國內數控切割機生產廠家引進了國外控制系統(tǒng)技術，經過二次開發(fā)后運用到了切割領域中，設計出了適合我國國情的數控切割機。某些廠家開發(fā)生產的專用數控切割設備，在技術上已經達到或超過了國外同類產品。 數控等離子弧切割技術是集數控技術、計算機技術、等離子弧切割技術、檢測技術、精密機械技術于一體的高新技術。發(fā)展數控等離子弧切割機可以徹底改變國內熱切割行業(yè)的裝備水平,扭轉熱切割工業(yè)目前存在的效率低,質量差,勞動強度大,材料利用率低,環(huán)境臟亂差的局面,縮小與國外先進國家的差距。 我國數控火焰切割技術起步于20世紀80年代中期，而數控等離子切割機則更晚，大部分的數控等離子切割機以經濟型機床(單片機為核心，步進電機為驅動元件)為主。國內曾經從事過數控切割機制造的廠家一度多達50多家，力量分散，許多廠家的前身都是焊割工具廠，技術基礎比較落后。在整個80年代，國內企業(yè)無論是產品結構還是生產規(guī)模方面都無力與國外企業(yè)競爭 。 但是進入90年代后，國內的一些公司瞄準世界先進水平，不斷開發(fā)研制數控切割機的新產品，而且有些產品的主要技術指標已達到國外同類設備的先進水平，同時隨著市場經濟的調控作用，目前國內生產數控切割機的廠家已調整到20幾家。但綜合實力較強且有競爭實力的只有梅塞爾切割焊接有限公司、上海伊薩漢考克有限公司、哈爾濱華崴焊切成套設備有限公司、哈爾濱四海數控機械制造有限公司、深圳市博利昌數控切割設備有限公司、無錫華聯(lián)焊割設備廠、北京百惠宏達科技有限責任公司等幾家。他們都有自主科研開發(fā)能力，生產規(guī)模較大，產品規(guī)格齊全，品種多，質量較穩(wěn)定。在行業(yè)中起著中堅力量。 國內一些數控等離子切割產品在許多方面已形成自身獨有的特點，實現了“自動化、多功能和高可靠性”。在某些方面，產品的技術性能甚至超過了國外的產品，具體體現在： 1.數控系統(tǒng)與等離子系統(tǒng)的電磁兼容技術 這是數控等離子切割機成功的關鍵，只有解決了這一難題，才能實現數字控制下的等離子 2.符合熱切割工藝要求的專用控制軟件 軟件的特點如下： (1)采用圖形輸入方式，比代碼輸入更加直觀，操作快捷方便。 (2)中文界面，更適合中國國情。 (3)輸入方式多元化，所有調控指令化。 (4)利用自動套料編程軟件，可提高板材利用率10%左右。 3.大功率等離子系統(tǒng) 該系統(tǒng)具有100%暫載率和完備的數控接口、弧壓接口、遙控接口，并提供全套的接口附件，從而實現與數控系統(tǒng)的緊密結合。 總結 隨著現代制造業(yè)的發(fā)展，機械加工對于數控機床提出了更高的要求，等離子切割機作為現造船業(yè)、汽車業(yè)、航空業(yè)重要的數控裝備，高速高精度成為其最求的目標。我國的數控等離子切割機市場需求會越來越大。然而我國的等離子切割系統(tǒng)平臺長期依賴進口，但是隨著我國的技術的發(fā)展，數控等離子切割技術會逐漸擺脫當前困境，并在國內外行業(yè)中成為一股不可忽視的力量。 四、創(chuàng)新思路 本次設計的臺式數控等離子切割機是集高速、精密、小型化的臺式切割機。臺式數控等離子切割機采用人機界面，方便安裝，操作簡單。而且臺式數控等離子切割機是采用等離子切割模式，特別適用于中、簿有色金屬板材、不銹鋼和碳鋼板材的自動化切割下料。 交流伺服電機分為同步和異步電機兩種。同步電動機的功率因數可以調節(jié),同步電機還可以接于電網作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調節(jié)轉子中的勵磁電流向電網發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網功率因數或者調節(jié)電網電壓的目的。異步電機負載時的轉速與所接電網的頻率之比不是恒定關系。它具有結構簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠以及質量較小，成本較低等優(yōu)點。 直流伺服電機分為有刷和無刷電機，有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），會產生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定。容易實現智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。 SIMEMS系統(tǒng)操作起來比較人性化一點，特別是在加工平面，槽，孔系等方面比起FANUC更加靈和多樣化，而FANUC系統(tǒng)由于市場占有率較高，學習的人較多，因而有著廣泛的影響力。而且FANUC系統(tǒng)具有和高的可靠性，功能全，適用范圍廣等特點。 考慮到臺式數控等離子切割機是小型化生產，要求智能化要求高、運動平穩(wěn)、效率高。本次設計采用直流無刷伺服電機和FANUC數控系統(tǒng)，因為直流無刷伺服電機體積小、出力大、容易實現智能化；FANUC系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件功能比較齊全，能滿足工作要求，且具有強大的DNC功能，是PC和機床之間的數據能夠可靠完成。 五、畢業(yè)設計提綱 六、進度安排 序號 任務名稱 時間 1 畢業(yè)設計開題報告 第七學期第八周~第十三周 2 主要設計工作，包括草圖、結構設計及工程圖等 第七學期第十四周~第十九周 3 中期檢查 第八學期第三周 4 上交初稿（包括圖紙、說明書、外文資料），老師審閱初稿，提出修改意見。 第八學期第六周末 5 交終稿（上交所有資料的紙質和電子版） 第八學期第十一周 6 答辯 第八學期 第十二周～第十三周(2012.5.26日前) 七、參考文獻 [1] 成大先，機械設計手冊，化學工業(yè)出版社，2007.11 [2] 趙家瑞，等離子弧切割技術的發(fā)展趨勢[J]，現代焊接，2001(01) [3] 呼剛義,關雄飛，宏程序在具有特殊輪廓零件數控編程中的應用[J]，制造業(yè)自動化. 2011(23) [4] 武亞鵬,侯建偉，淺談數控等離子切割機[J]，金屬加工(熱加工). 2011(06) [5] 鄭勐，數控等離子切割機開發(fā)設計中的關鍵技術研究[D]，西安理工大學 2004 [6] 胡琛，等離子切割機數控系統(tǒng)的研究[D]，武漢科技大學 2008 [7] 張文武，等離子切割智能控制策略的研究[D],廣東工業(yè)大學 2012 [8] 王富國，計算機控制等離子切割機[J]，宇航材料工藝 1994年 第4期 [9] 王蘇衛(wèi)，機車車輛工藝[N]，1991年 第2期 [10] 李榮軍，數控等離子切割機的特點及維護、保養(yǎng)[R]，新技術研究與推廣，2012年 第2期 [11] 黎明英，顏擁軍，汪琳霞，龍斌，數控等離子切割機切割槍自動高低調節(jié)系統(tǒng)[N], 南華大學學報（理工版），第18卷第2期 [12] 卜瑋晶，數控等離子切割技術的應用與工藝控制[C],長春工業(yè)大學 人文信息學院 [13] 陳潔，鄭鵬，數控等離子切割技術及應用[J],新技術新工藝 200年 第2期 [14] 陳文清，曾朝陽，何群學，數控火焰/等離子切割機控制系統(tǒng)的研究[N]，第9卷第3期 [15] 周敏，陳世興，周磊，FANUC和SIEMENS系統(tǒng)指令比較研究[N],廣東技術師范學院學報 2008年第6期 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 教研室或系審核意見： 教研室（系）主任簽名： 年 月 日 備注：本開題報告須裝入學生的畢業(yè)論文（設計）檔案袋存檔。 廣東技術師范學院天河學院 本科畢業(yè)設計文獻綜述 題 目： 臺式數控等離子切割機 系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 何卓坤 學 號： 2009030743211 1 指導教師： 王永超 年 月 日 臺式數控等離子切割機 何卓坤 摘要：本文介紹了數控等離子切割機的工作原理是通過控制離子體所形成的高能量來對金屬進行切割、焊接和噴涂的，并利用數控技術使其自動化工作。并簡述了數控等離子切割機的發(fā)展歷史及在國內外的發(fā)展情況和研究成果。目的在于更加專業(yè)化的去總結在大學四年所學的知識，同時增強自己對數控等離子切割機的了解。由于水平有限，文中難免會有錯漏之處，敬請讀者批評指正。 關鍵詞：數控等離子切割機；離子體；數控技術； 前言：目前，正處于科學技術飛速發(fā)展的信息時代，自動化、最優(yōu)化、集成化、智能化和精密化等使現代機械制造業(yè)正經歷著巨大的變化，也是今后發(fā)展的必然趨勢。而臺式等離子切割機是由原來的手工操作走向自動化、智能化和精密化的機器。 數控等離子切割機廣泛運用于汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業(yè)、通用機械、工程機械、鋼結構等各行各業(yè)。并主要通過從水蒸氣中獲取等離子這樣安全，簡便，有效，多功能且環(huán)保的方法對0.3mm以上厚度的金屬進行熱加工處理（切割，熔焊，釬焊，淬火，噴涂等等），這在金屬加工工業(yè)史上實屬首創(chuàng)。而且數控等離子切割機更加可以用薄片分層疊加成型法，利用計算機根據所要設計工件形狀來編寫程序的指令來切割所需要的圖形的設備，為生產復雜零件的模具提供了一種新的方法。 正文： 1.等離子切割機的發(fā)展歷史 等離子技術開始于二戰(zhàn)時期軍工加工領域，因為當時的戰(zhàn)局對武器裝備的加工速度和品質要求極其強烈，這就促使人們不斷地去研究新技術，有很多現代所用的技術都是在那個時候產生的，等離子技術就是其中之一。在二戰(zhàn)時期，等離子最初是應用于焊接領域，當時人們發(fā)現通過電流電解的氣體可以在焊接點附近形成一道屏障，以防止氧化。從而使得焊縫更加整齊，連接結構的強度更堅固。再后來，人們發(fā)現加快氣流速度和縮小氣孔會引出溫度極高的電離弧，而這個溫度是當時傳統(tǒng)加工工藝所不能及的，因此等離子不僅再作為焊接保護手段更作為直接的焊接工藝出現在人們的視野，這使得軍工加工速度和品質成倍的翻新。后來等離子弧漸漸的應用于熱切割領域，并表現出了優(yōu)秀的性能，等離子電弧的引入革命性地提高了切割速度、精度以及切割材質的種類，使人類的加工業(yè)獲得了質的提高。 在1948年，美國軍方對軍械的精度要求越來越高，一般的加工設備難以適應，；美國美國帕森斯公司提出了數字脈沖控制機床的設想，為數控技術的出現奠定了理論依據。在1949年，該公司和麻省理工學院開始了共同研究。1952年，終于試制出第一臺三坐標數控銑床。為數控技術投入了實際生產中打下了基礎。在20世紀80年代初以來，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高。因此，數控技術水平的高低已經成為衡量一個國家機械制造業(yè)水平的重要標志。 過去，在切割生產中，下料主要靠氧氣乙炔的手工割炬來手工切割，這種加工方法效率低下、切割精度不高、且浪費原材料。然而將等離子切割技術與數控技術相結合的數控等離子切割技術卻具有效率高，切割精度高，自動化程度高，節(jié)省能源和材料，并可以對幾乎所有的金屬材料進行切割，且數控等離子切割還有著切割速度快，工件變形小等優(yōu)點。使得數控等離子切割技術是現代金屬切割技術發(fā)展的趨勢之一。 2.1等離子切割種類介紹 1.普通等離子弧切割。根據所使用的主要工作氣體，主要分為氬等離子弧切割、氧等離子弧切割。氧等離子弧切割和空氣等離子弧切割等幾類。切割電流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。 2.再約束等離子弧切割。根據等離子弧的再約束方式，主要分為水再壓縮等離子弧切割、磁場再約束等離子弧切割等。由于等離子弧受到再次壓縮，其電流密度、切割弧的能量進一步集中，從而提高了切割速度和加工質量。 3.精細等離子弧切割。等離子弧電流密度很高，通常是普通等離子弧電流密度的數倍，由于引進了諸如旋轉磁場等技術，其電弧的穩(wěn)定性也得以提高，因此，其切割精度相當高。國外的精細等離子切割表面質量已達激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。 2.2 等離子切割電源 原先在我國應用較多的高漏抗變壓器加二次側整流式的切割機電源已逐漸被逆變式等離子切割電源所代替，其原理如圖1所示。國產等離子電源大多用于手工切割和配在小車切割機上，近年來由于性能有所改善，因此也逐步配用于數控切割機，但仍需進一步提高。 2.3 數控技術的現狀與發(fā)展 計算機技術的飛速發(fā)展推動了數控技術的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數控等離子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先進水平的歐洲、美國、日本的數控系統(tǒng)生產商利用工控機豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數控系統(tǒng)具有開放式體系結構，即數控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象(數控功能)，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現不同品種、不同檔次產品的開發(fā)。 開放式體系結構使數控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網絡化方向發(fā)展。 目前，開放系統(tǒng)具體有2種基本結構： 1.CNC+工控機主板。將一塊工控機主板插入傳統(tǒng)的CNC機器中，工控板主要用作實時控制，CNC主要用作以坐標軸運動為主的實時控制。 2.工控機+運動控制板。將運動控制板插入工控機的標準插槽中作實時控制用，而工控機主要作非實時控制。 我國生產的數控等離子切割機的數控系統(tǒng)多是在引進國外數控技術的基礎上，加以自主開發(fā)而成，并逐步形成了更能適應國內用戶的數控系統(tǒng)。總體來說，在數控系統(tǒng)方面具備了國外同類系統(tǒng)的基本功能，但與國外先進的數控系統(tǒng)相比，在錯誤記錄、網絡化生產、全自動生產等方面還存在較大差距。 1.4 數控等離子切割系統(tǒng)的抗干擾措施 切割電源具有強烈的電磁干擾，這就要求計算機控制系統(tǒng)必須具有很高的抗干擾能力，既能抵抗等離子引弧時的高頻干擾，也能抵抗工作時大電流等離子弧的干擾，還能抵抗工作現場的其他干擾源。經過抗干擾設計，改善了數控等離子切割系統(tǒng)的可靠性，其故障率也降低。 3.研究現狀 3.1.國外研究現狀 在20世紀50年代中期，美國成功研制出了等離子切割技術。近幾年來，由于對切割質量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，國外的大型水下等離子切割法、精細等離子切割法等先進等離子切割技術得到較快發(fā)展，其相應產品在我國的市場需求量也逐年上升。而國外數控切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本。其主要廠家有德國的伊薩(E SAB)、梅塞爾(MESSER)，日本的田中(TANAKA)、小池(KOIKE)，美國的L-TEC、林德(LINDA) 等。能夠代表數控等離子切割技術最高水平的一家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最全，功能最多，水平最高，幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數控切割機。 其中NEC520連續(xù)軌跡控制器與RPC600(單臺或雙臺并聯(lián))水射流式等離子系統(tǒng)配合可以切割130mm以下金屬板材；與HD3070精細等離子配合可對1～12mm金屬材料實施高速(7.6m/min)和高精度(接近激光切割下限)切割。 上述配置代表了數控等離子切割機的最高配置，其主要特點如下： (1)自動化切割即等離子切割的全部過程(如初始定位、引弧、穿孔、切割、調高、升降水等)均在數控指揮下完成，并可通過編程來修改其參數。 (2)多功能即通過加掛不同附件增加數控機床的柔性，為下道工序提供定位、焊接、儲存基礎。例如打標記功能可提供安裝和定位基準。等離子切割可進行X、V、Y和K形等坡口加工，且不僅可完成直線坡口還可完成曲線、圓弧形坡口，為焊接提供方便。 (3)水下切割可有效地減小鋼板熱變形，充分抑制塵粉、弧光、噪聲和飛濺。 美國海寶公司的等離子系統(tǒng)代表著當今世界等離子系統(tǒng)的最高水平，其產品規(guī)格覆蓋從普通等離子、水射流式等離子直至精細等離子等所有熱切割用等離子系統(tǒng)。普通等離子電源輸出電流為20～200A，切割厚度可達50mm以下；水射流式等離子電源輸出電流最高可達1000A，切割厚度可達130mm以下；精細等離子電源輸出電流最高可達100A，切割厚度可達12mm以下 ，其中精細等離子割縫寬0.65～0.75mm，與數控切割機配合可達±0.2mm的切割精度。 3.2.國內研究現狀 隨著國內經濟形勢的蓬勃發(fā)展以及“以焊代鑄趨勢的加速，數控切割的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認識。數控切割不僅使板材利用率大幅度提高，產品質量得到改進，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數控切割機是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應現代生產的需要，而目前市場需求的數控切割機多為數控等離子切割機，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現為：發(fā)達國家金屬加工行業(yè)90%為數控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數控等離子切割下料所占比例更小。究其原因，較高的設備成本、復雜和維護和操作制約了數控切割在我國的進一步普及。因此國內數控切割機生產廠家引進了國外控制系統(tǒng)技術，經過二次開發(fā)后運用到了切割領域中，設計出了適合我國國情的數控切割機。某些廠家開發(fā)生產的專用數控切割設備，在技術上已經達到或超過了國外同類產品。 數控等離子弧切割技術是集數控技術、計算機技術、等離子弧切割技術、檢測技術、精密機械技術于一體的高新技術。發(fā)展數控等離子弧切割機可以徹底改變國內熱切割行業(yè)的裝備水平,扭轉熱切割工業(yè)目前存在的效率低,質量差,勞動強度大,材料利用率低,環(huán)境臟亂差的局面,縮小與國外先進國家的差距。 我國數控火焰切割技術起步于20世紀80年代中期，而數控等離子切割機則更晚，大部分的數控等離子切割機以經濟型機床(單片機為核心，步進電機為驅動元件)為主。國內曾經從事過數控切割機制造的廠家一度多達50多家，力量分散，許多廠家的前身都是焊割工具廠，技術基礎比較落后。在整個80年代，國內企業(yè)無論是產品結構還是生產規(guī)模方面都無力與國外企業(yè)競爭 。 但是進入90年代后，國內的一些公司瞄準世界先進水平，不斷開發(fā)研制數控切割機的新產品，而且有些產品的主要技術指標已達到國外同類設備的先進水平，同時隨著市場經濟的調控作用，目前國內生產數控切割機的廠家已調整到20幾家。但綜合實力較強且有競爭實力的只有梅塞爾切割焊接有限公司、上海伊薩漢考克有限公司、哈爾濱華崴焊切成套設備有限公司、哈爾濱四海數控機械制造有限公司、深圳市博利昌數控切割設備有限公司、無錫華聯(lián)焊割設備廠、北京百惠宏達科技有限責任公司等幾家。他們都有自主科研開發(fā)能力，生產規(guī)模較大，產品規(guī)格齊全，品種多，質量較穩(wěn)定。在行業(yè)中起著中堅力量。 國內一些數控等離子切割產品在許多方面已形成自身獨有的特點，實現了“自動化、多功能和高可靠性”。在某些方面，產品的技術性能甚至超過了國外的產品，具體體現在： 1.數控系統(tǒng)與等離子系統(tǒng)的電磁兼容技術 這是數控等離子切割機成功的關鍵，只有解決了這一難題，才能實現數字控制下的等離子 2.符合熱切割工藝要求的專用控制軟件 軟件的特點如下： (1)采用圖形輸入方式，比代碼輸入更加直觀，操作快捷方便。 (2)中文界面，更適合中國國情。 (3)輸入方式多元化，所有調控指令化。 (4)利用自動套料編程軟件，可提高板材利用率10%左右。 3.大功率等離子系統(tǒng) 該系統(tǒng)具有100%暫載率和完備的數控接口、弧壓接口、遙控接口，并提供全套的接口附件，從而實現與數控系統(tǒng)的緊密結合。 結論 隨著現代制造業(yè)的發(fā)展，機械加工對于數控機床提出了更高的要求，等離子切割機作為現造船業(yè)、汽車業(yè)、航空業(yè)重要的數控裝備，高速高精度成為其最求的目標。而我國鋼產量早已達億噸級，再加上制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，這必將促進國內數控等離子切割技術的良性發(fā)展。總體來說，我國數控等離子切割在基本功能上已達到國外同類產品水平，但要完全達到或超過國外水平還有很長的路要走。國內各企業(yè)、科研單位應加大科研力度，重視企業(yè)間的橫向合作，形成優(yōu)勢互補，并在以下方面爭取進一步提高： 1.應加強等離子理論研究與生產的相關轉換； 2.等離子電源應進一步提高穩(wěn)定性； 3.積極開發(fā)適合我國國情、經濟可靠的數控等離子切割設備； 4.人機對話界面友好，適合切割下料工人操作； e.網絡互聯(lián)功能。 參考文獻： [1] 成大先，機械設計手冊，化學工業(yè)出版社，2007.11 [2] 趙家瑞，等離子弧切割技術的發(fā)展趨勢[J]，現代焊接，2001(01) [3] 呼剛義,關雄飛，宏程序在具有特殊輪廓零件數控編程中的應用[J]，制造業(yè)自動化. 2011(23) [4] 武亞鵬,侯建偉，淺談數控等離子切割機[J]，金屬加工(熱加工). 2011(06) [5] 鄭勐，數控等離子切割機開發(fā)設計中的關鍵技術研究[D]，西安理工大學 2004 [6] 胡琛，等離子切割機數控系統(tǒng)的研究[D]，武漢科技大學 2008 [7] 張文武，等離子切割智能控制策略的研究[D],廣東工業(yè)大學 2012 [8] 王富國，計算機控制等離子切割機[J]，宇航材料工藝 1994年 第4期 [9] 王蘇衛(wèi)，機車車輛工藝[N]，1991年 第2期 [10] 李榮軍，數控等離子切割機的特點及維護、保養(yǎng)[R]，新技術研究與推廣，2012年 第2期 [11] 黎明英，顏擁軍，汪琳霞，龍斌，數控等離子切割機切割槍自動高低調節(jié)系統(tǒng)[N], 南華大學學報（理工版），第18卷第2期 [12] 卜瑋晶，數控等離子切割技術的應用與工藝控制[C],長春工業(yè)大學 人文信息學院 [13] 陳潔，鄭鵬，數控等離子切割技術及應用[J],新技術新工藝 2009年第2期 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At present, plasma cutting machine technology plays an important role in the manufacture of electronic technology, computer technology and robot. In any case, plasma cutting machine can improve the level and quality of welding. We will only CNC cutting machine and welding with tracking technology effectively in order to better promote the development of new technology, so the CNC cutting machine design is very important for solving this problem. Keywords: cutting technology, mechanism design, plasma cutting machine 目 錄 摘要 2 Abstract 3 目 錄 4 第1章 緒論 6 1.1臺式數控等離子切割機的研究目的及意義 6 1.1.1臺式數控等離子切割機背景 6 1.1.2臺式數控等離子切割機簡介 6 1.1.3意義 6 1.2研究現狀及發(fā)展趨勢 6 1.3本課題研究的內容及方法 8 1.3.1主要的研究內容 8 1.3.2設計要求 8 1.3.3關鍵的技術問題 9 第2章 總體方案機構設計 9 2.1設計概念 9 2.2設計原理 9 2.3方案討論 10 第3章 X結構及傳動設計 11 3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 12 3.1.1導程確定 12 3.1.2確定絲桿的等效轉速 12 3.1.3估計工作臺質量及負重 12 3.1.4確定絲桿的等效負載 12 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 13 3.1.6精度的選擇 14 3.1.7選擇滾珠絲桿型號 14 3.2校核 14 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 15 3.2.2臨界轉速驗證 16 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 16 3.3電機的選擇 17 3.3.1電機軸的轉動慣量 17 3.3.2電機扭矩計算 18 第4章 Y向結構設計 20 4.1 Y軸滾動導軌副的計算、選擇 20 4.2 滾珠絲杠計算、選擇 21 4.3 步進電機慣性負載的計算 23 第5章 主要零件的數控加工 26 5.1 初始參數設定 26 5.2 創(chuàng)建刀具 27 5.3 創(chuàng)建加工操作 28 5.4 模擬刀軌及后處理 30 總結與展望 33 參考文獻 34 致 謝 35 35 第1章 緒論 1.1臺式數控等離子切割機的研究目的及意義 1.1.1臺式數控等離子切割機背景 在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有自動化生產設備，用來提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。當然，也不排除PCB板的焊接加工過程。我們發(fā)現焊接技術已經滲透到各個領域并且被廣泛使用。根據資料顯示，我國每年鋼鐵的產量一般在3億噸左右，其中有一半以上的鋼有用到焊接技術加工。我國每年的焊接設備需求量金額超過50億元。既然焊接機能夠這么普遍地應用在各個領域，它肯定具備了很大的市場競爭力。 1.1.2臺式數控等離子切割機簡介 龍門式數控火焰/等離子切割機采用驅動，即切割頭，運行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據用戶的要求配置多把割炬。 1.1.3意義 1.橫梁：采用方管對焊的結構，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點。所有的焊接件均采用振動時效去應力處理，有效的防止了結構變形； 2.縱、橫向驅動：橫向導軌則采用了臺灣進口的直線式導軌，縱向導軌是由精密加工的特質鋼軌制成的，保證了切割機的運行平穩(wěn)，精度高，且經久耐用，清潔美觀； 1.2研究現狀及發(fā)展趨勢 激光切割機的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業(yè)開發(fā)、生產激光切割機。 1.2.3國外焊接機的發(fā)展概況 焊接產品中有許多曲線的焊接，在我國一般采用手工焊接。手工操作具有一定的優(yōu)勢，但也，存在著人員管理難、工人培訓周期長、生產環(huán)境惡劣、勞動強度大、焊接質量難以穩(wěn)定的保持、容易產生夾雜、氣孔等缺陷、焊接成本高、生產效率低一系列的問題等。為了克服上述種種弊端，焊接科技工作者研究出了多種自動化焊接設備，如仿形焊接機，焊接機器人，三維數控焊接機等。近些年來我國焊接技術的整體發(fā)展水平比較好，尤其是逆變式焊機技術現已成熟，正在全國推廣應用。波控、智能及自動、半自動焊接技術快速發(fā)展。自動、半自動氣體保護焊機、埋弧焊機、電阻焊機等產品也邁開了一大步。2000年我國點弧焊機器人已達到980臺?？墒潜M管如此，我國的焊接設備還是不能滿足國內工業(yè)的生產需求。 我國從20世紀80年代開始進行大型機床等機械產品焊接結構的研究，20 多年來已取得長足的進步。焊接結構已經在現代化的數控機床等大型機床上應用以焊代鑄以焊代鍛的結構設計和制造技術迅速發(fā)展。 在汽車制造工業(yè)方面，隨著我國汽車產量的不斷增加20世紀90年代開始從國外陸續(xù)引進先進的焊接設備。并在車轉動軸、剎車蹄片、輪圈以及其他部件的制造過程中普遍采用各種先進的焊接工藝，提高了焊接效率和產品質量。焊接在船舶、汽車、鍋爐、壓力容器制造行業(yè)中也成為主要的生產工藝手段之一 。目 前，已有多種焊接工藝方法獲得各國船級社的認可而被應用于生產。自十一五期間開始進行高效焊接技術的探索以來，至今已取得令人欣喜的成績。 近年來，我國在大型貯罐焊接、球形貯罐焊接、鋁鎂合金料倉焊接等領域中，已成功地開發(fā)應用了自動焊或半自動焊工藝，如球罐全位置自動焊工藝和裝備已在國內開發(fā)成功，它將為進一步推動焊接自動化發(fā)揮重要作用。 在當前，臺式數控等離子切割機的機構設計絕大多數還是依據具體的情況來設計專用焊接臺式數控等離子切割機，稱之為固定結構的傳統(tǒng)臺式數控等離子切割機，其運動特性使特定臺式數控等離子切割機僅能適應一定的范圍，花費成本較大，不利于臺式數控等離子切割機的發(fā)展。 很數移動焊接臺式數控等離子切割機還有焊縫跟蹤的功能,其不足之處就是在焊前必須通過人為的方式,幫助臺式數控等離子切割機找到合適的位置并且放好，通過人工將臺式數控等離子切割機本體、十字滑塊等調整到合適的狀態(tài) ,這里所設計的移動臺式數控等離子切割機是有軌移動焊接臺式數控等離子切割機，只是現有的移動焊接臺式數控等離子切割機技術在PCB板焊接中的應用， 還不能滿足要求，而當前的移動焊接臺式數控等離子切割機技術有相當的發(fā)展。也就是說臺式數控等離子切割機的自主性還跟不上工業(yè)發(fā)展的腳步。 未來的發(fā)展趨勢可分為以下三個方面：[2] 1 選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤：因為與圖象處理方面相關的技術得到發(fā)展； 2 采用多傳感信息融合技術以面對更為復雜的焊接任務； 3 控制技術由經典控制到向智能控制技術的發(fā)展：這也將是移動焊接臺式數控等離子切割機的控制所采用。 1.3本課題研究的內容及方法 1.3.1主要的研究內容 在查閱了國內外大量的有關焊接臺式數控等離子切割機設計理論及相關知識的資料和文獻基礎上，綜合考慮焊接臺式數控等離子切割機結構特點、具體作業(yè)任務特點以及焊接臺式數控等離子切割機的推廣應用，分析確定使用三自由度關節(jié)型焊接臺式數控等離子切割機配合生產工序，實現自動化焊接的目的。 為了實現上述目標，本文擬進行的研究內容如下: 1 根據現場作業(yè)的環(huán)境要求和數控錫絲點焊機本身的結構特點，確定數控錫絲點焊機整體設計方案。 2 確定數控錫絲點焊機的性能參數，對初步模型進行靜力學分析，根據實際情況選擇電機。 3 從所要功能的實現出發(fā)，完成數控錫絲點焊機各零部件的結構設計； 4 完成主要零部件強度與剛度校核。 1.3.2設計要求 1 根據所要實現的功能，提出臺式數控等離子切割機的整體設計方案； 2 完成臺式數控等離子切割機結構的詳細設計； 3 通過相關設計計算，完成電機選型； 4 完成臺式數控等離子切割機結構的三維造型；繪制臺式數控等離子切割機結構總裝配圖、主要零件圖。 1.3.3關鍵的技術問題 1 方案選擇 2整體的支撐架設計（龍門結構及懸臂結構的選擇） 3機構設計 4 強度校核 第2章 總體方案機構設計 2.1設計概念 整體的支撐架采用龍門結構——在工程中我們常用的整體支撐架結構有龍門結構和懸臂梁。所謂的懸臂梁就是梁的一端為不產生軸向、垂直位移和轉動的固定支座，另一端為自由端（可以產生平行于軸向和垂直于軸向的力）。而龍門結構通俗地說就是一根橫梁連接兩個支腿與地面緊固組成的像一個門框一樣的結構。因為他是雙支撐結構區(qū)別于單支撐和懸臂結構，所以結構特別簡單。 2.2設計原理 數控點焊機的設計應滿足一下幾個條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性， 為了使工件、焊槍與焊接點保持準確的相對位置，必須根據要求的焊接點，去選擇合適的定位機構。再者就是要有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到焊接槍在運動過程中產生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應考慮到產品零件變換的問題。為適應不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結構，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構的使用范圍。 X軸采用絲杠加導軌形式：橫向電動機—聯(lián)軸器—橫向滾珠絲杠（導軌）-橫滑板 Y軸和采用絲杠傳動：縱向電動機—聯(lián)軸器—縱向滾珠絲杠—大托板 2.3方案討論 懸臂梁在工程力學受力分析中，比較典型的簡化模型。在實際工程分析中，大部分實際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。龍門結構制作方便，承受負載大，結構穩(wěn)定，工程上廣泛應用。考慮到上述問題該課題的整體結構采用龍門結構。 第3章 X結構及傳動設計 表 3-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高。可以預拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 設X向最大行程為300mm,最快進給速度為18m/min,主軸箱大概質量為50kg,工作臺大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg，工作臺最大行程為300mm。 3.1.1導程確定 電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm 3.1.2確定絲桿的等效轉速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉速 最小進給速度是絲桿的轉速 絲桿的等效轉速 式中取故 3.1.3估計工作臺質量及負重 主軸箱重量 工作臺重量 移動部件重量 3.1.4確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質系數，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數（查表：取ft=1） fh-------硬度系數（查表：取fh =1） fa-------精度系數（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計算得Car=17300N 表3-1-1各類機械預期工作時間Lh 表3-1-2精度系數fa 表3-1-3可靠性系數fk 表3-1-4負載性質系數fw 3.1.6精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。 3.1.7選擇滾珠絲桿型號 計算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.2校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。 3.2.2臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數，雙推-簡支方式時取18.9 經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。 3.3電機的選擇 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1電機軸的轉動慣量 a、回轉運動件的轉動慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經計算得 b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質量 X向直線運動件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經計算得 c、聯(lián)軸器的轉動慣量 查表得 因此 3.3.2電機扭矩計算 a、折算至電機軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經計算得 b、折算至電機軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導軌摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系數為0.02，F0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動效率，η=0.90 I—傳動比，I=1 經計算得 c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9 經計算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。 第4章 Y向結構設計 4.1 Y軸滾動導軌副的計算、選擇 根據給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據計算額定靜載荷初選導軌: 選擇漢機江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25 基本參數如下: 額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量 導軌重量 導軌長度 動載荷 靜載荷 L (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座個數 單向行程長度 每分鐘往復次數 M 4 0.6 4 導軌的額定動載荷N 依據使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln： 額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命: 導軌的工作壽命足夠. 4.2 滾珠絲杠計算、選擇 初選絲杠材質：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm 強度計算 絲杠軸向力：(N) 其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz計算。 取f=0.004,則: 壽命值：，其中絲杠轉速(r/min) 最大動載荷： 式中：fW為載荷系數，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數，HRC≥58時為1.0。 查表得中等沖擊時則: 根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。 其基本參數如下: 其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式. 滾珠絲杠螺母副的幾何參數的計算如下表 名稱 計算公式 結果 公稱直徑 ―― 20mm 螺距 ―― ５mm 接觸角 ―― 鋼球直徑 ―― 3.175mm 螺紋滾道法向半徑 1.651mm 偏心距 0.04489mm 螺紋升角 螺桿外徑 19.365mm 螺桿內徑 16.788mm 螺桿接觸直徑 17.755mm 螺母螺紋外徑 23.212mm 螺母內徑（外循環(huán)） 20.7mm （1） 傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 （2） 穩(wěn)定性驗算 絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。 （3） 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm) Y向所受牽引力大,故用Y向參數計算 絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為 E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。 4.3 步進電機慣性負載的計算 根據等效轉動慣量的計算公式，有： （1）等效轉動慣量的計算 折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為： 式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉動慣量；為齒輪１的轉動慣量； 為齒輪２的轉動慣量；為滾珠絲杠的轉動慣量；Ｍ為移動部件的質量。 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： 式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。 所以有： 電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有： 4.2.6 步進電機的選用 (１）步進電機啟動力矩的計算 設步進電機的等效負載力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系： 式中為電機轉角，Ｓ為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以： 式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。 取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩： 取系數為０.３，則： 對于工作方式為三相６拍的步進電機： (２） 步進電機的最高工作頻率 為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機. 電機有關參數如下: 型號 主要技術參數 相數 步距角 電壓 (V) 相電流 (A) 最大靜轉矩 (n.m) 空載啟動頻率 空載運行頻率 分配方式 90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4相8拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 轉子轉動慣量 Kg.m 外直徑 長度 軸直徑 90 145 9 4.5 1764 第5章 主要零件的數控加工 5.1 初始參數設定 1.準備毛坯：通過普通銑床機加工，將毛坯加工為的方塊。 2.CNC加工：按照“粗→半精→精-清根加工”的一般順序進行加工。 3.進入加工模塊，初始化加工環(huán)境，選擇“mill_contour”進入加工環(huán)境。 4.選擇“加工導航器”中的“幾何視圖”在左側“操作導航器”欄選擇坐標系設置“MCS_MILL”，指定坐標系原點為工件正中央，在間隙設置里指定安全平面，選擇工件上表面，設定偏置為15。如圖所示： 5.選擇“WORKPIECE”打開，指定部件為加工幾何體，指定毛坯為毛坯幾何體，指定材料為CARBON STEEL，單擊顯示圖標。如圖所示： 5.2 創(chuàng)建刀具 1.在插入工具條中點創(chuàng)建刀具按鈕，在刀具類型中選擇第一個立銑刀圖標，輸入刀具名稱“D20”，在銑刀參數中選擇“5-參數”，直徑設置為20mm，長度設置為166mm，刀刃長度設置為100mm，刀刃數為2，刀具號設置為1。如圖所示： 同理，創(chuàng)建其余刀具：分別是D10、D10R0.5、D10R5。 D10刀具參數：直徑10mm，長度150mm，刀刃長度100mm，刀刃數3，刀具號為2 D10R0.5刀具參數：直徑10mm，長度125mm，刀刃長度55mm，刀刃數2，刀具號為3 D10R5刀具參數：直徑10mm，長度130mm，刀刃長度11mm，刀刃數2，刀具號為4 5.3 創(chuàng)建加工操作 在加工導航器中切換到“加工方法視圖”，在操作導航器中選擇MILL_ROUGH,右鍵彈出菜單，選擇插入→操作，在類型中選擇mill_contour，在操作子類型中選擇第一個型腔銑CAVITY_MILL，程序設置PROGRAM，刀具設置D20，幾何體設置WORKPIECE，方法MILL_ROUGH，確定進入型腔銑對話框。 在刀軌設置里切削模式選擇“跟隨周邊”，步距恒定，距離為5mm，全局每刀深度3mm。如圖所示： 編程基本參數表 參 數 參 數 值 參 數 參 數 值 刀具材料 硬質合金 進給速度 200 刀具類型 端面銑刀 主軸轉速 800 刀具刃數 2 公 差 0.03 刀具直徑 20 切削步距 5 刀具半徑 10 切削深度 3 圓角半徑 / 加工余量 側壁 1 快進速度 5000 底面 0 打開“切削參數”按鈕，在“策略”選項卡里選擇“切削方向”為順銑，“切削順序”為深度優(yōu)先，“圖樣方向”向內；在“余量”選項卡里設置部件側面余量1mm，部件底部面余量0,內外公差為0.03mm；在“連接”選項卡中設置區(qū)域排序為優(yōu)化，勾選區(qū)域連接；其余參數默認設置。如圖所示： 打開“非切削移動”按鈕，在進刀選項卡封閉區(qū)域中設置進刀類型為螺旋，直徑為刀具直徑的90%，傾斜角度15°；在開放區(qū)域中設置進刀類型為線性，長度為50%。 在傳遞/快速選項卡中設置安全設置為平面，指定平面為工件上表面偏置15mm傳遞類型為間隙。其余設置為默認設置，如圖所示： 在進給和速度選項里，設置主軸轉速為800，切削為200，其余參數如圖： 點擊生成按鈕，生成刀軌，如圖所示： 5.4 模擬刀軌及后處理 在加工導航器中切換到“程序順序視圖”， 在“操作導航器”中選擇PROGRAM，右鍵彈出菜單，選擇刀軌→確認，彈出模擬加工對話框。選擇2D動態(tài)，點擊播放，模擬加工。最終效果如圖： 最后在PROGRAM上右鍵彈出菜單，選擇“后處理”選項，彈出后處理器，在其中選擇后處理文件。 這里選擇已經編輯設置好的FANUC 0I MC系統(tǒng)后處理文件，如下圖所示的“FANUC_0M”文件，指定存放位置，確認輸出，生成G代碼，至此，加工完成。 % N0010 G40 G17 G90 G70 N0020 G91 G28 Z0.0 :0030 T00 M06 N0040 G0 G90 X4.626 Y6.1131 S0 M03 N0050 G43 Z3.6614 H00 N0060 Z3.2677 N0070 G1 Z3.1496 F9.8 M08 N0080 X4.0354 N0090 X-4.0354 N0100 X-4.626 N0110 Z3.2677 N0120 G0 Z3.6614 N0130 X4.626 Y6.8444 N0140 Z3.2677 N0150 G1 Z3.1496 N0160 X4.0354 N0170 X-4.0354 N0180 X-4.626 N0190 Z3.2677 N0200 G0 Z3.6614 N0210 X4.626 Y7.5757 N0220 Z3.2677 N0230 G1 Z3.1496 N0240 X4.0354 N0250 X-4.0354 N0260 X-4.626 N0270 Z3.2677 N0280 G0 Z3.6614 N0290 M02 % 總結與展望 畢業(yè)設計是對大學學期間所學的知識的一次系統(tǒng)全面性的總結，通過本次畢業(yè)設計將理論與實踐充分結合，是難得的一次機會。通過這次畢業(yè)設計為今后能更好的適應今后工作墊定了良好的基礎。針對本次畢業(yè)設計總結如下： 完成了結構設計：結構方案的比較與選擇；驅動電機功率的估計計算與選擇傳動的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度校核。還有擺動關節(jié)驅動電機的選擇。 其它方面：都是直接在圖紙上設計出來了。  參考文獻 [1] 鄭堤等,數控機床與編程.北京：機械工業(yè)出版社，2005 . 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