火車車輪圓孔火焰切割專機設計

火車車輪圓孔火焰切割專機設計,火車,車輪,圓孔,火焰,切割,專機,設計 1 目錄 ...................................................................1 中文摘要 ...............................................................2 Abstract...............................................................3 第 1 章 緒論 ..........................................................4 1.1 切割技術的種類及發(fā)展 ...........................................4 1.2 數控火焰切割簡介 ...............................................4 1.3 割炬運動分析 ...................................................7 第 2 章 數學模型及工藝分析 .............................................9 2.1 鋼管典型相貫線數學模型的建立 ....................................9 2.2 割炬運動分析 ..................................................11 2.3 焊接坡口工藝分析 ..............................................12 2.4 割炬的徑向補償 ................................................13 第 3 章 設備總體方案及布局 .............................................14 3.1 機床總體方案 .................................................14 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 ......................................14 3.3 功能和技術參數分析 ............................................16 第 4 章 機械系統(tǒng)設計 ...................................................18 4.1 Z 軸工作滑臺的設計 ............................................18 4.2 調整絲杠的設計 .................................................28 4.3 齒輪齒數的確定與較核 ..........................................30 4.4 支架的設計 ....................................................31 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 ..................................................34 5.1 系統(tǒng)方案設計 ...................................................34 5.2 控制系統(tǒng)的選用 ................................................35 5.3 數控裝置的部件結構和安裝 ......................................36 5.4 控制系統(tǒng)的硬件設計 ............................................36 5.5 圖形交互人機界面 ..............................................38 總結 ..................................................................39 致謝 ..................................................................40 參考文獻 ..............................................................41 2 中文摘要 本設計以相貫線數學參數模型的基礎, 分析切割機的割炬的軌跡運動, 將切割 運動分解為割炬回轉、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補償四軸聯(lián)動,對鋼管相貫 焊接坡口數控切割運動進行研究,并最終完成相貫線切割機的設計 .該切割機采用數 控原理進行軌跡控制，采用火焰切割方式工作.設計共分四部分 :相貫線數學參數模 型的建立,切割機總體方案設計,機械結構設計和控制系統(tǒng)設計 . 關 鍵 詞:大型管材;相貫線;焊接坡口;數控火焰切割 3 Abstract Based on the mathematical model of intersecting line and the analysis of the track of cutting torch, the design studies NC cutting movement for welding groove of pipe intersecting and finishes the design of pipe intersecting line cutting device . The cutting movement was divided into four axis relative motions of cutting torch, i. e. rotate round the pipe, shift along pipe, swing and compensate along radial direction. The device uses NC principle for intersecting line track control, the cutting method is flame-cutting. And the design contains four sections: the establishment of mathematical model of intersecting line, the design of the whole scheme, the design of mechanical structure and the design of NC control system. Keywords: Large-scale pipe; Intersecting line; Welding groove; NC flame-cutting 4 第 1 章 緒論 1.1 切割技術的種類及發(fā)展 切割是焊接生產備料工序的重要加工方法，包括冷、熱兩類切割，而熱切割又 有氣體火焰切割、電弧切割、等離子切割和激光切割等各種工藝方法。目前各種金 屬和非金屬切割已經成為現代工業(yè)生產（特別是焊接生產）中的一個重要工序，被 焊工件所需要的幾何形狀和尺寸，絕大多數是通過切割來實現的。切割技術被廣泛 的應用在國民經濟建設的各個領域里。 近年來，由于機械工業(yè)飛速發(fā)展的需求和國外先進技術的引進，我國切割技術 無論在新工藝的開發(fā)方面，還是在新能源的利用方面都有了長足的發(fā)展。自動化、 半自動化切割技術的發(fā)展，使得切割技術可以代替部分機械加工，大大提高了工作 效率，還可以提高金屬材料的利用率。 氣體火焰切割是熱切割中最早被采用和最常用的工藝方法，這種切割方法設備 簡單、操作方便靈活、投資費用少、切割質量好等特點。尤其是能夠切割各種含曲 線形狀的零件和大厚度工件等一系列特點使得它自進入工業(yè)領域以來一直作為工業(yè) 生產中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法而被廣泛采用。 1.2 數控火焰切割簡介 1.2.1 火焰切割及數控火焰切割技術 火焰切割就是利用氣體火焰的熱能將工件切割處金屬預熱到一定溫度后，噴出 高速切割氧氣流使預熱處的金屬燃燒并放出熱量實現切割的方法。最常見的氣體切 割是氧-乙炔火焰切割。 鋼材的氣割是利用氣體火焰（稱預熱火焰）將鋼材表面加熱到能夠在氧氣流中 燃燒的溫度（即燃點） ，然后送進高純度，高流速切割氧，使鋼材中的鐵在氧氛圍 中燃燒生成氧化鐵熔渣，同時放出大量熱，借助這些燃燒熱和熔渣不斷加熱鋼材的 下層和切口邊緣，使之也達到燃點，直至工件的底部。與此同時，切割氧流把氧化 鐵熔渣吹掉，從而形成切口將鋼材切割開。 數控火焰切割機是應用計算機數字程序控制（Computer Numerical program Control）的全自動化切割設備，人們借助計算機輔助設計程序，把所要切割零件 5 的形狀、尺寸、切割順序及切割過程中的各項輔助功能按一定的語言程序規(guī)則進行 編程，然后輸入控制機，經運算后發(fā)出運動控制及輔助功能指令，再有伺服行走系 統(tǒng)和切割執(zhí)行機構協(xié)調動作，從而完成所需零件的切割。 數控火焰切割機的特點： ⑴．功能齊全，自動化程度高．具有割炬自動升降和自動調高、自動點火、自 動穿孔、自動切割、噴粉畫線、噴印字碼、噴水冷卻、割縫自動補償、熄火返 回重割、動態(tài)圖形跟蹤顯示等功能，實現了切割全過程的自動控制。 ⑵．可配置多個割炬工作，省去了制作樣板和劃線的工時，生產效率高． 采用套料程序，提高鋼板利用率。 ⑶．能合理選定切割工藝參數及切割路徑，可減小熱變形，加工精度高，切割 質量好，能夠減少后續(xù)打磨和裝焊工時。 ⑷．切割信息易于準備、修改和保存。 ⑸．機器運行穩(wěn)定可靠，操作方便。 1.2.2 國內外數控火焰切割技術的發(fā)展 國外工業(yè)發(fā)達國家，如德國、日本、瑞典等，正積極開發(fā)各種新型切割設備 （特別是數控切割機）和新的切割工藝。相繼開發(fā)出了各種快速割嘴和高速切割方 法，如高壓擴散型快速割嘴、高壓細氧射流割嘴、高壓氧簾快速割嘴、雙層氧簾割 嘴，以及多割嘴組合高速切割方法等。 國外數控火焰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。而能夠代表數控等離子切割技術最高水平的廠 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。 國外數控火焰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．而能夠代表數控等離子切割技術最高水平的廠 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 6 高、幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數控切割機。 我國數控切割技術的開發(fā)工作開始于 20 世紀 80 年代初，起步是數控火焰切割 機。到了 20 世紀 90 年代，在數控火焰切割技術趨于成熟，國內一些數控切割機產 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。 在此基礎上，國內的生產企業(yè)又通過嫁接引入國際上先進的等離子切割系統(tǒng)， 采取引進和自主開發(fā)相結合的方法，開展了數控等離子切割機的研制。歷經 20 多 年，終于取得了可喜的成就，目前國產數控等離子、火焰切割機門類和規(guī)格已相當 齊全，其中部分產品在技術性能指標和功能上均已接近或達到國際水平，產業(yè)化進 展順利，并已具備一定的經營規(guī)模。 目前國內生產數控火焰切割機的廠家主要有梅塞爾切割焊接有限公司，上海伊 薩漢考克有限公司，哈爾濱華威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 宏達科技有限公司等幾家。 現在國產數控火焰切割機與國外產品的差距已經不大，性能也比較穩(wěn)定，只是 國產切割機為保證質量，一些主要部件如電磁氣閥、減壓閥、交流伺服系統(tǒng)等均采 用進口件，目前產品的質量仍然不穩(wěn)定?？傊瑹o論從切口質量、易損件的耐用度 等國產與進口的仍有一定的差距，因此要完全替代進口還需一段時間。 1.2.3 數控火焰切割機的市場及發(fā)展 數控火焰切割機是一種將電腦控制、精密機械傳動、氧、燃氣切割三者技術相 結合的高效率、高精度、高可靠的熱切割設備。它適用于造船工業(yè)，重型機械，化 工設備，鍋爐制造，機車車輛，石油化工等制造行業(yè)的高精度鋼板熱切割的新型自 動化設備。 現代金屬制造企業(yè)如：造船、壓力容器、工程機械、電站設備、橋梁和鋼結構 等行業(yè)為優(yōu)化其產品的結構性能，使得產品更經濟，生產周期更短，在國際市場更 具競爭力就必須對其原有的制造技術和生產工藝提出新的設想和要求，首先要徹底 改變以往手工和半自動切割的低效率狀況，廣泛采用數控切割設備，只有這樣才能 從根本上緩解了我國機械制造業(yè)飛速發(fā)展所帶來的鋼板和其他金屬板材切割量急劇 7 增大的巨大壓力，為今后在整個制造業(yè)擴大應用數控等離子、火焰切割機和應對未 來國外同類企業(yè)的挑戰(zhàn)打下了基礎。 目前，我國機械加工行業(yè)中鋼板下料普遍采用手工—乙炔切割，這種現象不僅 存在于小規(guī)模單件生產的小型企業(yè)，也存在于大批量生產的大型企業(yè)中，而國外企 業(yè)的下料工序大部分采用了數控氧—乙炔或數控等離子切割方法，不僅可提高材料 利用率，而且改善了產品質量，優(yōu)化了工作環(huán)境，使人員工作效率得到了提高。之 所以數控下料不能在我國普及主要有三個方面原因：資金問題、設備故障維護問題、 操作問題。因此研制功能不是很強大但操作簡單，性能可靠，價格相對便宜的實用 型的火焰切割機就迫在眉睫．這也就意味著目前設計和制造經濟型數控火焰切割機 在國能將有廣闊的市場。 1.3 本設計簡介 隨 著 海 洋 石 油 工 業(yè) 的 發(fā) 展 ,海 洋 工 程 結 構 建 造 將 面 對 面 大 量 的 鋼 管 相 貫 的 加 工 .南 海 西 部 石 油 合 眾 公司，主要以海上平臺上部模塊建造工程為主,而大型管材 相貫是該海上平臺加工制造過程中經常遇見的切割焊接結構.相 貫 焊 接 前 ,管 端 相 貫 線 需 要 加 工 ,相 貫 線 上 每 一 點 的 焊 接 坡 口 也 需 要 加 工 .根 據 石 油 天 然 氣 行 業(yè) 標 準 (SY/T 4802-92)和 美 國 石 油 協(xié) 會 標 準 (API PI 2A),相 貫 線 上 每 一 點 的 焊 接 坡 口 取 決 于 該 點 的 局 部 兩 面 角 . 不 同 形 式 的 鋼 管 相 貫 ,相 貫 線 上 每 一 點 的 局 部 兩 面 角 各 不 相 同 ,局 部 兩 面 角 沿 相 貫 線 在 不 斷 變 化 . 目前，該公司切割下料以人工作業(yè)為主，對于這種帶坡口相貫線均采用人工放 樣等工藝方法來進行加工,因此下料工作進度與效率成為影響整個平臺建造工程進 度的主要因素，為改變工作強度大和效率低的現狀,本課題嘗試運用所學的機電 一體化的相關知識進行大型管材相貫線切割機的設計. 本課題所研究的大型管材相貫線切割機是屬于數控火焰切割機,如下圖1-1它具 有一般數控機床的特點，能根據數控加工程序,自動完成從點火 -預熱-通切割氧- 切割-熄火-返回原點的整套切割過程。但數控火焰切割機又有別于一般數控金屬切 削機床，它利用氧-乙炔火焰把鋼板割縫加熱到熔融狀態(tài)，用高壓氧吹透鋼板進行 切割,而不像金屬切削機床那樣,是用金屬切削工具與工件剛性接觸來進行切削加工。 目前這種數控火焰切割機仍依賴進口.因此,開發(fā)這種火焰切割機具有重要的意義. 8 1-1 大型管材相貫線切割機 9 第 2 章 數學模型及工藝分析 2.1 鋼管典型相貫線數學模型的建立 如圖 2-1 所示,空間相貫線是一個復雜的空間曲線,描述其軌跡需要用空間坐標 方程 f(x,y,z)=0,其函數關系復雜,但由于相貫線是兩個圓柱的交線,所以,采用柱 坐標可以把三維坐標轉化為二維坐標方程 f(h,?)=0.以下相貫線均指支管內圓柱和 主管外圓柱相貫. 圖 2-1 空間相貫線曲線 如圖 2-2 所示,在空間三維坐標系下兩圓柱的相貫線方程為 (1) (2) 式中 r -- 支管半徑 (mm) R -- 主管半徑 (mm) 坐標系與 坐標系間存在以下坐標變換關系 Oxyzx'yz 圖 2-2 兩圓柱的相貫線 (3) 2yzR??'r'cosinxy??? 10 (4) (5) 式中 -- 坐標系旋轉角 ,亦即兩管交角.? 在平面內支管圓柱面的方程為 (6) (7) 圖2- 3 支管圓柱面的方程 式中 -- 支管上的旋轉角. 由式(1)~(7) 式得出兩圓柱相貫線各點的參數方程如下 (8) (9) (10) 取在 坐標系下過相貫線上x’軸坐標值最大的點且垂直于x’軸的平面為下料Ox'yz 基準面.其在 坐標系下的方程為 ' 'sincoyxy????'z'cosyr??'inz coscosinyrx????2siRr? 11 ??22()sin()(cos()( tanRrerhf ??????????????? ?[1] (11)由此可得支管下料高度為 (12)即下料高度 h 是支管上的旋轉角 的函數:? (13)以上討論的是典型相貫線數學方程,即兩圓柱軸線相交成一角度.在兩圓柱軸線異面并有一偏心距 e 時,其相貫線方程為: 式中 -- 支管壁厚 (mm)? -- 扭轉角,標志主管相對于支管的扭轉角度.? 2.2 割炬運動分析 如圖 2-3 所示,被切支管保持不動,割炬沿被切支管做 R 軸(旋轉軸),T 軸(擺動 軸),A 軸(縱向補償軸)三軸和環(huán)架的 Z 軸(軸向移動)共四軸聯(lián)動.正式切割前,手動 完割炬和環(huán)架的徑向運動,以調整割炬與被切管徑向位置;在切割過程中, 割炬按照 設定速度繞被切管作回轉運動, 被切管剖面的擺動和徑向補償運動,環(huán)架沿被切管 軸向作軸向移動,其速度大小是由管壁厚和害炬回轉速度決定. 割炬在被切管剖面 的擺動角度按工藝規(guī)范切出坡口.四軸必須按照一定的數學關系聯(lián)動,才能切出所需 的空間相貫曲面. 'cotsxrR???(cots)(in)rxy?????cs2()cots)(cossin)inyrfrRRr??????? 12 圖 2-4 割炬運動 注:[1]肖聚亮,王國棟.火焰數控切管機割炬軌研究及仿真 2.3 焊接坡口工藝分析 根據焊接工藝要求,為保證構件的強度和避免較大的焊縫尺寸,一般中厚板的 接頭都要進行開坡口焊接.因此,切管時不僅要切出相貫線,還要切出坡口角,切管機 最后切出的管端形狀是空間曲面.根據美國焊接學會AWS D1.1規(guī)范要求,所開焊接坡 形式,根部間隙和鈍邊高度均取決于相交雙管相貫線上各部位的局部二面角.而支管 下料時切割高度曲線的確定也與相貫線上的局部二面角相關.不同管徑,不同厚度, 不同交角的相交雙管的相貫線上的各部位局部二面角各不相同.在工程實際中,焊接 坡口角度是通過鈍邊和坡口切割高度來保證的. 13 [1]圖 2-5 焊接坡口參數及裝配規(guī)范坡口角的取值是根據兩面角的大小來決定.相貫線上任選兩點兩面角 為:? 根 據 石 油 天 然 氣 行 業(yè) 標 準 (SY/T 4802-92)和 美 國 石 油 協(xié) 會 標 準 (API PI 2A)來 確 定 坡 口 角 .按 API標 準 當 ≤ 90°時 ,坡 口 角 α = /2; 當 > 90°時 , ? α = 45°. 2.4 割炬的徑向補償 在 實 際 切 割 過 程 中 是 沿 支 管 外 表 面 進 行 的 ,在 這 一 過 程 中 不 僅 要 完 成 相 貫 線 的 切 割 ,也 要 完 成 坡 口 的 切 割 .坡 口 角 是 由 實 際 切 割 角 來 保 證 ,實 際 切 割 角 由 割? 炬 繞 支 管 外 表 面 一 點 在 軸 剖 面 內 偏 轉 實 現 的 ,其 偏 轉 的 結 果 不 應 使 要 切 割 的 相 貫 線 偏 離 原 來 的 位 置 ,為 此 ,割 炬 需 沿 支 管 外 表 面 作 徑 向 補 償 . 其 補 償 量 ξ 為 :ξ = tan?? 圖 2-6 徑向補償 arc[os(????? 14 第 3 章 設備總體方案及布局 3.1 機床總體方案 對于大型鋼管的相貫線的切割有兩個方案： 方 案 1： 鋼 管 由 主 軸 帶 動 旋 轉 ， 同 時 割 矩 槍 只 需 進 行 軸 向 移 動 即 可 實 現 切 割 要 求 ， 所 以 要 實 現 2 軸 聯(lián) 動 。 方 案 2： 鋼 管 靜 止 不 動 ， 并 且 由 于 相 貫 鋼 管 的 直 徑 大 小 不 同 、 相 貫 角 度 不 同 ， 都 會 導 致 相 貫 線 軌 跡 的 不 同 ， 因 此 割 矩 槍 必 須 要 利 用 數 控 系 統(tǒng) 實 現 軸 向 轉 動 、 軸 向 移 動 、 徑 向 補 償 移 動 、 軸 剖 面 內 擺 動 ,均 采 用 步 進 電 動 機 帶 動 ， 所 以 要 實 現 4 軸 聯(lián) 動 ,并 且 要 求 能 進 行 人 機 對 話 ， 編 程 及 操 作 方 便 ， 診 斷 功 能 和 糾 錯 功 能 強 ， 具 有 顯 示 和 通 信 功 能 ， 縮 短 非 生 產 準 備 時 間 ， 提 高 生 產 率 。 由于被加工的鋼管最大重量可達 M=7.8×1000×3.14×(0.5×0.5-0.46×0.46) ×12=11285.9kg 且鋼管長度最長時可達 12m。 如果照方案 1 鋼管轉動起來需要耗費比較大的功率,并且鋼管過長轉動起來還會 產生較大的扭矩從而影響鋼管的加工質量.因此本設計采用方案 2. 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 3.2.1 切割機各軸的定義 切割機在實現相貫線切割時,需要四軸聯(lián)動和兩個手動來完成.現定義四軸如下 圖 3-1. 15 圖 3-1 切割機的四軸聯(lián)動 3.2.2 Z 軸工作滑臺簡明傳動系統(tǒng)圖 z 軸主要完成沿著鋼管軸心的軸向進給 圖 3-2 Z 軸傳動系統(tǒng)圖 3.2.3 R 軸和 A 軸傳動系統(tǒng)圖 R 軸和 A 軸分別實現割炬繞著鋼管轉動和沿鋼管徑向補償 .如圖 3-3。 16 圖 3-3 R 軸和 A 軸傳動系統(tǒng)圖 3.2.4 T 軸和徑向調整傳動系統(tǒng)圖 T 軸是實現割炬的前后擺動,以切出所需要的坡口角.其擺動行程為 30°-30°. 圖 3-4 T 軸和徑向調整傳動系統(tǒng)圖 3.3 功能和技術參數分析 相干鋼管的直徑大小不同、相干角度不同，都會導致相干相貫線軌跡的不同， 因此割矩槍必須要利用數控系統(tǒng)實現縱向移動，旋轉運動和徑向移動的定位精度、 走刀速度等諸技術參數，并且要求能進行人機對話，編程及操作方便，診斷功能和 糾錯功能強，具有顯示和通信功能，縮短非生產準備時間，提高生產率。加上割矩 槍在旋轉過程中隨著切割位置的不同還需要割矩擺動角度參數，即機床要實現四軸 聯(lián)動。 加工的鋼管直徑尺寸 φ200~φ1000mm，最長 12000mm,厚度 10~40mm，屬于 比較大型的鋼管，精度要求不高，主要考慮機構機床的剛度要求。因此可采用開環(huán) 結構，并選擇步進電動機作為機床的動力源。 17 步進電動機可通過數控裝置實現無級調速，因此主軸轉速只需要滿足最小與最 大極限要求轉速即可在此范圍內實現連續(xù)的速度變化要求。 由于乙炔在熱切割里應用的廣泛性和低成本,決定選用乙炔作為氣體燃料。選 用外混式割嘴。 查《簡明焊工手冊》P581 可得火焰切割速度如下： 表 3-1 火焰切割速度 割嘴 板厚/mm 號碼 喉徑 d/mm 切割速度 （mm/min） 5～20 1 0.6 800～300 25～40 2 0.8 500～250 35～70 3 1.0 350～150 18 第 4 章 機械系統(tǒng)設計 4.1 Z 軸工作滑臺的設計 4.1.1 脈沖當量 即系統(tǒng)分辨率。p? 本設計中選用 ＝0.01mmp 4.1.2 選定傳動比 當 ＝1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結構，提高精度。因此i 本設計中取 ＝1。i 4.1.3 初選步機電機 根據公式 公式 (4---1)pbLi??360? 其中 為傳動比， 為電機步距角， 為滾珠絲杠導程， 為脈沖當量。ib0Lp? 因為 ＝1， ＝0.01mm，現取 ＝4mm，可得 ＝ 0.9o初選步進電機型號為ip?0b? 90BF001。 4.1.4 計算絲杠承受的質量 在本設計中加工的最在鋼管直徑是 1m, 以 30 o 為鋼管的最小相干角度,則此 時絲杠的行程至少應為 1.73m, 絲杠的尺寸取整為 2m. 燕尾槽的重量大約為 0.10×0.6×0.3×0.6×7.8×1000=84.2kg 工作臺的重量為 0.3×0.33×0.04×7.8×1000=30.8kg 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8×(0.7×0.7-0.6×0.6)×3.14 ×0.1=318.3kg 再加上繞齒輪轉動的燕尾滑塊、兩個電動機、和火焰切割槍等，取絲杠所承受 的質量 M=460kg 19 4.1.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據是根據最大工作載荷和最大靜載荷。初步 選型后，進行軸向剛度驗算和壓桿穩(wěn)定性驗算。 4.1.5.1 最大工作載荷的計 本設計中，選用矩形滾動直線導軌。得滾珠絲杠上的工作載荷： 公式(4—2) 其中 為考慮導軌上的摩擦系數, 對于矩形滾動導軌取 ＝0.005。G=M 所以，f? f????2.548960.5Fm＝ 4.1.5.2 最大動載荷 的計算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動載荷 可用下式計算： 公式(4—3) mFfL3? 式中： 為工作壽命， ； 為絲杠轉速， ； 為最610/nt? 0/1Lvn? 大進給速度； 為絲杠導程； 為額定使用壽命，可取 ＝15000h； 為運轉狀態(tài)0 tmf 系數，現 ＝1.5； 為絲杠工作載荷；mfmF 由板厚 5~20、 25~40、35~70mm 查《簡明焊工手冊 》P581 可得火焰切割速度 分別為 800~300、500~250、150~350mm/min。 綜合考慮大齒輪的旋轉運動和底下工作臺的直線運動選項用工作臺的直線進給 速度為 =0.8m/minv 公式（4—4))10(810526/0 min/4.166rntL??? 所以， ?9..4C33mFf 本設計選外循環(huán)滾動螺旋副，查《機電綜合設計指導書》表 2-8，根據 Gf??mF 20 1mFLEA??＝ ＝4mm，選絲杠公稱直徑 ，有：0Lmd16＝?????970C432.58DWoa額 定 靜 載 荷 ＝額 定 動 載 荷 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，列 數 ＝圈 數 ，＝滾 珠 直 徑 ? 因為 ，所以初選的絲杠螺母副合格。a? 4.1.5.3 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 為? 公式(4—5))(????tg＝ 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數 ＝0.003～0.004,f 其摩擦角約等于 。01? 所以， 96.0)13()(?????tgt＝＝ ??? 4.1.5.4 剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、 絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 滾珠絲杠的扭轉變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計 合理，其變形量也可忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設計得好，軸承的軸向接 觸變形在此也可以不予考慮。 A） 絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 公式(4—6) 21 式中： 為在工作載荷 作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm） ；1?mF 為絲杠的工作載荷(N)； 為滾珠絲杠在支承間的受力長度 (mm)；E 為材料彈性mFL 模量，對鋼 E＝20.6×10 4MPa；A 為滾珠絲杠按內徑確定的截面積（ mm2） ；“＋” 號用于拉伸， “—”號用于壓縮。 根據滾珠直徑 DW＝2.381mm 22214.913.54.dA59.38.0604)/3.(7.)/(70.8.5mRe mmw??????????＝ 公式見《機電一體化設計基礎》P25，其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲md1d 杠底徑。 取進給的絲杠長度 L＝2000mm.。 所以 =0.00151mm4-41 105.902.65??＝＝? B） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2? 該變形量與滾珠列、圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠長度無關。 其計算公式： 有預緊時 公式(4—7)32wm2DF01.?ZYJ＝? 式中： 為滾珠直徑（mm） ； 為滾珠總數量 圈數×列數；Z 為一圈w ??? 的滾珠數， （外循環(huán)） ； 為滾珠絲杠的公稱直徑（mm） ； 為滾珠絲杠的工wmDd/Z?＝ mdmF 作載荷（kgf ） ； 為預緊力（ kgf，1kgf=9.8N） ，取工作載荷 的 1/3。YJF 22 因為， 21.3864 Z??＝ 圈數×列數＝21×2.5×1＝52.5?????5.74231FYJm 所以 0.58m2...810.32 ＝＝ ?? 因為滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為工作載荷的 1/3 時， 值可減少一半左2? 右。所以縱向和橫向： ＝0.000279mm。2? C） 滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總的變形量 應小于允許的變形量。一般 不應大于機床進給21?＋＝ ? 系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為 m01789.0.5.21 ??＝＋＝ ? 機床進給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 0.01mm，其一半為 0.005mm。 所以，總的變形量小于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半,故滾珠絲杠可 以滿足要求。 4.1.5.5 壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn) 定而產生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 為KF 公式(4—8)2LEIfFZK?? 式中： I 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 （d 1 為絲杠底徑） ；L 為)(641mI?? 絲杠最大工作長度（mm） ；E 為材料彈性模量，對鋼 E＝20.6×10 4MPa； 為絲杠Zf 支承方式系數。 23 本設計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即 ＝4。Zf)(5.167349.36441mdI???? 所以 ???0.3920...34KF 臨界載荷 與絲杠工作載荷 之比稱為穩(wěn)定性安全系數 ，如果 大于許mFKnK 用穩(wěn)定性安全系數 ，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件??Kn 為 公式(4—9)KmFn?? 一般取 ＝2.5～4，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取 4。?? ???Kn 又因為面通知 ??KmKnFn??7.154.2039 所以，滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 4.1.5.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據最大動載荷選用，其代號為：1604 4.1.6 導軌的選型及計算 4.1.6.1 初選導軌型號及估算導軌長度 導軌為直線滾動矩形導軌，本設計中共用 2 條導軌，每條導軌用 2 個滑塊，根 據最大動載荷 C=190.89N，通過查《機電綜合設計指導書》表 2-16 P33，初選 2 條 導軌的型號都為 GDA20TW。其部分參數如下：mll60221?， 根據工作臺的長度和工作臺的行程，估算出導軌的長度為 2200mm。 由公式 。式中 為支座長度； 為導軌兩孔之間的距離?？伤愕脤?1nll??ln 軌的 ＝36。n 24 4.1.6.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 L 滾動導軌副的距離額定壽命可用下列公式計算： 滾動體為球時 公式(4—10) 350???????WCTHafFL 式中： 為滾動導軌副的距離額定壽命（km） ； 為額定載荷（N） ，從《機電aC 綜合設計指導書》表 2-10 查得 ＝19100N ； 為硬度系數導軌面的硬度為aHf 58～64HRC 時， ＝1.0； 為溫度系數，當工作溫度不超過 1000C 時， ＝1；HfTf Tf 為接觸系數，每根導軌條上裝二個滑塊時 ＝0.81； 為載荷/速度系數，有Cf CfWf 沖擊振動或 時， ＝1.5。min/60v?Wf 為每個滑塊的工作載荷（N） 。F 考慮到工作臺上各部分的重量在工作臺上的重心???635.4/.2/m 不落在中心上，而這些載荷都通過工作臺直接作用在滑塊上，故取 F=20N。 所以 50km87431.5029503?????????＝L 大于滾動導軌的期望壽命，滿足設計要求，初選的滾動導軌副可采用。 4.1.7 步進電機的驗算 4.1.7.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳 動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電 機軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量，即 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。本設計需要對電機轉子,聯(lián)軸器,絲杠,工作臺進行轉動 慣量的計算。 A） 、電機轉子轉動慣量 的折算DJ 由《機電綜合設計指導》表 2-18 P40 查出 =1.764㎏?cm 2DJ 25 B） 、聯(lián)軸器轉動慣量 的折算LJ 選用 TL1 聯(lián)軸器 (查《機械設計實用手冊》化學工業(yè)出版 P666)，843201??GB 可查出它轉動慣量為 0.0004㎏?m 2，得出 ＝4㎏? cm2。LJ C） 、滾珠絲杠轉動慣量 的折算SJ 1m 長的滾珠絲杠的轉動慣量為 0.94㎏?cm 2，本設計的絲杠長度 L＝2000mm， 所以滾珠絲杠轉動慣量縱向： =0.94×2=1.88㎏?cm 2。SJ D） 、工作臺質量 的折算G 工作臺是移動部件，其移動質量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣量 可按下式GJ 進行計算： 公式(4—11)MLJG20)(?? 式中， 為絲杠導程（cm） ； 為工作臺質量（kg） 。0 所以 222 149.08314.0)( cmkgLJG ??????????? E） 、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量 計算?J276891.24.081764. ckgJJGSLD ??????? 4.1.7.2、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩，從《機電綜合設計指導書》maxjM 表 2-18 中查得 。步進電機的名義啟動轉矩 與最大靜轉矩j???92.3ax mqM 的關系為：maxjM 公式(4—12)maxjq?? 由 ＝0.707 得， mMq????7.2930. 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載 26 啟動力矩可按下式計算： 公式(4—13)0MKfaKq?? 式中： 為空載啟動力矩（N?cm） ； 為空載啟動時運動部件由靜止升速q kaM 到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時折算到電Kf 機軸上的摩擦力矩（N?cm） ； 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩0 擦力矩 （N?cm） 。 有關 的各項力矩值計算如下：KqM A）加速力矩 公式(4—14) 360 102max2axpbKvntnJ???????? 式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量； 為電機最大角加速度； 為與運動部?J?maxn 件最大快進速度對應的電機最大轉速；t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進 速度所需的時間， 為運動部件最大快進速度； 為初選步進電機的步距角；maxvb? 為脈沖當量。p?in/20361.980maxrvnpb???? cmtJMKa ?????? 13.82.0437.22ax? B） 空載摩擦力矩 公式(4—15)iLfGkf??20?? 式中： 為運動部件的總重量； 為導軌摩擦系數； 齒輪傳動降速比； 為f? i? 傳動系數總效率，取 ＝0.8； 為滾珠絲杠的基本導程。0L 27 cmMkf ?????120.8.0143259. C） 、附加摩擦力矩 公式(4—16)??200???iLFYJ 式中： 為滾珠絲杠預緊力； 為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現取YJ 0? ＝0.96。0 于是 ??cmM??????04681.9.18.04325720 所以，步進電機所需空載啟動力矩： cKfaKq ???296.8041.2.10 初選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩， 即 mqKM? 從上式可知，所選電動機初步滿足要求。 4.1.7.3、啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電 機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內，按一定的 升速規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看《機電綜合設計指導書》圖 2-21 P42，從 90BF001 啟動矩頻特性圖中， 可查得： 縱向：空載啟動力矩 ＝ 對應的允許啟動頻率 。查KqMcm??296.8 ZyqHf250? 《機電綜合設計指導書》表 2-21 P42，步進電機 90BF001 的最高空載啟動頻 率 ，yqZqfHf??20 所以所選電機不會丟步。 4.1.7.4、運行矩頻特性校核 28 步進電機的最高快進運行頻率 可按下式計算：KJf 公式(4—17)PKZvf?601max? 式中： 為運動部件最大快進速度。 =0.01 算得 。ax P?ZKZHf13.? 快進力矩 的計算公式：KJM 公式(4—18)0fJ?? 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。0 KfM 算得： 。cmMKfJ ????0.168.4120＝＋＝ 查看《機電綜合設計指導書》圖 2-22 P43，從 90BF001 運行矩頻特性圖中， 可知： 快進力矩 ＝ 對應的允許快進頻率 ；KJ mcN???0168.168.0 KJyf? 所以，所用的電機滿足快速進給運行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的 Z 軸步進電機 90BF001 符合要求，可以使用。 其他各軸電動為:R 軸電機為 70BF001 A 軸電機為 70BF001 T 軸電機為 70BF001 4.2 調整絲杠的設計 該部件采用燕尾槽的導向、絲杠的旋轉來實現上下調整。 4.2.1 絲杠的螺紋升角的確定 由于在調整中調整絲杠要有自鎖性，因此其螺紋升角應 小于螺旋副的當量摩擦角（6. 5o 到 10. 5o）取絲杠的 29 螺紋升角為 3o.絲杠底下的雙推力軸承代號為 52208。內 徑 d=30,外徑 D=68,厚度 T1=36. 圖 4-1 調整絲杠 4.2.2 絲桿穩(wěn)定性驗算 絲杠是屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產 生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 為KF 公式(4—19)2LEIfFZK?? 式中： I 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 （d 1 為絲杠底徑） ；L 為)(641mI?? 絲杠最大工作長度（mm） ；E 為材料彈性模量，對鋼 E＝20.6×10 4MPa； 為絲杠Zf 支承方式系數。 本設計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即 ＝0.25。Zf)(25.16430.6441 mdI???? 所以 ???4.18052.60.2KF 臨界載荷 與絲杠工作載荷 之比稱為穩(wěn)定性安全系數 ，如果 大于許mFKnK 用穩(wěn)定性安全系數 ，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定??Kn 30 條件為 公式(4—20)??KmnF?? 一般取 ＝2.5～4，在這里取 4。???Kn 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8×(0.7×0.7-0.6×0.6)×3.14 ×0.1=318.3kg 取 F =250kg。m ??KKnXn???389.725041 所以，調整絲杠不會失穩(wěn)。 4.3 齒輪齒數的確定與較核 4.3.1 所需的電機最大轉速和最小轉速 最短相貫線 Lmin=∏×200=628.32≈628mm(最小與最大鋼管垂直相干時的情況) 最大切割速度選 600mm/min，即每分鐘割炬繞工件轉 600/628=0.955r/min。 選大小齒輪的分度圓直徑比為 1：10 于是電機的最大轉速為 9.55r/min 當鋼管厚度為 40mm 時，最小切割速度選 300mm/min, 兩最大鋼管 30°相干時 相貫線最長，此時電機帶上小齒輪的線速度為 150mm/min,選小齒輪的分度圓直徑 為 135mm，則電機的最小轉速為 1.111r/min。 4.3.2 齒輪的校核 大齒輪分度賀直徑 1350mm；小齒輪直徑 135mm。 選用齒輪模數 m=5，大齒輪齒數為 270；小齒輪齒數為 27。兩齒輪中心距 a=675+167.5=852.5mm。 齒輪的的設計準則是:保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度. 4.3.2.1 齒面接觸強度計算 公式(4-21)321)(HpaamuKTAC???? 31 查<> =1 =483,K=1.2 =0.6mCaAa? =0.9 500=450Hp?? 又有 a=148.5mm. =9549P/n. w 1T2.198.032???vp =9549 19.2 /9.55=19.1N.m1T?30?140265.1485.2???a 所以齒輪符合齒面接觸強度要求 4.3.2.2 齒根抗彎強度較核 公式(4-22) 其中 =12.6,； =1； =4.0 ；mAmCFSY =3; =27 ； =150。 d?1zp? 所以齒輪符合齒根抗彎強度要求。 綜上所述所需要的強度要求。 4.4 支架的設計 4.4.1 支架的材料選取 支架的設計準則：機架的設計主要應保證剛度，強度及穩(wěn)定性。 由于零件的抗彎，抗扭強度和剛度除與其截面面積有關外，還取決于截面形狀， 合理改變截面形狀，增大其慣性矩和截面系數，可提高機架零件的強度和剛度，從 而充分發(fā)揮材料的作用。從《機械零件手冊》查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性 矩相對值較大。 綜合上述條件，立柱采用型鋼實腹柱，截面形狀為方形，選取結構用冷彎方形 空心型鋼，這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應力。 3211)( FpdFSmn zKTu????8530672..n ??? 32 由<>(軟件版)查得國標為：GB/T 6728—1986 一般鋼號為 Q235-A，20 或 16Mn 等，其力學性能與化學成分應符合： GB/T 700，GB/T 699 和 GB/T 1591 的規(guī)定。 曲部分的內弧半徑 <235, t<4.0,時 r<1.4t, 4.08h。 第二次熱處理 >48h，250oC 出爐，保溫冷卻（525±25oC）>8h 初步選定支架的主要尺寸如下圖： 4-3 V 型支架 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 5.1 系統(tǒng)方案設計 34 經初步分析,相貫線切割機的伺服系統(tǒng)的負載不大，精度要求不高、可采用 開環(huán)控制。一般來講，開環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性不在問題，設計時應主要考慮滿足 精度方面的要求。 5.1.1 行元件的選擇 在選擇執(zhí)行元件時要綜合考慮負載能力、調速范圍、運行精度、可控性、可 靠性以及體積、成本等多方面要求。開環(huán)伺服系統(tǒng)中可采用步進電動機、電液脈 沖馬達、伺服閥控制的液壓缸和液壓馬達等作為執(zhí)行元件。其步進電動機應用最 為廣泛。一般情況下就優(yōu)先選用步進電動機。故初選步進電動機為系統(tǒng)的執(zhí)行元 件。由微機控制步進電機的輸入頻率，來控制電機的輸出轉速，從而實現割炬槍 的無級調速。 5.1.2 機構方案的選擇 傳動機構實質上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構之間的一個機械接口，用于對運動和 力進行變換和傳遞。步進電動機輸出的是旋轉運動，用于將旋轉運動轉換成直線 運動的傳動機構主要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高 的傳動效率，所能傳遞的力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳 動間隙而結構復雜；后者困結構簡單、制造容易而應用廣泛，是伺服系統(tǒng)中的首 先傳動機構。故初選絲杠螺母作為傳動機構。傳動方式采用絲杠旋轉，絲杠螺母 帶動工作臺直線運動，利用調節(jié)絲杠的轉速來控制割槍的速度。當電動機與絲杠 電心距較大時，可采用同步齒形帶傳動。 5.1.3 機構方案的選擇 35 執(zhí)行機構是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實現實際操作的機構。執(zhí)行機構方案 的選擇主要是導向機構的選擇，即導軌的的選擇。導軌主要有滑動和滾動兩大類。 其中滾動直線導軌承載能力大，剛性強，壽命長，傳動動平穩(wěn)可靠，且具有自調 整能力。故初選滾動直線導軌為導向機構。 5.2 控制系統(tǒng)的選用 機 電 一 體 化 控 制 系 統(tǒng) 由 硬 件 系 統(tǒng) 和 軟 件 系 統(tǒng) 兩 大 部 分 組 成 .本控制系統(tǒng)選 用我國國內自主研發(fā)生產的數控裝置---“世紀星”HNC-21 系列數控裝置（HNC- 21M）。 數控裝置的簡介： “世紀星”HNC-21 系列數控裝置（HNC-21M） 采用先進的開放式體系結構， 內置嵌入式工業(yè) PC 機，高性能 32 位中央處理器，配置 7.5”彩色液晶顯示屏和 標準機床工程面板，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式 PLC 接 口、遠程 I/O 板接口于一體，支持硬盤、電子盤等程序存儲方式以及軟驅、以太 網等程序交換功能，主要適用于數控車、銑床和加工中心的控制。具有高性能、配 置靈活、結構緊湊、易于使用、可靠性高的特點。 1.最大聯(lián)動軸數為 4 軸。 2.可選配各種類型的脈沖式、模擬式交流伺服驅動器或步進電機驅動器以及 H