便携式数控火焰切割机 毕业设计.doc

1 引言近年来，由于机械工业飞速发展的需求和国外先进技术的引进，我国切割技术无论在新工艺的开发方面，还是在新能源的利用方面都有了长足的发展。自动化、半自动化切割技术的发展，使得切割技术可以代替部分机械加工，大大提高了工作效率，还可以提高金属材料的利用率。它适用于造船工业，重型机械，化工设备，锅炉制造，机车车辆，石油化工等制造行业的高精度钢板热切割的新型自动化设备。气体火焰切割是热切割中最早被采用和最常用的工艺方法，这种切割方法设备简单、操作方便灵活、投资费用少、切割质量好等特点。尤其是能够切割各种含曲线形状的零件和大厚度工件等一系列特点使得它自进入工业领域以来一直作为工业生产中切割碳钢和低合金钢的基本方法而被广泛采用。而数控火焰切割机在此基础上，增加了数控控制系统，是应用计算机数字程序控制的全自动化切割设备。便携式数控火焰切割机则是在数控火焰切割机的基础上又更进一步的做了改进，使之经济适用性更强，范围更广【1】。1.1数控火焰切割的发展、现状及前景数控氧气切割法是20世纪初发明的。由于它有独特的优点，例如设备简单、灵活方便、生产率高、切口质量好，特别是能够切割厚度大和形状复杂的零件，从而成为金属加工中一种非常重要的和有效的加工工艺方法，因此在工业上得了相当广泛的应用。从20世纪70年代以来，数控氧气切割技术在我国得到了巨大发展。从可以切割的金属材料范围来看，不但可以切割一般的碳素结构钢，用空气等其他离子装置及激光装置也可以很好地切割不锈钢、高合金钢、铜、铝、铜合金、钛和钛合金等。在切割工艺方面上讲，除了可以进行一般的切断切割外，还形成了叠切割、水下切割、表面气刨、特厚钢材切割和精密切割等其他新的加工工艺，同时也可以用来切割各种形式的焊缝坡口。在切割设备方面，为了提高火焰切割加工的精度和机械化自动化程度，进而提高切割产品的质量和板材的利用率，而先后创造了多种型式的切割设备，例如：手提式切割机、轻便式半自动切割机、坐标式自动切割机、半自动多向切割机、型钢切割机、多割炬门式切割机、数控火焰切割机及数控火焰等离子切割机。在预热所用的燃气方面，除了乙炔气外，现在已较多地采用丙烷或其他液化石油气。在割炬和割嘴的结构上，为了提高切割的速度和切口的光洁度，采用配合了丙烷等其他的液化石油气，从而有了许多改进。预热氧和燃气的混合方式，已由在割炬内混合、割嘴内混合发展到现在的割嘴外混合(适用于大厚度钢材的切割)。而割嘴部分的切割氧气孔道则从原来的直筒形、收缩型、阶梯式直筒形，发展到现在的扩口型和流线型(后两种统称扩散型)。此外，还出现了接触式割嘴、氧气屏割嘴、双孔乃至多孔割嘴等其他特种高速割嘴【2】。对于目前大多数制造业厂家来说，火焰切割仍然是应用领域最广的一种，其现在仍是数控切割机切割的主要切割方式。数控火焰切割机在工业制造的生产和加工过程中可以切割任意形状的零件，被广泛应用于机械制造、工程机械、矿山机械、造船、压力容器、电力、桥梁建筑、钢结构等各种行业。具有效率高、精度高、操作方便等许多优点，极大地改善了现有的劳动强度和劳动环境，被广泛适用于各大、中型企业的板材下料。火焰切割机可以够满足现在大多数金属钢板的切割要求，并且加工成本较低，这就使得用户有足够的理由来选择和使用火焰切割机。目前来看，未来数控火焰切割技术的进步，必须围绕着满足更高的生产效率，更高的加工精度及更高效的生产组织特点而发展。数控火焰切割技术作为机械制造业中一种重要的生产方式，必将在未来的生产各个领域中发挥极为重要的作用。此外，数控火焰切割机加工技术的应用范围也将会不断的得到扩展，将在更多的生产领域中发挥重要的作用。1.2设计目的目前我国国内许多中小企业的生产设备陈旧、落后，导致其生产力低下、产品的质量低，缺乏有效的市场竞争力。就拿钢板的切割来说，这是很多机械制造业的首道工序，这道工序的速度和加工精度都将直接影响着后面的每道工序。切割钢板的工作通常都是由工人手提切枪进行切割，这种工作方式要求工人有成熟的技术，并且每切割一块钢板都要事先画好线，其切割的速度不仅慢，而且产品精度低，工人也容易产生疲劳。因此，进行生产加工设备的技术改造已经成为每个企业的一项重要工作。在目前环境下，进行生产加工设备的技术改造自然是将老设备改造成带有数控设备的全新产品。数控火焰切割在工业的生产和加工的过程中可以切割任意形状的零件，它属于对金属结构部件进行切割和下料的气割设备。在机械、冶金、造船等行业中，各种板材切割下料的工作量是非常大的。随着现在工业技术的改进和国民经济的发展，数控技术已经被广泛应用在制造业的各个部门，气割设备也是如此。目前，国内很多大型结构件单位为了减轻工人的劳动强度，提高产品的质量和劳动的生产效率，花巨资在国外购买先进的数控设备。而目前国内生产此类数控设备的造价最少也在二三十万元以上，这样的价位对于那些中小型金属结构件单位来说是比较有压力的。改善火焰切割工艺水平、提高产品质量和精度的需求，使得开发一种便携式数控火焰切割机是很有必要的，而且还会有很大的市场潜力，对于提高国民的经济效益也将会有明显的帮助。在这种环境下，为了满足中小结构件企业对金属板料的切割和中、小批量生产的实际需求，为了提供能够满足他们生产所需求数控火焰切割的工艺要求，而且使其具有经济适用性高、方便先进的特点，一种便携式的数控火焰切割机的开发便产生了。全钢底架和机座的便携式数控火焰切割机是一种适用于金属板料快速加工的精细切割设备。其适用于黑色金属板材，具有高精度、高质量、可操作性强等基本特性，同时还具有与激光切割相媲美的切割精度和更优于激光切割机的价格。因而被广泛应用在工程机械、轻工机械、航空航天、汽车、造船、石化设备、压力容器以及其他装饰、大型标牌制造等各种行业，适用于碳钢（火焰切割）、不锈钢以及铜、铝（等离子切割）等多种金属板料的切割和下料作业。该切割设备是替代仿形切割机、手持式火焰切割设备、手持式等离子切割装置以及半自动切割小车的理想升级换代产品。本设计主要工作是完成便携式数控火焰切割机的总体设计及执行机构的设计。本次设计能够实现以下目的：综合运用所学的机械专业的基础知识、机电一体化专业技术以及机械控制工程知识等，设计完成便携式数控火焰切割机。通过对此课题的了解和设计使得学生得到较为全面的基本工程训练，充分了解当前数控火焰切割技术的发展现状、应用情况及以后的前景发展，最后通过设计提高了学生的工程动手能力，为适应社会的发展需求打下了良好的学习基础。2 总体方案设计2.1 主要技术参数：切割厚度：2毫米50毫米 ；切割尺寸范围：2300mmx1300mm ；割炬数目：1 ；进给轴数：2 ；联动轴数：2（x，y） ；最小编程单位：0.01mm ；切割材料：黑色金属板材 ；切缝宽度补偿功能。 2.2 总体方案的分析与确定2.2.1 数控火焰切割机的工作原理设备切割加工前要提前编写加工程序，这项工作可以在普通的pc机上编写。根据将要切割加工零件的图纸和切割的工艺要求进行程序编写。然后将编好的工件加工程序拷入u盘，再通过usb接口输入到数控计算机中。工件的加工程序也可以直接在数控计算机上编写。设备切割加工前要将使用的工件加工程序调出，然后主cpu将逐条处理加工程序。在加工程序中将先处理m指令，处理的结果通过i/o接口传送给m功能板，并控制相应的电磁阀和点火器的开闭，来完成点火、预热、穿孔、切割等一系列功能。然后逐条执行g指令，进行数据处理和插补运算。数控火焰切割机的插补工作可分为两级：第一级为粗插补，主要由主cpu完成；第二级为细插补，主要由运动控制板完成。粗插补是遵循一定的规律将工件的轮廓分解成许多小端，然后用连结各小段起点和终点的短直线构成的折线来无限逼近工件的轮廓线。只要短直线足够短，用折线逼近工件轮廓线的偏差就会无限小。然后主cpu根据工件的加工程序段给出数据并进行插补运算，由运动控制板依次发送出各段直线的数据从而进行加工。运动控制板的细插补单元则是两个指令脉冲发生器，它将根据短直线的数据而产生两组相应的脉冲串和方向信号，分别送至x轴和y轴全数字的交流伺服驱动单元，进而驱动伺服电机，控制割炬沿工件的轮廓线规定的轨迹移动，并进行切割加工【3】。2.2.2 机床整体结构设计便携式数控火焰切割机采用移植导轨，跑车移动，单臂伸缩式布局结构。具有轻便、移动的特点，适合于流动作业场所。因此总体布局可参照下图1。图1 总体布局图2.2.3 传动方式的分析和选择传动的主要任务是完成动力机和工作机之间的能量传递，此外还具有能量分配、转速改变和运动形式变换（如转动变直动）以及转矩或力的改变等功能。传动是机器的重要组成部分，因此往往也是影响机器性能质量的核心因素。传动分为机械传动、流体传动和电传动，在这里我们只讨论机械传动。按工作原理，机械传动可分为摩擦传动（如：摩擦轮传动、带传动）和啮合传动（如：齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动、链传动、同步带传动）。选择机械传动可考虑的因素很多，但主要可从以下几方面考虑：a) 从每种传动的特点考虑：每种传动都具有其优点，选择的出发点则是要充分利用其优点、避开其缺点。例如：摩擦传动虽然不能保证准确的传动比，故其只适宜用在对传动比不是很严格要求的场合。但是，当其过载时，打滑对于机械系统则具有安全的保护作用。其次，摩擦传动还会产生静电，对于那些易燃易爆的环境可能会危及个人安全。齿轮传动、蜗杆传动、链传动等可以用于高温、潮湿、粉尘等相对恶劣的工作环境。带传动和蜗杆传动工作时，其平稳、噪声小，尤其带传动还具有缓冲和吸振的特点，故适用在要求平稳传动、低噪声的场合。螺旋传动和蜗杆传动则可以用于反行程有自锁要求的场合。b) 从技术方面考虑：效率是机械传动的一个重要指标。一般来说，齿轮传动的效率是最高的。所以从节省能源的角度来看，对于长期、连续和大功率的使用场合，应首先选择齿轮传动。普通蜗杆传动一般效率较低，一般只用于中小功率和不经常工作的场合。从载荷能力的方面考虑，普通齿轮传动的适用范围更广，传递功率几乎是不受限制的。摩擦传动因为自身工作的特点，其载荷能力的提高将受到限制，一般也只适用于中、小功率的场合。c) 从系统内传动布置的合理性、成本等方面考虑：系统内传动布置应尽可能做到简单、紧凑并努力达到总体协调。其次，应考虑制造成本和运行费用等。所以选择时就要充分利用其优点、避开其缺点。本设备的原型采用齿轮齿条传动，从功能上看，齿轮齿条适用于快速、精确定位，并且能够应付重负荷、高精度、高刚性、长行程等工作场合，最重要的是，火焰切割机的纵向移动装置需要保持一个平稳，恒定的速度，用齿轮齿条机构实现起来比较容易。考虑到上述的诸多因素，该设计的火焰切割机的传动采用齿轮齿条传动，以达到传动效率高，保证正确的传动比，造价低等结构和经济性能的要求。2.2.4 总体控制构成该数控火焰切割机由控制面板、数控系统、执行机构、气路系统、保护装置等构成,其控制组成框图如图2 所示。图2 控制组成框图(1)控制面板包括显示器、输入设备(键盘和一些操作控制按钮) ,可显示序段和切割时的割矩位置,对切割机进行编程和操作控制。(2)数控系统数控系统采用工控机通过数控系统软件和零件加下程序进行微机控制。可支持键盘输入和数码管显示，贮存操作程序，对整个装置的监控x 向、y向电机的驱动控制。(3)执行机构通过x、y向电机，齿轮齿条传动等控制横向悬臂伸缩和纵向小车移动，实现x 、y 两个方向的自由度,可对割矩进行xy 平面的任意曲线运动的控制。(4)气路系统可控制乙炔、低压氧、高压氧的通断,配合切割时的预热、穿孔和切割工艺等需要。(5)保护装置包括切割机的防超程的限位开关和应急开关,实行对切割机的紧急控制。【4】3 主要机械结构设计该便携式数控火焰切割机采用移植导轨，跑车移动，单臂伸缩式布局结构。在支撑部件上安装两条距离为340mm的平行导轨，机床的纵向移动装置在左侧平行导轨上，通过y向驱动单元实现单边控制，形成y坐标轴方向运动；横向移动装置受x向驱动单元控制在横梁上左右移动，形成x坐标轴方向运动。这样, 对于割炬而言, 其运动为纵向和横向的复合运动, 所以可以在水平面内完成任意平面曲线的运动。x 、y两方向的进给伺服系统均采用以步进电机作为动力驱动的开环控制。为完成割炬的运动, 需将纵向驱动电机和横向驱动电机的旋转运动变为行走车和横梁上割炬的直线运动, 为此, 我们选择了齿轮齿条传动方式来实现。移动装置和纵向导轨间采用直线圆轨支撑和定位。割炬的提升与下降通过手动调节六角锁紧螺母形式。所有的气路通过电气控制箱进行控制。机床的整体结构设计如图3所示。图3 机床整体结构设计图3.1 运动导轨直线导轨又称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。它分为方形滚珠直线导轨，双轴芯滚轮直线导轨，单轴芯直线导轨。在大陆称直线导轨，台湾一般称线性导轨，线性滑轨。直线运动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。直线导轨副一般由导轨、滑块、反向器、滚动体和保持器等组成，它是一种新型的作相对往复直线运动的滚动支承，能以滑块和导轨间的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以借助反向器在滚道和滑块内实现无限循环，具有结构简单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等优点。直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如机床的刀架，拖板等。直线导轨系统的固定元件(导轨)的基本功能如同轴承环，安装钢球的支架，形状为“v”字形。支架包裹着导轨的顶部和两侧面。为了支撑机床的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架。用于支撑大型的工作部件，支架的数量可以多于四个。直线导轨特点：（1）自动调心能力来自圆弧沟槽的df(45-45)组合，在安装的时候，藉由钢珠的弹性变形及接触点的转移，即使安装面多少有些偏差，也能被线轨滑块内部吸收，产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。（2）具有互换性由于对生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在一定的水准内，且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落，因此部份系列精度具可互换性，客户可依需要订购导轨或滑块，亦可分开储存导轨及滑块，以减少储存空间。（3）所有方向皆具有高刚性运用四列式圆弧沟槽，配合四列钢珠等45度之接触角度，让钢珠达到理想的两点接触构造，能承受来自上下和左右方向的负荷；在必要时更可施加预压以提高刚性。直线导轨的工作原理：直线导轨可以理解为是一种滚动导引，是由钢珠在滑块跟导轨之间无限滚动循环，从而使负载平台沿着导轨轻易的高精度线性运动，并将摩擦系数降至平常传统滑动导引的五十分之一，能轻易地达到很高的定位精度。滑块跟导轨间末制单元设计，使线形导轨同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计让hiwin的线性导轨有更平顺且低噪音的运动。线性导轨具有将安装导轨的基础加工及组装时产生的垂直度、平面度、平行度等校直误差平均化后进行吸收的特点。因此采用直线导轨可以大大提高机械的效率。综上所述，该机床的纵向横向导轨都采用直线导轨。其纵向导轨采用直线导轨中圆导轨系列中的tbr16s（图4）， 图4 tbr16s圆导轨及其参数经过核算后的数据与表中的数据相对比，其载荷可以满足设计要求。而横向导轨可采用台湾生产的abba系列的brh15b（图5）直线导轨。图5 abba系列的brh15b的直线导轨及其参数经核算后，其各项数据也满足其设计要求。数控切割机轨距在4m以下的一般采用单边驱动，为实现运动的可靠性, 两条纵向圆导轨分为主动导轨和副导轨，主动导轨上安装有齿条。通过电机带动齿轮齿条传动控制纵向移动装置运动。方便纵向移动装置精确移动。横向移动导轨中的导轨通过内六角圆柱头螺钉垂直安装在悬臂下壁，滑块则固定在箱体内。导轨安装时既要保证每列导轨的直线度和水平度还要保证两列导轨的中心距和相互水平两列纵向导轨的中心距与横向跨度一致。3.2 纵向移动装置纵向移动装置采用箱式结构焊接制成。主动导轨上的行走车内部安装有驱动步进电机，并实现横梁的横向移动, 而副导轨上的行走车为横向定位, 以避免由于安装或者受热后横梁的变形而使行走车卡滞。此次设计的数控机床上的驱动电机均采用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。伺服系统中常用的步进电机有快速步进电机和功率步进电机。快速步进电机的输出转距一般为：0.007nm-4nm。可以用来控制小型的数控装置。功率步进电机的输出转距一般为：5nm-40nm。可以直接用来驱动大型的数控装置。此外，按励磁相数可分为两相、三相、四相、五相、等。相数越多步距角越小，但结构也越复杂。在本次设计中步进电机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，采用开环控制系统。该控制系统具有结构简单、维修方便、价格低等优点。步进电机的选择主要包括三大要素步距角（包括相数）、静转矩、电流等组成。当把这三个主要参数确定下来，步进电机的型号变确定下来了。 步进电机的步距角的选择主要取决于对负载精度的要求，通过将负载分辨率（当量）换算到步进电机的主轴上，每个当量步进电机应该走多少角度其中包括减速。选择的步进电机的步距角应小于或等于该角度。对于步进电机的力矩的选择是对其动态力矩的确定，但这是比较复杂的。所以我们首先确定步进电机的静力矩。静力矩的选择是由步进电机的负载来确定的，而负载可以分为惯性负载以及摩擦负载等两方面。其中单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的，它们彼此之间有特殊的影响。大概分为以下几点，直接启动（一般为低速）时，两种负载都要充分考虑，加速启动时主要对惯性负载进行考虑，恒速运行是只需考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩选择的范围在摩擦负载的2-3倍内比较好，而一旦静力矩确定了，那么步进电机的几座及长度便能确定下来了。综上考虑，本次设计用的步进电机可采用北京斯达特公司的型号为86byg250b两相混合式步进电机，并采用与其配套的mz-2h504a驱动器，两相相混合式步进电机其相关的参数如下： 齿条具有加工容易、寿命长、传动精度高等特点，所以本机纵横向运动均采用齿条传动，齿形参数为模数m = 2 。啮合齿轮参数为模数m = 2 ，齿数z=20。采用直接传动的方式。x，y向传动电机都选易于控制、精度较高的步进电机，电机型号为86byg250b,其主要参数步距角1.8,采用与其配套的mz-2h504驱动器，8细分以后，其歩距角为0.225，最大静转矩(保持转矩)为2.4nm 。割炬纵横向步进电机的负荷是不同的，纵向电机负荷大，起最大静转矩t【6】似计算为： (式 1)式中 w切割机总重量（kg）； 纵向圆导轨滑动静摩擦系数；d啮合齿轮直径(m)； i 减速比。将w=40 kg , =0. 15，d=mz=40 mm，i=1，代入式(1)中，计算得t=0.102kgm(1.02nm) 。因为t2.4nm,这说明电机选择是合理的。机械部分均选用标准件可降低设备成本，但使得该运动执行机构的实际脉冲当量6为： (式 2)其中 m啮合齿轮模数；z啮合齿轮齿数；步进电机步距角；i减速器减速比。将m=2kg，d=mz=40mm，i=1，带入式（2）中，计算的 =0.01007mm，与机床数控系统中所提供的脉冲当量为0.01mm误差约为0.7%，经过实验证实，这一误差将使得切割时程序设定距离与割炬实际行走距离有+0.4%的误差，因此可通过引入编程距离进行修正。由于此处电机承受的最大静转矩及负重时最大的，为了维修方便，两处的电机均选择此种型号。3.3 横梁组件1）横梁的工艺加工要求横梁是切割机的关键部件之一，它的作用是联结纵向行走机架并安装割炬实现横向运动，是主机的重要部分之一。所以设计中对横梁的刚性、强度及工艺性等方面要格外地重视，并且要对横梁的刚度及强度进行检验和校核。横梁的主体结构采用开口矩形45钢结构。为保证整机有较高的运行精度，均采用焊后加工有效的工作面，焊前钢板要做调平处理，所有焊缝均应为断续焊，以减少横梁的变形。钢板下料的尺寸要合理，机加工平面度、基准面和垂直度要求要明确。各个部件连接组合的形状和位置的公差要求很严格，这也是保证整机平稳纵向运动的关键因素。要求横梁做高温时效处理，从而以保持机体永不变形。主要的工作平面是磨削而成的。其他各焊接部件均应进行消除应力处理，以保证整机有足够的强度、刚度和良好的动态平衡性，从而使设备可靠性高，使用寿命长。2) 横梁结构尺寸的设计横梁的下面有用于安装横向运动导轨的基准面，前面有用于安装齿条的基准面，它经精加工而成，设计上有很高的尺寸精度与形位精度要求。其上选用导轨和一条齿条，装在衡量工作基面上。横梁将影响其上的导轨等工作部件的相对位置和相对运动的准确性，从而产生加工误差。由于横梁上的负载不太大.故横梁可采用横截面为箱形空心的焊接结构。其尺寸设计为外宽度b=40mm，内宽度b=30mm，外高度h=80mm，内高度h= 70mm。材料选用铸铁ht150，则材料的抗弯截面系数 (式 3)横截面面积 (式 4)横梁的惯性矩i为 (式 5) 惯性半径r=83.79mm3) 横梁的校核查文献7得：材料的极限强度b=441m pa，安全系数n=2.5。许用应力= b/n = 176. 4m pa，弹性模量 e=90. 6m pa。横梁的许用挠度fmm=6.4mm，通过计算得横梁上最大弯矩m=2126.250 nm.参看图4：受力图： 剪力图： 弯矩图: 图4 悬臂梁受力剪力、弯矩图将f1=2362n，f2=4162n，p=1750n，f3=50n带入解出横梁上最大弯矩m=2126.250 nm，带入公式校核的： (式 8)则所设计的横梁满足抗弯曲应力要求。3.4 割炬和割嘴3.4.1 割炬数控火焰切割机通常采用等压式的割炬，其割嘴锥角为30。在割炬上面有三根燃气接头呈三角形分布，最长的接头应该联接切割氧胶管，最短的接头应该联接乙炔或丙炔胶管，中间接头则联接用于预热氧的胶管。【2】 本次设计的便携式数控火焰切割机配有一把割炬，可以通过手动调节紧定螺钉来固定割炬，并且控制割炬的上下移动。3.4.2 割嘴数控火焰切割机所用的割嘴是有曲线形的扩散型割嘴。它由外套和内芯构成。内芯是由一截铜棒加工而成的，其中心有孔，它包括芯柄、前芯杆和后芯杆三个部分。前芯杆上表面有18条侧槽，其头部呈圆锥状。芯柄上也有6个与侧槽方向相同的侧孔。该割嘴可以将气体火焰聚集并结合到所需要加工的位置，从而克服火焰的分散现象，既可以提高切割的效率，又可以保证切割的质量，同时还可以节约氧气。其割嘴芯柱的材质由优质黄铜材料构成，外套则由优质紫铜形成，且表层镀烙。其内设钢芯不但可以有效地保护氧孔不受磨损，还可以提高割嘴的使用寿命。螺旋可以加快气体的流速，进而提高预热和切割的速度。其噪声低、能耗低，（比普通割嘴节省1/3以上的耗气量）而且工作范围大、切割速度快、切割面光滑、切割顺畅、割缝小、止回火安全、使用寿命长等特点。数控火焰切割机，通常可选用日本生产的等压102-d7型乙炔快速割嘴，其切割质量好，效能高，使用寿命也长。当然也可选用国内上海气割机厂生产的等压式乙炔型快速割嘴或者丙烷快速割嘴。数控火焰切割机如果选用其他型号的割嘴，则应考虑氧气压力和乙炔压力、切割速度和气体流量，然后调整所选割嘴型号的设计性能使其达到需求性能。割嘴是安装在绝缘连接机构上的，割嘴是一个导电体，割嘴与点火电路的一个点火输出极相连接，而切割工作台则与所述点火电路的另一个输出极相连接。设备工作时，当割炬达到工作位置后，打开点火电路的开关，从而使得在割嘴底端的气孔周围的部位和钢板材料之间发生放电现象，进而产生管状的点火电弧，由于该电弧置于可燃性气流喷出的路径上，而且在气流的周围形成了很个点火源，所以可燃性气体可以立刻被点燃，解决了点不着的现象，使得一次点火的成功率相当高。切割氧孔道采用拉伐尔喷管的形式，因此具有很好的气动力性能。它可以把入口压力的位能全部转变成出口处的速度能，使其速度可达音速的一倍，进而使流量和流速提高，气流的动量随之也增大，使得切割氧流的排渣能力增强，所以切割钢材也就容易多了。3.5 支撑件支撑件是支承机床其它零部件的基础构件，如导轨、底座等。支撑件既要承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件的相对位置的基准作用。它们的特点是结构复杂、尺寸大、加工面的几何精度和位置精度要求高。故应该有足够的刚度、抗振性、较小的热变形、稳定性和工艺性能，而且成本要低。而支撑件的结构设计正是主要是解决刚度问题的。因此要正确地选择其截面形状和尺寸，合理布置隔板和加强筋，并注意它们之间的连接刚度和安装精度。【5】3.6 传动件 在本次设计中，机床的纵向和纵向传动件均采用的是齿轮齿条传动。它能将步进电机的旋转运动变为x、y轴方向上的直线运动，其结构优点多，而且传动效率高、传动也平稳、结构紧凑、工作比较可靠，但是缺点就是在工作中，齿轮齿条常常暴露在外面，外界的杂物就会很容易就侵入进去，影响设备的正常运行。因为齿轮齿条的工作环境并不是不好，如果润滑不及时，更容易磨损，所以它更多的适用在低速运动中的场合中。在设计中，为了方便其维修和更换，对x轴和y轴选择了同样尺寸的标准齿轮齿条，只是其截面的尺寸根据与其齿轮配合的要求，有所改变，这样可以更好的与齿轮相咬合，从而更好的达到传动精度和要求。综上，选择齿轮,m=2,z=20查文献7。齿轮几何尺寸计算为：d=mz=40, ha=2， hf=2. 5， da=44，df=35，=200 ， d b= mzbtg= 45.1， b= 16；通过对齿轮齿根弯曲疲劳强度的校核，均满足设计要求。齿条的齿距均为p=m， ha=2，hf= 2.5，s= m/2=3.14， e=m/2=3.14， b= 20；x轴方向的齿条长度为1500， y轴方向的齿条长度为2400。(在齿轮、齿条各参数中未注单位的，均为mm)4 数控系统设计4.1 数控系统方案的分析与确定4.1.1 相关控制技术该设备要想实现其要求的控制功能可以采取单片机控制、plc控制、工控机控制等多种手段。超小型化的单片微型计算机，简称单片机，它是随着微电子技术与超大规模集成技术的发展诞生的。它是将cpu、存储器、串行/并行i/o口、定时/计数器，甚至a/d转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全部集成在一块大规模集成电路芯片上，构成一个完整的具有相当控制功能的微控制器。【6】单片机的应用软件可以采用面向机器的汇编语言，但这需要较深的计算机软硬件知识。由于单片机具有体积小、功耗低、性能可靠、价格低廉、功能扩展容易、使用方便灵活、易于产品化等诸多优点，特别是强大的面向控制的能力，使它在工业控制、智能仪表、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了极为广泛的应用。8位单片机因其品种多、功能强、价格廉，目前仍然是单片机系列的主流机种。而plc是80 年代发展起来的新一代工业控制装置，它是集自动控制、计算机和通信技术于一体的产物，因为plc具有应用灵活、 扩展性好；操作方便；标准化的硬件和软件设计、 通用性强；完善的监视和诊断功能；控制功能强；可适应恶劣的工业应用环境；体积小、重量轻、性价比高、省电等特点，所以，它的应用几乎覆盖了所有工业企业，既能改造传统机械产品成为机电一体化的新产品，又适用于生产过程控制，实现工业生产的优质、高产与降低成本7。对于工控机从20世纪60年代初开始，经历了从晶体管工控机到中小规模集成电路工控机，以及今天大规模集成电路工控机。工控机及系统包含了工业自动化技术、计算机技术、软件技术、网络通信技术和系统集成技术与一体的现代科学技术，涉及的面十分广泛。由于工控机具有可靠性高、实时性好、环境适应性强、过程输入和输出配套较好，系统的扩充性能好等优点，广泛应用在工业过程测量、控制、数据采集等工作上。近年来，随着工控机性能的快速发展，可靠性大为提到，而价格却大幅度降低，以工控机为核心的控制系统已广泛被工业控制领域所接受。在机床控制领域，采用工控机，发展通用的数控系统，以成为国际研究的热点，符合数控技术发展的最新潮流。工控机可以与pc机交替使用，因此可以吸收pc机发展的最新成果，从而简化数控系统的开发过程，缩短数控系统的开发周期，提高产品的竞争力。目前市场上，在人才和技术方面，isa总线较为成熟，工控机也主要以isa总线为主流，主要原因是：a)isa总线结构的i/o接口卡种类最多，且已经过多年研究和应用证明其技术已成熟。b)isa总线已被绝大多数工控机人员所接受和掌握。c)isa总线性能基本能够满足多数工业控制领域的需求。d)isa总线产品价格便宜，容易被接受。【8】4.1.2 数控系统设计方案的分析与拟定分析以上几种方案的优缺点：plc是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设定。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都按易于与工业控制系统连成一整体、易于可扩充功能的原则设计。但考虑到plc的人机交互能力差，其本身并不带有键盘、显示器这样的人机交互设备。虽然这些工作也可用 plc的手持编程器来进行。但编程器价格较高,操作复杂,由非专业人员来进行操作显然是不合适的。而比较之下单片机虽然成本低、扩展方便、扩展后具有良好的人机交互能力的特点，但是反应速度慢，要想实现众多的功能需要扩展很多的外围电路和芯片，更适合民用，商用。经过分析，考虑到控制系统的设计要求达到精确、耐用、容易操作、适应环境能力强，还必须物美价廉，故在选择控制系统时决定采用isa系统总线工控机控制方案。4.2 数控系统的硬件设计4.2.1 数控系统的硬件组成数控系统由硬件和软件组成，硬件是数控系统的基本支撑部分，软件则是数控系统的控制核心。硬件是软件的运行基础，而只有配置了软件的硬件才是可工作的控制系统【3】。构成微机控制系统的基本硬件一般有以下四部分组成。 a) 中央处理单元，即cpu。 b) 总线，包括数据总线（db）、地址总线（ab）、和控制总线（cb）。 c) 存储器，包括只读存储器和随即读写存储器。 d) 输入、输出接口电路。其中cpu是整个系统的核心。存储器是监控软件（系统软件）及系统运行中各数据的驻留空间。i/o接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线是连接cpu、存储器和i/o接口电路的纽带，是各部分进行通行的线路。另外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号交换电路。如图6所示的数控系统硬件结构框图。其中cpu、存储器及i/o接口是任何一个数控系统必不可少的环节，其余部分并非所有数控系统都具备。一般，cpu通过i/o接口可连接得人机交换外设是键盘、打印机、磁盘记录机等通信接口；信号交换电路包括a/d转换、d/a转换、光电隔离、功率放大等，它是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。这两部分可根据控制对象的特性进行取舍【9,10,11】。图6 电气原理框图在微机应用系统中，cpu的选择应考虑以下要素：a)时钟频率和字长（控制数据处理的速度）。b)可扩展存储器（rom/ram）的容量。 c)指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）。 d)i/o口的扩展能力（即对外设的控制能力）。e)开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。4.2.2数控火焰切割机的硬件电路设计该数控系统是以工控机为基础开发的，具有计算机操作方便、功能开发和扩展容易等优点。该系统采用all-in-one一体化主机板，80486的cpu，能适应恶劣的工业环境。该主机板将cpu、协处理器、主存储器、软盘、及硬盘驱动器接口、键盘接口、串行通信口（rs232）、监时定时器、高速缓冲存储器等集中安装在一块模板上。系统内部采用了灵活开放的isa总线式结构，各个控制模块接口电路板均插接在系统总线母板上。80486cpu、rom、ram等在cpu板上通过内部总线相连接，又通过总线驱动运动控制器，运动控制器插接于母板上。该系统充分利用计算机系统的丰富资源，并且可由rs232连接外部cad执行dnc加工。本系统选用固高科技ge系列ge-400-sv连续轨迹运动控制器，配接86byg250b步进电机，完成x、y轴的伺服进给。其中运动控制器主要集译码电路、振荡电路、i/o端口电路、脉冲电路、中断电路以及光电隔离输入输出电路等为一体。其中译码电路为运动控制器提供了一个接口地址段，振荡电路为运动控制器上的脉冲控制电路提供了一个固定频率的脉冲源；i/o端口主要作用是输出切割机气源控制信号及输入机床信号；脉冲控制电路分别控制各轴的步进电机；中断电路为控制软件提供硬件中断信号；光电隔离输出输入电路将工控机电源与外界电源隔离，减少了外界电源的干扰。4.3 数控系统软件设计控制软件是整个数控系统的灵魂，离开了软件，数控系统便无法运行。根据切割加工工艺的要求，同时又能充分发挥工控机的优点，该切割机的控制软件按以下模块化方式来设计，其流程图如图7 所示。图7 控制程序流程图a)界面设计。该控制软件的界面分成3个区域：图形仿真跟踪区、状态显示区以及操作说明区。图形仿真跟踪区用于显示数控加工文件所指定零件的图样，并在切割过程中跟踪割炬的运动轨迹；状态显示区显示切割机目前的状态参数，如切割速度、割炬当前坐标等；操作说明区简要介绍各种功能所对应的热键，如暂停、返回、加减速及点动等功能的热键。热键的功能与操作面板上按钮的功能相同。b)系统初始化及切割等待。由于运动控制卡上并行口和计数器均属于可编程序芯片，因此，工作前必须对它们进行初始化，按照工作方式确定它们的控制字。在初始化以后，系统便处于切割等待状态，此时可以调整机床的位置、检验自动点火装置以及通气用的电磁阀是否工作正常。c)程序检验及图形仿真。当数控加工程序指定以后，首先要检验输入的数据文件是否符合规定的要求，一旦发现指定的文件中有非法的指令，则退出控制程序，并提示编程人员哪一行出现哪一种类型的错误，编程人员修改好数控加工程序以后，可继续进入控制程序。如果数控加工程序正确，系统便将读入的数控加工程序经过处理在图形仿真区中画出零件图形，无论零件有多大或多小，系统都能自动按比例缩放。d) 数控加工程序处理。为了节省计算机在插补过程中的运算时间，在正式插补前对数控加工程序作一些预处理是十分必要的，预处理主要包括长直线段的预处理和圆弧的预处理。由于运动控制器一次计数的范围有限，因此当长直线段超出计数器的计数范围时，须将长直线段分解成若干段小直线段，防止计数值溢出。又由于运动控制器不能直接用来对圆弧进行插补，因此必须在误差允许的范围内将圆弧分解成小直线段，然后便可通过几何关系计算出从圆弧起点到终点。e)插补控制及轨迹的动态跟踪。在插补过程中，计算机一方面根据数控加工程序中的数值以及各轴的脉冲当量，计算出x轴、y轴的脉冲数；另一方面根据指定的切割速度，计算出各轴的分频系数。并在上一条指令执行结束时，将计算出的脉冲数和分频系数送到对应计数器的对应通道。另外，计算机通过不停地读回计数器的计数值，得到剩余的脉冲数，经过数据处理得到割炬当前的屏幕坐标，并用小箭头指示。因此从显示屏上，操作者可以清楚地看到当前的切割位置【12】。f)按原轨迹返回功能的实现。在切割过程中，若发现有未割穿的情况，此时可以按下暂停键，暂时中断切割并自动关闭切割氧；再按下返回键，割炬便准确地按原轨迹返回；待割炬返回到未割穿点以后，再次按下暂停键并按启动键，切割机便自动打开切割氧，重新进行切割。在按下返回键时，计算机便从运动控制器上的计数器中读回剩余的脉冲数，与原来的脉冲数进行比较，将差值送回计数器，并使方向信号反相，这样便使割炬按原轨迹返回。在该指令结束时，使系统指回上一条指令，从而实现线段之间的连续返回。在返回过程中，指示割炬位置的小箭头也按原轨迹返回。g)系统管理。系统管理是用来在切割过程中对整个系统的管理，负责对整个微机数控系统软件的各个程序和任务进行调度管理以及对编辑键、操作控制按钮13,14，包括暂停、启动、退出、升降速的控制以及对限位信号的处理。4.4零件加工程序设计机床数控系统有较为丰富的控制指令可供使用。编程方法可按图9所示的框图进行，切割钢板形状见图8。该程序由引导程序和主程序组成，引导程序指明工作程序的序号，主程序都由一序号开始，其内容是完成实际所需要的钢板切割工作5。图8 切割钢板形状割炬回零割炬到指定位置通乙炔和低压氧通高压氧割炬上升到原高度 移动 实施切割切割完成，关高压氧，低压氧和乙炔割炬下降稍许并延时实施打孔结束开始按起动钮使割炬下降并实施预热暂停并实施点火图9 切割程序框图/*引导程序*/ %0n0010 l001 /*主程序*/ %001n0010 g00 f2500n0020 g00 x100.70 z100.70 f2517.62 n0030 s01n0040 m00 /*点火后按起动按钮*/n0050 m26 g04n0060 g04 f3n0070 m25n0080 g04 f4 n0090 s07n0100 m26 f4n0110 g04 f0.5n0120 m25n0130 g04 f0.5n0140 m25n0150 g01 u1007.05 w604.23 f604.23n0160 s08n0170 s02n0180 g00 f2517.62n0190 m02 /*结束*/5 其它系统设计5.1电气系统方案设计电器系统主要用来为各系统提供电源。电磁阀用于将数控系统发出的控制信号转变为电磁阀的开关动作，由于电磁阀的工作电流为直流，并出于降低成本、提高可靠性的考虑，采用电磁继电器作为开关元件。高压点火器用于点燃点火嘴的可燃气体，再由点火嘴引燃割炬火焰。脉冲接口板用于将由硬件差补器输出的运动脉冲放入以驱动交流伺服系统。指示灯主要是将开关元件的工作状态显示出来。电器系统逻辑框图见图【6】。电源滤波组件变压器直流电源板面板指示灯面板按钮及开关伺服系统脉冲放大器光电隔离器件数控系统继电器组电磁阀组高压点火器图10 电气逻辑框图5.2自动编程及排料软件方案设计自动编程的目的是将被加工零件的图纸以一定方法输入到计算机中，经过软件处理自动生成可被数控系统接受的数控代码。为减少开发费用，缩短开发周期，采用了autocad作为图形输入工具，将被加工零件在autocad中画出，再存为通用图形格式dxf文件。自动编程软件将工件的dxf文件读入，再进行预处理 ,即可进行排料、自动编程等处理过程。自动编程及排料软件包括：预处理、线重排、自动补偿、自动添加割入割出线、工件平移、工件复制、工件旋转、图形显示、数控代码生成等内容。自动编程及排料软件逻辑框图见图11。线校验数控代码文件显示处理代码转换排料手动输入加工线线割口补偿线重排生成dxf文件自动添加割入割出线autocad图形绘制dxf文件预处理图11 编程和软件排料框图5.3 配气系统方案设计配气系统是将氧气和燃气经调压、分配、电磁阀的开关控制，按照一定要求引到割炬中进行点火和切割，主要分为：点火气、燃气、助燃氧气、切割氧气等。配气系统逻辑框图见图12。图12 配气系统逻辑框图6 提高设备性能的有关措施6.1 保持平稳性，提高切割质量切割机的工作场地和工作环境相对来说是比较恶劣的，因此必须定时对机器进行全面的清洗和保养，为保证机器的平稳运行及切割表面清晰，必须经常用清洁的布块擦洗所有的轨道及机器移动体的导轨，然后涂上一层油膜。同样，必须经常清洗所有的加紧轮和滚轮。如果不清洗的话，由于切割过程中的氧化铁锈和各类粉尘就会粘附在其表面，这样，这些部件会在较短的时间内磨损，其后果是机器运行不平稳，切割表面质量不能令人满意【14】。保持齿轮和齿条的良好啮合，是保证机器能正常运行的关键。因此，必须经常注意保持机器纵、横向输出齿轮和齿条的绝对干净。最好的办法是定期润滑齿轨。建议用户每周用压缩空气喷洗纵、横向齿条面。纵向轨道和滚轮必须每班结束后擦净，用油布抹一下，以防轨道锈蚀。圆导轨和线性导轨必须每天润滑一次，较方便的办法是每周仔细将导轨清洗一次，并涂上一层润滑油。纵、横向