（机械工程专业论文）数控火焰切割机改造研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 船厂目前所用的设备为两轴切割机，它是上世纪九十年代产品，设备老 化，维修困难，加工零件精度低，加工范围小，功能已很难适应新的工艺及 船用工件，所以改造时主要从以上几方面考虑。经过与工厂协商，在改造中 主要解决改单边驱动为双边驱动，同步检测；改开环为半 j 1 环反馈，加装自 动调高系统，改装割炬升降装置，进而适应船用各类新型坡口的加工；整个 的数控系统要重新更换，旧的数控系统已很难适应新的加工要求，它是主要 的更换部件 改造后应达到通用性好，可进行直线及任意曲线的切割，可配置任何形 式的割炬。精度高，改造后的数控火焰切割机运行精度、定位精度及转角处 精度均要得到保证。切割质量好，切割机运行平稳，定位精度高。自动化程 度高，切割全过程自动控制。数控系统功能齐全。 本论文的工作重点是数控火焰切割机机械本体和控制系统的改造，通过 对机械本体的不合理地方重新设计和计算机数字控制技术应用，完成了数控 火焰切割机的改造，并且在实际中进行了运行和调试本论文的工作及贡献 主要有下面几个方面； 1 进行了机械方案设计、计算与分析，其主要内容包括机械本体，传动 系统及加装的自动调高，和割炬升降装置改装等。 2 进行了电气控制部分改造。主要是更新数控系统，伺服驱动装置，以 及控制算法的设计。 3 对监控系统进行了软件方案设计，设计出了良好的人机界面。 4 对改造后的数控火焰切割机进行了调试和运行，参数设置，诊断分析 以及精度检测。 关键词：数控火焰切割机、改造、机械本体、电气控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l yt h et w oa x l e sc u t t i n gm a c h i n ew h i c hi sa p p l i e di nt h e s h i p y a r di sm o s t l yt h e1 9 9 0 sp r o d u c t s ，t h ee q u i p m e n ti sa g i n g ， d i f f i c u l tt om a i n t e n a n c e ，l o wp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n dp r o c e s s i n g s m a l ls c o p e ，i ti sh a r dt oa d a p tt on e wt e c h n i c sa n ds h i p sw o r k p i e c e s ot h er e c o n s t r u c tm u s tc o n s i d e r a t et h ea b o v ea s p e c t s a f t e r c o n s u l t a t i o n sw i t ht h ef a c t o r y t h em a i nr e c o n s t r u c t i o ni sc h a n g i n g t h eu n i l a t e r a la c t u a t i o nt ot h eb i l a t e r a la c t u a t i o n ，a n ds y n c h r o n o u s d e t e c t i o n ；c h a n g et h eo p e n - l o o pt ot h eh a l fc l o s e d l o o pc o n t r o l ， i n s t a l l st h ea u t o m a t i ca c c e n th i g h t hs y s t e m , r e c o n s t r u c tt h ec u t t i n g t o r c he l e v a t i n gd e v i c e ，l e ti ta d a p t st oe a c hk i n do fn e wb e v e lw h i c h i su s e di nt h es h i p ；t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mm u s tb er e c h a n g e d ， t h eo l dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi sd i f f i c u l tt oa d a p tt on e w p r o c e s s i n gr e q i r e m e n t i ti st h em a i np a r tt ob er e p l a c e d a f t e rt h er e c o n s t r u c t i o n ，t h ev e r s a t i l i t ym u s tb eg o o d i tc a nc u t b o t hs t r a i g h tl i n e sa n da n yf o r m o fc u r v e s h i g ha c c u r a c y 。t h e r e c o n s t r u c t i o no ft h ed i g i t a lf l a m ec u t t i n gm a c h i n es h o u l dm e e tt h e o p e r a t i o np r e c i s i o n ，p o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dc o r n e ro f f i c e s g o o d q u a l i t y ，o p e r a t e ds t e a d i l y ，a n dh i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n g 。ah i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m sf u l l yf u n c t i o n a l t h em a i nw o r ko ft h et h e s ei st or e c o n s t r u c tt h em e c h i n ea n dt h e c o n t r o ls y s t e mo ft h en u m e r i c a lc o n t r o lf l a m ec u t t e r t h r o u g ht h e r e d e s i g n t h eu n r e a s o n a b l ep a r to fm e c h a n i c a lb o d ya n dt h ec n c t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n ，c o m p l e t e dt h en u m e r i c a lc o n t r o lf l a m ec u t t e r r e c o n s t r u c t i o n a n di na c t u a lh a sc a r r i e do nt h em o v e m e n ta n d t h e d e b u g g i n g t h ep r e s e n tp a p e rw o r ka n dt h ec o n t r i b u t i o nm a i n l yh a s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 。 1 t h em e c h a n i c a l p l a nd e s i g n ，c o m p u t a t i o na n da n a l y s i sa r e p e r f o r m e d ，i t s m a i nc o n t e n t i n c l u d i n g t h e m e c h a n i c a l b o d y ， t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n da d d i n ga u t o m a t i n ge l e v a t i n gh i g h t hs y s t e ma n d t h ec u t t i n gt o r c he l e v a t i n gg e a rr e q u i p m e n ta n ds oo n 2 t h ee l e c t r i c i t yc o n t r o lr e c o n s t r u c t i o ni si m p l e m e n t e d m a i n l y t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m , t h es e r v od r i v es y s t e m ，a n dt h ec o n t r o l a l g o r i t h md e s i g na r er e p l e n i s h e d 3 t h em o d e l l i n gt ot h en u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n ti sm a d e ，a g o o d m e n - m a c h i n es u r f a c ei sa c h i v e d 4 d e b u g g i n ga n dr u n n i n go nt h er e c o n s t r u c tm a c h i n ea r em a d e ，l e t i tm e e tt h ed e s i g np r e c i s i o nr e q u e s t yw o r d s ：t h en u m b e r i c a l l yc o n t r o l l e df l a m ec u t o f fm a c h i n e ，r e f o r m , m e c h a n i c a le n t i t y ，e l e c t r i cc o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 三 胁 研一 圹 儿 以 字 弘 擀 尹 者 瓤 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 课题的来源 船厂现在的数控火焰切割机由于使用年限长，有些部件老化严重，经常 发生故障，维修性较差。为了进一步提高数控火焰切割机的可靠性、经济性、 安全性和维修性，特进行改造。因此本课题的选题题目是：数控火焰切割机 改造研究。 1 1 2 课题研究的目的意义 装备制造业是各个工业化国家的主导产业之一。由于它对其它产业提供 技术手段，并且它的技术水平直接影响其它产业的竞争力，所以提高装备产 品的质量水平性能对降低工业综合能耗，提高整个国民经济效益，实现增长 方式的转变作用巨大。另外装备制造业是实现军事现代化和保障国家安全的 基础，没有先进强大的装备制造业就不可能有先进的武器装备，实现军事现 代化和保障国家安全也就无从谈起。 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技 术改造。据不完全统计，从1 9 8 9 1 9 9 8 年l o 年间，全国引进技术改造项目 就有1 8 4 4 6 项，大约1 6 5 8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济 建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不 能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。 一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不 当，结果运转不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、 工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运 行，没有发挥应有的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障 不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的己引进较 长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而 消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，但同时也是一批很大的存量资 产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可 以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。企 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 业发展数控技术，必须坚持经济型和全功能型相结合，设备改造和设备引进 相结合，设备改造与设备大修相结合。 我国的机床装备制造业要实现技术跨越就必须要大胆地大张旗鼓地开展 技术创新活动。我国机械制造业的水平与发达国家相比差距很大，为改变此 落后现状，必须采用先进制造技术和装备。我国现有4 0 0 多万台机床，数控 机床占有量约2 ，这些机床的结构一般比较陈旧，操作部分复杂，控制系统 落后，但如果把这些落后机床全部闲置或淘汰，全部靠购买新的数控机床去 代替，必然要耗费巨额资金，显然不合适。因此，用数控这一高新技术对部 分机床进行数控化改造迫在眉睫。 通过对设备进行大规模数控改造，不仅节约了资金，还提高企业的装备 水平，为企业提供较为客观的经济效益和社会效益。设备的数控改造，提高 了机床性能和质量，为工厂产品创新创造加工条件。由于年代久远，工厂器 件严重老化、故障频繁、修理困难，若经过改造，可加大机床性能及使用范 围，提高效率设备数控改造既节省了购置同类数控设备的资金，又使其发 挥巨大作用。例如，一台改造的重型或专用机床即可节约8 0 多万元。 船厂目前所使用的两轴火焰切割机是上世纪九十年代从上海切割机厂购 买韵一台切割设备，经过十多年的使用，明显存在电控系统老化、故障率较 高的现象。对待这种情况，通常有三种方式可供选择：修理、报废更新、技 术改造。修理通常不能从根本上解决问题，而且维修配件的采购还存在价格 昂贵、采购周期长的困难；报废更新虽然能彻底解决问题，但不一定是经济 合理的；采用技术改造的方式，仅使用原机床价格的1 3 1 5 的费用就可以 重新恢复到良好的技术状态，是非常经济合理的。另外，技术改造还有交货 期短；性能更稳定；各基础件经长期时效几乎不会产生应力变形而影响精度； 各功能部件经长期磨合，功能稳定性和可靠性好等诸多优点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内需改造的机床现状 ( 1 ) 进口数控机床：8 0 年代以来我国政府为满足军工生产需要，进口 了大量的数控机床，尤其在航空、兵器等行业，这些机床基本都是精密高档 设备，绝大部分是当时的部管设备。这些机床已经到了电气升级换代的时候， 前几年由于机械行业的不景气，改造工作欠债很多，大部分此类机床面临电 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 气备件的匮乏，甚至已经处于停机状态，不改造是没有出路的。 ( 2 ) 进d - - 手数控机床：近年来，这类机床由于多为企业考虑生产实际 需要，自筹资金进口，相对采购成本较低，进口量比较大，其中有些机床进 口时就考虑了改造的要求，有些则是进口后，运行了一段时间，就面临着改 造的需求。 ( 3 ) 国产数控机床：我国自9 0 年以后生产的数控机床，大多为中低档 数控机床，也同样面临电气系统老化，需要改造。 ( 4 ) 普通机床：我国大量的普通机床应用于生产第一线，这几年，国家 加大了对这类机床的改造力度，国防科工委更是推行了万台机床数控化计划， 车床、铣床的数控化改造需求量很大。另外则是有些特殊类型或者大型普通 机床，由于本身特点以及良好的机械基础，具有改造的价值。 1 2 2 常用的数控机床改造方案 数控机床改造，首先应是数控系统的改造，常见的老系统有：西门子和 f a n u c 等厂商老型号产品，这两大品牌的系统占有了且前我国目前老数控机 床的绝大多数。目前多数系统的电气备件已经停止供货，改造时候基本上不 考虑保留老系统，采取的方案是根据机床的现有控制等级、产品生产要求、 企业资金状况，选择相应的低、中、高档系统。同时这些系统大部分带有老 型号的p l c 逻辑控制系统，在改造方案的制定中，要考虑新老系统替换时候 的差别，对p l c 部分输入输出点的数量和性质做出比较精确的估算。 检测系统基本不能保留，可以采用新型旋转编码器替代。电气柜等器件 在很多情况下，会按照电气控制柜以及柜内元器件的状态作出合理的选择。 一般来讲，进口数控机床电气柜以及柜内的元器件即便使用了相当年限，也 要比国产的甚至是合资的元器件状态好，所以在改造高档进口数控机床时， 一般电气柜不做大拆大改。二手机床的电气柜状态比较差，或者用户认为电 气柜元器件故障率太高，都可以采取全套更换的方式。 机械部件改造的主改部件为滑动导轨副、齿轮副、滑动丝杠与滚珠丝杠 等。有的保留了原有的主轴系统和冷却系统，改造时采用了滚珠丝枉及齿轮 传动机构；有的加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，采用滑动丝杠相对 滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工；还有将滚珠丝杠更换 为精密滚珠丝杠等。一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。所以经常是 主要更换部件 1 ：3 机床改造目标 1 3 1 改造前机床状态分析 本次改造的切割机是上海切割机设备公司生产的c n c s g - 6 0 0 0 单边驱动火 焰切割机，由于使用年限较长，切割机上电器元件已接近老化状态，主要表 现为以下几点：驱动单元极易损坏，厂家已不生产，购买很难：单边驱动不 能够进行同步检测；同时伺服为步进单元，无反馈；驱动电机为步进电机易 损坏修复困难且厂家已不生产，需定做且周期长费用高；纵向及横向变速范 围小，不利于新的加工工艺；丝杠，导轨为人工润滑，缺润滑油时无报警； 升降系统的丝杠已损坏失效，出现疲劳点蚀和微裂纹，磨损严重；无机床原 点，突然停电后易造成废品；c n c 系统存储程序少；c n c 系统无法与外部电脑 通讯：c n c 系统功能少，性能不稳定易出故障；单割炬系统使得很多坡口及各 型钢板不能加工，影响了生产；手动调高自动化程度低，精度低，操作工人 提出很大意见改造前的机床各项性能指标如下表1 1 ： 表1 - 1 改造前机床参数 氧气压力 0 5 l m p a 切割厚度6 7 0 m 割炬升降范围0 1 5 0 m 2 0 0 m 割炬定位精度 0 2 5 m 驱动方式单边驱动 单割炬吊架t l l 7 0 切割速度5 1 0 0 0 m m m i n 1 3 2 改造目标 通过综合运用机械、电子、数控、传感器、p l c 等多项控制技术，采用 建立于w in d o w s 界面上的、先进的e d g e 数控系统，实现切割生产加工的自动 化，并设法恢复机床精度，减少人为因素的干扰，保证和稳定切割质量、改 善工人劳动强度和节约生产成本、提高磨削生产率，为企业提供改造后性能 可靠的设备。 改造后应具备的主要功能： ( 1 ) 具有实时运动图形和输入输出数据显示 ( 2 ) 系统自诊断、故障自报警功能 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 中文菜单 ( 4 ) 切割失败恢复功能 ( 5 ) 可进行直线及任意曲线的切割，可切割x 、y ，v 、u 型坡口 ( 6 ) 位置反馈、同步检测、自动加减速 ( 7 ) 恒速和割缝补偿 ( 8 ) 急停并按原路返回。 ( 9 ) 全过程自动控制 改造后的主要规格参数如表1 z 表i 2 改造后机床参数 轨距6 m 轨长 2 0 m 工作长度 1 4 m 车间温度 0 。4 5 。 燃气类型乙炔，丙烷等 升降高度1 7 0 m m 3 0 0 m 升降速度2 0 3 0m m s e c 自动调高电容式 自动点火点火电压7 千伏 切割氧压力l 2 m p a 切割厚度6 1 0 0 m 纵向 横向( 其中一溜板为主动，其余通过钢带传动进行同向或镜向移动) 移动速度范围 0 6 0 0 0m m m i n 快速移动速度 6 0 0 0m m i n 电压 3 x 3 8 0 v + i 0 1 8 频率 5 0 h z 设备总重量约5 8 吨 1 4 本课题的主要工作 1 4 1 改造的思路 ( 1 ) 改造后加工精度提高，主要由数控系统及机械系统保证。一直以来 船用备件的热切割，由于作业环境等诸多因素影响，精度提高很难，以致影 响到往后工序的加工。改造前的机床是单边驱动系统，两边受力不均，很难 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 保证加工精度，伺服单元是步进单元，不能反馈检测，严重影响了加工精度。 ( 2 ) 坡口加工范围加大，坡口是船用钢板件加工的主要表面，随着造船 业的飞速发展，坡口的类型也逐渐增多，老式切割机的割炬已很难适应新形 势的发展。船厂的这台切割机从前主要是单割炬加工，因此只能适应大件切 割和直坡口切割，经过改造，加装了从动溜板和钢带箱，使得x 、y 、v 、u 等各型坡口均可加工。 ( 3 ) 自动化程度加高，在热切割过程中，经常会遇到按原轨迹返回、紧 急回退、同步检测、自动调高等自动化极高的功能要求，改造前切割机的数 控系统较难实现按原轨迹返回，所以只能用手动，紧急回退和同步检测不能 实现，调高是手动。改造前的报警系统已基本报废，修复也是人工的。 1 4 2 论文主要研究内容 机械部分要对传动系统进行改造，纵向改单边驱动为双边驱动的方案设 计并分析计算强度；横向加装从动溜板、钢带箱的方案设计，并校验横梁强 度；升降机构的丝杠拆掉，重新换为精密丝杠的方案设计并选取；把原来的 变速机构重新更换为和数控系统配套的德国n u 洲行星减速机的方案设计 并选择减速机；改装自动调高系统等。 数控系统是改造的中心环节，去掉旧的数控系统，选择美国海宝的e d g e 数控系统方案设计；根据机床参数选择伺服电机、驱动单元方案设计并分析 计算，将纵、横向步进电机及伺服单元拆掉，换为交流伺服单元；运用p i d 控制方法分析；监控系统软件设计方案。对外围电器部件若能用尽量不更换。 安装完毕后，要进行调试，主要是机电连调、参数设置、精度校验等、。 调试合格后，方可投入生产。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章火焰切割工艺特点与分析 切割是焊接的前道工序，因为被焊工件所需的几何形状和尺寸，绝大多 数情况下是通过切割方法实现的。切割常有热切割、冷切割两种。热切割是 利用热能使材料分离，如气体火焰切割、等离子弧切割、激光切割等。现代 焊接生产中金属材料的切割主要采用热切割，因为热切割很少受切割材料的 厚度形状和尺寸的限制，而且易于实现机械化和自动化。火焰切割的工艺特 性直接影响到改造机床的功能选定及设计标准。 7 2 1 概述 2 1 1 气体火焰切割原理及分类 ( 1 ) 原理 利用气体火焰将钢材表面加热到能够在 氧气流中燃烧的温度，然后送进高纯度、高 流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧 生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热，借助 这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切 口前缘，使之也达到燃点，直至工件的底部。 与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从 而形成切口将钢材切割开，如图2 1 所示。 ( 2 ) 分类 氧气 iii ，割_ 鬟 涩i 移预热j 以 l 制件 图2 1 气体火焰切割原理图 1 ) 气割利用气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速 切割氧流，使其燃烧并放出热量实现切割。设备简单，操作灵活性好，切割 质量良好，但切割速度低，切割变形量大，尺寸精度不高。适于切割碳钢、 低合金钢等。 2 ) 氧一熔剂切割在切割氧流中加入纯铁粉或其他熔剂，利用他们的燃烧 和造渣作用实现气割。适于切割不锈钢、铸铁以及浇冒口和钢渣的切割等。 3 ) 电弧一氧切割利用电弧加切割氧进行切割，电弧在空心电极与工件之 间燃烧，由电弧和材料燃烧时产生的热量使材料能通过切割氧进行连续燃烧， 熔融物被切割氧排出，反应过程沿移动方向继续进行而形成切口。切割速度 比气割快，但切割面质量差，适于水下切割。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 ) 电弧一压缩空气气刨利用电孤及压缩空气在表面切割，由电弧和材料 燃烧时产生的热量使材料连续燃烧。 2 1 2 气体火焰切割工艺 ( 1 ) 气割的工艺参数选择 1 ) 预热火焰的选择预热火焰是影响气割质量的重要工艺参数。气割时常 选中性焰或轻微的氧化焰，同时火焰的强度要适中。预热火焰的选择应根据 工件厚度、割嘴种类和质量要求选。割件越厚，预热火焰功率( 乙炔消耗量) 越大。用单割炬切割坡口时，因熔渣被吹向切口外侧，为补充能量，要加大 火焰功率。改造后切割的范围要扩大，最大切割厚度由7 0 m m 增至1 0 0 咖，将 近增大了近一倍，同时预热火焰的功率也要加大。 2 ) 切割氧压力的选定切割氧压力取决于割嘴类型和嘴号，可根据工件厚 度选择氧气压力。改造后由最大7 0 衄到最大1 0 0r a m ，所以氧压力增大为l 2 m p a 。 3 ) 切割速度切割速度与工件厚度、割嘴形式有关，一般随工件厚度增大 而减慢。切割速度必须与切口内金属的氧化速度相适应。切割速度太慢会使 切口上缘熔化，太快则后拖量太大，甚至割不透，造成切割中断。在切割工 作中，切割速度可根据熔渣火花在切口中落下的方向来掌握，当火花呈垂直 或稍偏向前方捧出时，即为正常速度。在直线切割时，可采用火花稍偏向后 方排除的较快的速度。氧化速度快，排渣能力强，则可以提高切割速度。切 割速度过慢会降低生产效率，且会造成切口局部熔化，影响割口表面质量。 切割机经过改造，最大切割速度由l m m i n 扩大至6 m m i n ，更能适应任意曲 线、相贯面的切割及各类型坡口，尤其是x 、y 、v 、u 型坡口。 4 ) 割嘴到工件表面的距离割嘴到工件表面的距离根据工件厚度及预热 火焰长度来确定。它的参数会直接影响到改造机床的升降高度。将升降系统 改装后，升降高度由原来的0 2 0 0 m m 加大至0 3 0 0 m m 。 5 ) 切割倾角割嘴与割件间的切割倾角直接影响气割速度和后拖量。切割 倾角的大小主要根据工件厚度而定，工件厚度在3 0 姗以下时，后倾角为2 0 。3 0 。；t 件厚度大于3 0m m 以下时，起割时为5 。1 0 。的前倾角，割透 后割嘴垂直于工件，结束时为5 。l o 。后倾角。在改造时，选择常用零件 的厚度5 0 衄，确定改造后的倾角为4 0 。6 0 。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 气割的工艺要点 1 ) 提高切割前工件的准备质量材料在切割前必须进行表面预处理，在板 材切割过程中，有大量焊接轮廓线和后道工序标记需要进行划线、定位。在 板材切割、划线和焊接过程中，必须除去表面防护层和锈迹。这样才能提高 切割速度和焊接质量。如果不去除这些防护层和锈迹，将会使得切割速度下 降，在一些情况下还会产生切割表面缺陷而需要修补。在焊接过程中，还会 导致角焊缝超标，造成不可预测的变形和以后表面位置偏差，同时还会使得 表面划线变得模糊不清，影响了后道工序的正常进行。本次改造加装的多个 从动溜板，只要购买喷粉划线枪即可实现以上要求，保证了加工精度和质量。 2 ) 型钢切割和空间曲线切割在现代化的产品设计中，运用了大量型钢及 空间曲线切割焊接方式。型钢切割最近成为切割行业技术发展的一个新的热 点。目前，最普通的操作方法，是采用专机配置氧火焰割炬或等离子割炬， 利用专用夹具与定位系统，实现定位夹紧切割松开的操作方法。 这种操作方法有两大缺点：定位、夹紧、松开的操作方式很费时；切割后的 型钢集聚的残余应力释放后，常常会导致切割形状的误差。在改造时，考虑 到这一点，加装了钢带箱，进而保证了各向运动的实现，从而使型钢和空间 曲线切割成为可能。 2 2 气体火焰切割技术 2 2 1 坡口的气割 焊接前需对钢板的接头处开坡口，坡口切割方法有手工切割和机械切割 两种。采用机械切割方法，只要把熔渣清理干净，不需要进行任何机械加工 就可进行焊接。在成批生产中，经济效益更为显著。常见的焊接坡口有v 形、 y 形、x 形、u 形等，如图2 2 。其中，v 形和y 形坡口当单侧坡口角度大于 3 0 。时，通常不易气割，需把坡口面置于背面进行气割。 c a ) v 形( b ) y 形( c ) x 形( d ) u 形 图2 2 焊接中常见的坡口形式 ( 1 ) v 形坡口的气割 用机械方法切割单面v 形坡口时，可采用两把割炬同时进行切割。一把 9 矧矧矧 割炬垂直于被切割金属表面，另一把割炬与切割 表面成一定角度。垂直的割炬在前面移动，倾斜 的在后面移动，如图2 3 。改造前的机床主要适 合单割炬，在加工这类坡口时，就显得力不从心 经过改造，加装一个溜板，就可实现。 ( 2 ) y 形坡口的气割 经过加装溜扳，可采用单割炬先切割直角边， 用双割炬一次完成，如图2 4c a ) 。 图2 3 单割炬切割图 再切割坡口斜边。也可采 ( a ) y 形坡口切割示意图 ( b ) x 形坡口切割示意图 ， 图2 4 坡口切割示意图 ( 3 ) x 形坡口的气割 不带钝边x 形坡口可采用单割炬分两次切割，也可用双割炬一次割出。 带钝边x 形坡口可采用单割炬分次切割，也可用三割炬一次割出，如图2 4 ( b ) 。改造前，此类坡口的加工，效率低、质量差，几乎是不能实现。经过 改造，加装两个溜板，就可实现。 ( 4 ) u 形坡口的气割 u 形坡口用气割工艺比机械加工方法效率高。u 形坡口的下部有圆弧段， 气割时的氧化反应不像一般气割时那样一直垂直向下，当达到一定深度后， 转向侧面方向为此需采用多割炬同时加工，使工件沿板厚方向形成温度梯 度，同时通过调节切割氧压力割出圆弧段。先由前割炬割出斜面，再由中间 割炬的前割炬将板边割到一定深度，形成铁氧反应向侧面进展的条件；通过 控制中间割炬两个割嘴的切割氧压力，利用后割嘴既割出坡口的斜边又割出 所需的圆弧形割口，后割炬则用于割出根部的钝边。改造前，此类坡口的加 1 0 心 ， 彭 u 出 汹dj y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 工，几乎很难实现。改造后，通过加装溜板和钢带箱，就可实现。 2 2 2 钢件的气体火焰切割 ( 1 ) 一般厚度的碳钢板较易切削，割嘴与工件的距离大致等于焰心长度 加上2 4 皿。为了提高效率，在气割厚度2 5m 以上的钢板时，割嘴可向后 倾斜2 0 。3 0 。 ( 2 ) 大厚度钢板( 一般厚度超过1 0 0 哪) 的气割，一般有一定难度。 改造后的机床较适合加工一般厚度钢板，最大加工厚度由7 0 岫增至l o o m m 。 2 3 本章小结。 火焰切割工艺分析是为改造数控火焰切割机所作的必须准备工作，本章 主要阐述了气体火焰切割的原理、分类、特点：并详尽的叙述了气体火焰切 割的工艺要点及技术参数、影响因素等。焊接前需对钢板的接头处开坡口， 尤其是v 形、y 形、x 形、u 形坡口加工的工艺特性，本章作了详细的说明。 船用钢件的类型较多，所以要特殊注意加工的工艺特性，然后才能进行有针 对性的改造工作。 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章机械本体改造 3 1 改造方案 由于是改造，所以本着降低成本，增大效益，提高精度的原则来进行。 机床本体不更换，继续使用；纵向驱动由单边改为双边，就要加装电机、减 速箱、齿轮齿条：同时原单边驱动的电机、减速箱也要更换；横向传动系统 增加钢带箱和从动溜板；同时更换电机、减速箱；升降机构拆掉原来的丝枉 换为新的精密丝杠；导轨锈斑，对导轨面重新修刮；大车架再进行焊接加固。 改造前后结构简图如图3 1 和3 2 1 - c n c 面板2 一横向导轨3 - 升降装置4 纵向导轨5 一齿轮齿条6 - 割嘴 图3 1 改造前大车架简图 卜纵向驱动电机2 一减速箱3 一丝杠4 - 驱动溜板5 一从动溜板6 钢带箱 图3 2 改造后大车架简图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 机械本体改造 3 2 1 门式车架改造 门式车架要在原有的基础上改单边驱动为双边驱动，要在导轨上加装齿 轮齿条，车架右端加装驱动箱，主副基座中各装有驱动大车架运行的齿轮箱 和电机，电机中装有编码器以保证两齿轮箱的同步运行。两个纵向及横向驱 动齿轮均采用行星减速齿轮以保证运行精度。主副基座中各装有两个大滚轮， 在前后、左右位置，用以支撑大车架并实现切割机的纵向运动。导向滚轮各 装在装有操纵台的主基座中，这样可以保证大车架沿纵向导轨运行时精度。 调整调整螺母，可以改变外滚轮与导轨的接触点。并且内滚轮安装在偏心轴 上，故可进行调整。这样，一旦导轨或导向滚轮发生摩损，可自动补偿，故 保证了良好的导向精度。图3 3 为纵向导轨示意图。 大车架构成数控切割机的整体，它由前后横梁、中间支撑及主副基座组 成，为门式结构，各部分均采用焊接结构。大车架的前后横梁采用矩形钢材 通过焊接而成形，中间支撑把前后横梁连接在一起，使整体结构具有很好的 刚性，这样可以保证切割机在装有重力冲打部件时不会产生大的弹性变形。 而且也可以使单割炬及三割炬溜板在沿横向导轨运行时，不会由于重心的改 变而影响精度，从而保证数控切割机的精度。前后横梁用螺栓与左副基座连 接固定在一起，使整个大车架具有高的稳定性。 b 暂 i 犁 ( h 、 ，一一 ，一、 卜导轨2 一齿条3 一夹板4 一螺钉 图3 3 纵向驱动导轨 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 误差校验 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采 用的齿条传动系统未动，只在纵向导轨处又加装了一对，啮合齿轮参数为模数 m = l 。齿数z = 2 2 。原减速器拆掉，选德国行星减速器，减速比为3 2 。电机最大静 转矩为3 8 n m 。割炬纵横向电机的负荷是不同的，纵向电机负荷大，其最大静 转矩t 近似计算为： 。 t = 霄l id 2 i 其中w 为切割机总重量，i l 为纵向导轨滑动静摩擦系数，d 为啮合齿轮直径 ( i 咖) ，i 为减速比。将w = 5 0 0 0 k g ，弘= o 1 5 ，d = 2 2 m m ，i = 3 2 代入后。 t = 2 5 8 k g m m ，远小于3 2 0 k g m m ( 查表得到) ，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，但该运动执行机构的实际脉冲 当量6 为： 6 = 丌m z 3 6 0 i 其中代入各数据计算可得6 = 5 9 9x1 0 哪，它与机床数控系统中所提 供的脉冲当量为0 o l 近似，但有误差+ 4 0 1 。 ( 2 ) 强度校核 由于在机械本体改造时，原有的门式结构大车架的横梁上要加装从动溜 板、并在横梁两端加装2 个钢带箱等部件，并改单边驱动为双边驱动，就要 在车架右边加装驱动件。改装前的车架由于采用单边驱动系统，当使用年限 超过十年以后，部件有些老化，经过校核，就发现当载荷力超过6 7 5 0 0 0 n 时， 整个车架的强度就会不足。主驱动部件采用电机驱动，从动部件跟着主驱动 部件在导轨面上运动。 个 最大扭转切应力f 一一熹，其中t 是扭矩，是抗扭截面系数， 一- 对于大车架，t = f ，x l ，f r = f n = o 2 x 6 2 9 1 0 3 = 1 2 5 8 i o ( n ) 横粱l - 6 m ，则t f f l = 1 2 5 8 1 0 3 x 6 = 7 5 4 8 x 1 0 3 ( n m ) 横梁截面w 产dh b 2 ，其中q 是系数，查表取q = o 2 6 3 ，b x h = o 2 5 m x 0 7 m t 。= 7 5 4 8 x1 0 3 ( 0 2 6 3 ) i s ，因此丝杠工作安全 ( 4 ) 验算刚度 导程的等米变形量l = 云f i 云p 万t ( 3 2 ) 式3 2 中：丝杠截面积a ：蟹o 3 7 l o sm 2 丝杠切变模量g = 8 3 3 1 0 9 p o ( 查表) 转矩t ：f 堡t a l l ( v + p ) ( 摩擦系数取0 0 0 2 5 ，p ：8 ，4 0 ”) t = 2 8 0 0 2 5 2 1 0 - 3x t a n ( 3 。27 + 8 4 0 ”) - - - - 1 9 4 n m 丝杠的极惯性矩j c = 巫3 2 = 2 2 1 2 1 0 - 8 珥 2 8 0 05 1 0 - 3 1 9 4 、l 2 i - + i 一 2 0 6 1 0 0 3 7 l o - j2 u 8 3 3 x 1 0 2 2 1 2 1 0 4 = 3 6 7 4 x 1 0 + o 8 3 8 x 1 0 3 7 5 8 x 1 0 一 查表数控机床取e 级精度，任意3 0 0 m 内导程公差为1 5 pm ，每米公差 为5 0 x1 0 一 a l ，所以刚度验算合格。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 验算效率 n = 品= 五寂歹t a 歹n 3 丽。2 = 9 5 4 9 0 符合要求。 。t a 咀( 妒+ p ) t a n ( 3 。2 + 8 4 0 ”) 3 2 3 传动系统改造及分析 传动系统包括：纵向齿轮箱、横向齿轮箱、单割炬升降齿轮箱等 ( 1 ) 纵横向齿轮箱设计及分析 纵横向齿轮箱均采用行星减速齿轮以保证运行精度。由于采用结构小巧 的行星减速齿轮箱，故纵横向驱动部件结构紧凑，效率高，体积小，结构简 单，可承受较大的轴向及径向载荷驱动电机安装在行星减速齿轮箱的适配 图3 6 横向驱动装置 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 板上。驱动齿轮安装在行星减速齿轮箱的输出轴上，驱动齿轮与齿条啮合后 便可由电机通过减速齿轮箱最终经输出齿轮实现纵横向运行。图3 6 为横向 驱动装置示意图。 纵横向齿轮箱与箱体及横向溜板的固定。纵向齿轮箱通过压缩弹簧与箱 体连接。横向齿轮箱是通过蝶形弹簧与横向溜板拉紧。这样，纵横向齿轮箱 输出齿轮与齿条的啮合可保证无间隙，并可自动补偿齿轮齿条磨损产生的问 隙，从而保证整机运行精度。 ( 2 ) 减速机选取 根据反向间隙等精度标准选择减速机的类型为p l e 8 0 _ 3 2 ： 适配电动机的的额定输出扭矩乘上减速机减速比后得出减速机输出扭 矩，该扭矩应小于或等于减速机额定输出扭矩，则本机额定输出扭矩为 1 2 0 n m ；即1 3 n m x3 2 = 4 1 6 n m 1 2 0 n m 。 电机的最高输入转速要小于减速机的最大输入转速，本机选最大输入速 度印o o r m i n ；即5 0 0 0 r m i n 6 0 0 0 r m i n 。 本机选最大径向和轴向力9 5 0 n 和1 2 0 0 n ，重量为2 6 k g ，转动惯量为 0 3 9 k g c m z ，额定输入速度4 5 0 0 r m i n ，最大输入速度4 5 0 0 r m i n ，满载效率 9 4 。 3 3 系统分析 3 3 。1 刚度及抗振性分析 数控机床要在高速和重负荷条件下工作，为了满足数控机床加工的高生 产率、高速度、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机 床应具有更高的静刚度、动刚度和抗振性。 ( 1 ) 截面惯性矩本机床的重点受力部位为门式车架横梁和基座，如门 式车架横梁的截面惯性抗弯矩相对值可取3 3 3 3 4 1 7 ( c 一) ，截面惯性抗扭矩 相对值可取6 8 0 0 4 3 ( c m ) ；静态时抗弯刚度相对值0 8 5 ，单位重力刚度相 对值0 7 5 ，抗弯刚度相对值1 7 ，单位重力剐度相对值1 4 6 ；动态时抗弯刚 度相对值2 8 3 0 ，抗扭刚度相对值1 1 7 。 ( 2 ) 强迫振动机床强迫振动的振源有高速运动部件的动态不平衡力、 往复运动件的换向冲击力等，机床结构抵抗强迫振动的能力，可用动刚度i ( d 或动柔度s t 来表征，如式3 - 3 ，机床结构的动态刚度可以通过激振试验来确 2 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定，并且绘制成复平面上的幅相图，图3 7 为一个单自由度系统的幅相图。 l = p a ( 或s 产a p ) ( 3 - 3 ) p 一霞变力( 激振力) 的幅值 疆迫振动的振幅 - - u 。卸 o 。 f s 。 r 。一 囊 - l j - 一7 、 u ) 、厂 图3 7 单自由度幅相图 3 3 2 热稳定性及运动导轨副的摩擦特性分析 数控机床的工作台的位移量是以脉冲当量作为它的最小单位，因此运动 部件应具有较高的灵敏度，这就要求导轨副的摩擦特性好。高速时不振动， 低速时不爬行。 数控机床运动速度快、热量高、摩擦大，容易引起不均匀热膨胀，从而 影响加工精度。所以除了改进机床布局和结构，还应加强冷却，控制环境温 度，并通过c n c 进行热补偿。 进给传动系统可简化为如图3 8 的动力学模型。图中b 为传动部件的阻 尼系数，k 为传动剐度，母为执行部件的质量。设驱动件a 以等速v 。运动， 经时间t 后，从动件b 的位移为x ，速度为j ，加速度为置，则运动方程为式 3 - 4 ， r e x + b ( 工一7 1 ) 一k ( 7 l t x ) + f f = 幻 ( 3 4 ) 式中，f ，为摩擦力，它由弹簧力f 和随b 的速度而变化的分量一a x 所组 成，a 为比例系数，该方程的解为