毕业设计（论文）-数控火焰切割机的设计.doc

中 文 摘 要 I 摘摘 要要 本课题所设计的数控火焰切割机是一种小型切割设备，它可以很方便的对 金属材料进行直线或曲线切割，可广泛应用于机械、建筑、化工、航天等行业。 首先，本文通过对火焰切割技术及数控火焰切割机的国内外研究现状的分 析，对火焰切割机的总体结构进行了设计，整体采用龙门式结构，纵向、横向 和垂直三个方向进给运动均选用步进电动机带动滚珠丝杠传动的开环控制系统。 由于火焰切割机切割工件时无切削力，所以纵向进给运动采用电机直接驱动工 作台运动来完成。其次，利用三维设计软件 Solid Works 完成了火焰切割机各 零件的三维实体造型，并根据各零部件之间的定位关系，完成了总体装配，验 证了设计的合理性。最后，为了加工制造的方便还绘制了切割机的所有零部件 和装配体的工程图。 关键词：数控火焰切割机，龙门式，结构设计，Solid Works 全套图纸加扣 3012250582 Abstract II AbstractAbstract The CNC flame cutter designed in this topic is small cutting equipment. It can easily cut metal materials with linear or curvilinear drawings and can be widely used in machining, architecture, chemical industry, spaceflight and other industry. Firstly, through the analysis of research actuality about the flame cutting technology and the CNC flame cutting machine at home and abroad the whole structure of the flame cutter is designed in this article. The whole structure uses the gantry structure, the open-loop control systems, using stepping motor to drive ball screws, were chosen at longitudinal, horizontal and vertical directions. Since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the vertical movement is provided by the movement of worktable driven directly by stepping motor. Secondly, the three-dimensional entity modeling of all the flame cutter parts is finished by using the three-dimensional design software Solid Works and the assembly of the whole is accomplished through the orientation of every parts to validate the rationality of the design. In the end, all the drawings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture. Keywords：Numerical control flame cutter, gantry type, Structural design, Solid Works 目 录 III 目录目录 摘 要.I ABSTRACT.II 目录.III 第一章 引言.1 11 切割技术的种类及发展.1 12 数控火焰切割简介.1 121 火焰切割及数控火焰切割技术.1 122 国内外数控火焰切割技术的发展.2 123 数控火焰切割机的市场及发展.3 第二章 机床总体设计及软件平台选择.5 21 总体方案的确定.5 22 控制及传动系统选用.5 23 割矩设计.6 第三章 数控火焰切割机伺服系统设计.8 31 数控系统控制方式及组成原理.8 32 步进电机原理及特点.8 33 步进电机的选择.9 331 横向步进电机的选择.9 332 纵向步进电机的选择.10 333 垂直方向步进电机的选择.11 第四章 火焰切割机传动装置设计.13 41 齿轮齿条传动.13 411 齿轮齿条传动的工作原理及特点.13 412 纵向齿轮齿条的传动设计计算.14 42 滚珠丝杆副的设计计算.17 421 滚珠丝杠副的工作原理及特点.17 422 滚珠丝杠副的设计.20 43 导轨导轨.24 第五章 结论.26 参考文献.27 致谢.28 第一章 引言 1 第一章第一章 引言引言 11 切割技术的种类及发展 切割是焊接生产备料工序的重要加工方法，包括冷、热两类切割，而热切 割又有气体火焰切割、电弧切割、等离子切割和激光切割等各种工艺方法。目 前各种金属和非金属切割已经成为现代工业生产（特别是焊接生产）中的一个 重要工序，被焊工件所需要的几何形状和尺寸，绝大多数是通过切割来实现的。 切割技术被广泛的应用在国民经济建设的各个领域里。 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。 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。而本文介 绍的数控火焰切割机就是在早期切割机的基础上结合近年来高速发展的微型计 算机技术被广泛应用于工业领域的实际情况设计出的一种新型切割设备。 12 数控火焰切割简介 121 火焰切割及数控火焰切割技术 火焰切割就是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后， 喷出高速切割氧气流使预热处的金属燃烧并放出热量实现切割的方法。最常见 的气体切割是氧-乙炔火焰切割。 钢材的气割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气 流中燃烧的温度（即燃点） ，然后送进高纯度，高流速切割氧，使钢材中的铁 在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量热，借助这些燃烧热和熔渣不 第一章 引言 2 断加热钢材的下层和切口边缘，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。 数控火焰切割机是应用计算机数字程序控制（Computer Numerical program Control）的全自动化切割设备，人们借助计算机辅助设计程序，把 所要切割零件的形状、尺寸、切割顺序及切割过程中的各项辅助功能按一定的 语言程序规则进行编程，然后输入控制机，经运算后发出运动控制及辅助功能 指令，再有伺服行走系统和切割执行机构协调动作，从而完成所需零件的切割。 数控火焰切割机的特点： 功能齐全，自动化程度高具有割炬自动升降和自动调高、自动点火、 自动穿孔、自动切割、喷粉画线、喷印字码、喷水冷却、割缝自动补偿、 熄火返回重割、动态图形跟踪显示等功能，实现了切割全过程的自动控制。 可配置多个割炬工作，省去了制作样板和划线的工时，生产效率高 采用套料程序，提高钢板利用率。 能合理选定切割工艺参数及切割路径，可减小热变形，加工精度高， 切割质量好，能够减少后续打磨和装焊工时。 切割信息易于准备、修改和保存。 机器运行稳定可靠，操作方便。 122 国内外数控火焰切割技术的发展 国外工业发达国家，如德国、日本、瑞典等，正积极开发各种新型切割设 备（特别是数控切割机）和新的切割工艺。相继开发出了各种快速割嘴和高速 切割方法，如高压扩散型快速割嘴、高压细氧射流割嘴、高压氧帘快速割嘴、 双层氧帘割嘴，以及多割嘴组合高速切割方法等。 国外数控火焰切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本其主要厂 第一章 引言 3 家有德国的伊萨（E SAB） 、梅塞尔（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美国的（L-TEC） 、林德（LINDA）等。而能够代表数控等离子切割 技术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最 全、功能最多、水平最高、几乎包括了所有非接触式切割手段的数控切割机。 国外数控火焰切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本其主要厂 家有德国的伊萨（E SAB） 、梅塞尔（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美国的（L-TEC） 、林德（LINDA）等而能够代表数控等离子切割 技术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最 全、功能最多、水平最高、几乎包括了所有非接触式切割手段的数控切割机。 我国数控切割技术的开发工作开始于 20 世纪 80 年代初，起步是数控火焰 切割机。到了 20 世纪 90 年代，在数控火焰切割技术趋于成熟，国内一些数控 切割机产品在许多方面已形成自身独有的特点，实现了“自动化，多功能和高 可靠性” 。在某些方面，产品的技术性能甚至超过了国外的产品。 在此基础上，国内的生产企业又通过嫁接引入国际上先进的等离子切割系 统，采取引进和自主开发相结合的方法，开展了数控等离子切割机的研制。历 经 20 多年，终于取得了可喜的成就，目前国产数控等离子、火焰切割机门类 和规格已相当齐全，其中部分产品在技术性能指标和功能上均已接近或达到国 际水平，产业化进展顺利，并已具备一定的经营规模。 目前国内生产数控火焰切割机的厂家主要有梅塞尔切割焊接有限公司，上 海伊萨汉考克有限公司，哈尔滨华威焊切成套设备有限公司，哈尔滨四海数控 机械制造有限公司，深圳市博利昌数控切割设备有限公司，无锡华联焊割设备 厂，北京百惠宏达科技有限公司等几家。 现在国产数控火焰切割机与国外产品的差距已经不大，性能也比较稳定， 只是国产切割机为保证质量，一些主要部件如电磁气阀、减压阀、交流伺服系 统等均采用进口件，目前产品的质量仍然不稳定。总之，无论从切口质量、易 损件的耐用度等国产与进口的仍有一定的差距，因此要完全替代进口还需一段 时间。 第一章 引言 4 123 数控火焰切割机的市场及发展 数控火焰切割机是一种将电脑控制、精密机械传动、氧、燃气切割三者技 术相结合的高效率、高精度、高可靠的热切割设备。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。 现代金属制造企业如：造船、压力容器、工程机械、电站设备、桥梁和钢 结构等行业为优化其产品的结构性能，使得产品更经济，生产周期更短，在国 际市场更具竞争力就必须对其原有的制造技术和生产工艺提出新的设想和要求， 首先要彻底改变以往手工和半自动切割的低效率状况，广泛采用数控切割设备， 只有这样才能从根本上缓解了我国机械制造业飞速发展所带来的钢板和其他金 属板材切割量急剧增大的巨大压力，为今后在整个制造业扩大应用数控等离子、 火焰切割机和应对未来国外同类企业的挑战打下了基础。 目前，我国机械加工行业中钢板下料普遍采用手工乙炔切割，这种现象 不仅存在于小规模单件生产的小型企业，也存在于大批量生产的大型企业中， 而国外企业的下料工序大部分采用了数控氧乙炔或数控等离子切割方法，不 仅可提高材料利用率，而且改善了产品质量，优化了工作环境，使人员工作效 率得到了提高。之所以数控下料不能在我国普及主要有三个方面原因：资金问 题、设备故障维护问题、操作问题。因此研制功能不是很强大但操作简单，性 能可靠，价格相对便宜的实用型的火焰切割机就迫在眉睫这也就意味着目前 设计和制造经济型数控火焰切割机在国能将有广阔的市场。 第一章 引言 5 第二章 机床总体设计 6 第二章第二章 机床总体设计机床总体设计及软件平台选择及软件平台选择 21 总体方案的确定 数控火焰切割机的结构有龙门式、鼠笼式、龙式、车式、兔式、壁式仿行、 壁虎式等许多形式。本课题总体布局采用龙门结构，龙门式结构框架不专门设 横梁，龙门式框架的顶梁亦即横梁切削头安装在垂直方向进给的溜板上，横 向溜板沿横梁导轨作横向进给运动，割嘴沿垂直方向导轨作垂直进给运动。由 于该火焰切割机切割工件时反切削力几乎为零，纵向进给运动可由工作台来完 成，所以纵向采用电机直接驱动工作台来完成。本课题所设计的切割机整体结 构如图 3-1 所示。 22 控制及传动系统选用 纵向、横向和垂直三个方向的进给运动均由步进电动机驱动的开环控制系 统。电动机采用反应式步进电动机，这类电动机步距角小，工作频率高，控制 功率小，输出转矩大，无励磁时具有转矩定位的优点。 横向、纵向和垂直进给运动选用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠的摩擦系数小于 丝杠，从而使各个进给总体刚度值增大，且传动比较平稳，综上可确定其总体 方案为：采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出脉冲给步进电动机带 动滚珠丝杠实现纵向、横向和垂直方向的进给运动。 三个方向的进给运动是本课题设计的重点，本文将在第三章和第四章重点 介绍。 第二章 机床总体设计 7 图 2-1 火焰切割机的基本结构 23 割炬设计 割炬又称割枪，是气割必不可少的工具。割炬的作用是向割嘴稳定的供送 预热用气体和切割氧，并能控制这些气体的压力和流量，调节预热火焰的特性 等。对割炬的要求是简单轻便，易于操作，使用安全可靠。 割炬按乙炔气体和氧气混合的方式不同分为射吸式和等压式两种。射吸式 主要用于手工割炬，等压式多用于机械式切割。本设计采用等压式结构，这种 割炬的预热火焰是按等压式焊矩原理设计的。预热氧和切割氧分别由单独的管 道进入割嘴(压力相当)，在割嘴内混合，产生预热火焰。这类割炬配有专用割 嘴，结构简单，预热火焰稳定，回火现象比较少，本设计采用的切割气体是乙 炔-氧的混合气体，且等压式割炬一般只适合于中压乙炔。割炬如图 2-2 所示: 第二章 机床总体设计 8 图 2-2 割炬 第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 9 第三章第三章 数控火焰切割机伺服系统设计数控火焰切割机伺服系统设计 31 数控系统控制方式及组成原理 该机床伺服系统采用驱动装置为步进电机的开环伺服系统，下图所示为数 控机床中较为简单的开环控制系统，数控装置发出的信号的流程是单向的，因 此，不存在稳定性问题。也正是由于信号流程单向，它对机床移动部件的实际 位置不检测，其加工精度不高，精度主要取决于伺服系统的性能。 在开环控制系统中，输入装置把输入信号给数控装置，经数控装置运算后 分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。 32 步进电机原理及特点 步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它 实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输 出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱 动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器 转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各项绕组。每输入 一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生变化，转子会 转过一 定的角度(称为步距角)。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数 成正比，连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严 格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收 数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。定子铁心上有六个形状相 同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为 60 度。每个大齿上都套有一个线圈， 径向相对的两个线圈串联起来成为一项绕组。各个大齿的内表面上又有若干个 均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小 齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某 一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近 第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 10 的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两 相的各个大齿下的小齿定和转子的小齿分别错开正负 1/3 的齿距，形成齿错 位，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。 步进电机有很多类型。按其工作原理，可分为反应式，永磁式永磁感应式、 机械谐波式、电磁谐波式等。按励磁相数，有 3 相、4 相，5 相、6 相甚至 8 相。 按其功率，可分为快速步进电机和功率步进电机。在数控机床中，目前广泛采 用的是反应式步进电动机。所以在本次设计中，采用反应式步进电动机。 33 步进电机的选择 331 横向步进电机的选择 根据火焰切割机负载的特点，由于在切割时横向只有横梁、钻头和电机的 重量，不承受切削力，仅需要较小的输出转矩。 横向步进电动机的选择： 加工精度确定脉冲当量以及步距角 由任务书知：脉冲当量 =001mm，选取步距角 =15 的三相步进 电机。 步进电动机转轴上的启动力矩的计算 用公式 Tq=36Fs+(G+Fz)/2 因此工作台运行过程中不进行切削，故运动方向的切削抗力为： Fs=0，垂直方向的切削抗力为：Fz=0，工作台重量（包括夹具在内） 为：G=4500N，直线导轨摩擦系数理论上在 0.01 至 0.02 之间，但实 际应用中由于安装平行度，为消除间隙采取的预紧，回珠器曲线失真 （在高速时体现） ，内外滚道一致性等因素不可控性太强。常常大于 理论值很多。建议按照 0.10 核算。摩擦系数 =0.10（滑动导轨） ， 总机械效率 =085，则 Tq =360010+010（4500+0） /21.5085=20.2（Ncm） 第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 11 由表 3-14（II）Tp/Tjm=0866 步进电机最大静转矩为：Tjm= Tp/0866=23.4（Ncm） 电机的选择与校核 fmax=1000Vmax/=10000025/002=1250HZ 根据以上参数查阅资料 III 可确定选用的步进电机为：90BF003（新） 型号步距角最大静转矩最高空载启动频率相数 90BF00315/3(200Nm ) 2000(step/s)3 其保持转矩为：Tmax=784(Nm)。 转子惯量：Jm=47(kgcm2) 。 负载惯量：JL =J1+（J2+JS）+W(S/2)/g/i(kgfcms)，则： 计算的负载惯量JL =3196（kgc） 。 负载转矩 T1=Jf *n10/96T=02929（NM） ，故: T1/Tmax=02929/784=003705， JL/Jm=3196/47=0684。 满足容量匹配和惯量匹配的条件查电机的运行矩特性，进过计算，电机 的最大快进速度 V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s） ，满足速度要求。 332 纵向步进电机的选择 加工精度确定脉冲当量以及步距角 由任务书知：脉冲当量 =002mm，选取步距角 =15 的三相步进 电机。 步进电动机转轴上的启动力矩的计算 由于工作台运行过程中不进行切削，根据公式 Tq=36Fs+(G+Fz) /2，故运动方向的切削抗力为：Fs=0 第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 12 垂直方向的切削抗力为：Fz=0 工作台重量（包括夹具在内）为：G=8000N，摩擦系数 =0.1（滑动 导轨） ，总机械效率 =085，则: Tq =360020+0.1（8000+0）/21.5085=71.94（Ncm） 查手册知 Tp/Tjm=0866 步进电机最大静转矩为： Tjm= Tp/0866=81.99（Ncm） 电机的选择与校核 根据以上查资料可选择的步进电机为 90BF003。 其保持转矩为Tmax=784(Nm)。 转子惯量Jm=47（kgcm2） 。 负载惯量JL =J1+（J2+JS）+W(S/2)/g/i(kgfcms) 其中齿轮 Z1 及其轴的转动惯量 J1=0，齿轮 z2 的转动惯量 J2=0 丝杠转动惯量 Js=603（kgc） ，则: 负载惯量JL =704（kgc） 负载转矩=Jf *n10/96T=11（NM） ，故: T1/Tmax=11/784=01405 JL/Jm=704/47=14984 满足容量匹配和惯量匹配的条件。查电机的运行矩特性，进过计算， 电机的最大快进速度 V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s） ，满足速度要求。 333 垂直方向步进电机的选择 加工精度确定脉冲当量以及步距角 由任务书知：脉冲当量 =001mm，选取步距角 =15 的三相六拍 第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 13 步进电机。 步进电动机转轴上的启动力矩的计算 Tq=36Fs+(G+Fz)/2 因此工作台运行过程中不进行切削，故运动方向的切削抗力为： Fs=0，垂直方向的切削抗力为：Fz=0，工作台重量（包括夹具在内） 为：G=5880N，摩擦系数 =015，总机械效率 =085， 则 Tq =360010+015（500+0） /206085=843（Ncm） Tp/Tjm=0866 步进电机最大静转矩为：Tjm= Tp/0866=973（Ncm） 电机的选择与校核 fmax=1000Vmax/=10000025/001=2500HZ 根据以上参数查阅资料可确定选用的步进电机为：55BF003。 第四章 火焰切割机传动装置设计 14 第四章第四章 火焰切割机传动装置设计火焰切割机传动装置设计 数控火焰切割机的传动装置是将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动 的整个机械传动链及其附属机构包括丝杠螺母副、导轨等。 41 齿轮齿条传动 齿轮齿条传动主要是用来将旋转运动变为直线运动，或将直线运动转化为 旋转运动。 在经济型数控机床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动， 并广泛采用滚珠丝杠副传动。但是此火焰切割机长度为 20 米，丝杆加工难度 大，难以保障其质量和精度，而齿条可以无限拼接，故纵向及横向采取齿轮齿 条传动。 411 齿轮齿条传动齿轮齿条传动的工作原理及特点 齿轮齿条的外形如图 4-1 所示 图 4-1 齿轮齿条 第四章 火焰切割机传动装置设计 15 齿轮齿条传动是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，或将齿条 的往复直线运动转变为齿轮的回转运动。此处是将齿轮的回转运动转变为齿条 的往复直线运动。 齿轮传动是应用最广泛的传动机构之一，齿轮传动依靠主动齿轮与从动齿 轮的啮合，传递运动和动力，与其他传动相比，具有以下特点： 优点：1、传递动力大、效率高；2、寿命长，工作平稳，可靠性高；3、 能保证恒定的传动比，能传递任意夹角两轴间的运动。 缺点：1、制造、安装进度要求高，因而成本也较高；2、不宜远距离传输 412 纵向齿轮齿条的传动设计计算 1齿轮的设计计算 模数由强度计算或结构设计确定，要求圆整为标准值。传递动力的齿轮传 动 ，查询机械设计手册表 8.2-3 通用机械和重型机械渐开线圆柱齿m2mm 轮法相模数（GB/T 1357-2008） ，故此处取 2.5mm。因为火焰切割机为一般机械， 故精度选取 7 级精度。小齿轮选取材料为 40Cr（调质） ，齿面硬度 280HBS，大 齿轮（齿条）材料为 45 钢（调质） ，齿面硬度 240HBS。 选取小齿轮齿数 ，大齿轮 1=25 Z 2 Z 按齿面接触强度设计 按设计计算公式（文献810-9a）计算，即： （4-3 2 1 1 )( 1 32 . 2 H Et Z u u d TK d 1） （1）确定公式内各计算数值 1）选择载荷系数=1.3。 t K 2）由以上可知小齿轮的扭矩为 3 7.84 10mmN 3）由文献8表 10-7 选取齿宽系数。1 d 第四章 火焰切割机传动装置设计 16 4）由文献8表 10-6 查得材料的弹性影响系数。 2 1 Mpa8 .189 E Z 5）小齿轮直径 11 d =m=25 2.5=62.5mmZ （2）计算接触疲劳许用应力 1）通过文献8图 10-21d 按照齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮接触疲劳强度极限。MPa H 600 1lim MPa H 550 2lim 2）定工作寿命为 15 年（每年 300 天） ，两班制，每班 8h 则根据文献8 公式 10-12 计算应力循环次数： （4- 9 9 2 9 11 100125 . 1 2 10025 . 2 10025 . 2 60 N jLnN h 3） 3）由文献8图 10-19 得接触疲劳寿命系数，。90. 0 1HN K96 . 0 2 HN K 4）定失效概率为 1%，安全系数 S=1，则由文献8公式 10-12 得： （4-MPa S K MPa S K HNHN 528540 2lim2 2H 1lim1 1H 4） 所以，取。MPa H 528 （3）计算 所以，综上所述齿面接触疲劳强度符合要求。 按齿根弯曲强度设计 由文献8公式 10-5 得弯曲强度设计公式为： （4-3 2 1 1 )( 2 F SaFa d YY z KT m 6） （1）确定公式内各数值 2 t 1 2 d ku1 d2.3259.8mm u E H TZ t 1 u1 2.5=302.75pa bdu HEH KF ZM 第四章 火焰切割机传动装置设计 17 1）计算圆周速度 （4-s/m87. 6 100060 1250105 100060 11 nd v 7） 2）计算齿宽与齿高比 齿宽: （4- d1 b=d =59.8mm 8） 齿高: （4-9） t 59.8 h=2.25m =2.25=5.382mm 25 齿宽与齿高比: （4-10） b59.8 =11.11 h5.382 3） 、根据，7 级精度，由文献8图 10-8 查得动载系数s/m87 . 6 v ；06 . 1 v K 直齿轮；1 FH KK 由文献8表 10-2 查得使用系数；1 A K 由文献8表 10-4 用插值法查得 7 级精度，小齿轮相对支承非对称布置时， ；4193 . 1 H K 由 查文献8图 10-13 得，。载荷系数11.11 h b 4193 . 1 H K36 . 1 F K (4-11)4416. 1 FFvA KKKKK （2）计算弯曲疲劳许用应力 1）由文献8图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，MPa FE 500 1 大齿轮的弯曲疲劳强度极限。MPa FE 380 2 2）由文献8图 10-18 得疲劳寿命系数，。84. 0 1FN K87 . 0 2 FN K 3）取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由文献8公式 10-12 得 第四章 火焰切割机传动装置设计 18 (4-12) MPa S K MPa S K FEFN FEFN 29.225 86.292 22 2F 11 1F 所以，取。 MPa29.225 F 4）查文献8表 10-5 得齿形系数，；62 . 2 1Fa Y32 . 2 2 Fa Y 5）查文献8表 10-5 得应力校核系数，。59. 1 1Sa Y70 . 1 2 Sa Y 6）计算大、小齿轮，并加以比较 F SaFaY Y (4-13) 0175. 0 29.225 70 . 1 32 . 2 0144 . 0 86.289 59 . 1 62 . 2 2 22 1 11 F SaFa F SaFa YY YY 所以取大值。 （3）计算 (4-14) F d SaFa F MPa zm YYKT mmm 37.20 2 773 . 0 0175 . 0 25 57304416. 12 2 1 3 1 3 2 所以，弯曲疲劳强度符合要求。 综上所述，取 ，m=2.5 时符合应力要求。 1 25Z 所以得出参数， ，m=2.5, 1 25Z 2 Z 1 d =62.5mm mmBmmB75,80 21 又由于横向和纵向的载荷并无多大差别，且电机型号一致，故横向齿轮齿 条传动与纵向齿轮齿条传动各项参数一致，仅齿条长度不一致。此处不再做计 算。 第四章 火焰切割机传动装置设计 19 42 滚珠丝杆副的设计计算 螺旋传动主要是用来将旋转运动变为直线运动，或将直线运动转化为旋转 运动。 在经济型数控机床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动， 并广泛采用滚珠丝杠副传动。 421 滚珠丝杠副的工作原理及特点 滚珠丝杠副的外形如图 4-1 所示 图 4-1 滚珠丝杠外形 滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠， 这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动磨擦变为滚动磨擦 第四章 火焰切割机传动装置设计 20 的一种传动装置，其内部结构如 4-2 图所示，当螺杆转动螺母移动时，滚珠则 沿螺杆螺旋轨道面滚动，在螺杆上滚动数圈后滚珠从滚道的一端滚出并沿反向 器返回另一端重新进入轨道，从而构成闭合回路。 图 4-2 滚珠丝杠内部结构 滚珠丝杠具有如下特点： 1) 传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达 92%-98%。对机械小型化， 减少启动的震动和滞后时间以及节约能源等方面，都有重要的意义。 2) 运动平稳。滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，故运动 平稳，启动无颤动，低速时无爬行现象。 3) 传动具有可逆性。 4) 可以预紧。通过对螺母施加预紧能消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向 接触刚度，但摩擦力矩不增大。 5) 定位精度和重定位精度高。 6) 同步性好。 第四章 火焰切割机传动装置设计 21 7) 使用寿命长，使用可靠，润滑简单，维修方便。 422 滚珠丝杠副的设计 3垂直向滚珠丝杠的传动计算 丝杠载荷：F=mg 垂直向摩擦力：F=0.152509.8=367.5N 电机转速（最大）：nmax=1500r/min 丝杠最大转速（快移）：n=150r/min 丝杠导程：工作台最大工作速度 图 4-5 垂直方向滚珠丝杠 Vmax=0.025m/s=0.025100060mm/1min=1500mm/min Ph=Vmax/n=1500/150=10mm 当量转速：nm=n1q1/100+n2q2/100=100r/min 当量负荷：Fm=(F13n1q1 )/100nm+(F23n2q2 )/100nm 垂直向负荷：Fm=411N 第四章 火焰切割机传动装置设计 22 6初选滚珠丝杠 a 要求寿命 Lh=300（日）8（h）0.6（开机率）10（a）=14400h 由手册查得：Kh=3.9 由手册查得：Kn=0.64 b综合系数：f=ftfhfafn / fw=1110.35/1.3=0.408 查得：ft =1，fh =1 ，fa =1 （丝杠精度 1-3）fn =0.53（可靠 性 96%）fw =1.3 c计算动载荷：cj=KhFm /Knf 垂直向动负荷：cj=3.9367.5/(0.640.408)=5489N 滚珠丝杠副的型号：经查手册选用 FD 型内循环浮动返向器螺母垫片 预紧滚珠丝杠副，型号为：垂直向为 FD2506-3 额定负荷 c =118KNcJ 。 预紧力 Z 方向为： F0z=0.25c =0.2511.8KN=2590NFmax/3=73.5/3=24.5N 符合要求。 丝杠螺纹部分长度： lu =工作台最大行程 +两端余程 Z 方向： luz =200+140=340（mm） 支撑距离 支撑距离 L 应大于 Lu Z 方向支撑距离：Lu =500mm 临界转速 按式 2.8-18（I）：nc =9900f22 d2 /Lc2 Z 方向临界转速：ncz =99004.7320.0164/0.352=29653r/min a. 丝杠底径：d2 =d0 -1.2Dw Z 方向丝杠底径：d2z =23.9mm b. 支撑方式系数 第四章 火焰切割机传动装置设计 23 由表 2.8-66（I）查得 f2 =4.73（两端固定） c. 临界转速计算长度 Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度-螺纹长度） /2 Z 方向：Lcz =100/2+200+40+（500-380）/2=0.35m ncz nmax 符合要求 压杆稳定校核 两端固定支撑，丝杠受压缩，因而不必校核稳定性。 预拉伸计算 a. 温升引起的伸长量：设温升为 3.5C，按式 2.8-30（I） t =tl 则 Z 方向伸长量：tz =1110-63.50.35=13m b. 丝杠全伸长量：tz= tl Z 方向伸长量：tz(z)= 1110-63.50.5=19m c. 预紧力：按拉伸公式 Ft=tAE/Lu Z 方向预拉力：Ftz=510-6 （/4）0.01642 211011/05=4436N 轴承的选择 a. 轴承的型号选择 Z 方向轴承型号为 7603020TVP 主要尺寸参数：由表 28-37（I）查得： d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，DW=7144mm，C=24500N， 预紧力 F0=2900N，平键 GB109579 5520 b. 预紧力的确定 F0z=2900N 第四章 火焰切割机传动装置设计 24 Z 方向轴承的最大轴向载荷为： Fmax(z)=Ftz+ Fmax(z)/2=4436+73.5/2=4473N 由于 F0z Fmax(z)/3=4436/3=1491N 符合要求 c. 疲劳寿命计算额定动负荷 由轴承动负荷计算公式校核：C=KhF/Kn 进给方向是可变的，负荷可能是（Ftz+Fm/2）和（Ftz-Fm/2） 两者机会均等，取平均值。 由表 2.8-64（I）查得：Kn=0.64，取 Ln=1500h，则 Kh=3.11 额定动负荷：Cy=3.114436/0.64=21556NC 满足寿命要求。 定位精度校核 a. 丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移：由式 28-21a（I）得： s max=Fl106/4AE Z 方向 smaxz=7350510/4(/4) 001642211011 =02m b. 丝杠与螺母间的接触变形 c=F/Kc 由所给资料（III） ，FFZD2506-3 滚珠丝杠副的接触刚度为： 839N/m FD2506-3 滚珠丝杠副的接触刚度为： 636N/m Z 方向：cz=Fz/Kcz