资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共41页)
编号：77981195
类型：共享资源
大小：1.23MB
格式：ZIP
上传时间：2020-05-08
上传人：柒哥
认证信息
个人认证
杨**（实名认证）
湖南
IP属地：湖南
40
积分
- 关 键 词：
-
火车
车轮
圆孔
火焰
切割
专机
设计
- 资源描述：
-
火车车轮圆孔火焰切割专机设计,火车,车轮,圆孔,火焰,切割,专机,设计
- 内容简介：
-
2013 届毕业设计（论文）任务书学 院机械与汽车工程学院班 级姓 名题 目设计火车车轮圆孔火焰切割专机设计指导教师论文主要内容及基本要求完成火车车轮圆孔火焰切割专机的机械部分总体设计计算。完成总装配图一张，零件图若干。完成毕业设计说明书设计（研究）条件及预期目标用于火车车轮生产线上车轮内控的粗成形。工作节拍90s。进度安排起 止 日 期内 容2012.12-2013.012013.02-2013.042013.05-2013.06接受毕业设计题目，完成开题报告。完成毕业设计设计计算，绘图。完成毕业设计说明书撰写，按照学校日程进行毕业设计答辩。参 考 文 献1 宴初宏. 数控机床与机械结构M. 北京：机械工业出版社，20052 韩鸿鸾，荣维芝，王栋臣. 数控机床机构与维修M. 北京：机械工业出版社，20043 机床设计手册编写组. 机床设计手册（1，2，3，4，5）M. 北京：机械工业出版社4 李洪. 实用机床设计手册M. 沈阳：辽宁科学技术出版社，19995 廉元国、张永洪. 加工中心设计与应用M. 机械工业出版社，19956 舒志兵,曾孟雄,卜云峰. 机电一体化系统设计与应用M. 北京：电子工业出版社，20077 机械设计手册编委会. 机械设计手册M. 北京：机械工业出版社，20048 吴小邦，尤新华. 圆孔火焰切割专机的设计及应用J. 制造技术与机床，2010（12）：76-79指导教师（签名）：_ 2012年12月29日系（教研室）审核意见符合毕业设计任务书要求，同意。系主任（签名）：_2012年12月30日说明：毕业论文任务书由指导教师根据课题的具体情况填写，经系部审核并由系主任签字后生效。此任务书在毕业论文开始前一周内填写并发给学生。 2013 届毕业设计（论文）开题报告题 目 火车车轮圆孔火焰切割专机设计 学 院 机械与汽车工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 姓 名 丁芯诚 班 级 09机制3Z 指导教师 刘浏 起止日期 2013年1月2013年6月 2013 年 1 月 25 日毕业设计（论文）开题报告一、 课题的意义目的由于工厂里加工火车车轮都是采用大批量生产的方式，而所要加工的火车轮的圆孔厚度较大，用机加工的方法根本不能保证流水线上的节拍要求，因此我们采用火焰切割内孔的方法，而要加工的孔是一个圆孔，为了更好的提高整线的生产效率，考虑到采用三个切割头来切割圆孔。这样利用火焰切割内孔的方式，进行深孔火焰快速切割的实验，最终设计出火焰切割专机。通过这次的毕业设计一方面可以培养我的综合分析解决问题的能力同时还能提高我的独立分析工作的能力，也是对我大学四年所学知识的一个总结。二、任务分析1、完成火车车轮圆孔火焰切割专机的机械部分总体设计计算。2、完成总装配图一张，零件图若干。3、完成毕业设计说明书，进行答辩3、 设计方案 本方案是采用步进电机带动工装旋转从而实现火焰切割圆孔这样的方法来降低成本的，而火焰切割头则采用三个切割头切割工件，这样可以提高生产效率。为了能确保同心，可以采用类似三爪卡盘的机构，从而方便调节三个切割头的直径。具体设计方案如下：分析所要设计专机是如何保证切割质量，虽然要求切割时间是90s，但实际切割时间是不能超过70s的，因为其中还有辅助操作需要20s的时间，这样方可保证达到要求。然后考虑到切割时间及割枪的回转范围不能太大，所以采用三把割枪圆周均布，回转工作台旋转120度进行切割圆孔。为了保证火车轮输送到切割工位时它的中心位置固定不变，则采用对中定位夹紧的方法从而实现工件在流水线上的定中心问题。下面是对该专机进行总体设计，该切割专机设计的重点在于对切割部件的设计，该切割部件包括直线切割部件和旋转切割部件，这两个部件都是安装在升降部件的角铁式座架上的。对升降部件的设计则是为了控制割枪的上下调节来方便加工工件的，另一方面要对三个割枪的圆周移动距离以及升降部件中的螺杆直径进行设计计算，由于升降部件这一部分要考虑到要保证升降座的自锁功能，因此还要对升降部件中的升降座自锁性进行验算。在做完上述工作后，还要完成总装配图一张，零件图若干，毕业设计说明书并且进行复查、最终完善，满足这些要求后再进行最后的答辩。四、预期成果1.绘制装配图一张2.绘制零件图若干3.撰写毕业设计说明书五、进度安排2012.12-2013.01 接受毕业设计题目，完成开题报告。2013.02-2013.04 完成毕业设计设计计算，绘图。2013.05-2013.06 完成毕业设计说明书撰写，按照学校日程进行毕业设计答辩。六参考文献1 宴初宏. 数控机床与机械结构M. 北京：机械工业出版社，2012.2 韩鸿鸾，荣维芝，王栋臣. 数控机床的机构与维修M. 北京：机械工业出版社，2012.3 隋秀凛，高安邦. 实用机床设计手册M. 北京：机械工业出版社.2010.4 李洪. 实用机床设计手册M. 沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.5 廉元国、张永洪. 加工中心设计与应用M. 机械工业出版社，1995.6 舒志兵,曾孟雄,卜云峰. 机电一体化系统设计与应用M. 北京：电子工业出版社，2007.7 成大先. 机械设计手册第1卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008. 8 成大先. 机械设计手册第2卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008. 9 成大先. 机械设计手册第3卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.10 成大先. 机械设计手册第4卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.11 成大先. 机械设计手册第5卷（第5版）M. 北京：化学工业出版社，2008.指导教师意见（对课题设计（研究）内容的深度、广度及设计（研究）方案的意见和对毕业设计（论文）结果的预测等）该开题报告表明，该同学正确理解了该毕业设计课题。照此执行，可以按时完成毕业设计。指导教师签名：2013年1月21日系（教研室）审核意见：同意该开题报告 系主任签名： 2013年1月21日注：开题报告应在指导教师指导下由学生填写，经指导教师及系审核后生效。1目录.1中文摘要.2Abstract.3第 1 章 绪论.41.1 切割技术的种类及发展 .41.2 数控火焰切割简介 .41.3 割炬运动分析 .7第 2 章 数学模型及工艺分析.92.1 钢管典型相贯线数学模型的建立.92.2 割炬运动分析 .112.3 焊接坡口工艺分析 .122.4 割炬的径向补偿 .13第 3 章 设备总体方案及布局.143.1 机床总体方案 .143.2 切割机传动系统的简要说明 .143.3 功能和技术参数分析 .16第 4 章 机械系统设计.184.1 Z 轴工作滑台的设计.184.2 调整丝杠的设计.284.3 齿轮齿数的确定与较核 .304.4 支架的设计 .31第 5 章 控制系统设计.345.1 系统方案设计.345.2 控制系统的选用 .355.3 数控装置的部件结构和安装 .365.4 控制系统的硬件设计 .365.5 图形交互人机界面 .38总结.39致谢.40参考文献.412中文摘要本设计以相贯线数学参数模型的基础, 分析切割机的割炬的轨迹运动, 将切割运动分解为割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿四轴联动,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动进行研究,并最终完成相贯线切割机的设计.该切割机采用数控原理进行轨迹控制，采用火焰切割方式工作.设计共分四部分:相贯线数学参数模型的建立,切割机总体方案设计,机械结构设计和控制系统设计.关 键 词:大型管材;相贯线;焊接坡口;数控火焰切割3AbstractBased 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-cutting4第 1 章 绪论1.1 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。1.2 数控火焰切割简介1.2.1 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5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。1.2.2 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6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。1.2.3 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7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。1.3 本设计简介随着海洋石油工业的发展 ,海洋工程结构建造将面对面大量的钢管相贯的加工.南海西部石油合众 公司，主要以海上平台上部模块建造工程为主,而大型管材相贯是该海上平台加工制造过程中经常遇见的切割焊接结构.相贯焊接前,管端相贯线需要加工,相贯线上每一点的焊接坡口也需要加工 .根据石油天然气行业标准(SY/T 4802-92)和美国石油协会标准 (API PI 2A),相贯线上每一点的焊接坡口取决于该点的局部两面角 . 不同形式的钢管相贯 ,相贯线上每一点的局部两面角各不相同,局部两面角沿相贯线在不断变化 .目前，该公司切割下料以人工作业为主，对于这种带坡口相贯线均采用人工放样等工艺方法来进行加工,因此下料工作进度与效率成为影响整个平台建造工程进度的主要因素，为改变工作强度大和效率低的现状,本课题尝试运用所学的机电一体化的相关知识进行大型管材相贯线切割机的设计.本课题所研究的大型管材相贯线切割机是属于数控火焰切割机,如下图1-1它具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序,自动完成从点火 -预热-通切割氧-切割-熄火-返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧-乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板进行切割,而不像金属切削机床那样,是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。目前这种数控火焰切割机仍依赖进口.因此,开发这种火焰切割机具有重要的意义.81-1 大型管材相贯线切割机9第 2 章 数学模型及工艺分析2.1 钢管典型相贯线数学模型的建立 如图 2-1 所示,空间相贯线是一个复杂的空间曲线,描述其轨迹需要用空间坐标方程 f(x,y,z)=0,其函数关系复杂,但由于相贯线是两个圆柱的交线,所以,采用柱坐标可以把三维坐标转化为二维坐标方程 f(h,)=0.以下相贯线均指支管内圆柱和主管外圆柱相贯.图 2-1 空间相贯线曲线如图 2-2 所示,在空间三维坐标系下两圆柱的相贯线方程为 (1) (2)式中 r - 支管半径 (mm)R - 主管半径 (mm)坐标系与坐标系间存在以下坐标变换关系 OxyzOxyz图 2-2 两圆柱的相贯线 (3)222yzR222yzrcossinxxy10(4)(5)式中 - 坐标系旋转角,亦即两管交角.在平面内支管圆柱面的方程为 (6) (7) 图2- 3 支管圆柱面的方程式中 - 支管上的旋转角. 由式(1)(7) 式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下 (8) (9) (10)取在坐标系下过相贯线上x轴坐标值最大的点且垂直于x轴的平面为下料Oxyz基准面.其在 坐标系下的方程为 Oxyzsincosyxy zzcosyrsinzrcoscossinyrx22sinyRrsinzr1122()sin()(cos()(sintanRrerhf 1 (11)由此可得支管下料高度为 (12)即下料高度 h 是支管上的旋转角的函数: (13)以上讨论的是典型相贯线数学方程,即两圆柱轴线相交成一角度.在两圆柱轴线异面并有一偏心距 e 时,其相贯线方程为: 式中 - 支管壁厚 (mm) - 扭转角,标志主管相对于支管的扭转角度. 2.2 割炬运动分析 如图 2-3 所示,被切支管保持不动,割炬沿被切支管做 R 轴(旋转轴),T 轴(摆动轴),A 轴(纵向补偿轴)三轴和环架的 Z 轴(轴向移动)共四轴联动.正式切割前,手动完割炬和环架的径向运动,以调整割炬与被切管径向位置;在切割过程中, 割炬按照设定速度绕被切管作回转运动, 被切管剖面的摆动和径向补偿运动,环架沿被切管轴向作轴向移动,其速度大小是由管壁厚和害炬回转速度决定. 割炬在被切管剖面的摆动角度按工艺规范切出坡口.四轴必须按照一定的数学关系联动,才能切出所需的空间相贯曲面.cotcscxrR( cotcsc ) ( cossin)hrRxycoscos22( ) ( cotcsc ) (cossinsin)sinyrhfrRRr12图 2-4 割炬运动注:1肖聚亮,王国栋.火焰数控切管机割炬轨研究及仿真2.3 焊接坡口工艺分析根据焊接工艺要求,为保证构件的强度和避免较大的焊缝尺寸,一般中厚板的接头都要进行开坡口焊接.因此,切管时不仅要切出相贯线,还要切出坡口角,切管机最后切出的管端形状是空间曲面.根据美国焊接学会AWS D1.1规范要求,所开焊接坡形式,根部间隙和钝边高度均取决于相交双管相贯线上各部位的局部二面角.而支管下料时切割高度曲线的确定也与相贯线上的局部二面角相关.不同管径,不同厚度,不同交角的相交双管的相贯线上的各部位局部二面角各不相同.在工程实际中,焊接坡口角度是通过钝边和坡口切割高度来保证的. 131图 2-5 焊接坡口参数及装配规范坡口角的取值是根据两面角的大小来决定.相贯线上任选两点两面角为: 根据石油天然气行业标准 (SY/T 4802-92)和美国石油协会标准 (API PI 2A)来确定坡口角.按API标准 当 90时,坡口角 = /2; 当 90时, = 45.2.4 割炬的径向补偿 在实际切割过程中是沿支管外表面进行的 ,在这一过程中不仅要完成相贯线的切割,也要完成坡口的切割 .坡口角是由实际切割角来保证,实际切割角由割炬绕支管外表面一点在轴剖面内偏转实现的 ,其偏转的结果不应使要切割的相贯线偏离原来的位置 ,为此,割炬需沿支管外表面作径向补偿 .其补偿量 为: = tan图 2-6 径向补偿arccoscos() 14第 3 章 设备总体方案及布局3.1 机床总体方案对于大型钢管的相贯线的切割有两个方案：方案 1：钢管由主轴带动旋转，同时割矩枪只需进行轴向移动即可实现切割要求，所以要实现 2 轴联动。方案 2：钢管静止不动，并且由于相贯钢管的直径大小不同、相贯角度不同，都会导致相贯线轨迹的不同，因此割矩枪必须要利用数控系统实现轴向转动、轴向移动、径向补偿移动、轴剖面内摆动 ,均采用步进电动机带动，所以要实现 4 轴联动,并且要求能进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。由于被加工的钢管最大重量可达 M=7.810003.14(0.50.5-0.460.46) 12=11285.9kg 且钢管长度最长时可达 12m。如果照方案 1 钢管转动起来需要耗费比较大的功率,并且钢管过长转动起来还会产生较大的扭矩从而影响钢管的加工质量.因此本设计采用方案 2.3.2 切割机传动系统的简要说明3.2.1 切割机各轴的定义 切割机在实现相贯线切割时,需要四轴联动和两个手动来完成.现定义四轴如下图 3-1.15图 3-1 切割机的四轴联动3.2.2 Z 轴工作滑台简明传动系统图z 轴主要完成沿着钢管轴心的轴向进给图 3-2 Z 轴传动系统图3.2.3 R 轴和 A 轴传动系统图R 轴和 A 轴分别实现割炬绕着钢管转动和沿钢管径向补偿.如图 3-3。16图 3-3 R 轴和 A 轴传动系统图3.2.4 T 轴和径向调整传动系统图T 轴是实现割炬的前后摆动,以切出所需要的坡口角.其摆动行程为 30-30.图 3-4 T 轴和径向调整传动系统图3.3 功能和技术参数分析相干钢管的直径大小不同、相干角度不同，都会导致相干相贯线轨迹的不同，因此割矩枪必须要利用数控系统实现纵向移动，旋转运动和径向移动的定位精度、走刀速度等诸技术参数，并且要求能进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。加上割矩枪在旋转过程中随着切割位置的不同还需要割矩摆动角度参数，即机床要实现四轴联动。加工的钢管直径尺寸 2001000mm，最长 12000mm,厚度 1040mm，属于比较大型的钢管，精度要求不高，主要考虑机构机床的刚度要求。因此可采用开环结构，并选择步进电动机作为机床的动力源。17步进电动机可通过数控装置实现无级调速，因此主轴转速只需要满足最小与最大极限要求转速即可在此范围内实现连续的速度变化要求。由于乙炔在热切割里应用的广泛性和低成本,决定选用乙炔作为气体燃料。选用外混式割嘴。查简明焊工手册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号码喉径 d/mm切割速度（mm/min）52010.6800300254020.8500250357031.035015018第 4 章 机械系统设计4.1 Z 轴工作滑台的设计4.1.1 脉冲当量即系统分辨率。p本设计中选用0.01mmp4.1.2 选定传动比当 1 时，可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。因此i本设计中取 1。i4.1.3 初选步机电机根据公式 公式 (4-1)pbLi3600其中 为传动比，为电机步距角，为滚珠丝杠导程，为脉冲当量。ib0Lp因为 1，0.01mm，现取4mm，可得0.9o初选步进电机型号为ip0Lb90BF001。4.1.4 计算丝杠承受的质量在本设计中加工的最在钢管直径是 1m, 以 30 o 为钢管的最小相干角度,则此时丝杠的行程至少应为 1.73m, 丝杠的尺寸取整为 2m.燕尾槽的重量大约为 0.100.60.30.67.81000=84.2kg工作台的重量为 0.30.330.047.81000=30.8kg齿轮和管状体的重量大概为 7.8(0.70.7-0.60.6)3.14 0.1=318.3kg再加上绕齿轮转动的燕尾滑块、两个电动机、和火焰切割枪等，取丝杠所承受的质量 M=460kg194.1.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据是根据最大工作载荷和最大静载荷。初步选型后，进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算。4.1.5.1 最大工作载荷的计本设计中，选用矩形滚动直线导轨。得滚珠丝杠上的工作载荷：公式(42)其中为考虑导轨上的摩擦系数, 对于矩形滚动导轨取0.005。G=M 所以，f f 22.548 . 94600.005Fm4.1.5.2 最大动载荷的计算和主要尺寸的初选C滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算：C 公式(43) mmFfL3C 式中：为工作寿命，； 为丝杠转速，； 为最L610/60ntL n0/1000Lvn v大进给速度；为丝杠导程； 为额定使用寿命，可取 15000h；为运转状态0Lttmf系数，现1.5；为丝杠工作载荷；mfmF由板厚 520、2540、3570mm 查简明焊工手册P581 可得火焰切割速度分别为 800300、500250、150350mm/min。综合考虑大齿轮的旋转运动和底下工作台的直线运动选项用工作台的直线进给速度为 =0.8m/minv 公式（44)10(18010150002006010/60min/20048 . 01000/10006660rntLrLvn所以，89.19022.545 . 1180C33mmFfL本设计选外循环滚动螺旋副，查机电综合设计指导书表 2-8，根据Gf mF201mF LEA4mm，选丝杠公称直径，有：0Lmmdm169700C4000C93312.52.381DWoaamm额定静载荷额定动载荷，丝杠螺旋升角，列数圈数，滚珠直径因为，所以初选的丝杠螺母副合格。CaC4.1.5.3 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 公式(45)(tgtg式中：为丝杠螺旋升角，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数0.0030.004,f其摩擦角约等于。01 所以， 96. 0)01933(933)(tgtgtgtg4.1.5.4 刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计，只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑。A） 丝杠的拉压变形量1滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量，其计算公式为 公式(46)21式中：为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（mm） ；1mF为丝杠的工作载荷(N)；为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)；E 为材料弹性mFL模量，对钢 E20.6104MPa；A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm2） ；“”号用于拉伸， “”号用于压缩。根据滚珠直径 DW2.381mm22211242.94113.59414. 3d4A59.13238. 12034. 021622d034. 0)2/381. 2238. 1 (707. 0)2/(707. 0238. 1381. 252. 052. 0mmmmRedmmDRemmDRmwW公式见机电一体化设计基础P25，其中， 为丝杠公称直径。为丝md1d杠底径。取进给的丝杠长度 L2000mm.。所以 =0.00151mmmm4-411015.1144.91020.6200022.54B） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。其计算公式：有预紧时 公式(47)32wm2DF0013. 0ZFYJ式中：为滚珠直径（mm） ；为滚珠总数量圈数列数；Z 为一圈wDZZZ的滚珠数，（外循环） ；为滚珠丝杠的公称直径（mm） ；为滚珠丝杠的工wmDd/ZmdmF作载荷（kgf） ；为预紧力（kgf，1kgf=9.8N） ，取工作载荷的 1/3。YJFmF22因为，212.381163.14 Z圈数列数212.5152.5ZZ513. 754.223131FYJmF所以0.000558mm52.522.542.38122.540.0013322因为滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为工作载荷的 1/3 时， 值可减少一半左2右。所以纵向和横向：0.000279mm。2C） 滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总的变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给21系统规定的定位精度值的一半。因为 mm001789. 00.00027900151. 021机床进给系统规定的精度值为 0.01mm，其一半为 0.005mm。所以，总的变形量小于机床进给系统规定的定位精度值的一半,故滚珠丝杠可以满足要求。4.1.5.5 压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷为KF 公式(48)22LEIfFZK式中： I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面（d1为丝杠底径） ；L 为)(64441mmdI丝杠最大工作长度（mm） ；E 为材料弹性模量，对钢 E20.6104MPa；为丝杠Zf支承方式系数。23本设计中，丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定，即4。Zf)(5 .16736459.1314. 3644441mmdI所以 0 .339920005 .1673106 .2014. 34242KF临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许KFmFKnKn用稳定性安全系数，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件 Kn为 公式(49) KmKKnFFn一般取2.54，考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取4。 Kn Kn又因为面通知 KmKKnFFn7 .15154.220 .3399所以，滚珠丝杠不会失稳。4.1.5.6 滚珠丝杠螺母副的选择根据最大动载荷选用，其代号为：16044.1.6 导轨的选型及计算4.1.6.1 初选导轨型号及估算导轨长度导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用 2 条导轨，每条导轨用 2 个滑块，根据最大动载荷 C=190.89N，通过查机电综合设计指导书表 2-16 P33，初选 2 条导轨的型号都为 GDA20TW。其部分参数如下：mmlmml602021，根据工作台的长度和工作台的行程，估算出导轨的长度为 2200mm。由公式。式中 为支座长度；为导轨两孔之间的距离。可算得导212nlllln轨的36。n244.1.6.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命L滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算：滚动体为球时 公式(410)350WCTHaffffFCL式中：为滚动导轨副的距离额定寿命（km） ；为额定载荷（N） ，从机电LaC综合设计指导书表 2-10 查得19100N；为硬度系数导轨面的硬度为aCHf5864HRC 时，1.0；为温度系数，当工作温度不超过 1000C 时，1；HfTfTf为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时0.81；为载荷/速度系数，有CfCfWf冲击振动或时，1.5。min/60mv Wf为每个滑块的工作载荷（N） 。F考虑到工作台上各部分的重量在工作台上的重心635. 54/54.224/mFF不落在中心上，而这些载荷都通过工作台直接作用在滑块上，故取 F=20N。所以 50km6857430km1.50.8111.02019100503L大于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用。L4.1.7 步进电机的验算4.1.7.1 传动系统等效转动惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。本设计需要对电机转子,联轴器,丝杠,工作台进行转动惯量的计算。A） 、电机转子转动惯量的折算DJ由机电综合设计指导表 2-18 P40 查出=1.764cm2DJ25B） 、联轴器转动惯量的折算LJ选用 TL1 联轴器(查机械设计实用手册化学工业出版 P666)，84432348202210GBJJ可查出它转动惯量为 0.0004m2，得出4cm2。LJC） 、滚珠丝杠转动惯量的折算SJ1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 0.94cm2，本设计的丝杠长度 L2000mm，所以滚珠丝杠转动惯量纵向：=0.942=1.88cm2。SJD） 、工作台质量的折算GJ工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式GJ进行计算： 公式(411)MLJG20)2(式中，为丝杠导程（cm） ；为工作台质量（kg） 。0LM所以 22201249. 08 .3014. 324 . 0)2(cmkgMLJGE） 、传动系统等效转动惯量计算J276891. 71249. 088. 14764. 1cmkgJJJJJGSLD4.1.7.2、验算矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩，从机电综合设计指导书maxjM表 2-18 中查得。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩mMj92. 3maxmqM的关系为：maxjM 公式(412)maxjmqMM由0.707 得，mMmq77. 292. 3707. 0步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载26启动力矩可按下式计算： 公式(413)0MMMMKfKaKq式中：为空载启动力矩（Ncm） ；为空载启动时运动部件由静止升速KqMkaM到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（Ncm） ；为空载时折算到电KfM机轴上的摩擦力矩（Ncm） ； 为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩0M擦力矩 （Ncm） 。有关的各项力矩值计算如下：KqMA）加速力矩 公式(414) 36010602maxmax2maxpbKavntnJJM式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部Jmaxn件最大快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，为运动部件最大快进速度；为初选步进电机的步距角；maxvb为脉冲当量。pmin/20036001. 09 . 0800360maxmaxrvnpbcmtnJMKa13. 82 . 06020014. 327689. 7106022maxB） 空载摩擦力矩 公式(415)iLfGMkf20式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数； 齿轮传动降速比；为Gf i传动系数总效率，取0.8；为滚珠丝杠的基本导程。0L27cmMkf120. 018 . 014. 324 . 0005. 08 . 98 .30C） 、附加摩擦力矩 公式(416)200012iLFMYJ式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取YJF00.96。0于是 cmM04681. 096. 0118 . 014. 324 . 05 . 720所以，步进电机所需空载启动力矩：cmMMMMKfKaKq296. 804681. 0120. 013. 80初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即 mqKqMM从上式可知，所选电动机初步满足要求。4.1.7.3、启动矩频特性校核步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。查看机电综合设计指导书图 2-21 P42，从 90BF001 启动矩频特性图中，可查得：纵向：空载启动力矩对应的允许启动频率。查KqMcm296. 8ZyqHf2500机电综合设计指导书表 2-21 P42，步进电机 90BF001 的最高空载启动频率，yqZqfHf 2000所以所选电机不会丢步。4.1.7.4、运行矩频特性校核28步进电机的最高快进运行频率可按下式计算：KJf 公式(417)PKZvf601000max式中：为运动部件最大快进速度。=0.01 算得。maxvPZKZHf1333.333快进力矩的计算公式：KJM 公式(418)0MMMKfKJ式中： 为附加摩擦力矩， 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。0MKfM算得：。cmMMMKfKJ0.166810.046810.1200查看机电综合设计指导书图 2-22 P43，从 90BF001 运行矩频特性图中，可知：快进力矩对应的允许快进频率；KJMmcmN0016681. 0.16681.0.KJyKJff所以，所用的电机满足快速进给运行矩频特性要求。综上所述，所选用的 Z 轴步进电机 90BF001 符合要求，可以使用。其他各轴电动为:R 轴电机为 70BF001 A 轴电机为 70BF001 T 轴电机为 70BF0014.2 调整丝杠的设计该部件采用燕尾槽的导向、丝杠的旋转来实现上下调整。4.2.1 丝杠的螺纹升角的确定由于在调整中调整丝杠要有自锁性，因此其螺纹升角应小于螺旋副的当量摩擦角（6. 5 到 10. 5）取丝杠的29螺纹升角为 3.丝杠底下的双推力轴承代号为 52208。内径 d=30,外径 D=68,厚度 T1=36.图 4-1 调整丝杠4.2.2 丝杆稳定性验算丝杠是属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷为KF 公式(419)22LEIfFZK式中： I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面 （d1为丝杠底径） ；L 为)(64441mmdI丝杠最大工作长度（mm） ；E 为材料弹性模量，对钢 E20.6104MPa；为丝杠Zf支承方式系数。本设计中，丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定，即0.25。Zf)(25.12656643014. 3644441mmdI所以 4 .1810560025.12656106 .2014. 325. 0242KF临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许KFmFKnKn用稳定性安全系数，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定 Kn30条件为 公式(420) KmKKnFFn一般取2.54，在这里取4。 Kn Kn齿轮和管状体的重量大概为 7.8(0.70.7-0.60.6)3.14 0.1=318.3kg取 F =250kg。m KmKKnXFFn389. 78 . 92504 .18105所以，调整丝杠不会失稳。4.3 齿轮齿数的确定与较核4.3.1 所需的电机最大转速和最小转速最短相贯线 Lmin=200=628.32628mm(最小与最大钢管垂直相干时的情况)最大切割速度选 600mm/min，即每分钟割炬绕工件转 600/628=0.955r/min。选大小齿轮的分度圆直径比为 1：10 于是电机的最大转速为 9.55r/min当钢管厚度为 40mm 时，最小切割速度选 300mm/min, 两最大钢管 30相干时相贯线最长，此时电机带上小齿轮的线速度为 150mm/min,选小齿轮的分度圆直径为 135mm，则电机的最小转速为 1.111r/min。4.3.2 齿轮的校核大齿轮分度贺直径 1350mm；小齿轮直径 135mm。选用齿轮模数 m=5，大齿轮齿数为 270；小齿轮齿数为 27。两齿轮中心距a=675+167.5=852.5mm。齿轮的的设计准则是:保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度.4.3.2.1 齿面接触强度计算 公式(4-21)321) 1(HpaamuKTuACa31查=1=483,K=1.2=0.6mCaAa=0.9 500=450Hp又有 a=148.5mm. =9549P/n. w 1T2 .198 . 03022 mvp =954919.2/9.55=19.1N.m1T3101400265. 01148315 .852a所以齿轮符合齿面接触强度要求4.3.2.2 齿根抗弯强度较核 公式(4-22)其中=12.6,；=1； =4.0 ；mAmCFSY=3; =27 ；=150。 d1zFp所以齿轮符合齿根抗弯强度要求。综上所述所需要的强度要求。4.4 支架的设计4.4.1 支架的材料选取支架的设计准则：机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除与其截面面积有关外，还取决于截面形状，合理改变截面形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而充分发挥材料的作用。从机械零件手册查得取用矩形面，其抗弯与抗扭惯性矩相对值较大。综合上述条件，立柱采用型钢实腹柱，截面形状为方形，选取结构用冷弯方形空心型钢，这样可以减小焊缝和避免焊缝受到集中应力。3211)1(FpdFSmmnzYKTuACm85300653706121.mn32由(软件版)查得国标为：GB/T 67281986一般钢号为 Q235-A，20 或 16Mn 等，其力学性能与化学成分应符合：GB/T 700，GB/T 699 和 GB/T 1591 的规定。曲部分的内弧半径235, t4.0,时 r1.4t, 4.0t8.0 时，r1.8t .选取的序号：31，边长=120mm, 壁厚=5mm, 截面面积=22.356cm2 理论重量=17.549kg/m 截面模数： Wx=Wy=80.906cm34-2 形空心型钢尺寸参数4.4.2 支架的连接 V 型支架的连接采用焊接连接。 查机械设计手册四版 5 卷 P21-96 得：因为 l1/b1=700/100=718h，250C 出炉，保温冷却（62525C）8h。第二次热处理 48h，250C 出炉，保温冷却（52525C）8h初步选定支架的主要尺寸如下图：4-3 V 型支架第 5 章 控制系统设计5.1 系统方案设计34经初步分析,相贯线切割机的伺服系统的负载不大，精度要求不高、可采用开环控制。一般来讲，开环伺服系统的稳定性不在问题，设计时应主要考虑满足精度方面的要求。5.1.1 行元件的选择在选择执行元件时要综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面要求。开环伺服系统中可采用步进电动机、电液脉冲马达、伺服阀控制的液压缸和液压马达等作为执行元件。其步进电动机应用最为广泛。一般情况下就优先选用步进电动机。故初选步进电动机为系统的执行元件。由微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速，从而实现割炬枪的无级调速。5.1.2 机构方案的选择传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递。步进电动机输出的是旋转运动，用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者困结构简单、制造容易而应用广泛，是伺服系统中的首先传动机构。故初选丝杠螺母作为传动机构。传动方式采用丝杠旋转，丝杠螺母带动工作台直线运动，利用调节丝杠的转速来控制割枪的速度。当电动机与丝杠电心距较大时，可采用同步齿形带传动。 5.1.3 机构方案的选择35执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构。执行机构方案的选择主要是导向机构的选择，即导轨的的选择。导轨主要有滑动和滚动两大类。其中滚动直线导轨承载能力大，刚性强，寿命长，传动动平稳可靠，且具有自调整能力。故初选滚动直线导轨为导向机构。5.2 控制系统的选用机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 .本控制系统选用我国国内自主研发生产的数控装置-“世纪星”HNC-21 系列数控装置（HNC-21M）。 数控装置的简介：“世纪星”HNC-21 系列数控装置（HNC-21M） 采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业 PC 机，高性能 32 位中央处理器，配置 7.5”彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 PLC 接口、远程 I/O 板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。1.最大联动轴数为 4 轴。2.可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV-11 系列串行式伺服单元。3. 配置标准机床工程面板,不占用 PLC 的输入/输出接口操作面板,颜色按键名称可按用户要求定制.4.配置 40 路输入接口和 32 路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口与编码器接口，以及远程 I/O 板扩展接口。5.采用 7.5”彩色液晶显示器（分辨率为 640 480）， 全汉字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能，操作简便、易于掌握和使用。6.采用国际标准 G 代码编程，与各种流行
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号