CG2-150型仿形切割机的设计-仿行数控切割系统设计【含CAD图纸+PDF图】
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CG2
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中国地质大学长城学院 本 科 毕 业 设 计题 目 仿形数控切割系统的设计 系 别 工程技术系 学生姓名 陈东辉 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 05211523 指导教师 杨运强 职 称 教授 2015年 4 月 20日摘 要随着科学技术的发展和专业化程度的提高，很多企业的产品产量越来越大。采用手动切割、半自动切割的常用切割方式不能很好地满足其生产要求。数控仿形切割机的出现不但可以切割出多种多样形状不同的工件，而且切割起来相当方便，同时也能解决某些工件的产量大的问题，另一方面由于其轻巧而且移动方便，特适合野外作业。如今，该切割机广泛的用于各种工厂企业。机械设计的目的就是从社会的需求出发；创造性的设计出具有特定功能的新机械或者改进原有机械的性能，以此来满足人们在生活和生产之中的需要。通过本毕业课题设计，掌握机械设计的一般方法，培养完善的设计思路，锻炼分析问题、解决问题的能力，特别是掌握总体设计和零部件设计的的方法与技巧。机械的综合运用和机械原理的目的就是让我们在日常的生产生活中合理的分析和解决问题，做到实践是检验真理的唯一标准。进一步巩固自己所学到的知识。关键词:仿形切割； 设计； 生产ABSTRACTWith the development of science and technology and to improve the degree of specialization, many companies are increasing product yield. Manual cutting, cutting methods used semi-automatic cutting can not satisfy their production requirements.CNC profile cutting machine appears not only can easily cut a variety of shapes of the workpiece, is more suitable for mass production, but also especially suitable for field work and for play, medium and small plants.The purpose of the mechanical design is starting from the needs of the community; creative design of new machinery has a specific function or improve the mechanical properties of the original, in order to meet peoples needs in life and production among.Through this graduation design issues, the general method of mechanical design mastery, training perfect design ideas, exercise to analyze problems, problem-solving skills, especially methods and techniques to master the overall design and components designed for. Integrated use of mechanical design and principles and other relevant expertise to analyze and solve problems in life and work, so that theory with practice, to further consolidate their acquired knowledge.Keywords: design； production； profile cutting目 录1绪论11.1 仿形切割机的概况11.2仿形切割机的特点与简介12仿形切割机设计参数的确定22.1总体方案的确定32.2.1机械传动部分的计算的选用与选型33仿形切割机各个设计计部分的算43.1 机架的选材及设计43.1.1 机架设计的准则43.1.2机架的分类43.1.3力的基本类型43.2机架的材料及制造方法63.2.1立柱的选择73.2.2轴的设计83.2.3精确的校核该轴的疲劳强度93.2.4轴的支撑座的设计103.2.5机臂结构的设计103.2.6对本设计的机臂进行强度校核123.3割炬123.3.1管道的设计134结论15参考文献16致 谢17中国地质大学长城学院2015年毕业设计1绪 论1.1 仿形切割机的概况机械设计的任务是从社会生产的需求方面出发；创新设计的新机械有某些特定功能或改进了原有的机械设计，以此来满足人们在日常生活中逐步增大的生活和生产方面的需要；机械的功能取决于设计的机械的质量。机械的性能和成本也主要是在设计之初的阶段决定的；而该机械的出现，就是要实现制造它时所规定的质量。本人的毕业设计的课程题目是仿型数控切割机系统设计，该仿形切割机是一种靠模版生产的半自动气割机器，从字面上来理解该切割机就和配钥匙的原理一样，并且对各种形状都能够做到很方便的切割。适用于批量生产,类似于CG2-150型切割机。 该仿形切割机机不仅体积较小，自身重量轻，而且切割范围大，尤其是适合在野外工作；它广泛地被大中小型工厂使用。该切割机的最显著的特点是切割厚度大，切割方便在相同的工作量下与其他气割相比较如手动切割，能够缩短的工时将近手动切割时间的2倍，并且有效的克服了以前用气割来割不同工件时的切割面不光滑平整的现象，以此造成的材料浪费和尺寸误差大的问题，而且有时候会因氧气回火出现操作人员受伤的现象等弊端，给电气焊工方面带来了很大地方便。1.2仿形切割机的特点与简介（1）调速系统： a、能在规定的范围内均匀调整切割速度，且电动机的性能不会发生变化，能够很好的对切割速度进行控制而且控制平稳。 b、可以通过对电压的调姐直接控制电动机的转速，控制能的损耗很小。 c、电气系统部分的温度的提升对电动机影响很小，其寿命长，且方便维修。 d、由于其采用了集成电路控制器，在控制方面具有优越性。（2）割炬位于基臂下面，当基臂沿着样板移动时，割炬可以正确地割出与样板相同的割件。 a、机体小巧，而且重量轻，不仅移动方便而且其操作更简洁。 b、主轴固定在机座上，可以作为主臂的支点，因为设有平衡装置。可使在允许的切割幅度限度内任意移动且保持平衡状态。 c、采用滚动轴承作为机器的传动部分，可以使机器平稳的运转。 d、机座下部装有螺柱的固定套筒，可以固定机身并且移动机身的高度。（3）电动机与减速机构，电动机采用的直流伺服电动机为永磁型，采用三级减速器传动，传动的速度比为：1/175。（4）直径为10毫米永久磁铁磁滚轮。（5）压力开关是自动开闭系统中不可缺少的，当切割气流过时，电器陆续被接通，使主轴转动。其外形结构如下图：2仿形切割机设计参数的确定本人主要侧重于该切割机机械传动部分的设计。任何的仿形切割机都会有转动系统，模板是固定在主轴上的型臂上，磁滚轮的吸力大于16N，可以很好地吸附在模板上，磁滚轮的转动由直流伺服电机通过三级减速器而带动，当磁滚轮转动时会沿着模板的周边形状移动，而割炬就会随着其运动的轨迹来割出同样的工件。基座是固定主轴的，也是整个机身的指点，同时会设有平衡装置。主轴固定在机座上，作为基壁地支点；设有平衡装置，与主壁上安装地磁滚轮，割炬保持平衡运动，底座下部装有螺杆可以在垂直方向调节割炬地升降位置，在垂直的方向上对机臂进行调节。型臂是套装在轴的上端，而且其可以在水平和垂直两方面进行调节。技术参数 表2-1名称仿形切割机气割钢板厚度范围8-60mm气割最大圆周直径600mm气割最大正（长方形）500*500mm 400900mm 450750mm；气割最大长度1200mm气割速度50-750mm/min电动机ZYT261/A5 DC110V24W 3600R/min输入电压AC220V/50HZ表 2-2型号150型机器外型尺寸1190*335*800mm净重52kg2.1总体方案的确定2.2.1机械传动部分的计算的选用与选型1) 减速装置的选用 选择了步进电动机以后，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置。为此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。2) 伺服电动机的选用 选用任务书规定的电动机。3) 选用的外形与cg2-150型切割机的外形设计大体一致。4) 对于该机械的受力分析与材料的选择，并计算过程。3仿形切割机各个设计计部分的算3.1 机架的选材及设计3.1.1 机架设计的准则机架是众多机械地基本部件，它的最基本作用是支撑整个机体。机架的第二个作用是基准作为基准，以此来保证机械各零部件之间相对位置的准确，并且使整个机器组成一个整体。其次在工件本身的重量，而且足够的强度是重中之重，而且要最大的保证机器的任何机架的设计首先必须要考虑大保证机器的特定工作要求。其次在保证了特定的外形条件情况下，刚度应该是对机架最主要的要求，对于一般设备的机架，只要刚度达到了要求，对于强度的要求也就达到了。对于那些重载设备的强度，必须要引起足够的重视。其准则是在机器运转中可能发生的最大载荷情况下，机架上任何一点受到的应力值都不得大于允许值。此外，还应该满足疲劳强度的要求。再者还应该考虑到机架的阻尼，热变形性，尺寸稳定性，疲劳强度等等。还有对于移动式机器的机架则要求重量轻；而且对于不同的工作环境要有想对应的抗性，来保证机器的正常运行目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。3.1.2机架的分类 按机架外形分类：网架式、框架式、梁柱式、板块式、箱壳式 按材料分类：金属机架、非金属机架a、金属机架分：铸造机架、焊接机架、组合机架b、非金属机架分：花岗岩机架、混凝土机架、塑料机架、碳素纤维机架和其他机架。本此设计的机架按照机架设计准则选择金属板块式单立柱铸造机架。由于本设计要求重量轻，强度高，通过材料查找采用了具有高强度的铝锭合金材料。单立柱式的选择与CG2-150型切割机一样，其结构简单操作时零件所受到的弯矩大。 3.1.3力的基本类型由于机架是众多机械地基本部件所以机架上能够承受各种各样的力和力矩，但基本可以分为几类，如下：工艺力：是最基本的，也是最重要的力。它是在工艺过程中产生的，如切削力，轧制力，轧制力矩和锻压件塑性成型力等。对于同一台机器；由于完成的工艺不同，工艺力也是会相应的出现变化。在同一道工序中，变形力会随着工作行程变化而变化，锻件的厚度与变形力是成反比的，如图3-1所示：图3-1在众多机械中，工艺力会随着各种因素的变化而变化。因此，额定负载是机架进行受力分析主要考虑的。超过此负荷时相应的保险机构就要起到作用，以此来防止事故的发生。此外还应该注意，由于工艺力作用点的位置或作用的方式不同，机架所承受的力情况也会随之而改变。 预紧力：预紧力与工作载荷不是简单的叠加关系，在工作载荷的作用下，预紧力会减少。 辅助工艺力：这是指工件在主要的工艺完成过程之中所需的主要辅助动作产生的力量。 重力：当然是指工件和机器部件自身的重量。 惯性力：机械的运动部分运动时，都会或多或少的会产生相应的惯性力，并作用于机架上。冲击或振动干扰力：从外部而来的撞击，旋转部件的离心力，以及往复运动是产生的惯性冲击，等都会对机架产生干扰力。如图3-2 图3-23.2机架的材料及制造方法在选择机架的材料时我选择碳素钢，以下就对此材料进行分析。由于构件壁的疲劳强度在实际中比实验室的尺寸要大的多，所以疲劳极限和表面系数都可以在机械工程手册中查大对于钢材的对于钢，值可参考下图3-3：图3-3表面系数1 抛光 2 磨削 3 精车 4 粗车 5 轧制加工表面 6 淡水腐蚀表面 7 海水腐蚀表面3.2.1立柱的选择本次设计中，立柱我选用一根主轴，其连接机臂，使整个机械工作部分全靠此轴固定在基座上。接下来我们对该轴进行受力分析如图3-4：图3-41、主壁 2、基壁 3、立柱 4、底座设该轴的横截面为m-m以截面的形心O为原点选取坐标系如上图Fy=0，F+Fn=0 （公式3-1）Mo=0，Fa-M=0 （公式3-2）由此可以求出该立柱所受的内力Fn和MFn=F, M=Fa=F(a+b) F是机臂的自重与受到的外界的最大力的和3.2.2轴的设计 设机臂大致的重量为m小=12kg，m大=15kg由于本设记的轴材料使用的是钢材，而钢材的稳定系数为1.5-3.0之间。所以我在确定机架最大高度时，必须要首先计算出稳定安全数： 查表得立柱稳定系数为 =7.87 立柱稳定安全系数公式 =P0/P=0 (材料稳定系数)所以： =0 即7.87=1.5-3.0图3-5平台临界载荷P0=El/L2=100kgFi=Pl3/3EL=42mmFd=(1+ 1+2L/Fd )Fi=64mm平台得最大高度 hmax=Pl/W=fd/fi=800mm由于材料为钢材选用常见的45钢，其s=350MPa,p=280Mpa,E=210Gpa。长度L=800mm，直径d=64mm，最大载荷 P0=100kg，安全因数为nst=810。由于 1=E/p （公式3-3）所以 1=E/p=210109Pa/280106Pa=86.0该轴简化成两段铰支杆，=1。截面为圆形，i=I/A=d/4.柔度为 =l/i=l/d/4=62.5 1所以不能用欧拉公式来计算临界压力。为确定2，查表得优质碳钢的a和b分别为:a=461Mpa,b=2.568Mpa.由式2=a-s/b得，2=a-s/b=（461-350）Mpa/2.568Mpa=43.2 （公式3-4）可见该杆为中等柔度压杆。由直线公式求出临界力为 cr=a-b=(461MPa)-(2.568MPa) 62.5=301Mpa （公式3-5）临界压力是 Fcr=crA=(301106Pa) /4（4510-3m）2=478kN （公式3-6）该杆的工作安全系数为n=Fcr/Fmax=11.7nst所以满足稳定要求此支柱已经满足了稳定要求，所以我将此立柱设计为轴的设计，并且其与机臂的链接选用滚动轴承来完成。下面进行该轴的计算。已知的该轴一段的直径为R2=64mm，所以可以初步选择滚动轴承，以此来连接机臂与该轴。该设计的轴所在的轴承应该承受的力为径向力和轴向力，所以选用推力球轴承。根据轴的直径d=65mm，由轴承产品目录中选取的轴承型号为51213，其尺寸为 6510027由于机臂的高度较高为175mm，所以我选用两个轴承，上端轴承的端盖总宽度为20mm，由于轴的直径为 d=64mm，所以其孔的直径为 65mm.因为轴承的定位轴肩高度h=7mm，因此轴的L2处直径为78mm。长度定为长为200mm，该轴的最宽处可以作为套筒使用，又因为L2=78mm,所以选择的第二轴承型号为51216，其尺寸为8011528所以，轴各部分长度为L1=400mm，L2=145,L3=200按弯扭合成应力校核的强度，只校核该轴上承受的最大弯矩和扭矩的截面的强度，取=0.6，计算ca=M12+(T3)3/W=1.86MPa （公式3-7） 前面已选定轴的材料为45钢，调制处理，且查表得 ca-1=60mpa，所以安全。3.2.3精确的校核该轴的疲劳强度 由于该轴只有两部分，所以较细的部分属于危险部分，所以只校核细轴部分。截面左侧 抗弯截面系数 W=0.1d3=0.1653=27463mm3 （公式3-8） 抗扭截面系数 WT=0.2d3=0.2653=54925mm3 （公式3-9） 界面上的扭矩 T3=14000N.mm （公式3-10） 截面上的弯曲应力 b=M/W=24500N.mm/27463=0.892mpa （公式3-11）截面上的扭转切应力 T=T3/WT=14000/54925=0.255MPa （公式3-12）轴的材料选的为45号钢，调质处理。所以查表得b=640mpa，-1=275mpa，-1=155mpa截面上的理论应力系数为和查表可得r/d=2.0/65=0.031、D/d=70/65=1.08经插值后可得=2.0，=1.31，又因为轴的敏性系数为 q=0.82，q=0.85所以，有效应力集中系数为 k=1.82，k=1.26 查的尺寸系数为0.67;扭转尺寸系数为0.82 轴安磨削加工，所以其表面质量系数为0.92 由于轴未经表面强化处理于是计算安全系数sca值为10.21.5所以该轴是安全的。3.2.4轴的支撑座的设计图3-6如图3-6轴的支撑座的材料选择HT150，上缘壁厚为=10mm，由经验公式得D13=D8=D9=86mm,H选取150mm，D12=85+20=106mm 底座的直径为D10=130mm。3.2.5机臂结构的设计图3-7如图3-7，该款仿形切割机的机臂可以看做为悬臂梁结构。所以在x的截面上的弯矩为 M=qx2/2+px （公式3-13） 因为常见的机臂结构为T型结构，所以见图图3-8因为截面x腹板的高度为h1；其厚度为b；hz为型芯轴高度。所以他们的关系为 A0（h1-hz）+b（h1-h）2/2=A1hz+bh2z/2 （公式3-14） hz=(bh12+2 A0h1)/2(bh1+A0+A1) （公式3-15）参考弹性力学可以推导出在x处的切应力最大为： M=2(A1hz+bh2z/0.3) （公式3-16） =(qx2+2px)/(A1hZ+bhz2/0.3) （公式3-17）因为hZ的变化通常比较小，所以设其为常数，对（1）求导得： ，=(qx+p)/2(A1hZ+bhz2/0.3)0 （公式3-18）所以此机械臂的最大应力应该产生在根部。已知去q，A1,b，p均为已知数据（根据生产经验来确定的大概值）。通常情况上x的跨距比hz大4倍以上所以在p=0时 X=h1(1+A0/bh1+A0) （公式3-19）将数据带入以上公式可以求出该机械臂的h=175mm。3.2.6对本设计的机臂进行强度校核由弯曲正应力的强度条件MmaxW可知,机臂能够承受的Mmax与抗弯截面系数W成正比，为了使该机械臂有很好的抗弯能力我选用工字型截面。由材料力学可知悬臂梁的最大弯矩产生在其最左端的截面处由重力产生的弯矩 M1=ql2/2 （公式3-20）外界给与的载荷产生的弯矩为 M2=pl （公式3-21）所以 该段机臂所受的弯矩为 M=ql2/2+pl （公式3-22）又因为 max=MMAX/wz （公式3-23） WZ=bh2/6 （公式3-24）本机臂采用的材料为铝合金其额定拉压强度为=310MPa主臂的质量m小=12kg（含电动机和减速器的质量）副臂的质量m大=15kg所以大臂的受力载荷为q=375N/m，p=120N，l=0.4m，b=0.008m，h=0.175m由公式20-24得 WZ=bh2/6=0.008(0.175)2/6=4.08310-5m3M=ql2/2+pl=78N.mmax=MMAX/wz=310MPa所以满足强度要求小臂的校核同大臂校核一样q=285.7N/m，p=20N，l=0.35m，b=0.008m，h=0.045m由公式20-24得 WZ=bh2/6=0.008(0.045)2/6=2.710-6m3M=ql2/2+pl=24.5N.mmax=MMAX/wz=310MPa所以满足强度要求3.3割炬割炬部分是由乙炔调节阀，预热氧调节阀，切割氧调节阀，压力开关，夹迟器，管子，火口螺母和割嘴组成，当点火时氧气和乙炔是在由管道来到火口，从而火口出产生一定的压力，如果压力在到达一定程度时，可可以通过调节压力开关来释放气体，点燃，产生高温气锋，以此来切割钢板。基壁、主壁的气割范围：基壁：400mm之内可实现360度旋转。主壁：350mm之内可以实现360度旋转。3.3.1管道的设计管子：在现实的生产生活中常用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等，由于本人从管子不受压力和弯曲的情况下，按经济价格来选用铜管。图3-9管道胶管：胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于（表3-1）表3-1胶管内径46810131922胶管外径13151719232932 最小弯曲半径90100110130190260320从胶管的长度来考虑，胶管在通入气体后会沿着长度方向将发生变形，一般为收束力其变形长度为管长的3-4%。因此胶管安装时应该留出少许的长度。胶管在安装时应保证不发生扭转变形，有时候为方便安装可以以不同的色彩或图形来区分，以便检查。管子内径的计算：管子的内径D，按流速选取d（1130 Q/V） mm式中：Q-气体流量 m3/s V-流速m/s荐用流速，一般选取V=2-3m/sd（ 1130 q/2）=30mm金属管子壁厚pd/2m式中工作压力MPaD管子的内径mm许用压力MPa，对于钢管 =b/s（0抗拉强度MPa，S安全系数，当P7MPa时，S=8，当P17.5MPa时，S=4）。对于铜管 =25MPa由于零件是铜管，所以选择25MPa。Pd/2mmp*30/2*251.5 （P根据压力来选择）。4结论通过这次毕业设计，我收获了许多，首先把我在大学里所学的知识做了一次系统的复习，更加
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