数控切割机曲线坡口切割枪架设计

1、东北林业大学毕业设计数控切割机曲线坡口切割枪架设计1 绪论1.1 数控切割机的发展趋势 随着国内经济形势的蓬勃发展以及以焊代铸趋势的加速，数控切割的优势正在逐渐为人们所认识。数控切割不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。经过几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了长足的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源（火焰、等离子、激光、高压水射流）切割方式；数控切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟

2、伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动。随着现代机械加工业地发展，对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。数控切割机的发展必须要适应现代机械加工业发展的要求。从现在几种通用数控切割机应用情况来看，数控火焰切割机功能及性能已比较完善，其材料切割的局限性（只能切割碳钢板），切割速度慢，生产效率低，其适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。 等离子切割机具有切割范围广（可切割所有金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子电源技术的提高、数控系统与等离子切割配合问题，如电源功率的提升可切割更厚的板材；精细等离子技术的

3、完善和提高可提高切割的速度、切面质量和切割精度；数控系统的完善和提高以适应等离子切割，可有效提高工作效率和切割质量。 激光切割机具有切割速度快，精度和切割质量好等特点。激光切割技术一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光切割技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时，又将激光切割列为关键支撑技术，因为它涉及国家安全、国防建设、高新技术的产业化和科技前沿的发展，这就把激光切割提升到很高的重视程度，也必将给激光切割机的制造和升级带来很大的商机。前几年，国内在销的激光切割机大部分为国外进口产品，国内产品所占份额甚小。随着用户对激光切割技术特点的逐步深

4、入了解和示范性采用，带动了国内企业开发、生产激光切割机。1.2 研发数控切割机的目的和意义目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控等离子切割下料所占比例更小。究其原因，较高的设备成本、复杂的维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普

5、及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。我国数控切割市场发展潜力是巨大的。1.3 数控曲线坡口切割机的概述数控曲线坡口切割机采用齿轮传动或平面行连杆机构，是一种多用的典型切割设备。该机可在板材上进行V、X、Y型曲线坡口切割，在船体、压力容器和其它曲面上常用的变角度曲线坡口切割。也可对H型、T型等多种截面的型材进行切割，以及对管材进行相贯线切割。被广泛应用于大、中型金属材料的加工制造企业。本课题所研究的数控曲线坡口切割机具有切割范围广（可切割所有金属材料），切割速度快，工作效率高等特点。未来的发展方向在于等离子电源

6、技术的提高、数控系统与等离子切割配合问题，如电源功率的提升可切割更厚的板材；精细等离子技术的完善和提高可提高切割的速度、切面质量和切割精度；数控系统的完善和提高以适应等离子切割，可有效提高工作效率和切割质量。因此，研究本课题具有重要的意义。2 模型及割具运动分析2.1 切割模型数控曲线坡口切割机是一种多用的典型切割设备。该机即可在板材上进行V、X、Y型曲线坡口切割，又可在材料上进行变角度的曲线坡口切割（如图2-1），也可对H型、T型等多种截面的型材进行切割，以及对管材进行相贯线切割（如图2-2）。 图2-1 板材变角度曲线 图2-2 空间相贯线曲线2.2 割具运动分析若被切物体保持不动，割枪沿

7、摆动轴摆动，割炬体以旋转轴为中心旋转，通过数控系统实现摆动轴和旋转轴联动。切割机整体通过支架可以实现X、Y、Z3个自由度的运动，这样，按照一定的数学关系联动,就能切出所需的曲线。图2-3割炬运动分析3 设备总体方案及布局3.1 机床总体方案对数控曲线坡口切割机的设计有2个方案：方案1：采用平面平行连杆机构；整个连杆机构铰接于一固定轴上，使整个连杆机构可随固定轴旋转。割炬和与之平行的主动连杆同步摆动，整个平面平行连杆机构与固定轴同步旋转，两个运动的叠加构成了切割曲线坡口运动。方案2：采用齿轮传动机构：通过齿轮传动实现割炬随其夹具体同步摆动；整个摆动机构固定在可通过齿轮传动实现旋转的轴上，可随此轴

8、同步旋转；这两个运动的叠加构成了切割曲线坡口运动。两个自由度由两个旋转轴控制。齿轮传动有精度高，制造成本低，承载能力强等特点；另外，在校学习期间齿轮传动接触较多。因此，本次设计采用齿轮传动机构。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曲线切割时,需要二轴与切割机整体联动来完成。图3-1 各轴定义3.2.2 摆动轴传动系统图T轴（摆动轴）通过2级齿轮传动实现割炬的前后摆动,以切出所需要的坡口角。图3-2 摆动轴示意图3.2.3 旋转轴传动系统图R轴（旋转轴）实现割炬体的旋转运动。图3-3旋转轴示意图3.3 功能和技术参数分析由于曲线坡口形式的不同，因此割矩枪必须要

9、利用数控系统实现旋转和摆动以及定位精度、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。加上割矩体在旋转过程中随着切割位置的不同还需要割枪摆动角度参数，即机床要实现联动。此次设计的切割机体积较小，精度要求不是很高（回转同轴度0.3；坡口角度偏差1），从机床刚度角度考虑，因此可采用开环结构。因为步进电机有结构简单，价格低廉，容易控制，维修方便，惯量低，无累计误差等特点，所以选择步进电动机作为机床的动力源。步进电动机可通过数控装置实现无级调速，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

10、变化要求即可。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。 4 机械系统设计4.1 系统主要参数设计4.1.1 脉冲当量即系统分辨率对于开环系统来说，脉冲当量一般去0.005 0.01mm为宜。本设计中选用0.01mm。4.1.2 选定传动比步进电机一般与减速器相连接，用来降低转速,提升扭矩和匹配惯量。固选用PLE40 i=16精密减速箱。旋转轴齿轮传动传动比i=1；摆动轴圆锥齿轮传动比为i=2，伞齿轮传动比为i=2。4.1.3 步进电机的选择割嘴的曲线运动由步进电机驱动控制通过旋转轴和摆动轴控制。以旋转轴为例：设割嘴回转半径R=150mm，则其转动惯量：

11、其中：m为割据体及割枪总重量。设割嘴角速度从0加速到180度/秒所需时间t=0.3s，则其角加速度：伏在启动惯性矩（静摩擦力矩忽略不计）：精密减速箱传动比为16，圆柱齿轮传动比为1，传动效率均去0.97。由于步进电机不具有瞬时过载能力，固取安全系数为2，步进电机的启动转矩：由于T必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择磁阻式步进电机75BF003，其技术参数如下表4-1。表4-1步进电机参数转速相数步距角():电压/V相电流/A最大静转矩/(Nm):125031.53040.882同理，控制摆动轴的步进电机的选型也为择磁阻式步进电机75BF003。4.2齿轮传动设计4.2.1直齿圆柱齿轮传动设计

12、（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（此部分设计资料来自文献1）1）类型选择 选用直齿圆柱齿轮传动2）精度选择 为一般工作机，低速轻载，选用7级精度。3）材料选择 小齿轮为45钢，调制，齿面硬度260HB。 大齿轮为45钢，调制，齿面硬度240HB。4）初选齿数 小齿轮齿数40，传动比为1，固大齿轮齿数40。（2）按齿面接触疲劳强度设计由文献1式（5.12）,1）初选载荷系数 2）小齿轮传递的转矩3）选取齿宽系数 查表5.94）弹性系数 查表5.115）小、大齿轮的接触疲劳极限 查图5.28（c） 6）应力循环次数 由式（5.30） 7) 接触寿命系数 查图5.298）计算许用接触应力，取

13、失效率为1%，查表5.10最小安全系数 由式（5.15） 9）计算端面重合度10）计算重合度系数，由式（5.13）11) 试算小齿轮分度圆直径取mm12）计算圆周速度13）计算载荷系数K查表5.8得使用系数；根据，7级精度查图5.9得动载系数,取齿间载荷分配系数；查图5.10曲线2得齿向载荷分布系数则14) 校正分度圆直径，由式（5.29）（3）主要几何尺寸的计算1）计算模数m，按标准取2）计算分度圆直径3）中心距4）齿宽5）齿高（4）校核齿根弯曲疲劳强度由式（5.6），1) 小、大齿轮的弯曲疲劳极限，查图5.26（c）2) 弯曲寿命系数，查图5.243) 尺寸系数，查图5.254) 计算许用

14、弯曲应力，由式（5.9）取失效率为1%，查表5.10最小安全系数， 5）重合度系数，由式（5.8）6) 齿形系数，查图5.227）应力修正系数，查图5.238) 校核计算 由式（5.6）计算获得MPaMPa, 弯曲强度满足要求。（5）静强度校核传动平稳，无严重过载，固不需要静强度校核。（6）结论：如表4-2所示表4-2齿轮参数md （mm）zb（mm）a（mm）旋转轴直齿圆柱齿轮一2.080401680旋转轴直齿圆柱齿轮二2.08040164.2.2 直齿锥齿轮传动设计（1）分析已知主动轮，传动比，名义功率： 转矩： 轴交角 = 90，大、小齿轮均采用悬臂支撑。两齿轮均选用45钢，调质处理，强

15、度，小齿轮平均取为,大齿轮平均取为。齿轮加工精度为7级。（2）初步计算初取齿数，工作机载荷稳定而平稳，使用系数由文献5表12.9，取齿轮速度不高动载系数由文献5图12.9，取齿间分配系数由文献5表12.10，估计 由此得齿向载荷分配系数由文献5表12.20及注3，取载荷系数： 弹性系数由文献5表12.12，取节点区域系数由文献5图12.16，取接触疲劳极限由文献5图12.17c，取，接触最小安全系数由文献5表12.14，取总工作时间： 应力循环次数： 接触寿命系数由文献5图12.18，取，许用接触应力：取小轮大端分度圆直径： 验算圆周速度及： 圆周速度： 估计值接近。与估计值接近。（3）定传动

16、主要尺寸大端模数：，由文献5表2.3，取实际大端分度圆直径： 锥距 齿宽：，取。 齿根弯曲疲劳强度计算：根据当量齿数，齿形系数由文献5图12.30，取， 根据当量齿数，应力修正系数由文献5图12.31,取， 重合度系数： 齿间载荷分配系数由文献5表12.10，取载荷系数： 弯曲疲劳极限由文献5图12.23c，取，弯曲最小安全系数由文献5表12.14，取。弯曲寿命系数由文献5图12.24，取尺寸系数由文献5图12.25，取许用弯曲应力：验算： 计算结果表明该设计满足强度要求。（4）结论：如表4-3所示表4-3齿轮参数md（mm）zb（mm）R（mm）dm（mm）直齿圆锥齿轮一2.04824165

17、3.6751.5826直齿圆锥齿轮二2.0964897.78644.2.3伞齿轮传动设计（1）选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（此部分设计资料来自文献1）1）类型选择 选用直齿圆柱齿轮传动2）精度选择 为一般工作机，低速轻载，选用7级精度3）材料选择 小齿轮为45钢，调制，齿面硬度260HB。 大齿轮为45钢，调制，齿面硬度240HB。4）初选齿数 小齿轮齿数24，传动比为2，固大齿轮齿数48（2）按齿面接触疲劳强度设计由文献1式（5.12）,1）初选载荷系数 2）小齿轮传递的转矩3）选取齿宽系数 查表5.94）弹性系数 查表5.115）小、大齿轮的接触疲劳极限 查图5.28（c） 6）应力

18、循环次数 由式（5.30） 7) 接触寿命系数 查图5.298）计算许用接触应力，取失效率为1%，查表5.10最小安全系数 由式（5.15） 9）计算端面重合度10）计算重合度系数，由式（5.13）11) 试算小齿轮分度圆直径取12）计算圆周速度13）计算载荷系数K查表5.8得使用系数；根据，7级精度查图5.9得动载系数,取齿间载荷分配系数；查图5.10曲线2得齿向载荷分布系数则14) 校正分度圆直径，由式（5.29）（3）主要几何尺寸的计算1）计算模数m，按标准取2）计算分度圆直径3）中心距4）齿宽，取5）齿高（4）校核齿根弯曲疲劳强度由式（5.6），1) 小、大齿轮的弯曲疲劳极限，查图5.

19、26（c）2) 弯曲寿命系数，查图5.243) 尺寸系数，查图5.254) 计算许用弯曲应力，由式（5.9）取失效率为1%，查表5.10最小安全系数， 5）重合度系数，由式（5.8）6) 齿形系数，查图5.227）应力修正系数，查图5.238) 校核计算由式（5.6）计算获得MPaMPa, 弯曲强度满足要求。（5）静强度校核传动平稳，无严重过载，固不需要静强度校核。（6）结论如表4-4所示表4-4 齿轮参数mdzba二级传动直齿圆柱齿轮一2.048mm2415mm72mm二级传动直齿圆柱齿轮二2.096mm4815mm4.3传动轴设计4.3.1各轴的传递功率旋转轴：P1=P1=0.120.98

20、=0.118kW摆动轴： 轴：P1=P1=0.120.98=0.118kW轴：P2=P12 =1.440.97=0.114kW轴：P3=P22 =1.40.97=0.110kW4.3.2初估轴径轴的材料均采用45钢调质处理由公式其中，根据轴的材料取=0.2, P为各轴的输入功率，n为各轴的相应计算转速。一般情况下，开一个键槽，轴径应增大4%5%；花键轴可将估算的d值减少7%作为其小径。旋转轴：mm轴：mm考虑轴端的特殊结构，轴径d取18mm轴：mm轴开键槽mm轴：mm轴结构特殊，轴径d取15mm4.4 其他辅助机构设计4.4.1轴承的选型本设计中的轴承选用深沟球轴承：其精度高，其结构简单，主要

21、承受径向载荷，也可承受一定的双向轴向载荷；摩擦系数小，价格便宜，应用范围广。选用代号为:61804,61800,6200三种（GB/T276-1994）如下表所示： 表4-5 轴承参数轴承代号主要尺寸/mm安装尺寸/mm额定载荷60000型dDB/kN61800101950.312.416.60.31.4061804203270.322.429.60.33.456200103090.615.030.00.65.10 4.4.2套筒和支架如图4-1套筒用来定位割据体，使其在套筒内旋转，并将套筒固定在箱体上。以此来实现平稳传动。如图4-2将支架固定在套筒上，通过支架的移动来实现整个切割机的运动。图

22、4-1 套筒简图 图4-2 支架简图5 结论根据切割要求，从本体结构和驱动方案对比分析入手，确定了其整体机构方案。选择步进电机作为驱动装置，采用齿轮啮合作为传动装置。本设计的主要内容为：（1）数控曲线坡口切割机的运动分析，需要割嘴可以切割曲线。即割枪需要用2个旋转运动合成曲线运动。（2）切割机摆动轴的设计，其摆动角度约40度，采用步进电机驱动，圆锥齿轮传动起换向作用。圆锥齿轮可以调整，以保证传动精度。（3）旋转轴同样采用步进电机驱动，通过圆柱齿轮传动实现割据体的旋转。割据体的旋转不能影响摆动轴的运动。本次设计参考了国内外不同种类的切割机结构，由于其涉及的知识结构复杂，知识面宽，且时间有限，本设

23、计的研究还有待于进一步深化完善。希望后来的爱好者和研究者，能够取得更辉煌的成果，使我国在数控切割机设计方面尽早赶上世界先进水平。参考文献1 于惠力,向敬忠.机械设计M.北京:科学出版社,20072 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,20063 肖聚亮,王国栋.火焰数控切管机割炬M轨研究及仿真J.机械工程学报 2004,(5):234-284 李洪.实用机床设计手册M.沈阳,辽宁科学技术出版社,1999.15 邱宣怀.机械设计M.北京:高等教育出版社,19976 简明焊工手册编写组编.简明焊工手册M.北京:机械工业出版社,19947 毛谦德,李振清.袖珍机械设计师手册（第二版）M.北京机械工业出版社,2000.128 冯辛安.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,20039 白恩远.现代数控