机械毕业设计（论文）-等离子切割小车驱动机构设计

等离子切割小车驱动机构设计摘要在现实生活中，对金属材料切割时，经常用到等离子切割。在用等离子切割金属时，人们为了降低工人的劳动强度和生产成本，加强安全文明生产，有利于现场管理，就设计了自动等离子切割小车。自动切割小车，就是把割炬安装在用驱动机构驱动能自由移动的小车上，并且割炬能够作上下和左右移动，从而来控制切割材料的大小和形状。由于自动切割小车采用PLC控制切割工艺的全过程，所以能够在切割过程中对切割速度、切割电流、切割电弧、切割位置等实施调节，并且具有切割效率高、切割质量好等特点，有更广泛的应用前景，是重点研究和推广应用的自动切割装置之一。本次设计的主要内容包括：等离子小车的整体结构、等离子小车的驱动机构、割炬升降机构和割炬的左右移动机构，电动机的选型、轴的设计，小车的总体图、驱动机构的装配图、割炬升降机构的装配图和零件图。整个机械系统应简单可靠，操作方便、经济适用。编写相应的设计说明书。关键词：等离子，切割，驱动机构全套图纸，加153893706

THEDESIGNOFDRIVINGMECHANISMONPLASMACUTTINGTROLLEYABSTRACTInreallife,whencuttingthemetalmaterial,plasmacuttingisoftenused.Whenplasmacutmetalmaterial,inordertoreducethelaborintensityandproductioncosts,strengthenthesafetyofproductionandsitemanagement,peopledesigntheautomaticplasmacuttingtrolley.Automaticcuttingtrolley,thatis,thecuttingtorchismountedonatrolleywhocanmovefreelywiththedrivingmechanism.Andcuttingtorchcanmoveupanddown,tocontrolthesizeandshapeofthecuttingmaterial.DuetotheautomaticcuttingtrolleyusesthePLCtocontrolthewholecuttingprocess,thetrolleycanregulatecuttingspeed,cuttingcurrent,cuttingarc,cuttingpositionandsooninthecuttingprocess,andthetrolleyhasthecharacteristicsofhighcuttingefficiency,goodcuttingqualityandsoon.Thetrolleyhasawiderapplicationprospect.Themaincontentofthisdesignincludestheoverallstructureoftheplasmatrolley,thedrivingmechanismoftheplasmatrolley,theliftingmechanismandthearoundmobilemechanismofcuttingtouch,theselectionofthemotor,thedesignoftheshaft,theoverviewofthetrolley,theassemblydrawingofthedrivingmechanism,theassemblydrawingoftheliftingmechanismandpartsdrawing,etc.Themechanicalsystemshouldbesimple,reliableandconvenientoperation.Writethecorrespondingdesignspecification.KEYWORDS：Plasma,Cutting,Drivingmechanism

目录TOC\o"1-3"\h\u25443前言 218070第1章等离子切割小车驱动机构的总体方案设计 532201§1.1MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc自动切割小车的分类 53322§1.2等离子切割种类的介绍 831604第2章电动机的选择和总传动比分配 1027793§2.1电动机的选择和计算 1029065§2.1.1选择电动机类型 1028643§2.1.2选择电动机的容量及转速 1019077§2.2各级传动比分配 13324§2.3计算传动装置的运动和动力参数 1329190第3章驱动机构的设计及校核 1526098§3.1蜗轮蜗杆传动设计 1526634§.1选择蜗杆，蜗轮的齿数 1530430§.2确定许用应力 1516123§.3接触强度校核 1611524§.4求蜗轮的圆周速度，并校核效率 1625407§.5蜗轮齿根弯曲强度校核 171341§3.2蜗杆轴（Ⅰ轴）的设计及校核 1716422§.1选择轴的材料 178177§.2初步估算轴径 1713676§.3蜗杆轴的强度计算 1725368§3.3Ⅰ轴轴承寿命的校核 2110666§3.4Ⅱ轴的设计及校核 2222881§.1选择轴的材料 2210599§.2初步估算轴径 228062§3.3.3Ⅱ轴的强度计算 2316306结论 2830946参考文献 2923643致谢 30前言由于金属材料的坚固性，使它非常不容容易损坏，那么要将它加工成特殊形状就非常困难。如何实现金属材料精确的切割与成型呢？在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割[1,2]。等离子是加热到极高温并高度电离的气体，它使电弧将功率转移到工件上，高热量使工件融化并被吹掉，形成等离子弧切割的工作状态。压缩空气进入割炬后由气室分配两路，形成等离子气体及辅助气体。等离子气体弧起熔化金属作用，而辅助气体则冷却割炬的各个部件并吹掉已融化的金属。1.设计（或研究）的依据与意义在使用等离子切割时，人们为了降低工人的劳动强度和生产成本，加强安全文明生产，有利于现场管理，就设计了自动等离子切割小车。小车自动切割机，采用PLC控制切割工艺的全过程，能够在切割过程中对切割速度、切割电流、切割电弧、切割位置等实施调节，易于控制，具有切割效率高、切割质量好等特点，有更广泛的应用前景，是重点研究和推广应用的自动切割装置之一。运用等离子切割小车进行切割有以下几点好处：（1）、等离子切割小车切割的工件比普通切割的直线度好，并且由于割炬的高度是一定的，这就使得切割质量明显提高。（2）、由于等离子切割小车可以远程控制，这就使工人的工作环境明显得到改善，摆脱了以往和电离气体直接接触的缺点。（3）、采用小车的切割和普通切割相比，切割速度明显提高，这不仅减少了工人的劳动量，更降低了生产成本。（4）、在切割直线和圆弧时采用小车切割，远比采用普通切割效率高、质量好、成本低，只有在切割不规则曲线时，才采用人工切割。2.国内外同类设计（或同类研究）的概况综述等离子切割自20世纪50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。随着计算机及数字控制技术的迅速发展，数控切割也得以蓬勃发展，并在改善加工精度、节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控方向发展，并成为数控切割技术发展的主要方向之一。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术，它的发展建立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。我国的数控切割技术起步于20世纪80年代，而数控等离子切割技术起步更晚。但近年来，国内一些高校、科研单位、制造厂商对数控等离子切割技术进行了研究，并逐步开发生产了各种规格的数控等离子切割设备，缩小了与国外先进技术的差距。等离子切割技术，目前已成为工业生产中不可缺少的一项热切割工艺。在切割速度上是气割所不能比拟的，在二翻质量上大体接近于自动气割的水平，而且可以切割气割不能胜任的有色金属和象花岗岩、混凝土、碳化硅等非金属材料。因此，这项热切割工艺在国外发展得很快，在许多部门有取代氧——燃气切割的趋势。等离子切割最早出现于1955年。美国Linde公司第一次将钨极氢弧焊枪改装成切割铝板的切割枪，这是等离子切割工艺在工业生产中应用的开始。其后，这项技术不断改进和发展。常规的等离子切割，使用氮气、氢气、氮气/氢气、氢气/氢气等作离子生成气，主要靠调整枪体水冷铜嘴的孔径来增，加电弧的压缩度和穿透力。但是仍存在一些问题。其中主要问题是常望的等寒足切割早适毛切赳刁遭塑和铝多有色金属，而对于碳钢,存在着切面抢遣多、速度不够快以及使用高价气体作离子生成气很不经济等缺点，因而使量大面宽的碳钢采用等离子切割受到限制。从六十年代开始一些国家以切割高质量高效率低成本以及解决碳钢等离子切割为目标开展了对等离子切割新工艺的研究，相继出现了水射流等离子切割、压缩空气等离子切割，小电流等离子切割、氧气等离子切割等新工艺，还成功地实现了水下等离子切割。这些新工艺的出现，是等离子切割技术的重大技术进展，使切割质量和切割速度均有较大提高，特别是解决了碳钢高效率、高质量、低成本等离子切割问题，从而使等离子切割从七十年代开始就进入了一个新的领域：碳钢领域。1980年,《Weld.Des.AndFabr.》杂志为了对切割工业发展的某些动向进行了预测，对其各有关方面的读者进行了一次调研。结果是：从1980年到1985年这五年中，在切割技术中。燃气切割将从91%下降到78%，等离子切割将从9%上升到22%。可以看出等离子切割工艺在八十年代将有进一步的发展。常规氮气等离子切割由于氮化、烟尘及断面不垂直，只适于薄板切割。氯/氢混合气等离子切割由于断面光洁、垂直度较高，适于不锈钢、铝材的厚板切割。近些年来发展起来的一些新的等离子切割工艺，由于解决了工业生产中用量最大的碳钢的高效率、高质量的切割问题，具有很强的生命力，因此今后会得到进一步的发展和完善。但是电极消耗和喷嘴寿命问题、有害气体污染和噪音等问题还需要进一步研究解决。提高等离子切割自动化水平，这是今后的一个发展方向。预计在八十年代将有较大的发展。等离子切割目前正由仿形自动切割机向数控切割机、电子计算机数控切割机、自动化系统或专用装置方向发展。为了适应碳钢薄板快速自动切割的需要，今后将出现一些经过重新设计、与之配套的新型数控切割机。第1章等离子切割小车驱动机构的总体方案设计本设计为等离子切割小车,由驱动机构带动小车沿轨道作直线或圆弧运动。使用灵活，适应性强，是目前最广泛的一种结构形式。国内外有关生产厂家，均有各自的系列产品供应市场,其切割辅助设备，可根据切割体体的长短或直径大小,来选择轨道的长短或轨道的半径，从而实现对工件进行直线切割或圆弧切割。§1.1MACROBUTTONAcceptAllChangesInDoc自动切割小车的分类自动切割小车包括：空气等离子切割机、仿形切割机、火焰切割机和激光切割机。仿形切割机仿形切割机可作为大批生产中同一种部件切割工作用的专用切割机，也是一种高效率自动切割机，可以很方便的切割出各种形状。由于其机身较小，而切割范围较大，因此这种机器特别适宜于野外工作，同时也适宜于大、中、小型工厂使用。仿形切割机有下列优点。a、小巧，轻便、操作方便。b、主轴固定在机座上，并作为主臂的支点，因没有平衡装置及磁铁导轮。可使主在切割幅度的工作限度内任意移动而保持平衡状态。c、传动部分采用滚动轴承，使机器运转平衡。d、机座下部装有球形螺柱，可以固定，移动及控制平面度。e、机器采用连锁装置，所以电动机的起动与切割氧的打开是同步的。f、可以在垂直方向调节样板上的滑尺位置。g、只要专用割圆附件，便可作450mm范围圆周长的切割工作。电动机与减速机构该机器采用永磁的直流伺服电动机，有正反转开关作顺逆方向旋转，它直接与齿轮减速机构相连，以带动磁车轮旋转。减速机构系三级减速传动。空气等离子切割机图1-1割炬的外形及操作部件空气等离子切割机使用中压乙炔和高压氧气，可以切割厚度大于8mm的钢板，做直线切割为主，同时也能作直径大于200mm的圆周切割以及斜面、V形切割，另外可利用附加装置和机身的动力，可作火焰淬火，塑料焊接等工艺。切割表面的粗糙度可以达到12.5，一般情况下切割后可不再进行表面切削工艺。需直线切割时，应将导轨放在被切割钢板的平面上，然后将切割机轻放在导轨上。使有割炬的一侧面向操纵者，根据钢板的厚度选用割嘴，调整切割直度和切割速度。如需进行斜面切割，应将割炬座的夹紧螺钉旋松，然后将割炬调整到所需位置之工作角度，拧紧螺丝即可做斜面切割。若进行V型坡口切割等，则需用双割炬。另一组割炬需另购，包括气体分配器。图1-2割炬的调整机构及分配器切割圆形的步骤如下：（1）先在钢板表面上敲好60度定位孔（2）将切割机的转向轮紧定螺钉松开，并拆去一只。（3）将中心架装在机身上，将定位针放入定位孔中，根据切割圆形的半径尺寸旋紧定位螺钉，同时抬高定位针，使靠定位针一边的车轮离开钢板，利用车轮围绕圆心旋转，切割钢板。（4）割小圆时，将定位针放在割炬的同一面，切割大圆时，将定位针放在割炬的相反一面。图1-3等离子小车割圆机构§1.2等离子切割种类的介绍1、普通等离子弧切割。根据所使用的主要工作气体，主要分为氩等离子弧切割、氧等离子弧切割、氮等离子弧切割和空气等离子弧切割等几类。切割电流一般在100A以下，切割厚度小于30mm。2、再约束等离子弧切割。根据等离子弧的再约束方式，主要分为水再压缩等离子弧切割、磁场再约束等离子弧切割等。由于等离子弧受到再次压缩，其电流密度、切割弧的能量进一步集中，从而提高了切割速度和加工质量。3、精细等离子弧切割。等离子弧电流密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技术，其电弧的稳定性也得以提高，因此，其切割精度相当高。国外的精细等离子切割表面质量已达激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。自动切割小车机构的基本要求是结构紧凑、自重轻、可控性强，主要实现切割时割炬的二个运动：（1）切割运动，即割炬沿割缝的移动（X向），速度大小直接决定割缝尺寸。速度过大则割缝断面就小，达不到切割要求且易出现未割透等缺陷；速度过慢则形成大断面割缝，易出现割毁板材等缺陷；合理的切割速度能得到整齐美观的割缝。（2）割炬上下运动（Z向），用来引弧和维持所需电弧的稳定长度，电弧的长短直接影响切割质量和切割电流。薄板长直焊缝切割宜采用短弧，快速直线切割，割炬不作摆动，以得到整齐的切割表面。薄板切割存在的主要缺陷是容易割不穿，变形较大及割缝成形不良等。自动切割小车应达到的基本要求是准确控制切割速度、切割位置、切割电流和稳定切割电弧，能在切割全过程中根据实际需要实施调节，保持合理的切割速度和维持适宜稳定的电弧长度可较好地提高切割质量和切割效率。本设计采用直流伺服电动机驱动，它直接与变速器及蜗轮蜗杆减速机构相连接，以带动车轮转动。目前国内外许多的切割设备制造厂都在生产等离子切割小车。产品规格型号多，外形结构差别大，适用于不同的材料，各自拥有不同的切割速度、切割质量，但基本上，都是用来切割直线或圆弧。参考同类型的产品，由于减速比较大，故减速机构采用二级蜗轮蜗杆减速传动，及齿轮减速传动共同构成。由于采用了直流伺服电机，电机转速较大，所以驱动机构的减速比也较大。驱动机构可采用以下方案：行星轮系减速传动由于周转轮系的存在，行星轮系的减速比非常大，适用于此种方案。谐波减速传动谐波传动具有减速比大同时啮合齿数多承载能力大传动精度高齿侧间隙小结构简单及重量轻等优点，适用于此方案。蜗轮蜗杆及齿轮减速传动蜗轮蜗杆的减速比很大为10~80，此方案需用两级蜗轮蜗杆传动。这三种方案中，第一种方案尺寸大、结构复杂，在小车上不适用；第二种方案，尺寸虽然小，但结构复杂，且成本较高，可以排除；第三种方案，尺寸小、结构简单，且传动比适合。故选用第三种方案。第2章电动机的选择和总传动比分配§2.1电动机的选择和计算§选择电动机类型按已知工作条件和要求，选用直流伺服电机。§2.1.2选择电动机的容量及转速（1）、小车的质量m（2-1）取（2）、小车所受的摩擦力（2-2）（3）、小车的移动速度取（4）、小车车轮所需功率（2-3）（5）、电动机至车轮之间传动装置的总效率（2-4）为联轴器的效率，查《课程设计》表2-4，取；为滚动轴承的效率，查《课程设计》表2-4，取；为蜗杆蜗轮传动的效率，查《课程设计》表2-4，取；为变速器的效率，查《课程设计》表2-4，取；为变速器的效率，查《课程设计》表2-4，取；（2-5）、电动机的输出功率（2-6）表2-1SZ系列直流伺服电动机技术数据型号转矩

(mN.m)转速

(r/min)功率

(W)电压

（V）电流(A）

不大于允许顺逆转速差

(r/min)转动惯量

不大于

(mN.m.s2)附注电枢激磁电枢激磁20055SZ01653000242420055SZ02653000272720055SZ03653000484820055SZ046530001101100.09020055SZ05556000242430055SZ06556000272730055SZ07556000484830055SZ0855600011011030055SZ09428000

-10000110110400图2-1SZ系列电动机外形及安装尺寸表2-2SZ系列直流伺服电动机外形及安装尺寸（安装形式A5）型号DcD1h4L1LDEL4FGdD2E2L12F1G2d2重量(kg)

不大于－－－－－(h6)--+0.005

-0.015(h11)(H11)(h6)--+0.005

-0.015(h11)(H11)55SZ01~4955609151227412光轴55SZ51~9910170SZ01~49707457211461416275122770SZ51~998212470SZ101Z01~49909512781618210614162790SZ51~99147110SZ01~49110115710916410202031081618210110SZ51~99139194当小车在轨道上运动时，由于轨道与小车之间的相互作用及轨道的不平整，使实际的输出功率为（2-7）电机的额定功率为（2-8）选定电机的额定功率为查阅网上资料，参考同类产品的电机，选用55SZ09直流伺服电机，额定功率为40w，额定转速为8000r/min，其相关参数如表2-1、2-2所示。§2.2各级传动比分配§2.2满载转速车轮转速（2-9）总传动比（2-10）§2.2查阅参考文献《机械设计课程设计》中表2-1常用单级传动比推荐值，分配各级传动比。总传动比为蜗杆涡轮传动比，取为减速箱内齿轮的传动比，取为减速箱外部齿轮的传动比，则§2.3计算传动装置的运动和动力参数§2.2Ⅰ轴与电机轴由联轴器相连，（2-11）（2-12）（2-13）（2-14）（2-15）§2.2.1（2-16）（2-17）（2-18）（2-19）§2.2（2-20）（2-21）（2-22）（2-23）第3章驱动机构的设计及校核§3.1蜗轮蜗杆传动设计已知：蜗杆输入功率QUOTE，转速，传动比初定30。考虑到传动的功率不大，转速较高，选用ZI蜗杆传动，精度8cGB10089-1988。蜗杆用45钢,因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45～50HRC；表面粗糙度Ra。蜗轮轮缘选用铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT150制造。§.1选择蜗杆，蜗轮的齿数初定传动比30，模数m=1mm，转速n1=8000r/min参考《机械设计手册》表，取z1=1，z2=30§.2确定许用应力（3-1）（3-2）由《机械设计手册》表14-4-13查得。按《机械设计手册》图14-4-5查得，再查《机械设计手册》图14-5-7得，采用浸油润滑，得。轮齿应力循环次数（3-3）查《机械设计手册》图14-5-7得（3-4）（3-5）§.3接触强度校核查阅《机械设计》得，蜗杆的接触校核公式（3-6）载荷系数查表得蜗轮轴的转矩代入上式（3-7）§.4求蜗轮的圆周速度，并校核效率实际传动比（3-7）蜗轮的转速（3-8）蜗轮的圆周速度（3-9）蜗杆导程角（3-10）滑动速度（3-11）§.5蜗轮齿根弯曲强度校核按《机械设计手册》表，齿根弯曲强度验算公式（3-12）式中，按，查《机械设计》图11-19得，（3-13）将上述诸值代入公式（3-14）符合弯曲强度要求§3.2蜗杆轴（Ⅰ轴）的设计及校核§.1选择轴的材料该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，由查参考文献[9]表12-2知，。§.2初步估算轴径由表查参考文献12-4，按45钢，取A0=103；输出功率P1；输出轴的转速n1=8000r/min；；（3-15）由于蜗杆处有一个花键槽，轴径应增大5%，为使所选轴径与联轴器相应，取=1.85mm。轴的具体尺寸见蜗轮减速器。§.3蜗杆轴的强度计算（1）蜗轮、蜗杆上的作用力的大小蜗杆轴向力，蜗轮圆周力（3-16）蜗杆圆周力，涡轮轴向力（3-17）蜗杆，涡轮径向力（3-18）计算轴承的支承反力，做出载荷图，弯矩图，扭矩图图4-1Ⅰ轴的外部结构形状水平方向：图4-2水平方向的受力图由力和力矩的平衡条件知（3-19）（3-20）得图4-3水平方向的弯矩图（3-21）（3-22）竖直方向：图4-4竖直方向的受力图由力和力矩的平衡条件知（3-23）得，图4-5竖直方向的弯矩图（3-24）总弯矩图如下图4-5轴的总弯矩图（3-25）（3-26）扭矩图如下图4-6轴的扭矩图（3）.按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，校核轴上危险截面Ⅰ和危险截面Ⅱ的强度。轴为单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力（3-27）（3-28）故该蜗杆轴强度符合要求，安全。§3.3Ⅰ轴轴承寿命的校核Ⅰ轴安转的两个轴承为：左边是608轴承，右边是626轴承。各轴承的参数如下：608轴承（3-29）626轴承（3-30）（3-31）1、对于608轴承（3-32）（3-33）由（3-34）查《机械设计课程设计》表15-3，的故（3-35）由（3-36）式中（3-37）该轴承寿命符合要求对于626轴承（3-38）（3-39）（3-40）轴承寿命符合要求§3.4Ⅱ轴的设计及校核§.1选择轴的材料该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，由查参考文献[9]表12-2知，。§.2初步估算轴径由表查参考文献[9]12-4，按45钢，取A0=103；输出功率P2；输出轴的转速；；（3-41）由于蜗杆处有一个花键槽，轴径应增大5%，为使所选轴径与联轴器相应，取=5.19mm。§3.3.3Ⅱ轴的强度计算轴的形状结构如下图所示图4-6轴的外部结构形状（1）、计算轴上蜗轮蜗杆所受的力由Ⅰ轴的校核知，蜗轮受的力为计算Ⅱ轴上蜗杆所受的力：轴向力（3-42）圆周力（3-43）径向力（3-44）、在水平方向和竖直方向上作出轴的受力图，计算轴承的支撑反力，并作出轴的弯矩图、扭矩图水平方向图4-6水平方向的受力图有力和力矩的平衡条件得（3-45）由，及计算出的力得弯矩图如下图4-7水平方向的弯矩图（3-46）（3-47）（3-48）竖直方向图4-8竖直方向的受力图有力和力矩的平衡条件得（3-49）由，及计算出的力得弯矩图如下图4-9竖直方向的弯矩图经计算得（3-50）（3-51）（3-52）作出该轴的总弯矩图如下图4-10轴的总弯矩图经计算的（3-53）（3-54）（3-55）（3-56）扭矩图如下图4-11轴的扭矩图（3）.按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，校核轴上危险截面Ⅰ和危险截面Ⅱ的强度。轴为单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力（3-57）（3-58）故该蜗杆轴强度符合要求，安全。

结论经过近三个月的时间，我完成了对等离子小车驱动机构设计这一题目的研究和设计。我设计的内容包括：等离子小车的驱动机构、割炬升降机构、和割炬的左右移动机构。特别是针对等离子小车的驱动机构进行了详细、完善的设计和校核。并画出了小车的总体图、驱动机构的装配图、割炬升降机构的装配图和Ⅳ轴的零件图。总结此次对等离子小车驱动机构设计的过程：电动机的选择；蜗轮蜗杆的设计及校核；轴的设计及校核，轴承的选取及校核。小车驱动机构采用的是直流伺服电动机，根据电机的参数和工作条件选择适合的电机，并计算和分配传动比。由此就可以确定各轴的运动和动力参数，从而为以后的设计做好铺垫。轴的设计时先根据经验试选一个轴径，然后对其进行校核，确定其是否满足载荷的强度刚度要求和设计任务书