大型管材相貫線數(shù)控切割機的設(shè)計說明書

1、 目錄目錄 目錄.1 中文摘要.2 abstract.2 第 1 章 緒論.3 第 2 章 數(shù)學(xué)模型及工藝分析.4 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學(xué)模型的建立.4 2.2 割炬運動分析.5 2.3 焊接坡口工藝分析.6 2.4 割炬的徑向補償.6 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局.7 3.1 機床總體方案.7 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明.7 3.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析.8 第 4 章 機械系統(tǒng)設(shè)計.10 4.1 z 軸工作滑臺的設(shè)計.10 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè)計.17 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核.18 4.4 支架的設(shè)計.18 第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計.20 5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計.20 5.2

2、 控制系統(tǒng)的選用.21 5.3 數(shù)控裝置的部件結(jié)構(gòu)和安裝.21 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計.22 5.5 圖形交互人機界面.23 總 結(jié).25 鳴 謝.26 參考文獻.27 中文摘要 本設(shè)計以相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的基礎(chǔ), 分析切割機的割炬的軌跡運動, 將切割運動分解為 割炬回轉(zhuǎn)、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補償四軸聯(lián)動,對鋼管相貫焊接坡口數(shù)控切割運動 進行研究,并最終完成相貫線切割機的設(shè)計.該切割機采用數(shù)控原理進行軌跡控制，采用火焰切 割方式工作.設(shè)計共分四部分:相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的建立,切割機總體方案設(shè)計,機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 和控制系統(tǒng)設(shè)計. 關(guān) 鍵 詞:大型管材;相貫線;焊接坡口;數(shù)控火焰切割 a

3、bstract based 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 ax

4、is 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 mathema

5、tical 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-cutting 大型管材相貫線切割機設(shè)計 湖南工學(xué)院機械工程系數(shù)控 0401,2000121509,黃俊 指導(dǎo)教師：黃開有 第 1 章 緒論 隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展 ,海洋工程結(jié)構(gòu)

6、建造將面對面大量的鋼管相貫的加工 .南海西 部石油合眾公司，主要以海上平臺上部模塊建造工程為主,而大型管材相貫是該海上平臺加工 制造過程中經(jīng)常遇見的切割焊接結(jié)構(gòu).相貫焊接前,管端相貫 線需要加工,相貫線上每一點的焊接坡口也需要加工 .根 據(jù)石油天然氣行業(yè)標準 (sy/t 4802-92)和美國石油協(xié)會 標準(api pi 2a),相貫線上每一點的焊接坡口取決于該 點的局部兩面角 . 不同形式的鋼管相貫 ,相貫線上每一點 的局部兩面角各不相同 ,局部兩面角沿相貫線在不斷變化 . 目前，該公司切割下料以人工作業(yè)為主，對于這種帶坡口相 貫線均采用人工放樣等工藝方法來進行加工,因此下料工作 進度與效率

7、成為影響整個平臺建造工程進度的主要因素，為 改變工作強度大和效率低的現(xiàn)狀,本課題嘗試運用所學(xué)的機電 一體化的相關(guān)知識進行大型管材相貫線切割機的設(shè)計. 本課題所研究的大型管材相貫線切割機是屬于數(shù)控火焰切割機,它具有一般數(shù)控機床的特 點，能根據(jù)數(shù)控加工程序,自動完成從點火 -預(yù)熱-通切割氧-切割-熄火-返回原點的整套切割 過程。但數(shù)控火焰切割機又有別于一般數(shù)控金屬切削機床，它利用氧-乙炔火焰把鋼板割縫加 熱到熔融狀態(tài)，用高壓氧吹透鋼板進行切割,而不像金屬切削機床那樣,是用金屬切削工具與工 件剛性接觸來進行切削加工。目前這種數(shù)控火焰切割機仍依賴進口.因此,開發(fā)這種火焰切割機 具有重要的意義. 第 2

8、 章 數(shù)學(xué)模型及工藝分析 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學(xué)模型的建立 如圖 2-1 所示,空間相貫線是一個復(fù)雜的空間 曲線,描述其軌跡需要用空間坐標方程 f(x,y,z)=0, 其函數(shù)關(guān)系復(fù)雜,但由于相貫線是兩個圓柱的交線, 所以,采用柱坐標可以把三維坐標轉(zhuǎn)化為二維坐標方 程 f(h,)=0.以下相貫線均指支管內(nèi)圓柱和主管外圓柱相貫. 圖 2-1 空間相貫線曲線 如圖 2-2 所示,在空間三維坐標系下兩圓柱的相貫線方程為 (1) (2) 式中 r - 支管半徑 (mm) r - 主管半徑 (mm) 坐標系與坐標系間存在以下坐標變換關(guān)系 圖 2- 2 兩圓柱的相貫線oxyzoxyz (3) (4) (

9、5) 式中 - 坐標系旋轉(zhuǎn)角,亦即兩管交角. 在平面內(nèi)支管圓柱面的方程為 (6) (7) 圖2- 3 支管圓柱面的方程 式中 - 支管上的旋轉(zhuǎn)角. 由式(1)(7) 式得出兩圓柱相貫線各點的參數(shù)方程如下 (8) (9) (10) 222 yzr 222 yzr cossinxxy sincosyxy zz cosyr sinzr coscos sin yr x 22 sinyrr sinzr 22 ()sin() (cos() ( sintan rre r hf 1 取在坐標系下過相貫線上x軸坐標值最大的點且垂直于x軸的平面為下料基準面.其oxyz 在 坐標系下的方程為 oxyz (11) 由

10、此可得支管下料高度為 (12) 即下料高度 h 是支管上的旋轉(zhuǎn)角的函數(shù): (13) 以上討論的是典型相貫線數(shù)學(xué)方程,即兩圓柱軸線相交成一角度.在兩圓柱軸線異面并有一偏心 距 e 時,其相貫線方程為: 式中 - 支管壁厚 (mm) - 扭轉(zhuǎn)角,標志主管相對于支管的扭轉(zhuǎn)角度. 2.2 割炬運動分析 如圖 2-3 所示,被切支管保持不動, 割炬沿被切支管做 r 軸(旋轉(zhuǎn)軸),t 軸 (擺動軸),a 軸(縱向補償軸)三軸和環(huán) 架的 z 軸(軸向移動)共四軸聯(lián)動.正式 切割前,手動完割炬和環(huán)架的徑向運動, 以調(diào)整割炬與被切管徑向位置;在切割 過程中, 割炬按照設(shè)定速度繞被切管作 回轉(zhuǎn)運動, 被切管剖面的

11、擺動和徑向補 償運動,環(huán)架沿被切管軸向作軸向移動, 其速度大小是由管壁厚和害炬回轉(zhuǎn)速度 決定. 割炬在被切管剖面的擺動角度按 工藝規(guī)范切出坡口.四軸必須按照一定 的數(shù)學(xué)關(guān)系聯(lián)動,才能切出所需的空間相 貫曲面. 圖 2-4 割炬運動 注:1肖聚亮,王國棟.火焰數(shù)控切管機割炬軌研究及仿真 cotcscxrr ( cotcsc ) ( cossin)hrrxy coscos 22 ( ) ( cotcsc ) (cossinsin) sin yr hfrrrr 1 2.3 焊接坡口工藝分析 根據(jù)焊接工藝要求,為保證構(gòu)件的強度和避免較大的焊縫尺寸,一般中厚板的接頭都要進 行開坡口焊接.因此,切管時不僅

12、要切出相貫線,還要切出坡口角,切管機最后切出的管端形狀是 空間曲面.根據(jù)美國焊接學(xué)會aws d1.1規(guī)范要求,所開焊接坡形式,根部間隙和鈍邊高度均取決 于相交雙管相貫線上各部位的局部二面角.而支管下料時切割高度曲線的確定也與相貫線上的 局部二面角相關(guān).不同管徑,不同厚度,不同交角的相交雙管的相貫線上的各部位局部二面角各 不相同.在工程實際中,焊接坡口角度是通過鈍邊和坡口切割高度來保證的. 圖 2-5 焊接坡口參數(shù)及裝配規(guī)范 坡口角的取值是根據(jù)兩面角的大小來決定.相貫線上任選兩點兩面角為: 根據(jù)石油天然氣行業(yè)標準 (sy/t 4802-92)和美國石油協(xié)會標準 (api pi 2a)來確定坡 口

13、角.按api標準 當(dāng) 90時,坡口角 = /2; 當(dāng) 90時, = 45. 2.4 割炬的徑向補償 在實際切割過程中是沿支管外表面進行的 ,在這一過程中不僅要完成相貫線的切割 ,也 要完成坡口的切割 .坡口角是由實際 切割角來保證,實際切割角由割炬 繞支管外表面一點在軸剖面內(nèi)偏轉(zhuǎn)實 現(xiàn)的,其偏轉(zhuǎn)的結(jié)果不應(yīng)使要切割的 相貫線偏離原來的位置 ,為此,割炬需 沿支管外表面作徑向補償 . 其補償量 為: 圖 2-6 徑向補償 = tan arccoscos() 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局 3.1 機床總體方案 對于大型鋼管的相貫線的切割有兩個方案： 方案 1：鋼管由主軸帶動旋轉(zhuǎn)，同時割矩槍只需進行

14、軸向移動即可實現(xiàn)切割要求， 所以要實現(xiàn) 2 軸聯(lián)動。 方案 2：鋼管靜止不動，并且由于 相貫鋼管的直徑大小不同、相 貫角度不同，都 會導(dǎo)致相貫線軌跡的不同，因此割矩槍必須要利用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動、軸向移動、 徑向補償移動、軸剖面內(nèi)擺動 ,均采用步進電動機帶動，所以要實現(xiàn) 4 軸聯(lián)動,并且要 求能進行人機對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強，具有顯示和通信功能， 縮短非生產(chǎn)準備時間，提高生產(chǎn)率。 由于被加工的鋼管最大重量可達 m=7.810003.14(0.50.5-0.460.46) 12=11285.9kg 且鋼管長度最長時可達 12m。 如果照方案 1 鋼管轉(zhuǎn)動起來需要耗費比較大的

15、功率,并且鋼管過長轉(zhuǎn)動起來還會產(chǎn)生較大的 扭矩從而影響鋼管的加工質(zhì)量.因此本設(shè)計采用方案 2. 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 3.2.1 切割機各軸的定義 切割機在實現(xiàn)相貫線切割時,需要四軸聯(lián)動和兩個手動來完成.現(xiàn)定義四軸如下圖 4-1. 圖 3-1 切割機的四軸聯(lián)動 3.2.2 z 軸工作滑臺簡明傳動系統(tǒng)圖 z 軸主要完成沿著鋼管軸心的軸向進給 圖 3-2 z 軸傳動系統(tǒng)圖 圖 3-3 r 軸和 a 軸傳動系統(tǒng)圖 3.2.3 r 軸和 a 軸傳動系統(tǒng)圖 r 軸和 a 軸分別實現(xiàn)割炬繞著鋼管轉(zhuǎn)動和沿鋼管徑向補償.如圖 3-3。 3.2.4 t 軸和徑向調(diào)整傳動系統(tǒng)圖 t 軸是實現(xiàn)割炬的前后

16、擺動,以切出所需要的 坡口角.其擺動行程為 30-30. 圖 3-4 t 軸和徑向調(diào)整傳動系統(tǒng)圖 3.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析 相干鋼管的直徑大小不同、相干角度不同，都會導(dǎo)致相干相貫線軌跡的不同，因此割矩槍 必須要利用數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)縱向移動，旋轉(zhuǎn)運動和徑向移動的定位精度、走刀速度等諸技術(shù)參數(shù)， 并且要求能進行人機對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強，具有顯示和通信功能， 縮短非生產(chǎn)準備時間，提高生產(chǎn)率。加上割矩槍在旋轉(zhuǎn)過程中隨著切割位置的不同還需要割矩 擺動角度參數(shù)，即機床要實現(xiàn)四軸聯(lián)動。 加工的鋼管直徑尺寸 2001000mm，最長 12000mm,厚度 1040mm，屬于比較大型的鋼 管

17、，精度要求不高，主要考慮機構(gòu)機床的剛度要求。因此可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，并選擇步進電動機 作為機床的動力源。 步進電動機可通過數(shù)控裝置實現(xiàn)無級調(diào)速，因此主軸轉(zhuǎn)速只需要滿足最小與最大極限要求 轉(zhuǎn)速即可在此范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)的速度變化要求。 軸 軸 由于乙炔在熱切割里應(yīng)用的廣泛性和低成本,決定選用乙炔作為氣體燃料。選用外混式割嘴。 查簡明焊工手冊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 號 碼 喉徑 d/mm 切割速度 （mm/min） 52010.6800300 254 0 20.8500250 357 0 31.0350150 第 4 章 機械系統(tǒng)設(shè)計 4.1 z 軸工

18、作滑臺的設(shè)計 4.1.1 脈沖當(dāng)量即系統(tǒng)分辨率。 p 本設(shè)計中選用0.01mm p 4.1.2 選定傳動比 當(dāng) 1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本設(shè)計中取i 1。i 4.1.3 初選步機電機 根據(jù)公式 公式 (4-1) p bl i 360 0 其中 為傳動比，為電機步距角，為滾珠絲杠導(dǎo)程，為脈沖當(dāng)量。i b 0 l p 因為 1，0.01mm，現(xiàn)取4mm，可得0.9o初選步進電機型號為 90bf001。i p 0 l b 4.1.4 計算絲杠承受的質(zhì)量 在本設(shè)計中加工的最在鋼管直徑是 1m, 以 30 o 為鋼管的最小相干角度,則此時絲杠的行程 至少應(yīng)為 1

19、.73m, 絲杠的尺寸取整為 2m. 燕尾槽的重量大約為 0.100.60.30.67.81000=84.2kg 工作臺的重量為 0.30.330.047.81000=30.8kg 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8(0.70.7-0.60.6)3.14 0.1=318.3kg 再加上繞齒輪轉(zhuǎn)動的燕尾滑塊、兩個電動機、和火焰切割槍等，取絲杠所承受的質(zhì)量 m=460kg 4.1.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)是根據(jù)最大工作載荷和最大靜載荷。初步選型后，進 行軸向剛度驗算和壓桿穩(wěn)定性驗算。 4.1.5.1 最大工作載荷的計 本設(shè)計中，選用矩形滾動直線導(dǎo)軌。得滾珠絲杠

20、上的工作載荷： 公式(42) 其中為考慮導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù), 對于矩形滾動導(dǎo)軌取0.005。g=m 所以， f f 22.548 . 94600.005fm 4.1.5.2 最大動載荷的計算和主要尺寸的初選 c 滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算：c g f m f 公式(43) mmf fl 3 c 式中：為工作壽命，； 為絲杠轉(zhuǎn)速，；為最大進給速l 6 10/60ntl n 0 /1000lvn v 度；為絲杠導(dǎo)程； 為額定使用壽命，可取 15000h；為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，現(xiàn) 0 ltt m f 1.5；為絲杠工作載荷； m f m f 由板厚 520、2540、3570mm 查簡明焊工手冊p581

21、 可得火焰切割速度分別為 800300、500250、150350mm/min。 綜合考慮大齒輪的旋轉(zhuǎn)運動和底下工作臺的直線運動選項用工作臺的直線進給速度為 =0.8m/minv 公式（44) )10(180 10 1500020060 10/60 min/200 4 8 . 01000 /1000 6 6 6 0 rntl rlvn 所以，89.19022.545 . 1180c 33 mmf fl 本設(shè)計選外循環(huán)滾動螺旋副，查機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-8，根據(jù)4mm，選絲杠 0 l 公稱直徑，有：mmdm16 9700c 4000c 933 12.5 2.381dw oa a mm 額定靜

22、載荷 額定動載荷 ，絲杠螺旋升角 ，列數(shù)圈數(shù) ，滾珠直徑 因為，所以初選的絲杠螺母副合格。c a c 4.1.5.3 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 公式(45) )( tg tg 式中：為絲杠螺旋升角，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)0.0030.004,f 其摩擦角約等于。0 1 所以， 96 . 0 )01933( 933 )( tg tg tg tg 4.1.5.4 剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭 轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭 轉(zhuǎn)變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略

23、不計。螺母座只要設(shè)計合理，其變形量也可 1 m f l ea 忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考慮。 a） 絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應(yīng)計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 公式(46) 式中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm） ；為絲杠的工 1 m f m f 作載荷(n)；為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)；e 為材料彈性模量，對鋼l e20.6104mpa；a 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm2） ；“”號用于拉伸， “” 號用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 dw2.381mm 公式見機電一體 化設(shè)計基礎(chǔ)p25， 其中， 為絲杠

24、 m d 公稱直徑。為絲杠底徑。 1 d 取進給的絲杠長度 l2000mm.。 所以 =0.00151mm mm 4- 4 1 1015.1 144.91020.6 200022.54 b） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。其計算公式： 有預(yù)緊時 公式(47) 3 2 w m 2 d f 0013. 0 zfyj 式中：為滾珠直徑（mm） ；為滾珠總數(shù)量圈數(shù)列數(shù)；z 為一圈的滾珠數(shù)， w d z zz （外循環(huán)） ；為滾珠絲杠的公稱直徑（mm） ；為滾珠絲杠的工作載荷 wm dd/z m d m f （kgf） ；為預(yù)緊力（

25、kgf，1kgf=9.8n） ，取工作載荷的 1/3。 yj f m f 因為， 21 2.381 163.14 z 圈數(shù)列數(shù)212.5152.5 zz 513. 754.22 3 1 3 1 fyj m f 所以 0.000558mm 52.522.542.381 22.54 0.0013 32 2 22 2 1 1 242.94113.59 4 14. 3 d 4 a 59.13238. 12034 . 0 21622d 034 . 0 )2/381 . 2 238. 1 (707 . 0 )2/(707 . 0 238 . 1 381 . 2 52 . 0 52 . 0 mm mmred

26、 mmdre mmdr m w w 因為滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為工作載荷的 1/3 時， 值可減少一半左右。所以縱向 2 和橫向：0.000279mm。 2 c） 滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總的變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的 21 定位精度值的一半。 因為 mm001789 . 0 0.00027900151 . 0 21 機床進給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 0.01mm，其一半為 0.005mm。 所以，總的變形量小于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半,故滾珠絲杠可以滿足要求。 4.1.5.5 壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使

27、絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱 向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 k f 公式(48) 2 2 l eif f z k 式中： i 為截面慣性矩，對絲杠圓截面（d1為絲杠底徑） ；l 為絲杠最大)( 64 4 4 1 mm d i 工作長度（mm） ；e 為材料彈性模量，對鋼 e20.6104mpa；為絲杠支承方式系數(shù)。 z f 本設(shè)計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即4。 z f )( 5 . 1673 64 59.1314 . 3 64 4 4 4 1 mm d i 所以 0 . 3399 2000 5 .167310 6 . 2014 . 3 4 2 42 k f 臨界載荷與絲杠工

28、作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安 k f m f k n k n 全系數(shù)，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 k n 公式(49) k m k k n f f n 一般取2.54，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取4。 k n k n 又因為面通知 k m k k n f f n 7 . 151 54.22 0 . 3399 所以，滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 4.1.5.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據(jù)最大動載荷選用，其代號為：1604 4.1.6 導(dǎo)軌的選型及計算 4.1.6.1 初選導(dǎo)軌型號及估算導(dǎo)軌長度 導(dǎo)軌為直線滾動矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計中共用 2 條導(dǎo)軌，每

29、條導(dǎo)軌用 2 個滑塊，根據(jù)最大動載 荷 c=190.89n，通過查機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-16 p33，初選 2 條導(dǎo)軌的型號都為 gda20tw。其部分參數(shù)如下： mmlmml6020 21 ， 根據(jù)工作臺的長度和工作臺的行程，估算出導(dǎo)軌的長度為 2200mm。 由公式。式中 為支座長度；為導(dǎo)軌兩孔之間的距離?？伤愕脤?dǎo)軌的 21 2nlllln 36。n 4.1.6.2 計算滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命l 滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計算： 滾動體為球時 公式(410) 3 50 w ctha f fff f c l 式中：為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km） ；為額定載荷（n） ，從機

30、電綜合設(shè)計指l a c 導(dǎo)書表 2-10 查得19100n；為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為 5864hrc 時， a c h f 1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過 1000c 時，1；為接觸系數(shù)，每根 h f t f t f c f 導(dǎo)軌條上裝二個滑塊時0.81；為載荷/速度系數(shù)，有沖擊振動或時， c f w fmin/60mv 1.5。 w f 為每個滑塊的工作載荷（n） 。f 635 . 5 4/54.224/ m ff 考慮到工作臺上各部分的重量在工作臺上的重心不落在中心上，而這些載荷都通過工作臺 直接作用在滑塊上，故取 f=20n。 所以 50km6857430km 1.5 0.8111

31、.0 20 19100 50 3 l 大于滾動導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計要求，初選的滾動導(dǎo)軌副可采用。l 4.1.7 步進電機的驗算 4.1.7.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動 部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸折算問題。最后，要計 算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。本設(shè)計需要對 電機轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸器,絲杠,工作臺進行轉(zhuǎn)動慣量的計算。 a） 、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算 d j 由機電綜合設(shè)計指導(dǎo)表 2-18 p40 查出=1.764cm2 d j b） 、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣

32、量的折算 l j 選用 tl1 聯(lián)軸器(查機械設(shè)計實用手冊化學(xué)工業(yè)出版 p666)，可查 844323 4820 2210 gb j j 出它轉(zhuǎn)動慣量為 0.0004m2，得出4cm2。 l j c） 、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算 s j 1m 長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為 0.94cm2，本設(shè)計的絲杠長度 l2000mm，所以滾珠絲 杠轉(zhuǎn)動慣量縱向：=0.942=1.88cm2。 s j d） 、工作臺質(zhì)量的折算 g j 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進行計算： g j 公式(411) m l jg 20 ) 2 ( 式中，為絲杠導(dǎo)程（cm） ；為工作臺質(zhì)量（kg）

33、 。 0 lm 所以 2 2 20 1249. 0 8 . 30 14 . 3 2 4 . 0 ) 2 (cmkgm l jg e） 、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 j 2 76891 . 7 1249 . 0 88 . 1 4764 . 1 cmkgjjjjj gsld 4.1.7.2、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩，從機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-18 中 maxj m 查得。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： mm j 92 . 3 maxmq m maxj m 公式(412) maxjmq mm 由0.707 得， mmmq77 . 2 92 . 3 707 .

34、0 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可 按下式計算： 公式(413) 0 mmmm kfkakq 式中：為空載啟動力矩（ncm） ；為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進 kq m ka m 速度，折算到電機軸上的加速力矩（ncm） ；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩 kf m （ncm） ； 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 （ncm） 。 0 m 有關(guān)的各項力矩值計算如下： kq m a）加速力矩 公式(414) 360 10 60 2 max max 2max p b ka v n t n jjm 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為

35、電機最大角加速度；為與運動部件最大快 j max n 進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速；t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間， 為運動部件最大快進速度；為初選步進電機的步距角；為脈沖當(dāng)量。 max v b p min/200 36001. 0 9 . 0800 360 max max r v n p b cm t n jmka 13 . 8 2 . 060 20014 . 3 2 7689. 710 60 2 2max b） 空載摩擦力矩 公式(415) i lfg mkf 2 0 式中：為運動部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動降速比；為傳動系數(shù)總g f i 效率，取0.8；為滾

36、珠絲杠的基本導(dǎo)程。 0 l cmmkf 120 . 0 18 . 014. 32 4 . 0005 . 0 8 . 98 .30 c） 、附加摩擦力矩 公式(416) 2 0 0 0 1 2 i lf m yj 式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，現(xiàn)取0.96。 yj f 0 0 于是 cmm 04681. 096 . 0 1 18 . 014 . 3 2 4 . 05 . 7 2 0 所以，步進電機所需空載啟動力矩： cmmmmm kfkakq 296 . 8 04681 . 0 120 . 0 13 . 8 0 初選電機型號應(yīng)滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟

37、動轉(zhuǎn)矩，即 mqkq mm 從上式可知，所選電動機初步滿足要求。 4.1.7.3、啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止 狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。 啟動結(jié)束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書圖 2-21 p42，從 90bf001 啟動矩頻特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動力矩對應(yīng)的允許啟動頻率。查機電 kq mcm296 . 8 zyq hf2500 綜合設(shè)計指導(dǎo)書表 2-21 p42，步進電機 90bf001 的最高空載啟動頻率 ， yqzq fhf 2000

38、 所以所選電機不會丟步。 4.1.7.4、運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率可按下式計算： kj f 公式(417) p kz v f 60 1000 max 式中：為運動部件最大快進速度。=0.01 算得。 max v p zkz hf1333.333 快進力矩的計算公式： kj m 公式(418) 0 mmm kfkj 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得： 0 m kf m 。 cmmmm kfkj 0.166810.046810.120 0 查看機電綜合設(shè)計指導(dǎo)書圖 2-22 p43，從 90bf001 運行矩頻特性圖中，可知： 快進力矩對應(yīng)的允

39、許快進頻率； kj mmcmn0016681. 0.16681.0. kjykj ff 所以，所用的電機滿足快速進給運行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的 z 軸步進電機 90bf001 符合要求，可以使用。 其他各軸電動為:r 軸電機為 70bf001 a 軸電機為 70bf001 t 軸電機為 70bf001 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè)計 該部件采用燕尾槽的導(dǎo)向、絲杠的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)上下調(diào)整。 4.2.1 絲杠的螺紋升角的確定 由于在調(diào)整中調(diào)整絲杠要有自鎖性，因此其螺紋升角應(yīng) 小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角（6. 5 到 10. 5）取絲杠的 螺紋升角為 3.絲杠底下的雙推力軸承代號為 52208。內(nèi) 徑

40、d=30,外徑 d=68,厚度 t1=36. 圖 4-1 調(diào)整絲杠 4.2.2 絲桿穩(wěn)定性驗算 絲杠是屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎 曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為 k f 公式(419) 2 2 l eif f z k 式中： i 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 （d1為絲杠底徑） ；l 為)( 64 4 4 1 mm d i 絲杠最大工作長度（mm） ；e 為材料彈性模量，對鋼 e20.6104mpa；為絲杠支承 z f 方式系數(shù)。 本設(shè)計中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即0.25。 z f )(25.12656 64 3014 . 3 6

41、4 4 4 4 1 mm d i 所以 4 . 18105 600 25.1265610 6 . 2014 . 3 25 . 0 2 42 k f 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性 k f m f k n k n 安全系數(shù)，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 k n 公式(420) k m k k n f f n 一般取2.54，在這里取4。 k n k n 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8(0.70.7-0.60.6)3.14 0.1=318.3kg 取 f=250kg。m k m k k n xf f n389 . 7 8 . 9250 4

42、 . 18105 所以，調(diào)整絲杠不會失穩(wěn)。 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 4.3.1 所需的電機最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速 最短相貫線 lmin=200=628.32628mm(最小與最大鋼管垂直相干時的情況) 最大切割速度選 600mm/min，即每分鐘割炬繞工件轉(zhuǎn) 600/628=0.955r/min。 選大小齒輪的分度圓直徑比為 1：10 于是電機的最大轉(zhuǎn)速為 9.55r/min 當(dāng)鋼管厚度為 40mm 時，最小切割速度選 300mm/min, 兩最大鋼管 30相干時相貫線最 長，此時電機帶上小齒輪的線速度為 150mm/min,選小齒輪的分度圓直徑為 135mm，則電 機的最小轉(zhuǎn)速為 1.11

43、1r/min。 4.3.2 齒輪的校核 大齒輪分度賀直徑 1350mm；小齒輪直徑 135mm。 選用齒輪模數(shù) m=5，大齒輪齒數(shù)為 270；小齒輪齒數(shù)為 27。兩齒輪中心距 a=675+167.5=852.5mm。 齒輪的的設(shè)計準則是:保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度. 4.3.2.1 齒面接觸強度計算 公式(4-21) 3 2 1 ) 1( hp a am u kt uaca 查=1=483,k=1.2=0.6mcaaa =0.9500=450 hp 又有 a=148.5mm. =9549p/n. w 1t 2 . 198 . 030 22 mvp =954919.2/9.55=19

44、.1n.m1t 3 10 1400265 . 0 114831 5 . 852a 所以齒輪符合齒面接觸強度要求 4.3.2.2 齒根抗彎強度較核 公式(4-22) 3 2 1 1 )1( fp d fs mmn z ykt uacm 其中=12.6,；=1； =4.0 ；mamcfsy =3; =27 ；=150。 d1z fp 所以齒輪符合齒根抗彎強度要求。 綜上所述所需要的強度要求。 4.4 支架的設(shè)計 4.4.1 支架的材料選取 支架的設(shè)計準則：機架的設(shè)計主要應(yīng)保證剛度，強度及穩(wěn)定性。 由于零件的抗彎，抗扭強度和剛度除與其截面面積有關(guān)外，還取決于截面形狀，合理改 變截面形狀，增大其慣性矩

45、和截面系數(shù)，可提高機架零件的強度和剛度，從而充分發(fā)揮 材料的作用。從機械零件手冊查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對值較大。 綜合上述條件，立柱采用型鋼實腹柱，截面形狀為方形，選取結(jié)構(gòu)用冷彎方形空心型鋼， 這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應(yīng)力。 由(軟件版)查得國標為：gb/t 67281986 一般鋼號為 q235-a，20 或 16mn 等，其力學(xué)性能與化學(xué)成分應(yīng)符合： gb/t 700，gb/t 699 和 gb/t 1591 的規(guī)定。 曲部分的內(nèi)弧半徑 235, t4.0,時 r1.4t, 4.0t8.0 時，r1.8t . 選取的序號：31，邊長=120mm, 壁厚=5mm, 截

46、面面積=22.356cm2 理論重量=17.549kg/m 截面模數(shù)： wx=wy=80.906cm3 4-2 形空心型鋼尺寸參數(shù) 4.4.2 支架的連接 v 型支架的連接采用焊接連接。 查機械設(shè)計手冊四版 5 卷 p21-96 得：因為 l1/b1=700/100=718h，250c 出爐，保溫冷 卻（62525c）8h。 第二次熱處理 48h，250c 出爐，保溫冷卻 （52525c）8h 初步選定支架的主要尺寸如下圖： 4-3 v 型支架 第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計 5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計 經(jīng)初步分析,相貫線切割機的伺服系統(tǒng)的負載不大，精度要求不高、可采用開環(huán)控制。 一般來講，開環(huán)伺服系統(tǒng)的

47、穩(wěn)定性不在問題，設(shè)計時應(yīng)主要考慮滿足精度方面的要求。 5.1.1 行元件的選擇 在選擇執(zhí)行元件時要綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、可控性、可靠性以及體 積、成本等多方面要求。開環(huán)伺服系統(tǒng)中可采用步進電動機、電液脈沖馬達、伺服閥控 制的液壓缸和液壓馬達等作為執(zhí)行元件。其步進電動機應(yīng)用最為廣泛。一般情況下就優(yōu) 先選用步進電動機。故初選步進電動機為系統(tǒng)的執(zhí)行元件。由微機控制步進電機的輸入 頻率，來控制電機的輸出轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)割炬槍的無級調(diào)速。 5.1.2 機構(gòu)方案的選擇 傳動機構(gòu)實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構(gòu)之間的一個機械接口，用于對運動和力進行變換 和傳遞。步進電動機輸出的是旋轉(zhuǎn)運動，用于將旋轉(zhuǎn)

48、運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動機構(gòu)主 要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的 力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；后者困結(jié)構(gòu) 簡單、制造容易而應(yīng)用廣泛，是伺服系統(tǒng)中的首先傳動機構(gòu)。故初選絲杠螺母作為傳動 機構(gòu)。傳動方式采用絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動工作臺直線運動，利用調(diào)節(jié)絲杠的轉(zhuǎn)速來 控制割槍的速度。當(dāng)電動機與絲杠電心距較大時，可采用同步齒形帶傳動。 5.1.3 機構(gòu)方案的選擇 執(zhí)行機構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實現(xiàn)實際操作的機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)方案的選擇主要 是導(dǎo)向機構(gòu)的選擇，即導(dǎo)軌的的選擇。導(dǎo)軌主要有滑動和滾動兩大類。其中滾動直線導(dǎo) 軌承

49、載能力大，剛性強，壽命長，傳動動平穩(wěn)可靠，且具有自調(diào)整能力。故初選滾動直 線導(dǎo)軌為導(dǎo)向機構(gòu)。 5.2 控制系統(tǒng)的選用 機電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成 .本控制系統(tǒng)選用我 國國內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)的數(shù)控裝置-“世紀星”hnc-21 系列數(shù)控裝置（hnc-21m）。 數(shù)控 裝置的簡介： “世紀星”hnc-21 系列數(shù)控裝置（hnc-21m） 采用先進的開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工 業(yè) pc 機，高性能 32 位中央處理器，配置 7.5”彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成 進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式 plc 接口、遠程 i/o 板接口于一體，支持硬 盤、電子盤等程序

50、存儲方式以及軟驅(qū)、以太網(wǎng)等程序交換功能，主要適用于數(shù)控車、銑床和 加工中心的控制。具有高性能、配置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、易于使用、可靠性高的特點。 1.最大聯(lián)動軸數(shù)為4 軸。 2.可選配各種類型的脈沖式、模擬式交流伺服驅(qū)動器或步進電機驅(qū)動器以及hsv-11 系列 串行式伺服單元。 3. 配置標準機床工程面板,不占用plc 的輸入/輸出接口操作面板,顏色按鍵名稱可按用戶 要求定制. 4.配置40 路輸入接口和32 路功率放大光電隔離開關(guān)量輸出接口、手持單元接口、模擬主 軸控制接口與編碼器接口，以及遠程i/o 板擴展接口。 5.采用7.5”彩色液晶顯示器（分辨率為640480）， 全漢字操作界面，具有故

51、障診斷與 報警設(shè)置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能，操作簡便、易于掌握和使用。 6.采用國際標準g 代碼編程，與各種流行的cad/cam 自動編程系統(tǒng)兼容，具有直線、圓弧、 螺旋線插補，固定循環(huán)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具補償、宏程序等功能。 7. 加工斷點保存/恢復(fù)功能，為用戶安全、方便使用提供保證。 8.反向間隙和單、雙向螺距誤差補償功能，有效提高加工精度。 9. 內(nèi)置以太網(wǎng)、rs232 接口，易于實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。 10. 8mb flash ram (不需電池的存儲器可擴至72mb)中的6mb ram， 可用作用戶程序存 儲區(qū)；8mb ram (可擴至64mb) 可用作加工程序緩沖區(qū)。 5.3 數(shù)控裝置的部件結(jié)構(gòu)和安裝 安裝形式如下 圖 51 裝形式示意圖 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 5.4.1 硬件電路的組成 序號名稱規(guī)格主要用途備注 1數(shù)控裝置hnc-21mc控制系統(tǒng)華中數(shù)控 2軟驅(qū)單元hfd-2001數(shù)據(jù)交換華中數(shù)控 3手持單元hwl-1