數控火焰切割機設計【含CAD圖紙】

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Firstly, through the analysis of research actuality about the flame cutting technology and the CNC flame cutting machine at home and abroad the whole structure of the flame cutter is designed in this article. The whole structure uses the gantry structure, the open-loop control systems, using stepping motor to drive ball screws, were chosen at longitudinal, horizontal and vertical directions. Since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the vertical movement is provided by the movement of worktable driven directly by stepping motor. Secondly, the three-dimensional entity modeling of all the flame cutter parts is finished by using the three-dimensional design software Solid Works and the assembly of the whole is accomplished through the orientation of every parts to validate the rationality of the design. In the end, all the drawings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture. Keywords：Numerical control flame cutter, gantry type, Structural design, Solid Works 目 錄 III 目錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 目錄 .III 第一章 引言 .1 11 切割技術的種類及發(fā)展 .1 12 數控火焰切割簡介 .1 121 火焰切割及數控火焰切割技術 .1 122 國內外數控火焰切割技術的發(fā)展 .2 123 數控火焰切割機的市場及發(fā)展 .3 第二章 機床總體設計及軟件平臺選擇 .5 21 總體方案的確定 .5 22 控制及傳動系統選用 .5 23 割矩設計 .6 24 SOLID WORKS 軟件平臺簡介 .7 25 SOLID WORKS 的主要特點 .8 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 .13 31 數控系統控制方式及組成原理 .13 32 步進電機原理及特點 .13 33 步進電機的選擇 .14 331 橫向步進電機的選擇 .14 332 縱向步進電機的選擇 .15 333 垂直方向步進電機的選擇 .16 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 .18 41 螺旋傳動 .18 411 滾珠絲杠副的工作原理及特點 .18 412 滾珠絲杠副的設計 .20 42 導軌 .32 421 縱向導軌設計 .32 422 橫向導軌設計 .32 第五章 結論 .35 參考文獻 .36 致謝 .37 第一章 引言 1 第一章 引言 11 切割技術的種類及發(fā)展 切割是焊接生產備料工序的重要加工方法，包括冷、熱兩類切割，而熱切 割又有氣體火焰切割、電弧切割、等離子切割和激光切割等各種工藝方法。目 前各種金屬和非金屬切割已經成為現代工業(yè)生產（特別是焊接生產）中的一個 重要工序，被焊工件所需要的幾何形狀和尺寸，絕大多數是通過切割來實現的。 切割技術被廣泛的應用在國民經濟建設的各個領域里。 近年來，由于機械工業(yè)飛速發(fā)展的需求和國外先進技術的引進，我國切割 技術無論在新工藝的開發(fā)方面，還是在新能源的利用方面都有了長足的發(fā)展。 自動化、半自動化切割技術的發(fā)展，使得切割技術可以代替部分機械加工，大 大提高了工作效率，還可以提高金屬材料的利用率。 氣體火焰切割是熱切割中最早被采用和最常用的工藝方法，這種切割方法 設備簡單、操作方便靈活、投資費用少、切割質量好等特點。尤其是能夠切割 各種含曲線形狀的零件和大厚度工件等一系列特點使得它自進入工業(yè)領域以來 一直作為工業(yè)生產中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法而被廣泛采用。而本文介 紹的數控火焰切割機就是在早期切割機的基礎上結合近年來高速發(fā)展的微型計 算機技術被廣泛應用于工業(yè)領域的實際情況設計出的一種新型切割設備。 12 數控火焰切割簡介 121 火焰切割及數控火焰切割技術 火焰切割就是利用氣體火焰的熱能將工件切割處金屬預熱到一定溫度后， 噴出高速切割氧氣流使預熱處的金屬燃燒并放出熱量實現切割的方法。最常見 的氣體切割是氧-乙炔火焰切割。 鋼材的氣割是利用氣體火焰（稱預熱火焰）將鋼材表面加熱到能夠在氧氣 流中燃燒的溫度（即燃點） ，然后送進高純度，高流速切割氧，使鋼材中的鐵 在氧氛圍中燃燒生成氧化鐵熔渣，同時放出大量熱，借助這些燃燒熱和熔渣不 第一章 引言 2 斷加熱鋼材的下層和切口邊緣，使之也達到燃點，直至工件的底部。與此同時， 切割氧流把氧化鐵熔渣吹掉，從而形成切口將鋼材切割開。 數控火焰切割機是應用計算機數字程序控制（Computer Numerical program Control）的全自動化切割設備，人們借助計算機輔助設計程序，把 所要切割零件的形狀、尺寸、切割順序及切割過程中的各項輔助功能按一定的 語言程序規(guī)則進行編程，然后輸入控制機，經運算后發(fā)出運動控制及輔助功能 指令，再有伺服行走系統和切割執(zhí)行機構協調動作，從而完成所需零件的切割。 數控火焰切割機的特點： 功能齊全，自動化程度高具有割炬自動升降和自動調高、自動點火、 自動穿孔、自動切割、噴粉畫線、噴印字碼、噴水冷卻、割縫自動補償、 熄火返回重割、動態(tài)圖形跟蹤顯示等功能，實現了切割全過程的自動控制。 可配置多個割炬工作，省去了制作樣板和劃線的工時，生產效率高 采用套料程序，提高鋼板利用率。 能合理選定切割工藝參數及切割路徑，可減小熱變形，加工精度高， 切割質量好，能夠減少后續(xù)打磨和裝焊工時。 切割信息易于準備、修改和保存。 機器運行穩(wěn)定可靠，操作方便。 122 國內外數控火焰切割技術的發(fā)展 國外工業(yè)發(fā)達國家，如德國、日本、瑞典等，正積極開發(fā)各種新型切割設 備（特別是數控切割機）和新的切割工藝。相繼開發(fā)出了各種快速割嘴和高速 切割方法，如高壓擴散型快速割嘴、高壓細氧射流割嘴、高壓氧簾快速割嘴、 雙層氧簾割嘴，以及多割嘴組合高速切割方法等。 國外數控火焰切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本其主要廠 第一章 引言 3 家有德國的伊薩（E SAB） 、梅塞爾（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美國的（L-TEC） 、林德（LINDA）等。而能夠代表數控等離子切割 技術最高水平的廠家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最 全、功能最多、水平最高、幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數控切割機。 國外數控火焰切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本其主要廠 家有德國的伊薩（E SAB） 、梅塞爾（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美國的（L-TEC） 、林德（LINDA）等而能夠代表數控等離子切割 技術最高水平的廠家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最 全、功能最多、水平最高、幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數控切割機。 我國數控切割技術的開發(fā)工作開始于 20 世紀 80 年代初，起步是數控火焰 切割機。到了 20 世紀 90 年代，在數控火焰切割技術趨于成熟，國內一些數控 切割機產品在許多方面已形成自身獨有的特點，實現了“自動化，多功能和高 可靠性” 。在某些方面，產品的技術性能甚至超過了國外的產品。 在此基礎上，國內的生產企業(yè)又通過嫁接引入國際上先進的等離子切割系 統，采取引進和自主開發(fā)相結合的方法，開展了數控等離子切割機的研制。歷 經 20 多年，終于取得了可喜的成就，目前國產數控等離子、火焰切割機門類 和規(guī)格已相當齊全，其中部分產品在技術性能指標和功能上均已接近或達到國 際水平，產業(yè)化進展順利，并已具備一定的經營規(guī)模。 目前國內生產數控火焰切割機的廠家主要有梅塞爾切割焊接有限公司，上 海伊薩漢考克有限公司，哈爾濱華威焊切成套設備有限公司，哈爾濱四海數控 機械制造有限公司，深圳市博利昌數控切割設備有限公司，無錫華聯焊割設備 廠，北京百惠宏達科技有限公司等幾家。 現在國產數控火焰切割機與國外產品的差距已經不大，性能也比較穩(wěn)定， 只是國產切割機為保證質量，一些主要部件如電磁氣閥、減壓閥、交流伺服系 統等均采用進口件，目前產品的質量仍然不穩(wěn)定?？傊瑹o論從切口質量、易 損件的耐用度等國產與進口的仍有一定的差距，因此要完全替代進口還需一段 時間。 第一章 引言 4 123 數控火焰切割機的市場及發(fā)展 數控火焰切割機是一種將電腦控制、精密機械傳動、氧、燃氣切割三者技 術相結合的高效率、高精度、高可靠的熱切割設備。它適用于造船工業(yè)，重型 機械，化工設備，鍋爐制造，機車車輛，石油化工等制造行業(yè)的高精度鋼板熱 切割的新型自動化設備。 現代金屬制造企業(yè)如：造船、壓力容器、工程機械、電站設備、橋梁和鋼 結構等行業(yè)為優(yōu)化其產品的結構性能，使得產品更經濟，生產周期更短，在國 際市場更具競爭力就必須對其原有的制造技術和生產工藝提出新的設想和要求， 首先要徹底改變以往手工和半自動切割的低效率狀況，廣泛采用數控切割設備， 只有這樣才能從根本上緩解了我國機械制造業(yè)飛速發(fā)展所帶來的鋼板和其他金 屬板材切割量急劇增大的巨大壓力，為今后在整個制造業(yè)擴大應用數控等離子、 火焰切割機和應對未來國外同類企業(yè)的挑戰(zhàn)打下了基礎。 目前，我國機械加工行業(yè)中鋼板下料普遍采用手工乙炔切割，這種現象 不僅存在于小規(guī)模單件生產的小型企業(yè)，也存在于大批量生產的大型企業(yè)中， 而國外企業(yè)的下料工序大部分采用了數控氧乙炔或數控等離子切割方法，不 僅可提高材料利用率，而且改善了產品質量，優(yōu)化了工作環(huán)境，使人員工作效 率得到了提高。之所以數控下料不能在我國普及主要有三個方面原因：資金問 題、設備故障維護問題、操作問題。因此研制功能不是很強大但操作簡單，性 能可靠，價格相對便宜的實用型的火焰切割機就迫在眉睫這也就意味著目前 設計和制造經濟型數控火焰切割機在國能將有廣闊的市場。 第一章 引言 5 第二章 機床總體設計 6 第二章 機床總體設計及軟件平臺選擇 21 總體方案的確定 數控火焰切割機的結構有龍門式、鼠籠式、龍式、車式、兔式、壁式仿行、 壁虎式等許多形式。本課題總體布局采用龍門結構，龍門式結構框架不專門設 橫梁，龍門式框架的頂梁亦即橫梁切削頭安裝在垂直方向進給的溜板上，橫 向溜板沿橫梁導軌作橫向進給運動，割嘴沿垂直方向導軌作垂直進給運動。由 于該火焰切割機切割工件時反切削力幾乎為零，縱向進給運動可由工作臺來完 成，所以縱向采用電機直接驅動工作臺來完成。本課題所設計的切割機整體結 構如圖 3-1 所示。 22 控制及傳動系統選用 縱向、橫向和垂直三個方向的進給運動均由步進電動機驅動的開環(huán)控制系 統。電動機采用反應式步進電動機，這類電動機步距角小，工作頻率高，控制 功率小，輸出轉矩大，無勵磁時具有轉矩定位的優(yōu)點。 橫向、縱向和垂直進給運動選用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠的摩擦系數小于 絲杠，從而使各個進給總體剛度值增大，且傳動比較平穩(wěn)，綜上可確定其總體 方案為：采用微機對數據進行計算處理，由 I/O 接口輸出脈沖給步進電動機帶 動滾珠絲杠實現縱向、橫向和垂直方向的進給運動。 三個方向的進給運動是本課題設計的重點，本文將在第三章和第四章重點 介紹。 第二章 機床總體設計 7 圖 2-1 火焰切割機的基本結構 23 割炬設計 割炬又稱割槍，是氣割必不可少的工具。割炬的作用是向割嘴穩(wěn)定的供送 預熱用氣體和切割氧，并能控制這些氣體的壓力和流量，調節(jié)預熱火焰的特性 等。對割炬的要求是簡單輕便，易于操作，使用安全可靠。 割炬按乙炔氣體和氧氣混合的方式不同分為射吸式和等壓式兩種。射吸式 主要用于手工割炬，等壓式多用于機械式切割。本設計采用等壓式結構，這種 割炬的預熱火焰是按等壓式焊矩原理設計的。預熱氧和切割氧分別由單獨的管 道進入割嘴(壓力相當)，在割嘴內混合，產生預熱火焰。這類割炬配有專用割 嘴，結構簡單，預熱火焰穩(wěn)定，回火現象比較少，本設計采用的切割氣體是乙 炔-氧的混合氣體，且等壓式割炬一般只適合于中壓乙炔。割炬如圖 2-2 所示: 第二章 機床總體設計 8 圖 2-2 割炬 24 Solid Works 軟件平臺簡介 Solid Works 是由美國 Solid Works 公司開發(fā)的三維機械 CAD 軟件，Solid Works 2006 是其最新版本。自 1995 年問世以來， Solid Works 以其強大的功 能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機械工程師的設計效率，在與同類軟件的 競爭中逐步確定了它的市場地位。 Solid Works 在功能上所進行的更改都緊緊圍繞兩個目標：使用戶通過圖 標板來了解工具；使資深用戶通過直接建模來處理模型，以加快建模速度。 Solid Works 是一個優(yōu)秀的三維模型制作軟件系統可以非常方便地生成三 維模型，并且可以很容易地根據三維模型生成工程圖。此外，利用 Solid Works 制作三維模型時，它完全依賴于各種特征，并且用戶可以在任何時候對 特征進行修改或者刪除，從而可在模型設計過程中大大地提高設計效率，并降 低設計難度。 Solid Works 的用戶界面包括標題欄、菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄以及工作 區(qū)，其工作區(qū)又分為控制區(qū)和繪圖區(qū)兩部分，如圖 2-3 所示: 第二章 機床總體設計 9 圖 2-3 Solid Works 的用戶界面 25 Solid Works 的主要特點 Solid Works 的功能強大、易學易用、高效等特點，嶄新的屬性管理器用 來高效地管理整個設計過程和步驟，包含所有的設計數據和參數，界面直觀、 操作更方便。機械設計師能快速地按照其設計思想繪制草圖，并嘗試運用各種 特征與不同尺寸，制作模型和詳細工程圖。SolidWorks2006 的新增功能與插件 能夠使用戶更加得心應手地建立模型，并提供產品數據管理集成平臺，以展示 可能的設計實施及設計意圖的高層概念。 Solid Works 是的特征一般分為基礎特征和附加建模特征兩類。基礎建模 特征是最基本的三維實體造型方式，包括拉伸、切除、旋轉、掃描和放樣等特 征。附加建模特征是在不改變基本特征主要形狀的前提下，對已有特征進行局 部修飾的特征建模方法。如圓角、倒角、筋、抽殼、鏡像、圓周陣列、線性陣 列和異形孔向導等。Solid Works 建立在廣泛公認的性能優(yōu)勢之上，它把創(chuàng)造 性的新和設計師手中。這些技術超越了純粹的參數化系統和那些過時的所謂混 合建模系統。高性能裝配建模的新功能，包括符號代表和柔性部件的全局建模 等方面的新增功能。并且提供了更容易使用的建模技術，特征建模技術就是將 第二章 機床總體設計 10 一個一個的特征組合起來，形成一個三維的實體零件。特征技術采用具有工程 意義的拉伸、切除、制孔、倒角、倒圓角等方式作為建模單元。而特征造型是 Solid Works 所采用的主要建模技術。這些都可以使用戶對設計產生更大的信 心，而無需反復地制造產品的原型。更多的改進體現在加工、布線系統、開放 性、系統管理等方面，所有這些都可使新的解決方案給人留下深刻的印象。 Solid Works 的主要特點如下： 真正的相關性，任何修改都會自動反映到所有相關的部位。 具有真正管理并發(fā)進程、實現并行工程的能力。 具有強大的裝配功能，能夠始終保持設計者的設計意圖。 具有強的通信功能，可以和其他 Solid Works 用戶同等地交換產品生 產周期數據。 容易使用，可以極大地提高設計效率。 Solid Works 擁有一個全新的用戶界面，可以使用戶快速入門。它對人體 工程學的強烈關注體現在，為建模提供更大的繪圖區(qū)域，更簡單的視圖控制， 減少鼠標移動，增強色彩配置方案等，從而可增加用戶使用的舒適度，幾何模 型的建立更加簡單。 所謂全相關性，是指 Solid Works 的所有模板都是全相關的。這就意味著， 在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新 所有的工程文檔，包括裝配體、工程圖以及制造數據。全相關性鼓勵在開發(fā)周 期的任何一點進行修改，卻沒有任何損失，使并行工程成為可能，所以能夠使 開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮作用。 Solid Works 為用戶提供了多種將零部件插入到裝配體的途徑，而且，可 以非常輕松地移動、旋轉零部件，這些是零部件在裝配文件中的基本操作。同 時，為零部件添加合適的配合關系就像實際的安裝過程。Solid Works 中提供 了管理和顯示工具，可以使裝配的顯示效果直觀清晰。 Solid Works 能方便地進行零件設計，裝配設計和工程繪圖。零件是由草 第二章 機床總體設計 11 圖生成的特征組合而成。Solid Works 提供的草圖拉伸、掃描、旋轉等常規(guī)操 作十分方便，特征增刪、拖動釋放、拷貝剪貼、屏蔽等處理功能十分有用。用 戶還可以通過將共性特征建立為特征庫 而多次使用。草圖尺寸標注、圖素幾 何關系定義、約束狀態(tài)檢測、視圖定義命名以及不同壁厚的多面薄殼處理、自 動生成模具分模線等功能使用戶能應用自如地構造零件。Solid Works 可以很 快地將設計好的零件裝配在一起，利用同軸、貼面等配合關系定義嚴格裝配， 并提供全參數化的裝配設計功能，即在裝配設計環(huán)境里隨零件設計的修改，將 會引起整個裝配體的其它相關部分的自動修改。 Solid Works 是基于特征的參數化三維實體建模系統，在開始設計之前考 慮一下設計目標的整體結構，然后制定出良好的設計路線，有效地發(fā)揮系統的 功能，加快模型的創(chuàng)建速度，節(jié)約設計時間。 Solid Works 中，對于結構、形狀稍微復雜的產品模型進行建模的思路是 將整個產品分解為多個特征，通過特征之間的布爾運算逐步得到完整準確的產 品模型。其中，往往將整個產品中最主要的或是最大的部分視為基本特征，首 先完成對它的造型。其它部分作為添加特征，以搭積木的方式，在基本特征的 基礎上，通過添加，去除、求交等布爾運算最終得到整個產品模型。最后，在 進行一些細小特征的添加，如倒角、倒圓和孔特征等等，由此得到最后準確完 整的產品模型。每一個特征的建立，基本上按照同樣的步驟完成。三維實體特 征建立的基本思路是從二維到三維的過程。生成一個三維實體特征的第一步是 在適宜的位置(初始草圖平面上)繪制特征的輪廓線，有時還有軌跡線。這其中 首要的是生成合適的初始草圖平面。草圖平面的作用在于告訴系統下面將要繪 制的特征輪廓線在三維空間所處的確定位置，為進一步生成三維實體特征做好 準備。通過 Solid Works 中提供的完善的定義功能，可以將三維坐標系統中的 三個坐標平面作為初始草圖平面。而在接下來的設計中，通常每加一個特征， 允許定義一個草圖平面，這時的草圖平面不僅有前面所說的三個坐標平面，而 且還有以之為基礎進行偏移、旋轉、相切所得到的空間平面；也可以選擇已經 生成的三維實體特征的一個平直表面，或以之為基礎，進行偏移、旋轉、相切 所得到的空間平面。這些完善的定義功能完全能夠滿足我們在進行三維實體設 計時定義草圖平面的需要。 第二章 機床總體設計 12 定義好了準確初始草圖平面之后，就可以在這個草圖平面上繪制特征投影 輪廓線?？梢詥螕?Solid Works 提供的多種繪制平面圖形的命令(直線、圓、 圓弧、復合線、矩形、點等等)來繪制。要注意的是：Solid Works 求所完成的 特征輪廓線必須是封閉的，而且不能自己與自己相交，否則將不能完成三維實 體特征的生成。然后是對所繪制的草圖輪廓線加以約束。通過對特征輪廓線添 加足夠的約束(包括尺寸約束和幾何約束)，得到符合實際需要的輪廓線。在某 些情況下，有些特征，還需要生成該特征所需要的軌跡線(path)。 在完成前面所述的二維草圖工作后，就可以通過調用 Solid Works 提供的 造型命令，生成各種相應的三維實體特征。下面是 Solid Works 一般建模過程： 分析實體 這是非常重要的一步，進行這一步的目標是：找出設計目標是有哪些特征 組成，哪個特征作為基本特征（即最先要建立的特征）然后要決定組成設計目 標各個特征被創(chuàng)建的順序。特征創(chuàng)建的順序對建模效率有大的影響，一般說來， 應將制孔、倒圓等輔助特征放到最后處理。 創(chuàng)建基本特征 草圖繪制用于繪制二維輪廓的平面成為草圖平面?？捎?line、plotline、circle 等 2D 命令繪制草圖輪廓線。對草圖施加約束，約束 類型一般有：幾何約束與尺寸約束。幾何約束保證圖的幾何形狀：尺寸約束可 以調整零件的大小。一般來說，草圖的約束總數尺寸的約束個數幾何約束 個數。應該多用幾何約束，如共線、相切、垂直等。創(chuàng)建基本特征：用 Solid Works 提供的拉伸、旋轉、掃描等方法將施加了全約束的草圖生成一個三維實 體，即零件的基本特征。 添加新特征 添加新特征的步驟與基本特征的創(chuàng)建類似，但有以下區(qū)別：如果所要創(chuàng)建 的新特征不是孔、倒角、倒圓角和陣列，則需要定義新特征草圖平面，因為草 圖平面就是一個暫時的二維坐標面，只由選定了草圖平面，才能進行草圖繪制 第二章 機床總體設計 13 工作。除了對新特征輪廓草圖進行創(chuàng)建約束外，還要對草圖與已有特征進行約 束，因此在添加新特征的過程中應該注意特征創(chuàng)建的順序。對草圖的約束可以 使新創(chuàng)建的特征進行參數設計，即在已有特征和草圖間加約束，使特征與特征 間建立連接關系，保證當某一特征更改時，這種連接關系保持不變。 生成二維工程圖 在 Solid Works 中，一旦完成了三維實體建模，即可利用提供的三維到二 維轉換功能，選擇好視圖、投影方向，就能自動生成二維投影圖，并且自動標 注一些在造型中已經定義的尺寸。 Solid Works 造型功能 Solid Works 是一個功能非常強大的系統，它的造型類型博大精深，包括 曲線、曲面和實體。曲線可以是二維曲線也可以是三維曲線，有組合、投影、 漸開線、空間參考點連接、空間自由點的連接、空間螺旋線等生成方式。曲面 有拉伸、旋轉、掃描、放樣、切割、擴展、編織等生成方式。實體有拉伸、旋 轉、掃描、放樣、切割等基本生成方式，還有鏡像、陣列、模板庫等高級生成 方式。 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 14 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 31 數控系統控制方式及組成原理 該機床伺服系統采用驅動裝置為步進電機的開環(huán)伺服系統，下圖所示為數 控機床中較為簡單的開環(huán)控制系統，數控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，因 此，不存在穩(wěn)定性問題。也正是由于信號流程單向，它對機床移動部件的實際 位置不檢測，其加工精度不高，精度主要取決于伺服系統的性能。 在開環(huán)控制系統中，輸入裝置把輸入信號給數控裝置，經數控裝置運算后 分配出指令脈沖，通過步進電機驅動工作臺移動。 32 步進電機原理及特點 步進電機是一種能夠將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件，它 實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電動機有單路電脈沖驅動，輸 出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電動機有多相方波脈沖驅 動，用途很廣。使用多相步進電動機時，單路電脈沖信號可先通過脈沖分配器 轉換為多相脈沖信號，在經功率放大后分別送入步進電動機各項繞組。每輸入 一個脈沖到脈沖分配器，電動機各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉子會 轉過一 定的角度(稱為步距角)。正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數 成正比，連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴 格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電動機能直接接收 數字量的輸入，所以特別適合于微機控制。 現以反應式三相步進電機為例說明其工作原理。定子鐵心上有六個形狀相 同的大齒，相鄰兩個大齒之間的夾角為 60 度。每個大齒上都套有一個線圈， 徑向相對的兩個線圈串聯起來成為一項繞組。各個大齒的內表面上又有若干個 均勻分布的小齒。轉子是一個圓柱形鐵心，外表面上圓周方向均勻的布滿了小 齒。轉子小齒的齒距是和定子相同的。設計時應使轉子齒數能被二整除。但某 一相繞組通電，而轉子可自由旋轉時，該相兩個大齒下的各個小齒將吸引相近 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 15 的轉子小齒，使電動機轉動到轉子小齒與該相定子小齒對齊的位置，而其它兩 相的各個大齒下的小齒定和轉子的小齒分別錯開正負 1/3 的齒距，形成齒錯 位，從而形成電磁引力使電動機連續(xù)的轉動下去。 步進電機有很多類型。按其工作原理，可分為反應式，永磁式永磁感應式、 機械諧波式、電磁諧波式等。按勵磁相數，有 3 相、4 相，5 相、6 相甚至 8 相。 按其功率，可分為快速步進電機和功率步進電機。在數控機床中，目前廣泛采 用的是反應式步進電動機。所以在本次設計中，采用反應式步進電動機。 33 步進電機的選擇 331 橫向步進電機的選擇 根據火焰切割機負載的特點，由于在切割時橫向只有橫梁、鉆頭和電機的 重量，不承受切削力，僅需要較小的輸出轉矩。 橫向步進電動機的選擇： 加工精度確定脈沖當量以及步距角 由任務書知：脈沖當量 =001mm，選取步距角 =15 的三相步進 電機。 步進電動機轉軸上的啟動力矩的計算 用公式 T q=36Fs+(G+Fz)/2 因此工作臺運行過程中不進行切削，故運動方向的切削抗力為： Fs=0，垂直方向的切削抗力為：F z=0，工作臺重量（包括夾具在內） 為：G=8280N，摩擦系數 =006（滑動導軌） ，總機械效率 =085，則 Tq =360020+006 （8280+0） /2075085=8930（Ncm） 由表 3-14（II）T p/Tjm=0866 步進電機最大靜轉矩為：T jm= Tp/0866=10312（N cm） 電機的選擇與校核 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 16 fmax=1000Vmax/=10000025/002=1250HZ 根據以上參數查閱資料 III 可確定選用的步進電機為：90BF003（新） 型號 步距角 最大靜轉矩 最高空載啟動頻率 相數 90BF003 15/3 (200Nm) 2000(step/s) 3 其保持轉矩為： Tmax=784(Nm)。 轉子慣量： Jm=47(kgcm 2) 。 負載慣量： JL =J1+（J2+JS）+W(S/2) /g/i(kgfcms)，則： 計算的負載慣量 JL =3196（kgc） 。 負載轉矩 T1=Jf *n10/96T=02929（NM） ，故: T1/Tmax=02929/784=003705， JL/Jm=3196/47=0684。 滿足容量匹配和慣量匹配的條件查電機的運行矩特性，進過計算，電機 的最大快進速度 V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s） ，滿足速度要求。 332 縱向步進電機的選擇 加工精度確定脈沖當量以及步距角 由任務書知：脈沖當量 =002mm，選取步距角 =15 的三相步進 電機。 步進電動機轉軸上的啟動力矩的計算 由于工作臺運行過程中不進行切削，根據公式 T q=36Fs+(G+Fz) /2，故運動方向的切削抗力為：F s=0 垂直方向的切削抗力為：F z=0 工作臺重量（包括夾具在內）為：G=10615N，摩擦系數 =006（滑 動導軌） ，總機械效率 =085，則: 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 17 Tq =360020+006 （10615+0） /20750 85=11454（Ncm） 查手冊知 Tp/Tjm=0866 步進電機最大靜轉矩為： Tjm= Tp/0866=13226（Ncm） 電機的選擇與校核 根據以上查資料可選擇的步進電機為 90BF003。 其保持轉矩為 Tmax=784(Nm)。 轉子慣量 Jm=47（kgcm 2） 。 負載慣量 JL =J1+（J2+JS）+W(S/2) /g/i(kgfcms) 其中齒輪 Z1 及其軸的轉動慣量 J1=0，齒輪 z2 的轉動慣量 J2=0 絲杠轉動慣量 Js=603（kgc） ，則: 負載慣量 JL =704（kgc） 負載轉矩= Jf *n10/96T=11（NM） ， 故: T1/Tmax=11/784=01405 JL/Jm=704/47=14984 滿足容量匹配和慣量匹配的條件。查電機的運行矩特性，進過計算， 電機的最大快進速度 V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s） ，滿足速度要求。 333 垂直方向步進電機的選擇 加工精度確定脈沖當量以及步距角 由任務書知：脈沖當量 =001mm，選取步距角 =15 的三相六拍 步進電機。 步進電動機轉軸上的啟動力矩的計算 第三章 數控火焰切割機伺服系統設計 18 Tq=36Fs+(G+Fz)/2 因此工作臺運行過程中不進行切削，故運動方向的切削抗力為： Fs=0，垂直方向的切削抗力為：F z=0，工作臺重量（包括夾具在內） 為：G=5880N，摩擦系數 =015，總機械效率 =085， 則 Tq =360010+0 15 （500+0） /206085=843（Ncm） Tp/Tjm=0866 步進電機最大靜轉矩為：T jm= Tp/0866=973（Ncm） 電機的選擇與校核 fmax=1000Vmax/=10000 025/001=2500HZ 根據以上參數查閱資料可確定選用的步進電機為：55BF003。 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 19 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 數控火焰切割機的傳動裝置是將電動機的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動 的整個機械傳動鏈及其附屬機構包括絲杠螺母副、導軌等。 41 螺旋傳動 螺旋傳動主要是用來將旋轉運動變?yōu)橹本€運動，或將直線運動轉化為旋轉 運動。 在經濟型數控機床的進給系統中，螺旋傳動主要用來實現精密進給運動， 并廣泛采用滾珠絲杠副傳動。 411 滾珠絲杠副的工作原理及特點 滾珠絲杠副的外形如圖 4-1 所示 圖 4-1 滾珠絲杠外形 滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當數量的滾珠， 這些滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動磨擦變?yōu)闈L動磨擦 的一種傳動裝置，其內部結構如 4-2 圖所示，當螺桿轉動螺母移動時，滾珠則 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 20 沿螺桿螺旋軌道面滾動，在螺桿上滾動數圈后滾珠從滾道的一端滾出并沿反向 器返回另一端重新進入軌道，從而構成閉合回路。 圖 4-2 滾珠絲杠內部結構 滾珠絲杠具有如下特點： 1) 傳動效率高。滾珠絲杠副的傳動效率高達 92%-98%。對機械小型化， 減少啟動的震動和滯后時間以及節(jié)約能源等方面，都有重要的意義。 2) 運動平穩(wěn)。滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，故運動 平穩(wěn)，啟動無顫動，低速時無爬行現象。 3) 傳動具有可逆性。 4) 可以預緊。通過對螺母施加預緊能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向 接觸剛度，但摩擦力矩不增大。 5) 定位精度和重定位精度高。 6) 同步性好。 7) 使用壽命長，使用可靠，潤滑簡單，維修方便。 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 21 412 滾珠絲杠副的設計 1橫向滾珠絲杠的傳動計算 絲杠載荷：F =mg 橫向摩擦力：F x=0.1510009.8=1470N 電機轉速（最大）：n max=1500r/min 絲杠最大轉速（快移）：n=150r/min 絲杠導程：工作臺最大工作速度 Vmax=0.025m/s100060mm/min=10mm 當量轉速：n m=n1q1/100+n2q2/100=100r/min 當量負荷：F m=(F13n1q1)/100nm+(F23n2q2 )/100nm 橫向負荷：F max=1470N 圖 4-3 橫向滾珠絲杠 6初選滾珠絲杠 a 要求壽命 Lh=300（日）8（h）0.6（開機率）10（a）=14400h 取 15000h 由手冊查得：K h=3.9 由手冊查得：K n=0.64 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 22 b綜合系數：f =ffhfafn/fw =1110.35/1.3=0.408 查得：f t =1，f h =1 ，f a =1 （絲杠精度 1-3）f h =0.53（可靠性 96%）f w =1.3 c計算動載荷：c j=KhFm /Knf 橫向動負荷：c j=3.91470/(0.640.408)=21955N 滾珠絲杠副的型號：經查手冊選用 FD 型內循環(huán)浮動返向器螺母墊片預 緊滾珠絲杠副，型號為：橫向為 FD3206-3 額定負荷 c =23700Ncj =21955N。 預緊力橫向為 F=0.25c =0.2523700N=6425Fmax/3=1470/3=490N，符 合要求。 絲杠螺紋部分長度： lu =工作臺最大行程+螺母長度+兩端余程 橫向： l u =1000+60+100=1160（mm） 支撐距離 支撐距離 L 應大于 Lu, 橫向支撐距離：L=1300 臨界轉速 查手冊得：n c =9900f22 d2 /Lc2，其中: a絲杠底徑：d 2 =d0 -1.2Dw 橫向絲杠底徑：d 2=23.9 b支撐方式系數查得 f2 =4.73（兩端固定） c臨界轉速計算長度 Lc =螺母長度/2+工作臺最大行程+余程+（支撐長度-螺紋長度）/2 橫向：L c =190/2+1000+100+（1300-1950）/2=1.22m 橫向臨界轉速：n cx =99004.7320.02535/1.222 =3772.4r/min ncxnmax =1500r/min 符合要求 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 23 壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支撐，絲杠受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。 預拉伸計算 a溫升引起的伸長量：設溫升為 3.5C，按式 t =tl，則： 橫向伸長量： tx =1110-63.51.22=46.97m b絲杠全伸長量： tz= tl 橫向伸長量： tz(z)= 1110-63.51.3=50.05m c. 預緊力：按拉伸公式 Ft=tAE/Lu 橫向預拉力：F t=510-6 （/4） 0025352 211011/1352=1567N 軸承的選擇 a. 軸承的型號選擇 Y 方向軸承型號為 7602020TVP 主要尺寸參數：由表 28-37（I）查得： d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，D W=5.953mm，C =19600N，預 緊力 F0=2300N b. 預緊力的確定 F 0y=2300N Y 方向軸承的最大軸向載荷為： Fmax(y)=Fty+ Fmax(y)/2=3782+808.5/2=4186N 由于 F0y Fmax(y)/3=4186/3=1395N 符合要求 c. 疲勞壽命計算額定動負荷 由軸承動負荷計算公式校核：C=K hF/Kn 進給方向是可變的，負荷可能是（F ty+Fm/2）和（F ty-Fm/2） 兩者機會均等，取平均值。 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 24 由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，則 K h=3.11 額定動負荷：C y=3.113782/0.64=18378Ncj =43911N 預緊力縱向為 F0=0.25c =0.2548200N=12050Fmax/3=2940/3=980N 符合要求。 絲杠螺紋部分長度： lu =工作臺最大行程+螺母長度+兩端余程 縱向： l u =2000+100+100=2200（mm） 支撐距離 支撐距離 L 應大于 Lu 縱向支撐距離：Lx=2300 臨界轉速 查手冊得：n c =9900f22d2 /Lc2 其中 a絲杠底徑：d 2 =d0-1.2Dw 縱向絲杠底徑：d 2=40-1.25=36mm=0.036m b 支撐方式系數查得 f2 =4.73（兩端固定） 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 27 c 臨界轉速計算長度 Lc =螺母長度/2+工作臺最大行程+余程+（支撐長度-螺紋長度）/2 縱向：L c =193/2+2000+100+（2300-2263）/2=2.215m 縱向臨界轉速：n cx =99004.7320.036/2.2152 =1625.2r/min ncx nmax =1500 r/min 符合要求 壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支撐，絲杠受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。 預拉伸計算 a溫升引起的伸長量：設溫升為 3.5C，按式 t =tl， 則： 縱向伸長量： tx =1110-63.52.215=85.3m b.絲杠全伸長量： tz=tl 縱向伸長量： tz= 1110- 63.52.3=88.6m c. 預緊力：按拉伸公式 Ft=tAE/Lu 縱向預拉力：F t=510-6 （/4） 00362 211011/1352=3160N 軸承的選擇 a. 軸承的型號選擇 X 方向軸承型號為 7602030TVP 主要尺寸參數：由表 2.8-39（I）查得：d 0=30mm，D=62mm b. 預緊力的確定 F 0 x=4300N X 方向軸承的最大軸向載荷為： Fmax(x)=Ftx+ Fmax(x)/2=4721+1250/2=5346N 由于 F0X Fmax(x)/3=5346/3=1782N 符合要求 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 28 c. 疲勞壽命計算額定動負荷 由軸承動負荷計算公式校核：C=K hF/Kn 進給方向是可變的，負荷可能是（F tx+Fm/2）和（F tx-Fm/2） 兩者機會均等，取平均值。 由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，則 K h=3.11 額定動負荷：C x=3.114721/0.64=22941Nc J 。 預緊力 Z 方向為： F0z=0.25c =0.2511.8KN=2590NFmax/3=73.5/3=24.5N 符合要求。 絲杠螺紋部分長度： lu =工作臺最大行程+螺母長度+兩端余程 Z 方向： l uz =200+240+100=380（mm） 支撐距離 支撐距離 L 應大于 Lu Z 方向支撐距離：L u =500mm 臨界轉速 按式 2.8-18（I）：n c =9900f22 d2 /Lc2 Z 方向臨界轉速：n cz =99004.7320.0164/0.352=29653r/min 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 31 a. 絲杠底徑：d 2 =d0 -1.2Dw Z 方向絲杠底徑：d 2z =23.9mm b. 支撐方式系數 由表 2.8-66（I）查得 f2 =4.73（兩端固定） c. 臨界轉速計算長度 Lc =螺母長度/2+工作臺最大行程+余程+（支撐長度-螺紋長度） /2 Z 方向：L cz =100/2+200+40+（500-380）/2=0.35m ncz nmax 符合要求 壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支撐，絲杠受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。 預拉伸計算 a. 溫升引起的伸長量：設溫升為 3.5C，按式 2.8-30（I） t =tl 則 Z 方向伸長量： tz =1110-63.50.35=13m b. 絲杠全伸長量： tz= tl Z 方向伸長量： tz(z)= 1110-63.50.5=19m c. 預緊力：按拉伸公式 Ft=tAE/Lu Z 方向預拉力： Ftz=510-6 （ /4）0.0164 2 2110 11/05=4436N 軸承的選擇 a. 軸承的型號選擇 Z 方向軸承型號為 7603020TVP 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 32 主要尺寸參數：由表 28-37（I）查得： d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，D W=7144mm，C =24500N， 預緊力 F0=2900N，平鍵 GB109579 5520 b. 預緊力的確定 F 0z=2900N Z 方向軸承的最大軸向載荷為： Fmax(z)=Ftz+ Fmax(z)/2=4436+73.5/2=4473N 由于 F0z Fmax(z)/3=4436/3=1491N 符合要求 c. 疲勞壽命計算額定動負荷 由軸承動負荷計算公式校核：C=K hF/Kn 進給方向是可變的，負荷可能是（F tz+Fm/2）和（F tz-Fm/2） 兩者機會均等，取平均值。 由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，則 K h=3.11 額定動負荷：C y=3.114436/0.64=21556NC 滿足壽命要求。 定位精度校核 a. 絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移：由式 28-21a（I）得： s max=Fl106/4AE Z 方向 smaxz=735 0 510/4(/4) 00164 221 1011 =02m b. 絲杠與螺母間的接觸變形 c=F/Kc 由所給資料（III） ，FFZD2506-3 滾珠絲杠副的接觸剛度為： 839N/ m FD2506-3 滾珠絲杠副的接觸剛度為： 636N/ m 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 33 Z 方向： cz=Fz/Kcz=73.5/636=0.12m c. 軸承的接觸變形 接觸球軸承的軸向剛度可用式 2.8-25（I）估算： KB=23.6z2sin5Dw1/3F01/3 其中 =60 Z 方向：K Bz=23.6152sin5600.007144 1/329001/3=310.2 N/m 所以，軸承的接觸變形為： Bz=73.5/310.2=0.24m d. 絲杠系統的總位移 =smax+C+B Z 方向位移： Z=smax+C+B=0.2+0.12+0.24=0.56m e. 定位精度 smax 發(fā)生在螺母屬于絲杠中部處， c和 B與螺母位置無關。 所以，以上求得的位移均為：/650mm。查表 2.8-14（I）與表 2.8-15（I） ，取絲杠精度等級為一級，任意 300mm 的行程公差 為：6m 可滿足精度要求。 42 導軌 導軌設計的基本要求是：導向精度高、剛度大、耐磨、運動靈活和平穩(wěn)。 421 縱向導軌設計 導軌的作用是導向和承受載荷，為保證導軌副的導向精度、精度保持性、 低速運動平穩(wěn)性和結構工藝性等要求，該機床的導軌在縱向由于承受工件及工 作臺的重量，且重量很大故選擇了燕尾槽滑動導軌。 422 橫向導軌設計 橫梁將影響其上的導軌等工作部件的相對位置及相對運動的準確性，從而 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 34 影響加工誤差。因而，橫梁必須滿足制造與安裝精度高，剛度、強度高，抗振 性、熱變性能力與耐磨性好及其它要求（結構工藝性、經濟性及美觀性等） 。 由于橫梁的負載不大，所以橫向和垂直方向則選擇了經參考合肥力宇數控 設備制造有限責任公司生產的專利導軌產品力遠 NCS1 系列數控坐標滑臺結合 數控火焰切割機的實際情況經改進設計出專用導軌。具體形狀如圖 4-6 所示。 圖 4-6 橫梁與導軌一體結構 初步估計其尺寸設計為外寬度 B=100mm，內寬度 b=91mm，高度 H=50mm 內 高度 h=38mm，則： 材料的抗彎截面系數 w=（BH-bh）/6=19766(mm) 橫截面面積約為 BH-bh=1542（mm） 橫梁的慣性矩 I 為 I=（BH-bh）/12=7606648N.mm 橫梁的校核 查資料得，材料的極限強度為 441Mpa，安全系數 n=25，許用應力 =176.4Mpa 彈性模量 E=90.6Mpa，橫梁的許用撓度 fmm=2.8mm，通過計算的橫梁 的最大彎矩 M=1762.3N.m，則： 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 35 最大應力=M/W=1762.3/0.000019766=89.16Mpa 最大應力小于許用應力，所設計的橫梁滿足抗彎曲應力。 圖 4-7 所示此道軌的工作原理，這種導軌通過上導軌的兩個相對小輪緊扣 下導軌的圓柱體起緊固上導軌的作用同時還有保持其運行穩(wěn)定性及運行精度， 同時兩個小輪在圓柱體在滾動將平面運動轉換成滾動摩擦作用在絲杠副的作用 將電機的轉動轉化成導軌的運動從而實現橫向和垂直的運動。 圖 4-7 NCS-1 數控坐標滑臺部件 1 圖 圖 4-8 NCS-I 數控坐標滑臺部件 第四章 火焰切割機傳動裝置設計 36 圖 4-9 NCS-1 數控坐標滑臺工作原理 第五章 結論 37 第五章 結論 本文中給出了基于三維設計軟件 Solid Works 平臺下一種小型龍門式數控 火焰切割機的結構設計過程，在設計過程中得到如下幾點結論： 1. 在整體結構設計方面，結合課題要求設計了龍門式數控火焰切割機， 對龍門式機床的結構設計有了比較清晰的思路。 2設計了數控火焰切割機的驅動裝置和傳動系統。進一步加深了對步進 電動機，特別是反應式步進電動機的原理，控制方式等相關知識的認識，對滾 珠絲杠的結構、傳動原理及與普通絲杠的區(qū)別進行和學習。 3. 本文對數控火焰切割機的導軌進行了設計。學會了如何正確選擇導軌 的結構形式、運動形式及如何對機床導軌進行安裝調整。 4. 在 Solid Works 環(huán)境下完成切割機所有零件三維建模并根據零件間的 配合關系進行了裝配。熟悉了 Solid Works 軟件的應用，并且對數控火焰切割 機的各部分結構有了感官上的認識。 5. 用 AutoCAD 繪制了所有零件圖和裝配圖，計算機繪圖能力和看圖能力 有了極大的提高。 6. 體驗了用先進的手段進行設計產品和表達個人思想的過程，堅定了應 用先進的技術，方法解決現實問題的思想。 由于時間緊迫以及個人知識和經驗的欠缺，設計過程中難免出現錯誤和不 當之處，希望老師們能給與指正。 參考文獻 38 參考文獻 1 機床設計手冊編寫組. 機床設計手冊M. 第三冊. 部件結構設計及總體設計 . 北京：機 械工業(yè)出版社，1986. 12 59. 2 江耕華等. 機械傳動設計手冊M. 上冊. 北京：煤炭工業(yè)出