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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(yùn)動(dòng)分析 ........................................................................................................5 2.3 焊接坡口工藝分析 ................................................................................................6 2.4 割炬的徑向補(bǔ)償 ....................................................................................................6 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局 ............................................................................................7 3.1 機(jī)床總體方案 ........................................................................................................7 3.2 切割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說明 ................................................................................7 3.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析 ............................................................................................8 第 4 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................................................................................10 4.1 Z 軸工作滑臺(tái)的設(shè)計(jì) ............................................................................................10 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè)計(jì) ...................................................................................................17 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 ......................................................................................18 4.4 支架的設(shè)計(jì) ..........................................................................................................18 第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................................................................................20 5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .......................................................................................................20 5.2 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(jì) ...........................................................................................22 5.5 圖形交互人機(jī)界面 ..............................................................................................23 總 結(jié) ................................................................................................................................25 鳴 謝 ..............................................................................................................................26 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................27 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 摘要 本設(shè)計(jì)以相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的基礎(chǔ), 分析切割機(jī)的割炬的軌跡運(yùn)動(dòng), 將切割運(yùn)動(dòng)分 解為割炬回轉(zhuǎn)、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補(bǔ)償四軸聯(lián)動(dòng),對(duì)鋼管相貫焊接坡口數(shù)控 切割運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,并最終完成相貫線切割機(jī)的設(shè)計(jì).該切割機(jī)采用數(shù)控原理進(jìn)行軌跡控制， 采用火焰切割方式工作.設(shè)計(jì)共分四部分:相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的建立 ,切割機(jī)總體方案設(shè) 計(jì),機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 關(guān) 鍵 詞:大型管材;相貫線;焊接坡口;數(shù)控火焰切割 Abstract 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 axis 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 mathematical 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(jī)設(shè)計(jì) 1 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(yùn)動(dòng)分析 ........................................................................................................5 2.3 焊接坡口工藝分析 ................................................................................................6 2.4 割炬的徑向補(bǔ)償 ....................................................................................................6 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局 ............................................................................................7 3.1 機(jī)床總體方案 ........................................................................................................7 3.2 切割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說明 ................................................................................7 3.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析 ............................................................................................8 第 4 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) ......................................................................................................10 4.1 Z 軸工作滑臺(tái)的設(shè)計(jì) ............................................................................................10 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè)計(jì) ...................................................................................................17 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 ......................................................................................18 4.4 支架的設(shè)計(jì) ..........................................................................................................18 第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ....................................................................................................20 5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .......................................................................................................20 5.2 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(jì) ...........................................................................................22 5.5 圖形交互人機(jī)界面 ..............................................................................................23 總 結(jié) ................................................................................................................................25 鳴 謝 ..............................................................................................................................26 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................27 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 2 中文摘要 本設(shè)計(jì)以相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的基礎(chǔ), 分析切割機(jī)的割炬的軌跡運(yùn)動(dòng), 將切割運(yùn)動(dòng)分解為 割炬回轉(zhuǎn)、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補(bǔ)償四軸聯(lián)動(dòng),對(duì)鋼管相貫焊接坡口數(shù)控切割運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行研究,并最終完成相貫線切割機(jī)的設(shè)計(jì).該切割機(jī)采用數(shù)控原理進(jìn)行軌跡控制，采用火焰切 割方式工作.設(shè)計(jì)共分四部分:相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的建立,切割機(jī)總體方案設(shè)計(jì) ,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 關(guān) 鍵 詞:大型管材;相貫線;焊接坡口;數(shù)控火焰切割 Abstract 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 axis 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 mathematical 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(jī)設(shè)計(jì) 3 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 湖南工學(xué)院機(jī)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) 建 造 將 面 對(duì) 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(tái)上部模塊建造工程為主,而大型管材相貫是該海上平臺(tái)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(diǎn) 的 焊 接 坡 口 也 需 要 加 工 .根 據(jù) 石 油 天 然 氣 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) (SY/T 4802-92)和 美 國(guó) 石 油 協(xié) 會(huì) 標(biāo) 準(zhǔn) (API PI 2A),相 貫 線 上 每 一 點(diǎn) 的 焊 接 坡 口 取 決 于 該 點(diǎn) 的 局 部 兩 面 角 . 不 同 形 式 的 鋼 管 相 貫 ,相 貫 線 上 每 一 點(diǎn) 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(duì)于這種帶坡口相 貫線均采用人工放樣等工藝方法來進(jìn)行加工,因此下料工作 進(jìn)度與效率成為影響整個(gè)平臺(tái)建造工程進(jìn)度的主要因素，為 改變工作強(qiáng)度大和效率低的現(xiàn)狀,本課題嘗試運(yùn)用所學(xué)的機(jī)電 一體化的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行大型管材相貫線切割機(jī)的設(shè)計(jì). 本課題所研究的大型管材相貫線切割機(jī)是屬于數(shù)控火焰切割機(jī),它具有一般數(shù)控機(jī)床的特 點(diǎn)，能根據(jù)數(shù)控加工程序,自動(dòng)完成從點(diǎn)火 -預(yù)熱-通切割氧-切割-熄火-返回原點(diǎn)的整套切割 過程。但數(shù)控火焰切割機(jī)又有別于一般數(shù)控金屬切削機(jī)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(jìn)行切割,而不像金屬切削機(jī)床那樣,是用金屬切削工具與工 件剛性接觸來進(jìn)行切削加工。目前這種數(shù)控火焰切割機(jī)仍依賴進(jìn)口.因此,開發(fā)這種火焰切割機(jī) 具有重要的意義. 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 4 第 2 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(gè)復(fù)雜的空間 曲線,描述其軌跡需要用空間坐標(biāo)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(gè)圓柱的交線, 所以,采用柱坐標(biāo)可以把三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)系與 坐標(biāo)系間存在以下坐標(biāo)變換關(guān)系 圖 2- 2 兩圓柱的相貫線Oxyzx'yz (3) (4) (5) 式中 -- 坐標(biāo)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(diǎn)的參數(shù)方程如下 (8) (9) (10) 2yzR??'rcosin???'i?''cosyr??inz coscosinyrx????2Riz? 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 5 ??22()sin()(cos()( tanRrerhf ??????????????? ?[1]取在 坐標(biāo)系下過相貫線上x’軸坐標(biāo)值最大的點(diǎn)且垂直于x’軸的平面為下料基準(zhǔn)面.其Ox'yz在 坐標(biāo)系下的方程為 (11)由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(shí),其相貫線方程為: 式中 -- 支管壁厚 (mm)? -- 扭轉(zhuǎn)角,標(biāo)志主管相對(duì)于支管的扭轉(zhuǎn)角度.? 2.2 割炬運(yùn)動(dòng)分析 如圖 2-3 所示,被切支管保持不動(dòng), 割炬沿被切支管做 R 軸(旋轉(zhuǎn)軸),T 軸 (擺動(dòng)軸),A 軸(縱向補(bǔ)償軸)三軸和環(huán) 架的 Z 軸(軸向移動(dòng))共四軸聯(lián)動(dòng).正式 切割前,手動(dòng)完割炬和環(huán)架的徑向運(yùn)動(dòng), 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(yùn)動(dòng), 被切管剖面的擺動(dòng)和徑向補(bǔ) 償運(yùn)動(dòng),環(huán)架沿被切管軸向作軸向移動(dòng), 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(dòng)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(dòng),才能切出所需的空間相 貫曲面. 圖 2-4 割炬運(yùn)動(dòng) 注:[1]肖聚亮,王國(guó)棟.火焰數(shù)控切管機(jī)割炬軌研究及仿真 'cotsxrR???(cots)(in)hrxy?????cos2()cots)(cossin)inyrfrRRr???? ??????? 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 6 [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(qiáng)度和避免較大的焊縫尺寸,一般中厚板的接頭都要進(jìn) 行開坡口焊接.因此,切管時(shí)不僅要切出相貫線,還要切出坡口角,切管機(jī)最后切出的管端形狀是 空間曲面.根據(jù)美國(guó)焊接學(xué)會(huì)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(shí)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(shí)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(diǎn)兩面角 為:? 根 據(jù) 石 油 天 然 氣 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) (SY/T 4802-92)和 美 國(guó) 石 油 協(xié) 會(huì) 標(biāo) 準(zhǔn) (API PI 2A)來 確 定 坡 口 角 .按 API標(biāo) 準(zhǔn) 當(dāng) ≤ 90°時(shí) ,坡 口 角 α = /2; 當(dāng) > 90°時(shí) , α = 45°.? 2.4 割炬的徑向補(bǔ)償 在 實(shí) 際 切 割 過 程 中 是 沿 支 管 外 表 面 進(jìn) 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(shí) 際 切 割 角 來 保 證 ,實(shí) 際 切 割 角 由 割 炬? 繞 支 管 外 表 面 一 點(diǎn) 在 軸 剖 面 內(nèi) 偏 轉(zhuǎn) 實(shí) 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(bǔ) 償 . 其 補(bǔ) 償 量 ξ 為 : 圖 2-6 徑向補(bǔ)償 ξ = tan ?? arc[os(????? 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 7 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局 3.1 機(jī)床總體方案 對(duì)于大型鋼管的相貫線的切割有兩個(gè)方案： 方 案 1： 鋼 管 由 主 軸 帶 動(dòng) 旋 轉(zhuǎn) ， 同 時(shí) 割 矩 槍 只 需 進(jìn) 行 軸 向 移 動(dòng) 即 可 實(shí) 現(xiàn) 切 割 要 求 ， 所 以 要 實(shí) 現(xiàn) 2 軸 聯(lián) 動(dòng) 。 方 案 2： 鋼 管 靜 止 不 動(dòng) ， 并 且 由 于 相 貫 鋼 管 的 直 徑 大 小 不 同 、 相 貫 角 度 不 同 ， 都 會(huì) 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(shí) 現(xiàn) 軸 向 轉(zhuǎn) 動(dòng) 、 軸 向 移 動(dòng) 、 徑 向 補(bǔ) 償 移 動(dòng) 、 軸 剖 面 內(nèi) 擺 動(dòng) ,均 采 用 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 帶 動(dòng) ， 所 以 要 實(shí) 現(xiàn) 4 軸 聯(lián) 動(dòng) ,并 且 要 求 能 進(jìn) 行 人 機(jī) 對(duì) 話 ， 編 程 及 操 作 方 便 ， 診 斷 功 能 和 糾 錯(cuò) 功 能 強(qiáng) ， 具 有 顯 示 和 通 信 功 能 ， 縮 短 非 生 產(chǎn) 準(zhǔn) 備 時(shí) 間 ， 提 高 生 產(chǎn) 率 。 由于被加工的鋼管最大重量可達(dá) M=7.8×1000×3.14×(0.5×0.5-0.46×0.46) ×12=11285.9kg 且鋼管長(zhǎng)度最長(zhǎng)時(shí)可達(dá) 12m。 如果照方案 1 鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)起來需要耗費(fèi)比較大的功率,并且鋼管過長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來還會(huì)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(jì)采用方案 2. 3.2 切割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說明 3.2.1 切割機(jī)各軸的定義 切割機(jī)在實(shí)現(xiàn)相貫線切割時(shí),需要四軸聯(lián)動(dòng)和兩個(gè)手動(dòng)來完成.現(xiàn)定義四軸如下圖 4-1. 圖 3-1 切割機(jī)的四軸聯(lián)動(dòng) 3.2.2 Z 軸工作滑臺(tái)簡(jiǎn)明傳動(dòng)系統(tǒng)圖 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 8 z 軸主要完成沿著鋼管軸心的軸向進(jìn)給 圖 3-2 Z 軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖 圖 3-3 R 軸和 A 軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖 3.2.3 R 軸和 A 軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖 R 軸和 A 軸分別實(shí)現(xiàn)割炬繞著鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)和沿鋼管徑向補(bǔ)償.如圖 3-3。 3.2.4 T 軸和徑向調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)圖 T 軸是實(shí)現(xiàn)割炬的前后擺動(dòng),以切出所需要的 坡口角.其擺動(dòng)行程為 30°-30°. 圖 3-4 T 軸和徑向調(diào)整傳動(dòng)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(huì)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(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和徑向移動(dòng)的定位精度、走刀速度等諸技術(shù)參數(shù)， 并且要求能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯(cuò)功能強(qiáng)，具有顯示和通信功能， 縮短非生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)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(dòng)角度參數(shù)，即機(jī)床要實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)。 加工的鋼管直徑尺寸 φ200~φ1000mm，最長(zhǎng) 12000mm,厚度 10~40mm，屬于比較大型的鋼 管，精度要求不高，主要考慮機(jī)構(gòu)機(jī)床的剛度要求。因此可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，并選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 作為機(jī)床的動(dòng)力源。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可通過數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(shí)現(xiàn)連續(xù)的速度變化要求。 軸 軸 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 9 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(jiǎn)明焊工手冊(cè)》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(hào) 碼 喉徑 d/mm 切割速度 （mm/min） 5～20 1 0.6 800～300 25～4 0 2 0.8 500～250 35～7 0 3 1.0 350～150 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 10 第 4 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 Z 軸工作滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 4.1.1 脈沖當(dāng)量 即系統(tǒng)分辨率。p? 本設(shè)計(jì)中選用 ＝0.01mm 4.1.2 選定傳動(dòng)比 當(dāng) ＝1 時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本設(shè)計(jì)中取i ＝1。 4.1.3 初選步機(jī)電機(jī) 根據(jù)公式 公式 (4---1)pbLi??360? 其中 為傳動(dòng)比， 為電機(jī)步距角， 為滾珠絲杠導(dǎo)程， 為脈沖當(dāng)量。0Lp? 因?yàn)?＝1， ＝0.01mm，現(xiàn)取 ＝4mm，可得 ＝0.9 o初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 90BF001。ip b? 4.1.4 計(jì)算絲杠承受的質(zhì)量 在本設(shè)計(jì)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(shí)絲杠的行程 至少應(yīng)為 1.73m, 絲杠的尺寸取整為 2m. 燕尾槽的重量大約為 0.10×0.6×0.3×0.6×7.8×1000=84.2kg 工作臺(tái)的重量為 0.3×0.33×0.04×7.8×1000=30.8kg 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8×(0.7×0.7-0.6×0.6)×3.14 ×0.1=318.3kg 再加上繞齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的燕尾滑塊、兩個(gè)電動(dòng)機(jī)、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(jìn) 行軸向剛度驗(yàn)算和壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 4.1.5.1 最大工作載荷的計(jì) 本設(shè)計(jì)中，選用矩形滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。得滾珠絲杠上的工作載荷： 公式(4—2) 其中 為考慮導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù), 對(duì)于矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌取 ＝0.005。G=M 所以，f? f????2.548960.5Fm＝ 4.1.5.2 最大動(dòng)載荷 的計(jì)算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷 可用下式計(jì)算： Gf??mF 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 11 公式(4—3) mFfL3C? 式中： 為工作壽命， ； 為絲杠轉(zhuǎn)速， ； 為最大進(jìn)給速610/nt?0/1Lvn? 度； 為絲杠導(dǎo)程； 為額定使用壽命，可取 ＝15000h； 為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，現(xiàn)0t tmf ＝1.5； 為絲杠工作載荷；mf 由板厚 5~20、25~40、35~70mm 查《簡(jiǎn)明焊工手冊(cè)》P581 可得火焰切割速度分別為 800~300、500~250、150~350mm/min。 綜合考慮大齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和底下工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)用工作臺(tái)的直線進(jìn)給速度為 =0.8m/minv 公式（4—4))10(810526/0 min/4.166rntL??? 所以， ?9..4C33mFf 本設(shè)計(jì)選外循環(huán)滾動(dòng)螺旋副，查《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 2-8，根據(jù) ＝4mm，選絲杠0L 公稱直徑 ，有：d6＝ ?????970C4312.58DWoa額 定 靜 載 荷 ＝額 定 動(dòng) 載 荷 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，列 數(shù) ＝圈 數(shù) ，＝滾 珠 直 徑 ? 因?yàn)?，所以初選的絲杠螺母副合格。? 4.1.5.3 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為? 公式(4—5))(????tg＝ 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) ＝0.003～0.004,f 其摩擦角約等于 。01? 所以， 96.0)13()(?????tgt＝＝ ??? 4.1.5.4 剛度驗(yàn)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(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 12 1mFLEA??＝忽略不計(jì)，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)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(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量，其計(jì)算公式為 公式(4—6) 式中： 為在工作載荷 作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm ） ； 為絲杠的工1 mF 作載荷(N) ； 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E＝20.6 ×104MPa；A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“＋”號(hào)用于拉伸， “—” 號(hào)用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW＝2.381mm 公式見《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》P25，其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。md1d 取進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L＝2000mm.。 所以 =0.00151mm4-41 105.902.65??＝＝? 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(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其計(jì)算公式： 有預(yù)緊時(shí) 公式(4—7)32wm2DF01.?ZYJ＝? 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 ??? （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md/Z?＝ mdmF （kgf） ； 為預(yù)緊力（ kgf，1kgf=9.8N） ，取工作載荷 的 1/3。YJF 因?yàn)椋?21.3864 ??＝ 圈數(shù)×列數(shù)＝21×2.5×1＝52.5????5.71FYJm 所以 0.58m2.42.3810.2 ＝＝ ??? 22214.913.54.dA59.38.0604)/.(7.)/(70.8.5Remw?????????＝ 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 13 因?yàn)闈L珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為工作載荷的 1/3 時(shí)， 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(yàn)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(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的21?＋＝ ? 定位精度值的一半。 因?yàn)? m01789..05.21??＝＋＝ ? 機(jī)床進(jìn)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(jī)床進(jìn)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(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)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(shí)的臨界載荷 為KF 公式(4—8)2LEIfFZK?? 式中： I 為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面 （d 1 為絲杠底徑） ；L 為絲杠最大)(641mI?? 工作長(zhǎng)度（mm） ；E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E＝20.6×10 4MPa； 為絲杠支承方式系數(shù)。Zf 本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即 ＝4。)(5.167349.36441mdI???? 所以 ?0.920... 4KF 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)定性安mFKn 全系數(shù) ，則滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為??n 公式(4—9)KmF?? 一般取 ＝2.5～4，考慮到絲杠自重對(duì)水平滾珠的絲杠的影響可取 4。???Kn 又因?yàn)槊嫱ㄖ???Kmnn??7.154.2039 所以，滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 4.1.5.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據(jù)最大動(dòng)載荷選用，其代號(hào)為：1604 4.1.6 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 4.1.6.1 初選導(dǎo)軌型號(hào)及估算導(dǎo)軌長(zhǎng)度 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 14 導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計(jì)中共用 2 條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌用 2 個(gè)滑塊，根據(jù)最大動(dòng)載 荷 C=190.89N，通過查 《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 2-16 P33，初選 2 條導(dǎo)軌的型號(hào)都為 GDA20TW。其部分參數(shù)如下： mll60221?， 根據(jù)工作臺(tái)的長(zhǎng)度和工作臺(tái)的行程，估算出導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為 2200mm。 由公式 。式中 為支座長(zhǎng)度； 為導(dǎo)軌兩孔之間的距離?？伤愕脤?dǎo)軌的21nll?ln ＝36。n 4.1.6.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 L 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算： 滾動(dòng)體為球時(shí) 公式(4—10) 350???????WCTHafFL 式中： 為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km ） ； 為額定載荷（N） ，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指a 導(dǎo)書》表 2-10 查得 ＝19100N； 為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為 58～64HRC 時(shí)，a ＝1.0； 為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過 1000C 時(shí)， ＝1； 為接觸系數(shù)，每根HfTf TfCf 導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí) ＝0.81； 為載荷/速度系數(shù)，有沖擊振動(dòng)或 時(shí)，Cff min/60v? ＝1.5。W 為每個(gè)滑塊的工作載荷（N） 。F???635.4/.2/m 考慮到工作臺(tái)上各部分的重量在工作臺(tái)上的重心不落在中心上，而這些載荷都通過工作臺(tái) 直接作用在滑塊上，故取 F=20N。 所以 50km687431.502950 3?????????＝L 大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副可采用。 4.1.7 步進(jìn)電機(jī)的驗(yàn)算 4.1.7.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng) 部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問題。最后，要計(jì) 算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本設(shè)計(jì)需要對(duì) 電機(jī)轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸器,絲杠,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 A） 、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算DJ 由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 2-18 P40 查出 =1.764㎏? cm2DJ B） 、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算L 選用 TL1 聯(lián)軸器 (查《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 》化學(xué)工業(yè)出版 P666)，可查843201??GBJ 出它轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.0004㎏?m 2，得出 ＝4㎏?cm 2。LJ 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 15 C） 、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算SJ 1m 長(zhǎng)的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.94㎏?cm 2，本設(shè)計(jì)的絲杠長(zhǎng)度 L＝2000mm ，所以滾珠絲 杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量縱向： =0.94×2=1.88㎏?cm 2。S D） 、工作臺(tái)質(zhì)量 的折算GJ 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 可按下式進(jìn)行計(jì)算：GJ 公式(4—11)MLJG20)(?? 式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ； 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。 所以 2 220 149.08314.)( cmkg?????????? E） 、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算?J276..76.JJGSLD ????? 4.1.7.2、驗(yàn)算矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 2-18 中maxjM 查得 。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 與最大靜轉(zhuǎn)矩 的關(guān)系為：j??92.3max mqMmaxj 公式(4—12)axjq?? 由 ＝0.707 得， mq????7.2930. 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可 按下式計(jì)算： 公式(4—13)0MKfaKq?? 式中： 為空載啟動(dòng)力矩（N?cm） ； 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)ka 速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩KfM （N?cm） ； 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （N?cm） 。0 有關(guān) 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：Kq A）加速力矩 公式(4—14) 360 102max2axpbKvntnJM???????? 式中： 為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動(dòng)部件最大快?J?maxn 進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間， 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度； 為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角； 為脈沖當(dāng)量。maxvb?p?min/20361.980a rnpb????? 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 16 cmtnJMKa ????????? 13.82.0643789.10622max? B） 空載摩擦力矩 公式(4—15)iLfGkf??20? 式中： 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量； 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動(dòng)降速比； 為傳動(dòng)系數(shù)總f?i? 效率，取 ＝0.8； 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0cmMkf ?????120.8.14359. C） 、附加摩擦力矩 公式(4—16)??200???iLFYJ 式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力； 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取 ＝0.96。0?0? 于是 ??cm??????4681.9.18.435720 所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩： MKfaKq ???9.0..0 初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即 mq? 從上式可知，所選電動(dòng)機(jī)初步滿足要求。 4.1.7.3、啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)很少使用。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止 狀態(tài)開始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。 啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。 查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖 2-21 P42，從 90BF001 啟動(dòng)矩頻特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動(dòng)力矩 ＝ 對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率 。查《機(jī)電KqMcm??296.8 ZyqHf250? 綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表 2-21 P42，步進(jìn)電機(jī) 90BF001 的最高空載啟動(dòng)頻率 ，yZqfHf??20 所以所選電機(jī)不會(huì)丟步。 4.1.7.4、運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率 可按下式計(jì)算：KJf 公式(4—17)PKZvf?601max? 式中： 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度。 =0.01 算得 。P?ZKZHf13.? 快進(jìn)力矩 的計(jì)算公式：JM 公式(4—18)0KfJ?? 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得：Kf 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 17 。cmMKfJ ????0.168.4012＝＋＝ 查看《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》圖 2-22 P43，從 90BF001 運(yùn)行矩頻特性圖中，可知： 快進(jìn)力矩 ＝ 對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率 ；JcN??.68. KJyf? 所以，所用的電機(jī)滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的 Z 軸步進(jìn)電機(jī) 90BF001 符合要求，可以使用。 其他各軸電動(dòng)為:R 軸電機(jī)為 70BF001 A 軸電機(jī)為 70BF001 T 軸電機(jī)為 70BF001 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè)計(jì) 該部件采用燕尾槽的導(dǎo)向、絲杠的旋轉(zhuǎn)來實(shí)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. 5o 到 10. 5o）取絲杠的 螺紋升角為 3o.絲杠底下的雙推力軸承代號(hào)為 52208。內(nèi) 徑 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(yàn)算 絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)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(shí)的臨界載荷 為KF 公式(4—19)2LEIfFZK?? 式中： I 為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面 （d 1 為絲杠底徑） ；L 為)(641mI?? 絲杠最大工作長(zhǎng)度（mm） ；E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E＝20.6×10 4MPa； 為絲杠支承Zf 方式系數(shù)。 本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即 ＝0.25。Zf)(25.16430.6441 mdI???? 所以 ???4.18052.60.25KF 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mFKn 安全系數(shù) ，則滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為??n 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 18 公式(4—20)??KmnF?? 一般取 ＝2.5～4，在這里取 4。???Kn 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8×(0.7×0.7-0.6×0.6)×3.14 ×0.1=318.3kg 取 F =250kg。m ??KKnXn???389.725041 所以，調(diào)整絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 4.3.1 所需的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速 最短相貫線 Lmin=∏×200=628.32≈628mm(最小與最大鋼管垂直相干時(shí)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(jī)的最大轉(zhuǎn)速為 9.55r/min 當(dāng)鋼管厚度為 40mm 時(shí)，最小切割速度選 300mm/min, 兩最大鋼管 30°相干時(shí)相貫線最 長(zhǎng)，此時(shí)電機(jī)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(jī)的最小轉(zhuǎn)速為 1.111r/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(jì)準(zhǔn)則是:保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面接觸疲勞強(qiáng)度. 4.3.2.1 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 公式(4-21)321)(HpaamuKTAC???? 查<> =1 =483,K=1.2 =0.6mCaAa? =0.9 500=450Hp?? 又有 a=148.5mm. =9549P/n. w 1T2.198.032???v =9549 19.2 /9.55=19.1N.m1T30?1465.485.2????a 所以齒輪符合齒面接觸強(qiáng)度要求 4.3.2.2 齒根抗彎強(qiáng)度較核 公式(4-22)3211)( FpdFSmn zYKTuAC???? 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 19 其中 =12.6,； =1； =4.0 ；mACFSY =3; =27 ； =150。 d?1zp? 所以齒輪符合齒根抗彎強(qiáng)度要求。 綜上所述所需要的強(qiáng)度要求。 4.4 支架的設(shè)計(jì) 4.4.1 支架的材料選取 支架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：機(jī)架的設(shè)計(jì)主要應(yīng)保證剛度，強(qiáng)度及穩(wěn)定性。 由于零件的抗彎，抗扭強(qiáng)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，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，從而充分發(fā)揮 材料的作用。從《機(jī)械零件手冊(cè)》查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對(duì)值較大。 綜合上述條件，立柱采用型鋼實(shí)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(guó)標(biāo)為：GB/T 6728—1986 一般鋼號(hào)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, t<4.0,時(shí) r<1.4t, 4.0
8h。 第二次熱處理 >48h，250oC 出爐，保溫冷卻 （525±25oC）>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(jì) 5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 經(jīng)初步分析,相貫線切割機(jī)的伺服系統(tǒng)的負(fù)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)的穩(wěn)定性不在問題，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)要綜合考慮負(fù)載能力、調(diào)速范圍、運(yùn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)、伺服閥控 制的液壓缸和液壓馬達(dá)等作為執(zhí)行元件。其步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。一般情況下就優(yōu) 先選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。故初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為系統(tǒng)的執(zhí)行元件。由微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的輸入 頻率，來控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)割炬槍的無(wú)級(jí)調(diào)速。 5.1.2 機(jī)構(gòu)方案的選擇 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的一個(gè)機(jī)械接口，用于對(duì)運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行變換 和傳遞。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)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(dòng)比和較高的傳動(dòng)效率，所能傳遞的 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 21 力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動(dòng)間隙而結(jié)構(gòu)復(fù)雜；后者困結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、制造容易而應(yīng)用廣泛，是伺服系統(tǒng)中的首先傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。故初選絲杠螺母作為傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)方式采用絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動(dòng)工作臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)，利用調(diào)節(jié)絲杠的轉(zhuǎn)速來 控制割槍的速度。當(dāng)電動(dòng)機(jī)與絲杠電心距較大時(shí)，可采用同步齒形帶傳動(dòng)。 5.1.3 機(jī)構(gòu)方案的選擇 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服系統(tǒng)中的被控對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作的機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇主要 是導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的選擇，即導(dǎo)軌的的選擇。導(dǎo)軌主要有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩大類。其中滾動(dòng)直線導(dǎo) 軌承載能力大，剛性強(qiáng)，壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)動(dòng)平穩(wěn)可靠，且具有自調(diào)整能力。故初選滾動(dòng)直 線導(dǎo)軌為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 5.2 控制系統(tǒng)的選用 機(jī) 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(guó)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)的數(shù)控裝置---“世紀(jì)星”HNC-21 系列數(shù)控裝置（HNC-21M ）。 數(shù)控 裝置的簡(jiǎn)介： “世紀(jì)星”HNC-21 系列數(shù)控裝置（HNC-21M） 采用先進(jìn)的開放式體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)置嵌入式工 業(yè) PC 機(jī)，高性能 32 位中央處理器，配置 7.5”彩色液晶顯示屏和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床工程面板，集成 進(jìn)給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式 PLC 接口、遠(yuǎn)程 I/O 板接口于一體，支持硬 盤、電子盤等程序存儲(chǔ)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(diǎn)。 ? 1.最大聯(lián)動(dòng)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(dòng)器或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及HSV-11 系列 串行式伺服單元。 ? 3. 配置標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(yuǎn)程I/O 板擴(kuò)展接口。 ? 5.采用7.5”彩色液晶顯示器（分辨率為640 480）， 全漢字操作界面，具有故障診斷與? 報(bào)警設(shè)置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能，操作簡(jiǎn)便、易于掌握和使用。 ? 6.采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G 代碼編程，與各種流行的CAD/CAM 自動(dòng)編程系統(tǒng)兼容，具有直線、圓弧、 螺旋線插補(bǔ)，固定循環(huán)、旋轉(zhuǎn)、縮放、鏡像、刀具補(bǔ)償、宏程序等功能。 ? 7. 加工斷點(diǎn)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)。 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 22 ? 10. 8MB Flash RAM (不需電池的存儲(chǔ)器可擴(kuò)至72MB)中的6MB RAM， 可用作用戶程序存 儲(chǔ)區(qū)；8MB RAM (可擴(kuò)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 5－1 裝形式示意圖 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 5.4.1 硬件電路的組成 序號(hào) 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-1001 手搖控制 華中數(shù)控 4 開關(guān)電源 AC220V/DC24V 50W 5 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器 SJ--530 常州雙杰電子 6 步進(jìn)電機(jī) 90BYG550A X 軸進(jìn)給電機(jī) 常州雙杰電子 7 步進(jìn)電機(jī) 110BYG501 Y 軸進(jìn)給電機(jī) 常州雙杰電子 8 步進(jìn)電機(jī) 110BYG501 Z 軸進(jìn)給電機(jī) 常州雙杰電子 9 步進(jìn)電機(jī) 90BF001 縱向進(jìn)給電機(jī) 常州雙杰電子 10 驅(qū)動(dòng)電源 AC/DC100V 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 23 表 5-1 銑床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要器件 5.4.2設(shè)計(jì)說明 圖 5-2 體框圖 5.5 圖形交互人機(jī)界面 附加的采用 Visual Basic 編寫切割系統(tǒng)控制軟件，用于生成切割相貫線軌跡。采用參數(shù)化 編程，用戶只要輸入需要切割的支管的半徑和厚度，并且輸入主管的半徑，即可完成切割文件 的輸出。 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 24 圖 5-3 切割系統(tǒng)控制軟件 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 25 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)三年大學(xué)所學(xué)過的知識(shí)的一次全面檢測(cè),是對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的知識(shí)， 提高理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)與分析計(jì)算能力的培養(yǎng)；是對(duì)學(xué)生圍繞某項(xiàng)專題收集閱讀，分析和運(yùn) 用資料的能力和學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立工作，科學(xué)研