裝配圖高壓水切機(jī)
裝配圖高壓水切機(jī),裝配,高壓,水切機(jī)
成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
高壓水切機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 院: 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè): 機(jī)械工程及其自動(dòng)化
姓 名: 黃正偉
學(xué) 號(hào): 201106040406
指導(dǎo)老師: 周遠(yuǎn)果
高壓水切機(jī)設(shè)計(jì)
摘要
隨著社會(huì)的高速發(fā)展， 機(jī)械制造行業(yè)也要跟上社會(huì)的發(fā)展的腳步。 由于發(fā)展的需要， 出現(xiàn)了許多難以加工的材料和更高要求的加工精度，傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足加工的要求， 因此出現(xiàn)了許多新的加工方法，以滿(mǎn)足加工的需要。超高壓水射流就切割技術(shù)是其中的一種新型的加工方法，它和新出現(xiàn)的電子束、聲波、電火花和電解加工等加工方法被稱(chēng)為特種加工方法。
超高壓水射流切割機(jī)技術(shù)作為目前唯一一種冷加工的切割方式，在許多行業(yè)得到了日益廣泛的應(yīng)用，高壓水射流切割技術(shù)可以切割的材料種類(lèi)非常多，其中包括熱加工無(wú)法加工的易燃易爆等危險(xiǎn)品。因此隨著海洋事業(yè)發(fā)展力度的加大，超高壓水射流切割技術(shù)作為一種新型的水成形特種加工技術(shù)開(kāi)始得到研究和發(fā)展。
本文是針對(duì)大型板材火焰切割中存在的斷面不平整問(wèn)題，而設(shè)計(jì)的一款高壓水切割機(jī)，以滿(mǎn)足其切割需求。本文將超高壓水射流切割設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，可以通過(guò)精確的控制，使其能切割復(fù)雜形狀的板件。整個(gè)切割系統(tǒng)包括增壓設(shè)備，切割機(jī)構(gòu)及行走裝置，其重點(diǎn)是切割機(jī)構(gòu)和行走裝置；切割機(jī)構(gòu)保證在切割過(guò)程中所加工的斷面滿(mǎn)足加工要求；行走裝置可以帶動(dòng)切割機(jī)針對(duì)大型板件進(jìn)行切割作業(yè)，以解決工作臺(tái)對(duì)工件大小的限制。通過(guò)三個(gè)系統(tǒng)的組合，能使切割機(jī)對(duì)任意形狀的大型或小型板件進(jìn)行切割作業(yè)，且能減小環(huán)境因素對(duì)切割質(zhì)量的影響。
關(guān)鍵詞：高壓水射流 履帶行走機(jī) 機(jī)器人切割 電氣控制
The design of high pressure water cutting machine
Abstract
With the rapid development of society, machinery manufacturing industry is to keep up with the development of the society. Due to the needs of the development, appeared a lot of difficult to machining materials and higher requirements of machining accuracy, the traditional processing methods cannot meet the requirements of machining, so the appearance of many new processing method, so as to meet the needs of processing. Ultra-high pressure water jet cutting technology is one of the new kind of machining method, it and the emergence of new beam, sound waves, edm and ecm machining method known as the special processing methods.
Ultra-high pressure water jet cutting machine technology as only a way of cold cutting, are widely used in many industry, high pressure water jet cutting technology can cut material sort very much, including hot working will not be able to process the inflammable and explosive dangerous goods, etc. So along with the increase of Marine development strength, super high pressure water jet cutting technology as a new type of water forming the special processing technology research and development.
This article is in view of the large plate of flame cutting section is uneven, and the design of a high pressure water cutting machine, in order to satisfy the demands of the cutting. This article will ultra-high pressure water jet cutting equipment and industrial robot, the combination of can accurate control, can make the complex shape cutting board. The cutting system including pressurization equipment, cutting mechanism and walking device, the focus is cutting mechanism and walking device; Cutting mechanism in the process of cutting process of the section meet the processing requirements; Walking device can drive the cutting machine for large plate cutting operations, in order to solve the limitation on the workpiece size table. Through the combination of the three systems, can make the cutting machine for large or small plates of any shape cutting operation, and can reduce the influence of environmental factors on cutting quality.
Keywords: high pressure water jet crawler walking machine robot cutting electrical control.
IV
目錄
第1章 緒論 1
1.1高壓水射流技術(shù)的發(fā)展歷史和實(shí)際應(yīng)用 1
1.2水射流切割的加工特點(diǎn) 1
1.3高壓水射流切割技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.4擬采用方案 4
第2章 切割參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響 5
2.1磨料水射流切割技術(shù)的工作原理 5
2.2磨料顆粒的沖蝕磨損 6
2.3裂紋的產(chǎn)生和工件的破碎過(guò)程 10
2.4切割參數(shù)對(duì)切割效率的影響 10
2.5幾種典型材料的切割數(shù)據(jù) 10
第3章 全自動(dòng)切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1 加壓設(shè)備的選取和密封設(shè)計(jì) 12
3.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.3切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16
3.4總裝配三維模型建立 25
3.5控制系統(tǒng) 26
第4章 總結(jié)與展望 30
4.1本文總結(jié) 30
4.2本文展望 30
致謝 32
參考文獻(xiàn)： 33
第1章 緒論
1.1高壓水射流技術(shù)的發(fā)展歷史和實(shí)際應(yīng)用
高壓水射流切割技術(shù)作為一種新型的特種加工技術(shù)，到現(xiàn)在其主要經(jīng)了四個(gè)發(fā)展階段：
（1）20世紀(jì)50年代，探索實(shí)驗(yàn)階段
50年代，人們從水力采煤和高速飛機(jī)的雨蝕現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水射流的壓力和速度提高之后，能夠擊穿堅(jiān)硬的物質(zhì)，從而開(kāi)始了超高壓設(shè)備的研制和超高壓水射流的實(shí)驗(yàn)。
（2）20世紀(jì)60年代，基礎(chǔ)設(shè)備的研制和水力清洗
隨著超高壓柱塞泵和增壓機(jī)的出現(xiàn)，開(kāi)始了射流動(dòng)力學(xué)特性和噴嘴結(jié)構(gòu)的研究，從而使得水力清理得到了重視和開(kāi)發(fā)。
（3）20世紀(jì)70年代，工業(yè)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用
美國(guó)開(kāi)始尋求一種高效的破巖方法，研究人員提出并試驗(yàn)了25中新型的切割方法，例如電火花、電子束、激光、等離子、高壓水射流等，最后一致認(rèn)為高壓水射流是破巖切割效率最高，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，超高壓水射流切割這種方法得到了實(shí)際應(yīng)用。70年末期，很多國(guó)家都開(kāi)始對(duì)水射流切割技術(shù)進(jìn)行研究。
（4）20世紀(jì)80年代之后，新型高壓射流的發(fā)展及應(yīng)用
從80年代開(kāi)始，隨著各種先進(jìn)切割技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水射流切割技術(shù)進(jìn)行了深入研究。并與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使其自動(dòng)化程度和切割精度得到了很大的提高[1]。
1.2水射流切割的加工特點(diǎn)
超高壓水射流切割技術(shù)作為一種新型的加工方法,相對(duì)于傳統(tǒng)的切割方法有以下加工特點(diǎn):
（1）切割表面質(zhì)量高，切口光滑、無(wú)熔渣、不需要二次加工。超高壓水射流切割技術(shù)作為一種先進(jìn)的冷加工技術(shù)，在切割作業(yè)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱量，不會(huì)使材料的結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化或者變質(zhì)，有利于切割一些熱敏感度比較高的材料.超高壓水切割技術(shù)在切割作業(yè)時(shí)，被切割材料不會(huì)因沖擊力過(guò)大而產(chǎn)生破裂，其切割縫很窄（一般為0.1~2mm），因此可以減少對(duì)材料的損耗，提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本；其切口質(zhì)量較好，幾乎無(wú)飛邊、毛刺，切割平面垂直、光滑、平整，切割時(shí)產(chǎn)生的殘?jiān)^少，且不產(chǎn)生有毒氣體及粉塵，對(duì)環(huán)境的污染和操作人員的安全影響較??；水射流切割技術(shù)對(duì)被切割工件產(chǎn)生的作用力極小，對(duì)工件表面無(wú)直接壓力，所以切割作業(yè)時(shí)幾乎不會(huì)存在機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變，工件變形很小，加工精度比較高[2]。
（2）生產(chǎn)效率高，加工成本低。高壓水射流切割技術(shù)所使用的介質(zhì)為水，而水在地球上幾乎無(wú)處不在，獲取方法簡(jiǎn)便快捷，水射流的加工速度快，效率高，因此其加工成本低。
（3）被切割材料具有廣泛性。由于加壓后的水射流具有非常高的能量，幾乎可以加工所有的材料，其對(duì)切割尺寸限制很小，可以用于切割各種軟質(zhì)玉硬質(zhì)材料、導(dǎo)電與非導(dǎo)電材料、金屬與非金屬材料、塑性與非塑性材料、復(fù)合材料等。
（4）工作環(huán)境良好、操作安全可靠。水射流切割作業(yè)時(shí)射流的最佳靶距2~15mm之間，一般人的手等部位很難伸到下面去，因此在切割作業(yè)時(shí)，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。由于超高壓水射流切割技術(shù)的介質(zhì)為水，因此整個(gè)切割過(guò)程清潔。水射流切割技術(shù)的工作環(huán)境良好，操作環(huán)境整潔，符合環(huán)保要求，提高了操作人員的安全性；切割做成中不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)和高位，幾乎對(duì)人體無(wú)影響?？梢砸兹家妆任ｋU(xiǎn)品的加工和拆除作業(yè)，廣泛應(yīng)用于安全工程。
（5）數(shù)控成型各種復(fù)雜圖案，自動(dòng)化程度高。超高壓水射流的噴頭體積小、移動(dòng)方便，通過(guò)數(shù)控軟件的控制，可以切割不同形狀的復(fù)雜圖案，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（6）超高壓水射流切割技術(shù)屬于綠色加工。超高壓水射流切割技術(shù)的切割介質(zhì)為液態(tài)水及磨料，其來(lái)源充足；水不但豐富易取，價(jià)格便宜，而且水資源屬于可再生、無(wú)污染的資源。
因此，高壓水射流切割技術(shù)符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需要，屬于綠色加工，可持續(xù)，環(huán)境污染小，加工操作簡(jiǎn)單易懂，安全可靠，加工材料廣泛。適用于建筑業(yè)、食品加工行業(yè)、服裝業(yè)、汽車(chē)工業(yè)等多個(gè)行業(yè)[3]。
1.3高壓水射流切割技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
高壓水射流切割技術(shù)作為新型的一種冷加工技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，高壓水射流切割技術(shù)作為一門(mén)應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)也得到很大的發(fā)展。將數(shù)控技術(shù)與高壓水切割技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了磨料水射流的科學(xué)技術(shù)水平。
1.3.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
隨著水射流切割技術(shù)的廣泛應(yīng)用，理論研究的不斷深入，它的巨大潛力和前景引起了更多國(guó)家的關(guān)注，世界主要工業(yè)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)、加拿大等都花巨資對(duì)高壓水射流切割技術(shù)進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，取得了令人矚目的成就。
高壓水射流切割技術(shù)的切割機(jī)理是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，是多種參數(shù)共同作用的結(jié)果，很多研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并提出了許多磨蝕理論。在高壓水射流切割工業(yè)參數(shù)研究方面，許多研究人員的研究主要集中在水射流切割模型的建立，由于影響高壓水射流切割性能的參數(shù)很多，建立的預(yù)測(cè)模型含有許多變量和系數(shù)，使其和復(fù)雜，而這些參數(shù)都是通過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)值。因此得到的預(yù)測(cè)模型非常復(fù)雜，預(yù)測(cè)精度比較低。
雖然高壓水射流切割技術(shù)的切割機(jī)理非常復(fù)雜，但是人們通過(guò)大量的試驗(yàn)和研究得出了改進(jìn)水射流切割工藝的方法，在實(shí)際切割工業(yè)中具有較好的成果。L.Chen、E.Siores、J.Wang以氧化陶瓷作為式樣，對(duì)水射流射入角度對(duì)工件質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng)射入角為80~85°時(shí)，切割深度最深。在加工塑性材料時(shí)，傾角為15~20°材料的去處率最高。E.Lemma對(duì)噴嘴擺動(dòng)技術(shù)在加工低碳鋼和鋁表面粗糙度的影響進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用噴嘴擺動(dòng)技術(shù)可以降低切割表面的粗糙度30%。
1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
通過(guò)近幾年的發(fā)展，我國(guó)高壓水射流切割技術(shù)的研究和應(yīng)用，也取得了和大的研究成果。國(guó)內(nèi)很多研究人員對(duì)高壓水射流切割機(jī)理提出了自己的看法。并將將高壓水切割便攜化，使其具有較好的移動(dòng)性，可以克服許多環(huán)境因素對(duì)切割質(zhì)量的影響 [3]。
1.4擬采用方案
本文針對(duì)大型板件火焰切割中存在的斷面不平整問(wèn)題,設(shè)計(jì)出一種全自動(dòng)超高壓水射流切割機(jī)，其主要機(jī)構(gòu)分為三個(gè)部分：
（1）增壓裝置。增壓裝置對(duì)過(guò)濾后的純水進(jìn)行增壓，使其達(dá)到切割材料所學(xué)的壓力，再通過(guò)超高壓軟管傳輸?shù)角懈顧C(jī)。
（2）切割裝置。增壓裝置加壓后的超高壓水射流通過(guò)超高壓軟管傳輸?shù)角懈钛b置，超高壓水射流經(jīng)磨料射流切割噴頭的混合腔與磨料混合形成磨料射流，經(jīng)磨料射流切割噴頭的出口噴出，可以對(duì)材料進(jìn)行切割。
（3）行走裝置。行走裝置的作用為帶著切割裝置對(duì)尺寸較大的板件進(jìn)行切割，以解決工件尺寸過(guò)大而造成切割困難的問(wèn)題。
第2章 切割參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響
新型復(fù)合材料和合金材料在當(dāng)今社會(huì)的廣泛應(yīng)用，由于其加工要求和難度較高，傳統(tǒng)的加工技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足其加工要求。因此采用磨料水射流切割技術(shù)對(duì)這些傳統(tǒng)加工技術(shù)難以加工的材料進(jìn)行加工，具有其他加工方法無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)。磨料水射流的切割深度來(lái)反映磨料射流侵入材料的能力，切割深度越大，單位時(shí)間內(nèi)切割面積越大，切割效率越高。因此用切割深度大小來(lái)衡量水射流的切割效率。本章針對(duì)水壓力、進(jìn)給速度、磨料流量和靶距對(duì)材料切割斷面深度和質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析。
2.1磨料水射流切割技術(shù)的工作原理
大量實(shí)驗(yàn)表明，純水射流對(duì)較硬的材料幾乎無(wú)切割能力，因此在超高壓水射流中加入磨料粒子，這種切割方式就叫做磨料射流切割。
其工作原理如下：
（1）一般純水進(jìn)入一個(gè)帶有過(guò)濾器的水箱，再通過(guò)一個(gè)低壓水泵將過(guò)濾后的純水加壓送入超高壓增壓機(jī)，再將具有較高壓力的超高壓水射流通過(guò)超高壓水管傳輸切割機(jī)；
（2）通過(guò)超高壓水管傳輸?shù)母邏核淞鲝乃畤娮靽娙肽チ仙淞鲊婎^中的混合腔內(nèi)，使其內(nèi)部形成局部真空，當(dāng)磨料顆粒被吸入混合腔與水射流混合后經(jīng)磨料噴嘴噴出形成磨料水射流，這時(shí)的磨料水射流就能對(duì)硬度較大的材料進(jìn)行切割作業(yè)。
在磨料射流切割技術(shù)中水作為磨料動(dòng)力的載體，對(duì)磨料粒子進(jìn)行加速，使磨料粒子具有較大的動(dòng)能。在磨料射流切割作業(yè)的過(guò)程中主要由高能磨料粒子對(duì)被加工工件進(jìn)行沖蝕磨損，通過(guò)這一系列復(fù)雜的作用過(guò)程，將需要加工的工件切割開(kāi)。其工作流程如圖2-1：
過(guò)濾后的純水
水泵
超高壓增壓機(jī)
磨料罐
磨料射流切割噴頭
需要加工的工件
圖2-1 磨料射流切割技術(shù)的流程
2.2磨料顆粒的沖蝕磨損
高速水射流對(duì)磨料粒子進(jìn)行加速之后，使磨料粒子具有很到的動(dòng)能，由高速水射流攜帶這些磨料粒子沖擊到被加工材料表面，這些高能粒子對(duì)材料進(jìn)行沖蝕和消磨作用，這一過(guò)程屬于切削、疲勞斷裂、融化等機(jī)制共同作用的結(jié)果。切割過(guò)程不同，這些機(jī)理的作用也不同，取決于多鐘因素，如沖擊角度、顆粒動(dòng)能、顆粒形狀、被切割材料性能以及環(huán)境因素等。磨料水射流的沖擊力集中在有顆粒形狀確定的打擊面上，水起到了運(yùn)送介質(zhì)的作用，并可以擴(kuò)大切縫和材料的內(nèi)部裂紋[4]。
1 機(jī)理分析
（1） 單個(gè)顆粒的沖擊作用
假定用等效圓球表示顆粒，對(duì)于沖擊過(guò)程，顆粒的運(yùn)動(dòng)可以由牛頓第二定律和赫茲方程有：
Z”= (2-1)
(2-2)
式中
-磨料顆粒質(zhì)量；
-顆粒重心坐標(biāo)；
-顆粒對(duì)材料的沖擊力；
-剪切模量；
-洛桑比；
由此可接的最大壓縮量：
圖2-2 磨料粒子沖擊示意圖
(2-3)
最大沖擊力：
(2-4)
(2)固體顆粒沖擊的磨蝕動(dòng)力學(xué)
高壓水經(jīng)過(guò)噴嘴形成高速水射流[5]。其能量形式由壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力能。由水力學(xué)可知，水射流速度：
(2-5)
式中：
-噴嘴出口水射流速度，m/s；
P-噴嘴出口壓力，Pa；
-水的容重，Kg/L；
g-重力加速度，m/s；
-噴嘴流速系數(shù)，一般為0.97.
由（2-5）可知，在噴嘴結(jié)構(gòu)一定時(shí)，射流速度取決于壓力，射流的流量等于射流流速乘以射流截面面積，而射流截面面積與噴嘴孔截面面積及噴嘴幾何形狀決定的流量系數(shù)有關(guān)，由經(jīng)驗(yàn)公式可得水射流流量：
(2-6)
式中：
-噴嘴直徑，mm；
Q-流量，L/min；
產(chǎn)生這些流量所需要的功率：
(2-7)
磨料混入后，假設(shè)水射流和磨料為同一速度，由動(dòng)量守恒定律：
（2-8）
得：
（2-9）
式中：
-磨料顆粒的速度，m/s；
-磨料供給量，g/s。
水射流的動(dòng)量傳遞給料后，顆粒被加速，當(dāng)這些撞擊物體，使其產(chǎn)生剝離，這就是沖蝕磨損。此時(shí)，磨料顆粒所具有的動(dòng)能：
（2-10）
由（2-5）至（2-9）式可知：當(dāng)磨料一定時(shí)，水射流壓力越高，磨料顆粒速度就越大。當(dāng)水射流流量增大的時(shí)候，磨料速度也要增大。
（3）磨料射流沖蝕能效的影響因素
速度為的粒子垂直沖擊物體表面時(shí)產(chǎn)生沖擊載荷，在沖蝕過(guò)程中的幾何參數(shù)是（為顆粒半徑），因此單個(gè)顆粒沖蝕時(shí)，沖蝕坑的體積為：
(2-11)
帶入（2.5）得：
（2-12）
又因?yàn)椋簬肷鲜剑?
(2-13)
由上式可知，單個(gè)磨料粒子沖蝕后產(chǎn)生的體積與粒子半徑、密度、速度有關(guān)。粒子所攜帶的能量：
（2-14)
切割單位體積物料所需磨料粒子的能量：
(2-15)
即N與及成正比。
（4）材料的破碎
磨料粒子在以加工工件表面之間為圓弧接觸。在工件表面破壞之前，用彈性力學(xué)的方法計(jì)算作用區(qū)域的應(yīng)力。分布如圖2-3：
R
圖2-3 應(yīng)力分布圖
q
a a
圖2-4 磨料粒子受力分布
球狀顆粒沖擊工件表面時(shí)，中心壓力最大，邊緣壓力最?。ㄈ鐖D2-4）， 其分布是：
（2-16）
其中心壓強(qiáng)：
(當(dāng)) （2-17）
壓痕半徑a：
（2-18）
假設(shè)磨料粒子是剛性的，（）則有：
（2-19）
在接觸面邊界出的最大拉應(yīng)力和剪切力相等：
當(dāng)z=0時(shí)：
（2-20）
此處，正應(yīng)力為0，呈拉伸和剪切狀態(tài)，脆性材料首先再次破壞，呈現(xiàn)圓周形裂紋。
由.
當(dāng)材料的=0.3時(shí)，在深度z=0.483a處產(chǎn)生最大剪切應(yīng)力：
(2-21)
式中：-彈性模量。
2.3裂紋的產(chǎn)生和工件的破碎過(guò)程
磨料水射流以沖蝕磨損作用切割物體。當(dāng)顆粒沖蝕脆性材料時(shí)是以破碎肩的形式去處材料的。磨料粒子不斷地沖擊工件表面，使其疲勞斷裂。由于不斷供給磨料水射流，磨料粒子得以數(shù)次對(duì)工件進(jìn)行沖擊作用，同時(shí)也避免了顆?；貜?，水可以擴(kuò)大裂縫和工件內(nèi)部裂紋也能將熱能與碎屑沖過(guò)的磨料帶走。
2.4切割參數(shù)對(duì)切割效率的影響
影響磨料水射流切割技術(shù)的切割效率多種參數(shù)分為兩類(lèi)：射流系統(tǒng)參數(shù)和機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)。射流系統(tǒng)參數(shù)包括射流壓力、水流量、磨料材料、磨料速度、磨料流量、磨料混合狀況、混合腔結(jié)構(gòu)、磨料噴嘴直徑、磨料噴嘴長(zhǎng)度、磨料噴嘴材料；機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)包括進(jìn)給速度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度和復(fù)現(xiàn)性、磨料噴嘴末端到工件表面的距離（靶距）、往復(fù)次數(shù)、工件材料的性能、射流入射角度、進(jìn)給和轉(zhuǎn)向速度、穿透時(shí)間。
2.5幾種典型材料的切割數(shù)據(jù)
磨料水射流切割技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，可以切割500多種材料，本文通過(guò)查取相關(guān)資料，得出了幾種典型材料的切割參數(shù)[3]：
表2-1 幾種典型材料的切割參數(shù)
材料
厚度（mm）
噴嘴直徑（mm）
壓力（MPa）
切割速度（mm/min）
鋁板
75
0.3
250
50
鈦板
3
0.3
250
500
不銹鋼
50
0.4
300
30
耐熱鋼
45
0.4
300
20
工具鋼
300
0.4
300
75
玻璃鋼
30
0.3
200
2000
玻璃
20
0.3
150
500
瑪瑙
40
0.35
250
50
翡翠
45
0.35
300
40
石英玻璃
Φ
0.3
200
100
有機(jī)玻璃
45
0.3
200
100
大理石
20
0.35
150
800
高強(qiáng)水泥
40
0.35
250
100
青鋼
28
0.3
400
25
鑄鐵
40
0.3
400
25
碳纖維
3
0.3
400
40
AL/SiC(15%)
12
0.3
400
400
裝甲鋼板
5
0.3
400
400
酚醛夾布
30
0.3
250
1500
陶瓷玻璃
10
0.3
100
1000
鋯玻璃
3
0.3
70
1000
鈣玻璃
1
0.3
70
1000
本文根據(jù)上述參數(shù)而設(shè)計(jì)一種磨料水射流切割針對(duì)大型板件進(jìn)行切割加工。選取其切割最大壓力為380MPa，混合磨料選用80號(hào)石榴石。
第3章 全自動(dòng)切割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于火焰切割對(duì)一些熱敏感度較高材料進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，切割質(zhì)量無(wú)法保證，切割斷面不平整，需要進(jìn)行二次加工，即浪費(fèi)了材料，又增加了加工時(shí)間，使得加工成本很高，因此，本文根據(jù)查閱相關(guān)資料設(shè)計(jì)了一種磨料水射流切割機(jī)以滿(mǎn)足切割需求。
3.1 加壓設(shè)備的選取和密封設(shè)計(jì)
根據(jù)文獻(xiàn)集可知當(dāng)壓力為400MPa時(shí)，磨料射流切割技術(shù)幾乎可以切割任何材料。
3.1.1加壓設(shè)備的選取
本文通過(guò)查取有關(guān)資料，確定采用HD380高壓泵對(duì)水射流進(jìn)行加壓，再通過(guò)HX-5-8SP超高壓鋼絲增強(qiáng)軟管，將高壓水射流傳輸?shù)角懈顧C(jī)，對(duì)被加工材料進(jìn)行切割作業(yè)。
3.1.2密封設(shè)計(jì)
根據(jù)查閱文獻(xiàn)集，選用軟金屬墊密封機(jī)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)如下（圖3-1）[6]：
圖3-1 密封原理
軟金屬墊一般選用紫銅或者不銹鋼，靠外力作用壓緊而引起軟金屬的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，這種密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[7]。
3.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
行走機(jī)構(gòu)主要作用在于帶動(dòng)切割機(jī)構(gòu)對(duì)大型板件進(jìn)行切割作業(yè)，它需要足夠的動(dòng)力帶動(dòng)整個(gè)切割機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)用，因此根據(jù)切割需求，通過(guò)相關(guān)書(shū)籍和網(wǎng)站查閱選取兩種方案的行走機(jī)構(gòu)：
方案一為四輪機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3-2：
圖3-2 四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
方案二為履帶行走機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖3-3：
圖3-3履帶式行走機(jī)構(gòu)
方案一擁有足夠的動(dòng)力，用四輪驅(qū)動(dòng)，只需要一個(gè)動(dòng)力源，便于控制左右兩變輪子的速度，使其達(dá)到同步；但是其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且在行走過(guò)程中，由于地面不平整或者地面比較光滑時(shí)，容易發(fā)生側(cè)滑和打滑，而在切割作業(yè)時(shí)發(fā)生側(cè)滑和打滑會(huì)大大影響被加工工件的切割質(zhì)量，因此排除。
方案二相對(duì)于方案一來(lái)講，左右兩邊履帶分別用一個(gè)履帶液壓行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力充足；同時(shí)履帶與地面的接觸面比較大，在地面波動(dòng)幅度較小或者光滑的情況下，履帶行走機(jī)構(gòu)仍然能夠穩(wěn)定的行走，從而在切割作業(yè)時(shí)對(duì)被加工工件的斷面質(zhì)量；由于磨料射流切割機(jī)在切割作業(yè)時(shí)，所需的進(jìn)給速度較低，而履帶式行走機(jī)構(gòu)的速度也相對(duì)較低，正好適合用于磨料射流切割作業(yè)；而且履帶式行走機(jī)構(gòu)能夠原地轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向切割作業(yè)時(shí)仍然能夠較好的工作，保證轉(zhuǎn)角處的切割斷面質(zhì)量。
根據(jù)查閱的相關(guān)資料對(duì)履帶式行走機(jī)構(gòu)用pro/e三維軟件建模如圖3-4：
圖3-4 履帶式行走機(jī)構(gòu)總成
履帶行走的動(dòng)力源來(lái)自于兩臺(tái)液壓行走馬達(dá)。液壓行走馬達(dá)由高速液壓馬達(dá)、制動(dòng)器、行星減速器、閥組等組成，為外殼傳動(dòng)，可以直接與主動(dòng)輪相連接，再通過(guò)主動(dòng)帶動(dòng)履帶行走，其工作可靠，效率高、性能優(yōu)越。通過(guò)查取相關(guān)資料選用LG135履帶行走底盤(pán)總成。
3.3切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
良好的切割機(jī)構(gòu)在進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，能保證切割質(zhì)量，增加切割速度，減少切割成本，大大提高切割效率。
3.3.1磨料射流噴頭選取
高壓水射流切割方式主要分為磨料水射流切割方式和純水射流切割方式，由于純水射流切割方式對(duì)硬質(zhì)材料幾乎無(wú)切割能力，因此本文選用磨料水射流切割方式。磨料射流切割噴頭需要有較強(qiáng)的耐磨性，因此選用牌號(hào)為YK15的硬質(zhì)合金[8]。
磨料水射流切割中磨料混合方式主要分為前混式和后混式，由于本文是針對(duì)大型板件進(jìn)行切割作業(yè)，其行程較長(zhǎng)，因此前混式磨料水射流切割方式中磨料射流的行程將大大增加，對(duì)射流傳輸系統(tǒng)的磨損會(huì)隨之增大，所以本文選取后混式磨料水射流切割方式。
后混式磨料射流切割噴頭是在純水射流噴嘴后加入了磨料添加機(jī)構(gòu)和磨料射流噴嘴，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將水射流噴嘴和混合腔放置于磨料噴嘴中。后混式磨料射流切割噴頭一般分為三種形式，如圖3-5：
a)旋流混合時(shí) b)斜貫混合式 c）正交混合式
1.高壓水管；2.水噴嘴；3.磨料噴嘴。
圖3-5 磨料射流切割噴頭
通過(guò)查取相關(guān)資料可知，旋轉(zhuǎn)混合式磨料射流切割噴頭中，磨料在高壓水射流產(chǎn)生的真空抽吸和殼體內(nèi)壁選裝葉柵的作用下在噴頭內(nèi)部呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并與高壓水射流混合行程磨料水射流，然后從磨料噴嘴噴出，這種噴頭大大縮短了水噴頭與磨料噴嘴的距離，具有很好的射流集聚性，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比復(fù)雜，難以加工。而斜貫混適式磨料切割噴頭和正交式磨料射流噴頭結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,使用性更廣泛,針對(duì)兩噴頭分析如下:
（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)
取斜貫混合式磨料入口與水射流噴嘴軸線(xiàn)夾角為45°。水噴嘴選取具有更長(zhǎng)衰減長(zhǎng)度的Laval型噴嘴主要結(jié)構(gòu)如圖3-6，主要參數(shù)如表3-1：
圖3-6 正交混合式磨料射流切割噴頭
表3-1 磨料射流切割噴頭主要參數(shù)
水噴嘴長(zhǎng)度/mm
磨料噴嘴長(zhǎng)度/mm
磨料入口高度/mm
混合室長(zhǎng)度/mm
磨料入口與水噴嘴距離/mm
水噴嘴圓柱段長(zhǎng)度/mm
磨料入口孔徑/mm
6
50
5
8
4
1
2
水噴嘴出流內(nèi)徑/mm
磨料噴嘴出流內(nèi)徑/mm
水噴嘴收縮角
水噴嘴擴(kuò)散角/°
磨料噴嘴收縮角/°
水噴嘴入口內(nèi)徑D/mm
混合式內(nèi)徑/mm
0.4
0.9
13
20
20
1.2
4
查閱有關(guān)資料可知，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)斜貫混合式磨料射流噴頭內(nèi)部磨料和水射流混合比較充分，其切割能力明顯大于正交混合式磨料射流切割噴頭，因此本文選取斜貫混合式磨料射流噴頭。對(duì)其進(jìn)行用Pro/E三維建模（圖3-7）：
1.磨料射流噴嘴；2.磨料入口；3.高壓水入口；4.驅(qū)動(dòng)柄；5.定位針。
圖3-7 斜貫式磨料射流切割噴頭
3.2.2機(jī)械臂的設(shè)計(jì)
由于切割環(huán)境對(duì)切割效率的影響，某些時(shí)候固定式磨料射流切割噴頭無(wú)法到達(dá)指定的切割位置，為此設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手臂來(lái)滿(mǎn)足切割需求[9]。
（1）方案選取
根據(jù)切割需求，并通過(guò)先了兩種機(jī)械臂，用Pro/E建模如下：其中方案一參照?qǐng)D3-8，方案二參照?qǐng)D3-9。
圖3-8 抬升式機(jī)械臂
圖3-9 曲柄搖桿式機(jī)械臂
方案比較：
方案一由旋轉(zhuǎn)底座、抬升系統(tǒng)、伸縮桿和擺動(dòng)噴頭組成。其中選裝底座可以0~300°自由旋轉(zhuǎn)；抬升系統(tǒng)能夠上下自由運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)伸縮桿和磨料射流切割噴頭做上下運(yùn)動(dòng)，可以隨時(shí)調(diào)整磨料射射流切割噴頭出口末端與被加工工件表面的垂直距離，以達(dá)到最優(yōu)的靶距；伸縮桿由一個(gè)電機(jī)控制，通過(guò)齒輪與絲桿的傳動(dòng)，可以自由伸縮，其行程為400mm；通過(guò)選裝底座的旋轉(zhuǎn)、抬升系統(tǒng)的上下移動(dòng)和伸縮桿的伸縮控制，能將磨料射流切割噴頭帶到切割作業(yè)時(shí)所需要的位置，同時(shí)在變相切割作業(yè)和切割復(fù)雜圖形時(shí)，通過(guò)選裝底座、抬升系統(tǒng)和伸縮桿的同時(shí)工作，將運(yùn)動(dòng)合成可以達(dá)到變向切割時(shí)所需的切割要求和切割不同形狀的圖形。擺動(dòng)噴頭可以與進(jìn)給方向相垂直的方向0~90擺動(dòng)，通過(guò)擺動(dòng)噴頭的擺動(dòng)可以調(diào)整磨料射流與豎直面的傾角，能保證被加工工件的切割面垂直，提高磨料射流切割加工技術(shù)的效率。整個(gè)系統(tǒng)能將磨料射流切割噴頭帶到各個(gè)位置，方便在不同工作要求下，對(duì)各種形狀復(fù)雜，尺寸不定的板件進(jìn)行加工作業(yè)，其對(duì)環(huán)境要求低，適應(yīng)性強(qiáng)，能廣泛應(yīng)用于各種加工環(huán)境。而且整個(gè)系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單、維修方便，外觀(guān)優(yōu)美。
方案二主要由兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)底座組成，通過(guò)桿的擺動(dòng)和底座的選裝來(lái)控制磨料射流切割噴頭的位置。其中，需安裝底座和方案一內(nèi)同，可以進(jìn)行0~300°自由選裝；兩個(gè)曲柄搖桿可以通過(guò)兩個(gè)電機(jī)控制其擺角從而調(diào)整機(jī)械臂末端的水平距離和垂直高度；通過(guò)選裝底座和兩個(gè)曲柄搖桿的擺動(dòng)，使得磨料射流切割噴頭能過(guò)到達(dá)不同的平面位置和調(diào)整磨料射流切割噴頭的磨料射流出口與被加工工件表面的垂直高度，保持高效的切割效率；同時(shí)兩個(gè)曲柄搖桿的加工簡(jiǎn)單、拆裝方便。最大的特點(diǎn)是選裝底座，機(jī)械臂的所有動(dòng)力源都在這個(gè)位置，減少了機(jī)械臂自身的重量，從而降低了慣性運(yùn)用對(duì)整個(gè)機(jī)械臂穩(wěn)定性的影響，增大了整個(gè)機(jī)械臂的載荷量。因此此方案的加工成本較低，且控制精度較高，通過(guò)機(jī)械臂的帶動(dòng)，整個(gè)切割裝置不僅僅能加工大型板件，也能加工小型板件，同時(shí)對(duì)工作環(huán)境的要求很低。但是這種機(jī)械臂末端平面一直與水平面平行，從而使得磨料射流一直與被加工工件表面垂直，因此當(dāng)加工工件厚度較大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)別切割表面不垂直的現(xiàn)象（如圖3-10），達(dá)不到切割要求[3]。
圖3-10 切割斷面
因此通過(guò)上述分析，本文選取方案一作為該切割機(jī)的機(jī)械臂。
（2）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)
通過(guò)結(jié)構(gòu)分析選取方案一作為設(shè)計(jì)方案。查取有關(guān)資料，選用S30403號(hào)不銹鋼作為機(jī)械臂的材料。
1）旋轉(zhuǎn)底座的設(shè)計(jì)
根據(jù)本文對(duì)磨料射流切割機(jī)的切割的要求，磨料射流切割機(jī)構(gòu)由行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)行走，為了整個(gè)切割機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定，切割機(jī)的機(jī)械機(jī)械手臂底座電機(jī)將安裝在行走機(jī)構(gòu)的中心位置，將旋轉(zhuǎn)底座作為整個(gè)機(jī)械臂的基礎(chǔ)。
選裝底座有一個(gè)電機(jī)和一個(gè)圓柱板組成。電機(jī)選用XY42STH48-1206A-XJ型步進(jìn)電機(jī)[9]，其作用在于帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；圓柱板的作用在于是底座在旋轉(zhuǎn)保持整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時(shí)起固定抬升系統(tǒng)的作用。由三維建模軟件pro/e對(duì)旋轉(zhuǎn)底座建模如圖3-11：
圖3-11 旋轉(zhuǎn)底座
2）抬升系統(tǒng)
在切割過(guò)程中，切割效率受被加工工件材料的性能、磨料射流切割噴頭內(nèi)徑和環(huán)境因素的影響，需要調(diào)整磨料射流切割噴頭出流末端與被切割工件表面的距離，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)抬升機(jī)構(gòu)來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。抬升系統(tǒng)直接安裝在旋轉(zhuǎn)底座的圓柱板上，在旋轉(zhuǎn)底座做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，自身也可以做上下運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如圖3-12：
圖3-12 抬升系統(tǒng)
抬升系統(tǒng)動(dòng)力源是一個(gè)90ST-M02430伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)兩個(gè)齒輪和一個(gè)同步帶將動(dòng)力傳遞到絲桿,通過(guò)絲桿與梯形滑塊的相對(duì)位移,是抬升系統(tǒng)的伸縮部位上升或者下降，最大行程30mm。其內(nèi)部結(jié)果如圖3-13和圖3-14。
圖3-13 同步帶傳統(tǒng)系統(tǒng)
1.絲桿；2.鎖緊螺栓；3.梯形滑塊；4.7006AC型角接觸軸承；5.從動(dòng)齒輪；
6.同步帶；7.主動(dòng)齒輪。
圖3-14 抬升系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)原理
其中，主動(dòng)輪和從動(dòng)論的模數(shù),齒數(shù)?？梢怨ぷ魉欧姍C(jī)的速度調(diào)整來(lái)確定抬升系統(tǒng)的伸縮速度。
絲桿強(qiáng)度校核[10]：
絲桿在工作室承受軸向壓力或拉力F和扭矩T的作用。絲桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮或拉伸應(yīng)力，又有切應(yīng)力，因此根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算出危險(xiǎn)截面的應(yīng)力：
(3-1)
其中：F—絲桿所受的軸向壓力，F(xiàn)=200N；
—絲桿螺紋小徑，
A—絲桿螺紋段的危險(xiǎn)截面面積，
T—絲桿所受扭矩，根據(jù)選用的私服電機(jī)和齒輪傳動(dòng)關(guān)系可得
根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出絲桿所受達(dá)到的應(yīng)力，因此絲杠能保持良好的工作條件，使用壽命較長(zhǎng)[11]。
3）伸縮絲桿的設(shè)計(jì)
磨料射流切割機(jī)在進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，磨料射流噴頭將移動(dòng)到被切割工件的上方約5~20mm位置，因此本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂應(yīng)具有伸縮功能，所以通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)伸縮絲桿，來(lái)完成機(jī)械臂的帶動(dòng)磨料射流切割噴頭，使其移動(dòng)到切割作業(yè)時(shí)所學(xué)要的要位置。
通過(guò)抬升機(jī)構(gòu)將機(jī)械抬升到合適的高度后，伸縮絲杠通過(guò)點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)將磨料射流切割噴頭需要切割點(diǎn)的上部，這時(shí)抬升機(jī)構(gòu)在下降，通過(guò)定位系統(tǒng)使其到達(dá)合適的位置；這時(shí)，磨料射流切割機(jī)就能對(duì)工件進(jìn)行切割。通過(guò)行走機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底座、抬升系統(tǒng)和磨料射流切噴頭的尺寸，對(duì)伸縮絲桿進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算并用pro/e進(jìn)行三維建模如圖3-13：
圖3-13 伸縮絲桿
絲桿由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以以適當(dāng)?shù)乃俣葘?duì)磨料射流切割噴頭進(jìn)行定位，節(jié)約調(diào)整時(shí)間，從而提高切割效率。
3.4總裝配三維模型建立
根據(jù)以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)三維模型的建立，通過(guò)pro/e三維建模軟件對(duì)整個(gè)切割機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行裝備和運(yùn)動(dòng)仿真，其三維模型如圖3-14：
1. 液壓行走馬達(dá)；2. 橡膠履帶；3. 超高壓軟管接頭；4磨料罐；5磨料射流切割噴頭；
6.磨料噴頭驅(qū)動(dòng)電機(jī)；7.伸縮絲桿；8.伸縮絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)；9.抬升系統(tǒng)；10.抬升系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；11.帶步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)底座；12行走機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪；13行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪。
圖3-14 磨料射流切割機(jī)
3.5控制系統(tǒng)
本文所設(shè)計(jì)的行走式磨料射流切割機(jī)由3種電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中機(jī)械臂中磨料射流噴頭的擺動(dòng)、伸縮絲桿的移動(dòng)和抬升系統(tǒng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)底座由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，履帶式行走底盤(pán)總成有液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
（1）工作原理
1）通過(guò)人機(jī)界面手動(dòng)操作將切割機(jī)進(jìn)行定位，并建立工件坐標(biāo)系。通過(guò)人工調(diào)節(jié)，抬升系統(tǒng)將磨料射流碰頭抬升到一定的高度；再移動(dòng)切割機(jī)，使其達(dá)到所需切割工件的位置，再緩慢降低切割噴頭，當(dāng)碰頭末端定位針恰好與工件表面接觸時(shí)停止，在此時(shí)完成切割機(jī)的定位，并建立工件坐標(biāo)系。
2）將所要切割的軌跡進(jìn)行數(shù)控編程，再將程序?qū)懭肭懈顧C(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。運(yùn)行軌跡程序，啟動(dòng)增壓機(jī)對(duì)純水進(jìn)行增壓，打開(kāi)高壓水閥門(mén)，使切割機(jī)開(kāi)始切割工件。通過(guò)系統(tǒng)對(duì)切割機(jī)的六臺(tái)電機(jī)發(fā)出的指令，將六臺(tái)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)合成，使其按照切割軌跡對(duì)工件進(jìn)行切割。
3）當(dāng)切割完成時(shí)，自動(dòng)停止對(duì)純水增壓，關(guān)閉高壓水閥門(mén)，切割機(jī)停止在指定的位置。
切割機(jī)的工作流程圖如下：
人機(jī)界面
建立工件坐標(biāo)系
軌跡編程
數(shù)控系統(tǒng)
行走機(jī)構(gòu)
旋轉(zhuǎn)底座
射流噴頭
伸縮系統(tǒng)
抬升系統(tǒng)
切割工件
切割完成，增壓機(jī)停止工作，切割機(jī)停止在指定位置
圖3-15 磨料射流切割機(jī)工作流程圖
（2）3種電機(jī)PLC控制電路圖
本文所設(shè)計(jì)的切割機(jī)中每臺(tái)電機(jī)都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)給出的不同指令，調(diào)節(jié)每臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向，從而完成切割要求。
1）磨料射流噴頭、伸縮系統(tǒng)和抬升系統(tǒng)都是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制電路圖如下：
圖3-16伺服電機(jī)控制電路圖
2）旋轉(zhuǎn)底座由XY42STH48-1206A-XJ型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其控制電路圖如下：
圖3-17 XY42STH48-1206A-XJ型步進(jìn)電機(jī)控制電路圖
3）LG135履帶行走底盤(pán)總成由兩臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其控制電路圖如下：
圖3-18 LG135履帶行走底盤(pán)總成驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路圖
例如當(dāng)需要切割邊長(zhǎng)為2000mm的方形板件時(shí)，首先在方形板件一個(gè)直角旁邊取一點(diǎn)對(duì)切割機(jī)進(jìn)行定位，并建立工件坐標(biāo)系。在數(shù)控系統(tǒng)中輸入并運(yùn)行程序，開(kāi)始切割工件。伸縮絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)伸縮絲桿，帶動(dòng)切割噴頭緩慢切割工件至方形軌跡一個(gè)直角，沿著一條邊開(kāi)始切割工件。當(dāng)切割完成2000mm后到達(dá)另一個(gè)直角時(shí)，行走總成的兩臺(tái)液壓馬達(dá)開(kāi)始按不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的控制，使切割噴頭在切割機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)所在的位置不變。當(dāng)轉(zhuǎn)向完成后，兩臺(tái)液壓馬達(dá)開(kāi)始同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使切割機(jī)按另一條直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)3次變向和4次直線(xiàn)切割，從而完成切割邊上2000mm的方形板件。
第4章 總結(jié)與展望
4.1本文總結(jié)
本文根據(jù)圖書(shū)館，網(wǎng)絡(luò)，期刊等相關(guān)資料查取手段，查取了磨料射流切割技術(shù)的切割參數(shù)，針對(duì)大型板件火焰切割中存在斷面不平整而設(shè)計(jì)出一款全自動(dòng)磨料射流切割機(jī)。通過(guò)對(duì)切割機(jī)的理論研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
（1）磨料射流切割技術(shù)作為一種冷切割加工方法，在對(duì)被工件進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生高溫，也不會(huì)產(chǎn)生飛屑，其切割斷面光滑、平整、垂直，無(wú)毛刺，不需要進(jìn)行二次加工，提高了材料的利用率，從而大大降低了加工成本。
（2）磨料射流切割技術(shù)安全可靠，在切割作業(yè)時(shí)噴頭出口與工件表面的距離很短，人的身體部位都很難伸進(jìn)去，因此在切割作業(yè)時(shí)不會(huì)對(duì)人體造成傷害。
（3）磨料射流切割技術(shù)所使用的介質(zhì)為水和磨料，兩種介質(zhì)都屬于可再生資源，且來(lái)源充足，價(jià)格便宜，是具有可持續(xù)性，因此符合當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需求。
4.2本文展望
由于時(shí)間緊迫和查取資料有限，本文的一些結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)，可以改進(jìn)的機(jī)構(gòu)有：
（1）本文所設(shè)計(jì)的切割系統(tǒng)的增壓設(shè)備是固定式的，因此當(dāng)切割行程較大時(shí)，高壓軟管的長(zhǎng)度也會(huì)隨之增長(zhǎng)，使得超高壓水射流在高壓管內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)候能量損耗過(guò)大。因此希望選用一種體積和質(zhì)量相對(duì)較小的增壓機(jī)，將其直接安放在履帶式行走機(jī)構(gòu)上，使之無(wú)論加工多大尺寸的板件其超高壓水射流的傳輸距離都很短，從而大大降低超高壓水射流在傳輸過(guò)程中的能量損耗，增加切割效率。
（2）本文所設(shè)計(jì)的磨料射流切割噴頭不能沿進(jìn)給方向擺動(dòng)，而根據(jù)大量試驗(yàn)證明，磨料射流切割技術(shù)在切割作業(yè)時(shí)磨料射流的入射角在80~85°時(shí)，其切割深度最深。因此在磨料射流切割噴頭出需要改進(jìn)，使其可以自由擺動(dòng)，在一定壓力和磨料流量時(shí)，增加切割深度，保持高效輸出。
（3）本文采用的密封為軟金屬墊密封，雖然這種密封放大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是拆卸困難，且一旦拆卸就不能重復(fù)使用；如果使用時(shí)間較長(zhǎng)，由于連接件之間的超高壓作用而是產(chǎn)生下拉永久形變和軟金屬墊的塑性變形，不能回復(fù)補(bǔ)償彈性變形量，減小了軟金屬墊的有效壓縮量，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)泄露，因此需要尋找一種更有效使用壽命更長(zhǎng)的密封設(shè)計(jì)，以增加磨料射流切割系統(tǒng)的使用壽命。
致謝
四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，在這段寶貴的學(xué)習(xí)和生活的時(shí)間里，我學(xué)到了很多有用的知識(shí)，將有利于我的終生，同時(shí)也認(rèn)識(shí)了很多新的同學(xué)與朋友。在大學(xué)的學(xué)習(xí)時(shí)間里，我學(xué)會(huì)如何做到一個(gè)謹(jǐn)慎、自律有思想抱負(fù)的人，同時(shí)培養(yǎng)了自主學(xué)習(xí)的能力，通過(guò)各個(gè)老師的耐心細(xì)致的指導(dǎo)，我受益匪淺，老師淵博扎實(shí)的理論學(xué)識(shí)、豐富實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度深深地影響了我，是我學(xué)到了更對(duì)有用的知識(shí)，將利于我今后的工作與生活。
在大學(xué)時(shí)間里的學(xué)習(xí)生活中，我得到老師和同學(xué)們的幫助，是我具備了團(tuán)隊(duì)合作的精神，它將伴隨著我的一身，意義非凡。
感謝大學(xué)四年各個(gè)學(xué)科老師對(duì)我的指導(dǎo)和幫助，感學(xué)同學(xué)們四年的陪伴，師生之誼、同窗之誼，終身難忘。
感謝我的家人和朋友，使他們無(wú)私的關(guān)懷和愛(ài)護(hù)成就了我的現(xiàn)在，尤其要感謝我的父母，感謝他們的養(yǎng)育之恩與二十多年的辛勤付出，感謝他們含辛茹苦的支持我完成學(xué)業(yè)。
最后感謝周遠(yuǎn)果老師對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文的指導(dǎo)，在他的指導(dǎo)之下我成功的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文。
謹(jǐn)以此給所有關(guān)心、愛(ài)護(hù)、支持和幫助我的親人、老師、同學(xué)和朋友們！
黃正偉
2015年5月13日
參考文獻(xiàn)：
[1]張培忠.柔性制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[2]孫家駿.水射流切割技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦大出版社,1992.
[3]薛勝雄.高壓水射流技術(shù)工程[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006.
[4]孫家樞.金屬的磨損[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1992.
[5]裴國(guó)霞,唐曹春.水力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[6]李繼和.機(jī)械密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1988.
[7]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：潤(rùn)滑與密封[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2011.
[8]姜文深.鈑金下料-高壓水切割[M]. 2012.
[9]蔣剛.工業(yè)機(jī)器人[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2011.
[10]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[11]李慶華.材料力學(xué)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2005.
[12] Robert L. Mott. Machine elements in mechanical design [M]. Publishing House of Electronics Industry ,2007.
[13] [美]克拉格. Introduction to Robotics:Mechanics and Control Third Edition[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[14]薛勝雄.高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.
[15]楊玉萍,錢(qián)永明.同步帶傳動(dòng)縱向振動(dòng)分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2002,26(4):38-40.
[16]張運(yùn)琪.美國(guó)水射流切割技術(shù).中國(guó)機(jī)械工程[J]1992,3(3):13-15.
[17]孫家駿.水射流切割技術(shù)[M].徐州.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1992.
[18]陰妍,鮑久圣,段雄.磨料水射流切割工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007,(4):107-109.
[19]何獎(jiǎng)愛(ài),王玉萍.材料磨損與耐磨材料[M].遼寧:東北大學(xué)出版社,2001.
[20]將業(yè)華,周榮,邢建東.不同顆粒粒度表面復(fù)合材料的耐沖蝕磨損性能[J].鑄造,2003,52(9):266-272.
[21]楊態(tài),陳世明,張毅君,李滿(mǎn).高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2009,24(5):87-89.
[22]李小青.基于神經(jīng)網(wǎng)與遺傳算法的傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2006,14(2):253-255.
33
收藏