購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 1 寧學 畢業設計 (論文 ) 臺式數控等離子切割機設計 分 院： 專 業： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 年 月 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 2 摘要 隨著科學技術的發展， 等離子切割機 的應用也顯得 越來越頻繁，先進 切割 技術的發展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點。目前， 等離子切割機 技術在電子科技、計算機技術及機器人的制造中都起著重要的作用。無論在什么情況下， 等離子切割機 才能提高焊接的水平和質量。我們只有將數控 切割 機技術和焊接跟蹤技術有效的結合才能更好的推動新科技的發展，因此數控 切割 機的設計對于解決這一難題至關重要。 關鍵詞： 切割 技術 ， 機構設計 ， 等離子切割機 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 3 of of is of is of in At an in of In of We NC in to of so NC is 買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 4 目 錄 摘要 . 錄 . 1 章 緒論 .式數控等離子切割機的研究目的及意義 . 9 式數控等離子切割機背景 . 9 式數 控等離子切割機簡介 . 9 義 . 9 究現狀及發展趨勢 . 9 課題研究的內容及方法 . 主要的研究內容 . 設計要求 . 關鍵的技術問題 . 12 第 2 章 總體方案機構設計 .計概念 . 12 計原理 . 12 案討論 . 13 第 3 章 X 結構及傳動設計 . 向滾珠絲桿副的選擇 . 15 程確定 . 15 定絲桿的等效轉速 . 15 計工作臺質量及負重 . 15 定絲桿的等效負載 . 15 定絲桿所受的最大動載荷 . 16 度的選擇 . 17 擇滾珠絲桿型號 . 17 核 . 17 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 5 界壓縮負荷驗證 . 18 界轉速驗證 . 19 桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 . 19 機的選擇 . 20 機軸的轉動慣量 . 20 機扭矩計算 . 21 第 4 章 Y 向結構設計 . 軸滾動導軌副的計算、選擇 . 23 珠 絲杠計算、選擇 . 24 進電機慣性負載的計算 . 26 第 5 章 主要零件的數控加工 .始參數設定 . 29 建刀具 . 30 建加工操作 . 31 擬刀軌及后處理 . 33 總結與展望 .考文獻 . 謝 .買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 6 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 7 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 8 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 9 第 1 章 緒論 式數控等離子切割 機 的研究目的及意義 式數控等離子切割機 背景 在現代工業中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有自動化生產設備， 用來 提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。 當然，也不排除 的焊接加工過程。我們發現焊接 技術 已經滲透到各個領域并且被廣泛使用。 根 據資料顯示，我國每年鋼鐵的產量一般在 3 億噸左右，其中有一半以上的鋼 有用到 焊接 技術 加工。我國每年的焊接設備需求量 金額 超過 50 億元。 既然 焊 接 機 能夠這么普遍地應用在各個領域， 它 肯定具備了很大的市場競爭力 。 式數控等離子切割機 簡介 龍門式數控火焰 /等離子切割機采用驅動， 即切割頭， 運行穩定，配置好，工作效率 很 高，可 以 用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據用戶 的 要求配置多把割炬。 義 用方管對焊 的 結構，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點。所有 的 焊接件均 采用 振動時效去應力處理，有效的防止了結構變形； 向驅動：橫向導軌 則 采用 了 臺灣進口的直線 式 導軌，縱向導軌是由精密加工的特質鋼軌制成 的 ，保證了切割機的運行平穩，精度高，且經久耐用，清 潔美觀； 究現狀及發展趨勢 激光切割機的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發展規劃時，又是將激光切割列入了關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業化和科技前沿的發展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業開發、生產激光切割機。 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 10 外焊接機的發展概況 焊接產品中有許多曲線的焊接，在我國一般采用手工焊接。手工操作具有一定的優勢，但也，存在著人員管 理難、工人培訓周期長、生產環境惡劣、勞動強度大、焊接質量難以穩定的保持、容易產生夾雜、氣孔等缺陷、焊接成本高、生產效率低一系列的問題等。為了克服上述種種弊端，焊接科技工作者研究出了多種自動化焊接設備，如仿形焊接機，焊接機器人，三維數控焊接機等。 近些年來我國焊接技術的整體發展水平比較好，尤其是逆變式焊機技術現已成熟，正在全國推廣應用。波控、智能及自動、半自動焊接技術快速發展。自動、半自動氣體保護焊機、埋弧焊機、電阻焊機等產品也邁開了一大步。 2000 年我國點弧焊機器人已達到 980 臺。可是盡管如此，我國的焊接設備 還是不能滿足國內工業的生產需求。 我國從 20世紀 80年代開始進行大型機床等機械產品焊接結構的研究， 20 多年來已取得長足的進步。焊接結構已經在現代化的數控機床等大型機床上應用以焊代鑄以焊代鍛的結構設計和制造技術迅速發展。 在汽車制造工業方面，隨著我國汽車產量的不斷增加 20 世紀 90 年代開始從國外陸續引進先進的焊接設備。并在車轉動軸、剎車蹄片、輪圈以及其他部件的制造過程中普遍采用各種先進的焊接工藝，提高了焊接效率和產品質量。焊接在船舶、汽車、鍋爐、壓力容器制造行業中也成為主要的生產工藝手段之一 。目 前，已有多 種焊接工藝方法獲得各國船級社的認可而被應用于生產。自十一五期間開始進行高效焊接技術的探索以來，至今已取得令人欣喜的成績。 近年來，我國在大型貯罐焊接、球形貯罐焊接、鋁鎂合金料倉焊接等領域中，已成功地開發應用了自動焊或半自動焊工藝，如球罐全位置自動焊工藝和裝備已在國內開發成功，它將為進一步推動焊接自動化發揮重要作用。 在當前， 臺式數控等離子切割機 的機構設計絕大多數還是依據具體的情況來設計專用焊接 臺式數控等離子切割機 ，稱之為固定結構的傳統 臺式數控等離子切割機 ，其運動特性使特定 臺式數控等離子切割機 僅能適應一定的范 圍 ， 花費成本較大，不利于 臺式數控等離子切割機 的發展。 很數移動焊接 臺式數控等離子切割機 還有焊縫跟蹤的功能 ,其不足之處就是在焊前必須通過人為的方式 ,幫助 臺式數控等離子切割機 找到合適的位置并且放好，通過人工將 臺式數控等離子切割機 本體、十字滑塊等調整到合適的狀態 ,這里所設計的移動 臺式數控等離子切割機 是有軌移動焊接 臺式數控等離子切割購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 11 機 ，只是現有的移動焊接 臺式數控等離子切割機 技術在 焊接中的應用， 還不能滿足要求，而當前的移動焊接 臺式數控等離子切割機 技術有相當的發展。也就是說 臺式數控等離子切割機 的自主性還跟不 上工業發展的腳步。 未來的發展趨勢可分為以下三個方面： 2 1 選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤：因為與圖象處理方面相關的技術得到發展； 2 采用多傳感信息融合技術以面對更為復雜的焊接任務； 3 控制技術由經典控制到向智能控制技術的發展：這也將是移動焊接 臺式數控等離子切割機 的控制所采用。 課題研究的內容及方法 要的研究內容 在查閱了國內外大量的有關焊接 臺式數控等離子切割機 設計理論及相關知識的資料和文獻基礎上，綜合考慮焊接 臺式數控等離子切割機 結構特點、具 體作業任務特點以及焊接 臺式數控等離子切割機 的推廣應用，分析確定使用三自由度關節型焊接 臺式數控等離子切割機 配合生產工序，實現自動化焊接的目的。 為了實現上述目標，本文擬進行的研究內容如下 : 1 根據現場作業的環境要求和數控錫絲點焊機本身的結構特點，確定數控錫絲點焊機整體設計方案。 2 確定數控錫絲點焊機的性能參數，對初步模型進行靜力學分析，根據實際情況選擇電機。 3 從所要功能的實現出發，完成數控錫絲點焊機各零部件的結構設計； 4 完成主要零部件強度與剛度校核。 計要求 1 根據所要實現 的功能，提出 臺式數控等離子切割機 的整體設計方案 ； 2 完成 臺式數控等離子切割機 結構的詳細設計 ； 3 通過相關設計計算，完成電機選型； 4 完成 臺式數控等離子切割機 結構的三維造型； 繪 制 臺式數控等離子切割機 結構總裝配圖、主要零件圖 。 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 12 鍵的技術問題 1 方案選擇 2 整體的支撐架設計（龍門結構及懸臂結構的選擇） 3 機構設計 4 強度校核 第 2 章 總體方案 機構設計 計 概念 整體的支撐架采用龍門結構 在工程中我們常用的整體支撐架結構有龍門結構和懸臂梁。所謂的懸臂梁就是 梁的一端為不產生 軸向、垂直位移和轉動的固定支座，另一端為自由端（可以產生平行于軸向和垂直于軸向的力）。 而 龍門結構通俗地說 就是 一根橫梁連接兩個支腿與地面緊固組成的像一個門框一樣的結構。因為他是雙支撐結構區別于單支撐和懸臂結構，所以結構特別簡單。 計原理 數控點焊機的設計應滿足一下幾個條件 首先就是必須 保證工件定位可靠 的可靠性， 為了使工件、 焊槍 與 焊接點 保持準確的相對位置，必須根據要求的 焊接點 ， 去選擇合適的定位機構 。 再者就是要 有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到焊接 槍 在運動過程中 產生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度 可能會 發生折斷或 者 彎曲變形， 所以 對于受力較大的進行強度、剛度計算 是非常必要的 。 最后要 盡可能 做到 具有一定的通用性 如果可以 ，應考慮到產品零件變換 的問題 。為適應不同形狀和尺寸的 零件 ， 為滿足這些要求， 可將制成組合式結構，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構的使用范圍。 X 軸采用絲杠加導軌形式 ： 橫向 電動機 聯軸器 橫向 滾珠絲杠（導軌） 向電動機 聯軸器 縱向滾珠絲杠 大托板 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 13 案討論 懸臂梁 在工程力學受力分析中，比較典型的簡化模型。在 實際工程分析中，大部分實際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。龍門結構制作方便，承受負載大，結構穩定，工程上廣泛應用。 考慮到上述問題 該課題的整體結構采用龍門結構。 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 14 第 3 章 X 結構及傳動設計 表 3支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結構簡單，絲桿的壓桿的穩定性和臨界轉速都較低 設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜 ，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式 一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩定問題，固有頻率比一端固定要高。可以預拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 15 向 滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構 。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 設 00快進給速度為 18m/軸箱大概質量為 50作臺大概質量為 80動部件 大概質量為 30作臺最大行程為 300 程確定 電機與絲桿通過聯軸器連接，故其傳動比 i=1, 選擇電機 Y 系列異步電動機的最高轉速 g i n ,/1 5 0 0m a xm a x 最大轉矩，則絲杠的導程為 121 5 0 0/1 8 0 0 0/ m a xm a x 取 2 確定絲桿的等效轉速 基本公式 (/ h 最大進給速度是絲桿的轉速 m (1 5 0 012/1 8 0 0 0/m a xm a x h 最小進給速度是絲桿的轉速 m (0 8 絲桿的等效轉速 m )(/()( 212m i a x m 式中取 21 2 故 m i n )/( 0 0)/()( 212m i a x m 計工作臺質量及負重 主軸箱 重 量 9 6 011 工作臺重量 移動部件 重量 定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在 滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為 K 為顛覆力矩影響系數，一般取 課題中取 絲桿所受的力為 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 16 x 2 1 5 52 2-)2 2(-)2 2( 3a x ）（）（）（0F 其等效載荷按下式計算（式中取 21 ， 12 2n n ） m 1494)( 312211223m i a x 定絲桿所受的最大動載 荷 316 060 )nT(查表：取 表：取 ） 表：取 1） 表：取 1） 查表：取 1） 絲桿的工作壽命為 15000h 由上式計算得 7300N 表 3h 表 3買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 17 表 3 3 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度 對 電氣機床的定位精度 會有影響 ，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對機床定位精度 是 最明顯 的 。一般在初步設計時設定絲杠的任意300程變動量 300V 應小于目標設定定位精度值的 1/3 1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級 3級（ 1級精度最高）， Z 軸為 25級，考慮到本設計的定位精度要求 及其 經濟性，選擇 軸 精度等級為 3級，級。 擇滾珠絲桿型號 計算得出 則 23) 稱直徑 2選擇 內循環浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副， 絲桿的型號為 3。 公稱直徑 0桿外徑 鋼球直徑 絲桿底徑 圈數 =3 圈 0 剛度 73N/ m 核 滾珠絲桿副的拉壓系統剛度影響系統的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統剛度 S，絲桿副內滾道 的接觸剛度 承的接觸剛度 買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 18 螺母座的剛度 不同支撐組合方式計算而定。 界壓縮負荷 驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： cr m a 式中 性模量 E 鋼 =N/ m） N） =絲桿最小截面慣性距（ 442 )464 wo 式中 絲桿螺紋不封閉長度 作臺最大行程 +螺母長度 +兩端余量 00+148+2088撐距離 u，選取 20入上式計算得出 見 臨界壓縮負荷滿足要求。 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 19 界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發生共振的最高轉速求絲杠的最高轉速： 22230 式中： A= 24 . 210*d2d 位 p=03(Kg/m) 位為 本設計中該值為48/2+300+(6202=440K 取 2K =0.8 推 過計算，得出 04 r ，該值 大 于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統的軸向拉壓系 統剛度 式中 A 絲杠最小橫截面， 222 ()4A d m m； 螺母座剛度 000N/ m。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中， L 植分別為 75000 經計算得： m 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 20 k 式中 滾珠絲杠副的拉壓系統剛度 (N/ m)； 螺母座的剛度 (N/ m)； 000 N/ m 絲杠副內滾道的接觸剛度 (N/ m)； 絲杠本身的拉壓剛度 (N/ m)； 軸承的接觸剛度 (N/ m)。 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于 1500r/滿足要求。 機的 選擇 步進電機 是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優點， 所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進 電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環境等因素。 機軸的轉動慣量 a、回轉運動件的轉動慣量 328 上式中： d 直徑 ,絲桿外徑 d= 長度 =1m P 鋼的密度 =7800 2kg/m 經計算得 b、 X 向直線運動件向絲桿折算的慣量 22 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 21 上式中： M 質量 X 向直線運動件 M=160 絲 桿螺距（ m） P=計算得 2 c、聯軸器的轉動慣量 查表得 20004.0 因此 28- 0 0 2 8 k 0 機扭矩計算 a、 折算至電機軸上的最大加速力矩 m 上式中： 500m a x J=m2 加速時間 系統增量，取 15 計算得 算至電機軸上的摩擦力矩 20f 上式中： 導軌摩擦力， f，而 f=摩擦系數為 2N P 絲桿螺距（ m） P= 傳動效率， = 傳動比， I=1 經計算得 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 22 c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 1( 2000 上式中 滾珠絲桿預加載荷 1500N 0 滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為 計算的 M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 f a x 根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為 額定轉矩為 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 23 第 4 章 Y 向結構設計 軸 滾動導軌副的計算、選擇 根據給定的工作載荷 0/P，式中： 作載荷 P=z+W)； 般運行狀況 )， 動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導 軌： 因系統受中等沖擊 ,因此取 ,0 . 5 ( )O S L X Z X YC f Wx Z S L S L 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 7 1 . 5 8 ) = 1 3 3 5 . 7 9 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 5 5 . 2 ) = 1 3 2 7 . 6 f P = 4 1 3 3 5 . 7 9 = 5 3 4 3 . 1 6 f P = 4 1 3 2 7 . 6 = 5 3 1 0 . 4 N根據計算額定靜載荷初選導軌 : 選擇漢機江機床廠 其型號為 :本參數如下 : 額定載荷 /N 靜態力矩 /N*M 滑座重量 導軌重量 導軌長度 動載荷 (17500 26000 198 198 288 60 滑座個數 單向行程長度 每分鐘往復次數 M n 4 導軌的額定動載荷 17500N 依據使用速度 v（ m/初選導軌的基本動額定載荷aC(算導軌的工作壽命 額定行程長度壽命 : ()H T C f f CS 20004 500 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 24 1 , 2 , 0 . 8 1 , 1 ,50 C f f 33 1 1 0 . 8 1 1 7 5 0 02 5 0 0( ) 5 0 ( ) 1 4 2 4 0 9 . 5 8H T C f f CS k m 導軌的額 定工作時間壽命 : 3102S 3 31021 4 2 4 0 9 . 5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 0 . 6 4 6 0h T h 導軌的工作壽命足夠 . 珠絲杠計算、選擇 初選絲杠材質： ， 0，導程： 度計算 絲杠軸向力： )( ,m a x (N) 其中： K=動導軌摩擦系數 f=005；在車床車削外圓時 ：z， z，可取 取 f=400 則 : m a xm a . 5 0 . 5 2 0 0 0 1 0 0 00 . 6 0 . 6 2 0 0 0 1 2 0 01 . 1 5 1 0 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 7 1 . 5 8 ) 1 0 4 5 . 6 8 61 . 1 5 1 2 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 5 5 . 2 ) 1 2 5 2 . 6 2 1 壽命值： 61060 ，其中絲杠轉速 0r/m a 0 / m i 4 0 0 1 5 0 0 036010 最大動載荷： 式中： 等沖擊時為 58時為 查表得中等沖擊時 1 1則 : 購買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 25 333 6 0 1 . 2 1 1 0 4 5 . 6 8 6 7 0 7 9 . 5 83 6 0 1 . 2 1 1 2 5 2 . 6 2 1 1 0 6 8 6 . 5 4 根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數值可選擇滾珠絲杠的型號為 : 其型號為： 其基本參數如下 : 其額定動載荷為 14205N 滾珠循環方式為外循環螺旋槽式 ,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式 . 滾珠絲杠螺母副的幾何參數的計算如下表 名稱 計算公式 結果 公稱直徑0d 20距 t 觸角 045 鋼球直徑 紋滾道法向半徑 R 心距 e ( 2 ) s i d 買文檔送 子版圖紙， Q 11970985 或 401339828 26 螺紋升角 0d 0433 螺桿外徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) bd d d 桿內徑1d e R 桿接觸直徑2c o d d 母螺紋外徑 D 0 22D d e R 母內徑（外循環）1 0 . 2 0 . 2 5 5 ) bD