數(shù)控定尺飛鋸機(jī)設(shè)計(jì)【含5張CAD圖紙+文檔全套】

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緒論本課題所研究的型材定長(zhǎng)切割系統(tǒng)又被叫做飛鋸機(jī)，它主要適用于連續(xù)生產(chǎn)線上板材或型材的切割。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，建筑業(yè)及冶金業(yè)對(duì)焊管和鋼管需求量的增大，要求的精度和效率也日趨提高，在線定長(zhǎng)切割系統(tǒng)就成為冶金企業(yè)連續(xù)軋制各種型材、管材等生產(chǎn)線上不可缺少的重要設(shè)備。它是在不影響軋制線正常生產(chǎn)的前提下，將連續(xù)延伸的型材、管材在線切割成為要求的長(zhǎng)度，并要保證一定的定長(zhǎng)精度【1】。1.1 飛鋸機(jī)的研究現(xiàn)狀飛鋸機(jī)是當(dāng)前冶金行業(yè)廣泛應(yīng)用的型材定長(zhǎng)鋸切加工設(shè)備，鋸切后鋼管的長(zhǎng)度誤差直接關(guān)系著成品質(zhì)量。由于對(duì)鋸切精度和速度要求越來越高，為了實(shí)現(xiàn)鋸切的高精度和快速性，市場(chǎng)上已有研制成的飛鋸機(jī)直流系統(tǒng)，其特點(diǎn)是功率大，速度快，精度高。飛鋸機(jī)系統(tǒng)是由機(jī)械，電子和液壓等多方面技術(shù)共同實(shí)現(xiàn)的。飛鋸機(jī)是用電機(jī)拖動(dòng)飛鋸進(jìn)行切割，具有控制簡(jiǎn)單、干擾信號(hào)少、定尺精度高、操作方便等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)過去飛鋸機(jī)的拖動(dòng)系統(tǒng)有兩大類：采用直流電機(jī)控制的DDS系統(tǒng)；采用步進(jìn)電機(jī)與數(shù)控閥相結(jié)合的拖動(dòng)系統(tǒng)。伺服飛鋸機(jī)是目前世界上最先進(jìn)的飛鋸機(jī)之一，電機(jī)功率的選擇和計(jì)算與飛鋸機(jī)的控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)方式有關(guān)【2】。目前，市場(chǎng)上生產(chǎn)和銷售的飛鋸機(jī)種類很多，PLC-DDC-D定尺飛鋸，DYJ_97A_89低噪音滾壓式飛鋸，F(xiàn)J114微機(jī)控制定尺飛鋸，125全自動(dòng)數(shù)控飛鋸機(jī)，325全自動(dòng)數(shù)控飛鋸等。諸如以上所說的各類飛鋸機(jī)都有其特點(diǎn)和不同程度的缺陷，尤其是精度差。在快速發(fā)展的今天，機(jī)械要求越來越精密化，已經(jīng)很難滿足現(xiàn)今的要求。微機(jī)定尺飛鋸機(jī)解決了這一難題。它由計(jì)算機(jī)控制，可以達(dá)到相當(dāng)高的精度。近幾年，微機(jī)定尺飛鋸機(jī)在高頻焊管和冷彎鋼生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用，而且越來越多的廠家對(duì)該技術(shù)已經(jīng)認(rèn)可。其工作原理大體類似于普通飛鋸機(jī)：通過測(cè)速輥與鋼管無滑移接觸，將鋼管的移動(dòng)以脈沖的形式送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過運(yùn)算，得出鋼管的移動(dòng)速度及即時(shí)長(zhǎng)度，達(dá)到定長(zhǎng)時(shí)，鋸片與鋼管等速運(yùn)動(dòng)，落鋸切割，抬鋸，回到原位，重復(fù)上一次動(dòng)作【3】。飛鋸機(jī)一般安裝在連續(xù)焊管機(jī)組后面,將運(yùn)行著的管材切成定尺長(zhǎng)度。因此，飛鋸機(jī)應(yīng)有兩方面的運(yùn)動(dòng)要求，即鋸切運(yùn)動(dòng)和同步運(yùn)動(dòng)。鋸切運(yùn)動(dòng)是使鋸片旋轉(zhuǎn)并切斷鋼管，同步運(yùn)動(dòng)是要保證飛鋸機(jī)的鋸切部分與運(yùn)動(dòng)著的鋼管同步。也就是說在鋸切過程中，鋸片既要繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，又要與鋼管以相同的速度移動(dòng)，以保證鋸片在與運(yùn)動(dòng)的鋼管同步的情況下將其切斷，從而得到定尺準(zhǔn)確、切口平整的鋼管。飛鋸機(jī)的核心技術(shù)就是同步機(jī)構(gòu)。目前，同步機(jī)構(gòu)有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩大類。通常使用的是直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同步機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是：鋸切機(jī)構(gòu)安裝在小車上，由同步機(jī)構(gòu)帶動(dòng)小車作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)形式主要有氣動(dòng)傳動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械傳動(dòng)兩種。氣動(dòng)傳動(dòng)的同步機(jī)構(gòu)由于定尺精度低，同步性差，適應(yīng)鋼管運(yùn)行速度低等不足而逐漸被淘汰。而機(jī)械傳動(dòng)的同步機(jī)構(gòu)工作效率高，控制簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定，故廣泛應(yīng)用，其中尤以齒輪齒條傳動(dòng)應(yīng)用得最為廣泛。齒輪齒條傳動(dòng)又分為固定齒輪齒條傳動(dòng)、固定齒輪浮動(dòng)齒條傳動(dòng)和固定齒條浮動(dòng)齒輪傳動(dòng)三種。第一種傳動(dòng)形式的缺陷是安裝時(shí)齒側(cè)間隙較難保證，床身上軌道的加工和安裝誤差容易導(dǎo)致齒的受力不均，造成局部磨損嚴(yán)重。長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致軌道、車輪或齒輪齒條的磨損，甚至鋸切時(shí)小車的彈跳等，都會(huì)破壞齒輪齒條的正常嚙合關(guān)系。如齒輪齒條磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致過大的齒側(cè)間隙，小車往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過大的沖擊。軌道、車輪磨損導(dǎo)致齒側(cè)間隙變小，從而破壞齒面的潤(rùn)滑，導(dǎo)致齒面過早失效。第二種傳動(dòng)形式因齒條與小車非鋼性接觸， 故鋸切的振動(dòng)不會(huì)波及到齒條，安裝時(shí)齒側(cè)間隙容易保證，軌道及車輪的磨損不影響正常嚙合。但這種傳動(dòng)形式的缺陷是近3m 的齒條需有導(dǎo)向架68個(gè)，各導(dǎo)向架需獨(dú)立地安裝在床身上，故安裝精度較難保證，小車的往復(fù)工作，使齒條與導(dǎo)向架間斷接觸，從而沖撞經(jīng)常發(fā)生，加上冷卻水及鋸切屑的影響，導(dǎo)向架的導(dǎo)向部分頻繁損壞，失去導(dǎo)向作用，從而影響正常工作。第三種綜合了前面兩種傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的不足。實(shí)踐證明，該機(jī)構(gòu)工作性能優(yōu)良，完全適應(yīng)飛鋸機(jī)的工作特點(diǎn)，是理想的飛鋸?fù)絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)4。經(jīng)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和理論分析，對(duì)焊管定尺精度有較大影響的，還有以下幾方面的原因：1、傳感器檢測(cè)不準(zhǔn)確造成的定尺誤差；2、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的間隙誤差；3、低慣量直流電機(jī)跟蹤滯后與采樣周期引起的調(diào)節(jié)誤差；4、干擾信號(hào)引起的誤差等。解決辦法是：定期檢查減速機(jī)齒輪間隙、傳動(dòng)軸的聯(lián)接定位，改進(jìn)齒條與車體的聯(lián)接，調(diào)整齒條箱等，減小鋸車自重，從而減小鋸車慣量。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過采取相應(yīng)的措施予以解決5。1.2 課題研究的意義微機(jī)控制機(jī)械定尺飛鋸機(jī)的問世雖然已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，并且雖然傳統(tǒng)氣動(dòng)飛鋸的定尺精度問題一直以來未能得到解決，但由于微機(jī)控制飛鋸一般價(jià)格比較昂貴，維修保養(yǎng)價(jià)格高，而傳統(tǒng)氣動(dòng)飛鋸價(jià)格便宜，易于維修，所以傳統(tǒng)氣動(dòng)飛鋸仍然是很多焊管生產(chǎn)廠家特別是中小企業(yè)的首選?？傊?，微機(jī)控制機(jī)械定尺飛鋸機(jī)在我國(guó)還未被廣泛的應(yīng)用，它還有廣闊的發(fā)展空間，還有很長(zhǎng)的一段路要走。所以微機(jī)控制定尺飛鋸機(jī)的研究與進(jìn)一步完善已成為當(dāng)務(wù)之急，以促進(jìn)我國(guó)焊管行業(yè)的發(fā)展。隨著現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字調(diào)速裝置的應(yīng)用越來越廣泛，其技術(shù)成熟，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)量小，能方便地與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。而管材等的切割也越來越頻繁，并且對(duì)精度有越來越高的要求，使飛鋸機(jī)的應(yīng)用日趨廣泛，切割精度要求也越來越高，因而微機(jī)定尺飛鋸機(jī)有極其廣闊的前景，對(duì)它的研究有極其重要的意義。此次設(shè)計(jì)所涉及的飛鋸機(jī)用來切割最大直徑325mm的焊管，主要用來橫向隨動(dòng)定尺鋸切不同直徑（12 - 325）、不同速度下的直縫焊管。生產(chǎn)速度，100米/分，定尺范圍，3-10米，定尺精度+5mm（該定尺精度已達(dá)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)），鋸切頻率10-15次/分，控制飛鋸機(jī)的鋸切行走機(jī)構(gòu)（即飛鋸車）的啟動(dòng)、加速、同步運(yùn)行、鋸切焊管、正向減速、反向加速、反向減速、制動(dòng)、等待下一次切割。該系統(tǒng)運(yùn)行中需要控制的參數(shù)有兩個(gè)：一是位置，每次鋸切時(shí)鋸切點(diǎn)的偏差要小于5mm，鋸切后飛鋸車要返回原點(diǎn)，以減少累計(jì)誤差；二是速度，要求鋸切時(shí)飛鋸車的運(yùn)行速度嚴(yán)格與焊管的運(yùn)行速度相同，即同步控制。采用何種運(yùn)動(dòng)模式在如此短的時(shí)間內(nèi)完成這么多的動(dòng)作，且達(dá)到所需定尺精度是問題的關(guān)鍵。1.3 設(shè)計(jì)要求a） 飛鋸機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：鋸切鋼管直徑：12 325 焊管最高速度：100米/分 鋸切長(zhǎng)度：3-10米連續(xù)可調(diào) 鋸切次數(shù)：10 - 15次/分定尺精度：+5毫米b） 鋸切部分與飛鋸小車之間要?jiǎng)傂月?lián)接且穩(wěn)定。c） 鋸切小規(guī)格鋼管時(shí)因鋼管剛性差，易彎曲，從而影響定尺精度，需要加防彎壓輥。d） 液壓缸壓力要穩(wěn)定可靠，才能準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)完成飛鋸機(jī)的各項(xiàng)動(dòng)作，保證定尺精度的準(zhǔn)確和生產(chǎn)的連續(xù)7。2 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)總體設(shè)計(jì)方案2.1 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)適用于連續(xù)軋制各種管材、型材生產(chǎn)線，如焊管、鋼筋、鋁管、合金管的生產(chǎn)線。其顯著特點(diǎn)是鋸切效率高，可鋸切的管類直徑范圍大，這得益于它的氣壓裝置，體現(xiàn)了氣壓技術(shù)高壓、高效、可控制性強(qiáng)的特點(diǎn)。其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能可靠，應(yīng)用廣泛。 本機(jī)適用于型材行走速度為 100m/min，鋸切型材徑向尺寸范圍為 12 325 ，鋸切長(zhǎng)度為 3m10m 的型材生產(chǎn)線，其設(shè)計(jì)使用鋸切精度為5mm，鋸切次數(shù)為 10 次/分15 次/分。目前國(guó)內(nèi)型材生產(chǎn)線上型材的行走速度在 100m/min 以下，其徑向尺寸大都在 12 325 之間，5mm 的鋸切精度也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，10 次/分15 次/分的鋸切次數(shù)也能達(dá)到大多廠家的要求，尤其是大量的中小廠家5。2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的比較選擇送料進(jìn)給機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的是直線運(yùn)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)可以采用螺旋傳動(dòng)、齒輪齒條、液壓傳動(dòng)等。液壓缸形式的傳動(dòng)反應(yīng)較慢，傳動(dòng)速度慢，一般應(yīng)用于傳動(dòng)較大較重的零件。滾珠螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。 而本課題要實(shí)現(xiàn)的是小距離，精確的直線運(yùn)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高、剛度好、精度保持性好，但價(jià)格在合理范圍內(nèi)。所以采用齒輪齒條傳動(dòng)是較理想的選擇。主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，變頻器調(diào)速，不適用價(jià)格高、體積大的變速器了。變頻調(diào)速具有調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高，低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。調(diào)速范圍較大，精度高，變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。絲杠驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率大小和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為步距角，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步動(dòng)作的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率變化來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。鋸片有有齒和無齒鋸片兩種。兩種鋸片各有優(yōu)缺點(diǎn)：無齒鋸片切割較快，但韌性不好，切割時(shí)易崩裂，且磨損較嚴(yán)重，需經(jīng)常更換，經(jīng)濟(jì)性不好。而有齒鋸片韌性較好，但切割時(shí)的進(jìn)給量較小。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，切割零件為直徑為24-58mm的鋼管，所以鋸片的形式采用單鋸片的有齒鋸片，就可以滿足技術(shù)要求，且經(jīng)濟(jì)性較好。2.3 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的總體方案制定 開始擬定的幾套數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的總體方案： 方案一：當(dāng)管材（或型材）運(yùn)行接觸到發(fā)訊開關(guān)時(shí)，發(fā)訊開關(guān)指令齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，助推氣壓缸同步助推，管材（或型材）與飛鋸小車運(yùn)行中達(dá)到同步，同時(shí)夾緊裝置的氣壓缸動(dòng)作鉗口夾緊，夾緊裝置的鉗口同時(shí)也已經(jīng)夾緊，之后管材運(yùn)行距離達(dá)到鋸切長(zhǎng)度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運(yùn)作實(shí)現(xiàn)鋸切。鋸切完成后鋸片抬起，同時(shí)指令?yuàn)A緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動(dòng)作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進(jìn)到下一步工序，同時(shí)飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用下回復(fù)到原位，等待開始下一次鋸切。 方案二：當(dāng)管材（或型材）運(yùn)行接觸到發(fā)訊開關(guān)時(shí)，發(fā)訊開關(guān)指令齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，管材（或型材）與飛鋸小車運(yùn)行中達(dá)到同步，同時(shí)夾緊裝置的氣壓缸動(dòng)作鉗口夾緊，之后管材運(yùn)行距離達(dá)到鋸切長(zhǎng)度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運(yùn)作實(shí)現(xiàn)鋸切。鋸切完成后延時(shí)一小段時(shí)間，鋸片抬起，同時(shí)指令?yuàn)A緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動(dòng)作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進(jìn)到下一步工序，同時(shí)飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用下回復(fù)到原位，等待開始下一次鋸切。 方案三：當(dāng)管材（或型材）運(yùn)行接觸到發(fā)訊開關(guān)時(shí)，發(fā)訊開關(guān)指令?yuàn)A緊裝置的氣壓缸動(dòng)作，同時(shí)齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，管材（或型材）與飛鋸小車運(yùn)行中達(dá)到同步，夾緊裝置的鉗口同時(shí)也已經(jīng)夾緊，之后管材運(yùn)行距離達(dá)到鋸切長(zhǎng)度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運(yùn)作實(shí)現(xiàn)鋸切。鋸切完成后延時(shí)一小段時(shí)間，鋸片抬起，同時(shí)指令?yuàn)A緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動(dòng)作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進(jìn)到下一步工序，同時(shí)飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用下回復(fù)到原位，等待開始下一次鋸切。 方案四：當(dāng)行進(jìn)中的鋼管端部靠近接近開關(guān)時(shí)，由可編程序控制器，發(fā)出夾緊命令，夾緊鋼管后，鋸切氣壓缸起動(dòng)，進(jìn)行鋸切，抬鋸，夾緊松開，鋸車返回氣壓缸起動(dòng)，鋸車返回，等待下一次循環(huán)。 方案五：當(dāng)行進(jìn)中的鋼管端部靠近接近開關(guān)時(shí)，由可編程序控制器，發(fā)出夾緊命令，夾緊鋼管后，鋸切氣缸起動(dòng)，進(jìn)行鋸切，經(jīng)可編程控制器延時(shí)后，抬鋸，夾緊松開，再經(jīng)可編程序控制器延時(shí)后，鋸車返回氣缸起動(dòng)，鋸車返回，等待下一次循環(huán)。 上述五種方案的比較如下： 方案一中，“助推氣壓缸助推”這一步驟是多余的，因?yàn)橥蟿?dòng)氣缸可以完成推動(dòng)行走小車跟蹤到行進(jìn)的管材，但是反方向復(fù)位時(shí)由于設(shè)計(jì)要求速度很大，拖動(dòng)氣缸達(dá)不到要求，所以“助推氣壓缸助推”這一步驟要設(shè)置在反方向復(fù)位時(shí)。另外，此方案中“鋸切完成后鋸片抬起，同時(shí)指令?yuàn)A緊氣壓缸抬起”，沒有“延時(shí)一小段時(shí)間”這一步驟，是一種設(shè)計(jì)缺陷，是不合理的。 方案二中，“鋸切完成后延時(shí)一小段時(shí)間，鋸片抬起”，在鋸切完成之后，鋸片抬起之前就延時(shí)了一小段時(shí)間，這是不符合實(shí)際情況的，屬于不合理設(shè)計(jì)。 方案三中，“發(fā)訊開關(guān)指令?yuàn)A緊裝置的氣壓缸動(dòng)作，同時(shí)行走氣壓缸牽引飛鋸小車行走”，夾緊氣壓缸動(dòng)作與行走氣壓缸同步，這是不合理的，這樣影響了行走小車對(duì)管材（或型材）的跟蹤，夾緊氣壓缸應(yīng)在管材（或型材）與飛鋸小車運(yùn)行中達(dá)到同步是實(shí)施夾緊。 方案四和方案五是用可編程序控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，考慮到成本因素，我們選擇用行程開關(guān)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，另外方案四中缺少延時(shí)的步驟。2.4 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 通過以上對(duì)這五種方案的分析比較，我們?cè)O(shè)計(jì)并完善了我們的數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的總體方案： 當(dāng)管材（或型材）運(yùn)行接觸到發(fā)訊開關(guān)時(shí)，發(fā)訊開關(guān)指令齒輪齒條牽引飛鋸小車行走，管材（或型材）與飛鋸小車運(yùn)行中達(dá)到同步，同時(shí)夾緊裝置的氣壓缸動(dòng)作鉗口夾緊，管材（或型材）與飛鋸小車運(yùn)行中達(dá)到同步，夾緊裝置的鉗口同時(shí)也已經(jīng)夾緊，之后管材運(yùn)行距離達(dá)到鋸切長(zhǎng)度，接近開關(guān)指令鋸切裝置運(yùn)作實(shí)現(xiàn)鋸切。鋸切完成后鋸片抬起，同時(shí)指令?yuàn)A緊氣壓缸抬起，完成定尺鋸切的全部動(dòng)作，鋸切后的定尺管材離開飛鋸沿輥道前進(jìn)到下一步工序，同時(shí)飛鋸小車在齒輪齒條牽引力作用、助推氣壓缸同步助推下回復(fù)到原位，等待開始下一次鋸切6。正如圖 1 所示：3 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)3.1 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的整體結(jié)構(gòu)方案 本次設(shè)計(jì)的數(shù)控定尺飛鋸機(jī)主要有飛鋸床身，主傳動(dòng)系統(tǒng)，行走小車，鋸切系統(tǒng)，夾緊裝置等幾部分組成，其外形如圖2所示：圖2 飛鋸機(jī)主體 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)總體上采用下部床身上部行走小車的布局，在床身上安裝導(dǎo)軌，在行走小車下部安裝四個(gè)支撐輪，這樣床身就可以通過導(dǎo)軌支撐行走小車并使小車可以在床身上來回行走。主傳動(dòng)系統(tǒng)布置在床身中，與床身相連，齒輪齒條通過接合與行走小車拖動(dòng)軸座相連，這樣齒輪齒條就可以拖動(dòng)行走小車完成由靜止到跟蹤行進(jìn)的型材，再到復(fù)位的動(dòng)作。鋸切系統(tǒng)安裝在行走小車的底盤之上，它們與小車一起運(yùn)動(dòng)，適時(shí)地完成鋸切動(dòng)作。夾緊裝置也安裝在行走小車的底盤之上，它也與小車一起運(yùn)動(dòng)，適時(shí)地完成夾緊動(dòng)作。3.2 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)在其上端安裝導(dǎo)軌，導(dǎo)軌再支撐行走小車，只不過這里的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)形式比車床上的導(dǎo)軌簡(jiǎn)單的多，如圖所示：這種設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，但是也非常的實(shí)用，簡(jiǎn)單的螺釘固定，起了很大的作用。如圖 3 所示：圖3 導(dǎo)軌與行走小車3.3 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的行走小車的結(jié)構(gòu)方案氣動(dòng)式定尺飛鋸機(jī)的行走小車的結(jié)構(gòu)形式如圖 4 所示： 圖4 行走小車結(jié)構(gòu)示意圖 數(shù)控尺飛鋸機(jī)的行走小車的結(jié)構(gòu)方案：用四個(gè)支撐輪將行走小車底盤支撐起來，在行走小車底盤下面焊接連接體，為了增加剛度焊接了兩塊支撐板，在行走小車底盤上面安裝電機(jī)，夾緊裝置，鋸切系統(tǒng)，防護(hù)罩，管材的支撐輥以及拖鏈的連接板。行走小車底盤是一塊長(zhǎng) 1411mm， 900mm，寬厚 20mm 的 45 號(hào)鋼板。防側(cè)翻板兒是用螺栓將其聯(lián)接在支撐輪座上的。在防側(cè)翻板兒上用軸固定了一個(gè)小軸承，它鉤住了導(dǎo)軌支撐板下側(cè)，起到防止小車側(cè)翻的作用。具體的安裝位置參看行走小車裝配圖。3.4 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的床身的結(jié)構(gòu)方案 下部床身使整個(gè)設(shè)備的載體，起的是支撐作用。它的設(shè)計(jì)直接影響到操作者的工作，所以它的設(shè)計(jì)必須人性化，必須考慮操作者的身高等因素?？紤]到中國(guó)人的平均身高，所以取床身身高為 675mm。 數(shù)控定尺飛鋸床身的結(jié)構(gòu)可以仿照普通車床的床身結(jié)構(gòu)來布局，但是這里的床身是焊接的，而車床床身是鑄造件。床身前后兩側(cè)支撐導(dǎo)軌，床身中部安裝主傳動(dòng)系統(tǒng)。 （1）床身外側(cè)的筋板是焊接在床身外側(cè)的，這些筋板是為了提高床身側(cè)部支撐剛度而設(shè)計(jì)的。 （2）床身頂部安裝導(dǎo)軌的支撐板是用來安裝導(dǎo)軌的，同時(shí)也可以提高床身縱向的剛度，并能保持導(dǎo)軌相對(duì)床身的平行度。飛鋸床身上的導(dǎo)軌是由一個(gè)加工而來的，其傳動(dòng)精度相對(duì)車床導(dǎo)軌來說地的多，但是足以滿足本機(jī)的要求。在兩根導(dǎo)軌的四個(gè)端部，我們?cè)O(shè)計(jì)安裝了四個(gè)擋塊，并在擋塊上安裝上橡皮塊兒，用以防止高速行進(jìn)的行走小車在過位或失控時(shí)從床身上竄出來，不至于給操作者帶來危險(xiǎn)和損壞行走小車上的各部分裝置。 （3）床身的吊裝孔是為了方便安裝整個(gè)飛鋸設(shè)備而設(shè)計(jì)的，它是在床身前后兩側(cè)均部了四個(gè)150mm 的孔，在設(shè)備裝卸、托運(yùn)以及校正床身位置是可以用天車吊鉤鉤住這四個(gè)孔來操作。 （4）行程開關(guān)支座是焊接在床側(cè)面筋板上的一塊長(zhǎng) 2000mm、寬 50mm、后 20mm的一塊 45 號(hào)鋼板，在這塊上我們開了四個(gè)螺栓槽，可以將行程開關(guān)用螺栓固定在支座上，并且當(dāng)要調(diào)整所鋸切的管材的長(zhǎng)度時(shí)，可以相應(yīng)的調(diào)節(jié)行程開關(guān)連接螺栓在支座上的位置。 （5）考慮到飛鋸工作過程中，床身承受很大的沖擊力，為了使床身平穩(wěn)的固定在地面上，我們?cè)O(shè)計(jì)使用 10 根地腳螺栓來固定床身，螺栓分布位置參看氣動(dòng)式定尺飛鋸機(jī)總裝圖。 （6）考慮到管材是在用水冷卻后行進(jìn)到飛鋸設(shè)備上而進(jìn)行鋸切的，因此，它往往帶一部分水到飛鋸設(shè)備上，多余的水往往會(huì)腐蝕床身，有時(shí)還影響設(shè)備的正常運(yùn)作，故而要設(shè)計(jì)排水設(shè)施，在床身上設(shè)計(jì)了排水管711。3.5 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的主傳動(dòng)部分的主軸設(shè)計(jì)飛鋸機(jī)最關(guān)鍵的部分是和齒輪銜接主傳動(dòng)軸。主傳動(dòng)軸的受力簡(jiǎn)圖如圖5所示 圖5 軸的受力簡(jiǎn)圖主傳動(dòng)軸通過齒輪帶動(dòng)飛鋸車座往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于存在變化的加速度，所以主傳動(dòng)軸的力矩是變化的。即驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)軸的力矩為 （N.m） （3.1） 式中為動(dòng)力矩，是由加速，減速引起的慣性力產(chǎn)生的力矩，為靜力矩，是除慣性力以外其他力所產(chǎn)生的力矩。我們知道產(chǎn)生靜力矩的力有兩個(gè)，飛鋸車車輪與軌道之間產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力和飛鋸車車輪處的滾動(dòng)軸承產(chǎn)生的摩擦力。 （N） （3.2） 式中w為飛鋸車裝配質(zhì)量，包括飛鋸車自重及飛鋸車上所有零件的重量，為飛鋸車車輪與軌道之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，D為飛鋸車車輪直徑，G為重力加速度。 （N） （3.3） 式中為滾動(dòng)軸承的摩擦系數(shù)；d為安裝滾動(dòng)軸承處的軸徑。 由此可得 （N.m） （3.4） 式中，D為齒輪的分度圓直徑，為齒輪到飛鋸車之間的效率。 （N.m） （3.5） 式中為齒輪軸的角加速度。 （3.6） 式中，a為飛鋸車的加速度，為主傳動(dòng)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 有機(jī)械原理知識(shí)可知 （3.7） 式中，第一項(xiàng)為評(píng)議物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，第二項(xiàng)為齒輪（含安裝齒輪軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 根據(jù)工作原理可知做評(píng)議運(yùn)動(dòng)的物體只有一個(gè)，即飛鋸車，因此在式中n=1,、分別為飛鋸車裝配質(zhì)量和飛鋸車的運(yùn)動(dòng)速度。是主傳動(dòng)軸的角速度。將以上參數(shù)帶到 （3.8） 得 （3.9） 式中，J為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 將以上參數(shù)編程序計(jì)算后，即可得到主傳動(dòng)軸的力矩變化曲線，見圖6圖6 主傳動(dòng)軸力矩參數(shù)曲線由圖可見，主傳動(dòng)軸的最大力矩分別出現(xiàn)在正向運(yùn)動(dòng)段的追蹤段、減速段和反向運(yùn)動(dòng)段的加速段、減速段（當(dāng)以最快速返回時(shí)，反向同步段不存在）。在正向運(yùn)動(dòng)段的同步段，主傳動(dòng)軸的力矩最小，因?yàn)榇藭r(shí)只有靜力矩，沒有動(dòng)力矩，而靜力矩在運(yùn)動(dòng)過程中始終存在。這與我們的理論推導(dǎo)是一致的。編程中，在得到力矩參數(shù)曲線的同時(shí)，也得到了力矩計(jì)算值，如325飛鋸機(jī)最大力矩為1101N.m。由此可得到齒輪上所受到的圓周力和徑向力分別為 （3.10） （3.11）本文針對(duì)飛鋸機(jī)主傳動(dòng)軸進(jìn)行了有限元計(jì)算。主傳動(dòng)軸的有限元計(jì)算包括靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞計(jì)算。由于彎曲變形和扭轉(zhuǎn)經(jīng)計(jì)算后變形很小, 故不必考慮剛度的影響。由于軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 采用材料力學(xué)的強(qiáng)度和疲勞計(jì)算方法較難考慮局部應(yīng)力集中的影響, 本文采用大型多物理場(chǎng)分析軟件ANSYS對(duì)主傳動(dòng)軸分別進(jìn)行了靜載強(qiáng)度計(jì)算和疲勞計(jì)算。根據(jù)主傳動(dòng)軸的零件圖建立了傳動(dòng)軸的實(shí)體模型, 考慮到參數(shù)研究的需要, 建模時(shí)采用了ANSYS軟件的APDL (ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言)語言建模。傳動(dòng)軸的有限元建模及網(wǎng)格劃分如下圖5所示。建模時(shí)要考慮軸的加載情況, 軸的材料為45號(hào)鋼, 彈性模量E = 210 GPa, 泊松比 =0.3, 屈服應(yīng)力r = 300MPa。圖7網(wǎng)格劃分靜力載荷的計(jì)算參考圖5, 由于主傳動(dòng)軸在運(yùn)動(dòng)中不斷的正反轉(zhuǎn), 且加速度也是在正、負(fù)之間不斷地交替變化, 在軸上施加載荷時(shí)要充分考慮到軸上扭矩轉(zhuǎn)向和徑向力方向的變化, 共四種工況: 正扭矩、徑向力向下; 正扭矩、徑向力向上; 負(fù)扭矩、徑向力向下; 負(fù)扭矩、徑向力向上。本文給出一種負(fù)扭矩、徑向力向上的工況受力圖, 如下圖所示。圖8 主傳動(dòng)軸負(fù)扭矩、徑向力向上的受力工況在加載時(shí), 考慮到軸的真實(shí)受力情況, 齒輪加在軸上的徑向力作為面力加載到該軸段180的面上, 并將最大力矩轉(zhuǎn)換到主傳動(dòng)軸上。針對(duì)受力情況, 靜力計(jì)算的結(jié)果也有四種,四種工況計(jì)算的最大等效應(yīng)力大致相同, 只是小數(shù)點(diǎn)后數(shù)據(jù)有所變化, 故這里給出一種計(jì)算結(jié)果, 即下圖的等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。 由下圖及計(jì)算結(jié)果可見, 在第2、5段軸(圖8)鍵槽處有應(yīng)力集中, 兩段應(yīng)力水平接近, 這是因?yàn)樵撦S以傳動(dòng)扭矩為主, 第2、5段軸承受同樣的轉(zhuǎn)矩, 第2段軸雖承受一定的彎矩, 但在設(shè)計(jì)時(shí), 在滿足安裝、潤(rùn)滑等條件后, 使兩個(gè)軸承間的距離盡量的小, 這會(huì)使F2 產(chǎn)生的彎矩減小, 從而使第2段軸的彎曲應(yīng)力降低, 同時(shí)為了能夠安裝第2段軸的直徑又必須大于第5段軸的直徑, 這樣使兩段軸應(yīng)力水平接近。對(duì)于飛鋸機(jī)第2 段軸有最大應(yīng)力, 第5 段軸應(yīng)力次之, 其次為第4段軸, 在第1、3段軸應(yīng)力水平較低, 軸截面變化處的應(yīng)力集中較少。關(guān)鍵是疲勞計(jì)算。由圖4可見, 在一次鋸切中, 有兩次對(duì)稱循環(huán), 飛鋸機(jī)根據(jù)鋸切焊管的直徑不同, 鋸切頻率為10 15 次/min, 由此可見疲勞破壞是主傳動(dòng)軸的主要破壞形式。但使用分析軟件ANSYS進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí),必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算后, 方能進(jìn)行疲勞計(jì)算。圖9主傳動(dòng)軸負(fù)扭矩, 徑向力向上的等效應(yīng)力圖 主傳動(dòng)軸的疲勞計(jì)算建立循環(huán)次數(shù)和交變應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系表。根據(jù)循環(huán)次數(shù)和交變應(yīng)力關(guān)系 式中, M 為指數(shù), 對(duì)彎曲應(yīng)力M = 9; 為循環(huán)次數(shù), 對(duì)于45號(hào)鋼 = 107 ; 為循環(huán) 時(shí)的疲勞極限; 45號(hào)鋼對(duì)稱循環(huán)時(shí), r = - 1, 故= 300 N / ; 為循環(huán)N 次時(shí)的疲勞極限。 = 300 N / 是45號(hào)鋼光滑小試件測(cè)定的材料的疲勞極限, 它沒有考慮構(gòu)件尺寸大小、應(yīng)力集中、表面質(zhì)量和安全系數(shù)的影響, 其中前三項(xiàng)影響參數(shù)在ANSYS進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)可以加入進(jìn)去, 但安全系數(shù)沒有考慮, 由參考文獻(xiàn) 7 可知, 45號(hào)鋼在進(jìn)行一般計(jì)算時(shí)許用應(yīng)力= 60 N /mm2 , 即安全系數(shù)為5。從工程應(yīng)用的角度, 主傳動(dòng)軸是飛鋸機(jī)的關(guān)鍵部件, 一旦主傳動(dòng)軸斷裂, 后果難以估量, 同時(shí)還要考慮到?jīng)_擊、安裝誤差等一系列不利因素的影響, 在工程實(shí)踐中安全系數(shù)通常取到6 8。以8 計(jì)算, 建立的循環(huán)次數(shù)和交變應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系是表1。 此表在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)要輸入到S - N Table中。疲勞計(jì)算。主傳動(dòng)軸在交變應(yīng)力作用下要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算, 當(dāng)交變應(yīng)力形式不同時(shí), 計(jì)算結(jié)果亦不同, 由于主傳動(dòng)軸特殊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力狀態(tài), 它的交變應(yīng)力形式共分為六種: a正扭矩、徑向力向下與正扭矩、徑向力向上; b正扭矩、徑向力向下與負(fù)扭矩、徑向力向下; c正扭矩、徑向力向下與負(fù)扭矩、徑向力向上; d正扭矩、徑向力向上與正扭矩、徑向力向下; e正扭矩、徑向力向上與負(fù)扭矩、徑向力向上; f正扭矩、徑向力向上與負(fù)扭矩、徑向力向下。分析這六種工況, 第a、d種工況計(jì)算結(jié)果相同。第b、e種工況計(jì)算結(jié)果稍有差別由于有鍵槽的影響, 第b種工況受面力面積略小, 載荷稍大, 故只分析第b種工況即可。第c、f種工況計(jì)算結(jié)果基本相同, 由此可見, 在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí), 我們只要分析前三種受力工況即可。圖8給出了第a種受力工況, 篇幅有限不必一一列出。第a種受力工況的等效應(yīng)力圖如圖9所示。圖10主傳動(dòng)軸疲勞計(jì)算第一種受力工況( a) 正扭矩、徑向力向下( b) 正扭矩、徑向力向上圖11第a種受力情況的等效應(yīng)力圖( a) 正扭矩、徑向力向下( b) 正扭矩、徑向力向上疲勞計(jì)算的節(jié)點(diǎn)選取了靜力計(jì)算中最大應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過疲勞計(jì)算, 原設(shè)計(jì)的三種工況條件下軸的疲勞強(qiáng)度都能滿足要求, 使用壽命在107以上。由于靜力計(jì)算中最大應(yīng)力基本相同, 故疲勞強(qiáng)度也基本相同。分析主傳動(dòng)軸的有限元計(jì)算結(jié)果, 靜應(yīng)力水平較低, 這可從圖9的等效應(yīng)力圖中看出。當(dāng)增大的安全系數(shù)時(shí), 使用壽命仍能在107 以上, 這說明交變應(yīng)力水平也較低。兩方面都說明主傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)尺寸偏大, 應(yīng)對(duì)其進(jìn)行縮小。本主傳動(dòng)軸系列結(jié)構(gòu)是在參數(shù)化設(shè)計(jì)前提下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。系列化產(chǎn)品的特征是在決定其基型以后的設(shè)計(jì)只是尺寸的修改。參數(shù)化設(shè)計(jì)是利用模塊結(jié)構(gòu)的相似性, 在模塊基本結(jié)構(gòu)不變的前提下, 改變模塊的一組或幾組幾何尺寸, 從而快速產(chǎn)生另外一種或幾種模塊的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)貯存了設(shè)計(jì)的整個(gè)過程, 能夠設(shè)計(jì)出一族,而不是單一的產(chǎn)品模型。本文利用APDL進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì), 利用APDL可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、加載、定義邊界條件、求解及后處理等操作。AP2DL提供了豐富的命令集, 如幾何(點(diǎn)、線、面、體)的定義與操作、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、加載、邏輯控制命令、條件與循環(huán)命令、分析流程命令、數(shù)據(jù)文件讀寫等。利用APDL優(yōu)化的過程為讀取數(shù)據(jù)文件, 作為有限元模型的設(shè)計(jì)變量(參數(shù)) , 以此建立有限元模型, 以不同的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算, 結(jié)果輸出, 將計(jì)算結(jié)果返回給用戶, 可進(jìn)一步對(duì)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 從而完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化飛鋸機(jī)主傳動(dòng)軸系列結(jié)構(gòu), 將軸的材料、彈性模量、泊松比、疲勞極限、精度等級(jí)設(shè)為常量, 主要優(yōu)化尺寸參數(shù)(圖8) 。當(dāng)安裝在軸上的齒輪、軸承、聯(lián)軸器和軸承的潤(rùn)滑方式確定以后, 軸的軸向尺寸已基本確定, 無須優(yōu)化。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使兩個(gè)軸承的距離盡量的小, 從而降低第二段軸的應(yīng)力水平。在設(shè)計(jì)鍵槽尺寸時(shí), 鍵槽的寬度和鍵槽與轂的接觸高度根據(jù)軸的直徑按照國(guó)標(biāo)選取。鍵槽的長(zhǎng)度應(yīng)比轂略短, 在鍵的長(zhǎng)度系列中選取一個(gè)即可, 也無須優(yōu)化。這樣只須確定直徑尺寸系列。ANSYS只能單目標(biāo)優(yōu)化, 不能多目標(biāo)優(yōu)化, 因此以重量最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。按照機(jī)械設(shè)計(jì)慣例, 首先從第五段軸優(yōu)化, 設(shè)計(jì)變量為直徑x, 約束條件為滿足應(yīng)力循環(huán) ,目標(biāo)函數(shù)為 （3.12）式中, L 為第五段軸的長(zhǎng)度; 為軸的材料密度。在滿足上述條件下, 重量y ( x)取最小值時(shí)的設(shè)計(jì)變量即為優(yōu)化的直徑值。從上面的分析中可知, 對(duì)于第一、四段軸最大應(yīng)力低于第五段軸, 故第一、四段軸無需優(yōu)化, 只需按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了便于聯(lián)軸器定位, 第一、四段軸徑應(yīng)略大于第五段軸徑, 同時(shí)為了安裝軸承, 第一、四段軸徑必須是5的整數(shù)倍。第二段軸的優(yōu)化目標(biāo)與第五段軸的優(yōu)化目標(biāo)相同,優(yōu)化后的結(jié)果必須大于第四段軸徑, 以便于齒輪的安裝。第三段軸因應(yīng)力水平較低, 同樣只需按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 它的直徑必須大于第二段軸徑, 以達(dá)到齒輪軸向固定的目的。主傳動(dòng)軸系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟: (1) 初步設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸, 計(jì)算出主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; (2) 將主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)輸入到程序中, 計(jì)算出主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩; (3) 計(jì)算出主傳動(dòng)軸的徑向載荷; (4) 對(duì)主傳動(dòng)軸有限元計(jì)算靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度, 確定優(yōu)化目標(biāo), 由于過去采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算, 軸的直徑都偏大, 優(yōu)化過程是將直徑降低; (5) 優(yōu)化主傳動(dòng)軸的第五段, 觀察輸出結(jié)果, 確定軸的第一、四段軸徑。 (6) 選擇、校核軸承和聯(lián)軸器以確定第一、四、五段軸的長(zhǎng)度(第二、三段軸的長(zhǎng)度在初步設(shè)計(jì)主傳動(dòng)軸時(shí), 已按結(jié)構(gòu)確定, 無需重新確定) ; (7) 優(yōu)化主傳動(dòng)軸的第二段, 觀察輸出結(jié)果, 如輸出結(jié)果小于或等于第一段軸徑, 應(yīng)將此值加大, 以便于齒輪的安裝;(8) 按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的第三段;(9) 計(jì)算優(yōu)化后的主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 重新計(jì)算主傳動(dòng)軸的力矩和徑向載荷。主傳動(dòng)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Je 主要是飛鋸車和齒輪7的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響很小, 所以對(duì)主傳動(dòng)軸的力矩和徑向載荷影響很小, 在我們的計(jì)算中, 力矩變化不大于015% , 無需重新優(yōu)化主傳動(dòng)軸。經(jīng)過以上各步驟, 我們得到主傳動(dòng)軸系列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì), 其中273、325、381主傳動(dòng)軸直徑尺寸見表2。表2主傳動(dòng)軸優(yōu)化前后比較從表2可以看出, 三種型號(hào)的主傳動(dòng)軸的各段直徑都有減少, 減重都在20%以上, 其它型號(hào)的主傳動(dòng)軸的減重也在20% 30%。從以上可知： (1) 針對(duì)飛鋸機(jī)運(yùn)動(dòng)方式不同主傳動(dòng)軸所承受載荷亦不同的特點(diǎn), 本文對(duì)主傳動(dòng)軸進(jìn)行了受力分析, 得到主傳動(dòng)軸的力矩變化曲線; (2) 對(duì)主傳動(dòng)軸進(jìn)行了有限元分析, 計(jì)算結(jié)果表明: 由于軸的直徑偏大, 靜應(yīng)力值和交變應(yīng)力值都較小;(3) 設(shè)定了約速條件, 建立了目標(biāo)涵數(shù), 對(duì)主傳動(dòng)軸系列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 結(jié)蛤表明:各型號(hào)的主傳動(dòng)軸的減重都在20% 30%【14-19】。3.6 數(shù)控定尺飛鋸機(jī)的主傳動(dòng)部分電機(jī)的選擇3.6.1 電動(dòng)機(jī)類型的選擇a）根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境選擇電動(dòng)機(jī)類型1）安裝方式的選擇電動(dòng)機(jī)安裝方式有臥式和立式兩種，臥式電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較立式的便宜，所以通常情況下多選用臥式電動(dòng)機(jī)，一般只在為簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置且必須垂直運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才選用立式電動(dòng)機(jī)。在此選用臥式電動(dòng)機(jī)。2）防護(hù)形式的選擇電動(dòng)機(jī)防護(hù)形式有開啟式、封閉式、防護(hù)式和防暴式四種。開啟式電動(dòng)機(jī)在定子兩側(cè)與端蓋上有較大的通風(fēng)口，散熱條件好，價(jià)格便宜，但水氣、塵埃等雜物容易進(jìn)入，因此只在清潔、干燥環(huán)境下使用。封閉式電動(dòng)機(jī)又可分為自扇冷式、他扇冷式和密閉式三種。前兩種可在潮濕、多塵埃、有腐蝕性氣體或易受風(fēng)雨的環(huán)境中工作。第三種可浸入液體中使用。防護(hù)式電動(dòng)機(jī)在機(jī)座下方開有通風(fēng)口，散熱較好，能防止水滴、鐵屑等雜物從上方落入電動(dòng)機(jī)，但不能防止塵埃和潮氣入侵，所以適宜與較清潔干凈的環(huán)境中。防暴式電動(dòng)機(jī)適用于有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，如油庫(kù)、礦井中。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械定尺切割機(jī)一般安裝在焊管機(jī)組的后面，鑒于其生產(chǎn)環(huán)境，因此選擇封閉式電動(dòng)機(jī)。b）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)選擇電動(dòng)機(jī)類型1)對(duì)于不要求調(diào)速、對(duì)啟動(dòng)性能亦無過高要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先考慮使用一般鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。若要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，則可選用高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。2)對(duì)于要求經(jīng)常啟、制動(dòng)，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大、又有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)考慮用線繞式異步電動(dòng)機(jī)。3) 經(jīng)常對(duì)于只需要幾種速度，而不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，為了簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，可選用多變速異步電動(dòng)機(jī)。4)對(duì)于要求恒速穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械，且需要補(bǔ)償電網(wǎng)功率因素的場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)先選用同步電動(dòng)機(jī)。5)對(duì)于需要大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常選用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。6)對(duì)于要求大范圍無級(jí)調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，則可選用帶調(diào)速裝置的直流電動(dòng)機(jī)或鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。選用交流電動(dòng)機(jī)。綜上所述根據(jù)在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的原則下。選用封閉扇冷式Y(jié)系列異步電動(dòng)機(jī)。3.6.2 電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇電動(dòng)機(jī)額定電壓一般選擇與供電電壓一致。普通工廠的供電電壓為380V或220V。選擇電動(dòng)機(jī)額定電壓220V。3.6.3 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇容量相同的同類型電動(dòng)機(jī)，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列可供選擇，如三相異步電動(dòng)機(jī)常用的有四種同步轉(zhuǎn)速，即3000、1500、1000、750r/min（相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)為2、4、6、8）。低速電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)矩也大，因此外廓尺寸及重量都較大，價(jià)格較高，但可以使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比減小，使傳動(dòng)裝置的體積、重量較?。桓咚匐妱?dòng)機(jī)則相反。因此確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)要綜合考慮，分析比較電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的性能，尺寸、重量和價(jià)格等因素。通常多選用同步轉(zhuǎn)速1500和1000r/min的電動(dòng)機(jī)（軸不需要逆轉(zhuǎn)時(shí)常用前者），但由于此電機(jī)用于齒輪齒條主傳動(dòng)，從價(jià)格和性價(jià)方面可以選擇3000r/min的電動(dòng)機(jī)。3.6.4 電動(dòng)機(jī)容量的選擇電動(dòng)機(jī)的選擇主要是容量的選擇，如果電動(dòng)機(jī)的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過載下運(yùn)行，會(huì)使他過早損壞，同時(shí)還可能出現(xiàn)啟動(dòng)困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。如果電動(dòng)機(jī)容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費(fèi)用增加，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常輕載下運(yùn)行，運(yùn)行效率和功率因數(shù)（對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言）都會(huì)下降。 查產(chǎn)品目錄且進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研了解電機(jī)功率可選為22Kw。選取Y200L2-2型異步電動(dòng)機(jī)【13】。Y200L2-2型異步電動(dòng)機(jī)的外形及主要尺寸如下：4 鋸切結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算所謂鋸切結(jié)構(gòu)，就是執(zhí)行鋸切任務(wù)將焊管切斷的裝置。它包括動(dòng)力源機(jī)構(gòu)即電動(dòng)機(jī)部分，鋸切機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它輔助機(jī)構(gòu)。鋸切方式一般有擺動(dòng)式和直推式兩種形式。兩種形式各有特點(diǎn)，平推式產(chǎn)生的鋸切力比較大，所以對(duì)電機(jī)的要求比較高。擺動(dòng)式則對(duì)電機(jī)的要求較低，并且可以鋸切的對(duì)象比平推式廣泛，所以我們選擇擺動(dòng)式。鋸切機(jī)構(gòu)的基本組成包括：氣缸，用于拉動(dòng)鋸臂作擺切動(dòng)作；鋸臂，支撐鋸切主軸；主軸，連接帶輪和鋸片，用于傳動(dòng)；其他。鋸臂一般有兩種形式，直臂和V型臂。在此選擇前者。4.1 切削力、功率的計(jì)算4.1.1 鋸片的選擇對(duì)于各規(guī)格焊管生產(chǎn)線上的切割機(jī)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的形式有三種15：（1）單鋸片式。用一張鋸片一次切斷整根鋼管。此鋸片直徑很大，如鋸切508mm14mm圓管或400mm400mm16mm方矩形管，鋸片直徑需在1600mm以上，鋸切功率需達(dá)250 kW。工作時(shí)噪音很大，且管子端口不好，毛刺大，又不好清除。（2）滾切式。其結(jié)構(gòu)是通過一組刀片的徑向旋轉(zhuǎn)、擠壓將鋼管切斷。雖然比大直徑的鋸片有一定的優(yōu)越性，但僅適用于圓管，不能用于方矩形管和開口型材，并有收縮口等現(xiàn)象，而且在鋼管鋼級(jí)高、壁厚大時(shí)切斷就非常困難。（3）雙鋸片平推式。這是國(guó)外20世紀(jì)50年代的淘汰產(chǎn)品，它不僅結(jié)構(gòu)龐大，功率消耗大，致命的缺陷是切斷面不平、錯(cuò)位，切削過程中易變形，導(dǎo)致管子的切口有階梯，若是圓管還可在平頭工序修正，若是方矩形管就很難處理了。其大體的結(jié)構(gòu)示意如圖12所示：圖12 鋸切示意圖由于本次設(shè)計(jì)所要達(dá)的技術(shù)要求是鋸切直徑15-90mm的鋼管。經(jīng)過對(duì)比選擇，決定采用唐山冶金鋸片有限公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金齒圓鋸片。具體鋸片參數(shù)如下：外徑 ：450mm中心孔： 40mm圓盤厚度：3.5mm最高轉(zhuǎn)速：5000r/min4.1.2 計(jì)算切削力、功率 由經(jīng)驗(yàn)公式： 切削力 （4.1） 其中 B切刃接觸面的周長(zhǎng)，mm t被切材料厚度,mm 抗剪強(qiáng)度，MPa設(shè)：被切焊管直徑為60mm，厚度為3mm，材料為Q235。又知道，鋸片厚度為3.5mm。在上面的公式中B隨著鋸切深度的變化而變化，是變量，當(dāng)鋸齒切到焊管的直徑時(shí)，B最大，約為鋸片厚度2+焊管厚度4。被鋸切焊管部位的溫度愈高，其抗剪強(qiáng)度愈低（如下表1所示），從而鋸切力就愈小。由于該鋸切系統(tǒng)采用自然冷卻方式，不能及時(shí)地將熱量散去，且鋸片的轉(zhuǎn)速很高（據(jù)估算可達(dá)到5000r/min），所以在工作過程中焊管可以瞬間達(dá)到900度以上的高溫，根據(jù)表1，此時(shí)抗剪強(qiáng)度為59Mpa6。 表3 鋼材Q235在不同受熱溫度狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度受熱溫度/C20500600700800900抗剪強(qiáng)度/MPa4414412351278859所以 =（3.52+34)3.559 =3923.5N產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 T= D/2 （4.2）其中， D鋸片直徑所以， T= 3923.50.45/2=882.7875 Nm所需功率為 P= （4.3） 其中 鋸齒的線速度 又由公式 = （4.4）得， P= （4.5）代入數(shù)據(jù)可得 P=13.2 Kw即切削功率為13.2 Kw。4.2 電機(jī)的選擇4.2.1 電動(dòng)機(jī)類型的選擇a）根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境選擇電動(dòng)機(jī)類型1）安裝方式的選擇電動(dòng)機(jī)安裝方式有臥式和立式兩種，臥式電動(dòng)機(jī)的價(jià)格較立式的便宜，所以通常情況下多選用臥式電動(dòng)機(jī)，一般只在為簡(jiǎn)化傳動(dòng)裝置且必須垂直運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才選用立式電動(dòng)機(jī)。在此選用臥式電動(dòng)機(jī)。2）防護(hù)形式的選擇電動(dòng)機(jī)防護(hù)形式有開啟式、封閉式、防護(hù)式和防暴式四種。開啟式電動(dòng)機(jī)在定子兩側(cè)與端蓋上有較大的通風(fēng)口，散熱條件好，價(jià)格便宜，但水氣、塵埃等雜物容易進(jìn)入，因此只在清潔、干燥環(huán)境下使用。封閉式電動(dòng)機(jī)又可分為自扇冷式、他扇冷式和密閉式三種。前兩種可在潮濕、多塵埃、有腐蝕性氣體或易受風(fēng)雨的環(huán)境中工作。第三種可浸入液體中使用。防護(hù)式電動(dòng)機(jī)在機(jī)座下方開有通風(fēng)口，散熱較好，能防止水滴、鐵屑等雜物從上方落入電動(dòng)機(jī)，但不能防止塵埃和潮氣入侵，所以適宜與較清潔干凈的環(huán)境中。防暴式電動(dòng)機(jī)適用于有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，如油庫(kù)、礦井中。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械定尺切割機(jī)一般安裝在焊管機(jī)組的后面，鑒于其生產(chǎn)環(huán)境，因此選擇封閉式電動(dòng)機(jī)。b）根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)選擇電動(dòng)機(jī)類型1)對(duì)于不要求調(diào)速、對(duì)啟動(dòng)性能亦無過高要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先考慮使用一般鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。若要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，則可選用高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。2)對(duì)于要求經(jīng)常啟、制動(dòng)，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大、又有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)考慮用線繞式異步電動(dòng)機(jī)。3) 經(jīng)常對(duì)于只需要幾種速度，而不需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，為了簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，可選用多變速異步電動(dòng)機(jī)。4)對(duì)于要求恒速穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械，且需要補(bǔ)償電網(wǎng)功率因素的場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)先選用同步電動(dòng)機(jī)。5)對(duì)于需要大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常選用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。6)對(duì)于要求大范圍無級(jí)調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，則可選用帶調(diào)速裝置的直流電動(dòng)機(jī)或鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。選用交流電動(dòng)機(jī)。綜上所述根據(jù)在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的原則下。選用封閉扇冷式Y(jié)系列異步電動(dòng)機(jī)。4.2.2電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇電動(dòng)機(jī)額定電壓一般選擇與供電電壓一致。普通工廠的供電電壓為380V或220V。選擇電動(dòng)機(jī)額定電壓220V。4.2.3電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇容量相同的同類型電動(dòng)機(jī)，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列可供選擇，如三相異步電動(dòng)機(jī)常用的有四種同步轉(zhuǎn)速，即3000、1500、1000、750r/min（相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)定子繞組的極對(duì)數(shù)為2、4、6、8）。低速電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)矩也大，因此外廓尺寸及重量都較大，價(jià)格較高，但可以使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比減小，使傳動(dòng)裝置的體積、重量較?。桓咚匐妱?dòng)機(jī)則相反。因此確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)要綜合考慮，分析比較電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的性能，尺寸、重量和價(jià)格等因素。通常多選用同步轉(zhuǎn)速1500和1000r/min的電動(dòng)機(jī)（軸不需要逆轉(zhuǎn)時(shí)常用前者），但由于此電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)切割，需高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此選用電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min左右。4.2.4電動(dòng)機(jī)容量的選擇電動(dòng)機(jī)的選擇主要是容量的選擇，如果電動(dòng)機(jī)的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過載下運(yùn)行，會(huì)使他過早損壞，同時(shí)還可能出現(xiàn)啟動(dòng)困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。如果電動(dòng)機(jī)容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費(fèi)用增加，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常輕載下運(yùn)行，運(yùn)行效率和功率因數(shù)（對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言）都會(huì)下降。電動(dòng)機(jī)所需工作功率按式 Pw=P/a （4.6）由電動(dòng)機(jī)至鋸片的傳動(dòng)總效率為 a=12 （4.7）其中1、2分別為帶傳動(dòng)和軸承的傳動(dòng)效率， 1=0.96 2=0.98所以，代入數(shù)據(jù)可得 Pw=13.88KW查產(chǎn)品目錄且進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研選取Y160M2-2型異步電動(dòng)機(jī)【13】。Y160M2-2型異步電動(dòng)機(jī)的外形及主要尺寸如下： 圖13 三相異步電動(dòng)機(jī)其主要參數(shù)如下： 額定功率：15KW 同步轉(zhuǎn)速：3000r/min滿載時(shí)， 額定電流：29.4A 轉(zhuǎn)速：2930 r/min 效率：88.2% 功率因數(shù)：0.88 重量：125kg4.3 帶傳動(dòng)形式的選擇電機(jī)與鋸切主軸之間的傳動(dòng)形式我們選擇帶傳動(dòng)形式，但帶傳動(dòng)又分多種形式，只有對(duì)他們進(jìn)行比較才能做出比較合理的選擇。帶傳動(dòng)是由兩個(gè)帶輪和一根緊繞在兩輪上的傳動(dòng)帶組成，靠帶與帶輪接觸面之間的摩擦力來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種撓性摩擦傳動(dòng)。帶傳動(dòng)是利用張緊在帶輪上的傳動(dòng)帶與帶輪的摩擦或嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。帶傳動(dòng)通常是由主動(dòng)輪1、從動(dòng)輪2和張緊在兩輪上的環(huán)形帶3所組成。根據(jù)傳動(dòng)原理不同，帶傳動(dòng)可分為摩擦傳動(dòng)型和嚙合傳動(dòng)型兩大類。圖14 帶輪摩擦傳動(dòng)型是利用傳動(dòng)帶與帶輪之間的摩擦力傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。摩擦型帶傳動(dòng)中，根據(jù)撓性帶截面形狀不同，可分為如下圖四種： 圖15 摩擦型帶傳動(dòng)的幾種類型a) 普通平帶傳動(dòng)平帶傳動(dòng)中帶的截面形狀為矩形，工作時(shí)帶的內(nèi)面是工作面，與圓柱形帶輪工作面接觸，屬于平面摩擦傳動(dòng)b) V帶傳動(dòng)V帶傳動(dòng)中帶的截面形狀為等腰梯形。工作時(shí)帶的兩側(cè)面是工作面，與帶輪的環(huán)槽側(cè)面接觸，屬于楔面摩擦傳動(dòng)。在相同的帶張緊程度下，V帶傳動(dòng)的摩擦力要比平帶傳動(dòng)約大70%，其承載能力因而比平帶傳動(dòng)高。在一般的機(jī)械傳動(dòng)中，V帶傳動(dòng)現(xiàn)已取代了平帶傳動(dòng)而成為常用的帶傳動(dòng)裝置。c) 多楔帶傳動(dòng)多楔帶傳動(dòng)中帶的截面形狀為多楔形，多楔帶是以平帶為基體、內(nèi)表面具有若干等距縱向V形楔的環(huán)形傳動(dòng)帶，其工作面為楔的側(cè)面，它具有平帶的柔軟、V帶摩擦力大的特點(diǎn)。d) 圓帶傳動(dòng)圓帶傳動(dòng)中帶的截面形狀為圓形，圓形帶有圓皮帶、圓繩帶、圓錦綸帶等，其傳動(dòng)能力小，主要用于v30m/s，高速軸轉(zhuǎn)速n=10000-50000r/min的帶傳動(dòng)屬于高速帶傳動(dòng)。高速帶傳動(dòng)要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動(dòng)可靠并具有一定的壽命。高速帶常采用重量輕、薄而均勻、撓曲性好的環(huán)形平帶，過去多用絲織帶和麻織帶，近年來國(guó)內(nèi)外普遍采用錦綸編織帶、薄型錦綸片復(fù)合平帶等。