大型管材相貫線切割機設計

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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)學模型及工藝分析 ..........................................................................................4 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學模型的建立 .........................................................................4 2.2 割炬運動分析 ........................................................................................................5 2.3 焊接坡口工藝分析 ................................................................................................6 2.4 割炬的徑向補償 ....................................................................................................6 第 3 章 設備總體方案及布局 ............................................................................................7 3.1 機床總體方案 ........................................................................................................7 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 ................................................................................7 3.3 功能和技術參數(shù)分析 ............................................................................................8 第 4 章 機械系統(tǒng)設計 ......................................................................................................10 4.1 Z 軸工作滑臺的設計 ............................................................................................10 4.2 調(diào)整絲杠的設計 ...................................................................................................17 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 ......................................................................................18 4.4 支架的設計 ..........................................................................................................18 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 ....................................................................................................20 5.1 系統(tǒng)方案設計 .......................................................................................................20 5.2 控制系統(tǒng)的選用 ..................................................................................................21 5.3 數(shù)控裝置的部件結構和安裝 ..............................................................................21 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設計 ...........................................................................................22 5.5 圖形交互人機界面 ..............................................................................................23 總 結 ................................................................................................................................25 鳴 謝 ..............................................................................................................................26 參考文獻 ............................................................................................................................27 大型管材相貫線切割機設計 摘要 本設計以相貫線數(shù)學參數(shù)模型的基礎, 分析切割機的割炬的軌跡運動, 將切割運動分 解為割炬回轉、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補償四軸聯(lián)動,對鋼管相貫焊接坡口數(shù)控 切割運動進行研究,并最終完成相貫線切割機的設計.該切割機采用數(shù)控原理進行軌跡控制， 采用火焰切割方式工作.設計共分四部分:相貫線數(shù)學參數(shù)模型的建立 ,切割機總體方案設 計,機械結構設計和控制系統(tǒng)設計. 關 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設計 1 目錄 目錄 ......................................................................................................................................1 中文摘要 ..............................................................................................................................2 Abstract.................................................................................................................................2 第 1 章 緒論 ....................................................................................................................3 第 2 章 數(shù)學模型及工藝分析 ..........................................................................................4 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學模型的建立 .........................................................................4 2.2 割炬運動分析 ........................................................................................................5 2.3 焊接坡口工藝分析 ................................................................................................6 2.4 割炬的徑向補償 ....................................................................................................6 第 3 章 設備總體方案及布局 ............................................................................................7 3.1 機床總體方案 ........................................................................................................7 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 ................................................................................7 3.3 功能和技術參數(shù)分析 ............................................................................................8 第 4 章 機械系統(tǒng)設計 ......................................................................................................10 4.1 Z 軸工作滑臺的設計 ............................................................................................10 4.2 調(diào)整絲杠的設計 ...................................................................................................17 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 ......................................................................................18 4.4 支架的設計 ..........................................................................................................18 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 ....................................................................................................20 5.1 系統(tǒng)方案設計 .......................................................................................................20 5.2 控制系統(tǒng)的選用 ..................................................................................................21 5.3 數(shù)控裝置的部件結構和安裝 ..............................................................................21 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設計 ...........................................................................................22 5.5 圖形交互人機界面 ..............................................................................................23 總 結 ................................................................................................................................25 鳴 謝 ..............................................................................................................................26 參考文獻 ............................................................................................................................27 大型管材相貫線切割機設計 2 中文摘要 本設計以相貫線數(shù)學參數(shù)模型的基礎, 分析切割機的割炬的軌跡運動, 將切割運動分解為 割炬回轉、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補償四軸聯(lián)動,對鋼管相貫焊接坡口數(shù)控切割運動 進行研究,并最終完成相貫線切割機的設計.該切割機采用數(shù)控原理進行軌跡控制，采用火焰切 割方式工作.設計共分四部分:相貫線數(shù)學參數(shù)模型的建立,切割機總體方案設計 ,機械結構設計 和控制系統(tǒng)設計. 關 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設計 3 大型管材相貫線切割機設計 湖南工學院機械工程系數(shù)控 0401,2000121509,黃俊 指導教師：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 構 建 造 將 面 對 面 大 量 的 鋼 管 相 貫 的 加 工 .南 海 西 部 石 油 合 眾 公司，主要以海上平臺上部模塊建造工程為主,而大型管材相貫是該海上平臺加工 制造過程中經(jīng)常遇見的切割焊接結構.相 貫 焊 接 前 ,管 端 相 貫 線 需 要 加 工 ,相 貫 線 上 每 一 點 的 焊 接 坡 口 也 需 要 加 工 .根 據(jù) 石 油 天 然 氣 行 業(yè) 標 準 (SY/T 4802-92)和 美 國 石 油 協(xié) 會 標 準 (API PI 2A),相 貫 線 上 每 一 點 的 焊 接 坡 口 取 決 于 該 點 的 局 部 兩 面 角 . 不 同 形 式 的 鋼 管 相 貫 ,相 貫 線 上 每 一 點 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，對于這種帶坡口相 貫線均采用人工放樣等工藝方法來進行加工,因此下料工作 進度與效率成為影響整個平臺建造工程進度的主要因素，為 改變工作強度大和效率低的現(xiàn)狀,本課題嘗試運用所學的機電 一體化的相關知識進行大型管材相貫線切割機的設計. 本課題所研究的大型管材相貫線切割機是屬于數(shù)控火焰切割機,它具有一般數(shù)控機床的特 點，能根據(jù)數(shù)控加工程序,自動完成從點火 -預熱-通切割氧-切割-熄火-返回原點的整套切割 過程。但數(shù)控火焰切割機又有別于一般數(shù)控金屬切削機床，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行切割,而不像金屬切削機床那樣,是用金屬切削工具與工 件剛性接觸來進行切削加工。目前這種數(shù)控火焰切割機仍依賴進口.因此,開發(fā)這種火焰切割機 具有重要的意義. 大型管材相貫線切割機設計 4 第 2 章 數(shù)學模型及工藝分析 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學模型的建立 如圖 2-1 所示,空間相貫線是一個復雜的空間 曲線,描述其軌跡需要用空間坐標方程 f(x,y,z)=0, 其函數(shù)關系復雜,但由于相貫線是兩個圓柱的交線, 所以,采用柱坐標可以把三維坐標轉化為二維坐標方 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) 坐標系與 坐標系間存在以下坐標變換關系 圖 2- 2 兩圓柱的相貫線Oxyzx'yz (3) (4) (5) 式中 -- 坐標系旋轉角,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 -- 支管上的旋轉角. 由式(1)~(7) 式得出兩圓柱相貫線各點的參數(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設計 5 ??22()sin()(cos()( tanRrerhf ??????????????? ?[1]取在 坐標系下過相貫線上x’軸坐標值最大的點且垂直于x’軸的平面為下料基準面.其Ox'yz在 坐標系下的方程為 (11)由此可得支管下料高度為 (12)即下料高度 h 是支管上的旋轉角 的函數(shù):? (13)以上討論的是典型相貫線數(shù)學方程,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,其相貫線方程為: 式中 -- 支管壁厚 (mm)? -- 扭轉角,標志主管相對于支管的扭轉角度.? 2.2 割炬運動分析 如圖 2-3 所示,被切支管保持不動, 割炬沿被切支管做 R 軸(旋轉軸),T 軸 (擺動軸),A 軸(縱向補償軸)三軸和環(huán) 架的 Z 軸(軸向移動)共四軸聯(lián)動.正式 切割前,手動完割炬和環(huán)架的徑向運動, 以調(diào)整割炬與被切管徑向位置;在切割 過程中, 割炬按照設定速度繞被切管作 回轉運動, 被切管剖面的擺動和徑向補 償運動,環(huán)架沿被切管軸向作軸向移動, 其速度大小是由管壁厚和害炬回轉速度 決定. 割炬在被切管剖面的擺動角度按 工藝規(guī)范切出坡口.四軸必須按照一定 的數(shù)學關系聯(lián)動,才能切出所需的空間相 貫曲面. 圖 2-4 割炬運動 注:[1]肖聚亮,王國棟.火焰數(shù)控切管機割炬軌研究及仿真 'cotsxrR???(cots)(in)hrxy?????cos2()cots)(cossin)inyrfrRRr???? ??????? 大型管材相貫線切割機設計 6 [1] 2.3 焊接坡口工藝分析 根據(jù)焊接工藝要求,為保證構件的強度和避免較大的焊縫尺寸,一般中厚板的接頭都要進 行開坡口焊接.因此,切管時不僅要切出相貫線,還要切出坡口角,切管機最后切出的管端形狀是 空間曲面.根據(jù)美國焊接學會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.而支管下料時切割高度曲線的確定也與相貫線上的 局部二面角相關.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.相貫線上任選兩點兩面角 為:? 根 據(jù) 石 油 天 然 氣 行 業(yè) 標 準 (SY/T 4802-92)和 美 國 石 油 協(xié) 會 標 準 (API PI 2A)來 確 定 坡 口 角 .按 API標 準 當 ≤ 90°時 ,坡 口 角 α = /2; 當 > 90°時 , α = 45°.? 2.4 割炬的徑向補償 在 實 際 切 割 過 程 中 是 沿 支 管 外 表 面 進 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 際 切 割 角 來 保 證 ,實 際 切 割 角 由 割 炬? 繞 支 管 外 表 面 一 點 在 軸 剖 面 內(nèi) 偏 轉 實 現(xiàn) 的 ,其 偏 轉 的 結 果 不 應 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 償 . 其 補 償 量 ξ 為 : 圖 2-6 徑向補償 ξ = tan ?? arc[os(????? 大型管材相貫線切割機設計 7 第 3 章 設備總體方案及布局 3.1 機床總體方案 對于大型鋼管的相貫線的切割有兩個方案： 方 案 1： 鋼 管 由 主 軸 帶 動 旋 轉 ， 同 時 割 矩 槍 只 需 進 行 軸 向 移 動 即 可 實 現(xiàn) 切 割 要 求 ， 所 以 要 實 現(xiàn) 2 軸 聯(lián) 動 。 方 案 2： 鋼 管 靜 止 不 動 ， 并 且 由 于 相 貫 鋼 管 的 直 徑 大 小 不 同 、 相 貫 角 度 不 同 ， 都 會 導 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 現(xiàn) 軸 向 轉 動 、 軸 向 移 動 、 徑 向 補 償 移 動 、 軸 剖 面 內(nèi) 擺 動 ,均 采 用 步 進 電 動 機 帶 動 ， 所 以 要 實 現(xiàn) 4 軸 聯(lián) 動 ,并 且 要 求 能 進 行 人 機 對 話 ， 編 程 及 操 作 方 便 ， 診 斷 功 能 和 糾 錯 功 能 強 ， 具 有 顯 示 和 通 信 功 能 ， 縮 短 非 生 產(chǎn) 準 備 時 間 ， 提 高 生 產(chǎn) 率 。 由于被加工的鋼管最大重量可達 M=7.8×1000×3.14×(0.5×0.5-0.46×0.46) ×12=11285.9kg 且鋼管長度最長時可達 12m。 如果照方案 1 鋼管轉動起來需要耗費比較大的功率,并且鋼管過長轉動起來還會產(chǎn)生較大的 扭矩從而影響鋼管的加工質(zhì)量.因此本設計采用方案 2. 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 3.2.1 切割機各軸的定義 切割機在實現(xiàn)相貫線切割時,需要四軸聯(lián)動和兩個手動來完成.現(xiàn)定義四軸如下圖 4-1. 圖 3-1 切割機的四軸聯(lián)動 3.2.2 Z 軸工作滑臺簡明傳動系統(tǒng)圖 大型管材相貫線切割機設計 8 z 軸主要完成沿著鋼管軸心的軸向進給 圖 3-2 Z 軸傳動系統(tǒng)圖 圖 3-3 R 軸和 A 軸傳動系統(tǒng)圖 3.2.3 R 軸和 A 軸傳動系統(tǒng)圖 R 軸和 A 軸分別實現(xiàn)割炬繞著鋼管轉動和沿鋼管徑向補償.如圖 3-3。 3.2.4 T 軸和徑向調(diào)整傳動系統(tǒng)圖 T 軸是實現(xiàn)割炬的前后擺動,以切出所需要的 坡口角.其擺動行程為 30°-30°. 圖 3-4 T 軸和徑向調(diào)整傳動系統(tǒng)圖 3.3 功能和技術參數(shù)分析 相干鋼管的直徑大小不同、相干角度不同，都會導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)實現(xiàn)縱向移動，旋轉運動和徑向移動的定位精度、走刀速度等諸技術參數(shù)， 并且要求能進行人機對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強，具有顯示和通信功能， 縮短非生產(chǎn)準備時間，提高生產(chǎn)率。加上割矩槍在旋轉過程中隨著切割位置的不同還需要割矩 擺動角度參數(shù)，即機床要實現(xiàn)四軸聯(lián)動。 加工的鋼管直徑尺寸 φ200~φ1000mm，最長 12000mm,厚度 10~40mm，屬于比較大型的鋼 管，精度要求不高，主要考慮機構機床的剛度要求。因此可采用開環(huán)結構，并選擇步進電動機 作為機床的動力源。 步進電動機可通過數(shù)控裝置實現(xiàn)無級調(diào)速，因此主軸轉速只需要滿足最小與最大極限要求 轉速即可在此范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)的速度變化要求。 軸 軸 大型管材相貫線切割機設計 9 由于乙炔在熱切割里應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《簡明焊工手冊》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 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設計 10 第 4 章 機械系統(tǒng)設計 4.1 Z 軸工作滑臺的設計 4.1.1 脈沖當量 即系統(tǒng)分辨率。p? 本設計中選用 ＝0.01mm 4.1.2 選定傳動比 當 ＝1 時，可使步進電機直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結構，提高精度。因此本設計中取i ＝1。 4.1.3 初選步機電機 根據(jù)公式 公式 (4---1)pbLi??360? 其中 為傳動比， 為電機步距角， 為滾珠絲杠導程， 為脈沖當量。0Lp? 因為 ＝1， ＝0.01mm，現(xiàn)取 ＝4mm，可得 ＝0.9 o初選步進電機型號為 90BF001。ip b? 4.1.4 計算絲杠承受的質(zhì)量 在本設計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,則此時絲杠的行程 至少應為 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 再加上繞齒輪轉動的燕尾滑塊、兩個電動機、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 行軸向剛度驗算和壓桿穩(wěn)定性驗算。 4.1.5.1 最大工作載荷的計 本設計中，選用矩形滾動直線導軌。得滾珠絲杠上的工作載荷： 公式(4—2) 其中 為考慮導軌上的摩擦系數(shù), 對于矩形滾動導軌取 ＝0.005。G=M 所以，f? f????2.548960.5Fm＝ 4.1.5.2 最大動載荷 的計算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動載荷 可用下式計算： Gf??mF 大型管材相貫線切割機設計 11 公式(4—3) mFfL3C? 式中： 為工作壽命， ； 為絲杠轉速， ； 為最大進給速610/nt?0/1Lvn? 度； 為絲杠導程； 為額定使用壽命，可取 ＝15000h； 為運轉狀態(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《簡明焊工手冊》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運動和底下工作臺的直線運動選項用工作臺的直線進給速度為 =0.8m/minv 公式（4—4))10(810526/0 min/4.166rntL??? 所以， ?9..4C33mFf 本設計選外循環(huán)滾動螺旋副，查《機電綜合設計指導書》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 載 荷 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，列 數(shù) ＝圈 數(shù) ，＝滾 珠 直 徑 ? 因為 ，所以初選的絲杠螺母副合格。? 4.1.5.3 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率 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 轉變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可 大型管材相貫線切割機設計 12 1mFLEA??＝忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設計得好，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滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 公式(4—6) 式中： 為在工作載荷 作用下絲杠總長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度(mm)；E 為材料彈性模量，對鋼 E＝20.6 ×104MPa；A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“＋”號用于拉伸， “—” 號用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW＝2.381mm 公式見《機電一體化設計基礎》P25，其中， 為絲杠公稱直徑。 為絲杠底徑。md1d 取進給的絲杠長度 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，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲杠長度無關。其計算公式： 有預緊時 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） ； 為預緊力（ kgf，1kgf=9.8N） ，取工作載荷 的 1/3。YJF 因為， 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設計 13 因為滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為工作載荷的 1/3 時， 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算 絲杠的總的變形量 應小于允許的變形量。一般 不應大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的21?＋＝ ? 定位精度值的一半。 因為 m01789..05.21??＝＋＝ ? 機床進給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 0.01mm，其一半為 0.005mm。 所以，總的變形量小于機床進給系統(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)定性驗算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，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)時的臨界載荷 為KF 公式(4—8)2LEIfFZK?? 式中： I 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 （d 1 為絲杠底徑） ；L 為絲杠最大)(641mI?? 工作長度（mm） ；E 為材料彈性模量，對鋼 E＝20.6×10 4MPa； 為絲杠支承方式系數(shù)。Zf 本設計中，絲杠為長絲杠，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，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取 4。???Kn 又因為面通知 ??Kmnn??7.154.2039 所以，滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 4.1.5.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據(jù)最大動載荷選用，其代號為：1604 4.1.6 導軌的選型及計算 4.1.6.1 初選導軌型號及估算導軌長度 大型管材相貫線切割機設計 14 導軌為直線滾動矩形導軌，本設計中共用 2 條導軌，每條導軌用 2 個滑塊，根據(jù)最大動載 荷 C=190.89N，通過查 《機電綜合設計指導書》表 2-16 P33，初選 2 條導軌的型號都為 GDA20TW。其部分參數(shù)如下： mll60221?， 根據(jù)工作臺的長度和工作臺的行程，估算出導軌的長度為 2200mm。 由公式 。式中 為支座長度； 為導軌兩孔之間的距離?？伤愕脤к壍?1nll?ln ＝36。n 4.1.6.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 L 滾動導軌副的距離額定壽命可用下列公式計算： 滾動體為球時 公式(4—10) 350???????WCTHafFL 式中： 為滾動導軌副的距離額定壽命（km ） ； 為額定載荷（N） ，從《機電綜合設計指a 導書》表 2-10 查得 ＝19100N； 為硬度系數(shù)導軌面的硬度為 58～64HRC 時，a ＝1.0； 為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過 1000C 時， ＝1； 為接觸系數(shù)，每根HfTf TfCf 導軌條上裝二個滑塊時 ＝0.81； 為載荷/速度系數(shù)，有沖擊振動或 時，Cff min/60v? ＝1.5。W 為每個滑塊的工作載荷（N） 。F???635.4/.2/m 考慮到工作臺上各部分的重量在工作臺上的重心不落在中心上，而這些載荷都通過工作臺 直接作用在滑塊上，故取 F=20N。 所以 50km687431.502950 3?????????＝L 大于滾動導軌的期望壽命，滿足設計要求，初選的滾動導軌副可采用。 4.1.7 步進電機的驗算 4.1.7.1 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載,在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動 部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算問題。最后，要計 算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。本設計需要對 電機轉子,聯(lián)軸器,絲杠,工作臺進行轉動慣量的計算。 A） 、電機轉子轉動慣量 的折算DJ 由《機電綜合設計指導》表 2-18 P40 查出 =1.764㎏? cm2DJ B） 、聯(lián)軸器轉動慣量 的折算L 選用 TL1 聯(lián)軸器 (查《機械設計實用手冊 》化學工業(yè)出版 P666)，可查843201??GBJ 出它轉動慣量為 0.0004㎏?m 2，得出 ＝4㎏?cm 2。LJ 大型管材相貫線切割機設計 15 C） 、滾珠絲杠轉動慣量 的折算SJ 1m 長的滾珠絲杠的轉動慣量為 0.94㎏?cm 2，本設計的絲杠長度 L＝2000mm ，所以滾珠絲 杠轉動慣量縱向： =0.94×2=1.88㎏?cm 2。S D） 、工作臺質(zhì)量 的折算GJ 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉動慣量 可按下式進行計算：GJ 公式(4—11)MLJG20)(?? 式中， 為絲杠導程（cm） ； 為工作臺質(zhì)量（kg） 。 所以 2 220 149.08314.)( cmkg?????????? E） 、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量 計算?J276..76.JJGSLD ????? 4.1.7.2、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉矩 是指電機的定位轉矩，從《機電綜合設計指導書》表 2-18 中maxjM 查得 。步進電機的名義啟動轉矩 與最大靜轉矩 的關系為：j??92.3max mqMmaxj 公式(4—12)axjq?? 由 ＝0.707 得， mq????7.2930. 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩可 按下式計算： 公式(4—13)0MKfaKq?? 式中： 為空載啟動力矩（N?cm） ； 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進ka 速度，折算到電機軸上的加速力矩（N?cm） ； 為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩KfM （N?cm） ； 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 （N?cm） 。0 有關 的各項力矩值計算如下：Kq A）加速力矩 公式(4—14) 360 102max2axpbKvntnJM???????? 式中： 為傳動系統(tǒng)等效轉動慣量； 為電機最大角加速度； 為與運動部件最大快?J?maxn 進速度對應的電機最大轉速；t 為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間， 為運動部件最大快進速度； 為初選步進電機的步距角； 為脈沖當量。maxvb?p?min/20361.980a rnpb????? 大型管材相貫線切割機設計 16 cmtnJMKa ????????? 13.82.0643789.10622max? B） 空載摩擦力矩 公式(4—15)iLfGkf??20? 式中： 為運動部件的總重量； 為導軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動降速比； 為傳動系數(shù)總f?i? 效率，取 ＝0.8； 為滾珠絲杠的基本導程。0cmMkf ?????120.8.14359. C） 、附加摩擦力矩 公式(4—16)??200???iLFYJ 式中： 為滾珠絲杠預緊力； 為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現(xiàn)取 ＝0.96。0?0? 于是 ??cm??????4681.9.18.435720 所以，步進電機所需空載啟動力矩： MKfaKq ???9.0..0 初選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉矩，即 mq? 從上式可知，所選電動機初步滿足要求。 4.1.7.3、啟動矩頻特性校核 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進電機從靜止 狀態(tài)開始逐漸升速，在零時刻，啟動頻率為零。在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。 啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度。 查看《機電綜合設計指導書》圖 2-21 P42，從 90BF001 啟動矩頻特性圖中，可查得： 縱向：空載啟動力矩 ＝ 對應的允許啟動頻率 。查《機電KqMcm??296.8 ZyqHf250? 綜合設計指導書》表 2-21 P42，步進電機 90BF001 的最高空載啟動頻率 ，yZqfHf??20 所以所選電機不會丟步。 4.1.7.4、運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率 可按下式計算：KJf 公式(4—17)PKZvf?601max? 式中： 為運動部件最大快進速度。 =0.01 算得 。P?ZKZHf13.? 快進力矩 的計算公式：JM 公式(4—18)0KfJ?? 式中： 為附加摩擦力矩， 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得：Kf 大型管材相貫線切割機設計 17 。cmMKfJ ????0.168.4012＝＋＝ 查看《機電綜合設計指導書》圖 2-22 P43，從 90BF001 運行矩頻特性圖中，可知： 快進力矩 ＝ 對應的允許快進頻率 ；JcN??.68. KJyf? 所以，所用的電機滿足快速進給運行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的 Z 軸步進電機 90BF001 符合要求，可以使用。 其他各軸電動為:R 軸電機為 70BF001 A 軸電機為 70BF001 T 軸電機為 70BF001 4.2 調(diào)整絲杠的設計 該部件采用燕尾槽的導向、絲杠的旋轉來實現(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 小于螺旋副的當量摩擦角（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)定性驗算 絲杠是屬于受軸向力的細長桿，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)時的臨界載荷 為KF 公式(4—19)2LEIfFZK?? 式中： I 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 （d 1 為絲杠底徑） ；L 為)(641mI?? 絲杠最大工作長度（mm） ；E 為材料彈性模量，對鋼 E＝20.6×10 4MPa； 為絲杠支承Zf 方式系數(shù)。 本設計中，絲杠為長絲杠，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設計 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)整絲杠不會失穩(wěn)。 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 4.3.1 所需的電機最大轉速和最小轉速 最短相貫線 Lmin=∏×200=628.32≈628mm(最小與最大鋼管垂直相干時的情況) 最大切割速度選 600mm/min，即每分鐘割炬繞工件轉 600/628=0.955r/min。 選大小齒輪的分度圓直徑比為 1：10 于是電機的最大轉速為 9.55r/min 當鋼管厚度為 40mm 時，最小切割速度選 300mm/min, 兩最大鋼管 30°相干時相貫線最 長，此時電機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 機的最小轉速為 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。 齒輪的的設計準則是:保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度. 4.3.2.1 齒面接觸強度計算 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度要求 4.3.2.2 齒根抗彎強度較核 公式(4-22)3211)( FpdFSmn zYKTuAC???? 大型管材相貫線切割機設計 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度要求。 綜上所述所需要的強度要求。 4.4 支架的設計 4.4.1 支架的材料選取 支架的設計準則：機架的設計主要應保證剛度，強度及穩(wěn)定性。 由于零件的抗彎，抗扭強度和剛度除與其截面面積有關外，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)，可提高機架零件的強度和剛度，從而充分發(fā)揮 材料的作用。從《機械零件手冊》查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對值較大。 綜合上述條件，立柱采用型鋼實腹柱，截面形狀為方形，選取結構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力。 由<>(軟件版)查得國標為：GB/T 6728—1986 一般鋼號為 Q235-A，20 或 16Mn 等，其力學性能與化學成分應符合： 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 r<1.4t, 4.08h。 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)設計 5.1 系統(tǒng)方案設計 經(jīng)初步分析,相貫線切割機的伺服系統(tǒng)的負載不大，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，設計時應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)行元件時要綜合考慮負載能力、調(diào)速范圍、運行精度、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)中可采用步進電動機、電液脈沖馬達、伺服閥控 制的液壓缸和液壓馬達等作為執(zhí)行元件。其步進電動機應用最為廣泛。一般情況下就優(yōu) 先選用步進電動機。故初選步進電動機為系統(tǒng)的執(zhí)行元件。由微機控制步進電機的輸入 頻率，來控制電機的輸出轉速，從而實現(xiàn)割炬槍的無級調(diào)速。 5.1.2 機構方案的選擇 傳動機構實質(zhì)上是執(zhí)行元件與執(zhí)行機構之間的一個機械接口，用于對運動和力進行變換 和傳遞。步進電動機輸出的是旋轉運動，用于將旋轉運動轉換成直線運動的傳動機構主 要有齒輪齒條和絲杠螺母等。前者可獲得較大的傳動比和較高的傳動效率，所能傳遞的 大型管材相貫線切割機設計 21 力也較大，但高精度的齒輪齒條制造困難，且為消除傳動間隙而結構復雜；后者困結構 簡單、制造容易而應用廣泛，是伺服系統(tǒng)中的首先傳動機構。故初選絲杠螺母作為傳動 機構。傳動方式采用絲杠旋轉，絲杠螺母帶動工作臺直線運動，利用調(diào)節(jié)絲杠的轉速來 控制割槍的速度。當電動機與絲杠電心距較大時，可采用同步齒形帶傳動。 5.1.3 機構方案的選擇 執(zhí)行機構是伺服系統(tǒng)中的被控對象，是實現(xiàn)實際操作的機構。執(zhí)行機構方案的選擇主要 是導向機構的選擇，即導軌的的選擇。導軌主要有滑動和滾動兩大類。其中滾動直線導 軌承載能力大，剛性強，壽命長，傳動動平穩(wěn)可靠，且具有自調(diào)整能力。故初選滾動直 線導軌為導向機構。 5.2 控制系統(tǒng)的選用 機 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 國國內(nèi)自主研發(fā)生產(chǎn)的數(shù)控裝置---“世紀星”HNC-21 系列數(shù)控裝置（HNC-21M ）。 數(shù)控 裝置的簡介： “世紀星”HNC-21 系列數(shù)控裝置（HNC-21M） 采用先進的開放式體系結構，內(nèi)置嵌入式工 業(yè) PC 機，高性能 32 位中央處理器，配置 7.5”彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成 進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內(nèi)嵌式 PLC 接口、遠程 I/O 板接口于一體，支持硬 盤、電子盤等程序存儲方式以及軟驅(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、結構緊湊、易于使用、可靠性高的特點。 ? 1.最大聯(lián)動軸數(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)動器或步進電機驅(qū)動器以及HSV-11 系列 串行式伺服單元。 ? 3. 配置標準機床工程面板,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，以及遠程I/O 板擴展接口。 ? 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? 報警設置，多種圖形加工軌跡顯示和仿真功能，操作簡便、易于掌握和使用。 ? 6.采用國際標準G 代碼編程，與各種流行的CAD/CAM 自動編程系統(tǒng)兼容，具有直線、圓弧、 螺旋線插補，固定循環(huán)、旋轉、縮放、鏡像、刀具補償、宏程序等功能。 ? 7. 加工斷點保存/恢復功能，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，易于實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。 大型管材相貫線切割機設計 22 ? 10. 8MB Flash RAM (不需電池的存儲器可擴至72MB)中的6MB RAM， 可用作用戶程序存 儲區(qū)；8MB RAM (可擴至64MB) 可用作加工程序緩沖區(qū)。 5.3 數(shù)控裝置的部件結構和安裝 安裝形式如下 圖 5－1 裝形式示意圖 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設計 5.4.1 硬件電路的組成 序號 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 開關電源 AC220V/DC24V 50W 5 步進驅(qū)動器 SJ--530 常州雙杰電子 6 步進電機 90BYG550A X 軸進給電機 常州雙杰電子 7 步進電機 110BYG501 Y 軸進給電機 常州雙杰電子 8 步進電機 110BYG501 Z 軸進給電機 常州雙杰電子 9 步進電機 90BF001 縱向進給電機 常州雙杰電子 10 驅(qū)動電源 AC/DC100V 大型管材相貫線切割機設計 23 表 5-1 銑床數(shù)控系統(tǒng)設計主要器件 5.4.2設計說明 圖 5-2 體框圖 5.5 圖形交互人機界面 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設計 24 圖 5-3 切割系統(tǒng)控制軟件 大型管材相貫線切割機設計 25 總 結 畢業(yè)設計是對三年大學所學過的知識的一次全面檢測,是對學生綜合運用所學過的知識， 提高理論聯(lián)系實際的設計與分析計算能力的培養(yǎng)；是對學生圍繞某項專題收集閱讀，分析和運 用資料的能力和學生進行獨立工作，科學研