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中 文 摘 要 I 摘 要 本課題所設(shè)計(jì)的數(shù)控火焰切割機(jī)是一種小型切割設(shè)備，它可以很方便的對(duì) 金屬材料進(jìn)行直線或曲線切割，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、化工、航天等行業(yè)。 首先，本文通過(guò)對(duì)火焰切割技術(shù)及數(shù)控火焰切割機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分 析，對(duì)火焰切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整體采用龍門式結(jié)構(gòu)，縱向、橫向 和垂直三個(gè)方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 由于火焰切割機(jī)切割工件時(shí)無(wú)切削力，所以縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工 作臺(tái)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。其次，利用三維設(shè)計(jì)軟件 Solid Works 完成了火焰切割機(jī)各 零件的三維實(shí)體造型，并根據(jù)各零部件之間的定位關(guān)系，完成了總體裝配，驗(yàn) 證了設(shè)計(jì)的合理性。最后，為了加工制造的方便還繪制了切割機(jī)的所有零部件 和裝配體的工程圖。 關(guān)鍵詞：數(shù)控火焰切割機(jī)，龍門式，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Solid Works Abstract II Abstract The CNC flame cutter designed in this topic is small cutting equipment. It can easily cut metal materials with linear or curvilinear drawings and can be widely used in machining, architecture, chemical industry, spaceflight and other industry. Firstly, through the analysis of research actuality about the flame cutting technology and the CNC flame cutting machine at home and abroad the whole structure of the flame cutter is designed in this article. The whole structure uses the gantry structure, the open-loop control systems, using stepping motor to drive ball screws, were chosen at longitudinal, horizontal and vertical directions. Since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the vertical movement is provided by the movement of worktable driven directly by stepping motor. Secondly, the three-dimensional entity modeling of all the flame cutter parts is finished by using the three-dimensional design software Solid Works and the assembly of the whole is accomplished through the orientation of every parts to validate the rationality of the design. In the end, all the drawings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture. Keywords：Numerical control flame cutter, gantry type, Structural design, Solid Works 目 錄 III 目錄 摘 要 ............................................................................................................................I ABSTRACT..................................................................................................................II 目錄 .............................................................................................................................III 第一章 引言 .............................................................................................................1 1．1 切割技術(shù)的種類及發(fā)展 ...................................................................................1 1．2 數(shù)控火焰切割簡(jiǎn)介 ...........................................................................................1 1．2．1 火焰切割及數(shù)控火焰切割技術(shù) ............................................................1 1．2．2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控火焰切割技術(shù)的發(fā)展 ........................................................2 1．2．3 數(shù)控火焰切割機(jī)的市場(chǎng)及發(fā)展 ............................................................3 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì)及軟件平臺(tái)選擇 ...................................................................5 2．1 總體方案的確定 ...............................................................................................5 2．2 控制及傳動(dòng)系統(tǒng)選用 .......................................................................................5 2．3 割矩設(shè)計(jì) ...........................................................................................................6 2．4 SOLID WORKS 軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介 ...........................................................................7 2．5 SOLID WORKS 的主要特點(diǎn) ...............................................................................8 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) .................................................................13 3．1 數(shù)控系統(tǒng)控制方式及組成原理 ....................................................................13 3．2 步進(jìn)電機(jī)原理及特點(diǎn) ....................................................................................13 3．3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 ............................................................................................14 3．3．1 橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ..........................................................................14 3．3．2 縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ..........................................................................15 3．3．3 垂直方向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ..................................................................16 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) ...........................................................................18 4．1 螺旋傳動(dòng) .........................................................................................................18 4．1．1 滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn) ..........................................................18 4．1．2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) ..............................................................................20 4．2 導(dǎo)軌 ................................................................................................................32 4．2．1 縱向?qū)к壴O(shè)計(jì) ......................................................................................32 4．2．2 橫向?qū)к壴O(shè)計(jì) ......................................................................................32 第五章 結(jié)論 ...............................................................................................................35 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................36 致謝 .............................................................................................................................37 第一章 引言 1 第一章 引言 1．1 切割技術(shù)的種類及發(fā)展 切割是焊接生產(chǎn)備料工序的重要加工方法，包括冷、熱兩類切割，而熱切 割又有氣體火焰切割、電弧切割、等離子切割和激光切割等各種工藝方法。目 前各種金屬和非金屬切割已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)（特別是焊接生產(chǎn)）中的一個(gè) 重要工序，被焊工件所需要的幾何形狀和尺寸，絕大多數(shù)是通過(guò)切割來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 切割技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域里。 近年來(lái)，由于機(jī)械工業(yè)飛速發(fā)展的需求和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)切割 技術(shù)無(wú)論在新工藝的開(kāi)發(fā)方面，還是在新能源的利用方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展。 自動(dòng)化、半自動(dòng)化切割技術(shù)的發(fā)展，使得切割技術(shù)可以代替部分機(jī)械加工，大 大提高了工作效率，還可以提高金屬材料的利用率。 氣體火焰切割是熱切割中最早被采用和最常用的工藝方法，這種切割方法 設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便靈活、投資費(fèi)用少、切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。尤其是能夠切割 各種含曲線形狀的零件和大厚度工件等一系列特點(diǎn)使得它自進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域以來(lái) 一直作為工業(yè)生產(chǎn)中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法而被廣泛采用。而本文介 紹的數(shù)控火焰切割機(jī)就是在早期切割機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合近年來(lái)高速發(fā)展的微型計(jì) 算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際情況設(shè)計(jì)出的一種新型切割設(shè)備。 1．2 數(shù)控火焰切割簡(jiǎn)介 1．2．1 火焰切割及數(shù)控火焰切割技術(shù) 火焰切割就是利用氣體火焰的熱能將工件切割處金屬預(yù)熱到一定溫度后， 噴出高速切割氧氣流使預(yù)熱處的金屬燃燒并放出熱量實(shí)現(xiàn)切割的方法。最常見(jiàn) 的氣體切割是氧-乙炔火焰切割。 鋼材的氣割是利用氣體火焰（稱預(yù)熱火焰）將鋼材表面加熱到能夠在氧氣 流中燃燒的溫度（即燃點(diǎn)） ，然后送進(jìn)高純度，高流速切割氧，使鋼材中的鐵 在氧氛圍中燃燒生成氧化鐵熔渣，同時(shí)放出大量熱，借助這些燃燒熱和熔渣不 第一章 引言 2 斷加熱鋼材的下層和切口邊緣，使之也達(dá)到燃點(diǎn)，直至工件的底部。與此同時(shí)， 切割氧流把氧化鐵熔渣吹掉，從而形成切口將鋼材切割開(kāi)。 數(shù)控火焰切割機(jī)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制（Computer Numerical program Control）的全自動(dòng)化切割設(shè)備，人們借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序，把 所要切割零件的形狀、尺寸、切割順序及切割過(guò)程中的各項(xiàng)輔助功能按一定的 語(yǔ)言程序規(guī)則進(jìn)行編程，然后輸入控制機(jī)，經(jīng)運(yùn)算后發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制及輔助功能 指令，再有伺服行走系統(tǒng)和切割執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而完成所需零件的切割。 數(shù)控火焰切割機(jī)的特點(diǎn)： ⑴．功能齊全，自動(dòng)化程度高．具有割炬自動(dòng)升降和自動(dòng)調(diào)高、自動(dòng)點(diǎn)火、 自動(dòng)穿孔、自動(dòng)切割、噴粉畫線、噴印字碼、噴水冷卻、割縫自動(dòng)補(bǔ)償、 熄火返回重割、動(dòng)態(tài)圖形跟蹤顯示等功能，實(shí)現(xiàn)了切割全過(guò)程的自動(dòng)控制。 ⑵．可配置多個(gè)割炬工作，省去了制作樣板和劃線的工時(shí)，生產(chǎn)效率高． 采用套料程序，提高鋼板利用率。 ⑶．能合理選定切割工藝參數(shù)及切割路徑，可減小熱變形，加工精度高， 切割質(zhì)量好，能夠減少后續(xù)打磨和裝焊工時(shí)。 ⑷．切割信息易于準(zhǔn)備、修改和保存。 ⑸．機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作方便。 1．2．2 國(guó)內(nèi)外數(shù)控火焰切割技術(shù)的發(fā)展 國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，如德國(guó)、日本、瑞典等，正積極開(kāi)發(fā)各種新型切割設(shè) 備（特別是數(shù)控切割機(jī)）和新的切割工藝。相繼開(kāi)發(fā)出了各種快速割嘴和高速 切割方法，如高壓擴(kuò)散型快速割嘴、高壓細(xì)氧射流割嘴、高壓氧簾快速割嘴、 雙層氧簾割嘴，以及多割嘴組合高速切割方法等。 國(guó)外數(shù)控火焰切割機(jī)的生產(chǎn)廠家主要集中在德國(guó)、美國(guó)和日本．其主要廠 第一章 引言 3 家有德國(guó)的伊薩（E SAB） 、梅塞爾（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美國(guó)的（L-TEC） 、林德（LINDA）等。而能夠代表數(shù)控等離子切割 技術(shù)最高水平的廠家集中在德國(guó)，德國(guó)伊薩的數(shù)控切割機(jī)是當(dāng)今世界上品種最 全、功能最多、水平最高、幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數(shù)控切割機(jī)。 國(guó)外數(shù)控火焰切割機(jī)的生產(chǎn)廠家主要集中在德國(guó)、美國(guó)和日本．其主要廠 家有德國(guó)的伊薩（E SAB） 、梅塞爾（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美國(guó)的（L-TEC） 、林德（LINDA）等．而能夠代表數(shù)控等離子切割 技術(shù)最高水平的廠家集中在德國(guó)，德國(guó)伊薩的數(shù)控切割機(jī)是當(dāng)今世界上品種最 全、功能最多、水平最高、幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數(shù)控切割機(jī)。 我國(guó)數(shù)控切割技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作開(kāi)始于 20 世紀(jì) 80 年代初，起步是數(shù)控火焰 切割機(jī)。到了 20 世紀(jì) 90 年代，在數(shù)控火焰切割技術(shù)趨于成熟，國(guó)內(nèi)一些數(shù)控 切割機(jī)產(chǎn)品在許多方面已形成自身獨(dú)有的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化，多功能和高 可靠性” 。在某些方面，產(chǎn)品的技術(shù)性能甚至超過(guò)了國(guó)外的產(chǎn)品。 在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)又通過(guò)嫁接引入國(guó)際上先進(jìn)的等離子切割系 統(tǒng)，采取引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方法，開(kāi)展了數(shù)控等離子切割機(jī)的研制。歷 經(jīng) 20 多年，終于取得了可喜的成就，目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控等離子、火焰切割機(jī)門類 和規(guī)格已相當(dāng)齊全，其中部分產(chǎn)品在技術(shù)性能指標(biāo)和功能上均已接近或達(dá)到國(guó) 際水平，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展順利，并已具備一定的經(jīng)營(yíng)規(guī)模。 目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控火焰切割機(jī)的廠家主要有梅塞爾切割焊接有限公司，上 海伊薩漢考克有限公司，哈爾濱華威焊切成套設(shè)備有限公司，哈爾濱四海數(shù)控 機(jī)械制造有限公司，深圳市博利昌數(shù)控切割設(shè)備有限公司，無(wú)錫華聯(lián)焊割設(shè)備 廠，北京百惠宏達(dá)科技有限公司等幾家。 現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)數(shù)控火焰切割機(jī)與國(guó)外產(chǎn)品的差距已經(jīng)不大，性能也比較穩(wěn)定， 只是國(guó)產(chǎn)切割機(jī)為保證質(zhì)量，一些主要部件如電磁氣閥、減壓閥、交流伺服系 統(tǒng)等均采用進(jìn)口件，目前產(chǎn)品的質(zhì)量仍然不穩(wěn)定。總之，無(wú)論從切口質(zhì)量、易 損件的耐用度等國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口的仍有一定的差距，因此要完全替代進(jìn)口還需一段 時(shí)間。 第一章 引言 4 1．2．3 數(shù)控火焰切割機(jī)的市場(chǎng)及發(fā)展 數(shù)控火焰切割機(jī)是一種將電腦控制、精密機(jī)械傳動(dòng)、氧、燃?xì)馇懈钊呒?術(shù)相結(jié)合的高效率、高精度、高可靠的熱切割設(shè)備。它適用于造船工業(yè)，重型 機(jī)械，化工設(shè)備，鍋爐制造，機(jī)車車輛，石油化工等制造行業(yè)的高精度鋼板熱 切割的新型自動(dòng)化設(shè)備。 現(xiàn)代金屬制造企業(yè)如：造船、壓力容器、工程機(jī)械、電站設(shè)備、橋梁和鋼 結(jié)構(gòu)等行業(yè)為優(yōu)化其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，使得產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)，生產(chǎn)周期更短，在國(guó) 際市場(chǎng)更具競(jìng)爭(zhēng)力就必須對(duì)其原有的制造技術(shù)和生產(chǎn)工藝提出新的設(shè)想和要求， 首先要徹底改變以往手工和半自動(dòng)切割的低效率狀況，廣泛采用數(shù)控切割設(shè)備， 只有這樣才能從根本上緩解了我國(guó)機(jī)械制造業(yè)飛速發(fā)展所帶來(lái)的鋼板和其他金 屬板材切割量急劇增大的巨大壓力，為今后在整個(gè)制造業(yè)擴(kuò)大應(yīng)用數(shù)控等離子、 火焰切割機(jī)和應(yīng)對(duì)未來(lái)國(guó)外同類企業(yè)的挑戰(zhàn)打下了基礎(chǔ)。 目前，我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)中鋼板下料普遍采用手工—乙炔切割，這種現(xiàn)象 不僅存在于小規(guī)模單件生產(chǎn)的小型企業(yè)，也存在于大批量生產(chǎn)的大型企業(yè)中， 而國(guó)外企業(yè)的下料工序大部分采用了數(shù)控氧—乙炔或數(shù)控等離子切割方法，不 僅可提高材料利用率，而且改善了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了工作環(huán)境，使人員工作效 率得到了提高。之所以數(shù)控下料不能在我國(guó)普及主要有三個(gè)方面原因：資金問(wèn) 題、設(shè)備故障維護(hù)問(wèn)題、操作問(wèn)題。因此研制功能不是很強(qiáng)大但操作簡(jiǎn)單，性 能可靠，價(jià)格相對(duì)便宜的實(shí)用型的火焰切割機(jī)就迫在眉睫．這也就意味著目前 設(shè)計(jì)和制造經(jīng)濟(jì)型數(shù)控火焰切割機(jī)在國(guó)能將有廣闊的市場(chǎng)。 第一章 引言 5 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 6 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì)及軟件平臺(tái)選擇 2．1 總體方案的確定 數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)有龍門式、鼠籠式、龍式、車式、兔式、壁式仿行、 壁虎式等許多形式。本課題總體布局采用龍門結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)框架不專門設(shè) 橫梁，龍門式框架的頂梁亦即橫梁．切削頭安裝在垂直方向進(jìn)給的溜板上，橫 向溜板沿橫梁導(dǎo)軌作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，割嘴沿垂直方向?qū)к壸鞔怪边M(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由 于該火焰切割機(jī)切割工件時(shí)反切削力幾乎為零，縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)可由工作臺(tái)來(lái)完 成，所以縱向采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)來(lái)完成。本課題所設(shè)計(jì)的切割機(jī)整體結(jié) 構(gòu)如圖 3-1 所示。 2．2 控制及傳動(dòng)系統(tǒng)選用 縱向、橫向和垂直三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系 統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)采用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這類電動(dòng)機(jī)步距角小，工作頻率高，控制 功率小，輸出轉(zhuǎn)矩大，無(wú)勵(lì)磁時(shí)具有轉(zhuǎn)矩定位的優(yōu)點(diǎn)。 橫向、縱向和垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)選用滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于 絲杠，從而使各個(gè)進(jìn)給總體剛度值增大，且傳動(dòng)比較平穩(wěn)，綜上可確定其總體 方案為：采用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出脈沖給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶 動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)縱向、橫向和垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是本課題設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本文將在第三章和第四章重點(diǎn) 介紹。 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 7 圖 2-1 火焰切割機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2．3 割炬設(shè)計(jì) 割炬又稱割槍，是氣割必不可少的工具。割炬的作用是向割嘴穩(wěn)定的供送 預(yù)熱用氣體和切割氧，并能控制這些氣體的壓力和流量，調(diào)節(jié)預(yù)熱火焰的特性 等。對(duì)割炬的要求是簡(jiǎn)單輕便，易于操作，使用安全可靠。 割炬按乙炔氣體和氧氣混合的方式不同分為射吸式和等壓式兩種。射吸式 主要用于手工割炬，等壓式多用于機(jī)械式切割。本設(shè)計(jì)采用等壓式結(jié)構(gòu)，這種 割炬的預(yù)熱火焰是按等壓式焊矩原理設(shè)計(jì)的。預(yù)熱氧和切割氧分別由單獨(dú)的管 道進(jìn)入割嘴(壓力相當(dāng))，在割嘴內(nèi)混合，產(chǎn)生預(yù)熱火焰。這類割炬配有專用割 嘴，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，預(yù)熱火焰穩(wěn)定，回火現(xiàn)象比較少，本設(shè)計(jì)采用的切割氣體是乙 炔-氧的混合氣體，且等壓式割炬一般只適合于中壓乙炔。割炬如圖 2-2 所示: 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 8 圖 2-2 割炬 2．4 Solid Works 軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介 Solid Works 是由美國(guó) Solid Works 公司開(kāi)發(fā)的三維機(jī)械 CAD 軟件，Solid Works 2006 是其最新版本。自 1995 年問(wèn)世以來(lái)， Solid Works 以其強(qiáng)大的功 能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機(jī)械工程師的設(shè)計(jì)效率，在與同類軟件的 競(jìng)爭(zhēng)中逐步確定了它的市場(chǎng)地位。 Solid Works 在功能上所進(jìn)行的更改都緊緊圍繞兩個(gè)目標(biāo)：使用戶通過(guò)圖 標(biāo)板來(lái)了解工具；使資深用戶通過(guò)直接建模來(lái)處理模型，以加快建模速度。 Solid Works 是一個(gè)優(yōu)秀的三維模型制作軟件系統(tǒng)可以非常方便地生成三 維模型，并且可以很容易地根據(jù)三維模型生成工程圖。此外，利用 Solid Works 制作三維模型時(shí)，它完全依賴于各種特征，并且用戶可以在任何時(shí)候?qū)?特征進(jìn)行修改或者刪除，從而可在模型設(shè)計(jì)過(guò)程中大大地提高設(shè)計(jì)效率，并降 低設(shè)計(jì)難度。 Solid Works 的用戶界面包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄以及工作 區(qū)，其工作區(qū)又分為控制區(qū)和繪圖區(qū)兩部分，如圖 2-3 所示: 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 9 圖 2-3 Solid Works 的用戶界面 2．5 Solid Works 的主要特點(diǎn) Solid Works 的功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、高效等特點(diǎn)，嶄新的屬性管理器用 來(lái)高效地管理整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程和步驟，包含所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和參數(shù)，界面直觀、 操作更方便。機(jī)械設(shè)計(jì)師能快速地按照其設(shè)計(jì)思想繪制草圖，并嘗試運(yùn)用各種 特征與不同尺寸，制作模型和詳細(xì)工程圖。SolidWorks2006 的新增功能與插件 能夠使用戶更加得心應(yīng)手地建立模型，并提供產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理集成平臺(tái)，以展示 可能的設(shè)計(jì)實(shí)施及設(shè)計(jì)意圖的高層概念。 Solid Works 是的特征一般分為基礎(chǔ)特征和附加建模特征兩類。基礎(chǔ)建模 特征是最基本的三維實(shí)體造型方式，包括拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣等特 征。附加建模特征是在不改變基本特征主要形狀的前提下，對(duì)已有特征進(jìn)行局 部修飾的特征建模方法。如圓角、倒角、筋、抽殼、鏡像、圓周陣列、線性陣 列和異形孔向?qū)У取olid Works 建立在廣泛公認(rèn)的性能優(yōu)勢(shì)之上，它把創(chuàng)造 性的新和設(shè)計(jì)師手中。這些技術(shù)超越了純粹的參數(shù)化系統(tǒng)和那些過(guò)時(shí)的所謂混 合建模系統(tǒng)。高性能裝配建模的新功能，包括符號(hào)代表和柔性部件的全局建模 等方面的新增功能。并且提供了更容易使用的建模技術(shù)，特征建模技術(shù)就是將 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 10 一個(gè)一個(gè)的特征組合起來(lái)，形成一個(gè)三維的實(shí)體零件。特征技術(shù)采用具有工程 意義的拉伸、切除、制孔、倒角、倒圓角等方式作為建模單元。而特征造型是 Solid Works 所采用的主要建模技術(shù)。這些都可以使用戶對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生更大的信 心，而無(wú)需反復(fù)地制造產(chǎn)品的原型。更多的改進(jìn)體現(xiàn)在加工、布線系統(tǒng)、開(kāi)放 性、系統(tǒng)管理等方面，所有這些都可使新的解決方案給人留下深刻的印象。 Solid Works 的主要特點(diǎn)如下： ⑴．真正的相關(guān)性，任何修改都會(huì)自動(dòng)反映到所有相關(guān)的部位。 ⑵．具有真正管理并發(fā)進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)并行工程的能力。 ⑶．具有強(qiáng)大的裝配功能，能夠始終保持設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。 ⑷．具有強(qiáng)的通信功能，可以和其他 Solid Works 用戶同等地交換產(chǎn)品生 產(chǎn)周期數(shù)據(jù)。 ⑸．容易使用，可以極大地提高設(shè)計(jì)效率。 Solid Works 擁有一個(gè)全新的用戶界面，可以使用戶快速入門。它對(duì)人體 工程學(xué)的強(qiáng)烈關(guān)注體現(xiàn)在，為建模提供更大的繪圖區(qū)域，更簡(jiǎn)單的視圖控制， 減少鼠標(biāo)移動(dòng)，增強(qiáng)色彩配置方案等，從而可增加用戶使用的舒適度，幾何模 型的建立更加簡(jiǎn)單。 所謂全相關(guān)性，是指 Solid Works 的所有模板都是全相關(guān)的。這就意味著， 在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新 所有的工程文檔，包括裝配體、工程圖以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開(kāi)發(fā)周 期的任何一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒(méi)有任何損失，使并行工程成為可能，所以能夠使 開(kāi)發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮作用。 Solid Works 為用戶提供了多種將零部件插入到裝配體的途徑，而且，可 以非常輕松地移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)零部件，這些是零部件在裝配文件中的基本操作。同 時(shí)，為零部件添加合適的配合關(guān)系就像實(shí)際的安裝過(guò)程。Solid Works 中提供 了管理和顯示工具，可以使裝配的顯示效果直觀清晰。 Solid Works 能方便地進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，裝配設(shè)計(jì)和工程繪圖。零件是由草 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 11 圖生成的特征組合而成。Solid Works 提供的草圖拉伸、掃描、旋轉(zhuǎn)等常規(guī)操 作十分方便，特征增刪、拖動(dòng)釋放、拷貝剪貼、屏蔽等處理功能十分有用。用 戶還可以通過(guò)將共性特征建立為特征庫(kù) 而多次使用。草圖尺寸標(biāo)注、圖素幾 何關(guān)系定義、約束狀態(tài)檢測(cè)、視圖定義命名以及不同壁厚的多面薄殼處理、自 動(dòng)生成模具分模線等功能使用戶能應(yīng)用自如地構(gòu)造零件。Solid Works 可以很 快地將設(shè)計(jì)好的零件裝配在一起，利用同軸、貼面等配合關(guān)系定義嚴(yán)格裝配， 并提供全參數(shù)化的裝配設(shè)計(jì)功能，即在裝配設(shè)計(jì)環(huán)境里隨零件設(shè)計(jì)的修改，將 會(huì)引起整個(gè)裝配體的其它相關(guān)部分的自動(dòng)修改。 Solid Works 是基于特征的參數(shù)化三維實(shí)體建模系統(tǒng)，在開(kāi)始設(shè)計(jì)之前考 慮一下設(shè)計(jì)目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)，然后制定出良好的設(shè)計(jì)路線，有效地發(fā)揮系統(tǒng)的 功能，加快模型的創(chuàng)建速度，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。 Solid Works 中，對(duì)于結(jié)構(gòu)、形狀稍微復(fù)雜的產(chǎn)品模型進(jìn)行建模的思路是 將整個(gè)產(chǎn)品分解為多個(gè)特征，通過(guò)特征之間的布爾運(yùn)算逐步得到完整準(zhǔn)確的產(chǎn) 品模型。其中，往往將整個(gè)產(chǎn)品中最主要的或是最大的部分視為基本特征，首 先完成對(duì)它的造型。其它部分作為添加特征，以搭積木的方式，在基本特征的 基礎(chǔ)上，通過(guò)添加，去除、求交等布爾運(yùn)算最終得到整個(gè)產(chǎn)品模型。最后，在 進(jìn)行一些細(xì)小特征的添加，如倒角、倒圓和孔特征等等，由此得到最后準(zhǔn)確完 整的產(chǎn)品模型。每一個(gè)特征的建立，基本上按照同樣的步驟完成。三維實(shí)體特 征建立的基本思路是從二維到三維的過(guò)程。生成一個(gè)三維實(shí)體特征的第一步是 在適宜的位置(初始草圖平面上)繪制特征的輪廓線，有時(shí)還有軌跡線。這其中 首要的是生成合適的初始草圖平面。草圖平面的作用在于告訴系統(tǒng)下面將要繪 制的特征輪廓線在三維空間所處的確定位置，為進(jìn)一步生成三維實(shí)體特征做好 準(zhǔn)備。通過(guò) Solid Works 中提供的完善的定義功能，可以將三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的 三個(gè)坐標(biāo)平面作為初始草圖平面。而在接下來(lái)的設(shè)計(jì)中，通常每加一個(gè)特征， 允許定義一個(gè)草圖平面，這時(shí)的草圖平面不僅有前面所說(shuō)的三個(gè)坐標(biāo)平面，而 且還有以之為基礎(chǔ)進(jìn)行偏移、旋轉(zhuǎn)、相切所得到的空間平面；也可以選擇已經(jīng) 生成的三維實(shí)體特征的一個(gè)平直表面，或以之為基礎(chǔ)，進(jìn)行偏移、旋轉(zhuǎn)、相切 所得到的空間平面。這些完善的定義功能完全能夠滿足我們?cè)谶M(jìn)行三維實(shí)體設(shè) 計(jì)時(shí)定義草圖平面的需要。 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 12 定義好了準(zhǔn)確初始草圖平面之后，就可以在這個(gè)草圖平面上繪制特征投影 輪廓線?？梢詥螕?Solid Works 提供的多種繪制平面圖形的命令(直線、圓、 圓弧、復(fù)合線、矩形、點(diǎn)等等)來(lái)繪制。要注意的是：Solid Works 求所完成的 特征輪廓線必須是封閉的，而且不能自己與自己相交，否則將不能完成三維實(shí) 體特征的生成。然后是對(duì)所繪制的草圖輪廓線加以約束。通過(guò)對(duì)特征輪廓線添 加足夠的約束(包括尺寸約束和幾何約束)，得到符合實(shí)際需要的輪廓線。在某 些情況下，有些特征，還需要生成該特征所需要的軌跡線(path)。 在完成前面所述的二維草圖工作后，就可以通過(guò)調(diào)用 Solid Works 提供的 造型命令，生成各種相應(yīng)的三維實(shí)體特征。下面是 Solid Works 一般建模過(guò)程： ⑴．分析實(shí)體 這是非常重要的一步，進(jìn)行這一步的目標(biāo)是：找出設(shè)計(jì)目標(biāo)是有哪些特征 組成，哪個(gè)特征作為基本特征（即最先要建立的特征）然后要決定組成設(shè)計(jì)目 標(biāo)各個(gè)特征被創(chuàng)建的順序。特征創(chuàng)建的順序?qū)Ｐ视写蟮挠绊?，一般說(shuō)來(lái)， 應(yīng)將制孔、倒圓等輔助特征放到最后處理。 ⑵．創(chuàng)建基本特征 草圖繪制 用于繪制二維輪廓的平面成為草圖平面?？捎?line、plotline、circle 等 2D 命令繪制草圖輪廓線。對(duì)草圖施加約束，約束 類型一般有：幾何約束與尺寸約束。幾何約束保證圖的幾何形狀：尺寸約束可 以調(diào)整零件的大小。一般來(lái)說(shuō)，草圖的約束總數(shù)＝尺寸的約束個(gè)數(shù)＋幾何約束 個(gè)數(shù)。應(yīng)該多用幾何約束，如共線、相切、垂直等。創(chuàng)建基本特征：用 Solid Works 提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等方法將施加了全約束的草圖生成一個(gè)三維實(shí) 體，即零件的基本特征。 ⑶．添加新特征 添加新特征的步驟與基本特征的創(chuàng)建類似，但有以下區(qū)別：如果所要?jiǎng)?chuàng)建 的新特征不是孔、倒角、倒圓角和陣列，則需要定義新特征草圖平面，因?yàn)椴?圖平面就是一個(gè)暫時(shí)的二維坐標(biāo)面，只由選定了草圖平面，才能進(jìn)行草圖繪制 第二章 機(jī)床總體設(shè)計(jì) 13 工作。除了對(duì)新特征輪廓草圖進(jìn)行創(chuàng)建約束外，還要對(duì)草圖與已有特征進(jìn)行約 束，因此在添加新特征的過(guò)程中應(yīng)該注意特征創(chuàng)建的順序。對(duì)草圖的約束可以 使新創(chuàng)建的特征進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，即在已有特征和草圖間加約束，使特征與特征 間建立連接關(guān)系，保證當(dāng)某一特征更改時(shí)，這種連接關(guān)系保持不變。 ⑷．生成二維工程圖 在 Solid Works 中，一旦完成了三維實(shí)體建模，即可利用提供的三維到二 維轉(zhuǎn)換功能，選擇好視圖、投影方向，就能自動(dòng)生成二維投影圖，并且自動(dòng)標(biāo) 注一些在造型中已經(jīng)定義的尺寸。 ⑸．Solid Works 造型功能 Solid Works 是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的系統(tǒng)，它的造型類型博大精深，包括 曲線、曲面和實(shí)體。曲線可以是二維曲線也可以是三維曲線，有組合、投影、 漸開(kāi)線、空間參考點(diǎn)連接、空間自由點(diǎn)的連接、空間螺旋線等生成方式。曲面 有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣、切割、擴(kuò)展、編織等生成方式。實(shí)體有拉伸、旋 轉(zhuǎn)、掃描、放樣、切割等基本生成方式，還有鏡像、陣列、模板庫(kù)等高級(jí)生成 方式。 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3．1 數(shù)控系統(tǒng)控制方式及組成原理 該機(jī)床伺服系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)裝置為步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，下圖所示為數(shù) 控機(jī)床中較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，數(shù)控裝置發(fā)出的信號(hào)的流程是單向的，因 此，不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。也正是由于信號(hào)流程單向，它對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際 位置不檢測(cè)，其加工精度不高，精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。 在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入裝置把輸入信號(hào)給數(shù)控裝置，經(jīng)數(shù)控裝置運(yùn)算后 分配出指令脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 3．2 步進(jìn)電機(jī)原理及特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它 實(shí)際上是一種單相或多相同步電動(dòng)機(jī)。單相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動(dòng)，輸 出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動(dòng)。多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有多相方波脈沖驅(qū) 動(dòng)，用途很廣。使用多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，單路電脈沖信號(hào)可先通過(guò)脈沖分配器 轉(zhuǎn)換為多相脈沖信號(hào)，在經(jīng)功率放大后分別送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)繞組。每輸入 一個(gè)脈沖到脈沖分配器，電動(dòng)機(jī)各相的通電狀態(tài)就發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子會(huì) 轉(zhuǎn)過(guò)一 定的角度(稱為步距角)。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的總角度和輸入的脈沖數(shù) 成正比，連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán) 格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能直接接收 數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。 現(xiàn)以反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明其工作原理。定子鐵心上有六個(gè)形狀相 同的大齒，相鄰兩個(gè)大齒之間的夾角為 60 度。每個(gè)大齒上都套有一個(gè)線圈， 徑向相對(duì)的兩個(gè)線圈串聯(lián)起來(lái)成為一項(xiàng)繞組。各個(gè)大齒的內(nèi)表面上又有若干個(gè) 均勻分布的小齒。轉(zhuǎn)子是一個(gè)圓柱形鐵心，外表面上圓周方向均勻的布滿了小 齒。轉(zhuǎn)子小齒的齒距是和定子相同的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使轉(zhuǎn)子齒數(shù)能被二整除。但某 一相繞組通電，而轉(zhuǎn)子可自由旋轉(zhuǎn)時(shí)，該相兩個(gè)大齒下的各個(gè)小齒將吸引相近 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 的轉(zhuǎn)子小齒，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子小齒與該相定子小齒對(duì)齊的位置，而其它兩 相的各個(gè)大齒下的小齒定和轉(zhuǎn)子的小齒分別錯(cuò)開(kāi)正負(fù) 1/3 的齒距，形成"齒錯(cuò) 位"，從而形成電磁引力使電動(dòng)機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)下去。 步進(jìn)電機(jī)有很多類型。按其工作原理，可分為反應(yīng)式，永磁式永磁感應(yīng)式、 機(jī)械諧波式、電磁諧波式等。按勵(lì)磁相數(shù)，有 3 相、4 相，5 相、6 相甚至 8 相。 按其功率，可分為快速步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)。在數(shù)控機(jī)床中，目前廣泛采 用的是反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。所以在本次設(shè)計(jì)中，采用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 3．3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3．3．1 橫向步進(jìn)電機(jī)的選擇 根據(jù)火焰切割機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)，由于在切割時(shí)橫向只有橫梁、鉆頭和電機(jī)的 重量，不承受切削力，僅需要較小的輸出轉(zhuǎn)矩。 橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇： ⑴．加工精度確定脈沖當(dāng)量以及步距角 由任務(wù)書知：脈沖當(dāng)量 δ=0．01mm，選取步距角 α=1．5o 的三相步進(jìn) 電機(jī)。 ⑵．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的啟動(dòng)力矩的計(jì)算 用公式 T q=36δ×[Fs+(G+Fz)μ]/2παη 因此工作臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中不進(jìn)行切削，故運(yùn)動(dòng)方向的切削抗力為： Fs=0，垂直方向的切削抗力為：F z=0，工作臺(tái)重量（包括夾具在內(nèi)） 為：G=8280N，摩擦系數(shù) μ=0．06（滑動(dòng)導(dǎo)軌） ，總機(jī)械效率 η=0．85，則 Tq =36×0．02×[0+0．06× （8280+0）] /2π×0．75×0．85=89．30（N·cm） 由表 3-14（II）T p/Tjm=0．866 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：T jm= Tp/0．866=103．12（N· cm） ⑶．電機(jī)的選擇與校核 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 fmax=1000×Vmax/δ=1000×0．025/0．02=1250HZ 根據(jù)以上參數(shù)查閱資料 III 可確定選用的步進(jìn)電機(jī)為：90BF003（新） 型號(hào) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動(dòng)頻率 相數(shù) 90BF003 1．5/3 (200N．m ) 2000(step/s) 3 其保持轉(zhuǎn)矩為： Tmax=7．84(N．m)。 轉(zhuǎn)子慣量： Jm=4．7(kg．cm 2) 。 負(fù)載慣量： JL =J1+｛（J2+JS）+W(S/2π)2 /g｝/i2(kgf．cm．s2)，則： 計(jì)算的負(fù)載慣量 JL =3．196（kg．c㎡） 。 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T1=Jf *n×10‐2/9．6T=0．2929（N．M） ，故: T1/Tmax=0．2929/7．84=0．037＜0．5， JL/Jm=3．196/4．7=0．68≤4。 滿足容量匹配和慣量匹配的條件．查電機(jī)的運(yùn)行矩特性，進(jìn)過(guò)計(jì)算，電機(jī) 的最大快進(jìn)速度 V2=2．5（m/s）＞Vkmax=2（m/s） ，滿足速度要求。 3．3．2 縱向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ⑴．加工精度確定脈沖當(dāng)量以及步距角 由任務(wù)書知：脈沖當(dāng)量 δ=0．02mm，選取步距角 α=1．5o 的三相步進(jìn) 電機(jī)。 ⑵．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的啟動(dòng)力矩的計(jì)算 由于工作臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中不進(jìn)行切削，根據(jù)公式 T q=36δ×[Fs+(G+Fz)μ] /2παη，故運(yùn)動(dòng)方向的切削抗力為：F s=0 垂直方向的切削抗力為：F z=0 工作臺(tái)重量（包括夾具在內(nèi)）為：G=10615N，摩擦系數(shù) μ=0．06（滑 動(dòng)導(dǎo)軌） ，總機(jī)械效率 η=0．85，則: 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 Tq =36×0．02×[0+0．06× （10615+0）] /2π×0．75×0 ．85=114．54（N·cm） 查手冊(cè)知 Tp/Tjm=0．866 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： Tjm= Tp/0．866=132．26（N·cm） ⑶．電機(jī)的選擇與校核 根據(jù)以上查資料可選擇的步進(jìn)電機(jī)為 90BF003。 其保持轉(zhuǎn)矩為 Tmax=7．84(N．m)。 轉(zhuǎn)子慣量 Jm=4．7（kg．cm 2） 。 負(fù)載慣量 JL =J1+｛（J2+JS）+W(S/2π)2 /g｝/i2(kgf．cm．s2)． 其中齒輪 Z1 及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1=0，齒輪 z2 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2=0． 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js=6．03（kg．c㎡） ，則: 負(fù)載慣量 JL =7．04（kg．c㎡） 負(fù)載轉(zhuǎn)矩= Jf *n×10‐2/9．6T=1．1（N．M） ， 故: T1/Tmax=1．1/7．84=0．14＜0．5 JL/Jm=7．04/4．7=1．498≤4 滿足容量匹配和慣量匹配的條件。查電機(jī)的運(yùn)行矩特性，進(jìn)過(guò)計(jì)算， 電機(jī)的最大快進(jìn)速度 V2=2．5（m/s）＞Vkmax=2（m/s） ，滿足速度要求。 3．3．3 垂直方向步進(jìn)電機(jī)的選擇 ⑴．加工精度確定脈沖當(dāng)量以及步距角 由任務(wù)書知：脈沖當(dāng)量 δ=0．01mm，選取步距角 α=1．5o 的三相六拍 步進(jìn)電機(jī)。 ⑵．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的啟動(dòng)力矩的計(jì)算 第三章 數(shù)控火焰切割機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 Tq=36δ×[Fs+(G+Fz)μ]/2παη 因此工作臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中不進(jìn)行切削，故運(yùn)動(dòng)方向的切削抗力為： Fs=0，垂直方向的切削抗力為：F z=0，工作臺(tái)重量（包括夾具在內(nèi)） 為：G=5880N，摩擦系數(shù) μ=0．15，總機(jī)械效率 η=0．85， 則 Tq =36×0．01×[0+0 ．15× （500+0）] /2π×0．6×0．85=8．43（N·cm） Tp/Tjm=0．866 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：T jm= Tp/0．866=9．73（N·cm） ⑶．電機(jī)的選擇與校核 fmax=1000Vmax/δ=1000×0． 025/0．01=2500HZ 根據(jù)以上參數(shù)查閱資料可確定選用的步進(jìn)電機(jī)為：55BF003。 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 19 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 數(shù)控火焰切割機(jī)的傳動(dòng)裝置是將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng) 的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈及其附屬機(jī)構(gòu)包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌等。 4．1 螺旋傳動(dòng) 螺旋傳動(dòng)主要是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)。 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)， 并廣泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。 4．1．1 滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn) 滾珠絲杠副的外形如圖 4-1 所示 圖 4-1 滾珠絲杠外形 滾珠絲杠副傳動(dòng)是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠， 這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)磨擦變?yōu)闈L動(dòng)磨擦 的一種傳動(dòng)裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 4-2 圖所示，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)時(shí)，滾珠則 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 20 沿螺桿螺旋軌道面滾動(dòng)，在螺桿上滾動(dòng)數(shù)圈后滾珠從滾道的一端滾出并沿反向 器返回另一端重新進(jìn)入軌道，從而構(gòu)成閉合回路。 圖 4-2 滾珠絲杠內(nèi)部結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠具有如下特點(diǎn)： 1) 傳動(dòng)效率高。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高達(dá) 92%--98%。對(duì)機(jī)械小型化， 減少啟動(dòng)的震動(dòng)和滯后時(shí)間以及節(jié)約能源等方面，都有重要的意義。 2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。滾珠絲杠副在工作過(guò)程中摩擦阻力小，靈敏度高，故運(yùn)動(dòng) 平穩(wěn)，啟動(dòng)無(wú)顫動(dòng)，低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。 3) 傳動(dòng)具有可逆性。 4) 可以預(yù)緊。通過(guò)對(duì)螺母施加預(yù)緊能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向 接觸剛度，但摩擦力矩不增大。 5) 定位精度和重定位精度高。 6) 同步性好。 7) 使用壽命長(zhǎng)，使用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，維修方便。 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 21 4．1．2 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) 1．橫向滾珠絲杠的傳動(dòng)計(jì)算 ⑴．絲杠載荷：Fμ =μmg 橫向摩擦力：Fμ x=0.15×1000×9.8=1470N ⑵．電機(jī)轉(zhuǎn)速（最大）：n max=1500r/min 絲杠最大轉(zhuǎn)速（快移）：n=150r/min ⑶．絲杠導(dǎo)程：工作臺(tái)最大工作速度 Vmax=0.025m/s×1000×60mm/min=10mm ⑷．當(dāng)量轉(zhuǎn)速：n m=n1×q1/100+n2×q2/100=100r/min ⑸．當(dāng)量負(fù)荷：F m=[(F13×n1×q1)/100nm+(F23×n2×q2 )/100nm]? 橫向負(fù)荷：F max=1470N 圖 4-3 橫向滾珠絲杠 [6]．初選滾珠絲杠 a ．要求壽命 Lh=300（日）×8（h）×0.6（開(kāi)機(jī)率）×10（a）=14400h 取 15000h 由手冊(cè)查得：K h=3.9 由手冊(cè)查得：K n=0.64 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 22 b．綜合系數(shù)：f Σ=ffhfafn/fw =1×1×1×0.35/1.3=0.408 查得：f t =1，f h =1 ，f a =1 （絲杠精度 1----3）f h =0.53（可靠性 96%）f w =1.3 c．計(jì)算動(dòng)載荷：c ?j=KhFm /KnfΣ 橫向動(dòng)負(fù)荷：c ?j=3.9×1470/(0.64×0.408)=21955N 滾珠絲杠副的型號(hào)：經(jīng)查手冊(cè)選用 FD 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器螺母墊片預(yù) 緊滾珠絲杠副，型號(hào)為：橫向?yàn)?FD3206-3 額定負(fù)荷 c? =23700N>c?j =21955N。 預(yù)緊力橫向?yàn)?F=0.25c? =0.25×23700N=6425>Fmax/3=1470/3=490N，符 合要求。 ⑺．絲杠螺紋部分長(zhǎng)度： lu =工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余程 橫向： l u =1000+60+100=1160（mm） ⑻．支撐距離 支撐距離 L 應(yīng)大于 Lu, 橫向支撐距離：L=1300 ⑼．臨界轉(zhuǎn)速 查手冊(cè)得：n c =9900×f22 d2 /Lc2，其中: a．絲杠底徑：d 2 =d0 -1.2Dw 橫向絲杠底徑：d 2=23.9 b．支撐方式系數(shù)查得 f2 =4.73（兩端固定） c．臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 Lc =螺母長(zhǎng)度/2+工作臺(tái)最大行程+余程+（支撐長(zhǎng)度-螺紋長(zhǎng)度）/2 橫向：L c =190/2+1000+100+（1300-1950）/2=1.22m 橫向臨界轉(zhuǎn)速：n cx =9900×4.732×0.02535/1.222 =3772.4r/min ncx>nmax =1500r/min 符合要求 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 23 ⑽．壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支撐，絲杠受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。 ⑾．預(yù)拉伸計(jì)算 a．溫升引起的伸長(zhǎng)量：設(shè)溫升為 3.5oC，按式 δt =??tl，則： 橫向伸長(zhǎng)量：δ tx =11×10-6×3.5×1.22=46.97μm b．絲杠全伸長(zhǎng)量：δ tz?= ??tl 橫向伸長(zhǎng)量：δ tz(z)= 11×10-6×3.5×1.3=50.05μm c. 預(yù)緊力：按拉伸公式 Ft=δt?AE/Lu 橫向預(yù)拉力：F t=5×10-6 ×（π/4）× 0．025352 ×2．1×1011/1．352=1567N ⑿．軸承的選擇 a. 軸承的型號(hào)選擇 Y 方向軸承型號(hào)為 7602020TVP 主要尺寸參數(shù)：由表 2．8-37（I）查得： d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，D W=5.953mm，C ?=19600N，預(yù) 緊力 F0=2300N b. 預(yù)緊力的確定 F 0y=2300N Y 方向軸承的最大軸向載荷為： Fmax(y)?=Fty+ Fmax(y)/2=3782+808.5/2=4186N 由于 F0y> Fmax(y)?/3=4186/3=1395N 符合要求 c. 疲勞壽命計(jì)算額定動(dòng)負(fù)荷 由軸承動(dòng)負(fù)荷計(jì)算公式校核：C=K hF/Kn 進(jìn)給方向是可變的，負(fù)荷可能是（F ty+Fm/2）和（F ty-Fm/2） 兩者機(jī)會(huì)均等，取平均值。 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 24 由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，則 K h=3.11 額定動(dòng)負(fù)荷：C y=3.11×3782/0.64=18378Nc?j =43911N． 預(yù)緊力縱向?yàn)?F0=0.25c? =0.25×48200N=12050>Fmax/3=2940/3=980N 符合要求。 ⑺．絲杠螺紋部分長(zhǎng)度： lu =工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余程 縱向： l u =2000+100+100=2200（mm） ⑻．支撐距離 支撐距離 L 應(yīng)大于 Lu 縱向支撐距離：Lx=2300 ⑼．臨界轉(zhuǎn)速 查手冊(cè)得：n c =9900×f22×d2 /Lc2 其中 a．絲杠底徑：d 2 =d0-1.2Dw 縱向絲杠底徑：d 2=40-1.2×5=36mm=0.036m b ．支撐方式系數(shù)查得 f2 =4.73（兩端固定） 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 27 c ．臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 Lc =螺母長(zhǎng)度/2+工作臺(tái)最大行程+余程+（支撐長(zhǎng)度-螺紋長(zhǎng)度）/2 縱向：L c =193/2+2000+100+（2300-2263）/2=2.215m 縱向臨界轉(zhuǎn)速：n cx =9900×4.732×0.036/2.2152 =1625.2r/min ncx >nmax =1500 r/min 符合要求 ⑽．壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支撐，絲杠受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。 ⑾．預(yù)拉伸計(jì)算 a．溫升引起的伸長(zhǎng)量：設(shè)溫升為 3.5oC，按式 δt =??tl， 則： 縱向伸長(zhǎng)量：δ tx =11×10-6×3.5×2.215=85.3μm b.絲杠全伸長(zhǎng)量：δ tz?=??tl 縱向伸長(zhǎng)量：δ tz= 11×10- 6×3.5×2.3=88.6μm c. 預(yù)緊力：按拉伸公式 Ft=δt?AE/Lu 縱向預(yù)拉力：F t=5×10-6 ×（π/4）× 0．0362 ×2．1×1011/1．352=3160N ⑿．軸承的選擇 a. 軸承的型號(hào)選擇 X 方向軸承型號(hào)為 7602030TVP 主要尺寸參數(shù)：由表 2.8-39（I）查得：d 0=30mm，D=62mm b. 預(yù)緊力的確定 F 0 x=4300N X 方向軸承的最大軸向載荷為： Fmax(x)?=Ftx+ Fmax(x)/2=4721+1250/2=5346N 由于 F0X> Fmax(x)?/3=5346/3=1782N 符合要求 第四章 火焰切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 28 c. 疲勞壽命計(jì)算額定動(dòng)負(fù)荷 由軸承動(dòng)負(fù)荷計(jì)算公式校核：C=K hF/Kn 進(jìn)給方向是可變的，負(fù)荷可能是（F tx+Fm/2）和（F tx-Fm/2） 兩者機(jī)會(huì)均等，取平均值。 由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，則 K h=3.11 額定動(dòng)負(fù)荷：C x=3.11×4721/0.64=229