大型管材相貫線切割機設計【2013年最新整理畢業(yè)論文】

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 . 6 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學模型的建立 . 6 2.2 割炬運動分析 . 7 2.3 焊接坡口工藝分析 . 8 2.4 割炬的徑向補償 . 9 第 3 章 設備總體方案及布局 . 9 3.1 機床 總體方案 . 9 3.2 切割機傳動系統(tǒng)的簡要說明 . 9 3.3 功能和技術參數(shù)分析 .11 第 4 章 機械系統(tǒng)設計 . 12 4.1 Z 軸工作滑臺的設計 . 12 4.2 調整絲杠的設計 . 19 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 . 20 4.4 支架的設計 . 21 第 5 章 控制系統(tǒng)設計 . 22 5.1 系統(tǒng)方案設計 . 22 5.2 控制系統(tǒng)的選用 . 23 5.3 數(shù)控裝置的部件結構和安裝 . 24 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設計 . 25 5.5 圖形交互人機界面 . 26 總 結 . 27 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 . 全套資料帶 CAD圖， QQ聯(lián)系 414951605或 1304139763 大型管材相貫線切割機設計 4 大型管材相貫線切割機設計 5 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大型管材相貫線切割機設計 6 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 . 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) Oxyz 坐標系與 Oxyz 坐標系間存在以下坐標變換關系 圖 2- 2 兩圓柱的相貫線 (3) (4) 2 2 2y z R2 2 2y z r c o s s i nx x y s i n c o sy x y 大型管材相貫線切割機設計 7 22 ( ) s i n ( ) ( c o s ( )( s i n t a nR r e rhf 1(5) 式中 - 坐標系旋轉角 ,亦即兩管交角 . 在平面內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) 取在 Oxyz 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 .其在 Oxyz 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 zz c o syr s i nzr c o s c o ss i nyrx 22 s i ny R r s i nzr c o t c s cx r R( c o t c s c ) ( c o s s i n )h r R x y c o s c o s 22( ) ( c o t c s c ) ( c o s s i n s i n )s i nyrh f r R R r 大型管材相貫線切割機設計 8 1 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 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 : a r c c o s c o s ( ) 大型管材相貫線切割機設計 9 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 = /2； 當 90 時 , = 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 為 : 圖 2-6 徑向補償 = tan 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，縮短非生產準備時間，提高生產率。 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生較大的扭矩從而影響鋼管的加工質量 .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. 大型管材相貫線切割機設計 10 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 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 ,以切出所需要的軸軸大型管材相貫線切割機設計 11 坡口角 .其擺動行程為 30 -30 . 圖 3-4 T 軸和徑向調整傳動系統(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，縮短非生產準備時間，提高生產率。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 200 1000mm，最長 12000mm,厚度 1040mm，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實現(xiàn)連續(xù)的速度變化要求。 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 板厚/mm 割嘴 切割速度 （ mm/min） 號碼 喉徑d/mm 5 20 1 0.6 800 300 25 40 2 0.8 500 250 35 70 3 1.0 350 150 大型管材相貫線切割機設計 12 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 p 即系統(tǒng)分辨率。 本設計中選用p 0.01mm 4.1.2 選定傳動比 當 i 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 pb Li 360 0 公式 (4-1) 其中 i 為傳動比，b為電機步距角，0L為滾珠絲杠導程，p為脈沖當量。 因為 i 1，p 0.01mm，現(xiàn)取0L 4mm，可得b 0.9o初選步進電機型號為 90BF001。 4.1.4 計算絲杠承受的質量 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 大型管材相貫線切割機設計 13 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 f 為考慮導 軌上的摩擦系數(shù) , 對于矩形滾動導軌取 f 0.005。 G=M 所以， 2 2 . 5 48.94600 .0 0 5F m 4.1.5.2 最大動載荷 C 的計算和主要尺寸的初選 滾珠絲杠最大動載荷 C 可用下式計算： mm FfL3C 公式 (4 3) 式中： L 為工作壽命， 610/60 ntL ； n 為絲杠轉速，0/1000 Lvn ； v 為最大進給速度；0L為絲杠導程； t 為額定使用壽命，可取 t 15000h；mf為運轉狀態(tài)系數(shù)，現(xiàn)mf 1.5；mF為絲杠工作載荷； 由板厚 520、 2540、 3570mm 查簡明焊工手冊 P581 可得火焰切割速度分別為 800300、500250、 150350mm/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v =0.8m/min )10(18010 150002006010/60m in/2004 8.01000/10006660rntLrLvn 公式（ 4 4) 所以， 89.1 9 02 2 .5 45.11 8 0C 33mm FfL 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)0L 4mm，選絲 杠公稱直徑 mmdm 16， 有： 9700C4000C93312 .52 .3 8 1D Woaamm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 Gf mF大型管材相貫線切割機設計 14 1 mFLEA 因為 Ca C，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 )( tg tg 公式 (4 5) 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) f 0.003 0.004, 其摩擦角約等于 01 。 所以， 96.0)01933( 933)( tg tgtg tg 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： 1 為在工作載荷mF作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（ mm）；mF為絲杠的工作載荷 (N)； L 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 20.6104MPa； A 為滾珠絲杠按內徑確定的截面積（ mm2）；“”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， md為絲杠公稱直徑。 1d 為絲杠底徑。 取進給的絲杠長度 L 2000mm.。 所以 mm4-41 101 5 . 11 4 4 . 9102 0 . 6 20002 2 . 5 4 =0.00151mm 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： 222112 4 2 . 9 4 11 3 . 5 9414.3d4A59.13238.12034.021622d034.0)2/381.2238.1(707.0)2/(707.0238.1381.252.052.0mmmmRedmmDRemmDRmwW大型管材相貫線切割機設計 15 有預緊時 3 2wm2DF0013.0ZF YJ 公式 (4 7) 式中：wD為滾珠直徑（ mm）； Z為滾珠總數(shù)量 ZZ圈數(shù)列數(shù)； Z 為一圈的滾珠數(shù)， wm Dd /Z （外循環(huán)）；md為滾珠絲杠的公稱直徑（ mm）；mF為滾珠絲杠的工作載荷（ kgf）；YJF為預緊力（ kgf， 1kgf=9.8N），取工作載荷mF的 1/3。 因為， 212.381 163.14 Z ZZ 圈數(shù)列數(shù) 21 2.5 1 52.5 513.754.223131F YJ mF 所以 0 . 0 0 0 5 5 8 m m5 2 . 52 2 . 5 42 . 3 8 1 2 2 . 5 40 . 0 0 1 3 3 22 因為滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為工作載荷的 1/3 時， 2 值可減少一半左右。所以縱向和橫向： 2 0.000279mm。 C） 滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總的變形量 21 應小于允許的變形量。一般 不應大于 機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因為 mm0 0 1 7 8 9.00 . 0 0 0 2 7 900151.021 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)定而產生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 KF 為 22L EIfF ZK 公 式 (4 8) 式中： I 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 )(64 441 mmdI （ d1 為絲杠底徑）； L 為絲杠最大工作長度（ mm）； E 為材料彈性模量，對鋼 E 20.6 104MPa； Zf 為絲杠支承方式系數(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 Zf 4。 )(5.167364 59.1314.364 4441 mmdI 所以 大型管材相貫線切割機設計 16 0.33992000 5.1673106.2014.34 242KF 臨界載荷KF與絲杠工作載荷mF之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)Kn，如果Kn大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) Kn，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 KmKK nFFn 公式 (4 9) 一般取 Kn 2.5 4，考慮到絲杠自重對水平 滾珠的絲杠的影響可取 Kn4。 又因為面通知 KmKK nFFn 7.15154.22 0.3399 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 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 ： mmlmml 6020 21 ， 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 212 nlll 。式中 l 為支座長度； n 為導軌兩孔之間的距離?？伤愕脤к壍?n 36。 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 350 W CTHa f fffFCL 公式 (4 10) 式中： L 為滾動導軌副的距離額定壽命（ km）；a C為額定載荷（ N），從機電綜合設計指導書 表 2-10 查得aC 19100N； Hf 為硬度系數(shù)導軌面的硬度為 58 64HRC 時， Hf 1.0；Tf 為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過 1000C 時，Tf 1； Cf 為接觸系數(shù)，每根導軌條上裝二個滑塊時Cf 0.81；Wf為載荷 /速度系數(shù)，有沖擊振動或 min/60 mv 時，Wf 1.5。 F 為每個滑塊的工作載荷（ N）。 635.54/54.224/mFF 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 50km6857430km1 . 5 0 . 8 111 . 02019100503 L 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 大型管材相貫線切割機設計 17 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DJ的折算 由機電綜合設計指導表 2-18 P40 查出DJ=1.764 cm2 B）、聯(lián)軸器轉動慣量LJ的折算 選用 TL1 聯(lián)軸器 8443234820 2210 GBJJ(查機械設計 實用手冊化學工業(yè)出版 P666)，可查出它轉動慣量為 0.0004 m2，得出 LJ 4 cm2。 C）、滾珠絲杠轉動慣量SJ的折算 1m 長的滾珠絲杠的轉動慣量為 0.94 cm2，本設計的絲杠長度 L 2000mm，所以滾珠絲杠轉動慣量縱向：SJ=0.94 2=1.88 cm2。 D）、工作臺質量GJ的折算 工作臺是移動部件，其移動質量折算 到滾珠絲杠軸上的轉動慣量GJ可按下式進行計算：MLJG 20 )2( 公式 (4 11) 式中，0L為絲杠導程（ cm）； M 為工作臺質量（ kg）。 所以 2220 1249.08.3014.32 4.0)2( cmkgMLJ G E）、傳動系統(tǒng)等效轉動慣量 J 計算 27 6 8 9 1.71249.088.14764.1 cmkgJJJJJ GSLD 4.1.7.2、驗算矩頻特性 步進電機最大靜轉矩maxjM是指電機的定位轉矩，從 機電綜合設計指導書表 2-18 中查得 mMj 92.3max。步進電機的名義啟動轉矩mqM與最大靜轉矩maxjM的關系為： maxjmq MM 公式 (4 12) 由 0.707 得， mMmq 77.292.3707.0 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： 0MMMM KfKaKq 公式 (4 13) 式中：KqM為空載啟動力矩（ Ncm）； kaM 為空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度，折算到電機軸上的加速力矩 （ Ncm）；KfM為空載時折算到電機軸上的摩 擦力矩 （ Ncm）； 0M 為由于絲杠預緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩 （ Ncm）。 大型管材相貫線切割機設計 18 有關KqM的各項力矩值計算如下： A）加速力矩 36010602m axm ax2m axpbKavntnJJM 公式 (4 14) 式中：J為 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量； 為電機最大角加速度；maxn為與運動部件最大快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，maxv為運動部件最大快進速度；b為初選步進電機的步距角；p為脈沖當量。 m in/20036001.0 9.0800360m axm ax rvnpb cmtnJM Ka 13.82.060 20014.327689.710602 2m ax B） 空載摩擦力矩 iLfGM kf 2 0 公式 (4 15) 式中： G 為運動部件的總重量； f 為導軌摩擦系數(shù)； i 齒輪傳動降速比； 為傳動系數(shù)總效率，取 0.8；0L為滾珠絲杠的基本導程。 cmM kf 120.018.014.32 4.0005.08.98.30 C）、附加摩擦力矩 2000 12 iLFM YJ 公式 (4 16) 式中：YJF為滾珠絲杠預緊力；0為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，現(xiàn)取0 0.96。 于是 cmM 04681.096.0118.014.32 4.05.7 20 所以， 步進電機所需空載啟動力矩： cmMMMM KfKaKq 296.80 4 6 8 1.0120.013.80 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mqKq MM 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，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： 大型管材相貫線切割機設計 19 縱向： 空載啟動力矩KqM cm296.8 對應的允許啟動頻率Zyq Hf 2500。查 機電綜合設計指導書表 2-21 P42，步進電機 90BF001 的最高空載啟動頻率yqZq fHf 2000， 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KJf可按下式計算： PKZvf 601000 max 公式 (4 17) 式中：maxv為運動部件最大快進速度。P=0.01 算得ZKZ Hf 1333.333。 快進力矩KJM的計算公式： 0MMM KfKJ 公式 (4 18) 式中：0M 為附加摩擦力矩，KfM 為快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩。算得： cmMMM KfKJ 0 . 1 6 6 8 10 . 0 4 6 8 10 . 1 2 00 。 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KJM mcmN 0 0 1 6 6 8 1.0.1 6 6 8 1.0. 對應的允許快進頻率KJyKJ ff ； 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)上下調整。 4.2.1 絲杠的螺紋升角的確定 由于在調整中調整絲杠要有自鎖性，因此其螺紋升角應 小于螺旋副的當量摩擦角（ 6. 5到 10. 5） 取絲杠的 螺紋升角為 3.絲杠底下的雙推力軸承代號為 52208。內 徑 d=30,外徑 D=68,厚度 T1=36. 圖 4-1 調整絲杠 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)定而產生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 KF 為 大型管材相貫線切割機設計 20 22L EIfF ZK 公式 (4 19) 式中： I 為截面慣性矩，對絲杠圓截面 )(64 441 mmdI （ d1 為絲杠底徑）； L 為絲杠最大工作長度（ mm）； E 為材料彈性模量，對鋼 E 20.6 104MPa；Zf為絲杠支承 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Zf 0.25。 )(25.1265664 3014.364 4441 mmdI 所以 4.18105600 25.12656106.2014.325.0 242KF 臨界載荷 KF 與絲杠工作載荷mF之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) Kn ，如果 Kn 大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) Kn，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 KmKK nFFn 公式 (4 20) 一般取 Kn 2.5 4，在這里取 Kn 4。 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 Fm =250kg。 KmKK nXFFn 3 8 9.78.92 5 0 4.1 8 1 0 5 所以， 調整絲杠不會失穩(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 大型管材相貫線切割機設計 21 3 21)1( Hpaam uKTuACa 公式 (4-21) 查 mC =1 aA =483,K=1.2 a =0.6 Hp=0.9 500=450 又有 a=148.5mm. 1T =9549P/n. 2.198.030 22 mvp w 1T =9549 19.2 310 /9.55=19.1N.m 1 4 00 2 6 5.0114 8 315.8 5 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) 其中 mA =12.6,； mC =1； FSY =4.0 ； d =3； 1z =27 ； Fp =150。 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。 曲部分的內弧半徑 235, t4.0,時 r1.4t, 4.0t8.0 時， r1.8t . 選取的序號： 31，邊長 =120mm, 壁厚 =5mm, 3 211)1( FpdFSmmn zYKTuACm 85300653706121 .m n 大型管材相貫線切割機設計 22 截面面積 =22.356cm2 理論重量 =17.549kg/m 截面模數(shù)： Wx=Wy=80.906cm3 4-2 形空心型鋼尺寸參數(shù) 4.4.2 支架的連接 V 型支架的 連接 采用焊接連接。 查機械設計手冊四版 5 卷 P21-96 得：因為 l1/b1=700/100=718h， 250C 出爐 ，保溫冷 卻（ 625 25C） 8h。 第二次熱處理 48h， 250C 出爐，保溫冷卻 （ 525 25C） 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)割炬槍的無級調速。 大型管材相貫線切割機設計 23 5.1.2 機構方案的選擇 傳動機構實質上是執(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)選用我國國內自主研發(fā)生產的數(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、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、模擬式交流伺服驅動器或步進電機驅動器以及 HSV-11 系列串行式伺服單元。 大型管材相貫線切割機設計 24 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. 內置以太網(wǎng)、 RS232 接口，易于實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。 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 大型管材相貫線切割機設計 25 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 50