便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、1 引言近年來，由于機(jī)械工業(yè)飛速發(fā)展的需求和國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，我國切割技術(shù)無論在新工藝的開發(fā)方面，還是在新能源的利用方面都有了長足的發(fā)展。自動化、半自動化切割技術(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。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化設(shè)備。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)域以來一直作為工業(yè)生產(chǎn)中切割碳鋼和低合金

2、鋼的基本方法而被廣泛采用。而數(shù)控火焰切割機(jī)在此基礎(chǔ)上，增加了數(shù)控控制系統(tǒng)，是應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字程序控制的全自動化切割設(shè)備。便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)則是在數(shù)控火焰切割機(jī)的基礎(chǔ)上又更進(jìn)一步的做了改進(jìn)，使之經(jīng)濟(jì)適用性更強(qiáng)，范圍更廣【1】。1.1數(shù)控火焰切割的發(fā)展、現(xiàn)狀及前景數(shù)控氧氣切割法是20世紀(jì)初發(fā)明的。由于它有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如設(shè)備簡單、靈活方便、生產(chǎn)率高、切口質(zhì)量好，特別是能夠切割厚度大和形狀復(fù)雜的零件，從而成為金屬加工中一種非常重要的和有效的加工工藝方法，因此在工業(yè)上得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。從20世紀(jì)70年代以來，數(shù)控氧氣切割技術(shù)在我國得到了巨大發(fā)展。從可以切割的金屬材料范圍來看，不但可以切割一般的碳素結(jié)

3、構(gòu)鋼，用空氣等其他離子裝置及激光裝置也可以很好地切割不銹鋼、高合金鋼、銅、鋁、銅合金、鈦和鈦合金等。在切割工藝方面上講，除了可以進(jìn)行一般的切斷切割外，還形成了疊切割、水下切割、表面氣刨、特厚鋼材切割和精密切割等其他新的加工工藝，同時也可以用來切割各種形式的焊縫坡口。在切割設(shè)備方面，為了提高火焰切割加工的精度和機(jī)械化自動化程度，進(jìn)而提高切割產(chǎn)品的質(zhì)量和板材的利用率，而先后創(chuàng)造了多種型式的切割設(shè)備，例如：手提式切割機(jī)、輕便式半自動切割機(jī)、坐標(biāo)式自動切割機(jī)、半自動多向切割機(jī)、型鋼切割機(jī)、多割炬門式切割機(jī)、數(shù)控火焰切割機(jī)及數(shù)控火焰等離子切割機(jī)。在預(yù)熱所用的燃?xì)夥矫?，除了乙炔氣外，現(xiàn)在已較多地采用丙烷或

4、其他液化石油氣。在割炬和割嘴的結(jié)構(gòu)上，為了提高切割的速度和切口的光潔度，采用配合了丙烷等其他的液化石油氣，從而有了許多改進(jìn)。預(yù)熱氧和燃?xì)獾幕旌戏绞?，已由在割炬?nèi)混合、割嘴內(nèi)混合發(fā)展到現(xiàn)在的割嘴外混合(適用于大厚度鋼材的切割)。而割嘴部分的切割氧氣孔道則從原來的直筒形、收縮型、階梯式直筒形，發(fā)展到現(xiàn)在的擴(kuò)口型和流線型(后兩種統(tǒng)稱擴(kuò)散型)。此外，還出現(xiàn)了接觸式割嘴、氧氣屏割嘴、雙孔乃至多孔割嘴等其他特種高速割嘴【2】。對于目前大多數(shù)制造業(yè)廠家來說，火焰切割仍然是應(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種，其現(xiàn)在仍是數(shù)控切割機(jī)切割的主要切割方式。數(shù)控火焰切割機(jī)在工業(yè)制造的生產(chǎn)和加工過程中可以切割任意形狀的零件，被廣泛應(yīng)用于

5、機(jī)械制造、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、造船、壓力容器、電力、橋梁建筑、鋼結(jié)構(gòu)等各種行業(yè)。具有效率高、精度高、操作方便等許多優(yōu)點(diǎn)，極大地改善了現(xiàn)有的勞動強(qiáng)度和勞動環(huán)境，被廣泛適用于各大、中型企業(yè)的板材下料?；鹧媲懈顧C(jī)可以夠滿足現(xiàn)在大多數(shù)金屬鋼板的切割要求，并且加工成本較低，這就使得用戶有足夠的理由來選擇和使用火焰切割機(jī)。目前來看，未來數(shù)控火焰切割技術(shù)的進(jìn)步，必須圍繞著滿足更高的生產(chǎn)效率，更高的加工精度及更高效的生產(chǎn)組織特點(diǎn)而發(fā)展。數(shù)控火焰切割技術(shù)作為機(jī)械制造業(yè)中一種重要的生產(chǎn)方式，必將在未來的生產(chǎn)各個領(lǐng)域中發(fā)揮極為重要的作用。此外，數(shù)控火焰切割機(jī)加工技術(shù)的應(yīng)用范圍也將會不斷的得到擴(kuò)展，將在更多的生產(chǎn)領(lǐng)域

6、中發(fā)揮重要的作用。1.2設(shè)計(jì)目的目前我國國內(nèi)許多中小企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備陳舊、落后，導(dǎo)致其生產(chǎn)力低下、產(chǎn)品的質(zhì)量低，缺乏有效的市場競爭力。就拿鋼板的切割來說，這是很多機(jī)械制造業(yè)的首道工序，這道工序的速度和加工精度都將直接影響著后面的每道工序。切割鋼板的工作通常都是由工人手提切槍進(jìn)行切割，這種工作方式要求工人有成熟的技術(shù)，并且每切割一塊鋼板都要事先畫好線，其切割的速度不僅慢，而且產(chǎn)品精度低，工人也容易產(chǎn)生疲勞。因此，進(jìn)行生產(chǎn)加工設(shè)備的技術(shù)改造已經(jīng)成為每個企業(yè)的一項(xiàng)重要工作。在目前環(huán)境下，進(jìn)行生產(chǎn)加工設(shè)備的技術(shù)改造自然是將老設(shè)備改造成帶有數(shù)控設(shè)備的全新產(chǎn)品。數(shù)控火焰切割在工業(yè)的生產(chǎn)和加工的過程中可以切割

7、任意形狀的零件，它屬于對金屬結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行切割和下料的氣割設(shè)備。在機(jī)械、冶金、造船等行業(yè)中，各種板材切割下料的工作量是非常大的。隨著現(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的改進(jìn)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在制造業(yè)的各個部門，氣割設(shè)備也是如此。目前，國內(nèi)很多大型結(jié)構(gòu)件單位為了減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和勞動的生產(chǎn)效率，花巨資在國外購買先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備。而目前國內(nèi)生產(chǎn)此類數(shù)控設(shè)備的造價最少也在二三十萬元以上，這樣的價位對于那些中小型金屬結(jié)構(gòu)件單位來說是比較有壓力的。改善火焰切割工藝水平、提高產(chǎn)品質(zhì)量和精度的需求，使得開發(fā)一種便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)是很有必要的，而且還會有很大的市場潛力，對于提高國民的經(jīng)濟(jì)效益也

8、將會有明顯的幫助。在這種環(huán)境下，為了滿足中小結(jié)構(gòu)件企業(yè)對金屬板料的切割和中、小批量生產(chǎn)的實(shí)際需求，為了提供能夠滿足他們生產(chǎn)所需求數(shù)控火焰切割的工藝要求，而且使其具有經(jīng)濟(jì)適用性高、方便先進(jìn)的特點(diǎn)，一種便攜式的數(shù)控火焰切割機(jī)的開發(fā)便產(chǎn)生了。全鋼底架和機(jī)座的便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)是一種適用于金屬板料快速加工的精細(xì)切割設(shè)備。其適用于黑色金屬板材，具有高精度、高質(zhì)量、可操作性強(qiáng)等基本特性，同時還具有與激光切割相媲美的切割精度和更優(yōu)于激光切割機(jī)的價格。因而被廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、輕工機(jī)械、航空航天、汽車、造船、石化設(shè)備、壓力容器以及其他裝飾、大型標(biāo)牌制造等各種行業(yè)，適用于碳鋼（火焰切割）、不銹鋼以及銅、鋁（等

9、離子切割）等多種金屬板料的切割和下料作業(yè)。該切割設(shè)備是替代仿形切割機(jī)、手持式火焰切割設(shè)備、手持式等離子切割裝置以及半自動切割小車的理想升級換代產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)主要工作是完成便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)的總體設(shè)計(jì)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)以下目的：綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械專業(yè)的基礎(chǔ)知識、機(jī)電一體化專業(yè)技術(shù)以及機(jī)械控制工程知識等，設(shè)計(jì)完成便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)。通過對此課題的了解和設(shè)計(jì)使得學(xué)生得到較為全面的基本工程訓(xùn)練，充分了解當(dāng)前數(shù)控火焰切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用情況及以后的前景發(fā)展，最后通過設(shè)計(jì)提高了學(xué)生的工程動手能力，為適應(yīng)社會的發(fā)展需求打下了良好的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 主要技術(shù)參數(shù)：切割厚度

10、：2毫米50毫米 ；切割尺寸范圍：2300mmx1300mm ；割炬數(shù)目：1 ；進(jìn)給軸數(shù)：2 ；聯(lián)動軸數(shù)：2（x，y） ；最小編程單位：0.01mm ；切割材料：黑色金屬板材 ；切縫寬度補(bǔ)償功能。 2.2 總體方案的分析與確定2.2.1 數(shù)控火焰切割機(jī)的工作原理設(shè)備切割加工前要提前編寫加工程序，這項(xiàng)工作可以在普通的pc機(jī)上編寫。根據(jù)將要切割加工零件的圖紙和切割的工藝要求進(jìn)行程序編寫。然后將編好的工件加工程序拷入u盤，再通過usb接口輸入到數(shù)控計(jì)算機(jī)中。工件的加工程序也可以直接在數(shù)控計(jì)算機(jī)上編寫。設(shè)備切割加工前要將使用的工件加工程序調(diào)出，然后主cpu將逐條處理加工程序。在加工程序中將先處理m指令

11、，處理的結(jié)果通過i/o接口傳送給m功能板，并控制相應(yīng)的電磁閥和點(diǎn)火器的開閉，來完成點(diǎn)火、預(yù)熱、穿孔、切割等一系列功能。然后逐條執(zhí)行g(shù)指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和插補(bǔ)運(yùn)算。數(shù)控火焰切割機(jī)的插補(bǔ)工作可分為兩級：第一級為粗插補(bǔ)，主要由主cpu完成；第二級為細(xì)插補(bǔ)，主要由運(yùn)動控制板完成。粗插補(bǔ)是遵循一定的規(guī)律將工件的輪廓分解成許多小端，然后用連結(jié)各小段起點(diǎn)和終點(diǎn)的短直線構(gòu)成的折線來無限逼近工件的輪廓線。只要短直線足夠短，用折線逼近工件輪廓線的偏差就會無限小。然后主cpu根據(jù)工件的加工程序段給出數(shù)據(jù)并進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，由運(yùn)動控制板依次發(fā)送出各段直線的數(shù)據(jù)從而進(jìn)行加工。運(yùn)動控制板的細(xì)插補(bǔ)單元則是兩個指令脈沖發(fā)生器，它

12、將根據(jù)短直線的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生兩組相應(yīng)的脈沖串和方向信號，分別送至x軸和y軸全數(shù)字的交流伺服驅(qū)動單元，進(jìn)而驅(qū)動伺服電機(jī)，控制割炬沿工件的輪廓線規(guī)定的軌跡移動，并進(jìn)行切割加工【3】。2.2.2 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)采用移植導(dǎo)軌，跑車移動，單臂伸縮式布局結(jié)構(gòu)。具有輕便、移動的特點(diǎn)，適合于流動作業(yè)場所。因此總體布局可參照下圖1。圖1 總體布局圖2.2.3 傳動方式的分析和選擇傳動的主要任務(wù)是完成動力機(jī)和工作機(jī)之間的能量傳遞，此外還具有能量分配、轉(zhuǎn)速改變和運(yùn)動形式變換（如轉(zhuǎn)動變直動）以及轉(zhuǎn)矩或力的改變等功能。傳動是機(jī)器的重要組成部分，因此往往也是影響機(jī)器性能質(zhì)量的核心因素。傳動分為機(jī)械傳動、

13、流體傳動和電傳動，在這里我們只討論機(jī)械傳動。按工作原理，機(jī)械傳動可分為摩擦傳動（如：摩擦輪傳動、帶傳動）和嚙合傳動（如：齒輪傳動、蝸桿傳動、螺旋傳動、鏈傳動、同步帶傳動）。選擇機(jī)械傳動可考慮的因素很多，但主要可從以下幾方面考慮：a) 從每種傳動的特點(diǎn)考慮：每種傳動都具有其優(yōu)點(diǎn)，選擇的出發(fā)點(diǎn)則是要充分利用其優(yōu)點(diǎn)、避開其缺點(diǎn)。例如：摩擦傳動雖然不能保證準(zhǔn)確的傳動比，故其只適宜用在對傳動比不是很嚴(yán)格要求的場合。但是，當(dāng)其過載時，打滑對于機(jī)械系統(tǒng)則具有安全的保護(hù)作用。其次，摩擦傳動還會產(chǎn)生靜電，對于那些易燃易爆的環(huán)境可能會危及個人安全。齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈傳動等可以用于高溫、潮濕、粉塵等相對惡劣的工

14、作環(huán)境。帶傳動和蝸桿傳動工作時，其平穩(wěn)、噪聲小，尤其帶傳動還具有緩沖和吸振的特點(diǎn)，故適用在要求平穩(wěn)傳動、低噪聲的場合。螺旋傳動和蝸桿傳動則可以用于反行程有自鎖要求的場合。b) 從技術(shù)方面考慮：效率是機(jī)械傳動的一個重要指標(biāo)。一般來說，齒輪傳動的效率是最高的。所以從節(jié)省能源的角度來看，對于長期、連續(xù)和大功率的使用場合，應(yīng)首先選擇齒輪傳動。普通蝸桿傳動一般效率較低，一般只用于中小功率和不經(jīng)常工作的場合。從載荷能力的方面考慮，普通齒輪傳動的適用范圍更廣，傳遞功率幾乎是不受限制的。摩擦傳動因?yàn)樽陨砉ぷ鞯奶攸c(diǎn)，其載荷能力的提高將受到限制，一般也只適用于中、小功率的場合。c) 從系統(tǒng)內(nèi)傳動布置的合理性、成本

15、等方面考慮：系統(tǒng)內(nèi)傳動布置應(yīng)盡可能做到簡單、緊湊并努力達(dá)到總體協(xié)調(diào)。其次，應(yīng)考慮制造成本和運(yùn)行費(fèi)用等。所以選擇時就要充分利用其優(yōu)點(diǎn)、避開其缺點(diǎn)。本設(shè)備的原型采用齒輪齒條傳動，從功能上看，齒輪齒條適用于快速、精確定位，并且能夠應(yīng)付重負(fù)荷、高精度、高剛性、長行程等工作場合，最重要的是，火焰切割機(jī)的縱向移動裝置需要保持一個平穩(wěn)，恒定的速度，用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來比較容易?？紤]到上述的諸多因素，該設(shè)計(jì)的火焰切割機(jī)的傳動采用齒輪齒條傳動，以達(dá)到傳動效率高，保證正確的傳動比，造價低等結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性能的要求。2.2.4 總體控制構(gòu)成該數(shù)控火焰切割機(jī)由控制面板、數(shù)控系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣路系統(tǒng)、保護(hù)裝置等構(gòu)成,其控

16、制組成框圖如圖2 所示。圖2 控制組成框圖(1)控制面板包括顯示器、輸入設(shè)備(鍵盤和一些操作控制按鈕) ,可顯示序段和切割時的割矩位置,對切割機(jī)進(jìn)行編程和操作控制。(2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)采用工控機(jī)通過數(shù)控系統(tǒng)軟件和零件加下程序進(jìn)行微機(jī)控制?？芍С宙I盤輸入和數(shù)碼管顯示，貯存操作程序，對整個裝置的監(jiān)控x 向、y向電機(jī)的驅(qū)動控制。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過x、y向電機(jī)，齒輪齒條傳動等控制橫向懸臂伸縮和縱向小車移動，實(shí)現(xiàn)x 、y 兩個方向的自由度,可對割矩進(jìn)行xy 平面的任意曲線運(yùn)動的控制。(4)氣路系統(tǒng)可控制乙炔、低壓氧、高壓氧的通斷,配合切割時的預(yù)熱、穿孔和切割工藝等需要。(5)保護(hù)裝置包括切割機(jī)的防超程

17、的限位開關(guān)和應(yīng)急開關(guān),實(shí)行對切割機(jī)的緊急控制?！?】3 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)采用移植導(dǎo)軌，跑車移動，單臂伸縮式布局結(jié)構(gòu)。在支撐部件上安裝兩條距離為340mm的平行導(dǎo)軌，機(jī)床的縱向移動裝置在左側(cè)平行導(dǎo)軌上，通過y向驅(qū)動單元實(shí)現(xiàn)單邊控制，形成y坐標(biāo)軸方向運(yùn)動；橫向移動裝置受x向驅(qū)動單元控制在橫梁上左右移動，形成x坐標(biāo)軸方向運(yùn)動。這樣, 對于割炬而言, 其運(yùn)動為縱向和橫向的復(fù)合運(yùn)動, 所以可以在水平面內(nèi)完成任意平面曲線的運(yùn)動。x 、y兩方向的進(jìn)給伺服系統(tǒng)均采用以步進(jìn)電機(jī)作為動力驅(qū)動的開環(huán)控制。為完成割炬的運(yùn)動, 需將縱向驅(qū)動電機(jī)和橫向驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)樾凶哕嚭蜋M梁上割炬的直線運(yùn)

18、動, 為此, 我們選擇了齒輪齒條傳動方式來實(shí)現(xiàn)。移動裝置和縱向?qū)к夐g采用直線圓軌支撐和定位。割炬的提升與下降通過手動調(diào)節(jié)六角鎖緊螺母形式。所有的氣路通過電氣控制箱進(jìn)行控制。機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3.1 運(yùn)動導(dǎo)軌直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌、線性導(dǎo)軌、線性滑軌，用于直線往復(fù)運(yùn)動場合，擁有比直線軸承更高的額定負(fù)載，同時可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動。它分為方形滾珠直線導(dǎo)軌，雙軸芯滾輪直線導(dǎo)軌，單軸芯直線導(dǎo)軌。在大陸稱直線導(dǎo)軌，臺灣一般稱線性導(dǎo)軌，線性滑軌。直線運(yùn)動導(dǎo)軌的作用是用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動。依按摩擦性質(zhì)而定，

19、直線運(yùn)動導(dǎo)軌可以分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。直線導(dǎo)軌副一般由導(dǎo)軌、滑塊、反向器、滾動體和保持器等組成，它是一種新型的作相對往復(fù)直線運(yùn)動的滾動支承，能以滑塊和導(dǎo)軌間的鋼球滾動來代替直接的滑動接觸，并且滾動體可以借助反向器在滾道和滑塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)無限循環(huán)，具有結(jié)構(gòu)簡單、動靜摩擦系數(shù)小、定位精度高、精度保持性好等優(yōu)點(diǎn)。直線導(dǎo)軌的移動元件和固定元件之間不用中間介質(zhì)，而用滾動鋼球。因?yàn)闈L動鋼球適應(yīng)于高速運(yùn)動、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿足運(yùn)動部件的工作要求，如機(jī)床的刀架，拖板等。直線導(dǎo)軌系統(tǒng)的固定元件(導(dǎo)軌)的基本功能如同軸承環(huán)，安裝鋼球的支架，形狀為“v”字形。支架包裹著導(dǎo)

20、軌的頂部和兩側(cè)面。為了支撐機(jī)床的工作部件，一套直線導(dǎo)軌至少有四個支架。用于支撐大型的工作部件，支架的數(shù)量可以多于四個。直線導(dǎo)軌特點(diǎn)：（1）自動調(diào)心能力來自圓弧溝槽的df(45-45)組合，在安裝的時候，藉由鋼珠的彈性變形及接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，即使安裝面多少有些偏差，也能被線軌滑塊內(nèi)部吸收，產(chǎn)生自動調(diào)心能力之效果而而得到高精度穩(wěn)定的平滑運(yùn)動。（2）具有互換性由于對生產(chǎn)制造精度嚴(yán)格管控，直線導(dǎo)軌尺寸能維持在一定的水準(zhǔn)內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計(jì)以防止鋼珠脫落，因此部份系列精度具可互換性，客戶可依需要訂購導(dǎo)軌或滑塊，亦可分開儲存導(dǎo)軌及滑塊，以減少儲存空間。（3）所有方向皆具有高剛性運(yùn)用四列式圓弧溝槽，配合四列

21、鋼珠等45度之接觸角度，讓鋼珠達(dá)到理想的兩點(diǎn)接觸構(gòu)造，能承受來自上下和左右方向的負(fù)荷；在必要時更可施加預(yù)壓以提高剛性。直線導(dǎo)軌的工作原理：直線導(dǎo)軌可以理解為是一種滾動導(dǎo)引，是由鋼珠在滑塊跟導(dǎo)軌之間無限滾動循環(huán)，從而使負(fù)載平臺沿著導(dǎo)軌輕易的高精度線性運(yùn)動，并將摩擦系數(shù)降至平常傳統(tǒng)滑動導(dǎo)引的五十分之一，能輕易地達(dá)到很高的定位精度?；瑝K跟導(dǎo)軌間末制單元設(shè)計(jì)，使線形導(dǎo)軌同時承受上下左右等各方向的負(fù)荷，專利的回流系統(tǒng)及精簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓hiwin的線性導(dǎo)軌有更平順且低噪音的運(yùn)動。線性導(dǎo)軌具有將安裝導(dǎo)軌的基礎(chǔ)加工及組裝時產(chǎn)生的垂直度、平面度、平行度等校直誤差平均化后進(jìn)行吸收的特點(diǎn)。因此采用直線導(dǎo)軌可以大大

22、提高機(jī)械的效率。綜上所述，該機(jī)床的縱向橫向?qū)к壎疾捎弥本€導(dǎo)軌。其縱向?qū)к壊捎弥本€導(dǎo)軌中圓導(dǎo)軌系列中的tbr16s（圖4）， 圖4 tbr16s圓導(dǎo)軌及其參數(shù)經(jīng)過核算后的數(shù)據(jù)與表中的數(shù)據(jù)相對比，其載荷可以滿足設(shè)計(jì)要求。而橫向?qū)к壙刹捎门_灣生產(chǎn)的abba系列的brh15b（圖5）直線導(dǎo)軌。圖5 abba系列的brh15b的直線導(dǎo)軌及其參數(shù)經(jīng)核算后，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)也滿足其設(shè)計(jì)要求。數(shù)控切割機(jī)軌距在4m以下的一般采用單邊驅(qū)動，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的可靠性, 兩條縱向圓導(dǎo)軌分為主動導(dǎo)軌和副導(dǎo)軌，主動導(dǎo)軌上安裝有齒條。通過電機(jī)帶動齒輪齒條傳動控制縱向移動裝置運(yùn)動。方便縱向移動裝置精確移動。橫向移動導(dǎo)軌中的導(dǎo)軌通過內(nèi)六角

23、圓柱頭螺釘垂直安裝在懸臂下壁，滑塊則固定在箱體內(nèi)。導(dǎo)軌安裝時既要保證每列導(dǎo)軌的直線度和水平度還要保證兩列導(dǎo)軌的中心距和相互水平兩列縱向?qū)к壍闹行木嗯c橫向跨度一致。3.2 縱向移動裝置縱向移動裝置采用箱式結(jié)構(gòu)焊接制成。主動導(dǎo)軌上的行走車內(nèi)部安裝有驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)橫梁的橫向移動, 而副導(dǎo)軌上的行走車為橫向定位, 以避免由于安裝或者受熱后橫梁的變形而使行走車卡滯。此次設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床上的驅(qū)動電機(jī)均采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)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的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)

24、動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。伺服系統(tǒng)中常用的步進(jìn)電機(jī)有快速步進(jìn)電機(jī)和功率步進(jìn)電機(jī)?？焖俨竭M(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距一般為：0.007nm-4nm。可以用來控制小型的數(shù)控裝置。功率步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距一般為：5nm-40nm?？梢灾苯佑脕眚?qū)動大型的數(shù)控裝置。此外，按勵磁相

25、數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相、等。相數(shù)越多步距角越小，但結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。在本次設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，采用開環(huán)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格低等優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的選擇主要包括三大要素步距角（包括相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、電流等組成。當(dāng)把這三個主要參數(shù)確定下來，步進(jìn)電機(jī)的型號變確定下來了。 步進(jìn)電機(jī)的步距角的選擇主要取決于對負(fù)載精度的要求，通過將負(fù)載分辨率（當(dāng)量）換算到步進(jìn)電機(jī)的主軸上，每個當(dāng)量步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該走多少角度其中包括減速。選擇的步進(jìn)電機(jī)的步距角應(yīng)小于或等于該角度。對于步進(jìn)電機(jī)的力矩的選擇是對其動態(tài)力矩的確定，但這是比較復(fù)雜

26、的。所以我們首先確定步進(jìn)電機(jī)的靜力矩。靜力矩的選擇是由步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載來確定的，而負(fù)載可以分為慣性負(fù)載以及摩擦負(fù)載等兩方面。其中單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的，它們彼此之間有特殊的影響。大概分為以下幾點(diǎn)，直接啟動（一般為低速）時，兩種負(fù)載都要充分考慮，加速啟動時主要對慣性負(fù)載進(jìn)行考慮，恒速運(yùn)行是只需考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩選擇的范圍在摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)比較好，而一旦靜力矩確定了，那么步進(jìn)電機(jī)的幾座及長度便能確定下來了。綜上考慮，本次設(shè)計(jì)用的步進(jìn)電機(jī)可采用北京斯達(dá)特公司的型號為86byg250b兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，并采用與其配套的mz-2h504a驅(qū)動器，兩相相混合式步進(jìn)電機(jī)其

27、相關(guān)的參數(shù)如下： 齒條具有加工容易、壽命長、傳動精度高等特點(diǎn)，所以本機(jī)縱橫向運(yùn)動均采用齒條傳動，齒形參數(shù)為模數(shù)m = 2 。嚙合齒輪參數(shù)為模數(shù)m = 2 ，齒數(shù)z=20。采用直接傳動的方式。x，y向傳動電機(jī)都選易于控制、精度較高的步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)型號為86byg250b,其主要參數(shù)步距角1.8,采用與其配套的mz-2h504驅(qū)動器，8細(xì)分以后，其歩距角為0.225，最大靜轉(zhuǎn)矩(保持轉(zhuǎn)矩)為2.4nm 。割炬縱橫向步進(jìn)電機(jī)的負(fù)荷是不同的，縱向電機(jī)負(fù)荷大，起最大靜轉(zhuǎn)矩t【6】似計(jì)算為： (式 1)式中 w切割機(jī)總重量（kg）； 縱向圓導(dǎo)軌滑動靜摩擦系數(shù)；d嚙合齒輪直徑(m)； i 減速比。將w=40

28、 kg , =0. 15，d=mz=40 mm，i=1，代入式(1)中，計(jì)算得t=0.102kgm(1.02nm) 。因?yàn)閠2.4nm,這說明電機(jī)選擇是合理的。機(jī)械部分均選用標(biāo)準(zhǔn)件可降低設(shè)備成本，但使得該運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際脈沖當(dāng)量6為： (式 2)其中 m嚙合齒輪模數(shù)；z嚙合齒輪齒數(shù)；步進(jìn)電機(jī)步距角；i減速器減速比。將m=2kg，d=mz=40mm，i=1，帶入式（2）中，計(jì)算的 =0.01007mm，與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中所提供的脈沖當(dāng)量為0.01mm誤差約為0.7%，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這一誤差將使得切割時程序設(shè)定距離與割炬實(shí)際行走距離有+0.4%的誤差，因此可通過引入編程距離進(jìn)行修正。由于此處電機(jī)承

29、受的最大靜轉(zhuǎn)矩及負(fù)重時最大的，為了維修方便，兩處的電機(jī)均選擇此種型號。3.3 橫梁組件1）橫梁的工藝加工要求橫梁是切割機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它的作用是聯(lián)結(jié)縱向行走機(jī)架并安裝割炬實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動，是主機(jī)的重要部分之一。所以設(shè)計(jì)中對橫梁的剛性、強(qiáng)度及工藝性等方面要格外地重視，并且要對橫梁的剛度及強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)和校核。橫梁的主體結(jié)構(gòu)采用開口矩形45鋼結(jié)構(gòu)。為保證整機(jī)有較高的運(yùn)行精度，均采用焊后加工有效的工作面，焊前鋼板要做調(diào)平處理，所有焊縫均應(yīng)為斷續(xù)焊，以減少橫梁的變形。鋼板下料的尺寸要合理，機(jī)加工平面度、基準(zhǔn)面和垂直度要求要明確。各個部件連接組合的形狀和位置的公差要求很嚴(yán)格，這也是保證整機(jī)平穩(wěn)縱向運(yùn)動的關(guān)鍵

30、因素。要求橫梁做高溫時效處理，從而以保持機(jī)體永不變形。主要的工作平面是磨削而成的。其他各焊接部件均應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理，以保證整機(jī)有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的動態(tài)平衡性，從而使設(shè)備可靠性高，使用壽命長。2) 橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)橫梁的下面有用于安裝橫向運(yùn)動導(dǎo)軌的基準(zhǔn)面，前面有用于安裝齒條的基準(zhǔn)面，它經(jīng)精加工而成，設(shè)計(jì)上有很高的尺寸精度與形位精度要求。其上選用導(dǎo)軌和一條齒條，裝在衡量工作基面上。橫梁將影響其上的導(dǎo)軌等工作部件的相對位置和相對運(yùn)動的準(zhǔn)確性，從而產(chǎn)生加工誤差。由于橫梁上的負(fù)載不太大.故橫梁可采用橫截面為箱形空心的焊接結(jié)構(gòu)。其尺寸設(shè)計(jì)為外寬度b=40mm，內(nèi)寬度b=30mm，外高度h=80m

31、m，內(nèi)高度h= 70mm。材料選用鑄鐵ht150，則材料的抗彎截面系數(shù) (式 3)橫截面面積 (式 4)橫梁的慣性矩i為 (式 5) 慣性半徑r=83.79mm3) 橫梁的校核查文獻(xiàn)7得：材料的極限強(qiáng)度b=441m pa，安全系數(shù)n=2.5。許用應(yīng)力= b/n = 176. 4m pa，彈性模量 e=90. 6m pa。橫梁的許用撓度fmm=6.4mm，通過計(jì)算得橫梁上最大彎矩m=2126.250 nm.參看圖4：受力圖： 剪力圖： 彎矩圖: 圖4 懸臂梁受力剪力、彎矩圖將f1=2362n，f2=4162n，p=1750n，f3=50n帶入解出橫梁上最大彎矩m=2126.250 nm，帶入公式

32、校核的： (式 8)則所設(shè)計(jì)的橫梁滿足抗彎曲應(yīng)力要求。3.4 割炬和割嘴3.4.1 割炬數(shù)控火焰切割機(jī)通常采用等壓式的割炬，其割嘴錐角為30。在割炬上面有三根燃?xì)饨宇^呈三角形分布，最長的接頭應(yīng)該聯(lián)接切割氧膠管，最短的接頭應(yīng)該聯(lián)接乙炔或丙炔膠管，中間接頭則聯(lián)接用于預(yù)熱氧的膠管。【2】 本次設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)控火焰切割機(jī)配有一把割炬，可以通過手動調(diào)節(jié)緊定螺釘來固定割炬，并且控制割炬的上下移動。3.4.2 割嘴數(shù)控火焰切割機(jī)所用的割嘴是有曲線形的擴(kuò)散型割嘴。它由外套和內(nèi)芯構(gòu)成。內(nèi)芯是由一截銅棒加工而成的，其中心有孔，它包括芯柄、前芯桿和后芯桿三個部分。前芯桿上表面有18條側(cè)槽，其頭部呈圓錐狀。芯柄上也有

33、6個與側(cè)槽方向相同的側(cè)孔。該割嘴可以將氣體火焰聚集并結(jié)合到所需要加工的位置，從而克服火焰的分散現(xiàn)象，既可以提高切割的效率，又可以保證切割的質(zhì)量，同時還可以節(jié)約氧氣。其割嘴芯柱的材質(zhì)由優(yōu)質(zhì)黃銅材料構(gòu)成，外套則由優(yōu)質(zhì)紫銅形成，且表層鍍烙。其內(nèi)設(shè)鋼芯不但可以有效地保護(hù)氧孔不受磨損，還可以提高割嘴的使用壽命。螺旋可以加快氣體的流速，進(jìn)而提高預(yù)熱和切割的速度。其噪聲低、能耗低，（比普通割嘴節(jié)省1/3以上的耗氣量）而且工作范圍大、切割速度快、切割面光滑、切割順暢、割縫小、止回火安全、使用壽命長等特點(diǎn)。數(shù)控火焰切割機(jī)，通?？蛇x用日本生產(chǎn)的等壓102-d7型乙炔快速割嘴，其切割質(zhì)量好，效能高，使用壽命也長。當(dāng)

34、然也可選用國內(nèi)上海氣割機(jī)廠生產(chǎn)的等壓式乙炔型快速割嘴或者丙烷快速割嘴。數(shù)控火焰切割機(jī)如果選用其他型號的割嘴，則應(yīng)考慮氧氣壓力和乙炔壓力、切割速度和氣體流量，然后調(diào)整所選割嘴型號的設(shè)計(jì)性能使其達(dá)到需求性能。割嘴是安裝在絕緣連接機(jī)構(gòu)上的，割嘴是一個導(dǎo)電體，割嘴與點(diǎn)火電路的一個點(diǎn)火輸出極相連接，而切割工作臺則與所述點(diǎn)火電路的另一個輸出極相連接。設(shè)備工作時，當(dāng)割炬達(dá)到工作位置后，打開點(diǎn)火電路的開關(guān)，從而使得在割嘴底端的氣孔周圍的部位和鋼板材料之間發(fā)生放電現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生管狀的點(diǎn)火電弧，由于該電弧置于可燃性氣流噴出的路徑上，而且在氣流的周圍形成了很個點(diǎn)火源，所以可燃性氣體可以立刻被點(diǎn)燃，解決了點(diǎn)不著的現(xiàn)象

35、，使得一次點(diǎn)火的成功率相當(dāng)高。切割氧孔道采用拉伐爾噴管的形式，因此具有很好的氣動力性能。它可以把入口壓力的位能全部轉(zhuǎn)變成出口處的速度能，使其速度可達(dá)音速的一倍，進(jìn)而使流量和流速提高，氣流的動量隨之也增大，使得切割氧流的排渣能力增強(qiáng)，所以切割鋼材也就容易多了。3.5 支撐件支撐件是支承機(jī)床其它零部件的基礎(chǔ)構(gòu)件，如導(dǎo)軌、底座等。支撐件既要承受其它零部件的重量和工作載荷，又起保證各零部件的相對位置的基準(zhǔn)作用。它們的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、加工面的幾何精度和位置精度要求高。故應(yīng)該有足夠的剛度、抗振性、較小的熱變形、穩(wěn)定性和工藝性能，而且成本要低。而支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正是主要是解決剛度問題的。因此要正確地

36、選擇其截面形狀和尺寸，合理布置隔板和加強(qiáng)筋，并注意它們之間的連接剛度和安裝精度?！?】3.6 傳動件 在本次設(shè)計(jì)中，機(jī)床的縱向和縱向傳動件均采用的是齒輪齒條傳動。它能將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)閤、y軸方向上的直線運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)多，而且傳動效率高、傳動也平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、工作比較可靠，但是缺點(diǎn)就是在工作中，齒輪齒條常常暴露在外面，外界的雜物就會很容易就侵入進(jìn)去，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。因?yàn)辇X輪齒條的工作環(huán)境并不是不好，如果潤滑不及時，更容易磨損，所以它更多的適用在低速運(yùn)動中的場合中。在設(shè)計(jì)中，為了方便其維修和更換，對x軸和y軸選擇了同樣尺寸的標(biāo)準(zhǔn)齒輪齒條，只是其截面的尺寸根據(jù)與其齒輪配合的要求，有所改

37、變，這樣可以更好的與齒輪相咬合，從而更好的達(dá)到傳動精度和要求。綜上，選擇齒輪,m=2,z=20查文獻(xiàn)7。齒輪幾何尺寸計(jì)算為：d=mz=40, ha=2， hf=2. 5， da=44，df=35，=200 ， d b= mzbtg= 45.1， b= 16；通過對齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，均滿足設(shè)計(jì)要求。齒條的齒距均為p=m， ha=2，hf= 2.5，s= m/2=3.14， e=m/2=3.14， b= 20；x軸方向的齒條長度為1500， y軸方向的齒條長度為2400。(在齒輪、齒條各參數(shù)中未注單位的，均為mm)4 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 數(shù)控系統(tǒng)方案的分析與確定4.1.1 相關(guān)控制技術(shù)該

38、設(shè)備要想實(shí)現(xiàn)其要求的控制功能可以采取單片機(jī)控制、plc控制、工控機(jī)控制等多種手段。超小型化的單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)，它是隨著微電子技術(shù)與超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展誕生的。它是將cpu、存儲器、串行/并行i/o口、定時/計(jì)數(shù)器，甚至a/d轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制器、圖形控制器等功能部件全部集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上，構(gòu)成一個完整的具有相當(dāng)控制功能的微控制器。【6】單片機(jī)的應(yīng)用軟件可以采用面向機(jī)器的匯編語言，但這需要較深的計(jì)算機(jī)軟硬件知識。由于單片機(jī)具有體積小、功耗低、性能可靠、價格低廉、功能擴(kuò)展容易、使用方便靈活、易于產(chǎn)品化等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別是強(qiáng)大的面向控制的能力，使它在工業(yè)控制、智能儀表、家用電器、

39、機(jī)器人、軍事裝置等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用。8位單片機(jī)因其品種多、功能強(qiáng)、價格廉，目前仍然是單片機(jī)系列的主流機(jī)種。而plc是80 年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，它是集自動控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)于一體的產(chǎn)物，因?yàn)閜lc具有應(yīng)用靈活、 擴(kuò)展性好；操作方便；標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件設(shè)計(jì)、 通用性強(qiáng)；完善的監(jiān)視和診斷功能；控制功能強(qiáng)；可適應(yīng)惡劣的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境；體積小、重量輕、性價比高、省電等特點(diǎn)，所以，它的應(yīng)用幾乎覆蓋了所有工業(yè)企業(yè)，既能改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品成為機(jī)電一體化的新產(chǎn)品，又適用于生產(chǎn)過程控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)與降低成本7。對于工控機(jī)從20世紀(jì)60年代初開始，經(jīng)歷了從晶體管工控機(jī)到中小規(guī)模集

40、成電路工控機(jī)，以及今天大規(guī)模集成電路工控機(jī)。工控機(jī)及系統(tǒng)包含了工業(yè)自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)與一體的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，涉及的面十分廣泛。由于工控機(jī)具有可靠性高、實(shí)時性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、過程輸入和輸出配套較好，系統(tǒng)的擴(kuò)充性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作上。近年來，隨著工控機(jī)性能的快速發(fā)展，可靠性大為提到，而價格卻大幅度降低，以工控機(jī)為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被工業(yè)控制領(lǐng)域所接受。在機(jī)床控制領(lǐng)域，采用工控機(jī)，發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng)，以成為國際研究的熱點(diǎn)，符合數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最新潮流。工控機(jī)可以與pc機(jī)交替使用，因此可以吸收pc機(jī)發(fā)展的最新成果，從而簡化

41、數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)過程，縮短數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。目前市場上，在人才和技術(shù)方面，isa總線較為成熟，工控機(jī)也主要以isa總線為主流，主要原因是：a)isa總線結(jié)構(gòu)的i/o接口卡種類最多，且已經(jīng)過多年研究和應(yīng)用證明其技術(shù)已成熟。b)isa總線已被絕大多數(shù)工控機(jī)人員所接受和掌握。c)isa總線性能基本能夠滿足多數(shù)工業(yè)控制領(lǐng)域的需求。d)isa總線產(chǎn)品價格便宜，容易被接受?！?】4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的分析與擬定分析以上幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：plc是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)定。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作

42、的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一整體、易于可擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。但考慮到plc的人機(jī)交互能力差，其本身并不帶有鍵盤、顯示器這樣的人機(jī)交互設(shè)備。雖然這些工作也可用 plc的手持編程器來進(jìn)行。但編程器價格較高,操作復(fù)雜,由非專業(yè)人員來進(jìn)行操作顯然是不合適的。而比較之下單片機(jī)雖然成本低、擴(kuò)展方便、擴(kuò)展后具有良好的人機(jī)交互能力的特點(diǎn)，但是反應(yīng)速度慢，要想實(shí)現(xiàn)眾多的功能需要擴(kuò)展很多的外圍電路和芯片，更適合民用，商用。經(jīng)過分析，考慮到控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求達(dá)到精確、耐用、容易操作、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，還必須物美價廉，故在

43、選擇控制系統(tǒng)時決定采用isa系統(tǒng)總線工控機(jī)控制方案。4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.2.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基本支撐部分，軟件則是數(shù)控系統(tǒng)的控制核心。硬件是軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)，而只有配置了軟件的硬件才是可工作的控制系統(tǒng)【3】。構(gòu)成微機(jī)控制系統(tǒng)的基本硬件一般有以下四部分組成。 a) 中央處理單元，即cpu。 b) 總線，包括數(shù)據(jù)總線（db）、地址總線（ab）、和控制總線（cb）。 c) 存儲器，包括只讀存儲器和隨即讀寫存儲器。 d) 輸入、輸出接口電路。其中cpu是整個系統(tǒng)的核心。存儲器是監(jiān)控軟件（系統(tǒng)軟件）及系統(tǒng)運(yùn)行中各數(shù)據(jù)的駐留空間。i/o接口電路是系統(tǒng)

44、與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線是連接cpu、存儲器和i/o接口電路的紐帶，是各部分進(jìn)行通行的線路。另外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號交換電路。如圖6所示的數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。其中cpu、存儲器及i/o接口是任何一個數(shù)控系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，其余部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。一般，cpu通過i/o接口可連接得人機(jī)交換外設(shè)是鍵盤、打印機(jī)、磁盤記錄機(jī)等通信接口；信號交換電路包括a/d轉(zhuǎn)換、d/a轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，它是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。這兩部分可根據(jù)控制對象的特性進(jìn)行取舍【9,10,11】。圖6 電氣原理框圖在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，cpu的選擇應(yīng)考慮以

45、下要素：a)時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）。b)可擴(kuò)展存儲器（rom/ram）的容量。 c)指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng)（即編程的靈活性）。 d)i/o口的擴(kuò)展能力（即對外設(shè)的控制能力）。e)開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。4.2.2數(shù)控火焰切割機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)該數(shù)控系統(tǒng)是以工控機(jī)為基礎(chǔ)開發(fā)的，具有計(jì)算機(jī)操作方便、功能開發(fā)和擴(kuò)展容易等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用all-in-one一體化主機(jī)板，80486的cpu，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。該主機(jī)板將cpu、協(xié)處理器、主存儲器、軟盤、及硬盤驅(qū)動器接口、鍵盤接口、串行通信口（rs232）、監(jiān)時定時器、高速緩沖存儲器等集中安裝在一塊模板上。系統(tǒng)內(nèi)部采用了靈

46、活開放的isa總線式結(jié)構(gòu)，各個控制模塊接口電路板均插接在系統(tǒng)總線母板上。80486cpu、rom、ram等在cpu板上通過內(nèi)部總線相連接，又通過總線驅(qū)動運(yùn)動控制器，運(yùn)動控制器插接于母板上。該系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的豐富資源，并且可由rs232連接外部cad執(zhí)行dnc加工。本系統(tǒng)選用固高科技ge系列g(shù)e-400-sv連續(xù)軌跡運(yùn)動控制器，配接86byg250b步進(jìn)電機(jī)，完成x、y軸的伺服進(jìn)給。其中運(yùn)動控制器主要集譯碼電路、振蕩電路、i/o端口電路、脈沖電路、中斷電路以及光電隔離輸入輸出電路等為一體。其中譯碼電路為運(yùn)動控制器提供了一個接口地址段，振蕩電路為運(yùn)動控制器上的脈沖控制電路提供了一個固定頻率

47、的脈沖源；i/o端口主要作用是輸出切割機(jī)氣源控制信號及輸入機(jī)床信號；脈沖控制電路分別控制各軸的步進(jìn)電機(jī)；中斷電路為控制軟件提供硬件中斷信號；光電隔離輸出輸入電路將工控機(jī)電源與外界電源隔離，減少了外界電源的干擾。4.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制軟件是整個數(shù)控系統(tǒng)的靈魂，離開了軟件，數(shù)控系統(tǒng)便無法運(yùn)行。根據(jù)切割加工工藝的要求，同時又能充分發(fā)揮工控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，該切割機(jī)的控制軟件按以下模塊化方式來設(shè)計(jì)，其流程圖如圖7 所示。圖7 控制程序流程圖a)界面設(shè)計(jì)。該控制軟件的界面分成3個區(qū)域：圖形仿真跟蹤區(qū)、狀態(tài)顯示區(qū)以及操作說明區(qū)。圖形仿真跟蹤區(qū)用于顯示數(shù)控加工文件所指定零件的圖樣，并在切割過程中跟蹤割炬的運(yùn)動

48、軌跡；狀態(tài)顯示區(qū)顯示切割機(jī)目前的狀態(tài)參數(shù)，如切割速度、割炬當(dāng)前坐標(biāo)等；操作說明區(qū)簡要介紹各種功能所對應(yīng)的熱鍵，如暫停、返回、加減速及點(diǎn)動等功能的熱鍵。熱鍵的功能與操作面板上按鈕的功能相同。b)系統(tǒng)初始化及切割等待。由于運(yùn)動控制卡上并行口和計(jì)數(shù)器均屬于可編程序芯片，因此，工作前必須對它們進(jìn)行初始化，按照工作方式確定它們的控制字。在初始化以后，系統(tǒng)便處于切割等待狀態(tài)，此時可以調(diào)整機(jī)床的位置、檢驗(yàn)自動點(diǎn)火裝置以及通氣用的電磁閥是否工作正常。c)程序檢驗(yàn)及圖形仿真。當(dāng)數(shù)控加工程序指定以后，首先要檢驗(yàn)輸入的數(shù)據(jù)文件是否符合規(guī)定的要求，一旦發(fā)現(xiàn)指定的文件中有非法的指令，則退出控制程序，并提示編程人員哪一行

49、出現(xiàn)哪一種類型的錯誤，編程人員修改好數(shù)控加工程序以后，可繼續(xù)進(jìn)入控制程序。如果數(shù)控加工程序正確，系統(tǒng)便將讀入的數(shù)控加工程序經(jīng)過處理在圖形仿真區(qū)中畫出零件圖形，無論零件有多大或多小，系統(tǒng)都能自動按比例縮放。d) 數(shù)控加工程序處理。為了節(jié)省計(jì)算機(jī)在插補(bǔ)過程中的運(yùn)算時間，在正式插補(bǔ)前對數(shù)控加工程序作一些預(yù)處理是十分必要的，預(yù)處理主要包括長直線段的預(yù)處理和圓弧的預(yù)處理。由于運(yùn)動控制器一次計(jì)數(shù)的范圍有限，因此當(dāng)長直線段超出計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍時，須將長直線段分解成若干段小直線段，防止計(jì)數(shù)值溢出。又由于運(yùn)動控制器不能直接用來對圓弧進(jìn)行插補(bǔ)，因此必須在誤差允許的范圍內(nèi)將圓弧分解成小直線段，然后便可通過幾何關(guān)系計(jì)

50、算出從圓弧起點(diǎn)到終點(diǎn)。e)插補(bǔ)控制及軌跡的動態(tài)跟蹤。在插補(bǔ)過程中，計(jì)算機(jī)一方面根據(jù)數(shù)控加工程序中的數(shù)值以及各軸的脈沖當(dāng)量，計(jì)算出x軸、y軸的脈沖數(shù)；另一方面根據(jù)指定的切割速度，計(jì)算出各軸的分頻系數(shù)。并在上一條指令執(zhí)行結(jié)束時，將計(jì)算出的脈沖數(shù)和分頻系數(shù)送到對應(yīng)計(jì)數(shù)器的對應(yīng)通道。另外，計(jì)算機(jī)通過不停地讀回計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，得到剩余的脈沖數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到割炬當(dāng)前的屏幕坐標(biāo)，并用小箭頭指示。因此從顯示屏上，操作者可以清楚地看到當(dāng)前的切割位置【12】。f)按原軌跡返回功能的實(shí)現(xiàn)。在切割過程中，若發(fā)現(xiàn)有未割穿的情況，此時可以按下暫停鍵，暫時中斷切割并自動關(guān)閉切割氧；再按下返回鍵，割炬便準(zhǔn)確地按原軌跡返回

51、；待割炬返回到未割穿點(diǎn)以后，再次按下暫停鍵并按啟動鍵，切割機(jī)便自動打開切割氧，重新進(jìn)行切割。在按下返回鍵時，計(jì)算機(jī)便從運(yùn)動控制器上的計(jì)數(shù)器中讀回剩余的脈沖數(shù)，與原來的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，將差值送回計(jì)數(shù)器，并使方向信號反相，這樣便使割炬按原軌跡返回。在該指令結(jié)束時，使系統(tǒng)指回上一條指令，從而實(shí)現(xiàn)線段之間的連續(xù)返回。在返回過程中，指示割炬位置的小箭頭也按原軌跡返回。g)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理是用來在切割過程中對整個系統(tǒng)的管理，負(fù)責(zé)對整個微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件的各個程序和任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理以及對編輯鍵、操作控制按鈕13,14，包括暫停、啟動、退出、升降速的控制以及對限位信號的處理。4.4零件加工程序設(shè)計(jì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)

52、有較為豐富的控制指令可供使用。編程方法可按圖9所示的框圖進(jìn)行，切割鋼板形狀見圖8。該程序由引導(dǎo)程序和主程序組成，引導(dǎo)程序指明工作程序的序號，主程序都由一序號開始，其內(nèi)容是完成實(shí)際所需要的鋼板切割工作5。圖8 切割鋼板形狀割炬回零割炬到指定位置通乙炔和低壓氧通高壓氧割炬上升到原高度 移動 實(shí)施切割切割完成，關(guān)高壓氧，低壓氧和乙炔割炬下降稍許并延時實(shí)施打孔結(jié)束開始按起動鈕使割炬下降并實(shí)施預(yù)熱暫停并實(shí)施點(diǎn)火圖9 切割程序框圖/*引導(dǎo)程序*/ %0n0010 l001 /*主程序*/ %001n0010 g00 f2500n0020 g00 x100.70 z100.70 f2517.62 n0030

53、 s01n0040 m00 /*點(diǎn)火后按起動按鈕*/n0050 m26 g04n0060 g04 f3n0070 m25n0080 g04 f4 n0090 s07n0100 m26 f4n0110 g04 f0.5n0120 m25n0130 g04 f0.5n0140 m25n0150 g01 u1007.05 w604.23 f604.23n0160 s08n0170 s02n0180 g00 f2517.62n0190 m02 /*結(jié)束*/5 其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1電氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)電器系統(tǒng)主要用來為各系統(tǒng)提供電源。電磁閥用于將數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶砰y的開關(guān)動作，由于電磁閥的工作電

54、流為直流，并出于降低成本、提高可靠性的考慮，采用電磁繼電器作為開關(guān)元件。高壓點(diǎn)火器用于點(diǎn)燃點(diǎn)火嘴的可燃?xì)怏w，再由點(diǎn)火嘴引燃割炬火焰。脈沖接口板用于將由硬件差補(bǔ)器輸出的運(yùn)動脈沖放入以驅(qū)動交流伺服系統(tǒng)。指示燈主要是將開關(guān)元件的工作狀態(tài)顯示出來。電器系統(tǒng)邏輯框圖見圖【6】。電源濾波組件變壓器直流電源板面板指示燈面板按鈕及開關(guān)伺服系統(tǒng)脈沖放大器光電隔離器件數(shù)控系統(tǒng)繼電器組電磁閥組高壓點(diǎn)火器圖10 電氣邏輯框圖5.2自動編程及排料軟件方案設(shè)計(jì)自動編程的目的是將被加工零件的圖紙以一定方法輸入到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過軟件處理自動生成可被數(shù)控系統(tǒng)接受的數(shù)控代碼。為減少開發(fā)費(fèi)用，縮短開發(fā)周期，采用了autocad作為圖

55、形輸入工具，將被加工零件在autocad中畫出，再存為通用圖形格式dxf文件。自動編程軟件將工件的dxf文件讀入，再進(jìn)行預(yù)處理 ,即可進(jìn)行排料、自動編程等處理過程。自動編程及排料軟件包括：預(yù)處理、線重排、自動補(bǔ)償、自動添加割入割出線、工件平移、工件復(fù)制、工件旋轉(zhuǎn)、圖形顯示、數(shù)控代碼生成等內(nèi)容。自動編程及排料軟件邏輯框圖見圖11。.線校驗(yàn)數(shù)控代碼文件顯示處理代碼轉(zhuǎn)換排料手動輸入加工線線割口補(bǔ)償線重排生成dxf文件自動添加割入割出線autocad圖形繪制dxf文件預(yù)處理圖11 編程和軟件排料框圖5.3 配氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)配氣系統(tǒng)是將氧氣和燃?xì)饨?jīng)調(diào)壓、分配、電磁閥的開關(guān)控制，按照一定要求引到割炬中進(jìn)行

56、點(diǎn)火和切割，主要分為：點(diǎn)火氣、燃?xì)?、助燃氧氣、切割氧氣等。配氣系統(tǒng)邏輯框圖見圖12。圖12 配氣系統(tǒng)邏輯框圖6 提高設(shè)備性能的有關(guān)措施6.1 保持平穩(wěn)性，提高切割質(zhì)量切割機(jī)的工作場地和工作環(huán)境相對來說是比較惡劣的，因此必須定時對機(jī)器進(jìn)行全面的清洗和保養(yǎng)，為保證機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行及切割表面清晰，必須經(jīng)常用清潔的布塊擦洗所有的軌道及機(jī)器移動體的導(dǎo)軌，然后涂上一層油膜。同樣，必須經(jīng)常清洗所有的加緊輪和滾輪。如果不清洗的話，由于切割過程中的氧化鐵銹和各類粉塵就會粘附在其表面，這樣，這些部件會在較短的時間內(nèi)磨損，其后果是機(jī)器運(yùn)行不平穩(wěn)，切割表面質(zhì)量不能令人滿意【14】。保持齒輪和齒條的良好嚙合，是保證機(jī)器能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，必須經(jīng)常注意保持機(jī)器縱、橫向輸出齒輪和齒條的絕對干凈。最好的辦法是定期潤滑齒軌。建議用戶每周用壓縮空氣噴洗縱、橫向齒條面?？v向軌道和滾輪必須每班結(jié)束后擦凈，用油布抹一下，以防軌道銹蝕。圓導(dǎo)軌和線性導(dǎo)軌必須每天潤滑一次，較方便的辦法是每周仔細(xì)將導(dǎo)軌清洗一次，并涂上一層潤滑油