龍門式數(shù)控火焰切割機橫向進給系統(tǒng)的設計畢業(yè)設計

1、1 緒論1.1 切割機的研究現(xiàn)狀1958年英國氧氣公司試制成功了世界上第1臺數(shù)控切割機，開創(chuàng)了數(shù)控切割的新紀元。隨后，發(fā)達國家都相繼開展了對數(shù)控切割的技術、工藝、相關配套軟件和設備的深入開發(fā)研究工作，如今，針對不同的工件對象，人們可分別采用數(shù)控、機器人切割等多種切割方法；為了滿足各種材質的切割性能和精度要求，又可以選用火焰、等離子、激光等與之相適應的切割工藝，真正達到了為用戶提供全面解決問題的方案。我國數(shù)控切割技術開發(fā)研制是在20世紀80年代初、伴隨著微電子技術的成熟并獲得廣泛應用的基礎上開始起步的，經(jīng)歷20多個春秋的持續(xù)發(fā)展，終于取得了可喜的成就。目前國產(chǎn)數(shù)控切割產(chǎn)品的種類和規(guī)格已相當齊全，

2、其中部分產(chǎn)品在技術、性能、指標和功能上均已接近或達到國際上同類產(chǎn)品的水平。 在此就數(shù)控切割技術在我國應用情況作一個回顧，并對其介紹其優(yōu)缺點。1.1.1 數(shù)控火焰切割 20世紀70年代中期，我國研究了船體線型的數(shù)學光順及曲面外板展開的計算機輔助設計程序，該程序系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出結果可用于數(shù)控加工，從而使船體鋼板下料切割不再需要經(jīng)過實尺放樣制作樣板在鋼板上畫線用手工或半自動切割這么多道繁瑣的工序，由此而來，應用數(shù)控切割船用鋼板的優(yōu)越性立刻展現(xiàn)出來，它既節(jié)省了工時、放樣臺場地和樣板材料，又能減輕工人勞動強度，極大地提高了工效。1.1.2數(shù)控等離子切割我國數(shù)控等離子切割技術開發(fā)研制是在數(shù)控火焰切割技術趨于

3、成熟并獲得廣泛應用的基礎上開始的。20世紀80年代末、90年代初，鋼板和其他金屬材料的切割量急劇增大，高速度、高效率的數(shù)控等離子切割技術日益受到包括造船在內(nèi)的制造業(yè)界的重視，而當時國產(chǎn)設備還一時無法擔此重任，許多廠不得已只能花巨資，率先從國外引進數(shù)控等離子切割機，以解生產(chǎn)上的燃眉之急。大量進口機器的接踵而至，給國內(nèi)同行以極大的鞭策，更激發(fā)了我們發(fā)憤圖強研制先進設備以替代進口設備的使命感和緊迫感。另一方面，國外先進設備的引進，也為我們提供了難得的學習和借鑒機會。經(jīng)歷了消化學習、潛心鉆研，并在關鍵技術上采取引進和自主開發(fā)的措施，使我國數(shù)控等離子切割技術研制水平在高起點上得到了質的飛躍，因此國產(chǎn)數(shù)控

4、等離子切割機從降生之日起就基本實現(xiàn)了自動化程度高、功能齊全、運行可靠、性價比高的發(fā)展目標，并很快被我國所認知和接受，從此成為國外進口設備強勁的競爭對手。1.1.3 數(shù)控激光切割激光切割所形成的割縫窄，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割縫質量好，無掛渣、邊緣垂直、表面光滑。在那些需要高精度、高效率切割薄板的領域，數(shù)控激光切割機仍然是首選設備。另外，激光切割還有能量密度高，切割熱影響區(qū)小，可以對常規(guī)方法無法加工的材料和零件進行加工等諸多優(yōu)點。但是數(shù)控激光切割機價格昂貴，設備投資費用大概是精細等離子的2-3倍；當用激光切割厚度超過6-8 mm的鋼板時，加工費用將會大于精細等離子切割，外加日常維護工作

5、量大，因此數(shù)控激光切割的運行成本較高，這些不利因素，阻礙了其在我國各行業(yè)的應用。20世紀80年代以來，因為數(shù)控火焰切割機具有許多優(yōu)點，在我國造船行業(yè)獲得了普遍應用。至90年代中期，當數(shù)控等離子切割機登臺亮相時，其所扮演的角色逐漸發(fā)生了轉變，但這并不意味著它將從此退出歷史的舞臺，遭到棄用或淘汰，畢竟數(shù)控火焰切割機在切割厚度超過30 mm的鋼板、切割加工多種形狀的坡口和多割炬大批量切割直條鋼板時，還有許多不容忽視的優(yōu)越性。可以預見，數(shù)控火焰切割機在今后相當長的時期內(nèi)，將作為數(shù)控等離子切割機等先進設備的補充，在各個行業(yè)繼續(xù)發(fā)揮它應有的作用，并能長期存在。 1.2 本課題設計的目的和意義目前，中小型機

6、械制造企業(yè)板材下料的自動化程度較低，基本上采用人工下料，造成“三低一高”現(xiàn)象，即生產(chǎn)效率低、材料利用率低、產(chǎn)品質量低和生產(chǎn)成本高，從而直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。為提高生產(chǎn)效率，減輕人工勞動強度，結合實際生產(chǎn)需要，現(xiàn)設計一種新型龍門式數(shù)控火焰切割機，實現(xiàn)切割下料的全自動。另外，設計出新型的龍門式數(shù)控火焰切割機，主要是解決現(xiàn)在中小企業(yè)的“三低一高”現(xiàn)象，提高中小企業(yè)在市場上的競爭力，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的效益。1.3 主要設計內(nèi)容 本課題將結合市場的需要，設計出一種新型龍門式數(shù)控火焰切割機。主要內(nèi)容包括： （1）參與龍門式數(shù)控火焰切割機總體結構的設計；（2）橫向進給系統(tǒng)的結構設計；（3）橫向進給系統(tǒng)主要

7、零件的設計及計算。（4）橫向進給系統(tǒng)主要零部件的剛度和強度校核。設計中要解決的關鍵問題有：（1）如何實現(xiàn)切割頭的左右移動？（2）如何實現(xiàn)切割頭的上下移動？（3）如何實現(xiàn)橫向進給系統(tǒng)中各零部分正確連接？2 總體方案的確定2.1設計任務分析2.1.1設計要求龍門式火焰切割機總體結構應達到如下技術要求：（1）配工控機，能實現(xiàn)對金屬板材按直線、圓弧及任意曲線的自動切割；現(xiàn)有的火焰切割機只能對金屬板材實現(xiàn)直線的切割，而對圓弧的切割只有在大型企業(yè)中實現(xiàn)，所以現(xiàn)設計的這個龍門式火焰切割機，配了工控機，能實現(xiàn)對金屬板材、圓弧及任意曲線的自動切割（2）切割速度可調(diào)，定位快速、準確；據(jù)調(diào)查，大多數(shù)機械制造的中小企

8、業(yè)的火焰切割機不能調(diào)節(jié)速度，而且定位麻煩，速度慢，浪費很多的時間和金錢，先設計的這個龍門式火焰切割機能做到切割速度可調(diào)，而且定位快速，準確（3）設備操作簡單、維護方便；現(xiàn)在的數(shù)控設備比較笨重,占地位置比較大，對于企業(yè)來說數(shù)控設備能帶來效益，但是也占著企業(yè)很大的土地,造成了很大的浪費，另外，設備的操作問題也是個問題，由于設備比較落后，精度都不怎么高,工人很難控制其加工精度，一旦機器出了毛病，將帶給企業(yè)很大的損失，所以設計出的這個龍門式火焰切割機應滿足設備操作簡單、維護方便的要求。（4）主要技術指標：切割范圍：3.010.0m切割速度：03500mm/min切割厚度：5200mm移動精度：0.05

9、mm/步工作電壓：220v5% 50hz2.2 總體方案的設計2.2.1 總體布局 龍門式數(shù)控火焰切割機分為控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩大部分，本次設計從事機械部分的設計，機械部分主要包括橫向進給系統(tǒng)和縱向進給系統(tǒng)，橫向進給系統(tǒng)主要由橫向行車機構，橫向驅動機構，切割頭上下移動機構等組成；縱向進給系統(tǒng)主要由縱向驅動機構，縱向從動機構，導軌等部分組成， 總體結構見圖2.1。 1-橫向行車機構 2-縱向從動機構 3-切割頭上下移動機構 4-導軌 5-縱向驅動機構圖2.1 龍門式火焰切割機總體布局2.2.2 橫向進給系統(tǒng)的布局橫向進給系統(tǒng)其結構主要包括橫向行車機構，橫向驅動機構，切割頭上下移動機構等幾個主要部

10、分，其中橫向行車機構指在x向的移動，x向移動主要以電動機為動力，利用齒輪齒條副驅動方式來實現(xiàn)。切割頭上下移動機構指的是z向的移動，它的移動也是以電動機為動力，利用絲桿螺母副來實現(xiàn)切割頭z向的移動。橫向進給系統(tǒng)圖見2.2： 1.齒輪 2.支架3.t型座 4.支撐軸 5.輪子 6.螺母7.夾緊裝置8.切割頭 9.導向軸 10.導向輪 11.導軌 12.橫梁圖2.2 龍門式火焰切割機橫向進給系統(tǒng)總體布局3橫向行車機構的設計橫向行車機構指的是x向的移動機構，它是通過電動機的動力，使齒輪在齒條上作來回移動。3.1 橫向移動方案的比較與選擇方案一：如圖3.1所示，有六個輪子安裝在導軌的上表面,其中有四個輪

11、子是用于導向,兩個輪子用于承重。還有四個輪子安裝在導軌的下表面,這四個輪子全是用于導向，那么這樣總共十個輪子，他們的具體位置見圖3.1： 1.銷 2.軸 3.承重輪 4.導向輪 5.導向輪圖3.1 方案一 方案二：如圖3.2所示，有四個輪子安裝在橫梁上，這四個輪子全是用于承重；另外四個輪子安裝在導軌的下表面，用于導向；一共八個輪子，它們的具體位置見圖3.2： 1.承重輪 2.橫梁 3.導軌 4.導向輪圖3.2 方案二方案比較：橫向行車結構的x向移動都是通過輪子來實現(xiàn)的，從輪子的安裝上分析：方案一中安裝在導軌上表面的四個導向輪通過軸連接到兩塊鋼板上，軸通過銷來固定在鋼板中，而兩個承重輪分別安裝在

12、兩塊鋼板間，用于承重，保證整個橫向行車機構的正常運動，但是這樣安裝和拆卸非常麻煩。方案二中安裝在橫梁上的四個承重輪通過軸來連接，軸與設計的t型座通過螺栓連接，這樣在結構上便于安裝。從輪子的安排上分析：方案一中導軌上表面的六個輪子，其中有四個是導向輪，只有兩個是承重輪，加上導軌下表面的四個導向輪，那么導軌上下表面總共有八個導向輪，這樣很難實現(xiàn)導向的同步性，而且增加了安裝的難度；方案二則只設計了四個導向輪用于導向，另外設計了四個承重輪用于承重，這樣不僅節(jié)省了材料，而且考慮到了軸的受力情況。從力學上分析：方案一只用兩個承重輪，那么與之連接的軸要承受電機、支架等零件的全部重量，從受力上看整個結構的的安

13、全系數(shù)不高，方案二則設計了四個承重輪，并且均勻分布在橫梁上，那么與承重輪相連的軸所承受的力也比較均勻,這樣不僅節(jié)省了材料，而且提高了整體結構的安全系數(shù)，根據(jù)兩個方案的比較，方案二更合理，因此選擇方案二。通過對x向移動方案的比較，確定其橫向行車機構。橫向行車機構中有八個輪子（輪子用軸承代替），其中t型座上安裝四個承重輪，導軌側面安裝四個導向輪，通過輪子在導軌上的滾動可實現(xiàn)行車系統(tǒng)的橫向運動。其中四個承重輪跟軸連接，軸通過螺栓固定在t型座上，考慮到輪子安裝間隙引起機構的移動產(chǎn)生搖晃和顛簸，影響其移動精度，支架與t型座采用螺栓連接方式，通過加減墊圈和彈簧墊圈來消除。其運動方式是通過齒輪與齒條的嚙合帶

14、動整個橫向行車機構運動。 3.2 主要零件的設計根據(jù)前面選定的設計方案可知，橫向行車機構的主要零件包括輪子，支撐軸，導向軸， t型座，導軌，橫梁，安全擋板。3.2.1 支撐軸的設計和校核軸的結構設計包括設計并確定軸的合理外形和全部結構尺寸。軸的結構主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及軸聯(lián)結的方法；載荷的性質、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。無論在什么具體條件下，軸都應滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應便于裝拆和調(diào)整；軸應具有良好的制造工藝性等。具體設計如下：（1） 材料的選擇應用于軸的材料種類很多，主要根據(jù)軸的使用條件

15、，對軸的強度、剛度和其他機械性能等的要求，采用的熱處理方式，同時考慮制造加工工藝，并力求經(jīng)濟合理。軸的材料一般是通過軋制或者鍛造經(jīng)切割加工的碳素鋼或合金鋼。對于直徑校小的軸，可用圓鋼制造；有條件的可直接用冷拔鋼材；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成是空心的，并且?guī)в泻附拥幕蝈懺斓耐咕?。軸常用的材料是優(yōu)質碳素結構鋼，如35、45和50，其中以45號鋼最為常用。不太重要及受載較小的軸可用q235、q275等普通碳素結構鋼，對于受力比較大，軸的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的軸可采用合金結構鋼。當采用合金鋼時，應優(yōu)先選用符合我國資源情況的

16、硅錳鋼、硼鋼等。對于結構復雜的軸（例如花鍵軸、空心軸等），為保持尺寸的穩(wěn)定性和減少熱處理變形可選用硌鋼；對于大截面非常重要的軸可選用硌鎳鋼；對于高溫或腐蝕條件下工作的軸可選用耐熱鋼或不銹鋼。45號鋼具有綜合的力學性能，淬透性低，水淬時易產(chǎn)生裂紋，所以選擇支撐軸的材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質處理，其機械性能查機械設計手冊中軸及其連接表5-1-1：硬度為217255hb，抗拉強度，屈服點，彎曲疲勞極限，扭轉疲勞極限，許用靜應力+1p=260mpa，許用疲勞應力-1p=180207mpa；查機械設計表15-1軸的許用彎曲應力，得。（2） 結構設計該軸主要用于固定輪子的，軸的一端裝入t型座中，通過螺栓固定在

17、t型座上；另一端安裝輪子，其具體結構尺寸見圖3.3（a）所示。（3） 軸的校核按彎扭校核支撐軸的受力圖如圖3.3（b）所示。對于零件作用于軸上的分布載荷或轉矩可當作集中力作用于軸上零件的寬度中點。軸中心的總受力為。軸傳動的轉矩為0。軸所受的徑向力：fr=g=309.8=294n計算作用于軸上垂直面的支反力：rv =73.5n計算軸的彎矩計算當量彎矩，查機械設計表15-1軸的許用彎曲應力，得： ，則，當量彎矩：（a） 軸（b） 軸的受力機斷面情況圖3.3校核軸的強度：b-b截面處彎矩最大，a-a和b-b截面處軸徑最小，都屬于危險截面。b-b截面處的當量彎矩為：a-a和b-b截面處的當量彎矩為：b

18、-b截面處查機械設計表15-4抗彎、抗扭截面系數(shù)、的計算公式：顯然， ，故安全。按安全系數(shù)校核判斷危險截面截面a-a、b-b都有應力集中源（配合），且當量彎矩均較大，故確定為危險截面。下面僅對b-b截面進行校核，其他截面校核方法與此同。疲勞強度校核a、b-b截面上的應力： 彎曲應力幅：；b、材料的疲勞極限：根據(jù)，查機械設計中軸的常用材料機械性能，得，；c、b-b截面應力集中系數(shù)：查機械設計手冊中螺紋處及配合邊緣處的有效應力集中系數(shù)，得，；d. 表面狀態(tài)系數(shù)及尺寸系數(shù)：查機械設計手冊中不同表面粗糙度的表面質量系數(shù)，得，；e. 分別考慮彎距或扭距作用時的安全系數(shù)：故安全。 由于其他三個支撐軸是一樣

19、的，所以較核過程是一樣，詳細見上，經(jīng)過計算和較核后，其他三根軸也符合要求。3.2.2 導向軸的設計和較核（1）材料選擇根據(jù)上面介紹45號鋼的特性，決定導向軸的材料為45號鋼，經(jīng)調(diào)質處理。 （2）結構設計根據(jù)所選輪子的型號，設計的軸的結構及尺寸如下圖3.4所示圖3.4 導向軸（3）導向軸的較核軸的計算校核過程與上面支撐軸的計算校核過程基本相同，這里就不詳細列出。經(jīng)計算和校核，所設計四根導向軸符合都設計要求。3.2.3 輪子的選型考慮到輪子很小，這里直接選用標準軸承來作用，并且將四個承重輪和四個導輪選取相同的型號，由于軸承可以選取標準件，所以選取gb/t276-1994深溝球軸承60000型，代號

20、625，其中具體參數(shù)如下：d=6mm，d=16mm，b=5mm，r=0.3mm，在導軌上開槽，使之能與軸承高精度配合。3.2.4 t型座的設計t型座與支架連接，其作用主要是用于固定輪子。圖3.5為t型座的結構示意圖，采用45鋼材料制作。圖3.5 t型座3.2.5 橫向導軌的設計（1）選材 在直線運動的導軌中，長導軌用校耐磨的和硬度較高的材料制造。這是因為：（1）長導軌各處使用機會難以均等，磨損往往不均勻。不均勻磨損對加工精度的影響比較大。因此，長導軌的耐磨性應該高一些。短導軌磨損比較均勻，即使磨損大一些，對加工精度的影響也不是太大。（2）減少修理的勞動量。短而軟的導軌面容易刮研。（3）不能完全

21、防護的導軌都是長導軌。它露在外面，容易刮傷。根據(jù)設計的要求，選擇長導軌，主體結構采用方鋼，選用45號鋼材制作。（2）設計參數(shù)為滿足數(shù)控切割機切割范圍3.010.0m的要求，并考慮導軌兩端的安全擋板的長度，將橫向導軌設計為3040mm長，其中有效行程為3000mm；橫向導軌的主體是型號為30303000的方鋼。結構如附件圖3.6:圖3.6 導軌圖3.6 導軌3.2.6 橫梁的設計q235屬于碳素結構鋼，它的主要特性是：具有較好的塑性、韌性和焊接性能、冷沖壓性能，以及一定的溫度、好的冷彎性能，根據(jù)q235的特性，導軌選用材料q235鋼板焊接而成，橫梁的設計如下圖3.7：圖3.7 橫梁3.2.7 安

22、全擋板的設計為了防止橫向行車機構不會因故障而沖出導軌，造成事故，所以就設計一安全裝置，這一安全裝置分為安全擋板和安全擋塊。安全擋板采用q235，通過螺栓與橫梁相連，安全擋塊采用橡膠，通過螺栓與擋板相連。因為整個橫向行車機構運動時有慣性，所以需要在行車機構的橫梁的兩端頭安裝安全裝置即可，因為當驅動邊撞上安全裝置的時候就可以馬上按急停裝置來阻止整個行車機構的沖出。具體尺寸見圖3.8所示。圖3.8 安全擋板4 橫向驅動機構的設計4.1 橫向步進電機的選型根據(jù)技術要求可知所要求的電動機的額定功率為1.5kw，切割速度范圍：03500mm/min。該龍門式數(shù)控火焰切割機選用的是非剛性切割刀具，切削阻力為

23、0，所以電動機的阻力小，轉矩較小。（電動機和變速器均到常州電機電器總廠外購）綜合考慮行車系統(tǒng)所需的動力，初步選擇90bf003型步進電機，其具體參數(shù)為：（1） 相數(shù)：3； （2） 步距角：1.5； （3） 驅動電壓：60v；（4） 相電流：5a； （5） 最大靜轉距：2nm； （6） 絕緣等級 e4.2 橫向驅動齒輪的設計4.2.1材料的選擇和熱處理方式齒輪材料的選擇原則：（1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求。（2）應考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱處理和制造工藝。（3）正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)質碳鋼可用于制作

24、在中等沖擊載荷下工作的齒輪。（4）合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。（5）飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡可能小，應采用表面硬化處理的高強度合金鋼。（6）金屬制的軟面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應保持為3050hrc或者更多。一般低速、重載傳動的齒輪，齒面易產(chǎn)生塑性變形、齒輪易折斷及磨損，應選用機械強度、硬度機械強度、硬度、韌性等綜合性能較好的材料；高速傳動齒輪，齒面易發(fā)生疲勞點蝕，應選用齒面硬度較高的材料；受沖擊載荷的齒輪傳動，應選用韌性較好的材料；大載荷的小尺寸齒輪，可選用性能較好的材料；要求不高的齒輪，如低速、輕載，則可采用鑄鐵等材料；尺寸大或形狀復雜的齒輪多采用鍛造毛

25、坯。常用的齒輪材料有鋼、鑄鐵、鑄鋼、塑料、粉末冶金等。鋼具有強度高，耐沖擊的特性，通過熱處理可獲得較好的力學性能，提高齒輪的承載能力。較重要的齒輪大多數(shù)采用中碳鋼和中碳合金鋼，常用鋼號為40、45、40cr、40mnb、40mnvb、37simn2mov，經(jīng)整體淬火和低溫回火后，具有較高的硬度和強度，合用于作載荷大且沒有沖擊的齒輪；經(jīng)調(diào)質處理后則強度和韌性等方面的綜合性能較好，硬度不太大，易精加工，但耐磨性較差，適合低速、中等載荷的齒輪。按使用條件，橫向驅動齒輪屬低速、輕載，重要性和可靠性一般的齒輪傳動?？蛇x用軟齒面齒輪，也可選用硬齒面齒輪。本設計選用軟齒面齒輪。并具體選用：齒輪：40cr經(jīng)調(diào)

26、制后，具有良好的綜合力學性能、低溫沖擊韌性及低的缺口敏感性，淬透性良好，根據(jù)40cr的特性，齒輪材質為40cr，齒部采用表面淬火處理，硬度為3035hrc。4.2.2 要求分析（1）使用條件分析根據(jù)所選步進電機的轉矩得齒輪的最大靜轉矩為：t=2nm根據(jù)設計所給的技術參數(shù)中的切割速度：03500mm/min，本機械又屬低速、輕載，重要性和可靠性一般的齒輪傳動。估算出主動齒輪的轉速：；齒輪與齒條的齒數(shù)比： ；圓周速度：估計；設計中把齒條看成與設計的齒輪同樣的齒輪。4.2.3 初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸（1）選擇齒輪類型根據(jù)齒輪傳動的工作條件，可選用直齒圓柱齒輪傳動，也可選用斜齒圓柱齒輪傳動。

27、本設計選用直齒圓柱齒輪。（2）選擇齒輪精度等級按估算的圓周速度，又因為要求傳動平穩(wěn)，由機械設計表3-5初步選用7級精度。（3）初選參數(shù)根據(jù)龍門式數(shù)控切割機的橫向驅動機構的結構尺寸，初選： d=60mm （4）初步計算齒輪的主要參數(shù)因本設計中橫向驅動機構較小較輕，采用步進電機驅動，工作機載荷平穩(wěn)，齒輪轉速不高，軸的剛性較小，所需傳遞的轉矩較小，查機械設計手冊3表23.2-3漸開線圓柱齒輪模數(shù)（gb1357-85），初步選定標準模數(shù)為：m=2mm。則，根據(jù)實際，取z=25圓周速度：，符合要求。齒輪的各項基本參數(shù)都取標準值：ha=2，計算齒輪的各項幾何尺寸如下：齒頂高：ha=2mm齒根高：hf =1

28、.25m=2.5mm齒全高：h= ha + hf =4.5mm齒頂圓直徑：da =m（z+2）=54mm齒根圓直徑：df =m（z-2.5）=45mm齒厚：b=（58）m=1016mm 齒寬：mm槽寬：周節(jié)：橫向齒輪的設計尺寸見下圖4.1圖4.1 橫向驅動齒輪4.3 齒條的設計齒條具有加工容易、壽命長、傳動精度高等特點，根據(jù)本機結構的要求，縱向運動采用齒條傳動，主體采用45鋼，齒部采用表面淬火處理，硬度為3035hrc，齒條的底面鉆有小孔，通過螺栓聯(lián)接安裝在橫梁上。4.3.1 材料選擇齒條具有加工容易、壽命長、傳動精度高等特點，根據(jù)本機結構的要求以及45號鋼的特性，縱向運動采用齒條傳動，主體采

29、用45鋼，齒部采用表面淬火處理，硬度為3035hrc。4.3.2設計分析及計算齒條的底面鉆有小孔，通過螺栓聯(lián)接安裝在橫梁上。根據(jù)設計要求切割范圍有3m，現(xiàn)在初步設計齒條的長度為3040mm，由于齒條在運動時可能會發(fā)生彎曲現(xiàn)象，為了保持齒條的直線度，所以在齒條上每隔150mm就鉆一個8的孔，一共要開21個孔，每個孔上都用螺栓定位，保證齒輪和齒條能夠很好的嚙合。圖4.2 橫向驅動齒條設計齒條的參數(shù)如下：周節(jié)t=3.14m=6.28mm 齒厚s=1.5708m=3.1416mm徑向間隙 c=0.25m=0.5mm 齒頂高 h1=m=2mm齒根高 h2=1.25m=2.5mm 齒工作高度 hg=2m=

30、4mm齒全高 h=2.25m=4.5mm4.4 齒輪齒條的校核4.4.1齒根彎曲強度校核由機械設計式（104）得直齒輪齒根彎曲強度校核公式為： （1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值a、由機械設計圖1020c查得齒輪的彎曲疲勞強度極限；齒條的彎曲疲勞強度極限；b、由機械設計圖1018查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；c、計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù)s1.4，由機械設計式（1012）得 d、計算載荷系數(shù)k e、查取齒形系數(shù)由機械設計表105查得，。f、查取應力校正系數(shù)由機械設計表105查得，。g、計算圓周力 其中，則： 從而得到： （2）計算把以上的數(shù)值代入校核公式，得到： 經(jīng)過校核，齒輪、齒條的齒根彎曲

31、強度都符合要求。4.4.2 齒面接觸疲勞強度校核由機械設計式（108a）得直齒輪齒根彎曲強度校核公式為：（1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值a、由機械設計表106查得材料的彈性影響系數(shù) ；b、由機械設計圖1021d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限；齒條的接觸疲勞強度極限；c、由機械設計式1013計算應力循環(huán)次數(shù)d、由機械設計圖1019查得基礎疲勞壽命系數(shù)，e、計算接觸疲勞許用應力取失效概率為1，安全系數(shù)s1，由機械設計式（1012）得 （2）計算把以上的數(shù)值代入校核公式，得到： 經(jīng)過校核，錐齒輪的齒面接觸疲勞強度符合要求。5切割頭上下移動機構的設計切割頭上下移動機構即z向的移動機構，它是通過電動機

32、傳出的動力，帶動絲桿螺母副來實現(xiàn)切割頭的z向移動。5.1 切割頭上下移動方案的比較與選擇方案一：如圖5.1示。切割頭上下移動機構主要由電動機、中心軸、導向桿、帶彈簧的絲桿、聯(lián)軸器、齒輪、切割頭、軸承座等組成。其中中心軸，兩根絲桿和兩根導向軸同時安裝在螺母板上；中心軸的一端與聯(lián)軸器相連，一端安裝在帶有軸承的軸承座中，中心軸的四周安裝著兩根導向桿和兩根帶有彈簧的絲桿，導向桿通過軸承固定在軸承座上，絲桿同樣通過滾動軸承安裝在軸承座上，其中中心軸和絲桿通過相互嚙合的齒輪來傳遞運動和動力。切割頭上下移動機構的運動方式是利用電動機傳出的動力帶動聯(lián)軸器，聯(lián)軸器帶動中心軸，中心軸的轉動通過相互嚙合的齒輪帶動絲

33、桿上下移動，絲桿在減震裝置和導向桿的導向的作用下從而使切割頭上下移動，完成切割。 1. 螺母板 2.導向桿 3.中心軸上的齒輪 4.聯(lián)軸器 5.絲桿上的齒輪 6.絲桿 7.中心軸圖5.1 方案一方案二：如圖5.2，切割頭上下移動機構主要由電動機、絲桿、螺母、夾緊機構、切割頭、聯(lián)軸器、軸承座等組成。絲桿的一端與聯(lián)軸器相連，另一端安裝在帶有軸承的軸承座上，用于固定。絲桿上安裝了一個螺母，將螺母設計成方型，一邊盡量靠近支架，另一邊通過夾緊裝置將其固定，而夾緊機構上安裝切割頭。切割頭上下移動機構的運動是利用電動機的動力帶動聯(lián)軸器，聯(lián)軸器帶動絲桿螺母運動，由于螺母外形呈方型，且有一邊緊靠支架，絲桿的運動

34、不能帶動螺母轉動，只能沿絲桿軸線往返移動。而螺母在絲桿上的上下移動帶動切割頭夾緊機構運動，從而實現(xiàn)切割頭的上下移動，完成切割頭與工件之間距離的調(diào)節(jié)。1.支架 2.聯(lián)軸器 3.螺母 4.螺母夾緊裝置 5.絲桿 6.軸承座 7.切割頭 8.切割頭夾緊裝置圖5.2 方案二方案比較：方案一和方案二都是利用電動機帶動絲桿，通過絲桿的轉動帶動切割頭的移動，從而完成對所需零件的切割。從結構上來比較：方案一是利用一根中心軸，兩根絲桿和兩根導向桿實現(xiàn)切割頭的上下移動，傳動穩(wěn)定性很好；而方案二則只利用一根絲桿，一個螺母和一個夾緊裝置來實現(xiàn)切割頭的上下移動，其結構比方案一較為簡單，所需材料少，零件也更容易制造加工。

35、從運動方式來分析比較：方案一是利用電動機帶動減速器，減速器通過聯(lián)軸器帶動中心軸，中心軸再通過相互嚙合的齒輪帶動絲桿轉動，絲桿在減震裝置和導向桿的導向的作用下，最終實現(xiàn)五根桿一起運動來完成切割頭的的上下運動；方案二則是通過電動機的傳遞出來的動力帶減速器，減速器的軸和絲桿通過連軸器連接，通過絲桿上螺母的上下移動來實現(xiàn)切割頭的上下移動。方案二將方案一中五根桿變成一根帶螺母的絲桿，運動過程更加簡單，傳動效率也更高。綜上所述，方案更加合理，所以選擇方案二。5.2 主要零部件的設計根據(jù)以上確定的方案，確定所要設計的主要零部件包括：絲桿、螺母、夾緊裝置、軸承座。5.2.1 絲桿的設計絲桿是實現(xiàn)切割頭上下移動

36、的一個重要零件，這里選35鋼為絲桿制作材料。35鋼具有強度適當，塑性較好，冷塑性高等特點，絲桿的具體設計見下圖5.3所示。圖5.3 絲桿5.2.2 螺母的設計根據(jù)45號鋼的特性，螺母的材料選擇45鋼，由于螺母只能上下移動，而不能在絲桿上轉動，所以將螺母設計成方型，它的具體設計見下圖5.4：圖5.4 螺母5.2.3 夾緊裝置的設計夾緊裝置我分成了兩個部分,其中包括夾緊切割頭部分的夾緊裝置和夾緊螺母部分的夾緊裝置，整個裝備通過鑄造出來。將熔化后的金屬液澆注到鑄型中，待其凝固冷卻后，獲得一定形狀的零件或零件毛坯的成型方法，稱為鑄造。鑄造獲得的毛坯或者零件稱為鑄件，鑄件一般需經(jīng)機加工后才能使用，所以夾

37、緊裝置是經(jīng)過加工后應用于實際中。鑄件的特點：（1）成型方便且適應性強；（2）成本較低；根據(jù)鑄件的特點，所以將切割頭夾緊裝置和夾緊螺母裝置鑄造在一起，經(jīng)過機加工后用于實際中。具體設計見下圖5.5和5.6圖5.5 切割頭夾緊裝置 圖5.6 螺母夾緊裝置5.2.4 軸承座的設計軸承座主要用于固定絲桿，它的里面同時安裝一個軸承，所以要注意設計時應保留軸承的安裝的位置以及安裝軸承時的情況，具體設計見下圖5.7圖5.7 軸承座5.3 步進電機的選型該龍門式數(shù)控火焰切割機選用的是非剛性切割刀具，切削阻力為0，所以電動機的阻力小，轉矩較?。妱訖C和變速器均到常州電機電器總廠外購）。另根據(jù)切割頭上下移動機構所需

38、動力，選擇9bf003型步進電機，其具體參數(shù)為：（1） 相數(shù)：3； （2） 步距角：1.5； （3） 驅動電壓：60v；（4） 相電流：5a； （5） 最大靜轉距：2nm； （6） 絕緣等級 e5.4 軸承的選型軸承是用于固定絲桿，所以根據(jù)設計出來的絲桿確定軸承的型號，所以選取gb/t276-1994深溝球軸承60000型02系列，代號6202，其中具體參數(shù)如下：d=15mm，d=35mm，b=11mm，r=0.6mm。6其他結構的設計6.1 聯(lián)軸器的設計選擇聯(lián)軸器的類型：（1）所需傳遞的轉矩大小和性質以及對緩沖減振功能的要求。（2）聯(lián)軸器發(fā)工作轉速高低和引起的離心力的大小。（3）兩軸相對位移

39、的大小和方向。（4）聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護和成本。根據(jù)傳遞載荷的大小，軸轉速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類聯(lián)軸器特性，設計的聯(lián)軸器的尺寸如下圖6.1，材料選取hu200。圖6.1 聯(lián)軸器6.2 軸套的設計由于設計的支撐軸和導向軸不能露在外面，因為那樣稠很容易被磨損，所以為支撐軸和導向軸各設計了兩個軸套。6.2.1軸套1的設計軸套1為支撐軸所設計，選取材料為20鋼，具體的設計尺寸見圖6.2：圖6.2 軸套16.2.2軸套2的設計軸套2為承重軸而設計，選取材料為20鋼，具體的設計尺寸見圖6.2圖6.3 軸套26.3 蓋板的設計由于絲桿、螺母等傳動零件露在

40、外面，為了不影響加工時的精度，所以設計了這個蓋板，用于防塵。設計的具體尺寸見下圖6.4圖6.4 蓋板圖6.4 蓋板6.4 底座的設計根據(jù)材料q235的特性，底板的材料選用q235，具體設計尺寸如下圖6.5所示： 圖6.5 底板6.5 橫向移動支架的設計根據(jù)材料q235的特性，支架的材料選用q235，具體的設計尺寸如下圖6.6所示：圖6.6 橫向移動支架總 結 這個學期從開始到設計結束，觸及所學方面的各種知識，加深了對專業(yè)知識的了解，從開題報告發(fā)下來，我主要在網(wǎng)上找一些設計課題相關聯(lián)的資料，這是為以后做設計做一定的準備，接下來是總體方案的確定，然后是橫向驅動機構的設計，橫向行車系統(tǒng)的設計，切割頭

41、上下移動機構的設計這三個主要部分的設計，與此同時還繪制了龍門式火焰數(shù)控切割機橫向進給系統(tǒng)的總裝圖以及各個零件的圖紙的繪制，并且參與龍門式火焰數(shù)控切割機總體結構的繪制。到了5月中旬，開始撰寫關于龍門式火焰數(shù)控切割機橫向進給系統(tǒng)的設計說明書，以及英文翻譯和相關圖紙。到6月中旬，準備畢業(yè)答辯。現(xiàn)在簡單的介紹下整個設計：第一章是緒論，主要介紹數(shù)控切割機的發(fā)展，以及對我國實際情況將數(shù)控切割技術分類，將各個時期的數(shù)控切割機的特點和優(yōu)點作了一個簡單的闡述，并且比較了各個時期的數(shù)控切割機的優(yōu)缺點，然后對龍門式數(shù)控火焰切割機的發(fā)展趨勢作了一個簡單的介紹。第二章主要是確定龍門式火焰切割機的總體方案，根據(jù)設計要求，

42、對所設計的龍門式火焰切割機橫向進給系統(tǒng)作仔細的分析，將總體設計方案和總體結構確定下來。第三章是橫向行車機構的設計，從方案確定到各個零件的設計和較核都經(jīng)過仔細分析和考慮，特別是從節(jié)約材料、減輕重量、優(yōu)化結構等方面。第四章是橫向驅動機構的設計，主要是對步進電動的選型，齒輪的設計和較核，以及齒條的設計作了分析。第五章介紹的是切割頭上下移動機構的設計，首先進行了方案的比較，確定其結構，然后對零部件進行設計。其中第三、四、五章是我這次設計的重點。整個設計過程嚴格遵循機械設計學的思想，力求創(chuàng)新，如切割頭上下移動機構的設計，將復雜的結構變的簡單；以及在橫向行車機構中，將輪子的數(shù)量減少，并且考慮到安裝、受力問

43、題，將材料減到最少，并且使整個機構的安全系數(shù)提高。整個設計以經(jīng)濟性、實用性為前提，在設計過程中充分考慮了方案的可行性，結構的合理性、穩(wěn)定性、可靠性，制造加工的工藝性等因素，最終設計出了一款結構簡單輕巧、工作穩(wěn)定可靠，操作靈活方便、精度效率高的龍門式火焰數(shù)控切割機的橫向進給系統(tǒng)。當然，由于所學知識有限、實踐經(jīng)驗不足以及設計條件的限制，所設計出的龍門式火焰數(shù)控切割機各部件還存在不同程度的不足，如在設計控制橫向進給系統(tǒng)移動的軸承上，是否能減少軸承的數(shù)量，以及在提高加工的精度上，等等。但整個設計過程必將成為自己將成為工作的重要經(jīng)驗。參考文獻1李亞江. 切割技術及應用m. 北京: 化學工業(yè)出版社，200

44、42楊立平. 常用金屬材料手冊m. 福州: 福建科學技術出版社，20063韓永生. 工程材料性能與選用m. 北京: 化學工業(yè)出版社，20044吳宗澤. 機械零件設計手冊m. 北京: 機械工業(yè)出版社，20045紀名剛，濮良貴. 機械設計(第七版) m. 北京: 高等教育出版社，20016劉小年，劉振魁. 機械制圖m. 北京: 高等教育出版社，20007汪浩，寧海霞. 金屬熱處理m. 北京: 化學工業(yè)出版社，20068李弘英，趙成志. 鑄造工藝設計m. 北京: 機械工業(yè)出版社，20059劉晉春，趙家齊，趙萬生. 特種加工m. 北京: 機械工業(yè)出版社，200410董慶華，王志敏. 數(shù)控火焰等離子切割機機械設計j. 承德石油高等?？茖W校學報， 2002，4（2）: 2511楊可民，呼新崗. 自動仿形火焰切割機j. 北京: 機械與電子出版