數控火焰切割機設計論文

1、 PAGE * ROMAN III中 文 摘 要摘要本課題所設計的數控火焰切割機是一種小型切割設備，它可以很方便的對 金屬材料進行直線或曲線切割，可廣泛應用于機械、建筑、化工、航天等行業(yè)。首先，本文通過對火焰切割技術及數控火焰切割機的國內外研究現狀的分析，對火焰切割機的總體結構進行了設計，整體采用龍門式結構，縱向、橫向和垂直三個方向進給運動均選用步進電動機帶動滾珠絲杠傳動的開環(huán)控制系 統。由于火焰切割機切割工件時無切削力，所以縱向進給運動采用電機直接驅動工作臺運動來完成。其次，利用三維設計軟件 Solid Works 完成了火焰切割機各零件的三維實體造型，并根據各零部件之間的定位關系，完成了總

2、體裝配， 驗證了設計的合理性。最后，為了加工制造的方便還繪制了切割機的所有零部件和裝配體的工程圖。關鍵詞：數控火焰切割機，龍門式，結構設計，Solid WorksAbstractAbstractThe 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 i

3、ndustry, 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

4、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 s

5、tepping 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 e

6、nd, 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 錄目錄 HYPERLINK l _TOC_250008 摘要IABSTRACTII HYPERLINK l _TOC_250007 目錄III HYPERLINK l _TOC_250006 第一章引言1 HYPERLINK l _T

7、OC_250005 切割技術的種類及發(fā)展1 HYPERLINK l _TOC_250004 數控火焰切割簡介1火焰切割及數控火焰切割技術1國內外數控火焰切割技術的發(fā)展2數控火焰切割機的市場及發(fā)展3 HYPERLINK l _TOC_250003 第二章機床總體設計及軟件平臺選擇5 HYPERLINK l _TOC_250002 總體方案的確定5 HYPERLINK l _TOC_250001 控制及傳動系統選用5割矩設計6SOLID WORKS 軟件平臺簡介7 HYPERLINK l _TOC_250000 SOLID WORKS 的主要特點8第三章數控火焰切割機伺服系統設計錯誤！未定義書簽。

8、數控系統控制方式及組成原理錯誤！未定義書簽。步進電機原理及特點錯誤！未定義書簽。步進電機的選擇錯誤！未定義書簽。橫向步進電機的選擇錯誤！未定義書簽?？v向步進電機的選擇錯誤！未定義書簽。垂直方向步進電機的選擇錯誤！未定義書簽。第四章 火焰切割機傳動裝置設計錯誤！未定義書簽。螺旋傳動錯誤！未定義書簽。滾珠絲杠副的工作原理及特點錯誤！未定義書簽。滾珠絲杠副的設計錯誤！未定義書簽。導軌錯誤！未定義書簽?？v向導軌設計錯誤！未定義書簽。橫向導軌設計錯誤！未定義書簽。第五章 結論錯誤！未定義書簽。參考文獻錯誤！未定義書簽。致謝錯誤！未定義書簽。第一章 引言 PAGE 4第一章引言切割技術的種類及發(fā)展切割是焊

9、接生產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成為現代工業(yè)生產（特別是焊接生產）中的一個 重要工序，被焊工件所需要的幾何形狀和尺寸，絕大多數是通過切割來實現的。切割技術被廣泛的應用在國民經濟建設的各個領域里。近年來，由于機械工業(yè)飛速發(fā)展的需求和國外先進技術的引進，我國切割技術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、半自動化切割技術的發(fā)展，使得切割技術可以代替部分機械加工，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

10、用的工藝方法，這種切割方法設備簡單、操作方便靈活、投資費用少、切割質量好等特點。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使得它自進入工業(yè)領域以來一直作為工業(yè)生產中切割碳鋼和低合金鋼的基本方法而被廣泛采用。而本文介紹的數控火焰切割機就是在早期切割機的基礎上結合近年來高速發(fā)展的微型計算機技術被廣泛應用于工業(yè)領域的實際情況設計出的一種新型切割設備。數控火焰切割簡介火焰切割及數控火焰切割技術火焰切割就是利用氣體火焰的熱能將工件切割處金屬預熱到一定溫度后， 噴出高速切割氧氣流使預熱處的金屬燃燒并放出熱量實現切割的方法。最常見的氣體切割是氧-乙炔火焰切割。鋼材的氣割是利用氣體火焰（稱預熱

11、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），然后送進高純度，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，同時放出大量熱，借助這些燃燒熱和熔渣不斷加熱鋼材的下層和切口邊緣，使之也達到燃點，直至工件的底部。與此同時， 切割氧流把氧化鐵熔渣吹掉，從而形成切口將鋼材切割開。數控火焰切割機是應用計算機數字程序控制（Computer Numerical program Control）的全自動化切割設備，人們借助計算機輔助設計程序，把所要切割零件的形狀、尺寸、切割順序及切割過程中的各項輔助功能按一定的語言程序規(guī)則進行編程，然后輸入控制機，經運算后發(fā)出運動控制及輔助功能指令，再有伺

12、服行走系統和切割執(zhí)行機構協調動作，從而完成所需零件的切割。數控火焰切割機的特點：功能齊全，自動化程度高具有割炬自動升降和自動調高、自動點火、自動穿孔、自動切割、噴粉畫線、噴印字碼、噴水冷卻、割縫自動補償、 熄火返回重割、動態(tài)圖形跟蹤顯示等功能，實現了切割全過程的自動控制。可配置多個割炬工作，省去了制作樣板和劃線的工時，生產效率高 采用套料程序，提高鋼板利用率。能合理選定切割工藝參數及切割路徑，可減小熱變形，加工精度高， 切割質量好，能夠減少后續(xù)打磨和裝焊工時。切割信息易于準備、修改和保存。機器運行穩(wěn)定可靠，操作方便。國內外數控火焰切割技術的發(fā)展國外工業(yè)發(fā)達國家，如德國、日本、瑞典等，正積極開發(fā)

13、各種新型切割設備（特別是數控切割機）和新的切割工藝。相繼開發(fā)出了各種快速割嘴和高速切割方法，如高壓擴散型快速割嘴、高壓細氧射流割嘴、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。國外數控火焰切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本其主要廠家有德國的伊薩（E SAB）、梅塞爾（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池（KOIKE），美國的（L-TEC）、林德（LINDA）等。而能夠代表數控等離子切割技術最高水平的廠家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最全、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控切割機。國外數控火焰切割機的生產廠家主要集中在德國

14、、美國和日本其主要廠家有德國的伊薩（E SAB）、梅塞爾（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池（KOIKE），美國的（L-TEC）、林德（LINDA）等而能夠代表數控等離子切割技術最高水平的廠家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最全、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控切割機。我國數控切割技術的開發(fā)工作開始于 20 世紀 80 年代初，起步是數控火焰切割機。到了 20 世紀 90 年代，在數控火焰切割技術趨于成熟，國內一些數控切割機產品在許多方面已形成自身獨有的特點，實現了“自動化，多功能和高可靠性”。在某些方面，產品的技術性能甚至超過了國外的產品。在

15、此基礎上，國內的生產企業(yè)又通過嫁接引入國際上先進的等離子切割系統，采取引進和自主開發(fā)相結合的方法，開展了數控等離子切割機的研制。歷經 20 多年，終于取得了可喜的成就，目前國產數控等離子、火焰切割機門類和規(guī)格已相當齊全，其中部分產品在技術性能指標和功能上均已接近或達到國際水平，產業(yè)化進展順利，并已具備一定的經營規(guī)模。目前國內生產數控火焰切割機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備有限公司，哈爾濱四海數控機械制造有限公司，深圳市博利昌數控切割設備有限公司，無錫華聯焊割設備廠，北京百惠宏達科技有限公司等幾家?，F在國產數控火焰切割機與國外產品的差距已經不大

16、，性能也比較穩(wěn)定， 只是國產切割機為保證質量，一些主要部件如電磁氣閥、減壓閥、交流伺服系統等均采用進口件，目前產品的質量仍然不穩(wěn)定。總之，無論從切口質量、易損件的耐用度等國產與進口的仍有一定的差距，因此要完全替代進口還需一段時間。數控火焰切割機的市場及發(fā)展數控火焰切割機是一種將電腦控制、精密機械傳動、氧、燃氣切割三者技術相結合的高效率、高精度、高可靠的熱切割設備。它適用于造船工業(yè)，重型機械，化工設備，鍋爐制造，機車車輛，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備?，F代金屬制造企業(yè)如：造船、壓力容器、工程機械、電站設備、橋梁和鋼結構等行業(yè)為優(yōu)化其產品的結構性能，使得產品更經濟，生產周期

17、更短，在國際市場更具競爭力就必須對其原有的制造技術和生產工藝提出新的設想和要 求，首先要徹底改變以往手工和半自動切割的低效率狀況，廣泛采用數控切割設備，只有這樣才能從根本上緩解了我國機械制造業(yè)飛速發(fā)展所帶來的鋼板和其他金屬板材切割量急劇增大的巨大壓力，為今后在整個制造業(yè)擴大應用數控等離子、火焰切割機和應對未來國外同類企業(yè)的挑戰(zhàn)打下了基礎。目前，我國機械加工行業(yè)中鋼板下料普遍采用手工乙炔切割，這種現象不僅存在于小規(guī)模單件生產的小型企業(yè)，也存在于大批量生產的大型企業(yè)中， 而國外企業(yè)的下料工序大部分采用了數控氧乙炔或數控等離子切割方法，不僅可提高材料利用率，而且改善了產品質量，優(yōu)化了工作環(huán)境，使人員

18、工作效率得到了提高。之所以數控下料不能在我國普及主要有三個方面原因：資金問題、設備故障維護問題、操作問題。因此研制功能不是很強大但操作簡單，性能可靠，價格相對便宜的實用型的火焰切割機就迫在眉睫這也就意味著目前設計和制造經濟型數控火焰切割機在國能將有廣闊的市場。 致謝 PAGE 12第二章機床總體設計及軟件平臺選擇總體方案的確定數控火焰切割機的結構有龍門式、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構，龍門式結構框架不專門設 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給的溜板上，橫 向溜板沿橫梁導軌作橫向進給運動，割嘴沿垂直方向導軌作垂直進給運動。由

19、 于該火焰切割機切割工件時反切削力幾乎為零，縱向進給運動可由工作臺來完 成，所以縱向采用電機直接驅動工作臺來完成。本課題所設計的切割機整體結 構如圖 3-1 所示?？刂萍皞鲃酉到y選用縱向、橫向和垂直三個方向的進給運動均由步進電動機驅動的開環(huán)控制系統。電動機采用反應式步進電動機，這類電動機步距角小，工作頻率高，控制功率小，輸出轉矩大，無勵磁時具有轉矩定位的優(yōu)點。橫向、縱向和垂直進給運動選用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠的摩擦系數小于絲杠，從而使各個進給總體剛度值增大，且傳動比較平穩(wěn)，綜上可確定其總體方案為：采用微機對數據進行計算處理，由 I/O 接口輸出脈沖給步進電動機帶動滾珠絲杠實現縱向、橫向和垂直方

20、向的進給運動。三個方向的進給運動是本課題設計的重點，本文將在第三章和第四章重點介紹。割炬設計圖 2-1 火焰切割機的基本結構割炬又稱割槍，是氣割必不可少的工具。割炬的作用是向割嘴穩(wěn)定的供送預熱用氣體和切割氧，并能控制這些氣體的壓力和流量，調節(jié)預熱火焰的特性等。對割炬的要求是簡單輕便，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，等壓式多用于機械式切割。本設計采用等壓式結構，這種割炬的預熱火焰是按等壓式焊矩原理設計的。預熱氧和切割氧分別由單獨的管道進入割嘴(壓力相當)，在割嘴內混合，產生預熱火焰。這類割炬配有專用割嘴，結構簡單，預熱火焰

21、穩(wěn)定，回火現象比較少，本設計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:圖 2-2 割炬24 Solid Works 軟件平臺簡介Solid Works 是由美國 Solid Works 公司開發(fā)的三維機械 CAD 軟件，SolidWorks 2006 是其最新版本。自 1995 年問世以來，Solid Works 以其強大的功能、易用性和創(chuàng)新性，極大地提高了機械工程師的設計效率，在與同類軟件的競爭 中逐步確定了它的市場地位。Solid Works 在功能上所進行的更改都緊緊圍繞兩個目標：使用戶通過圖標板來了解工具；使資深用戶通過直接建模來處理

22、模型，以加快建模速度。Solid Works 是一個優(yōu)秀的三維模型制作軟件系統可以非常方便地生成三維模型，并且可以很容易地根據三維模型生成工程圖。此外，利用Solid Works 制作三維模型時，它完全依賴于各種特征，并且用戶可以在任何時候對特征進行修改或者刪除，從而可在模型設計過程中大大地提高設計效率，并降低設計難度。Solid Works 的用戶界面包括標題欄、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:圖 2-3 Solid Works 的用戶界面25 Solid Works 的主要特點Solid Works 的功能強大、易學易用、高效等特

23、點，嶄新的屬性管理器用來高效地管理整個設計過程和步驟，包含所有的設計數據和參數，界面直觀、操作更方便。機械設計師能快速地按照其設計思想繪制草圖，并嘗試運用各種特征與不同尺寸，制作模型和詳細工程圖。SolidWorks2006 的新增功能與插件能夠使用戶更加得心應手地建立模型，并提供產品數據管理集成平臺，以展示可能的設計實施及設計意圖的高層概念。Solid Works 是的特征一般分為基礎特征和附加建模特征兩類?；A建模特征是最基本的三維實體造型方式，包括拉伸、切除、旋轉、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，對已有特征進行局部修 飾的特征建模方法。如圓角、倒角、筋、

24、抽殼、鏡像、圓周陣列、線性陣列和 異形孔向導等。Solid Works 建立在廣泛公認的性能優(yōu)勢之上，它把創(chuàng)造性的新和設計師手中。這些技術超越了純粹的參數化系統和那些過時的所謂混合建模 系統。高性能裝配建模的新功能，包括符號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，特征建模技術就是將一個一個的特征組合起來，形成一個三維的實體零件。特征技術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。這些都可以使用戶對設計產生更大的信心，而無需反復地制造產品的原型。更多的改進體現在加工、布線系統、

25、開放性、系統管理等方面，所有這些都可使新的解決方案給人留下深刻的印象。Solid Works 的主要特點如下：真正的相關性，任何修改都會自動反映到所有相關的部位。具有真正管理并發(fā)進程、實現并行工程的能力。具有強大的裝配功能，能夠始終保持設計者的設計意圖。具有強的通信功能，可以和其他 Solid Works 用戶同等地交換產品生產周期數據。容易使用，可以極大地提高設計效率。Solid Works 擁有一個全新的用戶界面，可以使用戶快速入門。它對人體工程學的強烈關注體現在，為建模提供更大的繪圖區(qū)域，更簡單的視圖控制， 減少鼠標移動，增強色彩配置方案等，從而可增加用戶使用的舒適度，幾何模型的建立更加

26、簡單。所謂全相關性，是指 Solid Works 的所有模板都是全相關的。這就意味著， 在產品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新 所有的工程文檔，包括裝配體、工程圖以及制造數據。全相關性鼓勵在開發(fā)周 期的任何一點進行修改，卻沒有任何損失，使并行工程成為可能，所以能夠使 開發(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、旋轉零部件，這些是零部件在裝配文件中的基本操作。同時， 為零部件添加合適的配合關系就像實際的安裝過程。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

27、晰。Solid Works 能方便地進行零件設計，裝配設計和工程繪圖。零件是由草圖生成的特征組合而成。Solid Works 提供的草圖拉伸、掃描、旋轉等常規(guī)操作十分方便，特征增刪、拖動釋放、拷貝剪貼、屏蔽等處理功能十分有用。用戶還可以通過將共性特征建立為特征庫 而多次使用。草圖尺寸標注、圖素幾何關系定義、約束狀態(tài)檢測、視圖定義命名以及不同壁厚的多面薄殼處理、自動生成模具分模線等功能使用戶能應用自如地構造零件。Solid Works 可以很快地將設計好的零件裝配在一起，利用同軸、貼面等配合關系定義嚴格裝配，并提供全參數化的裝配設計功能，即在裝配設計環(huán)境里隨零件設計的修改，將會引起整個裝配體的其

28、它相關部分的自動修改。Solid Works 是基于特征的參數化三維實體建模系統，在開始設計之前考慮一下設計目標的整體結構，然后制定出良好的設計路線，有效地發(fā)揮系統的功能，加快模型的創(chuàng)建速度，節(jié)約設計時間。Solid Works 中，對于結構、形狀稍微復雜的產品模型進行建模的思路是將整個產品分解為多個特征，通過特征之間的布爾運算逐步得到完整準確的產品模型。其中，往往將整個產品中最主要的或是最大的部分視為基本特征，首先完成對它的造型。其它部分作為添加特征，以搭積木的方式，在基本特征的基礎上，通過添加，去除、求交等布爾運算最終得到整個產品模型。最后，在進行一些細小特征的添加，如倒角、倒圓和孔特征等

29、等，由此得到最后準確完整的產品模型。每一個特征的建立，基本上按照同樣的步驟完成。三維實體特征建立的基本思路是從二維到三維的過程。生成一個三維實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，為進一步生成三維實體特征做好準備。通過 Solid Works 中提供的完善的定義功能，可以將三維坐標系統中的三個坐標平面作為初始草圖平面。而在接下來的設計中，通常每加一個特征，允許定義一個草圖平面，這時的草圖平面不僅有前面所說的三個坐標平面，而且還有以之為基礎進行偏移、旋轉、相切所得到的空間平面；也可以選擇已經生成的三維實體特征的一個平直表面，或以之為基礎，進行偏移、旋轉、相切所得到的空間平面