数控火焰切割机的设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 毕业设计 (论文 ) 数控火焰切割机的设计 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 20*年 5 月 27 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 摘要 本课题针对数控火焰切割机的设计。横梁的机构设计主要对其结构的确定，之后对传动装置进行了选择及计算检验，最后对主要传动的零部件进行选择校核。其中主要对滑动丝杠和滚动丝杠的强度及传动效率等进行了计算校核。并对横梁设计中存在的结构部件的联接问题进行了改进。火焰切割头是在传动装置的基础上运用丝杠的转速控制运动，用单片机控制电机的转速来达到效果。对控制电路设计也做 了系统的详解，主要对所涉及的键盘、显示器、主要芯片做了选取应用。 关键词 火焰切割机；电气控制；横梁设计；单片机 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) of of of of of of of of of s is in of in of of in is on to I a of of to of of 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 目 录 摘要 . I . 绪论 . 1 题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求 . 1 题的意义和目的 . 1 究范围和技术要求 . 1 门式火焰切割机的简介和特点 . 1 介 . 1 点 . 2 内外的现状 . 2 展前景 . 3 2 总体方案设计 . 5 体方案的设计 . 5 能与技术参数的分析 . 5 梁机构设计简介 . 5 切割头横向移动电气控制设计简介 . 5 柱的设计 . 5 架的设计准则及要求 . 5 柱结构 . 6 3 横梁机械机构 设计 . 9 门式横梁结构设计 . 9 定龙门式火焰切割机横梁结构 . 9 动装置类型的选用 . 9 动方案的选取 . 10 床零部件的设计 . 10 杠副的选取 . 11 轨的选型及计算 . 15 轴器的选取 . 16 承的选取 . 18 柱底座横向进给的滚动丝杠的计算 . 19 进电机的选取 . 21 4 电气控制设计 . 25 定机 床控制系统方案 . 25 成元件的介绍 . 25 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 主要芯片的选取 . 25 盘接口原理 . 25 制电路设计 . 26 用多片 扩展电路 . 26 89要管脚功能 . 27 态 片的选用 . 27 155 工作方式查询 . 28 9存储器及 I/O 的扩展 . 29 155 状态查询 . 30 155 内部定时电路 . 30 9址分配 . 31 155 扩展 I/O 端口的初始化程序设计 . 32 盘电路设计 . 33 盘功能 . 33 盘程序设计 . 33 光报警电路 . 36 示器设计 . 36 示器显示方式的选取 . 36 示器接口电路 . 36 电隔离电路选用 . 36 结论 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 1 绪论 题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求 题的意义和目的 火焰切割机是工程中金属板材切割的常用设备，可以根据要求在板材上切割出不同形状。采用数控技术的多点火焰切割机可以同时进行多种切割加工。龙门式火 焰切割机是一种针对大型板材的火焰切割设备。本课题要求对龙门式火焰切割机的横梁机械机构进行设计，并设计切割头的横移控制系统。 究范围和技术要求 本次设计任务是设计一台单片机（ 89控芯片）控制火焰切割机床，主要设计对象是横梁及 89片机对纵、横向进给脉冲当量 作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滑动丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。 要求切割头横向移动距离 横向最大移动速度 秒，且双切割头可以同时做相同或相反移动。 门式火焰切割机的简介和特点 介 在机械加工过程中，板材切割常用 的 方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割 较为 灵活方便，但手工切割 的 质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工 的 工作量 又 大，同时劳动条件 非常 恶劣，生产效率 很 低。半自动切割机中 的 仿形切割机，切割工件的质量 比 较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件 的 切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人 的 劳动强度，但其功能 比较 简单，只适合一些较 为 规则形状的零件切割。数控 切割相对手动和半自动切割方式来说，可 以 有效地提高板材切割地效率、切割质量， 而且能 减轻操作者 的 劳动强度。目前在我国的一些中小企业甚至在一些大型企业中使用手工切割和半自动切割方式还 是 较为普遍 的 。 龙门式数控火焰 /等离子切割机采用双边驱动， 即双切割头， 运行稳定，配置好，工作效率 很 高，可 以 用于各种异形碳钢、锰钢、不锈钢等金属材料的大、中、小型钢板下料。还可根据用户 的 要求配置多把割炬。 见下图 1州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 图 1等离子切割机 点 用方管对焊 的 结构，具有刚性好，精度高，自重轻，惯量小的特点。所有的 焊接件均 采用 振动时效去应力处理，有效的防止了结构变形； 向驱动：横向导轨 则 采用 了 台湾进口的直线 式 导轨，纵向导轨是由精密加工的特质 钢轨制成 的 ，保证了切割机的运行平稳，精度高，且经久耐用，清洁美观； 3 纵向驱动架（端架）：两端装有水平 的 导向轮，可调整 其 驱动架底部偏心轮对导轨的压紧程度，使整机在运动中 能够 保持稳定的导向； 4 驱动系统选用 步进 电机和驱动技术，使整机运行平稳，速度变速范围宽，加速时间短； 5 简单易用的自动编程系统，使编程不再 那么的 复杂，轻而易举； 6 电气系统具有优良稳定性和超强抗干扰； 内外的现状 目前来说切割机应用在金属及非金属行业上，一般来说，非金属行业分得比较细致，比如有切割石材的石材切割机、水切割机、锯 齿切割机，切割布料、塑料及化纤制品用的激光切割机、刀片式切割机，切割金属材料的则有火焰切割机（火焰切割机又分数控火焰切割机和手动火焰切割机。而手动的又有小跑车、半自动、纯手动的；数控的 有龙门式数控切割机 、 悬臂式数控切割机 、 台式数控切割机 、 相贯线数控切割机等等 ）、等离子切割机。 切割成本方面来说，激光切割机是最昂贵的，也是精度和效率最高的一种切割设备，水刀切割机次之，然后就是火焰切割机，等离子切割机是最便宜的。（见下图 1 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 图 1经过 了 几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面 均 取得了长足的发展， 譬如 切割能源已 经 由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源 (火焰、等离子、激光、高压水射流 等等 )切割方式；数控切割机控制系统已由当初的简 单功能、复杂编程和输入方式 及 自动化程度不高 已经 发展到具有功能完善 的 、智能化 的 、图形化 的 、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式 的 伺服驱动 。 展前景 随着现代化的机械加工业的发展，人们对切割的质量、精度要求的不断提高，并对生产效率的提高、生产成本的降低、高智能化地自动切割的功能要求也在不断的提升。数控切割机必须要去适应现代化机械加工发展的要求。 从现在几种通用的数控切割及应用情况来看，数控火焰切割机的功能及性能已经比较完善了，但是对切割材料有局 限性（只能切割碳钢板），其切割速度也慢，生产效率低，适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。 等离子切割机具有切割范围广（可以切割所有的金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子的电源技术的提高、数控系统与离子切割配合的问题，比如电源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精细等离子技术也能提高切割速度、切面质量和切割精度；通过完善和提高数控系统来实现对等离子切割效率和切割质徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 量的提升。 激光切割机的切割速度快，精度和切割质量好等特点。在国家指定的长期发展规划时，又是将激光切割列入了 关键支撑技术。因其涉及国家安全、国防建设及高新技术的产业化和科技前沿的发展，所以要对激光切割有很高的重视程度，这就将激光切割机的制造和升级带来很大的商机。随着用户对激光切割技术特点的逐步了解和采用的示范性地深入，这就带动了国内企业开发、生产激光切割机。 数控管材切割机适用于各种管材上的切割，如切割圆柱正交、斜交、偏心交等相贯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子的端部切割与之相交的相贯线。这种类型的设备已经广泛运用在金属结构件的生产，电力设备、锅炉业、石油业、化工等部门。它是行业内比较高端 的产品之一，此类的设备切割功能可以满足焊接工艺众不同的板材开不同角度的坡口要求。随着造船业地发展，船厂在国内率先引进和使用数控等离子切割机。随着技术的发展，目前国内外的船厂纷纷配备了具有回转坡口功能的等离子切割机，为了满足其高技术、高附加值船的建造要求。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 2 总体方案设计 体方案的设计 能与技术参数的分析 为了提高工作的效率，所以采取双切割头同时工作，来缩短工作的时间。头的支承取用龙门式，这样可以有利于调整龙门的大小来实现加工不同尺寸钢的要求。龙门式的机床不但具有使用寿命长，工作的稳定性高的特点，而且能最大限度地满足加工不同型号钢的要求，其缺点就是只能在固定的地点加工，使用起来不够灵活简便。由于要切割曲线割缝，割头由十字滑台带动，这样既能简化其结构，又能满足其运动要求。 梁机构设计简介 因为切割速度要满足板厚和火焰对其的要求，所以要以无级调速。传动方式采用丝杠旋转，丝杠螺母带动工作台直线运动，利用调节丝杠的转速来控制割头的速度。而且要求的加工精度为 1 4以丝杠能很好地保证传动精度和平稳性。电机与丝杠用联轴器直接连接就可以使传动系统的转动 惯量减小，而且减少对电机的负担，实现无级调速。丝杠的传动采用步进电机来带动其运动。 切割头横向移动电气控制设计简介 切割头采用电气控制方式，首先确定电动机，然后对其电流估算。对电气控制的电器元件进行选择。本设计采用 031单片机扩展控制系统。 靠性好，功能强，速度快，具有很高的性能价格比。控制系统由微机部份，键盘，显示器及 I/微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速，从而实现割枪的无级调速。 柱的设计 架的设计准则及要求 1. 机架的设计准则 机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。 2. 机架的设计要求 (1)在满足其刚度和强度的前提下，机架的重量应达到轻、成本低的要求； (2)抗振性好、噪声小； (3)温度场分布合理，热变形对精度的影响小； (4)结构设计合理且工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工； (5)结构力求方便安装和调整，同事也便于修理和更换零部件； (6)有导轨的机架要求其导轨面受力合理，耐磨性好； 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 (7)造型好看，即经济适用，且美观大方。 机架一般分为铸造机架和焊接机架两类，焊 接结构与铸造结构相比之下，焊接结构具有高强度和刚度，重量轻，生产周期短及施工简便等优点。 表 2造机架和焊接机架的对比 铸造机架 焊接机架 重量 较重 钢板焊件比铸件轻 30% 强度，刚度，抗振性 刚度强度较低，阻尼大 强度刚度大，抗振性差 价格 便宜 价格较贵 生产周期 周期长，资金周转慢 生产周期短 设计条件 铸件壁厚不能相差过大，只能用开口的结构 设计比较灵活，壁厚可以相差较大 用途 大批量的生产 单件小批量生产 在比较上述参数和结合本次设计的具体事况，最后选用焊接机架。从可焊性上 考虑，一般选取碳含量 碳钢。 柱结构 焊接柱按外形分为实腹柱和格构柱。 1实腹柱 实腹柱又分为型钢实腹柱和钢板实腹柱，前者焊缝小应该优先地选用，后者适应性强，可按使用要求设计成各种大小的尺寸。当腹板的计算高度为 h，与腹板厚度 0时，应有横向隔板来加强，间距不得大于 3h，柱肢外伸自由宽度 5吨。 2. 格构柱 格构柱分缀板式和缀条式两种。 最后设计选择型钢实腹柱。如图 22 图 2 2 实腹柱 截面形状 由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除与其截面的面积有关外，还取决于截面的形状，合理改变截面的形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而使其充分发挥材料的作用。从机械零件手册里查得取用矩形面，其抗弯与抗扭惯性矩相对值较大。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 综合上述条件，立柱则采用型钢实腹柱，截面形状为方形，选取结构用冷弯形空心型钢，这样可以减小焊缝和避免焊缝受到集中应力的影响。 国标为： 6728 1986 （ 1）一般钢号为 20或 力学性能与化学成分应符合： 700， 699 和 1591的规定。 （ 2）弯曲部分的内弧半径 235, t r 4.0t， r 选取的型号： 71，边长 50 , 壁厚 2 , 理论重量： , 截面面积： 221 惯性矩： 210300 回转半径： 截面模数： 3820 图 23冷弯形空心型钢结构图 为保持尺寸稳定，为消除内应力，焊后应进行热处理，第一次热处理安排在焊接后，第二次热处理安 排在粗加工后进行。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 8 图 24第一次热处理 图 25第二次热处理图 初步选定机架的主要尺寸： 两边的立柱高度为： 3130横梁长为： 3100滑台 1的尺寸为：长 =1100宽 =220高 =30滑台 2的尺寸为：长 =320 宽 =100高 =30徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 9 3 横梁机械机构设计 门式横梁结构设计 定龙门式火焰切割机横梁结构 采用箱式横梁，这样承载力好，整体回火可以消除焊接应力，而且性能稳定可靠。 动装置类型的选用 机械传支装置的选用是比较复杂的工作，它需要考虑从动力机到工作机多方面的因素，经细致分析对比后才能作出合理的选择。通常，以下几方面是选择机械传动装置类型的基本依据： （ 1）工作机的工况的性能参数； （ 2）动力机的性能及与动力机匹配对传动装置机械特性上的要求； （ 3）综合分析不同类型传动装置的初始费用，运转费用和维 修费用，使所选的传动装置具有良好的经济性； （ 4）能符合运转安全和环境保护方面的要求； （ 5）使用的控制方便，可靠。 在现代的机器设计中，为了优化机器的设计方案，传动方案的确定都是同动力机的选择，工作机构的选定通盘考虑的。也就是考虑动力机，传动装置秘工作机的匹配问题。传动装置的选用，通常并没有一成不变的程序可行，而要根据不同机器的具体条件和复杂程度，经多方案的分析比较才能选定。以下几方面是在选定传动装置类型时要具体分析考虑的： (1)机械特性； (2)功率范围； (3)速度； (4)传动比范围； (5)传动效率； (6)寿命；(7)外廓尺寸； (8)重量； (9)变速要求； (10)价格 本次设计主要解决的问题是变速方式 无级变速： 无极变速能够选用最合理的运动速度，可在运转中变带，操纵控制方便，箭筒化机械结构等，是目前发展的主要方向。无极变速在数控机床上得到广泛的运用，主要利用直流和交流调速主轴电动机。利用直流调速电动机进行机床主轴无级变速发展比较早，应用较广。但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般为 1 2，很少为 3 4，且有换向限制。现在国际上新生产的数控机床已有 85采用交流变频主轴驱动系统；交流变频调速电机恒功率 调速范围 8 30，有的直接驱动主轴。 内装主轴就是主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高起动，停止的响应特性，并有利于控制振动和噪声，其缺点是运转中产生的热量容易使主轴产生热变形。因此控制温升和冷却是使用内装主轴电动机的关键。内徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 10 装主轴电动机转速可达 1500r/ 设计无级变速系统时，应注意电动机的机械特性应符合传动链的要求。若不满足要求，还应串联有级变速箱，一般变速级数为 2 4 级。 动方案的选取 由于工作台只作直线运动，以下为直线传动的常用方案： 方案 1. 电机 联轴器 变速箱 齿轮 齿条 方案 2. 伺服电机 一级齿轮 丝杠 丝杠螺母 方案 3. 步进电机 联轴器 丝杠 丝杠螺母 由于要实现工作台的无级调速，方案 1只能实现有限级调速，所以不能使用，动力机使用步进电机就可以实现无级调速，方案 2， 3 都适用，另外工作台要求的运行精度在1 4度要求不高，如果传动系统用一级齿轮传动会加大传动系统的转动惯量，同时加大电机的负担，如果电机 与丝杆用联轴器直接连接就可以使传动系统的转动惯量减小，所以选取方案 3传动系统。 床零部件的设计 （ 1）电机与滑动丝杠的联接是通过过盈套筒联轴器、紧定螺钉 筒联轴器、平键 6套和推力球轴承。（图 3 其优点在于：传动系统的转动惯量减小，减小电机的负载 图 3 （ 2）电机与滚动丝杠的联接是由变径联轴器、轴承端盖、圆锥滚子轴承和轴承座。（见图 3 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 11 2360 2100 3 p 235 杠副的选取 一般丝杠副分为滑动丝杠副和滚动丝杠副。 滚动丝杠副的特点： 滑动丝杠特点：滑动丝杠摩擦力较大，传动效率较低，一般为 30%，磨损快，低速和微调传容易出现爬行，容易自锁，定位精度和轴向刚度较差，但结构简单，加工方便定位精度和轴向 刚度较差，但结构简单，加工方便。 由于工作台要实现横向及纵向运动，所以需要横向和纵向丝杠传动。横向丝杠没有工作载荷，而且不需要考虑自锁功能，伺服电机取用步进电机就满足自锁要求，所以横向丝杠副取用滚动丝杠副。纵向丝杠要支承工作台的重力，必须要有很好的自锁功能，所以纵向丝杆取用滑动丝杠副。 立柱上支承工作台的纵向滑动丝杆计算： (参考自机械设计手册第 4版第 3卷 ) 最大轴向力为 g，最大升降行程为 1600用单头梯型开螺纹，螺旋应有自锁性。 (1)选择材料和许用应力 螺杆 材料选用 45号钢，调质处理， 5=360/3 5=120 72 现取 螺母材料选用 40 30p 现取 由于工作台快进的速度为 s 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 12 2 a r ct r ct g 0 210 ( 取 8 (2)按耐磨性计算螺纹中径 滑动丝杠螺母的主要失效形式是磨损，因此应以耐磨性计算来决定丝杠中径 2d ，或由类比，结构决定中径后，进行耐磨性校核，对于细长且受压的丝杠，还应校核压杆稳定性，强度一般不用校核。见式（ 式（ 整体式螺母 取 取 F 轴向载荷 P 螺纹副许用压强 由 1986 可选 9,24 132 的梯形螺纹，中等精度，螺旋副标记为 524 。 螺母高度见式（ 2 式（ 取 8 则螺纹圈数 （ 1）自锁性验算 由于系单头螺纹，导程 S=P=5螺纺升角为 摩擦因数 f= 取 f=形螺蚊的夾角 30 由于 ,故自锁可靠。 （ 2）螺杆强度验算 螺纹摩擦力矩见式（ )(1 F t 式（ 0 F 2716 o o s a r c t r c t g 223123 t徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 13 23 0 30 0 0 1 3 4 0 0 03 3 41 222 1 0 04 22 1 0 07.6 p (5)螺母螺纹强度验算 因螺母材料强度低于螺杆，故只验算螺母螺纹强度即可， 牙根宽度 = 基本牙型高 = p (6)螺杆的稳定性验算 螺杆的总长 0 0 02 0 03 0 01 5 0 0 按一端固定一端自由，得 临界载荷 故稳定性条件满足。 (7)效率计算 由于底部用滚动推力球轴承，其效率为 考于机电一体化设计基础） 3 0 0 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 14 m 0 01 0 0 0 22 a 4 16 1(1)丝杆所受的最大轴向力计算 滑台 2的重量计算： 体积 33 96096000010030320 重量 960 3 重力 因为滑台在进给时没有受工作载荷，只受重力的作用