台式数控等离子切割机设计（全套含CAD图纸）

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 1 宁学 毕业设计 (论文 ) 台式数控等离子切割机设计 分 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 2 摘要 随着科学技术的发展，等离子切割机的应用也显得 越来越频繁，先进切割技术的发展总是不断地从新科技的成果中获得新的起点。目前，等离子切割机技术在电子科技、计算机技术及机器人的制造中都起着重要的作用。无论在什么情况下，等离子切割机才能提高焊接的水平和质量。我们只有将数控切割机技术和焊接跟踪技术有效的结合才能更好的推动新科技的发展，因此数控切割机的设计对于解决这一难题至关重要。 关键词： 切割技术，机构设计，等离子切割机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 3 of of is of is of in At an in of In of We NC in to of so NC is 套图纸加 Q 401339828 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 4 目 录 摘要 . 录 . 1 章 绪论 .式数控等离子切割机的研究目的及意义 . 6 式数控等离子切割机背景 . 6 式数控等离子切割机简介 . 6 义 . 6 究现状及发展趋势 . 6 课题研究的内容及 方法 . 8 要的研究内容 . 8 计要求 . 8 键的技术问题 . 9 第 2 章 总体方案机构设计 .计概念 . 9 计原理 . 9 案讨论 . 10 第 3 章 X 结构及传动设计 . 11 向滚珠丝杆副的选择 . 12 程确定 . 12 定丝杆的等效转速 . 12 计工作台质量及负重 . 12 定丝杆的等效负载 . 12 定丝杆所受的最大动载荷 . 13 度的选择 . 14 择滚珠丝杆型号 . 14 核 . 14 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 5 界压缩负荷验证 . 15 界转速验证 . 16 杆 拉压振动与扭转振动的固有频率 . 16 机的选择 . 17 机轴的转动惯量 . 17 机扭矩计算 . 18 第 4 章 Y 向结构设计 . 轴滚动导轨副的计算、选择 . 20 珠丝杠计算、选择 . 21 进电机惯性负载的计算 . 23 第 5 章 主要零件的数控加工 .始参数设定 . 26 建刀具 . 27 建加工操作 . 28 拟刀轨及后处理 . 30 总结与展望 .考文献 . 谢 .文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 6 第 1 章 绪论 式数控等离子切割机的研究目的及意义 式数控等离子切割机背景 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平 越来越高，现代化加工车间，常配有自动化生产设备，用来提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。当然，也不排除 的焊接加工过程。我们发现焊接技术已经渗透到各个领域并且被广泛使用。根据资料显示，我国每年钢铁的产量一般在 3 亿吨左右，其中有一半以上的钢有用到焊接技术加工。我国每年的焊接设备需求量金额超过 50 亿元。既然焊接机能够这么普遍地应用在各个领域，它肯定具备了很大的市场竞争力。 式数控等离子切割机简介 龙门式数控火焰 /等离子切割机采用驱动， 即切割头， 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。 义 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； 究现状及发展趋势 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 7 外焊接机的发展概况 焊接产品中有许多曲线的焊接，在我国一般采用手工焊接。手工操作具有一定的优势，但也，存在着人员管理难、工人培训周期长、生产环境恶劣、劳动强度大、焊接质量难以稳定的保持、容易产生夹杂、气孔等缺陷、焊接成本高、生产效率低一系列 的问题等。为了克服上述种种弊端，焊接科技工作者研究出了多种自动化焊接设备，如仿形焊接机，焊接机器人，三维数控焊接机等。 近些年来我国焊接技术的整体发展水平比较好，尤其是逆变式焊机技术现已成熟，正在全国推广应用。波控、智能及自动、半自动焊接技术快速发展。自动、半自动气体保护焊机、埋弧焊机、电阻焊机等产品也迈开了一大步。 2000 年我国点弧焊机器人已达到 980 台。可是尽管如此，我国的焊接设备还是不能满足国内工业的生产需求。 我国从 20世纪 80年代开始进行大型机床等机械产品焊接结构的研究， 20 多年来已取得长足的进步 。焊接结构已经在现代化的数控机床等大型机床上应用以焊代铸以焊代锻的结构设计和制造技术迅速发展。 在汽车制造工业方面，随着我国汽车产量的不断增加 20 世纪 90 年代开始从国外陆续引进先进的焊接设备。并在车转动轴、刹车蹄片、轮圈以及其他部件的制造过程中普遍采用各种先进的焊接工艺，提高了焊接效率和产品质量。焊接在船舶、汽车、锅炉、压力容器制造行业中也成为主要的生产工艺手段之一 。目 前，已有多种焊接工艺方法获得各国船级社的认可而被应用于生产。自十一五期间开始进行高效焊接技术的探索以来，至今已取得令人欣喜的成绩。 近年 来，我国在大型贮罐焊接、球形贮罐焊接、铝镁合金料仓焊接等领域中，已成功地开发应用了自动焊或半自动焊工艺，如球罐全位置自动焊工艺和装备已在国内开发成功，它将为进一步推动焊接自动化发挥重要作用。 在当前，台式数控等离子切割机的机构设计绝大多数还是依据具体的情况来设计专用焊接台式数控等离子切割机，称之为固定结构的传统台式数控等离子切割机，其运动特性使特定台式数控等离子切割机仅能适应一定的范围 ， 花费成本较大，不利于台式数控等离子切割机的发展。 很数移动焊接台式数控等离子切割机还有焊缝跟踪的功能 ,其不足之处就是在焊前 必须通过人为的方式 ,帮助台式数控等离子切割机找到合适的位置并且放好，通过人工将台式数控等离子切割机本体、十字滑块等调整到合适的状态 ,这里所设计的移动台式数控等离子切割机是有轨移动焊接台式数控等离子切割买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 8 机，只是现有的移动焊接台式数控等离子切割机技术在 焊接中的应用， 还不能满足要求，而当前的移动焊接台式数控等离子切割机技术有相当的发展。也就是说台式数控等离子切割机的自主性还跟不上工业发展的脚步。 未来的发展趋势可分为以下三个方面： 2 1 选择视觉传感器来进行传感跟踪：因为与图象处理方面相关的技术 得到发展； 2 采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务； 3 控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展：这也将是移动焊接台式数控等离子切割机的控制所采用。 课题研究的内容及方法 要的研究内容 在查阅了国内外大量的有关焊接台式数控等离子切割机设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑焊接台式数控等离子切割机结构特点、具体作业任务特点以及焊接台式数控等离子切割机的推广应用，分析确定使用三自由度关节型焊接台式数控等离子切割机配合生产工序，实现自动 化焊接的目的。 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下 : 1 根据现场作业的环境要求和数控锡丝点焊机本身的结构特点，确定数控锡丝点焊机整体设计方案。 2 确定数控锡丝点焊机的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。 3 从所要功能的实现出发，完成数控锡丝点焊机各零部件的结构设计； 4 完成主要零部件强度与刚度校核。 计要求 1 根据所要实现的功能，提出 台式数控等离子切割机的整体设计方案 ； 2 完成 台式数控等离子切割机结构的详细设计 ； 3 通过相关设计计算，完成 电机选型； 4 完成 台式数控等离子切割机结构的三维造型； 绘 制台式数控等离子切割机结构总装配图、主要零件图 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 9 键的技术问题 1 方案选择 2 整体的支撑架设计（龙门结构及悬臂结构的选择） 3 机构设计 4 强度校核 第 2 章 总体方案机构设计 计概念 整体的支撑架采用龙门结构 在工程中我们常用的整体支撑架结构有龙门结构和悬臂梁。所谓的悬臂梁就是 梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力）。 而 龙门结构通俗地说 就是 一根横梁连接两个支 腿与地面紧固组成的像一个门框一样的结构。因为他是双支撑结构区别于单支撑和悬臂结构，所以结构特别简单。 计原理 数控点焊机的设计应满足一下几个条件 首先就是必须 保证工件定位可靠 的可靠性， 为了使工件、 焊枪 与 焊接点 保持准确的相对位置，必须根据要求的 焊接点 ， 去选择合适的定位机构 。 再者就是要 有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到焊接 枪 在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度 可能会 发生折断或 者 弯曲变形， 所以 对于受力较大的进行强度、刚度计算 是非常必要的 。 最 后要 尽可能 做到 具有一定的通用性 如果可以 ，应考虑到产品零件变换 的问题 。为适应不同形状和尺寸的 零件 ， 为满足这些要求， 可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。 X 轴采用丝杠加导轨形式：横向电动机 联轴器 横向滚珠丝杠（导轨） 向电动机 联轴器 纵向滚珠丝杠 大托板 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 10 案讨论 悬臂梁 在工程力学受力分析中，比较典型的简化模型。在实际工程分析中，大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。龙门结构制作方便，承受负载大，结构稳定，工程上广泛应用。 考虑到上述问 题该课题的整体结构采用龙门结构。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 11 第 3 章 X 结构及传动设计 表 3支承方 式 简图 特点 一端固定一端自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。 一端固定一端游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 两端固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 12 向滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。 设 00快进给速度为 18m/轴箱大概质量为 50作台大概质量为 80动部件大概质量为 30作台最大行程为 300 程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 Y 系列异步电动机的最高转速 g i n ,/1 5 0 0m a xm a x 最大转矩，则丝杠的导程为 121 5 0 0/1 8 0 0 0/ m a xm a x 取 2 确定丝杆的等效转速 基本公式 (/ h 最大进给速度是丝杆的转速 m (1 5 0 012/1 8 0 0 0/m a xm a x h 最小进给速度是丝杆的转速 m (0 8 丝杆的等效转速 m )(/()( 212m i a x m 式中取 21 2 故 m i n )/( 0 0)/()( 212m i a x m 计工作台质量及负重 主轴箱重量 9 6 011 工作台重量 移动部件重量 定丝杆的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 K 为颠覆力矩影响系数，一般取 课题中取 丝杆所受的力为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 13 x 2 1 5 52 2-)2 2(-)2 2( 3a x ）（）（）（0F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 ， 12 2n n ） m 1494)( 312211223m i a x 定丝杆所受的最大动载荷 316 060 )nT(查表：取 表：取 ） 表：取 1） 表：取 1） 查表：取 1） 丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 7300N 表 3h 表 3文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 14 表 3 3 精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300程变动量 300V 应小于目标设定定位精度值的 1/3 1/2,在最后精度验算中确定 。，选用滚珠丝杠的精度等级 3级（ 1级精度最高）， 5级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择 轴精度等级为 3级，级。 择滚珠丝杆型号 计算得出 则 23) 称直径 2选择 内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为 3。 公称直径 0杆外径 钢球直径 丝杆底径 圈数 =3 圈 0 刚度 73N/ m 核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 S，丝杆副内滚道的接触刚度 承的接触刚度 文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 15 螺母座的刚度 不同支撑组合方式计算而定。 界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： cr m a 式中 钢 =N/ m） N） =丝杆最小截面惯性距（ 442 )464 wo 式中 丝杆螺纹不封闭长度 作台最大行程 +螺母长度 +两端余量 00+148+2088撑距离 u，选取 20入上式计算得出 见 临界压缩负荷满足要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 16 界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速求丝杠的最高转速： 22230 式中： A= 24 . 210*d2d 位 p=03(Kg/m) 位为 本设计中该值为48/2+300+(6202=440K ，可取 2K =0.8 推 过计算，得出 04 r ，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。 杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 式中 A 丝杠最小横截面， 222 ()4A d m m； 螺母座刚度 000N/ m。 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中， L 植分别为 75000 经计算得： m 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 17 k 式中 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 (N/ m)； 螺母座的刚度 (N/ m)； 000 N/ m 丝杠副内滚道的接触刚度 (N/ m)； 丝杠本身的拉压刚度 (N/ m)； 轴承的接触刚度 (N/ m)。 经计算得丝杠的扭转振动 的固有频率远大于 1500r/满足要求。 机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 328 上式中： d 直径 ,丝杆外径 d= 长度 =1m P 钢的密度 =7800 2kg/m 经计算得 b、 X 向直线运动件向丝杆折算的惯量 22 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 18 上式中： M 质量 X 向直线运动件 M=160 丝杆螺距（ m） P=计算得 2 c、联轴器的转动惯量 查表得 20004.0 因此 28- 0 0 2 8 k 0 机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 m 上式中： 500m a x J=m2 加速时间 系统增量，取 15 计算得 算至电机轴上的摩擦力矩 20f 上式中 ： 导轨摩擦力， f，而 f=摩擦系数为 2N P 丝杆螺距（ m） P= 传动效率， = 传动比， I=1 经计算得 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 19 c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 1( 2000 上式中 滚珠丝杆预加载荷 1500N 0 滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 计算的 M 则快速空载启动时所需的最大扭矩 f a x 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为 额定转矩为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 20 第 4 章 Y 向结构设计 轴滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 0/P，式中： 作载荷 P=z+W)； 般运行状况 )， 动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击 ,因此取 ,0 . 5 ( )O S L X Z X YC f Wx Z S L S L 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 7 1 . 5 8 ) = 1 3 3 5 . 7 9 0 . 5 ( F + W ) = 0 . 5 ( 2 0 0 0 + 6 5 5 . 2 ) = 1 3 2 7 . 6 f P = 4 1 3 3 5 . 7 9 = 5 3 4 3 . 1 6 f P = 4 1 3 2 7 . 6 = 5 3 1 0 . 4 N根据计算额定静载荷初选导轨 : 选择汉机江机床厂 其型号为 :本参数如下 : 额定载荷 /N 静态力矩 /N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度 动载荷 (17500 26000 198 198 288 60 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 M n 4 导轨的额定动载荷 17500N 依据使用速度 v（ m/初选导轨的 基本动额定载荷aC(算导轨的工作寿命 额定行程长度寿命 : ()H T C f f CS 20004 500 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 21 1 , 2 , 0 . 8 1 , 1 ,50 C f f 33 1 1 0 . 8 1 1 7 5 0 02 5 0 0( ) 5 0 ( ) 1 4 2 4 0 9 . 5 8H T C f f CS k m 导轨的额定工作时间寿命 : 3102S 3 31021 4 2 4 0 9 . 5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 0 . 6 4 6 0h T h 导轨的工作寿命 足够 . 珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质： ， 0，导程： 度计算 丝杠轴向力： )( ,m a x (N) 其中： K=动导轨摩擦系数 f=005；在车床车削外圆时 ：z， z，可取 取 f=400 则 : m a xm a . 5 0 . 5 2 0 0 0 1 0 0 00 . 6 0 . 6 2 0 0 0 1 2 0 01 . 1 5 1 0 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 7 1 . 5 8 ) 1 0 4 5 . 6 8 61 . 1 5 1 2 0 0 0 . 0 0 4 ( 2 0 0 0 6 5 5 . 2 ) 1 2 5 2 . 6 2 1 寿命值： 61060 ，其中丝杠转速 0r/m a 0 / m i 4 0 0 1 5 0 0 036010 最大动载荷： 式中： 等冲击时为 58时为 查表得中等冲击时 1 1则 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 22 333 6 0 1 . 2 1 1 0 4 5 . 6 8 6 7 0 7 9 . 5 83 6 0 1 . 2 1 1 2 5 2 . 6 2 1 1 0 6 8 6 . 5 4 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载 荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为 : 其型号为： 其基本参数如下 : 其额定动载荷为 14205N 滚珠循环方式为外循环螺旋槽式 ,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式 . 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径0d 20距 t 触角 045 钢球直径 纹滚道法向半径 R 心距 e ( 2 ) s i d 文档就送您 纸全套， Q 号交流 197216396 或 11970985 23 螺纹升角 0d 0433 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) bd d d 杆内径1d e R 杆接触直径2c o d d 母螺纹外径 D 0 22D d e R 母内径（外循环）1 0 . 2 0 . 2 5 5 ) bD d d 1） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为：)( tg =10 ，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。 00 4 3 3() ( 4 3 3 1 0 ) 0 . 9 6t （ 2） 稳定性验算 丝杠两端采用止推