毕业设计（论文）-等离子切割机的机械结构及运动控制系统设计.doc

济南大学毕业设计1 前言1.1 等离子切割技术与等离子切割机数控等离子切割技术是数控机床采用高温等离子电弧产生的热量使工件切口处的金属部局熔化，并借助高速等离子的动量排除熔融的金属来形成切口的一种加工方法。它是集计算机软、硬件技术，数控技术，精密机械技术，等离子切割技术于一体的高新技术。数控等离子切割机的研制可以完全改变国内热切割工业装备的水平，扭转热切割行业现有的低效率，质量差，劳动强度大，材料利用率低，环境肮脏，混乱的局势，缩小与先进国家的差距。与此同时，数控等离子切割技术发展可以带动相关学科和领域达到国际先进水平。 其优点为：(1)切割范围广，能切割一切金属板材；、(2)切割速度快，效率高，切割的速度能达到10m/min以上；(3)切割的精度比火焰切割高，水下切割没变形，精密等离子切割精度则更高。等离子切割机为一种新型的热切割设备，其工作原理为压缩空气为工作气体，将高温高速的等离子弧作为热源，把被切割的金属局部熔化，同时用高速的气流将已经熔化的金属吹走，形成狭窄的切缝。等离子切割机可用于切割不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料, 不但切割速度快、切口平整、切缝狭窄、热影响区小,工件的变形度低、操作简便，而且具有显著的节能效果。等离子切割机适用于各种金属、机械结构的制造、安装和维修，作中、薄样式板材的切断、挖补、开孔、开坡口等的切割加工。1.2数控等离子切割机国内外发展背景（1）国际背景：20世纪中叶，美国已成功开发出等离子切割技术并在世界范围内迅速发展。随着计算机和数控技术的出现，等离子切割技术从手动或半自动逐渐向数控方向发展。数控切割机的国外厂商主要集中在德国，美国和日本。从机械结构讲，它的发展经过十字交叉型（轻型），门型（小型），龙门型（大型）等3个阶段，其相应的型号品种繁多。数控等离子切割技术最高水平的厂家主要在德国，例如德国RPS公司的精细等离子切割机，其切割精度已达激光切割的下限。目前，国外厂商已经在龙门式的切割机上安装了一种专用切割机械手，开发出了五轴龙门式控制系统的专用刀具，该系统能够切割空间的各种轨迹，使用特殊的跟踪探针，在切割过程中控制切割轨迹。相比之下，虽然国内都有十字架型、门型、龙门式的生产，但广度不够，制造厂家产品较为单一，还没有龙门式的专用型材切割机产品。（2）国内背景：我国数控切割技术起始于20世纪80年代，数控等离子切割技术则更晚。但是近年来， 国内一些高校、制造厂商、科研单位对数控等离子切割技术进行了研究，并逐渐开发生产出了多种规格的数控等离子切割设备，缩小了与国外先进技术的差距。我国生产的数控等离子切割机的数控系统大多是在引进国外数控技术基础之上的，加以自主开发而成，并逐渐形成了更加适应国内用户的数控系统。总的来说，在数控系统方面具有了国外同类系统的基本功能，但是与国外先进数控系统相比，在错误记录、全自动生产、网络化生产等方面还存在较大差距1。1.3发展数控等离子切割机技术的意义随着国内经济形势的迅速发展和“以焊代铸”趋势的加速，数控切割优势正逐渐被认可。数控切割不但产品质量得到改进，使板材利用率大幅度地提高，而且改善了工人的劳动环境，使进一步提高了劳动效率2。目前，我国金属加工行业采用数控火焰切割机和普通等离子切割机为主。我国数控等离子切割技术起步于20世纪90年代，逐渐开发生产了各种型号的等离子切割设备。我国中小企业甚至在某些大型企业中板材下料普遍是仿形机下料、手工下料、半自动切割机下料。手工切割下料尺寸误差大、割缝质量差、材料浪费大、后期加工工序的工作量大，而且劳动条件恶劣；仿形机下料必须预先加工同工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料；半自动切割机功能简单，仅适合一种形状的切割。而且，金属加工行业使用的切割机以火焰和普通等离子切割机为主，这与等离子切割技术相比而言，在切割质量，切割范围，运行成本以及生产效率上都是无法相比的。我国的钢产量已经达到亿吨，随着制造业的快速发展，这将推动国内数控等离子切割技术健康发展。总的来说，我们的数控等离子切割已取得了国外同类产品水平的基本功能，但完全达到或超过外国的水平还有很长的路要走。本设计对等离子切割机数控系统的研究将推动我国的数控切割技术发展。1.4本文研究的内容为了摆脱传统的以单片机为核心的运动控制系统速度慢、功能少的问题，同时也可以避免用通用DSP芯片的控制系统开发难度大、 周期长等问题，本课题所设计的等离子切割机的数控系统采用了ARM+MCX314的结构。ARM具有良好的人机交互功能，用它作为主控制芯片来实现人机交互，而MCX314芯片则用来进行运动控制，实现插补运算3。数控系统包括人机交互模块、运动控制模块、电源模块、伺服驱动模块、存储模块等。切割机的机械结构要实现X-Y两个自由度的运动，架构采用龙门架式，包括导轨、横梁等机械结构。1.5数控等离子切割机的主要技术参数轨长：4000mm轨距：2500mm有效切割长度：3000mm有效切割宽度：2000mm驱动方式：单边驱动1.6设计总体方案（1）机械运动部分：本设计整体采用龙门式结构形式，主要包括纵向导轨、纵向端架、横梁、横向导轨、及横向端架。纵向导轨采用滑动导轨，其导轨固定安装在支架上，箱体固定在端架上，随同端架一起沿纵向导轨做纵向进给运动，从而实现切割机的纵向切割。横梁上装有线性导轨，其用螺钉固定在横梁上。导轨的固定安装方法如图1.1所示。支撑轮的目的是减少端架与导轨的摩擦，限位轮使端架正确的在导轨上安装定位。图1.1 切割机定位方式（2）运动控制部分：采用ARM+MCX314来控制伺服电机的转速，并由电机经减速器驱动齿轮齿条啮合传动带动切割装置直线运动。横向纵向的不相关移动即可带动割炬实现X-Y平面的任意切割。 2 机械部分结构的设计2.1 电机的选择(1)电机类型的选择松下伺服电机具有自动调整、高速率、高响应和低振动的特点，因此本次设计选用松下伺服电机。（2）纵向电机功率及选型假定机架总重量为500kg，切割机最大的运转速度为9m/min,即0.15m/s，齿轮齿条间的传动效率为0.96，则 箱体的重力： G=mg=500105000 (N) (2.1)牵引力： F=G=5000（N） (2.2)电机所需要的输出功率： P=0.78 (kW) (2.3)由于考虑到使减速器和电动机的重量最轻，所以根据松下伺服电机与驱动器用户手册电机选取额定功率为0.75KW的型号为MDMA系列（中惯量）的伺服电机。其电机参数如表2.1。表2.1 MDMA伺服电机参数额定功率(KW） 额定转矩（N.M） 额定转速（r/min） 电机惯量（kg.） 0.75 3.57 2000 3.13 （3）横向电机功率及选型由于横向电机需带动横向割炬小车在横梁上移动，牵引力不是很大，故只需在纵向电机的运算基础上选择功率稍小一些的电机即可。在此选择额定功率为0.4kw的型号为MSMA系列（小惯量）的伺服电机。其电机参数见表2.2。表2.2 MSMA系列伺服电机参数额定功率（KW） 额定转矩（N.M） 额定转速（r/min） 电机惯量（kg.）0.4 1.3 3000 0.402.2 齿轮齿条的计算与校核已知：电机输出功率P=0.75kw，齿轮转速为50r/min。工作寿命为15年（设每年工作300天），两班制，传动系统工作稳定。(1) 选定齿轮的类型，精度等级，材料以及齿数。 齿轮系传动选用直齿圆柱齿轮与齿条啮合。 因为机架运行速度不高，因此选用7级精度（GB 10095-88）。. 材料的选择。由机械设计 P191表10-1常用齿轮材料及其力学特征查得，齿轮采用的40Cr调质钢，硬度为280 HBS，齿条采用45调质钢，硬度为240 HBS，二者材料的硬度差为40 HBS。 选圆柱齿轮的齿数z=40。齿条齿数不详（可定）(2) 按齿面接触强度设计由设计计算公式（2.4）进行试算，即 （2.4） 确定公式内的各计算数值 先试选载荷系数=1.3。 齿轮传递的转矩 TT=1.432(N. mm) (2.5) 由机械设计P205 表10-7圆柱齿轮的齿宽系数选取齿宽系数为=0.4。 由机械设计P201 表10-6查得材料的弹性影响系数值为=189.8 由机械设计P210 图10-21按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限值Hlim1=600Mpa,齿条的接触疲劳强度极限值为Hlim2=550Mpa。 由式（2.6）计算应力循环次数： =60j=60501（2830015）=2.16 (2.6) 由机械设计P201图10-19 选取接触疲劳寿命系数， KHN1=0.95 KHN2=0.98 计算接触疲劳的许用应力。选取失效概率为1%，安全系数S=1， KHN1=0.95 =0.95600MPa=558 (M pa) (2.7) =0.98550MPa=539.5(M pa) (2.8)(3)计算 试算齿轮分度圆直径d1t，带入 H中的较小值。 (2.9)=2.32=70.29 (mm) 计算其圆周速度VV=0.184(m/s) (2.10) 计算齿宽b b=0.470.29=28 （mm） (2.11) 计算齿宽与齿高之比b/h。 模数： m=70.29/40=1.8 (2.12) 齿高： h=2.25 m=2.251.8=4.05 (mm)b / h =6.9 计算载荷系数。根据V=0.184 m/s,7级的精度，由机械设计图10-8查得动载系数 Kv=1.01，齿条=1；由机械设计表10-2查得使用系数=1；由表10-4用插值法查得7级精度齿轮相对支承非对称布置时=1.430。由b/h=6.9, =1.430, 查的图10-13得 = 1.27，故载荷系数K=1.494 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（2.13）得=79.86(mm) (2.13)计算模数m:m=/z=2.0(4) 按齿根的弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 (2.14) 确定公式内的各计算的数值 由机械设计图10-20C查得齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500MPa；齿条=380MPa。 由机械设计图10-18取弯曲疲劳寿命系数 =0.92， =0.95， 计算弯曲疲劳的许用应力。选取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（2.15）， =/S=328.57( M Pa) (2.15)=/S=257.86 (M Pa) (2.16) 计算载荷系数K。K=1.323 (2.17) 查取齿形系数。由机械设计表10-5查得，=2.72, =2.06。 由机械设计表10-5查取应力校正系数，=1.57, =1.97 计算齿轮，齿条的/并加以比较/ =0.01311 (2.18)/=0.01524 (2.19) 设计计算 = 1.8 (mm) (2.20)对比所计算的结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，因为齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力4，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可以选取由弯曲强度算得的模数1.8并就近圆整为标准值m=2，按接触强度算得的分度圆直径d=80，算出齿轮齿数：z=d/m=40。这样设计出的齿轮齿条传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免了浪费9。(5) 几何尺寸计算 计算分度圆直径 d=m z=80mm 计算齿宽b=40mm， 齿轮齿宽取40mm，齿条齿宽取45mm。由于横向的齿轮齿条传动所需的力矩小，因此，横向齿轮齿条的选用可根据纵向的选用相同的尺寸即可满足要求。2.3 键的选择减速器轴与齿轮之间通过键来连接固定，传递扭矩和运动。键是标准件，经常使用的类型有普通平键、钩头楔键和半圆键等几种类型。由于普通平键具有对中型好，易于拆装、适用于高速度、高精度且能承受变载、冲击，因此本设计中采用的是普通平键5。由于减速器轴端的直径为25mm，根据机械设计课程设计手册P53，初选取GB/T1096系列中的8736 型号的普通平键。键的连接强度计算校核由于键的主要失效形式是工作面被压溃，因此通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算即可。假定载荷在工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为： （2.21）式中 T 传递的转矩(T=F yFd/2), N.m； k 键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h； l 键的工作长度，圆头键 l=L-b ； d 轴的直径，mm； 键、轴、轮毂三者之中最弱材料的许用挤压应力； 键、轴、轮毂三者之中最弱材料的许用压强。已知数据：T=3.57Nm，宽度b=8mm，高度h=7mm，键长L=36mm 因为键、轴、轮毂的材料都是钢，由机械设计表6-2查得许用挤压应力=100120Mpa,取其平均值=110Mpa。键的工作长度l=L-b=36-8=28(mm)轮毂键槽与键的接触高度 k=0.5h=0.57=3.5 （mm）。将上述数据代入式（2.21）则有2.91（MPa） （合适）所以所选平键满足要求。2.4 导轨的选择导轨是承受载荷和导向的部件，依据驱动方式和使用的条件选择工字型导轨。纵向导轨选用的高强度轨来制作，顶面和两个侧面都经过专用的磨床精密加工形成的。横向导轨选用进口精密冷拔型材经过精密加工之后再使用。在导轨的外侧面装置精密的齿条。导轨材质选用U71Mn，其强度不小于500N/mm，每米承重不小于1T，导轨自身抗拉强度不小于883Mpa,且抗压强度不小于1000T。导轨的侧面与齿条安装基准面平行度小于等于0.02mm。主导轨的两个侧面的尺寸公差小于等于0.02mm，主导轨顶面与两个侧面的垂直度小于等于0.02mm。导轨的安装形式如图2.1图2.1 导轨的安装2.5 轴承的选择本设计中限位轮中采用了轴承，需要选择合适的轴承并加以校核。滚动轴承具有摩擦阻力小，消耗功率少，容易启动等优点，因而选择滚动轴承。由于限位轮主要起到夹紧作用，同时又稍有支撑作用，而角接触球轴承可以同时承受轴向载荷又可以承受径向载荷，因此设计中选用角接触球轴承。轴承的预期寿命为12000h，初步选取轴承型号为7207C。查滚动轴承样本可知其基本额定动载荷C=30500N，基本额定静载荷=2000N。图2.2 轴承的受力分析(1)求轴承受到的径向载荷Fr1、Fr2Fr1=1883N， Fr2 =1197N(2)计算两轴承间的轴向力Fa1和Fa2对于7207C型轴承，按机械设计表13-7，轴承派生轴向力，先取e=0.4，得 Fd1=736.3(N)Fd2=478.8(N)按机械设计公式可得： (N) (2.22) (N) 按所求的结果进行修正得再进行计算 (N) (N)按机械设计课程设计手册得 (2.23) (N) (N)经两次计算的值相差不大，因此确定e1=0.47，e2=0.46(3) 求算轴承的当量载荷P1、P2 (2.24) 由机械设计课程设计手册进行查表得径向载荷系数和轴向载荷系数分别为：对轴承1 对轴承2 ，由于轴承在运转过程中所受载荷平稳，由机械设计表13-5查表得，选取f p=1,则=1(0.441183+1.32885.01)=1688.7 (N)(2.25)=1(11197+0)=1197 (N)(2.26) (4) 验算轴承寿命由于，故按代入验算=19639.06h (2.27)因此所选轴承满足寿命要求要求。(5) 轴承的安装与调试 轴承的安装 安装方法一般常用加热法和锤击法两种方法 轴承的拆卸 为了定期检查和维护，需要将轴承拆卸。由于轴承内圈与轴是过盈配合，而外圈与轴承座采用间隙配合，应注意不得损伤轴承及其相配合的零件。 间隙的调整 轴承间隙的调整可通过箱体与侧盖之间增加垫圈来调整不可调轴承的轴向间隙，也可以采用内座圈螺母调整轴向间隙来实现6。2.6 弹簧的选择因为弹簧在一般载荷下工作，现选用碳素弹簧钢丝C级。先估算弹簧钢丝直径为3.0mm。由机械设计表16-3暂选=1570MPa，则根据表16-2可知=0.80.5=628 MPa。现选取弹簧旋绕比C=6，则由公式可得： K=1.25 （2.28）由弹簧直径公式的：=1.6=3.22 （mm） （2.29）现改取d=3.2mm,查表得知的值不变，因此，没有改变，取D=18mm，C=5.62，经计算得到K=1.25，由此得出=3.11(mm)所算得值与原估取值相近，所以取弹簧钢丝标准直径d=3.2mm。此时 D=18mm,是标准值。另外，横梁采用了消除内应力的箱式结构，必须经精密加工。横梁是切割机主机的重要组成部分之一，采用其焊后加工有效工作面，焊前钢板应做调平处理，各个部件组合连接的位置和形状要求严格，机加工垂直度、基准面、平行度要求明确。要求高温时效，以保证机体永久的不产生变形，其他各焊接体应进行去应力处理，保证刚性、强度和动态平衡性，寿命长，可靠性高。端架结构也应进行时效处理，消除内应力。纵向的端架底部要有前后两个滚动轮可沿导轨平滑滚动，前后端装有清洁器以用来保证导轨表面无杂物，而精密加工的齿轮和齿条以及随动式夹紧装置保证了传动精度并消除了间隙。由于技术参数，切割宽度1500mm，整横向尺寸应比较长，所以选长2500mm，整个切割机的重量要控制在500kg以内，除箱体的正面钢板和连接件的连接采用12mm厚度，其余全部采用厚6mm的钢板，钢板采用碳素结构钢。3 等离子切割机控制系统设计3.1 控制系统原理分析数控等离子切割机对其机械系统部分控制其实质是通过ARM指令对X、Y运动方向的电机进行控制。控制电机的不同转速从而带动割炬沿XY平面运动，实现XY两个方向上的任意加工，达到设计要求。本数控等离子切割机的控制系统主要包括S3C2440微处理器、MCX314芯片运动控制模块、电平转换模块、人机交互模块、电源模块、伺服驱动模块、存储模块等。控制系统的结构简图如图3.1人机交互界面 伺服电机 ARM (S3C 2440) 运动控制芯片（MCx314） X-Y工作台 电源模块 驱动接口 存储器 图3.1 控制系统组成框图3.2 控制系统的硬件设计数控等离子切割机的控制系统都是以ARM为中心展开的。本系统采用Samsung公司的S3C2440处理芯片，它的体积小、功耗小、性能高、成本低，带有MMU（Memory Management Unit）功能，主频能达到203MHz，并且运用了AMBA新型总线结构，支持Thumb/ARM双指令集，可以很好的兼容8/16位元器件。能够大量使用寄存器，执行指令的速度更加快速，大部分的数据操作都可在寄存器中实现，其寻址的方式简单灵活，能高效率地执行，并且其指令长度为固定的7。3.2.1 电源模块设计(1) 电压转换由外部提供的电压值为12V，而芯片中电压为5、3.3V、1.25V等，因此需要采用电平电压的转换以实现要求。图3.2 12V电压转换为5V电路图3.3 5V电压转换为3.3V电路图3.4 稳定1.25V内核电压电路图（把3.3V电压转换为1.25V）(2) 电源隔离电路电路隔离的目的是经隔离元器件将 噪声干扰路径切断，从而达到抑制噪声干扰的目的。隔离电路的运用使得绝大多数电路都可以获得较好的抑制噪声的效果，使得电气设备符合电磁兼容性的要求8。图3.5 电源隔离电路3.2.2 人机交互模块设计 (1) 显示器驱动电路图3.6 LCD41P芯片LCD选择为16位真彩屏，从S3C2440的LCD控制器出来的信号线包括有24根数据线和若干根控制线。本系统的显示电路只用到其中的低16为数据线和4根控制线。LCD驱动电源为3.3V。其中各引脚的功能为：LCDVD0LCDVD15为16根数据线；LCDVCLK为LCD的时钟信号线；LCDVF-VS为LCD帧信号和垂直同步信号；LCDVL-HS为LCD线信号和水平同步信号；(2) 蜂鸣器蜂鸣器的作用：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，它是采用直流电压供电，能有效地防止有过高的电流通过，对电路起保护作用。图3.7 蜂鸣器(4) 主/从USB单元图3.8 主/从USB接口电路该单元在板卡上标号为USB-HOST和USB-DEVICE，通过USB-HOST接口和外部U盘相连，通过USB-DEVICE接口和计算机相连，进行数据交换16。(5) JTAG单元JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议。主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（Test Access Port，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。.图3.9 JTAG接口(6)串口电路MAX3232SOP芯片是MAXIM公司生产的电平转换芯片，包含两路接收器和驱动器，性能可靠。串口处理模块采用MAX3232SOP芯片对UART进行RS232电平转换。完成对串口数据流的电平转换和数据格式的处理。图3.10 MAX3232SOP电平转换芯片(7) 复位芯片图3.11复位电路MAX811为4引脚微处理器电压监视器，具有精密电源监控和低功耗的特点，能监视3V、3.3V、和5V的电源电压，MAX811的工作电压为1.0V-5.5V。MAX811为低电平有效复位，具有手动复位功能。（8）越界报警电路由于切割机箱体端架可能会出现越界，故可以在导轨极限位置安装限位开关。由于本设计是x-y两坐标联动控制，因此有4个方向可能会出现越界。一旦某一个方向上产生越界，则应立即停止工作台的移动，以保护机床机体不被破坏。设计采用ARM芯片的外部中断功能，只要有任意某方向的行程开关闭合，即工作台的某一方向越界，就能产生中断信号。3.2.3存储模块设计(1)型号为K4S561632C-TC75(SDRAM存储器)芯片图3.12 K4S561632C-TC75芯片K4S561632C-TC75是一种32M内存的SDRAM，内部运算执行的数据的传输与命令的发送与都以它为基准；动态则是指得是存储阵列需要不断的刷新以用来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写14。(2) K9Fxx08芯片同时为了能够有效避免系统所采集的数据因意外通信故障或者是断电从而导致数据的丢失，需要设计相应数据模块以来达到掉电保护作用，这里采用的SAMSUNG公司的的K9Fxx08型Flash存储器。其芯片结构如图3.8所示。图3.13 K9Fxx08芯片(3) Am29LV8000BB (Flash存储器)Am29LV8000BB为一种8M位的Flash存储器，它的工作电压为2.7V至3.6V之间。由于Am29LV8000BB其内部具有升压电路，因此设计中只需要一个3.0V的电源即可以实现。通过对其内部的命令寄存器写入符合JEDEC标准的命令序列，可对Flash进行编程、按扇区擦除、整片擦除以及其它的相应操作。 图3.14 Am29LV8000BB3.2.4 运动控制模块设计本设计采用MCX314作为运动控制芯片。MCX314是一款可以同时控制4 个步进马达或伺服马达的运动控制芯片，它是用脉冲串的形式输出能对马达进行位置控制、速度控制、插补驱动等等。设计中只需要对XY两个轴进行驱动。芯片中的XPP管脚输出+X方向的驱动脉冲，YPP输出+Y方向的驱动脉冲；XPM/YPM表示输出-X/-Y方向的驱动脉冲。XDRIVE/YDRIVE为驱动中的输出信号，执行驱动命令。XINPOS/YINPOS 则分别表示处理伺服马达驱动输出到位的输入信号。XL