毕业设计（论文）-数控龙门三枪H型钢自动火焰切割机【全套图纸】.doc

1 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 目目 录录 目 录 1 ABSTRACT 2 第一章总体方案与机架的设计 2 11 总体方案设计 2 12 立柱设计 3 13 立柱热处理 4 14 机架的主要尺寸 5 第二章 传动方案设计 5 21 机床传动设计 5 22 传动方案的选取 6 第三章 机床零部件设计 7 31 丝杠副的选取 7 311 滑动丝杠的计算与校核 7 312 滚动丝杠的计算与校核 11 32 伺服电机的选取与校核 12 33 导轨的选型及计算 16 34联轴器选取 18 35轴承选取 19 第四章滑块 1 上的重心计算 20 总 结 22 鸣 谢 22 参考文献 22 2 数控龙门三枪 H 型钢自动火焰切割机 摘 要:机械技术和以计算机为代表的微电子技术在相互渗透中获得迅速发展，形成了机电一体化 技术，本次设计在沿于机电一体化的思想下进行的，其中应用了不小现代机电一代的常用技术，极 大地丰富了本次设计的内涵。设计共分四章，主要内容有：总体方案与机架的设计；传动方案设计； 机床零部件设计，其中包括丝杠和电机的计算；重心计算。本次设计简明扼要，重在实用。 ABSTRACT: A s the penetvating of machanical technology and the micro-electronics which is represented by computer ,they improve quickly at the same time. It form a new technology- mechatronics.This design is on the basis of mechatronics. The design apply many common techmologies about mechatronics,it enrich the content of the design deeply.The design contain four chapters.The main content involve the design of the whole project and the frome structare,the design of driving part,the design of the center of grawing,the design of the parts of the machine tool which contain the design of the thread bar,the caculation of the electromotor.This design is concose but very practical. 第一章 总体方案与机架的设计 11 总体方案的设计 1功能与技术参数分析 由于加工的 H 型钢三个面都要加工，为了提高工作效率，所以采取三枪同时工 作，来缩短工作时间。枪的支承取用龙门式，这样可以调整龙门的大小来实现 加工不同尺寸的 H 型钢的要求。龙门式的机床不但有使用寿命长，工作的稳定 性高，而且能最大限度地满足加工不同型号 H 型钢的要求，其缺点是只能在固 定的地点加工，使用起来不够灵活。由于要切割曲线割缝，割枪由十字滑台带 动，这样既能简化结构，又能满足运动要求。 3 2传动设计 因为切割速度要满足板厚和火焰对其的要求，所以要无级调速。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枪的 速度。 而且要求的加工精度为 14mm,所以丝杠能很好地保证传动精度和平稳性。 3电气控制 本设计采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51 单片机的主要特 点是集成度高，可靠性好，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/O 接口等组成，由微机控制伺服电机的输入 频率，来控制电机的输出转速，从而实现割枪的无级调速。 12 立柱设计 机架设计准则：机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。 机架设计的一般要求： 1在滿足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻，成本低； 2抗振性好； 3噪声小； 4温度场分布合理，热变形对精度的影响小； 5结构设计合理，工艺性良好，便于铸造，焊接和机械加工； 6结构力求便安装与调整，方便于修理和更换零部件； 7有导轨的机架要求导轨面受力合理，耐磨性良好； 8造型好，使之既适用经济，又美观大方。 机架通常分为铸造机架和焊接机架两类，焊接结构较之铸造结构具有强度和刚 度高，重量轻，生产周期短以及施工简便等优点。 下面是铸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 价廉 价格较高 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， 只能用开口结构 设计灵活，壁厚可以相差 较大 用途 大批量生产 单件小批 在比较上述参数和结合本次设计的具体事况，选用焊接机架。从可焊性考虑， 一般选取碳含量0.25%的碳钢。现选 20 号钢为焊接机架的材料。 立柱外形 4 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 小应优先选用，后者适应性强， 可按使用要求设计成各种大小尺 寸。当腹板的计算高度为 h，与 腹板厚度 b 之比大于 80 时，应有 横向隔板加强，间距不得大于 3h，柱肢外伸自由宽度 b0 不宜超 过 15 吨. 2. 格构柱 格构柱分缀板式 和缀条式两种 立柱截面形状 由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除与其截面面积有关外，还取决于截面形状， 合理改变截面形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度， 从而充分发挥材料的作用。从机械零件手册查得取用矩形面，其抗弯与抗 扭惯性矩相对值较大。 综合上述条件，立柱采用型钢实腹柱，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。 结构用冷弯形空心型钢： 国标为：GB/T 67281986 1一般钢号为 Q235-A，20 或 Mn 等，其力学性能与化学成分应符合： GB/T 700，GB/T 699 和 GB/T 1591 的规定。 2弯曲部分的内弧半径 235, t4.0,时 r1.4t, 4.0t18h 第一次热处理 温度/C52525C 保温冷却 250C 出炉 8h 30-40C 0 热处理时间 （h） 48h 第二次热处理 初步选定机架的主要尺寸： 两边的立柱高度为：3130mm. 横梁长为：3100mm. 滑台 1 的尺寸为：长=1100mm, 宽=220mm, 高=30mm. 滑台 2 的尺寸为：长=320mm, 宽=100mm, 高=30mm. 6 第二章 传动方案设计 11 机床传动设计 传动装置类型的选用 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 1无级变速 无级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， 简化机械结构等，是目前发展的主要方向。无级变速在数控机床上得到广 泛应用。无级变速主要是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较早，应用较广。但直流调速电动机恒 功率调速范围都很少，一般只有 12，很少到 34。且换向有限制。80 年 代初开始在数控机床主轴驱动中应用交流变频调速驱动系统，克服了直流 调速电动机换向的限制和恒功率范围小等，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；交流变频调速电动机恒功率调速范围 可达 830，有的直接驱动主轴。 近年来出现了一种内装主轴电动机，即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。内装主轴电动 机转速可达 20000r/min. 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 24 级。 7 2有级变速 有级变速装置有下列几种，并经常联合使用：a,滑移齿轮； b,交换齿轮； c,多速交流异步电动机，一般采用双速或三速电动机； d,离合器。 22 传动方案选取 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杆 丝杆螺母 方案 3. 伺服电机联轴器 丝杆丝杆螺母 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， 动力机使用伺服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 14mm，精度要求不高，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。 第三章 机床零部件设计 31 丝杠副的选取 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： 3传动效率高； 4运动具有可逆性； 5系统刚度好； 6传动精度高； 7使用寿命长； 8不能自锁； 9制造工艺复杂。 滑动丝杆特点： 滑动丝杆摩擦力较大，传动效率较低，一般为 30%-40% ，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杆传动。横向丝杆 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，所以横向丝杆副取用滚动丝杆副。纵向丝杆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杆副。 311 滑动丝杠的计算与校核 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 1.5 Kg，最大升降行程为 1600mm,采用单头梯型开螺纹，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，=360N/mm2 p=/35=360/35=12072N/mm2 8 现取 p1=100N/ mm2 螺母材料选用 ZcuAl10Fe3, =4060N/mm2 p=3040N/mm2 现取 35N/mm2 由于工作台快进的速度为 6m/min,即 0.1m/s 许强Pp=710N/mm2 取8N/mm2 （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d2，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。 d2= 0.8(F/P)-2 F轴向载荷 =0.8(1500/1.78)-2 P螺纹副许用压强 =8.4mm 整体式螺母 取 1.22.5, 现取 =1.7 由 GB5796.31986 可选 d=24mm, P=5mm, d2=21.5mm, D4=24.5mm, d3=18.5mm,D1=19mm 的梯形螺 纹，中等精度，螺旋副标记为 Tr2457H/7e. 螺母高度 H=d2=1.721.5=36.55mm 取 H=38mm 则螺纹圈数 n=H/P=385=7.6 圈 （3） 自锁性验算 由于系单头螺纹，导程 S=P=5mm,故螺纺升角为 =arctg(s/d2)=arctg(5/3.1421.5)=4.24 摩擦因数 f 由于是钢对青铜 f=0.080.1, 取 f=0.09 梯形螺蚊的夾角 =30 =arctgf/cos(/2)=arctg(0.09/cos15)=5.32 由于 ,故自锁可靠。 （4） 螺杆强度验算 螺纹摩擦力矩 Mt1=0.5d2Ftg(+) =0.521.51500tg(4.24+5.32) =2716Nmm =(4F/d32)2+3(Mt1/0.2d33)2-2 =(41500/3.1418.52)2+3(2716/0.218.53)2-2 =6.7Nmm2 p=100Nmm2 (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 b=0.65P=0.65X5=3.25mm 基本牙型高 H1=0.5P=2.5mm =F/D4bn=1500/(3.14X24.5X3.25X7.6)=0.78Nmm2p =3FH1/D4b2n=3X1500X2.5/(3.14X24.5X3.252X7.6) =1.8Nmm2S=2.53.3 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 0.98 =0.98tg/tg(+)=0.98tg4.24/tg(4.24+5.32) =43% (8)运动及其载荷分析 支承横梁的滑动丝杆计算 最大轴向力为 2.0 Kg，最大升降行程为 600mm,采用单头梯型开螺纹，螺旋应有 自锁性。 （1） 择材料和许用应力 螺杆材料选用 45 号钢，调质处理，=360N/mm2 p=/35=360/35=12072N/mm2 现取 p1=100N/ mm2 螺母材料选用 ZcuAl10Fe3, =4060N/mm2 p=3040N/mm2 现取 35N/mm2 由于工作台快进的速度为 6m/min,即 0.1m/s 许强Pp=710N/mm2 取8N/mm2 10 （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d2，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。 d2= 0.8(F/P)-2 F轴向载荷 =0.8(2000/1.78)-2 P螺纹副许用压强 =9.7mm 整体式螺母 取 1.22.5, 现取 =1.7 由 GB5796.31986 可选 d=20mm, P=4mm, d2=18mm, D4=20.5mm, d3=15.5mm,D1=16mm 的梯形螺纹， 中等精度，螺旋副标记为 Tr2047H/7e. 螺母高度 H=d2=1.718=30.6mm 取 H=32mm 则螺纹圈数 n=H/P=324=8 圈 （3） 自锁性验算 由于系单头螺纹，导程 S=P=4mm,故螺纺升角为 =arctg(s/d2)=arctg(4/3.1418)=4.05 摩擦因数 f 由于是钢对青铜 f=0.080.1, 取 f=0.09 梯形螺蚊的夾角 =30 =arctgf/cos(/2)=arctg(0.09/cos15)=5.32 由于 ,故自锁可靠。 （4） 螺杆强度验算 螺纹摩擦力矩 Mt1=0.5d2Ftg(+) =0.5182000tg(4.05+5.32) =2970Nmm =(4F/d32)2+3(Mt1/0.2d33)2-2 =(42000/3.1415.52)2+3(2970/0.215.53)2-2 =12.7Nmm2 p=100Nmm2 (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 b=0.65P=0.65X4=2.6mm 基本牙型高 H1=0.5P=2mm =F/D4bn=2000/(3.14X20.5X2.6X8)=1.49Nmm2S=2.53.3 所以丝杆安全不会失稳。 3.2 伺服电机的选取与校核 （1） 转动惯量计算： 丝杆： Js=0.78XD4LX10-3=0.78X24X100X10-3=1.25kgcm2 D丝杆的公称直径 L丝杆的长度 工作台： JG=(P/2X3.14)2XG=(0.5/2X3.14)2X7.5=0.048kgcm2 P丝杆导程 G工作台的重量 总转动惯量：J=JD+Js+JG=0.063+1.25+0.48=1.79kgcm2 （2） 最大静转矩计算 1加速力矩 Mka= J=2nmax J/(60t)X10-2 nmax=Vmax/X360 Vmax快进的速度 =6X103X3/0.05X360 步距角 =1000r/min 脉冲当量 所以 Mka= J=2 X10-2nmax J/(60t) =2X3.14X1000X1.79X10-2/60 =1.87Ncm 13 2.空载摩擦力矩 Mkf=GfLo/2 f导轨摩擦系数 =75X0.15X0.5/(2X3.14X0.85) G运动部件的总重力 =1.05 Ncm Lo丝杆导程 3.附加摩擦力矩 Mkf =FYJLo(1-2)/(2) FYJ丝杆预紧力 =3X0.5X(1-0.952)/2X3.14X0.95 FYJ =Fm/3 =0.025 Ncm 传动效率 Mkq= Mka+ Mkf+ Mkf=2.95 Ncm 选取电机 55BF003，其最大静转距为 68.6Ncm， Mmq=0.866X68.6=59.4 Ncm Mkq, 所以该电机可选用 启动矩频特性校核 步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。 前面提出的 MkqS=2.53.3 所以丝杆安全不会失稳。 驱动该电机的选取： （3） 转动惯量计算： 丝杆： Js=0.78XD4LX10-3=0.78X24X200X10-3=2.5kgcm2 D丝杆的公称直径 L丝杆的长度 工作台： JG=(P/2X3.14)2XG=(0.5/2X3.14)2X700=4.44kgcm2 P丝杆导程 G工作台的重量 总转动惯量：J=JD+Js+JG=0.16+2.5+4.44=7.1kgcm2 （4） 最大静转矩计算 16 1加速力矩 Mka= J=2nmax J/(60t)X10-2 nmax=Vmax/X360 Vmax快进的速度 =6X103X3/0.042X360 步距角 =1190r/min 脉冲当量, =0.042 所以 Mka= J=2 X10-2nmax J/(60t) =2X3.14X1190X7.1X10-2/60 =8.84Ncm 2.空载摩擦力矩 Mkf=GfLo/2 f导轨摩擦系数 =700X0.15X0.5/(2X3.14X0.85) G运动部件的总重力 =9.8 Ncm Lo丝杆导程 3.附加摩擦力矩 M0 =FYJLo(1-2)/(2) FYJ丝杆预紧力 =14X0.5X(1-0.952)/2X3.14X0.85 FYJ =Fm/3 =0.12 Ncm 传动效率 Mkq= Mka+ Mkf+ +M0=18.76 Ncm 选取电机 75BF001，其最大静转距为 68.6Ncm， Mmq=0.866X39.2=34.7 Ncm Mkq, 所以该电机可选用 （5）启动矩频特性校核 从电机 75BF001 的启动矩频特性曲线图可得， 电机在最大静转距时，对应的启动频率为 1240Hz， 而该电机最高空载启动频率为 1750Hz，实际启动频率小于允许启动频率，所以 能保证电机不丢步。 17 33 导轨的选型及计算 导轨的设计要求： 1几何精度就是通常所说的导向精度，即运动的直线度或回转精度； 2运动精度包括两方面内容：一是运动的平稳性，二是定位精确； 3具有足够的承载能力和刚度，使用寿命长； 4结构简单，工艺性好，便于调整和维修； 5具有良好的润滑和防护装置。 导轨的功用是导向和承载，一般分有滚动导轨和滑动导轨两种。 滚动导轨在两导轨面间装有球，滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性质， 广泛地用于进给运动导轨。 滚珠导轨的特点是摩擦阻力小，刚度低，承载能力差，不能承受大的颠覆力矩 和水平力。 直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离， 90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷 Ca,可从产 品样本中查到。计算公式如下： 滚动体为球时 L=50(CafHfTfC/Ffw)3 L 为滚动导轨副的距离额定寿命；Ca 为额定动载荷，初选滚动导轨型号后，可 从样本中查出；F 为每个滑块上的工作载荷，fH为硬度系数，导轨面的硬度为 5864HRC 时, fH=1.0,为 55HRC 时 fH=0.8，为 50HRC 时 fH=0.53; fT为温度系数， 当工作温度不超过 100C 时，fT=1；fC为接触系数，每根导轨条上装二个滑块 时 fC=0.81,装三个时 fC=0.72；fw为载荷速度系数，无冲击振动或 v15m/min 时 fw=11.5. 现初选导轨型号为：GDA20S，额定动载荷 Ca 为 12.4KN 现在计算立柱底座的导轨，底座下每根导轨条安装三个滑块，所以 fC=0.72，现 把数据代入上式，有 L=50(CafHfTfC/Ffw)3 =50X（12.4X103X1X1X0.72/1167X1.2）3 =92.7km 一般球导轨的距离期望寿命为 50km，所以此滚动导轨满足要求。由于其它方向 的导轨所受的载荷都很少，且其他参数同底座的都相同，所以为了使用方便， 把其它导轨统一选择该型号。 导轨参数（单位 mm）： 18 a=20, b=18, b1=45, l1=20, l2=60, d1Xd2Xh1=6X9.5X8, H=30, w=21.5. 滑座参数（单位 mm）: A=63, B=25, B1=10, B2=10, M=M6, D=6, C1XC2=53X40, L=76, L1=50. 34 联轴器选取 联轨器一般分为刚性联轴器和弹性联轴器。 刚性联轴器的特点：制造容易，径向尺寸小，装拆时需移动轴，用于要求两轴 对中性好，工作平稳，无冲击，经常正反转。 在刚性联轴器中，又有联轴套和变径联轴套等，变径联轴套适用于低速，轻载， 小尺寸轴的联接，如机床丝，光杠联接。 现在滑动丝杠 24 与电机 75BF003 的连接采用平键联轴套，其主要尺寸如下： d=22, D=35, l=15, d2=M6X10, L=52, 平键=6X18 由于电机的主轴只有 8mm,所以在电机轴上再套一个过盈配合套筒联轴器。对过 盈配合联接，应根据联轴器传递转矩的大小和轴套不发生滑动条件，确定配合 面的压强 p p=2.5Tc/L1d2 为配合表面的摩擦系数，可取 =0.12; L 为套筒与主动轴伸接触部分长度， L=14;Tc 为扭矩，Tc=0.835Nm,所以 p=2.5X0.835/(3.14X0.12X0.014X0.0082) =6.18X106Pa =6.18M