大型管材相贯线切割机设计【2013年最新整理毕业论文】

大型管材相贯线切割机设计 1 目录 目录 . 1 中文摘要 . 2 Abstract . 2 第 1 章 绪论 . 3 第 2 章 数学模型及工艺分析 . 6 2.1 钢管典型相贯线数学模型的建立 . 6 2.2 割炬运动分析 . 7 2.3 焊接坡口工艺分析 . 8 2.4 割炬的径向补偿 . 9 第 3 章 设备总体方案及布局 . 9 3.1 机床 总体方案 . 9 3.2 切割机传动系统的简要说明 . 9 3.3 功能和技术参数分析 .11 第 4 章 机械系统设计 . 12 4.1 Z 轴工作滑台的设计 . 12 4.2 调整丝杠的设计 . 19 4.3 齿轮齿数的确定与较核 . 20 4.4 支架的设计 . 21 第 5 章 控制系统设计 . 22 5.1 系统方案设计 . 22 5.2 控制系统的选用 . 23 5.3 数控装置的部件结构和安装 . 24 5.4.控制系统的硬件设计 . 25 5.5 图形交互人机界面 . 26 总 结 . 27 鸣 谢 . 26 参 考文献 . 27 大型管材相贯线切割机设计 2 中文摘要 本设计以相贯线数学参数模型的基础 , 分析切割机的割炬的轨迹运动 , 将切割运动分解为割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿四轴联动 ,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动进行研究 ,并最终完成相贯线切割机的设计 .该切割机采用数控原理进行轨迹控制，采用火焰切割方式工作 .设计共分四部分 :相贯线数学参数模型的建立 ,切割机总体方案设计 ,机械结构设计和控制系统设计 . 关 键 词 :大型管材 ；相贯线 ；焊接坡口 ；数控火焰切割 Abstract Based on the mathematical model of intersecting line and the analysis of the track of cutting torch, the design studies NC cutting movement for welding groove of pipe intersecting and finishes the design of pipe intersecting line cutting device . The cutting movement was divided into four axis relative motions of cutting torch, i. e. rotate round the pipe, shift along pipe, swing and compensate along radial direction. The device uses NC principle for intersecting line track control, the cutting method is flame-cutting. And the design contains four sections: the establishment of mathematical model of intersecting line, the design of the whole scheme, the design of mechanical structure and the design of NC control system. Keywords: Large-scale pipe； Intersecting line； Welding groove； NC flame-cutting 大型管材相贯线切割机设计 3 大型管材相贯线切割机设计 湖南工学院机械工程系数控 0401,2000121509,黄俊 指导教师：黄开有 第 1 章 绪论 随着海洋石油工业的发展 ,海洋工程结构建造将面对面大量的钢管相贯的加工 .南海西部石油合众 公司，主要以海上平台上部模块建造工程为主 ,而大型管材相贯是该海上平台加工制造过程中经常遇见的切割焊接结构 .相贯焊接前 ,管端相贯 线需要加工 ,相贯线上每一点的焊接坡口也需要加工 .根 据石油天然气行业 标准 (SY/T 4802-92)和美国石油协会 标准 (API PI 2A),相贯线上每一点的焊接坡口取决于该 点的局部两面角 . 不同形式的钢管相贯 ,相贯线上每一点 的局部两面角各不相同 ,局部两面角沿相贯线在不断变化 . 目前，该公司切割下料以人工作业为主，对于这种带坡口相 贯线均采用人工放样等工艺方法来进行加工 ,因此下料工作 进度与效率成为影响整个平台建造工程进度的主要因素，为 改变工作强度大和效率低的现状 ,本课题尝试运用所学的机电 一体化的相关知识进行大型管材相贯线切割机的设计 . 全套资料带 CAD图， QQ联系 414951605或 1304139763 大型管材相贯线切割机设计 4 大型管材相贯线切割机设计 5 本课题所研究的大型管材相贯线切割机是属于 数控火焰切割机 ,它 具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序 ,自动完成从点火 -预热 -通切割氧 -切割 -熄火 -返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧 -乙炔火焰把钢板割缝加热到熔融状大型管材相贯线切割机设计 6 态，用高压氧吹透钢板进行切割 ,而不像金属切削机床那样 ,是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。 目前这种 数控火焰切割机 仍依赖进口 .因此 ,开发这种 火焰切割机 具有重要的意义 . 第 2 章 数学模型及工艺分析 2.1 钢管典型相贯线数学模型的建立 如图 2-1 所示 ,空间相贯线是一个复杂的空间 曲线 ,描述其轨迹需要用空间坐标方程 f(x,y,z)=0, 其函数关系复杂 ,但由于相贯线是两个圆柱的交线 , 所以 ,采用柱坐标可以把三维坐标转化为二维坐标方 程 f(h,)=0.以下相贯线均指支管内圆柱和主管外圆柱相贯 . 图 2-1 空间相贯线曲线 如图 2-2 所示 ,在空间三维坐标 系下两圆柱的相贯线方程为 (1) (2) 式中 r - 支管半径 (mm) R - 主管半径 (mm) Oxyz 坐标系与 Oxyz 坐标系间存在以下坐标变换关系 图 2- 2 两圆柱的相贯线 (3) (4) 2 2 2y z R2 2 2y z r c o s s i nx x y s i n c o sy x y 大型管材相贯线切割机设计 7 22 ( ) s i n ( ) ( c o s ( )( s i n t a nR r e rhf 1(5) 式中 - 坐标系旋转角 ,亦即两管交角 . 在平面内支管圆柱面的方程为 (6) (7) 图 2- 3 支管圆柱面的方程 式中 - 支管上的旋转角 . 由式 (1)(7) 式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下 (8) (9) (10) 取在 Oxyz 坐标系下过相贯线上 x 轴坐标值最大的点且垂直于 x 轴的平面为下料基准面 .其在 Oxyz 坐标系下的方程为 (11) 由此可得支管下料高度为 (12) 即下料高度 h 是支管上的旋转角 的函数 : (13) 以上讨论的是典型相贯线数学方程 ,即两圆柱轴线相交成一角度 .在两圆柱轴线异面并有一偏心距 e 时 ,其相贯线方程为 : 式中 - 支管壁厚 (mm) - 扭转角 ,标志主管相对于支管的扭转角度 . 2.2 割炬运动分析 zz c o syr s i nzr c o s c o ss i nyrx 22 s i ny R r s i nzr c o t c s cx r R( c o t c s c ) ( c o s s i n )h r R x y c o s c o s 22( ) ( c o t c s c ) ( c o s s i n s i n )s i nyrh f r R R r 大型管材相贯线切割机设计 8 1 如图 2-3 所示 ,被切支管保持不动 , 割炬沿被切支管做 R 轴 (旋转轴 ),T 轴 (摆动轴 ),A 轴 (纵向补偿轴 )三轴和环 架的 Z 轴 (轴向移动 )共四轴联动 .正式 切割前 ,手动完割炬和环架的径向运动 , 以调整割炬与被切管径向位置 ；在切割 过程中 , 割炬按照设定 速度绕被切管作 回转运动 , 被切管剖面的摆动和径向补 偿运动 ,环架沿被切管轴向作轴向移动 , 其速度大小是由管壁厚和害炬回转速度 决定 . 割炬在被切管剖面的摆动角度按 工艺规范切出坡口 .四轴必须按照一定 的数学关系联动 ,才能切出所需的空间相 贯曲面 . 图 2-4 割炬运动 注 :1肖聚亮 ,王国栋 .火焰数控切管机割炬轨研究及仿 真 2.3 焊接坡口工艺分析 根据焊接工艺要求 ,为保证构件的强度和避免较大的焊缝尺寸 ,一般中厚板的接头都要进行开坡口焊接 .因此 ,切管时不仅要切出相贯线 ,还要切出坡口角 ,切管机最后切出的管端形状是空间曲面 .根据美国焊接学会 AWS D1.1规范要求 ,所开焊接坡形式 ,根部间隙和钝边高度均取决于相交双管相贯线上各部位的局部二面角 .而支管下料时切割高度曲线的确定也与相贯线上的局部二面角相关 .不同管径 ,不同厚度 ,不同交角的相交双管的相贯线上的各部位局部二面角各不相同 .在工程实际中 ,焊接坡口角度是通过钝边和坡口切割高 度来保证的 . 图 2-5 焊接坡口参数及装配规范 坡口角的取值是根据两面角的大小来决定 .相贯线上任选两点两面角 为 : a r c c o s c o s ( ) 大型管材相贯线切割机设计 9 根据石油天然气行业标准 (SY/T 4802-92)和美国石油协会标准 (API PI 2A)来确定坡口角 .按 API标准 当 90 时 ,坡口角 = /2； 当 90 时 , = 45 . 2.4 割炬的径向补偿 在实际切割过程中是沿支管外表面进行的 ,在这一过程中不仅要完成相贯线的切割 ,也要完成坡口的切割 .坡口角是由实际 切割角 来保证 ,实际切割角由割炬 绕支管外表面一点在轴剖面内偏转实 现的 ,其偏转的结果不应使要切割 的 相贯线偏离原来的位置 ,为此 ,割炬需 沿支管外表面作径向补偿 . 其补偿量 为 : 图 2-6 径向补偿 = tan 第 3 章 设备总体方案及布局 3.1 机床 总体方案 对于大型钢管的相贯线的切割有两个方案： 方 案 1：钢管由主轴带动旋转，同时割矩枪只需进行轴向移动即可实现切割要求，所以要实现 2 轴联动。 方案 2：钢管静止不动，并且由于相贯钢管的直径大小不同、相贯角度不同，都会导致相贯线轨迹的不同，因此割矩枪必须要利用数控系统实现轴向转动、轴向移动、径向补偿移动、轴剖面内摆动 ,均采用步进电动机带动，所以要实现 4 轴联动 ,并且要求能进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。 由于被加工的钢管最大重量可达 M=7.8 1000 3.14 (0.5 0.5-0.46 0.46) 12=11285.9kg 且钢管长度最长时可达 12m。 如果照方案 1 钢管转动起来需要耗费比较大的功率 ,并且钢管过长转动起来还会产生较大的扭矩从而影响钢管的加工质量 .因此本设计采用方案 2. 3.2 切割机传动系统的简要说明 3.2.1 切割机各轴的定义 切割机在实现相贯线切割时 ,需要四轴联动和两个手动来完成 .现定义四轴如下图 4-1. 大型管材相贯线切割机设计 10 图 3-1 切割机的四轴联动 3.2.2 Z 轴工作滑台简明传动系统图 z 轴主要完成沿着钢管轴心的轴向进 给 图 3-2 Z 轴传动系统图 图 3-3 R 轴和 A 轴传动系统图 3.2.3 R 轴和 A 轴传动系统图 R 轴和 A 轴分别实现割炬绕着钢管转动和沿钢管径向补偿 .如图 3-3。 3.2.4 T 轴和径向调整传动系统图 T 轴是实现割炬的前后摆动 ,以切出所需要的轴轴大型管材相贯线切割机设计 11 坡口角 .其摆动行程为 30 -30 . 图 3-4 T 轴和径向调整传动系统图 3.3 功能和技术参数分析 相干钢管的直径大小不同、相干角度不同，都会导致相干相贯线轨迹的不同，因此割矩枪必须要利用数控系统实现纵向移动，旋转运动和径向移动的定位精度、走刀速度等诸技术参数，并且要求能进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。加上割矩枪在旋转过程中随着切割位置的不同还需要割矩摆动角度参数，即机床要实现四轴联动。 加工的钢管直径尺寸 200 1000mm，最长 12000mm,厚度 1040mm，属于 比较大型的钢管，精度要求不高，主要考虑机构机床的刚度要求。因此可采用开环结构，并选择步进电动机作为机床的动力源。 步进电动机可通过数控装置实现无级调速，因此主轴转速只需要满足最小与最大极限要求转速即可在此范围内实现连续的速度变化要求。 由于乙炔在热切割里应用的广泛性和低成本 ,决定选用乙炔作为气体燃料。选用外混式割嘴。 查简明焊工手册 P581 可得火焰切割速度如下： 表 3-1 火焰切割速度 板厚/mm 割嘴 切割速度 （ mm/min） 号码 喉径d/mm 5 20 1 0.6 800 300 25 40 2 0.8 500 250 35 70 3 1.0 350 150 大型管材相贯线切割机设计 12 第 4 章 机械系统设计 4.1 Z 轴工作滑台的设计 4.1.1 脉冲当量 p 即系统分辨率。 本设计中选用p 0.01mm 4.1.2 选定传动比 当 i 1 时，可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。因此本设计中取 i 1。 4.1.3 初选步机电机 根据公式 pb Li 360 0 公式 (4-1) 其中 i 为传动比，b为电机步距角，0L为滚珠丝杠导程，p为脉冲当量。 因为 i 1，p 0.01mm，现取0L 4mm，可得b 0.9o初选步进电机型号为 90BF001。 4.1.4 计算丝杠承受的质量 在本设计中加工的最在钢管直径是 1m, 以 30 o 为钢管的最小相干角度 ,则此时丝杠的行程至少应为 1.73m, 丝杠的尺寸取整为 2m. 燕尾槽的重量大约为 0.10 0.6 0.3 0.6 7.8 1000=84.2kg 工作台的重量为 0.3 0.33 0.04 7.8 1000=30.8kg 大型管材相贯线切割机设计 13 齿轮和管 状体的重量大概为 7.8 (0.7 0.7-0.6 0.6) 3.14 0.1=318.3kg 再加上绕齿轮转动的燕尾滑块、两个电动机、和火焰切割枪等，取丝杠所承受的质量 M=460kg 4.1.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据是根据最大工作载荷和最大静载荷。初步选型后，进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算。 4.1.5.1 最大工作载荷的计 本设计中，选用矩形滚动直线导轨。得滚珠丝杠上的工作载荷： 公式 (4 2) 其中 f 为考虑导 轨上的摩擦系数 , 对于矩形滚动导轨取 f 0.005。 G=M 所以， 2 2 . 5 48.94600 .0 0 5F m 4.1.5.2 最大动载荷 C 的计算和主要尺寸的初选 滚珠丝杠最大动载荷 C 可用下式计算： mm FfL3C 公式 (4 3) 式中： L 为工作寿命， 610/60 ntL ； n 为丝杠转速，0/1000 Lvn ； v 为最大进给速度；0L为丝杠导程； t 为额定使用寿命，可取 t 15000h；mf为运转状态系数，现mf 1.5；mF为丝杠工作载荷； 由板厚 520、 2540、 3570mm 查简明焊工手册 P581 可得火焰切割速度分别为 800300、500250、 150350mm/min。 综合考虑大齿轮的旋转运动和底下工作台的直线运动选项用工作台的直线进给速度为v =0.8m/min )10(18010 150002006010/60m in/2004 8.01000/10006660rntLrLvn 公式（ 4 4) 所以， 89.1 9 02 2 .5 45.11 8 0C 33mm FfL 本设计选外循环滚动螺旋副，查机电综合设计 指导书表 2-8，根据0L 4mm，选丝 杠公称直径 mmdm 16， 有： 9700C4000C93312 .52 .3 8 1D Woaamm额定静载荷额定动载荷，丝杠螺旋升角，列数圈数，滚珠直径 Gf mF大型管材相贯线切割机设计 14 1 mFLEA 因为 Ca C，所以初选的丝杠螺母副合格。 4.1.5.3 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 )( tg tg 公式 (4 5) 式中： 为丝杠螺旋升角， 为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f 0.003 0.004, 其摩擦角约等于 01 。 所以， 96.0)01933( 933)( tg tgtg tg 4.1.5.4 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的 影响更小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计，只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑。 A） 丝杠的拉压变形量 1 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量，其计算公式为 公式 (4 6) 式中： 1 为在工作载荷mF作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（ mm）；mF为丝杠的工作载荷 (N)； L 为滚珠丝杠在支承间的受力长度 (mm)； E 为材料弹性模量，对钢 E 20.6104MPa； A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积（ mm2）；“”号用于拉伸，“ ”号用于压缩。 根据滚珠直径 DW 2.381mm 公式见机电一体化设计基础 P25， 其中， md为丝杠公称直径。 1d 为丝杠底径。 取进给的丝杠长度 L 2000mm.。 所以 mm4-41 101 5 . 11 4 4 . 9102 0 . 6 20002 2 . 5 4 =0.00151mm B） 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。其计算公式： 222112 4 2 . 9 4 11 3 . 5 9414.3d4A59.13238.12034.021622d034.0)2/381.2238.1(707.0)2/(707.0238.1381.252.052.0mmmmRedmmDRemmDRmwW大型管材相贯线切割机设计 15 有预紧时 3 2wm2DF0013.0ZF YJ 公式 (4 7) 式中：wD为滚珠直径（ mm）； Z为滚珠总数量 ZZ圈数列数； Z 为一圈的滚珠数， wm Dd /Z （外循环）；md为滚珠丝杠的公称直径（ mm）；mF为滚珠丝杠的工作载荷（ kgf）；YJF为预紧力（ kgf， 1kgf=9.8N），取工作载荷mF的 1/3。 因为， 212.381 163.14 Z ZZ 圈数列数 21 2.5 1 52.5 513.754.223131F YJ mF 所以 0 . 0 0 0 5 5 8 m m5 2 . 52 2 . 5 42 . 3 8 1 2 2 . 5 40 . 0 0 1 3 3 22 因为滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为工作载荷的 1/3 时， 2 值可减少一半左右。所以纵向和横向： 2 0.000279mm。 C） 滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总的变形量 21 应小于允许的变形量。一般 不应大于 机床进给系统规定的定位精度值的一半。 因为 mm0 0 1 7 8 9.00 . 0 0 0 2 7 900151.021 机床进给系统规定的精度值为 0.01mm，其一半为 0.005mm。 所以，总的变形量小于机床进给系统规定的定位精度值的一半 ,故滚珠丝杠可以满足要求。 4.1.5.5 压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷 KF 为 22L EIfF ZK 公 式 (4 8) 式中： I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面 )(64 441 mmdI （ d1 为丝杠底径）； L 为丝杠最大工作长度（ mm）； E 为材料弹性模量，对钢 E 20.6 104MPa； Zf 为丝杠支承方式系数。 本设计中，丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定，即 Zf 4。 )(5.167364 59.1314.364 4441 mmdI 所以 大型管材相贯线切割机设计 16 0.33992000 5.1673106.2014.34 242KF 临界载荷KF与丝杠工作载荷mF之比称为稳定性安全系数Kn，如果Kn大于许用稳定性安全系数 Kn，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 KmKK nFFn 公式 (4 9) 一般取 Kn 2.5 4，考虑到丝杠自重对水平 滚珠的丝杠的影响可取 Kn4。 又因为面通知 KmKK nFFn 7.15154.22 0.3399 所以，滚珠丝杠不会失稳。 4.1.5.6 滚珠丝杠螺母副的选择 根据最大动载荷选用，其代号为： 1604 4.1.6 导轨的选型及计算 4.1.6.1 初选导轨型号及估算导轨长度 导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用 2 条导轨，每条导轨用 2 个滑块，根据最大动载荷C=190.89N，通过查 机电综合设计指导书 表 2-16 P33，初选 2条导轨的型号都为 GDA20TW。其部分参数如下 ： mmlmml 6020 21 ， 根据工作台的长度和工作台的行程，估算出导轨的长度为 2200mm。 由公式 212 nlll 。式中 l 为支座长度； n 为导轨两孔之间的距离。可算得导轨的 n 36。 4.1.6.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命 L 滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算： 滚动体 为球时 350 W CTHa f fffFCL 公式 (4 10) 式中： L 为滚动导轨副的距离额定寿命（ km）；a C为额定载荷（ N），从机电综合设计指导书 表 2-10 查得aC 19100N； Hf 为硬度系数导轨面的硬度为 58 64HRC 时， Hf 1.0；Tf 为温度系数，当工作温度不超过 1000C 时，Tf 1； Cf 为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时Cf 0.81；Wf为载荷 /速度系数，有冲击振动或 min/60 mv 时，Wf 1.5。 F 为每个滑块的工作载荷（ N）。 635.54/54.224/mFF 考虑到工作台上各部分的重量在工作台上的重心不落在中心上，而这些载荷都通过工作台直接作用在滑块上，故取 F=20N。 所以 50km6857430km1 . 5 0 . 8 111 . 02019100503 L L 大于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用。 4.1.7 步进电机的验算 大型管材相贯线切割机设计 17 4.1.7.1 传动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载 ,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动 部件转动惯量向电机轴折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。本设计需要对电机转子 ,联轴器 ,丝杠 ,工作台进行转动惯量的计算。 A）、电机转子转动惯量DJ的折算 由机电综合设计指导表 2-18 P40 查出DJ=1.764 cm2 B）、联轴器转动惯量LJ的折算 选用 TL1 联轴器 8443234820 2210 GBJJ(查机械设计 实用手册化学工业出版 P666)，可查出它转动惯量为 0.0004 m2，得出 LJ 4 cm2。 C）、滚珠丝杠转动惯量SJ的折算 1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 0.94 cm2，本设计的丝杠长度 L 2000mm，所以滚珠丝杠转动惯量纵向：SJ=0.94 2=1.88 cm2。 D）、工作台质量GJ的折算 工作台是移动部件，其移动质量折算 到滚珠丝杠轴上的转动惯量GJ可按下式进行计算：MLJG 20 )2( 公式 (4 11) 式中，0L为丝杠导程（ cm）； M 为工作台质量（ kg）。 所以 2220 1249.08.3014.32 4.0)2( cmkgMLJ G E）、传动系统等效转动惯量 J 计算 27 6 8 9 1.71249.088.14764.1 cmkgJJJJJ GSLD 4.1.7.2、验算矩频特性 步进电机最大静转矩maxjM是指电机的定位转矩，从 机电综合设计指导书表 2-18 中查得 mMj 92.3max。步进电机的名义启动转矩mqM与最大静转矩maxjM的关系为： maxjmq MM 公式 (4 12) 由 0.707 得， mMmq 77.292.3707.0 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩可按下式计算： 0MMMM KfKaKq 公式 (4 13) 式中：KqM为空载启动力矩（ Ncm）； kaM 为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩 （ Ncm）；KfM为空载时折算到电机轴上的摩 擦力矩 （ Ncm）； 0M 为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力矩 （ Ncm）。 大型管材相贯线切割机设计 18 有关KqM的各项力矩值计算如下： A）加速力矩 36010602m axm ax2m axpbKavntnJJM 公式 (4 14) 式中：J为 传动系统等效转动惯量； 为电机最大角加速度；maxn为与运动部件最大快进速度对应的电机最大 转速； t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，maxv为运动部件最大快进速度；b为初选步进电机的步距角；p为脉冲当量。 m in/20036001.0 9.0800360m axm ax rvnpb cmtnJM Ka 13.82.060 20014.327689.710602 2m ax B） 空载摩擦力矩 iLfGM kf 2 0 公式 (4 15) 式中： G 为运动部件的总重量； f 为导轨摩擦系数； i 齿轮传动降速比； 为传动系数总效率，取 0.8；0L为滚珠丝杠的基本导程。 cmM kf 120.018.014.32 4.0005.08.98.30 C）、附加摩擦力矩 2000 12 iLFM YJ 公式 (4 16) 式中：YJF为滚珠丝杠预紧力；0为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0 0.96。 于是 cmM 04681.096.0118.014.32 4.05.7 20 所以， 步进电机所需空载启动力矩： cmMMMM KfKaKq 296.80 4 6 8 1.0120.013.80 初选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即mqKq MM 从上式可知，所选电动机初步满足要求。 4.1.7.3、启动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速，在零时刻，启动频率为零。在一段时间内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度。 查看机电综合设计指导书图 2-21 P42，从 90BF001 启动矩频特性图中，可查得： 大型管材相贯线切割机设计 19 纵向： 空载启动力矩KqM cm296.8 对应的允许启动频率Zyq Hf 2500。查 机电综合设计指导书表 2-21 P42，步进电机 90BF001 的最高空载启动频率yqZq fHf 2000， 所以所选电机不会丢步。 4.1.7.4、运行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率KJf可按下式计算： PKZvf 601000 max 公式 (4 17) 式中：maxv为运动部件最大快进速度。P=0.01 算得ZKZ Hf 1333.333。 快进力矩KJM的计算公式： 0MMM KfKJ 公式 (4 18) 式中：0M 为附加摩擦力矩，KfM 为快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩。算得： cmMMM KfKJ 0 . 1 6 6 8 10 . 0 4 6 8 10 . 1 2 00 。 查看机电综合设计指导书图 2-22 P43，从 90BF001 运行矩频特性图中，可知： 快进力矩KJM mcmN 0 0 1 6 6 8 1.0.1 6 6 8 1.0. 对应的允许快进频率KJyKJ ff ； 所以，所用的电机满足快速进给运行矩频特性要求。 综上所述，所选用的 Z 轴步进电机 90BF001 符合要求，可以使用。 其他各轴电动为 :R 轴电机为 70BF001 A 轴电机为 70BF001 T 轴电机为 70BF001 4.2 调整丝杠的设 计 该部件采用燕尾槽的导向、丝杠的旋转来实现上下调整。 4.2.1 丝杠的螺纹升角的确定 由于在调整中调整丝杠要有自锁性，因此其螺纹升角应 小于螺旋副的当量摩擦角（ 6. 5到 10. 5） 取丝杠的 螺纹升角为 3.丝杠底下的双推力轴承代号为 52208。内 径 d=30,外径 D=68,厚度 T1=36. 图 4-1 调整丝杠 4.2.2 丝杆稳定性验算 丝杠是属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷 KF 为 大型管材相贯线切割机设计 20 22L EIfF ZK 公式 (4 19) 式中： I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面 )(64 441 mmdI （ d1 为丝杠底径）； L 为丝杠最大工作长度（ mm）； E 为材料弹性模量，对钢 E 20.6 104MPa；Zf为丝杠支承 方式系数。 本设计中，丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定，即Zf 0.25。 )(25.1265664 3014.364 4441 mmdI 所以 4.18105600 25.12656106.2014.325.0 242KF 临界载荷 KF 与丝杠工作载荷mF之比称为稳定性安全系数 Kn ，如果 Kn 大于许用稳定性安全系数 Kn，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 KmKK nFFn 公式 (4 20) 一般取 Kn 2.5 4，在这里取 Kn 4。 齿轮和管状体的重量大概为 7.8 (0.7 0.7-0.6 0.6) 3.14 0.1=318.3kg 取 Fm =250kg。 KmKK nXFFn 3 8 9.78.92 5 0 4.1 8 1 0 5 所以， 调整丝杠不会失稳。 4.3 齿轮齿数的确定与较核 4.3.1 所需的电机最大转速和最小转速 最短相贯线 Lmin= 200=628.32 628mm(最小与最大钢管垂直相干时的情况 ) 最大切割速度选 600mm/min，即每分钟割炬绕工件转 600/628=0.955r/min。 选大小齿轮的分度圆直径比为 1： 10 于是电机的最大转速为 9.55r/min 当钢管厚度为 40mm时，最小切割速度选 300mm/min, 两最大钢管 30相干时相贯线最长，此时电机带上小齿轮的线速度为 150mm/min,选小齿轮的分度圆直 径为 135mm，则电机的最小转速为 1.111r/min。 4.3.2 齿轮的校核 大齿轮分度贺直径 1350mm；小齿轮直径 135mm。 选用齿轮模数 m=5 ，大齿轮齿数为 270 ；小齿轮齿数为 27 。两齿轮中心距a=675+167.5=852.5mm。 齿轮的的设计准则是 :保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度 . 4.3.2.1 齿面接触强度计算 大型管材相贯线切割机设计 21 3 21)1( Hpaam uKTuACa 公式 (4-21) 查 mC =1 aA =483,K=1.2 a =0.6 Hp=0.9 500=450 又有 a=148.5mm. 1T =9549P/n. 2.198.030 22 mvp w 1T =9549 19.2 310 /9.55=19.1N.m 1 4 00 2 6 5.0114 8 315.8 5 2 a 所以齿轮符合齿面接触强度要求 4.3.2.2 齿根抗弯强度较核 公式 (4-22) 其中 mA =12.6,； mC =1； FSY =4.0 ； d =3； 1z =27 ； Fp =150。 所以齿轮符合齿根抗弯强度要求。 综上所述所需要的强度要求。 4.4 支架的设计 4.4.1 支架的材料选取 支架的设计准则：机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。 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，选取结构用冷弯方形空心型钢，这样可以减小焊缝和避免焊缝受到集中应力。 由 (软件版 )查得国标为： GB/T 6728 1986 一般钢号为 Q235-A， 20 或 16Mn 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。 曲部分的内弧半径 235, t4.0,时 r1.4t, 4.0t8.0 时， r1.8t . 选取的序号： 31，边长 =120mm, 壁厚 =5mm, 3 211)1( FpdFSmmn zYKTuACm 85300653706121 .m n 大型管材相贯线切割机设计 22 截面面积 =22.356cm2 理论重量 =17.549kg/m 截面模数： Wx=Wy=80.906cm3 4-2 形空心型钢尺寸参数 4.4.2 支架的连接 V 型支架的 连接 采用焊接连接。 查机械设计手册四版 5 卷 P21-96 得：因为 l1/b1=700/100=718h， 250C 出炉 ，保温冷 却（ 625 25C） 8h。 第二次热处理 48h， 250C 出炉，保温冷却 （ 525 25C） 8h 初步选定支架的主要尺寸如下图： 4-3 V 型支架 第 5 章 控制系统设计 5.1 系统方案设计 经初步分析 ,相贯线切割机的伺服系统的负载不大，精度要求不高、可采用开环控制。一般来讲，开环伺服系统的稳定性不在问题，设计时应主要考虑满足精度方面的要求。 5.1.1 行元件的选择 在选择执行元件时要综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面要求。开环伺服系统中可采用步进电动机、电液脉冲马达、伺服阀控制的液压缸和液 压马达等作为执行元件。其步进电动机应用最为广泛。一般情况下就优先选用步进电动机。故初选步进电动机为系统的执行元件。由微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速，从而实现割炬枪的无级调速。 大型管材相贯线切割机设计 23 5.1.2 机构方案的选择 传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递。步进电动机输出的是旋转运动，用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大，但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除 传动间隙而结构复杂；后者困结构简单、制造容易而应用广泛，是伺服系统中的首先传动机构。故初选丝杠螺母作为传动机构。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。当电动机与丝杠电心距较大时，可采用同步齿形带传动。 5.1.3 机构方案的选择 执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构。执行机构方案的选择主要是导向机构的选择，即导轨的的选择。导轨主要有滑动和滚动两大类。其中滚动直线导轨承载能力大，刚性强，寿命长，传动动平稳可靠，且具有自调整能力。故初选滚动直线导轨为导向机构。 5.2 控制系统的选用 机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成 .本控制系统选用我国国内自主研发生产的数控装置 -“ 世纪星” HNC-21 系列数控装置（ HNC-21M）。 数控装置的简介： “ 世纪星” HNC-21 系列数控装置（ HNC-21M） 采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC 机，高性能 32 位中央处理器，配置 7.5” 彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 PLC 接口、远程 I/O 板接口于一体，支持硬盘 、电子盘等程序存储方式以及软驱、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。 1.最大联动轴数为 4 轴。 2.可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及 HSV-11 系列串行式伺服单元。 大型管材相贯线切割机设计 24 3. 配置标准机床工程面板 ,不占用 PLC 的输入 /输出接口操作面板 ,颜色按键名称可按用户要求定制 . 4.配置 40 路输入接口和 32 路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口与编码 器接口，以及远程 I/O 板扩展接口。 5.采用 7.5”彩色液晶显示器（分辨率为 640 480）， 全汉字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能，操作简便、易于掌握和使用。 6.采用国际标准 G 代码编程，与各种流行的 CAD/CAM 自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺旋线插补，固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿、宏程序等功能。 7. 加工断点保存 /恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。 8.反向间隙和单、双向螺距 误差补偿功能，有效提高加工精度。 9. 内置以太网、 RS232 接口，易于实现机床联网。 10. 8MB Flash RAM (不需电池的存储器可扩至 72MB)中的 6MB RAM， 可用作用户程序存储区； 8MB RAM (可扩至 64MB) 可用作加工程序缓冲区。 5.3 数控装置的部件结构和安装 安装形式如下 大型管材相贯线切割机设计 25 图 5 1 装形式示意图 5.4.控制系统的硬件设计 5.4.1 硬件电路的组成 序号 名称 规格 主要用途 备注 1 数控装置 HNC-21MC 控制系统 华中数控 2 软驱单元 HFD-2001 数据交换 华中数控 3 手持单元 HWL-1001 手摇控制 华中数控 4 开关电源 AC220V/DC24V 50