龙门数控切割机进给运动系统设计

东北林业大学毕业论文东北林业大学毕业论文PAGE2PAGE2题目名称：龙门数控切割机进给运动系统设计任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）1.主要技术参数1）轨距：4m，工作宽度3200mm。2）割炬数量：标准为2把；割炬升降范围：200mm。

3）最大切割厚度：200mm。4）运行速度参数：切割速度0-4000mm/min无级可调，横向移动速度范围，0-5）表面粗糙度：Ra12.5；尺寸精度：1000mm为±0.3mm2．进度安排：2012年3月调研，查阅相关文献资料，熟悉数控切割机行业的特点、掌握数控切割机的组成、结构、传动装置、执行装置。2012年3月～4月根据设计任务要求制定设计方案，进行设计计算，选定相应的参数，着手总装图设计。小四号宋体，加粗2012年4月~5月完成总装图设计，着手零件图的设计。小四号宋体，加粗2012年5月完善所设计结构的零件图纸设计，并开始撰写毕业论文。2012年6月完成论文撰写，并交相关教师审阅，修改，准备答辩。20篇以上（其中，外文文献3篇以上）小四号宋体根据各院（专业）要求确定，一般手绘A0图纸1张，计算机绘图3张其中：参考文献篇数：20篇以上（其中，外文文献3篇以上）小四号宋体根据各院（专业）要求确定，一般手绘A0图纸1张，计算机绘图3张一般6000字以上一般10000字以上图纸张数：3×A0（折合）一般6000字以上一般10000字以上说明书字数：6000字左右专业负责人意见签名：年月日龙门数控切割机进给运动系统装置设计摘要随着我国工业及其装备制造业的快速发展，我国已然走向了高新技术领域。与此同时，我国的切割技术也迎来了新一代变革，数控切割机将逐步取代传统手动及半自动切割机，数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者的劳动强度。其未来的价值在现代切割技术领域无可限量。本次设计的龙门数控切割机，其相对于便携式的和悬臂式的数控切割机来说，龙门式数控切割机更稳定。本课题来源于生产实际，这里本文主要简述了数控切割机的概念，并对其在世界范围内的发展情况作出简单分析，同时指出龙门数控切割机的优缺点，阐述它在我国的发展趋势，对龙门数控切割机进给运动系统进行改进设计，使其在制造成本上减少成本，使用中耗能减少，降低使用成本，并简化运动系统构造。本文设计内容包括：对龙门式数控切割机的三个自由度进给运动惊醒改进设计，使其三方向上进给结构更加简单，经济，达到它普及目的，使得中小企业更容易引进该设备。进给运动系统装置的设计，传动部件的选择设计计算，机架的设计，整体进给运动系统的图纸绘制。关键词：龙门数控切割机；进给运动系统；传动部件TheGantryCNCCuttingMachineGunRackGeartoOptimizetheDesignAbstractWiththerapiddevelopmentofmoderncuttingtechnologyandequipmentmanufacturinginChina,Chinahasalreadymovedtowardthehigh-techfields.Atthesametime,thechangesinChina'scuttingtechnologyhasusheredinanewgeneration,andCNCcuttingmachinewillgraduallyreplacethetraditionalmanualandsemi-automaticcuttingmachine.Comparedwithcuttingmanualandsemi-automaticcutting,CNCcuttingmachinecaneffectivelyimprovethesheetcuttingefficiencyandcuttingquality,whichcanreducetheoperator'slaborintensity.RelativetoportableandcantileveredCNCcuttingmachine,thedesignofthegantryCNCcuttingmachineismorestableThisarticlemainlyoutlinestheconceptofnumericalcontrolcuttingmachine,andmakesasimpleanalysisofitsworldwidedevelopment.ItalsopointsouttheadvantagesanddisadvantagesofthegantryCNCcuttingmachineanddescribesthedevelopmenttrendinChina.ThegantryCNCcuttingmachinegunrackgeartooptimizethedesigntoaccommodatethedevelopmenttrendofCNCcuttingmachine,anddesignproductssuitableforChina,sothatitcanreduceenergyconsumptioninuse,lowerthecostandsimplifythemovementsystemstructure.Thisarticlederivedfromactualproductionsanditscontentmainlyincludes:systemdesignofthegunrackgear,transmissioncomponentsofthestructuraldesignandrackdesigncalculations.Keywords：GantryCNCcuttingmachine;Feedthemotorsystem;Transmissioncomponents东北林业大学毕业论文东北林业大学毕业论文PAGE2PAGE28目录1绪论 11.1概述 11.1.1数控切割机 11.1.2数控切割机分类 11.2数控切割机现状 21.3数控切割机发展趋势 31.4龙门式数控切割机进给运动系统设计的目的及意义 32进给运动系统装置方案的设计 62.1龙门式数控切割机整体方案设计 62.1.1数控切割机进给运动系统 62.1.2电动机和丝杠之间的联接方式 62.1.3进给运动系统滑动螺旋副的功能概述 72.1.4丝杠副类型选择及其支撑方式类型 82.1.5龙门式数控切割机变速形式的选择确定 92.2进给运动系统装置总体方案的制定 102.2.1初拟升降台总体布局 102.2.2X方向进给运动系统装置布局 122.3关键部件参数的确定 132.3.1直流伺服电动机的型号选择 132.3.2进给运动系统部件的选定 142.4运行载荷的确定 142.4.1静载荷的确定 142.4.2工作载荷的确定 153进给运动系统装置部件设计计算 163.1进给运动系统装置部件参数设定 163.1.1对滑动丝杠副的设计及其计算 163.1.2齿轮齿条设计计算 203.2进给运动系统装置部件结构设计 213.2.1齿轮齿条的结构与材料设计 213.2.2滑动丝杠尺寸及材料的确定 213.2.3轴承，电机与联轴器的确定及型号选定 223.3进给运动系统装置整体布局 234龙门式数控切割机机架设计 234.1机架设计原则及其要求 234.2横梁机架结构设计 245结论 26参考文献致谢

龙门数控切割机进给运动系统装置设计本题目来源于生产实际本题目来源于生产实际1绪论1.1概述1.1.1数控切割机数控切割机(CNCCuttingMachine)：用数字程序来驱动机床运动系统运动，同时随着机床运动，随机配有的切割工具对待加工物体进行切割加工。这种数字程序配合机床运动系统来驱动进行切割运动的切割机称为数控切割机。在机械加工生产过程中，板材的切割常用方式为：手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割其优点在于能够灵活方便的进行加工生产，但切割出的尺寸误差大、质量差、材料使用率小、后续加工工作量较大，同时作业条件恶劣，生产效不高。半自动切割机中仅有仿形切割机，切割工件的质量较好，由于它所使用的切割模具，并不适合于单件，小批量和较大工件的切割。其它种类的半自动切割机虽然能够降低工人劳动强度，但是其功能上较为简单，只适合切割一些较规则的常规形状零件。而数控切割相比较手动和半自动切割方式来说，它能够明显地提高板材切割质量、切割效率，大大的减轻操作者的劳动强度。1.1.2数控切割机分类一、数控切割机按不同切割方式包括以下几种：（1）数控火焰切割机：有较强的切割能力，切割时费用较低，但切割能力的上升，同时存在其切割变形大，切割精度相对不高；切割速度低，需要较长预热时间和穿孔时间，比较难以适应现在的全自动化操作需求。目前它主要应用于碳钢和较大厚度板材的切割，对于中、薄厚度的碳钢板材切削，等离子切割正在逐步取代数控火焰切割机。（2）数控等离子切割机：具有切割种类多，能够切割所有的金属板材，同时效率高，其切割速度可高达10m/min以上的特点。对于环境上，它在水下切割作业时，能够有效消除掉切割中产生的噪声、粉尘等污染，改善工人操作环境。（3）数控激光切割机：其优点在于切割速度快，切割精度高；但目前的发展水平还不足以弥补其价格异常昂贵，切割费用高等问题，目前相对来说，仅适用于加工精度要求极高的各别特种行业。（4）数控高压水射流切割机：可以切削任何材料，且切削精度高，没有热变形，对于环境上，同样具有环保的特点。但是问题在于，它的切削速度上很慢，效率不高，切削的费用大。（5）其它专用特殊切割设备（如数控管材切割机、数控型材切割机、其它非金属专用切割设备等，）二、数控切割机按结构分类包括以下几种：（1）龙门式数控切割机：传统的龙门式机床结构，具有大中型机床双立柱底架横梁座的立式结构，行走作业路程长，横向与纵向跨距大，适合用于加工大型板材。（2）便携式数控切割机：从半自动小车式切割机逐步发展演变而来，在小车式切割机的基础上，添加了数控系统和相关传动装置，但外形上基本没有太大改进，其类数控切割机成本小，结构简洁轻巧，能够适应各种中小型板材的加工。（3）悬臂式数控切割机：传统普遍的机械结构，由单底座和横梁的一端相连接，割枪在横梁上单向移动作业，此种切割机作为典型老式结构切割机，适用于中小型板材加工。（4）台式数控切割机：从雕刻机发展演变而来，外形上类似于在其工作台上再加了一台小型龙门式切割机，此种切割机在切割薄板上有很大优势，因此被广泛应用于汽车的钣金行业与广告行业。（5）相贯线数控切割机：此种切割机属于专用切割机，有着特殊的结构，专用于切割各种管材以及圆柱型材，由于其专用切割条件，使得目前国内对此种切割机的需求量不大，同时造成其生产厂家不多。1.2数控切割机现状手工切割特点：切割灵活方便，但切割质量差，材料利用率小，尺寸误差大。半自动切割机：虽然可以避免手工切割造成的不足，但由于切割模具，不适合单件、小批量生产。数控切割机相对其它两种，能够提高切割效率及质量，同时减少操作者的劳动强度。虽然如此，但由于产品价格及工厂规模上，使用手工切割和半自动切割方式的厂子依旧普遍存在。数控切割机经过几十年的发展，目前其在切割能源和数控控制系统两个方面取得了巨大的进展，切割能源已由早先的单一火焰能源切割逐步发展为目前的火焰、等离子、激光、高压水射流的多种能源切割方式；数控切割机的数控控制系统已由最初的单一功能、繁琐的编程和输入方式、较低的自动化程度发展到现如今具有完善的功能、人性智能化、图形化，网络化的控制系统方式；驱动系统也从最初的步进式驱动与模拟伺服驱动到目前的全数字式伺服驱动。目前，我国机械工业的钢材使用量已经突破3亿吨，从此可见，钢材的切割量之大；如今现代机械工业的空前发展速度，旧式切割机正在逐渐满足不了所要求产品的质量，并且工作效率也将得到很大的考验。因此，目前来说数控切割机的市场潜力很是巨大、市场前景相当乐观。1.3数控切割机发展趋势从各类型数控切割机的应用范围来看，我国对数控切割机生产的技术水平与整机性能上，都已取得了历史性的进步，正在扎实的走向国际前端科技水平，逐步提高其市场竞争率与市场占有率。在我国科技实力不断的提升的今天，我国一些数控切割产品已悄然走向世界前端，并形成了自己独有的优势特点，实现了高自动化，多功能化，高可靠性的特点。在一些产品技术性能方面，甚至超越了国外的产品。随着我过制造业，生产工业的速度崛起，全自动化，智能化，人性化的产品已成为设计产品中主流设计因素，新型科技化产品将逐步取代旧有的老式传统机械。这将大幅度提升我国工业领域水平与生产效率。因此，对于切割机来说，更自动化，性能更优越的数控切割机将会慢慢登上切割机领域的大舞台1.4龙门式数控切割机进给运动系统设计的目的及意义该型切割机整体结构为龙门式，横向跨度分为：三米、四米、五米、六米、八米等多种规格，驱动方式全部采用双边驱动，工作效率较高、工作稳定运行平稳，配置合理，适用用于各种碳钢、锰钢，不锈钢等金属材料的各种型号钢板下料。对于有不同特殊需求的用户，也可以给予该切割机配置多把割炬，或者进一步更改为可以同时异型切割与直条切割两用的切割方式，另外还可以配置电容或等离子的自动调高系统。通过调查了解国内龙门式数控切割机的发展水平，与未来发展趋势，针对目前数控切割机的主要问题做出优化改进，使我国切割机产业能够生产出更多元化，更具有市场竞争力的新一代数控切割机产品，能够更好的改进龙门式数控切割机，使其在作业时更人性化，更经济化，更智能化。通过调查了解，目前国内切割机生产制造领域主要存在的问题有：(1)自动化程度不高，一些驱动装置没有采用饲服电机驱动方式驱动，并且没有调速系统，整个切割机全程只能以同一个速度运行，不能达到变速目的，无法对它进行控制更改；(2)整体运动系统结构复杂，在整个传动装置中，均为两个自由度的传动，其传动方向为：升降台和X方向传动。在现有产品中，其纵向升降装置结构非常复杂，对加工制造有着很大的障碍，也使得升降台的整体重量过大，加大了横梁的负重，使整个切割机显得笨重，不灵活；(3)切割精度不易保持，目前我国的产品与国外的产品的调整精度相比较，仍存在一些差距，并且大部分切割机仍离不开人工操作，精度不能够保证的很标准，突出表现在不标准的曲线切割，精度误差会明显加大。(4)通用性能不理想，很多切割机因为没有配用编程控制，使得其切割的实际有效范围受到很大的影响，这些龙门式切割机对于任意曲线的切割，更加显得力不从心；(5)成本较高，在选择材料和外购产品中，没能优化设计，造成整机的制造成本偏高，对于其在市场占有率上的普及有着较为负面的影响。针对以上问题，进行系统优化设计，进一步改进进给运动系统，设计出相对来说，性能更优越的龙门数控式切割机。本次设计，要完成的主要性能设计：(1)安全可靠能够平稳作业，在单割炬升降轴外设置耐热防尘罩，升降导向采取圆柱导轨导向，并且装有自定位系统，能够起到上下行程自位开关安全的作用，从而保证它的使用寿命。(2)运动系统整体结构更合理整体的运动系统结构经过全部的退火和喷丸后，再经油漆处理，机架导轨则采取高频淬火，经过磨削镶嵌完成，具有良好的刚性，较高的精度，整体结构较为稳定等优点；(3)切割质量较高，拥有恒定的速度与割缝的补偿能力，所以提高了本切割机的切割精度高，切割质量得到提高；(4)易于操控，自动化程度比较高，通过数控控制来达到全部切割过程的自动化控制；(5)有较高的精度，本切割机采用的是单边驱动，大车架重量大幅减轻，同时有良好的精度，拥有稳定优良的动态性能。纵向驱动系统和横向驱动系统所采用的是直流饲服电机驱动和精密齿轮与齿条无间隙啮合的传动，同时拥有高精度编码器的反馈功能，进而保证了切割机作业时的运行精度。对于龙门数控切割机来说，它的运动主要包括四个方面：枪架升降台的横向移动(X方向传动)；枪架升降台的升降上下移动(Y方向传动)；整体切割机的纵向移动(Z方向传动)；切割机的枪体预定运动。本次设计研究的范围为X方向，Y方向上和Z方向上的三向传动，进行分区域分别设计枪架升降台横向移动(X方向传动)和升降台的升降上下移动(Y方向传动)以及Z方向上整体的进给运动，采用所学过的运动合成的原理，在其枪架的行程范围内能够在垂直平面上运动到任一点，就能达到切割多种曲线的目的，具有较大的柔性。在本次设计过程中，主要是进行对目前切割机的传动系统进行改进优化，完善局部性能，使其功能得以全面充分的发挥，尽可能的提高本产品的经济性。在产品综合性能上，不仅要满足所需的加工精度要求，从而符合国标标准，并且要有足够的工作可靠性，简洁方便的操作有点。在切割机的经济性上，要求所选材料在能够满足条件的前提上，尽可能选择成本低廉的材料或成品，使其既能保证产品安全性，工作寿命，同时能够降低生产成本。本课题主要是要能够掌握龙门式数控切割机的组成与结构、进给运动系统装置以及执行装置，进一步对龙门式数控切割机枪架的横向移动（X方向）和垂直方向升降的传动（Y方向）以及Z方向整体进给运动的设计，同时完成进给运动系统的装配图与零件图的软件绘制（AutoCAD）设计。 2进给运动系统装置方案的设计2.1龙门式数控切割机整体方案设计本节将详细对龙门式数控切割机整体进行方向确定，全局性的设计。2.1.1数控切割机进给运动系统数控切割机进给运动系统，需要对进给运动的位置和进给运动速度两个方面，同时达成自动控制的目的，相比较于普通机床，要求数控切割机的进给系统能够较高的定位，有足够的定位精度并且有良好的动态响应能力。一个标准的数控机床其闭环控制进给系统，一般由位置比较系统放大单元组件、驱动单元组件，机械传动系统装置及检测反馈元件等几部分组成。龙门式数控切割机的机械传动系统装置是指将驱动源的旋转运动转变成工作台的直线运动的整体的机械传动链，其中有减速装置、转动变移动方向用途的丝杠螺母副及导向单元元件等。为了能够保证数控机床的进给运动系统的传动精度，灵敏度和稳定的工作性能（稳定性），对于机械部分的设计要求能够尽可能的消除配合间的间隙，减少运动件与导向件的摩擦，减少运动惯量，提高传动精度和刚度。同时，进给运动系统的负载变化范围较大，响应特性要求灵敏，因此要求刚度与惯量的匹配都必须高度严格。为了达到以上要求，数控机床通常采取低摩擦的传动副。对保证加工精度的传动元件，采用正确的预紧方式、合理的支承形式用来改善传动系统的刚度；运用最佳传动比原则，来选择最佳降速比，从而提高机床的精度，同时使系统传递到驱动轴上的惯量尽量减少。2.1.2电动机和丝杠之间的联接方式数控切割机进给驱动对以下特性有着严格较高的要求，其中包括：位置精度、快速响应特性；通常还要要求能够达到无极调速。步进式电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，此三种电机均能实现进给驱动，但效率与经济性的影响，三者分别运用于不同领域。目前，步进式电动机虽然控制容易，成本低廉，但其失步会引起控制误差，并且转速有限，所以这里不予考虑。直流伺服电机性能优越，易平滑调速，过载能力较强，热动和制动的转矩较大，已在国内得到广泛使用。交流伺服电动机为较理想驱动元件，维护工作比直流伺服电动机简单易行，相比直流伺服电动机但控制速度繁琐，不容易大范围调节速度，很难达到无级变速效果。当运用不同种类的驱动元件时，数控机床的进给机构也有所不同。电动机和丝杠间的联接大致分为三种形式，如图2-1所示:(1)通过齿轮传动联接的进给运动数控机床的机械进给装置中通常使用齿轮传动副来完成预期的降速比要求，如图2-1a所示。由于齿轮在生产制造中达不到严格的理想齿面的技术要求，必须要留有适当的齿侧间隙，才能够进行正常的工作运转，与此同时齿侧间隙同样会引起进给运动系统中的反向矢动量。在闭环系统中，齿侧间隙又会降低进给运动系统工作时的稳定性。所以，齿轮传动副为了最大限度减小齿侧间隙，通常选择消除措施设计。而此种联接方式的机械结构相对较为复杂。图2-1电动机和丝杠间的联接方式(2)同步带轮联接电动机与丝杠进行传动的进给运动如图2-1b所示，此种方式联接的进给运动，其机械机构相对简单。同步带轮传动同时具有带传动与链传动两者的优点，能够实现精准的传动比定性，传动起来较为平稳，张紧力需求极小，几乎不需要张紧力，同时轴端的压力小，传动效率很高，基本能保持在98%左右的传动效率，同步带轮轻而薄，能够达到高速的传动，由于带轮的带具有较好的柔韧性，因此在配合带选择带轮时，可以选用直径较小的带轮，从而使得整个结构紧凑，避免了添加润滑保养等操作，保养起来更加方便，这样有效减小了齿轮传动时所引起的振动与噪声，但是它仍有不足之处，同步带轮只适用于一些低扭矩特性的要求机构，并且安装时要保证足够精确的中心距距离，同时制造工艺上考虑，同步带和带轮的生产制造工艺复杂。(3)联轴器两端联接电动机与丝杠如图2-1c所示，图示结构一般是电动机机轴与丝杠之间添加锥环无键联接，或者高精度联轴器来联接，进而达到进给运动系统的高传动精度与高传动高度的要求，同时有效简化了进给运动系统装置的结构。此种联接方式常在加工中心或精密数控机床进给运动系统中被采用。2.1.3进给运动系统滑动螺旋副的功能概述(1)滑动螺旋副概述螺旋副：螺旋运动是构件的一种空间运动，螺旋副是面接触的低副。滑动螺旋副便是通过螺杆和螺母的旋合空间运动，从而传递上一级传送来的运动及动力。(2)滑动螺旋副的工作机理通过螺杆与螺母的匹配，达到将上一级传递来的旋转运动或动力，转变输出成直线运动，从较小的扭矩，通过该滑动螺旋副的运动从而得到较大的推动力，还可以用它来调整零件间的相对位置。上面说过，滑动螺旋副低级副，直接由螺杆与螺母进行面接触，所以两者之间存在着相对的滑动。螺纹牙型种类包括：梯形螺纹，锯齿形螺纹，圆螺纹，矩形螺纹，三角形螺纹，如图2-2所示。图2-2主要螺纹牙型2.1.4丝杠副类型选择及其支撑方式类型丝杠副类型选择：从经济，市场普及率上考虑，本设计只考虑滑动丝杠副和滚珠丝杠副，通过对比分析切割机的工作需求，综合考虑滚珠丝杠与滑动丝杠，滑动丝杠优点在于不需要添加自锁装置，作为升降台的传递较好，结构无需添加自锁装置，可以适当减轻升降台作业时的耗能，结构得以简化并在维护上更加方便。支撑方式类型：为了保证数控切割机进给运动系统能够有较高的传动刚度，正确选择丝杠的支撑方式，也是重要的依据之一。丝杠端部及它的支撑加工，由于它们在加工中的误差以及它们在受力后的过量部分变形，都会影响数控切割机进给运动系统的传动刚度。所以，丝杠副之间必须满足高度的配合。因此选择合理的滚动轴承与丝杠的支撑方式将显得额外的重要。这里我们先介绍一些通常使用的支撑方式，如图2-3所示。(1)固定-自由式止推轴承，如图2-3a所示。特点：承载能力较小，轴向刚度低，适用范围有限，通常在短丝杠或竖直安装丝杠的结构内出现。图2-3丝杠的支承结构(2)固定-支承式止推深沟球轴承，如图2-7b所示。此类支撑方式通常适用在一些滚珠丝杠长度较大的情况。(3)双止推轴承，如图2-3c所示。因其能够施加预紧力，所以对传动刚度有明显的提高，但其热稳定性不佳。(4)固定-固定式止推深沟球轴承，如图2-3d所示。此类轴承结构复杂，但传动精度高，刚性好，常用于高精度，高刚度要求。2.1.5龙门式数控切割机变速形式的选择确定目前，数控切割机的传动系统基本包含以下几类：(1)通过变速齿轮联接的传动如图2-4a所示，借助变速齿轮来进行调速，用来达到传动轴在低速运转时对扭矩特性的要求。在能够达到无极变速的数控切割机机床上，配备变速齿轮，用来达到分级管理无极变速的目的。(2)以带传动方式传动如图2-4b所示结构大多应用于小型的数控机床，虽然此种同步带传动时能够起到降低振动与噪声的作用，但由于其低扭矩的特性，不适宜对扭矩特性搞的轴上。(3)通过调速私服电机直接驱动的传动如图2-4c所示结构，其结构简单，能够最大限度提高主轴区域刚度，但由于直接联接，电动机工作时发出的热量对轴的影响很大。图2-4主要传动型式2.2进给运动系统装置总体方案的制定本节将对整个运动系统装置总体方案进行分析比较，从而确定方案。2.2.1初拟升降台总体布局通过第一章介绍的相关内容以及本学期之初的毕业实习考察，对其整体的布局有了大致掌握，最后确定方案如下：(1)所观察的龙门式数控切割机的升降台架体，一般采用板焊连接，整个架体由四个方形板焊接在一起，其四块方形板分别为：底板，顶端支撑板，侧面支撑板两个，如图2-5所示。

图2-5架体结构(2)升降台升降方式的选择，此升降台运动方式的选择，主要考虑经济性与工作时的精度保证，通过上文对滑动螺旋副的介绍，得以确定选用滑动螺旋副较理想。(3)滑动丝杠的支撑形式，基于切割机工作特性，它要求动力的传递性能并不是很高。只需要完成基本工作需求即可，因此选用较为简单构造的一个轴承来支撑，又因为要完成竖直方向传动，所以采用上端为球轴承支撑，下端自由悬空的布局结构，如图2-6示。图2-6升降台支撑形式(4)直流伺服电动机与滑动丝杠的联接方式，基于本人对龙门式数控切割机的改善想法，尽量简化其传动部分结构，减轻传动部分重量，达到节能，维护方便的优化设计，所以在选择电动机与滑动丝杠的联接方式上，也应在满足其基本功能外，越简约越好，所以在此选用联轴器作为中间机构，直接联接电动机和丝杠，图2-7所示。图2-7电动机与丝杠联接示意图(5)联轴器的性能要求，因为电动机作业时转速通常很高，所以所选联轴器应有足够的刚性，同时由整体思路主导，其安装尽可能简便。(6)升降系统导轨选择，由于切割机本身对切割位置精度要求较高，而保证运动位置精度最直接的机构为导轨，同时因丝杠与滑块配合后形式，并且切割机升降台位置设计，所以选用圆柱直线导轨。这样，在一次切割下料过程中，丝杠传递了运动，同时辅助导轨又同时保证该运动的位置精度。其设计结构示意图如2-8所示。滑块滑块电机直线圆柱导柱图2-8升降系统导轨结构2.2.2X方向进给运动系统装置布局X方向进给运动系统装置主要包含：直流伺服电动机驱动与行星减速器配合装置；齿轮与齿条啮合传动；圆柱直线导轨导向装置；消隙机构及调整装置。(1)直流伺服电动机驱动与行星减速器配合装置根据毕业设计任务书指导要求，横向移动速度要求能够实现无级可调，综合步进式电动机，交流伺服电动机，直流伺服电动机特点对比，直流伺服电机拥有更好的运动性能，能更方便快捷地实现无级变速，所以选用直流伺服电动机作为本次设计电动机；对于减速器选择，首先考虑到各类型减速器的性价比，力求性能最优，价格最低，所以选择行星减速器。(2)齿轮与齿条啮合传动此配合为了完成旋转运动到直线运动的转化，同时由于龙门式数控切割机工作距离长，所以相对应的齿条长度也要足够长，这时便出现齿条过长精度不易保持的影响，所以在加工齿条方面应分段加工，从而获得稳定足够的精度。(3)直线导向装置——直线圆柱导轨切割机切割时重要指标为其切割必须能够达到预期的精度等级，这就要对它行进过程中的直线精度有着严格的要求，所以需要直线导向精度较高的导轨，同时作为产品改进，也要充分考虑其经济性，所以综合考虑两点，直线圆柱导轨较符合设计理念，并且还有加工容易，安装简单便捷的次要优势，所以选择直线圆柱导轨作为直线导向装置。(4)调整预紧装置调整预紧机构本装置在此次设计中主要完成它对直线圆柱导轨添加预紧力，保证直线圆柱导轨不承受过多外载荷，因此需要通过拧紧螺母，从而锁死机构，2.3关键部件参数的确定本节的主要目的是初步选定电动机的型号与传动部件规格。2.3.1直流伺服电动机的型号选择通过对毕业设计任务书与龙门式数控切割机的了解分析，电动机应满足良好的启停，无极调速性能，所以选用直流伺服电动机相对比较适宜，更全面的满足了设计要求。分析升降台所要完成的进给运动功能，适宜选用小惯量直流电动机，此种电动机是直流电动机发展演变而来，它具有以下特点：(1)转动惯量小，转动惯量相当于传统直流电动机的十分之一；(2)快速响应性高，电动机整体较小，拥有快速的换向功能，电动机时间常数不足几毫秒；(3)结构平衡性好其转子无键槽，从而满足其能够稳定而均匀的运转作业；(4)过载能力强，最大转矩能够达到额定值的10倍。由于龙门式数控切割机的工作机理，所以升降台不用设计成能承受很大惯量的结构，通常只要达到克服滑体与丝杠之间的摩擦力。因此选用小惯量直流电动机能满足使用要求的同时也将经济性最大。在X方向上的传动需要较大转动惯量，同时要达到任务要求的无极调速，所以选用直流伺服电动机驱动来达到以上功能要求。电动机的初选：通过进给运动机构的负载转矩，分析初定一个较合理的加速转矩假想值，进一步对电动机进行初选。假设负载转矩为驱动系统加速转矩的两倍，因此假设的常规转矩TM，（2-1）式中，P——滑动丝杠的螺距；F——电动机负载；η——传动丝杠的效率；根据电动机的转速NM，传动机构与负载的转动惯量（）和电动机额定转矩的假定值TM同时考虑，进而选定电动机型号。2.3.2进给运动系统部件的选定对于进给运动系统中升降台的传动运动部件，在升降台传动部件中，大体为选择设计滑动丝杠。对丝杠的选择，包含以下几方面：(1)材料上选用性能中性，成本适宜的的45号钢；(2)在选择滑体螺母的材料时，因其工作性质的特殊性，在牙型面与丝杠咬合传动时，会产很大的相对滑动现象，因此应当选用具有良好的耐磨性材料，同时为了降低成本，要选择较便宜的材料，综上考虑，选用铸造铜合金作为滑体螺母的材料。(3)选择丝杠工作长度时，只要符合龙门式数控切割机枪体的工作距离即可。(4)丝杠公称直径的选择，主要依据轴向力，从而计算得出，同时考虑实际生产加工情况。2.4运行载荷的确定本节的主要通过设计计算来确定各传动部件的静载荷与工作载荷。2.4.1静载荷的确定升降台支架：（2-2）式中m—升降台支架质量，—材料密度，v—体积升降台电机：升降台的滑动丝杠副：（2-3）式中r—丝杠半径，h—丝杠高度，—材料密度升降台圆柱直线型导轨：（2-4）其组件质量共计：2.4.2工作载荷的确定通过初估作业时充气压力值大致为1MPa，进一步估算出作业时的载荷；通过气力学，知充气压力约1Mpa相当于对架体加重了10kg左右的重量。切割机的工况系数查表可知，K=1.05=1.03进给运动系统装置部件设计计算本章主要内容为详细的设计计算螺母丝杠和齿轮齿条的传动过程，并对其进行结构上的分析。3.1进给运动系统装置部件参数设定本节内容为对进给运动系统装置部件进行设计计算，主要计算包括：螺母丝杠；齿轮齿条两方面。3.1.1对滑动丝杠副的设计及其计算(1)螺旋副的选择对龙门式数控切割机作业时的实际情况考虑，升降台传动部分功能要求其能够有较高的精确行，同时可以选用传力能力较低螺纹，所以选用梯形螺纹。(2)螺旋副的设计计算依据毕业设计任务书要求，及实际作业情况，初步设计定升降台的运行速度为：0～5000mm/min。滑动螺旋副材料的许用压强[P]的确定：初选材：丝杠选用钢；螺母选用ZCuSn10Zn2为材料。查表15.2—9得知[P]=7～10MPa。对升降台进行整体初步估值：升降台总体轴向力：F=mgKα式中，m—枪架总质量(kg)Ka—工况系数通过毕业实习，工厂设备记录数据得到：；查简明机械设计手册知：丝杠中径公式:（3-1）式中，—工作系数，这里取0.8。—材料特性，查相应表，主要由丝杠和螺母的材料决定，查表后选择=2.5由于d2非常小，不适应实际生产，不能满足工艺性要求，因此在GB/T5796.2-1986选通过自行确定的d2值进行反向带入求得，符合要求。(3)计算确定主要尺寸由GB/T5796.1～5796.3-86确定基本尺寸由基本尺寸及以上确定尺寸，可以进一步计算出其他主要尺寸:由得：小径：；螺距：；大径：；基本牙型高度：；外螺纹牙高；牙顶高：；牙顶间隙：；内螺纹牙高：；外螺纹牙顶圆角：；牙顶圆角；(4)耐磨性校核与校验螺母高度：；螺纹导程：；线数；旋合圈数：，符合要求；螺纹的工作高度：；表面工作压强：=，符合要求；由滑动速度,ZCuSn10Zn2整体螺母知，校核合格。(5)验算自锁性当量摩擦角：，——当量摩擦系数，——摩擦系数，——牙侧角，螺纹升角：,故不能达到自锁条件。(6)螺杆强度校核与校验根据传动转矩公式，得螺旋传动转矩：根据材料力学公式，当量应力：（3-2）所以，该强度满足要求，此螺杆强度适合。(7)螺纹牙强度①材料力学公式，得剪切应力螺杆：（3-3）=<②弯曲应力螺杆：（3-4）式中，—弯矩，—抗弯截面模量；故螺纹强度非常高，足够满足要求。(8)螺杆的稳定性螺纹柔度：式中(固定——自由式)，，临界载荷Fcr：当时：其中弹性模量，惯性矩（3-5）=515.6N根据机械设计手册，有稳定性合格条件为大于2.5～4，因为；所以稳定性合格。(9)螺杆的刚度轴向载荷F使每个螺纹导程产生的变形：（3-6）单位长度的变形量：对于龙门式数控切割机，不对其表面精度要求严格，其，能够达到要求。(10)螺杆的横向振动根据简明机械设计手册公式临界转速:由,又知：运行速度范围为0～5000mm/min所以又因为所以能够达到条件。(11)驱动力功率计算驱动功率（3-7）(12)滑动丝杠主要数据传递功率：；螺杆大径：；螺纹长度：；螺杆总长度:旋向：右旋3.1.2齿轮齿条设计计算(1)升降台传力特性计算支架：直流伺服电动机：滑动丝杠： 直线圆柱型导轨：其余组件总计：由机械设计手册查得，滑动导轨摩擦系数有：(2)尺寸计算初步选定齿轮轴与导轨间的距离约为,则齿轮应传递的扭矩：估算选定齿轮模数：,设齿轮的齿数为z,则故取，则（3-8）得：3.2进给运动系统装置部件结构设计本节内容为进给运动系统装置各零件的尺寸确定，材料的选择，与工艺方案的确定。3.2.1齿轮齿条的结构与材料设计(1)齿轮齿条的结构设计：通过齿轮齿条的基本尺寸:m=2mm；z=20；d=40mm；可以推得齿轮结构选用整体式更加合理，整体式的结构所选择的其余尺寸都为标准值，降低加工齿轮的难度。(2)齿轮齿条材料：齿轮轴选用35SiMnMo为其材料，其材料有良好的刚性与耐磨性能，同时便于加工制造等优点。齿条选用35SiMn为其材料，因齿条较长，为保证精度，需要分段加工，因此所选材料要具有蠕变变形较小的，具有良好的耐磨性的特点，35SiMn较能满足以上要求。3.2.2滑动丝杠尺寸及材料的确定(1)经上文粗略确定滑动丝杠的基本尺寸螺杆大径：螺纹长度：螺杆总长度：旋向：右旋通过可行性方案研究确定出具体细节尺寸：由求出螺距大径：牙顶高：(2)材料的确定：经由毕业实习过程中，从工厂获得的信息数据与滑动丝杠本身应具备的性能，综合考虑螺杆螺母的强度，加工性能，耐磨性，摩擦系数，经济性的要求，最后选择45号钢为丝杠材料，与丝杠相啮合的自位螺母选用青铜材料。(3)滑动丝杠的结构设计：①丝杠部分结构设计：主要是牙形旋合长度的确定，这里选用L=300②滚动轴承支撑组件结构设计：主要确定轴向的长度，其轴向长度又要依据轴颈选用的深沟球轴承得到，这里选用L1=14mm③联轴器部分尺寸确定：由所选轴颈尺寸配合得到轴径段的长度L3=28④工艺设计加工流程：切端面—打中心孔—轴段各段加工—倒角—攻梯形螺纹—攻锁紧螺纹—调质处理—精磨支撑轴段。图3-2丝杠 3.2.3轴承，电机与联轴器的确定及型号选定(1)轴承的选用深沟球轴承的特点：轴承精度高，温升低，小的摩擦，运行精度高，转速大等特点。这里选用代号为:6204GB/T276-1994深沟球轴承。主要尺寸为：安装尺寸：基本额定载荷：极限转速值为14000r/min(2)电机的选用①升降台电机的选用：型号：90JA10主要性能：(1)该电动机转速为，减速比5：1；(2)其额定功率[P]=0.3Kw；(3)该型号电动机能够实现无级可调功能；(4)滑块运行速度的范围：0～5000mm/min.②横向（X向）驱动电机：表3-1驱动电机参数规格型号额定功率KW额定转矩N.m额定电压V最高电流A最高转速r/min允许转速差±10%转动惯量kg.cm.s2SZYX820.41.790/1605.7/3.22500250806(3)联轴器型号确定由轴颈尺寸，应选择较小尺寸且小转矩的联轴器。故最终选定型号为：YL5联轴器。3.3进给运动系统装置整体布局本节内容为对所确定零件采用合理整体布局进行装配。(1)X方向的安装装配横向架体的装配：由直线圆柱型导轨与横梁连接；电动机的装配：通过螺钉装配到横向架体上；导轨调整机构：完成各部分的装配后，再通过螺母的连接与机架相连。(2)升降台的装配：直线导轨：由螺母作为连接机构，连接到升降台的架体上；滑动丝杠：经轴承固定在轴承座上，同时用轴承透盖与螺钉来完成轴向的固定；轴承座：通过螺钉连接到架体上；电动机：通过螺钉进行安装。4龙门式数控切割机机架设计4.1机架设计原则及其要求龙门式数控切割机机架设计准则：有足够的强度，刚性和作业时的稳定性，来保证龙门式数控切割机的正常运行。机架设计常规要求：在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，应尽量达到以下要求：(1)机架重量要轻，选择适当的材料，来降低生产成本；(2)选择结构合理，有方便制造的工艺性；(3)便于维护，修理噪声小；(4)抗振性能优越；(5)耐腐蚀性，耐磨性好；(6)造型优美，既经济实用又美观大方。从经济性能考虑，铸造机架与焊接机架相比较，焊接不仅生产周期与成本相对低廉，而且有更好的强度与刚度，因此选用焊接机架机。4.2横梁机架结构设计目前对于横梁机架的结构设计，基本依靠已有产品的借鉴，通过类比法和制造经验，并且运用相关理论知识来进行初步设计，再通过制定出的方案模拟试验进行进一步改进设计。支承件的初步设计：(1)要求能满足功能的基本结构；(2)要有足够的刚度：①正确选择截面的形状和尺寸； 弯矩与扭矩为支承件主要承受的两种载荷，因此刚度受到其惯性矩影响较大。即使相同材料，截面积也相等，但如果形状不同，产生的截面惯性矩也有很大差别；②肋板与肋条的正确布置；③正确选择材料和合理选择热处理工艺。(3)铸件和焊接件都要经过合理热处理工艺；(4)强度校核： 当升降台运动到横梁的中点时，弯矩最大，其值为：（4-1） 最大正应力点的强度条件为：查机械设计手册，从型钢表中查得45号钢工字梁截面：由已知[]=140Mpa代入（4-1）式中知：将其代入（4-1）式：此梁承受的最大重量：故此梁能满足刚度要求，可行。计算图示如图4-2：图4-2计算图示5结论本次设计主要是对切割机类型中的龙门式数控切割机进行改进设计，使龙门式数控切割机在制造上更加经济化，装配维护上更加简便化，操作上达到可控易控的性能。在本次设计中，对龙门式数控切割机进给运动系统进行简化改进，将升降台升降，及枪架横向移动，进行简化设计，利用经济实用的部件，完成其工作内容，降低成本，使得其更容易被中小型企业所接受。本次设计的突出之处有：(1)枪架的垂直方向传动采用了自位螺母，可以在Z轴方向的微量移动，可以在保证精度的前提下，降低对导柱及滑块上配合孔的加工精度，减少对机床的制造成本。(2)滑车在进行横向进给时采用了圆柱直线导轨结构，导轨采用优质合金钢制成，定位侧面和滚道同时磨削，保证了滚道精确的几何形状，以及滚道与安装定位面之间的精确的尺寸精度。(3)Z向进给系统，利用简单的齿轮齿条配合驱动短距离进给，结构简单，成本低廉。随着我国制造业的崛起，全自动化，智能化产品已趋于主流形势，通过本次设计研究与工厂参观实习，使我更直观更深入的了解了数控切割技术，由其是龙门数控切割机的工作进给装置与进给原理。同时在有关资料与实际参观的基础上，完成了符合毕业设计任务书，与龙门式数控切割机基本功能要求的设计。参考文献[1]M.Kovacic;J.Balic．EvolutionaryprogrammingofaCNCcuttingmachine．TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology．2003年22卷1-2期[2]Jordan,JohnM.;Bradbury,JohannaL．CNClathewithgantryloader.．ModernMachineShop．1997年69卷10期[3]M.Dölen;B.Kaftanoglu;R.D.Lorenz．ACuttingForceEstimatorforCNCMachiningCenters．CIRPAnnals-ManufacturingTechnology．2004年53卷1期[4]吕宏,王慧.机械设计[M].北京:北京大学出版社，2009[5]朱理.机械原理[M].北京:高等教育出版社，2004.04[6]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社，2004.08[7]李德生．数控切割机在机械制造系统中的应用．中国制造业信息化．2007.15[8]王丽珺．提高数控切割机的使用效率．机械管理开发．2011.05[9]袁泳．数控切割机在机械制造中的应用．建设机械技术与管理．1997.06[10]泽雁．数控切割机实现工业性生产．新型建筑材料．2000.08[11]李晓今．大型数控切割机的纵-横向伺服控制和三割炬电容调高伺服控制．光电工程．1993.01[12]崔崑．数控火焰等离子弧切割机传动机构回差的控制．焊接技术．2000.04[13]李遵瑞，温澄心，HYPERLINK"/kcms/detail/%20%20%20%20%20%20%2