立柱式气体切割机设计

图书分类号：密级：毕业设计(论文)立柱式气体切割机设计DESIGNOFCOLUMNGASCUTTINGMACHINE毕业设计(论文)学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日毕业设计(论文)PAGE8摘要本说明书是针对立柱式气体切割机的设计说明。立柱式气体切割机是根据工件的形状制作出样板，滚轮在样板的形状边缘转动带动割炬自动切割出样板形状形的工件，是一种相比普通气体切割机效率高的半自动气体切割机。本毕业设计是根据立柱式气体切割机的设计要求，主要对立柱式气体切割机的总体传动方案的选择和设计、如何制作样板、样板的夹紧装置、靠模机构如何运动仿、其他机构、控制电路进行了设计说明。设计出的立柱式气体切割机质量低易于携带、占地面积小、操作简单，适合中小型企业使用。关键词气割机立柱式工件AbstractThismanualisdesignedforcolumntypegascuttingmachine.Thecolumntypegascuttingmachineisaccordingtotheshapeoftheworkpieceproductionmodel,rollerattheedgeoftheshapemodelrotationdrivenautomatictorchcuttingmodeltheshapeoftheworkpiece,isacomparedtotheordinarygascuttingmachinewithhighefficiencyofsemiautomaticgascuttingmachine.Thisgraduationdesignisaccordingtothecolumntypegascuttingmachinedesignrequirements,mainlyonthecolumntypegascuttingmachineoftheoveralltransmissionschemeselectionanddesign,howtomakethemodel,themodelofclampingdevice,copyingmechanismhowmotionsimulation,otherinstitutions,acontrolcircuitdesigndescription.Thequalityofthecolumntypegascuttingmachineiseasytocarry,smallfloorspace,simpleoperation,suitableforsmallandmediumenterprises.Keywordsgascuttingmachinecolumntypetheworkpiece目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1立柱式气体切割机的设计意义 11.2立柱式气体切割机的分类及其特点 11.3国内的研究状况及发展趋势 21.3.1切割的种类 31.3.2气体切割的前景 41.4设计目的 51.5研究的主要内容 51.6课题研究的方法 62方案的选择与论证 72.1设计要求 72.2立柱式气体切割机运动机构的分析与选择 72.3立柱式气体切割机各部分的结构设计 73传动系统的设计 93.1传动方案总体设计 93.2电动机转速计算 103.3电动机选型 103.4滚轮轴的设计 114样板的制作和夹紧机构的设计 134.1样板制作的设计 134.2样板夹紧机构的设计 155靠模机构的设计 205.1靠模机构原理的设计 205.2靠模机构尺寸的设计 216立柱式气体切割机其他部分的设计 246.1主轴的设计 246.2速度控制箱的设计 256.3底座及底座套筒的设计 266.4割炬的设计 277控制电路设计 297.1控制系统的组成结构 297.2控制系统的性能要求 297.3控制系统PLC的选型 297.4I/O点数分配 307.4.1PLC外部接线图 31结论 32致谢 33参考文献 341绪论1.1立柱式气体切割机的设计意义立柱式气体切割机是根据待加工工件的形状制作成样板,滚轮按照样板的形状在其边缘运动带动割炬进行自动切割的一种半自动气割机。因为是采用模板复制的原理,所以可以轻松的切割出不同形状的工件,适合用在中小规模切割的不规则的形状或者内部外部同圆心的各种形状的工件时,非常方便灵活。适合气割的工件材料绝大部分的低碳钢和其他合金钢等。立柱式气体切割机使用范围很广,在中小批量的生产中可以起到非常大的作用，同时也可作为大型工厂数控气割机的补充。立柱式气体切割机不需要复杂的数控编程,相比于普通切割机不需要经验丰富的操作工人就能轻松地切割出满足要求的各形状工件,对于工厂提高生产效率、降低生产成本是一个不错的选择。1.2立柱式气体切割机的分类及其特点立式气体切割机的结构类型主要可分为两种；一种是门式，另一种是立柱式的。其工作原理都是采用滚轮绕样板的形状转动从而带动割炬切割。门式气割机的滚轮有磁性滚轮和非磁性滚轮两种。门式气体切割机的外形结构如图1-1所示：图1-1门式气体切割机外形结构简图1.靠模2.管道3.割炬架4.割炬5.减速器6.电动机7.行走主动轮8.导轨9.从动轮门式气体切割机的特点：结构简单、可靠性高、操作简单、生产效率高。其中，非磁性滚轮靠模门式气体切割机的滚轮用一个弹簧紧靠在靠模上，当机身在轨道上作竖直方向运动时，滚轮根据靠模的引导作水平方向的运动，并带动割炬作同样的水平方向运动，所以广泛的用于切割速度较慢的非封闭式曲线工件的批量气割中；而磁性导轮靠模门式气体切割机采用磁滚轮沿样模板形状的边缘转动仿形带动割炬切割工件，机架与割炬之间采用直角坐标系的水平垂直方向车架相联，所以可以切割较大范围的工件尺寸或封闭式曲线。立柱式气体切割机外形结构如图1-2：图1-2立柱式气体切割机外形结构简图1.割炬2.割炬调节架3.主臂4.电动机5.磁头6.连接器7.横移杆8.竖柱9.基臂10.控制板11速度控制箱12.平衡锤13.底座立柱式气体切割机结构简单轻巧，质量较低，携带方便，占地小，适合在大部分的现场工作，工作效率和切割质量都比较高，对于形状复杂的曲面工件也能轻松的加工切割出来，实际使用效果很好。所以，将针对这种设备进行较深的设计和研究。1.3国内的研究状况及发展趋势早在很多年前，我国就已经应用了仿形加工这项技术，这项技术曾经在三四十年前的时候由于政策和发展背景，在那时候有了迅猛的发展，在当时那个时代也拿到了相当不错的成绩。该技术在很多领域都能起到相当大的作用，例如在航空航天领域，或者在一般机械行业，模具等，还有一些比较难以制作的小零件，都可以运用此技术，正是因为仿形加工技术的迅猛发展，我国的相关工业水平和航空水平才能在近期得到良好的发展。目前在很多方面应用较多。氧气切割方法是在80年代左右发明的。它具有一些独一无二的优势：使用设备要求简单、原理简单、生产效率高、加工切口质量高,特别是能切割较大厚度的板材,自从发明以为一直是一种重要的金属切割和焊接等其他加工方法和其他方面的处理的技术,在机械领域运用广泛。从上世纪我国引进气割技术以来,氧气切割技术已应用在了我国的很多行业。从开始应用于切割焊接金属,到后来可以应用在缩小碳结构钢方面。气割机、等离子切割设备和激光切割设备都可以切割高密度合金钢、铝、铜、钛及其合金等，其中气割机是应用范围最广的。气割过程如1-3所示：图1-3气体切割的过程1.割缝2.割嘴3.氧气流4.板材5.氧化物6.预热火焰气割技术,除了一般的金属尺寸形状切割,还改进发明出了管材切割、工件表面气刨、水下切割、厚碳素合金钢的切割等其他新的技术,与此同时氧气切割方法在各种接口的焊接方面也取得了广泛的应用。为了提高切割加工的精度、工作效率，减少人工劳动强度、成本,根据实际需要发明了各种不同功能的自动切割设备,半自动：导轨式半自动切割机、管道切割机、小车式半自动切割机等,自动切割机：数控火焰切割机、数控等离子切割机、激光切割机等其他数控切割机。气体切割常用的气体有天然气、乙炔、液化气等气体。在切割加工过程中不同的割嘴、割炬、切割用气体都对切割速度和最大切割厚度有一定影响。使用液化气和乙炔混合气体就可有效的提高切割速度与切割表面质量。打开阀门释放预热气体和氧气在两种气体通过割炬时两种气体混合,在割嘴处点火混合气体被点燃。选择不同型号的割嘴可以切割不同范围的板材厚度。割嘴主要分为普通和快速两种，如：分体式、旋风快速、多孔等。1.3.1切割的种类现如今市场上常用的切割机可分为三种，第一种是利用气体燃烧进行切割的，又叫做火焰气体切割，第二种是利用等离子，也是近代刚兴起的一种技术，比较受欢迎，最后一种是利用激光进行切割，效果好，技术含量高。a)气体火焰切割它是目前使用范围最广的一种切割方式,它利用气体燃烧产生的气锋切割板材。常用的气体有乙炔、丙烷，其中丙烷气体在与氧气混合后燃烧产生的热值最高、燃烧时间长,是数控火焰切割机最适合使用的切割气体。所以几乎当前市面上的大部分数控火焰切割机都是采用的氧丙烷气体混合物。气体火焰切割作为使用最广的切割方式的优点,因为它的使用设备简单、适用在很多方面、切割成本低、污染小、尤其是能切割对各种厚度的金属板材、切削表面平滑度较低、操作要求低和适合大部分的工作环境,火焰切割主要的不足是切割速度相对另外两种较慢,切割碳素钢的速度一般为：1.67~11.67cm/s。b)等离子切割等离子切割是加工金属板材的常用方式。它的优点：切割快，稳定性高、对加工的工件影响较小。在切割厚度较低的板材时等离子切割的切割速度比较快,切割速度一般在0.017m/s~0.05m/s,等离子切割的缺点是在切割易碎的工件过程中会产生切削弧和加工小工件会产生热变形。c)激光切割激光切割采用大功率的高密度激光束照射在工件表面,使工件迅速被加热至熔点的原理进行切割的方法。激光切割的优点是加工精度高、切割速度比火焰与等离子快很多、切割效率高还可以不用与工件接触、绿色环保、可切割的材料类型限制少。是一种新兴的切割技术。激光切割的缺点切割不了厚度较高的板材、设备成本高。1.3.2气体切割的前景在三种切割常用方法中,气体火焰割切割应用范围最广泛的,它是目前机械加工行业切割板材类工件的主要方法。不管是手动、半自动、全自动切割设备都是以气体切割为主，所以现如今气割还是比较受欢迎，原因有以下几点：1)大多数企业都有使用过气体切割的经验,相比其他切割方法对气割了解更多。所以在采购切割设备时会优先考虑气体切割设备，除非有其他的特殊情况。2)气体切割机可以切割目前市场上常用的大部分板材，切割加工成本相比其他两种低,设备投资小。基于这两点,气割切割设备在目前以及未来一段时间内仍然是切割设备中的主流设备,除非有一些其他加工要求。1.4设计目的气体切割切机广泛的应用在各种板材切割加工中。在机械制造、船舶、航天航空、金属冶炼等行业中，需要对各种厚度、形状的板材下料，所以对气体切割机使用最多。随着这几年经济和科学技术的迅猛发展，生产力越来越难满足人民的需求。这几年数控技术已广泛应用到了机械制造行业，发明了很多数控设备，其中就有数控气割设备。使用数控气割设备可以大大减轻操作工人的劳动强度、提高加工质量和生产效率。大型工厂因为生产的需要会花巨资投资在先进的数控切割设备上。价格昂贵的数控切割设备对加工中、小型工厂来说，是一笔巨大的投资。同时，对于部分中小型工厂来说，他们的生产加工不必要使用到数控切割设备。因此，为了提高国内机械制造行业中气体割切割工艺水平、提高产品质量，对于中、小批量生产，开发出一种轻型的自动数控气体切割设备，这种小型设备具有很大的市场潜力和用户需求，所以肯定会非常受欢迎。本设计课题是根据于对中、小批量板材形状切割的实际生产需要，进行命题。为用户设计提供出一种能够切割部分形状板材、加工效率高、设备成本低、占地小便于携带的立柱式气体切割机。主要的用户群是中小型工厂。本设计完成可以达到以下目的：根据大学所学的机械和电气专业基础知识，设计出一台小型半自动气体切割机。该题目是一个实际应用题目，可以将书本上的知识转化成实际设计所用，通过完成这次毕业设计，使学生学到有一个略全面的机电产品设计整个过程的经验。a)综合运用所学机械和电气专业基础知识以及机电一体化技术，对立柱式气体切割机的机构部分与控制部分进行设计；b)了解目前气体割切割技术在实际应用上的情况和未来的其发展方向；c)通过这次毕业设计，为即将踏入社会参加工作的毕业生进行一次能力的提升。1.5研究的主要内容。。。。。。。。。。。。。。。。。。1.6课题研究的方法。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2方案的选择与论证板材下料需要使用到切割机，切割机的种类繁多，各种结构的都有，自动化程度也不一样。我们在设计时，可以参考市面上已有的切割机结构。首先，我们要先了解各种切割机的切割过程，如何能自动切割出满足加工尺寸的工件及设计要求。第二，从实际出发调查出用户的实际需求与市面上各种类切割机的不足。以这些为基础先设计出一个初步方案，在查找资料之后改进确定一个最符合设计要求的方案来作为本次设计的基础。第三，完成设计。最后对样机进行调试，看设计是否满足设计要求，如果存在问题那么就需要改进。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7控制电路设计控制部分系统的设计是实现立柱式气体切割机自动化的关键。它是本次设计的立柱式切割机是否具有优越的性能的一个重要因素，考虑降低成本，通过分析目前市场上主流的自动切割设备大部分都使用的的控制器结构和可编程控制器PLC的应用前景之后，选择采用PLC进行控制，PLC控制使本设计的控制系统更加简单。7.1控制系统的组成结构立柱式气体切割机的控制系统是为了让切割机自动化程度高，降低工人的劳动强度，提高生产效率。立柱式气体切割的控制系统的分为3个部分：感知部分：收集立柱式气体切割机的速度。控制装置：处理传感器发来的信息，根据预先设置的指令执行。驱动部分：驱动立柱式气割机完成相应的操作命令。7.2控制系统的性能要求对于一般的控制系统有以下控制的要求：（1）稳定性切割速度要平稳（2）准确性切割速度准确（3）快速性启动快速7.3控制系统PLC的选型一、PLC机型的选择PLC机型的选择要先满足控制系统功能方面的要求，在考虑控制系统可靠性，同时还需考虑后期的维护，最后还要考虑成本。根据本次设计的立柱式气体切割机任务要求，考虑到本设计的控制系统比较简单，是用于中、小批量的生产的设备，用户群也是中小企业，所以选用价格较低的整体式PLC采用集中式的安装方式能满足本设计的要求。本次设计控制系统只需控制速度所以选用一个小型PLC即可，小型PLC都具有逻辑运算、定时、计数等常用功能。目前市场上的PLC种类较多，主要的品牌有西门子、三菱、欧姆龙、施耐德等，目前在工业上用得最广泛的的主要是西门子、三菱、欧姆龙的PLC。综合对比三菱FX系列、西门子S7-200系列、OMRON系列等型号的PLC的功能、价格、工作环境等各方面。本设计控制系统可选择PLC型号为：FX2N—64MR—001，使用编程简单，价格便宜，32点继电器输出；这个型号的可编程控制器有32个输入节点，32个输出节点，能够满足本次设计的控制系统要求并留有一定的余量。7.4I/O点数分配根据分析立柱式气体切割机的工作的动作流程分析来确定输入/输出点，可以确定电气控制系统的输入/输出点分配，如表7-1、表7-2：表7-1气割机控制输入点分配表输入设备输入点号输入设备输入点号启动按钮SB1X000手动下降按钮SB6X016停止按钮SB2X001手动左旋按钮SB7X017急停按钮SB3X002手动右旋按钮SB8X020左旋极限传感器ST2X003手动伸出按钮SB9X021右旋极限传感器ST3X004手动缩回按钮SB10X022板材上升限位传感器ST4X005手动吸气按钮SB11X023板材降限位传感器ST5X006手动放气按钮SB12X024板材缩回限位传感器ST6X007超上升限位传感器ST8X025板材伸出限位传感器ST7X010超下降限位传感器ST9X026工件检测传感器PS1X011超左旋限位传感器ST10X027手动SAX012超右旋限位传感器ST11X030自动X013超伸出限位传感器ST12X031复位按钮SB4X014超缩回限位传感器ST13X032手动上升按钮SB5X015表7.2气割机控制输出点分配表输出设备输出点号输出设备输出点号左旋电磁阀6YAY000夹紧电磁阀7YAY006右旋电磁阀5YAY001放料电磁阀8YAY007缩回电磁阀2YAY002报警指示灯L11Y010伸出电磁阀1YAY003手动指示灯L12Y011板材上升电磁阀4YAY004自动指示灯L13Y012板材下降电磁阀3YAY005原位指示灯L14Y0137.4.1PLC外部接线图根据表7-1、7-2所分配I/O点与实际选用的PLC的I/O接口分配情况，画出PLC的外部接线图。如图7-1所示：图7.1PLC外部接线图结论本次设计重点完成了对立柱式气体切割机样板及其夹紧机构、靠模机构、传动系统和控制电路的设计，其中，靠模机构的设计是整个立柱式气体切割机的难点与重点，设计完本文中的立柱式气体切割机后，得到如下结论：通过仔细得分析，得出此立柱式气体切割机要实现仿形气割的工作原理的靠模机构不是用通常的凸轮机构，取而代之的是用更加简便的磁性靠轮机构，以磁性靠轮作为原动件，不但运动灵活更易实现复杂零件的切割，并且不容易产生死点和歧动位置。为了使结构更加紧凑，设计的立柱式气体切割机摒弃了传统的电动机与减速器配合降速的模式，由于滚轮轴所需的转速与转矩都很小，所以所选用的电动机无需太大功率，因此，选用小型可调速电机，不但能够很方便得调节所需转速，还能使结构更加紧凑，并且能够实现正反转变化。本设计虽然能很简易地实现仿形气割的功能，但是还存在许多不足的地方：割炬架上没有设置让割炬能够旋转的装置，割炬如果不竖直只能通过调整底座螺栓来调整，但是这样就容易改变其他部件的方向；切割时，立柱式气体切割机靠四个底座螺栓支撑在待切割材料上，可以在水平面上360度内随意移动与转动，无任何导向与限制，因此，人工移动设备室无法控制方向。如果批量切割同一种工件，很难保证工件方