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1、邵阳学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 切割机的研究现状1958年英国氧气公司试制成功了世界上第1台数控切割机，开创了数控切割的新纪元。随后，发达国家都相继开展了对数控切割的技术、工艺、相关配套软件和设备的深入开发研究工作，如今，针对不同的工件对象，人们可分别采用数控、机器人切割等多种切割方法；为了满足各种材质的切割性能和精度要求，又可以选用火焰、等离子、激光等与之相适应的切割工艺，真正达到了为用户提供全面解决问题的方案。我国数控切割技术开发研制是在20世纪80年代初、伴随着微电子技术的成熟并获得广泛应用的基础上开始起步的，经历20多个春秋的持续发展，终于取得了可喜的成就。目前国产数控切割产
2、品的种类和规格已相当齐全，其中部分产品在技术、性能、指标和功能上均已接近或达到国际上同类产品的水平。 在此就数控切割技术在我国应用情况作一个回顾，并对其介绍其优缺点。1.1.1 数控火焰切割 20世纪70年代中期，我国研究了船体线型的数学光顺及曲面外板展开的计算机辅助设计程序，该程序系统产生的输出结果可用于数控加工，从而使船体钢板下料切割不再需要经过实尺放样制作样板在钢板上画线用手工或半自动切割这么多道繁琐的工序，由此而来，应用数控切割船用钢板的优越性立刻展现出来，它既节省了工时、放样台场地和样板材料，又能减轻工人劳动强度，极大地提高了工效。1.1.2数控等离子切割我国数控等离子切割技术开发研
3、制是在数控火焰切割技术趋于成熟并获得广泛应用的基础上开始的。20世纪80年代末、90年代初，钢板和其他金属材料的切割量急剧增大，高速度、高效率的数控等离子切割技术日益受到包括造船在内的制造业界的重视，而当时国产设备还一时无法担此重任，许多厂不得已只能花巨资，率先从国外引进数控等离子切割机，以解生产上的燃眉之急。大量进口机器的接踵而至，给国内同行以极大的鞭策，更激发了我们发愤图强研制先进设备以替代进口设备的使命感和紧迫感。另一方面，国外先进设备的引进，也为我们提供了难得的学习和借鉴机会。经历了消化学习、潜心钻研，并在关键技术上采取引进和自主开发的措施，使我国数控等离子切割技术研制水平在高起点上得
4、到了质的飞跃，因此国产数控等离子切割机邵阳学院毕业设计（论文）2从降生之日起就基本实现了自动化程度高、功能齐全、运行可靠、性价比高的发展目标，并很快被我国所认知和接受，从此成为国外进口设备强劲的竞争对手。1.1.3 数控激光切割激光切割所形成的割缝窄，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割缝质量好，无挂渣、边缘垂直、表面光滑。在那些需要高精度、高效率切割薄板的领域，数控激光切割机仍然是首选设备。另外，激光切割还有能量密度高，切割热影响区小，可以对常规方法无法加工的材料和零件进行加工等诸多优点。但是数控激光切割机价格昂贵，设备投资费用大概是精细等离子的2-3倍；当用激光切割厚度超过6-8 mm的钢板
5、时，加工费用将会大于精细等离子切割，外加日常维护工作量大，因此数控激光切割的运行成本较高，这些不利因素，阻碍了其在我国各行业的应用。20世纪80年代以来，因为数控火焰切割机具有许多优点，在我国造船行业获得了普遍应用。至90年代中期，当数控等离子切割机登台亮相时，其所扮演的角色逐渐发生了转变，但这并不意味着它将从此退出历史的舞台，遭到弃用或淘汰，毕竟数控火焰切割机在切割厚度超过30 mm的钢板、切割加工多种形状的坡口和多割炬大批量切割直条钢板时，还有许多不容忽视的优越性。可以预见，数控火焰切割机在今后相当长的时期内，将作为数控等离子切割机等先进设备的补充，在各个行业继续发挥它应有的作用，并能长期
6、存在。 1.2 本课题设计的目的和意义目前，中小型机械制造企业板材下料的自动化程度较低，基本上采用人工下料，造成“三低一高”现象，即生产效率低、材料利用率低、产品质量低和生产成本高，从而直接影响企业的经济效益。为提高生产效率，减轻人工劳动强度，结合实际生产需要，现设计一种新型龙门式数控火焰切割机，实现切割下料的全自动。另外，设计出新型的龙门式数控火焰切割机，主要是解决现在中小企业的“三低一高”现象，提高中小企业在市场上的竞争力，为企业创造出更多的效益。1.3 主要设计内容 本课题将结合市场的需要，设计出一种新型龙门式数控火焰切割机。主要内容包括： （1）参与龙门式数控火焰切割机总体结构的设计；
7、（2）横向进给系统的结构设计；邵阳学院毕业设计（论文）3（3）横向进给系统主要零件的设计及计算。（4）横向进给系统主要零部件的刚度和强度校核。设计中要解决的关键问题有：（1）如何实现切割头的左右移动？（2）如何实现切割头的上下移动？（3）如何实现横向进给系统中各零部分正确连接？邵阳学院毕业设计（论文）42 总体方案的确定2.1 设计任务分析2.1.1设计要求龙门式火焰切割机总体结构应达到如下技术要求：（1）配工控机，能实现对金属板材按直线、圆弧及任意曲线的自动切割；现有的火焰切割机只能对金属板材实现直线的切割，而对圆弧的切割只有在大型企业中实现，所以现设计的这个龙门式火焰切割机，配了工控机，能
8、实现对金属板材、圆弧及任意曲线的自动切割（2）切割速度可调，定位快速、准确；据调查，大多数机械制造的中小企业的火焰切割机不能调节速度，而且定位麻烦，速度慢，浪费很多的时间和金钱，先设计的这个龙门式火焰切割机能做到切割速度可调，而且定位快速，准确（3）设备操作简单、维护方便；现在的数控设备比较笨重,占地位置比较大，对于企业来说数控设备能带来效益，但是也占着企业很大的土地,造成了很大的浪费，另外，设备的操作问题也是个问题，由于设备比较落后，精度都不怎么高,工人很难控制其加工精度，一旦机器出了毛病，将带给企业很大的损失，所以设计出的这个龙门式火焰切割机应满足设备操作简单、维护方便的要求。（4）主要技
9、术指标：切割范围：3.010.0m切割速度：03500mm/min切割厚度：5200mm移动精度：0.05mm/步工作电压：220V5% 50HZ2.2 总体方案的设计2.2.1 总体布局 龙门式数控火焰切割机分为控制系统和机械系统两大部分，本次设计从事机械部邵阳学院毕业设计（论文）5分的设计，机械部分主要包括横向进给系统和纵向进给系统，横向进给系统主要由横向行车机构，横向驱动机构，切割头上下移动机构等组成；纵向进给系统主要由纵向驱动机构，纵向从动机构，导轨等部分组成， 总体结构见图2.1。1-横向行车机构 2-纵向从动机构 3-切割头上下移动机构 4-导轨 5-纵向驱动机构图2.1 龙门式火
10、焰切割机总体布局2.2.2 横向进给系统的布局横向进给系统其结构主要包括横向行车机构，横向驱动机构，切割头上下移动机构等几个主要部分，其中横向行车机构指在X向的移动，X向移动主要以电动机为动力，利用齿轮齿条副驱动方式来实现。切割头上下移动机构指的是Z向的移动，它的移动也是以电动机为动力，利用丝杆螺母副来实现切割头Z向的移动。横向进给系统图见2.2：邵阳学院毕业设计（论文）61.齿轮 2.支架 3.T 型座 4.支撑轴 5.轮子 6.螺母 7.夹紧装置8.切割头 9.导向轴 10.导向轮 11.导轨 12.横梁图 2.2 龙门式火焰切割机横向进给系统总体布局邵阳学院毕业设计（论文）73横向行车机
11、构的设计横向行车机构指的是X向的移动机构，它是通过电动机的动力，使齿轮在齿条上作来回移动。3.1 横向移动方案的比较与选择方案一：如图3.1所示，有六个轮子安装在导轨的上表面,其中有四个轮子是用于导向,两个轮子用于承重。还有四个轮子安装在导轨的下表面,这四个轮子全是用于导向，那么这样总共十个轮子，他们的具体位置见图3.1：1.销 2.轴 3.承重轮 4.导向轮 5.导向轮 图 3.1 方案一方案二：如图3.2所示，有四个轮子安装在横梁上，这四个轮子全是用于承重；另外四个轮子安装在导轨的下表面，用于导向；一共八个轮子，它们的具体位置见图3.2： 邵阳学院毕业设计（论文）81.承重轮 2.横梁 3
12、.导轨 4.导向轮 图 3.2 方案二方案比较：横向行车结构的 X 向移动都是通过轮子来实现的，从轮子的安装上分析：方案一中安装在导轨上表面的四个导向轮通过轴连接到两块钢板上，轴通过销来固定在钢板中，而两个承重轮分别安装在两块钢板间，用于承重，保证整个横向行车机构的正常运动，但是这样安装和拆卸非常麻烦。方案二中安装在横梁上的四个承重轮通过轴来连接，轴与设计的 T 型座通过螺栓连接，这样在结构上便于安装。从轮子的安排上分析：方案一中导轨上表面的六个轮子，其中有四个是导向轮，只有两个是承重轮，加上导轨下表面的四个导向轮，那么导轨上下表面总共有八个导向轮，这样很难实现导向的同步性，而且增加了安装的难
13、度；方案二则只设计了四个导向轮用于导向，另外设计了四个承重轮用于承重，这样不仅节省了材料，而且考虑到了轴的受力情况。从力学上分析：方案一只用两个承重轮，那么与之连接的轴要承受电机、支架等零件的全部重量，从受力上看整个结构的的安全系数不高，方案二则设计了四个承重轮，并且均匀分布在横梁上，那么与承重轮相连的轴所承受的力也比较均匀,这样不仅节省了材料，而且提高了整体结构的安全系数，根据两个方案的比较，方案二更合理，因此选择方案二。邵阳学院毕业设计（论文）9通过对 X 向移动方案的比较，确定其横向行车机构。横向行车机构中有八个轮子（轮子用轴承代替），其中 T 型座上安装四个承重轮，导轨侧面安装四个导向
14、轮，通过轮子在导轨上的滚动可实现行车系统的横向运动。其中四个承重轮跟轴连接，轴通过螺栓固定在 T 型座上，考虑到轮子安装间隙引起机构的移动产生摇晃和颠簸，影响其移动精度，支架与 T 型座采用螺栓连接方式，通过加减垫圈和弹簧垫圈来消除。其运动方式是通过齿轮与齿条的啮合带动整个横向行车机构运动。 3.2 主要零件的设计根据前面选定的设计方案可知，横向行车机构的主要零件包括轮子，支撑轴，导向轴， T 型座，导轨，横梁，安全挡板。3.2.1 支撑轴的设计和校核轴的结构设计包括设计并确定轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以
15、及轴联结的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。无论在什么具体条件下，轴都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。具体设计如下：（1） 材料的选择应用于轴的材料种类很多，主要根据轴的使用条件，对轴的强度、刚度和其他机械性能等的要求，采用的热处理方式，同时考虑制造加工工艺，并力求经济合理。轴的材料一般是通过轧制或者锻造经切割加工的碳素钢或合金钢。对于直径校小的轴，可用圆钢制造；有条件的可直接用冷拔钢材；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成是空心的，并且带有焊
16、接的或锻造的凸缘。轴常用的材料是优质碳素结构钢，如35、45和50，其中以45号钢最为常用。不太重要及受载较小的轴可用Q235、Q275等普通碳素结构钢，对于受力比较大，轴的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的轴可采用合金结构钢。当采用合金钢时，应优先选用符合我国资源情况的硅锰钢、硼钢等。对于结构复杂的轴（例如花键轴、空心轴等） ，为保持尺寸的稳定性和减少热处理变形可选用硌钢；对于大截面非常重要的轴可选用硌镍钢；对于高温或腐蚀条件下工作的轴可选用耐热钢或不锈钢。45号钢具有综合的力学性能，淬透性低，水淬时易产生裂纹，所以选择支撑轴的材料为45号钢，经调质处理，其机械性能查机械设计手册中轴及其连接表5-1-1：邵阳学院毕业设计（论文）10硬度为217255HB，抗拉强度，屈服点，弯曲疲劳极限MPab650MPas360，扭转疲劳极限，许用静应力 +1p=260Mpa，许用疲劳应MPa3001MPa1551力-1p=180207MPa；查机械设计表15-1轴的许用弯曲应力，得。MPab601（2） 结构设计
