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1、 1第一章 绪论11 切割技术的种类及发展 切割是焊接生产备料工序的重要加工方法，包括冷、热两类切割，而热切 割又有气体火焰切割、电弧切割、等离子切割和激光切割等各种工艺方法。目 前各种金属和非金属切割已经成为现代工业生产（特别是焊接生产）中的一个 重要工序，被焊工件所需要的几何形状和尺寸，绝大多数是通过切割来实现的。 切割技术被广泛的应用在国民经济建设的各个领域里。 近年来，由于机械工业飞速发展的需求和国外先进技术的引进，我国切割 技术无论在新工艺的开发方面，还是在新能源的利用方面都有了长足的发展。 自动化、半自动化切割技术的发展，使得切割技术可以代替部分机械加工，大 大提高了工作效率，还可
2、以提高金属材料的利用率。 气体火焰切割是热切割中最早被采用和最常用的工艺方法，这种切割方法 设备简单、操作方便灵活、投资费用少、切割质量好等特点。尤其是能够切割 各种含曲线形状的零件和大厚度工件等一系列特点使得它自进入工业领域以来 一直作为工业生产中切割碳钢和低合金钢的基本方法而被广泛采用。而本文介 绍的数控火焰切割机就是在早期切割机的基础上结合近年来高速发展的微型计 算机技术被广泛应用于工业领域的实际情况设计出的一种新型切割设备。 火焰切割是最老的热切割方式，其切割金属厚度从 1 毫米到 1 米，但是当 您需要切割的绝大多数低碳钢钢板厚度在 20 毫米以下时，应采用其他切割方式。火焰切割是利
3、用氧化铁燃烧过程中产生的高温来切割碳钢，火焰割炬的设 计为燃烧氧化铁提供了充分的氧气，以保证获得良好的切割效果。 火焰切割设备的成本低并且是切割厚金属板唯一经济有效的手段，但是在薄板切割方面有其不足之处。与等离子比较起来，火焰切割的热影响区要大许 多,热变形比较大。为了切割准确有效，操作人员需要拥有高超技术才能在切割 过程中及时回避金属板的热变形。 火焰切割方法有割炬切割和切割机切割两种。 割炬切割 割炬又称火焰枪。采用的燃气不同，构造也不同。常用的是氧一乙炔火焰 枪。乙炔压力为 0.01012MPa，氧气压力为 0.50l.0MPa。两种气体分别通过 各自的通路在火焰枪内混合燃烧，喷出的火焰
4、大小和性质可调节人工手持火焰 枪进行切割，通常用于大管坯和板坯轧后的切断或用于钢材矫直后去除缺陷的 补充切割。 切割机切割 由工作原理类似于火焰枪的切割炬、定尺机构和切缝清理装置组成。定尺 机构有机械式、脉冲式和光电式，可以实现自动定尺。切缝清理装置专门清理 切缝 I 口粘附的残渣，以防影响轧制时钢材的表面质量。清理方法有用刮刀刮2掉粘渣的，也有用一组高速旋转的尖角锤头打掉粘渣和毛刺的。火焰切割机多 作为连铸机后钢坯的在线切割设备，切割大断面方坯、板坯及大管坯，还用来 切割厚度大于 50mm 的成品钢板。12 数控火焰切割简介1 12 21 1 火焰切割火焰切割及数控火焰切割技术及数控火焰切割
5、技术 火焰切割就是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后， 喷出高速切割氧气流使预热处的金属燃烧并放出热量实现切割的方法。最常见 的气体切割是氧-乙炔火焰切割。 钢材的气割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气 流中燃烧的温度（即燃点） ，然后送进高纯度，高流速切割氧，使钢材中的铁在 氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量热，借助这些燃烧热和熔渣不断 加热钢材的下层和切口边缘，使之也达到燃点，直至工件的底部。与此同时， 切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。 数控火焰切割机是应用计算机数字程序控制（Computer Numerical program
6、 Control）的全自动化切割设备，人们借助计算机辅助设计程序，把所 要切割零件的形状、尺寸、切割顺序及切割过程中的各项辅助功能按一定的语 言程序规则进行编程，然后输入控制机，经运算后发出运动控制及辅助功能指 令，再有伺服行走系统和切割执行机构协调动作，从而完成所需零件的切割。 数控火焰切割机的特点： 功能齐全，自动化程度高具有割炬自动升降和自动调高、自动点火、自 动穿孔、自动切割、喷粉画线、喷印字码、喷水冷却、割缝自动补偿、熄火返 回重割、动态图形跟踪显示等功能，实现了切割全过程的自动控制。 可配置多个割炬工作，省去了制作样板和划线的工时，生产效率高采用套料程序，提高钢板利用率。 能合理选
7、定切割工艺参数及切割路径，可减小热变形，加工精度高，切割 质量好，能够减少后续打磨和装焊工时。 切割信息易于准备、修改和保存。 机器运行稳定可靠，操作方便。1 12 22 2 国内外数控火焰切割技术的发展国内外数控火焰切割技术的发展 国外工业发达国家，如德国、日本、瑞典等，正积极开发各种新型切割设 备（特别是数控切割机）和新的切割工艺。相继开发出了各种快速割嘴和高速 切割方法，如高压扩散型快速割嘴、高压细氧射流割嘴、高压氧帘快速割嘴、 双层氧帘割嘴，以及多割嘴组合高速切割方法等。 国外数控火焰切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本其主要厂 家有德国的伊萨（E SAB） 、梅塞尔（MESSE
8、R）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美国的（L-TEC） 、林德（LINDA）等。而能够代表数控等离子切割技 术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最全、3功能最多、水平最高、几乎包括了所有非接触式切割手段的数控切割机。 国外数控火焰切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本其主要厂 家有德国的伊萨（E SAB） 、梅塞尔（MESSER）日本的田中（TANAKA）小池 （KOIKE） ，美国的（L-TEC） 、林德（LINDA）等而能够代表数控等离子切割技 术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最全、 功能最多、水平最高、几
9、乎包括了所有非接触式切割手段的数控切割机。 我国数控切割技术的开发工作开始于 20 世纪 80 年代初，起步是数控火焰 切割机。到了 20 世纪 90 年代，在数控火焰切割技术趋于成熟，国内一些数控 切割机产品在许多方面已形成自身独有的特点，实现了“自动化，多功能和高 可靠性” 。在某些方面，产品的技术性能甚至超过了国外的产品。 在此基础上，国内的生产企业又通过嫁接引入国际上先进的等离子切割系 统，采取引进和自主开发相结合的方法，开展了数控等离子切割机的研制。历 经 20 多年，终于取得了可喜的成就，目前国产数控等离子、火焰切割机门类和 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
10、近或达到国际 水平，产业化进展顺利，并已具备一定的经营规模。 目前国内生产数控火焰切割机的厂家主要有梅塞尔切割焊接有限公司，上 海伊萨汉考克有限公司，哈尔滨华威焊切成套设备有限公司，哈尔滨四海数控 机械制造有限公司，深圳市博利昌数控切割设备有限公司，无锡华联焊割设备 厂，北京百惠宏达科技有限公司等几家。 现在国产数控火焰切割机与国外产品的差距已经不大，性能也比较稳定， 只是国产切割机为保证质量，一些主要部件如电磁气阀、减压阀、交流伺服系 统等均采用进口件，目前产品的质量仍然不稳定。总之，无论从切口质量、易 损件的耐用度等国产与进口的仍有一定的差距，因此要完全替代进口还需一段 时间。1 12 2
11、3 3 数控火焰切割机的市场及发展数控火焰切割机的市场及发展 数控火焰切割机是一种将电脑控制、精密机械传动、氧、燃气切割三者技 术相结合的高效率、高精度、高可靠的热切割设备。它适用于造船工业，重型 机械，化工设备，锅炉制造，机车车辆，石油化工等制造行业的高精度钢板热 切割的新型自动化设备。 现代金属制造企业如：造船、压力容器、工程机械、电站设备、桥梁和钢 结构等行业为优化其产品的结构性能，使得产品更经济，生产周期更短，在国 际市场更具竞争力就必须对其原有的制造技术和生产工艺提出新的设想和要求， 首先要彻底改变以往手工和半自动切割的低效率状况，广泛采用数控切割设备， 只有这样才能从根本上缓解了我
12、国机械制造业飞速发展所带来的钢板和其他金 属板材切割量急剧增大的巨大压力，为今后在整个制造业扩大应用数控等离子、 火焰切割机和应对未来国外同类企业的挑战打下了基础。 目前，我国机械加工行业中钢板下料普遍采用手工乙炔切割，这种现象 不仅存在于小规模单件生产的小型企业，也存在于大批量生产的大型企业中，4而国外企业的下料工序大部分采用了数控氧乙炔或数控等离子切割方法，不 仅可提高材料利用率，而且改善了产品质量，优化了工作环境，使人员工作效 率得到了提高。之所以数控下料不能在我国普及主要有三个方面原因：资金问 题、设备故障维护问题、操作问题。因此研制功能不是很强大但操作简单，性 能可靠，价格相对便宜的
13、实用型的火焰切割机就迫在眉睫这也就意味着目前 设计和制造经济型数控火焰切割机在国内将有广阔市场。5第二章 总体方案2.1 总体方案的确定数控火焰切割机的结构有龙门式、鼠笼式、龙式、车式、兔式、壁式仿行、壁虎式等许多形式。本课题总体布局采用龙门结构，龙门式结构框架不专门设 横梁，龙门式框架的顶梁亦即横梁切削头安装在垂直方向进给的溜板上，横 向溜板沿横梁导轨作横向进给运动，割嘴沿垂直方向导轨作垂直进给运动。由 于该火焰切割机切割工件时反切削力几乎为零，纵向进给运动可由工作台来完 成，所以纵向采用电机直接驱动工作台来完成。本课题所设计的切割机整体结 构如图 2.1 所示。1xxxxxxxxxxxx乙
14、乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙图 2.1 数控火焰切割机2.2 控制及传动系统的选用纵向、横向和垂直三个方向的进给运动均由步进电动机驱动的开环控制系 统。电动机采用反应式步进电动机，这类电动机步距角小，工作频率高，控制 功率小，输出转矩大，无励磁时具有转矩定位的优点。 横向、纵向和垂直进给运动选用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠的摩擦系数小于 丝杠，从而使各个进给总体刚度值增大，且传动比较平稳，综上可确定其总体 方案为：采用微机对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出脉冲给步进电动机带 动滚珠丝杠实现纵向、横向和垂直方向的进给运动。 三个方向的进给运动是本课题设计的重点，将在下面继续阐述。6
15、第三章 驱动部分设计3.1 电动机的选择设计要求牵引部功率为 750W，为数控车床纵向运动驱动，要求转速稳定并满足间断工作，启动转巨较小其功率要求不高。查机械设计表 16.2 选取电机型 号为 Y801-2 电动机，主要参数为：额定功率：0.75KW 满载转速：2825r/ min额定转矩：2.2 最大转矩：2.2额定电压：380V接线方式：Y3.2 减速器设计 数控火焰切割机的平稳性要求较高，其纵向运行速度较慢，要求减速机体 积较小，传动比范围较大，并且短期间断工作，其功率较小。选取 NGWN- 3Z（ ）型减速机，选取其传动比为 i=74。该型号减速机结构紧凑，传动比范围大，制造安装较复杂
16、。适于短期间断工作、小功率动力传动。且 a 轮输出时， 大于某一值后 3Z（ ）型传动将产生自锁。i3.3 各级传动转速、功率、转矩计算从减速机输入各轴一次命名为、 轴各轴转速计算12825 / minnr(3-1)21/5.1553.7 / minnnr(3-2)31/7438.2 / minnnr各轴功率计算0.75opkw(3-3)10120.75 0.98 0.970.713ppkw(3-4)21230.713 0.98 0.970.68ppkw各轴扭矩计算1009550/9550 0.75/ 28252.56TPnNm2119550/9550 0.713/553.712.3TP nNm(3-5)3229550/9550 0.68/38.21
