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1、摘 要本设计是锅炉膜式壁管屏双头自动气割机，是针对上海锅炉厂生产的锅炉膜式壁管屏的切割工艺进行改进。由于现有的切割设备存在生产效率低、工人劳动强度大和产品质量不稳定等问题，进行技术改造是势在必行。本设计在现有的机械系统的基础上，添加合适的传动部件，并引入控制系统，实现该机器的自动运行。具体如下：X轴方向采用齿轮齿条传动，通过伺服电机来驱动，实现整个机身的前后移动；Y轴方向采用梯形同步带传动，通过步进电机来驱动，实现切割头的左右移动；Z轴方向采用滚轴丝杠传动，通过步进电机驱动，实现切割头的上下运动；控制部分采用PLC来实现自动控制，控制程序分为自动运行部分和手动调整部分，便于操作工人对机器的控制
2、。导向方面：X轴采用工字型钢轨，单侧驱动，另一侧随动的方式；Y轴采用矩形镶嵌导轨，既能承受切割头的重力，又能承受切割头侧面安装产生的倾覆力矩；Z轴采用滚动导轨，减小摩擦力，提高传动精度。本文主要进行传动部件和控制系统的设计，系统地介绍了该机械各个运动部分的组成。通过进行技术改造，可大大弥补现有设备的不足，对产品质量的提高是大有裨益的。关键词：锅炉膜式壁管屏，双头气割机设计，轨道式气割机，自动化切割，可编程逻辑控制器ABSTRACTThis design is a double-headed automatic gas cutting machine of the boiler membrane
3、 wall pipe, and it is specially used for improve the manufacturing process of the products of Shanghai Boiler Works Co. Ltd. Due to the existing equipment these problems such as low productivity, intensive labor and unsteady quality, conducting the technology improvement is necessary. This equipment
4、 is added the transmission parts and introduces the control system to achieve automatic operation, which is based on the existing machine. The details are as following: In the X axis, I adopt the rack-and-pinion transmission, which is driven by the servomotor, implementing the fore and back motions
5、of the body of the machine; In the Y axis, I adopt the trapezoid teeth synchronous belts transmission, which is driven by the stepping motor, implementing the left and right motions of the Z axis; In the Z axis, I adopt the ball screw transmission, which is driven by the stepping motor, implementing
6、 the up and down motions of the cutting head; The control system is based on the PLC which is convenient to manual adjusting and automatic operating by programming. The guiding parts: In the X axis, I adopt the I-Rails and single-side drive, and another follows; In the Y axis, I adopt the rectangula
7、r mosaic guide which can bear not only the gravity of the cutting head but also the overturning moment of the side-mounted cutting head; In the Z axis, I adopt the rolling guide, which can reduce the friction and improve the transmission precision. This article introduces the design of the transmiss
8、ion parts and control system systematically. Through the improvement, those problems can be greatly improved and it is beneficial to improve the products quality.Key words: the boiler membrane wall pipe, design of the double-headed gas cutting machine, strip gas cutting machine, automatic cutting, p
9、rogrammable logical controller目 录1 绪论11.1 火焰切割机的发展和优点11.2 锅炉膜式壁管屏的工艺简介22 设计方案32.1 机械部分32.2 电气部分32.3控制方式的选择43 设计计算53.1 Z轴传动部件的选择与校核计算53.2 Y轴传动部件的选择与校核计算123.3 X轴传动部件的选择与校核计算213.4 电机参数数据汇总254 标准连接件的选型与校核274.1 联轴器的选型与校核274.2 轴承的选型与校核284.3 键的分类及选用305 电气控制设计335.1 电机驱动器的选用335.2 电机驱动器与PLC连接335.3 PLC的I/O分配表3
10、45.4系统工作流程366 结论386.1 总结386.2 展望38参考文献39致 谢40附录411 绪论1.1 火焰切割机的发展和优点1.2 锅炉膜式壁管屏的工艺简介大容量高参数的电站锅炉及环保型循环流化床锅炉都广泛地采用了膜式水冷壁结构。膜式水冷壁的使用，能够保证炉膛、炉墙的密封性，降低排烟热损失，减少燃烧室、炉膛漏风，可以实现微正压燃烧，提高热效率。同时也减小炉膛的蓄热能力，使燃烧室升温快，冷却也快，可缩短启动和停炉时间，降低成本。图1-1 管屏结构示意图由于焊接之后的锅炉膜式壁管屏都有一定的余量，因此要将其从管屏上切掉，现在大型的锅炉都是采用龙门式双头或者多头来进行管屏的切割，但是大都
11、是工人们手工控制，切割质量难以保证。随着计算机技术的发展，新的控制技术也引入到了管屏切割里面，自动化生产已成为发展的趋势。图1-2 直排膜式壁管屏2 设计方案2.1 机械部分机械手总共有三个自由度，分别为X,Y,Z三个方向的直线移动，其中X轴方向的直线运动靠电机带动齿轮齿条而实现，Y轴方向的直线运动靠电机带动同步带而实现，Z轴方向的直线运动靠电机带动滚珠丝杠而实现，通过这三根轴的组合运动来实现气割头的定位。X轴(前后)方向运动范围为20m，Y轴(左右)方向运动范围为2000mm，Z轴(上下)方向运动范围为600mm。图2-1 系统简易三维模型图2.2 电气部分电动机的选用：步进电动机是一种用电
12、脉冲信号进行控制,并将脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的执行器。步进电动机的输出位移量与输入脉冲个数成正比、转速与脉冲频率成正比、转向与脉冲分配到步进电机各相绕组的相序有关。所以只要控制脉冲数量、频率和电机绕组通电顺序便可控制步进电动机的角位移、转速、转向，这使得步进电动机具有转动惯量低、定位精确度高、无累积误差、控制简单方便等特点。步进电动机在自动控制装置中常被选作为执行元件,广泛应用于各种自动化控制系统和机电一体化设备中。步进电机的优点在于：(1) 输入脉冲数与电动机角位移严格成正比,电动机运转一周后没有累积误差,因此具有良好的跟随特性；(2) 步进电动机可以与驱动器组成开环数字控制系
13、统,同时也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数字控制系统；(3) 步进电动机的动态响应快,易于起动、停止、正反转和变速；(4) 步进电动机的速度可以在相当宽的范围内平滑调节,在低速状态下仍能获得很大的转矩。但是由于步进电机的容量较小，驱动负载能力较差，所以它只适用于轻载场合。为了保证满足负载要求，又不失控制精度，在功率较大的场合，常常要采用伺服电动机，与步进电机相比，伺服电机有如下特点：(1) 调速范围广：伺服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内实现连续调节；(2) 响应速度快：伺服电机的转子惯量小，能实现快速启动、停转；(3) 热容量大：伺服电机的控制功率小，过载能力强，可靠性高。2
14、.3控制方式的选择根据工作需要，需控制五个电机，由于需要的接口数量较多，为简化控制电路，故采用PLC来实现对电机的控制，实现各个轴的直线运动。3 设计计算3.1 Z轴传动部件的选择与校核计算3.1.1 脉冲当量的确定根据设计的分析和计算要求，X方向（前后）的脉冲当量为=mm/脉冲，Y方向（左右）为=mm/脉冲，Z方向（上下）为=0.02 mm/脉冲。3.1.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）工作载荷Fm的计算 Fm为工作最大载荷，是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力。已知移动部件总重G=50N，所以 Fm=G*=50*0.005=0.25N。（2）FQ最大动载荷的计算设Z方向最快的速
15、度v=0.05m/s=3m/min，初选丝杠基本导程 =6mm,则此时丝杠转速n=1200v/ =600r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T= 15000h(一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)，代入，得丝杠寿命系数=540(单位为：106 r)。查表3-30，取载荷系数=1.1，再取硬度系数 =1.0，代入公式： （3-1） 得最大动载荷 =2.239N。（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选用启东润泽机床附件有限公司生产的FL2506型滚珠丝杠副，为浮动反向器内循环式，其公称直径为=25mm，基本导程为=6mm，双螺母滚珠总圈为3 2圈=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为10400N，大于，故满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径 =25mm，基本导程 =6mm，代入 （3-2）得丝杠螺旋升角 =422,将摩擦角 =10，代入，得传动效率 =96.3% 。（5）刚度的验算1）纵向滚珠丝杠的支承，采用单推单推的方式，采取圆锥滚子轴承面对面组配。已知左、右支承的中心距离约为=710mm；钢的弹性模量=；查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-33，得滚珠直径=3.5mm，算得丝杠底径=-=25-3.5=21.5mm，则丝杠截面积
