【正文】 、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過 程進行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域： (1)機械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)； (3)自動控制技術(shù)； (4)伺服驅(qū)動技術(shù)； (5)傳感器技術(shù)； (6)軟件技術(shù)等。 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（ IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已 是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［ 1～ 4］。 ○1高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（ CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。 ○2 5 軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機床快速發(fā)展 采用 5軸聯(lián)動對三維曲面零件的 加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認(rèn)為， 1臺 5軸聯(lián)動機床的效率可以等于 2臺 3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時， 5軸聯(lián)動加工可比 3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益。但過去因 5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。 ○3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包 括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等；簡化懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程、智能化的人機界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會 的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機，如在 EMO2021展中，日本山崎馬扎克（ Mazak)公司展出的“ CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱 CPC)；日本大隈（ Okuma）機床公司展出“ IT plaza”（信息技術(shù)廣場，簡稱 IT 廣場 )；德國西門子 (Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱 OME）等，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 ○4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3 個最大的經(jīng)濟體在短期內(nèi)進行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在 2021 年也開始進行中國的 ONC 數(shù)控 系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定。 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術(shù)誕生后的 50 年間的信息交換都是基于 ISO6983 標(biāo)準(zhǔn)，即采用 G， M代碼描述如何（ how）加工，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要。目前，歐美國家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計劃(～ )。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的 20 個CAD/CAM/CAPP/CNC 用戶、廠商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。美國的 STEP Tools 公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè) 數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型 (Super Model)，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了 SIEMENS、 FIDIA 以及歐洲 OSACANC 數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。 我國數(shù)控裝備發(fā)展?fàn)顩r 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年，近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為 3個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五 ”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術(shù)，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進步。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機床的國內(nèi)市場占有率達 50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了 10％。 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場 需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調(diào)市場需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可 靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。 在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調(diào)產(chǎn)、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標(biāo)，按國家意志實施攻關(guān)，以解決國家之急需。 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強調(diào)創(chuàng)新，強調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 數(shù)控火焰切割機 數(shù)控火焰切割機數(shù)控切割機 (CNC Cutting Machine )就是用數(shù)字程序驅(qū)動機床運動，搭載火 焰切割系統(tǒng)，使用數(shù)控系統(tǒng)來控制火焰切割系統(tǒng)的開關(guān)，對鋼板等金屬材料進行切割。這種機電一體化的切割設(shè)備（如上海鐘秀數(shù)控火焰切割系列）就稱之為數(shù)控火焰切割機。數(shù)控火焰切割機可分為 3大部分：數(shù)控系統(tǒng)、火焰切割系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)，不同廠家生產(chǎn)的大體相同（國外知名：梅塞爾、小池、伊薩等，國內(nèi)的有：上海鐘秀數(shù)控等）。 數(shù)控火焰切割機英文名稱 flame cutting machine 數(shù)控火焰切割機切割具有大厚度碳鋼切割能力，切割費用較低，但存在切割變形大，切割精度不高，而且切割速度較低，切割預(yù)熱時間、穿孔時間長，較難適應(yīng)全 自動化操作的需要。它的應(yīng)用場合主要限于碳鋼、大厚度板材切割，在中、薄碳鋼板材切割上逐漸會被等離子切割代替。 與其他切割設(shè)備相比較 : A. 從切割方式上： 數(shù)控火焰切割機 ，切割具有大厚度碳鋼切割能力，切割費用較低，但存在切割變形大，切割精度不高，而且切割速度較低，切割預(yù)熱時間、穿孔時間長，較難適應(yīng)全自動化操作的需要。它的應(yīng)用場合主要限于碳鋼、大厚度板材切割，在中、薄碳鋼板材切割上逐漸會被等離子切割代替。 B. 在機械結(jié)構(gòu)上： 龍門式數(shù)控切割機即傳統(tǒng)大中型機床的雙底架橫梁座立式結(jié)構(gòu)，跨距和縱向行走距離大， 適合大型板材加工。 懸臂式數(shù)控切割機也是一種傳統(tǒng)經(jīng)典的機械結(jié)構(gòu)，單底座與橫梁一端相接，割槍在橫梁上橫向移動，此類設(shè)備適合中小型板材加工 便攜式切割機 是由半自動小車式切割機發(fā)展而來，在小車式切割機上加裝了數(shù)控系統(tǒng)和傳動裝置，基本外型與小車式半自動切割機相似，此類機型成本低廉，結(jié)構(gòu)輕巧，特別適合中小型板材加工。 臺式切割機由雕刻機發(fā)展而來，外型頗似在工作臺上加裝了一臺微型 龍門切割機，此類設(shè)備在薄板切割領(lǐng)域有很大優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于廣告和汽車鈑金行業(yè)。 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 焊接之前常需要對鋼板的接頭處開坡口，坡口切割方法有手工切割和機械切割兩種。在設(shè)備條件好的情況下，可采用機械切割，如采用坐標(biāo)式切割機、平面四邊形切割機或?qū)榍懈钇驴谟玫那懈钤O(shè)備等。采用機械方法切割的坡口，只要把熔渣清理干凈，不需要進行任何的機械加工就可進行焊接。在成批生產(chǎn)中，采用機械方法切割坡口的經(jīng)濟效益更為顯著。 數(shù)控切割機火焰切割技術(shù)就是由于手工切割坡口設(shè)備簡單（采用普通氣割設(shè)備），方便靈活，對于組合的部件和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零件以 及單件生產(chǎn)，手工切割比較方便、有效。但手工切割坡口的質(zhì)量在很大程度上受切割技術(shù)熟練程度的影響。對于重要構(gòu)件或受壓容器的焊接坡口，在沒有把握的情況下最好不用手工切割。 焊接結(jié)構(gòu)中常見的焊接坡口有 V 形、 Y 形、 X 形（帶鈍邊或不帶鈍邊）、 U形，如圖 1 所示。其中 V 形和 Y 形坡口當(dāng)單側(cè)坡口角度大于 30176。時，通常不易氣割，需把坡口面置于背面進行切割。 懸臂式火焰切割機的特點 ： （ 1）技術(shù)成熟且價格低廉，具有較高的性價比。 （ 2）采用懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性較好。 （ 3）電機驅(qū)動采用步進驅(qū)動技術(shù)，加工精度高。 （ 4）操作 簡單，維修保養(yǎng)容易 。 圖 11 懸臂式火焰切割機 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 圖 12 懸臂式火焰切割機 設(shè)計任務(wù) 本文主要設(shè)計懸臂式數(shù)控火焰切割機 的 結(jié)構(gòu)，要求如下。 定位精度 ： （ xy） 切割速度： 0750mm/min 有效切割尺寸： 2m* Z 向行程： 200mm 并畫出切割機的裝配圖 與零件圖。 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 2 總體方案設(shè)計 2. 1 進給傳動系統(tǒng)的選擇 步進電機也叫脈沖電機，它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為機械角位移的執(zhí)行元件。步進電機輸出的角位移與輸出的脈沖 個數(shù)成正比，在時間上與輸出脈沖同步。因此，只要控制輸出脈沖的數(shù)量、頻率和電動機繞組的通電順序，變可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動方向。在無脈沖輸入時，在繞組電流的激勵下，步進電機可以鎖相。 步進電機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小、動態(tài)相應(yīng)快、易于起停、正反轉(zhuǎn)和無極變速也容易實現(xiàn)。其缺點主要表現(xiàn)為：低頻時有震蕩、速度不夠均勻、在高速時輸出轉(zhuǎn)矩小。 步進電機的分類及特點： 按工作原理可分為反映式（磁阻式）、永磁式和混合式（永磁感應(yīng)式）步進電機。 （ 1） 反應(yīng)式步進電機：結(jié)構(gòu)簡單、材料成本低、驅(qū)動容易、定子 和轉(zhuǎn)子加工容易、步距角可以做的很小；但動態(tài)性能差、容易出現(xiàn)低頻震蕩現(xiàn)象、電機溫升較高、斷電無自鎖。 （ 2） 永磁式步進電機：動態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動電流小、電機不易發(fā)熱，但制造成本高。步距角大，與之配套的驅(qū)動電源一般要求具有細分功能。斷電后可以自鎖。 （ 3） 混合式步進電機：輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、驅(qū)動電流小、電動機不易發(fā)熱、步距角小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相對較高。綜合比較性價比較高，所以目前得到廣泛的應(yīng)用。 本次設(shè)計選擇為混合式步進電機，可滿足設(shè)計要求。 圖 21 步進電機 2. 2 直線滾動導(dǎo)軌副的選擇 滾動導(dǎo)軌副是應(yīng)