【正文】 ............................................................................................................... 26 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 27 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制 造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對我國實(shí)行封鎖和限制政策。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)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(jī)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(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)； (3)自動(dòng)控制技術(shù)； (4)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)； (5)傳感器技術(shù)； (6)軟件技術(shù)等。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(diǎn)有以下幾個(gè)方面［ 1～ 4］。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。 ○25軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5軸聯(lián)動(dòng)對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效 率也大幅度提高。但過去因 5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比 3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(dòng)機(jī)床的發(fā)展。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(yùn)行平臺(tái)、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。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(shí)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。 ○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(kuò)展性，美國、歐共體和日本等國紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)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(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。 數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化 發(fā)展的一種趨勢。目前，歐美國家非常重視 STEPNC 的研究，歐洲發(fā)起了 STEPNC 的 IMS 計(jì)劃(～ )。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(jī)床加工信 息交換的超級(jí)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。 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(gè)階段：第一階段從 1958年到 1979年，即封閉式發(fā)展階段。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(jìn)技術(shù)，消化 吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場競爭階段。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá) 50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了 10％。 強(qiáng)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(jī)（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)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。 在競爭前數(shù)控技術(shù)方面，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識(shí)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(gè)制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。這種機(jī)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(jī)。 數(shù)控火焰切割機(jī)英文名稱 flame cutting machine 數(shù)控火焰切割機(jī)切割具有大厚度碳鋼切割能力，切割費(fèi)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(shí)間、穿孔時(shí)間長，較難適應(yīng)全自動(dòng)化操作的需要。 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(jī) ，切割具有大厚度碳鋼切割能力，切割費(fèi)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(shí)間、穿孔時(shí)間長，較難適應(yīng)全自動(dòng)化操作的需要。 B. 在機(jī)械結(jié)構(gòu)上： 龍門式數(shù)控切割機(jī)即傳統(tǒng)大中型機(jī)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。 臺(tái)式切割機(jī)由雕刻機(jī)發(fā)展而來，外型頗似在工作臺(tái)上加裝了一臺(tái)微型龍門切割機(jī)，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)。在設(shè)備條件好的情況下，可采用機(jī)械切割，如采用坐標(biāo)式切割機(jī)、平面四邊形切割機(jī)或?qū)榍懈钇驴谟玫那懈钤O(shè)備等。在成批生產(chǎn)中，采用機(jī)械方法切割坡口的經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。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。 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。時(shí)，通常不易氣割，需把坡口面置于背面進(jìn)行切割。 （ 2）采用懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且穩(wěn)定性較好。 （ 4）操作簡單，維修保養(yǎng)容易 。 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(jī)的裝配圖 與零件圖。步進(jìn)電機(jī)輸出的角位移與輸出的脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸出脈沖同步。在無脈沖輸入時(shí)，在繞組電流的激勵(lì)下，步進(jìn)電機(jī)可以鎖相。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)相應(yīng)快、易于起停、正反轉(zhuǎn)和無極變速也容易實(shí)現(xiàn)。 步進(jìn)電機(jī)的分類及特點(diǎn)： 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(jìn)電機(jī)。 （ 2） 永磁式步進(jìn)電機(jī)：動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本高。斷電后可以自鎖。綜合比較性價(jià)比較高，所以目前得到廣泛的應(yīng)用。 圖 21 步進(jìn)電機(jī) 2. 2 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇 滾動(dòng)導(dǎo)軌副是應(yīng)用最多的直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支撐的部件，多用于精密機(jī)床，數(shù)控懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 機(jī)床和測量儀器等。滾動(dòng)體循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副行程長度不受限制，因此多用于行程長，運(yùn)動(dòng)精度和行程精度較高的場合。機(jī)械傳動(dòng)部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大的影響，特別是傳動(dòng)類型，傳 動(dòng)方式，傳動(dòng)剛性及傳動(dòng)的可靠性對系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性和快速反映性有重大影響。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求 ,經(jīng)過在齒輪、帶輪、纜繩、杠桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、渦輪、鏈條、絲杠螺母等之間的性能比較 .絲杠螺母符合要求 , 而絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦之分。 綜上所述 ,本次設(shè)計(jì)選用滾動(dòng)絲杠螺母作為其機(jī)械傳動(dòng)部件。 （ 2）摩擦力小，因?yàn)閯?dòng)、靜摩擦因數(shù)相差小，因而傳動(dòng)靈敏，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低 速不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度高。 （ 4）經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。 （ 6）滾動(dòng)摩擦因數(shù)小，不能實(shí)現(xiàn)自鎖，用于垂向位置時(shí)，為防止突然停、斷電而造成主軸箱下滑，必須設(shè)置制動(dòng)裝置。圖示軸承特性圖。推力角接觸球軸承 大 簡單 不需要 小 雙向推力角接觸球軸承 中 簡單 不需要 小 圓錐滾子軸承 小 簡單 如內(nèi)圓之間有隔圈則，不需要 大 滾針和推力滾子組合軸承 特大 簡 單 不需要 特大 深溝球軸承和推力球軸承組合使用 大 復(fù)雜 麻煩 小 上表個(gè)軸承中用的最多的是 60176。 （ 2） 能承受軸向和徑向載荷，可簡化軸承支座結(jié)構(gòu)。 （ 4） 可根據(jù)購貨方要求的預(yù)緊力由滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家組配好成組供應(yīng)。 推力角接觸軸承的組配方式： （ 1） 背靠背組配：有效支點(diǎn)距離增大，可以承受雙向軸向載荷和徑向載荷，并且有較大的承受傾斜力矩的能力 （ 2） 面對 面組配：軸承間的有效支點(diǎn)距離減小，可以承受雙向軸向載荷和徑向載荷，但承受傾斜力矩的能力差，并較大降低了軸承極限轉(zhuǎn)速。 （ 3） 串聯(lián)組配：除承受徑向載荷外，只能承受單向軸向載荷，且裝配繁瑣。水平安裝絲杠較長時(shí)，可以一端固定，一端游動(dòng)的裝配方式。 本次設(shè)計(jì)所選用的是：一端固定，一端游動(dòng)的支撐 結(jié)構(gòu)。 （ 2） 絲杠有熱膨脹余地。 綜合上述分析，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其支撐的選擇為：采用 FFB型滾珠絲杠螺母副，一端固定（ 60176。 圖 25 角接觸球軸承和深溝球軸承 2. 5 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是一種常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置，主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)部件）以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。由于制造及安裝誤差等影響，通常根據(jù)各種相對位移有無補(bǔ)償能力，將聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器（無補(bǔ)償）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩類。 撓性聯(lián)軸器：有些結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但可傳遞較大的扭矩，可有利低消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)剛度。 當(dāng)傳遞小轉(zhuǎn)矩時(shí)，可選用小型撓性聯(lián)軸器。如圖所示 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 圖 26 小型撓性聯(lián)軸器 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3 機(jī)械傳動(dòng)部分 設(shè)計(jì) 3. 1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3. 1. 1 確定步進(jìn)電機(jī)的步距角和導(dǎo)程 設(shè)絲杠導(dǎo)程 P=5，則 360 p??? ? （ 41） 360 ? ?? 則 ?? 3. 1. 2 確定精度和校驗(yàn)速度 則選擇 1??? ，由式 41得 1 5 0 .0 1 3 9360?? ? ? ? m a x 60 0. 01 39 80 00 60 66 72 / m inV f m m?? ? ? ? ? ? ? ? F=8000Hz額定負(fù)載下的工作頻率（查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊 表 ） 而切割速度 75 0 / minV mm? maxVV? 3. 1. 3 確定電機(jī) 查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊得 電機(jī)選擇為 90BF 1— 5 圖 41 電機(jī) 外形 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 表 41 步進(jìn)電機(jī) BF 數(shù)據(jù) 3. 2 Y 向滾珠絲杠副的驗(yàn)算 3. 2. 1 絲杠初選型號(hào) 設(shè) Y 軸工作臺(tái)的最大重量 my=20kg，絲杠的工作長度為 1200yl mm? ,絲杠材料為 CrWMn鋼，滾到硬度為 58~62HRC，工作臺(tái)與滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù) u=，使用壽 命為 40000hLh? 左右。 3. 2. 1. 5 初選滾珠絲杠 計(jì)算額定載荷 341 .6 7 1 0mhacnLCF? ?? （ 43） 則 341 8 5 4 0 0 0 07 .2 5 4 .8 91 .6 7 1 0ayC N N????? 根據(jù)所選的絲杠 DIK 20226型的滾珠絲杠動(dòng)載荷 aC =8500N55N符合要求。 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷稱為臨界壓縮載荷 ： ? ?2110cf E JF K NL?? （ 44） 式中： E材料的拉，壓彈性