中 文 摘 要I摘 要本课题所设计的数控火焰切割机是一种小型切割设备，它可以很方便的对金属材料来直线或曲线切割，可大范围的应用于机械、建筑、化工、航天等行业。首先，本文通过对火焰切割技术及数控火焰切割机的国内外研究现状的分析，对火焰切割机的总体结构可以进行了设计，整体采用龙门式结构，纵向、横向和垂直三个方向进给运动均选用步进电动机带动滚珠丝杠传动的开环控制管理系统。由于火焰切割机切割工件时无切削力，所以纵向进给运动采用电机直接驱动工作台运动来完成。其次，利用三维设计软件 Solid Works 完成了火焰切割机各零件的三维实体造型，并根据各零部件之间的定位关系，完成了总体装配，验证了设计的合理性。最后，为加工制造的方便还绘制了切割机的所有零部件和装配体的工程图。关键词：数控火焰切割机，龙门式，结构设计，Solid WorksAbstractIIAbstractThe CNC flame cutter designed in this topic is small cutting equipment. It can easily cut metal materials with linear or curvilinear drawings and can be widely used in machining, architecture, chemical industry, spaceflight and other industry.Firstly, through the analysis of research actuality about the flame cutting technology and the CNC flame cutting machine at home and abroad the whole structure of the flame cutter is designed in this article. The whole structure uses the gantry structure, the open-loop control systems, using stepping motor to drive ball screws, were chosen at longitudinal, horizontal and vertical directions. Since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the vertical movement is provided by the movement of worktable driven directly by stepping motor. Secondly, the three-dimensional entity modeling of all the flame cutter parts is finished by using the three-dimensional design software Solid Works and the assembly of the whole is accomplished through the orientation of every parts to validate the rationality of the design. In the end, all the drawings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture.Keywords：Numerical control flame cutter, gantry type, Structural design, Solid Works致谢3目录摘 要 .IABSTRACT.II目录 .III第一章 引言 .111 切割技术的种类及发展 .112 数控火焰切割简介 .1121 火焰切割及数控火焰切割技术 .1122 国内外数控火焰切割技术的发展 .2123 数控火焰切割机的市场及发展 .3第二章 机床总体设计及软件平台选择 .521 总体方案的确定 .522 控制及传动系统选用 .523 割矩设计 .624 SOLID WORKS 软件平台简介 .725 SOLID WORKS 的主要特征 .8第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 .1331 数控系统控制方式及组成原理 .1332 步进电机原理及特点 .1333 步进电机的选择 .14331 横向步进电机的选择 .14332 纵向步进电机的选择 .15333 垂直方向步进电机的选择 .16第四章 火焰切割机传动装置设计 .1841 螺旋传动 .18411 滚珠丝杠副的工作原理及特点 .18412 滚珠丝杠副的设计 .2042 导轨 .32421 纵向导轨设计 .32422 横向导轨设计 .32第五章 结论 .35参考文献 .36致谢 .37中 文 摘 要I摘 要本课题所设计的数控火焰切割机是一种小型切割设备，它可以很方便的对金属材料来直线或曲线切割，可大范围的应用于机械、建筑、化工、航天等行业。首先，本文通过对火焰切割技术及数控火焰切割机的国内外研究现状的分析，对火焰切割机的总体结构可以进行了设计，整体采用龙门式结构，纵向、横向和垂直三个方向进给运动均选用步进电动机带动滚珠丝杠传动的开环控制管理系统。由于火焰切割机切割工件时无切削力，所以纵向进给运动采用电机直接驱动工作台运动来完成。其次，利用三维设计软件 Solid Works 完成了火焰切割机各零件的三维实体造型，并根据各零部件之间的定位关系，完成了总体装配，验证了设计的合理性。最后，为加工制造的方便还绘制了切割机的所有零部件和装配体的工程图。关键词：数控火焰切割机，龙门式，结构设计，Solid WorksAbstractIIAbstractThe CNC flame cutter designed in this topic is small cutting equipment. It can easily cut metal materials with linear or curvilinear drawings and can be widely used in machining, architecture, chemical industry, spaceflight and other industry.Firstly, through the analysis of research actuality about the flame cutting technology and the CNC flame cutting machine at home and abroad the whole structure of the flame cutter is designed in this article. The whole structure uses the gantry structure, the open-loop control systems, using stepping motor to drive ball screws, were chosen at longitudinal, horizontal and vertical directions. Since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the vertical movement is provided by the movement of worktable driven directly by stepping motor. Secondly, the three-dimensional entity modeling of all the flame cutter parts is finished by using the three-dimensional design software Solid Works and the assembly of the whole is accomplished through the orientation of every parts to validate the rationality of the design. In the end, all the drawings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture.Keywords：Numerical control flame cutter, gantry type, Structural design, Solid Works目 录III目录摘 要 .IABSTRACT.II目录 .III第一章 引言 .111 切割技术的种类及发展 .112 数控火焰切割简介 .1121 火焰切割及数控火焰切割技术 .1122 国内外数控火焰切割技术的发展 .2123 数控火焰切割机的市场及发展 .3第二章 机床总体设计及软件平台选择 .521 总体方案的确定 .522 控制及传动系统选用 .523 割矩设计 .624 SOLID WORKS 软件平台简介 .725 SOLID WORKS 的主要特征 .8第三章 数控火焰切割机伺服系统设计 .1331 数控系统控制方式及组成原理 .1332 步进电机原理及特点 .1333 步进电机的选择 .14331 横向步进电机的选择 .14332 纵向步进电机的选择 .15333 垂直方向步进电机的选择 .16第四章 火焰切割机传动装置设计 .1841 螺旋传动 .18411 滚珠丝杠副的工作原理及特点 .18412 滚珠丝杠副的设计 .2042 导轨 .32421 纵向导轨设计 .32422 横向导轨设计 .32第五章 结论 .35参考文献 .36致谢 .37第一章 引言1第一章 引言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慢慢的变成了现代工业生产（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所有的领域里。近年来，由于机械工业快速的提升的需求和国外先进的技术的引进，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，使得切割技术能代替部分机械加工，大幅度的提升了工作效率，还能大大的提升金属材料的利用率。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、操作便捷灵活、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里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快速地发展的微型计算机技术被大范围的应用于工业领域的真实的情况设计出的一种新型切割设备。12 数控火焰切割简介121 火焰切割及数控火焰切割技术火焰切割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第一章 引言2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 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。122 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商大多分布在在德国、美国和日本其主要厂第一章 引言3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顶配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商大多分布在在德国、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顶配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，性能也较为稳定，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。第一章 引言4123 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、精密物理运动、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，石油化学工业等制造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、能承受压力的容器、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的基本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，只有这样才可以从根本上缓解了我国机械制造业快速的提升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企业，也存在于大批量生产的大规模的公司中，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简单易操作，性能可靠，价格相对便宜的实用型的火焰切割机就迫在眉睫这也就从另一方面代表着目前设计和制造经济型数控火焰切割机在国能将有广阔的市场。第一章 引言5第二章 机床总体设计6第二章 机床总体设计及软件平台选择21 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 3-1 所示。22 控制及传动系统选用 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管理系统。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：采用微机对数据来进行计算处理，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，本文将在第三章和第四章重点介绍。第二章 机床总体设计7图 2-1 火焰切割机的基本结构23 割炬设计割炬又称割枪，是气割必不可少的工具。割炬的作用是向割嘴稳定的供送预热用气体和切割氧，并能控制这些气体的压力和流量，调节预热火焰的特性等。对割炬的要求是简单轻便，易于操作，使用安全可靠。割炬按乙炔气体和氧气混合的方法不一样分为射吸式和等压式两种。射吸式大多数都用在手工割炬，等压式多用于机械式切割。本设计采用等压式结构，这种割炬的预热火焰是按等压式焊矩原理设计的。预热氧和切割氧分别由单独的管道进入割嘴(压力相当)，在割嘴内混合，产生预热火焰。这类割炬配有专用割嘴，结构相对比较简单，预热火焰稳定，回火现象比较少，本设计采用的切割气体是乙炔-氧的混合气体，且等压式割炬一般只适合于中压乙炔。割炬如图 2-2 所示:第二章 机床总体设计8图 2-2 割炬24 Solid Works 软件平台简介Solid Works 是由美国 Solid Works 公司开发的三维机械 CAD 软件，Solid Works 2006 是其最新版本。自 1995 年问世以来， Solid Works 以其强大的功能、易用性和创新性，极大地提高了机械工程师的设计效率，在与同类软件的竞争中逐步确定了它的市场地位。Solid Works 在功能上所进行的更改都紧紧围绕两个目标：使用户通过图标板来了解工具；使资深用户通过直接建模来处理模型，以加快建模速度。Solid Works 是一个优秀的三维模型制作软件系统能十分便捷地生成三维模型，并能很容易地根据三维模型生成工程图。此外，利用 Solid Works 制作三维模型时，它完全依赖于各种特征，并且用户都能够在任何一个时间里对特征做修改或者删除，从而可在模型设计过程中大大地提高设计效率，并降低设计难度。Solid Works 的用户界面包括标题栏、菜单栏、工具栏、状态栏以及工作区，其工作区又分为控制区和绘图区两部分，如图 2-3 所示:第二章 机床总体设计9图 2-3 Solid Works 的用户界面25 Solid Works 的主要特征Solid Works 的功能强大、易学易用、高效等特点，崭新的属性管理器用来高效地管理整个设计过程和步骤，包含所有的设计数据和参数，界面直观、操作更方便。机械设计师能快速地按照其设计思想绘制草图，并尝试运用各种特征与不一样的尺寸，制作模型和详细工程图。SolidWorks2006 的新增功能与插件能够使用户更加得心应手地建立模型，并提供产品数据管理集成平台，以展示可能的设计实施及设计意图的高层概念。Solid Works 是的特征大体上分为基础特征和附加建模特征两类。基础建模特征是最基本的三维实体造型方式，包括拉伸、切除、旋转、扫描和放样等特征。附加建模特征是在不改变基本特征主要形状的前提下，对已有特征进行局部修饰的特征建模方法。如圆角、倒角、筋、抽壳、镜像、圆周阵列、线性阵列和异形孔向导等。Solid Works 建立在广泛公认的性能优势之上，它把创造性的新和设计师手中。这些技术超越了纯粹的参数化系统和那些过时的所谓混合建模系统。高性能装配建模的新功能，包括符号代表和柔性部件的全局建模等方面的新增功能。并提供了更容易使用的建模技术，特征建模技术就是将第二章 机床总体设计10一个一个的特征组合起来，形成一个三维的实体零件。特征技术采用具有工程意义的拉伸、切除、制孔、倒角、倒圆角等方式作为建模单元。而特征造型是Solid Works 所采用的主要建模技术。这些都可以使用户对设计产生更大的信心，而无需反复地制造产品的原型。更多的改进体现在加工、布线系统、开放性、系统管理等方面，所有这些都可使新的解决方案给人留下深刻的印象。Solid Works 的主要特征如下：真正的相关性，任何修改都会自动反映到所有相关的部位。具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。具有强大的装配功能，能够从始至终保持设计者的设计意图。具有强的通信功能，可以和其他 Solid Works 用户同等地交换产品生产周期数据。容易使用，可以极大地提高设计效率。Solid Works 拥有一个全新的用户界面，可以使用户快速入门。它对人体工程学的强烈关注体现在，为建模提供更大的绘图区域，更简单的视图控制，减少鼠标移动，增强色彩配置方案等，从而可增加用户使用的舒适度，几何模型的建立更简单。所谓全相关性，是指 Solid Works 的所有模板都是全相关的。这就从另一方面代表着，在产品研究开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、工程图以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任何一点做修改，却没有一点损失，使并行工程成为可能，所以能使开发后期的一些功能提前发挥作用。Solid Works 为用户更好的提供了多种将零部件插入到装配体的途径，而且，可以很轻松地移动、旋转零部件，这些是零部件在装配文件中的基本操作。同时，为零部件添加合适的配合关系就像实际的安装过程。Solid Works 中提供了管理和显示工具，可以使装配的显示效果直观清晰。Solid Works 能方便地进行零件设计，装配设计和工程绘图。零件是由草第二章 机床总体设计11图生成的特征组合而成。Solid Works 提供的草图拉伸、扫描、旋转等常规操作十分方便，特征增删、拖动释放、拷贝剪贴、屏蔽等处理功能十分有用。用户还能够最终靠将共性特征建立为特征库 而多次使用。草图尺寸标注、图素几何关系定义、约束状态检测、视图定义命名以及不同壁厚的多面薄壳处理、自动生成模具分模线等功能使用户能应用自如地构造零件。Solid Works 可以很快地将设计好的零件装配在一起，利用同轴、贴面等配合关系定义严格装配，并提供全参数化的装配设计功能，即在装配设计环境里随零件设计的修改，将会引起整个装配体的其它相关部分的自动修改。Solid Works 是基于特征的参数化三维实体建模系统，在开始设计之前考虑一下设计目标的整体结构，然后制定出良好的设计路线，有效地发挥系统的功能，加快模型的创建速度，节约设计时间。Solid Works 中，对结构、形状稍微复杂的产品模型进行建模的思路是将整个产品分解为多个特征，通过特征之间的布尔运算逐步得到完整准确的产品模型。其中，往往将整个产品中最主要的或是最大的部分视为基本特征，首先完成对它的造型。其它部分作为添加特征，以搭积木的方式，在基本特征的基础上，通过添加，去除、求交等布尔运算最终得到整个产品模型。最后，在进行一些细小特征的添加，如倒角、倒圆和孔特征等等，由此得到最后准确完整的产品模型。每一个特征的建立，基本上按照同样的步骤完成。三维实体特征建立的基本思路是从二维到三维的过程。生成一个三维实体特征的第一步是在适宜的位置(初始草图平面上)绘制特征的轮廓线，有时还有轨迹线。这其中首要的是生成合适的初始草图平面。草图平面的作用在于告诉系统下面将要绘制的特征轮廓线在三维空间所处的确定位置，为进一步生成三维实体特征准备好。通过 Solid Works 中提供的完善的定义功能，可以将三维坐标系统中的三个坐标平面作为初始草图平面。而在接下来的设计中，通常每加一个特征，允许定义一个草图平面，这时的草图平面不仅有前面所说的三个坐标平面，并且还有以之为基础进行偏移、旋转、相切所得到的空间平面；也可以再一次进行选择已经生成的三维实体特征的一个平直表面，或以之为基础，进行偏移、旋转、相切所得到的空间平面。这些完善的定义功能完全能满足我们在进行三维实体设计时定义草图平面的需要。第二章 机床总体设计12定义好了准确初始草图平面之后，就可以在这个草图平面上绘制特征投影轮廓线。可以单击 Solid Works 提供的多种绘制平面图形的命令(直线、圆、圆弧、复合线、矩形、点等等)来绘制。要注意的是：Solid Works 求所完成的特征轮廓线必须是封闭的，并且不可以自己与自己相交，否则将不能完成三维实体特征的生成。然后是对所绘制的草图轮廓线加以约束。通过对特征轮廓线添加足够的约束(包括尺寸约束和几何约束)，得到符合实际需要的轮廓线。在某些情况下，有些特征，还需要生成该特征所需要的轨迹线(path)。在完成前面所述的二维草图工作后，就能够最终靠调用 Solid Works 提供的造型命令，生成各种相应的三维实体特征。下面是 Solid Works 一般建模过程：分析实体这是很重要的一步，进行这一步的目标是：找出设计目标是有哪些特征组成，哪个特征作为基本特征（即最先要建立的特征）然后要决定组成设计目标各个特征被创建的顺序。特征创建的顺序对建模效率有大的影响，一般说来，应将制孔、倒圆等辅助特征放到最后处理。创建基本特征草图绘制用于绘制二维轮廓的平面成为草图平面。可用line、plotline、circle 等 2D 命令绘制草图轮廓线。对草图施加约束，约束类型一般有：几何约束与尺寸约束。几何约束保证图的几何形状：尺寸约束能调整零件的大小。一般来说，草图的约束总数尺寸的约束个数几何约束个数。应该多用几何约束，如共线、相切、垂直等。创建基本特征：用 Solid Works 提供的拉伸、旋转、扫描等方法将施加了全约束的草图生成一个三维实体，即零件的基本特征。添加新特征添加新特征的步骤与基本特征的创建类似，但有以下区别：如果所要创建的新特征不是孔、倒角、倒圆角和阵列，则需要定义新特征草图平面，因为草图平面就是一个暂时的二维坐标面，只由选定了草图平面，才能进行草图绘制第二章 机床总体设计13工作。除了对新特征轮廓草图进行创建约束外，还要对草图与已有特征进行约束，因此在添加新特征的过程中需要注意特征创建的顺序。对草图的约束可以使新创建的特征进行参数设计，即在已有特征和草图间加约束，使特征与特征间建立连接关系，保证当某一特征更改时，这种连接关系保持不变。生成二维工程图在 Solid Works 中，一旦完成了三维实体建模，即可利用提供的三维到二维转换功能，选择好视图、投影方向，就能自动生成二维投影图，并且自动标注一些在造型中已经定义的尺寸。Solid Works 造型功能Solid Works 是一个功能很强大的系统，它的造型类型博大精深，包括曲线、曲面和实体。曲线可以是二维曲线也可以是三维曲线，有组合、投影、渐开线、空间参考点连接、空间自由点的连接、空间螺旋线等生成方式。曲面有拉伸、旋转、扫描、放样、切割、扩展、编织等生成方式。实体有拉伸、旋转、扫描、放样、切割等基本生成方式，还有镜像、阵列、模板库等高级生成方式。第三章 数控火焰切割机伺服系统设计14第三章 数控火焰切割机伺服系统设计31 数控系统控制方式及组成原理该机床伺服系统采用驱动装置为步进电机的开环伺服系统，下图所示为数字控制机床中较为简单的开环控制管理系统，数控装置发出的信号的流程是单向的，因此，不存在稳定性问题。也正是由于信号流程单向，它对机床移动部件的实际位置不检测，其加工精度不高，精度主要根据伺服系统的性能。在开环控制管理系统中，输入装置把输入信号给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。32 步进电机原理及特点步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它其实就是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。使用多相步进电动机时，单路电脉冲信号可先通过脉冲分配器转换为多相脉冲信号，在经功率放大后分别送入步进电动机各项绕组。每输入一个脉冲到脉冲分配器，电动机各相的通电状态就发生明显的变化，转子会 转过一定的角度(称为步距角)。一般的情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比，连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以很适合于微机控制。 现以反应式三相步进电机为例说明其工作原理。定子铁心上有六个形状相同的大齿，相邻两个大齿之间的夹角为 60 度。每个大齿上都套有一个线圈，径向相对的两个线圈串联起来成为一项绕组。各个大齿的内表面上又有若干个均匀分布的小齿。转子是一个圆柱形铁心，外表面上圆周方向均匀的布满了小齿。转子小齿的齿距是和定子相同的。设计时应使转子齿数能被二整除。但某一相绕组通电，而转子可自由旋转时，该相两个大齿下的各个小齿将吸引相近第三章 数控火焰切割机伺服系统设计15的转子小齿，使电动机转动到转子小齿与该相定子小齿对齐的位置，而其它两相的各个大齿下的小齿定和转子的小齿分别错开正负 1/3 的齿距，形成齿错位，从而形成电磁引力使电动机连续的转动下去。步进电机有很多类型。按其工作原理，可分为反应式，永磁式永磁感应式、机械谐波式、电磁谐波式等。按励磁相数，有 3 相、4 相，5 相、6 相甚至 8 相。按其功率，可分为快速步进电机和功率步进电机。在数字控制机床中，目前广泛采用的是反应式步进电动机。所以在本次设计中，采用反应式步进电动机。33 步进电机的选择331 横向步进电机的选择根据火焰切割机负载的特点，由于在切割时横向只有横梁、钻头和电机的重量，不承受切削力，仅需要较小的输出转矩。横向步进电动机的选择：加工精度确定脉冲当量以及步距角由任务书知：脉冲当量 =001mm，选取步距角 =15 的三相步进电机。步进电动机转轴上的启动力矩的计算用公式 T q=36Fs+(G+Fz)/2因此工作台运行过程中不进行切削，故运动方向的切削抗力为：Fs=0，垂直方向的切削抗力为：F z=0，工作台重量（包括夹具在内）为：G=8280N，摩擦系数 =006（滑动导轨） ，总机械效率=085，则 Tq =360020+006 （8280+0）/2075085=8930（Ncm）由表 3-14（II）T p/Tjm=0866 步进电机最大静转矩为：T jm= Tp/0866=10312（N cm） 电机的选择与校核第三章 数控火焰切割机伺服系统模块设计16fmax=1000Vmax/=10000025/002=1250HZ 根据以上参数查阅资料 III 可确定选用的步进电机为：90BF003（新）型号 步距角 最大静转矩 最高空载启动频率 相数90BF003 15/3 (200Nm) 2000(step/s) 3其保持转矩为： Tmax=784(Nm)。转子惯量： Jm=47(kgcm 2) 。 负载惯量： JL =J1+（J2+JS）+W(S/2) /g/i(kgfcms)，则：计算的负载惯量 JL =3196（kgc） 。负载转矩 T1=Jf *n10/96T=02929（NM） ，故:T1/Tmax=02929/784=003705，JL/Jm=3196/47=0684。满足容量匹配和惯量匹配的条件查电机的运行矩特性，进过计算，电机的最大快进速度 V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s） ，满足速度要求。332 纵向步进电机的选择加工精度确定脉冲当量以及步距角由任务书知：脉冲当量 =002mm，选取步距角 =15 的三相步进电机。步进电动机转轴上的启动力矩的计算由于工作台运行过程中不进行切削，根据公式 T q=36Fs+(G+Fz)/2，故运动方向的切削抗力为：F s=0垂直方向的切削抗力为：F z=0工作台重量（包括夹具在内）为：G=10615N，摩擦系数 =006（滑动导轨） ，总机械效率 =085，则:第三章 数控火焰切割机伺服系统设计17Tq =360020+006 （10615+0）/20750 85=11454（Ncm）查手册知 Tp/Tjm=0866 步进电机最大静转矩为：Tjm= Tp/0866=13226（Ncm）电机的选择与校核根据以上查资料可选择的步进电机为 90BF003。其保持转矩为 Tmax=784(Nm)。转子惯量 Jm=47（kgcm 2） 。 负载惯量 JL =J1+（J2+JS）+W(S/2) /g/i(kgfcms)其中齿轮 Z1 及其轴的转动惯量 J1=0，齿轮 z2 的转动惯量 J2=0丝杠转动惯量 Js=603（kgc） ，则:负载惯量 JL =704（kgc）负载转矩= Jf *n10/96T=11（NM） ， 故:T1/Tmax=11/784=01405JL/Jm=704/47=14984满足容量匹配和惯量匹配的条件。查电机的运行矩特性，进过计算，电机的最大快进速度 V2=25（m/s）Vkmax=2（m/s） ，满足速度要求。333 垂直方向步进电机的选择加工精度确定脉冲当量以及步距角由任务书知：脉冲当量 =001mm，选取步距角 =15 的三相六拍步进电机。步进电动机转轴上的启动力矩的计算第三章 数控火焰切割机伺服系统设计18Tq=36Fs+(G+Fz)/2因此工作台运行过程中不进行切削，故运动方向的切削抗力为：Fs=0，垂直方向的切削抗力为：F z=0，工作台重量（包括夹具在内）为：G=5880N，摩擦系数 =015，总机械效率 =085，则 Tq =360010+0 15 （500+0）/206085=843（Ncm）Tp/Tjm=0866步进电机最大静转矩为：T jm= Tp/0866=973（Ncm） 电机的选择与校核fmax=1000Vmax/=10000 025/001=2500HZ根据以上参数查阅资料可确定选用的步进电机为：55BF003。第四章 火焰切割机传动装置设计19第四章 火焰切割机传动装置设计数控火焰切割机的传动装置是将电动机的旋转运动变为工作台的直线运动的整个物理运动链及其附属机构包括丝杠螺母副、导轨等。41 螺旋传动螺旋传动主要是用来将旋转运动变为直线运动，或将直线运动转化为旋转运动。在经济型数字控制机床的进给系统中，螺旋传动主要用来实现精密进给运动，并广泛采用滚珠丝杠副传动。411 滚珠丝杠副的工作原理及特点滚珠丝杠副的外形如图 4-1 所示图 4-1 滚珠丝杠外形滚珠丝杠副传动是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间放入适当数量的滚珠，这些滚珠作为中间传动件，使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动磨擦变为滚动磨擦的一种传动装置，其内部结构如 4-2 图所示，当螺杆转动螺母移动时，滚珠则第四章 火焰切割机传动装置设计20沿螺杆螺旋轨道面滚动，在螺杆上滚动数圈后滚珠从滚道的一端滚出并沿反向器返回另一端重新进入轨道，从而构成闭合回路。图 4-2 滚珠丝杠内部结构滚珠丝杠具有如下特点：1) 传动效率高。滚珠丝杠副的传动效率高达 92%-98%。对机械小型化，减少启动的震动和滞后时间以及节约能源等方面，都有重要的意义。2) 运动平稳。滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度较高，故运动平稳，启动无颤动，低速时无爬行现象。3) 传动具有可逆性。4) 可以预紧。通过对螺母施加预紧能消除滚珠丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度，但摩擦力矩不增大。5) 定位精度和重定位精度高。6) 同步性好。7) 常规使用的寿命长，使用可靠，润滑简单，维修方便。第四章 火焰切割机传动装置设计21412 滚珠丝杠副的设计1横向滚珠丝杠的传动计算丝杠载荷：F =mg横向摩擦力：F x=0.1510009.8=1470N 电机转速（最大）：n max=1500r/min 丝杠最大转速（快移）：n=150r/min丝杠导程：工作台最大工作速度 Vmax=0.025m/s100060mm/min=10mm 当量转速：n m=n1q1/100+n2q2/100=100r/min 当量负荷：F m=(F13n1q1)/100nm+(F23n2q2 )/100nm 横向负荷：F max=1470N 图 4-3 横向滚珠丝杠6初选滚珠丝杠a 要求寿命 Lh=300（日）8（h）0.6（开机率）10（a）=14400h取 15000h由手册查得：K h=3.9 由手册查得：K n=0.64第四章 火焰切割机传动装置设计22b综合系数：f =ffhfafn/fw =1110.35/1.3=0.408查得：f t =1，f h =1 ，f a =1 （丝杠精度 1-3）f h =0.53（可靠性96%）f w =1.3c计算动载荷：c j=KhFm /Knf 横向动负荷：c j=3.91470/(0.640.408)=21955N滚珠丝杠副的型号：经查手册选用 FD 型内循环浮动返向器螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为：横向为 FD3206-3 额定负荷 c =23700Ncj =21955N。预紧力横向为 F=0.25c =0.2523700N=6425Fmax/3=1470/3=490N，符合标准要求。丝杠螺纹部分长度：lu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程横向： l u =1000+60+100=1160（mm）支撑距离 支撑距离 L 应大于 Lu, 横向支撑距离：L=1300临界转速 查手册得：n c =9900f22 d2 /Lc2，其中:a丝杠底径：d 2 =d0 -1.2Dw 横向丝杠底径：d 2=23.9b支撑方式系数查得 f2 =4.73（两端固定）c临界转速计算长度Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度-螺纹长度）/2横向：L c =190/2+1000+100+（1300-1950）/2=1.22m 横向临界转速：n cx =99004.7320.02535/1.222 =3772.4r/minncxnmax =1500r/min 符合标准要求第四章 火焰切割机传动装置设计23压杆稳定校核两端固定支撑，丝杠受压缩，因而不必校核稳定性。预拉伸计算a温升引起的伸长量：设温升为 3.5C，按式 t =tl，则：横向伸长量： tx =1110-63.51.22=46.97mb丝杠全伸长量： tz= tl横向伸长量： tz(z)= 1110-63.51.3=50.05mc. 预紧力：按拉伸公式 Ft=tAE/Lu横向预拉力：F t=510-6 （/4） 0025352 211011/1352=1567N轴承的选择a. 轴承的型号选择Y 方向轴承型号为 7602020TVP主要尺寸参数：由表 28-37（I）查得：d0=20mm，D=42mm，z=15mm，B=14mm，D W=5.953mm，C =19600N，预紧力 F0=2300N b. 预紧力的确定 F 0y=2300NY 方向轴承的最大轴向载荷为：Fmax(y)=Fty+ Fmax(y)/2=3782+808.5/2=4186N由于 F0y Fmax(y)/3=4186/3=1395N 符合标准要求c. 疲劳寿命计算额定动负荷由轴承动负荷计算公式校核：C=K hF/Kn进给方向是可变的，负荷可能是（F ty+Fm/2）和（F ty-Fm/2）两者机会均等，取平均值。第四章 火焰切割机传动装置设计24由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，则 K h=3.11额定动负荷：C y=3.113782/0.64=18378Ncj =43911N预紧力纵向为F0=0.25c =0.2548200N=12050Fmax/3=2940/3=980N 符合标准要求。丝杠螺纹部分长度：lu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程纵向： l u =2000+100+100=2200（mm）支撑距离 支撑距离 L 应大于 Lu 纵向支撑距离：Lx=2300临界转速 查手册得：n c =9900f22d2 /Lc2 其中a丝杠底径：d 2 =d0-1.2Dw 纵向丝杠底径：d 2=40-1.25=36mm=0.036mb 支撑方式系数查得 f2 =4.73（两端固定）第四章 火焰切割机传动装置设计27c 临界转速计算长度Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度-螺纹长度）/2纵向：L c =193/2+2000+100+（2300-2263）/2=2.215m 纵向临界转速：n cx =99004.7320.036/2.2152 =1625.2r/minncx nmax =1500 r/min 符合标准要求压杆稳定校核两端固定支撑，丝杠受压缩，因而不必校核稳定性。预拉伸计算a温升引起的伸长量：设温升为 3.5C，按式 t =tl， 则：纵向伸长量： tx =1110-63.52.215=85.3mb.丝杠全伸长量： tz=tl 纵向伸长量： tz= 1110-63.52.3=88.6mc. 预紧力：按拉伸公式 Ft=tAE/Lu纵向预拉力：F t=510-6 （/4） 00362 211011/1352=3160N轴承的选择a. 轴承的型号选择X 方向轴承型号为 7602030TVP主要尺寸参数：由表 2.8-39（I）查得：d 0=30mm，D=62mmb. 预紧力的确定 F 0x=4300NX 方向轴承的最大轴向载荷为：Fmax(x)=Ftx+ Fmax(x)/2=4721+1250/2=5346N由于 F0X Fmax(x)/3=5346/3=1782N 符合标准要求第四章 火焰切割机传动装置设计28c. 疲劳寿命计算额定动负荷由轴承动负荷计算公式校核：C=K hF/Kn进给方向是可变的，负荷可能是（F tx+Fm/2）和（F tx-Fm/2）两者机会均等，取平均值。由表 2.8-64（I）查得：K n=0.64，取 Ln=1500h，则 K h=3.11额定动负荷：C x=3.114721/0.64=22941Nc J 。预紧力 Z 方向为：F0z=0.25c =0.2511.8KN=2590NFmax/3=73.5/3=24.5N符合标准要求。丝杠螺纹部分长度：lu =工作台最大行程+螺母长度+两端余程Z 方向： l uz =200+240+100=380（mm）支撑距离 支撑距离 L 应大于 Lu Z 方向支撑距离：L u =500mm临界转速 按式 2.8-18（I）：n c =9900f22 d2 /Lc2 Z 方向临界转速：n cz =99004.7320.0164/0.352=29653r/min第四章 火焰切割机传动装置设计31a. 丝杠底径：d 2 =d0 -1.2Dw Z 方向丝杠底径：d 2z =23.9mmb. 支撑方式系数由表 2.8-66（I）查得 f2 =4.73（两端固定）c. 临界转速计算长度Lc =螺母长度/2+工作台最大行程+余程+（支撑长度

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