数控火焰切割机设计论文.docx

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1、中 文 摘 要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 金属材料进行直线或曲线切割，可广泛应用于机械、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

2、，为了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 WorksIIIAbstractAbstractThe 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, space

3、flight 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 cont

4、rol 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.

5、 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 dr

6、awings of parts and assembly are protracted in order to facilitate the manufacture.Keywords：Numerical control flame cutter, gantry type, Structural design, Solid Works目 录目录摘要IABSTRACTII目录III第一章引言11.1 切割技术的种类及发展11.2 数控火焰切割简介11.2.1 火焰切割及数控火焰切割技术11.2.2 国内外数控火焰切割技术的发展21.2.3 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

7、择52.1 总体方案的确定52.2 控制及传动系统选用52.3 割矩设计62.4 SOLID WORKS 软件平台简介72.5 SOLID WORKS 的主要特点8第三章数控火焰切割机伺服系统设计错误！未定义书签。3.1 数控系统控制方式及组成原理错误！未定义书签。3.2 步进电机原理及特点错误！未定义书签。3.3 步进电机的选择错误！未定义书签。3.3.1 横向步进电机的选择错误！未定义书签。3.3.2 纵向步进电机的选择错误！未定义书签。3.3.3 垂直方向步进电机的选择错误！未定义书签。第四章 火焰切割机传动装置设计错误！未定义书签。4.1 螺旋传动错误！未定义书签。4.1.1 滚珠丝杠

8、副的工作原理及特点错误！未定义书签。4.1.2 滚珠丝杠副的设计错误！未定义书签。4.2 导轨错误！未定义书签。4.2.1 纵向导轨设计错误！未定义书签。4.2.2 横向导轨设计错误！未定义书签。第五章 结论错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。致谢错误！未定义书签。第一章 引言第一章引言1.1 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。

9、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

10、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。1.2 数控火焰切割简介1.2.1 火焰切割及数控火焰切割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4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

11、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

12、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。1.2.2 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

13、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

14、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

15、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.

16、2.3 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国机械制造业飞速发展所带来的钢板和其他金属

17、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， 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

18、型数控火焰切割机在国能将有广阔的市场。 致谢第二章机床总体设计及软件平台选择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 3-1 所示。2.2 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

19、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，本文将在第三章和第四章重点介绍。122.3 割炬设计图 2-1 火焰切割机的基本结构割炬又称割枪，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

20、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式不同分为射吸式和等压式两种。射吸式主要用于手工割炬，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:图 2-2 割炬24 Solid Works 软件平台简介Solid Works 是由美

21、国 Solid Works 公司开发的三维机械 CAD 软件，SolidWorks 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可以非常方便地生成三维模型，并且可以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

22、种特征，并且用户可以在任何时候对特征进行修改或者删除，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:图 2-3 Solid Works 的用户界面25 Solid Works 的主要特点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同尺寸，制作模型和详细工程图。SolidWo

23、rks2006 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 是的特征一般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

24、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。并且提供了更容易使用的建模技术，特征建模技术就是将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 的主要特点如下：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

25、大的装配功能，能够始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，几何模型的建立更加简单。所谓全相关性，是指 Solid Works 的所有模板都是全相关的。这就意味着， 在产品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

26、关性鼓励在开发周 期的任何一点进行修改，却没有任何损失，使并行工程成为可能，所以能够使 开发后期的一些功能提前发挥作用。Solid Works 为用户提供了多种将零部件插入到装配体的途径，而且，可以非常轻松地移动、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

27、理功能十分有用。用户还可以通过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。So

28、lid Works 中，对于结构、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

29、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做好准备。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，而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够满足我们在进行三维实体设计时定义草图平面的需要。

30、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，而且不能自己与自己相交，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，就可以通过调用 Solid Works 提供的造型命令，生成各种相应的

31、三维实体特征。下面是 Solid Works 一般建模过程：分析实体这是非常重要的一步，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：尺寸约束可以调整零件的大小。 一般来说，草图的约束总数尺寸的约束个数几何约

32、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应该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。2007 年 6 月