數(shù)控火焰切割機的設計【優(yōu)秀畢業(yè)論文 答辯通過】

需要購買對應 紙 咨詢 14951605 買對應的 紙 14951605 或 1304139763 畢業(yè)設計 (論文 ) 數(shù)控火焰切割機的設計 學生姓名 學院名稱 專業(yè)名稱 指導教師 20*年 5 月 27 日 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) I 摘要 本課題針對數(shù)控火焰切割機的設計。橫梁的機構設計主要對其結構的確定，之后對傳動裝置進行了選擇及計算檢驗，最后對主要傳動的零部件進行選擇校核。其中主要對滑動絲杠和滾動絲杠的強度及傳動效率等進行了計算校核。并對橫梁設計中存在的結構部件的聯(lián)接問題進行了改進。火焰切割頭是在傳動裝置的基礎上運用絲杠的轉速控制運動，用單片機控制電機的轉速來達到效果。對控制電路設計也做 了系統(tǒng)的詳解，主要對所涉及的鍵盤、顯示器、主要芯片做了選取應用。 關鍵詞 火焰切割機；電氣控制；橫梁設計；單片機 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) of of of of of of of of of s is in of in of of in is on to I a of of to of of 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) I 目 錄 摘要 . I . 緒論 . 1 題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術要求 . 1 題的意義和目的 . 1 究范圍和技術要求 . 1 門式火焰切割機的簡介和特點 . 1 介 . 1 點 . 2 內外的現(xiàn)狀 . 2 展前景 . 3 2 總體方案設計 . 5 體方案的設計 . 5 能與技術參數(shù)的分析 . 5 梁機構設計簡介 . 5 切割頭橫向移動電氣控制設計簡介 . 5 柱的設計 . 5 架的設計準則及要求 . 5 柱結構 . 6 3 橫梁機械機構 設計 . 9 門式橫梁結構設計 . 9 定龍門式火焰切割機橫梁結構 . 9 動裝置類型的選用 . 9 動方案的選取 . 10 床零部件的設計 . 10 杠副的選取 . 11 軌的選型及計算 . 15 軸器的選取 . 16 承的選取 . 18 柱底座橫向進給的滾動絲杠的計算 . 19 進電機的選取 . 21 4 電氣控制設計 . 25 定機 床控制系統(tǒng)方案 . 25 成元件的介紹 . 25 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 主要芯片的選取 . 25 盤接口原理 . 25 制電路設計 . 26 用多片 擴展電路 . 26 89要管腳功能 . 27 態(tài) 片的選用 . 27 155 工作方式查詢 . 28 9存儲器及 I/O 的擴展 . 29 155 狀態(tài)查詢 . 30 155 內部定時電路 . 30 9址分配 . 31 155 擴展 I/O 端口的初始化程序設計 . 32 盤電路設計 . 33 盤功能 . 33 盤程序設計 . 33 光報警電路 . 36 示器設計 . 36 示器顯示方式的選取 . 36 示器接口電路 . 36 電隔離電路選用 . 36 結論 . 38 致謝 . 39 參考文獻 . 40 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 1 1 緒論 題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術要求 題的意義和目的 火焰切割機是工程中金屬板材切割的常用設備，可以根據(jù)要求在板材上切割出不同形狀。采用數(shù)控技術的多點火焰切割機可以同時進行多種切割加工。龍門式火 焰切割機是一種針對大型板材的火焰切割設備。本課題要求對龍門式火焰切割機的橫梁機械機構進行設計，并設計切割頭的橫移控制系統(tǒng)。 究范圍和技術要求 本次設計任務是設計一臺單片機（ 89控芯片）控制火焰切割機床，主要設計對象是橫梁及 89片機對縱、橫向進給脈沖當量 作臺部件主要構件為滾珠絲杠副、滑動絲杠副、滾動直線導軌副、步進電機等。設計時應兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。 要求切割頭橫向移動距離 橫向最大移動速度 秒，且雙切割頭可以同時做相同或相反移動。 門式火焰切割機的簡介和特點 介 在機械加工過程中，板材切割常用 的 方式有手工切割、半自動切割機切割及數(shù)控切割機切割。手工切割 較為 靈活方便，但手工切割 的 質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工 的 工作量 又 大，同時勞動條件 非常 惡劣，生產效率 很 低。半自動切割機中 的 仿形切割機，切割工件的質量 比 較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件 的 切割。其它類型半自動切割機雖然降低了工人 的 勞動強度，但其功能 比較 簡單，只適合一些較 為 規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控 切割相對手動和半自動切割方式來說，可 以 有效地提高板材切割地效率、切割質量， 而且能 減輕操作者 的 勞動強度。目前在我國的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動切割方式還 是 較為普遍 的 。 龍門式數(shù)控火焰 /等離子切割機采用雙邊驅動， 即雙切割頭， 運行穩(wěn)定，配置好，工作效率 很 高，可 以 用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據(jù)用戶 的 要求配置多把割炬。 見下圖 1州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 2 圖 1等離子切割機 點 用方管對焊 的 結構，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點。所有的 焊接件均 采用 振動時效去應力處理，有效的防止了結構變形； 向驅動：橫向導軌 則 采用 了 臺灣進口的直線 式 導軌，縱向導軌是由精密加工的特質 鋼軌制成 的 ，保證了切割機的運行平穩(wěn)，精度高，且經久耐用，清潔美觀； 3 縱向驅動架（端架）：兩端裝有水平 的 導向輪，可調整 其 驅動架底部偏心輪對導軌的壓緊程度，使整機在運動中 能夠 保持穩(wěn)定的導向； 4 驅動系統(tǒng)選用 步進 電機和驅動技術，使整機運行平穩(wěn)，速度變速范圍寬，加速時間短； 5 簡單易用的自動編程系統(tǒng)，使編程不再 那么的 復雜，輕而易舉； 6 電氣系統(tǒng)具有優(yōu)良穩(wěn)定性和超強抗干擾； 內外的現(xiàn)狀 目前來說切割機應用在金屬及非金屬行業(yè)上，一般來說，非金屬行業(yè)分得比較細致，比如有切割石材的石材切割機、水切割機、鋸 齒切割機，切割布料、塑料及化纖制品用的激光切割機、刀片式切割機，切割金屬材料的則有火焰切割機（火焰切割機又分數(shù)控火焰切割機和手動火焰切割機。而手動的又有小跑車、半自動、純手動的；數(shù)控的 有龍門式數(shù)控切割機 、 懸臂式數(shù)控切割機 、 臺式數(shù)控切割機 、 相貫線數(shù)控切割機等等 ）、等離子切割機。 切割成本方面來說，激光切割機是最昂貴的，也是精度和效率最高的一種切割設備，水刀切割機次之，然后就是火焰切割機，等離子切割機是最便宜的。（見下圖 1 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 3 圖 1經過 了 幾十年的發(fā)展，數(shù)控切割機在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面 均 取得了長足的發(fā)展， 譬如 切割能源已 經 由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源 (火焰、等離子、激光、高壓水射流 等等 )切割方式；數(shù)控切割機控制系統(tǒng)已由當初的簡 單功能、復雜編程和輸入方式 及 自動化程度不高 已經 發(fā)展到具有功能完善 的 、智能化 的 、圖形化 的 、網(wǎng)絡化的控制方式； 驅動系統(tǒng)也從的步進驅動、模擬伺服驅動到今天的全數(shù)字式 的 伺服驅動 。 展前景 隨著現(xiàn)代化的機械加工業(yè)的發(fā)展，人們對切割的質量、精度要求的不斷提高，并對生產效率的提高、生產成本的降低、高智能化地自動切割的功能要求也在不斷的提升。數(shù)控切割機必須要去適應現(xiàn)代化機械加工發(fā)展的要求。 從現(xiàn)在幾種通用的數(shù)控切割及應用情況來看，數(shù)控火焰切割機的功能及性能已經比較完善了，但是對切割材料有局 限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。 等離子切割機具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術的提高、數(shù)控系統(tǒng)與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細等離子技術也能提高切割速度、切面質量和切割精度；通過完善和提高數(shù)控系統(tǒng)來實現(xiàn)對等離子切割效率和切割質徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 4 量的提升。 激光切割機的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了 關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業(yè)開發(fā)、生產激光切割機。 數(shù)控管材切割機適用于各種管材上的切割，如切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子的端部切割與之相交的相貫線。這種類型的設備已經廣泛運用在金屬結構件的生產，電力設備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內比較高端 的產品之一，此類的設備切割功能可以滿足焊接工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國內率先引進和使用數(shù)控等離子切割機。隨著技術的發(fā)展，目前國內外的船廠紛紛配備了具有回轉坡口功能的等離子切割機，為了滿足其高技術、高附加值船的建造要求。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 2 總體方案設計 體方案的設計 能與技術參數(shù)的分析 為了提高工作的效率，所以采取雙切割頭同時工作，來縮短工作的時間。頭的支承取用龍門式，這樣可以有利于調整龍門的大小來實現(xiàn)加工不同尺寸鋼的要求。龍門式的機床不但具有使用壽命長，工作的穩(wěn)定性高的特點，而且能最大限度地滿足加工不同型號鋼的要求，其缺點就是只能在固定的地點加工，使用起來不夠靈活簡便。由于要切割曲線割縫，割頭由十字滑臺帶動，這樣既能簡化其結構，又能滿足其運動要求。 梁機構設計簡介 因為切割速度要滿足板厚和火焰對其的要求，所以要以無級調速。傳動方式采用絲杠旋轉，絲杠螺母帶動工作臺直線運動，利用調節(jié)絲杠的轉速來控制割頭的速度。而且要求的加工精度為 1 4以絲杠能很好地保證傳動精度和平穩(wěn)性。電機與絲杠用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動系統(tǒng)的轉動 慣量減小，而且減少對電機的負擔，實現(xiàn)無級調速。絲杠的傳動采用步進電機來帶動其運動。 切割頭橫向移動電氣控制設計簡介 切割頭采用電氣控制方式，首先確定電動機，然后對其電流估算。對電氣控制的電器元件進行選擇。本設計采用 031單片機擴展控制系統(tǒng)。 靠性好，功能強，速度快，具有很高的性能價格比。控制系統(tǒng)由微機部份，鍵盤，顯示器及 I/微機控制步進電機的輸入頻率，來控制電機的輸出轉速，從而實現(xiàn)割槍的無級調速。 柱的設計 架的設計準則及要求 1. 機架的設計準則 機架的設計主要應保證剛度，強度及穩(wěn)定性。 2. 機架的設計要求 (1)在滿足其剛度和強度的前提下，機架的重量應達到輕、成本低的要求； (2)抗振性好、噪聲??； (3)溫度場分布合理，熱變形對精度的影響?。?(4)結構設計合理且工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工； (5)結構力求方便安裝和調整，同事也便于修理和更換零部件； (6)有導軌的機架要求其導軌面受力合理，耐磨性好； 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 6 (7)造型好看，即經濟適用，且美觀大方。 機架一般分為鑄造機架和焊接機架兩類，焊 接結構與鑄造結構相比之下，焊接結構具有高強度和剛度，重量輕，生產周期短及施工簡便等優(yōu)點。 表 2造機架和焊接機架的對比 鑄造機架 焊接機架 重量 較重 鋼板焊件比鑄件輕 30% 強度，剛度，抗振性 剛度強度較低，阻尼大 強度剛度大，抗振性差 價格 便宜 價格較貴 生產周期 周期長，資金周轉慢 生產周期短 設計條件 鑄件壁厚不能相差過大，只能用開口的結構 設計比較靈活，壁厚可以相差較大 用途 大批量的生產 單件小批量生產 在比較上述參數(shù)和結合本次設計的具體事況，最后選用焊接機架。從可焊性上 考慮，一般選取碳含量 碳鋼。 柱結構 焊接柱按外形分為實腹柱和格構柱。 1實腹柱 實腹柱又分為型鋼實腹柱和鋼板實腹柱，前者焊縫小應該優(yōu)先地選用，后者適應性強，可按使用要求設計成各種大小的尺寸。當腹板的計算高度為 h，與腹板厚度 0時，應有橫向隔板來加強，間距不得大于 3h，柱肢外伸自由寬度 5噸。 2. 格構柱 格構柱分綴板式和綴條式兩種。 最后設計選擇型鋼實腹柱。如圖 22 圖 2 2 實腹柱 截面形狀 由于零件的抗彎，抗扭強度和剛度除與其截面的面積有關外，還取決于截面的形狀，合理改變截面的形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機架零件的強度和剛度，從而使其充分發(fā)揮材料的作用。從機械零件手冊里查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對值較大。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 綜合上述條件，立柱則采用型鋼實腹柱，截面形狀為方形，選取結構用冷彎形空心型鋼，這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應力的影響。 國標為： 6728 1986 （ 1）一般鋼號為 20或 力學性能與化學成分應符合： 700， 699 和 1591的規(guī)定。 （ 2）彎曲部分的內弧半徑 235, t r 4.0t， r 選取的型號： 71，邊長 50 , 壁厚 2 , 理論重量： , 截面面積： 221 慣性矩： 210300 回轉半徑： 截面模數(shù)： 3820 圖 23冷彎形空心型鋼結構圖 為保持尺寸穩(wěn)定，為消除內應力，焊后應進行熱處理，第一次熱處理安排在焊接后，第二次熱處理安 排在粗加工后進行。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 圖 24第一次熱處理 圖 25第二次熱處理圖 初步選定機架的主要尺寸： 兩邊的立柱高度為： 3130橫梁長為： 3100滑臺 1的尺寸為：長 =1100寬 =220高 =30滑臺 2的尺寸為：長 =320 寬 =100高 =30徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 9 3 橫梁機械機構設計 門式橫梁結構設計 定龍門式火焰切割機橫梁結構 采用箱式橫梁，這樣承載力好，整體回火可以消除焊接應力，而且性能穩(wěn)定可靠。 動裝置類型的選用 機械傳支裝置的選用是比較復雜的工作，它需要考慮從動力機到工作機多方面的因素，經細致分析對比后才能作出合理的選擇。通常，以下幾方面是選擇機械傳動裝置類型的基本依據(jù)： （ 1）工作機的工況的性能參數(shù)； （ 2）動力機的性能及與動力機匹配對傳動裝置機械特性上的要求； （ 3）綜合分析不同類型傳動裝置的初始費用，運轉費用和維 修費用，使所選的傳動裝置具有良好的經濟性； （ 4）能符合運轉安全和環(huán)境保護方面的要求； （ 5）使用的控制方便，可靠。 在現(xiàn)代的機器設計中，為了優(yōu)化機器的設計方案，傳動方案的確定都是同動力機的選擇，工作機構的選定通盤考慮的。也就是考慮動力機，傳動裝置秘工作機的匹配問題。傳動裝置的選用，通常并沒有一成不變的程序可行，而要根據(jù)不同機器的具體條件和復雜程度，經多方案的分析比較才能選定。以下幾方面是在選定傳動裝置類型時要具體分析考慮的： (1)機械特性； (2)功率范圍； (3)速度； (4)傳動比范圍； (5)傳動效率； (6)壽命；(7)外廓尺寸； (8)重量； (9)變速要求； (10)價格 本次設計主要解決的問題是變速方式 無級變速： 無極變速能夠選用最合理的運動速度，可在運轉中變帶，操縱控制方便，箭筒化機械結構等，是目前發(fā)展的主要方向。無極變速在數(shù)控機床上得到廣泛的運用，主要利用直流和交流調速主軸電動機。利用直流調速電動機進行機床主軸無級變速發(fā)展比較早，應用較廣。但直流調速電動機恒功率調速范圍很小，一般為 1 2，很少為 3 4，且有換向限制?，F(xiàn)在國際上新生產的數(shù)控機床已有 85采用交流變頻主軸驅動系統(tǒng)；交流變頻調速電機恒功率 調速范圍 8 30，有的直接驅動主軸。 內裝主軸就是主軸與電機轉子合為一體，其優(yōu)點是主軸部件結構緊湊、重量輕、慣量小，可提高起動，停止的響應特性，并有利于控制振動和噪聲，其缺點是運轉中產生的熱量容易使主軸產生熱變形。因此控制溫升和冷卻是使用內裝主軸電動機的關鍵。內徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 10 裝主軸電動機轉速可達 1500r/ 設計無級變速系統(tǒng)時，應注意電動機的機械特性應符合傳動鏈的要求。若不滿足要求，還應串聯(lián)有級變速箱，一般變速級數(shù)為 2 4 級。 動方案的選取 由于工作臺只作直線運動，以下為直線傳動的常用方案： 方案 1. 電機 聯(lián)軸器 變速箱 齒輪 齒條 方案 2. 伺服電機 一級齒輪 絲杠 絲杠螺母 方案 3. 步進電機 聯(lián)軸器 絲杠 絲杠螺母 由于要實現(xiàn)工作臺的無級調速，方案 1只能實現(xiàn)有限級調速，所以不能使用，動力機使用步進電機就可以實現(xiàn)無級調速，方案 2， 3 都適用，另外工作臺要求的運行精度在1 4度要求不高，如果傳動系統(tǒng)用一級齒輪傳動會加大傳動系統(tǒng)的轉動慣量，同時加大電機的負擔，如果電機 與絲桿用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動系統(tǒng)的轉動慣量減小，所以選取方案 3傳動系統(tǒng)。 床零部件的設計 （ 1）電機與滑動絲杠的聯(lián)接是通過過盈套筒聯(lián)軸器、緊定螺釘 筒聯(lián)軸器、平鍵 6套和推力球軸承。（圖 3 其優(yōu)點在于：傳動系統(tǒng)的轉動慣量減小，減小電機的負載 圖 3 （ 2）電機與滾動絲杠的聯(lián)接是由變徑聯(lián)軸器、軸承端蓋、圓錐滾子軸承和軸承座。（見圖 3 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 11 2360 2100 3 p 235 杠副的選取 一般絲杠副分為滑動絲杠副和滾動絲杠副。 滾動絲杠副的特點： 滑動絲杠特點：滑動絲杠摩擦力較大，傳動效率較低，一般為 30%，磨損快，低速和微調傳容易出現(xiàn)爬行，容易自鎖，定位精度和軸向剛度較差，但結構簡單，加工方便定位精度和軸向 剛度較差，但結構簡單，加工方便。 由于工作臺要實現(xiàn)橫向及縱向運動，所以需要橫向和縱向絲杠傳動。橫向絲杠沒有工作載荷，而且不需要考慮自鎖功能，伺服電機取用步進電機就滿足自鎖要求，所以橫向絲杠副取用滾動絲杠副?？v向絲杠要支承工作臺的重力，必須要有很好的自鎖功能，所以縱向絲桿取用滑動絲杠副。 立柱上支承工作臺的縱向滑動絲桿計算： (參考自機械設計手冊第 4版第 3卷 ) 最大軸向力為 g，最大升降行程為 1600用單頭梯型開螺紋，螺旋應有自鎖性。 (1)選擇材料和許用應力 螺桿 材料選用 45號鋼，調質處理， 5=360/3 5=120 72 現(xiàn)取 螺母材料選用 40 30p 現(xiàn)取 由于工作臺快進的速度為 s 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 2 a r ct r ct g 0 210 ( 取 8 (2)按耐磨性計算螺紋中徑 滑動絲杠螺母的主要失效形式是磨損，因此應以耐磨性計算來決定絲杠中徑 2d ，或由類比，結構決定中徑后，進行耐磨性校核，對于細長且受壓的絲杠，還應校核壓桿穩(wěn)定性，強度一般不用校核。見式（ 式（ 整體式螺母 取 取 F 軸向載荷 P 螺紋副許用壓強 由 1986 可選 9,24 132 的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標記為 524 。 螺母高度見式（ 2 式（ 取 8 則螺紋圈數(shù) （ 1）自鎖性驗算 由于系單頭螺紋，導程 S=P=5螺紡升角為 摩擦因數(shù) f= 取 f=形螺蚊的夾角 30 由于 ,故自鎖可靠。 （ 2）螺桿強度驗算 螺紋摩擦力矩見式（ )(1 F t 式（ 0 F 2716 o o s a r c t r c t g 223123 t徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 13 23 0 30 0 0 1 3 4 0 0 03 3 41 222 1 0 04 22 1 0 07.6 p (5)螺母螺紋強度驗算 因螺母材料強度低于螺桿，故只驗算螺母螺紋強度即可， 牙根寬度 = 基本牙型高 = p (6)螺桿的穩(wěn)定性驗算 螺桿的總長 0 0 02 0 03 0 01 5 0 0 按一端固定一端自由，得 臨界載荷 故穩(wěn)定性條件滿足。 (7)效率計算 由于底部用滾動推力球軸承，其效率為 考于機電一體化設計基礎） 3 0 0 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 14 m 0 01 0 0 0 22 a 4 16 1(1)絲桿所受的最大軸向力計算 滑臺 2的重量計算： 體積 33 96096000010030320 重量 960 3 重力 因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用