轻型数控等离子切割机总体设计及执行机构设计（含全套CAD图纸）.doc

  轻型数控等离子切割机总体设计及执行机构设计（含全套CAD图纸）.doc

  毕 业 设 计 中 文 摘 要 目前,我们国家金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主,但纯火焰切割,已不能适应现代生产的需要,而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机,该类切割机可满足多种材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要,因此需求量将会慢慢的大。 根据轻型数控等离子切割机的工艺特点和其对系统自动化控制功能的技术方面的要求，本方案从设计思路的提出到产品成型，都严格按照正规机械设计规程进行，所有外购部件的选用都有依有据，所有自制零件都契合设计标准。针对具体问题进行详细分析，并作出了较完善的解决措施。 电控方面，本设备是采用了时下流行的工控机+运动控制器解决方案，通过简单的驳接，能够实现数个伺服单元的动作控制。突出了现代工业控制的先进性。 关键词 数控等离子切割机 悬臂 工控机 自动控制 毕 业 设 计 外 文 摘 要 Title General design of mild type CNC plasma cutting machine and operating mechanism design Abstract At present, most of the CNC cutting machine of Chinas metal processing industry is use of flame cutting machine and CNC plasma cutting machine , but the pure flame cutting, can not meet the needs of modern production and the current demand for CNC cutting machines and more for the CNC plasma cutting machine, type of cutting machine to meet the different materials with different thickness of metal sheet material and metal parts for the next processing needs, so demand will increase. According to mild type CNC plasma cutting machine of the process characteristics and its automation control system technical requirements, the program design ideas from the proposal to the product shape, all in strict accordance with normal procedures for mechanical design, the selection of all components are purchased by well-supported, All parts are made consistent with design standards. Detailed analysis of specific issues, and made more comprehensive solutions. Electronic control, the equipment used in this popular Industrial Computer + motion controller solutions, the connections are simple, to complete a number of servo motor control unit. Highlight the advanced nature of modern industrial control. Key Words CNC plasma cutting machine Cantilever IPC Automatic control 全套图纸加Q 401339828 目 录 1 引言……………………………………………………………………………… 1 2 总体方案设计………………………………………………………………… 1 2.1 主要技术参数及要求……………………………………………………………… 2 2.2 总体布局设计……………………………………………………………………… 2 3 主要机械结构详细设计…………………………………………………………… 4 3.1 运动导轨……………………………………………………………………… 5 3.2 纵向驱动装置设计………………………………………………………………… 7 3.3 齿轮齿条校核计算…………………………………………………………… 10 3.4 Z向进给伺服系统的确定………………………………………………………… 12 3.5 Z向梯形丝杆螺母传动副的校核计算…………………………………………… 15 3.6 横梁的设计…………………………………………………………………… 17 3.7 机床平衡分析计算………………………………………………………………… 20 3.8 割炬防碰撞装置………………………………………………………………… 21 3.9 限位装置………………………………………………………………………… 23 3.10 支撑件…………………………………………………………………………… 23 4 等离子电源和割炬………………………………………………………………… 24 5 数控系统模块设计……………………………………………………………………… 24 5.1 数控系统方案的分析与确定…………………………………………………… 25 5.2 微机数控系统的硬件设计……………………………………………………… 26 5.3 数控系统软件设计……………………………………………………………… 31 5.4 工件加工程序设计……………………………………………………………… 33 5.5 自动编程及排料软件设计………………………………………………………… 35 6 等离子切割设计附加说明及切割质量分析………………………………………… 36 6.1 附加说明………………………………………………………………………… 36 6.2 等离子切割质量………………………………………………………………… 36 6.3 使用等离子系统时需需要注意的几点………………………………………………… 38 7 设备维护与保养…………………………………………………………………… 39 7.1 对直线导轨的维护与保养…………………………………………………… 39 7.2 日常维护措施…………………………………………………………………… 39 8 设备故障分析……………………………………………………………………… 40 结束语 ………………………………………………………………………………… 41 致谢 ………………………………………………………………………………… 43 参考文献…………………………………………………………………………… 44 1 引言 1．1 设计目的 本课题来源于中、小批量生产的实际的需求，为用户更好的提供能够很好的满足数控等离子切割工艺技术要求，经济、适用的高性能、轻型数控等离子切割机，本设计将依据这些要求做。任务是完成轻型数控等离子切割的总体设计及执行机构设计工作。 本设计能够达到以下目的： 综合运用所学专业基础知识和先进的机电一体化专业方面技术，设计轻型数控等离子切割机。该题目是实际应用题目，通过毕业设计过程使学生得到较全面的基本工程训练。 1) 综合运用所学专业基础知识和先进的机电一体化专业方面技术，完成轻型数控等离子切割机的部分设计； 2) 了解当前等离子切割技术的应用情况及其发展趋势； 3) 通过设计提高工程能力，为适应社会对设计人才的需求打下良好基础。 1．2 设计方法 1）机械设计是一门理论联系实践，实践为主的学问，所以在设计过程中，要本着一切从实际出发的原则，尽可能考虑到设备在实际生产中遇到的问题，以及设备的零部件在制造中遇到的问题。还应该要考虑部件与部件之间的关系，有无干涉等，综合这些，才能设计出一个比较完善的总体方案。 2） 回顾以往所学理论知识，对设备的某些重要零部件做必要的性能校核。一套设备能否正常运行，以及常规使用的寿命的长短，都和零部件的强度有重要的关系，只有进行了精细的验算后才可能正真的保证产品的万无一失。 3）结合自动控制理论，为本设备选择控制管理系统。 2 总体方案设计 2．1 主要技术参数及要求 所设计设备用于有色金属、黑色金属、不锈钢板材切割，切割厚度2毫米—40毫米，切割轨迹为由直线圆弧组成的任何平面图形。切割能源采用等离子技术实现。设备具备了轻便型、经济型的特点，适合于单件小批生产的场合。设备由移动装置、数控装置、割炬装置、等离子切割装置等组成。设计的基本要求： 布局：机身移动式单臂布局； 切割尺寸范围：4000mmX1700mm； 割炬数目：1 ，割炬可倾斜； 进给轴数：3 联动轴数：2（X，Y）； 最小编程单位：0.01mm； 程序代码：国际标准数控码； 切缝宽度补偿功能， 工作速度:空行速度6000-8000mm/min;切割速度：3500mm-4500mm/min。 2．2 总体布局设计 2.2.1 总体布局的分析与确定 轻型数控等离子切割机是集机、电、气(等离子)、光为一体的数控机械加工设施，采用传统而又经济的下料方法，大范围的应用于机械制造领域。该设备改善了加工质量，能够加工复杂形状的工件，适应能力强。 本次要求设计的切割机为轻型数控等离子切割机，要求设备具备了轻便、经济的特点，适合于单件小批生产的场合。设备由移动装置、数控装置、割炬装置、等离子切割装置等组成（可参考图1）。 图1 等离子切割机实物图 其总体布局的根本原则和要求如下： 1) 功能合理。以实现功能要求为最根本原则，保证各分功能既易于实现又便于实现总功能。 2) 保证工艺过程的连续和流畅。 3) 保证设计精度，刚度以及抗振性的要求。 4) 操作、维修、调整方便。 5) 机构紧凑，层次分明，比例协调，造型美观。 数控切割机机械系统主要由割炬小车、横梁、行走车和导轨等部分所组成。 机械系统的最大的作用是支持1把等离子割炬完成X—Y平面的联动，并自动控制升降以调节割嘴和钢板间的距离。 2.2.2 传动方式的确定 传动的主要任务是完成动力机和工作机之间的能量传递，此外还具有能量分配、转速改变和运动形式变换（如转动变直动）以及转矩或力的改变等功能。传动件是机器的重要组成部分，也是影响机器性能质量的核心因素。所以最终选择时就要充分的利用其优点、避开缺点。 选择物理运动可考虑得因素很多，但主要可从以下几方面考虑： 1) 从技术方面考虑：效率是物理运动的一个重要指标。一般认为，齿轮传动的效率最高。所以从节省能源的角度考虑，对于长期或连续、大功率的使用场合，应当首选齿轮传动。普通蜗杆传动通常效率较低，一般只宜用于中、小功率和不常常使用的场合。从承载能力方面考虑，普通齿轮传动的适应范围广，传递功率几乎不受限制。摩擦传动由于自身工作的特点，其承载能力的提高受到限制，通常也只用于中、小功率场合。 2) 从每种传动的特点考虑：各种传动都具有其优点，选择的出发点是要充分的利用其优点、避开缺点。例如：摩擦传动不能够确保准确的传动比，故其只宜用于对传动比无严格要求的场合。但是，过载时打滑对于机械系统往往具有安全保护作用。其次，摩擦传动会产生静电，对于易燃易爆环境可能危及安全。链传动、齿轮传动、蜗杆传动等可用于高温、潮湿、粉尘等恶劣工作环境。带传动、蜗杆传动工作平稳、噪声小。尤其带传动还具有缓冲、吸振特点，故适用于要求传动平稳、噪声低场合。螺旋传动和蜗杆传动可用于反行程有自锁要求的场合。 3) 从系统内传动布置的合理性、成本等方面考虑：系统内传动布置应尽可能做到简单、紧凑并努力达到总体协调。其次，应考虑制造成本和运行的成本等。 考虑到上述的诸多因素，该设计的等离子切割机的传动采用齿轮齿条传动，以达到传动效率高，保证正确的传动比，造价低等结构和经济性能的要求，最重要的是，等离子切割机的纵向移动装置要保持一个平稳，恒定的速度，用齿轮齿条机构实现起来非常容易。 3 主要机械结构详细设计 为实现上述作用,同时便于加工、控制及安装调试,该数控等离子切割机采用悬臂式结构，机床的纵向移动装置在两条平行直线导轨上，通过Y向驱动单元实现单边控制，产生前后移动，形成Y坐标轴方向运动；横向移动装置受X向驱动单元控制在横梁上左右移动，形成X坐标轴方向运动。这样, 对于割炬而言, 其运动为纵向和横向的复合运动, 所以能在水平面内完成任意平面曲线的运动。X 、Y两方向的进给伺服系统均采用以步进电机作为动力驱动的开环控制。为完成割炬的运动, 需要将纵向驱动电机和横向驱动电机的旋转运动变为行走车和横梁上割炬小车的直线运动, 为此, 我们最终选择了齿轮—齿条传动方式来实现。割炬的提升与下降由电机控制, 采用丝杠螺母传动形式。机床的整体结构设计如图2所示。 图2 轻型数控等离子切割机总体布局图 3．1 运动导轨 导轨的功用是导向和承受载荷，为保证导轨副的导向精度、精度保持性、低速运动平稳性和结构工艺性好等要求。该机采用单边驱动，两条纵向导轨分为主动导轨和副导轨。主动（驱动）导轨选用了带齿条的GSR–R型LM导轨（如图3，图4），纵向副（从动）导轨选用GSR型LM直线），该型导轨有以下特点： 1）成本低 GSR-R 型是在 GSR 型用的 LM 轨道上设置了齿条，由于 LM 轨道（直线导向）和齿条（驱动）成为一体，减去了齿条安装面的加工，使驱动机构的设计?安装变得容易，使成本大幅度地降低。 2）设计简单化 以小齿轮每转一圈的移动量作为整数，与步进电机或伺服电机相配时，每1脉冲的移动量之计算变得很简单。 3) 行程随意 因在 LM 轨道端面进行了加工，将标准长度接续起来可应付长行程的要求。 4) 高耐久性 因确保了齿条的齿宽与LM轨道的高度相同，又使用了高级钢，对齿面进行了热处理，因此拥有非常良好的耐久性。 5）受载荷能力强 GSR-R型能承受徑向，反徑向以及橫向所作用的任何負荷。还能够承受3个方向的力矩。 图3 GSR-R型导轨外观图 图4 GSR-R导轨结构尺寸图 图5 GSR导轨结构尺寸图 在横向（X方向）也选择GSR-R/GSR型导轨，Z方向上选择滑动丝杠螺母。 安装时，让LM滑块的上表面有点倾斜，通过拧紧安装螺栓就能使间隙消除，并能给予适当的预紧，以便于安装和调整，如图6所示。导轨安装时既要保证每列导轨的直线度和水平度还要保证两列导轨的中心距和相互水平两列纵向导轨的中心距与横向跨度一致。 图6 导轨滑块安装图例 3．2 纵向驱动装置设计 纵向移动装置采用箱式结构焊接制成，主动导轨上的行走车内部安装有驱动电机，驱动电机选择步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，它作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 大范围的应用在各种自动化控制管理系统中。伺服系统中常用的步进电机有快速步进电机和功率步进电机。快速步进电机的输出转距一般为：0.007NM---4NM。可拿来控制小型的数控装置。功率步进电机的输出转距一般为：5NM---40NM。可以直接用来驱动大型的数控装置。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相等。相数越多步距角越小，但结构也越复杂。在本次设计中步进电机作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，采用开环控制管理系统。该控制管理系统具有结构相对比较简单、维修方便、价格低等优点。在选择步进电机时，首先要确定步进电机的类型。 齿条具有加工容易、寿命长、传动精度高等特点，所以本机纵横向运动均采用齿轮-齿条传动，小齿轮如表1。 表1 齿条用小齿轮选型表 初选纵向主导轨为GSR 25T-R型，该导轨齿形参数为模数m = 1.91 ，与之相应啮合小齿轮型号为GP6-20A，齿形参数为模数m = 1.91 ，齿数z=20。 减速器选效率高、体积小的精密行星齿轮减速器，减速比为20。 X，Y向传动电机都选易于控制、精度较高的步进电机，电机型号为110BYG350BH-SAKSMA-0501 ,其主要参数步距角0.6°，最大静转矩为80 kg/cm 。运行方式为三相六拍。保持转矩Tmax= 8( N. m) ,转子惯量Jm = 9.72 ( kg. cm2) 。X轴方向负荷及电机总重约20kg。割炬纵横向步进电机的负荷是不同的，纵向电机负荷大，其最大静转矩T[1]近似计算为： (式 1) 式中 w——切割机总重量（kg）； μ——纵向导轨滑动静摩擦系数； d——啮合齿轮直径(cm)； i—— 减速比。 将w=1000 kg , μ=0.03，d=mz=38.2 mm，i=20，代入式(1)中，计算得T=2.9 kg/cm 。T 32 kg/cm (40%的电机最大静转矩)，这说明电机选择是合理的。 机械部分均选用标准件可降低设备成本，但使得该运动执行机构的实际脉冲当量δ[1]为： (式 2) 其中 m——啮合齿轮模数； z——啮合齿轮齿数； θ——进电机步距角； i——减速器减速比。 代入各数据计算可得δ =3.14×1.91×20×0.6/（360×20）mm=0.0099mm，它与机床数控系统中所提供的脉冲当量为0.01mm相近，但有一定的误差。 经过实验证实，这一误差将使得切割时程序设定距离与割炬实际行走距离有+1%的误差，因此可通过引入一编程距离进行修正。 机床进给速度V=60fδmm/min 。f---脉冲频率 为了维修方便，也选用了同样型号的步进电机应用在其他的运动方向驱动单元上。步进电机型号参数表见表2。 表2 步进电机型号参数表 1”，对应着相应绕组的通电状态；这一位为“0”，对应着相应绕组的断电状态。微处理器按照程序中规定的顺序，循环地向寄存器中写入各控制宇节，从而使步进电动机的绕组按固定的规律，循环地通电或断电，使步进电动机向某一方向转动。 3．3 齿轮齿条校核 如前所述，本设备X、Y轴传动方式均为齿轮齿条，均采用日本GSR/GSR-R系列新产品，小齿轮型号为GP 6-20A，具体参数：模数m = 1.91，齿距=6,齿数z=20，分度圆直径d=39。齿条型号为GSR 25T-R，模数m=1.91，尺宽b=16.5。下面将对所选型号小齿轮和齿条组合时的强度进行有关校核计算。 1）计算小齿轮负荷时的最大推力。 2）将小齿轮的容许传递力（表3）除以过负荷系数（表 4）。 3） 将在1算出的小齿轮负荷时的最大推力与在2算出的小齿轮的容许传递力作比较，确认最大负荷推力等于或小于容许传递力。 表3 容许传递力 表4 过负荷系数 因为纵向导轨推力最大，下面只对纵向导轨的齿轮齿条进行强度校核： 在有均等负荷的水平搬运装置中使用GSR-R 型时（外部负荷为零）。 条件： 试算型号（小齿轮） GP6-20A （工作台＋工件）质量 m =1000kg 速度 v = 0.1m/s 加減速时间 T1 = 0.1s 试算： 1. 算出最大推力 算出加減速时的推力 Fmax = m . v/ T1 =1.00kN 2. 小齿轮的容许传递力 Pmax =容许传递力（参照表3）/过负荷系数（参照表4）=2.33/1.0=2.33kN 3. 最大推力与小齿轮的容许传递力的比较 Fmax = 1.0kN Pmax = 2.33kN 因此，判断试算型号能够正常的使用。 3．4 Z向进给伺服系统的确定 为计算方便，Z 向进给部分仍然采用纵横向移动装置使用的步进电机：金坛四海110BYGH系列产品。 机械结构参数： 速度 Vl= 10 m/min 滑动部分质量M= 2 kg 丝杠长度LB= 0.2 m 丝杠直径DB= 0.024 m 丝杠导程PB= 0.010 m 连轴器质量MC = 0.5kg 连轴器直径DC= 0.05 m 摩擦系数μ= 0.1 移动距离L= 0.2 m 机械效率η= 0.9 定位时间t= 3 s 加减速时间比A= 25% 外力FA= 0 N 移动方向与水平轴夹角a = 90 ° 其他常数 G= 9.8 m/s2 pi= 3.1416 丝杠密度ρ= 7900 kg/m3 图 7 加速度曲线)电机转速 NM = Vl/PB = 1000 rpm 3)负荷转矩计算（如图8） 轴向负载F = = 19.6 N 载转矩TL = = 0.312 Nm 4)克服惯量的加速转矩计算（也称做：启动转矩） 直线运动平台与负载惯量JL = = 5.0711974E-6 kgm2 滚珠丝杠惯量 JB = = 5-5 kgm2 连轴器惯量 JC= = 0.000625 kgm2 总负荷惯量 JL= JL+JB+JC = 0kgm2 根据计算，初步确定电机型号110BYG350BH-SAKSMA-0501。电机惯量 JM = 0.000972 kgm2 启动转矩 TS= = 0. Nm 安全系数 S = 2 5)必须转矩 必须转矩 TM= (TL+TS)*S = 1.37 Nm 6)电机选择 根据计算，该电机型号满足要求。 7)负荷与电机惯量比 惯量比 I1= JL/ JM = 00.000972 = 0.7 8)负荷与减速机惯量比 当负荷与电机惯量比 5时,不需采用减速装置，来提高惯量匹配。 9）脉冲当量计算 传动比i = 1,丝杆导程t = 0.01m =10mm 所以δ= （0.6/360）×1×10mm =0.016mm 3．5 Z向梯形丝杠螺母传动副的校核计算 1）丝杠螺母的选择： 本次设计所用螺母丝杠要求有自锁功能并精度要求不高因此选择梯形滑动丝杠——牙顶间隙； 20mm——外螺纹中经 d3=15mm——外螺纹小径； 本设备所选丝杠螺母为滑动丝杠螺母，由于其为传力螺旋，其主要失效形式是螺旋表面的磨损、螺杆的拉断或受压是失稳或剪断，螺纹牙根部的剪断和弯断，设计时常以耐磨性计算和强度计算确定螺旋传动的主要尺寸。 丝杠及丝杠螺母的校核计算： 相关设备的重量：约为2kg；丝杠长度为200mm； 丝杠导程：10mm 运动速度为300mm/min 2）耐磨性的核算 螺纹工作面上单位压力P的大小，直接影响丝杠的速度。应限制工作面上的单位压力，以确保丝杠的耐磨性。 根据机床设计手册得5.7-16公式得 式中F——丝杠所受最大轴向力（N）pa, 所以p= Fק2/(d22×ψ)=0.04 MPa p〈 [p] 顾满足耐磨性的要求。 3）强度的核算 丝杠压应力σ的计算公式为： ≤[σ] 式中A——丝杠内径的截面积（）， ——丝杠的内径（mm）； η——丝杠的传动功率，见机床设计手册式5.7-3 [σ]——许用拉压应力由于螺纹所引起的应力集中系数不能精确确定，因此取[σ]= ，为材料的屈服点（kgf/）。 由机床设计手册式5.7-3得 η= 式中ρ= 查机床设计手册表5.7-3得摩擦系数为0.1，螺纹升角 带入数据得ρ=,η=0.25 σ=0.88[σ]=9.67,所以强度足够。 4）稳定性的核算 当丝杠的长径比较大（一般大于10），且承受轴向压力时，丝杠有发生纵向弯曲的危险，因此，需进行稳定性核算。 根据机床设计手册得5.7-18公式得 式中——丝杠支撑系数（见机床设计手册表5.7-15）， L——为距离； 所以=3400×0.25×(152)2/2002=1075.8N 大于轴向力50N因此稳定性合适 综上所述：选择的丝杠螺母传动全部符合要求。 3．6 横梁的设计 横梁是切割机的核心部件,它的作用是联结纵向行走机架并安装割炬小车实现横向运动。设计中要最大限度地考虑横梁的强度、刚度和工艺性, 要对横梁的强度及刚度进行校核。 通常选取悬臂梁的侧面形式有矩形和梯形 ,而在其根部与墙壁或肋骨连接通常是采用三角肘板或圆弧肘板来过渡。在此选择侧面为梯形的悬臂梁进行推导计算。[2] 1）横梁结构尺寸的设计 图9 在 x断面处的弯距 （式3） 以常用的 ⊥ 形悬臂梁为例 图10 （式4） （式5） 根据（式4）,通常悬臂梁的hz形心高度变化较小,因此可认为 hz为常数,即对（式5）的x求导得: (式6) 故对于悬臂梁侧面为梯形来说 ,σ是随着x的增加而增大,即剖面最大的应力发生在悬臂梁根部(当h0=h时,悬臂梁侧面为矩形)。 材料选用Q235钢焊接而成。 取L0=2450mm, b0=100mm, h0=250mm, h=140mm, b=6mm, A1=60mm×5mm=300mm2,A0=160mm×8mm=1280mm2。 割炬小车总重P=200N ，悬臂梁根部的腹板高度h1=290mm, 2）横梁的校核 查文献得：材料的极限强度δb = 441 M Pa，安全系数n= 2. 5。许用应力[δ]= δb/n = 176. 4M Pa，弹性模量 E=90. 6M Pa。横梁的许用挠度fmm=6.4mm 当割炬小车在横梁的最右端时弯矩最大，受力图如下， 图 11 根据（3）计算得横梁上最大弯矩M=P×l0=200N×2.45m=490Nm 根据（4）计算得 Hz =（0.006×0.292+2×1.28×10‐3×0.29）/2(0.006×0.29+1.28×10‐3+0.3×10‐3)m = 0.1878m = 187.8mm 根据（5）计算得最大应力δ δ=（2×200×2.45）/(0.3×10‐3×0.1878+0.006×0.18782÷0.3)Pa = 12.86Mpa ≤[δ] 则所设计的横梁满足抗弯曲应力要求。 下面校核梁的挠度，查手册，知道梁的许用挠度为 即为：f=(2.45:12.25)mm 查文献有相应挠度计算公式为： 代入相应数据可以计算结果为： fmax =5.2mm,其挠度也在安全范围以内。 因横梁为焊接结构，则须校核横梁焊接面的强度。悬臂梁受力剪力、弯矩图如图11所示。割炬小车行走在最右端时力Q=200( N)。横梁结构的截面如图10所示，由于材料板的厚度远小于板的宽度，故可认为板上的剪应力大致均匀分布，采用近似公式： 则对上板厚8mm，每单位长度(1 m)焊缝必须传递的力为 0.09×（102）3×8×1×（10‐2）3=0.72（N） 不会对横梁造成很重大的影响，因此横梁的截面设计满足要求。 3．7 机床平衡分析计算 机床受最大倾覆力时如下图所示，两纵向导轨支撑力分别为FA，FB。数控操作箱受重力为F1，纵向支撑座自身重力为F2,横梁重F3，割炬重力为F4。 经过计算F1=800N，F2=4000N ，F3=1000N，F4=200N 以F1作用点为原点，设机床重心离原点的距离为x,则 代入数值得=902.79(mm) 而FB的作用点离F1的距离为1107mm. 即机床重心在两导轨之间，所以当割炬小车在横梁最右端时不会产生倾覆力矩。因此符合机床设计的基本要求。 3．8 割炬防碰撞装置 数控等离子切割机在切割过程中的切割速度较快，一般达1500mm/min，因此在切割过程中，难免避免发生各种意外情况，如切割钢板发生变形翘立，数控系统失控或操作失误，从而使等离子割炬撞到外物或钢板，但此时切割机仍按预先设置的状态工作，严重时将导致等离子割炬损坏。 目前数控等离子切割机的割炬保护设施大部分是靠气压来进行保护的，它们都是利用割炬收到外部作用力后的泄压，使割炬偏离工件一定距离来达到保护割炬的目的。 本文用的是一种结构相对比较简单，操作便捷，制造成本低的数控等离子切割机的割炬保护设施，原理如下： 通过螺钉固定设置在固定板上表面的固定座，在固定板和固定座的前端部相互对应的开设有现状，位置均相同的U形豁口；在固定座的上表面具备圆形凹凸台阶，在活动座的下表面具备能与所述凹凸台阶相嵌合的凹凸台阶，通过凹凸台阶的嵌合实现固定座与活动座之间的定心。 嵌设在固定座内并且上表面与固定座的上表面相共面的4个磁性体，该4个磁性体分为两组，对称地设置在固定座的左右两端，磁性体的安装数量由切割机的工作状态决定，在固定座上最好事先预留多个用于容纳磁性体的安装孔。 通过紧定螺钉嵌设在固定座的后侧的电感式传感器，改传感器的上表面略低于固定座的上表面，且在传感器外套有绝缘套，使其与固定座之间相互绝缘。 在活动座的中央部开设有通孔，在割炬的上端部外侧套有能紧密嵌入该通孔内的绝缘套。安装时通过螺钉将割炬固定在活动座的通孔内，同时割炬穿过固定座及固定板的U形豁口，并令活动座的下表面与固定座的上表面相贴合。此时，由于磁性体的磁性作用，将活动座限制在固定位置上。 工作时，当割炬到达切割表面时起弧开始切割工作。若在切割过程中钢板变形发生翘立，或由于系统的失误或操作等原因而发生意外，令割炬撞到钢板或外物，则活动座克服磁性体的磁力发生偏转。传感器用于感应活动座的偏转程度，当活动座的偏转超出预设的容许范围时，传感器向切割机的控制管理系统发出电信号，使切割机急停，割炬上升，实现对割炬的保护，如图12所示。 图 12 割炬防碰撞装置 3．9 限位装置 限位装置设计主要是对纵向行走机架和横向移动割炬小车做极限行程限制，以防止切割小车冲出横梁两端而造成损失破坏，采用现有成熟的元件便可实现功能要求。 3．10 支撑件 支撑件是支承机床其它零部件的基础构件，如导轨、拖板、工作台床身、底座及支架等。支撑件既要承受其它零部件的重量和工作载荷，又起保证各零部件的相对位置的基准作用。它们的特点是结构较为复杂、尺寸大、加工面的几何精度和位置精度要求高.故应有足够的刚度、抗振性、较小的热变形、稳定性和工艺性要好，成本低。支撑件的结构设计主要是解决好刚度问题。因此要正确选择其截面形状和尺寸，合理布置隔板和加强筋，并注意它们之间的连接刚度和安装精度。 拖板的最大的作用是用来放置工件，以使被切割板与地面隔离。由于切割时有火花飞溅到拖板上，故要求拖板需要耐高温性能、另外耐磨性要好，可选用QT 245型材。 4 等离子电源和割炬 本次设计选用美国海宝HPR260等离子电源和配套割炬[3]。 1）HPR260等离子电源要求： 输入电源要求：(+/- 10%) 200/208 VAC, 3-PH, 50 Hz, 149/144 amps 240 VAC, 3-PH, 60 Hz, 124 amps 400 VAC, CE, 3-PH, 50 Hz, 75 amps 440 VAC, CE 3-PH, 60 Hz, 68 amps 480 VAC, 3-PH, 60 Hz, 62 amps 600 VAC, 3-PH, 60 Hz, 50 amps 输出功率（暂载率）：100% 45.5 kw, 40 C 2）HPR260等离子切割气体要求： 等离子气体形式——氧气，氮气，空气 气体质量——干净，干燥，无油 氧气： 压力—— 0.8Mpa 纯度—— 99.95% 流量—— 4250升/小时 氮气： 压力—— 0.8Mpa 纯度—— 99.995% 流量—— 7080升/小时 空气： 压力——0.8Mpa 纯度——99.95% 流量—— 7080升/小时 3）等离子电源冷却用内部循环水配比： 在发运电源时，冷却液箱中没有一点冷却液。推荐使用丙二醇（30﹪），去离子水（69.9﹪）和0.1﹪苯并的混合液。这种混合液的抗结冰温度为+10oF(-12oC)并含有防腐剂（苯并），以保护冷却液回路中的铜表面。在冷却液混合液中，一定要使用经过净化的水，以防止割炬冷却液系统材蚀。 5 数控系统设计 5．1 数控系统方案的分析与确定 5.1.1 相关控制技术 该设计的轻型数控火焰切割机要想实现其要求的控制功能能采取单片机控制、PLC控制、工控机控制等多种手段。 超小型化的单片微型计算机，简称单片机，它是随微电子技术与超大规模集成技术的发展诞生的。它是将CPU、存储器、串行/并行I/O口、定时/计数器，甚至A/D转换器、脉宽调制器、图形控制器等功能部件全部集成在一块大规模集成电路芯片上，构成一个完整的具有相当控制功能的微控制器数控系统由硬件和软件组成，硬件是数控系统的基本支撑部分，软件则是数控系统的控制核心。硬件是软件的运行基础，而只有配置了软件的硬件才是可工作的控制管理系统[7]。 1) 中央处理单元，即CPU。 2) 总线，包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、和控制总线) 存储器，包括只读存储器和随即读写存储器。 4) 输入、输出接口电路。 其中CPU是总系统的核心。存储器是监控软件（系统软件）及系统运行中各数据的驻留空间。I/O接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线是连接CPU、存储器和I/O接口电路的纽带，是各部分进行通行的线路。 另外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号交换电路。如图13所示的数控系统硬件结构框图。其中CPU、存储器及I/O接口是任何一个数控系统必不可少的环节，其余部分并非所有数控系统都具备。一般，CPU通过I/O接口可连接得人机交换外设是键盘、打印机、磁盘记录机等通信接口；信号交换电路包括A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，它是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。这两部分可根据控制对象的特性进行取舍[8,9,10]。 图13 电气原理框图 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素： 1) 时钟频率和字长（控制数据处理的速度）。 2) 可扩展存储器（ROM/RAM）的容量。 3) 指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）。 4) I/O口的扩展能力（即对外设的控制能力）。 5) 开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。 5.2.2 轻型数控等离子切割机的硬件电路设计 图14是智能数控等离子切割机床系统框图，其主要由等离子切割枪、等离子电源、 气源、切割机床和计算机控制管理系统组成。等离子切割枪、等离子电源将空气转变为高温、 高速离子流,离子流经压缩空气聚焦成为直径很小的高温、高速、高能量密度等离子弧,实现对金属板材高效、精确切割。切割机床为悬臂式平面两坐标联动工作台( x - y 轴),在计算机系统控制下,能够实现任意平面曲线切割。切割机床另配一数控 z 轴(垂直轴),用于等离子体割炬高度调节。计算机控制管理系统负责整台设备的运行控制,并提供人机接口、智能决策、割炬头高度自动调节、自动编程、切割仿真与切割轨迹实时跟踪显示等功能。 图 14 数控系统框图 该数控系统是以工控机为基础开发的，具有计算机操作便捷、功能开发和扩展容易等优点。该系统采用ALL-IN-ONE一体化主机板，80486的CPU，能适应恶劣的工业环境。该主机板将CPU、协处理器、主存储器、软盘、及硬盘驱动器接口、键盘接口、串行通信口（RS232）、监时定时器、高速缓冲存储器等集中安装在一块模板上。 系统内部采用了灵活开放的ISA总线式结构，各个控制模块接口电路板均插接在系统总线CPU、ROM、RAM等在CPU板上通过内部总线相连接，又通过总线驱动运动控制器，运动控制器插接于母板上。该系统充分的利用计算机系统的丰富资源，并且可由RS232连接外部CAD执行DNC加工。 本系统选用固高科技GE系列GE-400-SV连续轨迹运动控制器，配接三套四通电机110BYG350BH-SAKSMA三相混合式步进电机以及同公司生产的三相混合式步进电机细分驱动器SH-30806系列，完成X、Y轴的伺服进给（如图15）。 图15 步进电机驱动电路 其中运动控制器主要集译码电路、振荡电路、I/O端口电路、脉冲电路、中断电路以及光电隔离输入输出电路等为一体。其中译码电路为运动控制器提供了一个接口地址段，振荡电路为运动控制器上的脉冲控制电路提供了一个固定频率的脉冲源；I/O端口最大的作用是输出切割机气源控制信号及输入机床信号；脉冲控制电路分别控制各轴的步进电机；中断电路为控制软件提供硬件中断信号；光电隔离输出输入电路（图16） 图16 光电偶合电路图 5.2.3 弧压采样电路 Z轴割炬高度调节是由弧压采样电路及调理电路实现的。 系统的弧压采样及调理电路如图 17所示 ,利用霍尔电压传感器 CHV - 25P ,将等离子切割机工作时的电弧电压转换成 0～5 V的电压 ,经有源滤波、线性光电隔离及二极管钳位电压后直接送入A/ D转换器中 ,实现对电压的实时采样。 图17 弧压采样电路 以上采集与调理电路中 ,在模拟输入端加上有源滤波电路 ,能够更好的起到低通滤波的作用 ,减轻噪音的影响。电路中 U1、U2是同一封装的双光电耦合器 ,可以认为它们的传输系数的温度特性和电流非线 作输出 ,巧妙地补偿了它们的非线 作钳位二极管 ,用来防止瞬间出现损坏A/ D转换通道的高压。 5.2.4 驱动电路 该控制管理系统中的驱动电路 ,采用 ULN2803 达林顿管驱动 ,使三相式步进电机在中断服务程序的控制下完成较高精度的旋转 ,以此来实现弧压值始终位于控制域的范围内 。其驱动电路如图18所示。 图18 步进电机驱动电路 5.2.5 其它电路设计 （1）行程开关电路设计 为保证机械装置可靠安全地工作，增加行程开关保护电路，当机械装置行程超过规定的安全行程时，触动接触开关，通过该电路转化为电信号，输入控

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