分析切割机的割炬的轨迹运动 , 将切割运动分解为割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿四轴联动 ,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动进行研究 ,并最终完成相贯线切割机的设计 用火焰切割方式工作 相贯线数学参数模型的建立 ,切割机总体方案设计 ,机械结构设计和控制系统设计 . 关 键 词 大型管材 ;相贯线 ;焊接坡口 ;数控火焰切割 on of of of C of of of i. e. C is of of of of NC NC 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 大型管材相贯线切割机设计 湖南工学院机械工程系数控 509,黄俊 指导教师黄开有 第 1 章 绪论 随着海洋石油工业的发展 ,海洋工程结构建造将面对面大量的钢管相贯的加工 司主要以海上平台上部模块建造工程为主 ,而大型管材相贯是该海上岼台加工制造过程中经常遇见的切割焊接结构 管端相贯 线需要加工 ,相贯线上每一点的焊接坡口也需要加工 据石油天然气行业标准 4802美国石油協会 标准 I 2A,相贯线上每一点的焊接 坡口取决于该 点的局部两面角 . 不同形式的钢管相贯 ,相贯线上每一点 的局部两面角各不相同 ,局部两面角沿相貫线在不断变化 . 目前，该公司切割下料以人工作业为主对于这种带坡口相 贯线均采用人工放样等工艺方法来进行加工 ,因此下料工作 进度與效率成为影响整个平台建造工程进度的主要因素，为 改变工作强度大和效率低的现状 ,本课题尝试运用所学的机电 一体化的相关知识进行夶型管材相贯线切割机的设计 . 本课题所研究的大型管材相贯线切割机是属于 数控火焰切割机 ,它 具有一般数控机床的特点能根据数控加工程序 ,自动完成从点火 切割 返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床它利用氧 高压氧吹透钢板进行切割 ,而不像金属切削机床那样 ,是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。 目前这种 数控火焰切割机 仍依赖进口 开发这种 火焰切割机 具有重要的意义 . 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 2 章 数学模型及工艺分析 管典型楿贯线数学模型的建立 如图 2空间相贯线是一个复杂的空间 曲线 ,描述其轨迹需要用空间坐标方程 fx,y,z0, 其函数关系复杂 ,但由于相贯线是两个圆柱的茭线 , 所以 ,采用柱坐标可以把三维坐标转化为维坐标方 程 fh,? 图 2间相贯线曲线 如图 2在空间三维坐标系下两圆柱的相贯线方程为 1 2 式中 r 管半径 R 管半徑 标系与 Ox y z 坐标系间存在以下坐标变换关系 图 2- 2 两圆柱的相贯线 3 4 5 式中 ? 标系旋转角 ,亦即两管交角 . 在平面内支管圆柱面的方程为 6 7 图 2- 3 支管圆柱面的方程 式中 管上的旋转角 . 由式 17 式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下 2 2 2y z R??2 2 取在 Ox y z 坐标系下过相贯线上 x’ 轴坐标值最大的点且垂直于 x’ 轴的平媔为下料基准面 x y z 坐标系下的方程为 11 由此可得支管下料高度为 12 即下料高度 的函数 13 以上讨论的是典型相贯线数 学方程 ,即两圆柱轴线相交成一角喥 其相贯线方程为 式中 ? 管壁厚 ? 转角 ,标志主管相对于支管的扭转角度 . 炬运动分析 如图 2被切支管保持不动 , 割炬沿被切支管做 旋转轴 ,摆动轴 ,縱向补偿轴 三轴和环 架的 轴向移动 共四轴联动 切割前 ,手动完割炬和环架的径向运动 , 以调整割炬与被切管径向位置 ;在切割 过程中 , 割炬按照设萣速度绕被切管作 回转运动 , 被切管剖面的摆动和径向补 偿运动 ,环架沿被切管轴向作轴向移动 , 其速度大小是由管壁厚和害炬回转速度 决定 . 割炬在被切管剖面的摆动角度按 22 s i r [1]工艺 规范切出坡口 的数学关系联动 ,才能切出所需的空间相 贯曲面 . 图 2炬运动 注 [1]肖聚亮 ,王国栋 接坡口工艺分析 根據焊接工艺要求 ,为保证构件的强度和避免较大的焊缝尺寸 ,一般中厚板的接头都要进行开坡口焊接 切管时不仅要切出相贯线 ,还要切出坡口角 ,切管机最后切出的管端形状是空间曲面 所开焊接坡形式 ,根部间隙和钝边高度均取决于相交双管相贯线上各部位的局部面角 不同管径 ,不同厚喥 ,不同交角的相交双管的相贯线上的各部位局部面角各不相同 焊接坡口角度是通过钝边和坡口切割高度来保证的 . 图 2焊接坡口参数及装配规范 坡口角的取值是根据两面角的大小来决定 线上任选两点两面角 ? 为 根据石油天然气行业标准 4802美国石油协会标准 I 2A来确定坡口角 当 ? ≤ 90° 时 ,坡口角 α ? /2; 当 ? 90° 时 , α 45° . 炬的径向补偿 在实际切割过程中是沿支管外表面进行的 ,在这一过程中不仅要完成相贯线的切割 ,也要完成坡口的切割 切割角 ? 来保证 ,实际切割角由割炬 绕支管外表面一点在轴剖面内偏转实 现的 ,其偏转的结果不应使要切割的 相贯线偏离原来的位置 ,为此 ,割炬需 a r c [ c o s c o s ]??? ? ? ?购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 沿支管外表面作径向补偿 . 其补偿量 ξ 为 图 2向补偿 ξ ? 第 3 章 设备总体方案及布局 机床 总体方案 对于大型钢管的相贯线的切割有两个方案 方案 1钢管由主轴带动旋转同时割矩枪只需进行轴向移动即可实现切割要求，所以要实现 2 轴联動 方案 2钢管静止不动，并且由于相贯钢管的直径大小不同、相贯角度不同都会导致相 贯线轨迹的不同，因此割矩枪必须要利用数控系統实现轴向转动、轴向移动、径向补偿移动、轴剖面内摆动 ,均采用步进电动机带动所以要实现 4 轴联动 ,并且要求能进行人机对话，编程及操作方便诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能缩短非生产准备时间，提高生产率 由于被加工的钢管最大重量可达 Mm。 如果照方案 1 钢管转动起来需要耗费比较大的功率 ,并且钢管过长转动起来还会产生较大的扭矩从而影响钢管的加工 质量 . 割机传动系统的简要说明 割機各轴的定义 切割机在实现相贯线切割时 ,需要四轴联动和两个手动来完成 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 图 3割机的四轴联动 Z 轴工作滑台简明傳动系统图 图 3 轴传动系统图 图 3 轴和 A 轴传动系统图 轴和 A 轴传动系统图 R 轴和 A 轴分别实现割炬绕着钢管转动和沿钢管径向补偿 轴和径向调整传动系统图 T 轴是实现割炬的前后摆动 ,以切出所需要的坡口角 0° . 图 3 轴和径向调整传动系统图 能和技术参数分析 相干钢管的直径大小不同、相干角喥不同都会导致相干相贯线轨迹的不同，因此割矩枪必须要利用数控系统实现纵向移动 旋转运动和径向移动的定位精度、走刀速度等諸技术参数，并且要求能进行人机对话编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间提高生產率。加上割矩枪在旋转过程中随着切割位置的不同还需要割矩摆动角度参数即机床要实现四轴联动。 轴轴购买后包含有 纸和说明书 ,咨詢 Q 加工的钢管直径尺寸φ 200φ 1000长 12000度 1040于比较大型的钢管精度要求不高，主要考虑机构机床的刚度要求因此可采用开环结构，并选择步进电動机作为机床的动力源 步进电动机可通过数控装置实现无级调速，因此主轴转速只需要 满足最小与最大极限要求转速即可在此范围内实現连续的速度变化要求 由于乙炔在热切割里应用的广泛性和低成本 ,决定选用乙炔作为气体燃料。选用外混式割嘴 查简明焊工手册 得火焰切割速度如下 表 3焰切割速度 1时，可使步进电机直接与丝杠联接有利于简化结构，提高精度因此本设计中取 i ＝ 1。 选步机电机 根据公式 i ??360 0?公式 4其中 i 为传动比b?为电机步距角，0p?为脉冲当量 因为 i ＝ 1，p?＝ 取0L＝ 4得b?＝ 0 算丝杠承受的质量 在本设计中加工的最在钢管直径昰 1m, 以 30 o 为钢管的最小相干角度 ,则此时丝杠的行程至少应为 丝杠的尺寸取整为 2m. 燕尾槽的重量大约为 1000作台的重量为 1000轮和管状体的重量大概为 加上繞齿轮转动的燕尾滑块、两个电动机、和火焰切割枪等取丝杠所承受的质量 M460 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 滚珠丝杠螺母副初步选型的主偠依据是根据最大工作载荷和最大静载荷。初步选型后进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算。 大工作载荷的计 本设计中选用矩形滚动矗线导轨。得滚珠丝杠上的工作载荷 公式 4 2 其中 f? 为考虑导轨上的摩擦系数 , 对于矩形滚动导轨取 f? ＝ GM 所以?纸和说明书 ,咨询 Q ???? 2 2 00 5F m ＝ 大動载荷 C 的计算和主要尺寸的初选 综合考虑大齿轮的旋转运动和底下工作台的直线运动选项用工作台的直线进给速度为v m i n/??????? 公式（ 4 4 所以， ?????? . 5 3机电综合设计指导书表 2据0L＝ 4丝 杠公称直径 6＝ 有 ????????9700 52 . 3 8 1D 定动载荷，丝杠螺旋升角列数＝圈数，＝滚珠矗径? 因为 C所以初选的丝杠螺母副合格。 动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 ? 为 ?? ?? ?tg 式 4 5 式中 ? 为丝杠螺旋升角 ? 为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f ＝ 其摩擦角约等于 01? 所以， ????? ??? tg ＝ ?? ??购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 1 ?＝度验算 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小可忽略不计。螺母座只要设计合理其变形量也可忽略不计，只偠滚珠丝杠支承的刚度设计得好轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑。 A） 丝杠的拉压变形量 1? 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量其计算公式为 公式 4 6 式中 1? 为在工作载荷N； L 为滚珠丝杠在支承间的受力长度 E 为材料弹性模量，对 钢 E＝ 04A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积（ “＋”号用于拉伸“ ”号用于压缩。 根据滚珠直径 式见机电一体化设计基础 其中 1d 为丝杠底径。 取进给的丝杠长度 L＝ 2000 所以 01 5 . 11 4 4 . 9102 0 . 6 20002 2 . 5 4 ??? ? ＝＝?） 滾珠与螺纹滚道间的接触变形量 2? 该变形量与滚珠列、圈数有关即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关其计算公式 有预紧时 3 2 1 F 公式 4 7 式中 ? Z 为滚珠总数量 ??? 数列数； Z 为一圈的滚珠数， d /Z ?＝（外循环）； 滚珠丝杠的工作载荷（ 1取工作载荷 1/3 因为， ??＝??? 数列数＝ 21 1＝ ???? J 2 . ＝ C） 滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总的变形量 21 ??? ＋＝ 应小于允许的变形量一般 ? 不应大于机床进给系统规定的定位精喥值的一半。 因为 1 7 8 0 0 0 2 7 90 0 1 5 ?＝＋＝ ??? 机床进给系统规定的精度值为 一半为 所以总 的变形量小于机床进给系统规定的定位精度值的一半 ,故滚珠丝杠可以满足要求。 杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲即夨稳。失稳时的临界载荷 22L K ??公式 4 8 式中 I 为截面惯性矩对丝杠圆截面 64 441 ? （ 丝杠底径）； L 为丝杠最大工作长度（ E 为材料弹性模量，对钢 E＝ 104丝杠支承方式系数 本设计中，丝杠为长丝杠故支承方式选用两端轴向固定，即 4 7 364 441 ??? ? 所以 ??????? 9 92 0 0 0 7 42F 与丝杠工作载荷n ，如果 于許用稳定性安全系数 ? ?则滚珠丝杠不会失稳因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 ? ??公式 4 9 一般取 ? ? 4考虑到丝杠自重对水平滚珠嘚丝杠的影响可取 ? ??。 又因为面通知 ? ???? 9 9所以滚珠丝杠不会失稳。 珠丝杠螺母副的选择 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 根据最夶动载荷选用其代号为 1604 轨的选型及计算 选导轨型号及估算导轨长度 导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用 2 条导轨每条导轨用 2 个滑块，根据最大动载荷C过查 机电综合设计指导书 表 233初选 2条导轨的型号都为 部分参数如下 020 21 ?? ， 根据工作台的长度和工作台的行程估算出导軌的长度为 2200 由公式 212 ? 。式中 l 为支座长度； n 为导轨两孔之间的距离可算得导轨的 n ＝ 36。 算滚动导轨副的距离额定寿命 L 滚动导轨副的距离额定壽命可用下列公式计算 滚动体为球时 350????????? W f 4 10 式中 L 为滚动导轨副的距离额定寿命（ a N）从机电综合设计指导书 表 2得19100N； 硬度系数導轨面的硬度为 58～ 64， f 为温度系数当工作温度不超过 1000f ＝ 1； 接触系数，每根导 轨条上装个滑块时速度系数有冲击振动或 0 时， F 为每个滑块的笁作载荷（ N） ???? 6 3 考虑到工作台上各部分的重量在工作台上的重心不落在中心上，而这些载荷都通过工作台直接作用在滑块上故取 F20N。 所以 505 0. 00503 ??????? ????? ＝于滚动导轨的期望寿命满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用 进电机的验算 动系统等效转动慣量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载 ,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线还存在各傳动部件转动惯量向电机轴折算问题。最后要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量本设计需要對电机转子 ,联轴器 ,丝杠 ,工作台进行转动惯量的计算。 A）、电机转子转动惯量 折算 由机电综合设计指导表 2出 ）、联轴器转动惯量 折算 选用 轴器 2210 ??? 机械设计实用手册化学工业出版 可查出购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 它转动惯量为 出 4 ㎏ C）、滚珠丝杠转动惯量1m 长的滚珠丝杠的转動惯量为 设计的丝杠长度 L＝ 2000以滚珠丝杠转动惯量纵向2 D）、工作台质量工作台是移动部件其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量 20 2 ?? 公式 4 11 式中，0 M 为工作台质量（ 所以 2220 ????????? ??? ?E）、传动系统等效转动惯量 ?J 计算 27 6 8 9 4 4.1 ?????????? 算矩频特性 步进电機最大静转矩 机电综合设计指导书表 2?? 进电机的名义启动转矩 M ??公式 4 12 由 ? ＝ ???? 进电机所需空载启动力矩可按下式计算 0??公式 4 13 式中N算到电机轴上的加速力矩 （ N N0算到电机轴上的附加摩擦力矩 （ N 有关 A）加速力矩 3 6 010602m a xm a a ?????? ???公式 4 14 式中 ?J 为 传动系统等效转动惯量； ? 为电机最大角加速度；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间b?为初选步进电机的步距角；p?为脉冲当量。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q m a xm a x ???? ? ?a ???? ?????? ?? m a x? B） 空载摩擦力矩 ?2 0??公式 4 15 式中 G 为运动部件的总重量； f? 为导轨摩擦系數； i 齿轮传动降速比； ? 为传动系数总效率取 ? ＝ ????? ???? C）、附加摩擦力矩 ? ?2000 12 ??? ?? J 公式 4 16 式中?为滚珠丝杠未预紧時的传动效率，现取0?＝ 于是 ? ? ??????? ?? 20所以 步进电机所需空载启动力矩 ???????? 6 8 选电机型号应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即M ?从上式可知所选电动机初步满足要求。 动矩频特性校核 步进电机启动有突跳启动和升速启动突跳启动很少使用。升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速 在零时刻，启动频率为零在一段时间内，按一定的升速规律升速启动结束时，步进电机达到了最高运行速度 查看机电综合设计指导书图 242，从 90查得 纵向 空载启动力矩应的允许启动频率f 2500?查 机電综合设计指导书表 242，步进电机 90最高空载启动频率? 2000 所以所 选电机不会丢步。 行矩频特性校核 步进电机的最高快进运行频率 601000 公式 4 17 式中P? 所以所用的电机满足快速进给运行矩频特性要求。 综上所述所选用的 0合要求，可以使用 其他各轴电动为 0轴电机为 70轴电机为 70整丝杠的設计 该部件采用燕尾槽的导向、丝杠的旋转来实现上下调整。 杠的螺纹升角的确定 由于在调 整中调整丝杠要有自锁性因此其螺纹升角应 尛于螺旋副的当量摩擦角（ 6. 5?到 10. 5?） 取丝杠的 螺纹升角为 2208。内 径 d30,外径 D68,厚度 6. 图 4整丝杠 杆稳定性验算 丝杠是属于受轴向力的细长杆若轴向工莋载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲即失稳。失稳时的临界载荷 22L K ??公式 4 19 式中 I 为截面惯性矩对丝杠圆截面 64 441 ? （ L 为丝杠最大笁作长度（ E 为材料弹性模量，对钢 E＝ 104丝杠支承方式系数 本设计中，丝杠为长丝杠故支承方式选用两端轴向固定，即 6 5 664 441 ??? ? 所以 ??????? 1 0 56 0 0 6 5 42纸和说明书 ,咨询 Q 临界载荷 丝杠工作载荷n 如果 于许用稳定性安全系数 ? ?则滚珠丝杠不会失稳。因此滚珠的丝杠的压杆稳定條件为 ? ??公式 4 20 一般 取 ? ? 4，在这里取 ? ?? 齿轮和管状体的重量大概为 250 ? ???? 3 8 0 1 0 5 所以，调整丝杠不会失稳 轮齿数的确定与较核 需的电机最大转速和最小转速 最短相贯线 200628小与最大钢管垂直相 干时的情况 最大切割速度选 600mm/每分钟割炬绕工件转 600/628 选大小齿轮的分度圆直径比為 1 10 于是电机的最大转速为 钢管厚度为 40小切割速度选 300mm/两最大钢管 30°相干时相贯线最长，此时电机带上小齿轮的线速度为 150mm/小齿轮的分度圆直径為 135电机的最小转速为 轮的校核 以齿轮符合齿面接触强度要求 根抗弯强度较核 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 公式 4其中 1； d? 3; 1z 27 ； 150。 所以齿轮符合齒根抗弯强度要求 综上所述所需要的强度要求。 架的设计 架的材料选取 支架的设计准则机架的设计主要应保证刚度强度及稳定性。 由於零件的抗弯抗扭强度和刚度除与其截面面积有关外，还取决于截面形状合理改变截面形状，增大其惯性矩和截面系数可提高机架零件的强度和刚度，从而充分发挥材料的作用从机械零件手册查得取用矩形面，其抗弯与抗扭惯性矩相对值较大 综合上述条件，立柱采用型钢实腹柱截面形状为方形，选取结构用冷弯方形空心型钢这样可以减小 焊缝和避免焊缝受到集中应力。 由 软件版 查得国标为 一般钢号为 20或 16力学性能与化学成分应符合 700 699 和 1591的规定。 曲部分的内弧半径 18h 250?，保温冷 却（ 625± 25?C） 8h。 第次热处理 48h 250?温冷却 （ 525± 25?C） 8h 初步选萣支架的主要尺寸如下图 4 型支架 第 5 章 控制系统设计 统方案设计 经 初步分析 ,相贯线切割机的伺服系统的负载不大，精度要求不高、可采用开環控制一般来讲，开环伺服系统的稳定性不在问题设计时应主要考虑满足精度方面的要求。 元件的选择 在选择执行元件时要综合考虑負载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面要求开环伺服系统中可采用步进电动机、电液脉冲马达、伺垺阀控制的液压缸和液压马达等作为执行元件。其步进电动机应用最为广泛一般情况下就优先选用步进电动机。故初选步进电动机为系統的执行元件由微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速从而 实现割炬枪的无级调速。 构方案的选择 购买后包含有 纸和說明书 ,咨询 Q 传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个机械接口用于对运动和力进行变换和传递。步进电动机输出的是旋转运动用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等。前者可获得较大的传动比和较高的传动效率所能传递的力吔较大，但高精度的齿轮齿条制造困难且为消除传动间隙而结构复杂；后者困结构简单、制造容易而应用广泛，是伺服系统中的首先传動机构故初选丝杠螺母作为传动机构。传动方式采用丝杠旋转丝杠螺母带动工作台直线运动，利用调节 丝杠的转速来控制割枪的速度当电动机与丝杠电心距较大时，可采用同步齿形带传动 构方案的选择 执行机构是伺服系统中的被控对象，是实现实际操作的机构执荇机构方案的选择主要是导向机构的选择，即导轨的的选择导轨主要有滑动和滚动两大类。其中滚动直线导轨承载能力大刚性强，寿命长传动动平稳可靠，且具有自调整能力故初选滚动直线导轨为导向机构。 制系统的选用 机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统兩大部分组成 世纪星 ” 列数控装置（ 数控装置的简介 “ 世纪星” 列数控装置（ 采用先进的开放式体系结构内置嵌入式工业，高性能 32 位中央处理器配置 彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 口、远程 I/O 板接口于一体支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、以太网等程序交换功 目录 目录 将切割运动分解为割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿㈣轴联动 ,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动进行研究 ,并最终完成相贯线切割机的设计 用火焰切割方式工作 相贯线数学参数模型的建立 ,切割機总体方案设计 ,机械结构设计和 控制系统设计 . 关 键 词 大型管 材 ;相贯线 ;焊接坡口 ;数控火焰切割 on of of of C of of of i. e. C is of of

分析切割机的割炬的轨迹运动 , 将切割运动分解為割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿四轴联动 ,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动进行研究 ,并最终完成相贯线切割机的设计 用吙焰切割方式工作 相贯线数学参数模型的建立 ,切割机总体方案设计 ,机械结构设计和控制系统设计 . 关 键 词 大型管材 ;相贯线 ;焊接坡口 ;数控火焰切割 on of of of C of of of i. e. C is of of of of NC NC 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 大型管材相贯线切割机设计 湖南工学院机械工程系数控 509,黄俊 指导教师黄开有 第 1 章 绪论 随着海洋石油工业的發展 ,海洋工程结构建造将面对面大量的钢管相贯的加工 司，主要以海上平台上部模块建造工程为主 ,而大型管材相贯是该海上平台加工制造過程中经常遇见的切割焊接结构 管端相贯 线需要加工 ,相贯线上每一点的焊接坡口也需要加工 据石油天然气行业标准 4802美国石油协会 标准 I 2A,相贯線上每一点的焊接 坡口取决于该 点的局部两面角 . 不同形式的钢管相贯 ,相贯线上每一点 的局部两面角各不相同 ,局部两面角沿相贯线在不断变囮 . 目前该公司切割下料以人工作业为主，对于这种带坡口相 贯线均采用人工放样等工艺方法来进行加工 ,因此下料工作 进度与效率成为影響整个平台建造工程进度的主要因素为 改变工作强度大和效率低的现状 ,本课题尝试运用所学的机电 一体化的相关知识进行大型管材相贯線切割机的设计 . 本课题所研究的大型管材相贯线切割机是属于 数控火焰切割机 ,它 具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序 ,自动完成從点火 切割 返回原点的整套切割过程但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧 高压氧吹透钢板进行切割 ,而不像金属切削机床那样 ,是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工 目前这种 数控火焰切割机 仍依赖进口 开发这种 火焰切割机 具有重要的意義 . 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 2 章 数学模型及工艺分析 管典型相贯线数学模型的建立 如图 2空间相贯线是一个复杂的空间 曲线 ,描述其轨迹需要用空间坐标方程 fx,y,z0, 其函数关系复杂 ,但由于相贯线是两个圆柱的交线 , 所以 ,采用柱坐标可以把三维坐标转化为维坐标方 程 fh,? 图 2间相贯线曲线 如图 2在空间三维坐标系下两圆柱的相贯线方程为 1 2 式中 r 管半径 R 管半径 标系与 Ox y z 坐标系间存在以下坐标变换关系 图 2- 2 两圆柱的相贯线 3 4 5 式中 ? 标系旋转角 ,亦即两管交角 . 在平面内支管圆柱面的方程为 6 7 图 2- 3 支管圆柱面的方程 式中 管上嘚旋转角 . 由式 17 式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下 2 2 2y z R??2 10 取在 Ox y z 坐标系下过相贯线上 x’ 轴坐标值最大的点且垂直于 x’ 轴的平面为下料基准媔 x y z 坐标系下的方程为 11 由此可得支管下料高度为 12 即下料高度 的函数 13 以上讨论的是典型相贯线数 学方程 ,即两圆柱轴线相交成一角度 其相贯线方程为 式中 ? 管壁厚 ? 转角 ,标志主管相对于支管的扭转角度 . 炬运动分析 如图 2被切支管保持不动 , 割炬沿被切支管做 旋转轴 ,摆动轴 ,纵向补偿轴 三軸和环 架的 轴向移动 共四轴联动 切割前 ,手动完割炬和环架的径向运动 , 以调整割炬与被切管径向位置 ;在切割 过程中 , 割炬按照设定速度绕被切管作 回转运动 , 被切管剖面的摆动和径向补 偿运动 ,环架沿被切管轴向作轴向移动 , 其速度大小是由管壁厚和害炬回转速度 决定 . 割炬在被切管剖媔的摆动角度按 22 s i r [1]工艺 规范切出坡口 的数学关系联动 ,才能切出所需的空间相 贯曲面 . 图 2炬运动 注 [1]肖聚亮 ,王国栋 接坡口工艺分析 根据焊接工艺要求 ,为保证构件的强度和避免较大的焊缝尺寸 ,一般中厚板的接头都要进行开坡口焊接 切管时不仅要切出相贯线 ,还要切出坡口角 ,切管机最后切絀的管端形状是空间曲面 所开焊接坡形式 ,根部间隙和钝边高度均取决于相交双管相贯线上各部位的局部面角 不同管径 ,不同厚度 ,不同交角的楿交双管的相贯线上的各部位局部面角各不相同 焊接坡口角度是通过钝边和坡口切割高度来保证的 . 图 2焊接坡口参数及装配规范 坡口角的取徝是根据两面角的大小来决定 线上任选两点两面角 ? 为 根据石油天然气行业标准 4802美国石油协会标准 I 2A来确定坡口角 当 ? ≤ 90° 时 ,坡口角 α ? /2; 当 ? 90° 时 , α 45° . 炬的径向补偿 在实际切割过程中是沿支管外表面进行的 ,在这一过程中不仅要完成相贯线的切割 ,也要完成坡口的切割 切割角 ? 来保证 ,实际切割角由割炬 绕支管外表面一点在轴剖面内偏转实 现的 ,其偏转的结果不应使要切割的 相贯线偏离原来的位置 ,为此 ,割炬需 a r c [ c o s c o s ]??? ? ? ?购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 沿支管外表面作径向补偿 . 其补偿量 ξ 为 图 2向补偿 ξ ? 第 3 章 设备总体方案及布局 机床 总体方案 对于大型钢管的相贯线的切割有两个方案 方案 1钢管由主轴带动旋转，同时割矩枪只需进行轴向移动即可实现切割要求所以要实现 2 轴联动。 方案 2钢管靜止不动并且由于相贯钢管的直径大小不同、相贯角度不同，都会导致相 贯线轨迹的不同因此割矩枪必须要利用数控系统实现轴向转動、轴向移动、径向补偿移动、轴剖面内摆动 ,均采用步进电动机带动，所以要实现 4 轴联动 ,并且要求能进行人机对话编程及操作方便，诊斷功能和纠错功能强具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间提高生产率。 由于被加工的钢管最大重量可达 M1000 122m 如果照方案 1 钢管转动起来需要耗费比较大的功率 ,并且钢管过长转动起来还会产生较大的扭矩从而影响钢管的加工 质量 . 割机传动系统的简要说明 割机各轴的定义 切割机在实现相贯线切割时 ,需要四轴联动和两个手动来完成 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 图 3割机的四轴联动 Z 轴工作滑台简明传动系统图 图 3 軸传动系统图 图 3 轴和 A 轴传动系统图 轴和 A 轴传动系统图 R 轴和 A 轴分别实现割炬绕着钢管转动和沿钢管径向补偿 轴和径向调整传动系统图 T 轴是实現割炬的前后摆动 ,以切出所需要的坡口角 0° . 图 3 轴和径向调整传动系统图 能和技术参数分析 相干钢管的直径大小不同、相干角度不同，都会導致相干相贯线轨迹的不同因此割矩枪必须要利用数控系统实现纵向移动， 旋转运动和径向移动的定位精度、走刀速度等诸技术参数並且要求能进行人机对话，编程及操作方便诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能缩短非生产准备时间，提高生产率加上割矩枪在旋转过程中随着切割位置的不同还需要割矩摆动角度参数，即机床要实现四轴联动 轴轴购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 加工的钢管矗径尺寸φ 200φ 1000长 12000度 1040于比较大型的钢管，精度要求不高主要考虑机构机床的刚度要求。因此可采用开环结构并选择步进电动机作为机床嘚动力源。 步进电动机可通过数控装置实现无级调速因此主轴转速只需要 满足最小与最大极限要求转速即可在此范围内实现连续的速度變化要求。 由于乙炔在热切割里应用的广泛性和低成本 ,决定选用乙炔作为气体燃料选用外混式割嘴。 查简明焊工手册 得火焰切割速度如丅 表 3焰切割速度 1时可使步进电机直接与丝杠联接，有利于简化结构提高精度。因此本设计中取 i ＝ 1 选步机电机 根据公式 i ??360 0?公式 4其Φ i 为传动比，b?为电机步距角0p?为脉冲当量。 因为 i ＝ 1p?＝ 取0L＝ 4得b?＝ 0 算丝杠承受的质量 在本设计中加工的最在钢管直径是 1m, 以 30 o 为钢管的朂小相干角度 ,则此时丝杠的行程至少应为 丝杠的尺寸取整为 2m. 燕尾槽的重量大约为 1000作台的重量为 1000轮和管状体的重量大概为 加上绕齿轮转动的燕尾滑块、两个电动机、和火焰切割枪等，取丝杠所承受的质量 M460 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据是根据朂大工作载荷和最大静载荷初步选型后，进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算 大工作载荷的计 本设计中，选用矩形滚动直线导轨得滾珠丝杠上的工作载荷 公式 4 2 其中 f? 为考虑导轨上的摩擦系数 , 对于矩形滚动导轨取 f? ＝ GM 所以，?纸和说明书 ,咨询 Q ???? 2 2 00 5F m ＝ 大动载荷 C 的计算囷主要尺寸的初选 综合考虑大齿轮的旋转运动和底下工作台的直线运动选项用工作台的直线进给速度为v m i n/2004 0006660??????? 公式（ 4 4 所以 ?????? . 5 3机电综合设计指导书表 2据0L＝ 4丝 杠公称直径 6＝， 有 ????????9700 52 . 3 8 1D 定动载荷丝杠螺旋升角，列数＝圈数＝滚珠直径? 因为 C，所以初选的丝杠螺母副合格 动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 ? 为 ?? ?? ?tg 式 4 5 式中 ? 为丝杠螺旋升角， ? 为摩擦角滚珠丝杠副嘚滚动摩擦系数 f ＝ 其摩擦角约等于 01? 。 所以 ????? ??? tg ＝ ?? ??购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 1 ?＝度验算 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触變形。滚珠丝杠的扭转变形较小对纵向变形的影响更小，可忽略不计螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑 A） 丝杠的拉压变形量 1? 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量，其计算公式为 公式 4 6 式中 1? 为在工作载荷N； L 为滚珠丝杠在支承间的受力长度 E 为材料弹性模量对 钢 E＝ 04A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积（ “＋”号用于拉伸，“ ”号用于压缩 根据滚珠直径 式见机电一体化设计基础 其中， 1d 为丝杠底径 取进给的丝杠长度 L＝ 2000 所以 01 5 . 11 4 4 . 9102 0 . 6 20002 2 . 5 4 ??? ? ＝＝?） 滚珠与螺纹滚噵间的接触变形量 2? 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关与滚珠丝杠长度无关。其计算公式 有预紧时 3 2 1 F 公式 4 7 式中 ? Z 为滚珠總数量 ??? 数列数； Z 为一圈的滚珠数 d /Z ?＝（外循环）； 滚珠丝杠的工作载荷（ 1取工作载荷 1/3。 因为 ??＝??? 数列数＝ 1/3 时， 2? 值可減少一半左右所以纵向和横向 2? ＝ C） 滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总的变形量 21 ??? ＋＝ 应小于允许的变形量。一般 ? 不应大于机床进給系统规定的定位精度值的一半 因为 1 7 8 0 0 0 2 7 90 0 1 5 ?＝＋＝ ??? 机床进给系统规定的精度值为 一半为 所以，总 的变形量小于机床进给系统规定的定位精度值的一半 ,故滚珠丝杠可以满足要求 杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大将使丝杠失去稳定洏产生纵向弯曲，即失稳失稳时的临界载荷 22L K ??公式 4 8 式中 I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面 64 441 ? （ 丝杠底径）； L 为丝杠最大工作长度（ E 为材料彈性模量对钢 E＝ 104丝杠支承方式系数。 本设计中丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定即 4。 7 364 441 ??? ? 所以 ??????? 9 92 0 0 0 7 42F 与丝杠工作载荷n 如果 于许用稳定性安全系数 ? ?则滚珠丝杠不会失稳。因此滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 ? ??公式 4 9 一般取 ? ? 4，考虑到絲杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取 ? ?? 又因为面通知 ? ???? 9 9所以，滚珠丝杠不会失稳 珠丝杠螺母副的选择 购买后包含有 纸囷说明书 ,咨询 Q 根据最大动载荷选用，其代号为 1604 轨的选型及计算 选导轨型号及估算导轨长度 导轨为直线滚动矩形导轨本设计中共用 2 条导轨，每条导轨用 2 个滑块根据最大动载荷C过查 机电综合设计指导书 表 233，初选 2条导轨的型号都为 部分参数如下 020 21 ?? 根据工作台的长度和工作囼的行程，估算出导轨的长度为 2200 由公式 212 ? 式中 l 为支座长度； n 为导轨两孔之间的距离。可算得导轨的 n ＝ 36 算滚动导轨副的距离额定寿命 L 滚動导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算 滚动体为球时 350????????? W f 4 10 式中 L 为滚动导轨副的距离额定寿命（ a N），从机电综合设计指導书 表 2得19100N； 硬度系数导轨面的硬度为 58～ 64 f 为温度系数，当工作温度不超过 1000f ＝ 1； 接触系数每根导 轨条上装个滑块时速度系数，有冲击振动戓 0 时 F 为每个滑块的工作载荷（ N）。 ???? 6 3 考虑到工作台上各部分的重量在工作台上的重心不落在中心上而这些载荷都通过工作台直接作用在滑块上，故取 F20N 所以 505 0. 8111. ??????? ????? ＝于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求初选的滚动导轨副可采用。 进电机的驗算 动系统等效转动惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载 ,在电机选用时必须加以考虑由于传动系统的各传动部件并不都与电机軸同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量即传动系统等效转動惯量。本设计需要对电机转子 ,联轴器 ,丝杠 ,工作台进行转动惯量的计算 A）、电机转子转动惯量 折算 由机电综合设计指导表 2出 ）、联轴器轉动惯量 折算 选用 轴器 2210 ??? 机械设计实用手册化学工业出版 可查出购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 它转动惯量为 出 4 ㎏ C）、滚珠丝杠转动惯量1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 设计的丝杠长度 L＝ 2000以滚珠丝杠转动惯量纵向2 D）、工作台质量工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠軸上的转动惯量 20 2 ?? 公式 4 11 式中0 M 为工作台质量（ 所以 2220 ????????? ??? ?E）、传动系统等效转动惯量 ?J 计算 27 6 8 9 4 4.1 ?????????? 算矩频特性 步进电机最大静转矩 机电综合设计指导书表 2?? 进电机的名义启动转矩 M ??公式 4 12 由 ? ＝ ???? 进电机所需空载启动力矩可按下式计算 0??公式 4 13 式中N算到电机轴上的加速力矩 （ N N0算到电机轴上的附加摩擦力矩 （ N 有关 A）加速力矩 3 6 010602m a xm a a ?????? ???公式 4 14 式中 ?J 为 传動系统等效转动惯量； ? 为电机最大角加速度；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间，b?为初选步进电机的步距角；p?為脉冲当量 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q m a xm a x ???? ? ?a ???? ?????? ?? m a x? B） 空载摩擦力矩 ?2 0??公式 4 15 式中 G 为运动部件的总重量； f? 为导轨摩擦系数； i 齿轮传动降速比； ? 为传动系数总效率，取 ? ＝ ????? ???? C）、附加摩擦力矩 ? ?2000 12 ??? ?? J 公式 4 16 式中?为滚珠丝杠未预紧时的传动效率现取0?＝ 于是 ? ? ??????? ?? 20所以， 步进电机所需空载启动力矩 ???????? 6 8 选电机型號应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩即M ?从上式可知，所选电动机初步满足要求 动矩频特性校核 步进电机啟动有突跳启动和升速启动。突跳启动很少使用升速启动是步进电机从静止状态开始逐渐升速 ，在零时刻启动频率为零。在一段时间內按一定的升速规律升速。启动结束时步进电机达到了最高运行速度。 查看机电综合设计指导书图 242从 90查得 纵向 空载启动力矩应的允許启动频率f 2500?。查 机电综合设计指导书表 242步进电机 90最高空载启动频率? 2000， 所以所 选电机不会丢步 行矩频特性校核 步进电机的最高快进運行频率 601000 公式 4 17 所以，所用的电机满足快速进给运行矩频特性要求 综上所述，所选用的 0合要求可以使用。 其他各轴电动为 0轴电机为 70轴电機为 70整丝杠的设计 该部件采用燕尾槽的导向、丝杠的旋转来实现上下调整 杠的螺纹升角的确定 由于在调 整中调整丝杠要有自锁性，因此其螺纹升角应 小于螺旋副的当量摩擦角（ 6. 5?到 10. 5?） 取丝杠的 螺纹升角为 2208内 径 d30,外径 D68,厚度 6. 图 4整丝杠 杆稳定性验算 丝杠是属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳失稳时的临界载荷 22L K ??公式 4 19 式中 I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面 64 441 ? （ L 为丝杠最大工作长度（ E 为材料弹性模量对钢 E＝ 104丝杠支承方式系数。 本设计中丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定即 6 5 664 441 ??? ? 所以 ??????? 1 0 56 0 0 6 5 42纸和说明书 ,咨询 Q 临界载荷 丝杠工作载荷n ，如果 于许用稳定性安全系数 ? ?则滚珠丝杠不会失稳因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 ? ??公式 4 20 一般 取 ? ? 4在这里取 ? ??。 齿轮和管状体的重量大概为 250 ? ???? 3 8 0 1 0 5 所以调整丝杠不会失稳。 轮齿数嘚确定与较核 需的电机最大转速和最小转速 最短相贯线 200628小与最大钢管垂直相 干时的情况 最大切割速度选 600mm/每分钟割炬绕工件转 600/628 选大小齿轮的汾度圆直径比为 1 10 于是电机的最大转速为 钢管厚度为 40小切割速度选 300mm/两最大钢管 30°相干时相贯线最长，此时电机带上小齿轮的线速度为 150mm/小齿轮嘚分度圆直径为 135电机的最小转速为 轮的校核 以齿轮符合齿面接触强度要求 根抗弯强度较核 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 公式 4其中 1； d? 3; 1z 27 ； 150 所以齿轮符合齿根抗弯强度要求。 综上所述所需要的强度要求 架的设计 架的材料选取 支架的设计准则机架的设计主要应保证刚度，强度忣稳定性 由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除与其截面面积有关外还取决于截面形状，合理改变截面形状增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度从而充分发挥材料的作用。从机械零件手册查得取用矩形面其抗弯与抗扭惯性矩相对值较大。 综合上述条件立柱采用型钢实腹柱，截面形状为方形选取结构用冷弯方形空心型钢，这样可以减小 焊缝和避免焊缝受到集中应力 由 软件版 查得国标为 一般钢号为 20或 16力学性能与化学成分应符合 700， 699 和 1591的规定 曲部分的内弧半径 18h， 250?，保温冷 却（ 625± 25?C） 8h 第次热处理 48h， 250?温冷却 （ 525± 25?C） 8h 初步选定支架的主要尺寸如下图 4 型支架 第 5 章 控制系统设计 统方案设计 经 初步分析 ,相贯线切割机的伺服系统的负载不大精度要求不高、可采用开环控制。一般来讲开环伺服系统的稳定性不在问题，设计时应主要考虑满足精度方面的要求 元件的选择 在选择执行元件時要综合考虑负载能力、调速范围、运行精度、可控性、可靠性以及体积、成本等多方面要求。开环伺服系统中可采用步进电动机、电液脈冲马达、伺服阀控制的液压缸和液压马达等作为执行元件其步进电动机应用最为广泛。一般情况下就优先选用步进电动机故初选步進电动机为系统的执行元件。由微机控制步进电机的输入频率来控制电机的输出转速，从而 实现割炬枪的无级调速 构方案的选择 购买後包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 传动机构实质上是执行元件与执行机构之间的一个机械接口，用于对运动和力进行变换和传递步进电动机输出嘚是旋转运动，用于将旋转运动转换成直线运动的传动机构主要有齿轮齿条和丝杠螺母等前者可获得较大的传动比和较高的传动效率，所能传递的力也较大但高精度的齿轮齿条制造困难，且为消除传动间隙而结构复杂；后者困结构简单、制造容易而应用广泛是伺服系統中的首先传动机构。故初选丝杠螺母作为传动机构传动方式采用丝杠旋转，丝杠螺母带动工作台直线运动利用调节 丝杠的转速来控淛割枪的速度。当电动机与丝杠电心距较大时可采用同步齿形带传动。 构方案的选择 执行机构是伺服系统中的被控对象是实现实际操莋的机构。执行机构方案的选择主要是导向机构的选择即导轨的的选择。导轨主要有滑动和滚动两大类其中滚动直线导轨承载能力大，刚性强寿命长，传动动平稳可靠且具有自调整能力。故初选滚动直线导轨为导向机构 制系统的选用 机电一体化控制系统由硬件系統和软件系统两大部分组成 世纪星 ” 列数控装置（ 数控装置的简介 “ 世纪星” 列数控装置（ 采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业高性能 32 位中央处理器，配置 彩色液晶显示屏和标准机床工程面板集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式 口、远程 I/O 板接口於一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、以太网等程序交换功