无限回转坡口机枪架设计.docx
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无限回转坡口机枪架设计
无限回转坡口机枪架设计
摘要
本设计介绍了一种新式的数控无限回转坡口切割机的枪架。
该枪架设计采用了回转加偏摆结构，即在回转机构下添加偏摆机构，并采用了圆弧形轨道的结构，可以使摆动的圆心与回转轴均在割嘴的位置，两种运动想互不干涉，从而可通过数控系统以及测量反馈系统实现曲线坡口切割或变坡口切割。
本设计所完成的工作主要是数控坡口切割机的枪架整体方案的选择，回转系统的设计，偏摆系统的设计以及机架的设计。
最后根据得出的数据完成了机床的总体装配图，并且针对主要零部件，绘制了零件图。
该枪架可安装至门式数控切割机上，并配以相应的数控系统以及电路元器件连接，可组成五轴联动的数控坡口切割机，可以实现平板的曲线坡口切割、变坡口切割，以及曲面的坡口切割，尤其适用于轮船制造等行业对焊接坡口加工的需要。
关键词：
数控；无限回转；坡口切割
Metalpipecutpipestructuredesign
Abstract
Keywords：
摘要
Abstract
1绪论…………………………………………………………………………………………1
1.1数控坡口切割机的概述……………………………………………………………………1
1.1.1切割机的发展………………………………………………………………………1
1.1.2数控坡口切割机的特点及作用……………………………………………………1
1.1.2国内外数控坡口切割机的现状……………………………………………………2
1.2数控坡口切割机枪架设计原理……………………………………………………………2
1.2．1坡口切割所面临的难题……………………………………………………………2
1.2.2常见坡口机的机械结构类型…………………………………………………………2
1.3本次设计的主要内容……………………………………………………………3
2数控坡口切割机枪架的设计………………………………………………………………4
2.1切割模型……………………………………………………………………………………4
2.1坡口切割枪架总体设计方案的选择………………………………………………………4
2.3割炬运动分析………………………………………………………………………………5
2.4偏摆系统的设计……………………………………………………………………………6
2.5回转系统的设计……………………………………………………………………………6
3枪架参数的确定及重要零件的校核………………………………………………………8
3.1偏摆系统的零件参数确定与校核…………………………………………………………8
3．1．1传动方案的选择…………………………………………………………………………8
3．1．2偏摆系统电动机选择……………………………………………………………………8
3．1．3蜗轮减速箱的设计………………………………………………………………………9
3．1．4蜗轮蜗杆材料及强度校核……………………………………………………………10
3．1．5外齿轮啮合参数的确定………………………………………………………………12
3.2回转系统的零件参数确定与校核………………………………………………………13
3．2．1传动方案的选择………………………………………………………………………13
3．2．2回转系统电动机选择…………………………………………………………………13
3．2．3传动参数的确定………………………………………………………………………14
3．2．4输出轴的设计及强度校核……………………………………………………………15
3．2．5输出轴上圆锥滚子轴承的计算与校核………………………………………………18
3.3C型机架的设计……………………………………………………………………………19
4结论…………………………………………………………………………………………20
参考文献
附录
致谢
无限回转坡口机切割枪架设计
1绪论
1.1数控坡口切割机的概述
1.1.1切割机的发展
100年前，瑞士发明家、ESAB公司的创始人奥斯卡.卡尔伯格（OscarKjellberg）发明了等离子切割，从此开启了金属的热切割与焊接时代。
100年来，切割机方面取得了长足的发展，从切割原理上有火焰切割机、等离子切割机、激光切割机、高压水射流切割机等，从机械结构上分为龙门式切割机、悬臂式切割机、便携式切割机、台式切割机、数控相关线切割机、机械手切割机等。
随着现代机械加工业的发展，要求更高的切割质量和精度，切割机也逐渐呈现智能化、高效化、高精度化。
1.1.2数控坡口切割机的特点及作用
随着数控切割机的发展，使得金属特别是钢材的切割变得越来越快捷方便，数控切割机的高效率、高精度以及钢材的高利用率体现越来越明显。
随着中国制造业的迅速发展和产业技术更新的要求，坡口机特别是无限回转坡口机逐渐被焊接切割设备生产商研发生产。
在传统形式的坡口加工中，对于需要焊接坡口的零件加工时，现对零件进行手工或数控垂直切割，然后再转移到人工操作工作台上，工人们根据设计图纸中的工件形状、要求以及坡口形式、角度来计算角度偏移量，然后利用半自动切割机或电动刨切割或刨削所需要的焊接坡口。
当工件为圆形或弧形时，多需要进行手工控制切割，或再次调整加工设备的工作状态，这样完成一个工件的坡口加工需要很长的时间，甚至是垂直切割的几倍到十几倍，同时，由于手工或经常调整工作状态会造成坡口加工精度不高，在焊接时会出现焊接不良等问题。
在普通的直线坡口切割机设计中，多使用四轴联动设计，其中X、Y、Z共同控制割嘴在空间的位置以及工作进给，另外添加C轴摆动装置来控制割炬的摆动，使其在切割过程中切割工件产生不同角度的坡口角度，故该类切割机只适用于直线板材坡口加工。
可通过切割机的数控系统控制加工格局的工作状态，通过一次或二次切割，可以讲工件直接加工成型。
但当加工曲面工件或曲线形状工件时由于割炬不能随着X、Y、Z方向移动使得割炬的偏角在切割轨迹的法线方向上，故无法进行自动的曲线或曲面切割，适用范围较窄。
无限回转数控坡口切割机是切割机中比较高端的产品，需要较高级的机器人技术、数控技术、等离子切割技术等，可满足焊接工艺中不同类型板材不同角度的坡口的要求，对零件的外形也没有要求。
该类型切割机多采用五轴联动复合运动设计，在直线坡口机的基础上添加一个回转系统可实现曲线坡口切割以及曲面上坡口切割。
由于造船用板材的曲面特性以及对焊接的致密性和强度的高要求，因此这种切割机在造船工业上应用最早也最为普遍。
1.1.3国内外数控坡口切割机的现状
世界上最早的等离子坡口切割机又没过美国CRO工程公司（现美国梅塞尔）发明，1984年德国梅塞尔公司提出了专利申请，当今世界上许多企业仍沿用该设计思路。
目前在国际市场上，代表的数控坡口切割机的生产商主要来自欧洲、日本、美国，其中更是以德国的伊萨（ESAB）、梅塞尔（MESSER）、日本厂商小池酸素（KOIKE）等为代表。
这些企业中以梅塞尔为代表的生产企业采用回转头的设计，以日本小池为代表的企业多采用使用连杆机构的回转装置。
随着数控切割机行业的不断发展与技术进步，越来越多的企业着手开发这种高附加值的数控切割机产品，另一方面也促进了坡口切割机市场的繁荣。
随着我国造船行业的迅速发展。
国内各大型造船企业率先引进了这种可以切割曲线坡口、工作效率高、精度等级高的数控等离子坡口切割机，来满足轮船制造钢材切割的需要。
1988年，梅塞尔在昆山设立了中国分公司，采用了梅塞尔回转头的设计。
目前，国内有大约20多家切割机生厂商开发出了坡口切割机，但销售量最大仍旧是外资或合资的切割机厂商，这些企业多拥有雄厚的技术实力和丰富的生产经验，能够从机构设计、控制系统、编程软件等方面实现创新和测试。
而国内其他的坡口切割机厂商则起步较晚，技术实力尚不足够，在关键技术上尤其是坡口技术仍来源于上述企业，一些企业也研发出一些坡口切割设备，但只是理论上可行，与实际的生产需求还相差一些距离。
因此，这些企业在生产的同时，应注意技术积累，增大技术研发投入，生产出一些可行的、技术水平较高的坡口切割机产品。
1.2数控坡口切割机枪架设计原理
1.2.1坡口切割所面临的难题
如今，国内外主要的数控切割机生产商都在数控坡口机的研发上进行了大量的投入和测试，研发出多种类型和结构的坡口切割机产品，而国内一些企业，特别是造船行业，坡口切割机的使用越来越广泛，但是，这些坡口切割机在使用过程中多达不到理想状态，不能体现坡口切割所特有的功能和优势。
（1）坡口切割枪架多采用回转运动的方式，当需要连续同方向转动时，电缆线会发生缠绕，因此，难以完成连续切割。
（2）普通坡口机在切割时，由于割炬的摆动或转动使得割嘴在空间中的位置不断发生，因此会发生坡口切割的形状正确，但尺寸精度达不到要求的情况，故需要安装灵敏度高的测试反馈系统。
（3）高性能的坡口切割机多可以实现直接坡口切割和连续切割，会产生复杂的运动形式，因此坡口切割机对数控系统以及编程技术的要求要远高于普通切割机。
（4）由于坡口切割机对机构设计、数控系统、测试反馈系统等多方面的高要求，因此坡口切割机的价格比普通切割机高很多，这也从另一方面阻碍了坡口切割机的普及和发展。
1.2.2常见坡口切割机的机械结构类型
针对目前中国市场上所常见的数控坡口切割机类型，我们一般可以将之分为3种类型，即偏摆加回转型、双回转型、双偏摆型。
（1）偏摆加回转：
以著名厂商伊萨（ESAB）生产的无限回转坡口切割机为代表，其基本原理是转动机构下添加一个偏摆装置，即偏摆装置与割炬同时回转。
这种坡口切割机的原理相对较简单，易于开发，经过多年的技术和实践沉积，其技术也相对成熟，是国内外生产商较多采用的结构。
在坡口角度不变的情况下，偏摆一次后不需要再考虑偏摆，只需要控制回转就可以，因此，在数控系统和软件编程上要求比较简单。
但是，这种机构机械结构也较复杂，在选择相应的回转和摆动伺服电机以及减速机构时，必须搭配合适，以保证整个机构的运动满足切割的要求。
（2）双回转：
以德国厂商梅塞尔（MESSER）和澳大利亚的FARLEY生产的数控坡口切割机为代表，目前这种结构可以做到无限制旋转运动，但其设计原理相对较复杂，在其结构中两个回转轴之间成一定角度的夹角，因此，在切割过程中运行产生的角度与我们直观上所看到的角度并不相同。
这种机构因其所特有的优势整备一些前沿的切割设备生产商所采用。
（3）双偏摆：
以日本厂商小池酸素（KOIKE）生产的数控坡口切割机为代表，该类型机构通过两个摆动的联合作用来实现倾斜的坡口切割以及回转运动。
这种结构与偏摆加回转型原理上类似，可以说是其延伸和改进，相对比较稳定、科学，同时也避免了伺服电机电线与等离子电源线的缠绕问题。
另一方面，由于双偏摆机构需要同时运动才能实现坡口机的功能，故该机构对控制系统、检测反馈系统等要求更严格。
1.3本次设计的主要内容
本次设计的无限回转坡口机枪架，是是坡口切割机的重要部分，也是实现坡口切割功能最主要机械结构。
本设计的主要内容包括动力源、传动机构、执行机构和整体枪架的设计，并结合设计内容完成设计任务书的撰写，具体到本次设计的设计内容如下：
（1）机械结构类型的选择
（2）回转结构设计；
（3）偏摆结构设计；
（4）连接机架的设计;
（5）动力源的选择
（6）减速机构设计
2数控坡口切割机枪架的设计
2.1切割模型
数控曲线坡口切割机是一种多用的典型切割设备。
该机即可在板材上进行V、X、Y型曲线坡口切割，又可在材料上进行变角度的曲线坡口切割（如图2-1），也可对H型、T型等多种截面的型材进行切割，以及对管材进行相贯线切割（如图2-2）。
图2-1板材变角度曲线图2-2空间相贯线曲线
2.2坡口切割枪架总体设计方案的选择
由于等离子切割较易控制，且数控等离子切割的技术相对较成熟，本次设计所选择的数控坡口切割机的切割类型为等离子切割，枪架安放在门式数控切割机上，门式切割机横梁的运动以及切割设备在横梁上的左右移动可以完成割炬在水平面内X、Y轴方向的运动，并在横梁上有Z轴方向的升降装置。
不需要切割坡口时，枪架不发生回转和摆动，与普通数控切割机作用相同。
当需要切割坡口时，枪架发生转动和摆动，并伴随着X、Y、Z方向上的运动完成坡口切割，如下图所示。
图2-3枪架设计放置示意图
本次设计所选择的机械结构方案为偏摆加回转型，即在回转系统下安装一偏摆系统，如下图所示，偏摆系统可以随着回转机构的转动与割炬一起转动，该设计方案的原理较简单，但机械结构相对较复杂，同时对数控系统、测试反馈系统、自动调高系统的要求都比较低。
图2-4枪架运动示意图
本设计采用C型机架结构，在C型机架下部安放偏摆系统、偏摆电动机、割炬、圆弧轨道等结构。
C型机架上部连接回转系统的输出轴，通过对回转系统的控制，可以带动下部的一应零件做回转运动。
2.3割具运动分析
若被切物体保持不动，割枪沿摆动轴摆动，割炬体以旋转轴为中心旋转，通过数控系统实现摆动轴和旋转轴联动。
切割机整体通过支架可以实现X、Y、Z3个自由度的运动，这样，按照一定的数学关系联动,就能切出所需的曲线。
如下图所示。
图2-5割炬运动分析
2.4偏摆系统的设计
偏摆系统的核心部件为圆弧轨道与连杆滑块结构，使等离子割炬沿圆弧轨道摆动，同时使割嘴位于割炬摆动轨迹的圆心位置。
同时，割嘴还应处于回转运动的轴心线上，如此可以保证割炬摆动后，并不影响割嘴在回转系统中的位置，即割嘴在空间的位置不发生变化，这样可避免添加调高系统。
由于等离子切割为热切割，割嘴处并未有切削力产生，电机除负载摩擦等阻力外并不承受其他力，所以减速机构只传递运动，并不传递动力或传递的动力很小。
减速机构选择蜗杆传动，并用丝杠螺母机构将转动转化为直线运动，用连杆连接到套在圆弧轨道的滑块上。
偏摆系统电机、减速机构、连杆滑块均放置在C型机架下部，圆弧轨道焊接在机架一端，同时保证不影响割炬在偏摆时的位置角度和运动。
偏摆机构设计成可拆卸式的，当切直口时，可认为坡口角度为0，此时将割炬摆动至垂直位置，此时不需要回转即可进行割直口。
当需要打直线坡口时，步进电机转动，通过蜗轮蜗杆的减速运动，驱动外啮合齿轮转动，带动扇形齿轮在圆弧轨道中运动，扇形齿轮与轨道的链接含有滚轮，同时滑块的另一面连接割炬，这样，电机的转动就可以转变为割炬的摆动，，从而实现了坡口切割，并能精确的保证等离子割炬的割嘴始终处于圆弧轨道圆心的轴线上。
偏摆运动如下图所示。
图2-6摆动轴运动示意图
2.5回转机构系统的设计
等离子割炬的割嘴处于回转系统输出轴的转动中心线上，这样可应保证割嘴的位置，摆动机构包括电机、摆动减速机构、轨道以及割嘴等均连接到回转系统的输出轴上，并随输出轴的转动而转动，为保证不发生摆动电动机电源线以及等离子电缆的缠绕，将在输出轴设计成管状结构，中间可通过摆动电动机电源线以及等离子电缆。
回转机构的减速机构采用齿轮减速箱的结构，采用两级变速设计。
齿轮减速箱连接到位于横梁上的升降机构上，可随升降机构做Z轴上的上下运动。
减速箱顶部安放旋转电机。
减速箱输出轴下部连接C型机架，并可以带动C型机架以及C型机架上的偏摆机构一起转动。
减速箱输出轴与割炬位于共同的轴线上，为避免等离子切割电缆以及偏摆电动机电源线的缠绕，在减速箱输出轴上开相应的中心孔，中心孔可以通过离子切割电缆以及偏摆电动机电源线。
回转运动如下图所示。
图2-7回转轴运动示意图
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