龙门式数控火焰切割机横向进给系统的设计毕业设计.doc

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1、1 绪论1.1 切割机的研究现状1958年英国氧气公司试制成功了世界上第1台数控切割机，开创了数控切割的新纪元。随后，发达国家都相继开展了对数控切割的技术、工艺、相关配套软件和设备的深入开发研究工作，如今，针对不同的工件对象，人们可分别采用数控、机器人切割等多种切割方法；为了满足各种材质的切割性能和精度要求，又可以选用火焰、等离子、激光等与之相适应的切割工艺，真正达到了为用户提供全面解决问题的方案。我国数控切割技术开发研制是在20世纪80年代初、伴随着微电子技术的成熟并获得广泛应用的基础上开始起步的，经历20多个春秋的持续发展，终于取得了可喜的成就。目前国产数控切割产品的种类和规格已相当齐全，

2、其中部分产品在技术、性能、指标和功能上均已接近或达到国际上同类产品的水平。 在此就数控切割技术在我国应用情况作一个回顾，并对其介绍其优缺点。1.1.1 数控火焰切割 20世纪70年代中期，我国研究了船体线型的数学光顺及曲面外板展开的计算机辅助设计程序，该程序系统产生的输出结果可用于数控加工，从而使船体钢板下料切割不再需要经过实尺放样制作样板在钢板上画线用手工或半自动切割这么多道繁琐的工序，由此而来，应用数控切割船用钢板的优越性立刻展现出来，它既节省了工时、放样台场地和样板材料，又能减轻工人劳动强度，极大地提高了工效。1.1.2数控等离子切割我国数控等离子切割技术开发研制是在数控火焰切割技术趋于

3、成熟并获得广泛应用的基础上开始的。20世纪80年代末、90年代初，钢板和其他金属材料的切割量急剧增大，高速度、高效率的数控等离子切割技术日益受到包括造船在内的制造业界的重视，而当时国产设备还一时无法担此重任，许多厂不得已只能花巨资，率先从国外引进数控等离子切割机，以解生产上的燃眉之急。大量进口机器的接踵而至，给国内同行以极大的鞭策，更激发了我们发愤图强研制先进设备以替代进口设备的使命感和紧迫感。另一方面，国外先进设备的引进，也为我们提供了难得的学习和借鉴机会。经历了消化学习、潜心钻研，并在关键技术上采取引进和自主开发的措施，使我国数控等离子切割技术研制水平在高起点上得到了质的飞跃，因此国产数控

4、等离子切割机从降生之日起就基本实现了自动化程度高、功能齐全、运行可靠、性价比高的发展目标，并很快被我国所认知和接受，从此成为国外进口设备强劲的竞争对手。1.1.3 数控激光切割激光切割所形成的割缝窄，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割缝质量好，无挂渣、边缘垂直、表面光滑。在那些需要高精度、高效率切割薄板的领域，数控激光切割机仍然是首选设备。另外，激光切割还有能量密度高，切割热影响区小，可以对常规方法无法加工的材料和零件进行加工等诸多优点。但是数控激光切割机价格昂贵，设备投资费用大概是精细等离子的2-3倍；当用激光切割厚度超过6-8 mm的钢板时，加工费用将会大于精细等离子切割，外加日常维护工作

5、量大，因此数控激光切割的运行成本较高，这些不利因素，阻碍了其在我国各行业的应用。20世纪80年代以来，因为数控火焰切割机具有许多优点，在我国造船行业获得了普遍应用。至90年代中期，当数控等离子切割机登台亮相时，其所扮演的角色逐渐发生了转变，但这并不意味着它将从此退出历史的舞台，遭到弃用或淘汰，毕竟数控火焰切割机在切割厚度超过30 mm的钢板、切割加工多种形状的坡口和多割炬大批量切割直条钢板时，还有许多不容忽视的优越性。可以预见，数控火焰切割机在今后相当长的时期内，将作为数控等离子切割机等先进设备的补充，在各个行业继续发挥它应有的作用，并能长期存在。 1.2 本课题设计的目的和意义目前，中小型机

6、械制造企业板材下料的自动化程度较低，基本上采用人工下料，造成“三低一高”现象，即生产效率低、材料利用率低、产品质量低和生产成本高，从而直接影响企业的经济效益。为提高生产效率，减轻人工劳动强度，结合实际生产需要，现设计一种新型龙门式数控火焰切割机，实现切割下料的全自动。另外，设计出新型的龙门式数控火焰切割机，主要是解决现在中小企业的“三低一高”现象，提高中小企业在市场上的竞争力，为企业创造出更多的效益。1.3 主要设计内容 本课题将结合市场的需要，设计出一种新型龙门式数控火焰切割机。主要内容包括： （1）参与龙门式数控火焰切割机总体结构的设计；（2）横向进给系统的结构设计；（3）横向进给系统主要

7、零件的设计及计算。（4）横向进给系统主要零部件的刚度和强度校核。设计中要解决的关键问题有：（1）如何实现切割头的左右移动？（2）如何实现切割头的上下移动？（3）如何实现横向进给系统中各零部分正确连接？2 总体方案的确定2.1设计任务分析2.1.1设计要求龙门式火焰切割机总体结构应达到如下技术要求：（1）配工控机，能实现对金属板材按直线、圆弧及任意曲线的自动切割；现有的火焰切割机只能对金属板材实现直线的切割，而对圆弧的切割只有在大型企业中实现，所以现设计的这个龙门式火焰切割机，配了工控机，能实现对金属板材、圆弧及任意曲线的自动切割（2）切割速度可调，定位快速、准确；据调查，大多数机械制造的中小企

8、业的火焰切割机不能调节速度，而且定位麻烦，速度慢，浪费很多的时间和金钱，先设计的这个龙门式火焰切割机能做到切割速度可调，而且定位快速，准确（3）设备操作简单、维护方便；现在的数控设备比较笨重,占地位置比较大，对于企业来说数控设备能带来效益，但是也占着企业很大的土地,造成了很大的浪费，另外，设备的操作问题也是个问题，由于设备比较落后，精度都不怎么高,工人很难控制其加工精度，一旦机器出了毛病，将带给企业很大的损失，所以设计出的这个龙门式火焰切割机应满足设备操作简单、维护方便的要求。（4）主要技术指标：切割范围：3.010.0m切割速度：03500mm/min切割厚度：5200mm移动精度：0.05

9、mm/步工作电压：220V5% 50HZ2.2 总体方案的设计2.2.1 总体布局 龙门式数控火焰切割机分为控制系统和机械系统两大部分，本次设计从事机械部分的设计，机械部分主要包括横向进给系统和纵向进给系统，横向进给系统主要由横向行车机构，横向驱动机构，切割头上下移动机构等组成；纵向进给系统主要由纵向驱动机构，纵向从动机构，导轨等部分组成， 总体结构见图2.1。 1-横向行车机构 2-纵向从动机构 3-切割头上下移动机构 4-导轨 5-纵向驱动机构图2.1 龙门式火焰切割机总体布局2.2.2 横向进给系统的布局横向进给系统其结构主要包括横向行车机构，横向驱动机构，切割头上下移动机构等几个主要部

10、分，其中横向行车机构指在X向的移动，X向移动主要以电动机为动力，利用齿轮齿条副驱动方式来实现。切割头上下移动机构指的是Z向的移动，它的移动也是以电动机为动力，利用丝杆螺母副来实现切割头Z向的移动。横向进给系统图见2.2： 1.齿轮 2.支架3.T型座 4.支撑轴 5.轮子 6.螺母7.夹紧装置8.切割头 9.导向轴 10.导向轮 11.导轨 12.横梁图2.2 龙门式火焰切割机横向进给系统总体布局3横向行车机构的设计横向行车机构指的是X向的移动机构，它是通过电动机的动力，使齿轮在齿条上作来回移动。3.1 横向移动方案的比较与选择方案一：如图3.1所示，有六个轮子安装在导轨的上表面,其中有四个轮

11、子是用于导向,两个轮子用于承重。还有四个轮子安装在导轨的下表面,这四个轮子全是用于导向，那么这样总共十个轮子，他们的具体位置见图3.1： 1.销 2.轴 3.承重轮 4.导向轮 5.导向轮图3.1 方案一 方案二：如图3.2所示，有四个轮子安装在横梁上，这四个轮子全是用于承重；另外四个轮子安装在导轨的下表面，用于导向；一共八个轮子，它们的具体位置见图3.2： 1.承重轮 2.横梁 3.导轨 4.导向轮图3.2 方案二方案比较：横向行车结构的X向移动都是通过轮子来实现的，从轮子的安装上分析：方案一中安装在导轨上表面的四个导向轮通过轴连接到两块钢板上，轴通过销来固定在钢板中，而两个承重轮分别安装在

12、两块钢板间，用于承重，保证整个横向行车机构的正常运动，但是这样安装和拆卸非常麻烦。方案二中安装在横梁上的四个承重轮通过轴来连接，轴与设计的T型座通过螺栓连接，这样在结构上便于安装。从轮子的安排上分析：方案一中导轨上表面的六个轮子，其中有四个是导向轮，只有两个是承重轮，加上导轨下表面的四个导向轮，那么导轨上下表面总共有八个导向轮，这样很难实现导向的同步性，而且增加了安装的难度；方案二则只设计了四个导向轮用于导向，另外设计了四个承重轮用于承重，这样不仅节省了材料，而且考虑到了轴的受力情况。从力学上分析：方案一只用两个承重轮，那么与之连接的轴要承受电机、支架等零件的全部重量，从受力上看整个结构的的安

13、全系数不高，方案二则设计了四个承重轮，并且均匀分布在横梁上，那么与承重轮相连的轴所承受的力也比较均匀,这样不仅节省了材料，而且提高了整体结构的安全系数，根据两个方案的比较，方案二更合理，因此选择方案二。通过对X向移动方案的比较，确定其横向行车机构。横向行车机构中有八个轮子（轮子用轴承代替），其中T型座上安装四个承重轮，导轨侧面安装四个导向轮，通过轮子在导轨上的滚动可实现行车系统的横向运动。其中四个承重轮跟轴连接，轴通过螺栓固定在T型座上，考虑到轮子安装间隙引起机构的移动产生摇晃和颠簸，影响其移动精度，支架与T型座采用螺栓连接方式，通过加减垫圈和弹簧垫圈来消除。其运动方式是通过齿轮与齿条的啮合带

14、动整个横向行车机构运动。 3.2 主要零件的设计根据前面选定的设计方案可知，横向行车机构的主要零件包括轮子，支撑轴，导向轴， T型座，导轨，横梁，安全挡板。3.2.1 支撑轴的设计和校核轴的结构设计包括设计并确定轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及轴联结的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。无论在什么具体条件下，轴都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。具体设计如下：（1） 材料的选择应用于轴的材料种类很多，主要根据轴的使用条件

15、，对轴的强度、刚度和其他机械性能等的要求，采用的热处理方式，同时考虑制造加工工艺，并力求经济合理。轴的材料一般是通过轧制或者锻造经切割加工的碳素钢或合金钢。对于直径校小的轴，可用圆钢制造；有条件的可直接用冷拔钢材；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成是空心的，并且带有焊接的或锻造的凸缘。轴常用的材料是优质碳素结构钢，如35、45和50，其中以45号钢最为常用。不太重要及受载较小的轴可用Q235、Q275等普通碳素结构钢，对于受力比较大，轴的尺寸受限制，以及某些有特殊要求的轴可采用合金结构钢。当采用合金钢时，应优先选用符合我国资源情况的

16、硅锰钢、硼钢等。对于结构复杂的轴（例如花键轴、空心轴等），为保持尺寸的稳定性和减少热处理变形可选用硌钢；对于大截面非常重要的轴可选用硌镍钢；对于高温或腐蚀条件下工作的轴可选用耐热钢或不锈钢。45号钢具有综合的力学性能，淬透性低，水淬时易产生裂纹，所以选择支撑轴的材料为45号钢，经调质处理，其机械性能查机械设计手册中轴及其连接表5-1-1：硬度为217255HB，抗拉强度，屈服点，弯曲疲劳极限，扭转疲劳极限，许用静应力+1p=260Mpa，许用疲劳应力-1p=180207MPa；查机械设计表15-1轴的许用弯曲应力，得。（2） 结构设计该轴主要用于固定轮子的，轴的一端装入T型座中，通过螺栓固定在

17、T型座上；另一端安装轮子，其具体结构尺寸见图3.3（a）所示。（3） 轴的校核按弯扭校核支撑轴的受力图如图3.3（b）所示。对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点。轴中心的总受力为。轴传动的转矩为0。轴所受的径向力：Fr=G=309.8=294N计算作用于轴上垂直面的支反力：Rv =73.5N计算轴的弯矩计算当量弯矩，查机械设计表15-1轴的许用弯曲应力，得： ，则，当量弯矩：（a） 轴（b） 轴的受力机断面情况图3.3校核轴的强度：b-b截面处弯矩最大，a-a和b-b截面处轴径最小，都属于危险截面。b-b截面处的当量弯矩为：a-a和b-b截面处的当量弯矩为：b

18、-b截面处查机械设计表15-4抗弯、抗扭截面系数、的计算公式：显然， ，故安全。按安全系数校核判断危险截面截面a-a、b-b都有应力集中源（配合），且当量弯矩均较大，故确定为危险截面。下面仅对b-b截面进行校核，其他截面校核方法与此同。疲劳强度校核A、b-b截面上的应力： 弯曲应力幅：；B、材料的疲劳极限：根据，查机械设计中轴的常用材料机械性能，得，；C、b-b截面应力集中系数：查机械设计手册中螺纹处及配合边缘处的有效应力集中系数，得，；d. 表面状态系数及尺寸系数：查机械设计手册中不同表面粗糙度的表面质量系数，得，；e. 分别考虑弯距或扭距作用时的安全系数：故安全。 由于其他三个支撑轴是一样

19、的，所以较核过程是一样，详细见上，经过计算和较核后，其他三根轴也符合要求。3.2.2 导向轴的设计和较核（1）材料选择根据上面介绍45号钢的特性，决定导向轴的材料为45号钢，经调质处理。 （2）结构设计根据所选轮子的型号，设计的轴的结构及尺寸如下图3.4所示图3.4 导向轴（3）导向轴的较核轴的计算校核过程与上面支撑轴的计算校核过程基本相同，这里就不详细列出。经计算和校核，所设计四根导向轴符合都设计要求。3.2.3 轮子的选型考虑到轮子很小，这里直接选用标准轴承来作用，并且将四个承重轮和四个导轮选取相同的型号，由于轴承可以选取标准件，所以选取GB/T276-1994深沟球轴承60000型，代号

20、625，其中具体参数如下：d=6mm，D=16mm，B=5mm，r=0.3mm，在导轨上开槽，使之能与轴承高精度配合。3.2.4 T型座的设计T型座与支架连接，其作用主要是用于固定轮子。图3.5为T型座的结构示意图，采用45钢材料制作。图3.5 T型座3.2.5 横向导轨的设计（1）选材 在直线运动的导轨中，长导轨用校耐磨的和硬度较高的材料制造。这是因为：（1）长导轨各处使用机会难以均等，磨损往往不均匀。不均匀磨损对加工精度的影响比较大。因此，长导轨的耐磨性应该高一些。短导轨磨损比较均匀，即使磨损大一些，对加工精度的影响也不是太大。（2）减少修理的劳动量。短而软的导轨面容易刮研。（3）不能完全

21、防护的导轨都是长导轨。它露在外面，容易刮伤。根据设计的要求，选择长导轨，主体结构采用方钢，选用45号钢材制作。（2）设计参数为满足数控切割机切割范围3.010.0m的要求，并考虑导轨两端的安全挡板的长度，将横向导轨设计为3040mm长，其中有效行程为3000mm；横向导轨的主体是型号为30303000的方钢。结构如附件图3.6:图3.6 导轨图3.6 导轨3.2.6 横梁的设计Q235属于碳素结构钢，它的主要特性是：具有较好的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能，以及一定的温度、好的冷弯性能，根据Q235的特性，导轨选用材料Q235钢板焊接而成，横梁的设计如下图3.7：图3.7 横梁3.2.7 安

22、全挡板的设计为了防止横向行车机构不会因故障而冲出导轨，造成事故，所以就设计一安全装置，这一安全装置分为安全挡板和安全挡块。安全挡板采用Q235，通过螺栓与横梁相连，安全挡块采用橡胶，通过螺栓与挡板相连。因为整个横向行车机构运动时有惯性，所以需要在行车机构的横梁的两端头安装安全装置即可，因为当驱动边撞上安全装置的时候就可以马上按急停装置来阻止整个行车机构的冲出。具体尺寸见图3.8所示。图3.8 安全挡板4 横向驱动机构的设计4.1 横向步进电机的选型根据技术要求可知所要求的电动机的额定功率为1.5kw，切割速度范围：03500mm/min。该龙门式数控火焰切割机选用的是非刚性切割刀具，切削阻力为

23、0，所以电动机的阻力小，转矩较小。（电动机和变速器均到常州电机电器总厂外购）综合考虑行车系统所需的动力，初步选择90BF003型步进电机，其具体参数为：（1） 相数：3； （2） 步距角：1.5； （3） 驱动电压：60V；（4） 相电流：5A； （5） 最大静转距：2Nm； （6） 绝缘等级 E4.2 横向驱动齿轮的设计4.2.1材料的选择和热处理方式齿轮材料的选择原则：（1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。（2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。（3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作

24、在中等冲击载荷下工作的齿轮。（4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。（5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。（6）金属制的软面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为3050HRC或者更多。一般低速、重载传动的齿轮，齿面易产生塑性变形、齿轮易折断及磨损，应选用机械强度、硬度机械强度、硬度、韧性等综合性能较好的材料；高速传动齿轮，齿面易发生疲劳点蚀，应选用齿面硬度较高的材料；受冲击载荷的齿轮传动，应选用韧性较好的材料；大载荷的小尺寸齿轮，可选用性能较好的材料；要求不高的齿轮，如低速、轻载，则可采用铸铁等材料；尺寸大或形状复杂的齿轮多采用锻造毛

25、坯。常用的齿轮材料有钢、铸铁、铸钢、塑料、粉末冶金等。钢具有强度高，耐冲击的特性，通过热处理可获得较好的力学性能，提高齿轮的承载能力。较重要的齿轮大多数采用中碳钢和中碳合金钢，常用钢号为40、45、40Cr、40MnB、40MnVB、37SiMn2MoV，经整体淬火和低温回火后，具有较高的硬度和强度，合用于作载荷大且没有冲击的齿轮；经调质处理后则强度和韧性等方面的综合性能较好，硬度不太大，易精加工，但耐磨性较差，适合低速、中等载荷的齿轮。按使用条件，横向驱动齿轮属低速、轻载，重要性和可靠性一般的齿轮传动。可选用软齿面齿轮，也可选用硬齿面齿轮。本设计选用软齿面齿轮。并具体选用：齿轮：40Cr经调

26、制后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性及低的缺口敏感性，淬透性良好，根据40Cr的特性，齿轮材质为40Cr，齿部采用表面淬火处理，硬度为3035HRC。4.2.2 要求分析（1）使用条件分析根据所选步进电机的转矩得齿轮的最大静转矩为：T=2Nm根据设计所给的技术参数中的切割速度：03500mm/min，本机械又属低速、轻载，重要性和可靠性一般的齿轮传动。估算出主动齿轮的转速：；齿轮与齿条的齿数比： ；圆周速度：估计；设计中把齿条看成与设计的齿轮同样的齿轮。4.2.3 初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸（1）选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件，可选用直齿圆柱齿轮传动，也可选用斜齿圆柱齿轮传动。

27、本设计选用直齿圆柱齿轮。（2）选择齿轮精度等级按估算的圆周速度，又因为要求传动平稳，由机械设计表3-5初步选用7级精度。（3）初选参数根据龙门式数控切割机的横向驱动机构的结构尺寸，初选： d=60mm （4）初步计算齿轮的主要参数因本设计中横向驱动机构较小较轻，采用步进电机驱动，工作机载荷平稳，齿轮转速不高，轴的刚性较小，所需传递的转矩较小，查机械设计手册3表23.2-3渐开线圆柱齿轮模数（GB1357-85），初步选定标准模数为：m=2mm。则，根据实际，取z=25圆周速度：，符合要求。齿轮的各项基本参数都取标准值：ha=2，计算齿轮的各项几何尺寸如下：齿顶高：ha=2mm齿根高：hf =1

28、.25m=2.5mm齿全高：h= ha + hf =4.5mm齿顶圆直径：da =m（z+2）=54mm齿根圆直径：df =m（z-2.5）=45mm齿厚：B=（58）m=1016mm 齿宽：mm槽宽：周节：横向齿轮的设计尺寸见下图4.1图4.1 横向驱动齿轮4.3 齿条的设计齿条具有加工容易、寿命长、传动精度高等特点，根据本机结构的要求，纵向运动采用齿条传动，主体采用45钢，齿部采用表面淬火处理，硬度为3035HRC，齿条的底面钻有小孔，通过螺栓联接安装在横梁上。4.3.1 材料选择齿条具有加工容易、寿命长、传动精度高等特点，根据本机结构的要求以及45号钢的特性，纵向运动采用齿条传动，主体采

29、用45钢，齿部采用表面淬火处理，硬度为3035HRC。4.3.2设计分析及计算齿条的底面钻有小孔，通过螺栓联接安装在横梁上。根据设计要求切割范围有3m，现在初步设计齿条的长度为3040mm，由于齿条在运动时可能会发生弯曲现象，为了保持齿条的直线度，所以在齿条上每隔150mm就钻一个8的孔，一共要开21个孔，每个孔上都用螺栓定位，保证齿轮和齿条能够很好的啮合。图4.2 横向驱动齿条设计齿条的参数如下：周节t=3.14m=6.28mm 齿厚s=1.5708m=3.1416mm径向间隙 c=0.25m=0.5mm 齿顶高 h1=m=2mm齿根高 h2=1.25m=2.5mm 齿工作高度 hg=2m=

30、4mm齿全高 h=2.25m=4.5mm4.4 齿轮齿条的校核4.4.1齿根弯曲强度校核由机械设计式（104）得直齿轮齿根弯曲强度校核公式为： （1）确定公式内的各计算数值A、由机械设计图1020c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限；齿条的弯曲疲劳强度极限；B、由机械设计图1018查得弯曲疲劳寿命系数，；C、计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S1.4，由机械设计式（1012）得 D、计算载荷系数K E、查取齿形系数由机械设计表105查得，。F、查取应力校正系数由机械设计表105查得，。G、计算圆周力 其中，则： 从而得到： （2）计算把以上的数值代入校核公式，得到： 经过校核，齿轮、齿条的齿根弯曲

31、强度都符合要求。4.4.2 齿面接触疲劳强度校核由机械设计式（108a）得直齿轮齿根弯曲强度校核公式为：（1）确定公式内的各计算数值A、由机械设计表106查得材料的弹性影响系数 ；B、由机械设计图1021d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限；齿条的接触疲劳强度极限；C、由机械设计式1013计算应力循环次数D、由机械设计图1019查得基础疲劳寿命系数，E、计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，由机械设计式（1012）得 （2）计算把以上的数值代入校核公式，得到： 经过校核，锥齿轮的齿面接触疲劳强度符合要求。5切割头上下移动机构的设计切割头上下移动机构即Z向的移动机构，它是通过电动机

32、传出的动力，带动丝杆螺母副来实现切割头的Z向移动。5.1 切割头上下移动方案的比较与选择方案一：如图5.1示。切割头上下移动机构主要由电动机、中心轴、导向杆、带弹簧的丝杆、联轴器、齿轮、切割头、轴承座等组成。其中中心轴，两根丝杆和两根导向轴同时安装在螺母板上；中心轴的一端与联轴器相连，一端安装在带有轴承的轴承座中，中心轴的四周安装着两根导向杆和两根带有弹簧的丝杆，导向杆通过轴承固定在轴承座上，丝杆同样通过滚动轴承安装在轴承座上，其中中心轴和丝杆通过相互啮合的齿轮来传递运动和动力。切割头上下移动机构的运动方式是利用电动机传出的动力带动联轴器，联轴器带动中心轴，中心轴的转动通过相互啮合的齿轮带动丝

33、杆上下移动，丝杆在减震装置和导向杆的导向的作用下从而使切割头上下移动，完成切割。 1. 螺母板 2.导向杆 3.中心轴上的齿轮 4.联轴器 5.丝杆上的齿轮 6.丝杆 7.中心轴图5.1 方案一方案二：如图5.2，切割头上下移动机构主要由电动机、丝杆、螺母、夹紧机构、切割头、联轴器、轴承座等组成。丝杆的一端与联轴器相连，另一端安装在带有轴承的轴承座上，用于固定。丝杆上安装了一个螺母，将螺母设计成方型，一边尽量靠近支架，另一边通过夹紧装置将其固定，而夹紧机构上安装切割头。切割头上下移动机构的运动是利用电动机的动力带动联轴器，联轴器带动丝杆螺母运动，由于螺母外形呈方型，且有一边紧靠支架，丝杆的运动

34、不能带动螺母转动，只能沿丝杆轴线往返移动。而螺母在丝杆上的上下移动带动切割头夹紧机构运动，从而实现切割头的上下移动，完成切割头与工件之间距离的调节。1.支架 2.联轴器 3.螺母 4.螺母夹紧装置 5.丝杆 6.轴承座 7.切割头 8.切割头夹紧装置图5.2 方案二方案比较：方案一和方案二都是利用电动机带动丝杆，通过丝杆的转动带动切割头的移动，从而完成对所需零件的切割。从结构上来比较：方案一是利用一根中心轴，两根丝杆和两根导向杆实现切割头的上下移动，传动稳定性很好；而方案二则只利用一根丝杆，一个螺母和一个夹紧装置来实现切割头的上下移动，其结构比方案一较为简单，所需材料少，零件也更容易制造加工。

35、从运动方式来分析比较：方案一是利用电动机带动减速器，减速器通过联轴器带动中心轴，中心轴再通过相互啮合的齿轮带动丝杆转动，丝杆在减震装置和导向杆的导向的作用下，最终实现五根杆一起运动来完成切割头的的上下运动；方案二则是通过电动机的传递出来的动力带减速器，减速器的轴和丝杆通过连轴器连接，通过丝杆上螺母的上下移动来实现切割头的上下移动。方案二将方案一中五根杆变成一根带螺母的丝杆，运动过程更加简单，传动效率也更高。综上所述，方案更加合理，所以选择方案二。5.2 主要零部件的设计根据以上确定的方案，确定所要设计的主要零部件包括：丝杆、螺母、夹紧装置、轴承座。5.2.1 丝杆的设计丝杆是实现切割头上下移动

36、的一个重要零件，这里选35钢为丝杆制作材料。35钢具有强度适当，塑性较好，冷塑性高等特点，丝杆的具体设计见下图5.3所示。图5.3 丝杆5.2.2 螺母的设计根据45号钢的特性，螺母的材料选择45钢，由于螺母只能上下移动，而不能在丝杆上转动，所以将螺母设计成方型，它的具体设计见下图5.4：图5.4 螺母5.2.3 夹紧装置的设计夹紧装置我分成了两个部分,其中包括夹紧切割头部分的夹紧装置和夹紧螺母部分的夹紧装置，整个装备通过铸造出来。将熔化后的金属液浇注到铸型中，待其凝固冷却后，获得一定形状的零件或零件毛坯的成型方法，称为铸造。铸造获得的毛坯或者零件称为铸件，铸件一般需经机加工后才能使用，所以夹

37、紧装置是经过加工后应用于实际中。铸件的特点：（1）成型方便且适应性强；（2）成本较低；根据铸件的特点，所以将切割头夹紧装置和夹紧螺母装置铸造在一起，经过机加工后用于实际中。具体设计见下图5.5和5.6图5.5 切割头夹紧装置 图5.6 螺母夹紧装置5.2.4 轴承座的设计轴承座主要用于固定丝杆，它的里面同时安装一个轴承，所以要注意设计时应保留轴承的安装的位置以及安装轴承时的情况，具体设计见下图5.7图5.7 轴承座5.3 步进电机的选型该龙门式数控火焰切割机选用的是非刚性切割刀具，切削阻力为0，所以电动机的阻力小，转矩较小（电动机和变速器均到常州电机电器总厂外购）。另根据切割头上下移动机构所需

38、动力，选择9BF003型步进电机，其具体参数为：（1） 相数：3； （2） 步距角：1.5； （3） 驱动电压：60V；（4） 相电流：5A； （5） 最大静转距：2Nm； （6） 绝缘等级 E5.4 轴承的选型轴承是用于固定丝杆，所以根据设计出来的丝杆确定轴承的型号，所以选取GB/T276-1994深沟球轴承60000型02系列，代号6202，其中具体参数如下：d=15mm，D=35mm，B=11mm，r=0.6mm。6其他结构的设计6.1 联轴器的设计选择联轴器的类型：（1）所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振功能的要求。（2）联轴器发工作转速高低和引起的离心力的大小。（3）两轴相对位移

39、的大小和方向。（4）联轴器的可靠性和工作环境。5）联轴器的制造、安装、维护和成本。根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被联接两部件的安装精度等，参考各类联轴器特性，设计的联轴器的尺寸如下图6.1，材料选取HU200。图6.1 联轴器6.2 轴套的设计由于设计的支撑轴和导向轴不能露在外面，因为那样稠很容易被磨损，所以为支撑轴和导向轴各设计了两个轴套。6.2.1轴套1的设计轴套1为支撑轴所设计，选取材料为20钢，具体的设计尺寸见图6.2：图6.2 轴套16.2.2轴套2的设计轴套2为承重轴而设计，选取材料为20钢，具体的设计尺寸见图6.2图6.3 轴套26.3 盖板的设计由于丝杆、螺母等传动零件露在

40、外面，为了不影响加工时的精度，所以设计了这个盖板，用于防尘。设计的具体尺寸见下图6.4图6.4 盖板图6.4 盖板6.4 底座的设计根据材料Q235的特性，底板的材料选用Q235，具体设计尺寸如下图6.5所示： 图6.5 底板6.5 横向移动支架的设计根据材料Q235的特性，支架的材料选用Q235，具体的设计尺寸如下图6.6所示：图6.6 横向移动支架总 结 这个学期从开始到设计结束，触及所学方面的各种知识，加深了对专业知识的了解，从开题报告发下来，我主要在网上找一些设计课题相关联的资料，这是为以后做设计做一定的准备，接下来是总体方案的确定，然后是横向驱动机构的设计，横向行车系统的设计，切割头

41、上下移动机构的设计这三个主要部分的设计，与此同时还绘制了龙门式火焰数控切割机横向进给系统的总装图以及各个零件的图纸的绘制，并且参与龙门式火焰数控切割机总体结构的绘制。到了5月中旬，开始撰写关于龙门式火焰数控切割机横向进给系统的设计说明书，以及英文翻译和相关图纸。到6月中旬，准备毕业答辩。现在简单的介绍下整个设计：第一章是绪论，主要介绍数控切割机的发展，以及对我国实际情况将数控切割技术分类，将各个时期的数控切割机的特点和优点作了一个简单的阐述，并且比较了各个时期的数控切割机的优缺点，然后对龙门式数控火焰切割机的发展趋势作了一个简单的介绍。第二章主要是确定龙门式火焰切割机的总体方案，根据设计要求，

42、对所设计的龙门式火焰切割机横向进给系统作仔细的分析，将总体设计方案和总体结构确定下来。第三章是横向行车机构的设计，从方案确定到各个零件的设计和较核都经过仔细分析和考虑，特别是从节约材料、减轻重量、优化结构等方面。第四章是横向驱动机构的设计，主要是对步进电动的选型，齿轮的设计和较核，以及齿条的设计作了分析。第五章介绍的是切割头上下移动机构的设计，首先进行了方案的比较，确定其结构，然后对零部件进行设计。其中第三、四、五章是我这次设计的重点。整个设计过程严格遵循机械设计学的思想，力求创新，如切割头上下移动机构的设计，将复杂的结构变的简单；以及在横向行车机构中，将轮子的数量减少，并且考虑到安装、受力问

43、题，将材料减到最少，并且使整个机构的安全系数提高。整个设计以经济性、实用性为前提，在设计过程中充分考虑了方案的可行性，结构的合理性、稳定性、可靠性，制造加工的工艺性等因素，最终设计出了一款结构简单轻巧、工作稳定可靠，操作灵活方便、精度效率高的龙门式火焰数控切割机的横向进给系统。当然，由于所学知识有限、实践经验不足以及设计条件的限制，所设计出的龙门式火焰数控切割机各部件还存在不同程度的不足，如在设计控制横向进给系统移动的轴承上，是否能减少轴承的数量，以及在提高加工的精度上，等等。但整个设计过程必将成为自己将成为工作的重要经验。参考文献1李亚江. 切割技术及应用M. 北京: 化学工业出版社，20042杨立平. 常用金属材料手册M. 福州: 福建科学技术出版社，20063韩永生. 工程材料性能与选用M. 北京: 化学工业出版社，20044吴宗泽. 机械零件设计手册M. 北京: 机械工业出版社，20045纪名刚，濮良贵. 机械设计(第七版) M. 北京: 高等教育出版社，20016刘小年，刘振魁. 机械制图M. 北京: 高等教育出版社，20007汪浩，宁海霞.