龙门式火焰切割机的机构及三维设计

龙门式火焰切割机的机构及三维设计(论文说明书17000字,CAD图纸9张,三维图35)
摘要
本课题所设计的数控火焰切割机是一种大型切割设备，它可以很方便的对金属材料进行直线或曲线切割，可广泛应用于机械、建筑、化工、航天等行业。
首先，本文通过对火焰切割技术及数控火焰切割机的国内外研究现状的分析，对火焰切割机的总体结构进行了设计，整体采用龙门式结构，纵向、横向两个方向进给运动均选用齿轮齿条的啮合来实现，动力源均为步进电动机。由于火焰切割机切割工件时无切削力，所以纵向进给运动采用电机直接驱动工作台运动来完成。割炬的垂直方向的运动由步进电机带动梯形丝杠来实现。其次，利用三维设计软件Solid Works完成了火焰切割机各零件的三维实体造型，并根据各零部件之间的定位关系，完成了总体装配，验证了设计的合理性。最后，为了加工制造的方便还绘制了切割机的所有零部件和装配体的工程图。
关键词：数控火焰切割机；龙门式；结构设计；Solid Works

GANTRY CUTTING MACHINE BODY AND THREE-DIMENSIONAL DESIGN
ABSTRACT
The CNC flame cutter designed in this topic is a large cutting equipment. It can easily cut metal materials with linear or curvilinear drawings and also can be widely used in machinery, construction, chemical, aerospace and other industries.

Firstly, this article designs the whole structure of the flame cutter through the analysis of the research status about the flame cutting technology and the CNC flame cutting machine The whole structure use the gantry structure, the feed movement of vertical and horizontal can be implemented though the rack and pinion’s meshing and the power sources are stepper motors. Since there is no cutting power when the flame cutter cuts work-piece, therefore, the longitudinal feed motion is completed by the movement of worktable driven directly by stepper motor and the vertical movement of the cutting torch is achieved by the trapezoidal screw driven by stepper motor . Secondly, the three-dimensional entity modeling of all the flame cutter parts is finished by using the three-dimensional design software Solid Works and the assembly of the whole is accomplished through the orientation of every parts to validate the rationality of the design. In the end, all the drawings of parts and assembly are protracted for the convenience of the processing and manufacturing.
Keywords：Numerical control flame cutter; Gantry type; Structural design; Solid Works

本文的主要研究内容
从上面的分析可知，目前数控切割机的发展趋势应向全自动、多功能、大功率及高质量等方向发展。为了能适应现代数控火焰切割机的发展而设计了本龙门式火焰切割机。主要研究内容：
(1)动力结构：在满足使用要求的情况下，选择型号较小的电机，这样即从经济的因素上考虑减少额外的投入，又从结构上考虑是机床的结构更加紧凑，机床设计的重点就是结构要紧凑，这样在空间上，经济上都比较实用。
(2)工作部分：工作部分就是实现机床预先加工要求的部分，也是最重要的部分，因而工作部分的选择优先考虑满足使用要求，然后尽可能的采用结构较为简单，性能较好的机构，这样结构就会更加紧凑。
(3)传动部分：传动部分是连接动力部分和工作部分的结构，因而其结构尺寸的大小将直接导致机床尺寸的大小变化，在选择的过程中，在满足使用要求的情况下，尽可能选择较小的尺寸，从而使得结构更加紧凑。

2.龙门式火焰切割机总体方案的设计
2.1数控火焰切割机的组成
数控火焰切割机的主体一般包括动力部分、传动部分、工作部分、伺服控制系统以及机床本体等等。动力部分为机床提供动力源，一般视不同的工作情况选不同型号的电动机作为动力源。传动部分指将电动机提供的动力传递到执行部件以执行不同的动作，主要包括主传动系统和辅助传动系统。工作部分是机床实现其主要功能的部分，包括执行部件及其他辅助元件。机床本体是是机床的主体，从布局到结构都应该充分考虑适应其加工的特点。
2.2火焰切割机的设计要求
主要设计参数为：机床长X宽=10000mmX6000mm，火焰切割头质量为16Kg，定位精度为0.5mm，摩擦系数为0.06，工作速度Vmin=0.48m/s，Vmax=0.75m/s，空载速度Vkmin=1m/s,Vkmax=2m/s。
主要设计目标：
(1) 整机工作性能稳定，运行平稳，动态性能好，控制精度高
(2) 抗高频干扰能力强
(3) 自动点火，自动调高
(4) 数控编程：基于AutoCAD的全自动AcadRcam图形化编程软件
(5) 切割精度：国家标准JB/T10045.3－99
(6) 移动精度：0.01mm/步
(7) 自动调高行程：180~220mm 、跨距：6m
(8) 切割气体：氧气+乙炔或丙烷
(9) 驱动方式：双边驱动
(10) 切割厚度：火焰最大可切割6~150mm
(11) 调速范围：0~20m/min
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目   录
前言……………………………………………………………………1
1绪论…………………………………………………………………2 [资料来源：http://www.doc163.com]
1.1切割技术的种类与发展……………………………………………2
1.2数控火焰切割机简介……………………………………………2
1.2.1数控火焰切割技术……………………………………………………………2
1.2.2切割技术的分类………………………………………………………………3
1.2.3切割行业的现状………………………………………………………………4
1.2.4切割机的发展前景……………………………………………………………5 [来源：http://www.doc163.com]
1.3龙门式火焰切割机的选题依据…………………………………6
1.4本文的主要研究内容…………………………………………6
2龙门式火焰切割机总体方案的设计………………………………8
2.1 数控火焰切割机的组成…………………………………………8
2.2火焰切割机的设计要求…………………………………………8
2.3火焰切割机的工作原理………………………………………8
3龙门式火焰切割机主体结构的设计………………………………11

3.1导轨设计……………………………………………………………11
3.1.1导轨的材料及其搭配………………………………………………11
3.1.2导轨的结构形式…………………………………………………12
3.2立柱及横梁设计计算………………………………………13
3.2.1立柱和横梁的设计基本要求………………………………………13
3.2.2立柱和横梁的结构形式及选材……………………………………14 [资料来源：https://www.doc163.com]
3.2.3横梁的校核…………………………………………………………15
3.3纵向传动设计及计算……………………………………………17
3.3.1纵向传动方案设计……………………………………………………………17
3.3.2齿轮齿条几何尺寸确定………………………………………………………18
3.3.3轴的设计与计算……………………………………………………………20
3.3.4轴承选择和校核……………………………………………………………25 [资料来源：https://www.doc163.com]
3.4横向传动设计及计算……………………………………………26
3.4.1横向传动方案设计………………………………………………………26
3.4.2齿条几何尺寸确定………………………………………………………27
3.5垂直传动设计……………………………………………29
3.5.1垂直传动方案设计………………………………………………………29
3.5.2丝杠螺母机构设计………………………………………………………29 [资料来源：https://www.doc163.com]
3.5.3丝杠精度、材料及热处理………………………………………………31
3.5.4轴承选择和校核…………………………………………………………31
4伺服系统设计………………………………………………………33
4.1步进电动介绍……………………………………………………33
4.1.1步进电机的特点……………………………………………………………33
4.1.2步进电机的控制原理………………………………………………………33

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4.1.3步进电机的串行和并行控制………………………………………………34
4.2步进电动机选择计算……………………………………………35
5三维建模设计………………………………………………………38
5.1Solidworks介绍………………………………………………38
5.2Solidworks建模……………………………………………………39
6总结…………………………………………………………………43
参考文献
致谢 [资料来源：http://doc163.com]