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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
數(shù)控火焰切割機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué)院名稱
專業(yè)名稱
指導(dǎo)教師
20**年
5月
27日
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
摘要
本課題針對數(shù)控火焰切割機(jī)的設(shè)計(jì)。橫梁的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要對其結(jié)構(gòu)的確定，之后對傳動裝置進(jìn)行了選擇及計(jì)算檢驗(yàn)，最后對主要傳動的零部件進(jìn)行選擇校核。其中主要對滑動絲杠和滾動絲杠的強(qiáng)度及傳動效率等進(jìn)行了計(jì)算校核。并對橫梁設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)部件的聯(lián)接問題進(jìn)行了改進(jìn)?；鹧媲懈铑^是在傳動裝置的基礎(chǔ)上運(yùn)用絲杠的轉(zhuǎn)速控制運(yùn)動，用單片機(jī)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到效果。對控制電路設(shè)計(jì)也做了系統(tǒng)的詳解，主要對所涉及的鍵盤、顯示器、主要芯片做了選取應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 火焰切割機(jī)；電氣控制；橫梁設(shè)計(jì)；單片機(jī)
Abstract
This essay analyzes that the design of the beam and the control of flame cutting head of the gantry flame cutting machine.The design of the beam of mechanism main determining its structure of the transmission device, then the selection and operation of the main transmission inspection, finally the choose of the parts inspection. The major of sliding screw and rolling ball screw's strength and transmission efficiency is calculated respectively.And problems existing in the connect of parts, in the design of structure of the beam ,are also improved. Flame cutting in the head is based on transmission device using screw speed control movement, with single-chip microcomputer control motor speed to achieve results. I also make a system explanation of the control of circuit design, involved mainly to make the selection and applications of the keyboard, display, main chip.
Keywords flame cutting machine electrical control the design of the beam microcontroller
I
徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求 1
1.1.1 課題的意義和目的 1
1.1.2 研究范圍和技術(shù)要求 1
1.2 龍門式火焰切割機(jī)的簡介和特點(diǎn) 1
1.2.1 簡介 1
1.2.2 特點(diǎn) 2
1.3國內(nèi)外的現(xiàn)狀 2
1.4 發(fā)展前景 3
2 總體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 總體方案的設(shè)計(jì) 5
2.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)的分析 5
2.1.2 橫梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介 5
2.1.3雙切割頭橫向移動電氣控制設(shè)計(jì)簡介 5
2.2 立柱的設(shè)計(jì) 5
2.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及要求 5
2.2.2 立柱結(jié)構(gòu) 6
3 橫梁機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 龍門式橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1.1 確定龍門式火焰切割機(jī)橫梁結(jié)構(gòu) 9
3.1.2 傳動裝置類型的選用 9
3.1.3 傳動方案的選取 10
3.2 機(jī)床零部件的設(shè)計(jì) 10
3.2.1 絲杠副的選取 11
3.2.2導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 15
3.2.3聯(lián)軸器的選取 16
3.2.4 軸承的選取 18
3.2.5立柱底座橫向進(jìn)給的滾動絲杠的計(jì)算 19
3.2.6 步進(jìn)電機(jī)的選取 21
4 電氣控制設(shè)計(jì) 25
4.1擬定機(jī)床控制系統(tǒng)方案 25
4.2組成元件的介紹 25
4.2.1主要芯片的選取 25
4.2.2 鍵盤接口原理 25
4.3 控制電路設(shè)計(jì) 26
4.3.1 使用多片EPROM的擴(kuò)展電路 26
4.3.2 89C51主要管腳功能 27
4.3.3 靜態(tài)RAM芯片的選用 27
4.3.4 8155工作方式查詢 28
4.3.5 89C51的存儲器及I/O的擴(kuò)展 29
4.3.6 8155狀態(tài)查詢 30
4.3.7 8155內(nèi)部定時(shí)電路 30
4.3.8 89C51地址分配 31
4.3.9 8155擴(kuò)展I/O端口的初始化程序設(shè)計(jì) 32
4.4 鍵盤電路設(shè)計(jì) 33
4.4.1鍵盤功能 33
4.4.2 鍵盤程序設(shè)計(jì) 33
4.5閃光報(bào)警電路 36
4.6 顯示器設(shè)計(jì) 36
4.6.1顯示器顯示方式的選取 36
4.6.2顯示器接口電路 36
4.7光電隔離電路選用 36
結(jié)論 38
致謝 39
參考文獻(xiàn) 40
39
1 緒論
1.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求
1.1.1 課題的意義和目的
火焰切割機(jī)是工程中金屬板材切割的常用設(shè)備，可以根據(jù)要求在板材上切割出不同形狀。采用數(shù)控技術(shù)的多點(diǎn)火焰切割機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行多種切割加工。龍門式火焰切割機(jī)是一種針對大型板材的火焰切割設(shè)備。本課題要求對龍門式火焰切割機(jī)的橫梁機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)切割頭的橫移控制系統(tǒng)。
1.1.2 研究范圍和技術(shù)要求
本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺單片機(jī)（89C51主控芯片）控制火焰切割機(jī)床，主要設(shè)計(jì)對象是橫梁及89C51單片機(jī)控制切割頭的原理圖。單片機(jī)對縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滑動絲杠副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。
要求切割頭橫向移動距離2.5米，其橫向最大移動速度0.3米∕秒，且雙切割頭可以同時(shí)做相同或相反移動。
1.2 龍門式火焰切割機(jī)的簡介和特點(diǎn)
1.2.1 簡介
在機(jī)械加工過程中，板材切割常用的方式有手工切割、半自動切割機(jī)切割及數(shù)控切割機(jī)切割。手工切割較為靈活方便，但手工切割的質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工的工作量又大，同時(shí)勞動條件非常惡劣，生產(chǎn)效率很低。半自動切割機(jī)中的仿形切割機(jī)，切割工件的質(zhì)量比較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件的切割。其它類型半自動切割機(jī)雖然降低了工人的勞動強(qiáng)度，但其功能比較簡單，只適合一些較為規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控切割相對手動和半自動切割方式來說，可以有效地提高板材切割地效率、切割質(zhì)量，而且能減輕操作者的勞動強(qiáng)度。目前在我國的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動切割方式還是較為普遍的。
龍門式數(shù)控火焰/等離子切割機(jī)采用雙邊驅(qū)動，即雙切割頭，運(yùn)行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據(jù)用戶的要求配置多把割炬。見下圖1-1
圖1-1龍門式數(shù)控火焰/等離子切割機(jī)
1.2.2 特點(diǎn)
1.橫梁：采用方管對焊的結(jié)構(gòu)，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點(diǎn)。所有的焊接件均采用振動時(shí)效去應(yīng)力處理，有效的防止了結(jié)構(gòu)變形；
2.縱、橫向驅(qū)動：橫向?qū)к墑t采用了臺灣進(jìn)口的直線式導(dǎo)軌，縱向?qū)к壥怯删芗庸さ奶刭|(zhì)鋼軌制成的，保證了切割機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，精度高，且經(jīng)久耐用，清潔美觀；
3．縱向驅(qū)動架（端架）：兩端裝有水平的導(dǎo)向輪，可調(diào)整其驅(qū)動架底部偏心輪對導(dǎo)軌的壓緊程度，使整機(jī)在運(yùn)動中能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)向；
4．驅(qū)動系統(tǒng)選用步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動技術(shù)，使整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，速度變速范圍寬，加速時(shí)間短；
5．簡單易用的自動編程系統(tǒng)，使編程不再那么的復(fù)雜，輕而易舉；
6．電氣系統(tǒng)具有優(yōu)良穩(wěn)定性和超強(qiáng)抗干擾；
1.3國內(nèi)外的現(xiàn)狀
目前來說切割機(jī)應(yīng)用在金屬及非金屬行業(yè)上，一般來說，非金屬行業(yè)分得比較細(xì)致，比如有切割石材的石材切割機(jī)、水切割機(jī)、鋸齒切割機(jī)，切割布料、塑料及化纖制品用的激光切割機(jī)、刀片式切割機(jī)，切割金屬材料的則有火焰切割機(jī)（火焰切割機(jī)又分?jǐn)?shù)控火焰切割機(jī)和手動火焰切割機(jī)。而手動的又有小跑車、半自動、純手動的；數(shù)控的有龍門式數(shù)控切割機(jī)、懸臂式數(shù)控切割機(jī)、臺式數(shù)控切割機(jī)、相貫線數(shù)控切割機(jī)等等）、等離子切割機(jī)。
切割成本方面來說，激光切割機(jī)是最昂貴的，也是精度和效率最高的一種切割設(shè)備，水刀切割機(jī)次之，然后就是火焰切割機(jī)，等離子切割機(jī)是最便宜的。（見下圖1-2）
圖1-2激光切割機(jī)
經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，數(shù)控切割機(jī)在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面均取得了長足的發(fā)展，譬如切割能源已經(jīng)由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流等等)切割方式；數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)已由當(dāng)初的簡單功能、復(fù)雜編程和輸入方式及自動化程度不高已經(jīng)發(fā)展到具有功能完善的、智能化的、圖形化的、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式； 驅(qū)動系統(tǒng)也從的步進(jìn)驅(qū)動、模擬伺服驅(qū)動到今天的全數(shù)字式的伺服驅(qū)動。
1.4 發(fā)展前景
隨著現(xiàn)代化的機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，人們對切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，并對生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低、高智能化地自動切割的功能要求也在不斷的提升。數(shù)控切割機(jī)必須要去適應(yīng)現(xiàn)代化機(jī)械加工發(fā)展的要求。
1.數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展
從現(xiàn)在幾種通用的數(shù)控切割及應(yīng)用情況來看，數(shù)控火焰切割機(jī)的功能及性能已經(jīng)比較完善了，但是對切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產(chǎn)效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。
等離子切割機(jī)具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點(diǎn)，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術(shù)的提高、數(shù)控系統(tǒng)與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細(xì)等離子技術(shù)也能提高切割速度、切面質(zhì)量和切割精度；通過完善和提高數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對等離子切割效率和切割質(zhì)量的提升。
激光切割機(jī)的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國家安全、國防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機(jī)的制造和升級帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光切割機(jī)。
2.專用數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展
數(shù)控管材切割機(jī)適用于各種管材上的切割，如切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子的端部切割與之相交的相貫線。這種類型的設(shè)備已經(jīng)廣泛運(yùn)用在金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，電力設(shè)備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內(nèi)比較高端的產(chǎn)品之一，此類的設(shè)備切割功能可以滿足焊接工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國內(nèi)率先引進(jìn)和使用數(shù)控等離子切割機(jī)。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外的船廠紛紛配備了具有回轉(zhuǎn)坡口功能的等離子切割機(jī)，為了滿足其高技術(shù)、高附加值船的建造要求。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 總體方案的設(shè)計(jì)
2.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)的分析
為了提高工作的效率，所以采取雙切割頭同時(shí)工作，來縮短工作的時(shí)間。頭的支承取用龍門式，這樣可以有利于調(diào)整龍門的大小來實(shí)現(xiàn)加工不同尺寸鋼的要求。龍門式的機(jī)床不但具有使用壽命長，工作的穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，而且能最大限度地滿足加工不同型號鋼的要求，其缺點(diǎn)就是只能在固定的地點(diǎn)加工，使用起來不夠靈活簡便。由于要切割曲線割縫，割頭由十字滑臺帶動，這樣既能簡化其結(jié)構(gòu)，又能滿足其運(yùn)動要求。
2.1.2 橫梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介
因?yàn)榍懈钏俣纫獫M足板厚和火焰對其的要求，所以要以無級調(diào)速。傳動方式采用絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動工作臺直線運(yùn)動，利用調(diào)節(jié)絲杠的轉(zhuǎn)速來控制割頭的速度。而且要求的加工精度為1～4mm,所以絲杠能很好地保證傳動精度和平穩(wěn)性。電機(jī)與絲杠用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量減小，而且減少對電機(jī)的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。絲杠的傳動采用步進(jìn)電機(jī)來帶動其運(yùn)動。
2.1.3雙切割頭橫向移動電氣控制設(shè)計(jì)簡介
切割頭采用電氣控制方式，首先確定電動機(jī)，然后對其電流估算。對電氣控制的電器元件進(jìn)行選擇。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，具有很高的性能價(jià)格比?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部份，鍵盤，顯示器及I/O接口等組成，由微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的輸入頻率，來控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)割槍的無級調(diào)速。
2.2 立柱的設(shè)計(jì)
2.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及要求
1. 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
機(jī)架的設(shè)計(jì)主要應(yīng)保證剛度，強(qiáng)度及穩(wěn)定性。
2. 機(jī)架的設(shè)計(jì)要求
(1)在滿足其剛度和強(qiáng)度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)達(dá)到輕、成本低的要求；
(2)抗振性好、噪聲?。?
(3)溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小；
(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工；
(5)結(jié)構(gòu)力求方便安裝和調(diào)整，同事也便于修理和更換零部件；
(6)有導(dǎo)軌的機(jī)架要求其導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性好；
(7)造型好看，即經(jīng)濟(jì)適用，且美觀大方。
機(jī)架一般分為鑄造機(jī)架和焊接機(jī)架兩類，焊接結(jié)構(gòu)與鑄造結(jié)構(gòu)相比之下，焊接結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和剛度，重量輕，生產(chǎn)周期短及施工簡便等優(yōu)點(diǎn)。
表2-1 鑄造機(jī)架和焊接機(jī)架的對比
鑄造機(jī)架
焊接機(jī)架
重量
較重
鋼板焊件比鑄件輕30%
強(qiáng)度，剛度，抗振性
剛度強(qiáng)度較低，阻尼大
強(qiáng)度剛度大，抗振性差
價(jià)格
便宜
價(jià)格較貴
生產(chǎn)周期
周期長，資金周轉(zhuǎn)慢
生產(chǎn)周期短
設(shè)計(jì)條件
鑄件壁厚不能相差過大，只能用開口的結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)比較靈活，壁厚可以相差較大
用途
大批量的生產(chǎn)
單件小批量生產(chǎn)
在比較上述參數(shù)和結(jié)合本次設(shè)計(jì)的具體事況，最后選用焊接機(jī)架。從可焊性上考慮，一般選取碳含量<0.25%的碳鋼。
2.2.2 立柱結(jié)構(gòu)
焊接柱按外形分為實(shí)腹柱和格構(gòu)柱。
1．實(shí)腹柱 實(shí)腹柱又分為型鋼實(shí)腹柱和鋼板實(shí)腹柱，前者焊縫小應(yīng)該優(yōu)先地選用，后者適應(yīng)性強(qiáng)，可按使用要求設(shè)計(jì)成各種大小的尺寸。當(dāng)腹板的計(jì)算高度為h，與腹板厚度b之比大于80時(shí)，應(yīng)有橫向隔板來加強(qiáng)，間距不得大于3h，柱肢外伸自由寬度b0不宜超過15噸。
2. 格構(gòu)柱 格構(gòu)柱分綴板式和綴條式兩種。
最后設(shè)計(jì)選擇型鋼實(shí)腹柱。如圖2-2
圖2‐2 實(shí)腹柱
1.立柱截面形狀
由于零件的抗彎，抗扭強(qiáng)度和剛度除與其截面的面積有關(guān)外，還取決于截面的形狀，合理改變截面的形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機(jī)架零件的強(qiáng)度和剛度，從而使其充分發(fā)揮材料的作用。從《機(jī)械零件手冊》里查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對值較大。
綜合上述條件，立柱則采用型鋼實(shí)腹柱，截面形狀為方形，選取結(jié)構(gòu)用冷彎形空心型鋼，這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應(yīng)力的影響。
2.結(jié)構(gòu)用冷彎形空心型鋼
國標(biāo)為：GB/T 6728—1986
（1）一般鋼號為Q235-A，20或Mn等，其力學(xué)性能與化學(xué)成分應(yīng)符合：
GB/T 700，GB/T 699和GB/T 1591的規(guī)定。
（2）彎曲部分的內(nèi)弧半徑<235, t<4.0時(shí), r<1.4t, 4.0
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