数控切割机结构与运动控制系统设计论文.doc

1 前言 1.1 课题背景 在机械加工过程中，板材切割常用方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。手工切割灵活方便，但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费、生产效率低。半自动切割机中仿形切割机，切割工件的质量较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件切割。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一些较规则形状的零件切割。数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度。数控切割机控制系统当初的简单功能、自动化程度复杂编程和输入方式发展具有功能完善、图形化、智能化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术在工业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化切割机是机、电一体高度集成设备，科技含量高，传统机加工，切割机的加工精度更高、柔性化好，对制造业来说，一场技术革命。 图1系统总体原理图 根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制和工作台回转的步进电机控制。控制系统有微机的、有PLC的、也有单片机的，这里选择经济型的PLC控制系统。另外，居然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图如图2所示： 图2 控制系统框图 通过这些过程基本完成经济型数控切割机的设计，按此设计的切割机可以满足生产的实际需要。 2 机械部分的基本结构设计 2.1 工作台的设计 2.1.1 主要设计参数及设计要求 本次设计的是一台数控激光切割机床，主要应用于高硬度的板材加工。其主要设计参数规定如下： （1） 工作台行程：横向350mm，纵向450mm （2） 工作台最大尺寸（长×宽×高）：500×550×150mm （3）最大加工尺寸X×Y：300×400mm （4） 工作台最大承载重量：100Kg （5） 脉冲当量：0.001mm/pluse （6） 进给速度：60mm/min （7） 设计寿命：15年 2.1.2工作台的尺寸及重量估算 (1) X轴方向工作台的尺寸及重量估算 估计托座重量约为=70N。电机重量约为15Kg，即G=15×9.8=147（N） =120N。 则X方向导轨副所承受的最大负载为： =+2×+G=70+2×147+120=484（N）=400N。 估计工件最大重量约为100 Kg，即其重量约为G=100×9.8=980（N）=200N,其它零件的重量之和约为 =200N。 则Y方向导轨副所承受的最大负载为： =+++G=400+200+200+980=1780（N） 3.2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 3.2.1 横向进给丝杠 （1）计算进给牵引力（N）=0+0.004×484=1.936(N) （3.1） 式中 — 滑动导轨摩擦系数：=0.15-0.14; 滚动导轨摩擦系数：=0.0025-0.005，=0.004 — 工作台及工件重量：G=484(N) （2）计算最大动载荷C 式中，—滚珠丝杠导程，由于丝杠为低速工作，故初选4mm； —最大切削速度，=600mm/min； —运转系数，按一般运转取=1.2～1.5； —使用寿命，按130000h； —寿命、以转为1单位。 ==15（r/min） （3.2） ==117 （3.3） ==11.4（N） （3.4） （3） 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅《机电专业课程设计指导书》附录A表3，可选用NL3005内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，其额定动载荷为9100N，足以满足要求，算定精度为3。 （4）传动效率的计算 （3.5） 式中 —螺旋升角，NL3005 = —摩擦角取；滚动摩擦系数0.003～0.004==0.95 （5）刚度计算 横向进给丝杠的支撑方式如图3所示，最大牵引力为1.936N支撑间距L=600mm，预紧力为最大轴向载荷的1/3。 图3 横向进给丝杠的支撑计算简图 ① 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） 先用下面的公式计算在工作负载的作用下引起的导程的变化量。 （3.6）