仿形切割机的设计.docx

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仿形切割机的设计

仿形切割机的设计

摘要:

中国是世界上机械发展最早的国家之一。

中国古代在机械方面有许多发明创造，在动力的利用和机械结构的设计上都有自己的特色。

许多专用机械的设计和应用，如指南车、地动仪和被中香炉等，均有独到之处。

近年来随着单件小批量生产所占的比重越来越大，生产的市场竞争也变的日益激烈起来。

生产厂商在提高产品质量的同时，还要通过频繁的改型来满足市场不断变化的需求。

即使是大批量生产，也改变了长期一成不变的做法。

随着科学技术和工业生产的飞跃发展，国民经济各个部门迫切需要各种各样质量优、性能好、效率高、能耗低、价格廉的机械产品。

其中，产品设计是决定产品性能、质量水平、市场竞争力和经济效益的重要环节。

因此，我们应该树立好的设计思想，重视对自己进行机械设计能力的培养，树立知识经济意识；善于利用各种信息资源，扩展知识面和能力；培养严谨、科学、创新与创业、艰苦奋斗的企业精神，加强环境意识，做到清洁生产和文明生产，以最大限度的获得企业效益和社会效益。

关键词：

割炬、基臂、基架

DesignofShapeCuttingMachine

Abstract：

Chinaistheworld'sfirstnationalmachinerydevelopment.Chinaancienttimesinmachineryhasmanyinventions.Inpowerutilizationandmechanicalstructuredesignhasitsowncharacteristics.Manyspecialmechanicaldesignandapplication,suchasmissiles,andwasintheseismographcensertowait,allhaveoriginality.

Inrecentyears,withsinglesmallbatchproductionofincreasingtheproportionofproduction,themarketcompetitionbecomesincreasinglyfierce.Manufacturersinimprovingproductqualityatthesametime,throughfrequentmodificationstomeettheever-changingmarketneeds.Eventhemassproduction,alsochangedthelong-termpracticeofinvariable.

Alongwiththescienceandtechnologyandindustrialproduction,therapiddevelopmentofnationaleconomicsectorsurgentneedallsortsofsuperiorquality,goodperformance,highefficiency,lowenergyconsumption,lowpriceinexpensivemechanicalproduct.Amongthem,productdesignistodetermineproductperformanceandqualitylevelandmarketcompetitivenessandeconomicbenefitoftheimportantlink.Therefore,weshouldestablishgooddesignidea,payattentiontoMakegooduseofallkindsofinformationresources,expandingknowledgeandability,Cultivatingrigorous,scientific,innovationandentrepreneurship,thearduousstrugglethespiritofenterprise,tostrengthenenvironmentalconsciousnessofcleanerproductionandproductionenterpriseswiththemaximumbenefitsandsocialbenefits.

Keyword：

cuttingtorch、basearm、frame

前言

机械原理课程设计要求我们针对某中机器，进行机械运动简图的设计，其中包括机械功能分析，工艺动作工程确定，执行机构选择，机械运动方案评定，机构尺寸的确定等。

通红机械原理课程设计，可以进一步巩固，掌握并初步运用机械原理的知识和理论。

更为重要的是培养我们开发和创新机械的能力。

创新能力的培养是我们发明机械，创造机械的基础，是我们机电学生立于社会不败之地的法宝。

机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。

在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。

机械设计可以培养德、智、体、美全面发展，具有创业、创新精神和良好职业道德的高等专门人才，掌握机械技术和电气技术的基础理论和专业知识；具备相应实践技能以及较强的实际工作能力，熟练进行机电一体化产品和设备的应用、维护、安装、调试、销售及管理的第一线高等技术应用型人才。

我国机械工业在市场的无形之手推动下，以高度专业化分工和规模化生产为特点的产业集聚正在迅速发展。

毕业设计是学生完成教学计划的最后一个极为重要的实践性环节，通过课程的设计，综合运用机械设计基础课程及有关选修课程的知识，起到了巩固、深化、融会贯通及扩展有关机械设计方面知识的重用，树立正确的设计思想。

通过设计的实践，培养分析和解决工程实际问题的能力，掌握机械零件、机械传动装置或简单机械的一般设计方法和步骤，使学生综合运用所学过的基本理论，基础知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练，这对学生即将从事有关的技术工作和未来事业的开拓有一定的意义。

提高有关设计的能力，如计算、绘图、能力及计算机辅助设计（CAD）能力，使熟悉设计资料（手册、图册）等的使用，掌握经验估算等机械设计的基本技能。

机械设计的任务是从社会需求出发；创造性的设计出具有特定功能的新机械或改进原有机械设计的性能，以满足人们日益增大的生活和生产的需要；机械设计使机械产品开发和技术改造的关键环节，使机械产品的第一步，机械的功能决定于设计机械的质量；性能和成本；也只要是在设计阶段决定的；而制造过程的本质就在于实现设计时所规定的质量。

1仿形切割机的设计绪论

1.1切割机的概述

本人的毕业设计是CG2-150型仿形切割机，如图1.1，是一种靠模生产的高效率半自动气割低碳合金钢板的机器，由于采用靠模仿型；可以很方便的切割出各种形状，适用于批量生产。

本机体积较小，自重轻，切割范围大，特别适合于野外工作；它广泛地被大中小型工厂使用。

CG2-150型切割机的最显著的特点是每分钟能割完厚度为50-750mm的切割面，在相同工作量下与使用气割相比较，缩短工时近2倍，并且克服了以前用气割下后钢板，钢管时地切割面积不光滑，尺寸误差较大，而且有时因氧气回火出现伤人现象等弊端，给电气焊工带来了很大地方便。

1.2结构特点及简介    

1、调速系统采用了具有优越性能的集成电路控制器故具有下列一些特点：

   a、能在规定的范围内均匀调整速度，而不会使电动机性能发生变化，速度控制也很稳定。

   b、用较小的控制电压能直接控制电动机转速，其控制能损耗很小。

   c、电气系统部分的温升对电动机影响很小，使其寿命长，且维修简易。

2、割炬位于基臂下面如图1.2，当基臂沿样板移动，割炬可以正确地割出与样板相同的形状。

除上述一些特点外，尚有下列优点。

   a、小巧，轻便、操作方便。

   b、主轴固定在机座上，并作为主臂的支点，因没有平衡装置及磁铁导轮。

可使主在切割幅度的工作限度内任意移动而保持平衡状态。

   c、传动部分采用滚动轴承，使机器运转平衡。

   d、机座下部装有球形螺柱，可以固定，移动及控制平面度。

   e、机器采用连锁装置，所以电动机的起动与切割氧的打开是同步的。

   f、可以在垂直方向调节样板上的滑尺位置。

   g、只要专用割圆附件，便可作450mm范围圆周长的切割工作。

3、电动机与减速机构，该机器采用永磁的直流伺服电动机，有正反转开关作顺逆方向旋转，它直接与齿轮减速机构相连，以带动磁滚轮旋转。

减速机构系三级减速传动，速比为：

1/175。

4、磁滚轮为直径10毫米的永久磁铁。

5、压力开关是自动开闭系统中不可缺少的，当切割气流过时，电器陆续被接通，使主轴转动。

6、可逆转换开关是一个可变开关，所以必须在机器停止后才可换，如果突然改变方向，会损坏电机，影响电机使用寿命。

1.3外形结构及安装尺寸

　图1.1切割机外行结构

1.4割枪结构及外形示意图

图1.2割据结构

1.5电气线路图

图1.3电器线路图

2各部分的设计

本人侧重于割炬（动力部分），基壁，机架的设计。

本机器有转动系统，样板安装在型臂前端地模板架上，磁滚轮面靠平样板侧面，表面吸力大于16N，磁滚轮由直流伺服电机带动三级减速机构转动，三级减速由前级一对螺旋齿轮；中间一对平齿轮；后级一对蜗轮幅组成速度比为1/175，磁滚轮使用高级永磁合金直径为10mm，当磁滚轮沿样板周边移动；带动主壁下面地割炬，割炬正确地割出与样板相同形状地工件。

主轴固定在机座上，作为基壁地支点；设有平衡装置，与主壁上安装地磁滚轮，割炬保持平衡运动，底座下部装有蜗杆可以在垂直方向调节割炬地升降位置，型壁套装在联结管上端可以作360度地回转，360度范围内可作垂直升降和水平位置的调整。

技术参数：

表2.1气割的技术参数

名称

150型

150A型

气割钢板厚度范围

5-100mm

5-100mm

气割最大圆周直径

600mm

1800mm

气割最大正（长方形）

500*500mm,400*900mm,450-750mm

1270*1270mm

气割最大长度

1200mm

1750mm

气割速度

50-750mm/min

电动机

Z3-11型直流电动机，功率25W，电压110V，电流0.5A，

转速3000-4000转/min

输入电源

50HZ,220V

外形尺寸与重量，如表2.2

表2.2外形尺寸与重量

型号

150型

150A型

机器外型尺寸

1190*335*800mm

1390*335*800mm

净重

43kg

52kg

2.1机架的设计

机架时各种机械地基本部件，机器采用高强度的铝锭精密压铸制成，具有重量轻、强度高、耐腐蚀等特点，它主要起支承作用，机械的其他部件一般固定在机架上，有些部件是在机架的导轨面上运动。

机架起基准作用，以保证各部件间正确的相对位置，并且使整个机器组成一个整体。

在其他部件及工件本身的重量与工作过程中的载荷（包括各种冲击力）作用下，机架要有足够的强度，而且变形部超过允许值。

此外还应考虑机架的动刚度，阻尼，热变形性，尺寸稳定性，疲劳强度等。

对于移动式机器的机架则要求重量轻；对于在寒冷、酷热、潮湿等环境下工作的机架分别要求耐高温、耐低温、抗锈烛等性能。

机架在机器中的尺寸一般较大，它往往与机器的整体布局，机器的造型美观，操作方便，加工工艺性好。

为了便于比较，下面机架的几种分类：

1、按机型求分，可分为：

卧式、立式。

a、卧式则分：

横梁式机架、平板式机架。

b、立式则分：

单立柱、双立柱、多立柱。

2、按材料及制造方法分：

金属机架、非金属机架。

a、金属机架分：

铸造机架、焊接机架、组合机架

b、非金属机架分：

花岗岩机架、混凝土机架、塑料机架。

本设备的机架属于金属机架中的铸造机架，它采用了高强度的铝锭合金精密压铸制成，重量轻，强度高。

选择单立柱机架是因为：

单立柱机架结构简单，操作零件所受弯矩大，受力不能太大，如图2.1：

1、主壁2、基壁3、立柱4、底座

图2.1机架的外型

2.2力的基本类型

机架上承受着多种多样的力和和力矩（弯矩及转矩），但大体上可以分为以下几种类型：

1、工艺力

这是最重要、最基本的力，即机器在完成相应的主要工艺过程中所产生的力量，如各种切削机床中的切削力；各种扎制设备中的扎制力与扎制力矩，各种锻压设备中的锻压件塑性成型力等等。

对于同一台机器；由于完成的工艺不同，工艺力也相应的有所变化。

在同一道工序中，变形力随工作行程的增加而上升，且在锻件厚度越薄时；变形力上升越快。

如图2.2所示：

图2.2变形力

在许多机械中，工艺力随众多因素变化而变化。

因此，在一般机械中，机架的受力分析按额定负载（公称负载）来进行。

额定负载示该机械所允许的最大负荷。

超过此负荷，过负荷保险机构应起作用，以防事故发生。

还应注意，工艺力的作用位置或方式不同，机架的受力情况也会改变。

2预紧力

对于预紧力机架，一直处于预紧力作用下；因此在受力分析时，除了工作载荷外，还要考虑预紧力。

预紧力与工作载荷不是简单的叠加关系，即在工作载荷（轴向拉力）作用下，预紧力会响应减少。

3辅助工艺力

这是指在主要工艺完成过程中所需的主要辅助动作产生的力量。

4重力

指工件和机器部件的重量。

当与工艺力相比；所占比例很小时，往往可以忽略不计。

5惯性力。

机械的运动部分加速或减速时，均会产生相应的惯性力，并作用于机架上。

6冲击或振动干扰力。

外来的撞击，旋转部件的离心力，往复运动的惯性冲击，等都会产生干扰力。

图2.3不同载荷分析

2.3机架的材料及制造方法

机架的材料选择碳素钢，以下就对钢材此材料进行分析。

尺寸系数是由于实际构件比疲劳实验用的试件尺寸要大得多，因而降低了疲劳极限；表面系数是考虑表面加工质量对疲劳强度的影响；两者均可以在有关机械工程手册中查到，对于钢，β值可参考下表2.3：

表2.3β值

1抛光2磨削3精车4粗车

5轧制加工表面6淡水腐蚀表面7海水腐蚀表面

本设备的材料使用的时钢材，钢材的稳定系数为1.5-3.0之间。

所以我在确定机架最大高度时，必须要首先计算出稳定安全数：

查表得立柱稳定系数为η=7.87

立柱稳定安全系数公式η=P0/P>=η0（材料稳定系数）

所以：

η>=η0即7.87>=1.5-3.0

平台临界载荷P0=ηEl/L2=100kg

Fi=Pl3/3EL=42mm

Fd=（1+1+2L/Fd）Fi=64mm

平台得最大高度hmax=Pl/W=fd/fi=800mm

2.4割炬

割炬部分由乙炔调节阀，预热氧调节阀，切割氧调节阀，压力开关，夹迟器，管子，火口螺母和割嘴组成。

当氧气和乙炔通过管子来到火口螺母而产生一定的压力当压力一定程度时可调节压力开关释放混合气体，点燃，产生气锋，切割钢板。

基壁、主壁的气割范围：

基壁的使用范围为：

400mm之内可实现360度旋转。

主壁的使用范围为：

300mm之内可以实现360度旋转。

割炬部分的运动：

1、将220V的电压源插头插入电源插座。

2、打开电源开关。

3、本机可作逆向运动切换开关可以改变磁滚轮旋转方向，必须在电动机停止后进行。

4、打开自动控制阀→打开乙炔阀1/3转→点燃→打开预热氧阀调整火焰，对钢板预热→打开切割氧阀→切割样板钢→根据需要调整速度。

2.5管道的设计

管子：

在液压气阀及润滑油系统的管道中常用的管子有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等，由于本管子的设计不计压力和弯曲情况，按价格来选用铜管。

图2.4管子

1、胶管：

胶管的弯曲半径不宜过小，一般不应小于表2.4

表2.4胶管的内外径

胶管内径

4

6

8

10

13

19

22

胶管外径

13

15

17

19

23

29

32

最小弯曲半径

90

100

110

130

190

260

320

胶管与管接头的联结外应留有一段直的部分，比较长度不应小于管外径的两倍。

2、胶管的长度应考虑到胶管在通入气体后长度方向将发生收束变形，一般收束量为管长的3-4%。

因此胶管安装时应避免处于拉紧状态。

3、胶管在安装时应保证不发生扭转变形，为方便安装可沿官长涂以色纹，以便检查。

4、胶管的管接头轴线，应尽量放置在运动的平面内，避免两端互相运动时胶管受扭。

5、胶管应避免与机械上夹角部分相接触和摩擦，以免管子损坏。

管子内径的计算：

管子的内径D，按流速选取

d>=1130Q/Vmm

式中：

Q-气体流量m3/s

V-流速m/s荐用流速，一般选取V=2-3m/s

d>=1130q/2>=30mm

金属管子壁厚δ>=pd/2[δ]m

式中——工作压力MPa

D——管子的内径mm

[δ]——许用压力MPa，对于钢管[δ]=δb/s（δ0——抗拉强度MPa，S——安全

系数，当P<7MPa时，S=8，当P<=17.5MPa时，S=6，当P>17.5MPa时，S=4。

）

对于铜管[δ]<=25MPa。

由于零件是铜管，所以[δ]选择25MPa。

δ>=Pd/2[δ]mm>=px30/（2x25）>=1.5（P根据压力来选择）

接头螺母的选择

由于接头螺母是表准件；根据螺纹直径d=11.5mm螺母M16*-6HGB3763.83

2.6割嘴的选择

等压式割嘴采用整体式制造成形，以氧气和乙炔在嘴内混合为预热火，具有寿命长，安全可靠等优点。

30度配合面可与国内外同类产品互换。

由于割嘴是标准件，由下表2.5选择：

割嘴号

切割氧孔径mm

切割厚度mm

切割速度mm/min

气体压力

Mpa

气体消耗量（参考）

氧气

乙炔

氧气m/h

乙炔l/h

0

0.8

10~20

450~380

0.2~0.3

>=0.3

1.3~1.8

340

1

1

20~30

400~320

0.25~0.35

>=0.3

2.5~3

470

2

1.2

30~50

350~280

0.25~0.35

3~4

470

3

1.4

50~70

300~240

0.3~0.4

4.5~6

650

4

1.6

70~90

260~200

0.3~0.4

>=0.04

5.5~7

650

5

1.8

90~120

210~170

0.4~0.5

8.5~10.5

650

表2.5切割厚度切割速度

表中数据切割条件：

1、切割钢材含碳量〈=0.45

2、割方式为垂直切割

3、氧气压力是指割炬前的切割氧压力

2.7阀门的选用

阀门是管道系统的重要组成部件，用于启闭，节流和保证设备安全运行。

由于阀门是标准件，要选用参考机械零件手册选用。

阀门的类型：

1、闸阀：

闸阀的关闭件主要式闸板；有楔形和平行两种。

2、截止阀：

主要作用调节性比较好，流体以阀座下面向上流动，所以安装时应顺介质流阀，不能装反。

3、止向阀：

此阀又称单向阀，主要有旋启式与升降式两种。

4、旋塞阀：

其关闭件为圆锥体塞子，绕阀件中心、旋转来执行开关的任务。

5、球阀：

其关闭件为球体。

6、蝶阀：

碟阀的阀座做在阀体上，圆盘状阀瓣固定在阀杆上，将其旋转90度，即可执行开启关闭的作用。

根据设备的情况，所以选择旋塞阀。

3操作方法

3.1序言

机器的效率与经济价值决定于使用过程中对机器的保养，运用与操作等情况，要使机器延长寿命，必须很好地注意机器的保养，也能提高机器的效率，下面详述了操作方法及操作原理，也能是延长机器寿命的唯一方法。

3.2机器组装

1、将平衡锤的两个平衡棒插入变速箱下部的孔内用螺丝固定住。

2、在电器箱侧面接上AC220电源。

3、分别将气体分配器用φ8mm橡胶管接上氧乙炔气体。

4、把割嘴装到割炬上去时，需根据被切割板的厚度来选用割嘴，需注意要缓慢地拧紧螺帽，使接触部分能很好地贴合。

3.3机座使用方法

为使机器能平衡地固定在切割材料上，在机座的四个角上装有自由活动螺柱，还可利用它使机器在切割板上移动及调整切割位置，这些除了能调节及移动机器外、还可通过调节螺钉使机器得到稳定及保持水平位置。

3.4样板固定方法

方法一：

先在样板中心钻φ10.5mm的孔（适合φ300mm以内工件）后按照下列程序装上样板。

1、将固定样板用螺钉由样板孔下面插入。

2、在样板上面放一双垫圈。

3、把六角螺栓从下部装入带孔的螺柱内。

4、在六角螺栓上放另一双垫圈，然后再拧紧螺帽。

   方法二：

在样板中钻φ31mm的孔（适合φ600mm以内的工作）然后按照下列程序上样板。

1、将固定样板用螺钉从样板孔下面插入。

2、将装好的样板穿过连接器拧紧螺帽。

3.5型臂的操作方法

   型臂的垂直调节手轮是用来调节其上下移动与磁铁滚轮的位置，型臂先后移动手轮，可以使样板在滑尺的刻线范围内（120mm）任意调节，也可作为开始切割时操作用。

调节上下位置时，应先松开型臂上的翼型螺栓，便可调节到要求的位置。

3.6在切割过程中机身上下运动的调节

1、将机身直接放在切割钢板上进行切割。

2、切割不同高度材料时与切割小的材料一样，在这种情况下，机身的上下调节可旋转主轴的升降螺母，调节时，把圆棒插入升降螺母外圆的小孔螺母，小量的高度只需调节割炬的齿轮，（调节范围约100毫米）。

因主轮本身能转动，也使机身一起转动，因此可以改变切割位置。

3.7运动部分的操作

 1、机器的运转是由直流伺服电动机利用集成电路改变速度来获得，因此机器的驱动停止及倒转都用控制机板的开关来操作，速度控制箱上的刻度板可以控制机器的速成度。

 2、压力开关的驱动操作压力开关是动力电源开关，当割炬上的阀拧开后便一直可以操作，这阀在结构上与切割氧相连，当切割打开时即自动接通电源便自动开始切割，切割完毕时，切割氧即停止喷射便自动关闭电源。

因而，只有当割炬工作时，才能运行操作。

3、切割速度的控制，切割速度取决于切割钢板的厚度与割嘴的号码可用磁轮试运行来证实其实际速度，频率愈高，则速度也就愈高。

3.8割炬阀门的操作法

共同四种阀；乙炔阀、预热用氧气阀、切割用氧气阀及自动控制阀，乙炔与预热阀是用来控制混合气体的预热火焰，预热后，切割氧便喷出运行切割，在切割开始的同时打开自动控制阀，机器开动，磁轮沿着样板运动进行切割、切割完毕关闭切割氧气阀，自动控制阀也自动地停止工作。

   此时需注意：

若自动控制阀比切割氧气阀关闭的早，则机器运转仍不会停止工作，因在自动控制阀的橡皮管内有剩余氧气。