型鋼切割機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

李昊 郝保明 胡遵陽(yáng)

摘 要：對(duì)于型鋼切割機(jī)傳動(dòng)部分，型鋼切割機(jī)的縱向和橫向移動(dòng)臺(tái)均采用齒輪傳動(dòng)，并針對(duì)縱向齒輪齒條進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算.Z軸掛板裝置的升降機(jī)構(gòu)采用了螺旋傳動(dòng)，并進(jìn)行了滾動(dòng)絲杠的計(jì)算與校核，設(shè)置限位開關(guān)來限制其行程，避免發(fā)生撞機(jī)現(xiàn)象，以增強(qiáng)型鋼切割機(jī)的安全性.

關(guān)鍵詞：型鋼;切割機(jī);傳動(dòng)裝置

中圖分類號(hào)：TH162 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2020）08-0030-06

0 引言

型鋼因其具備優(yōu)越的力學(xué)性能和良好的使用功能，從而被廣泛地應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)工程、船舶重工工程、石油化工工程、汽車制造工程等行業(yè)領(lǐng)域，上述這些領(lǐng)域?qū)π弯摰那懈詈图庸ざ加兄罅康男枨?現(xiàn)在的切割方法主要有人工切割、半自動(dòng)切割、數(shù)控自動(dòng)切割等.相對(duì)人工切割和半自動(dòng)切割來說，使用數(shù)控自動(dòng)切割機(jī)切割的質(zhì)量好、效率高，能很大程度地減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度;我國(guó)現(xiàn)在的機(jī)械工業(yè)鋼材使用數(shù)量已經(jīng)升至3.5億噸以上，鋼材的切割作業(yè)量非常大，因此，數(shù)控自動(dòng)切割技術(shù)是型鋼切割的必然發(fā)展趨勢(shì).

我國(guó)型鋼切割行業(yè)對(duì)切割工藝參數(shù)研究的重視度不高，對(duì)切割基礎(chǔ)理論以及切割機(jī)理的研究仍然較為表面化，這些因素都在約束著我國(guó)型鋼切割行業(yè)的更深一層發(fā)展.要使產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，就一定要對(duì)以前的制造工藝和生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行改造和優(yōu)化，不斷的提出自己的想法，提出更加嚴(yán)格的要求，使切割設(shè)備更具柔性化和通用性.

型鋼切割機(jī)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)是能夠保障機(jī)器正常工作的前提，設(shè)計(jì)一個(gè)好的傳動(dòng)裝置不僅可以延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命，還能夠提高機(jī)器的工作效率.

1 傳動(dòng)裝置類型的選用

要選出合適的傳動(dòng)裝置，必需進(jìn)行全方位的分析比較，其基本依據(jù)如下：

（1）方便控制;

（2）了解其各種性能參數(shù);

（3）進(jìn)行各種費(fèi)用的分析，確保其擁有好的經(jīng)濟(jì)性;

（4）安全性好，環(huán)保.

機(jī)械設(shè)計(jì)中的常用傳動(dòng)類型包括以下幾種：

（1）齒輪傳動(dòng).該傳動(dòng)類型傳動(dòng)比固定、輸出動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、對(duì)安裝精度要求高.

（2）帶傳動(dòng).該傳動(dòng)類型適合軸中心距偏大的傳動(dòng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低;易于安裝與維修;超載時(shí)能確保其余部件不被破壞.

（3）鏈傳動(dòng).傳動(dòng)比較帶傳動(dòng)精確;較齒輪傳動(dòng)而言，能在軸中心距稍大的條件下傳動(dòng);使用僅限于平行軸;易脫鏈.

（4）蝸桿傳動(dòng).結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比較大;可靠性高，無雜音;功率選擇自由度高，能自鎖;效率低.

（5）螺旋傳動(dòng).精度高、工作穩(wěn)健，無噪聲;易自鎖;輸送動(dòng)力較大.

綜合考慮操作要求和工作環(huán)境，對(duì)各部位傳動(dòng)方案的選擇如下：龍門切割機(jī)的縱向和橫向移動(dòng)臺(tái)，采用齒輪傳動(dòng);Z軸掛板裝置的升降機(jī)構(gòu)中，考慮到結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單和穩(wěn)定、以及高效性需求，選用螺旋傳動(dòng).

2 齒輪設(shè)計(jì)

確定龍門機(jī)床的傳動(dòng)方式采取齒輪和齒條傳動(dòng)，因此，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就被替代成X、Y軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)，以縱向驅(qū)動(dòng)齒輪、齒條的設(shè)計(jì)為例.

2.1 材料的選擇

對(duì)于齒面極易發(fā)生磨損、斷裂、變形的慢速、重載傳動(dòng)齒輪，其制造材料需機(jī)械強(qiáng)度和韌性好;對(duì)于齒面易形成疲勞點(diǎn)蝕的高速傳動(dòng)齒輪，其制造材料需硬度高;對(duì)于受沖擊載荷的齒輪傳動(dòng)，其制造材料需韌性好;對(duì)類似于慢速、輕載等要求不高的齒輪，其制造材料可為鑄鐵等材質(zhì);對(duì)于尺寸大或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪則利用鍛造毛坯.

選擇驅(qū)動(dòng)齒輪為：40Cr，調(diào)質(zhì)處理后，耐低溫沖擊，韌性好，缺口敏感性低，齒部經(jīng)過淬火處理后，硬度為280HBS.

2.2 計(jì)算齒輪的尺寸和基本參數(shù)

根據(jù)齒輪傳動(dòng)的工作條件，本設(shè)計(jì)選用直齒圓柱齒輪.伺服電機(jī)的功率為400W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，減速器傳動(dòng)比為1：8，按照估算的圓周速度，考慮到傳動(dòng)平穩(wěn)的需求，查機(jī)械設(shè)計(jì)表初步選用7級(jí)精度.又因齒輪轉(zhuǎn)速要求低，轉(zhuǎn)矩小，漸開線圓柱齒輪模數(shù)（GB1357-85），初步選定標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)為：m=2mm，齒數(shù)取z=24.

KA為使用系數(shù)，考慮齒輪嚙合時(shí)外部領(lǐng)接裝置引起的附加動(dòng)載荷影響的系數(shù)，KA=1.0;KV為動(dòng)載荷系數(shù)，齒輪傳動(dòng)制造和裝配誤差是不可避免的，齒輪受載后還要發(fā)生彈性變形，因此引入了動(dòng)載系數(shù)，齒輪的制造精度7級(jí)精度，KV=1.2;K？琢為齒間載荷分配系數(shù)，直齒輪，K？琢=1.0;K？茁為齒向載荷分配系數(shù)，K？茁=1.15.

2.4 齒條的設(shè)計(jì)

齒條壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)精度高、易加工，采用45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，齒條的底面鉆有小孔，通過螺栓聯(lián)接安裝在橫梁上，由于齒條在運(yùn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)發(fā)生彎曲現(xiàn)象，為了保持齒條的直線度，所以在齒條上每隔200mm就鉆一個(gè)φ8的孔，每個(gè)孔上都用螺栓定位，保證齒輪和齒條能夠很好的嚙合.齒條的齒距均為P=？仔×m，齒條長(zhǎng)度為整個(gè)縱向?qū)к壍拈L(zhǎng)度.

3 螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 螺旋傳動(dòng)

螺旋傳動(dòng)是通過螺桿和螺母的嚙合來實(shí)現(xiàn)力的傳遞的，它可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變化為直線運(yùn)動(dòng)，把轉(zhuǎn)矩變化為推力，根據(jù)螺紋的摩擦特點(diǎn)，它又被分成滑動(dòng)和滾動(dòng)兩種形式.

梯形螺紋以及鋸齒形螺紋屬于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的形態(tài)，它們的螺紋升程和摩擦系數(shù)比較低，所以軸向力F很大，而轉(zhuǎn)矩T很小.滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)易發(fā)生自鎖、磨損以及爬行等情況，因此它的壽命不長(zhǎng)，效率偏低（基本在30～40%之間）.

通過滾動(dòng)體（滾珠或者滾子）在螺紋間的滾動(dòng)摩擦來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的方式就是滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)，也被叫作滾珠絲杠傳動(dòng).相比滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)來說，滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)效率高（≥90%）、壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)精度高、剛度強(qiáng)，且不易發(fā)生爬行、磨損、自鎖等現(xiàn)象，因此被廣泛運(yùn)用在機(jī)床、飛機(jī)、船舶和汽車等行業(yè)領(lǐng)域.

3.2 滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn)

（1）滾珠絲杠螺母副的工作原理：

滾珠絲杠螺母副可高效地將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變化成直線運(yùn)動(dòng)，因此被廣泛地運(yùn)用于數(shù)控機(jī)床中.它的組成部分包括絲桿、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.將滾珠放入絲桿和螺母之間，讓它們形成滾動(dòng)摩擦，這樣一來，摩擦阻力就減小了很多，傳動(dòng)效率也就自然而然的變高了.1和3上都有圓弧型面的螺旋槽，將它們按在一塊就形成一個(gè)螺旋滾道，4在其間既自轉(zhuǎn)又循環(huán)滾動(dòng).

（2）滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)：

傳動(dòng)效率高（η=0.85～0.98）、磨損小、摩擦力小、運(yùn)動(dòng)速度快、傳動(dòng)精度高（預(yù)緊后能將軸向間隙消除）、運(yùn)動(dòng)可逆（可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化，即絲桿和螺母可進(jìn)行主動(dòng)件和從動(dòng)件的角色轉(zhuǎn)變）、壽命長(zhǎng)、成本高（主要采用優(yōu)質(zhì)合金材料）.

3.3 滾珠絲桿副的安裝

選擇軸承時(shí)要依照載荷的大小和方向而定，安裝時(shí)要確保工作螺母和螺母座上的孔實(shí)現(xiàn)完美接觸，且要使孔和端面的垂直度符合設(shè)計(jì)要求.長(zhǎng)絲桿利用兩支撐結(jié)構(gòu)，短絲桿利用單支撐結(jié)構(gòu).

支承類型：最佳的絲杠支撐方式是確保數(shù)控切割機(jī)具備較高傳動(dòng)剛度的主要依據(jù)之一.絲杠副之間要有很高的配合度，因?yàn)榻z杠端部和它的支撐在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，受力時(shí)也會(huì)發(fā)生部分變形，這些都是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度的不利因素.因此一定要選擇最佳的軸承和絲杠的支承方式，常見方式如下：

（1）固定-自由式止推軸承：只在一端裝止推軸承，此方式的承載能力低、軸向剛度差、應(yīng)用范圍小，局限于短絲杠或垂直絲杠的安裝.

（2）固定-支承式止推深溝球軸承：一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承.止推軸承要遠(yuǎn)離熱源，以降低絲桿的熱變形，這種方式一般用于長(zhǎng)滾珠絲桿的安裝.

（3）固定-固定式止推深溝球軸承：兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承，兩端都進(jìn)行雙重支承并施加預(yù)緊拉力以增加剛度.此支撐方式能把絲桿的熱變形轉(zhuǎn)變成止推軸承的預(yù)緊力，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是有良好的傳動(dòng)精度和剛性.

3.4 滾珠絲杠設(shè)計(jì)

（1）滾珠絲杠的精度

本設(shè)計(jì)方案要求系統(tǒng)能夠達(dá)到3級(jí)定位精度，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，有效行程內(nèi)目標(biāo)行程公差eP=15？滋m，有效行程內(nèi)允許行程變動(dòng)量Vup=13？滋m，任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量V300p=12？滋m，2π弧度內(nèi)允許行程變動(dòng)量V2？仔p=6？滋m，選擇滾動(dòng)絲杠副的支承方式為兩端固定式（固定-固定式止推深溝球軸承）.

（2）計(jì)算載荷

機(jī)械手臂部分和連接機(jī)械手臂裝置重量m≈15kg，

G=mg=15kg×10N/kg=150N（重力加速度取g=10N/kg）. ? （10）

軸向載荷Fma=G=150N.

（3）計(jì)算額定動(dòng)載荷

絲杠的轉(zhuǎn)速為600r/min，絲杠使用壽命取Lh=15000h，得

Ca=fwFma（60nmLh）1/3/100fafc=4031.6N ?（11）

式中，精度系數(shù)fa=1.0，可靠性系數(shù)fc=1.0，載荷性質(zhì)系數(shù)fw=1.2，預(yù)加載荷系數(shù)fe=6.7.

（4）靜載計(jì)算：由機(jī)械手冊(cè)得，

Coa=fsFamax=300N ?（12）

式中fs=2，F(xiàn)amax=Fma.

（5）選取滾珠絲杠型號(hào)：采用外循環(huán)導(dǎo)珠管埋入式JCS-CBM系列精密滾珠絲杠系列CBT 3205-7型，如表1，其滿足承載能力要求.

（6）為消除絲杠和螺母之間的間隙、提高接觸剛度，要對(duì)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊的原理和計(jì)算方法與滾動(dòng)軸承類似，一般滾珠絲杠副的預(yù)緊力不小于最大軸向載荷的三分之一.

4 行程保護(hù)設(shè)計(jì)

型鋼切割機(jī)在進(jìn)行切割作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度比較快，必須采取一些安全措施來確保型鋼切割機(jī)設(shè)備的安全可靠，利用限位開關(guān)的功能.把限位開關(guān)安置于機(jī)械手臂的每個(gè)極限位置上，如此一來，只要機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行超出作業(yè)范圍，限位開關(guān)就會(huì)感應(yīng)到，這時(shí)的驅(qū)動(dòng)電源會(huì)立刻自行斷開，從而使操作工人和型鋼切割機(jī)的安全得到有效保障.限位開關(guān)分電感式和機(jī)械接觸式兩種，考慮到其精度要求，采用電感式限位開關(guān).

把型鋼切割機(jī)的三個(gè)移動(dòng)方向位置上都成對(duì)安裝上限位開關(guān)，把機(jī)械手臂的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上也安裝上限位開關(guān)，并保證能在預(yù)設(shè)的角度內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn).如圖2所示：水平移動(dòng)、Z軸掛板機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂的限位開關(guān)均固定在相應(yīng)的支撐部件上，在檢測(cè)到超程信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)將立即響應(yīng)，并通過切斷電路或控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)防超程目的.

5 型鋼切割機(jī)靜態(tài)強(qiáng)度分析

采用SolidWorks2012對(duì)型鋼切割機(jī)進(jìn)行三維建模，在用ansys workbench之前要對(duì)三維模型進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化，保留了型鋼切割機(jī)的主要器件與特征，將其他部分全部省去.這樣將極大的提高運(yùn)算速度，并對(duì)結(jié)果不會(huì)有很大的影響.如圖3所示為導(dǎo)入ANSYS Workbench后的模型.

導(dǎo)入模型以后，對(duì)其選擇材料，劃分網(wǎng)格，約束和加載，然后求解.

求解參數(shù)：Structural Steel密度P=7800kg/m3彈性模量E=200GPa，泊松比v=0.3;Aluminum Alloy密度P=2770kg/m3彈性模量E=71GPa，泊松比v=0.33;約束條件為橫梁底部的四塊小板加固定約束，并加上沿y軸負(fù)方向的重力加速度.

在對(duì)其劃分網(wǎng)格時(shí)樣重點(diǎn)劃分導(dǎo)軌和與導(dǎo)軌相連的面，其疏密程度對(duì)結(jié)果的影響非常大.劃分方式節(jié)點(diǎn)數(shù)為197360，單元數(shù)為93194，劃分結(jié)果如下圖4所示.

所有的工作準(zhǔn)備就緒后，開始求解，從總變形圖（如圖5）、靜態(tài)分析應(yīng)變?cè)茍D（如圖6）和靜態(tài)分析Von Mises應(yīng)力云圖（如圖7）幾個(gè)方面來對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行分析.

通過分析總變形圖和應(yīng)變?cè)茍D可知，其最大總變形為7.2915e-5m，最大應(yīng)變?yōu)?.637e-5m，在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，符合要求.可以看出應(yīng)力主要集中在導(dǎo)軌的中間位置，最大Von Mises應(yīng)力為5.26Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其材料的屈服強(qiáng)度.分析有限元分析結(jié)果可以看出，導(dǎo)軌的剛度和強(qiáng)度水平均可以滿足設(shè)計(jì)要求.

6 結(jié)論

通過對(duì)型鋼切割機(jī)傳動(dòng)部分進(jìn)行介紹，使得型鋼切割機(jī)的縱向和橫向移動(dòng)臺(tái)均采用齒輪傳動(dòng)，并針對(duì)縱向齒輪齒條進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算;Z軸掛板裝置中的升降機(jī)構(gòu)中，考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與高效性，采用了螺旋傳動(dòng)，且進(jìn)行了滾動(dòng)絲杠的計(jì)算與校核;對(duì)于型鋼切割機(jī)安全性考慮，采用限位開關(guān)來限制其行程，防止其發(fā)生撞機(jī)現(xiàn)象.

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