型鋼切割機傳動裝置設(shè)計

李昊 郝保明 胡遵陽

摘 要：對于型鋼切割機傳動部分，型鋼切割機的縱向和橫向移動臺均采用齒輪傳動，并針對縱向齒輪齒條進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計與計算.Z軸掛板裝置的升降機構(gòu)采用了螺旋傳動，并進(jìn)行了滾動絲杠的計算與校核，設(shè)置限位開關(guān)來限制其行程，避免發(fā)生撞機現(xiàn)象，以增強型鋼切割機的安全性.

關(guān)鍵詞：型鋼;切割機;傳動裝置

中圖分類號：TH162 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：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、半自動切割、數(shù)控自動切割等.相對人工切割和半自動切割來說，使用數(shù)控自動切割機切割的質(zhì)量好、效率高，能很大程度地減輕操作者的勞動強度;我國現(xiàn)在的機械工業(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)控自動切割技術(shù)是型鋼切割的必然發(fā)展趨勢.

我國型鋼切割行業(yè)對切割工藝參數(shù)研究的重視度不高，對切割基礎(chǔ)理論以及切割機理的研究仍然較為表面化，這些因素都在約束著我國型鋼切割行業(yè)的更深一層發(fā)展.要使產(chǎn)品在國際市場上有更強的競爭力，就一定要對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.

型鋼切割機傳動裝置的設(shè)計是能夠保障機器正常工作的前提，設(shè)計一個好的傳動裝置不僅可以延長機器的使用壽命，還能夠提高機器的工作效率.

1 傳動裝置類型的選用

要選出合適的傳動裝置，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.

機械設(shè)計中的常用傳動類型包括以下幾種：

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

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

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

（4）蝸桿傳動.結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比較大;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.精度高、工作穩(wěn)健，無噪聲;易自鎖;輸送動力較大.

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

2 齒輪設(shè)計

確定龍門機床的傳動方式采取齒輪和齒條傳動，因此，電機的旋轉(zhuǎn)運動就被替代成X、Y軸方向上的直線運動，以縱向驅(qū)動齒輪、齒條的設(shè)計為例.

2.1 材料的選擇

對于齒面極易發(fā)生磨損、斷裂、變形的慢速、重載傳動齒輪，其制造材料需機械強度和韌性好;對于齒面易形成疲勞點蝕的高速傳動齒輪，其制造材料需硬度高;對于受沖擊載荷的齒輪傳動，其制造材料需韌性好;對類似于慢速、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 計算齒輪的尺寸和基本參數(shù)

根據(jù)齒輪傳動的工作條件，本設(shè)計選用直齒圓柱齒輪.伺服電機的功率為400W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，減速器傳動比為1：8，按照估算的圓周速度，考慮到傳動平穩(wěn)的需求，查機械設(shè)計表初步選用7級精度.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)，考慮齒輪嚙合時外部領(lǐng)接裝置引起的附加動載荷影響的系數(shù)，KA=1.0;KV為動載荷系數(shù)，齒輪傳動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，因此引入了動載系數(shù)，齒輪的制造精度7級精度，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

齒條壽命長、傳動精度高、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，由于齒條在運動時可能會發(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φ8的孔，每個孔上都用螺栓定位，保證齒輪和齒條能夠很好的嚙合.齒條的齒距均為P=？仔×m，齒條長度為整個縱向?qū)к壍拈L度.

3 螺旋傳動設(shè)計

3.1 螺旋傳動

螺旋傳動是通過螺桿和螺母的嚙合來實現(xiàn)力的傳遞的，它可以把旋轉(zhuǎn)運動變化為直線運動，把轉(zhuǎn)矩變化為推力，根據(jù)螺紋的摩擦特點，它又被分成滑動和滾動兩種形式.

梯形螺紋以及鋸齒形螺紋屬于滑動螺旋傳動的形態(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.滑動螺旋傳動易發(fā)生自鎖、磨損以及爬行等情況，因此它的壽命不長，效率偏低（基本在30～40%之間）.

通過滾動體（滾珠或者滾子）在螺紋間的滾動摩擦來實現(xiàn)傳動的方式就是滾動螺旋傳動，也被叫作滾珠絲杠傳動.相比滑動螺旋傳動來說，滾動螺旋傳動效率高（≥90%）、壽命長、傳動精度高、剛度強，且不易發(fā)生爬行、磨損、自鎖等現(xiàn)象，因此被廣泛運用在機床、飛機、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

（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)運動變化成直線運動，因此被廣泛地運用于數(shù)控機床中.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，讓它們形成滾動摩擦，這樣一來，摩擦阻力就減小了很多，傳動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螺旋滾道，4在其間既自轉(zhuǎn)又循環(huán)滾動.

（2）滾珠絲杠螺母副的特點：

傳動效率高（η=0.85～0.98）、磨損小、摩擦力小、運動速度快、傳動精度高（預(yù)緊后能將軸向間隙消除）、運動可逆（可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的相互轉(zhuǎn)化，即絲桿和螺母可進(jìn)行主動件和從動件的角色轉(zhuǎn)變）、壽命長、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

選擇軸承時要依照載荷的大小和方向而定，安裝時要確保工作螺母和螺母座上的孔實現(xiàn)完美接觸，且要使孔和端面的垂直度符合設(shè)計要求.長絲桿利用兩支撐結(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)控切割機具備較高傳動剛度的主要依據(jù)之一.絲杠副之間要有很高的配合度，因為絲杠端部和它的支撐在加工時會產(chǎn)生誤差，受力時也會發(fā)生部分變形，這些都是進(jìn)給運動系統(tǒng)傳動剛度的不利因素.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，但是有良好的傳動精度和剛性.

3.4 滾珠絲杠設(shè)計

（1）滾珠絲杠的精度

本設(shè)計方案要求系統(tǒng)能夠達(dá)到3級定位精度，查機械設(shè)計手冊得，有效行程內(nèi)目標(biāo)行程公差eP=15？滋m，有效行程內(nèi)允許行程變動量Vup=13？滋m，任意300mm行程內(nèi)行程變動量V300p=12？滋m，2π弧度內(nèi)允許行程變動量V2？仔p=6？滋m，選擇滾動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）計算載荷

機械手臂部分和連接機械手臂裝置重量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）計算額定動載荷

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）靜載計算：由機械手冊得，

Coa=fsFamax=300N ?（12）

式中fs=2，F(xiàn)amax=Fma.

（5）選取滾珠絲杠型號：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，要對負(fù)荷進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊的原理和計算方法與滾動軸承類似，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

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

把型鋼切割機的三個移動方向位置上都成對安裝上限位開關(guān)，把機械手臂的兩個轉(zhuǎn)動關(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、Z軸掛板機構(gòu)、機械手臂的限位開關(guān)均固定在相應(yīng)的支撐部件上，在檢測到超程信號時，控制系統(tǒng)將立即響應(yīng)，并通過切斷電路或控制步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)防超程目的.

5 型鋼切割機靜態(tài)強度分析

采用SolidWorks2012對型鋼切割機進(jìn)行三維建模，在用ansys workbench之前要對三維模型進(jìn)行修改和簡化，保留了型鋼切割機的主要器件與特征，將其他部分全部省去.這樣將極大的提高運算速度，并對結(jié)果不會有很大的影響.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.

在對其劃分網(wǎng)格時樣重點劃分導(dǎo)軌和與導(dǎo)軌相連的面，其疏密程度對結(jié)果的影響非常大.劃分方式節(jié)點數(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)變云圖（如圖6）和靜態(tài)分析Von Mises應(yīng)力云圖（如圖7）幾個方面來對導(dǎo)軌進(jìn)行分析.

通過分析總變形圖和應(yīng)變云圖可知，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度.分析有限元分析結(jié)果可以看出，導(dǎo)軌的剛度和強度水平均可以滿足設(shè)計要求.

6 結(jié)論

通過對型鋼切割機傳動部分進(jìn)行介紹，使得型鋼切割機的縱向和橫向移動臺均采用齒輪傳動，并針對縱向齒輪齒條進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計與計算;Z軸掛板裝置中的升降機構(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，且進(jìn)行了滾動絲杠的計算與校核;對于型鋼切割機安全性考慮，采用限位開關(guān)來限制其行程，防止其發(fā)生撞機現(xiàn)象.

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