大型管材相贯线切割机设计 毕对业设计.doc
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1、大型管材相贯线切割机设计 0 目录目录 目录1 中文摘要2 Abstract.2 第 1 章 绪论3 第 2 章 数学模型及工艺分析4 2.1 钢管典型相贯线数学模型的建立.4 2.2 割炬运动分析5 2.3 焊接坡口工艺分析6 2.4 割炬的径向补偿6 第 3 章 设备总体方案及布局7 3.1 机床总体方案7 3.2 切割机传动系统的简要说明7 3.3 功能和技术参数分析8 第 4 章 机械系统设计10 4.1 Z 轴工作滑台的设计10 4.2 调整丝杠的设计.17 4.3 齿轮齿数的确定与较核18 4.4 支架的设计18 第 5 章 控制系统设计20 5.1 系统方案设计.20 5.2 控
2、制系统的选用21 5.3 数控装置的部件结构和安装21 5.4.控制系统的硬件设计.22 5.5 图形交互人机界面23 总 结25 鸣 谢26 参考文献27 大型管材相贯线切割机设计 1 中文摘要 本设计以相贯线数学参数模型的基础, 分析切割机的割炬的轨迹运动, 将切割运动分解为 割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿四轴联动,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动 进行研究,并最终完成相贯线切割机的设计.该切割机采用数控原理进行轨迹控制,采用火焰切 割方式工作.设计共分四部分:相贯线数学参数模型的建立,切割机总体方案设计,机械结构设计 和控制系统设计. 关 键 词:大型管材;相贯线;焊接坡口;数
3、控火焰切割 Abstract Based on the mathematical model of intersecting line and the analysis of the track of cutting torch, the design studies NC cutting movement for welding groove of pipe intersecting and finishes the design of pipe intersecting line cutting device . The cutting movement was divided into
4、four axis relative motions of cutting torch, i. e. rotate round the pipe, shift along pipe, swing and compensate along radial direction. The device uses NC principle for intersecting line track control, the cutting method is flame-cutting. And the design contains four sections: the establishment of
5、mathematical model of intersecting line, the design of the whole scheme, the design of mechanical structure and the design of NC control system. Keywords: Large-scale pipe; Intersecting line; Welding groove; NC flame-cutting 大型管材相贯线切割机设计 2 大型管材相贯线切割机设计 湖南工学院机械工程系数控 0401,2000121509,黄俊 指导教师:黄开有 第 1 章
6、绪论 随着海洋石油工业的发展 ,海洋工程结构建造将面对面大量的钢管相贯的加工 .南海西 部石油合众公司,主要以海上平台上部模块建造工程为主,而大型管材相贯是该海上平台加工 制造过程中经常遇见的切割焊接结构.相贯焊接前,管端相贯 线需要加工,相贯线上每一点的焊接坡口也需要加工 .根 据石油天然气行业标准 (SY/T 4802-92)和美国石油协会 标准(API PI 2A),相贯线上每一点的焊接坡口取决于该 点的局部两面角 . 不同形式的钢管相贯 ,相贯线上每一点 的局部两面角各不相同 ,局部两面角沿相贯线在不断变化 . 目前,该公司切割下料以人工作业为主,对于这种带坡口相 贯线均采用人工放样等
7、工艺方法来进行加工,因此下料工作 进度与效率成为影响整个平台建造工程进度的主要因素,为 改变工作强度大和效率低的现状,本课题尝试运用所学的机电 一体化的相关知识进行大型管材相贯线切割机的设计. 本课题所研究的大型管材相贯线切割机是属于数控火焰切割机,它具有一般数控机床的特 点,能根据数控加工程序,自动完成从点火 -预热-通切割氧-切割-熄火-返回原点的整套切割 过程。但数控火焰切割机又有别于一般数控金属切削机床,它利用氧-乙炔火焰把钢板割缝加 热到熔融状态,用高压氧吹透钢板进行切割,而不像金属切削机床那样,是用金属切削工具与工 件刚性接触来进行切削加工。目前这种数控火焰切割机仍依赖进口.因此,
8、开发这种火焰切割机 具有重要的意义. 大型管材相贯线切割机设计 3 第 2 章 数学模型及工艺分析 2.1 钢管典型相贯线数学模型的建立 如图 2-1 所示,空间相贯线是一个复杂的空间 曲线,描述其轨迹需要用空间坐标方程 f(x,y,z)=0, 其函数关系复杂,但由于相贯线是两个圆柱的交线, 所以,采用柱坐标可以把三维坐标转化为二维坐标方 程 f(h,)=0.以下相贯线均指支管内圆柱和主管外圆柱相贯. 图 2-1 空间相贯线曲线 如图 2-2 所示,在空间三维坐标系下两圆柱的相贯线方程为 (1) (2) 式中 r - 支管半径 (mm) R - 主管半径 (mm) 坐标系与坐标系间存在以下坐标
9、变换关系 图 2- 2 两圆柱的相贯线OxyzOxyz (3) (4) (5) 式中 - 坐标系旋转角,亦即两管交角. 在平面内支管圆柱面的方程为 (6) (7) 图2- 3 支管圆柱面的方程 式中 - 支管上的旋转角. 由式(1)(7) 式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下 222 yzR 222 yzr cossinxxy sincosyxy zz cosyr sinzr coscos sin yr x 大型管材相贯线切割机设计 4 22 ()sin() (cos() ( sintan Rre r hf 1 (8) (9) (10) 取在坐标系下过相贯线上x轴坐标值最大的点且垂直于x轴的平
10、面为下料基准面.其Oxyz 在 坐标系下的方程为 Oxyz (11) 由此可得支管下料高度为 (12) 即下料高度 h 是支管上的旋转角的函数: (13) 以上讨论的是典型相贯线数学方程,即两圆柱轴线相交成一角度.在两圆柱轴线异面并有一偏心 距 e 时,其相贯线方程为: 式中 - 支管壁厚 (mm) - 扭转角,标志主管相对于支管的扭转角度. 2.2 割炬运动分析 如图 2-3 所示,被切支管保持不动, 割炬沿被切支管做 R 轴(旋转轴),T 轴 (摆动轴),A 轴(纵向补偿轴)三轴和环 架的 Z 轴(轴向移动)共四轴联动.正式 切割前,手动完割炬和环架的径向运动, 以调整割炬与被切管径向位置
11、;在切割 过程中, 割炬按照设定速度绕被切管作 回转运动, 被切管剖面的摆动和径向补 偿运动,环架沿被切管轴向作轴向移动, 其速度大小是由管壁厚和害炬回转速度 决定. 割炬在被切管剖面的摆动角度按 22 sinyRr sinzr cotcscxrR ( cotcsc ) ( cossin)hrRxy coscos 22 ( ) ( cotcsc ) (cossinsin) sin yr hfrRRr 大型管材相贯线切割机设计 5 1 工艺规范切出坡口.四轴必须按照一定 的数学关系联动,才能切出所需的空间相 贯曲面. 图 2-4 割炬运动 注:1肖聚亮,王国栋.火焰数控切管机割炬轨研究及仿真 2
12、.3 焊接坡口工艺分析 根据焊接工艺要求,为保证构件的强度和避免较大的焊缝尺寸,一般中厚板的接头都要进 行开坡口焊接.因此,切管时不仅要切出相贯线,还要切出坡口角,切管机最后切出的管端形状是 空间曲面.根据美国焊接学会AWS D1.1规范要求,所开焊接坡形式,根部间隙和钝边高度均取决 于相交双管相贯线上各部位的局部二面角.而支管下料时切割高度曲线的确定也与相贯线上的 局部二面角相关.不同管径,不同厚度,不同交角的相交双管的相贯线上的各部位局部二面角各 不相同.在工程实际中,焊接坡口角度是通过钝边和坡口切割高度来保证的. 图 2-5 焊接坡口参数及装配规范 坡口角的取值是根据两面角的大小来决定.
13、相贯线上任选两点两面角为: 根据石油天然气行业标准 (SY/T 4802-92)和美国石油协会标准 (API PI 2A)来确定坡 口角.按API标准 当 90时,坡口角 = /2; 当 90时, = 45. 2.4 割炬的径向补偿 在实际切割过程中是沿支管外表面进行的 ,在这一过程中不仅要完成相贯线的切割 ,也 要完成坡口的切割 .坡口角是由实际 切割角来保证,实际切割角由割炬 绕支管外表面一点在轴剖面内偏转实 现的,其偏转的结果不应使要切割的 相贯线偏离原来的位置 ,为此,割炬需 arccoscos() 大型管材相贯线切割机设计 6 沿支管外表面作径向补偿 . 其补偿量 为: 图 2-6
14、径向补偿 = tan 加 Q 1037774652 有多张 CAD 图纸,开 题报告 第 3 章 设备总体方案及布局 3.1 机床总体方案 对于大型钢管的相贯线的切割有两个方案: 方案 1:钢管由主轴带动旋转,同时割矩枪只需进行轴向移动即可实现切割要求, 所以要实现 2 轴联动。 方案 2:钢管静止不动,并且由于相贯钢管的直径大小不同、相贯角度不同,都会 导致相贯线轨迹的不同,因此割矩枪必须要利用数控系统实现轴向转动、轴向移动、径 向补偿移动、轴剖面内摆动 ,均采用步进电动机带动,所以要实现 4 轴联动,并且要求 能进行人机对话,编程及操作方便,诊断功能和纠错功能强,具有显示和通信功能,缩 短
15、非生产准备时间,提高生产率。 由于被加工的钢管最大重量可达 M=7.810003.14(0.50.5-0.460.46) 12=11285.9kg 且钢管长度最长时可达 12m。 如果照方案 1 钢管转动起来需要耗费比较大的功率,并且钢管过长转动起来还会产生较大的 扭矩从而影响钢管的加工质量.因此本设计采用方案 2. 3.2 切割机传动系统的简要说明 3.2.1 切割机各轴的定义 切割机在实现相贯线切割时,需要四轴联动和两个手动来完成.现定义四轴如下图 4-1. 大型管材相贯线切割机设计 7 图 3-1 切割机的四轴联动 3.2.2 Z 轴工作滑台简明传动系统图 z 轴主要完成沿着钢管轴心的轴
16、向进给 图 3-2 Z 轴传动系统图 图 3-3 R 轴和 A 轴传动系统图 3.2.3 R 轴和 A 轴传动系统图 R 轴和 A 轴分别实现割炬绕着钢管转动和沿钢管径向补偿.如图 3-3。 3.2.4 T 轴和径向调整传动系统图 T 轴是实现割炬的前后摆动,以切出所需要的 坡口角.其摆动行程为 30-30. 图 3-4 T 轴和径向调整传动系统图 3.3 功能和技术参数分析 相干钢管的直径大小不同、相干角度不同,都会导致相干相贯线轨迹的不同,因此割矩枪 轴 轴 大型管材相贯线切割机设计 8 必须要利用数控系统实现纵向移动,旋转运动和径向移动的定位精度、走刀速度等诸技术参数, 并且要求能进行人
17、机对话,编程及操作方便,诊断功能和纠错功能强,具有显示和通信功能, 缩短非生产准备时间,提高生产率。加上割矩枪在旋转过程中随着切割位置的不同还需要割矩 摆动角度参数,即机床要实现四轴联动。 加工的钢管直径尺寸 2001000mm,最长 12000mm,厚度 1040mm,属于比较大型的钢 管,精度要求不高,主要考虑机构机床的刚度要求。因此可采用开环结构,并选择步进电动机 作为机床的动力源。 步进电动机可通过数控装置实现无级调速,因此主轴转速只需要满足最小与最大极限要求 转速即可在此范围内实现连续的速度变化要求。 由于乙炔在热切割里应用的广泛性和低成本,决定选用乙炔作为气体燃料。选用外混式割嘴。
18、 查简明焊工手册P581 可得火焰切割速度如下: 表 3-1 火焰切割速度 割嘴板厚 /mm 号 码 喉径 d/mm 切割速度 (mm/min) 52010.6800300 254 0 20.8500250 357 0 31.0350150 大型管材相贯线切割机设计 9 第 4 章 机械系统设计 4.1 Z 轴工作滑台的设计 4.1.1 脉冲当量即系统分辨率。 p 本设计中选用0.01mm p 4.1.2 选定传动比 当 1 时,可使步进电机直接与丝杠联接,有利于简化结构,提高精度。因此本设计中取i 1。i 4.1.3 初选步机电机 根据公式 公式 (4-1) p bL i 360 0 其中
19、为传动比,为电机步距角,为滚珠丝杠导程,为脉冲当量。i b 0 L p 因为 1,0.01mm,现取4mm,可得0.9o初选步进电机型号为 90BF001。i p 0 L b 4.1.4 计算丝杠承受的质量 在本设计中加工的最在钢管直径是 1m, 以 30 o 为钢管的最小相干角度,则此时丝杠的行程 至少应为 1.73m, 丝杠的尺寸取整为 2m. 燕尾槽的重量大约为 0.100.60.30.67.81000=84.2kg 工作台的重量为 0.30.330.047.81000=30.8kg 齿轮和管状体的重量大概为 7.8(0.70.7-0.60.6)3.14 0.1=318.3kg 再加上绕
20、齿轮转动的燕尾滑块、两个电动机、和火焰切割枪等,取丝杠所承受的质量 M=460kg 4.1.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据是根据最大工作载荷和最大静载荷。初步选型后,进 行轴向刚度验算和压杆稳定性验算。 大型管材相贯线切割机设计 10 4.1.5.1 最大工作载荷的计 本设计中,选用矩形滚动直线导轨。得滚珠丝杠上的工作载荷: 公式(42) 其中为考虑导轨上的摩擦系数, 对于矩形滚动导轨取0.005。G=M 所以, f f 22.548 . 94600.005Fm 4.1.5.2 最大动载荷的计算和主要尺寸的初选 C 滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算:C 公式(4
21、3) mmF fL 3 C 式中:为工作寿命,; 为丝杠转速,;为最大进给速L 6 10/60ntL n 0 /1000Lvn v 度;为丝杠导程; 为额定使用寿命,可取 15000h;为运转状态系数,现 0 Ltt m f 1.5;为丝杠工作载荷; m f m F 由板厚 520、2540、3570mm 查简明焊工手册P581 可得火焰切割速度分别为 800300、500250、150350mm/min。 综合考虑大齿轮的旋转运动和底下工作台的直线运动选项用工作台的直线进给速度为 =0.8m/minv 公式(44) )10(180 10 1500020060 10/60 min/200 4
22、8 . 01000 /1000 6 6 6 0 rntL rLvn 所以,89.19022.545 . 1180C 33 mmF fL 本设计选外循环滚动螺旋副,查机电综合设计指导书表 2-8,根据4mm,选丝杠 0 L 公称直径,有:mmdm16 9700C 4000C 933 12.5 2.381DW oa a mm 额定静载荷 额定动载荷 ,丝杠螺旋升角 ,列数圈数 ,滚珠直径 因为,所以初选的丝杠螺母副合格。C a C 4.1.5.3 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 公式(45) )( tg tg 式中:为丝杠螺旋升角,为摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数0.0030.004,
23、f G f m F 大型管材相贯线切割机设计 11 1 m F L EA 其摩擦角约等于。0 1 所以, 96 . 0 )01933( 933 )( tg tg tg tg 4.1.5.4 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭 转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。滚珠丝杠的扭 转变形较小,对纵向变形的影响更小,可忽略不计。螺母座只要设计合理,其变形量也可 忽略不计,只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好,轴承的轴向接触变形在此也可以不予考虑。 A) 丝杠的拉压变形量 1 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量,其计算公式为 公式
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