一種等離子切割機切割機構(gòu)的設(shè)計

　等離子是由電子、正離子和中性原子所組成的電離氣體。等離子切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化，并借助高速等離子的動量排出熔融金屬以形成割縫的加工方法1.它因其切割速度快，切割精度高，切割條件容易設(shè)定，易于實現(xiàn)自動化、無人化作業(yè)和成本相對較低等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用2.隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)與等離子切割的結(jié)合，近年新開發(fā)的等離子切割機在設(shè)計理論、設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能上又有了長足的發(fā)展3目前，在不銹鋼板材下料方面，很多廠家都是用傳統(tǒng)的沖壓方式進行。沖壓方式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無熱影響區(qū)，但同時也存在很多缺點，主要表現(xiàn)在：材料利用率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動強度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣。尤其是在手動沖壓中，原料進給主要是依靠操作者的觀察判斷進行，必須有一定的余量供操作者識別，而產(chǎn)品的質(zhì)量則與操作者的熟練程度、工作態(tài)度和責任心等主觀因素密切相關(guān)。同時，沖壓方式大都要經(jīng)過剪切和沖壓兩個環(huán)節(jié)，故工作效率低。而沖壓的噪聲很大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，對操作者的身心也存在不利影響。此外，大量模具的使用給生產(chǎn)管理帶來很大困難，而它們的設(shè)計、制造和維護也需要耗費大量的人力、物力和財力，加大了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

　　等離子切割可以精簡板材下料過程，把原先的剪裁和沖壓兩道工序合并為切割道工序。同時，等離子切割便于實現(xiàn)自動化，提高工作效率；便于實現(xiàn)精確進給，提高材料的利用率，也有利于維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。更為重要的是，等離子切割的應(yīng)用可以實現(xiàn)無模具切割，避免了大量模具在生產(chǎn)中的使用，給企業(yè)管理帶來很大的便利。因此，將等離子切割引入不銹鋼壓力送料長Iff整度控制板材的下料過程，對相關(guān)企業(yè)具有極大的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。

　　現(xiàn)階段，數(shù)控等離子切割是等離子切割一個主要發(fā)展方向。數(shù)控機床具有高度的制造柔性，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，便于改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。將等離子切割技術(shù)與數(shù)控技術(shù)有機結(jié)合，可以發(fā)揮等離子切割更大的優(yōu)越性。為實現(xiàn)自動切割，等離子切割機必須能連續(xù)送料，自動進給；割炬要能夠沿橫向和縱向單獨或聯(lián)合運動，以形成需要的加工曲線。機器的各功能部分要能夠密切配合、協(xié)調(diào)，如進給、切割和成品送出等步調(diào)需一致，以實現(xiàn)精確連續(xù)切割。同時，切割的各種工藝參數(shù)要求能夠靈活調(diào)整，如速度、壓力、氣壓、電流和割炬高度等，以優(yōu)化工藝參數(shù)，滿足不同板材的切割要求。

　　1.2等離子切割的工藝流程等離子切割的引入，使切割過程大為簡化。通過對切割過程的深入分析，可以得出等離子切割大致的工藝流程，具體過程如所示。

　　M料平整送料張緊等離子成品收集殘料收集等離子切割的工藝流程2等離子切割機的整體結(jié)構(gòu)及切割過程為實現(xiàn)上述切割過程，必須要有相應(yīng)的機械本體與之適應(yīng)。設(shè)計機械結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循經(jīng)濟適用、穩(wěn)定可靠的原則，即在滿足功能要求的前提下使結(jié)構(gòu)盡可能簡單4.本文設(shè)計的板材等離子切割機構(gòu)包括5大部分，如所示5.等離子切割機的整體結(jié)構(gòu)示意圖等離子的切割過程大致如下：首先將不銹鋼板卷材按所示順序安裝好，然后調(diào)整好各機構(gòu)，啟動電動機，實現(xiàn)整形、送料，到要求長度時控制系統(tǒng)發(fā)出信號，切割頭開始工作，同時收料機構(gòu)開始動作，依靠傳送帶把切割好的盤料送出，轉(zhuǎn)換到履帶傳動，到成品收集框后履帶張開，成品依靠自重落入成品收集框。整形機構(gòu)和牽引裝置輥輪間的間隙可調(diào)，以調(diào)整整形壓力和牽引力的大小，適應(yīng)不同厚度的板材切割。

　　等離子切割機的切割部分是該切割機的重要工作部分，是切割的直接執(zhí)行機構(gòu)，它的設(shè)計好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。它不僅要求有合適的參數(shù)設(shè)置，如起弧電壓、切割電流、切割速度、切割噴嘴距工件的距離等，也要求運動準確，進給誤差小。下面將對本機的切割部分進行深入的分析和探討。

　　3等離子切割機構(gòu)的設(shè)計3.1切割機構(gòu)的作用分析等離子切割機構(gòu)是該機的主要工作部分，是保證切割質(zhì)量，提高工作效率的關(guān)鍵之所在。常見的等離子切割機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要有懸臂式、龍門式和臺式。

　　它們各有其特點，適用于不同的加工場合。

　　3.2各種等離子切割機構(gòu)的優(yōu)缺點比較懸臂式機構(gòu)：設(shè)備移動、安裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊，需要空間位置小，制造成本低。但受懸臂式結(jié)構(gòu)的限制，受力條件較差，容易產(chǎn)生橫向變形，橫向切割寬度受到限制，高速切割時剛性較差。

　　龍門式切割機構(gòu)：龍門式支承方式雙向支撐，受力較均勻，設(shè)備剛性較好，可以實現(xiàn)較大的橫向跨度，通?？蛇_3~10m.但設(shè)備安裝要求高，結(jié)構(gòu)相對較大，需占用較多的廠房面積。其驅(qū)動方式有單邊驅(qū)動和雙邊驅(qū)動之分。單邊驅(qū)動和雙邊驅(qū)動各有其特點和使用場合。單邊驅(qū)動避免了雙邊驅(qū)動的高精度同步控制和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但由于質(zhì)心偏置而驅(qū)動力不通過質(zhì)心，工作中將產(chǎn)生不對稱的慣性力，容易出現(xiàn)振動、變形和傾斜等不利情況，因此僅能用于小跨度的情況6.雙邊驅(qū)動結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要進行兩邊高精度的同步控制，可用于較大跨度，運動更平穩(wěn)。

　　臺式切割機構(gòu)：切割部分和機器為一整體式，移動就位方便，但割炬運動范圍比較小，切割幅面大小受到一定的限制。

　　比較上述3種切割機構(gòu)的優(yōu)缺點，龍門式切割機構(gòu)可切割跨度大，運動平穩(wěn)，穩(wěn)定性好，與企業(yè)要求較吻合。因此，這里采用龍門式切割機構(gòu)。

　　3.3切割機構(gòu)的運動分析切割采用板材固定，割炬運動的方式進行。割炬需要能夠沿3個方向移動一橫向、縱向和豎直方向，橫向和縱向用于形成加工所需要的各種軌跡，豎直方向則是為了調(diào)整割炬至工件的距離，便于工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。

　　在數(shù)控加工中，插補是形成工件加工軌跡必須的運動，即數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)加工工件輪廓數(shù)據(jù)，運用一定的算法進行計算，根據(jù)計算的結(jié)果對相應(yīng)的坐標軸發(fā)出進給指令，然后進給機構(gòu)依據(jù)指令移動相應(yīng)距離，從而形成工件的加工輪廓。不同算法對數(shù)控加工有兩方面的影響，即插補誤差的大小和插補速度的快慢。在眾多的插補算法中，逐點比較法因其較快的計算速度以及適宜的插補誤差而得到廣泛運用。其原理是刀具每走一步控制系統(tǒng)都將加工點與給定的圖形軌跡相比較，以決定下一步進給的方向，使刀具運動的軌跡逼近工件輪廓7.機構(gòu)橫向和縱向運動是插補運動，其換向頻繁，單次進給量很小，用微小的折線段來逼近直線或圓弧，運動精度要求高，因此要求執(zhí)行構(gòu)件具有足夠的精度，并且要求運動平穩(wěn)。割炬橫向的運動是通過龍門帶動割炬安裝塊實現(xiàn)的，而縱向的運動是通過割炬安裝塊沿龍門橫梁移動實現(xiàn)，豎直方向的調(diào)整則通過割炬沿割炬安裝塊的移動實現(xiàn)。

　　3.4切割機構(gòu)運動的實現(xiàn)3.4.1龍門的橫向移動龍門的橫向移動，考慮用滾珠絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)。滾珠絲杠螺母機構(gòu)具有如下特點：（1）摩擦小，效率高，機械效率可達90%以上；（2）靈敏度高，傳動平穩(wěn)；（3）磨損少，壽命長；（4）可消除軸向間隙8.由于上述優(yōu)點，滾珠絲杠螺母機構(gòu)在直線傳動中得到廣泛的應(yīng)用。

　　為使兩側(cè)受力平衡，龍門采用雙邊驅(qū)動的方式。用伺服電動機控制絲杠的移動距離。伺服電動機具有穩(wěn)定性好、功率消耗低、壽命長、定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。用伺服電動機進行控制，可使速度和位置控制非常精確。為避免發(fā)生運動干涉，前后驅(qū)動電動機運行必須嚴格同步。

　　根據(jù)工作條件分析，工作僅有輕微振動，工作部件的質(zhì)量m =270kg，最大加速度amax速度amin=5m/s2，由此可以求得軸向最大工作載荷Fmax絲杠的最高轉(zhuǎn)速nmax=100r/min，最低轉(zhuǎn)速nmin=10r/min，絲杠的精度選為4級。對滾珠絲杠的設(shè)計計算如下9割炬沿橫梁的縱向移動同樣是直線移動，因此仍采用滾珠絲杠螺母機構(gòu)實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)類似于龍門的傳動機構(gòu)，這里就不再詳細討論了。

　　3.4.3割炬豎直方向的調(diào)整割炬噴嘴至工件的距離對等離子切割具有重要影響。距離太大，電弧長度增加，熱量損失增大，切割能力下降；反之，距離太小，則容易導(dǎo)致噴嘴與工件間短路而燒壞噴嘴，破壞切割過程的正常進行。

　　因此，割炬豎直方向的距離調(diào)整顯得十分重要。設(shè)計時同樣需要考慮到方案的可行性、結(jié)構(gòu)的簡單性和操作的方便性。這里用一個偏心滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)割炬豎直方向的高度調(diào)整。

　　偏心輪具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便的特點。具體實現(xiàn)過程是：滑塊和割炬連接在一起，滑塊豎直移動帶動割炬豎直移動，依靠偏心輪的轉(zhuǎn)動來控制割炬在豎直方向的高度。其結(jié)構(gòu)示意圖如所示。

　　整距離進行精確計算。假設(shè)偏心輪的偏心距為e，則滑塊的可調(diào)范圍為2e.根據(jù)工藝要求，割炬至工件的距離一般要求在4 ~10mm之間，變化范圍為6mm.故只要將偏心距e設(shè)為5mm，則高度調(diào)整范圍Ah足使用要求。

　　最高位置，滑塊至偏心輪圓心的距離為h則偏心輪轉(zhuǎn)過任意角0時，高度的改變量Ah可用算出：其中：L為連桿長度。

　　由式（1）可求得偏心輪轉(zhuǎn)任意角度時滑塊的位置，故滑塊的高度可通過控制偏心輪的轉(zhuǎn)角來精確調(diào)3.4.4切割機構(gòu)的整體裝配圖綜合上面的橫、縱向移動機構(gòu)和調(diào)高裝置，可得最終的切割機構(gòu)如所示。

　　該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，控制精確，可以實現(xiàn)橫向和縱向的單獨或聯(lián)動運動，可以方便地形成多種加工軌跡，適應(yīng)不同工件的加工需求，加工范圍廣，具有很大的靈活性和調(diào)整空間。割炬豎直方向的高度可以實現(xiàn)精確調(diào)整，以滿足不同工藝的高度設(shè)定要求。

　　由于龍門跨度較大，橫向采用了雙邊驅(qū)動，使運動平穩(wěn)。

　　4結(jié)語等離子切割技術(shù)具有切割速度快、切割質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點，該技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼板材的下料，可以有效提高不銹鋼板材下料過程的自動化水平，改善工作環(huán)境，提高材料的利用效率，具有較大的經(jīng)濟和社會效益。本文對一種等離子切割機的整體結(jié)構(gòu)進行了初步探討，重點對切割機構(gòu)部分進行了分析和討論，通過機構(gòu)的功能和運動分析、關(guān)鍵部件的詳細設(shè)計以及設(shè)計方案的比較，提出了一種經(jīng)濟適用的結(jié)構(gòu)方案，可較好地滿足切割生產(chǎn)的現(xiàn)實使用要求。