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大型管材相贯线切割机设计

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,相贯线上每点的焊接坡口也需要加工.根据石油天然气行业标准和美国石油协会标准,相贯线上每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,开发这种火焰切割机具有重要的意义.第章数学模型及工艺分析.钢管典型相贯线数学模型的建立如图所示,空间相贯线是个复杂的空间曲线,描述其轨迹需要用空间坐标方程,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,.以下相贯线均指支管内圆柱和主管外圆柱相贯.图空间相贯线曲线如图所示,在空间三维坐标系下两圆柱的相贯线方程为式中支管半径主管半径坐标系与坐标系间存在以下坐标变换关系图两圆柱的相贯线式中坐标系旋转角,亦即两管交角.在平面内支管圆柱面的方程为图支管圆柱面的方程式中支管上的旋转角.由式式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下取在坐标系下过相贯线上轴坐标值最大的点且垂直于轴的平面为下料基准面.其在坐标系下的方程为由此可得支管下料高度为即下料高度是支管上的旋转角的函数以上讨论的是典型相贯线数学方程,即两圆柱轴线相交成角度.在两圆柱轴线异面并有偏心距时,其相贯线方程为式中支管壁厚扭转角,标志主管相对于支管的扭转角度割炬运动分析如图所示,被切支管保持不动,割炬沿被切支管做轴旋转轴,轴摆动轴,轴纵向补偿轴三轴和环架的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工艺规范切出坡口.四轴必须按照定的数学关系联动,才能切出所需的空间相贯曲面.图割炬运动注肖聚亮,王国栋.火焰数控切管机割炬轨研究及仿真.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,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.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.相贯线上任选两点两面角为根据石油天然气行业标准和美国石油协会标准来确定坡口角.按标准当时,坡口角当时,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,割炬需沿支管外表面作径向补偿.其补偿量ξ为图径向补偿ξ第章设备总体方案及布局.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，所以要实现轴联动。方案钢管静止不动，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.且钢管长度最长时可达。如果照方案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切割机传动系统的简要说明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.图切割机的四轴联动轴工作滑台简明传动系统图轴主要完成沿着钢管轴心的轴向进给图轴传动系统图图轴和轴传动系统图轴和轴传动系统图轴和轴分别实现割炬绕着钢管转动和沿钢管径向补偿.如图。轴和径向调整传动系统图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.图轴和径向调整传动系统图.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，最长,厚度，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。查简明焊工手册可得火焰切割速度如下表火焰切割速度板厚割嘴切割速度号码喉径.第章机械系统设计.轴工作滑台的设计脉冲当量即系统分辨率。本设计中选用.选定传动比当时，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。初选步机电机根据公式公式其中为传动比，为电机步距角，为滚珠丝杠导程，为脉冲当量。因为，.，现取，可得.初选步进电机型号为。计算丝杠承受的质量在本设计中加工的最在钢管直径是,以为钢管的最小相干角度,则此时丝杠的行程至少应为.,丝杠的尺寸取整为.燕尾槽的重量大约为工作台的重量为.齿轮和管状体的重量大概为再加上绕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。.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其中为考虑导轨上的摩擦系数,对于矩形滚动导轨取.。所以，.最大动载荷的计算和主要尺寸的初选滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算公式式中为工作寿命，为丝杠转速，为最大进给速度为丝杠导程为额定使用寿命，可取为运转状态系数，现.为丝杠工作载荷由板厚查简明焊工手册可得火焰切割速度分别为。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.公式所以，本设计选外循环滚动螺旋副，查机电综合设计指导书表，根据，选丝杠公称直径，有因为，所以初选的丝杠螺母副合格。.传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为公式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,其摩擦角约等于。所以，.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。丝杠的拉压变形量滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量，其计算公式为公式式中为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量为丝杠的工作载荷为滚珠丝杠在支承间的受力长度为材料弹性模量，对钢.为滚珠丝杠按内径确定的截面积号用于拉伸，号用于压缩。根据滚珠直径.公式见机电体化设计基础，其中，为丝杠公称直径。为丝杠底径。取进给的丝杠长度.。所以.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。其计算公式有预紧时公式式中为滚珠直径为滚珠总数量圈数列数为圈的滚珠数，外循环为滚珠丝杠的公称直径为滚珠丝杠的工作载荷为预紧力，.，取工作载荷的。因为，圈数列数所以因为滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为工作载荷的时，值可减少半左右。所以纵向和横向.。滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总的变形量应小于允许的变形量。般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的半。因为机床进给系统规定的精度值为.，其半为.。所以，总的变形量小于机床进给系统规定的定位精度值的半,故滚珠丝杠可以满足要求。.压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷为公式式中为截面惯性矩，对丝杠圆截面为丝杠底径为丝杠最大工作长度为材料弹性模量，对钢.为丝杠支承方式系数。本设计中，丝杠为长丝杠，故支承方式选用两端轴向固定，即。所以临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为公式般取.，考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取。又因为面通知所以，滚珠丝杠不会失稳。.滚珠丝杠螺母副的选择根据最大动载荷选用，其代号为导轨的选型及计算.初选导轨型号及估算导轨长度导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用条导轨，每条导轨用个滑块，根据最大动载荷.，通过查机电综合设计指导书表，初选条导轨的型号都为。其部分参数如下根据工作台的长度和工作台的行程，估算出导轨的长度为。由公式。式中为支座长度为导轨两孔之间的距离。可算得导轨的。.计算滚动导轨副的距离额定寿命滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算滚动体为球时公式式中为滚动导轨副的距离额定寿命为额定载荷，从机电综合设计指导书表查得为硬度系