型钢切割机传动装置设计

李昊 郝保明 胡遵阳

摘 要：对于型钢切割机传动部分，型钢切割机的纵向和横向移动台均采用齿轮传动，并针对纵向齿轮齿条进行了相应的设计与计算.Z轴挂板装置的升降机构采用了螺旋传动，并进行了滚动丝杠的计算与校核，设置限位开关来限制其行程，避免发生撞机现象，以增强型钢切割机的安全性.

關键词：型钢;切割机;传动装置

中图分类号：TH162  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）08-0030-06

0 引言

型钢因其具备优越的力学性能和良好的使用功能，从而被广泛地应用在建筑结构工程、船舶重工工程、石油化工工程、汽车制造工程等行业领域，上述这些领域对型钢的切割和加工都有着大量的需求.现在的切割方法主要有人工切割、半自动切割、数控自动切割等.相对人工切割和半自动切割来说，使用数控自动切割机切割的质量好、效率高，能很大程度地减轻操作者的劳动强度;我国现在的机械工业钢材使用数量已经升至3.5亿吨以上，钢材的切割作业量非常大，因此，数控自动切割技术是型钢切割的必然发展趋势.

我国型钢切割行业对切割工艺参数研究的重视度不高，对切割基础理论以及切割机理的研究仍然较为表面化，这些因素都在约束着我国型钢切割行业的更深一层发展.要使产品在国际市场上有更强的竞争力，就一定要对以前的制造工艺和生产技术进行改造和优化，不断的提出自己的想法，提出更加严格的要求，使切割设备更具柔性化和通用性.

型钢切割机传动装置的设计是能够保障机器正常工作的前提，设计一个好的传动装置不仅可以延长机器的使用寿命，还能够提高机器的工作效率.

1 传动装置类型的选用

要选出合适的传动装置，必需进行全方位的分析比较，其基本依据如下：

（1）方便控制;

（2）了解其各种性能参数;

（3）进行各种费用的分析，确保其拥有好的经济性;

（4）安全性好，环保.

机械设计中的常用传动类型包括以下几种：

（1）齿轮传动.该传动类型传动比固定、输出动力大、结构紧凑、效率高、对安装精度要求高.

（2）带传动.该传动类型适合轴中心距偏大的传动、传动平稳、噪声小;结构简单、成本低;易于安装与维修;超载时能确保其余部件不被破坏.

（3）链传动.传动比较带传动精确;较齿轮传动而言，能在轴中心距稍大的条件下传动;使用仅限于平行轴;易脱链.

（4）蜗杆传动.结构紧凑、传动比较大;可靠性高，无杂音;功率选择自由度高，能自锁;效率低.

（5）螺旋传动.精度高、工作稳健，无噪声;易自锁;输送动力较大.

综合考虑操作要求和工作环境，对各部位传动方案的选择如下：龙门切割机的纵向和横向移动台，采用齿轮传动;Z轴挂板装置的升降机构中，考虑到结构的简单和稳定、以及高效性需求，选用螺旋传动.

2 齿轮设计

确定龙门机床的传动方式采取齿轮和齿条传动，因此，电机的旋转运动就被替代成X、Y轴方向上的直线运动，以纵向驱动齿轮、齿条的设计为例.

2.1 材料的选择

对于齿面极易发生磨损、断裂、变形的慢速、重载传动齿轮，其制造材料需机械强度和韧性好;对于齿面易形成疲劳点蚀的高速传动齿轮，其制造材料需硬度高;对于受冲击载荷的齿轮传动，其制造材料需韧性好;对类似于慢速、轻载等要求不高的齿轮，其制造材料可为铸铁等材质;对于尺寸大或是结构复杂的齿轮则利用锻造毛坯.

选择驱动齿轮为：40Cr，调质处理后，耐低温冲击，韧性好，缺口敏感性低，齿部经过淬火处理后，硬度为280HBS.

2.2 计算齿轮的尺寸和基本参数

根据齿轮传动的工作条件，本设计选用直齿圆柱齿轮.伺服电机的功率为400W，额定转速为3000r/min，减速器传动比为1：8，按照估算的圆周速度，考虑到传动平稳的需求，查机械设计表初步选用7级精度.又因齿轮转速要求低，转矩小，渐开线圆柱齿轮模数（GB1357-85），初步选定标准模数为：m=2mm，齿数取z=24.

KA为使用系数，考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数，KA=1.0;KV为动载荷系数，齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数，齿轮的制造精度7级精度，KV=1.2;K？琢为齿间载荷分配系数，直齿轮，K？琢=1.0;K？茁为齿向载荷分配系数，K？茁=1.15.

2.4 齿条的设计

齿条寿命长、传动精度高、易加工，采用45钢（调质），硬度为240HBS，齿条的底面钻有小孔，通过螺栓联接安装在横梁上，由于齿条在运动时可能会发生弯曲现象，为了保持齿条的直线度，所以在齿条上每隔200mm就钻一个φ8的孔，每个孔上都用螺栓定位，保证齿轮和齿条能够很好的啮合.齿条的齿距均为P=？仔×m，齿条长度为整个纵向导轨的长度.

3 螺旋传动设计

3.1 螺旋传动

螺旋传动是通过螺杆和螺母的啮合来实现力的传递的，它可以把旋转运动变化为直线运动，把转矩变化为推力，根据螺纹的摩擦特点，它又被分成滑动和滚动两种形式.

梯形螺纹以及锯齿形螺纹属于滑动螺旋传动的形态，它们的螺纹升程和摩擦系数比较低，所以轴向力F很大，而转矩T很小.滑动螺旋传动易发生自锁、磨损以及爬行等情况，因此它的寿命不长，效率偏低（基本在30～40%之间）.

通过滚动体（滚珠或者滚子）在螺纹间的滚动摩擦来实现传动的方式就是滚动螺旋传动，也被叫作滚珠丝杠传动.相比滑动螺旋传动来说，滚动螺旋传动效率高（≥90%）、寿命长、传动精度高、刚度强，且不易发生爬行、磨损、自锁等现象，因此被广泛运用在机床、飞机、船舶和汽车等行业领域.

3.2 滚珠丝杠副的工作原理及特点

（1）滚珠丝杠螺母副的工作原理：

滚珠丝杠螺母副可高效地将回转运动变化成直线运动，因此被广泛地运用于数控机床中.它的组成部分包括丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等，结构示意如图1所示.将滚珠放入丝杆和螺母之间，让它们形成滚动摩擦，这样一来，摩擦阻力就减小了很多，传动效率也就自然而然的变高了.1和3上都有圆弧型面的螺旋槽，将它们按在一块就形成一个螺旋滚道，4在其间既自转又循环滚动.

（2）滚珠丝杠螺母副的特点：

传动效率高（η=0.85～0.98）、磨损小、摩擦力小、运动速度快、传动精度高（预紧后能将轴向间隙消除）、运动可逆（可实现旋转运动和直线运动的相互转化，即丝杆和螺母可进行主动件和从动件的角色转变）、寿命长、成本高（主要采用优质合金材料）.

3.3 滚珠丝杆副的安装

选择轴承时要依照载荷的大小和方向而定，安装时要确保工作螺母和螺母座上的孔实现完美接触，且要使孔和端面的垂直度符合设计要求.长丝杆利用两支撑结构，短丝杆利用单支撑结构.

支承类型：最佳的丝杠支撑方式是确保数控切割机具备较高传动刚度的主要依据之一.丝杠副之间要有很高的配合度，因为絲杠端部和它的支撑在加工时会产生误差，受力时也会发生部分变形，这些都是进给运动系统传动刚度的不利因素.因此一定要选择最佳的轴承和丝杠的支承方式，常见方式如下：

（1）固定-自由式止推轴承：只在一端装止推轴承，此方式的承载能力低、轴向刚度差、应用范围小，局限于短丝杠或垂直丝杠的安装.

（2）固定-支承式止推深沟球轴承：一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承.止推轴承要远离热源，以降低丝杆的热变形，这种方式一般用于长滚珠丝杆的安装.

（3）固定-固定式止推深沟球轴承：两端装双重止推轴承及深沟球轴承，两端都进行双重支承并施加预紧拉力以增加刚度.此支撑方式能把丝杆的热变形转变成止推轴承的预紧力，虽然结构复杂，但是有良好的传动精度和刚性.

3.4 滚珠丝杠设计

（1）滚珠丝杠的精度

本设计方案要求系统能够达到3级定位精度，查机械设计手册得，有效行程内目标行程公差eP=15？滋m，有效行程内允许行程变动量Vup=13？滋m，任意300mm行程内行程变动量V300p=12？滋m，2π弧度内允许行程变动量V2？仔p=6？滋m，选择滚动丝杠副的支承方式为两端固定式（固定-固定式止推深沟球轴承）.

（2）计算载荷

机械手臂部分和连接机械手臂装置重量m≈15kg，

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

轴向载荷Fma=G=150N.

（3）计算额定动载荷

丝杠的转速为600r/min，丝杠使用寿命取Lh=15000h，得

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

式中，精度系数fa=1.0，可靠性系数fc=1.0，载荷性质系数fw=1.2，预加载荷系数fe=6.7.

（4）静载计算：由机械手册得，

Coa=fsFamax=300N  （12）

式中fs=2，Famax=Fma.

（5）选取滚珠丝杠型号：采用外循环导珠管埋入式JCS-CBM系列精密滚珠丝杠系列CBT 3205-7型，如表1，其满足承载能力要求.

（6）为消除丝杠和螺母之间的间隙、提高接触刚度，要对负荷进行预紧，预紧的原理和计算方法与滚动轴承类似，一般滚珠丝杠副的预紧力不小于最大轴向载荷的三分之一.

4 行程保护设计

型钢切割机在进行切割作业时的运动速度比较快，必须采取一些安全措施来确保型钢切割机设备的安全可靠，利用限位开关的功能.把限位开关安置于机械手臂的每个极限位置上，如此一来，只要机械设备的运行超出作业范围，限位开关就会感应到，这时的驱动电源会立刻自行断开，从而使操作工人和型钢切割机的安全得到有效保障.限位开关分电感式和机械接触式两种，考虑到其精度要求，采用电感式限位开关.

把型钢切割机的三个移动方向位置上都成对安装上限位开关，把机械手臂的两个转动关节上也安装上限位开关，并保证能在预设的角度内进行旋转.如图2所示：水平移动、Z轴挂板机构、机械手臂的限位开关均固定在相应的支撑部件上，在检测到超程信号时，控制系统将立即响应，并通过切断电路或控制步进电机反转，达到预防超程目的.

5 型钢切割机静态强度分析

采用SolidWorks2012对型钢切割机进行三维建模，在用ansys workbench之前要对三维模型进行修改和简化，保留了型钢切割机的主要器件与特征，将其他部分全部省去.这样将极大的提高运算速度，并对结果不会有很大的影响.如图3所示为导入ANSYS Workbench后的模型.

导入模型以后，对其选择材料，划分网格，约束和加载，然后求解.

求解参数：Structural Steel密度P=7800kg/m3弹性模量E=200GPa，泊松比v=0.3;Aluminum Alloy密度P=2770kg/m3弹性模量E=71GPa，泊松比v=0.33;约束条件为横梁底部的四块小板加固定约束，并加上沿y轴负方向的重力加速度.

在对其划分网格时样重点划分导轨和与导轨相连的面，其疏密程度对结果的影响非常大.划分方式节点数为197360，单元数为93194，划分结果如下图4所示.

所有的工作准备就绪后，开始求解，从总变形图（如图5）、静态分析应变云图（如图6）和静态分析Von Mises应力云图（如图7）几个方面来对导轨进行分析.

通过分析总变形图和应变云图可知，其最大总变形为7.2915e-5m，最大应变为2.637e-5m，在规定的误差范围内，符合要求.可以看出应力主要集中在导轨的中间位置，最大Von Mises应力为5.26Mpa，远远低于其材料的屈服强度.分析有限元分析结果可以看出，导轨的刚度和强度水平均可以满足设计要求.

6 结论

通过对型钢切割机传动部分进行介绍，使得型钢切割机的纵向和横向移动台均采用齿轮传动，并针对纵向齿轮齿条进行了相应的设计与计算;Z轴挂板装置中的升降机构中，考虑到结构的稳定性与高效性，采用了螺旋传动，且进行了滚动丝杠的计算与校核;对于型钢切割机安全性考虑，采用限位开关来限制其行程，防止其发生撞机现象.

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