数控等离子切割机主传动系统.docx

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1、南华大学机械工程学院毕业设计（论文）引言等离子切割是利用高能量密度的等离子弧和高速的等离子流，将溶化金属从割口处吹走，形成连续割口。等离子切割速度快，没有氧-乙炔切割时对工件产生的燃烧，因此工件获得的热量相对较小，工件变形小，适合于切割各种金属材料。但因为等离子弧流速高，噪音，烟气和烟尘重，工作卫生条件较差。等离子弧可用与焊接，喷涂，堆焊及切割。厚度25mm以下的碳钢板切割时，等离子弧切割比氧-乙炔切割快5倍左右，而对于厚度大于25mm的板切割时，氧-乙炔切割速度较快些。数控等离子切割机是技术密集度及自动化程度很高的一种机电一体化切割设备，它是按国际或国家规定的数字和文字编码方式，将各种机械位

2、移量、运转参数、辅助功能用数字、文字符号表示出来，通过能识别并处理这些符号的控制系统（数控系统）变成电信号，利用电气元件将电信号变位机械能，而机械动作的实现则依靠切割机的机械结构达到需要的动作。而本项目主要任务是将等离子切割机的机械部分的导轨组、横梁、主轮架以及主轮架中的行星减速器进行设计。其中设计重点是通过计算确定行星减速器的减速比配比，达到减速比25的要求，规定减速比变化范围不超过4%，减速器外形尺寸不超过120120的方箱减速器。等离子切割种类介绍1） 普通等离子弧切割。根据所使用的主要工作气体，主要分为氩等离子弧切割、氧等离子弧切割。氧等离子弧切割和空气等离子弧切割等几类。切割电流一般

3、在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。2） 再约束等离子弧切割。根据等离子弧的再约束方式，主要分为水再压缩等离子弧切割、磁场再约束等离子弧切割等。由于等离子弧受到再次压缩，其电流密度、切割弧的能量进一步集中，从而提高了切割速度和加工质量。3） 精细等离子弧切割。等离子弧电流密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技术，其电弧的稳定性也得以提高，因此，其切割精度相当高。国外的精细等离子切割表面质量已达激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。等离子切割电源原先在我国应用较多的高漏抗变压器加二次侧整流式的切割机电源已逐渐被逆变式等离子切割电源所代替。国产等离

4、子电源大多用于手工切割和配在小车切割机上，近年来由于性能有所改善，因此也逐步配用于数控切割机，但仍需进一步提高。数控等离子切割系统的抗干扰措施切割电源具有强烈的电磁干扰，这就要求计算机控制系统必须具有很高的抗干扰能力，既能抵抗等离子引弧时的高频干扰，也能抵抗工作时大电流等离子弧的干扰，还能抵抗工作现场的其他干扰源。经过抗干扰设计，改善了数控等离子切割系统的可靠性，其故障率也降低。数控技术的现状与发展计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控等离子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具

5、有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。目前，开放系统具体有2种基本结构：1） CNC+工控机主板。将一块工控机主板插入传统的CNC机器中，工控板主要用作实时控制，CNC主要用作以坐标轴运动为主的实时控制。2） 工控机+运动控制板。将运动控制板插入工控机的标准插槽中作实时控制用，而工控机主要作非实时控制。我国生产的数控等离子切割

6、机的数控系统多是在引进国外数控技术的基础上，加以自主开发而成，并逐步形成了更能适应国内用户的数控系统。总体来说，在数控系统方面具备了国外同类系统的基本功能，但与国外先进的数控系统相比，在错误记录、网络化生产、全自动生产等方面还存在较大差距。 等离子切割技术国内现状在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。因此，等离子切割自 20世纪 50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。随着计算机及数字控制技术的迅速发展，数控切割也得以蓬勃发

7、展，并在改善加工精度。节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控方向发展，并成为数控切割技术发展的主要方向之一。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术，它的发展建立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。我国的数控切割技术起步于 20世纪 80年代，而数控等离子切割技术起步更晚。但近年来，国内一些高校、科研单位、制造厂商对数控等离子切割技术进行了研究，并逐步开发生产了各种规格的数控等离子切割设备，缩小了与国外先进技术的差距。数控等离子切割技术国内现状我国工厂的板材下料中应用最为普遍的

8、是火焰切割和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。随着国内经济

9、形势的蓬勃发展以及“以焊代铸趋势的加速，数控切割的优势正在逐渐为人们所认识。数控切割不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控等离子切割下料

10、所占比例更小。究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。某些厂家开发生产的专用数控切割设备，在技术上已经达到或超过了国外同类产品。我国数控切割机每年市场需求量约在400500台之间，产品主要以数控等离子切割机为主。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控等离子切割市场的发展潜力是巨大的。数控等离子切割技术国外状况国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其

11、发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。能够代表数控等离子切割技术最高水平的厂家主要集中在德国，如德国ESAB公司的精细等离子切割机的切割精度已达激光切割下限，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，国外的大型水下等离子切割法、精细等离子切割法等先进等离子切割技术得到较快发展，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。在我国的等离子切割设备生产行业中，由于缺乏等

12、离子切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了等离子切割技术的进一步发展和运用。从国外数控等离子切割行业发展的趋势来看，智能化精密切割将成为切割行业今后发展的方向。结论我国钢产量早已达亿吨级，再加上制造业的蓬勃发展，这必将促进国内数控等离子切割技术的良性发展。总体来说，我国数控等离子切割在基本功能上已达到国外同类产品水平，但要完全达到或超过国外水平还有很的路要走。国内各企业、科研单位应加大科研力度，重视企业间的横向合作，形成优势互补，并在以下方面争取进一步提高：1应加强等离子理论研究与生产的相关转换；2等离子电源应进一步提高稳定性；3积极开发适合我国国情

13、、经济可靠的数控等离子切割设备；4人机对话界面友好，适合切割下料工人操作；5网络互联功能。1 等离子切割原理介绍1.1 等离子弧切割的特点等离子弧是利用等离子枪将阴极和阳极之间的自由弧压缩成高温，高电离度，高能量密度及高焰流速的电弧，等离子弧切割是用非常热的高速射流来进行的，将电弧和惰性气体强行穿过小直径孔以产生这种高速射流。电弧能量集中在一个小区域内，使板材溶化，高温膨胀的气体，射流迫使溶化金属穿过切口，切割碳钢或铸铁时，在气流中加入氧气，还可以提供额外的切割能量。等离子弧切割方法具有切割厚度大、机动灵活，装夹工件简单及可以切割曲线等优点。与氧-乙炔焰切割比较，等离子弧能量集中、切割变形小、

14、起始切割时不用加热，能切割几乎所有金属，而且切割碳钢的速度比氧-乙炔切割快，但是由于切割较宽，所以被溶化掉的金属较多，板材较厚时切口不如氧-乙炔切割的那样光滑平整。为了保证切口的侧面平行，需要专门的割嘴。为了获得一定的坡口成型，还需要专门的切割技术。等离子弧的切割特点主要有：能切割氧气难以切割的各种金属材料（利用等离子弧还能够切割某些非金属材料）；切割厚度不大的金属时，切割速度较快，尤其在切割碳素钢薄板时，速度可达气割法的56倍；切割面光洁，热变形小，尤其适合加工各种成形零件；切口宽度和切割面斜角较大，但切割薄板时采用特种切割割炬或工艺可获得接近垂直的切割面；切割厚板的能力不如气割；等离子弧切

15、割的缺点是：切割公差大，切割过程中产生弧光辐射、烟尘及噪声等。与氧-乙炔相比，等离子弧切割设备贵，切割用电源空载电压高，不仅耗电量大，而且在割枪绝缘条件不好的情况下易对造作人员造成电击。切割用的等离子弧是利用特种割炬对电弧进行压缩形成的。等离子弧切割要求很高的电弧电压，因而需要有很高空载电压的专用电源。根据被切割的材料及厚度，所需的功率在25200kw之间。切割电流的范围为301000 A。通常使用氩或氮及氢的混合气体，割炬必须用水冷却。有手工切割用的等离子弧割炬，对手工等离子弧切割的技术要求与手工氧-乙炔切割时相似，但为了能调节更多的参数，需要较多的训练，切割薄板时，因为移动速度不需那样仔细

16、控制，故切割质量较好。等离子弧切割用的最多的是机械式的自动化设备，割炬和其他附件与手工等离子弧切割所用的相同，行走系统是自动化的。割炬的移动机构与氧-乙炔切割时所用的相似，但要求有较高的移动速度。多割炬设备需要为每个割炬附加电源和控制箱。此外，为了吸收噪音和烟尘，可以使用水套或水箱。1.2 等离子弧切割的工作原理切割用等离子电弧温度一般在1000014000度之间，远远超过所有金属和非金属的熔点。因此能够切割绝大多数的金属和非金属材料。这种方法诞生于20世纪50年代，最初用与切割氧乙炔火焰无法切割的金属材料，如铝合金及不锈钢等。随着这种切割方法的发展，其应用范围已经扩大到碳钢和低合金钢。等离子

17、弧割枪的基本设计与等离子电焊枪相似，用于焊接时，采用低速的离子气流溶化母材以形成焊接接头；用于切割时，采用高速的离子气流溶化母材并吹掉熔融金属而形成切口。切割用离子气焰流速度及强度取决于离子气体种类，气体压力、电流、喷嘴孔道比及喷嘴至工件的距离等参数。等离子弧割枪的基本构造如图1.1：图1.1 等离子切割枪的基本构造1.电极； 2.压缩喷嘴； 3.压缩喷嘴孔道长度； 4.喷 嘴到工件的距离； 5.压缩喷嘴孔径； 6.电极内缩距离； 7.离子气；用等离子弧切割时只采用直流正接的电流极性，即工件接电源正极。切割金属时采用转移弧，引燃转移弧的方法与割枪有关，割枪分为有维弧割枪和无维弧割枪。两种割枪分

18、别在引弧时都是用高频引弧器引弧，但除了使用高频引弧器外，有的割枪上的电极可能是移动的，此类割枪可以使用电极回抽法引弧，引弧时将割枪上的电极与喷嘴短路后迅速分离，引燃电弧。1.3 等离子弧切割方法分类等离子弧切割方法可从几个方面进行分类。按等离子弧的类型可分为转移型等离子切割和非转移型切割。转移型等离子切割的工件处于切割电流回路内，被切割的材料必须是导电的；非转移型等离子弧切割的工件不需处于电流回路内，可以切割导电的及不导电的材料，能用于切割非金属材料。按等离子气分为氩等离子弧，氮等离子弧，氧等离子弧和空气等离子弧等切割方法，按对电弧压缩情况分为一般等离子弧切割，和水再压缩等离子弧切割两类。各种

19、等离子切割方法的切割特点如表1.1：表1.1 各种等离子切割方法的特点切割方法氩-氢等离子弧氮等离子弧空气等离子弧氧等离子弧水再压缩等离子弧切割碳钢和低合金钢切割性能差，粘渣多、切割速度慢气体成本高，一般不采用。切割性能差，切割面有氮化物层、气体成本稍高，一般不采用。切割性能良好，切割速度快，热变形小，能获得无粘渣、无氮化层，切割宽度窄，切割后可进行焊接，缺点：切割时烟尘多，切割面倾斜角较大，电极和喷嘴损耗快。切割性能优良，切割速度很快，切口质量好，无粘渣无氮化层，切口宽度窄热变形小，切割后可直接进行焊接。缺点：切割时烟尘多，切割面倾斜角度大，电极和喷嘴损耗快。切割性能优良，切口质量好，上缘呈

20、锐角，下缘无粘渣，切割面倾斜角小，能获得垂直面、热影响区小，热变形小，能抑制弧光，有害气体和烟尘。缺点：需配备带水槽的切割平台，割后零件会生锈，电功率消耗大。切割不锈钢、铝及铝合金切割性能优良，切割面光洁，呈金属光泽，焊接性好、烟尘量较少、切口较窄，适合切割很厚的工件。缺点：易产生粘渣，尤其在切割厚度10mm以下薄板时；切割速度比氮等离子弧慢20%30%；氩气较贵，操作成本高。切割性能尚好，切割速度快、不易沾渣，切割工艺参数易设定，气体价格较氩气便宜，操作成本较低。缺点：切割面有氮化物层，焊接时，易产生气体；烟尘量多，有害气体多，电极损耗较氩-氢等离子弧快。切割性能尚好，切割速度较快、易获得无

21、粘渣的切割面，工作气体易取得，气体成本较低。缺点：切割面稍粗糙，且粘有氮化物层，可能切割的厚度有限，烟尘量多，电极和喷嘴损耗快。切割性能尚好，切割速度很快、易获得无粘渣的切割面，切口较窄、热变形小缺点：切割面较粗糙，可能切割的厚度有限，烟尘量多，电极和喷嘴损耗快。切割性能优良，切割速度比一般氮等离子弧切割快约30%；切割面光洁、呈金属光泽、上缘呈锐角，下缘无粘渣，切割面倾斜角小，且能获得垂直面；热影响区很小，热变形小、能抑制弧光，有害气体和烟尘等不利因素。缺点：看不到切割状况，电功率消耗大目前常用的是一般等离子弧切割、水再压缩等离子弧切割和空气等离子切割（1）一般等离子弧切割一般等离子弧切割的

22、原理如图1.2所示：图1.2 一般等离子弧切割机1.等离子气 2.电极 3.喷嘴 4.冷却水 5.等离子弧 6.工作一般等离子弧不用保护气体，所以工作气体和切割气体从同一个喷嘴内喷出。引弧时，喷出小气流的离子气体作为电离介质。切割时同时喷出大气流的气体排除溶化金属。（2）水再压缩等离子弧切割水再压缩等离子弧也称为水射流等离子弧。水再压缩等离子弧切割时，由割枪喷出的工作气体外，还伴随着告诉流动的水束，共同迅速的将溶化金属排开。水再压缩等离子弧切割方法的原理如图1.3所示：图1.3 水再压缩等离子弧切割原理由于工作气体形成等离子弧，并在紫铜喷嘴与陶瓷喷嘴之间的小孔中喷出经过处理的高压水，对等离子弧

23、再次加以压缩（故称水再压缩等离子弧）。水再压缩等离子弧切割的水喷溅严重，一般在水槽中进行，工件位于水下面200mm左右。切割时利用水的特性，可以大大降低切割噪音，并能吸收切割过程中所形成的强烈弧光、金属离子、烟气、紫外线等，改善了工作条件。水还能冷却工件，使割口平整和割后工件热变形小，割口宽度也比一般等离子弧切割的割口窄。高压水从枪体径向通入，由喷嘴孔道喷出，与等离子弧直接接触。一方面强烈压缩等离子弧，使其能量密度提高；另一方面，由于等离子弧高温而分解成氢和氧，构成切割气体的一部分，分解成氧气对切割碳钢更有利，加强了碳钢的燃烧。高速水流冲刷切割处，对工件有强烈的冷却作用。割口倾斜角度小，割口质

24、量好。枪体下部可用陶瓷加工，减少双弧危险。水再压缩等离子弧切割与其他等离子弧切割相比具有以下特点：1）切割速度快。2）切割质量好，切口宽度小、上缘无圆角、切割面光洁发亮，切口下缘几乎无粘渣，切割面倾斜度小，且可获得一边近于垂直的切割面。3）因喷射水的冷却作用，工件的热影响区小，热变形几乎为零，尺寸精度高。4）喷嘴的寿命长，这是由于水对喷嘴的冷却作用强，而且绝缘外喷嘴避免了“双弧”的发生。5）烟尘量和噪音低，弧光辐射少。水再压缩等离子弧切割时，由于水的充分冷却以及水中切割是的水的静压力，降低了电弧的热能效率，要保持足够的热能效率，在切割电流一定的条件下，其切割电压比一般等离子弧切割电压要高，此外

25、，为了消除水的的不利因素，必须增加引弧功率，引弧高频强度和设计合适的割枪结构来保证可靠引弧和和稳定切割电弧。（3）空气等离子弧切割空气等离子切割一般使用压缩空气作等离子气。这种方法将空气压缩后直接通入喷嘴，经电弧加热分解出氧，未分解的空气以高速冲刷割口，分解出的氧与切割金属产生强烈化学反应，加快了切割速度。充分电离了的空气等离子弧的热焓值高，因而电弧的能量大，切割速度高，切割质量好，特别适宜于切割厚30mm以下的碳钢，也可以切割铜、不锈钢、铝及其他材料。但是这种切割方法的电极受到了强烈的腐蚀，一般采用镶嵌式锆或纯鉻电极，不能采用纯钨电极或氧化物电极。空气等离子弧切割的原理如图1.4所示：图1.

26、4 空气等离子切割1.电极冷却水 2.镶嵌式电极 3.压缩空气 4.压缩喷嘴 5.压缩喷嘴冷却水 6.等离子弧 7.工件空气等离子弧切割存在的问题是：作为阴极的钨棒氧化烧损严重，这种切割方法的电极受到了强烈的氧化腐蚀，因为空气对高温状态的钨产生氧化反应，因此一般采用镶嵌式锆、鉻合金作为电极，不能采用纯钨电极或氧化物电极，如果把钨换成锆，则它在空气中工作时表面将形成一层锆的氧化物，两者均易发射电子，可作为阴极，且有利于电弧的稳定。为提高电极的工作寿命，电极一般做成水冷的镶嵌式形状，小电流切割时，也可不用水冷，。采用铜-锆镶嵌电极时，阴面断面的直径应大于阴极镶嵌件直径的2-5倍，而镶嵌件的直径应小

27、于喷嘴的孔径，镶嵌件的长度可为其直径的0.8-4倍。但是，即使采用锆-鉻合金电极，它的工作寿命，一般也只有5-10h。空气等离子弧切割的主要缺点：1）切割面上附有氮化物层，焊接时焊缝中会产生气孔。因此用于焊接坡口的切割时，需用砂轮打磨，较耗费工时。2）电极和喷嘴易损耗，使用寿命短，需经常更换。在我国电力供用下，采用工作电流70A以下的空气等离子弧切割代替氧-乙炔气割加工厚度12mm以下的碳钢，不论从技术上，还是经济上以及减少总耗电量方面来看，都是十分有利，宜大力推广使用。1.4 等离子弧切割设备（1） 切割电源等离子弧切割采用陡降或恒流外特性的直流电源，大多数切割都采用转移弧。与等离子弧焊电源

28、相比，切割电源的空载电压更高，为了获得满意的引弧和稳弧效果，电源空载电压一般为切割时电弧电压的两倍，常用切割电源空载电压为150400V。国产电源的空载电压都在200V以上，水压缩等离子切割弧切割电源的空载电压为400V。常见国产普通等离子切割机的主要型号及参数见表1.2。表1.2 国产普通等离子切割机的主要型号及参数名称自动等离子弧切割机手把式等离子弧切割机手把式等离子弧切割机手把式等离子弧切割机微束等离子弧切割机型号LG-400-2LG3-400LG3-400-1LG-500LG-100额定切割电流/A400400400500100引弧电流305040507030工作电流100150601

29、5070150100150额定负荷持续率6060606060鋀钨电极直径5.55.55.562.5切割范围厚度碳钢80150不锈钢8040601502.525铝8060150紫铜5040100圆形直径120130气体耗量电弧313.544二氧化碳34（L/h）引弧00.7-10.5氮气纯度%99.9以上99.999.7冷却水耗量31.543空气等离子弧切割机因其离子气与切割气均采用压缩气，市场应用广泛而受到用户的欢迎，适用于切割碳钢、低合金钢、不锈钢，甚至厚度1mm以下的薄板。切割电源有几种类型。最简单的电源是硅整流电源、整流器，所以电源具有陡降外特性。这种电源的输出电流是不可调节的，但有的电

30、源采用抽头式变压器，用切换开关调节二档或三档的输出电流。（2）割炬割炬（也称割枪）是产生等离子弧并进行切割的关键部分。等离子弧用的割炬大体上与等离子弧焊炬相似，只是割炬的压缩喷嘴及电极不一定都采用冷结构。割炬的主要组件有割炬本体、电极组件、喷嘴和压帽等，手工割炬则带有把手。割炬的具体结构形式取决于切割电流的等级，一般60A以下的割炬多采用风冷结构，即利用高压对喷嘴及枪体冷却及对等离子弧进行压缩，风冷割炬的的结构示意图如图1.5所示，切割电流为60A以上的割炬多采用水冷结构。图1.5 冷却割炬示意图1. 气流 2.电极 3.分流器 4.喷嘴5.压缩喷嘴冷却水 6.等离子弧 7.工件这中割炬适合于

31、切割厚金属，如使用500A切割电流、200v工作电压时能切割厚度为140mm的不锈钢。等离子弧割炬按操作方式分为手工割炬及自动割炬。割炬喷嘴至工件间的距离对切割质量有影响。手工割炬的操作因割炬的样式而有所不同，有的手工割炬需操作者保持喷嘴至工件的距离，而有的割炬喷嘴至工件的距离是固定的。自动割炬可以安装在行走小车、数控切割设备或机器人上进行自动切割。自动割炬喷嘴至工件的距离可以控制在所需的数值范围之内，有些自动切割设备在切割过程中可以将该割炬喷嘴至工件的距离调整至最佳数值。（3）喷嘴和电极 1）喷嘴 喷嘴是压缩电弧并形成等离子体的重要元件，对切割效率和切割质量（尤其是切割宽度）具有一定的影响。

32、喷嘴的结构形式同工作气体的种类及其在割炬腔体内的流动方式、电极材料和形状有关。喷嘴通常采用纯铜制造，因为纯铜的导热性良好，便于冷却，而且容易加工。喷嘴的壁厚一般为23mm，不宜太薄或太厚，大功率等离子弧切割用的可适当增厚些。等离子弧切割法的种类很多，喷嘴的结构也不尽相同。水在压缩等离子弧切割的喷嘴通常由上部铜喷嘴和下部陶瓷喷嘴（也有其他绝缘材料）组合而成，以防止产生“双弧”。割炬压缩喷嘴的结构尺寸对等离子弧的压缩及稳定有直接影响，并关系到切割能力、割口质量及喷嘴寿命。表3为推荐的割嘴的主要形状参数： 表1.3 等离子弧切割用割嘴的主要形状参数喷嘴孔径/mm孔道比L0/d0压缩角（ ）0.822

33、.02.530452.55.01.51.830452)电极电极是等离子弧切割的一个关键元件，他直接影响切割效率、切口质量和经济性。等离子弧切割用的电极符合下列基本要求：具有足够的电子发射能力，逸出功要小；导电、导热性良好；熔点高，在高温下耐烧损。割炬中的电极可采用钨、杜钨、铈钨棒，也可采用镶嵌式电极。钨的熔点虽高，但一旦氧化，其熔点迅速下降，在电极的高温作用下迅速溶化，故纯钨一般作为电极材料。等离子弧切割电极材料优先选用铈钨，但空气等离子弧切割时，空气对电极氧化作用极大，因此不能选作钨做电极，只能选用镶嵌式Hf或Zr及其合金作电极。由于等离子弧割炬在极高的温度下工作，割炬上的零件是易损件。尤其

34、喷嘴和电极在切割过程中最易损坏，为了保证切割质量必须定期进行更换。（4）供气系统供气系统应保证稳定、连续的向割炬供给工作气体。根据工作气体是使用单一气体还是混合气体，供气系统有单一气体气路和混合气体气路两种，气路中设置出气筒是为了在开始切割前减小气流的冲击作用，便于引弧；而在切割结束时能滞后断气，保证钨极不受氧化。气体混合筒用于使两种气体混合均匀，如果采用三种气体做工作气体，则应先将两种气体混合均匀后，在同第三中气体混合。气路中的电磁气阀用于控制气路的通或断，空气等离子弧切割的供气装置的主要设备是一台大于1.5kw的空气压缩机，切割时所需气体压力为0.30.6Mpa。如果选用其他气体，可采用瓶

35、装气体经减压后供切割时使用。 （5）冷却水（气）系统冷却水主要用于冷却喷嘴和电极以保证割炬能稳定的持续工作。根据冷却电极的方式冷却水路通常有两种。一种是间接水冷电极的水路，冷却水从喷嘴下部进入，冷却喷嘴后通过上腔体在对电极进行间接冷却，冷却水可来自水或循环水。另一种是要求强烈冷却的大功率等离子弧割炬对喷嘴和电极分别进行冷却，以延长电极和喷嘴的使用寿命，这种方法通常采用水泵供水。有的切割设备采用循环冷却水冷却，水路中需配置冷却器和循环水泵。冷却水流量Q同常可按下述公式计算，即：式中 P等离子弧电功率，kw； 冷却水的许可温度升高值，C. 一般常用的冷却水流量为3L/min以上，要求强烈冷却的场合

36、，需10L/min左右。水路中的水流发电器是必须的元件，其作用是在无水或水流过小的情况下自动切断电源使电弧不能引燃或切割，以保护喷嘴和电极等不至被烧坏。水冷电阻用于限制小弧电流防止烧化喷嘴，对大电流的切割电缆也需通水冷却。2 主传动系统概要设计2.1 国内外数控机床的发展概况 1948年，美国帕森斯公司，承担了一项加工直升飞机螺旋桨叶轮轮廓用的检查样板的加工设备。1949年，帕森斯公司在麻省理工学院伺服机构研究所的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年的研究时间，于1952年试制成功了世界第一台数控机床的试验性样机，这是一台来用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。1959年，数控

37、机装置有电子管元件过渡到晶体管元件和印刷电路板元件，进入第二代产品。1965年，出现了商品化集成电路数控装置，缩小了体积，减少了功耗，可靠性提高了，进入了第三代产品。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，第一次出现了用小型计算机数控装置，进入了第四代产品。现在已达到多功能的综合控制，高性能控制的系统，如直流伺服控制系统、交流伺服控制系统等。 早在20年前，西德的梅塞尔公司，就从事气体切割机的研制和生产。尔后，日本小池酸素株式会社、美国林特公司、瑞典伊萨公司等，也相继从事气体切割机的研制和生产。随着数控技术的发展和应用，数控气体切割机也日臻完美。 我国，在60年代开始出现数控技术的应用，70

38、年代以前多用分离元件，以后用微机，南京微分电机厂，用单片机控制、改造旧设备取得了成效。80年代，北京机床研究所，开发出了BSO3A经济型的数控系统，取得了广泛的使用。近年来，北京机床研究所引进了日本FANUC直流伺服控制系统，上海机床研究所引进了美国的GE交流伺服控制系统，辽宁精密仪器厂引进了美国的DYNAPATH系统，是我国的数控技术前进了一步，但价格都比较昂贵。 目前，国产的气体切割机，如上海气焊机厂生产的氧乙炔气体切割机，最大切割速度仅为1米/分，切速低、功能少、远远满足不了等离子切割速度的要求。而数控等离子切割机，发展还刚起步，所以，设计开发等离子切割机是适时的。2.2 技术经济分析

39、目前，在我国各大厂使用的气体切割机，多是国外进口机，据不完全统计，到1986年底，仅日本小池酸素株式会社一家，就在我国销售了72台，西德梅塞尔公司、美国林特公司、瑞典伊萨公司等，也各在我国销售了10多台；这些国外进口的气体切割机，有的是光电跟踪、有的是数控，它们主要以氧乙炔切割为主，但也有少数的带等离子切割枪的，这些国外进口机，总的来说，性能不错，但价格昂贵，以日本机为例，每台需28万美元，再加上其他费用，折合人民币整150万元/台。是我国一般的中小厂家无力购买。而我国研制的数控等离子切割机，售价约为进口机的1/8。若能推广到全国，每年可为国家节省数千万元的外汇。 为了满足国内大、中、小各类工

40、厂的要求，我们将开发高、中、低三档数控等离子切割机，低档将以步进电机、小型计算机、精密的机械传动和结构组成，面向中小企业，甚至乡镇企业。中档机将以步进电机、中型计算机、较精密的机械传动和结构组成，面向中等企业。高档机将以直流伺服电机或交流伺服电机、高档计算机系统、高精密机械传动系统和结构组成，面向大、中企业。其售价自然是分档论价。 在做发上，我们先易后难，先搞用户多、销路广的中低档机，取得经验后，再搞难度较大的高档机。在满足国内用户的基础上，积极寻找出口机会，将产品推向世界。2.3机型的主参数、性能及用途的确定 数控切割机主参数是按轨距的大小而确定的，我们本着先小后大、先易后难的原则，我们先研

41、制轨距为3米的切割机，以配等离子切割枪为主，同时可根据用户的要求，配带氧乙炔割枪，其主要技术参数和性能如下： 轨距：3000mm(下一步研究4000mm、5000mm)； 最大切割宽度： 2400mm； 导轨长： 11480mm(每加长一级为2290mm)； 最大切割长度： 9000mm； 割炬数：等离子切割枪一把(是否带氧乙炔切割枪由用户选择)； 割炬上下行程： 160mm； 切割支架高： 250mm； 切割速度： 06000mm/min； 最大空程速度： 12000mm/min； 切割板材厚： 360mm(用等离子切割)； 3100mm(用氧乙炔切割)； 供电电压： AC380V； 控制电

42、源电压： AC380V,220V； DC5V, DC15V； 频率： 50Hz； 切割电压： 250300V(DC)； 切割电流： 200350A； 机器精度：按自检程序划线检验，其综合误差不得大于0.5mm； 外形尺寸： lbhmm 1148035601810mm； 机重：运动部分 1.2t； 性能： 具有人机对话的功能；有切割速度的调节和瞬时速度显示功能；有手动控制与自动控制的功能；可切割直线、圆、椭圆、二次曲线及各种曲线组成的图形。有返回原点的功能；有切缝修正功能；用户编程语言应用Z80汇编语言。 该机的用途：主要是用于划线和切割不锈钢、铝、铜、铬镍合金、铸铁和碳钢等板材。2.5 结构及

43、工作原理的分析 我们在作数控等离子切割机初步方案设想时，曾作过单臂式和龙门式两种方案，在作传动方案时，曾作过钢丝绳牵引式、滚轮式、齿轮词条式三种方案，经反复的对比论证，由于双轨龙门式齿轮齿条传动运动平稳、传动精确度高、刚性好等明显的优点，所以选定了双轨龙门式齿轮齿条传动。 其工作原理，就是由三个步进电机通过它们各自的传动机构，带动切割枪沿纵向、横向、垂直三个方向运动，使切割枪能够在被切金属板上切割出所需的几何图形。 它是由下列部分组成的见图2.1。图2.1 等离子切割机总图1 导轨垫板 2 导轨 3 辅轮架 4 横梁 5 链带 6 水槽7 钢板支架 8 横梁行车 9 割炬升降机构 10 横向机

44、构 11步进电机12 导轨接头垫板 13 操纵台 14 风水管电缆 15风水管电缆骨架 16 电源柜17 主轮架 18 主传动系统 19步进电机 20 传动系统 21 步进电机 1、横梁是切割机的主梁，是链带、横梁行车、操纵台等部件的安装的基础，为了减轻梁的重量、增加梁的刚度，横梁采用薄钢板焊接的箱形结构，横梁座在主轮架上。 2、主轮架，是钢板焊接的n形结构，中间有横向的加强肋板，在它的两端安装两个行走的轮子，主传动系统就安装在它的后端，步进电机经减速机构，推动切割机沿纵向前进或后退。 3、辅轮架，也是用钢板焊接的n形结构，在它的下部安装一个行走的轮子。 4、横梁行车，它靠齿轮齿条沿着横向导轨

45、作横向运动，在横向导轨的上面有两个承重轮，在侧面有6个导向轮，在行车的上面，安装有横向运行的减速箱、步进电机、在行车的前侧面装有割炬升降机构和切割枪。 5、割炬升降机构，主要通过步进电机的正反转来调整割炬的高低，保证割炬与被切金属面间合理的距离，其结构原理如图 2.2所示。 图 2.2 图 2.31 电机 2 螺母 3 丝杆 1 电机 2,3,4,5,6齿轮 图 2.4 1 电动机 2 ,3,6 齿轮 4 蜗轮 5 螺杆 7 齿条 6、横向减速机，为了保证割炬横向运行的速度要求，而专门设计了横向减速机，其结构原理如图2.3所示。 7、链带，用于夹持和固定风管、水管、电缆线。 8、主传动系统，为了保证割炬纵向运行