裝配圖高壓水切機
裝配圖高壓水切機,裝配,高壓,水切機
成都理工大學畢業(yè)設計(論文)
畢業(yè)設計(論文)
高壓水切機設計
學 院: 核技術與自動化工程學院
專 業(yè): 機械工程及其自動化
姓 名: 黃正偉
學 號: 201106040406
指導老師: 周遠果
高壓水切機設計
摘要
隨著社會的高速發(fā)展， 機械制造行業(yè)也要跟上社會的發(fā)展的腳步。 由于發(fā)展的需要， 出現(xiàn)了許多難以加工的材料和更高要求的加工精度，傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)不能滿足加工的要求， 因此出現(xiàn)了許多新的加工方法，以滿足加工的需要。超高壓水射流就切割技術是其中的一種新型的加工方法，它和新出現(xiàn)的電子束、聲波、電火花和電解加工等加工方法被稱為特種加工方法。
超高壓水射流切割機技術作為目前唯一一種冷加工的切割方式，在許多行業(yè)得到了日益廣泛的應用，高壓水射流切割技術可以切割的材料種類非常多，其中包括熱加工無法加工的易燃易爆等危險品。因此隨著海洋事業(yè)發(fā)展力度的加大，超高壓水射流切割技術作為一種新型的水成形特種加工技術開始得到研究和發(fā)展。
本文是針對大型板材火焰切割中存在的斷面不平整問題，而設計的一款高壓水切割機，以滿足其切割需求。本文將超高壓水射流切割設備和工業(yè)機器人相結合，可以通過精確的控制，使其能切割復雜形狀的板件。整個切割系統(tǒng)包括增壓設備，切割機構及行走裝置，其重點是切割機構和行走裝置；切割機構保證在切割過程中所加工的斷面滿足加工要求；行走裝置可以帶動切割機針對大型板件進行切割作業(yè)，以解決工作臺對工件大小的限制。通過三個系統(tǒng)的組合，能使切割機對任意形狀的大型或小型板件進行切割作業(yè)，且能減小環(huán)境因素對切割質(zhì)量的影響。
關鍵詞：高壓水射流 履帶行走機 機器人切割 電氣控制
The design of high pressure water cutting machine
Abstract
With the rapid development of society, machinery manufacturing industry is to keep up with the development of the society. Due to the needs of the development, appeared a lot of difficult to machining materials and higher requirements of machining accuracy, the traditional processing methods cannot meet the requirements of machining, so the appearance of many new processing method, so as to meet the needs of processing. Ultra-high pressure water jet cutting technology is one of the new kind of machining method, it and the emergence of new beam, sound waves, edm and ecm machining method known as the special processing methods.
Ultra-high pressure water jet cutting machine technology as only a way of cold cutting, are widely used in many industry, high pressure water jet cutting technology can cut material sort very much, including hot working will not be able to process the inflammable and explosive dangerous goods, etc. So along with the increase of Marine development strength, super high pressure water jet cutting technology as a new type of water forming the special processing technology research and development.
This article is in view of the large plate of flame cutting section is uneven, and the design of a high pressure water cutting machine, in order to satisfy the demands of the cutting. This article will ultra-high pressure water jet cutting equipment and industrial robot, the combination of can accurate control, can make the complex shape cutting board. The cutting system including pressurization equipment, cutting mechanism and walking device, the focus is cutting mechanism and walking device; Cutting mechanism in the process of cutting process of the section meet the processing requirements; Walking device can drive the cutting machine for large plate cutting operations, in order to solve the limitation on the workpiece size table. Through the combination of the three systems, can make the cutting machine for large or small plates of any shape cutting operation, and can reduce the influence of environmental factors on cutting quality.
Keywords: high pressure water jet crawler walking machine robot cutting electrical control.
IV
目錄
第1章 緒論 1
1.1高壓水射流技術的發(fā)展歷史和實際應用 1
1.2水射流切割的加工特點 1
1.3高壓水射流切割技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.4擬采用方案 4
第2章 切割參數(shù)對切割質(zhì)量的影響 5
2.1磨料水射流切割技術的工作原理 5
2.2磨料顆粒的沖蝕磨損 6
2.3裂紋的產(chǎn)生和工件的破碎過程 10
2.4切割參數(shù)對切割效率的影響 10
2.5幾種典型材料的切割數(shù)據(jù) 10
第3章 全自動切割機結構設計 12
3.1 加壓設備的選取和密封設計 12
3.2行走機構設計 14
3.3切割機構的設計 16
3.4總裝配三維模型建立 25
3.5控制系統(tǒng) 26
第4章 總結與展望 30
4.1本文總結 30
4.2本文展望 30
致謝 32
參考文獻： 33
第1章 緒論
1.1高壓水射流技術的發(fā)展歷史和實際應用
高壓水射流切割技術作為一種新型的特種加工技術，到現(xiàn)在其主要經(jīng)了四個發(fā)展階段：
（1）20世紀50年代，探索實驗階段
50年代，人們從水力采煤和高速飛機的雨蝕現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，當水射流的壓力和速度提高之后，能夠擊穿堅硬的物質(zhì)，從而開始了超高壓設備的研制和超高壓水射流的實驗。
（2）20世紀60年代，基礎設備的研制和水力清洗
隨著超高壓柱塞泵和增壓機的出現(xiàn)，開始了射流動力學特性和噴嘴結構的研究，從而使得水力清理得到了重視和開發(fā)。
（3）20世紀70年代，工業(yè)實驗和應用
美國開始尋求一種高效的破巖方法，研究人員提出并試驗了25中新型的切割方法，例如電火花、電子束、激光、等離子、高壓水射流等，最后一致認為高壓水射流是破巖切割效率最高，通過大量的實驗，超高壓水射流切割這種方法得到了實際應用。70年末期，很多國家都開始對水射流切割技術進行研究。
（4）20世紀80年代之后，新型高壓射流的發(fā)展及應用
從80年代開始，隨著各種先進切割技術和測量技術的發(fā)展，對水射流切割技術進行了深入研究。并與數(shù)控技術相結合，使其自動化程度和切割精度得到了很大的提高[1]。
1.2水射流切割的加工特點
超高壓水射流切割技術作為一種新型的加工方法,相對于傳統(tǒng)的切割方法有以下加工特點:
（1）切割表面質(zhì)量高，切口光滑、無熔渣、不需要二次加工。超高壓水射流切割技術作為一種先進的冷加工技術，在切割作業(yè)時不會產(chǎn)生熱量，不會使材料的結構特性發(fā)生變化或者變質(zhì)，有利于切割一些熱敏感度比較高的材料.超高壓水切割技術在切割作業(yè)時，被切割材料不會因沖擊力過大而產(chǎn)生破裂，其切割縫很窄（一般為0.1~2mm），因此可以減少對材料的損耗，提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本；其切口質(zhì)量較好，幾乎無飛邊、毛刺，切割平面垂直、光滑、平整，切割時產(chǎn)生的殘渣較少，且不產(chǎn)生有毒氣體及粉塵，對環(huán)境的污染和操作人員的安全影響較?。凰淞髑懈罴夹g對被切割工件產(chǎn)生的作用力極小，對工件表面無直接壓力，所以切割作業(yè)時幾乎不會存在機械應力和應變，工件變形很小，加工精度比較高[2]。
（2）生產(chǎn)效率高，加工成本低。高壓水射流切割技術所使用的介質(zhì)為水，而水在地球上幾乎無處不在，獲取方法簡便快捷，水射流的加工速度快，效率高，因此其加工成本低。
（3）被切割材料具有廣泛性。由于加壓后的水射流具有非常高的能量，幾乎可以加工所有的材料，其對切割尺寸限制很小，可以用于切割各種軟質(zhì)玉硬質(zhì)材料、導電與非導電材料、金屬與非金屬材料、塑性與非塑性材料、復合材料等。
（4）工作環(huán)境良好、操作安全可靠。水射流切割作業(yè)時射流的最佳靶距2~15mm之間，一般人的手等部位很難伸到下面去，因此在切割作業(yè)時，不會對人體產(chǎn)生傷害。由于超高壓水射流切割技術的介質(zhì)為水，因此整個切割過程清潔。水射流切割技術的工作環(huán)境良好，操作環(huán)境整潔，符合環(huán)保要求，提高了操作人員的安全性；切割做成中不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)和高位，幾乎對人體無影響?？梢砸兹家妆任ｋU品的加工和拆除作業(yè)，廣泛應用于安全工程。
（5）數(shù)控成型各種復雜圖案，自動化程度高。超高壓水射流的噴頭體積小、移動方便，通過數(shù)控軟件的控制，可以切割不同形狀的復雜圖案，減輕了工人的勞動強度。
（6）超高壓水射流切割技術屬于綠色加工。超高壓水射流切割技術的切割介質(zhì)為液態(tài)水及磨料，其來源充足；水不但豐富易取，價格便宜，而且水資源屬于可再生、無污染的資源。
因此，高壓水射流切割技術符合當今社會的發(fā)展需要，屬于綠色加工，可持續(xù)，環(huán)境污染小，加工操作簡單易懂，安全可靠，加工材料廣泛。適用于建筑業(yè)、食品加工行業(yè)、服裝業(yè)、汽車工業(yè)等多個行業(yè)[3]。
1.3高壓水射流切割技術國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
高壓水射流切割技術作為新型的一種冷加工技術，具有許多優(yōu)點，在工業(yè)中國得到了廣泛的應用。隨著各種先進技術的發(fā)展，高壓水射流切割技術作為一門應用性很強的技術也得到很大的發(fā)展。將數(shù)控技術與高壓水切割技術相結合，進一步提高了磨料水射流的科學技術水平。
1.3.1國外發(fā)展現(xiàn)狀
隨著水射流切割技術的廣泛應用，理論研究的不斷深入，它的巨大潛力和前景引起了更多國家的關注，世界主要工業(yè)國家如美國、德國、加拿大等都花巨資對高壓水射流切割技術進行技術開發(fā)，取得了令人矚目的成就。
高壓水射流切割技術的切割機理是一個極其復雜的過程，是多種參數(shù)共同作用的結果，很多研究人員對此進行了大量的研究，并提出了許多磨蝕理論。在高壓水射流切割工業(yè)參數(shù)研究方面，許多研究人員的研究主要集中在水射流切割模型的建立，由于影響高壓水射流切割性能的參數(shù)很多，建立的預測模型含有許多變量和系數(shù)，使其和復雜，而這些參數(shù)都是通過實際實驗數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗值。因此得到的預測模型非常復雜，預測精度比較低。
雖然高壓水射流切割技術的切割機理非常復雜，但是人們通過大量的試驗和研究得出了改進水射流切割工藝的方法，在實際切割工業(yè)中具有較好的成果。L.Chen、E.Siores、J.Wang以氧化陶瓷作為式樣，對水射流射入角度對工件質(zhì)量的影響進行了研究，認為當射入角為80~85°時，切割深度最深。在加工塑性材料時，傾角為15~20°材料的去處率最高。E.Lemma對噴嘴擺動技術在加工低碳鋼和鋁表面粗糙度的影響進行了研究，試驗結果表明，采用噴嘴擺動技術可以降低切割表面的粗糙度30%。
1.3.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
通過近幾年的發(fā)展，我國高壓水射流切割技術的研究和應用，也取得了和大的研究成果。國內(nèi)很多研究人員對高壓水射流切割機理提出了自己的看法。并將將高壓水切割便攜化，使其具有較好的移動性，可以克服許多環(huán)境因素對切割質(zhì)量的影響 [3]。
1.4擬采用方案
本文針對大型板件火焰切割中存在的斷面不平整問題,設計出一種全自動超高壓水射流切割機，其主要機構分為三個部分：
（1）增壓裝置。增壓裝置對過濾后的純水進行增壓，使其達到切割材料所學的壓力，再通過超高壓軟管傳輸?shù)角懈顧C。
（2）切割裝置。增壓裝置加壓后的超高壓水射流通過超高壓軟管傳輸?shù)角懈钛b置，超高壓水射流經(jīng)磨料射流切割噴頭的混合腔與磨料混合形成磨料射流，經(jīng)磨料射流切割噴頭的出口噴出，可以對材料進行切割。
（3）行走裝置。行走裝置的作用為帶著切割裝置對尺寸較大的板件進行切割，以解決工件尺寸過大而造成切割困難的問題。
第2章 切割參數(shù)對切割質(zhì)量的影響
新型復合材料和合金材料在當今社會的廣泛應用，由于其加工要求和難度較高，傳統(tǒng)的加工技術已經(jīng)無法滿足其加工要求。因此采用磨料水射流切割技術對這些傳統(tǒng)加工技術難以加工的材料進行加工，具有其他加工方法無法替代的優(yōu)點。磨料水射流的切割深度來反映磨料射流侵入材料的能力，切割深度越大，單位時間內(nèi)切割面積越大，切割效率越高。因此用切割深度大小來衡量水射流的切割效率。本章針對水壓力、進給速度、磨料流量和靶距對材料切割斷面深度和質(zhì)量的影響進行了分析。
2.1磨料水射流切割技術的工作原理
大量實驗表明，純水射流對較硬的材料幾乎無切割能力，因此在超高壓水射流中加入磨料粒子，這種切割方式就叫做磨料射流切割。
其工作原理如下：
（1）一般純水進入一個帶有過濾器的水箱，再通過一個低壓水泵將過濾后的純水加壓送入超高壓增壓機，再將具有較高壓力的超高壓水射流通過超高壓水管傳輸切割機；
（2）通過超高壓水管傳輸?shù)母邏核淞鲝乃畤娮靽娙肽チ仙淞鲊婎^中的混合腔內(nèi)，使其內(nèi)部形成局部真空，當磨料顆粒被吸入混合腔與水射流混合后經(jīng)磨料噴嘴噴出形成磨料水射流，這時的磨料水射流就能對硬度較大的材料進行切割作業(yè)。
在磨料射流切割技術中水作為磨料動力的載體，對磨料粒子進行加速，使磨料粒子具有較大的動能。在磨料射流切割作業(yè)的過程中主要由高能磨料粒子對被加工工件進行沖蝕磨損，通過這一系列復雜的作用過程，將需要加工的工件切割開。其工作流程如圖2-1：
過濾后的純水
水泵
超高壓增壓機
磨料罐
磨料射流切割噴頭
需要加工的工件
圖2-1 磨料射流切割技術的流程
2.2磨料顆粒的沖蝕磨損
高速水射流對磨料粒子進行加速之后，使磨料粒子具有很到的動能，由高速水射流攜帶這些磨料粒子沖擊到被加工材料表面，這些高能粒子對材料進行沖蝕和消磨作用，這一過程屬于切削、疲勞斷裂、融化等機制共同作用的結果。切割過程不同，這些機理的作用也不同，取決于多鐘因素，如沖擊角度、顆粒動能、顆粒形狀、被切割材料性能以及環(huán)境因素等。磨料水射流的沖擊力集中在有顆粒形狀確定的打擊面上，水起到了運送介質(zhì)的作用，并可以擴大切縫和材料的內(nèi)部裂紋[4]。
1 機理分析
（1） 單個顆粒的沖擊作用
假定用等效圓球表示顆粒，對于沖擊過程，顆粒的運動可以由牛頓第二定律和赫茲方程有：
Z”= (2-1)
(2-2)
式中
-磨料顆粒質(zhì)量；
-顆粒重心坐標；
-顆粒對材料的沖擊力；
-剪切模量；
-洛桑比；
由此可接的最大壓縮量：
圖2-2 磨料粒子沖擊示意圖
(2-3)
最大沖擊力：
(2-4)
(2)固體顆粒沖擊的磨蝕動力學
高壓水經(jīng)過噴嘴形成高速水射流[5]。其能量形式由壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯恿δ?。由水力學可知，水射流速度：
(2-5)
式中：
-噴嘴出口水射流速度，m/s；
P-噴嘴出口壓力，Pa；
-水的容重，Kg/L；
g-重力加速度，m/s；
-噴嘴流速系數(shù)，一般為0.97.
由（2-5）可知，在噴嘴結構一定時，射流速度取決于壓力，射流的流量等于射流流速乘以射流截面面積，而射流截面面積與噴嘴孔截面面積及噴嘴幾何形狀決定的流量系數(shù)有關，由經(jīng)驗公式可得水射流流量：
(2-6)
式中：
-噴嘴直徑，mm；
Q-流量，L/min；
產(chǎn)生這些流量所需要的功率：
(2-7)
磨料混入后，假設水射流和磨料為同一速度，由動量守恒定律：
（2-8）
得：
（2-9）
式中：
-磨料顆粒的速度，m/s；
-磨料供給量，g/s。
水射流的動量傳遞給料后，顆粒被加速，當這些撞擊物體，使其產(chǎn)生剝離，這就是沖蝕磨損。此時，磨料顆粒所具有的動能：
（2-10）
由（2-5）至（2-9）式可知：當磨料一定時，水射流壓力越高，磨料顆粒速度就越大。當水射流流量增大的時候，磨料速度也要增大。
（3）磨料射流沖蝕能效的影響因素
速度為的粒子垂直沖擊物體表面時產(chǎn)生沖擊載荷，在沖蝕過程中的幾何參數(shù)是（為顆粒半徑），因此單個顆粒沖蝕時，沖蝕坑的體積為：
(2-11)
帶入（2.5）得：
（2-12）
又因為：帶入上式：
(2-13)
由上式可知，單個磨料粒子沖蝕后產(chǎn)生的體積與粒子半徑、密度、速度有關。粒子所攜帶的能量：
（2-14)
切割單位體積物料所需磨料粒子的能量：
(2-15)
即N與及成正比。
（4）材料的破碎
磨料粒子在以加工工件表面之間為圓弧接觸。在工件表面破壞之前，用彈性力學的方法計算作用區(qū)域的應力。分布如圖2-3：
R
圖2-3 應力分布圖
q
a a
圖2-4 磨料粒子受力分布
球狀顆粒沖擊工件表面時，中心壓力最大，邊緣壓力最小（如圖2-4）， 其分布是：
（2-16）
其中心壓強：
(當) （2-17）
壓痕半徑a：
（2-18）
假設磨料粒子是剛性的，（）則有：
（2-19）
在接觸面邊界出的最大拉應力和剪切力相等：
當z=0時：
（2-20）
此處，正應力為0，呈拉伸和剪切狀態(tài)，脆性材料首先再次破壞，呈現(xiàn)圓周形裂紋。
由.
當材料的=0.3時，在深度z=0.483a處產(chǎn)生最大剪切應力：
(2-21)
式中：-彈性模量。
2.3裂紋的產(chǎn)生和工件的破碎過程
磨料水射流以沖蝕磨損作用切割物體。當顆粒沖蝕脆性材料時是以破碎肩的形式去處材料的。磨料粒子不斷地沖擊工件表面，使其疲勞斷裂。由于不斷供給磨料水射流，磨料粒子得以數(shù)次對工件進行沖擊作用，同時也避免了顆?；貜?，水可以擴大裂縫和工件內(nèi)部裂紋也能將熱能與碎屑沖過的磨料帶走。
2.4切割參數(shù)對切割效率的影響
影響磨料水射流切割技術的切割效率多種參數(shù)分為兩類：射流系統(tǒng)參數(shù)和機械系統(tǒng)參數(shù)。射流系統(tǒng)參數(shù)包括射流壓力、水流量、磨料材料、磨料速度、磨料流量、磨料混合狀況、混合腔結構、磨料噴嘴直徑、磨料噴嘴長度、磨料噴嘴材料；機械系統(tǒng)參數(shù)包括進給速度、執(zhí)行機構的精度和復現(xiàn)性、磨料噴嘴末端到工件表面的距離（靶距）、往復次數(shù)、工件材料的性能、射流入射角度、進給和轉(zhuǎn)向速度、穿透時間。
2.5幾種典型材料的切割數(shù)據(jù)
磨料水射流切割技術已經(jīng)廣泛應用于多個行業(yè)，可以切割500多種材料，本文通過查取相關資料，得出了幾種典型材料的切割參數(shù)[3]：
表2-1 幾種典型材料的切割參數(shù)
材料
厚度（mm）
噴嘴直徑（mm）
壓力（MPa）
切割速度（mm/min）
鋁板
75
0.3
250
50
鈦板
3
0.3
250
500
不銹鋼
50
0.4
300
30
耐熱鋼
45
0.4
300
20
工具鋼
300
0.4
300
75
玻璃鋼
30
0.3
200
2000
玻璃
20
0.3
150
500
瑪瑙
40
0.35
250
50
翡翠
45
0.35
300
40
石英玻璃
Φ
0.3
200
100
有機玻璃
45
0.3
200
100
大理石
20
0.35
150
800
高強水泥
40
0.35
250
100
青鋼
28
0.3
400
25
鑄鐵
40
0.3
400
25
碳纖維
3
0.3
400
40
AL/SiC(15%)
12
0.3
400
400
裝甲鋼板
5
0.3
400
400
酚醛夾布
30
0.3
250
1500
陶瓷玻璃
10
0.3
100
1000
鋯玻璃
3
0.3
70
1000
鈣玻璃
1
0.3
70
1000
本文根據(jù)上述參數(shù)而設計一種磨料水射流切割針對大型板件進行切割加工。選取其切割最大壓力為380MPa，混合磨料選用80號石榴石。
第3章 全自動切割機結構設計
由于火焰切割對一些熱敏感度較高材料進行切割作業(yè)時，切割質(zhì)量無法保證，切割斷面不平整，需要進行二次加工，即浪費了材料，又增加了加工時間，使得加工成本很高，因此，本文根據(jù)查閱相關資料設計了一種磨料水射流切割機以滿足切割需求。
3.1 加壓設備的選取和密封設計
根據(jù)文獻集可知當壓力為400MPa時，磨料射流切割技術幾乎可以切割任何材料。
3.1.1加壓設備的選取
本文通過查取有關資料，確定采用HD380高壓泵對水射流進行加壓，再通過HX-5-8SP超高壓鋼絲增強軟管，將高壓水射流傳輸?shù)角懈顧C，對被加工材料進行切割作業(yè)。
3.1.2密封設計
根據(jù)查閱文獻集，選用軟金屬墊密封機構，其主要結構如下（圖3-1）[6]：
圖3-1 密封原理
軟金屬墊一般選用紫銅或者不銹鋼，靠外力作用壓緊而引起軟金屬的彈性變形來實現(xiàn)密封，這種密封結構簡單[7]。
3.2行走機構設計
行走機構主要作用在于帶動切割機構對大型板件進行切割作業(yè)，它需要足夠的動力帶動整個切割機系統(tǒng)的運用，因此根據(jù)切割需求，通過相關書籍和網(wǎng)站查閱選取兩種方案的行走機構：
方案一為四輪機構，其結構如圖3-2：
圖3-2 四輪驅(qū)動機構
方案二為履帶行走機構，其結構圖3-3：
圖3-3履帶式行走機構
方案一擁有足夠的動力，用四輪驅(qū)動，只需要一個動力源，便于控制左右兩變輪子的速度，使其達到同步；但是其結構比較復雜，且在行走過程中，由于地面不平整或者地面比較光滑時，容易發(fā)生側滑和打滑，而在切割作業(yè)時發(fā)生側滑和打滑會大大影響被加工工件的切割質(zhì)量，因此排除。
方案二相對于方案一來講，左右兩邊履帶分別用一個履帶液壓行走馬達驅(qū)動，動力充足；同時履帶與地面的接觸面比較大，在地面波動幅度較小或者光滑的情況下，履帶行走機構仍然能夠穩(wěn)定的行走，從而在切割作業(yè)時對被加工工件的斷面質(zhì)量；由于磨料射流切割機在切割作業(yè)時，所需的進給速度較低，而履帶式行走機構的速度也相對較低，正好適合用于磨料射流切割作業(yè)；而且履帶式行走機構能夠原地轉(zhuǎn)向，在轉(zhuǎn)向切割作業(yè)時仍然能夠較好的工作，保證轉(zhuǎn)角處的切割斷面質(zhì)量。
根據(jù)查閱的相關資料對履帶式行走機構用pro/e三維軟件建模如圖3-4：
圖3-4 履帶式行走機構總成
履帶行走的動力源來自于兩臺液壓行走馬達。液壓行走馬達由高速液壓馬達、制動器、行星減速器、閥組等組成，為外殼傳動，可以直接與主動輪相連接，再通過主動帶動履帶行走，其工作可靠，效率高、性能優(yōu)越。通過查取相關資料選用LG135履帶行走底盤總成。
3.3切割機構的設計
良好的切割機構在進行切割作業(yè)時，能保證切割質(zhì)量，增加切割速度，減少切割成本，大大提高切割效率。
3.3.1磨料射流噴頭選取
高壓水射流切割方式主要分為磨料水射流切割方式和純水射流切割方式，由于純水射流切割方式對硬質(zhì)材料幾乎無切割能力，因此本文選用磨料水射流切割方式。磨料射流切割噴頭需要有較強的耐磨性，因此選用牌號為YK15的硬質(zhì)合金[8]。
磨料水射流切割中磨料混合方式主要分為前混式和后混式，由于本文是針對大型板件進行切割作業(yè)，其行程較長，因此前混式磨料水射流切割方式中磨料射流的行程將大大增加，對射流傳輸系統(tǒng)的磨損會隨之增大，所以本文選取后混式磨料水射流切割方式。
后混式磨料射流切割噴頭是在純水射流噴嘴后加入了磨料添加機構和磨料射流噴嘴，為了簡化結構，將水射流噴嘴和混合腔放置于磨料噴嘴中。后混式磨料射流切割噴頭一般分為三種形式，如圖3-5：
a)旋流混合時 b)斜貫混合式 c）正交混合式
1.高壓水管；2.水噴嘴；3.磨料噴嘴。
圖3-5 磨料射流切割噴頭
通過查取相關資料可知，旋轉(zhuǎn)混合式磨料射流切割噴頭中，磨料在高壓水射流產(chǎn)生的真空抽吸和殼體內(nèi)壁選裝葉柵的作用下在噴頭內(nèi)部呈旋轉(zhuǎn)運動，并與高壓水射流混合行程磨料水射流，然后從磨料噴嘴噴出，這種噴頭大大縮短了水噴頭與磨料噴嘴的距離，具有很好的射流集聚性，但是其內(nèi)部結構比復雜，難以加工。而斜貫混適式磨料切割噴頭和正交式磨料射流噴頭結構相對簡單,使用性更廣泛,針對兩噴頭分析如下:
（1）結構參數(shù)
取斜貫混合式磨料入口與水射流噴嘴軸線夾角為45°。水噴嘴選取具有更長衰減長度的Laval型噴嘴主要結構如圖3-6，主要參數(shù)如表3-1：
圖3-6 正交混合式磨料射流切割噴頭
表3-1 磨料射流切割噴頭主要參數(shù)
水噴嘴長度/mm
磨料噴嘴長度/mm
磨料入口高度/mm
混合室長度/mm
磨料入口與水噴嘴距離/mm
水噴嘴圓柱段長度/mm
磨料入口孔徑/mm
6
50
5
8
4
1
2
水噴嘴出流內(nèi)徑/mm
磨料噴嘴出流內(nèi)徑/mm
水噴嘴收縮角
水噴嘴擴散角/°
磨料噴嘴收縮角/°
水噴嘴入口內(nèi)徑D/mm
混合式內(nèi)徑/mm
0.4
0.9
13
20
20
1.2
4
查閱有關資料可知，根據(jù)實際經(jīng)驗斜貫混合式磨料射流噴頭內(nèi)部磨料和水射流混合比較充分，其切割能力明顯大于正交混合式磨料射流切割噴頭，因此本文選取斜貫混合式磨料射流噴頭。對其進行用Pro/E三維建模（圖3-7）：
1.磨料射流噴嘴；2.磨料入口；3.高壓水入口；4.驅(qū)動柄；5.定位針。
圖3-7 斜貫式磨料射流切割噴頭
3.2.2機械臂的設計
由于切割環(huán)境對切割效率的影響，某些時候固定式磨料射流切割噴頭無法到達指定的切割位置，為此設計一個機械手臂來滿足切割需求[9]。
（1）方案選取
根據(jù)切割需求，并通過先了兩種機械臂，用Pro/E建模如下：其中方案一參照圖3-8，方案二參照圖3-9。
圖3-8 抬升式機械臂
圖3-9 曲柄搖桿式機械臂
方案比較：
方案一由旋轉(zhuǎn)底座、抬升系統(tǒng)、伸縮桿和擺動噴頭組成。其中選裝底座可以0~300°自由旋轉(zhuǎn)；抬升系統(tǒng)能夠上下自由運動，從而帶動伸縮桿和磨料射流切割噴頭做上下運動，可以隨時調(diào)整磨料射射流切割噴頭出口末端與被加工工件表面的垂直距離，以達到最優(yōu)的靶距；伸縮桿由一個電機控制，通過齒輪與絲桿的傳動，可以自由伸縮，其行程為400mm；通過選裝底座的旋轉(zhuǎn)、抬升系統(tǒng)的上下移動和伸縮桿的伸縮控制，能將磨料射流切割噴頭帶到切割作業(yè)時所需要的位置，同時在變相切割作業(yè)和切割復雜圖形時，通過選裝底座、抬升系統(tǒng)和伸縮桿的同時工作，將運動合成可以達到變向切割時所需的切割要求和切割不同形狀的圖形。擺動噴頭可以與進給方向相垂直的方向0~90擺動，通過擺動噴頭的擺動可以調(diào)整磨料射流與豎直面的傾角，能保證被加工工件的切割面垂直，提高磨料射流切割加工技術的效率。整個系統(tǒng)能將磨料射流切割噴頭帶到各個位置，方便在不同工作要求下，對各種形狀復雜，尺寸不定的板件進行加工作業(yè)，其對環(huán)境要求低，適應性強，能廣泛應用于各種加工環(huán)境。而且整個系統(tǒng)的操作簡單、維修方便，外觀優(yōu)美。
方案二主要由兩個曲柄搖桿機構和一個旋轉(zhuǎn)底座組成，通過桿的擺動和底座的選裝來控制磨料射流切割噴頭的位置。其中，需安裝底座和方案一內(nèi)同，可以進行0~300°自由選裝；兩個曲柄搖桿可以通過兩個電機控制其擺角從而調(diào)整機械臂末端的水平距離和垂直高度；通過選裝底座和兩個曲柄搖桿的擺動，使得磨料射流切割噴頭能過到達不同的平面位置和調(diào)整磨料射流切割噴頭的磨料射流出口與被加工工件表面的垂直高度，保持高效的切割效率；同時兩個曲柄搖桿的加工簡單、拆裝方便。最大的特點是選裝底座，機械臂的所有動力源都在這個位置，減少了機械臂自身的重量，從而降低了慣性運用對整個機械臂穩(wěn)定性的影響，增大了整個機械臂的載荷量。因此此方案的加工成本較低，且控制精度較高，通過機械臂的帶動，整個切割裝置不僅僅能加工大型板件，也能加工小型板件，同時對工作環(huán)境的要求很低。但是這種機械臂末端平面一直與水平面平行，從而使得磨料射流一直與被加工工件表面垂直，因此當加工工件厚度較大時，就會出現(xiàn)別切割表面不垂直的現(xiàn)象（如圖3-10），達不到切割要求[3]。
圖3-10 切割斷面
因此通過上述分析，本文選取方案一作為該切割機的機械臂。
（2）機械臂結構的詳細設計
通過結構分析選取方案一作為設計方案。查取有關資料，選用S30403號不銹鋼作為機械臂的材料。
1）旋轉(zhuǎn)底座的設計
根據(jù)本文對磨料射流切割機的切割的要求，磨料射流切割機構由行走機構帶動行走，為了整個切割機的運行穩(wěn)定，切割機的機械機械手臂底座電機將安裝在行走機構的中心位置，將旋轉(zhuǎn)底座作為整個機械臂的基礎。
選裝底座有一個電機和一個圓柱板組成。電機選用XY42STH48-1206A-XJ型步進電機[9]，其作用在于帶動整個機械臂做旋轉(zhuǎn)運動；圓柱板的作用在于是底座在旋轉(zhuǎn)保持整個機械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定，同時起固定抬升系統(tǒng)的作用。由三維建模軟件pro/e對旋轉(zhuǎn)底座建模如圖3-11：
圖3-11 旋轉(zhuǎn)底座
2）抬升系統(tǒng)
在切割過程中，切割效率受被加工工件材料的性能、磨料射流切割噴頭內(nèi)徑和環(huán)境因素的影響，需要調(diào)整磨料射流切割噴頭出流末端與被切割工件表面的距離，因此需要設計一個抬升機構來完成這個任務。抬升系統(tǒng)直接安裝在旋轉(zhuǎn)底座的圓柱板上，在旋轉(zhuǎn)底座做旋轉(zhuǎn)運動時，自身也可以做上下運動。其結構如圖3-12：
圖3-12 抬升系統(tǒng)
抬升系統(tǒng)動力源是一個90ST-M02430伺服電機驅(qū)動,通過兩個齒輪和一個同步帶將動力傳遞到絲桿,通過絲桿與梯形滑塊的相對位移,是抬升系統(tǒng)的伸縮部位上升或者下降，最大行程30mm。其內(nèi)部結果如圖3-13和圖3-14。
圖3-13 同步帶傳統(tǒng)系統(tǒng)
1.絲桿；2.鎖緊螺栓；3.梯形滑塊；4.7006AC型角接觸軸承；5.從動齒輪；
6.同步帶；7.主動齒輪。
圖3-14 抬升系統(tǒng)動力傳動原理
其中，主動輪和從動論的模數(shù),齒數(shù)?？梢怨ぷ魉欧姍C的速度調(diào)整來確定抬升系統(tǒng)的伸縮速度。
絲桿強度校核[10]：
絲桿在工作室承受軸向壓力或拉力F和扭矩T的作用。絲桿危險截面上既有壓縮或拉伸應力，又有切應力，因此根據(jù)第四強度理論計算出危險截面的應力：
(3-1)
其中：F—絲桿所受的軸向壓力，F(xiàn)=200N；
—絲桿螺紋小徑，
A—絲桿螺紋段的危險截面面積，
T—絲桿所受扭矩，根據(jù)選用的私服電機和齒輪傳動關系可得
根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出絲桿所受達到的應力，因此絲杠能保持良好的工作條件，使用壽命較長[11]。
3）伸縮絲桿的設計
磨料射流切割機在進行切割作業(yè)時，磨料射流噴頭將移動到被切割工件的上方約5~20mm位置，因此本文所設計的機械臂應具有伸縮功能，所以通過機械設計原理設計一個伸縮絲桿，來完成機械臂的帶動磨料射流切割噴頭，使其移動到切割作業(yè)時所學要的要位置。
通過抬升機構將機械抬升到合適的高度后，伸縮絲杠通過點擊驅(qū)動將磨料射流切割噴頭需要切割點的上部，這時抬升機構在下降，通過定位系統(tǒng)使其到達合適的位置；這時，磨料射流切割機就能對工件進行切割。通過行走機構、旋轉(zhuǎn)底座、抬升系統(tǒng)和磨料射流切噴頭的尺寸，對伸縮絲桿進行詳細計算并用pro/e進行三維建模如圖3-13：
圖3-13 伸縮絲桿
絲桿由伺服電機驅(qū)動，可以以適當?shù)乃俣葘δチ仙淞髑懈顕婎^進行定位，節(jié)約調(diào)整時間，從而提高切割效率。
3.4總裝配三維模型建立
根據(jù)以上結構設計及結構三維模型的建立，通過pro/e三維建模軟件對整個切割機系統(tǒng)進行裝備和運動仿真，其三維模型如圖3-14：
1. 液壓行走馬達；2. 橡膠履帶；3. 超高壓軟管接頭；4磨料罐；5磨料射流切割噴頭；
6.磨料噴頭驅(qū)動電機；7.伸縮絲桿；8.伸縮絲桿驅(qū)動電機；9.抬升系統(tǒng)；10.抬升系統(tǒng)驅(qū)動電機；11.帶步進電機的旋轉(zhuǎn)底座；12行走機構從動輪；13行走機構驅(qū)動輪。
圖3-14 磨料射流切割機
3.5控制系統(tǒng)
本文所設計的行走式磨料射流切割機由3種電機驅(qū)動，其中機械臂中磨料射流噴頭的擺動、伸縮絲桿的移動和抬升系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動，機械臂旋轉(zhuǎn)底座由步進電機驅(qū)動，履帶式行走底盤總成有液壓馬達驅(qū)動。
（1）工作原理
1）通過人機界面手動操作將切割機進行定位，并建立工件坐標系。通過人工調(diào)節(jié)，抬升系統(tǒng)將磨料射流碰頭抬升到一定的高度；再移動切割機，使其達到所需切割工件的位置，再緩慢降低切割噴頭，當碰頭末端定位針恰好與工件表面接觸時停止，在此時完成切割機的定位，并建立工件坐標系。
2）將所要切割的軌跡進行數(shù)控編程，再將程序?qū)懭肭懈顧C的數(shù)控系統(tǒng)。運行軌跡程序，啟動增壓機對純水進行增壓，打開高壓水閥門，使切割機開始切割工件。通過系統(tǒng)對切割機的六臺電機發(fā)出的指令，將六臺電機所驅(qū)動機構的運動合成，使其按照切割軌跡對工件進行切割。
3）當切割完成時，自動停止對純水增壓，關閉高壓水閥門，切割機停止在指定的位置。
切割機的工作流程圖如下：
人機界面
建立工件坐標系
軌跡編程
數(shù)控系統(tǒng)
行走機構
旋轉(zhuǎn)底座
射流噴頭
伸縮系統(tǒng)
抬升系統(tǒng)
切割工件
切割完成，增壓機停止工作，切割機停止在指定位置
圖3-15 磨料射流切割機工作流程圖
（2）3種電機PLC控制電路圖
本文所設計的切割機中每臺電機都有獨立的驅(qū)動器，每個驅(qū)動系統(tǒng)通過切割機數(shù)控系統(tǒng)給出的不同指令，調(diào)節(jié)每臺電機的轉(zhuǎn)速與方向，從而完成切割要求。
1）磨料射流噴頭、伸縮系統(tǒng)和抬升系統(tǒng)都是由伺服電機驅(qū)動，其控制電路圖如下：
圖3-16伺服電機控制電路圖
2）旋轉(zhuǎn)底座由XY42STH48-1206A-XJ型步進電機驅(qū)動，其控制電路圖如下：
圖3-17 XY42STH48-1206A-XJ型步進電機控制電路圖
3）LG135履帶行走底盤總成由兩臺液壓馬達驅(qū)動，其控制電路圖如下：
圖3-18 LG135履帶行走底盤總成驅(qū)動電機控制電路圖
例如當需要切割邊長為2000mm的方形板件時，首先在方形板件一個直角旁邊取一點對切割機進行定位，并建立工件坐標系。在數(shù)控系統(tǒng)中輸入并運行程序，開始切割工件。伸縮絲桿驅(qū)動電機開始驅(qū)動伸縮絲桿，帶動切割噴頭緩慢切割工件至方形軌跡一個直角，沿著一條邊開始切割工件。當切割完成2000mm后到達另一個直角時，行走總成的兩臺液壓馬達開始按不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，通過驅(qū)動器的控制，使切割噴頭在切割機轉(zhuǎn)向時所在的位置不變。當轉(zhuǎn)向完成后，兩臺液壓馬達開始同步轉(zhuǎn)動，使切割機按另一條直線運動。重復以上運動，經(jīng)過3次變向和4次直線切割，從而完成切割邊上2000mm的方形板件。
第4章 總結與展望
4.1本文總結
本文根據(jù)圖書館，網(wǎng)絡，期刊等相關資料查取手段，查取了磨料射流切割技術的切割參數(shù)，針對大型板件火焰切割中存在斷面不平整而設計出一款全自動磨料射流切割機。通過對切割機的理論研究與結構設計得出以下幾點結論：
（1）磨料射流切割技術作為一種冷切割加工方法，在對被工件進行切割作業(yè)時，不會產(chǎn)生高溫，也不會產(chǎn)生飛屑，其切割斷面光滑、平整、垂直，無毛刺，不需要進行二次加工，提高了材料的利用率，從而大大降低了加工成本。
（2）磨料射流切割技術安全可靠，在切割作業(yè)時噴頭出口與工件表面的距離很短，人的身體部位都很難伸進去，因此在切割作業(yè)時不會對人體造成傷害。
（3）磨料射流切割技術所使用的介質(zhì)為水和磨料，兩種介質(zhì)都屬于可再生資源，且來源充足，價格便宜，是具有可持續(xù)性，因此符合當今社會的發(fā)展需求。
4.2本文展望
由于時間緊迫和查取資料有限，本文的一些結構有待改進，可以改進的機構有：
（1）本文所設計的切割系統(tǒng)的增壓設備是固定式的，因此當切割行程較大時，高壓軟管的長度也會隨之增長，使得超高壓水射流在高壓管內(nèi)傳輸?shù)臅r候能量損耗過大。因此希望選用一種體積和質(zhì)量相對較小的增壓機，將其直接安放在履帶式行走機構上，使之無論加工多大尺寸的板件其超高壓水射流的傳輸距離都很短，從而大大降低超高壓水射流在傳輸過程中的能量損耗，增加切割效率。
（2）本文所設計的磨料射流切割噴頭不能沿進給方向擺動，而根據(jù)大量試驗證明，磨料射流切割技術在切割作業(yè)時磨料射流的入射角在80~85°時，其切割深度最深。因此在磨料射流切割噴頭出需要改進，使其可以自由擺動，在一定壓力和磨料流量時，增加切割深度，保持高效輸出。
（3）本文采用的密封為軟金屬墊密封，雖然這種密封放大結構簡單，但是拆卸困難，且一旦拆卸就不能重復使用；如果使用時間較長，由于連接件之間的超高壓作用而是產(chǎn)生下拉永久形變和軟金屬墊的塑性變形，不能回復補償彈性變形量，減小了軟金屬墊的有效壓縮量，這時就會出現(xiàn)泄露，因此需要尋找一種更有效使用壽命更長的密封設計，以增加磨料射流切割系統(tǒng)的使用壽命。
致謝
四年的大學學習生活即將結束，在這段寶貴的學習和生活的時間里，我學到了很多有用的知識，將有利于我的終生，同時也認識了很多新的同學與朋友。在大學的學習時間里，我學會如何做到一個謹慎、自律有思想抱負的人，同時培養(yǎng)了自主學習的能力，通過各個老師的耐心細致的指導，我受益匪淺，老師淵博扎實的理論學識、豐富實際經(jīng)驗和嚴謹認真的治學態(tài)度深深地影響了我，是我學到了更對有用的知識，將利于我今后的工作與生活。
在大學時間里的學習生活中，我得到老師和同學們的幫助，是我具備了團隊合作的精神，它將伴隨著我的一身，意義非凡。
感謝大學四年各個學科老師對我的指導和幫助，感學同學們四年的陪伴，師生之誼、同窗之誼，終身難忘。
感謝我的家人和朋友，使他們無私的關懷和愛護成就了我的現(xiàn)在，尤其要感謝我的父母，感謝他們的養(yǎng)育之恩與二十多年的辛勤付出，感謝他們含辛茹苦的支持我完成學業(yè)。
最后感謝周遠果老師對我畢業(yè)設計和畢業(yè)論文的指導，在他的指導之下我成功的完成了畢業(yè)設計和畢業(yè)論文。
謹以此給所有關心、愛護、支持和幫助我的親人、老師、同學和朋友們！
黃正偉
2015年5月13日
參考文獻：
[1]張培忠.柔性制造技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.
[2]孫家駿.水射流切割技術[M].徐州：中國礦大出版社,1992.
[3]薛勝雄.高壓水射流技術工程[M].合肥:合肥工業(yè)大學出版社,2006.
[4]孫家樞.金屬的磨損[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1992.
[5]裴國霞,唐曹春.水力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[6]李繼和.機械密封技術[M].北京：化學工業(yè)出版社,1988.
[7]成大先.機械設計手冊：潤滑與密封[M].北京：化學工業(yè)出版社,2011.
[8]姜文深.鈑金下料-高壓水切割[M]. 2012.
[9]蔣剛.工業(yè)機器人[M].成都:西南交通大學出版社,2011.
[10]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2006.
[11]李慶華.材料力學[M].成都：西南交通大學出版社,2005.
[12] Robert L. Mott. Machine elements in mechanical design [M]. Publishing House of Electronics Industry ,2007.
[13] [美]克拉格. Introduction to Robotics:Mechanics and Control Third Edition[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2005.
[14]薛勝雄.高壓水射流技術與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.
[15]楊玉萍,錢永明.同步帶傳動縱向振動分析[J].機械傳動,2002,26(4):38-40.
[16]張運琪.美國水射流切割技術.中國機械工程[J]1992,3(3):13-15.
[17]孫家駿.水射流切割技術[M].徐州.中國礦業(yè)大學出版社,1992.
[18]陰妍,鮑久圣,段雄.磨料水射流切割工藝參數(shù)的實驗研究[J].機械設計與制造,2007,(4):107-109.
[19]何獎愛,王玉萍.材料磨損與耐磨材料[M].遼寧:東北大學出版社,2001.
[20]將業(yè)華,周榮,邢建東.不同顆粒粒度表面復合材料的耐沖蝕磨損性能[J].鑄造,2003,52(9):266-272.
[21]楊態(tài),陳世明,張毅君,李滿.高壓水射流技術的發(fā)展及應用[J].機械管理開發(fā),2009,24(5):87-89.
[22]李小青.基于神經(jīng)網(wǎng)與遺傳算法的傳動部件設計優(yōu)化[J].計算機測量與控制,2006,14(2):253-255.
33
收藏