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春节专题:高速数控等离子切割机床设计入门

春节专题:高速数控等离子切割机床设计入门

  高速数控等离子切割机具有切割速度快、加工质量好、使用成本低等优势而为终端用户市场所普遍认可,在近年来面向金属切割加工应用的相关行业中,采用高速数控等离子切割机床正逐渐成为一种加工设备更新换代趋势。站在用户角度来说,衡量切割机床加工性能的方式可能更多集中在对加工效果的评价,这一点无可厚非;但从行业角度来说,中国正逐步成为全球数控等离子切割机床的一大主要生产基地,如何借鉴行业先进制造技艺以提高行业整体水平,仍然是作为一名从业者所需关注的焦点。趁着2016年猴年春节来临之际,武汉仲博科技技术部针对公司SF系列高速数控等离子切割机设备相关设计思路及相关制造经验编辑整理,以抛砖引玉希望借此能为更多国内同行所参考。

一、高速数控等离子切割机床设计刚性要求
  1. 较高的机床静、动刚度
  高速数控等离子切割机床是按照数控编程或手动输入数据方式提供的指令自动进行加工的。由于机械结构(如机床床身、导轨、工作台、割炬和主轴箱等)的几何精度与变形产生的定位误差在加工过程中不能为地调整与补偿,因此,必须把各处机械结构部件产生的弹性变形控制在最小限度内,以保证所要求的加工精度与表面质量。
  2. 减少机床的热变形
  在内外热源的影响下,高速数控等离子切割机各部件将发生不同程度的热变形,使工件与割炬之间的相对运动关系遭到破环,也是机床季度下降。对于高速数控等离子切割机床来说,因为全部加工过程是计算的指令控制的,热变形的影响就更为严重。为了减少热变形,在高速数控等离子切割机床结构中通常采用以下措施。
  1)减少发热
  高速数控等离子切割机床内部发热时产生热变形的主要热源,应当尽可能地将热源从主机中分离出去。
  2)控制温升
  在采取了一系列减少热源的措施后,热变形的情况将有所改善。但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的,甚至是不可能的。所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升,以减少热源的影响。其中部较有效的方法是在机床的发热部位强制冷却,也可以在机床低温部分通过加热的方法,使机床各点的温度趋于一致,这样可以减少由于温差造成的翘曲变形。
  3)改善机床机构
  在同样发热条件下,机床机构对热变形也有很大影响。如高速数控等离子切割机床过去采用的单立柱机构有可能被双柱机构所代替。由于左右对称,双立柱机构受热后的主轴线除产生垂直方向的平移外,其它方向的变形很小,而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。

二、高速数控等离子切割机制造工艺要求
  1. 减少运动间的摩擦和消除传动间隙
  高速数控等离子切割机床工作台(或拖板)的位移量脉冲当量为最小单位的,通常又要求能以基地的速度运动。为了使工作台能对数控装置的指令作出准确响应,就必须采取相应的措施。目前常用的滑动导轨、滚动导轨和静压导轨在摩擦阻尼特性方面存在着明显的差别。在进给系统中用滚珠丝杠代替滑动丝杠也可以收到同样的效果。目前,数控切割机床几乎无一例外地采用滚珠丝传动。
  高速数控等离子切割机床(尤其是开环系统的等离子切割机床)的加工精度在很大程度上取决于进给传动链的精度。除了减少传动齿轮和滚珠丝杠的加工误差之外,另一个重要措施是采用无间隙传动副。对于滚珠丝杠螺距的累积误差,通常采用脉冲补偿装置进行螺距补偿。
  2. 减少辅助时间和改善操作性能
  高速数控等离子切割机床的单件加工中,辅助时间(非切屑时间)占有较大的比重。要进一步提高机床的生产率,就必须采取促使最大限度地压缩辅助时间。目前已经有很多高速数控等离子切割机床采用了多主轴、多割炬、以及带割炬的自动切割装置等,以减少割炬切割时间。对于加工用量加大的数控切割机床,床身机构必须有利于排屑。
  3. 提高机床的寿命和精度保持性
  为了提高高速数控等离子切割机床的寿命和精度保持性,在设计时应充分考虑零部件的耐磨性,尤其是机床导轨、进给伺港机主轴部件等影响进度的主要零件的耐磨性。在使用过程中,应保证高速数控等离子切割机床各部件润滑良好。

三、高速数控等离子切割机设计思路
  高速数控等离子切割机床设计,是为了满足热切割加工应用需求,在结构设计、配件选择等方面应尽量满足设备使用的稳定性和精度,尤其需要注意在恶劣使用环境条件下,对于低温、粉尘、高频干扰等情况下的使用需求以及使用寿命问题。在高速数控等离子切割机床发展的最初阶段,其机械结构与通用机床相比没有多大的变化,只是在传动系统、切割系统和电气系统设计和控制系统等方面作些改变。随着数控技术的发展,考虑到它的控制方式和使用特点,才对数控切割机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。
  高速数控等离子切割机床的主体机构有以下特点:
  1. 由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统,数控切割机床的极限传动结构大为简化,传动链也大大缩短;
  2. 为适应连续的自动化加工和提高加工生产率,数控切割机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度,以及较高的耐磨性,而且热变形小;
  3. 为减小摩擦、消除传动间隙和获得更高的加工精度,更多地采用了高效传动部件,如滚珠丝杠副和滚动导轨、消隙齿轮传动副等;
  4. 为了改善劳动条件、减少辅助时间、改善操作性、提高劳动生产率,采用了割炬自动夹紧装置、电极割嘴与自动换割炬装置及自动排料装置等辅助装置。

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