本科毕业设计论文--高压水切机设计.doc

全套设计（图纸）加扣扣 194535455高压水切机设计摘要随着社会的高速发展， 机械制造行业也要跟上社会的发展的脚步。 由于发展的需要， 出现了许多难以加工的材料和更高要求的加工精度，传统的加工方法已经不能满足加工的要求， 因此出现了许多新的加工方法，以满足加工的需要。超高压水射流就切割技术是其中的一种新型的加工方法，它和新出现的电子束、声波、电火花和电解加工等加工方法被称为特种加工方法。超高压水射流切割机技术作为目前唯一一种冷加工的切割方式，在许多行业得到了日益广泛的应用，高压水射流切割技术可以切割的材料种类非常多，其中包括热加工无法加工的易燃易爆等危险品。因此随着海洋事业发展力度的加大，超高压水射流切割技术作为一种新型的水成形特种加工技术开始得到研究和发展。本文是针对大型板材火焰切割中存在的断面不平整问题，而设计的一款高压水切割机，以满足其切割需求。本文将超高压水射流切割设备和工业机器人相结合，可以通过精确的控制，使其能切割复杂形状的板件。整个切割系统包括增压设备，切割机构及行走装置，其重点是切割机构和行走装置；切割机构保证在切割过程中所加工的断面满足加工要求；行走装置可以带动切割机针对大型板件进行切割作业，以解决工作台对工件大小的限制。通过三个系统的组合，能使切割机对任意形状的大型或小型板件进行切割作业，且能减小环境因素对切割质量的影响。关键词：高压水射流 履带行走机 机器人切割 电气控制The design of high pressure water cutting machineAbstractWith 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.目录第1章 绪论11.1高压水射流技术的发展历史和实际应用11.2水射流切割的加工特点11.3高压水射流切割技术国内外发展现状31.4拟采用方案4第2章 切割参数对切割质量的影响52.1磨料水射流切割技术的工作原理52.2磨料颗粒的冲蚀磨损62.3裂纹的产生和工件的破碎过程102.4切割参数对切割效率的影响102.5几种典型材料的切割数据10第3章 全自动切割机结构设计123.1 加压设备的选取和密封设计123.2行走机构设计143.3切割机构的设计163.4总装配三维模型建立253.5控制系统26第4章 总结与展望304.1本文总结304.2本文展望30致谢32参考文献：33第1章 绪论1.1高压水射流技术的发展历史和实际应用高压水射流切割技术作为一种新型的特种加工技术，到现在其主要经了四个发展阶段：（1）20世纪50年代，探索实验阶段50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象中发现，当水射流的压力和速度提高之后，能够击穿坚硬的物质，从而开始了超高压设备的研制和超高压水射流的实验。（2）20世纪60年代，基础设备的研制和水力清洗随着超高压柱塞泵和增压机的出现，开始了射流动力学特性和喷嘴结构的研究，从而使得水力清理得到了重视和开发。（3）20世纪70年代，工业实验和应用美国开始寻求一种高效的破岩方法，研究人员提出并试验了25中新型的切割方法，例如电火花、电子束、激光、等离子、高压水射流等，最后一致认为高压水射流是破岩切割效率最高，通过大量的实验，超高压水射流切割这种方法得到了实际应用。70年末期，很多国家都开始对水射流切割技术进行研究。（4）20世纪80年代之后，新型高压射流的发展及应用 从80年代开始，随着各种先进切割技术和测量技术的发展，对水射流切割技术进行了深入研究。并与数控技术相结合，使其自动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点超高压水射流切割技术作为一种新型的加工方法,相对于传统的切割方法有以下加工特点:（1）切割表面质量高，切口光滑、无熔渣、不需要二次加工。超高压水射流切割技术作为一种先进的冷加工技术，在切割作业时不会产生热量，不会使材料的结构特性发生变化或者变质，有利于切割一些热敏感度比较高的材料.超高压水切割技术在切割作业时，被切割材料不会因冲击力过大而产生破裂，其切割缝很窄（一般为0.12mm），因此可以减少对材料的损耗，提高材料的利用率，降低生产成本；其切口质量较好，几乎无飞边、毛刺，切割平面垂直、光滑、平整，切割时产生的残渣较少，且不产生有毒气体及粉尘，对环境的污染和操作人员的安全影响较小；水射流切割技术对被切割工件产生的作用力极小，对工件表面无直接压力，所以切割作业时几乎不会存在机械应力和应变，工件变形很小，加工精度比较高2。（2）生产效率高，加工成本低。高压水射流切割技术所使用的介质为水，而水在地球上几乎无处不在，获取方法简便快捷，水射流的加工速度快，效率高，因此其加工成本低。（3）被切割材料具有广泛性。由于加压后的水射流具有非常高的能量，几乎可以加工所有的材料，其对切割尺寸限制很小，可以用于切割各种软质玉硬质材料、导电与非导电材料、金属与非金属材料、塑性与非塑性材料、复合材料等。（4）工作环境良好、操作安全可靠。水射流切割作业时射流的最佳靶距215mm之间，一般人的手等部位很难伸到下面去，因此在切割作业时，不会对人体产生伤害。由于超高压水射流切割技术的介质为水，因此整个切割过程清洁。水射流切割技术的工作环境良好，操作环境整洁，符合环保要求，提高了操作人员的安全性；切割做成中不会产生有毒物质和高位，几乎对人体无影响。可以易燃易爆等危险品的加工和拆除作业，广泛应用于安全工程。（5）数控成型各种复杂图案，自动化程度高。超高压水射流的喷头体积小、移动方便，通过数控软件的控制，可以切割不同形状的复杂图案，减轻了工人的劳动强度。（6）超高压水射流切割技术属于绿色加工。超高压水射流切割技术的切割介质为液态水及磨料，其来源充足；水不但丰富易取，价格便宜，而且水资源属于可再生、无污染的资源。因此，高压水射流切割技术符合当今社会的发展需要，属于绿色加工，可持续，环境污染小，加工操作简单易懂，安全可靠，加工材料广泛。适用于建筑业、食品加工行业、服装业、汽车工业等多个行业3。1.3高压水射流切割技术国内外发展现状高压水射流切割技术作为新型的一种冷加工技术，具有许多优点，在工业中国得到了广泛的应用。随着各种先进技术的发展，高压水射流切割技术作为一门应用性很强的技术也得到很大的发展。将数控技术与高压水切割技术相结合，进一步提高了磨料水射流的科学技术水平。1.3.1国外发展现状随着水射流切割技术的广泛应用，理论研究的不断深入，它的巨大潜力和前景引起了更多国家的关注，世界主要工业国家如美国、德国、加拿大等都花巨资对高压水射流切割技术进行技术开发，取得了令人瞩目的成就。高压水射流切割技术的切割机理是一个极其复杂的过程，是多种参数共同作用的结果，很多研究人员对此进行了大量的研究，并提出了许多磨蚀理论。在高压水射流切割工业参数研究方面，许多研究人员的研究主要集中在水射流切割模型的建立，由于影响高压水射流切割性能的参数很多，建立的预测模型含有许多变量和系数，使其和复杂，而这些参数都是通过实际实验数据得到的经验值。因此得到的预测模型非常复杂，预测精度比较低。虽然高压水射流切割技术的切割机理非常复杂，但是人们通过大量的试验和研究得出了改进水射流切割工艺的方法，在实际切割工业中具有较好的成果。L.Chen、E.Siores、J.Wang以氧化陶瓷作为式样，对水射流射入角度对工件质量的影响进行了研究，认为当射入角为8085°时，切割深度最深。在加工塑性材料时，倾角为1520°材料的去处率最高。E.Lemma对喷嘴摆动技术在加工低碳钢和铝表面粗糙度的影响进行了研究，试验结果表明，采用喷嘴摆动技术可以降低切割表面的粗糙度30%。1.3.2国内发展现状通过近几年的发展，我国高压水射流切割技术的研究和应用，也取得了和大的研究成果。国内很多研究人员对高压水射流切割机理提出了自己的看法。并将将高压水切割便携化，使其具有较好的移动性，可以克服许多环境因素对切割质量的影响 3。1.4拟采用方案本文针对大型板件火焰切割中存在的断面不平整问题,设计出一种全自动超高压水射流切割机，其主要机构分为三个部分：（1）增压装置。增压装置对过滤后的纯水进行增压，使其达到切割材料所学的压力，再通过超高压软管传输到切割机。（2）切割装置。增压装置加压后的超高压水射流通过超高压软管传输到切割装置，超高压水射流经磨料射流切割喷头的混合腔与磨料混合形成磨料射流，经磨料射流切割喷头的出口喷出，可以对材料进行切割。（3）行走装置。行走装置的作用为带着切割装置对尺寸较大的板件进行切割，以解决工件尺寸过大而造成切割困难的问题。第2章 切割参数对切割质量的影响新型复合材料和合金材料在当今社会的广泛应用，由于其加工要求和难度较高，传统的加工技术已经无法满足其加工要求。因此采用磨料水射流切割技术对这些传统加工技术难以加工的材料进行加工，具有其他加工方法无法替代的优点。磨料水射流的切割深度来反映磨料射流侵入材料的能力，切割深度越大，单位时间内切割面积越大，切割效率越高。因此用切割深度大小来衡量水射流的切割效率。本章针对水压力、进给速度、磨料流量和靶距对材料切割断面深度和质量的影响进行了分析。2.1磨料水射流切割技术的工作原理大量实验表明，纯水射流对较硬的材料几乎无切割能力，因此在超高压水射流中加入磨料粒子，这种切割方式就叫做磨料射流切割。其工作原理如下：（1）一般纯水进入一个带有过滤器的水箱，再通过一个低压水泵将过滤后的纯水加压送入超高压增压机，再将具有较高压力的超高压水射流通过超高压水管传输切割机；（2）通过超高压水管传输的高压水射流从水喷嘴喷入磨料射流喷头中的混合腔内，使其内部形成局部真空，当磨料颗粒被吸入混合腔与水射流混合后经磨料喷嘴喷出形成磨料水射流，这时的磨料水射流就能对硬度较大的材料进行切割作业。在磨料射流切割技术中水作为磨料动力的载体，对磨料粒子进行加速，使磨料粒子具有较大的动能。在磨料射流切割作业的过程中主要由高能磨料粒子对被加工工件进行冲蚀磨损，通过这一系列复杂的作用过程，将需要加工的工件切割开。其工作流程如图2-1：过滤后的纯水水泵超高压增压机磨料罐磨料射流切割喷头需要加工的工件图2-1 磨料射流切割技术的流程2.2磨料颗粒的冲蚀磨损高速水射流对磨料粒子进行加速之后，使磨料粒子具有很到的动能，由高速水射流携带这些磨料粒子冲击到被加工材料表面，这些高能粒子对材料进行冲蚀和消磨作用，这一过程属于切削、疲劳断裂、融化等机制共同作用的结果。切割过程不同，这些机理的作用也不同，取决于多钟因素，如冲击角度、颗粒动能、颗粒形状、被切割材料性能以及环境因素等。磨料水射流的冲击力集中在有颗粒形状确定的打击面上，水起到了运送介质的作用，并可以扩大切缝和材料的内部裂纹4。1 机理分析（1） 单个颗粒的冲击作用 假定用等效圆球表示颗粒，对于冲击过程，颗粒的运动可以由牛顿第二定律和赫兹方程有：Z”= (2-1) (2-2)式中-磨料颗粒质量； -颗粒重心坐标；-颗粒对材料的冲击力； -剪切模量； -洛桑比； 由此可接的最大压缩量：图2-2 磨料粒子冲击示意图 (2-3)最大冲击力： (2-4)(2)固体颗粒冲击的磨蚀动力学高压水经过喷嘴形成高速水射流5。其能量形式由压力能转变为动力能。由水力学可知，水射流速度： (2-5)式中：-喷嘴出口水射流速度，m/s；P-喷嘴出口压力，Pa；-水的容重，Kg/L；g-重力加速度，m/s；-喷嘴流速系数，一般为0.97.由（2-5）可知，在喷嘴结构一定时，射流速度取决于压力，射流的流量等于射流流速乘以射流截面面积，而射流截面面积与喷嘴孔截面面积及喷嘴几何形状决定的流量系数有关，由经验公式可得水射流流量： (2-6)式中：-喷嘴直径，mm；Q-流量，L/min；产生这些流量所需要的功率： (2-7)磨料混入后，假设水射流和磨料为同一速度，由动量守恒定律： （2-8）得： （2-9） 式中：-磨料颗粒的速度，m/s；-磨料供给量，g/s。水射流的动量传递给料后，颗粒被加速，当这些撞击物体，使其产生剥离，这就是冲蚀磨损。此时，磨料颗粒所具有的动能： （2-10）由（2-5）至（2-9）式可知：当磨料一定时，水射流压力越高，磨料颗粒速度就越大。当水射流流量增大的时候，磨料速度也要增大。 （3）磨料射流冲蚀能效的影响因素速度为的粒子垂直冲击物体表面时产生冲击载荷，在冲蚀过程中的几何参数是（为颗粒半径），因此单个颗粒冲蚀时，冲蚀坑的体积为： (2-11)带入（2.5）得： （2-12）又因为：带入上式： (2-13) 由上式可知，单个磨料粒子冲蚀后产生的体积与粒子半径、密度、速度有关。粒子所携带的能量： （2-14)切割单位体积物料所需磨料粒子的能量： (2-15)即N与及成正比。（4）材料的破碎磨料粒子在以加工工件表面之间为圆弧接触。在工件表面破坏之前，用弹性力学的方法计算作用区域的应力。分布如图2-3： R 图2-3 应力分布图 q a a图2-4 磨料粒子受力分布球状颗粒冲击工件表面时，中心压力最大，边缘压力最小（如图2-4）， 其分布是： （2-16） 其中心压强：(当) （2-17） 压痕半径a： （2-18） 假设磨料粒子是刚性的，（）则有： （2-19） 在接触面边界出的最大拉应力和剪切力相等： 当z=0时： （2-20） 此处，正应力为0，呈拉伸和剪切状态，脆性材料首先再次破坏，呈现圆周形裂纹。 由.当材料的=0.3时，在深度z=0.483a处产生最大剪切应力： (2-21)式中：-弹性模量。2.3裂纹的产生和工件的破碎过程磨料水射流以冲蚀磨损作用切割物体。当颗粒冲蚀脆性材料时是以破碎肩的形式去处材料的。磨料粒子不断地冲击工件表面，使其疲劳断裂。由于不断供给磨料水射流，磨料粒子得以数次对工件进行冲击作用，同时也避免了颗粒回弹，水可以扩大裂缝和工件内部裂纹也能将热能与碎屑冲过的磨料带走。2.4切割参数对切割效率的影响 影响磨料水射流切割技术的切割效率多种参数分为两类：射流系统参数和机械系统参数。射流系统参数包括射流压力、水流量、磨料材料、磨料速度、磨料流量、磨料混合状况、混合腔结构、磨料喷嘴直径、磨料喷嘴长度、磨料喷嘴材料；机械系统参数包括进给速度、执行机构的精度和复现性、磨料喷嘴末端到工件表面的距离（靶距）、往复次数、工件材料的性能、射流入射角度、进给和转向速度、穿透时间。 2.5几种典型材料的切割数据磨料水射流切割技术已经广泛应用于多个行业，可以切割500多种材料，本文通过查取相关资料，得出了几种典型材料的切割参数3：表2-1 几种典型材料的切割参数材料厚度（mm）喷嘴直径（mm）压力（MPa）切割速度（mm/min）铝板750.325050钛板30.3250500不锈钢500.430030耐热钢450.430020工具钢3000.430075玻璃钢300.32002000玻璃200.3150500玛瑙400.3525050翡翠450.3530040石英玻璃0.3200100有机玻璃450.3200100大理石200.35150800高强水泥400.35250100青钢280.340025铸铁400.340025碳纤维30.340040AL/SiC(15%)120.3400400装甲钢板50.3400400酚醛夹布300.32501500陶瓷玻璃100.31001000锆玻璃30.3701000钙玻璃10.3701000本文根据上述参数而设计一种磨料水射流切割针对大型板件进行切割加工。选取其切割最大压力为380MPa，混合磨料选用80号石榴石。 第3章 全自动切割机结构设计 由于火焰切割对一些热敏感度较高材料进行切割作业时，切割质量无法保证，切割断面不平整，需要进行二次加工，即浪费了材料，又增加了加工时间，使得加工成本很高，因此，本文根据查阅相关资料设计了一种磨料水射流切割机以满足切割需求。3.1 加压设备的选取和密封设计 根据文献集可知当压力为400MPa时，磨料射流切割技术几乎可以切割任何材料。3.1.1加压设备的选取本文通过查取有关资料，确定采用HD380高压泵对水射流进行加压，再通过HX-5-8SP超高压钢丝增强软管，将高压水射流传输到切割机，对被加工材料进行切割作业。3.1.2密封设计根据查阅文献集，选用软金属垫密封机构，其主要结构如下（图3-1）6：图3-1 密封原理 软金属垫一般选用紫铜或者不锈钢，靠外力作用压紧而引起软金属的弹性变形来实现密封，这种密封结构简单7。3.2行走机构设计行走机构主要作用在于带动切割机构对大型板件进行切割作业，它需要足够的动力带动整个切割机系统的运用，因此根据切割需求，通过相关书籍和网站查阅选取两种方案的行走机构：方案一为四轮机构，其结构如图3-2：图3-2 四轮驱动机构方案二为履带行走机构，其结构图3-3：图3-3履带式行走机构方案一拥有足够的动力，用四轮驱动，只需要一个动力源，便于控制左右两变轮子的速度，使其达到同步；但是其结构比较复杂，且在行走过程中，由于地面不平整或者地面比较光滑时，容易发生侧滑和打滑，而在切割作业时发生侧滑和打滑会大大影响被加工工件的切割质量，因此排除。方案二相对于方案一来讲，左右两边履带分别用一个履带液压行走马达驱动，动力充足；同时履带与地面的接触面比较大，在地面波动幅度较小或者光滑的情况下，履带行走机构仍然能够稳定的行走，从而在切割作业时对被加工工件的断面质量；由于磨料射流切割机在切割作业时，所需的进给速度较低，而履带式行走机构的速度也相对较低，正好适合用于磨料射流切割作业；而且履带式行走机构能够原地转向，在转向切割作业时仍然能够较好的工作，保证转角处的切割断面质量。根据查阅的相关资料对履带式行走机构用pro/e三维软件建模如图3-4：图3-4 履带式行走机构总成 履带行走的动力源来自于两台液压行走马达。液压行走马达由高速液压马达、制动器、行星减速器、阀组等组成，为外壳传动，可以直接与主动轮相连接，再通过主动带动履带行走，其工作可靠，效率高、性能优越。通过查取相关资料选用LG135履带行走底盘总成。3.3切割机构的设计 良好的切割机构在进行切割作业时，能保证切割质量，增加切割速度，减少切割成本，大大提高切割效率。3.3.1磨料射流喷头选取 高压水射流切割方式主要分为磨料水射流切割方式和纯水射流切割方式，由于纯水射流切割方式对硬质材料几乎无切割能力，因此本文选用磨料水射流切割方式。磨料射流切割喷头需要有较强的耐磨性，因此选用牌号为YK15的硬质合金8。 磨料水射流切割中磨料混合方式主要分为前混式和后混式，由于本文是针对大型板件进行切割作业，其行程较长，因此前混式磨料水射流切割方式中磨料射流的行程将大大增加，对射流传输系统的磨损会随之增大，所以本文选取后混式磨料水射流切割方式。后混式磨料射流切割喷头是在纯水射流喷嘴后加入了磨料添加机构和磨料射流喷嘴，为了简化结构，将水射流喷嘴和混合腔放置于磨料喷嘴中。后混式磨料射流切割喷头一般分为三种形式，如图3-5： a)旋流混合时 b)斜贯混合式 c）正交混合式1.高压水管；2.水喷嘴；3.磨料喷嘴。图3-5 磨料射流切割喷头通过查取相关资料可知，旋转混合式磨料射流切割喷头中，磨料在高压水射流产生的真空抽吸和壳体内壁选装叶栅的作用下在喷头内部呈旋转运动，并与高压水射流混合行程磨料水射流，然后从磨料喷嘴喷出，这种喷头大大缩短了水喷头与磨料喷嘴的距离，具有很好的射流集聚性，但是其内部结构比复杂，难以加工。而斜贯混适式磨料切割喷头和正交式磨料射流喷头结构相对简单,使用性更广泛,针对两喷头分析如下:（1）结构参数取斜贯混合式磨料入口与水射流喷嘴轴线夹角为45°。水喷嘴选取具有更长衰减长度的Laval型喷嘴主要结构如图3-6，主要参数如表3-1：图3-6 正交混合式磨料射流切割喷头表3-1 磨料射流切割喷头主要参数水喷嘴长度/mm磨料喷嘴长度/mm磨料入口高度/mm混合室长度/mm磨料入口与水喷嘴距离/mm水喷嘴圆柱段长度/mm磨料入口孔径/mm65058412水喷嘴出流内径/mm磨料喷嘴出流内径/mm水喷嘴收缩角水喷嘴扩散角/°磨料喷嘴收缩角/°水喷嘴入口内径D/mm混合式内径/mm0.40.91320201.24查阅有关资料可知，根据实际经验斜贯混合式磨料射流喷头内部磨料和水射流混合比较充分，其切割能力明显大于正交混合式磨料射流切割喷头，因此本文选取斜贯混合式磨料射流喷头。对其进行用Pro/E三维建模（图3-7）：1.磨料射流喷嘴；2.磨料入口；3.高压水入口；4.驱动柄；5.定位针。图3-7 斜贯式磨料射流切割喷头3.2.2机械臂的设计由于切割环境对切割效率的影响，某些时候固定式磨料射流切割喷头无法到达指定的切割位置，为此设计一个机械手臂来满足切割需求9。（1）方案选取根据切割需求，并通过先了两种机械臂，用Pro/E建模如下：其中方案一参照图3-8，方案二参照图3-9。图3-8 抬升式机械臂图3-9 曲柄摇杆式机械臂 方案比较： 方案一由旋转底座、抬升系统、伸缩杆和摆动喷头组成。其中选装底座可以0300°自由旋转；抬升系统能够上下自由运动，从而带动伸缩杆和磨料射流切割喷头做上下运动，可以随时调整磨料射射流切割喷头出口末端与被加工工件表面的垂直距离，以达到最优的靶距；伸缩杆由一个电机控制，通过齿轮与丝杆的传动，可以自由伸缩，其行程为400mm；通过选装底座的旋转、抬升系统的上下移动和伸缩杆的伸缩控制，能将磨料射流切割喷头带到切割作业时所需要的位置，同时在变相切割作业和切割复杂图形时，通过选装底座、抬升系统和伸缩杆的同时工作，将运动合成可以达到变向切割时所需的切割要求和切割不同形状的图形。摆动喷头可以与进给方向相垂直的方向090摆动，通过摆动喷头的摆动可以调整磨料射流与竖直面的倾角，能保证被加工工件的切割面垂直，提高磨料射流切割加工技术的效率。整个系统能将磨料射流切割喷头带到各个位置，方便在不同工作要求下，对各种形状复杂，尺寸不定的板件进行加工作业，其对环境要求低，适应性强，能广泛应用于各种加工环境。而且整个系统的操作简单、维修方便，外观优美。方案二主要由两个曲柄摇杆机构和一个旋转底座组成，通过杆的摆动和底座的选装来控制磨料射流切割喷头的位置。其中，需安装底座和方案一内同，可以进行0300°自由选装；两个曲柄摇杆可以通过两个电机控制其摆角从而调整机械臂末端的水平距离和垂直高度；通过选装底座和两个曲柄摇杆的摆动，使得磨料射流切割喷头能过到达不同的平面位置和调整磨料射流切割喷头的磨料射流出口与被加工工件表面的垂直高度，保持高效的切割效率；同时两个曲柄摇杆的加工简单、拆装方便。最大的特点是选装底座，机械臂的所有动力源都在这个位置，减少了机械臂自身的重量，从而降低了惯性运用对整个机械臂稳定性的影响，增大了整个机械臂的载荷量。因此此方案的加工成本较低，且控制精度较高，通过机械臂的带动，整个切割装置不仅仅能加工大型板件，也能加工小型板件，同时对工作环境的要求很低。但是这种机械臂末端平面一直与水平面平行，从而使得磨料射流一直与被加工工件表面垂直，因此当加工工件厚度较大时，就会出现别切割表面不垂直的现象（如图3-10），达不到切割要求3。 图3-10 切割断面因此通过上述分析，本文选取方案一作为该切割机的机械臂。（2）机械臂结构的详细设计通过结构分析选取方案一作为设计方案。查取有关资料，选用S30403号不锈钢作为机械臂的材料。1）旋转底座的设计根据本文对磨料射流切割机的切割的要求，磨料射流切割机构由行走机构带动行走，为了整个切割机的运行稳定，切割机的机械机械手臂底座电机将安装在行走机构的中心位置，将旋转底座作为整个机械臂的基础。选装底座有一个电机和一个圆柱板组成。电机选用XY42STH48-1206A-XJ型步进电机9，其作用在于带动整个机械臂做旋转运动；圆柱板的作用在于是底座在旋转保持整个机械臂系统的稳定，同时起固定抬升系统的作用。由三维建模软件pro/e对旋转底座建模如图3-11：图3-11 旋转底座2）抬升系统在切割过程中，切割效率受被加工工件材料的性能、磨料射流切割喷头内径和环境因素的影响，需要调整磨料射流切割喷头出流末端与被切割工件表面的距离，因此需要设计一个抬升机构来完成这个任务。抬升系统直接安装在旋转底座的圆柱板上，在旋转底座做旋转运动时，自身也可以做上下运动。其结构如图3-12：图3-12 抬升系统 抬升系统动力源是一个90ST-M02430伺服电机驱动,通过两个齿轮和一个同步带将动力传递到丝杆,通过丝杆与梯形滑块的相对位移,是抬升系统的伸缩部位上升或者下降，最大行程30mm。其内部结果如图3-13和图3-14。图3-13 同步带传统系统1.丝杆；2.锁紧螺栓；3.梯形滑块；4.7006AC型角接触轴承；5.从动齿轮；6.同步带；7.主动齿轮。图3-14 抬升系统动力传动原理其中，主动轮和从动论的模数,齿数。可以工作伺服电机的速度调整来确定抬升系统的伸缩速度。丝杆强度校核10：丝杆在工作室承受轴向压力或拉力F和扭矩T的作用。丝杆危险截面上既有压缩或拉伸应力，又有切应力，因此根据第四强度理论计算出危险截面的应力： (3-1)其中：F丝杆所受的轴向压力，F=200N； 丝杆螺纹小径， A丝杆螺纹段的危险截面面积， T丝杆所受扭矩，根据选用的私服电机和齿轮传动关系可得 根据以上数据得出丝杆所受达到的应力，因此丝杠能保持良好的工作条件，使用寿命较长11。3）伸缩丝杆的设计磨料射流切割机在进行切割作业时，磨料射流喷头将移动到被切割工件的上方约520mm位置，因此本文所设计的机械臂应