悬臂式掘进机切割机构设计导则

李辉杰、刘建平等。 2100433B

煤炭科学研究总院上海分院、煤炭科学研究总院太原研究院等。

等离子切割枪作用分析

等离子切割机构是该机的主要工作部分，是保证切割质量，提高工作效率的关键之所在。常见的等离子切割机构的结构形式主要有悬臂式、龙门式和台式。它们各有其特点，适用于不同的加工场合。

等离子切割枪优缺点比较

(1) 悬臂式机构: 设备移动、安装方便，结构紧凑，需要空间位置小，制造成本低。但受悬臂式结构的限制，受力条件较差，容易产生横向变形，横向切割宽度受到限制，高速切割时刚性较差。

(2) 龙门式切割机构: 龙门式支承方式双向支撑，受力较均匀，设备刚性较好，可以实现较大的横向跨度，通常可达3 ～ 10 m。但设备安装要求高，结构相对较大，需占用较多的厂房面积。其驱动方式有单边驱动和双边驱动之分。单边驱动和双边驱动各有其特点和使用场合。单边驱动避免了双边驱动的高精度同步控制和复杂的结构，但由于质心偏置而驱动力不通过质心，工作中将产生不对称的惯性力，容易出现振动、变形和倾斜等不利情况，因此仅能用于小跨度的情况。双边驱动结构相对复杂，需要进行两边高精度的同步控制，可用于较大跨度，运动更平稳。

(3) 台式切割机构: 切割部分和机器为一整体式，移动就位方便，但割炬运动范围比较小，切割幅面大小受到一定的限制。

比较上述3 种切割机构的优缺点，龙门式切割机构可切割跨度大，运动平稳，稳定性好，与企业要求较吻合。因此，这里采用龙门式切割机构 。

等离子切割枪运动分析

切割采用板材固定，割炬运动的方式进行。割炬需要能够沿3 个方向移动横向、纵向和竖直方向，横向和纵向用于形成加工所需要的各种轨迹，竖直方向则是为了调整割炬至工件的距离，便于工艺参数优化调整。

在数控加工中，插补是形成工件加工轨迹必须的运动，即数控系统依据加工工件轮廓数据，运用一定的算法进行计算，根据计算的结果对相应的坐标轴发出进给指令，然后进给机构依据指令移动相应距离，从而形成工件的加工轮廓。不同算法对数控加工有两方面的影响，即插补误差的大小和插补速度的快慢。在众多的插补算法中，逐点比较法因其较快的计算速度以及适宜的插补误差而得到广泛运用。其原理是刀具每走一步控制系统都将加工点与给定的图形轨迹相比较，以决定下一步进给的方向，使刀具运动的轨迹逼近工件轮廓。

机构横向和纵向运动是插补运动，其换向频繁，单次进给量很小，用微小的折线段来逼近直线或圆弧，运动精度要求高，因此要求执行构件具有足够的精度，并且要求运动平稳。割炬横向的运动是通过龙门带动割炬安装块实现的，而纵向的运动是通过割炬安装块沿龙门横梁移动实现，竖直方向的调整则通过割炬沿割炬安装块的移动实现。

等离子切割枪运动实现

1.龙门的横向移动

龙门的横向移动，考虑用滚珠丝杠螺母机构来实现。滚珠丝杠螺母机构具有如下特点: ( 1) 摩擦小，效率高，机械效率可达90% 以上; ( 2) 灵敏度高，传动平稳; ( 3) 磨损少，寿命长; ( 4) 可消除轴向间隙。由于上述优点，滚珠丝杠螺母机构在直线传动中得到广泛的应用。

为使两侧受力平衡，龙门采用双边驱动的方式。用伺服电动机控制丝杠的移动距离。伺服电动机具有稳定性好、功率消耗低、寿命长、定位精度高、响应速度快等优点。用伺服电动机进行控制，可使速度和位置控制非常精确。为避免发生运动干涉，前后驱动电动机运行必须严格同步。

2. 割炬竖直方向的调整

割炬喷嘴至工件的距离对等离子切割具有重要影响。距离太大，电弧长度增加，热量损失增大，切割能力下降; 反之，距离太小，则容易导致喷嘴与工件间短路而烧坏喷嘴，破坏切割过程的正常进行。

因此，割炬竖直方向的距离调整显得十分重要。设计时同样需要考虑到方案的可行性、结构的简单性和操作的方便性。这里用一个偏心滑块机构来实现割炬竖直方向的高度调整。偏心轮具有结构简单、调整方便的特点。具体实现过程是: 滑块和割炬连接在一起，滑块竖直移动带动割炬竖直移动，依靠偏心轮的转动来控制割炬在竖直方向的高度。

机构设计分析包括机构选型、平面连杆机构设计、平面连杆机构运动分析、凸轮机构设计。

机构选型包括铰链四杆机构、单移动副四杆机构、双移动副四杆机构、空间凸轮机构；

平面连杆机构设计包括铰链四杆机构设计、曲柄滑块机构设计、导杆机构设计、曲柄摇块机构设计、液气缸机构设计；

平面连杆机构运动分析包括铰链四杆机构分析、曲柄滑块机构分析、导杆机构分析；

凸轮机构设计包括盘形凸轮机构设计、直动凸轮机构设计、圆柱凸轮机构设计。2100433B

悬臂式掘进机要同时实现剥离煤岩、装载运出、机器本身的行走调动以及喷雾除尘等功能，即集切割、装载、运输、行走于一身。它主要由切割机构、装载机构、运输机构、行走机构、机架及回转台、液压系统、电气系统、冷却灭尘供水系统以及操作控制系统等组成。其中切割臂、回转台、装渣板、输送机、转载机、履带等为主要工作机构。