寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(論文)
三坐標(biāo)激光切割機(jī)設(shè)計
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摘要
自從1960年T.H.梅曼等人制成了第一臺紅寶石激光器，激光器的應(yīng)用越來越廣泛，近年來隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光慢慢從軍事領(lǐng)域延伸到了民用領(lǐng)域。激光切割機(jī)就是一種把激光的高熱量以及高穿透性應(yīng)用在切割技術(shù)的機(jī)器。應(yīng)用激光器進(jìn)行切割的板材切口光滑無毛刺且效率高。而隨著近年來的機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)技術(shù)越來越成熟，三坐標(biāo)激光切割機(jī)正是將三坐標(biāo)機(jī)床技術(shù)與激光切割技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅綜合了激光的高穿透性等優(yōu)點而且保證了板下料的精度。怎樣讓這兩種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合已經(jīng)成為現(xiàn)階段激光切割技術(shù)的一道難題。
關(guān)鍵詞： 切割技術(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計，激光切割機(jī)
Abstract
Since 1960, T.H. maiman and others made the first ruby laser, laser application is more and more widely, in recent years, with the development of laser technology, laser slowly from extended to commercial applications in the military field. The laser cutting machine is a kind of high heat and high penetrability application of laser cutting technology of machines. Application of laser cutting plate incision smooth without burr and high efficiency. But with the development of machine tool technology in recent years, three-dimensional technology is increasingly mature, three-dimensional laser cutting machine is the three-dimensional machine tool technology and laser cutting technology is a product of the combination, it not only combines the advantages of laser of high penetrability and ensures the accuracy of plate blanking. How to make organic combination of the two technologies are a difficult problem has become the present stage laser cutting technology.
Keywords: cutting technology, mechanism design, Laser cutting machine
目 錄
摘要 2
Abstract 3
目 錄 4
第1章 緒論 6
1.1三坐標(biāo)激光切割機(jī)的研究目的及意義 6
1.1.1三坐標(biāo)激光切割機(jī)背景 6
1.1.2三坐標(biāo)激光切割機(jī)簡介 6
1.1.3激光切割原理 6
1.1.4激光切割分類 7
1.1.3意義 7
1.1.4激光切割技術(shù)的優(yōu)缺點 8
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 8
1.2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 9
1.3本課題研究的內(nèi)容及方法 9
1.3.1主要的研究內(nèi)容 9
1.3.2設(shè)計要求 10
1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題 10
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計 10
2.1設(shè)計概念 10
2.2設(shè)計原理 10
2.3方案討論 11
第3章 X結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計 12
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 13
3.1.1導(dǎo)程確定 13
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 13
3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負(fù)重 13
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 13
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 14
3.1.6精度的選擇 15
3.1.7選擇滾珠絲桿型號 15
3.2校核 15
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗證 16
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 17
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 17
3.3電機(jī)的選擇 18
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量 18
3.3.2電機(jī)扭矩計算 19
第4章 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計 21
4.1 Y軸滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 21
4.2 滾珠絲杠計算、選擇 23
4.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算 26
第5章 軸承的選擇 28
5.1 X軸軸承選擇 28
5.2Y軸軸承選擇 29
5.3Z軸軸承選擇 30
第6章 伺服系統(tǒng)的選擇 30
總結(jié)與展望 32
參考文獻(xiàn) 33
致 謝 34
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 35
40
第1章 緒論
1.1三坐標(biāo)激光切割機(jī)的研究目的及意義
1.1.1三坐標(biāo)激光切割機(jī)背景
在日新月異的工業(yè)生產(chǎn)中，自動化生產(chǎn)已經(jīng)成為不變的主題。不論是在機(jī)械加工還是在裝配過程，工業(yè)生產(chǎn)越來越注重效率。當(dāng)然在板下料行業(yè)也不例外，從最初的剪板機(jī)，到火焰切割機(jī)，到等離子切割機(jī)再到激光切割機(jī)，板下料機(jī)械的效率越來越高，下料成型的切口也越來越光滑，同時對板材的利用率也越來越高。三坐標(biāo)激光切割機(jī)在板下料中的成功應(yīng)用可以說是將板下料工藝推向了一個新的高潮。
1.1.2三坐標(biāo)激光切割機(jī)簡介
三坐標(biāo)激光切割機(jī)的是將三坐標(biāo)技術(shù)與激光切割技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，綜合了三坐標(biāo)的高定位精度以及激光切割技術(shù)的高效率。其結(jié)構(gòu)包括切割頭、橫梁、立柱以及工作臺?？蓪Ω黝愪摬娜缣间?、不銹鋼以及薄板材料進(jìn)行下料，下料效率高且不容易出現(xiàn)熱變形。
1.1.3激光切割原理
在激光束能量作用下（氧助切割機(jī)制下，還要加上噴氧氣與到達(dá)燃點的金屬發(fā)生放熱反應(yīng)放出的熱量），材料表面被迅速加熱到幾千乃至上萬度（℃）而熔化或氣化，隨著氣化物逸出和熔融物體被輔助高壓氣體（氧氣或氮氣等惰性氣體）吹走，切縫便產(chǎn)生了[1]。脈沖激光適用于金屬材料, 連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。與計算機(jī)控制的自動設(shè)備結(jié)合,激光束具有無限的仿形切割能力,切割軌跡修改方便通過預(yù)先在計算機(jī)內(nèi)設(shè)計, 進(jìn)行眾多復(fù)雜零件整張板排料,可實現(xiàn)多零件同時切割, 節(jié)省材料[2]。
激光切割主要是CO2激光切割, 激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化, 同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料, 并使CO2激光束與材料沿一定軌跡作相對運動, 從而形成一定形狀的切縫[3]。
激光切割設(shè)備除具有一般機(jī)床所需有的支承構(gòu)件、運動部件以及相應(yīng)的運動控制裝置外，主要還應(yīng)備有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。其它有多腔吸塵系統(tǒng)、外光束傳輸件、冷卻器、和計算機(jī)編程硬件和軟件等輔助系統(tǒng)組成[4]
1.1.4激光切割分類
激光氣化切割
利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內(nèi)達(dá)到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸汽。這些蒸汽的噴出速度很大，在蒸汽噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料（如紙、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。
激光熔化切割
激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。
激光氧氣切割（氧化熔化切割）
激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。
激光劃片與控制斷裂
激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關(guān)激光器和CO2激光器?？刂茢嗔咽抢眉す饪滩蹠r所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，引起該區(qū)域大的熱梯度,在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械變形,使材料沿小槽斷開而形成裂縫。
1.1.3意義
激光切割技術(shù)與三坐標(biāo)技術(shù)在板下料領(lǐng)域的應(yīng)用有效的解決了火焰切割技術(shù)造成的下料熱變形，使板下料排料時更加緊湊，同時，由于激光的熱量較為集中也提高了板下料的下料速度。
三坐標(biāo)激光切割機(jī)的成功應(yīng)用不僅體現(xiàn)在提高工作效率上，激光技術(shù)的成功應(yīng)用使得板下料的環(huán)境更加清潔同時更加節(jié)能。
1.1.4激光切割技術(shù)的優(yōu)缺點
激光切割技術(shù)的優(yōu)點
（1） 切割質(zhì)量好。切口寬度窄（一般為0.1--0.5mm）、精度高（一般孔中心距誤差0.1--0.4mm，輪廓尺寸誤差0.1--0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra 為12.5--25μm），切縫一般不需要再加工即可焊接。
（2）切割速度快。例如采用2KW 激光功率，8mm 厚的碳鋼切割速度為1.6m/min；2mm 厚的不銹鋼切割速度為3.5m/min，熱影響區(qū)小，變形極小。
（3）清潔、安全、無污染。大大改善了操作人員的工作環(huán)境。當(dāng)然就精度和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超過電加工；就切割厚度而言難以達(dá)到火焰和等離子切割的水平。但是就以上顯著的優(yōu)點足以證明：CO2激光切割已經(jīng)和正在取代一部分傳統(tǒng)的切割工藝方法，特別是各種非金屬材料的切割。它是發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛的一種先進(jìn)加工方法。
（4）非接觸式切割。激光切割時割炬與工件無接觸，不存在工具的磨損。加工不同形狀的零件，不需要更換“刀具”，只需改變激光器的輸出參數(shù)。激光切割過程噪聲低，振動小，無污染。
（5）切割材料的種類多。與氧乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復(fù)合材料、皮革、木材及纖維等。但是對于不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現(xiàn)出不同的激光切割適應(yīng)性[5]。
激光切割技術(shù)的缺點
光切割由于受激光器功率和設(shè)備體積的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且隨著工件厚度的增加，切割速度明顯下降。激光切割設(shè)備費用高，一次性投資大。
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
激光切割機(jī)的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國家安全、國防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機(jī)的制造和升級帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對激光切割技術(shù)特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光切割機(jī)。
1.2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
我國激光制造技術(shù)的應(yīng)用研究水平和應(yīng)用規(guī)模，與發(fā)達(dá)國家相比，差距很大。在產(chǎn)業(yè)方面，一些中、高檔激光產(chǎn)品及其材料、元器件仍然停留在開發(fā)階段，或尚未形成規(guī)模，高檔、高智能、高自動化的激光產(chǎn)品比較缺乏。不少激光加工應(yīng)用在我國仍是空白或剛起步，如激光微加工、特種材料加工、激光納米加工以及飛秒激光加工等。國內(nèi)工業(yè)激光企業(yè)的力量從技術(shù)、性能、資金、規(guī)模等比較弱??；企業(yè)的核心技術(shù)競爭力不足，“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)”趨同，以及缺少一些重大創(chuàng)新有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，是目前國內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)存在著的一個較為嚴(yán)重的問題。中國加入WTO后，進(jìn)口激光產(chǎn)品的價格降低，使國產(chǎn)激光產(chǎn)品的市場份額、價格和利潤受到嚴(yán)重威脅。由于海外公司的紛紛涌人，人才競爭局面更趨激烈[9]。在激光加工應(yīng)用推廣方面也有不少困難，例如，我國制造業(yè)中的很大一部份是組裝業(yè)，以國內(nèi)現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)很難對一些國外引進(jìn)組裝機(jī)械中傳統(tǒng)工藝進(jìn)行改造更新、采用諸如激光加工之類的新工藝。激光加工是一門2l世紀(jì)發(fā)展極快的新制造技術(shù)，必將為我國傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造，新興工業(yè)領(lǐng)域以及制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進(jìn)的技術(shù)裝備。面對日益增長的巨大的激光加工應(yīng)用市場和國際競爭新格局，中國的激光加工技術(shù)急需有一個大的突破，激光加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化急需有一個大的發(fā)展。這種狀況給國內(nèi)從事激光、激光加工技術(shù)設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)帶來極好機(jī)遇和挑戰(zhàn)[10]。
1.3本課題研究的內(nèi)容及方法
1.3.1主要的研究內(nèi)容
在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)激光切割機(jī)設(shè)計理論及相關(guān)知識的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)特點、具體作業(yè)任務(wù)特點以及激光切割機(jī)的推廣應(yīng)用，分析確定使用三龍門式激光切割機(jī)配合生產(chǎn)工序，實現(xiàn)自動化下料的目的。
為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究內(nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和三坐標(biāo)激光切割機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，確定激光切割機(jī)整體設(shè)計方案。
2 確定激光切割機(jī)的性能參數(shù)，對初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實際情況選擇電機(jī)。
3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成激光切割機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。
1.3.2設(shè)計要求
1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出激光切割機(jī)的整體設(shè)計方案；
2 完成激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計；
3 通過相關(guān)設(shè)計計算，完成電機(jī)選型；
4 完成激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題
1 方案選擇
2整體的支撐架設(shè)計（龍門結(jié)構(gòu)及懸臂結(jié)構(gòu)的選擇）
3機(jī)構(gòu)設(shè)計
4 強(qiáng)度校核
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計
2.1設(shè)計概念
整體的支撐架采用龍門結(jié)構(gòu)——在工程中我們常用的整體支撐架結(jié)構(gòu)有龍門結(jié)構(gòu)和懸臂梁。所謂的懸臂梁就是梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動的固定支座，另一端為自由端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。而龍門結(jié)構(gòu)通俗地說就是一根橫梁連接兩個支腿與地面緊固組成的像一個門框一樣的結(jié)構(gòu)。因為他是雙支撐結(jié)構(gòu)區(qū)別于單支撐和懸臂結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)特別簡單。
2.2設(shè)計原理
激光切割機(jī)的設(shè)計應(yīng)滿足一下幾個條件首先就是必須保證工件定位的可靠性， 為了使工件、切割頭保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)要求的定位精度，去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到激光頭在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。
X軸采用絲杠加導(dǎo)軌形式：橫向電動機(jī)—聯(lián)軸器—橫向滾珠絲杠（導(dǎo)軌）-橫滑板
Y軸采用采用電動機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠（導(dǎo)軌）—溜板：
Z軸采用電動機(jī)—聯(lián)軸器—縱向滾珠絲杠—大托板。
2.3方案討論
懸臂梁在工程力學(xué)受力分析中，比較典型的簡化模型。在實際工程分析中，大部分實際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。龍門結(jié)構(gòu)制作方便，承受負(fù)載大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工程上廣泛應(yīng)用?？紤]到上述問題該課題的整體結(jié)構(gòu)采用龍門結(jié)構(gòu)。
第3章 X結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高。可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。
設(shè)X向最大行程為2000mm,最快進(jìn)給速度為18m/min,主軸箱大概質(zhì)量為80kg,工作臺大概質(zhì)量為400kg,移動部件大概質(zhì)量為200kg，工作臺尺寸為2000mm×1300mm。
3.1.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=20mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負(fù)重
主軸箱重量
工作臺重量
移動部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實驗公式計算。選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷
fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負(fù)載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計算得Car=17300N
表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對電氣機(jī)床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設(shè)計的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為4級。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號
計算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=20mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD5010—3。
公稱直徑 d0=50mm 絲桿外徑d1=49.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗證
絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm
代入上式計算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證
滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9
經(jīng)過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動機(jī)時首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=49.5mm
L—長度=2m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計算得
b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運動件M=280kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量
查表得
因此
3.3.2電機(jī)扭矩計算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經(jīng)計算得
c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為0.9
經(jīng)計算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機(jī)型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
第4章 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 Y軸滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:
選擇漢江機(jī)床廠HJG-D系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為:HJG-D25
基本參數(shù)如下:
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長度
動載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
1500
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)：
：靜安全系數(shù)；：基本靜額定負(fù)載；：工作載荷
導(dǎo)軌壽命計算：
4.2 滾珠絲杠計算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
強(qiáng)度計算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。
查表得中等沖擊時則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表
名稱
計算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
40mm
螺距
――
15mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
4.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
39.365mm
螺桿內(nèi)徑
36.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動效率計算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。
（3） 剛度驗算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。
對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：
4.2.6 步進(jìn)電機(jī)的選用
(１）步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動部件負(fù)載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)：
(２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).
電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:
型號
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動頻率
空載運行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
第5章 軸承的選擇
5.1 X軸軸承選擇
滾珠絲杠選擇安裝方法：一端固定一端浮動。因此，選擇一對角接觸球軸承。機(jī)器類型為數(shù)控機(jī)床，預(yù)計壽命為12000——20000h，
軸承的基本額定動載荷：
P為載荷，=3；是預(yù)期壽命；
為載荷系數(shù)；X,Y為常數(shù)；
選擇軸承：71003 C=41.2KN
5.2Y軸軸承選擇
滾珠絲杠選擇安裝方法：雙支點一邊固定一邊浮動。因此，選擇一對角接觸球軸承。機(jī)器類型為數(shù)控機(jī)床，預(yù)計壽命為12000——20000h，
軸承的基本額定動載荷：
P為載荷，=3；是預(yù)期壽命；
為載荷系數(shù)；X,Y為常數(shù)；
選擇軸承：70803 C=30.2KN
5.3Z軸軸承選擇
滾珠絲杠選擇安裝方法：雙支點一邊固定一邊浮動。因此，選擇一對角接觸球軸承。機(jī)器類型為數(shù)控機(jī)床，預(yù)計壽命為12000——20000h，
軸承的基本額定動載荷：
P為載荷，=3；是預(yù)期壽命；
為載荷系數(shù)；X,Y為常數(shù)；
選擇軸承：70303 C=28.3KN
第6章 伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)選擇為發(fā)那科公司的FANUC Series 0i MODEL D最大控制5軸，最大同時控制軸數(shù)為4軸。規(guī)格如下圖
總結(jié)與展望
畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)學(xué)期間所學(xué)的知識的一次系統(tǒng)全面性的總結(jié)，通過本次畢業(yè)設(shè)計將理論與實踐充分結(jié)合，是難得的一次機(jī)會。通過這次畢業(yè)設(shè)計為今后能更好的適應(yīng)今后工作墊定了良好的基礎(chǔ)。針對本次畢業(yè)設(shè)計總結(jié)如下：
完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計：結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動電機(jī)功率的估計計算與選擇傳動的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇。
其它方面：都是直接在圖紙上設(shè)計出來了。
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致 謝
本文是在老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業(yè)設(shè)計過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于機(jī)械設(shè)計方面的知識，實驗技能有了很大的提高。
另外，我還要特別感謝對我實驗以及論文寫作的指導(dǎo)，為我完成這篇論文提供了巨大的幫助。還要感謝，同學(xué)對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。同時實驗室的老師也時常幫助我，在此我也衷心的感謝他。
最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！
畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明
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