机械毕业设计（论文）-数控高压水射流切割机床设计【全套图纸】.doc

（输入章及标题）燕山大学 毕业设计（论文） 数控高压水射流切割机 学 院 里仁学院 年级专业 机械制造 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 2008年6月22日 III燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位： 学号学生姓名专 业班 级机械制造课题题 目数控高压水射流切割机床设计来 源自选主要内容1. 机床的总体设计2. 数控加工平台（进给系统）设计3. 数控功能设计：一周内完成。4. 水射流切割装置的设计5. 过滤装置的设计基本要求1. A0图三张（包括CAD 图三张），A1图纸一张（零件图）2. 设计说明书约50页3. 翻译外文资料一篇参考资料1.机械设计手册第2卷（新版），王文斌，机械工业出版社2.特种加工，刘晋春 赵家齐等，机械工业出版社3.金属切学机床，戴曙，机械工业出版社4.马水仙。水射流切割装置。国外金属加工。2001年第2期等。周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查找相关资料编写开题报告计算数据计算完成第一张A0图纸完成第二章AO图纸和部分第三张A0图纸完成第三张A0图纸和零件图检查答辩指导教师：王军（男）系级教单位审批：说明：如计算机输入，表题黑体小三号字，内容五号字。本任务书一式二份，教师、学生各执一份。 摘要摘 要随着社会的发展，机械制造业也要适应社会的发展。由于发展的需要，出现了许多难以加工的材料，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。水射流加工就是其中的一种加工方法，它和新出现的电子束加工，超声波等加工方法被称为特种加工方法 。数控高压水射流切割机床是水射流加工机床的一种，它是数控技术，电气控制技术，计算机技术等新技术结合的产物。 它包括超高压发生器、控制系统、切割平台等组成。这次我所设计的数控高压水射流切割机床主要设计其机械部分。它主要包括纵向进给机构，横向进给机构的设计，及伺服电机，滚珠丝杠的选择等任务。该切割机床可以完成平面板材的切割。关键词水射流切割 横向进给 纵向进给 伺服电机 滚珠丝杠 77AbstractWith the development of society, machinery manufacturers must adept to the development of social. Due to the development needs of the many difficult materials processing, traditional processing methods have been unable to meet the needs of processing. As a result, many new processing methods, to meet the needs of processing. Waterjet cut is one of the processing methods, it and the emergence of electron beam processing, ultrasonic machining method is called special processing method. CNC waterjet cutting machine is one of a waterjet processing machine; it is NC technology, electrical control technology, Computer technology and other new technologies with the product. It includes extra-high voltage generator, control system, Cutting Platform. This time, I designed CNC waterjet cutting machine designed primarily to its mechanical parts. It includes vertical feed, horizontal feed mechanism design, and servo motor, ball screw options, and other tasks. The waterjet cutting machine to be completed planar sheet cutting .KeywordsWaterjet cutting Horizontal Feed Vertical Feed Servo motor Ball Screws目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 水射流的发展历史及应用11.2 水射流加工技术的应用21.3 水射流切割的工艺特点3第2章 数控水射流切割机床的基本功能和基本参数72.1数控切割机床的基本功能72.1.1数控水蛇流切割机的原理72.1.2水蛇流切割的优点82.2 机床的基本参数8第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计113.1 数水射流切割机床的控结构方案设计113.2 机床支撑件的设计123.2.1 对支撑件的要求123.2.2 撑件的选材与连接133.3 提高支撑件刚度的措施13第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计154.1 伺服系统的发展154.2 数控水射流切割机的驱动系统设计154.2.1 对数控机床机械系统的基本要求154.2.2 驱动系统的设计164.3 机床传动部件的选择174.4电机及滚珠丝杠的选择计算194.4.1 X方向电机的选择计算194.4.2 X向滚珠丝杠的选择计算214.4.3 Y方向电机的选择计算244.4.4 Y向滚珠丝杠的选择计算264.4.5 Z向电机的选择294.4.6滚珠丝杠的选择计算314.5 机床导轨的选择354.5.1 滚动导轨的结构354.5.2 滚动导轨的特点364.5.3滚动导轨的寿命计算374.6 联轴器的选择414.6.1 联轴器的种类及功用414.6.2 联轴器的选用41第5章 误差来源及分析435.1误差及误差来源435.1.1 误差研究的意义435.1.2 误差的来源和传递规律435.2举例说明安装误差对机床精度的影响455.3 提高传动精度减小传动误差的措施455.4减小安装误差举例46第6章 机床的维护与润滑496.1 轴承的润滑与防护496.2导轨的润滑与防护496.3 滚珠丝杠的防护与润滑50结 论51参考文献53附录1 英文翻译55附录2 英文原文61附录3 开题报告69致谢73第1章 绪论第1章 绪论1.1 水射流的发展历史及应用19世纪中叶，在北美洲，人类第一次使用水射流开采非固结矿床。20世纪50年代初，苏联和中国利用水射流进行采煤(即水力采煤)。 随着水力采煤技术的推广，人们认识到，提高水的压力、适当减小喷嘴直径，可以显著提高水射流的击穿效果。于是人们开始研究较高压力的压力源(高压泵和增压器)及高压脉冲射流。20世纪60年代以前，人们主要研究低压水射流采矿，水射流技术还处于探索试验阶段；至20世纪70年代初，主要研究制高压泵、增压器、高压管件，推广水射流清洗技术，处在设备研制阶段；至20世纪80年代，水射流技术的应用领域从采矿发展到其他领域，大量的水射流采煤机、切割机、清洗机相继问世，并进行了广泛的推广应用；之后，水射流进入了快速发展阶段，水射流技术研究进一步深化，磨料射流、空化射流、自激振动射流等新型射流技术发展很快。20世纪60年代，大批高压柱塞泵和增压器的问世，大大推动了水射流技术的研究工作。当时，部分学者认为水射流的压力越高越好。日本研究出1700兆帕的增压器，苏联和美国研制出5600兆帕的脉冲射流发生器。到20世纪70年代末。水射流技术出现了一个新的动向，即从单一提高水射流压力，转向研究如何提高水射流的威力。开始出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力下的普通连续水射流。进入20世纪80年代，磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展，把水射流技术推向一个新的发展阶段。同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论和切割机理等进行研究。水射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、建筑、市政建设、化工、机械、医学等领域。水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗除垢工具，逐步被人们认可。一大批水射流切割机、采煤机、打桩机和不同用途、不同形式的清洗机被陆续投放市场。1972年，英国流体力学研究协会(BHRA)组织了第一次国际水射流切割技术会；1981年，美国水射流技术协会成立，此次技术会议也是国际性的；1983年日本水射流协会成立。定期召开水射流技术研讨会和展览会，邀请国外水射流专家参会；1987年，国际水射流协会成立，定期出版国际水射流杂志，多次召开环太平洋国际水射流会议，大大推动了世界各国水射流技术的发展。我国的水射流技术研究从20世纪70年代开始，最初主要是在煤炭部门研究和应用，以后逐渐发展到石油、冶金、航空等领域。经过多年的研究实践，取得很大进展，开发出了一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。我国从1979年开始，每两年召开一次全国水射流技术研讨会，并出版了高压水射流杂志。1.2 水射流加工技术的应用水射流技术因其本身的特点及优势在工业切割、清洗领域应用已十分广泛。 切割方面：纯水应用于造纸业、橡胶业等，而加砂水刀则可应用于石材业、陶瓷业、航天航空业，汽车制造业、金属加工业。尤其值得一提的是汽车制造业，随着近几中国汽车工业的迅猛发展，国内外各大汽车生产厂商产量地极剧扩大，车型地不断更新，生产周期地缩短，对配套的汽车内饰件(如汽车地毯、仪表板、顶蓬等)厂家来 说，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的方法，由于效率低下、产品精度差、劳动强度大，显然已不能满足当前汽车业发展的需求。此时，与机器人相结合的水 射流设备脱颖而出。高压水管以螺旋形绕在机器人手臂上，利用机器的手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧线运行，达到3维加工内饰件的目的。此种加 工方式的优点在于高效率、高质量、精度高、柔性好。目前国内包括上海大众、上海通用、一汽大众、天津丰田、广州本田、神龙富康、南京南亚等众多车型的内饰 件配套厂商已使用高压水射流设备进行内饰件的加工。 工业清洗方面，可应用于汽车业之喷漆房清洗、石化业之热交换器内外管清洗、飞机跑道之橡胶清洗、工业上之除锈及防蚀工程表面处理、航天工业引擎零件之清洗、核能发电厂之清除辐射污染等行业。 除了以上所介绍的应用领域以外，近几年，国外已有公司通过超高压技术，将其应用于食品杀菌达到食品保鲜的目的，并已成功打入食品保鲜行业(如美国著名的HEMELL公司已使用超高压设备进行食品保鲜)，取得了良好的口碑。1.3. 水射流切割的工艺特点水射流切割是水射流或磨料水混合物在压力达400MPa下，以速度达100m/s从直径0.1mm0.2mm的喷嘴中射出进行的切割。在磨料水切割时，射流从喷嘴通过小直径（约1mm）硬质合金喷管喷出，并借助于在喷管入口喷射，从专用料斗中吸入磨料粉。水射流的动能将传给磨料颗粒，从而从被切割毛坯上去除微屑。这时，实际上在毛坯上完全没有热和力的作用，故切口表面不变形，且无毛刺及材料的组织畸变。 当切割功率达30kW以上时，工作头可用手或机器人的夹持装置自由握住。机器人的微处理器数控装置可在空间任意角度下实现切割。 水射流装置可切割板料、精确直角、打小孔、开窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非导热材料）。 切口可从制件表面的任意点开始。切口宽度较小（在水切割时为0.1mm0.3mm，在磨料水切割时为1mm1.5mm），从而可保证节约材料，降低能耗。工艺过程具有柔性的生态洁净的特点，通常可用于完成要求快速重调设备的单件订货。各种方法切割板料的评定结果列于表1（根据Flow公司的数据）。主要工艺参数是生产率或切割速度V。对大多数水射流装置：V=0.001m/min-12m/min，切割精度0.1mm。表2列举出了Flow公司关于磨料水切割各种材料的速度与毛坯厚度有关的数据。表3中列出了Ingersoll-Rand公司（德国）关于水射流切割速度的数据表1 各种切割方法的比例表2 不同毛坯厚度的切割速度 注：工作压力350MPa；磨料供给量680g/min；磨料为80号粒度花岗岩。表3 Ingersoll-Rand公司采用的切割速度由于采用现代计算机装备水射流切割装置，可利用大量数据库优化切割过程（其中包括实时优化），和解决裁料的优化任务，故本方法的工艺性可显著扩大。 布局方案 水射流设备的布局目前有各种方案，其中包括机器人配套的形式、带回转工作台的形式等，但应用最广的是移动龙门架或固定龙门架的布局。 在一系列移动龙门架的装置内例如Bystronic、Waterjet公司（意大利）预先考虑有辅助角坐标。当工作头沿Z轴移动具有足够快速动作的恰服装置时可加工管坯，其中包括非圆型面。 消除射流的余能是在工作台下面的敞开槽内进行的，从而使生态环境变坏。槽内泥渣必须借助刮板传送带、螺旋输送机、水力涡旋机等进行定期清理。 毛坯定位用的工作台可用耐蚀板、金属丝网、磨尖的销钉做成格子形状来制成；工作台表面可用散粒材料等形成。类似工作台十分昂贵，且因射流作用而磨损，故寿命较低。 在Watejet公司装置上采用的工作台，其优点是由正方形（120mm1200mm）网络形成的坚固的框架，深淀箱由耐蚀钢做成，传动装置配置在框架的外廓尺寸内，设有控制零点的终点开关，维护区安排在框架的长度一侧，装载区可完全敞开，网络元悠扬可更换，框架具有很高的承载能力。 带移动龙门架的设备最好用于加工在切割过程中不好移动的笨重制件。典型代表是Flow公司的Tll-200型装置，其工作台尺寸为2m4m。 固定龙门架的布局示例是Ingersoll-Rand公司的装置，其工作台尺寸为2m3m。 当收集器内的射流余能被消除后，形成的泥渣将沿专用软管排入沉淀槽。因在工作头出口孔附近区遮盖有专用罩，且罩与吸尘器相连，而收集器安排在距离毛坯几毫米处，故切割过程可达到最大的生态洁净。不设置废水槽，可显著减轻装置的重量。 上述布局在结构上较移动龙门架的布局复杂，且在收集器内有快速磨损的零件。此外，为了避免射流在毛坯出口上过于弯曲和对收集器的偏离，切割速度存在某些限制。 工作台的典型尺寸（以Flow公司的装置为例）：2m1.5m；2m3m；2m4m；2m6m；3m2m；3m4m和3m6m（第一位数为沿X轴的尺寸）。为使工作头沿所有轴移动，大多采用带滚珠丝杠传动的机电伺服传动装置。沿Z轴的移动一般不超过180mm200mm。 在建立装置时特别注意选择材料和传动装置的保护使水和尘埃不落入。在Waterjet公司的装置上，具有耐蚀钢小车和有预紧力的滚珠支承的铝滑块，滑块沿经抛光的耐蚀钢导轨移动。传动是由无刷交流电动机借助外摆线齿轮和拉伸强度足够的齿形带实现。沿Y坐标的传动关系借助铝轴实现。传动装置预先考虑有用橡胶带和波纹遮帘双保护。第2章 数控水射流切割机床的基本功能和基本参数第2章 数控水射流切割机床的 基本功能和基本参数2.1数控切割机床的基本功能2.1.1数控水蛇流切割机的原理超高压水刀的基本技术既简单又极为复杂。当水被加压至很高的压力并且从特制的喷嘴小开孔(其直径为0.1mm至0.5mm)通过时, 可产生一道每秒达近千公尺(约音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各种软质材料包括食品, 纸张, 纸尿片, 橡胶及泡棉，此种切割被称为纯水切割。 而当少量的砂如石榴砂被加入水射流中与其混合时, 所产生之加砂水射流, 实际上可切割任何硬质材料包括金属, 复合材料, 石材及玻璃. 超高压水刀也可使用于各种不同的工业表面处理应用如船身清洗及汽车喷漆设备清洗. 超高压水的形成关键在于高压泵。从油泵来的低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞的活动方向则由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先对水进行 净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后压力升高。由于高压水是经增压器的不断往复压缩后产生，而增压器的活塞需要换向，势必 使从喷嘴发出的水射流压力是脉动的。为获得稳定的高压水射流，需将产生的高压水进入蓄能器然后再流到喷嘴，从而达到稳定压的目的。水压越高，水射流速度越 快，对高压部份的制造要求也越严格，在各水射流厂家中，美国FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高压增压器，可大幅度降低磨损和延长1倍以上超高压部件 和水封的寿命。经过高压所产生之高压水经由高压过流入切割刀头而直达被加工材料，因此另一个关键环节是节流喷嘴。喷嘴一般采用人造(或天然)红宝石或蓝宝石，直径通常是0.1mm至0.5mm，水流通过喷嘴后以1000m/s的速度喷出。由于纯水切割普遍适用于切割较软的材料，针对切割硬质材料，如玻璃、石材、金属等，80年代初，发展出了一种加砂水刀。所谓加砂水刀即在高压水中加入石榴 砂或金刚砂等磨料，此时，大部份的切割工作由磨料的冲蚀和磨削作用来完成，以达到增强切割能力、加工硬质材料的目的。2.1.2水蛇流切割的优点 较之激光、等离子、线切割等传统的切割方式，水射流切割技术确实有其独特、显著的优势：（1）切割品质优异 水射流是一种冷加工方式，水刀不磨损且半径很小，能加工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出现热影响区，自然切口处 材料的组织结构不会发生变化，也几乎不存在热和机械的应力与应变，切割缝隙(纯水切割之切口约为0.1mm至1.1mm，砂水混流切割之切口约为 0.8mm至1.8mm。随着砂刀管的直径扩口，其切口也就愈大)及切割斜边都很小(大部份所看到好的切割品质之单侧斜边为0.076mm至 0.102mm之间)，无需二次加工，无裂缝、无毛边、无浮渣，因此其切割品质优良。 （2）几乎没有材料和厚度的限制 无论是金属类如普通钢板、不锈钢、铜、钛、铝合金等，或是非金属类如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、纸张及复合材料，皆可适用。（3）节省成本 水切割所产生横向及纵向的作用力极小，不会产生热效应或变形或细微的裂缝，不需二次加工，既可钻孔亦可切割，降低了切割时间及制造成本。（4）清洁环保无污染 在切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体，操作环境整洁，符合严格的环保要求2.2 机床的基本参数机床的运动形式根据其切割的功能实现来选择，要实现平面的切割必须有两个方向的自由度，即X方向和Y方向的运动，才能实现其切割功能。它的Y向运动有横向的导轨和滚珠丝杠来实现，以东部分与滚珠丝杠的螺母座以及滚动导轨的滑块通过螺栓进行连接。它把滚珠丝杠转动通过丝杠的螺母变为直线运动，在电机带动丝杠转动的同时它作直线运动。同理，纵向移动部件也是通过螺钉与纵向丝杠和导轨的滑块相连接，来实现其纵向的直线运动。切割喷头的调整就是通过纵向移动部件来调整的，通过它来调切割喷头的高度位置，并且还可以适应不同高度零件的平面切割。具体结构见部件图和总体的装配图。机床的主要的技术参数如下：工作台面的尺寸（长X宽） 2500mm1500mm工作台的行程长度 （即X方向的行程） 2650mm机床的整体尺寸 长 3100mm 宽 1850mm 高 1900mmY向滚珠丝杠的转速范围 02000r/ minZ向滚珠丝杠的转速范围 02000r/ min快速移动的速度 10m/ min进给速度的范围 010m/ min Y向的行程 1550mmZ向的行程 300mm Y向伺服电机的功率 0.6KW Z向伺服电机的功率 0.4KW 切割的最大厚度 20mm 由于机床的切割厚度不是太大，并且我所设计的机床只是进行平面切割的需要，主要用于钢板的切割，并且切割最大厚度为20mm。这次设计只是一次理论与实践的结合，不需要设计太大的机床，考虑实用性和通用性的要求，因此，按上面的参数进行设计。第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计3.1 数水射流切割机床的控结构方案设计由于我所设计的水射流切割机床必须实现其平面切割的功能，而要实现其切割工件的目的，必须有两个自由度，既必须有两个方向的运动。可以做以下的设想来实现运动的目的：1. 有机架（横梁部分）来实现其两个方向的运动，其示意图如下： 图3.1 龙门式机架（方案1）该种结构形式为桥式结构，又称为龙门式结构，住要的特点是：结构对称，比较稳固，缺点是加工的工件的大小受到了限制。 2. 有机架（横梁部分）实现一个方向的运动，而另一个运动有工作台来实现 图 3.2 悬臂式机架结构（方案2）该种结构形式的为悬臂式结构，比起前一种结构，它的稳定性不如前者，但是它的加工范围比前者的加工范围大。通过对比两种方案，决定采用第一种方案作为我设计的最初模型，根据该模型来进行部件设计，本形式的数控水射流切割机床，由底座，立柱，导轨，纵向移动机构和横梁移动机构构成桥式结构。横梁上面设置有横移机构和竖移机构。切割喷头固定在竖移滑板上。可以在宽大的底座上面安装多种的旋转机构，以实现多种形式的水射流切割加工。而且该种结构形式比其他的结构要牢固，不易变形，因此采用该种结构。3.2 机床支撑件的设计该机床的机械部分主要的包括机床底座，机床的立柱，机床横向进给系统，纵向进给系统，传动部件等组成。3.2.1 对支撑件的要求机床的立柱和底座是主要的支撑件，它们的作用是支撑零部件并保证它们之间的相互位置及承受各种相互作用力。支撑件一般的附有导轨，导轨主要起到定位作用，以保证各部件的正确的相互位置及运动。机床的支撑件的形状，尺寸，材料的种类非常多，但是它们必须满足下面的要求：1. 刚度支撑件的刚度是指支撑件在恒定的载荷和变载荷作用下抵抗变形的能力。支撑件要有足够大的刚度，即在额定载荷的作用下，变形不得超过允许值。2. 抗振性支撑件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激震动的能力，支撑件的震动将影响加工的表面质量和成产率。因此，支撑件要有足够大的抵抗受迫振动和自激振动的能力。3. 热变形机床工作时，机械摩擦，电机等都会发热，在加上周围的环境温度变化，产生热变形，影响了机床的工作精度和几何精度。因此要对症撑件的热变形及热应力进行控制。4. 内应力支撑件在焊接和铸造以及加工的过程中，材料的内部都会形成内应力，导致变形。在使用的过程中，内应力可能重新分布和逐渐的消失可能使变形增大。因此在制造的过程中一定要考虑到结构的工艺性。并且在铸造和焊接以后要进行时效处理。3.2.2 撑件的选材与连接我所设计的该机床的底座采用灰铸铁，由于灰铁的吸振性比较好，并且铸造工艺性也比铸钢好，并且价格便宜，因此，机床的底座采用灰铁。立柱采用钢板进行焊接，采用焊接立柱，由于立柱要支撑横向和纵向进给机构，承受的力比较大，因此采用钢板焊接的形式。横向和纵向进给机构也采用钢板焊接的形式，因为钢板的承载能力大，可以减小机床的占地面积。机械部分的连接采用焊接和螺钉连接方式，立柱与底座通过16个螺钉固定在底座上面，横向进给机构通过夹一块垫板，也采用螺钉的形式与立柱相连接。而安装导轨的立板采用焊接的方式焊接到横向进给的钢板上。同样，纵向进给机构也采用同样的连接方法。3.3 提高支撑件刚度的措施支撑件的变形可以包括三部分，自身变形，局部变形，和连接处的变形，在设计的时候一定要注意这三类变形得匹配，并针对薄弱的环节，加强其刚度。提高支撑件自身的刚度抵抗支撑件自身变形的能力称为支撑件自身的刚度，它与材料，形状以及尺寸有关系。（1）正确的选择截面的形状和尺寸：支撑件承受的主要是弯矩和扭矩，产生的主要是弯，扭变形。在其他的条件相同的时候，抗弯和抗扭刚度与截面惯性矩有关。同一材料截面积相等而形状不同的，截面惯性矩相差很大，合理的选择截面的形状可以提高其刚度。1） 无论是圆形，方形和矩形都是空心的比实心的刚度大。2） 保持截面不变，加大外廓尺寸，减小壁厚，可以提高抗弯和抗扭刚度。3） 圆形截面的抗扭刚度比方形的大，而方形的抗弯刚度比圆形的抗弯刚度大。所以以承受弯矩为主的支撑件采用方形比较合理。4） 封闭的截面比不封闭的截面的刚度大。2. 合理的不只肋板和筋条，可以增加支撑件的刚度。由上面的分析，我选择了焊接立柱，并且截面的形状为方形，因为我所设计的机床的立柱主要的承受弯矩，别切采取封闭的方形结构，这样刚度比较大，为了防止其刚度不够，发生变形，并加肋板提高其刚度，具体形状见设计图纸。底座的结构采用实体铸造结构，其材料为灰铸铁200，这种材料的铸造性能好，加工工艺性好，并且可以在机床有震动的时候可以吸振，以减小机床的震动。并且成本低，可以降低机床的制造成本。但是灰铁的脆性比较大，在制造的时候需要木模，生产直制造周期比较长。横向和纵向进给机构设计为钢板焊接的形式，这种形式结构比铸造结构简单，生产的周期比较短，刚度也比铸造结构大，并且尺寸也比较小，因此，采用焊接钢板的形式。具体结构形式见设计图纸。第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计4.1 伺服系统的发展最早的数控机床采用步进电机和液压转矩放大器（又称电液脉冲马达）作为驱动电机。功率型步进电机出现后，因其功率较大，可以直接的驱动机床，使用方便，逐渐取代了电脉冲马达。60年代初期，美国和欧洲采用液压伺服系统。同期，日本首先研制出一种新型的小惯量直流伺服电动机，其动态响应快，不亚于液压伺服系统，同时，用来驱动直流伺服电机的大功率晶闸管整流器的价格下降，所以在60年代中后期数控机床上普遍采用小惯量直流伺服电机。小惯量直流伺服电机的最大特点是转速高，用于机床进给驱动时，必须采用齿轮减速箱，为了省去齿轮箱，70年代，美国盖梯茨公司首先研制成功了大惯量直流伺服电机，又称宽调速直流伺服电机，可以直接的与机床的丝杠相连。目前，许多数控机床都是使用大惯量直流伺服电机。直流伺服电机的结构复杂，经常需要维修。80年代初期美国的通用电气公司研制成功笼型异步交流伺服电机。交流伺服电机的优点是没有电刷，避免了滑动摩擦，运转时无火花，进一步提高了可靠性，交流伺服电机也可以直接与滚珠丝杠相互连接，调速范围与大惯量直流伺服电机相近。据统计，欧美近年来生产的数控机床，采用交流伺服电机进行调速的占80%以上，采用直流伺服电机所占的比例不足20%。可以看出，采用交流伺服电机的调速系统已成为数控机床主要的调速方法。4.2 数控水射流切割机的驱动系统设计4.2.1 对数控机床机械系统的基本要求数控机床的机械系统与传统的一般机床的机械部分的要求相比，除了要求具有较高的定位精度以外，还应该有良好的动态相应特性，就是说响应要快，稳定性要好。 这里所说得机械系统一般的包括减速装置，丝杠螺母副等机构。为了确保机械系统的传动精度和工作的稳定性，在设计中，常提出以下要求：1. 无间隙2. 低摩擦3. 低惯量4. 高刚度5. 高谐振频率6. 适当阻尼比为了达到以上的要求，主要从以下几个方面采取措施：1. 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件，如采用滚珠丝杠夫，滚动导向支撑等。2. 缩短传动链，提高传动与支撑刚度，如采用加预紧的方法提高滚珠丝杠副的刚度和滚动导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩，快调速的交流伺负电机直接的与滚珠丝杠相连接以减少中间的传动机构。3. 选用最佳的传动比，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量。尽可能的提高加速能力。4. 缩小反向死区误差，采取消除传动间隙，减少支撑变形。下面的设计根据以上的建议来进行。4.2.2 驱动系统的设计根据现有的机床进行参考，有伺服系统的发展可以看出，在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展，交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电机比直流电机将更合理。采用交流伺服电机调速系统已经成为了数控机床的主要调速方法。因此我所设计的数控水射流切割机床也采用交流伺服电机调速的方法。由于交流伺服电机也可以和滚珠丝杠进行相连，这样的结构比较简单，拟采用这种简单的结构。交流伺服电机与丝杠相连接的方式有以下两种比较简单的形式：1. 交流伺服电机通过联轴器和滚珠丝杠进行相连接。2. 交流伺服电机通过一对调隙齿轮和滚珠丝杠相连接。第一种方法，这种方式比较简单，可以减小伺服驱动的外型尺寸，从节省空间的角度来看更为合理一点，而第二种方法有利于消除传动间隙，但是在传动系统中增加了一对齿轮，势必增加传动链的长度，降低了传动效率，并且增加了传动误差。权衡二者，采用第一种方法，既采用交流伺服电机通过联轴器和滚珠丝杠的方式。4.3 机床传动部件的选择滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杠与滑动丝杠相比有以下特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。因此，选用滚珠丝杠，而不选择滑动丝杠。滚珠丝杠的支撑方式有以下四种：（1）两端固定支撑该种支撑形式，适用于高精度，高转速的情况下。（2）一端固定，一端铰支该种支撑形式使用于中等转速，高精度的情况下。（3）两端铰支该种支撑方式使用于中等转速，中等精度的情况。（4）一端固定，一端自由该种支撑形式使用于低转速，中等精度，轴向较短的丝杠。比较以上几种丝杠的支撑方式，我所设计的机床不需要有很高的转动精度，如果选取的精度很高，就会增加成本，中等转速就可以达到要求。有上面的机床的设计参数可以看出，要求Z向的行程为300MM，而Y向行程要求为2650MM，行程比较大，滚珠丝杠的第四种形式不适合要求，而第一种支撑形式结构复杂，安装困难，成本较高，不经济。第三种支撑形式也不切合所设计机床的要求，所设计的机床有一定的轴向力。因此，选择第二种支撑形式满足设计的要求，比较简单，也比较经济4.4电机及滚珠丝杠的选择计算4.4.1 X方向电机的选择计算我所设计的机床在切学的过程中没有切削力的影响，因此按照金属切削机床快速电机的选择计算来进行选择，只考虑摩擦力和惯性力的影响。 -电机的功率 -克服摩擦力所需要的功率-安全系数-克服惯性力所需要的功率 -克服惯性力所需要的电机轴的扭矩-电机的转速 -传动链的效率 J-转化到电动机轴上的效果转动惯量 -电动机的角速度 t-电动机的启动时间，对于中型机床 各传动件的转动惯量： 滚珠丝杠的质量：，其中， 7.861032022600 25.96Kg J11/2mr2=1/225.6720210-6 0.005134Kgm2则， 假设该部分运动的最大速度为，则该部分的运动速度假设为，则电机和滚珠丝杠的的转速为： n = 1000r/min 1(2n)/60 =23.141000/60 =105rad/s J=J1 + M(V1 /1 ) 2 5.31410-31.6310-5 5.1510-3Kgm2 则， Tin=J1/t =5.1510-3105/0.5 1.08N m 中型机床t=0.05s Pin=Tinn/(9550)=1.081000/(95500.864)131W Pfr=MuV/(6120 )=25.670.0510/(61200.864) =2.4WP=K * (Pin+Pfr)=2.5(131+2.4)=333.5W因此，选择的电动机的功率为0.4KW。4.4.2 X向滚珠丝杠的选择计算假定滚珠丝杠副的材料硬度为，工作温度低于100度，工作时的温升低于4度，可靠性要求为95%，根据这些条件来选择计算滚珠丝杠。计算负载与转速假设Y方向的滚珠丝杠副带动部分的质量为100千克，则导轨的摩擦力为：滚珠丝杠的寿命L -滚珠丝杠的转速 T -使用的寿命时间，对于数控机床来说，取由于在切割的过程中没有切削力的影响，因此最大的负载与最小负载相同，都是摩擦力， 在工作的过程中负载值是一个稳定值，因此， 查机械设计师手册，表4.314，选用3205型号的滚珠丝杠。其中，d0=40mm Ph=5mm L=2600mm C0a=51758 mm Ca=14456mm 传动效率的计算 -螺旋升角 -摩擦角 滚珠丝杠的摩擦系数为，在这里取，则其摩擦角， 故所选的滚珠丝杠副的传动效率为0.94。（1） 刚度的验算 工作负载 -滚珠丝杠的基本导程 -弹性模量 -滚珠丝杠的截面面积 由于滚珠丝杠在工作的过程中受拉伸作用，因此采用下面的公式， 其中， F=d2/4=3.142.02/43.14cm2 L1=PL0/(EF)=500.5/(211063.14)=3.7910-3um -在M的作用下滚珠丝杠每一导程上的扭转角M-作用在丝杠上的扭矩G-切变摸量 -滚珠丝杠截面惯性矩 代入数据进行计算： Jc=3.1439.22/3223.2cm4 =ML0/(GJc)=0.10.5102/(82.410523.2) = 8.110-7 M=P/v=333.5/105=3.1Nm L2=L0/(2)=0.58.110-7/(23.14)=6.4510-3um L=L1+L2=3.7910-3+6.4510-310.2410-3um =100L/L0=100/0.0510.2410-320.48um （2） 稳定性计算 E-丝杠材料的弹性模量