龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割机设计和实现 机械制造专业

摘要伴随着如今社会的快速发展，机械制造行业也应该逐步的跟上社会的步伐。因为现阶段传统的加工技术无法形成相应的工作模式，并且在很多情况下不能够满足如今时代的工作需要。龙门直角坐标机器人激光切割金属板件是其中一种加工方法。电子束或超声波等等全新技术能够将其称之为特殊技术的整合。门式金属板材的直角坐标设备能够用于多项技术，分别为：数控技术、计算机技术以及电气控制技术等。除此之外给设备还能够应用于超高压发电机、切割控制系统之中。伴随着最近几年的技术发展，三坐标科技已经逐步成熟。龙门直角坐标机器人钣金件激光切割系统是三维机床技术与激光切割技术相结合的系统。它既保证了消隐的准确性，又整合了激光的高穿透性优势。这两种技术模式的融合也代表着激光切割技术到达了新的巅峰。关键词：切割技术；机构设计；激光切割机AbstractWiththerapiddevelopmentoftoday'ssociety,themachinerymanufacturingindustryshouldgraduallykeepupwiththepaceofsociety.Becauseoftheneedofdevelopment,therearemanydifficult-to-processmaterials.Becausethetraditionalprocessingtechnologycannotformthecorrespondingmodeofwork,andinmanycasescannotmeettheneedsoftoday'swork.Lasercuttingofsheetmetalpartsbasedongantryrectangularcoordinaterobotisoneoftheprocessingmethods.ItThelasercuttingofmetalplatewithgantryrectangularcoordinaterobotisoneofthemachiningmethods.ThelasercuttingmachinetoolforsheetmetalpartsofgantryrectangularcoordinaterobotisacombinationofnewtechnologiessuchasnumericalcontrolNewtechnologiessuchaselectronbeamsorultrasoundcanbecalledtheintegrationofspecialtechnologies.Therectangularcoordinateequipmentofgatemetalsheetcanbeusedinmanytechnologies,suchas:numericalcontroltechnologyThelasercuttingsystemforsheetmetalpartsofgantryrectangularcoordinaterobotistheproductofthecombinationofthree-coordinatemachinetooltechnologyandlasercuttingtechnology.It,electricalcontroltechnology,computertechnologyandothernewscientificandtechnologicalintegrationconcepts.Itcoverstheultra-highvoltagegenerator,cuttingcontrolsystem,platformandsoon.Keywords:CuttingTechnology;MechanismDesign;LaserCuttingMachine目录摘要 1Abstract 2目录 3第1章绪论 51.1龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割的发展历史及应用 51.2激光技术概述以及应用 51.3数控切割以及数控切割加工技术的应用 61.4龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割加工技术的应用 121.5.龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割切割的工艺特点 13第2章总体方案机构设计 132.1技术参数要求 132.3设计概念 132.3设计原理 142.4方案讨论 14第3章X结构及传动设计 153.1X向滚珠丝杆副的选择 173.1.1导程确定 173.1.2确定丝杆的等效转速 173.1.3估计工作台质量及负重 173.1.4确定丝杆的等效负载 173.1.5确定丝杆所受的最大动载荷 183.1.6精度的选择 193.1.7选择滚珠丝杆型号 203.2校核 203.2.1临界压缩负荷验证 203.2.2临界转速验证 213.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 223.3电机的选择 233.3.1电机轴的转动惯量 233.3.2电机扭矩计算 24第4章Y向结构设计 264.1Y轴滚动导轨副的计算、选择 264.2滚珠丝杠计算、选择 304.3步进电机惯性负载的计算 33第5章轴承的选择 365.1X轴轴承选择 365.2Y轴轴承选择 365.3Z轴轴承选择 37第6章伺服系统的选择 39第7章误差来源及分析 417.1误差及误差来源 417.2举例说明安装误差对机床精度的影响 437.3提高传动精度减小传动误差的措施 447.4减小安装误差举例 44第8章机床的维护与润滑 478.1轴承的润滑与防护 478.2导轨的润滑与防护 478.3滚珠丝杠的防护与润滑 48总结与展望 49参考文献 50致谢 51第1章绪论1.1龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割的发展历史及应用19世纪中叶，北美经门的经度机器人激光器切断了金属板。20世纪初，苏联和中国的蒙古直角机器人采用了金属板零件激光切割系统。主要研究了经度机器人金属板的激光切割系统。经度机器人的激光切割技术仍处于探索和实验阶段。直到20世纪70年代初，纵向机器人金属板零件的激光切割和清洗技术才得到发展。基于经纬度直角机器人的金属板激光切割技术已经发展到其他领域。直到20世纪70年代末，龙门坐标机器人金属板材切割技术才得以发展。也就是说，研究了通过提高经度机器人的激光切割压力来提高激光束角激光切割机器人功率的方法。日本龙门直角机器人激光束切割技术的研究始于20世纪70年代，发展到其他航空航天以及其他行业之中。通过许多年来的操作以及实施，获得了长足的进步。并实行了其中的产品设计。现阶段依旧能够处在世界最前沿。1979年以来，中国每两年举办一次龙门直角机器人金属板激光切割技术全国研讨会。1.2激光技术概述以及应用激光被人们认为是本世纪最伟大的发明之一。在上世纪七十年代初期，美国某研究机构研制了世界上第一台激光发生器，该设备用于对工业材料的耐磨性进行测试，成功地制成了年汽车转向器壳体（锻造铸铁材料）表面的炼火模式。也能够成为其中的工业模式以及概念模式。最近几年，世界各国分别形成了完善的资金概念以及人力资源，对激光的设备模式以及集光效果能够形成完善的整改，并加强了其中激光模式的发展速率，并能够在其中产生巨大的社会价值。现阶段，激光科技在我国工业、农业、医疗、军事、现代内部能够形成完善的整改意见，激光科技不断实现企业化。“十五”的具体项目能够形成完善的概念制定，保证其中的激光质量稳步在20%左右，形成年产值200多亿元。在工业制造模式之内，形成了完善的推广模式，并且形成了替代电子、汽车、钢铁、石油、造船、空气等传统概念模式之内的样板评定以及工作制定。可以成为生物、能源、空间和海洋等六中高科技背后的仪器模式以及规划形式。数字控制的出现与发展在很大程度上实现了计算机控制技术与激光控制的结合，诞生了更为先进和精度更高的光学系统，研发出了相应的工作重心，是相应的整改细节之内的趋势整合。激光切割利用相应的化学物质进行附着并在其表面进行整顿，能够将其中的光体形成完善的气体制定范畴，并沿其中的动向进行光线的整改，并在其中形成完善的概念制定。从二十年代到七十年代，应该按照相应的精密程度形成完善的对比效应。它还能够在其中提供稳定的硬度，保障其中叶片的内部结构，完善自身的概念。并且，还应该在其中加强惯性以及震动的效应。用于氧乙炔的切割。薄钢板采用剪刀，用大量的压力机形成复杂的零件。自70年代以来，氧气乙烷的精密火焰切割和等离子切割技术能够提升相应的切割范围。降低其中的制作模式，并且加强了其中压力设备以及科技效果。各种莫始终都能够形成生产质量的整合，在攻城模式中形成完善的作用。激光设备是机电一体化领域中先进的河北。技能效果完善，激光切割机的密度较稳定，动能稳定，提升材料的使用数量，降低其中的成本模式，减少产品价值，降低人工成本，制造业能够形成革命技术改革。激光切割指的是对普通切割方式难以工作的环境下进行高强度、高韧性材料的有效切割。该技术在航空航天以及其他工业生产领域之中广泛应用，其中激光射线的研究意义能够形成完善的概念。微机操控模式能够在其中形成完善的概念。基于经纬度垂直坐标机器人的金属板激光切割技术是工业切割与清洗领域的独特特点和优势。开水：纯水用于造纸、橡胶等工业。砂切割机可用于石材、陶瓷、航空航天、汽车制造和金属加工等行业。特别是最近几年的产业模式形成完善的整改，按照其中汽车模式的不断发展，日本及海外多数的制造者能够形成完善的细节整合，车型不停进行更替，制作周期较短。内部工作和冲压方法由汽车内部零件生产公司（例如，汽车地毯、仪表板、车顶等）的初始手工工作进行处理。汽车工业具有效率高、质量好、精度高、灵活性强的优点。上海、大众、上海通勤、大众、天津丰田、广州本田、金瑞福、南京南亚等国内所有配件制造商均配备了内饰。1.3数控切割以及数控切割加工技术的应用在很久以前，大概在十九世纪流传在北美洲地区，那时候人们开始运用数控技术来采集非固结矿床。在二十世纪以来，外国和中国等大多是国家都开始，运用该项技术，使国家的科研技术有一定的提升。在数控技术的提升下，人们开始通过水力来开采煤矿，人们也逐渐意识到，通过压强来增强数控的机床切割的穿透力度，例如：适当增强流水的压力，以及合适的缩小喷口的直径。因此人们也开始意识到高压力的压力源和高强压脉冲射流对工业的作用。大约在1960年之前，人类主要以研究低压情况下数控机床的切割采矿以及切割技术等，但是基本都还处于初始期而已：到了1970年左右的时候，那个时期人们开始研究数控切割机床的清洗方面，例如：高压泵或增压器等等，而这些设备已经开始研制当中；到了1980年的时候，人们对数控切割技术的研究已经大幅提升，应用的范围也很广，各种新的数控机器相继而出，例如数控切割机、数控清洗机、数控切割采煤机等广泛应用在各自的领域。在此以后，数控技术就开始进入飞速的发展中，科技水平大幅度提升，并且数控切割技术的研究开始一步步的深入，包括新型的射流技术也得到了提升，比如：磨料射流、空化射流以及自缴振动射流等。在上世纪六十年代初期，随着计算机控制技术的飞速发展，数控切割开始在工业生产中广泛应用。在那个时期，有一些研究者发现数控切割技术压强越高越好，压力越大越好。在这期间日本就已经研发出了一千七百兆帕的增压器，美国和苏联为首的世界超级大国更是研制了压力更高高压射流发生器。而到了1970年的时候，数控切割技术又开始了一个新的挑战。单单的以增强数控切割的压力、转向方面来设计研究怎样最大幅度的提升数控切割的威力。自此以后便诞生了共振射流等技术，虽然它们的水压压力并不是很大，但是同样压力的情况下，它们威力远高于普通的连续数控切割。在1980年以后，数控切割技术迎来了新的发展时期，这一时期有了新的挑战，主要包含磨料射料以及自振射流等，这一些技术使数控切割技术有所进步。在这时期，各个地方的科研爱好者也开始向射流方面进行研究，了解射流的一些简单的基础知识理论，还有切割的机理等各个方面进行了一系列研究。并且很多科学家发现数控切割技术也可以广泛应用在其他的领域，例如：城市建筑、化工系列、机械研究、航空飞行、医学研究以及最早的采矿。数控切割在切割、破碎、清洗除垢方面来说，是很受人们喜爱的，也是从这以后，开始有很多的数控切割机、数控采煤机、数控打桩机以及各种各样的清洗机走向人们的视野中，市场上也开始进行了各类数控切割机器的营销。在1972年的时候，第一次的国际性的进行关于数控切割技术的谈论，在英国由他们的流体力学研究学会所举办的；在1981年的时候，美国也开始成立了数控切割技术的协会，并且该次国际性的会议也有一定的意义；在1983年的时候，日本也开始成立了关于数控切割技术的协会，并且他们国家每过一段时间就会召开关于数控切割技术的研究会，邀请各个国家的数控切割方面的专家参加会议，共同使数控切割技术有进一步的提升；在上世纪八十年代末期在国际学术界组织成立了数控切割协会，经常出版关于数控切割的一系列杂志，多次召集各个国家的科研人员召开会议，极大地推动全球各个国家的数控切割技术的发展与应用。而我们国家的数控切割技术从1970年开始研究，最早的时候，数控切割技术在其诞生之初主要应用于能源生产如煤炭等领域之中，到了后来，从煤炭慢慢延伸到石油和航空的科研领域。在那以后的几年里，经过科研人员各种研究与试验，数控切割技术迎来了快速发展期有，并且还研发出了一些新的科技产品。在我国专家学者的不懈努力之下，我国在数控切割领域获得了快速发展，研究成果也较为丰富，甚至有些产品和技术已达到国际先进水平。数控切割指的是在400MPa磨料水混合物压力下在通过特定直径的喷嘴高速喷出，进而完成对工件的切割。数控切割所产生的动能传递给磨料的颗粒，这样就可以从切割的毛坯上清除细屑。

当数控切割的功率达到30kW时，机器人的数控装置可以在三维空间里进行任何一个角度的切割。数控切割装置可以进行多项动作，例如：精确性的直角、打小孔板料的切割等等。

切口的宽度相对较小，并且切口可以在表面的任何一个点上开始进行切割。由此可实现对切割加工件的高效利用，降低了成本消耗。切割板料的一系列方法的评定结果见表1所示。切割速度V和生产率是工艺生产里的主要参数，大部分的数控切割装置中，速度V=0.001m/min～12m/min，若将数控切割的精度控制在±0.1mm。而磨料水混合物以及工件毛坯等参数如下表2所示，数控切割的切割速度如表3所示。

表1

表2表3因为很多的器械都应用了计算机装备数控切割装置，所以可以利用很多数据库进行切割的优化以及实时优化。

布局方案

数据切割设备通常可根据其结构布局不同将其划分为多种形式，常见的数控切割设备布局形式包含：回转工作台的形式、机器人配套的形式以及龙门架形式等等。龙门架是相对应用较广的布局，有移动和固定两种布局。

在数控切割加工过程中毛坯的定位通常由于金属丝网以及磨尖销钉等等构成，工作态度表面由散粒材料组成，并且寿命较低。

Flow公司出过一款装置T11-200型，该装置是典型的加工在切割进行中不好移动的制件，工作态度的具体尺寸大小为2m×4m。

在完成装置建立时要重点注意选择合适的材料，并对其进行适当保护，防止灰尘或水进入装置之中对设备的工作性能造成影响。数控切割技术也应用于在很多的领域里，例如在物料切割、航空航天以及汽车制造等领域之中。近年来，随着我国社会经济的快速发展，我国企业工业迎来了蓬勃发展期，由于数控切割技术的应用，我国汽车生产效率和质量不断提升，数控技术的应用使降低了产品的生产周期。由之前的生产效率低下、产品精度低、劳动的强度大逐步改进变成高效率、高质量、柔性好。国内很多的汽车公司都开始使用该项技术对汽车内部的部件进行加工。在工业清洗方面，应用很广，例如：汽车喷漆、飞机跑道橡胶清洗、航天引擎零件的清洗。

1.4龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割加工技术的应用基于经纬度垂直坐标机器人的金属板激光切割技术是工业切割与清洗领域的独特特点和优势。开水：纯水用于造纸、橡胶等工业。砂切割机可用于石材、陶瓷、航空航天、汽车制造和金属加工等行业。尤其是近年来随着我国社会经济的飞速发展，汽车制造业迎来了蓬勃发展期，由于数控切割技术的应用，我国汽车生产效率和质量不断提升，数控技术的应用使降低了产品的生产周期。由之前的生产效率低下、产品精度低、劳动的强度大逐步改进变成高效率、高质量、柔性好。国内很多的汽车公司都开始使用该项技术对汽车内部的部件进行加工。内部工作和冲压方法由汽车内部零件生产公司（例如，汽车地毯、仪表板、车顶等）的初始手工工作进行处理。汽车工业具有效率高、质量好、精度高、灵活性强的优点。上海、大众、上海通勤、大众、天津丰田、广州本田、金瑞福、南京南亚等国内所有配件制造商均配备了内饰。1.5.龙门式直角坐标机器人的钣金零件激光切割切割的工艺特点龙门式直角坐标机器人的金属板切割激光切割装置，可对板材进行切割、开直角、开小孔、开槽。第2章总体方案机构设计2.1技术参数要求1.激光切割模块最大重量：10㎏2.最大工作范围：X方向为500mm，Y方向为400mm，Z方向为50mm。3.最大移动速度：180mm/s4.加速和减速时间均为：1s5.运动部件寿命：＞10000h6.传动方式：滚珠丝杠或同步带7.支撑方式：直线导轨8.驱动方式：电机驱动2.3设计概念整个支撑架采用门式结构，过程中一般采用门式结构和悬臂梁。悬臂梁固定在柱上，端部和自由端不产生轴向、垂直位移和旋转（可产生平行于轴和轴的力）。龙门的结构一般称为门架结构，龙门架的主要包含两个部分组成，其一为连接脚，其二为地面梁。由于整个支撑结构采用双支撑式，因而结构相对较为简单，产品制造也更为方便。2.3设计原理激光切割机的设计应满足各种条件。首先，您需要确保工作的定位。为了保证工件和激光切割机切割头之间具有精确的相对位置关系，需要按照选定的定位精度来进行定位，定位机构不仅要满足工件加工的进度要求，同时还要具备良好的刚度和强度，能够承受一定的外加载荷和以及自身的重量。此外，还需要切割头在对工件移动加工过程中产生惯性力和振动。如果没有足够的强度和刚度，就必须计算强度和刚度，因为它可能会断裂或弯曲。最后，你应该尽你最大的努力去获得某种程度的普遍性。如果可能，必须考虑部件的转换问题。为满足不同工件的加工需要，在进行设计时候创造了一个组合结构，可实现不同零件和附件的快速交换，同时对机构的范围进行了扩展。

X轴采用螺杆加导向形式。横向电机连接器-横向滚珠丝杠（导轨）-水平滑动Y轴采用电机联接滚珠丝杠。Z轴采用电机联轴-立式滚珠丝杠-大板。2.4方案讨论在进行受力分析时可将龙门吊简化为悬臂梁模型。并且龙门结构有很多的优点：结构简单，易制造，加工量相对较小，可承受的载荷相对较大且结构十分稳固。因为这些优点它被广泛应用在工程方面。第3章X结构及传动设计支承方式简图特点一端固定一端自由结构非常简单，稳定性良好，以及在临界点是的转速都很低，可以尽可能的拉伸丝杆。但是一端固定一端自由的安装方式也具有诸多不足，例如刚度较低，因此承载恒力不足，只适用于短丝杠中。一端固定一端游动在两端的支承和螺母同轴的情况下，这时候的结构相对复杂，加工工艺也很难，压杆在临界点的转速还有稳定性会比相同长度的情况下高一些，而丝杆的轴向刚度和两端一样，有一定的膨胀余量。而这种方式的优点在于丝杆长，其转速高。当受载力度大的时候，还可以将角接触球轴承的数量大大增加。两端固定在一般的情况下，其中一端的固定比固有频率低的时候，丝杆在此状态下不受压力作用，因此也不会粗线丝杠稳定性问题，当轴承没有间隙时丝杠轴向刚度高于固定状态时的丝杠刚度，因此可以进行预拉伸，由此可抵消丝杠受重力影响下垂导致的精度问题。这种结构工艺相比于前者实现起来更为困难，因此它适用在位移精度高，刚度要求大的场合。表3-1滚珠丝杆副支承3.1X向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杠（）是一种能够实现转动和直线进给运动相互转化的传动机构，具有传动比大、效率高、精度好等诸多优点。而这个机构包括滚珠、丝杆、螺母。滚动体作为丝杆与螺母的移动方式，两者之间以滚柱滚动的形式带动丝杠作进给运动之，同时当丝杠转动时也会带动滚柱运动。设X向最大行程为500mm,最快进给速度为10.8m/min,3.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1,选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为取Ph=20mm3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式最大进给速度是丝杆的转速最小进给速度是丝杆的转速丝杆的等效转速式中取故3.1.3估计工作台质量及负重主轴箱重量工作台重量3.1.4确定丝杆的等效负载机床正常工作时滚柱杆上受到一个轴向压力作用，该压力可通过具体公司进行计算，一般情况下取值在1.1~1.5。此次的设计选择1.3，导轨我们选定为滑动导轨，因此丝杆的牵引力为：其等效载荷按下式计算（式中取，）3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw负载性质系数，（查表：取fw=1.2）ft温度系数（查表：取ft=1）fh硬度系数（查表：取fh=1）fa精度系数（查表：取fa=1）fk可靠性系数（（查表：取fk=1）Fm等效负载nz等效转速Th工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw3.1.6精度的选择随着产品性能需求的不断提升，对于直线进给传动机构的性能要求也在逐渐提升，滚珠丝杠副的精度以及结构也在逐渐发生变化，向着高精度、高转速的方向不断发展。滚珠丝杠的精度将影响机床的定位精度，在本次设计中我们选择300mm行程变动量要低于设定定位精度，同时在设计过程中考虑到布局合理性和经济性指标，选用滚珠丝杠的进度等级为X轴3级，Z轴4级。3.1.7选择滚珠丝杆型号计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN公称直径Ph=20mm我们此时选用FFZD5010—3的丝杆型号，FFZD型内循环浮动反向器。公称直径，丝杆外径钢球直径丝杆底径圈数=3圈刚度3.2校核在对滚柱丝杠进行校核时需要校核丝杠轴向受拉压作用时振动固有频率以及滚珠丝杠的定位精度轴，这两者对滚珠丝杆副的拉压系统有很大的影响。其中扭转刚度与扭转固有频率之间具有较强相关性，假定螺母座的刚度为Kn，丝杆副内滚道接触刚度为KC，，轴承的接触刚度为Ka，O有丝杆本身的拉压刚度KS，按照这四个参数来组合不同的支撑组合方式，通过计算即可得到滚珠丝杠抗压系统刚度KO具体值。3.2.1临界压缩负荷验证丝杆刚度会对支撑方式产生影响，在本文中我们选用一端支撑另一端固定的方式。临界压缩负荷的计算：式中E材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO最大受压长度（m）K1安全系数，取K1=1.3Fmax最大轴向工作负荷（N）f1丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do是丝杆公称直径（mm）dw滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见Fca＞Fmax，由此可知满足要求。3.2.2临界转速验证当滚珠丝杠转速较高时要验证在该速度下是否产生共振，丝杆最高转速可通过下式予以计算：式中：A是丝杆的最小截面：A=是丝杠内径，单位；P是材料密度p=7.85*103(Kg/m)是临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm是安全系数，可取=0.8fZ是丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9计算可知，滚珠丝杠的转速得出=6.3*104，大于临界转速，因此满足设计要求，即不会发生共振。3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中A——最小横截面，；螺母座刚度选为KH=1000N/μm。当滚珠丝杠在导轨中运动到极限位置时存在最大和最小抗压刚度，其中导轨运动极限值分别为750mm和100mm。经计算得：式中Ke——拉压系统刚度(N/μm)；KH——螺母座的刚度(N/μm)；KH=1000N/μmKc——滚道的接触刚度(N/μm)；KS——丝杠拉压刚度(N/μm)；KB——轴承接触刚度(N/μm)。经上式进行计算可知，丝杠扭转振动固有频率高于1500r/min，因此可满足设计要求。3.3电机的选择步进电机的主要功能是将电信号转化为电机转动角位移信号的一种控制设备。而步进电机有很多的优点，例如控制简单、定位精度很高、惯量很低等。因此步进电机广泛应用于生产生活的诸多领域之中，在进行步进电机选型时重点关注下述几个因素：功率问题，符合所需的功率必须小于电机的输出功率，还有转动惯量，工作环境。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d—直径,丝杆外径d=49.5mmL—长度=2mP—钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量上式中：M—质量X向直线运动件M=280kgP—丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得因此3.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta—加速时间KS—系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0—导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP—丝杆螺距（m）P=0.001mη—传动效率，η=0.90I—传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0—滚珠丝杆预加载荷≈1500Nη0—滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05N·M则快速空载启动时所需的最大扭矩经计算所得，我们选择电机型号为IFT5066，该型号步进电机额定转矩为6.7。第4章Y向结构设计4.1Y轴滚动导轨副的计算、选择工作载荷为Fz，在此工作载荷下进行Wx和Wy估算，并根据估算结果计算安全系数，其具体计算公式为fSL=C0/P上式中：C0——导轨静额定载荷；P=0.5(Fz+W)——工作载荷；一般情况下安全系数取fSL=1.0~3.0，当滚动导轨副在受冲击或振动作用时选取安全系数为fSL=3.0~5.0。按照计算结果查阅相关资料来完成导轨的选择：因系统受中等冲击,因此取按照计算结果来选择导轨型号:选择汉江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.11500滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N验算导轨的工作寿命：式中v速度，是初选的导轨动额定载何Ln：导轨的额定工作时间寿命:导轨的工作寿命足够.导轨的静安全系数：：静安全系数；：基本静额定负载；：工作载荷导轨寿命计算：4.2滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)上式中K=1.15，摩擦系数f=0.003~0005；在车削工件外圆面时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：上式中：fW——载荷系数；fH——硬度系数。查表得中等冲击时则:按照具体的适用情况来完成滚珠丝杠幅度额选择，按照最大动载荷数值选择滚珠丝杠型号为：CM2005-5。该型号的滚珠丝杠副详细参数如下图所示:根据图中参数可知，该型号的滚珠丝杠副额定动载荷为14205N>足够用.采用双螺母螺纹预紧形式进行预紧。滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径――40mm螺距――15mm接触角――钢球直径――4.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径39.365mm螺杆内径36.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm传动效率计算传动效率可通过下述公式予以计算：式中：φ=10’——摩擦角；γ——丝杠螺旋升角。稳定性验算本文中采用直推轴承作为其支承方式，因此不需进行稳定性验算。刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为允许的螺距误差为[Δ]=15μm/m。4.3步进电机惯性负载的计算（1）等效转动惯量的计算步进电机轴上等效转动惯量可通过下式予以计算：式中：折算的惯性负载；步进电机轴转动惯量；齿轮１的转动惯量；齿轮２的转动惯量；滚珠丝杠转动惯量；Ｍ移动部件质量。对零件转动惯量可依照下式予以计算：式中：——零件直径，——零件的长度。所以有：其中电机轴转动管理可略去，因此可得出等效转动惯量可通过下式予以表示：4.2.6步进电机的选用(１）步进电机启动力矩的计算设步进电机等效力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理满足下述公式：式中：——电机转角；Ｓ——移动部件的相应位移；——机械传动的效率。若取，则Ｓ＝，且此时满足。所以等效力矩可通过下式予以计算：式中：——移动部件负载（N）；G——移动部件质量（N）；——与重力方向相同的负载力（N）；——导轨摩擦系数；——步进电机的步距角（rad）；T——电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3，＝０.8，==279.23Ｎ。垂直方向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，可通过下式求解电机轴负载力矩：启动转矩可通过下式予以计算：取系数为０.３，则：对于本文所选择的步进电机：(２）步进电机的最高工作频率根据本文设计要求选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.9250080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.51764第5章轴承的选择5.1X轴轴承选择根据前文所述，本文选择采用一端固定一端浮动的方式安装滚动丝杠副，其支承方式为角接触球轴承，机床为数控机床，根据计算轴承预计寿命：1500——5000h，轴承的基本额定动载荷：P为载荷，=3；是预期寿命；为载荷系数；X,Y为常数；选择轴承：71003C=41.2KN5.2Y轴轴承选择滚珠丝杠选择安装方法：双支点一边固定一边浮动。因此，其支承方式为角接触球轴承，机床为数控机床，根据计算轴承预计寿命1500——5000h，轴承的基本额定动载荷：P为载荷，=3；是预期寿命；为载荷系数；X,Y为常数；选择轴承：70803C=30.2KN5.3Z轴轴承选择滚珠丝杠选择安装方法：双支点一边固定一边浮动。其支承方式为角接触球轴承，机床为数控机床，根据计算轴承预计寿命：1500——5000h。轴承的基本额定动载荷：P为载荷，=3；是预期寿命；为载荷系数；X,Y为常数；选择轴承：70303C=28.3KN第6章伺服系统的选择伺服系统选择为发那科公司的FANUCSeries0iMODELD最大控制5轴，最大同时控制轴数为4轴。规格如下图第7章误差来源及分析由于目前加工制造技术还不够完善，生产制造出来的东西不免有误差，机床作为加工工件的设备，它的误差可以直接的反映到它所加工制造的产品上，既所谓的“误差复映”现象。为了提高产品的质量，对误差进行研究至关重要。7.1误差及误差来源7.1.1误差研究的意义人们向大自然了解更多，通过测量进行研究，而测量只是一种近似估计，导致测量出的数据与理论数据总有很大的差异，这个差异我们把它叫做误差。在科学技术日益提升后，人们逐渐把这个误差慢慢的变小，但是任然还是存在误差，不能达到理想化的状态。研究误差的意义为：（1）以乐观积极的心态看待误差，一步步的去发现了解，找出产生误差的原因，并采取合理的措施予以消除。（2）努力对比实验的理想数据和实验数据，找出产生误差的地方，以便于下次计算更接近理想结果。（3）在保证经济性的情况下，采用高精度的仪器能让我们进一步得到最理想的结果。7.1.2误差的来源和传递规律透过计算所得出来的结果往往会存在误差，而这些误差大多存在于机器传动零部件的制造，它们存在装配误差。如果说要完全消除这些因素，基本上是不可能的，所以我们在机床的内部各个传动链上的传动件尽量消除一些误差，以此来减少最后的误差。误差的来源传动误差来源于机床传动链等，这些都是比较小的误差，一步步累计就形成了最后结果与理想结果间的误差。因此我此次所设计的机床，没有用到蜗轮蜗杆和齿轮等这些容易产生误差的传动部件。设计中螺母副是最直接影响结果的，因为传动误差主要来源就是丝杠螺母传动副。而加工表面上的误差主要是丝杠的螺距误差以直线误差的形式传递给螺母。由于梯形螺纹存在径向跳动，因此传递给丝杠螺母的轴向线值误差可通过下式予以计算：式中：螺纹的半角。这样就可以得到滚珠丝杠螺母副的误差。传动存在的误差为多项误差，其中包含装配误差和制造误差等等，因此总误差可通过下式予以计算：式中：，，等为各个独立的误差。误差的传递规律根据传动链，每个传动件存在的误差不仅存在于传动副之间，同时经过传动链也会将误差进行放大，因此最终工件的加工精度将受到显著影响。因为一个传动链包括了多个传动件，所以说，任何一个传动件所存在的误差都可能会传递到末端件上面，就会出现误差或。假定当前误差服从正态分布，且传动件和末端件之间的传递总误差为或，用下式予以表示：由上式可见，应<1时，传动件的误差将通过传递过程减小。又因为：7.2举例说明安装误差对机床精度的影响安装导轨的时候，我们要重点考虑下面三个方面：1.垂直平面内的直线度。2.导轨在水平面内的直线度。3.两条导轨之间的平行度。因为我设计的是数控切割机床，可以不考虑切削力的影响，因为只是加工平面材料而已，所以在垂直平面里，横向导轨所产生的平行误差，对工件加工精度不会产生显著影响。但是在水平面的话，导轨所产生的误差就会影响加工工件的质量，在机床的导轨处在水平突出的时候，数控切割头的位置会在他移动的过程中发生一些细微的变动，这样一来加工工件的边缘，就会变成马鞍形状，不再是直线型。同样的道理，处在垂直方向的误差会对工件的加工精度造成影响。7.3提高传动精度减小传动误差的措施根据分析可知，可通过下述措施来控制并减少误差：缩短传动链减少传动件个数，降低误差来源合理的分配传动副的传动比采用降比传动的原则合理的选择传动件应采用传动准确的传动副。合理的确定传动副的精度。因为加工质量受影响最大的就是末端传动件，所以我们在选用末端传动件的时候，要注意一定要比之前的传动件高1-2级。7.4减小安装误差举例滚动轴承中很多元件精度将会影响滚柱丝杠精度，例如轴承内外圈滚道的精度，滚动体的直径和形状差异等等。因此降低机床的噪音，减少机床的振动可以通过提升旋转精度来解决。一样的轴承可以通过适当的选配安装方法来强化丝杠的旋转精度。例如下图：丝杠的中心点是,然后安装在丝杠轴颈上面的轴承，其内圈内孔为，其偏心量是；和内圈滚道的中心相比，它的偏心量是，在装配过后，丝杠组件旋转中心为。当偏心方向一致时滚柱丝杠偏心量是：;当处于偏心相反方向时其偏心量可通过公式予以计算：，所以综上结果所得：前面的丝杠旋转精度要比后面的低一些。(a)(b)降低丝杠轴端的跳动量，选择合适的轴承配置形式，如下图所示前后轴承的偏心量大小分别为、，是丝杠的偏心量根据几何关系，可得到如下表达式，既可见，>,丝杠轴端的径向跳动增大。当，在丝杠轴线相同侧，则根据几何知识满足下述表达式：既可见，当〉时，<,轴端的径向跳动显著降低。如果选择，则。由此可显著降低了装配误差，提升了滚珠丝杠副的旋转精度，降低了机床喊声的振动，提升了工件的加工精度。第8章机床的维护与润滑机床在使用的过程中，因为自身所处在的环境不是理想化的状态，因此在使用的过程里，避免不了会有灰尘和微粒的附着，以及使用时机器的磨损，而且对于重要的生产部件而言，磨损也很大，因此我们为了保证机床能够在完好的情况下完成对机械的加工，所以我们必须对机床进行必要的维护呼润滑，这样也可以尽可能的减小误差，让结果趋于理想化。8.1轴承的润滑与防护能够保证旋转精度最重要的支撑部件是轴承，它是相对来说最为重要的，因此我们必须在使用的过程中，必须要保持轴承的保护与润滑。这样就可以减少磨损。一般对于滚动轴承要采取合理的润滑形式，通常而言要按照滚动轴承的工作场合和速度来选择，滚动轴承的润