激光切割机工作台设计说明书

PAGEPAGEPAGE8摘要现如今机械制造行业飞速发展，金属以及非金属的加工离不开各种机床的参与，传统的机械加工主要有车、削、铣、刨、磨等加工方法，同时也有车床，铣床，刨床等传统机床、专用机床，以及工作台等，激光加工属于新型特种加工方式之一，其中激光切割机是利用高功率密度的激光束对金属以及非金属毛坯进行加工。激光切割机除了其激光刀头外另一个关键工作单元就是其工作台，激光切割机工作台的运动精度以及可靠性是整个激光切割机加工性能的关键保障，因此工作台的设计对于整个激光切割机而言都具有重要意义。由于激光切割机在加工过程中采用高功率密度光束进行切割，在加工中不存在切削力，因此加工效果更加理想且在激光工作台设计中可以不考虑切削力，进而减小设计难度。本设计的传动机构需要满足转动惯量量小以及保证足够的精度，足够的刚度以及适合的阻尼，此外还要尽可能减小滑台的摩擦力，以提高滑台的灵敏度。本设计主要参考现有的激光切割机以及铣床等机床的工作台。借鉴其工作台的工作特点，主要对工作台的X，Y水平运动以及Z轴的上下运动进设计，主要包括工作台总体方案设计，滚珠丝杠、直线导轨的设计选型等。关键字:工作台；机械设计；激光技术；切割机AbstractToday,withtherapiddevelopmentofmachinerymanufacturingindustry,theprocessingofmetalsandnon-metalscannotbeseparatedfromtheparticipationofvariousmachinetools.Thetraditionalmachiningmethodsmainlyincludeturning,cutting,milling,planer,grinding,andsoon.Atthesametime,therearealsolathemillingmachine,planerandothertraditionalmachinetools,specialmachinetools,andmodularmachinetools.Laserprocessingisoneofthenewspecialprocessingmethods.Lasercuttingmachineishighlyutilized.Laserbeamofenergydensityisusedtoprocessmetalandnon-metalblanks.Anotherkeyunitoflasercuttingmachineisitsworktablebesidesitslasertoolhead.Themotionaccuracyandreliabilityoftheworktableoflasercuttingmachinearethekeyguaranteesfortheprocessingperformanceofthewholelasercuttingmachine.Therefore,thedesignofthelasercuttingworktableisofgreatimportancetothewholelasercuttingmachine.Righteousness.Becauselasercuttingmachineuseshigh-powerbeamtocutintheprocessofprocessing,thereisnocuttingforceintheprocess,sotheprocessingeffectismoreidealandthecuttingforcecanbeignoredinthedesignoflaserworktable,thusreducingthedesigndifficulty.Thetransmissionmechanismdesignedinthispaperneedstosatisfytherequirementsofsmallmomentofinertia,sufficientmanagers,sufficientstiffnessandsuitabledamping.Inaddition,thefrictionforceoftheslidingplatformshouldbereducedasmuchaspossibletoimprovethesensitivityoftheslidingplatform.Thisdesignmainlyreferstotheexistinglasercuttingmachineandmillingmachinetoolworkbench.Drawinglessonsfromtheworkingcharacteristicsoftheworktable,thispapermainlydesignstheX,YhorizontalmovementoftheworktableandtheupanddownmotionoftheZaxis,includingtheoveralldesignoftheworktable,thedesignandselectionoftheleadscrewandslidingtable,etc.Keywords:tablemechanicaldesignlasercuttingmachine目录摘要 1Abstract 2第一章绪论 61.1课题研究的目的意义 61.2激光技术概述 61.3激光切割技术的应用 71.4激光加工国内外研究现状 71.5激光切割机的分类 81.6设计的任务要求以及设计方法 91.6.1设计任务 91.6.2设计要求 91.6.3研究方法 9第二章总体设计方案 112.1设计任务 112.2机构要求 112.3设计方向确定 132.4工作台条件的确定 132.5机座的设计 142.5.1机座的结构设计 142.5.2机座材料的选择 14第三章滚珠丝杠的选用 163.1滚珠丝杠的介绍 163.1.1丝杠的介绍 163.1.2滚珠丝杠副的特点 173.2滚珠丝杠副的支承形式 173.3选定编号 183.4计算选定编号 203.5轴承的选用 233.6升降机的选用 23第四章导向机构的设计 284.1导轨的功用 284.2滚动直线导轨的选择程序 284.3滚动直线导轨的特点 284.4滚动导轨的设计计算 29第五章电机的选用 315.1步进电机的特点 315.2确定脉冲当量，初选步进电机 315.3计算系统转动惯量 315.4电动机轴上的惯性转矩 325.5惯量匹配验算 34第六章零部件设计 366.1上导轨座设计 366.2U型连接块设计 386.3轴承座的设计 38结论 41参考文献 42致谢 43第一章绪论1.1课题研究的目的意义现如今机械制造行业飞速发展，金属以及非金属的加工离不开各种机床的参与，传统的机械加工主要有车、削、铣、刨、磨等加工方法，同时也有车床，铣床，刨床等传统机床、专用机床，以及工作台等，激光加工属于新型特种加工方式之一，其中激光切割机是利用高功率密度的激光束对金属以及非金属毛坯进行加工。激光切割机除了其激光刀头外另一个关键工作单元就是其工作台，激光切割机工作台的运动精度以及可靠性是整个激光切割机加工性能的关键保障，因此工作台的设计对于整个激光切割机而言都具有重要意义。由于激光切割机在加工过程中采用高功率密度光束进行切割，在加工中不存在切削力，因此加工效果更加理想且在激光工作台设计中可以不考虑切削力，进而减小设计难度。本设计的传动机构需要满足转动惯量量小以及保证足够的精度，足够的刚度以及适合的阻尼，此外还要尽可能减小滑台的摩擦力，以提高滑台的灵敏度。通过本次毕业设计对激光切割机床及铣床有了更深层次的了解，同时也是对自己能力的提升，通过本次毕业设计也是对自己大学四年来所学知识的回顾，更好的梳理自己的知识体系为以后的工作学习打下坚实的基础。1.2激光技术概述激光英文全名LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(LASER)。激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台250WCO2激光器，进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于1974年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，经过淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国都投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了快速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。现如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。1.3激光切割技术的应用激光切割是用聚焦镜将激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。由于激光具有方向性好、亮度高、重复性好、单色性好等特点而得到广泛应用。激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。现阶段，对数控激光切割技术的关注核心点都在于降低阈值调节波长等性能方面。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。1.4激光加工国内外研究现状激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视，它被称之为“希望之光”。激光被用于很多领域，传递信息：1977年5月，美国有一家大公司叫电报电话公司，它在芝加哥市内的两个电话局之间，敷设了世界上第一条短距离的光导纤维通信线路，此后在全美国近百个地方建立了总长几百千米的短距离激光通信线路。这就意味着在短距离内，激光通信已开始取代普通的电气通信。到了1983年，美国纽约到波士顿之间长达600千米的光导纤维通信已投入使用；材料加工：钻孔、切割、焊接以及淬火，是加工金属材料时最常用的操作。自从引进了激光后，在加工的强度、质量以及范围等方面开创了全新的局面。除了金属材料外，激光还能加工许多非金属材料；激光武器：多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了快速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。现如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。1.5激光切割机的分类激光切割机主要由机床，激光发射器，数字控制系统，激光切割头，工作台，随动系统等组成。由于应用行业比较广泛，因此各行各业对激光切割机的使用要求各不相同。但大部分都有如下几个方面的要求：精度高、切割速度快、切割面质量高、切割缝隙小。根据激光切割机产生激光原理的不同，可将激光切割机大体分为三种类型：即光纤激光切割机、二氧化碳激光切割机和数控YAG固体激光切割机。数控YAG固体激光切割机是把高能量密度的激光束聚焦在一起，照射在工件表面上，工件表面被照射后迅速熔化甚至是气化，并用与激光束同轴的压缩气体吹走表面被融化的材料，进而把工件切割。YAG固体激光切割机使用成本和维护费用都比同类的激光切割机要低得多，性价比更高。光纤激光切割机是国际上新发展的一种产品，它与YAG固体激光切割机工作原理相似，不同的是，光纤激光切割机的激光光束来源于一种新型光纤激光器。工件上被超细焦点光射的区域瞬间熔化和气化，与其他两种相比更加适合柔性加工要求的工件。但由于光束波长的原因，此类激光切割机只能用于金属工件的切割。二氧化碳激光切割机与另外两种激光切割机的激光器都有所不同，它使用的是气体分子激光器。它是利用气体分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光束。由于其稳定性能好，能量转化效率高，被广泛应用于高功率输出的切割行业。1.6设计的任务要求以及设计方法1.6.1设计任务1.完成文献搜集整理工作2.拟定激光切割机工作台结构方案3.完成各个关键零部件的参数计算，选型及性能验算4.完成技术图纸绘制工作5.撰写论文1.6.2设计要求工作要求：1.完成工作台装配图1张。2.主要零部件图3张。3.完成毕业设计说明书一份，不少于18000字。毕业设计课题成果的基本要求：零件的尺寸精度、几何精度、表面精度满足零件设计要求，设计图纸符合最新制图标准，投影正确，基本视图之间符合“长对正、高平齐、宽相等”的投影规律，表达完整，布局合理。理论分析完整清楚，设计推导简明扼要，设计正确可靠。1.6.3研究方法通过查阅激光切割机工作台相关技术知识，了解激光切割机工作台的结构特点，对各类工作台进行深入的学习研究，分析各式激光切割机工作台的优缺点，结合所学的机械相关知识，在导师的指导下，拟定激光切割机工作台总体方案设计，以及零部件的计算校核分析。依照设计任务书的指导逐步完成激光切割机工作台的设计、丝杠的选型设计确定、电机的选择、“激光切割机工作台”机械原理图设计及总装配图的绘制、关键零部件工程图的绘制及传动装置计算选型，强度计算及疲劳校核等工作。（1）观察法，通过上网查询有关资料，学习相关视频，了解激光切割机工作台的结构组成。（2）文献研究法，通过阅读文献，学习激光切割机工作台的工作原理。（3）数学法，利用所学的机械相关知识，对工作台进行分析计算。（4）对比法，结合现有的激光切割机工作台，学习其结构特点，对各类工作台进给系统行深入的学习研究，分析各式激光切割机工作台优缺点然后形成自己的设计思路第二章总体设计方案激光切割机工作台的运动精度以及可靠性是整个激光切割机加工性能的关键保障。由于激光切割机在加工过程中采用高功率密度光束进行切割，在加工中不存在切削力，因此加工效果更加理想且在激光工作台设计中可以不考虑切削力，进而减小设计难度。本设计的传动机构需要满足转动惯量量小以及保证足够的精度，足够的刚度以及适合的阻尼，此外还要尽可能减小滑台的摩擦力，以提高滑台的灵敏度。本设计主要参考现有的激光切割机以及铣床等机床的工作台。借鉴其工作台的工作特点，主要对工作台的X，Y水平运动以及z轴的上下运动进设计，主要包括工作台总体方案设计，滚珠丝杠、直线导轨的设计选型等。2.1设计任务主要对工作台的X，Y水平运动以及Z轴的上下运动进行设计，包括工作台总体方案设计，滚珠丝杠、直线导轨的设计选型等。而对激光切割机其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。根据系统的要求和载荷对步进电机进行了分析和选型。同时绘制各主要工件的零件图和工作台装配总图。设计相关参数如下：X方向行程：300mm，Y方向行程：300mm，工作台面的参考尺寸：300×300，最高运动速度：1400mm/min，实际工作时最大质量不超过50KG，工作寿命：每天8小时，工作8年，300天/年。2.2机构要求机械系统应该具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而本次设计传动机构应满足以下几方面要求：（1）转动惯量小：在不影响机械系统刚度的大前提下，传动机构的质量和转动惯量应该尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，使机械负载增大，系统响应速度降低，灵敏度下降，系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量使转动惯量减小。（2）刚度大：刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统来说是有利的：①伺服系统动力损失随之减小。②机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使其不易产生共振。③增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构。（3）阻尼合适：机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越小而且衰减也快，大阻尼也会使系统的稳态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻尼要适当选着。此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度），特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。通过网上查阅相关激光切割机工作台的资料，发现目前在市场上流行的主要有两种系统方案的激光切割机工作台，区别主要是在传动方式上的不同，一种是齿条齿轮传动系统，一种是滚珠丝杠传动系统的工作台，传动系统方案的比较和选择：（1）滚珠丝杠副的特点：传动效率高、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长、运动具有可逆性（即可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动转变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同）、不会自锁、可进行预紧和调隙。（2）齿条与齿轮的契合在传动的过程中是相当稳定的，所以在相似的技术当中算是比较稳定的一种，它自身也拥有自身的特点：齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；缺点是制造及安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动。这两种方案各有其特点，本文选择滚珠丝杠为传动系统。参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案。总体设计如图2.1所示：激光切割机工作台主要包括其x，y轴的运动，以及z轴升降，xy轴的水平运动主要通过丝杠来实现，由微机控制单元控制步进电机带动丝母丝杠系统实现工作台水平方向的运动，z轴方向主要由电机带动丝母丝杠系统实现，在设计中尽量选用标准件去进行设计以保证设计精度降低设计成本。图2.1总体方案图2.3设计方向确定X-Y工作台系统可以设计分为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统没有检测装置;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴安装脉冲编码器,将速度反馈信号传给控制单元;闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动,位置检测装置安装在工作台末端,将位置反馈信号传给控制单元。闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，结构复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本次设计中，其位置精度（±0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工作稳定等条件。选用步进电机伺服系统就可以满足要求。其通过微机机控制步进电机的驱动,直接带动工作台运动。ＸＹ工作台系统总体框图如图2.2所示:：图2.32.4工作台条件的确定对于激光切割机而言，工作均为较轻的工件，实际工作时最大质量不超过50KG，划片范围为300×300mm。工作过程中的震动步进电机拉动工作台时由于惯性引起的震动。所以我选工作台厚度为30mm，材料选HT200灰铸铁，因为其有良好的铸造性能，减磨性，耐磨性好，加上其熔化配料简单，成本低，耐腐蚀及抗震性好等。2.5机座的设计2.5.1机座的结构设计机床的安装位置以及操作环境都与使用者有着密切的交互关系，对激光切割机进行设计时还要考虑到人机交互关系是否合理、安全。机床最基本的部件就是机床底座，由于机床上的丝杠传动机构和电机具有一定的运动加速度，会对机床产生一定的冲击力，甚至会使机床底座产生动态位移。一旦机床底座出现位移就会对发射的激光束造成干扰。机座的结构设计必须保证其自身刚度、连接处刚度和局部刚度，同时还要考虑安装方式、材料选择、结构工艺性及节省材料、降低成本和缩短周期等问题，以保证机构刚度、抗震性、热变形、稳定性等各方面满足机械系统的要求。目前，激光切割机机床床身通常是由铸铁或者板材构成的箱式结构，但由于自身结构设计不足，床身的结构稳固性和床身刚性较差。此外，现有机床的电器柜，空调，电器控制系统等部件一般设置于外部，导致机床结构繁杂，占地面积较大，购买后安装不方便。1．机座自身刚度保证自身刚度度可以从以下几点来做：（1）合理选择截面形状和尺寸。（2）合理布置筋板和加强筋。(3）合理的开孔和加盖。2．提高机座连接处的接触刚度在两个平面接触处，由于微观的不平度，实际接触只是凸起部分。当受外力作用时，接触点的压力增大，产生一定的变形，这种变形称为接触变形。为提高连接处的接触刚度，固定接触表面的表面粗糙度应小于2.5um，以便增加实际接触面积；固定螺钉应在接触面上造成一个预压力，压强一般为2.5MPa，并据此设计固定螺钉的直径和数量，以及拧紧螺母的扭矩，在安装螺钉处加厚凸缘来增加局部刚度，并提高连接刚度。2.5.2机座材料的选择机架材料的选用，主要根据机架的使用要求，由于多数机架形状较复杂，故一般采用铸造，由于铸铁的铸造性能好，价廉和吸震性强，应用最广。铸铁的优点：1）它的流动性好，体收缩和线收缩小，容易获得形状复杂的铸件。2）在铸造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。3）铸铁的内摩擦大、阻尼作用强，故动态刚性好。4）铸铁还具有切削性能好、价钱便宜和易于大量生产等优点工作台中用于镶嵌导轨的支承件选用HT100，其特点是力学性能较小，承受轻负荷，价钱较便宜第三章滚珠丝杠的选用3.1滚珠丝杠的介绍3.1.1丝杠的介绍1．丝杠螺母机构基本传动形式滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件，滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低（30%~40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高（92%~98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。2．滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回。这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。单螺母丝杆螺母副的间隙消除相当困难。实际应用中，常采用以下几种调整预紧方法见表3-1。表3-1常用的调整预紧方法调整预紧方式特点双螺母螺纹预紧调整式结构简单、刚性好、预紧可调，使用中调整方便，但不能精确定量地进行调整。双螺母齿差预紧调整式可实现定量调整即可进行精密微调，使用中调整方便。双螺母垫片调整预紧式结构简单刚度高、预紧可靠，但使用中调整不方便。弹簧式自动调整预紧式能消除使用过程中因磨损或弹性变形产生的间隙，但其结构复杂、轴向刚度低，适合用于轻载场合。单螺母变位倒程自顶预紧式和单螺母滚珠过赢预紧式结构简单紧凑，但在使用中不能调整，且制造困难。根据防尘防护条件以及对调隙及预紧的要求，可选择适当的结构形式。例如，当允许有间隙存在时可选用具有单圆弧形螺纹滚道的单螺母滚珠丝杠副；当必需有预紧或在使用过程中因磨损而需要定期调整时，应采用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；当具备良好的防尘条件，且只需要在装配时调整间隙及预紧力时，可采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。考虑到设计的所设计的工作台有良好的防尘条件且只需要在装配时调整间隙及预紧力，故采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式。常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两类。润滑脂一般在装配是放进滚珠螺母滚道内定期润滑，而使用润滑油时应注意经常通过注油孔注油。3.1.2滚珠丝杠副的特点1.传动效率高效率高达92%~98%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。2.运动具有可逆性即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3.系统刚度好通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。4.传动精度高经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。5.使用寿命长滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高5~6倍。6.不能自锁特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。7.制造工艺复杂滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。3.2滚珠丝杠副的支承形式支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时,可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(F-S)的支承形式。这种支承形势有以下一些特点：1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。2.丝杠的轴向刚度较高。3.压杆稳定性和临界转速较高。4.丝杠有热膨胀的余地。5.适用于较长的卧式安装丝杠。初步选定用优励聂夫（南京）科技有限公司的丝杠，以下由该公司所提供的计算方式进行以下计算：3.3选定编号丝杠支承和受力位置如下图3.1.1所示优励聂夫（南京）科技有限公司所提供的滚珠丝杠直径、导程、长度、和精度系数如下表3.1.2所示：表3.1.2直径/导程及长度的选择丝杠直径和导程公称直径(do)导程Pho45681012162016●●▲

20●●▲●

25●●▲●●●

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40●●▲●●●▲●

50

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●——磨制丝杠▲——轧制丝杠丝杠长度选取的滚珠丝杠转动系统为：磨制丝杠(右旋)轴承到螺母间距离(临界长度)ln=380mm固定端轴承到螺母间距离Lk=380mm设计后丝杠总长=500mm最大行程=380mm工作台最高移动速度Vman=1.4（m/min）寿命定为Lh=19200工作小时。μ=0.1（摩擦系数）电机最高转速nmax=350（r/min）定位精度：

最大行程内行程误差=0.035mm

300mm行程内行程误差=0.02mm

失位量=0.045mm支承方式为(固定—支承)W≤50kg（工作台重量+工件重量）g=9.8m/sec2(重力加速度)I=1(电机至丝杠的传动比)Fw=μ×W×g=0.1×50×9.8≈50N(摩擦阻力)运转方式轴向载荷Fa=F+Fw（N）进给速度(mm/min)工作时间比例所有运转F1=50V1=14000q1=100Fa轴向载荷（N）F切削阻力（N）Fw摩擦阻力（N）此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求，所以螺母选形为：FDG（法兰式双螺磨制丝杠），从定位精度得出精度精度不得小于P5级丝杠

从已知条件得丝杠编号：FDG20X4R-3-P5-500X3803.4计算选定编号导程

运转方式进给速度(mm/min)进给转速(r/min)所有运转V1=1400n1=350平均转速

平均载荷时间寿命与回转寿命

额定动载荷以普通运动时确定fw取1.4得：额定动载荷Ca≥517.14N以Ca值从FDG系列及（丝杠直径和导程、丝杠长度表）表3.2.1表3.2.1中查出适合的类型为：公称直径：d0=20mm丝杠底径：d0=17.5mm导程：Pho=4mm循环圈数：3额定动载荷为：517.14N。丝杠编号：FDG20×4R-P5-3-500×380

预紧载荷Fao=§Ca=0.05×517.14≈25.86N丝杠螺纹长度Lu=L1-2LeL1=Lu+2Le=300+2×20=340mm丝杠螺纹长度不得小于340mm加上螺母总长一半37mm(从系列表中查出螺母总长74mm)。得丝杠螺纹长度≥377m。在此取丝杠螺纹长度L1=380mm则轴承之间的距离Ls=380mm丝杠编号：FDG20-4R-P5-3-500×380丝杠公称直径公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来推算得出。由临界转速及允许工作转速：nkper≤0.8×nknk≥nkper/0.8以安装形式确定fnk取18.9。可知丝杠螺母底径大于ø0.3，当Pho=4(mm)、最高转速达到350（r/min）时，系列表中适合的公称直径d0≥12mm。上述由额定动载荷Ca求得的公称直径d0=20mm>12，满足条件，否则公称直径还应加大。丝杠编号：FDG20×4R–P5-3-500×380滚珠丝杠传动系统刚度初始条件：失位量=0.045mm。滚珠丝杠系统之间各元部件（丝杠、螺母、支承轴承），在此设为：0.04mm。此时滚珠丝杠系统各元部件单边弹性变形量为：0.02mm。此时运动的轴向载荷1000N。丝杠刚度，当Ls1=Lk，Rs为最小，一般情况下计算最小刚度值。螺母刚度：在此预紧载荷为额定动载荷的10%，螺母刚度从表中查出R=613N/μm，从表中查出额定动载荷Ca=6201N,在此ε取0.1．

支承轴承刚度RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。在此RaL=1020N/μmRaL=Fa/δaLδaL=Fa/RaL=1000/1020≈1μm轴向总刚度1/Rtot=1/Rs+1/Rnu+1/RaL=1/138+1/180.63+1/1020Rtot≈72.66N/μm总弹性变形量(单边)δtot=δs+δnu+δaL=7.25+5.54+1=13.79μm≤20μm检验合格。从丝杠轴向总刚度的问题上来讲，丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要，最佳提升刚性的方法是提高丝杠的刚度，而不是在螺母上施加太重的预紧载荷(预紧载荷最高为额定动载荷的10%)。3.5轴承的选用轴承可以分为标准滚动轴承、非标滚动轴承、静压轴承和磁悬浮轴承。滚珠丝杠一般配用标准滚动轴承。滚动轴承已标准化系列化，有向心轴承、向心推力轴承和推力轴承，共十种类型。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架（俗称四大件）组成。在轴承设计中应根据承载的大小、旋转精度、刚度、转速等要求选用合适的轴承类型。丝杠轴上的轴承受两方面的力，轴向力有直向力。轴承的选择主要由轴径的大小和所受的载荷和决定，由丝杠选取过程中计算得出，丝杠所受的额定动载荷为517.14N,而丝杠在轴承处的直径为17mm，在些选用角接触轴承，查《机械零件手册》，选用7203C。3.6升降机的选用因为工作台必要的时候需要在Z轴上作一定的运动，所以相当有必要在X—Y工作台下方安装一个升降机，并且为手动操作和电机带动并用。选用的升降机要求如下：提升重量为X—Y工作台及工件的总重量。N=mg=50×10=500（n）其中g=10提升速度为1m/min。计划选用优励聂夫（南京）科技有限公司的CS系列蜗轮丝杠升降机。通过比较，选用CS系列方形涡轮丝杠B型结构。其结构图如下图图3.3现选用具体型号为CS25，由查阅相关资料见下表CS25，梯形丝杠30×6转速rpm提升速度F=15(KN)F=10(KN)F=5(KN)F=2.5(KN)F=1(KN)NLNLNLNLNLNLNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKW15001.500.3758.81.393.10.495.90.932.10.332.90.461.010001.000.2508.80.933.10.335.90.60.311.07500.750.1888.80.60.40.231.06000.60.1508.80.50.30.191.05000.50.1258.80.40.30.151.03000.30.0758.80.21000.10.020.11.0500.050.00.11.0选用数据如下：转速：1000rpm提升速度：N1.00L0.25F=2.5(KN)表3.3型号CSCS2.5CS5CS10CS25CS50CS150CS250丝杠Tr14×4Tr18×4Tr20×4Tr30×6Tr40×7Tr60×9Tr80×10C253137.54158.58082.5D6080100130180200240E486078106150166190F507285105145165220G38526381115131170HM6M8M8M10M12M20M30ΦJk69101416202530K120253245637180K216212942636675L223140547883100L12022.522.543456565L212131515163045N92120140195240300355NLLift+60Lift+68Lift+74Lift+86Lift+123Lift+149Lift+160P627493105149200205Q3×3×143×3×185×5×205×5×366×6×368×7×568×7×56T12121823324040ΦW263040467085120裕度X10121520252525Y50627582117160165Z2432.535445570-Z1M6M8M8M8M10M10-Z261012121515-运动螺母a404444467399110b10121214162030Φch9242832426385105Φd4448556695125190Φe3438455478105150Φf567791117丝杠接头类型1h12152025304575Φik68121520254060得到如下数据：丝杠Tr30×6C41D130E106F105G81HM10фJk616K145K242L54L143L215N195NLLift+86P105Q5×5×36T23Фw46裕度X20Y82Z44Z1M8Z212运动螺母a46b14Фch942Фd66Фe54Фf7h25Фik620第四章导向机构的设计4.1导轨的功用机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。运动方向为直线的被称为直线运动导轨副、为回转的被称为回转运动导轨副。常用的导轨副的种类很多，按其接触面的摩擦性质可分为滑动导轨副、滚动导轨副、流体介质摩擦导轨等。按其结构特点可分为开式导轨和闭式导轨。4.2滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。对精度要求高的直线运动导轨还要求导轨的承载面与导向面严格分开；当运动件较重时，必须设有卸荷装置，运动件的支承必须符合三点定位原理。4.3滚动直线导轨的特点1.定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。2.降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。3.可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。4.可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造。4.4滚动导轨的设计计算已知作用在导轨副上的压力：Ｍ＝g＝50×9.8=490N导轨工作寿命：＝8×300×8=19200h单向行程长度：＝0.4m往复次数取：n=3次／分导轨行程长度系数：＝２n／＝２×19200×0.4×3×60/=2764.8因活座数m=4所以每根导轨上使用２个活座Ｆ＝==122.5N根据公式＝6.25得：===933.39N图4.1选取GGE15BA型号的导轨的=7.19KN,能满足8年的使用要求。其具体参数如下:单根最大长度Lmax600额定动载荷C(KN)7.19额定静载荷C0(KN)10.5额定力矩(N*m)MA76.1MB76.1MC88.4第五章电机的选用步进电机在自动控制系统中作执行元件。是位与电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置，它能在控制装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换成机械能。5.1步进电机的特点1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2．步进电机外表允许的温度高。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。5.2确定脉冲当量，初选步进电机脉冲当量根据系统精度来确定，对于开环系统一般为P=0.005—0.01mm。如取得太大，无法满足系统精度要求；如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态特性能提出更高的要求，是经济性降低。本次设计的工作台的精度为±0.02mm，所以根据经验公式得脉冲当量δ=×0.04=0.0125mm.又知道是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比i=1。根据公式得步距角α=360iδ/p=5.3计算系统转动惯量计算转动惯量的目的是选着步进电机的动力参数及进行系统动态特性与设计。丝杠的转动惯量的计算===3.2×kg·其中ρ是丝杠密度（kg/），取7.8×kg/；d是丝杠的等效直径(m),取0.017m;l是丝杠的长度0.5m。沿直线轴移动物体的惯量工作台、工件等折算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式达到：=M×=×50×=2.03×kg·M——工作台（包括工件）的质量，kgV——工作台快进速度，mm/minN——丝杠转速,r/min所以折算到电机上的总转动惯量=＋=0.08713×kg·5.4电动机轴上的惯性转矩==0.08713×××=25.2N·m电动机轴上的当量摩擦转矩==mgμ=×50×9.8×0.004=0.002N·m其中，△t为电机加速时间：△t=0.1O秒伺服传动链的总效率取为η=0.99为工作台快进速度=1.4m/min设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为：=（1－）=××（1－）= N·m是滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率。=0.9工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴上的负载转矩为：==×25.86=0.02N·m在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩：=＋＋=0.02＋0.002＋=0.023N·m根据下列公式计算正常运转时所需步进电动机的最大静转矩===0.046~0.077N·m于是启动时电动机轴上的最大静转矩为：=＋＋=25.2＋0.002＋=25.2003N·m我初步选定电机为三相双六拍的电机，根据与选取启动时所需步进电动机的最大静转矩的关系：===29.1N·m所以根据图6.3.1图6.3.1选定130BYG3502具体参数如下：步距角：0.6度相数：3静转矩：35N·m转动惯量：30kg·=0.3×kg·尺寸图如图6.3.2：图惯量匹配验算电机轴上的总当量负载转动惯量和电机轴自身转动惯量的比值应控制在一定范围内，既不应太大，也不应太小。如果太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件（如工作台位置）的变化而引起的负载质量，刚度，阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大的变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选或传动系统设计不太合理，经济性较差。为了系统惯量达到较合理的匹配，一般应将该比值控制在下式所规定的范围内：≦≦1≦==0.29≦1说明惯量匹配合理。第六章零部件设计工作台各零部件的结构设计，应满足以下方面的要求：（1）．零件应尽量少，能用一个零件的，尽量只用一个零件。这样，可以最大程度的减小在连接方面所产生的误差，并且在装配方面也可以大大地减少误差，有利于降低成本，提高生产效率。（2）．零件结构方面必需合理设计，能出模，能加工，且方便加工。结构应尽量简单。（3）．零件应满足一定的刚度，精度要求。6.1上导轨座设计对于上导轨座设计，首先要检查所选滚珠丝杠的活动螺母以及其连接部件的尺寸的结构尺寸，本工件为丝杠螺母和导轨以及两坐标轴箱体的连接件相连的部分，必需结合这三方面的结构尺寸。a.丝杠螺母结构尺寸如图6.1.1所示：图6.1.1b.上导轨的结构尺寸如图4.1所示：具体结构参数如下:H24W9.5B134B226B34K18T5M1XL0M4X7L154.5L23.5L326GM6N4.5B415H114.5dXDXh3.5X6.5X5F60c.两坐标轴连接件：初定选厚度为5mm的钢块。在本处对其结构不作要求，其具体结构设计将在以下零件设计。联接方式：丝杠螺母为法兰盘式联接，在此也应设计法兰盘式与之对应的联接。双工件通过螺钉锁紧。如图6-6所示：图6-6本工件与上导轨及两坐标轴间联接件的联接亦使用螺钉联接，因导轨为标准件，所以导轨上的螺钉位置，尺寸都已固定。三都的联接方式设计如下图6-7所示：图6-7由于本零件所受的力仅为丝杠的轴向载荷力，由丝杠设计里可以得到此力为50N。由于此力较小，于是本零件结构设计如下图6-8所示：图6-86.2U型连接块设计对于两坐标轴间的联接，要首先考虑到上方坐标轴导轨上的防尘盖设计。初定防尘盖为0.8mm的钢板。而两坐标轴间的联接必须通过娈曲的过渡进行联接，从而达到防尘的作用。具体结构设计如下图6-9：图6-96.3轴承座的设计a．固定端轴承座设计本零件主要有两个作用。第一，对丝杠的轴承起支撑作用；第二，对电机起定位和固定作用。轴承座与坐标轴座的定位和固定用螺钉来负责，如图6-10所示：图6-10轴承的定位与固定（1）轴承座上不设计定位固定设置，轴承外圈的固定由轴承端盖负责。其结构如图6-11所示：图6-11（2）轴承在轴上的定位固定可以用定位卡簧决定。其结构如图6-12所示：图6-12b．支承端的轴承定位（1）轴承外圈的定位固定和固定端结构一致（2）轴承支座上设计轴承内圈的定位设置，如图6-13所示：图6-13结论在机械制造业快速发展的今天，金属以及非金属的加工离不开各种机床的参与，传统的机械加工主要有车、削、铣、刨、磨等加工方法，同时也有车床，铣床，刨床等传统机床、专用机床，以及工作台等，激光加工属于新型特种加工方式之一，其中激光切割机是利用高功率密度的激光束对金属以及非金属毛坯进行加工。激光切割机除了其激光刀头外另