高压水石材切割机设计

本科论文目录10999摘要 I30024Abstract II20566引言 1278051设计目标 3156551.1研究的目的与意义 346931.2国内外研究现状和发展趋势 4229321.2.1国外研究现状 576611.2.2国内研究现状 5305461.2.3高压水石材切割机发展趋势 6229811.3主要研究内容 71862设计要求 947042.1产品设计客观条件 9137052.2实现产品的客观要求 9165592.3内容要求 926992.3.1产品设计要求 9203502.3.2整体结构设计要求 9112052.4成果要求 1075493设计方案 11237763.1设计产品用途和特点 11103743.2产品结构设计 1145683.2.1机体底座  11297013.2.2横向进给系统  11108173.2.3纵向进给系统  1229943.2.4升降进给系统  12193633.2.5工作台  13197023.3传动结构设计 13316703.3.1进给系统设计 13134993.3.2滚珠丝杠设计 13249704三维建模 2772864.1横向进给系统三维模型 2732914.2纵向进给系统三维模型 30267844.3高压水石材切割机三维模型装配 31238455整体渲染 32317536实物制作 3411827结论 357844参考文献 3624120致谢 38本科论文摘要本次设计课题为高压水石材切割机，是一种较为新颖的石材切割设备。高压水石材切割机是近三十年来产生的新型设备。目前设备整体技术较为成熟，能够完成精度要求较高的各种切割任务。高压水石材切割机是利用超高压水流进行切割任务的设备，能够完成精度较高的切割任务。相对于传统的石材切割设备，高压水石材切割机由于利用水流进行切割，是冷态切割，能够在切割过程中不产生热效应，切割材料不产生形变，切割面较为光滑等特点，而且相对于其他的切割设备，由于高压水石材切割机是利用水介质进行工作，在切割过程中不会产生其他物质，是一种较为环保的石材切割设备。本次设计主要围绕高压水石材切割设备设计，通过对高压水石材切割机的理论计算，来确定其尺寸大小，并通过UG进行三维模型建立，对建立的三维模型图进行检验，避免零部件干涉等问题，经检验合格后，将设计合理的模型图输出成二维工程图。最终，根据设计的模型图来制作实物原理模型。关键词：高压水；切割；传动；结构；三维建模AbstractThisdesigntopicishighpressurewaterstonecuttingmachine,isarelativelynewstonecuttingequipment.Highpressurewaterstonecuttingmachineisanewequipmentproducedinthepast30years.Atpresent,theoveralltechnologyoftheequipmentisrelativelymatureanditcancompletevariouscuttingtaskswithhighprecision.ThehighpressurewaterstonecuttingmachineistheequipmentthatUSEStheultrahighpressurewaterflowtocarryonthecuttingtask,cancompletethehighprecisioncuttingtask.Comparedwithtraditionalstonecuttingequipment,highpressurewatercutting,stonecuttingmachineduetotheuseofwaterforcoldcutting,candonotproduceheateffectintheprocessofcutting,cuttingmaterialsdonotproducedeformation,cutsurfaceissmooth,andcomparedwithothercuttingequipment,becauseofthehighpressurewater,stonecuttingmachineistheuseofwaterinthecuttingprocessdoesnotproduceothersubstances,isakindofrelativelygreenstonecuttingequipment.Thisdesignmainlyaroundthehighpressurewaterstonecuttingequipmentdesign,throughthetheoreticalcalculationofhighpressurewaterstonecuttingmachine,todetermineitssize,andcarriesonthe3dmodelbyUG,toestablishthethree-dimensionalmodeltestinthefigure,avoidproblemssuchascomponentinterference,afterinspection,todesignareasonablemodeldiagramoutputintotwo-dimensionalengineeringgraphics.Finally,accordingtothedesignofthemodeldiagramtomaketheactualprinciplemodel.Keywords:Highpressurewater;Cutting;Transmission;Structure;3dmodeling引言在互联网浪潮的推动下，人们科学技术的发展日新月异，人们对生活的水平要求也越来越高，机械工业逐渐取代人力成为时代的趋势，这是机械工业的必然结果[1]。人类发明各种技术应用于民生行业的各个领域，哪个行业有需求，基本上相应的机械自动化设备都被研发生产出来，大大提高了生产效率，也提高了人民生活水平。随着工业化进程的普及，也相应的显现了许多的问题，最严重的就是环境问题。貌似工业化与自然环境已经出现了不可调和的矛盾，相应的人们需要良好的生存环境，但是工业化的进程也不可能止步，人们只能在中间调和工业与自然地矛盾，所以，相应的清洁能源与清洁的工业设备成为市场所追求的目标[2]。我国对于石材的需求量较多，所以石材切割行业也成了人们所需求的，为了提高石材的生产效率，也出现了各种各样的石材切割设备[3]。在石材切割设备中，大致可以分为手工切割机、半自动切割机以及数控切割机[4]。数控切割机在切割效率和切割质量上都有巨大的优势，所以，数控切割机的市场潜力还是市场前景都是较好的[5]。而本次设计的高压水石材切割机就是属于数控切割设备，而且相对于其他的数控切割设备，高压水石材切割机相对来说较为新颖，是近年来发展成熟的切割设备[6]。高压水石材切割机是利用超高压水射流进行冷态切割的切割设备，是一种集成化较高的数控切割设备，相对于其他的数控切割设备，高压水石材切割机具有割缝小、清洁环保、切割后的材料整体切割面较为光滑，不会产生损伤的特点，是一款较为优质的切割设备[7]。高压水石材切割机是一种常见的工作精度要求较高的机械设备，若要使其能保证加工精度，切割机金属结构必须坚固耐劳，部分零部件需要保证良好的耐磨性能，整体运动结构需要保证较高的精度，以保证机器能够平稳的运动，进而保证设备的加工精度[8]。因此，其本身应具有足够的强度、刚性和稳定性，同时金属结构应力求轻巧。本文针对高压水石材切割机，严格按照相关设计标准进行设计，结构尽量简单、可靠，稳定。在保证工作能力的前提下，高压水石材切割机金属结构的制造工艺要求尽量简单，安装、维修容易，但同时应注意改善人员的工作条件，最大程度保证高压水石材切割机金属结构的外形尽量美观、大方。本次设计以实际应用效果为目的出发，设计易于安装，方便维护、维修的高压水石材切割机，保证良好的工业性能，保证高压水石材切割机高效、节能、可靠的优异性能。1设计目标国内关于水的描述有很多，最早接触到的就是“水滴石穿”，第一次对水的威力有了了解，才知道水这种看似柔弱的东西，却拥有本身潜在的威力。随着时间的发展，科学技术得到高速发展，人们也学会了利用高速水射流进行材料切割[9]。高压水射流技术是近三十年才产生的技术，并在此基础上衍生了高压水切割机设备，是一种集成度较高的数控切割设备，属于较为高端的设备之一，目前已经有数十个国家的几十个行业应用了高压水切割设备，尤其是在高精端产业上更具优势[10]。本次设计目标主要是应用于石材切割行业的高压水石材切割机设备，也是近年来才兴起的一种高精度石材切割设备，相对于传统切割设备，高压水石材切割机不仅在精度上拥有优势，而且能够在切割时尽量的减少材料损伤，是一种较为优质的切割设备。图1.1高压水石材切割机机实物图1.1研究的目的与意义高压水石材切割机作为近年来兴起的一种新型石材切割设备，广泛应用于石材工业，在现代化生产中占有重要地位[11]。目前人们在日常的生产和生活过程中，人们生活水平提高，相应人们对于建筑行业以及装饰行业的要求也相应提高。不论是建筑行业还是装饰行业的发展，都对石材制品有着巨量的需求，目前市场需求大幅刺激着石材行业的发展。我国石材工业发展较早，在古代就对石材拥有者大量需求，所以，国内的石材产业历史悠久，已经有将近几千年的历史。但是，以前的生产模式较为落后，基本上采用人工，成本以及工作效率都较低。随着时间的推移，改革开放之后，我国石材产业也从手工作坊模式发展成石材工业，大大提高了工作效率，节省了人工成本[12]。石材切割设备因为恶劣的工况环境，以及生产方式的原因，往往需要大量的费用以及大量的能量。根据相关调查，石材产业的切割设备数量极其庞大，而且石材切割设备的磨损将会导致加工精度变低，往往将会花费大量的时间进行设备维护，设备的使用寿命也将大大缩减，为此研究一款设备磨损程度低、高效节能的石材切割设备是业界急需[13]。而近年来兴起的高压水石材切割机就符合相关要求，结构合理、设备磨损小、切割效率高、切割成本小、环保、维修也较为方便[14]，以及拥有高度自动化的优势。尽管高压水石材切割机的发展时间也不短，但是在国内高速发展的状态下，高压水石材切割机的需求也更加广泛，对其性能要求也更新颖，老式设备难以满足市场需求，相对于以往的石材切割设备，高压水石材切割机尽管发展时间较短，但是其独特的优势以及环保的加工特性，将会是未来的石材生产中较为重要的切割设备。高压水石材切割机的发展于我们日常生产、生活大大相关，我国基建行业的高度领先，也大量依靠国内的石材行业来提供原材料，在我们的建设过程中起着重要的作用，为此我们应当不断创新，改良相关设备，设计制造符合市场需求的高压水石材切割机。1.2国内外研究现状和发展趋势高压水石材切割机是依据高压水射流技术设计的一款石材切割设备，这项技术最早起源于美国，多用于军事、航空航天等高端领域[15]。在我国作为一种新兴技术，依托于高压水射流技术的新设备，由于基本为机械类产品，科技感较低，起初一直不被人所了解，后来随着设备的更新，出现了小型化、安全化，也使成本降低，才逐渐应用于各个行业，得到了各行业的青睐[16]。1.2.1国外研究现状近年来，随着社会发展的进步，人们对工业设备的要求也越来越多，对于设备的环保性要求较高，国内外也加大了对机械设备相关方面的改良。在石材行业，常见的石材切割设备往往生产环境不是很好，所以，环保型的石材切割设备也是大家所追求的。1950年Franz第一次把很重的重物放到水柱上迫使水通过一个很小的喷嘴。他获得了短暂的高压射流，并能够切割木头和其它材料，他是研究超高压(UHP)水刀切割工具的第一人，在美国NormanFranz博士被公认是为“水刀之父”[17]。1979年，MohamedHashish博士在福禄研究室工作，开始研究增加水刀切割能量的方法，以便切割金属和其它硬质材料，他发明了在普通水刀中添加砂料的方法，凭借这种方法，水刀(含有砂料)能够切割几乎任何材料，Hashish博士被成为是“加砂水刀之父”[18]。1983年，世界上第一套商业化的加砂水刀切割系统问世，被用于切割汽车玻璃，军用飞机金属等[19]。到目前为止，美国的福禄公司在超高压水刀技术发展及制造方面处于世界领导地位。至今，该公司生产的超高压水刀技术应用到了航天、汽车、石材、艺术和建筑等各个领域。1.2.2国内研究现状我国的石材产业形成较早，在我国早期，古人就大量使用石材作为建筑材料或者装饰品，导致石材产业一直拥有大量的市场需求，尽管在高速发展的今天，人们已经找到替代石材的更好的建筑材料，但是传统石材依旧成为人们较为喜爱的建筑材料和装饰物品，拥有广阔的市场需求。近年来，我国石材业在国内外市场需求水平不断提高的推动下，石材产品和石材装饰工程质量也不断提高。间接的为了满足各种需求，尽量提高生产效率，国内的石材生产产业也逐步走向了机械化、工业化路程，大大提高了生产效率[20]。同时，我国石材业的产品结构还很不合理，科技含量高、高附加值的产品不多，企业在市场竞争中拼资源、拼价格的现象比较严重。这不能不引起我们业内的警觉。我们要以质量与效益为中心，促进石材工业经济增长方式的转变。高压水石材切割机作为一种新型的切割设备，由于采用的水射流技术应用时间较短，再加上本体为机械结构，整体科技感较差，没有受到媒体的关注，导致高压水石材切割机的应用没有铺设开来。但是作为一种新型设备，高压水石材切割机拥有传统石材切割设备不具备的优势，国内一部分人也发现了高压水射流技术的应用前景，并加大了对高压水射流技术的研发。早期的高压水切割设备由于技术不够成熟，以及设备的制造成本较高，导致市场反应不够强烈，但是随着时间的推移，高压水射流技术也逐渐在我国走向成熟，国内也涌现了大批的应用了高压水射流的机械设备，不仅仅走向了高端化的数控切割，也拥有小型化的便携式设备。目前，高压水射流技术主要应用与煤炭、石油、化工、警用排爆等领域。1.2.3高压水石材切割机发展趋势首先，切割这种古老的作业手段，在未来人类生产生活中仍不可或缺，尽管3D打印为代表的增材加工技术将来会兴起，但绝不意味能取代减材加工，原料制备、产品的寿终处理等都离不了切割技术。而水是地球表面存量最大、容易获得、安全无害的物质。因此水切割未来生存的基础不容质疑[21]。再者，水切割独特的综合优势，如:冷态、清洁、精细、操控灵活、对软硬韧脆薄厚各种材料的普适，使它在可见的未来难以被其它切割技术超越或取代，尤其是对易燃易爆物品(石油管路、化工容器、弹药等)、硬质脆性材料(陶瓷、石材等)、多层复合材料(飞行器舱翼、太阳能电池板等)的加工处理，水刀是最适合的理想工具[22]。最后，水切割随着未来更多新技术的发展和融入，会不断克服现有的缺点，变得超乎我们的想象。超高的喷速会使它切割更快，超细的水流会让切口更平滑，甚至看不到溅水，超小型的机泵会让它能和灵巧的机器人结合一体，可以到现场完成危险而精细的工作……未来会阻碍水切割发展的只有我们人类有限的想象力。而作为水切割技术衍生的机械设备，高压水石材切割机的应用场景也是较为乐观，目前高压水石材切割机的发展趋势大致为：设备大型化为了满足客户需求，以及国内高速发展的工业状况，小型的生产设备满足不了生产需求，为了得到更高的产量，提高生产效率，设备也往大型化发展，加大设备的电动机功率，提高设备允许最大加工尺寸，生产设备效率得到有效提高。（2）设备便携化便携化就意味着设备小型化，与大型化发展完全是两个不同的发展方向。低压式便携型的水刀技术也在飞速发展，目前市场上已有成型的产品在销售。低压水刀主要采用的是前混合式磨料水射流技术。是通过水和磨料同时加压的方式，增压后的水和磨料同时在喷嘴喷出，克服了大型水刀虹吸作用的能量消耗和水压利用率低的问题，利用较低的压力完成切割任务。一般压力在20-50MPa。现主要应用与煤炭、石油、化工、警用排爆等领域。（3）全自动控制目前，随着工业4.0的提出，工业生产逐渐迈向自动化生产与智能化生产的趋势，能够有效提高生产效率，降低用人成本，以及相应的危险系数较高的生产设备，在生产安全上能够得到保障。对于高压水石材切割机，也相应的走向自动化生产模式，可以拥有多种控制系统，可以进行常规控制，也可以采用计算机控制，有效检测设备运行过程中机器设备的生产状态。1.3主要研究内容（1）高压水石材切割机的结构设计对高压水石材切割机的各个部分进行合理的布置，主要对金属结构进行优化，以达到结构布局紧凑，操作合理方便，各部分工作互不干涉，节约制造成本的目的。（2）高压水石材切割机的稳定性设计对于高压水石材切割机的设计，要有效的控制设备的稳定性，进而保证高压水石材切割机的加工精度。优化高压水石材切割设备的进给运动，保证运动的平稳性。最后应对设计出来的装置进行优化和修改，使运动结果达到理论结果，同时达到减少原材料，节省成本的目的。2设计要求2.1产品设计客观条件本次毕业设计在设计和图纸绘制过程，旨在利用最少的经费和最少的时间，设计出一种高效、耐用、可靠的高压水石材切割设备。本设计主要针对高压水石材切割机的结构进行设计，其中最主要的部分为高压水石材切割机的主运动系统，包括横向进给系统（X向）、纵向进给系统（Y向）、升降进给系统（Z）向为本次设计的重要目标。2.2实现产品的客观要求本次设计的成果主要基于企业本身实际产品为主，在实习期间通过参与高压水石材切割机的生产过程，积累关于本次设计的经验。零部件的加工主要通过机床加工以及后期的人力装配，部分零件是在其他厂统一定制，大部分零件为型材焊接而成，要求焊接整体牢固，减少因焊接引起的变形。2.3内容要求2.3.1产品设计要求根据设备的具体实际情况对破碎设备做以下要求：（1）由于高压水石材切割机的工作原理，决定其在工作过程中需要保证整个结构运行的平稳性，为了确保雕刻精度，做结构设计师时应尽量保证进给运动的平稳性；（2）机械结构设计合理性要满足机械设计要求，整个设计过程需满足整体的机械设计要求，部分位置设计需要拥有理论依据，拥有充足的计算作为设计依据。设计时要综合考虑产品的生产成本，设计应符合整体经济要求。；2.3.2整体结构设计要求根据设备的具体使用情况，对整体结构做以下要求：（1）紧凑合理，方便维修；（2）对于易磨损件进行分离式设计，可以在维修过程中方便更换；（3）最大程度保证机械主运动的平稳性；（4）保证结构的情况下，要尽量保证机器的外观，机器的设计尽量保证工业美感。2.4成果要求（1）毕业设计说明书：1本；（2）零件三维造型及装配，电子文件，一套；（3）所有非标零件图（标准CAD图电子文件）电子文件:一套；（4）装配图（标准CAD图电子文件）：1张，（非标件数量在20-40之间）；（5）相对最复杂的非标零件打印图纸：3张，A3图幅；（6）装配图打印图纸：1张，A1或A0图幅；（7）实物或原理展示模型：1件；3设计方案3.1设计产品用途和特点本次设计的高压水石材切割机主要用于：（1）各种石料的切割。（2）各种用于建筑行业的原材料生产。（3）用于装饰行业的石材拼花切割。（4）复合材料、防弹材料等特殊材料的一次成形切割加工。（5）玻璃、陶瓷等高纯度材料的生产。本次设计的高压水石材切割机的主要工作特点：（1）结构简单合理、运行成本低。（2）运行平稳、节能。（3）设备运行安全性。（4）可切割各种软硬石材或陶瓷。（5）工作噪声低3.2产品结构设计本次设计主要就高压水石材的机械部分做主要研究对象，对于高压水石材切割机的控制系统不做分析。本次重点解决对象为高压水石材切割机的进给运动，高压水系统整体采取成熟的设备总成。本次高压水石材切割板机设计的重点结构主要有5部分构成，它们分别是机体底座、横向进给系统、纵向进给系统、升降进给系统、工作台。如图1-1所示.3.2.1机体底座 机体底座是位于整体最下方的一个装置，是安装整体结构的一个机台，作为底座，要求其要能够通过调整使整体的加工平台处于水平位置，结构要求稳定、可靠。3.2.2横向进给系统 横向进给系统为整机的主运动系统之一，主要负责水刀系统在工作台上的横向移动，其相关稳定性将会直接导致高压水石材切割机的加工精度，要尽可能保证横向进给系统的结构稳定性。图3.1横向传动系统图3.2.3纵向进给系统 纵向进给系统也是整机的主运动系统之一，主要负责水刀系统在工作台上的纵向移动，其整体和横向进给系统大致相同，两者为高压水石材切割机在运行时最主要的运动系统，也需要对其的平稳性格外注意。图3.2纵向传动系统图3.2.4升降进给系统  升降进给系统安装有水刀喷头，主要是用于调节水刀喷头的位置高低的，是整体的主运动之一，垂直升降系统要与工作台处于处置状态，垂直升降系统的安装精度也会影响整体的加工精度[15]。图3.3升降系统简图3.2.5工作台   工作台安装与机体底座上，用于安放加工工件。3.3传动结构设计3.3.1进给系统设计本次设计的高压水石材切割机的进给系统均采用滚珠丝杠螺母副来实现的。滚珠丝杠是将回转运动转为直线运动，或者将直线运动转为回转运动的一种机构。最初的时候人们并不常用滚珠丝杠作为传动，主要是受限于当时的加工条件以及材料等因素，随着时间的发展，人类工业的进步也日新月异，解决了滚珠丝杠应用中的种种弊端，到了近年来，滚珠丝杠已经成为机械上最常用的传动元件。滚珠丝杠螺母副的优点：（1）滚珠丝杠螺母副整体的传动效率高，摩擦损失较小。传动装置的传动效率为0.92-0.96，要比普通的丝杠高3-5倍。（2）滚珠丝杠螺母副丝杠的刚度好，定位精度高。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）磨损很小，使用寿命长。3.3.2滚珠丝杠设计（一）、横向进给系统对本次设计的高压水石材切割机横向进给系统进行设计计算，采用滚珠丝杆，由于滚珠丝杠螺母副已经标准化，具有标准化参数，因此，本次设计的计算为滚珠丝杠螺母副型号的选取。首先计算滚珠丝杠上的最大动负荷（3-1）式中：——运转状态系数，一般运转取1.2～1.5，有冲击的运转取1.5～2.5；——滚珠丝杠工作载荷（N）；——精度系数，当丝杠精度为1～3级时，fa=1，为4、5、7级时，fa=0.9；——工作寿命，单位为10rL的计算方式：（3-2）式中：——滚珠丝杠的转速（r/min）；——使用寿命时间（h），数控机床取15000h。高压水石材切割机横向进给系统滚珠丝杠的工作载荷为横向进给系统以及升降系统和水刀喷头的重量。（3-3）式中：——切削分力，纵向进给方向载荷，由于水刀在加工时不直接接触工件，为0；——切削分力，整体垂直进给方向载荷，由于水刀在工作过程中不直接接触工件，为0；——切削分力,整体横向进给方向载荷，由于水刀在工作过程中不直接接触工件，为0；——移动部件的重量,本次设计取移动部件的质量为3000Kg；——考虑颠覆力矩影响的系数，=1.3；——导轨上的摩擦系数，=0.2。（3-4）式中：v——最大切削条件下的进给速度；——丝杠的基本导程，取一初选值。（3-5）根据计算得到的数据，按照《机床设计手册》相关的丝杠选取表，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为60mm，型号为CDM6308-2.5-P3,其额定动载荷是29950N，强度合适。效率计算：滚珠丝杠螺母副的传动效率为（3-6）式中：——螺纹的螺旋升角，该丝杠为2°19′；——摩擦角约等于10′。刚度校验：由工作负载导致的导程变化量：（3-7）式中：E——弹性模数，钢的弹性模数；F——滚珠丝杠截面积,(丝杠螺纹底径d1=5.82cm)。（3-8）“+”“-”分别代表拉伸与压缩时的取值。丝杠每米导程的变形程度：（3-9）压杆稳定性校核：滚珠丝杆为长杆型零件，如果作用于丝杆的轴向负荷过大，丝杠将会弯曲，失去稳定性，丝杆失稳的临界载荷（3-10）式中：E——丝杆的弹性模数，钢的弹性模数；I——滚珠丝杠截面惯性矩,(丝杠螺纹底径d1=5.82cm)：Fz——丝杆支撑方式系数，两端简支梁的情况下取Fz=1.0：L——丝杆最大工作长度。（3-11）（3-12）稳定性安全系数（3-13）因此压杆稳定。根据计算得到的数据选择合适的步进电机：负载转动惯量：（3-14）式中：——折算到电机轴上的转动惯量（）；、——分别为齿轮的转动惯量；——丝杠的转动惯量（）；L——丝杆最大工作长度。对于零件材料为钢材的，零件形状为圆柱形的零件，其转动惯量为：

（3-15）式中：D——圆柱形零件的直径（）；L——轴的长度（cm）；（3-16）（3-17）最大静转矩，根据能量守恒定律，电机的负载转矩：（3-18）启动转矩（不考虑启动时运动部件惯性）（3-19）取安全系数为0.3，则对于步进电机（3-20）对于数控机床对电机的最大转矩T应该满足的要求（3-21）式中：——快速空载起动时产生最大加速度所需的转矩（）；——克服摩擦所需的转矩（）；由于丝杆预紧导致作用于电机上的附加转矩（）；当做快速进给运动时，电机的转速

（3-22）（3-23）角加速度：（3-24）（3-25）（3-26）式中：——丝杆未加预紧时的效率,=0.9328；——预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即；步进电机最高频率：

（3-27）根据计算得到的数据，查取符合的电机型号，最终选用130BF003型电机。（二）、纵向进给系统对本次设计的高压水石材切割机纵向进给系统进行设计计算，纵向进给系统与横向进给系统均是采用滚珠丝杆，整体计算为滚珠丝杠螺母副型号的选取依据，由于基本上与横向进给计算相同，在计算时只对不同计算位置做解释，其余计算部分简化计算。计算纵向进给滚珠丝杠上的最大工作载荷（3-28）式中：——移动部件的重量,本次设计取移动部件的质量为2000Kg；——考虑颠覆力矩影响的系数，=1.4；——导轨上的摩擦系数，=0.2。滚珠丝杠转速：（3-29）工作寿命：（3-30）滚珠丝杠上的最大动负荷（3-31）根据计算得到的数据，按照《机床设计手册》相关的丝杠选取表，选择丝杠的型号。选择滚珠丝杠的直径为50mm，导程为5mm，螺旋升角为2。17’,型号为CDM6308-2.5-P3,其额定动载荷是14100N，强度合适。滚珠丝杠螺母副的传动效率计算：（3-32）刚度校验：滚珠丝杠截面积（3-33）由工作负载导致的导程变化量：（3-34）“+”“-”分别代表拉伸与压缩时的取值。丝杠每米导程的变形程度：（3-35）计算得到的螺距误差在允许范围内，故刚度合适压杆稳定性校核：滚珠丝杠截面惯性矩（3-36）临界载荷（3-37）稳定性安全系数（3-38）因此压杆稳定。根据计算得到的数据选择合适的步进电机：负载转动惯量：（3-39）（3-40）（3-41）电机的负载转矩：（3-42）启动转矩（不考虑启动时运动部件惯性）（3-43）对于步进电机（3-44）当做快速进给运动时，电机的转速（3-45）（3-46）（3-47）（3-48）（3-49）步进电机最高频率：

（3-50）根据计算得到的数据，查取符合的电机型号，最终选用110BF003型电机。4三维建模本次三维建模均采取UG软件进行绘制，对于标准件则直接在UG软件的重用库里进行调取，对零件的三维建模进行装配。4.1横向进给系统三维模型本次设计中的运动系统为是本次三维建模中较为重要的部分，本次设计的横向进给系统零件大致有10个重要的组成部分，分别为横向导轨、横向丝杠、横向运动块、横向螺母、轴承座首位各两个、轴承、壳体、联轴器、轴套、电机等。轴承为标准件，本次设计直接从UG重用库里进行调取，电机为外购件，本次只画出其尺寸模型图，其余的非标准件为本系统的设计要点。联轴器是连接电机与丝杠的连接部件，用于传递扭矩的，是本次设计中较为重要的部件，根据电机尺寸以及算得的丝杠尺寸作为理论数据进行三维建模。联轴器大致为轴类结构，在UG中建模时，选择特征选项组下的圆柱命令，绘制一个圆柱体，选择特征命令组下的凸台命令，填取特征信息，选择定位方式为点到点，选择圆柱某一端面的圆弧中心作为定位点，绘制出联轴器的大致模型。选取孔特征，对联轴器中心部位打孔，孔的直径为丝杠轴的直径，以及通过草图绘制键槽，键槽采用标准化参数设计，通过查表得到正确的尺寸，最后绘制联轴器上的连接孔，用于两个联轴器进行螺纹连接。最终得到的联轴器模型图如图4.1所示图4.1联轴器模型图综上所述，我们对横向进给系统的联轴器进行了绘制，本次设计的联轴器为电机与丝杠共同适用的零件，本次设计的联轴器为有对中环凸缘联轴器，在两个连轴器中间还有一个中环，对中环进行绘制，最终的联轴器连接结构图如图4.2所示图4.2联轴器连接结构图横向丝杠为本次设计作为运动系统的主要部件，主要是用于传递动力的，主要将电机的旋转运动，转为螺母的直线运动，从而实现机器的横向运动。丝杠在横向进给运动体系中，分别与轴承以及联轴器相连接，在某些位置，有较高的加工精度要求以及表面精度要求，是加工较难的一个零部件。丝杠的整体结构为长轴类零件，对于轴类零件的建模方式较为多样化，既可以选择草图拉伸，也可以选择采用草图旋转，本次设计选择特征选项组下的圆柱命令，先建立一端的圆柱，再选择特征命令下的凸台命令依次建立剩下来的圆柱，选择草图命令画出键槽的标准尺寸，拉伸去除得到标准化键槽，选择特征命令下的螺纹命令，选择详细选项，根据数据依次编写好螺纹数据，最终得到横向丝杠的三维模型，如图4.3所示。图4.3横向丝杆模型图接下来依次将横向运动系统的三维模型分别建立起来，并对横向三维模型进行装配，检测三维模型中是否存在干涉等问题，零件尺寸是否合理，并对有问题的零部件进行尺寸修改，避免零件出现干涉现象，导致零部件加工后无法正常装配。最终得到高压水石材切割机的横向进给运动的装配图，为了方便显示结构，对三维结构图进行剖视展示，如图4.4所示图4.4横向进给结构三维剖视图4.2纵向进给系统三维模型纵向进给系统和横向进给系统大致相同，基本结构也大都相似，只是部分零件的作用不太一致，比如说纵向进给系统有一底板需要与横向进给系统相连接，作为纵向进给系统的承载体，与横向进给系统的运动块相连接。纵向进给系统包括：纵向底板、纵向丝杠、纵向螺母、纵向轴承座首位两个、轴承、纵向导轨、纵向壳体、纵向运动块、以及两个联轴器、纵向运动电机等组成。本系统包括有部分标准件，以及部分零件有采用标准化参数设计的结构要素，其中两个联轴器的整体上与横向进给系统一致，由于相关要素基本相同，在设计时为了方便加工，所以采用了与横向进给系统相同的构造。其余的部件基本上在计算中都能够得到相关数据，并根据数据进行三维建模，对得到的纵向进给系统三维模型进行装配，与横向进给系统相连接，得到的装配模型图如图4.5所示。图4.5纵向进给系统与横向进给系统装配图4.3高压水石材切割机三维模型装配关于本次设计的高压水石材切割机共计48个零件类别，其中有31件非标准件以及13件标准件类别以及4件外购件。在以上描述中描述了几个相关的非标零部件建模方式，以及重要的两个运动系统的装配，其余的非标准部件的三维模型建立没有做描述，三个电动机以及水刀喷头为外购件，标准件中有三个轴承，三个平键，其余的非标件均为螺栓、螺母以及平垫等。对以上的所有零部件进行装配，将支架作为整体装配中心，给固定命令限制其移动，再依次将其与部件连接到支架上，部件间的连接应准确有效，不得有干涉，最终完成高压水石材切割机的三维模型装配。高压水石材切割机三维模型装配图如图4.6所示。图4.6高压水石材切割机装配图5整体渲染之前已经对高压水石材切割机建立了整体三维模型，三维模型图整体颜色较为统一，不能有效展示整体外观，为了更好地展示实际生产中的立式冲击粉碎机外观，需要对立式冲击粉碎机三维模型图进行渲染设计，尽可能的接近实际生产情况。也是对整体的高压水石材切割机进行工业设计，方便进行宣传。高压水石材切割机的整体三维模型是采用UG软件，但是UG软件的渲染效果相对来说不是特别好，为了更好地对三维模型进行渲染，本次采用Keyshot软件对产品整体进行渲染。首先，先在UG软件中将整体模型导出至Parasolid文本文件，导出的文件格式后缀为x-t。打开Keyshot软件，导入之前导出的X-T文件，然后对模型进行渲染，导入的模型软件将默认为统一材质和颜色，我们在渲染时，要首先对渲染的部件进行解除材料链接，再对部件进行材料赋予，然后改变部件颜色，调整渲染文件的各种场景、灯光等要素，达到较好的显示效果，在渲染成图片。最终得到的效果图如图5.1所示。图5.1渲染图为了满足不同客户的审美需求，采取不同的颜色对高压水石材切割机三维模型进行渲染，作为多种备用方案，适用于不同客户的各种需求，为此在渲染软件中，对显示部件进行颜色更换，最终导出的渲染图如图5.2所示。图5.1渲染最终图6实物制作由于本次设计的高压水石材切割机整体体型较大，零部件结构较多鉴于材料、成本等因素，本次设计方案完成后，用于产品展示的结构需要需要利用3D打印设备进行制作。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。3D打印技术已经较为成熟，能够较为清晰的展示最终的整体模型效果，但是由于高压水石材切割机的整体模型尺寸较大，综合考虑展示效果以及成本问题，在打印时要进行整体模型进行缩放。在整体打印时，由于某些部位缩放后不足以支撑整体重量，需要对模型部分位置进行尺寸修改，具体实施方案如：适当加厚某个部位板材的厚度，也可以在内部打印支撑柱的形式进行。综上所述，对产品模型进行3D打印，最终得到的3D打印模型.结论本次设计题目为高压水石材切割机设计，在老师的指导下历时4个月终于完成了，本次设计是对我大学四年所学的知识进行了依次全面的、系统的检测，通过设计，将我再课本上学到的理论知识应用到了实践中，不仅让我对理论知识有了更深层次的理解，也大大促进了我对实际生产过程中的设计知识有了了解。本次设计综合考虑了我国石材机械产业的发展现状和发展趋势，结合国内外的同类产品，采取优缺点进行改良设计的一款高压水石材切割机。可以主要用于各种石材的切割加工以及石材拼花加工，拥有高效、节能、无污染等特点，整体自动化水平较高，市场需求大，拥有广阔的市场前景。设计方案主要从高压水石材切割机的整体结构出发，研究内容包含机构的类型、工作原理、运动特点、结构参数以及几何尺寸等方向，设计方案符合设计需求以及相关理论依据，具有重要的实践意义，为同行业的设计提供参考。结构上主要针对高压水石材切割机的主运动结构进行了设计，包含横向进给系统、纵向进给系统以及升降进给系统，采用步进电机作为动力源，整体设计保证了机器运行时的传动精度，大大加强了整机的工作效率，提高了经济效益。通过这次设计，是我初步掌握了大型项目设计的步骤，掌握了相关设计方法，能够有效从文献以及网络上获取相关信息，巩固所学知识，对我职业生涯受益匪浅。参考文献[1]秦大同,谢里阳.现代设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.1.[2]秦曾煌.电工学简明教程[M].北京：高等教育出版社,2007.[3]胡明,交流电动机在烟机设备的应用[J].中国高新技术企业,2013.21:54-5[4]濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.[5]周玉丰.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2008.[6]宋玉泉,索忠林,管志平.等材料参数对拉伸失稳力学影响的力学解析[J].金属学报,2006,4:33-37.[7]李海萍.机械设计基础[M].苏州：苏州大学出版社，2008.[8]谢联先.机械零件的承载能力和强度计算[M].北京:机械工业出版社.1984,10:29-38.[9]吴宗泽.机械结构设计准则与实例[M].北京：机械工业出版社,2006[10]北京科技大学.工程力学[M].北京：高等教育出版社,2008.1.[11]王三民.机械设计计算手册[M].北京：化学工业出版社,2008.12.[12]李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社,2013.[13]张思婉,宁小辉.浅谈V带传动的设计方法[J].硅谷,2010.12:160[14]林彤,金濯.基于废弃生物质回收利用的粉碎理论及粉碎设备的设计[J].农业装备技术,2016.06:31-34[15]刘伟,程维明,肖静文.基于改进可行方向法和随机方向法的V带传动优化[J].轻工机械,2014.03:83-86+89[16]侯长来.带传动初拉力测定装置的设计[J].计量与测试技术,2005.01:15-17[17]王昆,何小柏,汪信远.机械设计课程设计[M],北京:高等教育出版社,2014.3,[18]杨可桢,程光蕴.机械设计基础[M],北京:高等教育出版社,2009.6.23-24.[19]孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].第七版.北京:高等教育出版社,2009.6,214-218.[20]甘永立.几何量公差与检测[M],上海：上海科学技术出版社,2010.1[21]卢秉恒.机械制造基础[M].北京：机械工业出版社,2007.12.[22]高永祥.零件三维建模与制造[M].北京：机械工业出版社,2011.1.致谢值此成文之际，首先我要衷心地感谢我的指导老师们对我的耐心细致的指导。从论文的选题、开展、定稿到最后的结果，指导老师在每个环节都耐心细致的帮我指导分析，给予了很大的支持和帮助。在学习期间，本人不仅感受到了导师极好的人格魅力，也不断地被他的学识、工作风格、严谨的学术精神所折服。在此向指导老师致以深深的谢意。在论文的写作过程中需要查取资料，以及在设计时会碰到很多无法解决的问题，都会通过查取以及老师同学的帮助，最终顺利完成。让我对机械设计知识有一个系统全面的了解。毕业设计是我们大学阶段一个重要的实践环节，是一个包含面非常广的设计任务，不仅锻炼了我们的动手能力，也让我们对所学知识的情况进行了全面而又直观的检测，并且让我把大学所学的知识复习了一遍，得以充分利用了我的专业知识感谢所有审阅论文并给出宝贵建议的老师。

论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制定观察计划

在观察计划中要规定明确的观察目的、重点、范围以及要搜集的材料。

3.做好观察准备

观察准备是否充分，往往影响观察的成败。

4.做好记录

在观察过程中要时时记录，不放掉任何一个关键信息。

（三）特点

观察法具有拓展人们的感性知识、启发思想等优点，但是由于其强调研究要在自然环境下进行，且不允许掺杂个人的偏见，确为实际操作带来了一定困难。

（3）实验法

实验法是指经过精心设计，在高度控制的条件下，通过操纵某些因素，从而发现变量间因果关系以验证预定假设的研究方法。核心在于对所要研究的对象在条件方面加以适当的控制，排除自然状态下无关因素的