數(shù)控激光切割機(jī)床總體和垂直進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論1.1 課題背景激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問(wèn)世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971年11月，美國(guó)通用汽車(chē)公司率先使用一臺(tái)250W CO2激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗(yàn)研究，并于1974年成功地完成了汽車(chē)轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質(zhì)）激光淬火工藝研究，淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了10倍。這是激光表面改性技術(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來(lái)，世界各國(guó)投入了大量資金和人力進(jìn)行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對(duì)材料學(xué)的研究，促使激光加工得到了飛速發(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如今在中國(guó)，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)

2、學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家也將其列為“九五”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目之一?！笆濉钡闹饕ぷ魇谴龠M(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20的平均增長(zhǎng)率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù)，重點(diǎn)完成電子、汽車(chē)、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。1.2 本課題主要研究?jī)?nèi)容 激光切割

3、的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是光、機(jī)、電一體化的綜合技術(shù)。激光束的參數(shù)、機(jī)器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量，特別是對(duì)于切割精度較高或厚度較大的零件，必須掌握和解決以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)： 一焦點(diǎn)位置控制技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點(diǎn)位置的簡(jiǎn)便方法有三種：（1）打印法：使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng)，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點(diǎn)。（2）斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動(dòng)，尋找激光束的最小處為焦點(diǎn)。（3）藍(lán)色火花法：去掉噴嘴，吹空氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上往下運(yùn)動(dòng)，直至藍(lán)色火花最大處為焦點(diǎn)。 二切割穿孔技術(shù)。任何一種熱切割技術(shù)，除少數(shù)情況可以從板邊緣開(kāi)始外，一

4、般都必須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一孔，然后再用激光從小孔處開(kāi)始進(jìn)行切割。對(duì)于沒(méi)有沖壓裝置的激光切割機(jī)有兩種穿孔的基該方法。（1）爆破穿孔：（Blast drilling），材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。（2）脈沖穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化，常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體，以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展，氣體壓力較切割時(shí)的氧氣壓力小。每個(gè)脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射，逐步深入，因此厚板穿孔時(shí)間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。三噴嘴設(shè)計(jì)及氣

5、流控制技術(shù)。激光切割鋼材時(shí)，氧氣和聚焦的激光束是通過(guò)噴嘴射到被切材料處，從而形成一個(gè)氣流束。對(duì)氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)；同時(shí)又有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴射吹出。其次要研究數(shù)控機(jī)床，主要是床身的進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺(tái)、主軸箱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀架及自動(dòng)換刀裝置等機(jī)械部件。它是在數(shù)控機(jī)床上自動(dòng)地完成各種切削加工的機(jī)械部分。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門(mén)加工技術(shù)。激光加

6、工技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科的一門(mén)綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：1激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)。2激光加工工藝。包括切割(laser beam cutting)、焊接(Laser Welding)、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲(chǔ)技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。第二章 總體方案的擬定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控激光切

7、割機(jī)床的X Y Z進(jìn)給系統(tǒng)以及切割系統(tǒng)。對(duì)于單片機(jī)、芯片，電路等部分不作為設(shè)計(jì)要求，只做一般了解。單片機(jī)對(duì)XY工作臺(tái)的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)以及Z軸垂直進(jìn)給系統(tǒng)的的脈沖當(dāng)量為。工作臺(tái)部件主要機(jī)構(gòu)為滾珠絲桿副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、工作臺(tái)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝2.2 總體方案的選擇及擬定 圖2.1 總體方案圖 采用89C51主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖2.1。步進(jìn)電機(jī)參照RORZE株式會(huì)社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運(yùn)行精度,同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也選用RORZE的配套驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。

8、滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計(jì)參照了漢江機(jī)床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術(shù)性能、價(jià)格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的FFZD系列滾珠絲杠，即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。第三章 激光切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第四章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 XY工作臺(tái)的設(shè)計(jì)4.1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù) 本設(shè)計(jì)的XY工作臺(tái)的參數(shù)定為： 工作臺(tái)行程：橫向300mm 縱向360mm 工作臺(tái)最大尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：730×660×340mm 工作臺(tái)最大承載重量：80 脈沖當(dāng)量： 進(jìn)給速度： 表面粗糙度：1.66.3 設(shè)計(jì)壽命：10年4.1.2 XY進(jìn)

9、給系統(tǒng)的受力分析因激光切割機(jī)床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認(rèn)為在加工過(guò)程中沒(méi)有外力負(fù)載作用。其切削力為零。XY工作臺(tái)部件由工作臺(tái)、中間滑臺(tái)、底座等零部件組成,各自之間均以滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。設(shè)下底座的傳動(dòng)系統(tǒng)為橫向傳動(dòng)系統(tǒng)，即X向，上導(dǎo)軌為縱向傳動(dòng)系統(tǒng)，即Y向。一般來(lái)說(shuō),數(shù)控切割機(jī)床的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計(jì),但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動(dòng)摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會(huì)影響電機(jī)的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施,其產(chǎn)生的負(fù)載波動(dòng)應(yīng)控制在很小的范圍。4.1.3 初步確定工作臺(tái)尺寸及估算質(zhì)量初定機(jī)床尺寸(長(zhǎng)×寬×高度

10、)為:730×660×340mm設(shè)中托座尺寸(長(zhǎng)×寬×高度)為:估計(jì)總重量為預(yù)估工件及夾具總重量約則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載為:=10004.2 Z軸隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)激光切割機(jī)對(duì)Z軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時(shí)檢測(cè)和控制切割表面的不平度，通過(guò)伺服電機(jī)和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點(diǎn)在切割板材的表面位置。由于激光焦點(diǎn)至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求Z軸的檢測(cè)精度高于0.010mm：同時(shí)，隨動(dòng)速度應(yīng)大于。隨動(dòng)速度太快會(huì)造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對(duì)加工板材的檢測(cè)主要有電容、電感、電阻、激光、紅

11、外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中不發(fā)生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對(duì)加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場(chǎng)合的切割加工(如強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)干擾環(huán)境)。切割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動(dòng)調(diào)整激光噴嘴距離、自動(dòng)清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動(dòng)、切割嘴擺動(dòng)等。這些功能機(jī)構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，造成切割頭的動(dòng)態(tài)性能不好,隨動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來(lái)說(shuō)，普通數(shù)控激光切割機(jī)Z軸拖動(dòng)重量在5kg以上時(shí)，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機(jī)的Z軸拖動(dòng)重量在2kg以上就必須施加

12、重力平衡設(shè)施，特別是在高速飛行光路設(shè)計(jì)中,這一點(diǎn)尤為重要。目前Z軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動(dòng)方式(圖2.1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。垂直進(jìn)給系統(tǒng)如圖4.1： 圖4.1 垂直進(jìn)給系統(tǒng)4.3 滾珠絲桿副設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1 滾珠絲杠的特點(diǎn)· 傳動(dòng)效率高滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá)90%98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)絲杠系統(tǒng)的24倍，如圖1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)可逆）。 · 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動(dòng)時(shí)無(wú)顫動(dòng)、低速時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象，因此可

13、精密地控制微量進(jìn)給。 · 高精度滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長(zhǎng)，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 · 高耐用性鋼球滾動(dòng)接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過(guò)程純屬滾動(dòng)，相對(duì)對(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 · 同步性好由于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無(wú)阻滯、無(wú)滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 · 高可靠性與其它傳動(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡(jiǎn)單，只需進(jìn)行一般的潤(rùn)滑和防塵。在特

14、殊場(chǎng)合可在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下工作。 · 無(wú)背隙與高剛性滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀使鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn)。若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性。· 減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。 現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一批又一批的高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。它 不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)提出了很高的要求： （1）最大進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到40或更高； （2）加速度要高，達(dá)到1以上； (3)動(dòng)態(tài)性能要。4.3.2 主要參數(shù)工作臺(tái)行程：橫向300mm，縱向360mm全行程定位精度=0.03mm矢動(dòng)量=0.

15、01mm壽命：10000小時(shí) 單班制工作10年總質(zhì)量：100各種切削方式的縱向切削力,速度和時(shí)間比例及其他見(jiàn)下表表4.1表4.1 切削力，速度，時(shí)間比例表切削方式縱向切削力垂直切削力進(jìn)給速度工作時(shí)間百分比絲桿軸向載荷絲桿轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)力切削200010000.510200055一般切削10005000.730200075靜切削50020015060095快速進(jìn)給00451000370圖4.2 圖二進(jìn)給滾珠絲杠裝配圖4.3.3 導(dǎo)程計(jì)算 （4.1） :工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 ：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 ：傳動(dòng)比（1） 電機(jī)與絲桿間為齒輪連接式，=4（取一級(jí)減速齒輪）（2） 由上表查得 代入得（3）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取4.3

16、.4 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲桿轉(zhuǎn)速 （4.2） 由上表查得 代入得（2） 各種切削方式下，絲桿軸向載 （4.3） :絲桿軸向載荷 :縱向切削力 :垂直切削力 由上表得分別是分別是已知代入得分別為（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 :工作時(shí)間百分比 （4.4） 數(shù)據(jù)代入得 (4) 當(dāng)量載荷 （4.5）代入數(shù)據(jù)得4.3.5 初選滾珠絲杠副由公式機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知： （4.6）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得代入數(shù)據(jù)可求得4.3.6 確定允許的最小螺紋底徑(1) 估算絲桿允許的最大軸向變形量 重復(fù)定位精度 定位精度 ：最大軸變形量 已知重復(fù)定位精度 定位精度 取兩種結(jié)果的最小值： （2） 估算螺紋最小

17、底徑絲桿要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 （4.7） ：最小螺紋底徑mm 靜摩擦力已知： 行程360mm，代入數(shù)據(jù)得4.3.7 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)（1） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（2） 由計(jì)算出的在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲桿副： X向： Y向： 4.3.8 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 （4.8） 其中 4.3.9 行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值式中 （4.9）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)有 溫差取代入數(shù)據(jù)得（2） 預(yù)拉伸力 代入得4.3.10 確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)，規(guī)格（1） 軸承做承受的最大軸向載荷 （4.10）（2） 軸承類型兩端固定的支承形式，選用角的圓錐滾子

18、軸承（3） 軸承內(nèi)徑 略小于=40， 取代入數(shù)據(jù)得 軸承預(yù)緊力：預(yù)緊力負(fù)載按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)時(shí)，預(yù)加負(fù)載所以選32302軸承，預(yù)加負(fù)載為2900>4.3.11 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)（1）絲桿螺紋長(zhǎng)度 （4.11）由表查得余程（2）兩固定支承距離，絲桿（3）行程起點(diǎn)離固定支承距離 4.3.12 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（1） 絲桿抗壓剛度絲桿最小抗壓剛度 （4.12） ：絲桿底徑 ：固定支承距離代入數(shù)據(jù)得： 絲桿最大抗壓剛度 （4.13）代入數(shù)據(jù)得： （2) 支承軸承組合剛度一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度 （4.14） :滾珠直徑mm ：滾珠數(shù) ：最大軸向工作載荷軸承接觸角由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得33

19、06軸承是預(yù)加載荷的三倍 支承軸承組合剛度 滾珠絲桿副滾珠和滾道的接觸剛度 （4.15） 代入數(shù)據(jù)得： 4.3.13 剛度驗(yàn)算及精度選擇 (1) （4.16）代入前面所得的數(shù)據(jù)得 代入前面所得數(shù)據(jù)得 已知 ：靜摩擦力 ：靜摩擦系數(shù) ：正壓力（2） 驗(yàn)算轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的剛度 已知反向差值和重復(fù)定位精度為10 （3） 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 （4.17）代入得：（4） 確定精度 :任意360mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言 定位精度為 ，絲桿精度取3級(jí) （5） 確定滾珠絲桿副的規(guī)格代號(hào) 已確定型號(hào)： 公稱直徑：40 導(dǎo)程：5 螺紋長(zhǎng)度380，絲桿長(zhǎng)度510 P類精度3級(jí) 所選規(guī)格型號(hào)： 4.3.14

20、驗(yàn)算臨界壓縮載荷 絲杠所受大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力不用驗(yàn)算。4.3.15 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 ：臨界轉(zhuǎn)速 ：與支承有關(guān)的系數(shù) ：絲桿底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度mm由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得： 可得4.3.16 效率驗(yàn)算表4.2 當(dāng)量摩擦系數(shù)f和當(dāng)量摩擦角表格齒圈材料錫 青 銅無(wú)錫青銅灰鑄鐵齒面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相對(duì)速度 s m/s0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136°

21、;175°094°343°433°092°352°172°001°431°361°221°161°020°550°480°450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206°515°435°094°173°433°092°522°352°172°0

22、01°471°401°291°221°090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310°127°587°245°435°094°003°433°092°522°352°172°001°430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.05510°27°587°245°

23、;435°094°003°433°090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010°459°057°586°515°495°094°344°00 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為: （4.18） 式中滾珠絲杠的螺紋升角當(dāng)量摩擦角 根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系，前面已經(jīng)定v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵HRC45。所以：=4°05，=0.0024 ；因?yàn)?式中: 導(dǎo)程，5mm d-絲杠公稱直徑，40mm則根據(jù)式（3.3）： 則根據(jù)式（3.

24、2）得： 0.942。第五章 導(dǎo)軌的選定5.1 主要要求及種類5.1.1 對(duì)導(dǎo)軌的基本要求（1） 導(dǎo)軌精度高 導(dǎo)軌精度是指機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)的直線和它與有關(guān)基面之間的 相互位置的準(zhǔn)確性。無(wú)論在空載或切削工件時(shí)導(dǎo)軌都應(yīng)有足夠的導(dǎo)軌精度，這是對(duì)導(dǎo)軌的基本要求。（2） 耐磨性能好導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過(guò)程中保持一定導(dǎo)向精度的能力。因?qū)к壴诠ぷ鬟^(guò)程中難免磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。（3） 足夠的剛度導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，因此要求軌道應(yīng)有足夠的剛度。（4） 低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性要使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象。（5）

25、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，公益性好 導(dǎo)軌的制造和維修要方便，在使用時(shí)便于調(diào)整和維護(hù)。5.1.2 導(dǎo)軌的技術(shù)要求（1) 導(dǎo)軌的精度要求滑動(dòng)導(dǎo)軌，不管是V-平型還是平-平型，導(dǎo)軌面的平面度通常取0.010.015mm,長(zhǎng)度方面的直線度通常取0.0050.01mm；側(cè)導(dǎo)向面的直線度取0.010.015mm,側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度取0.010.015mm,側(cè)導(dǎo)向面對(duì)導(dǎo)軌地面的垂直度取0.0050.01mm。 （2） 導(dǎo)軌熱處理數(shù)控機(jī)床的開(kāi)動(dòng)率普遍都很高，這就要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導(dǎo)軌大多需要淬火處理。導(dǎo)軌淬火的方式有中頻淬火、超音頻淬火、火焰淬火等，其中用的較多的是前兩種方式。

26、5.1.3 分類及特點(diǎn) 導(dǎo)軌按運(yùn)動(dòng)軌跡可分為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和圓運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；按工作性質(zhì)可分為主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌；按接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等三大類。（1） 滑動(dòng)導(dǎo)軌：是一種做滑動(dòng)摩擦的普通導(dǎo)軌?；瑒?dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，缺點(diǎn)是未形成完全液體摩擦?xí)r低速易爬行，磨損大，壽命短，運(yùn)動(dòng)精度不穩(wěn)定?；瑒?dòng)導(dǎo)軌一般用于普通機(jī)床和冶金設(shè)備上。（2） 滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是：摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便靈活；磨損小，能長(zhǎng)期保持精度；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時(shí)不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)。缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面和滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，抗振性差，接觸應(yīng)力大

27、，故對(duì)導(dǎo)軌的表面硬度要求高；對(duì)導(dǎo)軌的形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求高。因此，滾動(dòng)導(dǎo)軌在要求微量移動(dòng)和精確定位的設(shè)備上，獲得日益廣泛的運(yùn)用。（3） 靜壓導(dǎo)軌是利用液壓力讓導(dǎo)軌和滑塊之間形成油膜，使滑塊有0.02-0.03mm的浮起，從而大大減小了滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)，但其依然屬于滑動(dòng)導(dǎo)軌副。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需備置一套專門(mén)的供油系統(tǒng)。5.2 導(dǎo)軌的選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）定位精度高直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少90%，因此，可將機(jī)床定位精

28、度設(shè)定到超微米級(jí)。（2）降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。（3）可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率2030%。（4）可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于

29、摩擦耗能小滾動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開(kāi)式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。型號(hào)：選用GGB型四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，如圖5.1。具體型號(hào)：X向選用Y向選用圖5.1 導(dǎo)軌第六章 步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定6.1 步進(jìn)電機(jī)的選用6.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角已知脈沖當(dāng)量為，而步距角越小，則加工精度越高。初選為（二倍細(xì)分）。6.1.2 步進(jìn)電機(jī)上起動(dòng)力矩的近似計(jì)算電機(jī)起動(dòng)力矩： （6.1）式中：為滾珠絲桿所受

30、總扭矩 為外部負(fù)載所產(chǎn)生的摩擦力矩，有; （6.2） 為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有： （6.3）式中：K-預(yù)緊時(shí)的摩擦系數(shù)，0.1-0.3 -導(dǎo)程，5cm -預(yù)緊力有：取為軸承預(yù)緊力,軸承型號(hào)6004輕系列,預(yù)緊力為。故根據(jù) （6.3） 齒輪傳動(dòng)比公式為:,故步進(jìn)電機(jī)輸出軸生起動(dòng)矩近似的可估計(jì)為； = （6.4）式中：； 根據(jù)式（6.4）： 因。（因電機(jī)5相運(yùn)行）則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩。6.1.3 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率參考有關(guān)數(shù)控激光切割機(jī)床的資料，可以知道步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率不會(huì)超過(guò)1000Hz。根據(jù)以上討論并參考樣本，確定選取M56853S步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)最大的靜止轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

31、6.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定6.2.1 傳動(dòng)比的確定要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求，必須通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行分度，其傳動(dòng)比為： （6.5）式中：-滾珠絲桿導(dǎo)程 -步距角 -脈沖當(dāng)量根據(jù)前面選定的參數(shù)，有式（6.4）得： 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，選用6.2.2 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定（1） 齒輪類型：選擇直齒輪加工方便。（2） 模數(shù)選擇:本工作臺(tái)負(fù)載相當(dāng)輕，參考同類型的機(jī)床后，選擇m=1的齒輪傳動(dòng)。（3） 中心距的計(jì)算： （6.6） 齒頂高為1mm，齒根高為1.25mm，齒寬為20mm（4） 齒輪材料及熱處理： 小齒輪采用，齒面高頻淬火; 大齒輪采用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。6.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算由資料知，激光切割機(jī)

32、的負(fù)載可以認(rèn)為是慣性負(fù)載。機(jī)械機(jī)構(gòu)的慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)特性有直接的影響。不但對(duì)加速能力、加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計(jì)算慣性負(fù)載。限于篇幅，在此僅對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。 慣性負(fù)載可有以下公式進(jìn)行計(jì)算： （6.7）式中：為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載。 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量e 為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為系統(tǒng)工作臺(tái)質(zhì)量 為工作臺(tái)的最大移動(dòng)速度 為折算成單軸系統(tǒng)電機(jī)角速度 各項(xiàng)計(jì)算如下： 已知：忽略不計(jì) 齒輪慣性轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式： （6.8）其中： 為回轉(zhuǎn)半徑 G為轉(zhuǎn)件重量滾珠絲桿的慣性矩計(jì)算公式： （6.9

33、)最后可計(jì)算得： 故慣性負(fù)載根據(jù)式（6.7）可得： 此值為近似值，故小于所選電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 第七章 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度分析激光切割機(jī)XY工作臺(tái)其實(shí)是一進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度可以根據(jù)不出現(xiàn)摩擦振動(dòng)或保證微量進(jìn)給靈敏度的條件來(lái)確定。7.1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 傳動(dòng)系統(tǒng)中的當(dāng)量剛度K或當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度C主要由最后傳動(dòng)件的剛度或決定的，在估算時(shí)，取對(duì)滾珠絲桿傳動(dòng)，其變形主要包括：（1） 絲桿拉壓變形（2） 扭轉(zhuǎn)變形（3） 絲桿和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形（4） 軸承和軸承座的變形 在工程設(shè)計(jì)和近似計(jì)算時(shí)，一般將絲桿的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲桿副的傳動(dòng)剛度，根據(jù)

34、支承形式可得： （7.1）式中： 則根據(jù)式（7.1）得： 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度較大,可以滿足需要。7.2 根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足： (7.2)式中： -傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)量剛度 -部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的靜摩擦力 -正壓力 -靜摩擦系數(shù)，取0.003-0.004 -部件調(diào)整時(shí)，所需的最小進(jìn)給量則： 即滿足微量進(jìn)給要求的傳動(dòng)系統(tǒng)剛度為： 綜合上述傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的討論可知滿足微量進(jìn)給靈敏度所需要的剛度較小，可以達(dá)到精度要求。 第八章 消隙方法與預(yù)緊8.1 消隙方法數(shù)控機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給裝置中常采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比和轉(zhuǎn)矩的要求。由于齒輪在制造中總是存在著一定的誤差，不可能達(dá)到理想齒面

35、的要求，因此一對(duì)嚙合的齒輪，總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙才能正常地工作。齒側(cè)間隙會(huì)造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向動(dòng)作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，齒側(cè)間隙也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動(dòng)副常采用各種消除側(cè)隙的措施，以盡量減小齒輪側(cè)隙。數(shù)控機(jī)床上常用的調(diào)整齒側(cè)間隙的方法針對(duì)不同類型的齒輪傳動(dòng)副有不同的方法。8.1.1 偏心軸套調(diào)整法 如圖8.1，齒輪1裝在電動(dòng)機(jī)軸上，調(diào)整偏心軸套2可以改變齒輪1和3之間的中心距，從而消除齒側(cè)間隙。1-齒輪 2-偏心套 3-齒輪圖8.1 偏心軸套調(diào)整法8.1.2 錐度齒輪調(diào)整法 將一對(duì)齒輪1和2的輪齒沿齒寬方向制成小錐度，使齒厚在齒輪的軸向稍有變化。調(diào)整時(shí)改變墊片3的厚度就能改變齒輪1和2的軸向相對(duì)位置，從而消除齒側(cè)間隙。8.1.3 雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 圖7.3是另一種雙片齒輪