资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共42页)
编号：20257807
类型：共享资源
大小：6.78MB
格式：RAR
上传时间：2019-06-25
上传人：caiq****857
认证信息
个人认证
蔡**（实名认证）
浙江
IP属地：浙江
400
积分
- 关 键 词：
-
水射流切割机
水射流切割机设计
设计论文数控
数控水射流切割机
- 资源描述：
-
水射流数控切割机设计（二维+三维+论文）,水射流切割机,水射流切割机设计,设计论文数控,数控水射流切割机
- 内容简介：
-
摘 要伴随着社会的不断发展，机械制造业也需要与时同进。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。出现了很多被称为特种加工方法，例如：超声波、激光等。其中水射流加工机床的一种就是数控高压水射流切割机床。 它包括超高压发生器、控制系统、切割平台等。此次我主要设计的数控高压切割机床的机械部分。其中含纵向进给机构，横向进给机构的设计，及伺服电机，滚珠丝杠的选择等任务。标准是能切割平面板材。关键词水射流切割 横向进给 纵向进给 伺服电机 滚珠丝杠 AbstractWith 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1第2章 数控水射流切割机床的 基本功能和基本参数32.1数控切割机床的基本功能32.1.1数控水蛇流切割机的原理32.1.2水射流切割的优点 32.2 机床的基本参数4第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计63.1 数水射流切割机床的控结构方案设计63.2 机床支撑件的设计73.2.1 对支撑件的要求73.2.2 撑件的选材与连接73.3 提高支撑件刚度的措施8第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计94.1 伺服系统的发展94.2 数控水射流切割机的驱动系统设计94.2.1 对数控机床机械系统的基本要求94.2.2 驱动系统的设计104.3 机床传动部件的选择104.4电机及滚珠丝杠的选择计算124.4.1 X方向电机的选择计算124.4.2 X向滚珠丝杠的选择计算134.4.3 Y方向电机的选择计算164.4.4 Y向滚珠丝杠的选择计算184.4.5 Z向电机的选择204.4.6滚珠丝杠的选择计算224.5 机床导轨的选择254.5.1 滚动导轨的结构254.5.2 滚动导轨的特点264.5.3滚动导轨的寿命计算26结 论31参考文献32第1章 绪论1.1 水射流的发展历史及应用十九世纪中旬，北美洲首次使用水来开采松散的沉积物。早在上世纪50年代，用于矿井水射流的苏联和中国。在水力采煤技术的推广与运用中，发现可以增压，减小喷射直径，可显著改善水射流的击穿效果。因此，人们开始研究高压高压脉冲射流的压力源。上世纪60年之前，这方面的研究仅仅停留在低压水射流这块，还处于开发探索状态。到了70年代初期的时候，有了增压机、高压泵等使得这项技术用于清洗领域，在设备研制阶段；到了80年代时期，从采矿业发展到其他领域，大量的水射流采煤机、切割机和清洗机已经出版并得到广泛推广。在此之后，水射流这项技术就开始高速发展和深化，如磨料射流，空化射流等。到上世纪60年末尾，增压器和高压柱塞泵出现让水射流技术得到很大的发展。日本已经研制出1700兆帕增压器，而苏联和美国已经研制出5600兆帕脉冲射流发生器。在上世纪70年代末尾时这项技术有了一个新的发展流向性，即如何从单一的喷水压力增加来提高水射流的功率。高频冲击射流、共振射流和磨料水射流开始出现。起初这些水压不高，但是功率高于同压力下的水射流。20世纪80年代，在射流分为：磨料、空化、气水和自振，将射流的发展将技术推向了一个新的发展阶段。与此同时，世界各国学者也开始研究各种喷气发动机的基本理论和切割机理。从单单的采矿行业扩展到建筑、市政建设、化工、航空、机械、医药等领域也广泛使用水射流。大量的水射流切割机、采煤机、打桩机以及不同用途和不同类型的清洗机已投放市场。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：纯水用于造纸工业和橡胶工业。砂水射流切割机可应用于石材工业、陶瓷工业、航空航天工业、汽车制造业和金属加工行业。特别值得一提的是汽车制造业。近年来中国汽车产业的快速发展，国内主要汽车生产商的产量外扩展，模型的不断更新，缩短了生产周期，和早期的手工加工为配套汽车内饰配件（如汽车地毯、仪表盘、顶板等）由于效率低、产品精度差、劳动强度高，汽车内饰件的切削刃和钻削方法已不能满足当前汽车工业的需要。在这一点上，机器人和水射流设备的结合突出。高压水管绕机器人手臂旋转，机器手臂的运动可以使喷嘴沿直线或者圆弧运动，以达到3度加工内部零件的目的。该方法的优点是效率高、质量好、精度高、灵活性好。目前，国内包括上海的大众公司、上海的通用公司、一汽的大众公司、天津的丰田公司、广州本田、沈龙付康、南京南亚等国内外的配件制造商都采用高压水射流设备加工室内装饰件。 在工业清洗中，可用于汽车工业喷漆室的清洗和各种物件的表面工程清洗。工业中的E处理、航空航天工业部件的清洗、核电站的辐射污染清洗等。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，在食品的杀菌和保鲜也有运用，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)。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这种技术的基础技术是难易并存得。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，此时可以切割各种类似于橡胶、纸等软性材料，此种切割被称为纯水切割。 砂水射流就是在其中混入砂石如石榴砂，理论上这种就可以切割各种硬质的材料，如玻璃、石材等，超高压的水刀也被应用于类似于船舶清洗等工业的表面处理，超高压水形成的关键是高压泵。另一方面，供水系统首先净化水，然后通过泵排出低压水。低压水进入涡轮增压器的压力是由小活塞的压力升高的。由于高压水通过增压器的往复压缩而产生，喷嘴的喷水压力波动，增压器的活塞需要改变。高压水进入到蓄能器中在流向喷嘴，这样的水射才比较稳定。水压越高，喷水速度越快，对高压制造的要求就越严格。在水射流生产商中，美国流程公司率先使用陶瓷柱塞高压涡轮增压器，大大减少了磨损，延长了1倍以上超高压部件和水封的使用寿命。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水射流切割的优点 和传统的切割方式例线切割，激光等，其优势和特征比较显著：（1）切割品质优异 水射流是一种冷加工方法。水射流不磨损，半径很小。它可以处理具有尖锐边缘的小圆弧。加工本身不发热，加工力小。加工表面的表面不会有热影响区。材料在自然切口中的结构不会改变，并且几乎没有热应力和机械应力和应变。切割间隙和切削刃小，无需两次加工。切割质量优良。 （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，而且不产生热效应或者形变的间隙，因此直接钻或切割，节约了成本。（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 由因为这次设计仅仅是进行的平面的加工而且考虑到切割厚度不是很大，所以钢板的最大切割厚度为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。两种方案的对比，选择第一种方案作为设计的模型。这种形式的数控水射流切割机床主要构成为：纵向移动的结构、底座、立柱、导轨及横梁移动的机构。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。，只要在底座上安装杜仲旋转机构就可。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 对支撑件的要求支撑件包括机床的底座和立柱，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，从而维持各个部件在恰当的位置运动。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. 刚度刚度是指支撑件在受到力的作用是抵抗其变形的能力。在额定的载荷下，有足够的刚度，才能使变形在允许值内。2. 抗振性物件（支撑件）抵抗振动，保持状态的平稳性能的能力，支撑件的震动将影响加工的表面质量和成产率。所以，强大的抵抗振动，和保持平稳的能力对支撑件很重要。3. 热变形机床工作时，机械摩擦，电机等都会发热，发热会产生形变，因此会对机床的几何和工作精度产生影响。因此要对症撑件的热变形及热应力进行控制。4. 内应力由于材料内的内应力的原因，会导致变形。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，占地面积变小。用螺钉和焊接的方式在机械部分，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，用立柱和螺钉相连的形式。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。增加关于支撑件的刚度；支撑件的形状、尺寸及材料影响着支撑件抵抗形变的能力。（1）合理的选择关于截面的形状和尺寸：弯和扭的变形主要是支撑件的弯矩和扭矩。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。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）提高抗扭与抗弯的刚度，需要在保持截面不变的情况下，减小壁厚，加大外轮廓的尺寸。3） 因为方形与圆形对比，方形的抗弯刚度大。所以以承受弯矩为主的支撑件采用方形比较合理。4） 对于刚度要求，选择封闭的截面。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，最主要可以吸振。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，所以用的方式是钢板的焊接，图纸课件详细的结构形式。第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计4.1 伺服系统的发展驱动电机在最早时候的数控机床中是用电液脉冲马达既步进电机和液压转矩放大器。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。当时的美国和欧洲在60年代都是采用液压伺服系统。而那时的日本就首先研发出一种新型的小惯量的直流伺服电机，从而，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。那时的小惯量直流伺服电机需要用减速齿轮箱来减速，就在70年代的时候，大惯量直流伺服电机被美国盖梯茨公司首次研发出了，又被称为宽调速直流伺服电机，可以直接的与机床的丝杠相连。直到现在很多数控机床都还在采用。由于直流伺服电机存在机构复杂，易损坏的特性，笼型异步交流伺服电机在80年代初期被美国通用电气公司研制成功。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。据统计，欧美近年来生产的数控机床百分之80以上都采用交流伺服电机。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 驱动系统的设计关于数控水射流切割机中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，还需要有较快的响应及更加好的稳定性，以及基本的高定位精度。其所说的包含丝杆的螺母副、减速装置等机械系统机构。提出下面的要求，以保证机械系统传动及工作的精度性和稳定性：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. 用在导向上有支撑的支撑件和摩擦阻力低的部件，例如滚动导向支撑，滚珠丝杠夫等。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. 提高加速的能力，需要选择最合适的传动比，从而减少输出轴上的等效惯量。4. 减少支撑产生的变形，消除传动间的空隙，从而达到反向死区的缩小。下面的设计根据以上的建议来进行。4.2.2 驱动系统的设计从现在的机床上可以看出伺服系统在交流电动机的领域已经有突破发展，交流伺服驱动系统已进入电力驱动速度控制的各个领域。适应各种环境、大容量、易维修、易开发制造、高速是交流伺服系统的优点。因此，ME设计的数控水射流切割机也采用交流伺服电机调速的方法。简单结构下就是交流伺服电机和丝杠相接，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，加大了在传动方面的误差。综合下来，用方式一，即用联轴器和滚珠丝杠在交流伺服电机下的方式。4.3 机床传动部件的选择主要由滚珠、螺母和螺杆组成的滚珠式丝杠是将直线运动转化为旋转运动的完美产品。这种发展的重要意义是将轴承从滚动运动转向滑动运动。因为其摩擦阻力小的特性，所以在精密仪器及工业设备中一直被大量应用。相比滚珠与滑动的丝杠有下列的特征：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 要想获得或者获得较高的滚动效率，那就在放置多个轴承在螺纹轴与螺纹之间。这样和传统的相比较，现有的驱动力矩小于1/3，即使用滚动螺杆对实现相同运动结果所需的功率为1/3。这对节约电力很有帮助。2、高精度的保证目前日本在滚珠式丝杠副在全世界的水平最高。因为完善的质量管理体系，精密度得到了充分的保证。3、微进给可能运动的爬行现象主要出现在运动时起动力矩比较大的情况下，所以滚珠式丝杠运动不会出现，保证了精确的微进给。4、没有侧面的间隙、较高的刚性因为较高的刚度可以通过压力是的轴向的间隙处于负值，所以加压于滚珠式丝杠。在机械装置的实际使用中，钢丝的刚度由于球的斥力而增强。5、高速进给可能因为这种运动方式的效率较高并且其发热比较小、从而能实现运动的较高速度的进给。因此，选用滚珠丝杠，而不选择滑动丝杠。滚珠式的丝杠的主要有四种形式的支撑方式：（1）两端固定支撑这种形式的支撑主要用于在高度要求精度和高度要求转动速度的情况下。（2）一固定端，一铰支端这种支撑形式使用于中等转速，高精度的情况下。（3）两端铰支这种方式的支撑形式主要用于中等的精度要求的中等转速的情况下。（4）固定端，自由端这种形式的支撑绝大部分使用在中度的精准度的低速转动的较短轴向的丝杠。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滚珠式的丝杠和电动机器的选择计算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， 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： 则， 中型机床t=0.05s 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， 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：2. 稳定性计算E-丝杠材料的弹性模量 L-丝杠的工作长度J-实心圆柱体在截面上的惯性矩 -丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支， 其中， J=d4/64=3.1444/6412.56cm4 Pr=3.1422110612.56/(2/3)2600)2=865.63. 稳定性系数校核nk=Pk/P=865.6/50=17.3122.5通过计算验证所选的丝杠满足该机床实现功能的要求，故选用该型号的丝杠满足要求。4.4.3 Y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， 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： 则， 中型机床t=0.05s 因此，选择的电动机的功率为0.4KW。4.4.4 滚珠式的丝杠在Y向上的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。4. 刚度的验算 -工作负载 -滚珠丝杠的基础导程 -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：3. 稳定性计算E-丝杠材料的弹性模量 L-丝杠的工作长度J-实心圆柱体在截面上的惯性矩 -丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支， 其中， J=d4/64=3.1444/6412.56cm4 Pr=3.1422110612.56/(2/3)1550)2=2435494. 稳定性系数校核nk=Pk/P=243549/199.5=112202.5通过计算验证所选的丝杠满足该机床实现功能的要求，故选用该型号的丝杠满足要求。4.4.5 Z向电机的选择同样采用金属切削机床里面快速电机的计算方法来选择Z向的电机，在切削时，同样没有切削力，也只考虑机床自身的部件质量，惯性力，摩擦力的影响。所设计的为数控机床，因此，采用伺服电机。 -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， 假设该滚珠丝杠带动部分的部件质量为M=30kg，假设最大的运动速度为，有：由于丝杠通过联轴器与电机相连接，则他们的转速一样，选择电机的转速为2000r/min， 则， 由于该部分的运动方向为垂直方向的运动，没有正压力，所以没有摩擦力的影响，即 因此，选择的电动机的功率为0.2KW。4.4.6滚珠丝杠的选择计算1. 滚珠式的丝杠副的承受的负荷载荷能力的最高值：2. 滚珠式的丝杠的使用年限的计算假定滚珠丝杠的的使用寿命是，丝杆的工作长度为，丝杠的硬度为，工作温度不超过，工作时温升不超过，可靠性要求为95%，则滚珠丝杠的寿命为： -滚珠丝杠的转速T-滚珠丝杠的寿命时间，对于数控机床，取T=15000在丝杠工作的过程中，没有切削力的影响，只有惯性力及自身产生的重力，因此，负载在工作时几乎不变。 查机械设计师手册，表4.314选择2005型的滚珠式的丝杠， C0a=38249 C0=142053. 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。5. 刚度的验算 -工作负载 -滚珠丝杠的基础导程 -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， -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：4. 稳定性计算E-丝杠材料的弹性模量 L-丝杠的工作长度J-实心圆柱体在截面上的惯性矩 -丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支， 其中， J=d4/64=3.143.24/645.145cm4 Pr=3.142215.145/(2/3)800)2=11925. 稳定性系数校核nk=Pk/P=1192/300=42.5通过计算验证所选的丝杠满足该机床实现功能的要求，故选用该型号的丝杠满足要求。4.5 选择机床的导轨4.5.1 滚动导轨的结构由于所设计的为数控水射流切割机床，所以采用滚动导轨。滚动直线导轨副由导轨、滑块、钢球、换向器、保持架、密封端盖和挡板组成。当滑道相对于滑块时，钢球沿着硬化和精密磨削形成的四个滚道滚动，滑块末端的钢球通过返回装置进入后孔，然后进入滚道。在。设置密封的防止灰尘的端盖在反复器的端部，这样起到防灰、防护的功效。如图下所示组件：图 4.5 直线导轨组件图18钢球 9保持架 11密封端盖 12返向器 13滑块 14油杯4.5.2 滚动导轨的特点设置合适量的钢球于在做直线滚动运动的滑动物块于导轨间，让其之间的摩擦运动变为滚动摩擦运动，从而降低了它们间的阻碍力，从而获得如下：动摩擦力与静摩擦力的差别很小，动态特性优良，即驱动信号和滞后时间间隔很短。对CNC系统中响应以及灵敏的承担有着很高的提升。1. 驱动功率大大的下降，只相当于普通的机械的十分之一。与V型十字交叉滚子氘归相比，摩擦阻力可以下降40倍。2. 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动氘归提高了约10倍。可以提高定位的精准度和反复定位的精准度。3. 提高机械系统在运动中的刚度，需要进行没有间隙的运动。4. 导轨良好的可调校性能需要对其表面进行硬化加工处理；心部保持良好的机械性能。5. 在设计与制造机械机构的中的简易化。导轨副的截面采用了合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，相比于在平面上和钢球电的接触提高了很多，摩擦力在滚动方面相比于在圆弧的滚道上面降低了很多。6. 滚动导轨的选用由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向下，向上，以及水平方向的向左和向右水的四个方向定额的载荷能力是相等，并且在这些方向上定额的承受能力比较大。使得在这三个方向上的对抗颠簸的力矩能力比较大。总体所说，导轨在直线运作下的承载的能力比较大，运作的刚度比较高。因为滚珠和圆环沟槽相接触，接触面积大，许用的载荷和接触刚度与点接触的滚动体不循环的导轨有很大的提高。另外，还可以简化设计，制造和装配工作。导轨的安装基面精度和质量要求不高，只要求精铣或精刨。4.5.3滚动导轨的寿命计算4.5.3.1 X向进给系统导轨寿命计算该机床的横梁部分的导轨是立式横向安装的滚动导轨系统，有假设已知：被支撑部分的质量为100Kg，有效行程为1.4米。移动件的最大速度为10米每秒，运动条件为常温，平稳无冲击和震动。选用GGB AA四方向等载导轨 GGB AA2P21400 查表9.3-52机械设计手册第二卷 其导轨的定额的动载荷和静载荷计算得： 查机械设计手册表9.3 4447各项的系数为： 四个滑块的负载按表9.349序号9的载荷计算公式来计算， 有所设计的图纸可得， 则带入上式可得，把得到的各个滑块的载荷对比，选取载荷最大的带入下面的公式进行计算， L-额定寿命 -额定动载荷 P-当量动载荷 -受力最大的滑块所承受的载荷 -指数，当滚动体为滚珠时，为滚柱时K-额定寿命单位，为滚珠时，滚柱时-硬度系数-温度系数-接触系数-精度系数-承受能力系数 其中最大的力为 ，带入上式，按式 来计算，则可得到 其中 -寿命时间 -额定寿命 移动距离 -每分钟的往复次数 按你工作日为，二班工作制，每班8小时，开机率为80%，则预算寿命为：4.5.3.2 导轨滚动系统在Y向进给的寿命计算该机床的纵向进给部分的导轨是立式垂直安装的滚动导轨系统，有假设已知：被支撑部分的质量为30Kg，有效行程为0.55米。移动件的最大速度为10米每秒，运动条件为常温，平稳无冲击和震动。选用GGB AA四方向等载导轨 GGB AA2P21400 查表9.3-52机械设计手册第二卷 其导轨的定额的动载荷和静载荷计算得： 查机械设计手册表9.3 4447各项的系数为： 四个滑块的负载按表9.349序号9的载荷计算公式来计算， ，有所设计的图纸可得， 则带入上式可得，把得到的各个滑块的载荷对比，选取载荷最大的带入下面的公式进行计算， L-额定寿命 -额定动载荷 P-当量动载荷 -受力最大的滑块所承受的载荷 -指数，当滚动体为滚珠时，为滚柱时K-额定寿命单位，为滚珠时，滚柱时-硬度系数-温度系数-接触系数-精度系数-承受能力系数 其中最大的力为 ，带入上式，按式 来计算，则可得到 其中 -寿命时间 -额定寿命 移动距离 -每分钟的往复次数 按你工作日为，二班工作制，每班8小时，开机率为80%，则预算寿命为：结 论我这一次设计的水射流数控切割机床只是最简单的机械加工机床，它只能切割最简单的平面板材，它采用龙门式结构，这种结构比较稳定，机架不易变形。该机床具有两个方向的进给系统，一个为纵向进给，一个为横向进给，两个方向的进给都是有机架的横梁部分来完成的对切割物质的质量起作用的为：1 .水射流的模式是衡量切削质量的重要的指标之一。2. 数控系统数控系统的稳定性也是对机床加工精度影响的一个重要因素。3. 驱动系统良好的驱动硬件可以保证完美的切割质量，确保机床的刚性。4. 高度跟踪系统这个系统主要区分为非接触式高度跟踪系统和接触式高度跟踪系统。接触式用探针实现高度的跟踪，在切割的过程中对工件有一定的划伤。而非接触式高度跟踪系统采用电容式传感器实现高度追踪和调节。所以这个系统需要等将来提出更近一步的新型的系统，从而使水射流切割机床及这项工艺趋于完美。由于所学的知识比较浅，还没有能力去解决这些问题。但是我始终坚信这些小问题在以后的科技发展过程中一定会慢慢克服，使我国的水射流技术应用更加的广泛，我国的水射流加工会更上一层楼。参考文献1. 张建华主编.精密与特种加工技术.北京：机械工业出版社，20032. 机械设计手册编委会.机械设计手册第二卷.北京：机械工业出版社，2004.83. 机械设计手册编委会.机械设计手册第三卷.北京：机械工业出版社，2004.84. 韩晓娟主编.机械设计课程设计.北京：机械工业出版社，2000.85. 龚景安主编.机械设计.北京：机械工业出版社，19986. 成大先主编.机械设计手册.北京：化学工业出版社，19947. 李亚江等编.切割技术及应用.北京：化学工业出版社，20048. 顾熙棠 迟建山 胡宝珍 主编.金属切削机床（下册）.上海：上海科学技术出版社，1998.29. 胡占齐.杨莉.机床数控技术.北京：机械工业出版社，200010. 林述温主编.机电装备设计（第三册）11. 张建民等编.机电一体化系统设计（第二版）.北京：高等教育出版社，2001.812. 孙志永.赵研江主编.数控与电控技术.北京：机械工业出版社，2002.813. 顾崇衔.主编.机械制造工艺学.西安：陕西科学技术出版社，2004.814. 王爱玲主编.现代数控机床.北京：国防工业大学，2003黄开榜等主编.金属切学机床.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999等。 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 37AbstractWith 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2第2章 数控水射流切割机床的基本功能和基本参数32.1数控切割机床的基本功能32.1.1数控水蛇流切割机的原理32.1.2水射流切割的优点42.2 机床的基本参数4第3章 数控水射流切割机床的布局与结构设计63.1 数水射流切割机床的控结构方案设计63.2 机床支撑件的设计73.2.1 对支撑件的要求73.2.2 撑件的选材与连接83.3 提高支撑件刚度的措施8第4章 数控水射流切割机床的传动系统设计104.1 伺服系统的发展104.2 数控水射流切割机的驱动系统设计104.2.1 对数控机床机械系统的基本要求104.2.2 驱动系统的设计114.3 机床传动部件的选择124.4电机及滚珠丝杠的选择计算144.4.1 X方向电机的选择计算144.4.2 X向滚珠丝杠的选择计算164.4.3 Y方向电机的选择计算194.4.4 Y向滚珠丝杠的选择计算214.4.5 Z向电机的选择244.4.6滚珠丝杠的选择计算264.5 机床导轨的选择304.5.1 滚动导轨的结构304.5.2 滚动导轨的特点314.5.3滚动导轨的寿命计算32结 论37参考文献38第1章 绪论第1章 绪论1.1 水射流的发展历史及应用十九世纪中旬，北美洲首次使用水来开采松散的沉积物。早在上世纪50年代，用于矿井水射流的苏联和中国。随着水力采煤技术的推广，人们认识到，增加水压，适当减小喷嘴直径，可显著改善水射流的击穿效果。因此，人们开始研究高压高压脉冲射流的压力源。20世纪60年代以前，人们主要研究低压水射流开采，水射流技术仍处于探索阶段。20世纪70年代初，主要研究了高压泵、增压器、高压管、推广的水射流清洗技术，在设备研制阶段；到了20世纪80年代，水射流技术的应用。从采矿业发展到其他领域，大量的水射流采煤机、切割机和清洗机已经出版并得到广泛推广。之后，水射流进入了快速发展阶段，水射流技术的研究进一步深化。新的射流技术如磨料射流、空化射流和自激振动射流得到了进一步发展。展览会开得很快。20世纪60年代，大量的高压柱塞泵和增压器的出现极大地促进了水射流技术的研究。当时，一些学者认为水射流的压力越高，效果越好。日本已经研制出1700兆帕增压器，而苏联和美国已经研制出5600兆帕脉冲射流发生器。到了20世纪70年代末，水射流技术有了一个新的发展趋势，即如何从单一的喷水压力增加来提高水射流的功率。高频冲击射流、共振射流和磨料水射流开始出现。这些射流的水压不是太高，但它们的功率远高于相同压力下的普通连续水射流。20世纪80年代，磨料水射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展将水射流技术推向了一个新的发展阶段。与此同时，世界各国学者也开始研究各种喷气发动机的基本理论和切割机理。水射流技术的应用也从采矿业扩展到航空、建筑、市政建设、化工、机械、医药等领域。水射流作为一种很好的切割、破碎和清洗秤的工具，已逐渐被人们所认识。大量的水射流切割机、采煤机、打桩机以及不同用途和不同类型的清洗机已投放市场。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：纯水用于造纸工业和橡胶工业。砂水射流切割机可应用于石材工业、陶瓷工业、航空航天工业、汽车制造业和金属加工行业。特别值得一提的是汽车制造业。近年来中国汽车产业的快速发展，国内主要汽车生产商的产量外扩展，模型的不断更新，缩短了生产周期，和早期的手工加工为配套汽车内饰配件（如汽车地毯、仪表盘、顶板等）由于效率低、产品精度差、劳动强度高，汽车内饰件的切削刃和钻削方法已不能满足当前汽车工业的需要。在这一点上，机器人和水射流设备的结合突出。高压水管绕机器人手臂旋转，利用机器的手臂和手腕使水切割头的喷嘴沿直线或圆弧直线运行，以达到3度加工内部零件的目的。该方法的优点是效率高、质量好、精度高、灵活性好。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、沈龙付康、南京南亚等国内外的配件制造商都采用高压水射流设备加工室内装饰件。 在工业清洗中，可用于汽车工业喷漆室的清洗、石油化工换热器内外管清洗、跑道橡胶清洗、除锈防腐工程表面。工业中的E处理、航空航天工业部件的清洗、核电站的辐射污染清洗等。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。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. 超高压水形成的关键是高压泵。油泵的低压油驱动增压器的大活塞使其往复运动，大活塞的方向由换向阀自动控制。另一方面，供水系统首先净化水，然后通过泵排出低压水。低压水进入涡轮增压器的压力是由小活塞的压力升高的。由于高压水通过增压器的往复压缩而产生，喷嘴的喷水压力波动，增压器的活塞需要改变。为了获得稳定的高压水射流，所产生的高压水应进入蓄能器，然后流向喷嘴，从而达到稳定压力的目的。水压越高，喷水速度越快，对高压制造的要求就越严格。在水射流生产商中，美国流程公司率先使用陶瓷柱塞高压涡轮增压器，大大减少了磨损，延长了1倍以上超高压部件和水封的使用寿命。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水射流切割的优点 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法。水射流不磨损，半径很小。它可以处理具有尖锐边缘的小圆弧。加工本身不发热，加工力小。加工表面的表面不会有热影响区。材料在自然切口中的结构不会改变，并且几乎没有热应力和机械应力和应变。切割间隙和切削刃小，无需两次加工。切割质量优良。 （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 驱动系统的设计以现有机床为参考，可以看出伺服系统的发展，在电机控制领域中交流电机调速技术已经取得突破性进展，交流伺服驱动系统已进入电力驱动速度控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机易于维修，易于制造，易于开发，容量大，速度快，适合在恶劣环境中使用。同时，从减小伺服驱动系统的尺寸和可靠性的角度出发，交流电机比直流电机更为合理。交流伺服电机调速系统的使用已成为数控机床的主要调速方式。因此，ME设计的数控水射流切割机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旋转运动转换成直线运动或将直线运动转换为旋转运动的理想产品。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换成直线运动，这是滚珠丝杠的进一步延伸和发展。这种发展的重要意义是将轴承从滚动运动转向滑动运动。滚珠丝杠由于其摩擦阻力小，广泛应用于各种工业设备和精密仪器中。滚珠丝杠是刀具和精密机械中最常用的传动元件。其主要功能是将旋转运动转换成直线运动，或将转矩转换为轴向反作用力，还具有高精度、可逆性和高效率。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 由于滚珠丝杠副的螺纹轴与内螺纹之间有许多滚珠轴承，因此可以获得较高的滚动效率。与以往的滑动螺杆副相比，驱动力矩小于1/3，也就是说，使用滚动螺杆对实现相同运动结果所需的功率为1/3。这对节约电力很有帮助。2、高精度的保证滚珠丝杠副是日本制造的世界上最高水平的机械设备。特别是在各个工序的工厂环境的磨削、装配和检查方面，严格控制温度和湿度。由于完善的质量管理体系，精密度得到了充分的保证。3、微进给可能滚珠丝杠用于滚珠运动时，起动力矩很小，不会出现滑动运动爬行现象，保证了精确的微进给。4、无侧隙、刚性高由于压力可以使轴向间隙达到负值，从而获得较高的刚度，因此可以对滚珠丝杠副进行加压。滚珠丝杠由滚珠丝杠中的滚珠加压。在机械装置的实际使用中，钢丝的刚度由于球的斥力而增强。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 L-丝杠的工作长度J-截面的惯性矩，对于实心的圆柱体 -丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支， 其中， J=d4/64=3.1444/6412.56cm4 Pr=3.1422110612.56/(2/3)2600)2=865.6（3） 稳定性系数校核nk=Pk/P=865.6/50=17.3122.5通过计算验证所选的丝杠满足该机床实现功能的要求，故选用该型号的丝杠满足要求。4.4.3 Y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， 7.861032021550 15.2Kg J11/2mr2=1/225.6720210-6 3.0410-3Kgm2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 3.0410-31.6310-5 3.1210-3Kgm2 则， Tin=J1/t =5.1510-3105/0.5 0.66N m 中型机床t=0.05s Pin=Tinn/(9550)=1.081000/(95500.864)77W Pfr=MuV/(6120 )=25.670.0510/(61200.864) =2.8WP=K * (Pin+Pfr)=2.5(77+2.4)=199.5W因此，选择的电动机的功率为0.4KW。4.4.4 Y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。（4） 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)=1.90.5102/(82.410523.2) = 2.3510-7 M=P/v=199.5/105=1.9Nm L2=L0/(2)=0.58.110-7/(23.14)=1.8710-3um L=L1+L2=3.7910-3+6.4510-35.6610-3um =100L/L0=100/0.0510.2410-311.32um （5） 稳定性计算 E-丝杠材料的弹性模量 L-丝杠的工作长度J-截面的惯性矩，对于实心的圆柱体 -丝杠的轴端系数 （一端固定，一端铰支， 其中， J=d4/64=3.1444/6412.56cm4 Pr=3.1422110612.56/(2/3)1550)2=243549（6） 稳定性系数校核nk=Pk/P=243549/199.5=112202.5通过计算验证所选的丝杠满足该机床实现功能的要求，故选用该型号的丝杠满足要求。4.4.5 Z向电机的选择同样采用金属切削机床里面快速电机的计算方法来选择Z向的电机，在切削时，同样没有切削力，也只考虑机床自身的部件质量，惯性力，摩擦力的影响。所设计的为数控机床，因此，采用伺服电机。 -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： -各回转件的转动惯量 -各回转件的角速度 -各直线运动件的质量 -各直线运动件的速度 选取的滚珠丝杠的直径d0=20mm，长度L=300mm则滚珠丝杠的质量为： =3.140.0120.37.86103 =0.74Kg则滚珠丝杠的转动惯量为： 假定该滚珠丝杠带动部分的部件质量为M=30Kg，假设最大的运动速度为：，有 由于丝杠通过联轴器与电机相连接，则他们的转速一样，选择电机的转速为 45W由于该部分的运动方向为垂直方向的运动，没有正压力，所以没有摩擦力的影响，即， P=K * (Pin+Pfr)=2.545=112.5W 因此，根据以上的计算选择电机的功率为0.2KW4.4.6滚珠丝杠的选择计算（1） 滚珠丝杠副的最大负载： （2） 滚珠丝杠的寿命计算假定滚珠丝杠的的使用寿命是，丝杆的工作长度为，丝杠的硬度为，工作温度不超过，工作时温升不超过，可靠性要求为95%，则滚珠丝杠的寿命为： -滚珠丝杠的转速T-滚珠丝杠的寿命时间，对于数控机床，取T=15000在丝杠工作的过程中，没有切削力的影响，只有惯性力及自身产生的重力，因此，负载在工作时几乎不
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号