叠层式物体制造快速成型机机械系统设计(毕业论文+全套CAD图纸)(答辩通过)

充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 Abstract The shifts in manufacturing paradigms have come in continuous spates in the last 10 years Just-in-Time inventory control， Lean Manufacturing， Material Resource Planning，Outsourcing， are some of the better known paradigms that we manufacturing tradesmen know have vastly improved the quality and costs of goods， especially goods with short life-cycles. A more recent focused process in the manufacturing environment is Rapid Prototyping. Rapid Prototyping contributions to the quality， cost and products time-to-market is becoming an increasingly competitive edge for the successful manufacturers of products. I believe and hope that this technology can bring both convince and economic profit to the producing， make a contribution to the development of the industry. 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 摘要 过去十年中，制造领域中的创新不断涌现，如我们所知，及时库存控制、灵敏制造、外协承包、物流的规划于统筹是一些著名的新技术。这些技术的应用极大地改善了产品的品质，降低了制造成本，尤其对更新换代的产品更有意义。 而近年来，快速成形则是制造领域中倍受瞩目的一种新工艺，它以其优良的产品品质、低廉的制造成本，以及加速产品进入市场等特色，日益成为成功制造厂商的竞争优势。 我相信，同时也希望这项技术能给生产带来方便和经济效益，为民族工业的发展贡献一分微薄之力。 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 目录 第一章 绪论 (4) 1 1 概述 (4) 1 2 快速成形的原理 (4) 1 3 快速成形的特性 (5) 1 4 快速成形的历史和发展 (6) 第二章 LOM 型快速成形机设计 (8) 2 1 概述 (8) 2 2 激光切割系统的设计和计算 （ 10） 2 3 可升降工作台的设计和计算 （ 21） 2 4 原材料存储及送进机构的设计和计算 （ 35） 2 5 热粘压机构的设计和计算 （ 37） 第三章 硬件控制电路设计 （ 44） 第四章 计算机软件配置 （ 45） 第五章 快速成形的效益和应用 （ 46） 总结与感谢 （ 48） 主要参考文献 （ 49） 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第一章 绪论 1.1 概述 众所周知，制造业是一个国家的立国之本。 20 世纪下半叶以来，随着科学技术迅速发展，制造业正在经历一场深刻的革命。产品的竞争越来越激烈， 产品更新周期 越来越短。空前激烈的市场竞争迫使制造业必须以更快的速度设计、制造出性能价格比高并 能 满足人们要求的产品。因此，产品快速开发的技术和手段成为了企业的核心竞争力。在这种形式下，传统的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不 再 适应要求，于是先进制造技术就成 为世界范围内的研究充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 热点，涌现 出 了计算机集成制造、敏捷制造、并行工程、智能制造等先进的生产管理模式和净近成形、激光加工、快速成形等先进的成形概念和技术。 产生于 20 世纪 80 年代的快速成形技术是先进制造技术的重要组成部分。该技术是基于离散堆积成形原理，集成了计算机、数控、激光、新材料等技术发展起来的，与 60 年代的数控技术一样对制造业产生了巨大的影响。 快速成形经过十多年的发展，目前已有几十种工艺及相应的商品化设备。在这一领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最新出现，研究、开发的工艺种类也最 多。其次在欧洲、日本发展规律也很快。国内在该领域的研究起步较晚， 20 世纪 90 年代初开始涉足，经过几年的努力，在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐，并有新的创新。 .2 快速成形的原理 快速成形是 80 年代末期开始商品化的一种高新造技术它有不同的英文名称，如 Rapid Prototyping（快速原型制造、快速成型、快速成形）、 Freeform Manufacturing（自由形式制造）、 Additive Fabrication（添加式制造）等，常常简称为 RP。快速成形将计算机辅助设计（ CAD）、计算机辅助制造（ CAM）、计算机数字控制（ CNC）、激光、精密伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体。 快速成形技术是由 CAD 模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三位物理实体的技术。其核心是由 CAD 模型直接驱动。首先由 CAD 软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则将模型离散为一系列有序的单元，通常在向将其按一定厚度进行离散（习惯称之为分层或切片），把三维电子模型变成一系列的 二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，最终得到一个三维物理实体。这种将一个复杂物理实体所需的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工的难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。 快速成形由以下五个部分组成： （） CAD 模型设计 主要是解决零件的几何造型，因此需有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。目前，大多数CAD 商 业软件配有 STL 数据接口，如 Pro/Engineer， UG， CADKEY，Strim100， SolidWorks， AtuoCAD 系列等。 （） 向离散化 这是一个分层过程，它将 CAD 模型在向上分解成一系列具有一定厚度的薄层，厚度通常在 mm3.005.0 之间。 离散化破坏了零件在向上的连续性，使之在向上产生了“台阶”。但从理论上讲，只要将分层厚度定得合理，就能满足零件的加工精度要求。 （） 层面信息处理 为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状信息转化成控制成形机运动的数控代 码。 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 （） 层面加工与粘接 成形机根据控制指令进行二维扫描。同时进行层与层的粘接。 （） 层层堆积 当一层制造完毕后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完成。对完成的原型进行后处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。 快速成形彻底的摆脱了传统的“去除”加工法 部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的增长加工方法 用一层层的小毛坯逐层叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方 法 10 30的工时和 20 35的成本，就能直接制造出产品样品和模型。由于快速成形具有上述突出的优势，所以近些年来发展规律迅速，已成为现代制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（ Concurrent Engineering，简称 CE）的必不可少的手段。 1.3 快速成形的特性 快速成形在成形概念上以离散堆积成形为知道思想；在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为目标。因此，只有在计算机技术和数控技术高度发展的今天，才有可能产生快速成形技术。 CAD 技术实现了零件的曲面和实体造型，能够进行精 确的离散运算和复杂的数据转换。先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供了必要的基础，这是精确高效堆积材料的前提。而材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚实的基础，材料技术的每一项技术带来新的发展机遇。目前快速成形技术中材料的转移形式是自由添加、去除、添加和去除相结合等多种形式，构成三维物理实体的每一层片，一般为 2.5 维层片，即侧壁为直壁的层片，目前也出现了由三维层片构成的实体工艺 ,相信在不久的将来 ,这种技术将形成规模应用。 快速成形技术的重要特征是： （） 高度柔性，成形过程无需专用工具和夹具，可以制造任何 复杂形状的三维实体； （） CAD 模型直接驱动， CAD/CAM 一体化，无须人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程； （） 成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适合成形材料为非均质并具有功能梯度或空隙度要求的原型； （） 成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场； （） 技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、激光、新材料等技术的高度集成。 1.4 快速成形的历史和发展 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如， 1892 年， J.E.Blanther在他的美国专利（ 473901）中，曾建议用分层制造法制成地 形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上 ,然后按轮廓线切割蜡片并将其粘接在一起，熨平表面，从而得到三维的地形图。 1902 年， Carlo Baese在他的美国专利（ 774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术 “立体平板印刷术”（ StereLithography）的初始设想。 1940 年， Perera 提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘接成三维地形图的方法。 50 年代之后，出现了几百个有关快速成形技术的专利。其中， Zang(1964)、 Richard Meyer(1970)和 Gaskin(1973) 等又提出了用一系列轮廓片形成三维地形图模型的新方法。 Paul Dimatteo 在他的 1976 年的美国专利（ 3932923）中，进一步明确提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转换成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割使这些薄片成形，再用螺钉、销钉等将一系列薄片连接成三维物体，这些设想与现代另一种快速成形技术 物体分层制造（ Laminated Object Manufacturing）的原理极为相似。 1979 年，日本东京大学的 Nakagawa 教授开始采用分层制造 技术制作实际的模具，如落料模、压力机成形模和注塑模。 上述早期的专利虽然提出了一些快速成形的基本原理，但还很不完善，更没有实现快速成形机械及其使用原材料的商品化。 80 年代末之后，快速成形技术有了根本的发展，出现的专利更多，仅在 1986-1998 年期间，注册的美国专利就有 274 个。这首先是 Charles W Hull 在他 1986 年的美国专利（ #4575330）中，提出了一个用激光照射液态光敏树脂，从而分层制造三维体的现代快速成形机的方案。随后，美国的 3D Systems 公司据此专利，于 1988 年生产 出了第一台现代快速成形机 SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成形机 )，开创了快速成形技术发展的新纪元。在此后的 10 年内，涌现了 10 多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄形材料选择性切割（ LOM）、丝状材料选择性熔覆（ FDM）和粉末材料选择性烧结（ SLS）等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。到 1980 年为止，全世界已拥有快速成形机 4259 台快速成形制造公司约 27 个，用快速成形机对外服务的机构 331 个。不仅如此，还派生出一个全新的领域 快速模具制造（ Rapid Tooling） ,从而使快速成形技术为现代制造业必不可少的支柱技术。 我国自 90 年代以来也展开了相应的快速成形技术的研究和应用。有几家公司引进了国外的 RPM 系统。清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空航天大学等几所高等院校及北京隆源自动化有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发，并开始有产品问世。例如，现已研制出的样机或系统有：华中理工大学基于分层制造方法（ LOM） HRP 的系统、隆源公司基于选择性激光烧结（ SLS） RPS 的系统。 1995 年 11 月召开了中国第一届快速成形技术（ RPM）学术及技术展示会， 1997 国 家 科委专门召集了国内有关 RPM 研究和应用单位，共同探讨了在我国推广 RPM 应用的战略。 由于各国十分重视快速成形技术，每年都有一批研究成果问世，十分复杂的零部件已能用快速成形技术制造出来，企业应用该技术所取得的效益十分明显。 RPM 设备的需求量日益增大。 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 第二章 LOM 型快速成型机设计 2.1 概述 目前所研制的快速成型系统的系统的原理和工作方法均有很大不同，而且分类的方法亦有多种。现在，已有多种商品化的快速成形技术和快速成形机，其中最典型的有 如下几种：（） 液态光敏聚合物选择性固化（ StereoLithography Apparat , 简称为 SLA 或 SL，直译名为“立体平板印刷设备”）；（） 薄形材料选择性切割（ Laminated Object Manufacturing，简称为 LOM，直译名为“分充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 层物体制造”）；（） 丝状材料选择性熔覆（ Fused Deposition Modeling，简称为 FDM，直译名为“熔积成形”）；（）粉末材料选择性烧结（ Selected Laser sintering，简称 SLS，直译名为“选择性激光 烧结”）；（ 5） 粉末性材料选择性粘结；（）喷墨式三维打印等。其差别主要在于薄片所采用的原材料类型，由原材料构成截面轮廓的方式，以及截面层与层之间的连接方式。 分层实体制造（ LOM）工艺又称叠层实体制造或薄形材料选择性切割，由美国的 Helisys 公司的 Michael Feygin 于 1986 年研制成功，并推出产品化的机器。 LOM 工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用二氧化碳激光器（或刀）在计算机控制下切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件粘接 ，从而堆积成型。 LOM 型快速成形机是由计算机、原材料、热碾压机构、激光切割系统、可升降工作台、机架和数控系统等组成。其中计算机用于接受和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸），逐步送至工作台的上方。热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓线区切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料。网格的大小据被成形件的形状复杂程 度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑正在成形的工件，并在每层成形之后，降低一个材料厚度（通常为 0.1 0.2mm），以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。机架是 整个机器的支撑。其系统见下图： 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 快速成形机原理图 在 LOM 快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 LOM 工艺中的 成型材料涉及三个方面的问题， 即纸、热熔胶、和涂布工艺。纸材料的选取、热熔胶的配置即涂布工艺的研究均要从保证最终成形零件的质量出发，同时要考虑成本。 2.2 激光切割系统的设计和计算 激光切割系统是由 2co 激光器、外光路、切割头、 X Y 工作台、直流伺服电机等组成。其中，激光器的输出功率为 W5025 ；发射波长为 m10600 ；输入功率为 kW6.03.0 ；冷却方式为 空气冷却；激光头尺寸： ；5088 cm 电源尺寸： cm302020 。外光路由 2 个反光镜和 1 个聚焦镜组成，它能保证焦距稳定，切割光斑的直径为 mm2.01.0 。配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束能恰好切透正在成形的一层材料，而不会损伤已成形的下一层截面轮廓。激光切割头由两台直流伺服电机驱动，能在 X Y 平面上作高速、精密扫描运动。 X Y 工作台由精密滚珠丝杠传动，用精密直线导轨导向，重复定位精度为 m10 。 主要技术参数： 成形空间： mm300270370 激光头最大切割速度： smm/500 激光头定位精度： 01.0 mm01.0 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 2.2.1 选择激光器 当采用激光器切割薄型材料成形时，所需激光的功率可按下式确定： AhVdQPc / 式中： h 材料的厚度（通常为 mm2.01.0 ，常用的纸厚 mm13.0 左右，经特殊处理的卷材厚度为 mm5.005.0 ） Q 烧割材料所需的比热 d 激光光斑的直径 mm2.01.0 V 激光束的移动速度 V 激光发送系统的透明度 A 材料的吸收系数 按上式计算，可以粗略选用 250WCO 全封闭激光器， W1625 冷却器（以上是参照多家著名 LOM成形机制造公司的产品做的选择）。同时，为了获得稳定的切割品质，应使激光器功率 Pc 与激光束的移动速度（即切割速度） V的比值保持 恒定，即 )( 常数BAQhdVPc 必须实现激光功率 Pc 与移动速度 V 的自动跟踪，即在成形过程中，不断检测激光束的移动速度 )(tV ，并根据该值与 )()( tBVtPc 来自动调整激光的输出功率。 2.2.2 X-Y向滚珠丝杠的选择 由于电动机布局等的考虑，将 X向滚珠丝杠放在 Y向滚珠丝杠之下，而且丝杠所受到的载荷主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力（ 重力由导轨部分来抵消，其它力暂时忽略不计）。由于 X方向的丝杠带动的部件重量较 Y向大，故所选用的丝杠型号以 X向为基准。 Y向丝杠的选用过程同 X向。 计算 X向滚珠丝杠的有关数据： 经初步估算，上拖板、 Y向滚珠丝杠及螺母副、直线导轨轴和激光头及安装座等的重量约为 kg20 。 工作台滚动导轨摩擦系数为 0025.0 （机床设计手册第 3卷 P122， 86年 12月版），由于激光器的最大切割速度 smm/500 ，相当于 min/30m ，显然滑动充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 导轨不能符合要求，因为它只适合速度相对不高（导轨移动的相对速度min/10V m ）的情况；同时，静压导轨（不管是液体静压导轨，还是气体静压导轨）的结构复杂，需要多加一部分管路和沟槽以及动力设备，会大大增加机床的复杂程度，同时增大了产品的成本；采用滚动导轨，摩擦系数小，而且几乎与运动速度无关，中等尺寸部件的摩擦力一般为 kgf52 ，而且低速无爬行，精度满足要求，且寿命长（ 10年），精度保持性高。类比用于坐 标镗床工作台的滚动导轨，数控机床等高精度机床中，这种导轨副的摩擦系数如下表： 导轨材料 摩擦系数kf淬火钢 cm001.0 铸铁 cm0025.0 为提高 X、 Y向传动系统的刚度，丝杠两端采用固定支承（ F-F），每个轴承座内安装一个滚针和一对推力组合轴承（详见机电一体化手册）。 由于本机床要求的定位精度为 m2.01.0 ，且工作台的最大行程为mm370 ，移动最大速度为 ）（ m in/30/5 0 0 msm ；同时，设丝杠寿命hLh /15000 ，工作可靠性 %96 ；滚珠丝杠副的传动效率可达 %98%85 (电P730)，传动可逆性好，效率与正传动几乎相同。依据以上的这些设计参数，可得： 1丝杠载荷：（电 P837） 对于采用三角形或综合导轨的机床，滚珠丝杠副的轴向载荷可以近似使用以下公式计算 )( NGFKFF ZXa 15.1K （考虑颠覆力矩影响的实验系数）； 18.015.0 （导轨上的摩擦系数）； NmgG 1 9 68.920 （移动部件的重量） 0, 的切削分力为ZX FF 所以， NFa 28.35)1960(18.0015.1 导轨摩擦力 NmgF 49.08.9200 0 2 5.0 快速移动载荷为 .490.0 N 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 导轨摩擦力丝杠移动部件轴向载荷总载荷（ P838） NF 77.3549.026.35 总 以上为丝杠副的轴向载荷计算。 工作台最大速度：.m i n/30m i n/3 0 0 0 0605 0 0/5 0 0m a x mmmsmmV 2.电机转速（最大） 从机电一体化手册中查取。 2.丝杠导程 hP 滚珠丝杠导程：（电 P738，计算见 P838） 工作台最大速度 m i n/30000m a x mmV mmPh 56 0 003 0 00 0 3.初选滚珠丝杠 （ 1）计算动负荷anhaj FfK KC 寿命系数 : 31)500( hh LK hLh 150001.350015000 31 ）（hK 转速系数 : 1 7 7.0)6 0 0 0 3.33()3.33( 3131 nK n查表，选用两端固定（ F-F） , 可提高 X、 Y向传动系统的刚度，每个轴承座内安装一个滚针和一对推力组合轴承（详见机电一体化手册）。 适用于高速、高精度、高刚度的丝杠。 影响滚珠丝杠副寿命的综合系数 (电 P829) （ 2）wKaht f fffff 当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速 min/1000 rn ）下工作时，应按其使用寿命选择基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动负荷。 由表查得 温度系数 1tf（工作温度小于 10 ） 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 硬度系数 )6258(1 HRCfh （ P731） 精度系数 0.1af（精度等级 4级）（ P749） 可靠性系数 53.0Kf负荷性质系数 1Wf（ P827） 53.01 53.0111 f 滚珠丝杠副的轴向负荷 77.35总FF a（ P829） NCaj 0 38.1 18 253.01 77.0 77.351.3 以上是在较高速和定工作负荷的情况下，滚珠丝杠副的运用方法。 （ 3）滚珠丝杠副的型号 由表，选用 FFZD型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号为：FFZD2505 额定负荷 .18.111 KNCKNCaja 预紧力为aaj FNCF 2 7 5 01125.025.0符合要 求。 4.丝杠螺纹部分长度 mmmmmmmmlu536402863704086370 ）两端余程（）螺母长度（）工作台最大行程（支承距离 l 应大于ul轴承长 2ull 取 600 5.临界转速校核 m in)/(9910 2 222 rL dfncc 高速运转的丝杠有可能发生共振，需要校核临界转速，不发生共振的最高转速称为临界转速，以 cn 表示。 丝杠支承方式系数 730.42 f 丝杠螺纹底径： mmmDddW 0208.08.205.32.1252.12 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 临界转速计算长度 mmmLc 485.04852 53660040286370 62.1 9 5 8 5485.0 0 2 0 8.073.49 9 0 0 22 cn maxn 所以，非常符合要求。 6.压杆稳定性校核： 两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。 7.预拉伸计算（设温升为 5.3 ，工作前均衡温度场） （ 1）温升引起的伸长量ttut lt.线膨胀系数 Clt /1011 6 丝杠温升 t ，一般取 C53 螺纹有纹长度 ul mmmmmt 210 2 0 6 4.05 3 65.31011 6 （ 2）丝杠全长伸长量tZmmmtZ 230 2 3 1.06005.31011 6 （ 3）预拉力tFNl AEFutt 6397101.2536.00208.04101116 8.轴承选择 （ 1）轴端结构 由表，采用 E型和 F型轴端（电 P810） （ 2）轴承型号 由德国 INA公司生产的轻系列滚针和推力滚子组合轴承，其型号为ZARN2052TN型 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 主要尺寸和参数：（详细资料参照机电一体化系统设计手册杨黎明，1997年 1月版） 9.定位精度校核 （ 1）丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 mFAEFls 0 7 5 2.010101.20 2 0 8.044)77.356.0(6.010461126m a x （ 2）丝杠与螺母间的接触变形 cc KF 由表，查得 FFZD2505滚珠丝杠副的接触刚度 mNK c /910 所以，快移时接触变形量 mKFcc 0 3 9 3.09 1 077.35 由于采用的是组合轴承，故轴承的接触变形可忽略不计。 （ 3）丝杠系列的总位移 mcs 1 1 4 5.00 3 9 3.00 7 5 2.0m a x 由于maxs发生在螺母处于丝杠中部处，而c与螺母位置无关。所以，以上求得的位移均为 mm300/1145.0 。 （ 4）定位精度 查表，取丝杠等级为 2级的丝杠任意 mm300 行程内行程公差为 m8 。加上快移时的总位移为 m1145.0 ，可以满足点位控制精度 300/01.0 的要求。 总结： 根据计算结果可选用丝杠副型号为3 7 05 3 6/150520 F F Z D ，两端支承为 FE、 型的支承方式，轴承选用型号为 TNZARN 2052 型组合轴承。 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 2.2.3 伺服电机的选择 参数：估算工作台重量为 kgM 20 ；工作台移动速度 smmV /500m ax ；摩擦系数为 0025.0 ；联轴器效率为 %99 ；进给丝杠长为 mmL 600 ；进给丝杠直径为 mmD 25 ；丝杠导程 mmP 5 。 1计算丝杠转速 m i n/60005 605.010001000 m a x rP Vn L 2折算到电动机上的转动惯量 设电动机额定转速 min/6000 rn M ，传动比为 1i ，则 工作台的 2GD ： 26222 1 .1007.56 0 0 014.3302 MNnVMGDMLL 进给丝杠的 2GD 2322 2 1035.565.08.90 0 0 8 4.0/.0 0 0 8 4.0 MNLMMkgGD L 联轴器的 2GD 2422 3 1045.201.08.925.0 MNGD L 总的 232 106.5 MNGD ML 计算所需的稳定功率 WmVP L 2 4 8.0%996 1 2 0 1030200 0 2 5.06 1 2 0 30 计算所需的加速功率 Wtt nGDPaaMMLa 44.910356 6000106.510356 333.2 其中： sMMnGDGDtLSMMLMMa 01.0)(36 5 )( 22 计算稳定运行力矩 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 mNnmVMMLML 51002.4%99600014.32 30200025.02 试初选用小惯量直流伺服电机其主要参数为 型号 转矩mN310转速 min)/(r 功率 )(W电压 )(V最大电流 )(A 总长 )(mm重量 )(kg 45SZ55 39.2 6000 25 24 2.0/0.45 112.7 0.53 3选用另一种方法验证： 负载功率 WsmNVFFVpaL 8 8 5.17/5.077.35 设选用联轴器的传递效率为 99，则 LM PP %99 所需电机功率为 WPM 07.18 又 MLM WTP 电机转速 sr adrnM /628m i n/60 600014.32602 电机转矩 mNPTMML 0 2 8 8.06 2 807.18又 mNTT LM 0288.0 所列参数如下 mNT M 3108.28 WPM 07.18 min/6000 rn M 综上，选择小惯量直流伺服电机其主要参数如下： 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 SZ系列电磁式直流伺服电机主要技术参数 型号 转矩mN310转速 min)/(r功率 )(W电压 )(V最大电流 )(A 总长 )(mm 重量 )(kg 45SZ55 39.2 6000 25 24 2.0/0.45 112.7 0.53 SZ系列电磁式直流伺服电动机，具有体积小，重量轻，伺服性能好，力学指标高等优点，广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件。（ P152） SZ系列电动机是数控机床和其它数控装置伺服系统的执行元件。具有体积小，重量轻，承受过载能力强，起动转矩大，反应快等优点。检测元件可采用脉冲编码器 或 测速发电机 。 同时，所选用的伺服电机应满足以下条件： 2MLGD 23 MGD 电动机额定输出功率)21(0 PP a6 8 8.92 4 8.044.90 PP a 满足条件，试选电机合适。 根据已知条件，电机所受的载荷较小，故 X、 Y的支承连接部分可选用薄膜联轴器。（薄膜联轴器详见机械设计手册第一卷） 薄膜联轴器是利用中间接头与两组圆形膜片联接，膜孔与拨盘联结，拨盘与主、从动端轴联结的圆形膜片联轴器，结构简单，主要用于传递运动，具有补偿两轴相对偏移的性能，有较高的扭转刚度，适用小功率的控制系统和精密机械传动机构。 ML型薄膜联轴器机构见下图： 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 ML型薄膜联轴器的基本参数及主要尺寸（ SJ 2127-82）： 型 号 ML-20-03 基本参数 转矩 cmgTn . 200 孔径 mm/ 3H7 外径 mm/ 20 厚度 mm/ 0.15 长度 mm/ 21 2.2.4 Y向滚珠丝杠的选择 因为 X 向滚珠丝杠在 Y 向丝杠之下，而且丝杠受到的力主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力，故所选的丝杠以 X 向丝杠为计算机基准。 上拖板、激光聚焦 镜、直线导轨轴和激光头等的总重量设为 kg20 。 工件台滚动导轨摩擦系数取为 0.06，丝杠两端为固定支承（ F-F），每个轴承座安装一个滚针和推力滚子组合轴承。定位精度为 mm400/01.0 ，工作台最大行程为 mm270 移动最大速度为 smm/500 ，丝杠寿命 h15000 ，工作可靠性为 %96 。 伺服电机的选择 ： 可用的参数：工作台重量为 kgM 20 ；工作台移动速度smmV /500m ax ；摩擦系数 0025.0 ；联轴器效率 %99 ；进给丝杠常为 mmL 650 ；进给丝杠直径为 mmD 25 ；丝杠导程为 mmP 5 。 以下计算同上。 计算结果接近，所以， X 向和 Y 向选用相同的丝杠、轴承、轴承座等一 系列的零部件。 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 2.3 可升降工作台的实际和计算 2.3.1 Z 向滚珠丝杠及步进电机的选择 可升降工作台由步进电机经精密滚珠丝杠驱动，用精密直线滚珠导轨导向，从而能在高度方向上作快速、精密的直线往复运动。由于快速成形系统的可升降工作台和所要制作的工作比较重，因此，在它们的可升降工作台中设有重量平衡装置，以便降低伺服电机的驱动功率，并使工作台运动平稳。 估算平台和工件重量： 平台上的纸材的体积 391 03.010300270370 mV 纸材的密度 331 /103.1 mkg 最大成形件的重量约为 kgVm 40111 工作升降平台的材质为硬铝，密度较小， 332 /108.2 mkg ，体积约为 32 0 0 6 8 2 0 2.00 0 3 4 9 9 2.00 0 1 9 4 4.00 0 1 3 7 7.0 mV ，质量约为kgm 202 ，再加上其它附件，工作台的总质量约为 M kgM 70102040 工作台后侧有导轨，采用滑动摩擦，摩擦系数为 06.0 ；丝杠两端为固定支承，定位精度为 mm300/01.0 1丝杠载荷 （ 1）导轨摩擦力 NF N 为紧力（导轨反力） 4321 FFFFN 由简化的力学模型可得 NNFNNN75.8 8 6)9 3 7 25 4 0 7(06.01 0 9 7 63 6 08.9704521（ 2）滚珠丝杠副的轴向载荷计算 对于采用燕尾形导轨的机床 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 滚珠丝杠副的轴向载荷为aF（导轨上的摩擦系数）验系数考虑颠覆力矩影响的实 2.0),(4.1)(KGFFKFF ZYXaNFFFFFFFFFZYX315 3 7 65 4 0 7c o s2200312121048.123)318.970(2.00Za FNF 设 81.1 0 1 506.1 2 975.8 8 6 aFFF 总2丝杠导程 工作台最大速度设为 m i n/6 0 0 0m i n/6601.0/1 0 0m a x mmmsmmV 由于是精密传动，每次且传动的间距较小为 mm5.005.0 之间，故取丝杠的导轨为 mm5 ，则 丝杠最大转速 m in/12 00560 00m a x rn 3初选滚珠丝杠 （ 1） 计算动负荷 anhaj FfK KC 要求使用寿命为 h15000 寿命系数 1.3)5 0 01 5 0 0 0()5 0 0( 3131 hhLK 转速系数 30.0)1 2 0 0 3.33()3.33( 3131 nK n充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 由表查得，选用两端固定（ F-F），使用于高速、高精度、高刚度。 f 影响滚珠丝杠副寿命得综合系数 Wkaht f fffff 由表查得： 温度系数 1tf(工作温度小于 100 ) 硬度系数 1hf精度系数 1af（选择 3 级精度） 负荷性质系数 1wf（无冲击平稳运转） 可靠性系数 53.0kf（可靠度取 96） 综合系数 53.01 53.0111 fNFFa 81.1015 总 kNCaj 8.1953.03.0 81.1 0 1 51.3 以上是在低速（行程非常短，可以认为是静态的移动）和定工作负荷得情况下，滚珠丝杠副得选用。 （ 2） 初选滚珠丝杠副得型号 由表查得，需用 FFZD 型内循环浮动返向器双螺母垫片预紧滚珠丝杠，型号为 2505FFZD 。 额定静载荷 kNCa 27 kNCaj 93.2预紧力为 NCFa 2 7 5 01125.025.0 aF符合要求 4丝杠螺纹部分长度 mmmmmmmmmml u47046680863004086300 ）两端余量（）螺母长度（）工作台最大行程（充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 5支承距离 l 支承跨距 l 应大于ul，取其为 mml 540 6临界转速校核、丝杠选择、轴 承选择等同激光系统中的选择相同。 2 2229900Cc Ldfn （ 1） 丝杠底径 2d （ 2） 支承方式系数 2f 由表查得， 730.42 f （两端固定） （ 3） 临界转速计算长度 mL C 42.04182 47054040300286 7压杆稳定校核 两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。 8伺服电机选择（ 方案一 ） 可用底参数：工作台重量为 kg70 ； 工作台移动速度 smmV /100m ax ； 摩擦系数 0025.0 ； 联轴器效率 %99 ； 进给丝杠长为 mmL 540 ； 进给丝杠直径为 mmD 25 ； 丝杠导程 mmP 5 ； （ 1） 计算丝杠转速 m i n/12005 601.010001000 m a x rP Vn L （ 2） 折算到电动机上的转动惯量： 充 值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 充值下载文档就送全套 CAD 图纸 扣扣加 414951605 设电动机额定转 速 min/1200 rnM ，传动比为 1i ，则 工作台的 2GD ： 24222 1 1077.1)1 2 0 014.3 6(70)( MNnVMGDMLL 进给丝杠的 2GD ： 2322 2 1045.454.08.90 0 0 8 4.0/0 0 0 8 4.0 MNLMMkgGD L 联轴器的 2GD