机械毕业设计（论文）-三轴数控平面水射流切割机床设计（全套图纸三维） .pdf

西华大学毕业设计说明书 目 录 摘要 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 abstract iii 1 前言 iv 1.1 设计的目的、意义 iv 1.2 设计的任务和内容 . v 1.3 毕业设计认识 v 2 总体方案设计 vi 2.1 增压系统的设计步骤与设计要求 . vi 2.2 增压系统 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3 电机的选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4 传动设计 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.5 增压系统设计及计算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.6 液压元件的选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.7 管路的设计 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3 增压系统性能的验算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1 增压系统压力损失 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2 增压系统的发热升温计算 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4 超高压力下的密封 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5 增压系统安装、调试与维护 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 西华大学毕业设计说明书 5.1 增压系统的安装要求 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 增压系统的调试 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 xxxvii 总结与体会 . xxxviii 致 谢 词 . xxxix 附图 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 西华大学毕业设计说明书 摘要摘要 高速水射流特种加工是利用具有很高动能的高速水射流束来冲蚀材料，从而 实现材料切削。水射流特种加工以无与伦比的适应性、多样性和环保性去扩充火 焰、激光、等离子体、电火花（线切割）或传统机械加工所达不到的能力，对于 现代机械加工具有重要的现实意义。 本次毕业设计利用超高压水射流技术，配合机床设计原则，设计了水射流 （water jet，wj）切割机床，它利用超高压泵将普通介质水增压至280mpa 420mpa，然后通过一个大约 0.05 0.3mm的喷嘴（nozzle）以2-3倍音速(约 1000m/s)喷出，从而形成高能水束即高速水射流。水射流可以用于一般材料 的切割, 如塑料、纤维、皮料、食品和木材等。为了增强水射流的切割能力,一般 在水中添加固体粒子, 即磨料(abrasive), 从而形成所谓磨料射流(abrasive water jet，awj)。本次设计的主要内容就是对awj机床进行结构设计，完成三维建模。 【关键词】【关键词】超高压、awj 机床、水射流切割 全套图纸，三维加153893706 西华大学毕业设计说明书 西华大学毕业设计说明书 abstract high speed water jet special machining cuts materials by the beam of water with very high dynamic energy, because of its adaptation, versatility, and environmentally friendly, water jet cutting complemented and expanded the capability of flame, laser, plasma, edm/wire edm and other conventional tools. the water jet has great realistic significance to modern processing machinery. the graduation design using high pressure water jet technology, with machine design principle, design the water jet (water jet cutting machine, wj), it uses ultrahigh pressure pump will ordinary medium water 280mpa 420mpa turbocharged to, and then through a about 0.05 0.3 mm nozzle (nozzle) 3-2 at mach (approximately 1000m/s) jet, thus forming high-energy water beam - namely, high-speed water jet. water jet cutting can be used in materials such as plastic, fiber, leather, food and wood, etc. in order to enhance water jet cutting ability, general in water add solid particles, namely abrasive (abrasive) to form so-called abrasive water jet (abrasive jet, awj). awj machine tool is the design of the main content. 【 key words 】extra high pressure, awj machine tools, water jet cutting 西华大学毕业设计说明书 1 前言前言 1.1 设计的目的、意义设计的目的、意义 高等院校的毕业设计教学过程是实现本科培养目标要求的重要培养阶段，毕 业设计是大学期间，学生毕业前的最后学习阶段，是学习深化与升华的重要过程， 是学生学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与工程实践能力培养 效果的全面检验，是学生毕业及学位资格认证的重要依据，是衡量高等学校教育 质量和办学效益的重要评价内容。 本科教育当前的培养目标是培养德、智、体全面发展的，适应社会主义建设 需要的，具有大学本科水平的高级应用型人才。接此目标造就人才的业务规格应 该是，具有较宽厚的基础理论知识和基本的专业知识，有较强的适应能力和解决 问题的能力，能较快胜任生产第一线的技术服务工作。毕业设计是完成培养目标、 造就合格人才的一个重要的实践性的教学环节。其教学目的是，培养学生综合运 用所学的知识和技能，独立解决工程技术问题的能力；进行工程技术人员所必须 具备的基本能力的初步训练，使学生毕业后能较快地胜任工程技术工作。具体来 讲，让学生通过实践学习解决工程技术问题时如何综合运用基础理论和专业知识， 培养综合应用知识的能力；学习怎样查阅、运用技术资料学习怎样在技术工作中 贯彻 有关方针、政策；学习本专业工程设计的一般程序和方法；明确什么是正的 设计思想，树立实事求是，严肃认真的科学工作态度。归纳起来有以下几点： 一、培养学生理论联系实际的能力。使学生能综合运用在校期间所获得的理 论知识，融会贯通去解决工程技术问题。 二、使学生学会解决工程实际问题的基本方法。培养学生收集资料、利用资 料、使用规范、制订设计方案和编写技术文件等方面的能力。 三、培养学生尊重科学、勇于创新、实事求是和高度负责的精神，树立辩证 唯物论的观点。 为达到毕业设计的目的，应坚持生产与教学以教学为主，理论与实践以实践为 主，教师与学生以学生为主的原则，让学生发挥主观能动性，积极主动完成毕业设 西华大学毕业设计说明书 计， 充分发挥学生的创造力， 顺利圆满完成设计任务。 做到思想上重视， 严密组织， 严格要求，全面考核，保证质量。 1.2 设计的任务和内容设计的任务和内容 要求：要求：本题目设计一种三轴数控水射流切割机床，利用 pmac 运动控制卡控制平台各轴运动。 主要参数： 1、 定位精度：0.01mm 2、 工作台面净尺寸 1.2x1.2 m 3、 驱动速度 01000m/min 4、 射流最高切割压力：300mpa 5、 水喷嘴直径：0.28mm 6、 系统流量：02l/min 7、 控制系统采用工业计算机 本设计结合科研课题，主要培养学生进行调查研究，收集和分析文献资料，进行工程设计计 算、工程制图、计算机辅助机械设计、技术文件编写的能力。要求学生综合运用所学知识， 独立分析和解决问题，完成设计任务。 任务：任务：本次毕业设计应完成以下工作量： 1. 毕业实习，撰写毕业实习报告； 2. 文献检索，收集、查阅文献资料 10 篇以上，记录、分析整理资料。撰写毕业设计开 题报告； 3. 了解三轴水射流切割机床的功能，掌握数控机床的设计方法及步骤； 4. 三轴水射流切割机床总体布置和运动控制方案； 5. 三轴水射流切割机床设计计算及驱动计算； 6. 熟练应用 solidworks 对三轴水射流切割机床进行三维结构设计； 7. 应用 solidworks 对水射流切割机床主要零部件进行三维结构设计； 8. 三轴水射流切割机床主要零部件和装配体工程图（全部图纸折合为零号图纸不少于 三张） ； 9. 毕业设计说明书一份； 10. 制作 15 分钟左右的毕业答辩多媒体课件。 1.3 毕业设计认识毕业设计认识 作为高等工科院校教学计划的重要组成部分，毕业设计教学过程是对我们大 学生进行科学教育，强化创新意识和工程意识，进行工程基本训练和提高工程实 践能力的重要培养阶段；是对我们进行综合素质教育，培养严肃认真的科学态度、 优良的思维品质和严谨求实的工作作风的重要途径。 通过毕业设计教学过程，培养学生树立正确的设计思想和现代设计方法，使 我们能够综合运用多学科的理论、知识与技能，解决具有一定复杂程度的工程实 际问题，并培养勇于实践、勇于探索和开拓创新的精神。同时通过毕业设计教学 过程，贯彻理论与实践相结合、教育与科研和生产相结合以及教育与国民经济建 西华大学毕业设计说明书 设相结合的三个结合，实现毕业设计的教学、教育功能和社会功能。另外毕业设 计还是衡量高等学校教育质量和办学能力的综合体现。 同时毕业设计也是对我们即将出身社会的大学生的一个考验，能为以后工作 打下一定基础，让我们提前适应以后的生活工作环境，对我们来说是很好的一个 锻炼。既能提高我们处事的能力，同时也能让我们从整体上把握大学所学的知识。 2 总体方案设计总体方案设计 2.1 awj 机床结构设计步骤与设计要求机床结构设计步骤与设计要求 2.1.1 设计步骤设计步骤 awj机床的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。一般 来说，在明确设计要求之后，我是大致按如下步骤进行: 1）确定机床的结构形式和布置特点； 2）按照设计任务书要求，确定外观主要尺寸； 3）制定基本方案，绘制简单的机床结构原理图； 4）利用 solidworks 三维软件进行机床工作台的建模； 5）选取合理的传动形式，并计算各个具体尺寸； 6）进行机床底座和机床手臂的三维建模； 7）完成所有的装配工作和干涉检查； 8）生成总工程图和绘制部分零件的工程图； 9）编辑书写说明书。 2.1.2 基本方案制定基本方案制定 1、awj 机床的工作原理及特点 高速水射流切割机床是采用超高压水射流技术（超高压增压泵站）将水流压 力提升到 200mpa 以上，然后通过一个大约 0.05 0.3mm 的喷嘴（nozzle）以 2-3 倍音速(约 1000m/s)喷出，从而形成高能水束即高速水射流。可切割并穿透各 种厚度和材质的板材，特别是克服了热态切割所产生的材料相变、化学变化、物 理变化等，由于切割加工面不会产生明显热量，所以又被称为“冷态切割”工艺。 同时为了增强水射流的切割能力,一般在水中添加固体粒子, 即磨料(abrasive), 从而形成所谓磨料射流(abrasive water jet，awj)。本项目处于国内领先水平。 其特点主要表现如下： 西华大学毕业设计说明书 1) 广泛的适用性：从凝胶体到高硬度或高弹性材料和特殊结构材料，任何材料 都能切割，有“万能切割机”之誉。 2) 更高的精确性：能精确切割任何形状的平面图形。 3) 冷态加工无热效应或机械变形：避免了材料可能发生的物理、化学变化，切 口无须再处理。 4) 最小的浪费：清水切割时，切缝只有 0.3mm 左右，切割面光滑，粗糙度可达 3.2。 5) 方便的组合：可轻松实现与微机控制的工作台或机械手结合，形成数控加工 系统，满足特殊的或复杂的平面加工要求。 6) 良好的环保：加工过程不产生任何污染。 2、水射流技术的应用 水射流技术不光在水射流切割机床上得到充分的利用，在其他行业也表现出 巨大的优势。 水射流技术在切割方面的应用：水切割应用于造纸业、橡胶业，而加砂水刀 则可应用于石材业、陶瓷业、航空航天业、汽车制造业、金属加工业。尤其值得 一提的汽车制造业，随着近几年中国汽车业的迅猛发展，国内外各大汽车生产厂 商产值的扩大，车型的不断更新，生产周期的缩短，对配套的汽车内饰件（如汽 车地毯、仪表板、顶蓬等）厂家来说，早期手工加工汽车内饰件的切边及打孔的 方法、由于效率低下、产品精度差、劳动强度大，显然已不能满足当前汽车业发 展的需求。此时，与机器人相结合的的水射流设备脱颖而出。高压水管以螺旋形 绕在机器人手臂上，利用机器人手臂和手腕可使水切割头的喷嘴快速沿直线或弧 线运行，达到 3 维加工内饰件的目的。 水射流技术在工业清洗方面的应用：水射流技术可应用于汽车业喷漆房清洗、 石化业热交换器内外管清洗、飞机跑道的橡胶清洗、工业上除锈防蚀工程表面处 理、航天工业引擎零件清洗、核能发电厂清除辐射污染等。近几年，国外已有公 司通过超高压技术，将其应用于食品杀毒达到食品保鲜的目的，并成功打入食品 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。 水射流切割与激光、等离子、线切割等传统的切割相比，具有如下优势： 切割品质优异：水射流是一种冷加工方式，“水刀”不磨损且半径很小，能 加工具有锐边轮廓的小圆弧。加工本身无热量产生且加工力小，加工表面不会出 现热影响区，自然切口处材料的组织结构不发生变化，几乎不存在机械应力与应 变，切割缝隙（纯水切口约为 0.1mm 至 1,1mm，砂水混流切口约为 0.8mm 至 1.8mm。 随着砂刀的直径扩口，其切口也就越大）及切割斜边都很小（大部分所看到好的 切割品单侧斜边为 0.076mm 至 0.102mm 之间），无需二次加工，无裂缝、无毛边、 无浮渣，因此切割品质优良。 西华大学毕业设计说明书 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、橡胶、纸张及复合材料，皆可适 用。 节约成本：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。 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，符合环保要求。 水射流技术应用在机床上的各种优势普通数控机床都无法比以，水射流切割 机床也势必是以后数控机床的发展方向。 2.1.3 awj 机床结构设计要求机床结构设计要求 1、保证机床的结构刚度 机床刚度是机床的基本技术性能之一，它反映了机床结构抵抗变形的能力。 机床在加工过程中，承受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、 驱动力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形。这些变形都会直接或间 接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置， 从而影响机床的加工精度 2、保证机床结构的抗振性 数控机床在高速切削时，容易产生振动，轻则在被加工工件的表面留下振纹， 影响工件的表面加工质量，重则会使得切削无法进行。机床加工时可能产生两种 形式的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性是指抵抗这两种振动的能力。 3、减小机床的热变形 数控机床工作时，电动机、轴承、液压系统等热源散发的热量，通过传导、 对流、辐射传递给机床的各个部件。由于热源分布不均，散热性能不同，从而产 生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变形，以致影响刀具与工件的正确相对位置， 影响了加工精度。 4、改善运动导轨副的摩擦特性 数控机床的导轨作为机床进给系统的重要环节，希望其高速进给时不发生振 动，低速进给时不出现爬行，灵敏度高，耐磨性好，可在重载下长期连续工作， 精度保持性好等，这些都与导轨副的摩擦特性有关。 西华大学毕业设计说明书 2.2 awj 机床中的丝杆螺母副机床中的丝杆螺母副 2.2.1 awj机床中的滚珠丝杆螺母副的选用机床中的滚珠丝杆螺母副的选用 滚珠丝杠螺母副的传动效率高达 8598，是普通滑动丝杠的 24 倍摩擦 损失小，寿命长；它的动、静摩擦系数之差很小，有利于防止爬行和提高系统灵 敏度、定位精度；丝杠螺母预紧后，可以完全消除间隙，有助于提高定位精度和 刚度；滚珠丝杠螺母副的摩擦角小于 1，因此不能自锁，既能将旋转运动转换为 直线运动，也能将直线运动转换为旋转运动，可满足一些特殊要求的传动场合， 但当用于立式升降运动时，则必须有制动装置；滚珠丝杠由专门生产厂制造，可 直接订购，使用方便。因此，滚珠丝杠螺母副是目前中、小型数控机床使用最为 广泛的传动型式。 滚珠丝杠螺母副的结构原理 滚珠丝杠螺母副的工作原理与普通滑动丝杠螺母副基本相同， 都是利用螺旋面 的升角使螺旋运动转变为直线运动，不同的是普通滑动丝杠螺母副中螺母与丝杠 之间为滑动摩擦，而在滚珠丝杠螺母副中，丝杠和螺母都有半圆弧形的螺旋槽， 它们套装在一起形成圆弧截面的螺旋滚道，滚道内装满钢珠，从而使丝杠和螺母 运动面之间变成滚动摩擦，如图 1 所示。 西华大学毕业设计说明书 图 1 滚珠丝杆螺母副的结构 为了构成封闭的螺旋滚道，螺母上有滚珠的回路管道，将数圈螺旋滚道的两端 连接起来，当丝杠转动时，滚珠在滚道内即自转又沿滚道循环转动，从而螺母（或 丝杠）轴向移动。 根据回珠方式不同，滚珠丝杠螺母副的结构可分为内循环和外循环两种。内循 环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环又分为不同的形式， 常见的两种就是圆柱凸键反向器和扁圆镶块反向器，如图 2 所示为圆柱凸键反向 器方式的滚珠丝杠螺母副基本结构。 图 2 内循环方式的滚珠丝杆螺母副结构 在螺母的侧面孔内装有能连通相邻滚道的回珠器 4，当钢珠从 a 点走到 b 点、 c 点、d 点后，回珠器 4 引导钢珠越过丝杠的螺母顶部回到相邻滚道的 a 点，形 成一个循环回路，称为一列。一般在一个螺母上装有 24 个回珠器，并沿螺母圆 周均匀分布。内循环方式的优点是结构紧凑，返回滚道短，不易发生滚珠堵塞， 西华大学毕业设计说明书 摩擦损失小，效率高。缺点是结构较复杂，制造精度要求高。 外循环方式的滚珠在循环返回时，将离开丝杠螺纹滚道。内循环也有不同的形 式，常见的有三种：端盖式、插管式、螺旋槽式。现列举一个螺旋槽式的，其结 构如图 3 所示： 图 3 螺旋槽式滚珠丝杆螺母副 在螺母体上轴向相隔若干导程处加工两个与螺旋滚道相切的孔， 将弯管 5 的两 端插入孔中，形成滚珠返回通道，引导钢珠构成循环回路。外循环方式的优点是 结构简单，制造容易。缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚动的平稳性， 甚至发生卡珠，噪声也较大。如图 4 图 4 外循环滚珠丝杆螺母副 综合比较内外循环的优缺点，内循环：径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，故 摩擦损失小。适用于高灵敏、高精度传动、不宜用于重载传动。其缺点是反向器加工困难。 外循环：外循环结构和制造工艺简单，使用较广泛。其缺点是滚道接缝处很难做 的平滑，影响滚珠滚动的平稳性，甚至发生卡珠现象，噪声也较大。各种丝杆螺 母副结构类型代号如下表 3- 1 所示。 西华大学毕业设计说明书 各精度等级及其应用范围如下表 3- 2 所示。 由于本次设计是水射流切割，负载不的很大故采用内循环滚珠丝杆螺母来进 行传动。 2.2.2 awj机床中的滚珠丝杆螺母副的支撑形式机床中的滚珠丝杆螺母副的支撑形式 滚珠丝杠螺母副的支承形式与传动系统的结构、刚度密切相关。合理选择 丝杠两端的支承形式、加大螺母座的接触面积、保证安装部位加工精度等都是提 高传动系统刚度的重要措施。滚珠丝杠常见到支承形式有以下三种，如图 5 所示。 西华大学毕业设计说明书 图 10a）所示 为 一 端 固 定、一端自由的支承方式。这种安装方式仅在一端装可以承受双向轴向载荷与径 向载荷的轴承，并进行预紧；另一端完全自由，不作支撑。这种支承形式结构简 单，但承载能力较小，刚度较低，且随着螺母位置的变化刚度变化较大。通常适 用于短丝杠或竖直安装的丝杠。 图 10b）所示为一端固定、一端简支的支承方式。这种安装方式在一端装可以 承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针推力圆柱滚子轴承， 另一端装向心球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。与图 10a）方式相比，提高了临 界转速和抗弯强度，可以防止丝杠高速旋转时的弯曲变形，其他方面与图 10a）方 式相似，但可以适用于丝杠长度、行程较长的情况。 图 10c）所示为两端固定的支承方式。这种安装方式是在滚珠丝杠的两端都装 承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或滚针推力圆柱滚子轴承， 并进行轴向预紧，有助于提高传动刚度。这种结构方式可实现丝杠的预拉伸安装， 以补偿丝杠热变形对导程的影响，但设计时要注意提高轴承的承载能力和支承刚 度。通常用于长丝杠、高转速、要求高精度、高刚度的场合。 综合比较三种支撑，结合自己设计的机床的特点和需要，确定选定一端固定、 一端简支的支承方式，即第二种支撑方式。 2.2.3 滚珠丝杆的预拉伸滚珠丝杆的预拉伸 滚珠丝杠工作时要发热，其热膨胀将使导程加大，影响定位精度。为补偿 图5 滚珠丝杠支承形式 西华大学毕业设计说明书 热膨胀，可将丝杠预拉伸，预拉伸量应略大于热膨胀量，发热后热膨胀量抵消部 分预拉伸量，使丝杠的拉应力下降，长度却没有变化。需预拉伸的丝杠在制造时， 应使其目标行程(在常温下螺纹部分的长度)等于公称行程(螺纹部分的理论长度， 等于公称导程乘以丝杠上螺纹圈数)减去预拉伸量。拉伸后恢复公称行程值，减去 的量称为“行程补偿值” 。根据预拉伸量和丝杠的尺寸，用拉伸公式可计算出预拉 力的大小。 例如有一丝杠，螺纹部分长 l1=1100mm，跨距（两端轴承间的距离）l=1300mm， 工作时丝杠温度预计比床身温度高t=3， 。 热膨胀量l 为 tll= 11 式中，1为线膨胀系数，钢的11110 6 所以 mmtll036 . 0 311001011 6 11 = 预拉伸量应略大于l。若选螺纹部分预拉伸量为 0.06mm，则温度升 3后还 有 0.024mm 的剩余拉伸量。预拉伸力有所下降，但并未完全消失，螺纹部分长度 不变，故补偿了热膨胀。在向丝杠厂订货时，应说明行程补偿值为 c=-0.06mm。装 配时应按跨距拉伸，拉伸量为 cll1=(0.0613001100)mm=0.071mm 2.3 awj 机床中的直线导轨机床中的直线导轨 2.3.1 导轨的作用和分类导轨的作用和分类 导轨质量对机床刚度、加工精度和使用寿命具有很大的影响，作为机床进给 系统的重要环节，数控机床的导轨比普通机床的导轨要求更高。希望其高速进给 时不发生振动，低速进给时不出现爬行，灵敏度高，耐磨性好，可在重载下长期 连续工作，精度保持性好等。这些都与导轨副的摩擦特性有关，现代数控机床采 用的导轨主要有塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。 塑料滑动导轨 塑料滑动导轨具有摩擦因数低，且动、静摩擦因数差值小；减振性好，具有 良好的阻尼性；耐磨性好，有自润滑作用；结构简单、维修方便、成本低等特点。 数控机床采用的塑料滑动导轨有铸铁- 塑料滑动导轨和镶钢- 塑料滑动导轨。 塑料滑 动导轨常用在导轨副的运动导轨上，与之相配的金属导轨采用铸铁或钢质材料。 塑料滑动导轨分为注塑导轨和贴塑导轨，导轨上的塑料常用环氧树脂耐磨涂料和 聚四氟乙烯导轨软带。 滚动导轨 滚动导轨的特点是：摩擦因数小，摩擦因数一般在 0.00250.005 的范围内， 动、静摩擦因数基本相同，启动阻力小，不易产生冲击，低速运动稳定性好；定 位精度高，运动平稳，微量移动准确；磨损小，精度保持性好，寿命长；抗振性 西华大学毕业设计说明书 差，对防护的要求较高，结构复杂，制造较困难，成本较高。现代数控机床常采 用的滚动导轨有滚动导轨块和直线滚动导轨两种。 静压导轨 静压导轨的导轨面之间处于纯液体摩擦状态，不产生磨损，精度保持性好， 摩擦因数低（一般为 0.0050.001） ，低速时不易产生爬行，承载能力大；刚性好， 承载油膜有良好的吸振作用，抗振性好；结构复杂，需配置一套专门的供油系统， 制造成本较高。静压导轨分为开式和闭式两种。 2.3.2 直线导轨的截面形状和不同特点直线导轨的截面形状和不同特点 常用的直线运动滑动导轨的截面形状有矩形、三角形、燕尾形及圆形截面。 其结构见图6 西华大学毕业设计说明书 图6 各个不同截面形状的直线导轨 三角形导轨。它的导向性和精度保持性都高，当导轨面有了磨损时会自动下 沉补偿损量。但是，由于超定位，加工、检验和维修都比较困难，而且当量摩擦 系数也高。因此，多用于精度要求较高的机床，例如丝杆车床、单柱坐标镗床等。 矩形导轨。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角形导轨低，承载能力高， 加工、检验、和维修都方便，而被广泛地采用。特别是数控机床。 燕尾形导轨。它的高度较小，可以承受颠覆力矩，是闭式导轨中接触面最少 的一种结构。间隙调整方便。 根据支承导轨的凹凸状态，又可分为凸形和凹形两类导轨。凸形需要有良好 的润滑条件，凹形容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用于具有良好防 护的环境 各种导轨的主要特点和应用如下表3-3所示 表3-3 各导轨的特点和应用 西华大学毕业设计说明书 2.3.3 直线导轨的选择直线导轨的选择 导轨的选择原则： 要求导轨有较大的刚度和承载能力时，用矩形导轨，中小型机床导轨采 用v形和矩形组合，而重型机床采用双矩形导轨。 要求导向精度高的机床采用三角形导轨，三角形导轨工作面同时起承载 和导向作用，磨损后能自动补偿间隙，导向精度高。 要求结构紧凑、高度小及调整方便的机床，用燕尾形导轨。 综合考虑各种导轨的特点、应用，结合自身设计的高速水射流机床的特点和需要， 最终确定选择滑动导轨中的动压导轨。至于导轨截面，选择燕尾形直线导轨。其 结构和尺寸如下图7所示。 图7 燕尾形导轨的尺寸选择表 西华大学毕业设计说明书 西华大学毕业设计说明书 2.4 步进电机的选用步进电机的选用 2.4.1 电机的选择步骤电机的选择步骤 选择电机首先要考虑电动机的主要性能（启动、过载、及调速等）、额定功率大 小、额定转速及结构形式等方面要求满足生产机械的要求。在以上前提下优先选 用结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理的电动机。总之电机的选择步骤简 单的可以表示如下图8所示。 西华大学毕业设计说明书 图8 电机的选择步骤框图 2.4.2 电机类型的选择电机类型的选择 1、三相异步电动机的铭牌 （1）型号 例如 y112m4 y异步电动机 112中心高度（毫米） m机座类别（l 长机座、m 中机座、s 短机座） 4磁极数 西华大学毕业设计说明书 （2）额定功率 pn 指电动机在额定运行状态下运行时电动机轴上输出 的机械功率，瓦或千瓦。 （3）额定电压 un1 指电动机在额定运行状态下运行时定子绕组所加的 线电压，单位为 v 或 kv。 （4）额定电流 in1 指电动机加额定电压、输出额定功率时，流入定子 绕组中的线电流，单位为 a。 （5）额定转速 nn 指电动机在额定运行状态下运行时转子的转速，单位 为 r/min. （6）额定频率 fn 规定工频为 50hz。 （7）额定功率因数 cosjn 指电动机在额定运行状态下运行时定子边的 功率因数。 （8）接法 指电动机定子三相绕组与交流电源的联接方法。 （9）防护等级 指电动机外壳防护的型式。 2、电机的型号、结构特征及用途 三相异步电机的型号、结构特征和用途如下表3-4所示。 表3-4 电机的选型参考表 从表中看出，不同型号的电机使用环境是不同的，结合我设计的机床所需的 电机，最终选择小型三相异步电动机（封闭式），型号y（ip44）。查手册y系列 （ip44） 防护型三相异步电动机技术数据如下表3-5所示。 表3-5 封闭式三相异步电动机的技术数据 西华大学毕业设计说明书 西华大学毕业设计说明书 电动机的选择参考上表，最终选择y802-4. 西华大学毕业设计说明书 2.5 轴承的选用轴承的选用 2.5.1 轴承的初选轴承的初选 轴承的总类在大体上分为六种，深沟球轴承、调心球轴承、圆柱滚子轴承、 角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承。各自的特点是： 1、深沟球轴承。一般由内圈、外圈、保持架和一组钢球组成，是使用最为 简单、广泛、和价格较低的一种轴承。 2、调心球轴承。一般有两列钢球，外圈的内滚道表面为内球面、在内圈轴 线与外圈轴线有较大的倾斜时仍能正常工作。 3、圆柱滚子轴承.。与深沟球轴承相比，用圆柱滚子代替钢球，用母线滚道 代替球沟。 4、角接触球轴承。角接触球轴承又称为向心推力轴承，在正常工作时钢球 与内圈、外圈沟道接触点的法线方向与轴线的垂直平面有一个夹角，通常称为接 触角，这种轴承的结构有分离型（接触角为 15）和不可分离型（接触角为 15、 25、40三种） ，它们的游隙是在安装时调定的。 5、圆锥滚子轴承。为分离型结构，其内圈、外圈和滚动体都成锥形结构， 若各锥面母线延长将交于轴心线的一点，可以承受很大的径向、轴向的联合载荷， 轴承承受载荷的能力取决于轴承内部的接触角，即外圈滚道角度，接触角越大承 载能力也越大，在承受径向载荷时会产生附加轴向力，在轴承计算时应加以考虑。 应注意，由于轴承的轴向游隙过小会使轴承温升较高，偏大则轴承易损坏，因而 安装时的调整应仔细，必要时可采用预过盈安装提高支承刚度。 6、推力轴承。推力球轴承由带有求形沟道的套圈和全套滚动体的保持架组 成，其中一个套圈安装在轴上，称为轴圈，另一个安装在外壳孔内，称为活圈或 座圈，座圈比轴圈内径大 0.21.0 毫米，单向推力轴承带有一套滚动体，双向推力 球轴承由两面带球沟的中紧圈、两只各带一套滚动体的保持架和活圈组成，座圈 比轴圈内径大 530 毫米，可以承受双向轴向力，应注意，在运转中，由于惯性力 作用钢球与滚道间产生滑动，会使轴承温升较高、轴承过早损坏，为防止出现这 种现象，因而安装时必须加以最小的轴向力保证钢球与两球面沟接触；双列推力 球轴承在交变的轴向载荷下常有一列钢球处于无载荷状态，这时不但要加以最小 的轴向力保证钢球与两球面沟接触，还要仔细调整其轴向游隙，否则无载荷状态 下钢球会因径向窜动而滑动，产生很大磨损，影响旋转。 由于本次选用的轴承并无其他特殊要求，故选用常用的深沟球轴承。 2.5.2 深沟球轴承的选择计算深沟球轴承的选择计算 根据深沟球轴承的各种特性，采用科学的计算方式可计算出它的使用寿命。 1、载荷及转速特性：主要承受径向载荷，但也用于承受径向和轴向的联合载荷， 其中轴向载荷不应超过未被利用的径向载荷的 70%；在转速很高不宜采用推力轴 承时，本轴承可以承受双向纯轴向载荷；此时轴承所承受的轴向载荷一般不应超 过 0.250.5c。 西华大学毕业设计说明书 2、轴向限位能力与对轴线歪斜的敏感性：深沟球轴承可以将轴（外壳）的两面轴 向移动限制在轴承的轴向游隙内，轴承的内圈（轴）相对于外圈（外壳）的相对 位置误差应加以控制，两轴线的相互倾斜角一般不宜超过 210双列深沟球轴 承的相互倾斜角一般不宜超过 2，在这个限度内轴承能正常工作。当轴承游隙增 大时，倾斜角也相应增大，并且具有角接触球轴承的特性，可承受较大的轴向载 荷，但轴承的倾斜角愈大，轴承使用寿命也随之有所缩短，并会出现较大的运行 噪音。 3、适用范围：与外型尺寸相同的其它类轴承相比，具有摩擦力最小、允许转速最 高的特点，适用于刚性的双支承轴 深沟球轴承的当量动载荷 p 和当量静载荷 p0： 当量动载荷：p=xfr+yfa （fa/fre） ； p=fr （fa/fre） 当量静载荷：p0=0.6fr+0.5fa （p0fr） ； p=fr （p0=fr） 又根据之前选的支撑方式，一端固定，一端简支。这种方式的支撑其特性如下表 3- 6 所示。 表 3- 6 固定- 游动支撑 轴承的选用计算按照下列步骤进行： 1）额定动负荷的确定 滚动轴承的寿命计算公式如下： 西华大学毕业设计说明书 公式中为计算轴承寿命的基本公式，每种轴承的额定动负荷 c 可由轴承样本尺寸 表格内查出。 在实际计算中，一般用工作小时数表示轴承的额定寿命比较方便，这时公式为 对于滚动轴承，通常是根据结构尺寸及负荷性质选定一个轴承，然后校验额 定动负荷是否满足要求。 西华大学毕业设计说明书 西华大学毕业设计说明书 许多机械工作中有振动和冲击，使轴承实际承受的负荷要比计算的负荷复杂。 但这种实际负荷又很难精确求出，一般根据工作情况对计算负荷乘以经验系数 ， 称为负荷系数。根据负荷性质，由表 10-5 查出。 一般轴承只能在 100 摄氏度以下使用，如需轴承在高温下工作，需轴承厂提 出特殊要求，采用高温轴承，轴承样本尺寸表格中所列的额定动负荷是指一般轴 承而言。如用于高温，轴承需降低系数 ， 称为温度系数，即： ct=ft * c 式中：ct为高温轴承额定动负荷； c为轴承样本尺寸表格中所列同一型号轴承的额定动负荷。 考虑负荷系数 和温度系数 ft 后额定动负荷为： 西华大学毕业设计说明书 2）当量动负荷的确定 向心轴承和向心推力轴承，常常同时承受径向负荷和轴向负荷，因此必须换 为当量动负荷进行计算。 当量动负荷的计算公式： 单列向心球轴承的轴向承载能力随其径向游隙增大而增大，对于正常游隙， 系数 x 和 y 的值可按表 10-7 来选取。 注：e 是与轴承实际接触角有关的参数； c。是轴承的额定静载荷； i 是轴承中滚动体的列数。 向心推力轴承的当量动负荷计算： 向心推力球轴承和圆锥滚子轴承，在承受径向负荷时，要产生内部轴向力趋 使轴承套圈互相分离，因此，为了保证轴承正常工作，此类轴承通常是成对使用， 在计算当量动负荷时，必须将其内部轴向力考虑进去，内部轴向力与内部轴承径 向动负荷和接触角有关，近似计算公式如下： 西华大学毕业设计说明书 西华大学毕业设计说明书 2.6 awj 机床的组成机床的组成 2.6.1 机床的局部结构机床的局部结构 awj 机床和普通机床类似，但也有不同的地方。主要结构有： 1）工作台，包括水缸、工作台面、挡水板以及其他部件，其结构如下图 9 所示： 图 9 机床工作台的结构 2）机床底座，这部分主要是起支撑机床的作用。包括导轨和丝杆螺母副，主要负 责机床的 x 轴方向的移动；步进电机，主要是给 x 轴方向的移动提供动力；电机 座、轴承座，主要支撑和定位丝杆，内装有轴承；一个外框，它主要是起保护丝 杆及导轨的作用，同时也能起到支撑上方的防尘盖的作用；两端防尘盖，分别安 装在丝杆螺母副的两边，主要的作用还是就防止灰尘进入。其抓哟结构如图 10 所 示： 注意：图中的防尘盖被隐藏了，所以看起来就好像没有，目的是方便看内部结构。 西华大学毕业设计说明书 图 10 机床底座的结构 3）机床手臂，这部分包括了机床的 y 轴和 z 轴两个方向上的所有零部件，是机床 的主要部分，也是建模比较复杂的部分，下面分不同部分介绍： 平衡体，它主要起的作用就是平衡机床两个方向上的不同重量，使机床能够更平 稳的工作。其上方还有一个吊环，基本结构如下图 11 所示： 图 11 机床重量平衡体 机床主臂，这部分包括和 x 轴方向连接的部分以及 y 轴方向的各个零部件，和 x 轴方向的情况相似，y 轴方向的移动同样有丝杆螺母、导轨、防尘盖、保护框、电 机座、轴承座等，另外就是 z 轴方向的结构。其主要结构如下图 12 所示： 西华大学毕业设计说明书 图 12 机床手臂的基本结构 刀架部分，这部分其实在机床手臂中都已经有所表达，但是很多结构还不是很清 楚，故在次特别给与表示。这部分主要分为三部分：沙路部分、y 轴和 z 轴连接部 分、z 轴的运动部分。 沙路部分主要就是沙箱、电机、沙子输送通道等一系列零件， 连接部分主要就有螺母连接体、导轨连接体、以及固定板等等零件，z 轴方向的运 动部分大部分零件还是和 x 轴和 y 轴方向欲动的零件一样，只是尺寸不一样，唯 一的区别就是 z 轴方向没有防尘盖了，而是选择了一些壳体将其围起来，但目的 还是一样都是为了防止灰尘、杂质等的进入。大致的结构表示如下图 13 所示： 西华大学毕业设计说明书 图 13 刀架部分基本结构 2.6.1 机床的整体结构和布局机床的整体结构和布局 通过前面对机床主要部分的选择和计算，同时考虑机床本身的大小和特点， 最终确定机床的整体布局和结构如图 14 所示。 图 14 awj 机床的结构和布局 西华大学毕业设计说明书 参考图 14 所示的 awj 机床的外部结构和特点，通过 solidworks 三维建模软 件对其进行建模，最终完成 awj 机床的总体装配如下图 15 所示. 图 15 awj 机床的总装配体 西华大学毕业设计说明书 3 awj 机床的使用机床的使用 西华大学毕业设计说明书 参考文献参考文献 1机械设计手册联合编写组;机械设计手册（上）.北京：化学工业出版社，1985 2机械设计手册联合编写组;机械设计手册（下）.北京：化学工业出版社，1985 3刘朝儒等主编;机械制图，第五版. 高等教育出版社，