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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 宁 XX 大学 毕业设计(论文) 三坐标激光切割机设计 分 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年年 月月 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘要 自从 1960 年 T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器， 激光器的应用越来越广泛， 近年来随着激光技术的发展， 激光慢慢从军事领域延伸到了民用领域。 激光切割机就是 一种把激光的高热量以及高穿透性应用在切割技术的机器。 应用激光器进行切割的板材 切口光滑无毛刺且效率高。而随着近年来的机床技术的发展，三坐标技术越来越成熟， 三坐标激光切割机正是将三坐标机床技术与激光切割技术进行结合的产物， 它不仅综合 了激光的高穿透性等优点而且保证了板下料的精度。 怎样让这两种技术进行有机结合已 经成为现阶段激光切割技术的一道难题。 关键词：关键词： 切割技术，机构设计，激光切割机 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract Since 1960, T.H. maiman and others made the first ruby laser, laser application is more and more widely, in recent years, with the development of laser technology, laser slowly from extended to commercial applications in the military field. The laser cutting machine is a kind of high heat and high penetrability application of laser cutting technology of machines. Application of laser cutting plate incision smooth without burr and high efficiency. But with the development of machine tool technology in recent years, three-dimensional technology is increasingly mature, three-dimensional laser cutting machine is the three-dimensional machine tool technology and laser cutting technology is a product of the combination, it not only combines the advantages of laser of high penetrability and ensures the accuracy of plate blanking. How to make organic combination of the two technologies are a difficult problem has become the present stage laser cutting technology. Keywords: cutting technology, mechanism design, Laser cutting machine 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目 录 摘要.2 Abstract .3 目 录.4 第 1 章 绪论.6 1.1 三坐标激光切割机的研究目的及意义 6 1.1.1 三坐标激光切割机背景 6 1.1.2 三坐标激光切割机简介 6 1.1.3 激光切割原理 6 1.1.4 激光切割分类 7 1.1.3 意义 7 1.1.4 激光切割技术的优缺点 8 1.2 研究现状及发展趋势 8 1.2.1 国内外发展现状 9 1.3 本课题研究的内容及方法 9 1.3.1 主要的研究内容 9 1.3.2 设计要求 10 1.3.3 关键的技术问题 10 第 2 章 总体方案机构设计.10 2.1 设计概念 10 2.2 设计原理 10 2.3 方案讨论.11 第 3 章 X 结构及传动设计 .12 3.1 X 向滚珠丝杆副的选择 13 3.1.1 导程确定 13 3.1.2 确定丝杆的等效转速 13 3.1.3 估计工作台质量及负重 13 3.1.4 确定丝杆的等效负载 13 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷 14 3.1.6 精度的选择 15 3.1.7 选择滚珠丝杆型号 15 3.2 校核 15 3.2.1 临界压缩负荷验证. 16 3.2.2 临界转速验证 17 3.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 17 3.3 电机的选择 18 3.3.1 电机轴的转动惯量 18 3.3.2 电机扭矩计算 19 第 4 章 Y 向结构设计 .21 4.1 Y 轴滚动导轨副的计算、选择 21 4.2 滚珠丝杠计算、选择. 23 4.3 步进电机惯性负载的计算. 26 第 5 章 轴承的选择.28 5.1 X 轴轴承选择 28 5.2Y 轴轴承选择 . 29 5.3Z 轴轴承选择 . 30 第 6 章 伺服系统的选择.30 总结与展望.32 参考文献.33 致 谢.34 毕业设计（论文）知识产权声明.35 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 1 章 绪论 1.1 三坐标激光切割机的研究目的及意义 1.1.1 三坐标激光切割机背景 在日新月异的工业生产中，自动化生产已经成为不变的主题。不论是在机械 加工还是在装配过程，工业生产越来越注重效率。当然在板下料行业也不例外， 从最初的剪板机，到火焰切割机，到等离子切割机再到激光切割机，板下料机械 的效率越来越高，下料成型的切口也越来越光滑，同时对板材的利用率也越来越 高。 三坐标激光切割机在板下料中的成功应用可以说是将板下料工艺推向了一个 新的高潮。 1.1.2 三坐标激光切割机简介 三坐标激光切割机的是将三坐标技术与激光切割技术有机结合的产物， 综合 了三坐标的高定位精度以及激光切割技术的高效率。其结构包括切割头、横梁、 立柱以及工作台。可对各类钢材如碳钢、不锈钢以及薄板材料进行下料，下料效 率高且不容易出现热变形。 1.1.3 激光切割原理 在激光束能量作用下（氧助切割机制下，还要加上喷氧气与到达燃点的金属 发生放热反应放出的热量） ，材料表面被迅速加热到几千乃至上万度（）而熔 化或气化， 随着气化物逸出和熔融物体被辅助高压气体 （氧气或氮气等惰性气体） 吹走， 切缝便产生了 1。 脉冲激光适用于金属材料, 连续激光适用于非金属材料, 后者是激光切割技术的重要应用领域。与计算机控制的自动设备结合,激光束具 有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改方便通过预先在计算机内设计, 进行众多 复杂零件整张板排料,可实现多零件同时切割, 节省材料 2。 激光切割主要是 CO2激光切割, 激光切割是用聚焦镜将 CO2激光束聚焦在材料 表面使材料熔化, 同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料, 并使 CO2 激光束与材料沿一定轨迹作相对运动, 从而形成一定形状的切缝 3。 激光切割设备除具有一般机床所需有的支承构件、 运动部件以及相应的运动控 制装置外，主要还应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三 部分组成的。其它有多腔吸尘系统、外光束传输件、冷却器、和计算机编程硬件 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 和软件等辅助系统组成 4 1.1.4 激光切割分类 激光气化切割 利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达 到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸汽。这些蒸汽的喷出速度很大，在蒸汽喷 出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需 要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如 纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。 激光熔化切割 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴 喷吹非氧化性气体（Ar、He、N 等） ，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形 成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的 1/10。 激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、 铝及其合金等。 激光氧气切割（氧化熔化切割） 激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等 活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应， 放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中 形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需 要的能量只是熔化切割的 1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。 激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。 激光划片与控制断裂 激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描， 使材料受热 蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽裂开。激光划片用 的激光器一般为 Q 开关激光器和 CO2激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生 的陡峭的温度分布，引起该区域大的热梯度,在脆性材料中产生局部热应力，导 致严重的机械变形,使材料沿小槽断开而形成裂缝。 1.1.3 意义 激光切割技术与三坐标技术在板下料领域的应用有效的解决了火焰切割技 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 术造成的下料热变形，使板下料排料时更加紧凑，同时，由于激光的热量较为集 中也提高了板下料的下料速度。 三坐标激光切割机的成功应用不仅体现在提高工作效率上， 激光技术的成功 应用使得板下料的环境更加清洁同时更加节能。 1.1.4 激光切割技术的优缺点 激光切割技术的优点 （1） 切割质量好。切口宽度窄（一般为0.1-0.5mm）、精度高（一般孔中 心距误差0.1-0.4mm，轮廓尺寸误差0.1-0.5mm）、切口表面粗糙度好（一般Ra 为12.5-25 m），切缝一般不需要再加工即可焊接。 （2）切割速度快。例如采用2KW 激光功率，8mm 厚的碳钢切割速度为 1.6m/min；2mm 厚的不锈钢切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。 （3）清洁、安全、无污染。大大改善了操作人员的工作环境。当然就精度 和切口表面粗糙度而言，CO2激光切割不可能超过电加工；就切割厚度而言难以 达到火焰和等离子切割的水平。但是就以上显著的优点足以证明：CO2激光切割 已经和正在取代一部分传统的切割工艺方法，特别是各种非金属材料的切割。它 是发展迅速，应用日益广泛的一种先进加工方法。 （4）非接触式切割。激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。 加工不同形状的零件，不需要更换“刀具” ，只需改变激光器的输出参数。激光 切割过程噪声低，振动小，无污染。 （5）切割材料的种类多。与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料 的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维 等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现 出不同的激光切割适应性 5。 激光切割技术的缺点 光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度 的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费 用高，一次性投资大。 1.2 研究现状及发展趋势 激光切割机的切割速度快，精度和切割质量好等特点。在国家指定的长期发 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 展规划时，又是将激光切割列入了关键支撑技术。因其涉及国家安全、国防建设 及高新技术的产业化和科技前沿的发展，所以要对激光切割有很高的重视程度， 这就将激光切割机的制造和升级带来很大的商机。 随着用户对激光切割技术特点 的逐步了解和采用的示范性地深入， 这就带动了国内企业开发、 生产激光切割机。 1.2.1 国内外发展现状 我国激光制造技术的应用研究水平和应用规模，与发达国家相比，差距很大。 在产业方面，一些中、高档激光产品及其材料、元器件仍然停留在开发阶段，或 尚未形成规模，高档、高智能、高自动化的激光产品比较缺乏。不少激光加工应 用在我国仍是空白或刚起步，如激光微加工、特种材料加工、激光纳米加工以及 飞秒激光加工等。国内工业激光企业的力量从技术、性能、资金、规模等比较弱 小；企业的核心技术竞争力不足， “产品结构”趋同，以及缺少一些重大创新有 自主知识产权的产品，是目前国内激光产业存在着的一个较为严重的问题。中国 加入 WTO 后，进口激光产品的价格降低，使国产激光产品的市场份额、价格和利 润受到严重威胁。由于海外公司的纷纷涌人，人才竞争局面更趋激烈 9。在激光 加工应用推广方面也有不少困难，例如，我国制造业中的很大一部份是组装业， 以国内现有的工业基础很难对一些国外引进组装机械中传统工艺进行改造更新、 采用诸如激光加工之类的新工艺。激光加工是一门 2l 世纪发展极快的新制造技 术， 必将为我国传统工业的技术改造，新兴工业领域以及制造业的现代化提供先 进的技术装备。面对日益增长的巨大的激光加工应用市场和国际竞争新格局，中 国的激光加工技术急需有一个大的突破， 激光加工技术产业化急需有一个大的发 展。这种状况给国内从事激光、激光加工技术设备研发、生产的企业带来极好机 遇和挑战 10。 1.3 本课题研究的内容及方法 1.3.1 主要的研究内容 在查阅了国内外大量的有关激光切割机设计理论及相关知识的资料和文献 基础上，综合考虑激光切割机结构特点、具体作业任务特点以及激光切割机的推 广应用，分析确定使用三龙门式激光切割机配合生产工序，实现自动化下料的目 的。 为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1 根据现场作业的环境要求和三坐标激光切割机的结构特点， 确定激光切割机 整体设计方案。 2 确定激光切割机的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选 择电机。 3 从所要功能的实现出发，完成激光切割机各零部件的结构设计； 4 完成主要零部件强度与刚度校核。 1.3.2 设计要求 1 根据所要实现的功能，提出激光切割机的整体设计方案； 2 完成激光切割机结构的详细设计； 3 通过相关设计计算，完成电机选型； 4 完成激光切割机结构的三维造型；绘制激光切割机结构总装配图、主要零件 图。 1.3.3 关键的技术问题 1 方案选择 2 整体的支撑架设计（龙门结构及悬臂结构的选择） 3 机构设计 4 强度校核 第 2 章 总体方案机构设计 2.1 设计概念 整体的支撑架采用龙门结构在工程中我们常用的整体支撑架结构有龙 门结构和悬臂梁。所谓的悬臂梁就是梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的 固定支座，另一端为自由端（可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力） 。而龙门 结构通俗地说就是一根横梁连接两个支腿与地面紧固组成的像一个门框一样的 结构。因为他是双支撑结构区别于单支撑和悬臂结构，所以结构特别简单。 2.2 设计原理 激光切割机的设计应满足一下几个条件首先就是必须保证工件定位的可靠 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 性， 为了使工件、切割头保持准确的相对位置，必须根据要求的定位精度，去 选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具 的重量，还要受到本身的重量，还受到激光头在运动过程中产生的惯性力和振动 的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形， 所以对于受力较 大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件，为满 足这些要求， 可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使 用范围。 X 轴采用丝杠加导轨形式：横向电动机联轴器横向滚珠丝杠（导轨）-横滑 板 Y 轴采用采用电动机联轴器滚珠丝杠（导轨）溜板： Z 轴采用电动机联轴器纵向滚珠丝杠大托板。 2.3 方案讨论 悬臂梁在工程力学受力分析中，比较典型的简化模型。在实际工程分析中， 大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。 龙门结构制作方便， 承受负载大， 结构稳定，工程上广泛应用。考虑到上述问题该课题的整体结构采用龙门结构。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 3 章 X 结构及传动设计 表表 3 3- -1 1 滚珠丝杆副支承滚珠丝杆副支承 支承 方式 简图 特点 一 端 固 定 一 端 自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速 都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装 方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用 于短丝杆。 一 端 固 定 一 端 游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂， 工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同， 压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝 杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆 较长，转速较高的场合，在受力较大时还得 增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用 更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 两 端 固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固 定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不 存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要 高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重 的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较 困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要 求较高的场合。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.1 X 向滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转 运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时 带动滚珠滚动。 设 X 向最大行程为 2000mm,最快进给速度为 18m/min,主轴箱大概质量为 80kg,工作台大概质量为 400kg,移动部件大概质量为 200kg，工作台尺寸为 2000mm1300mm。 3.1.1 导程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 Y 系列异步电动机 的最高转速cmkgfMrn.2 . 2min,/1500 maxmax 最大转矩，则丝杠的导程为 maxmax /30000/150020 H PVnmm 取 Ph=20mm 3.1.2 确定丝杆的等效转速 基本公式 min)/(/rPVn h 最大进给速度是丝杆的转速 maxmax/ 30000/201500( /min) h nVPr 最小进给速度是丝杆的转速 minmin/ 1/200.05( /min) h nVPr 丝杆的等效转速 min)/)(/()( 212min1max rtttntnnm 式中取 21 2tt 故 min)/(03.1000)/()( 212min1max rtttntnnm 3.1.3 估计工作台质量及负重 主轴箱重量 11 80 9.8784Gm gN 工作台重量 22 400 9.83920Gm gN 移动部件重量 33 200 9.81960Gm gN 3.1.4 确定丝杆的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用 进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 0.03，K 为颠 覆力矩影响系数，一般取 1.11.5，本课题中取 1.3，则丝杆所受的力为 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 NGFGGGGGFFGfKFF Zx 2155 2 2 -) 2 2 (03. 03 . 1 2 2 -) 2 2 ( 3y13323ymax ）（）（）（ 0 min F 其等效载荷按下式计算（式中取 21 tt ， 12 2nn） N tntn tnFtnF Fm1494)( 3 1 2211 22 3 min11 3 max 3.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷 3 1 6 mh kaht wm 10 60 ) nT ( ffff fF Car fw-负载性质系数， （查表：取 fw=1.2） ft-温度系数（查表：取 ft=1） fh-硬度系数（查表：取 fh =1） fa-精度系数（查表：取 fa =1） fk-可靠性系数（ （查表：取 fk =1） Fm-等效负载 nz-等效转速 Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 Car=17300N 表表 3 3- -1 1- -1 1 各类机械预期工作时间各类机械预期工作时间 LhLh 表表 3 3- -1 1- -2 2 精度系数精度系数 fafa 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 表表 3 3- -1 1- -3 3 可靠性系数可靠性系数 fkfk 表表 3 3- -1 1- -4 4 负载性质系数负载性质系数 f fw w 3.1.6 精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数 中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm行程变动量 300 V 应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验 算中确定。 ， 选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 13 级 （1 级精度最高） ， Z 轴为 2 5 级， 考虑到本设计的定位精度要求及其经济性， 选择 X 轴 Y 轴精度等级为 3 级， Z 轴为 4 级。 3.1.7 选择滚珠丝杆型号 计算得出计算得出 Ca=Car=17.3KN, 则 Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN 公称直径 Ph=20mm 则选择 FFZD 型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型 号为 FFZD50103。 公称直径 d0=50mm 丝杆外径 d1=49.5mm 钢球直径 dw=7.144mm 丝 杆底径 d2=34.3mm 圈数=3 圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度 kc=973N/ m 3.2 校核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率， 其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 KO 有丝杆本身的拉压刚度 KS，丝杆副内滚道的接触刚度 KC，轴承的接触刚度 Ka， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 螺母座的刚度 Kn，按不同支撑组合方式计算而定。 3.2.1 临界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临 界压缩负荷按下列计算： NFK L EIf Fcr max 2 0 2 1 1 式中 E-材料的弹性模量 E钢=2.1X10 11（N/m2） LO-最大受压长度（m） K1-安全系数，取 K1=1.3 Fmax-最大轴向工作负荷（N） f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1 I=丝杆最小截面惯性距（m 4） 4 4 2 )2 . 1_( 6464 wo dddI 式中 do-是丝杆公称直径（mm） dw-滚珠直径（mm） ， 丝杆螺纹不封闭长度 Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撑距离 LO应该大于丝杆螺纹部分长度 Lu，选取 LO=620mm 代入上式计算得出 Fca=5.8X10 8N 可见 FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.2.2 临界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速 cr n，要求丝 杠的最高转速： 2 2 2 30 K PA EI L f n C Z cr 式中：A-丝杆最小截面：A= 24-6-2 2 2 m10*9.210*3 .34 4 14. 3 4 d 2 d-丝杠内径，单位mm； P-材料密度 p=7.85*10 3(Kg/m) c L-临界转速计算长度，单位为mm，本设计中该值为 c L=148/2+300+(620-488)/2=440mm 2 K-安全系数，可取 2 K=0.8 fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取 18.9 经过计算，得出 cr n = 6.3*104 min/r ，该值大于丝杠临界转速，所以满足要 求。 3.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式 LAEK LAEK s s / / max min 式中 A丝杠最小横截面， 22 2( ) 4 Admm ； 螺母座刚度 KH=1000N/ m。 当导轨运动到两极位置时， 有最大和最小拉压刚度， 其中， L植分别为 750mm 和 100mm。 经计算得： min /1/12/1/1 sCHe KKKK 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 srad m W e B / k 式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/ m)； KH螺母座的刚度(N/ m)；KH=1000 N/ m Kc丝杠副内滚道的接触刚度(N/ m)； KS丝杠本身的拉压刚度(N/ m)； KB轴承的接触刚度(N/ m)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。 3.3 电机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行 元件。 每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲 数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精 度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步 进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率， 再者还要考虑 转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 3.3.1 电机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 328 md 42 Ld JR 上式中：d直径,丝杆外径 d=49.5mm L长度=2m P钢的密度=7800 2 kg/m 经计算得 2 m0.002kg R J b、X 向直线运动件向丝杆折算的惯量 2 2 P MJL 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 上式中：M质量 X 向直线运动件 M=280kg P丝杆螺距（m）P=0.001m 经计算得 2-8 10*4.09mkgJL c、联轴器的转动惯量 查表得 2 0004kg/. 0mJW 因此 28 - m0.0028kg0004. 010*09. 4002. 0 WLR JJJJ 3.3.2 电机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 a t Jn T 60 2 max max 上式中： min/1500 max rn J=0.0028kg/m 2 ta加速时间 S K 3 ta KS系统增量，取 15s -1,则 ta=0.2s 经计算得mNT2 . 2 max b、折算至电机轴上的摩擦力矩 I P FT 2 0f 上式中： F0导轨摩擦力， F0=Mf， 而f=摩擦系数为0.02， F0=Mgf=32N P丝杆螺距（m）P=0.001m 传动效率， =0.90 I传动比，I=1 经计算得mNTf75 . 0 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 i2 )-1( 2 00 0 PP T 上式中 P0滚珠丝杆预加载荷1500N 0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 0.9 经计算的 T0=0.05NM 则快速空载启动时所需的最大扭矩 mNTTTT f 82. 2 0max 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066，其额 定转矩为 6.7N m。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 4 章 Y 向结构设计 4.1 Y 轴滚动导轨副的计算、选择 根据给定的工作载荷 Fz和估算的 Wx和 Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P， 式 中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一 般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动） 。根据计算结果查有关资料初选 导轨： 因系统受中等冲击,因此取4.0 sL f , , 0.5() OSLX Y X YZX Y Cf P PFW xZX YZY OXSLX OYSLY P =0.5(F +W )=0.5(2000+671.58)=1335.79N P =0.5(F +W )=0.5(2000+655.2)=1327.6N C=f P =4 1335.79=5343.16N C=f P =4 1327.6=5310.4N 根据计算额定静载荷初选导轨: 选择汉江机床厂 HJG-D 系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25 基本参数如下: 额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑 座 重 量 导 轨 重 量 导轨长度 动载荷 a C 静载荷 o C A T B T C T g K / g Km L (mm) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 1500 滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数 M S l n 4 0.6 4 导轨的额定动载荷17500 a C N 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 a C (kN)验算导轨的 工作寿命 Ln： 额定行程长度寿命: () HTCa W ff fC SfF TK 2000 4 500 M F M F 1,2,0.81,1, 50 o TWCH R d ffff K 33 1 1 0.81 17500 2500 ()50()142409.58 HTCa W ff fC SfF TKkm 导 轨的额定工作时间寿命: 3 10 2 S o T Hl n T 3 3 10 2 142409.58 10 49447715000 2 0.6 4 60 S o T Hl n ThTh 导轨的工作寿命足够. 导轨的静安全系数： 0 4.2 1.16 3.6 SL C f P SL f ：静安全系数； 0 C ：基本静额定负载；P：工作载荷 导轨寿命计算： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3 ()50748 ht wc ff C LKmKm fP 4.2 滚珠丝杠计算、选择 初选丝杠材质：CrWMn 钢，HRC5860，导程：l0=5mm 强度计算 丝杠轴向力： )( ,maxyxzyx WFfKFF (N) 其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数 f=0.0030005；在车床车削外圆时： Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz 计算。 取 f=0.004, 400 Z F 则: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 max max X F0.50.5 20001000 0.60.6 20001200 1.15 10000.004(2000671.58)1045.686 1.15 12000.004(2000655.2)1252.621 Z YZ X Y FN FFN FN FN 寿命值： 6 10 60nT L ，其中丝杠转速 0 max l v n (r/min) max 0 6 15000 2000 400 /min 5 60 400 15000 360 10 Th v nr l L 最大动载荷：FffLQ WH 3 式中：fW为载荷系数， 中等冲击时为 1.21.5；fH为硬度系数， HRC58 时为 1.0。 查表得中等冲击时1.2,1 WH ff则: 3 3 360 1.2 1 1045.6867079.58 360 1.2 1 1252.621 10686.54 X Y QN QN 根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选 择滚珠丝杠的型号为: CM 系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。 其基本参数如下: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 其额定动载荷为 14205N y Q足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式 采用双螺母螺纹预紧形式. 滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径 0 d 40mm 螺距t 15mm 接触角 0 45 钢球直径 b d 4.175mm 螺纹滚道法向半径R 0.52 b Rd 1.651mm 偏心距e (2)sin b eRd 0.04489mm 螺纹升角 0 t arctg d 0 4 33 螺杆外径d 0 (0.2 0.25) b ddd 39.365mm 螺杆内径 1 d 10 22ddeR 36.788mm 螺杆接触直径 2 d 20 cos b ddd 17.755mm 螺母螺纹外径D 0 22DdeR 23.212mm 螺母内径（外循环） 1 D 10 (0.2 0.255) b Ddd 20.7mm （1） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为： )( tg tg 式中： =10，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。 0 0 4 33 () (4 3310 ) 0.96 gg g g tt t t （2） 稳定性验算 丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （3） 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： ES Fl l 0 1 (cm) Y 向所受牵引力大,故用 Y 向参数计算 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 6 0 62 222 1.651 2 6 1251.82 0.5 1 20.6 102.14 1252.621 0.5 20.6 10 (/) 3.14()2.14 6.12 10 Y FN lcm EN CM SRCM LCM 丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差 为 0 64 100100 10.5 6.12 1012.24 1012.24 l Lum E 级精度丝杠允许的螺距误差 =15 m/m。 4.3 步进电机惯性负载的计算 根据等效转动惯量的计算公式，有： （1）等效转动惯量的计算 折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为： 22 1 0123 2 () ()() 180 p q b z JJJJJM z 式中： q J为折算到电机轴上的惯性负载； 0 J为步进电机轴的转动惯量； 1 J为齿 轮的转动惯量； 2 J为齿轮的转动惯量； 3 J为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算： 34 0.78 10JDL 式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。 所以有： 3422 1 3422 2 3422 3 0.78 102.42.56.47 10. 0.78 105.03.0146.25 10. 0.78 102.03037.44 10. Jkg cm Jkg cm Jkg cm 电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有： 22222 240.01 6.47 10() (146.2537.44) 10200()0.7793. 3.14 50 1.5 180 d Jkg cm 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.2.6 步进电机的选用 (）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所 做的功与负载力所做的功有如下的关系： TPs 式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取 b ，则 p ，且() sz PPGP。所以： 36() 2 psz b PGP T 式中： s P为移动部件负载（N） ，G 为移动部件质量（N） ， z P为与重力方向一致 的作用在移动部件上的负载力（N） ，为导轨摩擦系数， b 为步进电机的步距 角（rad）,T 为电机轴负载力矩（N.cm） 。 取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数） ，.8， s P= H P =279.23。 考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有： 36 0.011251.82 0.03 (2000 1800) 2 3.14 1.5 0.8 65.25 .Tncm 考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩： 0.3 0.5 Q T T 取系数为.，则： 65.25 163.12 . 0.4 q Tncm 对于工作方式为三相拍的步进电机： max 163.12 0.8660.866 188.36 . q T j Tncm (） 步进电机的最高工作频率 max max 1000 1667 6060 0.01 p v f 为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率 max f,同时电机最大静转 矩要足够大,查表选择两个 90BF001 型三相反应式步进电机. 电机有关参数如下: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 型号 主要技术参数 相数 步距 角 电压 (V) 相电 流 (A) 最 大 静 转矩 max j T (n.m) 空载启 动频率 空载 运行 频率 分配方式 90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4 相 8 拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 转子转动惯量 Kg.m 外直径 长度 轴直径 90 145 9 4.5 1764 第 5 章 轴承的选择 5.1 X 轴轴承选择 滚珠丝杠选择安装方法： 一端固定一端浮动。 因此， 选择一对角接触球轴承。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 机器类型为数控机床，预计寿命为1200020000h， 轴承的基本额定动载荷： 6 60 10 h nL CP () pra PfXFYF P为载荷， =3； h L 是预期寿命； p f 为载荷系数；X,Y为常数； 66 22 9.55 102 9.55 100.1 95.5 20 1000 te mm TP FN dd n tancos95.5 tan20cos1633.4 rete FFN tansin95.5 tan20sin169.58 aete FFN 选择轴承：71003 C=41.2KN 5.2Y 轴轴承选择 滚珠丝杠选择安装方法：双支点一边固定一边浮动。因此，选择一对角接触 球轴承。机器类型为数控机床，预计寿命为1200020000h， 轴承的基本额定动载荷： 6 60 10 h nL CP () pra PfXFYF P为载荷， =3； h L 是预期寿命； p f 为载荷系数；X,Y为常数； 66 22 8.23 102 8.23 100.1 82.3 20 1000 te mm TP FN dd n 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 tancos82.3 tan20cos1628.7 rete FFN tansin82.3 tan20sin168.6 aete FFN 选择轴承：70803 C=30.2KN 5.3