金刚石线锯切割机设计说明书.doc

毕业设计 (论文 ) 题 目： 金刚石线锯切割机设计 学生姓名 学 号 专业班级 分院（系） 指导教师（职称） 2013 年 4 月 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 中文摘要 金刚石线锯切割机设计 【摘要】 本文对金刚石线锯切割 机 进行了深入的研究。在理论上探讨了单晶硅各异性材料特性对电镀金刚石线锯切割硅晶片过程影响。分析了锯丝沿不同的晶面、晶向锯切对晶片的影响规律，并推荐了首选的锯丝切入方向。研究发现，在确定的工艺参数下，当锯丝切入方向使锯切两边材料的弹性模量分布关于锯丝切 入方向呈对称性时，可有效地提高晶片面形质量。锯丝切入方向与被锯切晶面内的易开裂方向一致时，可有减少晶片表面破碎。 本课题主要对 切割机导轨平台、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构设计。 通过搜集相关文献资料，了解本课题国内外研究动态，确定设计研究方案； 完成金刚石线锯切割机滚珠丝杠、螺母、步进电动机、螺母等相关零部件及装配图的设计 ；完成相关零部件设计说明书及其图纸。 【关键词】 金刚石 ； 线锯切割机 ； 导轨平台 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 英文摘要 II Design of Diamond Wire Cutting Machine 【 Abstract】 In this paper, diamond wire saw cutting machine has conducted in-depth research. In theory of monocrystalline silicon anisotropic material properties of electroplated diamond wire saw cutting silicon wafer process affect. Wire sawing along the crystal surface, crystal and recommend a preferred saw Siqie into the direction of the influence of sawing the wafer. The study found that, when the saw wire into the direction of the cutting material on both sides of the elastic modulus distribution symmetrical saw cut wire into the direction, which can effectively improve the quality of the wafer surface shape to determine the process parameters. The saw wire into the sawing crystal surface easy to crack the same direction, the direction, may have to reduce the wafer surface broken. The main subject of the cutter rail platform, work holding, reel and cutting thread tension adjusting device structure design. Through the collection of relevant literature, research trends about this topic, and to determine the design of research programs; completion of the diamond wire saw cutting machine ball screws, nuts, stepper motors, nuts and other related parts and assembly drawings of design; complete the relevant parts design specification and its drawings. 【 Key Words】 Diamond； Wire Saw Cutting Machine； Rail Platform浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 目录 III 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 1 1.3 金刚石线锯切割机的简介 . 4 2 金刚石线锯切割机的设计方案 . 5 2.1 有关首选参数 . 5 2.2 切割机特点 . 6 2.3 金刚石线锯切割机设计方案 . 6 2.3.1 原理分析和总体结构设计 . 7 2.3.2 传动系统和工作台的设计 . 7 2.3.3 张力调整装置设计 . 8 3 金刚石线锯切割机 传动设计 . 10 3.1 滚珠丝杆的选择与计算 . 10 3.1.1 滚珠丝杆的定义 . 10 3.1.2 滚珠丝 杆副间隙调整法 . 10 3.1.3 滚珠丝杆的循环方式 . 11 3.1.4 滚珠丝杆的计算 . 11 3.1.5 滚珠丝杆安装方式 . 14 3.2 步进电动机的选择 . 15 3.3 张紧轮设计 . 21 3.4 绕线轮的设计 . 25 3.5 二维夹具的设计 . 27 结 论 . 28 参考文献 . 29 致 谢 . 30 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 1 绪 论 1.1 概述 脆性材料，如单晶硅、多晶硅、宝石、玻璃、陶瓷等，具有优良、稳定的物理和化学性能耐磨损性、抗腐蚀性、电绝缘性等，在电子、光学及其它领域得到广泛应用，特别是单晶硅、多晶硅、陶瓷材料被广泛用于太阳能光伏产业、半导体、真空电镀等高精端产业中。伴随半导体、光伏材料技术的发展，需求量不断增加，切割加工量大幅增长，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工难度较大。锯切是硬脆材料机械加工的第一道工序，锯切加工成本约占加工总成本的 50以上，因此，切割工艺、工具及设备受到越来越广泛的 关注，并得到迅速发展 1。金刚石线锯切割机是近十几年来获得快速发展的一种硬脆材料切割设备，包括使用游离磨料和固结磨料两类。根据锯丝的运动方式和机床结构，也可分为往复式和单向线锯。金刚石线锯使用高硬度的金刚石作为磨料，其典型磨粒尺寸为数十个微米，同时具备线锯切割的特点，能够对硬脆材料进行精密、窄锯缝切割 ， 且可实现成形加工。随着在大尺寸半导体和光电池薄片切割中的应用和发展，金刚石线锯逐渐显现出一系列无可比拟的优点：加工表面损伤小、挠曲变形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅锭，省材料、效益高，产量大，效率 高等 2。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 用金刚石线锯切割脆性半导体材料的工艺最早由 Mesh 于 20 世纪 70 年代提出W.Ebner 进行了早期线锯加工实验 ,由一个主动轮鼓和一个从动滑轮组成往复式多线锯的往复式试验机床，金刚石锯的两端绕过滑轮分别固定在轮鼓径向的两端电机驱动轮鼓带动锯丝往复运动。 W.Ebner 用之进行切割，得到了小于 0.4mm 的切片厚度。 20世纪 80 年代，出现了可用于硅片切割的金刚石多线锯。 Anders J.R 使用日本 Yasunagar公司的 YQ 100 金刚石多线锯进行了硅切片实验，得到的切 缝宽度小于 0.16mm，表面损伤层深度小于 5um。 ITo、 Murata、 Tokura 和 Ishikawa 等人则对金刚石线锯的切害特性进行初步实验研究 3。 20 世纪 90 年代，尤其是近几年来，金刚石线锯得到了快速发展，对其研究也更为深入。 Li 等人提出锯丝施加在磨粒上的力带动磨粒沿切削表面滚动，同时压挤磨粒嵌入切削表面，从而形成剥落片屑和表面裂缝，形成宏观的切割作用。重点研究了磨粒嵌入工件时的应力分布和作用，发现磨粒对材料的最大剪切应力发生在微观切削表面之下，据此对磨料的选择进行优化。 Kao 等人指出在“滚动一嵌 入”模型中，磨粒的运动除滚动和嵌入外，还包括刮擦，三者共同形成切削作用。 Bhagirat 等人则在浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 这个模型中考虑了磨浆的作用并认为，在锯丝带动游离磨料切割硅锭的小区域内，锯丝与磨浆的运动构成了一个弹性流体动力学环境，用有限元方法分析锯丝与硅锭间的磨浆弹性流体动力学模型，得到磨浆薄膜厚度和压力分布关于走丝速度、磨浆粘度和切割条件的函数，还得出结论：磨浆薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流动产生了切削 4。 Sahoo 等人用有限元方法对薄片切割过程中锯丝的振动模型和热应力进行了分析，提出一个反馈控制算法，根据在 线测得的锯丝的张紧力、刚度、温度等参数对切割过程进行控制，最后提出了一种分析、改进锯切工艺的方法。 Wei 等人对单晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化铝）进行切割实验，建立了一个轴向运动的锯丝振动模型，通过振动仿真研究了锯丝张紧力、切片的池壁效应和磨浆阻尼对锯丝振动幅度的影响并认为，锯丝振动受走丝速度影响很小，研究中还第一次使用莫尔条纹干涉法对切片表面质量进行了高精度测量 5。 在得到广泛应用的游离磨料线切割加工中，金刚石磨浆的组成特性无疑对切割性能和质量有直接影响，同时也是加工成本和环境污染的主要决定因素。 Oishi 等人开发了一种适合切割大截面硅片时使用的水溶性冷却剂。 Costantini 和 Caster 使用沉积槽和筐式离心过滤机对被微细硅切屑所污染的磨浆进行了分离，取得了较好效果。Nishijima 等人对油基磨浆的净化和回收进行了研究并认为，锯丝中的铁质粘附于金刚石磨粒的表面从而降低其切削性能，提出用超导磁体分离器先进行被磁化磨粒的分离，再进行硅粉末的分离，实现磨浆的净化和回收重用 6。 国外线切割设备生产厂家主要有日本 TAKATORI 公司，不二越机械工业株式会社， NTC 公司以及瑞士的 M&B 公司， HCT 公司，从产 品技术角度划分，瑞士的两家公司生产的线切割机水平较高。尤其是 HCT 公司，该公 1984 年成立以来，专攻线切割机技术，如今已成为业界的技术带头人。 TAKATORI 公司产品主要有 MWS-48SD、 MWS-610、 MWS-610SD 三种，可用于 100mm200mm 之间半导体材料的切割。该公司其他一些线切割设备主要用于截面尺寸较小的磁性材料、光电材料的切割。以上三种线切割机产品都属于三轴 (导轮 )驱动形式， MWS-610SD 采用材料向下运动的切割方式。这两种线切割机线丝存线长度不超过 150KM。不二越机械工业株式会 社线切割机主要有 FSW-150 型。三轴 (导轮 )驱动形式，可切 150 150 方形材料（主要针对太阳能光电硅材料切割）存线长度不超过 150KM。 NTC 公司（日平外山公司）主要提供 300mm 晶圆片线切割机 MNM444B和 MWM454B 两种。三轴 (导轮 )驱动形式，存线长度达 400KM。瑞士 M&B 公司在原 DS260 线切割机基础上研制出 DS261、 DS262、 BS800 三种机型。其中 DS262 机型是专为太阳能级硅片切割设计的，该机型一次可切四根单晶棒料。其最大生产效率为一次自动切割过程中能切出圆片 4400 片。 BS800 机型是带锯切割方形材料的设备。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） M&B 公司线切割机主要用于 200mm 硅圆片和太阳能级硅片的切割加工，四轴导轮驱动形式，大大增强了工作台的承料面积。 HCT 公司生产的线切割机主要有E400SD、 E500SD、 E500ED-8、 E400E-12 四种，其中 E400SD、 E500SD 两种机型主要用于太阳能级硅片切割加工，最大加工到 150mm。 E500ED-8、 E400E-12 适用于半导体圆片加工生产， E500ED-8 为 200mm 设备， E400E-12 为 300mm 设备。 HCT 公司与 M&B线切割机设备主要以四轴导轮驱动形 式设计，这样可以增大工作台的面积，增大切割能力 7。 我国半导体切割技术起步较晚，目前国内处于领先水平的是四十五所自主研制开发的 DXQ601 型多线切割机，具有手动、自动功能模式。界面直接显示线速、张力、被切材料的切割位置和进给速度、砂浆流量。其操作简洁直观，热交换器控制砂浆温度，温度控制准确，保证切片精度。采用主轴电机变频控制方式，张力传感器和伺服电机闭环控制。 樊瑞新和卢焕明对比线锯切割硅片和内圆锯切割硅片的表面切割损伤和损伤层厚度并指出，线切割硅片表面粗糙度大，外表面损伤大，但损伤层的厚度要小于常规内 圆锯切割硅片，并讨论了影响线切割硅片表面损伤的原因。毕善斌等人研制了一台往复式金刚石线锯机床。孙建章等人设计了一台往复自旋式电镀金刚石线锯数控切割机，以气缸为驱动装置，步进电机控制锯丝旋转，在二维数控工作台上实现对非金属硬脆材料的切割及曲线加工。高伟对固结磨料的环形金刚石线锯的锯丝制造进行了研究，进行了花岗岩的切割实验，建立了锯切力的理论模型，研究了锯丝失效机理，用有限元模型分析了金刚石颗粒破碎和脱落原因。 国内最早从事太阳能多线切割机开发的是上海日进。上海日进引进日本技术，早在 2006 年就推出了第一台多线 切割样机，样机类似 NTC MWM442D。样机在日进内部切割试验结果良好，切除的硅片质量完全合格。但是在客户实际试用的时候，还是遇到了很多的问题，如成品率低、断线率高、设备的控制精度比国外进口设备要差。 湖南宇晶在 2006 年左右开始研制多线切割机，主要针对水晶切割市场。经过几年的实验和改进后，目前在国内也已经销售出了几十台多线切割机，取得了长足的进步。但是该公司还没有开发出适应太阳能硅片切割的多线切割机。 陕西汉江机床公司展出的 4620 型数控多线切割机。该机经过多年研制，突破并掌握关键技术而开发成功的大规格 高效、高精多线切割设备，最大工件 250mm，最大工件长度 820mm，最大存线量 800km。其解决了高精度排线导轮的多辊同步驱动技术，恒张力控制技术，高精度切割进给伺服控制系统，高精度排线导轮系统的制造及耐用度技术。 中国电子科技集团承担的国家重大科技项目 300mm 多线切割机研制成功，打破了国内生产线上运行的 12英寸多线切割机全部为进口设备的现状 ,该机将完成商业机浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 型的生产工艺验收。国产切割机无论从品种规格，或性能参数指标各方面，与国外机相比，已缩小了差距，并接近国外水平 8。 1.3 金刚石线锯切割机 的简介 金刚石 线锯切割机 ，又称金刚石砂线切割机床，金刚石 线锯切割机 床，金刚石线锯机，砂线切割机床，数控砂线机床，数控金刚石砂线机等。当加工的材料不导电而需要采用线切割的加工方式时，电火花线切割机床失去效果，为此数控金刚石砂线切割机床便开始显现其加工优势，该机床对导电和不导电材料只要硬度比砂线小均可加工。 目前， Diamond Wire Technology 部公司生产的金刚石线锯最大已能切割直径45Omm 的硅锭。 MEY-ERBURGER 公司生产的 DS262 型线锯能同时切割 4 根长520mm、截面为 153mmx153mm 或直径为 6mm 的硅棒，一次切 4400 片。 HCL 公司的 ESOOED 一 8 型线锯则可同时对 6 根长 500mm、直径 3mm 的硅棒进行切割，一次切出 6000 片。 对用电火花线切割机床难加工的石墨材料，采用金刚石砂线切割机床尤能显示其无比的优越性；金刚石线切割机床用于切割各种金属非金属复合材料、玻璃、岩石材料、宝石、单晶硅、碳化硅、多晶硅、耐火砖、陶瓷、环氧板、铁氧体等，特别适用于切割高价值易破碎裂的各种脆性不同硬度晶体。 金刚石线锯多采用多线往复式结构，为满足大截面切片和提高产量的需求，导轮间距、导轮槽数和锯丝长度不断 增大，提高了大尺寸硅锭的多件、多片同时切割能力。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 5 2 金刚石线锯切割机 的设计方案 本文研 究的毕业设计所做的课题为金刚石线锯切割机设计，要求设计金刚石线锯切割机整体结构和各个部件的选用 、 布局，改善其性能，从结构方面分析，对其机床结构进行设计。 金刚石线锯切割机的原理分析；金刚石线锯切割机床的总体结构设计； 传动系统和工作台的设计；张力调整装置设计 。 产品如图 1 所示： 图 1：金刚石线锯切割机产品图 2.1 有关首选参数 使用地点：金刚石线锯切割机 装置； 初步确定的 参数： 最大切割直径 ： 150mm 切割微线直径 ： 20-100m 切割微线速度 ： 0-3m/s X轴移动平台行程 ： 120mm Y轴移动平台行程 ： 100mm 气动张力调整： 0-0.6Mpa 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 2.2 切割机特点 金刚石线锯切割机对 金属及非金属贵重或超硬材料的精密切割。特别是对人工晶体，陶瓷以及半导体材料的精密切割。 （ 1） 台式小型化，最大切割直径 150 毫米； （ 2） X 轴移动平台由双直线导轨支撑，精密丝杠 /步进电机驱动， PLC 控制，进给速度可无级调整在 0.02 微米 100 毫米 /分之间，以 及切割数据管理 （ 3） Y 轴移动平台由双直线导轨支撑、精密丝杠 /步进电机驱动， PLC 控制，可精确控制切割厚度的调整。 Y 轴移动平台上装有二维旋转 (水平方向 360垂直方向15 )夹具，该夹具上安装了由电机驱动、无级调速的可旋转的卡料机械手，旋转速度在 0 36 转 /分之间，可实现金刚石线与料的点接触切割。这样，切割阻力不随切割深度变化而变化，使切割面形一致而实现被切材料的平整度、平行度能够达到切片的技术指标，并可替代粗磨工序。以切割白宝石（ 4 英寸）为例，面形平面度在 0.01毫米以下，效率比面接触切割可提高一 倍。旋转点接触切割，经查新目前世界上还尚未发现有此类产品，实属世界第一台。 （ 4） PLC 程序对切割进给速度、切割总长度、切割时间等进行数据调控管理； （ 5） 金刚石切割微线张紧采用双回路可调气压装置； （ 6） 金刚石切割微线缠绕系统采用精密丝杠推动的往复移动平台做往复运动，并由脉宽调制电路控制的直流电机做驱动，使得滚筒运转平稳、无爬行； （ 7） 机身采用连体铸造结构，确保各部件的装配精度； （ 8） 装有泵输送冷却液循环装置； （ 9） 金刚石切割微线可分段使用； （ 10） PLC 可编写程序设置 X、 Y 轴联动（即所要材料的切割厚度相同，并且连续切割，切割完毕后回到原点）。 2.3 金刚石线锯切割机设计 方案 研究的毕业设计所做的课题为金刚石线锯切割机设计，要求设计金刚石线锯切割机整体结构和各个部件的选用、布局，改善其性能，从结构方面分析，对其机床结构进行设计。对金刚石线锯切割机的原理分析；金刚石线锯切割机床的总体结构设计； 传动系统和工作台的设计；张力调整装置设计。机床需完成线锯的直线往复运动。工作台需可沿 X方向和 Y方向的移动。对切割机导轨平台、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构设计。实 现金刚线与工件精确点接触切割，使其具有工作平稳、噪声低、切割精度高等优点。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 2.3.1 原理分析和总体结构设计 把一根细长的钢丝绳缠绕在排线轮上，钢丝两头分别由放线机构与收线机构拉紧。在收放线机构与排线轮之间装有若干张力控制轮用以控制钢丝的刚度。排线轮高速正反向有节奏地旋转，实现钢丝往复运动。设备配有切割液喷洒系统，由压缩泵提供动力。切割液由表面活性剂、碳化硅磨料和油基添加剂配制而成。切割时，切割液喷洒到硅棒刀口和钢丝线上，切割进给机构均匀运动，把硅棒压向高速往复运动的钢丝，切出一组符合要求的高质量硅片。 金刚石线锯切割机的总体结构设计如图 2所示： 1 床身； 2 X,Y工作台； 3 导向轮； 4 金刚石切割微线； 5 绕线轮； 6 张紧轮； 7 滚筒；8 切削液 图 2： 金刚石线锯切割机的总体结构示意图 2.3.2 传动系统和工作台的设计 设计的切割机床的主传动系统采用步进电机驱动，步进电机带动金刚石线锯框架沿垂直燕尾形导轨上下滑动，工作台运动机构由固定在机床上的步进电机及滚珠丝杠和直线导轨组成，机床的传动系统：工件安装在工作台上，工作台沿纵、横 2 个坐标轴运动，可同时达到平面曲线的任意一点，实现切割运动轨迹的控制。 X， Y 坐标工作台用来装夹工件， X 轴和 Y 轴由控制箱发出进给信号，分别控制两个步进电机，进行预定的加工。其主要由滑块、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构几部分分组成，浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 如图 3 所示： 图 3： 金刚石切割机床传动图 2.3.3 张力调整装置设计 在加工过程中，线锯会因为热伸长和损耗等导致线锯张力下降。如果线锯张力不恒定，随着张力的减小或增大线锯的理论位置与实际切割时位置 (动态平衡位置 )的偏移量不恒定。从而造成加工尺寸误差、切割表面凸凹不平等。在没有恒张力机构辅助工作时，加工过程中线锯忽紧忽松，张力随时发生变化。因此，在 金刚石线切割加工中线锯的恒张力的控制对加工具有重要的意义。用于线切割机的自动张力调整装置，目前从原理上可分为两种：一种是靠弹簧的作用，以变力紧丝，该装置包括一组导轮和 个弹簧紧丝装置；另一种是由重力块作用，以恒力紧丝。该装置包括一组导轮和一个重力块。本设计研制了一种结构简单、灵敏可靠、体积小的张力凋整装置，如图4 所示。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 1 导向套； 2 定位架； 3 导轨盒； 4 弹簧； 5 导向压杆； 6 压轮； 7 辅助导向器； 8 位置调整机构； 9 下导向器 图 4： 自动张丝装置的结构图 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 3 金刚石线锯切割 机 传动设计 金刚石线锯切割机 是围绕着 金刚石线锯切割机 整体结构来进行系统设计的。主要的重点和难点 是 机床需完成线锯的直线往复运动 ， 工作台需可沿 X 方向和 Y 方向的移动 ， 对切割机 导轨平台 、工件夹具、缠绕筒及切割线张力调整装置的结构设计。 而且要 实现金刚线与工件精确点接触切割，使其具有工作平稳、噪声低、切割精度高等优点。 3.1 滚珠丝杆的选择与 计算 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化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。由于具有很小的摩擦 阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 3.1.1 滚珠丝杆的定义 滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点 。 3.1.2 滚珠丝杆副间隙调整法 滚珠丝杠副的轴向间隙是工作时滚珠与滚道面接触点的弹性变形引起的螺母位移量，它会影响反向传动精度及系统的稳定性。常用的消隙方法是双螺母加预紧力（在调整时，应注意预紧力大小要适宜），基本能消除轴向间隙。 （ 1）双螺母垫片式调隙。调整垫片厚度使两个 螺母产生轴向相对位移，从而消除几何间隙和轴向间隙，并施加预紧力。其特点是结构简单、工作可靠，但调整不准确。 （ 2）双螺母螺纹式调隙。双螺母螺纹式调隙由锁紧螺母、圆螺母及丝杠组成。其特点是结构简单、工作可靠、调整方便，但不能精确调整。 （ 3）双螺母齿差式调隙。该调隙方法结构复杂，但工作精确、可靠。可实现定量调整，即进行精密微调，调整精度高。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 3.1.3 滚珠丝杆的循环方式 滚珠丝杠副按不同的循环方式分可以分为内循环和外循环 。 内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。如图 1-1 为圆柱凸键反向器，它的圆柱 部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向 。 外循环滚珠循环链较长，但轴向排列紧凑，轴向尺寸小，螺母配合外径较大（ C 型较小）刚性较差，但滚珠；流畅性好，灵活、轻便。外循环的摩擦力矩较大，工艺性较好，制造成本低。 （ 1） 与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动 ,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下 ,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮 助。 （ 2） 高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面 ,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 （ 3） 微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动 ,所以启动力矩极小 ,不会出现滑动动那样的爬行现象 ,能保证实现精确的微进给。 （ 4） 无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压 ,由于予压力可使轴向间隙达到负值 ,进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 ,在实际用于机械装置等时 ,由于滚珠的斥力可使丝 母部的刚性增强 )。 （ 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 )。 3.1.4 滚珠丝杆的计算 1计算额定动载荷3 41067.1 hmMABFa lnFKKKC浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 表 3-1 寿命的选择 主机类型 Th（ h） 一般机床、组合机床 10000 数控机床、精密机床 15000 工程机床 5000 10000 自动控制系统 15000 测量系统 15000 航空机械 1000 2000 表 3-2 滚珠丝杠副载荷、硬度和精度系数表 载荷系数 硬度系数 精度系数 载荷性质 FK滚道实际硬度 HRC HK精度等级 AK 58 1.0 C、 D 1.0 冲击小、平稳运转 1.0-1.2 55 1.11 E、 F 1.1 一般冲击 1.2-1.5 50 1.56 G 1.25 较 大冲击、振动 1.5-2.5 45 2.4 H 1.43 查表 3-1 得： Lh =15000 查表 3-2 得 KA=1.0, KH=1.0,KF=1.2（数控机床的公差等级取 C、 D 级），代入式得， NlnFKKKC hmMABFa930 01067.1150 00300120 0112.11067.13434根据额定动载荷选择滚珠丝杠副的相应参数。依据 Ca Ca的原则，选择汉浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 江机床厂 C2 型滚珠丝杠副，型号是 2005-2.5，各种参数为动载荷 Ca=9610N，公称直径 D0=25mm，导程 P=5mm,滚珠直径 db=3.175mm，螺 旋角 =3 38。取螺母调整预紧后原螺纹升角的补偿值 P1=8 40计算螺纹滚道半径 R、偏心距 e 和丝杠内径 d1 公式分别为 R=0.52db=0.52 3.175=1.651mm e=(R-db/2)sin45 =（ 1.651-3.175/2） 0.707=0.045mm d1= D0+2e-2R=25+2 0.045-2 1.651=21.788mm X 轴丝杆取有效行程长度为 120mm， Y 轴丝杆取有效行程长度为 100mm。 3 验算稳定性。临界载荷 Fcr=22()aEIuL式中 E 丝杠材料弹性模量， E=206GPa Ia 丝杠危险截面的轴惯性矩（ m4）， Ia=4164d u 长度系数， u =1-2 L 丝杠工作长度（ m） Ia= 4164d 3.14（ 21.788 10-3m） 4/64=11.056 10-9m4 将 E=206 109Pa（丝杠材料为钢） u=1、 Ia=11.056 10-9m4、 L=0.18m 代入临界载荷计算式，得 Fcr=22()aEIuL 3.142 206 109Pa 11.056 10-9/（ 1 0.18） 2=693072N 则安全系数 S 为 S=Fcr/Fm=693072/1200=577.56 由上式可见， S 4，所以丝杠工作安全。 验算刚度。导程的每米变形量 L 的计算式为 L= F/EA PT/2 GJc 式中 F 工作载荷（ N） E 丝杠材料弹性模量， E=206GPa A 丝杠截面积（ m2） 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 P 基本导程（ m） T 转矩（ N m）， T= FMD0tan( + P1)/2 G 丝杠切变模量， G=83.3GPa Jc 丝杠的极惯性矩（ m4）， Jc= d1/32 A= d12/4=3.14 (21.788 10-3m)2/4=3.72 10-4m2 T=FMD0tan( +P1)/2=1200 25 10-3 tan（ 3 38 +8 40） /2=0.78 N m Jc= d14/32=3.14（ 21.788 10-3m） 4/32=22.133 10-9m4 将 F=1200N、 E=206 109Pa、 A=3.72 10-4m2、 P=5mm、 T=0.78N m、 G=83.3GPa、Jc=22.133 10-9m4 代入导程的每米变形量 L 的计算式，得 L=1200N/206 109Pa 3.72 10-4m2+5 10-3 0.78N m/2 3.14 83.3109Pa 22.133 10-9m4=1.89 10-5 数控机床取 D 级精度，即在任意 300mm 内导程公差为 10um，则每米公差为 3.33 10-5m，所以刚度验算合格。 验算效率。滚珠丝杠副的传动效率的计算式为 =tan /tan( + P1) 将 =3 38， P1=8 40式中 螺纹升角 P1 补偿值 代入上式得 =tan3 38 /tan3 38 +8 40 =98.4 一般滚珠丝杠副的传动效率 90即可。 3.1.5 滚珠丝杆安装方式 一端固定一端自由：丝杠的静态稳定性和动态稳定性都很低，结构简单，轴向刚度较小，适用于较短的滚珠丝杠安装和垂直的滚珠丝杠安装。 两端铰支：结构简单，轴向刚度小，适用于对刚度和位移精度要求不高的滚珠丝杠安装，对丝杠的热伸长较敏感，适用于中等回转速度。 一端固定一端较支：丝杠的静态稳定性和动态稳定性都较高，适用于中等回转速度，结构稍复杂，轴向刚度大，适用于对刚度和位移精度要求较高的滚珠丝杆安装，推力球轴承应安装在离热源（步进电动机）较远的一端。 两端固定，丝杠的静态稳定性和动态稳定性最高，适用于高速回转。就够复 杂。浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 两端轴承均调整预紧，丝杠的温度变形可转化为推力轴承的预紧力，轴向刚度最大，适用于对刚度和位移精度要求高和较长的滚珠丝杠安装。 金刚石切割机要求的精度高，因此丝杠的固定方式选择为两端固定的方式。如图5 所示的是滚珠丝杠的固定方式。 1 代表移动平台， 2 代表平台与螺母连接的部分， 3代表支撑的轴承， 4 代表滚珠丝杠， 5 代表螺母。 图 5： 滚珠丝杠的固定方式 3.2 步进电动机的选择 步进电动机是一种将电脉冲信号变为相应的直线位移或角位移的数字 /模拟变换器。 一般电动机是连续转动的，而步进电动机则是每当电动机绕组接收一个脉冲时，转子就转过一个相应的角度，该角度称为步距角。低频运行时，明显可见电动机转动轴式一步一步转动的。 步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比。在时间上与输入脉冲同步，因而只要控制输入脉冲的数量、频率和电机绕组的相序，既可获得所需转角的转速和转动方向。 步进电动机的运行方式有 3 种 : 单拍通电方式在高速时易失步，且单一绕组吸引转子，在平衡位置易振荡，因此目前很少使用。 双拍通电方式运转平稳，输出转矩较单拍通电方式要大，但发热也大。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 单双拍通 电方式不仅运行平稳，转换频率也可提高一倍，每拍转过的角度为单拍和双拍的一半，实际使用中采用这用方案的最多。 步进电动机的种类和特点 1反应式步进电动机。反应式步进电动机的特点为步距角小，运行频率高、具有通电自锁能力，但功耗较大。 2永磁式步进电动机。永磁式步进电动机的特点为功耗较小，在断电的情况下仍有定位转矩，但步距角一般较大，需供给正负脉冲电源，起动和运行频率也较低。该类电机的转矩较小，常用于自动化仪表作为执行元件。 3混合式步进电动机。混合式步进电动机又称永磁感应子式步进电动机，它充分利用反应式和 永磁式两种电机的特点，具有转矩转矩大、步距角小、运行频率高、功耗低及自锁功能等方面特点。 因为切割机要求无爬行现象，精度要求高，因此我选择步进电动机的步距角为 =0.9 /1.8，相数 p=4，通电方式为 4相 8拍，通电顺序为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角 的计算公式为 =360 /pzk 式中 p 步进电动机的相数 z 转子的齿数 k 状态系数。单、双拍时， k=1;单双拍时， k=2 直 线运动工作台的移动速度 v=60f =18mm/分，将 =0.001代入得， f=300HZ 因为步进电动机的转角与脉冲频率数成正比，步进电动机的转速 nm 也可用下面的公式计算； nm=60f /360=f /6=300 0.9/6=45r/min 因此选择 BYH型步进电动机。 3.3 张紧轮 设计 张紧轮是 机械 传动 中 的张紧装置，当 传动 的中心距不能调节时，可以采用张紧轮将 线 张紧。 张紧轮一般布置在松边的内侧，从而使带只受单向弯曲；同时，为保证小包角 不致减小过多，张紧轮应尽量靠近大轮安装。 如图 6所示： 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 图 6：张紧轮 假定在张紧形态下， 5000N于张紧轮中央，张紧轮直径 48mm，材料的许用切应力 =100MPa，许用挤压应力 240 bs MPa现计算弯曲应力： 1.由平衡方程容易求出 QFF 张 紧轮剪切面上的切应力为 MPadhFAF Q 2.28.226 0500 0154814.3 100 02. 校核张紧轮的挤压强度 FF bs 则挤压应力为 bsbsbsbsMPadDFdDFAF106.192 1500 04)4854(14.3104)4854(14.3104)(44)(2232232222故拉张紧轮也满足挤压强度要求。 浙江工业大学之江学院毕业设计（论文） 结论 3.4 绕线轮的 设计 金刚石线锯切割机 把一根细长的钢丝绳缠绕在排线轮上，钢丝两头分别由