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江汉大学机电与建筑工程学院2010年毕业设计 基于Solidworks的激光雕刻机机械结构设计1.绪论1.1课题研究的背景自1960年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。光机电一体化是激光技术、微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术的相互的交叉与融合，是诸多高新技术装备的基础。它包括产品和技术两方面：光机电一体化产品是集光学、机械、微电子、自动控制和通讯技术于一体的高科技产品，具有很高的功能和附加值；光机电一体化技术是指其技术原理和使光机电一体化产品得以实现、使用和发展的技术。20世纪70年代，微电子技术引起了新技术领域的深刻变革，机电一体化技术应运而生。20世纪90年代，光机电一体化技术正引起一场新的革命。美、日等发达国家积极抢滩光机电一体化技术，企图在这个新的高技术领域独占鳌头。有人指出，20世纪是微电子的世纪，21世纪则是光电子的世纪。美国商务部也指出，谁在光电子行业取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技中夺魁。当前，由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其学习和研究工作偏向计算机化、软件化。HJD系列教学实验产品研制的主要目的就是为机电类学生提供工程实践环节，提高其工程实践能力。具体的讲，就是要着重培养学生的机电系统设计、动手实践以及计算机技术综合应用能力。为了达到这一目的，一方面，在实验项目的安排上遵循由简单到复杂，由局部到整体，循序渐进的原则。首先从单个简单机电一体化知识的应用与实践入手，硬件、软件知识相结合，逐步增大实验范围和难度，直至形成完整的CNC系统对整个数控机床的控制。每一个实验都有其具体的工程控制对象（如：主轴或X轴、Y轴等），针对性强，实践性强；另一方面，每一个实验的实验过程接近实际机电产品开发的安装调试过程，由学生自己动手接线、编制程序、调试，直至达到要求为止。通过实验训练后，学生可根据实际需求独立设计和调试较复杂的机电控制系统。HJDG2型光机电一体化教学实验系统是在深入调研和全面考察国内相关专业教学实验现状，掌握了大量第一手资料的基础上，研制开发出的新型教学实验产品。它由PC机（用户自备）、电气控制实验柜、激光雕刻机主体和控制软件几大部分组成。其中电气控制柜包括：运动控制卡、交流伺服电机及驱动、步进电机及驱动、PC通信接口板、继电器和接触器及控制面板等。该教学实验设备集激光技术、机械、电子、计算机技术、数控技术于一体，既能满足高校、高职高专相关专业教学实验、课程设计、毕业设计及课外创新设计等需要，又能用于对外激光雕刻加工。本设计从HJD-G2原有的相关介绍及部分实验思路上面着手，设计了一整套相对完善的使用与实验指导，并在原有的基础上进行了创新，加入了一个综合的激光调焦与数控编程综合实验。在编写过程中，由于编者的水平及时间有限，并没有对设备进行更加深入的扩展，相信本设备在实际教学应用中会有更大的发展。1.2激光雕刻机的市场概况激光雕刻机的应用领域和使用范围非常的广阔，不同机型针对不同行业具有不同的设计。现阶段主要在以下应用领域有广泛的应用： （1）.印刷包装行业： 橡胶版激光雕刻 ; 纸制品激光切割等。 （2）.工艺礼品行业：水晶雕刻，竹简，竹席，竹帘激光烫花，木版书激光雕刻，红木激光雕刻，双色板激光雕刻，盒形的工艺品激光雕刻，棋盘激光雕刻等等。 （3）.广告宣传行业：有机玻璃激光雕刻（切割），各类牌匾激光制作。 （4）.皮革服装行业：各类鞋材、皮装真皮人造革切割及表面图案雕刻、切割；各类服装、布料纺织品图案切割等。 （5）.模型制作行业：建筑模型激光雕刻（切割）制作；航空、航海，模型激光雕刻（切割）制作；卡通人物模型激光雕刻（切割）制作；工业样品模型激光雕刻（切割）制作等。 图（1-1）激光雕刻用于工艺品图(1-2)激光雕刻用于皮质鞋类1.3课题设计的来源及方法本次毕业设计课题为:“基于Solidworks的激光雕刻机机械结构设计”，是要来设计出激光雕刻机的机械部分。此光机电一体化教学实验系统由个人计算机、电控柜以及激光工作台等几个部分组成。其中激光工作台由X、Y、Z三轴工作台组成。本课题的设计方法为：测绘研究激光雕刻机机械部分工作原理总体结构设计设计各零部件尺寸各零部件的三维建模装配干涉检查动画仿真。1.4 激光雕刻机对其机械部分的要求具体对结构设计的要求有：1 用系统设计的理念统筹全局 。2 坚持功能第一，形式追随功能。 3 符合工业工程的要求 。4符合合理的工艺性要求 。5 遵循以人为本的设计原则。 6 运用美学法则，充分体现其精神功能。 7 符合简约原则 。8 追求产品附加值 。9 符合绿色工程要求。1.5进行三维建模设计的意义传统的设计方法是在设计中用大量的有限时间绘出工程图，再投入生产，这种方法不够直观，如果绘出的工程图不准确，这些错误是及难被发现的，单个零件看不出问题，但是在总装时就极易产生不搭配、干涉等现象，这种方法产生大量的人力物力的损失。而进行三维设计只需在初步不够完整的工程图基础上进行三维建模，模拟出整个产品的外观，找出不搭配和干涉的部分并加以修改完善，最后再生成最终准确的工程图，从而投入生产。这种三维设计方法比较直观，设计中的问题极易被发现且易于被修改，因此节约的大量时间和人员投入，同时也减少了废品的生产机会。而且也是进行动画仿真及有限元分析的基础，为后续更加深入的研究奠定了基础。1.6 SolidWorks软件的介绍SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起。 SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。 由于使用了Windows OLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核（由剑桥提供）以及良好的与第三方软件的集成技术，SolidWorks成为全球装机量最大、最好用的软件。资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。在教育市场上，每年来自全球4，300所教育机构的近145，000名学生通过SolidWorks的培训课程。 在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学。相信在未来的58年内，SolidWorks将会成为与当今AutoCAD一样，成为3D普及型主流软件乃至于CAD的行业标准。SolidWorks 是全球领先的三维产品设计解决方案，提供机械设计、工程分析、运动仿真、数据管理和通信工具。SolidWorks 软件的最新版本在设计创新、使用方便性和提高整体性能等方面都得到了显著的加强，包括增强了大装配处理能力、复杂曲面造型能力，以及专门为中国市场的需要而进一步增强的中国国标（GB）内容等。自1996年以来已为数千家中国企业提供软件和服务，并在 CAD/CAE/CAM/CAPP/PDM/ERP 等领域为企业的信息化建设提供了完整的、实用的解决方案，在航空、航天、铁道、兵器、电子、机械等领域拥有广泛的用户。 Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。2. 激光雕刻机的整体设计方案2.1整体设计概述本次毕业设计课题为:“基于Solidworks的激光雕刻机机械结构设计”。主要是根据“HJD-G2”型光机电一体化教学实验系统的激光工作台为参考，设计出激光雕刻机的机械结构。根据本激光雕刻机的工作原理、预期实现的基本功能，本次结构设计将整个机械部分分为三大部分：X轴，Y轴，Z轴；依次按其功用分开设计。每一部分按其在整个机械部分的职能和结构又可详细分为：X轴：X轴底座，电动机和底座连接件，电动机，联轴器，滚珠丝杠，轴承，端盖，丝杠螺母，丝杠螺母和顶板连接件，顶板，滑块，导轨，顶座。Y轴：Y轴底座，电动机和底座连接件，电动机，联轴器，滚珠丝杠，轴承，端盖，丝杠螺母，丝杠螺母和顶板连接件，顶板，滑块，导轨。Z轴：Z轴底座，电动机和底座连接件，电动机，联轴器，滚珠丝杠，轴承，端盖，丝杠螺母，丝杠螺母和顶板连接件，顶板，滑块，导轨，激光微调装置，激光刀具和顶板连接件。工作台的动作是采用计算机控制，XYZ轴相当于数控加工中心，程序控制工作台的动作，实现预期加工效果。在下面的两幅示意图中简单的绘制出了X、Y工作台的系统结构。图2.1-1为X轴伺服驱动系统示意图 。图（2-1）X轴伺服驱动示意图图（2-2）X轴和Y轴两轴联动控制系统原理图坐标轴主要参数如表（2-3）所示：技 术 规 格单 位参 数 工 作 台 尺 寸 （长宽）mm160160行 程 X 轴mm150 Y 轴mm150 Z 轴mm120 速 度 范 围（X、Y、Z）mm/s1150（步 进）1200（伺 服）脉冲当量X 轴mm0.0005Y 轴mm0.0005Z 轴mm0.0025表（2-3）坐标轴主要参数采用各轴分开设计的方式，便于合理设计整个机械部分的整体空间布局与结构，便于建立清晰的设计思路，便于模块化管理与装配等。每个轴的工作原理大致相同，简要介绍如下：电动机旋转带动滚珠丝杠旋转（通过联轴器与滚珠丝杠的连接）带动丝杠螺母的左右（或者前后，或者上下）攻进带动顶板延自由度方向移动（通过丝杠螺母和顶板连接件连接丝杠螺母和顶板，从而实现顶板的动作），即各轴工作台的移动，从实现刀具和产品而达到产品的加工位置进行加工。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。又因为Y轴承受的载荷比X轴的大，所以只用计算出Y轴所用的滚珠丝杠即可，X轴选用的滚珠丝杠与Y轴相同即可满足设计要求。因为Z轴是垂直安装的，而滚珠丝杠没有自锁功能，所以要加配重块防止Z轴因重力而下滑。在下面的一节中会较为详细的写出Y轴滚珠丝杠螺母副的选型与计算过程。2.2 Y轴滚珠丝杠螺母副的选型与计算2.2.1概述2.2.1.1技术要求X轴总体、工件和夹具的总质量为20kg，其中X轴总体的质量为15kg，Y轴导轨以上的运动部件的总质量为8kg，所以Y轴所承受的重力W=280N。工作台的最大工作行程=150mm,工作台快速移动速度=12000mm/min；工作台采用圆柱形导轨，导轨的动静摩擦系数均为0.1；工作台的定位精度为20，重复定位精度10工作寿命为20000h(即：工作时间为10年)。 X、Y两轴的电机都采用交流伺服电机，额定功率为= 70W，加工所用的刀具为激光刀具，所以不存在因切削加工而对工作台产生切削分力。 2.2.1.2总体方案设计为满足以上技术要求，采取以下技术方案：（1）工作台的工作面尺寸(宽度长度)确定为160mm160mm。（2）Y轴顶板工作面尺寸(宽度长度)确定为230mm216mm13mm。（3）因为设计的机床所承受的载荷不大，并且要求结构简单，以便于教学演示，所以X、Y轴导轨采用圆柱形导轨。（4）伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.0005mm的脉冲当量和10um的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。要对滚珠丝杠螺母副进行预紧，采用的是一端固定一端浮动的安装方式因此不存在丝杠预拉伸。（5）因为要求的脉冲当量较高为0.0005mm，工作台快速移动速度快，12000mm/min，且要求的功率较小=70W，所以采用交流伺服电机驱动滚珠丝杠。（6）采用刚性联轴器将滚珠丝杠与交流伺服电机直接相接。2.2.2滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.2.1最大工作载荷Fm的计算最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力。它包括主切削力的垂向切削分力Fv、横向切削分力Fc、坐标轴上移动部件的全部重量W和导轨紧固力所产生的摩擦力。其计算公式为： （2-1）因为此激光雕刻机中的切削刀具是激光，因此不存在切削力的计算。所以Fv和Fc的值为零。因为W=280N，取导轨紧固力=120N所以： （2-2） =0.1（280+120） =40N2.2.2.2 最大动载荷的计算因为工作台在工作时的最快移动速度为=12000mm/min，初选丝杠的导程为=5mm，则此时丝杠转速为： =/ (2-3) =12000/5=2400r/min取滚珠丝杠的使用寿命T=20000 h，代入=60nT/，得丝杠寿命系数=2880（单位为： r）。查表2-28，取载荷系数=1.0，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数=1.0，求得最大动载荷： = (2-4) =2.2.2.3按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大的轴向变形。已知工作台的定位精度为20um，重复定位精度为10um，根据式（2-23）、式（2-24）以及定位精度和重复定位精度的要求，得 (2-5) (2-6)取上述结果的较小值，既=3.33um。由上估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。因为本机床的X、Y轴都采用一端固定，一段自由的滚珠丝杠螺母副的安装方式，且算得L=行程+安全行程+余程+螺母长度+支撑长度220mm。因为导轨的静摩擦力=40N由式（2-25）可得 (2-7) =4mm即，丝杠底径。2.2.2.4初选滚珠丝杠的型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查书后附录-表A-3后选择FF1605-3型滚珠丝杠螺母副，其公称直径=16mm，基本导程=5mm，丝杠底颈=12.9mm大于=4mm，动载荷=7600N大于最大动载荷=569.1N，基本满足要求。2.2.2.5传动效率的计算将公称直径=16mm，导程=5mm， 代入= arctan/(d0)， (2-8) 得丝杠螺旋升角=。 一般取摩擦角=10， 代入=tan / tan(+) (2-9) 得传动效率 =96.4%。2.2.2.6刚度的验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形等。因为本设计丝杠的支撑方式为一端固定，一端自由，参考公式（2-42）有 (2-10)当a=时，中心至固定端支撑中心的距离最大时，滚珠丝杠螺母副具有最小的拉压刚度： (2-11) =当a=Lj，即滚珠丝杠的螺母中心至固定端支撑中心的距离最小时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度： = (2-12) =查书后附录-表A-3可知：滚珠丝杠的刚度为K=200N/ 所以满足刚度条件。2.1.1.2.7压杆稳定性的校验本校验的目的是验算滚珠丝杠承受压缩载荷Fc时的稳定性，可以按公式（2-35）计算： N (2-13)参照书P60可取=1/3（丝杠水平安装） =0.25（一端固定，一端自由）。 计算得： 上式的值远大于=40N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠螺母副满足使用的要求。 3.激光雕刻机的三维建模3.1 X轴的整体结构设计3.1.1X轴工作台的结构设计进行工作台的结构设计是为了提供装夹工件的平台，工作台直接安装在顶板上并随着顶板一起运动。工作台的结构设计图如下图所示： 图（3-1）工作台的三维结构工作台长180mm，宽180mm，厚16mm，座面上设计有4个键槽，是用于工件的定位方便，顶板上还有6个沉孔，是为了和下面的顶板固定所设计的，他们之间是通过螺钉连接的。3.1.2工作台顶板的结构设计顶板的设计主要是用来传动滚珠丝杠螺母副的运动和安装工作台的。顶板直接与工作台相连，同时也和滑块相连，滑块共有3块分别安装在顶板周围。其三维结构图如下图所示：其材料为Q235结构钢，因为与它相连的零件较多，又是在数控机床上，所以对其上表面和下表面有平面度和平行度的要求。图（3-2）顶板的三维结构图顶板总长212mm，宽180mm，厚16mm；由上图可见顶板上有三种类型的螺纹孔1）6个M4底部螺纹孔成圆周排列，它的上螺纹孔在工作台上，它与工作台连接。2）4个M4上螺纹孔成矩形排列，它与丝杠螺母支承座相连。3）6个M4上螺纹孔分三组成三角形排列在顶板周围，它们与导轨滑座相连。3.1.3丝杠螺母支承座的结构设计该部件的设计是为了将滚珠丝杠螺母的轴向移动传到顶板上，实现工件的传动。丝杠和顶板连接件直接和丝杠螺母的法兰盘连接，采用螺栓连接；顶板和该部件也通过螺栓连接，采用四孔定位。其三维结构图现设计如下：图（3-3）丝杠螺母支承座的三维图本零件的各部件的尺寸需综合考虑螺母法兰的直径，其空间高度的设计需注意避免与底板发生装配干涉，并且其空间高度的设计直接影响滑块的高度设计以及顶板距离电动机连接件的高度，如果这些高度没有统筹兼顾正确将会发生装配干涉，传动干涉。轴孔中心距离的位置需综合考虑丝杠的轴向中心，并不是整个面板的几何中心，连接件上顶板长65mm，宽55mm，厚8mm，其上有4个矩形排列的M4下螺纹孔。下顶板长72mm，宽65mm，高8mm，其上有6个圆周排列的M4下螺纹孔。3.1.4导轨滑座的相关部件的结构设计导轨滑座是安装在圆柱形导轨上的，是动导轨。导轨滑座包含有四个部件：1）滑座：上有两个M4底部螺纹孔，其与顶板相连，对其上表面的平行度有要求图（3-4）滑座的三维图2）滑座筒：滑座筒内孔和导轨既光杆相配合，它们之间为小间隙配合，要保证滑动的顺畅性。图（3-5）滑座筒的三维图 图（3-6）滑座筒的三维剖面图3）轴用挡圈：滑座筒和滑座之间要通过挡圈定位，因此就选用一对20mm轴用挡圈安装在滑座筒的两端的方槽内。挡圈是标准件，其标准为GB/T 8942-1986。图（3-7）20mm轴用挡圈的三维图4）滑座筒防尘圈：也是选用一对，安装在滑座筒内圆两端的卡槽内，其材料为塑料制品，也是标准件。图（3-8）防尘圈的三维图 5）绘制出了导轨滑座的四个组件之后就可以对这四个零件进行装配，其装配的图形如下所示 图（3-9）导轨滑座子装配体 图（3-10）导轨滑座子装配体的爆炸图 3.1.5滚珠丝杠螺母副的结构设计 滚珠丝杠在本设计中起着传动的重要作用，电动机带动滚珠丝杠的旋转，又通过滚珠丝杠和滚珠丝杠螺母配合，将丝杠的旋转运动转化为丝杠螺母前后或者左右的攻进运动，从而带动工件的运动。 滚珠丝杠螺母副的计算流程滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点：（1）传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，耗费能量仅为滑动丝杆的1/3。 （2）运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。（3）工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度(HRC5862)、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的410倍以上。 （4）定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。 （5）同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较好的同步运动。 （6）可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 （7）不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。一、工作原理与结构如图3-11所示，丝杠和螺母的螺纹滚道间装有承载滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。图（3-11） 滚珠丝杆副结构二、滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。内循环 内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杆表面保持接触（如图3-12所示），在螺母的侧面孔内装有接通相邻滚道的反向器，利用反向器引导滚珠越过丝杆的螺纹顶部进入相邻滚道，形成一个循环回路。一般在同一螺母上装有24个滚珠用反向器，并沿螺母圆周均匀分布。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足之处是反向器加工困难、装配调整也不方便。a）1.丝杠螺母 2.滚珠 3.反向器 4.丝杠 b）反向器平面图形 图（3-12）内循环式丝杠螺母副外循环 外循环方式中的滚珠在循环返向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外作循环运动（如图3-13a所示）。从结构上看，外循环有以下三种形式，即螺旋槽式、插管式和端盖式。图（3-13b）为端盖式循环和插管循环原理图。由于滚珠丝杠副的应用越来越广，对其研究也更深入，为了提高其承载能力，开发出了新型的滚珠循环方式（UHD）（图3-14b），为了提高回转精度，一种无螺母的丝杠副（图3-14c）被研制成功。a) 插管循环 b) 端盖循环 图（3-13）外循环式丝杠螺母副 a) 通用方式 b) UHD方式 c) 新型“螺母”图（3-14）滚珠的排列方式和新型丝杠螺母结构三、滚珠丝杠副轴向间隙的调整和施加预紧力的方法滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格要求，以保证其反向传动精度。滚珠丝杠副的轴向间隙是承载时在滚珠与滚道型面接触点的弹性变形所引起的螺母位移量和螺母原有间隙的总和。通常采用双螺母预紧或单螺母（大滚珠、大导程）的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高滚珠丝杠副的刚度。1.双螺母预紧原理双螺母预紧原理如图3-15所示，是在两个螺母之间加垫片来消除丝杠和螺母之间的间图（3-15） 双螺母预紧原理隙。根据垫片厚度不同分成两种形式，当垫片厚度较厚时即产生“预拉应力”，而当垫片厚度较薄时即产生“预压应力”以消除轴向间隙。2.单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）单螺母预紧原理如图所示，为了补偿滚道的间隙，设计时将滚珠的尺寸适当增大，使其4点接触，产生预紧力，为了提高工作性能，可以在承载滚珠之间加入间隔钢球。图（3-16） 单螺母预紧原理（增大滚珠直径法）3.单螺母预紧原理（偏置导程法）偏置导程法原理如图所示，仅仅是在螺母中部将其导程增加一个预压量，以达到预紧的目的。 图（3-17）单螺母预紧原理（偏置导程法） 四、润滑和密封(1)润滑 润滑剂可提高滚珠丝杠副的耐磨性和传动效率。润滑剂分为润滑油、润滑脂两大类。润滑油为一般机油或90180号透平油或140号主轴油，可通过螺母上的油孔将其注入螺纹滚道；润滑脂可采用锂基油脂，它加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。(2)密封滚珠丝杠副在使用时常采用一些密封装置进行防护，为防止杂质和水进入丝杠(否则会增加摩擦或造成损坏)，对于预计会带进杂质之处使用波纹管(右侧)或伸缩罩(左侧)，以完全盖住丝杠轴。对于螺母，应在其两端进行密封，密封防护材料必须具有防腐蚀和耐油性能。 图（3-18）丝杆螺母副的润滑和密封3.1.5.1滚珠丝杠的三维建模在第二章中经过计算选择FF1605-3型滚珠丝杠，参照数控技术课程设计附录中常用滚珠丝杠型号及参数表可对滚珠丝杠进行三维建模，其设计过程如下所示。1.先绘制出不带螺纹的阶梯轴，如下图所示： 图（3-19）无滚珠滚道的丝杠在此图中丝杠的左端阶梯轴一是与联轴器相连，阶梯轴二上有螺纹是安装轴承的，左端的螺纹处是安装小手轮的。2.再运用插入螺旋线和扫描切除的方法便可得到最终的滚珠丝杠。 图（3-20）切出丝杠的过程3.1.5.2滚珠丝杠螺母相关部件的三维建模在本节的开始讲到了滚珠丝杠的相关知识，参照上文便选则滚珠丝杠螺母副为单螺母内循环的形式，采用增加导程的预紧方式，在丝杠螺母副的两端安装密封圈来防尘和密封。因此滚珠丝杠螺母副相关部件有3件1.滚珠丝杠螺母体：它上面有固定法兰，其上有6个圆周排列的M4上螺纹孔，与丝杠螺母支承座相连接。其两端有安装密封圈的沉孔及相对应的紧定螺钉孔。在螺母体上有两个安装反向器的空槽，其内面为滚珠滚道。 图（3-21）丝杠螺母体图 （3-22）螺母三维剖面图2.滚珠反向器：事实上滚珠反向器的具体尺寸是通过严格的计算而得到的，但由于其数据难以获得，并且滚道极为复杂，因此就采用了较为简洁的画法。 图（3-23）反向器3.密封圈：密封滚珠丝杠副在使用时常采用一些密封装置进行防护，为防止杂质和水进入丝杠(否则会增加摩擦或造成损坏)。因此就要绘制密封圈，其材质为塑料。 图（3-24）内循环螺母用密封圈4.丝杠螺母子装配体：在绘制完以上三个零件之后既可以对螺母进行装配。 图（3-25）丝杠螺母子装配体组图3.1.6轴承座（电机座）的结构设计电动机与底座的连接件是连接X轴底座和电动机的载体，并且还是滚珠丝杠的承接体，轴承的承接体，该部件的合理设计可以解决滚珠丝杠的轴向窜动，周向跳动等精度问题，同时该部件的合理规范化设计可以解决轴承的内外圈受力问题。该部件的三维图形效果如下图： 图（3-26）轴承座（电机座）的三维模型在该部件的结构设计过程中需注意以下问题：（1） 电动机连接板和电动机的连接部分采用完全吻合的设计，较少安全误差；（2） 电动机转轴孔的大小根据电动机转轴而定，一般采取略比电动机转轴稍大；（3） 电动机转轴孔和滚珠丝杠、轴承孔同轴；（4） 轴承孔的设计要充分考虑轴承内外圈的定位问题，因此在轴承的一端：外圈用设计的台阶孔定位，内圈用设计的滚珠丝杠轴肩定位；在轴的另一端：用设计的端盖来实现轴承外圈的定位。（5） 整体布局，充分综合分析、设计该部件的结构，避免装配后的运动干涉和装配干涉，容易发生干涉的位置如下：该部件的高度不易过高，避免阻挡顶板的运动行程。 3.1.7联轴器的结构设计联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转一起传递扭矩和运动的而一种装置。机器运转时，被连接的两轴不能分离，只有停车后，将联轴器才开，两轴才能脱开。目前联轴器的种类很多，有液压式、电磁式和机械式。机械式联轴器使用用最广泛的一种，它借助于机械构件相互间的机械作用力来传递扭矩，大致可将联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器。在本次毕业设计中我选用的是柏森传动公司所生产的WG微型刚性联轴器，其结构特点如下：1.重量轻，超低惯性和高灵敏度。2.可选材质为铝合金、45#号钢、不锈钢，在此次设计中选用45#钢。3.免维护，超强抗油和耐腐蚀性。4.开缝式设计，几乎全部都无法容许偏心、对中性好，在使用敬请让轴心充分的露出。其二维结构图如下图2.2.7-1所示： 图（3-27）联轴器的二维结构图经由以上工程图为参照并且结合WG微型刚性联轴器参数表，便可以设计出其三维图形，其效果图如下图所示：WG微型刚性联轴器的三维效果图如下所示： a）联轴器三维模型 b）联轴器剖面图 图（3-28）联轴器的三维模型3.1.8电机的结构设计在本次毕业设计中我选用的是松下公司的MSDA043A1A 交流伺服电动机，其额定功率为70W。以下论述的是我选择交流伺服电动机的原因：控制电动机：一般是指用于自动控制、随动系统以及计算机装置中的微特电机。控制电动机主要是用来完成控制型号的传递和变换，要求他们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。常用的控制电动机有：交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电机。它们的特点分析如下：a）交流伺服电动机：伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电动机有交流和直流两种，它们的最大特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电动机就转动；没有控制信号输入时，伺服电动机就停止转动；改变控制电压的大小和相位（或极性）就可改变伺服电动机的转速和转向。因此，它与普通时机相比具有以下特点：1、调速范围宽广，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。2、转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；3、控制功率小，过载能力强，可靠性好。交流伺服电动机可以方便地利用控制电压的有无来进行启动、停止控制；利用改变电压的幅值（或相位）大小来调节转速的高低；利用改变U的极性来改变电动机的转向。它是控制系统中的原动机。例如，雷达系统中扫描天线的旋转，流量和温度控制中阀门的开启，数控机床中刀具运动，甚至船舶方向舵与飞机驾驶盘的控制都是用伺服电动机来带动的。由此看出，伺服电动机的性能，直接影响着整个系统的性能。因此系统对伺服电动机的静态特、动态特性都有相应的要求，这是在选择电动机时应该注意的。交流伺服电动机的输出功率一般是0.1W-100W，其电源频率有50HZ、400HZ等几种。b）直流伺服电动机：其特点和交流伺服电动机基本相同，不同之处在于他们的输出的功率的不同。直流伺服电动机的输出功率较大，为1W-600W。在需要功率较大的场合，则应采用直流伺服电动机。 c）步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。广泛使用在开环控制的伺服系统中。 步进电机和交流伺服电机性能比较：运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1.控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 2.低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3.矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4.过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5.运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6.速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 由上可知交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 综上a）、b）、c）可知（交、直流）伺服电动机在许多性能方面都优于步进电动机，步进电机适用于精度要求不高的场合。而此次设计的激光雕刻机对精度的要求较高，所以就选用（交、直流）伺服电机。由上a）、b）可知直流伺服电动机适用于功率要求较大的场合，而此次设计中要求电机的功率较小（只有70W），所以就选用交流伺服电动机。从搜集到的松下MSDA043A1A 交流伺服电动机的相关资料，可以大致的绘制出此电机的三维模型,如图所示：图（3-29）X轴交流伺服电动的三维模型其中电机法兰处有4个M4上螺纹孔，是与电机座相连；电机轴直径为9毫米；电机主题长80mm，宽30mm，厚30mm由拉伸、切除绘制出其基本轮廓，效果图如上。3.1.9光杆支承座的结构设计光杆支撑座是用来支撑光杆既圆柱形导轨所用的，在设计时必须要保证它支撑孔的圆柱度，底座面的平面度和平行度。 图（3-30）光杆支承座的三维设计在其底座上有两个M4上螺纹孔是用来和X轴底座相连的在其支撑孔的旁边还有一个M4底部螺纹孔，是用来装螺钉来紧固光杆的其支撑孔的直径为12mm，深度为20mm。其总体尺寸为长67 mm,宽30 mm，厚20 mm。其材质为45#钢。 3.1.10光杆（导轨）的结构设计导轨主要是用来保证各部件的相对位置和相对运动精度，以及用来承载（包括工作台、滑块部件的重量）对导轨的性能要求是导向精度高、刚度大、耐磨性好、精度保持性好、运动灵活而平稳、结构简单和工艺性能好。导轨设计的质量直接影响导向精度。而导向导轨又是保证导向精度的还总要环节，因此在设计时必须保持充分重视。导轨设计时要考虑它的圆柱度和表面粗糙度，以保证传动的顺畅性；光杆的长度为390mm，直径为12mm；其材质为45#钢。其绘制过程较为简单： 绘制12mm直径的圆，然后再拉伸即可。导轨设计的三维图如下： 图（3-31）光杆（导轨）的三维模型 3.1.11角接触球轴承的结构设计轴承允许两零件相对运动，同时将少期间的摩擦损失。滚动轴承是一种常见的轴承，由内圈、外圈及滚珠体组成，滚珠体通过滚动接触减少摩擦。为了便于装配，轴承周边需要倒角，圆角半径也是一个关键尺寸。一般说来，轴承与轴或孔的配合规则是：a）外圈与孔的配合是基轴制，采用过渡配合。机器工作时，温度会升高而使轴热膨胀。若外圈不旋转，则可把外圈与外壳孔配合得稍微松一点，使之能补偿轴的热膨胀微量伸长量，否则轴会弯曲，轴承内、外圈中间的滚动体就有可能卡死。b）内圈与轴的配合是基孔制，采用小过盈配合。主要是为了防止内圈与轴颈的配合面相对滑动而影响轴承的工作性能。此外，轴承内、外圈因为是薄壁零件，过盈较大会使它们产生较大的变形，影响轴承内部