饰面石材板线切割机设计说明书

- 1 -1 前言随着世界上建筑业及装饰业的发展, 石材已成为世界性建筑材料。而建筑装修使用的饰面石材主要是有大理石和花岗石两大类。将饰面石材加工成建筑装饰板材，其主要的加工工序包括锯切，研磨、抛光、切割成成品板材，修边倒角开槽。其中最为关键的是锯切工序，它决定着产品的质量与产量，因此必须选择合适的加工方法和加工设备。大理石和花岗石用作室内外饰面装饰效果好、耐久，但造价高，因而多用于公共建筑和装饰等级要求较高的工程中。但近年来，随着生活水平的提高，人们对自身的生活环境的美学观念也在不断地更新，大理石和花岗石也越来越多地出现在家居装饰装修中。对这些石材的需求不断增长，从而大大促进了相关加工技术装备的研究与发展，特别是锯切技术。最近几年来，石材制品不断向高档化、异型化、艺术化方向发展，石材行业迫切需要开发相应的多功能、高效率、自动化的石材加工装备，同时要求设备的功能部件可以具有互换性，以满足用户个性化、多样化的需求。目前，就国内应用的设备来说，依其所使用的刀具不同，大致有以下几种: 砂锯、金刚石框架锯、金刚石圆片锯、金刚石带锯、金刚石串珠锯、激光切割、高压水射流、线切割等。世界领先的石材加工技术以意大利、美国、德国等国的石材数控加工中心为代表，但因其高昂的价格阻碍了我国石材业的大力推广，因此我们要寄望于国产数控技术的长足进步，近年来我国石材机械的发展异常迅猛，以电脑智能化为基础的设备开发及数控技术成长也很快，一批石材企业注重技术研发和产品创新，在吸收、消化国外先进技术的基础上进一步提升了国产石材机械的加工制造水平，具备了很强的竞争力。在我国国民经济和人民生活水平不断提高的同时，装饰石材在建筑装修中的使用量也大幅增加，由于我国石材加工机械的起步较晚，同时面临着机遇和挑战，如何研究、开发、设计出具有自主知识产权而且符合中国国情的加工机械已成为一项紧迫的任务，在面临前所未有的机遇的同时，我们不得不承认在许多技术上与发达国家相比还存在一定的差距，所以我们要努力为我国的石材加工业做出应有的贡献。限于作者的水平，时间有限，本设计中难免出现错误与不妥之处，恳请各位老师批评指正。- 2 -2 石材加工机械的发展历史及趋势2.1 石材加工设备概述石材加工装备是石材加工的基础和核心。从石材加工发展历史可以看出，随着加工装备的发展和进步，石材产品的质量和加工自动化水平也得到不断的提高。石材加工从简单的平面加工向立体加工发展，从手工加工向机械化、自动化、数控化方向发展，从单件生产向流水线、柔性系统方向发展 1。石材加工历史悠久，从人类文明历史以来就有石材加工，但最初的加工都是手工完成的。直到石材机械发明以后，人们才从繁重的石材加工劳动中解脱出来。石材毛板加工最初采用摆式砂锯，锯机框架采用绳索吊挂，进给系统靠重力配重完成。锯条张紧机构也是靠楔形块张紧。加工工艺比较简单，产品单一，劳动强度大，质量较差。随着加工装备和加工刀具的发展，石材切割机械也得到了很大的改进，例如金刚石框架锯机用来对大理石荒料进行毛板加工其进给机构和张紧机构采用液压式，锯框采用平移式。花岗岩框架锯采用同步丝杠进给机构，加砂系统采用自动混料喷砂及喷水系统，加工效率和加工质量得到了大大提高。伴随着新的加工设备的出现，石材的加工方式从过去单一的框架锯向多元化方向发展，相继出现了圆盘锯机、带锯机、金刚石串珠绳锯机。石材加工装备随着新技术的发展而得到不断发展，石材加工也从传统的板材加工转向异型石材，随之出现了圆弧切板机、圆弧磨板机、石线切割机、数控切割机等一系列异型石材加工设备 2。随之而来的辅助设备也从单一机械装置向数控化和智能化方向发展。2.2 石材加工技术的发展随着计算机软硬件的快速发展，近年来石材加工设备发展很快。新设备不断涌现，如花岗石排锯，由原来的 3m3.5m 发展到现在的 4.5m6.9m，花岗岩连续磨机的性能也有进一步提高。另外，值得注意的是由于投入及生产效率的不同，同类设备在售价上也有很大的差别，有的甚至相差 30%以上，因此应根据自身的条件选择合适的加工设备，以实现效益最大化。而异型石材加工设备的出现预示着石材加工产品将出现繁花似锦的可能性，这些异型石材加工设备包括：直边异型加工机、曲线异型加工机、曲面异型加工机、金刚石绳锯、程控雕刻设备、新型数控加工等。这些设备都代表着当今世界石材加工的先进水平，使石材产品在装饰上得到了广泛应用。同时，建筑装饰业发展也促进了石材设备的更新换代 3。- 3 -石材加工设备目前已广泛的采用了先进的计算机技术，目前已研制出车削加工中心、铣削加工中心,使石材加工装备向自动化和数控化方向发展，操作更加方便灵活。很多加工设备都集车、铣、磨、雕刻、钻等功能于一体，设备的综合加工能力大幅提高，生产设备的利用率也提高不少。另外，石材加工设备也朝着高精度、自动化方向发展，总体装配精度、自动化程度必将迎来新的发展时代 4。2.3 石材加工工具简介目前就国内应用的石材加工设备来说，依所使用的刀具的不同 5，大致有以下几种：砂锯、金刚石框架锯、金刚石圆片锯、金刚石带锯、串珠（绳）锯等，下面分别介绍：2.3.1 砂锯砂锯是加工花岗岩的传统设备 5，它使用的刀具是锯条和砂料。砂锯具有自己独特的锯切机理，属机械磨损作用，在工作中磨料、石材、锯条三者之间作相对运动，锯条通过磨料对石材施加作用力，磨料在锯条和石材之间做相对滑动或滚动，以实现且割石材。砂锯按其结构形式主要分为四大类：(1)大型摆式砂锯 (2)螺杆摆式砂锯 (3)大型平移砂锯 (4)大型平摆砂锯，其中发展比较完善的是大型平摆砂锯技术，也是国内切割花岗岩材板的主要设备。2.3.2 金刚石框架锯金钢石框架锯也称多锯条金岗石大锯，所使用的刀具是金刚石锯条，工作时由偏心轮带动锯框做往复运动，荒料车带动石料相对锯条做进给运动 6。该锯是加工石材大板的有效设备，主要用于大理石荒料的锯割，尤其适用于中硬度及软的大理石锯割。它的主要优点：(1)切割速度快，生产量高，一般比砂锯高三倍以上，且需要设备台数少，节省设备投资于厂房面积 (2)锯割质量好，毛板合格率高 (3)节省劳动力和钢材，大大改善了劳动条件，在大理石大板生产线中有逐步取代砂锯的趋势。 2.3.3 金刚石圆片锯圆盘锯直接对矿体进行锯缝呈正交排列或平行锯缝的垂直面切割，采用人工打楔劈裂分离石料的水平面，是一种半机械式开采方法 7。如果使用串珠锯将石料底面从矿体上锯切分离，仍使用圆盘锯分离切割石料的垂直面，可以获得平整的石料分离水平面，是一种全锯切开采花岗石的方法。采用人工分离劈裂性好的花岗石矿体，水平面的不平整度最大可达 30cm 或更大；而串珠锯切割水平面的平整度与石材劈裂性好坏无关，只与锯切面积小于有关，锯切水平面的平整度一般小于 10cm。- 4 -总之圆盘锯是目前开采花岗石的各种方法中开采成本最低的方法。2.2.4 金刚石带锯该种设备所使用的锯切工具是金刚石带状锯条，一般由金刚石结块焊接或镶嵌在钢带上制成 8。与框架锯和圆片锯相比，带锯有显著的优点：锯切速度快、切割厚度可调节范围大、生产灵活性好、成材率高、精度高、噪音低。缺点：对锯条要求高，需要大量的冷却液。2.3.5 金刚石串珠锯串珠锯包括石材开采用串珠锯，荒料整形用串珠锯、板材加工用单绳和多绳串珠锯，以及异型加工用串珠锯 9。经过几十年的发展，串珠锯机不断改进，串珠锯的结构形式、技术性能基本稳定，并形成了目前广泛使用的结构和控制模式。其主要特点是便于自动化操作、控制。以上简要介绍了目前国内常用的几种石材切割工具。现在还出现了集切割、研磨、修边、抛光工艺于一体的大理石、花岗石标准工程板和薄板生产线，这表明我国石材加工业的发展的确有了长足的进步。但同时我们也应该看到与欧洲发达国家之间的差距，因此要我们着眼于未来，积极进取，努力开拓，研制出具有更高水平的新型现代化的石材加工设备，增强我国在国际石材设备市场上的竞争力和影响力。- 5 -3 对本次设计任务的分析3.1 设计内容 根据国内外发展现状和趋势，对于高精尖线切割机床的设计要求一般是自动化程度高，加工柔度好，加工效率高等优点。本次设计的课题是提供一种能够整体切割较复杂的图案、自动化程度较高、加工精度较好、生产效率较高、产品装饰的效果良好的异形石料板自动切割机械。本次设计的主要机构装置包括机架、弓形架、工作台、传动系统及控制系统。本设计需要能够实现双向进给运动的工作台，以及能够实现直线往复运动的钢丝切割机构。弓形架上张紧着切割钢丝并作快速的往复运动，切割钢丝表面镀有金刚砂，工作台可按设定的方向作纵横两个方向的自动进给运动，从而实现在工件上切割出设定的图案。3.2 设计要求3.2.1 基本要求本次设计的一种装饰用异形石材板线切割机，适用于石材等硬脆非金属材料的曲线切割、小型块材和异型材料特殊切割，可以将大理石或花岗石等板材自动切割成各种需要的图案，如各种大理石/花岗岩弧形板、截面曲线，也可以制作工艺品、艺术字、石材拼花等各种复杂的造型。此外要求本设计结构简单、紧凑、体积小，噪声低，切割速度快，操作简便、安全，易于维护等特点。3.2.2 设计数据本次设计的线切割机最大加工板材尺寸为：400 250mm2。切割速度控制在 510mm/min，快速进给运动速度也可以达到 12mm/min。加工误差小于等于 0.02mm。- 6 -4 总体方案设计本次设计的课题是提供一种异形石材板的自动切割机械，能够整体切割较复杂的图案，自动化程度较高，加工精度较好，生产效率较高，加工出的成品装饰效果好。设计内容主要包括机架、弓形架、工作台、传动系统及控制系统等组成。需要设计能够实现双向进给运动的工作台，以及能够实现往复直线运动的钢丝切割机构。弓形架上张紧着切割钢丝并作快速的往复运动，切割钢丝表面镀有金刚砂，工作台可按设定的方向作纵横两个方向的自动进给运动，从而实现在工件上切割出设定的图案。总体方案的设计是如何实现刀具与工件两个互相垂直的运动和直线往复运动，比较而言，弓形架带动钢丝来完成直线往复运动更为合理，那么应当由工作台来独自实现两个方向的运动。故工作台的设计有以下两种方案：(1)只有一层工作台来夹持工件，采用两个进给机构推动完成两个方向的运动 ，如图 4.1：- 7 -图 4.1 进给机构方案 11 进给机构 1，实现 x 轴的进给运动 2 进给机构 2 实现 y 轴方向的进给运3 工作台 4 滑块 5 工件(2)采用双层导轨，每层导轨分别承担一个方向的运动，如图 4.2：图 4.2 进给机构方案 21 中层导轨板 2 工作台 3 下层导轨板 4 x 方向进给机构 5 工件 6 y 方向进给机构此外，直线往复运动有 2 种选择，1 是用凸轮机构来实现，2 是用曲柄连杆机构来实现；导轨的结构类型主要有 3 种，滑动导轨、静压导轨、滚动导轨。对比以上两个设计方案后，第二方案实现起来相对容易，现将方案总体的设计机构作如 4.3 图所示：- 8 -图 4.3 总体进给机构方案1 工作台 2 中层导轨板 3 下层导轨板 4 切割钢丝 5 机架 6 弓形架其工作原理为：弓形架带动钢丝做直线往复运动，三个重叠放置的平板代表一个简单的双层导轨，可使工作台同时完成两个相互垂直方向的运动，而弓形架不再做平移运动，这样就完成了总体方案的设计。很显然，本设计提供了一种全新的实用型石材加工机械，能够将板状石材自动切割成复杂图案。相对于其它的异形石材加工机械，它具有明显的优点，而且由以上描述看出它在技术上也是可行的。- 9 -5 机构方案设计5.1 导轨的设计导轨的功用是承受载荷和导向 10。它能承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，运动部件可以沿导轨运动。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨称为静导轨或支撑导轨。动导轨相对于静导轨座直线运动或回转运动。5.1.1 导轨设计应满足的主要技术要求（1）导向精度 导向精度是导轨副在空载荷或切削条件下运动时实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的偏差。影响导向精度的因素很多，如导轨的几何精度和接触精度，导轨的结构形式，导轨和支撑件的刚度热变形，导轨的油膜厚度和油膜刚度等等。（2）承载能力大，刚度好 根据导轨承受载荷的性质、方向和大小，合理选择导轨的截面形状和尺寸，使导轨具有足够的刚度，以保证机床的加工精度。（3）精度保持性好 精度保持性主要是由导轨的耐磨性决定的，常见的磨损形式有磨料磨损、粘着磨损或咬焊、接触疲劳磨损等。影响耐磨性的因素有导轨材料、载荷状况、摩擦性质、工艺方法、润滑和防护条件等。（4）低速平稳性 当导轨座低速运动或微量进给时，应保证运动始终平稳，不出现爬行现象。 5.1.2 导轨类型的选择导轨副按照导轨面的摩擦性质可分为滑动导轨副和滚动导轨副，滑动导轨又可分为普通滑动导轨和静压导轨等。它们各有优缺点,现介绍如下：(1) 滑动导轨 滑动导轨结构简单、制造方便、抗震性能好 ；缺点是磨损较快，为了提高耐磨性，国内外广泛采用塑料导轨和镶钢导轨。塑料导轨是用喷涂法或粘结法将塑料覆盖在导轨面上。(2) 滚动导轨 与滑动导轨相比，滚动导轨摩擦因数小，动静摩擦因数都很接近，因此摩擦力小，启动轻便，运动灵敏，不易爬行；磨损小，精度保持性好，寿命长，具有较高的重复定位精度，运动平稳；可以采用油脂润滑，且润滑系统简单。但是抗震性差，需要预紧装置，结构复杂，加工难度大，成本较高。 (3) 静压导轨 静压导轨摩擦因数小，在设备启动和停止时没有磨损，效率高，精保持性好，精度高，抗震性能好，低速运动平稳，防爬行性能良好。但是结构复杂，需要一套专门的液压系统，维修、调整比较麻烦，成本较高，故多用于精密和高精度或低速运动机床中。通过以上论述，由于滚动导轨抗震性能较差、成本较高，而静压导轨结构复杂，需要安装一套专门的液压设备，且维护、润滑麻烦，可以看出本设计不宜采用此二- 10 -种方案，因此最合适的导轨系统是贴塑滑动导轨。5.1.3 导轨结构直线运动导轨的截面形式主要有四种：矩形、三角形、圆柱形和燕尾形，并可相互组合，每种导轨副之中还有凸凹之分。由于本设计的工作台较宽，因此两层导轨都采用双层导轨的结构形式，而双导轨的结构类型也很多，有双三角形导轨、双矩形导轨、矩形和三角形组合、矩形和燕尾形组合：双三角形不需要镶条调整间隙，接触刚度好，导向精度高，精度保持性好，但工艺性差，加工、检修不方便。双矩形导轨承载能力大，制造简单，但需要镶条调整间隙。矩形和三角形组合导轨导向性好、刚度高、制造方便，应用广泛。矩形和燕尾形组合导轨能够承受较大力矩，调整方便，但多用于立柱、摇臂横梁导轨中。将以上组合方式加以比较后，可以看出矩形和三角形组合导轨具有较明显的优势，故因此本设计采用此结构形式。（1）工作台的结构如图 5.1：图 5.1 工作台说明：工作台表面上设有螺孔以便于安装夹具；中间的方框标示了本机器的最大加工范围，即 400 250mm2 。（2）中层导轨的结构，如图 5.2： - 11 -图 5.2 中层导轨板说明：导轨板的上下表面都设有导轨，上导轨与工作台的导轨配合，下导轨与下层 导轨板上的导轨来配合；为了安装步进电机导轨板右端部设有四个螺孔；为了能使钢丝和导轨板的运动不发生相互干扰在导轨板的中部开设了缝隙，使导轨板与钢丝始终保持距离。（3）下层导轨板的结构，如图 5-3：图 5.3 下层导轨板说明：上端部四个螺孔是用于安装步进电机，靠紧中部的四个螺孔- 12 -用来安装轴承座的。小结 ：工作台在中层导轨板上滑移的距离为 400mm；中层导轨板可在下层导轨板上滑移的距离为 250mm； 下层导轨板固定于机架；上层导轨板即工作台上开的窗与中层导轨板上的缝隙及下层导 轨板开的孔是相互呼应的，可保证导轨板与钢丝不发生干涉。5.2 进给系统的设计5.2.1 概述进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响机床的定位精度和轮廓加工精度。不同类型的机床实现进给运动的传动类型也不同。根据加工对象、成形运动、进给精度、运动平稳性及生产率等因素的要求，主要有机械进给传动、液压进给传动系统、电气伺服进给传动系统等。机械进给系统结构复杂，制造及装配工作量较大，工作可靠便于检查和维修，机床上应用较多。电器伺服系统是数控装置和机床之间的联系环节，它接收来自数控装置发出的进给脉冲，经变换和放大后驱动工作台按规定的速度和距离移动。在现代机床上，实现直线进给运动主要有三种形式：（1）通过丝杠螺母副；（2）通过蜗轮蜗杆副；（3）采用直线电动机。由于蜗轮蜗杆副结构复杂，体积很大，而直线电机的效率和功率因数较低，对驱动器的要求较高，丝杠螺母副机构则没有这些缺点，而且丝杠螺母副机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，故选择第一种进给形式。由于该机器采用的是双进给机构，每根丝杠有两个轴承来支撑，采用一端固定一端浮动的布置方式，两均端安装给推力轴承。丝杠螺母副安装在工作台和中层导轨板上，丝杠做螺旋运动而螺母作轴向直线运动。5.2.2 进给机构的结构- 13 -图 5.4 进给机构结构简图1 轴承座 2 丝杠 3 轴承座 4 锥销联轴器 5 步进电机说明：丝杠采用梯形丝杠，取螺距 L=4mm 公称直径 d=30mm；为了保证传动精度，选用刚性锥销联轴器；丝杠两端采用轴承座支撑，选用的是一对背靠背的向心推力球轴承。5.3 弓形架往复直线运动系统的设计实现往复直线运动的机构有两种：（1）采用曲柄连杆机构， （2）采用凸轮机构；由于凸轮机构较复杂，且不易实现长距离往复运动，因此选择曲柄连杆机构，并对其进行适当的改进，即采用偏心轮代替曲柄，弓形架替代滑块。弓形架作往复直线运动的导轨选用的是圆柱导轨，为了保持弓形架不发生偏转采用了两条相互平行的圆柱导轨，这里有两种选择：（1）由滑动圆柱承担（2）由滑套承担。二者的结构如图 5-5 和图 5-6：图 5.5 图 5.61 滑动圆柱 2 固定滑套 3 连杆 4 偏心轮 1 滑套 2 固定圆柱 3 连杆 4 偏心- 14 -轮结论：如果要实现相同的行程图 5-6 所示结构的尺寸要比图 5-5 的高出很多，所用的材料也较多，系统稳定性较差，因此本设计采用了图 5-5 的方案。为了满足运动速度的调整采用了带轮减速机构，此外，带轮机构还可以保护伺服电机。5.4 悬臂梁的形状结构图 5.7 悬臂梁说明：右端部六个通孔用来与搭接梁相连接；左端部四个通孔是用来连接夹紧装置；为了增加刚度悬臂梁设计成槽形；下悬臂梁与上悬臂梁在结构上相似，只是尺寸稍微有些差别。5.5 上搭接梁的形状结构图 5.8 上搭接梁- 15 -说明： 为了连接滑动圆柱左右两端开设了通孔，中部六个通孔是用来安装悬臂梁。5.6 下搭接梁的形状结构图 5.9 下搭接梁说明： 左右两端的通孔与滑动圆柱相连接；中心两侧六通孔为了连接悬臂梁；侧壁中部的小孔用来安放小轴。5.7 滑动圆柱的结构形状图 5.10说明：为了提高滑动圆柱定位精度两端做成台阶，同时两端都用螺栓来与上下搭接梁相连接。- 16 -6 重要零部件的设计计算6.1 V 带传动的设计计算6.1.1 设计要求传递功率 1.2kw，减速比 1:4，冲击载荷较大，小带轮转速 1440r/min，中心距约 500mm。6.1.2 设计步骤（1）确定计算功率查机械设计 11表 8.7，得工况系数 则1.2Ak(6.1).4caPkw（2）选取 V 带型号根据计算功率 和小带轮的转度 ，由机械设计1.4cakwP10/minnr图8.11 查得 V 带型号为 Z 型带。（3）确定带轮的基准直径并验算带速根据 V 带型号从普通 V 带基准直径系列中选取小带轮的基准直径 ，17dm验算带速(6.2)171405.3/606dnsv因为 ，故带速合适；5/2/mss则大带轮直径 (6.3)21478ddim故取 。280d（4）确定 V 带中心距 a 和基准长度 dL 根据式 初定中心距，12012)().7(d(6.4)0.784(8471)a- 17 -初选 05ma 根据式(6.5)210120()2()4dddaaL计算所需的基准长度：(6.6)20 325(718)15840d m故选取 V 带的基准长度为 ，60dLm则中心距：(6.7)0015805122da m（5）验算小带轮上的包角 112157.357.38080241690da （6.8） 故包角合适。（6）计算 V 带的根数 Z计算单根 V 带的额定功率 rP由 和 ，查机械设计得 ，根据17dm140/inn 0.287Pkw， 和 Z 型 V 带由机械设计 ，查得 ，40/inr 3包角系数 ，工况系数 ，于是.93k1.6Lk(6.9)0028730.916.42rP kw计算 V 带根数 Z(6.10)1.4=.203carP取整数 5Z（7）计算单根 V 带的最小初拉力- 18 -(6.11)2 20min .50931.4(2.5) 0.65347.16cakPFqv NZ(8) 计算压轴力压轴力的最小值为（6.12)min0in 1562s2547.sin4.2PFz N6.2 圆柱螺旋弹簧的设计计算 弹簧是一种弹性元件，它可以在载荷作用下产生较大的弹性变形 13。本线切割机使用的圆柱螺旋压缩弹簧主要作用是减缓弓形架直线往复运动带来的冲击载荷振动，此外，它们也起到储蓄一定能量的作用。6.2.1 已知条件本机工作在一般载荷下，弹簧中径 ，外径 ，当压缩mD50m652变形量 时， ；当压缩变形量 时， 。 m15NF80112F026.2.2 设计计算(1)计算许用切应力因为弹簧工作在一般载荷下，因此按第类弹簧来设计 14，选用 C 级碳素钢弹簧丝，根据 ，估取簧丝直径： ，取弹簧丝mD15062md5拉伸强度极限 ，则弹簧丝需用切应 。aBMP15aMP601.08(2) 计算簧丝直径现选取旋绕比 ，则：9C（6.13)16.85.032615.04Ck根据式(6.14)mKFd 3.4609.16.12 改取 m8.4查机械设计得 不变，故 不变，取 ， ， BD52.108.45C- 19 -计算得:(6.15)15.6.041Ck则:(6.16)mKCFd 2.609.52.16.12 该值与估计值近似，故取簧丝直径 ，此时， 为标准值。 d.D50则:(6.17)250.D符合要求。(3)计算弹簧圈数由 得，弹簧刚度 ，选取切变模量21=-Fk52084.19/FkNm。 80aGMP则弹簧圈数(6.18)4433805.17.9FGdnDk取 ，此时 18n.197.6Fk(4)验算弹簧初拉力 (6.19)01804.6159.FkN初应力(6.20)00338.5.aDMPd极限工作应力(6.21)lim.6.1084Ba极限工作载荷(6.22)33li5.9.801amdFNDk6.3 步进电机的选择与计算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。- 20 -每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。步进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频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制 15。6.3.1 设计要求工作台的脉冲当量 ，丝杠的导程 ，初选步进电机的步进0.5/ms04Lm角 ，得减速比：0.75(6.23)0()/36(0.7)/(36.5)3/18iL6.3.2 设计过程(1)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 已知：丝杠的公称直径 ，总长 ，导程 ，材料密032dm638lm04L度 ；移动部件总重力 ；小齿轮度 ，直径337.810/kgcNG1012b；大齿轮度 ，直径 ；转动比 。初选步进电16dm2b2 /8i动机型号为 110BF004，三相六拍，驱动时步距角 。.75丝杠的转动惯量 ；移动部件折算到丝杠上的转动惯量20.6sJkgcm；小齿轮的转动惯量 ；大齿轮的转动惯量20.3WJkgcm 210.6Jkgc。249步进电动机转子的转动惯量 。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量24.MJkcm为：(6.24)214.3sWzJJkgcm(2) 电机力矩计算由于机床在不同的工况下所需的转矩不同，所以分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算：1） 快速空载起动力矩 qM- 21 -在此阶段加速力矩所占的比例较大，具体计算如下：(6.25)max0qfM快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速力矩；maxM移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦力矩；f丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。0因为滚珠丝杠副的传动效率很高， 相对于 和 很小，可以忽略不计，0Mfmax考虑传动链的总效率 ，计算快速空载起动时折算到电动机转轴的最大加速转矩：(6.26)maxmax2160Jnt式中 最大快速进给速度，单位为 r/min；maxn步进电动机由静止到加速到 n 转速所需的时间，单位为 s。t其中： max360v式中 空载最快移动速度，任务书指定为 12mm/min；max步进电动机步距角，初选为 ；75.0脉冲当量，本设计中 脉冲。 /m将以上各值代入，算得 max/innr设步进电动机由静止到加速至 转速所需时间 ，传动链总效率 =0.8，0.4ts则：(6.27)4max2.315.7160.8MNm移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：0.80() .4225/1zfFGLNmi（6.28)式中导轨的摩擦因数，滑动导轨取 0.008- 22 -垂直方向的切削力，空载时取 0zF传动链总效率，取 0.8根据以上可求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：(6.29)max0.491qfMNm(2)最大切削负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 M(6.30)0ft其中移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦力矩fM丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转0折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t(6.31)0/290.4/2.850.2txFLi Nm由于丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩相对很小，故可以忽略不计，则(6.32)0.7ftM考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据 来选择步进电动机的最大M静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数 K=2，则步进电动机的最大静转矩应满足：(6.33)max42.6jqMNm上述初选的步进电动机型号为 110BF004，查得该型号电动机的最大静转矩。可见，满足要求。max4.9NjM- 23 -7 结 论至此，本毕业设计已完成饰面石材板线切割机的整体设计和计算，所设计的机器能够切割出较复杂的图案，自动化程度高，加工精度高，生产效率高，节约生产成本，经济效益良好，能够保证生产的产品具有良好的装饰效果，此外，该机价格低廉，具有很强的市场竞争力，适合多种工作场合，且安装方便，操作简单、灵活，噪声低，切割速度快，易于维护等特点，达到了预期的设计目标和要求。这次毕业设计是本科学习阶段一次十分难得的将理论与实践相结合的机会。通过这次比较完整的饰面石