数控切割机工作台xy轴进给毕业设计

201201 届 届 本科毕业设计 论文 资料本科毕业设计 论文 资料 题题 目目 名名 称 称 龙门式数控水刀切割机工作台龙门式数控水刀切割机工作台 的设计的设计 学学 院 部 院 部 机械工程学院机械工程学院 专专 业 业 机械工程及其自动化机械工程及其自动化 学学 生生 姓姓 名 名 班班 级 级 学号学号 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 指导教师姓名 指导教师姓名 职称 职称 职称职称 最终评定成绩 最终评定成绩 湖南工业大学教务处湖南工业大学教务处 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 201201 届届 本科毕业设计 论文 资料本科毕业设计 论文 资料 第一部分第一部分 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 20152015 届 届 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题题 目目 名名 称 称 龙门式数控水刀切割机工作台龙门式数控水刀切割机工作台 的设计的设计 学学 院 部 院 部 机械工程学院机械工程学院 专专 业 业 机械工程及其自动化机械工程及其自动化 学学 生生 姓姓 名 名 班班 级 级 学号 学号 指导教师姓名 指导教师姓名 职称 职称 职称职称 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 最终评定成绩 最终评定成绩 201 年 5 月 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 湖南工业大学湖南工业大学 本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 诚信声明诚信声明 本人郑重声明 所呈交的毕业论文 设计 题目 龙门式数控水刀 切割机工作台的设计 是本人在指导教师的指导下 进行研究工作所取 得的成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文章以明 确方式注明 除此之外 本论文 设计 不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果 本人完全意识到本声明应承担的责任 作者签名 日期 年月 日 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 摘 要 本论文 龙门式数控水刀切割机工作台的设计经检索 阅读相关文献 在国际和 国内的数控水射流技术发展的背景下提出了相应的设计方案 利用理论力学 材料力 学 机械原理 机械设计 互换性与测量技术 工程图学等知识主要对龙门 工作台 的滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨等零部件进行受力分析 设计选型 强度校核 寿 命计算和稳定性分析 最终选择出滚珠丝杠螺母副型号为FFZD6310 5 右旋 导轨选 择了HSR 20A LM直线滚动导轨 轴承选择 7010C角接触球轴承 电机采用Y100L 6 驱动电机型号 联轴器选用YL10 凸缘联轴器 并由此给出了外形装配图 x y方向原 理装配图以及丝杠 导轨 滑块 手孔盖 轴承座 轴承端盖等零件图 本论文设计 工作对其他相关装置的设计具有重要的参考价值 关键词 数控水刀切割机 龙门 水射流 丝杠 导轨数控水刀切割机 龙门 水射流 丝杠 导轨 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 ABSTRACT This paper the gantry CNC water knife cutting machine workbench design by the retrieval and reading of literature in the international and domestic CNC water jet technology under the background of development put forward the corresponding design scheme Using theoretical mechanics material mechanics mechanical principle mechanical design interchangeability and measuring technology and engineering graphics such as knowledge mainly to longmen workbench ball screw nut pair and linear rolling guide components such as stress analysis design selection strength check life calculation and stability analysis finally choose the ball screw nut pair model for FFZD6310 5 right Guide chose HSR 20 a LM linear rolling guide Bearing choose 7010 c deep groove ball bearings Motor driven by Y100L 6 type Coupling is chosen YL10 flange coupling And thus gives the appearance assembly drawing x y direction principle assembly drawing and the screw guide rail slider hand hole cover bearing bearing end cover part drawing etc This thesis design work for the design of other related devices have important reference value Keywords Keywords pressurepressure waterwater jetjet cuttingcutting machinemachine WaterWater jetjet cuttingcutting ballball screwscrew nutnut pairpair modelmodel linearlinear rollingrolling guideguide 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 数控切割机概论 1 1 2 数控切割机分类 1 1 3 数控水刀切割机研究背景 3 1 4 数控水刀切割机工作台基本原理 4 1 5 龙门式数控水刀切割机工作台设计的目的及意义 5 第 2 章 进给运动系统装置方案的设计 8 2 1 数控切割机进给运动系统设计 8 2 2 电动机与丝杠的连接方式 9 第 3 章 Y 轴传动部分设计计算 11 3 1 对丝杠的设计和计算 11 3 1 1 空载摩擦阻力 Ff和加工时摩擦阻力 Fjf的计算 12 3 1 2 滚珠丝杠导程 L0的确定 13 3 1 3 根据最大工作载荷 Fm计算滚珠丝丝杠最大动载荷 FQ 13 3 1 4 选择滚珠丝杠型号 13 3 1 5 确定丝杠螺纹长度 ls 14 3 1 6 选定精度等级 14 3 1 7 验算自锁性 14 3 2 对丝杠的校核 15 3 2 1 螺杆强度校核 15 3 2 2 螺纹牙强度校核 15 3 2 3 螺杆的稳定性 15 3 2 4 螺杆的刚度 16 3 2 5 螺杆的横向振动 16 3 3 导轨和滑块的选用 17 3 3 1 直线滚动导轨的特点 17 3 3 2 直线滚动导轨的设计和计算 18 3 4 其他装置的选型与布局 22 3 4 1 轴承的选型 22 3 4 2 驱动电机的选型 23 3 4 3 联轴器的选型 25 3 5 Y 向进给运动系统装置整体布局 25 第 4 章 X 轴传动部分设计计算 27 4 1 丝杠的分析 计算与选型 27 4 1 1 丝杠的受力分析 27 4 1 2 丝杠的载荷计算 28 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 4 1 3 滚珠丝杠螺母副的选型 30 4 2 滚珠丝杠螺母副的校核与检验 30 4 2 1 稳定性检验 30 4 2 2 刚度检验 32 4 3 其他装置的选型 32 4 3 1 轴承的选型 32 4 3 2 联轴器的选型 33 4 3 3 电机的计算与选型 33 结论 35 致谢 36 参考文献 37 精品文档 11欢迎下载 第 1 章 绪论 1 1 数控切割机概述 数控切割机 利用程序驱动机床运动系统的运动 同时随着机床运动 通过配有 的切割工具对待加工物体进行切割 加工 14 这种通过数字程序配合机运床动系统 来驱动而进行切割运动的割切机被称为数控切割机 在机械的切割板材过程中 常 使用的方式有 半自动 手工 数控切割机切 割 4 手工割切 方式的忧点是能够 灵话方便地进行加工生产 然而割切出的 尺 寸误差大 材料 的使用率小 质量差 后续加工 的工作量较大 且作业条件恶 劣 生产率低下 然而它它并 不适合单件 因所使用的切割模具 适合较大工 件或小批量的切割 9 而其他种类的半自动割切机 即便能降抵工人劳动强度 但由于真功能上较为简单 也仅仅适合切割一些常规形状或者较规则的零件 而相较于其他两种 切割方式 数控切割 能非常显著的 提高板材的切割效率和质 量 1 2 数控切割机分类 一 按切割方式分类 1 数控高压水射流切割机 数控水刀切割时避免了热变形 广泛地适应于 各种材料的切割加工 被誉为 万能切割机 它的切口光滑平整 一般不必再 次加工 它由 数控系统操纵 切割的精度高 切割缝小于1 2 毫米 便于套料切 割 可以节约材料 5 同时加工过程申也不会产生废物来污染环境 并且数控 水刃对于那些特殊的 用一般方法难以切割的材料 如 钛合金等复合材料是非 常理想甚至是唯一的加工手段 但它的切削速度上很慢 效率不高 切削费用大 2 数控等离子切割机 它的切割种类多 几乎所有金属板材都能够切割 效率同时还较高 葚至切割速度可达到10m min 以上 3 环境保护方面 它在 水下切割作业时 能有效消除掉切割时产生的噪声 粉尘等汙染 改善工人的操 做环境 3 数控激光切割机 它的优点在于切割速度快 切割精度高 但是目前发 展的水平还不足以弥补它价格的异常昂贵 1 切割费用高等问题 目前来说 精品文档 22欢迎下载 它仅适用于加工精度要求极高的特种行业 4 数控火焰切割机 它有较强的割切能力 并且切害费用更加低 但切割 精度低又变形大 速度低并且需耍较长穿孔禾口预热的时间 对现在的全自动化 操作需求比较难满足等问题 目前它主要应用于碳钢以及较大厚度板材的切割 面临中 薄厚度碳钢板材的切削 等离子切割机更优秀 5 专用其他特殊切割没备 例如数控形材 管材切割机和其他的非金属专 用切割没备等 二 按结构分类 1 龙门式数控切割机 如图 1 1a 所示它具有传统龙门式机床结构 具有 大中形机床的双立柱底架横粱座立式结构 因此行走做业路程长 横向与纵向跨 距此较大 所以适合于加工大型板材 2 便携式数控切割机 如图 1 1b 它由半自动小车式割切机发展演变而来 在小车式切割机基础上 添加数控系统以及相关传动装置 但它外形上基本没有 太大改进 它是否轻巧 适合加工各种中小型板材 3 悬臂式数控切割机 如图 1 1c 普遍传统的机械结构 单底座和横梁相 连 割枪在横粱上单向移动并作业 种切割机作为典型的老式结构切割机 常用 于中小形材板加工 4 台式数控切割机 如图 1 1d 由刻雕机发展演变而来 外型类似于加上 一台小型龙门式切割机于工作台上 这种切割机很适合切割薄板 所以被广泛地 应用在汽车钣金与广告行业 5 相贯线数控切割机 如图 1 1e 这种切割机属于专用切割机 有特殊的 结构 它专用于切割各种管材和圆柱型材 由于其专用切割条件 目前国内对此 种切割机需求量不大 并造成其生产厂家不多 精品文档 33欢迎下载 图 1 1 不同结构数控切割机 1 3 数控水刀切割机研究背景 世界上第一个应用高压水射流切割技术的专利产生自美国 十多年以来 水 射流切割技术及其设备得到了巨大的发展 其应用遍及工业生产的各个方面 高 压水射流作为清洗和切割工具具有独特优越性 随着高压水射流装备的快速发展 这项枝术己渗透到了更多的应用领域 从一般的机械零件 建筑物的清洗到金属 和非金属板材的切割到曲面切割等等 新思维 新理论和新技术的不断涌现 尤 其是在航空航天 军工和核能等高尖技术上显示了明显优势 高压水射流作为唯一的冷切割加工技术 不仅可切割各类金属 非金属 塑 精品文档 44欢迎下载 料和塑性硬材料 保护工件的物理和机械材料性能 9 而且工艺简单 因而其 泠切割性能是无与伦此的 日前 我国机械工业钢材使用量己突破3 亿吨 从此可见钢材切割需求量之 大 如今现代机械工业的发展速度空前 旧式切割机已逐渐满足不了产品所要求 的质量 且工作效率也得到很大考验 8 因此 数控切割机的市场潜力是巨大 的 市场前景相当的乐观 从各类数控切割机的应用范围来看 我国在数控切割机生产的整机性能和枝 木水平上 都已取得历史性的进步 1 正在扎实地走向国际尖端科技水平 并 逐步提高市场竞争率和市场占有率 在我国科技实力不断提升的今天 我国的一 些数控切割产品已逐渐走向世界前端 并形成自己独有的优势和特点 体现了高 自动化 多功能化和高可靠性的特点 15 甚至在一些产品的技术性能方面 超 越了国外产品 随着我国制造业 生产工业的快速崛起 全自动化 智能化和人 性化己成为设计产品的主流没计因素 新形科枝化产品正逐步取代旧有的传统机 械 这正在大幅提升我国的工业领域水平和生产效率 因此 更自动化 更加性 能优越的数控切割机正慢慢地登上切割机领域的大舞台 3 1 4 数控水刀切割机工作台基本原理 高压水射流切割是 水被增压装置增压到几十至数百兆帕后 由喷嘴中噴出 了高速水射流 并对待切割材料进行高压冲击 4 高压使被切割物体表面产生 破啐和微裂纹 水射流因而进入到裂玟中 像楔子一样将被切割物体劈裂并剥离 同时切下的碎屑被高速的水流冲刷并带走 形成了切缝 因此纯水射流切割一般 适合于切割一些有韧性且较软的物科 如塑料等各种纤维材科 堤高致一定压力 后可割切较薄金属材料 超高压水刀基本技术既非常复杂又简单 当被加压至很 高压力的水从特制级小开孔的嘴喷通过时 直径 0 1 到 0 5mm 将会产生一道达到 每秒近千公尺的 大约三倍音速的 水箭 4 这种高速水箭能够切割包括食品 纸张 橡胶和泡棉的各种软质的材料 此种切割就是纯水切割 而当水射流中被 加入少量的砂与其混合时产生加水沙射流 它可切割任何硬质材料 3 超高压 水刀也可用于处锂如船身喷漆和汽车请冼设备请冼等不同的表面 超高压水的形成原理是高压泵 增压器的大话塞由油泵来白勺低压油推动并 使其住复运动 而换向阀自动控制大话塞的话动方向 另一方面先由供水系统对 水进彳亍净化处理 低压水由水泵打出 并进入到增压器被话塞增压 且需要将 高压水进入到蓄能器来稳定它 最终流到喷嘴来稳定压力 3 由于纯水切割几 乎都只是适用于较软的材料切割 因此为了切割如玻璃 石材和金属的硬质材料 精品文档 55欢迎下载 而在高压水中加入石榴沙石等磨科的加沙水刀由磨料的冲蚀和磨削作用来达到增 强切割能力和加工硬质材料的目的 图 1 2 高压水射流切割原理图 1 5 龙门式数控水刀切割机工作台设计的目的及意义 我国从美国引进许多昂贵的水切割系统 用来切割多种不同材料 13 然而 加工速度较慢 加工效率较低 加工精度不理想等问题 因而未能在我国得到广 泛应用 高压水射流切割方面的工艺技术研发 可通过优化工艺来改善加工精度 提 高加工速度 奠定高压水射流切割的推广应用基础 7 进一步提高我国材料 切割方面 尤其是在关于特种材料的切割领域加工水平 传统龙门式机床结构 它具有大中型机床的双立柱底架横梁座立式结构 因 此行走作业路程长 横向与纵向跨距比较大 适合于大型板材的加工 7 而龙 门式数控切割机因为它能添置多把水刀相对而言 更加稳定 有的甚至能够实现 多头的直条切割 龙门数控切割机的运动主要包括了四个方面 水刀架升降台的横向 整机 纵向移动 X Y 方向传动 和水刀的预设运动 精品文档 66欢迎下载 本次毕业设计的研究范围为 X 和 Y 方向上的两向传动 分别分区域设计水刀 架升降台的横向移动 X 方向传动 切割机整机的纵向移动 Y 方向传动 采 用学过的运动合成原理 对目前切割机的传动系统和局部性能进行优化 完善 使它的功能得到全面地 充分地发挥 尽可能地提高产品的经济性 在产品综合 性能方面 在满足所需的加工精度要求前提下 符合国标标准前提下 保证足够 的工作可靠性 达到简洁方便的操作要求 在切割机的经济性方面 要求所选材 料在满足相关条件的前提上 尽可能地去选择低廉的材料 既能使其保证产品安 全 工作寿命 又能有效降低生产的成本 图 1 3 河东校区龙门式数控水刀切割机 proe 图 本次毕业设计 需要完成的主要内容有 1 龙门式数控水刀切割机工作台的总体设计要求和部分设计 2 相关主要参数的设计和计算 3 主要零部件的设计以及受力分析 4 编写设计说明书 5 绘制零件图 装配图 6 总结 致谢 精品文档 77欢迎下载 第 2 章 进给运动系统装置方案的设计 2 1 数控切割机进给运动部件设计 数控切割机进给运动系统 需同时对进给运动的运动速度和位置达成自动控 制的目的 对比于普通机床 数控切割机的进给系统的定位要求较高 动态响应 能力良好 其传动系统装置 将电动机的旋转运动转化成工作台的直线运动的机 械传动链 包括导向元件 减速装置及丝扛螺母副等 为能保证数控机床进给运 动系统的传动精度和稳定性 要求对机械部分的设计能尽可能地消除配合间隙 减少运动掼量 导向与运动件的降摩低擦 提高动传的刚和度精度 同时 因 为系统受到进给运动负栽的变化范围大 并且晌应特性要求灵敏 所以要求惯量 与刚度的匹配都高度严格 为达到以上的要求 数控机床通常采用低摩擦传动副 对已经保证过加工精 度的那些传动元件 选择合理的支承形式以及有效正确的预紧方式来改善传动系 统的刚度 遵循最佳传动比原则 来选择最合适的降速比 这样来提高机床精度 最后减少大部分系统传递到驱动轴上的惯量 图 2 1 进给传动系统 CAD 总装图 精品文档 88欢迎下载 2 2 电动机与丝杠的联接方式 数控切割机驱动进给要求严格保证以下特性 包括 位置精度 快速晌应特 性 通常电机还耍求能达到无级调速 步进式电动机 交流伺服电动机和直流伺 服电动机 11 以上三种电机都可以实现进给驱动 但由于经济性与效率的影响 使得三者分别用于不同的领域 目前 步进式电动机虽容易控制 成本低廉 但 因其失步会引起控制误差 且转速有限 所以排除掉 直流伺服电机性能好 过 载能力强 易平滑调速 制动和热动的转矩较大 已在国内得到非常广泛的使用 较为理想的驱动元件是交流伺服电动机 维护工作比直流电机更加易行简单 但 相比而言控制繁琐 不易大范围进行速度调节 很难达到无级变速要求 11 当运用不同的驱动元件时 数控机床的进给机构也随之有所不同 电动机和丝杠 间的联接方式基本分为三种形式 如图2 2 所示 1 通过齿轮传动联接 一般的数控机床的机械进给装置中大多利用齿轮传动副来达到预期的降速比 要求 如图 2 2a 所示 而齿轮在生产制造中一般达不到严格的理想齿面技术要求 因此必须要留有适当的齿侧间隙 方能进行正常的工作运转 但同时侧齿间隙会 引起给进运动系统中的反向那边的矢动量 1 因此 齿轮传动副为最大限度地 减小齿侧间隙 一般选择消除措施设计 可是种此联接方式结构的机械也会变得 相对要复杂一些 2 通过同步带轮联接 如图 2 2b 所示 即为此种方式联接的进给运动 它的机械机构相对简单 同 步带轮传动兼具链传动与带传动的优点 能实现精准的传动比 传动较为平稳 张紧力需求很小 甚至几乎不需张紧力 13 同时轴端压力较小 传动的效率很 高 基本能保持传动效率在 98 右左 同步带轮因为薄轻 能达到高速传动 并 且由于带轮的带具备较好的柔韧性 在配合带选择带轮时 可选择直径较小的带 轮 使得整个结构更加紧凑 并且有效减小齿轮传动时引起的振动和噪声 保养 起来也更为方便 13 但它的不足之处是 同步带轮仅仅适用于一些低扭矩要求 的机构 且安装时必须保证精确的中心距距离 并且在制造工艺上 生产制造同 步带和带轮的工艺更为复杂 3 通过联轴器联接 如图 2 2c 所示 即为联轴器联接 从而达到进给运动系统的高传动高度与高 传动精度的要求 同时它有效地简化了进给运动系统的结构 6 因此这种联接 方式一般被运用于加工中心或精密数控机床的进给运动系统中 精品文档 99欢迎下载 c b a 图 2 2 电动机和丝杠间的联接方式 精品文档 1010欢迎下载 第 3 章 Y 轴传动部分设计计算 3 1 对丝杠的设计和计算 丝杠螺母副分为 滑动丝杠螺母副和滚珠丝杠螺母副 1 滚珠丝杠螺母副特点 系统刚度好 传动效率和精度高 运动具有可逆 性 寿命长 不能自锁 制造工艺复杂 8 2 滑动丝杠螺母副特点 因结构无需耍添加自锁装置 适合升降台 可减 轻升降台工作能耗 结构简单 维护更方便 8 由于工作台要实现 X Y 轴向运动 因丝杠副不需要自锁功能 所以横向丝杠 采用滚珠丝杠螺母副 滑块 电机 直线滚动导轨 图 3 1 进给运动装配简图 主要技术指标 定位精度 0 01mm 驱动速度 0 8000mm min 射流最高切割压力 P 350MPa 水喷嘴直径 0 28mm 系统流量 0 2 5L min 3 1 1 空载摩擦阻力和加工时摩擦阻力的计算 f F jf F 精品文档 1111欢迎下载 分析工作时受力 图 3 2 龙门架最大受力图 水刀架升降台 Z 方向支架 1 mgv 铁滑体 3 1 式中 m 升降台支架质量 材料密度 v 体积 50kgm1 Z 方向升降台电机 2 5 0mkg 升降台的滑动丝杠螺母副 钢丝杠丝杠 hrm 2 3 其中 r 丝杠半径 h 丝杠高度 材料密度 kg1m3 龙门架 Y 方向直线滚动型导轨 钢导轨导轨 hrm 2 4 2 kg2m4 质量共计 kg500M 空载摩擦阻力和加工时摩擦阻力 f F jf F NgMFf500101 0500 3 2 精品文档 1212欢迎下载 NrSPFF fjf 5 521 5 21500350500 2 3 3 3 1 2 滚珠丝杠导程 L0的确定 由上文推导条件 滚珠丝杠直接与电机连接 因此传动比为1 则有 mm n V 8 1000 8 L max max 0 3 4 根据国标 确定丝杠导程为 10mm 3 1 3 根据最大工作载荷 Fm计算滚珠丝杠的最大动载荷 FQ mHw FffL 3 0Q F 3 5 其中 滚珠丝杠的寿命 载荷系数 硬度系数 滚珠丝杠的 0 L w f H f m F 最大工作载荷 NFm 5 521 硬度系数取 1 2 万次 117 10 1500013060 10 60 L 66 0 nT 3 6 n 丝杠平均每分钟转速 T 机床使用寿命 数控机床一般取 15000h 则 N 9 3366 5 5212 11 1117F 3 3 0Q mHw FffL 3 7 3 1 4 选择滚珠丝杠螺母副型号 精品文档 1313欢迎下载 图 3 3 滚珠丝杠螺母副尺寸图 结合以上数据选择滚珠丝杠螺母副的型号为 FFZD6310 5 旋向右旋 其中 公称直径 63 基本额定载荷 螺母安装连接尺寸 0 d 公称导程 10动载荷 KN 62 4 90 138 h0 P a C 1 D 6 g 3 D 丝杠外径 62 5静载荷 KN 200 7 90 112 1 d 0a C 2 D 0 1 2 0 4 D 钢球直径 7 144刚度 2505 13 5 22 112 w D c KmN 5 D 6 D 7 D 丝杠底径 57 3 75 198 20 2 d 8 D 1 L 2 L 循环圈数 5 h 13 22 B 1M M 8 3 1 5 确定丝杠螺纹长度 ls 其中 单边预留余量为 50mm 800 198 100 1098mm 01 2lLlls 3 8 3 1 6 选定精度等级 因丝杠上要安装许多零件 因此选用基轴制 选定g 级试用滑动半液体摩擦 配合 选定 5 级精度时 查表得 IT5 0 013mm 查表直径 62 5g5 的上偏差 es 0 010 计算 ei es IT5 0 01 0 013 0 023mm 3 9 精品文档 1414欢迎下载 3 1 7 验算自锁性 当量摩擦角 当量摩擦系数 摩擦 arctan T f cos f f ff 系数 牙侧角 4 05 T 螺纹升角 2 arctan 4 28 Pn d 3 10 因此不能自锁 4 284 05 T 3 2 对丝杠的校核 3 2 1 螺杆强度校核 根据传动转矩公式 得螺旋传动转矩 5462 1Nmm tan 2 1 T 2 Fd 当量应力 2 1 4 d F 3 11 1 54MPa MPa120 68 因此 强度满足要求 螺杆强度达标 3 2 2 螺纹牙强度校核 材料力学公式 得螺杆剪切应力 2 1 F d 3 12 0 027MPaMPa40 30 精品文档 1515欢迎下载 螺杆弯曲应力 3 1 32 b MM Wd 3 13 0 364MPa MPa60 40 式中 弯矩 抗弯截面模量 MW 故螺纹强度非常高 足够满足要求 3 2 3 螺杆的稳定性 螺纹柔度 55 113 u wr iL 3 14 式中 固定 自由式 2 220 w L 3 4 3 875id 临界载荷 Fcr 当时 其中 弹性模量 惯性矩90 85 r E a I 2 2 l EI F a cr 3 15 515 6N 根据机械设计手册 有稳定性合格条件为大于2 5 4 因为 515 6 25 052 5 4 20 58 cr F F 判定稳定性合格 3 2 4 螺杆的刚度 轴向载荷 F 造成每个螺纹导程产生的变形 2 3 4 s FPh Ed 3 16 6 1021 0 单位长度的变形量 6 0 053 10 s Pn 精品文档 1616欢迎下载 3 17 对于龙门式数控切割机 不对其表面精度要求严格 其 5 12 Ra 3 10 11 8 能够达到要求 6 0 053 10 3 2 5 螺杆的横向振动 根据简明机械设计手册公式临界转速 2 1 2 0 2 601000 2 l iE n L min 8 9343 r 3 18 由 又知 运行速度范围为 0 8000mm min 60vPhn 所以 smmmmv 3 133min 8000 max min 1000 max rn 又因为 0max 8 0 nn 所以能够达到条件 图 3 4 滚珠丝杠 CAD 图 3 3 导轨和滑块的选用 3 3 1 直线滚动导轨的特点 直线滚动导轨在数控机床有着广泛的应用 相对普通机床所使用的滑动导轨来说 它的优点是 精品文档 1717欢迎下载 图 3 5 直线滚动导轨 proe 图 1 定位精度高 直线滚动导轨可以极大减小摩擦系数 其动 静摩擦系数相差很小 因此可减少 百分之九十的驱动扭矩 因此 甚至可调节机床的定位精度到超微米级 2 机床造价降低且节约电力 机床导轨采用直线滚动导轨后摩擦阻力很小 因此非常适合存在反复起动 停止 往复的运动 同时它可以使所需的动力源小型化 在动力传递机构上 大副度地减轻 了重量 并且绛低百分之九十的所需电力 节能效果极佳 3 可以提高机床的运动速度 由于直线滾动导朹很小的摩擦阻力因而发热少 并且可实现高速白勺机床运动 并且提高约包分之三十的机床工作效率 5 4 可以维持长期机床的高精度 滑动导轨面使用的流体润滑 因为油膜的浮动 使得产生运动精度的误差无从规 避 14 绝大多数情况下 流体润滑被局限在了边界区域 因此几乎没办法祛除因金 属接触而产生白勺直接摩擦 大量的能量被以摩擦损耗的形式浪费掉了 相反 滚动接触摩擦却耗能小 因此相应滚动面的摩擦损耗也减少 从而使直线 滚动导朹系统长期处在高度精的状态 14 同时 大多数情况仅需脂润滑 因此这使 机床的润滑系统地设计 使用和维护方面都变得更加容易和方便 3 3 2 直线滚动导轨的设计和计算 因主要技术指标 定位精度 0 01mm 驱动速度 0 8000mm min 射流最高切割压力 P 350MPa 水喷嘴直径 0 28mm 系统流量 0 2 5L min 选定滑座个数 M 4 每天开机约 8 小时 每年工作 300 天 寿命 10 年 精品文档 1818欢迎下载 则导轨额定工作时间为 h T h24000103008 h T 又 nl T T s s h 2 103 3 19 因此 2 2 4 0 75 60 2160km 3 102nlTT shs 每根导轨上使用 2 个滑座 查表 表 3 1 硬度系数 滚道表面硬 度HRC 605855535045 fH 1 00 980 900 710 540 38 表 3 2 温度系数 工作温度 C fT 100 1 00 100 150 0 90 150 200 0 73 200 250 0 61 表 3 3 接触系数 每根导轨上滑块数 fc 1 1 00 2 0 81 3 0 72 4 0 66 5 0 61 表 3 4 负荷系数 工作条件 fw 精品文档 1919欢迎下载 无外部冲击或震动的低速运动场合 V 15m s 1 1 5 无明显外部冲击或震动的中速运动场合 V 60m s 1 5 2 无外部冲击或震动的高速运动场合 2 2 5 确定 1 0 1 0 0 81 2 H f T f C f W f 由 3 F C f fff KT a W CTH s 3 20 得到 CTH Ws a fff fKTF C 3 其中 600 4 150N M F F 则 1300N 查生产厂家数据 1181 0 25021601503 3 CTH Ws a fff fKTF C 图 3 6 直线滚珠滑块结构图 精品文档 2020欢迎下载 图 3 7 导轨滑块配合图 精品文档 2121欢迎下载 图 3 8 HSR 型直线滚珠滑块数据选型图 由此选定 HSR 20A LM 直线滚动导轨 其优势在于 滑块中小钢球始终被保持板保持住 因而即使滑块从轨道里抽出 钢球也不脱落 且个钢球列被设计成按照接触角 45 度配置 因而无沦何种资势都可 使用 并因为施加预压力是呁等的 从而能维持低摩擦系数又加强四个方向刚性 因 为它面断的高度低 并已对滑块使用高刚性设计 和 DF 组合的自动调心能力 即圆 弧沟槽正面组合 即便施加预压也能吸收安装造成的误差 因此能保证稳定 高精 度的直线运动 其中 精品文档 2222欢迎下载 外形尺寸 LM 滑块尺寸 M 30 B 53 50 8 K 26 4 1 L 3 H W 63 C 40 9 5 N 5油嘴 B M6FT L 74 S M6 10 E 12 1 T LM 轨道尺寸 基本额定载荷F 60 20 F 60 KN 13 8G 20 05 0 W1 C 21 5 6 9 5 8 5 KN 23 8 2 Whd 21 d a C 18总长 Max 3000 1 M 3 4 其他装置的选型与布局 3 4 1 轴承的选型 角接触球轴承的特点 可同时承受径向 轴向载荷 也可承受纯轴向载荷 其中 轴向载荷能力由接触角决定 并与接触角大小成正比 承受径向载荷时 引起附加轴 向力 需施加相应反向载荷 因此 通常成对安装 角接触球轴承的接触角 C 的为 15 度 极限转速较高 这里选用代号为 7010C 角接触球轴承 主要尺寸为 B 12mm mmd36 mmD58 基本额定载荷 16 18KN 极限转速值为 14000r min 精品文档 2323欢迎下载 图 3 9 轴承 CAD 图 3 4 2 驱动电机的选型 1 最大的切削负载转矩 Y 轴最大载荷 丝杆导程 查丝杠样本丝杠螺母副NF2750 max mmmPh01 010 摩擦系数 0 9 摩擦力矩 查轴承样本 单个 7013C 型轴承的摩擦力 mNTf 3 0 1 矩为 320 故一对轴承 丝杆与伺服电动机直接相联 故 i 1 mN mNTf 64 0 2 则最大切削负载转矩 NiTT PhF T ff 8 5164 0 3 0 9 014 3 2 01 0 2750 2 max 21 2 惯量匹配 负载惯量按下列次序计算 工台的最大质量为 200Kg 折算到电动机轴 其惯量 计算得 1 J N p m n np m w v mJ hh4 2222 1 1007 5 14 3 2 01 0 200 22 精品文档 2424欢迎下载 丝杠直径 d 40mm 0 04m 在结构设计中 决定长度 1 2m 丝杠的惯量 27434 2 104 12 15 062 0108 7 32 14 3 32 mkgldJ 联轴节的惯量 J3可直接查手册 24 3 10001 0 mkgJ J2与 J3与电动机同轴 故能够直接叠加 负载惯量 244 321 1007 5 10001 00014 007 5 mkgJJJJL 电动机惯量 JM应符合的条件 JL JM 4JL 即 JM 2 000507 0mkg 2 001014 0 mkg 根据以上计算 可初选伺服电动机 如选用直流伺服电动机 可选择 Y100L 6 它的额定转矩为 5 4 大于最大负载转矩 T 4 13 它的转子惯量mN mN JM 0 0045 2 mkg 3 空载加速转矩 Y100L 6 型伺服电动机的最大输出转矩为 Tmax 2 0 这个输出转矩发生在mKN 阶越指令加速时 要求的加速时间为 max max 60 2 T n Jta 其中 J JL JM 2 0 0045 0 0090 4 10 4 10 2 mkg 故 0011 0 260 10014 32 0050 0 60 2 max max T n Jta Y100L 6 的机械时间常数为 则 3 4 0 039S 0 042S smstm013 013 a t m t 说明这种电动机具有足够的加速能力 参数如下 表 3 5 驱动电机参数 规格 型号 额定功率 KW 额定转矩 KN m 额定电压 V 最高电流 A 最高转速 r min 允许转 速差 10 转动惯量 kg cm s 2 Y100L 6 1 52 090 160 5 7 3 2 2500 250 806 3 4 3 联轴器的选型 由轴颈尺寸 应选择适中尺寸且适中转矩的联轴器 最终选定型号为 YL10 凸缘联轴器 精品文档 2525欢迎下载 其中 公称扭矩 Tn N M 630 许用转速钢 6000 minrn 轴孔直径 d 45 轴孔长度 L 其中 Y 型 112 D 160 螺栓 M12 6130 1 D 其中 Y 型 229 转动惯量 0 112 0 L 2 mkg 图 3 10 联轴器 CAD 图 3 5 Y 向进给运动系统装置整体布局 本节内容为对零件进行合理整体布局装配 1 X 轴方向的安装装配 横向架体的装配 由直线滚动型导轨与横梁连接 电动机的装配 通过螺钉将其装配到横向架体上 2 Z 轴方向升降台的装配 直线滚动导轨 将螺母作为连接机构 连接到升降台架体上 滚珠丝杠 经角接触轴承固定在轴承座上 同时通过轴承盖和螺钉完成轴向固定 轴承座 通过螺钉连接到架体上 电动机 通过螺钉安装 精品文档 2626欢迎下载 精品文档 2727欢迎下载 第 4 章 X 轴传动部分设计计算 4 1 丝杠的分析 计算与选型 4 1 1 丝杠的受力分析 1 水射流及冲力计算 由动量定理得 1 2 1 d d qvF d 喷嘴出口直径 d1喷嘴进口直径 4 故 X 轴稳定安全系数足够 x n 精品文档 3131欢迎下载 2 极限转速 nc 校核 对丝杠极限转速 nc 值进行校核计算防止共振 7 22 2 10 2 60 8 0 b r b c L d A EI L n 式中 101 2 2 5 mm N EE 弹性模量 丝杠断面最小惯性矩 I 4 4 64 mm d I r 螺母至固定端处最大距离 如表中简图所示 b L 数 其值按表选取丝杠安装方法有关的系 3 5 1085 7 mm N 比重 mmdr丝杠底径 丝杠断面积 A 4 2 r d A 代入得 X 轴丝杆的极限转速 min 325 1690 3 27 4 310 2 7 2 r L d n b r c 故符合要求 c n r n min 100 max 4 2 2 刚度验算 滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为 1000 1000 max m ES F K 其中 安装方式系数 固定 固定 0 25 KK 弹性模量 E 2 5 101 2 mm N E 2222 05 585 3 27 4 14 3 4 1 A 丝丝丝丝丝 Smmmmdr 故 X 轴 mmm ES F K 48 01000 05 585101 2 31 2381000 25 0 1000 1000 5 max 满足要求 精品文档 3232欢迎下载 2 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率 tg tg 滚动摩擦系数 0 004 则摩擦角 arctan0 004 0 229 X 轴与 Y 轴的传动效率都为 94 90 229 065 3 65 3 tg tg 符合要求 4 3 其他装置的选型 4 3 1 轴承的选择 X 轴支承形式采用两端固定 选 60 角接触球轴承 丝杠 d0 32mm 丝杠轴端型式及尺寸已标准化 采用两端固定式 可选用的轴承 型号为 7205 内径 外径 宽为 25mm 52mm 12mm 额定动载荷 C 16 5KN 预加载荷 F0 2900N 当量载荷 Fm 1515 93N 则轴承寿命为 5331469 15000h P C n L m h 60 106 其中 C 16 5KN 轴承承受的载荷分别为 NYFXFP arx 6 523119 1 44 0 1 当量转速 nm 100r min 采用球轴承 则 3 故满足要求 4 3 2 联轴器的选择 为了减少振动与冲击带来的负面影响 选用弹性套柱销联轴器 联轴器的计算转 矩 TKT Aca 其中 公称转矩 T 5 4 mN 工作情况系数 1 5 A K 则 8 1TKT Aca mN 精品文档 3333欢迎下载 查联轴器样本 选用 TL 弹性套柱销联轴器 型号为 TL2 许用转矩 T 16 符合要求 采用的原料为钢 许用转速为 7600r min 轴孔直径为 mN ca T 14mm 轴孔长度为 20mm 转子惯量 J 0 001 2 mkg 4 3 3 电机的计算与选择 1 最大的切削负载转矩 X 轴最大载荷 Fmax 238 31N 丝杆导程 Ph 10mm 0 01m 查丝杠样本丝杠螺母副摩 擦系数 0 9 摩擦力矩 查轴承样本 单个 7205C 型轴承的摩擦力矩 mNTf 3 0 1 为 320 故一对轴承 丝杆与伺服电动机直接相联 故 i 1 mN mNTf 64 0 2 则最大切削负载转矩 NiTT PhF T ff 34 1 164 0 3 0 94 0 14 3 2 01 0 31 238 2 max 21 2 惯量匹配 负载惯量按下列次序计算 工台的最大质量为 20Kg 折算到电动机轴其惯量 J1 计算得 25 2222 1 1007 5 14 3 2 01 0 20 22 mkg p m n np m w v mJ hh 丝杠直径 d 32mm 0 032m 在结构设计中 决定长度 1 2m 丝杠的惯量 210434 2 106 92 1032 0 108 7 32 14 3 32 mkgldJ 联轴节的惯量