激光加工机床设计(A、X轴)

1、2013南京林业大学毕业设计(论文)南京林业大学本科毕业设计（论文）题 目：激光加工机床设计（A、X轴）学 院：南方学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号：n090301312 学生姓名： 秦松 指导老师： 杨雨图 职 称： 讲师 二零一三年 五月二十九号IV摘 要本次设计的目的是设计大功率激光加工机床，本毕业课题从激光加工的特点出发，根据数控机床的设计思路，参考典型机床(铣床)结构而设计的四轴联动的激光加工机床。按照课题要求，主要是对激光加工机床的机械部分进行了设计与分析，包括方案的论证和部分零部件的设计、强度计算和分析等等。该设计方案经济合理，结构简单，拆装方便。激光加工机床主要由进

2、给机构、旋转机构、激光器和控制系统四部分组成。机床中的X轴、Y轴和Z轴均采用了直线进给机构传动，由电机与滚珠丝杠直接相连，传动简单，精度高，定位准确，且安装简介维护方便。旋转轴A轴采用了回转工作台的结构形式，利用三爪卡盘进行工件的定位和夹紧，利用手摇机构，回转工作台可沿Y轴轴向旋转90°，从而实现了不同位置的加工。根据激光加工机床的功能和结构特点，主要进行了以下设计：（1）直线进给机构中滚珠丝杠副的选取和设计；（2）直线进给机构中滚动直线导轨的选取和校核；（3）旋转工作台中蜗杆传动机构的设计以及校核；（4）旋转工作台中旋转轴的设计和校核；此外，还简单介绍了PMAC控制软件中的使用和原

3、理。关键词：激光技术；工作台；回转轴；运动控制单元AbstractReferring to the typical structure of machines and requirements, the four-axis laser machine is designed. The mechanical parts of the laser processing machine is mainly designed, including identification and argumentation of the designs, the designs of some parts and

4、 components, strength calculation and so on.The structure of the machine is simple, economical and easily reassembled. The laser processing machine is mainly composed of four parts of the feeding mechanism, the rotating mechanism, lasers and control systems. The X-axis, Y-axis and Z axis use linear

5、feeding institutions transmission, Motor and ball screw are directly connected, it is high precision, accurate positioning and installation.The installation is introduction and the maintenance is convenient.In order to achieve a different location process，the three-jaw chuck is used to locate and cl

6、amp the axis of rotation. With the hand institutions，the radial part can rotate 90 °.According to the functional and structural characteristics of the laser processing machine, the design is as follows： (1) Select and design the linear feeding mechanism of the ball screw pair;(2) Select and che

7、ck the linear feeding mechanism of rolling linear guide;(3) Design and verificate the worm drive mechanism in the axis of rotation (4) Design and check the rotating workbench in the axis of rotation ;In addition, I also briefly introduced the application and principle of the PMAC control software Ke

8、ywords： Laser technology； Worktop； Rotary axis； Movement control unit目 录摘 要IAbstractII目 录IV第1章 绪论11.1 激光加工技术11.1.2激光加工智能化21.1.3激光加工柔性化21.2 激光加工的发展31.2.1激光概念31.2.2激光技术的发展历程31.2.3激光加工技术的发展趋势41.2.3激光加工技术的分类61.3 选题目的及意义7第2章 直线进给工作台设计方案的拟定与论证92.1设计内容92.2工作台进给运动方案的选择92.3 X进给方向的设计112.3.1工作台的基本参数112.3.2滚珠丝杠

9、支撑方式的选择142.3.3滚珠丝杠的选择142.3.4轴承的选择与安装212.3.5滚动直线导轨选择232.3.6伺服电动机的选择252.3.7联轴器的选择282.3.8工作台防护罩的选择292.3.9螺栓的强度校核302.4伺服电动机的选择32第3章机床床身、壳体设计333.1 A轴的壳体设计343.2机床床身总体装配设计36第4章激光机床开放式数控系统控制394.1开放式数控系统的内涵394.2开放式数控系统的主要结构形式404.3激光机床硬件结构设计41第5章机床技术经济性分析46第6章毕业设计总结47参考文献49第1章 绪论1.1 激光加工技术激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的

10、特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。 1.1.1激光加工先进生产系统先进制造技术是以提高中和效益为目的，以人为本，以计算机技术作为支柱，综合的应用信息、材料、能量、环境等高新技术以及现代系统管理技术，研究并优化传统制造过程作用于产品整个寿命周期的所有适用技术的总称。由定义看出，先进制造技术有如下特点：1）先进制造技术是一门动态技术。2）先进制造技术目的明确，是提高制造业的综合效

11、益，赢得激烈的国际市场的有利竞争力。3) 先进制造技术是靠新手段对传统制造技术进行改造、充实。特别是利用先进的制造技术研究传统工艺的形成原理，建立了数学模型，进行的传统工艺方法的优化。1.1.2激光加工智能化激光加工和数控技术的融合，机器人的技术和人工的智能的引入，这些高新技术的交叉和相互作用，让激光加工先进生产系统具备智能制造的特点。工业激光的系统工艺参数的计算机数字控制，机器人在数控系统的控制下实现了机械执行系统的功能，完成了激光加工过程中必须要求的激光光束与被加工工件之间的相对运动，人工智能的模式识别技术与机器人数控技术的结合使机器人智能化与激光数控的集成实现了激光加工系统的智能控制。1

12、.1.3激光加工柔性化柔性制造系统（FMS）是当今制造领域速度发展和利用的高新技术之一。经过了30多年的发展，已经进入了完全实用化阶段。它的问世，克服了传统刚性自动化生产线只能适用大量生产的局限性，展示了对中小批量、多品种生产适应性，提高制造过程中的柔性和质量，提高了设备的利用效率，缩短了产品的周期等等优点。本着柔性制造系统的特点和要求，对计算机数控系统的选择可以有：传统形式的CNC系统（如：西门子、法纳克数控系统），也可以采用PC+运动控制单元结构的开放式数控系统。后者在功能上实现了用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化、内置高性能PLC及多媒体技术集成，体系结构上的集成化。因

13、此，对于激光加工机床的控制系统，我们可以选择开放式数控系统。1.2 激光加工的发展1.2.1激光概念 激光理论基础起源于大物理学家爱因斯坦，1917年爱因斯坦提出一套全新的技术理论光与物质相互作用。这个理论是说在组成物质的原子中，有许多不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，就会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时就将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在这种状态下，就能出现一个弱光激发出一个强光的现象。就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 受到激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程。当这一电磁波照射物质时，该物质分子和原子与电磁波发生相互作用，结果，

14、物质吸收或者发射电磁波，形成了光的吸收和辐射，受到激辐射产生的能级跃迁和粒子数反转形成了激光。1964年按照我国著名的科学家钱学森建议将“辐射的受激发射光放大”改称“激光” ；把那些光受激发射称为“激光器”，把激光给出了一个确切的定义。1.2.2激光技术的发展历程1958年，美国科学家肖洛（Schawlow）和唐思（Townes）发现一种神奇的现象：他们将氖光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体分子会发出鲜艳的、始终会聚强光。根据这现象，他们提出"激光原理"，就是物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时，就会产生这种不发散的强光-激光。他们发表了重要论文，从而获得

15、1964年的诺贝尔物理学奖。1960年5月15日，美国加利福尼亚州大学休斯实验室的科学家梅曼宣布获得波长为0.6943微米的激光，是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼博士也因而成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。 1960年 7月7日，梅曼宣布世界上第一台激光器诞生，梅曼的方案是，利用高强闪光灯管，来照射红宝石。因为红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到辐射时，会发出一种红光。在一块表面镀反光镜的红宝石表面钻一个孔，让红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使它达到比太阳表面还高的温度。 前苏联科学家尼古拉·巴索夫在

16、1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常p层、n层和形成双异质结的有源层构成。特点是：尺寸小、p合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。看来，作为20世纪科学技术发展主要标志与现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到了世界先进国家的高度重视。 激光加工是国内外激光应用中的最大的项目，是对传统产业改造的重要手段，激光技术应用范围非常广泛，激光加工技术有广阔发展前景。1.2.3激光加工技术的发展趋势激光加工是国外激光应用中最大项目，是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现了对各种材

17、料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等功能。 激光加工应用到了领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到了70和20，表面处理了则不到10。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50）和切割（15）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到70-80。我国激光加工中以切割为主占10，其中98以上CO2激光器，功率在1.5kW2kW范围，以热处理为主的约占15，多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这技术的经济性和社会效益都很高，有很大的市场前景。 在汽车工业，激光加工技术充分发挥其先进、快速、灵活地加工特点。在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省样板及工装设备，大大缩短了生产准备

18、周期；激光束在高硬度材料以及复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而且不产生破损；激光焊接在汽车工业已成为标准工艺，日本Toyota将激光用于车身面板的焊接，把不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行了冲压。然而激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但是在汽车工业中仍应用广泛，比如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出了激光快速成形技术。这项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出了金属模具。 到80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥越来越大的作用。认为YAG激光器切割可

19、以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。存在的主要问题是：科研成果转化为商品能力差，许多有市场前景成果停留在实验室的样机阶段；“十五”主要工作是促进激光加工产业的发展，保持了激光器年产值20的平均增长率，实现了年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术上，重点完成了电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；是为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。主要研究内容：（1）激光加工用大功率CO2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，提高了国产机水平；同时开发和研制专用的配套的激光加工机床，提高

20、了激光器产品在生产线上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器生产基地。（2）建立激光加工设备的参数的检测手段，并进行了方法研究。（3）激光切割技术的研究。对现有的激光切割系统进行了二次开发和产业化，提供性能好的、价格便宜的23轴数控CO2切割机，并开展了相应的切割工艺的研究，使得该工艺广泛用于材料加工、汽车、航天及造船等领域。“集成化激光智能制造及柔性加工系统”是我国自行研制开发成功的具有自主知识产权首套高度集成化、功能跨度大、创新程度高的智能化、柔性化激光加工的制造系统。与国际同类型集成化系统相比，该技术装备系统集约度高，性能价格比优异，加工精度高，应用范围广，并具有自主开发和功

21、能拓展能力，中/英文控制操作平台系统更加适用于中国的工业用户。技术性能指标达到国际同类系统先进水平，在机械、电子、航空、医疗等领域具有广阔的应用前景。该装备系统已应用于上海大众汽车有限公司（汽车冲压模具激光强化技术及装备）、北方发动机研究所（激光热负荷实验及激光焊接/切割系统）和军工某厂（激光焊接系统）。1.2.3激光加工技术的分类随着激光加工技术的不断的发展，激光加工整机性能逐渐提高。激光加工技术已经和计算机技术、检测技术、自动化技术等紧密结合起来，激光加工机的自动化程度不断的提高，检测手段的日趋完备并建立了多条激光加工生产线。激光加工技术应用的越来越广，加工形式的多种多样，从其本质来讲，激

22、光加工实质是激光与材料（包括金属和非金属）的相互作用，这个观点出发，我们把激光加工分为了以下各种类型：1)激光表面工程。激光表面工程包括：激光改性、激光强化、激光涂覆、激光合金化和激光清除。2)激光材料去除。目前，在生产中常用的激光材料去除过程有激光烧蚀、激光打孔、激光切割和激光雕刻等技术。1.3 选题目的及意义20世纪以光科学与工程技术研究为基础的发展项目，已经在世界范围内为人类发展做出了巨大的贡献。21世纪光电子技术进一步发展，激光技术成为世界各国竞争的焦点之一。随着20世纪工业革命的快速发展，工业技术给人类带来发展同时也带来了污染。我们现在面临着环境的污染、生态的破坏和资源短缺等危机，新

23、的技术必须得到发展，尽早的取代旧的技术，推广无污染、低消耗的绿色制造技术。随着资源紧缺以及科技进步，随之孕育而生的激光加工机床势必也会得到广泛应用。为适应科技及社会的发展需要，激光技术早晚会得到普及，本次毕业设计我将对激光技术和机床有关知识进行学习，运用机电一体化系统的设计基本理论知识设计一台4轴激光加工机床。数控激光加工机床是激光束高亮度(高功率)、高方向性特性一种技术应用。其基本原理是把具有足够功率(或能量)激光束聚焦(焦点光斑直径可小于0.01mm)后，照射到材料适当部位，材料接受了激光照射能量后，在10-11s内便会开始将光能转变为了热能，被照的部位迅速升温。激光焊接是用激光作为热源对

24、材料进行加热，使材料熔化而联接的工艺方法。激光可对高熔点材料进行焊接，不仅能焊接同种材料，而且可以焊接不同的材料，甚至还可以焊接金属与非金属材料。 数控激光加工的机床X，Y，Z坐标的驱动，同样采用了DC(AC)伺服电机，滚珠丝杠螺母副，滚动导轨等等。只是这里的工件较轻，“切割”负载比较小，进给速度一般也可接近开苏进给速度。数控激光加工的机床的工作原理与两坐标的数控（轮廓）铣床，数控冲床（点位）很相似。第2章 直线进给工作台设计方案的拟定与论证2.1设计内容通过对激光加工机床基本结构的掌握以及对数控技术基本原理方面的了解、电气系统基本原理和伺服系统基本原理了解，综合所得的调查资料，确定了激光加工

25、机床总体设计方案，并完成了直线进给部分（X轴、Y轴、Z轴）、旋转轴（A轴）部件以及机床总体的装配设计。2.2工作台进给运动方案的选择在数控机床的运动里，主运动和伺服进给运动是机床的基本成形运动。机床执行件比如主轴、工作台或刀架是通过各种形式的机床传动装置，按照事先编好的程序获得了相应的运动，因此，传动装置的结构与性能直接关系数控机床工作质量。总体来说，数控机床的结构较普通机床相对简单，但是精度要求更高；但是主轴的结构则相对复杂。 数控机床进给传动是通过伺服进给传动系统实现。这个系统是由电气伺服系统和机械传动装置两部分构成的。进给运动是靠数字控制直接对象，无论点位控制还是连续的控制，被加工的工件

26、最终坐标精度和轮廓精度都受到了进给运动的传动精度、灵敏度以及稳定性等的影响。因此，对进给传动的要求如下： 传动精度高与定位精度 进给调速范围宽响应速度快 数控机床常用传动系统一般由减速装置、丝杠螺母副、预加载双齿轮-齿条机构及静压蜗轮-蜗杆机构等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支撑部件、旋转支撑部件、轴系及架体等机组成。这种传动方式工作可靠，但是相对于数控机床来说，它的传动精度和响应速度都不能够很好达到要求，另外，本次设计数控机床的进给运动轴间距比较大，采用了齿轮传动，就会使结构变得复杂，而且精度降低了；虽然这个装置结构较复杂，成本偏高，但是本次设计的数控机床属于精

27、密的数控机床，所以选择滚珠丝杠螺母副作为它的进给传动装置。 数控机床进给传动系统的机械传动装置常用有两种组成方案，如图2.1所示。 图2.1 机械进给传动方案图中，方案(a)采用负载能力强的伺服电动机，通过联轴器能够直接连接丝杠带动工作台进行运动，传动链短，刚度也大，传动精度比较高，是现代数控机床进给传动的主要形式。有的数控机床为了细化脉冲的当量，以便保证以及提高进给的精度；为了改变加在电机上的负载的扭矩，以实现和电动机输出转矩的最佳匹配时，可以采用带有减速或者齿轮传动的装置方案(b)。本次设计的激光加工的机床X、Y、Z方向的直线进给传动形式均采用方案(a)，就是采用了伺服电机直接驱动滚珠丝杠

28、副运动。这种方案不但结构简单，有效的提高各轴组件传动的刚度。 2.3 X进给方向的设计2.3.1工作台的基本参数1.工作台外形尺寸及重量估算根据设计要求：轴类零件加工，满足径向尺寸200mm，轴向尺寸L500mm。X方向工作行程：1200mm；估计X工作台外形尺寸(长×宽×高)：1200mm×800mm×80mm；采用矩形（带型槽）工作台。结构如图2.2所示，图2.2 X工作台结构简图2.对X轴工作台进行强度校核根据X的工作台外形和结构特点，将它简化成了两端支撑的梁结构，如图2.3所示。根据材料力学里弯曲强度校核的知识，对X工作台进行了强度的校核，并确定

29、其最终的外形尺寸。图2.3 梁结构弯矩图根据弯曲强度公式 （2.1）式中，为工作台承载重量。初步估计旋转轴A轴重约为300kg,工件重量约为200kg，取g=10N/kg，则5000N最大弯曲压应力： （2.2）式中，为铸铁的许用压应力。由公式2.2，可知，式中，为工作台的宽度。最大弯曲拉应力：， （2.3）式中，为铸铁的许用拉应力。根据公式2.3，可知，式中，为工作台的宽度。根据以上的强度分析，故取用h=80,能够满足强度要求。2.3.2滚珠丝杠支撑方式的选择滚珠丝杠常用的支撑方式有三种：（1）一端轴向的固定，一端自由（F-O）：常用在短丝杠和竖直安装的丝杠；（2）一端固定，一端简支(F-S

30、)，常用在较长的卧式安装丝杠；（3）两端固定(F-F)：常用在丝杠或高转速、被要求在高精度、高刚度的地方。这种方式丝杠可以预拉伸。图2.4常用支撑方式示意简图2.3.3滚珠丝杠的选择1.滚珠丝杠的工作原理以及结构形式 滚动螺旋传动也可以被称为滚珠丝杠副传动,它是在螺杆与螺母之间放入滚珠,当螺杆和螺母转动的时候，滚珠沿着螺旋滚道滚动。这样螺杆与螺母之间成为滚动的摩擦，提高传动效率和传动的精度。滚珠丝杠螺母副是回转运动和直线运动相互转换的新型传动装置，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接了起来，使得滚珠能作周而复始的循环运动。管道的两端还起着挡珠的作用，以防止滚珠从滚道掉出。 滚珠丝杠副的传动效率高达85

31、%-98%，是普通的滑动丝杠副2-4倍。滚珠丝杠副摩擦角小于1°，因此不会自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须要有制动装置。 滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么本质差别。可以消除反向间隙并施加预载，有助提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门的工厂制造。数控机床进给系统所使用滚珠丝杠一定要具有可靠的轴向间隙消除机构、合理安装结构和有效防护装置。 滚珠丝杠能源消耗是普通丝杠2/3,因此可由小转矩获得高轴向负载。同时，还使直线运动转换成了回转运动。滚珠丝杠扭矩传递均匀、运动平稳，由于是点接触，静摩擦很小，不像普通的丝杠那样产生爬行。因此采用了这种丝杠能够实

32、现精确、灵敏的运动，通过调节两螺母之间的距离可以精确控制预载荷，而利用了预载荷，很容易获得高平稳性。滚珠丝杠的滚动表面是经过淬火的控制和调质，具有很高的耐磨性，初始硬度可长期保持，而且没有明显的磨损。 2.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传动精度有要求以外，对它的轴向间隙也是有要求的，为了保证其反向传动精度。滚珠丝杠副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发的螺母位移和螺母原有的间隙总和。通常采用了双螺母预紧的方法，把弹性变形控制在最小限度内，以减小或消除轴向间隙，并可以提高了滚珠丝杠副的精度。根据所设计机床的重复精度<0.01mm特点

33、，本次设计选择的滚珠丝杠副采用FFZD型内循环单螺母滚珠丝杠。根据参考文献7可知,该类滚珠丝杠的使用的场合：重型载荷及精度定位系统在大导程、多头螺纹中有着显著特点，定位精度是±0.012/300mm，重复精度是±0.006mm，满足了题目要求。3.滚珠丝杠的设计与选取1）滚珠丝杠的基本参数已知最大载荷 其中，K=1.1，为考虑颠覆力矩时的实验系数 ，为导轨的摩擦系数由于激光加工是无“切削力”作用在工件上，即非接触加工，仅仅是重力的作用，所以取用的丝杠最大载荷与丝杠最小载荷相同，即只考虑摩擦力的影响。 （2.4） 其中，G为工作台重量，A轴回转工作台重量和工件重量之和。初步估

34、计G=8000N 根据公式2.4，可知，平均载荷为；初步确定伺服电机的最高转速，由于采用电机与丝杠直接相联的形式，故根据 式中，丝杠导程为 （2.5）式中，为工作台的最大线速度。根据公式2.5，丝杠导程；考虑到电机的额定数值和丝杠的承载等问题，初步确定。最大进给时，丝杠的转速为；最小进给时，丝杠的转速为0；则丝杠的平均转速；按照5年×300天×6小时×1班来计算，该机床丝杠的工作寿命为15000h；取精度系数,运动状态系数,则有,代入得。查参考文献12 表2-9,选择丝杠的型号规格系列：初选FFZD-4005-3型滚珠丝杠 导程5mm，公称直径40mm滚珠列数为3

35、，额定动载荷14KN,额定静载荷44KN图2.5 FFZD-4005-3.5型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠结构图由参考文献12 表2-9查的滚珠丝杠的主要参数为： 公称直径 丝杠导程 螺旋角 滚珠直径则有, 螺纹滚道 偏心距 丝杠内径2）丝杠稳定性验算设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S；根据参考文献12 表2-10，相关的系数(F-F型)：S=2.53.3，。丝杠不会发生失稳的最大载荷(临界载荷)为：式中，；安全系数，丝杠是安全的，不会失稳。此外，滚珠丝杠还受到值的限制，通常要求：。则，所以该丝杠副工作稳定。3）丝杠的刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩的共同

36、作用下引起每个导程的变形量 （2.6）式中，A为丝杠截面积；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠的切变模量，对钢；为转矩：， （2.7）式中，为摩擦角，其正切值为摩擦系数；综合考虑，取，为平均工作载荷。根据公式2.7，可知，按最不利情况取(其中)，根据公式2.6，可知，则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为根据参考文献12 表2-2，滚珠丝杠副精度等级导程误差的最高等级C级的丝杠允许误差为，则丝杠的导程误差满足要求。4）丝杠的效率验算要求在90%95%之间，所以选用的丝杠符合要求，可以使用。根据工作台的行程、丝杠副尺寸和轴端支承件的结构尺寸等因素，取用丝杠轴。2.3.4轴承的选择与安装轴承安装

37、须注意：在安装轴的同端的情况下，一般是预调游隙，而一定要固定两个轴承。因此，运行之后，面对面和背对背都将会有游隙减少现象。（游隙出厂游隙温度游隙装配游隙”）在安装轴的两端的情况下，一般都是需要现场调整的游隙，也需同时固定两个轴承、或者是预留系统游隙（视轴向力方向，只有一端轴承承受轴向力，其游隙减小；另一个只受径向力，游隙亦减小。）背对背安装的时候，载荷作用中心处在轴承中心线之外；交点间跨距较大，悬臂长度比较小，故悬臂端刚性比较大，当轴受热伸长的时候，轴承游隙增大了，轴承不会卡死破坏。当然还有串联安装的时候，这时载荷作用中心处在轴承中心线同一侧；它适合于轴向载荷大，需要多个轴承联合承担的情况。图

38、2.5轴承安装示意图本次设计丝杠支承形式（X轴、Y轴、Z轴）均为两端固定的形式。滚珠丝杠都使用了滚动轴承支承。从目前来看，多数采用了60°接触角推力角接触球轴承进行了支承，并采用了面对面形式安装，以增大轴向的限制作用，如图所示根据滚珠丝杠的轴径，考虑安装等问题，根据参考文献7 表3-39，初步选用7207C型号的轴承。其中，其中，内径×外径×宽=35×72×17，额定动载荷=23.5KN额定静载荷=17.5KN，平均载荷。按参考文献8中9.4节中的相关计算，轴承的寿命：；。按照2年×6h×300天×1班计算（轴承保

39、修2年），轴承的预计寿命为，满足条件，所选轴承符合要求。2.3.5滚动直线导轨选择滚动导轨磨损小，寿命比较长，定位的精度高，灵敏度较高，运动平稳而且可靠，导轨间是无滑动相对运动；另外，滚动导轨基本实现了生产的标准化，设计选用时可以根据精度、寿命、刚度和结构进行选购。本次设计采用的是GGB-AA型滚动直线导轨副。其特点如下：1）垂直向上、向下和左右水平额定载荷是等同的，用途广泛；2）额定载荷大，刚度高，适用于重载机床。具体结构如图2.7所示，图2.6 滚动直线导轨GGB-AA型结构图已知作用在滑座上的载荷：取滑座的个数M=4，单向行程长度（根据工作台行程和丝杠结构设计决定的），往返次数约3次/m

40、in，每天开机6h，一年按300天计算，5年寿命以上。该导轨的额定工作时间寿命为，由得，M=4，所以每根导轨上使用两个滑座，由于滑座的速度低于15m/min，工作温度在100°C以下，导轨的硬度为HRC60，无明显冲击和振动，每根导轨上滑座配置数为2个，则由得，根据参考文献7 表3.17-54，初选GGB-AA型-T25 滚动直线导轨。（1）寿命时间的计算= （2.8）寿命时间，h；取15000hL距离寿命km；n移动件每分钟往复次数，取n=4次s移动件行程长度m 1200mm=1.2m移动速度v10m/m，取n=4次L=8640km（2）距离额定寿命L=（）（2.9）其中，L=（）

41、（3）工作载荷计算估算每个滑块承受载荷2008.25N 代入得， 8640=（） （2.10）根据参考文献7 表3.17-54确定导轨使用：GGBT25-AA2C-2-2500-5J 额定载荷=22.6KN 导轨长 2500mm 精度等级 5X方向滚动直线导轨长度按照丝杠导程和工作台尺寸并考虑行程余量和工作台结构等因素，取用。2.3.6伺服电动机的选择电机的选择原则是：结构简单，安装方便，经济实惠这3项铁则。按照机床的要求，本次设计的电机均是安川SGMAH型号电机。这种电机带负载能力较强，传递扭矩也大，能满足较高的精度要求，并且价格很便宜，在一般的数控机床中得到广泛应用。其外形结构如图2.8和

42、图2.9所示，图2.7 安川SGMAH型号电机外形图图2.8 系列（标准型）安川SGMAH/SGMPH型号电机结构图伺服电机工作原理是伺服电机随着电压变化控制转速均匀稳定，伺服电机主要是靠脉冲来定位，当接受到一个脉冲电流的时候，就会相应的旋转一个脉冲的对应角度，从而实现了唯一，因为伺服电机本身具有发出脉冲电流功能，每当旋转一个角度就会发出了对应数量的脉冲，和伺服电机接受的脉冲形成呼应，或者叫做闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时收到了多少脉冲回来，这样就能够精确的控制电机的转动，精确的定位可以达到0.001mm。直流伺服电机分有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构较简单，启动

43、的转矩大，调速的范围宽，控制较容易，需要维护，但是维护方便（换碳刷），产生了电磁干扰，对环境有要求。所以它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量较轻，出力较大，响应较快，速度较高，惯量较小，转动较平滑，力矩够稳定。控制较复杂，容易实现智能化，电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机不要维护，效率也很高，运行的温度低，电磁辐射很小，寿命较长，可用在各种环境。2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步的电机，目前运动控制中一般都是应用了同步电机，它的功率范围较大，可以得到很大的功率。大惯量，最高转动速度较低，并且随着功率增大而快速降低。因此适合做低速平稳运行应用。3

44、.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成的电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。对数控机床而言，因为动态性能要求高，所以要用电动机力矩主要是用不断产生加速度，但是负载力矩占得比重小，一般都要小于电动机力矩的10%30%，根据负载转矩，式中，为摩擦系数；，为直线运动部分质量；，为滚珠丝杠节距；为机械效率。查安川电机型号表，选用SGMGH-09ACA-61型电机。SGMGH-09ACA-61型伺服电机型号解释：09额定输出功率为0.85KW，A电压

45、为200V，C序列编码规格为17位增量型，A标准设计顺序，6轴端规格为平直、带键、带螺纹孔，1不带制动器。2.3.7联轴器的选择在数控机床进给传动系统中,滚珠丝杠是靠电机带动旋转轴并通过丝杠螺母副实现了各个坐标方向的进给运动，而联接的电机轴和滚珠丝杠部件就是联轴器。不同的结构和材料联轴器的承载能力差别很大。为保证传动精度，消除回转的误差，应该采取措施消除扭矩方向上联轴器的联结间隙。根据机构要求和方便设计，本机床都是采用了ML2型梅花弹性联轴器，该联轴器通常是运用螺栓来实现两轴的对中；此外，它的结构简单，成本较低，传递的扭矩大，常用在振动小、低速和刚性不大的轴联接的情况下。根据参考文献713章中

46、有关联轴器的选用原则：该机床为连续工作，故取工作情况系数K=1.5，（参考文献7 表3.13-2），驱动功率，工作转速。则联轴器的公称转矩为：考虑到电机轴的直径，故选用ML2型梅花弹性联轴器。2.3.8工作台防护罩的选择根据机床的工作情况，采用了伸缩板式防护罩装置。该装置用于水平导轨时，因为防护罩的各层盖板均由钢板（常用45钢）制成，耐热性好，强度高、刚性好，使用寿命较长，多用在大型和精密机床。其结构如图2.10所示，图2-9 伸缩板式防护罩结构图图中，1为工作台，28为防护罩，9为专用支架，10为床身，11为支承部件防护罩采用依次伸缩式，其特点是：只有当前一个防护板和后一个防护板的翻边或挡板

47、相遇时才能使后者运动。根据参考文献2 表6.2-98有关伸缩式防护罩的尺寸关系和机床X工作台的结构选取参数：已知X工作台床身宽度为800mm，则依次伸缩时，防护罩压缩后长度为180300mm，伸开时长度为15002500mm。确定防护罩的各段尺寸： （2.11）式中， ， ， , 则有，2.3.9螺栓的强度校核固定的滚珠丝杠轴承支座与箱体所用的螺栓是靠普通螺栓联接的，因为预紧力的作用，将会在接合面间产生摩擦力来抵抗工作载荷（图2.11）。这个时候，螺栓只受到承受预紧力的作用，但是预紧力不受工作载荷的影响，在联接承受工作载荷后仍然保持不变。预紧力大小，通过接合面不产生滑移的条件确定。图2.10

48、承受横向载荷的普通螺栓联接螺栓危险截面的拉伸条件可写为 （2.12）式中，-螺栓所受的预紧力，单位为N；-螺栓的许用挤压应力；S-安全系数；这种靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接，要求保持较大的预紧力，即，使联接接合面不滑移的预紧力。式中，F是滚珠丝杠的； ，为内六角圆柱头螺钉的公称面直径； 螺栓的许用挤压应力； S=5；（查参考文献10表5-10）综上所述，选用的内六角圆柱头螺钉安全。2.4伺服电动机的选择考虑到机床的经济性问题，选用与之先进给机构相同的安川SGMGH-09ACA-61型电机。根据负载转矩，式中， 为摩擦系数；，为转动部分和工件的总质量(考虑到安全性，故取值较大)；，为蜗杆的导

49、程；（根据结构和传动比取用的估算值）为机械效率。考虑到机床设计的经济性问题，故选用与X工作台相同型号的电动机，即SGMGH-09ACA-61型电机。第3章机床床身、壳体设计床身设计同于设计箱体结构，需要保证箱体有足够的刚度、可靠的密封和良好的工艺性这3个要求。（1）箱体的刚度为避免箱体在加工过程中产生不允许的变形，从而引起了轴承座的中心线的歪斜，传动产生了偏载，影响了机床的正常工作，在设计箱体的时候，首先要保证轴承座的刚度。为此要使轴承座有足够的壁厚，并且加设支撑肋板或在轴承座处采用了凸壁式箱体结构。（2）箱体的密封为保证箱体和箱体接合面的密封，对接合面的几何精度和表面的粗糙度应该有一定的要求

50、。一般是要精刨到表面粗糙度值小于，重要的还需刮研。（3）箱体结构的工艺性设计箱体的结构，必须要对其制造工艺要求和过程有清楚的了解，才能使设计箱体有良好工艺性。箱体结构工艺性对箱体制造质量、成本检修维护等有直接的影响，因此设计的时候应该十分重视。1）铸造工艺性 在设计铸造箱体的时候，应力要求壁厚均匀，过渡的比较平缓，金属无局部的积聚，起模较容易等。由于采用灰铸铁材料，则其最小壁厚：HT150：；HT200：（此表及相关数据说明摘自参考文献2）。该机床床身和壳体采用砂型铸造；为了保证液态金属流动通畅，铸件壁厚不可过薄，最小壁厚见表4-1；为了避免缩孔或应力裂纹，薄厚壁之间应采用平缓的过渡结构；为了

51、避免金属积聚，两壁间不宜采用锐角连接（特殊情况除外）；表3.1 铸件壁厚铸造方法铸件尺寸灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁砂型200×200>200×200500×500>500×5006>610152061258金属型70×70>70×70150×150>150×1504562.53.52）机械加工工艺性 在设计箱体的时候，要注意机械加工工艺性要求，尽可能的减少加工面积和刀具的调整次数，加工表面和非加工表面的时候必须严格区分开等等。综上所述，由于是非主要设计的内容，在此仅初步确定了各工作台的结构

52、以及基本尺寸，仅供参考。3.1 A轴的壳体设计A轴是一个既可以沿X轴向进行的旋转，又可以沿Y轴向进行转动可倾式回转工作台，具体结构形式是依照烟台机械厂生产的可倾式回转工作台和参考文献7有关机床床身的设计结构选择相关要求和铸件的壁厚的要求（表4-1），并且要保证X工作台之间的配合关系，确定了该床身的最终结构，详见A轴设计图。主要结构参数：长×宽×高=450mm×600mm×490mm。图4.2 A轴的壳体结构设计中应注意的几个地方：（1）轴承座应该有足够的壁厚 当轴承座孔采用凸缘式轴承端盖的时候，因为安装轴承盖螺钉的需要，所确定的轴承座壁厚应该有足够的壁厚

53、。（2）采用了凸壁式箱体结构来提高轴承座的刚度（3）手摇机构箱体和回转机构箱体连接处，要考虑密封。对于接合面的几何精度和表面粗糙度应该有一定要求。一般是要精刨到表面粗糙度值小于，重要的还需刮研（如结构处）。3.2机床床身总体装配设计所设计的激光加工机床的总体结构借鉴了立式摇臂钻床的结构特点，并结合自身的结构要求，设计了如下结构，图4.5所示。Z轴Y轴旋转轴A轴X 轴激光器 图4.3 总体装配结构主要结构参数：长×宽×高=2740mm×1750mm×2565mm。机床的总体高度的选择是本着人站立的时候，不和Y方向工作台发生碰撞的原则下所确定的是；在设计承载

54、Y和Z的方向工作台横梁结构时，考虑到利用悬臂梁的结构的特点，在支撑根部采取了增加尺寸结构，以保证承载的平稳牢固；为了配合Z方向的最大行程的要求，在X的方向工作台床身的下方加了一个支撑座箱体，同时，X的方向工作台应该安放在Y方向工作台大约中心偏右的位置，为了防止X方向工作台在移动的过程中与支撑柱体发生碰撞。 一般情况是采用毛毡圈对螺母进行密封，毛毡圈的厚度为螺距的2-3倍，而且内孔做成了螺纹的形状，使之紧密包住丝杠，并装入了螺母或者套筒两端的槽孔内。密封圈除了采用柔软的毛毡圈，还采用了耐油橡皮或者尼龙材料。为了避免和这种摩擦阻力矩，还可以采用靠较硬质塑料制成的非接触式迷宫圈的密封，内孔做成了与丝

55、杠螺纹滚道相反形状，并留有了一定的间隙。 因为本次设计的机床，负荷不能太大，而且依据机床结构的特点，以及加工材料怕油特点，我们决定使用润滑脂进行轴承的润滑。因为润滑脂比润滑油稠得多，油脂强度较高，能承受较大载荷，而且不容易流失、密封装置较简单、一次加脂可以用较长时间，不必添加或者更换，所以润滑脂的应用也是非常广泛的。对于X、Y、Z工作台各丝杠上轴承的润滑，因为考虑到了换脂期的缩短，所以应该选用粘附性能较好，稠度较大，具有良好的机械安定性油脂。而对于旋转工作台A的润滑的措施，则要保证两对蜗杆传动的润滑方式相同，防止因为一个用脂润滑，一个用油润滑，而使得两种不同的润滑介质互融。为使轴承保持良好的润滑条件和正常的工作环境，轴承必须具有适当密封装置，以防止润滑剂的流失和灰尘、水气或者其它污物进入了轴承。 第4章激光机床开放式数控系统控制4.1开放式数控系统的内涵开放式的数控系统的设计目的是要建立一个开放式体系结构，使系统构筑于一个开放平台之上，具有模块化的组织结构。组成系统的各功能模块可以来源于不同供应商并且相互兼容，用户可以根据需要可进行选配和集成，更改或者扩展