毕业设计（伦文）-皮革三自由度龙门激光切割机设计

皮革切割机设计绪论1.1研究背景以往，我国皮革行业与制鞋、箱包等行业联系紧密，在皮鞋、运动鞋、背包\汽车等产品中的应用较多，如今，随着人们消费水平的提升和皮革行业的蓬勃发展，人们用革量明显增长[1-2]。皮革材料因其本身诸多优势，如美观、舒适、耐磨、高阻燃性、环保、卫生等，被广泛应用到装饰的制备和设计中[3]，近年来，皮革面料的发展很快，其品质和性能都得到了有效保障。皮革切割机，可以部分代替手工操作，根据生产工艺的要求，大大改善了工人的工作条件，提高了劳动生产率，加快了工业生产机械化、自动化的步伐[1]。根据不同零件的成型方式、材料、表面要求等，切割设备可以变换出很多种类型，以满足零部件的产能和表面质量的需求，工业设备、工具、乃至航空航天、军工等前沿装备的外观、内部结构等零部件的制造，或者制造过程中的相关环节，都离不开切割这个必备工序。当前常见的切割设备可以为：手动切割设备、自动切割专机、机器人切割设备等，随着自动化设备技术的普及，切割自动化设备在各行各业的应用比例将会越来越大，但在未来很长的时间内，人工切割和半自动切割仍将彼此存在，这三种类型的设备都必不可少。皮革切割项目是一项技术性强术、服务周期长的技术工程项目，是制造业中复杂且关键的一道工序，除了需要了解皮革切割设备的功能和适用场景外，还需要关注设备的选型、相较于传统人工切割方式存在的效率低、成本高、良率低等问题。1.2国内外研究现状国内外企业在皮革材料的切割工作方面，不仅积极采用激光切割、超声波切割和水射流切割等先进的切割设备，还引进了计算机技术，利用计算机快速、优秀的处理能力，结合计算机图像处理等算法，构建皮革切割数控系统，显著提升了皮革切割的自动化程度。在多年的技术积累基础上，目前皮革切割系统正朝着智能化、自动化和柔性化方向发展，设计的皮革切割系统具备产品图形设计、皮革样品排版、切割路径优化等多样化功能[4]。广东拓荒公司研制的智能皮革切割机器NB9532P如图1-1所示，应用在双头切割自动生产流水线，切割机组是核心设备，振动刀头25000转/分，切割速度为2000mm/s，通过坯体提升完成切割需要的相对运动，从而保证切割的耐久精度和重复精度，从根本上保证产品的切割精度。图1-1智能皮革切割机器NB9532P

华恒FiberLaserGantry龙门式数控激光坡口切割机，模块化设计拼装结构，结构件均采用大型龙门精密加工，保证设备运行精度与稳定性；是华恒公司满足客户需求，并与新控制技术而结合，打造的一款坡口/切割一体的专用设备。该设备严格的工艺要求与质量管控，保证设备的定位精度、切割精度和切割光洁度，适用于大批量复杂零件的坡口与切割。图1-2FiberLaserGantry龙门式数控激光坡口切割机沪工研制的龙门激光切割机HGLB-12025采用高精度伺服电机搭配高精度传动机构，加工范围12100*2520mm，工作台最大载荷：2*9500kg，全封闭设计，高刚性拼焊床身，切割稳定性高。经有限元优化设计，钢板焊接床身，退火消除机床内应力,耐高温,高承重，长期运行不变形、受热不变形，加工精度高。图1-3龙门激光切割机HGLB-12025裁力克科技研制的震动刀皮革切割机，如图1-4所示，开料速度是传统人工开料速度的4-6倍，实现快速下料，快速出料，机采用计算机控制，且连续切割，避免了激光开料对皮料损伤，同时也避免了手工开料的手工误差，出料更精准，确保产品品质。图1-4裁力克科技研制的震动刀皮革切割机意大利研制的IC1670DH切割机，适合真皮及多层卷性材料的智能切割，如图1-5所示，属于双刀头智能振动刀皮革切割机（通道式），配置循环式传送带，支持排版（包含分方向排版及固定角度排版]，具有智能分页，全自动智能传送，自动定位，辅助纠偏等功能。美国研制的智能皮革切割机IC650DH如图1-6所示，结合IN300A排版机切割真皮鞋靴，实现排版、切割、收料连贯性作业，生产效率更为高效，直线切割速度最高可达84米/分，现今使用的真皮鞋靴客户最高产能可达600-700双/天产能，实现数字化裁剪。图1-5意大利研制的IC1670DH切割机图1-6智能皮革切割机IC650DH通过查阅相关资料及文献可知，国内外市场上已经有许多类型的自动皮革切割设备，但常用的切割设备存在功能相对单一、适用场景少、智能化及标准化程度低、不便维修维护等不足。因此国内外都对新型的自动切割设备展开了研究，国外已经有许多具有模块化和标准化特点的自动切割设备，其具有柔性度高、可扩展能力强、功能多样化等特点。但国内相关的研究与产品不多，部分学者在借鉴国外模块化和标准化思想的基础上，也提出了类似的设计方案，然而研究水平还较国外存在一定的差距。本文同样在融合国外先进设计理念的基础上，结合自动皮革切割设备的发展趋势特点，进行相关产品及技术的研究，尝试设计一款能够满足多样化、小型化的皮革切割需求的自动切割设备。1.3研究方法与研究内容1.3.1研究方法针对皮革的切割需要，本课题拟设计一台自动化切割装置，该装置主体采用龙门式结构，龙门的横梁为一条电动滑轨，横梁两侧有支撑架固定。在电机的驱动下，横梁上的滑块能够横向移动，工件板可以纵向移动，刀具固定在横梁上的滑块跟随其移动，从而实现往复式进给地切割皮革。（1）了解龙门工业装置技术：在进行结构设计之前，首先要了解龙门传动系统的基本组成，要具备一定的特点，掌握皮革切割过程中的具体工作形式。（2）掌握皮革切割机的主要用途：机械设计的目的是满足生产的需要。因此，了解设计对象的主要目的是为设计做必要的准备。（3）学习知识的结构设计：通过对皮革切割机的观察和分析，掌握笛卡尔坐标机器人的运动原理（X、Y、Z的三自由度）、空间物体运动等相关原理。研究过程中的主要问题和解决办法：（1）动力传输损耗：龙门在运行过程中，动力在传输过程中可能会产生损耗。为了减少这种损耗，可以优化传动装置的结构设计，使动力传输更加顺畅。同时，也可以使用高效率的传动元件，如滚珠丝杠等。（2）精度问题：传动装置对精度要求较高，如果传动装置的精度不够，会影响运动精度。为了解决这个问题，可以选用高精度的传动元件，如滚珠丝杠、伺服电机等，同时也可以采用误差补偿技术，对传动装置进行误差调整。（3）经济性问题：切割机的经济性也是需要考虑的问题。为了降低成本，可以选用性价比高的传动元件或者采用模块化设计的方式，便于维护和更换。1.3.2研究内容本文采用文献研究法和功能分析法研究：通过调查文献来获得资料，从而全面地、正确地了解皮革切割机的结构和设计方法，通过分析切割设备要实现的功能，确定需要设计的结构。根据设计要求，从以下几个方面进行研究：（1）首先，设计皮革切割机的总体结构，简要介绍墙板的切割过程，并说明皮革切割机的工作过程和具体结构，提出皮革切割机的设计原则、设计目标及性能要求。（2）描述皮革切割机的总体结构布局、主要部件及功能。通过对方案的比较分析，最终选择出最适合本课题的方案，确定了切割机的主要参数；阐述皮革切割机的工作原理、工作流程及各部件的协同作用。（3）该皮革切割机的工作部件主要包括：龙门架、横梁、传动系统、进给组件和切割装置等，分别对上述工作部件进行了设计、计算和说明。（4）简述传动系统的组成与结构、性能特点、工作原理，设计效率优先、稳定性强、适应性强的三自由度龙门架，根据机械设备的工作要求、动力源的特性以及传动系统的结构来确定参数并计算。

2皮革切割机方案设计2.1设计要求2.1.1结构设计要求在设计皮革切割机时，不仅要注意构成草捆包膜机系统的各个部件的设计，还要从系统工程的角度和功能要求来进行设计。基本参数是皮革切割机总体设计和零件设计的基础，可以很好地反映产品性能，得到皮革切割的技术条件，并提出其匹配的传动装置的设计参数要求：能够切割尺寸500*500mm的皮革；每分钟的切割面积不小于1m^2。切割刀具方便更换，以适应不同精度的切割要求。X轴、Y轴、Z轴有效工作范围:400x400x100mm；X轴、Y轴、Z轴定位精度：±0.2mm；X轴、Y轴、Z轴移动速度：0~10m/min可调。本文皮革切割机的龙门传动系统在X方向、Y方向、Z方向的移动采用直线导轨，驱动源采用步进电机，运动速度可调。2.1.2设计研究内容及框架第一章，首先对皮革切割装置的研究背景进行了详细的介绍，并结合当今社会的现状分析了研究的目的及意义，为后续论文的进行奠定了优良的基础。第二章，首先介绍了皮革切割装置的设计参数、特点及设计要求，介绍了总体方案、工作原理，最后对本文研究的主要内容及结构框架进行了介绍，为后续毕业设计的开展工作做了铺垫。第三章，本章主要介绍设计计算，根据总体方案的设计结果，对所设计的设备进行了计算和选择：首先对皮革切割装置的驱动系统进行计算和选择，然后针对传动装置进行设计和计算，对后续结构设计起到基础作用。第四章是通过三维绘图软件对皮革切割装置进行设计，绘制其重要部分的二维图纸，详细介绍其主要部分的功能和材料，阐述了其总体结构。第五章主要是皮革切割机控制系统的设计。最后一部分是结论与展望，对全文进行了总结，总结了本图的主要研究成果，突出了本图的不足之处以及后续需要改进的地方。2.2整体布置结构形式2.2.1移动桥式市场上最常见的结构之一，又称为“门式”，适合中小型工业装置，并且X轴适合使用铝合金材质或工业陶瓷（通常不会使用工业陶瓷，属于：中低端的设计结构+高端的材质）等轻质材质，以实现较小的移动部分重量。优点：结构简单、紧凑，材料成本可以实现最优，有比较大的运动空间。缺点：X轴（横梁部分）不能太重，否则会造成Y向移动时，移动重心与导轨面(粉色面)距离太大。在运动的瞬间，由于惯性会给导轨面造成较大的力矩，可能会造成运动偏差。2.2.2L形桥式市场上最常见、最经典的结构之一，移动部分形成一个"L"形状，主导轨做成高架结构，来减少移动部分的重心与导轨面的距离。适合中小型工业装置，由于移动部分重量增加，更适合该种结构类型。优点：X轴（横梁部分）的重心与导轨面距离较小，消除了“移动桥式”的弊端，其性能在中型工业装置中对比“移动桥式”会有更优异的表现。缺点：材料成本略有增加，右侧支腿部分（如下图所示：字母“X”下端的可移动立柱），还是会增加Y轴两侧空气轴承的负担，因此造成误差，所以对于更大型的工业装置，要去除右侧的支腿。图2-1移动桥式龙门式结构图2-2L形桥式龙门式结构2.2.3龙门式在“L形桥式"的基础上，去除了右侧的支腿，替换为高架结构，所以该结构又被成为“双边高架式”。根据是否带有整体的工作台，又可以分为两种结构：带工作台的龙门式优点：高精度工业装置的标配结构，将运动误差降低到最低，工作台一般为花岗石结构，可以实现较高的稳定性。缺点：只能从前后侧上下工件，成本比前种结构都有所增加。由于工作台一般为花岗石结构，受石材限制，如果做成超大型工业装置，成本为很高，甚至无法生产。不带工作台的龙门式优点：由于没有工作台的限制，相比“带工作台的龙门式”可以做成超大尺寸的工业装置，并实现较高的运动精度。缺点：稳定性会在很大程度上受地基的影响，如果地基发生变化，会直接影响到小车运动的稳定性及精度（主要是垂直度等方面的变化）。如果使用环境有震动，无法在地面直接使用减震装置，只能地基整体做防震，成本较高。图2-3带工作台的龙门式图2-4不带工作台的龙门式2.2.4固定桥式该结构，X&Z轴直接固定在基座上，工作台在Y方向上的移动来实现Y轴的数据的采集。优点：超高精密工业装置的标配，由于X、Y轴独立运行，减少了一些复合误差，并最大程度减少了运动误差。该结构相比其他结构，可以实现最高的精度（0.5µm，甚至0.3µm）。缺点：可移动工作台承重有限，不能承受较重的工件。还有一些形式出于成本、稳定性、精度方面的考虑，在实际应用中不常见，此处不再简述，由于龙门式的运动方式对于工业装置的精度最高，以及其他因素综合考虑后，故本文使用固定桥式的龙门传动装置。2.3切割机方案设计2.3.1传动方案设计常见的机械传动方式有皮带传动：链条传动、齿轮传动、蜗杆传动等。（1）蜗轮蜗杆传动：使用蜗轮蜗杆可以获得较大的传动比，接触面是线性表面，还具有自锁功能，当涡轮和蜗杆啮合进行传动时，在啮合传动过程中，相对转速相差较大，因此摩擦造成的损坏仍然较大，传动效率不理想。（2）齿轮传动：齿轮机构具有较高的工作效率，结构紧凑；但成本相对较高，若精度不能满足要求，会出现较大的振动和噪声，不适用于轴间距较大的机构。（3）带、链传动：带传动机构根据不同部件之间的摩擦来驱动或传输能量。可以减少冲击载荷，减轻冲击载荷，使机构运行非常平稳、平缓，运行时产生的噪音也非常小。但有一定的弹性滑动，容易打滑，如果传递相同的周向力，则轮轴上的压力大于齿轮传递力，因此皮带的寿命较小；链传动与之相似，不再阐述。（4）滚珠丝杠传动：滚珠丝杠是将旋转运动转化为直线运动的机构，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点，广泛用于航空、航天、军事等领域。方案确定：由于蜗轮机构传动效率也很低，成本很高；皮带经常在高速阶段使用，且皮带本身具有弹性滑动，当出现一定过载时，皮带会滑动，因此皮带不能使用。如果用于齿轮传动装置，虽然传动比相对稳定，但对齿轮传动装置的制造和安装精度要求较高，价格相对昂贵。考虑到链传动的非弹性滑动和整体滑动，可以保持准确的平均传动比，并且传动效率非常高，链条传动主要用于工作可靠、两轴距离长、低速、重载和恶劣工作环境的工作环境。根据上述特点，在皮革切割机的传动系统上使用丝杠传动组合的形式。2.3.2整体方案设计整机主要组成部分包括传动系统、直线导轨、机架、电机和控制系统等。根据提供的设计参数，工作过程为：直线导轨水平运动，刀具到达指定位置时，通过末端执行器进行切割作业，在龙门传动系统上上使用丝杠传动装置，直线导轨副负责切割头的水平运动，垂直机构负责切割头的纵向移动，通过X、Y、Z三轴自由运动，如图2-7所示。龙门传动系统的主要部件是直线运动单元，即直线导轨，由精铝型材、齿带、直线滑动运动导轨和异步电机组成，整个系统的载荷集中在导轨上，导轨必须具有足够的强度和刚度，以确保所需的机械强度。传动装置采用滚珠丝杠传动，负载范围广，从几公斤到几吨不等；运行速度快，速度可调；动作灵活，可靠性高，维护方便。图中，1-底座；2-工作台；3-切割刀具；4-Z轴传动组件；5-安装板；6-Y轴传动组件；7-导轨组件；8-横梁；9-立柱；10-X轴传动组件图2-5皮革切割机的传动总体方案图2.4本章小结本节首先介绍了皮革切割机的设计要求，对龙门架的布置形式、工作原理进行了总结与归纳，最后对本文研究的主要内容及结构框架进行了介绍，为后续毕业设计的开展工作做了铺垫。

3切割机的传动系统设计3.1丝杠的结构设计在广泛应用的机构中，丝杠类结构是最简单、经济、可靠的传动装置，为了更合理地设计滚珠丝杠副并使其充分发挥作用，必须进行一系列计算，选择采用导轨形式的负载机构、滚珠丝杆做力矩传递。3.1.1滚珠丝杠副的载荷及选型取工作台的行程为400mm，传动比（滚珠丝杠）为i=1，取步进电机的额定速度为1000r/min，查阅《机械设计手册》，工作台进给速度为0~1m/min，取3000mm/min，即50mm/s的移动速度，因此导程可计算为：（3-1）因此本文取丝杠导程取5mm，丝杠材料为合金结构钢42CrMo，螺母和滚珠材料为高碳铬轴承钢，丝杠能允许的负载为：（3-2）T——步进电机额定扭矩，T=2.2N·M因此本文设计的丝杠可承受约250kg的负载。1.最小负荷（静载荷)的计算：仅考虑工作台时滚珠丝杠副的传递力，工作台载物重量引起的摩擦力：（3-3）式中，G——移动组件的重量，kg摩擦系数，滑动导轨，静载系数取=0.04；动载系数取=0.2；由于工作台的质量目前没有较好的计算方法，通过Solidworks建模后设定材料进行质量估算，执行部件的总质量如图3-1所示，粗略估计为29.1kg，考虑结构安装等取为，由于皮革质量较小，在计算时取最大存储皮革重量约为60kg，因此取总重。图3-1移动组件的质量估算2.最大负荷(动载荷）的计算：滚珠丝杠的传递力是由工作台、固定装置和工件的总重量引起的，其最大载荷为：（3-4）——滑座重量，本文采用四滑套在导轨上运动，假设各滑座重量为30N镶条紧固力（N），查表3-1得=40N；表3-1镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/W10020035050075010001500贴塑滑动导轨4080120150200250300滚动直线导轨10254075100125150则丝杠最大负载为：（3-5）平均载荷为：平均转速为：3.（1）按预定工作时间估算。丝杠的预期工作寿命取为20000h，由式可确定滚珠丝杆预期的额定动载荷，按预定工作时间估算：查表3-2得载荷性质系数。已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级，查表3-3得精度系数，查表3-4得可靠性系数。表3-1载荷性质系数fw载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动fw1~1.21.2~1.51.5~2表3-2精度系数fa精度等级1、2、34、5710fa表3-3可靠性系数fc可靠性/(％)909596979899fc10.620.530.440.330.21按预定工作时间估算额定动载荷:（3-6）（2）按最大载荷估计：因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式估算最大轴向载荷，查表3-5得欲加动载荷系数，则额定动载荷:（3-7）表3-5欲加动载荷系数fe欲加载荷类型轻预载中预载重预载fe取以上两种结果的最大值，即=2336.8N，小于2488.1N，因此丝杠的设计满足使用要求。4.按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经：（1）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形：假设工作台的定位精度为5，重复定位精度为3，根据公式重复定位精度和定位精度以及定位精度和重复定位精度的要求，得，。取上述计算结果的较小值，即。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经：滚珠丝杆螺母副的安装方式采用两端固定式，滚珠丝杆螺母副的支承间的距离为：L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度≈（1.1～1.3）行程+（10～20），取L=1.2×行程+25=（1.2×400+5×10+L）mm=600mm。由式，得因此取滚珠丝杆直径D=25mm，导程L=5mm，螺纹升角φ=3.65度，运动方式为：旋转运动改直线运动，选择型号为BSST2505-400。表3-6滚珠丝杠螺母副的支承方式支承方式简图f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.730支承轴承的确定1.由式确定滚珠丝杆螺母副的预紧力：（3-8）2.计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力按式计算目标行程补偿值：目标行程补偿值；温度变化值（），一般情况下为2~3；丝杆的线膨胀系数（1/）,一般情况下为；滚珠丝杆副的有效行程。已知温度变化值，丝杆的线膨胀系数，滚珠丝杆副的有效行程，故按式计算滚珠丝杆的预拉伸力。已知滚珠丝杆螺纹底径,滚珠丝杆的温度变化值，则3.确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号：因为滚珠丝杆螺母副拟采取预拉伸措施，根据GB／T292-94选择7002P5DF角接触轴承以提高机构的稳定性，以组成滚珠丝杆两端固定的支承形式。表3-77002P5DF角接触轴承的组合按式计算轴承的基本额定动载荷，取轴承的基本额定寿命取，由于滚珠丝杆的螺纹底径为22mm，取两端支承段直径为15mm，因此取轴承内外径为15×32mm，宽度为9mm，结构如图3-2所示，以满足滚珠丝杆结构的需要。图3-27002P5DF角接触轴承的样本图片取轴承的工作转速,轴承所受的当量轴向载荷,经计算额定动载荷为：（3-9）而轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷=3150N，因此满足要求。3.2电机的计算选型3.2.1类型确定工业设备可以由四种类型驱动：液压、气动、电动和机械，选用电机的驱动方式，电机的驱动一般包括三相异步电动机、电主轴及伺服电机等，电主轴应用在超高速的工况下，因此在步进电机和伺服电机中进行选型，如表3-8所示：结合这几点和对上述电机的分析，皮革切割机在工作中，运动相比较较为频繁，而且所要求的工作精度也较高，根据电动机的工作电源、工作条件和负载特性，选择采用步进电机，使得工作更加平稳准确，定位精度可达±0.1mm[9][10]。步进电机的生产厂家很多，类型也有很多种，在低成本的步进电机类型中，其通过间断矩形波控制转子旋转，通过控制矩形波的周期，波形、频率等相关参数，可以实现对电机转速的、角度实现精度控制，并且生产成本低控制简单。表3-8步进电机与伺服电机对比伺服电机步进电机控制类型闭环控制，能够及时反馈位置，定位精度高开环控制低频特性低速运转时的交流伺服电机运行相对平稳，没有振动现象平稳性差，低速易出现振动，噪音大矩频特性恒力矩输出，一般额定转速在2000r/min-3000r/min力矩输出随转速升高而变大，一般额定转速在300r/min-600r/min过载能力具有较强过载能力伺服电机的过载能力约为步进电机的三倍一般不具有过载能力，但在工作时受惯性力矩，所以在选型时选取较大转矩的步进电机来克服，然而在工作时往往不需要这么大的转矩，常常造成力矩浪费现象。3.2.2负载的计算1.负载转动惯量估算本章以升降运动进行设计计算，其余的计算方法相同，此处不作阐述。（1）计算滚珠丝杠的转动惯量：已知滚珠丝杠的密度，由式得：（3-10）式中，——丝杠各段直径，mm；——丝杠各段相应长度，mm；（2）计算联轴器的转动惯量。查阅《机械设计手册》，选择联轴器SCXW，具体型号为SCXW34-8-10，联轴器的转动惯量可以使用刚体转动惯量公式=1/8mr²计算，也可以直接查表可得，为表3-9联轴器SCXW的参数（3）移动部件的转动惯量：通过Solidworks进行质量估算，执行部件的总质量为100kg，每转过一个螺距，执行部件的轴向移动距离,则由式得：（3-11）（4）由式计算电动机轴上的总负载转动惯量：（3-12）2.负载力矩的计算（1）计算负载力矩：取进给传动系统总效率，由式得：（3-13）（2）计算摩擦负载力矩：由式，可得：（3-14）3.计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩（1）计算线性加速力矩： 电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量，取进给伺服系统的位置环增益，加速时间，由式可得：（3-15）式中，57BYG250C 的空载起动转速为390r/min。（2）计算阶跃加速力矩：已知加速时间，由式得：（3-16）（3）计算由于预紧而产生的附加负载力矩：已知滚珠丝杠螺母副的预紧力，滚珠丝杠螺母副的基本导程，取滚珠丝杠的效率，由式可得：（3-17）（4）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩：①按式计算线性加速时空载启动力矩：(3-18)②按式计算阶跃加速时空载启动力矩：(3-19)③按式计算快进力矩：(3-20)④按式计算工进力矩：(3-21)3.2.3电机选型(1)选择驱动电动机的型号根据以上计算和查参考文献[1]表2--47，选择57系列步进电机，如图3-7所示，型号为57BYG250C，其参数如下所示：表3-757BYG系列电机的选型数据表电机型号步距角相电流最大静转矩相电阻转动惯量重量空载起动转速57BYG250A1.8°2.0A0.5Nm5.2Ω0.22kg·cm²0.5kg300转/分57BYG250B1.8°3.0A0.9Nm1.4Ω0.22kg·cm²0.6kg450转/分57BYG250C1.8°3.0A1.8Nm1.6Ω0.46kg·cm²1.0kg390转/分57BYG250D1.8°4.2A2.5Nm1.6Ω0.46kg·cm²1.5kg390转/分57BYG250E1.8°4.2A2.8Nm1.6Ω0.46kg·cm²1.7kg390转/分图3-357BYG250C电机的外形尺寸图（2）惯量匹配验算：查阅相关资料，当采用滚珠丝杠的传动时，系统的负载惯量与电动机的转动惯量之比一般应满足以下条件：（3-23）而在本设计中，故满足惯量匹配要求，步进电动机的加速力矩一般为额定力矩的5-10倍，若按10倍计算，则该电动机的加速力矩为18N·m，均大于线性加速时所需的空载启动力矩以及阶跃加速时所需的驱动力矩，同时大于快进时所需的驱动力矩以及工进时所需的驱动力矩，因此满足驱动力矩要求。3.3本章小结以皮革切割机的X轴传动系统为例，根据传动系统的基本要求和设计要求，完成滚珠丝杆的选择、步进电机的选择、传动系统的结构设计等，包括滚珠丝杠的选型计算、电机的选型校核等。

4切割机的结构设计4.1末端切割组件的设计4.1.1导轨选型设计本文选用的导轨为国产的上银品牌的导轨，供货周期相对短一些，并且价格相对会低一些，在精度方面也能够得到满足本设计的使用需求，为了标准化，直线导轨用于X/Y/Z轴，并承受垂直载荷。（1）导轨型号选择影响滚动导轨线性扭矩使用寿命的重要因素通常是工作负载。本文采用双导轨和四滑块的支撑形式，采用相同规格的导轨副，仅是长度不同。由于Z轴承受的载荷最大，因此只需选择并计算Z轴即可，工作时滑块承受垂直于工作台的所有载荷，单个滑块上的最大垂直荷载可计算如下：其中，移动部件的重量约为，取末端刀具及驱动源的重量约为20kg，同时考虑连接零部件，取m=40kg；假设外部载荷F=FZ=1500N（Z轴上下移动时产生的冲击），代入式得最大工作载荷。图4-1基于Solidworks的Z轴组件质量估算根据《机械设计手册》，选择为HGR系列导轨HGR25型，额定静载荷，其额定动载荷，选取导轨的长度为。图4-2HGR25型导轨的结构形式和尺寸4.1.2定位精度的计算（1）计算机械传动系统的方向误差：查阅相关资料，取进给传动滑台的最小综合拉压刚度，最大综合拉压刚度。导轨的静摩擦力，则由式得：即故满足要求。（2）综合拉压刚度变化引起的定位误差由式得：本文要求的定位精度为0.1mm，故满足要求。4.1.3切割刀具设计在进行末端切割刀具的设计时，首先进行工作功率的估算：1)计算主铣削力根据传统的经验公式：式中：-切削力，即主切削力（切向圆周分力），-切削深度，；-每齿进给量，-切削宽度，；-刀具直径，；切削力修正系数，-工件材料抗拉强度，选取技术条件参数：高速钢刀具；刀具前角；主偏角；工件材料为碳钢；每转进给量；刀具直径为，刀数；取切削工件宽度，切削深度。将上述各条件代入公式，则主切削力为：切削速度[6]经计算为：2)主电机功率估算[6]切削功率：主电机功率式中：——传动系统传动效率。查阅相关资料，选择采用2.2kW高频电机驱动的切割刀具，切口干净利落，不带角度，易于成型，以适应现有的激光头，并且只要改变末端的法兰安装盘，就可以方便地安装到各种切割设备上。图4-3高频电机刀具组件与安装座的实体模型4.2切割机的实体模型4.2.1切割机实体模型Solidworks作为第一个以Windows为基础开发的三维CAD系统，因为该项技术符合CAD新时代下的发展。SolidWorks以简单、稳定、创新为基准不断的改进创新为设计师设计提供了便利。Solidworks可以动态的查看装配部件的运动情况，并可以对零件进行动态干涉分析，还可以进行仿真分析。图4-4皮革切割机的实体模型本章完成皮革切割机设计的Solidworks实体建模，在进行实体建模时主要有标准建模、简单建模、复杂建模3种主要类型：标准几何体建模就是在通过图形设计特征直接输入生成所需的形状，例如球体、正方体等；简单几何体需要先进行二维草图绘制然后在进行由二维转换三维的步骤例如拉伸、扫描等生成所需要的实体；复杂的几何图形需要完成简单几何体的绘制在通过凹台、腔体等命令生成所需要的三维几何体。在进行设计建模时一定要注意整体布局，有了好的布局对皮革切割机的建模十分重要，利于对零、部套间的配合和位置关系的确定。通过Solidworks的装配图特征，如镜像、线性阵列等，再配以相应的配合关系，皮革切割机设计的三维模型如图4-4所示。4.2.2传动装置的结构设计在本次设计中，根据设计的功能，传动装置需要三个方向的运动和转动，其动作的实现是通电机和丝杠传动配合实现的，电机轴出来通过联轴器的连接方式，带动丝杠的转动（图5-2所示），切割刀具组件整体安装在固定在螺母副上的安装板上，从在丝杠转动的同时带动整体装置沿着Y向进行移动。图4-5传动系统的三维模型（Y轴）以进给系统为例，阐述利用Solidworks软件进行建模及装配、配合、运动等条件的设置，通过对机构的分析比较，建模步骤如下：（以下部分详见最终附图）：（1）根据电机的要求，选择电机与联轴器的连接，同时对电机设置固定座进行安装，起到对设计结构进行基础定位和支撑的作用，如下图4-6所示，支架的厚度应支架和电机的匹配要求以及支架的刚度要求确定，采用45#。图4-6电机驱动组合件（2）然后根据横轴距离、Y轴距离、实际加工工作台上设置移动滑座与HGH25CA滑块，根据滑台尺寸用T型槽加工组装。（3）最后对现有零件进行实际测绘，绘制三维装配图。4.2.3机架及X轴导轨机架是龙门传动的基础，机身的尺寸设计会影响机器的设计，设计的合理性会直接影响机器的强度，导轨设计在机架床身工作台顶部两侧，机架主要考虑本身的重力、驱动系统的分力和零件的影响，本设计可将所受力直接传递到机架的床身上，提高稳定性。图4-7机架的实体模型4.2.4导轨的结构设计本文设计的导轨的X、Y、Z方向采用两根导轨，如图4-8所示，固定在床身、横梁及连接座上。因此，导轨的定位精度对皮革切割机也有一定的影响，机身由方管拼焊制成，导轨通过紧定螺钉连接在机座上，在运动的过程中可以避免发生损坏，提高稳定性。图4-8导轨的结构设计4.3本章小结本章完成了皮革切割机的整体设计及使用Solidworks完成实体模型建立，完成了导轨、主轴传动及三向传动的设计，绘制其重要部件的三维模型及二维图纸，详细介绍主要部件的功能并说明其结构组成。

5切割机控制系统设计

总结与展望皮革切割机的空间运动由三个相互垂直的直线运动组成，可以获得更高的位置精度，龙门传动装置的主要功能是使末端执行器到达空间中的指定位置，要实现的工作空间主要是矩形空间，从笛卡尔坐标系的知识可以看出，空间中的任何点都可以由X，Y和Z方向上的三个点组成。本文完成了皮革切割机的总体方案设计、传动装置的结构设计，通过整合所学知识，先确定皮革切割机的结构方案及工作原理，然后确定运动方式及相应的传动机构，包括机构及传动系统的尺寸、运动分析和强度，利用机械原理和机械设计等大学课程的知识完成了皮革切割机的总体方案设计、传动装置的设计、结构系统的设计，根据运动原理和相关技术要求的分析和计算，丝杠等相关零件的设计校核、驱动方式选择。最后通过Solidworks软件对皮革切割机的重要部件进行了实体建模。在此设计过程中，计算和工程图还存在许多困扰我的问题，当遇到问题时，得到老师的耐心指导和帮助，并最终成功完成了该工作，最后阶段主要是修改设计中的一些详细错误以及图纸的修改和完善，所有这些都已完成，并学习许多详细知识和专业知识。本文通过对其结构进行实体模型建立，但仍缺乏实际应用的完善性，未考虑实际工作环境及末端负载等，未来可针对具体工况进行结构设计；同时可利用有限元的分析方法对其结构进行拓扑优化，实现结构轻量化，通过有限元进行模态分析，得到其固有频率，然后与工作功率进行比较等。

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