YM-1212多功能數(shù)控激光切割機(jī)設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過(guò))

下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）題目 ： YM-1212 多功能數(shù)控激光切割機(jī) 姓 名： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2009 年 月 日 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 I 摘 要 激光（ LASER）是上 世紀(jì) 60 年代發(fā)明的一種光源 ， 激光的最初中文名叫做 “ 鐳射 ” 、 “ 萊塞 ” ，是它的英文名稱 LASER 的音譯，是取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各單詞的頭一個(gè)字母組成的縮寫詞 ， 意思是 “ 受激輻射的光放 大 ” 。激光的英文全名已完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。 1964 年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將 “ 光受激發(fā)射 ”改稱 “ 激光 ” 。 激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性材料以及精密細(xì)復(fù)雜的零件， 因而數(shù)控激光切割在我國(guó)制造業(yè)中正發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。 本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)單片機(jī)控制的數(shù)控激光切割機(jī)床，主要完成了：機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， Z軸、 XY軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、滾珠絲杠、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選擇及其強(qiáng)度分析；以步進(jìn)電機(jī)為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)計(jì)算；以89C51 為主控芯片的數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)初 始化設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 CNC，激光切割機(jī)床，結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì) 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 II ABSTRACT Laser (LASER) is the invention of the last century, 60 years as a light source, the original Chinese name of laser is called laser, les is that it is a transliteration of the English name of LASER is from the English Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation each word consisting of the head of a letter acronym, meaning light amplification by stimulated emission of radiation. Laser full name in English has been completely expressed by the main process of manufacturing the laser. 1964, according to Chinas famous scientist Qian suggested that light by stimulated emission, renamed laser. Laser cutting machine tool was usually used for the hard-cutting material, such as high-strength material, high precision ductile materials, and smart and complicated components. So, CNC laser cutting has been playing an important role in Chinas manufacturing industry. This paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting machine tools. More attention was paid on the overall machine design, Z axis, XY axis in the design, ball-screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis； the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design； 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and the design of stepper motors controlling program. Key words CNC, laser cutting machine tools, architecture, design 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 目 錄 摘 要 ABSTRACT 1 緒論 . 3 1.1 課題背景 . 3 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) . 2 1.3 總體設(shè)計(jì)方案分析 . 4 2 機(jī)械部分 XY工作臺(tái)及 Z 軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 7 2.1 XY 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) . 7 2.1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù) . 7 2.1.2 XY 工作臺(tái)部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析 . 7 2.1.3 初步確定 XY 工作臺(tái)尺寸及估算重量 . 7 2.2 Z 軸隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 8 3 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 . 9 3.1 強(qiáng)度計(jì)算 . 9 3.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 . 9 4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型 .11 5 步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 . 12 5.1 步進(jìn)電機(jī)的選用 . 12 5.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角 . 12 5.1.2 步進(jìn)電機(jī)上起動(dòng)力矩的近似計(jì)算 . 12 5.1.3 確定步進(jìn) 電機(jī)最高工作頻率 . 13 5.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 . 13 5.2.1 傳動(dòng)比的確定 . 13 5.2.2 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定 . 13 5.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 . 14 6 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的討論 . 16 6.1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 . 16 6.2 根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 . 16 7 消隙方法與預(yù)緊 . 18 7.1 消隙方法 . 18 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 7.1.1 偏心軸套調(diào)整法 . 18 7.1.2 錐度齒輪調(diào)整法 . 19 7.1.3 雙片齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 . 19 7.2 預(yù)緊 . 20 8 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 21 8.1 確定機(jī)床控制系統(tǒng)方案 . 21 8.2 主要芯片配置 . 21 8.2.1 主要芯片選擇 . 21 8.2.2 主要管腳功能 . 21 8.2.3 EPROM 的選用 . 22 8.2.4 RAM 的選用 . 23 8.2.5 89C51 存儲(chǔ)器及 I/O 的擴(kuò)展 . 23 8.2.6 8155 工作方式查詢 . 24 8.2.7 狀態(tài)查詢 . 25 8.2.8 8155 定時(shí)功能 . 25 8.2.9 芯片地址分配 . 26 8.3 鍵盤設(shè)計(jì) . 27 8.3.1 鍵盤定義及功能 . 27 8.3.2 鍵盤程序設(shè)計(jì) . 27 8.4 顯示器設(shè)計(jì) . 31 8.4.1 顯示器顯示方式的選用 . 31 8.4.2 顯示器接口 . 32 8.4.3 8155 擴(kuò)展 I/O 端口的初始化 . 32 8.5 插補(bǔ)原理 . 33 8.6 光電隔離電路 . 34 8.7 越界報(bào)警電路 . 34 8.8 總體程序控制 . 34 8.8.1 流程圖 . 32 8.8.2 總程序 . 33 9 步進(jìn)電機(jī)接口電路及驅(qū)動(dòng) . 37 結(jié) 論 . 41 參考文獻(xiàn) . 42 致 謝 . 40 1 2 3 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763 1 緒論 1.1 課題背景 激光被譽(yù)為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問(wèn)世就 引起了材料科學(xué)家的高度重視 ， 它被稱之為 “希望之光 ”。 激光被用于很多領(lǐng)域， 傳遞信息 ： 1977年 5 月，美國(guó)有一家大公司叫電報(bào)電話公司，它在芝加哥市內(nèi)的兩個(gè)電話局之間，敷設(shè)了世界上第一條短距離的光導(dǎo)纖維通信線路，此后在全美國(guó)近百個(gè)地方建立了總長(zhǎng)幾百千米的短距離激光通信線路。這就意味著在短距離內(nèi)，激光通信已開始取代普通的電氣通信。到了 1983 年，美國(guó)紐約到波士頓之間長(zhǎng)達(dá) 600 千米的光導(dǎo)纖維通信已投入使用 ； 材料加工 ： 鉆孔、切割、焊接以及淬火，是加工金屬材料時(shí)最常用的操作。自從引進(jìn)了激光后，在加工的強(qiáng)度、質(zhì)量以及范圍等 方面開創(chuàng)了全新的局面。除了金屬材料外，激光還能加工許多非金屬材料 ； 激光武器 ：多年以來(lái)，世界各國(guó)投入了大量資金和人力進(jìn)行激光器、激光加工設(shè)備和激光加工對(duì)材料學(xué)的研究，促使激光加工得到了飛速發(fā)展，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。如今在中國(guó)，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實(shí)現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國(guó)家也將其列為 “九五 ”攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目之一。 “十五 ”的主要工作是促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值 20的平均增長(zhǎng)率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值 200 億元以上；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加 工技術(shù)，重點(diǎn)完成電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程；為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。 4 數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。 激光切割機(jī)是光、機(jī)、電一體化高度集成設(shè)備，科技含量高，與傳統(tǒng)機(jī)加工相比，激光切割機(jī)的加工精度更高、柔性化好， 有利于提高材料的利用率，降低產(chǎn)品成本，減輕工人負(fù)擔(dān)， 對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)是一場(chǎng)技術(shù) 革命。 激光切割的適用對(duì)象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。激光切割技術(shù)、激光切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計(jì)數(shù)控激光切割有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。微機(jī)控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一臺(tái)單片機(jī)（ 89C51 主控芯片）控制激光切割機(jī)床，主要設(shè)計(jì)對(duì)象是 XY 工作臺(tái)部件及 89C51 單片機(jī)控制原理圖。而對(duì)激光切割機(jī)其他部件如冷水機(jī)、激光器等不作為設(shè)計(jì)內(nèi)容要求，只作一般了解。單片機(jī)對(duì) XY工作臺(tái)的縱、橫向進(jìn)給脈沖當(dāng) 量 0.001mm/ pluse。工作臺(tái)部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機(jī)、工作臺(tái)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。 1.3 總體設(shè)計(jì)方案分析 參考數(shù)控激光切割機(jī)的有關(guān)技術(shù)資料，確定總體方案如下： 采用 89C51 主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)齒輪機(jī)構(gòu)減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖 1.1。 控 制 器 驅(qū) 動(dòng) 器 驅(qū) 動(dòng) 器 步進(jìn) 電機(jī) 步進(jìn) 電機(jī) X 向工作臺(tái) Y 向工作臺(tái) 5 圖 1.1 系統(tǒng)總體原理圖 微機(jī)控制線路圖 參考 MCS 51 系列單片機(jī)控制 XY 工作臺(tái)線路圖。 步進(jìn)電機(jī)參照 RORZE 株式會(huì)社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運(yùn)行精度 ,同時(shí)驅(qū)動(dòng)器也選用 RORZE 的配套驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品。 滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計(jì)參照了漢江機(jī)床廠、南京工藝裝備制造廠的樣本資料，力求從技術(shù)性能、價(jià)格狀況、通用互換性等各方面因素考慮，最后選用南京工藝裝備廠的 FFZD 系列滾珠絲杠，即內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副。 本設(shè)計(jì)棄用 Z80，而選用單片機(jī)。單片機(jī)體積小、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價(jià)比大大超過(guò)了 Z80。比較后選用 89C51 為主芯片。在使用過(guò)程中 89C51 雖有 4K 的 FLASH（ E2PROM），但考慮實(shí)際情況需配備 EPROM 和 RAM，并要求時(shí)序配備。 選晶體頻率為 6MHz， 89C51 讀取時(shí)間約為 3t，則 t 480ns ,常用 EPROM 讀取時(shí)間約為 200450ns。 89C51 的讀取時(shí)間應(yīng)大于 ROM 要求的讀取時(shí)間。 89C51 的讀寫時(shí)間約為 4T，則 TR 660ns，TW=800ns，常用 RAM 讀寫時(shí)間為 200ns 左右，均滿足要求。根據(jù)需要，擴(kuò)展I/O 接口 8155，因顯示數(shù)據(jù)主要為數(shù)字及部分功能字，為簡(jiǎn)化電路采用 LED 顯示器。鍵盤 采用非編碼式矩陣電路。為防止強(qiáng)電干擾，采用光電隔離電路。 6 7 2 機(jī)械部分 XY 工作臺(tái)及 Z 軸的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 XY 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 2.1.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)及依據(jù) 本設(shè)計(jì)的 XY 工作臺(tái)的參數(shù)定為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工作臺(tái)行程：橫向 320mm，縱向 450mm 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工作臺(tái)最大尺寸（長(zhǎng)寬高）： 1100 900 300mm 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 工作臺(tái)最大承載重量： 120Kg 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 脈沖當(dāng)量： 0.001mm/pluse 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 進(jìn)給速度： 60 平方毫米 /min 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表面粗糙度： 0.8 1.6 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 設(shè)計(jì)壽命： 15 年 2.1.2 XY 工作臺(tái)部件進(jìn)給系統(tǒng)受力分析 因激光切割機(jī)床為激光加工 ,其激光器與工件之間不直接接觸 ,因此可以認(rèn)為在加工過(guò)程中沒有外力負(fù)載作用。其切削力為零。 XY 工作臺(tái)部件由工作臺(tái)、中間滑臺(tái)、底座等零部件組成 ,各自之間均以滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副相聯(lián) ,以保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度。 設(shè)下底座的傳動(dòng)系統(tǒng)為橫向傳動(dòng)系統(tǒng) ，即 X向，上導(dǎo)軌為縱向傳動(dòng)系統(tǒng)，即Y向。 一般來(lái)說(shuō) ,數(shù)控切割機(jī)床的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計(jì) ,但滾珠絲杠副 ,以及齒輪之間的滑動(dòng)摩擦不能忽略 ,這些摩擦力矩會(huì)影響電機(jī)的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、預(yù)緊措施 ,其產(chǎn)生的負(fù)載波動(dòng)應(yīng)控制在很小的范圍。 2.1.3初步確定 XY 工作臺(tái)尺寸及估算重量 初定工作臺(tái)尺寸 (長(zhǎng)寬高度 )為 :1200 950 70mm，材料為 HT200，估重為 625N (W1)。 設(shè)中托座尺寸 (長(zhǎng)寬高度 )為 :1200 520 220mm，材料為 HT200，估重為 250N（ W2）。 另外估計(jì)其他零件的重量約為 250N (W3)。 加上工件最大重量約為 120Kg（ 1176N） (G)。 則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載 W 為 : W=W1+W2+W3+G 665+250+250+1176 2301N 8 2.2 Z 軸隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 激光切割機(jī)對(duì) Z軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時(shí)檢測(cè)和控制切割表面的不平度，通過(guò)伺服電機(jī)和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點(diǎn)在切割板材的表面位置。由于激光焦點(diǎn)至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求 Z軸的檢測(cè)精度高于 0.010mm：同時(shí)，隨動(dòng)速度應(yīng)大于 5m/min。隨動(dòng)速度太快會(huì)造成切割頭上下震蕩，太慢又造成切割頭跟不上的現(xiàn)象。目前。對(duì)加工板材的檢測(cè)主要有電容、電感、電阻、激光、紅外等幾種方式。電感式和電阻式屬于傳感器，激光、紅外及電容式屬于非接觸式傳感器。電容式傳感器在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中不發(fā)生摩擦阻力，最適于金屬板材和高速切割加工，而激光和紅外位移傳感器對(duì)加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場(chǎng)合的切割加工(如強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)干擾環(huán)境 )。所以在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)注意檢測(cè)精度和對(duì)切割材料的適應(yīng)性，同時(shí)安裝時(shí)還需要注意采取抗干擾措施。 割頭具有多種先進(jìn)的智能 和附加功能，如自動(dòng)調(diào)整激光噴嘴距離、自動(dòng)清潔噴嘴、同軸噴水機(jī)構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動(dòng)、切割嘴擺動(dòng)等。這些功能機(jī)構(gòu)的增加 ,不可避免地增加了切割頭的重量，成切割頭的動(dòng)態(tài)性能不好 ,隨動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來(lái)說(shuō)，普通數(shù)控激光切割機(jī) Z 軸拖動(dòng)重量在 5kg 以上時(shí)，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機(jī)的 Z軸拖動(dòng)重量在 2kg 以上就必須施加重力平衡設(shè)施，特別是在高速飛行光路設(shè)計(jì)中 ,這一點(diǎn)尤為重要。目前 Z 軸上的重力平衡設(shè)施使用較多的是采用氣缸托動(dòng)方式 (圖 2.1)。該方式重量輕、體積小、易安裝，還可根據(jù)要求調(diào)整氣缸的平衡力。 反光鏡平衡氣缸直線導(dǎo)軌切 割 頭Z 軸絲桿Z 軸電機(jī)圖 2.1 Z 軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu) 9 3 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （一） 根據(jù)機(jī)床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸，參照 南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列 ，選用 FFZD 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿，具體型號(hào)如下： X 向： FFZD 2504-3/490 500 Y 向： FFZD 2504-3/500 1100 （二） 因 X 向的滾珠絲桿比 Y 向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大，現(xiàn)只計(jì)算 X 向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)， Y 向根據(jù) X 向的結(jié)果相同選用即可滿足要求。 （三） 具體計(jì)算如下。 3.1 強(qiáng)度計(jì)算 軸向負(fù)荷計(jì)算公式： aF =F+UW式（ 3.1） 式中 F 切削力， F=0 W 工件重量加工作臺(tái)重量 W=2301N U 滾動(dòng)導(dǎo)軌上的滾動(dòng)摩擦系數(shù)（約為 0.003-0.004），取 U=0.004 則根據(jù)式（ 3.1）： aF= 0.004 2301=92N 激光切割機(jī)滾珠絲杠是在低速條件下工作的。 故本處的 Go=（ 0.2-0.3），a F=18.4-27.6N。對(duì)照樣本參數(shù) ,這里的 Go 非常小，選定導(dǎo)程為 4 的滾珠絲杠副。 3.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 : / ( )tg tg 式（ 3.2） 式中 滾珠絲杠的螺紋升角 當(dāng)量摩擦角 根據(jù) 當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角 關(guān)系（見表 3.1）， 前面已經(jīng)定 v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵 HRC45 。 所以： =400 ， tg =0.0025 ； 因?yàn)?=arctg（ Ph/ d） 式（ 3.3） 式中 :Ph 導(dǎo)程， 4mm d 絲杠公稱直徑， 25mm 則根據(jù)式（ 3.3）： 10 2.91 則根據(jù)式（ 3.2）得： 0.953。 表 3.1 當(dāng)量摩擦系數(shù) f 和當(dāng)量摩擦角 齒圈材料 錫 青 銅 無(wú)錫青銅 灰鑄鐵 齒面硬度 HRC45 其它 HRC45 HRC45 其它 相對(duì)速度 s m/s f f f f f 0.01 0.05 0.10 0.25 0.50 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4 5 8 10 15 24 0.110 0.090 0.080 0.065 0.055 0.045 0.040 0.035 0.030 0.028 0.024 0.022 0.018 0.016 0.014 0.013 617 509 434 343 309 235 217 200 143 136 122 116 102 055 048 045 0.120 0.100 0.90 0.075 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.031 0.029 0.026 0.024 0.020 651 543 509 417 343 309 252 235 217 200 147 140 129 122 109 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 0.05 0.045 0.040 0.035 0.03 1012 758 724 543 509 400 343 309 252 235 217 200 143 0.180 0.140 0.130 0.100 0.090 0.070 0.065 0.055 10 2 758 724 543 509 400 343 309 0.190 0.160 0.140 0.120 0.100 0.090 0.080 0.070 1045 905 758 651 549 509 434 400 11 4 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型 導(dǎo)軌主要分為滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌兩種， 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 定位精度高 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的 1/50。 由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少 90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低 90%，具有大幅度節(jié)能的效果。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率 20 30%。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度 對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能小滾動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。 所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 。參照 南京工 藝裝備廠的產(chǎn)品系列。 型號(hào)：選用 GGB 型四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 ，如圖 4.1。 具體型號(hào)： X 向選用 GGB20BA2P， 2 500-4 Y 向選用 GGB20AB2P， 2 1100-4 圖 4.1 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 12 5 步進(jìn)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 5.1 步進(jìn)電機(jī)的選用 5.1.1 脈 沖當(dāng)量和步距角 已知脈沖當(dāng)量為 1 m/STEP，而步距角越小，則加工精度越高。初選為0.36o/STEP（二倍細(xì)分）。 5.1.2步進(jìn)電機(jī)上起動(dòng)力矩的近似計(jì)算 電機(jī)起動(dòng)力矩： 12M M M式（ 5.1） 式中 : M 為滾珠絲杠所受總扭矩 Ml為外部負(fù)載產(chǎn)生的摩擦扭矩，有 : 1 / 2 ( )aM F d t g 式（ 5.2） =92 0.025/2 tg（ 2.91+0.14） =0.062N m M2為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有： 2 /2a o hM K F P 式（ 5.3） 式中 : K 預(yù)緊時(shí)的摩擦系數(shù)， 0.1 0.3 Ph 導(dǎo)程， 4cm Fao 預(yù)緊力， 有： Fao=Fao1+Fao2 取 Fao1=0.04 Ca=0.04 1600=640N Fao2為軸承的預(yù)緊力，軸承型號(hào)為 6004 輕系列，預(yù)緊力為 Fao2 130N。故根據(jù)式（ 5.3）： M2=0.098 N m 齒輪傳動(dòng)比公式為： i= Ph /(360 p)，故步進(jìn)電機(jī)輸出軸上起動(dòng)矩近似地可估算為： /qT M i式（ 5.4） =360 M p / Ph 式中 : p =l m/STEP=0.0001cm/STEP； M= M1+ M 2= 0.16N =0.36o/STEP q=0.85 Ph 0.4cm 13 0.953 則根據(jù) 式（ 5.4）： Tq=360 0.16 0.0001/(3.6 0.85 0.4)=0.4 N m 因 Tq/TJM=0.866(因?yàn)殡姍C(jī)為五相運(yùn)行 )。則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩TJM=Tq/0.866=0.46 N m 5.1.3確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 參考有關(guān)數(shù)控激光切割機(jī)床的資料 ,可以知道步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率不超過(guò)1000Hz。 根據(jù)以上討論并參照樣本 ,確定選取 M56853S 型步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的最大靜止轉(zhuǎn)矩為 0.8 N m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 235g/cm2 5.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 5.2.1傳動(dòng)比的確定 要 實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量 l m/STEP 的設(shè)計(jì)要求，必須通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行分度，其傳動(dòng)比為： / ( 3 6 0 )hpiP 式（ 5.5） 式中： Ph 為滾珠絲杠導(dǎo)程 為步距角 p 為脈沖當(dāng)量 根據(jù)前面選定的幾個(gè)參數(shù)，由 式（ 5.4）得 ： i =0.36 4/360 0.001 =4:1=Z2/Z1 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求 ,選用 Z1 為 30， Z2 為 120 5.2.2齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 齒輪類型：選擇直齒加工方便。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 模數(shù)選擇：本工作臺(tái)負(fù)載相當(dāng)輕 ,參考同類型的機(jī)床后 ,選擇m 1 齒輪傳動(dòng)側(cè)隙的消除。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 中心距的計(jì)算： A=m（ Z1+ Z2） 式（ 5.6） =1 (30+120)/2=75mm 齒頂高為 1mm，齒根高為 125mm，齒寬為 20mm。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 齒輪材料及熱處理： 小齒輪 Z1 采用 40Cr，齒面高頻淬火 ； 大齒輪 Z2 采用 45 號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理。 14 5.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 由資料知，激光切割機(jī)的負(fù)載可以認(rèn)為是慣性負(fù)載。機(jī)械機(jī)構(gòu)的慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)特性有直接的影響。不但對(duì)加速能力、加速時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在開環(huán)系統(tǒng)中對(duì)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計(jì)算慣性負(fù)載。限于篇幅，在此僅對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。 慣性負(fù)載可由以下公式進(jìn)行計(jì)算： 0 2D 1 1 2 2 3 4 m nJ = J + J + ( Z / Z ) ( J + J ) + J ( V / ) m D 式（ 5.7） 式中： JD為整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載。 J0為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量 e J1為齒輪 Zl的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2為齒輪 Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J3為齒輪 Z3的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 mn為系統(tǒng)工作臺(tái)質(zhì)量 Vm 為工作臺(tái)的最大移動(dòng)速率 D為折算成單軸系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軸角速度 各項(xiàng)計(jì)算如下： 已知： J0 0 忽略不計(jì)， mn=112.5Kg 齒輪慣性轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式： 22J = m = G /g 式（ 5.8） 其中： 為回轉(zhuǎn)半徑 G 為轉(zhuǎn)件的重量 滾珠絲杠的慣性矩計(jì)算公式： J= RLD/32 式（ 5.9） 最后計(jì)算可得： J1=0.1 10-3Kg. m2 J2=1.32 10-3Kg. m2 J3=2.98 10-4Kg. m2 J4=1.14 10-5Kg. m2 Vm=12 m/s D=2 rad/s 故慣性負(fù)載根據(jù)式（ 5.7）得： 15 JD=J0+J1+(Zl/Z2)（ J2 J3） + J4 (Vm/ D)2 mn =17.3 Kg. cm2 此值為近似值故此值小于所選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 16 6 傳動(dòng)系統(tǒng)剛 度的分析 激光切割機(jī) XY 工作臺(tái)其實(shí)為一進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度可根據(jù)不出現(xiàn)摩擦自振或保證微量進(jìn)給靈敏度的條件來(lái)確定。 6.1 根據(jù)工作臺(tái)不出現(xiàn)爬行的條件來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 傳動(dòng)系統(tǒng)中的當(dāng)量剛度 K 或當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度 C 主要由最后傳動(dòng)件的剛度 K0或 C0決定的，在估算時(shí)，取 K=K0， C=C0 對(duì)滾珠絲杠傳動(dòng) ,其變形主要包括： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 絲杠拉壓變形 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 扭轉(zhuǎn)變形 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 絲杠和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 軸承和軸承座的變形。 在工程設(shè)計(jì)和近似計(jì)算時(shí)，一般將絲杠的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度 K0，根據(jù)支承形式可得： 3/ 3 * 1 0 ( / )oK E F L K g f m m 式（ 6.1） 式中： E=2.06 10 -4(Kgf/ mm 2) F=754.8mm 2 L=Ls 250 mm 則根據(jù)式（ 6.1）得： K0=203.2N/mm 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度較大，可以滿足要求。 6.2 根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來(lái)確定傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度應(yīng)滿足： K F0/ 式（ 6.2） 式中： K 傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)量剛度 F0 部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的靜摩擦力 N 正壓力 ,N=W/g=230kgf F 靜摩擦系數(shù)，取 0.003-0.004 部件調(diào)整時(shí)，所需的最小進(jìn)給量 則： F0=230 0.004=0.92KGF 17 A=0.5 p=0.5 m/STEP 即滿足微量進(jìn)給要求的傳動(dòng)系統(tǒng)剛度為 : K F0/ 0.92/0.5 1.84Kgf/mm 結(jié)合上述傳動(dòng)系統(tǒng)剛度的討論 可知滿足微量進(jìn)給靈敏度所需要的剛度較小，可以達(dá)到精度要求。 18 7 消隙方法與預(yù)緊 7.1 消隙方法 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給裝置中常采用齒輪傳動(dòng)副來(lái)達(dá)到一定的降速比和轉(zhuǎn)矩的要求。由于齒輪在制造中總是存在著一定的誤差，不可能達(dá)到理想齒面的要求，因此一對(duì)嚙合的齒輪，總應(yīng)有一定的齒側(cè)間