龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割機設計和實現(xiàn) 機械制造專業(yè)

摘要伴隨著如今社會的快速發(fā)展，機械制造行業(yè)也應該逐步的跟上社會的步伐。因為現(xiàn)階段傳統(tǒng)的加工技術無法形成相應的工作模式，并且在很多情況下不能夠滿足如今時代的工作需要。龍門直角坐標機器人激光切割金屬板件是其中一種加工方法。電子束或超聲波等等全新技術能夠?qū)⑵浞Q之為特殊技術的整合。門式金屬板材的直角坐標設備能夠用于多項技術，分別為：數(shù)控技術、計算機技術以及電氣控制技術等。除此之外給設備還能夠應用于超高壓發(fā)電機、切割控制系統(tǒng)之中。伴隨著最近幾年的技術發(fā)展，三坐標科技已經(jīng)逐步成熟。龍門直角坐標機器人鈑金件激光切割系統(tǒng)是三維機床技術與激光切割技術相結合的系統(tǒng)。它既保證了消隱的準確性，又整合了激光的高穿透性優(yōu)勢。這兩種技術模式的融合也代表著激光切割技術到達了新的巔峰。關鍵詞：切割技術；機構設計；激光切割機AbstractWiththerapiddevelopmentoftoday'ssociety,themachinerymanufacturingindustryshouldgraduallykeepupwiththepaceofsociety.Becauseoftheneedofdevelopment,therearemanydifficult-to-processmaterials.Becausethetraditionalprocessingtechnologycannotformthecorrespondingmodeofwork,andinmanycasescannotmeettheneedsoftoday'swork.Lasercuttingofsheetmetalpartsbasedongantryrectangularcoordinaterobotisoneoftheprocessingmethods.ItThelasercuttingofmetalplatewithgantryrectangularcoordinaterobotisoneofthemachiningmethods.ThelasercuttingmachinetoolforsheetmetalpartsofgantryrectangularcoordinaterobotisacombinationofnewtechnologiessuchasnumericalcontrolNewtechnologiessuchaselectronbeamsorultrasoundcanbecalledtheintegrationofspecialtechnologies.Therectangularcoordinateequipmentofgatemetalsheetcanbeusedinmanytechnologies,suchas:numericalcontroltechnologyThelasercuttingsystemforsheetmetalpartsofgantryrectangularcoordinaterobotistheproductofthecombinationofthree-coordinatemachinetooltechnologyandlasercuttingtechnology.It,electricalcontroltechnology,computertechnologyandothernewscientificandtechnologicalintegrationconcepts.Itcoverstheultra-highvoltagegenerator,cuttingcontrolsystem,platformandsoon.Keywords:CuttingTechnology;MechanismDesign;LaserCuttingMachine目錄摘要 1Abstract 2目錄 3第1章緒論 51.1龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割的發(fā)展歷史及應用 51.2激光技術概述以及應用 51.3數(shù)控切割以及數(shù)控切割加工技術的應用 61.4龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割加工技術的應用 121.5.龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割切割的工藝特點 13第2章總體方案機構設計 132.1技術參數(shù)要求 132.3設計概念 132.3設計原理 142.4方案討論 14第3章X結構及傳動設計 153.1X向滾珠絲桿副的選擇 173.1.1導程確定 173.1.2確定絲桿的等效轉速 173.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重 173.1.4確定絲桿的等效負載 173.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 183.1.6精度的選擇 193.1.7選擇滾珠絲桿型號 203.2校核 203.2.1臨界壓縮負荷驗證 203.2.2臨界轉速驗證 213.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 223.3電機的選擇 233.3.1電機軸的轉動慣量 233.3.2電機扭矩計算 24第4章Y向結構設計 264.1Y軸滾動導軌副的計算、選擇 264.2滾珠絲杠計算、選擇 304.3步進電機慣性負載的計算 33第5章軸承的選擇 365.1X軸軸承選擇 365.2Y軸軸承選擇 365.3Z軸軸承選擇 37第6章伺服系統(tǒng)的選擇 39第7章誤差來源及分析 417.1誤差及誤差來源 417.2舉例說明安裝誤差對機床精度的影響 437.3提高傳動精度減小傳動誤差的措施 447.4減小安裝誤差舉例 44第8章機床的維護與潤滑 478.1軸承的潤滑與防護 478.2導軌的潤滑與防護 478.3滾珠絲杠的防護與潤滑 48總結與展望 49參考文獻 50致謝 51第1章緒論1.1龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割的發(fā)展歷史及應用19世紀中葉，北美經(jīng)門的經(jīng)度機器人激光器切斷了金屬板。20世紀初，蘇聯(lián)和中國的蒙古直角機器人采用了金屬板零件激光切割系統(tǒng)。主要研究了經(jīng)度機器人金屬板的激光切割系統(tǒng)。經(jīng)度機器人的激光切割技術仍處于探索和實驗階段。直到20世紀70年代初，縱向機器人金屬板零件的激光切割和清洗技術才得到發(fā)展?；诮?jīng)緯度直角機器人的金屬板激光切割技術已經(jīng)發(fā)展到其他領域。直到20世紀70年代末，龍門坐標機器人金屬板材切割技術才得以發(fā)展。也就是說，研究了通過提高經(jīng)度機器人的激光切割壓力來提高激光束角激光切割機器人功率的方法。日本龍門直角機器人激光束切割技術的研究始于20世紀70年代，發(fā)展到其他航空航天以及其他行業(yè)之中。通過許多年來的操作以及實施，獲得了長足的進步。并實行了其中的產(chǎn)品設計。現(xiàn)階段依舊能夠處在世界最前沿。1979年以來，中國每兩年舉辦一次龍門直角機器人金屬板激光切割技術全國研討會。1.2激光技術概述以及應用激光被人們認為是本世紀最偉大的發(fā)明之一。在上世紀七十年代初期，美國某研究機構研制了世界上第一臺激光發(fā)生器，該設備用于對工業(yè)材料的耐磨性進行測試，成功地制成了年汽車轉向器殼體（鍛造鑄鐵材料）表面的煉火模式。也能夠成為其中的工業(yè)模式以及概念模式。最近幾年，世界各國分別形成了完善的資金概念以及人力資源，對激光的設備模式以及集光效果能夠形成完善的整改，并加強了其中激光模式的發(fā)展速率，并能夠在其中產(chǎn)生巨大的社會價值。現(xiàn)階段，激光科技在我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、現(xiàn)代內(nèi)部能夠形成完善的整改意見，激光科技不斷實現(xiàn)企業(yè)化?！笆濉钡木唧w項目能夠形成完善的概念制定，保證其中的激光質(zhì)量穩(wěn)步在20%左右，形成年產(chǎn)值200多億元。在工業(yè)制造模式之內(nèi)，形成了完善的推廣模式，并且形成了替代電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、空氣等傳統(tǒng)概念模式之內(nèi)的樣板評定以及工作制定?？梢猿蔀樯铩⒛茉?、空間和海洋等六中高科技背后的儀器模式以及規(guī)劃形式。數(shù)字控制的出現(xiàn)與發(fā)展在很大程度上實現(xiàn)了計算機控制技術與激光控制的結合，誕生了更為先進和精度更高的光學系統(tǒng)，研發(fā)出了相應的工作重心，是相應的整改細節(jié)之內(nèi)的趨勢整合。激光切割利用相應的化學物質(zhì)進行附著并在其表面進行整頓，能夠?qū)⑵渲械墓怏w形成完善的氣體制定范疇，并沿其中的動向進行光線的整改，并在其中形成完善的概念制定。從二十年代到七十年代，應該按照相應的精密程度形成完善的對比效應。它還能夠在其中提供穩(wěn)定的硬度，保障其中葉片的內(nèi)部結構，完善自身的概念。并且，還應該在其中加強慣性以及震動的效應。用于氧乙炔的切割。薄鋼板采用剪刀，用大量的壓力機形成復雜的零件。自70年代以來，氧氣乙烷的精密火焰切割和等離子切割技術能夠提升相應的切割范圍。降低其中的制作模式，并且加強了其中壓力設備以及科技效果。各種莫始終都能夠形成生產(chǎn)質(zhì)量的整合，在攻城模式中形成完善的作用。激光設備是機電一體化領域中先進的河北。技能效果完善，激光切割機的密度較穩(wěn)定，動能穩(wěn)定，提升材料的使用數(shù)量，降低其中的成本模式，減少產(chǎn)品價值，降低人工成本，制造業(yè)能夠形成革命技術改革。激光切割指的是對普通切割方式難以工作的環(huán)境下進行高強度、高韌性材料的有效切割。該技術在航空航天以及其他工業(yè)生產(chǎn)領域之中廣泛應用，其中激光射線的研究意義能夠形成完善的概念。微機操控模式能夠在其中形成完善的概念。基于經(jīng)緯度垂直坐標機器人的金屬板激光切割技術是工業(yè)切割與清洗領域的獨特特點和優(yōu)勢。開水：純水用于造紙、橡膠等工業(yè)。砂切割機可用于石材、陶瓷、航空航天、汽車制造和金屬加工等行業(yè)。特別是最近幾年的產(chǎn)業(yè)模式形成完善的整改，按照其中汽車模式的不斷發(fā)展，日本及海外多數(shù)的制造者能夠形成完善的細節(jié)整合，車型不停進行更替，制作周期較短。內(nèi)部工作和沖壓方法由汽車內(nèi)部零件生產(chǎn)公司（例如，汽車地毯、儀表板、車頂?shù)龋┑某跏际止すぷ鬟M行處理。汽車工業(yè)具有效率高、質(zhì)量好、精度高、靈活性強的優(yōu)點。上海、大眾、上海通勤、大眾、天津豐田、廣州本田、金瑞福、南京南亞等國內(nèi)所有配件制造商均配備了內(nèi)飾。1.3數(shù)控切割以及數(shù)控切割加工技術的應用在很久以前，大概在十九世紀流傳在北美洲地區(qū)，那時候人們開始運用數(shù)控技術來采集非固結礦床。在二十世紀以來，外國和中國等大多是國家都開始，運用該項技術，使國家的科研技術有一定的提升。在數(shù)控技術的提升下，人們開始通過水力來開采煤礦，人們也逐漸意識到，通過壓強來增強數(shù)控的機床切割的穿透力度，例如：適當增強流水的壓力，以及合適的縮小噴口的直徑。因此人們也開始意識到高壓力的壓力源和高強壓脈沖射流對工業(yè)的作用。大約在1960年之前，人類主要以研究低壓情況下數(shù)控機床的切割采礦以及切割技術等，但是基本都還處于初始期而已：到了1970年左右的時候，那個時期人們開始研究數(shù)控切割機床的清洗方面，例如：高壓泵或增壓器等等，而這些設備已經(jīng)開始研制當中；到了1980年的時候，人們對數(shù)控切割技術的研究已經(jīng)大幅提升，應用的范圍也很廣，各種新的數(shù)控機器相繼而出，例如數(shù)控切割機、數(shù)控清洗機、數(shù)控切割采煤機等廣泛應用在各自的領域。在此以后，數(shù)控技術就開始進入飛速的發(fā)展中，科技水平大幅度提升，并且數(shù)控切割技術的研究開始一步步的深入，包括新型的射流技術也得到了提升，比如：磨料射流、空化射流以及自繳振動射流等。在上世紀六十年代初期，隨著計算機控制技術的飛速發(fā)展，數(shù)控切割開始在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。在那個時期，有一些研究者發(fā)現(xiàn)數(shù)控切割技術壓強越高越好，壓力越大越好。在這期間日本就已經(jīng)研發(fā)出了一千七百兆帕的增壓器，美國和蘇聯(lián)為首的世界超級大國更是研制了壓力更高高壓射流發(fā)生器。而到了1970年的時候，數(shù)控切割技術又開始了一個新的挑戰(zhàn)。單單的以增強數(shù)控切割的壓力、轉向方面來設計研究怎樣最大幅度的提升數(shù)控切割的威力。自此以后便誕生了共振射流等技術，雖然它們的水壓壓力并不是很大，但是同樣壓力的情況下，它們威力遠高于普通的連續(xù)數(shù)控切割。在1980年以后，數(shù)控切割技術迎來了新的發(fā)展時期，這一時期有了新的挑戰(zhàn)，主要包含磨料射料以及自振射流等，這一些技術使數(shù)控切割技術有所進步。在這時期，各個地方的科研愛好者也開始向射流方面進行研究，了解射流的一些簡單的基礎知識理論，還有切割的機理等各個方面進行了一系列研究。并且很多科學家發(fā)現(xiàn)數(shù)控切割技術也可以廣泛應用在其他的領域，例如：城市建筑、化工系列、機械研究、航空飛行、醫(yī)學研究以及最早的采礦。數(shù)控切割在切割、破碎、清洗除垢方面來說，是很受人們喜愛的，也是從這以后，開始有很多的數(shù)控切割機、數(shù)控采煤機、數(shù)控打樁機以及各種各樣的清洗機走向人們的視野中，市場上也開始進行了各類數(shù)控切割機器的營銷。在1972年的時候，第一次的國際性的進行關于數(shù)控切割技術的談論，在英國由他們的流體力學研究學會所舉辦的；在1981年的時候，美國也開始成立了數(shù)控切割技術的協(xié)會，并且該次國際性的會議也有一定的意義；在1983年的時候，日本也開始成立了關于數(shù)控切割技術的協(xié)會，并且他們國家每過一段時間就會召開關于數(shù)控切割技術的研究會，邀請各個國家的數(shù)控切割方面的專家參加會議，共同使數(shù)控切割技術有進一步的提升；在上世紀八十年代末期在國際學術界組織成立了數(shù)控切割協(xié)會，經(jīng)常出版關于數(shù)控切割的一系列雜志，多次召集各個國家的科研人員召開會議，極大地推動全球各個國家的數(shù)控切割技術的發(fā)展與應用。而我們國家的數(shù)控切割技術從1970年開始研究，最早的時候，數(shù)控切割技術在其誕生之初主要應用于能源生產(chǎn)如煤炭等領域之中，到了后來，從煤炭慢慢延伸到石油和航空的科研領域。在那以后的幾年里，經(jīng)過科研人員各種研究與試驗，數(shù)控切割技術迎來了快速發(fā)展期有，并且還研發(fā)出了一些新的科技產(chǎn)品。在我國專家學者的不懈努力之下，我國在數(shù)控切割領域獲得了快速發(fā)展，研究成果也較為豐富，甚至有些產(chǎn)品和技術已達到國際先進水平。數(shù)控切割指的是在400MPa磨料水混合物壓力下在通過特定直徑的噴嘴高速噴出，進而完成對工件的切割。數(shù)控切割所產(chǎn)生的動能傳遞給磨料的顆粒，這樣就可以從切割的毛坯上清除細屑。

當數(shù)控切割的功率達到30kW時，機器人的數(shù)控裝置可以在三維空間里進行任何一個角度的切割。數(shù)控切割裝置可以進行多項動作，例如：精確性的直角、打小孔板料的切割等等。

切口的寬度相對較小，并且切口可以在表面的任何一個點上開始進行切割。由此可實現(xiàn)對切割加工件的高效利用，降低了成本消耗。切割板料的一系列方法的評定結果見表1所示。切割速度V和生產(chǎn)率是工藝生產(chǎn)里的主要參數(shù)，大部分的數(shù)控切割裝置中，速度V=0.001m/min～12m/min，若將數(shù)控切割的精度控制在±0.1mm。而磨料水混合物以及工件毛坯等參數(shù)如下表2所示，數(shù)控切割的切割速度如表3所示。

表1

表2表3因為很多的器械都應用了計算機裝備數(shù)控切割裝置，所以可以利用很多數(shù)據(jù)庫進行切割的優(yōu)化以及實時優(yōu)化。

布局方案

數(shù)據(jù)切割設備通?？筛鶕?jù)其結構布局不同將其劃分為多種形式，常見的數(shù)控切割設備布局形式包含：回轉工作臺的形式、機器人配套的形式以及龍門架形式等等。龍門架是相對應用較廣的布局，有移動和固定兩種布局。

在數(shù)控切割加工過程中毛坯的定位通常由于金屬絲網(wǎng)以及磨尖銷釘?shù)鹊葮嫵?，工作態(tài)度表面由散粒材料組成，并且壽命較低。

Flow公司出過一款裝置T11-200型，該裝置是典型的加工在切割進行中不好移動的制件，工作態(tài)度的具體尺寸大小為2m×4m。

在完成裝置建立時要重點注意選擇合適的材料，并對其進行適當保護，防止灰塵或水進入裝置之中對設備的工作性能造成影響。數(shù)控切割技術也應用于在很多的領域里，例如在物料切割、航空航天以及汽車制造等領域之中。近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國企業(yè)工業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展期，由于數(shù)控切割技術的應用，我國汽車生產(chǎn)效率和質(zhì)量不斷提升，數(shù)控技術的應用使降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。由之前的生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品精度低、勞動的強度大逐步改進變成高效率、高質(zhì)量、柔性好。國內(nèi)很多的汽車公司都開始使用該項技術對汽車內(nèi)部的部件進行加工。在工業(yè)清洗方面，應用很廣，例如：汽車噴漆、飛機跑道橡膠清洗、航天引擎零件的清洗。

1.4龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割加工技術的應用基于經(jīng)緯度垂直坐標機器人的金屬板激光切割技術是工業(yè)切割與清洗領域的獨特特點和優(yōu)勢。開水：純水用于造紙、橡膠等工業(yè)。砂切割機可用于石材、陶瓷、航空航天、汽車制造和金屬加工等行業(yè)。尤其是近年來隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車制造業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展期，由于數(shù)控切割技術的應用，我國汽車生產(chǎn)效率和質(zhì)量不斷提升，數(shù)控技術的應用使降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。由之前的生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品精度低、勞動的強度大逐步改進變成高效率、高質(zhì)量、柔性好。國內(nèi)很多的汽車公司都開始使用該項技術對汽車內(nèi)部的部件進行加工。內(nèi)部工作和沖壓方法由汽車內(nèi)部零件生產(chǎn)公司（例如，汽車地毯、儀表板、車頂?shù)龋┑某跏际止すぷ鬟M行處理。汽車工業(yè)具有效率高、質(zhì)量好、精度高、靈活性強的優(yōu)點。上海、大眾、上海通勤、大眾、天津豐田、廣州本田、金瑞福、南京南亞等國內(nèi)所有配件制造商均配備了內(nèi)飾。1.5.龍門式直角坐標機器人的鈑金零件激光切割切割的工藝特點龍門式直角坐標機器人的金屬板切割激光切割裝置，可對板材進行切割、開直角、開小孔、開槽。第2章總體方案機構設計2.1技術參數(shù)要求1.激光切割模塊最大重量：10㎏2.最大工作范圍：X方向為500mm，Y方向為400mm，Z方向為50mm。3.最大移動速度：180mm/s4.加速和減速時間均為：1s5.運動部件壽命：＞10000h6.傳動方式：滾珠絲杠或同步帶7.支撐方式：直線導軌8.驅(qū)動方式：電機驅(qū)動2.3設計概念整個支撐架采用門式結構，過程中一般采用門式結構和懸臂梁。懸臂梁固定在柱上，端部和自由端不產(chǎn)生軸向、垂直位移和旋轉（可產(chǎn)生平行于軸和軸的力）。龍門的結構一般稱為門架結構，龍門架的主要包含兩個部分組成，其一為連接腳，其二為地面梁。由于整個支撐結構采用雙支撐式，因而結構相對較為簡單，產(chǎn)品制造也更為方便。2.3設計原理激光切割機的設計應滿足各種條件。首先，您需要確保工作的定位。為了保證工件和激光切割機切割頭之間具有精確的相對位置關系，需要按照選定的定位精度來進行定位，定位機構不僅要滿足工件加工的進度要求，同時還要具備良好的剛度和強度，能夠承受一定的外加載荷和以及自身的重量。此外，還需要切割頭在對工件移動加工過程中產(chǎn)生慣性力和振動。如果沒有足夠的強度和剛度，就必須計算強度和剛度，因為它可能會斷裂或彎曲。最后，你應該盡你最大的努力去獲得某種程度的普遍性。如果可能，必須考慮部件的轉換問題。為滿足不同工件的加工需要，在進行設計時候創(chuàng)造了一個組合結構，可實現(xiàn)不同零件和附件的快速交換，同時對機構的范圍進行了擴展。

X軸采用螺桿加導向形式。橫向電機連接器-橫向滾珠絲杠（導軌）-水平滑動Y軸采用電機聯(lián)接滾珠絲杠。Z軸采用電機聯(lián)軸-立式滾珠絲杠-大板。2.4方案討論在進行受力分析時可將龍門吊簡化為懸臂梁模型。并且龍門結構有很多的優(yōu)點：結構簡單，易制造，加工量相對較小，可承受的載荷相對較大且結構十分穩(wěn)固。因為這些優(yōu)點它被廣泛應用在工程方面。第3章X結構及傳動設計支承方式簡圖特點一端固定一端自由結構非常簡單，穩(wěn)定性良好，以及在臨界點是的轉速都很低，可以盡可能的拉伸絲桿。但是一端固定一端自由的安裝方式也具有諸多不足，例如剛度較低，因此承載恒力不足，只適用于短絲杠中。一端固定一端游動在兩端的支承和螺母同軸的情況下，這時候的結構相對復雜，加工工藝也很難，壓桿在臨界點的轉速還有穩(wěn)定性會比相同長度的情況下高一些，而絲桿的軸向剛度和兩端一樣，有一定的膨脹余量。而這種方式的優(yōu)點在于絲桿長，其轉速高。當受載力度大的時候，還可以將角接觸球軸承的數(shù)量大大增加。兩端固定在一般的情況下，其中一端的固定比固有頻率低的時候，絲桿在此狀態(tài)下不受壓力作用，因此也不會粗線絲杠穩(wěn)定性問題，當軸承沒有間隙時絲杠軸向剛度高于固定狀態(tài)時的絲杠剛度，因此可以進行預拉伸，由此可抵消絲杠受重力影響下垂導致的精度問題。這種結構工藝相比于前者實現(xiàn)起來更為困難，因此它適用在位移精度高，剛度要求大的場合。表3-1滾珠絲桿副支承3.1X向滾珠絲桿副的選擇滾珠絲杠（）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)轉動和直線進給運動相互轉化的傳動機構，具有傳動比大、效率高、精度好等諸多優(yōu)點。而這個機構包括滾珠、絲桿、螺母。滾動體作為絲桿與螺母的移動方式，兩者之間以滾柱滾動的形式帶動絲杠作進給運動之，同時當絲杠轉動時也會帶動滾柱運動。設X向最大行程為500mm,最快進給速度為10.8m/min,3.1.1導程確定電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1,選擇電機Y系列異步電動機的最高轉速，則絲杠的導程為取Ph=20mm3.1.2確定絲桿的等效轉速基本公式最大進給速度是絲桿的轉速最小進給速度是絲桿的轉速絲桿的等效轉速式中取故3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重主軸箱重量工作臺重量3.1.4確定絲桿的等效負載機床正常工作時滾柱桿上受到一個軸向壓力作用，該壓力可通過具體公司進行計算，一般情況下取值在1.1~1.5。此次的設計選擇1.3，導軌我們選定為滑動導軌，因此絲桿的牽引力為：其等效載荷按下式計算（式中取，）3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷fw負載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2）ft溫度系數(shù)（查表：取ft=1）fh硬度系數(shù)（查表：取fh=1）fa精度系數(shù)（查表：取fa=1）fk可靠性系數(shù)（（查表：取fk=1）Fm等效負載nz等效轉速Th工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h由上式計算得Car=17300N表3-1-1各類機械預期工作時間Lh表3-1-2精度系數(shù)fa表3-1-3可靠性系數(shù)fk表3-1-4負載性質(zhì)系數(shù)fw3.1.6精度的選擇隨著產(chǎn)品性能需求的不斷提升，對于直線進給傳動機構的性能要求也在逐漸提升，滾珠絲杠副的精度以及結構也在逐漸發(fā)生變化，向著高精度、高轉速的方向不斷發(fā)展。滾珠絲杠的精度將影響機床的定位精度，在本次設計中我們選擇300mm行程變動量要低于設定定位精度，同時在設計過程中考慮到布局合理性和經(jīng)濟性指標，選用滾珠絲杠的進度等級為X軸3級，Z軸4級。3.1.7選擇滾珠絲桿型號計算得出Ca=Car=17.3KN,則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN公稱直徑Ph=20mm我們此時選用FFZD5010—3的絲桿型號，F(xiàn)FZD型內(nèi)循環(huán)浮動反向器。公稱直徑，絲桿外徑鋼球直徑絲桿底徑圈數(shù)=3圈剛度3.2校核在對滾柱絲杠進行校核時需要校核絲杠軸向受拉壓作用時振動固有頻率以及滾珠絲杠的定位精度軸，這兩者對滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)有很大的影響。其中扭轉剛度與扭轉固有頻率之間具有較強相關性，假定螺母座的剛度為Kn，絲桿副內(nèi)滾道接觸剛度為KC，，軸承的接觸剛度為Ka，O有絲桿本身的拉壓剛度KS，按照這四個參數(shù)來組合不同的支撐組合方式，通過計算即可得到滾珠絲杠抗壓系統(tǒng)剛度KO具體值。3.2.1臨界壓縮負荷驗證絲桿剛度會對支撐方式產(chǎn)生影響，在本文中我們選用一端支撐另一端固定的方式。臨界壓縮負荷的計算：式中E材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）LO最大受壓長度（m）K1安全系數(shù)，取K1=1.3Fmax最大軸向工作負荷（N）f1絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m4）式中do是絲桿公稱直徑（mm）dw滾珠直徑（mm），絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm代入上式計算得出Fca=5.8X108N可見Fca＞Fmax，由此可知滿足要求。3.2.2臨界轉速驗證當滾珠絲杠轉速較高時要驗證在該速度下是否產(chǎn)生共振，絲桿最高轉速可通過下式予以計算：式中：A是絲桿的最小截面：A=是絲杠內(nèi)徑，單位；P是材料密度p=7.85*103(Kg/m)是臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm是安全系數(shù)，可取=0.8fZ是絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9計算可知，滾珠絲杠的轉速得出=6.3*104，大于臨界轉速，因此滿足設計要求，即不會發(fā)生共振。3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式式中A——最小橫截面，；螺母座剛度選為KH=1000N/μm。當滾珠絲杠在導軌中運動到極限位置時存在最大和最小抗壓剛度，其中導軌運動極限值分別為750mm和100mm。經(jīng)計算得：式中Ke——拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000N/μmKc——滾道的接觸剛度(N/μm)；KS——絲杠拉壓剛度(N/μm)；KB——軸承接觸剛度(N/μm)。經(jīng)上式進行計算可知，絲杠扭轉振動固有頻率高于1500r/min，因此可滿足設計要求。3.3電機的選擇步進電機的主要功能是將電信號轉化為電機轉動角位移信號的一種控制設備。而步進電機有很多的優(yōu)點，例如控制簡單、定位精度很高、慣量很低等。因此步進電機廣泛應用于生產(chǎn)生活的諸多領域之中，在進行步進電機選型時重點關注下述幾個因素：功率問題，符合所需的功率必須小于電機的輸出功率，還有轉動慣量，工作環(huán)境。3.3.1電機軸的轉動慣量a、回轉運動件的轉動慣量上式中：d—直徑,絲桿外徑d=49.5mmL—長度=2mP—鋼的密度=7800經(jīng)計算得b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量上式中：M—質(zhì)量X向直線運動件M=280kgP—絲桿螺距（m）P=0.001m經(jīng)計算得c、聯(lián)軸器的轉動慣量查表得因此3.3.2電機扭矩計算a、折算至電機軸上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta—加速時間KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s經(jīng)計算得b、折算至電機軸上的摩擦力矩上式中：F0—導軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32NP—絲桿螺距（m）P=0.001mη—傳動效率，η=0.90I—傳動比，I=1經(jīng)計算得c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500Nη0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9經(jīng)計算的T0=0.05N·M則快速空載啟動時所需的最大扭矩經(jīng)計算所得，我們選擇電機型號為IFT5066，該型號步進電機額定轉矩為6.7。第4章Y向結構設計4.1Y軸滾動導軌副的計算、選擇工作載荷為Fz，在此工作載荷下進行Wx和Wy估算，并根據(jù)估算結果計算安全系數(shù)，其具體計算公式為fSL=C0/P上式中：C0——導軌靜額定載荷；P=0.5(Fz+W)——工作載荷；一般情況下安全系數(shù)取fSL=1.0~3.0，當滾動導軌副在受沖擊或振動作用時選取安全系數(shù)為fSL=3.0~5.0。按照計算結果查閱相關資料來完成導軌的選擇：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取按照計算結果來選擇導軌型號:選擇漢江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25基本參數(shù)如下:額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導軌重量導軌長度動載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.11500滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復次數(shù)M40.64導軌的額定動載荷N驗算導軌的工作壽命：式中v速度，是初選的導軌動額定載何Ln：導軌的額定工作時間壽命:導軌的工作壽命足夠.導軌的靜安全系數(shù)：：靜安全系數(shù)；：基本靜額定負載；：工作載荷導軌壽命計算：4.2滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm強度計算絲杠軸向力：(N)上式中K=1.15，摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車削工件外圓面時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。取f=0.004,則:壽命值：，其中絲杠轉速(r/min)最大動載荷：上式中：fW——載荷系數(shù)；fH——硬度系數(shù)。查表得中等沖擊時則:按照具體的適用情況來完成滾珠絲杠幅度額選擇，按照最大動載荷數(shù)值選擇滾珠絲杠型號為：CM2005-5。該型號的滾珠絲杠副詳細參數(shù)如下圖所示:根據(jù)圖中參數(shù)可知，該型號的滾珠絲杠副額定動載荷為14205N>足夠用.采用雙螺母螺紋預緊形式進行預緊。滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表名稱計算公式結果公稱直徑――40mm螺距――15mm接觸角――鋼球直徑――4.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑39.365mm螺桿內(nèi)徑36.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.7mm傳動效率計算傳動效率可通過下述公式予以計算：式中：φ=10’——摩擦角；γ——絲杠螺旋升角。穩(wěn)定性驗算本文中采用直推軸承作為其支承方式，因此不需進行穩(wěn)定性驗算。剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差Δ為允許的螺距誤差為[Δ]=15μm/m。4.3步進電機慣性負載的計算（1）等效轉動慣量的計算步進電機軸上等效轉動慣量可通過下式予以計算：式中：折算的慣性負載；步進電機軸轉動慣量；齒輪１的轉動慣量；齒輪２的轉動慣量；滾珠絲杠轉動慣量；Ｍ移動部件質(zhì)量。對零件轉動慣量可依照下式予以計算：式中：——零件直徑，——零件的長度。所以有：其中電機軸轉動管理可略去，因此可得出等效轉動慣量可通過下式予以表示：4.2.6步進電機的選用(１）步進電機啟動力矩的計算設步進電機等效力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理滿足下述公式：式中：——電機轉角；Ｓ——移動部件的相應位移；——機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且此時滿足。所以等效力矩可通過下式予以計算：式中：——移動部件負載（N）；G——移動部件質(zhì)量（N）；——與重力方向相同的負載力（N）；——導軌摩擦系數(shù)；——步進電機的步距角（rad）；T——電機軸負載力矩（N.cm）。取=0.3，＝０.8，==279.23Ｎ。垂直方向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，可通過下式求解電機軸負載力矩：啟動轉矩可通過下式予以計算：取系數(shù)為０.３，則：對于本文所選擇的步進電機：(２）步進電機的最高工作頻率根據(jù)本文設計要求選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機.電機有關參數(shù)如下:型號主要技術參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉矩(n.m)空載啟動頻率空載運行頻率分配方式90BF00140.98073.9250080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉子轉動慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.51764第5章軸承的選擇5.1X軸軸承選擇根據(jù)前文所述，本文選擇采用一端固定一端浮動的方式安裝滾動絲杠副，其支承方式為角接觸球軸承，機床為數(shù)控機床，根據(jù)計算軸承預計壽命：1500——5000h，軸承的基本額定動載荷：P為載荷，=3；是預期壽命；為載荷系數(shù)；X,Y為常數(shù)；選擇軸承：71003C=41.2KN5.2Y軸軸承選擇滾珠絲杠選擇安裝方法：雙支點一邊固定一邊浮動。因此，其支承方式為角接觸球軸承，機床為數(shù)控機床，根據(jù)計算軸承預計壽命1500——5000h，軸承的基本額定動載荷：P為載荷，=3；是預期壽命；為載荷系數(shù)；X,Y為常數(shù)；選擇軸承：70803C=30.2KN5.3Z軸軸承選擇滾珠絲杠選擇安裝方法：雙支點一邊固定一邊浮動。其支承方式為角接觸球軸承，機床為數(shù)控機床，根據(jù)計算軸承預計壽命：1500——5000h。軸承的基本額定動載荷：P為載荷，=3；是預期壽命；為載荷系數(shù)；X,Y為常數(shù)；選擇軸承：70303C=28.3KN第6章伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)選擇為發(fā)那科公司的FANUCSeries0iMODELD最大控制5軸，最大同時控制軸數(shù)為4軸。規(guī)格如下圖第7章誤差來源及分析由于目前加工制造技術還不夠完善，生產(chǎn)制造出來的東西不免有誤差，機床作為加工工件的設備，它的誤差可以直接的反映到它所加工制造的產(chǎn)品上，既所謂的“誤差復映”現(xiàn)象。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，對誤差進行研究至關重要。7.1誤差及誤差來源7.1.1誤差研究的意義人們向大自然了解更多，通過測量進行研究，而測量只是一種近似估計，導致測量出的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)總有很大的差異，這個差異我們把它叫做誤差。在科學技術日益提升后，人們逐漸把這個誤差慢慢的變小，但是任然還是存在誤差，不能達到理想化的狀態(tài)。研究誤差的意義為：（1）以樂觀積極的心態(tài)看待誤差，一步步的去發(fā)現(xiàn)了解，找出產(chǎn)生誤差的原因，并采取合理的措施予以消除。（2）努力對比實驗的理想數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，找出產(chǎn)生誤差的地方，以便于下次計算更接近理想結果。（3）在保證經(jīng)濟性的情況下，采用高精度的儀器能讓我們進一步得到最理想的結果。7.1.2誤差的來源和傳遞規(guī)律透過計算所得出來的結果往往會存在誤差，而這些誤差大多存在于機器傳動零部件的制造，它們存在裝配誤差。如果說要完全消除這些因素，基本上是不可能的，所以我們在機床的內(nèi)部各個傳動鏈上的傳動件盡量消除一些誤差，以此來減少最后的誤差。誤差的來源傳動誤差來源于機床傳動鏈等，這些都是比較小的誤差，一步步累計就形成了最后結果與理想結果間的誤差。因此我此次所設計的機床，沒有用到蝸輪蝸桿和齒輪等這些容易產(chǎn)生誤差的傳動部件。設計中螺母副是最直接影響結果的，因為傳動誤差主要來源就是絲杠螺母傳動副。而加工表面上的誤差主要是絲杠的螺距誤差以直線誤差的形式傳遞給螺母。由于梯形螺紋存在徑向跳動，因此傳遞給絲杠螺母的軸向線值誤差可通過下式予以計算：式中：螺紋的半角。這樣就可以得到滾珠絲杠螺母副的誤差。傳動存在的誤差為多項誤差，其中包含裝配誤差和制造誤差等等，因此總誤差可通過下式予以計算：式中：，，等為各個獨立的誤差。誤差的傳遞規(guī)律根據(jù)傳動鏈，每個傳動件存在的誤差不僅存在于傳動副之間，同時經(jīng)過傳動鏈也會將誤差進行放大，因此最終工件的加工精度將受到顯著影響。因為一個傳動鏈包括了多個傳動件，所以說，任何一個傳動件所存在的誤差都可能會傳遞到末端件上面，就會出現(xiàn)誤差或。假定當前誤差服從正態(tài)分布，且傳動件和末端件之間的傳遞總誤差為或，用下式予以表示：由上式可見，應<1時，傳動件的誤差將通過傳遞過程減小。又因為：7.2舉例說明安裝誤差對機床精度的影響安裝導軌的時候，我們要重點考慮下面三個方面：1.垂直平面內(nèi)的直線度。2.導軌在水平面內(nèi)的直線度。3.兩條導軌之間的平行度。因為我設計的是數(shù)控切割機床，可以不考慮切削力的影響，因為只是加工平面材料而已，所以在垂直平面里，橫向?qū)к壦a(chǎn)生的平行誤差，對工件加工精度不會產(chǎn)生顯著影響。但是在水平面的話，導軌所產(chǎn)生的誤差就會影響加工工件的質(zhì)量，在機床的導軌處在水平突出的時候，數(shù)控切割頭的位置會在他移動的過程中發(fā)生一些細微的變動，這樣一來加工工件的邊緣，就會變成馬鞍形狀，不再是直線型。同樣的道理，處在垂直方向的誤差會對工件的加工精度造成影響。7.3提高傳動精度減小傳動誤差的措施根據(jù)分析可知，可通過下述措施來控制并減少誤差：縮短傳動鏈減少傳動件個數(shù)，降低誤差來源合理的分配傳動副的傳動比采用降比傳動的原則合理的選擇傳動件應采用傳動準確的傳動副。合理的確定傳動副的精度。因為加工質(zhì)量受影響最大的就是末端傳動件，所以我們在選用末端傳動件的時候，要注意一定要比之前的傳動件高1-2級。7.4減小安裝誤差舉例滾動軸承中很多元件精度將會影響滾柱絲杠精度，例如軸承內(nèi)外圈滾道的精度，滾動體的直徑和形狀差異等等。因此降低機床的噪音，減少機床的振動可以通過提升旋轉精度來解決。一樣的軸承可以通過適當?shù)倪x配安裝方法來強化絲杠的旋轉精度。例如下圖：絲杠的中心點是,然后安裝在絲杠軸頸上面的軸承，其內(nèi)圈內(nèi)孔為，其偏心量是；和內(nèi)圈滾道的中心相比，它的偏心量是，在裝配過后，絲杠組件旋轉中心為。當偏心方向一致時滾柱絲杠偏心量是：;當處于偏心相反方向時其偏心量可通過公式予以計算：，所以綜上結果所得：前面的絲杠旋轉精度要比后面的低一些。(a)(b)降低絲杠軸端的跳動量，選擇合適的軸承配置形式，如下圖所示前后軸承的偏心量大小分別為、，是絲杠的偏心量根據(jù)幾何關系，可得到如下表達式，既可見，>,絲杠軸端的徑向跳動增大。當，在絲杠軸線相同側，則根據(jù)幾何知識滿足下述表達式：既可見，當〉時，<,軸端的徑向跳動顯著降低。如果選擇，則。由此可顯著降低了裝配誤差，提升了滾珠絲杠副的旋轉精度，降低了機床喊聲的振動，提升了工件的加工精度。第8章機床的維護與潤滑機床在使用的過程中，因為自身所處在的環(huán)境不是理想化的狀態(tài)，因此在使用的過程里，避免不了會有灰塵和微粒的附著，以及使用時機器的磨損，而且對于重要的生產(chǎn)部件而言，磨損也很大，因此我們?yōu)榱吮ＷC機床能夠在完好的情況下完成對機械的加工，所以我們必須對機床進行必要的維護呼潤滑，這樣也可以盡可能的減小誤差，讓結果趨于理想化。8.1軸承的潤滑與防護能夠保證旋轉精度最重要的支撐部件是軸承，它是相對來說最為重要的，因此我們必須在使用的過程中，必須要保持軸承的保護與潤滑。這樣就可以減少磨損。一般對于滾動軸承要采取合理的潤滑形式，通常而言要按照滾動軸承的工作場合和速度來選擇，滾動軸承的潤