數(shù)控激光切割機床總體和垂直進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1 課題背景激光被譽為二十世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，它剛一問世就引起了材料科學(xué)家的高度重視。1971年11月，美國通用汽車公司率先使用一臺250W CO2激光器進(jìn)行利用激光輻射提高材料耐磨性能的試驗研究，并于1974年成功地完成了汽車轉(zhuǎn)向器殼內(nèi)表面（可鍛鑄鐵材質(zhì)）激光淬火工藝研究，淬硬部位的耐磨性能比未處理之前提高了10倍。這是激光表面改性技術(shù)的首次工業(yè)應(yīng)用。多年以來，世界各國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)效益和社會效益。如今在中國，激光技術(shù)已在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)

2、學(xué)、軍工以及人們的現(xiàn)代生活中得到廣泛的應(yīng)用，并且正逐步實現(xiàn)激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，國家也將其列為“九五”攻關(guān)重點項目之一?！笆濉钡闹饕ぷ魇谴龠M(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20的平均增長率，實現(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。數(shù)控化和綜合化把激光器與計算機數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。1.2 本課題主要研究內(nèi)容 激光切割

3、的幾項關(guān)鍵技術(shù)是光、機、電一體化的綜合技術(shù)。激光束的參數(shù)、機器與數(shù)控系統(tǒng)的性能和精度都直接影響激光切割的效率和質(zhì)量，特別是對于切割精度較高或厚度較大的零件，必須掌握和解決以下幾項關(guān)鍵技術(shù)： 一焦點位置控制技術(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中確定焦點位置的簡便方法有三種：（1）打印法：使切割頭從上往下運動，在塑料板上進(jìn)行激光束打印，打印直徑最小處為焦點。（2）斜板法：用和垂直軸成一角度斜放的塑料板使其水平拉動，尋找激光束的最小處為焦點。（3）藍(lán)色火花法：去掉噴嘴，吹空氣，將脈沖激光打在不銹鋼板上，使切割頭從上往下運動，直至藍(lán)色火花最大處為焦點。 二切割穿孔技術(shù)。任何一種熱切割技術(shù)，除少數(shù)情況可以從板邊緣開始外，一

4、般都必須在板上穿一小孔。早先在激光沖壓復(fù)合機上是用沖頭先沖出一孔，然后再用激光從小孔處開始進(jìn)行切割。對于沒有沖壓裝置的激光切割機有兩種穿孔的基該方法。（1）爆破穿孔：（Blast drilling），材料經(jīng)連續(xù)激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由與激光束同軸的氧流很快將熔融材料去除形成一孔。（2）脈沖穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脈沖激光使少量材料熔化或汽化，常用空氣或氮氣作為輔助氣體，以減少因放熱氧化使孔擴(kuò)展，氣體壓力較切割時的氧氣壓力小。每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射，逐步深入，因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。三噴嘴設(shè)計及氣

5、流控制技術(shù)。激光切割鋼材時，氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處，從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高,以便足夠的氧化使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)；同時又有足夠的動量將熔融材料噴射吹出。其次要研究數(shù)控機床，主要是床身的進(jìn)給系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)，機床主機是數(shù)控機床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進(jìn)給機構(gòu)、刀架及自動換刀裝置等機械部件。它是在數(shù)控機床上自動地完成各種切削加工的機械部分。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術(shù)。激光加

6、工技術(shù)是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：1激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。2激光加工工藝。包括切割(laser beam cutting)、焊接(Laser Welding)、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。第二章 總體方案的擬定2.1 設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計一臺數(shù)控激光切

7、割機床的X Y Z進(jìn)給系統(tǒng)以及切割系統(tǒng)。對于單片機、芯片，電路等部分不作為設(shè)計要求，只做一般了解。單片機對XY工作臺的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)以及Z軸垂直進(jìn)給系統(tǒng)的的脈沖當(dāng)量為。工作臺部件主要機構(gòu)為滾珠絲桿副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進(jìn)電機、工作臺等。設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝2.2 總體方案的選擇及擬定 圖2.1 總體方案圖 采用89C51主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出控制信號給驅(qū)動器，來驅(qū)動步進(jìn)電機，經(jīng)齒輪機構(gòu)減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)進(jìn)給。其原理示意圖2.1。步進(jìn)電機參照RORZE株式會社的產(chǎn)品樣本選取，以保證質(zhì)量和運行精度,同時驅(qū)動器也選用RORZE的配套驅(qū)動器產(chǎn)品。

8、滾珠絲杠的生產(chǎn)廠家很多，本設(shè)計參照了漢江機床廠、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。第三章 激光切割系統(tǒng)的設(shè)計第四章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計4.1 XY工作臺的設(shè)計4.1.1 主要設(shè)計參數(shù)及依據(jù) 本設(shè)計的XY工作臺的參數(shù)定為： 工作臺行程：橫向300mm 縱向360mm 工作臺最大尺寸（長×寬×高）：730×660×340mm 工作臺最大承載重量：80 脈沖當(dāng)量： 進(jìn)給速度： 表面粗糙度：1.66.3 設(shè)計壽命：10年4.1.2 XY進(jìn)

9、給系統(tǒng)的受力分析因激光切割機床為激光加工,其激光器與工件之間不直接接觸,因此可以認(rèn)為在加工過程中沒有外力負(fù)載作用。其切削力為零。XY工作臺部件由工作臺、中間滑臺、底座等零部件組成,各自之間均以滾動直線導(dǎo)軌副相聯(lián),以保證相對運動精度。設(shè)下底座的傳動系統(tǒng)為橫向傳動系統(tǒng)，即X向，上導(dǎo)軌為縱向傳動系統(tǒng)，即Y向。一般來說,數(shù)控切割機床的滾動直線導(dǎo)軌的摩擦力可忽略不計,但滾珠絲杠副,以及齒輪之間的滑動摩擦不能忽略,這些摩擦力矩會影響電機的步距精度。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)載波動應(yīng)控制在很小的范圍。4.1.3 初步確定工作臺尺寸及估算質(zhì)量初定機床尺寸(長×寬×高度

10、)為:730×660×340mm設(shè)中托座尺寸(長×寬×高度)為:估計總重量為預(yù)估工件及夾具總重量約則下托座導(dǎo)軌副所承受的最大負(fù)載為:=10004.2 Z軸隨動系統(tǒng)的設(shè)計激光切割機對Z軸隨動機構(gòu)要求非常高。在切割中需隨時檢測和控制切割表面的不平度，通過伺服電機和滾珠絲桿調(diào)整切割頭的高度，以保證激光聚焦后的焦點在切割板材的表面位置。由于激光焦點至板面的距離將影響割縫寬窄及質(zhì)量，因此，要求Z軸的檢測精度高于0.010mm：同時，隨動速度應(yīng)大于。隨動速度太快會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。對加工板材的檢測主要有電容、電感、電阻、激光、紅

11、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。電容式傳感器在運動檢測過程中不發(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加工材料的反射率很敏感，僅適用于一些特殊場合的切割加工(如強磁場、強干擾環(huán)境)。切割頭具有多種先進(jìn)的智能和附加功能，如自動調(diào)整激光噴嘴距離、自動清潔噴嘴、同軸噴水機構(gòu)、切割頭轉(zhuǎn)動、切割嘴擺動等。這些功能機構(gòu)的增加,不可避免地增加了切割頭的重量，造成切割頭的動態(tài)性能不好,隨動機構(gòu)反應(yīng)不靈敏。一般來說，普通數(shù)控激光切割機Z軸拖動重量在5kg以上時，應(yīng)采用重力平衡設(shè)施。而高性能數(shù)控激光切割機的Z軸拖動重量在2kg以上就必須施加

12、重力平衡設(shè)施，特別是在高速飛行光路設(shè)計中,這一點尤為重要。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。垂直進(jìn)給系統(tǒng)如圖4.1： 圖4.1 垂直進(jìn)給系統(tǒng)4.3 滾珠絲桿副設(shè)計計算4.3.1 滾珠絲杠的特點· 傳動效率高滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達(dá)90%98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的24倍，如圖1.1.1所示，所以能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆）。 · 運動平穩(wěn)滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、啟動時無顫動、低速時無爬行現(xiàn)象，因此可

13、精密地控制微量進(jìn)給。 · 高精度滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。 · 高耐用性鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命和精度保持性。 · 同步性好由于運動平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很好的同步效果。 · 高可靠性與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵。在特

14、殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 · 無背隙與高剛性滾珠絲杠傳動系統(tǒng)采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀使鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運轉(zhuǎn)。若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，消除軸向間隙，可使?jié)L珠有更佳的剛性。· 減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，達(dá)到更高的精度。 現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一批又一批的高速數(shù)控機床應(yīng)運而生。它 不僅要求有性能卓越的高速主軸，而且也對進(jìn)給系統(tǒng)提出了很高的要求： （1）最大進(jìn)給速度應(yīng)達(dá)到40或更高； （2）加速度要高，達(dá)到1以上； (3)動態(tài)性能要。4.3.2 主要參數(shù)工作臺行程：橫向300mm，縱向360mm全行程定位精度=0.03mm矢動量=0.

15、01mm壽命：10000小時 單班制工作10年總質(zhì)量：100各種切削方式的縱向切削力,速度和時間比例及其他見下表表4.1表4.1 切削力，速度，時間比例表切削方式縱向切削力垂直切削力進(jìn)給速度工作時間百分比絲桿軸向載荷絲桿轉(zhuǎn)速強力切削200010000.510200055一般切削10005000.730200075靜切削50020015060095快速進(jìn)給00451000370圖4.2 圖二進(jìn)給滾珠絲杠裝配圖4.3.3 導(dǎo)程計算 （4.1） :工作臺最高移動速度 ：電機最高轉(zhuǎn)速 ：傳動比（1） 電機與絲桿間為齒輪連接式，=4（取一級減速齒輪）（2） 由上表查得 代入得（3）查機械設(shè)計手冊取4.3

16、.4 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲桿轉(zhuǎn)速 （4.2） 由上表查得 代入得（2） 各種切削方式下，絲桿軸向載 （4.3） :絲桿軸向載荷 :縱向切削力 :垂直切削力 由上表得分別是分別是已知代入得分別為（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 :工作時間百分比 （4.4） 數(shù)據(jù)代入得 (4) 當(dāng)量載荷 （4.5）代入數(shù)據(jù)得4.3.5 初選滾珠絲杠副由公式機械設(shè)計手冊知： （4.6）查機械設(shè)計手冊得代入數(shù)據(jù)可求得4.3.6 確定允許的最小螺紋底徑(1) 估算絲桿允許的最大軸向變形量 重復(fù)定位精度 定位精度 ：最大軸變形量 已知重復(fù)定位精度 定位精度 取兩種結(jié)果的最小值： （2） 估算螺紋最小

17、底徑絲桿要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 （4.7） ：最小螺紋底徑mm 靜摩擦力已知： 行程360mm，代入數(shù)據(jù)得4.3.7 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號（1） 選內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（2） 由計算出的在機械設(shè)計手冊中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲桿副： X向： Y向： 4.3.8 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 （4.8） 其中 4.3.9 行程補償值與拉伸力（1）行程補償值式中 （4.9）查機械設(shè)計手冊有 溫差取代入數(shù)據(jù)得（2） 預(yù)拉伸力 代入得4.3.10 確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號，規(guī)格（1） 軸承做承受的最大軸向載荷 （4.10）（2） 軸承類型兩端固定的支承形式，選用角的圓錐滾子

18、軸承（3） 軸承內(nèi)徑 略小于=40， 取代入數(shù)據(jù)得 軸承預(yù)緊力：預(yù)緊力負(fù)載按機械設(shè)計手冊選取軸承型號規(guī)格當(dāng)時，預(yù)加負(fù)載所以選32302軸承，預(yù)加負(fù)載為2900>4.3.11 滾珠絲杠副工作圖設(shè)計（1）絲桿螺紋長度 （4.11）由表查得余程（2）兩固定支承距離，絲桿（3）行程起點離固定支承距離 4.3.12 傳動系統(tǒng)剛度（1） 絲桿抗壓剛度絲桿最小抗壓剛度 （4.12） ：絲桿底徑 ：固定支承距離代入數(shù)據(jù)得： 絲桿最大抗壓剛度 （4.13）代入數(shù)據(jù)得： （2) 支承軸承組合剛度一對預(yù)緊軸承的組合剛度 （4.14） :滾珠直徑mm ：滾珠數(shù) ：最大軸向工作載荷軸承接觸角由機械設(shè)計手冊查得33

19、06軸承是預(yù)加載荷的三倍 支承軸承組合剛度 滾珠絲桿副滾珠和滾道的接觸剛度 （4.15） 代入數(shù)據(jù)得： 4.3.13 剛度驗算及精度選擇 (1) （4.16）代入前面所得的數(shù)據(jù)得 代入前面所得數(shù)據(jù)得 已知 ：靜摩擦力 ：靜摩擦系數(shù) ：正壓力（2） 驗算轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的剛度 已知反向差值和重復(fù)定位精度為10 （3） 傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 （4.17）代入得：（4） 確定精度 :任意360mm內(nèi)行程變動量對系統(tǒng)而言 定位精度為 ，絲桿精度取3級 （5） 確定滾珠絲桿副的規(guī)格代號 已確定型號： 公稱直徑：40 導(dǎo)程：5 螺紋長度380，絲桿長度510 P類精度3級 所選規(guī)格型號： 4.3.14

20、驗算臨界壓縮載荷 絲杠所受大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力不用驗算。4.3.15 驗算臨界轉(zhuǎn)速 ：臨界轉(zhuǎn)速 ：與支承有關(guān)的系數(shù) ：絲桿底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計算長度mm由機械設(shè)計手冊得： 可得4.3.16 效率驗算表4.2 當(dāng)量摩擦系數(shù)f和當(dāng)量摩擦角表格齒圈材料錫 青 銅無錫青銅灰鑄鐵齒面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相對速度 s m/s0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136°

21、;175°094°343°433°092°352°172°001°431°361°221°161°020°550°480°450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206°515°435°094°173°433°092°522°352°172°0

22、01°471°401°291°221°090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310°127°587°245°435°094°003°433°092°522°352°172°001°430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.05510°27°587°245°

23、;435°094°003°433°090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.07010°459°057°586°515°495°094°344°00 滾珠絲杠副的傳動效率為: （4.18） 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，前面已經(jīng)定v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵HRC45。所以：=4°05，=0.0024 ；因為 式中: 導(dǎo)程，5mm d-絲杠公稱直徑，40mm則根據(jù)式（3.3）： 則根據(jù)式（3.

24、2）得： 0.942。第五章 導(dǎo)軌的選定5.1 主要要求及種類5.1.1 對導(dǎo)軌的基本要求（1） 導(dǎo)軌精度高 導(dǎo)軌精度是指機床的運動部件沿導(dǎo)軌移動時的直線和它與有關(guān)基面之間的 相互位置的準(zhǔn)確性。無論在空載或切削工件時導(dǎo)軌都應(yīng)有足夠的導(dǎo)軌精度，這是對導(dǎo)軌的基本要求。（2） 耐磨性能好導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌在長期使用過程中保持一定導(dǎo)向精度的能力。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。（3） 足夠的剛度導(dǎo)軌受力變形會影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對位置，因此要求軌道應(yīng)有足夠的剛度。（4） 低速運動平穩(wěn)性要使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運動輕便，低速運動時無爬行現(xiàn)象。（5）

25、 結(jié)構(gòu)簡單，公益性好 導(dǎo)軌的制造和維修要方便，在使用時便于調(diào)整和維護(hù)。5.1.2 導(dǎo)軌的技術(shù)要求（1) 導(dǎo)軌的精度要求滑動導(dǎo)軌，不管是V-平型還是平-平型，導(dǎo)軌面的平面度通常取0.010.015mm,長度方面的直線度通常取0.0050.01mm；側(cè)導(dǎo)向面的直線度取0.010.015mm,側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度取0.010.015mm,側(cè)導(dǎo)向面對導(dǎo)軌地面的垂直度取0.0050.01mm。 （2） 導(dǎo)軌熱處理數(shù)控機床的開動率普遍都很高，這就要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導(dǎo)軌大多需要淬火處理。導(dǎo)軌淬火的方式有中頻淬火、超音頻淬火、火焰淬火等，其中用的較多的是前兩種方式。

26、5.1.3 分類及特點 導(dǎo)軌按運動軌跡可分為直線運動導(dǎo)軌和圓運動導(dǎo)軌；按工作性質(zhì)可分為主運動導(dǎo)軌、進(jìn)給運動導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌；按接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌等三大類。（1） 滑動導(dǎo)軌：是一種做滑動摩擦的普通導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便，缺點是未形成完全液體摩擦?xí)r低速易爬行，磨損大，壽命短，運動精度不穩(wěn)定?；瑒訉?dǎo)軌一般用于普通機床和冶金設(shè)備上。（2） 滾動導(dǎo)軌的特點是：摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運動均勻平穩(wěn)。缺點是：導(dǎo)軌面和滾動體是點接觸或線接觸，抗振性差，接觸應(yīng)力大

27、，故對導(dǎo)軌的表面硬度要求高；對導(dǎo)軌的形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高。因此，滾動導(dǎo)軌在要求微量移動和精確定位的設(shè)備上，獲得日益廣泛的運用。（3） 靜壓導(dǎo)軌是利用液壓力讓導(dǎo)軌和滑塊之間形成油膜，使滑塊有0.02-0.03mm的浮起，從而大大減小了滑塊和導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)，但其依然屬于滑動導(dǎo)軌副。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需備置一套專門的供油系統(tǒng)。5.2 導(dǎo)軌的選用直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床中有廣泛的應(yīng)用。相對普通機床所用的滑動導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點：（1）定位精度高直線滾動導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動導(dǎo)軌的1/50。由于動摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運動靈活，可使驅(qū)動扭矩減少90%，因此，可將機床定位精

28、度設(shè)定到超微米級。（2）降低機床造價并大幅度節(jié)約電力采用直線滾動導(dǎo)軌的機床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動、停止的往復(fù)運動，可使所需的動力源及動力傳遞機構(gòu)小型化，減輕了重量，使機床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。（3）可提高機床的運動速度直線滾動導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實現(xiàn)機床的高速運動，提高機床的工作效率2030%。（4）可長期維持機床的高精度對于滑動導(dǎo)軌面的流體潤滑，由于油膜的浮動，產(chǎn)生的運動精度的誤差是無法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費掉了。與之相反，滾動接觸由于

29、摩擦耗能小滾動面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線滾動導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài)。同時，由于使用潤滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了，這使得在機床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開式直線滾動導(dǎo)軌。參照南京工藝裝備廠的產(chǎn)品系列。型號：選用GGB型四方向等載荷型滾動直線導(dǎo)軌副，如圖5.1。具體型號：X向選用Y向選用圖5.1 導(dǎo)軌第六章 步進(jìn)電機及其傳動機構(gòu)的確定6.1 步進(jìn)電機的選用6.1.1 脈沖當(dāng)量和步距角已知脈沖當(dāng)量為，而步距角越小，則加工精度越高。初選為（二倍細(xì)分）。6.1.2 步進(jìn)電機上起動力矩的近似計算電機起動力矩： （6.1）式中：為滾珠絲桿所受

30、總扭矩 為外部負(fù)載所產(chǎn)生的摩擦力矩，有; （6.2） 為內(nèi)部預(yù)緊所產(chǎn)生的摩擦扭矩，有： （6.3）式中：K-預(yù)緊時的摩擦系數(shù)，0.1-0.3 -導(dǎo)程，5cm -預(yù)緊力有：取為軸承預(yù)緊力,軸承型號6004輕系列,預(yù)緊力為。故根據(jù) （6.3） 齒輪傳動比公式為:,故步進(jìn)電機輸出軸生起動矩近似的可估計為； = （6.4）式中：； 根據(jù)式（6.4）： 因。（因電機5相運行）則步進(jìn)電機最大靜轉(zhuǎn)矩。6.1.3 確定步進(jìn)電機最高工作頻率參考有關(guān)數(shù)控激光切割機床的資料，可以知道步進(jìn)電機的最高工作頻率不會超過1000Hz。根據(jù)以上討論并參考樣本，確定選取M56853S步進(jìn)電機，該電機最大的靜止轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)動慣量為

31、6.2 齒輪傳動機構(gòu)的確定6.2.1 傳動比的確定要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求，必須通過齒輪機構(gòu)進(jìn)行分度，其傳動比為： （6.5）式中：-滾珠絲桿導(dǎo)程 -步距角 -脈沖當(dāng)量根據(jù)前面選定的參數(shù)，有式（6.4）得： 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，選用6.2.2 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定（1） 齒輪類型：選擇直齒輪加工方便。（2） 模數(shù)選擇:本工作臺負(fù)載相當(dāng)輕，參考同類型的機床后，選擇m=1的齒輪傳動。（3） 中心距的計算： （6.6） 齒頂高為1mm，齒根高為1.25mm，齒寬為20mm（4） 齒輪材料及熱處理： 小齒輪采用，齒面高頻淬火; 大齒輪采用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。6.3 步進(jìn)電機慣性負(fù)載的計算由資料知，激光切割機

32、的負(fù)載可以認(rèn)為是慣性負(fù)載。機械機構(gòu)的慣量對運動特性有直接的影響。不但對加速能力、加速時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在開環(huán)系統(tǒng)中對運動的平穩(wěn)性也有很大的影響，因此要計算慣性負(fù)載。限于篇幅，在此僅對進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行計算。 慣性負(fù)載可有以下公式進(jìn)行計算： （6.7）式中：為整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的慣性負(fù)載。 為步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量e 為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 為系統(tǒng)工作臺質(zhì)量 為工作臺的最大移動速度 為折算成單軸系統(tǒng)電機角速度 各項計算如下： 已知：忽略不計 齒輪慣性轉(zhuǎn)矩計算公式： （6.8）其中： 為回轉(zhuǎn)半徑 G為轉(zhuǎn)件重量滾珠絲桿的慣性矩計算公式： （6.9

33、)最后可計算得： 故慣性負(fù)載根據(jù)式（6.7）可得： 此值為近似值，故小于所選電動機的轉(zhuǎn)動慣量。 第七章 傳動系統(tǒng)剛度分析激光切割機XY工作臺其實是一進(jìn)給傳動系統(tǒng)，其傳動系統(tǒng)的剛度可以根據(jù)不出現(xiàn)摩擦振動或保證微量進(jìn)給靈敏度的條件來確定。7.1 根據(jù)工作臺不出現(xiàn)爬行的條件來確定傳動系統(tǒng)的剛度 傳動系統(tǒng)中的當(dāng)量剛度K或當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度C主要由最后傳動件的剛度或決定的，在估算時，取對滾珠絲桿傳動，其變形主要包括：（1） 絲桿拉壓變形（2） 扭轉(zhuǎn)變形（3） 絲桿和螺母的螺紋接觸變形及螺母座的變形（4） 軸承和軸承座的變形 在工程設(shè)計和近似計算時，一般將絲桿的拉壓變形剛度的三分之一作為滾珠絲桿副的傳動剛度，根據(jù)

34、支承形式可得： （7.1）式中： 則根據(jù)式（7.1）得： 傳動系統(tǒng)剛度較大,可以滿足需要。7.2 根據(jù)微量進(jìn)給的靈敏度來確定傳動系統(tǒng)的剛度此時傳動系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足： (7.2)式中： -傳動系統(tǒng)當(dāng)量剛度 -部件運動時的靜摩擦力 -正壓力 -靜摩擦系數(shù)，取0.003-0.004 -部件調(diào)整時，所需的最小進(jìn)給量則： 即滿足微量進(jìn)給要求的傳動系統(tǒng)剛度為： 綜合上述傳動系統(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。 第八章 消隙方法與預(yù)緊8.1 消隙方法數(shù)控機床的機械進(jìn)給裝置中常采用齒輪傳動副來達(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

35、的要求，因此一對嚙合的齒輪，總應(yīng)有一定的齒側(cè)間隙才能正常地工作。齒側(cè)間隙會造成進(jìn)給系統(tǒng)的反向動作落后于數(shù)控系統(tǒng)指令要求，形成跟隨誤差甚至是輪廓誤差。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，齒側(cè)間隙也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，齒輪傳動副常采用各種消除側(cè)隙的措施，以盡量減小齒輪側(cè)隙。數(shù)控機床上常用的調(diào)整齒側(cè)間隙的方法針對不同類型的齒輪傳動副有不同的方法。8.1.1 偏心軸套調(diào)整法 如圖8.1，齒輪1裝在電動機軸上，調(diào)整偏心軸套2可以改變齒輪1和3之間的中心距，從而消除齒側(cè)間隙。1-齒輪 2-偏心套 3-齒輪圖8.1 偏心軸套調(diào)整法8.1.2 錐度齒輪調(diào)整法 將一對齒輪1和2的輪齒沿齒寬方向制成小錐度，使齒厚在齒輪的軸向稍有變化。調(diào)整時改變墊片3的厚度就能改變齒輪1和2的軸向相對位置，從而消除齒側(cè)間隙。8.1.3 雙片齒輪錯齒調(diào)整法 圖7.3是另一種雙片齒輪