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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)設(shè)計(jì)
分 院：
專 業(yè)：
班 級(jí)：
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
年 月
摘要
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，等離子切割機(jī)的應(yīng)用也顯得越來越頻繁，先進(jìn)切割技術(shù)的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點(diǎn)。目前，等離子切割機(jī)技術(shù)在電子科技、計(jì)算機(jī)技術(shù)及機(jī)器人的制造中都起著重要的作用。無論在什么情況下，等離子切割機(jī)才能提高焊接的水平和質(zhì)量。我們只有將數(shù)控切割機(jī)技術(shù)和焊接跟蹤技術(shù)有效的結(jié)合才能更好的推動(dòng)新科技的發(fā)展，因此數(shù)控切割機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一難題至關(guān)重要。
關(guān)鍵詞： 切割技術(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，等離子切割機(jī)
Abstract
With the development of science and technology, the application of plasma cutting machine is more and more frequent, the development of advanced cutting technology is constantly from the new achievements of science and technology in the new starting point. At present, plasma cutting machine technology plays an important role in the manufacture of electronic technology, computer technology and robot. In any case, plasma cutting machine can improve the level and quality of welding. We will only CNC cutting machine and welding with tracking technology effectively in order to better promote the development of new technology, so the CNC cutting machine design is very important for solving this problem.
Keywords: cutting technology, mechanism design, plasma cutting machine
目 錄
摘要 2
Abstract 3
目 錄 4
第1章 緒論 6
1.1臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的研究目的及意義 6
1.1.1臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)背景 6
1.1.2臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)簡介 6
1.1.3意義 6
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 6
1.3本課題研究的內(nèi)容及方法 8
1.3.1主要的研究內(nèi)容 8
1.3.2設(shè)計(jì)要求 8
1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題 9
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.1設(shè)計(jì)概念 9
2.2設(shè)計(jì)原理 9
2.3方案討論 10
第3章 X結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 11
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 12
3.1.1導(dǎo)程確定 12
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 12
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 12
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 12
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 13
3.1.6精度的選擇 14
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 14
3.2校核 14
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 15
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 16
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 16
3.3電機(jī)的選擇 17
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 17
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 18
第4章 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
4.1 Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 20
4.2 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 21
4.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 23
第5章 主要零件的數(shù)控加工 26
5.1 初始參數(shù)設(shè)定 26
5.2 創(chuàng)建刀具 27
5.3 創(chuàng)建加工操作 28
5.4 模擬刀軌及后處理 30
總結(jié)與展望 33
參考文獻(xiàn) 34
致 謝 35
35
第1章 緒論
1.1臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的研究目的及意義
1.1.1臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)背景
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，用來提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。當(dāng)然，也不排除PCB板的焊接加工過程。我們發(fā)現(xiàn)焊接技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域并且被廣泛使用。根據(jù)資料顯示，我國每年鋼鐵的產(chǎn)量一般在3億噸左右，其中有一半以上的鋼有用到焊接技術(shù)加工。我國每年的焊接設(shè)備需求量金額超過50億元。既然焊接機(jī)能夠這么普遍地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，它肯定具備了很大的市場(chǎng)競(jìng)爭力。
1.1.2臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)簡介
龍門式數(shù)控火焰/等離子切割機(jī)采用驅(qū)動(dòng)，即切割頭，運(yùn)行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據(jù)用戶的要求配置多把割炬。
1.1.3意義
1.橫梁：采用方管對(duì)焊的結(jié)構(gòu)，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點(diǎn)。所有的焊接件均采用振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力處理，有效的防止了結(jié)構(gòu)變形；
2.縱、橫向驅(qū)動(dòng)：橫向?qū)к墑t采用了臺(tái)灣進(jìn)口的直線式導(dǎo)軌，縱向?qū)к壥怯删芗庸さ奶刭|(zhì)鋼軌制成的，保證了切割機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，精度高，且經(jīng)久耐用，清潔美觀；
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
激光切割機(jī)的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國家安全、國防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對(duì)激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機(jī)的制造和升級(jí)帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對(duì)激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動(dòng)了國內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光切割機(jī)。
1.2.3國外焊接機(jī)的發(fā)展概況
焊接產(chǎn)品中有許多曲線的焊接，在我國一般采用手工焊接。手工操作具有一定的優(yōu)勢(shì)，但也，存在著人員管理難、工人培訓(xùn)周期長、生產(chǎn)環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量難以穩(wěn)定的保持、容易產(chǎn)生夾雜、氣孔等缺陷、焊接成本高、生產(chǎn)效率低一系列的問題等。為了克服上述種種弊端，焊接科技工作者研究出了多種自動(dòng)化焊接設(shè)備，如仿形焊接機(jī)，焊接機(jī)器人，三維數(shù)控焊接機(jī)等。近些年來我國焊接技術(shù)的整體發(fā)展水平比較好，尤其是逆變式焊機(jī)技術(shù)現(xiàn)已成熟，正在全國推廣應(yīng)用。波控、智能及自動(dòng)、半自動(dòng)焊接技術(shù)快速發(fā)展。自動(dòng)、半自動(dòng)氣體保護(hù)焊機(jī)、埋弧焊機(jī)、電阻焊機(jī)等產(chǎn)品也邁開了一大步。2000年我國點(diǎn)弧焊機(jī)器人已達(dá)到980臺(tái)?？墒潜M管如此，我國的焊接設(shè)備還是不能滿足國內(nèi)工業(yè)的生產(chǎn)需求。
我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行大型機(jī)床等機(jī)械產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)的研究，20 多年來已取得長足的進(jìn)步。焊接結(jié)構(gòu)已經(jīng)在現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床等大型機(jī)床上應(yīng)用以焊代鑄以焊代鍛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)迅速發(fā)展。
在汽車制造工業(yè)方面，隨著我國汽車產(chǎn)量的不斷增加20世紀(jì)90年代開始從國外陸續(xù)引進(jìn)先進(jìn)的焊接設(shè)備。并在車轉(zhuǎn)動(dòng)軸、剎車蹄片、輪圈以及其他部件的制造過程中普遍采用各種先進(jìn)的焊接工藝，提高了焊接效率和產(chǎn)品質(zhì)量。焊接在船舶、汽車、鍋爐、壓力容器制造行業(yè)中也成為主要的生產(chǎn)工藝手段之一 。目 前，已有多種焊接工藝方法獲得各國船級(jí)社的認(rèn)可而被應(yīng)用于生產(chǎn)。自十一五期間開始進(jìn)行高效焊接技術(shù)的探索以來，至今已取得令人欣喜的成績。
近年來，我國在大型貯罐焊接、球形貯罐焊接、鋁鎂合金料倉焊接等領(lǐng)域中，已成功地開發(fā)應(yīng)用了自動(dòng)焊或半自動(dòng)焊工藝，如球罐全位置自動(dòng)焊工藝和裝備已在國內(nèi)開發(fā)成功，它將為進(jìn)一步推動(dòng)焊接自動(dòng)化發(fā)揮重要作用。
在當(dāng)前，臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)絕大多數(shù)還是依據(jù)具體的情況來設(shè)計(jì)專用焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)，其運(yùn)動(dòng)特性使特定臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)僅能適應(yīng)一定的范圍，花費(fèi)成本較大，不利于臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的發(fā)展。
很數(shù)移動(dòng)焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)還有焊縫跟蹤的功能,其不足之處就是在焊前必須通過人為的方式,幫助臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)找到合適的位置并且放好，通過人工將臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的狀態(tài) ,這里所設(shè)計(jì)的移動(dòng)臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)是有軌移動(dòng)焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)，只是現(xiàn)有的移動(dòng)焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)技術(shù)在PCB板焊接中的應(yīng)用， 還不能滿足要求，而當(dāng)前的移動(dòng)焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。也就是說臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的自主性還跟不上工業(yè)發(fā)展的腳步。
未來的發(fā)展趨勢(shì)可分為以下三個(gè)方面：[2]
1 選擇視覺傳感器來進(jìn)行傳感跟蹤：因?yàn)榕c圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；
2 采用多傳感信息融合技術(shù)以面對(duì)更為復(fù)雜的焊接任務(wù)；
3 控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展：這也將是移動(dòng)焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的控制所采用。
1.3本課題研究的內(nèi)容及方法
1.3.1主要的研究內(nèi)容
在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的推廣應(yīng)用，分析確定使用三自由度關(guān)節(jié)型焊接臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究內(nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控錫絲點(diǎn)焊機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定數(shù)控錫絲點(diǎn)焊機(jī)整體設(shè)計(jì)方案。
2 確定數(shù)控錫絲點(diǎn)焊機(jī)的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。
3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成數(shù)控錫絲點(diǎn)焊機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。
1.3.2設(shè)計(jì)要求
1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；
3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型；
4 完成臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制臺(tái)式數(shù)控等離子切割機(jī)結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題
1 方案選擇
2整體的支撐架設(shè)計(jì)（龍門結(jié)構(gòu)及懸臂結(jié)構(gòu)的選擇）
3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4 強(qiáng)度校核
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)概念
整體的支撐架采用龍門結(jié)構(gòu)——在工程中我們常用的整體支撐架結(jié)構(gòu)有龍門結(jié)構(gòu)和懸臂梁。所謂的懸臂梁就是梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的固定支座，另一端為自由端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。而龍門結(jié)構(gòu)通俗地說就是一根橫梁連接兩個(gè)支腿與地面緊固組成的像一個(gè)門框一樣的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗请p支撐結(jié)構(gòu)區(qū)別于單支撐和懸臂結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)特別簡單。
2.2設(shè)計(jì)原理
數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下幾個(gè)條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性， 為了使工件、焊槍與焊接點(diǎn)保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)要求的焊接點(diǎn)，去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到焊接槍在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對(duì)于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。
X軸采用絲杠加導(dǎo)軌形式：橫向電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—橫向滾珠絲杠（導(dǎo)軌）-橫滑板
Y軸和采用絲杠傳動(dòng)：縱向電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—縱向滾珠絲杠—大托板
2.3方案討論
懸臂梁在工程力學(xué)受力分析中，比較典型的簡化模型。在實(shí)際工程分析中，大部分實(shí)際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。龍門結(jié)構(gòu)制作方便，承受負(fù)載大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工程上廣泛應(yīng)用。考慮到上述問題該課題的整體結(jié)構(gòu)采用龍門結(jié)構(gòu)。
第3章 X結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點(diǎn)
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動(dòng)
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場(chǎng)合。
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。
設(shè)X向最大行程為300mm,最快進(jìn)給速度為18m/min,主軸箱大概質(zhì)量為50kg,工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺(tái)最大行程為300mm。
3.1.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重
主軸箱重量
工作臺(tái)重量
移動(dòng)部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
fw-------負(fù)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(fù)載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計(jì)算得Car=17300N
表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)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(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證
絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)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=1.3
Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=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(tái)最大行程+螺母長度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm
代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)取18.9
經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計(jì)算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
第4章 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:
選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)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(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長度
動(dòng)載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個(gè)數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
4.2 滾珠絲杠計(jì)算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm
強(qiáng)度計(jì)算
絲杠軸向力：(N)
其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：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(jì)算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動(dòng)載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí)則:
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式.
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表
名稱
計(jì)算公式
結(jié)果
公稱直徑
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
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
（1） 傳動(dòng)效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
（3） 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。
對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：
4.2.6 步進(jìn)電機(jī)的選用
(１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對(duì)于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)：
(２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).
電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下:
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
第5章 主要零件的數(shù)控加工
5.1 初始參數(shù)設(shè)定
1.準(zhǔn)備毛坯：通過普通銑床機(jī)加工，將毛坯加工為的方塊。
2.CNC加工：按照“粗→半精→精-清根加工”的一般順序進(jìn)行加工。
3.進(jìn)入加工模塊，初始化加工環(huán)境，選擇“mill_contour”進(jìn)入加工環(huán)境。
4.選擇“加工導(dǎo)航器”中的“幾何視圖”在左側(cè)“操作導(dǎo)航器”欄選擇坐標(biāo)系設(shè)置“MCS_MILL”，指定坐標(biāo)系原點(diǎn)為工件正中央，在間隙設(shè)置里指定安全平面，選擇工件上表面，設(shè)定偏置為15。如圖所示：
5.選擇“WORKPIECE”打開，指定部件為加工幾何體，指定毛坯為毛坯幾何體，指定材料為CARBON STEEL，單擊顯示圖標(biāo)。如圖所示：
5.2 創(chuàng)建刀具
1.在插入工具條中點(diǎn)創(chuàng)建刀具按鈕，在刀具類型中選擇第一個(gè)立銑刀圖標(biāo)，輸入刀具名稱“D20”，在銑刀參數(shù)中選擇“5-參數(shù)”，直徑設(shè)置為20mm，長度設(shè)置為166mm，刀刃長度設(shè)置為100mm，刀刃數(shù)為2，刀具號(hào)設(shè)置為1。如圖所示：
同理，創(chuàng)建其余刀具：分別是D10、D10R0.5、D10R5。
D10刀具參數(shù)：直徑10mm，長度150mm，刀刃長度100mm，刀刃數(shù)3，刀具號(hào)為2
D10R0.5刀具參數(shù)：直徑10mm，長度125mm，刀刃長度55mm，刀刃數(shù)2，刀具號(hào)為3
D10R5刀具參數(shù)：直徑10mm，長度130mm，刀刃長度11mm，刀刃數(shù)2，刀具號(hào)為4
5.3 創(chuàng)建加工操作
在加工導(dǎo)航器中切換到“加工方法視圖”，在操作導(dǎo)航器中選擇MILL_ROUGH,右鍵彈出菜單，選擇插入→操作，在類型中選擇mill_contour，在操作子類型中選擇第一個(gè)型腔銑CAVITY_MILL，程序設(shè)置PROGRAM，刀具設(shè)置D20，幾何體設(shè)置WORKPIECE，方法MILL_ROUGH，確定進(jìn)入型腔銑對(duì)話框。
在刀軌設(shè)置里切削模式選擇“跟隨周邊”，步距恒定，距離為5mm，全局每刀深度3mm。如圖所示：
編程基本參數(shù)表
參 數(shù)
參 數(shù) 值
參 數(shù)
參 數(shù) 值
刀具材料
硬質(zhì)合金
進(jìn)給速度
200
刀具類型
端面銑刀
主軸轉(zhuǎn)速
800
刀具刃數(shù)
2
公 差
0.03
刀具直徑
20
切削步距
5
刀具半徑
10
切削深度
3
圓角半徑
/
加工余量
側(cè)壁
1
快進(jìn)速度
5000
底面
0
打開“切削參數(shù)”按鈕，在“策略”選項(xiàng)卡里選擇“切削方向”為順銑，“切削順序”為深度優(yōu)先，“圖樣方向”向內(nèi)；在“余量”選項(xiàng)卡里設(shè)置部件側(cè)面余量1mm，部件底部面余量0,內(nèi)外公差為0.03mm；在“連接”選項(xiàng)卡中設(shè)置區(qū)域排序?yàn)閮?yōu)化，勾選區(qū)域連接；其余參數(shù)默認(rèn)設(shè)置。如圖所示：
打開“非切削移動(dòng)”按鈕，在進(jìn)刀選項(xiàng)卡封閉區(qū)域中設(shè)置進(jìn)刀類型為螺旋，直徑為刀具直徑的90%，傾斜角度15°；在開放區(qū)域中設(shè)置進(jìn)刀類型為線性，長度為50%。
在傳遞/快速選項(xiàng)卡中設(shè)置安全設(shè)置為平面，指定平面為工件上表面偏置15mm傳遞類型為間隙。其余設(shè)置為默認(rèn)設(shè)置，如圖所示：
在進(jìn)給和速度選項(xiàng)里，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為800，切削為200，其余參數(shù)如圖：
點(diǎn)擊生成按鈕，生成刀軌，如圖所示：
5.4 模擬刀軌及后處理
在加工導(dǎo)航器中切換到“程序順序視圖”， 在“操作導(dǎo)航器”中選擇PROGRAM，右鍵彈出菜單，選擇刀軌→確認(rèn)，彈出模擬加工對(duì)話框。選擇2D動(dòng)態(tài)，點(diǎn)擊播放，模擬加工。最終效果如圖：
最后在PROGRAM上右鍵彈出菜單，選擇“后處理”選項(xiàng)，彈出后處理器，在其中選擇后處理文件。
這里選擇已經(jīng)編輯設(shè)置好的FANUC 0I MC系統(tǒng)后處理文件，如下圖所示的“FANUC_0M”文件，指定存放位置，確認(rèn)輸出，生成G代碼，至此，加工完成。
%
N0010 G40 G17 G90 G70
N0020 G91 G28 Z0.0
:0030 T00 M06
N0040 G0 G90 X4.626 Y6.1131 S0 M03
N0050 G43 Z3.6614 H00
N0060 Z3.2677
N0070 G1 Z3.1496 F9.8 M08
N0080 X4.0354
N0090 X-4.0354
N0100 X-4.626
N0110 Z3.2677
N0120 G0 Z3.6614
N0130 X4.626 Y6.8444
N0140 Z3.2677
N0150 G1 Z3.1496
N0160 X4.0354
N0170 X-4.0354
N0180 X-4.626
N0190 Z3.2677
N0200 G0 Z3.6614
N0210 X4.626 Y7.5757
N0220 Z3.2677
N0230 G1 Z3.1496
N0240 X4.0354
N0250 X-4.0354
N0260 X-4.626
N0270 Z3.2677
N0280 G0 Z3.6614
N0290 M02
%
總結(jié)與展望
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)的一次系統(tǒng)全面性的總結(jié)，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將理論與實(shí)踐充分結(jié)合，是難得的一次機(jī)會(huì)。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)為今后能更好的適應(yīng)今后工作墊定了良好的基礎(chǔ)。針對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)如下：
完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)計(jì)算與選擇傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。
其它方面：都是直接在圖紙上設(shè)計(jì)出來了。
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[6] 濮良貴等．機(jī)械設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2007．
[7]吳宗澤．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
[8] SIEMENS公司.西門子(驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)).2002.
[9] 山東濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司. 博特產(chǎn)品系列.
致 謝
本文是在老師精心指導(dǎo)和大力支持下完成的。老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對(duì)我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識(shí)、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時(shí)，在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中我也學(xué)到了許多了關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)技能有了很大的提高。
另外，我還要特別感謝對(duì)我實(shí)驗(yàn)以及論文寫作的指導(dǎo)，為我完成這篇論文提供了巨大的幫助。還要感謝，同學(xué)對(duì)我的無私幫助，使我得以順利完成論文。同時(shí)實(shí)驗(yàn)室的老師也時(shí)常幫助我，在此我也衷心的感謝他。
最后，再次對(duì)關(guān)心、幫助我的老師和同學(xué)表示衷心地感謝！