LOM快速成型機(jī)設(shè)計(jì)

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長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 速成型機(jī)設(shè)計(jì) 姓 名 教 學(xué) 院 機(jī)械工程 專 業(yè) 班 級(jí) 13401 指導(dǎo)教師 序號(hào)（學(xué)號(hào)）： 2017 年 04 月 12 日 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 I 速成型機(jī)設(shè)計(jì) [摘要 ] 在第三次工業(yè)革命之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和其他新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，制造業(yè)再一次煥發(fā)了自己的青春，也有了一些新的發(fā)展，例如及時(shí)庫(kù)存控制，靈敏制造，外協(xié)承包，物流的規(guī)劃與統(tǒng)籌是一些著名的新技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用極大地改善了產(chǎn)品的品質(zhì)，降低了制造成本，尤其對(duì)更新?lián)Q代的產(chǎn)品更有意義。 而近年來(lái)，快速成型則是制造領(lǐng)域中倍受矚目的一種新工藝，它以其優(yōu)良的產(chǎn)品品質(zhì)，低廉的制造成本，以及加速產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)等特色，日益成為成功制造廠商的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 因此我們也要掌握這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，并且將之發(fā)展壯大， 我相信經(jīng)過(guò)我們共同的努力一定會(huì)使我國(guó)的制造業(yè)得到更大的發(fā)展 。 [關(guān)鍵詞 ] 快速成型技術(shù) 控制系統(tǒng) 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 OM of of s is as in of is of in of to in is a of in to as by So we is it to I we to of [ 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 I 目 錄 目 錄 ........................................................................................................................................................ I 第 1章 緒論 ........................................................................................................................................... 1 述 ........................................................................................................................................... 1 ........................................................................................................................ 1 ........................................................................................................................ 2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 ..................................................................................................... 2 模具制造中的應(yīng) 用 ..................................................................................................... 2 矯形醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 ..................................................................................................... 3 第 2章 .............................................................................................................. 4 述 ........................................................................................................................................... 4 快速成形機(jī)原理 ........................................................................................................... 5 藝過(guò)程于特點(diǎn) ........................................................................................................................ 5 型材料 .................................................................................................................................... 5 機(jī)設(shè)計(jì) .................................................................................................................................... 6 算機(jī) ........................................................................................................................................ 7 光切割機(jī)構(gòu) ........................................................................................................................... 7 升降工作臺(tái) ............................................................................................................................ 7 架 ............................................................................................................................................ 8 第 4章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 ..................................................................................................................... 9 光切割系統(tǒng) ........................................................................................................................... 9 ................................................................................................................ 9 .................................................................................................................. 15 .................................................................................................................. 16 機(jī)的選用 .................................................................................................................... 17 軸器的選用 ................................................................................................................ 18 升降臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................................................................................................. 19 .................................................................................................... 19 ................................................................................................................ 22 .................................................................................................................... 24 第 5章 數(shù)控部分設(shè)計(jì) ........................................................................................................................... 26 定硬件電路總體方案 .......................................................................................................... 26 片機(jī)的選擇 (即主控制器 選擇 ) .............................................................................. 26 據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 .................................................................................................................. 28 ／ O 接口的擴(kuò)展 ...................................................................................................................... 29 盤、顯示器接口電路 .......................................................................................................... 31 據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 31 謝辭 ......................................................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................................. 34 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 1 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第 1 章 緒論 述 產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 80 年代的快速成形技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。該技術(shù)是基于離散，堆積成形原理，集成了計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光、新材料等技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，與 60年代的數(shù)控技術(shù)一樣對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。 快速成形經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，目前已有幾十種工藝及相應(yīng)的商品化設(shè)備。在這一領(lǐng)域，美國(guó)一直處于領(lǐng)先地位，各種新工藝大都在美國(guó)最新出現(xiàn)，研究，開(kāi)發(fā)的工藝種類也最多。其次在歐洲，日本發(fā)展規(guī)律也很快。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚， 20 世紀(jì) 90 年代初開(kāi)始涉足，經(jīng)過(guò)幾年的努力，在快速成形工藝研究，成形設(shè)備開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)處理及控制軟件，新 材料的研發(fā)等方面都做了大量卓有成效的工作，趕上了世界發(fā)展的步伐 并有新的創(chuàng)新。 速成形的原理 快速自動(dòng)成型 (術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接根據(jù) 集成了 控技術(shù)。激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果 :是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的 過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實(shí)體零件。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。 快速自動(dòng)成型技術(shù)問(wèn)世不到十年，已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng) 大的市場(chǎng)，發(fā)展非常迅速。人們對(duì)材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應(yīng)。制造行業(yè)的工作人員都想方設(shè)法利用這種現(xiàn)代化手段，與傳統(tǒng)制造技術(shù)的接軌工作也進(jìn)展順利。人們用其長(zhǎng)避共短，效益非凡。與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段一起，快速自動(dòng)成型已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 快速成型的過(guò)程是首先生成一個(gè)產(chǎn)品的三維 其轉(zhuǎn)換成 用一軟件從 件 "切 "(設(shè)定厚度的一系列的片層， 或者直接從 些片層按次序累積起來(lái)仍是所設(shè)計(jì)零件的形狀。然后，將上述每一片層的資料傳到快速自動(dòng)成型機(jī)中去，類似于計(jì)算機(jī)向打印機(jī)傳遞打印信息，用材料添加法依次將每一層做出來(lái)并同時(shí)連結(jié)各層，長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 2 頁(yè) 共 34 頁(yè) 直到完成整個(gè)零件。因此，快速自動(dòng)成型可定義為一種將計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存的任意三維型體信息通過(guò)材料逐層添加法直接制造出來(lái)，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技術(shù)。 快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性和特點(diǎn) : （ 1）產(chǎn)品制造過(guò)程幾乎與零件的復(fù)雜性無(wú)關(guān) ， 可實(shí)現(xiàn)自由制造 (這是傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的。 （ 2）產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無(wú)關(guān)，特別適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)。 （ 3）由于采用非接觸加工的方式，沒(méi)有工具更換和磨損之類的問(wèn)題，可做到無(wú)人值守，無(wú)需機(jī)加工方面的專門知識(shí)就可操作。 （ 4）無(wú)切割、噪音和振動(dòng)等，有利于環(huán)保。 （ 5）整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，與 件可大可小，所見(jiàn)即所得，可隨時(shí)修改，隨時(shí)制造。 （ 6）與傳統(tǒng)方法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)快速鑄造，快速模具制造，小批量零件生產(chǎn)等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。 速成形的應(yīng)用 產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 快速制作樣件，雖然在材質(zhì)上與最終的實(shí)際產(chǎn)品有差異但由于形狀及尺寸精度高，可以用來(lái) 進(jìn)行產(chǎn)品的形狀和尺寸評(píng)判，甚至可以進(jìn)行部分性能測(cè)試，與傳統(tǒng)的樣機(jī)生產(chǎn)相比，不僅大 幅度地節(jié)省時(shí)間，百且大幅度地節(jié)約費(fèi)用。 快速成形技術(shù)與三座標(biāo)測(cè)量、三維激光掃描、工業(yè) 可以快速實(shí)施反求 (逆向 ) 工程。 模具制造中的應(yīng)用 (1)快速成形件直接用作模具 作的紙模經(jīng)表面處理直接代替砂型鑄造的木模，對(duì)于形狀復(fù)雜的高精度模具，其優(yōu)點(diǎn) 尤為突出。 作的紙模具經(jīng)表面處理直接用作低熔點(diǎn)合金鑄造模、試制用注塑?；蚴炶T造中的蠟 模的成形模。 接用作金屬模具。 (2)用快速成形件作母模，翻制軟模具 所謂軟模具，是指用硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨脂等材料制作的模具。用快速成形件作母模澆注上述材料可形成軟型腔，形成軟模具，這種軟模具可用小批量生產(chǎn)，例如：注塑件、低熔點(diǎn)合金離心鑄造件等。 對(duì)于塑料件，除了常見(jiàn)的熱注射成形 (注塑機(jī) )外，還可采用反應(yīng)式注塑法進(jìn)行小批量生產(chǎn) (見(jiàn)附圖 )。 反應(yīng)式注塑的優(yōu)點(diǎn)是： 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 2 使用液態(tài)原料在室溫、低壓下注塑，對(duì)模具要求不高。 2 固化后得到的聚氨脂件與通過(guò)注塑機(jī)得到的工業(yè)熱塑性材料性能相似，可得到不同顏色的 制件。 2 所需設(shè)備簡(jiǎn)單、便宜，易于操作，所用材料價(jià)格也不高。 (3)用快速成形件翻制硬模具 所謂硬模具是指金屬模具、陶瓷模具、石膏模具等。制作方法有兩種： 一種是直接用 表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模。 另一種是所謂金屬面、硬背襯模具，制作方法是以快速成形件 (如 作母模，用電弧 噴鍍法 在母模表面噴鍍形成 金屬殼體，然后移去母模，在殼的背面注入金屬基合成材料 (液態(tài)金屬 )或環(huán)氧樹(shù)脂，形成所謂金屬面、硬背襯模具。 上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡(jiǎn)易非鋼質(zhì)拉深模。 用快速成形技術(shù)制作模具，既避開(kāi)了復(fù)雜的機(jī)械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以 大大縮短制模時(shí) 間、節(jié)省制模費(fèi)用，對(duì)于形狀復(fù)雜的精度模具，其優(yōu)點(diǎn)尤為突出。但是 目前還存在著模具壽命相對(duì)較短的缺點(diǎn)， 即使是金屬面、硬背襯模具，其使用壽命也不及真正的金屬模，所以快速成形模具較適合于單件小批量生產(chǎn)。 矯形醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 每個(gè)人骨骼、牙齒各不相同，在矯形醫(yī)學(xué)中常常遇到對(duì)人體的部分骨骼或牙齒進(jìn)行修補(bǔ)、復(fù)制的問(wèn)題，如何度身定制是一個(gè)過(guò)去不易解決的難題，常常給醫(yī)生帶來(lái)麻煩，給病人帶來(lái)痛苦。 激光快速成形技術(shù)給這一狀況帶來(lái)轉(zhuǎn)機(jī)，利用反求 (逆向 )工程的原理，可以方便快捷地解決 這一問(wèn)題 ， 最近在北大醫(yī)院就進(jìn)行了一次成功的應(yīng)用。一位骨盆癌癥患者需要用人工半骨盆置 換其病變損壞的右側(cè)半骨盆，過(guò)去 這種手術(shù)需要在手術(shù)過(guò)程中邊測(cè)量邊磨削調(diào)整，也難以 達(dá)到理想的形狀，這一次 則是用 描患者的骨盆 得到 后用健康的左側(cè)半骨盆作鏡像，得到右側(cè)半骨盆模型，據(jù)此制作出理想的形狀，手術(shù)一次成功，使手術(shù)時(shí)間大大縮短。 由于從第一臺(tái)激光快速成形機(jī)問(wèn)世到現(xiàn)在剛剛十幾年，國(guó)內(nèi)的研究歷史只有十年左右，進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用則更是近幾年才開(kāi)始的，可以說(shuō)是方興未艾，相信激光快速成形技術(shù)的研究和應(yīng)用一定具有廣闊的前景 。 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 4 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第 2 章 快速成型機(jī)設(shè)計(jì) 述 目前所研制的快速成形系統(tǒng)的快速成形原理和工作方法 均有很大不同，而且分類的方法亦有多種。現(xiàn)在 已有多種商品化的快速成形技術(shù)和快速成形機(jī)，其中最典型的有如下幾種： 光固化立體造型（ 該技術(shù)以光敏樹(shù)脂為原料，將計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)樹(shù)脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，在原先固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂以便進(jìn)行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件原型制造完畢。 一個(gè)投入商業(yè)應(yīng)用的 前全球銷售的 右。 這種方法的特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好。原材料利用率將近 100％，能制造形狀特別復(fù)雜（如空心零件）、特別精細(xì)（如手飾、工藝品等）的零件。 分層物件制造 (于上方的激光器按照 激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面，通過(guò)熱壓裝置和下面已切割層粘合在 一起，激光束再次切割，這樣反復(fù)逐層切割一粘合一切割 …… 直至整個(gè)零件模型制作完成。 選擇性激光燒結(jié) (該法采用 光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉未材料。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很?。?100μ~200μ ）的粉未，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完后去掉多余的粉未，再進(jìn)行打磨、烘干等處理便獲得零件。目前，成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘接或燒結(jié)的工藝還正在實(shí) 驗(yàn)研究階段。 熔融沉積造型 (藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料剛好在熔點(diǎn)之上（通?？刂圃诒热埸c(diǎn)高 1℃左右）。 材直徑一般在 噴頭中擠壓出來(lái)，凝固形成輪廓形狀的薄層。每層厚度范圍在 0． 025～0． 762層疊一層最后形成整個(gè)零件模型。 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè) 快速成形機(jī)原理 紙，塑料薄膜等 。片表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí)，用二氧化碳激光器（或刀）在計(jì)算機(jī)控制下切割片材，然后通過(guò)熱壓輥熱壓，使當(dāng)前層與下面已成形的工件粘接，從而堆積成型。 藝過(guò)程于特點(diǎn) 用二氧化碳激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)絡(luò)；激光切割完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工件下降，與帶狀片材分離；供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和 供料軸，帶動(dòng)料帶移動(dòng)，使新層移到加工區(qū)域；工作臺(tái)上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個(gè)料厚， 再在新層上切割截面輪廓。如 此反復(fù)直至零件的所有截面切割，粘接完，得到三維的實(shí)體零件。 不用掃描整個(gè)截面。因此易于制造大型，實(shí)體零件。零件的精度較高。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以 型材料 藝中的成型材料涉及三個(gè)方面的問(wèn)題，即紙，熱熔膠和涂布工藝。紙材料的選取，熱熔膠的配置即涂布工藝的研究均要從保證最終成形零件的質(zhì)量發(fā)出，同時(shí)要考慮成本 （ 1）抗?jié)裥? 保證紙?jiān)喜粫?huì)因時(shí)間長(zhǎng)而吸水。紙的施膠度可用來(lái)表示紙 張抗水能力的大小。 （ 2）良好的浸潤(rùn)性 保證良好的涂膠性能。 （ 3）抗拉強(qiáng)度 保證在加工過(guò)程中不被拉斷。 （ 4）收縮率小 保證熱壓過(guò)程中不會(huì)因部分水分損失而導(dǎo)致變形，可用紙的伸縮率參數(shù)計(jì)量。 （ 5）剝離性能好 因剝離時(shí)，在紙張內(nèi)部發(fā)生破壞，要求紙的垂直方向抗拉強(qiáng)度不是很大。 （ 6）易打磨 表面光滑。 （ 7）穩(wěn)定性 成型材料可長(zhǎng)時(shí)間保存。 實(shí)踐證明，這類紙堅(jiān)如硬木，能承受高達(dá) 200攝氏度的溫度，粘接后不會(huì)開(kāi)裂，只需輕輕振動(dòng)制品中的方塊型廢料小碎片，并用普通小刀挑剔就能方便的使嵌在工件中的廢料與工件分離。工件有 很好的彈性，表面光滑，如同塑料，用紙厚 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 6 頁(yè) 共 34 頁(yè) 機(jī)設(shè)計(jì) 快速成形機(jī)是有計(jì)算機(jī)，原材料，熱碾壓機(jī)構(gòu)，激光切割系統(tǒng)，可升級(jí)工作臺(tái)，機(jī)架和數(shù)控等組成。其中計(jì)算機(jī)用于接受和存儲(chǔ)工作的三維模型，沿模型的高度方向提取一系列的橫截面輪廓線，發(fā)出控制指令。原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)將存于其中的原材料（如底面有熱熔膠和添加劑的紙），逐步送至工作臺(tái)上方。熱粘壓機(jī)構(gòu)將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提供的橫截面輪廓線，逐一在工作臺(tái)上方的材料上切割出輪廓線，并將無(wú)輪廓線區(qū)切割成小方網(wǎng)絡(luò)，這是為了在成形之后能剔除廢料。網(wǎng)絡(luò)的大小據(jù)被成形件的復(fù)雜程度選定，網(wǎng)絡(luò)愈小，愈容易剔除 廢料，但花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，否則反之?？缮倒ぷ髋_(tái)支撐正在成形的工件，并在每層成形之后，降低一個(gè)材料厚度（通常為 以便送進(jìn)，粘合和切割新的一層材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，使一段段的材料逐步送至工作臺(tái)的上方，然后粘合，切割，最終形成三維工件。機(jī)架是整個(gè)機(jī)器的支撐。其系統(tǒng)見(jiàn)下圖： 整機(jī)布局 計(jì)算機(jī)原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)工作臺(tái)熱粘壓機(jī)構(gòu)激光切割系統(tǒng)長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第 3 章 各功能單元原理設(shè)計(jì)（通用方案及整體概況） 算機(jī) 鍵 盤 鼠 標(biāo)顯示器激光切割系統(tǒng)中 方向的步進(jìn)電機(jī)激光切割系統(tǒng)中 光切割機(jī)構(gòu) 激光切割系統(tǒng)由激光器、外光路、切割頭、 機(jī)和排煙除塵器組成。其中激光器的功率為 50W，配有 1625W 的冷卻器，產(chǎn)生激光束穩(wěn)定，連續(xù)運(yùn)行70個(gè)月的功率波僅為，即 5W，保證使用壽命 20000小時(shí)，外光器由兩個(gè)反光鏡和一個(gè)聚焦鏡組成，它能保證焦距穩(wěn)定切割光斑的直徑為 上切割速度與切割功率的自動(dòng)匹配控制后，光束能恰好切透正在成形的一層紙材而不會(huì)損傷以成形的下一層截面輪廓，激光頭由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 煙除塵裝置包括鼓風(fēng)機(jī)，抽風(fēng)機(jī)和 高壓電子除塵器。除塵器中有兩級(jí)除塵設(shè)施，一是有過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾切割時(shí)產(chǎn)生的煙塵，二是用帶高壓靜電的金屬絲吸附煙塵，從而可以有效的凈化排出的煙氣 。 升降工作臺(tái) 同激光切割系統(tǒng)類似要在 Z 方向上作快速，精密往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于大型 以要考慮承重問(wèn)題。 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 8 頁(yè) 共 34 頁(yè) 架 機(jī)架主要尺寸根據(jù)以上四部分裝配后而定，機(jī)架的四角裝有可調(diào)支撐和移動(dòng)滾輪，以便調(diào)整機(jī)器的水平和搬運(yùn)。 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 9 頁(yè) 共 34 頁(yè) 第 4 章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 光切割系統(tǒng) 動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 為保證本機(jī)的技術(shù)要求，激光頭最大切割速度 500mm/s，激光頭定位精度 +行傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 。 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置有以下四個(gè)方案： 鏈傳動(dòng)特點(diǎn)：屬于具有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，兼有齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)的一些特點(diǎn)缺點(diǎn)：能保持瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，工作時(shí)有噪音，磨損有易發(fā)生跳齒，不適用空間限制要求，中心距小的，以及急速反向傳動(dòng)的場(chǎng)合。 帶傳動(dòng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，能緩沖吸震，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)，根據(jù)帶傳動(dòng)原理不同，可分摩擦型 和嚙合型兩類，前者過(guò)載可以打滑，傳動(dòng)比不準(zhǔn)確（滑動(dòng)率在 2%），后者可保證同步傳動(dòng) 。 齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)：瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，傳動(dòng)比范圍大，可用于減速或增速，速度和傳動(dòng)功率范圍大，可用于高速，中速和低速。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊 。 螺旋傳動(dòng)特點(diǎn)：傳動(dòng)平穩(wěn)，摩擦阻力小，傳動(dòng)精度高，無(wú)爬行現(xiàn)象，壽命長(zhǎng)，經(jīng)調(diào)整和預(yù)警可實(shí)現(xiàn)高精度定位。 對(duì)以上四方案的性能分析，由于激光切割系統(tǒng)中，激光頭的定位精度要求較高，故設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重定位精度的要求。所以選取螺旋傳動(dòng)作為工作臺(tái)在 且有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)爬行，啟動(dòng)無(wú)抖動(dòng)，摩擦阻力小 等多處優(yōu)點(diǎn)，符合本機(jī)設(shè)計(jì)。 螺旋傳動(dòng)是由螺桿（絲杠）和螺母組成的螺旋副組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求。它主要是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，同時(shí)完成運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞。 螺旋傳動(dòng)按用途的不同分為： 傳力螺旋：以傳遞能量為主，將較小的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成較大的軸想推力，如各種啟重螺旋或加壓裝置的螺旋。 傳導(dǎo)螺旋：傳導(dǎo)螺旋以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并應(yīng)有較高的傳動(dòng)精度，也可承受較大的軸向載荷，如機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的螺旋。 調(diào)整螺旋：以調(diào)整固定零件間的相互位置為主，如機(jī)床，儀器，及測(cè)試裝置中的微調(diào)機(jī)構(gòu)的螺旋，軋鋼機(jī)，軋輥的壓下螺旋。 按螺旋副摩擦性質(zhì) 的不同，又可分為：滑動(dòng)螺旋，滾動(dòng)螺旋及靜壓螺旋。 滑動(dòng)螺旋特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，成本低，易于實(shí)現(xiàn)自鎖，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但當(dāng)?shù)退倩蜃鲞\(yùn)動(dòng)的微調(diào)時(shí)，可能出現(xiàn)爬行，摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低，螺紋間有側(cè)向間隙，反向時(shí)有空行程，磨損大。 滾動(dòng)螺旋特點(diǎn)：摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高達(dá) 90%以上，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，低速時(shí)不爬行，啟動(dòng)是無(wú)抖動(dòng)，經(jīng)調(diào)整和預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)高精度定位，傳動(dòng)具有可逆性，壽命長(zhǎng)。 靜壓螺旋特點(diǎn)：摩擦阻力小，傳動(dòng)精度高達(dá) 99%以上，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動(dòng)具有可長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 10 頁(yè) 共 34 頁(yè) 逆性，反向時(shí)無(wú)空行程。定位精度高，軸向鋼度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，供油系統(tǒng)要求高，磨損小，壽命長(zhǎng)。 根據(jù)對(duì)以上三種螺旋方式特點(diǎn)的討論，不難看出，為達(dá)到本機(jī)設(shè)計(jì)要求，可以采用滾動(dòng)螺旋和靜壓螺旋，但考慮到成本問(wèn)題，制造問(wèn)題，決定采用滾動(dòng)螺旋。 滾動(dòng)螺旋概述：滾動(dòng)螺旋間的滾動(dòng)體絕大多數(shù)為剛球或稱滾珠，也有采用圓柱滾子圓錐滾子及圓片滾子等，滾珠絲杠副分為定位滾珠絲杠副（稱 傳動(dòng)滾珠絲杠副（稱 T 類）前者是通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程，控制軸向位移量的滾珠絲杠副，后者是與螺旋角度無(wú)關(guān)，用于傳遞動(dòng)力的滾珠絲杠副，根據(jù)以上對(duì)滾 珠絲杠副的研究，我們采用滾動(dòng)體為滾珠的定位滾珠絲杠副（稱 螺紋滾道形面的選用，結(jié)構(gòu)形式有如下三種： 制造方便，接觸應(yīng)力高，承載能力低，適用于軸向載荷小及要求不高的傳動(dòng) 。 為保證 β =45 度，必須嚴(yán)格控制徑向間隙，消除間隙和消除預(yù)緊，必須采用雙螺母結(jié)構(gòu) 。 接觸較穩(wěn)定，軸向和徑向間隙理論上為零，接觸強(qiáng)度較高，消除間隙和調(diào)整預(yù)緊通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，也可采用單螺母和增大鋼球直徑。 根據(jù)以上分析，選用雙圓弧形式的滾道形面。 鋼球的循環(huán)方式選擇 外循環(huán)螺旋槽式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，回球槽與通空連接處曲率半徑小，鋼球的流暢性較差，擋球器端部易磨損 。 插管式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，彎管可制成流暢性好的通道，但彎管突出于螺母外部，外形尺寸較大，若用彎管端部做擋球器，耐磨性差 。 內(nèi)循環(huán)鑲塊式螺母的外部尺寸小，和滑動(dòng)螺旋副大致相同，鋼球循環(huán)通道短，有利于減小鋼球數(shù)量，減小摩擦損失，提高傳動(dòng)效率 。 分析以上三個(gè)方案發(fā)現(xiàn)，第一和第二方案都有耐磨性差的缺點(diǎn)，并且第一方案，鋼球的流暢性差，第二方案，尺寸過(guò)大，本機(jī)要求滾動(dòng)螺旋副結(jié)構(gòu)緊湊，精度高，所以尺寸不易過(guò)大，耐磨性好，滿足以上條 件的只有第三方案。所以選第三方案。 消除間隙和調(diào)整預(yù)緊的結(jié)構(gòu)形式選擇 墊片式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，剛度高，但調(diào)整不方便，滾道有磨損時(shí)不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊。 螺紋式特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差 。 齒差式特點(diǎn)：能夠精確的調(diào)整預(yù)緊力，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適用于高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 。 綜上所述，為滿足精度要求，我們采用齒差式。 根據(jù)以上多方面研究討論，最后決定采用雙螺母內(nèi)循環(huán)齒差調(diào)整式的滾動(dòng)螺旋副。計(jì)計(jì)算 由于電動(dòng)機(jī)布局等的考慮，將 向滾珠絲杠之下，而且絲杠所受到的載荷主要是滾珠絲杠副所受的摩擦力（重力由導(dǎo)軌部分來(lái)抵消，其它力暫時(shí)忽略不計(jì)）。由于 向大，故所選用的絲杠型號(hào)以 向。 計(jì)算 經(jīng)初步估算，上拖板、 線導(dǎo)軌軸和激光頭及安裝座，等的重量約為 22 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 11 頁(yè) 共 34 頁(yè) 工作臺(tái)滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)第 3卷 86年 12月版），由于激光器的最大切 割速度 00 ，相當(dāng)于 0m ，采用滾動(dòng)導(dǎo)軌，摩擦系數(shù)小，而且?guī)缀跖c運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，中等尺寸部件的摩擦力一般為 ，而且低速時(shí)無(wú)爬行，精度滿足要求，且壽命長(zhǎng)（ 10年），精度保持性高。類比用于坐標(biāo)鏜床工作臺(tái)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，數(shù)控機(jī)床等高精度機(jī)床中，這種導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)如下表： 導(dǎo)軌材料 摩擦系數(shù)鑄鐵 為提高 X、 杠兩端采用固定支承（ 每個(gè)軸承座內(nèi)安裝一個(gè)角接觸球軸承。 由于本機(jī)要求的定位精度為 m?且工作臺(tái)的最大行程為 移動(dòng)最大速度為 ）（ m 0/5 0 0 ；同時(shí)，設(shè)絲杠壽命 15000，工作可靠性 %96 ；滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率可達(dá) %98~%85 (電 傳動(dòng)可逆性好，效率與正傳動(dòng)幾乎相同。依據(jù)以上的這些設(shè)計(jì)參數(shù)，可得： 1．絲杠載荷： ① 對(duì)于采用三角形或綜合導(dǎo)軌的機(jī)床，滾珠絲杠副的軸向載荷可以近似使用以下公式計(jì)算 ])[(' ?? ? （考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)）； ?? （導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)）； 2 2 1 0 2 2 0G m g N? ? ? ?（移動(dòng)部件的重量） 0, 的切削分力為F 所以， 1 . 1 5 0 0 . 1 8 ( 0 2 2 0 ) 3 9 . 6? ? ? ? ?② 導(dǎo)軌摩擦力 0 . 0 0 2 5 2 2 1 0 0 . 5 5F m g N? ?? ? ? ? ? 快速移動(dòng)載荷為 N 導(dǎo)軌摩擦力＋絲杠移動(dòng)部件軸向載荷＝總載荷（ 3 9 . 6 0 . 5 5 4 0 . 1 5? ?總 以上為螺旋副的軸向載荷計(jì)算。 工作臺(tái)最大速度： .m i n/30m i n/3 0 0 0 0605 0 0/5 0 0m a x ????長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 3 7 5 0 / m 滾珠絲杠導(dǎo)程：（電 算見(jiàn) 工作臺(tái)最大速度 m i n/30000m a x 8hP （ 1）計(jì)算動(dòng)負(fù)荷C??壽命系數(shù) : 31)500( K ?5000?1 ＝）（?轉(zhuǎn)速系數(shù) : 11333 3 . 3 3 3 . 3( ) ( ) 0 . 1 7 76000nK n? ? ?查表，選用兩端固定（ , 可提高 X、 適用于高速、高精度、高剛度的絲杠。 影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù) (電 （ 2）t h a f f ff f?? 當(dāng)滾珠絲杠副在較高轉(zhuǎn)速（一般轉(zhuǎn)速 000 ）下工作時(shí)，應(yīng)按其使用壽命選 擇基本尺寸，并校核其承載能力是否超過(guò)額定動(dòng)負(fù)荷。 由表查得 溫度系數(shù) 1?作溫度小于 10 ℃ ） 硬度系數(shù) )62~58(1 精度系數(shù) 0.1?度等級(jí) >4級(jí)） 可靠性系數(shù) f 負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) 1??????f 滾珠絲杠副的軸向負(fù)荷 3 9 總N 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè) ∴ 3 ???以上是在較高速和定工作負(fù)荷的情況下，滾珠絲杠副的運(yùn)用方法。 （ 3）滾珠絲杠副的型號(hào) 由表，選用 號(hào)為：定負(fù)荷 2 7 7 5 0 1 . 1 8 .a a C K N? ? ?預(yù)緊力為合要求。 4 0 0 2 7 5 2 1 0 04 0 0 7 5 2 1 0 0 2 7 5 0l u m m m m m ? ? ? ?? ? ? ? ? ?工 作 臺(tái) 最 大 行 程 （ ） 螺 母 長(zhǎng) 度 （ ） 兩 端 余 程 （ ） 支承距離 l 應(yīng)大于? 2 取 900 工作表面硬度 58稱直徑 40md 距 8P? 銅球直徑 圈數(shù)3列數(shù) 13 3 螺紋升角 ? 0339' 7750 4700 0 . 6 0 . 6 8 4 . 8? ? ? 螺紋滾道曲率半徑 ?0 . 5 1 0 . 5 6 0 . 5 2 4 . 7 6 3 2 . 4 7 6 7 6? ? ? 偏心距 s i n 0 . 0 6 7 3 4 4 8 2 0 . 0 6 7 3 52s ??? ? ? ????? 絲杠螺紋底徑： 1 2 2 4 0 2 0 . 0 6 7 3 5 2 2 . 4 7 6 7 6 3 5 . 1 8d e r? ? ? ? ? ? ? ? ? 螺桿接觸點(diǎn)直徑 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) c o s 4 0 4 . 7 6 3 0 . 7 0 7 3 6 . 6 3 2 5 5 9d D w ?? ? ? ? ? ? 螺桿牙頂圓角半徑 ? ?0 . 1 0 . 1 5 0 . 4 7 6 3 w? ? ? 螺母螺紋大徑 2 2 4 4 . 8 1 8 8 2 4 4 . 8d e r? ? ? ? ? 螺母螺紋小徑 ? ?1 0 . 5 4 0 0 . 5 0 . 1 2 4 0 . 5 9 5 4 0 . 6d d d? ? ? ? ? ? ? ? 螺桿 20 滲碳淬火 長(zhǎng)度 1的精度螺桿 螺母 15 整體淬火 長(zhǎng)度 60 62 反向器 15 整體淬火 長(zhǎng)度 58 60 m (9910 2 222 rL 高速運(yùn)轉(zhuǎn)的絲杠有可能發(fā)生共振，需要校核臨界轉(zhuǎn)速，不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速，以 示。 絲杠支承方式系數(shù) f 絲杠螺紋底徑： 1 2 2 4 0 2 0 . 0 6 7 3 5 2 2 . 4 7 6 7 6 3 5 . 1 8d e r m m? ? ? ? ? ? ? ? ?臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 7 5 9 0 0 7 5 04 0 0 1 0 0 5 1 2 . 522cL m m?? ? ? ? ?≈ 224 . 7 3 0 . 0 3 59 9 0 0 3 1 0 0 8 . 8 40 . 5 ? ?>> 所以，非常符合要求。 兩端固定支承，絲杠不受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性。 溫升為 ，工作前均衡溫度場(chǎng)） （ 1）溫升引起的伸長(zhǎng)量t?t?＝ut ??線膨脹系數(shù) ???? 長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) 絲杠溫升 t? ，一般取 C?5~3 螺紋有紋長(zhǎng)度 61 1 1 0 3 . 5 7 5 0 0 . 0 2 8 8 7 5 2 8t m m m m m???? ? ? ? ? ? （ 2）絲杠全長(zhǎng)伸長(zhǎng)量1 1 1 0 3 . 5 9 0 0 0 . 0 3 4 6 5 3 5tZ m m m?? ? ? ? ? ? （ 3）預(yù)拉力 0 0 . 0 2 8 9' 42 . 1 1 0 8 8 8 8 . 40 . 5 3 6 ?? ? ?? ? ? ? ? 使用壽命 66010 ? ? 疲勞壽命 3 ???????疲勞壽命 341 . 6 7 1 0 ? ???????滾動(dòng)螺旋副的其他計(jì)算，如強(qiáng)度，剛度，臨界載荷，臨界轉(zhuǎn)速，螺桿的穩(wěn)定性等在所選尺寸下均可保證，其重要程度也較以上次之，故略。 承的選擇 根據(jù)絲杠的結(jié)構(gòu)尺寸和絲杠承載方式設(shè)計(jì)，由于絲杠公稱直徑為 ?40 和絲杠承受徑向和軸向兩個(gè)方向上的力所以采用角接觸球軸承 292體參數(shù)如下 軸承尺寸 基本額定載荷 極限轉(zhuǎn)速 軸承代號(hào) 安裝尺寸 d D B 油潤(rùn)滑 2 16 1 000 13000 7206C 36 56 1 絲杠轉(zhuǎn)速計(jì)算 根據(jù)激光頭最大切割速度： 500mm/s 計(jì)算得絲杠轉(zhuǎn)速 n=3750r/算附加軸向力 α ＝ 40° S=算單個(gè)軸承的軸向載荷1+2由設(shè)計(jì)已知 S1+ 1111 F???長(zhǎng)春光華學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)專用紙 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) 計(jì)算