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無錫太湖學院
工學 院 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設 計論 文 任 務 書
一、題目及專題：
1、題目 高精度零件切割加工專機設計
2、專題
二、課題來源及選題依據(jù)
課題是來源自于生產(chǎn)實際。
鋼制試樣切割機一般用在截取金相試樣，當然也會用來對金屬棒料進行切口和下料。該機器廣泛應用于在機械制造，汽車制造和航空航天等領(lǐng)域。鑒于中國當代多軸控制切割機技術(shù)的落后，無法對大型零件切割取樣，所以為了解決這一問題，必須對鋼制試樣切割機進行研究。
本鋼制試樣切割機應用了全新的設計理念，可全自動化生產(chǎn)，降低工人勞動，性能可靠，工作效率較高，推廣價值很大。
三、本設計（論文或其他）應達到的要求：
1.熟悉專用設備設計的一般思路，掌握零件設計的方法和技巧。
2.通過設計鞏固機械制圖、金屬材料、機械設計基礎(chǔ)、機械制造工藝等課程的知識。
3.完成相關(guān)零件設計、主要部件的參數(shù)計算及標準件的選用。
4.完成高精度零件切割加工專機零、部件圖10張以上。
5.完成高精度零件切割加工專機總裝圖1張。
6.撰寫畢業(yè)說明書一份。
①計算正確完整，文字簡潔通順，書寫整齊清晰。
②論文中所引用的公式和數(shù)據(jù)應注明出處。
③論文字數(shù)不少于1.5萬字。
7.零件圖及技術(shù)要求見圖紙。
四、接受任務學生：
機械111 班 姓名 秦錦文
五、開始及完成日期：
自 年 月 日 至 年 月 日
六、設計（論文）指導（或顧問）：
指導教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
年 月 日
編號：
畢業(yè)設計(論文)
題 目：高精度零件切割加工專機設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
V
摘 要
本次設計是對高精度零件切割加工專機的設計。在這里主要包括:傳動系統(tǒng)的設計、裝夾部位系統(tǒng)的設計、切割片主軸部位系統(tǒng)的設計這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。
整機電機通過聯(lián)軸器連接著據(jù)刀片，工作臺結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機運動，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本論文研究內(nèi)容：
(1) 高精度零件切割加工專機總體結(jié)構(gòu)設計。
(2) 高精度零件切割加工專機工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 高精度零件切割加工專機的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設計。
(5)對設計零件進行設計計算分析和校核。
(6)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖。
關(guān)鍵詞：高精度零件切割加工專機， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is a high-precision cutting plane design. Here include: basic skills driveline design, site design clamping system design cutting blade spindle part of the system design graduate design work training to improve the analysis and the ability to solve engineering problems, and for general mechanical design to create a certain condition.
Machine motor is connected through a coupling according to the blades, the table structure is mainly generated by an electric motor powered by the power coupling will need to pass to the screw, screw drive screw nut, thus boosting the overall campaign to raise labor productivity and production automation. More show its superiority, has a broad development prospects.
This thesis research:
(1) high-precision cutting plane overall structural design.
(2) high-precision cutting plane performance analysis.
(3) Select the motor.
(4) high-precision cutting plane of the transmission system, the implementation of components and chassis designs.
(5) for the design of parts to design computational analysis and verification.
(6) to draw the whole assembly drawings and assembly drawings and designs important parts parts parts diagram.
Keywords: high-precision cutting plane, couplings, ball
目 錄
摘 要 II
Abstract III
1 緒論 1
1.1高精度零件切割加工專機的研究現(xiàn)狀 1
1.2高精度零件切割加工專機發(fā)展趨勢 2
1.3本課題研究的內(nèi)容及方法 4
1.3.1主要的研究內(nèi)容和研究意義 4
1.3.2設計要求 4
1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題 5
2 高精度零件切割加工專機總體結(jié)構(gòu)設計 6
2.1設計的要求與數(shù)據(jù) 6
2.2 鋸刀片選型 6
2.3 整機工作原理圖 7
3 鋼制金相切割X方向進給傳動設計 7
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 8
3.1.1導程確定 9
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 9
3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重 9
3.1.4確定絲桿的等效負載 9
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 10
3.1.6精度的選擇 11
3.1.7選擇滾珠絲桿型號 11
3.2校核 12
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 12
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 13
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 13
3.3電機的選擇 14
3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 14
3.3.2電機扭矩計算 15
4 鋼制金相切割Y方向進給傳動設計 18
4.1 Y軸滾動導軌副的計算、選擇 18
4.2 滾珠絲杠計算、選擇 19
4.3 步進電機慣性負載的計算 22
第3章 夾持工件夾具的設計 25
3.1 夾具結(jié)構(gòu) 25
3.2 工作原理 25
各組成部分的設計 26
4.1 固定座的設計 26
4.2 活動身的結(jié)構(gòu)設計 26
4.3 絲杠螺母的設計 27
4.4 鉗口板的結(jié)構(gòu)設計 27
4.5 固定鉗口板用螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)設計 28
4.6螺母的選擇設計 28
4.7銷的選擇設計 29
4.8螺桿的結(jié)構(gòu)設計 29
4.9 螺桿的強度校核計算 30
4.10墊片的選擇設計 30
結(jié)論 32
參考文獻 33
致 謝 34
1 緒論
1.1高精度零件切割加工專機的研究現(xiàn)狀
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有自動化生產(chǎn)設備，用來提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。當然，我們發(fā)現(xiàn)切割技術(shù)已經(jīng)滲透到各個領(lǐng)域并且被廣泛使用。根據(jù)資料顯示，割技術(shù)加工。我國每年的切割設備需求量金額超過50億元。既然切割機能夠這么普遍地應用在各個領(lǐng)域，它肯定具備了很大的市場競爭力。
80年代初期，國際商業(yè)機器公司(IBM)首先提出的化學機械拋光引入集成電路進行平坦化的制程工作。主要是通過適當?shù)闹瞥虆?shù)設計，利用一個拋光平臺，配合適當?shù)幕瘜W溶液，將晶片表面高低起伏不一的輪廓加以磨平。安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光鋼制金相，發(fā)現(xiàn)鋼制金相界面與不銹鋼形成了結(jié)構(gòu)松軟的固相化學反應層，鋼制金相表面具有鏡面光澤，而且沒有發(fā)現(xiàn)亞表面損傷的現(xiàn)象，并提出了機械化學拋光的概念。Namba和Tsuwa等人在進行鋼制金相超拋光的實驗中，利用二氧化硅水溶液搭配上錫盤當研磨盤，首次觀察到鋼制金相的殘余表面粗糙度為1nm，對于使用SiO2當磨粒而言，因為其硬度比鋼制金相的要低，理論上并不具有去除鋼制金相表面的能力，但是實驗結(jié)果卻說明SiO2拋光液具有去除鋼制金相表面材料的能力，利用此套儀器設備對鋼制金相進行拋光可獲得比較好的表面粗糙度并認為在超拋光中，拋光液中直徑7nm的膠羽狀SiO通過撞擊移除了鋼制金相表面原子，并提出了一種新的拋光方法，浮法拋光法。Gutsehe和Moody等人在其研究成果上提出假設，他們認為是由于單純的化學反應SiO2才能移除鋼制金相表面的原子，而來自拋光過程摩擦產(chǎn)生的熱是化學反應能夠進行的驅(qū)動力，并提出化學反應式為：
反應后生成物為高嶺土，并可利用拋光液的流動特性將高嶺土移除。
Prochnow和Edwards等人使用直接接觸法搭配上瀝青拋光盤對鋼制金相進行超拋光，拋光結(jié)果均方根粗糙度值可達到0.2~0.3nm。 B.Hader和o.weis依據(jù)Prochnow和Edwards等人證實的直接接觸的想法的基礎(chǔ)上，提出了“熱液磨耗”的理論模型。最近幾年，國際上一些知名的半導體及光電子技術(shù)公司紛紛投入了大量的資金去研究鋼制金相拋光，并取得了一定的成果，如美國、日本、德國以及俄羅斯等公司己經(jīng)能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)3英寸的單晶鋼制金相，并且正在研發(fā)4英寸的技術(shù)。
改革開放 20 多年來，國內(nèi)金相加工工業(yè)經(jīng)歷了持續(xù)快速發(fā)展的過程，到了 2005 年我 國金相加工總量已達 3 億噸，約占世界金相加工總量的 35%，主要的金相產(chǎn)品——輪胎、 傳送帶等產(chǎn)量均居世界第一位。金相業(yè)依然是國內(nèi)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，在滿足人民金相 產(chǎn)品消費，出口創(chuàng)匯，為其他產(chǎn)業(yè)提供支持，解決就業(yè)問題等方面發(fā)揮重要作用。 今年來隨著金相行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的升入，通過國內(nèi)技術(shù)的改造和國外先進技 術(shù)的引進和吸收，金相行業(yè)的裝備和技術(shù)水平大幅提高，企業(yè)自主創(chuàng)新能力也有所增強， 生產(chǎn)效率不斷提高，品種范圍迅速擴展，生產(chǎn)已從勞動密集型向科技型轉(zhuǎn)換。淘汰落后裝 備和工藝，光、機、電、氣動、液壓、傳感、計算機技術(shù)的復合應用，為金相附加值提高 和新產(chǎn)品開發(fā)提供了強有力的保障，金相產(chǎn)品休閑化，個性化，高檔化趨勢日益明顯，橡 膠產(chǎn)品出口以年均 19%的速度增長，出口成品自給率也提高到 70%，徹底扭轉(zhuǎn)了金相進口 量高于出口量的局面，增強了行業(yè)的國際競爭力。但我國金相行業(yè)的整體水平與世界先進 國家相比仍有較大差距。應對整個金相領(lǐng)域的飛速發(fā)展有了一個總體認識，以期待找出與 國外差距和今后提高科技水平的方向。
1.2高精度零件切割加工專機發(fā)展趨勢
我國從20世紀80年代開始進行大型機床等機械產(chǎn)品切割結(jié)構(gòu)的研究，20 多年來已取得長足的進步。切割結(jié)構(gòu)已經(jīng)在現(xiàn)代化的數(shù)控機床等大型機床上應用以焊代鑄以焊代鍛的結(jié)構(gòu)設計和制造技術(shù)迅速發(fā)展。
20 世紀90 年代發(fā)展起來的線切割技術(shù)的成熟應用，成功地滿足了大片徑、低損耗和相對較高表面質(zhì)量的晶片切割需要。線切割晶圓技術(shù)剛開始是運用游離磨粒的方式，也就是利用線帶動游離磨粒（如碳化硅等），傳統(tǒng)的金屬切割線如圖1所示，使在工件和線中間的磨粒對工件進行磨切割。但是游離磨粒的缺點在于，因為磨粒和工件實際接觸到的面積較小，造成材料移除率較小，所以需要較長的加工時間；而另外一個缺點在于，如須加工更硬、更難以切割的工件（如鋼制金相、碳化硅），則游離磨粒的方式將難以對工件的表面達到預期的切割。為了改善上面的缺點，切割碳化硅、鋼制金相等硬度大的材料，固定金剛石磨料線切割技術(shù)應運而生，這種加工技術(shù)通常是使用電鍍的方法將金剛石磨料固定在鋼絲表面（如圖2 所示）,加工過程中鋸絲上的金剛石直接獲得運動速度和一定的壓力對硅材料進行磨削加工, 相比游離磨料多線鋸的" 三體加工",它屬于" 二體加工"，其加工效率是游離磨料多線鋸的數(shù)倍以上。金剛石單線切割機以其獨特的優(yōu)勢成為第三代半導體硬脆材料和大直徑材料切割中不可或缺的一部分。在當前，高精度零件切割加工專機的機構(gòu)設計絕大多數(shù)還是依據(jù)具體的情況來設計專用切割高精度零件切割加工專機，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)高精度零件切割加工專機，其運動特性使特定高精度零件切割加工專機僅能適應一定的范圍，花費成本較大，不利于高精度零件切割加工專機的發(fā)展。
很數(shù)高精度零件切割加工專機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,幫助高精度零件切割加工專機找到合適的位置并且放好，通過人工將高精度零件切割加工專機本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的狀態(tài) ,這里所設計的移動高精度零件切割加工專機是有軌移動切割高精度零件切割加工專機，也就是說高精度零件切割加工專機的自主性還跟不上工業(yè)發(fā)展的腳步。
金相切割機的發(fā)展前景:
（1）復合化發(fā)展。隨著金相機械技術(shù)的發(fā)展，機械復合技術(shù)和復合加工技術(shù)逐漸成熟， 在每一臺機床上都可以符合多重任務完成各種生產(chǎn)要求。這樣的復合生產(chǎn)將是新一輪的先進生產(chǎn)方式，金相切割行業(yè)的技術(shù)研究應該更加注重復合化發(fā)展，研究建造出可以完成多 重任務完成各種生產(chǎn)要求的金相切割機。
（2）實現(xiàn)金相切割的全面智能化。過去的人工控制切割已經(jīng)不能滿足金相機械管理的 發(fā)展需求。未來的控制需要通過計算機對切割機的操控，使我們的金相切割向智能化邁進， 在整個系統(tǒng)中，智能化也成為數(shù)控發(fā)展的又一大突破。
（3）現(xiàn)代高精度化。加緊技術(shù)研究，提高精密度。因為精度化更加迎合了現(xiàn)代高科技 產(chǎn)品的高要求，符合了新的時代發(fā)展要求。所以要適應時代新的發(fā)展要求必須加快精度研 究的步伐。
（4）趨向柔性化發(fā)展。引進柔性自動化技術(shù)，對于切割過程中復雜規(guī)格的金相件，保 證規(guī)格的高要求，準精度。這樣的柔性技術(shù)能夠滿足市場對產(chǎn)品的高要求，改變市場供不 應求的現(xiàn)狀。是一項先進的而有時效性的切割技術(shù)，它已經(jīng)成為切割機發(fā)展的主流趨勢。
（5）結(jié)合電子計算機實現(xiàn)網(wǎng)絡化。網(wǎng)絡的力量在 21 世紀已經(jīng)無法阻擋，切割系統(tǒng)網(wǎng) 絡化也是歷史之必然。要加緊切割機與網(wǎng)絡結(jié)合生產(chǎn)研發(fā)，結(jié)合網(wǎng)絡優(yōu)勢綜合開發(fā)新的切 割機項目。這樣的發(fā)展一定會促進網(wǎng)絡帶動切割技術(shù)的新一代變革。
未來的發(fā)展趨勢可分為以下三個方面：
1 選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤：因為與圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；
2 采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復雜的切割任務；
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：這也將是移動切割高精度零件切割加工專機的控制所采用。
1.3本課題研究的內(nèi)容及方法
1.3.1主要的研究內(nèi)容和研究意義
在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)切割高精度零件切割加工專機設計理論及相關(guān)知識的資料和文獻基礎(chǔ)上，綜合考慮切割高精度零件切割加工專機結(jié)構(gòu)特點、具體作業(yè)任務特點以及切割高精度零件切割加工專機的推廣應用，分析確定使用切割高精度零件切割加工專機配合生產(chǎn)工序，實現(xiàn)自動化切割的目的。
在機械加工過程中，金相切割方法常用是手工切割、半自動切割及數(shù)控切割機切割。 手工切割靈活方便，但切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工工作量大，同時 勞動條件惡劣，生產(chǎn)效率低。半自動切割機中仿形切割機，切割工件的質(zhì)量較好，由于其 使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件切割。其它類型半自動切割機雖然降低了 工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一些較規(guī)則形狀的切割。專業(yè)切割機相對手動方式 來說，可有效地提高金相切割地效率、切割質(zhì)量，減輕操作者地勞動強度。在我國的一些 中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割方式還較為普遍。 我國機械工業(yè)金相使用量已達到 3 億噸以上，金相的切割量非常大；隨著現(xiàn)代工業(yè) 的發(fā)展，對金相切割加工的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也同時提高。因而專業(yè)切割機的市 場潛力還是很大、市場前景比較樂觀。 專業(yè)金相切割機的誕生，對于提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本具有重要意義。此項研究也 是對大學四年所學課程的一次總復習，它將機械制圖、機械設計和工藝分析，夾具設計等 機械設計制造主要專業(yè)課程緊密聯(lián)系在一起，利用所學的機械與控制相關(guān)知識來解決實際 的生產(chǎn)問題，將理論設計與實際運用聯(lián)系起來，需要考慮多方面的問題，如成本、定位方 案，加工精度的控制和機械設備使用壽命等等。
為了實現(xiàn)上述目標，本文擬進行的研究內(nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和高精度零件切割加工專機本身的結(jié)構(gòu)特點，確定高精度零件切割加工專機整體設計方案。
2 確定高精度零件切割加工專機的性能參數(shù)，對初步模型進行靜力學分析，根據(jù)實際情況選擇電機。
3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成高精度零件切割加工專機各零部件的結(jié)構(gòu)設計；
4 完成主要零部件強度與剛度校核。
1.3.2設計要求
1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出高精度零件切割加工專機的整體設計方案；
2 完成高精度零件切割加工專機結(jié)構(gòu)的詳細設計；
3 通過相關(guān)設計計算，完成電機選型；
4 完成高精度零件切割加工專機結(jié)構(gòu)的設計；繪制高精度零件切割加工專機結(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整體的支撐架設計
3機構(gòu)設計
4 強度校核
35
2 高精度零件切割加工專機總體結(jié)構(gòu)設計
2.1設計的要求與數(shù)據(jù)
要求：
1) 所設計的高精度零件切割加工專機使用帶鋸進行切割
2) 保證帶鋸行進與路線切向一致；
3) 被切材料快速定心夾緊；
4) 切削液回收。
本文課題參數(shù)假定
假設切割鋼制金相直徑為?250
電機功率為0.37 KW,本文選用減速電機作為帶鋸驅(qū)動裝置。查SEW減速電機的規(guī)格表，選用如下減速電機。
表3.2 選用的電機的詳細參數(shù)
電機額定功率Pm/kW
輸出轉(zhuǎn)速
na/[r/min]
輸出扭矩
Ma/N·m
減速機
速比i
輸出軸許用徑向載荷FRa/N
使用系數(shù)
SEW-fB
減速機
型號
電機
型號
重量/kg
0.37
56
47
22.5
2870
1.55
DT71D4
SF37
14
此型號的電機在一定程度上保證了驅(qū)動功率有一定的盈余，因數(shù)在電機起動時，若輸送機床上有工件，則此時的起動功率會比平時工作時的功率要大，且減速電機本身還有一定的使用系數(shù)。
2.2 鋸刀片選型
由于鋸刀片沒有國家標準，故從市場上使用的任意一種選擇帶鋸，鋸帶尺寸：依據(jù)機床規(guī)格指定，但鋸帶厚度不得超過1.4mm，帶鋸直徑取為?250.
2.3 整機工作原理圖
電機通過聯(lián)軸器帶動據(jù)刀片，而工作臺XY方向可以進給到合適的位置，上面的夾具裝夾工件，
通過調(diào)整距離來實現(xiàn)移動。
3 鋼制金相切割X方向進給傳動設計
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡圖
特點
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)速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。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
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復雜，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)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)濟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拉伸，預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，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。
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機構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。
設X向最大行程為300mm,最快進給速度為18m/min,主軸箱大概質(zhì)量為50kg,工作臺大概質(zhì)量為80kg,移動部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺最大行程為300mm。
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(zhuǎn)速，則絲杠的導程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重
主軸箱重量
工作臺重量
移動部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負載
工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，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(zhuǎn)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)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經(jīng)濟性，選擇X軸Y軸精度等級為3級，Z軸為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=12mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為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固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負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算而定。
3.2.1 臨界壓縮負荷驗證
絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算：
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=1.3
Fmax-------最大軸向工作負荷（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，臨界壓縮負荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證
滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(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)速計算長度，單位為，本設計中該值為=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-簡支方式時取18.9
經(jīng)過計算，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絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)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——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計算得：
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)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機的選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量
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=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)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/m2
ta—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=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動效率，η=0.90
I—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≈1500N
η0—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
根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
4 鋼制金相切割Y方向進給傳動設計
4.1 Y軸滾動導軌副的計算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌:
選擇漢機江機床廠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)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復次數(shù)
M
4
0.6
4
導軌的額定動載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導軌的額定工作時間壽命:
導軌的工作壽命足夠.
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)
其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：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(zhuǎn)速(r/min)
最大動載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。
查表得中等沖擊時則:
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)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.
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(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） 傳動效率計算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。
（3） 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
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.3 步進電機慣性負載的計算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為：
式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。
對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：
步進電機的選用
(１）步進電機啟動力矩的計算
設步進電機的等效負載力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩擦系數(shù)，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。
取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對于工作方式為三相６拍的步進電機：
(２） 步進電機的最高工作頻率
為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機.
電機有關(guān)參數(shù)如下:
型號
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)
空載啟動頻率
空載運行頻率
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)動慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
5 夾持工件夾具的設計
本設計中，充分考慮到夾具的功能需求和與系統(tǒng)的配合需求，在具體實現(xiàn)的過程中，以系統(tǒng)的可靠性與易用為準則，盡量把鉗工用夾具設計成為一個功能齊全、可靠性高且易于使用的產(chǎn)品。
5.1 夾具結(jié)構(gòu)
夾具主要由活動鉗身、固定鉗身、絲桿、手柄等可活動零件，以及螺釘、螺母等起固定作用的零件組成。
5.2 工作原理
夾具的固定鉗身用螺栓固定于工作臺邊緣上，固定鉗身裝在固定鉗身上，并能繞固定鉗身軸心線繞一定角度轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到要求的方向時，扳動夾緊手柄使夾緊螺栓旋緊，使固定鉗身固緊。
活動鉗身通過導軌與固定鉗身的導軌配合。處于活動鉗身上的絲桿可以旋轉(zhuǎn)，但不能軸向移動，并與安裝在固定鉗身內(nèi)的絲杠螺母配合。當搖動手柄時，絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動活動鉗身相對于固定鉗身作軸向移動，在鉗口的作用下夾緊或放松物件。
其次，在絲桿與活動鉗身配合處有彈簧，其借助擋圈和開口銷固定在絲杠上，當放松絲杠時，可使活動鉗身及時地退出。
另外，在固定鉗身和活動鉗身上，各有用螺釘固定的鋼制且制有交叉網(wǎng)紋的鉗口，起夾緊、防滑的作用。
5.3各組成部分的設計
5.3.1 固定座的設計
固定座屬于機架、箱體類零件。該類零件特點是形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)較復雜。固定鉗身的總體組合方式為綜合式，由圓柱臺和若干凸臺組成。其作用主要是固定連接，與桌面和臺面連接緊固的；還有一部分是和其他零件配合連接；固定其他零件，為其他零件提供安裝區(qū)域。
根據(jù)固定鉗座的零件圖畫出三維實體圖，選取材料為HT150[2]。固定鉗座的零件圖（圖2）：
圖2固定座的零件圖
5.3.2 活動身的結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)活動鉗身的零件圖畫出三維實體圖，選取材料為HT150[2]。
活動鉗身的零件圖（圖5）：
圖5活動鉗身的零件圖
圖6 活動鉗
5.3.3 絲杠螺母的設計
根據(jù)杠螺母的零件圖畫出二維實體圖，選取材料為HT150。
根據(jù)杠螺母的二維圖畫出三維實體圖。
5.3.4 鉗口板的結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)鉗口板的零件圖畫出三維實體圖，選取材料為45 。
鉗口板的零件圖（圖11）：
圖11 鉗口板零件圖
5.3.5 固定鉗口板用螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)設計
根據(jù)設計需求和夾具的使用性能要求，本設計中選取標準件螺釘——GB/T 68，選取材料為Q235。查取設計手冊可得相關(guān)尺寸，根據(jù)查得的相關(guān)尺寸設計得鉗口板用螺釘?shù)娜S實體圖（圖13）：
圖13 固定鉗口板用螺釘
5.3.6螺母的選擇設計
根據(jù)設計需求和夾具的使用性能要求，本設計中選取標準件螺母——GB/T 6174—2000—M10[10]，選取材料為35。查取設計手冊可得相關(guān)尺寸，根據(jù)查得的相關(guān)尺寸設計得螺母M10的三維實體圖（圖16）。
圖16 螺母M10
5.3.7銷的選擇設計
根據(jù)設計需求和夾具的使用性能要求，本設計中選取標準件y圓錐銷——GB/T 91—3x14，選取材料為Q235。查取設計手冊可得相關(guān)尺寸，根據(jù)查得的相關(guān)尺寸設計得銷的三維實體圖（圖17）。
圖17 銷
5.3.8螺桿的結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)螺桿的零件圖畫出三維實體圖，選取材料為45。
螺桿的零件圖（圖18）：
圖18 螺桿（絲杠）的零件圖
螺桿的三維實體圖（圖19）：
圖19 螺桿（絲杠）
5.3.9 螺桿的強度校核計算
進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。本設計中，螺桿主要是扭矩，則應該按扭轉(zhuǎn)強度條件計算。
這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度，軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為：
式中：——扭轉(zhuǎn)切應力，Mpa；T——軸所受的扭矩，N.mm；
· ——軸的抗扭截面系數(shù)， n——軸的轉(zhuǎn)數(shù)，p——軸傳遞的功率，d——計算截面處軸的直徑，mm；——許用扭轉(zhuǎn)切應力，Mpa。
根據(jù)國家標準，選取許用扭轉(zhuǎn)切應力為25-45Mpa. T=15 kN.m。截面處軸的直徑為18mm。代入數(shù)據(jù)可算得實際扭轉(zhuǎn)切應力為12.86 Mpa，與理論相比可知符合設計使用性能的要求。所以，和螺母配合處軸的尺寸選擇合理。
5.3.10墊片的選擇設計
為了使螺桿在固定鉗身里能夠較好的定位，特配備兩個墊圈，一個用于和M10螺母的配合使用，另一個用在螺桿的把手方位與固定鉗身的配合使用。
和M10螺母配合使用的彈簧墊圈（圖20）選用標準件，按GB 93—87，相關(guān)尺寸為：d=10.2，s=b=2.6，0
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