高精度激光雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析 論文（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）
高精度激光雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析 論文（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）,高精度激光雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析,論文（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）,高精度,激光雕刻,機(jī)構(gòu),設(shè)計,動力學(xué),分析,論文,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單
本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計
高精度激光雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計
及動力學(xué)分析
專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
摘 要
激光雕刻加工是現(xiàn)代新興的一種特種加工方式。激光雕刻機(jī)是以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，以激光器為加工媒介的一種特種加工設(shè)備。激光加工是一種非接觸式的加工方式，有著獨特的優(yōu)勢，如避免普通車床的接觸式對刀具的磨損等問題。根據(jù)雕刻領(lǐng)域近年來的發(fā)展情況，激光雕刻產(chǎn)品正向著速度高、精度高、效率高、功能多樣的方向發(fā)展，因此，研究影響雕刻機(jī)精度的因素并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計具有重大的意義。
本研究課題通過查詢雕刻機(jī)的相關(guān)研究論文，介紹了雕刻機(jī)的基本形式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式，分析了影響雕刻機(jī)精度的因素。根據(jù)雕刻機(jī)的精度要求，設(shè)計了雕刻機(jī)的運動機(jī)構(gòu)，并通過機(jī)械設(shè)計軟件進(jìn)行了機(jī)構(gòu)實體建模、零件裝配和運動仿真。通過動力學(xué)仿真軟件，分析了實體模型在運動過程中的動態(tài)變形對精度的影響；根據(jù)分析結(jié)果，從電機(jī)的選型、導(dǎo)軌的選型、裝配要求、部件設(shè)計等方面提高了雕刻機(jī)的精度。本課題采用高精度的絲桿傳動，通過導(dǎo)軌設(shè)計和螺桿反向間隙調(diào)整提高了絲桿傳動的精度。
關(guān)鍵詞：激光雕刻機(jī)；導(dǎo)軌；絲桿；建模；仿真
III
Abstract
Laser engraving processing is a kind of special processing way of modern emerging, it is the use of numerical control technology as the foundation, the basic principle of laser medium for processing. The laser processing a non-contact processing, has a unique advantage, such as the contact of the ordinary lathe to tool wear, etc. Developed from engraving machine, laser products are high speed, high precision, high efficiency, multi-function direction development, more and more high technology content, therefore, this research has high practical significance and economic significance.
This research topic by querying the related research papers of engraving machine, carving machine is introduced the basic form and form of the actuator, the paper analyzes the factors which affected the accuracy of engraving machine. According to the requirements of the engraving machine precision, the design of the engraving machine motion mechanism, and has carried on the entity modeling by mechanical design software, parts assembly and movement simulation. Through the analysis of the dynamics simulation software, the entity model in the influence of movement in the process of dynamic deformation; According to the results of the analysis from the selection of the motor, guide rail type selection, assembly requirements, parts design aspects of improving the precision of engraving machine. This subject adopts high precision lead screw transmission, through the guide design and the reverse clearance adjusting screw to improve the accuracy of the lead screw transmission.
Key words：Laser engraving machine; Guide rail; Screw; The reverse clearance; Modeling;Simulation
III
目錄
1 緒論 1
1.1 選題背景和研究意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 1
1.3 研究方法 2
1.3.1 驅(qū)動部分 2
1.3.2 傳動部分 2
1.3.3 執(zhí)行部分 2
本章小結(jié) 2
2 激光雕刻機(jī)整體方案設(shè)計 3
2.1 兩種傳動方案的分析比較 3
2.1.1 滾珠絲杠為傳動機(jī)構(gòu)的底座運動式 3
2.1.2 滾珠絲杠為傳動的立式運動式 4
2.2 整體方案的確定 4
本章小結(jié) 5
3 激光雕刻機(jī)部件設(shè)計及計算 6
3.1 激光雕刻機(jī)導(dǎo)軌的設(shè)計 6
3.1.1 基本形式 6
3.1.2 常用導(dǎo)軌組合形式 7
3.1.3 提高耐磨性措施 8
3.1.4 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3.1.5 導(dǎo)軌材料 11
3.1.6 導(dǎo)軌壽命的計算 12
3.2 激光雕刻機(jī)傳動副設(shè)計 13
3.2.1 傳動副的結(jié)構(gòu) 14
3.2.2 螺桿和螺母的材料 14
3.2.3 滑動螺旋傳動的設(shè)計計算 15
3.3 其他相關(guān)零部件設(shè)計 19
3.3.1 加強(qiáng)筋的設(shè)計 19
3.3.2 可調(diào)節(jié)支撐腿的設(shè)計 21
本章小結(jié) 23
4 電機(jī)及軸承的選擇計算 24
4.1 電機(jī)的選擇及相關(guān)計算 24
4.2 軸承的選用及校核 25
4.2.1 軸承的選型與校核計算 25
4.2.2 軸承的當(dāng)量動載荷計算 25
4.2.3 軸承的壽命計算 26
本章小結(jié) 26
5 運動仿真及結(jié)果分析 27
結(jié)論 33
參考文獻(xiàn) 34
致謝 35
V
1 緒論
1 緒論
1.1 選題背景和研究意義
近年來隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，在雕刻行業(yè)上也有了重大的革新，如新興的激光雕刻行業(yè)。激光雕刻在其工作時是非接觸式加工的，不會使產(chǎn)品產(chǎn)生任何的機(jī)械形變，并且不受圖形限制，以其精度高，速度快，產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)勢而得到了廣泛的應(yīng)用。課題的研究旨在了解雕刻機(jī)的基本形式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式，并分析影響雕刻機(jī)精度的因素。根據(jù)精度要求設(shè)計雕刻機(jī)的運動機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械設(shè)計軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)實體建模，并進(jìn)行零件裝配和運動仿真。通過動力學(xué)仿真軟件，分析模型在運動過程中的動態(tài)變形對精度的影響。激光加工方式相比傳統(tǒng)加工方式，還具有樣式新穎、自動化程度高、操作簡單、高效省料、等明顯優(yōu)勢，因而在激雕刻技術(shù)在國內(nèi)外各大行業(yè)中占據(jù)著越來越大的應(yīng)用比例。中小型企業(yè)對激光雕刻的精確度的要求越來越高，應(yīng)用面也越來越廣，對企業(yè)的影響越來越顯重要。目前，國內(nèi)外的也有許多關(guān)于車床或雕刻機(jī)的一些導(dǎo)軌的研究比較，在傳動學(xué)上也有巨大的成果，本課題在分析現(xiàn)已有的激光雕刻機(jī)執(zhí)行結(jié)構(gòu)后，整合相關(guān)資料，就高精度激光雕刻機(jī)這一課題上提出了一套新的設(shè)計方案。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
1938年，世界第一臺手動的雕刻機(jī)在法國問世，但是其精度及效率很低。直至1950年，世界第一臺真正意義的手動雕刻機(jī)才誕生沒并且該雕刻機(jī)還能放縮比例。從此雕刻機(jī)在全球多個國家都逐漸的得到發(fā)展。到20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，計算機(jī)領(lǐng)域也得到了很大的發(fā)展，從而使雕刻機(jī)也產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。具體是體現(xiàn)在雕刻機(jī)的精度、體型外觀、加工效率等方面。
1960年，世界上第一臺激光器問世，激光器以其相干性高、強(qiáng)度高的特點，在眾多領(lǐng)域上都有很大的應(yīng)用，大到航天器、飛機(jī)、汽車工業(yè)等大型行業(yè)，小到微電子、信息、生物細(xì)胞分離等微技術(shù)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)然也包括了雕刻行業(yè)。在隨后的幾十年的發(fā)展中，激光器和雕刻行業(yè)進(jìn)行了完美的融合，產(chǎn)生出了現(xiàn)代有一門尖端行業(yè)——激光雕刻行業(yè)。
目前市場上的激光設(shè)備多種多樣，有激光切割，激光內(nèi)雕，激光打標(biāo)，激光焊接，激光醫(yī)療，激光打孔，激光演示，激光噴碼等等。激光技術(shù)與現(xiàn)代其他高新行業(yè)的融合發(fā)展的前景更是無窮無大，未來的工業(yè)文明更是與激光雕刻領(lǐng)域密不可分。
1.3 研究方法
查找相通過關(guān)資料，學(xué)習(xí)和借鑒國內(nèi)外研究的相關(guān)成果，確定最終的機(jī)構(gòu)方案；然后根據(jù)原始資料和設(shè)計要求進(jìn)行初步的設(shè)計，確定整體方案；設(shè)計激光雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)及相關(guān)零部件；再利用NX8.0軟件繪制雕刻機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件；最后通過分析軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真分析。
1.3.1 驅(qū)動部分
伺服驅(qū)動裝置是許多機(jī)電系統(tǒng)的核心，在高精度激光雕刻機(jī)的設(shè)計過程中，充分考慮各種因素，采用了伺服電機(jī)作為雕刻機(jī)的驅(qū)動部分。設(shè)計時，伺服電機(jī)的選擇要遵循一定的原則：
首先要根據(jù)轉(zhuǎn)矩－速度特性曲線來校驗負(fù)載轉(zhuǎn)矩，是否滿足電機(jī)在工作中的加減速扭矩的要求，其次是要對負(fù)載慣量進(jìn)行校合，如果是要求頻繁起動和制動場合，還應(yīng)對其電機(jī)的轉(zhuǎn)矩均方根值進(jìn)行詳細(xì)的校合。
1.3.2 傳動部分
傳動機(jī)構(gòu)是一臺儀器運轉(zhuǎn)的執(zhí)行關(guān)鍵部位，好的傳動機(jī)構(gòu)能決定著一臺儀器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終的精度，因而對其傳動部位的研究設(shè)計具有重大的意義。
1.3.3 執(zhí)行部分
激光雕刻機(jī)的機(jī)構(gòu)是激光器。針對不同的加工產(chǎn)品，選用不同功率的激光器。激光器相當(dāng)于普通車床中的道具，只是其加工工藝相對不同。非接觸式的加工方法避免了磨損等問題，并且具有加工速度快，精度高等特點。
本章小結(jié)
通過資料的查詢，逐漸了解了激光雕刻機(jī)的由來、發(fā)展及一些未來的展望。并根據(jù)自己的研究課題對激光雕刻機(jī)進(jìn)入了深層次的分析，最終確立了自己的研究方法。
33
2 激光雕刻機(jī)整體方案設(shè)計
2 激光雕刻機(jī)整體方案設(shè)計
2.1 兩種傳動方案的分析比較
整體結(jié)構(gòu)的方案有很多種形式，但是每一種形式都是圍繞著一個中心內(nèi)容，那就是兩電機(jī)分別驅(qū)動著x和y的兩個方向。然后通過控制系統(tǒng)控制x和y方向上的進(jìn)給，形成x和y的聯(lián)動，從而使終端軌跡迫近預(yù)期曲線或直線。
2.1.1 滾珠絲杠為傳動機(jī)構(gòu)的底座運動式
圖2-1 底座式結(jié)構(gòu)示意圖
該設(shè)計的優(yōu)點在于：
a、滾珠絲杠的驅(qū)動力矩小，要求功率較小，便于電機(jī)的快速啟動；
b、滾珠絲杠屬于高精度的傳動機(jī)構(gòu)，加上運行時產(chǎn)熱較少，可以實現(xiàn)更高的傳動精度，能夠使負(fù)載實現(xiàn)精確定位；
c、由于滾珠絲杠的啟動力矩小，不會出現(xiàn)如滑動運動中容易出現(xiàn)的低速蠕動或者爬行現(xiàn)象，可以實現(xiàn)高精度微量進(jìn)給，最小進(jìn)給量可達(dá)0.1微米；
d、滾珠絲杠具有很高的傳動效率，最高可達(dá)98%。
缺點：
a、 采用雙圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向，存在兩邊不同步問題；
b、下平臺帶動上平臺的移動，會造成終端的誤差疊加；
c、滾珠絲杠存在影響精度的軸向間隙，當(dāng)改變軸向負(fù)載的方向時，軸向間隙就會成為影響負(fù)載運動誤差的主要來源。
2.1.2 滾珠絲杠為傳動的立式運動式
a) 立式運動式示意圖 b) 立式垂直方向結(jié)構(gòu)示意圖
圖2-2 立式運動式示意圖
該設(shè)計的優(yōu)點在于：采用立式機(jī)構(gòu)，在y方向上可以利用螺母相連的組件的自身重力抵消絲桿反轉(zhuǎn)時的反向間隙；其他優(yōu)點與前者類似。缺點是在x方向上的反向間隙沒有解決，存在導(dǎo)軌不同步問題；軸上壓力較大；雕刻的工作面在側(cè)面，對實際加工不便等。
2.2 整體方案的確定
根據(jù)以上分析，確定整體方案為滑動絲桿為傳動的分離式。x方向通過導(dǎo)軌與絲桿帶動激光器的方向位移，y方向也用同樣的方式驅(qū)動工作平臺的方向位移，從而能利用控制系統(tǒng)對工件的加工。
圖2-3 最終方案示意圖
本章小結(jié)
國內(nèi)外的專家學(xué)者都對激光雕刻機(jī)做過很多的研究，也都做過很多種整體結(jié)構(gòu)的布局。通過查詢資料，總結(jié)了一些國內(nèi)外的現(xiàn)有的總體結(jié)構(gòu)布局，然后分析出它們的優(yōu)缺點后，選擇并優(yōu)化了一個適合自己課題的方案。
3 激光雕刻機(jī)部件設(shè)計
3 激光雕刻機(jī)部件設(shè)計及計算
3.3 激光雕刻機(jī)導(dǎo)軌的設(shè)計
導(dǎo)軌是一種能對運動部件沿著特定方向運動做導(dǎo)向的零部件，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用。激光雕刻機(jī)上的導(dǎo)軌是為了支承運動件和保證運動件在外力的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運動。因而對導(dǎo)軌有一定的要求：
1. 保證運動部件的運動輕便平穩(wěn)。具體特征是在工作時，保證部件的速度均勻，低速時要求無爬行現(xiàn)象；
2. 要有一定的導(dǎo)向精度；
3.要有足夠的剛度。導(dǎo)軌面承受了運動件所受的外力，所以導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度；
4.良好的耐磨性。導(dǎo)軌耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，仍然能保持一定的使用精度，因而具有良好的耐磨性對雕刻機(jī)的整體壽命和加工質(zhì)量都有重大的影響；
5.溫度變化影響小。導(dǎo)軌應(yīng)該規(guī)定溫度變化的環(huán)境中，仍然能夠正常的工作，并不影響導(dǎo)向精度或?qū)?dǎo)向精度影響不大。
3.3.3 基本形式
圖3-1 導(dǎo)軌基本形式
1） 三角形導(dǎo)軌
導(dǎo)向精度相對較高，且三角導(dǎo)軌在磨損后能利用滑塊自身的重量來自動補(bǔ)償。它的截面角度一般為90°。但在重載時，可以為增加承載面積而減小比壓，采用較大的頂角，例如110°～120°；也可以為了提高其導(dǎo)向精度，采用較小的頂角。
2） 矩形導(dǎo)軌
導(dǎo)軌承壓面較寬，承載力較大，剛度高，且有著結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便等優(yōu)點。矩形的導(dǎo)向精度沒有三角形導(dǎo)軌高，并且導(dǎo)軌間隙不能通過自身的結(jié)構(gòu)來自動補(bǔ)償，需用外加壓板或鑲條輔助調(diào)整。
3） 燕尾形導(dǎo)軌
燕尾形導(dǎo)軌高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；其調(diào)整及夾緊相對較簡便，用一根鑲條即可調(diào)節(jié)這兩方面的間隙。
4） 圓形導(dǎo)軌
圓形導(dǎo)軌以其易加工，制造方便，結(jié)構(gòu)簡單而得到廣泛的應(yīng)用。通常采用導(dǎo)軌外圓采用磨削后與滑塊內(nèi)孔配合的方式。但磨損后不能調(diào)整間隙且不能承受大的扭矩，宜用于承受軸向載荷的場合，也不能承受大的扭矩。
3.3.4 常用導(dǎo)軌組合形式
1） 三角形和矩形組合
三角形與矩形的組合是以三角導(dǎo)軌的面為導(dǎo)向面的，其導(dǎo)向精度高，加上矩形導(dǎo)軌的工藝性好，所以應(yīng)用最廣。見圖3.2。
圖3-2 三角形與矩形導(dǎo)軌組合
通常在三角導(dǎo)軌的設(shè)計中，應(yīng)盡量使驅(qū)動裝置設(shè)在三角形導(dǎo)軌的下方或偏向三角形導(dǎo)軌的一側(cè)，從而使導(dǎo)軌移動輕便省力，并使兩導(dǎo)軌的磨損相對均勻。
2） 矩形和矩形組合
矩形導(dǎo)軌略不同于三角導(dǎo)軌，矩形導(dǎo)軌的承載面并不是導(dǎo)軌的導(dǎo)向面，兩者是分開的，所以對兩個面分別作要求，顧制造相對簡單。導(dǎo)向面的間隙也可用鑲條來調(diào)整。見圖3.3。
圖3-3 矩形與矩形導(dǎo)軌組合
3） 雙三角形導(dǎo)軌
三角導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度高，接觸剛度好，但工藝性相對較差。由于采用了對稱結(jié)構(gòu)，因而兩條導(dǎo)軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變的這一特點，使得雙三角形導(dǎo)軌在實際中應(yīng)用比較廣泛。
3.3.5 提高耐磨性措施
導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、使用方法及維護(hù)等都影響著導(dǎo)軌的使用壽命。提高耐磨性，減小導(dǎo)軌的磨損，就能延長設(shè)備的使用壽命。提高導(dǎo)軌耐磨性的措施有很多，下面列舉了幾項措施：
1)選擇合理的比壓，即
p=P/S (3-1)
其中：P-作用在導(dǎo)軌上的力；
S-導(dǎo)軌的支承面積。
由上式可知，要減小比壓，應(yīng)減小作用在導(dǎo)軌上的里或者是增大導(dǎo)軌的支承面積。如果是雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)臏p小兩導(dǎo)軌的間距，就能減小支撐平臺的跨度，從而減輕重量；但距離過小，也將導(dǎo)致運動不穩(wěn)定。
采用卸荷裝置也可以降低導(dǎo)軌比壓的，可在載荷的反方向上增加液壓作用力或增加彈簧，因而抵消導(dǎo)軌所承受的部分載荷。
2)選擇合適材料。目前常采用的導(dǎo)軌材料有以下幾種：（導(dǎo)軌-滑塊）
鑄鐵-灰口鑄鐵組合：這是最常用的一種搭配形式，灰口鑄鐵具有成本低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，且在潤滑充分和防護(hù)良好的情況下，有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200較為合適。
若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用硬度為HB=180～220的高磷鑄鐵。其材料的耐磨性能比灰口鑄鐵高一倍左右。在特殊的加工環(huán)境中也可考慮低合金鑄鐵及稀土鑄鐵。
鋼-鑄鐵組合：該組合適用于要求較高的場合上的導(dǎo)軌和滑塊，其中導(dǎo)軌用的鋼常用經(jīng)過淬火的合金鋼，其耐磨性比普通灰鑄鐵高5～10倍。如40Cr高頻淬火和20Cr鋼滲碳淬火。
3）熱處理。對導(dǎo)軌表面進(jìn)行淬火處理可提高材料的耐磨性。表面淬火方法有：高頻淬火、火焰淬火和電接觸淬火等方法。
4)潤滑和防護(hù)。潤滑保護(hù)是一種有效的增加耐磨性的方法，潤滑油能使導(dǎo)軌與滑塊間形成一層薄薄的油膜，減少了導(dǎo)軌面的直接接觸，從而減小摩擦和磨損。導(dǎo)軌潤滑的方式有油杯、澆杯、手動油泵和自動潤滑等方式。
3.3.6 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1）導(dǎo)軌長度
導(dǎo)軌的長度是影響工作臺的精度和高度的一個重要因素，可根據(jù)滑塊導(dǎo)向部分的長度來估算出導(dǎo)軌長度。
其公式為：
L=H+S+△l-S1-S2 (3-2)
由此公式估算出Lx=Ly=500mm
其中L—導(dǎo)軌長度
H—滑塊的導(dǎo)向面長度
S—滑塊行程
△l—封閉高度調(diào)節(jié)量
S1—滑塊到上死點時，滑塊露出導(dǎo)軌部分的長度
S2—滑塊到下死點時，滑塊露出導(dǎo)軌部分的長度
2）導(dǎo)軌的選擇
由于方案中的x方向，導(dǎo)軌的承重量只有激光器及其相關(guān)零部件，承重量不大，并避免雙導(dǎo)軌不同步等問題，因而在x方向上，其導(dǎo)軌采用結(jié)構(gòu)緊湊的燕尾型導(dǎo)軌。選用燕尾導(dǎo)軌為55°的燕尾導(dǎo)軌，燕尾頂?shù)膶挾葹?0mm，燕尾底的寬度為23mm。導(dǎo)軌寬度為80mm，高為50mm。
滑塊
燕尾導(dǎo)軌
圖3-4 燕尾導(dǎo)軌橫截面
圖3-5 燕尾導(dǎo)軌參數(shù)
由于y方向上要承受工作平臺等相關(guān)零部件與加工工件的重量，承重較大因而采用磨損能自動補(bǔ)償、導(dǎo)向精度高的雙三角形導(dǎo)軌。
工作臺及滑塊
三角導(dǎo)軌
圖3-6 三角導(dǎo)軌示意圖
圖3-7 三角導(dǎo)軌參數(shù)
3.3.7 導(dǎo)軌材料
車床滑動導(dǎo)軌常用材料主要是灰鑄鐵和耐磨鑄鐵，其中通常以HT200或HT300型號的灰鑄鐵作為固定的導(dǎo)軌，以型號為HT150或HT200鑄鐵作為動導(dǎo)軌。
JB/T3997-1994標(biāo)準(zhǔn)對普通灰鑄鐵導(dǎo)軌的硬度要求如下表所示：
表3-1 普通灰鑄鐵導(dǎo)軌硬度對照表
硬度要求(HBS)
硬度不均勻性(HBS)
導(dǎo)軌長度/mm
導(dǎo)軌鑄件重量/t
不低于
不高于
導(dǎo)軌長度/mm
硬度差不超過
≤2500
-
190
255
≤2500
25
>2500
>3
180
241
>2500
35
>5
175
241
由幾何件連接的導(dǎo)軌
45
>10
165
241
普通鑄鐵與常用耐磨鑄鐵的耐磨性比較見表3-2
表3-2 耐磨性比較表
耐磨鑄鐵名稱
耐磨性高于普通鑄鐵倍數(shù)
磷銅鈦耐磨鑄鐵
1.5～2
高磷耐磨鑄鐵
1
釩鈦耐磨鑄鐵
1～2
稀土鑄鐵
1
鉻鉬耐磨鑄鐵
1
導(dǎo)軌熱處理:對于重要的導(dǎo)軌，材料在粗加工后要進(jìn)行一次熱處理，經(jīng)過精加工或半精加工后再進(jìn)行第二次熱處理處理。
常用導(dǎo)軌淬火方法有:
1) 中頻淬火，淬硬層深度為1～2mm。硬度(45～50)HRC；
2) 接觸加熱自冷表面淬火，淬硬深度為0.2～0.25mm，適用于大型的鑄件導(dǎo)軌。
3.3.8 導(dǎo)軌壽命的計算
（1） 三角導(dǎo)軌計算
以y方向上的導(dǎo)軌為例，y方向上的三角導(dǎo)軌的額定動，靜載荷分別為Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。
利用NX8.0模擬計算出工作臺的自身重量為：M=17.48kg；
其中工作臺的最大承重重量為:
Gmax=50×9.8=490N
四個滑塊支座所平均承受的力為：
F1=F2=F3=F4=1/4（Gmax+Mg）=165.326N
滑動導(dǎo)軌的額定壽命計算公式為：
L=（fh ft fc fa Ca/ fwPc）K=27166km （3-3）
式中L——額定壽命（km）；
Ca——額定動載荷（KN）；
Pc——當(dāng)量動載荷（KN）；
Z——導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)；
——指數(shù)，=3；
K——額定壽命單位（KM），K=50KM；
fh ——硬度系數(shù)；通常fh =1 ;
ft ——溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度小于或等于100℃時，ft取1；
fc——接觸系數(shù)，由下表得=0.81 ;
表3-3 導(dǎo)軌接觸系數(shù)表
每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)
1
2
3
4
5
1．00
0．81
0．72
0．66
0．61
fa——精度系數(shù)，在無明顯沖擊或振動的場合，且速度為15~60m/min時，取fa=1.50;
fw——載荷系數(shù)，對精度等級為3級的導(dǎo)軌，取=1.0 .
則L=27166Km
壽命時間的計算：
當(dāng)行程長度一定，額定壽命為（單位為：小時）：
（3-4）
式中——壽命時間（h）；
L——額定壽命（km）；
La——行程長度（m）；
n2——每分鐘往返次數(shù)。
則L h =30592.3h
工況為：按每年300個工作日，每天工作6小時計算，則預(yù)計壽命年限為：
L h=30592.3/300×6=16.9年。
（2） x方向燕尾型導(dǎo)軌的壽命
同理求出x方向燕尾型導(dǎo)軌的壽命為：
L=26340.1km
Lh=25230h=14年
3.4 激光雕刻機(jī)傳動副設(shè)計
激光雕刻機(jī)的傳動方案有很多種：
1）帶傳動。帶傳動在傳動時平穩(wěn)無噪聲并有緩沖、吸振的作用；其工作的間距影響不大，可用以中心距較大的場合，帶傳動在過載時能起到打滑的安全保護(hù)作用。但是帶傳動不能保證精確的傳動比，所以無法滿足高精度傳動的要求。
2）鏈傳動。鏈傳動能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚等的惡劣環(huán)境中工作，特別適用于中心距較遠(yuǎn)的場合，且鏈傳動的傳遞動力和運動的效率較高，一般可達(dá)0.95～0.97。但其缺點也是很突出，主要體現(xiàn)在它的瞬時傳動比是變化的，不適用于傳動比要求為常數(shù)的高精度傳動場合。
3）齒輪齒條傳動。齒輪齒條嚙合傳動可以保證恒定的瞬間傳動比，因而工作平穩(wěn)，適合于高精度傳動中。此外，齒輪齒條嚙合傳動適用的功率和速度范圍廣，傳動效率高，工作可靠使用壽命長，外廓尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，承載大。但是齒輪齒條的制造精度要求高，安裝也相對困難，磨損大，不適合遠(yuǎn)距離的傳動，傳動速度有限。因此，不適合用于高精度激光雕刻機(jī)的傳動中。
4）絲桿-螺母傳動。絲桿-螺母傳動移動速度快，定位精度高，鋼性較好，可以傳遞較大扭力，位置準(zhǔn)確。
通過分析比較，結(jié)合本課題的需求，采用絲桿-螺母的傳動方式。
3.4.9 傳動副的結(jié)構(gòu)
螺旋傳動的結(jié)構(gòu)有很多種形式，其原理結(jié)構(gòu)是指螺桿、螺母的固定和支承的機(jī)構(gòu)形式。其支承結(jié)構(gòu)對螺旋傳動的工作剛度與精度有直接的影響。螺母的機(jī)構(gòu)也有多重形式，本方案為了消除軸向間隙和補(bǔ)償旋合螺紋的磨損，避免反向傳動時的空行程，因而采用了組合螺母結(jié)構(gòu)，即雙螺母結(jié)構(gòu)。螺桿采用右旋螺紋，并采用單線螺紋。
圖3-8 傳動副結(jié)構(gòu)示意圖
3.4.10 螺桿和螺母的材料
螺桿和螺母材料都要有足夠的耐磨性和強(qiáng)度，其中螺母還要求在與螺桿配合時摩擦系數(shù)小。
根據(jù)下表3-4所示：
表3-4 旋轉(zhuǎn)副材料應(yīng)用范圍表
螺旋副
材料牌號
應(yīng)用范圍
螺桿
Q235、Q275、45、50
材料不經(jīng)熱處理，適用于經(jīng)常運動，受力不大，轉(zhuǎn)速較低的傳動
40Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi
材料需經(jīng)過熱處理，以提高其耐磨性，適用于重載、轉(zhuǎn)速較高的重要傳動
9Mn2V、CrWMn、38CrM0Al
材料需要經(jīng)過熱處理，以提高其尺寸的穩(wěn)定性，適用于精密的螺旋傳動
螺母
ZCuSn10Pl、ZCnSn5Pb5Zn5
材料耐磨性好，適用于一般的傳動
ZCuAl9Fe4Ni4Mn2
ZCuZn25Al6Fe3Mn3
材料耐磨性好，強(qiáng)度高，適用于重載、低速的傳動。對于尺寸較大或高速傳動，螺母可采用鋼或鑄鐵制造，內(nèi)孔澆注青銅或巴氏合金
根據(jù)高精度雕刻機(jī)傳動速度與定位要求，螺桿采用材料為38CrM0Al，螺母采用ZCuSn10Pl。
3.4.11 滑動螺旋傳動的設(shè)計計算
滑動螺旋傳動在工作時，主要承受軸向拉力及轉(zhuǎn)矩的作用，因而螺桿既承受著拉伸力的作用也存在著剪切力的作用。螺桿和螺母的旋合螺紋在傳動過程中有較大的相對滑動，螺紋磨損也可能是傳動副的失效形式之一。
1) 耐磨性計算
螺桿的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。
耐磨性條件：
(3-5)
式中：P——螺紋工作面上的壓力；
[P]——材料的許用應(yīng)力；
F——作用于螺桿上的軸向力；
A——螺紋的承壓面積；
d2——螺紋中徑；
H——螺母高度；
P——螺紋螺距；
h——螺紋工作高度。
令，則上式整理得
(3-6)
對于30°鋸齒形螺紋，h=0.75P,則上式
(3-7)
螺母高度：
(3-8)
在傳動精度高，要求壽命較長的場合，取=4。
螺桿設(shè)計及相關(guān)參數(shù)：大徑d=16mm，小徑=14mm，中徑=15mm，螺距p=5mm。
如圖所示為螺母的設(shè)計及相關(guān)參數(shù)：
圖3-9 螺母剖面圖
螺母參數(shù)：大徑=16mm,小徑D=14mm，高度為30mm，因為本設(shè)計方案采用雙螺母結(jié)構(gòu)，所以。
如下表為滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力[P]及摩擦系數(shù)f關(guān)系表
表3-5 許用應(yīng)力[P]及摩擦系數(shù)f關(guān)系表
螺桿-螺母的材料
滑動速度/（m/min）
許用壓力/MPa
摩擦系數(shù)f
鋼-青銅
低速
18~25
0.08~0.10
11~18
6~12
7~10
1~2
淬火鋼-青銅
6~12
10~13
0.06~0.08
鋼-鑄鐵
13~18
0.12~0.15
6~12
4~7
鋼-鋼
低速
7.5~13
0.11~0.17
注：表中摩擦系數(shù)運轉(zhuǎn)中時取最小值，只有起動計算時取最大值。
因為采用了鋼-鑄鐵的組合，且滑動速度在6~12m/min,所以許用壓力[P]取4~7MPa,摩擦系數(shù)f取0.12~0.15。
由上述三角導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點可知，絲桿受到的徑向拉力來自工作臺的滑塊與導(dǎo)軌的摩擦力，因而有：
（3-9）
當(dāng)取0.15最大值時，F(xiàn)=71.57N
由上述校核公式
上式成立，因而滿足耐磨性要求。
2) 螺桿的強(qiáng)度計算
螺桿工作時級承受到軸向的拉力F的作用，也承受扭矩T的作用。
根據(jù)強(qiáng)度理論，求出危險截面的計算應(yīng)力，其強(qiáng)度條件為：
（3-10）
式中：F——螺桿所受的軸向拉力（或壓力）；
A——螺桿的危險截面面積；
——螺桿螺紋小徑；
T——螺桿所受到的扭矩；
[]——螺桿材料的許用應(yīng)力。
根據(jù)下表4.3.4：
表3-6 材料許用應(yīng)力表
螺旋副材料
許用應(yīng)力/MPa
[]
[]
[]
螺桿
螺母
青銅
40~60
30~40
鑄鐵
45~55
40
鋼
0.6
螺桿材質(zhì)為40Cr，其屈服極限約取785MPa，所以[]==157~261.7MPa。
T取伺服電機(jī)的輸出最大扭矩作為校核的數(shù)據(jù)，T=300N.m。
所以，
螺桿的強(qiáng)度滿足要求。
因為x方向上螺桿的承重遠(yuǎn)小于y方向上的承重，所以在x方向上的校核必然也滿足要求。
3) 螺母螺紋牙的強(qiáng)度計算
在螺桿與螺母的配合中，螺母在工作時的螺紋牙多次發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，所以只需要校核螺母的的螺紋牙的強(qiáng)度即可。
在計算時可將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D處展開，展開后可將這一圈螺紋看作寬度為的懸臂梁。每圈螺紋所承受的平均壓力為（u為工作圈數(shù)，）。
剪切強(qiáng)度條件為
（3-11）
彎曲強(qiáng)度條件為
（3-12）
式中：b——螺紋牙根部的厚度，對于30°鋸齒形螺紋，b=0.75P=3.75mm;
——彎曲力臂，；
——螺母材料的許用切應(yīng)力，由上圖得出取40MPa；
——螺母材料的需用彎曲應(yīng)力，由上表得出=45~55MPa。
由上述公式代數(shù)后得：
所以螺母螺紋牙的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度都滿足要求。
3.5 其他相關(guān)零部件設(shè)計
3.5.12 加強(qiáng)筋的設(shè)計
在本設(shè)計方案中，承受x方向的導(dǎo)軌重量及激光器等相關(guān)部件的重量，而加強(qiáng)筋能對承重的側(cè)板有一個很好的相對固定的作用。下圖為加強(qiáng)筋的相關(guān)尺寸設(shè)計。
加強(qiáng)筋
圖3-10 加強(qiáng)筋示意圖
圖3-11 加強(qiáng)筋正視圖
圖3-12 加強(qiáng)筋俯視圖
3.5.13 可調(diào)節(jié)支撐腿的設(shè)計
高精度儀器的加工理論上是要有可調(diào)節(jié)工作平臺水平的機(jī)構(gòu)，所以在方案中也補(bǔ)充了這一方面的設(shè)計。在設(shè)備的底部安裝可調(diào)節(jié)高度的支撐腿，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。
可調(diào)節(jié)支撐腿
圖3-13 支撐腿示意圖
每個支撐腿的上部分都通過兩顆螺釘與底板相連接，下部分是有一個通過螺紋配合實現(xiàn)高度升降打的支撐件，見下圖。
圖3-14 支撐腿裝配示意圖
a)上部分 b)下部分
圖3-15 支撐腿尺寸示意圖
本章小結(jié)
導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度對整體雕刻機(jī)的雕刻精度有著重要影響，所以本章對導(dǎo)軌的選型、尺寸的設(shè)計計算和壽命計算等方面都做了相應(yīng)的調(diào)查與設(shè)計計算。導(dǎo)軌與滑塊是激光雕刻機(jī)的主要運動副之一，它的壽命長短在一定意義上也決定了整個雕刻機(jī)的壽命，因而針對性的做了導(dǎo)軌的壽命的計算。
涉及了傳動副的類型選擇，及其強(qiáng)度、耐磨性的計算等。在絲桿的設(shè)計時，采用了市場上常用絲桿所用的材料，由于絲桿為標(biāo)準(zhǔn)件，因而只是針對性的對絲桿和螺母在自己的設(shè)計工況下運轉(zhuǎn)時的強(qiáng)度和耐磨性的校核計算。
最后對雕刻機(jī)的整體的一個補(bǔ)充和功能的加強(qiáng)完善。如整體平臺的升降功能，就是考慮到加工時的場地環(huán)境因素附加的一個功能。加強(qiáng)筋是為了增強(qiáng)側(cè)板的一個受力，對側(cè)板的一個加固作用。
4 電機(jī)及軸承的選擇計算
4 電機(jī)及軸承的選擇計算
4.6 電機(jī)的選擇及相關(guān)計算
可用于激光雕刻機(jī)的驅(qū)動方式有很多種，但為了能精確的實現(xiàn)加工終端的進(jìn)給，方案中要求相應(yīng)的反饋信號，這樣才能精確的保證實際的加工精度。在實際中可采用普通電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，再配合光柵或編碼器這樣的搭配方式。光柵或編碼器就是對加工的一個反饋信號的儀器。但是這種方案的最大的缺點就是其安裝要求高，難度大。還有一種驅(qū)動方式是伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的控制下的一種發(fā)動機(jī)，伺服系統(tǒng)能對發(fā)動機(jī)中的機(jī)械元件運轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，其也是一種補(bǔ)助馬達(dá)的間接變速的裝置。伺服電機(jī)不僅保證了進(jìn)給的精度非常準(zhǔn)確，還能精確的控制轉(zhuǎn)動的速度，將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。結(jié)合本研究課題的要求，最終選擇的是精確度高、自帶反饋的伺服電機(jī)。
在中國市場上最得到廣泛應(yīng)用的伺服電機(jī)是FANUC系列的電機(jī)，其中系列的伺服電機(jī)的特點是加速響應(yīng)性能好、精度高，扭矩范圍很大、適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性好，適合高加速車床。
表4-1 部分FANUC系列的電機(jī)型號參數(shù)表
根據(jù)上面公式的計算，在y方向上的電機(jī)要求其轉(zhuǎn)矩不小于300N.m,因而參照上表，在y方向上的電機(jī)可選擇型號為300/2000的，輸出功率為52kw，最大轉(zhuǎn)速為2000r/min,轉(zhuǎn)動慣量為0.079。該型號的電機(jī)采用的是的脈沖編碼器，其分辨率是1000000脈沖/rev。絲桿的螺距為5mm；因為伺服電機(jī)自帶輸出速度的控制，因而可將電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器直連，所以其減速比可看做1:1。當(dāng)要求輸入一個指令脈沖時，工件前進(jìn)0.001mm,那么當(dāng)走過一個螺距的距離，即電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈需要的個指令脈沖，在伺服電機(jī)中可調(diào)整電子齒輪比為5000:1000000。在x方向上也是用類似的計算方法，因而x方向上選用的電機(jī)型號為200/2500。
4.7 軸承的選用及校核
4.7.14 軸承的選型與校核計算
絲桿
軸承
圖4-1 軸承示意圖
軸承一端利用擋板沉孔定位，另一側(cè)則利用軸的軸肩定位。但利用這種定位方式時，則軸承在軸的軸向方向有一個止推的力，因而不能采用深溝球軸承。角接觸球軸承是一種既可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷的軸承，并能在較高的轉(zhuǎn)速下正常工作。所以選用代號為7201AC（）的角接觸球軸承。因為一端需作定位要求，軸需要被“壓緊”，因而采用兩軸承正裝的方法。
該軸承的參數(shù)：大徑32mm,小徑12mm，寬10mm，額定動載荷=5.25kN,額定靜載荷=3.04kN。
4.7.15 軸承的當(dāng)量動載荷計算
通過NX8.0軟件對軸的測定質(zhì)量m=0.69kg，所以;軸上受力為71.57N，而角接觸球軸承的派生軸向力的計算公式為：
(4-1)
由公式（4-1）算的=4.624N。
對被“壓緊”一端的軸承來說，。
其當(dāng)量動載荷為
（4-2）
式中，X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)，其值見《機(jī)械設(shè)計》表13-5，選用X=0.41,Y=0.87。所以算出P=69.077N。
4.7.16 軸承的壽命計算
軸承的壽命與軸承所受到的載荷的大小有關(guān)。軸承所承受的工作載荷越大，軸承內(nèi)的接觸應(yīng)力也就越大，磨損相對就打，從而影響壽命。當(dāng)軸承所受的當(dāng)量載荷P恰好為C時，其基本額定壽命為（C為基本額定動載荷）。在實際上，軸承分別收到徑向載荷和軸向載荷的作用。
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》的軸承壽命計算
實際計算，軸承基本額定壽命為（單位為：小時）：
（4-3）
式中：n為軸承的轉(zhuǎn)速；
為指數(shù)，對于球軸承，=3，對于滾子軸承，；
C為額定動載荷；
P為當(dāng)量載荷。
C額定動載荷為5.25kN,軸承轉(zhuǎn)速可取電機(jī)的最大速度進(jìn)行壽命計算，n=2000r/min
由公式（4-1）得：
（h） （4-4）
本章小結(jié)
電機(jī)作為激光雕刻機(jī)的驅(qū)動元件，在選擇上我做出了幾種方案的選擇。并考慮到精度的要求，在幾種方案中選擇了精度較高，且自帶反饋信號并能調(diào)速的伺服電機(jī)，從而避免了一些安裝時的問題。對適合方案條件的軸承進(jìn)行了選型，根據(jù)工況，對該軸承進(jìn)行了簡單的壽命計算和當(dāng)量載荷的計算。
5 運動仿真及結(jié)果分析
5 運動仿真及結(jié)果分析
通過建模后利用軟件對模型進(jìn)行運動仿真，并通過仿真得出一些數(shù)據(jù)。當(dāng)給定x和y方向上的速度相等時，理論上激光器走的軌跡是一個四分之一的圓弧曲線。下面是一些仿真的結(jié)果：
如下圖y軸上絲桿的一個有限元分析結(jié)果圖
圖5-1 y軸有限元結(jié)果圖
由絲桿的有限元分析可以看出在絲桿和螺母嚙合的部分（顏色紅色部分），其磨損較大。并且在絲桿與軸承配合的兩端有微小的形變。
X方向上的絲桿受到的徑向力如下圖所示
圖5-2 x軸徑向受力圖
下圖為y方向上的徑向受力圖
圖5-3 y軸受力圖
下面別分是x和y方向上滑塊的位移圖
圖5-4 x方向上的位移圖
圖5-5 y方向的位移圖
由兩個圖的比較得出，兩曲線的斜率是相同的，即兩滑塊的速度相等，因而重點軌跡應(yīng)該為一個四分之一的圓弧線。
側(cè)板的受力主要來自導(dǎo)軌的重力和絲桿的力。如下圖（5-6）為側(cè)板的受力示意圖，對側(cè)板做有限元分析得圖（5-7）應(yīng)力圖和圖（5-8）位移圖。
圖5-6 左側(cè)板受力示意圖
圖5-7 左側(cè)板應(yīng)力圖
圖5-8 左側(cè)板形變圖
由圖5-8可得，左側(cè)板在受力情況下左上角的位移形變量最大，約為1.77mm。在solidworks模擬工況下，其最終結(jié)果如圖5-9所示：
圖5-9 左側(cè)板工況模擬圖
由圖5-9可見，在工況下，取安全系數(shù)為1時，工件顯示為藍(lán)色，即側(cè)板的強(qiáng)度滿足條件。
對右側(cè)板做同樣的有限元分析，其結(jié)果如下圖所示：
圖5-10 右側(cè)板應(yīng)力圖
圖5-11 右側(cè)板形變圖
圖5-12 右側(cè)板工況模擬圖
由圖5-12可知，右側(cè)板也滿足強(qiáng)度要求。
結(jié)論
本研究課題通過對資料的查詢，對激光雕刻機(jī)導(dǎo)軌的類型和尺寸進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計，在設(shè)計中采用了燕尾型導(dǎo)軌和三角形的導(dǎo)軌，這樣的搭配有其獨特的好處。通過絲桿和雙螺母結(jié)構(gòu)的搭配，在一定程度上減小了絲桿的反向行程間隙，并做了一些模型的運動仿真。在現(xiàn)今市場上，激光雕刻機(jī)的種類有很多，但是都是以鏈?zhǔn)絺鲃踊蚬廨S為導(dǎo)軌的傳動方式。而本課題所采用的結(jié)構(gòu)是燕尾型的導(dǎo)軌，是激光雕刻機(jī)行業(yè)的一個新的嘗試，并能在理論上解決一些問題。今后，激光雕刻機(jī)行業(yè)正向著更精確、更高效率、更高性能的方向發(fā)展，因而本課題的研究相信會具有一定的參考價值。激光雕刻機(jī)的研究很有許多的細(xì)節(jié)部分能進(jìn)入詳細(xì)的分析，如一些裝置的壓緊裝置等等，希望將來能有機(jī)會做相關(guān)的研究。
參考文獻(xiàn)
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致謝
衷心感謝這幾個月來，穆為磊老師對課題的指導(dǎo)。從一開始拿到本課題到現(xiàn)在，讓我從對激光雕刻機(jī)一竅不通到現(xiàn)在能夠自行設(shè)計，真的讓我學(xué)到了許多的知識。畢業(yè)設(shè)計是一門整合四年大學(xué)生涯所學(xué)知識的學(xué)科，具有很大的綜合性，這幾個月下來能給一個人很大的歷練。感謝周圍同學(xué)的幫忙，因為有了相互的交流，才有相互的進(jìn)步，很高興能進(jìn)入這個大家庭，結(jié)交到這群來自五湖四海的兄弟姐妹。海納百川，取則行遠(yuǎn)，這不正符合學(xué)校的百年校訓(xùn)所要傳達(dá)給我們的精神嗎。真的很欣慰能夠成為中國海洋大學(xué)的一名學(xué)生，能成為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一名學(xué)子更是讓我覺得自豪，因為這個專業(yè)教會了我什么是創(chuàng)新、什么嚴(yán)謹(jǐn)。在此感謝各位老師給予我的教導(dǎo)和幫助！
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