YAG激光加工數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 學(xué) 院： 題 目：　　YAG激光加工數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)　 起 止 時(shí) 間： 　　2011.12.28－2012.6.2 　 學(xué) 生 姓 名： 　　　　 　　　 　 班 級(jí)： 　　　 　 　 指 導(dǎo) 老 師： 系 室 主 任： 院 長： 2011年12月28日 論文 (設(shè)計(jì)) 內(nèi)容及要求： 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原始依據(jù)（注：包括設(shè)計(jì)目的、原始數(shù)據(jù)、圖紙、實(shí)物樣品等。） （1）YAG數(shù)控工作臺(tái)的工作方式：主軸固定的三軸連動(dòng)系統(tǒng)； （2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm； （3）工作臺(tái)面積：長寬：500mm300mm； （4）中央基準(zhǔn)T型槽寬度：10H8； （5）T型槽寬度：10mm； （6）T型槽數(shù)：3條； （7）工作臺(tái)縱向行程：300mm； （8）工作臺(tái)橫向行程：250mm； （9）工作臺(tái)垂直行程：250mm； （10）進(jìn)給速度(X、Y、Z軸)：5 mm/min～1200 mm/min； （11）快速移動(dòng)速度(X、Y、Z軸)：≥1200 mm/min； （12）加工工件最大重量：50kg （13）精度要求：參照J(rèn)B/T 8329.1－1999數(shù)控床身銑床 精度檢驗(yàn)； GB/T 10931—1989 數(shù)字控制機(jī)床 位置精度的評(píng)定方法； GB/T 17421.1—1998 機(jī)床檢驗(yàn)通則 第1 部分：在無負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度。 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容（注：包括設(shè)計(jì)內(nèi)容、主要步驟等。） 1、市場(chǎng)調(diào)研、查閱數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)資料； 2、編寫開題報(bào)告； 3、YAG數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案論證； 4、YAG數(shù)控工作臺(tái)總裝配圖設(shè)計(jì)； 5、工作臺(tái)等零件圖設(shè)計(jì)； 6、YAG固體激光器加工系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)； 7、編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書； 三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基本要求（注：包括技術(shù)要求、工作量要求等。） 工作量要求： 1、工程圖繪制量一般不得少于折合成A0圖紙3張； 2、查閱與課題相關(guān)的文獻(xiàn)15篇以上； 3、翻譯與課題有關(guān)的外文資料至少1篇，譯文不少于2000漢字； 4、有中英文摘要，300字左右； 5、設(shè)計(jì)說明書的正文部分字?jǐn)?shù)不少于20000字； 6、應(yīng)積極使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖，計(jì)算機(jī)繪圖量不得少于總圖量的一半。 設(shè)計(jì)、計(jì)算要求： 1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算； 2、滾珠絲桿螺母副的選擇計(jì)算。 四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排（注：包括參考資料收集、開題報(bào)告、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、計(jì)算以及論文完成、答辯時(shí)間的詳細(xì)安排） 2011.12.26～2012.1.22：市場(chǎng)調(diào)研、查閱數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)資料、參觀激光加工現(xiàn)場(chǎng)，從而了解激光加工的工作原理與工作特性； 2012.3.1～2012.3.10：消化、吸收相關(guān)文獻(xiàn)資料的知識(shí)，編寫開題報(bào)告； 2012.3.11～2012.3.25：完成YAG數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案論證、及其相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行核算校正； 2012.3.26～2012.5.10：YAG數(shù)控工作臺(tái)總裝配圖設(shè)計(jì)、工作臺(tái)等零件圖設(shè)計(jì)、YAG固體激光器加工系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)； 2012.5.11～2012.5.22：編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 2012.5.23～2012.5.26：檢查設(shè)計(jì)圖和論文的錯(cuò)誤和不足之處，并進(jìn)行修改。 2012.5.27～2012.6.3：最終定稿，打印圖紙和畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯。 五、主要參考文獻(xiàn) 1、文懷興 夏田編著，《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》，化學(xué)工業(yè)出版社 2008； 2、董玉紅等主編，《數(shù)控技術(shù)》，高等教育出版社； 3、夏田主編，《數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)》，化學(xué)工業(yè)出版社 2006； 4、文懷興，夏田編著，《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，化學(xué)工業(yè)出版社 2005； 5、文懷興主編，《數(shù)控銑床設(shè)計(jì)》，化學(xué)工業(yè)出版社 2005； 6、張耀滿主編，《數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》，東北大學(xué)出版社 2007。 指導(dǎo)老師：　　　　 年 月 日 南華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題目 YAG激光加工數(shù)控工作臺(tái) 設(shè)計(jì)（論文）題目來源 自選課題 設(shè)計(jì)（論文）題目類型　 工程設(shè)計(jì)類 起止時(shí)間 2011.12.28-2012.6.2 一、 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義： 數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個(gè)國家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)水平在某種程度上就代表這個(gè)國家的制造業(yè)水平和競(jìng)爭(zhēng)力。但是我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平，性能和質(zhì)量與國外還有很大差距，技術(shù)含量較低的簡易數(shù)控車床及功能部件大多數(shù)靠進(jìn)口。 數(shù)控技術(shù)的問世已有40多年的歷史，它是由機(jī)械學(xué)、控制學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)四大基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來的一門綜合性新型學(xué)科。數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)控機(jī)床是工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，大力發(fā)展推廣應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，用數(shù)控技術(shù)改造傳統(tǒng)制造工業(yè)，振興我國機(jī)床工業(yè)，推進(jìn)信息化工程有著深遠(yuǎn)的意義。 本課題對(duì)于現(xiàn)有的YAG固體激光器數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用三維CAD，有限元分析和計(jì)算機(jī)輔助制造等先進(jìn)方法重新設(shè)計(jì)該數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給方式，使其采用操作方便、精度可靠的三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。 二、 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線） 主要研究的內(nèi)容： 1．研制出具有國內(nèi)先進(jìn)水平、高可靠性的三坐標(biāo)，并能實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)的50Kg數(shù)控工作臺(tái)； 2．尋求實(shí)現(xiàn)Z坐標(biāo)絲桿的平衡及制動(dòng)的最佳方案。 技術(shù)路線： 1.根據(jù)任務(wù)書上要求，搜集資料，利用有限元分析軟件對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行 分析計(jì)算，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)； 2. 以有限元分析軟件所得到的參數(shù)為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)、精度設(shè) 計(jì),同時(shí)考慮工作臺(tái)的加工、安裝、調(diào)整及維修工藝性； 3.零件幾何尺寸的設(shè)計(jì)以及彎曲、疲勞強(qiáng)度的校核； 4.用CAD繪制全部的零件圖及其裝配圖； 5.用PRO\E繪制全部的三維零件圖及其裝配圖。 三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)： 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于： 1．基于的數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元分析； 2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3．強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)工藝性； 4．?dāng)?shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)以及加工、安裝、調(diào)整及維修工藝性； 5．三維零件圖及其YAG固體激光器的三維裝配圖。 四、 設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）： 2011.12.26～2012.1.22：市場(chǎng)調(diào)研、查閱數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)資料、參觀激光加工現(xiàn)場(chǎng)，從而了解激光加工的工作原理與工作特性； 2012.3.01～2012.3.10：消化、吸收相關(guān)文獻(xiàn)資料的知識(shí)，編寫開題報(bào)告； 2012.3.11～2012.3.25：完成YAG數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)方案論證、及其相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行核算校正； 2012.3.26～2012.5.10：YAG數(shù)控工作臺(tái)總裝配圖設(shè)計(jì)、工作臺(tái)等零件圖設(shè)計(jì)、YAG固體激光器加工系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)； 2012.5.11～2012.5.22：編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 2012.5.23～2012.5.26：檢查設(shè)計(jì)圖和論文的錯(cuò)誤和不足之處，并進(jìn)行修改。 2012.5.27～2012.6.02：最終定稿，打印圖紙和畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯。 五、 進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件： 1、本項(xiàng)目有500WYAG固體激光器試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)制作數(shù)控工作臺(tái)的基礎(chǔ)； 2、本項(xiàng)目有研究過的500WYAG固體激光器一大批研究人員； 3、本項(xiàng)目可以綜合南華大學(xué)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和制造優(yōu)勢(shì)。 4、南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院具有易普機(jī)械設(shè)計(jì)專家、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、MATLAB、、CAXA-XP、STUDIO-VP等先進(jìn)的應(yīng)用軟件。 5、本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的軟、硬件基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備。 六、 指導(dǎo)教師意見： 簽 名： 年 月 日 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） YAG激光加工數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì) 摘要：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是YAG激光加工數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)。其中數(shù)控工作臺(tái)是該YAG激光器的主要組成部分。它決定了激光器的加工精度，它的每個(gè)方向的行程要滿足技術(shù)指標(biāo)，傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能滿足在給定使用條件下具有良好的三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)性和自鎖性。傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，制造、維修方便?？偝杉傲?、部件的設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化和產(chǎn)品系列化及機(jī)床變型的要求。在對(duì)數(shù)控傳動(dòng)系統(tǒng)的功能、工作原理進(jìn)行分析后，根據(jù)任務(wù)書對(duì)該系統(tǒng)的要求及伺服電機(jī)與滾珠絲桿的設(shè)計(jì)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)采用何種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了論證，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算。 關(guān)鍵詞：YAG；數(shù)控系統(tǒng)；三坐標(biāo) YAG laser processing CNC machine design Abstract：The graduation design topic is YAG laser processing CNC Table design. Numerical control worktable is the main component of YAG laser. It determines the laser machining accuracy, its each direction of travel to meet the technical indicators, the transmission system should be able to meet at a given condition has a good three coordinates movement and self-locking. The transmission system has the advantages of simple structure, convenient manufacture, repair. Assembly and spare parts, the design should meet the standardization of parts, components and serialization of products and machine tool variant requirements. In the numerical control drive system function, working principle is analyzed, according to the task the system requirements and servo motor and ball screw design, the transmission system adopts the structural form of the argument, and the structure design and calculation of optimization. Keywords: YAG ；numerical control；3coordinate 目 錄 1 緒 論................................................ ...1 1.1本設(shè)計(jì)研究的目的和意義.....................................1 1.2本設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀.....................................1 1.3目前存在的主要問題.............................................3 1.4本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法...............................4 2 總體方案設(shè)計(jì)....................................... .....5 2.1主要技術(shù)參數(shù)...................................................6 2.2運(yùn)動(dòng)形式.......................................................7 2.3導(dǎo)軌設(shè)計(jì).......................................................7 3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)......................................... ..10 3.1、X向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)..............................................12 3.2、Y向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)..............................................34 3.3、Z向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)..............................................34 4 Z方向平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)............................ .........49 5 機(jī)床總體布局的CAD......................................52 參考文獻(xiàn)...................................................58 謝辭..................................... ....... ..........59 附錄..................................... ........... ....61 iv 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 1.1 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義 機(jī)械制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國68％的社會(huì)財(cái)富來源于制造業(yè)，日本國民總產(chǎn)值的49％是由機(jī)械制造業(yè)提供的我國的機(jī)械制造業(yè)在工業(yè)總產(chǎn)值中也占40％可以說，沒有發(fā)達(dá)的機(jī)械制造業(yè)，就不可能有國家的真正繁榮的富強(qiáng)。而機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平，則是反映國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。提高加工效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量、快速更新產(chǎn)品，是機(jī)械制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志20世紀(jì)50年代初第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了日新月異的局面，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的應(yīng)用技術(shù)和最基本的裝備。而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國機(jī)械制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)，已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。 數(shù)控加工技術(shù)是一個(gè)國家繁榮昌盛的最根本的技術(shù)基礎(chǔ)之一，其重要作用正越來越被人們所認(rèn)識(shí)。數(shù)控加工技術(shù)是直接創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富的重要手段，是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，是發(fā)展各支柱產(chǎn)業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)各部門的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)水平的高低，可直接影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 國防力量的競(jìng)爭(zhēng)在一定程度上就是先進(jìn)制造技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。數(shù)控加工技術(shù)是先進(jìn)國防裝備產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)基礎(chǔ)。新型國防裝備的產(chǎn)業(yè)化常常落后于對(duì)其技術(shù)原理的掌握，這往往是受制于制造技術(shù)。重大制造技術(shù)的突破往往會(huì)帶來一批新裝備的出現(xiàn)。數(shù)控加工技術(shù)也是提高國防裝備性能和威力的重要因素。數(shù)控加工技術(shù)對(duì)我國機(jī)械制造業(yè)已有了飛速發(fā)展，然而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)的問題卻非常突出。這主要反映在機(jī)械產(chǎn)品國內(nèi)市場(chǎng)占有率近年來節(jié)節(jié)下降，已經(jīng)從改革初期的90％左右下降到70％左右。最突出的是機(jī)床，其國內(nèi)市場(chǎng)占有率從1991年的62％下降到1997年的36％。美國的一些機(jī)械企業(yè)早在1990年就已做到了“三個(gè)三”，即產(chǎn)品的生命周期為三年，產(chǎn)品的試制周期為三個(gè)月，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期為三個(gè)星期。 我國加工技術(shù)水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家存在著階段性差距。只有加快發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，改變加工技術(shù)的落后狀態(tài)，才能從根本上提高企業(yè)在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 1.2 本設(shè)計(jì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 當(dāng)今美國不僅生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，也為中小企業(yè)生產(chǎn)廉價(jià)實(shí)用的數(shù)控機(jī)床（如Haas、Fadal公司等）。其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，於1982年被後進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。 德國政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。特別講究“實(shí)際”與“實(shí)效”，堅(jiān)持“以人為本”，師徒相傳，不斷提高人員素質(zhì)。在發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，於1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床後，一直堅(jiān)持實(shí)事求是，講求科學(xué)精神，不斷穩(wěn)步前進(jìn)。德國特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)用戶產(chǎn)品、加工工藝、機(jī)床布局結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)和Heidenhain公司之精密光柵，均為世界聞名，競(jìng)相采用。 日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)（如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等）引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出於藍(lán)而勝於藍(lán)。日本也和美、德兩國相似，充分發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化，繼而全力發(fā)展中小批柔性生產(chǎn)自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床後，1978年產(chǎn)量（7342臺(tái)）超過美國（5688臺(tái)），至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位（2001年產(chǎn)量46604臺(tái)，出口27409臺(tái)，占59%）。戰(zhàn)略上先仿後創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年代開始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。在策略上，首先通過學(xué)習(xí)美國全面質(zhì)量管理(TQC)，變?yōu)槁毠ぷ杂X群體活動(dòng)，保產(chǎn)品質(zhì)量。進(jìn)而加速發(fā)展電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)入世界前列，為發(fā)展機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床開道。日本在發(fā)展數(shù)控機(jī)床的過程中，狠抓關(guān)鍵，突出發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。 我國的機(jī)械制造工業(yè)已具有一定的實(shí)力。機(jī)床工業(yè)高速發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)品除滿 足國內(nèi)建設(shè)需要外，還有部分產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國外。我國現(xiàn)已能生產(chǎn)小型儀表機(jī) 床、重型機(jī)床，各種精密的、高度自動(dòng)化的、高效率的機(jī)床。機(jī)床性能正在逐漸提高，有些機(jī)床性能已接近世界先進(jìn)水平。我國目前已能生產(chǎn)100多種數(shù)控機(jī)床，并研制出六軸五聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，可應(yīng)用于更加復(fù)雜型面的加工。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的分辨率已經(jīng)提高到0.001mm。我國機(jī)械制造工業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比還有很大差距。大部分高精度機(jī)床的性能還不能滿足要求，精度保持性差，特別是數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量、技術(shù)水平和質(zhì)量保證等方面都明顯落后，這主要是管理落后、專業(yè)化生產(chǎn)水平低，工藝落后也是主要因素。由于工藝水平落后，使產(chǎn)品研制出來后也不能迅速轉(zhuǎn)變成商品，即使從國外引進(jìn)的機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)，也不能形成批量生產(chǎn)。為此，機(jī)械工業(yè)部門提出了“加強(qiáng)工藝管理、嚴(yán)格工藝紀(jì)律為突破口，提高工藝水平，推行全面質(zhì)量管理，打一場(chǎng)提高產(chǎn)品質(zhì)量的硬仗”作為工藝工作的指導(dǎo)方針。這是振興我國機(jī)械工業(yè)的重大戰(zhàn)略措施之一。隨著電子、信息等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，隨著市場(chǎng)需求個(gè)性化與多樣化，在未來的21世紀(jì)中，加工技術(shù)將向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代加工設(shè)備的方向發(fā)展。而數(shù)控加工技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是：工藝設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué)，使工藝模擬技術(shù)得到迅速發(fā)展。 1.3 目前存在的主要問題 自動(dòng)化加工在現(xiàn)代機(jī)械加工中起著重要的作用，數(shù)控機(jī)床加工的高速度、高精度也越來越受到機(jī)械行業(yè)的青睞，在對(duì)數(shù)控設(shè)備的使用過程中，我們對(duì)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的認(rèn)識(shí)也在逐步走向成熟，如何能最大限度的發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工效率，我感覺有一些問題必須要解決。 　　 一、目前在企業(yè)中，尤其是國企中的基層技術(shù)干部、管理干部對(duì)數(shù)控機(jī)床加工的原理、對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的特性不了解，對(duì)零件加工工藝和程序的編制生疏，無法編制針對(duì)數(shù)控機(jī)床零件的加工工藝和科學(xué)性強(qiáng)的加工程序，也無法對(duì)數(shù)控設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的管理。先進(jìn)的加工方法，落后的管理手段極大的影響了數(shù)控機(jī)床效率的發(fā)揮。 　　 二、數(shù)控操作人員大部分來自普通機(jī)加工，文化素質(zhì)參差不齊，在對(duì)數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用中套用普通設(shè)備加工的思路，對(duì)數(shù)控機(jī)床高速切削的特性、數(shù)控刀具的選擇、切削參數(shù)的選擇缺乏科學(xué)性，加工程序的優(yōu)劣及加工效率的高低完全取決于操作工人素質(zhì)的高低，也就不能最大限度的發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的加工效率。 　　 三、由于特定的原因，數(shù)控設(shè)備的引進(jìn)系統(tǒng)繁雜，設(shè)備檔次不齊，給技術(shù)人員、操作人員的應(yīng)用和編程帶來很大困難。大大限制了零件的轉(zhuǎn)移加工。 　　 四、一般的系統(tǒng)內(nèi)存容量都不是很大，在加工零件種類繁多時(shí)，大量的加工程序因?yàn)闊o法存儲(chǔ)而不得不進(jìn)行反復(fù)的刪除和鍵入,有限的系統(tǒng)資源有時(shí)甚至無法存儲(chǔ)一個(gè)完整的復(fù)雜零件的加工程序。頻繁的重復(fù)的零件準(zhǔn)備工作浪費(fèi)了大量的工作時(shí)間,直接影響了數(shù)控機(jī)床的效率。加工程序反復(fù)編制也影響了程序的穩(wěn)定性。 　　 五、由于大量的加工程序是使用手工編制的,對(duì)復(fù)雜面的計(jì)算難于保證它的準(zhǔn)確性,也難于保證零件的加工要求,甚至出現(xiàn)廢品。 　　 六、現(xiàn)在企業(yè)大部分建立了自己的局域網(wǎng),在計(jì)算機(jī)中大量使用了CAD/CAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助編程軟件.而現(xiàn)在企業(yè)也正逐步實(shí)現(xiàn)CIMS管理體系,但基層缺乏與上層技術(shù)部門銜接的環(huán)境,因而無法獲得技術(shù)部門的有力支持。 1.4 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法 1）關(guān)鍵問題 (1)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算：主要解決Z坐標(biāo)平衡的技術(shù)難題。 (2)重要零部件選型設(shè)計(jì)：主要遴選國內(nèi)能用于本項(xiàng)目的零部件，進(jìn)行性能價(jià)格比較。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到性能價(jià)格比較好。 (3)重要零部件的強(qiáng)度校核與優(yōu)化：本項(xiàng)目的一個(gè)重要內(nèi)容是進(jìn)行重要零部件的數(shù)字化設(shè)計(jì)。 (4)總裝圖與零件圖的計(jì)算機(jī)繪制：本項(xiàng)目的所有圖紙均采用電子文本，部分重要零部件采用三維圖，并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬裝配，以求減少設(shè)計(jì)失誤。本項(xiàng)目的這個(gè)研究內(nèi)容也是該產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)重要內(nèi)容之一，這項(xiàng)研究可以提升我國在這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)水平。 (5)本項(xiàng)目的制造工藝研究：解決大型焊接件的焊接工藝；解決高精度數(shù)控系統(tǒng)制造工藝問題。 2）研究方法 文獻(xiàn)查閱研究、實(shí)體操作、功能分析、調(diào)差法 2 總體方案設(shè)計(jì) 在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初級(jí)階段，人們通常認(rèn)為任何設(shè)計(jì)優(yōu)良的傳統(tǒng)機(jī)床只要裝備了數(shù)控裝置就能成為一臺(tái)完善的數(shù)控機(jī)床。當(dāng)時(shí)采取的主要方法是在傳統(tǒng)的機(jī)床上進(jìn)行改裝，或者以通用機(jī)床為基礎(chǔ)進(jìn)行局部的改進(jìn)設(shè)計(jì)，這些方法在當(dāng)時(shí)還是很有必要的。但隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點(diǎn)，對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)率、加工精度和壽命提出了更高的要求。因此，傳統(tǒng)機(jī)床的一些弱點(diǎn)(例如結(jié)構(gòu)剛性不足、抗振性差、滑動(dòng)面的摩擦阻力較大及傳動(dòng)元件中的間隙等)就越來越明顯地暴露出來，它的某些基本結(jié)構(gòu)限制著數(shù)控機(jī)床技術(shù)性能的發(fā)揮。現(xiàn)以機(jī)床的精度為例，數(shù)控機(jī)床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它要求在相當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)能達(dá)到較高的精度。當(dāng)進(jìn)給速度范圍在5-15000mm/min，最大加速度為1500mm/s2時(shí)，定位通常精度為±0.05～0.015mm；進(jìn)行輪廓加工時(shí)，在5-2000mm/min的進(jìn)給范圍內(nèi)，精度為0.02～0.05mm。如此高的加工要求就不難理解遠(yuǎn)在二十多年前已逐步由改裝現(xiàn)有機(jī)床轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)數(shù)控的要求設(shè)計(jì)新機(jī)床的原因。 用數(shù)控機(jī)床加工中、小批量工件時(shí)，要求在保證質(zhì)量的前提下比傳統(tǒng)加工方法有更好的經(jīng)濟(jì)性。數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，因此每小時(shí)的加工費(fèi)用比傳統(tǒng)機(jī)床的要高。如果不采取措施大幅度地壓縮單件加工工時(shí)，就不可能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效果。刀具材料的發(fā)展使切削速度成倍地提高，它為縮短切削時(shí)間提供了可能；加快換刀及變速等操作，又為減少輔助時(shí)間創(chuàng)造了條件。然而這些要求將會(huì)明顯地增加機(jī)床的負(fù)載和負(fù)載狀態(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，因而對(duì)機(jī)床的剛度及壽命都提出了新的要求。此外，為了縮短裝夾與運(yùn)送工件的時(shí)間，以及減少工件在多次裝夾中所引起的定位誤差，要求工件在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床上的一次裝夾中能先后進(jìn)行粗加工和精加工，要求機(jī)床既能承受粗加工時(shí)的最大切削功率，又能保證精加工時(shí)的高精度，所以機(jī)床的結(jié)構(gòu)必須具有很高的強(qiáng)度、剛度和抗振性。除了排除操作者的技術(shù)熟練程度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，以避免人為造成的廢品和返修品，數(shù)控系統(tǒng)不但要對(duì)刀具的位置或軌跡進(jìn)行控制，而且還要具備自動(dòng)換刀和補(bǔ)償?shù)绕渌δ埽蚨鴻C(jī)床的結(jié)構(gòu)必須有很高的可靠性，以保證這些功能的正確執(zhí)行。在數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的情況下，為了使數(shù)控機(jī)床能以足夠多的功能和相對(duì)低廉的銷售價(jià)格推向市場(chǎng)，設(shè)計(jì)者為此付出了巨大的努力。通用型數(shù)控機(jī)床雖然能夠很好地滿足各類用戶的需求，但由于機(jī)床的功能過于齊全，使售價(jià)提高，用戶不得不為多余的功能承擔(dān)額外的費(fèi)用，成本的上升必然會(huì)削弱產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力；而專用型數(shù)控機(jī)床對(duì)某具體的零件雖然具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但它限制了加工對(duì)象的品種變化，使生產(chǎn)柔性下降。 模塊化設(shè)計(jì)思想正是為解決上述矛盾而提出的，它靈活的機(jī)床配置使用戶在數(shù)控機(jī)床的功能、規(guī)格方面有更多的選擇余地，做到既能滿足用戶的加工要求，又盡可能不為多余的功能承擔(dān)額外的費(fèi)用。 數(shù)控機(jī)床通常由床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)、刀架系統(tǒng)及電氣總成等部件組成。如果把各種部件的基本單元作為基礎(chǔ)，按不同功能、規(guī)格和價(jià)格設(shè)計(jì)成多種模塊，用戶可以按需要選擇最合理的功能模塊配置成整機(jī)。這不僅能降低數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造成本，而且能縮短設(shè)計(jì)和制造周期，最終贏得市場(chǎng)。目前，模塊化的概念已開始從功能模塊向全模塊化方向發(fā)展，它已不局限于功能的模塊化，而是擴(kuò)展到零件和原材料的模塊化。 數(shù)控機(jī)床的機(jī)電一體化是對(duì)總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的重要要求。它是指在整個(gè)數(shù)控機(jī)床功能的實(shí)現(xiàn)以及總體布局方面必須綜合考慮機(jī)械和電氣兩方面的有機(jī)結(jié)合。新型數(shù)控機(jī)床的各系統(tǒng)已不再是各自不相關(guān)聯(lián)的獨(dú)立系統(tǒng)。最具典型的例子之一是數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)已不再是單純的齒輪和帶輪的機(jī)械傳動(dòng)，而更多的是由交流伺服電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的電主軸。電氣總成也已不再是單純游離于機(jī)床之外的獨(dú)立部件，而是在布局上和機(jī)床結(jié)構(gòu)有機(jī)地融為一體。由于抗干擾技術(shù)的發(fā)展，目前已把電力的強(qiáng)電模塊與微電子的計(jì)算機(jī)弱電模塊組合成一體，既減小了體積，又提高了系統(tǒng)的可靠性。 2.1 主要技術(shù)參數(shù)： （1）YAG數(shù)控系統(tǒng)工作方式：主軸固定的三軸連動(dòng)系統(tǒng)； （2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm； （3）工作臺(tái)面積：長寬：500mm300mm； （4）中央基準(zhǔn)T型槽寬度：10H8； （5）T型槽寬度：10mm； （6）T型槽數(shù)：3條； （7）工作臺(tái)縱向行程：300mm； （8）工作臺(tái)橫向行程：250mm； （9）工作臺(tái)垂直行程：250mm； （10）進(jìn)給速度(X、Y、Z軸)：5 mm/min～1200 mm/min； （11）快速移動(dòng)速度(X、Y、Z軸)：≥1200 mm/min； （12）加工工件最大重量：50kg 2.2 運(yùn)動(dòng)形式 YAG激光器屬于典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)除了要求一定的精度之外。另外一個(gè)特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單。目前市場(chǎng)上主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)： （1）、工作臺(tái)移動(dòng)方式 這種結(jié)構(gòu)就是工件至于工作臺(tái)上由進(jìn)給電機(jī)拖動(dòng)其做X、Y方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)是工作臺(tái)太重電動(dòng)機(jī)消耗功率大。 （2）、龍門架移動(dòng)式 這種結(jié)構(gòu)類似龍門銑床。X、Z方向在橫梁上。Y方向則由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)龍門架移動(dòng)，工作臺(tái)則固定不動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡單、電動(dòng)機(jī)消耗功率小、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。 本產(chǎn)品采用的是市場(chǎng)上流行的第一種方案，即工作臺(tái)移動(dòng)式設(shè)計(jì)。采用這種結(jié)構(gòu)可以使我們的激光器運(yùn)行平穩(wěn)，精度高整機(jī)質(zhì)量較輕。 對(duì)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，我們采用了滾珠直線導(dǎo)軌副。 該激光器的數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)將采用三軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式。對(duì)于Z方向上的平衡問題將采用液壓節(jié)流閥來進(jìn)行調(diào)節(jié)。 2.3 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度不僅受到機(jī)床零部件的加工精度、裝配精度、剛度及熱變形的影響，而且與運(yùn)動(dòng)件的摩擦特性有關(guān)。 數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)(或拖板)的位移量是以脈沖當(dāng)量作為它的最小單位，通常要求既能以高速又能以極低的速度運(yùn)動(dòng)。為了使工作臺(tái)能對(duì)數(shù)控裝置的指令作出準(zhǔn)確的響應(yīng)，就必須采取相應(yīng)的措施。 目前使用的滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌在摩擦阻尼特性方面存在著明顯的差別。對(duì)于一般滑動(dòng)導(dǎo)軌，如果啟動(dòng)時(shí)作用力克服不了數(shù)值較大的靜摩擦力，這時(shí)被傳動(dòng)的工作臺(tái)并不能立即運(yùn)動(dòng)，作用力只能使一連串的傳動(dòng)元件(如步進(jìn)電機(jī)、齒輪、絲杠及螺母等)產(chǎn)生彈性變形，并儲(chǔ)存了能量。當(dāng)作用力超過靜摩擦力時(shí)，彈性變形恢復(fù)，使工作臺(tái)突然向前運(yùn)動(dòng)。這時(shí)由靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，其數(shù)值就明顯減小，使工作臺(tái)產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)。由于工作臺(tái)的慣性，使它沖過了平衡點(diǎn)而使工作臺(tái)偏離了給定的位置。由于滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌的靜摩擦力較小，而且很接近于動(dòng)摩擦力，加上潤滑油的作用，使它們的摩擦力隨著速度的提高而增大，這就有效地避免了人們十分關(guān)心的所謂“低速爬行”，從而提高了定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。因此數(shù)控機(jī)床普遍采用滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。 滾動(dòng)導(dǎo)軌塊是近三十年發(fā)展起來的新型支承元件。由標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌塊構(gòu)成的滾動(dòng)導(dǎo)軌效率高、靈敏性好、壽命長、潤滑簡單及裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)械。 由于滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌降低了摩擦力，相應(yīng)地減小了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩，因此可以使用較小功率的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在輪廓控制系統(tǒng)中，由于減小了電動(dòng)機(jī)尺寸和慣性矩，這就顯著地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 在點(diǎn)位直線或輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，它經(jīng)常受到變化的切削力，如果傳動(dòng)裝置有間隙或剛性不足，則過小的摩擦阻力反而是有害的，因?yàn)樗鼘?huì)產(chǎn)生振動(dòng)。針對(duì)這一情況，除了提高傳動(dòng)剛度之外，還可以采用滑動(dòng)—滾動(dòng)混合導(dǎo)軌，以改善系統(tǒng)的阻尼特性。 除了滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌以外，近二十多年來廣泛采用了由聚四氟乙烯制成的貼塑導(dǎo)軌，它具有更為良好的摩擦特性、耐磨性和吸振作用。 在進(jìn)給系統(tǒng)中用滾珠絲杠代替滑動(dòng)絲杠也可以收到同樣的效果，目前數(shù)控機(jī)床幾乎無一例外地采用了滾珠絲杠傳動(dòng)。 數(shù)控機(jī)床(尤其是開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床)的加工精度在很大程度上取決于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的精度。除了減少傳動(dòng)齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個(gè)重要措施是采用無間隙傳動(dòng)副，用同步帶傳動(dòng)代替齒輪已成為一種趨勢(shì)。對(duì)于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補(bǔ)償裝置進(jìn)行螺距精度補(bǔ)償。 在導(dǎo)軌設(shè)計(jì)上傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床采用的是兩種方式： （1）、滑動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 即采用圓柱導(dǎo)軌這種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的優(yōu)點(diǎn)。但是存在間隙不可調(diào)的問題。而且存在低速爬行現(xiàn)象，種種滑動(dòng)導(dǎo)軌普遍存在的現(xiàn)象嚴(yán)重影響了激光器精度。（因?yàn)榧す馄骷庸さ能壽E比較復(fù)雜） （2）、滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分雕刻機(jī)都采用的是滾動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。這種導(dǎo)軌對(duì)比滑動(dòng)導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①摩擦系數(shù)小，摩擦系數(shù)一般在0.0025~0.005范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)靈活。 ②動(dòng)、靜摩擦系數(shù)基本相同啟動(dòng)阻力小，不易產(chǎn)生爬行，低速運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好。 ③可以預(yù)緊，提高剛度和抗振性，能承受較大的沖擊和振動(dòng)。 ④定位精度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、微量位移準(zhǔn)確。 ⑤保養(yǎng)方便，可以脂潤滑，一次裝填。長期使用。 ⑥壽命長，使用耐磨材料制作，摩擦小，精度保養(yǎng)性好。 對(duì)于滾動(dòng)導(dǎo)軌又主要采取兩種形式，一種為方形滾動(dòng)導(dǎo)軌，另一種為圓形滾動(dòng)導(dǎo)軌（這種滾動(dòng)導(dǎo)軌由一根光軸和幾個(gè)直線軸承組成。直線軸承軸上移動(dòng)組成滾動(dòng)導(dǎo)軌）比較方形滾動(dòng)導(dǎo)軌和圓形滾動(dòng)導(dǎo)軌兩者各有優(yōu)點(diǎn)，方形滾動(dòng)導(dǎo)軌承載能力強(qiáng)。但是安裝調(diào)比較麻煩并且成本高。圓形滾動(dòng)導(dǎo)軌安裝容易，但間隙不好調(diào)整。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的激光器精度特別高，綜合考慮確定采用交叉滾柱滾動(dòng)導(dǎo)軌。這樣成本可以降低又能夠達(dá)到我們的要求。 3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)必須保證由計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)角位移或直線位移，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨(dú)立的，也可以是聯(lián)動(dòng)的?？偟恼f來，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)三個(gè)方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的主要措施有如下要求： （1）提高系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)剛度 傳動(dòng)剛度高對(duì)開環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的重要性在于開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)需將計(jì)算機(jī)控制指令忠實(shí)可靠地轉(zhuǎn)換成要求的機(jī)械位移。由于開環(huán)系統(tǒng)不再有檢測(cè)元件檢查運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移，這種轉(zhuǎn)換精度決定了加工的精度。對(duì)于閉環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)，傳動(dòng)剛度高有利于減小進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的超調(diào)和振蕩，有助于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)剛度的措施主要有以下幾項(xiàng)。 1．提高傳動(dòng)元件的剛度 傳動(dòng)元件的變形會(huì)導(dǎo)致指令脈沖的丟失或傳動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響加工精度和質(zhì)量。 2．消除傳動(dòng)元件之間的間隙 傳動(dòng)元件之間的間隙會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)反向時(shí)指令脈沖的 丟失或系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。盡管穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差可采取輸人補(bǔ)償脈沖的方法加以補(bǔ)償，但由于剛度不足和反向間隙造成的誤差帶有很大的隨機(jī)性，完全精確補(bǔ)償是不可能的。 3．盡可能縮短進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的長度 縮短進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的長度有助于提高數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)剛度，然而，進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)鏈的縮短首先要求伺服電機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩能滿足加工精度、生產(chǎn)率和快速運(yùn)動(dòng)的需要。目前一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的調(diào)速范圍為0～24m／min，先進(jìn)的已達(dá)到0～240m／min。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的方案。隨著直線伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的不斷提高，由電機(jī)直接帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)已成為現(xiàn)實(shí)。直接驅(qū)動(dòng)取消了包括絲杠在內(nèi)的所有機(jī)械傳動(dòng)元件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的“零傳動(dòng)”。豐田工機(jī)、LKUMA等公司機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)，最高加速度達(dá)2g，快速移動(dòng)速度達(dá)100～120m/min。 4、采用預(yù)緊措施 預(yù)加載荷可以消除滾動(dòng)摩擦傳動(dòng)副的間隙和提高其傳動(dòng)剛度，也可以提高傳動(dòng)元件的剛度。如絲杠可采用兩端軸向固定和預(yù)拉伸的方法來提高其傳動(dòng)剛度。 （2）采用低而穩(wěn)定摩擦的傳動(dòng)副 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用剛度高摩擦系數(shù)小而穩(wěn)定的滾動(dòng)摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等，聚四氟乙烯導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌由于其摩擦系數(shù)小，阻尼大，也為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)所采用。 （3）提高傳動(dòng)件精度 高質(zhì)量的機(jī)械傳動(dòng)配合與高性能的伺服電機(jī)使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能有了大幅度提高，隨著控制系統(tǒng)分辨率從0.001mm提高到0.0001mm，普通精度級(jí)數(shù)控機(jī)床的定位精度目前已從0.012mm／300mm提高到±0.005～0.008mm／300mm，精密級(jí)的定位精度已從0.005mm／全行程提高到±0.0015～0.003mm／全行程，重復(fù)定位精度也已提高到0.001mm。 由于在提高傳動(dòng)精度和剛度、消除間隙等方面的努力，使數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，即伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力和機(jī)械傳動(dòng)裝置的加速能力方面已有了大幅度提高，過渡過程時(shí)間已能控制在200ms之內(nèi)，正在向提高到幾十毫秒之內(nèi)發(fā)展。隨著快速響應(yīng)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，進(jìn)給速度已能達(dá)到24m／min(分辨率0.1μm)，快速進(jìn)給速度已能達(dá)到100m／min(分辨率0.1μm)。 （4）進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件 為保證伺服進(jìn)給系統(tǒng)工作的精度、剛度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要要求是高精度、 高剛度、低摩擦和低慣量。為此，對(duì)于關(guān)鍵元件的正確選擇和使用是至關(guān)重要的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和反饋元件的選用也很重要，將在其它章節(jié)介紹。 在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。決定采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的形式，采用這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有以下幾個(gè)好處： （1）減少傳動(dòng)鏈容易能夠達(dá)設(shè)計(jì)要求 （2）結(jié)構(gòu)緊湊。 經(jīng)過以上方案比較之后我們確定總體方案為：進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式為工作臺(tái)移動(dòng)，導(dǎo)軌為交叉滾柱導(dǎo)軌導(dǎo)軌。 在YAG激光器數(shù)控系統(tǒng)中存在三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)X、Y、Z，因此存在三個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我們的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)采用的形式如我們?cè)诳傮w方案設(shè)計(jì)中所述， 其具體設(shè)計(jì)如下： 3.1 X向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲桿副，采用絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母平動(dòng)得方式帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，動(dòng)力源將采用高精度伺服電機(jī)，通過膜片型伺服電機(jī)聯(lián)軸器帶動(dòng)，因?yàn)樵撔图す馄鳑]有切削力，并且對(duì)精度等級(jí)比較高，所以將采用滾動(dòng)導(dǎo)軌副。 3.1.1 X向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖。其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)足在絲杠和螺母的圓弧螺旋槽之間裝有滾珠作為傳動(dòng)元件，因而摩擦系數(shù)小，傳動(dòng)效率可達(dá)90％～95％，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差小，在施加預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動(dòng)平穩(wěn)，無間隙，不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度都較高，是目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖 1—內(nèi)滾道 2—外滾道 當(dāng)絲杠螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠在內(nèi)外弧形螺紋形的滾道內(nèi)滾動(dòng)，為保持絲杠螺母連續(xù)工作，滾珠通過螺母上的返回裝置完成循環(huán)。按照滾珠的循環(huán)方式，滾珠絲杠螺母副分成內(nèi)循環(huán)方式和外循環(huán)方式兩大類(見圖3-1)。內(nèi)循環(huán)方式指在循環(huán)過程中滾珠始終保持和絲杠接觸。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，但要求制造精度較高。外循環(huán)方式則在循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，制造相對(duì)容易些。 圖3-1 滾珠絲杠螺母副按精度分成4種類型(見表3—1)，又按其循環(huán)方式和消除間隙的方法分成15種結(jié)構(gòu)。 表3-1 通過預(yù)緊可以消除間隙保證換向精度是滾珠絲杠螺母副的特點(diǎn)。通常消除間隙的方法是采用雙螺母結(jié)構(gòu)。雙螺母消除間隙的結(jié)構(gòu)主要有三種形式： 1． 墊片調(diào)隙式 如圖3-2所示，調(diào)整墊片厚度可通過改變兩個(gè)螺母間位移消除傳動(dòng)副的軸向間隙。它的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、剛度高、裝卸方便，但調(diào)整比較困難。 圖3-2 2． 螺紋調(diào)隙式 如圖3-3所示，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺母改變兩個(gè)螺母間位移來消除傳動(dòng)副的軸向間隙。它的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整方便，在出現(xiàn)磨損后還可以隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整。缺點(diǎn)是軸向尺寸較長，會(huì)增加絲杠螺紋部分的長度。 圖3-3 3．齒差調(diào)隙式 如圖3-4所示，在兩個(gè)螺母1、5的端面法蘭上分別加工出外齒Z1和Z2，并各自裝入對(duì)應(yīng)的內(nèi)齒圈6中。內(nèi)齒圈通過螺釘固定在螺母外的套筒3端面。通常兩個(gè)外齒輪相差1齒(如Z1=100，Z2=99)。當(dāng)調(diào)整間隙時(shí)，將兩個(gè)外齒輪從內(nèi)齒圈中抽出并相對(duì)內(nèi)齒圈分別同向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒，然后插回原內(nèi)齒圈中。此時(shí)，兩個(gè)螺母間產(chǎn)生的相對(duì)位移為： (3－1) 式中，P為絲杠的螺距。當(dāng)P=10mm時(shí)，間隙的調(diào)整量為0.001mm。由此可見，此方法可實(shí)現(xiàn)精密微調(diào)，預(yù)緊可靠，不會(huì)發(fā)生松動(dòng)。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但仍然得到廣泛應(yīng)用。 圖3-4 （1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 ：滾柱絲杠副的導(dǎo)程（mm） ：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度（m/min） ：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min） ：傳動(dòng)比 因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，=1 由技術(shù)要求1查得 代入得， 按推薦組合標(biāo)準(zhǔn)，取 ? （2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 1).最小載荷 機(jī)器空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力。如工作臺(tái)重量引起的摩擦力。 因?yàn)檫x用滾珠絲桿所以摩擦系數(shù)為0.005，工作臺(tái)重量為30kg，所以 2).最大載荷?? ? 3).滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速及當(dāng)量載荷Fm： 珠絲杠副在n1,n2,n3…各種轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)速工作時(shí)間占總時(shí)間的百分比分別為t1%, t2%, t3%,…tn%,所受載荷分別是F1,F2,F3…。 當(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時(shí)，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)均等時(shí)，可采用下列公式計(jì)算： ????? 所以r/min （3）預(yù)期額定動(dòng)載荷 1） 按預(yù)期工作時(shí)間估算 輕微沖擊取w=1.0 精度等級(jí)?。? 可靠性系數(shù)＝1 預(yù)期工作時(shí)間＝15000H 帶入得＝85.41N （4）確定允許的最小螺紋底徑 （1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量 ?① ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度 ?② ≤（1/4～1/5）定位精度 : 最大軸向變形量（μm） 可查資料《數(shù)控床身銑床精度檢驗(yàn)》得：重復(fù)定位精度16μm, 定位精度25μm ?? ① =4 ?? ② =5 取兩種結(jié)果的小值=4μm (2）估算最小螺紋底徑 ?絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 ：最小螺紋底徑（mm） (1.1～1.2)行程+（10～14） 已知：行程為300mm, 代入得 （5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào) （1）FF型 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付 （2）?由計(jì)算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副 FF1605-3 （6）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 N （7）行程補(bǔ)償值與與拉伸力 （1）行程補(bǔ)償值 ?? 式中： (2) 預(yù)拉伸力 代入得 （8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格 （1）軸承所承受的最大軸向載荷 ??? 代入得 ??? （2）軸承類型 兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60°角接觸推力球軸承 （3）軸承內(nèi)徑 ? d 略小于 取 代入得 ?? （4）軸承預(yù)緊力 預(yù)加負(fù)荷≥ （5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格 ??? 當(dāng)d=12mm? 預(yù)加負(fù)荷為：≥FBP ????? 所以選70001P軸承 ????????? d=12mm （9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) 1) 絲杠螺紋長度Ls： Ls=Lu+2Le? 由查得余程Le=20 繪制工作圖 （2）兩固定支承距離L1 按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸 絲杠全長L （3）行程起點(diǎn)離固定支承距離L0 由工作圖得 Ls=420 L=470 （10)電機(jī)選擇 1）.作用在滾珠絲杠副各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算。 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩T(N.m) 式中　　 ——滾珠絲杠副導(dǎo)程 η——未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率 1、2、3級(jí)精度的絲杠η＝0.9 4級(jí)精度的絲杠η＝0.85 F——作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計(jì)算電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械是空載起動(dòng)時(shí)，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計(jì)算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）。 ＝T 2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL(kg.m2)及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(kg.m2)的計(jì)算。 式中　 ——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min） ——各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min） ——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min） 絲桿直徑為16mm＝0.016m,長415mm＝0.415m 工件工作臺(tái)慣量 絲桿慣量 所以 按照要求所以選取北京和時(shí)利40CB005C-2DE6E 3).最大加速轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電機(jī)從靜止升速至 ? 式中?? n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min） ta加速時(shí)間（s） ta ≈(3-4)或者按性能要求自行規(guī)定。 ——電機(jī)時(shí)間常數(shù)?？刹殡姍C(jī)樣本 可得到滿足要求。 40CB系列交流伺服電機(jī) 絕緣電阻——500VDC 100MW Min ????? 絕緣強(qiáng)度——1500VAC 1Minute ????? 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃ ????? 絕緣等級(jí)——B級(jí) 技術(shù)參數(shù) 單位 伺服電機(jī)型號(hào) 40CB005C-2DE6E 貨物編碼 ? 031601 額定輸出功率 W 50 額定轉(zhuǎn)矩 N.m 0.16 瞬間最大轉(zhuǎn)矩 N.m 0.48 額定轉(zhuǎn)速 rpm 3000 最高轉(zhuǎn)速 rpm 3600 電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 kg.cm2 0.0429 轉(zhuǎn)矩系數(shù) N.m/A 0.13 額定相電流 A 1.03 瞬間最大相電流 A 3.09 電樞繞阻相電阻 Ω 5.87 電樞繞阻相電感 10.2 機(jī)械時(shí)間常數(shù) ms 1.53 電氣時(shí)間常數(shù) ms 1.74 重量 kg 0.58 編碼器 P/R 2500 負(fù)載慣量 ? 負(fù)載慣量≤電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量×10（倍） 適配驅(qū)動(dòng)器 ? GS0020A 外形尺寸 單位:mm （11)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 （1）絲杠抗壓剛度 ?? 1）絲杠最小抗壓剛度 =6.6x ：最小抗壓剛度（N/um） d2? ：絲杠底徑 L1?? ：固定支承距離 =265 N/um 2） 絲杠最大抗壓剛度 x ：最大抗壓剛度（N/um） =664 N/m 3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 KC ：滾珠和滾道的接觸剛度（N/um） KC?：查樣本上的剛度（N/um） FP? ：滾珠絲杠副預(yù)緊力（N） Ca? ：額定動(dòng)載荷（N） 由樣本查得： 得KC=200 N/um （12)剛度驗(yàn)算及精度選擇 （1） = = 0.0297 N/m = 0.0237 ?N/m F0 = 已知W1=? 294N ，? =0.005 F0=1.47? N ——靜摩擦力（N） ——靜摩擦系數(shù) W1?——正壓力（N） （2） 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 ：傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（N） 已知反向差值或重復(fù)定位精度為16 =33.67＞14.7 （3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 =0.008m （4）確定精度? ?? V300p? ：任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言， ? V300p≤0.8×定位精度- 定位精度為16um/300 V300p＜12.8um 絲杠精度取為3級(jí) V300p=12um＜12.8 (5)?確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào) 已確定的型號(hào)：FF 公稱直徑：16?? 導(dǎo)程：5 螺紋長度：380 絲杠全長：470 P類1級(jí)精度 FF1605-1-P3/380×470 （13)驗(yàn)算臨界壓縮載荷?? 絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預(yù)拉伸力F不用驗(yàn)算。 （14)驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 :臨界轉(zhuǎn)速（n/min） f：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ：絲杠底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度(mm) 由表得f=21.9 由樣本得d2=12.9 由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0 2097＞=1500 (15) 驗(yàn)算： ——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm） ——滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速（n/min） ≈16.4mm =1200r/min 19680＜70000 （16)滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)注（略） 表1 支承方式 簡 圖 K2 　λ f 一端固定 一端自由 0.25 1.875 3.4 一端固定 一端游動(dòng) 2 3.927 15.1 二端支承 1 3.142 9.7 二端固定 4 4.730 21.9 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副尺寸系列 3.1.2 X向?qū)к壴O(shè)計(jì)計(jì)算 導(dǎo)軌副約束執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)，保證其正確運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的工作性能有重要影響。數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)軌主要是直線型的?；剞D(zhuǎn)型導(dǎo)軌在加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上也有應(yīng)用，其工作原理和特點(diǎn)與直線型導(dǎo)軌是相同的。 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別小，啟動(dòng)阻力小，能微量準(zhǔn)確移動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行。因而運(yùn)動(dòng)靈活，定位精度高，通過預(yù)緊可以提高剛度和抗振性，承受較大的沖擊和振動(dòng)，壽命長。和靜壓導(dǎo)軌相比，其結(jié)構(gòu)簡單，保養(yǎng)方便，是適合數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用比較理想的導(dǎo)軌元件。 1．滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 圖3—5是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。它是一種滾動(dòng)體為圓珠的單元式標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件，相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面經(jīng)研磨成四列圓弧溝槽，滾珠鎖定在保持架上，通過合成樹脂的端面檔塊(圖中未畫出)實(shí)現(xiàn)順暢地循環(huán)滾動(dòng)。導(dǎo)軌溝槽圓弧的曲率為滾動(dòng)體的52％—53％，因而滾珠在負(fù)荷方向?yàn)閮牲c(diǎn)接觸，即使制造有誤差仍能保持滾珠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，而且由于兩者直徑相差不大，接觸應(yīng)力小，運(yùn)動(dòng)約束好。單元式滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在制造時(shí)已消除了間隙，因而剛度和精度都較高。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌在裝配平面上采用整體安裝的方法，因而即使安裝平面有些偏差，也能因自身變形的矯正而保證滾珠仍然能順暢地滾動(dòng)。 圖3-5 2．滾動(dòng)導(dǎo)軌塊 滾動(dòng)導(dǎo)軌塊是一種圓柱滾動(dòng)體的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件。圖3—6是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，工作時(shí)滾動(dòng)體在導(dǎo)軌塊和支承件導(dǎo)軌平面(不動(dòng)件)之間運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)軌塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)循環(huán)。滾動(dòng)導(dǎo)軌塊剛度高、承載能力強(qiáng)、便于拆卸，它的行程取決于支承件導(dǎo)軌平面的長度。但該類導(dǎo)軌制造成本高，抗振性能欠佳。 圖3-6 3.1.3 導(dǎo)軌的選擇: 根據(jù)滾珠絲桿得選擇計(jì)算上得數(shù)據(jù)對(duì)于X-Y方向選用GZV4型滾柱交叉導(dǎo)軌副 滾柱交叉導(dǎo)軌副是由兩根具有V型滾道的導(dǎo)軌、滾子保持架、圓柱滾子等組成，相互交叉排列的圓柱滾子在經(jīng)過精密磨削的V型滾道面上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可承受各個(gè)方向的載荷，實(shí)現(xiàn)高精度、平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。 特 點(diǎn)： 1. 滾動(dòng)摩擦力阻力低，穩(wěn)定性能好； 2. 起動(dòng)摩擦力小，隨動(dòng)性能好； 3. 接觸面積大，彈性變形量小，有效運(yùn)動(dòng)體多，易實(shí)現(xiàn)高剛性、高負(fù)荷運(yùn)動(dòng)； 4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，安裝使用方便。 滾柱交叉導(dǎo)軌副基本尺寸： ? 滾柱交叉導(dǎo)軌副保持架基本尺寸： 3.1.4 載荷計(jì)算 行程長度及滾子 （1）導(dǎo)軌的長度不小于行程的1.5倍： ? 式中 ??? L——導(dǎo)軌長度(mm) ??? l——運(yùn)行行程長度(mm) （2）保持架長度： ??? 式中 ?????K——保持架長度(mm) （3）滾子數(shù)計(jì)算： ??? 式中 ??????? N——滾子數(shù)量（忽略小數(shù)） ??????? a——保持架端距 ??????? f——滾子間距 載荷計(jì)算： 圖中：C——額定動(dòng)載荷（N）——額定靜載荷（N） ——每個(gè)滾子的額定動(dòng)載荷（N） ——每個(gè)滾子的額定靜載荷（N） N——滾子數(shù) 據(jù)工作臺(tái)技術(shù)要求，所以選用GZV4型導(dǎo)軌 3.2 Y方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 因?yàn)閅方向得技術(shù)與X方向得技術(shù)要求相當(dāng)，為了便于模塊化制作以及通用性的需要，選用與X方向相同得滾珠絲桿副，伺服電機(jī)，交叉滾柱導(dǎo)軌以及相應(yīng)的聯(lián)結(jié)件。即南京工藝裝備制造廠FF型內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付；北京和時(shí)利公司40CB005C-2DE6E型伺服電機(jī)；南京工藝裝備制造廠GZV4型滾柱交叉導(dǎo)軌副。 3.3 Z方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.3.1 Z方向絲桿計(jì)算與選用 （1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 ：滾柱絲杠副的導(dǎo)程（mm） ：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度（m/min） ：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min） ：傳動(dòng)比 因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，i=1 由表1查得 代入得， 按推薦組合，取 ? （2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷 （1）最小載荷 工作臺(tái)的重量以及工作臺(tái)重量引起的摩擦力??=294+294*0.04=305N （2） 最大載荷 ＝813N （3）當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min （4） 當(dāng)量載荷 N （3）預(yù)期額定動(dòng)載荷 按預(yù)期工作時(shí)間估算 按表9查得：輕微沖擊取=1.0 按表7查得：1～3取 按表8查得：可靠性90%取=1 已知：=15000小時(shí) 代入得 （4）確定允許的最小螺紋底徑 （1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量 ?① ≤（1/3～1/4）重復(fù)定位精度 ?② ≤（1/4～1/5）定位精度 : 最大軸向變形量（μm） 已知：重復(fù)定位精度16μm, 定位精度25μm ?? ① =4 ?? ② =5 取兩種結(jié)果的小值 =4μm (2）估算最小螺紋底徑 ? 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 (1.1～1.2)行程+（10～14） 已知：行程為250mm, 代入得 （5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào) （1）FF型 內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副 （2）?由計(jì)算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FF1605-3 （6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力 ? N （7）行程補(bǔ)償值與與拉伸力 （1）行程補(bǔ)償值 ?? 式中： (2) 預(yù)拉伸力 代入得 （8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號(hào)、規(guī)格 （1）軸承所承受的最大軸向載荷 ??? 代入得 （2）軸承類型 兩端固定的支承形式，選角接觸球軸承70001 （3）軸承內(nèi)徑 ?d 略小于 取 代入得 （4）軸承預(yù)緊力 預(yù)加負(fù)荷≥ （5）按樣本選軸承型號(hào)規(guī)格 ??? 當(dāng)d=12mm? 預(yù)加負(fù)荷為：≥FBP ????? 所以選70001P軸承 ????????? d=12mm 預(yù)加負(fù)荷為542N （9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì) 1) 絲杠螺紋長度Ls： Ls=Lu+2Le? 由查得余程Le=20 繪制工作圖 （2）兩固定支承距離L1 按樣本查出螺母安裝聯(lián)接尺寸 絲杠全長L （3）行程起點(diǎn)離固定支承距離L0 由工作圖得 Ls=420 L=470 （10)電機(jī)選擇 1）.作用在滾珠絲杠副各種轉(zhuǎn)矩計(jì)算。 外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(N.m) 式中　　 Ph-滾珠絲杠副導(dǎo)程 η-未預(yù)緊的滾珠絲杠副效率 1、2、3級(jí)精度的絲杠η＝0.9 4級(jí)精度的絲杠η＝0.85 F-作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計(jì)算電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，機(jī)械是空載起動(dòng)時(shí)，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計(jì)算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時(shí)，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運(yùn)動(dòng)F還包括機(jī)構(gòu)重量）。 2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL(kg.m2)及傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(kg.m2)的計(jì)算。 式中　 ——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min） ——各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min） ——電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min 絲桿直徑為16mm＝0.016m,長415mm＝0.415m 工件工作臺(tái)慣量 絲桿慣量 所以 按照要求所以選取北京和時(shí)利60CB020C-2DE6E 3).最大加速轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電機(jī)從靜止升速至: ? 式中?? n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） ——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min） ta加速時(shí)間（s） ta ≈(3-4)或者按性能要求自行規(guī)定。 ——電機(jī)時(shí)間常數(shù)?？刹殡姍C(jī)樣本 可得到滿足要求。 （11)傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 （1）絲杠抗壓剛度 ?? 1）絲杠最小抗壓剛度 =6.6x ：最小抗壓剛度（N/um） d2：絲杠底徑 L1:固定支承距離 =265 N/um 2）絲杠最大抗壓剛度 x ：最大抗壓剛度（N/um） =664 N/m (2)?支承軸承組合剛度 1)一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度 :一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度(N/um) ：滾珠直徑(mm) Z：滾珠數(shù) ：最大軸向工作載荷(N) ：軸承接觸角 =4.762mm???? Z=8??? =15 =1625N/um KBO=38.92N/um 2）支承軸承組合剛度 由表13兩端固定支承 Kb=2 KBO Kb=77.84?N/um Kb?:支承軸承組合剛度? N/um 3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 KC：滾珠和滾道的接觸剛度(N/um) KC：查樣本上的剛度(N/um) FP：滾珠絲杠副預(yù)緊力(N) Ca：額定動(dòng)載荷(N) 由樣本查得： 得KC=200N/um (12)? 剛度驗(yàn)算及精度選擇 （1） = = 0.0216 N/m = 0.0193 ?N/m F0 = 已知W1=294 N ，? =0.04 F0=11.76? N F0?：靜摩擦力（N） ：靜摩擦系數(shù) W1：正壓力（N） （2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 ：傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（N） 已知反向差值或重復(fù)定位精度為16 =33.67＞14.7 （3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 =0.27um （4）確定精度? ??V300p：任意300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量對(duì)半閉環(huán)系統(tǒng)言， ? V300p≤0.8×定位精度- 定位精度為16um/300 V300p＜12.8um 絲杠精度取為3級(jí) V300p=12um＜12.8 (5)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào) 已確定的型號(hào)：FF 公稱直徑：16?? 導(dǎo)程：5 螺紋長度：380 絲杠全長：570 P類1級(jí)精度 FF1605-1-P3? /380×570 （13)驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 :臨界轉(zhuǎn)速（n/min） f：與支承形式有關(guān)的系數(shù) ：絲杠底徑 ：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度（mm） 由表得f=21.9 由樣本得d2=12.9 由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0 2097＞=1500 （14)驗(yàn)算： ——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm） ——滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速（n/min） ≈16.4mm =1200r/min 19680＜70000 3.3.2 Z向?qū)к壴O(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)于Z方向因?yàn)樵摴ぷ髋_(tái)不受切削力，因此采用雙燕尾形的截面，為了進(jìn)一步減小摩擦系數(shù)和防止爬行，在數(shù)控機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌和鑲條上貼有以聚四氟乙稀為基體的的塑料導(dǎo)軌軟帶。 貼塑導(dǎo)軌是被廣泛用在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的一種滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌將塑料基的自潤滑復(fù)合材料覆蓋并粘貼于滑動(dòng)部件的導(dǎo)軌上，與鑄鐵或鑲鋼的床身導(dǎo)軌配用，可改變?cè)瓩C(jī)床導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)。目前，使用較普遍的自潤滑復(fù)合材料是填充聚四氟乙烯軟帶。與滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌相比，它的摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差小，低速無爬行，吸振，耐磨，抗撕傷能力強(qiáng)，成本低，黏結(jié)工藝簡單，加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好，并有良好的自潤滑性和抗振性，可在干摩擦狀態(tài)下工作。 聚四氟乙烯貼塑導(dǎo)軌可在原滑動(dòng)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上粘貼，不受幾何形狀的限制。使用貼塑導(dǎo)軌主要根據(jù)其p—v值，應(yīng)使滑動(dòng)速度和比壓的交點(diǎn)位于圖7—35曲線的下方，在無法滿足要求時(shí)，可加大導(dǎo)軌面積以降低比壓值。考慮到加工余量，一般選擇厚度為1.6mm的軟帶。 貼塑導(dǎo)軌p—v圖 4 Z方向平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)于該數(shù)控系統(tǒng)的Z方向，最重要的是工作臺(tái)及工件向下移動(dòng)時(shí)，不能夠產(chǎn)生所謂的因慣性力而引起的“急落”現(xiàn)象，因?yàn)閅AG激光加工器進(jìn)行的時(shí)高精度的加工，不容許出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此就需要在Z方向加裝平衡系統(tǒng)： 近年來，隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，垂直移動(dòng)部件的重量越來越重，為減小垂直方向拖動(dòng)電機(jī)的功率，往往對(duì)垂直部件采取重力平衡措施，以下介紹幾種數(shù)控機(jī)床常用的平衡方法。 1、重錘平衡法 這種方法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種平衡方式，運(yùn)動(dòng)部件的平衡是由鏈條通過其兩頭的耳環(huán)分別連接在主軸和重錘上，并通過安裝在支架上的導(dǎo)輪來實(shí)現(xiàn)。為使重錘上下運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在重錘的兩側(cè)面開有導(dǎo)向槽。這種平衡方法結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，一般用于固定立柱 結(jié)構(gòu)的機(jī)床，但由于加入了重錘，使垂向運(yùn)動(dòng)部件的慣量增大而不利于高速運(yùn)動(dòng)。 2、蓄能器平衡法 這種方法是利用了囊式蓄能器吸收和釋放能量的功能來實(shí)現(xiàn)的，工作原理如圖4-1所示。 圖4-1 在蓄能器2的下側(cè)油口接一單向閥4，并聯(lián)一個(gè)溢流閥3，液壓油通過單向閥4打進(jìn)蓄能器，通過調(diào)整溢流閥3，將所需液壓油的壓力值調(diào)至要求值，并向蓄能器內(nèi)充人一定壓力的氮?dú)?。運(yùn)動(dòng)部件5通過安裝在支架上的導(dǎo)輪6實(shí)現(xiàn)與平衡油缸的連接。當(dāng)垂向運(yùn)動(dòng)部件作 上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡油缸7的有桿腔中的液壓油被擠壓，排出蓄能器，運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓力被轉(zhuǎn)換為受壓液體而輸入到蓄能器中成為儲(chǔ)備能量，這時(shí)蓄能器氣囊中的氮?dú)獗粔嚎s，使液體的壓力與氣囊的壓