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桂林航天工業(yè)高等專科學校
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目：CD-YAG AC200/400/500激光切割機工作臺
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設(shè)計與制造
學 號： 200603110316
姓 名： 鞏克平
指導教師： 梁瑋
職 稱： 講師
二OO九年 六 月 一 日
目錄
摘要………………………………………………………………………………1
前言………………………………………………………………………………3
1． 總體設(shè)計方案……………………………………………………………… 4
1．1設(shè)計任務(wù)…………………………………………………………………4
1．2機構(gòu)要求…………………………………………………………………4
1．3設(shè)計方向確定……………………………………………………………5
1．3．1工作臺條件的確定………………………………………………… 6
2．滾珠絲杠的選用………………………………………………………………6
2．1選定編號…………………………………………………………………6
2．2計算選定編號……………………………………………………………9
3．滾動導軌的設(shè)計計算……………………………………………………… 13
4．軸承的選用………………………………………………………………… 15
5．升降機的選用 ………………………………………………………………15
6．電機的選用 …………………………………………………………………20
6．1確定脈沖當量，初選步進電機…………………………………………20
6．2計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量………………………………………………………20
6．3電機機軸上的轉(zhuǎn)動慣量…………………………………………………21
6．4慣量匹配驗算……………………………………………………………23
7．零部件設(shè)計 …………………………………………………………………24
7．1上導軌座設(shè)計……………………………………………………………24
7．2 U型連接塊設(shè)計…………………………………………………………26
7．3軸承座的設(shè)計……………………………………………………………27
8．主要零件的加工工藝規(guī)程 …………………………………………………29
8．1零件的分析………………………………………………………………29
8．1．1零件的作用……………………………………………………… 29
8．1．2零件的工藝分析………………………………………………… 29
8．2工藝規(guī)程設(shè)計……………………………………………………………30
8．2．1確定毛坯的制造形式,加工余量及形狀…………………………30
8．2.2、選擇定位基準……………………………………………………31
8．2.3制定工藝路線………………………………………………………31
8．2.4、機械加工余量、工序尺寸及公差的確定………………………32
8．3確定切削用量和時間定額………………………………………………33
總結(jié)…………………………………………………………………………… 39
致謝…………………………………………………………………………… 40
參與文獻……………………………………………………………………… 41
桂林航天工業(yè)高等?？茖W校
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
系 別 機械工程系
專 業(yè) 機械設(shè)計與制造
學生班級 機制三班
姓 名 鞏克平
學 號 200603110316
指導老師 梁瑋
職 稱 講師
設(shè)計（論文）題目及專題 CD-YAG AC200/400/500激光切割機工作臺
設(shè)計所用原始資料： 《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》 《數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)》
《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》 《數(shù)控系統(tǒng)》
《機械制造裝備設(shè)計》 《金屬切削手冊》
設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計主要著重于對工作臺機械方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及其中的主要零件的加工工藝規(guī)程.在結(jié)構(gòu)方面包括有各種標準件的選用和各零件相互之間的聯(lián)接方式的設(shè)計,其中又以滾珠絲杠、升降機和電機的選用為主。 在工藝規(guī)程方面對上導軌座的工藝加工過程作出了詳細的設(shè)計解說.最后,作出了各零件圖以及工作臺的裝配圖。
任務(wù)下達日期： 200 年 月 日
學生提交設(shè)計期限：200 年 月 日至200 年 月 日
組織實施單位：
教研室主任意見：
簽 字： 200 年 月 日
系領(lǐng)導小組意見：
簽 字： 200 年 月 日
二OO九年 六 月 一 日
目錄
摘要………………………………………………………………………………1
前言………………………………………………………………………………3
1． 總體設(shè)計方案……………………………………………………………… 4
1．1設(shè)計任務(wù)…………………………………………………………………4
1．2機構(gòu)要求…………………………………………………………………4
1．3設(shè)計方向確定……………………………………………………………5
1．3．1工作臺條件的確定………………………………………………… 6
2．滾珠絲杠的選用………………………………………………………………6
2．1選定編號…………………………………………………………………6
2．2計算選定編號……………………………………………………………9
3．滾動導軌的設(shè)計計算……………………………………………………… 13
4．軸承的選用………………………………………………………………… 15
5．升降機的選用 ………………………………………………………………15
6．電機的選用 …………………………………………………………………20
6．1確定脈沖當量，初選步進電機…………………………………………20
6．2計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量………………………………………………………20
6．3電機機軸上的轉(zhuǎn)動慣量…………………………………………………21
6．4慣量匹配驗算……………………………………………………………23
7．零部件設(shè)計 …………………………………………………………………24
7．1上導軌座設(shè)計……………………………………………………………24
7．2 U型連接塊設(shè)計…………………………………………………………26
7．3軸承座的設(shè)計……………………………………………………………27
8．主要零件的加工工藝規(guī)程 …………………………………………………29
8．1零件的分析………………………………………………………………29
8．1．1零件的作用……………………………………………………… 29
8．1．2零件的工藝分析………………………………………………… 29
8．2工藝規(guī)程設(shè)計……………………………………………………………30
8．2．1確定毛坯的制造形式,加工余量及形狀…………………………30
8．2.2、選擇定位基準……………………………………………………31
8．2.3制定工藝路線………………………………………………………31
8．2.4、機械加工余量、工序尺寸及公差的確定………………………32
8．3確定切削用量和時間定額………………………………………………33
總結(jié)…………………………………………………………………………… 39
致謝…………………………………………………………………………… 40
參與文獻……………………………………………………………………… 41
摘要
激光切割技術(shù)廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。脈沖激光適用于金屬材料。
本工作臺專為光大CD-YAG AC200/400/500激光切割機所設(shè)計。激光切割機在工作過程中僅為Y-Y方向移動則可，可切割小于3mm厚的金屬片，打孔，等。其切割路線由CAD圖紙直接傳輸，可切割一些不規(guī)則的路線。
由于激光切割為特種加工技術(shù)，在切割過程中并無切割力的作用，因些在工作臺設(shè)計方面，可以不考慮切削力的影響。
機械系統(tǒng)應具備良好的伺服性能（即高精度、快速響應性和穩(wěn)定性好）從而要求本次設(shè)計傳動機構(gòu)滿足以下幾方面：
（1）轉(zhuǎn)動慣量小
（2）剛度大
（3）阻尼合適
此外還要求摩擦?。ㄌ岣邫C構(gòu)的靈敏度）、共振性好（提高機構(gòu)的穩(wěn)定性）、間隙?。ūＷC機構(gòu)的傳動精度），特別是其動態(tài)特性應與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)特性相匹配。
設(shè)計過程中主要對工作臺的絲杠，導軌，電機，以及升降機的參數(shù)進入選擇設(shè)計，以及工件的聯(lián)接設(shè)計等。同時繪制各主要工件的零件圖和工作臺裝配總圖，設(shè)計其中重要工件的加工工藝規(guī)程。
關(guān)鍵字:工作臺 機械設(shè)計 激光技術(shù) 切割機
ABSTRACT
Laser cutting technology widely used in metal and non-metallic materials processing, can greatly reduce the processing time, lower processing costs and improve the quality of the workpiece. Pulsed laser applied to metal materials. The table for the China Everbright CD-YAG AC200/400/500 laser cutting machine designed. Laser cutting machine in the course of their work can be moved only YY, cutting less than 3 mm thick metal sheets, punching, and so on. Its cutting line directly from CAD drawings transmission, cutting some irregular routes. Since laser cutting for special processing technologies, in the process of cutting no role in cutting edge, the more the design of the table, you can not consider the impact of cutting force. Mechanical systems should have a good servo performance (that is, high-precision, rapid response and stability) to request the transmission mechanism, designed to meet the following: (1) small moment of inertia (2) the stiffness (3) suitable damping ? Friction also require small (increase the sensitivity), the resonance of good (improve the stability of institutions), the small space (the transmission ensure accuracy), in particular its dynamic characteristics with the servo motor and other links to the dynamic nature of match . The process of designing the main table of the screw, rails, the electrical and lift the parameters into the choice of design, and parts of the link design. At the same time drawing all the major parts of the assembly parts map and the map table, one of the major parts of the design of processing a point of order.
Keywords: table mechanical design laser technology cutting machine
前言
1 激光原理:
激光英文全名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。 于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強化的光。
科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達到受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態(tài)時，原子就會射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的「連鎖反應」，并且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光；因此強的激光甚至可用作切割鋼板！
2 激光加工技術(shù):
激光是20世紀60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好等特點而得到廣泛應用.激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域之一，現(xiàn)在已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。
激光切割是應用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。在計算機的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面濺射出一個細小的孔，在計算機控制下，激光加工頭與被加工材料按預先繪好的圖形進行連續(xù)相對運動打點，這樣就會把物體加工成想要的形狀。切割時,一股與光束同軸氣流由切割頭噴出，將熔化或氣化的材料由切口的底部吹出(注：如果吹出的氣體和被切割材料產(chǎn)生熱效反應,則此反應將提供切割所需的附加能源；氣流還有冷卻已切割面，減少熱影響區(qū)和保證聚焦鏡不受污染的作用)。
一、總體設(shè)計方案
1．1設(shè)計任務(wù):
X方向行程:300mm
Y方向行程:300mm
工作臺面的參考尺寸:300X300mm
最高運動速度:1400mm/min
定位精度:
工作壽命:每天8小時,工作8年,300天/年
1．2 機構(gòu)要求
機械系統(tǒng)應具備良好的伺服性能（即高精度、快速響應性和穩(wěn)定性好）從而要求本次設(shè)計傳動機構(gòu)滿足以下幾方面：
（1）轉(zhuǎn)動慣量小 在不影響機械系統(tǒng)剛度的前提下，傳動機構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量應盡量減小。否則，轉(zhuǎn)動慣量大會對系統(tǒng)造成不良影響，機械負載增大；系統(tǒng)響應速度降低，靈敏度下降；系統(tǒng)固有頻率減小，容易產(chǎn)生諧振。所以在設(shè)計傳動機構(gòu)時應盡量減小轉(zhuǎn)動慣量。
（2）剛度大 剛度是使彈性體產(chǎn)生單位變形量所需的作用力。大剛度對機械系統(tǒng)而言是有利的：①伺服系統(tǒng)動力損失隨之減小。②機構(gòu)固有頻率高，超出機構(gòu)的頻帶寬度，使之不易產(chǎn)生共振。③增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計時應選用大的剛度的機構(gòu)。
（3）阻尼合適 機械系統(tǒng)產(chǎn)生共振時，系統(tǒng)的阻尼增大，其最大振幅就越小且衰減也快，但大阻尼也會使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低，所以設(shè)計時，傳動機構(gòu)的阻尼要選著適當。
此外還要求摩擦?。ㄌ岣邫C構(gòu)的靈敏度）、共振性好（提高機構(gòu)的穩(wěn)定性）、間隙?。ūＷC機構(gòu)的傳動精度），特別是其動態(tài)特性應與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)特性相匹配。
總體設(shè)計如圖1.2.1所示：
圖1.2.1
1.3設(shè)計方向確定
X-Y 工作臺系統(tǒng)可以設(shè)計分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。開環(huán)的伺服系統(tǒng)采用步進電機驅(qū)動, 系統(tǒng)沒有檢測裝置; 半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中一般采用交流或直流伺服電機驅(qū)動, 并在電機輸出軸安裝脈沖編碼器, 將速度反饋信號傳給控制單元; 閉環(huán)的伺服系統(tǒng)也是采用交流或直流伺服電機驅(qū)動, 位置檢測裝置安裝在工作臺末端, 將位置反饋信號傳給控制單元。閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)價格昂貴，結(jié)構(gòu)復雜，同時其可控分辨率也很高，但在本次設(shè)計中，其位置精度（±0.02mm）要求不高，考慮到成本低，維修方便，工作穩(wěn)定等條件。選用步進電機伺服系統(tǒng)就可以滿足要求。其通過微機機控制步進電機的驅(qū)動, 直接帶動工作臺運動。
ＸＹ工作臺系統(tǒng)總體框圖如圖1.3.1所示:：
圖1.3.1
1.4、工作臺條件的確定
對于GD—YAG—AC200/400/500激光切割機而言，工作均為較輕的工件，最大質(zhì)量不超過去50KG ，劃片范圍為300mm x 200mm。工作過程中的震動不步進電機拉動工作臺時由于慣性引起的震動。所以我選工作臺厚度為30mm，材料選HT200灰鑄鐵，因為其有良好的鑄造性能，減磨性，耐磨性好，加上其熔化配料簡單，成本低，耐腐蝕及抗震性好等。
二、滾珠絲杠的選用
（1）滾珠絲杠副有如下特點：①傳動效率高②系統(tǒng)剛性好③傳動精度高④使用壽命長⑤運動具有可逆性（既可將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，又可將直線運動變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動，且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同⑥不會自鎖⑦可進行預緊和調(diào)隙
初步選定用優(yōu)勵聶夫（南京）科技有限公司的絲杠，以下將由該公司所提供的計算方式（出自http://www.unid-intl.com/jmgz4.asp）進行以下計算：
2．1選定編號
絲杠支承和受力位置如下圖2.1.1所示
圖2.1.1
優(yōu)勵聶夫（南京）科技有限公司所提供的滾珠絲杠直徑、導程、長度和精度系數(shù)如下表2.1.2所示：
表2.1.2
直徑/導程及長度的選擇
絲杠直徑和導程
公稱直徑(do)
導 程Pho
4
5
6
8
10
12
16
20
16
●
● ▲
?
?
?
?
?
?
20
●
● ▲
●
?
?
?
?
?
25
●
● ▲
●
●
● ??
?
?
?
32
●
● ▲
●
●
● ▲
?
?
?
40
●
● ▲
●
●
● ▲
●
?
?
50
?
● ??
●
●
● ??
●
●
●
63
?
?
?
●
● ??
●
●
●
80
?
?
?
?
● ??
●
●
●
100
?
?
?
?
?
?
●
●
?
● —— 磨制絲杠 ▲ —— 軋制絲杠
絲杠長度
表2.1.2
選取的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為：
磨制絲杠(右旋)軸承到螺母間距離(臨界長度) ln = 380mm固定端軸承到螺母間距離 Lk = 380mm設(shè)計后絲杠總長 = 500mm最大行程 =380mm工作臺最高移動速度 Vman = 1.4（m/min）壽命定為 Lh = 19200工作小時。μ= 0.1 （摩擦系數(shù)）電機最高轉(zhuǎn)速 nmax = 350 （r/min）定位精度：??最大行程內(nèi)行程誤差 = 0.035mm??300mm行程內(nèi)行程誤差 = 0.02mm??失位量 = 0.045mm 支承方式為(固定—支承)W ≤ 50kg （工作臺重量+工件重量） g=9.8m/sec2(重力加速度)I=1 (電機至絲杠的傳動比)Fw=μ×W ×g = 0.1×50×9.8 ≈ 50 N(摩擦阻力)
運轉(zhuǎn)方式
軸向載荷Fa=F+Fw （N）
進給速度(mm/min)
工作時間比例
所有運轉(zhuǎn)
F1=50
V1=14000
q1=100
Fa --- 軸向載荷 （N） F --- 切削阻力 （N） Fw --- 摩擦阻力 （N）
從已知條件得絲杠編號：????此設(shè)計絲杠副對剛度及失位都有所要求，所以螺母選形為：FDG（法蘭式雙螺磨制絲杠）????從定位精度得出精度精度不得小于P5級絲杠????FDG 20X4R-3-P5-500X380
2．2計算選定編號???
導程
??
運轉(zhuǎn)方式
進給速度(mm/min)
進給轉(zhuǎn)速(r/min)
所有運轉(zhuǎn)
V1=1400
n1=350
平均轉(zhuǎn)速
???
平均載荷
??? 時間壽命與回轉(zhuǎn)壽命
??? ?
額定動載荷??? ?以普通運動時確定fw取 1.4
得：額定動載荷 Ca≥517.14N以Ca值從FDG系列及（絲杠直徑和導程、絲杠長度表http://www.unid-intl.com/jmgz6_2.htm）表2.2.1
表2.2.1
中查出適合的類型為：公稱直徑： d0=20mm 絲杠底徑： d0=17.5mm 導程：Pho=4mm 循環(huán)圈數(shù)：3額定動載荷為：517.14N。絲杠編號： FDG 20 × 4R - P5 - 3 - 500 × 380????預緊載荷
Fao = §Ca=0.05×517.14 ≈ 25.86 N
????絲杠螺紋長度
Lu=L1-2Le L1=Lu+2Le
=300+2×20=340mm
絲杠螺紋長度不得小于340mm加上螺母總長一半37mm(從系列表中查出螺母總長74mm)。得絲杠螺紋長度 ≥ 377m。在此取絲杠螺紋長度 L1=380mm則軸承之間的距離Ls=380mm絲杠編號： FDG20 - 4R - P5 - 3 - 500 ×380
絲杠公稱直徑公稱直徑由允許工作轉(zhuǎn)速與工作容許軸向載荷來推算得出。由http://www.unid-intl.com/jmgz3_5.asp臨界轉(zhuǎn)速及允許工作轉(zhuǎn)速：
nkper≤0.8×nk nk ≥ nkper/0.8
以安裝形式確定fnk 取18.9。
可知絲杠螺母底徑大于? 0.3????當Pho=4(mm)、最高轉(zhuǎn)速達到350（r/min） 時，系列表中適合的公稱直徑d0≥12mm 。????上述由額定動載荷Ca 求得的公稱直徑 d0=20mm>12 ，滿足條件，否則公稱直徑還應加大。絲杠編號： FDG 20 × 4R – P5 - 3 - 500 ×380
滾珠絲杠傳動系統(tǒng)剛度????初始條件：失位量 = 0.045mm。????滾珠絲杠系統(tǒng)之間各元部件（絲杠、螺母、支承軸承），在此設(shè)為：0.04mm。此時滾珠絲杠系統(tǒng)各元部件單邊彈性變形量為：0.02mm。 此時運動的軸向載荷1000N。????絲杠剛度????當Ls1=Lk，Rs 為最小，一般情況下計算最小剛度值。
由http://www.unid-intl.com/jmgz3_7.asp
螺母剛度????在此預緊載荷為額定動載荷的10%，螺母剛度從表中查出 R=613N/μm????從表中查出額定動載荷Ca=6201N,在此ε取0.1．
??? ?
支承剛度????支承軸承剛度RaL可從軸承生產(chǎn)廠產(chǎn)品樣本中的查出。在此RaL=1020N/μm
RaL=Fa/δaL
δaL=Fa/RaL
= 1000/1020 ≈ 1μm
軸向總剛度
1/Rtot = 1/Rs + 1/Rnu + 1/RaL
=1/138 + 1/180.63 + 1/1020
Rtot≈72.66 N/μm
?總彈性變形量(單邊)
δtot = δs + δnu + δaL
=7.25+5.54+1
=13.79μm ≤ 20μm
檢驗合格。
????從絲杠軸向總剛度的問題上來講，絲杠的剛度有時比螺母的剛度重要，最佳提升剛性的方法是提高絲杠的剛度，而不是在螺母上施加太重的預緊載荷(預緊載荷最高為額定動載荷的10%)。
三、滾動導軌的設(shè)計計算
???滾動直線導軌副是在滑塊與導軌之間放入適當?shù)匿撉颍够瑝K與導軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得： 動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。 驅(qū)動功率大幅度下降，只相當于普通機械的十分之一。 與V型十字交叉滾子導軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。 適應高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高約10倍。 能實現(xiàn)高定位精度和重復定位精度。 能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 成對使用導軌副時，具有“誤差均化效應”，從而降低基礎(chǔ)件（導軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機械制造成本與難度。 導軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高，滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。 導軌采用表面硬化處理，使導軌具有良好的可校性；心部保持良好的機械性能。 簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造①運動靈敏讀高?、诙ㄎ痪雀摺、蹱恳π?、移動輕便?、芫缺３中院谩、轁櫥到y(tǒng)簡單、維修方便?、弈Σ料禂?shù)小、動摩擦系數(shù)很接近、不產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。
已知作用在導軌副上的壓力Ｍ＝g＝50×9.8=490N
導軌工作壽命：＝8×300×8=19200h
單向行程長度：＝0.4m
往復次數(shù)?。簄=3次／分
導軌行程長度系數(shù)：＝２ n／＝２×19200×0.4×3×60/ =2764.8
因活座數(shù)m=4所以每根導軌上使用２個活座
∴Ｆ＝= =122.5N
根據(jù)公式＝6.25
得：===933.39N
根據(jù)http://www.njyigong.com/html/gund/g2.htm.圖3.1
圖3.1
選取GGE15 BA型號的導軌的=7.19KN,能滿足8年的使用要求。
其具體參數(shù)如下:
H 24 W 9.5 B1 34 B2 26
B3 4 K 18 T 5 M1×L0 M4×7
L1 54.5 L2 38.5 L3 26 G M6
B4 15 H1 14.5 d×D×h 3.5×6.5×5 F 60
單根最大長度Lmax 600
額定動載荷C (KN) 7.19
額定靜載荷C0 (KN) 10.5
額定力矩(N*m) MA 76.1
MB 76.1
MC 88.4
四、軸承的選用
絲杠軸上的軸承受兩方面的力，軸向力有直向力。軸承的選擇主要由軸徑的大小和所受的載荷和決定，由絲杠選取過程中計算得出，絲杠所受的額定動載荷為517.14N,而絲杠在軸承處的直徑為17mm，在些選用角接觸軸承，查《機械零件手冊》，選用7203C。
五、升降機的選用
因為工作臺必要的時候需要在Z軸上作一定的運動，所以相當有必要在X—Y工作臺下方安裝一個升降機，并且為手機操作和電機帶動并用。選用的升降機要求如下：
提升重量為X—Y工作臺及工件的總重量。N=mg=50×10=500（n） 其中g(shù)=10
提升速度為1m/min。
計劃選用優(yōu)勵聶夫（南京）科技有限公司的CS系列蝸輪絲杠升降機。
通過比較，選用CS系列方型蝸輪絲杠B型結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如下圖5.1：（出自http://www.unid-intl.com/wlgg4.htm）
圖5.1
現(xiàn)選用具體型號為CS25，由http://www.unid-intl.com/CS25.htm,表5.2
CS25，梯形絲杠30×6
轉(zhuǎn)速rpm
提升速度
F=15(KN)
F=10(KN)
F=5(KN)
F=2.5(KN)
F=1(KN)
N
L
N
L
N
L
N
L
N
L
N
L
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
Nm
KW
1500
1.50
0.375
8.8
1.39
3.1
0.49
5.9
0.93
2.1
0.33
2.9
0.46
1.0
0.2
1.5
0.2
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
1000
1.00
0.250
8.8
0.93
3.1
0.33
5.9
0.62
2.1
0.22
2.9
0.31
1.0
0.1
1.5
0.2
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
750
0.75
0.188
8.8
0.69
3.1
0.25
5.9
0.46
2.1
0.16
2.9
0.23
1.0
0.1
1.5
0.1
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
600
0.6
0.150
8.8
0.56
3.1
0.20
5.9
0.37
2.1
0.13
2.9
0.19
1.0
0.1
1.5
0.1
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
500
0.5
0.125
8.8
0.46
3.1
0.16
5.9
0.31
2.1
0.11
2.9
0.15
1.0
0.1
1.5
0.1
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
300
0.3
0.075
8.8
0.28
3.1
0.1
5.9
0.19
2.1
0.1
2.9
0.1
1.0
0.1
1.5
0.1
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
100
0.1
0.025
8.8
0.1
3.1
0.1
5.9
0.1
2.1
0.1
2.9
0.1
1.0
0.1
1.5
0.1
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
50
0.05
0.013
8.8
0.1
3.1
0.1
5.9
0.1
2.1
0.1
2.9
0.1
1.0
0.1
1.5
0.1
0.5
0.1
0.6
0.1
0.2
0.1
表5.2
選用數(shù)據(jù)如下：
轉(zhuǎn)速：1000 rpm
提升速度：N 1.00 L 0.25
F=2.5 (KN)
由http://www.unid-intl.com/wlgg4.htm表5.3
表5.3
型號CS
CS2.5
CS5
CS10
CS25
CS50
CS150
CS250
絲杠
Tr14×4
Tr18×4
Tr20×4
Tr30×6
Tr40×7
Tr60×9
Tr80×10
C
25
31
37.5
41
58.5
80
82.5
D
60
80
100
130
180
200
240
E
48
60
78
106
150
166
190
F
50
72
85
105
145
165
220
G
38
52
63
81
115
131
170
H
M6
M8
M8
M10
M12
M20
M30
ΦJk6
9
10
14
16
20
25
30
K1
20
25
32
45
63
71
80
K2
16
21
29
42
63
66
75
L
22
31
40
54
78
83
100
L1
20
22.5
22.5
43
45
65
65
L2
12
13
15
15
16
30
45
N
92
120
140
195
240
300
355
NL
Lift+60
Lift+68
Lift+74
Lift+86
Lift+123
Lift+149
Lift+160
P
62
74
93
105
149
200
205
Q
3×3×14
3×3×18
5×5×20
5×5×36
6×6×36
8×7×56
8×7×56
T
12
12
18
23
32
40
40
ΦW
26
30
40
46
70
85
120
裕度X
10
12
15
20
25
25
25
Y
50
62
75
82
117
160
165
Z
24
32.5
35
44
55
70
-
Z1
M6
M8
M8
M8
M10
M10
-
Z2
6
10
12
12
15
15
-
運動螺母
a
40
44
44
46
73
99
110
b
10
12
12
14
16
20
30
Φch9
24
28
32
42
63
85
105
Φd
44
48
55
66
95
125
190
Φe
34
38
45
54
78
105
150
Φf
5
6
7
7
9
11
17
絲杠接頭類型1
h
12
15
20
25
30
45
75
Φik6
8
12
15
20
25
40
60
表5.3續(xù)表
得到如下數(shù)據(jù)：
絲杠 Tr30×6
C 41
D 130
E 106
F 105
G 81
H M10
фJk6 16
K1 45
K2 42
L 54
L1 43
L2 15
N 195
NL Lift+86
P 105
Q 5×5×36
T 23
Фw 46
裕度X 20
Y 82
Z 44
Z1 M8
Z2 12
運動螺母
a 46
b 14
Фch9 42
Фd 66
Фe 54
Фf 7
h 25
Фik6 20
六、電機的選用
6.1、確定脈沖當量，初選步進電機
脈沖當量根據(jù)系統(tǒng)精度來確定，對于開環(huán)系統(tǒng)一般為P=0.005—0.01mm。如取得太大，無法滿足系統(tǒng)精度要求；如取得太小，或者機械系統(tǒng)難以實現(xiàn)，或者對其精度和動態(tài)特性能提出更高的要求，是經(jīng)濟性降低。本次設(shè)計的工作臺的精度為±0.02mm，所以根據(jù)經(jīng)驗公式得脈沖當量δ=×0.04=0.0125mm .又知道是用聯(lián)軸器連接電機主軸和絲杠，所以傳動比i=1。根據(jù)公式得步距角α=360iδ/p=
6.2、計算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量
計算轉(zhuǎn)動慣量的目的是選著步進電機的動力參數(shù)及進行系統(tǒng)動態(tài)特性與設(shè)計。絲杠的轉(zhuǎn)動慣量的計算
===3.2×kg·
其中ρ是絲杠密度（kg/ ），取7.8× kg/ ；d是絲杠的等效直徑(m),取0.017m; l是絲杠的長度0.5m。
沿直線軸移動物體的慣量工作臺、工件等折算到電動機軸
上的轉(zhuǎn)動慣量，可由下述公式達到：
=M×=×50×=2.03×kg·
M——工作臺（包括工件）的質(zhì)量，kg
V——工作臺快進速度，mm/min
N——絲杠轉(zhuǎn)速,r/min
所以折算到電機上的總轉(zhuǎn)動慣量=＋=0.08713× kg·
6.3、 電動機軸上的慣性轉(zhuǎn)矩：
==0.08713×××=25.2N·m
電動機軸上的當量摩擦轉(zhuǎn)矩
==mgμ=×50×9.8×0.004=0.002N·m
其中， △t為電機加速時間：△t=0.1O秒
伺服傳動鏈的總效率取為η=0.99
為工作臺快進速度 =1.4m/min
設(shè)滾動絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的1/3，則因預緊力而引起的、折算到電動機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為：
=（1－）=××（1－）= N·m
是滾珠絲杠螺母副未預緊時的傳動效率。=0.9
工作臺上的最大軸向載荷折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為：
==×25.86=0.02 N·m
在最大外載荷下工作時，電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩：
=＋＋=0.02＋0.002＋= 0.023N·m
根據(jù)下列公式計算正常運轉(zhuǎn)時所需步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩
===0.046~0.077 N·m
于是啟動時電動機軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩為：
=＋＋=25.2＋0.002＋=25.2003 N·m
我初步選定電機為三相雙六拍的電機，根據(jù)與選取啟動時所需步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系：
===29.1 N·m
所以根據(jù)：
http://www.sihaidj.com/product/stepmotor/350/130BYG.html 圖6.3.1
圖6.3.1
選定130BYG3502
具體參數(shù)如下：
步距角：0.6度
相數(shù)：3
靜轉(zhuǎn)矩：35N·m
轉(zhuǎn)動慣量：30kg·=0.3×kg·
尺寸圖如圖6.3.2：
圖6.3.2
6.4、慣量匹配驗算
電機軸上的總當量負載轉(zhuǎn)動慣量和電機軸自身轉(zhuǎn)動慣量的比值應控制在一定范圍內(nèi)，既不應太大，也不應太小。如果太大，則伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于負載特性，由于工作條件（如工作臺位置）的變化而引起的負載質(zhì)量，剛度，阻尼等的變化，將導致系統(tǒng)動態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大的變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計造成困難。如果該比值太小，說明電動機選或傳動系統(tǒng)設(shè)計不太合理，經(jīng)濟性較差。為了系統(tǒng)慣量達到較合理的匹配，一般應將該比值控制在下式所規(guī)定的范圍內(nèi)：
≦≦1
≦==0.29≦1
說明慣量匹配合理。
七、零部件設(shè)計
工作臺各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應符合以下方面的要求：
（1）．零件的盡量少，能用一個零件的，盡量只用一個零件。這樣，可以最大程度的減小在連接方面產(chǎn)生的誤差，并且在裝配方面也可以大大地減少工作臺，有利于降低成本，提高生產(chǎn)效率。
（2）．零件結(jié)構(gòu)方面必需合理設(shè)計，能出模，能加工，且方便加工。結(jié)構(gòu)應盡量簡單。
（3）．零件應達到一定的剛度，精度要求。
7.1．上導軌座設(shè)計
對于上導軌座設(shè)計，首先要檢查所選滾珠絲杠的活動螺母以及其連接部件的尺寸的結(jié)構(gòu)尺寸，本工件為絲杠螺母和導軌以及兩坐標軸箱體的連接件相連的部件，必需結(jié)合這三方面的結(jié)構(gòu)尺寸。
a．絲杠螺母結(jié)構(gòu)尺寸如圖7.1.1所示：
圖7.1.1
b．上導軌的結(jié)構(gòu)尺寸圖3.1所示,
具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:
H 24 W 9.5 B1 34 B2 26
B3 4 K 18 T 5 M1XL0 M4X7
L1 54.5 L2 3.5 L3 26 G M6
N 4.5 B4 15 H1 14.5 dXDXh 3.5X6.5X5
F 60
c．兩坐標軸間聯(lián)接件：
初定不厚度為5mm的鋼塊。在本處對其結(jié)構(gòu)不作要求，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計將在以下零件設(shè)計。
聯(lián)接方式：
絲杠螺母為法蘭盤式聯(lián)接，在此也應設(shè)計法蘭盤式與之對應的聯(lián)接。雙工件通過螺釘鎖緊。如圖7.1.2所示：
圖7.1.2
本工件與上導軌及兩坐標軸間聯(lián)接件的聯(lián)接亦使用螺釘聯(lián)接，因?qū)к墳闃藴始?，所以導軌上的螺釘位置，尺寸都已固定。三都的?lián)接方式設(shè)計如下圖7.1.3所示：
圖7.1.3
由于本零件所受的力僅為絲杠的軸向載荷力，由絲杠設(shè)計里可以得到此力為50N。由于此力較小，于是本零件結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖7.1.4所示：
圖7.1.4
7.2．U型連接塊設(shè)計
對于兩坐標軸間的聯(lián)接，要首先考慮到上方坐標軸上的導軌上的防塵蓋設(shè)計。初定防塵蓋為0.8 mm的鋼板。而兩坐標軸間的聯(lián)接必須通過孌曲的過渡進行聯(lián)接，從而達到防塵的作用。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖7.2.1：
圖7.2.1
7.3．軸承座的設(shè)計
a．固定端軸承座設(shè)計
本零件主要有兩個作用。第一，作用軸承座對絲杠的軸承起支撐作用；第二，對電機起定位和固定作用。
軸承座與坐標軸座的定位和固定用螺釘來負責，如圖7.3.1所示：
圖7.3.1
軸承的定位與固定
（1）軸承座上不設(shè)計定位固定設(shè)置，軸承外圈的固定由軸承端蓋負責。其結(jié)構(gòu)如圖7.3.2所示：
圖7.3.2
（2）軸承在軸上的定位固定可以用定位卡簧決定。其結(jié)構(gòu)如圖7.3.3所示：
圖7.3.3
b．支承端的軸承定位
（1）軸承外圈的定位固定和固定端結(jié)構(gòu)一致
（2）軸承支座上設(shè)計軸承內(nèi)圈的定位設(shè)置，如圖7.3.4所示：
圖7.3.4
八、主要零件的加工工藝規(guī)程
現(xiàn)書寫上導軌座的機械加工工藝規(guī)程
8.1、零件的分析
8.1．1零件的作用
本零件是GD-YAG-AC200/400/500激光機X-Y工作臺的上導軌座。它安裝在工作臺絲杠的活動螺母上，通知絲杠螺母的移動帶動上一工作臺的移動。零件上法蘭部分與絲杠活動螺母相連，另一端平面上下兩面分別與兩坐標軸聯(lián)接鋼塊和上導軌相連。
8.1．2零件的工藝分析
撥叉共有三組加工表面,它們之間有一定的位置要求.現(xiàn)分述如下:
a.以φ5mm孔為中心的孔。
這一組加工表面包括:16個φ5的孔.
b.以φ36mm孔為中心的加工表面
這一組加工表面包括：上平面兩個35X120的平面，下平面兩個35X120的平面，6個φ5mm的螺孔。
這一組加工表的位置要求如下為：
所有加工平面與孔中心平行度為0.04mm
φ36mm的跳動：0.025mm
c.以法蘭平面為中心的加工表面
這一組加工表面包括: φ62mm平面。
由以上分析可知,對于這三組加工表面而言,可以先加工其中一組表面,然后借助于專用夾具加工另一組表面,并且保證它們之間的位置精度要求.
8．2 工藝規(guī)程設(shè)計
8．2.1、確定毛坯的制造形式,加工余量及形狀：
零件材料為HT200。考慮零件在工作運行過程中所受沖擊不大，零件結(jié)構(gòu)又比較簡單，生產(chǎn)類型為中批生產(chǎn)，故選擇木摸手工砂型鑄件毛坯。查《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》第41頁表2.2-5,選用鑄件尺寸公差等級為CT-11，并查表2.2-4確定各個加工面的鑄件機械加工余量，鑄件的分型面的選用及加工余量，如下圖8.2.1.1及表8.2.1.2所示：
圖8.2.1.1
加工面代號
基本尺寸
加工余量
說明
D1
5
2．52
鉆孔
D2
36
3.52
孔降一級雙側(cè)加工
D3
4．1
2．052
單側(cè)加工
T1
14
4
單側(cè)加工
T2
14
4
單側(cè)加工
T3
34
4
單側(cè)加工
表8.2.1.2
8．2.2、選擇定位基準：
1 粗基準的選擇：以T2面為主要的定位粗基準，并以T2側(cè)面為輔助基準。
2 精基準的選擇：考慮要保證零件的加工精度和裝夾準確方便，依據(jù)“基準重合”原則和“基準統(tǒng)一”原則，以粗加工后的平面為主要的定位精基準，以T2加工后側(cè)面為定位精基準。
8．2.3制定工藝路線:
根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求，以及加工方法所能達到的經(jīng)濟精度，在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定的情況下,可以考慮采用萬能性機床配以專用工卡具,并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此之外，還應當考慮經(jīng)濟效果，以便使生產(chǎn)成本盡量下降。查《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》第20頁表1.4-7、1.4-8、1.4-11，經(jīng)反復比較，設(shè)計零件的加工方法及工藝路線方案如下：
工序01 以T2為定位粗基準，粗銑T1平面。
工序02 以T1為基準,粗銑T2平面。
工序03 以T1為基準,粗銑T3平面
工序04 以T1及T1側(cè)面為定位基準，粗鏜Φ36孔。
工序05 以T2為定位精基準，精銑T1平面。
工序06 以T1為基準,精銑T2平面。
工序07 以T1及Φ36孔為基準，鉆Φ5通孔。
工序08 以T1和Φ5孔為基準，精鏜Φ36孔。
工序09 以T1和Φ5孔為基準，精銑T3平面。
工序10 以T1和Φ5孔為基準，鉆M5螺紋底孔。
工序11 以T1和Φ5孔為基準，攻M5螺紋。
工序12 去毛刺。
8．2.4、機械加工余量、工序尺寸及公差的確定:
前面根據(jù)資料已初步確定工件各面的總加工余量，現(xiàn)在確定各表面的各個加工工序的加工余量如下表8.2.4.1：
工序號
工序
內(nèi)容
加工
余量
基本
尺寸
經(jīng)濟
精度
工序尺寸偏差
工序余量
最小
最大
鑄件
4.0
CT11
01
粗銑T1平面
1.0
15.0
12
1
1.18
02
粗銑T2平面
1.0
12.0
12
1
1.18
03
粗銑T3平面
1.0
31.0
12
1
1.25
04
粗鏜Φ36孔。
1.0
Φ34.0
12
1
1.25
05
精銑T1平面
0
11
8
-0.013
-0.013
06
精銑T2平面
0
10
8
0.013
-0.013
07
鉆Φ5通孔
0
Φ5
8
0
1.005
08
精鏜Φ36孔
0
Φ36
7
0
-.01
09
精銑T3平面
0
30
8
0.019
-0.019
10
鉆M5螺紋底孔
0
Φ5
11
攻M5螺紋
0
Φ5
表8.2.4.1
8．3、確定切削用量及時間定額：
工序01 以T2為定位粗基準，粗銑T1平面。
1. 加工條件
工件材料：HT200,σb =170~240MPa，鑄造;工件尺寸：aemax=139mm，l=120mm;
加工要求：粗銑T1平面，加工余量3mm;
機床：X51立式銑床；
刀具：YG6硬質(zhì)合金端銑刀。銑削寬度ae≤90,深度ap≤6,齒數(shù)z=12,故根據(jù)《機械制造工藝設(shè)計簡明手冊》（后簡稱《簡明手冊》）表3.1，取刀具直徑d0=125mm。根據(jù)《切削用量手冊》（后簡稱《切削手冊》）表3.16，選擇刀具前角γ0＝0°后角α0＝8°，副后角α0’=10°，刃傾角：
λs=－10°,主偏角Kr=60°,過渡刃Krε=30°,副偏角Kr’=5°。
2. 切削用量
1）確定切削深度ap
因為余量較小，故選擇ap=3mm，一次走刀即可完成。
2）確定每齒進給量fz
由于本工序為粗加工，尺寸精度和表面質(zhì)量可不考慮，從而可采用不對稱端銑，以提高進給量提高加工效率。根據(jù)《切削手冊》表3.5，使用YG6硬質(zhì)合金端銑刀加工，機床功率為4.5kw（據(jù)《簡明手冊》表4.2-35，X51立式銑床）時：
fz=0.09~0.18mm/z
故選擇：fz=0.18mm/z。
3）計算切削速度vc和每分鐘進給量vf
根據(jù)《切削手冊》表3.16，當d0=125mm，Z=12，ap≤7.5，fz≤0.18mm/z時，vt=98m/min,nt=250r/min,vft=471mm/min。各修正系數(shù)為：kMV= 1.0，kSV= 0.8。切削速度計算公式為：
其中 ，，，，，，，，，，，，，將以上數(shù)據(jù)代入公式：
確定機床主軸轉(zhuǎn)速： 。
根據(jù)《簡明手冊》表4.2-36，選擇nc=300r/min,vfc=390mm/min,因此，實際進給量和每分鐘進給量為：
vc==m/min=118m/min
f zc=v fc/ncz=390/300×12 mm/z=0.1mm/z
4)校驗機床功率
根據(jù)《切削手冊》表3.24，近似為Pcc=3.3kw,根據(jù)機床使用說明書，主軸允許功率Pcm=4.5×0.75kw=3.375kw>Pcc。故校驗合格。最終確定:ap=4.0mm，nc=300r/min，vf=390mm/s，vc=118m/min，fz=0.1mm/z。
5）計算基本工時
tm＝L/ vf，L=l+ y+Δ，l=139mm.
查《切削手冊》表3. 26，入切量及超切量為：y+Δ=40mm，則：
tm＝L/ Vf=(139+40)/390=0.46min。
工序02 以T1為基準,粗銑T2平面。
切削用量同工序01。
計算基本工時
tm＝L/ vf，L=l+ y+Δ，l=120mm.
查《切削手冊》表3. 26，入切量及超切量為：y+Δ=40mm，則：
tm＝L/ Vf