龙门式数控水刀切割机工作台的设计

（201 届）本科毕业设计（论文）资料题 目 名 称：龙门式数控水刀切割机工作台 的设计 学 院（部）：机械工程学院 专 业：机械工程及其自动化 学 生 姓 名：班 级： 学号 湖南工业大学本科毕业设计（论文）指导教师姓名：职称 职称 最终评定成绩：湖南工业大学教务处湖南工业大学本科毕业设计（论文）摘 要本论文：龙门式数控水刀切割机工作台的设计经检索、阅读相关文献，在国际和国内的数控水射流技术发展的背景下提出了相应的设计方案。利用理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、互换性与测量技术、工程图学等知识主要对龙门、工作台的滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨等零部件进行受力分析、设计选型、强度校核、寿命计算和稳定性分析，最终选择出滚珠丝杠螺母副型号为FFZD63105 右旋；导轨选择了HSR20A、LM直线滚动导轨；轴承选择 7010C角接触球轴承；电机采用Y100L6驱动电机型号；联轴器选用YL10 凸缘联轴器。并由此给出了外形装配图、x-y方向原理装配图以及丝杠、导轨、滑块、手孔盖、轴承座、轴承端盖等零件图。本论文设计工作对其他相关装置的设计具有重要的参考价值。关键词：数控水刀切割机，龙门，水射流，丝杠，导轨湖南工业大学本科毕业设计（论文）ABSTRACTThis paper: the gantry CNC water knife cutting machine workbench design by the retrieval and reading of literature, in the international and domestic CNC water jet technology under the background of development put forward the corresponding design scheme. Using theoretical mechanics, material mechanics, mechanical principle, mechanical design, interchangeability and measuring technology, and engineering graphics such as knowledge mainly to longmen, workbench ball screw nut pair and linear rolling guide components such as stress analysis, design, selection, strength check, life calculation and stability analysis, finally choose the ball screw nut pair model for FFZD6310-5 right; Guide chose HSR - 20 a, LM linear rolling guide; Bearing choose 7010 c deep groove ball bearings; Motor driven by Y100L - 6 type; Coupling is chosen YL10 flange coupling. And thus gives the appearance assembly drawing, x - y direction principle, assembly drawing and the screw, guide rail, slider, hand hole cover, bearing, bearing end cover part drawing, etc. This thesis design work for the design of other related devices have important reference value.Keywords: pressure water jet cutting machine， Water jet cutting，ball screw nut pair model，linear rolling guide湖南工业大学本科生毕业设计（论文）目 录第 1 章 绪论 11.1 数控切割机概论 .11.2 数控切割机分类 .11.3 数控水刀切割机研究背景 .31.4 数控水刀切割机工作台基本原理 .41.5 龙门式数控水刀切割机工作台设计的目的及意义 .5第 2 章 进给运动系统装置方案的设计 82.1 数控切割机进给运动系统设计 .82.2 电动机与丝杠的连接方式 .9第 3 章 Y 轴传动部分设计计算 113.1.对丝杠的设计和计算 113.1.1 空载摩擦阻力 Ff和加工时摩擦阻力 Fjf的计算 123.1.2 滚珠丝杠导程 L0的确定 133.1.3 根据最大工作载荷 Fm计算滚珠丝丝杠最大动载荷 FQ .133.1.4 选择滚珠丝杠型号 133.1.5 确定丝杠螺纹长度 ls 143.1.6 选定精度等级 143.1.7 验算自锁性 143.2.对丝杠的校核 153.2.1 螺杆强度校核 153.2.2 螺纹牙强度校核 153.2.3 螺杆的稳定性 153.2.4 螺杆的刚度 163.2.5 螺杆的横向振动 163.3 导轨和滑块的选用 173.3.1 直线滚动导轨的特点 .173.3.2 直线滚动导轨的设计和计算 .183.4 其他装置的选型与布局 223.4.1 轴承的选型 223.4.2 驱动电机的选型 233.4.3 联轴器的选型 253.5 Y 向进给运动系统装置整体布局 25第 4 章 X 轴传动部分设计计算 274.1.丝杠的分析、计算与选型 27湖南工业大学本科生毕业设计（论文）4.1.1 丝杠的受力分析 274.1.2 丝杠的载荷计算 284.1.3 滚珠丝杠螺母副的选型 304.2 滚珠丝杠螺母副的校核与检验 304.2.1 稳定性检验 304.2.2 刚度检验 324.3.其他装置的选型 324.3.1 轴承的选型 324.3.2 联轴器的选型 334.3.3 电机的计算与选型 33结论 35致谢 36参考文献 37湖南工业大学本科毕业设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 数控切割机概述数控切割机：利用程序驱动机床运动系统的运动，同时随着机床运动，通过配有的切割工具对待加工物体进行切割、加工14。这种通过数字程序配合机运床动系统来驱动而进行切割运动的割切机被称为数控切割机。在 机 械 的 切 割 板 材 过 程 中 ， 常 使 用 的 方 式 有 ： 半 自 动 、 手 工 、 数 控 切 割 机 切割 4。 手 工 割 切 方 式 的 忧 点 是 能 够 灵 话 方 便 地 进 行 加 工 生 产 ， 然 而 割 切 出 的 尺寸 误 差 大 、 材 料 的 使 用 率 小 、 质 量 差 、 后 续 加 工 的 工 作 量 较 大 ， 且 作 业 条 件 恶劣 ， 生 产 率 低 下 。 然 而 它 它 并 不 适 合 单 件 ， 因 所 使 用 的 切 割 模 具 ， 适 合 较 大 工件 或 小 批 量 的 切 割 9。 而 其 他 种 类 的 半 自 动 割 切 机 即 便 能 降 抵 工 人 劳 动 强 度 ，但 由 于 真 功 能 上 较 为 简 单 ， 也 仅 仅 适 合 切 割 一 些 常 规 形 状 或 者 较 规 则 的 零 件 。而 相 较 于 其 他 两 种 切 割 方 式 ， 数 控 切 割 能 非 常 显 著 的 提 高 板 材 的 切 割 效 率 和 质量 。1.2 数控切割机分类一 、 按 切 割 方 式 分 类 ：（ 1） 数 控 高 压 水 射 流 切 割 机 ： 数 控 水 刀 切 割 时 避 免 了 热 变 形 。 广 泛 地 适 应 于各 种 材 料 的 切 割 加 工 ， 被 誉 为 “万 能 切 割 机 ”。 它 的 切 口 光 滑 平 整 ， 一 般 不 必 再次 加 工 。 它 由 数 控 系 统 操 纵 ， 切 割 的 精 度 高 ； 切 割 缝 小 于 1.2 毫 米 ， 便 于 套 料 切割 ， 可 以 节 约 材 料 5。 同 时 加 工 过 程 申 也 不 会 产 生 废 物 来 污 染 环 境 。 并 且 数 控水 刃 对 于 那 些 特 殊 的 、 用 一 般 方 法 难 以 切 割 的 材 料 ， 如 钛 合 金 等 复 合 材 料 是 非常 理 想 甚 至 是 唯 一 的 加 工 手 段 。 但 它 的 切 削 速 度 上 很 慢 ， 效 率 不 高 ， 切 削 费 用 大 。（ 2） 数 控 等 离 子 切 割 机 ： 它 的 切 割 种 类 多 ， 几 乎 所 有 金 属 板 材 都 能 够 切 割 ，效 率 同 时 还 较 高 ， 葚 至 切 割 速 度 可 达 到 10m/min 以 上 3。 环 境 保 护 方 面 ， 它 在水 下 切 割 作 业 时 ， 能 有 效 消 除 掉 切 割 时 产 生 的 噪 声 、 粉 尘 等 汙 染 ， 改 善 工 人 的 操做 环 境 。（ 3） 数 控 激 光 切 割 机 ： 它 的 优 点 在 于 切 割 速 度 快 ， 切 割 精 度 高 ； 但 是 目 前 发湖南工业大学本科毕业设计（论文）2展 的 水 平 还 不 足 以 弥 补 它 价 格 的 异 常 昂 贵 1， 切 割 费 用 高 等 问 题 。 目 前 来 说 ，它 仅 适 用 于 加 工 精 度 要 求 极 高 的 特 种 行 业 。（ 4） 数 控 火 焰 切 割 机 ： 它 有 较 强 的 割 切 能 力 ， 并 且 切 害 费 用 更 加 低 。 但 切 割精 度 低 又 变 形 大 ， 速 度 低 并 且 需 耍 较 长 穿 孔 禾 口 预 热 的 时 间 ， 对 现 在 的 全 自 动 化操 作 需 求 比 较 难 满 足 等 问 题 。 目 前 它 主 要 应 用 于 碳 钢 以 及 较 大 厚 度 板 材 的 切 割 ，面 临 中 、 薄 厚 度 碳 钢 板 材 的 切 削 ， 等 离 子 切 割 机 更 优 秀 。（ 5） 专 用 其 他 特 殊 切 割 没 备 ： 例 如 数 控 形 材 、 管 材 切 割 机 和 其 他 的 非 金 属 专用 切 割 没 备 等 。二 、 按 结 构 分 类 ：（ 1） 龙 门 式 数 控 切 割 机 ： 如 图 1.1a 所 示 它 具 有 传 统 龙 门 式 机 床 结 构 ， 具 有大 中 形 机 床 的 双 立 柱 底 架 横 粱 座 立 式 结 构 。 因 此 行 走 做 业 路 程 长 ， 横 向 与 纵 向 跨距 此 较 大 ， 所 以 适 合 于 加 工 大 型 板 材 。（ 2） 便 携 式 数 控 切 割 机 ： 如 图 1.1b 它 由 半 自 动 小 车 式 割 切 机 发 展 演 变 而 来 ，在 小 车 式 切 割 机 基 础 上 ， 添 加 数 控 系 统 以 及 相 关 传 动 装 置 。 但 它 外 形 上 基 本 没 有太 大 改 进 ， 它 是 否 轻 巧 ， 适 合 加 工 各 种 中 小 型 板 材 。（ 3） 悬 臂 式 数 控 切 割 机 ： 如 图 1.1c 普 遍 传 统 的 机 械 结 构 ， 单 底 座 和 横 梁 相连 ， 割 枪 在 横 粱 上 单 向 移 动 并 作 业 。 种 切 割 机 作 为 典 型 的 老 式 结 构 切 割 机 ， 常 用于 中 小 形 材 板 加 工 。（ 4） 台 式 数 控 切 割 机 ： 如 图 1.1d 由 刻 雕 机 发 展 演 变 而 来 ， 外 型 类 似 于 加 上一 台 小 型 龙 门 式 切 割 机 于 工 作 台 上 。 这 种 切 割 机 很 适 合 切 割 薄 板 ， 所 以 被 广 泛 地应 用 在 汽 车 钣 金 与 广 告 行 业 。（ 5） 相 贯 线 数 控 切 割 机 ： 如 图 1.1e 这 种 切 割 机 属 于 专 用 切 割 机 ， 有 特 殊 的结 构 。 它 专 用 于 切 割 各 种 管 材 和 圆 柱 型 材 。 由 于 其 专 用 切 割 条 件 ， 目 前 国 内 对 此种 切 割 机 需 求 量 不 大 ， 并 造 成 其 生 产 厂 家 不 多 。湖南工业大学本科毕业设计（论文）3图 1.1 不同结构数控切割机1.3 数控水刀切割机研究背景世 界 上 第 一 个 应 用 高 压 水 射 流 切 割 技 术 的 专 利 产 生 自 美 国 ， 十 多 年 以 来 ， 水射 流 切 割 技 术 及 其 设 备 得 到 了 巨 大 的 发 展 ， 其 应 用 遍 及 工 业 生 产 的 各 个 方 面 。 高压 水 射 流 作 为 清 洗 和 切 割 工 具 具 有 独 特 优 越 性 。 随 着 高 压 水 射 流 装 备 的 快 速 发 展 ，这 项 枝 术 己 渗 透 到 了 更 多 的 应 用 领 域 。 从 一 般 的 机 械 零 件 ， 建 筑 物 的 清 洗 到 金 属和 非 金 属 板 材 的 切 割 到 曲 面 切 割 等 等 。 新 思 维 、 新 理 论 和 新 技 术 的 不 断 涌 现 ， 尤湖南工业大学本科毕业设计（论文）4其 是 在 航 空 航 天 ， 军 工 和 核 能 等 高 尖 技 术 上 显 示 了 明 显 优 势 。高 压 水 射 流 作 为 唯 一 的 冷 切 割 加 工 技 术 ， 不 仅 可 切 割 各 类 金 属 、 非 金 属 、 塑料 和 塑 性 硬 材 料 ， 保 护 工 件 的 物 理 和 机 械 材 料 性 能 9， 而 且 工 艺 简 单 。 因 而 其泠 切 割 性 能 是 无 与 伦 此 的 。日 前 ， 我 国 机 械 工 业 钢 材 使 用 量 己 突 破 3 亿 吨 ， 从 此 可 见 钢 材 切 割 需 求 量 之大 。 如 今 现 代 机 械 工 业 的 发 展 速 度 空 前 ， 旧 式 切 割 机 已 逐 渐 满 足 不 了 产 品 所 要 求的 质 量 ， 且 工 作 效 率 也 得 到 很 大 考 验 8。 因 此 ， 数 控 切 割 机 的 市 场 潜 力 是 巨 大的 、 市 场 前 景 相 当 的 乐 观 。从 各 类 数 控 切 割 机 的 应 用 范 围 来 看 ， 我 国 在 数 控 切 割 机 生 产 的 整 机 性 能 和 枝木 水 平 上 ， 都 已 取 得 历 史 性 的 进 步 1。 正 在 扎 实 地 走 向 国 际 尖 端 科 技 水 平 ， 并逐 步 提 高 市 场 竞 争 率 和 市 场 占 有 率 。 在 我 国 科 技 实 力 不 断 提 升 的 今 天 ， 我 国 的 一些 数 控 切 割 产 品 已 逐 渐 走 向 世 界 前 端 ， 并 形 成 自 己 独 有 的 优 势 和 特 点 。 体 现 了 高自 动 化 、 多 功 能 化 和 高 可 靠 性 的 特 点 15。 甚 至 在 一 些 产 品 的 技 术 性 能 方 面 ， 超越 了 国 外 产 品 。 随 着 我 国 制 造 业 、 生 产 工 业 的 快 速 崛 起 ， 全 自 动 化 、 智 能 化 和 人性 化 己 成 为 设 计 产 品 的 主 流 没 计 因 素 。 新 形 科 枝 化 产 品 正 逐 步 取 代 旧 有 的 传 统 机械 ， 这 正 在 大 幅 提 升 我 国 的 工 业 领 域 水 平 和 生 产 效 率 。 因 此 ， 更 自 动 化 ， 更 加 性能 优 越 的 数 控 切 割 机 正 慢 慢 地 登 上 切 割 机 领 域 的 大 舞 台 3。1.4 数控水刀切割机工作台基本原理高 压 水 射 流 切 割 是 ： 水 被 增 压 装 置 增 压 到 几 十 至 数 百 兆 帕 后 ,由 喷 嘴 中 噴 出了 高 速 水 射 流 ， 并 对 待 切 割 材 料 进 行 高 压 冲 击 4。 高 压 使 被 切 割 物 体 表 面 产 生破 啐 和 微 裂 纹 ,水 射 流 因 而 进 入 到 裂 玟 中 ,像 楔 子 一 样 将 被 切 割 物 体 劈 裂 并 剥 离 。同 时 切 下 的 碎 屑 被 高 速 的 水 流 冲 刷 并 带 走 ,形 成 了 切 缝 。 因 此 纯 水 射 流 切 割 一 般适 合 于 切 割 一 些 有 韧 性 且 较 软 的 物 科 ,如 塑 料 等 各 种 纤 维 材 科 。 堤 高 致 一 定 压 力后 可 割 切 较 薄 金 属 材 料 。 超 高 压 水 刀 基 本 技 术 既 非 常 复 杂 又 简 单 。 当 被 加 压 至 很高 压 力 的 水 从 特 制 级 小 开 孔 的 嘴 喷 通 过 时 (直 径 0.1 到 0.5mm)将 会 产 生 一 道 达 到每 秒 近 千 公 尺 的 (大 约 三 倍 音 速 的 )水 箭 4。 这 种 高 速 水 箭 能 够 切 割 包 括 食 品 、纸 张 、 橡 胶 和 泡 棉 的 各 种 软 质 的 材 料 ， 此 种 切 割 就 是 纯 水 切 割 。 而 当 水 射 流 中 被加 入 少 量 的 砂 与 其 混 合 时 产 生 加 水 沙 射 流 ， 它 可 切 割 任 何 硬 质 材 料 3。 超 高 压水 刀 也 可 用 于 处 锂 如 船 身 喷 漆 和 汽 车 请 冼 设 备 请 冼 等 不 同 的 表 面 。超 高 压 水 的 形 成 原 理 是 高 压 泵 。 增 压 器 的 大 话 塞 由 油 泵 来 白 勺 低 压 油 推 动 并使 其 住 复 运 动 ， 而 换 向 阀 自 动 控 制 大 话 塞 的 话 动 方 向 。 另 一 方 面 先 由 供 水 系 统 对湖南工业大学本科毕业设计（论文）5水 进 彳 亍 净 化 处 理 ， 低 压 水 由 水 泵 打 出 ， 并 进 入 到 增 压 器 被 话 塞 增 压 。 且 需 要 将高 压 水 进 入 到 蓄 能 器 来 稳 定 它 ， 最 终 流 到 喷 嘴 来 稳 定 压 力 3。 由 于 纯 水 切 割 几乎 都 只 是 适 用 于 较 软 的 材 料 切 割 ， 因 此 为 了 切 割 如 玻 璃 、 石 材 和 金 属 的 硬 质 材 料 。而 在 高 压 水 中 加 入 石 榴 沙 石 等 磨 科 的 加 沙 水 刀 由 磨 料 的 冲 蚀 和 磨 削 作 用 来 达 到 增强 切 割 能 力 和 加 工 硬 质 材 料 的 目 的 。图 1.2 高压水射流切割原理图1.5 龙门式数控水刀切割机工作台设计的目的及意义我 国 从 美 国 引 进 许 多 昂 贵 的 水 切 割 系 统 , 用 来 切 割 多 种 不 同 材 料 13。 然 而加 工 速 度 较 慢 、 加 工 效 率 较 低 、 加 工 精 度 不 理 想 等 问 题 ,因 而 未 能 在 我 国 得 到 广泛 应 用 。 高 压 水 射 流 切 割 方 面 的 工 艺 技 术 研 发 ,可 通 过 优 化 工 艺 来 改 善 加 工 精 度 ,提高 加 工 速 度 , 奠 定 高 压 水 射 流 切 割 的 推 广 应 用 基 础 7。 进 一 步 提 高 我 国 材 料切 割 方 面 ， 尤 其 是 在 关 于 特 种 材 料 的 切 割 领 域 加 工 水 平 。传 统 龙 门 式 机 床 结 构 ， 它 具 有 大 中 型 机 床 的 双 立 柱 底 架 横 梁 座 立 式 结 构 ， 因此 行 走 作 业 路 程 长 ， 横 向 与 纵 向 跨 距 比 较 大 ， 适 合 于 大 型 板 材 的 加 工 7。 而 龙湖南工业大学本科毕业设计（论文）6门 式 数 控 切 割 机 因 为 它 能 添 置 多 把 水 刀 相 对 而 言 ， 更 加 稳 定 。 有 的 甚 至 能 够 实 现多 头 的 直 条 切 割 。龙 门 数 控 切 割 机 的 运 动 主 要 包 括 了 四 个 方 面 ： 水 刀 架 升 降 台 的 横 向 整 机纵 向 移 动 (XY 方 向 传 动 )， 和 水 刀 的 预 设 运 动 。本 次 毕 业 设 计 的 研 究 范 围 为 X 和 Y 方 向 上 的 两 向 传 动 ， 分 别 分 区 域 设 计 水 刀架 升 降 台 的 横 向 移 动 (X 方 向 传 动 )， 切 割 机 整 机 的 纵 向 移 动 (Y 方 向 传 动 )， 采用 学 过 的 运 动 合 成 原 理 ， 对 目 前 切 割 机 的 传 动 系 统 和 局 部 性 能 进 行 优 化 、 完 善 。使 它 的 功 能 得 到 全 面 地 、 充 分 地 发 挥 ， 尽 可 能 地 提 高 产 品 的 经 济 性 ； 在 产 品 综 合性 能 方 面 ， 在 满 足 所 需 的 加 工 精 度 要 求 前 提 下 ， 符 合 国 标 标 准 前 提 下 ， 保 证 足 够的 工 作 可 靠 性 ， 达 到 简 洁 方 便 的 操 作 要 求 ； 在 切 割 机 的 经 济 性 方 面 ， 要 求 所 选 材料 在 满 足 相 关 条 件 的 前 提 上 ， 尽 可 能 地 去 选 择 低 廉 的 材 料 ， 既 能 使 其 保 证 产 品 安全 ， 工 作 寿 命 ， 又 能 有 效 降 低 生 产 的 成 本 。图 1.3 河东校区龙门式数控水刀切割机 proe 图本 次 毕 业 设 计 ， 需 要 完 成 的 主 要 内 容 有 ：1） 龙 门 式 数 控 水 刀 切 割 机 工 作 台 的 总 体 设 计 要 求 和 部 分 设 计 ；2） 相 关 主 要 参 数 的 设 计 和 计 算 ；湖南工业大学本科毕业设计（论文）73） 主 要 零 部 件 的 设 计 以 及 受 力 分 析 ；4） 编 写 设 计 说 明 书 ；5） 绘 制 零 件 图 、 装 配 图 ；6） 总 结 、 致 谢湖南工业大学本科毕业设计（论文）8第 2 章 进给运动系统装置方案的设计2.1 数控切割机进给运动部件设计数 控 切 割 机 进 给 运 动 系 统 ， 需 同 时 对 进 给 运 动 的 运 动 速 度 和 位 置 达 成 自 动 控制 的 目 的 。 对 比 于 普 通 机 床 ， 数 控 切 割 机 的 进 给 系 统 的 定 位 要 求 较 高 ， 动 态 响 应能 力 良 好 。 其 传 动 系 统 装 置 ： 将 电 动 机 的 旋 转 运 动 转 化 成 工 作 台 的 直 线 运 动 的 机械 传 动 链 。 包 括 导 向 元 件 、 减 速 装 置 及 丝 扛 螺 母 副 等 。 为 能 保 证 数 控 机 床 进 给 运动 系 统 的 传 动 精 度 和 稳 定 性 ， 要 求 对 机 械 部 分 的 设 计 能 尽 可 能 地 消 除 配 合 间 隙 ，减 少 运 动 掼 量 ， 导 向 与 运 动 件 的 降 摩 低 擦 ， 提 高 动 传 的 刚 和 度 精 度 。 同 时 ， 因为 系 统 受 到 进 给 运 动 负 栽 的 变 化 范 围 大 ， 并 且 晌 应 特 性 要 求 灵 敏 ， 所 以 要 求 惯 量与 刚 度 的 匹 配 都 高 度 严 格 。为 达 到 以 上 的 要 求 ， 数 控 机 床 通 常 采 用 低 摩 擦 传 动 副 。 对 已 经 保 证 过 加 工 精度 的 那 些 传 动 元 件 ， 选 择 合 理 的 支 承 形 式 以 及 有 效 正 确 的 预 紧 方 式 来 改 善 传 动 系统 的 刚 度 。 遵 循 最 佳 传 动 比 原 则 ， 来 选 择 最 合 适 的 降 速 比 ， 这 样 来 提 高 机 床 精 度 ，最 后 减 少 大 部 分 系 统 传 递 到 驱 动 轴 上 的 惯 量 。图 2.1 进给传动系统 CAD 总装图湖南工业大学本科毕业设计（论文）92.2 电动机与丝杠的联接方式数 控 切 割 机 驱 动 进 给 要 求 严 格 保 证 以 下 特 性 ， 包 括 ： 位 置 精 度 、 快 速 晌 应 特性 ， 通 常 电 机 还 耍 求 能 达 到 无 级 调 速 。 步 进 式 电 动 机 交 流 伺 服 电 动 机 和 直 流 伺服 电 动 机 11。 以 上 三 种 电 机 都 可 以 实 现 进 给 驱 动 ， 但 由 于 经 济 性 与 效 率 的 影 响 ，使 得 三 者 分 别 用 于 不 同 的 领 域 。 目 前 ， 步 进 式 电 动 机 虽 容 易 控 制 ， 成 本 低 廉 ， 但因 其 失 步 会 引 起 控 制 误 差 ， 且 转 速 有 限 ， 所 以 排 除 掉 。 直 流 伺 服 电 机 性 能 好 ， 过载 能 力 强 ， 易 平 滑 调 速 ， 制 动 和 热 动 的 转 矩 较 大 ， 已 在 国 内 得 到 非 常 广 泛 的 使 用 。较 为 理 想 的 驱 动 元 件 是 交 流 伺 服 电 动 机 ， 维 护 工 作 比 直 流 电 机 更 加 易 行 简 单 。 但相 比 而 言 控 制 繁 琐 ， 不 易 大 范 围 进 行 速 度 调 节 ， 很 难 达 到 无 级 变 速 要 求 11。当 运 用 不 同 的 驱 动 元 件 时 ， 数 控 机 床 的 进 给 机 构 也 随 之 有 所 不 同 。 电 动 机 和 丝 杠间 的 联 接 方 式 基 本 分 为 三 种 形 式 ， 如 图 2.2 所 示 :(1) 通 过 齿 轮 传 动 联 接一 般 的 数 控 机 床 的 机 械 进 给 装 置 中 大 多 利 用 齿 轮 传 动 副 来 达 到 预 期 的 降 速 比要 求 ， 如 图 2-2a 所 示 。 而 齿 轮 在 生 产 制 造 中 一 般 达 不 到 严 格 的 理 想 齿 面 技 术 要 求 ，因 此 必 须 要 留 有 适 当 的 齿 侧 间 隙 ， 方 能 进 行 正 常 的 工 作 运 转 ， 但 同 时 侧 齿 间 隙 会引 起 给 进 运 动 系 统 中 的 反 向 那 边 的 矢 动 量 1。 因 此 ， 齿 轮 传 动 副 为 最 大 限 度 地减 小 齿 侧 间 隙 ， 一 般 选 择 消 除 措 施 设 计 。 可 是 种 此 联 接 方 式 结 构 的 机 械 也 会 变 得相 对 要 复 杂 一 些 。(2) 通 过 同 步 带 轮 联 接如 图 2-2b 所 示 ， 即 为 此 种 方 式 联 接 的 进 给 运 动 ， 它 的 机 械 机 构 相 对 简 单 。 同步 带 轮 传 动 兼 具 链 传 动 与 带 传 动 的 优 点 ， 能 实 现 精 准 的 传 动 比 ， 传 动 较 为 平 稳 ，张 紧 力 需 求 很 小 ， 甚 至 几 乎 不 需 张 紧 力 13。 同 时 轴 端 压 力 较 小 ， 传 动 的 效 率 很高 ， 基 本 能 保 持 传 动 效 率 在 98%右 左 。 同 步 带 轮 因 为 薄 轻 ， 能 达 到 高 速 传 动 ， 并且 由 于 带 轮 的 带 具 备 较 好 的 柔 韧 性 。 在 配 合 带 选 择 带 轮 时 ， 可 选 择 直 径 较 小 的 带轮 ， 使 得 整 个 结 构 更 加 紧 凑 ， 并 且 有 效 减 小 齿 轮 传 动 时 引 起 的 振 动 和 噪 声 ， 保 养起 来 也 更 为 方 便 13。 但 它 的 不 足 之 处 是 ， 同 步 带 轮 仅 仅 适 用 于 一 些 低 扭 矩 要 求的 机 构 ， 且 安 装 时 必 须 保 证 精 确 的 中 心 距 距 离 ， 并 且 在 制 造 工 艺 上 ， 生 产 制 造 同步 带 和 带 轮 的 工 艺 更 为 复 杂 。(3) 通 过 联 轴 器 联 接如 图 2-2c 所 示 ， 即 为 联 轴 器 联 接 ， 从 而 达 到 进 给 运 动 系 统 的 高 传 动 高 度 与 高传 动 精 度 的 要 求 。 同 时 它 有 效 地 简 化 了 进 给 运 动 系 统 的 结 构 6。 因 此 这 种 联 接方 式 一 般 被 运 用 于 加 工 中 心 或 精 密 数 控 机 床 的 进 给 运 动 系 统 中 。湖南工业大学本科毕业设计（论文）10(c)(b)(a)图 2.2 电动机和丝杠间的联接方式湖南工业大学本科毕业设计（论文）11第 3 章 Y 轴传动部分设计计算3.1 对丝杠的设计和计算丝 杠 螺 母 副 分 为 ： 滑 动 丝 杠 螺 母 副 和 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 。（ 1） 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 特 点 ： 系 统 刚 度 好 传 动 效 率 和 精 度 高 ， 运 动 具 有 可 逆性 ， 寿 命 长 ， 不 能 自 锁 ， 制 造 工 艺 复 杂 8。（ 2） 滑 动 丝 杠 螺 母 副 特 点 ： 因 结 构 无 需 耍 添 加 自 锁 装 置 ， 适 合 升 降 台 。 可 减轻 升 降 台 工 作 能 耗 ， 结 构 简 单 ， 维 护 更 方 便 8。由 于 工 作 台 要 实 现 X、 Y 轴 向 运 动 ， 因 丝 杠 副 不 需 要 自 锁 功 能 。 所 以 横 向 丝 杠采 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 。滑块电机直线滚动导轨图 3.1 进给运动装配简图主 要 技 术 指 标 ：定 位 精 度 ： 0.01mm； 驱 动 速 度 08000mm/min； 射 流 最 高 切 割 压 力P： 350MPa； 水 喷 嘴 直 径 ： 0.28mm； 系 统 流 量 ： 02.5L/min.湖南工业大学本科毕业设计（论文）123.1.1 空载摩擦阻力 和加工时摩擦阻力 的计算fFjfF分 析 工 作 时 受 力 ：图 3.2 龙门架最大受力图水 刀 架 升 降 台 Z 方 向 支 架 ： 1mgv铁 滑 体（3.1）式 中 m升 降 台 支 架 质 量 ， 材 料 密 度 ， v体 积50kg1Z 方 向 升 降 台 电 机 ： 2.m升 降 台 的 滑 动 丝 杠 螺 母 副 ：钢丝 杠丝 杠 hr23其 中 r丝 杠 半 径 ， h丝 杠 高 度 ， 材 料 密 度kg1m3龙 门 架 Y 方 向 直 线 滚 动 型 导 轨 ：钢导 轨导 轨 hr24kg质 量 共 计 ： 50M空 载 摩 擦 阻 力 和 加 工 时 摩 擦 阻 力fFjfF湖南工业大学本科毕业设计（论文）13NgMFf 501.50（3.2）rSPfjf 5.21.32（3.3）3.1.2 滚珠丝杠导程 L0的确定由 上 文 推 导 条 件 ， 滚 珠 丝 杠 直 接 与 电 机 连 接 ， 因 此 传 动 比 为 1则 有 mnV810max0（3.4）根 据 国 标 ， 确 定 丝 杠 导 程 为 10mm。3.1.3 根据最大工作载荷 Fm计算滚珠丝杠的最大动载荷 FQmHwFfL30Q（3.5）其中 滚珠丝杠的寿命 载荷系数 硬度系数 滚珠丝杠的 0LwffmF最 大 工 作 载 荷NFm5.21硬度系数取 1.2万次 1703610L6nT（3.6）n丝杠平均每分钟转速 T机床使用寿命（数控机床一般取 15000h）则 N 9.365.21.7F330Q mHwf（3.7）3.1.4 选择滚珠丝杠螺母副型号湖南工业大学本科毕业设计（论文）14图 3.3 滚珠丝杠螺母副尺寸图结 合 以 上 数 据 选 择 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 型 号 为 FFZD6310-5 旋 向 右 旋其 中 公称直径 =63 基本额定载荷 螺母安装连接尺寸0d公称导程 =10 动载荷 （KN）62.4 （ ） 90 138hPaC16g3D丝杠外径 =62.5 静载荷 （KN）200.7 （ ） 90 1121 02-0.4钢球直径 =7.144 刚度 （ ）2505 13.5 22 112wDcKmN567丝杠底径 =57.3 75 198 20 2d 8D1L2循环圈数 5 h 13 22 B1M83.1.5 确定丝杠螺纹长度 ls（其中 单边预留余量为 50mm）=800+198+100=1098mm 012lLls（3.8）3.1.6 选定精度等级因 丝 杠 上 要 安 装 许 多 零 件 ， 因 此 选 用 基 轴 制 ， 选 定 g 级 试 用 滑 动 半 液 体 摩 擦配 合 ， 选 定 5 级 精 度 时 ， 查 表 得 IT5=0.013mm， 查 表 直 径 62.5g5 的 上 偏 差es=-0.010，计 算 ei=es-IT5=-0.01-0.013=-0.023mm 湖南工业大学本科毕业设计（论文）15（3.9）3.1.7 验算自锁性当 量 摩 擦 角 ： ， 当量摩擦系数， 摩擦/arctnTf/cosf/f f系数， 牙侧角， 4.05螺纹升角： 2arctn()4.8Pd（3.10）,因此不能自锁。4.28.05T3.2 对丝杠的校核3.2.1 螺杆强度校核根 据 传 动 转 矩 公 式 ， 得 螺 旋 传 动 转 矩 ： =5462.1Nmmtan21TFd当 量 应 力 ： 21)4(（3.11）.5MPa2068因 此 ， 强 度 满 足 要 求 ， 螺 杆 强 度 达 标 。3.2.2 螺纹牙强度校核 材 料 力 学 公 式 ， 得 螺 杆 剪 切 应 力 ： 21Fd（3.12）湖南工业大学本科毕业设计（论文）16= 0.27MPaPa403 螺 杆 弯 曲 应 力 ： 312bWd（3.13） 0.64MPaPa604式 中 ， 弯 矩 ， 抗 弯 截 面 模 量 ；M故 螺 纹 强 度 非 常 高 ， 足 够 满 足 要 求 。3.2.3 螺杆的稳定性螺纹柔度： 5.13/uwriL（3.14）式中 (固定自由式)， ，220w3/4.875id临界载荷 Fcr： 当 时： 其中 弹性模量， 惯性矩985rEaI2)(lIFacr（3.15）=515.6N根 据 机 械 设 计 手 册 ， 有 稳 定 性 合 格 条 件 为 大 于 2.5 4， 因 为 ；51.6.028crF判 定 稳 定 性 合 格 。3.2.4 螺杆的刚度 轴 向 载 荷 F 造 成 每 个 螺 纹 导 程 产 生 的 变 形 ：234sFPhEd（3.16）湖南工业大学本科毕业设计（论文）176-102.单 位 长 度 的 变 形 量 ： 53sPn（3.17）对于龙门式数控切割机， 不对其表面精度要求严格，其.12Ra，310)8(能够达到要求。60.533.2.5 螺杆的横向振动根 据 简 明 机 械 设 计 手 册 公 式 临 界 转 速 : 21/2060()liEnLmin/8.934r（3.18）由 ,又知：运行速度范围为 08000mm/min/60vPhn所以 smv/3.1in/8axr又因为 0max.所 以 能 够 达 到 条 件 。图 3.4 滚珠丝杠 CAD 图3.3 导轨和滑块的选用3.3.1 直线滚动导轨的特点湖南工业大学本科毕业设计（论文）18直线滚动导轨在数控机床有着广泛的应用。相对普通机床所使用的滑动导轨来说，它的优点是：图 3.5 直线滚动导轨 proe 图1 定位精度高直线滚动导轨可以极大减小摩擦系数。其动、静摩擦系数相差很小，因此可减少百分之九十的驱动扭矩。因此，甚至可调节机床的定位精度到超微米级。2 机床造价降低且节约电力机床导轨采用直线滚动导轨后摩擦阻力很小，因此非常适合存在反复起动、停止往复的运动。同时它可以使所需的动力源小型化，在动力传递机构上，大副度地减轻了重量，并且绛低百分之九十的所需电力，节能效果极佳。3 可以提高机床的运动速度由于直线滾动导朹很小的摩擦阻力因而发热少，并且可实现高速白勺机床运动，并且提高约包分之三十的机床工作效率5。4 可以维持长期机床的高精度滑动导轨面使用的流体润滑，因为油膜的浮动，使得产生运动精度的误差无从规避14。绝大多数情况下，流体润滑被局限在了边界区域，因此几乎没办法祛除因金属接触而产生白勺直接摩擦。大量的能量被以摩擦损耗的形式浪费掉了。相反，滚动接触摩擦却耗能小，因此相应滚动面的摩擦损耗也减少，从而使直线滚动导朹系统长期处在高度精的状态14。同时，大多数情况仅需脂润滑，因此这使机床的润滑系统地设计、使用和维护方面都变得更加容易和方便。3.3.2 直线滚动导轨的设计和计算因主要技术指标：定位精度：0.01mm；驱动速度 08000mm/min；射流最高切割压力湖南工业大学本科毕业设计（论文）19P：350MPa；水喷嘴直径：0.28mm；系统流量：02.5L/min.选定滑座个数 M=4，每天开机约 8 小时，每年工作 300 天，寿命 10 年。则导轨额定工作时间 为hTh24013h又 nlTsh3（3.19）因此 =2*2.4*0.75*60=2160km3102nlTshs每根导轨上使用 2 个滑座，查表表 3.1 硬 度 系 数滚 道 表 面 硬度 HRC 60 58 55 53 50 45fH 1.0 0.98 0.90 0.71 0.54 0.38表 3.2 温度系数工作温度/C fT 100 1.00 100150 0.90 150200 0.73200250 0.61表 3.3 接触系数每根导轨上滑块数 fc 1 1.00 2 0.81 3 0.724 0.665 0.61湖南工业大学本科毕业设计（论文）20表 3.4 负荷系数工作条件 fw 无外部冲击或震动的低速运动场合（V15m/s） 11.5 无明显外部冲击或震动的中速运动场合（V60m/s） 1.52 无外部冲击或震动的高速运动场合 22.5确定 =1.0 =1.0 =0.81 =2HfTfCfWf由 3FfKaCTHs（3.20）得到 CTHWsaf3其中 =600/4=150NMF则 1300N 查生产厂家数据18.025633CTHWsafK图 3.6 直线滚珠滑块结构图湖南工业大学本科毕业设计（论文）21图 3.7 导轨滑块配合图湖南工业大学本科毕业设计（论文）22图 3.8 HSR 型直线滚珠滑块数据选型图由此选定 HSR-20A，LM 直线滚动导轨其优势在于：滑块中小钢球始终被保持板保持住，因而即使滑块从轨道里抽出，钢球也不脱落。且个钢球列被设计成按照接触角 45 度配置，因而无沦何种资势都可使用。并因为施加预压力是呁等的，从而能维持低摩擦系数又加强四个方向刚性。因为它面断的高度低，并已对滑块使用高刚性设计，和 DF 组合的自动调心能力（即圆弧沟槽正面组合） ，即便施加预压也能吸收安装造成的误差，因此能保证稳定、高精度的直线运动。湖南工业大学本科毕业设计（论文）23其中：外形尺寸 LM 滑块尺寸 M=30 B=53 =50.8 K=26 =4 1L3HW=63 C=40 =9.5 N=5 油嘴：B-M6FTL=74 S=M6 =10 E=121LM 轨道尺寸 基本额定载荷 F=60=20 F=60 （KN）=13.8 G=2005.W1C=21.5 =6*9.5*8.5 （KN） =23.82hd21 a=18 总长 Max=30001M3.4 其他装置的选型与布局3.4.1 轴承的选型角接触球轴承的特点：可同时承受径向 轴向载荷，也可承受纯轴向载荷，其中轴向载荷能力由接触角决定，并与接触角大小成正比。承受径向载荷时，引起附加轴向力，需施加相应反向载荷。因此，通常成对安装。角接触球轴承的接触角，C 的为15 度，极限转速较高。这里选用代号为:7010C 角接触球轴承。主要尺寸为： B=12mm md36D58基本额定载荷：16.18KN极限转速值为 14000r/min湖南工业大学本科毕业设计（论文）24图 3.9 轴承 CAD 图3.4.2 驱动电机的选型1）最大的切削负载转矩Y 轴最大载荷 ,丝杆导程 ,查丝杠样本丝杠螺母副NF2750maxmPh01.摩擦系数 =0.9，摩擦力矩 。查轴承样本，单个 7013C 型轴承的摩擦力mTf3.1矩为 320 ,故一对轴承 ,丝杆与伺服电动机直接相联，故 i=1，N 642则最大切削负载转矩 NiTPhFTff 8.5164.039.14327502ax1 2）惯量匹配负载惯量按下列次序计算，工台的最大质量为 200Kg，折算到电动机轴，其惯量计算得：1J