毕业设计（论文）-悬臂式数控火焰切割机的选型与设计.doc

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1、悬臂式数控火焰切割机的结构设计 新新疆疆大大学学科科学学技技术术学学院院 College of science technology Xinjiang University 学生学生毕业论毕业论文文(设计设计) 题题 目：目： 悬臂式数控火焰切割机的选型与设计 指导教师指导教师: : 学生姓名：学生姓名： 专专 业：业： 过程装备与控制工程 班班 级级： 化机 07-1 班 完成日期完成日期： 2011-5-20 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 声 明 郑重声明，此论文（设计）是本人在乌日开西老师指导下完成，没有抄袭、 剽窃他人成果，否则，由此造成的一切后果由本人负责。 本人签名： 悬臂式数控

2、火焰切割机的结构设计 新疆大学科学技术学院新疆大学科学技术学院 学生学生毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书 学生姓名 学号 20072457008 专业 过程装备与控制工程 班级 化机 07-1 班 论文（设计）题目 悬臂式数控火焰切割机的选型与设计 论文（设计）来源 教师自拟 要求完成的内容 1.装配图 一张（A0） 2.零件图 一张（A1） 3.设计说明书 一份 4.外文翻译 一份 发题日期：2011 年 1 月 8 日 完成日期：2011 年 5 月 20 日 指导教师签名 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 摘要 本文设计一个悬臂式数控 火焰切割机。 主要包括总体设计，确定 系统

3、的运动方式，伺服系统的选择，计算校核电动机，滚珠丝杠副，直 线导轨。最终完成悬臂式火焰切割机的装配。 关键词：关键词：数控；切割机；结构设计 ABSTRACT This design of a cantilever-type CNC flame cutting machine. Including overall design, to determine the movements of the system, servo system selection, calculation check motor, ball screw, linear guide. Finalize the cant

4、ilever assembly of the flame cutting machine. Key words：NC; cutting machine; structural design 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 目录 1绪论1 1.2 我国数控装备发展状况.1 1.3 数控火焰切割机.2 1.4 设计任务.4 2总体方案设计5 2. 1 进给传动系统的选择.5 2. 2 直线滚动导轨副的选择.5 2. 3 机械传动部件的选择.6 2. 4 支承方式的选择.7 2. 5 联轴器的选择.8 3机械传动部分设计10 3. 1 步进电机的选择10 3. 1. 1 确定步进电机的步距角和导程1

5、0 3. 1. 2 确定精度和校验速度10 3. 1. 3 确定电机10 3. 2 Y 向滚珠丝杠副的验算.11 3. 2. 1 丝杠初选型号11 3. 2. 2 稳定性验算12 3. 2. 3 刚度验算14 3. 3 X 向滚珠丝杠副的验算.15 3. 3. 1 丝杠初选型号15 3. 3. 2 稳定性验算16 3. 3. 3 刚度验算18 3. 4 直线导轨的选择与验算19 3.4.1 Y 向直线导轨的选择与验算：.19 3.4.2 X 向直线导轨的选择与验算.21 3.5 悬臂梁的刚度校核22 总结24 致谢25 参考文献26 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 1 1绪论 1.1 数控装备

6、的发展与趋势 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产 业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的 装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样 生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的 生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界 各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场 的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备 列为国家的战略物资，不仅采取重

7、大措施来发展自己的数控技术及其产业，而 且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之， 大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发 展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备 是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电 一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技 术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传 感器技术；(6)软件技术等。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制

8、造业成为工 业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生 的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用， 因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技 术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面14。 高速、高精加工技术及装备的新趋势 1 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效 率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先 端技术研究会将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将 其确定为 21 世纪的中心研究方向之一。 5 轴联动加工和复合

9、加工机床快速发展 2 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削， 不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率 可以等于 2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速 铣削淬硬钢零件时，5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去 因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比 3 轴联动数控机床高 出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5 轴联动机床的发展。 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 3 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控 系统中的各

10、个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 1 自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化， 如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等； 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面 等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。目前开 放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功 能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的 网络化将极大地满足生产线、制造系

11、统、制造企业对信息集成的需求，也是实 现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著 名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 EMO2001 展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称 CPC)；日本大隈（Okuma）机床公司展出 “IT plaza”（信息技术广场，简称 IT 广场)；德国西门子(Siemens)公司展出 的 Open Manufacturing Environment（开放制造环境，简称 OME）等，反映了 数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 重视

12、新技术标准、规范的建立 4 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美 国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系 统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进 行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期 的来临。我国在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制 定。 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的 50 年间的信 息交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G，M 代码描述如何（how）加工，其本 质特征是面向加工过程，显然

13、，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的 需要。目前，欧美国家非常重视 STEP-NC 的研究，欧洲发起了 STEP-NC 的 IMS 计划(1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的 20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的 STEP Tools 公司是全球范 围内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换 的超级模型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这 种新的数据交换格式已经在配备了 SIEMENS、FIDIA 以及欧洲 OSACA-NC 数控系 统的原型样机上进行了验

14、证。 1.2 我国数控装备发展状况 我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为 3 个阶段： 第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技 术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国 家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收， 初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研 究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产 化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五” 期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此

15、阶段，我国国产数控装 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 2 备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占 有率达 50，配国产数控系统（普及型）也达到了 10。 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为 导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方 法，选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产 业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃 式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数 控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点

16、行业关键设 备等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服 系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。 没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力 的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。 在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以 “做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急 需。 在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技 术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基 础。 1.3 数控火焰切割机 数控火焰切

17、割机数控切割机(CNC Cutting Machine )就是用数字程序驱动 机床运动，搭载火焰切割系统，使用数控系统来控制火焰切割系统的开关，对 钢板等金属材料进行切割。这种机电一体化的切割设备（如上海钟秀数控火焰 切割系列）就称之为数控火焰切割机。数控火焰切割机可分为 3 大部分：数控 系统、火焰切割系统、驱动系统，不同厂家生产的大体相同（国外知名：梅塞 尔、小池、伊萨等，国内的有：上海钟秀数控等）。 数控火焰切割机英文名称 flame cutting machine 数控火焰切割机切割具 有大厚度碳钢切割能力，切割费用较低，但存在切割变形大，切割精度不高， 而且切割速度较低，切割预热时间

18、、穿孔时间长，较难适应全自动化操作的需 要。它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割，在中、薄碳钢板材切割上 逐渐会被等离子切割代替。 与其他切割设备相比较: A. 从切割方式上： 数控火焰切割机 ，切割具有大厚度碳钢切割能力，切割费用较低，但存在 切割变形大，切割精度不高，而且切割速度较低，切割预热时间、穿孔时间长， 较难适应全自动化操作的需要。它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割， 在中、薄碳钢板材切割上逐渐会被等离子切割代替。 B. 在机械结构上： 龙门式数控切割机即传统大中型机床的双底架横梁座立式结构，跨距和纵 向行走距离大，适合大型板材加工。 悬臂式数控切割机也是一种传统经典的机

19、械结构，单底座与横梁一端相接， 割枪在横梁上横向移动，此类设备适合中小型板材加工 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 3 便携式切割机是由半自动小车式切割机发展而来，在小车式切割机上加装了 数控系统和传动装置，基本外型与小车式半自动切割机相似，此类机型成本低 廉，结构轻巧，特别适合中小型板材加工。 台式切割机由雕刻机发展而来，外型颇似在工作台上加装了一台微型龙门 切割机，此类设备在薄板切割领域有很大优势，被广泛应用于广告和汽车钣金 行业。 焊接之前常需要对钢板的接头处开坡口，坡口切割方法有手工切割和机械 切割两种。在设备条件好的情况下，可采用机械切割，如采用坐标式切割机、 平面四边形切割机或专为切

20、割坡口用的切割设备等。采用机械方法切割的坡口， 只要把熔渣清理干净，不需要进行任何的机械加工就可进行焊接。在成批生产 中，采用机械方法切割坡口的经济效益更为显著。 数控切割机火焰切割技术就是由于手工切割坡口设备简单（采用普通气割 设备），方便灵活，对于组合的部件和结构较复杂的零件以及单件生产，手工 切割比较方便、有效。但手工切割坡口的质量在很大程度上受切割技术熟练程 度的影响。对于重要构件或受压容器的焊接坡口，在没有把握的情况下最好不 用手工切割。 焊接结构中常见的焊接坡口有 V 形、Y 形、X 形（带钝边或不带钝边）、U 形，如图 1 所示。其中 V 形和 Y 形坡口当单侧坡口角度大于 30

21、时，通常不易 气割，需把坡口面置于背面进行切割。 悬臂式火焰切割机的特点： （1）技术成熟且价格低廉，具有较高的性价比。 （2）采用悬臂式结构，结构简单且稳定性较好。 （3）电机驱动采用步进驱动技术，加工精度高。 （4）操作简单，维修保养容易。 图 1-1 悬臂式火焰切割机 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 4 图 1-2 悬臂式火焰切割机 1.4 设计任务 本文主要设计悬臂式数控火焰切割机的结构，要求如下。 定位精度： （x-y）0.02mm 切割速度： 0-750mm/min 有效切割尺寸： 2m*1.2m Z 向行程： 200mm 并画出切割机的装配图与零件图。 悬臂式数控火焰切割机的结构

22、设计 5 2总体方案设计 2. 1 进给传动系统的选择 步进电机也叫脉冲电机，它是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行 元件。步进电机输出的角位移与输出的脉冲个数成正比，在时间上与输出脉冲 同步。因此，只要控制输出脉冲的数量、频率和电动机绕组的通电顺序，变可 获得所需的转角、转速及转动方向。在无脉冲输入时，在绕组电流的激励下， 步进电机可以锁相。 步进电机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态相 应快、易于起停、正反转和无极变速也容易实现。其缺点主要表现为：低频时 有震荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩小。 步进电机的分类及特点： 按工作原理可分为反映式（磁阻式） 、永磁式和

23、混合式（永磁感应式）步进 电机。 （1） 反应式步进电机：结构简单、材料成本低、驱动容易、定子和转子加工 容易、步距角可以做的很小；但动态性能差、容易出现低频震荡现象、 电机温升较高、断电无自锁。 （2） 永磁式步进电机：动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电机不易发 热，但制造成本高。步距角大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分 功能。断电后可以自锁。 （3） 混合式步进电机：输出转矩大、动态性能好、驱动电流小、电动机不易 发热、步距角小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。综合比较性 价比较高，所以目前得到广泛的应用。 本次设计选择为混合式步进电机，可满足设计要求。 图 2-1 步进电机

24、2. 2 直线滚动导轨副的选择 滚动导轨副是应用最多的直线运动滚动支撑的部件，多用于精密机床，数 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 6 控机床和测量仪器等。按其机构形式可分为滚动体循环和滚动体步循环的滚动 导轨服。滚动体循环运动的直线运动滚动导轨副行程长度不受限制，因此多用 于行程长，运动精度和行程精度较高的场合。滚动体不循环的直线运动滚动导 轨副多用于载荷较大，行程较短的场合 图 2-2 直线导轨 2. 3 机械传动部件的选择 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动及 各种非线性传动部件等。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大的影响， 特别是传动类型，传动方式，传动刚

25、性及传动的可靠性对系统的精度，稳定性 和快速反映性有重大影响。因此，应选择传动间隙小、精度高、体积小、重量 轻、运动平稳、传动扭矩大的运动部件。根据本次设计的要求,经过在齿轮、带 轮、缆绳、杠杆机构、连杆机构、凸轮机构、涡轮、链条、丝杠螺母等之间的 性能比较.丝杠螺母符合要求, 而丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滚 动丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，但其具有的运动优越性使之得到 广泛的应用。 综上所述,本次设计选用滚动丝杠螺母作为其机械传动部件。 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 7 图 2-3 滚珠丝杠螺母副结构件图 与普通丝杠螺母副相比，滚珠丝杠螺母副其有一下优点： （1）传动效

26、率高，传动效率可达到 92%98%，是普通丝杠螺母副传动的 24 倍。 （2）摩擦力小，因为动、静摩擦因数相差小，因而传动灵敏，运动平稳， 低 速不易产生爬行，随动精度和定位精度高。 （3）使用寿命长，滚珠丝杠副采用优质合金制成，其滚道表面淬火硬度高 达 6062HRC，表面粗糙度值小，故磨损很小。 （4）经预紧后可以消除轴向间隙，提高系统的刚度。 （5）反向运动时无空行程，可以提高轴向运动精度。 （6）滚动摩擦因数小，不能实现自锁，用于垂向位置时，为防止突然停、 断电而造成主轴箱下滑，必须设置制动装置。 图 2-4 滚珠丝杠副 2. 4 支承方式的选择 了获得高精度，高刚度的进给系统，不仅应

27、选用合适的滚珠丝杠副，而且 必须十分重视滚珠丝杠副的支撑设计，应选用转动精度高，轴向刚度高，摩擦 力矩较小的滚动轴承。图示轴承特性图。 表 21 丝杠支撑滚动轴承特点比较 滚动轴承类型 轴向 刚度 轴承 安装 预紧调整摩擦力矩 60推力角接触球轴承大简单不需要小 双向推力角接触球轴承中简单不需要小 圆锥滚子轴承小简单 如内圆之间有 隔圈则，不需 要 大 滚针和推力滚子组合轴承特大简单不需要特大 深沟球轴承和推力球轴承组合使用大复杂麻烦小 上表个轴承中用的最多的是 60接触角推力角接触球轴承，其特点有： 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 8 （1） 接触角大、轴向载荷能力大、刚度大。 （2） 能承

28、受轴向和径向载荷，可简化轴承支座结构。 （3） 根据载荷情况，轴承可以进行组合。 （4） 可根据购货方要求的预紧力由滚珠丝杠副生产厂家组配好成组供应。 （5） 启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统 的灵敏度。 推力角接触轴承的组配方式： （1） 背靠背组配：有效支点距离增大，可以承受双向轴向载荷和径向载 荷，并且有较大的承受倾斜力矩的能力 （2） 面对面组配：轴承间的有效支点距离减小，可以承受双向轴向载荷 和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力差，并较大降低了轴承极限转 速。一般用于需要精密调心的场合。 （3） 串联组配：除承受径向载荷外，只能承受单向轴向载荷，且装配繁 琐。

29、滚珠丝杠副的支撑形式： 支撑应限制丝杠的轴向窜动，较短的丝杠或垂直安装的丝杠，可以一端固 定，一端自由的装配方式。水平安装丝杠较长时，可以一端固定，一端游动的 装配方式。对于精密和高精度的机床，为了提高丝杠的拉压刚度，可采用两端 固定，并进行预紧拉伸的装配方式。 本次设计所选用的是：一端固定，一端游动的支撑结构。其主要特点为： （1） 压杆稳定性和临界转速比同长度的一端固定一端自由型的要高。 （2） 丝杠有热膨胀余地。 （3） 适于较长的卧式安装丝杠。 综合上述分析，本次设计的机械传动机构及其支撑的选择为：采用 FFB 型 滚珠丝杠螺母副，一端固定（60角接触推力球轴承，背对背装配） ，以端游

30、动 （深沟球轴承装配）的支撑方式。 图 2-5 角接触球轴承和深沟球轴承 2. 5 联轴器的选择 联轴器是一种常用的机械传动装置，主要用来连接轴与轴（或连接轴与其 他回转部件）以传递运动和转矩。此外，联轴器还具有补偿两端轴的相对位移， 缓冲和减震，以及安全防护等功能。由于制造及安装误差等影响，通常根据各 种相对位移有无补偿能力，将联轴器分为刚性联轴器（无补偿）和挠性联轴器 （有补偿能力）两类。 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 9 刚性联轴器：结构简单，安装容易，但传递扭矩不大，缓冲和减震效果不 好。 挠性联轴器：有些结构稍复杂，但可传递较大的扭矩，可有利低消除传动 间隙，提高传动刚度。缓冲和减

31、震效果明显。 当传递小转矩时，可选用小型挠性联轴器。本次设计选用专业厂家生产的 小型挠性联轴器，既有结构简单，安装容易等特点，也可满足缓冲和减震的效 果。如图所示 图 2-6 小型挠性联轴器 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 10 3机械传动部分设计 3. 1 步进电机的选择 3. 1. 1 确定步进电机的步距角和导程 设丝杠导程 P=5，则 （4- 360 p 1） 360 0.02 5 则 1.44 3. 1. 2 确定精度和校验速度 则选择，由式 4-1 得1 1 50.0139 360 max 600.0139 8000 606672/minVfmm F=8000Hz-额定负载下的工作频

32、率（查机电一体化设计手册 表 1.2.20） 而切割速度750/minVmm max VV 3. 1. 3 确定电机 查机电一体化设计手册得电机选择为 90BF 15 图 4-1 电机外形 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 11 表 4-1 步进电机 BF 数据 3. 2 Y 向滚珠丝杠副的验算 3. 2. 1 丝杠初选型号 设 Y 轴工作台的最大重量 my=20kg，丝杠的工作长度为,丝杠材1200 y lmm 料为 CrWMn 钢，滚到硬度为 5862HRC，工作台与滚动导轨之间的摩擦系数 u=0.03，使用寿命为左右。40000 h Lh 4. 2. 1. 1 确定转速 最大进给速度 V=

33、1000mm/min 时间比列 q=30% 平均进给速度 V=750mm/min 时间比列 q=70% 确定丝杠导程 P=5mm 则有 max max 1000/min 200 /min 5 Vmm nr Pmm 1 1 750/min 150/min 5 Vmm nmm Pmm 3. 2. 1. 2 计算丝杠载荷 导轨摩擦力：0.03 20 106 uy FumgNN 移动载荷：6 yuy FFN 3. 2. 1. 3 计算当量转速 （4- 21 max1 100100 m qq nnn 2） 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 12 =185r/min 3070 (200150) /min 1

34、00100 my nr 3. 2. 1. 4 计算当量负荷 3333 11max2 3 3 150 /min30200 /min70 666 100100185 /min100185 /min100 m mm nqnqrr FFFN nnrr 则1.2 1.0 1.0 67.2 cyFHAm FK K K KNN 上式中查机电一体化设计基础表 2-6=1.2，查表 2- F K 7=1.0，查表 2-8=1.0。 H K A K 3. 2. 1. 5 初选滚珠丝杠 计算额定载荷 （4- 3 4 1.67 10 mh ac n L CF 3） 则 3 4 185 40000 7.254.89 1

35、.67 10 ay CNN 根据所选的丝杠 DIK 2005-6 型的滚珠丝杠动载荷=8500N55N 符 a C 合要求。 DIK 1605-6 型丝杠参数如下： 公称直径：20 y Dmm 导程： P=5mm 螺旋角： , 4 33 滚珠直径： 0 2.575dmm 3. 2. 2 稳定性验算 3. 2. 2. 1 丝杠是否失稳 一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠进行压杆稳定性校核计算。 不发生失稳的最大压缩载荷称为临界压缩载荷： （4- 2 1 1 0 c fEJ FKN L 4） 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 13 式中： E-材料的拉，压弹性模量，钢的 E= 112 2.1 10/N m

36、 J-丝杠轴最小载面惯性矩， 4 m 4 2 64 Jd -丝杠螺纹底 2 d 200 1.220 1.2 2.57516.91dDdmm -丝杠螺纹公称直径 0 D -滚珠直径 0 d -最大受压长度 0 Lmm -丝杠之承方式系数（查表 2.8-66，机电一体化设计 1 f 手册=2） 1 f -安全系数， 1 K 1 1 3 K 将个值带入式中可简化得： 4 3 4 104 12 23 2 0 216.91 10 3.4 103.4 103861.19 (1200 10 ) c f d FN L 安全系数 3861.19 643.53 6 c m F S F 其安全系数 S,其值应大于丝

37、杠副传动结构认许的安全系数【S】 表 4-2 稳定系数 支撑方式一端固定一端自 由（FO） 一端固定一端游 动（FS） 两端固定（F F） 【S】342.53.3 22/3 fc 1.8753.9274.730 所以的 S,丝杠不会失稳。 S 3. 2. 2. 2 丝杠是否发生共振 高速运转的丝杠有可能发生共振，需要校核临界转速 不发生共振的最高转速称为临界转速以表示 c n 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 14 （4- 2 2 2 2 30 /min c c fEJ nKr LA 5） 式中： -丝杠支承方式系数（查表 2.8-66，机电一体化 2 f 设计手册=3.927） 2 f 表 4

38、-3 支撑方式系数 A-丝杠轴最小载面积 22 2 4 Adm -临界转速计算长度（m） c L -材料密度，钢的 33 7.8 10/kg m -安全系数，=0.8 2 K 2 K 将上述值带入式子中化简得： 2 22 2 3.9270.01691 9910/min9910822.59 /min 2/3 1.2 c c f d nrr L 所以丝杠工作不会发生共振。max 200 /min c nnr 此外滚珠丝杠还应满足 0 70000/minD nmm r =25*185=4625，所以该丝杠副工作稳定。 0 D n/minmm r 3. 2. 3 刚度验算 滚珠丝杠的工作负载 F(N)

39、和转距 T(N.m)共同作用下的变形量为： 0 Lm （4- 2 0 2 c PFP T L EAGJ 6） 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 15 式中： A-丝杠载面积 22 2 1 4 Adm -丝杠的极惯性距 C J 44 2 32 c Jdm G-丝杠切变模量 钢 G=83.3Gpa T-转矩（Nm） 0 tan 2 m D TF (为摩擦角，为平均工作负载)0.172 m F F工作负载 最大不利情况: m FF 3 3 2, 3 0 4 1129 20 10 (5 10 )6tan 4 330.172 5 106 2 13.14 2.1 103.14 (0.01691)2 3.14

40、 83.3 100.01691 432 L 3 0 0.405 10Lm 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 3 0 3 0.405 10 1.20.0972 5 10 y l Llm P 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2L 11 0.01396.95 22 y Lmmm 所以丝杠满足刚度要求。L 综上所诉，验证 DIK 2005-6 型滚珠丝杠个项性能指标满足要求。所以 Y 轴 丝杠选择为 DIK 2005-6 型。 3. 3 X 向滚珠丝杠副的验算 3. 3. 1 丝杠初选型号 设 X 轴工作台的最大重量 my=60kg，丝杠的工作长度为,丝杠2000 y lmm

41、 材料为 CrWMn 钢，滚到硬度为 5862HRC，工作台与滚动导轨之间的摩擦系数 u=0.03，使用寿命为左右。40000 h Lh 1 确定转速 最大进给速度 V=1000mm/min 时间比列 q=30% 平均进给速度 V=750mm/min 时间比列 q=70% 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 16 确定丝杠导程 P=5mm 则有 max max 1000/min 200 /min 5 Vmm nr Pmm 1 1 750/min 150/min 5 Vmm nmm Pmm 2 计算丝杠载荷 导轨摩擦力：0.03 60 1018 uy FumgNN 移动载荷：18 yuy FFN 3

42、 计算当量转速 21 max1 100100 m qq nnn =185r/min 3070 (200150) /min 100100 my nr 4 计算当量负荷 3333 11max2 3 3 150 /min30200 /min70 181818 100100185 /min100185 /min100 m mm nqnqrr FFFN nnrr 则1.2 1.0 1.0 1821.6 cyFHAm FK K K KNN 上式中查机电一体化设计基础表 2-6=1.2，查表 2- F K 7=1.0，查表 2-8=1.0。 H K A K 5 初选滚珠丝杠 计算额定载荷按照式 4-3 则

43、3 4 185 40000 21.6164.67 1.67 10 ay CNN 根据所选的丝杠 DIK 2505-6 型的滚珠丝杠动载荷 =9700N164.67N 符合要求。 a C DIK 1605-6 型丝杠参数如下： 公称直径：25 y Dmm 导程： P=5mm 螺旋角： , 4 33 滚珠直径： 0 2.575dmm 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 17 3. 3. 2 稳定性验算 1 丝杠是否失稳 一端轴向固定受压缩的滚珠丝杠进行压杆稳定性校核计算 不发生失稳的最大压缩载荷称为临界压缩载荷按式 4-4 计算： c F 式中： E-材料的拉，压弹性模量，钢的 E= 112 2.1

44、10/N m J-丝杠轴最小载面惯性矩， 4 m 4 2 64 Jd -丝杠螺纹底 2 d 200 1.225 1.2 2.57521.91dDdmm -丝杠螺纹公称直径 0 D -滚珠直径 0 d -最大受压长度 0 Lmm -丝杠之承方式系数（表 4-3 得=2） 1 f 1 f -安全系数， 1 K 1 1 3 K 将个值带入式中可简化得： 4 3 4 104 12 22 0 221.91 10 3.4 103.4 103917.59 2 c f d FN L 安全系数 3917.59 652.93 6 c m F S F 所以的 S,丝杠不会失稳。 S 2 丝杠是否发生共振 高速运转的

45、丝杠有可能发生共振，需要校核临界转速。 不发生共振的最高转速称为临界转速以按 4-5 式计算： c n 式中： -丝杠支承方式系数（查表 4-3 得=3.927） 2 f 2 f A-丝杠轴最小载面积 22 2 4 Adm -临界转速计算长度（m） c L 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 18 -材料密度，钢的 33 7.8 10/kg m -安全系数，=0.8 2 K 2 K 将上述值带入式子中化简得： 2 22 2 3.927 0.02191 9910/min9910639.49 /min 2/3 2 c c f d nrr L 所以丝杠工作不会发生共振。 max 200 /min c n

46、nr 此外滚珠丝杠还应满足 0 70000/minD nmm r =25*185=4625，所以该丝杠副工作稳定。 0 D n/minmm r 3. 3. 3 刚度验算 滚珠丝杠的工作负载 F(N)和转距 T(N.m)共同作用下的变形量按 4- 0 Lm 6 计算： 式中： A-丝杠载面积 22 2 1 4 Adm -丝杠的极惯性距 C J 44 2 32 c Jdm G-丝杠切变模量 钢 G=83.3Gpa T-转矩（Nm） 0 tan 2 m D TF (为摩擦角，为平均工作负载)0.172 m F F工作负载 最大不利情况: m FF 3 3 2, 3 0 4 1129 25 10 (5

47、 10 )18tan 4 330.172 5 1018 2 13.14 2.1 103.14 (0.02191)2 3.14 83.3 100.02191 432 L 3 0 0.713 10Lm 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 3 0 3 0.713 10 20.2852 5 10 y l Llm P 悬臂式数控火焰切割机的结构设计 19 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2L 11 0.01396.95 22 y Lmmm 所以丝杠满足刚度要求。L 综上所诉，验证 DIK 2505-6 型滚珠丝杠个项性能指标满足要求。所以 Y 轴 丝杠选择为 DIK 2505-6 型。 而 Z 轴由于很小所以忽略校核，选用 DIK 1605-6 型滚珠丝杠副。 表 4-4 滚珠丝杠副的数