龍門式數(shù)控水刀切割機工作臺的設(shè)計

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（201 屆）本科畢業(yè)設(shè)計（論文）資料題 目 名 稱：龍門式數(shù)控水刀切割機工作臺 的設(shè)計 學(xué) 院（部）：機械工程學(xué)院 專 業(yè)：機械工程及其自動化 學(xué) 生 姓 名：班 級： 學(xué)號 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師姓名：職稱 職稱 最終評定成績：湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要本論文：龍門式數(shù)控水刀切割機工作臺的設(shè)計經(jīng)檢索、閱讀相關(guān)文獻，在國際和國內(nèi)的數(shù)控水射流技術(shù)發(fā)展的背景下提出了相應(yīng)的設(shè)計方案。利用理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、機械設(shè)計、互換性與測量技術(shù)、工程圖學(xué)等知識主要對龍門、工作臺的滾珠絲杠螺母副和直線滾動導(dǎo)軌等零部件進行受力分析、設(shè)計選型、強度校核、壽命計算和穩(wěn)定性分析，最終選擇出滾珠絲杠螺母副型號為FFZD6310—5 右旋；導(dǎo)軌選擇了HSR—20A、LM直線滾動導(dǎo)軌；軸承選擇 7010C角接觸球軸承；電機采用Y100L—6驅(qū)動電機型號；聯(lián)軸器選用YL10 凸緣聯(lián)軸器。并由此給出了外形裝配圖、x-y方向原理裝配圖以及絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、手孔蓋、軸承座、軸承端蓋等零件圖。本論文設(shè)計工作對其他相關(guān)裝置的設(shè)計具有重要的參考價值。關(guān)鍵詞：數(shù)控水刀切割機，龍門，水射流，絲杠，導(dǎo)軌湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）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湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）目 錄第 1 章 緒論 11.1 數(shù)控切割機概論 .11.2 數(shù)控切割機分類 .11.3 數(shù)控水刀切割機研究背景 .31.4 數(shù)控水刀切割機工作臺基本原理 .41.5 龍門式數(shù)控水刀切割機工作臺設(shè)計的目的及意義 .5第 2 章 進給運動系統(tǒng)裝置方案的設(shè)計 82.1 數(shù)控切割機進給運動系統(tǒng)設(shè)計 .82.2 電動機與絲杠的連接方式 .9第 3 章 Y 軸傳動部分設(shè)計計算 113.1.對絲杠的設(shè)計和計算 113.1.1 空載摩擦阻力 Ff和加工時摩擦阻力 Fjf的計算 123.1.2 滾珠絲杠導(dǎo)程 L0的確定 133.1.3 根據(jù)最大工作載荷 Fm計算滾珠絲絲杠最大動載荷 FQ .133.1.4 選擇滾珠絲杠型號 133.1.5 確定絲杠螺紋長度 ls 143.1.6 選定精度等級 143.1.7 驗算自鎖性 143.2.對絲杠的校核 153.2.1 螺桿強度校核 153.2.2 螺紋牙強度校核 153.2.3 螺桿的穩(wěn)定性 153.2.4 螺桿的剛度 163.2.5 螺桿的橫向振動 163.3 導(dǎo)軌和滑塊的選用 173.3.1 直線滾動導(dǎo)軌的特點 .173.3.2 直線滾動導(dǎo)軌的設(shè)計和計算 .183.4 其他裝置的選型與布局 223.4.1 軸承的選型 223.4.2 驅(qū)動電機的選型 233.4.3 聯(lián)軸器的選型 253.5 Y 向進給運動系統(tǒng)裝置整體布局 25第 4 章 X 軸傳動部分設(shè)計計算 274.1.絲杠的分析、計算與選型 27湖南工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）4.1.1 絲杠的受力分析 274.1.2 絲杠的載荷計算 284.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 304.2 滾珠絲杠螺母副的校核與檢驗 304.2.1 穩(wěn)定性檢驗 304.2.2 剛度檢驗 324.3.其他裝置的選型 324.3.1 軸承的選型 324.3.2 聯(lián)軸器的選型 334.3.3 電機的計算與選型 33結(jié)論 35致謝 36參考文獻 37湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1第 1 章 緒論1.1 數(shù)控切割機概述數(shù)控切割機：利用程序驅(qū)動機床運動系統(tǒng)的運動，同時隨著機床運動，通過配有的切割工具對待加工物體進行切割、加工[14]。這種通過數(shù)字程序配合機運床動系統(tǒng)來驅(qū)動而進行切割運動的割切機被稱為數(shù)控切割機。在 機 械 的 切 割 板 材 過 程 中 ， 常 使 用 的 方 式 有 ： 半 自 動 、 手 工 、 數(shù) 控 切 割 機 切割 [4]。 手 工 割 切 方 式 的 憂 點 是 能 夠 靈 話 方 便 地 進 行 加 工 生 產(chǎn) ， 然 而 割 切 出 的 尺寸 誤 差 大 、 材 料 的 使 用 率 小 、 質(zhì) 量 差 、 后 續(xù) 加 工 的 工 作 量 較 大 ， 且 作 業(yè) 條 件 惡劣 ， 生 產(chǎn) 率 低 下 。 然 而 它 它 并 不 適 合 單 件 ， 因 所 使 用 的 切 割 模 具 ， 適 合 較 大 工件 或 小 批 量 的 切 割 [9]。 而 其 他 種 類 的 半 自 動 割 切 機 即 便 能 降 抵 工 人 勞 動 強 度 ，但 由 于 真 功 能 上 較 為 簡 單 ， 也 僅 僅 適 合 切 割 一 些 常 規(guī) 形 狀 或 者 較 規(guī) 則 的 零 件 。而 相 較 于 其 他 兩 種 切 割 方 式 ， 數(shù) 控 切 割 能 非 常 顯 著 的 提 高 板 材 的 切 割 效 率 和 質(zhì)量 。1.2 數(shù)控切割機分類一 、 按 切 割 方 式 分 類 ：（ 1） 數(shù) 控 高 壓 水 射 流 切 割 機 ： 數(shù) 控 水 刀 切 割 時 避 免 了 熱 變 形 。 廣 泛 地 適 應(yīng) 于各 種 材 料 的 切 割 加 工 ， 被 譽 為 “萬 能 切 割 機 ”。 它 的 切 口 光 滑 平 整 ， 一 般 不 必 再次 加 工 。 它 由 數(shù) 控 系 統(tǒng) 操 縱 ， 切 割 的 精 度 高 ； 切 割 縫 小 于 1.2 毫 米 ， 便 于 套 料 切割 ， 可 以 節(jié) 約 材 料 [5]。 同 時 加 工 過 程 申 也 不 會 產(chǎn) 生 廢 物 來 污 染 環(huán) 境 。 并 且 數(shù) 控水 刃 對 于 那 些 特 殊 的 、 用 一 般 方 法 難 以 切 割 的 材 料 ， 如 鈦 合 金 等 復(fù) 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 費 用 大 。（ 2） 數(shù) 控 等 離 子 切 割 機 ： 它 的 切 割 種 類 多 ， 幾 乎 所 有 金 屬 板 材 都 能 夠 切 割 ，效 率 同 時 還 較 高 ， 葚 至 切 割 速 度 可 達 到 10m/min 以 上 [3]。 環(huán) 境 保 護 方 面 ， 它 在水 下 切 割 作 業(yè) 時 ， 能 有 效 消 除 掉 切 割 時 產(chǎn) 生 的 噪 聲 、 粉 塵 等 汙 染 ， 改 善 工 人 的 操做 環(huán) 境 。（ 3） 數(shù) 控 激 光 切 割 機 ： 它 的 優(yōu) 點 在 于 切 割 速 度 快 ， 切 割 精 度 高 ； 但 是 目 前 發(fā)湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）2展 的 水 平 還 不 足 以 彌 補 它 價 格 的 異 常 昂 貴 [1]， 切 割 費 用 高 等 問 題 。 目 前 來 說 ，它 僅 適 用 于 加 工 精 度 要 求 極 高 的 特 種 行 業(yè) 。（ 4） 數(shù) 控 火 焰 切 割 機 ： 它 有 較 強 的 割 切 能 力 ， 并 且 切 害 費 用 更 加 低 。 但 切 割精 度 低 又 變 形 大 ， 速 度 低 并 且 需 耍 較 長 穿 孔 禾 口 預(yù) 熱 的 時 間 ， 對 現(xiàn) 在 的 全 自 動 化操 作 需 求 比 較 難 滿 足 等 問 題 。 目 前 它 主 要 應(yīng) 用 于 碳 鋼 以 及 較 大 厚 度 板 材 的 切 割 ，面 臨 中 、 薄 厚 度 碳 鋼 板 材 的 切 削 ， 等 離 子 切 割 機 更 優(yōu) 秀 。（ 5） 專 用 其 他 特 殊 切 割 沒 備 ： 例 如 數(shù) 控 形 材 、 管 材 切 割 機 和 其 他 的 非 金 屬 專用 切 割 沒 備 等 。二 、 按 結(jié) 構(gòu) 分 類 ：（ 1） 龍 門 式 數(shù) 控 切 割 機 ： 如 圖 1.1a 所 示 它 具 有 傳 統(tǒng) 龍 門 式 機 床 結(jié) 構(gòu) ， 具 有大 中 形 機 床 的 雙 立 柱 底 架 橫 粱 座 立 式 結(jié) 構(gòu) 。 因 此 行 走 做 業(yè) 路 程 長 ， 橫 向 與 縱 向 跨距 此 較 大 ， 所 以 適 合 于 加 工 大 型 板 材 。（ 2） 便 攜 式 數(shù) 控 切 割 機 ： 如 圖 1.1b 它 由 半 自 動 小 車 式 割 切 機 發(fā) 展 演 變 而 來 ，在 小 車 式 切 割 機 基 礎(chǔ) 上 ， 添 加 數(shù) 控 系 統(tǒng) 以 及 相 關(guān) 傳 動 裝 置 。 但 它 外 形 上 基 本 沒 有太 大 改 進 ， 它 是 否 輕 巧 ， 適 合 加 工 各 種 中 小 型 板 材 。（ 3） 懸 臂 式 數(shù) 控 切 割 機 ： 如 圖 1.1c 普 遍 傳 統(tǒng) 的 機 械 結(jié) 構(gòu) ， 單 底 座 和 橫 梁 相連 ， 割 槍 在 橫 粱 上 單 向 移 動 并 作 業(yè) 。 種 切 割 機 作 為 典 型 的 老 式 結(jié) 構(gòu) 切 割 機 ， 常 用于 中 小 形 材 板 加 工 。（ 4） 臺 式 數(shù) 控 切 割 機 ： 如 圖 1.1d 由 刻 雕 機 發(fā) 展 演 變 而 來 ， 外 型 類 似 于 加 上一 臺 小 型 龍 門 式 切 割 機 于 工 作 臺 上 。 這 種 切 割 機 很 適 合 切 割 薄 板 ， 所 以 被 廣 泛 地應(yīng) 用 在 汽 車 鈑 金 與 廣 告 行 業(yè) 。（ 5） 相 貫 線 數(shù) 控 切 割 機 ： 如 圖 1.1e 這 種 切 割 機 屬 于 專 用 切 割 機 ， 有 特 殊 的結(jié) 構(gòu) 。 它 專 用 于 切 割 各 種 管 材 和 圓 柱 型 材 。 由 于 其 專 用 切 割 條 件 ， 目 前 國 內(nèi) 對 此種 切 割 機 需 求 量 不 大 ， 并 造 成 其 生 產(chǎn) 廠 家 不 多 。湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）3圖 1.1 不同結(jié)構(gòu)數(shù)控切割機1.3 數(shù)控水刀切割機研究背景世 界 上 第 一 個 應(yīng) 用 高 壓 水 射 流 切 割 技 術(shù) 的 專 利 產(chǎn) 生 自 美 國 ， 十 多 年 以 來 ， 水射 流 切 割 技 術(shù) 及 其 設(shè) 備 得 到 了 巨 大 的 發(fā) 展 ， 其 應(yīng) 用 遍 及 工 業(yè) 生 產(chǎn) 的 各 個 方 面 。 高壓 水 射 流 作 為 清 洗 和 切 割 工 具 具 有 獨 特 優(yōu) 越 性 。 隨 著 高 壓 水 射 流 裝 備 的 快 速 發(fā) 展 ，這 項 枝 術(shù) 己 滲 透 到 了 更 多 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 從 一 般 的 機 械 零 件 ， 建 筑 物 的 清 洗 到 金 屬和 非 金 屬 板 材 的 切 割 到 曲 面 切 割 等 等 。 新 思 維 、 新 理 論 和 新 技 術(shù) 的 不 斷 涌 現(xiàn) ， 尤湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）4其 是 在 航 空 航 天 ， 軍 工 和 核 能 等 高 尖 技 術(shù) 上 顯 示 了 明 顯 優(yōu) 勢 。高 壓 水 射 流 作 為 唯 一 的 冷 切 割 加 工 技 術(shù) ， 不 僅 可 切 割 各 類 金 屬 、 非 金 屬 、 塑料 和 塑 性 硬 材 料 ， 保 護 工 件 的 物 理 和 機 械 材 料 性 能 [9]， 而 且 工 藝 簡 單 。 因 而 其泠 切 割 性 能 是 無 與 倫 此 的 。日 前 ， 我 國 機 械 工 業(yè) 鋼 材 使 用 量 己 突 破 3 億 噸 ， 從 此 可 見 鋼 材 切 割 需 求 量 之大 。 如 今 現(xiàn) 代 機 械 工 業(yè) 的 發(fā) 展 速 度 空 前 ， 舊 式 切 割 機 已 逐 漸 滿 足 不 了 產(chǎn) 品 所 要 求的 質(zhì) 量 ， 且 工 作 效 率 也 得 到 很 大 考 驗 [8]。 因 此 ， 數(shù) 控 切 割 機 的 市 場 潛 力 是 巨 大的 、 市 場 前 景 相 當 的 樂 觀 。從 各 類 數(shù) 控 切 割 機 的 應(yīng) 用 范 圍 來 看 ， 我 國 在 數(shù) 控 切 割 機 生 產(chǎn) 的 整 機 性 能 和 枝木 水 平 上 ， 都 已 取 得 歷 史 性 的 進 步 [1]。 正 在 扎 實 地 走 向 國 際 尖 端 科 技 水 平 ， 并逐 步 提 高 市 場 競 爭 率 和 市 場 占 有 率 。 在 我 國 科 技 實 力 不 斷 提 升 的 今 天 ， 我 國 的 一些 數(shù) 控 切 割 產(chǎn) 品 已 逐 漸 走 向 世 界 前 端 ， 并 形 成 自 己 獨 有 的 優(yōu) 勢 和 特 點 。 體 現(xiàn) 了 高自 動 化 、 多 功 能 化 和 高 可 靠 性 的 特 點 [15]。 甚 至 在 一 些 產(chǎn) 品 的 技 術(shù) 性 能 方 面 ， 超越 了 國 外 產(chǎn) 品 。 隨 著 我 國 制 造 業(yè) 、 生 產(chǎn) 工 業(yè) 的 快 速 崛 起 ， 全 自 動 化 、 智 能 化 和 人性 化 己 成 為 設(shè) 計 產(chǎn) 品 的 主 流 沒 計 因 素 。 新 形 科 枝 化 產(chǎn) 品 正 逐 步 取 代 舊 有 的 傳 統(tǒng) 機械 ， 這 正 在 大 幅 提 升 我 國 的 工 業(yè) 領(lǐng) 域 水 平 和 生 產(chǎn) 效 率 。 因 此 ， 更 自 動 化 ， 更 加 性能 優(yōu) 越 的 數(shù) 控 切 割 機 正 慢 慢 地 登 上 切 割 機 領(lǐng) 域 的 大 舞 臺 [3]。1.4 數(shù)控水刀切割機工作臺基本原理高 壓 水 射 流 切 割 是 ： 水 被 增 壓 裝 置 增 壓 到 幾 十 至 數(shù) 百 兆 帕 后 ,由 噴 嘴 中 噴 出了 高 速 水 射 流 ， 并 對 待 切 割 材 料 進 行 高 壓 沖 擊 [4]。 高 壓 使 被 切 割 物 體 表 面 產(chǎn) 生破 啐 和 微 裂 紋 ,水 射 流 因 而 進 入 到 裂 玟 中 ,像 楔 子 一 樣 將 被 切 割 物 體 劈 裂 并 剝 離 。同 時 切 下 的 碎 屑 被 高 速 的 水 流 沖 刷 并 帶 走 ,形 成 了 切 縫 。 因 此 純 水 射 流 切 割 一 般適 合 于 切 割 一 些 有 韌 性 且 較 軟 的 物 科 ,如 塑 料 等 各 種 纖 維 材 科 。 堤 高 致 一 定 壓 力后 可 割 切 較 薄 金 屬 材 料 。 超 高 壓 水 刀 基 本 技 術(shù) 既 非 常 復(fù) 雜 又 簡 單 。 當 被 加 壓 至 很高 壓 力 的 水 從 特 制 級 小 開 孔 的 嘴 噴 通 過 時 (直 徑 0.1 到 0.5mm)將 會 產(chǎn) 生 一 道 達 到每 秒 近 千 公 尺 的 (大 約 三 倍 音 速 的 )水 箭 [4]。 這 種 高 速 水 箭 能 夠 切 割 包 括 食 品 、紙 張 、 橡 膠 和 泡 棉 的 各 種 軟 質(zhì) 的 材 料 ， 此 種 切 割 就 是 純 水 切 割 。 而 當 水 射 流 中 被加 入 少 量 的 砂 與 其 混 合 時 產(chǎn) 生 加 水 沙 射 流 ， 它 可 切 割 任 何 硬 質(zhì) 材 料 [3]。 超 高 壓水 刀 也 可 用 于 處 鋰 如 船 身 噴 漆 和 汽 車 請 冼 設(shè) 備 請 冼 等 不 同 的 表 面 。超 高 壓 水 的 形 成 原 理 是 高 壓 泵 。 增 壓 器 的 大 話 塞 由 油 泵 來 白 勺 低 壓 油 推 動 并使 其 住 復(fù) 運 動 ， 而 換 向 閥 自 動 控 制 大 話 塞 的 話 動 方 向 。 另 一 方 面 先 由 供 水 系 統(tǒng) 對湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）5水 進 彳 亍 凈 化 處 理 ， 低 壓 水 由 水 泵 打 出 ， 并 進 入 到 增 壓 器 被 話 塞 增 壓 。 且 需 要 將高 壓 水 進 入 到 蓄 能 器 來 穩(wěn) 定 它 ， 最 終 流 到 噴 嘴 來 穩(wěn) 定 壓 力 [3]。 由 于 純 水 切 割 幾乎 都 只 是 適 用 于 較 軟 的 材 料 切 割 ， 因 此 為 了 切 割 如 玻 璃 、 石 材 和 金 屬 的 硬 質(zhì) 材 料 。而 在 高 壓 水 中 加 入 石 榴 沙 石 等 磨 科 的 加 沙 水 刀 由 磨 料 的 沖 蝕 和 磨 削 作 用 來 達 到 增強 切 割 能 力 和 加 工 硬 質(zhì) 材 料 的 目 的 。圖 1.2 高壓水射流切割原理圖1.5 龍門式數(shù)控水刀切割機工作臺設(shè)計的目的及意義我 國 從 美 國 引 進 許 多 昂 貴 的 水 切 割 系 統(tǒng) , 用 來 切 割 多 種 不 同 材 料 [13]。 然 而加 工 速 度 較 慢 、 加 工 效 率 較 低 、 加 工 精 度 不 理 想 等 問 題 ,因 而 未 能 在 我 國 得 到 廣泛 應(yīng) 用 。 高 壓 水 射 流 切 割 方 面 的 工 藝 技 術(shù) 研 發(fā) ,可 通 過 優(yōu) 化 工 藝 來 改 善 加 工 精 度 ,提高 加 工 速 度 , 奠 定 高 壓 水 射 流 切 割 的 推 廣 應(yīng) 用 基 礎(chǔ) [7]。 進 一 步 提 高 我 國 材 料切 割 方 面 ， 尤 其 是 在 關(guān) 于 特 種 材 料 的 切 割 領(lǐng) 域 加 工 水 平 。傳 統(tǒng) 龍 門 式 機 床 結(jié) 構(gòu) ， 它 具 有 大 中 型 機 床 的 雙 立 柱 底 架 橫 梁 座 立 式 結(jié) 構(gòu) ， 因此 行 走 作 業(yè) 路 程 長 ， 橫 向 與 縱 向 跨 距 比 較 大 ， 適 合 于 大 型 板 材 的 加 工 [7]。 而 龍湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）6門 式 數(shù) 控 切 割 機 因 為 它 能 添 置 多 把 水 刀 相 對 而 言 ， 更 加 穩(wěn) 定 。 有 的 甚 至 能 夠 實 現(xiàn)多 頭 的 直 條 切 割 。龍 門 數(shù) 控 切 割 機 的 運 動 主 要 包 括 了 四 個 方 面 ： 水 刀 架 升 降 臺 的 橫 向 —整 機縱 向 移 動 (X—Y 方 向 傳 動 )， 和 水 刀 的 預(yù) 設(shè) 運 動 。本 次 畢 業(yè) 設(shè) 計 的 研 究 范 圍 為 X 和 Y 方 向 上 的 兩 向 傳 動 ， 分 別 分 區(qū) 域 設(shè) 計 水 刀架 升 降 臺 的 橫 向 移 動 (X 方 向 傳 動 )， 切 割 機 整 機 的 縱 向 移 動 (Y 方 向 傳 動 )， 采用 學(xué) 過 的 運 動 合 成 原 理 ， 對 目 前 切 割 機 的 傳 動 系 統(tǒng) 和 局 部 性 能 進 行 優(yōu) 化 、 完 善 。使 它 的 功 能 得 到 全 面 地 、 充 分 地 發(fā) 揮 ， 盡 可 能 地 提 高 產(chǎn) 品 的 經(jīng) 濟 性 ； 在 產(chǎn) 品 綜 合性 能 方 面 ， 在 滿 足 所 需 的 加 工 精 度 要 求 前 提 下 ， 符 合 國 標 標 準 前 提 下 ， 保 證 足 夠的 工 作 可 靠 性 ， 達 到 簡 潔 方 便 的 操 作 要 求 ； 在 切 割 機 的 經(jīng) 濟 性 方 面 ， 要 求 所 選 材料 在 滿 足 相 關(guān) 條 件 的 前 提 上 ， 盡 可 能 地 去 選 擇 低 廉 的 材 料 ， 既 能 使 其 保 證 產(chǎn) 品 安全 ， 工 作 壽 命 ， 又 能 有 效 降 低 生 產(chǎn) 的 成 本 。圖 1.3 河?xùn)|校區(qū)龍門式數(shù)控水刀切割機 proe 圖本 次 畢 業(yè) 設(shè) 計 ， 需 要 完 成 的 主 要 內(nèi) 容 有 ：1） 龍 門 式 數(shù) 控 水 刀 切 割 機 工 作 臺 的 總 體 設(shè) 計 要 求 和 部 分 設(shè) 計 ；2） 相 關(guān) 主 要 參 數(shù) 的 設(shè) 計 和 計 算 ；湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）73） 主 要 零 部 件 的 設(shè) 計 以 及 受 力 分 析 ；4） 編 寫 設(shè) 計 說 明 書 ；5） 繪 制 零 件 圖 、 裝 配 圖 ；6） 總 結(jié) 、 致 謝湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）8第 2 章 進給運動系統(tǒng)裝置方案的設(shè)計2.1 數(shù)控切割機進給運動部件設(shè)計數(shù) 控 切 割 機 進 給 運 動 系 統(tǒng) ， 需 同 時 對 進 給 運 動 的 運 動 速 度 和 位 置 達 成 自 動 控制 的 目 的 。 對 比 于 普 通 機 床 ， 數(shù) 控 切 割 機 的 進 給 系 統(tǒng) 的 定 位 要 求 較 高 ， 動 態(tài) 響 應(yīng)能 力 良 好 。 其 傳 動 系 統(tǒng) 裝 置 ： 將 電 動 機 的 旋 轉(zhuǎn) 運 動 轉(zhuǎn) 化 成 工 作 臺 的 直 線 運 動 的 機械 傳 動 鏈 。 包 括 導(dǎo) 向 元 件 、 減 速 裝 置 及 絲 扛 螺 母 副 等 。 為 能 保 證 數(shù) 控 機 床 進 給 運動 系 統(tǒng) 的 傳 動 精 度 和 穩(wěn) 定 性 ， 要 求 對 機 械 部 分 的 設(shè) 計 能 盡 可 能 地 消 除 配 合 間 隙 ，減 少 運 動 摜 量 ， 導(dǎo) 向 與 運 動 件 的 降 摩 低 擦 ， 提 高 動 傳 的 剛 和 度 精 度 。 同 時 ， 因為 系 統(tǒng) 受 到 進 給 運 動 負 栽 的 變 化 范 圍 大 ， 并 且 晌 應(yīng) 特 性 要 求 靈 敏 ， 所 以 要 求 慣 量與 剛 度 的 匹 配 都 高 度 嚴 格 。為 達 到 以 上 的 要 求 ， 數(shù) 控 機 床 通 常 采 用 低 摩 擦 傳 動 副 。 對 已 經(jīng) 保 證 過 加 工 精度 的 那 些 傳 動 元 件 ， 選 擇 合 理 的 支 承 形 式 以 及 有 效 正 確 的 預(yù) 緊 方 式 來 改 善 傳 動 系統(tǒng) 的 剛 度 。 遵 循 最 佳 傳 動 比 原 則 ， 來 選 擇 最 合 適 的 降 速 比 ， 這 樣 來 提 高 機 床 精 度 ，最 后 減 少 大 部 分 系 統(tǒng) 傳 遞 到 驅(qū) 動 軸 上 的 慣 量 。圖 2.1 進給傳動系統(tǒng) CAD 總裝圖湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）92.2 電動機與絲杠的聯(lián)接方式數(shù) 控 切 割 機 驅(qū) 動 進 給 要 求 嚴 格 保 證 以 下 特 性 ， 包 括 ： 位 置 精 度 、 快 速 晌 應(yīng) 特性 ， 通 常 電 機 還 耍 求 能 達 到 無 級 調(diào) 速 。 步 進 式 電 動 機 交 流 伺 服 電 動 機 和 直 流 伺服 電 動 機 [11]。 以 上 三 種 電 機 都 可 以 實 現(xiàn) 進 給 驅(qū) 動 ， 但 由 于 經(jīng) 濟 性 與 效 率 的 影 響 ，使 得 三 者 分 別 用 于 不 同 的 領(lǐng) 域 。 目 前 ， 步 進 式 電 動 機 雖 容 易 控 制 ， 成 本 低 廉 ， 但因 其 失 步 會 引 起 控 制 誤 差 ， 且 轉(zhuǎn) 速 有 限 ， 所 以 排 除 掉 。 直 流 伺 服 電 機 性 能 好 ， 過載 能 力 強 ， 易 平 滑 調(diào) 速 ， 制 動 和 熱 動 的 轉(zhuǎn) 矩 較 大 ， 已 在 國 內(nèi) 得 到 非 常 廣 泛 的 使 用 。較 為 理 想 的 驅(qū) 動 元 件 是 交 流 伺 服 電 動 機 ， 維 護 工 作 比 直 流 電 機 更 加 易 行 簡 單 。 但相 比 而 言 控 制 繁 瑣 ， 不 易 大 范 圍 進 行 速 度 調(diào) 節(jié) ， 很 難 達 到 無 級 變 速 要 求 [11]。當 運 用 不 同 的 驅(qū) 動 元 件 時 ， 數(shù) 控 機 床 的 進 給 機 構(gòu) 也 隨 之 有 所 不 同 。 電 動 機 和 絲 杠間 的 聯(lián) 接 方 式 基 本 分 為 三 種 形 式 ， 如 圖 2.2 所 示 :(1) 通 過 齒 輪 傳 動 聯(lián) 接一 般 的 數(shù) 控 機 床 的 機 械 進 給 裝 置 中 大 多 利 用 齒 輪 傳 動 副 來 達 到 預(yù) 期 的 降 速 比要 求 ， 如 圖 2-2a 所 示 。 而 齒 輪 在 生 產(chǎn) 制 造 中 一 般 達 不 到 嚴 格 的 理 想 齒 面 技 術(shù) 要 求 ，因 此 必 須 要 留 有 適 當 的 齒 側(cè) 間 隙 ， 方 能 進 行 正 常 的 工 作 運 轉(zhuǎn) ， 但 同 時 側(cè) 齒 間 隙 會引 起 給 進 運 動 系 統(tǒng) 中 的 反 向 那 邊 的 矢 動 量 [1]。 因 此 ， 齒 輪 傳 動 副 為 最 大 限 度 地減 小 齒 側(cè) 間 隙 ， 一 般 選 擇 消 除 措 施 設(shè) 計 。 可 是 種 此 聯(lián) 接 方 式 結(jié) 構(gòu) 的 機 械 也 會 變 得相 對 要 復(fù) 雜 一 些 。(2) 通 過 同 步 帶 輪 聯(lián) 接如 圖 2-2b 所 示 ， 即 為 此 種 方 式 聯(lián) 接 的 進 給 運 動 ， 它 的 機 械 機 構(gòu) 相 對 簡 單 。 同步 帶 輪 傳 動 兼 具 鏈 傳 動 與 帶 傳 動 的 優(yōu) 點 ， 能 實 現(xiàn) 精 準 的 傳 動 比 ， 傳 動 較 為 平 穩(wěn) ，張 緊 力 需 求 很 小 ， 甚 至 幾 乎 不 需 張 緊 力 [13]。 同 時 軸 端 壓 力 較 小 ， 傳 動 的 效 率 很高 ， 基 本 能 保 持 傳 動 效 率 在 98%右 左 。 同 步 帶 輪 因 為 薄 輕 ， 能 達 到 高 速 傳 動 ， 并且 由 于 帶 輪 的 帶 具 備 較 好 的 柔 韌 性 。 在 配 合 帶 選 擇 帶 輪 時 ， 可 選 擇 直 徑 較 小 的 帶輪 ， 使 得 整 個 結(jié) 構(gòu) 更 加 緊 湊 ， 并 且 有 效 減 小 齒 輪 傳 動 時 引 起 的 振 動 和 噪 聲 ， 保 養(yǎng)起 來 也 更 為 方 便 [13]。 但 它 的 不 足 之 處 是 ， 同 步 帶 輪 僅 僅 適 用 于 一 些 低 扭 矩 要 求的 機 構(gòu) ， 且 安 裝 時 必 須 保 證 精 確 的 中 心 距 距 離 ， 并 且 在 制 造 工 藝 上 ， 生 產(chǎn) 制 造 同步 帶 和 帶 輪 的 工 藝 更 為 復(fù) 雜 。(3) 通 過 聯(lián) 軸 器 聯(lián) 接如 圖 2-2c 所 示 ， 即 為 聯(lián) 軸 器 聯(lián) 接 ， 從 而 達 到 進 給 運 動 系 統(tǒng) 的 高 傳 動 高 度 與 高傳 動 精 度 的 要 求 。 同 時 它 有 效 地 簡 化 了 進 給 運 動 系 統(tǒng) 的 結(jié) 構(gòu) [6]。 因 此 這 種 聯(lián) 接方 式 一 般 被 運 用 于 加 工 中 心 或 精 密 數(shù) 控 機 床 的 進 給 運 動 系 統(tǒng) 中 。湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）10(c)(b)(a)圖 2.2 電動機和絲杠間的聯(lián)接方式湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）11第 3 章 Y 軸傳動部分設(shè)計計算3.1 對絲杠的設(shè)計和計算絲 杠 螺 母 副 分 為 ： 滑 動 絲 杠 螺 母 副 和 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 。（ 1） 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 特 點 ： 系 統(tǒng) 剛 度 好 傳 動 效 率 和 精 度 高 ， 運 動 具 有 可 逆性 ， 壽 命 長 ， 不 能 自 鎖 ， 制 造 工 藝 復(fù) 雜 [8]。（ 2） 滑 動 絲 杠 螺 母 副 特 點 ： 因 結(jié) 構(gòu) 無 需 耍 添 加 自 鎖 裝 置 ， 適 合 升 降 臺 。 可 減輕 升 降 臺 工 作 能 耗 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 維 護 更 方 便 [8]。由 于 工 作 臺 要 實 現(xiàn) X、 Y 軸 向 運 動 ， 因 絲 杠 副 不 需 要 自 鎖 功 能 。 所 以 橫 向 絲 杠采 用 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 ?；瑝K電機直線滾動導(dǎo)軌圖 3.1 進給運動裝配簡圖主 要 技 術(shù) 指 標 ：定 位 精 度 ： ±0.01mm； 驅(qū) 動 速 度 0~8000mm/min； 射 流 最 高 切 割 壓 力P： 350MPa； 水 噴 嘴 直 徑 ： 0.28mm； 系 統(tǒng) 流 量 ： 0~2.5L/min.湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）123.1.1 空載摩擦阻力 和加工時摩擦阻力 的計算fFjfF分 析 工 作 時 受 力 ：圖 3.2 龍門架最大受力圖水 刀 架 升 降 臺 Z 方 向 支 架 ： 1mgv??鐵 滑 體（3.1）式 中 m—升 降 臺 支 架 質(zhì) 量 ， —材 料 密 度 ， v—體 積50kg1?Z 方 向 升 降 臺 電 機 ： 2.m升 降 臺 的 滑 動 絲 杠 螺 母 副 ：鋼絲 杠絲 杠 ??hr23?其 中 r—絲 杠 半 徑 ， h—絲 杠 高 度 ， —材 料 密 度kg1m3?龍 門 架 Y 方 向 直 線 滾 動 型 導(dǎo) 軌 ：鋼導(dǎo) 軌導(dǎo) 軌 ??hr24?kg?質(zhì) 量 共 計 ： 50M空 載 摩 擦 阻 力 和 加 工 時 摩 擦 阻 力fFjfF湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）13NgMFf 501.50?????（3.2）rSPfjf 5.21.32????（3.3）3.1.2 滾珠絲杠導(dǎo)程 L0的確定由 上 文 推 導(dǎo) 條 件 ， 滾 珠 絲 杠 直 接 與 電 機 連 接 ， 因 此 傳 動 比 為 1則 有 mnV810max0??（3.4）根 據(jù) 國 標 ， 確 定 絲 杠 導(dǎo) 程 為 10mm。3.1.3 根據(jù)最大工作載荷 Fm計算滾珠絲杠的最大動載荷 FQmHwFfL30Q?（3.5）其中 —滾珠絲杠的壽命 —載荷系數(shù) —硬度系數(shù) —滾珠絲杠的 0LwffmF最 大 工 作 載 荷NFm5.21?硬度系數(shù)取 1.2萬次 1703610L6??nT（3.6）n—絲杠平均每分鐘轉(zhuǎn)速 T—機床使用壽命（數(shù)控機床一般取 15000h）則 N 9.365.21.7F330Q ????mHwf（3.7）3.1.4 選擇滾珠絲杠螺母副型號湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）14圖 3.3 滾珠絲杠螺母副尺寸圖結(jié) 合 以 上 數(shù) 據(jù) 選 擇 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 型 號 為 FFZD6310-5 旋 向 右 旋其 中 公稱直徑 =63 基本額定載荷 螺母安裝連接尺寸0d公稱導(dǎo)程 =10 動載荷 （KN）62.4 （ ） 90 138hPaC16g3D絲杠外徑 =62.5 靜載荷 （KN）200.7 （ ） 90 1121 02-0.?4鋼球直徑 =7.144 剛度 （ ）2505 13.5 22 112wDcKmN?567絲杠底徑 =57.3 75 198 20 2d 8D1L2循環(huán)圈數(shù) 5 h 13 22 B1M8?3.1.5 確定絲杠螺紋長度 ls（其中 單邊預(yù)留余量為 50mm）=800+198+100=1098mm 012lLls??（3.8）3.1.6 選定精度等級因 絲 杠 上 要 安 裝 許 多 零 件 ， 因 此 選 用 基 軸 制 ， 選 定 g 級 試 用 滑 動 半 液 體 摩 擦配 合 ， 選 定 5 級 精 度 時 ， 查 表 得 IT5=0.013mm， 查 表 直 徑 62.5g5 的 上 偏 差es=-0.010，計 算 ei=es-IT5=-0.01-0.013=-0.023mm 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）15（3.9）3.1.7 驗算自鎖性當 量 摩 擦 角 ： ， ——當量摩擦系數(shù)， ——摩擦/arctnTf??/cosf??/f f系數(shù)， ——牙側(cè)角， ?4.05?螺紋升角： 2arctn()4.8Pd????（3.10）,因此不能自鎖。4.28.05T??????3.2 對絲杠的校核3.2.1 螺桿強度校核根 據(jù) 傳 動 轉(zhuǎn) 矩 公 式 ， 得 螺 旋 傳 動 轉(zhuǎn) 矩 ： =5462.1Nmm??????tan21TFd當 量 應(yīng) 力 ： 21)4(??（3.11）.5MPa??20~68][因 此 ， 強 度 滿 足 要 求 ， 螺 桿 強 度 達 標 。3.2.2 螺紋牙強度校核 ① 材 料 力 學(xué) 公 式 ， 得 螺 桿 剪 切 應(yīng) 力 ： 21Fd???（3.12）湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）16= 0.27MPaPa40~3][??② 螺 桿 彎 曲 應(yīng) 力 ： 312bWd???（3.13） 0.64MPaPa60~4][???式 中 ， —彎 矩 ， —抗 彎 截 面 模 量 ；M故 螺 紋 強 度 非 常 高 ， 足 夠 滿 足 要 求 。3.2.3 螺桿的穩(wěn)定性螺紋柔度： 5.13/uwr?iL?（3.14）式中 (固定——自由式)， ，2??20w3/4.875id臨界載荷 Fcr： 當 時： 其中 彈性模量， 慣性矩9~85?r?EaI2)(lIFacr???（3.15）=515.6N根 據(jù) 機 械 設(shè) 計 手 冊 ， 有 穩(wěn) 定 性 合 格 條 件 為 大 于 2.5～ 4， 因 為 ；51.6.0~28crF??判 定 穩(wěn) 定 性 合 格 。3.2.4 螺桿的剛度 軸 向 載 荷 F 造 成 每 個 螺 紋 導(dǎo) 程 產(chǎn) 生 的 變 形 ：234sFPhEd???（3.16）湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）176-102.??單 位 長 度 的 變 形 量 ： 53sPn??（3.17）對于龍門式數(shù)控切割機， 不對其表面精度要求嚴格，其.12?Ra，310)~8(][????能夠達到要求。?60.53??][??3.2.5 螺桿的橫向振動根 據(jù) 簡 明 機 械 設(shè) 計 手 冊 公 式 臨 界 轉(zhuǎn) 速 : 21/2060()liEnL????min/8.934r?（3.18）由 ,又知：運行速度范圍為 0～8000mm/min/60vPhn?所以 smv/3.1in/8ax??r又因為 0max.?所 以 能 夠 達 到 條 件 。圖 3.4 滾珠絲杠 CAD 圖3.3 導(dǎo)軌和滑塊的選用3.3.1 直線滾動導(dǎo)軌的特點湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）18直線滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床有著廣泛的應(yīng)用。相對普通機床所使用的滑動導(dǎo)軌來說，它的優(yōu)點是：圖 3.5 直線滾動導(dǎo)軌 proe 圖1 定位精度高直線滾動導(dǎo)軌可以極大減小摩擦系數(shù)。其動、靜摩擦系數(shù)相差很小，因此可減少百分之九十的驅(qū)動扭矩。因此，甚至可調(diào)節(jié)機床的定位精度到超微米級。2 機床造價降低且節(jié)約電力機床導(dǎo)軌采用直線滾動導(dǎo)軌后摩擦阻力很小，因此非常適合存在反復(fù)起動、停止往復(fù)的運動。同時它可以使所需的動力源小型化，在動力傳遞機構(gòu)上，大副度地減輕了重量，并且絳低百分之九十的所需電力，節(jié)能效果極佳。3 可以提高機床的運動速度由于直線滾動導(dǎo)朹很小的摩擦阻力因而發(fā)熱少，并且可實現(xiàn)高速白勺機床運動，并且提高約包分之三十的機床工作效率[5]。4 可以維持長期機床的高精度滑動導(dǎo)軌面使用的流體潤滑，因為油膜的浮動，使得產(chǎn)生運動精度的誤差無從規(guī)避[14]。絕大多數(shù)情況下，流體潤滑被局限在了邊界區(qū)域，因此幾乎沒辦法祛除因金屬接觸而產(chǎn)生白勺直接摩擦。大量的能量被以摩擦損耗的形式浪費掉了。相反，滾動接觸摩擦卻耗能小，因此相應(yīng)滾動面的摩擦損耗也減少，從而使直線滾動導(dǎo)朹系統(tǒng)長期處在高度精的狀態(tài)[14]。同時，大多數(shù)情況僅需脂潤滑，因此這使機床的潤滑系統(tǒng)地設(shè)計、使用和維護方面都變得更加容易和方便。3.3.2 直線滾動導(dǎo)軌的設(shè)計和計算因主要技術(shù)指標：定位精度：±0.01mm；驅(qū)動速度 0~8000mm/min；射流最高切割壓力湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）19P：350MPa；水噴嘴直徑：0.28mm；系統(tǒng)流量：0~~2.5L/min.選定滑座個數(shù) M=4，每天開機約 8 小時，每年工作 300 天，壽命 10 年。則導(dǎo)軌額定工作時間 為hTh24013??h又 nlTsh3?（3.19）因此 =2*2.4*0.75*60=2160km3102nlTshs?每根導(dǎo)軌上使用 2 個滑座，查表表 3.1 硬 度 系 數(shù)滾 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 溫度系數(shù)工作溫度/C fT 100 1.00 100~150 0.90 150~200 0.73200~250 0.61表 3.3 接觸系數(shù)每根導(dǎo)軌上滑塊數(shù) fc 1 1.00 2 0.81 3 0.724 0.665 0.61湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）20表 3.4 負荷系數(shù)工作條件 fw 無外部沖擊或震動的低速運動場合（V15m/s） 1~1.5 無明顯外部沖擊或震動的中速運動場合（V60m/s） 1.5~2 無外部沖擊或震動的高速運動場合 2~2.5確定 =1.0 =1.0 =0.81 =2HfTfCfWf由 3???????FfKaCTHs（3.20）得到 CTHWsaf3其中 =600/4=150NMF??則 1300N 查生產(chǎn)廠家數(shù)據(jù)??18.025633CTHWsafK圖 3.6 直線滾珠滑塊結(jié)構(gòu)圖湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）21圖 3.7 導(dǎo)軌滑塊配合圖湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）22圖 3.8 HSR 型直線滾珠滑塊數(shù)據(jù)選型圖由此選定 HSR-20A，LM 直線滾動導(dǎo)軌其優(yōu)勢在于：滑塊中小鋼球始終被保持板保持住，因而即使滑塊從軌道里抽出，鋼球也不脫落。且個鋼球列被設(shè)計成按照接觸角 45 度配置，因而無淪何種資勢都可使用。并因為施加預(yù)壓力是呁等的，從而能維持低摩擦系數(shù)又加強四個方向剛性。因為它面斷的高度低，并已對滑塊使用高剛性設(shè)計，和 DF 組合的自動調(diào)心能力（即圓弧溝槽正面組合） ，即便施加預(yù)壓也能吸收安裝造成的誤差，因此能保證穩(wěn)定、高精度的直線運動。湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）23其中：外形尺寸 LM 滑塊尺寸 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 軌道尺寸 基本額定載荷 F=60=20 F=60 （KN）=13.8 G=20??05.W1?C=21.5 =6*9.5*8.5 （KN） =23.82hd?21 a=18 總長 Max=30001M3.4 其他裝置的選型與布局3.4.1 軸承的選型角接觸球軸承的特點：可同時承受徑向 軸向載荷，也可承受純軸向載荷，其中軸向載荷能力由接觸角決定，并與接觸角大小成正比。承受徑向載荷時，引起附加軸向力，需施加相應(yīng)反向載荷。因此，通常成對安裝。角接觸球軸承的接觸角，C 的為15 度，極限轉(zhuǎn)速較高。這里選用代號為:7010C 角接觸球軸承。主要尺寸為： B=12mm md36?D58?基本額定載荷：16.18KN極限轉(zhuǎn)速值為 14000r/min湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）24圖 3.9 軸承 CAD 圖3.4.2 驅(qū)動電機的選型1）最大的切削負載轉(zhuǎn)矩Y 軸最大載荷 ,絲桿導(dǎo)程 ,查絲杠樣本絲杠螺母副NF2750max?mPh01.?摩擦系數(shù) =0.9，摩擦力矩 。查軸承樣本，單個 7013C 型軸承的摩擦力?mTf?3.1矩為 320 ,故一對軸承 ,絲桿與伺服電動機直接相聯(lián)，故 i=1，N? 642則最大切削負載轉(zhuǎn)矩 NiTPhFTff 8.5164.039.14327502ax1 ??????????????????????2）慣量匹配負載慣量按下列次序計算，工臺的最大質(zhì)量為 200Kg，折算到電動機軸，其慣量計算得：1J