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摘要
摘 要
隨著社會(huì)的發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)也要適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。由于發(fā)展的需要，出現(xiàn)了許多難以加工的材料，傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)不能滿足加工的要求，因此出現(xiàn)了許多新的加工方法，以滿足加工的需要。水射流加工就是其中的一種加工方法，它和新出現(xiàn)的電子束加工，超聲波等加工方法被稱為特種加工方法 。
數(shù)控高壓水射流切割機(jī)床是水射流加工機(jī)床的一種，它是數(shù)控技術(shù)，電氣控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。 它包括超高壓發(fā)生器、控制系統(tǒng)、切割平臺(tái)等組成。
這次我所設(shè)計(jì)的數(shù)控高壓水射流切割機(jī)床主要設(shè)計(jì)其機(jī)械部分。它主要包括縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，及伺服電機(jī)，滾珠絲杠的選擇等任務(wù)。該切割機(jī)床可以完成平面板材的切割。
關(guān)鍵詞 水射流切割 橫向進(jìn)給 縱向進(jìn)給 伺服電機(jī)
滾珠絲杠
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Abstract
With the development of society, machinery manufacturers must adept to the development of social. Due to the development needs of the many difficult materials processing, traditional processing methods have been unable to meet the needs of processing. As a result, many new processing methods, to meet the needs of processing. Waterjet cut is one of the processing methods, it and the emergence of electron beam processing, ultrasonic machining method is called special processing method.
CNC waterjet cutting machine is one of a waterjet processing machine; it is NC technology, electrical control technology, Computer technology and other new technologies with the product. It includes extra-high voltage generator, control system, Cutting Platform.
This time, I designed CNC waterjet cutting machine designed primarily to its mechanical parts. It includes vertical feed, horizontal feed mechanism design, and servo motor, ball screw options, and other tasks. The waterjet cutting machine to be completed planar sheet cutting .
Keywords
Waterjet cutting Horizontal Feed Vertical Feed Servo motor
Ball Screws
數(shù)控高壓水射流切割機(jī)設(shè)計(jì)
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 水射流的發(fā)展歷史及應(yīng)用 1
1.2 水射流加工技術(shù)的應(yīng)用 2
1.3 水射流切割的工藝特點(diǎn) 3
第2章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的基本功能和基本參數(shù) 7
2.1數(shù)控切割機(jī)床的基本功能 7
2.1.1數(shù)控水蛇流切割機(jī)的原理 7
2.1.2水蛇流切割的優(yōu)點(diǎn) 8
2.2 機(jī)床的基本參數(shù) 8
第3章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1 數(shù)水射流切割機(jī)床的控結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 11
3.2 機(jī)床支撐件的設(shè)計(jì) 12
3.2.1 對(duì)支撐件的要求 12
3.2.2 撐件的選材與連接 13
3.3 提高支撐件剛度的措施 13
第4章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
4.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展 15
4.2 數(shù)控水射流切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15
4.2.1 對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的基本要求 15
4.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16
4.3 機(jī)床傳動(dòng)部件的選擇 17
4.4電機(jī)及滾珠絲杠的選擇計(jì)算 19
4.4.1 X方向電機(jī)的選擇計(jì)算 19
4.4.2 X向滾珠絲杠的選擇計(jì)算 21
4.4.3 Y方向電機(jī)的選擇計(jì)算 24
4.4.4 Y向滾珠絲杠的選擇計(jì)算 26
4.4.5 Z向電機(jī)的選擇 29
4.4.6滾珠絲杠的選擇計(jì)算 31
4.5 機(jī)床導(dǎo)軌的選擇 35
4.5.1 滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu) 35
4.5.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn) 36
4.5.3滾動(dòng)導(dǎo)軌的壽命計(jì)算 37
4.6 聯(lián)軸器的選擇 41
4.6.1 聯(lián)軸器的種類及功用 41
4.6.2 聯(lián)軸器的選用 41
第5章 誤差來(lái)源及分析 43
5.1誤差及誤差來(lái)源 43
5.1.1 誤差研究的意義 43
5.1.2 誤差的來(lái)源和傳遞規(guī)律 43
5.2舉例說(shuō)明安裝誤差對(duì)機(jī)床精度的影響 45
5.3 提高傳動(dòng)精度減小傳動(dòng)誤差的措施 45
5.4減小安裝誤差舉例 46
第6章 機(jī)床的維護(hù)與潤(rùn)滑 49
6.1 軸承的潤(rùn)滑與防護(hù) 49
6.2導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù) 49
6.3 滾珠絲杠的防護(hù)與潤(rùn)滑 50
結(jié) 論 51
參考文獻(xiàn) 53
附錄1 英文翻譯 55
附錄2 英文原文 61
附錄3 開題報(bào)告 69
致謝 73
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 水射流的發(fā)展歷史及應(yīng)用
19世紀(jì)中葉，在北美洲，人類第一次使用水射流開采非固結(jié)礦床。20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)和中國(guó)利用水射流進(jìn)行采煤(即水力采煤)。
隨著水力采煤技術(shù)的推廣，人們認(rèn)識(shí)到，提高水的壓力、適當(dāng)減小噴嘴直徑，可以顯著提高水射流的擊穿效果。于是人們開始研究較高壓力的壓力源(高壓泵和增壓器)及高壓脈沖射流。
20世紀(jì)60年代以前，人們主要研究低壓水射流采礦，水射流技術(shù)還處于探索試驗(yàn)階段；至20世紀(jì)70年代初，主要研究制高壓泵、增壓器、高壓管件，推廣水射流清洗技術(shù)，處在設(shè)備研制階段；至20世紀(jì)80年代，水射流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從采礦發(fā)展到其他領(lǐng)域，大量的水射流采煤機(jī)、切割機(jī)、清洗機(jī)相繼問世，并進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用；之后，水射流進(jìn)入了快速發(fā)展階段，水射流技術(shù)研究進(jìn)一步深化，磨料射流、空化射流、自激振動(dòng)射流等新型射流技術(shù)發(fā)展很快。
20世紀(jì)60年代，大批高壓柱塞泵和增壓器的問世，大大推動(dòng)了水射流技術(shù)的研究工作。當(dāng)時(shí)，部分學(xué)者認(rèn)為水射流的壓力越高越好。日本研究出1700兆帕的增壓器，蘇聯(lián)和美國(guó)研制出5600兆帕的脈沖射流發(fā)生器。
到20世紀(jì)70年代末。水射流技術(shù)出現(xiàn)了一個(gè)新的動(dòng)向，即從單一提高水射流壓力，轉(zhuǎn)向研究如何提高水射流的威力。開始出現(xiàn)了高頻沖擊射流、共振射流和磨料射流，這些射流的水壓并不算太高，但它們的威力卻大大高于同樣壓力下的普通連續(xù)水射流。
進(jìn)入20世紀(jì)80年代，磨料射流、空化射流、氣水射流和自振射流的發(fā)展，把水射流技術(shù)推向一個(gè)新的發(fā)展階段。同時(shí)，各國(guó)學(xué)者也開始對(duì)各種射流的基礎(chǔ)理論和切割機(jī)理等進(jìn)行研究。水射流技術(shù)的應(yīng)用范圍也由采礦工業(yè)擴(kuò)大到航空、建筑、市政建設(shè)、化工、機(jī)械、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。水射流作為一種良好的切割、破碎和清洗除垢工具，逐步被人們認(rèn)可。一大批水射流切割機(jī)、采煤機(jī)、打樁機(jī)和不同用途、不同形式的清洗機(jī)被陸續(xù)投放市場(chǎng)。
1972年，英國(guó)流體力學(xué)研究協(xié)會(huì)(BHRA)組織了第一次國(guó)際水射流切割技術(shù)會(huì)；1981年，美國(guó)水射流技術(shù)協(xié)會(huì)成立，此次技術(shù)會(huì)議也是國(guó)際性的；1983年日本水射流協(xié)會(huì)成立。定期召開水射流技術(shù)研討會(huì)和展覽會(huì)，邀請(qǐng)國(guó)外水射流專家參會(huì)；1987年，國(guó)際水射流協(xié)會(huì)成立，定期出版《國(guó)際水射流》雜志，多次召開環(huán)太平洋國(guó)際水射流會(huì)議，大大推動(dòng)了世界各國(guó)水射流技術(shù)的發(fā)展。
我國(guó)的水射流技術(shù)研究從20世紀(jì)70年代開始，最初主要是在煤炭部門研究和應(yīng)用，以后逐漸發(fā)展到石油、冶金、航空等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的研究實(shí)踐，取得很大進(jìn)展，開發(fā)出了一批新技術(shù)和新產(chǎn)品，有的在國(guó)際上還處于先進(jìn)水平。我國(guó)從1979年開始，每?jī)赡暾匍_一次全國(guó)水射流技術(shù)研討會(huì)，并出版了《高壓水射流》雜志。
1.2 水射流加工技術(shù)的應(yīng)用
水射流技術(shù)因其本身的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)在工業(yè)切割、清洗領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛。
????? 切割方面：純水應(yīng)用于造紙業(yè)、橡膠業(yè)等，而加砂水刀則可應(yīng)用于石材業(yè)、陶瓷業(yè)、航天航空業(yè)，汽車制造業(yè)、金屬加工業(yè)。尤其值得一提的是汽車制造業(yè)，隨著近幾中國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各大汽車生產(chǎn)廠商產(chǎn)量地極劇擴(kuò)大，車型地不斷更新，生產(chǎn)周期地縮短，對(duì)配套的汽車內(nèi)飾件(如汽車地毯、儀表板、頂蓬等)廠家來(lái) 說(shuō)，早期手工加工汽車內(nèi)飾件的切邊及打孔的方法，由于效率低下、產(chǎn)品精度差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，顯然已不能滿足當(dāng)前汽車業(yè)發(fā)展的需求。此時(shí)，與機(jī)器人相結(jié)合的水 射流設(shè)備脫穎而出。高壓水管以螺旋形繞在機(jī)器人手臂上，利用機(jī)器的手臂和手腕可使水切割頭的噴嘴快速沿直線或弧線運(yùn)行，達(dá)到3維加工內(nèi)飾件的目的。此種加 工方式的優(yōu)點(diǎn)在于高效率、高質(zhì)量、精度高、柔性好。目前國(guó)內(nèi)包括上海大眾、上海通用、一汽大眾、天津豐田、廣州本田、神龍富康、南京南亞等眾多車型的內(nèi)飾 件配套廠商已使用高壓水射流設(shè)備進(jìn)行內(nèi)飾件的加工。
????? 工業(yè)清洗方面，可應(yīng)用于汽車業(yè)之噴漆房清洗、石化業(yè)之熱交換器內(nèi)外管清洗、飛機(jī)跑道之橡膠清洗、工業(yè)上之除銹及防蝕工程表面處理、航天工業(yè)引擎零件之清洗、核能發(fā)電廠之清除輻射污染等行業(yè)。
????? 除了以上所介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以外，近幾年，國(guó)外已有公司通過(guò)超高壓技術(shù)，將其應(yīng)用于食品殺菌達(dá)到食品保鮮的目的，并已成功打入食品保鮮行業(yè)(如美國(guó)著名的HEMELL公司已使用超高壓設(shè)備進(jìn)行食品保鮮)，取得了良好的口碑。
1.3. 水射流切割的工藝特點(diǎn)
水射流切割是水射流或磨料水混合物在壓力達(dá)400MPa下，以速度達(dá)100m/s從直徑0.1mm~0.2mm的噴嘴中射出進(jìn)行的切割。在磨料水切割時(shí)，射流從噴嘴通過(guò)小直徑（約1mm）硬質(zhì)合金噴管噴出，并借助于在噴管入口噴射，從專用料斗中吸入磨料粉。水射流的動(dòng)能將傳給磨料顆粒，從而從被切割毛坯上去除微屑。這時(shí)，實(shí)際上在毛坯上完全沒有熱和力的作用，故切口表面不變形，且無(wú)毛刺及材料的組織畸變。
當(dāng)切割功率達(dá)30kW以上時(shí)，工作頭可用手或機(jī)器人的夾持裝置自由握住。機(jī)器人的微處理器數(shù)控裝置可在空間任意角度下實(shí)現(xiàn)切割。
水射流裝置可切割板料、精確直角、打小孔、開窄槽和完成位于很近的型面（其中包括非導(dǎo)熱材料）。
切口可從制件表面的任意點(diǎn)開始。切口寬度較?。ㄔ谒懈顣r(shí)為0.1mm~0.3mm，在磨料水切割時(shí)為1mm~1.5mm），從而可保證節(jié)約材料，降低能耗。工藝過(guò)程具有柔性的生態(tài)潔凈的特點(diǎn)，通?？捎糜谕瓿梢罂焖僦卣{(diào)設(shè)備的單件訂貨。各種方法切割板料的評(píng)定結(jié)果列于表1（根據(jù)Flow公司的數(shù)據(jù)）。
主要工藝參數(shù)是生產(chǎn)率或切割速度V。對(duì)大多數(shù)水射流裝置：V=0.001m/min-12m/min，切割精度±0.1mm。表2列舉出了Flow公司關(guān)于磨料水切割各種材料的速度與毛坯厚度有關(guān)的數(shù)據(jù)。表3中列出了Ingersoll-Rand公司（德國(guó)）關(guān)于水射流切割速度的數(shù)據(jù)
表1 各種切割方法的比例
表2 不同毛坯厚度的切割速度
注：工作壓力350MPa；磨料供給量680g/min；磨料為80號(hào)粒度花崗巖。
表3 Ingersoll-Rand公司采用的切割速度
由于采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)裝備水射流切割裝置，可利用大量數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化切割過(guò)程（其中包括實(shí)時(shí)優(yōu)化），和解決裁料的優(yōu)化任務(wù)，故本方法的工藝性可顯著擴(kuò)大。
布局方案
水射流設(shè)備的布局目前有各種方案，其中包括機(jī)器人配套的形式、帶回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的形式等，但應(yīng)用最廣的是移動(dòng)龍門架或固定龍門架的布局。
在一系列移動(dòng)龍門架的裝置內(nèi)[例如Bystronic、Waterjet公司（意大利）]預(yù)先考慮有輔助角坐標(biāo)。當(dāng)工作頭沿Z軸移動(dòng)具有足夠快速動(dòng)作的恰服裝置時(shí)可加工管坯，其中包括非圓型面。
消除射流的余能是在工作臺(tái)下面的敞開槽內(nèi)進(jìn)行的，從而使生態(tài)環(huán)境變壞。槽內(nèi)泥渣必須借助刮板傳送帶、螺旋輸送機(jī)、水力渦旋機(jī)等進(jìn)行定期清理。
毛坯定位用的工作臺(tái)可用耐蝕板、金屬絲網(wǎng)、磨尖的銷釘做成格子形狀來(lái)制成；工作臺(tái)表面可用散粒材料等形成。類似工作臺(tái)十分昂貴，且因射流作用而磨損，故壽命較低。
在Watejet公司裝置上采用的工作臺(tái)，其優(yōu)點(diǎn)是由正方形（120mm×1200mm）網(wǎng)絡(luò)形成的堅(jiān)固的框架，深淀箱由耐蝕鋼做成，傳動(dòng)裝置配置在框架的外廓尺寸內(nèi)，設(shè)有控制零點(diǎn)的終點(diǎn)開關(guān)，維護(hù)區(qū)安排在框架的長(zhǎng)度一側(cè)，裝載區(qū)可完全敞開，網(wǎng)絡(luò)元悠揚(yáng)可更換，框架具有很高的承載能力。
帶移動(dòng)龍門架的設(shè)備最好用于加工在切割過(guò)程中不好移動(dòng)的笨重制件。典型代表是Flow公司的Tll-200型裝置，其工作臺(tái)尺寸為2m×4m。
固定龍門架的布局示例是Ingersoll-Rand公司的裝置，其工作臺(tái)尺寸為2m×3m。
當(dāng)收集器內(nèi)的射流余能被消除后，形成的泥渣將沿專用軟管排入沉淀槽。因在工作頭出口孔附近區(qū)遮蓋有專用罩，且罩與吸塵器相連，而收集器安排在距離毛坯幾毫米處，故切割過(guò)程可達(dá)到最大的生態(tài)潔凈。不設(shè)置廢水槽，可顯著減輕裝置的重量。
上述布局在結(jié)構(gòu)上較移動(dòng)龍門架的布局復(fù)雜，且在收集器內(nèi)有快速磨損的零件。此外，為了避免射流在毛坯出口上過(guò)于彎曲和對(duì)收集器的偏離，切割速度存在某些限制。
工作臺(tái)的典型尺寸（以Flow公司的裝置為例）：2m×1.5m；2m×3m；2m×4m；2m×6m；3m×2m；3m×4m和3m×6m（第一位數(shù)為沿X軸的尺寸）。為使工作頭沿所有軸移動(dòng)，大多采用帶滾珠絲杠傳動(dòng)的機(jī)電伺服傳動(dòng)裝置。沿Z軸的移動(dòng)一般不超過(guò)180mm~200mm。
在建立裝置時(shí)特別注意選擇材料和傳動(dòng)裝置的保護(hù)使水和塵埃不落入。在Waterjet公司的裝置上，具有耐蝕鋼小車和有預(yù)緊力的滾珠支承的鋁滑塊，滑塊沿經(jīng)拋光的耐蝕鋼導(dǎo)軌移動(dòng)。傳動(dòng)是由無(wú)刷交流電動(dòng)機(jī)借助外擺線齒輪和拉伸強(qiáng)度足夠的齒形帶實(shí)現(xiàn)。沿Y坐標(biāo)的傳動(dòng)關(guān)系借助鋁軸實(shí)現(xiàn)。傳動(dòng)裝置預(yù)先考慮有用橡膠帶和波紋遮簾雙保護(hù)。
第2章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的基本功能和基本參數(shù)
第2章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的 基本功能和基本參數(shù)
2.1數(shù)控切割機(jī)床的基本功能
2.1.1數(shù)控水蛇流切割機(jī)的原理
超高壓水刀的基本技術(shù)既簡(jiǎn)單又極為復(fù)雜。當(dāng)水被加壓至很高的壓力并且從特制的噴嘴小開孔(其直徑為0.1mm至0.5mm)通過(guò)時(shí), 可產(chǎn)生一道每秒達(dá)近千公尺(約音速的三倍)的水箭，此高速水箭可切割各種軟質(zhì)材料包括食品, 紙張, 紙尿片, 橡膠及泡棉，此種切割被稱為純水切割。 而當(dāng)少量的砂如石榴砂被加入水射流中與其混合時(shí), 所產(chǎn)生之加砂水射流, 實(shí)際上可切割任何硬質(zhì)材料包括金屬, 復(fù)合材料, 石材及玻璃. 超高壓水刀也可使用于各種不同的工業(yè)表面處理應(yīng)用如船身清洗及汽車噴漆設(shè)備清洗.
超高壓水的形成關(guān)鍵在于高壓泵。從油泵來(lái)的低壓油推動(dòng)增壓器的大活塞，使其往復(fù)運(yùn)動(dòng)，大活塞的活動(dòng)方向則由換向閥自動(dòng)控制。另一方面，供水系統(tǒng)先對(duì)水進(jìn)行 凈化處理，然后由水泵打出低壓水，進(jìn)入增壓器的低壓水被小活塞增壓后壓力升高。由于高壓水是經(jīng)增壓器的不斷往復(fù)壓縮后產(chǎn)生，而增壓器的活塞需要換向，勢(shì)必 使從噴嘴發(fā)出的水射流壓力是脈動(dòng)的。為獲得穩(wěn)定的高壓水射流，需將產(chǎn)生的高壓水進(jìn)入蓄能器然后再流到噴嘴，從而達(dá)到穩(wěn)定壓的目的。水壓越高，水射流速度越 快，對(duì)高壓部份的制造要求也越嚴(yán)格，在各水射流廠家中，美國(guó)FLOW公司率先采用使用陶瓷制柱塞的高壓增壓器，可大幅度降低磨損和延長(zhǎng)1倍以上超高壓部件 和水封的壽命。
經(jīng)過(guò)高壓所產(chǎn)生之高壓水經(jīng)由高壓過(guò)流入切割刀頭而直達(dá)被加工材料，因此另一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是節(jié)流噴嘴。噴嘴一般采用人造(或天然)紅寶石或藍(lán)寶石，直徑通常是0.1mm至0.5mm，水流通過(guò)噴嘴后以1000m/s的速度噴出。
????由于純水切割普遍適用于切割較軟的材料，針對(duì)切割硬質(zhì)材料，如玻璃、石材、金屬等，80年代初，發(fā)展出了一種加砂水刀。所謂加砂水刀即在高壓水中加入石榴 砂或金剛砂等磨料，此時(shí)，大部份的切割工作由磨料的沖蝕和磨削作用來(lái)完成，以達(dá)到增強(qiáng)切割能力、加工硬質(zhì)材料的目的。
2.1.2水蛇流切割的優(yōu)點(diǎn)
較之激光、等離子、線切割等傳統(tǒng)的切割方式，水射流切割技術(shù)確實(shí)有其獨(dú)特、顯著的優(yōu)勢(shì)：
（1）切割品質(zhì)優(yōu)異
???? 水射流是一種冷加工方式，‘水刀’不磨損且半徑很小，能加工具有銳邊輪廓的小圓弧。加工本身無(wú)熱量產(chǎn)生且加工力小，加工表面不會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)，自然切口處 材料的組織結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化，也幾乎不存在熱和機(jī)械的應(yīng)力與應(yīng)變，切割縫隙(純水切割之切口約為0.1mm至1.1mm，砂水混流切割之切口約為 0.8mm至1.8mm。隨著砂刀管的直徑擴(kuò)口，其切口也就愈大)及切割斜邊都很小(大部份所看到好的切割品質(zhì)之單側(cè)斜邊為0.076mm至 0.102mm之間)，無(wú)需二次加工，無(wú)裂縫、無(wú)毛邊、無(wú)浮渣，因此其切割品質(zhì)優(yōu)良。
（2）幾乎沒有材料和厚度的限制
???? 無(wú)論是金屬類如普通鋼板、不銹鋼、銅、鈦、鋁合金等，或是非金屬類如石材、陶瓷、玻璃、橡塑、紙張及復(fù)合材料，皆可適用。
（3）節(jié)省成本
???? 水切割所產(chǎn)生橫向及縱向的作用力極小，不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)或變形或細(xì)微的裂縫，不需二次加工，既可鉆孔亦可切割，降低了切割時(shí)間及制造成本。
（4）清潔環(huán)保無(wú)污染
???? 在切割過(guò)程中不產(chǎn)生弧光、灰塵及有毒氣體，操作環(huán)境整潔，符合嚴(yán)格的環(huán)保要求
2.2 機(jī)床的基本參數(shù)
機(jī)床的運(yùn)動(dòng)形式根據(jù)其切割的功能實(shí)現(xiàn)來(lái)選擇，要實(shí)現(xiàn)平面的切割必須有兩個(gè)方向的自由度，即X方向和Y方向的運(yùn)動(dòng)，才能實(shí)現(xiàn)其切割功能。它的Y向運(yùn)動(dòng)有橫向的導(dǎo)軌和滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)，以東部分與滾珠絲杠的螺母座以及滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊通過(guò)螺栓進(jìn)行連接。它把滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)絲杠的螺母變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，在電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)它作直線運(yùn)動(dòng)。同理，縱向移動(dòng)部件也是通過(guò)螺釘與縱向絲杠和導(dǎo)軌的滑塊相連接，來(lái)實(shí)現(xiàn)其縱向的直線運(yùn)動(dòng)。切割噴頭的調(diào)整就是通過(guò)縱向移動(dòng)部件來(lái)調(diào)整的，通過(guò)它來(lái)調(diào)切割噴頭的高度位置，并且還可以適應(yīng)不同高度零件的平面切割。具體結(jié)構(gòu)見部件圖和總體的裝配圖。
機(jī)床的主要的技術(shù)參數(shù)如下：
工作臺(tái)面的尺寸（長(zhǎng)X寬） 2500mm×1500mm
工作臺(tái)的行程長(zhǎng)度 （即X方向的行程） 2650mm
機(jī)床的整體尺寸 長(zhǎng) 3100mm
寬 1850mm
高 1900mm
Y向滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速范圍 0—2000r/ min
Z向滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速范圍 0—2000r/ min
快速移動(dòng)的速度 10m/ min
進(jìn)給速度的范圍 0—10m/ min
Y向的行程 1550mm
Z向的行程 300mm
Y向伺服電機(jī)的功率 0.6KW
Z向伺服電機(jī)的功率 0.4KW
切割的最大厚度 20mm
由于機(jī)床的切割厚度不是太大，并且我所設(shè)計(jì)的機(jī)床只是進(jìn)行平面切割的需要，主要用于鋼板的切割，并且切割最大厚度為20mm。這次設(shè)計(jì)只是一次理論與實(shí)踐的結(jié)合，不需要設(shè)計(jì)太大的機(jī)床，考慮實(shí)用性和通用性的要求，因此，按上面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
第3章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第3章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)水射流切割機(jī)床的控結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
由于我所設(shè)計(jì)的水射流切割機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)其平面切割的功能，而要實(shí)現(xiàn)其切割工件的目的，必須有兩個(gè)自由度，既必須有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。可以做以下的設(shè)想來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的目的：
1. 有機(jī)架（橫梁部分）來(lái)實(shí)現(xiàn)其兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其示意圖如下：
圖3.1 龍門式機(jī)架（方案1）
該種結(jié)構(gòu)形式為橋式結(jié)構(gòu)，又稱為龍門式結(jié)構(gòu)，住要的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)對(duì)稱，比較穩(wěn)固，缺點(diǎn)是加工的工件的大小受到了限制。
2. 有機(jī)架（橫梁部分）實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)運(yùn)動(dòng)有工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)
圖 3.2 懸臂式機(jī)架結(jié)構(gòu)（方案2）
該種結(jié)構(gòu)形式的為懸臂式結(jié)構(gòu)，比起前一種結(jié)構(gòu)，它的穩(wěn)定性不如前者，但是它的加工范圍比前者的加工范圍大。
通過(guò)對(duì)比兩種方案，決定采用第一種方案作為我設(shè)計(jì)的最初模型，根據(jù)該模型來(lái)進(jìn)行部件設(shè)計(jì)，本形式的數(shù)控水射流切割機(jī)床，由底座，立柱，導(dǎo)軌，縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和橫梁移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)。橫梁上面設(shè)置有橫移機(jī)構(gòu)和豎移機(jī)構(gòu)。切割噴頭固定在豎移滑板上?？梢栽趯挻蟮牡鬃厦姘惭b多種的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)多種形式的水射流切割加工。而且該種結(jié)構(gòu)形式比其他的結(jié)構(gòu)要牢固，不易變形，因此采用該種結(jié)構(gòu)。
3.2 機(jī)床支撐件的設(shè)計(jì)
該機(jī)床的機(jī)械部分主要的包括機(jī)床底座，機(jī)床的立柱，機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)，縱向進(jìn)給系統(tǒng)，傳動(dòng)部件等組成。
3.2.1 對(duì)支撐件的要求
機(jī)床的立柱和底座是主要的支撐件，它們的作用是支撐零部件并保證它們之間的相互位置及承受各種相互作用力。支撐件一般的附有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌主要起到定位作用，以保證各部件的正確的相互位置及運(yùn)動(dòng)。
機(jī)床的支撐件的形狀，尺寸，材料的種類非常多，但是它們必須滿足下面的要求：
1. 剛度
支撐件的剛度是指支撐件在恒定的載荷和變載荷作用下抵抗變形的能力。支撐件要有足夠大的剛度，即在額定載荷的作用下，變形不得超過(guò)允許值。
2. 抗振性
支撐件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激震動(dòng)的能力，支撐件的震動(dòng)將影響加工的表面質(zhì)量和成產(chǎn)率。因此，支撐件要有足夠大的抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。
3. 熱變形
機(jī)床工作時(shí)，機(jī)械摩擦，電機(jī)等都會(huì)發(fā)熱，在加上周圍的環(huán)境溫度變化，產(chǎn)生熱變形，影響了機(jī)床的工作精度和幾何精度。因此要對(duì)癥撐件的熱變形及熱應(yīng)力進(jìn)行控制。
4. 內(nèi)應(yīng)力
支撐件在焊接和鑄造以及加工的過(guò)程中，材料的內(nèi)部都會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形。在使用的過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力可能重新分布和逐漸的消失可能使變形增大。因此在制造的過(guò)程中一定要考慮到結(jié)構(gòu)的工藝性。并且在鑄造和焊接以后要進(jìn)行時(shí)效處理。
3.2.2 撐件的選材與連接
我所設(shè)計(jì)的該機(jī)床的底座采用灰鑄鐵，由于灰鐵的吸振性比較好，并且鑄造工藝性也比鑄鋼好，并且價(jià)格便宜，因此，機(jī)床的底座采用灰鐵。立柱采用鋼板進(jìn)行焊接，采用焊接立柱，由于立柱要支撐橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，承受的力比較大，因此采用鋼板焊接的形式。橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)也采用鋼板焊接的形式，因?yàn)殇摪宓某休d能力大，可以減小機(jī)床的占地面積。
機(jī)械部分的連接采用焊接和螺釘連接方式，立柱與底座通過(guò)16個(gè)螺釘固定在底座上面，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)通過(guò)夾一塊墊板，也采用螺釘?shù)男问脚c立柱相連接。而安裝導(dǎo)軌的立板采用焊接的方式焊接到橫向進(jìn)給的鋼板上。同樣，縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)也采用同樣的連接方法。
3.3 提高支撐件剛度的措施
支撐件的變形可以包括三部分，自身變形，局部變形，和連接處的變形，在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要注意這三類變形得匹配，并針對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，加強(qiáng)其剛度。
提高支撐件自身的剛度
抵抗支撐件自身變形的能力稱為支撐件自身的剛度，它與材料，形狀以及尺寸有關(guān)系。
（1）正確的選擇截面的形狀和尺寸：支撐件承受的主要是彎矩和扭矩，產(chǎn)生的主要是彎，扭變形。在其他的條件相同的時(shí)候，抗彎和抗扭剛度與截面慣性矩有關(guān)。同一材料截面積相等而形狀不同的，截面慣性矩相差很大，合理的選擇截面的形狀可以提高其剛度。
1） 無(wú)論是圓形，方形和矩形都是空心的比實(shí)心的剛度大。
2） 保持截面不變，加大外廓尺寸，減小壁厚，可以提高抗彎和抗扭剛度。
3） 圓形截面的抗扭剛度比方形的大，而方形的抗彎剛度比圓形的抗彎剛度大。所以以承受彎矩為主的支撐件采用方形比較合理。
4） 封閉的截面比不封閉的截面的剛度大。
2. 合理的不只肋板和筋條，可以增加支撐件的剛度。
由上面的分析，我選擇了焊接立柱，并且截面的形狀為方形，因?yàn)槲宜O(shè)計(jì)的機(jī)床的立柱主要的承受彎矩，別切采取封閉的方形結(jié)構(gòu)，這樣剛度比較大，為了防止其剛度不夠，發(fā)生變形，并加肋板提高其剛度，具體形狀見設(shè)計(jì)圖紙。
底座的結(jié)構(gòu)采用實(shí)體鑄造結(jié)構(gòu)，其材料為灰鑄鐵200，這種材料的鑄造性能好，加工工藝性好，并且可以在機(jī)床有震動(dòng)的時(shí)候可以吸振，以減小機(jī)床的震動(dòng)。并且成本低，可以降低機(jī)床的制造成本。但是灰鐵的脆性比較大，在制造的時(shí)候需要木模，生產(chǎn)直制造周期比較長(zhǎng)。
橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼板焊接的形式，這種形式結(jié)構(gòu)比鑄造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的周期比較短，剛度也比鑄造結(jié)構(gòu)大，并且尺寸也比較小，因此，采用焊接鋼板的形式。具體結(jié)構(gòu)形式見設(shè)計(jì)圖紙。
第4章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第4章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展
最早的數(shù)控機(jī)床采用步進(jìn)電機(jī)和液壓轉(zhuǎn)矩放大器（又稱電液脈沖馬達(dá)）作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。功率型步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)后，因其功率較大，可以直接的驅(qū)動(dòng)機(jī)床，使用方便，逐漸取代了電脈沖馬達(dá)。
60年代初期，美國(guó)和歐洲采用液壓伺服系統(tǒng)。同期，日本首先研制出一種新型的小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不亞于液壓伺服系統(tǒng)，同時(shí)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)的大功率晶閘管整流器的價(jià)格下降，所以在60年代中后期數(shù)控機(jī)床上普遍采用小慣量直流伺服電機(jī)。
小慣量直流伺服電機(jī)的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，用于機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須采用齒輪減速箱，為了省去齒輪箱，70年代，美國(guó)蓋梯茨公司首先研制成功了大慣量直流伺服電機(jī)，又稱寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，可以直接的與機(jī)床的絲杠相連。目前，許多數(shù)控機(jī)床都是使用大慣量直流伺服電機(jī)。
直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)常需要維修。80年代初期美國(guó)的通用電氣公司研制成功籠型異步交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒有電刷，避免了滑動(dòng)摩擦，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)火花，進(jìn)一步提高了可靠性，交流伺服電機(jī)也可以直接與滾珠絲杠相互連接，調(diào)速范圍與大慣量直流伺服電機(jī)相近。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美近年來(lái)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的占80%以上，采用直流伺服電機(jī)所占的比例不足20%。可以看出，采用交流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已成為數(shù)控機(jī)床主要的調(diào)速方法。
4.2 數(shù)控水射流切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.2.1 對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的基本要求
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)與傳統(tǒng)的一般機(jī)床的機(jī)械部分的要求相比，除了要求具有較高的定位精度以外，還應(yīng)該有良好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性，就是說(shuō)響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。 這里所說(shuō)得機(jī)械系統(tǒng)一般的包括減速裝置，絲杠螺母副等機(jī)構(gòu)。
為了確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中，常提出以下要求：
1. 無(wú)間隙
2. 低摩擦
3. 低慣量
4. 高剛度
5. 高諧振頻率
6. 適當(dāng)阻尼比
為了達(dá)到以上的要求，主要從以下幾個(gè)方面采取措施：
1. 采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐件，如采用滾珠絲杠夫，滾動(dòng)導(dǎo)向支撐等。
2. 縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支撐剛度，如采用加預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副的剛度和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)與支撐剛度；采用大扭矩，快調(diào)速的交流伺負(fù)電機(jī)直接的與滾珠絲杠相連接以減少中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3. 選用最佳的傳動(dòng)比，減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。盡可能的提高加速能力。
4. 縮小反向死區(qū)誤差，采取消除傳動(dòng)間隙，減少支撐變形。
下面的設(shè)計(jì)根據(jù)以上的建議來(lái)進(jìn)行。
4.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行參考，有伺服系統(tǒng)的發(fā)展可以看出，在電機(jī)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電機(jī)比直流電機(jī)將更合理。采用交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為了數(shù)控機(jī)床的主要調(diào)速方法。因此我所設(shè)計(jì)的數(shù)控水射流切割機(jī)床也采用交流伺服電機(jī)調(diào)速的方法。
由于交流伺服電機(jī)也可以和滾珠絲杠進(jìn)行相連，這樣的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，擬采用這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。交流伺服電機(jī)與絲杠相連接的方式有以下兩種比較簡(jiǎn)單的形式：
1. 交流伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠進(jìn)行相連接。
2. 交流伺服電機(jī)通過(guò)一對(duì)調(diào)隙齒輪和滾珠絲杠相連接。
第一種方法，這種方式比較簡(jiǎn)單，可以減小伺服驅(qū)動(dòng)的外型尺寸，從節(jié)省空間的角度來(lái)看更為合理一點(diǎn)，而第二種方法有利于消除傳動(dòng)間隙，但是在傳動(dòng)系統(tǒng)中增加了一對(duì)齒輪，勢(shì)必增加傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度，降低了傳動(dòng)效率，并且增加了傳動(dòng)誤差。權(quán)衡二者，采用第一種方法，既采用交流伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠的方式。
4.3 機(jī)床傳動(dòng)部件的選擇
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。
滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠相比有以下特點(diǎn)：
1、與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
2、高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度·濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
3、微進(jìn)給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。
4、無(wú)側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。
5、高速進(jìn)給可能
滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。
因此，選用滾珠絲杠，而不選擇滑動(dòng)絲杠。
滾珠絲杠的支撐方式有以下四種：
（1）兩端固定支撐
該種支撐形式，適用于高精度，高轉(zhuǎn)速的情況下。
（2）一端固定，一端鉸支
該種支撐形式使用于中等轉(zhuǎn)速，高精度的情況下。
（3）兩端鉸支
該種支撐方式使用于中等轉(zhuǎn)速，中等精度的情況。
（4）一端固定，一端自由
該種支撐形式使用于低轉(zhuǎn)速，中等精度，軸向較短的絲杠。
比較以上幾種絲杠的支撐方式，我所設(shè)計(jì)的機(jī)床不需要有很高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，如果選取的精度很高，就會(huì)增加成本，中等轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到要求。有上面的機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，要求Z向的行程為300MM，而Y向行程要求為2650MM，行程比較大，滾珠絲杠的第四種形式不適合要求，而第一種支撐形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，成本較高，不經(jīng)濟(jì)。第三種支撐形式也不切合所設(shè)計(jì)機(jī)床的要求，所設(shè)計(jì)的機(jī)床有一定的軸向力。因此，選擇第二種支撐形式滿足設(shè)計(jì)的要求，比較簡(jiǎn)單，也比較經(jīng)濟(jì)
4.4電機(jī)及滾珠絲杠的選擇計(jì)算
4.4.1 X方向電機(jī)的選擇計(jì)算
我所設(shè)計(jì)的機(jī)床在切學(xué)的過(guò)程中沒有切削力的影響，因此按照金屬切削機(jī)床快速電機(jī)的選擇計(jì)算來(lái)進(jìn)行選擇，只考慮摩擦力和慣性力的影響。
--------電機(jī)的功率
-------克服摩擦力所需要的功率
----------安全系數(shù)
---------克服慣性力所需要的功率
---------克服慣性力所需要的電機(jī)軸的扭矩
---------電機(jī)的轉(zhuǎn)速
----------傳動(dòng)鏈的效率
J---------轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)軸上的效果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
-------電動(dòng)機(jī)的角速度
t----------電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)于中型機(jī)床
各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
滾珠絲杠的質(zhì)量：，其中，
7.86×103×202×2600
＝ 25.96Kg
′
J1＝1/2mr2=1/2×25.67×202×10-6
＝0.005134Kg·m2
則，
假設(shè)該部分運(yùn)動(dòng)的最大速度為，則該部分的運(yùn)動(dòng)速度假設(shè)為，則電機(jī)和滾珠絲杠的的轉(zhuǎn)速為：
n = 1000r/min
ω1＝ω＝(2πn)/60
=2×3.14×1000/60
=105rad/s
J=J1 + M(V1 /ω1 ) 2
＝5.314×10-3＋1.63×10-5
≈5.15×10-3Kg·m2
則， Tin=Jω1/t =5.15×10-3×105/0.5
≈1.08N· m
中型機(jī)床t=0.05s
Pin=Tin·n/(9550ηΣ)=1.08×1000/(9550×0.864)≈131W Pfr=MuV/(6120ηΣ )=25.67×0.05×10/(6120×0.864)
=2.4W
P=K * (Pin+Pfr)=2.5×(131+2.4?)=333.5W
因此，選擇的電動(dòng)機(jī)的功率為0.4KW。
4.4.2 X向滾珠絲杠的選擇計(jì)算
假定滾珠絲杠副的材料硬度為，工作溫度低于100度，，工作時(shí)的溫升低于4度，可靠性要求為95%，根據(jù)這些條件來(lái)選擇計(jì)算滾珠絲杠。
計(jì)算負(fù)載與轉(zhuǎn)速
假設(shè)Y方向的滾珠絲杠副帶動(dòng)部分的質(zhì)量為100千克，則導(dǎo)軌的摩擦力為：
滾珠絲杠的壽命L
--------滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速
T ---------使用的壽命時(shí)間，對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，取
由于在切割的過(guò)程中沒有切削力的影響，因此最大的負(fù)載與最小負(fù)載相同，都是摩擦力，
在工作的過(guò)程中負(fù)載值是一個(gè)穩(wěn)定值，因此，
查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)，表4.3—14，選用3205型號(hào)的滾珠絲杠。
其中，d0=40mm Ph=5mm L=2600mm C0a=51758 mm
Ca=14456mm
傳動(dòng)效率的計(jì)算
--------螺旋升角
---------摩擦角
滾珠絲杠的摩擦系數(shù)為，在這里取，則其摩擦角，
故所選的滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為0.94。
（1） 剛度的驗(yàn)算
工作負(fù)載
---------滾珠絲杠的基本導(dǎo)程
----------彈性模量
----------滾珠絲杠的截面面積
由于滾珠絲杠在工作的過(guò)程中受拉伸作用，因此采用下面的公式，
其中，
F=πd2/4=3.14×2.02/4＝3.14cm2
△L1=PL0/(EF)=50×0.5/(21×106×3.14)=3.79×10-3um
---------在M的作用下滾珠絲杠每一導(dǎo)程上的扭轉(zhuǎn)角
M---------作用在絲杠上的扭矩
G---------切變摸量
-------滾珠絲杠截面慣性矩
代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：
Jc=3.14×39.22/32＝23.2cm4
φ=ML0/(GJc)=0.1×0.5×102/(82.4×105×23.2)
= 8.1×10-7
M=P/v=333.5/105=3.1N·m
△L2=L0φ/(2π)=0.5×8.1×10-7/(2×3.14)=6.45×10-3um
△L=△L1+△L2=3.79×10-3+6.45×10-3＝10.24×10-3um
△=100△L/L0=100/0.05×10.24×10-3＝20.48um
（2） 穩(wěn)定性計(jì)算
E----------絲杠材料的彈性模量
L----------絲杠的工作長(zhǎng)度
J-----------截面的慣性矩，對(duì)于實(shí)心的圓柱體
---------絲杠的軸端系數(shù) （一端固定，一端鉸支，
其中， J=πd4/64=3.14×44/64＝12.56cm4
Pr=3.142×21×106×12.56/(?(2/3)×2600)2=865.6
（3） 穩(wěn)定性系數(shù)校核
nk=Pk/P=865.6/50=17.312≥2.5
通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證所選的絲杠滿足該機(jī)床實(shí)現(xiàn)功能的要求，故選用該型號(hào)的絲杠滿足要求。
4.4.3 Y方向電機(jī)的選擇計(jì)算
我所設(shè)計(jì)的機(jī)床在切學(xué)的過(guò)程中沒有切削力的影響，因此按照金屬切削機(jī)床快速電機(jī)的選擇計(jì)算來(lái)進(jìn)行選擇，只考慮摩擦力和慣性力的影響。
--------電機(jī)的功率
-------克服摩擦力所需要的功率
----------安全系數(shù)
---------克服慣性力所需要的功率
---------克服慣性力所需要的電機(jī)軸的扭矩
---------電機(jī)的轉(zhuǎn)速
----------傳動(dòng)鏈的效率
J---------轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)軸上的效果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
-------電動(dòng)機(jī)的角速度
t----------電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)于中型機(jī)床
各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
滾珠絲杠的質(zhì)量：，其中，
7.86×103×202×1550
＝ 15.2Kg
′
J1＝1/2mr2=1/2×25.67×202×10-6
＝3.04×10-3Kg·m2
則，
假設(shè)該部分運(yùn)動(dòng)的最大速度為，則該部分的運(yùn)動(dòng)速度假設(shè)為，則電機(jī)和滾珠絲杠的的轉(zhuǎn)速為：
n = 1000r/min
ω1＝ω＝(2πn)/60
=2×3.14×1000/60
=105rad/s
J=J1 + M(V1 /ω1 ) 2
＝3.04×10-3＋1.63×10-5
≈3.12×10-3Kg·m2
則， Tin=Jω1/t =5.15×10-3×105/0.5
≈0.66N· m
中型機(jī)床t=0.05s
Pin=Tin·n/(9550ηΣ)=1.08×1000/(9550×0.864)≈77W Pfr=MuV/(6120ηΣ )=25.67×0.05×10/(6120×0.864)
=2.8W
P=K * (Pin+Pfr)=2.5×(77+2.4?)=199.5W
因此，選擇的電動(dòng)機(jī)的功率為0.4KW。
4.4.4 Y向滾珠絲杠的選擇計(jì)算
假定滾珠絲杠副的材料硬度為，工作溫度低于100度，，工作時(shí)的溫升低于4度，可靠性要求為95%，根據(jù)這些條件來(lái)選擇計(jì)算滾珠絲杠。
計(jì)算負(fù)載與轉(zhuǎn)速
假設(shè)Y方向的滾珠絲杠副帶動(dòng)部分的質(zhì)量為100千克，則導(dǎo)軌的摩擦力為：
滾珠絲杠的壽命L
--------滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速
T ---------使用的壽命時(shí)間，對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，取
由于在切割的過(guò)程中沒有切削力的影響，因此最大的負(fù)載與最小負(fù)載相同，都是摩擦力，
在工作的過(guò)程中負(fù)載值是一個(gè)穩(wěn)定值，因此，
查機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)，表4.3—14，選用3205型號(hào)的滾珠絲杠。
其中，d0=40mm Ph=5mm L=2600mm C0a=51758 mm
Ca=14456mm
傳動(dòng)效率的計(jì)算
--------螺旋升角
---------摩擦角
滾珠絲杠的摩擦系數(shù)為，在這里取，則其摩擦角，
故所選的滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為0.94。
（4） 剛度的驗(yàn)算
工作負(fù)載
---------滾珠絲杠的基本導(dǎo)程
----------彈性模量
----------滾珠絲杠的截面面積
由于滾珠絲杠在工作的過(guò)程中受拉伸作用，因此采用下面的公式，
其中，
F=πd2/4=3.14×2.02/4＝3.14cm2
△L1=PL0/(EF)=50×0.5/(21×106×3.14)=3.79×10-3um
---------在M的作用下滾珠絲杠每一導(dǎo)程上的扭轉(zhuǎn)角
M---------作用在絲杠上的扭矩
G---------切變摸量
-------滾珠絲杠截面慣性矩
代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：
Jc=3.14×39.22/32＝23.2cm4
φ=ML0/(GJc)=1.9×0.5×102/(82.4×105×23.2)
= 2.35×10-7
M=P/v=199.5/105=1.9N·m
△L2=L0φ/(2π)=0.5×8.1×10-7/(2×3.14)=1.87×10-3um
△L=△L1+△L2=3.79×10-3+6.45×10-3＝5.66×10-3um
△=100△L/L0=100/0.05×10.24×10-3＝11.32um
（5） 穩(wěn)定性計(jì)算
E----------絲杠材料的彈性模量
L----------絲杠的工作長(zhǎng)度
J-----------截面的慣性矩，對(duì)于實(shí)心的圓柱體
---------絲杠的軸端系數(shù) （一端固定，一端鉸支，
其中， J=πd4/64=3.14×44/64＝12.56cm4
Pr=3.142×21×106×12.56/(?(2/3)×1550)2=243549
（6） 穩(wěn)定性系數(shù)校核
nk=Pk/P=243549/199.5=11220≥2.5
通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證所選的絲杠滿足該機(jī)床實(shí)現(xiàn)功能的要求，故選用該型號(hào)的絲杠滿足要求。
4.4.5 Z向電機(jī)的選擇
同樣采用金屬切削機(jī)床里面快速電機(jī)的計(jì)算方法來(lái)選擇Z向的電機(jī)，在切削時(shí)，同樣沒有切削力，也只考慮機(jī)床自身的部件質(zhì)量，慣性力，摩擦力的影響。所設(shè)計(jì)的為數(shù)控機(jī)床，因此，采用伺服電機(jī)。
--------電機(jī)的功率
-------克服摩擦力所需要的功率
----------安全系數(shù)
---------克服慣性力所需要的功率
---------克服慣性力所需要的電機(jī)軸的扭矩
---------電機(jī)的轉(zhuǎn)速
----------傳動(dòng)鏈的效率
J---------轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)軸上的效果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
-------電動(dòng)機(jī)的角速度
t----------電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)于中型機(jī)床
各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
--------各回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
--------各回轉(zhuǎn)件的角速度
--------各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量
--------各直線運(yùn)動(dòng)件的速度
選取的滾珠絲杠的直徑d0=20mm，長(zhǎng)度L=300mm
則滾珠絲杠的質(zhì)量為：
=3.14×0.012×0.3×7.86×103
=0.74Kg
則滾珠絲杠的轉(zhuǎn)