高精度激光雕刻機機構設計及動力學分析 論文（優(yōu)秀含CAD圖紙+設計說明書）
高精度激光雕刻機機構設計及動力學分析 論文（優(yōu)秀含CAD圖紙+設計說明書）,高精度激光雕刻機機構設計及動力學分析,論文（優(yōu)秀含CAD圖紙+設計說明書）,高精度,激光雕刻,機構,設計,動力學,分析,論文,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單
本 科 畢 業(yè) 設 計
高精度激光雕刻機機構設計
及動力學分析
專業(yè)：機械設計制造及其自動化
摘 要
激光雕刻加工是現(xiàn)代新興的一種特種加工方式。激光雕刻機是以數(shù)控技術為基礎，以激光器為加工媒介的一種特種加工設備。激光加工是一種非接觸式的加工方式，有著獨特的優(yōu)勢，如避免普通車床的接觸式對刀具的磨損等問題。根據(jù)雕刻領域近年來的發(fā)展情況，激光雕刻產(chǎn)品正向著速度高、精度高、效率高、功能多樣的方向發(fā)展，因此，研究影響雕刻機精度的因素并進行優(yōu)化設計具有重大的意義。
本研究課題通過查詢雕刻機的相關研究論文，介紹了雕刻機的基本形式和執(zhí)行機構的形式，分析了影響雕刻機精度的因素。根據(jù)雕刻機的精度要求，設計了雕刻機的運動機構，并通過機械設計軟件進行了機構實體建模、零件裝配和運動仿真。通過動力學仿真軟件，分析了實體模型在運動過程中的動態(tài)變形對精度的影響；根據(jù)分析結果，從電機的選型、導軌的選型、裝配要求、部件設計等方面提高了雕刻機的精度。本課題采用高精度的絲桿傳動，通過導軌設計和螺桿反向間隙調(diào)整提高了絲桿傳動的精度。
關鍵詞：激光雕刻機；導軌；絲桿；建模；仿真
III
Abstract
Laser engraving processing is a kind of special processing way of modern emerging, it is the use of numerical control technology as the foundation, the basic principle of laser medium for processing. The laser processing a non-contact processing, has a unique advantage, such as the contact of the ordinary lathe to tool wear, etc. Developed from engraving machine, laser products are high speed, high precision, high efficiency, multi-function direction development, more and more high technology content, therefore, this research has high practical significance and economic significance.
This research topic by querying the related research papers of engraving machine, carving machine is introduced the basic form and form of the actuator, the paper analyzes the factors which affected the accuracy of engraving machine. According to the requirements of the engraving machine precision, the design of the engraving machine motion mechanism, and has carried on the entity modeling by mechanical design software, parts assembly and movement simulation. Through the analysis of the dynamics simulation software, the entity model in the influence of movement in the process of dynamic deformation; According to the results of the analysis from the selection of the motor, guide rail type selection, assembly requirements, parts design aspects of improving the precision of engraving machine. This subject adopts high precision lead screw transmission, through the guide design and the reverse clearance adjusting screw to improve the accuracy of the lead screw transmission.
Key words：Laser engraving machine; Guide rail; Screw; The reverse clearance; Modeling;Simulation
III
目錄
1 緒論 1
1.1 選題背景和研究意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài) 1
1.3 研究方法 2
1.3.1 驅動部分 2
1.3.2 傳動部分 2
1.3.3 執(zhí)行部分 2
本章小結 2
2 激光雕刻機整體方案設計 3
2.1 兩種傳動方案的分析比較 3
2.1.1 滾珠絲杠為傳動機構的底座運動式 3
2.1.2 滾珠絲杠為傳動的立式運動式 4
2.2 整體方案的確定 4
本章小結 5
3 激光雕刻機部件設計及計算 6
3.1 激光雕刻機導軌的設計 6
3.1.1 基本形式 6
3.1.2 常用導軌組合形式 7
3.1.3 提高耐磨性措施 8
3.1.4 導軌的結構設計 9
3.1.5 導軌材料 11
3.1.6 導軌壽命的計算 12
3.2 激光雕刻機傳動副設計 13
3.2.1 傳動副的結構 14
3.2.2 螺桿和螺母的材料 14
3.2.3 滑動螺旋傳動的設計計算 15
3.3 其他相關零部件設計 19
3.3.1 加強筋的設計 19
3.3.2 可調(diào)節(jié)支撐腿的設計 21
本章小結 23
4 電機及軸承的選擇計算 24
4.1 電機的選擇及相關計算 24
4.2 軸承的選用及校核 25
4.2.1 軸承的選型與校核計算 25
4.2.2 軸承的當量動載荷計算 25
4.2.3 軸承的壽命計算 26
本章小結 26
5 運動仿真及結果分析 27
結論 33
參考文獻 34
致謝 35
V
1 緒論
1 緒論
1.1 選題背景和研究意義
近年來隨著科技的進步與發(fā)展，在雕刻行業(yè)上也有了重大的革新，如新興的激光雕刻行業(yè)。激光雕刻在其工作時是非接觸式加工的，不會使產(chǎn)品產(chǎn)生任何的機械形變，并且不受圖形限制，以其精度高，速度快，產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)勢而得到了廣泛的應用。課題的研究旨在了解雕刻機的基本形式和執(zhí)行機構形式，并分析影響雕刻機精度的因素。根據(jù)精度要求設計雕刻機的運動機構，通過機械設計軟件進行機構實體建模，并進行零件裝配和運動仿真。通過動力學仿真軟件，分析模型在運動過程中的動態(tài)變形對精度的影響。激光加工方式相比傳統(tǒng)加工方式，還具有樣式新穎、自動化程度高、操作簡單、高效省料、等明顯優(yōu)勢，因而在激雕刻技術在國內(nèi)外各大行業(yè)中占據(jù)著越來越大的應用比例。中小型企業(yè)對激光雕刻的精確度的要求越來越高，應用面也越來越廣，對企業(yè)的影響越來越顯重要。目前，國內(nèi)外的也有許多關于車床或雕刻機的一些導軌的研究比較，在傳動學上也有巨大的成果，本課題在分析現(xiàn)已有的激光雕刻機執(zhí)行結構后，整合相關資料，就高精度激光雕刻機這一課題上提出了一套新的設計方案。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
1938年，世界第一臺手動的雕刻機在法國問世，但是其精度及效率很低。直至1950年，世界第一臺真正意義的手動雕刻機才誕生沒并且該雕刻機還能放縮比例。從此雕刻機在全球多個國家都逐漸的得到發(fā)展。到20世紀90年代，隨著微電子技術的突飛猛進，計算機領域也得到了很大的發(fā)展，從而使雕刻機也產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。具體是體現(xiàn)在雕刻機的精度、體型外觀、加工效率等方面。
1960年，世界上第一臺激光器問世，激光器以其相干性高、強度高的特點，在眾多領域上都有很大的應用，大到航天器、飛機、汽車工業(yè)等大型行業(yè)，小到微電子、信息、生物細胞分離等微技術領域都有著廣泛的應用，當然也包括了雕刻行業(yè)。在隨后的幾十年的發(fā)展中，激光器和雕刻行業(yè)進行了完美的融合，產(chǎn)生出了現(xiàn)代有一門尖端行業(yè)——激光雕刻行業(yè)。
目前市場上的激光設備多種多樣，有激光切割，激光內(nèi)雕，激光打標，激光焊接，激光醫(yī)療，激光打孔，激光演示，激光噴碼等等。激光技術與現(xiàn)代其他高新行業(yè)的融合發(fā)展的前景更是無窮無大，未來的工業(yè)文明更是與激光雕刻領域密不可分。
1.3 研究方法
查找相通過關資料，學習和借鑒國內(nèi)外研究的相關成果，確定最終的機構方案；然后根據(jù)原始資料和設計要求進行初步的設計，確定整體方案；設計激光雕刻機結構及相關零部件；再利用NX8.0軟件繪制雕刻機的機械結構部件；最后通過分析軟件對機構進行運動仿真分析。
1.3.1 驅動部分
伺服驅動裝置是許多機電系統(tǒng)的核心，在高精度激光雕刻機的設計過程中，充分考慮各種因素，采用了伺服電機作為雕刻機的驅動部分。設計時，伺服電機的選擇要遵循一定的原則：
首先要根據(jù)轉矩－速度特性曲線來校驗負載轉矩，是否滿足電機在工作中的加減速扭矩的要求，其次是要對負載慣量進行校合，如果是要求頻繁起動和制動場合，還應對其電機的轉矩均方根值進行詳細的校合。
1.3.2 傳動部分
傳動機構是一臺儀器運轉的執(zhí)行關鍵部位，好的傳動機構能決定著一臺儀器的執(zhí)行機構最終的精度，因而對其傳動部位的研究設計具有重大的意義。
1.3.3 執(zhí)行部分
激光雕刻機的機構是激光器。針對不同的加工產(chǎn)品，選用不同功率的激光器。激光器相當于普通車床中的道具，只是其加工工藝相對不同。非接觸式的加工方法避免了磨損等問題，并且具有加工速度快，精度高等特點。
本章小結
通過資料的查詢，逐漸了解了激光雕刻機的由來、發(fā)展及一些未來的展望。并根據(jù)自己的研究課題對激光雕刻機進入了深層次的分析，最終確立了自己的研究方法。
33
2 激光雕刻機整體方案設計
2 激光雕刻機整體方案設計
2.1 兩種傳動方案的分析比較
整體結構的方案有很多種形式，但是每一種形式都是圍繞著一個中心內(nèi)容，那就是兩電機分別驅動著x和y的兩個方向。然后通過控制系統(tǒng)控制x和y方向上的進給，形成x和y的聯(lián)動，從而使終端軌跡迫近預期曲線或直線。
2.1.1 滾珠絲杠為傳動機構的底座運動式
圖2-1 底座式結構示意圖
該設計的優(yōu)點在于：
a、滾珠絲杠的驅動力矩小，要求功率較小，便于電機的快速啟動；
b、滾珠絲杠屬于高精度的傳動機構，加上運行時產(chǎn)熱較少，可以實現(xiàn)更高的傳動精度，能夠使負載實現(xiàn)精確定位；
c、由于滾珠絲杠的啟動力矩小，不會出現(xiàn)如滑動運動中容易出現(xiàn)的低速蠕動或者爬行現(xiàn)象，可以實現(xiàn)高精度微量進給，最小進給量可達0.1微米；
d、滾珠絲杠具有很高的傳動效率，最高可達98%。
缺點：
a、 采用雙圓柱導軌導向，存在兩邊不同步問題；
b、下平臺帶動上平臺的移動，會造成終端的誤差疊加；
c、滾珠絲杠存在影響精度的軸向間隙，當改變軸向負載的方向時，軸向間隙就會成為影響負載運動誤差的主要來源。
2.1.2 滾珠絲杠為傳動的立式運動式
a) 立式運動式示意圖 b) 立式垂直方向結構示意圖
圖2-2 立式運動式示意圖
該設計的優(yōu)點在于：采用立式機構，在y方向上可以利用螺母相連的組件的自身重力抵消絲桿反轉時的反向間隙；其他優(yōu)點與前者類似。缺點是在x方向上的反向間隙沒有解決，存在導軌不同步問題；軸上壓力較大；雕刻的工作面在側面，對實際加工不便等。
2.2 整體方案的確定
根據(jù)以上分析，確定整體方案為滑動絲桿為傳動的分離式。x方向通過導軌與絲桿帶動激光器的方向位移，y方向也用同樣的方式驅動工作平臺的方向位移，從而能利用控制系統(tǒng)對工件的加工。
圖2-3 最終方案示意圖
本章小結
國內(nèi)外的專家學者都對激光雕刻機做過很多的研究，也都做過很多種整體結構的布局。通過查詢資料，總結了一些國內(nèi)外的現(xiàn)有的總體結構布局，然后分析出它們的優(yōu)缺點后，選擇并優(yōu)化了一個適合自己課題的方案。
3 激光雕刻機部件設計
3 激光雕刻機部件設計及計算
3.3 激光雕刻機導軌的設計
導軌是一種能對運動部件沿著特定方向運動做導向的零部件，承導件上的導軌起支承和導向的作用。激光雕刻機上的導軌是為了支承運動件和保證運動件在外力的作用下，沿給定的方向進行直線運動。因而對導軌有一定的要求：
1. 保證運動部件的運動輕便平穩(wěn)。具體特征是在工作時，保證部件的速度均勻，低速時要求無爬行現(xiàn)象；
2. 要有一定的導向精度；
3.要有足夠的剛度。導軌面承受了運動件所受的外力，所以導軌應有足夠的接觸剛度；
4.良好的耐磨性。導軌耐磨性是指導軌長期使用后，仍然能保持一定的使用精度，因而具有良好的耐磨性對雕刻機的整體壽命和加工質(zhì)量都有重大的影響；
5.溫度變化影響小。導軌應該規(guī)定溫度變化的環(huán)境中，仍然能夠正常的工作，并不影響導向精度或對導向精度影響不大。
3.3.3 基本形式
圖3-1 導軌基本形式
1） 三角形導軌
導向精度相對較高，且三角導軌在磨損后能利用滑塊自身的重量來自動補償。它的截面角度一般為90°。但在重載時，可以為增加承載面積而減小比壓，采用較大的頂角，例如110°～120°；也可以為了提高其導向精度，采用較小的頂角。
2） 矩形導軌
導軌承壓面較寬，承載力較大，剛度高，且有著結構簡單，制造、檢驗和修理方便等優(yōu)點。矩形的導向精度沒有三角形導軌高，并且導軌間隙不能通過自身的結構來自動補償，需用外加壓板或鑲條輔助調(diào)整。
3） 燕尾形導軌
燕尾形導軌高度小，結構緊湊；其調(diào)整及夾緊相對較簡便，用一根鑲條即可調(diào)節(jié)這兩方面的間隙。
4） 圓形導軌
圓形導軌以其易加工，制造方便，結構簡單而得到廣泛的應用。通常采用導軌外圓采用磨削后與滑塊內(nèi)孔配合的方式。但磨損后不能調(diào)整間隙且不能承受大的扭矩，宜用于承受軸向載荷的場合，也不能承受大的扭矩。
3.3.4 常用導軌組合形式
1） 三角形和矩形組合
三角形與矩形的組合是以三角導軌的面為導向面的，其導向精度高，加上矩形導軌的工藝性好，所以應用最廣。見圖3.2。
圖3-2 三角形與矩形導軌組合
通常在三角導軌的設計中，應盡量使驅動裝置設在三角形導軌的下方或偏向三角形導軌的一側，從而使導軌移動輕便省力，并使兩導軌的磨損相對均勻。
2） 矩形和矩形組合
矩形導軌略不同于三角導軌，矩形導軌的承載面并不是導軌的導向面，兩者是分開的，所以對兩個面分別作要求，顧制造相對簡單。導向面的間隙也可用鑲條來調(diào)整。見圖3.3。
圖3-3 矩形與矩形導軌組合
3） 雙三角形導軌
三角導軌的導向精度高，接觸剛度好，但工藝性相對較差。由于采用了對稱結構，因而兩條導軌磨損均勻，磨損后對稱位置位置不變的這一特點，使得雙三角形導軌在實際中應用比較廣泛。
3.3.5 提高耐磨性措施
導軌的結構、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、使用方法及維護等都影響著導軌的使用壽命。提高耐磨性，減小導軌的磨損，就能延長設備的使用壽命。提高導軌耐磨性的措施有很多，下面列舉了幾項措施：
1)選擇合理的比壓，即
p=P/S (3-1)
其中：P-作用在導軌上的力；
S-導軌的支承面積。
由上式可知，要減小比壓，應減小作用在導軌上的里或者是增大導軌的支承面積。如果是雙導軌結構，適當?shù)臏p小兩導軌的間距，就能減小支撐平臺的跨度，從而減輕重量；但距離過小，也將導致運動不穩(wěn)定。
采用卸荷裝置也可以降低導軌比壓的，可在載荷的反方向上增加液壓作用力或增加彈簧，因而抵消導軌所承受的部分載荷。
2)選擇合適材料。目前常采用的導軌材料有以下幾種：（導軌-滑塊）
鑄鐵-灰口鑄鐵組合：這是最常用的一種搭配形式，灰口鑄鐵具有成本低，工藝性好，熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點，且在潤滑充分和防護良好的情況下，有一定的耐磨性。常用的是HT200～HT400，硬度以HB=180～200較為合適。
若灰口鑄鐵不能滿足耐磨性要求，可使用硬度為HB=180～220的高磷鑄鐵。其材料的耐磨性能比灰口鑄鐵高一倍左右。在特殊的加工環(huán)境中也可考慮低合金鑄鐵及稀土鑄鐵。
鋼-鑄鐵組合：該組合適用于要求較高的場合上的導軌和滑塊，其中導軌用的鋼常用經(jīng)過淬火的合金鋼，其耐磨性比普通灰鑄鐵高5～10倍。如40Cr高頻淬火和20Cr鋼滲碳淬火。
3）熱處理。對導軌表面進行淬火處理可提高材料的耐磨性。表面淬火方法有：高頻淬火、火焰淬火和電接觸淬火等方法。
4)潤滑和防護。潤滑保護是一種有效的增加耐磨性的方法，潤滑油能使導軌與滑塊間形成一層薄薄的油膜，減少了導軌面的直接接觸，從而減小摩擦和磨損。導軌潤滑的方式有油杯、澆杯、手動油泵和自動潤滑等方式。
3.3.6 導軌的結構設計
1）導軌長度
導軌的長度是影響工作臺的精度和高度的一個重要因素，可根據(jù)滑塊導向部分的長度來估算出導軌長度。
其公式為：
L=H+S+△l-S1-S2 (3-2)
由此公式估算出Lx=Ly=500mm
其中L—導軌長度
H—滑塊的導向面長度
S—滑塊行程
△l—封閉高度調(diào)節(jié)量
S1—滑塊到上死點時，滑塊露出導軌部分的長度
S2—滑塊到下死點時，滑塊露出導軌部分的長度
2）導軌的選擇
由于方案中的x方向，導軌的承重量只有激光器及其相關零部件，承重量不大，并避免雙導軌不同步等問題，因而在x方向上，其導軌采用結構緊湊的燕尾型導軌。選用燕尾導軌為55°的燕尾導軌，燕尾頂?shù)膶挾葹?0mm，燕尾底的寬度為23mm。導軌寬度為80mm，高為50mm。
滑塊
燕尾導軌
圖3-4 燕尾導軌橫截面
圖3-5 燕尾導軌參數(shù)
由于y方向上要承受工作平臺等相關零部件與加工工件的重量，承重較大因而采用磨損能自動補償、導向精度高的雙三角形導軌。
工作臺及滑塊
三角導軌
圖3-6 三角導軌示意圖
圖3-7 三角導軌參數(shù)
3.3.7 導軌材料
車床滑動導軌常用材料主要是灰鑄鐵和耐磨鑄鐵，其中通常以HT200或HT300型號的灰鑄鐵作為固定的導軌，以型號為HT150或HT200鑄鐵作為動導軌。
JB/T3997-1994標準對普通灰鑄鐵導軌的硬度要求如下表所示：
表3-1 普通灰鑄鐵導軌硬度對照表
硬度要求(HBS)
硬度不均勻性(HBS)
導軌長度/mm
導軌鑄件重量/t
不低于
不高于
導軌長度/mm
硬度差不超過
≤2500
-
190
255
≤2500
25
>2500
>3
180
241
>2500
35
>5
175
241
由幾何件連接的導軌
45
>10
165
241
普通鑄鐵與常用耐磨鑄鐵的耐磨性比較見表3-2
表3-2 耐磨性比較表
耐磨鑄鐵名稱
耐磨性高于普通鑄鐵倍數(shù)
磷銅鈦耐磨鑄鐵
1.5～2
高磷耐磨鑄鐵
1
釩鈦耐磨鑄鐵
1～2
稀土鑄鐵
1
鉻鉬耐磨鑄鐵
1
導軌熱處理:對于重要的導軌，材料在粗加工后要進行一次熱處理，經(jīng)過精加工或半精加工后再進行第二次熱處理處理。
常用導軌淬火方法有:
1) 中頻淬火，淬硬層深度為1～2mm。硬度(45～50)HRC；
2) 接觸加熱自冷表面淬火，淬硬深度為0.2～0.25mm，適用于大型的鑄件導軌。
3.3.8 導軌壽命的計算
（1） 三角導軌計算
以y方向上的導軌為例，y方向上的三角導軌的額定動，靜載荷分別為Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。
利用NX8.0模擬計算出工作臺的自身重量為：M=17.48kg；
其中工作臺的最大承重重量為:
Gmax=50×9.8=490N
四個滑塊支座所平均承受的力為：
F1=F2=F3=F4=1/4（Gmax+Mg）=165.326N
滑動導軌的額定壽命計算公式為：
L=（fh ft fc fa Ca/ fwPc）K=27166km （3-3）
式中L——額定壽命（km）；
Ca——額定動載荷（KN）；
Pc——當量動載荷（KN）；
Z——導軌上的滑塊數(shù)；
——指數(shù)，=3；
K——額定壽命單位（KM），K=50KM；
fh ——硬度系數(shù)；通常fh =1 ;
ft ——溫度系數(shù)，當工作溫度小于或等于100℃時，ft取1；
fc——接觸系數(shù)，由下表得=0.81 ;
表3-3 導軌接觸系數(shù)表
每根導軌上的滑塊數(shù)
1
2
3
4
5
1．00
0．81
0．72
0．66
0．61
fa——精度系數(shù)，在無明顯沖擊或振動的場合，且速度為15~60m/min時，取fa=1.50;
fw——載荷系數(shù)，對精度等級為3級的導軌，取=1.0 .
則L=27166Km
壽命時間的計算：
當行程長度一定，額定壽命為（單位為：小時）：
（3-4）
式中——壽命時間（h）；
L——額定壽命（km）；
La——行程長度（m）；
n2——每分鐘往返次數(shù)。
則L h =30592.3h
工況為：按每年300個工作日，每天工作6小時計算，則預計壽命年限為：
L h=30592.3/300×6=16.9年。
（2） x方向燕尾型導軌的壽命
同理求出x方向燕尾型導軌的壽命為：
L=26340.1km
Lh=25230h=14年
3.4 激光雕刻機傳動副設計
激光雕刻機的傳動方案有很多種：
1）帶傳動。帶傳動在傳動時平穩(wěn)無噪聲并有緩沖、吸振的作用；其工作的間距影響不大，可用以中心距較大的場合，帶傳動在過載時能起到打滑的安全保護作用。但是帶傳動不能保證精確的傳動比，所以無法滿足高精度傳動的要求。
2）鏈傳動。鏈傳動能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚等的惡劣環(huán)境中工作，特別適用于中心距較遠的場合，且鏈傳動的傳遞動力和運動的效率較高，一般可達0.95～0.97。但其缺點也是很突出，主要體現(xiàn)在它的瞬時傳動比是變化的，不適用于傳動比要求為常數(shù)的高精度傳動場合。
3）齒輪齒條傳動。齒輪齒條嚙合傳動可以保證恒定的瞬間傳動比，因而工作平穩(wěn)，適合于高精度傳動中。此外，齒輪齒條嚙合傳動適用的功率和速度范圍廣，傳動效率高，工作可靠使用壽命長，外廓尺寸小，結構緊湊，承載大。但是齒輪齒條的制造精度要求高，安裝也相對困難，磨損大，不適合遠距離的傳動，傳動速度有限。因此，不適合用于高精度激光雕刻機的傳動中。
4）絲桿-螺母傳動。絲桿-螺母傳動移動速度快，定位精度高，鋼性較好，可以傳遞較大扭力，位置準確。
通過分析比較，結合本課題的需求，采用絲桿-螺母的傳動方式。
3.4.9 傳動副的結構
螺旋傳動的結構有很多種形式，其原理結構是指螺桿、螺母的固定和支承的機構形式。其支承結構對螺旋傳動的工作剛度與精度有直接的影響。螺母的機構也有多重形式，本方案為了消除軸向間隙和補償旋合螺紋的磨損，避免反向傳動時的空行程，因而采用了組合螺母結構，即雙螺母結構。螺桿采用右旋螺紋，并采用單線螺紋。
圖3-8 傳動副結構示意圖
3.4.10 螺桿和螺母的材料
螺桿和螺母材料都要有足夠的耐磨性和強度，其中螺母還要求在與螺桿配合時摩擦系數(shù)小。
根據(jù)下表3-4所示：
表3-4 旋轉副材料應用范圍表
螺旋副
材料牌號
應用范圍
螺桿
Q235、Q275、45、50
材料不經(jīng)熱處理，適用于經(jīng)常運動，受力不大，轉速較低的傳動
40Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi
材料需經(jīng)過熱處理，以提高其耐磨性，適用于重載、轉速較高的重要傳動
9Mn2V、CrWMn、38CrM0Al
材料需要經(jīng)過熱處理，以提高其尺寸的穩(wěn)定性，適用于精密的螺旋傳動
螺母
ZCuSn10Pl、ZCnSn5Pb5Zn5
材料耐磨性好，適用于一般的傳動
ZCuAl9Fe4Ni4Mn2
ZCuZn25Al6Fe3Mn3
材料耐磨性好，強度高，適用于重載、低速的傳動。對于尺寸較大或高速傳動，螺母可采用鋼或鑄鐵制造，內(nèi)孔澆注青銅或巴氏合金
根據(jù)高精度雕刻機傳動速度與定位要求，螺桿采用材料為38CrM0Al，螺母采用ZCuSn10Pl。
3.4.11 滑動螺旋傳動的設計計算
滑動螺旋傳動在工作時，主要承受軸向拉力及轉矩的作用，因而螺桿既承受著拉伸力的作用也存在著剪切力的作用。螺桿和螺母的旋合螺紋在傳動過程中有較大的相對滑動，螺紋磨損也可能是傳動副的失效形式之一。
1) 耐磨性計算
螺桿的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關。
耐磨性條件：
(3-5)
式中：P——螺紋工作面上的壓力；
[P]——材料的許用應力；
F——作用于螺桿上的軸向力；
A——螺紋的承壓面積；
d2——螺紋中徑；
H——螺母高度；
P——螺紋螺距；
h——螺紋工作高度。
令，則上式整理得
(3-6)
對于30°鋸齒形螺紋，h=0.75P,則上式
(3-7)
螺母高度：
(3-8)
在傳動精度高，要求壽命較長的場合，取=4。
螺桿設計及相關參數(shù)：大徑d=16mm，小徑=14mm，中徑=15mm，螺距p=5mm。
如圖所示為螺母的設計及相關參數(shù)：
圖3-9 螺母剖面圖
螺母參數(shù)：大徑=16mm,小徑D=14mm，高度為30mm，因為本設計方案采用雙螺母結構，所以。
如下表為滑動螺旋副材料的許用應力[P]及摩擦系數(shù)f關系表
表3-5 許用應力[P]及摩擦系數(shù)f關系表
螺桿-螺母的材料
滑動速度/（m/min）
許用壓力/MPa
摩擦系數(shù)f
鋼-青銅
低速
18~25
0.08~0.10
11~18
6~12
7~10
1~2
淬火鋼-青銅
6~12
10~13
0.06~0.08
鋼-鑄鐵
13~18
0.12~0.15
6~12
4~7
鋼-鋼
低速
7.5~13
0.11~0.17
注：表中摩擦系數(shù)運轉中時取最小值，只有起動計算時取最大值。
因為采用了鋼-鑄鐵的組合，且滑動速度在6~12m/min,所以許用壓力[P]取4~7MPa,摩擦系數(shù)f取0.12~0.15。
由上述三角導軌的結構特點可知，絲桿受到的徑向拉力來自工作臺的滑塊與導軌的摩擦力，因而有：
（3-9）
當取0.15最大值時，F(xiàn)=71.57N
由上述校核公式
上式成立，因而滿足耐磨性要求。
2) 螺桿的強度計算
螺桿工作時級承受到軸向的拉力F的作用，也承受扭矩T的作用。
根據(jù)強度理論，求出危險截面的計算應力，其強度條件為：
（3-10）
式中：F——螺桿所受的軸向拉力（或壓力）；
A——螺桿的危險截面面積；
——螺桿螺紋小徑；
T——螺桿所受到的扭矩；
[]——螺桿材料的許用應力。
根據(jù)下表4.3.4：
表3-6 材料許用應力表
螺旋副材料
許用應力/MPa
[]
[]
[]
螺桿
螺母
青銅
40~60
30~40
鑄鐵
45~55
40
鋼
0.6
螺桿材質(zhì)為40Cr，其屈服極限約取785MPa，所以[]==157~261.7MPa。
T取伺服電機的輸出最大扭矩作為校核的數(shù)據(jù)，T=300N.m。
所以，
螺桿的強度滿足要求。
因為x方向上螺桿的承重遠小于y方向上的承重，所以在x方向上的校核必然也滿足要求。
3) 螺母螺紋牙的強度計算
在螺桿與螺母的配合中，螺母在工作時的螺紋牙多次發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，所以只需要校核螺母的的螺紋牙的強度即可。
在計算時可將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D處展開，展開后可將這一圈螺紋看作寬度為的懸臂梁。每圈螺紋所承受的平均壓力為（u為工作圈數(shù)，）。
剪切強度條件為
（3-11）
彎曲強度條件為
（3-12）
式中：b——螺紋牙根部的厚度，對于30°鋸齒形螺紋，b=0.75P=3.75mm;
——彎曲力臂，；
——螺母材料的許用切應力，由上圖得出取40MPa；
——螺母材料的需用彎曲應力，由上表得出=45~55MPa。
由上述公式代數(shù)后得：
所以螺母螺紋牙的彎曲強度和剪切強度都滿足要求。
3.5 其他相關零部件設計
3.5.12 加強筋的設計
在本設計方案中，承受x方向的導軌重量及激光器等相關部件的重量，而加強筋能對承重的側板有一個很好的相對固定的作用。下圖為加強筋的相關尺寸設計。
加強筋
圖3-10 加強筋示意圖
圖3-11 加強筋正視圖
圖3-12 加強筋俯視圖
3.5.13 可調(diào)節(jié)支撐腿的設計
高精度儀器的加工理論上是要有可調(diào)節(jié)工作平臺水平的機構，所以在方案中也補充了這一方面的設計。在設備的底部安裝可調(diào)節(jié)高度的支撐腿，具體結構如下圖所示。
可調(diào)節(jié)支撐腿
圖3-13 支撐腿示意圖
每個支撐腿的上部分都通過兩顆螺釘與底板相連接，下部分是有一個通過螺紋配合實現(xiàn)高度升降打的支撐件，見下圖。
圖3-14 支撐腿裝配示意圖
a)上部分 b)下部分
圖3-15 支撐腿尺寸示意圖
本章小結
導軌的導向精度對整體雕刻機的雕刻精度有著重要影響，所以本章對導軌的選型、尺寸的設計計算和壽命計算等方面都做了相應的調(diào)查與設計計算。導軌與滑塊是激光雕刻機的主要運動副之一，它的壽命長短在一定意義上也決定了整個雕刻機的壽命，因而針對性的做了導軌的壽命的計算。
涉及了傳動副的類型選擇，及其強度、耐磨性的計算等。在絲桿的設計時，采用了市場上常用絲桿所用的材料，由于絲桿為標準件，因而只是針對性的對絲桿和螺母在自己的設計工況下運轉時的強度和耐磨性的校核計算。
最后對雕刻機的整體的一個補充和功能的加強完善。如整體平臺的升降功能，就是考慮到加工時的場地環(huán)境因素附加的一個功能。加強筋是為了增強側板的一個受力，對側板的一個加固作用。
4 電機及軸承的選擇計算
4 電機及軸承的選擇計算
4.6 電機的選擇及相關計算
可用于激光雕刻機的驅動方式有很多種，但為了能精確的實現(xiàn)加工終端的進給，方案中要求相應的反饋信號，這樣才能精確的保證實際的加工精度。在實際中可采用普通電機或步進電機，再配合光柵或編碼器這樣的搭配方式。光柵或編碼器就是對加工的一個反饋信號的儀器。但是這種方案的最大的缺點就是其安裝要求高，難度大。還有一種驅動方式是伺服電機驅動，伺服電機是在伺服系統(tǒng)系統(tǒng)的控制下的一種發(fā)動機，伺服系統(tǒng)能對發(fā)動機中的機械元件運轉進行控制，其也是一種補助馬達的間接變速的裝置。伺服電機不僅保證了進給的精度非常準確，還能精確的控制轉動的速度，將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。結合本研究課題的要求，最終選擇的是精確度高、自帶反饋的伺服電機。
在中國市場上最得到廣泛應用的伺服電機是FANUC系列的電機，其中系列的伺服電機的特點是加速響應性能好、精度高，扭矩范圍很大、適應性強，可靠性好，適合高加速車床。
表4-1 部分FANUC系列的電機型號參數(shù)表
根據(jù)上面公式的計算，在y方向上的電機要求其轉矩不小于300N.m,因而參照上表，在y方向上的電機可選擇型號為300/2000的，輸出功率為52kw，最大轉速為2000r/min,轉動慣量為0.079。該型號的電機采用的是的脈沖編碼器，其分辨率是1000000脈沖/rev。絲桿的螺距為5mm；因為伺服電機自帶輸出速度的控制，因而可將電機與絲桿通過聯(lián)軸器直連，所以其減速比可看做1:1。當要求輸入一個指令脈沖時，工件前進0.001mm,那么當走過一個螺距的距離，即電機轉動一圈需要的個指令脈沖，在伺服電機中可調(diào)整電子齒輪比為5000:1000000。在x方向上也是用類似的計算方法，因而x方向上選用的電機型號為200/2500。
4.7 軸承的選用及校核
4.7.14 軸承的選型與校核計算
絲桿
軸承
圖4-1 軸承示意圖
軸承一端利用擋板沉孔定位，另一側則利用軸的軸肩定位。但利用這種定位方式時，則軸承在軸的軸向方向有一個止推的力，因而不能采用深溝球軸承。角接觸球軸承是一種既可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷的軸承，并能在較高的轉速下正常工作。所以選用代號為7201AC（）的角接觸球軸承。因為一端需作定位要求，軸需要被“壓緊”，因而采用兩軸承正裝的方法。
該軸承的參數(shù)：大徑32mm,小徑12mm，寬10mm，額定動載荷=5.25kN,額定靜載荷=3.04kN。
4.7.15 軸承的當量動載荷計算
通過NX8.0軟件對軸的測定質(zhì)量m=0.69kg，所以;軸上受力為71.57N，而角接觸球軸承的派生軸向力的計算公式為：
(4-1)
由公式（4-1）算的=4.624N。
對被“壓緊”一端的軸承來說，。
其當量動載荷為
（4-2）
式中，X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)，其值見《機械設計》表13-5，選用X=0.41,Y=0.87。所以算出P=69.077N。
4.7.16 軸承的壽命計算
軸承的壽命與軸承所受到的載荷的大小有關。軸承所承受的工作載荷越大，軸承內(nèi)的接觸應力也就越大，磨損相對就打，從而影響壽命。當軸承所受的當量載荷P恰好為C時，其基本額定壽命為（C為基本額定動載荷）。在實際上，軸承分別收到徑向載荷和軸向載荷的作用。
根據(jù)《機械設計》的軸承壽命計算
實際計算，軸承基本額定壽命為（單位為：小時）：
（4-3）
式中：n為軸承的轉速；
為指數(shù)，對于球軸承，=3，對于滾子軸承，；
C為額定動載荷；
P為當量載荷。
C額定動載荷為5.25kN,軸承轉速可取電機的最大速度進行壽命計算，n=2000r/min
由公式（4-1）得：
（h） （4-4）
本章小結
電機作為激光雕刻機的驅動元件，在選擇上我做出了幾種方案的選擇。并考慮到精度的要求，在幾種方案中選擇了精度較高，且自帶反饋信號并能調(diào)速的伺服電機，從而避免了一些安裝時的問題。對適合方案條件的軸承進行了選型，根據(jù)工況，對該軸承進行了簡單的壽命計算和當量載荷的計算。
5 運動仿真及結果分析
5 運動仿真及結果分析
通過建模后利用軟件對模型進行運動仿真，并通過仿真得出一些數(shù)據(jù)。當給定x和y方向上的速度相等時，理論上激光器走的軌跡是一個四分之一的圓弧曲線。下面是一些仿真的結果：
如下圖y軸上絲桿的一個有限元分析結果圖
圖5-1 y軸有限元結果圖
由絲桿的有限元分析可以看出在絲桿和螺母嚙合的部分（顏色紅色部分），其磨損較大。并且在絲桿與軸承配合的兩端有微小的形變。
X方向上的絲桿受到的徑向力如下圖所示
圖5-2 x軸徑向受力圖
下圖為y方向上的徑向受力圖
圖5-3 y軸受力圖
下面別分是x和y方向上滑塊的位移圖
圖5-4 x方向上的位移圖
圖5-5 y方向的位移圖
由兩個圖的比較得出，兩曲線的斜率是相同的，即兩滑塊的速度相等，因而重點軌跡應該為一個四分之一的圓弧線。
側板的受力主要來自導軌的重力和絲桿的力。如下圖（5-6）為側板的受力示意圖，對側板做有限元分析得圖（5-7）應力圖和圖（5-8）位移圖。
圖5-6 左側板受力示意圖
圖5-7 左側板應力圖
圖5-8 左側板形變圖
由圖5-8可得，左側板在受力情況下左上角的位移形變量最大，約為1.77mm。在solidworks模擬工況下，其最終結果如圖5-9所示：
圖5-9 左側板工況模擬圖
由圖5-9可見，在工況下，取安全系數(shù)為1時，工件顯示為藍色，即側板的強度滿足條件。
對右側板做同樣的有限元分析，其結果如下圖所示：
圖5-10 右側板應力圖
圖5-11 右側板形變圖
圖5-12 右側板工況模擬圖
由圖5-12可知，右側板也滿足強度要求。
結論
本研究課題通過對資料的查詢，對激光雕刻機導軌的類型和尺寸進行了相關的設計，在設計中采用了燕尾型導軌和三角形的導軌，這樣的搭配有其獨特的好處。通過絲桿和雙螺母結構的搭配，在一定程度上減小了絲桿的反向行程間隙，并做了一些模型的運動仿真。在現(xiàn)今市場上，激光雕刻機的種類有很多，但是都是以鏈式傳動或光軸為導軌的傳動方式。而本課題所采用的結構是燕尾型的導軌，是激光雕刻機行業(yè)的一個新的嘗試，并能在理論上解決一些問題。今后，激光雕刻機行業(yè)正向著更精確、更高效率、更高性能的方向發(fā)展，因而本課題的研究相信會具有一定的參考價值。激光雕刻機的研究很有許多的細節(jié)部分能進入詳細的分析，如一些裝置的壓緊裝置等等，希望將來能有機會做相關的研究。
參考文獻
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致謝
衷心感謝這幾個月來，穆為磊老師對課題的指導。從一開始拿到本課題到現(xiàn)在，讓我從對激光雕刻機一竅不通到現(xiàn)在能夠自行設計，真的讓我學到了許多的知識。畢業(yè)設計是一門整合四年大學生涯所學知識的學科，具有很大的綜合性，這幾個月下來能給一個人很大的歷練。感謝周圍同學的幫忙，因為有了相互的交流，才有相互的進步，很高興能進入這個大家庭，結交到這群來自五湖四海的兄弟姐妹。海納百川，取則行遠，這不正符合學校的百年校訓所要傳達給我們的精神嗎。真的很欣慰能夠成為中國海洋大學的一名學生，能成為機械設計制造及其自動化專業(yè)的一名學子更是讓我覺得自豪，因為這個專業(yè)教會了我什么是創(chuàng)新、什么嚴謹。在此感謝各位老師給予我的教導和幫助！
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