毕业设计（论文）-高精度激光雕刻机机构设计及动力学分析（全套图纸）(29页).docx

-毕业设计（论文）-高精度激光雕刻机机构设计及动力学分析（全套图纸）本 科 毕 业 设 计高精度激光雕刻机机构设计及动力学分析专业：机械设计制造及其自动化摘 要激光雕刻加工是现代新兴的一种特种加工方式。激光雕刻机是以数控技术为基础，以激光器为加工媒介的一种特种加工设备。激光加工是一种非接触式的加工方式，有着独特的优势，如避免普通车床的接触式对刀具的磨损等问题。根据雕刻领域近年来的发展情况，激光雕刻产品正向着速度高、精度高、效率高、功能多样的方向发展，因此，研究影响雕刻机精度的因素并进行优化设计具有重大的意义。本研究课题通过查询雕刻机的相关研究论文，介绍了雕刻机的基本形式和执行机构的形式，分析了影响雕刻机精度的因素。根据雕刻机的精度要求，设计了雕刻机的运动机构，并通过机械设计软件进行了机构实体建模、零件装配和运动仿真。通过动力学仿真软件，分析了实体模型在运动过程中的动态变形对精度的影响；根据分析结果，从电机的选型、导轨的选型、装配要求、部件设计等方面提高了雕刻机的精度。本课题采用高精度的丝杆传动，通过导轨设计和螺杆反向间隙调整提高了丝杆传动的精度。关键词：激光雕刻机；导轨；丝杆；建模；仿真全套图纸加153893706-第 23 页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目录1 绪论11.1 选题背景和研究意义11.2 国内外研究现状和发展动态11.3 研究方法21.3.1 驱动部分21.3.2 传动部分21.3.3 执行部分2本章小结22 激光雕刻机整体方案设计32.1 两种传动方案的分析比较32.1.1 滚珠丝杠为传动机构的底座运动式32.1.2 滚珠丝杠为传动的立式运动式42.2 整体方案的确定4本章小结53 激光雕刻机部件设计及计算63.1 激光雕刻机导轨的设计63.1.1 基本形式63.1.2 常用导轨组合形式73.1.3 提高耐磨性措施83.1.4 导轨的结构设计93.1.5 导轨材料113.1.6 导轨寿命的计算123.2 激光雕刻机传动副设计133.2.1 传动副的结构143.2.2 螺杆和螺母的材料143.2.3 滑动螺旋传动的设计计算153.3 其他相关零部件设计193.3.1 加强筋的设计193.3.2 可调节支撑腿的设计21本章小结234 电机及轴承的选择计算244.1 电机的选择及相关计算244.2 轴承的选用及校核254.2.1 轴承的选型与校核计算254.2.2 轴承的当量动载荷计算254.2.3 轴承的寿命计算26本章小结265 运动仿真及结果分析27结论33参考文献34致谢351 绪论1.1 选题背景和研究意义近年来随着科技的进步与发展，在雕刻行业上也有了重大的革新，如新兴的激光雕刻行业。激光雕刻在其工作时是非接触式加工的，不会使产品产生任何的机械形变，并且不受图形限制，以其精度高，速度快，产品品质好等优势而得到了广泛的应用。课题的研究旨在了解雕刻机的基本形式和执行机构形式，并分析影响雕刻机精度的因素。根据精度要求设计雕刻机的运动机构，通过机械设计软件进行机构实体建模，并进行零件装配和运动仿真。通过动力学仿真软件，分析模型在运动过程中的动态变形对精度的影响。激光加工方式相比传统加工方式，还具有样式新颖、自动化程度高、操作简单、高效省料、等明显优势，因而在激雕刻技术在国内外各大行业中占据着越来越大的应用比例。中小型企业对激光雕刻的精确度的要求越来越高，应用面也越来越广，对企业的影响越来越显重要。目前，国内外的也有许多关于车床或雕刻机的一些导轨的研究比较，在传动学上也有巨大的成果，本课题在分析现已有的激光雕刻机执行结构后，整合相关资料，就高精度激光雕刻机这一课题上提出了一套新的设计方案。1.2 国内外研究现状和发展动态1938年，世界第一台手动的雕刻机在法国问世，但是其精度及效率很低。直至1950年，世界第一台真正意义的手动雕刻机才诞生没并且该雕刻机还能放缩比例。从此雕刻机在全球多个国家都逐渐的得到发展。到20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，计算机领域也得到了很大的发展，从而使雕刻机也产生了质的飞跃。具体是体现在雕刻机的精度、体型外观、加工效率等方面。1960年，世界上第一台激光器问世，激光器以其相干性高、强度高的特点，在众多领域上都有很大的应用，大到航天器、飞机、汽车工业等大型行业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术领域都有着广泛的应用，当然也包括了雕刻行业。在随后的几十年的发展中，激光器和雕刻行业进行了完美的融合，产生出了现代有一门尖端行业激光雕刻行业。目前市场上的激光设备多种多样，有激光切割，激光内雕，激光打标，激光焊接，激光医疗，激光打孔，激光演示，激光喷码等等。激光技术与现代其他高新行业的融合发展的前景更是无穷无大，未来的工业文明更是与激光雕刻领域密不可分。1.3 研究方法 查找相通过关资料，学习和借鉴国内外研究的相关成果，确定最终的机构方案；然后根据原始资料和设计要求进行初步的设计，确定整体方案；设计激光雕刻机结构及相关零部件；再利用NX8.0软件绘制雕刻机的机械结构部件；最后通过分析软件对机构进行运动仿真分析。1.3.1 驱动部分伺服驱动装置是许多机电系统的核心，在高精度激光雕刻机的设计过程中，充分考虑各种因素，采用了伺服电机作为雕刻机的驱动部分。设计时，伺服电机的选择要遵循一定的原则：首先要根据转矩速度特性曲线来校验负载转矩，是否满足电机在工作中的加减速扭矩的要求，其次是要对负载惯量进行校合，如果是要求频繁起动和制动场合，还应对其电机的转矩均方根值进行详细的校合。1.3.2 传动部分传动机构是一台仪器运转的执行关键部位，好的传动机构能决定着一台仪器的执行机构最终的精度，因而对其传动部位的研究设计具有重大的意义。1.3.3 执行部分激光雕刻机的机构是激光器。针对不同的加工产品，选用不同功率的激光器。激光器相当于普通车床中的道具，只是其加工工艺相对不同。非接触式的加工方法避免了磨损等问题，并且具有加工速度快，精度高等特点。本章小结通过资料的查询，逐渐了解了激光雕刻机的由来、发展及一些未来的展望。并根据自己的研究课题对激光雕刻机进入了深层次的分析，最终确立了自己的研究方法。2 激光雕刻机整体方案设计2.1 两种传动方案的分析比较整体结构的方案有很多种形式，但是每一种形式都是围绕着一个中心内容，那就是两电机分别驱动着x和y的两个方向。然后通过控制系统控制x和y方向上的进给，形成x和y的联动，从而使终端轨迹迫近预期曲线或直线。2.1.1 滚珠丝杠为传动机构的底座运动式图2-1 底座式结构示意图该设计的优点在于：a、滚珠丝杠的驱动力矩小，要求功率较小，便于电机的快速启动；b、滚珠丝杠属于高精度的传动机构，加上运行时产热较少，可以实现更高的传动精度，能够使负载实现精确定位；c、由于滚珠丝杠的启动力矩小，不会出现如滑动运动中容易出现的低速蠕动或者爬行现象，可以实现高精度微量进给，最小进给量可达0.1微米；d、滚珠丝杠具有很高的传动效率，最高可达98%。缺点：a、 采用双圆柱导轨导向，存在两边不同步问题；b、下平台带动上平台的移动，会造成终端的误差叠加；c、滚珠丝杠存在影响精度的轴向间隙，当改变轴向负载的方向时，轴向间隙就会成为影响负载运动误差的主要来源。2.1.2 滚珠丝杠为传动的立式运动式a) 立式运动式示意图 b) 立式垂直方向结构示意图图2-2 立式运动式示意图该设计的优点在于：采用立式机构，在y方向上可以利用螺母相连的组件的自身重力抵消丝杆反转时的反向间隙；其他优点与前者类似。缺点是在x方向上的反向间隙没有解决，存在导轨不同步问题；轴上压力较大；雕刻的工作面在侧面，对实际加工不便等。2.2 整体方案的确定根据以上分析，确定整体方案为滑动丝杆为传动的分离式。x方向通过导轨与丝杆带动激光器的方向位移，y方向也用同样的方式驱动工作平台的方向位移，从而能利用控制系统对工件的加工。图2-3 最终方案示意图本章小结国内外的专家学者都对激光雕刻机做过很多的研究，也都做过很多种整体结构的布局。通过查询资料，总结了一些国内外的现有的总体结构布局，然后分析出它们的优缺点后，选择并优化了一个适合自己课题的方案。3 激光雕刻机部件设计及计算3.3 激光雕刻机导轨的设计导轨是一种能对运动部件沿着特定方向运动做导向的零部件，承导件上的导轨起支承和导向的作用。激光雕刻机上的导轨是为了支承运动件和保证运动件在外力的作用下，沿给定的方向进行直线运动。因而对导轨有一定的要求：1. 保证运动部件的运动轻便平稳。具体特征是在工作时，保证部件的速度均匀，低速时要求无爬行现象；2. 要有一定的导向精度；3.要有足够的刚度。导轨面承受了运动件所受的外力，所以导轨应有足够的接触刚度；4.良好的耐磨性。导轨耐磨性是指导轨长期使用后，仍然能保持一定的使用精度，因而具有良好的耐磨性对雕刻机的整体寿命和加工质量都有重大的影响；5.温度变化影响小。导轨应该规定温度变化的环境中，仍然能够正常的工作，并不影响导向精度或对导向精度影响不大。3.3.3 基本形式图3-1 导轨基本形式1） 三角形导轨导向精度相对较高，且三角导轨在磨损后能利用滑块自身的重量来自动补偿。它的截面角度一般为90°。但在重载时，可以为增加承载面积而减小比压，采用较大的顶角，例如110°120°；也可以为了提高其导向精度，采用较小的顶角。2） 矩形导轨导轨承压面较宽，承载力较大，刚度高，且有着结构简单，制造、检验和修理方便等优点。矩形的导向精度没有三角形导轨高，并且导轨间隙不能通过自身的结构来自动补偿，需用外加压板或镶条辅助调整。3） 燕尾形导轨燕尾形导轨高度小，结构紧凑；其调整及夹紧相对较简便，用一根镶条即可调节这两方面的间隙。4） 圆形导轨圆形导轨以其易加工，制造方便，结构简单而得到广泛的应用。通常采用导轨外圆采用磨削后与滑块内孔配合的方式。但磨损后不能调整间隙且不能承受大的扭矩，宜用于承受轴向载荷的场合，也不能承受大的扭矩。3.3.4 常用导轨组合形式1） 三角形和矩形组合三角形与矩形的组合是以三角导轨的面为导向面的，其导向精度高，加上矩形导轨的工艺性好，所以应用最广。见图3.2。图3-2 三角形与矩形导轨组合通常在三角导轨的设计中，应尽量使驱动装置设在三角形导轨的下方或偏向三角形导轨的一侧，从而使导轨移动轻便省力，并使两导轨的磨损相对均匀。2） 矩形和矩形组合矩形导轨略不同于三角导轨，矩形导轨的承载面并不是导轨的导向面，两者是分开的，所以对两个面分别作要求，顾制造相对简单。导向面的间隙也可用镶条来调整。见图3.3。图3-3 矩形与矩形导轨组合3） 双三角形导轨三角导轨的导向精度高，接触刚度好，但工艺性相对较差。由于采用了对称结构，因而两条导轨磨损均匀，磨损后对称位置位置不变的这一特点，使得双三角形导轨在实际中应用比较广泛。3.3.5 提高耐磨性措施导轨的结构、材料、制造质量、热处理方法、使用方法及维护等都影响着导轨的使用寿命。提高耐磨性，减小导轨的磨损，就能延长设备的使用寿命。提高导轨耐磨性的措施有很多，下面列举了几项措施：1)选择合理的比压，即 p=P/S(3-1)其中：P-作用在导轨上的力；S-导轨的支承面积。由上式可知，要减小比压，应减小作用在导轨上的里或者是增大导轨的支承面积。如果是双导轨结构，适当的减小两导轨的间距，就能减小支撑平台的跨度，从而减轻重量；但距离过小，也将导致运动不稳定。采用卸荷装置也可以降低导轨比压的，可在载荷的反方向上增加液压作用力或增加弹簧，因而抵消导轨所承受的部分载荷。2)选择合适材料。目前常采用的导轨材料有以下几种：（导轨-滑块）铸铁-灰口铸铁组合：这是最常用的一种搭配形式，灰口铸铁具有成本低，工艺性好，热稳定性高等优点，且在润滑充分和防护良好的情况下，有一定的耐磨性。常用的是HT200HT400，硬度以HB=180200较为合适。若灰口铸铁不能满足耐磨性要求，可使用硬度为HB=180220的高磷铸铁。其材料的耐磨性能比灰口铸铁高一倍左右。在特殊的加工环境中也可考虑低合金铸铁及稀土铸铁。钢-铸铁组合：该组合适用于要求较高的场合上的导轨和滑块，其中导轨用的钢常用经过淬火的合金钢，其耐磨性比普通灰铸铁高510倍。如40Cr高频淬火和20Cr钢渗碳淬火。3）热处理。对导轨表面进行淬火处理可提高材料的耐磨性。表面淬火方法有：高频淬火、火焰淬火和电接触淬火等方法。 4)润滑和防护。润滑保护是一种有效的增加耐磨性的方法，润滑油能使导轨与滑块间形成一层薄薄的油膜，减少了导轨面的直接接触，从而减小摩擦和磨损。导轨润滑的方式有油杯、浇杯、手动油泵和自动润滑等方式。3.3.6 导轨的结构设计1）导轨长度导轨的长度是影响工作台的精度和高度的一个重要因素，可根据滑块导向部分的长度来估算出导轨长度。其公式为：L=H+S+l-S1-S2(3-2)由此公式估算出Lx=Ly=500mm其中L导轨长度H滑块的导向面长度S滑块行程l封闭高度调节量S1滑块到上死点时，滑块露出导轨部分的长度S2滑块到下死点时，滑块露出导轨部分的长度2）导轨的选择由于方案中的x方向，导轨的承重量只有激光器及其相关零部件，承重量不大，并避免双导轨不同步等问题，因而在x方向上，其导轨采用结构紧凑的燕尾型导轨。选用燕尾导轨为55°的燕尾导轨，燕尾顶的宽度为60mm，燕尾底的宽度为23mm。导轨宽度为80mm，高为50mm。滑块燕尾导轨 图3-4 燕尾导轨横截面图3-5 燕尾导轨参数由于y方向上要承受工作平台等相关零部件与加工工件的重量，承重较大因而采用磨损能自动补偿、导向精度高的双三角形导轨。工作台及滑块三角导轨图3-6 三角导轨示意图图3-7 三角导轨参数3.3.7 导轨材料车床滑动导轨常用材料主要是灰铸铁和耐磨铸铁，其中通常以HT200或HT300型号的灰铸铁作为固定的导轨，以型号为HT150或HT200铸铁作为动导轨。JB/T3997-1994标准对普通灰铸铁导轨的硬度要求如下表所示：表3-1 普通灰铸铁导轨硬度对照表硬度要求(HBS)硬度不均匀性(HBS)导轨长度/mm导轨铸件重量/t不低于不高于导轨长度/mm硬度差不超过2500-190255250025>2500>3180241>250035>5175241由几何件连接的导轨45>10165241普通铸铁与常用耐磨铸铁的耐磨性比较见表3-2表3-2 耐磨性比较表耐磨铸铁名称耐磨性高于普通铸铁倍数磷铜钛耐磨铸铁1.52高磷耐磨铸铁1钒钛耐磨铸铁12稀土铸铁1铬钼耐磨铸铁1导轨热处理:对于重要的导轨，材料在粗加工后要进行一次热处理，经过精加工或半精加工后再进行第二次热处理处理。常用导轨淬火方法有:1) 中频淬火，淬硬层深度为12mm。硬度(4550)HRC；2) 接触加热自冷表面淬火，淬硬深度为0.20.25mm，适用于大型的铸件导轨。3.3.8 导轨寿命的计算（一） 三角导轨计算以y方向上的导轨为例，y方向上的三角导轨的额定动，静载荷分别为Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。利用NX8.0模拟计算出工作台的自身重量为：M=17.48kg；其中工作台的最大承重重量为:Gmax=50×9.8=490N四个滑块支座所平均承受的力为：F1=F2=F3=F4=1/4（Gmax+Mg）=165.326N滑动导轨的额定寿命计算公式为：L=（fh ft fc fa Ca/ fwPc）K=27166km（3-3）式中L额定寿命（km）；Ca额定动载荷（KN）；Pc当量动载荷（KN）；Z导轨上的滑块数；指数，=3；K额定寿命单位（KM），K=50KM；fh 硬度系数；通常fh =1 ;ft 温度系数，当工作温度小于或等于100时，ft取1；fc接触系数，由下表得=0.81 ;表3-3 导轨接触系数表每根导轨上的滑块数12345100081072066061fa精度系数，在无明显冲击或振动的场合，且速度为1560m/min时，取fa=1.50;fw载荷系数，对精度等级为3级的导轨，取=1.0 .则L=27166Km寿命时间的计算：当行程长度一定，额定寿命为（单位为：小时）：（3-4）式中寿命时间（h）；L额定寿命（km）；La行程长度（m）；n2每分钟往返次数。则L h =30592.3h工况为：按每年300个工作日，每天工作6小时计算，则预计寿命年限为：L h=30592.3/300×6=16.9年。（二） x方向燕尾型导轨的寿命同理求出x方向燕尾型导轨的寿命为：L=26340.1kmLh=25230h=14年3.4 激光雕刻机传动副设计激光雕刻机的传动方案有很多种：1）带传动。带传动在传动时平稳无噪声并有缓冲、吸振的作用；其工作的间距影响不大，可用以中心距较大的场合，带传动在过载时能起到打滑的安全保护作用。但是带传动不能保证精确的传动比，所以无法满足高精度传动的要求。2）链传动。链传动能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬等的恶劣环境中工作，特别适用于中心距较远的场合，且链传动的传递动力和运动的效率较高，一般可达0.950.97。但其缺点也是很突出，主要体现在它的瞬时传动比是变化的，不适用于传动比要求为常数的高精度传动场合。3）齿轮齿条传动。齿轮齿条啮合传动可以保证恒定的瞬间传动比，因而工作平稳，适合于高精度传动中。此外，齿轮齿条啮合传动适用的功率和速度范围广，传动效率高，工作可靠使用寿命长，外廓尺寸小，结构紧凑，承载大。但是齿轮齿条的制造精度要求高，安装也相对困难，磨损大，不适合远距离的传动，传动速度有限。因此，不适合用于高精度激光雕刻机的传动中。4）丝杆-螺母传动。丝杆-螺母传动移动速度快，定位精度高，钢性较好，可以传递较大扭力，位置准确。 通过分析比较，结合本课题的需求，采用丝杆-螺母的传动方式。3.4.9 传动副的结构螺旋传动的结构有很多种形式，其原理结构是指螺杆、螺母的固定和支承的机构形式。其支承结构对螺旋传动的工作刚度与精度有直接的影响。螺母的机构也有多重形式，本方案为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的磨损，避免反向传动时的空行程，因而采用了组合螺母结构，即双螺母结构。螺杆采用右旋螺纹，并采用单线螺纹。图3-8 传动副结构示意图3.4.10 螺杆和螺母的材料螺杆和螺母材料都要有足够的耐磨性和强度，其中螺母还要求在与螺杆配合时摩擦系数小。根据下表3-4所示：表3-4 旋转副材料应用范围表螺旋副材料牌号应用范围螺杆Q235、Q275、45、50材料不经热处理，适用于经常运动，受力不大，转速较低的传动40Cr、65Mn、T12、40WMn、20CrMnTi材料需经过热处理，以提高其耐磨性，适用于重载、转速较高的重要传动9Mn2V、CrWMn、38CrM0Al材料需要经过热处理，以提高其尺寸的稳定性，适用于精密的螺旋传动螺母ZCuSn10Pl、ZCnSn5Pb5Zn5材料耐磨性好，适用于一般的传动ZCuAl9Fe4Ni4Mn2ZCuZn25Al6Fe3Mn3材料耐磨性好，强度高，适用于重载、低速的传动。对于尺寸较大或高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内孔浇注青铜或巴氏合金根据高精度雕刻机传动速度与定位要求，螺杆采用材料为38CrM0Al，螺母采用ZCuSn10Pl。3.4.11 滑动螺旋传动的设计计算滑动螺旋传动在工作时，主要承受轴向拉力及转矩的作用，因而螺杆既承受着拉伸力的作用也存在着剪切力的作用。螺杆和螺母的旋合螺纹在传动过程中有较大的相对滑动，螺纹磨损也可能是传动副的失效形式之一。1) 耐磨性计算螺杆的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。耐磨性条件：(3-5)式中：P螺纹工作面上的压力；P材料的许用应力；F作用于螺杆上的轴向力；A螺纹的承压面积；d2螺纹中径；H螺母高度；P螺纹螺距；h螺纹工作高度。令，则上式整理得(3-6)对于30°锯齿形螺纹，h=0.75P,则上式(3-7)螺母高度：(3-8)在传动精度高，要求寿命较长的场合，取=4。螺杆设计及相关参数：大径d=16mm，小径=14mm，中径=15mm，螺距p=5mm。如图所示为螺母的设计及相关参数：图3-9 螺母剖面图螺母参数：大径=16mm,小径D=14mm，高度为30mm，因为本设计方案采用双螺母结构，所以。如下表为滑动螺旋副材料的许用应力P及摩擦系数f关系表表3-5 许用应力P及摩擦系数f关系表螺杆-螺母的材料滑动速度/（m/min）许用压力/MPa摩擦系数f钢-青铜低速18250.080.10111861271012淬火钢-青铜61210130.060.08钢-铸铁13180.120.1561247钢-钢低速7.5130.110.17注：表中摩擦系数运转中时取最小值，只有起动计算时取最大值。因为采用了钢-铸铁的组合，且滑动速度在612m/min,所以许用压力P取47MPa,摩擦系数f取0.120.15。由上述三角导轨的结构特点可知，丝杆受到的径向拉力来自工作台的滑块与导轨的摩擦力，因而有：（3-9）当取0.15最大值时，F=71.57N由上述校核公式 上式成立，因而满足耐磨性要求。2) 螺杆的强度计算螺杆工作时级承受到轴向的拉力F的作用，也承受扭矩T的作用。根据强度理论，求出危险截面的计算应力，其强度条件为：（3-10）式中：F螺杆所受的轴向拉力（或压力）；A螺杆的危险截面面积；螺杆螺纹小径；T螺杆所受到的扭矩；螺杆材料的许用应力。根据下表4.3.4：表3-6 材料许用应力表螺旋副材料许用应力/MPa螺杆螺母青铜40603040铸铁455540钢0.6螺杆材质为40Cr，其屈服极限约取785MPa，所以=157261.7MPa。T取伺服电机的输出最大扭矩作为校核的数据，T=300N.m。所以，螺杆的强度满足要求。因为x方向上螺杆的承重远小于y方向上的承重，所以在x方向上的校核必然也满足要求。3) 螺母螺纹牙的强度计算在螺杆与螺母的配合中，螺母在工作时的螺纹牙多次发生剪切和挤压破坏，一般螺母的材料强度低于螺杆，所以只需要校核螺母的的螺纹牙的强度即可。在计算时可将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D处展开，展开后可将这一圈螺纹看作宽度为的悬臂梁。每圈螺纹所承受的平均压力为（u为工作圈数，）。剪切强度条件为（3-11）弯曲强度条件为（3-12）式中：b螺纹牙根部的厚度，对于30°锯齿形螺纹，b=0.75P=3.75mm;弯曲力臂，；螺母材料的许用切应力，由上图得出取40MPa；螺母材料的需用弯曲应力，由上表得出=4555MPa。由上述公式代数后得：所以螺母螺纹牙的弯曲强度和剪切强度都满足要求。3.5 其他相关零部件设计3.5.12 加强筋的设计在本设计方案中，承受x方向的导轨重量及激光器等相关部件的重量，而加强筋能对承重的侧板有一个很好的相对固定的作用。下图为加强筋的相关尺寸设计。加强筋图3-10 加强筋示意图图3-11 加强筋正视图图3-12 加强筋俯视图3.5.13 可调节支撑腿的设计高精度仪器的加工理论上是要有可调节工作平台水平的机构，所以在方案中也补充了这一方面的设计。在设备的底部安装可调节高度的支撑腿，具体结构如下图所示。可调节支撑腿图3-13 支撑腿示意图每个支撑腿的上部分都通过两颗螺钉与底板相连接，下部分是有一个通过螺纹配合实现高度升降打的支撑件，见下图。图3-14 支撑腿装配示意图a)上部分 b)下部分图3-15 支撑腿尺寸示意图本章小结导轨的导向精度对整体雕刻机的雕刻精度有着重要影响，所以本章对导轨的选型、尺寸的设计计算和寿命计算等方面都做了相应的调查与设计计算。导轨与滑块是激光雕刻机的主要运动副之一，它的寿命长短在一定意义上也决定了整个雕刻机的寿命，因而针对性的做了导轨的寿命的计算。涉及了传动副的类型选择，及其强度、耐磨性的计算等。在丝杆的设计时，采用了市场上常用丝杆所用的材料，由于丝杆为标准件，因而只是针对性的对丝杆和螺母在自己的设计工况下运转时的强度和耐磨性的校核计算。最后对雕刻机的整体的一个补充和功能的加强完善。如整体平台的升降功能，就是考虑到加工时的场地环境因素附加的一个功能。加强筋是为了增强侧板的一个受力，对侧板的一个加固作用。4 电机及轴承的选择计算4.6 电机的选择及相关计算可用于激光雕刻机的驱动方式有很多种，但为了能精确的实现加工终端的进给，方案中要求相应的反馈信号，这样才能精确的保证实际的加工精度。在实际中可采用普通电机或步进电机，再配合光栅或编码器这样的搭配方式。光栅或编码器就是对加工的一个反馈信号的仪器。但是这种方案的最大的缺点就是其安装要求高，难度大。还有一种驱动方式是伺服电机驱动，伺服电机是在伺服系统系统的控制下的一种发动机，伺服系统能对发动机中的机械元件运转进行控制，其也是一种补助马达的间接变速的装置。伺服电机不仅保证了进给的精度非常准确，还能精确的控制转动的速度，将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。结合本研究课题的要求，最终选择的是精确度高、自带反馈的伺服电机。在中国市场上最得到广泛应用的伺服电机是FANUC系列的电机，其中系列的伺服电机的特点是加速响应性能好、精度高，扭矩范围很大、适应性强，可靠性好，适合高加速车床。表4-1 部分FANUC系列的电机型号参数表根据上面公式的计算，在y方向上的电机要求其转矩不小于300N.m,因而参照上表，在y方向上的电机可选择型号为300/2000的，输出功率为52kw，最大转速为2000r/min,转动惯量为0.079。该型号的电机采用的是的脉冲编码器，其分辨率是1000000脉冲/rev。丝杆的螺距为5mm；因为伺服电机自带输出速度的控制，因而可将电机与丝杆通过联轴器直连，所以其减速比可看做1:1。当要求输入一个指令脉冲时，工件前进0.001mm,那么当走过一个螺距的距离，即电机转动一圈需要的个指令脉冲，在伺服电机中可调整电子齿轮比为5000:1000000。在x方向上也是用类似的计算方法，因而x方向上选用的电机型号为200/2500。4.7 轴承的选用及校核4.7.14 轴承的选型与校核计算丝杆轴承图4-1 轴承示意图轴承一端利用挡板沉孔定位，另一侧则利用轴的轴肩定位。但利用这种定位方式时，则轴承在轴的轴向方向有一个止推的力，因而不能采用深沟球轴承。角接触球轴承是一种既可以同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷的轴承，并能在较高的转速下正常工作。所以选用代号为7201AC（）的角接触球轴承。因为一端需作定位要求，轴需要被“压紧”，因而采用两轴承正装的方法。该轴承的参数：大径32mm,小径12mm，宽10mm，额定动载荷=5.25kN,额定静载荷=3.04kN。4.7.15 轴承的当量动载荷计算通过NX8.0软件对轴的测定质量m=0.69kg，所以;轴上受力为71.57N，而角接触球轴承的派生轴向力的计算公式为：(4-1)由公式（4-1）算的=4.624N。对被“压紧”一端的轴承来说，。其当量动载荷为（4-2）式中，X、Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，其值见机械设计表13-5，选用X=0.41,Y=0.87。所以算出P=69.077N。4.7.16 轴承的寿命计算轴承的寿命与轴承所受到的载荷的大小有关。轴承所承受的工作载荷越大，轴承内的接触应力也就越大，磨损相对就打，从而影响寿命。当轴承所受的当量载荷P恰好为C时，其基本额定寿命为（C为基本额定动载荷）。在实际上，轴承分别收到径向载荷和轴向载荷的作用。根据机械设计的轴承寿命计算实际计算，轴承基本额定寿命为（单位为：小时）：（4-3）式中：n为轴承的转速；为指数，对于球轴承，=3，对于滚子轴承，；C为额定动载荷；P为当量载荷。C额定动载荷为5.25kN,轴承转速可取电机的最大速度进行寿命计算，n=2000r/min由公式（4-1）得：（h）（4-4）本章小结电机作为激光雕刻机的驱动元件，在选择上我做出了几种方案的选择。并考虑到精度的要求，在几种方案中选择了精度较高，且自带反馈信号并能调速的伺服电机，从而避免了一些安装时的问题。对适合方案条件的轴承进行了选型，根据工况，对该轴承进行了简单的寿命计算和当量载荷的计算。5 运动仿真及结果分析通过建模后利用软件对模型进行运动仿真，并通过仿真得出一些数据。当给定x和y方向上的速度相等时，理论上激光器走的轨迹是一个四分之一的圆弧曲线。下面是一些仿真的结果：如下图y轴上丝杆的一个有限元分析结果图图5-1 y轴有限元结果图由丝杆的有限元分析可以看出在丝杆和螺母啮合的部分（颜色红色部分），其磨损较大。并且在丝杆与轴承配合的两端有微小的形变。X方向上的丝杆受到的径向力如下图所示图5-2 x轴径向受力图下图为y方向上的径向受力图图5-3 y轴受力图下面别分是x和y方向上滑块的位移图图5-4 x方向上的位移图图5-5 y方向的位移图由两个图的比较得出，两曲线的斜率是相同的，即两滑块的速度相等，因而重点轨迹应该为一个四分之一的圆弧线。侧板的受力主要来自导轨的重力和丝杆的力。如下图（5-6）为侧板的受力示意图，对侧板做有限元分析得图（5-7）应力图和图（5-8）位移图。图5-6 左侧板受力