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畢業(yè)設計(論文)任務書
學 院：
題 目： YAG激光加工數控工作臺設計
起 止 時 間： 2011.12.28－2012.6.2
學 生 姓 名：
班 級：
指 導 老 師：
系 室 主 任：
院 長：
2011年12月28日
論文 (設計) 內容及要求：
一、畢業(yè)設計（論文）原始依據（注：包括設計目的、原始數據、圖紙、實物樣品等。）
（1）YAG數控工作臺的工作方式：主軸固定的三軸連動系統；
（2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm；
（3）工作臺面積：長寬：500mm300mm；
（4）中央基準T型槽寬度：10H8；
（5）T型槽寬度：10mm；
（6）T型槽數：3條；
（7）工作臺縱向行程：300mm；
（8）工作臺橫向行程：250mm；
（9）工作臺垂直行程：250mm；
（10）進給速度(X、Y、Z軸)：5 mm/min～1200 mm/min；
（11）快速移動速度(X、Y、Z軸)：≥1200 mm/min；
（12）加工工件最大重量：50kg
（13）精度要求：參照JB/T 8329.1－1999數控床身銑床 精度檢驗；
GB/T 10931—1989 數字控制機床 位置精度的評定方法；
GB/T 17421.1—1998 機床檢驗通則 第1 部分：在無負荷或精加工條件下機床的幾何精度。
二、畢業(yè)設計（論文）主要內容（注：包括設計內容、主要步驟等。）
1、市場調研、查閱數控機床設計相關文獻資料；
2、編寫開題報告；
3、YAG數控工作臺設計方案論證；
4、YAG數控工作臺總裝配圖設計；
5、工作臺等零件圖設計；
6、YAG固體激光器加工系統圖設計；
7、編寫畢業(yè)設計說明書；
三、畢業(yè)設計（論文）基本要求（注：包括技術要求、工作量要求等。）
工作量要求：
1、工程圖繪制量一般不得少于折合成A0圖紙3張；
2、查閱與課題相關的文獻15篇以上；
3、翻譯與課題有關的外文資料至少1篇，譯文不少于2000漢字；
4、有中英文摘要，300字左右；
5、設計說明書的正文部分字數不少于20000字；
6、應積極使用計算機進行設計、計算與繪圖，計算機繪圖量不得少于總圖量的一半。
設計、計算要求：
1、進給系統的設計計算；
2、滾珠絲桿螺母副的選擇計算。
四、畢業(yè)設計（論文）進度安排（注：包括參考資料收集、開題報告、圖紙設計、計算以及論文完成、答辯時間的詳細安排）
2011.12.26～2012.1.22：市場調研、查閱數控機床設計相關文獻資料、參觀激光加工現場，從而了解激光加工的工作原理與工作特性；
2012.3.1～2012.3.10：消化、吸收相關文獻資料的知識，編寫開題報告；
2012.3.11～2012.3.25：完成YAG數控工作臺設計方案論證、及其相關設計計算，并對其進行核算校正；
2012.3.26～2012.5.10：YAG數控工作臺總裝配圖設計、工作臺等零件圖設計、YAG固體激光器加工系統圖設計；
2012.5.11～2012.5.22：編寫畢業(yè)設計論文。
2012.5.23～2012.5.26：檢查設計圖和論文的錯誤和不足之處，并進行修改。
2012.5.27～2012.6.3：最終定稿，打印圖紙和畢業(yè)設計論文，準備答辯。
五、主要參考文獻
1、文懷興 夏田編著，《數控機床設計實踐指南》，化學工業(yè)出版社 2008；
2、董玉紅等主編，《數控技術》，高等教育出版社；
3、夏田主編，《數控加工中心設計》，化學工業(yè)出版社 2006；
4、文懷興，夏田編著，《數控機床系統設計》，化學工業(yè)出版社 2005；
5、文懷興主編，《數控銑床設計》，化學工業(yè)出版社 2005；
6、張耀滿主編，《數控機床機械結構與設計》，東北大學出版社 2007。
指導老師：
年 月 日
南華大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告
設計（論文）題目
YAG激光加工數控工作臺
設計（論文）題目來源
自選課題
設計（論文）題目類型
工程設計類
起止時間
2011.12.28-2012.6.2
一、 設計（論文）依據及研究意義：
數控機床是現代制造業(yè)的關鍵設備，一個國家數控機床的產量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的制造業(yè)水平和競爭力。但是我國數控機床的技術水平，性能和質量與國外還有很大差距，技術含量較低的簡易數控車床及功能部件大多數靠進口。
數控技術的問世已有40多年的歷史，它是由機械學、控制學、電子學、計算機科學四大基礎學科發(fā)展起來的一門綜合性新型學科。數控技術是數控機床的關鍵技術，數控機床是工廠實現自動化的基礎，大力發(fā)展推廣應用數控技術，用數控技術改造傳統制造工業(yè)，振興我國機床工業(yè)，推進信息化工程有著深遠的意義。
本課題對于現有的YAG固體激光器數控系統進行改造，采用三維CAD，有限元分析和計算機輔助制造等先進方法重新設計該數控系統的進給方式，使其采用操作方便、精度可靠的三軸聯動系統。
二、 設計（論文）主要研究的內容、預期目標：（技術方案、路線）
主要研究的內容：
1．研制出具有國內先進水平、高可靠性的三坐標，并能實現三軸聯動的50Kg數控工作臺；
2．尋求實現Z坐標絲桿的平衡及制動的最佳方案。
技術路線：
1.根據任務書上要求，搜集資料，利用有限元分析軟件對工作臺進行
分析計算，得到優(yōu)化設計數據；
2. 以有限元分析軟件所得到的參數為出發(fā)點進行結構設計、尺寸設計、精度設
計,同時考慮工作臺的加工、安裝、調整及維修工藝性；
3.零件幾何尺寸的設計以及彎曲、疲勞強度的校核；
4.用CAD繪制全部的零件圖及其裝配圖；
5.用PRO\E繪制全部的三維零件圖及其裝配圖。
三、設計（論文）的研究重點及難點：
設計的重點和難點在于：
1．基于的數控工作臺結構的有限元分析；
2．數控系統結構設計
3．強度校核及結構工藝性；
4．數控工作臺的設計以及加工、安裝、調整及維修工藝性；
5．三維零件圖及其YAG固體激光器的三維裝配圖。
四、 設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：
2011.12.26～2012.1.22：市場調研、查閱數控機床設計相關文獻資料、參觀激光加工現場，從而了解激光加工的工作原理與工作特性；
2012.3.01～2012.3.10：消化、吸收相關文獻資料的知識，編寫開題報告；
2012.3.11～2012.3.25：完成YAG數控工作臺設計方案論證、及其相關設計計算，并對其進行核算校正；
2012.3.26～2012.5.10：YAG數控工作臺總裝配圖設計、工作臺等零件圖設計、YAG固體激光器加工系統圖設計；
2012.5.11～2012.5.22：編寫畢業(yè)設計論文。
2012.5.23～2012.5.26：檢查設計圖和論文的錯誤和不足之處，并進行修改。
2012.5.27～2012.6.02：最終定稿，打印圖紙和畢業(yè)設計論文，準備答辯。
五、 進行設計（論文）所需條件：
1、本項目有500WYAG固體激光器試驗成功的基礎及設計制作數控工作臺的基礎；
2、本項目有研究過的500WYAG固體激光器一大批研究人員；
3、本項目可以綜合南華大學的設計優(yōu)勢和制造優(yōu)勢。
4、南華大學機械工程學院具有易普機械設計專家、機械設計手冊、MATLAB、、CAXA-XP、STUDIO-VP等先進的應用軟件。
5、本項目實現預期目標的軟、硬件基礎條件已經具備。
六、 指導教師意見：
簽 名： 年 月 日
南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文）
YAG激光加工數控工作臺設計
摘要：本次畢業(yè)設計的課題是YAG激光加工數控工作臺的設計。其中數控工作臺是該YAG激光器的主要組成部分。它決定了激光器的加工精度，它的每個方向的行程要滿足技術指標，傳動系統應能滿足在給定使用條件下具有良好的三坐標運動性和自鎖性。傳動系統應結構簡單，制造、維修方便?？偝杉傲?、部件的設計應能滿足零件標準化、部件通用化和產品系列化及機床變型的要求。在對數控傳動系統的功能、工作原理進行分析后，根據任務書對該系統的要求及伺服電機與滾珠絲桿的設計，對傳動系統采用何種結構形式進行了論證，并進行了結構優(yōu)化設計和計算。
關鍵詞：YAG；數控系統；三坐標
YAG laser processing CNC machine design
Abstract：The graduation design topic is YAG laser processing CNC Table design. Numerical control worktable is the main component of YAG laser. It determines the laser machining accuracy, its each direction of travel to meet the technical indicators, the transmission system should be able to meet at a given condition has a good three coordinates movement and self-locking. The transmission system has the advantages of simple structure, convenient manufacture, repair. Assembly and spare parts, the design should meet the standardization of parts, components and serialization of products and machine tool variant requirements. In the numerical control drive system function, working principle is analyzed, according to the task the system requirements and servo motor and ball screw design, the transmission system adopts the structural form of the argument, and the structure design and calculation of optimization.
Keywords: YAG ；numerical control；3coordinate
目 錄
1 緒 論................................................ ...1
1.1本設計研究的目的和意義.....................................1
1.2本設計國內外研究歷史與現狀.....................................1
1.3目前存在的主要問題.............................................3
1.4本設計擬解決的關鍵問題和研究方法...............................4
2 總體方案設計....................................... .....5
2.1主要技術參數...................................................6
2.2運動形式.......................................................7
2.3導軌設計.......................................................7
3 傳動系統設計......................................... ..10
3.1、X向傳動機構設計..............................................12
3.2、Y向傳動機構設計..............................................34
3.3、Z向傳動機構設計..............................................34
4 Z方向平衡機構設計............................ .........49
5 機床總體布局的CAD......................................52
參考文獻...................................................58
謝辭..................................... ....... ..........59
附錄..................................... ........... ....61
iv
南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文）
1 緒論
1.1 本設計研究的目的和意義
機械制造業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)。據統計，美國68％的社會財富來源于制造業(yè)，日本國民總產值的49％是由機械制造業(yè)提供的我國的機械制造業(yè)在工業(yè)總產值中也占40％可以說，沒有發(fā)達的機械制造業(yè)，就不可能有國家的真正繁榮的富強。而機械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平，則是反映國民經濟實力和科學技術水平的重要標志之一。提高加工效率、降低生產成本、提高加工質量、快速更新產品，是機械制造業(yè)競爭和發(fā)展的基礎，也是機械制造業(yè)技術水平的標志20世紀50年代初第一臺數控機床的出現，使機械制造技術的發(fā)展出現了日新月異的局面，數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的應用技術和最基本的裝備。而數控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國機械制造業(yè)廣泛采用數控技術，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力，大力發(fā)展以數控技術為核心的先進制造技術，已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數控加工技術是一個國家繁榮昌盛的最根本的技術基礎之一，其重要作用正越來越被人們所認識。數控加工技術是直接創(chuàng)造社會財富的重要手段，是一個國家經濟發(fā)展的重要技術支撐，是發(fā)展各支柱產業(yè)及國民經濟各部門的關鍵技術數控加工技術水平的高低，可直接影響國民經濟的發(fā)展。
國防力量的競爭在一定程度上就是先進制造技術的競爭。數控加工技術是先進國防裝備產業(yè)化的技術基礎。新型國防裝備的產業(yè)化常常落后于對其技術原理的掌握，這往往是受制于制造技術。重大制造技術的突破往往會帶來一批新裝備的出現。數控加工技術也是提高國防裝備性能和威力的重要因素。數控加工技術對我國機械制造業(yè)已有了飛速發(fā)展，然而市場競爭力不強的問題卻非常突出。這主要反映在機械產品國內市場占有率近年來節(jié)節(jié)下降，已經從改革初期的90％左右下降到70％左右。最突出的是機床，其國內市場占有率從1991年的62％下降到1997年的36％。美國的一些機械企業(yè)早在1990年就已做到了“三個三”，即產品的生命周期為三年，產品的試制周期為三個月，產品的設計周期為三個星期。
我國加工技術水平與工業(yè)發(fā)達國家存在著階段性差距。只有加快發(fā)展數控加工技術，改變加工技術的落后狀態(tài)，才能從根本上提高企業(yè)在市場的競爭能力。
1.2 本設計國內外研究現狀與發(fā)展趨勢
當今美國不僅生產宇航等使用的高性能數控機床，也為中小企業(yè)生產廉價實用的數控機床（如Haas、Fadal公司等）。其存在的教訓是，偏重於基礎科研，忽視應用技術，且在上世紀80代政府一度放松了引導，致使數控機床產量增加緩慢，於1982年被後進的日本超過，并大量進口。從90年代起，糾正過去偏向，數控機床技術上轉向實用，產量又逐漸上升。
德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。特別講究“實際”與“實效”，堅持“以人為本”，師徒相傳，不斷提高人員素質。在發(fā)展大量大批生產自動化的基礎上，於1956年研制出第一臺數控機床後，一直堅持實事求是，講求科學精神，不斷穩(wěn)步前進。德國特別注重科學試驗，理論與實際相結合，基礎科研與應用技術科研并重。企業(yè)與大學科研部門緊密合作，對用戶產品、加工工藝、機床布局結構、數控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質量上精益求精。德國的數控機床質量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數控機床。德國特別重視數控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數控系統、各種功能部件，在質量、性能上居世界前列。如西門子公司之數控系統和Heidenhain公司之精密光柵，均為世界聞名，競相采用。
日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)（如“機振法”、“機電法”、“機信法”等）引導發(fā)展。在重視人才及機床元部件配套上學習德國，在質量管理及數控機床技術上學習美國，甚至青出於藍而勝於藍。日本也和美、德兩國相似，充分發(fā)展大量大批生產自動化，繼而全力發(fā)展中小批柔性生產自動化的數控機床。自1958年研制出第一臺數控機床後，1978年產量（7342臺）超過美國（5688臺），至今產量、出口量一直居世界首位（2001年產量46604臺，出口27409臺，占59%）。戰(zhàn)略上先仿後創(chuàng)，先生產量大而廣的中檔數控機床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀80年代開始進一步加強科研，向高性能數控機床發(fā)展。在策略上，首先通過學習美國全面質量管理(TQC)，變?yōu)槁毠ぷ杂X群體活動，保產品質量。進而加速發(fā)展電子、計算機技術，進入世界前列，為發(fā)展機電一體化的數控機床開道。日本在發(fā)展數控機床的過程中，狠抓關鍵，突出發(fā)展數控系統。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數控系統，在技術上領先，在產量上居世界第一。該公司現有職工3674人，科研人員超過600人，月產能力7000套，銷售額在世界市場上占50%，在國內約占70%，對加速日本和世界數控機床的發(fā)展起了重大促進作用。
我國的機械制造工業(yè)已具有一定的實力。機床工業(yè)高速發(fā)展，機床產品除滿
足國內建設需要外，還有部分產品遠銷國外。我國現已能生產小型儀表機
床、重型機床，各種精密的、高度自動化的、高效率的機床。機床性能正在逐漸提高，有些機床性能已接近世界先進水平。我國目前已能生產100多種數控機床，并研制出六軸五聯動的數控系統，可應用于更加復雜型面的加工。國產數控機床的分辨率已經提高到0.001mm。我國機械制造工業(yè)已經取得了巨大的成就，但與世界先進水平相比還有很大差距。大部分高精度機床的性能還不能滿足要求，精度保持性差，特別是數控機床的產量、技術水平和質量保證等方面都明顯落后，這主要是管理落后、專業(yè)化生產水平低，工藝落后也是主要因素。由于工藝水平落后，使產品研制出來后也不能迅速轉變成商品，即使從國外引進的機電產品技術，也不能形成批量生產。為此，機械工業(yè)部門提出了“加強工藝管理、嚴格工藝紀律為突破口，提高工藝水平，推行全面質量管理，打一場提高產品質量的硬仗”作為工藝工作的指導方針。這是振興我國機械工業(yè)的重大戰(zhàn)略措施之一。隨著電子、信息等高新技術的不斷發(fā)展，隨著市場需求個性化與多樣化，在未來的21世紀中，加工技術將向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代加工設備的方向發(fā)展。而數控加工技術的一個重要發(fā)展趨勢是：工藝設計由經驗判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學，使工藝模擬技術得到迅速發(fā)展。
1.3 目前存在的主要問題
自動化加工在現代機械加工中起著重要的作用，數控機床加工的高速度、高精度也越來越受到機械行業(yè)的青睞，在對數控設備的使用過程中，我們對數控機床應用的認識也在逐步走向成熟，如何能最大限度的發(fā)揮數控機床的加工效率，我感覺有一些問題必須要解決。
一、目前在企業(yè)中，尤其是國企中的基層技術干部、管理干部對數控機床加工的原理、對數控系統的特性不了解，對零件加工工藝和程序的編制生疏，無法編制針對數控機床零件的加工工藝和科學性強的加工程序，也無法對數控設備進行科學的管理。先進的加工方法，落后的管理手段極大的影響了數控機床效率的發(fā)揮。
二、數控操作人員大部分來自普通機加工，文化素質參差不齊，在對數控設備的應用中套用普通設備加工的思路，對數控機床高速切削的特性、數控刀具的選擇、切削參數的選擇缺乏科學性，加工程序的優(yōu)劣及加工效率的高低完全取決于操作工人素質的高低，也就不能最大限度的發(fā)揮數控設備的加工效率。
三、由于特定的原因，數控設備的引進系統繁雜，設備檔次不齊，給技術人員、操作人員的應用和編程帶來很大困難。大大限制了零件的轉移加工。
四、一般的系統內存容量都不是很大，在加工零件種類繁多時，大量的加工程序因為無法存儲而不得不進行反復的刪除和鍵入,有限的系統資源有時甚至無法存儲一個完整的復雜零件的加工程序。頻繁的重復的零件準備工作浪費了大量的工作時間,直接影響了數控機床的效率。加工程序反復編制也影響了程序的穩(wěn)定性。
五、由于大量的加工程序是使用手工編制的,對復雜面的計算難于保證它的準確性,也難于保證零件的加工要求,甚至出現廢品。
六、現在企業(yè)大部分建立了自己的局域網,在計算機中大量使用了CAD/CAM計算機輔助設計及計算機輔助編程軟件.而現在企業(yè)也正逐步實現CIMS管理體系,但基層缺乏與上層技術部門銜接的環(huán)境,因而無法獲得技術部門的有力支持。
1.4 本設計擬解決的關鍵問題和研究方法
1）關鍵問題
(1)整體結構的設計計算：主要解決Z坐標平衡的技術難題。
(2)重要零部件選型設計：主要遴選國內能用于本項目的零部件，進行性能價格比較。在保證產品質量的前提下，達到性能價格比較好。
(3)重要零部件的強度校核與優(yōu)化：本項目的一個重要內容是進行重要零部件的數字化設計。
(4)總裝圖與零件圖的計算機繪制：本項目的所有圖紙均采用電子文本，部分重要零部件采用三維圖，并在計算機上進行模擬裝配，以求減少設計失誤。本項目的這個研究內容也是該產品的數字化設計重要內容之一，這項研究可以提升我國在這類產品設計中的設計水平。
(5)本項目的制造工藝研究：解決大型焊接件的焊接工藝；解決高精度數控系統制造工藝問題。
2）研究方法
文獻查閱研究、實體操作、功能分析、調差法
2 總體方案設計
在數控機床發(fā)展的初級階段，人們通常認為任何設計優(yōu)良的傳統機床只要裝備了數控裝置就能成為一臺完善的數控機床。當時采取的主要方法是在傳統的機床上進行改裝，或者以通用機床為基礎進行局部的改進設計，這些方法在當時還是很有必要的。但隨著數控技術的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點，對機床的生產率、加工精度和壽命提出了更高的要求。因此，傳統機床的一些弱點(例如結構剛性不足、抗振性差、滑動面的摩擦阻力較大及傳動元件中的間隙等)就越來越明顯地暴露出來，它的某些基本結構限制著數控機床技術性能的發(fā)揮?，F以機床的精度為例，數控機床通過數字信息來控制刀具與工件的相對運動，它要求在相當大的進給速度范圍內能達到較高的精度。當進給速度范圍在5-15000mm/min，最大加速度為1500mm/s2時，定位通常精度為±0.05～0.015mm；進行輪廓加工時，在5-2000mm/min的進給范圍內，精度為0.02～0.05mm。如此高的加工要求就不難理解遠在二十多年前已逐步由改裝現有機床轉變?yōu)獒槍悼氐囊笤O計新機床的原因。
用數控機床加工中、小批量工件時，要求在保證質量的前提下比傳統加工方法有更好的經濟性。數控機床價格較貴，因此每小時的加工費用比傳統機床的要高。如果不采取措施大幅度地壓縮單件加工工時，就不可能獲得較好的經濟效果。刀具材料的發(fā)展使切削速度成倍地提高，它為縮短切削時間提供了可能；加快換刀及變速等操作，又為減少輔助時間創(chuàng)造了條件。然而這些要求將會明顯地增加機床的負載和負載狀態(tài)下的運轉時間，因而對機床的剛度及壽命都提出了新的要求。此外，為了縮短裝夾與運送工件的時間，以及減少工件在多次裝夾中所引起的定位誤差，要求工件在一臺數控機床上的一次裝夾中能先后進行粗加工和精加工，要求機床既能承受粗加工時的最大切削功率，又能保證精加工時的高精度，所以機床的結構必須具有很高的強度、剛度和抗振性。除了排除操作者的技術熟練程度對產品質量的影響，以避免人為造成的廢品和返修品，數控系統不但要對刀具的位置或軌跡進行控制，而且還要具備自動換刀和補償等其他功能，因而機床的結構必須有很高的可靠性，以保證這些功能的正確執(zhí)行。在數控機床市場競爭日趨激烈的情況下，為了使數控機床能以足夠多的功能和相對低廉的銷售價格推向市場，設計者為此付出了巨大的努力。通用型數控機床雖然能夠很好地滿足各類用戶的需求，但由于機床的功能過于齊全，使售價提高，用戶不得不為多余的功能承擔額外的費用，成本的上升必然會削弱產品在市場上的競爭力；而專用型數控機床對某具體的零件雖然具有良好的經濟性，但它限制了加工對象的品種變化，使生產柔性下降。
模塊化設計思想正是為解決上述矛盾而提出的，它靈活的機床配置使用戶在數控機床的功能、規(guī)格方面有更多的選擇余地，做到既能滿足用戶的加工要求，又盡可能不為多余的功能承擔額外的費用。
數控機床通常由床身、立柱、主軸箱、工作臺、刀架系統及電氣總成等部件組成。如果把各種部件的基本單元作為基礎，按不同功能、規(guī)格和價格設計成多種模塊，用戶可以按需要選擇最合理的功能模塊配置成整機。這不僅能降低數控機床的設計和制造成本，而且能縮短設計和制造周期，最終贏得市場。目前，模塊化的概念已開始從功能模塊向全模塊化方向發(fā)展，它已不局限于功能的模塊化，而是擴展到零件和原材料的模塊化。
數控機床的機電一體化是對總體設計和結構設計提出的重要要求。它是指在整個數控機床功能的實現以及總體布局方面必須綜合考慮機械和電氣兩方面的有機結合。新型數控機床的各系統已不再是各自不相關聯的獨立系統。最具典型的例子之一是數控機床的主軸系統已不再是單純的齒輪和帶輪的機械傳動，而更多的是由交流伺服電動機為基礎的電主軸。電氣總成也已不再是單純游離于機床之外的獨立部件，而是在布局上和機床結構有機地融為一體。由于抗干擾技術的發(fā)展，目前已把電力的強電模塊與微電子的計算機弱電模塊組合成一體，既減小了體積，又提高了系統的可靠性。
2.1 主要技術參數：
（1）YAG數控系統工作方式：主軸固定的三軸連動系統；
（2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm；
（3）工作臺面積：長寬：500mm300mm；
（4）中央基準T型槽寬度：10H8；
（5）T型槽寬度：10mm；
（6）T型槽數：3條；
（7）工作臺縱向行程：300mm；
（8）工作臺橫向行程：250mm；
（9）工作臺垂直行程：250mm；
（10）進給速度(X、Y、Z軸)：5 mm/min～1200 mm/min；
（11）快速移動速度(X、Y、Z軸)：≥1200 mm/min；
（12）加工工件最大重量：50kg
2.2 運動形式
YAG激光器屬于典型的機電一體化產品。其設計除了要求一定的精度之外。另外一個特點就是結構簡單。目前市場上主要有兩種典型的結構：
（1）、工作臺移動方式 這種結構就是工件至于工作臺上由進給電機拖動其做X、Y方向進給運動。其缺點是工作臺太重電動機消耗功率大。
（2）、龍門架移動式 這種結構類似龍門銑床。X、Z方向在橫梁上。Y方向則由電動機拖動龍門架移動，工作臺則固定不動。這種結構具有設計簡單、電動機消耗功率小、動態(tài)性能好的優(yōu)點。
本產品采用的是市場上流行的第一種方案，即工作臺移動式設計。采用這種結構可以使我們的激光器運行平穩(wěn)，精度高整機質量較輕。
對于運動機構，我們采用了滾珠直線導軌副。
該激光器的數控進給系統將采用三軸聯動的運動方式。對于Z方向上的平衡問題將采用液壓節(jié)流閥來進行調節(jié)。
2.3 導軌設計
數控機床的運動精度和定位精度不僅受到機床零部件的加工精度、裝配精度、剛度及熱變形的影響，而且與運動件的摩擦特性有關。
數控機床工作臺(或拖板)的位移量是以脈沖當量作為它的最小單位，通常要求既能以高速又能以極低的速度運動。為了使工作臺能對數控裝置的指令作出準確的響應，就必須采取相應的措施。
目前使用的滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌在摩擦阻尼特性方面存在著明顯的差別。對于一般滑動導軌，如果啟動時作用力克服不了數值較大的靜摩擦力，這時被傳動的工作臺并不能立即運動，作用力只能使一連串的傳動元件(如步進電機、齒輪、絲杠及螺母等)產生彈性變形，并儲存了能量。當作用力超過靜摩擦力時，彈性變形恢復，使工作臺突然向前運動。這時由靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮?，其數值就明顯減小，使工作臺產生加速運動。由于工作臺的慣性，使它沖過了平衡點而使工作臺偏離了給定的位置。由于滾動導軌和靜壓導軌的靜摩擦力較小，而且很接近于動摩擦力，加上潤滑油的作用，使它們的摩擦力隨著速度的提高而增大，這就有效地避免了人們十分關心的所謂“低速爬行”，從而提高了定位精度和運動平穩(wěn)性。因此數控機床普遍采用滾動導軌和靜壓導軌。
滾動導軌塊是近三十年發(fā)展起來的新型支承元件。由標準導軌塊構成的滾動導軌效率高、靈敏性好、壽命長、潤滑簡單及裝拆方便等優(yōu)點，因此廣泛應用于數控機床及其他機械。
由于滾動導軌和靜壓導軌降低了摩擦力，相應地減小了進給系統所需要的驅動扭矩，因此可以使用較小功率的驅動電動機。在輪廓控制系統中，由于減小了電動機尺寸和慣性矩，這就顯著地改善了系統的動態(tài)特性。
在點位直線或輪廓控制的數控機床上加工零件時，它經常受到變化的切削力，如果傳動裝置有間隙或剛性不足，則過小的摩擦阻力反而是有害的，因為它將會產生振動。針對這一情況，除了提高傳動剛度之外，還可以采用滑動—滾動混合導軌，以改善系統的阻尼特性。
除了滾動導軌和靜壓導軌以外，近二十多年來廣泛采用了由聚四氟乙烯制成的貼塑導軌，它具有更為良好的摩擦特性、耐磨性和吸振作用。
在進給系統中用滾珠絲杠代替滑動絲杠也可以收到同樣的效果，目前數控機床幾乎無一例外地采用了滾珠絲杠傳動。
數控機床(尤其是開環(huán)系統的數控機床)的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重要措施是采用無間隙傳動副，用同步帶傳動代替齒輪已成為一種趨勢。對于滾珠絲杠螺距的累積誤差，通常采用脈沖補償裝置進行螺距精度補償。
在導軌設計上傳統的數控機床采用的是兩種方式：
（1）、滑動導軌設計 即采用圓柱導軌這種導軌具有結構簡單、加工方便的優(yōu)點。但是存在間隙不可調的問題。而且存在低速爬行現象，種種滑動導軌普遍存在的現象嚴重影響了激光器精度。（因為激光器加工的軌跡比較復雜）
（2）、滾動導軌設計 現在市場上大部分雕刻機都采用的是滾動導軌設計。這種導軌對比滑動導軌具有以下優(yōu)點：
①摩擦系數小，摩擦系數一般在0.0025~0.005范圍內，運動靈活。
②動、靜摩擦系數基本相同啟動阻力小，不易產生爬行，低速運動穩(wěn)定性好。
③可以預緊，提高剛度和抗振性，能承受較大的沖擊和振動。
④定位精度高，運動平穩(wěn)、微量位移準確。
⑤保養(yǎng)方便，可以脂潤滑，一次裝填。長期使用。
⑥壽命長，使用耐磨材料制作，摩擦小，精度保養(yǎng)性好。
對于滾動導軌又主要采取兩種形式，一種為方形滾動導軌，另一種為圓形滾動導軌（這種滾動導軌由一根光軸和幾個直線軸承組成。直線軸承軸上移動組成滾動導軌）比較方形滾動導軌和圓形滾動導軌兩者各有優(yōu)點，方形滾動導軌承載能力強。但是安裝調比較麻煩并且成本高。圓形滾動導軌安裝容易，但間隙不好調整。由于我們設計的激光器精度特別高，綜合考慮確定采用交叉滾柱滾動導軌。這樣成本可以降低又能夠達到我們的要求。
3 傳動系統設計
數控機床的進給系統必須保證由計算機發(fā)出的控制指令轉換成速度符合要求的相應角位移或直線位移，帶動運動部件運動。根據工件加工的需要，在機床上各運動坐標的數字控制可以是相互獨立的，也可以是聯動的?？偟恼f來，數控機床對進給系統的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應三個方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅動電機，同時也需要高質量的機械結構與之匹配。為提高進給系統機械結構性能的主要措施有如下要求：
（1）提高系統機械結構的傳動剛度
傳動剛度高對開環(huán)數控進給系統的重要性在于開環(huán)進給系統需將計算機控制指令忠實可靠地轉換成要求的機械位移。由于開環(huán)系統不再有檢測元件檢查運動部件的實際位移，這種轉換精度決定了加工的精度。對于閉環(huán)數控進給系統，傳動剛度高有利于減小進給運動的超調和振蕩，有助于改善系統的動態(tài)品質。為提高進給系統機械結構傳動剛度的措施主要有以下幾項。
1．提高傳動元件的剛度 傳動元件的變形會導致指令脈沖的丟失或傳動系統的不穩(wěn)定，影響加工精度和質量。
2．消除傳動元件之間的間隙 傳動元件之間的間隙會導致運動反向時指令脈沖的 丟失或系統運動不穩(wěn)定。盡管穩(wěn)定的系統誤差可采取輸人補償脈沖的方法加以補償，但由于剛度不足和反向間隙造成的誤差帶有很大的隨機性，完全精確補償是不可能的。
3．盡可能縮短進給傳動運動鏈的長度 縮短進給傳動運動鏈的長度有助于提高數控機床的傳動剛度，然而，進給傳動運動鏈的縮短首先要求伺服電機調速范圍和輸出轉矩能滿足加工精度、生產率和快速運動的需要。目前一般數控機床進給驅動的調速范圍為0～24m／min，先進的已達到0～240m／min。已經實現了驅動電機不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動運動部件進行運動的方案。隨著直線伺服驅動電機性能的不斷提高，由電機直接帶動工作臺運動已成為現實。直接驅動取消了包括絲杠在內的所有機械傳動元件，實現了數控機床的“零傳動”。豐田工機、LKUMA等公司機床的進給機構采用直線電機，最高加速度達2g，快速移動速度達100～120m/min。
4、采用預緊措施 預加載荷可以消除滾動摩擦傳動副的間隙和提高其傳動剛度，也可以提高傳動元件的剛度。如絲杠可采用兩端軸向固定和預拉伸的方法來提高其傳動剛度。
（2）采用低而穩(wěn)定摩擦的傳動副
數控機床進給系統多采用剛度高摩擦系數小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌等，聚四氟乙烯導軌和靜壓導軌由于其摩擦系數小，阻尼大，也為數控機床進給傳動所采用。
（3）提高傳動件精度
高質量的機械傳動配合與高性能的伺服電機使現代數控機床進給系統性能有了大幅度提高，隨著控制系統分辨率從0.001mm提高到0.0001mm，普通精度級數控機床的定位精度目前已從0.012mm／300mm提高到±0.005～0.008mm／300mm，精密級的定位精度已從0.005mm／全行程提高到±0.0015～0.003mm／全行程，重復定位精度也已提高到0.001mm。
由于在提高傳動精度和剛度、消除間隙等方面的努力，使數控機床進給傳動系統的快速響應能力，即伺服系統的響應能力和機械傳動裝置的加速能力方面已有了大幅度提高，過渡過程時間已能控制在200ms之內，正在向提高到幾十毫秒之內發(fā)展。隨著快速響應能力和系統穩(wěn)定性提高，進給速度已能達到24m／min(分辨率0.1μm)，快速進給速度已能達到100m／min(分辨率0.1μm)。
（4）進給系統機械結構的關鍵元件
為保證伺服進給系統工作的精度、剛度和穩(wěn)定性，系統對機械結構的主要要求是高精度、
高剛度、低摩擦和低慣量。為此，對于關鍵元件的正確選擇和使用是至關重要的。驅動電機和反饋元件的選用也很重要，將在其它章節(jié)介紹。
在傳動系統設計方面。決定采用步進電動機通過聯軸器直接驅動滾珠絲杠運動的形式，采用這種傳動機構具有以下幾個好處：
（1）減少傳動鏈容易能夠達設計要求
（2）結構緊湊。
經過以上方案比較之后我們確定總體方案為：進給系統由伺服電機直接驅動，運動形式為工作臺移動，導軌為交叉滾柱導軌導軌。
在YAG激光器數控系統中存在三個方向的進給運動X、Y、Z，因此存在三個進給系統的設計。我們的數控系統進給機構的驅動采用的形式如我們在總體方案設計中所述，
其具體設計如下：
3.1 X向傳動機構設計
該傳動機構主要由滾珠絲桿副，采用絲桿轉動，螺母平動得方式帶動工作臺移動，動力源將采用高精度伺服電機，通過膜片型伺服電機聯軸器帶動，因為該型激光器沒有切削力，并且對精度等級比較高，所以將采用滾動導軌副。
3.1.1 X向滾珠絲杠的設計計算
滾珠絲杠螺母副結構原理圖。其結構的主要特點足在絲杠和螺母的圓弧螺旋槽之間裝有滾珠作為傳動元件，因而摩擦系數小，傳動效率可達90％～95％，動、靜摩擦系數相差小，在施加預緊后，軸向剛度好，傳動平穩(wěn)，無間隙，不易產生爬行，隨動精度和定位精度都較高，是目前數控機床進給系統最常用的機械結構之一。
滾珠絲杠螺母副結構原理圖
1—內滾道 2—外滾道
當絲杠螺母相對運動時，滾珠在內外弧形螺紋形的滾道內滾動，為保持絲杠螺母連續(xù)工作，滾珠通過螺母上的返回裝置完成循環(huán)。按照滾珠的循環(huán)方式，滾珠絲杠螺母副分成內循環(huán)方式和外循環(huán)方式兩大類(見圖3-1)。內循環(huán)方式指在循環(huán)過程中滾珠始終保持和絲杠接觸。這種方式結構緊湊，但要求制造精度較高。外循環(huán)方式則在循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，制造相對容易些。
圖3-1
滾珠絲杠螺母副按精度分成4種類型(見表3—1)，又按其循環(huán)方式和消除間隙的方法分成15種結構。
表3-1
通過預緊可以消除間隙保證換向精度是滾珠絲杠螺母副的特點。通常消除間隙的方法是采用雙螺母結構。雙螺母消除間隙的結構主要有三種形式：
1． 墊片調隙式 如圖3-2所示，調整墊片厚度可通過改變兩個螺母間位移消除傳動副的軸向間隙。它的結構簡單、可靠性好、剛度高、裝卸方便，但調整比較困難。
圖3-2
2． 螺紋調隙式 如圖3-3所示，通過轉動螺母改變兩個螺母間位移來消除傳動副的軸向間隙。它的優(yōu)點是調整方便，在出現磨損后還可以隨時進行補充調整。缺點是軸向尺寸較長，會增加絲杠螺紋部分的長度。
圖3-3
3．齒差調隙式 如圖3-4所示，在兩個螺母1、5的端面法蘭上分別加工出外齒Z1和Z2，并各自裝入對應的內齒圈6中。內齒圈通過螺釘固定在螺母外的套筒3端面。通常兩個外齒輪相差1齒(如Z1=100，Z2=99)。當調整間隙時，將兩個外齒輪從內齒圈中抽出并相對內齒圈分別同向轉動一個齒，然后插回原內齒圈中。此時，兩個螺母間產生的相對位移為：
(3－1)
式中，P為絲杠的螺距。當P=10mm時，間隙的調整量為0.001mm。由此可見，此方法可實現精密微調，預緊可靠，不會發(fā)生松動。雖然結構復雜，但仍然得到廣泛應用。
圖3-4
（1）確定滾珠絲杠副的導程
：滾柱絲杠副的導程（mm）
：工作臺最高移動速度（m/min）
：電機最高轉速（r/min）
：傳動比
因電機與絲杠直聯，=1
由技術要求1查得
代入得，
按推薦組合標準，取
?
（2）確定當量轉速與當量載荷
1).最小載荷
機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。如工作臺重量引起的摩擦力。
因為選用滾珠絲桿所以摩擦系數為0.005，工作臺重量為30kg，所以
2).最大載荷??
?
3).滾珠絲杠副的當量轉速及當量載荷Fm：
珠絲杠副在n1,n2,n3…各種轉速下，各轉速工作時間占總時間的百分比分別為t1%, t2%, t3%,…tn%,所受載荷分別是F1,F2,F3…。
當負荷與轉速接近正比變化時，各種轉速使用機會均等時，可采用下列公式計算：
?????
所以r/min
（3）預期額定動載荷
1） 按預期工作時間估算
輕微沖擊取w=1.0 精度等級?。? 可靠性系數＝1 預期工作時間＝15000H
帶入得＝85.41N
（4）確定允許的最小螺紋底徑
（1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量
?① ≤（1/3～1/4）重復定位精度
?② ≤（1/4～1/5）定位精度
: 最大軸向變形量（μm）
可查資料《數控床身銑床精度檢驗》得：重復定位精度16μm, 定位精度25μm
?? ① =4
?? ② =5
取兩種結果的小值=4μm
(2）估算最小螺紋底徑
?絲杠要求預拉伸，取兩端固定的支承形式
：最小螺紋底徑（mm）
(1.1～1.2)行程+（10～14）
已知：行程為300mm,
代入得
（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號
（1）FF型 內循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預緊的雙螺母滾珠絲桿付
（2）?由計算出的在樣本中取相應規(guī)格的滾珠絲杠副
FF1605-3
（6）確定滾珠絲杠副預緊力
N
（7）行程補償值與與拉伸力
（1）行程補償值
??
式中：
(2) 預拉伸力
代入得
（8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號、規(guī)格
（1）軸承所承受的最大軸向載荷
???
代入得
???
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選背對背60°角接觸推力球軸承
（3）軸承內徑
? d 略小于
取
代入得
??
（4）軸承預緊力
預加負荷≥
（5）按樣本選軸承型號規(guī)格
??? 當d=12mm? 預加負荷為：≥FBP
????? 所以選70001P軸承
????????? d=12mm
（9)滾珠絲杠副工作圖設計
1) 絲杠螺紋長度Ls：
Ls=Lu+2Le? 由查得余程Le=20
繪制工作圖
（2）兩固定支承距離L1
按樣本查出螺母安裝聯接尺寸
絲杠全長L
（3）行程起點離固定支承距離L0
由工作圖得
Ls=420
L=470
（10)電機選擇
1）.作用在滾珠絲杠副各種轉矩計算。
外加載荷產生的摩擦力矩T(N.m)
式中
——滾珠絲杠副導程
η——未預緊的滾珠絲杠副效率
1、2、3級精度的絲杠η＝0.9
4級精度的絲杠η＝0.85
F——作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計算電機啟動轉矩時，機械是空載起動時，F是導軌摩擦力（垂向運動F還包括機構重量）；若計算電機工作轉矩時，F包括導軌摩擦力，工作載荷（垂向運動F還包括機構重量）。
＝T
2).負荷轉動慣量JL(kg.m2)及傳動系統轉動慣量J(kg.m2)的計算。
式中
——各旋轉件的轉動慣量（Kg.m2）和轉速（r/min）
——各直線運動件的質量（Kg）和速度（m/min）
——電機的轉動慣量（Kg.m2）和轉速（r/min）
絲桿直徑為16mm＝0.016m,長415mm＝0.415m
工件工作臺慣量
絲桿慣量
所以
按照要求所以選取北京和時利40CB005C-2DE6E
3).最大加速轉矩
當電機從靜止升速至
?
式中??
n——電機轉速（r/min）
——電機最高轉速（r/min）
ta加速時間（s）
ta ≈(3-4)或者按性能要求自行規(guī)定。
——電機時間常數?？刹殡姍C樣本
可得到滿足要求。
40CB系列交流伺服電機
絕緣電阻——500VDC 100MW Min
????? 絕緣強度——1500VAC 1Minute
????? 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃
????? 絕緣等級——B級
技術參數
單位
伺服電機型號
40CB005C-2DE6E
貨物編碼
?
031601
額定輸出功率
W
50
額定轉矩
N.m
0.16
瞬間最大轉矩
N.m
0.48
額定轉速
rpm
3000
最高轉速
rpm
3600
電機轉子慣量
kg.cm2
0.0429
轉矩系數
N.m/A
0.13
額定相電流
A
1.03
瞬間最大相電流
A
3.09
電樞繞阻相電阻
Ω
5.87
電樞繞阻相電感
10.2
機械時間常數
ms
1.53
電氣時間常數
ms
1.74
重量
kg
0.58
編碼器
P/R
2500
負載慣量
?
負載慣量≤電機轉子慣量×10（倍）
適配驅動器
?
GS0020A
外形尺寸 單位:mm
（11)傳動系統剛度
（1）絲杠抗壓剛度
?? 1）絲杠最小抗壓剛度
=6.6x
：最小抗壓剛度（N/um）
d2? ：絲杠底徑
L1?? ：固定支承距離
=265 N/um
2） 絲杠最大抗壓剛度
x
：最大抗壓剛度（N/um）
=664 N/m
3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度
KC ：滾珠和滾道的接觸剛度（N/um）
KC?：查樣本上的剛度（N/um）
FP? ：滾珠絲杠副預緊力（N）
Ca? ：額定動載荷（N）
由樣本查得：
得KC=200 N/um
（12)剛度驗算及精度選擇
（1）
=
=
0.0297
N/m
=
0.0237
?N/m
F0
=
已知W1=? 294N ，? =0.005
F0=1.47? N
——靜摩擦力（N）
——靜摩擦系數
W1?——正壓力（N）
（2） 驗算傳動系統剛度
：傳動系統剛度（N）
已知反向差值或重復定位精度為16
=33.67＞14.7
（3）傳動系統剛度變化引起的定位誤差
=0.008m
（4）確定精度?
?? V300p? ：任意300mm內的行程變動量對半閉環(huán)系統言，
? V300p≤0.8×定位精度-
定位精度為16um/300
V300p＜12.8um
絲杠精度取為3級
V300p=12um＜12.8
(5)?確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號
已確定的型號：FF
公稱直徑：16?? 導程：5
螺紋長度：380
絲杠全長：470
P類1級精度
FF1605-1-P3/380×470
（13)驗算臨界壓縮載荷??
絲杠所受最大軸向載荷小于絲杠預拉伸力F不用驗算。
（14)驗算臨界轉速
:臨界轉速（n/min）
f：與支承形式有關的系數
：絲杠底徑
：臨界轉速計算長度(mm)
由表得f=21.9
由樣本得d2=12.9
由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0
2097＞=1500
(15) 驗算：
——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm）
——滾珠絲杠副最高轉速（n/min）
≈16.4mm
=1200r/min
19680＜70000
（16)滾珠絲杠副形位公差的標注（略）
表1
支承方式
簡 圖
K2
λ
f
一端固定
一端自由
0.25
1.875
3.4
一端固定
一端游動
2
3.927
15.1
二端支承
1
3.142
9.7
二端固定
4
4.730
21.9
內循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副尺寸系列
3.1.2 X向導軌設計計算
導軌副約束執(zhí)行部件運動，保證其正確運動軌跡，對伺服進給系統的工作性能有重要影響。數控機床伺服進給系統導軌主要是直線型的?；剞D型導軌在加工中心的回轉工作臺上也有應用，其工作原理和特點與直線型導軌是相同的。
滾動摩擦導軌具有摩擦系數小，動靜摩擦系數差別小，啟動阻力小，能微量準確移動，低速運動平穩(wěn)，無爬行。因而運動靈活，定位精度高，通過預緊可以提高剛度和抗振性，承受較大的沖擊和振動，壽命長。和靜壓導軌相比，其結構簡單，保養(yǎng)方便，是適合數控機床進給系統應用比較理想的導軌元件。
1．滾動直線導軌 圖3—5是這種結構的示意圖。它是一種滾動體為圓珠的單元式標準結構導軌元件，相對運動表面經研磨成四列圓弧溝槽，滾珠鎖定在保持架上，通過合成樹脂的端面檔塊(圖中未畫出)實現順暢地循環(huán)滾動。導軌溝槽圓弧的曲率為滾動體的52％—53％，因而滾珠在負荷方向為兩點接觸，即使制造有誤差仍能保持滾珠靈活轉動，而且由于兩者直徑相差不大，接觸應力小，運動約束好。單元式滾動直線導軌在制造時已消除了間隙，因而剛度和精度都較高。滾動直線導軌在裝配平面上采用整體安裝的方法，因而即使安裝平面有些偏差，也能因自身變形的矯正而保證滾珠仍然能順暢地滾動。
圖3-5
2．滾動導軌塊 滾動導軌塊是一種圓柱滾動體的標準結構導軌元件。圖3—6是這種結構的示意圖。滾動導軌塊安裝在運動部件上，工作時滾動體在導軌塊和支承件導軌平面(不動件)之間運動，在導軌塊內部實現循環(huán)。滾動導軌塊剛度高、承載能力強、便于拆卸，它的行程取決于支承件導軌平面的長度。但該類導軌制造成本高，抗振性能欠佳。
圖3-6
3.1.3 導軌的選擇:
根據滾珠絲桿得選擇計算上得數據對于X-Y方向選用GZV4型滾柱交叉導軌副
滾柱交叉導軌副是由兩根具有V型滾道的導軌、滾子保持架、圓柱滾子等組成，相互交叉排列的圓柱滾子在經過精密磨削的V型滾道面上作往復運動，可承受各個方向的載荷，實現高精度、平穩(wěn)的直線運動。
特 點：
1. 滾動摩擦力阻力低，穩(wěn)定性能好；
2. 起動摩擦力小，隨動性能好；
3. 接觸面積大，彈性變形量小，有效運動體多，易實現高剛性、高負荷運動；
4. 結構設計靈活，安裝使用方便。
滾柱交叉導軌副基本尺寸：
?
滾柱交叉導軌副保持架基本尺寸：
3.1.4 載荷計算
行程長度及滾子
（1）導軌的長度不小于行程的1.5倍：
? 式中
??? L——導軌長度(mm)
??? l——運行行程長度(mm)
（2）保持架長度：
??? 式中
?????K——保持架長度(mm)
（3）滾子數計算：
??? 式中
??????? N——滾子數量（忽略小數）
??????? a——保持架端距
??????? f——滾子間距
載荷計算：
圖中：C——額定動載荷（N）——額定靜載荷（N）
——每個滾子的額定動載荷（N）
——每個滾子的額定靜載荷（N）
N——滾子數
據工作臺技術要求，所以選用GZV4型導軌
3.2 Y方向進給機構設計
因為Y方向得技術與X方向得技術要求相當，為了便于模塊化制作以及通用性的需要，選用與X方向相同得滾珠絲桿副，伺服電機，交叉滾柱導軌以及相應的聯結件。即南京工藝裝備制造廠FF型內循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預緊的雙螺母滾珠絲桿付；北京和時利公司40CB005C-2DE6E型伺服電機；南京工藝裝備制造廠GZV4型滾柱交叉導軌副。
3.3 Z方向進給機構設計
3.3.1 Z方向絲桿計算與選用
（1)確定滾珠絲杠副的導程
：滾柱絲杠副的導程（mm）
：工作臺最高移動速度（m/min）
：電機最高轉速（r/min）
：傳動比
因電機與絲杠直聯，i=1
由表1查得
代入得，
按推薦組合，取
?
（2）確定當量轉速與當量載荷
（1）最小載荷
工作臺的重量以及工作臺重量引起的摩擦力??=294+294*0.04=305N
（2） 最大載荷
＝813N
（3）當量轉速
r/min
（4） 當量載荷
N
（3）預期額定動載荷
按預期工作時間估算
按表9查得：輕微沖擊取=1.0
按表7查得：1～3取
按表8查得：可靠性90%取=1
已知：=15000小時
代入得
（4）確定允許的最小螺紋底徑
（1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量
?① ≤（1/3～1/4）重復定位精度
?② ≤（1/4～1/5）定位精度
: 最大軸向變形量（μm）
已知：重復定位精度16μm, 定位精度25μm
?? ① =4
?? ② =5
取兩種結果的小值 =4μm
(2）估算最小螺紋底徑
? 絲杠要求預拉伸，取兩端固定的支承形式
(1.1～1.2)行程+（10～14）
已知：行程為250mm,
代入得
（5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號
（1）FF型 內循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預緊的雙螺母滾珠絲桿副
（2）?由計算出的在樣本中取相應規(guī)格的滾珠絲杠副FF1605-3
（6)確定滾珠絲杠副預緊力
?
N
（7）行程補償值與與拉伸力
（1）行程補償值
??
式中：
(2) 預拉伸力
代入得
（8）確定滾珠絲杠副支承用的軸承代號、規(guī)格
（1）軸承所承受的最大軸向載荷
???
代入得
（2）軸承類型
兩端固定的支承形式，選角接觸球軸承70001
（3）軸承內徑
?d 略小于
取
代入得
（4）軸承預緊力
預加負荷≥
（5）按樣本選軸承型號規(guī)格
??? 當d=12mm? 預加負荷為：≥FBP
????? 所以選70001P軸承
????????? d=12mm
預加負荷為542N
（9)滾珠絲杠副工作圖設計
1) 絲杠螺紋長度Ls：
Ls=Lu+2Le? 由查得余程Le=20
繪制工作圖
（2）兩固定支承距離L1
按樣本查出螺母安裝聯接尺寸
絲杠全長L
（3）行程起點離固定支承距離L0
由工作圖得
Ls=420
L=470
（10)電機選擇
1）.作用在滾珠絲杠副各種轉矩計算。
外加載荷產生的摩擦力矩TF(N.m)
式中
Ph-滾珠絲杠副導程
η-未預緊的滾珠絲杠副效率
1、2、3級精度的絲杠η＝0.9
4級精度的絲杠η＝0.85
F-作用在滾珠絲杠副上的外加軸向載荷，不同情況下取值不一樣。若計算電機啟動轉矩時，機械是空載起動時，F是導軌摩擦力（垂向運動F還包括機構重量）；若計算電機工作轉矩時，F包括導軌摩擦力，工作載荷（垂向運動F還包括機構重量）。
2).負荷轉動慣量JL(kg.m2)及傳動系統轉動慣量J(kg.m2)的計算。
式中
——各旋轉件的轉動慣量（Kg.m2）和轉速（r/min）
——各直線運動件的質量（Kg）和速度（m/min）
——電機的轉動慣量（Kg.m2）和轉速（r/min
絲桿直徑為16mm＝0.016m,長415mm＝0.415m
工件工作臺慣量
絲桿慣量
所以
按照要求所以選取北京和時利60CB020C-2DE6E
3).最大加速轉矩
當電機從靜止升速至:
?
式中??
n——電機轉速（r/min）
——電機最高轉速（r/min）
ta加速時間（s）
ta ≈(3-4)或者按性能要求自行規(guī)定。
——電機時間常數?？刹殡姍C樣本
可得到滿足要求。
（11)傳動系統剛度
（1）絲杠抗壓剛度
?? 1）絲杠最小抗壓剛度
=6.6x
：最小抗壓剛度（N/um）
d2：絲杠底徑
L1:固定支承距離
=265 N/um
2）絲杠最大抗壓剛度
x
：最大抗壓剛度（N/um）
=664 N/m
(2)?支承軸承組合剛度
1)一對預緊軸承的組合剛度
:一對預緊軸承的組合剛度(N/um)
：滾珠直徑(mm)
Z：滾珠數
：最大軸向工作載荷(N)
：軸承接觸角
=4.762mm???? Z=8??? =15
=1625N/um
KBO=38.92N/um
2）支承軸承組合剛度
由表13兩端固定支承
Kb=2 KBO
Kb=77.84?N/um
Kb?:支承軸承組合剛度? N/um
3）滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度
KC：滾珠和滾道的接觸剛度(N/um)
KC：查樣本上的剛度(N/um)
FP：滾珠絲杠副預緊力(N)
Ca：額定動載荷(N)
由樣本查得：
得KC=200N/um
(12)? 剛度驗算及精度選擇
（1）
=
=
0.0216
N/m
=
0.0193
?N/m
F0
=
已知W1=294 N ，? =0.04
F0=11.76? N
F0?：靜摩擦力（N）
：靜摩擦系數
W1：正壓力（N）
（2）驗算傳動系統剛度
：傳動系統剛度（N）
已知反向差值或重復定位精度為16
=33.67＞14.7
（3）傳動系統剛度變化引起的定位誤差
=0.27um
（4）確定精度?
??V300p：任意300mm內的行程變動量對半閉環(huán)系統言，
? V300p≤0.8×定位精度-
定位精度為16um/300
V300p＜12.8um
絲杠精度取為3級
V300p=12um＜12.8
(5)確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號
已確定的型號：FF
公稱直徑：16?? 導程：5
螺紋長度：380
絲杠全長：570
P類1級精度
FF1605-1-P3? /380×570
（13)驗算臨界轉速
:臨界轉速（n/min）
f：與支承形式有關的系數
：絲杠底徑
：臨界轉速計算長度（mm）
由表得f=21.9
由樣本得d2=12.9
由工作圖及表14得：Lc2= L1- L0
2097＞=1500
（14)驗算：
——滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm）
——滾珠絲杠副最高轉速（n/min）
≈16.4mm
=1200r/min
19680＜70000
3.3.2 Z向導軌設計計算
對于Z方向因為該工作臺不受切削力，因此采用雙燕尾形的截面，為了進一步減小摩擦系數和防止爬行，在數控機床的動導軌和鑲條上貼有以聚四氟乙稀為基體的的塑料導軌軟帶。
貼塑導軌是被廣泛用在數控機床進給系統中的一種滑動摩擦導軌。貼塑導軌將塑料基的自潤滑復合材料覆蓋并粘貼于滑動部件的導軌上，與鑄鐵或鑲鋼的床身導軌配用，可改變原機床導軌的摩擦狀態(tài)。目前，使用較普遍的自潤滑復合材料是填充聚四氟乙烯軟帶。與滑動摩擦導軌相比，它的摩擦系數小，動、靜摩擦系數差小，低速無爬行，吸振，耐磨，抗撕傷能力強，成本低，黏結工藝簡單，加工性和化學穩(wěn)定性好，并有良好的自潤滑性和抗振性，可在干摩擦狀態(tài)下工作。
聚四氟乙烯貼塑導軌可在原滑動導軌的基礎上粘貼，不受幾何形狀的限制。使用貼塑導軌主要根據其p—v值，應使滑動速度和比壓的交點位于圖7—35曲線的下方，在無法滿足要求時，可加大導軌面積以降低比壓值?？紤]到加工余量，一般選擇厚度為1.6mm的軟帶。
貼塑導軌p—v圖
4 Z方向平衡機構設計
對于該數控系統的Z方向，最重要的是工作臺及工件向下移動時，不能夠產生所謂的因慣性力而引起的“急落”現象，因為YAG激光加工器進行的時高精度的加工，不容許出現這種現象，因此就需要在Z方向加裝平衡系統：
近年來，隨著數控機床的發(fā)展，垂直移動部件的重量越來越重，為減小垂直方向拖動電機的功率，往往對垂直部件采取重力平衡措施，以下介紹幾種數控機床常用的平衡方法。
1、重錘平衡法
這種方法是目前應用最為廣泛的一種平衡方式，運動部件的平衡是由鏈條通過其兩頭的耳環(huán)分別連接在主軸和重錘上，并通過安裝在支架上的導輪來實現。為使重錘上下運動平穩(wěn)，在重錘的兩側面開有導向槽。這種平衡方法結構簡單，安裝方便，一般用于固定立柱
結構的機床，但由于加入了重錘，使垂向運動部件的慣量增大而不利于高速運動。
2、蓄能器平衡法
這種方法是利用了囊式蓄能器吸收和釋放能量的功能來實現的，工作原理如圖4-1所示。
圖4-1
在蓄能器2的下側油口接一單向閥4，并聯一個溢流閥3，液壓油通過單向閥4打進蓄能器，通過調整溢流閥3，將所需液壓油的壓力值調至要求值，并向蓄能器內充人一定壓力的氮氣。運動部件5通過安裝在支架上的導輪6實現與平衡油缸的連接。當垂向運動部件作
上下運動時，平衡油缸7的有桿腔中的液壓油被擠壓，排出蓄能器，運動部件運動過程中產生的壓力被轉換為受壓液體而輸入到蓄能器中成為儲備能量，這時蓄能器氣囊中的氮氣被壓縮，使液體的壓力與氣囊的壓