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畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書
學(xué) 院：
題 目： YAG激光加工數(shù)控工作臺設(shè)計
起 止 時 間： 2011.12.28－2012.6.2
學(xué) 生 姓 名：
班 級：
指 導(dǎo) 老 師：
系 室 主 任：
院 長：
2011年12月28日
論文 (設(shè)計) 內(nèi)容及要求：
一、畢業(yè)設(shè)計（論文）原始依據(jù)（注：包括設(shè)計目的、原始數(shù)據(jù)、圖紙、實物樣品等。）
（1）YAG數(shù)控工作臺的工作方式：主軸固定的三軸連動系統(tǒng)；
（2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm；
（3）工作臺面積：長寬：500mm300mm；
（4）中央基準(zhǔn)T型槽寬度：10H8；
（5）T型槽寬度：10mm；
（6）T型槽數(shù)：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(jìn)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J(rèn)B/T 8329.1－1999數(shù)控床身銑床 精度檢驗；
GB/T 10931—1989 數(shù)字控制機(jī)床 位置精度的評定方法；
GB/T 17421.1—1998 機(jī)床檢驗通則 第1 部分：在無負(fù)荷或精加工條件下機(jī)床的幾何精度。
二、畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容（注：包括設(shè)計內(nèi)容、主要步驟等。）
1、市場調(diào)研、查閱數(shù)控機(jī)床設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)資料；
2、編寫開題報告；
3、YAG數(shù)控工作臺設(shè)計方案論證；
4、YAG數(shù)控工作臺總裝配圖設(shè)計；
5、工作臺等零件圖設(shè)計；
6、YAG固體激光器加工系統(tǒng)圖設(shè)計；
7、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書；
三、畢業(yè)設(shè)計（論文）基本要求（注：包括技術(shù)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(guān)的文獻(xiàn)15篇以上；
3、翻譯與課題有關(guān)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(shè)計說明書的正文部分字?jǐn)?shù)不少于20000字；
6、應(yīng)積極使用計算機(jī)進(jìn)行設(shè)計、計算與繪圖，計算機(jī)繪圖量不得少于總圖量的一半。
設(shè)計、計算要求：
1、進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算；
2、滾珠絲桿螺母副的選擇計算。
四、畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度安排（注：包括參考資料收集、開題報告、圖紙設(shè)計、計算以及論文完成、答辯時間的詳細(xì)安排）
2011.12.26～2012.1.22：市場調(diào)研、查閱數(shù)控機(jī)床設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)資料、參觀激光加工現(xiàn)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(guān)文獻(xiàn)資料的知識，編寫開題報告；
2012.3.11～2012.3.25：完成YAG數(shù)控工作臺設(shè)計方案論證、及其相關(guān)設(shè)計計算，并對其進(jìn)行核算校正；
2012.3.26～2012.5.10：YAG數(shù)控工作臺總裝配圖設(shè)計、工作臺等零件圖設(shè)計、YAG固體激光器加工系統(tǒng)圖設(shè)計；
2012.5.11～2012.5.22：編寫畢業(yè)設(shè)計論文。
2012.5.23～2012.5.26：檢查設(shè)計圖和論文的錯誤和不足之處，并進(jìn)行修改。
2012.5.27～2012.6.3：最終定稿，打印圖紙和畢業(yè)設(shè)計論文，準(zhǔn)備答辯。
五、主要參考文獻(xiàn)
1、文懷興 夏田編著，《數(shù)控機(jī)床設(shè)計實踐指南》，化學(xué)工業(yè)出版社 2008；
2、董玉紅等主編，《數(shù)控技術(shù)》，高等教育出版社；
3、夏田主編，《數(shù)控加工中心設(shè)計》，化學(xué)工業(yè)出版社 2006；
4、文懷興，夏田編著，《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計》，化學(xué)工業(yè)出版社 2005；
5、文懷興主編，《數(shù)控銑床設(shè)計》，化學(xué)工業(yè)出版社 2005；
6、張耀滿主編，《數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計》，東北大學(xué)出版社 2007。
指導(dǎo)老師：
年 月 日
南華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
設(shè)計（論文）題目
YAG激光加工數(shù)控工作臺
設(shè)計（論文）題目來源
自選課題
設(shè)計（論文）題目類型
工程設(shè)計類
起止時間
2011.12.28-2012.6.2
一、 設(shè)計（論文）依據(jù)及研究意義：
數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一個國家數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量和技術(shù)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(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平，性能和質(zhì)量與國外還有很大差距，技術(shù)含量較低的簡易數(shù)控車床及功能部件大多數(shù)靠進(jìn)口。
數(shù)控技術(shù)的問世已有40多年的歷史，它是由機(jī)械學(xué)、控制學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)科學(xué)四大基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來的一門綜合性新型學(xué)科。數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)控機(jī)床是工廠實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)，大力發(fā)展推廣應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，用數(shù)控技術(shù)改造傳統(tǒng)制造工業(yè)，振興我國機(jī)床工業(yè)，推進(jìn)信息化工程有著深遠(yuǎn)的意義。
本課題對于現(xiàn)有的YAG固體激光器數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用三維CAD，有限元分析和計算機(jī)輔助制造等先進(jìn)方法重新設(shè)計該數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)給方式，使其采用操作方便、精度可靠的三軸聯(lián)動系統(tǒng)。
二、 設(shè)計（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線）
主要研究的內(nèi)容：
1．研制出具有國內(nèi)先進(jìn)水平、高可靠性的三坐標(biāo)，并能實現(xiàn)三軸聯(lián)動的50Kg數(shù)控工作臺；
2．尋求實現(xiàn)Z坐標(biāo)絲桿的平衡及制動的最佳方案。
技術(shù)路線：
1.根據(jù)任務(wù)書上要求，搜集資料，利用有限元分析軟件對工作臺進(jìn)行
分析計算，得到優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)；
2. 以有限元分析軟件所得到的參數(shù)為出發(fā)點進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸設(shè)計、精度設(shè)
計,同時考慮工作臺的加工、安裝、調(diào)整及維修工藝性；
3.零件幾何尺寸的設(shè)計以及彎曲、疲勞強(qiáng)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(shè)計（論文）的研究重點及難點：
設(shè)計的重點和難點在于：
1．基于的數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu)的有限元分析；
2．?dāng)?shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
3．強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)工藝性；
4．?dāng)?shù)控工作臺的設(shè)計以及加工、安裝、調(diào)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(shè)計（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）：
2011.12.26～2012.1.22：市場調(diào)研、查閱數(shù)控機(jī)床設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)資料、參觀激光加工現(xiàn)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(guān)文獻(xiàn)資料的知識，編寫開題報告；
2012.3.11～2012.3.25：完成YAG數(shù)控工作臺設(shè)計方案論證、及其相關(guān)設(shè)計計算，并對其進(jìn)行核算校正；
2012.3.26～2012.5.10：YAG數(shù)控工作臺總裝配圖設(shè)計、工作臺等零件圖設(shè)計、YAG固體激光器加工系統(tǒng)圖設(shè)計；
2012.5.11～2012.5.22：編寫畢業(yè)設(shè)計論文。
2012.5.23～2012.5.26：檢查設(shè)計圖和論文的錯誤和不足之處，并進(jìn)行修改。
2012.5.27～2012.6.02：最終定稿，打印圖紙和畢業(yè)設(shè)計論文，準(zhǔn)備答辯。
五、 進(jìn)行設(shè)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(chǔ)及設(shè)計制作數(shù)控工作臺的基礎(chǔ)；
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(xué)的設(shè)計優(yōu)勢和制造優(yōu)勢。
4、南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院具有易普機(jī)械設(shè)計專家、機(jī)械設(shè)計手冊、MATLAB、、CAXA-XP、STUDIO-VP等先進(jìn)的應(yīng)用軟件。
5、本項目實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的軟、硬件基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備。
六、 指導(dǎo)教師意見：
簽 名： 年 月 日
南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
YAG激光加工數(shù)控工作臺設(shè)計
摘要：本次畢業(yè)設(shè)計的課題是YAG激光加工數(shù)控工作臺的設(shè)計。其中數(shù)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(shù)指標(biāo)，傳動系統(tǒng)應(yīng)能滿足在給定使用條件下具有良好的三坐標(biāo)運動性和自鎖性。傳動系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，制造、維修方便?？偝杉傲?、部件的設(shè)計應(yīng)能滿足零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化和產(chǎn)品系列化及機(jī)床變型的要求。在對數(shù)控傳動系統(tǒng)的功能、工作原理進(jìn)行分析后，根據(jù)任務(wù)書對該系統(tǒng)的要求及伺服電機(jī)與滾珠絲桿的設(shè)計，對傳動系統(tǒng)采用何種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了論證，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和計算。
關(guān)鍵詞：YAG；數(shù)控系統(tǒng)；三坐標(biāo)
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(shè)計研究的目的和意義.....................................1
1.2本設(shè)計國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀.....................................1
1.3目前存在的主要問題.............................................3
1.4本設(shè)計擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法...............................4
2 總體方案設(shè)計....................................... .....5
2.1主要技術(shù)參數(shù)...................................................6
2.2運動形式.......................................................7
2.3導(dǎo)軌設(shè)計.......................................................7
3 傳動系統(tǒng)設(shè)計......................................... ..10
3.1、X向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計..............................................12
3.2、Y向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計..............................................34
3.3、Z向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計..............................................34
4 Z方向平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計............................ .........49
5 機(jī)床總體布局的CAD......................................52
參考文獻(xiàn)...................................................58
謝辭..................................... ....... ..........59
附錄..................................... ........... ....61
iv
南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
1 緒論
1.1 本設(shè)計研究的目的和意義
機(jī)械制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，美國68％的社會財富來源于制造業(yè)，日本國民總產(chǎn)值的49％是由機(jī)械制造業(yè)提供的我國的機(jī)械制造業(yè)在工業(yè)總產(chǎn)值中也占40％可以說，沒有發(fā)達(dá)的機(jī)械制造業(yè)，就不可能有國家的真正繁榮的富強(qiáng)。而機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平，則是反映國民經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。提高加工效率、降低生產(chǎn)成本、提高加工質(zhì)量、快速更新產(chǎn)品，是機(jī)械制造業(yè)競爭和發(fā)展的基礎(chǔ)，也是機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志20世紀(jì)50年代初第一臺數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，使機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了日新月異的局面，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的應(yīng)用技術(shù)和最基本的裝備。而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國機(jī)械制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對動態(tài)多變市場的適應(yīng)能力和競爭能力，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)，已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。
數(shù)控加工技術(shù)是一個國家繁榮昌盛的最根本的技術(shù)基礎(chǔ)之一，其重要作用正越來越被人們所認(rèn)識。數(shù)控加工技術(shù)是直接創(chuàng)造社會財富的重要手段，是一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，是發(fā)展各支柱產(chǎn)業(yè)及國民經(jīng)濟(jì)各部門的關(guān)鍵技術(shù)數(shù)控加工技術(shù)水平的高低，可直接影響國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
國防力量的競爭在一定程度上就是先進(jìn)制造技術(shù)的競爭。數(shù)控加工技術(shù)是先進(jìn)國防裝備產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)基礎(chǔ)。新型國防裝備的產(chǎn)業(yè)化常常落后于對其技術(shù)原理的掌握，這往往是受制于制造技術(shù)。重大制造技術(shù)的突破往往會帶來一批新裝備的出現(xiàn)。數(shù)控加工技術(shù)也是提高國防裝備性能和威力的重要因素。數(shù)控加工技術(shù)對我國機(jī)械制造業(yè)已有了飛速發(fā)展，然而市場競爭力不強(qiáng)的問題卻非常突出。這主要反映在機(jī)械產(chǎn)品國內(nèi)市場占有率近年來節(jié)節(jié)下降，已經(jīng)從改革初期的90％左右下降到70％左右。最突出的是機(jī)床，其國內(nèi)市場占有率從1991年的62％下降到1997年的36％。美國的一些機(jī)械企業(yè)早在1990年就已做到了“三個三”，即產(chǎn)品的生命周期為三年，產(chǎn)品的試制周期為三個月，產(chǎn)品的設(shè)計周期為三個星期。
我國加工技術(shù)水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家存在著階段性差距。只有加快發(fā)展數(shù)控加工技術(shù)，改變加工技術(shù)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(shè)計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
當(dāng)今美國不僅生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，也為中小企業(yè)生產(chǎn)廉價實用的數(shù)控機(jī)床（如Haas、Fadal公司等）。其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，於1982年被後進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。
德國政府一貫重視機(jī)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(zhì)。在發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)上，於1956年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床後，一直堅持實事求是，講求科學(xué)精神，不斷穩(wěn)步前進(jìn)。德國特別注重科學(xué)試驗，理論與實際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對用戶產(chǎn)品、加工工藝、機(jī)床布局結(jié)構(gòu)、數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)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(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)（如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等）引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出於藍(lán)而勝於藍(lán)。日本也和美、德兩國相似，充分發(fā)展大量大批生產(chǎn)自動化，繼而全力發(fā)展中小批柔性生產(chǎn)自動化的數(shù)控機(jī)床。自1958年研制出第一臺數(shù)控機(jī)床後，1978年產(chǎn)量（7342臺）超過美國（5688臺），至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位（2001年產(chǎn)量46604臺，出口27409臺，占59%）。戰(zhàn)略上先仿後創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀(jì)80年代開始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。在策略上，首先通過學(xué)習(xí)美國全面質(zhì)量管理(TQC)，變?yōu)槁毠ぷ杂X群體活動，保產(chǎn)品質(zhì)量。進(jìn)而加速發(fā)展電子、計算機(jī)技術(shù)，進(jìn)入世界前列，為發(fā)展機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床開道。日本在發(fā)展數(shù)控機(jī)床的過程中，狠抓關(guān)鍵，突出發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7000套，銷售額在世界市場上占50%，在國內(nèi)約占70%，對加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。
我國的機(jī)械制造工業(yè)已具有一定的實力。機(jī)床工業(yè)高速發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)品除滿
足國內(nèi)建設(shè)需要外，還有部分產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國外。我國現(xiàn)已能生產(chǎn)小型儀表機(jī)
床、重型機(jī)床，各種精密的、高度自動化的、高效率的機(jī)床。機(jī)床性能正在逐漸提高，有些機(jī)床性能已接近世界先進(jìn)水平。我國目前已能生產(chǎn)100多種數(shù)控機(jī)床，并研制出六軸五聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，可應(yīng)用于更加復(fù)雜型面的加工。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的分辨率已經(jīng)提高到0.001mm。我國機(jī)械制造工業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比還有很大差距。大部分高精度機(jī)床的性能還不能滿足要求，精度保持性差，特別是數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量、技術(shù)水平和質(zhì)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(chǎn)水平低，工藝落后也是主要因素。由于工藝水平落后，使產(chǎn)品研制出來后也不能迅速轉(zhuǎn)變成商品，即使從國外引進(jìn)的機(jī)電產(chǎn)品技術(shù)，也不能形成批量生產(chǎn)。為此，機(jī)械工業(yè)部門提出了“加強(qiáng)工藝管理、嚴(yán)格工藝紀(jì)律為突破口，提高工藝水平，推行全面質(zhì)量管理，打一場提高產(chǎn)品質(zhì)量的硬仗”作為工藝工作的指導(dǎo)方針。這是振興我國機(jī)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(shù)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(jì)中，加工技術(shù)將向著超精密、超高速以及發(fā)展新一代加工設(shè)備的方向發(fā)展。而數(shù)控加工技術(shù)的一個重要發(fā)展趨勢是：工藝設(shè)計由經(jīng)驗判斷走向定量分析，加工工藝由技藝發(fā)展為工程科學(xué)，使工藝模擬技術(shù)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(xiàn)代機(jī)械加工中起著重要的作用，數(shù)控機(jī)床加工的高速度、高精度也越來越受到機(jī)械行業(yè)的青睞，在對數(shù)控設(shè)備的使用過程中，我們對數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的認(rèn)識也在逐步走向成熟，如何能最大限度的發(fā)揮數(shù)控機(jī)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(shù)干部、管理干部對數(shù)控機(jī)床加工的原理、對數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控機(jī)床零件的加工工藝和科學(xué)性強(qiáng)的加工程序，也無法對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的管理。先進(jìn)的加工方法，落后的管理手段極大的影響了數(shù)控機(jī)床效率的發(fā)揮。
二、數(shù)控操作人員大部分來自普通機(jī)加工，文化素質(zhì)參差不齊，在對數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用中套用普通設(shè)備加工的思路，對數(shù)控機(jī)床高速切削的特性、數(shù)控刀具的選擇、切削參數(shù)的選擇缺乏科學(xué)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(zhì)的高低，也就不能最大限度的發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的加工效率。
三、由于特定的原因，數(shù)控設(shè)備的引進(jìn)系統(tǒng)繁雜，設(shè)備檔次不齊，給技術(shù)人員、操作人員的應(yīng)用和編程帶來很大困難。大大限制了零件的轉(zhuǎn)移加工。
四、一般的系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)行反復(fù)的刪除和鍵入,有限的系統(tǒng)資源有時甚至無法存儲一個完整的復(fù)雜零件的加工程序。頻繁的重復(fù)的零件準(zhǔn)備工作浪費了大量的工作時間,直接影響了數(shù)控機(jī)床的效率。加工程序反復(fù)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(fù)雜面的計算難于保證它的準(zhǔn)確性,也難于保證零件的加工要求,甚至出現(xiàn)廢品。
六、現(xiàn)在企業(yè)大部分建立了自己的局域網(wǎng),在計算機(jī)中大量使用了CAD/CAM計算機(jī)輔助設(shè)計及計算機(jī)輔助編程軟件.而現(xiàn)在企業(yè)也正逐步實現(xiàn)CIMS管理體系,但基層缺乏與上層技術(shù)部門銜接的環(huán)境,因而無法獲得技術(shù)部門的有力支持。
1.4 本設(shè)計擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法
1）關(guān)鍵問題
(1)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算：主要解決Z坐標(biāo)平衡的技術(shù)難題。
(2)重要零部件選型設(shè)計：主要遴選國內(nèi)能用于本項目的零部件，進(jìn)行性能價格比較。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，達(dá)到性能價格比較好。
(3)重要零部件的強(qiáng)度校核與優(yōu)化：本項目的一個重要內(nèi)容是進(jìn)行重要零部件的數(shù)字化設(shè)計。
(4)總裝圖與零件圖的計算機(jī)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(jī)上進(jìn)行模擬裝配，以求減少設(shè)計失誤。本項目的這個研究內(nèi)容也是該產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計重要內(nèi)容之一，這項研究可以提升我國在這類產(chǎn)品設(shè)計中的設(shè)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(shù)控系統(tǒng)制造工藝問題。
2）研究方法
文獻(xiàn)查閱研究、實體操作、功能分析、調(diào)差法
2 總體方案設(shè)計
在數(shù)控機(jī)床發(fā)展的初級階段，人們通常認(rèn)為任何設(shè)計優(yōu)良的傳統(tǒng)機(jī)床只要裝備了數(shù)控裝置就能成為一臺完善的數(shù)控機(jī)床。當(dāng)時采取的主要方法是在傳統(tǒng)的機(jī)床上進(jìn)行改裝，或者以通用機(jī)床為基礎(chǔ)進(jìn)行局部的改進(jìn)設(shè)計，這些方法在當(dāng)時還是很有必要的。但隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，考慮到它的控制方式和使用特點，對機(jī)床的生產(chǎn)率、加工精度和壽命提出了更高的要求。因此，傳統(tǒng)機(jī)床的一些弱點(例如結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)限制著數(shù)控機(jī)床技術(shù)性能的發(fā)揮?，F(xiàn)以機(jī)床的精度為例，數(shù)控機(jī)床通過數(shù)字信息來控制刀具與工件的相對運動，它要求在相當(dāng)大的進(jìn)給速度范圍內(nèi)能達(dá)到較高的精度。當(dāng)進(jìn)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(jìn)行輪廓加工時，在5-2000mm/min的進(jìn)給范圍內(nèi)，精度為0.02～0.05mm。如此高的加工要求就不難理解遠(yuǎn)在二十多年前已逐步由改裝現(xiàn)有機(jī)床轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?shù)控的要求設(shè)計新機(jī)床的原因。
用數(shù)控機(jī)床加工中、小批量工件時，要求在保證質(zhì)量的前提下比傳統(tǒng)加工方法有更好的經(jīng)濟(jì)性。數(shù)控機(jī)床價格較貴，因此每小時的加工費用比傳統(tǒng)機(jī)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(jīng)濟(jì)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(jī)床的負(fù)載和負(fù)載狀態(tài)下的運轉(zhuǎn)時間，因而對機(jī)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(shù)控機(jī)床上的一次裝夾中能先后進(jìn)行粗加工和精加工，要求機(jī)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(jī)床的結(jié)構(gòu)必須具有很高的強(qiáng)度、剛度和抗振性。除了排除操作者的技術(shù)熟練程度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，以避免人為造成的廢品和返修品，數(shù)控系統(tǒng)不但要對刀具的位置或軌跡進(jìn)行控制，而且還要具備自動換刀和補(bǔ)償?shù)绕渌δ?，因而機(jī)床的結(jié)構(gòu)必須有很高的可靠性，以保證這些功能的正確執(zhí)行。在數(shù)控機(jī)床市場競爭日趨激烈的情況下，為了使數(shù)控機(jī)床能以足夠多的功能和相對低廉的銷售價格推向市場，設(shè)計者為此付出了巨大的努力。通用型數(shù)控機(jī)床雖然能夠很好地滿足各類用戶的需求，但由于機(jī)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(dān)額外的費用，成本的上升必然會削弱產(chǎn)品在市場上的競爭力；而專用型數(shù)控機(jī)床對某具體的零件雖然具有良好的經(jīng)濟(jì)性，但它限制了加工對象的品種變化，使生產(chǎn)柔性下降。
模塊化設(shè)計思想正是為解決上述矛盾而提出的，它靈活的機(jī)床配置使用戶在數(shù)控機(jī)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(dān)額外的費用。
數(shù)控機(jī)床通常由床身、立柱、主軸箱、工作臺、刀架系統(tǒng)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(chǔ)，按不同功能、規(guī)格和價格設(shè)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(jī)。這不僅能降低數(shù)控機(jī)床的設(shè)計和制造成本，而且能縮短設(shè)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(kuò)展到零件和原材料的模塊化。
數(shù)控機(jī)床的機(jī)電一體化是對總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的重要要求。它是指在整個數(shù)控機(jī)床功能的實現(xiàn)以及總體布局方面必須綜合考慮機(jī)械和電氣兩方面的有機(jī)結(jié)合。新型數(shù)控機(jī)床的各系統(tǒng)已不再是各自不相關(guān)聯(lián)的獨立系統(tǒng)。最具典型的例子之一是數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)已不再是單純的齒輪和帶輪的機(jī)械傳動，而更多的是由交流伺服電動機(jī)為基礎(chǔ)的電主軸。電氣總成也已不再是單純游離于機(jī)床之外的獨立部件，而是在布局上和機(jī)床結(jié)構(gòu)有機(jī)地融為一體。由于抗干擾技術(shù)的發(fā)展，目前已把電力的強(qiáng)電模塊與微電子的計算機(jī)弱電模塊組合成一體，既減小了體積，又提高了系統(tǒng)的可靠性。
2.1 主要技術(shù)參數(shù)：
（1）YAG數(shù)控系統(tǒng)工作方式：主軸固定的三軸連動系統(tǒng)；
（2）外形尺寸：長寬高：600mm400mm900mm；
（3）工作臺面積：長寬：500mm300mm；
（4）中央基準(zhǔn)T型槽寬度：10H8；
（5）T型槽寬度：10mm；
（6）T型槽數(shù)：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(jìn)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(jī)電一體化產(chǎn)品。其設(shè)計除了要求一定的精度之外。另外一個特點就是結(jié)構(gòu)簡單。目前市場上主要有兩種典型的結(jié)構(gòu)：
（1）、工作臺移動方式 這種結(jié)構(gòu)就是工件至于工作臺上由進(jìn)給電機(jī)拖動其做X、Y方向進(jìn)給運動。其缺點是工作臺太重電動機(jī)消耗功率大。
（2）、龍門架移動式 這種結(jié)構(gòu)類似龍門銑床。X、Z方向在橫梁上。Y方向則由電動機(jī)拖動龍門架移動，工作臺則固定不動。這種結(jié)構(gòu)具有設(shè)計簡單、電動機(jī)消耗功率小、動態(tài)性能好的優(yōu)點。
本產(chǎn)品采用的是市場上流行的第一種方案，即工作臺移動式設(shè)計。采用這種結(jié)構(gòu)可以使我們的激光器運行平穩(wěn)，精度高整機(jī)質(zhì)量較輕。
對于運動機(jī)構(gòu)，我們采用了滾珠直線導(dǎo)軌副。
該激光器的數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)將采用三軸聯(lián)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(jìn)行調(diào)節(jié)。
2.3 導(dǎo)軌設(shè)計
數(shù)控機(jī)床的運動精度和定位精度不僅受到機(jī)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(guān)。
數(shù)控機(jī)床工作臺(或拖板)的位移量是以脈沖當(dāng)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(shù)控裝置的指令作出準(zhǔn)確的響應(yīng)，就必須采取相應(yīng)的措施。
目前使用的滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌，如果啟動時作用力克服不了數(shù)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(jìn)電機(jī)、齒輪、絲杠及螺母等)產(chǎn)生彈性變形，并儲存了能量。當(dāng)作用力超過靜摩擦力時，彈性變形恢復(fù)，使工作臺突然向前運動。這時由靜摩擦力變?yōu)閯幽Σ亮?，其?shù)值就明顯減小，使工作臺產(chǎn)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(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)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(guān)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(shù)控機(jī)床普遍采用滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。
滾動導(dǎo)軌塊是近三十年發(fā)展起來的新型支承元件。由標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌塊構(gòu)成的滾動導(dǎo)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(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)械。
由于滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌降低了摩擦力，相應(yīng)地減小了進(jìn)給系統(tǒng)所需要的驅(qū)動扭矩，因此可以使用較小功率的驅(qū)動電動機(jī)。在輪廓控制系統(tǒng)中，由于減小了電動機(jī)尺寸和慣性矩，這就顯著地改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。
在點位直線或輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上加工零件時，它經(jīng)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(chǎn)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(dǎo)軌，以改善系統(tǒng)的阻尼特性。
除了滾動導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)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(dǎo)軌，它具有更為良好的摩擦特性、耐磨性和吸振作用。
在進(jìn)給系統(tǒng)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(shù)控機(jī)床幾乎無一例外地采用了滾珠絲杠傳動。
數(shù)控機(jī)床(尤其是開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床)的加工精度在很大程度上取決于進(jìn)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(bǔ)償裝置進(jìn)行螺距精度補(bǔ)償。
在導(dǎo)軌設(shè)計上傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床采用的是兩種方式：
（1）、滑動導(dǎo)軌設(shè)計 即采用圓柱導(dǎo)軌這種導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的優(yōu)點。但是存在間隙不可調(diào)的問題。而且存在低速爬行現(xiàn)象，種種滑動導(dǎo)軌普遍存在的現(xiàn)象嚴(yán)重影響了激光器精度。（因為激光器加工的軌跡比較復(fù)雜）
（2）、滾動導(dǎo)軌設(shè)計 現(xiàn)在市場上大部分雕刻機(jī)都采用的是滾動導(dǎo)軌設(shè)計。這種導(dǎo)軌對比滑動導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點：
①摩擦系數(shù)小，摩擦系數(shù)一般在0.0025~0.005范圍內(nèi)，運動靈活。
②動、靜摩擦系數(shù)基本相同啟動阻力小，不易產(chǎn)生爬行，低速運動穩(wěn)定性好。
③可以預(yù)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(zhǔn)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(dǎo)軌又主要采取兩種形式，一種為方形滾動導(dǎo)軌，另一種為圓形滾動導(dǎo)軌（這種滾動導(dǎo)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(dǎo)軌）比較方形滾動導(dǎo)軌和圓形滾動導(dǎo)軌兩者各有優(yōu)點，方形滾動導(dǎo)軌承載能力強(qiáng)。但是安裝調(diào)比較麻煩并且成本高。圓形滾動導(dǎo)軌安裝容易，但間隙不好調(diào)整。由于我們設(shè)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(dǎo)軌。這樣成本可以降低又能夠達(dá)到我們的要求。
3 傳動系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)必須保證由計算機(jī)發(fā)出的控制指令轉(zhuǎn)換成速度符合要求的相應(yīng)角位移或直線位移，帶動運動部件運動。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運動坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨立的，也可以是聯(lián)動的?？偟恼f來，數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給系統(tǒng)的要求集中在精度、穩(wěn)定和快速響應(yīng)三個方面。為滿足這種要求，首先需要高性能的伺服驅(qū)動電機(jī)，同時也需要高質(zhì)量的機(jī)械結(jié)構(gòu)與之匹配。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的主要措施有如下要求：
（1）提高系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動剛度
傳動剛度高對開環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)的重要性在于開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)需將計算機(jī)控制指令忠實可靠地轉(zhuǎn)換成要求的機(jī)械位移。由于開環(huán)系統(tǒng)不再有檢測元件檢查運動部件的實際位移，這種轉(zhuǎn)換精度決定了加工的精度。對于閉環(huán)數(shù)控進(jìn)給系統(tǒng)，傳動剛度高有利于減小進(jìn)給運動的超調(diào)和振蕩，有助于改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。為提高進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)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(dǎo)致指令脈沖的丟失或傳動系統(tǒng)的不穩(wěn)定，影響加工精度和質(zhì)量。
2．消除傳動元件之間的間隙 傳動元件之間的間隙會導(dǎo)致運動反向時指令脈沖的 丟失或系統(tǒng)運動不穩(wěn)定。盡管穩(wěn)定的系統(tǒng)誤差可采取輸人補(bǔ)償脈沖的方法加以補(bǔ)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(jī)性，完全精確補(bǔ)償是不可能的。
3．盡可能縮短進(jìn)給傳動運動鏈的長度 縮短進(jìn)給傳動運動鏈的長度有助于提高數(shù)控機(jī)床的傳動剛度，然而，進(jìn)給傳動運動鏈的縮短首先要求伺服電機(jī)調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩能滿足加工精度、生產(chǎn)率和快速運動的需要。目前一般數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動的調(diào)速范圍為0～24m／min，先進(jìn)的已達(dá)到0～240m／min。已經(jīng)實現(xiàn)了驅(qū)動電機(jī)不通過減速環(huán)節(jié)直接連接絲杠帶動運動部件進(jìn)行運動的方案。隨著直線伺服驅(qū)動電機(jī)性能的不斷提高，由電機(jī)直接帶動工作臺運動已成為現(xiàn)實。直接驅(qū)動取消了包括絲杠在內(nèi)的所有機(jī)械傳動元件，實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的“零傳動”。豐田工機(jī)、LKUMA等公司機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用直線電機(jī)，最高加速度達(dá)2g，快速移動速度達(dá)100～120m/min。
4、采用預(yù)緊措施 預(yù)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(yù)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(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)多采用剛度高摩擦系數(shù)小而穩(wěn)定的滾動摩擦副，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導(dǎo)軌等，聚四氟乙烯導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌由于其摩擦系數(shù)小，阻尼大，也為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動所采用。
（3）提高傳動件精度
高質(zhì)量的機(jī)械傳動配合與高性能的伺服電機(jī)使現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)性能有了大幅度提高，隨著控制系統(tǒng)分辨率從0.001mm提高到0.0001mm，普通精度級數(shù)控機(jī)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(fù)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(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，即伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力和機(jī)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(nèi)，正在向提高到幾十毫秒之內(nèi)發(fā)展。隨著快速響應(yīng)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，進(jìn)給速度已能達(dá)到24m／min(分辨率0.1μm)，快速進(jìn)給速度已能達(dá)到100m／min(分辨率0.1μm)。
（4）進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件
為保證伺服進(jìn)給系統(tǒng)工作的精度、剛度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要要求是高精度、
高剛度、低摩擦和低慣量。為此，對于關(guān)鍵元件的正確選擇和使用是至關(guān)重要的。驅(qū)動電機(jī)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(tǒng)設(shè)計方面。決定采用步進(jìn)電動機(jī)通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動滾珠絲杠運動的形式，采用這種傳動機(jī)構(gòu)具有以下幾個好處：
（1）減少傳動鏈容易能夠達(dá)設(shè)計要求
（2）結(jié)構(gòu)緊湊。
經(jīng)過以上方案比較之后我們確定總體方案為：進(jìn)給系統(tǒng)由伺服電機(jī)直接驅(qū)動，運動形式為工作臺移動，導(dǎo)軌為交叉滾柱導(dǎo)軌導(dǎo)軌。
在YAG激光器數(shù)控系統(tǒng)中存在三個方向的進(jìn)給運動X、Y、Z，因此存在三個進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計。我們的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的驅(qū)動采用的形式如我們在總體方案設(shè)計中所述，
其具體設(shè)計如下：
3.1 X向傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計
該傳動機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲桿副，采用絲桿轉(zhuǎn)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(jī)，通過膜片型伺服電機(jī)聯(lián)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(dǎo)軌副。
3.1.1 X向滾珠絲杠的設(shè)計計算
滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖。其結(jié)構(gòu)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(shù)小，傳動效率可達(dá)90％～95％，動、靜摩擦系數(shù)相差小，在施加預(yù)緊后，軸向剛度好，傳動平穩(wěn)，無間隙，不易產(chǎn)生爬行，隨動精度和定位精度都較高，是目前數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。
滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)原理圖
1—內(nèi)滾道 2—外滾道
當(dāng)絲杠螺母相對運動時，滾珠在內(nèi)外弧形螺紋形的滾道內(nèi)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(nèi)循環(huán)方式和外循環(huán)方式兩大類(見圖3-1)。內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。
表3-1
通過預(yù)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(jié)構(gòu)。雙螺母消除間隙的結(jié)構(gòu)主要有三種形式：
1． 墊片調(diào)隙式 如圖3-2所示，調(diào)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(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、剛度高、裝卸方便，但調(diào)整比較困難。
圖3-2
2． 螺紋調(diào)隙式 如圖3-3所示，通過轉(zhuǎn)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(diào)整方便，在出現(xiàn)磨損后還可以隨時進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)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(diào)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(yīng)的內(nèi)齒圈6中。內(nèi)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(dāng)調(diào)整間隙時，將兩個外齒輪從內(nèi)齒圈中抽出并相對內(nèi)齒圈分別同向轉(zhuǎn)動一個齒，然后插回原內(nèi)齒圈中。此時，兩個螺母間產(chǎn)生的相對位移為：
(3－1)
式中，P為絲杠的螺距。當(dāng)P=10mm時，間隙的調(diào)整量為0.001mm。由此可見，此方法可實現(xiàn)精密微調(diào)，預(yù)緊可靠，不會發(fā)生松動。雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但仍然得到廣泛應(yīng)用。
圖3-4
（1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
：滾柱絲杠副的導(dǎo)程（mm）
：工作臺最高移動速度（m/min）
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
：傳動比
因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，=1
由技術(shù)要求1查得
代入得，
按推薦組合標(biāo)準(zhǔn)，取
?
（2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷
1).最小載荷
機(jī)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(shù)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(dāng)量轉(zhuǎn)速及當(dāng)量載荷Fm：
珠絲杠副在n1,n2,n3…各種轉(zhuǎn)速下，各轉(zhuǎn)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(dāng)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會均等時，可采用下列公式計算：
?????
所以r/min
（3）預(yù)期額定動載荷
1） 按預(yù)期工作時間估算
輕微沖擊取w=1.0 精度等級?。? 可靠性系數(shù)＝1 預(yù)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(fù)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(shù)控床身銑床精度檢驗》得：重復(fù)定位精度16μm, 定位精度25μm
?? ① =4
?? ② =5
取兩種結(jié)果的小值=4μm
(2）估算最小螺紋底徑
?絲杠要求預(yù)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(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付
（2）?由計算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副
FF1605-3
（6）確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
N
（7）行程補(bǔ)償值與與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值
??
式中：
(2) 預(yù)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(nèi)徑
? d 略小于
取
代入得
??
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷≥
（5）按樣本選軸承型號規(guī)格
??? 當(dāng)d=12mm? 預(yù)加負(fù)荷為：≥FBP
????? 所以選70001P軸承
????????? d=12mm
（9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)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(lián)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(jī)選擇
1）.作用在滾珠絲杠副各種轉(zhuǎn)矩計算。
外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩T(N.m)
式中
——滾珠絲杠副導(dǎo)程
η——未預(yù)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(jī)啟動轉(zhuǎn)矩時，機(jī)械是空載起動時，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運動F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運動F還包括機(jī)構(gòu)重量）。
＝T
2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JL(kg.m2)及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J(kg.m2)的計算。
式中
——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min）
——各直線運動件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min）
——電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩
當(dāng)電機(jī)從靜止升速至
?
式中??
n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
——電機(jī)最高轉(zhuǎn)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(jī)時間常數(shù)?？刹殡姍C(jī)樣本
可得到滿足要求。
40CB系列交流伺服電機(jī)
絕緣電阻——500VDC 100MW Min
????? 絕緣強(qiáng)度——1500VAC 1Minute
????? 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃
????? 絕緣等級——B級
技術(shù)參數(shù)
單位
伺服電機(jī)型號
40CB005C-2DE6E
貨物編碼
?
031601
額定輸出功率
W
50
額定轉(zhuǎn)矩
N.m
0.16
瞬間最大轉(zhuǎn)矩
N.m
0.48
額定轉(zhuǎn)速
rpm
3000
最高轉(zhuǎn)速
rpm
3600
電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量
kg.cm2
0.0429
轉(zhuǎn)矩系數(shù)
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(jī)械時間常數(shù)
ms
1.53
電氣時間常數(shù)
ms
1.74
重量
kg
0.58
編碼器
P/R
2500
負(fù)載慣量
?
負(fù)載慣量≤電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量×10（倍）
適配驅(qū)動器
?
GS0020A
外形尺寸 單位:mm
（11)傳動系統(tǒng)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(yù)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(shù)
W1?——正壓力（N）
（2） 驗算傳動系統(tǒng)剛度
：傳動系統(tǒng)剛度（N）
已知反向差值或重復(fù)定位精度為16
=33.67＞14.7
（3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
=0.008m
（4）確定精度?
?? V300p? ：任意300mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)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(dǎo)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(yù)拉伸力F不用驗算。
（14)驗算臨界轉(zhuǎn)速
:臨界轉(zhuǎn)速（n/min）
f：與支承形式有關(guān)的系數(shù)
：絲杠底徑
：臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速（n/min）
≈16.4mm
=1200r/min
19680＜70000
（16)滾珠絲杠副形位公差的標(biāo)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(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠副尺寸系列
3.1.2 X向?qū)к壴O(shè)計計算
導(dǎo)軌副約束執(zhí)行部件運動，保證其正確運動軌跡，對伺服進(jìn)給系統(tǒng)的工作性能有重要影響。數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)軌主要是直線型的?；剞D(zhuǎn)型導(dǎo)軌在加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺上也有應(yīng)用，其工作原理和特點與直線型導(dǎo)軌是相同的。
滾動摩擦導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動靜摩擦系數(shù)差別小，啟動阻力小，能微量準(zhǔn)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(yù)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(dǎo)軌相比，其結(jié)構(gòu)簡單，保養(yǎng)方便，是適合數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用比較理想的導(dǎo)軌元件。
1．滾動直線導(dǎo)軌 圖3—5是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。它是一種滾動體為圓珠的單元式標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件，相對運動表面經(jīng)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(xiàn)順暢地循環(huán)滾動。導(dǎo)軌溝槽圓弧的曲率為滾動體的52％—53％，因而滾珠在負(fù)荷方向為兩點接觸，即使制造有誤差仍能保持滾珠靈活轉(zhuǎn)動，而且由于兩者直徑相差不大，接觸應(yīng)力小，運動約束好。單元式滾動直線導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)軌塊 滾動導(dǎo)軌塊是一種圓柱滾動體的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌元件。圖3—6是這種結(jié)構(gòu)的示意圖。滾動導(dǎo)軌塊安裝在運動部件上，工作時滾動體在導(dǎo)軌塊和支承件導(dǎo)軌平面(不動件)之間運動，在導(dǎo)軌塊內(nèi)部實現(xiàn)循環(huán)。滾動導(dǎo)軌塊剛度高、承載能力強(qiáng)、便于拆卸，它的行程取決于支承件導(dǎo)軌平面的長度。但該類導(dǎo)軌制造成本高，抗振性能欠佳。
圖3-6
3.1.3 導(dǎo)軌的選擇:
根據(jù)滾珠絲桿得選擇計算上得數(shù)據(jù)對于X-Y方向選用GZV4型滾柱交叉導(dǎo)軌副
滾柱交叉導(dǎo)軌副是由兩根具有V型滾道的導(dǎo)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(jīng)過精密磨削的V型滾道面上作往復(fù)運動，可承受各個方向的載荷，實現(xiàn)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(xiàn)高剛性、高負(fù)荷運動；
4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，安裝使用方便。
滾柱交叉導(dǎo)軌副基本尺寸：
?
滾柱交叉導(dǎo)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(dǎo)軌的長度不小于行程的1.5倍：
? 式中
??? L——導(dǎo)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(shù)計算：
??? 式中
??????? N——滾子數(shù)量（忽略小數(shù)）
??????? 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(shù)
據(jù)工作臺技術(shù)要求，所以選用GZV4型導(dǎo)軌
3.2 Y方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計
因為Y方向得技術(shù)與X方向得技術(shù)要求相當(dāng)，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(jī)，交叉滾柱導(dǎo)軌以及相應(yīng)的聯(lián)結(jié)件。即南京工藝裝備制造廠FF型內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿付；北京和時利公司40CB005C-2DE6E型伺服電機(jī)；南京工藝裝備制造廠GZV4型滾柱交叉導(dǎo)軌副。
3.3 Z方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計
3.3.1 Z方向絲桿計算與選用
（1)確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
：滾柱絲杠副的導(dǎo)程（mm）
：工作臺最高移動速度（m/min）
：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
：傳動比
因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，i=1
由表1查得
代入得，
按推薦組合，取
?
（2）確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)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(dāng)量轉(zhuǎn)速
r/min
（4） 當(dāng)量載荷
N
（3）預(yù)期額定動載荷
按預(yù)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(fù)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(fù)定位精度16μm, 定位精度25μm
?? ① =4
?? ② =5
取兩種結(jié)果的小值 =4μm
(2）估算最小螺紋底徑
? 絲杠要求預(yù)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(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠組成得墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副
（2）?由計算出的在樣本中取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FF1605-3
（6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力
?
N
（7）行程補(bǔ)償值與與拉伸力
（1）行程補(bǔ)償值
??
式中：
(2) 預(yù)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(nèi)徑
?d 略小于
取
代入得
（4）軸承預(yù)緊力
預(yù)加負(fù)荷≥
（5）按樣本選軸承型號規(guī)格
??? 當(dāng)d=12mm? 預(yù)加負(fù)荷為：≥FBP
????? 所以選70001P軸承
????????? d=12mm
預(yù)加負(fù)荷為542N
（9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)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(lián)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(jī)選擇
1）.作用在滾珠絲杠副各種轉(zhuǎn)矩計算。
外加載荷產(chǎn)生的摩擦力矩TF(N.m)
式中
Ph-滾珠絲杠副導(dǎo)程
η-未預(yù)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(jī)啟動轉(zhuǎn)矩時，機(jī)械是空載起動時，F(xiàn)是導(dǎo)軌摩擦力（垂向運動F還包括機(jī)構(gòu)重量）；若計算電機(jī)工作轉(zhuǎn)矩時，F(xiàn)包括導(dǎo)軌摩擦力，工作載荷（垂向運動F還包括機(jī)構(gòu)重量）。
2).負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量JL(kg.m2)及傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J(kg.m2)的計算。
式中
——各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)速（r/min）
——各直線運動件的質(zhì)量（Kg）和速度（m/min）
——電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（Kg.m2）和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩
當(dāng)電機(jī)從靜止升速至:
?
式中??
n——電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
——電機(jī)最高轉(zhuǎn)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(jī)時間常數(shù)?？刹殡姍C(jī)樣本
可得到滿足要求。
（11)傳動系統(tǒng)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(yù)緊軸承的組合剛度
:一對預(yù)緊軸承的組合剛度(N/um)
：滾珠直徑(mm)
Z：滾珠數(shù)
：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(yù)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(shù)
W1：正壓力（N）
（2）驗算傳動系統(tǒng)剛度
：傳動系統(tǒng)剛度（N）
已知反向差值或重復(fù)定位精度為16
=33.67＞14.7
（3）傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差
=0.27um
（4）確定精度?
??V300p：任意300mm內(nèi)的行程變動量對半閉環(huán)系統(tǒng)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(dǎo)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(zhuǎn)速
:臨界轉(zhuǎn)速（n/min）
f：與支承形式有關(guān)的系數(shù)
：絲杠底徑
：臨界轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速（n/min）
≈16.4mm
=1200r/min
19680＜70000
3.3.2 Z向?qū)к壴O(shè)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(jìn)一步減小摩擦系數(shù)和防止爬行，在數(shù)控機(jī)床的動導(dǎo)軌和鑲條上貼有以聚四氟乙稀為基體的的塑料導(dǎo)軌軟帶。
貼塑導(dǎo)軌是被廣泛用在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的一種滑動摩擦導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌將塑料基的自潤滑復(fù)合材料覆蓋并粘貼于滑動部件的導(dǎo)軌上，與鑄鐵或鑲鋼的床身導(dǎo)軌配用，可改變原機(jī)床導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)。目前，使用較普遍的自潤滑復(fù)合材料是填充聚四氟乙烯軟帶。與滑動摩擦導(dǎo)軌相比，它的摩擦系數(shù)小，動、靜摩擦系數(shù)差小，低速無爬行，吸振，耐磨，抗撕傷能力強(qiáng)，成本低，黏結(jié)工藝簡單，加工性和化學(xué)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(dǎo)軌可在原滑動導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上粘貼，不受幾何形狀的限制。使用貼塑導(dǎo)軌主要根據(jù)其p—v值，應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)軌p—v圖
4 Z方向平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計
對于該數(shù)控系統(tǒng)的Z方向，最重要的是工作臺及工件向下移動時，不能夠產(chǎn)生所謂的因慣性力而引起的“急落”現(xiàn)象，因為YAG激光加工器進(jìn)行的時高精度的加工，不容許出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因此就需要在Z方向加裝平衡系統(tǒng)：
近年來，隨著數(shù)控機(jī)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(jī)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(shù)控機(jī)床常用的平衡方法。
1、重錘平衡法
這種方法是目前應(yīng)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(dǎo)輪來實現(xiàn)。為使重錘上下運動平穩(wěn)，在重錘的兩側(cè)面開有導(dǎo)向槽。這種平衡方法結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，一般用于固定立柱
結(jié)構(gòu)的機(jī)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(xiàn)的，工作原理如圖4-1所示。
圖4-1
在蓄能器2的下側(cè)油口接一單向閥4，并聯(lián)一個溢流閥3，液壓油通過單向閥4打進(jìn)蓄能器，通過調(diào)整溢流閥3，將所需液壓油的壓力值調(diào)至要求值，并向蓄能器內(nèi)充人一定壓力的氮氣。運動部件5通過安裝在支架上的導(dǎo)輪6實現(xiàn)與平衡油缸的連接。當(dāng)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(chǎn)生的壓力被轉(zhuǎn)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