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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè)
1 緒論
1.1 課題的背景及目的
RP技術(shù)是九十年代世界先進(jìn)制造技術(shù)和新產(chǎn)品研發(fā)手段。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，企業(yè)在新產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中采用RP技術(shù)確保研發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量已成為一項(xiàng)重要的策略。當(dāng)前，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。要保持我市產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，迫切需要在加大新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投入力度、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)的同時(shí)，積極采用先進(jìn)的創(chuàng)新手段。RP技術(shù)在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀的新產(chǎn)品樣件的快速制造。用RP技術(shù)快速制造出的的模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、外觀驗(yàn)證、工程分析、市場(chǎng)訂貨等，非常有利于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而大大提高新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一次成功率，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本?？焖僭椭圃旒夹g(shù)的成立為本市企業(yè)應(yīng)用RP技術(shù)開(kāi)展產(chǎn)品創(chuàng)新活動(dòng)提供了很好的前提條件。
RP技術(shù)是機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它包括機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)。它從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，使產(chǎn)品或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。近年來(lái)，世界上各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，以提高制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)向柔性化、智能化發(fā)展。機(jī)電一體化技術(shù)給傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)帶來(lái)了革命性的變革和驚人的效益，使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)方式和管理體制發(fā)生深刻的變化。機(jī)電一體化是當(dāng)今世界機(jī)械工業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是我國(guó)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必由之路。
1.2 RP技術(shù)的分類(lèi)
1.2.1 SLA快速成形
SLA是最早實(shí)用化的快速成形技術(shù)，采用液態(tài)光敏樹(shù)脂原料，工藝原理如圖所示。其工藝過(guò)程是，首先通過(guò)CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制激光掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；激光光束通過(guò) 數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑 照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂表面 ， 使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹(shù)脂固化后， 當(dāng)一層加工完畢后，就生成零件的一個(gè)截面；然后 升降臺(tái)下降一定距離 ， 固化層上覆蓋另一層液態(tài)樹(shù)脂，再進(jìn)行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型。將原型從樹(shù)脂中取出后，進(jìn)行最終固化，再經(jīng)打光、電鍍、噴漆或著色處理即得到要求的產(chǎn)品。
SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過(guò)加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。因此開(kāi)發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。
1.2.2 SLS快速成形
選擇性激光燒結(jié)(以下簡(jiǎn)稱SLS)技術(shù)最初是由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl ckard于1989年提出的。后美國(guó)DTM公司于1992年推出了該工藝的商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備Sinter Sation。幾十年來(lái)，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領(lǐng)域做了大量的研究工作，在設(shè)備研制和工藝、材料開(kāi)發(fā)上取得了豐碩成果。德國(guó)的EOS公司在這一領(lǐng)域也做了很多研究工作，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的系列成型設(shè)備。
選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個(gè)工藝過(guò)程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。
整個(gè)工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時(shí)粉末缸活塞(送粉活塞)上升，由鋪粉輥將粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均勻鋪上一層，計(jì)算機(jī)根據(jù)原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌跡，有選擇地?zé)Y(jié)固體粉末材料以形成零件的一個(gè)層面。粉末完成一層后，工作活塞下降一個(gè)層厚，鋪粉系統(tǒng)鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結(jié)新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層疊加，直到三維零件成型。最后，將未燒結(jié)的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對(duì)于金屬粉末激光燒結(jié)，在燒結(jié)之前，整個(gè)工作臺(tái)被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結(jié)合。
與其它快速成型(RP)方法相比，SLS最突出的優(yōu)點(diǎn)在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說(shuō)，任何加熱后能夠形成原子間粘結(jié)的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。目前，可成功進(jìn)行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復(fù)合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節(jié)省、成型件性能分布廣泛、適合多種用途以及SLS無(wú)需設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的支撐系統(tǒng)，所以SLS的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
1.2.3 LOM快速成形
分層實(shí)體制造（ LOM——Laminated Object Manufacturing）法，LOM又稱層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為原材料，其成形原理如圖所示，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。 LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。該方法的特點(diǎn)是原材料價(jià)格便宜、成本低。
1.2.4 FDM快速成形
熔積成型（FDM——Fused Deposition Modeling）法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點(diǎn)高 1℃），在計(jì)算機(jī)的控制下，噴頭作x-y平面運(yùn)動(dòng)，將熔融的材料涂覆在工作臺(tái)上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進(jìn)行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。該方法污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。
1.3 激光快速成型機(jī)光頭控制價(jià)設(shè)計(jì)的方案確定
經(jīng)過(guò)對(duì)市場(chǎng)上的產(chǎn)品調(diào)查研究，結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求主要設(shè)計(jì)激光快速成型機(jī)光頭控制架的結(jié)構(gòu)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室考察得知，此種快速成型機(jī)種類(lèi)樣式繁多，經(jīng)過(guò)和指導(dǎo)老師交流，研究決定對(duì)SF960激光雕刻機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.4 激光雕刻機(jī)的加工特點(diǎn)
激光是一種經(jīng)受激輻射產(chǎn)生的加強(qiáng)光，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大綜合性能。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后可得到柱狀或帶狀光束，而且光束的粗細(xì)可根據(jù)加工要求調(diào)整，當(dāng)激光照射在工件的加工部位時(shí)，工件材料迅速被熔化甚至氣化。隨著激光能量的不斷被吸收，材料凹坑內(nèi)的金屬蒸汽迅速膨脹，壓力突然增大，熔融物爆炸似地高速噴射出來(lái)，在工件內(nèi)部形成方向性很強(qiáng)的沖擊波。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合作用過(guò)程。因此激光雕刻機(jī)在加工時(shí)具有以下特點(diǎn)：
1、自動(dòng)化程度高。具體的雕刻過(guò)程都是數(shù)控雕刻機(jī)自動(dòng)完成的。
2、產(chǎn)品的尺寸精度高，一致性好。雕刻過(guò)程是由計(jì)算機(jī)控制完成的，可以達(dá)到很高的精度和表面質(zhì)量；批量加工時(shí)，產(chǎn)品的一致性好，這對(duì)于小模具行業(yè)十分重要。
3、拓展了雕刻領(lǐng)域。只需改變控制程序，數(shù)控雕刻機(jī)便可以雕刻浮雕、各種復(fù)雜的曲面，改善了雕刻表面質(zhì)量，提高了雕刻效率。
1.5 激光加工及數(shù)控激光雕刻機(jī)的適用范圍
激光加工的主要參數(shù)是激光的功率密度，激光的波長(zhǎng)和輸出的脈寬，激光照在工件上的時(shí)間及工件對(duì)能量的吸收等。只要對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行合理選用，激光可以進(jìn)行多種類(lèi)型的加工。如對(duì)材料的表面熱處理、焊接、切割、打孔、雕刻及微細(xì)加工等。而數(shù)控激光雕刻機(jī)的加工對(duì)象有機(jī)板、布料、紙、皮革、橡膠、厚紙板、密集版、發(fā)泡棉、美耐皿、玻璃、塑膠，以及其它非金屬。數(shù)控激光雕刻機(jī)加工技術(shù)已廣泛用于機(jī)械工業(yè)、電子工業(yè)、國(guó)防和人民生活等許多領(lǐng)域]。
2 總體方案設(shè)計(jì)
總體方案設(shè)計(jì)是激光雕刻機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，是雕刻機(jī)機(jī)架具體內(nèi)容的設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想?？傮w方案有了明確、清晰的思路，才能設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)要求的激光雕刻機(jī)的機(jī)架。因此，在機(jī)架的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行之前，一定要對(duì)機(jī)架做一個(gè)合理的總體設(shè)計(jì)。機(jī)架的總體設(shè)計(jì)要遵循機(jī)架設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則和要求。
2.1機(jī)架設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則與要求
2.1.1 機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
機(jī)架是機(jī)器（或儀表）中支撐零件的統(tǒng)稱。例如底座、床身、車(chē)架、橋架等。在機(jī)架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該遵循強(qiáng)度剛度穩(wěn)定性準(zhǔn)則。同時(shí)還需要滿足工況要求，美觀，等其他（如散熱，防腐蝕）要求。
2.1.2 機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求
在機(jī)架滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，必須根據(jù)機(jī)架的不同用途和所處環(huán)境?？紤]下列各項(xiàng)要求，并有所偏重。
(1) 機(jī)架的重量輕,材料選擇合適,成本低。
(2) 結(jié)構(gòu)合理,便與制造。
(3) 結(jié)構(gòu)應(yīng)使機(jī)架上的零部件安裝,調(diào)整,修理和更換都方便。
(4) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,工藝性好,還應(yīng)使機(jī)架本身的內(nèi)應(yīng)力小,有溫度變化引起的變形應(yīng)力小。
(5) 抗震性能好。
(6) 耐腐蝕,使機(jī)架結(jié)構(gòu)在服務(wù)期限內(nèi)盡量少修理。
(7) 有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理,耐磨性良好。
2.2 激光雕刻機(jī)的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)
機(jī)械結(jié)構(gòu)作為雕刻機(jī)的硬件部分，對(duì)雕刻機(jī)的加工過(guò)程、刻字效果有著重要的影響。
雕刻機(jī)的機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：
（1）底座部分
作為刻機(jī)整體的基礎(chǔ)，承擔(dān)整個(gè)機(jī)體的重量，要求穩(wěn)定堅(jiān)固。底座有地下的四只腳與地面接觸；
（2）工作臺(tái)部分
工作臺(tái)部分由工作臺(tái)、Y方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。工作臺(tái)作為雕刻工作時(shí)承載雕刻物體的部件，雕刻時(shí)Y方向的運(yùn)動(dòng)由絲杠驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌導(dǎo)向；
（3）橫梁部分
橫梁由X方向的絲杠和導(dǎo)軌以及支架組成。橫梁承載機(jī)頭的重量，在結(jié)構(gòu)仿真和運(yùn)動(dòng)中是重要的分析對(duì)象；
（4）機(jī)頭部分
2.3 機(jī)架的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、要求及其結(jié)構(gòu)組成和教師老師的指導(dǎo)，擬定激光雕刻機(jī)機(jī)架總體設(shè)計(jì)方案：該方案中，機(jī)架主要有三個(gè)直線導(dǎo)軌副、一個(gè)橫梁、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)及兩個(gè)同步帶系統(tǒng)組成。其中兩個(gè)直線導(dǎo)軌副相互平行，作為一組位于下面；另一導(dǎo)軌副在橫梁之上，橫梁架在兩平行的導(dǎo)軌副的滑塊上，由一個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而控制X向運(yùn)動(dòng)，另一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橫梁在平行導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)Y向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)力由同步帶系統(tǒng)傳遞。
3導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)
3.1 導(dǎo)軌支撐架的設(shè)計(jì)
激光雕刻機(jī)在加工過(guò)程中不承受外部載荷，因此沒(méi)有顯著的機(jī)械力的作用，支撐架的受力來(lái)自導(dǎo)軌、橫梁及其上附件的重力，所以支撐架得受力很小?？紤]到機(jī)架設(shè)計(jì)中重量輕，材料選擇合適，成本低，便于制造和更換要求，所以選用矩形冷彎空心型鋼作為導(dǎo)軌支撐架。根據(jù)《五金手冊(cè)》[7]，選擇矩形冷彎空心型鋼的支撐架，其尺寸為4030（HB）、壁厚t=2、圓角半徑R=3。支撐架截面形狀如圖3.1所示。
圖3.1 支撐架截面圖
3.2 導(dǎo)軌副的選擇
當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運(yùn)動(dòng)件和保證運(yùn)動(dòng)件在外力（載荷及運(yùn)動(dòng)件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌副是由兩根相互接觸、并能作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌組成。在工作時(shí)，一根導(dǎo)軌固定，也叫做固定（支撐）導(dǎo)軌，另一根導(dǎo)軌相對(duì)于固定導(dǎo)軌做直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)功，叫做動(dòng)導(dǎo)軌（運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌在上，固定導(dǎo)軌在下）。一根導(dǎo)軌較短、一根導(dǎo)軌較長(zhǎng)（通常將長(zhǎng)導(dǎo)軌作為固定導(dǎo)軌）。
導(dǎo)軌按運(yùn)動(dòng)軌跡分為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，按導(dǎo)軌副之間的摩擦情況，導(dǎo)軌分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌是在承導(dǎo)件和運(yùn)動(dòng)件之間放入一些滾動(dòng)體（滾珠、滾柱或滾針），使相配的兩個(gè)導(dǎo)軌面不直接接觸的導(dǎo)軌，稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn)是摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便靈活；磨損小，能長(zhǎng)期保持精度；動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時(shí)不易出現(xiàn)"爬行"現(xiàn)象，故運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)。因此，滾動(dòng)導(dǎo)軌在要求微量移動(dòng)和精確定位的設(shè)備上，獲得日益廣泛的運(yùn)用。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌是滾動(dòng)導(dǎo)軌中常用的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦因數(shù)小，動(dòng)靜摩擦因數(shù)差很小，因此，運(yùn)動(dòng)輕便靈活，移動(dòng)精度和定位精度高，運(yùn)動(dòng)所需功率小，摩擦發(fā)熱小、磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好。
3.3 導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)
3.3.1 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的要求
1、一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌移動(dòng)的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準(zhǔn)確性。
2、運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)。工作時(shí)，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)應(yīng)無(wú)爬行現(xiàn)象。
3、良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長(zhǎng)期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過(guò)程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。
4、足夠的剛度。運(yùn)動(dòng)件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓；設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。
5、溫度變化影響小。應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。
6、結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的前提下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、測(cè)量、裝配和調(diào)整，降低成本。
3.3.2 導(dǎo)軌的選擇
根據(jù)上面所說(shuō)的導(dǎo)軌的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求，在本次設(shè)計(jì)中，選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。所以選用南京哈寧軸承制造有限公司生產(chǎn)的GGB16AA型四方向等載荷直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，滾動(dòng)體為球面滾子，內(nèi)徑16，外徑47，厚度58。結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。
圖3.2 GGB16AA型四方向等載荷滾動(dòng)直線導(dǎo)軌
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封蓋及擋板組成。它的工作原理是：當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾道，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向器進(jìn)入反向孔后在進(jìn)入滾道，鋼球就這樣進(jìn)行周而復(fù)始的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，返向器兩端裝有防塵密封裝置，可以有效的防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。它的優(yōu)點(diǎn)是：1.摩擦系數(shù)小，定位精度高。2.降低機(jī)床造價(jià)，并大幅度節(jié)約電力。3.可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度。4.可維持機(jī)床的高精度。因此滿足設(shè)計(jì)要求。
3.4 導(dǎo)軌材料的選擇及熱處理
導(dǎo)軌按材料分為：1鑄鐵導(dǎo)軌、2鋼導(dǎo)軌、3有色金屬導(dǎo)軌、4塑料導(dǎo)軌。為了使導(dǎo)軌具有良好的耐磨性、較小的摩擦系數(shù)以及加工時(shí)產(chǎn)生較小的內(nèi)應(yīng)力。因此選用鑄鐵導(dǎo)軌來(lái)提高使用壽命，獲得較高的尺寸精度。選用的導(dǎo)軌材料為HT200。
鑄鐵導(dǎo)軌可進(jìn)行表面淬火以提高其耐磨性，導(dǎo)軌表面的淬火加熱方法有：感應(yīng)加熱和火焰加熱等。感應(yīng)加熱有高頻加熱（淬硬層1.5 ~ 3mm）和中頻加熱（淬硬層2 ~ 3mm）兩種，火焰加熱的淬硬層較深，但熱變形較大。所以選用中頻加熱，淬硬深度為2mm，硬度220HBS，感應(yīng)淬火后進(jìn)行磨削加工。
3.5 導(dǎo)軌額定壽命的計(jì)算
根據(jù)公式公式：
其中（受力最大滑塊所受的載荷）
（1） 計(jì)算根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]表9.3-49
設(shè)左右兩側(cè)導(dǎo)軌的受力分別為
當(dāng)滑塊位于橫梁的中間時(shí)，左右兩平型導(dǎo)軌的受力相等，此時(shí)：
N
當(dāng)滑塊位于橫梁最右端時(shí)，右側(cè)的平行導(dǎo)軌承載大部分重量,取N；
（2） 計(jì)算額定壽命
根據(jù)公式： （1）
其中： ——額定壽命（km）；
——額定動(dòng)載荷（kN）；查表9.3-51[6]，=6.07KN；
P——受力最大滑塊所受的載荷（kN）P=0.1kN；
——滾動(dòng)硬度系數(shù)，通常?。?
——溫度系數(shù)，查表9.3-45[6]，；
——接觸系數(shù)，查表9.3-46[6]，；
——精度系數(shù)，查表9.3-47[6]，；
——載荷系數(shù)，查表9.3-48[6]，；
將上面的系數(shù)帶入式（1）：
=km=446573km
（3）計(jì)算額定時(shí)間
按式9.3-16[6] h
式中 ——壽命時(shí)間（h）；
——額定壽命（km）；
——行程長(zhǎng)度（m）, =0.35m；
——每分鐘往復(fù)次數(shù)，=60；
按年工作日360天，每天工作16個(gè)小時(shí)，預(yù)計(jì)壽命年限為：
計(jì)算壽命滿足使用要求
4同步帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及電機(jī)的選擇
同步帶傳動(dòng)又叫嚙合型帶傳動(dòng)，它通過(guò)傳動(dòng)帶內(nèi)表面上等距離分布的橫向齒和帶輪上的相應(yīng)齒槽的嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。它兼具帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，能方便地實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動(dòng)，帶輪和傳動(dòng)帶之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能夠保證嚴(yán)格傳動(dòng)比，且齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，故可以用于低速及高速傳動(dòng);齒形帶不需要很大的張緊力，所以作用在軸和軸承等處的載荷小，因此在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等伺服傳動(dòng)中的到廣泛應(yīng)用。
4.1 同步帶的選擇
在工作中，同步帶的主要作用是帶動(dòng)導(dǎo)軌上的橫橫梁以及滑塊的上光頭做直線運(yùn)動(dòng)。因此，其能量主要消耗在克服導(dǎo)軌的摩擦上。而橫梁下面平行導(dǎo)軌副的受力大于橫梁上導(dǎo)軌副的受力，所以在設(shè)計(jì)中，以橫梁下面的導(dǎo)軌副為研究對(duì)象，這樣設(shè)計(jì)出的同步帶傳動(dòng)也可滿足橫梁上導(dǎo)軌副的要求。
4.1.1 確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率
根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)可以知道，橫梁下的平行導(dǎo)軌副所受的力主要由橫梁部分和光頭部分的重力組成。初算平行導(dǎo)軌所承受的重量為10Kg。
根據(jù)公式 （2）
其中： 滾動(dòng)摩擦系數(shù)；
：法向載荷（N）；
：密封件的阻力N，每個(gè)滑塊座（）；
因此將系數(shù)帶入（2）式得：=0.004109.8+2510.4N
查取相關(guān)資料可以知道，現(xiàn)在市場(chǎng)上所使用的雕刻機(jī)加工速度通常為0.5m/s，加工速度快的激光雕刻機(jī)速度為1m/s，所以，為了設(shè)計(jì)滿足要求，我們選擇v=1m/s來(lái)設(shè)計(jì)。
所以，電機(jī)的傳動(dòng)功率P=v=10.41=10.4W0.01KW
雕刻機(jī)在使用過(guò)程中按普通使用，每天8-10h，工作穩(wěn)定，查表9.6-49[6]，取載荷修正系數(shù)
所以，設(shè)計(jì)功率KW
4.1.2 根據(jù)設(shè)計(jì)功率選擇電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型
目前我們常用的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型有直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)?？紤]到電機(jī)的選擇既要滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要降低制造成本，方便控制及維修，所以選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為3種：1.反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（VR） 2.永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（PM） 3.混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（HB）。其中混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)綜合了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，這種電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子上有永磁體，可以看做是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；但從定子的的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相似，因而它具有反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角小、響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，又具有永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁功率小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)方案選擇用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
圖4.1 電動(dòng)機(jī)型號(hào)圖
為了滿足設(shè)計(jì)要求，我們選用75BYG4501混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=r/min
4.1.3 確定帶的型號(hào)的節(jié)距
根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd和n，由同步帶選型圖（附表1）來(lái)確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。
附表1
Pd=0.012KW ，n=360r/min。所以選取XL行同步帶。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]表14.1-50確定節(jié)距mm
4.1.4 選擇帶輪齒數(shù)
根據(jù)計(jì)算出的帶的型號(hào)和轉(zhuǎn)速，查附表2可知帶輪的最少許用齒數(shù)，所以取輪齒數(shù)Z=16
附表2 帶輪最少許用齒數(shù)
4.1.5 計(jì)算帶輪直徑d
小帶輪節(jié)圓直徑mm
則帶輪齒頂圓直徑mm
由于本設(shè)計(jì)中采用1：1傳動(dòng)，故大帶輪齒數(shù)，大帶輪的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)與小帶輪完全相同。
4.1.6 驗(yàn)證帶速
m/s<=40m/s （由附表3查得）
附表3 同步帶允許最大線速度
4.1.7 初定中心距a
初選中心距=130mm
4.1.8 同步帶帶長(zhǎng)及其齒數(shù)的確定
mm
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]表14.1-51，應(yīng)選型號(hào)為146XL型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，齒數(shù)Z=73
同理計(jì)算其余同步帶的中心距，初選中心距
計(jì)算得：
所以應(yīng)選型號(hào)為422XL型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，齒數(shù)Z=211，應(yīng)選型號(hào)為450XL型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)，齒數(shù)Z=225。
4.1.9 計(jì)算實(shí)際中心距
4.1.10 帶輪嚙合齒數(shù)
因?yàn)樵诒敬卧O(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為一，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=8。
4.1.11 基本額定功率
根據(jù)公式
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]表14.1-58查得N,m=0.022kg/m,帶入上式得
=kw>0.01kw
4.1.12 計(jì)算所需帶寬
由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]表14.1-57知，XL型同步帶mm,,
=mm
由表14.1-52[6]選擇帶寬代號(hào)為037的XL型同步帶，其帶寬mm
圖4-2 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸
附表4 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸
4.2 同步帶輪的設(shè)計(jì)
4.2.1 同步帶輪的設(shè)計(jì)的基本要求：
1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出。
2、輪齒的齒廊曲線應(yīng)能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積。
3、有良好的加了工藝性。
4、具有合理的齒形角。
選擇傳動(dòng)帶型號(hào)為420XL037，小帶輪mm，mm查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]表14.1-62 同步帶輪最小寬度為10.4mm，查表14.1-63[6] 同步帶輪擋圈厚度取為1.5mm，所以帶輪的寬度d=10.4+2×1.5=13.4mm，取d=14mm。
圖4.3 同步帶輪
附表5同步帶輪的尺寸參數(shù)
4.3 帶輪擋圈的設(shè)計(jì)
帶輪擋圈位于帶輪的兩側(cè)，對(duì)同步帶起限制導(dǎo)向作用，防止帶輪脫離正確的運(yùn)動(dòng)軌道。帶輪擋圈的設(shè)計(jì)要注意其容帶深度和其厚度等問(wèn)題。參考《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》[18]表14-34設(shè)計(jì)帶輪擋圈如下：mm，取mm，mm，取mm，，取取mm, mm
其結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。
圖4.4 同步帶輪擋圈
5支撐裝置的設(shè)計(jì)
5.1 軸承的選擇
在軸承的設(shè)計(jì)中，軸承所承受載荷的大小、方向和性質(zhì)是選擇軸承的主要依據(jù)?？紤]到本次設(shè)計(jì)中，軸承所受到的載荷為徑向載荷，并沒(méi)有受到軸向載荷，查機(jī)械設(shè)計(jì)，表13-1，選用第6類(lèi)深溝球軸承，深溝球軸承主要承受徑向載荷，可也以同時(shí)承受小的軸向載荷，當(dāng)量摩擦系數(shù)最小，極限轉(zhuǎn)速很高，并且價(jià)格是最低的，根據(jù)同步帶輪的尺寸，選擇軸承的型號(hào)為6000，與同步帶輪配合的軸承型號(hào)為6206其基本尺寸及參數(shù)如圖5.1。
軸 承
代 號(hào)
基本尺寸
基本額定動(dòng)載荷
基本額定靜載
極限
轉(zhuǎn)速
r/min
d
D
B
kN
6000
10
28
8
5.10
2.38
19000
6206
30
58
23
14.0
7.88
12000
圖5.1 60001軸承的基本尺寸及參數(shù)
5.2 計(jì)算軸承壽命
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》[11]式13-5，軸承基本額定壽命
其中：n=360r/min，C（基本額定動(dòng)載荷）=5.10kN，因?yàn)槭乔蜉S承，所以ε=3；
所以只需確定軸承所需載荷P。
因?yàn)?
——軸承所受徑向當(dāng)量動(dòng)載荷；
——軸承所受軸向當(dāng)量動(dòng)載荷；
——徑向當(dāng)量動(dòng)載荷系數(shù)；
——軸向當(dāng)量動(dòng)載荷系數(shù)；
因?yàn)檩S承在工作中只受到徑向力的作用，所以
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