毕业设计论文激光切割机的XY工作台的设计.doc

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1、摘要激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料。本工作台专为光大CD-YAG AC200/400/500激光切割机所设计。激光切割机在工作过程中仅为Y-Y方向移动则可，可切割小于3mm厚的金属片，打孔，等。其切割路线由CAD图纸直接传输，可切割一些不规则的路线。由于激光切割为特种加工技术，在切割过程中并无切割力的作用，因些在工作台设计方面，可以不考虑切削力的影响。机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面：（1）转动惯量小（2）刚度大（3）阻尼合适 此外还要求摩

2、擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度），特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。设计过程中主要对工作台的丝杠，导轨，电机，以及升降机的参数进入选择设计，以及工件的联接设计等。同时绘制各主要工件的零件图和工作台装配总图，设计其中重要工件的加工工艺规程。关键字:工作台 机械设计 激光技术 切割机ABSTRACTLaser cutting technology widely used in metal and non-metallic materials processing, can greatly reduce the proces

3、sing time, lower processing costs and improve the quality of the workpiece. Pulsed laser applied to metal materials. The table for the China Everbright CD-YAG AC200/400/500 laser cutting machine designed. Laser cutting machine in the course of their work can be moved only YY, cutting less than 3 mm

4、thick metal sheets, punching, and so on. Its cutting line directly from CAD drawings transmission, cutting some irregular routes. Since laser cutting for special processing technologies, in the process of cutting no role in cutting edge, the more the design of the table, you can not consider the imp

5、act of cutting force. Mechanical systems should have a good servo performance (that is, high-precision, rapid response and stability) to request the transmission mechanism, designed to meet the following: (1) small moment of inertia (2) the stiffness (3) suitable damping Friction also require small

6、increase the sensitivity), the resonance of good (improve the stability of institutions), the small space (the transmission ensure accuracy), in particular its dynamic characteristics with the servo motor and other links to the dynamic nature of match . The process of designing the main table of th

7、e screw, rails, the electrical and lift the parameters into the choice of design, and parts of the link design. At the same time drawing all the major parts of the assembly parts map and the map table, one of the major parts of the design of processing a point of order.Keywords: table mechanical des

8、ign laser technology cutting machine前言1 激光原理: 激光英文全名为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。 于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光。 科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子，以放出多余的能量；而接着，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的连锁反应，并且都朝同一个方前进，形成强烈而且集中朝向某个

9、方向的光；因此强的激光甚至可用作切割钢板！2 激光加工技术: 激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用.激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小

10、的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体加工成想要的形状。切割时,一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出(注：如果吹出的气体和被切割材料产生热效反应,则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面，减少热影响区和保证聚焦镜不受污染的作用)。一、总体设计方案11设计任务: X方向行程:300mm Y方向行程:300mm 工作台面的参考尺寸:300X300mm 最高运动速度:1400mm/min 定位精度: 工作寿命:每天8小时,工作8年,300天/年 12 机构要求 机械系统应具备良好的伺服性能（即高精度

11、快速响应性和稳定性好）从而要求本次设计传动机构满足以下几方面： （1）转动惯量小 在不影响机械系统刚度的前提下，传动机构的质量和转动惯量应尽量减小。否则，转动惯量大会对系统造成不良影响，机械负载增大；系统响应速度降低，灵敏度下降；系统固有频率减小，容易产生谐振。所以在设计传动机构时应尽量减小转动惯量。 （2）刚度大 刚度是使弹性体产生单位变形量所需的作用力。大刚度对机械系统而言是有利的：伺服系统动力损失随之减小。机构固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大的刚度的机构。 （3）阻尼合适 机械系统产生共振时，系统的阻尼增大，其最大振幅就越

12、小且衰减也快，但大阻尼也会使系统的稳态误差增大，精度降低，所以设计时，传动机构的阻尼要选着适当。 此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、共振性好（提高机构的稳定性）、间隙小（保证机构的传动精度），特别是其动态特性应与伺服电动机等其它环节的动态特性相匹配。总体设计如图1.2.1所示：图1.2.11.3设计方向确定X-Y 工作台系统可以设计分为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动, 系统没有检测装置; 半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动, 并在电机输出轴安装脉冲编码器, 将速度反馈信号传给控制单元; 闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动, 位置检测装

13、置安装在工作台末端, 将位置反馈信号传给控制单元。闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，结构复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本次设计中，其位置精度（0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工作稳定等条件。选用步进电机伺服系统就可以满足要求。其通过微机机控制步进电机的驱动, 直接带动工作台运动。工作台系统总体框图如图1.3.1所示:：图1.3.11.4、工作台条件的确定 对于GDYAGAC200/400/500激光切割机而言，工作均为较轻的工件，最大质量不超过去50KG ，划片范围为300mm x 200mm。工作过程中的震动不步进电机拉动工作台时由于惯性引起的震动。所以我选工作台厚度为30m

14、m，材料选HT200灰铸铁，因为其有良好的铸造性能，减磨性，耐磨性好，加上其熔化配料简单，成本低，耐腐蚀及抗震性好等。二、滚珠丝杠的选用（1）滚珠丝杠副有如下特点：传动效率高系统刚性好传动精度高使用寿命长运动具有可逆性（既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同不会自锁可进行预紧和调隙初步选定用优励聂夫（南京）科技有限公司的丝杠，以下将由该公司所提供的计算方式（出自http:/www.unid-21选定编号丝杠支承和受力位置如下图2.1.1所示图2.1.1优励聂夫（南京）科技有限公司所提供的滚珠丝杠直径、导程、长度和精度系数如下表2.1.2所示：

15、 表2.1.2直径/导程及长度的选择丝杠直径和导程 公称直径(do) 导 程Pho45681012162016 20 25 32 40 50 63 80 100 磨制丝杠 轧制丝杠丝杠长度 表2.1.2选取的滚珠丝杠转动系统为： 磨制丝杠(右旋)轴承到螺母间距离(临界长度) ln = 380mm固定端轴承到螺母间距离 Lk = 380mm设计后丝杠总长 = 500mm最大行程 =380mm工作台最高移动速度 Vman = 1.4（m/min）寿命定为 Lh = 19200工作小时。= 0.1 （摩擦系数）电机最高转速 nmax = 350 （r/min）定位精度：最大行程内行程误差 = 0.0

16、35mm300mm行程内行程误差 = 0.02mm失位量 = 0.045mm 支承方式为(固定支承)W 50kg （工作台重量+工件重量） g=9.8m/sec2(重力加速度)I=1 (电机至丝杠的传动比)Fw=W g = 0.1509.8 50 N(摩擦阻力) 运转方式轴向载荷Fa=F+Fw （N）进给速度(mm/min) 工作时间比例所有运转F1=50V1=14000q1=100Fa - 轴向载荷 （N） F - 切削阻力 （N） Fw - 摩擦阻力 （N）从已知条件得丝杠编号：此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求，所以螺母选形为：FDG（法兰式双螺磨制丝杠）从定位精度得出精度精度不得小于P

17、5级丝杠FDG 20X4R-3-P5-500X38022计算选定编号 导程 运转方式进给速度(mm/min) 进给转速(r/min) 所有运转V1=1400n1=350平均转速 平均载荷 时间寿命与回转寿命 额定动载荷 以普通运动时确定fw取 1.4得：额定动载荷 Ca517.14N以Ca值从FDG系列及（丝杠直径和导程、丝杠长度表http:/www.unid- 表2.2.1中查出适合的类型为：公称直径： d0=20mm 丝杠底径： d0=17.5mm 导程：Pho=4mm 循环圈数：3额定动载荷为：517.14N。丝杠编号： FDG 20 4R - P5 - 3 - 500 380预紧载荷F

18、ao = Ca=0.05517.14 25.86 N丝杠螺纹长度Lu=L1-2Le L1=Lu+2Le=300+220=340mm丝杠螺纹长度不得小于340mm加上螺母总长一半37mm(从系列表中查出螺母总长74mm)。得丝杠螺纹长度 377m。在此取丝杠螺纹长度 L1=380mm则轴承之间的距离Ls=380mm丝杠编号： FDG20 - 4R - P5 - 3 - 500 380丝杠公称直径公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来推算得出。由http:/www.unid-nkper0.8nk nk nkper/0.8 以安装形式确定fnk 取18.9。可知丝杠螺母底径大于 0.3当Pho=

19、4(mm)、最高转速达到350（r/min） 时，系列表中适合的公称直径d012mm 。上述由额定动载荷Ca 求得的公称直径 d0=20mm12 ，满足条件，否则公称直径还应加大。丝杠编号： FDG 20 4R P5 - 3 - 500 380滚珠丝杠传动系统刚度初始条件：失位量 = 0.045mm。滚珠丝杠系统之间各元部件（丝杠、螺母、支承轴承），在此设为：0.04mm。此时滚珠丝杠系统各元部件单边弹性变形量为：0.02mm。 此时运动的轴向载荷1000N。丝杠刚度当Ls1=Lk，Rs 为最小，一般情况下计算最小刚度值。由http:/www.unid-螺母刚度在此预紧载荷为额定动载荷的10%

20、螺母刚度从表中查出 R=613N/m从表中查出额定动载荷Ca=6201N,在此取0.1 支承刚度支承轴承刚度RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。在此RaL=1020N/mRaL=Fa/aLaL=Fa/RaL= 1000/1020 1m轴向总刚度1/Rtot = 1/Rs + 1/Rnu + 1/RaL=1/138 + 1/180.63 + 1/1020Rtot72.66 N/m总弹性变形量(单边)tot = s + nu + aL=7.25+5.54+1=13.79m 20m检验合格。从丝杠轴向总刚度的问题上来讲，丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要，最佳提升刚性的方法是提高丝杠的刚度，而不是在

21、螺母上施加太重的预紧载荷(预紧载荷最高为额定动载荷的10%)。三、滚动导轨的设计计算滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。 驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。 与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。 适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。 能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 成对使用导轨副时，具有“误差均化效

22、应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。 简化了机械结构的设计和制造运动灵敏读高定位精度高牵引力小、移动轻便精度保持性好润滑系统简单、维修方便摩擦系数小、动摩擦系数很接近、不产生爬行现象。已知作用在导轨副上的压力g509.8=490N导轨工作寿命：83008=19200h单向行程长度：0.4m往复次数取：n=3次分导轨行程长度系数： n192000.43

23、60/ =2764.8因活座数m=4所以每根导轨上使用个活座= =122.5N根据公式6.25得：=933.39N根据 图3.1选取GGE15 BA型号的导轨的=7.19KN,能满足8年的使用要求。其具体参数如下:H 24 W 9.5 B1 34 B2 26B3 4 K 18 T 5 M1L0 M47L1 54.5 L2 38.5 L3 26 G M6B4 15 H1 14.5 dDh 3.56.55 F 60单根最大长度Lmax 600 额定动载荷C (KN) 7.19额定静载荷C0 (KN) 10.5额定力矩(N*m) MA 76.1 MB 76.1 MC 88.4四、轴承的选用丝杠轴上的

24、轴承受两方面的力，轴向力有直向力。轴承的选择主要由轴径的大小和所受的载荷和决定，由丝杠选取过程中计算得出，丝杠所受的额定动载荷为517.14N,而丝杠在轴承处的直径为17mm，在些选用角接触轴承，查机械零件手册，选用7203C。五、升降机的选用因为工作台必要的时候需要在Z轴上作一定的运动，所以相当有必要在XY工作台下方安装一个升降机，并且为手机操作和电机带动并用。选用的升降机要求如下：提升重量为XY工作台及工件的总重量。N=mg=5010=500（n） 其中g=10提升速度为1m/min。计划选用优励聂夫（南京）科技有限公司的CS系列蜗轮丝杠升降机。通过比较，选用CS系列方型蜗轮丝杠B型结构。

25、其结构图如下图5.1：（出自http:/www.unid- 图5.1现选用具体型号为CS25，由http:/www.unid-CS25，梯形丝杠306转速rpm提升速度F=15(KN)F=10(KN)F=5(KN)F=2.5(KN)F=1(KN)NLNLNLNLNLNLNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKWNmKW15001.500.3758.81.393.10.495.90.932.10.332.90.461.00.21.50.20.50.10.60.10.20.110001.000.2508.80.933.10.335.90.622.10.222.90.3

26、11.00.11.50.20.50.10.60.10.20.17500.750.1888.80.693.10.255.90.462.10.162.90.231.00.11.50.10.50.10.60.10.20.16000.60.1508.80.563.10.205.90.372.10.132.90.191.00.11.50.10.50.10.60.10.20.15000.50.1258.80.463.10.165.90.312.10.112.90.151.00.11.50.10.50.10.60.10.20.13000.30.0758.80.283.10.15.90.192.10.12.9

27、0.11.00.11.50.10.50.10.60.10.20.11000.10.0258.80.13.10.15.90.12.10.12.90.11.00.11.50.10.50.10.60.10.20.1500.050.0138.80.13.10.15.90.12.10.12.90.11.00.11.50.10.50.10.60.10.20.1 表5.2选用数据如下： 转速：1000 rpm 提升速度：N 1.00 L 0.25 F=2.5 (KN)由http:/www.unid- 表5.3型号CSCS2.5CS5CS10CS25CS50CS150CS250丝杠Tr144Tr184Tr20

28、4Tr306Tr407Tr609Tr8010C253137.54158.58082.5D6080100130180200240E486078106150166190F507285105145165220G38526381115131170HM6M8M8M10M12M20M30Jk69101416202530K120253245637180K216212942636675L223140547883100L12022.522.543456565L212131515163045N92120140195240300355NLLift+60Lift+68Lift+74Lift+86Lift+123Lif

29、t+149Lift+160P627493105149200205Q3314331855205536663687568756T12121823324040W263040467085120裕度X10121520252525Y50627582117160165Z2432.535445570-Z1M6M8M8M8M10M10-Z261012121515-运动螺母a404444467399110b10121214162030ch9242832426385105d4448556695125190e3438455478105150f567791117丝杠接头类型1h12152025304575ik68121

30、520254060 表5.3续表得到如下数据： 丝杠 Tr306 C 41 D 130 E 106 F 105 G 81 H M10 Jk6 16 K1 45 K2 42 L 54 L1 43 L2 15 N 195 NL Lift+86 P 105 Q 5536 T 23 w 46 裕度X 20 Y 82 Z 44 Z1 M8 Z2 12 运动螺母 a 46 b 14 ch9 42 d 66 e 54 f 7 h 25 ik6 20 六、电机的选用6.1、确定脉冲当量，初选步进电机脉冲当量根据系统精度来确定，对于开环系统一般为P=0.0050.01mm。如取得太大，无法满足系统精度要求；如取

31、得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态特性能提出更高的要求，是经济性降低。本次设计的工作台的精度为0.02mm，所以根据经验公式得脉冲当量=0.04=0.0125mm .又知道是用联轴器连接电机主轴和丝杠，所以传动比i=1。根据公式得步距角=360i/p=6.2、计算系统转动惯量 计算转动惯量的目的是选着步进电机的动力参数及进行系统动态特性与设计。丝杠的转动惯量的计算=3.2kg其中是丝杠密度（kg/ ），取7.8 kg/ ；d是丝杠的等效直径(m),取0.017m; l是丝杠的长度0.5m。沿直线轴移动物体的惯量工作台、工件等折算到电动机轴上的转动惯量，可由下述公式达到： =M=5

32、0=2.03kgM工作台（包括工件）的质量，kgV工作台快进速度，mm/min N丝杠转速,r/min所以折算到电机上的总转动惯量=0.08713 kg6.3、 电动机轴上的惯性转矩： =0.08713=25.2Nm 电动机轴上的当量摩擦转矩=mg=509.80.004=0.002Nm 其中， t为电机加速时间：t=0.1O秒伺服传动链的总效率取为=0.99为工作台快进速度 =1.4m/min设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的、折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为：=（1）=（1）=Nm是滚珠丝杠螺母副未预紧时的传动效率。=0.9工作台上的最大轴向载荷折算到电动机轴

33、上的负载转矩为：=25.86=0.02 Nm在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩：=0.020.002= 0.023Nm根据下列公式计算正常运转时所需步进电动机的最大静转矩=0.0460.077 Nm于是启动时电动机轴上的最大静转矩为：=25.20.002=25.2003 Nm我初步选定电机为三相双六拍的电机，根据与选取启动时所需步进电动机的最大静转矩的关系：=29.1 Nm所以根据： 图6.3.1 图6.3.1选定130BYG3502 具体参数如下： 步距角：0.6度 相数：3 静转矩：35Nm 转动惯量：30kg=0.3kg尺寸图如图6.3.2： 图6.3.26.4、惯量匹配验算

34、电机轴上的总当量负载转动惯量和电机轴自身转动惯量的比值应控制在一定范围内，既不应太大，也不应太小。如果太大，则伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件（如工作台位置）的变化而引起的负载质量，刚度，阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大的变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选或传动系统设计不太合理，经济性较差。为了系统惯量达到较合理的匹配，一般应将该比值控制在下式所规定的范围内： 1=0.291说明惯量匹配合理。七、零部件设计工作台各零部件的结构设计，应符合以下方面的要求：（1）零件的尽量少，能用一个零件的，尽量只用一个零件。这样，

35、可以最大程度的减小在连接方面产生的误差，并且在装配方面也可以大大地减少工作台，有利于降低成本，提高生产效率。（2）零件结构方面必需合理设计，能出模，能加工，且方便加工。结构应尽量简单。（3）零件应达到一定的刚度，精度要求。7.1上导轨座设计 对于上导轨座设计，首先要检查所选滚珠丝杠的活动螺母以及其连接部件的尺寸的结构尺寸，本工件为丝杠螺母和导轨以及两坐标轴箱体的连接件相连的部件，必需结合这三方面的结构尺寸。a丝杠螺母结构尺寸如图7.1.1所示：图7.1.1b上导轨的结构尺寸图3.1所示,具体结构参数如下:H 24 W 9.5 B1 34 B2 26 B3 4 K 18 T 5 M1XL0 M4

36、X7L1 54.5 L2 3.5 L3 26 G M6N 4.5 B4 15 H1 14.5 dXDXh 3.5X6.5X5F 60c两坐标轴间联接件： 初定不厚度为5mm的钢块。在本处对其结构不作要求，其具体结构设计将在以下零件设计。联接方式： 丝杠螺母为法兰盘式联接，在此也应设计法兰盘式与之对应的联接。双工件通过螺钉锁紧。如图7.1.2所示： 图7.1.2本工件与上导轨及两坐标轴间联接件的联接亦使用螺钉联接，因导轨为标准件，所以导轨上的螺钉位置，尺寸都已固定。三都的联接方式设计如下图7.1.3所示： 图7.1.3由于本零件所受的力仅为丝杠的轴向载荷力，由丝杠设计里可以得到此力为50N。由于此力较小，于是本零件结构设计如下图7.1.4所示： 图7.1.47.2U型连接块设计 对于两坐标轴间的联接，要首先考虑到上方坐标轴上的导轨上的防尘盖设计。初定防尘盖为0.8 mm的钢板。而两坐标轴间的联接必须通过娈曲的过渡进行联接，从而达到防尘的作用。具体结构设计如下图7.2.1： 图7.2.17.3轴承座的设计a固定端轴承座设计 本零件主要有两个作用。第一，作用轴承座对丝杠的轴承起支撑作用；第二，对电机起定位和固定作用。 轴承座与坐标轴座的定位和固定用螺钉来负责，如图7.3.1所示：图7.3.1轴承的定位与固定（1）轴承座上不设计