龙门式火焰数控切割机.doc

新疆大学毕业论文（设计）

目录
第1章 绪论 1
1.1 切割机现状 1
1.2 本文主要内容 2
第2章 切割机方案设计 3
2.1 本设计针对切割机设计的主要技术参数 3
2.2 常见的几种机械传动方式 3
2.3 各类机床导轨的比较及其分析 5
2.4 切割机的主体结构 9
第3章 整体结构设计与计算 11
3.1 滚动直线导轨的选择及计算 11
3.1.1 滚动直线导轨的特点 11
3.1.2滚动直线导轨的选择程序及预紧方式 11
3.1.3 滚动直线导轨有关计算 12
3.2 滚珠丝杠副的选择 16
3.2.1 滚珠丝杠副的特点和支承方式 16
3.2.2 滚珠丝杠副的计算 18
3.3 步进电动机的选择 24
3.3.1 步进电机的原理 24
3.3.2 步进电机相位控制原理 24
3.3.3 步进电机的选择及相关计算 25
第4章 总结 29
参考文献 30
附录1 31
致谢 32

第1章 绪论
1.1 切割机现状
在现代金属切割技术中通常采用四种切割方法，薄板(一般8mm以下)切割采用激光切割；中厚板(一般10 mm-30mm)切割采用等离子切割；而30mm以上的厚碳钢板切割通常采用火焰切割，而其它的非金属厚板切割则采用水射流切割。气割(氧-燃气切割，俗称火焰切割)是利用纯氧在高温中与金属发生放热反应进行分割或分离金属的一种切割方法。它是利用气体火焰的热能将工件切割处预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使金属燃烧并放出热量而实现切割的方法。切割过程有预热、燃烧、融化与吹出三个部分。火焰切割机可以根据用户编程来自 动切割任意形状的零件，具有效率高、切割质量好、适用范围广、可靠性和稳定性高的特点，火焰切割机以 其在厚板切割上的优势在造船、机车车辆制造等工业上得到广泛应用。
火焰切割机是利用燃气配氧气或者汽油配氧气进行金属材料切割的一种切割设备。主要分为早期的手动切割和半自动切割机,仿形切割机和切割机,随着社会的进步和科技的发展,越来越先进，切割功能也越来越强大。大致机型结构主要有:手动;仿形切割机,便携式切割机,悬臂式切割机,龙门切割机,台式切割机和专门用于钢管相贯线切割的相贯线切割机，以上结构都可以利用火焰切割方式进行切割。其中根据金属材料和切割金属的厚度从工艺角度来说,一般5mm以上的碳钢板推荐用火焰进行切割，因为此类钢板产生的热变形很小。不锈钢和有色金属不能用火焰进行切割，原因是不锈钢在受热后表面产生高密度氧化层，阻止热量向下传递，从而影响板材的熔断；铜铝等有色金属的散热能力很强，导致割面的热量快速散失，也影响到板材熔断。
火焰切割机的发展大致经历了手动切割、仿型切割和切割三个阶段;而切割又经历了简易、专用系统和当今的开放式计算机系统。简易系统如单扳机控制系统，专用系统如MESSER公司的KS20系统、ESAB公司的NCE520系统，开放式计算机系统如MESSER公司的OMINICOM50系统、
ESAB公司的NCE2000系统。切割系统经历了从分离元件到集成元件和DSP技术的过程，由于计算机技术的不断发展使切割控制系统更加趋于完善，功能越来越强大。现在国际上先进的切割控制系统已 经具备了高速度高精度化，多功能化、智能化，小型化、高可靠性，开放性和高通讯功能，使火焰切割机的应用更加广泛。
火焰切割机在工业生产和加工过程中能切割各种形状的零件,广泛应用于机床制造、造船、压力容器、工程机械、矿山机械、电力、桥梁建筑、钢结构等行业。具有效率高、切割精度高、操作方便等显著优点,极大地改善劳动强度和劳动环境,广泛适用于各大、中型企业的板材下料。
火焰切割机是一个复杂的系统工程,它综合了计算机技术、精密机械制造、电机拖动、数字控制、焊接等多门学科,所以在设计、生产、调试、安装、维护等各环节都会遇到许多问题。
　与等离子切割比较：火焰切割时的温度比等离子切割时温度低，直接导致了其切割速率不及等离子，而且无法切割不锈钢以及很多有色金属。其优点在于，可以切割大厚度板材（我国已经掌握了切割2000mm厚度的火焰切断技术），切割设备和切割成本相对低廉，污染较等离子切割机小。
　　与激光切割比较：火焰切割机在切割速度精度以及切割材质种类方面都远不及激光切割机，但是在切割厚度和切割成本上都优于激光切割机。
　　与高压水射流切割机比较：高压水射流切割机的精度和切割材料的种类都优于火焰切割机，但是火焰切割机在切割速度和切割厚度上均大于水切割机，且设备成本和切割成本都相对低廉。
综合比较后的结论：火焰切割机生产投入小，加工厚度大，适合精度要求不高的粗加工行业。
图1.1为一龙门式火焰切割机

图1.1 火焰切割机
1.2 本文主要内容
本文对火焰切割机进行了机械结构方面的设计，主要包括导动系统的选择、传动系统的选择、伺服系统的选择以及整体的三维建模，具体章节安排如下：1.总体方案设计确定； 2.总体结构的设计及计算，其中包括导轨、丝杠以及步进电机的选择和计算。
第2章 切割机方案设计
2.1 本设计针对火焰切割机设计的主要技术参数
结构： 悬臂式
有效切割尺寸： 1.5m×1m
ｚ向行程： 200mm
定位精度：　　　　　　(x-y方向)0.005mm
切割速度： 0-750mm/min

2.2 常见的几种机械传动方式
传动机构性能要求
机电一体化机械系统应具有良好的伺服性能（即精度高、快速响应性和稳定性好），从而要求传动机构满足以下几个方面：
(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率。大刚度对机械系统而言是有利的：①伺服系统动力损失随之减少。②机械固有频率高，超出机构的频带宽度，使之不易产生共振。③增加闭环伺服系统的稳定性。所以在设计时应选用大刚度的机构。
(3)阻尼合适 机械系统产生振动时，系统的阻尼越大，其最大振幅就越小且衰减也越快，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择适当。
此外还要求摩擦小（提高机构的灵敏度）、抗振性好（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机等其他环节得动态特性相匹配。
机械传动按传力方式分，可分为摩擦传动和啮合传动，摩擦传动又分为摩擦轮传动和带传动等，啮合传动可分为齿轮传动、涡轮蜗杆传动、链传动等等；按传动比又可分为定传动比和变传动比传动。
1 皮带传动
皮带传动是由主动轮、从动轮和紧张在两轮上的皮带所组成。由于张紧，在皮带和皮带轮的接触面间产生了压紧力，当主动轮旋转时，借摩擦力带动从动轮旋转，这样就把主动轴的动力传给从动轴。皮带传动分为平皮带传动和三角皮带传动，皮带传动的特点：可用于两轴中心距离较大的传动，皮带具有弹性、可缓冲和冲击与振动，使传动平稳、噪声小，当过载时，皮带在轮上打滑，可防止其它零件损坏，结构简单、维护方便，由于皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比，外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。三角皮带的断面国家规定为O、A、B、C、D、E、F、T等8种，从O到T皮带剖面的面积逐渐增大，传动的功率也逐渐增大。传动比是指主动轮的转速n1与从动轮的转速n2之比，用I表示：即I=n1/n2。由于皮带传动中存在“弹性滑动”现象，即在主动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向后收缩：在从动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向前伸展。
2 齿轮传动
齿轮传动是由分别安装在主动轴及从动轴上的两个齿轮相互啮合而成。齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点：能保证传动比稳定不变能传递很大的动力，结构紧凑、效率高，制造和安装的精度要求较高，当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨重，齿轮的种类很多，按其外形可分为圆柱齿轮和圆锥齿轮两大类，圆柱齿轮的外形呈圆柱形、牙齿分布在圆柱体的表面上，按照牙齿与齿轮轴的相对位置，圆柱齿轮又分为直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮，（现在出现了人字形齿轮），圆柱齿轮多用于外啮合齿轮传动，也可以用作内啮合传动和齿轮齿条传动。在我们所用的许多转动设备的减速器内部使用圆柱齿轮传动结构。圆锥齿轮又叫伞齿轮，他的牙齿分布在圆锥体表面上。常用于相交轴之间的运动，轴线夹角可以是任意的，但最常见的是90度，一对齿轮的传动比计算如下式：
I=n1/n2=z2/z1 （式2-1）
式中：n1、n2分别表示主动轮和从动轮转速rpm，z1、z2分别表示主动轮和从动轮的牙齿数。
3 链传动
链传动是由两个具有特殊齿形的的齿轮和一条闭合的链条所组成，工作时主动连轮的齿与链条的链节相啮合带动与链条相啮合的从动链轮传动。这就是我们常见的自行车链轮链条传动原理。链传动的特点如下：能保证较精确的传动比（和皮带传动相比较），可以在两轴中心距较远的情况下传递动力（与齿轮传动相比），只能用于平行轴间传动，链条磨损后，链节变长，容易产生脱链现象。链条传动主要用于传动比要求较准确，且两轴相距离较远，而且不宜采用齿轮的地方。链传动的传动比计算与齿轮传动相同。
4 蜗轮蜗杆传动
蜗轮蜗杆传动用于两轴交叉成90度，但彼此既不平行又不相交的情况下，通常在蜗轮传动中，蜗杆是主动件，而蜗轮是被动件。，蜗轮蜗杆传动有如下特点：结构紧凑、并能获得很大的传动比，一般传动比为7-80。，工作平稳无噪音，传动功率范围大，可以自锁，传动效率低，蜗轮常需用有色金属制造。蜗杆的螺旋有单头与多头之分。
5 螺旋传动
螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的，主要用于将回转运动变为直线运动，同时传递运动和动力。螺旋传动的分类： 1）传力螺旋：以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用于克服工作阻力。如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为简写工作，每次工作时间较短，工作速度也不高；2）传导螺旋：以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷。如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋主要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，因此，要求具有较高的传动精度；3）调整螺旋：以调整、固定零件的相对位置。如机床、仪器、及测试装置中的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。螺旋传动的特点：传动精度高、工作平稳无噪音，易于自锁，能传递较大的动力等特点。
经选择，本设计采用滚珠丝杠副进行传动。图2.1为滚珠丝杠副

图2.1 滚珠丝杠副
2.3 各类机床导轨的比较及其分析
1 导轨的功用：
机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向和运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨其作用是支承和导向。
2 导轨的基本要求：
（1）导向精度 导向精度是指移动部件沿导轨运动时，在空载与负载情况下，都应保证移动轨迹的直线性及位置的精确性。各种机床对导轨的平面度、垂直度及等高、等距要求都有标准规定。
（2）耐磨性 导轨应在预定使用期限内，保持其导向精度，因此导轨应具有足够的耐磨性。
（3）疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不均匀而使导轨表面产生弹性变形，反复运动多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑。是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。
（4）刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，故导轨应有较高的刚度。因此选用合适的导轨类型、尺寸及其组合，选用可调整间隙和预紧的导轨可以提高刚度。
（5）低速运动的平稳性 低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。
（6）工艺性 导轨要便于装配、调整、测量、防尘、润滑和维修保养，结构简单，经济性好。
3 镶钢导轨
机床上最常用的导轨形式是镶钢导轨，它的使用已有很长的历史。镶钢导轨是导轨系统的固定元件，其截面为矩形。它可水平装在机床的床身上，也可以与床身铸成一体，分别被称为镶钢式或整体式。镶钢式导轨是由钢制成的，经淬硬和磨削。硬度在洛氏硬度60度以上、把镶钢导轨用螺钉或粘结剂（环氧树脂）贴在机床床身或经刮研的立柱配合表面上，确保导轨获得最佳的平面度。这种形式，维修更换方便、简单，很受维修工人的欢迎。
整体导轨或铸造导轨，即钢导轨与底座铸成一体，加工后再经精磨到要求的尺寸和光洁度。导轨必须经过火焰淬火提高表面硬度，以提高导轨的耐磨性。床身一般为球墨铸铁，当然球墨铸铁的硬度比不上钢，整体导轨可以重新修理和淬硬，但更换它几乎是不可能的。
为了实现上述的目的，机床制造者过去的通常做法是：钢导轨的边缘设计有钩形的“耳朵”，在浇铸底座前，把钢导轨置于底座的铸模内，再把铁水浇入铸模内，这样便把钢导轨与底座铸成一体。
4 滑动导轨
传统导轨的发展，首先表现在滑动元件和导轨形式上，滑动导轨的特点是导轨和滑动件之间使用了介质，形式的不同在于选择不同的介质。
空气也可以用于移动元件和导轨之间的介质，它也有两种形式，气动静压导轨和气动动压导轨，工作原理与液压导轨相同。
平面导轨和移动元件之间的接触面积比较大，移动元件要作快速微量进给．需要克服移动元件的惯量，因此将会产生爬行现象。当滚珠丝杠或其它驱动力推动移动元件移动时，产生一个轻微粘附阻力，移动元件开始运动时，由于移动元件处于被抓住的状态，出现了轻微的跳动，导致产生爬行，这种现象对于大的移动影响不大，而对于微量移动，就成为一个问题。
可调性是平面导轨特有的优点，根据导轨的使用情况，平面导轨系统至少有一个或一个以上的可调边。由于移动元件沿着直线导轨的侧边移动，保证移动元件与导轨侧面紧密接触是极为重要的。普遍使用调整的方法是斜铁，斜铁位于移动元件和导轨接触面相对的侧面之间。形状为锥形条块角铁，可以精确地调整，以消除移动部件和导轨之间的间隙。如果滑动部件或导轨磨损，接触表面之间的间隙加大，可调整斜铁进行补偿。
机床制造厂已发明了斜铁自动调整的专利技术，它的基本原理是使斜铁保持固定的弹簧压力，一旦导轨系统被磨损，斜铁能自动地消除移动部件与导轨之间的间隙。
5 直线导轨
新的导轨系统使机床可获得快速进给速度，在主轴转速相同的情况下，快速进给是直线导轨的特点。直线导轨与平面导轨一样，有两个基本元件；一个作为导向的为固定元件，另一个是移动元件。由于直线导轨是标准部件，对机床制造厂来说．唯一要做的只是加工一个安装导轨的平面和校调导轨的平行度。当然，为了保证机床的精度，床身或立柱少量的刮研是必不可少的，在多数情况下，安装是比较简单的。
作为导向的导轨为淬硬钢，经精磨后置于安装平面上。与平面导轨比较，直线导轨横截面的几何形状，比平面导轨复杂，复杂的原因是因为导轨上需要加工出沟槽，以利于滑动元件的移动，沟槽的形状和数量，取决于机床要完成的功能。例如：一个既承受直线作用力，又承受颠覆力矩的导轨系统，与仅承受直线作用力的导轨相比．设计上有很大的不同。
直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如机床的刀架，拖板等。直线导轨系统的固定元件(导轨)的基本功能如同轴承环，安装钢球的支架，形状为“v”字形。支架包裹着导轨的顶部和两侧面。为了支撑机床的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架。用于支撑大型的工作部件，支架的数量可以多于四个。
机床的工作部件移动时，钢球就在支架沟槽中循环流动，把支架的磨损量分摊到各个钢球上，从而延长直线导轨的使用寿命。为了消除支架与导轨之间的间隙，预加负载能提高导轨系统的稳定性，预加负荷的获得．是在导轨和支架之间安装超尺寸的钢球。钢球直径公差为±20微米，以0.5微米为增量，将钢球筛选分类，分别装到导轨上，预加负载的大小，取决于作用在钢球上的作用力。如果作用在钢球上的作用力太大，钢球经受预加负荷时间过长，导致支架运动阻力增大。这里就有一个平衡作用问题；为了提高系统的灵敏度，减少运动阻力，相应地要减少预加负荷，而为了提高运动精度和精度的保持性，要求有足够的预加负数，这是矛盾的两方面。
工作时间过长，钢球开始磨损，作用在钢球上的预加负载开始减弱，导致机床工作部件运动精度的降低。如果要保持初始精度，必须更换导轨支架，甚至更换导轨。如果导轨系统已有预加负载作用。系统精度已丧失，唯一的方法是更换滚动元件。
导轨系统的设计，力求固定元件和移动元件之间有最大的接触面积，这不但能提高系统的承载能力，而且系统能承受间歇切削或重力切削产生的冲击力，把作用力广泛扩散，扩大承受力的面积。为了实现这一点，导轨系统的沟槽形状有多种多样，具有代表性的有两种，一种称为哥待式(尖拱式)，形状是半园的延伸，接触点为顶点；另一种为园弧形，同样能起相同的作用。无论哪一种结构形式，目的只有一个，力求更多的滚动钢球半径与导轨接触(固定元件)。决定系统性能特点的因素是：滚动元件怎样与导轨接触，这是问题的关键。
6 直线滚柱导轨
直线滚柱导轨系统是平面导轨与直线滚柱导轨的组合，用滚柱安装在平行导轨上，用滚柱代钢球承载机床的运动部件。优点是接触面积大、承载负荷大、灵敏度高。从床身尾部看，支架与滚柱置于平面导轨的顶面和侧面，为了获得高精度，在机床工作部件和支架内面之间，设置一块楔板，使预加负载作用于支架的侧面。楔板的工作原理与斜铁相似，工作部件的重量作用于支架的顶面。由于作用在导轨系统上的预加负荷是可调的，为此楔板的损失得到补偿，这一特点被广泛用于中型或大型机床上，因为它对CNC指令反应灵敏，承受负荷大，直线滚柱导轨系统比传统的平面导机能经受高速运转，改善机床的性能。
7 其它形式的导轨
机床上常用的另一种导轨形式是燕尾槽导轨，一般用于机床运动部件的定位。例如：车削中心的尾架，导轨系统可以使尾架在上面移动或者移到要求的位置去支承被加工零件，然后迅速夹紧。机床很多附件，如定位工作台、回转工作台或旋转轴等，也采用燕尾槽导轨作为定位元件。然后夹紧在要求的位置上。如果机床往复行程较长，则采用V型导软，如平面磨床和刨床等。优点是V型导轨系统导向性好，能承受重力切削。有的采用V型导轨和平面导轨相结合的形式，V型导轨作为导向，平面导轨作为支承体。
为了保证导轨系统的寿命。维修是很关键的。导轨是机床的精密部件之一，不可能100%有防尘保护，灰尘污染大。因此、用户要定期检查、维护。液压平面导轨一般为自身润滑，介质本身就是润滑剂。直线导轨和直线滚柱导柱则要求定期润滑，很多直线导轨系统的钢球和滚柱部分都安装有油脂接头与支架相连接。有的用导管连接，使油脂润滑更方便，有的备有自动润滑附件。无论采用什么形式的导轨系统，保持滚动元件的良好润滑，能减少导轨系统的磨损，延长机床精度的保持时间。
经选择，本设计采用直线滚动导轨。图3.2为直线导轨副。

图3.2 直线导轨副
2.4 切割机的主体结构
机械部分整体机架采用悬臂式结构,箱形横梁固定在纵向车架上,随车架在导轨上做纵向进给运动,即纵向切割。横梁上面有2条高精度的线性导轨,通过滑块,柔性连接装有割炬和升降机构的连接装置。与线性导轨平行方向用螺栓固定传动,由电机控制步进的大小,通过丝杠螺母副的传动,带动连接装置,沿着线性导轨横向运动,因此火焰割炬和升降机构随同连接装置同步运动,即割炬进行横向切割。而升降机构内又有自动控制和手动控制系统,主要由丝杠螺旋传动,控制升降机构做上下调节垂直运动。
1. 横梁的设计
横梁采用消除内应力的箱式结构，并经精密加工。在设计当中，拟定结构，计算重量，再通过降低重量，去修改结构，反反复复，既保证刚性，又要重量轻，这是一个既矛盾又对立的统一问题，经反复的计算后，在下部及侧面挖有较大的减重孔，循环修改设计结构和技术参数，获得了最大的刚性与最轻的重量相统一的设计结果。
2. 横梁的工艺加工要求
横梁装有横向驱动装置和割炬升降运动装置，以及气路的滑动固定支架，是主机的重要部分之一，为保证整机较高的运行精度，均采用焊后加工有效工作面，焊前铝合金做调平处理，所有焊缝均为断续焊，以减少变形。铝合金下料尺寸合理，机加工基准面、平面度、平行度、垂直度要求明确。各部件组合连接的形状和位置公差要求严格，也是保证整机纵向运动的关键因素。并要求做高温时效处理，以保持机体永久不变形。主要工作平面磨削而成。其他各焊接体均进行除应力处理，保证了整机足够的刚性、强度和良好的动态平衡性，可靠度高，寿命长。
3. 升降机构
割炬配备升降机构，有自动高度调整和手动高度调整，升降机构的驱动由减速控制,采用以传动运动为主，精度要求较高的传动螺旋，其螺杆固定，螺母作直线运动，通过电机运转，割炬上的主轴随螺母做上下直线运动。调节范围一般在200mm左右。操作者可根据板料的平整状态，方便地选择割炬的最佳位置。
4. 驱动结构设计
纵向、横向、垂直方向均采用步进电机、丝杠螺母副，通过丝杠螺母副的传动而形成了3个方向的运动
5. XY工作台部件进给系统受力分析
因切割机床为火焰切割加工,其切割头与工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。
一般来说,切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。
第3章 整体结构设计与计算
3.1 滚动直线导轨的选择及计算
3.1.1 滚动直线导轨的特点
滚动直线导轨的特点：
（1）承载能力大 其滚道采用圆弧形式，增大了滚动体与圆弧滚道接触面积，从而大大的提高了导轨的承载能力，可达到平面导轨形式的13倍。
（2）刚性强 在该导轨制作时，常需要预加载荷，这使导轨系统刚度得以提高。所以滚动直线导轨在工作时能承受较大的冲击和振动。
（3）寿命长 由于是纯滚动，摩擦系数为滑动导轨的1/50左右，磨损小，因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。
（4）传动平稳可靠 由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移动灵活准确。
（5）具有结构自我调整能力 装配调整容易，因此降低了对配件加工精度要求。

3.1.2滚动直线导轨的选择程序及预紧方式
1.滚动直线导轨的选择程序：
在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。
2.滚动直线导轨的预紧方式：
滚动导轨通常在下列情况下应该预紧：对承受较大颠覆力矩的滚动导轨，为防止导轨翻转需要预紧；对高精度机床，为提高接触刚度和消除间隙需要预紧；对立式滚动导轨，为防止滚动体脱落和歪斜需要预紧；对重量较轻的滚动导轨，为防止在外力的作用下导轨面与滚动体脱开和获得必要的刚度及移动精度需要预紧。
预紧导轨比未预紧导轨的刚度可提高三倍左右。常用的预紧方法有两种：滚动体在动、静导轨之间过盈配合预紧；采用调节螺钉预紧，分别如图3.1和图3.2所示。
滚动直线导轨如图3.3所示

图3.1滚动导轨的过盈预紧

图3.2滚动导轨的调节螺钉预紧

图3.3 滚动直线导轨

3.1.3 滚动直线导轨有关计算
表3-1 硬度系数
滚道表面硬度HRC
60
58
55
53
50
45

1.0
0.98
0.90
0.71
0.54
0.38
表3-2 温度系数
工作温度/

〈100
1.00
100~150
0.90
150~200
0.73
200~250
0.61

表3-3 接触系数
每根导轨上的滑块数

1
1.00
2
0.81
3
0.72
4
0.66
5
0.61
表3-4 负荷系数
工作条件

无外部冲击或震动的低速运动场合。
速度小于15m/min
1~1.5
无明显冲击或震动的中速运动场合。
速度小于60m/min
1.5~2
无外部冲击或震动的高速运动场合。
速度大于60m/min
2~2.5

1.X轴导轨
因作用在滑座上的载荷，滑座个数，速度，每天开机8h，1年按300个工作日计，寿命为10年以上
则该导轨的额定工作时间寿命为

由 （式3-1）
得：
因滑座数M=4，所以每根导轨上使用1个滑座，由表3-1~3-4确定=0.81，=1，=1.0，=2。
则由式 （式3-2）
得
其中

若选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨，查附录1，其中传动效率高
运动具有可逆性
系统刚度好
传动精度高
使用寿命长
不能自锁
制造工艺复杂
型号的导轨的值为17500N，能够满足10年的使用要求，所以可选用HJG-D25型号的滚动直线导轨。
2.Y轴导轨
因作用在滑座上的载荷，滑座个数，速度，每天开机8h，1年按300个工作日计，寿命为10年以上
则该导轨的额定工作时间寿命为

由
得：
因滑座数M=2，所以每根导轨上使用1个滑座，由表3-1~3-4确定=1，=1，=1.0，=2。
则由式
得
其中

若选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨，查表附录1，其中HJG-D25型号的导轨的值为17500N，能够满足10年的使用要求，所以可选用HJG-D25型号的滚动直线导轨。
3.Z轴导轨
因作用在滑座上的载荷，滑座个数，速度，每天开机8h，1年按300个工作日计，寿命为10年以上
则该导轨的额定工作时间寿命为

由
得：
因滑座数M=2，所以每根导轨上使用1个滑座，由表3-1~3-4确定=1，=1，=1.0，=2。
则由式
得
其中

若选用汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨，查附录1，其中HJG-D25型号的导轨的值为17500N，能够满足10年的使用要求，所以可选用HJG-D25型号的滚动直线导轨。
图3.4 - 3.5分别为X、Y、Z轴所选滚动直线导轨一部分：

图3.4 X轴滚动直线导轨部分示意图

图3.5 Y轴滚动直线导轨部分示意图

图3.6 Z轴滚动直线导轨部分示意图
3.2 滚珠丝杠副的选择
3.2.1 滚珠丝杠副的特点和支承方式
1.滚珠丝杠副的特点：
(1)传动效率高 效率高达90%~95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。
(2)运动具有可逆性 即可将回转运动变为直线运动，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。
(3)系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持运动的平稳性和灵敏性。
(4)传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。
(5)使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上做滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而寿命长，且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠要高5~6倍。
(6)不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。
(7)制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。
2.滚珠丝杠副的支承形式：
支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。
一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。
考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(F-S) 和两端固定（F-F）的支承形式如图3.7和图3.8所示。

图3.7 一端固定一端游动支承
这种支承形式有以下一些特点：
①需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。
②丝杠的轴向刚度较高。
③压杆稳定性和临界转速较高。
④丝杠有热膨胀的余地。
⑤适用于较长的卧式安装丝杠。

图3.8 两端固定
这种支承形式有以下一些特点：
①同F-S的l；
②只要轴承无间隙，丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍；
③丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高；
④可以预拉伸，预拉伸后可以减少丝杠自重的下垂和热补偿膨胀，但需一套预拉伸机构，结构及工艺都比较困难；
⑤要进行预拉伸的丝杠，其目标行程应略小于公称行程，减少量等于拉伸量；
⑥适用于对刚度和位移精度要求高的场合

3.2.2 滚珠丝杠副的计算
表3-5 载荷系数
载荷性质
无冲击平稳运转
一般运转
有冲击和振动运转

1~1.2
1.2~1.5
1.5~2.5
表3-6 硬度系数
滚道实际硬度HRC

55
50
45
40

1.0
1.11
1.56
2.4
3.85
表3-6 精度系数
精度等级
C、D
E、F
G
H

1.0
1.1
1.25
1.43
表3-7 稳定性系数
支承方式
有关系数
一端固定一端自由（F-O）
一端固定一端游动（F-S）
两端固定（F-F）
[S]
3~4
2.5~3.3
—

2
2/3
—

1.875
3.927
4.730
表3-8 汉江机床厂C1型滚珠丝杠
滚珠丝杠系列代号
滚珠丝杠尺寸/mm
螺旋角
滚珠直径/mm
额定载荷
中径
大径
导程
动载
静载

d
p

2005-2.5
20
19.5
5

3.175
8630
18241
2050-3
25
24.5
5

3.175
11670
28538
3205-3
32
31.5
5

3.175
12945
37364
因平均工作载荷，每天开机工作8小时每年300个工作日，滚道硬度为60HRC，丝杠传动精度为0.05mm，有效切割尺寸为1.5m1m，丝杠导程
因切割速度v=0～750mm/min，故丝杠平均转速（取v=500mm/min），丝杠寿命=
1. X轴丝杠
设滚珠丝杠采用一端固定一端游动方式
(1) 计算载荷
选D级精度丝杠，查表3-5、4-2、4-3，取=1.2，=1.0，=1.0 == （式3-3）
(2) 计算额定动载荷
（式3-4）
(3) 初选丝杠
考虑各种因素选用，由表3-7得
=32mm，P=5mm，=3.175mm，，R=0.52=1.651mm，0.707（R-0.5）=0.0449mm，=+2-2R=28.788mm，丝杠长度取2300mm
(4) 稳定性验算
①由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表3-8）。
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷按下式计算
（式3-5）
式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于刚，E=206GPa；为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，见表3-8。
依题意， （式3-6）
取，则
安全系数。查表3-8，[S]=2.5 3.3。S>[S]，丝杠是安全的，不会失稳。
②高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速——临界转速。要求丝杠的最大转速。
　临界转速(r/min）可按下式计算： （式3-7）
式中，为临界转速系数，见表3-8。本题取=3.927，=2/3，则

。所以丝杠工作时不会发生共振。
此外滚珠丝杠副还受的限制，通常要求.

所以该丝杠副稳定。
(5) 刚度检验
（式3-8）
根据式4-6计算：
其中截面积 （式3-9）
极惯性矩 （式3-10）
转矩计算：G为丝杠切变模量，对于钢G=83.3GPa
为摩擦角，取摩擦系数为则
（式3-11）
取最不利情况

因
故该丝杠刚度满足要求
(6) 效率检验
（式3-12）
要求在90%~95~之间，所以该丝杠合格
经上述计算验证各项性能均符合要求，可以选用
2. Y轴丝杠
设滚珠丝杠采用一端固定一端游动方式
(1) 计算载荷
选D级精度丝杠，查表3-5、4-2、4-3，取=1.2，=1.0，=1.0 ==
(2) 计算额定动载荷

(3) 初选丝杠
考虑各种因素选用，由表3-7得
=25mm，P=5mm，=3.175mm，，R=0.52=1.651mm，0.707（R-0.5）=0.0449mm，=+2-2R=23.112mm，丝杠长度取2000mm
(4) 稳定性验算
①由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]（见表3-8）。
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷按下式计算

式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于刚，E=206GPa；为丝杠工作长度（m）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长