LOM快速成型机的机械传动系统设计【全套图纸】

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1、装订线 毕业设计（论文）说明书目 录1.绪 论11.1概述11.2快速成形的原理11.3快速成形的特性21.4快速成形的历史和发展32.总体方案52.1机械结构传动传动装置设计52.2 电机的选型63.LOM型快速成型机传动系统设计73.1概述73.2 传动系统的机械零件设计和计算103.2.1 X-Y向滚珠丝杠的选择103.2.2 伺服电机的选择153.2.3 Y向滚珠丝杠的选择183.2.4 伺服电机的选择：213.2.5 联轴器的选择213.2.6 运动导轨的设计233.3可升降工作台的实际和计算243.3.1 Z向滚珠丝杠及伺服电机的选择243.3.2 Z向运动导轨的设计294.快速成

2、形的效益和应用35结 论37致 谢38主要参考文献39全套图纸，加527953900绪 论1.1 概述众所周知，制造业是一个国家的立国之本。20世纪下半叶以来，随着科学技术迅速发展，制造业正在经历一场深刻的革命。产品的竞争越来越激烈，产品更新周期越来越短。空前激烈的市场竞争迫使制造业必须以更快的速度设计、制造出性能价格比高并能满足人们要求的产品。因此，产品快速开发的技术和手段成为了企业的核心竞争力。在这种形式下，传统的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不再适应要求，于是先进制造技术就成为世界范围内的研究热点，涌现出了计算机集成制造、敏捷制造、并行工程、智能制造等先进的生产管理模式和净近成形、

3、激光加工、快速成形等先进的成形概念和技术。产生于20世纪80年代的快速成形技术是先进制造技术的重要组成部分。该技术是基于离散堆积成形原理，集成了计算机、数控、激光、新材料等技术发展起来的，与60年代的数控技术一样对制造业产生了巨大的影响。快速成形经过十多年的发展，目前已有几十种工艺及相应的商品化设备。在这一领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最新出现，研究、开发的工艺种类也最多。其次在欧洲、日本发展规律也很快。国内在该领域的研究起步较晚，20世纪90年代初开始涉足，经过几年的努力，在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上

4、了世界发展的步伐，并有新的创新1。1.2 快速成形的原理快速成形是80年代末期开始商品化的一种高新造技术它有不同的英文名称，如Rapid Prototyping（快速原型制造、快速成型、快速成形）、Freeform Manufacturing（自由形式制造）、Additive Fabrication（添加式制造）等，常常简称为RP。快速成形将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体。快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三位物理实体的技术。其核心是由CAD模型直接驱动。首先由CAD软件设计

5、出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则将模型离散为一系列有序的单元，通常在向将其按一定厚度进行离散（习惯称之为分层或切片），把三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，最终得到一个三维物理实体。这种将一个复杂物理实体所需的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工的难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。快速成形由以下五个部分组成：1) CAD模型设计

6、主要是解决零件的几何造型，因此需有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。目前，大多数CAD商业软件配有STL数据接口，如Pro/Engineer，UG，CADKEY，Strim100，SolidWorks，AutoCAD系列等。2) 向离散化这是一个分层过程，它将CAD模型在向上分解成一系列具有一定厚度的薄层，厚度通常在之间。 离散化破坏了零件在向上的连续性，使之在向上产生了“台阶”。但从理论上讲，只要将分层厚度定得合理，就能满足零件的加工精度要求。3) 层面信息处理为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状信息转化成控制成形机运动的数控代码。4) 层面加工与

7、粘接成形机根据控制指令进行二维扫描。同时进行层与层的粘接。5) 层层堆积当一层制造完毕后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完成。对完成的原型进行后处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。快速成形彻底的摆脱了传统的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件，而采用全新的增长加工方法用一层层的小毛坯逐层叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方法1030的工时和2035的成本，就能直接制造出产品样品和模型。由于快速成形具有上述突出的优势，所以近些年来发展规律

8、迅速，已成为现代制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（Concurrent Engineering，简称CE）的必不可少的手段2，3。1.3 快速成形的特性快速成形在成形概念上以离散堆积成形为知道思想；在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为目标。因此，只有在计算机技术和数控技术高度发展的今天，才有可能产生快速成形技术。CAD技术实现了零件的曲面和实体造型，能够进行精确的离散运算和复杂的数据转换。先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供了必要的基础，这是精确高效堆积材料的前提。而材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚实的基础，材料技术的每一项技术带来新的发展机遇。目前快速成形技术中材料的转

9、移形式是自由添加、去除、添加和去除相结合等多种形式，构成三维物理实体的每一层片，一般为2.5维层片，即侧壁为直壁的层片，目前也出现了由三维层片构成的实体工艺,相信在不久的将来,这种技术将形成规模应用。快速成形技术的重要特征是：1) 高度柔性，成形过程无需专用工具和夹具，可以制造任何复杂形状的三维实体；2) CAD模型直接驱动，CAD/CAM一体化，无须人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；3) 成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适合成形材料为非均质并具有功能梯度或空隙度要求的原型；4) 成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；5) 技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、激光、新

10、材料等技术的高度集成3。1.4 快速成形的历史和发展从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如，1892年，J.E.Blanther在他的美国专利（473901）中，曾建议用分层制造法制成地形图。这种方法的原理是，将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上,然后按轮廓线切割蜡片并将其粘接在一起，熨平表面，从而得到三维的地形图。1902年，Carlo Baese在他的美国专利（774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术“立体平板印刷术”（StereLithography）的初始设想。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘接成三维地

11、形图的方法。50年代之后，出现了几百个有关快速成形技术的专利。其中，Zang(1964)、Richard Meyer(1970)和Gaskin(1973) 等又提出了用一系列轮廓片形成三维地形图模型的新方法。Paul Dimatteo在他的1976年的美国专利（3932923）中，进一步明确提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转换成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割使这些薄片成形，再用螺钉、销钉等将一系列薄片连接成三维物体，这些设想与现代另一种快速成形技术物体分层制造（Laminated Object Manufacturing）的原理极为相似。1979年，日本东京大学的Nakagawa教授开始采用分

12、层制造技术制作实际的模具，如落料模、压力机成形模和注塑模。上述早期的专利虽然提出了一些快速成形的基本原理，但还很不完善，更没有实现快速成形机械及其使用原材料的商品化。80年代末之后，快速成形技术有了根本的发展，出现的专利更多，仅在1986-1998年期间，注册的美国专利就有274个。这首先是Charles W Hull 在他1986年的美国专利（#4575330）中，提出了一个用激光照射液态光敏树脂，从而分层制造三维体的现代快速成形机的方案。随后，美国的3D Systems公司据此专利，于1988年生产出了第一台现代快速成形机SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成形机)，开创了快速成形技术发

13、展的新纪元。在此后的10年内，涌现了10多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄形材料选择性切割（LOM）、丝状材料选择性熔覆（FDM）和粉末材料选择性烧结（SLS）等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。到1980年为止，全世界已拥有快速成形机4259台快速成形制造公司约27个，用快速成形机对外服务的机构331个。不仅如此，还派生出一个全新的领域快速模具制造（Rapid Tooling）,从而使快速成形技术为现代制造业必不可少的支柱技术。我国自90年代以来也展开了相应的快速成形技术的研究和应用。有几家公司引进了国外的RPM系统。清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空

14、航天大学等几所高等院校及北京隆源自动化有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发，并开始有产品问世。例如，现已研制出的样机或系统有：华中理工大学基于分层制造方法（LOM）HRP的系统、隆源公司基于选择性激光烧结（SLS）RPS的系统。1995年11月召开了中国第一届快速成形技术（RPM）学术及技术展示会，1997国家科委专门召集了国内有关RPM研究和应用单位，共同探讨了在我国推广RPM应用的战略。由于各国十分重视快速成形技术，每年都有一批研究成果问世，十分复杂的零部件已能用快速成形技术制造出来，企业应用该技术所取得的效益十分明显。RPM设备的需求量日益增大1,4。1. 总体方案机械传动部分的设计

15、主要包括电机的选型和机械结构X-Y水平运动传动装置和Z轴上下移动升降装置。2.1机械结构传动传动装置设计机械传动系统简图X轴与Y轴的传动系统简图如图2-1所示：伺服电机图2-1 传动系统简图传动装置是大多数机床的主要组成部分。实践证明，传动装置在整台机床的质量和成本都占很大的比例。机器的工作性能和运转费用也在很大的程度上决定于传动装置的优劣。因此传动方案的选择是机械设计的重点。在这次成型机的设计中电机到执行部件的传动装置可采取的几种方案:齿轮传动、普通V带传动、同步带传动、链传动、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆传动。下面将以上几种传动方案进行比较：齿轮传动的承载能力和速度范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，

16、工作可靠，效率高，寿命长，制造安装精度要求高，噪声大，成本较高。齿轮齿条传动常用于行程较大的大型机床上，可以得到较大的传动比，易得到高速直线运动，刚度及机械效率也高，但传动不够平稳，传动精度不高。普通V带传动的承载能力较小，传递相同转矩时结构尺寸较其他传动形式大，但传动平稳，能缓冲振动，噪声小，经济性好。同步带传动可保证准确的传动比，优点是传动适用的速度范围广，传动比大，效率高（可达98%），预紧力较小，轴和轴承上受的载荷较小，单位长度质量小，故允许较高的线速度，但制造和安装精度要求较高，中心距要求严格。链传动属于带有中间挠性件的啮合传动。在两根平行轴间只能用于同向回转的传动；运动是不能保持恒

17、定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在载荷变化很大和急速反向的传动中应用。丝杠螺母副传动中，滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，摩擦损失小，传动效率高，可达0.90-0.96；丝杠与螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；摩擦阻力小，几乎与速度无关。能保证运动平稳，不易发生低速爬行现象；不能自锁，有可逆性。蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，由于蜗杆的齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐推出啮合的，同时啮合的齿对有较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。综合比较几种传动方案最后选择丝杠螺母副传动适合并能满足伺服电机和工作台的连接需要，因此传动装

18、置选择丝杠螺母副传动。机床的整体布局设计要根据设计要求中能成型的最大空间、负重的载荷以及传动关系，位移，速度，加速度，时间等一系列参数进行设计，最后得到一个能满足设计要求并且成型机各个部件间相对位置关系协调合理的结果造型。机械结构的主要组成有机架、工作平台、导轨。2.2 电机的选型 步进电机和伺服电机性能比较如下：步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式伺服系统的出现，伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式伺服电机作为执行电动机。虽然

19、两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。一、控制精度不同：两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGERLAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式

20、交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。二、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱

21、动器上采用细分技术等。伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。三、矩频特性不同步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。四、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。伺服电机具有较强的过载能力。以松下伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，

22、可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。五、运行性能不同步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。六、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。伺

23、服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，伺服电机在许多性能方面都优于步进电机。而且本次LOM快速成型机的设计属于精密车床系列。所以，本次设计传动控制系统中选择伺服电机。3. LOM型快速成型机传动系统设计3.1概述目前所研制的快速成型系统的系统的原理和工作方法均有很大不同，而且分类的方法亦有多种。现在，已有多种商品化的快速成形技术和快速成形机，其中最典型的有如下几种：（1） 液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithography Apparat , 简称为SLA或SL，直译名为“立体

24、平板印刷设备”）；（2） 薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称为LOM，直译名为“分层物体制造”）；（3） 丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling，简称为FDM，直译名为“熔积成形”）；（4）粉末材料选择性烧结（Selected Laser sintering，简称SLS，直译名为“选择性激光烧结”）；（5） 粉末性材料选择性粘结；（6）喷墨式三维打印等。其差别主要在于薄片所采用的原材料类型，由原材料构成截面轮廓的方式，以及截面层与层之间的连接方式。分层实体制造（LOM）工艺又称叠层实体制造或薄形材料选择性切割，

25、由美国的Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功，并推出产品化的机器。 LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用二氧化碳激光器（或刀）在计算机控制下切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件粘接，从而堆积成型。LOM型快速成形机是由计算机、原材料、热碾压机构、激光切割系统、可升降工作台、机架和数控系统等组成。其中计算机用于接受和存储工件的三维模型，沿模型的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸），逐步送至工作台的上方。热粘压机构将一层层

26、材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓线区切割成小方网格，这是为了在成形之后能剔除废料。网格的大小据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑正在成形的工件，并在每层成形之后，降低一个材料厚度（通常为0.10.2mm），以便送进、粘合和切割新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。机架是整个机器的支撑。其系统见图3-1所示：图3-1 快速成形机原理图在LOM快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制

27、品如图3-2所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。图3-2 成型产品LOM工艺中的成型材料涉及三个方面的问题， 即纸、热熔胶、和涂布工艺。纸材料的选取、热熔胶的配置即涂布工艺的研究均要从保证最终成形零件的质量出发，同时要考虑成本5。3.2 传动系统的机械零件设计和计算激光切割系统是由激光器、外光路、切割头、XY工作台、直流伺服电机等组成。其中，激光器的输出功率为；发射波长为；输入功率为；冷却方式为空气冷却；激光头尺寸： 电源尺寸：。外光路由2个反光镜和1个聚焦镜组成，它能保证焦距稳定，切割光斑的直径为。配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束能恰

28、好切透正在成形的一层材料，而不会损伤已成形的下一层截面轮廓。激光切割头由两台直流伺服电机驱动，能在XY平面上作高速、精密扫描运动。XY工作台由精密滚珠丝杠传动，用精密直线导轨导向，重复定位精度为1。 主要技术参数： 成形空间： 激光头最大切割速度： 激光头定位精度：3.2.1 X-Y向滚珠丝杠的选择由于电动机布局等的考虑，将X向滚珠丝杠放在Y向滚珠丝杠之下，而且丝杠所受到的载荷主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力（重力由导轨部分来抵消，其它力暂时忽略不计）。由于X方向的丝杠带动的部件重量较Y向大，故所选用的丝杠型号以X向为基准。Y向丝杠的选用过程同X向。计算X向滚珠丝杠的有关数据：经初步估算，上拖板、

29、Y向滚珠丝杠及螺母副、直线导轨轴和激光头及安装座等的重量约为。工作台滚动导轨摩擦系数为，工作台最高移动速度，相当于，显然滑动导轨不能符合要求，因为它只适合速度相对不高（导轨移动的相对速度）的情况；同时，静压导轨（不管是液体静压导轨，还是气体静压导轨）的结构复杂，需要多加一部分管路和沟槽以及动力设备，会大大增加机床的复杂程度，同时增大了产品的成本；采用滚动导轨，摩擦系数小，而且几乎与运动速度无关，中等尺寸部件的摩擦力一般为，而且低速无爬行，精度满足要求，且寿命长（10年），精度保持性高。类比用于坐标镗床工作台的滚动导轨，数控机床等高精度机床中，这种导轨副的摩擦系数如下表：表3.1摩擦系数导轨材料

30、摩擦系数淬火钢铸铁为提高X、Y向传动系统的刚度，丝杠两端采用固定支承（F-F），每个轴承座内安装一个滚针和一对推力组合轴承（详见6）。由于本机床要求的定位精度为，且工作台的最大行程为，移动最大速度为；同时，设丝杠寿命，工作可靠性；滚珠丝杠副的传动效率可达7，传动可逆性好，效率与正传动几乎相同。依据以上的这些设计参数，可得：1丝杠载荷6：对于采用三角形或综合导轨的机床，滚珠丝杠副的轴向载荷可以近似使用以下公式计算（2-1）（考虑颠覆力矩影响的实验系数）；（导轨上的摩擦系数）；（移动部件的重量）所以，导轨摩擦力 快速移动载荷为导轨摩擦力丝杠移动部件轴向载荷总载荷以上为丝杠副的轴向载荷计算。工作台最

31、大速度：2.电机转速最大2500r/min2.丝杠导程滚珠丝杠导程：工作台最大速度3.初选滚珠丝杠（1）计算动负荷（2-2）其中：寿命系数:（2-3）转速系数:（2-4）查表，选用两端固定（F-F）, 可提高X、Y向传动系统的刚度，每个轴承座内安装一个滚针和一对推力组合轴承。适用于高速、高精度、高刚度的丝杠。影响滚珠丝杠副寿命的综合系数(电P829)（2）（2-5）当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速）下工作时，应按其使用寿命选择基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动负荷。由表查得 温度系数 （工作温度小于） 硬度系数 （P731） 精度系数 （精度等级4级）（P749） 可靠性系数 负荷性质系

32、数 （P827）滚珠丝杠副的轴向负荷（P829）以上是在较高速和定工作负荷的情况下，滚珠丝杠副的运用方法。（3）确定允许的最小螺纹底径（计算步骤参见12第五版第三卷12章）估算丝杠允许的最大轴向变形量由表12-1-40中式（8）重复定位精度(2-6)重复定位精度=10um重复定位精度由表12-1-40中式（9）定位精度(2-7)定位精度=20um定位精度取两结果最小值按表12-1-40中式（11）(2-7)（按无工件空载启动检验精度）行程(2-8)行程取700mm丝杠要求预拉伸，取两端固定支撑形式a=0.039代入表12-1-40中式（10）(2-9)4.确定滚珠丝杠副的规格代号 由GB/T

33、17587.2-1998试初选需用型内循环大导程预紧滚珠丝杠，型号为查表得 同时查的螺母长同时选定JB/T3162推荐的固定轴端形式: ,采用一对DF型760202角接触球轴承，从表可查的一个支撑长为5.临界转速校核(2-10)高速运转的丝杠有可能发生共振，需要校核临界转速，不发生共振的最高转速称为临界转速，以表示。丝杠支承方式系数 丝杠螺纹底径： 临界转速计算长度所以，非常符合要求。6.压杆稳定性校核：两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。7.预拉伸计算（设温升为，工作前均衡温度场）（1）温升引起的伸长量(2-11)线膨胀系数 丝杠温升，一般取 螺纹有纹长度（2）丝杠全长伸长量（3

34、）预拉力(2-12)8.定位精度校核（1）丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移(2-13) （2）丝杠与螺母间的接触变形(2-14)由表，查得大导程CT1012滚珠丝杠副的接触刚度 所以，快移时接触变形量由于采用的是组合轴承，故轴承的接触变形可忽略不计。（3）丝杠系列的总位移(2-15)由于发生在螺母处于丝杠中部处，而与螺母位置无关。所以，以上求得的位移均为。（4）定位精度 查表，取丝杠等级为2级的丝杠任意行程内行程公差为。加上快移时的总位移为，可以满足点位控制精度的要求。总结：根据计算结果可选用丝杠副型号为，两端支承为型的支承方式，轴承选用型号为型组合轴承。3.2.2 伺服电机的选择参数：估算工作

35、台重量为；工作台移动速度；摩擦系数为；联轴器效率为；进给丝杠长为；进给丝杠直径为；丝杠导程。18计算丝杠转速(2-16)2折算到电动机上的转动惯量设电动机额定转速，传动比为，则 工作台的： (2-17) 进给丝杠的 (2-18) 联轴器的总的负载转矩 (2-19) 负载运行功率 (2-20)计算所需的加速功率 (2-21)其中：计算稳定运行力矩 2-22)试初选用小惯量直流伺服电机其主要参数为6表3.2 SZ系列电磁式直流伺服电机主要技术参数型号转矩转速功率电压最大电流总长外径55SZ0164.48300020241.55/0.431123选用另一种方法验证：负载功率 设选用联轴器的传递效率为

36、90，则 所需电机功率为 又电机转速电机转矩 又所列参数如下综上，选择小惯量直流伺服电机其主要参数如下：SZ系列电磁式直流伺服电机主要技术参数型号转矩转速功率电压最大电流总长外径55SZ0164.68300020241.55/0.43112SZ系列电磁式直流伺服电动机，具有体积小，重量轻，伺服性能好，力学指标高等优点，广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件。 SZ系列电动机是数控机床和其它数控装置伺服系统的执行元件。具有体积小，重量轻，承受过载能力强，起动转矩大，反应快等优点。检测元件可采用脉冲编码器或测速发电机。同时，所选用的伺服电机应满足以下条件： 满足条件，试选电机合适。3.2

37、.3 Y向滚珠丝杠的选择因为X向滚珠丝杠在Y向丝杠之下，而且丝杠受到的力主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力，故所选的丝杠以X向丝杠为计算机基准。Y向滚珠丝杠基本设计参数：载荷重量G： 152kg工作台最大行程： 400mm 工作台导轨摩擦系数：动摩擦系数： =0.005;静摩擦系数： =0.005 要求寿命： 20000小时（两班制工作十年） 丝杆切割转速： 2000 工作时间百分比：90% 丝杆快速进给转速： 2500 工作时间百分比：10% 定位精度： 20300mm 重复定位精度： 10 工作台最高移动速度： 30计算步骤同X方向滚珠丝杠相同6，1. 载荷丝杠对于采用三角形或综合导轨的机床，滚

38、珠丝杠副的轴向载荷可以近似使用以下公式计算（考虑颠覆力矩影响的实验系数）；（导轨上的摩擦系数）；（移动部件的重量）所以，导轨摩擦力导轨摩擦力丝杠移动部件轴向载荷总载荷以上为丝杠副的轴向载荷计算。工作台最大速度：2.电机转速最大2500r/min2.丝杠导程滚珠丝杠导程：工作台最大速度3.初选滚珠丝杠（1）计算动负荷其中（3）确定允许的最小螺纹底径12估算丝杠允许的最大轴向变形量由表12-1-40中式（8）重复定位精度=10um重复定位精度由表12-1-40中式（9）定位精度=20um定位精度取两结果最小值按表12-1-40中式（11）（按无工件空载启动检验精度）行程取620mm丝杠要求预拉伸，

39、取两端固定支撑形式a=0.039代入表12-1-40中式（10）4.确定滚珠丝杠副的规格代号 由GB/T 17587.2-1998试初选需用型内循环大导程预紧滚珠丝杠，型号为查表得 同时查的螺母长同时选定JB/T3162推荐的固定轴端形式: ,采用一对DF型760202角接触球轴承，从表可查的一个支撑长为5.临界转速校核高速运转的丝杠有可能发生共振，需要校核临界转速，不发生共振的最高转速称为临界转速，以表示。丝杠支承方式系数 丝杠螺纹底径： 临界转速计算长度所以，非常符合要求。6.压杆稳定性校核：两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。7.预拉伸计算（设温升为，工作前均衡温度场）（1）

40、温升引起的伸长量线膨胀系数 丝杠温升，一般取 螺纹有纹长度（2）丝杠全长伸长量（3）预拉力8.定位精度校核（1）丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 （2）丝杠与螺母间的接触变形由表，查得大导程CT1012滚珠丝杠副的接触刚度 所以，快移时接触变形量由于采用的是组合轴承，故轴承的接触变形可忽略不计。（3）丝杠系列的总位移由于发生在螺母处于丝杠中部处，而与螺母位置无关。所以，以上求得的位移均为。（4）定位精度 查表，取丝杠等级为2级的丝杠任意行程内行程公差为。加上快移时的总位移为，可以满足点位控制精度的要求。总结：根据计算结果可选用丝杠副型号为，两端支承为型的支承方式，轴承选用型号为型组合轴承。3.2

41、.4 伺服电机的选择：可用的参数：工作台重量为；工作台移动速度；摩擦系数；联轴器效率；进给丝杠常为；进给丝杠直径为；丝杠导程为。以下计算同X向滚珠丝杠。电机型号及参数6表3.3 Y向电机主要参数型号转矩转速功率电压最大电流总长外径90SZ0363730002001112.8/0.27112滚珠丝杠选型结果一样，所以，X向和Y向选用相同的丝杠、轴承、轴承座等一系列的零部件。3.2.5 联轴器的选择根据已知条件，转速较低，电动机载荷适中，两轴能精确对中，轴的刚性较好，所以选用刚性凸缘联轴器。（刚性凸缘联轴器详见12第一卷）凸缘联轴器(亦称法兰联轴器)是利用螺栓联接两凸缘(法兰)盘式半联轴器，两个半

42、联轴器分别用键与两轴联接，以实现两轴联接，传递转矩和运动。凸缘联轴器结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。凸缘联轴器机构如图3-3所示：图3-3 凸缘联轴器GY凸缘联轴器的基本参数及主要尺寸13（SJ 2127-82）：表3.4联轴器基本参数型号GY1基本参数 转矩25孔径12H7外径18许用转速12000长度217计算转矩按下式计算：式中P驱动功率，kW；n工作转速，r/min； K工作情况系数，下表对于刚性联轴器取大值，在此取K=2。对于Y方向有P=0.2kW，n=250

43、0r/min所以表3.5工作情况系数联轴器满足 nn=12000r/min n许用转速。选择联轴器型号为GY1满足要求3.2.6 运动导轨的设计本设计采用整体型直线滚动导轨，因为它是根据预紧订货，不需要自己调整。因为Y向导轨比X向导轨载荷重，所以此处选择Y向计算选型，最终X向和Y向选择一样的型号。查阅HIWIN生产的线性滑轨，其滑轨的特点适合在本设计中使用。由于本机器的特点和结构以及丝杠的型号试初选HGH 20CA型导轨10，根据参考资料可得其导轨参数，其额定动载荷。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可根据滚动导轨的额定动载荷用下列公式进行计算： 其中：L为滚动导轨副的距离寿命，F为每

44、个滑块上的工作载荷，为硬度系数，导轨面的硬度为5864HRC时，1.0，为温度系数，当工作温度不超过时，为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时，为载荷/速度系数，无冲出振动或时，取。 则滚动导轨副的距离寿命L： 从产品样本中选定了滚动导轨副的型号，计算距离寿命L或小时额定寿命，若L或大于滚动导轨的期望寿命时，则满足设计要求，初选的滚动导轨副即可采用。由于，所以初选的滚动导轨副满足要求。3.3可升降工作台的实际和计算3.3.1 Z向滚珠丝杠及伺服电机的选择可升降工作台由步进电机经精密滚珠丝杠驱动，用精密直线滚珠导轨导向，从而能在高度方向上作快速、精密的直线往复运动。由于快速成形系统的可升降工作台和

45、所要制作的工作比较重，因此，在它们的可升降工作台中设有重量平衡装置，以便降低伺服电机的驱动功率，并使工作台运动平稳。估算平台和工件重量：平台上的纸材的体积 成型空间为：500400400则体积纸材的密度 最大成形件的重量约为 工作升降平台的材质为硬铝，密度较小，体积约为，质量约为，再加上其它附件，工作台的总质量约为 工作台后侧有导轨，采用滑动摩擦，摩擦系数为；丝杠两端为固定支承，定位精度为 1丝杠载荷6（1）导轨摩擦力为紧力（导轨反力）由简化的力学模型可得（2）滚珠丝杠副的轴向载荷计算对于采用燕尾形导轨的机床，滚珠丝杠副的轴向载荷为2丝杠导程 假设工作台最大速度设为 而丝杠最大转速则丝杠的3确

46、定额定负载荷 要求使用寿命为寿命系数 转速系数 由表查得，选用两端固定（F-F），使用于高速、高精度、高刚度。影响滚珠丝杠副寿命得综合系数由表查得： 温度系数 (工作温度小于100) 硬度系数 精度系数 （选择3级精度） 负荷性质系数 （无冲击平稳运转） 可靠性系数 （可靠度取96）综合系数 以上是在低速（行程非常短，可以认为是静态的移动）和定工作负荷得情况下，滚珠丝杠副得选用。4. 确定允许的最小螺纹底径12估算丝杠允许的最大轴向变形量由表12-1-40中式（8）重复定位精度=10um重复定位精度由表12-1-40中式（9）定位精度=20um定位精度取两结果最小值按表12-1-40中式（11

47、）（按无工件空载启动检验精度）行程取600mm丝杠要求预拉伸，取两端固定支撑形式a=0.039代入表12-1-40中式（10）5. 确定滚珠丝杠副得型号 由GB/T 17587.2-1998试初选需用型内循环大导程预紧滚珠丝杠，型号为型，查表可知： 同时查的螺母长同时选定JB/T3162推荐的固定轴端形式: ,采用一对DF型760202角接触球轴承，从表可查的一个支撑长为6临界转速校核（1）丝杠底径（2）支承方式系数 由表查得，（两端固定）（3）临界转速计算长度所以非常符合。7压杆稳定校核两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。8伺服电机选择可用底参数：工作台重量为；工作台移动速度；摩

48、擦系数；联轴器效率；进给丝杠长为；进给丝杠直径为；丝杠导程；（1）计算丝杠转速（2）折算到电动机上的转动惯量： 设电动机额定转速，传动比为，则工作台的：进给丝杠的： 联轴器的：总的： 负载转矩计算所需的稳定功率： 计算所需的加速功率：计算稳定力矩：（验证计算过程的一种方法）又 所列参数如下：综上，选择直流伺服电机，其主要参数见下表：表3.6 Z向电机主要参数型号转矩转速功率电压电流总长外径130SZ0682327505772202.3/0.28161可以改变控制电压或改变磁通都可以控制直流伺服电动机底转速和转向，前者称为电枢控制，后者称为磁场控制。由于电枢控制具有响应迅速、机械特性硬、调速特性

49、线性度好等的优点，在实际生产中大都采用电枢控制方式。（详细见8P95）3.3.2 Z向运动导轨的设计一导轨概述导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动，并承受运动部件及工件的重量和切削力（此处无切削力）。导轨应满足下列要求：精度高；寿命长；刚度及承载能力大；摩擦阻力小；运动平稳；结构简单，便于加工、装配、调整、维修，成本低。设计导轨的任务是：（1） 选择导轨的结构类型此处用到的导轨作进给运动的相对速度不高润滑也不充分，工作在干摩擦、液体摩擦的混合摩擦区。（2） 摩擦特性一般采用聚四氟乙烯（）与钢板复合材料，摩擦系数低，因为移动速度慢，且每次移动的位移极小，可以认为摩擦系数几乎不变。（3） 承载能

50、力（平均比压）基塑料3.5 （连续干摩擦使用）基塑料17.5 （间断使用）基塑料35 （短暂峰值）（4）刚度 塑料层与底面金属完全接时刚度较高。（5）精度 塑料层与金属粘结很好时，精度较高。（6）运动平稳性 低速无爬行。（7）减振性 塑料复合导轨板有良好的吸振性。（8）定位精度和灵敏度 用时为（9）寿命长 寿命长，粘结的塑料复合导轨板摩擦后还可以更换，公艺性好、维护方便及成本低廉。（10）结构简单，加工性好，粘结容易，可在润滑不良或干摩擦下使用，修理机床时更换简单，成本相对更换新的低很多。应用范围广，如在仿形机床、数控机床、精密机床、重型机床上均有应用。二滑动导轨截面形状 直线运动滑动导轨截面

51、，应保证运动部件只能沿直线方向运动，限制运动部件的转动和横向移动。当移动部件的尺寸不大、行程较小时，可采用一条导轨作成封闭形状，即固定部件的导轨被移动部件所包容，而且，机床移动部件尺寸不大，作用力或重心正好通过导轨面。同时，垂直配置的导轨必须用闭合导轨。再类比实际加工机床的Z向导轨，选择使用燕尾形导轨。 燕尾形导轨的机构特点：1 固定部件导轨为凸形，方便加工。2 凸导轨顶面（燕尾宽端）接触，支承面距离大。3 凹凸导轨加工方便。4 有利于增加固定部件刚度。5 移动部件装配方便（可采用扣装）常用于立柱、床身导轨，如升降台铣床床身。 虽然，燕尾导轨的刚度、摩擦损失、承受载荷能力等方面不如其它导轨，但

52、是本机床的载荷较小，刚度要求不高，如果导轨的的材料选择合适，表面再进行适当处理，完全可以符合使用要求。三确定燕尾导轨式尺寸1 初选燕尾导轨的尺寸如下（单位 mm）：表3.7导轨尺寸参数HH1dbAA1BB1B2F4041326200206261.6263.465293.472 2.计算导轨的力学性能（详见7,p171）计算导轨最重要的数据是导轨表面的比压值，导轨面垂直反力及最大比压的计算过程如下：图3-4 垂直面受力分析图受力情况运动部件的重心在对称中心平面ZX平面内，移动部件作移置运动时，在重力和牵引力作用下，导轨只承受力矩，其计算公式为：当丝杠位于导轨面前端时，取“”值通常情况下选取则当取

53、时，根据前面所选择的各项尺寸，初选（取最大值），代入上式：导轨反力：根据初选，可得导轨反力最大比压：式中由上图求出，计算时根据初选燕尾导轨的尺寸由图6.228b，求出又因为是采用了聚四氟乙烯（）为基材的塑料，间断使用时，允许比压达到；短暂使用时，最大可达。对于进给导轨（滑动速度较小）平均比压为（书p157）四导轨的间隙调整装置直线导轨间隙调整装置广泛采用了镶条和压板。镶条装在运动部件上，当两侧受力都较大时，应选用斜镶条。 由于此导轨表面进行了特殊处理，两侧摩擦极小，不需要经常调整。如果试验阶段发现一侧磨损较大，间隙消除后，使运动部件向装有镶条的一侧移。如果又不允许横向移动（会引起丝杠弯曲），可

54、在导轨两侧各用一条镶条，以保持间隙调整后中心位置不变。本次设计中，我们选择仅用一条镶条来调整。1 燕尾导轨装配方式与镶条结构尺寸关系（1）沿运动方式装配（套装）可用平镶条或斜镶条。适宜于移动部件的质量较轻；有足够空间的场合。（2）横向装配（扣装）用梯形镶条或适合于运动部件的质量较重；受空间限制大的场合。选择方式（2）较符合要求。2 燕尾导轨的梯形镶条尺寸表3.8导轨的梯形镶条尺寸参数S40325820182832364013镶条材料（P149） 45钢正火能够刮研，不易折断（相对于铸铁而言），容易擦伤铸铁导轨面。 塑料摩擦小，耐磨性好, 不易擦伤铸铁导轨面。 4导轨的材料于热处理a) 对导轨材

55、料的要求（详见p177）b) 导轨幅材料的匹配。导轨摩擦幅应尽量由异种材料相配组成，如果选用相同的材料，也应采用不同热处理工艺或不同的硬度。 在直线运动的导轨副中，较长的一条导轨（通常是不动导轨）用较耐磨的和较硬的材料制造，这是因为：（1）长导轨在全长上磨损不均匀，而且磨损后不能用调整的办法来补偿，对加工精度影响较大；（2）短导轨耐磨性较低，使用中误差会较快地消除，且便于刮研，减少修理过程中的劳动量；（3）长导轨通常是外露地，容易受到意外的损伤。采用铸铁为动导轨，淬火铸铁为固定导轨，相对寿命通常为23。 铸铁是一种应用最广泛的导轨材料，易于铸造，切削加工性好，成本低，由良好的耐磨性和减振性。通

56、常以或作为固定导轨，如立柱。而相应以或作为相配的动导轨。本次使用的固定导轨表面进行了火焰淬火，淬硬层深度，硬度。除此之外，导轨表面还需要喷涂一定厚度的热塑性材料，如聚乙烯等，它们与铸铁对磨时，摩擦系数很小，其本身的耐磨性也比铸铁高2倍以上；对铸铁导轨能起到明显的保护作用。4. 快速成形的效益和应用在产品的设计和制造领域应用快速成形技术4，能显著的缩短产品投放市场的周期，降低成本，提高质量，争强企业的竞争能力。一般而言，产品投放市场的由设计（初步设计和详细设计）、试制、试验、征求用户意见、修改定型、正式生产和市场推销等环节所需要的时间组成。由于采取快速成形技术之后，从产品设计的最初阶段开始，设计

57、者、制造者、推销者和用户都拿到实实在在的样品（甚至小批量试制的产品），因而可以尽早地、充分地进行评价、测试及反复修改，并且能对制造工艺过程及其所需的工具、模具和夹具的设计进行校核，甚至用相应的快速模具制造方法做出模具，因此可以大大减少失误和不必要的返工，从而能以最快的速度、最低的成本和最好的品质来讲产品投入市场。（） 设计者受益 采用快速成形之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品，在单个零件和装配件的级别上，对产品设计进行校验（检查造型式样、配合关系及作用）和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品、甚至做出试制用工具和模具及少量的产品，据此判断上、下游的各种问题。这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著缩短设计周期和降低成本。因此，快速成形是真正实现并行设计的支撑技术。（） 制造者受益制造者在产品设计的最初阶段，也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等的准备，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。（） 推销者受益