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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
快速成型機(jī)設(shè)計(jì)
系部名稱(chēng)： 機(jī)電工程系
專(zhuān)業(yè)班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08-4
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
職 稱(chēng)：
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Stereo Light Curing Molding Machine Mechanical And Electrical System Design
Candidate：Zhu jiliang
Specialty： Mechanical engineering
and automation
Class：08-4
Supervisor：Lecturer. Guo shaowen
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
摘 要 自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來(lái)，快速成型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用越來(lái)越廣 泛和深入， 光固化成型機(jī)的需求也越來(lái)越大。由此，本論文針對(duì) cps250 型激光 快速成型機(jī)的 機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括：1、X-Y 掃描機(jī)構(gòu)；2、Z 軸升降機(jī)構(gòu)； 3、刮刀機(jī)構(gòu)， 并且對(duì)其中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。X-Y 方向的平面掃描運(yùn)動(dòng)和 刮刀的水平運(yùn)動(dòng)由 原來(lái)的精密同步帶傳動(dòng)改成精密滾珠絲杠傳動(dòng)，使其在行程 較長(zhǎng)時(shí)不出現(xiàn)抖動(dòng)，有 利于保證掃描精度，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。采用直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)直接 連接滾珠絲杠，響應(yīng)更加快 速準(zhǔn)確，同時(shí)因無(wú)中間部件，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化， 精度較高。 通過(guò)對(duì)立體激光快速成型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得其運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)更加合理 和平 穩(wěn)，進(jìn)而使其在生產(chǎn)過(guò)程中能夠更好的進(jìn)行生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：快速成型機(jī)；掃描機(jī)構(gòu)；快速成型；傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) I ABSTRACT This article specifically for three-dimensional modeling of light-cured structural design of mechanical systems. X-Y scanning normally used to screw drive. Through the motor rotation, with another even reached the screw shaft, through to the X and Y to the two motors of rotation to achieve XY to scan; Z to the table, also by the screw and a rail. Z to the table by the extension units, columns, screw composition, its transmission is through the same motor rotation axis is to pass even reached the screw by screw to achieve the rotation of the table move up or down. Through the three-dimensional modeling of light-cured in the design and mechanical systems, making their campaigns and drive more reasonable and stable, then in the production process so that it can better carry out production. Key word: SLA；Scanning agencies ；Rapid Prototyping；Transmission；Structure design 2 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 緒 論 .1 1.1 快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 .1 1.1.1 RPM 的基本構(gòu)思 .1 1.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù) .2 1.1.3 各種成型方法簡(jiǎn)介及對(duì)比 .3 1.2 快速成型精度概述 .3 1.3 快速成型機(jī) SLA 技術(shù)原理 .5 1.4 快速成型機(jī) SLA 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 .6 1.5 快速成型機(jī) SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 .6 1.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作 .7 1.6.1 主要設(shè)計(jì)工作 .7 1.6.2 設(shè)計(jì)參數(shù) .7 1.6.3 設(shè)計(jì)思路及主要問(wèn)題 .7 第 2 章 XY 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 .9 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .9 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) .9 2.1.2 方案的分析、比較、論證 .9 2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .10 2.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 .10 2.2.2 傳動(dòng)比的確定 .10 2.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 .10 2.3 絲杠的選型及計(jì)算 .11 2.3.1 計(jì)算絲杠受力 .11 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 .11 2.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 .15 2.4.1 初選導(dǎo)軌型號(hào) .15 2.4.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 .16L 3 2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .16 2.5.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 .17 2.5.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 .18 2.6 本章小結(jié) .21 第 3 章 Z 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 .22 3.1 Z 方向工作臺(tái)設(shè)計(jì) .22 3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .22 3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù) .22 3.1.3 方案的分析、比較、論證 .22 3.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .23 3.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 .23 3.2.2 傳動(dòng)比的確定 .23 3.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 .23 3.3 絲杠的選型及計(jì)算 .24 3.3.1 計(jì)算絲杠受力 .24 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 .24 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .28 3.4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 .28 3.4.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 .29 3.5 本章小結(jié) .31 第 4 章 刮刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) .32 4.1 刮板的選擇 .32 4.2 刮板的材料和移動(dòng)速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響 .33 4.3 本章小結(jié) .34 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng) .35 5.1 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介 .35 5.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性 .35 5.3 PLC 簡(jiǎn)單介紹 .35 5.3.1 為大量實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的特殊功能 .35 5.3.2 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信 .35 5.3.3 其它功能 .36 4 5.4 控制原則 .36 5.5 控制方法 .36 5.5.1 行程控制 .36 5.5.2 進(jìn)給速度控制 .37 5.5.3 進(jìn)給方向控制 .37 5.6 本章小結(jié) .37 結(jié) 論 .38 參考文獻(xiàn) .39 致 謝 .41摘 要 自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來(lái)，快速成型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用越來(lái)越廣 泛和深入， 光固化成型機(jī)的需求也越來(lái)越大。由此，本論文針對(duì) cps250 型激光 快速成型機(jī)的 機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括：1、X-Y 掃描機(jī)構(gòu)；2、Z 軸升降機(jī)構(gòu)； 3、刮刀機(jī)構(gòu)， 并且對(duì)其中的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。X-Y 方向的平面掃描運(yùn)動(dòng)和 刮刀的水平運(yùn)動(dòng)由 原來(lái)的精密同步帶傳動(dòng)改成精密滾珠絲杠傳動(dòng)，使其在行程 較長(zhǎng)時(shí)不出現(xiàn)抖動(dòng)，有 利于保證掃描精度，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。采用直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)直接 連接滾珠絲杠，響應(yīng)更加快 速準(zhǔn)確，同時(shí)因無(wú)中間部件，使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化， 精度較高。 通過(guò)對(duì)立體激光快速成型機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得其運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)更加合理 和平 穩(wěn)，進(jìn)而使其在生產(chǎn)過(guò)程中能夠更好的進(jìn)行生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞：快速成型機(jī)；掃描機(jī)構(gòu)；快速成型；傳動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) I ABSTRACT This article specifically for three-dimensional modeling of light-cured structural design of mechanical systems. X-Y scanning normally used to screw drive. Through the motor rotation, with another even reached the screw shaft, through to the X and Y to the two motors of rotation to achieve XY to scan; Z to the table, also by the screw and a rail. Z to the table by the extension units, columns, screw composition, its transmission is through the same motor rotation axis is to pass even reached the screw by screw to achieve the rotation of the table move up or down. Through the three-dimensional modeling of light-cured in the design and mechanical systems, making their campaigns and drive more reasonable and stable, then in the production process so that it can better carry out production. Key word: SLA；Scanning agencies ；Rapid Prototyping；Transmission；Structure design 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 第 1 章 緒 論 .1 1.1 快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 .1 1.1.1 RPM 的基本構(gòu)思 .1 1.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù) .2 1.1.3 各種成型方法簡(jiǎn)介及對(duì)比 .3 1.2 快速成型精度概述 .3 1.3 快速成型機(jī) SLA 技術(shù)原理 .5 1.4 快速成型機(jī) SLA 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 .6 1.5 快速成型機(jī) SLA 應(yīng)用領(lǐng)域 .6 1.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作 .7 1.6.1 主要設(shè)計(jì)工作 .7 1.6.2 設(shè)計(jì)參數(shù) .7 1.6.3 設(shè)計(jì)思路及主要問(wèn)題 .7 第 2 章 XY 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 .9 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .9 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) .9 2.1.2 方案的分析、比較、論證 .9 2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .10 2.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 .10 2.2.2 傳動(dòng)比的確定 .10 2.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 .10 2.3 絲杠的選型及計(jì)算 .11 2.3.1 計(jì)算絲杠受力 .11 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 .11 2.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 .15 2.4.1 初選導(dǎo)軌型號(hào) .15 2.4.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 .16L 2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .16 2.5.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 .17 2.5.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 .18 2.6 本章小結(jié) .21 第 3 章 Z 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 .22 3.1 Z 方向工作臺(tái)設(shè)計(jì) .22 3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .22 3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù) .22 3.1.3 方案的分析、比較、論證 .22 3.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 .23 3.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 .23 3.2.2 傳動(dòng)比的確定 .23 3.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 .23 3.3 絲杠的選型及計(jì)算 .24 3.3.1 計(jì)算絲杠受力 .24 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 .24 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .28 3.4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 .28 3.4.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 .29 3.5 本章小結(jié) .31 第 4 章 刮刀系統(tǒng)設(shè)計(jì) .32 4.1 刮板的選擇 .32 4.2 刮板的材料和移動(dòng)速度對(duì)涂層質(zhì)量的影響 .33 4.3 本章小結(jié) .34 第 5 章 PLC 控制系統(tǒng) .35 5.1 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介 .35 5.2 步進(jìn)電機(jī)的工作原理及特性 .35 5.3 PLC 簡(jiǎn)單介紹 .35 5.3.1 為大量實(shí)際應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的特殊功能 .35 5.3.2 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信 .35 5.3.3 其它功能 .36 5.4 控制原則 .36 5.5 控制方法 .36 5.5.1 行程控制 .36 5.5.2 進(jìn)給速度控制 .37 5.5.3 進(jìn)給方向控制 .37 5.6 本章小結(jié) .37 結(jié) 論 .38 參考文獻(xiàn) .39 致 謝 .41 0 第 1 章 緒 論 本文主要針對(duì)快速成型機(jī)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo) 準(zhǔn)，機(jī)械傳 動(dòng)部分參照了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè) 。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求使快速成型機(jī)的傳 動(dòng)及零部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、而且成本低廉、質(zhì)量 可靠、可批量生產(chǎn)，并且促 進(jìn)快速成型機(jī)的普及與發(fā)展，同時(shí)為國(guó)內(nèi)同 類(lèi)機(jī)器的設(shè)計(jì)提供一定的參考。 1.1 快速原型技術(shù)簡(jiǎn)介 快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototype Manufacturing) ,簡(jiǎn)稱(chēng) RPM ,是先進(jìn)制造技術(shù)的 重要分支.它是 80 年代后期起源于美國(guó) ,后很快發(fā)展到歐洲和日本 ,可以說(shuō)是近 20 年來(lái)制造技術(shù)最重大進(jìn)展之一.它建立在 CAD/ CAM 技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)控技 術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)之上 ,將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 與各種自由造型(Free Form Manufacturing)技術(shù)直接結(jié)合起來(lái) ,能以最快的速度將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定 結(jié)構(gòu)功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件 ,從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可能進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、測(cè)試、 改進(jìn) ,以完成設(shè)計(jì)制造過(guò)程 ,適應(yīng)市場(chǎng)需求. 1.1.1 RPM 的基本構(gòu)思 任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標(biāo)方向迭加而成 ,因此可利用分 層切片軟件 ,將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的 CAD 三維實(shí)體模型處理成一系列薄截面層 ,并根據(jù)各 截面層形成的二維數(shù)據(jù) ,用粘貼、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段 ,逐層有選擇地 固化液體( 或粘結(jié)固體) 材料 ,從而快速堆積制作出所要求形狀的零部件 (或模型).傳統(tǒng) 的制造方法是基于材料去除(material remove)概念 ,先利用 CAD 技術(shù)作出零件的三維 圖形 ,然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析(有限元分析、模態(tài)分析、熱分析等) ,再經(jīng)動(dòng)態(tài)仿真之后 ,通 過(guò) CAM 的一個(gè)后處理(Post Process)模塊仿真加工過(guò)程 ,所有的要求均滿(mǎn)足之后 ,形 成 NC 文件在數(shù)控機(jī)床上加工成形.快速原型制造技術(shù) RPM 突破了傳統(tǒng)加工中的金 屬成型( 如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工)和切削成形的工藝方法 ,是一種“使材料生 長(zhǎng)而不是去掉材料的制造過(guò)程” ,其制造過(guò)程的主要特點(diǎn)是: 1、新的加工概念. RPM 是采用材料累加的概念 ,即所謂“讓材料生長(zhǎng)而非去除” ,因此 ,加工過(guò)程無(wú)需刀具、模具和工裝夾具 ,且材料利用率極高; 2、突破了零件幾何形狀復(fù)雜程度的限制 ,成形迅速 ,制造出的零件或模型是具有 一定功能的三維實(shí)體; 3、越過(guò)了 CAPP(Computer Aided Process Planning)過(guò)程 ,實(shí)現(xiàn)了 CAD/ CAM 的 無(wú)縫連接; 1 4、RPM 系統(tǒng)是辦公室運(yùn)作環(huán)境 ,真正變成圖形工作站的外設(shè)。由于 RPM 可以 快速、自動(dòng)、精確地將 CAD 模型轉(zhuǎn)化成為具有一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零 件 ,因此它對(duì)于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、控制風(fēng)險(xiǎn)、提高企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力 ,都 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義. 1.1.2 幾種典型的快速成型技術(shù) 1、立體光固造型 SLA Stero Lightgraphy Apparatus 又稱(chēng)激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置 . 2、 疊層實(shí)體制造 LOM 疊層實(shí)體制造 Laminated Object Manufacturing 的成形材料是熱敏感類(lèi)箔材 (如紙 等) ,激光器的作用變是切割.成形開(kāi)始時(shí) ,激光器先按最底層的 CAD 三維實(shí)體模型的 切片平面幾何信息數(shù)據(jù) ,對(duì)于鋪在工作臺(tái)上的箔材作輪廓切割 ,之后 ,工作臺(tái)下降一 層高度 ,重新送入一層(鋪在底層之上)材料 ,并用加熱輥滾壓 ,與底層粘牢 ,激光器按 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)作輪廓切割 ,如此反復(fù)直至整個(gè)三維零件制作完成.LOM 制作的零件不收縮、 不變形 ,精度可達(dá) 0.1mm ,切片厚度 0.050.50mm。 3、 選擇性激光燒結(jié) SLS 選擇性激光燒結(jié) Selected Laser Sintering 的生產(chǎn)過(guò)程與 SLA 類(lèi)似 ,用 CO2 紅外 激光對(duì)金屬粉末或塑料粉末一層層地掃描加熱使其達(dá)到燒結(jié)溫度 ,最后燒結(jié)出由金屬 或塑料制成的立體結(jié)構(gòu). 4、 融積成型技術(shù) FDM 融積成型技術(shù)(Fused Deposition Modeling)的制造過(guò)程是 ,首先通過(guò)系統(tǒng)隨機(jī)的 Quick slice 和 SupportWorks 軟件將 CAD 模型分為一層層極薄的截面 ,生成控制 FDM 噴嘴移動(dòng)軌跡的幾何信息.運(yùn)作時(shí) ,FDM 加熱頭把熱塑材料 (如聚脂塑料、ABS 塑料、蠟等)加工到臨界狀態(tài) ,在微型機(jī)控制下 ,噴嘴沿著 CAD 確定的平面幾何信息 數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)并同時(shí)擠出半流動(dòng)的材料 ,沉積固化成精確的實(shí)際零件薄層 ,通過(guò)垂直升降 系統(tǒng)降下新形成層并同樣固化之 ,且與已固化層牢固地連接在一起.如此反復(fù) ,由下而 上形成一個(gè)三維實(shí)體.FDM 的制作精度目前可達(dá) 0.127mm ,連續(xù)堆積范圍 0.02540.508mm ,它允許材料以不同的顏色出現(xiàn). 5、 其它快速原型制造技術(shù) 直接制模鑄造 DSPC (Direct Shell Production Casting)來(lái)源于三維印刷(3D Printing) 快速成型技術(shù).其加工過(guò)程是先把 CAD 設(shè)計(jì)好的零件模型裝入模殼設(shè)計(jì)裝置 ,利用 微型機(jī)繪制澆注模殼 ,產(chǎn)生一個(gè)達(dá)到規(guī)定厚度 ,需要配有模芯的模殼組件的電子模型 ,然 后將其輸至模殼制造裝置 ,由電子模型制成固體的三維陶瓷模殼.取走模殼處疏松的陶 2 瓷粉 ,露出完成的模殼 ,采用熔模鑄造的一般方法對(duì)模殼最后加工 ,完成整個(gè)加工過(guò) 程.此系統(tǒng)能檢測(cè)自己的印刷缺陷 ,不需要圖紙 ,就可完成全部加工. 光屏蔽(即 SGCSolid - Ground Curing)由以色列 Cubital 公司開(kāi)發(fā),該工藝可以 在同一時(shí)間固化整個(gè)一層的液體光聚合物. SGC 工藝使用丙烯酸鹽類(lèi)光聚合物材料 , 其制作精度可達(dá)整體尺寸的 0.1 %,切片厚度約為 0.10.15mm ,Cubital 公司開(kāi)發(fā)的 Solider5600 型產(chǎn)品制作的最大工作尺寸為 508 508 356mm ,所用紫外光燈功率為 2kW ,每一層循環(huán)約化 90s. MRM(Mitsubishi Chemical Rapid Moulding) 日本三菱化學(xué)最近推出的三菱化學(xué)快 速制模系統(tǒng),可將原型直接轉(zhuǎn)換成模具 ,采用稱(chēng)作“金屬補(bǔ)強(qiáng)樹(shù)脂制模(Metal Resin Moulding)復(fù)合料”,制模成本降低為傳統(tǒng)制模的 1/2 ,制模時(shí)間縮短了 1/21/3. 奧斯 丁的德克薩斯大學(xué)正在研究的高溫選擇激光燒結(jié)(HTSLS) ,在取消聚合物粘結(jié)劑方面 進(jìn)行了嘗試.結(jié)果表明 ,可利用 Cu - Sn 或青銅 鎳粉兩相粉末 ,采用激光局部熔化 低熔點(diǎn)粉末來(lái)制造模具 1.1.3 各種成型方法簡(jiǎn)介及對(duì)比 表 1.1 幾種典型成型工藝的比較 成型 工藝 原型 精度 表面 質(zhì)量 復(fù)雜 程度 零件 大小 材料 價(jià)格 利用 率 常用 材料 制造 成本 生產(chǎn) 效率 設(shè)備 費(fèi)用 SLA 較高 優(yōu) 中等 中小件 較貴 很高 樹(shù)脂 較高 高 較貴 LOM 較高 較差 簡(jiǎn)單 中小件 便宜 較差 塑料 低 高 便宜 SLS 較低 中等 復(fù)雜 中小件 較貴 很高 石蠟 較低 中等 較貴 HDM 較低 較差 中等 中小件 較貴 很高 金屬 較低 較低 便宜 1.2 快速成型精度概述 研究成型機(jī)的成型精度，提高成型精度，對(duì)于 RP 技術(shù)的推廣和應(yīng)用有很重要 的影響。制件誤差的產(chǎn)生原因見(jiàn)圖 1-1 所示： 光固化成型由三個(gè)環(huán)節(jié)組成:前處理、快速成型加工和后處理。 這三個(gè)部分彼此相連，共同完成光固化快速成型過(guò)程。每一環(huán)節(jié)中存在的誤差都 會(huì)影響到最終成型零件的精度。快速成型的精度為機(jī)械精度和制件精度。 目前影響快速成型最終精度的主要原因由于下幾個(gè)方面: 1、CAD 模型的前處理造成的誤差 目前，對(duì)于絕大多數(shù)快速成型系統(tǒng)而言，必須對(duì)工件的三維 CAD 模型進(jìn)行 STL 格式化和切片等處理，以便得到一系列的截面輪廓。在對(duì)三維 CAD 模型分層切片前， 需作實(shí)體模型的近似處理，即用三角面片近似逼近處理表面，其輸出的數(shù)據(jù)為 STL 3 文件格式，這種格式非常簡(jiǎn)單，便于后續(xù)的分層處理。STL 格式中每個(gè)三角面片只用 四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法向矢量，而整個(gè) CAD 模型就是這樣一組 矢量的集合，STL 公式化用許多小三角面去逼近模型的表面，由于以下原因，它會(huì)導(dǎo) 致誤差: A: 從本質(zhì)上看，三角面的組合，不可能完全表達(dá)實(shí)際表面，所以，誤差無(wú)法避 免; B: STL 公式化時(shí)，數(shù)據(jù)的沉余量太大，致使所需計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量過(guò)大，從而難 于選取更小、更多的小三角面，造近似結(jié)果與實(shí)際表面有更大的誤差; C: 另外，在進(jìn)行 ST L 格式轉(zhuǎn)換時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些局部缺陷，例如，在表面曲 率變化較大的分界處，可能出現(xiàn)據(jù)齒狀小凹坑，從而造成誤差。 制 件 誤 差 數(shù)據(jù)處理誤差 成型過(guò)程誤差 后處理誤差 分成切片產(chǎn)生誤差 光斑變化誤差 固化成型誤差 機(jī)器誤差 方向運(yùn)動(dòng)誤差 Z XY 掃描誤差 圖層誤差 液位波動(dòng)引起誤差 多光譜造成誤差 驅(qū) 動(dòng)器 參數(shù)補(bǔ)償誤差 樹(shù)脂收縮引起工件變型 殘留液態(tài)樹(shù)脂不均 勻收縮引起工件變型 CAD 模型面誤差 圖 1.1 制件誤差產(chǎn)生原因 2、成型系統(tǒng)的工作誤差 CPS250 成型機(jī)成型系統(tǒng)的工作誤差按照組成可分為托板升降誤差、X-Y 掃描誤 差和樹(shù)脂涂層誤差。托板升降誤差指的是托板的運(yùn)動(dòng)精度，它直接影響層厚的精度; 4 X-Y 掃描誤差指的是 X-Y 平面掃描系統(tǒng)沿 X, Y 方向的運(yùn)動(dòng)精度，它影響成型零件的 尺寸精度和表面光潔度。 3、成型過(guò)程中材料狀態(tài)引起的翹曲變形 在光固化過(guò)程中，樹(shù)脂由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，此時(shí)單體分子發(fā)生聚合反應(yīng)，分子之間 距離改變，相應(yīng)地造成體積收縮。在這個(gè)過(guò)程中，伴有加熱作用，這些因素會(huì)引起制 件每層截面的尺寸變化，再加上相鄰層間不規(guī)則約束，以由收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)造成 零件在加工過(guò)程中的變形。如加工一懸臂零件 (在懸臂部分不加支撐)，可以很明顯 地看到由于樹(shù)脂收縮而造成的變形。 4、成型之后環(huán)境度化引起的誤差 從成型系統(tǒng)上取下已成型的工件之后，由于溫度、濕度等環(huán)境狀況的變化，工件 會(huì)繼續(xù)蠕變并導(dǎo)致誤差。成型過(guò)程中殘留在工件內(nèi)的殘余應(yīng)力也可能由于時(shí)效的作用 而部分消失而導(dǎo)致誤差。 5、工件后處理造成誤差 通常，成型后的工件需進(jìn)行打磨、拋光和表面涂鍍等后處理。如果后處理不當(dāng)， 對(duì)形狀尺寸控制不嚴(yán)格，也可能導(dǎo)致誤差。后處理過(guò)程產(chǎn)生的誤差可分為三種:一是 支撐去除時(shí)對(duì)表面質(zhì)量的影響。要求支撐的設(shè)計(jì)必須合理，不多不少。另外一種是殘 留液態(tài)樹(shù)脂的固化引起工件的變形。因此在掃描成型時(shí)盡可能使殘留樹(shù)脂為零;成型 過(guò)程中工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的蠕變也是影響精度的因素之一。設(shè)法減小成型過(guò)程 中的殘余應(yīng)力有利于提高零件的成型精度。 1.3 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理 Stero Lightgraphy Apparatus 又稱(chēng)激光立體造型、激光立體光刻或立體印刷裝置。 它是基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)（=325nm ） 和功率（P=30mW ）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，相對(duì)分子質(zhì)量急劇增 大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。SLA 的原理是由 CAD 系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)備制造的零件進(jìn) 行三維實(shí)體造型設(shè)計(jì) ,再由專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)切片軟件 CAD 系統(tǒng)的三維造型切割成若干 薄層平面數(shù)據(jù)模型 ,但對(duì)表面形狀變化大和精度要求高的部分應(yīng)切得薄些 ,其他一般 部位切得厚些.隨后 CAM 軟件再根據(jù)各薄層平面的 X - Y 運(yùn)動(dòng)指令 ,在結(jié)合提升機(jī)構(gòu) 沿 Z 坐標(biāo)方向的間歇下降運(yùn)動(dòng) ,形成整個(gè)零件的數(shù)控加工指令 .指令輸入 SLA 系統(tǒng)中 ,首 先是工作臺(tái)下降至液體容器的液面之下 ,對(duì)應(yīng)于 CAD 模型最下一層切片的厚度處 , 根據(jù)該切片的 X- Y 平面幾何數(shù)據(jù) ,紫外光照射可固化的液態(tài)樹(shù)脂(如環(huán)氧樹(shù)脂 ,乙烯 酸樹(shù)脂或丙烯酸樹(shù)脂) ,在紫外光的作用下 ,因光聚合作用 ,第一層被固化在工作臺(tái)上. 然后 ,升降工作臺(tái)下降至第二層切片厚度 ,激光器按照該層切片的平面幾何數(shù)據(jù)掃描 5 液面 ,使新一層液態(tài)樹(shù)脂固化并緊緊粘長(zhǎng)在前一層已固化的樹(shù)脂上。如此反復(fù)“生長(zhǎng)” ,直至形成整個(gè)三維實(shí)體零件.如圖所示： 圖 1.2 立體光固造型 SLA 技術(shù)原理圖 1.4 立體光固造型 SLA 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)水平 立體光固造型 SLA 方法是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的 一種快速成型方法。 目前 ,研究 SLA 方法的有 3D System 公司、EOS 公司、F此外美國(guó) Dayton 大學(xué)還利用 SLA 工藝研制了一種桌 面成型系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于人體軟組織器官模型的建造。 6 1.6 本次設(shè)計(jì)的主要工作 1.6.1 主要設(shè)計(jì)工作 1、固化用激光掃描裝置設(shè)計(jì)； 2、浸于樹(shù)脂液體中的升降托盤(pán)設(shè)計(jì)； 3、刮刀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、整機(jī)總裝配圖設(shè)計(jì)； 5、部分硬件控制電路的設(shè)計(jì)。 1.6.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 1、成型空間：400*400*300mm 2、激光頭最大運(yùn)行速度：80mm/s; 3、激光頭定位精度：0.005mm 4、上拖板、激光聚焦系統(tǒng)以及直線(xiàn)導(dǎo)軌軸等的總重量：約 10kg 5、最大成型件重量：約為 10kg 6、固化深度/托盤(pán)的層間下降距離：0.1mm 7、Z 向定位精度：0.01mm 1.6.3 設(shè)計(jì)思路及主要問(wèn)題 采用分塊設(shè)計(jì)的思路，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分 XY 掃描系統(tǒng)， Z 方向工作臺(tái)升降 系統(tǒng)，刮刀機(jī)構(gòu)等三部分。 1、X-Y 掃描系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 動(dòng)工作臺(tái)，它帶動(dòng)光纖和聚焦鏡完成零件 的二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動(dòng)，掃 描范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁 材進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線(xiàn)圓柱滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、 步進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音 小、失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，X, Y 方向都采用了這種電機(jī)。為減少 X 方向負(fù)載的質(zhì)量，連 接板及電機(jī)座采用鋁材。 2、Z 軸升降系統(tǒng) Z 軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在 Z 軸方向運(yùn)動(dòng)的功能，它帶動(dòng)托板上下移動(dòng)。每 固化一層，托板要下降 1 個(gè)層厚。它是實(shí)現(xiàn)零件堆積的主要過(guò)程，必須保證其定位精 度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度、表面光潔度以及層與層之間的粘 接性能。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用 7 混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動(dòng)，省去 了中間齒輪級(jí)傳動(dòng)，既減小了尺寸又減小了傳動(dòng)誤差。 成形零件時(shí)，托板經(jīng)常做下降、提升運(yùn)動(dòng)，為了減少運(yùn)動(dòng)時(shí)與托板對(duì)液面的攪動(dòng)， 并且便于成型后的零件從托板上取下，需將托板加工成篩網(wǎng)狀，網(wǎng)孔大小、孔距設(shè)計(jì) 要合理，既能使零件的基礎(chǔ)與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運(yùn)動(dòng)時(shí)最小限度地阻礙 液體流動(dòng)。此外，考慮到樹(shù)脂有一定的酸性作用，所以浸泡在樹(shù)脂內(nèi)的材料全部選用 鋁合金或不銹鋼材料，一方面防腐;另一方面防止普通鋼和鑄鐵對(duì)樹(shù)脂的致凝作用。 由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長(zhǎng)，為避免托板 Z 方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí)造成吊梁 扭曲變形，吊梁采用 2m 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形狀。 3、刮平系統(tǒng) 由于樹(shù)脂的粘性及固化樹(shù)脂的表面張力作用，如僅僅依賴(lài)樹(shù)脂的流動(dòng)而達(dá)到液面 平整的話(huà)，就會(huì)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，特別是在固化面積較大的零件時(shí)。刮平運(yùn)動(dòng)可以使 液面盡快流平，提高涂層效率。 刮平過(guò)程包括兩個(gè)步驟:第一步托板下降較大的深度并稍作停頓，這一過(guò)程是為 了克服液態(tài)樹(shù)脂與固化層面的表面張力，使樹(shù)脂充分覆蓋已固化的一層，然后上升至 比上一層低一個(gè)層厚的位置。第二步刮板按設(shè)定次數(shù)作刮平運(yùn)動(dòng)，其作用是把涂敷在 零件表面的多余樹(shù)脂刮掉。刮平后，樹(shù)脂液面并不是完全平整，仍存在著一些波動(dòng)， 尚需等待一定的時(shí)間才能平整。等待時(shí)間的長(zhǎng)短要根據(jù)樹(shù)脂的流動(dòng)性、零件尺寸的大 小而定。 8 第 2 章 XY 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 成型機(jī)的掃描系統(tǒng)采用高精度的 X-Y 工作臺(tái)，它帶動(dòng)光纖和聚焦鏡完成零件的 二維掃描成型。其結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)掃描頭作 X-Y 平面運(yùn)動(dòng)，掃描 范圍為 400 x400mn，重復(fù)定位精度 0. 005mn。為減輕質(zhì)量，提高響應(yīng)速度，選用鋁材 進(jìn)行設(shè)計(jì)，并選取大扭矩輸出的高頻響應(yīng)電機(jī)。 掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)、X-Y 掃描頭、聚焦鏡頭、直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步 進(jìn)電機(jī)等組成。由于混合式步進(jìn)電機(jī)具有體積小、力矩大、低頻特性好、運(yùn)行噪音小、 失電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，X, Y 方向都采用了這種電機(jī)。 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A1 圖紙一張。要求重要剖面表達(dá)完整，向視表達(dá)完整， 視圖適合標(biāo)準(zhǔn)。 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 統(tǒng)分辨率 310m 由靜止到最大快進(jìn)速度過(guò)度時(shí)間 17ms19ms Pt 工作臺(tái)行程 x 向 400mm y 向 400mm 最大快進(jìn)速度 x 向和 y 向 80mm/s 定位精度 m05. 2.1.2 方案的分析、比較、論證 西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)的 cps250 成型機(jī) XY 掃描系統(tǒng)，其掃描范圍為 250mmx250mm， 運(yùn)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精密同步帶的方式，其傳動(dòng)較為平穩(wěn)，傳動(dòng)件質(zhì)量比較 小，運(yùn)動(dòng)特性好。但工作行程較短，本設(shè)計(jì)掃描范圍 400mmX400mm,行程較長(zhǎng)，若采 用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精密同步帶的傳動(dòng)方式，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)掃描的精度不利。故 本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的傳動(dòng)方式，中間沒(méi)有其他部件降低傳動(dòng)精度損 失，使運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。 1、XY 方向掃描進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)考慮以下幾點(diǎn)： A工作臺(tái)應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、暫停等功能，因此數(shù)控控制系統(tǒng)采用 連續(xù)控制系統(tǒng)。 9 B在保證一定加工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以求降低成本。因此進(jìn)給伺服 統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 C 縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們各自由各的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、波紋 管、絲杠螺母副組成。 D 為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的 滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊裝置，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。 E 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌。 2、進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖如下頁(yè)圖 2.1 所示： 2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 2.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 脈沖當(dāng)量 即系統(tǒng)分辨率。本設(shè)計(jì)中， pp310m 2.2.2 傳動(dòng)比的確定 當(dāng) 1 時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此i 本設(shè)計(jì)中取 1。 2.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 根據(jù)公式 微 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 驅(qū) 動(dòng) 器 功 率 放 大 功 率 放 大 步 進(jìn) 電 機(jī) 步 進(jìn) 電 機(jī) X 向 Y 向 波紋管 波紋管 圖 2.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 10 (2.1)pbLi360 其中 為傳動(dòng)比，i 為電機(jī)步距角，b 為滾珠絲杠導(dǎo)程，0L 為脈沖當(dāng)量。p 因?yàn)?1， 0.001mm，現(xiàn)取 4mm，可得 0.09 o。由于其步距角很小，ip0Lb 所以將采用有細(xì)分電路的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 2.3 絲杠的選型及計(jì)算 2.3.1 計(jì)算絲杠受力 由于工作臺(tái)質(zhì)量較小，且只承擔(dān)傳動(dòng)作用，不承受任何切削力，故本設(shè)計(jì)中只考 慮導(dǎo)軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時(shí)的慣性力。 1、導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 根據(jù)摩擦力計(jì)算公式： f=mg (2.2) X 向：工作拖板質(zhì)量 =10kg 采用滾動(dòng)導(dǎo)軌， =0.005xm =109.80.005=0.49Ngfx Y 向：取激光頭及移動(dòng)部件質(zhì)量為 =3kg =0.005y =39.80.005=0.147Nfy 2、工作臺(tái)慣性力的計(jì)算 取平均加速時(shí)間 t=18ms,由于系統(tǒng)最大移動(dòng)速度 =80 ，經(jīng)計(jì)算得，系統(tǒng)maxVs 加速度 a= 24.ms = =104.4=44N1Fax = =34.4=13.2N2y 2.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉(zhuǎn)速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)其使用壽命選擇絲杠的基本 11 尺寸并較核其承載能力是否超過(guò)額定動(dòng)載荷。 1、最大工作載荷的計(jì)算 本設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)最大載荷應(yīng)該是導(dǎo)軌摩擦力與加減速慣性力的總和 所以， X 向： x1F40.9.4xfN Y 向： y23173y 2、最大動(dòng)載荷 的計(jì)算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷 可用下式計(jì)算： (2.3)hnKFf 式中：F 滾珠絲杠副的軸向負(fù)荷（ N） -影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)；f 285.01.3.095.wfkahtf 為溫度系數(shù) 工作溫度小于 125， =0.95tf tf 為硬度系數(shù) 硬度大于 58HRC， =1.0h h 為精度系數(shù) 精度等級(jí)取三級(jí)， =1.0af af 為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) 無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)， =1.1w w 為可靠性系數(shù) 可靠度 98%， =0.33kf kf -滾珠絲杠副的額定動(dòng)負(fù)荷（N）aC -滾珠絲杠副的計(jì)算動(dòng)負(fù)荷（N） -各類(lèi)機(jī)械所用的滾珠絲杠的推薦壽命, 取 15000hhL hL -壽命系數(shù) ,hK1.3)50(hL -轉(zhuǎn)速系數(shù)，n .nK 經(jīng)計(jì)算得： 12 X 向 C=1613N Y 向 C=483.9N 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)P770, 本設(shè)計(jì)選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母墊片預(yù) 緊滾珠絲杠副 FFZ1604,其參數(shù)如下：W16m4D239C01ao公 稱(chēng) 直 徑 d基 本 導(dǎo) 程滾 珠 直 徑 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動(dòng) 載 荷 6額 定 靜 載 荷 選取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)。 3、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為 (2.4)(tg 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 0.0030.005,f 其摩擦角約等于 。01 所以， 96.0)13()(tgt 4、定位精度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向剛度會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。由于軸向剛度 不足引起的軸向變形量一般不應(yīng)大于機(jī)床定位精度的一半。滾珠絲杠副的軸向變形包 括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變 形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì) 縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)， 只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考慮。 A絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿(mǎn)載時(shí)拉壓變形量，其計(jì)算公式為 (2.5)EALFm1 式中： 為在工作載荷作用下絲杠1總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm） ； 13 為絲杠的工作載荷(N)；mF 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；L E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E20.610 4MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“ ”號(hào)用于拉伸， “”號(hào)用于壓 縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW2mm，螺 紋 滾 道 曲 率 半 徑 0.52.21.04WRm滾 珠 直 徑 wm0.7(/).7(./).28we偏 心 距 1d2162081439meRm螺 桿 小 徑 22.Ad.5.4滾 珠 絲 桿 按 內(nèi) 徑 確 定 的 截 面 積 其中， 為絲杠公稱(chēng)直徑。 為絲杠底徑。m1 取 X 向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L550mm，Y 向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L550mm。 所以，X 向： 14.950263.2m 7 Y 向： .1. B絲杠與螺母間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其 計(jì)算公式： (2.6)mcFCK 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ；mF 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/ 。CK 所以，X 向： X4.90.85 Y 向： C13.7.2m 絲杠的總的變形量 應(yīng)小于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系21 14 統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因?yàn)椋琗 向： 120.8.3m .75 Y 向： 04 取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 ，加上絲杠副的總變 形量 0.83 、0.24 ，可以滿(mǎn)足機(jī)床的定位精度 0.01/400 的要求。m 5、壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作載荷過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定 而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為 KF (2.7) 2110KfEJL 式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對(duì)絲杠圓截面 ， （d 2為絲杠4()m46J 底徑， ） ；201.wdD L 為絲杠最大工作長(zhǎng)度（m） ； E 為材料的拉、壓彈性模量，對(duì)鋼 E2.110 11Pa； 為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用一端軸向固1f 定一端游動(dòng)，即 2；1f 為安全系數(shù)，取 =1/31K1K 。 449423.06.70()6dJ m 所以： 2192.16.23KF 臨界載荷 遠(yuǎn)大于絲杠工作載荷 （ =44.49N, =13.347N） ，因此滾珠絲mFxmyF 杠不會(huì)失穩(wěn)。 2.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 2.4.1 初選導(dǎo)軌型號(hào) 導(dǎo)軌為直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌，根據(jù)縱向最大動(dòng)載荷 C=1613N,橫向最大動(dòng)載荷 15 C483.9N，通過(guò)查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 2.9-38 P893，初選 3 條導(dǎo)軌的 型號(hào)都為 GTB16。其參數(shù)如下：1650ml， 2.4.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 L 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算： 滾動(dòng)體為球時(shí) (2.8) 350aTCWfLF 式中： 為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km） ；L 為額定載荷（N） ，從機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 2-10 查得 8820N；aC aC 為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò) 1000C 時(shí)， 1；Tf Tf 為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí) 0.81；C 為載荷/速度系數(shù)，無(wú)外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合 時(shí)，Wf min5v 1.2。 為每個(gè)滑塊的工作載荷（N） 。F X 向： /4.9/1.2m Y 向： 137 所以，X 向： 39820.85.10km1L Y 向： 39820.1.857.610k13.47 均大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副可采用。L 2.5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈 沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱(chēng)為“步距角”) ，它的 旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而 16 達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度， 從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒(méi)有積累誤 差(精度為 100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開(kāi)環(huán)控制。 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR） 、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM） 、 混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5 度 或 15 度； 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5 度，但噪聲 和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組， 利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。 混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相 步進(jìn)角一般為 1.8 度而五相步進(jìn)角一般為 0.72 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛， 也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)： 1、 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 3-5%，且不累積。 2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 步進(jìn)電機(jī)溫度過(guò)高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力下降乃至于失步， 因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來(lái)講，磁性 材料的退磁點(diǎn)都在攝氏 130 度以上，有的甚至高達(dá)攝氏 200 度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外 表溫度在攝氏 80-90 度完全正常。 3、步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反 向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo) 致力矩下降。 4、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無(wú)法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。 5、步進(jìn)電機(jī)相對(duì)普通電機(jī)來(lái)說(shuō)，他可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，即通過(guò)驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入 端輸入的脈沖數(shù)量和頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的角度和速度控制，無(wú)需反饋信號(hào)。但是步進(jìn) 電機(jī)不適合使用在長(zhǎng)時(shí)間同方向運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，容易燒壞產(chǎn)品，即使用時(shí)通常都是短距 離頻繁動(dòng)作較佳。 2.5.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系 統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線(xiàn)，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問(wèn) 題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng) 17 慣量。本設(shè)計(jì)需要對(duì)絲杠,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 1、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算SJ 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (2.9) 407.81SmDL 其中 為絲杠公稱(chēng)直徑（cm ）, mD 為絲杠有效行程（mm）0L4 27.81.60.4SJkgc 2、工作臺(tái)質(zhì)量 的折算GJ 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 GJ 可按下式進(jìn)行計(jì)算： (2.10)MLJG20)( 式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ；0L 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。M 所以，X 向： 22 20.4()10.43GJ kgcm Y 向： 22 20.().LM 3、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算J X 向： 22.04.08SGJkgcm Y 向： 15 2.5.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟 動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： (2.11)max0fM 式中： 為空載啟動(dòng)力矩（Ncm） ； 18 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加maxM 速力矩（Ncm ） ； 為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm） ；f 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（N cm） 。0 有關(guān) 的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：M 1、加速力矩 (2.12)2maxmax106nJt (2.13)ax30bpvn 式中： 為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)最大角加速度； 為與運(yùn)動(dòng)部件Jmaxn 最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所 需的時(shí)間， 為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度； 為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角； 為脈沖maxvbp 當(dāng)量。 axm480.9120/min36.36bpnr X 向： 2 2maxmax 3.410.8145.08nMJ mt Y 向： 2 2axax .1.053.866t 2、空載摩擦力矩 (2.14)02fGLMi 式中： 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；G 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；f 為傳動(dòng)降速比；i 為傳動(dòng)系數(shù)總效率，取 0.8； 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。0L 19 X 向： 109.850.4231fMm Y 向： .f 3、附加摩擦力矩 (2.15)2001PLMi 式中： 為滾珠絲杠預(yù)緊力， = /3； 0P0 xF 為滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取 0.9。0 X 向： 204.91.9.56638Mm Y 向： 170. c 所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩： X 向： max0145.0.5614.8f Y 向： 3823fMm 步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩 M，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩 關(guān)系如下：qM0.4q 所以，X 向： =364.215q36cmN Y 向： =358.355 .58 為滿(mǎn)足最小步距角要求，查表知步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 與步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩maxjM 的關(guān)系為： (2.16)maxqjM 查經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)表 7-2 P347 得 0.866。所以， X 向： max0.42jM Y 向： 13j 綜合考慮，查表選擇 57BYG096 型步進(jìn)電機(jī)，如圖 2.2、2.3 所示： 20 圖 2.2 步進(jìn)電機(jī) 圖 2.3 步進(jìn)電機(jī)外形尺寸 表 2-1 電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 相數(shù) 步距角 最大靜轉(zhuǎn)距 電壓 相電流 分配方式 57BYG096 2 1.8 )(0.75(N.m) DC 24V 3 A 雙相四拍 2.6 本章小結(jié) 本章是主要針對(duì) X-Y 掃描機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先要明確設(shè)計(jì)任務(wù)，然后確定脈沖當(dāng) 量和傳動(dòng)比，絲杠及導(dǎo)軌的選型及相應(yīng)的計(jì)算，最后通過(guò)計(jì)算確定 X-Y 方向的驅(qū)動(dòng) 電機(jī)。 21 第 3 章 Z 方向設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 Z 方向工作臺(tái)設(shè)計(jì) Z 軸升降系統(tǒng)完成零件支撐及在 Z 軸方向運(yùn)動(dòng)的功能，它帶動(dòng)托板上下移動(dòng)。每 固化一層，托板要下降 1 個(gè)層厚。它是實(shí)現(xiàn)零件堆積的主要過(guò)程，必須保證其定位精 度。定位精度的好壞直接影響成型零件的尺寸精度、表面光潔度以及層與層之間的粘 接性能。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精密滾珠絲杠傳動(dòng)及精密導(dǎo)軌導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用 混合式步進(jìn)電機(jī)，配合細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路，與滾珠絲杠直接聯(lián)接實(shí)現(xiàn)高分辨率驅(qū)動(dòng)，省去 了中間齒輪級(jí)傳動(dòng)，既減小了尺寸又減小了傳動(dòng)誤差。 成形零件時(shí)，托板經(jīng)常作下降、提升運(yùn)動(dòng)，為了減少運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)液面的攪動(dòng)，并且 便于成型后的零件從托板上取下，需將托板加工成篩網(wǎng)狀，網(wǎng)孔大小孔距設(shè)計(jì)要合理， 既能使零件的基礎(chǔ)與其能牢固粘結(jié)，又要使托板升降運(yùn)動(dòng)時(shí)最小限度地阻礙液體流動(dòng)， 本設(shè)計(jì)中取孔距 5mm，孔徑 3mm。此外，考慮到樹(shù)脂有一定的酸性作用，所以浸泡 在樹(shù)脂內(nèi)的材料全部選用鋁合金或不銹鋼材料，一方面防腐;另一方面防止普通鋼和 鑄鐵對(duì)樹(shù)脂的致凝作用。由于在正常工作在狀態(tài)下，吊梁懸臂較長(zhǎng)，為避免托板 Z 方向上下運(yùn)動(dòng)時(shí)造成吊梁扭曲變形，吊梁采用 2mm 不銹鋼板做成中空行管結(jié)構(gòu)的形 狀。 3.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0 圖紙一張。要求重要剖面表達(dá)完整，向視表達(dá)完整，視圖適 合標(biāo)準(zhǔn)。 3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 系統(tǒng)分辨率 310m 由靜止到最大快進(jìn)速度過(guò)度時(shí)間 11ms13ms Pt 工作臺(tái)行程 300mm 最大快進(jìn)速度 m/s160 定位精度 .m 3.1.3 方案的分析、比較、論證 1、Z 方向掃描進(jìn)給系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素 22 A工作臺(tái)應(yīng)具有沿縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、暫停等功能，因此數(shù)控控制系統(tǒng)采用連續(xù)控 制系統(tǒng)。 B在保證一定加工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以求降低成本。因此進(jìn)給伺服 統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 C為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾 珠 絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊裝置，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。 D 為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌。 2、進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 微 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 器 功 率 放 大 步進(jìn) 電機(jī) 圖 3.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 3.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 3.2.1 脈沖當(dāng)量的確定 脈沖當(dāng)量 即系統(tǒng)分辨率。本設(shè)計(jì)中， pp310m 3.2.2 傳動(dòng)比的確定 當(dāng) 1 時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此i 本設(shè)計(jì)中取 1。 3.2.3 確定步進(jìn)電機(jī)步距角 根據(jù)公式 (3.1)pbLi360 其中 為傳動(dòng)比，i 為電機(jī)步距角，b 為滾珠絲杠導(dǎo)程，0L 為脈沖當(dāng)量。p Z 向 23 因?yàn)?1， 0.001mm，現(xiàn)取 4mm，可得 0.09 o。由于其步距角很小，ip0Lb 所以將采用有細(xì)分電路的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。 3.3 絲杠的選型及計(jì)算 3.3.1 計(jì)算絲杠受力 由于工作臺(tái)質(zhì)量較小，且只承擔(dān)傳動(dòng)作用，不承受任何切削力，故本設(shè)計(jì)中只考 慮導(dǎo)軌摩擦力和系統(tǒng)加減速時(shí)的慣性力。 1、移動(dòng)件及最大成型件重量的計(jì)算 根據(jù)摩擦力計(jì)算公式： G=mg (3.2) 移動(dòng)部件質(zhì)量 =10kg 最大成型件重量 =10kg1m2m =209.8=196N2()Gg 2、3.3.1.2 工作臺(tái)慣性力的計(jì)算 取平均加速時(shí)間 t=12ms,由于系統(tǒng)最大移動(dòng)速度 = ，經(jīng)計(jì)算得，系統(tǒng)加maxV160s 速度 a= 21.4ms = =201.4=28NFa 3.3.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 由于轉(zhuǎn)速較大，滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)其使用壽命選擇絲杠的基本 尺寸并較核其承載能力是否超過(guò)額定動(dòng)載荷。 1、最大工作載荷的計(jì)算 本設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)最大載荷應(yīng)該是導(dǎo)軌摩擦力與加減速慣性力的總和 所以， 1F96284GN 2、最大動(dòng)載荷 的計(jì)算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷 可用下式計(jì)算： (3.3)FfKnh 式中： F 滾珠絲杠副的軸向負(fù)荷（N） 24 -影響滾珠絲杠副壽命的綜合系數(shù)；f 285.01.3.095.wfkahtf 為溫度系數(shù) 工作溫度小于 125， =0.95tf tf 為硬度系數(shù) 硬度大于 58HRC， =1.0h h 為精度系數(shù) 精度等級(jí)取三級(jí)， =1.0af af 為負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) 無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)， =1.1w w 為可靠性系數(shù) 可靠度 98%， =0.33kf kf -滾珠絲杠副的額定動(dòng)負(fù)荷（N）aC -滾珠絲杠副的計(jì)算動(dòng)負(fù)荷（N） -各類(lèi)機(jī)械所用的滾珠絲杠的推薦壽命, 取 15000hhL hL -壽命系數(shù),hK1.3)50(hL -轉(zhuǎn)速系數(shù)，n .).(3nK 經(jīng)計(jì)算得： C=8122N 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)P770, 本設(shè)計(jì)選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母墊片預(yù) 緊滾珠絲杠副 FFZ3204,其參數(shù)如下：W32m4D9C043ao公 稱(chēng) 直 徑 d基 本 導(dǎo) 程滾 珠 直 徑 ，絲 杠 螺 旋 升 角 ，額 定 動(dòng) 載 荷 1額 定 靜 載 荷 選取絲杠精度等級(jí)為一級(jí)。 3、傳動(dòng)效率計(jì)算 25 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為 (3.4)(tg 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 0.0030.005,f 其摩擦角約等于 。01 所以， 96.0)13()(tgt 4、定位精度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向剛度會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。由于軸向剛度 不足引起的軸向變形量一般不應(yīng)大于機(jī)床定位精度的一半。滾珠絲杠副的軸向變形包 括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變 形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì) 縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)， 只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考慮。 A絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿(mǎn)載時(shí)拉壓變形量，其計(jì)算公式為 (3.5)EALFm1 式中： 為在工作載荷作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm） ；1 為絲杠的工作載荷(N)；mF 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；L E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E20.610 4MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） ；“ ”號(hào)用于拉伸， “”號(hào)用于壓 縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW3 mm ，0.52.31.56WRm螺 紋 滾 道 曲 率 半 徑wm滾 珠 直 徑 26 0.7(/2)0.7(1.563/2)0.4weRDm偏 心 距 1d34896me螺 桿 小 徑 2221.Ad.5.滾 珠 絲 桿 按 內(nèi) 徑 確 定 的 截 面 積 其中， 為絲杠公稱(chēng)直徑。 為絲杠底徑。m 取絲杠長(zhǎng)度 L420mm。 所以， 1420.658.m 9 B絲杠與螺母間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其 計(jì)算公式： (3.6)mcFCK 式中： 為滾珠絲杠的工作載荷（N） ；mF 為絲杠副的接觸剛度 ,查表取 =580N/CKC 所以， 240.3958 絲杠的總的變形量 應(yīng)小于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系21 統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因?yàn)椋?120.398m .6 取絲杠精度等級(jí)為 1 級(jí)，其有效工作行程內(nèi)的誤差為 6 ，加上絲杠副的總變m 形量 1.08 ，可以滿(mǎn)足機(jī)床的定位精度的 0.01/300 要求。m 5、壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作載荷過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定 而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 為KF (3.7) 2110cfEJL 式中： J 為絲杠軸最小截面慣性矩 ，對(duì)絲杠圓截面 ， （d 2 為絲杠底4()m46J 27 徑， ） ；201.wdD L 為絲杠最大工作長(zhǎng)度（m） ； E 為材料的拉、壓彈性模量，對(duì)鋼 E2.110 11Pa； 為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用一端軸向固1f 定一端游動(dòng)，即 2。1f 為安全系數(shù)，取 =1/31K1K 。 449423.083.0()6dJ m 所以： 2192.150763KF 臨界載荷 遠(yuǎn)大于絲杠工作載荷 =224N，因此滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。mF 3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3.4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系 統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線(xiàn)，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問(wèn) 題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量。本設(shè)計(jì)需要對(duì)絲杠,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 1、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的折算SJ 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；其中 為絲杠公稱(chēng)直徑（cm）, 407.81mDLm 為絲杠有效行程（mm）0L4 27.8103.24.5SJkgc 2、工作臺(tái)質(zhì)量 的折算GJ 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 GJ 可按下式進(jìn)行計(jì)算： (3.8)MLJG20)( 28 式中， 為絲杠導(dǎo)程（cm） ；0L 為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。M 所以， 22 20.3()0.514GJ kgcm 3、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算J224.50.5SGJkgc 3.4.2 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟 動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： (3.9)max0fM 式中： 為空載啟動(dòng)力矩（Ncm） ；M 為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加max 速力矩（Ncm ） ； 為空載時(shí)折算到電機(jī)