【正文】 第3章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第3章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)水射流切割機(jī)床的控結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)由于我所設(shè)計(jì)的水射流切割機(jī)床必須實(shí)現(xiàn)其平面切割的功能，而要實(shí)現(xiàn)其切割工件的目的，必須有兩個(gè)自由度，既必須有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)?？梢宰鲆韵碌脑O(shè)想來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的目的：1. 有機(jī)架（橫梁部分）來(lái)實(shí)現(xiàn)其兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其示意圖如下： 龍門式機(jī)架（方案1）該種結(jié)構(gòu)形式為橋式結(jié)構(gòu)，又稱為龍門式結(jié)構(gòu)，住要的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)對(duì)稱，比較穩(wěn)固，缺點(diǎn)是加工的工件的大小受到了限制。 2. 有機(jī)架（橫梁部分）實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，而另一個(gè)運(yùn)動(dòng)有工作臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn) 圖 懸臂式機(jī)架結(jié)構(gòu)（方案2）該種結(jié)構(gòu)形式的為懸臂式結(jié)構(gòu)，比起前一種結(jié)構(gòu)，它的穩(wěn)定性不如前者，但是它的加工范圍比前者的加工范圍大。通過(guò)對(duì)比兩種方案，決定采用第一種方案作為我設(shè)計(jì)的最初模型，根據(jù)該模型來(lái)進(jìn)行部件設(shè)計(jì)，本形式的數(shù)控水射流切割機(jī)床，由底座，立柱，導(dǎo)軌，縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和橫梁移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)。橫梁上面設(shè)置有橫移機(jī)構(gòu)和豎移機(jī)構(gòu)。切割噴頭固定在豎移滑板上?？梢栽趯挻蟮牡鬃厦姘惭b多種的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)多種形式的水射流切割加工。而且該種結(jié)構(gòu)形式比其他的結(jié)構(gòu)要牢固，不易變形，因此采用該種結(jié)構(gòu)。 機(jī)床支撐件的設(shè)計(jì)該機(jī)床的機(jī)械部分主要的包括機(jī)床底座，機(jī)床的立柱，機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)，縱向進(jìn)給系統(tǒng)，傳動(dòng)部件等組成。 對(duì)支撐件的要求機(jī)床的立柱和底座是主要的支撐件，它們的作用是支撐零部件并保證它們之間的相互位置及承受各種相互作用力。支撐件一般的附有導(dǎo)軌，導(dǎo)軌主要起到定位作用，以保證各部件的正確的相互位置及運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的支撐件的形狀，尺寸，材料的種類非常多，但是它們必須滿足下面的要求：1. 剛度支撐件的剛度是指支撐件在恒定的載荷和變載荷作用下抵抗變形的能力。支撐件要有足夠大的剛度，即在額定載荷的作用下，變形不得超過(guò)允許值。2. 抗振性支撐件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激震動(dòng)的能力，支撐件的震動(dòng)將影響加工的表面質(zhì)量和成產(chǎn)率。因此，支撐件要有足夠大的抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。3. 熱變形機(jī)床工作時(shí)，機(jī)械摩擦，電機(jī)等都會(huì)發(fā)熱，在加上周圍的環(huán)境溫度變化，產(chǎn)生熱變形，影響了機(jī)床的工作精度和幾何精度。因此要對(duì)癥撐件的熱變形及熱應(yīng)力進(jìn)行控制。4. 內(nèi)應(yīng)力支撐件在焊接和鑄造以及加工的過(guò)程中，材料的內(nèi)部都會(huì)形成內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形。在使用的過(guò)程中，內(nèi)應(yīng)力可能重新分布和逐漸的消失可能使變形增大。因此在制造的過(guò)程中一定要考慮到結(jié)構(gòu)的工藝性。并且在鑄造和焊接以后要進(jìn)行時(shí)效處理。 撐件的選材與連接我所設(shè)計(jì)的該機(jī)床的底座采用灰鑄鐵，由于灰鐵的吸振性比較好，并且鑄造工藝性也比鑄鋼好，并且價(jià)格便宜，因此，機(jī)床的底座采用灰鐵。立柱采用鋼板進(jìn)行焊接，采用焊接立柱，由于立柱要支撐橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，承受的力比較大，因此采用鋼板焊接的形式。橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)也采用鋼板焊接的形式，因?yàn)殇摪宓某休d能力大，可以減小機(jī)床的占地面積。機(jī)械部分的連接采用焊接和螺釘連接方式，立柱與底座通過(guò)16個(gè)螺釘固定在底座上面，橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)通過(guò)夾一塊墊板，也采用螺釘?shù)男问脚c立柱相連接。而安裝導(dǎo)軌的立板采用焊接的方式焊接到橫向進(jìn)給的鋼板上。同樣，縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)也采用同樣的連接方法。 提高支撐件剛度的措施支撐件的變形可以包括三部分，自身變形，局部變形，和連接處的變形，在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要注意這三類變形得匹配，并針對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，加強(qiáng)其剛度。提高支撐件自身的剛度抵抗支撐件自身變形的能力稱為支撐件自身的剛度，它與材料，形狀以及尺寸有關(guān)系。（1）正確的選擇截面的形狀和尺寸：支撐件承受的主要是彎矩和扭矩，產(chǎn)生的主要是彎，扭變形。在其他的條件相同的時(shí)候，抗彎和抗扭剛度與截面慣性矩有關(guān)。同一材料截面積相等而形狀不同的，截面慣性矩相差很大，合理的選擇截面的形狀可以提高其剛度。1） 無(wú)論是圓形，方形和矩形都是空心的比實(shí)心的剛度大。2） 保持截面不變，加大外廓尺寸，減小壁厚，可以提高抗彎和抗扭剛度。3） 圓形截面的抗扭剛度比方形的大，而方形的抗彎剛度比圓形的抗彎剛度大。所以以承受彎矩為主的支撐件采用方形比較合理。4） 封閉的截面比不封閉的截面的剛度大。2. 合理的不只肋板和筋條，可以增加支撐件的剛度。由上面的分析，我選擇了焊接立柱，并且截面的形狀為方形，因?yàn)槲宜O(shè)計(jì)的機(jī)床的立柱主要的承受彎矩，別切采取封閉的方形結(jié)構(gòu)，這樣剛度比較大，為了防止其剛度不夠，發(fā)生變形，并加肋板提高其剛度，具體形狀見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。底座的結(jié)構(gòu)采用實(shí)體鑄造結(jié)構(gòu)，其材料為灰鑄鐵200，這種材料的鑄造性能好，加工工藝性好，并且可以在機(jī)床有震動(dòng)的時(shí)候可以吸振，以減小機(jī)床的震動(dòng)。并且成本低，可以降低機(jī)床的制造成本。但是灰鐵的脆性比較大，在制造的時(shí)候需要木模，生產(chǎn)直制造周期比較長(zhǎng)。橫向和縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼板焊接的形式，這種形式結(jié)構(gòu)比鑄造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)的周期比較短，剛度也比鑄造結(jié)構(gòu)大，并且尺寸也比較小，因此，采用焊接鋼板的形式。具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。第4章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第4章 數(shù)控水射流切割機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)的發(fā)展最早的數(shù)控機(jī)床采用步進(jìn)電機(jī)和液壓轉(zhuǎn)矩放大器（又稱電液脈沖馬達(dá)）作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。功率型步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)后，因其功率較大，可以直接的驅(qū)動(dòng)機(jī)床，使用方便，逐漸取代了電脈沖馬達(dá)。60年代初期，美國(guó)和歐洲采用液壓伺服系統(tǒng)。同期，日本首先研制出一種新型的小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不亞于液壓伺服系統(tǒng)，同時(shí)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)的大功率晶閘管整流器的價(jià)格下降，所以在60年代中后期數(shù)控機(jī)床上普遍采用小慣量直流伺服電機(jī)。小慣量直流伺服電機(jī)的最大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，用于機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須采用齒輪減速箱，為了省去齒輪箱，70年代，美國(guó)蓋梯茨公司首先研制成功了大慣量直流伺服電機(jī)，又稱寬調(diào)速直流伺服電機(jī)，可以直接的與機(jī)床的絲杠相連。目前，許多數(shù)控機(jī)床都是使用大慣量直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)常需要維修。80年代初期美國(guó)的通用電氣公司研制成功籠型異步交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有電刷，避免了滑動(dòng)摩擦，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)火花，進(jìn)一步提高了可靠性，交流伺服電機(jī)也可以直接與滾珠絲杠相互連接，調(diào)速范圍與大慣量直流伺服電機(jī)相近。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐美近年來(lái)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的占80%以上，采用直流伺服電機(jī)所占的比例不足20%。可以看出，采用交流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)已成為數(shù)控機(jī)床主要的調(diào)速方法。 數(shù)控水射流切割機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的基本要求數(shù)控機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)與傳統(tǒng)的一般機(jī)床的機(jī)械部分的要求相比，除了要求具有較高的定位精度以外，還應(yīng)該有良好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性，就是說(shuō)響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。 這里所說(shuō)得機(jī)械系統(tǒng)一般的包括減速裝置，絲杠螺母副等機(jī)構(gòu)。為了確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)中，常提出以下要求：1. 無(wú)間隙2. 低摩擦3. 低慣量4. 高剛度5. 高諧振頻率6. 適當(dāng)阻尼比為了達(dá)到以上的要求，主要從以下幾個(gè)方面采取措施：1. 采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支撐件，如采用滾珠絲杠夫，滾動(dòng)導(dǎo)向支撐等。2. 縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支撐剛度，如采用加預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副的剛度和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)與支撐剛度；采用大扭矩，快調(diào)速的交流伺負(fù)電機(jī)直接的與滾珠絲杠相連接以減少中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。3. 選用最佳的傳動(dòng)比，減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。盡可能的提高加速能力。4. 縮小反向死區(qū)誤差，采取消除傳動(dòng)間隙，減少支撐變形。下面的設(shè)計(jì)根據(jù)以上的建議來(lái)進(jìn)行。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)床進(jìn)行參考，有伺服系統(tǒng)的發(fā)展可以看出，在電機(jī)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電機(jī)比直流電機(jī)將更合理。采用交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為了數(shù)控機(jī)床的主要調(diào)速方法。因此我所設(shè)計(jì)的數(shù)控水射流切割機(jī)床也采用交流伺服電機(jī)調(diào)速的方法。由于交流伺服電機(jī)也可以和滾珠絲杠進(jìn)行相連，這樣的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，擬采用這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。交流伺服電機(jī)與絲杠相連接的方式有以下兩種比較簡(jiǎn)單的形式：1. 交流伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠進(jìn)行相連接。2. 交流伺服電機(jī)通過(guò)一對(duì)調(diào)隙齒輪和滾珠絲杠相連接。第一種方法，這種方式比較簡(jiǎn)單，可以減小伺服驅(qū)動(dòng)的外型尺寸，從節(jié)省空間的角度來(lái)看更為合理一點(diǎn)，而第二種方法有利于消除傳動(dòng)間隙，但是在傳動(dòng)系統(tǒng)中增加了一對(duì)齒輪，勢(shì)必增加傳動(dòng)鏈的長(zhǎng)度，降低了傳動(dòng)效率，并且增加了傳動(dòng)誤差。權(quán)衡二者，采用第一種方法，既采用交流伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器和滾珠絲杠的方式。 機(jī)床傳動(dòng)部件的選擇滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠相比有以下特點(diǎn)：與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。無(wú)側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。因此，選用滾珠絲杠，而不選擇滑動(dòng)絲杠。滾珠絲杠的支撐方式有以下四種：（1）兩端固定支撐該種支撐形式，適用于高精度，高轉(zhuǎn)速的情況下。（2）一端固定，一端鉸支該種支撐形式使用于中等轉(zhuǎn)速，高精度的情況下。（3）兩端鉸支該種支撐方式使用于中等轉(zhuǎn)速，中等精度的情況。（4）一端固定，一端自由該種支撐形式使用于低轉(zhuǎn)速，中等精度，軸向較短的絲杠。比較以上幾種絲杠的支撐方式，我所設(shè)計(jì)的機(jī)床不需要有很高的轉(zhuǎn)動(dòng)精度，如果選取的精度很高，就會(huì)增加成本，中等轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到要求。有上面的機(jī)床的設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，要求Z向的行程為300MM，而Y向行程要求為2650MM，行程比較大，滾珠絲杠的第四種形式不適合要求，而第一種支撐形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝困難，成本較高，不經(jīng)濟(jì)。第三種支撐形式也不切合所設(shè)計(jì)機(jī)床的要求，所設(shè)計(jì)的機(jī)床有一定的軸向力。因此，選擇第二種支撐形式滿足設(shè)計(jì)的要求，比較簡(jiǎn)單，也比較經(jīng)濟(jì) X方向電機(jī)的選擇計(jì)算我所設(shè)計(jì)的機(jī)床在切學(xué)的過(guò)程中沒(méi)有切削力的影響，因此按照金屬切削機(jī)床快速電機(jī)的選擇計(jì)算來(lái)進(jìn)行選擇，只考慮摩擦力和慣性力的影響。 電機(jī)的功率 克服摩擦力所需要的功率安全系數(shù)克服慣性力所需要的功率 克服慣性力所需要的電機(jī)軸的扭矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)鏈的效率 J轉(zhuǎn)化到電動(dòng)機(jī)軸上的效果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電動(dòng)機(jī)的角速度 t電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，對(duì)于中型機(jī)床 各傳動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 滾珠絲杠的質(zhì)量：，其中， 1032022600 ＝ 180。J1＝1/2mr2=1/2202106 ＝m2則， 假設(shè)該部分運(yùn)動(dòng)的最大速度為，則該部分的運(yùn)動(dòng)速度假設(shè)為，則電機(jī)和滾珠絲杠的的轉(zhuǎn)速為： n = 1000r/min ω1＝ω＝(2πn)/60 =21000/60 =105rad/s J=J1 + M(V1 /ω1 ) 2 ＝103＋105 ≈103Kgm2 則， Tin=Jω1/t =103105/ ≈ m 中型機(jī)床t= Pin=Tinn/(9550ηΣ)=1000/(9550)≈131W Pfr=MuV/(6120ηΣ )=10/(6120) =P=K * (Pin+Pfr)=(131+