極坐標切割機工作臺驅動機構的設計

朱徐周 郭旭紅

摘要：本文針對玻璃切割等領域的特殊要求，提出了一種極坐標切割機的傳動方案，并完成了切割機工作臺驅動機構設計。根據基本工作條件，首先選擇導程精度與軸向間隙、螺桿軸、以及滾珠絲桿螺母副，然后驗證定位精度，最終確認設計參數，并完成三維建模。

Abstract： In this paper， according to the field of glass cutting and other special requirements， we present a cutting machine polar drive， at the same time we completed the design of workbench drive system. According to the basic conditions， firstly choose lead accuracy and axial clearance， screw shaft， and the ball screw nut pair， and then verify the positioning accuracy， confirm the final design parameters， then completed the 3D drawing.

關鍵詞：極坐標切割機;數控傳動系統;驅動機構

Key words： polar cutting machine;numerical control drive system;driving mechanism

中圖分類號：TG48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0089-02

0? 引言

目前，數控切割機已廣泛應用于工業生產中，極坐標數控切割機在面向玻璃類材料的切割時具有極大的優越性。能夠使切割機以較低的制造精度來達到較高的切割精度，非常適用于中小建材、建筑企業的應用。而且設備對環境和維護的要求較低，極坐標切割機具有整體結構優、體積小、簡單操作等特點，其性能穩定可靠，切割質量好，切割效率高，可大大降低生產成本。在性價比方面要遠遠超過直角坐標的數控切割機。

1? 工作臺驅動機構的設計

1.1 工作臺驅動的作用和意義

工作臺的作用是放置和固定被加工件，同時滾珠絲桿在步進電機的驅動下帶動工作臺完成進給運動，這些動作實際是在直角坐標中完成的，在此體現了本文采用極坐標方式和直角坐標方式相結合的數控驅動方式。而工作臺驅動機構又擴大了切割機的切割范圍，更符合與實際生產的需要。

1.2 基本工作條件

工作臺質量：m=40kg

工件質量：m=10kg

行程長度：ls=1000mm

最高速度：vmax=1m/s

加速時間：t1=0.15s

減速時間：t3=0.15s

游隙：0.15mm

精度：±0.3mm/1000mm

反復定位精度：±0.1mm

最小進給量：s=0.020mm/脈沖

壽命時間：30000h

導向面：滾動（μ=0.003）

1.3 軸向間隙與導程精度

①選擇軸向間隙。

游隙的要求是0.15mm，軸向間隙螺桿在0.15mm以下的滾珠絲桿可以滿足要求。

②選擇導程精度。

定位精度要求是±0.3mm/1000mm

選擇導程精度±0.09mm/300mm以上的。

所以選擇滾珠螺桿的精度C7級，最終螺桿軸直徑選擇34mm以下。

1.4 螺桿軸

①螺桿軸長度假設。

螺母全長假設150mm，螺桿軸端部長度是150mm。

行程長度為1100mm，總長度是1100+300=1400mm。

螺桿軸的長度假設為1400mm。

②選擇導程。（表1）

根據表1的參數計算滾珠螺桿的導程是：

所以導程需要選擇20mm以上的。

③選擇螺桿軸直徑。

為了滿足螺桿軸直徑為34mm以下，另外螺桿軸長度在1400mm以上，應選擇直徑20mm以上的螺桿軸。

由上所述，初選螺桿軸直徑30mm，導程25mm。

1.5 分析計算并且選擇滾珠絲桿螺母副

①分析進給牽引力Fm（N）。

Fm（N）軸向力，或者是進給牽引力，計算公式如下：

查表2得，

②計算最大動負載C。

滾珠絲杠最大動載荷可用式（2）計算：

上式中，L是以106轉為單位工作壽命。

fm=1.5;T=30000h;L0=20mm;v=1m/s

③螺母副。

選擇如表3所示規格的螺母副。

④驗算絲桿的剛度。

絲杠螺母及軸承支承間距L=1200mm進行預緊，最大牽引力為210N，預緊力為最大軸向負荷的1/3。

1）絲杠的變形量用δ1來表示：

Fm—工作載荷;L=1000mm;E=20.6×104MPa。

得到：

2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形用δ2來表示：

根據上述計算可知該滾珠絲杠不會失穩。

1.6 驗證絲桿的定位精度

①絲桿軸向間隙不影響定位精度，軸向剛度也不發生變化。

②熱變形。

定位誤差會因為溫度變化而改變：

可以滿足使用的條件。

2? 結論

根據上述計算與驗證，選擇螺桿軸直徑25mm，導程20mm，精度等級C7的滾珠螺桿。驗算滾珠絲桿副剛度，穩定性，以及定位精度都符合要求。極坐標切割機的模型如圖1所示。

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