1、.1 引言1.1 快速成型技術的產生和發展1.11快速成型（RP）技術簡介快速原型制造技術，又叫快速成型技術，英文：RAPID PROTOTYPING（簡稱RP技術），RAPID PROTOTYPING MANUFACTURING，簡稱RPM。快速成型（RP）技術是在90年代發展起來的一項先進制造技術，是為制造業企業新產品開發服務的一項關鍵共性技術, 對促進企業產品創新、縮短新產品開發周期、提高產品競爭力有積極的推動作用。它于20世紀80年代后期產生于美國，很快擴展到日本及歐洲，比喻20世紀90年代初期引進我國，是近20年來制造技術領域的一項重大突破，并由此產生一個新興的技術領域。它借助計算機

2、、激光、精密傳動、數控技術等現代手段，將CAD和CAM技術、數控技術、材料科學、機械工程、電子技術及激光技術的技術集成以實現從零件到三維實體原型制造一體化的系統技術。它是一種基于離散堆積成型思想的新型成型技術，是又CAD模型直接驅動的快速完成任意復雜形狀三維實體零件制造的技術的總稱。快速成形 （Rapid Prototyping， RP） 技術基于離散/堆積原理， 采用多種直寫 （Direct Writing）技術控制單元材料狀態，將傳統上相互獨立的材料制備和材料成形過程合，建立了零件成形信息及材料功能信息數字化到物理實現數字化之間的直接映射，實現了從材料和零件的設計思想到物理時間的一體化1。

3、進入 21 世紀以來，間接快速制模技術成為 RP 最重要的應用領域；生物活性材料快速成形成為 RP 研究中一個新的熱點，快速成形的生物材料進入細胞和大分子層次；RP 技術的研究重點逐步轉移到快速制造（Rapid Manufacturing） ，主要是直接金屬件的制造，快速成形技術的概念也由快速原型向快速制造轉化2。而基于噴射技術的熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）正是當前最活躍使用最廣泛的 RP技術之一。1.1.2快速成型技術的基本原理傳統的零件加工過程是先制造毛坯，然后經切削加工，從毛坯上去除多余的材料，從而達到設計所要求的形狀、尺寸和公差，這種方法統

4、稱為材料去除制造。快速原型制造技術徹底擺脫了傳統的“去除”加工法，而基于“材料逐層堆積”的制造理念，將復雜的三維加工分解為簡單的材料二維添加的組合，它能在CAD模型的直接驅動下，快速制造任意復雜形狀的三維實體，是一種全新的制造技術。1.1.3 快速成型（RP）技術的特點RP技術將一個實體的復雜的三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，具有如下特點：（1）成型全過程的快速性，適合現代激烈的產品市場；（2）可以制造任意復雜形狀的三維實體；（3）用CAD模型直接驅動，實現設計與制造高度一體化，其直觀性和易改性為產品的完美設計提供了優良的設計環境；（4）成型過程無需專用夾具、模具、刀具，既

5、節省了費用，又縮短了制作周期。（5）技術的高度集成性，既是現代科學技術發展的必然產物，也是對它們的綜合應用，帶有鮮明的高新技術 特征。以上特點決定了RP技術主要適合于新產品開發，快速單件及小批量零件制造，復雜形狀零件的制造，模具與模型設計與制造，也適合于難加工材料的制造，外形設計檢查，裝配檢驗和快速反求工程等。1.1.4 快速成型（RP）技術的研究背景自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，已經有十幾種不同的成形系統，其中比較成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。本次畢設的任務就是基于各種快速成型技術中的FDM技術提出來的2.快速成型的分類及其應用1.4 快速

6、成型技術的分類目前快速成型技術在“分層制造”思想的基礎上，已出現了數十種工藝方法，并且新的工藝還在不斷涌現。根據所使用的材料和建造技術的不同，目前應用比較廣泛的方法有選擇性激光燒結法（SLS）、光固化成型法（SLA）、熔融沉積制造法（FDM）、疊層實體制造法（LOM）等。1) 選擇性激光燒結法(Selective Laser Sintering, SLS)工藝 SLS工藝是采用粉末狀材料成型的。用激光束在計算機的控制下有選擇地進行燒結，被燒結部分固化在一起構成了零件的實心部分。一層完成后再進行下一層，新的一層則與上一層牢固地結合在一起。所有層完成后，去除多余未燒結的粉末，再經過打磨、烘干等后處

7、理，便得到燒結后的零件。如下圖所示：圖1 選擇性激光燒結原理圖2） 光固化成型法(Stereo lithography Apparatus, SLA)工藝SLA工藝是基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。激光束在控制系統的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，使被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再鋪上一層新的液態樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。如下圖所示:圖2 立體光固

8、化成型工藝原理圖3) 熔融沉積制造法(Fused Deposition Manufacturing, FDM)工藝FDM工藝一般采用熱塑性材料。材料在噴頭內被加熱融化。噴頭在計算機的控制下沿零件截面進行填充軌跡運動，同時將融化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結。材料擠壓后堆積出一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法制造出來，并與前一個層面熔接在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。如下圖所示：圖3 熔融沉積制造原理圖4) 疊層實體制造法(Laminated Object Manufacturing, LOM)工藝LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。LOM工藝將單面涂有熱溶膠的紙

9、片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數據，用激光束將紙切割成所制零件的內外輪廓然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起。激光束再次切割這樣反復逐層切割一粘合一切割，直至整個零件模型。如下圖所示：圖4 Helisys公司的LOM系統裝置原理圖5） 其他工藝：還有許多快速成型工藝已經投入商品化，如三維噴涂粘結（Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG）、焊接成型（Welding Forming, WF）、光屏蔽工藝（Photomasking, SGC）、直接殼法（Direct Shell Produ

10、ction Casting, DSPC）、直接燒結技術、數碼累積成型、熱致聚合、全息干涉制造、模型熔、彈道微粒制造光束干涉固化等。1.5 快速成型技術的應用1） 在產品設計上的應用一直以來，在CAD和CAM之間都存在著一個縫隙，即產品的CAD總不能在CAM之前盡善盡美。快速成型技術的出現恰到好處地彌補了產品CAD與CAM之間的這個縫隙。正因為如此，RP模型的早期應用主要集中在產品設計階段的外觀評估、裝配與功能檢驗方面，而且這幾方面的應用至今仍然占據著較大的需求。2) 在快速模具上的應用由于現代社會產品競爭十分激烈,產品快速響應市場往往是競爭制勝的關鍵,所以模具快速制造顯得尤為重要。傳統模具制造

11、的方法工藝復雜、時間長、費用高、精度低、壽命短,很難完全滿足用戶的要求。即使是傳統的快速模具,也常常因為模具的設計與制造中出現的問題無法改正,而不能做到真正的“快速”。因此,應用RP 技術制造快速模具,在最終生產模具開模之前進行產品的試制與小批量生產,可以大大提高產品開發的一次成功率,有效地節約開發時間和費用。在RP 原型制造出來之后,以此原型作為基礎,采用一次轉換或多次轉換工藝,制造出實際的大批量生產中或產品試制中零件使用的模具,稱為間接模技術,目前是RP 技術最重要的應用領域。3) 在醫學領域上的應用RP技術已經運用于種植體原型、監視系統和很多其他醫療設備原型的制作，運用生理數據采用SLA

12、、LOM、SLS、FDM等技術快速制作物理模型，對想不通過開刀就可觀看病人骨結構的研究人員、種植體設計師和外科醫生等能夠提供非常有益的幫助。這些技術在很多專科如顱外科、神經外科、口腔外科、整形外科和頭頸外科等得到了廣泛的應用。1.2熔融沉積技術12.1 FDM熔融沉積造型概述熔融沉積造型（Fused Deposition Modeling ,FDM）又稱為融化堆積法，熔融擠出成模（Melted Extrusion Manufacturing ,MEM）等 .FDM工藝由美國學者Dr.Scott Crump于1988年研制成功，并由美國Stratasys 公司推出商品化的設備3。FDM工藝不使用

13、激光器，其關鍵技術在于噴頭，其基本工作原理是：噴頭在計算機控制下作X-Y聯動掃描以及Z向運動，制作材料在噴頭中被加熱并略高于熔點；噴頭在掃描運動中噴出熔融的材料，快速冷卻形成一個加工層，并與上一層連接在一起；這樣層層掃描疊加便形成一個空間實體。類似的工藝還有MJS（Multiple Jet Solidification）、MEM（Melted Extrusion Manufacturing）等。研究FDM工藝的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。Stratasys公司于1993年開發出第一臺DDM1650機型后，又先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-80

14、00機型。近年來，美國3D Systems公司在FDM技術的基礎上開發出了多噴頭（Multi-Jet Manufacture,MJM）技術，即使用多個噴頭同時造型，從而提高了造型速度。1.2.2 FDM 國內外發展現狀目前研究FDM最主要的是美國Stratasys公司。該公司成立于1990年，總部位于美國明尼蘇達州，擁有FDM專利技術。該公司于1993年開發出第一臺FDM-1650機型后，先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000機型；1998年又推出了采用擠出頭磁浮定位（Magna Drive）系統，可同時控制兩個噴出頭的FDM-Quantum機型；1999年推出可使用使

15、用聚脂熱塑性塑料的Genisys型改進機型GenisysXs1；目前該公司最新的機型有Dimension三維打印機、FDM Prodigy plus、FDM Vantage、FDM Titan、FDM Maxum快速成形機。該公司自2002年起在年RP設備銷售臺數上超過美國3D System公司，成為世界上最大的RP設備銷售商，目前Stratasys公司每年銷售的RP設備占到全球銷售總量的一半左右。國內，華中科技大學、北京殷華公司等單位也從事FDM方面的研究。北京殷華公司對熔融擠壓噴頭進行了改進，提高了噴頭可靠性。并在此基礎上新推出了面向辦公應用的MEM200型小型設備，面向工業應用的MEM3

16、50型設備以及基于光固化工藝的AURO-350型設備。此外，殷華公司近幾年推出了專門用于人體組織工程支架的快速成形設備Medtiss。該型設備以清華大學激光快速成形中心發明的低溫冷凍成形（LDM）工藝為基礎，最多可同時裝備4個噴頭。該設備成形材料廣泛，可成形PLLA、PLGA、PU等多種人體組織工程用高分子材料。成形的支架孔隙率高，貫通性好，在組織工程中有良好的應用前景2。在FDM材料方面，熔絲線材料主要是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料。1998年澳大利亞的Swinburne工業大學研究了一種金屬-塑料復合材料絲。1999年Stratasys公司開發出水溶性支撐材料，有效地解決了復雜、

17、小型孔中的支撐材料難除或無法去除的難題3。從2003年至今，Stratasys公司為擴大FDM工藝在RM領域的應用，先后推出PC、PC/ABS、PPSF等三種材料，使成形的零件可直接用作汽車儀表盤、電子產品外殼甚至塑料注塑模具等。根據Stratasys技術報告提供的數據，采用PPSF材料制造的注塑模具可生產150件POM零件或者201件PA零件4。此外，目前Stratasys公司推出的工程塑料ABS有六種標準顏色，包括：白、藍、黃、黑、紅、綠色，允許客戶定制。1.2.3 新工藝、新材料和新方法的研究丹麥科技大學（Technical University of Denmark）的Bellini

18、Anna開發了一種用于FDM設備的新型擠出系統5。該裝備將一個微型擠出器安裝在一個精確定位系統上，它能使直接使用顆粒狀原料，而代替傳統FDM工藝中的絲狀材料，從而使得FDM工藝可以使用更廣泛的特殊材料（如陶瓷等） ，提高FDM制件的性能，達到使用FDM工藝制造特殊原型和快速制造的目的。目前，該系統和使用該系統的制件已經制作出來，但是一些工藝參數（如顆粒度等）還需要進一步優化。西安交通大學將傳統FDM工藝中材料擠出過程作了改進，將被加熱到一定溫度的低粘性材料(該材料可由不同相組成,如粉末粘結劑的混合物) ,通過空氣壓縮機提供的壓力由噴頭擠出,其他均與傳統FDM工藝相同，他們將這種工藝稱之為氣壓式

19、熔融沉積快速成形(AJS)6。他們的研究結論是：以氣壓作為擠壓動力有效可行,系統工藝簡單,成形材料選擇范圍廣泛,可完成傳統FDM的快速設計任務,還可完成制造人工生物活性骨的模型加工。澳大利亞Swinburne科技大學（Swinburne University of Technology）繼續了他們在金屬/塑料復合材料上面的研究。2005年他們開發一種新的鐵/尼龍的復合材料，該材料比其他用于快速制模的金屬/塑料復合材料擁有更好的性能7。在FDM工藝的基礎上，蘇格蘭Glagow Caledonian大學（Glagow CaledonianUniversity）提出了一種新的成形方法SALM（She

20、ll Assisted Layer Manufacturing） 。該方法的每一層制作分為兩步：首先用FDM工藝做作制件外殼，然后用UV光固化樹脂填充外殼，重復制作直至完成。該方法有潛力來提高制件質量、生產效率和工藝速度8。1.2.4 工藝實驗方面的研究馬來西亞科學大學（University Sains Malaysia）的Lee B.H.等人提出一種Taguchi method來獲得使用FDM工藝制作compliant ABS原型時的最優加工參數。最后通過實驗得到的結論是：layer thickness，raster angle和air gap對compliant ABS原型的彈性性能有很重

21、要的影響9。丹麥科技大學（Technical University of Denmark）的Bellini Anna等人針對FDM的最新發展使得FDM工藝已經用于直接快速制造零件，對擠出過程提出更高的要求的形式下，通過分析材料擠出階段的液化器動力學（Liquefier dynamics） ，提出了擠出過程的控制策略10。大連理工大學的郭東明教授、賈振元教授等人也進行了FDM工藝參數優化設計。他們使用一個包含22個尺寸、幾何精度及表面粗糙度特征的測試件，采用一個具有最少試驗次數的正交試驗得到27個FDM原型；通過使用三坐標測量儀和表面粗糙度輪廓儀來測量原型件的各種特征，并使用MATLAB軟件進行

22、試驗數據處理，據此結果來評估FDM原型件的質量；取并進行了工藝參數的優化。研究結果表明，工藝參數的優化設置能大幅度改善原型件的質量11。1.2.5 各應用領域的研究 澳大利亞Swinburne大學的Masood S. H.教授等人使用FDM工藝直接噴射金屬制作注塑模嵌件。它首先用FDM工藝制作一個尼龍模型，然后在尼龍的外表面噴射一層鋅合金保護膜。目前，他們正在對這種新工藝，以及使用這種注塑模制作出來的塑料件進行研究12。荷蘭TNO國家應用科學研究組織在FDM技術的基礎上，使用一直semi-solidmetals（EDSSM）來直接制作金屬件。他們還對這中合金材料的微觀組織及其在擠出和沉積過程中

23、的流變力學性質等進行了研究13。得出了加工工藝參數與原型件質量之間的關系，清華大學的顏永年教授等人利用噴射/擠出沉積成形方法制作了骨模型和耳狀軟骨，并在狗和兔子上進行了實驗14。顏永年教授還于2005年正式提出生物制造工程的概念15，目前他們的研究工在國際上處于領先水平。Srezelec Rebecca A.和Varreck Andrew N.在美國工程教育協會2005年年會報告中，就FDM技術在機電工程技術教育中的應用、FDM的操作、優點和局限性及FDM教學應用項目進行了討論18。在他們的教學應用項目中，在Penn State Altoona機電工程系的學生開設Senior Capstone

24、 Course，此外還專門開設了一門“CAD for Artists”課程。值得注意的是，在他的報告中指出，美國賓州中南部的幾十名11到13歲的女中學生也使用FDM系統進行她們的研究。她們在設計了用戶產品之后，使用FDM去制作原型，然后進行討論。1.2.6 FDM系統組成FDM系統主要包括噴頭、送絲機構、運動機構、加熱成型室、工作臺五個部分。（1）噴頭。噴頭是最復雜的部分。材料在噴頭中被加熱融化，噴頭底部有一噴嘴供熔融的材料以一定的壓力擠出，噴頭沿零件界面輪廓和填充軌跡運動是擠出材料，與前一層粘結并在大氣中迅速固化。如此反復進行即可得到實體零件。（2）送絲機構。送絲機構為噴頭輸送原料，進絲要求

25、平穩可靠。一般和噴頭采用推拉相結合的方式，以保證進絲穩定可靠，避免斷絲或積瘤。（3）運動機構。運動機構包括X，Y,Z三個軸的運動。X-Y軸的聯動完成噴頭對截面的平面掃描，Z軸則帶動工作臺實現高度方向上的進給。（4）加熱成型室。加熱成型室用來給成型過程提供一個恒溫的環境。熔融狀態的絲擠出成型后如果驟然冷卻，容易造成翹曲和開裂，適當的環境溫度可最大限度的減小這種缺陷，以提高成型質量和精度。（5）工作臺。工作臺主要由臺面和泡沫墊板組成，每完成一層成型，工作臺便下降一層高度。1.27 FDM成型特點： 1)標準的工程熱塑性塑料。如ABS可以用來生成帶有結構功能的模型。 2)可以使用兩種材料，可選柵格結

26、構充當填空。 3)加熱后的熱塑性塑料細絲像擠牙膏一樣從噴嘴中擠出。 4)熱塑性塑料到達較低溫度的工作環境平面后迅速冷卻固化。 5)近年來發展迅速，廣受用戶青睞。 1.28 FDM的優、缺點及應用范圍： FDM快速原型技術的優點是： 1、 制造系統可用于辦公環境，沒有毒氣或化學物質的危險。 2、 工藝干凈、簡單、易于材作且不產生垃圾。 3、 可快速構建瓶狀或中空零件。 4、 原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和快速更換。 5、 原材料費用低，一般零件均低于20美元。 6、 可選用多種材料，如可染色的ABS和醫用ABS、PC、PPSF等。 缺點是： 1、 成型精度相對國外先進的SLA工藝較低，最高

27、精度0.127mm 2、成型表面光潔度不如國外先進的SLA工藝； 3、成型速度相對較慢 適用范圍：這種工藝方法適合于產品設計的概念建模以及產品的功能測試。由于甲基丙烯酸ABS（MOBS）材料具有很好的化學穩定性，可采用伽瑪射線消毒，特別適用于醫用。但成形精度相對較低，不適合于制作結構過分復雜的零件。2.2 FDM快速成型機的總體設計圖5 FDM快速成型系統原理圖2.2.1 FDM快速成型機的系統設計FDM控制系統主要由計算機控制系統硬件、運動控制系統、送絲控制系統、溫度控制系統及其機床開關量控制系統5部分組成。1) 計算機控制系統硬件主要有單臺工業PC機、運動控制卡、數模/模數轉換卡、數字量輸

28、入卡和數字量輸出卡組成。它使用單臺工業PC機完成上層數據處理和下層設備驅動功能，使用接口板卡作為計算機控制系統與其他子執行系統的接口。2) 運動控制系統采用步進式開環運動控制系統，運動機構以X-Y步進電機與鋼絲繩傳動機構、Z軸步進電機和絲杠傳動機構構成，控制模塊控制步進電機的運動來完成X-Y的平面掃描和Z軸的高度進給。Z軸方向采用較小的運動速度，保證Z軸的精確進給，X-Y軸空運行時使用較高速，噴絲工作時使用較低速，保證工作時間的降低和運動的精度。FDM系統采用的是一種三軸步進電機運動控制卡。該卡能實現精確的X-YZ位置控制、精確的旋轉控制，主要用于機器人設備、裝配設備，以及其他使用步進電機的地

29、方。3) 送絲控制系統送絲控制系統包括送絲機構驅動電路。它控制送絲機構的運動，從而將實體材料和支撐材料分別送入實體噴頭和支撐噴頭進行加熱熔化，并通過擠壓力將材料從噴頭中擠出。計算機控制系統通過數字量輸出卡和模數/數模轉換卡，經過送絲機構驅動電路實現對送絲機構的啟停、正反轉和調速控制。4) 溫度控制系統溫度控制系統是采用獨立的閉環控制系統，由三組溫控器、可控硅及熱電耦組成。它實現在系統工作時，分別將實體噴頭、支撐噴頭和加熱工作室的溫度控制在設置的范圍內。計算機控制系統通過數字量輸出卡來控制溫控器的啟停。5) 機床開關量控制系統機床開關量控制系統是對機床一些必要的開關量，如強電開關量、加熱器開關量

30、、調試開關量、上門開關量等，進行的控制，以達到機床特定的輔助功能。計算機控制系統通過帶光電隔離功能的數字量輸入卡和數字量輸出卡來完成他們的控制。2.2.2 FDM快速成型機的結構設計FDM快速成型機主要有擠壓噴頭、工作平臺、送絲機構、運動機構、加熱工作室5個部分組成，如下圖所示。圖6 FDM快速成型機結構圖（字體重標）1) 擠壓噴頭現在一般都用雙噴頭獨立工作，一個主噴頭用來噴模型材料制作零件，另一個副噴頭用來噴支撐材料制作支撐，兩種材料特性不同，制作完畢后去除支撐相當容易。在計算機控制下，噴頭可在XY平面內任意移動，兩個噴頭可以獨立開啟關閉。主噴頭工作時，副噴頭遠離工作臺;副噴頭工作時，主噴頭

31、上下位置不動，副噴頭接近工作臺。工作臺可以任意升降。2) 工作平臺工作臺主要有臺面和泡沫墊片組成，每完成一層成型，工作臺便下降一個高度。3) 運動機構XY軸的聯動掃描完成FDM工藝噴頭對截面輪廓的平面掃描，Z軸帶動工作臺實現高度發行的進給。4) 送絲機構送絲機構為噴頭輸送原料。原料絲直徑一般為1-2mm,而噴嘴直徑只有0.2-0.3左右，這個差別保證了噴頭內一定的壓力和熔融后的原料能以一定的速度被擠出成型。送絲機構和噴頭采用推拉相結合的方式，以保證送絲可靠，避免斷絲或積瘤。5) 加熱工作室加熱工作室用來給成型過程提供一個恒溫環境。熔融狀態的絲擠出成型后如果驟然受到冷卻, 容易造成翹曲和開裂,

32、適當的環境溫度可最大限度地減小這種造型缺陷, 提高成型質量和精度。3 FDM快速成型機X、Y進給系統設計本次畢業設計題目是立式加工中心設計（X、Z方向進給系統設計、床身設計），它是一種數控加工設備，隨著工業產品的快速發展，該設備在機械行業中的使用越來越廣泛，是典型的機電一體化產品。立式加工中心主要用于各種中小尺寸，各種基礎件、板件、殼體、模具等多品種零件的加工，工件一次裝夾后可自動高效、高精度的連續完成銑、鉆、鏜、鉸等多種工序的加工，適用于航空、機床、印刷、輕紡、模具等制造行業。3.1 X、Y向進給系統絲杠的選取與計算滾珠絲杠副按循環方式分為內循環和外循環兩種，本設計選用了內循環浮動式滾珠絲杠

33、副，其結構特點為：滾珠循環鏈最短，反向靈活，結構緊湊，剛性好，使用可靠，工作壽命長，螺母配合外徑較小。摩擦力矩小，適用于高靈敏.高精度.高剛度的進給定位系統。如圖3-1所示：圖3-1 浮動式內循環示意圖 初算導程(mm)/=mm 要符合標準值, 初選=20mm 絲杠副最大移動速度，mm/min絲杠副最大相對轉速，r/min 當量載荷(N)當載荷在和之間周期性變化時，載荷按下式計算F=（2+） 絲杠的最大載荷為切削時的最大進給力，最小載荷為摩擦力。 =+=3000+0=3000N，=0N F=（2+）=（2×3000+0）=2000N 當量轉速當轉速在和之間變化時，=(+)=(2000

34、+0)=1000 r/min 額定動載荷計算(N)=(/)/=1.5×2000×=1.5×2000×3.71=11100 N=4.5×3000=13500 N精度系數， =1可靠性系數， =1載荷性系數， =1.5預期工作距離，=1020×km 預加載荷系數， =4.5-最大軸向載荷，=3000N 估算滾珠絲杠允許最大軸向變形=（1/31/4）重復定位精度=×0.010=0.003mm （1/41/5）定位精度=×0.017=0.004mm取與中較小值為值=0.003mm 估算滾珠絲杠底徑(mm)=a=0.039&

35、#215;=37.16mm=F=3000 Na支承方式系數，一端固定時一端游動時取0.039導軌靜摩擦力,N導軌靜摩擦因數L滾珠絲杠兩軸承支點間的距離 確定滾珠絲杠副規格代號選定滾珠螺母型式,按上述估算的.及值中選出合適的規格代號及有關安裝.連接尺寸,并使,但不宜過大,以免增大轉動慣量及結構尺寸。取=40mm。型號4010-3，其參數L=84 D=108 D1=63。b1 絲杠螺紋左端到左軸承的距離b1，取60mmb2 絲杠螺紋右端到右軸承的距離b2，取40mmLe 余程 Le=40mmLa 安全行程 La（12）Ph=20mmLx 機械最大行程Lx=1020mmLn 螺母長度Ln=84mm

36、L1 絲杠螺紋長度L12Le+2La+Lx+Ln=1300mmLu 有效行程LuL12Le=1220mmL 左右端軸承之間的距離LzL1+b1+b2=1440mmx軸絲杠最少大于1440mm,y軸最少大于980mm注：b1、b2按經驗選取，在滿足結構設計需要的情況下，越短越好。 計算預緊力當最大軸向工作載荷能確定時, =/3=3000/3=1000N 行程補償值C（m）C=11.8t=11.8×2×1300×=30.68m =行程+（814）=1020+14×20=1300mmt溫度變化值，23C°滾珠絲杠副有效行程，mm 預拉伸力(N)=1.

37、95t=1.95×2×40=9867.8N絲杠螺紋底徑，mm 系統剛度K計算(N/m)+=0.0055則K=357 N/m滾珠絲杠副的拉壓剛度，N/m當一端固定一端游動時，=165L/a(L-a)=786 N/m軸承剛度， N/m=2×2.34×=2×2.34×=261 N/mR軸向接觸剛度，得R=1138a滾珠螺母中點至軸承支點距離， 滾珠絲杠副精度選擇選擇精度，并校合系統剛度K值，進行必要的驗算。精度等級； 滾珠絲杠壓桿穩定性驗算=/=×4××/=10.1×N臨界壓縮載荷，N安全系數，絲杠垂

38、直安裝為1/2支承系數，絲杠最大受壓長度，滾珠絲杠副所受的最大軸向壓縮載荷 滾珠絲杠副極限轉速計算(r/min)=f/=×21.9×40/=13687.5 r/minf支承系數， f=21.9臨界轉速計算長度， =800 mm dn值校驗（r·mm/min）=40×2000=80000100000 r·mm/min滾珠絲杠副的公稱直徑，mm滾珠絲杠副最大轉速,r/min 額定靜載荷驗算（N）=2.2×3000=6600 N，滾珠絲杠副基本軸向額定靜載荷，=37.7×N靜態安全系數，一般取12，有沖擊振動時取23滾珠絲杠副最大

39、軸向載荷，=3000N 絲杠軸拉壓強度驗算/4=200×3.14×/4=9.8×知絲杠的拉壓強度足夠。絲杠軸許用拉壓應力，N/mm3.2 滾珠絲杠支撐的選擇在絲杠的安裝方式中有 支撐游動式 固定游動式 固定固定式。由于一端固定，一端游動的安裝方式適用于水平安裝的較長絲杠，但裝配復雜。為了保證機床再加工中能夠保證足夠的剛性以及補償熱膨脹，所以在這次的設計中傳動系統的絲杠采用一端軸向固定，一端游動的結構形式,見圖3-2：圖3-2滾珠絲杠軸端固定方式固定端采用60度角接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力，游動端采用深溝球軸承，安裝還要考慮軸承的預緊，通過絲杠兩

40、端的六角鎖緊螺母來實現滾珠絲杠的預緊，防止絲杠發生軸向竄動。其特點為： 絲杠的靜態穩定性和動態穩定性最高，適用于高速回轉； 結構復雜，兩端軸承均調整預緊，絲杠壓桿穩定性比較高； 軸向剛度較大，絲杠有熱膨脹的余地； 適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠的安裝； 適用于較長的絲杠安裝。3.3 滾珠絲杠副預緊機構的設計一般滾珠絲杠副調整軸向間隙的預緊方式有以下六種，如圖3-3所示：圖3-3 滾珠絲杠副預緊方式（a）雙螺母差齒預緊（b）雙螺母墊片預緊（c）雙螺母螺紋預緊（d）單螺母變位導程預緊（e）單螺母增大剛球預緊（f）六角鎖緊螺母預緊 圖3-3（a）在雙滾珠螺母1和2的凸緣上切制出外齒輪,其齒

41、數差為1,分別與內齒3和4嚙合,3與4用螺釘鎖緊與螺母座5中,通過1與2的相對轉動達到預緊的目的。圖3-3（b）是采用不同厚度的墊片2來預緊。圖3-3（c）的滾珠絲杠3外伸端處切有外螺紋，螺母2可使3產生軸向位移來預緊。圖3-3（d）為單螺母變位導程自預緊，為內預緊方式。圖3-3（e）是一種類似過盈配合的預緊方式，采用安裝直徑比正常大幾個m的鋼球進行預緊裝配。圖3-3（f）靠兩個六角鎖緊螺母軸向拉緊絲杠達到預緊的目的。對比幾種預緊形式的工作原理和使用場合我采用了六角鎖緊螺母預緊方式，這種方式的結構特點為：結構簡單，軸向剛性好，預緊可靠，軸向尺寸適中，工藝性好。適用于高剛度、重載荷的傳動，目前應

42、用最廣泛。3.4 導軌的選擇與計算機床導軌按接觸面的摩擦性質可以分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種。滑動導軌具有結構簡單、制造方便、剛度好抗、振性高等優點，是機床上使用最廣泛的導軌形式。但其缺點是靜摩擦因數大，動摩擦因數隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速易出現爬行現象，定位精度不高。滾動導軌是在導軌面之間放置滾珠、滾柱、滾針滾動體，使導軌面間的滑動摩擦變為滾動摩擦。優點是：靈敏度高，動摩擦因數和靜摩擦因數相差甚微，因而運動平穩，低速移動不易出現爬行現象；定位精度高，重復定位精度可達0.2m，摩擦阻力小，運動輕便，精度保持好，壽命長。適用于運動靈敏及定位精度高的場合。靜壓導軌因為結構復雜，需要

43、供油系統，造價高，維修困難，影響了其廣泛使用。根據滾動體的類型，滾動導軌有下列三種形式： 滾珠導軌這種導軌的承載能力小，剛度低。為了避免在導軌面上壓出凹坑而喪失精度，一般常采用淬火鋼制造導軌面。滾珠導軌適用于運動的工作部件質量不大和切削力不大的機床上。如工具磨床工作臺導軌、磨床的砂輪休整器導軌及儀器的導軌等。 滾柱導軌 這導軌的承載能力及剛度都比滾珠導軌大。但對于安裝的偏斜反應大，支承的軸線與導軌的平行度偏差不大時也會引起偏移和側向滑動，這樣會使導軌磨損加快或降低精度。小滾柱（小于10mm）比大滾柱（大于25mm）對導軌面不平行敏感些，但小滾柱的抗振性高。 滾針導軌滾針導軌的滾針比滾柱的長徑比

44、大，滾針導軌的特點是尺寸小、結構緊湊。為了提高工作臺的移動精度，滾針的尺寸應按直徑分組。滾針導軌適用于導軌尺寸受限制的機床上。根據導軌是否預加負載，滾動導軌可分為預加負載和不預加負載兩類。預加負載的優點是提高導軌剛度。但這種導軌制造比較復雜，成本較高。預加負載的滾動導軌適用于顛覆力矩較大和垂直方向的導軌中，數控銑床常采用這種導軌。無預加負載的滾動導軌常用于數控鏜銑床或加工中心的機械手、刀庫等傳送機構。綜合比較，我采用了滾珠導軌形式。安裝形式如圖3-4所示：圖3-4 滾動導軌固定方式1固定螺釘 2導軌3滑塊 4固定螺栓導軌長度：X向導軌：1450mmY向導軌：1050mm導軌負荷的計算：在實際應

45、用中，導軌負荷由于受許多因素影響而發生變化，如：工作臺重心位置、切削力的變化等，在選擇時應充分考慮上述條件，從而確定系統負荷。Y向受力較大，按Y向導軌計算，作用于導軌上的負荷計算如下：其中，：所受負荷；F：絲杠推力；R：外力；P：所受負荷（徑向）；P：所受負荷（水平方向）；L：力臂長度；V：速度 外力的計算銑削圓周力式中：圓周切削力，N 銑削條件改變時銑削力修正系數對一般的加工條件：工件材料為碳素結構鋼=650Mpa，高速鋼立銑刀，=637，=0.1，=0.72，=0.86，=0，=0.86，=1，Z=3，d=20，=10，=0.3，=2=1110N查表得,則走刀抗力=1110N 水平導軌勻速

46、或靜止時的受力，如圖3-5所示：2500N2500N2500N2500N式中，W=10000N，R=0加工工件時，每一個滑塊所受的水平負荷可按下式計算：圖3-5 水平導軌均勻或靜止時的受力圖水平導軌承受外力時的受力圖，如圖3-6所示：圖3-6 水平導軌承受外力時的受力圖作用時=1059.8N=0作用時=1867.3N=263.5N=1867.30.75=1400.5N 所以導軌的總受力為=2500+1400.5=3900.5N 額定動負荷可按下式計算：壽命時間，單位hr，取58400：行程長度m，取0.2：每分鐘往返次數，取1 由公式L：額定長度，單位0.13kmC：基本額定動負荷10000N

47、：計算負荷24000N：溫度系數，取1：接觸系數，取0.81：負荷系數，取2.0得C=8.043900.5=31360.2N查博特產品系列，選擇JSA-LG45C即可，并且、均滿足要求。4 電機的選擇與確定步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步距角）。您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。  步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，

48、步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。 步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB） 永磁式步進一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發達國家80年代已被淘汰；混合式步進是指混合

49、了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。  保持轉矩（HOLDING TORQUE）是指步進電機通電但沒有轉動時，定子鎖住轉子的力矩。它是步進電機最重要的參數之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉矩就成為了衡量步進電機最重要的參數之一。比如，當人們說2N·m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉矩為2N.m的步進電機。 一般步進電機的精度為步進角的35%，且不累積。&#

50、160; 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點，一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130以上，有的甚至高達攝氏200 以上，所以步進電機外表溫度在攝氏8090 完全正常。 當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢，頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。  步進電機有一個技術參數：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發生丟步或堵轉。在有負載的

51、情況下，啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動，脈沖頻率應該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉速從低速升到高速）。  步進電機低速轉動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：  如步進電機正好工作在共振區，可通過改變減速比等機械傳動避開共振區；  采用帶有細分功能的驅動器，這是最常用的、最簡便的方法；  換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機；  換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高；  在電機軸上加磁性阻尼器，市場上已有這種產品，但機械結構改變較大。電動

52、機的選擇計算如下：電動機所承受的扭矩T為：T=9550=9550=9.55N·mPX、Y方向電機功率，本加工中心P=2 kwn絲杠轉速，n=1750rad/min本設計選擇BF系列150BF002磁阻式步進電動機，電機輸出功率2kw，最高轉速4000r/min，最大轉矩13.72N·m,完全符合進給的要求。安裝方式如圖4-1所示： 圖4-1 步進電機的安裝方式該步進電機的主要技術參數如下：最高轉速nmax：4000r/min。最大轉矩Tmax：13.72N/m。電機步距角b：0.750/step。表4-1 步進電機選取表型號步距角a/(°)相數電壓(V)相電流(A

53、)最大靜轉矩(N·M)空載起動頻率(步/秒)空載運行頻率(步 /秒)分配方式相電感(mH)重量(Kg)90B0010.948073.9220008000四項八拍17.44.590BF0060.3652432.1562400五項十拍2.2110BF0030.7538067.8415007000三項六拍35.56110BF0040.7533044.9500三項六拍56.55.5130BF0010.75580/12109.31300016000五項十拍9.2150BF0020.75580/121313.7228008000五項十拍14150BF0030.75580/121315.68260

54、08000五項十拍16.5200BF0010.16524414.713008000五項十拍165 床身的設計床身的設計對于整個機床十分重要，因為它要支撐機床的所有重量和受力。在這次的設計中為了減少機床零件個數，遵照越簡單越可靠的設計原則將機床床身底座直接設計成可以與Y向導軌相連的基座。床身的主要作用是承受重力。為機床工作提供足夠的空間。主要包括機床底座，機床外罩（可以防止加工時鐵屑的飛出對人造成傷害）。 底座的設計主要是一個箱體的設計。它作為機床的安裝基礎要為其他系統準備好安裝孔系。主要有立柱的安裝孔，機床外罩的安裝位置，還有進給系統的安裝位置。 為了能使機床在加工的時候盡量減少自身的影響，所

55、以要為機床提供一個穩定的加工平面。減少機床加工時的震動，所以在機床底座上要準備一系列的地腳螺栓。地腳螺栓的選取在這次設計中沒有經過詳細的計算，是通過經驗和現場測量，從標準件中選取的。地腳螺栓直徑取M16。 為了減輕床身底座的重量應將底座中間掏空，但機床又要求有一定的剛度和減振的性能所以在機床底座外應加加強肋板。6 機床的潤滑與防塵6.1 潤滑方式機床中潤滑是必不可少的，在此次的設計中潤滑主要是絲杠螺母副之間的潤滑和直線導軌副之間的潤滑。與滑動導軌相比，滾動直線導軌副潤滑需要油量小且給油周期長。但是如果在沒有潤滑油的狀態下使用，滾動接觸部分的磨損將增加，壽命將減少，因此必須有適當的潤滑方式。當滾

56、動直線導軌副運行速度為高速時（v>15m/min），推薦使用20號機械油，在這里由于設計要求快速運動為35m/min，所以選用20號機械油潤滑，通過油管與自動潤滑油供給系統相連，按照一定的時間間隔強制潤滑。JSA型滾動直線導軌副是通過返向器端部的注油杯口注入潤滑油脂，油脂經過返向器內的油道而流到鋼球返回溝槽中，然后由于鋼球的無限循環而實現整體潤滑。潤滑后排除的油脂流到機床冷卻液回油槽中作為冷卻液繼續循環使用。6.2 防塵措施當滑塊運動時，在滑塊運動方向的后方將形成負壓區域，這樣將吸入塵埃。吸入的塵埃積聚在導軌的固定螺釘內以及導軌面上，使滾動直線導軌的壽命急劇下降。為了保證其使用壽命，必須采用適當的措施： 采用密封端蓋和密封底片，以防止塵埃、雜物進入滑塊內部。 為防止雜物聚集在導軌固定螺絲釘孔穴而混入滑塊中，使用螺孔帽將