龙门式火焰切割机传动及控制设计

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毕业设计(论文)
龙门式火焰切割机传动及控制设计THE DESIGN OF TYANSMISSION AND CONTYOL IN THE GANTRY FLAME CUTTING
MACHINE
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20**年5月27日
摘要
本课题针对龙门式火焰切割机的横梁及火焰切割头的控制进行了设计。

横梁的机构设计主要对其结构的确定，之后对传动装置进行了选择及计算检验，最后对主要传动的零部件进行选择校核。

其中主要对滑动丝杠和滚动丝杠的强度及传动效率等进行了计算校核。

并对横梁设计中存在的结构部件的联接问题进行了改进。

火焰切割头是在传动装置的基础上运用丝杠的转速控制运动，用单片机控制电机的转速来达到效果。

对控制电路设计也做了系统的详解，主要对所涉及的键盘、显示器、主要芯片做了选取应用。

关键词火焰切割机；电气控制；横梁设计；单片机
Abstract
This essay analyzes that the design of the beam and the control of flame cutting head of the gantry flame cutting machine.The design of the beam of mechanism main determining its structure of the transmission device, then the selection and operation of the main transmission inspection, finally the choose of the parts inspection. The major of sliding screw and rolling ball screw's strength and transmission efficiency is calculated respectively.And problems existing in the connect of parts, in the design of structure of the beam ,are also improved. Flame cutting in the head is based on transmission device using screw speed control movement, with single-chip microcomputer control motor speed to achieve results. I also make a system explanation of the control of circuit design, involved mainly to make the selection and applications of the keyboard, display, main chip.
Keywords flame cutting machine electrical control the design of the beam microcontroller
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1 绪论 (1)
1.1 课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求 (1)
1.1.1 课题的意义和目的 (1)
1.1.2 研究范围和技术要求 (1)
1.2 龙门式火焰切割机的简介和特点 (1)
1.2.1 简介 (1)
1.2.2 特点 (2)
1.3国内外的现状 (2)
1.4 发展前景 (3)
2 总体方案设计 (5)
2.1 总体方案的设计 (5)
2.1.1 功能与技术参数的分析 (5)
2.1.2 横梁机构设计简介 (5)
2.1.3双切割头横向移动电气控制设计简介 (5)
2.2 立柱的设计 (5)
2.2.1 机架的设计准则及要求 (5)
2.2.2 立柱结构 (6)
3 横梁机械机构设计 (9)
3.1 龙门式横梁结构设计 (9)
3.1.1 确定龙门式火焰切割机横梁结构 (9)
3.1.2 传动装置类型的选用 (9)
3.1.3 传动方案的选取 (10)
3.2 机床零部件的设计 (10)
3.2.1 丝杠副的选取 (11)
3.2.2导轨的选型及计算 (15)
3.2.3联轴器的选取 (16)
3.2.4轴承的选取 (18)
3.2.5立柱底座横向进给的滚动丝杠的计算 (19)
3.2.6 步进电机的选取 (21)
4 电气控制设计 (25)
4.1拟定机床控制系统方案 (25)
4.2组成元件的介绍 (25)
4.2.1主要芯片的选取 (25)
4.2.2 键盘接口原理 (25)
4.3 控制电路设计 (26)
4.3.1 使用多片EPROM的扩展电路 (26)
4.3.2 89C51主要管脚功能 (27)
4.3.3 静态RAM芯片的选用 (27)
4.3.4 8155工作方式查询 (28)
4.3.5 89C51的存储器及I/O的扩展 (29)
4.3.6 8155状态查询 (30)
4.3.7 8155内部定时电路 (30)
4.3.8 89C51地址分配 (31)
4.3.9 8155扩展I/O端口的初始化程序设计 (32)
4.4 键盘电路设计 (33)
4.4.1键盘功能 (33)
4.4.2 键盘程序设计 (33)
4.5闪光报警电路 (36)
4.6 显示器设计 (36)
4.6.1显示器显示方式的选取 (36)
4.6.2显示器接口电路 (36)
4.7光电隔离电路选用 (36)
结论 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
1 绪论
1.1 课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求
1.1.1 课题的意义和目的
火焰切割机是工程中金属板材切割的常用设备，可以根据要求在板材上切割出不同形状。

采用数控技术的多点火焰切割机可以同时进行多种切割加工。

龙门式火焰切割机是一种针对大型板材的火焰切割设备。

本课题要求对龙门式火焰切割机的横梁机械机构进行设计，并设计切割头的横移控制系统。

1.1.2 研究范围和技术要求
本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制火焰切割机床，主要设计对象是横梁及89C51单片机控制切割头的原理图。

单片机对纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pluse。

工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滑动丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机等。

设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。

要求切割头横向移动距离2.5米，其横向最大移动速度0.3米∕秒，且双切割头可以同时做相同或相反移动。

1.2 龙门式火焰切割机的简介和特点
1.2.1 简介
在机械加工过程中，板材切割常用的方式有手工切割、半自动切割机切割及数控切割机切割。

手工切割较为灵活方便，但手工切割的质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工的工作量又大，同时劳动条件非常恶劣，生产效率很低。

半自动切割机中的仿形切割机，切割工件的质量比较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件的切割。

其它类型半自动切割机虽然降低了工人的劳动强度，但其功能比较简单，只适合一些较为规则形状的零件切割。

数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可以有效地提高板材切割地效率、切割质量，而且能减轻操作者的劳动强度。

目前在我国的一些中小企业甚至在一些大型企业中使用手工切割和半自动切割方式还是较为普遍的。

龙门式数控火焰/等离子切割机采用双边驱动，即双切割头，运行稳定，配置好，工作效率很高，可以用于各种异形碳钢、锰钢、不锈钢等金属材料的大、中、小型钢板下料。

还可根据用户的要求配置多把割炬。

见下图1-1
图1-1龙门式数控火焰/等离子切割机
1.2.2 特点
1.横梁：采用方管对焊的结构，具有刚性好，精度高，自重轻，惯量小的特点。

所有的焊接件均采用振动时效去应力处理，有效的防止了结构变形；
2.纵、横向驱动：横向导轨则采用了台湾进口的直线式导轨，纵向导轨是由精密加工的特质钢轨制成的，保证了切割机的运行平稳，精度高，且经久耐用，清洁美观；
3．纵向驱动架（端架）：两端装有水平的导向轮，可调整其驱动架底部偏心轮对导轨的压紧程度，使整机在运动中能够保持稳定的导向；
4．驱动系统选用步进电机和驱动技术，使整机运行平稳，速度变速范围宽，加速时间短；
5．简单易用的自动编程系统，使编程不再那么的复杂，轻而易举；
6．电气系统具有优良稳定性和超强抗干扰；
1.3国内外的现状
目前来说切割机应用在金属及非金属行业上，一般来说，非金属行业分得比较细致，比如有切割石材的石材切割机、水切割机、锯齿切割机，切割布料、塑料及化纤制品用的激光切割机、刀片式切割机，切割金属材料的则有火焰切割机（火焰切割机又分数控火焰切割机和手动火焰切割机。

而手动的又有小跑车、半自动、纯手动的；数控的有龙门式数控切割机、悬臂式数控切割机、台式数控切割机、相贯线数控切割机等等）、等离子切割机。

切割成本方面来说，激光切割机是最昂贵的，也是精度和效率最高的一种切割设备，水刀切割机次之，然后就是火焰切割机，等离子切割机是最便宜的。

（见下图1-2）
图1-2激光切割机
经过了几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面均取得了长足的发展，譬如切割能源已经由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源(火焰、等离子、激光、高压水射流等等)切割方式；数控切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式及自动化程度不高已经发展到具有功能完善的、智能化的、图形化的、网络化的控制方式；驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式的伺服驱动。

1.4 发展前景
随着现代化的机械加工业的发展，人们对切割的质量、精度要求的不断提高，并对生产效率的提高、生产成本的降低、高智能化地自动切割的功能要求也在不断的提升。

数控切割机必须要去适应现代化机械加工发展的要求。

1.数控切割机的发展
从现在几种通用的数控切割及应用情况来看，数控火焰切割机的功能及性能已经比较完善了，但是对切割材料有局限性（只能切割碳钢板），其切割速度也慢，生产效率低，适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。

等离子切割机具有切割范围广（可以切割所有的金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子的电源技术的提高、数控系统与离子切割配合的问题，比如电源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精细等离子技术也能提高切割速度、切面质量和切割精度；通过完善和提高数控系统来实现对等离子切割效率和切割质
量的提升。

激光切割机的切割速度快，精度和切割质量好等特点。

在国家指定的长期发展规划时，又是将激光切割列入了关键支撑技术。

因其涉及国家安全、国防建设及高新技术的产业化和科技前沿的发展，所以要对激光切割有很高的重视程度，这就将激光切割机的制造和升级带来很大的商机。

随着用户对激光切割技术特点的逐步了解和采用的示范性地深入，这就带动了国内企业开发、生产激光切割机。

2.专用数控切割机的发展
数控管材切割机适用于各种管材上的切割，如切割圆柱正交、斜交、偏心交等相贯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子的端部切割与之相交的相贯线。

这种类型的设备已经广泛运用在金属结构件的生产，电力设备、锅炉业、石油业、化工等部门。

它是行业内比较高端的产品之一，此类的设备切割功能可以满足焊接工艺众不同的板材开不同角度的坡口要求。

随着造船业地发展，船厂在国内率先引进和使用数控等离子切割机。

随着技术的发展，目前国内外的船厂纷纷配备了具有回转坡口功能的等离子切割机，为了满足其高技术、高附加值船的建造要求。

2 总体方案设计
2.1 总体方案的设计
2.1.1 功能与技术参数的分析
为了提高工作的效率，所以采取双切割头同时工作，来缩短工作的时间。

头的支承取用龙门式，这样可以有利于调整龙门的大小来实现加工不同尺寸钢的要求。

龙门式的机床不但具有使用寿命长，工作的稳定性高的特点，而且能最大限度地满足加工不同型号钢的要求，其缺点就是只能在固定的地点加工，使用起来不够灵活简便。

由于要切割曲线割缝，割头由十字滑台带动，这样既能简化其结构，又能满足其运动要求。

2.1.2 横梁机构设计简介
因为切割速度要满足板厚和火焰对其的要求，所以要以无级调速。

传动方式采用丝杠旋转，丝杠螺母带动工作台直线运动，利用调节丝杠的转速来控制割头的速度。

而且要求的加工精度为1～4mm,所以丝杠能很好地保证传动精度和平稳性。

电机与丝杠用联轴器直接连接就可以使传动系统的转动惯量减小，而且减少对电机的负担，实现无级调速。

丝杠的传动采用步进电机来带动其运动。

2.1.3双切割头横向移动电气控制设计简介
切割头采用电气控制方式，首先确定电动机，然后对其电流估算。

对电气控制的电器元件进行选择。

本设计采用MCS-51系列的8031单片机扩展控制系统。

MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，具有很高的性能价格比。

控制系统由微机部份，键盘，显示器及I/O接口等组成，由微机控制步进电机的输入频率，来控制电机的输出转速，从而实现割枪的无级调速。

2.2 立柱的设计
2.2.1 机架的设计准则及要求
1. 机架的设计准则
机架的设计主要应保证刚度，强度及稳定性。

2. 机架的设计要求
(1)在满足其刚度和强度的前提下，机架的重量应达到轻、成本低的要求；
(2)抗振性好、噪声小；
(3)温度场分布合理，热变形对精度的影响小；
(4)结构设计合理且工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工；
(5)结构力求方便安装和调整，同事也便于修理和更换零部件；
(6)有导轨的机架要求其导轨面受力合理，耐磨性好；
(7)造型好看，即经济适用，且美观大方。

机架一般分为铸造机架和焊接机架两类，焊接结构与铸造结构相比之下，焊接结构具
有高强度和刚度，重量轻，生产周期短及施工简便等优点。

表2-1 铸造机架和焊接机架的对比
铸造机架焊接机架
重量较重钢板焊件比铸件轻30%
强度，刚度，抗振性刚度强度较低，阻尼大强度刚度大，抗振性差
价格便宜价格较贵
生产周期周期长，资金周转慢生产周期短
设计条件铸件壁厚不能相差过大，只能用
开口的结构设计比较灵活，壁厚可以相差较大
用途大批量的生产单件小批量生产在比较上述参数和结合本次设计的具体事况，最后选用焊接机架。

从可焊性上考虑，一般选取碳含量<0.25%的碳钢。

2.2.2 立柱结构
焊接柱按外形分为实腹柱和格构柱。

1．实腹柱实腹柱又分为型钢实腹柱和钢板实腹柱，前者焊缝小应该优先地选用，后者适应性强，可按使用要求设计成各种大小的尺寸。

当腹板的计算高度为h，与腹板厚度b之比大于80时，应有横向隔板来加强，间距不得大于3h，柱肢外伸自由宽度b0不宜超过15吨。

2. 格构柱格构柱分缀板式和缀条式两种。

最后设计选择型钢实腹柱。

如图2­2
图2‐2 实腹柱
1.立柱截面形状
由于零件的抗弯，抗扭强度和刚度除与其截面的面积有关外，还取决于截面的形状，合理改变截面的形状，增大其惯性矩和截面系数，可提高机架零件的强度和刚度，从而使其充分发挥材料的作用。

从《机械零件手册》里查得取用矩形面，其抗弯与抗扭惯性矩相对值较大。

28.86mm kg
=ρ综合上述条件，立柱则采用型钢实腹柱，截面形状为方形，选取结构用冷弯形空心型钢，这样可以减小焊缝和避免焊缝受到集中应力的影响。

2.结构用冷弯形空心型钢 国标为：GB/T 6728—1986
（1）一般钢号为Q235-A ，20或Mn 等，其力学性能与化学成分应符合： GB/T 700，GB/T 699和GB/T 1591的规定。

（2）弯曲部分的内弧半径<235, t<4.0时, r<1.4t, 4.0<t<8.0时，r<1.8t . 选取的型号：71，边长mm A 250=, 壁厚mm t 12=, 理论重量： , 截面面积：2
215.110cm S S S =-=
惯性矩： 2
10300cm I I y x == 回转半径： cm r r y x 63.9==
截面模数： 3
820cm W W y x ==
图2­3冷弯形空心型钢结构图
3.立柱热处理
为保持尺寸稳定，为消除内应力，焊后应进行热处理，第一次热处理安排在焊接后，第二次热处理安排在粗加工后进行。

图2­4第一次热处理
图2­5第二次热处理图初步选定机架的主要尺寸：
两边的立柱高度为：3130mm.
横梁长为：3100mm.
滑台1的尺寸为：长=1100mm, 宽=220mm, 高=30mm. 滑台2的尺寸为：长=320mm, 宽=100mm, 高=30mm.
3 横梁机械机构设计
3.1 龙门式横梁结构设计
3.1.1 确定龙门式火焰切割机横梁结构
采用箱式横梁，这样承载力好，整体回火可以消除焊接应力，而且性能稳定可靠。

3.1.2 传动装置类型的选用
机械传支装置的选用是比较复杂的工作，它需要考虑从动力机到工作机多方面的因素，经细致分析对比后才能作出合理的选择。

通常，以下几方面是选择机械传动装置类型的基本依据：
（1）工作机的工况的性能参数；
（2）动力机的性能及与动力机匹配对传动装置机械特性上的要求；
（3）综合分析不同类型传动装置的初始费用，运转费用和维修费用，使所选的传动装置具有良好的经济性；
（4）能符合运转安全和环境保护方面的要求；
（5）使用的控制方便，可靠。

在现代的机器设计中，为了优化机器的设计方案，传动方案的确定都是同动力机的选择，工作机构的选定通盘考虑的。

也就是考虑动力机，传动装置秘工作机的匹配问题。

传动装置的选用，通常并没有一成不变的程序可行，而要根据不同机器的具体条件和复杂程度，经多方案的分析比较才能选定。

以下几方面是在选定传动装置类型时要具体分析考虑的：
(1)机械特性；(2)功率范围；(3)速度； (4)传动比范围；(5)传动效率；(6)寿命；
(7)外廓尺寸；(8)重量；(9)变速要求；(10)价格
本次设计主要解决的问题是变速方式
无级变速：
无极变速能够选用最合理的运动速度，可在运转中变带，操纵控制方便，箭筒化机械结构等，是目前发展的主要方向。

无极变速在数控机床上得到广泛的运用，主要利用直流和交流调速主轴电动机。

利用直流调速电动机进行机床主轴无级变速发展比较早，应用较广。

但直流调速电动机恒功率调速范围很小，一般为1～2，很少为3～4，且有换向限制。

现在国际上新生产的数控机床已有85﹪采用交流变频主轴驱动系统；交流变频调速电机恒功率调速范围8 ～30，有的直接驱动主轴。

内装主轴就是主轴与电机转子合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯量小，可提高起动，停止的响应特性，并有利于控制振动和噪声，其缺点是运转中产生的热量容易使主轴产生热变形。

因此控制温升和冷却是使用内装主轴电动机的关键。

内
装主轴电动机转速可达1500r/min。

设计无级变速系统时，应注意电动机的机械特性应符合传动链的要求。

若不满足要求，还应串联有级变速箱，一般变速级数为2～4级。

3.1.3 传动方案的选取
由于工作台只作直线运动，以下为直线传动的常用方案：
方案1. 电机联轴器变速箱齿轮齿条
方案2. 伺服电机一级齿轮丝杠丝杠螺母
方案3. 步进电机联轴器丝杠丝杠螺母
由于要实现工作台的无级调速，方案1只能实现有限级调速，所以不能使用，动力机使用步进电机就可以实现无级调速，方案2，3都适用，另外工作台要求的运行精度在1—4mm，精度要求不高，如果传动系统用一级齿轮传动会加大传动系统的转动惯量，同时加大电机的负担，如果电机与丝杆用联轴器直接连接就可以使传动系统的转动惯量减小，所以选取方案3传动系统。

3.2 机床零部件的设计
（1）电机与滑动丝杠的联接是通过过盈套筒联轴器、紧定螺钉M4X6、套筒联轴器、平键6X6、轴套和推力球轴承。

（图3 -1）
其优点在于：传动系统的转动惯量减小，减小电机的负载
图3-1电机与滑动丝杠的联接
（2）电机与滚动丝杠的联接是由变径联轴器、轴承端盖、圆锥滚子轴承和轴承座。

（见图3 -2）
2
360mm
N
=δ2100mm N
p =δ3δδ=p 2
mm N 260mm N
240mm
N 235mm
N
图3 -2电机与滚动丝杠的联接
3.2.1 丝杠副的选取
一般丝杠副分为滑动丝杠副和滚动丝杠副。

滚动丝杠副的特点：1.传动效率高；2.运动具有可逆性；3.系统刚度好；4.传动精度高；5.使用寿命长；6.不能自锁；7.制造工艺复杂。

滑动丝杠特点：滑动丝杠摩擦力较大，传动效率较低，一般为30%--40% ，磨损快，低速和微调传容易出现爬行，容易自锁，定位精度和轴向刚度较差，但结构简单，加工方便定位精度和轴向刚度较差，但结构简单，加工方便。

由于工作台要实现横向及纵向运动，所以需要横向和纵向丝杠传动。

横向丝杠没有工作载荷，而且不需要考虑自锁功能，伺服电机取用步进电机就满足自锁要求，所以横向丝杠副取用滚动丝杠副。

纵向丝杠要支承工作台的重力，必须要有很好的自锁功能，所以纵向丝杆取用滑动丝杠副。

1.滑动丝杠的计算与校核
立柱上支承工作台的纵向滑动丝杆计算：(参考自《机械设计手册》第4版第3卷) 最大轴向力为1.5 Kg ，最大升降行程为1600mm,采用单头梯型开螺纹，螺旋应有自锁性。

(1)选择材料和许用应力 螺杆材料选用45号钢，调质处理，
～5=360/3～5=120～72
现取
螺母材料选用ZcuAl10Fe3, 40=δ～
30=p τ～ 现取 由于工作台快进的速度为0.3m/s
24.45.2114.352=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛=arctg d S arctg πλ()2
87.11500
8.0-⎥⎦
⎤⎢⎣⎡⨯⨯=2
10mm N 2
mm N 2
2)(8.0-⨯=P F d ψe H 77许强7=P P ～ 取8 (2)按耐磨性计算螺纹中径
滑动丝杠螺母的主要失效形式是磨损，因此应以耐磨性计算来决定丝杠中径2d ，或由类比，结构决定中径后，进行耐磨性校核，对于细长且受压的丝杠，还应校核压杆稳定性，强度一般不用校核。

见式（3.1）
式（3.1）
mm 4.8=
整体式螺母ψ取1.2～2.5,现取7.1=ψ
F ——轴向载荷
P ——螺纹副许用压强 由GB5796.3—1986 可选
mm D mm d mm d mm P mm d 19,5.18,5.21,5,24132=====的梯形螺纹，中等精度，螺旋
副标记为524⨯r T — 。

螺母高度见式（3.2）
2d H ψ= 式（3.2）
5.217⨯=mm 55.36= 取mm H 38=
则螺纹圈数6.75
38===P H n 圈
（1）自锁性验算
由于系单头螺纹，导程S=P=5mm,故螺纺升角为
摩擦因数f 由于是钢对青铜 f=0.08～0.1, 取f=0.09。

梯形螺蚊的夾角 30=α
由于λ<ρ,故自锁可靠。

（2）螺杆强度验算 螺纹摩擦力矩见式（3.3）
)(5.021ρλ+=Ftg d M t 式（3.3） ()
32.524.415005.215.0+⨯⨯=Ftg
mm N ∙=2716
32.515cos 09.02cos =⎪⎭⎫
⎝⎛=⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢
⎢
⎣⎡⎪
⎭⎫ ⎝⎛=arctg f arctg αλ()()
2231
232.034-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=d M d F t πδ
()()
004332.524.424.498.098.0=+∙=+=
tg tg tg tg ρλλη()
2
30300013.0145
.1814.3340⨯+⨯⨯=
()6.7225.35.2414.35.215003⨯⨯⨯⨯⨯⨯=n b D FH 2341πδ=()()
2
225.182.0271635.1814.315004-⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡⨯⨯+⨯⨯=N
28107=[]5.27.181500
28107====S F F S C
221007.6mm N mm N p ∙=∙=δ (5)螺母螺纹强度验算
因螺母材料强度低于螺杆，故只验算螺母螺纹强度即可，
牙根宽度P b 65.0==mm 25.3565.0=⨯ 基本牙型高P H 5.01=mm 5.2=
=1.82mm N ∙<δp
(6)螺杆的稳定性验算
螺杆的总长 mm L 20002003001500=++=
按一端固定一端自由，得7.0=μ 临界载荷 ～3.3 故稳定性条件满足。

(7)效率计算
由于底部用滚动推力球轴承，其效率为0.98
2.横向进给的滚动丝杆的计算（参考于《机电一体化设计基础》）
(
)
303
4
5
.182000
7.0=⨯=i
L μ⎥⎥
⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+=
2
3
00013.014340i L d F C μπ()
p
mm N τ278.06.725.35.2414.31500∙=⨯⨯⨯=bn
D F 4πτ=
min 5.127451.010001000r
L
v
n =⨯==()
22
L EI F a μπ=N 3.58102.1351.114=⨯⨯=m
m F f L C 31=75.11410150005.12760106066=⨯⨯==nt L m
m F f L C 31
=(1)丝杆所受的最大轴向力计算 滑台2的重量计算：
体积3396096000010030320cm mm V ==⨯⨯= 重量kg V M 5.7108.79603=⨯⨯==-ρ 重力N Mg G 75105.7=⨯==
因为滑台在进给时没有受工作载荷，只受重力的作用，即
N fG F m 75.37505.0=⨯==
(滚动导轨的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005) 丝杆所受的轴向力很少，为了计算方便和其它因素影响， 现取N F m 10=
最大动负载C 的计算及主要尺寸初选
L ——工作寿命：
n ——丝杆转速
m f ——运转状态系数，无冲击取1～1.2, 取1.2
选取丝杆
N C N C mm L mm d oa a n m 22550,10000,33.4,5,20===== λ
圈数×列数.175.3,15.2mm D w =⨯=
由于丝杆没有受工作载荷，而且要求的行程精度不高，所以不用进行刚性校核，只校核丝杆的稳定性。

（2）滚动丝杠稳定性验算
滚道半径 mm D R w 651.1175.352.052.0=⨯==
偏心距 ()()
mm D R e w 31044.42
175.3651.107.0207.0⨯=-⨯=-=
丝杠内径 mm R e d d m 71.16651.121044.42202231=⨯-⨯⨯+=-+=-
临界载荷，如式（3.4）
式（3.4） Ia ——丝杆危险截面的轴惯性矩: E ——丝杠材料的弹性模量，对于钢，a GP E 206=;
L ——丝杆工作长度；
2
9
92321031020614.3⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯=-3)(50w C T H a Ff f f f C L =[]5.213711013710====S F F S m cr 32=μ()
2
2
L EI F a μπ=N
13710=μ——长度系数，一端固定一端简支，
～3.3
所以丝杆安全不会失稳。

3.2.2导轨的选型及计算
1.的设计要求：
(1)几何精度就是通常所说的导向精度，即运动的直线度或回转精度； (2)运动精度包括两方面内容：一是运动的平稳性，二是定位精确； (3)具有足够的承载能力和刚度，使用寿命长； (4)结构简单，工艺性好，便于调整和维修； (5)具有良好的润滑和防护装置。

导轨的功用是导向和承载，一般分有滚动导轨和滑动导轨两种。

滚动导轨在两导轨面间装有球，滚子或滚针等滚动元件，具有滚动摩擦性质，广泛地用于进给运动导轨。

滚珠导轨的特点是摩擦阻力小，刚度低，承载能力差，不能承受大的颠覆力矩和水平力。

直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据。

这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷Ca,可从产品样本中查到。

见式（3.5）
滚动体为球时 式（3.5） L ——滚动导轨副的距离额定寿命；
Ca ——额定动载荷，初选滚动导轨型号后，可从样本中查出； F ——每个滑块上的工作载荷；
H f ——硬度系数，
导轨面的硬度为5864HRC 时, H f =1.0；硬度为55HRC 时H f =0.8；为50HRC 时H f =0.53; fT 为温度系数，当工作温度不超过100°C 时，fT=1；fC 为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时C f =0.81,装三个时C f =0.72；fw 为载荷速度系数，无冲击振动或v<15m/min 时fw=1～1.5.
现初选导轨型号为：GDA20···S ，额定动载荷Ca 为12.4KN。