第一章 绪论

1.1 课题背景

激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台250W CO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于1974年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。

数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。

1.2 本课题主要研究内容

激光切割的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量，特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件，必须掌握和解决以下几项关键技术：

一．焦点位置控制技术。在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：（1）打印法：使切割头从上往下运动，在塑料板上进行激光束打印，打印直径最小处为焦点。（2）斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动，寻找激光束的最小处为焦点。（3）蓝色火花法：去掉喷嘴，吹空气，将脉冲激光打在不锈钢板上，使切割头从上往下运动，直至蓝色火花最大处为焦点。

二．切割穿孔技术。任何一种热切割技术，除少数情况可以从板边缘开始外，一般都必须在板上穿一小孔。早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔，然后再用激光从小孔处开始进行切割。对于没有冲压装置的激光切割机有两种穿孔的基该方法。（1）爆破穿孔：（Blast drilling），材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑，然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。（2）脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化，常用空气或氮气作为辅助气体，以减少因放热氧化使孔扩展，气体压力较切割时的氧气压力小。每个脉冲激光只产生小的微粒喷射，逐步深入，因此厚板穿孔时间需要几秒钟。一旦穿孔完成，立即将辅助气体换成氧气进行切割。

三．喷嘴设计及气流控制技术。激光切割钢材时，氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处，从而形成一个气流束。对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。

其次要研究数控机床，主要是床身的进给系统和机械传动系统，机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。

1.3 国内外研究现状

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：

1．激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

2．激光加工工艺。包括切割(laser beam cutting)、焊接(Laser Welding)、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。

目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

第二章 总体方案的拟定

2.1 设计任务

本次设计的主要任务是设计一台数控激光切割机床的X Y Z进给系统以及切割系统。对于单片机、芯片，电路等部分不作为设计要求，只做一般了解。单片机对XY工作台的纵向、横向进给系统以及Z轴垂直进给系统的的脉冲当量为

。工作台部件主要机构为滚珠丝杆副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺

2.2 总体方案的选择及拟定 图2.1 总体方案图

采用89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图2.1。

步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。

滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑，最后选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。

第三章 激光切割系统的设计

第四章 传动系统的设计

4.1 XY工作台的设计

4.1.1 主要设计参数及依据

本设计的XY工作台的参数定为：

工作台行程：横向300mm

纵向360mm

工作台最大尺寸（长×宽×高）：730×660×340mm

工作台最大承载重量：80

脉冲当量：

进给速度：

表面粗糙度：1.6～6.3

设计寿命：10年

4.1.2 XY进给系统的受力分析

因激光切割机床为激光加工,其激光器与工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。

XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。

设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。

一般来说,数控切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。

4.1.3 初步确定工作台尺寸及估算质量

初定机床尺寸(长×宽×高度)为:730×660×340mm

设中托座尺寸(长×宽×高度)为:

估计总重量为

预估工件及夹具总重量约

则下托座导轨副所承受的最大负载为:

=1000

4.2 Z轴随动系统的设计

激光切割机对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。

切割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离、自动清洁喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。这些功能机构的增加,不可避免地增加了切割头的重量，造成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。一般来说，普通数控激光切割机Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图2.1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。

垂直进给系统如图4.1：

图4.1 垂直进给系统

4.3 滚珠丝杆副设计计算

4.3.1 滚珠丝杠的特点

∙ 传动效率高

滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，如图1.1.1所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。

∙ 运动平稳

滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。

∙ 高精度

滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。

∙ 高耐用性

钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。

∙ 同步性好

由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。

∙ 高可靠性

与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。

∙ 无背隙与高刚性

滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性。

∙ 减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。

现代制造技术的发展突飞猛进，一批又一批的高速数控机床应运而生。它 不仅要求有性能卓越的高速主轴，而且也对进给系统提出了很高的要求：

（1）最大进给速度应达到40或更高；

（2）加速度要高，达到1以上；

(3)动态性能要。

4.3.2 主要参数

工作台行程：横向300mm，纵向360mm

全行程定位精度=0.03mm

矢动量=0.01mm

寿命：10000小时

单班制工作10年

总质量：100

各种切削方式的纵向切削力,速度和时间比例及其他见下表

表4.1

表4.1 切削力，速度，时间比例表

图4.2 图二进给滚珠丝杠装配图

4.3.3 导程计算

（4.1）

:工作台最高移动速度

：电机最高转速

：传动比

（1）电机与丝杆间为齿轮连接式， =4（取一级减速齿轮）

（2）由上表查得

代入得

（3）查《机械设计手册》取

4.3.4 确定当量转速与当量载荷

（1）各种切削方式下，丝杆转速 （4.2）

由上表查得

代入得

（2）各种切削方式下，丝杆轴向载 （4.3）

:丝杆轴向载荷

:纵向切削力

:垂直切削力

由上表得分别是

分别是

已知

代入得分别为

（3）当量转速

当量转速

:工作时间百分比

（4.4）

数据代入得

(4)当量载荷

（4.5）

代入数据得

4.3.5 初选滚珠丝杠副

由公式《机械设计手册》知：

（4.6）

查《机械设计手册》

得

代入数据可求得

4.3.6 确定允许的最小螺纹底径

(1)估算丝杆允许的最大轴向变形量

重复定位精度

定位精度

：最大轴变形量

已知重复定位精度

定位精度

取两种结果的最小值：

（2）估算螺纹最小底径

丝杆要求预拉伸，取两端固定的支承形式

（4.7）

：最小螺纹底径mm

静摩擦力

已知：

行程360mm，

代入数据得

4.3.7 确定滚珠丝杠副的规格代号

（1）选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式

（2）由计算出的在《机械设计手册》中选取相应规格的滚珠丝杆副：

X向：

Y向：

4.3.8 确定滚珠丝杠副预紧力

（4.8）

其中

4.3.9 行程补偿值与拉伸力

（1）行程补偿值

式中 （4.9）

查《机械设计手册》有

温差取

代入数据得

（2）预拉伸力

代入得

4.3.10 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号，规格

（1）轴承做承受的最大轴向载荷

（4.10）

（2）轴承类型

两端固定的支承形式，选用角的圆锥滚子轴承

（3）轴承内径

略小于=40，，

取

代入数据得

轴承预紧力：预紧力负载

按《机械设计手册》选取轴承型号规格

当时，预加负载

所以选32302轴承

，预加负载为2900>

4.3.11 滚珠丝杠副工作图设计

（1）丝杆螺纹长度

（4.11）

由表查得余程

（2）两固定支承距离，丝杆

（3）行程起点离固定支承距离

4.3.12 传动系统刚度

（1）丝杆抗压刚度

丝杆最小抗压刚度

（4.12）

：丝杆底径

：固定支承距离

代入数据得：

丝杆最大抗压刚度

（4.13）

代入数据得：

（2)支承轴承组合刚度

一对预紧轴承的组合刚度

（4.14）

:滚珠直径mm

：滚珠数

：最大轴向工作载荷

轴承接触角由《机械设计手册》查得

3306轴承是预加载荷的三倍

支承轴承组合刚度

滚珠丝杆副滚珠和滚道的接触刚度

（4.15）

代入数据得：

4.3.13 刚度验算及精度选择

(1) （4.16）

代入前面所得的数据得

代入前面所得数据得

已知

：静摩擦力

：静摩擦系数

：正压力

（2）验算转动系统的刚度

已知反向差值和重复定位精度为10

（3）传动系统刚度变化引起的定位误差

（4.17）

代入得：

（4）确定精度

:任意360mm内行程变动量对系统而言

定位精度为

，丝杆精度取3级

（5）确定滚珠丝杆副的规格代号

已确定型号：

公称直径：40

导程：5

螺纹长度380，丝杆长度510

P类精度3级

所选规格型号：

4.3.14 验算临界压缩载荷

丝杠所受大轴向载荷小于丝杠预拉伸力

不用验算。

4.3.15 验算临界转速

：临界转速

：与支承有关的系数

：丝杆底径

：临界转速计算长度mm

由《机械设计手册》得：

可得

4.3.16 效率验算

表4.2 当量摩擦系数f＇和当量摩擦角ρ＇表格

滚珠丝杠副的传动效率为:

（4.18）

式中—滚珠丝杠的螺纹升角

—当量摩擦角

根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系，前面已经定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC≥45。

所以： =4°05′，=0.0024 ；

因为

式中:—导程，5mm

d--丝杠公称直径，40mm

则根据式（3.3）：

则根据式（3.2）得：

＝0.942。

第五章 导轨的选定

5.1 主要要求及种类

5.1.1 对导轨的基本要求

（1）导轨精度高

导轨精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线和它与有关基面之间的

相互位置的准确性。无论在空载或切削工件时导轨都应有足够的导轨精度，这是对导轨的基本要求。

（2）耐磨性能好

导轨的耐磨性是指导轨在长期使用过程中保持一定导向精度的能力。因导轨在工作过程中难免磨损，所以应力求减少磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。

（3）足够的刚度

导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位置，因此要求轨道应有足够的刚度。

（4）低速运动平稳性

要使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运动时无爬行现象。

（5）结构简单，公益性好

导轨的制造和维修要方便，在使用时便于调整和维护。

5.1.2 导轨的技术要求

（1)导轨的精度要求

滑动导轨，不管是V-平型还是平-平型，导轨面的平面度通常取0.01～0.015mm,长度方面的直线度通常取0.005～0.01mm；侧导向面的直线度取0.01～0.015mm,侧导向面之间的平行度取0.01～0.015mm,侧导向面对导轨地面的垂直度取0.005～0.01mm。 

（2）导轨热处理

数控机床的开动率普遍都很高，这就要求导轨具有较高的耐磨性，以提高其精度保持性。为此，导轨大多需要淬火处理。导轨淬火的方式有中频淬火、超音频淬火、火焰淬火等，其中用的较多的是前两种方式。

5.1.3 分类及特点

导轨按运动轨迹可分为直线运动导轨和圆运动导轨；按工作性质可分为主运动导轨、进给运动导轨和调整导轨；按接触面的摩擦性质可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨等三大类。

（1）滑动导轨：是一种做滑动摩擦的普通导轨。滑动导轨的优点是结构简单，使用维护方便，缺点是未形成完全液体摩擦时低速易爬行，磨损大，寿命短，运动精度不稳定。滑动导轨一般用于普通机床和冶金设备上。

（2）滚动导轨的特点是：摩擦阻力小，运动轻便灵活；磨损小，能长期保持精度；动、静摩擦系数差别小，低速时不易出现"爬行"现象，故运动均匀平稳。缺点是：导轨面和滚动体是点接触或线接触，抗振性差，接触应力大，故对导轨的表面硬度要求高；对导轨的形状精度和滚动体的尺寸精度要求高。因此，滚动导轨在要求微量移动和精确定位的设备上，获得日益广泛的运用。

（3）静压导轨是利用液压力让导轨和滑块之间形成油膜，使滑块有0.02-0.03mm的浮起，从而大大减小了滑块和导轨之间的摩擦系数，但其依然属于滑动导轨副。缺点是结构复杂，且需备置一套专门的供油系统。

5.2 导轨的选用

直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：

（1）定位精度高

直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。

（2）降低机床造价并大幅度节约电力

采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。

（3）可提高机床的运动速度

直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。

（4）可长期维持机床的高精度

对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。

型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图5.1。

具体型号：X向选用

Y向选用

图5.1 导轨

第六章 步进电机及其传动机构的确定

6.1 步进电机的选用

6.1.1 脉冲当量和步距角

已知脉冲当量为，而步距角越小，则加工精度越高。初选为（二倍细分）。

6.1.2 步进电机上起动力矩的近似计算

电机起动力矩：

（6.1）

式中：为滚珠丝杆所受总扭矩

为外部负载所产生的摩擦力矩，有;

（6.2）

为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有：

（6.3）

式中：K--预紧时的摩擦系数，0.1-0.3

--导程，5cm

--预紧力

有：

取

为轴承预紧力,轴承型号6004轻系列,预紧力为。故根据 （6.3）

齿轮传动比公式为:,故步进电机输出轴生起动矩近似的可估计为；

= （6.4）

式中：；

根据式（6.4）：

因。

（因电机5相运行）则步进电机最大静转矩。

6.1.3 确定步进电机最高工作频率

参考有关数控激光切割机床的资料，可以知道步进电机的最高工作频率不会超过1000Hz。

根据以上讨论并参考样本，确定选取M56853S步进电机，该电机最大的静止转矩为，转动惯量为

6.2 齿轮传动机构的确定

6.2.1 传动比的确定

要实现脉冲当量的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为：

（6.5）

式中： --滚珠丝杆导程

--步距角

--脉冲当量

根据前面选定的参数，有式（6.4）得：

根据结构要求，选用

6.2.2 齿轮结构主要参数的确定

（1）齿轮类型：选择直齿轮加工方便。

（2）模数选择:本工作台负载相当轻，参考同类型的机床后，选择m=1的齿轮传动。

（3）中心距的计算：

（6.6）

齿顶高为1mm，齿根高为1.25mm，齿宽为20mm

（4）齿轮材料及热处理：

小齿轮采用，齿面高频淬火;

大齿轮采用45钢，调质处理。

6.3 步进电机惯性负载的计算

由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。限于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。

惯性负载可有以下公式进行计算：

（6.7）式中：为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。

为步进电机转子轴的转动惯量e

为齿轮的转动惯量

为齿轮的转动惯量

为齿轮的转动惯量

为系统工作台质量

为工作台的最大移动速度

为折算成单轴系统电机角速度

各项计算如下：

已知：忽略不计

齿轮惯性转矩计算公式：

（6.8）

其中：

为回转半径

G为转件重量

滚珠丝杆的惯性矩计算公式：

（6.9)

最后可计算得：

故惯性负载根据式（6.7）可得：

此值为近似值，故小于所选电动机的转动惯量。

第七章 传动系统刚度分析

激光切割机XY工作台其实是一进给传动系统，其传动系统的刚度可以根据不出现摩擦振动或保证微量进给灵敏度的条件来确定。

7.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度

传动系统中的当量刚度K或当扭转刚度C主要由最后传动件的刚度或决定的，在估算时，取

对滚珠丝杆传动，其变形主要包括：

（1）丝杆拉压变形

（2）扭转变形

（3）丝杆和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形

（4）轴承和轴承座的变形

在工程设计和近似计算时，一般将丝杆的拉压变形刚度的三分之一作为滚珠丝杆副的传动刚度，根据支承形式可得：

（7.1）

式中：

则根据式（7.1）得：

传动系统刚度较大,可以满足需要。

7.2 根据微量进给的灵敏度来确定传动系统的刚度

此时传动系统应当满足：

(7.2)

式中：

--传动系统当量刚度

--部件运动时的静摩擦力

--正压力

--静摩擦系数，取0.003-0.004

--部件调整时，所需的最小进给量

则：

即满足微量进给要求的传动系统刚度为：

综合上述传动系统刚度的讨论可知满足微量进给灵敏度所需要的刚度较小，可以达到精度要求。

第八章 消隙方法与预紧

8.1 消隙方法

数控机床的机械进给装置中常采用齿轮传动副来达到一定的降速比和转矩的要求。由于齿轮在制造中总是存在着一定的误差，不可能达到理想齿面的要求，因此一对啮合的齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常地工作。

齿侧间隙会造成进给系统的反向动作落后于数控系统指令要求，形成跟随误差甚至是轮廓误差。

对闭环系统来说，齿侧间隙也会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用各种消除侧隙的措施，以尽量减小齿轮侧隙。数控机床上常用的调整齿侧间隙的方法针对不同类型的齿轮传动副有不同的方法。

8.1.1 偏心轴套调整法

如图8.1，齿轮1装在电动机轴上，调整偏心轴套2可以改变齿轮1和3之间的中心距，从而消除齿侧间隙。

图8.1 偏心轴套调整法

8.1.2 锥度齿轮调整法

将一对齿轮1和2的轮齿沿齿宽方向制成小锥度，使齿厚在齿轮的轴向稍有变化。调整时改变垫片3的厚度就能改变齿轮1和2的轴向相对位置，从而消除齿侧间隙。

8.1.3 双片齿轮错齿调整法

图7.3是另一种双片齿轮周向弹簧错齿消隙结构，两片薄齿轮1和2套装一起，每片齿轮各开有两条周向通槽，在齿轮的端面上装有短柱3，用来安装弹簧4。装配时使弹簧4具有足够的拉力，使两个薄齿轮的左右面分别与宽齿轮的左右面贴紧，以消除齿侧间隙。

对比三种方案：

第一种需要经常的调整，对于本身就以提高效率为目标的数控机床而言肯定不合适。

第二种是很不错的方案，但在切割机上并不实用。

第三种方案相比较而言在数控切割机上适用，而且不需要人为经常调整，很适合数控机床的需要。

本设计方案选用第三种方法。

图8.2 双片齿轮错齿调整法

8.2 预紧

滚珠丝杠副在工作台上的支承方式有两种。一种是单支承形式；另一种是两端支承形式，本设计选用两端支承形式中的“双支点各单向固定”的支承方式。该形式夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧，提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴承的振动。预紧量由厂家提供。

第九章 结论

通过对数控激光切割机床的整体设计，确立了一台合理的机床结构

1、根据题目要求，设计出了一个结构合理的XY轴工作台，同时对工作台进行了受力分析、设计计算，对滚珠丝杠传动系统传动效率、强度等也进行了相应的计算，对直线滚动导轨如何选型进行了深度分析，确定步进电机及其传动机构并进行了惯性负载计算、刚度讨论等，分别来验证了其合理性。

2、经过这次设计，对本科阶段专业知识的一次应用，加强了对知识的理解，积累了一些设计的方法及经验。

3、本次设计大体完成了对激光切割机床特别是机床进给系统的设计，可以投入实际生产，满足加工的需要。

参 考 文 献

[1] 叶建斌.激光切割技术.上海:上海科学技术出版社.2012

[2] 濮良贵.机械设计.西安:西北工业大学出版社.2005

[3] 孙桓.机械原理.西安:西北工业大学出版社.2006

[4] 关慧贞.机械制造装备设计.北京:机械工业出版社.2014

[5] 机械设计手册编委会.机械设计手册（二）.北京:机械工业出版社1988

[6] 机械设计手册编委会.机械设计手册（五）.北京:机械工业出版社1988

[7] 王爱玲.现代数控机床结构与设计.北京:兵器工业出版社1999

[8] 任济生.机械设计基础课程设计.北京:中国矿业大学出版社2008

[9] 理论力学.哈尔滨工业大学理论力学教研室.哈尔滨:高等教育出版社2002

致 谢

本人在万老师的指导下完成了本次设计。

在这次毕业设计的过程中困难重重，许多问题自己无法解决，幸得指导老师的热心指导，突破障碍，完成了这次毕业设计。

首先感谢指导老师的无私指导。指导老师自发布设计题目开始到论文答辩期间一直密切关注着我的设计进度，每周都和大家讨论设计问题，给与我很多启示和设计经验。并且老师不断指出了我在设计过程中所犯的错误，使我不断的改进不断进步。

其次要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础，此次毕业设计才会顺利完成。

数控激光切割机床总体和垂直进给系统设计说明书