极坐标切割机工作台驱动机构的设计

朱徐周 郭旭红

摘要：本文针对玻璃切割等领域的特殊要求，提出了一种极坐标切割机的传动方案，并完成了切割机工作台驱动机构设计。根据基本工作条件，首先选择导程精度与轴向间隙、螺杆轴、以及滚珠丝杆螺母副，然后验证定位精度，最终确认设计参数，并完成三维建模。

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.

关键词：极坐标切割机;数控传动系统;驱动机构

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

中图分类号：TG48                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0089-02

0  引言

目前，数控切割机已广泛应用于工业生产中，极坐标数控切割机在面向玻璃类材料的切割时具有极大的优越性。能够使切割机以较低的制造精度来达到较高的切割精度，非常适用于中小建材、建筑企业的应用。而且设备对环境和维护的要求较低，极坐标切割机具有整体结构优、体积小、简单操作等特点，其性能稳定可靠，切割质量好，切割效率高，可大大降低生产成本。在性价比方面要远远超过直角坐标的数控切割机。

1  工作台驱动机构的设计

1.1 工作台驱动的作用和意义

工作台的作用是放置和固定被加工件，同时滚珠丝杆在步进电机的驱动下带动工作台完成进给运动，这些动作实际是在直角坐标中完成的，在此体现了本文采用极坐标方式和直角坐标方式相结合的数控驱动方式。而工作台驱动机构又扩大了切割机的切割范围，更符合与实际生产的需要。

1.2 基本工作条件

工作台质量：m=40kg

工件质量：m=10kg

行程长度：ls=1000mm

最高速度：vmax=1m/s

加速时间：t1=0.15s

减速时间：t3=0.15s

游隙：0.15mm

精度：±0.3mm/1000mm

反复定位精度：±0.1mm

最小进给量：s=0.020mm/脉冲

寿命时间：30000h

导向面：滚动（μ=0.003）

1.3 轴向间隙与导程精度

①选择轴向间隙。

游隙的要求是0.15mm，轴向间隙螺杆在0.15mm以下的滚珠丝杆可以满足要求。

②选择导程精度。

定位精度要求是±0.3mm/1000mm

选择导程精度±0.09mm/300mm以上的。

所以選择滚珠螺杆的精度C7级，最终螺杆轴直径选择34mm以下。

1.4 螺杆轴

①螺杆轴长度假设。

螺母全长假设150mm，螺杆轴端部长度是150mm。

行程长度为1100mm，总长度是1100+300=1400mm。

螺杆轴的长度假设为1400mm。

②选择导程。（表1）

根据表1的参数计算滚珠螺杆的导程是：

所以导程需要选择20mm以上的。

③选择螺杆轴直径。

为了满足螺杆轴直径为34mm以下，另外螺杆轴长度在1400mm以上，应选择直径20mm以上的螺杆轴。

由上所述，初选螺杆轴直径30mm，导程25mm。

1.5 分析计算并且选择滚珠丝杆螺母副

①分析进给牵引力Fm（N）。

Fm（N）轴向力，或者是进给牵引力，计算公式如下：

查表2得，

②计算最大动负载C。

滚珠丝杠最大动载荷可用式（2）计算：

上式中，L是以106转为单位工作寿命。

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

③螺母副。

选择如表3所示规格的螺母副。

④验算丝杆的刚度。

丝杠螺母及轴承支承间距L=1200mm进行预紧，最大牵引力为210N，预紧力为最大轴向负荷的1/3。

1）丝杠的变形量用δ1来表示：

Fm—工作载荷;L=1000mm;E=20.6×104MPa。

得到：

2）滚珠与螺纹滚道间接触变形用δ2来表示：

根据上述计算可知该滚珠丝杠不会失稳。

1.6 验证丝杆的定位精度

①丝杆轴向间隙不影响定位精度，轴向刚度也不发生变化。

②热变形。

定位误差会因为温度变化而改变：

可以满足使用的条件。

2  结论

根据上述计算与验证，选择螺杆轴直径25mm，导程20mm，精度等级C7的滚珠螺杆。验算滚珠丝杆副刚度，稳定性，以及定位精度都符合要求。极坐标切割机的模型如图1所示。

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