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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目：
金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
分院（系）
指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）
2013年 4 月
金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)
【摘要】 本文對(duì)金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)進(jìn)行了深入的研究。在理論上探討了單晶硅各異性材料特性對(duì)電鍍金剛石線(xiàn)鋸切割硅晶片過(guò)程影響。分析了鋸絲沿不同的晶面、晶向鋸切對(duì)晶片的影響規(guī)律，并推薦了首選的鋸絲切入方向。研究發(fā)現(xiàn)，在確定的工藝參數(shù)下，當(dāng)鋸絲切入方向使鋸切兩邊材料的彈性模量分布關(guān)于鋸絲切入方向呈對(duì)稱(chēng)性時(shí)，可有效地提高晶片面形質(zhì)量。鋸絲切入方向與被鋸切晶面內(nèi)的易開(kāi)裂方向一致時(shí)，可有減少晶片表面破碎。
本課題主要對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線(xiàn)張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)搜集相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，確定設(shè)計(jì)研究方案；完成金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)滾珠絲杠、螺母、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、螺母等相關(guān)零部件及裝配圖的設(shè)計(jì)；完成相關(guān)零部件設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)及其圖紙。
【關(guān)鍵詞】 金剛石；線(xiàn)鋸切割機(jī)；導(dǎo)軌平臺(tái)
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 英文摘要
Design of Diamond Wire Cutting Machine
【Abstract】 In this paper, diamond wire saw cutting machine has conducted in-depth research. In theory of monocrystalline silicon anisotropic material properties of electroplated diamond wire saw cutting silicon wafer process affect. Wire sawing along the crystal surface, crystal and recommend a preferred saw Siqie into the direction of the influence of sawing the wafer. The study found that, when the saw wire into the direction of the cutting material on both sides of the elastic modulus distribution symmetrical saw cut wire into the direction, which can effectively improve the quality of the wafer surface shape to determine the process parameters. The saw wire into the sawing crystal surface easy to crack the same direction, the direction, may have to reduce the wafer surface broken.
The main subject of the cutter rail platform, work holding, reel and cutting thread tension adjusting device structure design. Through the collection of relevant literature, research trends about this topic, and to determine the design of research programs; completion of the diamond wire saw cutting machine ball screws, nuts, stepper motors, nuts and other related parts and assembly drawings of design; complete the relevant parts design specification and its drawings.
【Key Words】 Diamond；Wire Saw Cutting Machine；Rail Platform
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄
目 錄
1 緒 論 1
1.1 概述 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的簡(jiǎn)介 4
2 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的設(shè)計(jì)方案 5
2.1 有關(guān)首選參數(shù) 5
2.2 切割機(jī)特點(diǎn) 6
2.3 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)方案 6
2.3.1 原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 7
2.3.3 張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì) 8
3 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 10
3.1 滾珠絲桿的選擇與計(jì)算 10
3.1.1 滾珠絲桿的定義 10
3.1.2 滾珠絲桿副間隙調(diào)整法 11
3.1.3 滾珠絲桿的循環(huán)方式 13
3.1.4 滾珠絲桿的計(jì)算 14
3.1.5 滾珠絲桿安裝方式 17
3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 18
3.3張緊輪設(shè)計(jì) 21
3.4繞線(xiàn)輪的設(shè)計(jì) 25
3.5二維夾具的設(shè)計(jì) 27
結(jié) 論 28
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
1 緒 論
1.1 概述
脆性材料，如單晶硅、多晶硅、寶石、玻璃、陶瓷等，具有優(yōu)良、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能耐磨損性、抗腐蝕性、電絕緣性等，在電子、光學(xué)及其它領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是單晶硅、多晶硅、陶瓷材料被廣泛用于太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體、真空電鍍等高精端產(chǎn)業(yè)中。伴隨半導(dǎo)體、光伏材料技術(shù)的發(fā)展，需求量不斷增加，切割加工量大幅增長(zhǎng)，由于硬脆材料硬度高、脆性大，因此加工難度較大。鋸切是硬脆材料機(jī)械加工的第一道工序，鋸切加工成本約占加工總成本的50％以上，因此，切割工藝、工具及設(shè)備受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1]。金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)是近十幾年來(lái)獲得快速發(fā)展的一種硬脆材料切割設(shè)備，包括使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類(lèi)。根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，也可分為往復(fù)式和單向線(xiàn)鋸。金剛石線(xiàn)鋸使用高硬度的金剛石作為磨料，其典型磨粒尺寸為數(shù)十個(gè)微米，同時(shí)具備線(xiàn)鋸切割的特點(diǎn)，能夠?qū)τ泊嗖牧线M(jìn)行精密、窄鋸縫切割，且可實(shí)現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，金剛石線(xiàn)鋸逐漸顯現(xiàn)出一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：加工表面損傷小、撓曲變形小，切片薄、片厚一致性好，能切割大尺寸硅錠，省材料、效益高，產(chǎn)量大，效率高等[2]。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
用金剛石線(xiàn)鋸切割脆性半導(dǎo)體材料的工藝最早由Mesh于20世紀(jì)70年代提出W.Ebner進(jìn)行了早期線(xiàn)鋸加工實(shí)驗(yàn),由一個(gè)主動(dòng)輪鼓和一個(gè)從動(dòng)滑輪組成往復(fù)式多線(xiàn)鋸的往復(fù)式試驗(yàn)機(jī)床，金剛石鋸的兩端繞過(guò)滑輪分別固定在輪鼓徑向的兩端電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪鼓帶動(dòng)鋸絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。W.Ebner用之進(jìn)行切割，得到了小于0.4mm的切片厚度。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了可用于硅片切割的金剛石多線(xiàn)鋸。Anders J.R使用日本Yasunagar公司的YQ—100金剛石多線(xiàn)鋸進(jìn)行了硅切片實(shí)驗(yàn)，得到的切縫寬度小于0.16mm，表面損傷層深度小于5um。ITo、Murata、Tokura和Ishikawa等人則對(duì)金剛石線(xiàn)鋸的切害特性進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究[3]。
20世紀(jì)90年代，尤其是近幾年來(lái)，金剛石線(xiàn)鋸得到了快速發(fā)展，對(duì)其研究也更為深入。Li等人提出鋸絲施加在磨粒上的力帶動(dòng)磨粒沿切削表面滾動(dòng)，同時(shí)壓擠磨粒嵌入切削表面，從而形成剝落片屑和表面裂縫，形成宏觀的切割作用。重點(diǎn)研究了磨粒嵌入工件時(shí)的應(yīng)力分布和作用，發(fā)現(xiàn)磨粒對(duì)材料的最大剪切應(yīng)力發(fā)生在微觀切削表面之下，據(jù)此對(duì)磨料的選擇進(jìn)行優(yōu)化。Kao等人指出在“滾動(dòng)一嵌入”模型中，磨粒的運(yùn)動(dòng)除滾動(dòng)和嵌入外，還包括刮擦，三者共同形成切削作用。Bhagirat等人則在這個(gè)模型中考慮了磨漿的作用并認(rèn)為，在鋸絲帶動(dòng)游離磨料切割硅錠的小區(qū)域內(nèi)，鋸絲與磨漿的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了一個(gè)彈性流體動(dòng)力學(xué)環(huán)境，用有限元方法分析鋸絲與硅錠間的磨漿彈性流體動(dòng)力學(xué)模型，得到磨漿薄膜厚度和壓力分布關(guān)于走絲速度、磨漿粘度和切割條件的函數(shù)，還得出結(jié)論：磨漿薄膜厚度大于平均磨粒尺寸，是磨粒的流動(dòng)產(chǎn)生了切削[4]。
Sahoo等人用有限元方法對(duì)薄片切割過(guò)程中鋸絲的振動(dòng)模型和熱應(yīng)力進(jìn)行了分析，提出一個(gè)反饋控制算法，根據(jù)在線(xiàn)測(cè)得的鋸絲的張緊力、剛度、溫度等參數(shù)對(duì)切割過(guò)程進(jìn)行控制，最后提出了一種分析、改進(jìn)鋸切工藝的方法。Wei等人對(duì)單晶和多晶棒以及陶瓷材料（氧化鋁）進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，建立了一個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的鋸絲振動(dòng)模型，通過(guò)振動(dòng)仿真研究了鋸絲張緊力、切片的池壁效應(yīng)和磨漿阻尼對(duì)鋸絲振動(dòng)幅度的影響并認(rèn)為，鋸絲振動(dòng)受走絲速度影響很小，研究中還第一次使用莫爾條紋干涉法對(duì)切片表面質(zhì)量進(jìn)行了高精度測(cè)量[5]。
在得到廣泛應(yīng)用的游離磨料線(xiàn)切割加工中，金剛石磨漿的組成特性無(wú)疑對(duì)切割性能和質(zhì)量有直接影響，同時(shí)也是加工成本和環(huán)境污染的主要決定因素。Oishi等人開(kāi)發(fā)了一種適合切割大截面硅片時(shí)使用的水溶性冷卻劑。Costantini和Caster使用沉積槽和筐式離心過(guò)濾機(jī)對(duì)被微細(xì)硅切屑所污染的磨漿進(jìn)行了分離，取得了較好效果。Nishijima等人對(duì)油基磨漿的凈化和回收進(jìn)行了研究并認(rèn)為，鋸絲中的鐵質(zhì)粘附于金剛石磨粒的表面從而降低其切削性能，提出用超導(dǎo)磁體分離器先進(jìn)行被磁化磨粒的分離，再進(jìn)行硅粉末的分離，實(shí)現(xiàn)磨漿的凈化和回收重用[6]。
國(guó)外線(xiàn)切割設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家主要有日本TAKATORI公司，不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社，NTC公司以及瑞士的M&B公司，HCT公司，從產(chǎn)品技術(shù)角度劃分，瑞士的兩家公司生產(chǎn)的線(xiàn)切割機(jī)水平較高。尤其是HCT公司，該公1984年成立以來(lái)，專(zhuān)攻線(xiàn)切割機(jī)技術(shù)，如今已成為業(yè)界的技術(shù)帶頭人。
TAKATORI公司產(chǎn)品主要有MWS-48SD、MWS-610、MWS-610SD三種，可用于100mm~200mm之間半導(dǎo)體材料的切割。該公司其他一些線(xiàn)切割設(shè)備主要用于截面尺寸較小的磁性材料、光電材料的切割。以上三種線(xiàn)切割機(jī)產(chǎn)品都屬于三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，MWS-610SD采用材料向下運(yùn)動(dòng)的切割方式。這兩種線(xiàn)切割機(jī)線(xiàn)絲存線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。不二越機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社線(xiàn)切割機(jī)主要有FSW-150型。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，可切150×150方形材料（主要針對(duì)太陽(yáng)能光電硅材料切割）存線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)150KM。NTC公司（日平外山公司）主要提供300mm晶圓片線(xiàn)切割機(jī)MNM444B和MWM454B兩種。三軸(導(dǎo)輪)驅(qū)動(dòng)形式，存線(xiàn)長(zhǎng)度達(dá)400KM。瑞士M&B公司在原DS260線(xiàn)切割機(jī)基礎(chǔ)上研制出DS261、DS262、BS800三種機(jī)型。其中DS262機(jī)型是專(zhuān)為太陽(yáng)能級(jí)硅片切割設(shè)計(jì)的，該機(jī)型一次可切四根單晶棒料。其最大生產(chǎn)效率為一次自動(dòng)切割過(guò)程中能切出圓片4400片。BS800機(jī)型是帶鋸切割方形材料的設(shè)備。
M&B公司線(xiàn)切割機(jī)主要用于200mm硅圓片和太陽(yáng)能級(jí)硅片的切割加工，四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式，大大增強(qiáng)了工作臺(tái)的承料面積。HCT公司生產(chǎn)的線(xiàn)切割機(jī)主要有E400SD、E500SD、E500ED-8、E400E-12四種，其中E400SD、E500SD兩種機(jī)型主要用于太陽(yáng)能級(jí)硅片切割加工，最大加工到150mm。E500ED-8、E400E-12適用于半導(dǎo)體圓片加工生產(chǎn)，E500ED-8為200mm設(shè)備，E400E-12為300mm設(shè)備。HCT公司與M&B線(xiàn)切割機(jī)設(shè)備主要以四軸導(dǎo)輪驅(qū)動(dòng)形式設(shè)計(jì)，這樣可以增大工作臺(tái)的面積，增大切割能力[7]。
我國(guó)半導(dǎo)體切割技術(shù)起步較晚，目前國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平的是四十五所自主研制開(kāi)發(fā)的DXQ601型多線(xiàn)切割機(jī)，具有手動(dòng)、自動(dòng)功能模式。界面直接顯示線(xiàn)速、張力、被切材料的切割位置和進(jìn)給速度、砂漿流量。其操作簡(jiǎn)潔直觀，熱交換器控制砂漿溫度，溫度控制準(zhǔn)確，保證切片精度。采用主軸電機(jī)變頻控制方式，張力傳感器和伺服電機(jī)閉環(huán)控制。
樊瑞新和盧煥明對(duì)比線(xiàn)鋸切割硅片和內(nèi)圓鋸切割硅片的表面切割損傷和損傷層厚度并指出，線(xiàn)切割硅片表面粗糙度大，外表面損傷大，但損傷層的厚度要小于常規(guī)內(nèi)圓鋸切割硅片，并討論了影響線(xiàn)切割硅片表面損傷的原因。畢善斌等人研制了一臺(tái)往復(fù)式金剛石線(xiàn)鋸機(jī)床。孫建章等人設(shè)計(jì)了一臺(tái)往復(fù)自旋式電鍍金剛石線(xiàn)鋸數(shù)控切割機(jī)，以氣缸為驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)控制鋸絲旋轉(zhuǎn)，在二維數(shù)控工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬硬脆材料的切割及曲線(xiàn)加工。高偉對(duì)固結(jié)磨料的環(huán)形金剛石線(xiàn)鋸的鋸絲制造進(jìn)行了研究，進(jìn)行了花崗巖的切割實(shí)驗(yàn)，建立了鋸切力的理論模型，研究了鋸絲失效機(jī)理，用有限元模型分析了金剛石顆粒破碎和脫落原因。
國(guó)內(nèi)最早從事太陽(yáng)能多線(xiàn)切割機(jī)開(kāi)發(fā)的是上海日進(jìn)。上海日進(jìn)引進(jìn)日本技術(shù)，早在2006年就推出了第一臺(tái)多線(xiàn)切割樣機(jī)，樣機(jī)類(lèi)似NTC MWM442D。樣機(jī)在日進(jìn)內(nèi)部切割試驗(yàn)結(jié)果良好，切除的硅片質(zhì)量完全合格。但是在客戶(hù)實(shí)際試用的時(shí)候，還是遇到了很多的問(wèn)題，如成品率低、斷線(xiàn)率高、設(shè)備的控制精度比國(guó)外進(jìn)口設(shè)備要差。
湖南宇晶在2006年左右開(kāi)始研制多線(xiàn)切割機(jī)，主要針對(duì)水晶切割市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)后，目前在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)銷(xiāo)售出了幾十臺(tái)多線(xiàn)切割機(jī)，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是該公司還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出適應(yīng)太陽(yáng)能硅片切割的多線(xiàn)切割機(jī)。
陜西漢江機(jī)床公司展出的4620型數(shù)控多線(xiàn)切割機(jī)。該機(jī)經(jīng)過(guò)多年研制，突破并掌握關(guān)鍵技術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的大規(guī)格高效、高精多線(xiàn)切割設(shè)備，最大工件250mm，最大工件長(zhǎng)度820mm，最大存線(xiàn)量800km。其解決了高精度排線(xiàn)導(dǎo)輪的多輥同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)，恒張力控制技術(shù)，高精度切割進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)，高精度排線(xiàn)導(dǎo)輪系統(tǒng)的制造及耐用度技術(shù)。
中國(guó)電子科技集團(tuán)承擔(dān)的國(guó)家重大科技項(xiàng)目300mm多線(xiàn)切割機(jī)研制成功，打破了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線(xiàn)上運(yùn)行的12英寸多線(xiàn)切割機(jī)全部為進(jìn)口設(shè)備的現(xiàn)狀,該機(jī)將完成商業(yè)機(jī)型的生產(chǎn)工藝驗(yàn)收。國(guó)產(chǎn)切割機(jī)無(wú)論從品種規(guī)格，或性能參數(shù)指標(biāo)各方面，與國(guó)外機(jī)相比，已縮小了差距，并接近國(guó)外水平[8]。
1.3 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的簡(jiǎn)介
金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)，又稱(chēng)金剛石砂線(xiàn)切割機(jī)床，金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)床，金剛石線(xiàn)鋸機(jī)，砂線(xiàn)切割機(jī)床，數(shù)控砂線(xiàn)機(jī)床，數(shù)控金剛石砂線(xiàn)機(jī)等。當(dāng)加工的材料不導(dǎo)電而需要采用線(xiàn)切割的加工方式時(shí)，電火花線(xiàn)切割機(jī)床失去效果，為此數(shù)控金剛石砂線(xiàn)切割機(jī)床便開(kāi)始顯現(xiàn)其加工優(yōu)勢(shì)，該機(jī)床對(duì)導(dǎo)電和不導(dǎo)電材料只要硬度比砂線(xiàn)小均可加工。目前，Diamond Wire Technology部公司生產(chǎn)的金剛石線(xiàn)鋸最大已能切割直徑45Omm的硅錠。MEY-ERBURGER公司生產(chǎn)的DS262型線(xiàn)鋸能同時(shí)切割4根長(zhǎng)520mm、截面為153mmx153mm或直徑為6mm的硅棒，一次切4400片。HCL公司的ESOOED一8型線(xiàn)鋸則可同時(shí)對(duì)6根長(zhǎng)500mm、直徑3mm的硅棒進(jìn)行切割，一次切出6000片。
對(duì)用電火花線(xiàn)切割機(jī)床難加工的石墨材料，采用金剛石砂線(xiàn)切割機(jī)床尤能顯示其無(wú)比的優(yōu)越性；金剛石線(xiàn)切割機(jī)床用于切割各種金屬非金屬?gòu)?fù)合材料、玻璃、巖石材料、寶石、單晶硅、碳化硅、多晶硅、耐火磚、陶瓷、環(huán)氧板、鐵氧體等，特別適用于切割高價(jià)值易破碎裂的各種脆性不同硬度晶體。金剛石線(xiàn)鋸多采用多線(xiàn)往復(fù)式結(jié)構(gòu)，為滿(mǎn)足大截面切片和提高產(chǎn)量的需求，導(dǎo)輪間距、導(dǎo)輪槽數(shù)和鋸絲長(zhǎng)度不斷增大，提高了大尺寸硅錠的多件、多片同時(shí)切割能力。
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 結(jié)論
2 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的設(shè)計(jì)方案
本文研究的畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的課題為金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對(duì)其機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的原理分析；金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)；張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)。產(chǎn)品如圖1所示：
圖1：金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)產(chǎn)品圖
2.1 有關(guān)首選參數(shù)
使用地點(diǎn)：金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)裝置；
初步確定的參數(shù)：
最大切割直徑：150mm
切割微線(xiàn)直徑：20--100m
切割微線(xiàn)速度：0--3m/s
X軸移動(dòng)平臺(tái)行程：120mm
Y軸移動(dòng)平臺(tái)行程：100mm
氣動(dòng)張力調(diào)整：0--0.6Mpa
2.2 切割機(jī)特點(diǎn)
金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)對(duì)金屬及非金屬貴重或超硬材料的精密切割。特別是對(duì)人工晶體，陶瓷以及半導(dǎo)體材料的精密切割。
（1）臺(tái)式小型化，最大切割直徑150毫米；
（2）X軸移動(dòng)平臺(tái)由雙直線(xiàn)導(dǎo)軌支撐，精密絲杠/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC控制，進(jìn)給速度可無(wú)級(jí)調(diào)整在0.02微米～ 100毫米/分之間，以及切割數(shù)據(jù)管理
（3）Y軸移動(dòng)平臺(tái)由雙直線(xiàn)導(dǎo)軌支撐、精密絲杠/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，PLC控制，可精確控制切割厚度的調(diào)整。Y軸移動(dòng)平臺(tái)上裝有二維旋轉(zhuǎn)(水平方向360°垂直方向±15°)夾具，該夾具上安裝了由電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速的可旋轉(zhuǎn)的卡料機(jī)械手，旋轉(zhuǎn)速度在0～36轉(zhuǎn)/分之間，可實(shí)現(xiàn)金剛石線(xiàn)與料的點(diǎn)接觸切割。這樣，切割阻力不隨切割深度變化而變化，使切割面形一致而實(shí)現(xiàn)被切材料的平整度、平行度能夠達(dá)到切片的技術(shù)指標(biāo)，并可替代粗磨工序。以切割白寶石（4英寸）為例，面形平面度在0.01毫米以下，效率比面接觸切割可提高一倍。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)接觸切割，經(jīng)查新目前世界上還尚未發(fā)現(xiàn)有此類(lèi)產(chǎn)品，實(shí)屬世界第一臺(tái)。
（4）PLC程序?qū)η懈钸M(jìn)給速度、切割總長(zhǎng)度、切割時(shí)間等進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)控管理；
（5）金剛石切割微線(xiàn)張緊采用雙回路可調(diào)氣壓裝置；
（6）金剛石切割微線(xiàn)纏繞系統(tǒng)采用精密絲杠推動(dòng)的往復(fù)移動(dòng)平臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并由脈寬調(diào)制電路控制的直流電機(jī)做驅(qū)動(dòng)，使得滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、無(wú)爬行；
（7）機(jī)身采用連體鑄造結(jié)構(gòu)，確保各部件的裝配精度；
（8）裝有泵輸送冷卻液循環(huán)裝置；
（9）金剛石切割微線(xiàn)可分段使用；
（10）PLC可編寫(xiě)程序設(shè)置X、Y軸聯(lián)動(dòng)（即所要材料的切割厚度相同，并且連續(xù)切割，切割完畢后回到原點(diǎn)）。
2.3 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)方案
研究的畢業(yè)設(shè)計(jì)所做的課題為金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)部件的選用、布局，改善其性能，從結(jié)構(gòu)方面分析，對(duì)其機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的原理分析；金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)；張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)。機(jī)床需完成線(xiàn)鋸的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)需可沿X方向和Y方向的移動(dòng)。對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線(xiàn)張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)金剛線(xiàn)與工件精確點(diǎn)接觸切割，使其具有工作平穩(wěn)、噪聲低、切割精度高等優(yōu)點(diǎn)。
2.3.1 原理分析和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
把一根細(xì)長(zhǎng)的鋼絲繩纏繞在排線(xiàn)輪上，鋼絲兩頭分別由放線(xiàn)機(jī)構(gòu)與收線(xiàn)機(jī)構(gòu)拉緊。在收放線(xiàn)機(jī)構(gòu)與排線(xiàn)輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。排線(xiàn)輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動(dòng)力。切割液由表面活性劑、碳化硅磨料和油基添加劑配制而成。切割時(shí)，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線(xiàn)上，切割進(jìn)給機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)動(dòng)，把硅棒壓向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示：
1—床身；2—X,Y工作臺(tái)；3—導(dǎo)向輪；4—金剛石切割微線(xiàn)；5—繞線(xiàn)輪；6—張緊輪；7—滾筒；8—切削液
圖2： 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖
2.3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)和工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的切割機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)金剛石線(xiàn)鋸框架沿垂直燕尾形導(dǎo)軌上下滑動(dòng)，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由固定在機(jī)床上的步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲杠和直線(xiàn)導(dǎo)軌組成，機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)：工件安裝在工作臺(tái)上，工作臺(tái)沿縱、橫2個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)達(dá)到平面曲線(xiàn)的任意一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)切割運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。X，Y坐標(biāo)工作臺(tái)用來(lái)裝夾工件，X軸和Y軸由控制箱發(fā)出進(jìn)給信號(hào)，分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行預(yù)定的加工。其主要由滑塊、導(dǎo)軌、絲杠運(yùn)動(dòng)副、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)幾部分分組成，如圖3所示：
圖3：金剛石切割機(jī)床傳動(dòng)圖
2.3.3 張力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)
在加工過(guò)程中，線(xiàn)鋸會(huì)因?yàn)闊嵘扉L(zhǎng)和損耗等導(dǎo)致線(xiàn)鋸張力下降。如果線(xiàn)鋸張力不恒定，隨著張力的減小或增大線(xiàn)鋸的理論位置與實(shí)際切割時(shí)位置(動(dòng)態(tài)平衡位置)的偏移量不恒定。從而造成加工尺寸誤差、切割表面凸凹不平等。在沒(méi)有恒張力機(jī)構(gòu)輔助工作時(shí)，加工過(guò)程中線(xiàn)鋸忽緊忽松，張力隨時(shí)發(fā)生變化。因此，在金剛石線(xiàn)切割加工中線(xiàn)鋸的恒張力的控制對(duì)加工具有重要的意義。用于線(xiàn)切割機(jī)的自動(dòng)張力調(diào)整裝置，目前從原理上可分為兩種：一種是靠彈簧的作用，以變力緊絲，該裝置包括一組導(dǎo)輪和—個(gè)彈簧緊絲裝置；另一種是由重力塊作用，以恒力緊絲。該裝置包括一組導(dǎo)輪和一個(gè)重力塊。本設(shè)計(jì)研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏可靠、體積小的張力凋整裝置，如圖4所示。
1—導(dǎo)向套；2—定位架；3—導(dǎo)軌盒；4—彈簧；5—導(dǎo)向壓桿；6—壓輪；7—輔助導(dǎo)向器；8—位置調(diào)整機(jī)構(gòu)；9—下導(dǎo)向器
圖4：自動(dòng)張絲裝置的結(jié)構(gòu)圖
3 金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)
金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)是圍繞著金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。主要的重點(diǎn)和難點(diǎn)是機(jī)床需完成線(xiàn)鋸的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)需可沿X方向和Y方向的移動(dòng)，對(duì)切割機(jī)導(dǎo)軌平臺(tái)、工件夾具、纏繞筒及切割線(xiàn)張力調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而且要實(shí)現(xiàn)金剛線(xiàn)與工件精確點(diǎn)接觸切割，使其具有工作平穩(wěn)、噪聲低、切割精度高等優(yōu)點(diǎn)。
3.1 滾珠絲桿的選擇與計(jì)算
滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滑動(dòng)動(dòng)作變成滾動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。
3.1.1 滾珠絲桿的定義
滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。
3.1.2 滾珠絲桿副間隙調(diào)整法
滾珠絲杠副的軸向間隙是工作時(shí)滾珠與滾道面接觸點(diǎn)的彈性變形引起的螺母位移量，它會(huì)影響反向傳動(dòng)精度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的消隙方法是雙螺母加預(yù)緊力（在調(diào)整時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力大小要適宜），基本能消除軸向間隙。
（1）雙螺母墊片式調(diào)隙。調(diào)整墊片厚度使兩個(gè)螺母產(chǎn)生軸向相對(duì)位移，從而消除幾何間隙和軸向間隙，并施加預(yù)緊力。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但調(diào)整不準(zhǔn)確。
（2）雙螺母螺紋式調(diào)隙。雙螺母螺紋式調(diào)隙由鎖緊螺母、圓螺母及絲杠組成。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、調(diào)整方便，但不能精確調(diào)整。
（3）雙螺母齒差式調(diào)隙。該調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但工作精確、可靠?？蓪?shí)現(xiàn)定量調(diào)整，即進(jìn)行精密微調(diào)，調(diào)整精度高。
3.1.3 滾珠絲桿的循環(huán)方式
滾珠絲杠副按不同的循環(huán)方式分可以分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類(lèi)型。如圖1-1為圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開(kāi)有反向槽。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向。外循環(huán)滾珠循環(huán)鏈較長(zhǎng)，但軸向排列緊湊，軸向尺寸小，螺母配合外徑較大（C型較?。﹦傂暂^差，但滾珠；流暢性好，靈活、輕便。外循環(huán)的摩擦力矩較大，工藝性較好，制造成本低。
（1）與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
（2）高精度的保證
滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠(chǎng)環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
（3）微進(jìn)給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。
（4）無(wú)側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。
（5）高速進(jìn)給可能
滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。
3.1.4 滾珠絲桿的計(jì)算
1計(jì)算額定動(dòng)載荷
表3-1 壽命的選擇
主機(jī)類(lèi)型
Th（h）
一般機(jī)床、組合機(jī)床
10000
數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床
15000
工程機(jī)床
5000——10000
自動(dòng)控制系統(tǒng)
15000
測(cè)量系統(tǒng)
15000
航空機(jī)械
1000——2000
表3-2 滾珠絲杠副載荷、硬度和精度系數(shù)表
載荷系數(shù)
硬度系數(shù)
精度系數(shù)
載荷性質(zhì)
滾道實(shí)際硬度HRC
精度等級(jí)
≥58
1.0
C、D
1.0
沖擊小、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
1.0-1.2
55
1.11
E、F
1.1
一般沖擊
1.2-1.5
50
1.56
G
1.25
較大沖擊、振動(dòng)
1.5-2.5
45
2.4
H
1.43
查表3-1得：Lh’=15000
查表3-2得KA=1.0, KH=1.0,KF=1.2（數(shù)控機(jī)床的公差等級(jí)取C、D級(jí)），代入式得，
根據(jù)額定動(dòng)載荷選擇滾珠絲杠副的相應(yīng)參數(shù)。依據(jù)Ca≥Ca‘的原則，選擇漢江機(jī)床廠(chǎng)C2型滾珠絲杠副，型號(hào)是2005-2.5，各種參數(shù)為動(dòng)載荷Ca=9610N，公稱(chēng)直徑D0=25mm，導(dǎo)程P=5mm,滾珠直徑db=3.175mm，螺旋角Ψ=3°38′。取螺母調(diào)整預(yù)緊后原螺紋升角的補(bǔ)償值P1=8′40〞計(jì)算螺紋滾道半徑R、偏心距e和絲杠內(nèi)徑d1公式分別為
R=0.52db=0.52×3.175=1.651mm
e=(R-db/2)sin45°=（1.651-3.175/2）×0.707=0.045mm
d1= D0+2e-2R=25+2×0.045-2×1.651=21.788mm
X軸絲桿取有效行程長(zhǎng)度為120mm，Y軸絲桿取有效行程長(zhǎng)度為100mm。
3驗(yàn)算穩(wěn)定性。臨界載荷
Fcr=
式中E——絲杠材料彈性模量，E=206GPa
Ia——絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（m4），Ia=
——長(zhǎng)度系數(shù)，=1-2
L——絲杠工作長(zhǎng)度（m）
Ia= 3.14×（21.788×10-3m）4/64=11.056×10-9m4
將E=206×109Pa（絲杠材料為鋼）u=1、Ia=11.056×10-9m4、L=0.18m代入臨界載荷計(jì)算式，得
Fcr=3.142×206×109Pa×11.056×10-9/（1×0.18）2=693072N
則安全系數(shù)S為
S=Fcr/Fm=693072/1200=577.56
由上式可見(jiàn)，S＞4，所以絲杠工作安全。
驗(yàn)算剛度。導(dǎo)程的每米變形量△L的計(jì)算式為
△L=±F/EA±PT/2GJc
式中 F——工作載荷（N）
E——絲杠材料彈性模量，E=206GPa
A——絲杠截面積（m2）
P——基本導(dǎo)程（m）
T——轉(zhuǎn)矩（N·m），T= FMD0tan(Ψ+ P1)/2
G——絲杠切變模量，G=83.3GPa
Jc——絲杠的極慣性矩（m4），Jc=d1/32
A=d12/4=3.14×(21.788×10-3m)2/4=3.72×10-4m2
T=FMD0tan(Ψ+P1)/2=1200×25×10-3×tan（3°38′+8′40〞）/2=0.78 N·m
Jc=d14/32=3.14×（21.788×10-3m）4/32=22.133×10-9m4
將F=1200N、E=206×109Pa、A=3.72×10-4m2、P=5mm、T=0.78N·m、G=83.3GPa、Jc=22.133×10-9m4代入導(dǎo)程的每米變形量△L的計(jì)算式，得
△L=1200N/206×109Pa×3.72×10-4m2+5×10-3×0.78N·m/2×3.14×83.3×109Pa×22.133×10-9m4=1.89×10-5
數(shù)控機(jī)床取D級(jí)精度，即在任意300mm內(nèi)導(dǎo)程公差為10um，則每米公差為3.33×10-5m，所以剛度驗(yàn)算合格。
驗(yàn)算效率。滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率η的計(jì)算式為
η=tanΨ/tan(Ψ+ P1)
將Ψ=3°38′， P1=8′40〞式中
Ψ——螺紋升角
P1——補(bǔ)償值
代入上式得η=tan3°38′/tan3°38′+8′40〞=98.4％
一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率η＞90％即可。
3.1.5 滾珠絲桿安裝方式
一端固定一端自由：絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都很低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向剛度較小，適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝。
兩端鉸支：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向剛度小，適用于對(duì)剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝，對(duì)絲杠的熱伸長(zhǎng)較敏感，適用于中等回轉(zhuǎn)速度。
一端固定一端較支：絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度，結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，軸向剛度大，適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的滾珠絲桿安裝，推力球軸承應(yīng)安裝在離熱源（步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）較遠(yuǎn)的一端。
兩端固定，絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)。就夠復(fù)雜。兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力，軸向剛度最大，適用于對(duì)剛度和位移精度要求高和較長(zhǎng)的滾珠絲杠安裝。
金剛石切割機(jī)要求的精度高，因此絲杠的固定方式選擇為兩端固定的方式。如圖5所示的是滾珠絲杠的固定方式。1代表移動(dòng)平臺(tái)，2代表平臺(tái)與螺母連接的部分，3代表支撐的軸承，4代表滾珠絲杠，5代表螺母。
圖5：滾珠絲杠的固定方式
3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的直線(xiàn)位移或角位移的數(shù)字/模擬變換器。一般電動(dòng)機(jī)是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則是每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接收一個(gè)脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)相應(yīng)的角度，該角度稱(chēng)為步距角。低頻運(yùn)行時(shí)，明顯可見(jiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸式一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比。在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因而只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電機(jī)繞組的相序，既可獲得所需轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式有3種:
單拍通電方式在高速時(shí)易失步，且單一繞組吸引轉(zhuǎn)子，在平衡位置易振蕩，因此目前很少使用。
雙拍通電方式運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩較單拍通電方式要大，但發(fā)熱也大。
單雙拍通電方式不僅運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)換頻率也可提高一倍，每拍轉(zhuǎn)過(guò)的角度為單拍和雙拍的一半，實(shí)際使用中采用這用方案的最多。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)和特點(diǎn)
1．反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)為步距角小，運(yùn)行頻率高、具有通電自鎖能力，但功耗較大。
2．永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)為功耗較小，在斷電的情況下仍有定位轉(zhuǎn)矩，但步距角一般較大，需供給正負(fù)脈沖電源，起動(dòng)和運(yùn)行頻率也較低。該類(lèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較小，常用于自動(dòng)化儀表作為執(zhí)行元件。
3．混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它充分利用反應(yīng)式和永磁式兩種電機(jī)的特點(diǎn)，具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩大、步距角小、運(yùn)行頻率高、功耗低及自鎖功能等方面特點(diǎn)。
因?yàn)榍懈顧C(jī)要求無(wú)爬行現(xiàn)象，精度要求高，因此我選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為θ=0.9°/1.8°，相數(shù)p=4，通電方式為4相8拍，通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。步距角θ的計(jì)算公式為
θ=360°/pzk
式中p——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)
z——轉(zhuǎn)子的齒數(shù)
k——狀態(tài)系數(shù)。單、雙拍時(shí)，k=1;單雙拍時(shí)，k=2
直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)速度v=60fδ=18mm/分，將δ=0.001代入得，f=300HZ
因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與脈沖頻率數(shù)成正比，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速nm
也可用下面的公式計(jì)算；
nm=60fθ/360=fθ/6=300×0.9/6=45r/min
因此選擇BYH型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
3.3張緊輪設(shè)計(jì)
張緊輪是機(jī)械傳動(dòng)中的張緊裝置，當(dāng)傳動(dòng)的中心距不能調(diào)節(jié)時(shí)，可以采用張緊輪將線(xiàn)張緊。張緊輪一般布置在松邊的內(nèi)側(cè)，從而使帶只受單向彎曲；同時(shí)，為保證小包角不致減小過(guò)多，張緊輪應(yīng)盡量靠近大輪安裝。如圖6所示：
圖6：張緊輪
假定在張緊形態(tài)下，5000N于張緊輪中央，張緊輪直徑48mm，材料的許用切應(yīng)力=100MPa，許用擠壓應(yīng)力MPa現(xiàn)計(jì)算彎曲應(yīng)力：
1.由平衡方程容易求出
張緊輪剪切面上的切應(yīng)力為
2. 校核張緊輪的擠壓強(qiáng)度
則擠壓應(yīng)力為
故拉張緊輪也滿(mǎn)足擠壓強(qiáng)度要求。
3.4繞線(xiàn)輪的設(shè)計(jì)
金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)把一根細(xì)長(zhǎng)的鋼絲繩纏繞在排線(xiàn)輪上，鋼絲兩頭分別由放線(xiàn)機(jī)構(gòu)與收線(xiàn)機(jī)構(gòu)拉緊。在收放線(xiàn)機(jī)構(gòu)與繞線(xiàn)輪之間裝有若干張力控制輪用以控制鋼絲的剛度。繞線(xiàn)輪高速正反向有節(jié)奏地旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼絲往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)備配有切割液噴灑系統(tǒng)，由壓縮泵提供動(dòng)力。切割液由表面活性劑、碳化硅磨料和油基添加劑配制而成。切割時(shí)，切割液噴灑到硅棒刀口和鋼絲線(xiàn)上，切割進(jìn)給機(jī)構(gòu)均勻運(yùn)動(dòng)，把硅棒壓向高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鋼絲，切出一組符合要求的高質(zhì)量硅片。
本次設(shè)計(jì)的繞線(xiàn)輪如圖7所示：
圖7：繞線(xiàn)輪
（1）計(jì)算支承反力，受力如圖8所示：
圖8繞線(xiàn)輪受力圖
=1348.5(N)
=1348.5(N)
（2）彎矩
（3）轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)矩
（4）校核
許用應(yīng)力 用插入法查得：
許用應(yīng)力值
應(yīng)力校正系數(shù)
當(dāng)量彎矩
設(shè)計(jì)的直徑
；
（5）疲勞強(qiáng)度校核
初步分析、兩個(gè)截面有較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，下面以截面為例進(jìn)行安全系數(shù)校核。
材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，，
對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極限
脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限
等效系數(shù)
截面上的應(yīng)力彎矩
彎曲應(yīng)力幅
彎曲平均應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅和平均切應(yīng)力
如果一個(gè)截面上有多種產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)，則分別求出其有效應(yīng)力集中系數(shù)，從而取最大值。
3.5二維夾具的設(shè)計(jì)
夾具是機(jī)械制造過(guò)程中用來(lái)固定加工對(duì)象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢測(cè)的裝置。 機(jī)械制造過(guò)程中用來(lái)固定加工對(duì)象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢測(cè)的裝置。又稱(chēng)卡具。從廣義上說(shuō)，在工藝過(guò)程中的任何工序，用來(lái)迅速、方便、安全地安裝工件的裝置，都可稱(chēng)為夾具。例如焊接夾具、檢驗(yàn)夾具、裝配夾具、機(jī)床夾具等。其中機(jī)床夾具最為常見(jiàn)，常簡(jiǎn)稱(chēng)為夾具。
在機(jī)床上加工工件時(shí)，為使工件的表面能達(dá)到圖紙規(guī)定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的相互位置精度等技術(shù)要求 ，加工前必須將工件裝好（定位）、夾牢（夾緊）。夾具通常由定位元件（確定工件在夾具中的正確位置）、夾緊裝置 、對(duì)刀引導(dǎo)元件(確定刀具與工件的相對(duì)位置或?qū)б毒叻较?、分度裝置（使工件在一次安裝中能完成數(shù)個(gè)工位的加工，有回轉(zhuǎn)分度裝置和直線(xiàn)移動(dòng)分度裝置兩類(lèi)）、連接元件以及夾具體（夾具底座）等組成。 本次設(shè)計(jì)的二維夾具體如圖8所示：
圖8：二維夾具體
夾緊力按下式計(jì)算：
查手冊(cè)，取Q=125N
L=100
r’=6.22
=30o
=5.513mm
=1o26’
=6098.9N
所以，算得的夾緊力為6098N。
線(xiàn)鋸切割時(shí)的切削力為：
在計(jì)算切削力時(shí)，必須考慮安全系數(shù)。
安全系數(shù)
根據(jù)《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》查得：
式中： —基本安全系數(shù)；取1.2
—加工性質(zhì)系數(shù)；取1.1
—刀具鈍化系數(shù)；取1.1
—切削特點(diǎn)（連續(xù)切削）；取1.0
—夾緊力穩(wěn)定性；取1.1
—手動(dòng)夾緊手柄位置；取1.0
—僅有力矩使工件與支承面接觸情況；取1.0
則
=1.2×1.1×1.1×1.0×1.1×1.0×1.0×3218.6
=5140.7N
因?yàn)榍懈钕髁π∮趭A緊力，所以該夾緊裝置安全可靠。
結(jié) 論
通過(guò)這次金剛石線(xiàn)鋸切割機(jī)設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)和 實(shí)際設(shè)計(jì)之間的差距。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)既鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì) 規(guī)范以及電腦制圖等其他專(zhuān)業(yè)能力的水平，而且通過(guò)對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且使我的毅力，意志力以及耐力都得到了不同程度的提高。這些都是我希望得到的 也是畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容繁多，過(guò)程繁瑣，但我的收獲也是非常的多。各種設(shè)計(jì)方案的適用條件，各種零部件的選用標(biāo)準(zhǔn)，我都是隨著設(shè)計(jì)的不斷深入而不斷熟悉并學(xué)會(huì)應(yīng)用的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)來(lái)的這些寶貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，必然會(huì)讓我在未來(lái)的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。
本次設(shè)計(jì)參考了許多資料，吸取了其優(yōu)點(diǎn)，并在考慮我國(guó)實(shí)際的基礎(chǔ)上完成了自走式割灌機(jī)的設(shè)計(jì)，表達(dá)了自己的設(shè)計(jì)思想，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。但是由于缺乏生產(chǎn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，問(wèn)題一定很多，這些都需要老師改正，使之更合乎生產(chǎn)實(shí)際。
浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
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致 謝
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的，在整個(gè)過(guò)程中同時(shí)也得到了其他老師的指導(dǎo)和大力支持。在此我向老師們表示崇高的敬意和衷心的感謝！感謝他們對(duì)我在學(xué)習(xí)上的耐心指導(dǎo)、以及做人做事方面的悉心教誨，使我在解決問(wèn)題的方法策略和為人處事上都有了很大提高。同時(shí)祝愿他們工作順利，身體健康！
在這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到了很多同學(xué)、朋友及老師的支持和幫助，他們給予了極大的幫助和支持。在此我對(duì)他們表示衷心的感謝，同時(shí)我也感謝我的家人，是他們的理解和默默支持使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能得以順利按時(shí)的完成。最后，借此機(jī)會(huì)謹(jǐn)向所有關(guān)心、支持和幫助我的老師、同學(xué)、家人、朋友以及所有默默支持我的人致以最衷心的感謝。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心和幫助我的人。