五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計【XY軸滾珠絲杠螺母副傳動方式-XY軸】

五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計【XY軸滾珠絲杠螺母副傳動方式-XY軸】,XY軸滾珠絲杠螺母副傳動方式-XY軸,聯動,表面,感應,加熱,淬火,機床,設計,xy,滾珠,螺母,傳動,方式 寧XX大學 課程設計(論文) 五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計設計論文 分 院： 專 業(yè)： 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 年 月 摘要 隨著科學技術的發(fā)展，五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的應用也顯得越來越頻繁，先進切割技術的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點。目前，五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計技術在電子科技、計算機技術及機器人的制造中都起著重要的作用。無論在什么情況下，五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計才能提高淬火的水平和質量。我們只有將數控機技術淬火淬火技術有效的結合才能更好的推動新科技的發(fā)展，因此數控淬火機床的設計對于解決這一難題至關重要。 本課題針對龍門式火焰淬火的橫梁及火焰切割頭的機械部分X、Y方向的結構及傳動設計進行了設計。橫梁的機構設計主要對其結構的確定，之后對傳動裝置進行了選擇及計算檢驗，最后對主要傳動的零部件進行選擇校核。其中主要對滾動絲杠的強度及傳動效率等進行了計算校核。并對橫梁設計中存在的結構部件的聯接問題進行了改進?；鹧媲懈铑^是在傳動裝置的基礎上運用絲杠的轉速控制運動,經過驗證取得了很好的效果，實現預期目的。 關鍵詞：五軸聯動，機構設計，五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計 Abstract With the development of science and technology, application and design of heating quenching machine five axis surface induction is becoming more and more frequent, the development of advanced cutting technology is constantly from the new achievements of science and technology in the new starting point. At present, five axis surface induction hardening machine design technology has played an important role in the manufacture of electronic technology, computer technology and robot. In any case, five axis surface induction hardening machine design to improve the level and quality of welding. We will only quenching technology combined effectively in order to better promote the development of new technology for CNC machine welding technology, the NC quenching machine tool design is very important for solving this problem. The structure and design of transmission of the Longmen type flame cutting beam and the flame cutting machine head of mechanical part X, Y direction is designed. Mechanism design of beam is mainly determined the structure of the transmission device, the selection and calculation of main drive test, finally the parts selection check. The major was calculated on the rolling of screw strength and transmission efficiency etc.. Was improved and the structure of existing beam in the design of the connection problem. Flame cutting head is the speed control based on motion by using screw transmission device, good results were achieved after verification, to achieve the desired objective. Keywords: five axis linkage, mechanism design, the design of five axis surface induction hardening machine 目 錄 摘要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 1 1.1五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的研究目的及意義 1 1.1.1五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計背景 1 1.1.2五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計簡介 1 1.1.3意義 1 1.2研究現狀及發(fā)展趨勢 1 1.3淬火機床國內外的現狀 2 1.4 淬火機床發(fā)展前景 5 1.5本課題研究的內容及方法 6 1.5.2 課題研究內容 6 1.5.2設計要求 6 1.5.3關鍵的技術問題 6 第2章 總體方案機構設計 7 2.1設計概念 7 2.2設計原理 7 2.3方案討論 7 第3章 X向機械結構及傳動設計 8 3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 9 3.1.1導程確定 9 3.1.2確定絲桿的等效轉速 9 3.1.3估計工作臺質量及負重 9 3.1.4確定絲桿的等效負載 9 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 10 3.1.6精度的選擇 11 3.1.7選擇滾珠絲桿型號 11 3.2校核 11 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 12 3.2.2臨界轉速驗證 13 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 13 3.3電機的選擇 14 3.3.1電機軸的轉動慣量 14 3.3.2電機扭矩計算 15 3.4 導軌的選型及計算 16 第4章 Y向機械機構及傳動設計 19 4.1 龍門式橫梁結構設計 19 4.1.1 確定龍門式火焰切割機橫梁結構 19 4.1.2 傳動裝置類型的選用 19 4.1.3 傳動方案的選取 20 4.2 機床零部件的設計 20 4.2.1 絲杠副的選取 21 3.2.2聯軸器的選取 25 4.2.4 軸承的選取 27 4.2.5滾動絲杠的計算 27 4.2.6 步進電機的選取 30 第5章 機架的設計 34 5.1 床身結構 34 5.1.1 對床身結構的基本要求 34 5.1.2 床身的結構 35 總結與展望 39 致 謝 42 43 第1章 緒論 1.1五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的研究目的及意義 1.1.1五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計背景 在現代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有自動化生產設備，用來提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。當然，也不排除PCB板的淬火加工過程。我們發(fā)現技術已經滲透到各個領域并且被廣泛使用。根據資料顯示，我國每年鋼鐵的產量一般在3億噸左右，其中有一半以上的鋼有用到淬火技術加工。我國每年的淬火設備需求量金額超過50億元。既然淬火機能夠這么普遍地應用在各個領域，它肯定具備了很大的市場競爭力。 1.1.2五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計簡介 龍門式數控火焰/五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計采用驅動，即切割頭，運行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據用戶的要求配置多把割炬。 1.1.3意義 1.橫梁：采用方管對焊的結構，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點。所有的淬火件均采用振動時效去應力處理，有效的防止了結構變形； 2.縱、橫向驅動：橫向導軌則采用了臺灣進口的直線式導軌，縱向導軌是由精密加工的特質鋼軌制成的，保證了淬火的運行平穩(wěn)，精度高，且經久耐用，清潔美觀； 1.2研究現狀及發(fā)展趨勢 激光淬火的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光淬火的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業(yè)開發(fā)、生產激光淬火。 隨著現代化的機械加工業(yè)的發(fā)展，人們對切割的質量、精度要求的不斷提高，并對生產效率的提高、生產成本的降低、高智能化地自動切割的功能要求也在不斷的提升。數控淬火必須要去適應現代化機械加工發(fā)展的要求。 1.數控淬火的發(fā)展 從現在幾種通用的數控切割及應用情況來看，五軸聯動表面感應加熱淬火機床的功能及性能已經比較完善了，但是對切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。 等離子淬火具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術的提高、數控系統與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細等離子技術也能提高切割速度、切面質量和切割精度；通過完善和提高數控系統來實現對等離子切割效率和切割質量的提升。 激光淬火的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光淬火的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業(yè)開發(fā)、生產激光淬火。 2.專用數控淬火的發(fā)展 數控管材淬火適用于各種管材上的切割，如切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子的端部切割與之相交的相貫線。這種類型的設備已經廣泛運用在金屬結構件的生產，電力設備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內比較高端的產品之一，此類的設備切割功能可以滿足淬火工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國內率先引進和使用數控等離子淬火。隨著技術的發(fā)展，目前國內外的船廠紛紛配備了具有回轉坡口功能的等離子淬火，為了滿足其高技術、高附加值船的建造要求。 1.3淬火機床國內外的現狀 目前來說淬火機床應用在金屬及非金屬行業(yè)上，一般來說，非金屬行業(yè)分得比較細致，比如有切割石材的石材淬火機床、水淬火機床、鋸齒淬火機床，切割布料、塑料及化纖制品用的激光淬火機床、刀片式淬火機床，切割金屬材料的則有火焰淬火機床（火焰淬火機床又分數控火焰淬火機床和手動火焰淬火機床。而手動的又有小跑車、半自動、純手動的；數控的有龍門式數控淬火機床、懸臂式數控淬火機床、臺式數控淬火機床、相貫線數控淬火機床等等）、等離子淬火機床。 經過了幾十年的發(fā)展，數控淬火機床在切割能源和數控控制系統兩方面均取得了長足的發(fā)展，譬如切割能源已經由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流等等)切割方式；數控淬火機床控制系統已由當初的簡單功能、復雜編程和輸入方式及自動化程度不高已經發(fā)展到具有功能完善的、智能化的、圖形化的、網絡化的控制方式； 驅動系統也從的步進驅動、模擬伺服驅動到今天的全數字式的伺服驅動。 數控淬火機床是目前國際上非常流行的一種高新技術機床產品。該機床順應了當今世界機床工業(yè)“高速、復合、智慧、環(huán)保”的發(fā)展潮流，適應多品種小批量、變品種變批量的生產方式。這類機床可廣泛地應用于對圓柱、圓錐、球軸承內外套圈、滾道及端面各表面的多批量、多品種、多規(guī)格的精加工磨削；也適用于齒輪類、套筒類等零件的高精度磨削加工。? 中國數控立式復合磨床的發(fā)展速度確實相當驚人，生產廠家增多，產品產量亦大幅擴增。與國外同類機床相比，雖在某些細節(jié)方面仍存在差距，但總體上看，機床制造水平還是比較高的，完全可以替代進口。這類機床的配置都較好，制造廠商大多選用進口的高檔配置，以增強機床性能的可靠性。? 目前的數控淬火機床在突破大型工件的加工難題之后，主要問題便集中在以下幾方面：機床選用的配置、布局和模組化設計；如何進一步提高機床的效率、降低制造成本，從而提高綜合市場競爭力等。? 對于數控淬火機床而言，令人擔心的不是制造能力方面的問題，而應是市場容量層面的問題?？梢灶A料，今后淬火機床的市場競爭將會日趨激烈。競爭焦點將集中于機床的加工精度、效率、適用范圍、操作便捷性、價格、交貨期、售后服務等方面。? 近年來可以看到，在國內各個重要的機床展覽會上，都展出了大量的、較高水準的數控淬火機床，顯示出國內各專業(yè)制造廠對該類機床的重視。? 以今年于北京舉行的CIMT展覽會為例，杭州機床集團公司等廠家便展出了5臺數控淬火機床，昭示著該類機床已然成為當今機床市場的新熱點和銷售重點。同時值得注意的是，該類機床也是服務于風電等大型基礎建設的重要裝備之一。? 數控淬火機床的發(fā)展趨勢? 為了取得市場競爭的先機，就有必要充分了解數控淬火機床的發(fā)展趨勢如何。本人總結出以下四點發(fā)展趨勢。? 1. 規(guī)格將向大小兩頭發(fā)展? 根據用戶需求，淬火機床的規(guī)格將向大小兩頭發(fā)展，工作臺直徑逐步發(fā)展達到2.5米、3米、4米甚至5米的機床。? 小規(guī)格機床的發(fā)展會受到市場因素的制約，因為用戶對小規(guī)格磨床的需求并不太緊迫，而用淬火機床替代臥式端面內圓磨床也有一定難度。從國外淬火機床來看，除了日本太陽工機有小規(guī)格機床外，其他廠家基本上都是大規(guī)格的。? 但是，從發(fā)展的觀點看，小型淬火機床一定會有潛在的市場需求，而一旦現有加工設備不能達到該要求，就會急需用新設備來予以替代。若能實現替代，這一市場潛力是不可估量的。特別是當新設備能大幅度提高磨削效率的時候，即使價格比較昂貴，也會有很強的市場競爭力。? 2. 向磨削中心和加工中心方向發(fā)展? 可以預見，通過采用先進的部件，機床將采用砂輪交換裝置、刀具交換裝置、機械手、自動測量裝置，形成集成程度更高的復合機床。? 3. 將在風電行業(yè)發(fā)揮重要作用 中國風能資源豐富，近海和海上可開發(fā)利用的風能儲量約7.5億KW，至2010年，風機裝機容量有望達到500萬千瓦。而風機需使用大型軸承，如洛陽軸承最大轉盤軸承5.5m左右。相信隨著風力發(fā)電的主軸、風機輪轂等需求量的不斷攀升，用于這些大型零件的磨削加工的磨床必將大顯身手。? 應當引起注意的幾個問題? 面對大好形勢的同時，也應結合中國實情，及時注意以下幾方面問題。? 1. 生產商不可一哄而上? 無數次的經驗教訓已經證明，生產廠商一哄而上，會造成劇烈的市場競爭和資源浪費。?目前已經能夠看到，淬火機床的制造廠出現了大幅增加，可是在市場容量尚不能準確預計的當前，無疑風險也較大。生產量與需求量相適應這一客觀規(guī)律不容忽視，否則就會造成經濟效益低下的惡果。? 2. 機床配置須符合用戶生產實際? 發(fā)展該類機床時，應注意機床須與用戶實際生產需求相適應，并不是機床的配置越好銷路就越好。結合中國當前的國情來看，有些高技術含量的機床品種如高檔的復合磨床、磨加工中心尚缺乏強勁的銷售動力。也就是說，先進技術的前瞻性與現實往往存在一定距離，往往會由于價格等原因造成“叫好不叫座”的窘況。? 3. 行業(yè)標準有待制定? 面臨該類產品的迅猛發(fā)展，行業(yè)工作的加強也需正式提上議程，有必要以標準為紐帶，適時組織制定相關的行業(yè)標準和國家標準，全面規(guī)范立式數控磨床的制造。 4. 力促制造廠商交流? 在條件成熟時，可由機床工具工業(yè)協會牽頭召開制造廠經驗交流會，進一步推進數控淬火機床的生產和相關先進技術的發(fā)展。? 1.4 淬火機床發(fā)展前景 隨著現代化的機械加工業(yè)的發(fā)展，人們對切割的質量、精度要求的不斷提高，并對生產效率的提高、生產成本的降低、高智能化地自動切割的功能要求也在不斷的提升。數控淬火機床必須要去適應現代化機械加工發(fā)展的要求。 1.數控淬火機床的發(fā)展 從現在幾種通用的數控切割及應用情況來看，數控火焰淬火機床的功能及性能已經比較完善了，但是對切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。 等離子淬火機床具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術的提高、數控系統與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細等離子技術也能提高切割速度、切面質量和切割精度；通過完善和提高數控系統來實現對等離子切割效率和切割質量的提升。 激光淬火機床的切割速度快，精度和切割質量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了關鍵支撐技術。因其涉及國家安全、國防建設及高新技術的產業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光淬火機床的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內企業(yè)開發(fā)、生產激光淬火機床。 2.專用數控淬火機床的發(fā)展 數控管材淬火機床這種類型的設備已經廣泛運用在金屬結構件的生產，電力設備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內比較高端的產品之一，此類的設備切割功能可以滿足焊接工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國內率先引進和使用數控等離子淬火機床。隨著技術的發(fā)展，目前國內外的船廠紛紛配備了具有回轉坡口功能的等離子淬火機床，為了滿足其高技術、高附加值船的建造要求。 1.5本課題研究的內容及方法 1.5.2 課題研究內容 在查閱了國內外大量的有關五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計設計理論及相關知識的資料和文獻基礎上，綜合考慮淬火五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計結構特點、具體作業(yè)任務特點以及淬火五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的推廣應用，分析確定使用三自由度關節(jié)型淬火五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計配合生產工序，實現自動化淬火的目的。 為了實現上述目標，本文擬進行的研究內容如下: 1 根據現場作業(yè)的環(huán)境要求和五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計本身的結構特點，確定五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計整體設計方案。 2 確定五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的性能參數，對初步模型進行靜力學分析，根據實際情況選擇電機。 3 從所要功能的實現出發(fā)，完成五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計各零部件的結構設計； 4 完成主要零部件強度與剛度校核。 1.5.2設計要求 1 根據所要實現的功能，提出五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的整體設計方案； 2 完成五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計結構的詳細設計； 3 通過相關設計計算，完成電機選型； 4 完成五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計結構的三維造型；繪制五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計結構總裝配圖、主要零件圖。 1.5.3關鍵的技術問題 1 方案選擇 2整體的支撐架設計（龍門結構及懸臂結構的選擇） 3機構設計 4 強度校核 第2章 總體方案機構設計 2.1設計概念 整體的支撐架采用龍門結構——在工程中我們常用的整體支撐架結構有龍門結構和懸臂梁。所謂的懸臂梁就是梁的一端為不產生軸向、垂直位移和轉動的固定支座，另一端為自由端（可以產生平行于軸向和垂直于軸向的力）。而龍門結構通俗地說就是一根橫梁連接兩個支腿與地面緊固組成的像一個門框一樣的結構。因為他是雙支撐結構區(qū)別于單支撐和懸臂結構，所以結構特別簡單。 2.2設計原理 數控五軸聯動表面感應加熱淬火機床設計的設計應滿足一下幾個條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性， 為了使工件、焊槍與淬火點保持準確的相對位置，必須根據要求的淬火點，去選擇合適的定位機構。再者就是要有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到淬火槍在運動過程中產生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應考慮到產品零件變換的問題。為適應不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結構，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構的使用范圍。 X軸采用絲杠加導軌形式：橫向電動機—聯軸器—橫向滾珠絲杠（導軌）-橫滑板 Y軸和采用絲杠傳動：縱向電動機—聯軸器—縱向滾珠絲杠—大托板 2.3方案討論 懸臂梁在工程力學受力分析中，比較典型的簡化模型。在實際工程分析中，大部分實際工程受力部件都可以簡化為懸臂梁。龍門結構制作方便，承受負載大，結構穩(wěn)定，工程上廣泛應用?？紤]到上述問題該課題的整體結構采用龍門結構。 第3章 X向機械結構及傳動設計 表 3-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 已知X向最大行程為5000mm, 快速進給速度為10m/min, 假設主軸箱大概質量為50kg,工作臺大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg。 3.1.1導程確定 電機與絲桿通過聯軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇驅動電機最高轉速的最高轉速，則絲杠的導程為 取Ph=10mm 3.1.2確定絲桿的等效轉速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉速 最小進給速度是絲桿的轉速 絲桿的等效轉速 式中取故 3.1.3估計工作臺質量及負重 主軸箱重量 工作臺重量 移動部件重量 3.1.4確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質系數，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數（查表：取ft=1） fh-------硬度系數（查表：取fh =1） fa-------精度系數（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計算得Car=17300N 表3-1-1各類機械預期工作時間Lh 表3-1-2精度系數fa 表3-1-3可靠性系數fk 表3-1-4負載性質系數fw 3.1.6精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸Z軸精度等級為3級，Z軸為4級。 3.1.7選擇滾珠絲桿型號 計算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=10mm 則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.2校核 滾珠絲桿副的拉壓系統剛度影響系統的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。 3.2.2臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數，雙推-簡支方式時取18.9 經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統的軸向拉壓系統剛度Ke的計算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。 3.3電機的選擇 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1電機軸的轉動慣量 a、回轉運動件的轉動慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經計算得 b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質量 X向直線運動件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經計算得 c、聯軸器的轉動慣量 查表得 因此 3.3.2電機扭矩計算 a、折算至電機軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時間 KS—系統增量，取15s-1,則ta=0.2s 經計算得 b、折算至電機軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導軌摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系數為0.02，F0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動效率，η=0.90 I—傳動比，I=1 經計算得 c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9 經計算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。 3.4 導軌的選型及計算 1.的設計要求： (1)幾何精度就是通常所說的導向精度，即運動的直線度或回轉精度； (2)運動精度包括兩方面內容：一是運動的平穩(wěn)性，二是定位精確； (3)具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長； (4)結構簡單，工藝性好，便于調整和維修； (5)具有良好的潤滑和防護裝置。 導軌的功用是導向和承載，一般分有滾動導軌和滑動導軌兩種。 滾動導軌在兩導軌面間裝有球，滾子或滾針等滾動元件，具有滾動摩擦性質，廣泛地用于進給運動導軌。 滾珠導軌的特點是摩擦阻力小，剛度低，承載能力差，不能承受大的顛覆力矩和水平力。 直線滾動導軌副的計算與滾動軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支 承不發(fā)生點蝕為依據。這個載荷稱為滾動導軌的額定動載荷Ca,可從產品樣本中查到。見式（3.5） 滾動體為球時 式（3.5） L——滾動導軌副的距離額定壽命； Ca——額定動載荷，初選滾動導軌型號后，可從樣本中查出； F——每個滑塊上的工作載荷； ——硬度系數， 導軌面的硬度為5864HRC時, =1.0；硬度為55HRC時=0.8；為50HRC時=0.53; fT為溫度系數，當工作溫度不超過100°C時，fT=1；fC為接觸系數，每根導軌條上裝二個滑塊時=0.81,裝三個時=0.72；fw為載荷速度系數，無沖擊振動或v<15m/min時fw=1～1.5. 現初選導軌型號為：GDA20···S，額定動載荷Ca為12.4KN 現在計算立柱 底座的導軌，底座下每根導軌條安裝三個滑塊，所以=0.72，現把數據代入上式，有 一般球導軌的距離期望壽命為50km，所以此滾動導軌滿足要求。由于其它方向的導軌所受的載荷都很少，且其他參數同底座的都相同，所以為了使用方便，把其它導軌統一選擇該型號。 導軌參數（單位mm）： 滑座參數（單位mm）: 如圖3-1導軌圖所示： 圖3-3導軌 第4章 Y向機械機構及傳動設計 4.1 龍門式橫梁結構設計 4.1.1 確定龍門式火焰切割機橫梁結構 采用箱式橫梁，這樣承載力好，整體回火可以消除焊接應力，而且性能穩(wěn)定可靠。 4.1.2 傳動裝置類型的選用 機械傳支裝置的選用是比較復雜的工作，它需要考慮從動力機到工作機多方面的因素，經細致分析對比后才能作出合理的選擇。通常，以下幾方面是選擇機械傳動裝置類型的基本依據： （1）工作機的工況的性能參數； （2）動力機的性能及與動力機匹配對傳動裝置機械特性上的要求； （3）綜合分析不同類型傳動裝置的初始費用，運轉費用和維修費用，使所選的傳動裝置具有良好的經濟性； （4）能符合運轉安全和環(huán)境保護方面的要求； （5）使用的控制方便，可靠。 在現代的機器設計中，為了優(yōu)化機器的設計方案，傳動方案的確定都是同動力機的選擇，工作機構的選定通盤考慮的。也就是考慮動力機，傳動裝置秘工作機的匹配問題。傳動裝置的選用，通常并沒有一成不變的程序可行，而要根據不同機器的具體條件和復雜程度，經多方案的分析比較才能選定。以下幾方面是在選定傳動裝置類型時要具體分析考慮的： (1)機械特性；(2)功率范圍；(3)速度； (4)傳動比范圍；(5)傳動效率；(6)壽命；(7)外廓尺寸；(8)重量；(9)變速要求；(10)價格 本次設計主要解決的問題是變速方式 無級變速： 無極變速能夠選用最合理的運動速度，可在運轉中變帶，操縱控制方便，箭筒化機械結構等，是目前發(fā)展的主要方向。無極變速在數控機床上得到廣泛的運用，主要利用直流和交流調速主軸電動機。利用直流調速電動機進行機床主軸無級變速發(fā)展比較早，應用較廣。但直流調速電動機恒功率調速范圍很小，一般為1～2，很少為3～4，且有換向限制?，F在國際上新生產的數控機床已有85﹪采用交流變頻主軸驅動系統；交流變頻調速電機恒功率調速范圍8 ～30，有的直接驅動主軸。 內裝主軸就是主軸與電機轉子合為一體，其優(yōu)點是主軸部件結構緊湊、重量輕、慣量小，可提高起動，停止的響應特性，并有利于控制振動和噪聲，其缺點是運轉中產生的熱量容易使主軸產生熱變形。因此控制溫升和冷卻是使用內裝主軸電動機的關鍵。內裝主軸電動機轉速可達1500r/min。 設計無級變速系統時，應注意電動機的機械特性應符合傳動鏈的要求。若不滿足要求，還應串聯有級變速箱，一般變速級數為2～4級。 4.1.3 傳動方案的選取 由于工作臺只作直線運動，以下為直線傳動的常用方案： 方案1. 電機 聯軸器 變速箱 齒輪 齒條 方案2. 伺服電機 一級齒輪 絲杠 絲杠螺母 方案3. 步進電機 聯軸器 絲杠 絲杠螺母 由于要實現工作臺的無級調速，方案1只能實現有限級調速，所以不能使用，動力機使用步進電機就可以實現無級調速，方案2，3都適用，另外工作臺要求的運行精度在1—4mm，精度要求不高，如果傳動系統用一級齒輪傳動會加大傳動系統的轉動慣量，同時加大電機的負擔，如果電機與絲桿用聯軸器直接連接就可以使傳動系統的轉動慣量減小，所以選取方案3傳動系統。 4.2 機床零部件的設計 （1）電機與滑動絲杠的聯接是通過過盈套筒聯軸器、緊定螺釘M4X6、套筒聯軸器、平鍵6X6、軸套和推力球軸承。（圖3 -1） 其優(yōu)點在于：傳動系統的轉動慣量減小，減小電機的負載 圖3 -1電機與滑動絲杠的聯接 （2）電機與滾動絲杠的聯接是由變徑聯軸器、軸承端蓋、圓錐滾子軸承和軸承座。（見圖3 -2） 圖3 -2電機與滾動絲杠的聯接 4.2.1 絲杠副的選取 一般絲杠副分為滑動絲杠副和滾動絲杠副。 滾動絲杠副的特點：1.傳動效率高；2.運動具有可逆性；3.系統剛度好；4.傳動精度高；5.使用壽命長；6.不能自鎖；7.制造工藝復雜。 滑動絲杠特點：滑動絲杠摩擦力較大，傳動效率較低，一般為30%--40% ，磨損快，低速和微調傳容易出現爬行，容易自鎖，定位精度和軸向剛度較差，但結構簡單，加工方便定位精度和軸向剛度較差，但結構簡單，加工方便。 由于工作臺要實現橫向及縱向運動，所以需要橫向和縱向絲杠傳動。橫向絲杠沒有工作載荷，而且不需要考慮自鎖功能，伺服電機取用步進電機就滿足自鎖要求，所以橫向絲杠副取用滾動絲杠副?？v向絲杠要支承工作臺的重力，必須要有很好的自鎖功能，所以縱向絲桿取用滑動絲杠副。 1.滑動絲杠的計算與校核 立柱上支承工作臺的縱向滑動絲桿計算：(參考自《機械設計手冊》第4版第3卷) 最大軸向力為1.5 Kg，最大行程為3000mm,采用單頭梯型開螺紋，螺旋應有自鎖性。 (1) 選擇材料和許用應力 螺桿材料選用45號鋼，調質處理， ～5=360/3～5=120～72 現取 螺母材料選用ZcuAl10Fe3, ～ ～ 現取35 加工進給速度 0.5 m/min 許強～ 10 取8 (2)按耐磨性計算螺紋中徑 滑動絲杠螺母的主要失效形式是磨損，因此應以耐磨性計算來決定絲杠中徑，或由類比，結構決定中徑后，進行耐磨性校核，對于細長且受壓的絲杠，還應校核壓桿穩(wěn)定性，強度一般不用校核。見式（3.1） 整體式螺母取1.2～2.5,現取 ——軸向載荷 ——螺紋副許用壓強 由GB5796.3—1986 可選 的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標記為— 。 螺母高度見式（3.2） 式（3.2） 取 則螺紋圈數圈 （1）自鎖性驗算 由于系單頭螺紋，導程S=P=5mm,故螺紡升角為 摩擦因數f由于是鋼對青銅 f=0.08～0.1, 取f=0.09。梯形螺蚊的夾角 由于λ<ρ,故自鎖可靠。 （2）螺桿強度驗算 螺紋摩擦力矩見式（3.3） 式（3.3） (5)螺母螺紋強度驗算 因螺母材料強度低于螺桿，故只驗算螺母螺紋強度即可， 牙根寬度= 基本牙型高 =1.8<δp (6)螺桿的穩(wěn)定性驗算 螺桿的總長 按一端固定一端自由，得 臨界載荷 (7)效率計算 由于底部用滾動推力球軸承，其效率為0.98 2.橫向進給的滾動絲桿的計算（參考于《機電一體化設計基礎》） (1)絲桿所受的最大軸向力計算 滑臺2的重量計算： 體積 重量 重力 因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用，即 (滾動導軌的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005) 絲桿所受的軸向力很少，為了計算方便和其它因素影響， 現取 最大動負載C的計算及主要尺寸初選 L——工作壽命： n——絲桿轉速 ——運轉狀態(tài)系數，無沖擊取1～1.2, 取1.2 選取絲桿 圈數×列數 由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進行剛性校核，只校核絲桿的穩(wěn)定性。 （2）滾動絲杠穩(wěn)定性驗算 滾道半徑 偏心距 絲杠內徑 臨界載荷，如式（3.4） Ia——絲桿危險截面的軸慣性矩: E——絲杠材料的彈性模量，對于鋼，; ——絲桿工作長度； μ——長度系數，一端固定一端簡支， 所以絲桿安全不會失穩(wěn)。 3.2.2聯軸器的選取 聯軌器一般分為剛性聯軸器和彈性聯軸器。 剛性聯軸器的特點：制造容易，徑向尺寸小，裝拆時需移動軸，用于要求兩軸對中性好，工作平穩(wěn)，無沖擊，經常正反轉。 在剛性聯軸器中，又有聯軸套和變徑聯軸套等，變徑聯軸套適用于低速，輕載，小尺寸軸的聯接。 現在滑動絲杠φ24與電機75BF003的連接采用平鍵聯軸套，其主要尺寸如下： 平鍵 由于電機的主軸只有8mm,所以在電機軸上再套一個過盈配合套筒聯軸器。對過盈配合聯接，應根據聯軸器傳遞轉矩的大小和軸套不發(fā)生滑動條件，確定配合面的壓強p，如式（3.6） 式（3.6） μ——配合表面的摩擦系數（取μ=0.12）； L——套筒與主動軸伸接觸部分長度（ =14）； Tc——扭矩（Tc=0.835N·m）。 所以 產生壓強p所需的過盈量 E為套筒材料的彈性模量， 外套筒與內套筒相對軸向推進量e與過盈量δ關系為（見圖3-4） 圖4-4鍵聯軸套 4.2.4 軸承的選取 1.深溝球軸承（如圖3 -5） （GB/T276—1994） 型號：6005 圖4-5溝球軸承 2.推力球軸承（如圖4 -6） （GB/T301—1995） 軸承代號：51205 圖4-6推力軸承 4.2.5滾動絲杠的計算 1.絲桿所受的最大軸向力計算 滑臺2的重力=75N 滑動1的重力 （1）滑臺1上的導軌，絲杠，電機的重力 導軌座面積： 導軌面積： 合面積： 重力： 查得電機 55BF003的重量為0.83Kg,再加上聯軸器，軸承座約為3Kg.重力為30N。 滾動絲桿φ20的重力 (2）.立柱上的導軌和絲杠重 滑動絲杠φ20的重力 滑動絲杠φ24的重力 (3)．立柱底滑座重力 滑座尺寸： 體積 重力 （4）.立柱重力 立柱高2800mm,結構用冷彎方形空心型鋼的理論重量為86.8Kg/m 所以 立柱重力 （5）．總重力 在考慮到其他的重力 ≈ 因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用，即 (滾動導軌的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005) 絲桿所受的軸向力很少，為了計算方便和其它因素影響， 現取Fm=40N 最大動負載C的計算及主要尺寸初選，式（3.7） L——工作壽命； n——絲桿轉速 fm——運轉狀態(tài)系數（無沖擊取1～1.2, 取1.2）。 選取絲桿 圈數×列數, . 由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進行剛性校核，只校核絲桿的穩(wěn)定性。 2.滾動絲桿穩(wěn)定性驗算 滾道半徑 偏心距 絲桿內徑 臨界載荷，式(3.8) 式(3.8) ——絲桿危險截面的軸慣性矩 E——絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206G; l——絲桿工作長度； μ——長度系數(一端固定一端簡支，μ=2/3 )。 所以絲桿安全不會失穩(wěn)。 4.2.6 步進電機的選取 1.步進電機的特點 （1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 （2）步進電機外表允許的溫度高。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度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 （3）步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降。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。 （4）步進電機低速時可以正常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。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(fā)生丟步或堵轉。在有負載的情況下，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）。 2.步進電機的選型 (1)轉動慣量計算： 如式(3.9) 絲桿： D——絲桿的公稱直徑 L——絲桿的長度 工作臺： P—絲桿導程G—工作臺的重量 總轉動慣量： (2)最大靜轉矩計算 加速力矩，如式( 3 .10 ) Vmax——快進的速度 θ——步距角 δ——脈沖當量 所以