立式數(shù)控鏜床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計[畢業(yè)論文]

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AbstractI 摘 要此次是設(shè)計完成一臺立式數(shù)控鏜床的機(jī)械部分。在設(shè)計中首先要合理的完成鏜床總體結(jié)構(gòu)布局，包括床身結(jié)構(gòu)設(shè)計，立柱結(jié)構(gòu)布局和工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。其次對主軸系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)進(jìn)行分析并設(shè)計計算，其中主軸系統(tǒng)的包括主軸、齒輪、液壓缸，伺服系統(tǒng)包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠、軸承等。同時對滾動導(dǎo)軌和刀庫進(jìn)行了選型設(shè)計，最后對主軸、滾珠絲杠、軸承進(jìn)行了強(qiáng)度等·校核計算。因此要設(shè)計一臺數(shù)控鏜床，首先要了解數(shù)控鏜床的結(jié)構(gòu)與工作原理，其次操作、維修、改進(jìn)數(shù)控鏜床也至關(guān)重要。本文介紹了數(shù)控鏜床的主軸系統(tǒng)、伺服進(jìn)給系統(tǒng)、刀庫轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等的設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對于系統(tǒng)各個部件也作了相關(guān)介紹。關(guān)鍵詞：數(shù)控鏜床；伺服電機(jī)；滾珠絲杠；軸承；液壓缸AbstractI I關(guān)鍵詞： AbstractIn design, you can see the machining part design of verteal machining center. In the design, we deal with such systerm problems as the selection of motors,ballscrew,bearing and such headshaft systerm as gear hydraulic pressure iar and lathebed worktable.We explain the choosing of the material of rarious kmds and the assembling of the whole machine. And we check and calculate of the whole machine . And we cheak and calculate the main machine compoents.Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、maintain、improve Numerical-controlled millng machine, it is the basic of designing Numerical-controlled millng machine.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicses of Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical-controlled millng machine according to this text, also made a introduction for the system parts.KeyWords： Numerical control millng machine;Ballserew;Hydraulic pressure jar;Headshaft.目 錄I II目 錄摘 要 .I關(guān)鍵詞： Abstract II1 綜述 12 機(jī)械結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計 52.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計 52.1.1 對床身結(jié)構(gòu)的基本要求 52.1.2 床身結(jié)構(gòu)布局及截面形狀 62.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局 62.2.1 對立柱的條件要求 62.2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局 62.3 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.3.1 T 形槽 .82.3.2 工作臺其余結(jié)構(gòu) 83 滾珠絲杠的設(shè)計 103.1 滾珠絲杠的傳動特點(diǎn) 103.2 滾珠絲杠副的運(yùn)動原理 113.2.1 x 向絲杠螺母副的設(shè)計 .114.2.2 y 向絲杠的選型 174.2.3 z 向絲杠螺母的設(shè)計 174.3 滾珠絲杠副的傳動特點(diǎn) 174.4 電機(jī)的選型設(shè)計 184.4.1 伺服控制電機(jī)的基本要求 184.4.2 伺服電機(jī)的選型設(shè)計 183 數(shù)控機(jī)床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計 243.1 主軸組件設(shè)計 243.2 主軸組件需要滿足的條件 243.2.1 回轉(zhuǎn)精度 25目 錄I III3.2.2 主軸的剛度 253.2.3 主軸的抗震性 253.2.4 主軸的溫升 263.2.5 主軸的耐磨性 263.2.6 主軸的承載能力 263.3 主軸的設(shè)計 273.3.1 主軸的轉(zhuǎn)動 273.3.2 主軸傳動部件位置的合理布置 283.4 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 293.4.1 主軸設(shè)計 293.4.2 主軸的設(shè)計計算 303.5 軸端設(shè)計 313.6 主軸的校核 323.6.1 主軸箱齒輪強(qiáng)度校核 323.6.2 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度的校核 333.6.3 主軸強(qiáng)度的校核 333.7 主軸箱的潤滑 353.7.1 潤滑劑的選擇 353.7.2 管路設(shè)計 353.7.3 自動控制油溫的選擇 353.8 軸承的合理安排 353.9 主軸電機(jī)的選擇 363.10 主軸軸承的選擇和強(qiáng)度校核 363.10.1 支反力的計算 373.10.2 對于軸承使用壽命的計算 383.11 傳動齒輪的設(shè)計 393.11.1 齒輪的尺寸 393.11.2 雙聯(lián)齒輪的設(shè)計 40目 錄I IV3.11.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 413.11.4 齒輪的強(qiáng)度校核 415 液壓缸的選擇設(shè)計 .455.1 液壓傳動的特點(diǎn) 455.2 液壓工作原理 465.3 液壓缸的選取 465.4 液壓缸的設(shè)計和計算 476 刀庫的選擇 .486.1 刀庫的種類 486.2 刀庫交換裝置 486.3 刀具識別裝置 496.4 刀庫的換刀方式 496.5 刀庫的選擇 49結(jié) 論 50致 謝 51參考文獻(xiàn) 52目 錄I V買文檔就送全套 CAD 圖紙 加 414951605目 錄I VI01 綜述1.1 數(shù)控鏜床的主要優(yōu)點(diǎn)1. 能完成復(fù)雜型面的零件加工。2. 可以提高零件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量,由于數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)定的程序 自動加工的，加工過程不需要人工干預(yù),而且加工精度還可以利用軟件來進(jìn)行校正和修補(bǔ),因此可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度和重復(fù)精度。3.可以提高生產(chǎn)率.一般一臺數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床可提高效率2-3倍。由于工序集中，容易適應(yīng)多品種、中小批量生產(chǎn)。4.可以一機(jī)多用,有的數(shù)控機(jī)床一次裝夾可完成多部位的加工,可以替代5-7臺普通機(jī)床,并節(jié)省了廠房面積。5.幾乎不需要專用的工裝卡具，可發(fā)揮其“多工序集中”的優(yōu)勢，在一臺機(jī)床上完成多個工序，大大減少在制品數(shù)量,從而加速了流動資金的周轉(zhuǎn), 提高了經(jīng)濟(jì)效益。6. 大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向機(jī)械制造業(yè)是一個民族經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)水平高低已成為衡量一個地區(qū)甚至國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。美國、日本等發(fā)達(dá)國家有很大部分的財富都來源于機(jī)械制造業(yè)，我國機(jī)械制造業(yè)也后來居上，可以說，機(jī)械制造業(yè)決定了國家的繁榮和昌盛。機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展規(guī)模和水平也反映了一個國家的科學(xué)技術(shù)水平。工件的加工效率、所需的生產(chǎn)成本多少、加工質(zhì)量的優(yōu)劣是衡量機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的標(biāo)志，全面提高這幾項行業(yè)將會得到飛躍式的發(fā)展。15 世紀(jì)出現(xiàn)了水力驅(qū)動的炮筒鏜床。1774 年英國人 J.威爾金森發(fā)明了炮筒鏜床，第二年用作瓦特蒸汽機(jī)加工汽缸體。1776 年他又制造了一臺比較精確的氣缸鏜床。1880 年，德國開始生產(chǎn)帶前后立柱和工作臺的臥式鏜床。為了適應(yīng)特大、特重1工件的加工，20 世紀(jì) 30 年代發(fā)展出了落地鏜床。隨著銑削量的增加，50 年代出現(xiàn)了落地鏜銑床。20 世紀(jì)初期，隨著鐘表儀器制造業(yè)的迅速發(fā)展，為了加工孔距誤差較小的設(shè)備，在瑞士出現(xiàn)了坐標(biāo)鏜床。為了提高鏜床的定位精度，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛地采用光學(xué)讀數(shù)頭或數(shù)字顯示裝置。一些鏜床還采用了數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)的定位和加工過程的自動化。數(shù)控鏜床同其他機(jī)床一樣，其技術(shù)水平的提高也表現(xiàn)在固有技術(shù)（如高速、高精度化等）的發(fā)展和新技能（如智能化、網(wǎng)絡(luò)化等）的應(yīng)用上。我國自從改革開放以來，加快了數(shù)控機(jī)床的引進(jìn)和研制，由于技術(shù)并不完善，在國內(nèi)大中型企業(yè)中數(shù)控機(jī)床并未得到廣泛應(yīng)用，因此極大地束縛了這類企業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，本設(shè)計在保證精度準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，還最大限度的降低生產(chǎn)成本，既檢驗了我在大學(xué)四年中所學(xué)知識是否掌握并熟練運(yùn)用，也是為步入職場鋪下一塊堅實(shí)的墊腳石。此設(shè)計包括：數(shù)控鏜床總體結(jié)構(gòu)布局、床身結(jié)構(gòu)設(shè)計、立柱結(jié)構(gòu)布局、工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計。滾珠絲杠選型設(shè)計、滾動導(dǎo)軌設(shè)計。滾動導(dǎo)軌選型設(shè)計、主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動齒輪設(shè)計，軸承選型設(shè)計、液壓缸選型設(shè)計，刀庫選型設(shè)計、主要件的強(qiáng)度校核，伺服進(jìn)給電機(jī)選型設(shè)計、聯(lián)軸器選型設(shè)計。（1）數(shù)控鏜床高速化，是指主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的高速化。以下措施可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的高速：⑴選用陶瓷軸承使用陶瓷材料 SiN 制成軸承滾動體，而內(nèi)圈則仍用軸承鋼制造的軸承。選用陶瓷作為滾動體，因為它重量輕，是軸承鋼的 40%；熱膨脹率低，是軸承鋼的 25%；彈性膜量大，是軸承鋼的 1.5 倍 [10]。2轉(zhuǎn)速越高，滾動體引起的離心力和慣性滑移越高。選用陶瓷滾動體，大大地減少了離心力和慣性滑移，進(jìn)一步地提高了主軸轉(zhuǎn)速。但目前其價格昂貴，且壽命、可靠性等試驗數(shù)據(jù)還未確定，扔需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。但陶瓷軸承的優(yōu)越性是不容置疑的，而且已應(yīng)用于部分正式產(chǎn)品的數(shù)控機(jī)床上。⑵ 主軸軸承采用預(yù)緊量可調(diào)裝置早期主軸的預(yù)緊方式是固定預(yù)緊量式，但由于軸承滾動體離心力的影響，主軸在低速區(qū)和高速區(qū)的剛性有所差異，從而影響了主軸在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的穩(wěn)定切削。隨著主軸轉(zhuǎn)速的高速化發(fā)展，要實(shí)現(xiàn)低速時的高剛性和高速時的低發(fā)熱，固定預(yù)緊量方式已無法滿足其要求，于是出現(xiàn)了隨著轉(zhuǎn)速自動改變軸承預(yù)緊量的結(jié)構(gòu)。在低速區(qū)由活塞頂緊，實(shí)現(xiàn)高剛性固定預(yù)緊量式，而在高速區(qū)活塞松開，只靠彈簧預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)頂壓預(yù)緊。⑶ 改進(jìn)主軸軸承潤滑、冷卻方式:以往，加工中心主軸軸承的潤滑方式大多采用油脂封入式潤滑。為了滿足主軸轉(zhuǎn)速向高速化發(fā)展的要求，相繼開發(fā)了新型潤滑、冷卻方式。油氣（oil air）潤滑方式：這種潤滑方式與油霧潤滑相似，但兩者有原則上的區(qū)別。油氣潤滑是定時定量地把油霧送入軸承空隙中，這樣既保證了油霧潤滑，又不會污染周圍空氣。噴注（jet）潤滑：它用較大流量的恒溫油（每個軸承 3～4L/min）噴注到主軸軸承，以實(shí)現(xiàn)潤滑冷卻的目的。噴注的油是用兩臺排油泵強(qiáng)制排出的。（2） 精密化 速度固然重要，但精確也必不可少。隨著汽車、電子、航空等行業(yè)的迅猛發(fā)展，更要求我們所生產(chǎn)的工件達(dá)到極為精細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，這對加工設(shè)備精確性的不斷提高是一個極大的挑戰(zhàn)。因為急需一大批加工精度為“μ”級、主軸轉(zhuǎn)速高于312000r/min、快移速度大于 40m/min 的高效高精鏜床。為了順應(yīng)發(fā)展的趨勢，滿足各生產(chǎn)商的需求，鏜床將會向著高精密方向發(fā)展。（3） 復(fù)合化復(fù)合化指的是功能的復(fù)合化與工序的復(fù)合化，新興的數(shù)控機(jī)床已將粗加工與精加工緊密結(jié)合，同時把車，鏜，銑，鉆，磨等工序整合到一起，將非加工輔助時間減至最少，擴(kuò)大了機(jī)床的試用范圍，進(jìn)一步提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率。（4） 高可靠性數(shù)控機(jī)床的可靠性是衡量數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量的一項關(guān)鍵性指標(biāo)?？煽啃缘母叩椭苯佑绊憯?shù)控機(jī)床能否發(fā)揮其高性能、高精度和高效率以及最終的效益。(5) 智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化智能化運(yùn)用在數(shù)控系統(tǒng)的各個方面，如工藝參數(shù)自動生成、智能化主軸監(jiān)控功能、智能化維護(hù)監(jiān)控功能、智能化振動防止功能、語音導(dǎo)航功能、智能化平衡失調(diào)檢測功能等。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近年來比較被關(guān)注的一點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足了制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式，如虛擬企業(yè)、全球制造等的基礎(chǔ)條件。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各各國家制造業(yè)發(fā)展的一大趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。42 機(jī)械結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計2.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計主機(jī)：它是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等部件。它用于完成各種切削加工。 床身、床頭箱的尾座應(yīng)注意排屑、冷卻、潤滑、和維護(hù)。2.1.1 對床身結(jié)構(gòu)的基本要求機(jī)床的床身是整個機(jī)床的基礎(chǔ)支承件，用來放置導(dǎo)軌、主軸箱等重要部件。為了滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高精度、高可靠性和高自動化程度的要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)比普通機(jī)床有更高的靜、動剛度，更好的抗震性。因此數(shù)控機(jī)床在以下幾個方面應(yīng)有更高的要求。1) 很高的精度和精度保持性在床身上有許多安裝零部件的加工面和運(yùn)動部件的導(dǎo)軌面，這些面自身精度和相對位置精度要求就很高，并且需要保持很長時間。此外機(jī)床在切削加工時，所有的靜、動載荷最后往往都是傳到床身上的，因此床身受力極為復(fù)雜。為保證零部件之間的相互位置和相對運(yùn)動精度，除了滿足幾何尺寸、位置關(guān)系精度等要求外，還要滿足靜、動剛度和抗震性、熱穩(wěn)定性、工藝性等各方面技術(shù)要求。2) 應(yīng)具有足夠的靜、動剛度靜剛度包括床身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，使它們最后都達(dá)到較高的性能。動剛度直接反應(yīng)機(jī)床的動態(tài)特性，它保證了機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力，同時抵抗受迫振動及自激震動而產(chǎn)生的噪音。3) 較好的熱穩(wěn)定性對于高精度的數(shù)控機(jī)床來說，熱穩(wěn)定性是一個突出問題，必須在設(shè)計中考慮到整體的熱變形狀況，保證變形度達(dá)到最小，使其對精度的影響力盡可能達(dá)到最小。52.1.2 床身結(jié)構(gòu)布局及截面形狀1) 床身各種各樣的結(jié)構(gòu)形式。床身分為平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等四種類型。床身是基礎(chǔ)支撐部件，必須具有足夠高的靜、動剛度保持性，肋板布置適當(dāng)，又能保證良好的冷熱加工工藝性。加工中心的床身有固定立柱式和移動立柱式兩種，本次設(shè)計采用的是固定立柱式，由溜板和工作臺來實(shí)現(xiàn)平面上 X、Y 坐標(biāo)的移動，床身結(jié)構(gòu)較為簡單,一般適用于中小型立式和臥式加工中心。2) 床身肋板一般依據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況進(jìn)行設(shè)計為了滿足床身剛度和抗震性要求，V 形肋有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支撐部分的剛度，斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度，且便于設(shè)計成全封閉的箱型結(jié)構(gòu)。床身截面的形狀受機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計條件和鑄造能力的約束，以及使用廠家習(xí)慣的影響，種類較多，主要有橫向、縱向和斜向三類?？v向肋板可加強(qiáng)抗彎剛度，橫向肋板對加強(qiáng)抗扭剛度有顯著效果。斜向肋板對提高抗彎剛度有所幫助。當(dāng)肋板厚度相同時，米字形肋板結(jié)構(gòu)抗彎剛度接近“#”字形結(jié)構(gòu)，而抗扭剛度則是“#”字形結(jié)構(gòu)的數(shù)倍。此外縱向肋板和橫向肋板分別對抗彎剛度有顯著效果：米字形肋板和“#”字形肋板的抗彎剛度也較高，米字形肋板更為突出，但米字形肋板加工工藝性差，制造工時較長。2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局2.2.1 對立柱的條件要求立柱必須在承受切削力、震動、溫度變化等條件下依然保持正常工作。它必須支撐主軸箱體，使其能夠順著垂直方向上下移動。2.2.2 立柱的結(jié)構(gòu)布局?jǐn)?shù)控鏜床的主軸箱在框式立柱中間，立柱應(yīng)設(shè)計成對稱形結(jié)構(gòu)；同過比較分析并在設(shè)計中采用“X”形來布置隔板與筋條。61) 立柱和床身的連接立柱與床身的連接，一般采用螺栓緊固，圓錐銷定位的方式?？紤]到連接的實(shí)際應(yīng)選取 12 個螺栓，連接草圖如下：圖 1. 立柱與工作臺的布局立柱和機(jī)床身的連接采用螺栓與圓柱銷的定位方式，是為了最大限度的提升立柱和機(jī)床身接觸剛度，采用了以下方法：⑴提高有效接觸面的平面度，盡量減小其粗糙度。以此來提升集合強(qiáng)度;⑵強(qiáng)緊得方法。2) 立柱的導(dǎo)軌精度⑴立柱底面對主導(dǎo)面的垂直度：＜0.01mm⑵直線度：0.006~0.015mm⑶安裝底面與主導(dǎo)面的垂直度：0.05~0.001mm [16]⑷兩導(dǎo)軌扭曲度：0.01～0.015㎜ [16]2.3 工作臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用矩形的工作臺，并開 T 形槽，且不做分度運(yùn)動，如下圖：立 柱 主軸箱7400600圖 2. 工作臺的結(jié)構(gòu)2.3.1 T 形槽18H814302014圖 3. T 型槽的結(jié)構(gòu)和尺寸2.3.2 工作臺其余結(jié)構(gòu)1) 為了方便安裝，應(yīng)采用 Z 方向絲桿的螺母座與工作臺分離式結(jié)構(gòu)，具體的形式結(jié)構(gòu)見總裝配圖；2) 為了防止切屑對防護(hù)罩造成影響，固在工作臺的兩邊加上擋板；83) 為防止切屑對導(dǎo)軌造成影響，安裝防護(hù)板，板的大小由加工工作要求來確定，詳情見總裝配圖；4) 為便于安裝，盡量減小零件，因此采用工作臺在導(dǎo)軌上面滑動，應(yīng)在工作臺上面鉆油孔，方便潤滑；5) 工作臺座的作用：(1) 安裝 X 方向減速箱；(2) 作 Y 方向上進(jìn)給運(yùn)動的滑動體；(3) 安裝 X 方向進(jìn)給滾動導(dǎo)軌和該方向上絲桿螺母；(4) 支承工作臺；(5) 容納 X 方向上進(jìn)給絲桿的潤滑油；(6) 作 X 方向上的進(jìn)給絲桿支撐箱體。93 滾珠絲杠的設(shè)計需按所設(shè)計機(jī)構(gòu)的最大載荷、最高速度初選一個滾珠絲杠的公稱直徑，其中包括循環(huán)方式。再按馬達(dá)的轉(zhuǎn)速等要求初選滾珠絲杠的導(dǎo)程。然后根據(jù)定位精度的要求，作定位精度、重復(fù)定位精度、壓桿穩(wěn)定性、極限轉(zhuǎn)速、極限壽命以及 Dn 值等各項校核試驗并修正初選值。3.1 滾珠絲杠的傳動特點(diǎn)1) 滾珠絲杠與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為 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作滾動運(yùn)動，因此可以得到較高的運(yùn)動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達(dá)到 1/3 以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動結(jié)果動力只需為使用滾動絲杠副的 1/3。在省電方面很顯著；2) 高精度的保證：采用歌德式（Gothic arch）溝槽形狀、可將軸向間隙調(diào)整得很小，依舊能夠輕便地傳動。若加入適當(dāng)預(yù)緊載荷，消除軸向間隙，可使絲杠具有更優(yōu)良的剛性，在承載時減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，以便達(dá)到更高的精度；3) 微進(jìn)給：由于滾珠絲杠副是利用滾珠運(yùn)動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動中那樣的爬行現(xiàn)象，能夠保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。4) 無側(cè)隙、剛性高：滾珠絲杠副可以加予壓力，壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性（在實(shí)際用于機(jī)械裝置時，滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力，滾珠間的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)）；5) 高速進(jìn)給：滾珠絲杠由于運(yùn)動效率高、發(fā)熱小，固可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動；6) 高可靠性：與其它傳動機(jī)械、液壓傳動等相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也更為簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵即可。在特殊場合中可在無潤滑狀態(tài)下工作；7) 高耐用性：鋼球滾動接觸面均經(jīng)過硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對磨損甚微，故具有較高的使用壽命，精度保持更為持久。由上面可以歸納出傳動特點(diǎn)為：10(1) 傳動可逆；(2) 使用可靠；(3) 同步性好；(4) 預(yù)緊性好；(5) 使用壽命長；(6) 定位精確；(7) 效率較高；(8) 運(yùn)動穩(wěn)定。3.2 滾珠絲杠副的運(yùn)動原理滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間以鋼球為滾動體的螺旋轉(zhuǎn)動部件，它將螺旋運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動。滾動絲杠副的運(yùn)動位置機(jī)理就是用滾動摩擦代替滑動摩擦。在絲杠和螺母副上有圓弧形螺旋槽，在絲杠與螺母旋合螺旋槽間放置適當(dāng)數(shù)量的鋼球作為中間轉(zhuǎn)動體，借助滾珠返回通道，絲杠或螺母副轉(zhuǎn)動時，震動滾珠沿著滾道導(dǎo)珠管不斷循環(huán)從而實(shí)現(xiàn)周而復(fù)始的滾動。3.2.1 x 向絲杠螺母副的設(shè)計1) 型號選擇 (參考的是南京工藝裝備廠生產(chǎn)的精密滾珠絲杠)(1) 選擇型號：FFZD 型浮動內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊式滾珠絲杠；(2) 滾珠絲杠的導(dǎo)程：電機(jī)與絲杠直接相連(3) 調(diào)整方法:改變墊片的厚度尺寸,使雙螺母重新獲得所需要的預(yù)緊力·······················(4―1)3maxn10??NVP式中：― 電機(jī)最高的轉(zhuǎn)速根據(jù)要求取ax min/150maxrN?― 工作臺最高移動的速度根據(jù)要求取mVV固因此可以得出 Pn10?112) 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速和當(dāng)量載荷表 8. 各種切削方式下的參數(shù)切削方式 縱向切削力 Pxi(N)垂向切削力 Pzi(N)進(jìn)給速度V1(m/min)工作時間百分比絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強(qiáng)力切削 2000 1200 0.6 10 1677 75一般切削 1000 500 0.8 30 1607 100精切削 500 200 1 50 1077 125快速進(jìn)給 0 0 12 10 557 1500(1) 各種切削方式下絲杠轉(zhuǎn)速Ni= PnVi?13取 V1=0.6 V2=0.8 V3=1 V4=12則 N1=60r / min N2=80r / minN3=100r / min N4=1200r / min(2) 絲杠的軸向載荷各種情況下：····················(4—2)??ziPWPF??21xii?經(jīng)過查表可以得到： 01?x102?x503?xP4xz 5z 2zz通過已知道的條件得： 工作臺的最大行程：600mm. 工作臺的重量： 917.N.8.0641?定位精度 全行程m30/2?m?重復(fù)定位精度動摩擦因數(shù)： 靜摩擦因數(shù)：.?2.0?要求壽命：20000h 工件和夾具的最大重量 KNW1快速進(jìn)給速度 in/15V因此 ????NPWPFZX 321097.02121 ?????4512??61.5323????ZX 941412(3) 當(dāng)量轉(zhuǎn)速 mNmin/190/10/10/10/tn 432m rtntntn????????(4) 當(dāng)量載荷 F········(4―3)? ?3 433231m /t///t? mm NFttF通過計算得出： N67m(5) 各種切削方式下絲杠轉(zhuǎn)速選取 3nii10??PV.601?.82V13?24V可以得出 in/rNmin/0rN343) 預(yù)計將要達(dá)到的額定動載荷 aC(1) 通過預(yù)期的工作時間可以估算：·······················(4―4)cawm3hamf106FLNC?通過《機(jī)械設(shè)計手冊》查表：輕微的沖擊 1―3 級取.31fw?1fa?已知 可靠性 固選取 2h 097540cN276./.315201963am ???(2) 通過選用預(yù)緊式滾珠絲杠副，依照最大的負(fù)載荷 計算可得maxF··························(4―5)maxaxFfCe通過查表 [12 [12] 5.4Cam5.149325.4?通過計算選擇所求結(jié)果的最大值即 N764) 確定最小螺紋的底徑(1) 估算絲杠允許的最大軸向變形量=(1/3 ~1/4) 重復(fù)定位精度m?已知:重復(fù)定位精度 10 ,定位精度 20m??=(1/3 ~1/4) 重復(fù)定位精度 3=(1/3 ~1/4)定位精度 6取以上兩種的最小值 取 =3?(2) 估算最小螺紋的底徑 m2d·······················(4―6)9.301d0m2?LFEQ?13·······················(4―7)????ph10~4.21??L已知行程 351W?F10?L.2?所以可以得到 m7.3/9.dm2?5) 對滾珠絲杠副規(guī)格的確定：(1) 通過 選取相對應(yīng)的滾珠絲杠副aC2Wch5010 10n?P.623d.74m2??(2) 調(diào)整方法：通過襯套外循環(huán)的齒差來調(diào)節(jié)預(yù)緊雙螺母的調(diào)節(jié)。(3) 滾珠絲杠副預(yù)緊力的確定max31FP?N107p?NF321max?6) 行程的補(bǔ)償(1) ··················(4―8)3-t8.???LC····················(4―9)ank2L???上式中的 ??04~n?Pm10k53n(2) 1356???LC.52t??預(yù)拉伸力為 2ttd.9F所以有 N89.74.t ??7) 滾珠絲杠副支撐作用的軸承型號的確定(1) 緊力 ；B03/123/1maxbp?(2) 選型為兩端固定支撐背對背 60 度接觸角推力角接觸的球軸承；(3) 所選徑 D 應(yīng)該微小于 取整 ；.74d2 m4d?(4) 軸向的載荷 NFB 120893tmaxa ?通過計算選取軸承的型號 40TAC72A8) 計算絲杠上螺紋的長度(1) 通過查表可知 ；es2LU??4e?L(2) 端固定支撐的長度 ；139(3) 長度 187mm；(4) 固定點(diǎn)和起點(diǎn)的長度 ；m0(5) 絲杠的總體長度 。16?L149) 傳動系統(tǒng)的剛度(1) 軸承的組合剛度；·····················(4―10)32max2sind4.2?FZKQBD??是預(yù)加載荷的 3 倍，amxFN9517?Z?60?4.dQ所以 NKBD 10946sin9543.17.322???滾珠絲杠副的滾道與滾珠接觸的剛度·····················(4―11)/1ca???????PCF通過已給的條件可以得到 FP10?Ca380?mNKc?/140?(2) 拉剛度··················(4―12)21smin0d.6??LK最大的抗壓剛度為：875134.2.6.21sin ?????01022smax4d.6LK???所以可以得到 58smax?10) 剛度的演算··················(4―13)scsminin11KK??于是 30192851740csinin ????scsmaxax11KK??于是 31092154870csaxax ????15(1) 傳動系統(tǒng)剛度的演算··················(4―14)反 向 差 值0min.6F1?K12.67.0in ??反 向 差 值 0.3510???F因為 maxinK?所以可以知道傳動系統(tǒng)的剛度合格。(2) 傳動系統(tǒng)剛度的變化引起的定位誤差 k?·················(4―15)???????maxin0k1-F? m8.2631-2780-axin0k ??????????K(3) 絲杠精度的確定任意的 300mm 內(nèi)的行程變動量 V300 因為 .7430?因此 絲杠的精度選為 3 級。(4) 滾珠絲杠的確定選定的型號為 FFZD,絲杠全長 1700,公稱直徑 50,導(dǎo)程 10,螺紋長度 1393，P 類，3 級精度，代號：FFZD5010-3-P3/1700×1393(5) 演算強(qiáng)度因為 因此強(qiáng)合格.742d.362max??(6) 傳動效率的計算：················(4―16)????????gt/其中 為螺旋升角絲杠的滾動摩擦系數(shù) 04,~3.?f為摩擦角絲杠滾動摩擦系數(shù) f=0.003 ~ 0.0042.015??gt ?.1?所以摩擦角為 10ˊ19＂~ 13ˊ45＂ 取整 12ˊ所以 ??0g 2.98.02./.t ??gt??(7) 臨界轉(zhuǎn)速的演算16················(4―17)7210??CLdfnc通過樣本 .4 mLc 13609012 ???查表可以得到 則9.f ax7254.4. ???cn4.2.2 y 向絲杠的選型通過 X 方向絲杠的選型確定 Y 方向絲杠的型號為 FFZD6312-4-P3/1200×874 通過計算符合要求。4.2.3 z 向絲杠螺母的設(shè)計1) 所選絲杠型號為 FFZD 型公稱直徑為 50mm， 10n?P2) 兩端固定支承距離 m87462?L絲杠全長為 230+874=1114mm 因為 Z 方向上絲杠長度應(yīng)小于 X 方向，所以 Z 方向絲杠合格。因此 Z 放向絲杠的型號選為 FFZD5010-4-P3/1700×13934.3 滾珠絲杠副的傳動特點(diǎn)1) 傳動效率高；2) 運(yùn)動平穩(wěn)；3) 傳動可逆；4) 可以預(yù)緊；5) 定位精度高；6) 重復(fù)定位精度高；7) 同步性好；8) 使用壽命長；9) 使用可靠。174.4 電機(jī)的選型設(shè)計現(xiàn)代機(jī)電行業(yè)中經(jīng)常會碰到一些復(fù)雜的運(yùn)動，這對電機(jī)的動力荷載有很大影響。伺服驅(qū)動裝置是許多機(jī)電系統(tǒng)的核心，因此，伺服電機(jī)的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿足給定負(fù)載要求的電動機(jī)，然后再從中按價格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇最適合的電機(jī)。4.4.1 伺服控制電機(jī)的基本要求1) 震動與噪音??；2) 功率密度與比率大即性能的密度大；3) 位置的控制精度高；4) 快速性好，即加減速扭矩小，頻率特性好；5) 可靠性比較高。與此同時還應(yīng)該具備：機(jī)械特性：要求伺服電機(jī)的速降小、剛度大;快速響應(yīng)的要求：這在輪廓加工，特別對曲率大的加工對象進(jìn)行高速加工時要求較嚴(yán)格；調(diào)速范圍：這可以使數(shù)控機(jī)床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì);適應(yīng)于各種不同的加工工藝；一定的輸出轉(zhuǎn)矩，并要求一定的過載轉(zhuǎn)矩。機(jī)床進(jìn)給機(jī)械負(fù)載的性質(zhì)主要是克服工作臺的摩擦力和切削的阻力，因此主要是“恒轉(zhuǎn)矩“的性質(zhì)。4.4.2 伺服電機(jī)的選型設(shè)計1) 伺服電機(jī)應(yīng)該滿足的要求：(1) 電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于最大切削力矩；(2) 快速進(jìn)給頻率應(yīng)該在預(yù)期值以內(nèi)；(3) 在進(jìn)給調(diào)速范圍內(nèi)點(diǎn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于空載進(jìn)給力矩；(4) 加速時間應(yīng)該滿足預(yù)期的時間常數(shù)。2) X 方向伺服電機(jī)的選擇：(1) 最高轉(zhuǎn)速的選擇 伺服電機(jī)最高的轉(zhuǎn)速應(yīng)該依據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的快速進(jìn)給速度絲杠螺距及傳動系統(tǒng)的減速比來確定，計算公式：················(4―18)??min/nimaxrpVK?： 工作臺要求快速進(jìn)給的速度， min/15V?: 絲杠的螺距， PP0.1?18: 裕度系數(shù)， K3.1?K: 傳動系統(tǒng)減速比，因為是直連 I 1?i所以 min/20.53.1maxrn??(2) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算················(4―19)iTPLFKTb???????10012???雙螺母滾珠絲杠的預(yù)緊力矩20預(yù)緊力通常會選擇最大工作的載荷的 1/3 0?F NF10732/0???驅(qū)動力矩1T絲杠的預(yù)緊力矩的系數(shù) 0.1-0 選擇 0.15 所以KmNL????6.251075.02??絲杠導(dǎo)程 選擇 L0加在絲杠軸間的外載荷 PnWFP?克服軸向外載荷所需的力矩12??L法向載荷 W1?移動部件的重量包括工作 1N06252.6??導(dǎo)軌摩擦系數(shù) N.uP78.1901.??滾珠絲杠的效率 1?530? mNPL????357298.01721???mNcTb ???24.29：傳動比 選取 因此 i 1?iT ???3.66041電機(jī)的選擇根據(jù) 是伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 根據(jù)《設(shè)計手冊》選取 BESK10TS?S額定轉(zhuǎn)矩 11.8N·m 電機(jī)的輸出功率為 1.8KW 最大轉(zhuǎn)矩 78N·m3) 慣量匹配計算：負(fù)載慣量 與電動機(jī)的慣量 換算至電機(jī)的機(jī)軸之間有以下關(guān)系：1JmJ 1/4/1?mlJ19(1) 工作臺的轉(zhuǎn)動慣量為：根據(jù)表 6.6-29 可知 1000kg 工作臺換算到 的絲杠上轉(zhuǎn)動的慣量是：10h?P22cm.9kg1kg58.0???(2) 確定聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量：根據(jù)《機(jī)床設(shè)計手冊》第 3 卷表 6.6-19 可以得到飛輪 因此可有 22cmkg48??GD221 ckg14/84/ ??GDJ(3) 傳動系統(tǒng)換算電機(jī)軸上面的總轉(zhuǎn)動慣量： 2321 cmkg57.34.7.9??????JL(4) 慣量的匹配計算：根據(jù)表可以得出 2mckg50?所以 3.16mi?J1/4/?mlJ由上面可以看出符合慣量匹配關(guān)系。(5) 伺服電機(jī)的加減速能力的校核················(4―20)??lmlat60n2JT????當(dāng)快速移動加速時候它的最大轉(zhuǎn)矩用上面公式計算可以得到快速移動時候的電機(jī)轉(zhuǎn)動速度 m min/r20n?加減速度時間 at saKt3?系統(tǒng)的開環(huán)增益 通常情況 25 到 8 sK加工中心通常 在這里選擇20s 1s因此有 ta167.83“''電動機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量 mJ 25cmkgJm??負(fù)載的轉(zhuǎn)矩 l .4L: LT321?················(4―21)???0n?上面式中：:移動體的摩擦轉(zhuǎn)矩 1TmN????1602/95.06.47?:絲杠副的摩擦轉(zhuǎn)矩220mNLFKTa???213/2?:軸承的摩擦力矩BV?94??L ????1.202941633因此則有 ??mNT ????2.01.057.5?因此由上面計算可以選 BESK10 的最大轉(zhuǎn)矩是 78N·m 符合條件4) Y 方向上伺服電機(jī)的選擇(1) 最高的轉(zhuǎn)速················(4―22)0maxnLV?in/r21.ax?(2) 脈沖編碼器的選擇：···············(4―23)i0??LI r/10/1.3P???(3) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算方法：···············(4―24)i20b0a???????????LTFKT上式中 ??1PWP?NF89326731max0a ???5.0k4905.移動部件的重量（工作臺，工作臺架，工件）1??W196051.8???? NP27419605.10????是絲杠的效率 內(nèi)絲杠的預(yù)緊力的系數(shù)為?8.?.K是支撐軸承的摩擦力矩 BTm.42?NTB21··········(4―25)m9.428537.901245.1028931 ???????? ????? NT??通過《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊》取 BESK10 重要的參數(shù)：額定的轉(zhuǎn)矩 11.8N·m ；最大的轉(zhuǎn)矩 78N·m；最高的轉(zhuǎn)速 2000r/min;輸出的功率 1.8KW;5) 慣量的匹配計算(1) 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量通過《機(jī)床設(shè)計手冊》3 卷表 66-19 可以看出22cmkg48??GD1J(2) 移動部件的慣量 23 ckg5802.150????J(3) 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量通過《機(jī)床設(shè)計手冊》可以得到 242 cmkg57.1.0158. ???J(4) 換算到電動機(jī)的總轉(zhuǎn)動慣量 2321 cmkg.457.1.85??????JJL電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 2mckg0?730JL即 可以看出符合要求。41m?JL(5) 伺服電機(jī)加減能力的校核快速移動時的最大轉(zhuǎn)矩··············(4―26)??LLJJT??mat60n2?上面式子中：2mckg57.1?L min/r150n?6.0?at 31TJ??移動體摩擦轉(zhuǎn)矩 1T mNa ???213496052//0????絲杠副的摩擦轉(zhuǎn)矩 2 NKF?32?軸承摩擦轉(zhuǎn)矩 BNB?9422mNTBL???6.221所以 ??mN??????? 789.216.0157.50?因此符合要求6) Z 方向上伺服電動機(jī)的選擇(1) 脈沖編碼器的選擇 rLI /p1051.033-i0????(2) 最高的轉(zhuǎn)速為 min/20.max rPiVn??(3) 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算··············(4―27)i2kb0a01 ????????TLFPT??其中 N.312738max0a ??··············(4―28)??1PFP?????N7821?0所以選擇 BESK10 伺服電機(jī) 主要數(shù)據(jù)：最大的轉(zhuǎn)矩 78N·m； 輸出的功率 1.8KW；最高的轉(zhuǎn)速 2000r/min; 額定的轉(zhuǎn)矩 11.8 N·m7) 計算轉(zhuǎn)動慣量匹配(1) 聯(lián)軸器的慣量 221cmkg14???GDJ(2) 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量絲杠的主要數(shù)據(jù) 0hP14?Lm50d2ckg9.46357.1???LJ(3) 主軸箱的轉(zhuǎn)動慣量即 .0.89m?L 41m?JL通過上面計算可以知道符合要求(4) 電動機(jī)快速移動能力的校核