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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：數(shù)控連續(xù)彎管機(jī)總體設(shè)計(jì)
畢業(yè)生姓名
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專(zhuān)業(yè)
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學(xué)號(hào)
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指導(dǎo)教師
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所屬系（部）
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二〇 七年 月
前 言
本組畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為《數(shù)控連續(xù)彎管機(jī)總體設(shè)計(jì)》。在設(shè)計(jì)前期，我復(fù)習(xí)了《結(jié)構(gòu)力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《理論力學(xué)》、《機(jī)械制圖》等知識(shí)，并借閱了《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《盤(pán)管全自動(dòng)彎管機(jī)的電氣控制》等資料。在網(wǎng)上搜集了不少資料，并做了筆記。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中期，我們通過(guò)所學(xué)的基本理論、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和基本技能進(jìn)行計(jì)算和分析。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后期，主要進(jìn)行設(shè)計(jì)手稿的電腦輸入，并得到老師的審批和指正，使我圓滿(mǎn)的完成了任務(wù)，在此表示衷心的感謝。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的六周里，在指導(dǎo)老師的幫助下，經(jīng)過(guò)資料查閱、設(shè)計(jì)計(jì)算、以及外文的翻譯，加深了對(duì)新規(guī)范、規(guī)程、手冊(cè)等相關(guān)內(nèi)容的理解。鞏固了專(zhuān)業(yè)知識(shí)、提高了綜合分析、解決問(wèn)題的能力。在繪圖時(shí)熟練掌握了AutoCAD，CAXA2013等專(zhuān)業(yè)軟件。以上所有這些從不同方面達(dá)到了畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的與要求。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算工作量很大，在計(jì)算過(guò)程中都是自己親手計(jì)算的。由于自己水平有限，難免有不妥和疏忽之處，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。
摘 要
隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，彎管技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)，特別是在鍋爐、壓力容器、石油石化工程等領(lǐng)域。本次課題研究的數(shù)控連續(xù)彎管機(jī)采用三維自由彎曲成型技術(shù)，該技術(shù)作為金屬塑性變形領(lǐng)域近年來(lái)一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)管材、型材、線(xiàn)材在各種彎曲半徑條件下的精確成形，對(duì)傳統(tǒng)彎曲成型技術(shù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。從三維自由彎曲成形技術(shù)的基本原理入手，對(duì)彎管機(jī)進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的彎管機(jī)由機(jī)身、機(jī)頭(彎管機(jī)構(gòu))、推料機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成。其中升降機(jī)構(gòu)主要作用是使彎管模具提升或下降，選擇液壓缸提供動(dòng)力。彎管機(jī)構(gòu)選擇滾珠絲杠帶動(dòng)，通過(guò)使用兩個(gè)滾珠絲杠混合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)頭機(jī)構(gòu)的任意方向，任意角度的彎曲。一個(gè)滾珠絲杠控制X方向的移動(dòng)，另外一個(gè)滾珠絲杠控制Y方向的移動(dòng)。推料機(jī)構(gòu)是通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)推料塊來(lái)實(shí)現(xiàn)彎管的進(jìn)給。
關(guān)鍵詞：自由彎曲；彎管機(jī)；機(jī)頭機(jī)構(gòu)；推料機(jī)構(gòu)；
ABSTRACT
With the rapid development of modern technology, elbow technology has been widely used in various production industries, especially in the boiler, pressure vessels, petroleum and petrochemical engineering and other fields. In this paper, the numerical control continuous bending machine adopts three-dimensional free bending forming technology, which is an important technological innovation in recent years. It can realize the precise shaping of pipe, profile and wire under various bending radius conditions. The traditional bending molding technology has brought great challenges. Starting from the basic principle of 3D free bending technology, the overall design of the pipe bending machine is carried out. The design of the bending machine from the fuselage, head (bending body), push material institutions, lifting agencies and other institutions. Which lift the main role is to make the elbow mold to lift or down, select the hydraulic cylinder to provide power. Bend mechanism selection ball screw drive, through the use of two ball screw mixing to achieve the nose of any direction, any angle of bending. A ball screw controls the movement of the X direction, and the other ball screw controls the movement of the Y direction. Pusher mechanism is through the ball screw drive poke block to achieve the elbow feed.
Key Words: Free bending; bending machine; nose mechanism; push material body;
目 錄
1. 緒 論 1
1.1. 引言 1
1.2. 彎管機(jī)概述 1
1.3. 彎管機(jī)的研究背景 2
1.4. 彎管機(jī)的研究目的及意義 3
1.5. 彎管機(jī)的彎管的設(shè)計(jì)原理(三軸自由彎曲成形系統(tǒng)原理): 4
2. 彎管機(jī)設(shè)計(jì) 5
2.1. 機(jī)頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5
2.2. 推料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
2.3. 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
2.4. 彎管機(jī)的總體設(shè)計(jì) 9
2.5. 滾珠絲杠概述 10
2.5.1. 滾珠絲杠概述 10
2.6. 機(jī)頭部的滾珠絲杠選型計(jì)算 12
2.6.1. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 12
2.6.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 12
2.6.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷 12
2.6.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm 13
2.6.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X 13
2.6.6. 滾珠絲杠副導(dǎo)程精度的選擇： 14
2.6.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào) 14
2.6.8. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 14
2.6.9. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 14
2.6.10. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷 15
2.6.11. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm 16
2.6.12. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X 16
2.6.13. 滾珠絲杠副導(dǎo)程精度的選擇： 16
2.6.14. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào) 16
2.7. 推料機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠選型計(jì)算 17
2.7.1. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 17
2.7.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算 17
2.7.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷 17
2.7.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm 18
2.7.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X 18
2.7.6. 滾珠絲杠副導(dǎo)程精度的選擇： 19
2.7.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào) 19
3. 電機(jī)概述及選型計(jì)算 19
3.1. 電機(jī)概述 19
3.1.1. 電機(jī)簡(jiǎn)要介紹 19
3.1.2. 調(diào)速方法 20
3.1.3. 使用壽命 20
3.1.4. 注意事項(xiàng) 20
3.2. 電機(jī)選型計(jì)算 21
3.2.1. 外部負(fù)荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 21
3.2.2. 外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩： 21
3.2.3. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩： 21
3.2.4. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩： 21
3.2.5. 加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩： 22
3.2.6. 外部負(fù)荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 22
3.2.7. 外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩： 22
3.2.8. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩： 23
3.2.9. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩： 23
3.2.10. 加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩： 23
3.3. 皮帶輪與皮帶的計(jì)算與選擇 23
3.4. 聯(lián)軸器的計(jì)算與選擇 24
3.5. 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
4. 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 25
4.1. 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 25
4.2. 機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求 25
5. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的原理及其應(yīng)用 27
5.1. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的工作原理 27
5.2. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的剛性 28
5.3. 導(dǎo)軌的精度 28
5.4. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的選用 28
6. 軸承的概述及選擇 30
6.1. 軸承的概述 30
6.1.1. 概念 30
6.1.2. 特性 30
6.1.3. 精度等級(jí) 30
6.1.4. 類(lèi)型 31
6.1.5. 負(fù)載能力 31
6.1.6. 結(jié)構(gòu)變形種類(lèi) 32
6.1.7. 主要用途 32
6.1.8. 安裝技巧 33
6.1.9. 保養(yǎng)方法 33
6.2. 軸承的選擇 34
總結(jié) 35
外文原文 36
外文翻譯 43
致謝 56
參考文獻(xiàn) 57
IV
1. 緒 論
1.1. 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)各種型號(hào)的彎管的需求會(huì)迅速增長(zhǎng)，對(duì)管材彎曲成型精度要求也會(huì)越來(lái)越高，這一切促使人們對(duì)管材彎曲加工工藝及加工設(shè)備進(jìn)行深入的研究。美、英、日、德等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家紛紛研制計(jì)算機(jī)數(shù)控彎管加工設(shè)備，同時(shí)資助管材彎曲加工工藝的理論及實(shí)驗(yàn)研究，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。然而，我國(guó)的管材彎曲加工設(shè)備與加工技術(shù)的研究與應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)今世界先進(jìn)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防的需要，致使我國(guó)許多企業(yè)不得不花費(fèi)大量資金引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的棺材數(shù)控玩去加工設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)使用的數(shù)控彎管機(jī)設(shè)備通常是在通用計(jì)算機(jī)或工業(yè)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上加裝運(yùn)動(dòng)控制卡，使用windows操作系統(tǒng)，并安裝昂貴的數(shù)控軟件構(gòu)成的。這樣的系統(tǒng)軟件成本高，硬件資源浪費(fèi)，功耗大。為了提高彎管生產(chǎn)的效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的精度，采用三位自由彎曲技術(shù)是本課題的主要任務(wù)。
1.2. 彎管機(jī)概述
管材彎曲有很多方法，相應(yīng)地也就有不同的彎管設(shè)備.在各種方法中，繞彎是最常用的彎管方法，而繞彎最常用的設(shè)備是彎管機(jī)。因此，彎管機(jī)是管材彎曲加工的主要設(shè)備。
彎管機(jī)的機(jī)構(gòu)形式有很多，按彎管時(shí)加熱與否可分為冷彎管機(jī)和熱彎管機(jī)兩類(lèi)，按傳動(dòng)方式可分為手動(dòng)、氣動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)四種，按控制方式又可分為手控、半自動(dòng)、自動(dòng)、數(shù)控四種。機(jī)械傳動(dòng)式彎管機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，通用性大。液壓彎管機(jī)傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、能彎制不同直徑的管材。半自動(dòng)控制的彎管機(jī)，一般只對(duì)彎管角度進(jìn)行自動(dòng)控制，主要用于中小批量的生產(chǎn)。自動(dòng)控制的彎管機(jī)通過(guò)尺寸預(yù)選機(jī)構(gòu)和程序控制系統(tǒng)對(duì)彎管全過(guò)程（送進(jìn)、彎管和空間轉(zhuǎn)角）實(shí)行自動(dòng)控制，這種彎管機(jī)一般采用液壓傳動(dòng)，適用于大批量生產(chǎn)。數(shù)控彎管機(jī)能夠根據(jù)零件圖規(guī)定的程序和尺寸，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)彎管過(guò)程的全自動(dòng)控制，它適用于大批量生產(chǎn)，尤其是管件尺寸參數(shù)多變的場(chǎng)合。
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機(jī)的形式日趨多樣化，彎管機(jī)性能也在大幅度地提高。微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器、先進(jìn)的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使彎管機(jī)的功能更趨完善，而數(shù)控彎管機(jī)將是現(xiàn)代彎管生產(chǎn)的主要設(shè)備。
1.3. 彎管機(jī)的研究背景
在航空、航天、船舶、汽車(chē)、摩托車(chē)、空調(diào)等制造業(yè)中，大量應(yīng)用到對(duì)管材的彎曲加工作業(yè)，如何將管材彎曲成復(fù)雜的空間幾何形狀，并保持工藝要求的精度，一直是人們所關(guān)心的問(wèn)題。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)的許多汽車(chē)、摩托車(chē)、空調(diào)生產(chǎn)廠家引進(jìn)了用于管材彎曲成形加工的CNC彎管機(jī)，這種彎管機(jī)以它在同一臺(tái)機(jī)器上可實(shí)現(xiàn)管材的各種復(fù)雜彎曲加工，以及加工精度高和對(duì)管材外表面損傷小等特點(diǎn)，在管材的彎曲成形加工方法中占有非常重要的地位。所以液壓彎管機(jī)將取代傳統(tǒng)的彎管機(jī)而成為彎管生產(chǎn)的主要設(shè)備。通過(guò)分析液壓彎管機(jī)的使用范疇可以看出未來(lái)電動(dòng)液壓彎管機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)還是非常不錯(cuò)的。而且近年來(lái)的發(fā)展也是比較順利的，所以這個(gè)行業(yè)能夠?qū)⒈豢春谩?
彎管機(jī)是管材彎曲加工的主要設(shè)備。彎管機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，按彎管時(shí)加熱與否可分為冷彎管機(jī)和熱彎管機(jī)兩類(lèi)，按傳動(dòng)方式可分為手動(dòng)、氣動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)四種，按控制方式又可分為手控、半自動(dòng)、自動(dòng)和數(shù)控四種。
我國(guó)的彎管機(jī)加工工藝，從青銅器時(shí)代開(kāi)始萌芽的，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時(shí)期已經(jīng)有了相當(dāng)發(fā)達(dá)的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時(shí)有出土文物與甲骨文記錄表明，這個(gè)時(shí)期的生產(chǎn)的青銅工具和生活工具，在制造過(guò)程中大都要經(jīng)過(guò)切削加工或研磨。我國(guó)的冶鑄技術(shù)比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術(shù)的發(fā)明，為制造堅(jiān)硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質(zhì)工具的出現(xiàn)，表明金屬切削加工進(jìn)入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)的琢玉工具，這也就是金屬切削機(jī)床的前身。70年代在河北滿(mǎn)城一號(hào)漢墓出土的五銖錢(qián)，其外圓上有經(jīng)過(guò)車(chē)削的痕跡，刀花均勻，切削振動(dòng)，波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢(qián)穿在方軸上然后裝夾在木質(zhì)的車(chē)床上，用手拿著工具進(jìn)行切削。美國(guó)自20世紀(jì)60年代就開(kāi)始使用垂直液壓(即立式)彎管機(jī)，可以彎制152.4～762mm?(6～30英寸)各種壁厚的鋼管。70年代后，冷彎?rùn)C(jī)的性能進(jìn)一步完善，同時(shí)，彎管內(nèi)胎研制成功，與冷彎?rùn)C(jī)配套使用，能夠彎制薄壁高強(qiáng)度大口徑的輸油輸氣管道鋼管，最大彎管直徑達(dá)到1524mm(60英寸)。原蘇聯(lián)研制冷彎管機(jī)基本也是從20世紀(jì)60年代開(kāi)始的，功能與美國(guó)機(jī)器相仿，但由于其主機(jī)液壓系統(tǒng)采取臥式結(jié)構(gòu)，平面占用空間較大，運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)擺布均存在較大困難。目前，世界上有美國(guó)、加拿大和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家近10家冷彎?rùn)C(jī)生產(chǎn)廠，所產(chǎn)機(jī)型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式，內(nèi)胎形式主要有氣動(dòng)式和液壓式兩種。氣動(dòng)式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點(diǎn)在于行走速度快、彎管預(yù)制效率高，但需要另行配置空氣壓縮機(jī)，系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差，難以控制。液壓式內(nèi)胎借助于整機(jī)液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，且液壓傳動(dòng)平穩(wěn)可靠，能夠保證管道在預(yù)制過(guò)程中不發(fā)生橢圓變形。
如今我國(guó)彎管機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)具有以下顯著的特點(diǎn)：1.搖臂，其作用是保證彎管彎曲半徑符合要求，其夾緊座是限制鋼管在彎曲過(guò)程中反彈。2.矯直輥一是防止在彎曲過(guò)程中垂直方向變形，與浮動(dòng)防橢圓夾具配合使用保證彎曲后的鋼管橢圓度符合要求。3.導(dǎo)向輥裝置一有兩組導(dǎo)向輥和機(jī)架及夾緊傳動(dòng)系統(tǒng)組成，導(dǎo)向輥開(kāi)合由液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)完成，其功能是與搖臂共同完成鋼管水平方向的彎曲。4.推送裝置(由小車(chē)、床身、傳動(dòng)軸、牽引鏈等組成)推動(dòng)鋼管前進(jìn)，在搖臂和導(dǎo)向輥?zhàn)饔孟落摴墚a(chǎn)生彎曲。5.驅(qū)動(dòng)裝置它是推送裝置的動(dòng)力源。6.泵站一分高壓和低壓兩部分為導(dǎo)向輥開(kāi)合、搖臂夾緊座油缸、推送裝置小車(chē)卡盤(pán)開(kāi)合、矯直輥開(kāi)合提供動(dòng)力。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機(jī)的型式日趨多樣化，彎管性能也在大幅度地提高。微型計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器、先進(jìn)的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使彎管機(jī)的功能更趨完善。
1.4. 彎管機(jī)的研究目的及意義
本次研究的數(shù)控連續(xù)彎管機(jī)主要由機(jī)身、機(jī)頭、升降機(jī)構(gòu)、推料機(jī)構(gòu)及滑動(dòng)副等等。設(shè)備的參數(shù)主要有：最大彎曲管徑及壁厚分別為Φ25×2mm;最大彎曲半徑為250mm;最小彎曲半徑為50mm(根據(jù)彎管直徑)；最大彎曲角度為180°；標(biāo)準(zhǔn)送料長(zhǎng)度為1500mm;送料方式為直送；電源為380V/50Hz；控制閥電壓為24V；總功率為7kw;液壓系統(tǒng)最高壓力為10MPa。
對(duì)本次課題研究的主要是兩個(gè)方面：
1) 彎管機(jī)的彎曲機(jī)構(gòu)(機(jī)頭)
2) 彎管機(jī)的推料機(jī)構(gòu)
彎管機(jī)技術(shù)如今在我國(guó)廣泛用于電力施工，公鐵路建設(shè)，鍋爐、橋梁、船舶、家俱、家電和裝潢等行業(yè)，其工藝隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步也在不斷發(fā)展。數(shù)控彎管機(jī)是數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)彎管工藝相結(jié)合，隨著機(jī)床工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的。其自動(dòng)化程度高、效率高，適合于快速精確地彎制復(fù)雜的空間彎曲件。彎管技術(shù)還廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器、空調(diào)制造、汽車(chē)、航空航天等多種行業(yè)。彎管質(zhì)量的好壞，將直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著制造業(yè)的發(fā)展，自動(dòng)彎管機(jī)在汽車(chē)配件、造船、家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。各類(lèi)彎管機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，如大型立體彎管機(jī)、CNC彎管機(jī)、液壓彎管機(jī)等。數(shù)控彎管機(jī)彎管效率高，管件質(zhì)量穩(wěn)定，可迅速提高機(jī)加車(chē)間的生產(chǎn)效率。特別適合大批量多種類(lèi)管件生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)的鍋爐制造廠家大部分仍采用手動(dòng)彎管。部分有實(shí)力的公司引進(jìn)了國(guó)外的自動(dòng)彎管機(jī)，但價(jià)格十分昂貴。 為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，業(yè)內(nèi)迫切需要能滿(mǎn)足大批量、多規(guī)格，且價(jià)格低廉的自動(dòng)彎管機(jī)。本文設(shè)計(jì)了一種適合鍋爐生產(chǎn)過(guò)程中彎管需要的全自動(dòng)數(shù)控彎管機(jī)，在操作員的配合下，可自動(dòng)完成送管、置位、彎管、復(fù)位、翻身等操作。控制系統(tǒng)以PLC為核心，穩(wěn)定可靠；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)保證了送管的精度；觸摸屏提供了更直觀的人機(jī)界面。因此彎管機(jī)設(shè)計(jì)有著重要意義。
1.5. 彎管機(jī)的彎管的設(shè)計(jì)原理(三軸自由彎曲成形系統(tǒng)原理):
三軸自由彎曲系統(tǒng)關(guān)鍵部分如圖 1 1所示。該系統(tǒng)主要由彎曲模、球面軸承、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)4部分組成，其中彎曲模與球面軸承相接觸的球面半徑相同。其工藝原理是：管材在推進(jìn)機(jī)構(gòu)的連續(xù)推動(dòng)作用下依次通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和彎曲模，在管材通過(guò)彎曲模時(shí)，球面軸承在X/Y平面內(nèi)作偏心運(yùn)動(dòng)，而彎曲模隨著球面軸承的偏心運(yùn)動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)球面軸承在X/Y平面內(nèi)偏離平衡位置為u時(shí)，管材在彎曲部位產(chǎn)生偏心距u，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彎曲成形。
圖 1 1自由彎曲系統(tǒng)關(guān)鍵部分
隨著Z軸方向的送料，管材逐漸彎曲出較大的彎曲角。偏心距u的大小決定了彎曲半徑R的大小，當(dāng)u很大時(shí)，彎曲半徑R將會(huì)很小。從彎曲模球心到導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端之間在Z向的距離為A，當(dāng)A值大小超過(guò)正常范圍時(shí)，即使u值很大，同樣無(wú)法彎曲出較小的彎曲半徑。在三軸自由彎曲系統(tǒng)中，管材在彎曲時(shí)受到軸向推進(jìn)機(jī)構(gòu)所施加的推力PL和球面軸承所施加的彎曲力Pu。在PL和Pu的共同作用下產(chǎn)生彎矩M，使管材發(fā)生彎曲，其中：
M=Pu×A+PL×u（該公式為標(biāo)量計(jì)算）。
彎曲力Pu的大小取決于管材材料本身的性質(zhì)以及偏心距u和A的大小，當(dāng)管材材料不變時(shí)，A值越大，u值越小，則彎曲力Pu越小。球面軸承和軸向推進(jìn)機(jī)構(gòu)可在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)X/Y/Z 3個(gè)方向的自由運(yùn)動(dòng)，故將該彎曲方法命名為三軸自由彎曲系統(tǒng)。
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2. 彎管機(jī)設(shè)計(jì)
2.1. 機(jī)頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖 2 1機(jī)頭部主視圖
圖 2 2機(jī)頭部左視圖
圖 2 3機(jī)頭部實(shí)物圖
如圖 2 1，
圖 2 2，所示，是彎管機(jī)的機(jī)頭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖 2 3是機(jī)頭機(jī)構(gòu)的實(shí)物圖。機(jī)頭機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，彎曲模，球面軸承組成，球面軸承與托板相連，由伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠帶動(dòng)螺母座做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而螺母座與托板通過(guò)螺釘連接，此時(shí)托板也做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，要想實(shí)現(xiàn)機(jī)頭任意方向的旋轉(zhuǎn)彎曲，需要兩個(gè)滾珠絲杠，一個(gè)控制X方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)絲杠控制垂直方向的即Y方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)頭就可以實(shí)現(xiàn)自由彎曲了。機(jī)頭機(jī)構(gòu)的安裝用內(nèi)六角螺釘。為了節(jié)省材料，降低成本，將托板做成空心的，用加強(qiáng)筋支撐，如
圖 2 2所示。
2.2. 推料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖 2 4推料機(jī)構(gòu)主視圖
圖 2 5機(jī)頭部左視圖
圖 2 6機(jī)頭部俯視圖
如圖 2 4，圖 2 5，
圖 2 6所示，是推料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。它的作用是推動(dòng)管子進(jìn)行直線(xiàn)進(jìn)給，它是利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶輪把運(yùn)動(dòng)傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)小車(chē)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管子的進(jìn)給。它的整個(gè)機(jī)構(gòu)支撐在箱體上，可以從圖 2 5看到。而推動(dòng)器是錐體的，把推動(dòng)器頭部插入管子中，外面用大于管子直徑的圓柱體卡住，使管子不能隨意運(yùn)動(dòng)。為了使推料機(jī)構(gòu)能平衡，還用到了兩個(gè)直線(xiàn)導(dǎo)軌，推料機(jī)構(gòu)在滾珠絲杠上直線(xiàn)移動(dòng)的同時(shí)，沿著直線(xiàn)導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，推料機(jī)構(gòu)與直線(xiàn)導(dǎo)軌的連接用滑塊，也要用到內(nèi)六角螺釘。
2.3. 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖 2 7升降系統(tǒng)主視圖
圖 2 8升降系統(tǒng)俯視圖
如圖 2 7，圖 2 8所示，是升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該機(jī)構(gòu)由液壓缸提供動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓塊的提升和下降，完成管子的更換。
2.4. 彎管機(jī)的總體設(shè)計(jì)
圖 2 9彎管機(jī)俯視圖
圖 2 10彎管機(jī)主視圖
圖 2 11彎管機(jī)左視圖
2.5. 滾珠絲杠概述
2.5.1. 滾珠絲杠概述
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這是艾克姆螺桿的進(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滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(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。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)。
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
滾珠絲杠副是一般是用世界最高水平的機(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)運(yùn)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))。
常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過(guò)程中有時(shí) 與絲杠脫離接觸的稱(chēng)為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱(chēng)為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個(gè)循環(huán)閉路稱(chēng)為列，每個(gè)滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱(chēng)為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。如圖 2 12
圖 2 12滾珠絲杠
1）外循環(huán)：外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過(guò)程結(jié)束后通過(guò)螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時(shí)的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。 常用外循環(huán)方式(a)端蓋式；（b）插管式；（c）螺旋槽式是端蓋式，在螺母上加工一縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開(kāi)有滾珠的回程口，滾珠由此進(jìn)入回程管，形成循環(huán)。（b）所示為插管式，它用彎管作為返回管道，這種結(jié)構(gòu)工藝性好，但是由于管道突出螺母體外，徑向尺寸較大。c）所示為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復(fù)雜。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡(jiǎn)單，使用廣泛。其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。
2）內(nèi)循環(huán)：所示為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。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。（a）所示為圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開(kāi)有反向槽2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵1定位，以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向。（b）所示為扁圓鑲塊反向器，反向器為一般圓頭平鍵鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開(kāi)有反向槽3，用鑲塊的外輪廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。
2.6. 機(jī)頭部的滾珠絲杠選型計(jì)算
該彎管機(jī)共用到三個(gè)滾珠絲杠副，下面先計(jì)算機(jī)頭機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠副：
2.6.1. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和X向滑板的最大速度，計(jì)算絲杠導(dǎo)程。X向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇SS5402C40A，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4500rpm。電機(jī)與滾珠絲杠直連，傳動(dòng)比為1。X向最大運(yùn)動(dòng)速度為100mm/s，即6000mm/min。則絲杠導(dǎo)程為
Ph=Vmax/i?nmax=6000/1×4500≈1.34mm
實(shí)際取Ph=4mm，可滿(mǎn)足速度要求。
2.6.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
滾動(dòng)導(dǎo)軌承重時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計(jì)算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導(dǎo)軌靜摩擦力：
F0=μ0?M?g+f=0.006×6000×9.8+4×5=372.8N
式中：
M—工件及工作臺(tái)質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算M約為1500kg。
f—導(dǎo)軌滑塊密封阻力，按4個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊密封阻力5N。
由于該設(shè)備主要用于檢測(cè)絲杠工作時(shí)不受切削力檢測(cè)運(yùn)動(dòng)接近勻速其阻力主要來(lái)自于導(dǎo)軌、滑塊的摩擦力。則有：
nmax≈nmin=60?vPh=60×2510=150rpm
Fmax≈Fmin≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷：
Fm=2Fmax+Fmin3≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速：
nm=nmax+nmin2=150rpm
2.6.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：
Cam=360nmLh?Fmfw100fafe=360×150×15000×372.8×1100×1×1=555.06N
式中：
nm—當(dāng)量轉(zhuǎn)速，nm=60?vPh=60×2510=150rpm
Lh—預(yù)期工作時(shí)間，測(cè)試機(jī)床選擇15000小時(shí)
fw—負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊選擇fw=1
fa—精度系數(shù)，2級(jí)精度選擇fa=1
fe=可靠性系數(shù)，一般選擇fe=1
按滾珠絲杠副的預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算：
Cam=3LsPh?Fmfwfafe=325×10310×10-3×372.8×1=14684.9993N
式中：
Ls—預(yù)期運(yùn)行距離，一般選擇Ls=25×103m
2.3.3按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負(fù)載計(jì)算：
Cam=feFmax=6.7×108.2=729.94N
式中：
fe—欲加負(fù)荷系數(shù)，輕欲載時(shí)，選擇fe=6.7
Fmax— 絲杠副最大載荷
2.6.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
δm≤(13~14)?重復(fù)定位精度
X向運(yùn)動(dòng)的重復(fù)定位精度要求為0.005mm,則
δm≤14×0.1=0.00125mm
2.6.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
根據(jù)X向運(yùn)動(dòng)行程為50mm，可計(jì)算出兩個(gè)固定支撐的最大距離：
L≈（1.1~1.2）?l+(10~14)?Ph=1.2×1200+14×10=1580mm
按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：
d2m≥0.039F0L/1000δm
式中：
F0—導(dǎo)軌靜摩擦力，F(xiàn)0=372.8N
L—滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=100mm
則有：
d2m≥0.039×372.8×1001000×0.00125=6.7
2.6.6. 滾珠絲杠副導(dǎo)程精度的選擇：
根據(jù)X向運(yùn)動(dòng)的定位精度要求達(dá)到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長(zhǎng)度的導(dǎo)程精度為0.0015mm
2.6.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)
按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號(hào)為FF2004—3，精度等級(jí)為2級(jí)。絲杠基本導(dǎo)程為4mm,絲杠外徑為19.1mm，絲杠底徑為16.9mm,公稱(chēng)直徑為20mm，額定動(dòng)載荷為7300N>Cam,額定靜載荷為15400N。如圖 2 13
圖 2 13滾珠絲杠
2.6.8. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和X向滑板的最大速度，計(jì)算絲杠導(dǎo)程。X向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇SS5402C40A，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4500rpm。電機(jī)與滾珠絲杠直連，傳動(dòng)比為1。Y向最大運(yùn)動(dòng)速度為100mm/s，即6000mm/min。則絲杠導(dǎo)程為
Ph=Vmax/i?nmax=6000/1×4500≈1.34mm
實(shí)際取Ph=4mm，可滿(mǎn)足速度要求。
2.6.9. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
滾動(dòng)導(dǎo)軌承重時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計(jì)算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導(dǎo)軌靜摩擦力：
F0=μ0?M?g+f=0.006×6000×9.8+4×5=372.8N
式中：
M—工件及工作臺(tái)質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算M約為1500kg。
f—導(dǎo)軌滑塊密封阻力，按4個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊密封阻力5N。
由于該設(shè)備主要用于檢測(cè)絲杠工作時(shí)不受切削力檢測(cè)運(yùn)動(dòng)接近勻速其阻力主要來(lái)自于導(dǎo)軌、滑塊的摩擦力。則有：
nmax≈nmin=60?vPh=60×2510=150rpm
Fmax≈Fmin≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷：
Fm=2Fmax+Fmin3≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速：
nm=nmax+nmin2=150rpm
2.6.10. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：
Cam=360nmLh?Fmfw100fafe=360×150×15000×372.8×1100×1×1=555.06N
式中：
nm—當(dāng)量轉(zhuǎn)速，nm=60?vPh=60×2510=150rpm
Lh—預(yù)期工作時(shí)間，測(cè)試機(jī)床選擇15000小時(shí)
fw—負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊選擇fw=1
fa—精度系數(shù)，2級(jí)精度選擇fa=1
fe=可靠性系數(shù)，一般選擇fe=1
按滾珠絲杠副的預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算：
Cam=3LsPh?Fmfwfafe=325×10310×10-3×372.8×1=14684.9993N
式中：
Ls—預(yù)期運(yùn)行距離，一般選擇Ls=25×103m
2.3.3按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負(fù)載計(jì)算：
Cam=feFmax=6.7×108.2=729.94N
式中：
fe—欲加負(fù)荷系數(shù)，輕欲載時(shí)，選擇fe=6.7
Fmax— 絲杠副最大載荷
2.6.11. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
δm≤(13~14)?重復(fù)定位精度
Y向運(yùn)動(dòng)的重復(fù)定位精度要求為0.005mm,則
δm≤14×0.1=0.00125mm
2.6.12. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
根據(jù)Y向運(yùn)動(dòng)行程為50mm，可計(jì)算出兩個(gè)固定支撐的最大距離：
L≈（1.1~1.2）?l+(10~14)?Ph=1.2×1200+14×10=1580mm
按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：
d2m≥0.039F0L/1000δm
式中：
F0—導(dǎo)軌靜摩擦力，F(xiàn)0=372.8N
L—滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=100mm
則有：
d2m≥0.039×372.8×1001000×0.00125=6.7
2.6.13. 滾珠絲杠副導(dǎo)程精度的選擇：
根據(jù)Y向運(yùn)動(dòng)的定位精度要求達(dá)到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長(zhǎng)度的導(dǎo)程精度為0.0015mm
2.6.14. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)
按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號(hào)為FF2004—3，精度等級(jí)為2級(jí)。絲杠基本導(dǎo)程為4mm,絲杠外徑為19.1mm，絲杠底徑為16.9mm,公稱(chēng)直徑為20mm，額定動(dòng)載荷為7300N>Cam,額定靜載荷為15400N。如圖 2 14
圖 2 14滾珠絲杠
2.7. 推料機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠選型計(jì)算
2.7.1. 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程
根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和滑板的最大速度，計(jì)算絲杠導(dǎo)程。X向運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇SS5402C40A，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4500rpm。電機(jī)與滾珠絲杠直連，傳動(dòng)比為2。最大運(yùn)動(dòng)速度為50mm/s，即3000mm/min。則絲杠導(dǎo)程為
Ph=Vmax/i?nmax=3000/1×4500≈1.34mm
實(shí)際取Ph=4mm，可滿(mǎn)足速度要求。
2.7.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算
滾動(dòng)導(dǎo)軌承重時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計(jì)算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導(dǎo)軌靜摩擦力：
F0=μ0?M?g+f=0.006×6000×9.8+4×5=372.8N
式中：
M—工件及工作臺(tái)質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算M約為1500kg。
f—導(dǎo)軌滑塊密封阻力，按4個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊密封阻力5N。
由于該設(shè)備主要用于檢測(cè)絲杠工作時(shí)不受切削力檢測(cè)運(yùn)動(dòng)接近勻速其阻力主要來(lái)自于導(dǎo)軌、滑塊的摩擦力。則有：
nmax≈nmin=60?vPh=60×2510=150rpm
Fmax≈Fmin≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷：
Fm=2Fmax+Fmin3≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當(dāng)量轉(zhuǎn)速：
nm=nmax+nmin2=150rpm
2.7.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時(shí)間計(jì)算：
Cam=360nmLh?Fmfw100fafe=360×150×15000×372.8×1100×1×1=555.06N
式中：
nm—當(dāng)量轉(zhuǎn)速，nm=60?vPh=60×2510=150rpm
Lh—預(yù)期工作時(shí)間，測(cè)試機(jī)床選擇15000小時(shí)
fw—負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無(wú)沖擊選擇fw=1
fa—精度系數(shù)，2級(jí)精度選擇fa=1
fe=可靠性系數(shù)，一般選擇fe=1
按滾珠絲杠副的預(yù)期運(yùn)行距離計(jì)算：
Cam=3LsPh?Fmfwfafe=325×10310×10-3×372.8×1=14684.9993N
式中：
Ls—預(yù)期運(yùn)行距離，一般選擇Ls=25×103m
2.3.3按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負(fù)載計(jì)算：
Cam=feFmax=6.7×108.2=729.94N
式中：
fe—欲加負(fù)荷系數(shù)，輕欲載時(shí)，選擇fe=6.7
Fmax— 絲杠副最大載荷
2.7.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
δm≤(13~14)?重復(fù)定位精度
X向運(yùn)動(dòng)的重復(fù)定位精度要求為0.005mm,則
δm≤14×0.1=0.00125mm
2.7.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
根據(jù)X向運(yùn)動(dòng)行程為50mm，可計(jì)算出兩個(gè)固定支撐的最大距離：
L≈（1.1~1.2）?l+(10~14)?Ph=1.2×1200+14×10=1580mm
按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：
d2m≥0.039F0L/1000δm
式中：
F0—導(dǎo)軌靜摩擦力，F(xiàn)0=372.8N
L—滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=100mm
則有：
d2m≥0.039×372.8×1001000×0.00125=6.7
2.7.6. 滾珠絲杠副導(dǎo)程精度的選擇：
根據(jù)X向運(yùn)動(dòng)的定位精度要求達(dá)到0.1mm/1000mm，則任意1500mm。長(zhǎng)度的導(dǎo)程精度為0.15mm
2.7.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號(hào)
按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號(hào)為FF2004—5，精度等級(jí)為2級(jí)。絲杠基本導(dǎo)程為8mm,絲杠外徑為38.6mm，絲杠底徑為34.9mm,公稱(chēng)直徑為40mm，額定動(dòng)載荷為30700N>Cam,額定靜載荷為84900N。如圖 2 15
圖 2 15滾珠絲杠
3. 電機(jī)概述及選型計(jì)算
3.1. 電機(jī)概述
3.1.1. 電機(jī)簡(jiǎn)要介紹
電動(dòng)機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，它主要包括一個(gè)用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個(gè)旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，其在定子繞組有效邊中有電流通過(guò)并受磁場(chǎng)的作用而使其轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)電機(jī)可逆性原則，如果電動(dòng)機(jī)在其結(jié)構(gòu)上沒(méi)有發(fā)生任何改變，電機(jī)即電動(dòng)機(jī)使用，也可作發(fā)電機(jī)使用。它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的一種機(jī)器。通常電動(dòng)機(jī)的作功部分作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)；也有作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，稱(chēng)為直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)能提供的功率范圍很大，從毫瓦級(jí)到千瓦級(jí)。機(jī)床、水泵，需要電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；電力機(jī)車(chē)、電梯，需要電動(dòng)機(jī)牽引。家庭生活中的電扇、冰箱、洗衣機(jī)，甚至各種電動(dòng)機(jī)玩具都離不開(kāi)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)代社會(huì)生活中的各個(gè)方面。
3.1.2. 調(diào)速方法
電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械速度變化的要求。一般電動(dòng)機(jī)調(diào)
速時(shí)其輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度看，調(diào)速大致可分兩種 ：
① 保持輸入功率不變。通過(guò)改變調(diào)速裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
②控制電動(dòng)機(jī)輸入功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)電機(jī)、變頻電機(jī)、調(diào)速電機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、高壓電機(jī)、多速電機(jī)、雙速電機(jī)和防爆電機(jī)。
3.1.3. 使用壽命
電動(dòng)機(jī)的壽命與絕緣劣化或是滑動(dòng)部的摩耗、軸承的劣化等造成的功能障礙等各項(xiàng)要素有關(guān)，大部分視軸承狀況而定。軸承的壽命有機(jī)構(gòu)壽命、潤(rùn)滑油壽命兩種。
1、潤(rùn)滑油因熱劣化的潤(rùn)滑油壽命
2、運(yùn)轉(zhuǎn)疲勞造成的機(jī)械壽命
電動(dòng)機(jī)在絕大部分的情況下，因發(fā)熱對(duì)于潤(rùn)滑油壽命的影響更甚于加在軸承上的負(fù)載重量對(duì)機(jī)械壽命的影響。因此，以潤(rùn)滑油壽命推算電動(dòng)機(jī)壽命，對(duì)潤(rùn)滑油壽命影響最大的要因是溫度，溫度大幅地影響了壽命時(shí)間。
3.1.4. 注意事項(xiàng)
⑴在拆卸前，要用壓縮空氣吹凈電機(jī)表面灰塵，并將表面污垢擦拭干凈。
⑵選擇電機(jī)解體的工作地點(diǎn)，清理現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。
⑶熟悉電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢修技術(shù)要求。
⑷準(zhǔn)備好解體所需工具（包括專(zhuān)用工具）和設(shè)備。
⑸為了進(jìn)一步了解電機(jī)運(yùn)行中的缺陷，有條件時(shí)可在拆卸前做一次檢查試驗(yàn)。為此，將電機(jī)帶上負(fù)載試轉(zhuǎn)，詳細(xì)檢查電機(jī)各部分溫度、聲音、振動(dòng)等情況，并測(cè)試電壓、電流、轉(zhuǎn)速等，然后再斷開(kāi)負(fù)載，單獨(dú)做一次空載檢查試驗(yàn)，測(cè)出空載電流和空載損耗，做好記錄。
⑹切斷電源，拆除電機(jī)外部接線(xiàn)，做好記錄。
⑺選用合適電壓的兆歐表測(cè)試電機(jī)絕緣電阻。為了跟上次檢修時(shí)所測(cè)的絕緣電阻值相比較以判斷電機(jī)絕緣變化趨勢(shì)和絕緣狀態(tài)，應(yīng)將不同溫度下測(cè)出的絕緣電阻值換算到同一溫度，一般換算至75℃。
⑻測(cè)試吸收比K。當(dāng)吸收比大于1.33時(shí)，表明電機(jī)絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴(yán)重。為了跟以前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，同樣要將任意溫度下測(cè)得的吸收比換算到同一溫度。
3.2. 電機(jī)選型計(jì)算
X方向的電機(jī)
條件：選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)用SS54020A，其功率為1.5kw，額定轉(zhuǎn)矩為7.15N?m,電機(jī)慣量為：0.00123Kg?m2
X向運(yùn)動(dòng)工件及工作臺(tái)質(zhì)量估計(jì)最大值約150kg.
3.2.1. 外部負(fù)荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J1=12m?r3=12×31.633×0.0313=0.0151996565kg?m2
外部負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
JL=J1+m?Ph2π2=0.0151996565+1500×0.012π2=0.0189992009kg?m2
則有：
JLJM=0.01899920090.00123=15.45
加在電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J=JL+JM=0.0189992009+0.00123=0.0202292009kg?m2
3.2.2. 外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩：
Tp=F?Ph2πη?×10-3=108.2×102π×0.9×10-3=0.1913396094N?m
式中：
Ph—滾珠絲杠副的導(dǎo)程
η-未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率（2級(jí)精度η=0.9）
F—外加軸向載荷，含導(dǎo)軌摩擦力，其中含切削力為0
3.2.3. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：
TD=Fp?Ph2π?1-η2η2×10-3=36.07×102π×1-0.920.92×10-3=0.0134658836N?m
式中：
Fp—滾珠絲杠副間的預(yù)緊力，F(xiàn)p=Fmax3=108.23=36.07N
3.2.4. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩：
選擇角接觸球軸承，查軸承樣本可得摩擦力矩Tb1=0.23N?m
3.2.5. 加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩：
根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：X向工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為V=100mm/s,對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n2=150rpm,最大加速度為a=40mm/s2,則工作臺(tái)速度從0升至100mm/s所需時(shí)間：
t=2va=2×2540=1.25s
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎1=0升至n2=150rpm時(shí)，其負(fù)載扭矩
Tj=J?2πn2-n160?t=0.020229209×2π×15060×1.25=0.2542076356N?m
Tm=Tp+TD+TJ+Tb=0.68901312N?m<7.15N?m
所以所選電機(jī)扭矩符合要求。
Y方向的電機(jī)
條件：選擇伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)用SS54020A，其功率為1.5kw，額定轉(zhuǎn)矩為7.15N?m,電機(jī)慣量為：0.00123Kg?m2
Y向運(yùn)動(dòng)工件及工作臺(tái)質(zhì)量估計(jì)最大值約150kg.
3.2.6. 外部負(fù)荷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J1=12m?r3=12×31.633×0.0313=0.0151996565kg?m2
外部負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
JL=J1+m?Ph2π2=0.0151996565+1500×0.012π2=0.0189992009kg?m2
則有：
JLJM=0.01899920090.00123=15.45
加在電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J=JL+JM=0.0189992009+0.00123=0.0202292009kg?m2
3.2.7. 外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩：
Tp=F?Ph2πη?×10-3=108.2×102π×0.9×10-3=0.1913396094N?m
式中：
Ph—滾珠絲杠副的導(dǎo)程
η-未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率（2級(jí)精度η=0.9）
F—外加軸向載荷，含導(dǎo)軌摩擦力，其中含切削力為0
3.2.8. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：
TD=Fp?Ph2π?1-η2η2×10-3=36.07×102π×1-0.920.92×10-3=0.0134658836N?m
式中：
Fp—滾珠絲杠副間的預(yù)緊力，F(xiàn)p=Fmax3=108.23=36.07N
3.2.9. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩：
選擇角接觸球軸承，查軸承樣本可得摩擦力矩Tb1=0.23N?m
3.2.10. 加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩：
根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知：X向工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為V=100mm/s,對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n2=150rpm,最大加速度為a=40mm/s2,則工作臺(tái)速度從0升至100mm/s所需時(shí)間：
t=2va=2×2540=1.25s
當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)膎1=0升至n2=150rpm時(shí)，其負(fù)載扭矩
Tj=J?2πn2-n160?t=0.020229209×2π×15060×1.25=0.2542076356N?m
Tm=Tp+TD+TJ+Tb=0.68901312N?m<7.15N?m
所以所選電機(jī)扭矩符合要求。
3.3. 皮帶輪與皮帶的計(jì)算與選擇
由電機(jī)轉(zhuǎn)速與功率，確定了采用普通同步帶作為傳動(dòng)帶。
由同步帶的小帶輪最小直徑為85.64mm，故定小帶輪直徑為100mm
皮帶驗(yàn)算速度
V=πd1n060×1000=3.14×100×960/60/1000=5.03
所以5﹤v
120°
3.4. 聯(lián)軸器的計(jì)算與選擇
由于此聯(lián)軸器承受的力矩相對(duì)較大，且顧及性?xún)r(jià)比軸孔徑的配合關(guān)系且彈性柱銷(xiāo)齒式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，不需要專(zhuān)用的加工設(shè)備，工作是不需要潤(rùn)滑，維修方便，更換易損件容易迅速，費(fèi)用低，因此選用彈性柱銷(xiāo)齒式聯(lián)軸器。
由于T3=1020.93N?m
且絲杠軸徑為14mm,故選用ZL4聯(lián)軸器
它的許用轉(zhuǎn)矩為1600N?m,許用轉(zhuǎn)速為4000r/min,軸孔直徑為14mm.
3.5. 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于軸套的厚度s在0.5d~2d之間
小絲杠軸徑為15mm 故取小軸的軸套厚度為2mm
大絲杠軸徑為30mm 故取大軸的軸套厚度為4mm
軸套的材料為45鋼，為能與絲杠軸與軸承之間的更好的，更持久的配合，故把軸套進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。
4. 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1. 機(jī)架的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
機(jī)架的設(shè)計(jì)主要應(yīng)保證剛度，強(qiáng)度及穩(wěn)定性。
1）剛度
評(píng)定大多數(shù)機(jī)架工作能力的主要準(zhǔn)則是剛度，例如在機(jī)床中床身的剛度決定生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度；在齒輪減速器中，箱體的剛度決定了齒輪的嚙合情況和它的工作性能；薄板軋機(jī)的機(jī)架剛度直接影響鋼板的質(zhì)量和精度。
2）強(qiáng)度
強(qiáng)度是評(píng)定重型機(jī)架工作性能的基本準(zhǔn)則。機(jī)架的強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可能發(fā)生最大在合伙安全裝置所能傳遞的最大載荷來(lái)校核靜強(qiáng)度。此外，還要校核其疲勞強(qiáng)度。
機(jī)架的強(qiáng)度和剛度都要從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面來(lái)考慮。動(dòng)剛度是衡量機(jī)架抗振能力的指標(biāo)，而提高機(jī)架抗振能力應(yīng)從提高機(jī)架構(gòu)件的靜剛度，控制固有頻率，加大阻尼等方面著手。提高靜岡度和控制固有頻率的途徑是：合理設(shè)計(jì)機(jī)架構(gòu)件的截面形狀和尺寸，合理選則壁厚及布肋，注意機(jī)架的整體剛度和局部剛度以及結(jié)合面剛度的匹配等。
3）穩(wěn)定性
機(jī)架受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問(wèn)題。有些構(gòu)件制成薄壁腹式也存在局部失穩(wěn)。穩(wěn)定性是保證機(jī)構(gòu)正常工作的基本條件，必須加以校核。
此外，對(duì)于機(jī)床，儀器等精密機(jī)械還應(yīng)考慮熱變形。熱變形將直接影響機(jī)架原有精度，從而使產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺(tái)平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，使立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝表面不平行，有導(dǎo)軌的機(jī)架，由于導(dǎo)軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使熱變形盡量小。
4.2. 機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求
1）在滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求輕，成本低。
2) 抗振性好，把受迫振動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi)。
3）噪聲小。
4) 溫度場(chǎng)分布合理，熱變形對(duì)精度的影響小。
5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造，焊接和機(jī)械加工。熱變形對(duì)精度的影響小。
6）機(jī)構(gòu)力求便于安裝和調(diào)整，方便修理和更換零件。
7）有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性良好。）造型好。使之既適用經(jīng)濟(jì)，又美觀大方。
由于機(jī)身支撐了整套機(jī)器的零件，故機(jī)身采用厚鋼板及鋼管焊接而成，由于機(jī)器重且機(jī)器性能要求平穩(wěn)，故用地腳螺釘來(lái)緊固機(jī)器以減少機(jī)器的振動(dòng)。
腳板采用45鋼，厚15mm,尺寸為B* L*h=2144*708*932mm,用10個(gè)腳來(lái)支撐機(jī)器。
地腳高度為h1=15mm。
5. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的原理及其應(yīng)用
圖 5 1直線(xiàn)導(dǎo)軌
5.1. 直線(xiàn)導(dǎo)軌的工作原理
自1973年直線(xiàn)導(dǎo)軌開(kāi)始商品化以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用在精密機(jī)械、自動(dòng)化、各種動(dòng)力傳輸、半導(dǎo)體、醫(yī)療和航空航天等產(chǎn)業(yè)上。直線(xiàn)導(dǎo)軌以滾珠作為導(dǎo)軌與滑塊之間的動(dòng)力傳輸界面，可進(jìn)行無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)的運(yùn)動(dòng)，并將滑塊限制在導(dǎo)軌上，使得負(fù)載工作臺(tái)能沿導(dǎo)軌以高速度、高精度作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。組成零件主要包括導(dǎo)軌、滑塊、端蓋、滾珠及保持器等（見(jiàn)圖）。其特性如下：
(l）滾動(dòng)代替滑動(dòng)；
(2）適用高速運(yùn)動(dòng)且大幅度降低機(jī)器所需驅(qū)動(dòng)力；
(3）定位精度高；
(4）可同時(shí)承受上下左右方向的負(fù)荷；
(5）組裝容易且互換性好，潤(rùn)滑構(gòu)造簡(jiǎn)單；
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