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龍門加工中心 Z 軸與 Y 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 主要涉及研究方向 QLM27100 動(dòng)門式龍門加工中心采用高架橋式整體結(jié)構(gòu) 主要由機(jī)床床身 橫梁 拖板 滑塊 主軸系統(tǒng) 工作臺(tái) 傳動(dòng)系統(tǒng)等組成 共有 X1 X2 Y Z A C 六個(gè)軸 X1 和 X2 為同步坐標(biāo)軸 可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng) X 軸 Y 軸 Z 軸均采用帶高精度脈沖編碼器的伺服電機(jī) 彈性聯(lián)軸器和高精密滾珠絲杠的直聯(lián)式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)進(jìn)給 并采用精密型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 安裝了光柵尺 進(jìn)行全閉環(huán)控制 定位精度較高 本題目要求對(duì)該機(jī)床三向進(jìn)給中的 Z 向和 Y 向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì) 包括電機(jī)及 聯(lián)軸器的選用 傳動(dòng)件的設(shè)計(jì) 計(jì)算和校核 軸承 導(dǎo)軌 Z 軸拖板及方滑枕 Y 軸拖板及 橫梁的設(shè)計(jì)等 實(shí)現(xiàn) Z 軸和 Y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 運(yùn)用 ProE 或 Solidworks 軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu) 進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì) 分解其結(jié)構(gòu) 確定拆裝序列 演示各部分拆裝的過程 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 選題依據(jù)及背景 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工中有著重要作用 本題目要求學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行 設(shè)計(jì) 選型和校核 并且鍛煉學(xué)生運(yùn)用 ProE 或 Solidworks 等三維造型軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的 能力 可以培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和工程應(yīng)用能力 對(duì)學(xué)生的要求 要求學(xué)生具備機(jī)械制造專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí) 機(jī)械制圖能力 機(jī)械設(shè)計(jì)能力和一定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用 能力 開展課題所具備的條件 完成該題目已具備的條件 可參考無錫橋聯(lián)數(shù)控生產(chǎn)的五軸龍門加工中心 QLM27000 5x 依據(jù)該機(jī)床的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) 具體參數(shù) X 軸行程 1000mm Y 軸行程 1000mm Z 軸行程 500mm 主軸端面距工作臺(tái)面距離 300 800mm 快進(jìn)速度 X Y Z 軸 40m min 工進(jìn)速度 X Y Z 軸 20m min 加速度 6m s2 定位精度 X Y Z 0 015mm 重復(fù)定位精度 X Y Z 0 01mm 最小分辨率 X Y Z 0 0001mm 機(jī)床電源 AC3 380V 三相 50Hz 機(jī)床外形尺寸 2800 3500 3200mm 2015 3 9 2015 4 10 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和各零部件的選用 設(shè)計(jì) 計(jì)算和校核 完成翻譯 4 月 8 日前 進(jìn)行中期檢查 2015 4 11 2015 4 30 確定拖板在 Y 向 即水平方向 的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)部件 進(jìn)行草圖設(shè) 計(jì) 確定托板及方滑枕在 Z 向的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)部件 進(jìn)行草圖設(shè)計(jì) 軸承 導(dǎo)軌 2015 5 1 2015 5 22 對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)用 ProE 或 Solidworks 完成三維設(shè)計(jì) 裝配圖設(shè)計(jì)和 繪制 5 月 22 日前 進(jìn)行畢設(shè)工作的后期檢查 實(shí)物圖網(wǎng)址 http www wx 實(shí)物圖 老師要求根據(jù)預(yù)估的所要驅(qū)動(dòng)物體重量及動(dòng)作估算 所以大概主軸 Z 軸 重量根據(jù)大概 外形尺寸 密度進(jìn)行計(jì)算的 謝謝 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 課題名稱 龍門加工中心 Z 軸與 Y 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 系 別 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 教研室主任 系 主 任 年 月 日 II 摘 要 本文全面闡述了龍門加工中心的結(jié)構(gòu)原理 設(shè)計(jì)特點(diǎn) 論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲 杠螺母副的優(yōu)點(diǎn) 詳細(xì)介紹了龍門加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核 并進(jìn)行了分析 另外匯總 了有關(guān)技術(shù)參數(shù) 高速度 高精度 高效率和高剛度已成為當(dāng)今數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要方向 為了彌補(bǔ)這 些不足 龍門龍門加工中心便應(yīng)運(yùn)而生 大大提高了零件的精度和效率 降低生產(chǎn)成本 因此龍門加工中心 Z 軸與 Y 軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為當(dāng)前數(shù)控機(jī)床行業(yè)重點(diǎn)研究的對(duì)象 之一 其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則 系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn) 應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn) 行了介紹 包括種類選擇 參數(shù)選擇 精度選擇 循環(huán)方式選擇 與主機(jī)匹配的原則以及 廠家的選擇等 關(guān)鍵詞 龍門加工中心 數(shù)控 伺服電機(jī) 滾珠絲杠 III Abstract This paper describes the principles of a comprehensive structure of gantry machining center design features discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pairs Details of the design and verification of the machining center and analyzed Also summarizes the technical parameters High speed high efficiency and high rigidity has become the main direction of development of today s CNC machine tools in order to remedy these shortcomings gantry machining center will come into being greatly improving the accuracy and efficiency of parts reduce production costs and therefore the goal machining centers Z axis and Y axis feed motion mechanism designed to be one of the objects of the current focus on the CNC machine tool industry Which focuses on the principle and the principle of selection of ball screw ball screw system to production application and other aspects were introduced Including species selection parameter selection accuracy of selection mode selection cycle the principle of matching the host and select manufacturers and the like Keywords gantry machining centers CNC servo motor ball screw IV 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第 1 章 緒 論 1 1 1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì) 1 1 2 龍門加工中心的基本原理 2 1 3 課題研究的目的和意義 4 第 2 章 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 5 2 1 課題的主要內(nèi)容和基本要求 5 2 2 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 5 2 2 1 數(shù)控裝置總體方案的確定 5 2 2 2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 5 2 2 3 編寫設(shè)計(jì)說明書 6 2 3 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定 6 第 3 章 Z 向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3 1 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 8 3 1 1 最大工作載荷的計(jì)算 8 3 1 2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 8 3 1 3 滾珠絲杠螺母副的選型 9 3 1 4 滾珠絲杠副的支承方式 9 3 1 5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 9 3 1 6 剛度的驗(yàn)算 9 3 1 7 穩(wěn)定性校核 10 3 1 8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 10 3 2 步進(jìn)直線電機(jī)的計(jì)算和選用 11 3 2 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 11 3 2 2 電機(jī)力矩的計(jì)算 12 V 3 3 步進(jìn)直線電機(jī)的選擇 14 第 4 章 Y 向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 16 4 1 滾珠絲杠的選擇 16 4 1 1 滾珠絲杠的精度 16 4 2 伺服電機(jī)的選擇 20 4 2 1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 20 4 2 2 負(fù)載慣量的計(jì)算 20 4 2 3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 22 4 2 4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 22 4 3 導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 24 4 4 聯(lián)軸器的選擇 25 4 5 軸承的選擇 26 總結(jié) 27 參考文獻(xiàn) 28 致 謝 29 1 第 1 章 緒 論 1 1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì) 1946 年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī) 這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦 力勞動(dòng)的工具 它與人類在農(nóng)業(yè) 工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相 比 起了質(zhì)的飛躍 為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ) 6 年后 即在 1952 年 計(jì)算機(jī) 技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上 在美國誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床 從此 傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變 化 近半個(gè)世紀(jì)以來 數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展 數(shù)控 NC 階段 1952 年 1970 年 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低 對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大 但不能適 應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求 人們不得不采用數(shù)字邏輯電路 搭 成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作 為數(shù)控系統(tǒng) 被稱為硬件連接數(shù)控 HARD WIRED NC 簡(jiǎn)稱為數(shù)控 NC 隨著元 器件的發(fā)展 這個(gè)階段經(jīng)歷了三代 即 1952 年的第一代 電子管 1959 年的第二代 晶體管 1965 年的第三代 小規(guī)模集成電路 計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 階段 1970 年 現(xiàn)在 到 1970 年 通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn) 于是將它移植過來作為數(shù)控系 統(tǒng)的核心部件 從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 階段 把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的 通用 兩 個(gè)字省略了 到 1971 年 美國 INTEL 公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的 部件 運(yùn)算器和控制器 采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上 稱之為微處理 器 MICROPROCESSOR 又可稱為中央處理單元 簡(jiǎn)稱 CPU 到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng) 這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng) 控制一臺(tái) 機(jī)床能力有富裕 故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床 稱之為群控 不如采用微處理器經(jīng)濟(jì) 合理 而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想 早期的微處理器速度和功能雖還不夠高 但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決 由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件 故仍稱為 計(jì)算機(jī)數(shù)控 到了 1990 年 PC 機(jī) 個(gè)人計(jì)算機(jī) 國內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī) 的性能已發(fā)展到很高的階 段 可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求 數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于 PC 的階段 2 總之 計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代 即 1970 年的第四代 小型計(jì)算機(jī) 1974 年 的第五代 微處理器和 1990 年的第六代 基于 PC 國外稱為 PC BASED 還要指出的是 雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控 即 CNC 了 而我國仍習(xí)慣稱 數(shù)控 NC 所以我們?nèi)粘Ｖv的 數(shù)控 實(shí)質(zhì)上已是指 計(jì)算機(jī)數(shù)控 了 3 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢(shì) 1 繼續(xù)向開放式 基于 PC 的第六代方向發(fā)展 基于 PC 所具有的開放性 低成本 高可靠性 軟硬件資源豐富等特點(diǎn) 更多的數(shù) 控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路 至少采用 PC 機(jī)作為它的前端機(jī) 來處理人機(jī)界面 編程 聯(lián)網(wǎng)通信等問題 由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù) PC 機(jī)所具有的友好的人機(jī)界 面 將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng) 遠(yuǎn)程通訊 遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍 2 向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要 3 向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展 數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提 高 1 2 龍門加工中心的基本原理 數(shù)控控制 Numerical Control 是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其過程進(jìn)行控制的 一種控制方法 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) 是現(xiàn)代化工業(yè)生 產(chǎn)中的一門新型的 發(fā)展十分迅速的高新技術(shù) 數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技 術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 即所謂的數(shù)字化裝備 其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域又 機(jī)械制造技術(shù) 微電子技術(shù) 信息處理傳輸技術(shù) 自動(dòng) 控制技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 檢驗(yàn)監(jiān)控技術(shù) 傳感技術(shù) 軟件技術(shù)等 數(shù)控技術(shù)及裝備 是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術(shù)和最基本的裝備 在提高生產(chǎn)率 降 低成本 保證質(zhì)量及改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面 都有突出的優(yōu)點(diǎn) 特別是在適應(yīng)機(jī)械 產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代 小批量 多品種生產(chǎn)方面 各類數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的 關(guān)鍵 3 數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床 或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床 國際信息 處聯(lián)盟 International Federation of Information Processing IEIP 第五技術(shù)委員會(huì) 對(duì)數(shù) 控機(jī)床作了如下的定義 數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床 該系統(tǒng)能邏輯的 處理具有使用碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序 龍門加工中心經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展和推動(dòng) 已從傳統(tǒng)的單軸式發(fā)展到多軸 式 從傳統(tǒng)龍門加工中心發(fā)展到現(xiàn)代化智能的加工中心 從單面的加工發(fā)展到多 面的加工 發(fā)展速度快 技術(shù)比較成熟 但是對(duì)于龍門五面體加工中心 由于我 國基礎(chǔ)技術(shù)薄弱 研究方法落后 資金投入不足等原因 以及國外對(duì)核心技術(shù)的 封鎖 導(dǎo)致我國五面體加工中心發(fā)展緩慢 4 從龍門加工中心主要部件的發(fā)展情況來 看 國內(nèi)外龍門加工中心的龍門和滑枕的機(jī)構(gòu)基本都具有以下特點(diǎn) 1 龍門 主要是由一個(gè)橫梁和兩個(gè)立柱構(gòu)成 分為橫梁固定 橫梁靠定位塊 鎖定分段升降和橫梁任意升降三種類型 橫梁固定式結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性好 但不適合 加工大型工件 因?yàn)樵诩庸た拷ぷ髋_(tái)面的工件部位時(shí) 滑枕伸出長度過大 加 工剛性較差 影響加工尺寸精度 橫梁靠定位塊鎖定分段升降型結(jié)構(gòu)機(jī)床剛性較 好 但橫梁升降運(yùn)動(dòng)不能與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng) 且操作較復(fù)雜 橫梁任意升降型 結(jié)構(gòu)橫梁升降運(yùn)動(dòng)可以與滑枕上下移動(dòng)聯(lián)動(dòng) 加工范圍較廣 適合新產(chǎn)品開發(fā) 立柱和橫梁的橫截面為矩形 剛性好 可耐重切削并長期保持高精度 主軸箱在 橫梁上的導(dǎo)軌有自重平衡裝置 其動(dòng)作靈活 迅速且準(zhǔn)確 由于主軸箱左右移動(dòng) 時(shí) 橫梁升降用滾珠絲杠所受負(fù)載有變動(dòng) 使精度降低 所以采用配置在橫梁左 右兩側(cè)的油缸來平衡主軸箱左右移動(dòng)造成的變動(dòng)負(fù)載和橫梁本身的自重 以提高 機(jī)床的精度 2 滑枕 從結(jié)構(gòu)上可分為開式和閉式兩種型式 開式結(jié)構(gòu)的滑枕通過壓板夾 緊在主軸箱上 滑枕的截面積大 閉式結(jié)構(gòu)的滑枕被夾緊在主軸箱內(nèi) 滑枕的截 面積小 主軸箱內(nèi)有液壓平衡裝置 使滑枕上下移動(dòng)靈活 可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力重切削 主軸滑枕內(nèi)部采用強(qiáng)制內(nèi)冷卻 即使作長時(shí)間連續(xù)重切削 也可保持高精度 滑 枕的行程以滿足工件側(cè)面下部的加工要求為宜 不宜太長 以免影響加工時(shí)的機(jī) 床剛度 滑枕采用一體型的結(jié)構(gòu) 以提高機(jī)床的整體剛性 4 1 3 課題研究的目的和意義 我國近幾年龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)雖然發(fā)展較快 但與國際先進(jìn)水平還存在一定 的差距 主要表現(xiàn)在 可靠性差 外觀質(zhì)量差 產(chǎn)品開發(fā)周期長 應(yīng)變能力差 針對(duì)傳統(tǒng)龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題 有必要在傳統(tǒng) 機(jī)床的基礎(chǔ)上研究出新型龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu) 通過對(duì)傳統(tǒng)銑床手動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng) 夾緊系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 加入新技術(shù) 從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率 實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化 降低勞動(dòng)強(qiáng)度及工作量 龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)是 在規(guī)格上將向兩頭延伸 即開發(fā)小 型和大型進(jìn)給機(jī)構(gòu) 在性能上將研制以鋼為材料的進(jìn)給機(jī)構(gòu) 大幅度提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的 承載能力 在形式上繼續(xù)研制多軸并聯(lián) 甚至于五軸并聯(lián)的進(jìn)給機(jī)構(gòu) 綜上所訴 龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的開發(fā)和設(shè)計(jì)具有很高研究的意義 本課題采用 類似的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的方法 進(jìn)行龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 使其能夠?qū)崿F(xiàn) 更好的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化 本課題對(duì)龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì) 研究龍門加工中心的結(jié)構(gòu) 主 要部件及典型零件的設(shè)計(jì)方法 其意義如下 1 通過對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟和方法 2 通過對(duì)課題的研究 了解國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 3 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神 提供分析問題和解決問題的能力 5 第 2 章 設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 2 1 課題的主要內(nèi)容和基本要求 本課題要求設(shè)計(jì)一臺(tái)龍門加工中心 機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)下表所示 完成該題目已具備的條件 可參考無錫橋聯(lián)數(shù)控生產(chǎn)的五軸龍門加工中心 QLM27000 5x 依據(jù)該機(jī)床的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) 具體參數(shù) X 軸行程 1000mm Y 軸行程 1000mm Z 軸行程 500mm 主軸端面距工作臺(tái)面距離 300 800mm 快進(jìn)速度 X Y Z 軸 40m min 工進(jìn)速度 X Y Z 軸 20m min 加速度 6m s2 定位精度 X Y Z 0 015mm 重復(fù)定位精度 X Y Z 0 01mm 最小分辨率 X Y Z 0 0001mm 機(jī)床電源 AC3 380V 三相 50Hz 機(jī)床外形尺寸 2800 3500 3200mm 2 2 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 2 2 1 數(shù)控裝置總體方案的確定 1 數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 2 方案的分析 比較 論證 2 2 2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 1 確定脈沖當(dāng)量 2 機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算 6 3 傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì) 計(jì)算和選用 4 確定伺服電機(jī) 5 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 6 系統(tǒng)等效慣量計(jì)算 7 系統(tǒng)精度分析 2 2 3 編寫設(shè)計(jì)說明書 1 說明書是設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件 應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 包括提方案的確定 系統(tǒng)框圖的分析 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 選用元器件參數(shù)的說明 2 論文正文不少于 10000 字 2 3 機(jī)床主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定 1 伺服電機(jī)的選擇 本次設(shè)計(jì)選用交流伺服電機(jī) 根據(jù)本進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求 初步選用半閉環(huán) 伺服系統(tǒng) 如果經(jīng)計(jì)算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求 可改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 交流伺服電機(jī)有交流同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī) 交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 與同容量的 直流伺服電動(dòng)機(jī)相比較 質(zhì)量輕 價(jià)格便宜 缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)范圍較大的平滑 調(diào)速 所以數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不采用這種電動(dòng)機(jī) 交流同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻率之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系 即在電源電 壓和頻率固定不變時(shí) 它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變得 由變頻電源供電給同步電動(dòng)機(jī)時(shí) 便 可方便地獲得與頻率成正比的可變速度 并可得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍 其結(jié)構(gòu)雖然比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)復(fù)雜 但比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單 同步電動(dòng)機(jī)又分為電磁式和非 電磁式兩大類 在后一類中又有磁滯式 永磁式和反應(yīng)式多種 在數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)中 多采用永磁式同步電動(dòng)機(jī) 在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)中 采用具有大轉(zhuǎn)矩 寬 調(diào)速并裝有反饋元件的機(jī)電一體化的永磁式交流同步電動(dòng)機(jī)已十分普及 2 滾珠絲杠螺母副的選擇 滾珠絲杠具有高精度 高剛度 高效率及無間隙等優(yōu)點(diǎn) 特別是在半閉環(huán)加工系 統(tǒng)中 滾珠絲杠自身的精度對(duì)機(jī)床加工精度有很大的影響 定位精度在很大程度上受 到滾珠絲杠精度的影響 7 滾珠螺母副 4 的滾珠循環(huán)方式一般會(huì)分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種 對(duì)于內(nèi)循環(huán)方式 滾珠在循環(huán)過程中始終保持與滾珠絲杠接觸 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副工作滾珠數(shù)目少 徑向尺寸緊湊 摩擦損失少 流暢性好 傳動(dòng)效率高 軸向剛度好 但回珠器槽行比 較復(fù)雜 需三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床才能進(jìn)行加工 外循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸 目前 使用插管完成滾珠循環(huán)的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工藝性好 但滾道管子突出于螺母外面 所以外循環(huán)滾珠絲杠螺母徑向尺寸較大 滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過盈配合 即兩者達(dá)到預(yù)緊 滾珠絲杠螺母副事先通過調(diào)節(jié)左右螺母的相互離開和靠近消除間隙 常用的消除間隙或預(yù)緊的辦法有墊片是調(diào)隙結(jié)構(gòu) 螺紋式調(diào)隙結(jié)構(gòu)和齒差式調(diào)隙結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計(jì)采用墊片式調(diào)隙結(jié)構(gòu) 3 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌選用貼塑導(dǎo)軌 它屬于滑動(dòng)導(dǎo)軌 是在機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌面 上貼上一層抗磨軟帶 導(dǎo)軌副的另一個(gè)固定導(dǎo)軌面為磨削面 這樣就會(huì)使導(dǎo)軌摩擦系 數(shù)變?yōu)?0 03 0 05 導(dǎo)軌速度可達(dá) 30m min 剛度比較高 動(dòng) 靜摩擦系數(shù)差值小 沒 有爬行 耐磨性與鑄鐵對(duì)鑄鐵導(dǎo)軌副相比可提高 1 3 倍 8 第 3 章 Z 向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 1 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 3 1 1 最大工作載荷的計(jì)算 Z 軸行程為 500mm 已知重力 N 為直線導(dǎo)軌 查表 3 1 最大工作載荷NG50 的計(jì)算如下 mF 3 1 2 FKFxzym 6 49 式中 為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 取 1 4 為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 取 0 2 3 1 2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 3 2 mhwQFfLF 3 3 3 610 Tn 3 4 in 8maxrPVhj 式中 滾珠絲杠副的壽命系數(shù) 單位為 r L 6 絲杠壽命 取 15000 T 載荷系數(shù) 一般取 1 2 wf 硬度系數(shù)取 1 h 橫向絲杠副最大工作載荷 其值為 2459 6 mF N 橫向滾珠絲杠導(dǎo)程 初選為 hPm5 橫向最大工進(jìn)速度 該設(shè)計(jì)值為 maxjV in 3 0 橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度 單位 n r 計(jì)算得出得 12278 8 QF N 9 3 1 3 滾珠絲杠螺母副的選型 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷 選擇江蘇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的 FL3205 QF 3 型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副 采用雙螺母方式預(yù)緊 精度等級(jí)為 3 級(jí) 其參數(shù)如表 3 1 所 示 表 3 1 FL3205 3 型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 公稱直徑 m 導(dǎo)程 鋼球直徑 m 絲杠 外徑 絲杠底徑 m 額定載荷 KN 接觸剛度 1 m 0d hP wD 1d 2 oaC 32 5 3 5 19 16 5 32 8 14 1453 3 1 4 滾珠絲杠副的支承方式 考慮到橫向滾珠絲杠副的長度 精度與負(fù)載的大小以及改造成本 采用雙推 單推 支承方式 該方式軸向剛度高 位移精度好 可以進(jìn)行預(yù)拉伸 3 1 5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 3 5 tan 式中 螺距升角 根據(jù) 可得 2 28 0h14 3Ptd 摩擦角 一般取 10 算得 95 67 3 6 0182tan 3 1 6 剛度的驗(yàn)算 號(hào)代表拉伸 代表壓縮 1 SElFum 式中 絲杠的最大工作載荷 單位為 mF N 10 絲杠縱向最大有效行程 單位為 ul m 絲杠材料的彈性模量 鋼 EMPaE510 2 絲杠的橫截面面積 單位 按絲杠螺紋的底徑 確定 S 2d 根據(jù)設(shè)計(jì) 為 2459 6N 為 420 為 36 5 算得 mFul 2d 0 0047 3 7 1 25 5 36 14 0 29 m 4 7 查表 3 3 可知 所以剛度足夠 m 13 3 1 7 穩(wěn)定性校核 3 8 KF 2a EIfk mF 式中 絲杠支承系數(shù) 由表 3 4 得出單推 單推時(shí) 取 1 kf kf 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) 一般取 2 5 4 本設(shè)計(jì)取 4 滾珠絲杠兩端支承間的距離 單位為 本設(shè)計(jì)中該值為 500 a mm 按絲杠底徑 確定的截面慣性矩 單位為 本設(shè)中將I2d 642dI 4 代入算出 87080 m5 362 I4 由以上數(shù)據(jù)可以算出 3 9 KF 50871 231 10 5N 臨界載荷 遠(yuǎn)大于工作載荷 2459 6N 故絲杠不會(huì)失穩(wěn) KF m 3 1 8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 3 10 72max 10 cnkcradfKn 11 式中 絲杠支承系數(shù) 單推 單推方式時(shí) 由表 3 5 可得該值為 12 1 nkf 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度 單位為 本設(shè)計(jì)中該值約為 720 ca mm 絲杠內(nèi)徑 單位 2d 安全系數(shù) 可取 0 8cKcK 經(jīng)過計(jì)算 得出 5321 由已知 可以算出crn in in 4maxV mPh5 該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速 所以滿足要求 mi 80axrn 3 2 步進(jìn)直線電機(jī)的計(jì)算和選用 3 2 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 1 軸 絲杠等圓柱體慣量計(jì)算 2 cmkg 3 11 8MDJ 對(duì)于鋼材 3 12 34107 LJ 式中 M 圓柱體質(zhì)量 kg D 圓柱體直徑 cm L 圓柱體長度 鋼材的密度 23 108 7c 對(duì)于齒輪 D 可取分度圓直徑 L 取齒輪寬度 對(duì)于絲杠 D 可近似取絲杠公稱直徑 滾珠直徑 L 取絲杠長度 具體計(jì)算如下 3 13 4320 782510 85 J kgcm 絲 杠 2 絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量 12 步進(jìn)直線電機(jī)到絲杠 此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 3 14 2 021 LgGJzJs 式中 220 k cm SJkgcmGNL 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 絲 杠 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 工 作 臺(tái) 及 工 件 等 移 動(dòng) 部 件 的 重 量 絲 杠 的 導(dǎo) 程 具體計(jì)算如下 3 15 941 26 0 89 5 27 3 126 0 22 cmkgJ 3 2 2 電機(jī)力矩的計(jì)算 電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的 下面分快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 快速 進(jìn)給時(shí)所需力矩 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法 1 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 起M0 maxMf 起 式中 矩 電 機(jī) 軸 上 的 附 加 摩 擦 力由 于 絲 杠 預(yù) 緊 時(shí) 折 算 到 力 矩 折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 摩 擦 軸 上 的 加 速 力 矩 空 載 起 動(dòng) 時(shí) 折 算 到 電 機(jī) 快 速 空 載 起 動(dòng) 力 矩 起 mNMmNf 0max 2 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 快M0f 快 因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng) 固不包含 顯然 max起快 M 3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切tfM 0切 式中 13 負(fù) 載 力 矩 折 算 到 電 機(jī) 軸 上 的 切 削 mNMt 在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí) 上述各種力矩可用下式計(jì)算 3 16 2ax2max106106 amx tnJnJ 式中 時(shí) 間 最 大 進(jìn) 給 速 度 所 需 要 的運(yùn) 動(dòng) 部 件 從 停 止 加 速 到 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 步 距 角 脈 沖 當(dāng) 量 電 機(jī) 最 大 轉(zhuǎn) 速 電 機(jī) 最 大 角 加 速 度 上 的 總 等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 折 算 到 電 機(jī) 軸 stmrnsNcmkgJabp in max 2 2 摩擦力矩 NMf iLFf 20 式中 取傳 動(dòng) 鏈 總 效 率 一 般 可 計(jì) 算 齒 輪 降 速 比 按導(dǎo) 軌 摩 擦 系 數(shù) 運(yùn) 動(dòng) 部 件 總 重 量 引 力 處 摩 擦 力 的 計(jì) 算 其 計(jì) 算 如 計(jì) 算 牽 進(jìn) 行 切 削 加 工 時(shí)空 載 快 速 起 動(dòng) 時(shí) 垂 直 方 向 切 削 力 85 0 7 12000 ziif NG GFzfGfFF 附加摩擦力矩 mNM 0 3 17 2001 iLFp 式中 動(dòng) 效 率 一 般 取滾 珠 絲 杠 未 預(yù) 緊 時(shí) 的 傳滾 珠 絲 杠 導(dǎo) 程 為 進(jìn) 給 牽 引 力 般 取滾 珠 絲 杠 預(yù) 加 載 荷 一 9 03 00 L NFFmP 14 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 cmNMt iLFtt 20 式中 其 于 參 數(shù) 如 上 進(jìn) 給 方 向 最 大 切 削 力 NFt 具體計(jì)算 橫向 3 18 264 108 2619 05 5 9 3 4 728 108 26 570 0 mNMNtf 3 19 047 26 105 78 890 max mNtff 切起 3 3 步進(jìn)直線電機(jī)的選擇 目前 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進(jìn)直線電機(jī) 1 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距 初 選 電 機(jī) 型 號(hào)maxjM 從表中查出 當(dāng)步進(jìn)直線電機(jī)為三相六拍時(shí) 3 20 86 0 jmax 起 縱向 3 21 02 586 32 4 NM 起 按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)直線電機(jī)型號(hào)表 三相 可查出 110BYG3500 型最大靜轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)矩為 8N m 大于所需靜轉(zhuǎn)矩 可作為初選型號(hào) 但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)直線電機(jī) 起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 步進(jìn)直線電機(jī)起動(dòng)頻率 Hz 3 22 401 6201max pqvf 15 最高工作頻率 Hz 3 23 130 6801 psgvf 從電機(jī)表中查出 110BYG3500 型步進(jìn)直線電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為 1600Hz 運(yùn)行頻 率為 30000Hz 滿足要求 橫向 3 24 mNM 3086 2 起 按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)直線電機(jī)型號(hào)表 三相 可查出 90BYGH3502 型最大靜轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)矩為 5N m 大于所需靜轉(zhuǎn)矩 可作為初選型號(hào) 16 第 4 章 Y 向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 4 1 滾珠絲杠的選擇 4 1 1 滾珠絲杠的精度 查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為 5 級(jí)精度等級(jí) Y 軸行程 1000mm 4 1 2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 1 最大工作載荷的計(jì)算 絲杠的最大載荷為工作時(shí)的最大進(jìn)給力加摩擦力 最小載荷即為摩擦力 設(shè)最大 進(jìn)給力 5000N 導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量約為 500 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 0 04 Ff 故絲杠的最小載荷 即摩擦力 N 4 1 1968 504 min fg 絲杠最大載荷是 5000 196 5196 N 4 2 Fax 平均載荷是 3529 N 4 3 m inax2 31 319652 2 當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動(dòng)載荷兩個(gè)參數(shù) 其選擇的原則為 滾珠 絲杠的靜載荷 Coa 不能大于額定靜載荷 Coam 即 Coa Coam 滾珠絲杠的動(dòng)載荷 Ca 不能大于額定動(dòng)載荷 Cam 即 Ca Cam 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 2000 r min 絲杠最高轉(zhuǎn)速為 2000r min 工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為 0 5m min 故絲杠的最低轉(zhuǎn)速 為 0 1r min 可取為 0 則平均轉(zhuǎn)速 n 1000r min 絲杠使用壽命 T 15000h 故絲杠的 工作壽命 675 r 4 4 106nTL 1065 106 17 當(dāng)量動(dòng)載荷值 4 5 KaLpFmC 3 式中 載荷性質(zhì)系數(shù) 無沖擊取 1 1 2 一般情況取 1 2 1 5 有較大沖擊振Kp 動(dòng)時(shí)取 1 5 2 5 精度影響系數(shù) 對(duì) 1 2 3 級(jí)精度的滾珠絲杠取 1 0 對(duì) 4 5 級(jí)a Ka 精度的絲杠取 0 9 Ka 根據(jù)要求去 1 5 0 9 代入數(shù)據(jù)得p 51 59 KN 4 6 9 0 367512 Cm 根據(jù)計(jì)算所得最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程 查滾珠絲杠樣本 選擇 FF4010 5 型 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副 其公稱直徑為 40mm 導(dǎo)程為 10mm 循環(huán)滾珠為 5 圈 2 列 精度等級(jí)取 5 級(jí) 額定動(dòng)載荷為 55600N 大于最大計(jì)算動(dòng)載 荷 51590N 符合設(shè)計(jì)要求 Cm 表 4 1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名 稱 符 號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果 公稱直徑 mm 0d40 螺距 mm P 10 接觸角 6 3 0 鋼球直徑 mm wd7 144 螺紋滾道法面半 徑 mm R715 352 0 dW 偏心距 mm e0 009 螺紋升角 mm Pharctg 6 0 絲杠外徑 mm 1d39 5 絲杠底徑 mm 234 3 螺桿接觸直徑 mm z32 87 18 3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 將公稱直徑 40mm 導(dǎo)程 10mm 代入 arctan 的絲杠螺旋升角d0PdP0 將摩擦角 代入 得傳動(dòng)效率 93 7 6 01 tan 4 剛度的驗(yàn)算 本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定 一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式 固定端采用一對(duì)面 對(duì)面角接觸球軸承和一個(gè)角接觸球軸承 另一端也采用角接觸球軸承 這種安裝適應(yīng) 于較高精度 中等載荷的絲杠 滾珠絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核 a 滾珠絲杠滾道間的接觸變 1 根據(jù)公式 Z 求得單圈滾珠數(shù) Z 22 改型號(hào)絲杠為雙螺母 滾珠的圈dw0 數(shù) 列數(shù)為 5 2 代入公式 圈數(shù) 列數(shù) 得滾珠總數(shù)量 220 絲杠預(yù)緊 ZZ 時(shí) 取軸向預(yù)緊力 1732 N 查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接3maxFy 觸變形 4 7 301 ZFydwPa 式中 51590N 代入數(shù)據(jù)得 PaCm 0 013 mm 301 ZFyd 3320174 5190 0 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力 且為軸向負(fù)載 所以實(shí)際變形量可以減少一半 取 0 0065mm 1 b 絲杠在工作載荷 作用下的抗壓變形max 2 絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承 軸承的中心距 a 720mm 鋼的彈性模量 E 由表 2 1 中可知 滾珠直徑 7 144mm 絲杠底徑 34 3mm 則 105 2 PaMdwd2 絲杠的截面積 1540 6 42dS m2 根據(jù)公式 代入數(shù)據(jù)得 EFeq 2 19 0 018 mm 6 1540 29 C 總的變形 總 0 0065 0 018 0 0245mm 絲杠的有效行程為 600 絲杠在有效行程總 500 400mm 時(shí) 行程偏差允許達(dá)到 30 m 可見絲杠剛度足夠 5 穩(wěn)定性的驗(yàn)算 4 8 KLEIfkPa2 公式中取支撐系數(shù) 2 fk 由絲杠底徑 43 3mm 求的截面慣性矩 188957 7 壓桿穩(wěn)定d2642dI m4 安全系數(shù) K 取 3 絲杠臥式水平安裝 滾珠螺母至軸向固定處的距離 取最大值aL 1200mm 代入公式得 181129 6 3120 7 895 4 3 Pa 則 f 181129 6N 大于 51590N 故不會(huì)失穩(wěn) 滿足使用要求 Cm 6 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 對(duì)于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振 需要驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速 設(shè)不會(huì)發(fā)生共振的最高 轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 nc 查資料得公式 4 9 Lc df2910 為絲杠支承方式系數(shù) 一端固定 一端游動(dòng) f27 3f 代入數(shù)據(jù)得 4397 r min 臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速 故不會(huì)發(fā)生共振 nc 7 滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定 由以上驗(yàn)算可以知道 絲杠型號(hào)為 FF4010 5 完全符合所需要求 故確定選用該型 號(hào) 安裝尺寸查表可知 8 絲杠支承的選擇 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷 徑向載荷主要是臥式絲杠的自重 因此對(duì)絲杠 的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求 其兩端支承的配置情況為軸向固定方式 本次 20 設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定 另一端浮動(dòng) 4 2 伺服電機(jī)的選擇 4 2 1 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T 可根據(jù) 以下公式計(jì)算 即 4 10 iTfpPhFT 02max 從前面的計(jì)算可以知道 最大載荷 N 絲杠導(dǎo)程 10mm 0 01m 預(yù)緊5196 Ph 力 N 根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率 0 947 因CaFp41 139056 為滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩 N m 4 11 7 48 2901 0 PhFTp 查手冊(cè)得單個(gè)軸承的摩擦力矩為 0 32N m 故一對(duì)軸承的摩擦力矩 0 64N m 簡(jiǎn)支端軸承步預(yù)緊 其摩擦力矩可忽略不計(jì) 伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠直Tf0 接相連 其傳動(dòng)比 1 則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 i N m 7 146 0947 02156 T 所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值 4 2 2 負(fù)載慣量的計(jì)算 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配 JMJL 負(fù)載慣量可以按一下次序計(jì)算 立柱與主軸箱的質(zhì)量為 500 折算到電動(dòng)機(jī)軸上 的慣量 可按下式計(jì)算 J1 kg 025 1 8021 PhmvJ 3 14 21 絲杠名義直徑 50mm 0 05m 長度 L 1 2m 絲杠材料 鋼 的密度d0 7 8 根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量13 m 4 12 057 32 4108 742 lJ 聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量 可直接查手冊(cè)得到 即 J01 3 J 故負(fù)載總的慣量為 92 01 57 02 313 J 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)與負(fù)載慣量 相匹配 通常要求 不小于 但MJLJMJL 也不是越大越好 因 越大 總的慣量 就越大 加速度性能受影響 為了保JM 證足夠的角加速度 以滿足系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏的 將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動(dòng)機(jī)和它的 伺服控制系統(tǒng) 根據(jù)有關(guān)資料的推薦 匹配條件為 4 13 41 JL 則所選交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 應(yīng)在 0 0092 0 036 范圍之內(nèi) M 根據(jù)上述計(jì)算可選用表 3 2 中的交流伺服電機(jī) 22 3000i型 其額定轉(zhuǎn)矩為 22N m 最高 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 0 012 min30axrn 表 4 2 FANUC HV i系列交流伺服電機(jī) 型號(hào) 1 5000i 2 5000i 4 4000i 8 3000i 12 3000i 22 3000 i 輸出功率 kw 0 5 0 75 1 4 1 6 3 4 額定轉(zhuǎn)矩 N m 1 2 4 8 12 22 最高轉(zhuǎn)速min1 5000 5000 4000 3000 3000 3000 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0 00031 0 00053 0 0014 0 0026 0 0026 0 012 質(zhì)量 3 4 8 12 18 29 22 伺服放大 器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 4 2 3 空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動(dòng) 快速 速度時(shí) 所需要的空載加速 轉(zhuǎn)矩 按下式求 Ta 4 14 tacnJT60mx2 空載加速時(shí) 主要克服的是慣性 選用的 22 3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī) 總慣量 0 0120 0 0092 0 0212 LM 加速度時(shí)間 通常取 的 3 4 倍 故 3 4 3 4 6 18 24 ms 則tactttm N m 173 060154 321 0 tacT 4 2 4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 對(duì)于滾珠絲杠副 除了單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定的要求外 對(duì)它的軸向間 隙也有嚴(yán)格的要求 以保證反向傳動(dòng)的精度 要把軸向間隙完全消除 也是相當(dāng)困難 的 通常采用雙螺母 并加預(yù)緊力的方法來消除其軸向間隙 雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整 后 能基本上消除軸向間隙 單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)緊力的 其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時(shí)絲杠和螺母的連接精度來保證 雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn) 一是 通過預(yù)緊后產(chǎn)生的力 可促 使預(yù)拉變形 以減少彈性變形所引起的位移 但預(yù)緊力不能太大 否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩 增大 傳動(dòng)效率反而降低 使用壽命也隨之縮短 二是 軸向間隙的消除 不能忽視 絲杠的安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的軸向間隙 應(yīng)同時(shí)調(diào)整是它減少到最小 目前常用的雙 螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種 1 墊片調(diào)隙式 如圖所示為墊片調(diào)隙式 一般用螺釘來連接滾珠絲杠上的兩個(gè)螺母的凸緣處 在中間 加墊片 墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移 以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的 這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠 裝拆方便 但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時(shí) 在工作狀態(tài)下 不能隨意調(diào)整 因?yàn)橐鼡Q不同厚度的墊片才能消除間隙 所以是用于一般精度的機(jī) 構(gòu)中使用 23 2 螺紋調(diào)隙式 如圖所示為螺紋調(diào)隙式 它是一個(gè)螺母的外端有凸緣 而另一個(gè)螺母的外端沒有 凸緣 車有螺紋 它伸出在套筒外 并用兩個(gè)圓螺母調(diào)整好間隙后 再用一圓螺母鎖 緊螺母鎖緊就可以了 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊 調(diào)整方便 所以應(yīng)用廣泛 但調(diào)整的位移量不太精 確 圖 4 4 墊片調(diào)隙式 圖 4 5 螺紋調(diào)隙式 3 齒差調(diào)隙式 如圖所示為齒差調(diào)隙式 它是在兩個(gè)螺母的凸緣上各有圓齒輪 2 兩者的齒數(shù)值相 差一個(gè)齒 裝入內(nèi)齒圓 3 中 內(nèi)齒圓 3 是用螺釘 1 和定位銷 4 固定在套筒 5 上的 調(diào) 整是先取下內(nèi)齒圓 3 轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱齒輪 2 在兩個(gè)滾柱螺母相對(duì)于滾筒 5 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 可以使 兩個(gè)螺母相互產(chǎn)生角位移 這樣滾柱螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè) 螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個(gè)相反的側(cè)面上 消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后 把內(nèi)齒圓 3 套上用定位銷 4 固定 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠 定位精度高 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 僅在高精度的數(shù)控 機(jī)床有所應(yīng)用 1 螺釘 2 圓柱齒輪 3 內(nèi)齒圓 4 定位銷 5 套筒 圖 4 6 齒差調(diào)隙式 24 4 3 導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式中 C0 為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一般運(yùn)行狀況 3 0 5 0 運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊 振動(dòng) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌 因系統(tǒng)受中等沖擊 因此取 4 0sLf 0 5 OSLXYZfPF xYYOXSL W 20 671 58 3 79N 26CfP413 94 根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌 選擇漢機(jī)江機(jī)床廠 HJG D 系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 其型號(hào)為 HJG D25 基本參數(shù)如下 表 4 3 額定靜載荷初選導(dǎo)軌 額定載荷 N 靜態(tài)力矩 N M 滑座重 量 導(dǎo)軌重 量 導(dǎo)軌長度 動(dòng)載荷 aC靜載荷 oATBCTgK gmL mm 17500 26000 198 198 288 0 60 3 1 760 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M Sl n 4 0 6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷 N1750aC 依據(jù)使用速度 v m min 和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 kN 驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽aC 命 Ln 額定行程長度壽命 HTCaWfSFK 2045M 25 1 2 0 81 5oTWCHRdfffK 3310 8752 14209 58HTCaWfSF km 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命 3102SoTHln 3 349 5810471506Sol hT 導(dǎo)軌的工作壽命足夠 4 4 聯(lián)軸器的選擇 金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器是由各種片狀 圓柱狀 卷板狀等形狀的金屬彈簧 利 用金屬彈簧的弱性變形以達(dá)到補(bǔ)償兩軸相對(duì)偏移 和減振 緩沖功能 構(gòu)成不同結(jié)構(gòu) 性能的撓性聯(lián)軸器 金屬彈性元件比非金屬彈性元件強(qiáng)度高 使用壽命長 傳遞載荷 能力大 適用于高溫工況 彈性模最大且穩(wěn)定 如圖 3 5 所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片 不銹鋼薄板 用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器 聯(lián)接 每組膜片由數(shù)片疊集而成 膜片分為連桿式和不同形狀的整片式 膜片聯(lián)軸呂 靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償報(bào)聯(lián)兩軸的相對(duì)位移 是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián) 軸器 結(jié)構(gòu)較緊湊 強(qiáng)度高 不用潤滑 使用壽命長 無旋轉(zhuǎn)間隙 不受溫度和油污 影響 具有耐酸 耐堿 防腐蝕的特點(diǎn) 適用于高速 高溫 有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的 軸系傳動(dòng) 廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng) 圖 4 7 DJM5 金屬膜片撓性聯(lián)軸器 26 4 5 軸承的選擇 滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下兩類 1 接觸角為 的角接觸球軸承60 這是目前國內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承 這種軸承可以組合配置 一種為面對(duì) 面方式 另一種為背靠背組合方式 這兩種方式都可承受雙向軸向推力 還有一種是 通向組合方式 其承受能力較高 但只承受一個(gè)方向的軸向力 同向組合時(shí)的額定動(dòng) 載荷 等于單個(gè)軸承的 乘下列系數(shù) 2 個(gè)為 1 40 3 個(gè)為 2 16 4 個(gè)為 2 64 由于螺CaCa 母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差 而且采用面對(duì)面組合方式時(shí)兩接 觸線與軸線交點(diǎn)間的距離 a 比背對(duì)背的小 故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整 因此在進(jìn)給傳動(dòng)中 面對(duì)面組合用的較多 2 滾針 推力圓柱滾子組合軸承 外圈與箱體固定不轉(zhuǎn) 內(nèi)圈和隔套內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng) 滾針承受徑向載荷 圓柱滾子 分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷 修磨隔套內(nèi)圈的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量 本次設(shè)計(jì)選用角接觸球軸承 根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為表 3 3 中的 7009 GB T 292 1994 表 4 4 角接觸球軸承 27 總結(jié) 在這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中 我認(rèn)真分析了指導(dǎo)老師提供的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和 要求 之后在查閱了大量工具書和期刊資料 對(duì)現(xiàn)在我國的龍門加工中心進(jìn)給機(jī)構(gòu)總 體趨勢(shì)進(jìn)行分析 在網(wǎng)上和圖書館搜集了大量的第一手的資料 首先初步確定了本次 設(shè)計(jì)的基本方案 然后設(shè)計(jì)出了具體的方案 數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本要求為 定位精度高 跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快 系統(tǒng)的穩(wěn)定性好 反應(yīng)在伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)上 即穩(wěn)定性 精度和快速響應(yīng)特性 為 滿足這些要求 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中用盡量采用低摩擦傳動(dòng)副 如滾動(dòng)導(dǎo)軌 靜壓 導(dǎo)軌 貼塑導(dǎo)軌 滾珠絲杠等 以減少摩擦力 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展必定是未來制造業(yè)的 發(fā)展方向 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)由各坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制單元 機(jī)械傳動(dòng)部件 執(zhí) 行件和控制反饋環(huán)節(jié)組成 顯然伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 通過選用最佳降速 比來降低慣量 采用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)剛度 用消除的辦法減少反向死區(qū)誤差等 其中最重要的是提高傳動(dòng)剛度和降低慣量 采用預(yù)緊消除間隙提高傳動(dòng)剛度 不僅不 需要增大尺寸和慣量 而且也是傳動(dòng)剛度接近常數(shù) 這是伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中的突出特點(diǎn) 伺服系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng) 而 且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng) 采用一個(gè)深溝來保證其徑向的圓跳 動(dòng) 在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性 考慮滿足精度的要求 因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都 要求具有高精度 因此設(shè)計(jì)的成本較高 28 參考文獻(xiàn) 1 馮辛安主編 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 19991 0 2 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國防工業(yè)出版社 2005 1 29 致 謝 本論文是在導(dǎo)師 XXX 的悉心指導(dǎo)下完成的 在這次設(shè)計(jì)中得到了很多老師和同學(xué) 的熱心幫助 在這里我要一一向他們表示感謝 首先我要感謝我們的指導(dǎo)老師教授 從畢業(yè)設(shè)計(jì)開始到期末答辯 老師一直嚴(yán)格要求我們 為我們安排了理合的作息時(shí)間 避免了由于作息時(shí)間無序而出現(xiàn)的懶散現(xiàn)象的發(fā)生 為了能使我們按時(shí)勝利的完成畢 業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) XX 老師多次帶領(lǐng)我們小組的同學(xué)實(shí)地參觀數(shù)控龍門加工中心 加深了我 們對(duì)數(shù)控機(jī)床的理性認(rèn)識(shí) 有的同學(xué)設(shè)計(jì)的課題可查閱的相關(guān)資料較少 老師親就親 自通過不同途徑為這些同學(xué)找到相關(guān)的資料 保證了這些同學(xué)的進(jìn)度 正是在老師有 效的指導(dǎo)下 使得我們小組每個(gè)同學(xué)的進(jìn)度都達(dá)到了學(xué)院的要求 我很欣賞老師嚴(yán)謹(jǐn) 的治學(xué)態(tài)度 敬佩他的為人 感謝他對(duì)我們的耐心指導(dǎo) 我相信他對(duì)我的教誨一定會(huì) 使我終身受益 其次我要感謝我們小組的所有同學(xué) 在設(shè)計(jì)過程中他們給了我無私的幫助 特別 是李建同學(xué) 他勤奮 樂于助人而又富有知識(shí) 在許多方面都走在我們的前面 讓我 覺得他就好比是身邊的一本手冊(cè) 隨時(shí)都能解決我在設(shè)計(jì)中遇到的困惑 再次我要感謝機(jī)自實(shí)驗(yàn)室的所有老師以及曾在數(shù)控機(jī)床操作方面給予我們幫助的 學(xué)長們 感謝他們?yōu)槲覀兲峁┝水厴I(yè)設(shè)計(jì)的場(chǎng)所以及無私的幫助