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鹽城工學(xué)院機(jī)械工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
0 引言
該次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我很有幸分在“數(shù)控車床小組”,我所設(shè)計(jì)的課題為“數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) (經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控機(jī)床)”。進(jìn)行這一設(shè)計(jì)主要是為了進(jìn)一步地提高數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精度、重復(fù)定位精度以及改造手動(dòng)進(jìn)給裝置以使其能夠可靠地運(yùn)行。而且,通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也可以檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)情況,鍛煉自己,對(duì)今后的學(xué)習(xí)和工作也有一定程度上的幫助。
信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國(guó)家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化到各方面的技術(shù)已越來越受關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著極大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國(guó)內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。主要有全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Linear Motor Driving）、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運(yùn)動(dòng)控制卡（Motion Controlling Board）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測(cè)量及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段,是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)裝備。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床主要用于對(duì)中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤(rùn)滑泵的啟停；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的螺距或?qū)С獭?
數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)包括橫向進(jìn)給系統(tǒng)(X軸)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)(Y軸),它們是由伺服電機(jī)經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)GB/T16462-1996《數(shù)控臥式車床精度檢驗(yàn)》,機(jī)床的位置精度包括重復(fù)定位精度、反向偏差和定位精度。當(dāng)機(jī)床的中心距DC=3000mm時(shí),其重復(fù)定位精度X軸0.007mm,Z軸0.020mm;反向偏差X軸為0.006mm,Z軸為0.012mm;定位精度X軸為0.016mm,Z軸為0.050mm?？梢钥闯?進(jìn)給軸設(shè)計(jì)與主軸設(shè)計(jì)相比,具有相同的重要性。因而,進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)應(yīng)從動(dòng)、靜兩方面充分考慮,位置精度才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。 對(duì)于X軸，由于其位置誤差值復(fù)映在零件加工尺寸上為直徑值，故放大了2倍，X軸移動(dòng)質(zhì)量不大，要求的快移速度較低，因而要求X軸應(yīng)有更高的位置精度。因X軸滾珠杠直徑比Z軸小，長(zhǎng)度短，并且采用降速傳動(dòng)，使得折算在X軸電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小。因此，X軸的設(shè)計(jì)應(yīng)著重以達(dá)到所要求的位置精度為主要矛盾進(jìn)行設(shè)計(jì)，而選用的電機(jī)扭矩比Z軸小些。為了達(dá)到這目標(biāo)，X軸應(yīng)從提高重復(fù)定位精度、反向偏差及定位精度三個(gè)方面，從設(shè)計(jì)上解決。在數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,根據(jù)橫向、縱向的不同精度要求,不同移動(dòng)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特點(diǎn),分別解決設(shè)計(jì)中的主要矛盾。以期望設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,即滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。限于編者水平，書中錯(cuò)誤和不妥之處在所難免，殷切期望讀者批評(píng)指正。
1、 總體設(shè)計(jì)方案
1.1 總體設(shè)計(jì)方案論證
與普通機(jī)床相比,數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度外,還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。為了確保數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性,在設(shè)計(jì)機(jī)械了機(jī)構(gòu)時(shí),通常還應(yīng)提出無間隙、低摩擦、高剛度以及有適宜的阻尼比要求等。為了達(dá)到這些要求,在機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)中,主要采取如下措施:
1、盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副;
2、選用最佳的降速比;
3、盡量縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的方法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度;
4、盡量消除傳動(dòng)間隙,減少反向行程誤差。
數(shù)控車床的總體總體設(shè)計(jì)方案示意圖如下圖所示：
本設(shè)計(jì)數(shù)控車床要求設(shè)計(jì)為中檔精度機(jī)床,為此提出以下兩種設(shè)計(jì)方案:
設(shè)計(jì)方案一:該方案的進(jìn)給裝置及動(dòng)作原理如下:
機(jī)床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)由：床鞍，滾珠絲杠副，螺母座，滑板，連接套，步進(jìn)電機(jī)等部分組成。由步進(jìn)電機(jī)通過連接套帶動(dòng)滾珠絲杠副至螺母座，實(shí)現(xiàn)滑板的橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給。在滾珠絲杠的前端加一螺孔，用內(nèi)六角螺釘及套與之連接，這樣用內(nèi)六角扳手可實(shí)現(xiàn)滑板的橫向手動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
設(shè)計(jì)方案二:該方案的進(jìn)給裝置及動(dòng)作原理如下:車床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)由床鞍4,滾珠絲杠副5,螺母座6,橫滑板7,同步帶輪12、19,交流伺服電機(jī)64等部分組成,見設(shè)計(jì)裝配圖001。由交流伺服電機(jī)64經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副5至螺母座6,實(shí)現(xiàn)橫滑板7的橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給,來實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)。在該方案中,在滾珠絲杠的前端加了一個(gè)固定銷46,床鞍上改進(jìn)了支座3,增加了滾花手柄2,在滾花手柄2的前端用一個(gè)開口槽及內(nèi)孔與滾珠絲杠相連, 支座3下用一個(gè)開槽平端緊定螺釘45與滾花手柄2上的兩圓槽相連作定位作用。當(dāng)需手動(dòng)進(jìn)給時(shí), 滾花手柄2的開口槽就插到滾珠絲杠的固定銷46中,將螺釘45緊到手柄2的相應(yīng)圓槽中,這樣轉(zhuǎn)動(dòng)滾花手柄2就可帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)手動(dòng)進(jìn)給。當(dāng)不用手動(dòng)進(jìn)給時(shí),松開螺釘45,將滾花手柄2出,使開口槽與滾珠絲杠的固定銷分開,再將螺釘45緊到手柄2的相應(yīng)圓槽中,此時(shí)手柄2與滾珠絲杠脫開了。
在方案一中,由于在機(jī)動(dòng)進(jìn)給時(shí),套8仍在轉(zhuǎn)動(dòng),不安全。用內(nèi)六角扳手時(shí),在作螺紋的反向運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)使內(nèi)六角螺釘松動(dòng),而不能使手動(dòng)進(jìn)給可靠進(jìn)行。在方案二中,在機(jī)動(dòng)進(jìn)給時(shí), 滾花手柄不再轉(zhuǎn)動(dòng),使車床的安全可靠性得以加強(qiáng)。同時(shí),這樣做也使得在車床檢驗(yàn)后的工作過程中,不至于被他人轉(zhuǎn)動(dòng)手柄而破壞現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)。在方案一中,采用步進(jìn)電機(jī),起精度受到一定程度上的限制。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求中檔精度,所以在方案二中改用交流伺服電機(jī),以提高相應(yīng)的精度。并且在方案二中以同步帶傳動(dòng)代替方案一中的連接套,其益處在參考文獻(xiàn)［4］106-107頁(yè)中可以見到,這里就不再重復(fù)了。
1.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定
經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的比較和論證后,確定的經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案示意圖如裝配圖001所示。該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)既可以進(jìn)行機(jī)動(dòng)進(jìn)給,也可以進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)給。該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀架采用LD-1型列電動(dòng)刀架。
2 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算的主要內(nèi)容有: 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型、同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型、同步帶輪的選擇、交流伺服電機(jī)的計(jì)算及選型、導(dǎo)軌副的選擇、自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選擇。繪制橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的裝配圖以及各零件圖等。
2.1 已知條件
(1)、床身上最大回轉(zhuǎn)直徑:400mm；
(2)、加工最大工件長(zhǎng)度:1000mm；
(3)、快移速度:X軸 4m/min,Z軸 8m/min；
(4)、定位精度:X軸 0.035mm, Z軸 0.04mm；
(5)、重復(fù)定位精度:X軸 0.0075mm, Z軸 0.01mm；
(6)、數(shù)控車床工作臺(tái)質(zhì)量W:根據(jù)圖形尺寸粗略計(jì)算W=60Kg；
(7)、橫向進(jìn)給切削力Fx的確定:
根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］查出:
Pdf/ Pa =3～5%[5] 1—1
式中: Pdf—進(jìn)給系統(tǒng)所需電機(jī)功率;
Pa—主傳動(dòng)電機(jī)功率。
已知Pa為5.5Kw,取比例系數(shù)為5%,則由公式1—1可得：
Pdf= Pa×5%
=5.5×5%=0.275Kw
根據(jù)參考文獻(xiàn)查出:
F=61200ηf·Pdf/Vf[5] 1—2
式中: ηf—進(jìn)給系統(tǒng)效率,其范圍為0.15～0.20,取ηf=0.20;
Vf—進(jìn)給速度,m/min;查出:
Vf=(1/2～1/3)Vixmax[5] 1—3
取Vf=1/3 Vixmax
由公式1—2： Fx=61200×0.20×0.275/(4·1/3)
=2524.5(w)
為了安全起見,取安全系數(shù)為1.85,則:
Fx=2524.5×1.85≈4680N
2.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。
一般情況下,設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí),已知條件為:最大工作負(fù)載Fd(或平均工作負(fù)載Fm)作用下的使用壽命,絲杠的工作長(zhǎng)度(或螺母的有效行程),絲杠的轉(zhuǎn)速(或平均轉(zhuǎn)速),滾道的硬度及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
2.2.1 設(shè)計(jì)步驟
通常的設(shè)計(jì)步驟為:
A、計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)載荷;
B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動(dòng)負(fù)載的近似值,并初選幾個(gè)型號(hào);
C、根據(jù)具體工作要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面的要求，從初選的幾個(gè)型號(hào)中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號(hào)；
D、根據(jù)所選的型號(hào),列出或計(jì)算出其主要參數(shù)的數(shù)值,計(jì)算傳動(dòng)效率,并驗(yàn)算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求,則另選其他型號(hào),再作上述計(jì)算和驗(yàn)算,直至滿足要求為止。
2.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)況
選用CPG系列滾珠絲杠副。
A、 CPG系列滾珠絲杠副主要參數(shù)的確定:
按預(yù)期壽命Ln及軸向載荷Fa進(jìn)行選擇:
Ln=(Ca/Fa)×106(轉(zhuǎn))[11] 2—1
式中: Ca—額定動(dòng)載荷;
一般情況下Fa可以用平均軸向載荷Fm予以代替:
Fm=(2Fmax+Fmin)/3 [11] 2—2
式中: Fmax—最大軸向載荷;
Fmin—最小軸向載荷。
Fmax=mg+F[11] 2—3
=60×9.8+4680=5268N
Fmin=mg=60×9.8=588N
所以：Fm=(2Fmax+Fmin)/3=3078N
對(duì)于機(jī)車和精密機(jī)械通常取Ln=20×106(轉(zhuǎn)) [11]
則:： Ca=(20)1/3Fm=2.71F[m[11]=8341.38N 2—4
計(jì)算出Ca,可通過查表得到對(duì)應(yīng)的滾珠絲杠副的尺寸,選取2505-4型號(hào)滾珠絲杠副,基本直徑為25mm,大徑位24.5mm,絲杠導(dǎo)程L0為5mm, 滾珠直徑為3.175mm, 滾珠列數(shù)為四列。
B、 對(duì)選用的滾珠絲杠副的參數(shù)進(jìn)行核算
a、軸向壓縮載荷F:
對(duì)各種支承條件下所支承的最大軸向載荷,是否會(huì)超過臨界載荷而失去穩(wěn)定性,造成穩(wěn)定失效,因此對(duì)保持絲杠不失去穩(wěn)定性的軸向壓縮載荷進(jìn)行驗(yàn)算。
滾珠絲杠受壓力作用后在彈性范圍內(nèi)的臨界穩(wěn)定載荷Fc由下式計(jì)算:
Fc=m(d0-db)4/Ls2 [11] 2—5
式中:m為支承系數(shù);G-J形式:m=20×104(N/mm2);
d0為公稱直徑(mm);
db為滾珠直徑(mm);
Ls為絲杠軸的支承距離(mm)。
所以: Fc=20×104×(25-3.175)4/5552 =1.47×105 N
則: Fc/F=1.47×105/5268＞［n］
式中: ［n］為許用穩(wěn)定安全系數(shù),當(dāng)絲杠垂直安置時(shí)［n］=2.5,水平安置時(shí)［n］=4;
F為最大軸向壓縮載荷。
由以上計(jì)算可知條件滿足。
a、 極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算:
為使絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生共振現(xiàn)象,應(yīng)對(duì)其極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算。當(dāng)絲杠發(fā)生共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速,以Nc表示:
Nc=121×106(d0-db)·K1/2/L2 [11] 2—6
式中: d0為公稱直徑(mm);
db為滾珠直徑(mm);
K為支承結(jié)構(gòu)系數(shù), G-J形式: K=2.5。
極限轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足:
n＜0.8 Nc[11]=0.8×1.36×104=1.08×104r/min 2—7
n0=v/(2π) [11] 2—8
=4000/(2π)=6.4×102r/min
因?yàn)?n0＜n,所以條件滿足。
b、 滾珠絲杠副的預(yù)加負(fù)載:
為了消除螺母與絲杠間的軸向間隙,提高滾珠絲杠副的剛度與定位精度,在絲杠和螺母間施加負(fù)載Fp,其預(yù)加負(fù)載的大小為:
Fp= Ca/10[11]=834N
c、 臨界轉(zhuǎn)速的核算:
絲杠的名義直徑：d0=25mm；
nmax=vmax/L0[5]=200r/min 2—9
查參考文獻(xiàn)［5］圖5.7-91,支承為“固定-固定”支承長(zhǎng)度L=1568mm, 查參考文獻(xiàn)［5］圖5.7-91, L與n的交線點(diǎn)在d0=25mm左側(cè),所以安全。
d、 效率計(jì)算:
查參考文獻(xiàn)：
η=tanβ/tan(β+φ) [5] 2—10
式中: β—螺紋的螺旋升角,可參考文獻(xiàn)［5］5.7-41表,取β=3o3’;
φ—摩擦角, tanφ=0.003～0.004。
所以: φ=13’45’’
則: η=tan3o3’/ tan(3o3’+13’45’’)=93%
e、 剛度檢驗(yàn):
查參考文獻(xiàn):
△=100F/(EA)+50T/(πGJc), [5]μm/m 2—11
式中: E—彈性摸量,E=2.1×102GPa;
F—工作負(fù)載, F=4680 N ;
A—滾珠絲杠橫截面積, A=π/4·（d0-db）2=（25-3.175）2=3.37cm2;
db—滾珠直徑(mm);
G—切變摸量，G=8.4×10GPa;
Jc—滾珠絲杠截面慣性矩，Jc=2.27×10-7m4;
代入公式2—11得： △=10.3μm/m
查參考文獻(xiàn)［5］表5-10和表5-17，B級(jí)精度為40μm/300mm，七級(jí)精度△=15μm，八級(jí)精度△=30μm，所以2005-5型絲杠的剛度是足夠的。
由于選用滾珠絲杠的直徑為25mm,支承方式為G-J型，所以穩(wěn)定性不成問題。
2.3同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)況
A、根據(jù)同步帶傳動(dòng)的工作條件確定傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率:
Pd=KPm [4] 2—12
K=1.4～1.5取K=1.6則代入公式2—12得：
Pd=1.6×1.5=2.4Kw
B、確定帶的型號(hào)和節(jié)距，根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由同步帶選型圖中確定所需采用帶的型號(hào)和節(jié)距分別為L(zhǎng)型，節(jié)距=9.525mm。同步帶選型圖選自美國(guó)同步帶傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)ANS11RMA IP-24-1983,如參考文獻(xiàn)［4］圖6-2所示。
C、選擇帶輪齒數(shù)Z1和Z2:根據(jù)型號(hào)及小帶輪轉(zhuǎn)速n1，查參考文獻(xiàn)［4］表6-1所列帶輪最小許用齒數(shù)，確定一帶輪齒數(shù)為：Z1=32，另一帶輪齒數(shù)為：Z2=1×32=32。
D、帶輪節(jié)圓直徑： d1=TbZ1/π[4] 2—13
=9.525×32/π=97
d2=TbZ2/π[4] 2—14
=9.525×32/π=97
E、確定同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度
帶的節(jié)線長(zhǎng)度Lp可根據(jù)帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)計(jì)算得出：
Lp=2Acosα+π(d1+d2)/2+πα(d1-d2)/360[4] 2—15
=2×125cos0+π·97=554。58mm
圓整為554。
式中：A為兩傳動(dòng)輪的中心距；
α如參考文獻(xiàn)［4］圖6-3所示。
F、計(jì)算同步帶齒數(shù)Zb：
Zb=Lp/Tb[4] 2—16
=554/9.525=58.163
圓整為59。
G、計(jì)算精確的中心距：
A≈M+｛M2-1/8［Tb(Z2-Z1)/π］2｝1/2[4] 2—17
=2M=2 Tb(2Zb -Z2-Z1)/8=121.5mm
H、確定同步=3.39Kw帶設(shè)計(jì)功率為Pd下所需的帶寬：
a、計(jì)算所選型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率P0（Kw）為：
P0=（F-mv2）v×10-3[4] 2—18
式中：v—帶速（m/s），其計(jì)算公式為：
v=ωTbZ1×10-3/2π[4] 2—19
=（3000×2π/60）×9.525×32×10-3
=15.24 m/s
由公式2—19得：
P0=（244.46-0.095×15.242）×15.24×10-3
=3.39Kw
F、M的值可根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］表6-2查出。
b、計(jì)算小帶輪的嚙合齒數(shù)Zm，計(jì)算公式如下：
Zm= Z1/2- TbZ1(Z2-Z1)/（2π2A）[4] 2—20
=16/2-0=8
c、確定實(shí)際所需帶寬bs：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，帶的設(shè)計(jì)功率Pd應(yīng)小于或等于帶所能傳遞的額定功率，即Pd＜P0,額定功率可根據(jù)近似公式計(jì)算得出，如下所示：
P≈P0KzKw[4] 2—21
式中：Kz—嚙合系數(shù)，當(dāng)嚙合齒數(shù)Zm≥6時(shí)，Kz=1；
Kw—寬度系數(shù)，即
Kw=(bs/b0)1/1.14[4] 2—22
式中：bs—實(shí)際帶寬；
b0—該種型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)帶寬；
將上式化簡(jiǎn)為： P≈P0Kz(bs/b0)1/1.14≥Pd[4] 2—23
移項(xiàng)得： bs≥b0Pd/( Kz P0) 1/1.14[4] 2—24
=25.4(2.4/3.39) 1/1.14 =19.94mm
根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］表6-2圓整為25.4mm。
2.3.2 帶的工作的驗(yàn)算
可根據(jù)下列公式進(jìn)行驗(yàn)算：
P=［ KzKwF-(bs/b0)mv2］v×10-3[4] 2—25
＝（1×1×244.46-1×0.095×15.42）×15.24×10-3
=3.39Kw
由于：Pd=2.4Kw
所以：P＞Pd，滿足條件要求。
綜上所述，可選用的規(guī)格為220L，其接線長(zhǎng)為558.80mm，齒數(shù)為59。
2.4同步帶輪的選型
同步帶輪已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此同步帶輪設(shè)計(jì)歸結(jié)為同步帶輪型號(hào)的選擇。
根據(jù)同步帶傳送的計(jì)算，查參考文獻(xiàn)［3］中同步帶選型表，可選擇規(guī)格為T5-32的A型同步帶。其齒數(shù)為：Z=32mm，節(jié)徑為：Tp=50.93mm，外徑為：De=50.08mm，內(nèi)孔徑為：d=20mm，臺(tái)肩知覺為：Dm=35mm。
2.5 交流伺服電機(jī)的計(jì)算與選擇
1、選用螺桿驅(qū)動(dòng)方式的交流伺服電機(jī)，如下圖所示：
其中：運(yùn)動(dòng)部件重量W為：60Kg；
摩檫系數(shù)μ為：0.15；
外界施加的力F為：4680/9.8=477.5Kg；
螺桿螺距P為：0,5cm；
螺桿直徑D為：2.5cm
螺桿長(zhǎng)度L為：35cm；
傳遞效率η為：085；
驅(qū)動(dòng)部件比重ρ為：7.2×10-3Kg/cm3；
傳動(dòng)裝置減速比1/G為：1/2。
2、求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷力矩（TL）：
TL=9.8（F+μω）D/（2×2π×100ηG）[14] 2—25
=9.8(150+0.15×60)/（2×2π×100×0.85）
=2.23(N·m)
要求：TL≤TR
3、求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷慣性（JL）：
運(yùn)動(dòng)部件的慣性JB：
JB=πρD4A/（32×104G4）[14] 2—26
將各個(gè)參數(shù)代入式2—26可得：JB=0.24×10-4Kg·m2。
工件的慣性Jw：
Jw=(1/G)2ω/10-4·(P/2π)2[14] 2—27
將各個(gè)參數(shù)代入式2—27可得：Jw=0.095×10-4Kg·m2。
注：上述的“A”代表螺桿長(zhǎng)度（L）；
對(duì)于螺桿： D/2=P/2π[14]。 2—28
JL= JB +Jw[14] 2—29
=0.34×10-4Kg·m2
4、電機(jī)的假擬選定：
從產(chǎn)品目錄中選出滿足上述（JL）、（TL）、（Np）條件的電機(jī)，其型號(hào)為：P20B10150D×S 《100》。
5、加減速力矩（Ta、Tb）的計(jì)算：
加速力矩Ta：
Ta=［2π（N1-N2）·（JL +JM）/（60·ta）］+TL[14] 2—30
將各個(gè)參數(shù)代入式2—30可得：Ta =2.45(N·m)
減速力矩Tb:
Tb=［2π（N1-N2）·（JL +JM）/（60·tb）］-TL[14] 2—31
將各個(gè)參數(shù)代入式2—31可得：Tb =-2(N·m)
由上述計(jì)算可以看出，假擬選定電機(jī)滿足上述（JL）、（TL）、（Np）的計(jì)算條件。
6、實(shí)際力矩（Trms）的計(jì)算：
Trms= ［（Ta2 ta+ Tb2 tb+ TL2 tL）/t］1/2[14] 2—32
取t=1/2,則： ta= tb=tL=t/3=1/6
將各個(gè)參數(shù)代入式2—32可得：Trms =-2.236(N·m)
由上述計(jì)算可以看出，假擬選定電機(jī)滿足上述（Trms）的計(jì)算條件。
7、總結(jié)：
根據(jù)上述計(jì)算和論述可得：應(yīng)選用P20B10150D×S 《100》型交流伺服電機(jī)。 2.6導(dǎo)軌副的選擇
導(dǎo)軌的作用是支承和導(dǎo)向,也就是支承運(yùn)動(dòng)部件并保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用,精確的沿著確定的軌跡運(yùn)動(dòng),為此對(duì)裝配基準(zhǔn)的導(dǎo)軌提出如下要求。
1、導(dǎo)向精度；
2、耐磨性；
3、剛度；
4、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
目前機(jī)床上常用的導(dǎo)軌，根據(jù)接觸角的摩擦情況可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)軌主要直線型。滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別小，啟動(dòng)阻力小，能微量準(zhǔn)確移動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行，因而運(yùn)動(dòng)靈活，定位精度高，通過預(yù)緊可以提高剛度和抗震性，承受較大的沖擊和振動(dòng)。和靜壓導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保養(yǎng)方便，是適合數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用比較理想的導(dǎo)軌。
綜上所述，本設(shè)計(jì)應(yīng)選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。
2.7自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)
自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)機(jī)械方面的關(guān)鍵。由微機(jī)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高，工作剛度好，性能可靠，使用可靠以及工藝性好等特點(diǎn)。
在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)時(shí)，多采用外購(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。一些機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠為用戶生產(chǎn)了系列自動(dòng)刀架，一些長(zhǎng)是參加了全國(guó)聯(lián)合計(jì)劃組織設(shè)計(jì)了LD14，LD24，LD34刀架后，又結(jié)合該廠生產(chǎn)刀架的經(jīng)驗(yàn)，吸收了LD型刀架結(jié)構(gòu)，原理之優(yōu)點(diǎn)，還參考了國(guó)外專利自動(dòng)刀架的特點(diǎn)，使刀架設(shè)計(jì)更為合理，更為完美，具有同類產(chǎn)品最先進(jìn)的水平，如常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的系列自動(dòng)刀架就是一例。本設(shè)計(jì)就選用該廠生產(chǎn)的LD4-1型系列選用于AC140，CC620的四工位自動(dòng)刀架LD4-C620。選用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架必須搞清原理，自行設(shè)計(jì)的話要求更高。
自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按其原理可分為：
1、螺旋轉(zhuǎn)位刀架；
2、十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架；
3、凸臺(tái)棘式轉(zhuǎn)位刀架；
4、電磁式轉(zhuǎn)位刀架；
5、液壓式轉(zhuǎn)位刀架。
自動(dòng)刀架設(shè)計(jì)時(shí)，刀架要能自動(dòng)完成抬起，回轉(zhuǎn)，選位，下降，定位和壓緊，既要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)，又要檢測(cè)出各順序動(dòng)作的電信號(hào)，以便由控制系統(tǒng)加以控制。
刀架的抬起常采用的有：利用壓縮彈簧的恢復(fù)力；利用螺紋傳動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成軸向直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到刀架抬起。
刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時(shí)，由撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架的迭位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。
刀架的下降常采用微機(jī)控制使微電機(jī)反轉(zhuǎn)，由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉(zhuǎn)，只是下降。精度常采用錐型定位銷定位，端面鍵定位，后者優(yōu)于前者，所以端面定位是最常用的。
壓緊刀架的壓緊力由微電機(jī)下降到位后而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，合選的壓緊力應(yīng)呈切削力的兩倍以上，壓緊力還應(yīng)能調(diào)整。
本設(shè)計(jì)選用的LD4-1型自動(dòng)刀架的工作原理類似于螺旋轉(zhuǎn)位刀架。微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào)，使微電機(jī)工轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體上升到一定位置時(shí)，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到所選刀位，發(fā)信盤發(fā)出刀位信號(hào)，使微電機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠初定位，上刀體下降，齒輪盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好狀態(tài)時(shí)，過流繼電器動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微機(jī)發(fā)出回答信號(hào)，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動(dòng)作順序簡(jiǎn)明的表示為：微電機(jī)—減速器—升降機(jī)構(gòu)—上刀體上升—轉(zhuǎn)位—信息符合—粗定位機(jī)構(gòu)—上刀體下降—精定位—刀體鎖定—微電停轉(zhuǎn)—換刀回答信號(hào)—加工順序執(zhí)行。
2.8預(yù)計(jì)結(jié)果
本人所設(shè)計(jì)的數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滿足經(jīng)濟(jì)型中檔精度機(jī)床的要求，伺服電機(jī)的大小滿足要求，對(duì)滾珠絲杠直徑的選擇也滿足強(qiáng)度和剛度的要求，并在橫向行程中有電控極限行程限位裝置。也就是說所設(shè)計(jì)的結(jié)果滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，達(dá)到了預(yù)期性的效果，即到達(dá)了設(shè)計(jì)任務(wù)書中的技術(shù)要求和工作要求。
3、結(jié)論
本設(shè)計(jì)主要研究了經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及改造，其中主要是改造橫向手動(dòng)進(jìn)給裝置以及進(jìn)一步提高數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精度、重復(fù)定位精度及可靠性等。通過設(shè)計(jì)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。而且，通過這次設(shè)計(jì)使我較好地了解和掌握了數(shù)控車床的工作原理及組成等，特別是對(duì)機(jī)械傳動(dòng)裝置有了深刻地認(rèn)識(shí)與了解。本次設(shè)計(jì)主要解決了手動(dòng)進(jìn)給裝置的可靠性問題以及數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度等問題。在手動(dòng)進(jìn)給裝置的可靠性問題中主要是針對(duì)先前手動(dòng)進(jìn)給裝置的不安全問題和不能可靠運(yùn)行等因素加以改造，其具體改造見設(shè)計(jì)部分，這里就不再累述了。通過改造，使數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的安全可靠性得到加強(qiáng)，同時(shí)也使得在機(jī)床檢驗(yàn)好后的工作過程中，不至于被他人轉(zhuǎn)動(dòng)而破壞現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)?？偠灾?，此結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單又可靠。至于精度問題，由于所做的設(shè)計(jì)為經(jīng)濟(jì)型中檔精度的數(shù)控車床，所以應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣咂涓骶龋ǘㄎ痪取⒅貜?fù)定位精度、反向偏差等）。為此本設(shè)計(jì)采取以下各措施提高其精度：
1、用交流伺服電機(jī)代替以前的步進(jìn)電機(jī)；
2、采用同步帶傳動(dòng)代替連接套傳動(dòng)；
3、優(yōu)化導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；
4、選取適宜的滾珠絲杠直徑，在保證數(shù)控機(jī)床必須的慣量匹配的前提下，加大滾珠絲杠的直徑以提高滾珠絲杠的軸向剛度。這些做法的優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)參考文獻(xiàn)中均有論述，這里也就不加以重復(fù)了。這樣做后，使數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的各精度都得以提高，以達(dá)到中檔精度機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。
由于安全可靠性的加強(qiáng)和精度的進(jìn)一步提高，所以該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)與以前的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)相比有加工精度高、質(zhì)量好、效率高以及效益好等特點(diǎn)。當(dāng)然，由于本人的水平有限，該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)再所難免存在一些不足之處。主要是機(jī)床的動(dòng)靜摩擦死區(qū)及爬行等問題，為了減少爬行，應(yīng)選用具有良好防爬行性能的優(yōu)質(zhì)聚四氟乙烯軟帶，減少摩擦副的綜合摩擦系數(shù)。此外，還應(yīng)設(shè)計(jì)更佳的油溝形式，選用黏度高的潤(rùn)滑油（如HJ40、HJ50等），以提高油膜的剛度。
工作小結(jié)與致謝
短暫而寶貴的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）即將結(jié)束了，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的鍛煉，使我從中受益非淺。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)生活的最后一個(gè)階段，也是檢查我們四年以來學(xué)習(xí)情況的階段，是我們大學(xué)生活必不可少的一個(gè)階段。我對(duì)該次畢業(yè)設(shè)計(jì)比較重視，一來是為了把握好這次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)；二來是為了使自己通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)一下自己的學(xué)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，以為將來的學(xué)習(xí)和工作做好充分的準(zhǔn)備。因此，雖然有“非典”的干擾，但是我還是靜下心來去做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，每天到教室或機(jī)房做設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)包括許多的小的環(huán)節(jié)，如文獻(xiàn)綜述、畢業(yè)實(shí)習(xí)、繪制裝配圖和零件圖以及寫設(shè)計(jì)說明書等部分。其中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是必不可少的，都對(duì)是我們有幫助的。通過文獻(xiàn)綜述，使我對(duì)自己所做課題以及相關(guān)內(nèi)容有了進(jìn)一步了解，且為設(shè)計(jì)做好了一定的準(zhǔn)備；通過畢業(yè)實(shí)習(xí)，使我能夠理論與實(shí)踐相結(jié)合，并且鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也為畢業(yè)設(shè)計(jì)積累了一些經(jīng)驗(yàn)和資料。通過繪圖、寫論文，使我的CAD繪圖能力進(jìn)一步提高，同時(shí)也提高了打字速度和Word的操作能力?？傊?，通過這次設(shè)計(jì)使我受益非淺，雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間不長(zhǎng)，但是我從中學(xué)到的知識(shí)和方法是豐富的。當(dāng)然，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足之處，這對(duì)進(jìn)一步提高自己起了一定程度的積極作用。因此，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)為將來從事實(shí)際工程技術(shù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)由鹽城市機(jī)床高級(jí)工程師沙愛民老師的指導(dǎo)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，沙老師教給我許多設(shè)計(jì)的方法以及一些實(shí)用的技巧，在此對(duì)沙老師的熱情指導(dǎo)表示衷心的感謝。在設(shè)計(jì)過程中姜煜林等多位老師以及許多同學(xué)也給予了幫助及指導(dǎo)在此也表示衷心的感謝，同時(shí)，也感謝學(xué)校及機(jī)械系的大力支持。
參考文獻(xiàn)
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6 大連理工大學(xué)工程圖教室編.機(jī)械制圖.第4版.北京:高等教育出版社.1991年.2~11頁(yè),194~283頁(yè)
7 機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例編委會(huì)編.機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例.第1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1998年.86~117頁(yè)
8 北京航空學(xué)院機(jī)械加工教室編.數(shù)控機(jī)床的機(jī)床與傳動(dòng).北京:國(guó)防工業(yè)出版社.第1版1991年73~156頁(yè)
9 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì).第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2001年9月.
10 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).第1版.北京:兵器出版社.1999年.214~323頁(yè).
11 上海川浦機(jī)械實(shí)業(yè)公司.滾珠絲杠產(chǎn)品目錄.上海.2~20頁(yè)
12慈溪恒力同步帶輪產(chǎn)品目錄.寧波.2~42頁(yè)
13武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠.LD-1型列電動(dòng)刀架產(chǎn)品目錄.常州
14 廣州數(shù)據(jù)設(shè)備廠.交流伺服電機(jī)產(chǎn)品目錄.廣州
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