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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
XX
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
課題名稱(chēng) 復(fù)合式波浪能實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
系 別
專(zhuān) 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
摘 要
本文全面闡述了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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)介紹了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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)。
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(lèi)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：運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
Abstract
This paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters.
The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection.
Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 波浪能應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì) 3
1.4本課題的研究?jī)?nèi)容及意義 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進(jìn)度計(jì)劃與應(yīng)完成的工作 5
2.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 5
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 5
2.3.2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 6
2.3.3 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 6
2.4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要部件及運(yùn)動(dòng)方式的選定 6
第3章 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 7
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì) 7
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理 8
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 8
3.1.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 8
3.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 10
3.2滾珠絲杠的選擇 12
3.2.1滾珠絲杠的精度 12
4.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計(jì)算 12
3.3伺服電機(jī)的選擇 15
3.3.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 15
3.3.2負(fù)載慣量的計(jì)算 16
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 17
3.4滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算 18
3.4.1工作載荷的計(jì)算 18
3.4.2小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算 18
3.4.3距離額定工作壽命的計(jì)算 18
3.4.4額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型 19
3.5聯(lián)軸器的選擇 19
3.6軸承的選擇 20
3.7 滾珠絲杠副的安全使用 21
3.7.1 潤(rùn)滑 21
3.7.2 防塵 21
3.7.3使用 21
3.7.4 安裝 22
第4章 增速器的設(shè)計(jì) 22
4.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 22
4.2 齒輪傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
4.3 軸的計(jì)算 28
4.4 滾動(dòng)軸承的選擇及計(jì)算 37
4.5連接件的選擇及潤(rùn)滑 38
4.6 增速器潤(rùn)滑與密封 39
第5章 浮塊的設(shè)計(jì) 39
總結(jié) 42
參考文獻(xiàn) 43
致 謝 44
45
第1章 緒 論
1.1 課題背景
從石油危機(jī)開(kāi)始，各國(guó)開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)移到本地資源和尋找最適宜的廉價(jià)能源上，21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，人類(lèi)向大海索取能源成為必然趨勢(shì)，沿海地區(qū)把希望寄在洶涌澎湃的巨浪上——利用波浪能發(fā)電。波浪能在海洋中無(wú)處不在，無(wú)處不有，而且受時(shí)間限制相對(duì)較小，在很大程度上克服了潮汐能的這些缺點(diǎn)，同時(shí)波浪能的能流密度最大，可通過(guò)較小的裝置提供可觀的廉價(jià)能量，又可以為邊遠(yuǎn)海域的國(guó)防、海洋開(kāi)發(fā)等活動(dòng)提供能量，因此，世界各海洋大國(guó)均十分重視波浪能的開(kāi)發(fā)和利用的研究。波浪能的開(kāi)發(fā)和利用是一個(gè)涵蓋多個(gè)學(xué)科的綜合性問(wèn)題，涉及到機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，空氣動(dòng)力學(xué)，流體力學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)模型，計(jì)算機(jī)模擬，海洋科學(xué)等各領(lǐng)域[1]。
波浪能實(shí)質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的，能量傳遞速率與風(fēng)速和風(fēng)與水相互作用的距離直接相關(guān)，由于受各種氣候條件的影響，加上風(fēng)能本身具有很大的不確定性，因此波浪能是不穩(wěn)定的一種能源。波浪能以海洋表面波浪所蘊(yùn)含的動(dòng)能與勢(shì)能形式存在，水相對(duì)于海平面發(fā)生位移時(shí)，使波浪具有勢(shì)能，而水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，則使波浪具有動(dòng)能[2]。
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在國(guó)外，1799年，法國(guó)的吉拉德父子，獲得了利用波浪能的首項(xiàng)專(zhuān)利。英國(guó)具有世界上最好的波浪能資源。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，英國(guó)將波浪發(fā)電研究放在新能源開(kāi)發(fā)的重要位置。20世紀(jì)80年代，英國(guó)已成為世界波浪能研究的中心。日本平均波能約為13 kW/km（近海）和6 kW/km（沿岸），沿海的波浪可利用能量估算約20 GW，可滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)能源總需求量的1/3。挪威的波浪發(fā)電研究起始于20世紀(jì)70年代，雖然起步晚但是發(fā)展十分迅速。挪威主要對(duì)波浪發(fā)電裝置的理論設(shè)計(jì)做出了較大貢獻(xiàn)，提出了相位控制原理和喇叭口收縮波道式波能裝置等。葡萄牙的海浪發(fā)電研究起步較晚，技術(shù)以引進(jìn)為主。但葡萄牙有著發(fā)展波浪發(fā)電得天獨(dú)厚的自然條件優(yōu)勢(shì)，政府和科研機(jī)構(gòu)對(duì)海浪能資源也越來(lái)越重視。此外，葡萄牙還于2008年引進(jìn)英國(guó)的海蛇發(fā)電機(jī)組，在此海洋實(shí)驗(yàn)區(qū)建立了世界上第一個(gè)商業(yè)規(guī)模的波浪發(fā)電站[3]。
圖1-1 英國(guó)海蛇發(fā)電裝置
圖1-2 海洋浮體發(fā)電裝置
我國(guó)擁有著473萬(wàn)千米 的海洋、1．89萬(wàn)千米綿延的海岸線(xiàn)，可以說(shuō)有著富饒的海洋能資源。據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，全國(guó)沿岸波浪能資源平均理論功率大約為1000余萬(wàn)千瓦。波力發(fā)電技術(shù)始于20世紀(jì)70年代。1989年，我國(guó)第一座實(shí)驗(yàn)波力電站建成。首座波力獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)汕尾100kW岸式波力電站于1996年12月開(kāi)工，2001年2月完成進(jìn)入試發(fā)電和實(shí)海況試驗(yàn)階段，2005年1
圖1-3 廣東汕尾岸式波浪能發(fā)電站
月，第一次實(shí)海況試驗(yàn)成功。中科院廣州能源所海洋能實(shí)驗(yàn)室和氣體水合物實(shí)驗(yàn)室協(xié)同攻關(guān)，提出并解決了海洋波浪能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。利用這一技術(shù)，可以將隨機(jī)輸入的勢(shì)能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的、可任意調(diào)控的水的動(dòng)能。目前已通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該系統(tǒng)的可行性 。我國(guó)計(jì)劃至2020年，在山東、海南、廣東各建1座l000kW級(jí)的岸式波力電站[3]。
1.3 波浪能應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)
目前，國(guó)內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)將波浪發(fā)電設(shè)備的研制制定在遠(yuǎn)海區(qū)域環(huán)境條件下使用的基礎(chǔ)上了，以后的商業(yè)化海洋波浪發(fā)電會(huì)基于這些發(fā)電裝置。遠(yuǎn)海區(qū)域比起近海岸基區(qū)域蘊(yùn)藏著更多更豐富的波浪能資源，需要的設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單。遠(yuǎn)海區(qū)域的波浪發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。首先，遠(yuǎn)海區(qū)域的發(fā)電裝置相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低，可選取的區(qū)域廣，適合建大規(guī)模波浪發(fā)電場(chǎng)。例如，如果要建一個(gè)50MW的波浪發(fā)電場(chǎng)，岸基發(fā)電場(chǎng)選址就很困難，而且成本很高，但是，如果是在遠(yuǎn)海區(qū)域，則只需將發(fā)電裝置放在海上，而且可選取的區(qū)域也很廣。其次，遠(yuǎn)海區(qū)域的發(fā)電裝置單位發(fā)電效率較高，而且這些發(fā)電裝置的裝機(jī)容量一般也比岸基裝置高很多，這一優(yōu)點(diǎn)使其更適用于遠(yuǎn)距離輸電以及一些島嶼的用電。由于上述優(yōu)點(diǎn)，所以在2004至2008年問(wèn)新的波浪發(fā)電開(kāi)發(fā)當(dāng)中，岸基發(fā)電裝置的裝機(jī)容量只占其中的8％，而遠(yuǎn)海區(qū)域的波浪發(fā)電裝置的占58％[2]。
波浪能的開(kāi)發(fā)利用將具有很廣泛的應(yīng)用價(jià)值，目前的海浪發(fā)電的裝置可為海水養(yǎng)殖場(chǎng)，海上燈船，海上孤島，海上氣象浮標(biāo)，石油平臺(tái)等提供能源，還可以并入城市電網(wǎng)提供工業(yè)或民用的能源。波浪能開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵是在降低發(fā)電成本的同時(shí)，提高發(fā)電的穩(wěn)定性，發(fā)展波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，使用戶(hù)直接使用波浪能。
波浪能是一種密度低、不穩(wěn)定、無(wú)污染、可再生、儲(chǔ)量大、分布廣、利用難的能源。由于目前波浪能的利用地點(diǎn)大都局限在海岸附近，因此還容易受到海洋災(zāi)害性氣候的侵襲。由于開(kāi)發(fā)成本高，規(guī)模小，社會(huì)效益好但經(jīng)濟(jì)效益一般，投資回收期相對(duì)較長(zhǎng)，這些都在一定程度上束縛了波浪能的大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)利用和發(fā)展，但隨著理論和實(shí)踐方面的不斷發(fā)展成熟，波浪能開(kāi)發(fā)利用的前景將是十分廣闊的[4]。
1.4本課題的研究?jī)?nèi)容及意義
隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，由于目前作為主要能源的煤和石油均不具有可再生性，這直接導(dǎo)致了能源危機(jī)不斷地出現(xiàn)，能源的短缺甚至成為社會(huì)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，這些都在不斷地提醒人們?nèi)ふ倚碌目稍偕哪茉?。由此波浪能作為一種清潔可再生的能源越來(lái)越引起人們的關(guān)注。盡管現(xiàn)在和常規(guī)能源相比，波浪發(fā)電還有很大的距離，但是，從我國(guó)能源長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)儲(chǔ)備的角度來(lái)看，加大和加快開(kāi)海洋波浪能源的開(kāi)發(fā)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義[3]。
結(jié)合日本“3·11”發(fā)生大震后而引發(fā)的核泄漏惡劣影響，我們更加意識(shí)到發(fā)展新能源，一種可再生又對(duì)環(huán)境負(fù)面作用小，以及較小甚至不存在潛在威脅的能源。波浪能無(wú)疑就處在這種優(yōu)選行列的前茅，相信人類(lèi)對(duì)波浪能的開(kāi)發(fā)利用又將加快腳步。
我國(guó)近幾年運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)雖然發(fā)展較快，但與國(guó)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(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，應(yīng)變能力差。
針對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，有必要在傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究出新型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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。
運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(kāi)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，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有很高研究的意義.本課題采用類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的方法，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(guò)對(duì)數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(guò)對(duì)課題的研究，了解國(guó)內(nèi)外有關(guān)數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)；
3、通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
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)開(kāi)展波浪能XY二自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，X、Y軸采用滾珠絲杠螺母
2.2進(jìn)度計(jì)劃與應(yīng)完成的工作
應(yīng)完成的工作：
1、完成二萬(wàn)字左右的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，其中包括400字左右的中文摘要，英文摘要應(yīng)與中文摘要內(nèi)容完全相同；
2、完成與課題相關(guān)，不少于3000漢字的英文資料翻譯（附英文原文）；
3、完成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)；
4、繪制裝配圖及所有非標(biāo)件零件圖。
進(jìn)度計(jì)劃：
1、第1-2周，查閱相關(guān)資料，了解表面感應(yīng)加熱淬火運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)技術(shù)要求，完成開(kāi)題報(bào)告；
2、第3周，翻譯一篇與設(shè)計(jì)相關(guān)的英文論文；
3、第4-5周，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定總體方案及計(jì)算；
4、第6周，根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成AC軸選型，查找其技術(shù)參數(shù)；
5、第7-11周，完成運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)、Z軸結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)；
6、第12-14周，繪制圖紙；
7、第15周，編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，準(zhǔn)備答辯。
2.3 設(shè)計(jì)的內(nèi)容
2.3.1 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。
2.3.2 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；
(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。
2.3.3 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
(1) 說(shuō)明書(shū)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(shuō)明；
(2)論文正文不少于10000字。
2.4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(mǎn)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)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(lèi)。在后一類(lèi)中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(wú)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)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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。
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(guò)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)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行加工。外循環(huán)過(guò)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(guò)盈配合，即兩者達(dá)到預(yù)緊；滾珠絲杠螺母副事先通過(guò)調(diào)節(jié)左右螺母的相互離開(kāi)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，是在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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)軌面為淬火磨削面。這樣就會(huì)使導(dǎo)軌摩擦系數(shù)變?yōu)?.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(méi)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。
第3章 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì)
進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)絲杠傳動(dòng)。在數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上的絲杠傳動(dòng)，可以用普通的絲杠傳動(dòng)，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是普通絲杠傳動(dòng)摩，但總是不太穩(wěn)定。
所以，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上要擦系數(shù)大，效率低，傳動(dòng)中有間隙。雖然傳動(dòng)中的間隙可以用一些辦法來(lái)補(bǔ)償，修正采用滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但制造工藝較為復(fù)雜，成本高，在某些應(yīng)用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，它的使用將會(huì)更加廣泛。
滾珠絲杠傳動(dòng)都使用防護(hù)罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進(jìn)入。
滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)－角位移，變換成數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的的直線(xiàn)位移。
滾珠絲杠螺母副，也簡(jiǎn)稱(chēng)為滾珠絲杠副，是一種新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理
絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對(duì)合起來(lái)就形成螺旋線(xiàn)的滾道,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠.當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí),滾珠相對(duì)于螺母上的滾道滾動(dòng),因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動(dòng)摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來(lái),在螺母的螺旋槽兩端應(yīng)用擋住器擋住,并設(shè)有回路滾道是他的兩端連接起來(lái).使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個(gè)回路滾道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進(jìn)行不斷地滾動(dòng)。
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn)
滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是:傳動(dòng)效率高,因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦,傳動(dòng)效率可達(dá)0.92~0.96,比普通的絲杠傳動(dòng)提高3~4倍.由此帶來(lái)了一系列的優(yōu)點(diǎn),如功率損耗小,傳動(dòng)平穩(wěn),磨損小,無(wú)爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個(gè)特點(diǎn),一是:一般的絲杠傳動(dòng)總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)反向時(shí),可以沒(méi)有空程,提高了反向的定位精度,,也增強(qiáng)了傳動(dòng)剛度.二是:一般的絲杠傳動(dòng)只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng),而滾珠絲杠副由于傳動(dòng)的摩擦系數(shù)小,所以既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng),也可以從直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng),具有傳動(dòng)的可逆性,因此可以作為主動(dòng)件,也可以作為從動(dòng)件.
它也有缺點(diǎn),主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復(fù)雜,成本也高.對(duì)于絲杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困難,也限制了使用.
又由于傳動(dòng)的可逆性,所以不能自鎖,當(dāng)應(yīng)用在垂直傳動(dòng)裝置時(shí),由于自重和慣性的關(guān)系,在下降過(guò)程中不能立刻停止,因此還需要備有制動(dòng)裝置.
3.1.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整
滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)盡管在形式上有很多類(lèi)型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾到的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法等三個(gè)方面。
（1）螺紋滾道型面的形狀
螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國(guó)內(nèi)正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖所示。滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線(xiàn)與絲杠軸線(xiàn)的垂線(xiàn)之間的夾角，稱(chēng)為接觸角（）。
（a）單圓弧 (b) 雙圓弧
圖3-1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形
（2）單圓弧型面
一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。對(duì)于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負(fù)載大小而變化的，當(dāng)軸向負(fù)載為零時(shí)，接觸角也為零；當(dāng)負(fù)載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)接觸角增大時(shí)，傳動(dòng)效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。
（3）雙圓弧型面
雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會(huì)有很小的空隙。這些空隙雖然能容納一些臟物，但不至于堵塞，反而對(duì)滾柱的滾動(dòng)有利。從傳動(dòng)效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過(guò)大制造就會(huì)困難。一般接觸角為，滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑稍大一些。
滾珠的循環(huán)方式
目前國(guó)內(nèi)常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。
（1）外循環(huán)方式
如圖所示為外循環(huán)方式，滾柱在循環(huán)過(guò)程中與絲杠脫離接觸，通過(guò)外面的循環(huán)回路稱(chēng)為外循環(huán)（W系列）。這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽，用擋珠器從螺母內(nèi)部切斷螺紋滾道，擋珠滾珠的去路，迫使?jié)L珠導(dǎo)入通向外圓螺旋槽中，構(gòu)成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造較為簡(jiǎn)單容易，因此應(yīng)用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結(jié)構(gòu)形式。
（2）內(nèi)循環(huán)方式
滾柱在循環(huán)過(guò)程中與絲杠始終保持接觸的稱(chēng)為內(nèi)循環(huán)（N系列），如圖所示。這種內(nèi)循環(huán)是在螺母外側(cè)孔中裝了一個(gè)接通相鄰滾道的反向器，借助這個(gè)反向器迫使?jié)L珠翻過(guò)絲杠的牙頂，而進(jìn)入相鄰的滾道。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動(dòng)效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但制造困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以不及外循環(huán)方式應(yīng)用的廣泛。
圖3-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖3-3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠
3.1.4 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(lái)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(lái)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(guò)預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少?gòu)椥宰冃嗡鸬奈灰?。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(lái)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。
（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(méi)有凸緣，車(chē)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3-4 墊片調(diào)隙式 圖3-5螺紋調(diào)隙式
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(xiāo)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(xiāo)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)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有所應(yīng)用。
1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內(nèi)齒圓；
4——定位銷(xiāo)； 5——套筒。
圖3-6 齒差調(diào)隙式
3.2滾珠絲杠的選擇
3.2.1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)，Z軸有效行程300 mm，初步設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程502mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm。
4.2.2 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)此臺(tái)Z向的最大進(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，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (4.3)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (4.4)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (4.5)
（2）當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
滾珠絲杠副類(lèi)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:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②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） (4.6)
當(dāng)量動(dòng)載荷值： (4.7)
式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，無(wú)沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動(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)精度的絲杠取=0.9。
根據(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得
≈51.59（KN） (4.8)
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FF6310-5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(chēng)直徑為63mm，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。
表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)
名 稱(chēng)
符 號(hào)
計(jì)算公式和結(jié)果
公稱(chēng)直徑（mm）
63
螺距(mm)
P
10
接觸角
鋼球直徑(mm)
7.144
螺紋滾道法面半徑(mm)
偏心距(mm)
0.009
螺紋升角(mm)
=
絲杠外徑(mm)
62.5
絲杠底徑(mm)
57.3
螺桿接觸直徑(mm)
55.87
螺母螺紋外徑(mm)
螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）
62.64
（3）傳動(dòng)效率的計(jì)算
將公稱(chēng)直徑=63mm，導(dǎo)程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動(dòng)效率=94.7%。
（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(lái)校核。
a、滾珠絲杠滾道間的接觸變
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觸變形
(4.9)
式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得；
==0.013(mm)
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。
b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形
絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=1100mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=44.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6()
根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得：
=0.018(mm)
C、總的變形
==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—630mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到30μm,，可見(jiàn)絲杠剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性的驗(yàn)算
(4.10)
公式中取支撐系數(shù)=2，
由絲杠底徑=44.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(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1200mm，代入公式得：
=181129.6(㎏)
則f=181129.6N大于=51590N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿(mǎn)足使用要求。
（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。
查資料得公式 ：
(4.11)
其中： (mm)；
為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度=1200(mm)；
為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動(dòng)）
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。
（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FF6310—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。本次設(shè)計(jì)絲杠支承選用一端固定，另一端浮動(dòng)。
3.3伺服電機(jī)的選擇
3.3.1最大切削負(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
(4.12)
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)緊力=N，根據(jù)計(jì)算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因?yàn)闈L珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：
（N·m） (4.13)
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)與絲杠直接相連，其傳動(dòng)比=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
(N·m)
所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。
3.3.2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。
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，
(kg·㎡) (4.14)
絲杠名義直徑=63mm，長(zhǎng)度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計(jì)算絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量
(㎏·㎡) (4.15)
聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊(cè)得到，即(㎏·㎡)
故負(fù)載總的慣量為
(㎏·㎡)
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。為了保證足夠的角加速度，以滿(mǎn)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：
(4.16)
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)。
根據(jù)上述計(jì)算可選用表4.2中的交流伺服電機(jī)α22/3000i型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.012㎏·㎡。
表4.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機(jī)
型號(hào)
α1/ 5000i
α2/ 5000i
α4/ 4000i
α8/ 3000i
α12/ 3000i
α22/3000i
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
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
伺服放大器規(guī)格
20i
20i
20i
40i
80i
80i
3.3.3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，
(4.17)
空載加速時(shí)，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī),總慣量
0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡)
加速度時(shí)間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則
(N·m)
3.4滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算
常用的導(dǎo)軌截面有矩形、三角形、燕尾形和圓形的。如圖4.2所示。根據(jù)支承導(dǎo)軌的凸凹狀[4]態(tài)，又可分為凸形和凹形兩類(lèi)導(dǎo)軌。凹形容易存油，但也容易積存切屑和塵粒，因此適用于具有良好的防護(hù)環(huán)境。凸形需要有良好的潤(rùn)滑條件。目前數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用的導(dǎo)軌主要有三種：塑料導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。
圖4.4
3.4.1工作載荷的計(jì)算
影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素是工作載荷，假設(shè)立柱所有重量加在貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌的一根導(dǎo)軌上，則導(dǎo)軌所承受的最大垂直方向上的載荷是：
(4.18)
上式中G是重量，即G=500×10=5000(N)，代入上式得：
=2500(N)
3.4.2小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算
預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作壽命是10年，一年是365天，工作時(shí)間是350天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額定工作壽命28000(h)。
3.4.3距離額定工作壽命的計(jì)算
根據(jù)公式得：
(4.19)
公式中：為小時(shí)額定工作壽命；
n為移動(dòng)部件每分鐘往返次數(shù)(4-6)取5：
S為移動(dòng)部件的行程，即S=600mm。
代入數(shù)據(jù)得：L=10080km 。
3.4.4額定動(dòng)載荷計(jì)算及選型
由公式得：
(4.20)
公式中：為額定動(dòng)載荷；
L為距離工作壽命，由上面的計(jì)算可以知道為10080km；
F為導(dǎo)軌的工作載荷，即F=2500N。
代入數(shù)據(jù)得：=29318N。
由計(jì)算的動(dòng)載荷值本次設(shè)計(jì)選用的是貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌，它是在數(shù)控運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)導(dǎo)軌[4]面，是塑料導(dǎo)軌的一種。導(dǎo)軌副的另一固定導(dǎo)軌面為淬火磨削面。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉（青銅粉、二硫化鉬）、玻璃纖維和氧化物的高分子復(fù)合材料。其厚度有0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，寬150mm、300mm等幾種。塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌與其他導(dǎo)軌相比，具有以下特點(diǎn)：
（1）動(dòng)靜摩擦系數(shù)相近：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好。
（2）吸收振動(dòng)：具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動(dòng)導(dǎo)軌和易漂浮的靜壓導(dǎo)軌。
（3）摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定：比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
（4）化學(xué)穩(wěn)定性好：耐磨、耐低溫、耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化性劑及各種有機(jī)溶劑。
（5）耐磨性好：有自身潤(rùn)滑作用，無(wú)潤(rùn)滑油也能工作，灰塵磨粒的嵌入性好。
（6）維護(hù)修理方便：軟帶耐磨，損壞后更換容易。
（7）經(jīng)濟(jì)型好：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，約為滾動(dòng)導(dǎo)軌的1/20，為三層復(fù)合材料DU導(dǎo)軌成本的1/4。
其中導(dǎo)軌貼塑板選用揚(yáng)中市天一高分子新材料有限公司生產(chǎn)的TY導(dǎo)軌貼塑板。
3.5聯(lián)軸器的選擇
金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器是由各種片狀、圓柱狀、卷板狀等形狀的金屬?gòu)椈桑媒饘購(gòu)椈傻娜跣宰冃我赃_(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?gòu)椥栽确墙饘購(gòu)椥栽?qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，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4.5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(lái)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(rùn)滑，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)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4.5 DJM5金屬膜片撓性聯(lián)軸器
3.6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(lèi)。
（1）接觸角為的角接觸球軸承
這是目前國(guó)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1.63;3個(gè)為2.16；4個(gè)為2.64。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過(guò)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(xiàn)與軸線(xiàn)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4.3中的7009 GB/T 292—1994。
表3.3 角接觸球軸承
3.7 滾珠絲杠副的安全使用
3.7.1 潤(rùn)滑
為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤(rùn)滑，潤(rùn)滑的方式主要有以下兩種：
1．潤(rùn)滑脂
潤(rùn)滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1／3，滾珠絲杠副出廠時(shí)在螺母內(nèi)部已經(jīng)加注GB7324—942#鋰基潤(rùn)滑脂。
2．潤(rùn)滑油
運(yùn)動(dòng)粘度28．5—74cst(400T)的潤(rùn)滑油，給油量隨使用條件等的不同而有所變化。
3.7.2 防塵
滾珠絲杠與滾動(dòng)軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨損，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物進(jìn)入時(shí)，必須采用防塵裝置，將絲杠軸完全保護(hù)起來(lái)。另外，如沒(méi)有異物，但有浮沉?xí)r可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈。
3.7.3使用
滾珠絲杠副在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
1．滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，必要時(shí)在行程兩端配置限位，以免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。
2．滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動(dòng)使，如部件重量未加平衡，必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)。
3．滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為±60C。
3.7.4 安裝
滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
1.滾珠絲杠副僅用于承受軸向載荷。徑向載荷、彎矩會(huì)使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等負(fù)荷，從而造成絲杠的永久性破壞。因此，滾珠絲杠副安裝到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意：
1）絲杠的軸線(xiàn)必須和其配套導(dǎo)軌的軸線(xiàn)平行，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端軸承座與螺母座必須三點(diǎn)成一線(xiàn)；
2）安裝螺母時(shí)，應(yīng)盡量靠近支撐軸承；
3）同時(shí)，安裝支撐軸承時(shí)，應(yīng)盡量靠近螺母安裝部位。
2.滾珠絲杠安裝到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，盡量不要把螺母從絲杠上卸下來(lái)，如
必須卸下來(lái)時(shí)要使用輔助套，否則裝卸時(shí)滾珠有可能脫落。螺母裝卸時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1）輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1-0.2 mm
2）輔助套早使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；
3）裝卸時(shí)，不可使用過(guò)大力以免螺母損壞；
4）裝入安裝孔時(shí)要避免撞擊和偏心。
第4章 增速器的設(shè)計(jì)
4.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
工業(yè)上一般使用三相交流電源，因此，當(dāng)無(wú)特殊要求時(shí)均應(yīng)選用交流電動(dòng)機(jī)，其中以三相交流電動(dòng)機(jī)使用最為廣泛。我國(guó)新設(shè)計(jì)的Y系列三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動(dòng)機(jī)，起結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，價(jià)格低廉，維護(hù)方便，適用于不易燃、不易爆、無(wú)腐蝕性氣體的場(chǎng)合，以及要求具有較好起動(dòng)性能的機(jī)械。
電動(dòng)機(jī)的型號(hào)的確定主要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定功率和同步轉(zhuǎn)速。
1 按照工作要求和條件選用Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)
2 選擇電動(dòng)機(jī)容量
工作機(jī)所需容量為：Pw = Fw?Vw/1000ηwKw
假設(shè)工作時(shí)需要的參數(shù)：Fw=34KN Vw=27.1m/s
Pw=3.4×103/1000×0.94=97.92Kw
電動(dòng)機(jī)的輸出功率為：P=Pw/η
式中：η為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置總效率
根據(jù)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖可查得： 三對(duì)齒輪副效率ηw = 0.97；一對(duì)滾動(dòng)軸承效率ηw=0.99；聯(lián)軸器ηw=0.98；由此可得
η=η1η2η23η4=0.95x0.973x0.994x0.98=0.816
P0=Pw/0.816=97.92/0.816=120kn
一般電動(dòng)機(jī)的額定功率
PM=（1~1.3）P0=（1~1.3）X120=120~156kw
經(jīng)查可取電動(dòng)機(jī)額定功率為PM=150kw
3 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)速為：nw=60x1000Vw/πD=260r/min
三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)比i2=3~5
則總傳動(dòng)比范圍為i= i1 i2=(2x3)~(4x5)=6~20
電動(dòng)機(jī)可選擇的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)為
n=i·nw=(6~20)x260=1560~5200r/min
電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速符合這一范圍的型號(hào)為Y315s-2，其滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為nm=2970r/min
計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比并分配各級(jí)傳動(dòng)比
1 傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比I=nm/ nw=2970/53=56
2 分配各級(jí)傳動(dòng)比I= i1 i2
則齒輪傳動(dòng)比為：i2=9
3 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
以下各軸符號(hào)代表：
O軸——電動(dòng)機(jī)輸出軸； Ⅰ軸——增速器中的高速軸；
Ⅱ軸——齒輪軸； Ⅲ軸——中間軸；
Ⅳ軸——增速器中的低速軸； Ⅴ軸——低速軸；
n0=nn= 2970r/min; nⅠ= n0/ i1=1485r/min;
nⅡ= nⅠ/ i2=165r/min; nⅢ= nⅡ/i3=27.5r/min;
nw = nⅢ=27.5r/min
各軸功率；
P0=120kw; PⅠ= P0η1=120x0.95=114kw;
PⅡ= PⅠη2η3 =114x0.97x0.99=109.47kw ;
PⅢ= PⅡη2η3 =109.47x0.97x0.99=105.13kw;
PⅣ= PⅣη2η3 =105.13x0.97x0.99=100.95kw;
PⅤ= PⅣη3η4=100.95x0.99x0.98=97.95kw;
各軸轉(zhuǎn)矩；
T0=9.55x106 P0/ n0=9.55x106x120/2970=3.86x105 Nm
TⅠ=9.55x106 P0/ nⅠ= 9.55x106 114/ 1485=7.33x105 Nm
TⅡ=9.55x106 PⅡ/ nⅡ=9.55x106 x109.47/ 1485=6.28x105 Nm
TⅢ=9.55x106 PⅢ/ nⅢ=9.55x106 x105.13/ 27.5=3.65x107 Nm
TⅣ=9.55x106 PⅣ/ nⅣ=9.55x106x x100.95/ 27.5==3.51x107 Nm
TⅤ=9.55x106 PⅤ/ nⅤ=9.55x106 x97.95/ 27.5==3.40x107 Nm
4.2 齒輪傳動(dòng)件的設(shè)計(jì)計(jì)算
1） 材料及熱處理；
選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
2） 精度等級(jí)選用7級(jí)精度；
3） 試選小齒輪齒數(shù)z1＝20，大齒輪齒數(shù)z2＝100的；
4） 選取螺旋角。初選螺旋角β＝14°
2．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
因?yàn)榈退偌?jí)的載荷大于高速級(jí)的載荷，所以通過(guò)低速級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算
按式試算，即 ?
dt≥ 50
1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1） 試選Kt＝1.6
（2） 由圖選取區(qū)域系數(shù)ZH＝2.433
（3） 由表選取尺寬系數(shù)φd＝1
（4） 由圖查得εα1＝0.75，εα2＝0