棒料自動(dòng)切割裝置設(shè)計(jì),棒料自動(dòng)切割裝置設(shè)計(jì),自動(dòng),切割,裝置,設(shè)計(jì) 編號(hào)： 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說明書 題 目： 棒料自動(dòng)切割裝配裝置設(shè)計(jì) 系 別： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 黃 宇 學(xué) 號(hào)： 1053100201 指導(dǎo)教師： 唐 良 寶 職 稱： 教 授 √ 題目類型：理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開發(fā) 應(yīng)用研究 2014年05月25日 摘 要 本次設(shè)計(jì)是對(duì)棒料自動(dòng)切割裝配裝置的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、裝夾部位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、切割片主軸部位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到絲桿上，絲桿帶動(dòng)絲桿螺母，從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本論文研究內(nèi)容： (1) 棒料自動(dòng)切割裝配裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (2) 棒料自動(dòng)切割裝配裝置工作性能分析。 (3)電動(dòng)機(jī)的選擇。 (4) 棒料自動(dòng)切割裝配裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機(jī)架設(shè)計(jì)。 (5)對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核。 (6)繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖。 關(guān)鍵詞：棒料自動(dòng)切割裝配裝置； 聯(lián)軸器；滾珠絲杠 Abstract This design is the design of assembly of rod material automatic cutting device. Here mainly include: design, drive system design of the cutting blade clamping spindle parts of system design, part of the system of graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development. The research of this thesis: (1) the overall structure design of automatic assembly device for cutting bar. (2) analysis of assembly device performance of rod material automatic cutting. (3) the choice of motor. (4) transmission system, execution unit and frame design of automatic assembly device for cutting bar. (5) the design of components for the design calculation and check. (6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design. Keywords: automatic cutting assembly device；bar coupling；ball screw 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 1引言 1 1.1棒料自動(dòng)切割機(jī)的研究目的及意義 1 1.1.1棒料自動(dòng)切割機(jī)背景 1 1.1.2意義 1 1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 1.3本課題研究的內(nèi)容及方法 2 1.3.1主要的研究內(nèi)容 2 1.3.2設(shè)計(jì)要求 2 1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題 3 2 棒料自動(dòng)切割裝配裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.1設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 4 2.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 5 2.2.1 同步帶計(jì)算選型 5 2.2.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 8 2.2.3 同步帶的設(shè)計(jì) 10 2.2.4 同步帶輪的設(shè)計(jì) 10 2.3 夾緊裝置設(shè)計(jì) 11 3 X結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 13 3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 14 3.1.1導(dǎo)程確定 14 3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 14 3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 14 3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 14 3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 15 3.1.6精度的選擇 16 3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 16 3.2校核 17 3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 17 3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 18 3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 19 3.3電機(jī)的選擇 19 3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 20 3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 21 4 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 4.1 Y軸滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 23 4.2 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 24 4.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 27 5 主軸組件要求與設(shè)計(jì)計(jì)算 30 5.1 主軸的基本要求 30 5.1.1 旋轉(zhuǎn)精度 30 5.1.2 剛度 30 5.1.3 抗振性 31 5.1.4 溫升和熱變形 31 5.1.5 耐磨性 32 5.2 主軸組件的布局 32 5.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 35 5.4 主軸的材料與熱處理 35 5.5 主軸的技術(shù)要求 36 5.6 主軸直徑的選擇 37 5.7 主軸前后軸承的選擇 37 5.8 軸承的選型及校核 38 5.9 主軸前端懸伸量 41 5.10 主軸支承跨距 41 5.11 主軸結(jié)構(gòu)圖 42 5.12 主軸的校核 42 5.13 軸承壽命校核 45 5.14 主軸組件的潤滑和密封 46 5.15主軸組件中相關(guān)部件 47 6 硬件電路設(shè)計(jì) 50 6.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 50 6.2 單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 50 6.3 各類芯片簡介 51 6.3.1 8031芯片簡介 51 6.3.2 373芯片簡介 52 6.3.3 6264芯片簡介 52 6.3.4 2764芯片簡介 52 6.3.5 8155芯片簡介 52 6.3.6 8255芯片簡介 53 6.4 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 53 6.4.1 程序存儲(chǔ)器ROM的擴(kuò)展 53 6.4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的擴(kuò)展 53 6.4.3 譯碼電路的設(shè)計(jì) 54 6.5 I/O接口電路的設(shè)計(jì) 54 6.5.1 8155通用可編程接口芯片 54 6.5.2 8255可編程接口芯片 55 6.5.3 鍵盤顯示接口電路 55 6.6 8031的時(shí)鐘電路 56 6.7 復(fù)位電路 56 6.8 越界報(bào)警電路 57 6.9 掉電保護(hù)電路 57 6.10 控制系統(tǒng)的功能 57 6.11 控制工作原理 57 結(jié)論 59 參考文獻(xiàn) 60 致 謝 61 1引言 1.1棒料自動(dòng)切割機(jī)的研究目的及意義 1.1.1棒料自動(dòng)切割機(jī)背景 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，用來提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。當(dāng)然，也不排除PCB板的切割加工過程。我們發(fā)現(xiàn)切割技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域并且被廣泛使用。根據(jù)資料顯示，我國每年鋼鐵的產(chǎn)量一般在3億噸左右，其中有一半以上的鋼有用到切割技術(shù)加工。我國每年的切割設(shè)備需求量金額超過50億元。既然切割機(jī)能夠這么普遍地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，它肯定具備了很大的市場競爭力。 1.1.2意義 1.橫梁：采用方管對(duì)焊的結(jié)構(gòu)，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點(diǎn)。所有的切割件均采用振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力處理，有效的防止了結(jié)構(gòu)變形； 2.縱、橫向驅(qū)動(dòng)：橫向?qū)к墑t采用了臺(tái)灣進(jìn)口的直線式導(dǎo)軌，縱向?qū)к壥怯删芗庸さ奶刭|(zhì)鋼軌制成的，保證了切割機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，精度高，且經(jīng)久耐用，清潔美觀； 1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 激光切割機(jī)的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國家安全、國防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對(duì)激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機(jī)的制造和升級(jí)帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對(duì)激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動(dòng)了國內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光切割機(jī)。 我國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行大型機(jī)床等機(jī)械產(chǎn)品切割結(jié)構(gòu)的研究，20 多年來已取得長足的進(jìn)步。切割結(jié)構(gòu)已經(jīng)在現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床等大型機(jī)床上應(yīng)用以焊代鑄以焊代鍛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)迅速發(fā)展。 在汽車制造工業(yè)方面，隨著我國汽車產(chǎn)量的不斷增加20世紀(jì)90年代開始從國外陸續(xù)引進(jìn)先進(jìn)的切割設(shè)備。并在車轉(zhuǎn)動(dòng)軸、剎車蹄片、輪圈以及其他部件的制造過程中普遍采用各種先進(jìn)的切割工藝，提高了切割效率和產(chǎn)品質(zhì)量。切割在船舶、汽車、鍋爐、壓力容器制造行業(yè)中也成為主要的生產(chǎn)工藝手段之一 。目 前，已有多種切割工藝方法獲得各國船級(jí)社的認(rèn)可而被應(yīng)用于生產(chǎn)。自十一五期間開始進(jìn)行高效切割技術(shù)的探索以來，至今已取得令人欣喜的成績。 在當(dāng)前，棒料自動(dòng)切割機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)絕大多數(shù)還是依據(jù)具體的情況來設(shè)計(jì)專用切割棒料自動(dòng)切割機(jī)，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)棒料自動(dòng)切割機(jī)，其運(yùn)動(dòng)特性使特定棒料自動(dòng)切割機(jī)僅能適應(yīng)一定的范圍，花費(fèi)成本較大，不利于棒料自動(dòng)切割機(jī)的發(fā)展。 棒料自動(dòng)切割機(jī)還有跟蹤的功能,其不足之處就是在焊前必須通過人為的方式,幫助棒料自動(dòng)切割機(jī)找到合適的位置并且放好，通過人工將棒料自動(dòng)切割機(jī)本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的狀態(tài) ,這里所設(shè)計(jì)的移動(dòng)棒料自動(dòng)切割機(jī)是有軌移動(dòng)切割棒料自動(dòng)切割機(jī)，也就是說棒料自動(dòng)切割機(jī)的自主性還跟不上工業(yè)發(fā)展的腳步。 未來的發(fā)展趨勢可分為以下三個(gè)方面： 1 選擇視覺傳感器來進(jìn)行傳感跟蹤：因?yàn)榕c圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展； 2 采用多傳感信息融合技術(shù)以面對(duì)更為復(fù)雜的切割任務(wù)； 3 控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展：這也將是移動(dòng)切割棒料自動(dòng)切割機(jī)的控制所采用。 1.3本課題研究的內(nèi)容及方法 1.3.1主要的研究內(nèi)容 在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)切割棒料自動(dòng)切割機(jī)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮切割棒料自動(dòng)切割機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及切割棒料自動(dòng)切割機(jī)的推廣應(yīng)用，分析確定使用切割棒料自動(dòng)切割機(jī)配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化切割的目的。 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究內(nèi)容如下: 1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和棒料自動(dòng)切割機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定棒料自動(dòng)切割機(jī)整體設(shè)計(jì)方案。 2 確定棒料自動(dòng)切割機(jī)的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。 3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成棒料自動(dòng)切割機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。 1.3.2設(shè)計(jì)要求 1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出棒料自動(dòng)切割機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案； 2 完成棒料自動(dòng)切割機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)； 3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型； 4 完成棒料自動(dòng)切割機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；繪制棒料自動(dòng)切割機(jī)結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。 1.3.3關(guān)鍵的技術(shù)問題 1 方案選擇 2整體的支撐架設(shè)計(jì) 3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 強(qiáng)度校核 2 棒料自動(dòng)切割裝配裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 要求： 1、該裝置為加工自動(dòng)線上的一個(gè)工位，應(yīng)考慮裝置與自動(dòng)線的配合與銜接（如高度、完成自動(dòng)切割的時(shí)間等）。 2、對(duì)切割裝置的關(guān)鍵零件進(jìn)行必要強(qiáng)度和剛度校核。 3、要求能撿測棒料是否準(zhǔn)確到位，若檢測棒料沒有準(zhǔn)確到位，及時(shí)發(fā)出反饋信息，調(diào)整棒料位置。 4、要求根據(jù)棒料材質(zhì)不同切割速度可調(diào)，并要求有自撿測功能。 5、要求該裝置有一定適應(yīng)性（棒料直徑尺寸等能在一定范圍內(nèi)變動(dòng)），具體變動(dòng)范圍通過調(diào)研后，與老師協(xié)商確定。 本文課題參數(shù)假定 切割棒料直徑為?30-?60 電機(jī)功率為0.37 KW,本文選用減速電機(jī)作為輸送機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置。查SEW減速電機(jī)的規(guī)格表，選用如下減速電機(jī)。 表3.2 選用的電機(jī)的詳細(xì)參數(shù) 電機(jī)額定功率Pm/kW 輸出轉(zhuǎn)速 na/[r/min] 輸出扭矩 Ma/N·m 減速機(jī) 速比i 輸出軸許用徑向載荷FRa/N 使用系數(shù) SEW-fB 減速機(jī) 型號(hào) 電機(jī) 型號(hào) 重量/kg 0.37 56 47 22.5 2870 1.55 DT71D4 SF37 14 此型號(hào)的電機(jī)在一定程度上保證了驅(qū)動(dòng)功率有一定的盈余，因數(shù)在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，若輸送機(jī)床上有工件，則此時(shí)的起動(dòng)功率會(huì)比平時(shí)工作時(shí)的功率要大，且減速電機(jī)本身還有一定的使用系數(shù)。 切割片片選取切斷能力為50 的切割片片，其規(guī)格為mm，選取切割片片的型號(hào)為TL-001型，其磨料為棕剛玉，粒度為20#。 2.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算 2.2.1 同步帶計(jì)算選型 設(shè)計(jì)功率是根據(jù)需要傳遞的名義功率、載荷性質(zhì)、原動(dòng)機(jī)類型和每天連續(xù)工作的時(shí)間長短等因素共同確定的，表達(dá)式如下： 式中 ——需要傳遞的名義功率 ——工作情況系數(shù)，按表2工作情況系數(shù)選取=1.7； 表2.工作情況系數(shù) 1） 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 可根據(jù)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd'和小帶輪轉(zhuǎn)速n1，由同步帶選型圖中來確定所需采用的帶的型號(hào)和節(jié)距。 其中Pd=0.63kw，n1=56rpm。查表3-2-2 表3-2-2 選同步帶的型號(hào)為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm 1） 選擇小帶輪齒數(shù)z1，z2 可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-3-3得。 查得小帶輪最小齒數(shù)14。 實(shí)際齒數(shù)應(yīng)該大于這個(gè)數(shù)據(jù) 初步取值z(mì)1=34故大帶輪齒數(shù)為：z2=i×z1=1×z1=34。 故z1=34，z2=34。 ① 確定帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2 小帶輪節(jié)圓直徑d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 大帶輪節(jié)圓直徑d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm ② 驗(yàn)證帶速v 由公式v=πd1n1/60000計(jì)算得， s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。 a) 確定帶長和中心矩 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》得 所以有： 現(xiàn)在選取軸間間距為取224mm 10、同步帶帶長及其齒數(shù)確定 =() = =719.7mm 11、帶輪嚙合齒數(shù)計(jì)算 有在本次設(shè)計(jì)中傳動(dòng)比為1，所以嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即=17。 12、基本額定功率的計(jì)算 查基準(zhǔn)同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步帶的基準(zhǔn)額定功率為 ==0.21KW 表4-3 基準(zhǔn)寬度同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量 13、計(jì)算作用在軸上力 = =71.6N 2.2.2 同步帶的主要參數(shù)（結(jié)構(gòu)部分） 1、同步帶的節(jié)線長度 同步帶工作時(shí)，其承載中心線長度應(yīng)保持不變，因此稱此中心線為同步帶的節(jié)線，并以節(jié)線周長作為帶的公稱長皮，稱為節(jié)線長度。在同步帶傳動(dòng)中，帶節(jié)線長度是一個(gè)重要 參數(shù)。當(dāng)傳動(dòng)的中心距已定時(shí)，帶的節(jié)線長度過大過小，都會(huì)影響帶齒與輪齒的正常嚙合，因此在同步帶標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)梯形齒同步帶的各種哨線長度已規(guī)定公差值，要求所生產(chǎn)的同步帶節(jié)線長度應(yīng)在規(guī)定的極限偏差范圍之內(nèi)（見表4-4）。 表4-4 帶節(jié)線長度表 2、帶的節(jié)距Pb 如圖4-2所示，同步帶相鄰兩齒對(duì)應(yīng)點(diǎn)沿節(jié)線量度所得約長度稱為同步帶的節(jié)距。帶節(jié)距大小決定著同步帶和帶輪齒各部分尺寸的大小，節(jié)距越大，帶的各部分尺寸越大，承載能力也隨之越高。因此帶節(jié)距是同步帶最主要參數(shù)．在節(jié)距制同步帶系列中以不同節(jié)距來區(qū)分同步帶的型號(hào)。在制造時(shí)，帶節(jié)距通過鑄造模具來加以控制。梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸見表4-5。 3、帶的齒根寬度 一個(gè)帶齒兩側(cè)齒廓線與齒根底部廓線交點(diǎn)之間的距離稱為帶的齒根寬度，以s表示。帶的齒根寬度大，則使帶齒抗剪切、抗彎曲能力增強(qiáng)，相應(yīng)就能傳動(dòng)較大的裁荷。 圖4-2 帶的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 表4-5 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶的齒形尺寸 4、帶的齒根圓角 帶齒齒根回角半徑rr的大小與帶齒工作時(shí)齒根應(yīng)力集中程度有關(guān)t齒根圓角半徑大，可減少齒的應(yīng)力集中，帶的承載能力得到提高。但是齒根回角半徑也不宜過大，過大則使帶 齒與輪齒嚙合時(shí)的有效接觸面積城小，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)臄?shù)值。 5、帶齒齒頂圓角半徑八 帶齒齒項(xiàng)圓角半徑八的大小將影響到帶齒與輪齒嚙合時(shí)會(huì)否產(chǎn)生于沙。由于在同步帶傳動(dòng)中，帶齒與帶輪齒的嚙合是用于非共扼齒廓的一種嵌合。因此在帶齒進(jìn)入或退出嚙合時(shí)， 帶齒齒頂和輪齒的頂部拐角必然會(huì)超于重疊，而產(chǎn)生干涉，從而引起帶齒的磨損。因此為使帶齒能順利地進(jìn)入和退出嚙合，減少帶齒頂部的磨損，宜采用較大的齒頂圓角半徑。但與齒根圓角半徑一樣，齒頂圓角半徑也不宜過大，否則亦會(huì)減少帶齒與輪齒問的有效接觸面積。 6、齒形角 梯形帶齒齒形角日的大小對(duì)帶齒與輪齒的嚙合也有較大影響。如齒形角霹過小，帶齒縱向截面形狀近似矩形，則在傳動(dòng)時(shí)帶齒將不能順利地嵌入帶輪齒槽內(nèi)，易產(chǎn)生干涉。但齒形角度過大，又會(huì)使帶齒易從輪齒槽中滑出，產(chǎn)生帶齒在輪齒頂部跳躍現(xiàn)象。 2.2.3 同步帶的設(shè)計(jì) 在這里，我們選用梯形帶。帶的尺寸如表4-6。帶的圖形如圖4-3。 表4-6 同步帶尺寸 型號(hào) 節(jié)距 齒形角 齒根厚 齒高 齒根圓角半徑 齒頂圓半徑 H 8 40。 6.12 4.3 1.02 1.02 圖4-3 同步帶 2.2.4 同步帶輪的設(shè)計(jì) 同步帶輪的設(shè)計(jì)的基本要求 1、保證帶齒能順利地嚙入與嚙出 由于輪齒與帶齒的嚙合同非共規(guī)齒廓嚙合傳動(dòng)，因此在少帶齒頂部與輪齒頂部拐角處的干涉，并便于帶齒滑入或滑出輪齒槽。 2、輪齒的齒廊曲線應(yīng)能減少嚙合變形，能獲得大的接觸面積，提高帶齒的承載能力即在選探輪齒齒廓曲線時(shí)，應(yīng)使帶齒嚙入或嚙出時(shí)變形小，磨擦損耗小，并保證與帶齒均勻接觸，有較大的接觸面積，使帶齒能承受更大的載荷。 3、有良好的加了工藝性 加工工藝性好的帶輪齒形可以減少刀具數(shù)量與切齒了作員，從而可提高生產(chǎn)率，降低制造成本。 4、具有合理的齒形角 齒形角是決定帶輪齒形的重要的力學(xué)和幾何參數(shù)，大的齒形角有利于帶齒的順利嚙入和嚙出，但易使帶齒產(chǎn)生爬齒和跳齒現(xiàn)象；而齒形角過小，則會(huì)造成帶齒與輪齒的嚙合干涉，因此輪齒必須選用合理的齒形角。 同步帶輪的設(shè)計(jì)結(jié)果 同步帶輪用梯形齒，其圖形如圖4-4。 圖 4-4 同步帶輪 2.3 夾緊裝置設(shè)計(jì) 夾緊機(jī)構(gòu)不但在切割之前機(jī)械手抓能夠根據(jù)事先收到的信號(hào)準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到每個(gè)工位，而且在切割過程中要夾緊運(yùn)動(dòng)著的鑄鐵棒，使切割片與鑄棒同步。 夾緊部分是由氣缸推動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)夾緊和放松的。這部分的兩種可行性方案是：一是用一個(gè)機(jī)械手同時(shí)負(fù)責(zé)夾緊兩根鑄棒，根據(jù)需要對(duì)被切割的那條進(jìn)行夾緊。二是用兩個(gè)機(jī)械手，每個(gè)機(jī)械手負(fù)責(zé)夾緊一根鑄棒。第一種方案中，機(jī)械手可通過一個(gè)二位氣缸和一個(gè)三位氣缸實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄棒的夾緊。第二種方案中，每個(gè)機(jī)械手都需要兩個(gè)二位氣缸來實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄棒的夾緊?？紤]到第一種方案設(shè)計(jì)工作量小，安裝方便，而且控制簡單，所以優(yōu)先使用第一種方案。 圖2-1 夾緊部分原理圖 夾緊部分原理如圖2-1所示，夾緊氣缸能使夾緊機(jī)械手夾緊或放松工件，當(dāng)活塞向右移動(dòng)時(shí)，機(jī)械手夾緊工件；當(dāng)活塞向左移動(dòng)時(shí)，機(jī)械手放松工件。橫向行走氣缸推動(dòng)工作臺(tái)左右移動(dòng)，能控制機(jī)械手使之夾緊左邊或右邊的工件，從而對(duì)夾緊的工件進(jìn)行切割。縱向行走的作用是當(dāng)完成一次切割過程完成時(shí)，推動(dòng)工作臺(tái)使之恢復(fù)到初始位置。整個(gè)工作過程都PLC由控制實(shí)現(xiàn)。 3 X結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 表 3-1滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點(diǎn) 一端固定一端自由 結(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動(dòng) 需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場合。 3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。 設(shè)X向最大行程為300mm,最快進(jìn)給速度為18m/min,主軸箱大概質(zhì)量為50kg,工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg，工作臺(tái)最大行程為300mm。 3.1.1導(dǎo)程確定 電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為 取Ph=12mm 3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 工作臺(tái)重量 移動(dòng)部件重量 3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，） 3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1） fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1） fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1） Fm------等效負(fù)載 nz-------等效轉(zhuǎn)速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計(jì)算得Car=17300N 表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh 表3-1-2精度系數(shù)fa 表3-1-3可靠性系數(shù)fk 表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw 3.1.6精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Y軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。 3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.2校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。 3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1 I------絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內(nèi)徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數(shù)，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)取18.9 經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經(jīng)計(jì)算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。 3.3電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經(jīng)計(jì)算得 b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經(jīng)計(jì)算得 c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 查表得 因此 3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經(jīng)計(jì)算得 b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動(dòng)效率，η=0.90 I—傳動(dòng)比，I=1 經(jīng)計(jì)算得 c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9 經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。 62 4 Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 Y軸滾動(dòng)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 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: 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 靜載荷 L (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 4 0.6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N 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)軌的工作壽命Ln： 額定行程長度壽命: 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 導(dǎo)軌的工作壽命足夠. 4.2 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力：(N) 其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。 取f=0.004,則: 壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) 最大動(dòng)載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。 查表得中等沖擊時(shí)則: 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。 其基本參數(shù)如下: 其額定動(dòng)載荷為14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式. 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 公稱直徑 ―― 20mm 螺距 ―― ５mm 接觸角 ―― 鋼球直徑 ―― 3.175mm 螺紋滾道法向半徑 1.651mm 偏心距 0.04489mm 螺紋升角 螺桿外徑 19.365mm 螺桿內(nèi)徑 16.788mm 螺桿接觸直徑 17.755mm 螺母螺紋外徑 23.212mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 20.7mm （1） 傳動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 （2） 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 （3） 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm) Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算 絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為 E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。 4.3 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有： （1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。 對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算： 式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。 所以有： 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有： 步進(jìn)電機(jī)的選用 (１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系： 式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以： 式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。 取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 取系數(shù)為０.３，則： 對(duì)于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)： (２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī). 電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下: 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 相電流 (A) 最大靜轉(zhuǎn)矩 (n.m) 空載啟動(dòng)頻率 空載運(yùn)行頻率 分配方式 90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4相8拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kg.m 外直徑 長度 軸直徑 90 145 9 4.5 1764 5 主軸組件要求與設(shè)計(jì)計(jì)算 主軸組件是特殊的執(zhí)行件，它的功用是支承并帶動(dòng)切割片旋轉(zhuǎn)，完成表面成形運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還起傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩、承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷的作用。由于主軸組件的工作性能直接影響到特殊的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，因此它是特殊中的一個(gè)關(guān)鍵組件。 主軸和一般傳動(dòng)軸的相同點(diǎn)是，兩者都傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩并承受傳動(dòng)力，都要保證傳動(dòng)件和支承的正常工件條件，但主軸直接承受切削力，還要帶動(dòng)工件或刀具，實(shí)現(xiàn)表面成形運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)主軸有較高的要求。 5.1 主軸的基本要求 5.1.1 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指主軸在手動(dòng)或低速、空載時(shí)，主軸前端定位面的徑向跳動(dòng)△r、端面跳動(dòng)△a和軸向竄動(dòng)值△o。如圖5-1所示：圖中實(shí)線表示理想的旋轉(zhuǎn)軸線，虛線表示實(shí)際的旋轉(zhuǎn)軸線。當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸回轉(zhuǎn)軸線在空間的漂移量即為運(yùn)動(dòng)精度。 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度取決于部件中各主要件（如主軸、軸承及支承座孔等）的制造精度和裝配、調(diào)整精度；運(yùn)動(dòng)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能和潤滑以及主軸部件的動(dòng)態(tài)特性。各類通用特殊主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度已在特殊精度標(biāo)準(zhǔn)中作了規(guī)定，專用特殊主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度則根據(jù)工件精度要求確定。 圖5-1 主軸的旋轉(zhuǎn)誤差 5.1.2 剛度 主軸組件的剛度K是指其在承受外載荷時(shí)抵抗變形的能力，如圖5-2所示，即K=F/y（單位為N/m），剛度的倒數(shù)y/F稱為柔度。主軸組件的剛度，是主軸、軸承和支承座的剛度的綜合反映，它直接影響主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。顯然，主軸組件的剛度越高，主軸受力后的變形就越小，如若剛度不足，在加工精度方面，主軸前端彈性變形直接影響著工件的精度；在傳動(dòng)質(zhì)量方面，主軸的彎曲變形將惡化傳動(dòng)齒輪的嚙合狀況，并使軸承產(chǎn)生側(cè)邊壓力，從而使這些零件的磨損加劇，壽命縮短；在工件平穩(wěn)性方面，將使主軸在變化的切削力和傳動(dòng)力等作用下，產(chǎn)生過大的受迫振動(dòng)，并容易引起切削自激振動(dòng)，降低了工件的平穩(wěn)性。 圖5-2 主軸組件靜剛度 主軸組件的剛度是綜合剛度，影響主軸組件剛度的因素很多，主要有：主軸的結(jié)構(gòu)尺寸、軸承的類型及其配置型式、軸承的間隙大小、傳動(dòng)件的布置方式、主軸組件的制造與裝配質(zhì)量等。 5.1.3 抗振性 主軸組件的抗振性是指其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)而保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。在切削過程中，主軸組件不僅受靜載荷的作用，同時(shí)也受沖擊載荷和交變載荷的作用，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)。如果主軸組件的抗振性差，工作時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，從而影響工件的表面質(zhì)量，降低刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲影響工作環(huán)境。隨著特殊向高精度、高效率方向發(fā)展，對(duì)抗振性要求越來越高。 評(píng)價(jià)主軸組件的抗振性，主要考慮其抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)能力的大小。 5.1.4 溫升和熱變形 主軸組件工作時(shí)因各種相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生了溫升，溫升使主軸組件的形狀和位置發(fā)生畸變，稱為熱變形。熱變形應(yīng)以主軸組件運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后各部分位置的變化來度量。 主軸組件溫升和熱變形，使特殊各部件間相對(duì)位置精度遭到破壞，影響工件加工精度，高精度特殊尤為嚴(yán)重；熱變形造成主軸彎曲，使傳動(dòng)齒輪和軸承的工作狀態(tài)變壞；熱變形還使主軸和軸承，軸承與支承座之間已調(diào)整好的間隙和配合發(fā)生變化，影響軸承正常工作，間隙過小將加速齒輪和軸承等零件的磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生軸承抱軸現(xiàn)象。 影響主軸組件溫升、熱變形的主要因素有：軸承的類型和布置方式，軸承間隙及預(yù)緊力的大小，潤滑方式和散熱條件等。 5.1.5 耐磨性 主軸組件的耐磨性是指長期保持其原始精度的能力，即精度的保持性。因此，主軸組件各個(gè)滑動(dòng)表面，包括主軸端部定位面、錐孔，與滑動(dòng)軸承配合的軸頸表面，移動(dòng)式主軸套筒外圓表面等，都必須具有很高的硬度，以保證其耐磨性。 為了提高主軸組件的耐磨性，應(yīng)該正確地選用主軸和滑動(dòng)軸承的材料及熱處理方法、潤滑方式，合理調(diào)整軸承間隙，良好的潤滑和可靠的密封。 5.2 主軸組件的布局 主軸組件的設(shè)計(jì)，必須保證滿足上述的基本要求，從而從全局出發(fā)，考慮主軸組件的布局。 特殊主軸有前、后兩個(gè)支承和前、中、后三個(gè)支承兩種，以前者較多見。兩支承主軸軸承的配置型式，包括主軸軸承的選型、組合以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求，并考慮軸承的供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性等具體情況，加以確定。在選擇時(shí)，具體有以下要求： （1）適應(yīng)剛度和承載能力的要求 主軸軸承選型應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力。徑向載荷較大時(shí)，可選用滾子軸承；較小時(shí)，可選用球軸承。雙列滾動(dòng)軸承的徑向剛度和承載能力，比單列的大。同一支承中采用多個(gè)軸承的支承剛度和承載能力，比采用單個(gè)軸承大。一般來說，前支承的剛度，應(yīng)比后支承的大。因?yàn)榍爸С袆偠葘?duì)主軸組件剛度的影響要比后支承的大。表2-1所示為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較。 表2-1 滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的比較 基本要求 滾動(dòng)軸承 滑動(dòng)軸承 動(dòng)壓軸承 靜壓軸承 旋轉(zhuǎn)精度 精度一般或較差。可在無隙或預(yù)加載荷下工作。精度也可以很高，但制造困難 單油楔軸承一般，多油楔軸承較高 可以很高 剛度 僅與軸承型號(hào)有關(guān)，與轉(zhuǎn)速、載荷無關(guān)，預(yù)緊后可提高一些 隨轉(zhuǎn)速和載荷升高而增大 與節(jié)流形式有關(guān)，與載荷轉(zhuǎn)速無關(guān) 承載能力 一般為恒定值，高速時(shí)受材料疲勞強(qiáng)度限制 隨轉(zhuǎn)速增加而增加，高速時(shí)受溫升限制 與油腔相對(duì)壓差有關(guān)，不計(jì)動(dòng)壓效應(yīng)時(shí)與速度無關(guān) 抗振性能 不好，阻尼系數(shù)D=0.029 較好，阻尼系數(shù)D=0.055 很好，阻尼系數(shù)D=0.4 速度性能 高速受疲勞強(qiáng)度和離心力限制，低中速性能較好 中高速性能較好。低速時(shí)形不成油漠，無承載能力 適應(yīng)于各種轉(zhuǎn)速 摩擦功耗 一般較小，潤滑調(diào)整不當(dāng)時(shí)則較大f=0.002～0.008 較小f=0.001~0.08 本身功耗小，但有相當(dāng)大的泵功耗f=0.0005～0.001 噪聲 較大 無噪聲 本身無噪聲，泵有噪聲 壽命 受疲勞強(qiáng)度限制 在不頻繁啟動(dòng)時(shí)，壽命較長 本身壽命無限，但供油系統(tǒng)的壽命有限 （2）適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求 由于結(jié)構(gòu)和制造方面的原因，不同型號(hào)和規(guī)格的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。軸承的規(guī)格越大，精度等級(jí)越低，允許的最高轉(zhuǎn)速越低。在承受徑向載荷的軸承當(dāng)中，圓柱滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速，比圓錐滾子軸承的高。在承受軸向載荷的軸承當(dāng)中，向心推力軸承的極限轉(zhuǎn)速最高；推力球軸承的次之；圓錐滾子軸承的最低，但承載能力與上述次序相反。因此，應(yīng)綜合考慮轉(zhuǎn)速和承載能力兩方面要求來選擇軸承型式。 （3）適應(yīng)精度的要求 起止推作用的軸承的布置有三種方式：前端定位—止推軸承集中布置在前支承；后端定位—集中布置在后支承；兩端定位—分別布置在前、后支承。 采用前端定位時(shí)，主軸受熱變形向后延伸，不影響軸向定位精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整軸承間隙較不便，前支承處發(fā)熱量較大；后端定位的特點(diǎn)與前述的相反；兩端定位時(shí)，主軸受熱伸長后，軸承軸向間隙的改變較大，若止推軸承布置在徑向軸承內(nèi)側(cè)，主軸可能因熱膨脹而彎曲。 （4）適應(yīng)結(jié)構(gòu)的要求 當(dāng)要求主軸組件在性能上有較高的剛度和一定的承載能力，而在結(jié)構(gòu)上徑向尺寸要緊湊時(shí)，則可在一個(gè)支承（尤其是前支承）中配置兩個(gè)或兩個(gè)以上的軸承。 對(duì)于軸間距很小的多主軸特殊，由于結(jié)構(gòu)限制，宜采用滾針軸承來承受徑向載荷，用推力球軸承來承受軸向載荷，并使兩軸承錯(cuò)開排列。 （5）適應(yīng)經(jīng)濟(jì)性要求 確定主軸軸承配置型式，除應(yīng)考慮滿足性能和結(jié)構(gòu)方面要求外，還應(yīng)作經(jīng)濟(jì)性分析，使經(jīng)濟(jì)效果好。 在中速和大載荷情況下，采用圓錐滾子軸承要比采用向心軸承和推力軸承組合配置型式成本低，因?yàn)榍罢吖?jié)省了兩個(gè)軸承，而且箱體工藝性較好。 綜合考慮以上因素，本設(shè)計(jì)的主軸采用前、后支承的兩支承主軸，前支承采用雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合，D級(jí)精度；后支承采用圓柱滾子軸承，E級(jí)精度。其中前支承的雙列圓柱滾子軸承，滾子直徑小，數(shù)量多（50—60個(gè)），具有較高的剛度；兩列滾子交錯(cuò)布置，減少了剛度的變化量；外圈無擋邊，加工方便；軸承內(nèi)孔為錐孔，錐度為1：12，軸向移動(dòng)內(nèi)圈使之徑向變形，調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊；黃銅實(shí)體保持架，利于軸承散熱。前支承的總體特點(diǎn)是：主軸靜剛度好，回轉(zhuǎn)精度高，溫升小，徑向間隙可以調(diào)整，易保持主軸精度，但由于前支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，前、后支承的溫升不同，熱變形較大，此外，裝配、調(diào)整比較麻煩。 5.3 主軸結(jié)構(gòu)的初步擬定 主軸的結(jié)構(gòu)主要決定于主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承和密封裝置等的類型、數(shù)目、位置和安裝定位的方法，同時(shí)還要考慮主軸加工和裝配的工藝性，一般在特殊主軸上裝有較多的零件，為了滿足剛度要求和能得到足夠的止推面以及便于裝配，常把主軸設(shè)計(jì)成階梯軸，即軸徑從前軸頸起向后依次遞減。主軸是空心的或者是實(shí)心的，主要取決于特殊的類型。此次設(shè)計(jì)的主軸，也設(shè)計(jì)成階梯形，同時(shí)，在滿足剛度要求的前提下，設(shè)計(jì)成空心軸，以便通過刀具拉桿。 主軸端部系指主軸前端。它的形狀決定于特殊的類型、安裝夾具或刀具的形式，并應(yīng)保證夾具或刀具安裝可靠、定位準(zhǔn)確，裝卸方便和能傳遞一定的扭矩。 5.4 主軸的材料與熱處理 主軸材料主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理變形大小等因素選擇。 主軸的剛度與材料的彈性模量E值有關(guān)，鋼的E值較大（2.1×10N/cm左右），所以，主軸材料首先考慮用鋼料。鋼的彈性模量E的數(shù)值和鋼的種類和熱處理方式無關(guān)，即不論是普通鋼或合金鋼，其彈性模量E基本相同。因此在選擇鋼料時(shí)應(yīng)首先選用價(jià)格便宜的中碳鋼（如45鋼），只有在載荷特別重和有較大的沖擊時(shí)，或者精密特殊主軸需要減少熱處理后的變形時(shí)，或者軸向移動(dòng)的主軸需要保證其耐磨性時(shí)，才考慮選用合金鋼。 當(dāng)主軸軸承采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸可不淬硬，但為了提高接觸剛度，防止敲碰損傷軸頸的配合表面，不少45鋼主軸軸頸仍進(jìn)行高頻淬火（HRC48～54）.有關(guān)45鋼主軸熱處理情況如下表5.2所列： 表5.2 使用滾動(dòng)軸承的45鋼主軸熱處理等參數(shù) 工 作 條 件 使 用 機(jī) 床 材 料 牌 號(hào) 熱 處 理 硬 度 常 用 代 用 輕中負(fù)載 車、鉆、銑、磨床主軸 45 50 調(diào)質(zhì) HB220～250 輕中負(fù)載局部要求高硬度 磨床的切割片軸 45 50 高頻淬火 HRC52～58 輕中負(fù)載PV≤40（N·m/cm·s） 車、鉆、銑、磨床的主軸 45 50 淬火回火高頻淬火 HRC42～50 HRC52～58 此次設(shè)計(jì)的特殊主軸，考慮到主軸材料的選擇原則，選用價(jià)格便宜的中碳鋼（45鋼）。查表2-2中，因工作中承受輕、中負(fù)荷，且要求局部高硬度，故熱處理采用高頻淬火，HRC52～58。 5.5 主軸的技術(shù)要求 主軸的精度直接影響到主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度。主軸和軸承、齒輪等零件相連接處的表面幾何形狀誤差和表面粗糙度，關(guān)系到接觸剛度，零件接觸表面形狀愈準(zhǔn)確、表面粗糙度愈低，則受力后的接觸變形愈小，亦即接觸剛度愈高。因此，對(duì)主軸設(shè)計(jì)必須提出一定的技術(shù)要求。 （1）軸頸 此次設(shè)計(jì)的主軸，應(yīng)首先考慮軸頸。支承軸頸是主軸的工作基面、工藝基面和測量基面。主軸工作時(shí)，以軸頸作為工作基面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；加工主軸時(shí)，為了保證錐孔中心和軸頸中心同軸，一般都以軸頸作為工藝基面來最后精磨錐孔；在檢查主軸精度時(shí)，以軸頸作為測量基面來檢查各部分的同軸度和垂直度。采用滾動(dòng)軸承時(shí)，軸頸的精度必須與軸承的精度相適應(yīng)。軸頸的表面粗糙度和硬度，將影響其與滾動(dòng)軸承的配合質(zhì)量。 對(duì)于普通精度級(jí)特殊的主軸，其支承軸頸的尺寸精度為IT5，軸頸的幾何形狀允差（圓度、圓柱度等）通常應(yīng)小于直徑公差的1/4～1/2。 （2）內(nèi)錐孔 內(nèi)錐孔是安裝刀具或頂尖的定位基面。在檢驗(yàn)特殊精度時(shí)，它是代表主軸中心線的基準(zhǔn)，用來檢查主軸與其他部件的相互位置精度，如主軸與導(dǎo)軌的平行度等。由于刀具和頂尖要經(jīng)常裝拆，故內(nèi)錐孔必須耐磨。 錐孔與軸承軸頸的同軸度，一般以錐孔端部及其相距100～300毫米處對(duì)軸頸的徑向跳動(dòng)表示；其形狀誤差用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)錐著色檢查的接觸面積大小來檢驗(yàn)，此乃綜合指標(biāo)；還要求一定的表面粗糙度和硬度等。 5.6 主軸直徑的選擇 主軸直徑對(duì)主軸組件剛度的影響很大，直徑越大，主軸本身的變形和軸承變形引起