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分 類 號 密 級 寧XXXX學院 畢業(yè)設計(論文) XK7130數(shù)控銑床（設計） －工作臺及床身設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 誠 信 承 諾 我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《XK7130數(shù)控銑床（設計）－工作臺及床身設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 年 月 日 35 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文） 摘 要 本全面闡述了數(shù)控銑床的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數(shù)控銑床的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數(shù)。 其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。 關鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機，滾珠絲杠 Abstract Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter. In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on. Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒 論 7 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 7 1.2 數(shù)控銑床加工的基本原理 8 1.3 課題研究的目的和意義 9 第2章 設計的內(nèi)容及要求 10 2.1 設計題目 10 2.2 設計的內(nèi)容 10 2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 10 2.2.2 機械部分的設計 10 2.2.3 編寫設計說明書 11 第3章 工作臺總體方案的確定 11 3.1 機械傳動部件的選擇 11 3.1.1 導軌副的選用 11 3.1.2 絲杠螺母副的選用 11 3.1.3 減速裝置的選用 11 3.1.4 伺服電動機的選用 11 3.1.5 檢測裝置的選用 12 3.2 繪制總體方案圖 12 第4章 機械系統(tǒng)的設計計算 12 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 12 4.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 13 4.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點 13 4.1.3 滾珠絲杠副的結構與調(diào)整 14 4.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預緊力的方法 15 4.1.5 滾珠絲杠的選型與計算 17 4.2 滾動直線導軌的選型與計算 21 4.3 傳動計算 22 4.4 步進電動機的計算及選型 23 4.4.1 步進電機的計算 23 4.4.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 24 4.4.3 步進電動機的初選 25 4.4.4 步進電動機的性能校核 25 第5章 銑床床身整體設計 26 5.1 床身設計應滿足的要求 26 5.2 床身材料的選擇及壁厚的設計 28 5.2.1 床身材料的選擇 28 5.2.2 壁厚的設計 29 5.2.3 機床床身的制造方法的選擇 30 5.2.4 鑄造床身強度校核 30 結 論 32 致 謝 33 參考文獻 34 第1章 緒 論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 數(shù)控NC階段（1952年-1970年） 早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經(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。 計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在） 到1970年，通用小型計算機業(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，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的“通用”兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件—運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。 　　到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。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構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。 　　到了1990年，PC機（個人計算機，國內(nèi)習慣稱微機）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)從此進入了基于PC的階段。 　　總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計算機；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算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實質(zhì)上已是指"計算機數(shù)控"了。 3.數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 (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，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 (2) 向高速化和高精度化發(fā)展 　　這是適應機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 　　隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 1.2 數(shù)控銑床加工的基本原理 數(shù)控控制（Numerical Control）是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種控制方法。 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，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。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術范圍所覆蓋的領域又：機械制造技術；微電子技術；信息處理加工傳輸技術；自動控制技術；伺服驅(qū)動技術；檢驗監(jiān)控技術；傳感技術；軟件技術等。數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證加工質(zhì)量及改善工人勞動強度等方面，都有突出的優(yōu)點；特別是在適應機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實現(xiàn)先進制造技術的關鍵。 數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技術委員會，對數(shù)控機床作了如下的定義：數(shù)控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。 數(shù)控銑床是發(fā)展最早的一種數(shù)控機床，以主軸位于垂直方向的立式銑床居多。銑床的主軸只作旋轉運動，工作臺帶動工件作縱，橫，垂直三個方向的進給運動，稱為升降臺式銑床。為了提高剛度，目前多采用主軸既作旋轉主運動，又隨主軸箱升降臺作垂直進給運動，工作臺只作縱橫2個方向的進給運動的不升降類型銑床。立式數(shù)控銑床加工平面凸輪零件，只需要工作臺沿橫縱2個坐標協(xié)調(diào)運動，即可以同時到達平面曲面的某一點這種加工軌跡的控制，稱為兩坐標聯(lián)動控制（兩軸聯(lián)動）。當加工圓錐臺零件時，依靠工作臺縱橫兩坐標協(xié)調(diào)運動完成圓周加工，加工完一圈后，再沿錐臺高度方向提升一個高度，接著改變圓的直徑（X,Y的合成值）加工另一圓周，如此下去，直至加工出整個錐臺，這稱為兩軸半控制。如果在圓錐上加工一條螺旋槽曲線，則要求3個坐標進給每時每刻都必須協(xié)調(diào)運動，即同時到達空間的某一點，這稱為三坐標聯(lián)動控制即三軸聯(lián)動。三軸聯(lián)動即可加工復雜的空間曲面。從機床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標數(shù)量來看，目前3坐標數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進行3坐標聯(lián)動加工，但也有部分機床只能進行3坐標中的任意兩坐標聯(lián)動加工。此外，還有機床主軸可以繞X、Y、Z坐標軸中其中一個或兩個軸作數(shù)控擺角運動的4坐標和5坐標數(shù)控立式銑床。一般來說，機床控制的坐標軸越多，特別是要求聯(lián)動的坐標軸越多，機床的功能、加工范圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結構更復雜，對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程難度更大，設備的價格也更高。數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉盤、采用自動交換臺、增加靠模裝置等來擴大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對象，進一步提高生產(chǎn)效率。 1.3 課題研究的目的和意義 我國近幾年數(shù)控銑床工作臺雖然發(fā)展較快，但與國際先進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，應變能力差。 針對傳統(tǒng)數(shù)控銑床工作臺的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，有必要在傳統(tǒng)機床的基礎上研究出新型數(shù)控銑床工作臺。通過對傳統(tǒng)銑床手動的進給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新設計，加入新技術，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強度及工作量。 數(shù)控銑床工作臺的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢是：在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型工作臺；在性能上將研制以鋼為材料的工作臺，大幅度提高工作臺的承載能力；在形式上繼續(xù)研制多軸并聯(lián)，甚至于五軸并聯(lián)的工作臺。 綜上所訴，數(shù)控工作臺的開發(fā)和設計具有很高研究的意義.本課題采用類似的機床結構設計成果的方法，進行數(shù)控銑床工作臺的設計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更好的工業(yè)生產(chǎn)自動化。 本課題對數(shù)控銑床工作臺部件進行了設計，研究數(shù)控銑床的結構，主要部件及典型零件的設計方法，其意義如下： 1、通過對數(shù)控機床的結構設計和研究掌握機構設計的一般步驟和方法； 2、通過對課題的研究，了解國內(nèi)外有關數(shù)控機床的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢； 3、通過畢業(yè)設計培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問題和解決問題的能力。 第2章 設計的內(nèi)容及要求 2.1 設計題目 已知條件： 2 最大銑刀直徑為32mm； 2 最大銑削寬度為16mm； 2 最大銑削深度為6mm； 2 加工材料為碳鋼； 2 工作臺加工范圍 300mm×900mm； 2 最大移動速度為3m/min 定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=20000h，中等沖擊 2.2 設計的內(nèi)容 2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.2.2 機械部分的設計 (1).確定脈沖當量； (2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算； (3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用； (4).確定伺服電機； (5).繪制機械結構裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計算； (7).系統(tǒng)精度分析。 2.2.3 編寫設計說明書 (1) 說明書是設計的總結性技術文件，應敘述整個設計的內(nèi)容，包括提方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，選用元器件參數(shù)的說明； (2)論文正文不少于10000字。 第3章 工作臺總體方案的確定 3.1 機械傳動部件的選擇 3.1.1 導軌副的選用 要設計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。 3.1.2 絲杠螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.001mm沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。 3.1.3 減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，考慮到傳動精度和緩和減速機工作時軸上的扭轉沖擊及減輕軸的扭轉振動，所以采用聯(lián)軸器。 3.1.4 伺服電動機的選用 任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。 3.1.5 檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。 3.2 繪制總體方案圖 總體方案圖如圖所示。 其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。 第4章 機械系統(tǒng)的設計計算 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 銑床工作臺的進給運動，由進電機的轉動，然后帶動車床絲杠傳動。在數(shù)控車床上的絲杠傳動，可以用普通的絲杠傳動，也還有應用滾珠絲杠來轉動。原因是普通絲杠傳動摩，但總是不太穩(wěn)定。 所以，在數(shù)控銑床上要擦系數(shù)大，效率低，傳動中有間隙。雖然傳動中的間隙可以用一些辦法來補償，修正采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠傳動有一系列的優(yōu)點，但制造工藝較為復雜，成本高，在某些應用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控車床的發(fā)展，它的使用將會更加廣泛。 滾珠絲杠傳動都使用防護罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進入。 滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進電機的轉動－角位移，變換成數(shù)控車床工作臺的的直線位移。 滾珠絲杠螺母副，也簡稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動機構，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機構。 4.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線的滾道,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠.當絲杠旋轉時,滾珠相對于螺母上的滾道滾動,因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來,在螺母的螺旋槽兩端應用擋住器擋住,并設有回路滾道是他的兩端連接起來.使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個回路滾道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進行不斷地滾動。 4.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點 滾珠絲杠副的優(yōu)點是:傳動效率高,因為它是滾動摩擦,傳動效率可達0.92~0.96,比普通的絲杠傳動提高3~4倍.由此帶來了一系列的優(yōu)點,如功率損耗小,傳動平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個特點,一是:一般的絲杠傳動總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當絲杠轉動反向時,可以沒有空程,提高了反向的定位精度,,也增強了傳動剛度.二是:一般的絲杠傳動只能使旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,而滾珠絲杠副由于傳動的摩擦系數(shù)小,所以既能把旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動,也可以從直線運動轉變?yōu)槁菪\動,具有傳動的可逆性,因此可以作為主動件,也可以作為從動件. 它也有缺點,主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復雜,成本也高.對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. 又由于傳動的可逆性,所以不能自鎖,當應用在垂直傳動裝置時,由于自重和慣性的關系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動裝置. 4.1.3 滾珠絲杠副的結構與調(diào)整 滾珠絲杠副的結構盡管在形式上有很多類型，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)整和加預緊力的方法等三個方面。 （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法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（）。 （a）單圓弧 (b) 雙圓弧 圖4-1 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。對于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負載大小而變化的，當軸向負載為零時，接觸角也為零；當負載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實驗證明：當接觸角增大時，傳動效率，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，反而對滾柱的滾動有利。從傳動效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過大制造就會困難。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)過程中與絲杠脫離接觸，通過外面的循環(huán)回路稱為外循環(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珠導入通向外圓螺旋槽中，構成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結構和制造較為簡單容易，因此應用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結構形式。 （2）內(nèi)循環(huán)方式 滾柱在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)（N系列），如圖所示。這種內(nèi)循環(huán)是在螺母外側孔中裝了一個接通相鄰滾道的反向器，借助這個反向器迫使?jié)L珠翻過絲杠的牙頂，而進入相鄰的滾道。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結構尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點，但制造困難，結構復雜，所以不及外循環(huán)方式應用的廣泛。 圖4-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖4-3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠 4.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預緊力的方法 對于滾珠絲杠副，除了單一方向的進給傳動精度有一定的要求外，對它的軸向間隙也有嚴格的要求，以保證反向傳動的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當困難的。通常采用雙螺母，并加預緊力的方法來消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預緊力調(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絲杠和螺母的連接精度來保證。 雙螺母加預緊力消除軸向間隙必須注意兩點，一是：通過預緊后產(chǎn)生的力，可促使預拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預緊力不能太大，否則會使驅(qū)動力矩增大，傳動效率反而降低，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)動部分的軸向間隙，應同時調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預緊力調(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，以達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的目的。 這種結構特點是結構簡單，可靠，裝拆方便。但缺點是調(diào)整很費時，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因為要更換不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機構中使用。 （2）螺紋調(diào)隙式 如圖所示為螺紋調(diào)隙式。它是一個螺母的外端有凸緣，而另一個螺母的外端沒有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。 這種結構的特點是結構緊湊，調(diào)整方便，所以應用廣泛，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 齒差調(diào)隙式 如圖所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個齒，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，轉動圓柱齒輪2，在兩個滾柱螺母相對于滾筒5轉動時，可以使兩個螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對移動是兩個螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個相反的側面上。消除間隙并產(chǎn)生預緊力后，把內(nèi)齒圓3套上用定位銷4固定。 這種結構的特點是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結構復雜，僅在高精度的數(shù)控機床有所應用。 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 4.1.5 滾珠絲杠的選型與計算 由技術要求, ,絲杠工作長度L=600mm, 工作壽命,傳動精度要求 （1）求計算載荷 由條件,查《機電一體化系統(tǒng)設計》表2-6取=1.2, 查表2-6取=1.0, 表2-4取D精度, 查表2-6取=1.0,為平均工作載荷，更具已知條件估計工作載荷為1500N. （2）計算額定動載荷計算值Ca`由式(2-4) 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm,則此時絲杠轉速n=v/Ph=80r/min。 （5）根據(jù)選擇滾珠絲杠副 假設選用FC1型號,按滾珠絲杠的額定動載荷Ca 等于或稍大于的原則,查表2-9選FC1-2005-2.5以下型號規(guī)格 表4-1 FC1型號滾珠絲杠參數(shù) 額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量 導軌重量 導軌長度 動載荷 靜載荷 L (mm) 8630 18241 198 198 288 0.60 3.1 780 滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復次數(shù) M 4 0.6 4 導軌的額定動載荷滿足要求 公稱直徑 導程 螺旋角 滾珠直徑 按表2-1中尺寸計算 滾道半徑 R=0..52=0.523.175=1.651mm 偏心距 絲杠內(nèi)徑 表4-2 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結果 螺紋滾道 公稱直徑 10 螺距 接觸角 鋼球直徑 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 螺桿 螺桿外徑 螺桿內(nèi)徑 螺桿接觸直徑 螺母 螺母螺紋外徑 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） (4)穩(wěn)定性驗算 〈1〉由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn),所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù) 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 其中 E=206Gpa L=0.6m 取 則 安全系數(shù) 查表2-10 [S]=2.5-3.3 S>[S] 絲杠是安全的,不會失穩(wěn) 〈2〉高速長絲杠工作時可能發(fā)生共振,因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速----臨界轉速,要求絲杠的最大轉速 式中，為臨界轉速系數(shù)，見表2-10。本題，，則 所以絲杠不會發(fā)生共振 〈3〉此外滾珠絲杠副還受值的限制,通常要求 所以該絲杠副工作平穩(wěn)。 (5)剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量為 式中,A為絲杠截面積,A=為絲杠的極慣性矩,G為絲杠切變模量,對鋼G=83.3GP a;T()為轉矩. 式中, 為摩擦角,其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù); 為平均工作載荷.取摩擦系數(shù)為 ,則得 按最不利的情況取(F=) 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2,即 該絲杠的滿足上式,所以其剛度可滿足要求. (6)效率驗算 要求在90%---95%之間,所以該絲杠副合格. 經(jīng)上述計算驗證,FC1-2005-2.5各項性能均符合題目要求,可選用. 4.2 滾動直線導軌的選型與計算 (1)Y方向?qū)к? 由所給條件得,該導軌的額定工作時間為 由 得 因滑座數(shù)M=4,所以每根導軌上使用2個滑座,由表2-15----2-18確定 則由式2-9, 得 （2）X方向?qū)к? 由所給條件得,該導軌的額定工作時間為 由 得 因滑座數(shù)M=4,所以每根導軌上使用2個滑座,由表2-15----2-18確定 則由式2-9, 得 選用漢江機床廠的HJG-D系列滾動直線導軌,查表2-13,其中HJG-D25型號的導軌的Ca值為17500,能滿足20000小時的使用要求. 4.3 傳動計算 選擇脈沖當量當量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm。初選步進電動機的步距角為=0.72°，根據(jù)公式i=可求得傳動比的值。代入數(shù)據(jù)得i=＝1. 固機構不用減速箱，通過聯(lián)軸器直連。 4.4 步進電動機的計算及選型 4.4.1 步進電機的計算 （1）已知絲杠公稱直徑d=25mm,絲杠長為，得L=756mm，則杠的轉動慣量公式可求得。公式為Ｊ＝0.77ＤＬＸ10。 Ｊ——慣量，kg.m.; Ｄ——圓柱體直徑，mm; Ｌ——圓柱體長度，mm. 其中Ｄ＝20mm,L=756mm，將數(shù)據(jù)代入公式可得將數(shù)據(jù)代入公式可得Ｊ＝ （2）工作臺、工件折算到電機軸上的轉動慣量　　 公式為Ｊ＝（）ＭＸ10 （kg.m） Ｊ——慣量，kg.m.; Ｓ——絲杠的導程，mm； Ｍ——工作臺（包括工件）的質(zhì)量，kg。 其中Ｓ＝5mm，Ｍ＝800/9.8=81.6kg 則Ｊ＝（）Ｘ81.6Ｘ10＝5.1Ｘ10 kg.m （3）電動機的轉子慣量 由所選的電動機的具體參數(shù)可查得Ｊ＝115Ｘ10 kg.m （４）聯(lián)軸器慣量Ｊ 采用凸緣聯(lián)軸器，型號為ＹＬ3,查表可得轉動慣量為kg.m 則加在電動機軸的總轉動慣量為絲杠的轉動慣量、工作臺、工件折算到電機軸上的轉動慣量、電動機的轉子慣量和聯(lián)軸器慣量Ｊ之和。 Ｊ＝Ｊ+Ｊ+Ｊ+Ｊ ＝1.844Ｘ10+5.1Ｘ10+17.64Ｘ10+ ＝ 4.4.2 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算 （1）快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩Ｍ——Ｍ包括三部分,一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩M；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩M；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩M。即Ｍ＝M+ M+ M。 三公式如下： M=n　 Ｊ——折算到電動機軸上總慣量， Ｔ——系統(tǒng)時間常數(shù)，Ｓ N——電動機轉速，r/min,當n=n時計算Ｍ，n=n時計算Ｍ n——切削時的轉速，r/min M=Ｘ10 Ｆ——導軌摩擦力，Ｎ Ｓ——絲杠螺距，mm i----齒輪降速比 ——傳動鏈總效率，一般＝0.70—0.85 　　　M＝（1-）Ｘ10 Ｆ——最大軸向載荷，Ｎ ——滾珠絲杠示預緊時的效率，一般0.90 　將數(shù)據(jù)代入以上公式，可求得M＝0.1164, M=0.0082, M=0.041,則快速空載啟動時所需力矩Ｍ＝0.1656. （2）承受最大負載轉矩Ｍ 　　　最大切削負載時電動機所需力矩Ｍ＝Ｍ+ M+ M+Ｍ Ｍ＝，Ｍ＝Ｘ10 Ｆ——進給方向的最大切削力，Ｎ 　代入數(shù)據(jù)可得Ｍ＝＝0.01885, Ｍ＝Ｘ10＝0.419, Ｍ＝Ｍ+ M+ M+Ｍ＝0.44585 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為Ｍ＝max{ ?。?Ｍ}=0.44585 4.4.3 步進電動機的初選 　　　考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)Ｍ來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。?。耍?,則步進電動機的最以靜轉矩應滿足Ｍ4Ｍ＝4Ｘ0.44585＝1.7534 初選電動機的型號為90YBG006，查得該型號電動機的最大靜轉矩Ｍ＝2.156>1.7534,可見該電動機可滿足要求。 4.4.4 步進電動機的性能校核 （1）最快工進速度時電動機時電動機的輸出轉矩校核　　 　　　該工作臺的最快工進速度Ｖ＝400mm/nin, =0.01mm/脈沖,由公式f=求得電動機運行的最高頻率。代入數(shù)據(jù)得f＝＝＝667從90BF006電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，滿足要求。 （2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 空載Ｖ＝3000mm/nin,其運行頻率＝3000/(60X0.01)=5000 (3)最快空載移動時電機運行頻率校核 　?。?000，由電動機的表可以知道，其空載運行頻率可達30000,該電動機滿足要求。 （4）起動頻率計算 　　已知電動機轉軸上的總轉動慣量Ｊ＝29.5×10 kg.m 電動機轉子的轉動慣量Ｊ＝17.64×10 kg.m，而由電動機的表上可以查到電動機轉軸不帶舒適負載時的空載起動頻率＝2400,則步進電動機克服慣性負載的啟動頻率為： 要想保證電動機啟動是不失步，任何時候的啟動頻率都必須小于. （5）慣量匹配驗算 電動機軸上的總當量負載轉矩慣量與電機軸自身轉動慣量的比值應該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應太大，也不應太小，也就是說伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于負載特性，由于工作條件的變化，而引起的負載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導致系統(tǒng)動態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大的變化，使伺服系統(tǒng)綜合性變差，或給控制系統(tǒng)設計造成困難。如果比值太小，說明電動機選擇或傳動比設計不太合理，經(jīng)濟性較差，為使系統(tǒng)慣量達到較合理的匹配，應該使兩值控制在1/4——1之間。 ,可見，慣量匹配符合要求。 第5章 銑床床身整體設計 5.1 床身設計應滿足的要求 床身作為一個支撐件，是機床的基礎構件。因為比較大，所以也稱為“大件”。在切削時，刀具與工件之間互相作用的力大部分作用在床身上并使之變形。機床的動態(tài)力使床身和整體震動。床身的熱變形會改變執(zhí)行器件的相對位置和運動軌跡。這些，都將影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，床身是機床十分重要的構件。 因此在床身設計中，對其要求如下： 1：應具有足夠的剛度和較高的剛度重量比。后者在很大程度上反映了設計的合理性。 2：應具有較好的動態(tài)特性。這包括較大的位移阻力和阻尼；與其它部件相配合，使整機的各階固有頻率不致與既激振頻率相重合而產(chǎn)生共振，不會發(fā)生薄壁震動而產(chǎn)生噪音等. 3:床身應設計的使整機的熱變形較小. 4:應該排屑暢通,吊運安全,并具有良好的工藝性以便于制造和裝配. 床身的性能對整機床的性能有不小的影響,床身的重量又往往占機床很大部分.因此,應該正確地進行床身的結構設計,并對主要的構件進行必要的驗算和試驗.使支撐件能滿足對它的基本要求,并在這個前提下節(jié)約材料. 由此可知，床身的設計步驟,應該是首先是根據(jù)其使用要求進行受力分析.再根據(jù)所受的力和其他要求,并參考現(xiàn)有機床同類構件初步?jīng)Q定其形狀和尺寸.然后,可以用有限元法借助電子計算機進行驗算或進行模型試驗,求得其靜態(tài)和動態(tài)特性,并據(jù)此對設計進行修改或?qū)讉€方案進行比較,選擇最佳方案. 受力分析 初步?jīng)Q定其形狀和尺寸 進行驗算或進行模型試驗 進行修改 選擇最佳方案 圖5-1 床身的設計步驟 這樣,在設計階段就可以預測床身的性能,以避免盲目性,提高一次成功率. 床身受力分析 床身是機床的一個重要組成部分.分析床身的受力必須首先分析機床的受力. 機床根據(jù)其所受外載荷的特點,可分為三大類.如下表所示： 表1-1 機床受外載荷情況分類 這類機床工件較重,切屑力較大,移動件的重量也較大.因此,載荷必須同時考慮工件重力,切屑力和移動的重力 這類機床以精細加工為主 這類機床的外載荷以切屑為主.工件的重量,移動部件的重量等相對較小,在受力和變形分析時可忽略不計.中型普通機床,銑床,立式鉆床,搖臂鉆都屬于這一類 大型機床 精密、高精密機床 中小型普通機床 這類機床工件較重,切屑力較大,移動件的重量也較大.因此,載荷必須同時考慮工件重力,切屑力和移動的重力 這類機床以精細加工為主 這類機床的外載荷以切屑為主.工件的重量,移動部件的重量等相對較小,在受力和變形分析時可忽略不計.中型普通機床,銑床,立式鉆床,搖臂鉆都屬于這一類 大型機床 精密、高精密機床 中小型普通機床 由此可知，對于X7130銑床，屬于中小型普通機床的受力方式，即X7130銑床的外載荷以切屑為主。工件的重量，移動部件的重量等相對較小，在受力分析和變形分析時可忽略不計。 5.2 床身材料的選擇及壁厚的設計 5.2.1 床身材料的選擇 作為X7130銑床的重要部件，銑床工作時的大部分力都作用在床身上，因此床身的材料選擇非常重要，選擇合理，不但能滿足設計要求，而且能節(jié)約材料，降低成本，減輕自身重量。 表1-2 常用鑄造金屬材料的鑄造性和結構性特點 類 別 性能特點 結構特點 灰鑄鐵件 流動性好，體收縮和線收縮性小。綜合力學性能低，抗壓強度比抗拉強度高3—4倍。吸振性好。彈性模量低。 形狀可以復雜，結構允許不對稱，有箱體形、筒形等。用于發(fā)動機的汽缸體、筒套、各種機床床身、底版、平板、平臺等。 球 墨 鑄 鐵件 流動性與灰鑄鐵相近；體收縮比灰鑄鐵大，而線收縮小，易形成縮孔、疏松。綜合力學性能高；抗磨性好；沖擊韌性、疲勞強度較好。消振能力比灰鑄鐵低 一般多設計成均勻壁厚；對于厚大斷面件，可采用空心結構，如球墨鑄鐵曲軸軸頸部分。 可 鑄 鐵 件 流動性比灰鑄鐵差，體收縮很大，退火前，很脆，毛坯易損壞。綜合力學性能稍次于球墨鑄鐵，沖擊韌性比灰鑄鐵大3—4倍 由于鑄態(tài)要求白口，一般薄壁均勻件，常用厚度為5-16㎜。為了增加其剛性，截面形狀多加工成工字形或箱形，避免十字截面；零件突出部分應用肋條加固。 鑄 鋼 件 流動性差，體收縮、線收縮和裂紋敏感性都較大。綜合力學性能高；抗拉強度與抗壓強度幾乎相同，吸振性差。 結構應具有最少的熱節(jié)點，并創(chuàng)造順序凝固的條件。相鄰壁的連接和過度更應圓滑；鑄件截面應采用箱行和槽形等近似封閉狀的結構；一些水平壁應改成斜壁或波浪形；整體改成帶窗口的壁，窗口形狀最好為橢圓形或圓形，窗口邊緣須作出凸臺，以減少產(chǎn)生裂紋的可能 對于X7130銑床，床身作為支撐件，形狀復雜，并承受銑床的打不部分力，并且在工作時，床身震動較為嚴重。 結合以上分析，灰鑄鐵件吸震性好，并能達到強度要求，且鑄造容易，經(jīng)濟性好，因此確認灰鑄鐵為X7130銑床床身的材料。 5.2.2 壁厚的設計 通過以上分析，由于XK7130銑床床身要進行砂模鑄造，查閱資料可知，其外壁可由當量尺寸C來確定。 C= （公式1-1） (式中，L、B、H——床身的長、寬、高。) 將L=0.7 B=0.62 H=1.3 代入 得C=1.1 由下表可得床身壁厚為10mm. 表1-3 床身壁厚計算當量尺寸對照表 當量尺寸C 0.75 1.0 1.5 1.8 2.0 2.5 3 3.5 4.5 壁厚（mm） 8 10 12 14 16 18 20 22 25 5.2.3 機床床身的制造方法的選擇 由于XK7130銑床床身的材料選用鑄鐵，適于進行鑄造，而且鑄造生產(chǎn)成本低，鑄造工藝靈活性大，幾乎不受零件大小、形狀、重量、結構復雜程度的限制，所以床身用鑄造方式制造出來。 鑄造方法可分為砂型鑄造和特種鑄造兩種，X7130銑床床身的鑄造屬于基本零件的鑄造，可采用砂型鑄造，主要原因是砂型鑄造較之其它鑄造方法成本低、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)周期短。 5.2.4 鑄造床身強度校核 在床身設計中，床身強度是一個重要的限制因素，因此必須進行床身強度的校核。 機床可大體分為四部分，一是懸梁，二是升降臺，三是床體，四是底座?？蓪⑵浜喕芰δＰ徒ㄔ烊缦拢? 圖1-7 X7130銑床受力模型 圖1-8 X7130銑床底座簡化結構 由簡化受力模型可知，底座受力面積為： S=675×750-651×726=33624mm2 查閱資料可知，機床整體的重量約為2850 kg,加工零件重量不大于2000 kg。 即M=M1+M2+M3+2000<=5000 kg 因此載重可近似按5000kg計算。 所以δ=F/S=5000×10/33624=1.49 N/mm2 查閱資料可知，HT150的抗拉強度為δb=150N/mm2 由此可知，安全系數(shù)最大可以取得100，因此床體強度符合計算要求。 結 論 在這幾個月的畢業(yè)設計的過程中，我認真分析了指導老師提供的基本設計數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書和期刊資料；對現(xiàn)在我國的數(shù)控工作臺總體趨勢進行分析，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計的基本方案，然后設計出了具體的方案。 伺服系統(tǒng)采用了步進電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。在設計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設計的成本較高。 致 謝 首先，要感謝我的畢業(yè)設計指導XX老師。在畢業(yè)設計中，給了我許多指導性的建議和改進方法，使我在設計過程中少走彎路，在生活上也給與了一定的關心和支持。其次，也要感謝XX老師，他對我的設計提出了許多改進的建議，并且對我的設計方案，圖形繪制等提出了許多寶貴的建議。對我的方案改進和圖形的修改有了非常大的幫助。 我也非常感謝我的父母，是他們在生活上和學習上給我關心和幫助，讓我能全身心的投入到學習中。 再次，也非常感謝學校能給我這次機會來進行我的畢業(yè)設計，讓我把書本上的知識運用的實踐中去，讓我深刻的體會到了“學以致用”的道理。讓我在實踐中豐富和充實了自己。 最后，要感謝所有曾經(jīng)幫助我的同學，我的舍友，使他們的鼓勵和幫助，讓我的設計圓滿結束。 這次畢業(yè)設計不僅給我?guī)砹酥R上的收獲，在做人方面也教會了我許多許多，在對待事情方面，尤其是有選擇的時候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時候做，我明白了好多。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 參考文獻 [1] 華楚生.機械制造技術基礎[M].重慶：重慶大學出版社，2003. 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