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沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
沈陽理工大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
平板流延機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
V
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對平板流延機(jī)的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:水平方向絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、豎直方向絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、流延頭傳動(dòng)設(shè)計(jì)、真空卡盤真空夾具的設(shè)計(jì)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對設(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)，設(shè)計(jì)流延機(jī)面積在300x300mm平板流延機(jī)。平板流延機(jī)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) 平板流延機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2) 平板流延機(jī)工作性能分析。
(3)電動(dòng)機(jī)的選擇。
(4) 平板流延機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行部件設(shè)計(jì)。
(5)對設(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：平板流延機(jī)， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is the design of slab casting machine. Here mainly includes: the horizontal screw drive system design, the vertical screw drive system design, casting head transmission design, vacuum chuck vacuum fixture design. The 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, which drives the motion, design of casting machine in the area of 300X300mm slab casting machine. Slab casting machine but also show its superiority, there are broad prospects for the development.
The research of this thesis:
(1) the overall structure design of slab casting machine.
(2) analysis of slab casting machine performance.
(3) the choice of motor.
(4) the design of transmission system, executive components of plate casting machine.
(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: slab casting machine, coupling, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
1 緒論 1
1.1 流延機(jī)的歷史及現(xiàn)狀 1
1.2 我國流延機(jī)的特點(diǎn) 2
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 3
2 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 4
2.2 設(shè)計(jì)方案 4
3 水平方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 6
3.1 滾珠絲桿副的設(shè)計(jì) 6
3.2 滾珠絲杠選擇 7
3.3 滾珠絲杠支承選擇 9
3.4 滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 10
3.5 伺服電機(jī)選擇 11
3.6 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 18
4 豎直方向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 21
4.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21
4.1.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 21
4.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 21
4.1.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 22
4.2 豎直滾珠絲杠副計(jì)算與選擇 22
4.3 豎直進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 27
4.4 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 30
4.5 聯(lián)軸器的選擇 32
5 流延頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 33
5.1 電機(jī)的選取 33
5.2 軸的設(shè)計(jì) 35
5.3 軸的校核 36
5.4 鍵的校核 37
5.5 軸承的校核 38
6 真空夾具設(shè)計(jì) 40
6.1 總體方案 40
6.2 設(shè)計(jì)過程 41
結(jié)論 44
致 謝 45
參考文獻(xiàn) 46
1 緒論
1.1 流延機(jī)的歷史及現(xiàn)狀
(1)初級階段 我國從80年代中期開始引進(jìn)國外的流延機(jī)，多數(shù)為單層結(jié)構(gòu).
(2)發(fā)展階段：
進(jìn)入90年代后，我國從德國、日本、意大利、奧地利等國引進(jìn)了多層共擠流延機(jī)生產(chǎn)線。我國引進(jìn)的流延機(jī)裝置，最小產(chǎn)能為500t/a，最大產(chǎn)能為6500t/a。引進(jìn)的主要設(shè)備廠家為德國Reifenhauser、Barmag、Battenfeld公司，奧地利Lenzing公司，日本三菱重工公司、意大利Colines、Dolci公司等。同時(shí)，國內(nèi)部分設(shè)備生產(chǎn)廠商研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)線，但這時(shí)期的國產(chǎn)設(shè)備主要是單層的小生產(chǎn)線，不管在設(shè)備的機(jī)械性能，還是在產(chǎn)能方面，都無法與進(jìn)口設(shè)備相比。
(3)成熟階段：
進(jìn)入21世紀(jì)在流延機(jī)市場需求推動(dòng)下，國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)設(shè)備取得了長足進(jìn)展，國產(chǎn)流延設(shè)備國際競爭力日益增強(qiáng)。例如，廣東仕誠塑料機(jī)械公司生產(chǎn)的寬幅為2500mm、3000mm的多層流延機(jī)生產(chǎn)線都已批量生產(chǎn)，部分技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。而該公司推出的5000mm的高精密超寬多層流延機(jī)生產(chǎn)線，則標(biāo)志著國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展的成熟階段。
我國流延機(jī)的發(fā)展
2004年是我國流延機(jī)迅速發(fā)展的一年。有數(shù)字為證：去年我國流延機(jī)市場需求增加到約27萬噸。在此刺激下，去年流延機(jī)的全國產(chǎn)量同比增長18％。今后幾年內(nèi)估計(jì)每年需求增長約4-5萬噸（即2005年30萬噸、2006年35萬、2006年40萬噸、2008年45萬噸）。以上數(shù)據(jù)表明，雖然今后幾年隨著我國宏觀調(diào)控，中國GDP增長短期內(nèi)有所放緩，但流延機(jī)仍屬于朝陽工業(yè)，年市場需求仍可保持12-17%的快速增長。
但現(xiàn)階段全行業(yè)光進(jìn)口流延機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力已經(jīng)達(dá)到20萬噸以上。預(yù)計(jì)到2005年末，流延機(jī)廠家將繼續(xù)增加，生產(chǎn)能力會(huì)有突破性增長，年生產(chǎn)能力將達(dá)到40萬噸左右 在此基礎(chǔ)上，有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，隨著我國流延機(jī)新建和在建項(xiàng)目的紛紛投產(chǎn)，2005年流延機(jī)的產(chǎn)能將有可能出現(xiàn)暫時(shí)性的過剩，那么新一輪的價(jià)格戰(zhàn)則勢在必行。如果這一預(yù)測成真，那么流延機(jī)加工企業(yè)避免市場惡性競爭的辦法，除了走自主創(chuàng)新之路，開發(fā)差異化、專用化產(chǎn)品外，還有個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是合理選擇設(shè)備及其供應(yīng)商。
據(jù)國家海關(guān)總署數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從國外引進(jìn)一條5層共擠設(shè)備約需資金5800萬元，總投資在8000萬元左右。若沒有市場作支撐，或市場發(fā)生變化，勢必造成巨大的投資損失。而同類型的國產(chǎn)設(shè)備投資只有進(jìn)口線的1／8左右，而且各項(xiàng)性能也不比進(jìn)口的差。而且，國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)（例如廣東仕誠公司）提出的“無縫銜接”式的售前、售中、售后服務(wù)。這些都值得流延機(jī)加工企業(yè)考慮。投資大的設(shè)備未必是最明智的投資，只有投入產(chǎn)出比相宜，在盡可能短期內(nèi)能夠得到良好的投資回報(bào)率，這才是最明知智的投資。
1.2 我國流延機(jī)的特點(diǎn)
1）國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)線按薄膜寬可分為：2500mm、3000mm、3500mm、5000mm，以擠出機(jī)的配置可分為：三層、五層、七層。
2）國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)線主要由擠出部分、流延部分、電暈部分、收卷部分、電控部分等五個(gè)部份組成。其中模具部分和擠出部分，可根據(jù)客戶的要求進(jìn)行自由組合，因而最大限度地滿足廣大客戶（市場）的不同需求。
3）除此之外，國產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)上，也緊隨國際先進(jìn)水平，例如：
A、獨(dú)特的背后裝置的設(shè)計(jì)，可自由調(diào)節(jié)擠出機(jī)的壓力。
B、獨(dú)特的螺桿流道的設(shè)計(jì)，可以適用不同的材料，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。
C、輥筒的流道設(shè)計(jì)，冷卻效果更好、產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定，產(chǎn)量更高。
D、國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)線線速度已達(dá)到160m／min--250m／min的水平。
4）國產(chǎn)流延機(jī)生產(chǎn)線與進(jìn)口設(shè)備相比，同樣具有高速、性能穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能等特點(diǎn)。其中產(chǎn)品厚度為0.017mm-0.08mm(國際標(biāo)準(zhǔn)以0.025mm計(jì)算)。
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)數(shù)控平板流延機(jī)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮數(shù)控平板流延機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及數(shù)控平板流延機(jī)的推廣應(yīng)用，分析確定使用數(shù)控平板流延機(jī)配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的。
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)境要求和數(shù)控平板流延機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定數(shù)控平板流延機(jī)整體設(shè)計(jì)方案。
2 確定數(shù)控平板流延機(jī)的性能參數(shù)，對初步模型進(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)，完成數(shù)控平板流延機(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，提出三維數(shù)控平板流延機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成三維數(shù)控平板流延機(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 完成三維數(shù)控平板流延機(jī)結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制三維數(shù)控平板流延機(jī)結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
44
2 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求
設(shè)計(jì)一臺流延面積在300x300mm，平板流延機(jī)。要求繪制總裝圖、典型部件和零件圖，圖量為4-5張零號圖。
要求:1總體裝配圖和典型部件圖等,共計(jì)圖紙4-5張;
2 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書1份,滿足設(shè)計(jì)大綱規(guī)范,頁數(shù)在45～65頁;
3 翻譯外文文獻(xiàn)一篇.內(nèi)容和字?jǐn)?shù)滿足設(shè)計(jì)大綱要求;
4 寫開題報(bào)告1 份.
2.2 設(shè)計(jì)方案
數(shù)控平板流延機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下幾個(gè)條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性，為了使工件與點(diǎn)保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)要求的點(diǎn)，去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度，除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到槍在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。
水平方向電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
豎直方向 電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
圖2-1 平板流延機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖
3 水平方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1 滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)
在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中,滾珠絲杠副的作用是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),用較小的轉(zhuǎn)矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動(dòng)是一種應(yīng)用較廣的機(jī)構(gòu),尤其是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的各種機(jī)構(gòu)中,滾珠絲杠副的傳動(dòng)是最簡單、經(jīng)濟(jì)而又可靠的。所以滾珠絲杠副的選擇對整個(gè)機(jī)床的制造起著不可忽視的作用。滾珠絲杠副的精度是影響機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機(jī)床的設(shè)計(jì)中更合理的選用滾珠絲杠副,使其充分發(fā)揮效能,必須進(jìn)行一系列的計(jì)算。
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。
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;
C、根據(jù)具體工作要求，對于結(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。
D、根據(jù)所選的型號,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,再作上述計(jì)算和驗(yàn)算,直至滿足要求為止。
根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計(jì)算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
從產(chǎn)品目錄中查得伺服電動(dòng)的最高轉(zhuǎn)速為或。取伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接，即。工作臺快速進(jìn)給的最高速度要求達(dá)到。取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速也為?；窘z杠導(dǎo)程公式如下：
(3.1)
根據(jù)精度要求，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量可定為mm/脈沖。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)由以下公式可知：
(3.2)
3.2 滾珠絲杠選擇
3.2.1 滾珠絲杠精度
由于本系統(tǒng)要求達(dá)到±0.015 mm的定位精度，根據(jù)此要求查閱滾珠絲杠樣本，對于1級（P1）精度絲杠，任意300mm內(nèi)導(dǎo)程允差為0.006mm，2級（P2）精度絲杠的導(dǎo)程允差為0.008mm。初步設(shè)計(jì)時(shí)先設(shè)計(jì)絲杠的任意300mm行程內(nèi)的行程變動(dòng)量為定位精度的1/3～1/2，即0.004～0.006，因此，取滾珠絲杠精度為P1級，即為1級精度絲杠。
3.2.2 滾珠絲杠選擇
滾珠絲杠的名義直徑、滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷選擇。
絲杠的最大載荷為切削力的最大進(jìn)給力加摩擦力；最小載荷即摩擦力。已知最大進(jìn)給力，工作臺加工件與真空夾具的重力為2800N，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
(3.3)
絲杠最大載荷
(3.4)
平均載荷
(3.5)
絲杠最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作臺最小進(jìn)給速度為1mm/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min,可取為0，則平均轉(zhuǎn)速。絲杠使用命取，，，故絲杠工作壽命由公式可知：
(3.6)
式中 —工作壽命，以為一個(gè)單位；
—絲杠轉(zhuǎn)速，；
—絲杠的使用壽命，對數(shù)控機(jī)床可取，本題選取。
代入公式可得絲杠的當(dāng)量動(dòng)載荷為
(3.7)
式中 —精度響影系數(shù)，對于1、2、3級精度的滾珠絲杠取，對于4、5級精度滾珠絲杠取，本題??；
—載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1~1.2一般情況取1.2~1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5~2.5，本題取。
查滾珠絲杠樣本中與相近的額定動(dòng)載荷，使得選擇＜，然后由此確定滾珠絲杠副的型號和尺寸。查滾珠絲杠產(chǎn)品中樣本，選擇FFZ4010型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副。其名義直徑為40mm，導(dǎo)程為10mm，每個(gè)螺母滾珠有5列。額定動(dòng)載荷，＜，符合設(shè)計(jì)要求。軸向剛度。預(yù)緊力。只要軸向載荷值不達(dá)到或超過預(yù)緊力的3倍，就不必對預(yù)緊力提出額外的要求。本題中絲杠最大載荷為3.445kN，遠(yuǎn)小于。
3.3 滾珠絲杠支承選擇
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如圖4－2所示的軸向固定方式。為兩端固定方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度的絲杠，這種配置方式可對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。
圖3-1 滾珠絲杠的支承配置
滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下2類。
1） 接觸角為的角接觸球軸承
這是目前國內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可組配置。圖書4－3b）為1對背靠背組合方式，圖4-3c)為一對面對面方式。這兩種方式可承受雙向軸向推力。圖3－3d)為一同向組合方式，其承受能力較高，但只承受1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)軸承的乘下列數(shù)：2個(gè)為1.63；3 個(gè)為2.16；4個(gè)為2.64.圖4－3e)為1對同向與左邊1個(gè)面對面組合方式。用上述方法還能派生出三聯(lián)、四聯(lián)等多種組合方式。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對面組合方式時(shí)兩接觸與軸線交點(diǎn)間的距離比背對背的小，故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對面組合用得較多。
2） 滾珠—推力圓柱滾子組合軸承（圖4－3f）
外圈3與箱體固定不轉(zhuǎn)，只圈1、5和隔套內(nèi)圈6隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾針7承受徑向載荷，圓柱滾子（或球）2和4分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷，修磨隔套內(nèi)圈6的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。
圖3-2 滾珠絲杠用軸承
上述2類軸承中，角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中，小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。經(jīng)過分析在此設(shè)計(jì)中本傳動(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)形式如圖4－3所示。固定端采用1對接觸球軸承面對面組配，以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。簡支端支承采用深溝球軸承，只承受絲杠的重力。同時(shí)滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。
3.4 滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊
珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置。
滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較??；當(dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母不會(huì)立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠螺母副必須消除間隙，并施加預(yù)緊力，以保證絲杠、滾珠和螺母之間沒有間隙，提高滾珠絲杠螺母副的接觸剛度。
滾珠絲杠螺母副通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，如圖3-3所示
圖3-3 雙螺母滾珠絲杠
1－滾珠螺母；2－緊定螺釘；3－支座；4－滾珠絲杠；5－調(diào)整墊片
圖中1代表滾珠螺母，3代表支座，螺母與支座之間有調(diào)整墊片，通過調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)滾珠螺母與滾珠絲杠螺紋之間的間隙。
通過調(diào)整兩個(gè)螺母之間的軸向位置，使兩個(gè)螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個(gè)不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達(dá)到提高軸向剛度的目的。調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上圖所示的為墊片調(diào)整式，通過改變墊片的厚薄來改變兩個(gè)螺母之間的軸向距離，實(shí)現(xiàn)軸向間隙消除和預(yù)緊。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、可靠性好。
3.5 伺服電機(jī)選擇
伺服電機(jī)的選擇用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機(jī)樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。
3.5.1 最大的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算
所選伺服電動(dòng)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)載矩可根據(jù)公式計(jì)算可得，即
(3.8)
其中，從假設(shè)受到的負(fù)載，絲杠導(dǎo)程，預(yù)緊力，查絲杠樣本，滾珠絲杠螺母副的機(jī)械效率。因滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩
(3.9)
查哈爾濱軸承總廠《角接觸推力球軸承組配技術(shù)條件》，得7602030TVP單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.32,故一對軸承的摩擦力矩。簡支端軸承不預(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計(jì)。伺服電動(dòng)機(jī)絲杠直連，其傳動(dòng)比，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩
(3.10)
故所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于此值。
3.5.2 負(fù)載慣量計(jì)算
伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。負(fù)載慣量可按以下次序計(jì)算。工件真空夾具與工作臺的最大質(zhì)量為285.7kg，折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量可按公式計(jì)算得：
(3.11)
式中 —工作臺移動(dòng)速度，；
—伺服電機(jī)的角速度，；
—直線移動(dòng)工件真空夾具和工作臺的質(zhì)量，kg。
絲杠名義直徑，長度，絲杠材料（鋼）的密度。則絲杠加在電動(dòng)機(jī)軸上的慣量，根據(jù)公式可知：
(3.12)
聯(lián)軸器節(jié)加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即
故負(fù)載總慣量
(3.13)
按式3.4－4中小型數(shù)控機(jī)床慣量匹配條件， ，所選伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0054～0.021范圍之內(nèi)。
根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電動(dòng)機(jī)，如果選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，可選北京數(shù)控設(shè)備廠的FB－15型直流伺服電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子慣量，滿足匹配要求。如選用交流伺服電動(dòng)機(jī)，可選用交流伺服電動(dòng)機(jī)，可選BESK－20型。其額定轉(zhuǎn)矩為，轉(zhuǎn)子慣量，最大輸出轉(zhuǎn)矩，機(jī)械時(shí)間常數(shù)，滿足要求。
FB－15型直流伺服電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：
最高轉(zhuǎn)速：1500
額定轉(zhuǎn)矩：17.6
最大轉(zhuǎn)矩：154
轉(zhuǎn)子慣量：0.019
反電動(dòng)勢系數(shù)：0.58
轉(zhuǎn)矩系數(shù)：0.57
電樞直流電阻：0.26
機(jī)械時(shí)間常數(shù)：15.2 ms
3.5.3 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)（快移）速度時(shí)，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩按公式求得，即
(3.14)
空載加速時(shí)，主要克服的是慣性。如選用FB—15直流伺服電機(jī)，總慣量：
(3.15)
加速時(shí)間通常取的3～4倍，故
（3~4）＝(3~4)×15.2=45.6~60.8ms=0.0456~0.0608s (3.16)
則
49.32～65.76 (3.17)
BESK—20型交流伺服電動(dòng)機(jī)的＝6ms,故
18 ms~24 ms＝0.018s~0.024ms (3.18)
則
125~167 (3.19)
空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。由此可見，F(xiàn)B—15型直流伺服電動(dòng)機(jī)的>49.32～65.76,滿足設(shè)計(jì)要求；BESK—20型交流伺服電動(dòng)機(jī)的略小于，也可使用，但加速時(shí)間較長。
經(jīng)過比較從成本與造價(jià)方面考慮本題采用BESK—20型交流伺服電動(dòng)機(jī)。
通常取系統(tǒng)增益8~25。對輪廓控制的加工中心機(jī)床可取較大值，如取。伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)為的倒數(shù)，。如果選用FB—15型直流伺服電機(jī)，執(zhí)行件（工作臺）達(dá)到的最大加速度根據(jù)公式可知
(3.20)
伺服系統(tǒng)要求達(dá)到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時(shí)間常數(shù)內(nèi)，執(zhí)行件的速度從增加到時(shí)，
(3.21)
略大于，因而按照加速能力選擇是適合的。如遠(yuǎn)小于，可以適當(dāng)增大值，以提高系統(tǒng)的性能。
精度驗(yàn)算
本數(shù)控機(jī)床要求的定位精度為±0.015 mm，其絲杠的導(dǎo)程誤差為0.0075mm。其余誤差為伺服系統(tǒng)誤差、絲杠軸承的軸向跳動(dòng)和在載荷作用下各機(jī)械環(huán)節(jié)彈性變形起的位移等。
1.伺服剛度
伺服剛度可根據(jù)下式子計(jì)算，即
(3.22)
是伺服電動(dòng)機(jī)的增益，它等于電動(dòng)機(jī)的角速度與輸入電壓的比值。輸入電壓除少量消耗于電樞回路的阻抗外，大部分被反電動(dòng)勢所平衡。是伺服電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢系數(shù)，為伺服電動(dòng)機(jī)單位角速度所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢（V）。估算時(shí)，可以近似地認(rèn)為輸入電壓等于反電動(dòng)勢。因而近似地可認(rèn)為
(3.23)
FB—15直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，因伺服系統(tǒng)增益，速度控制的開環(huán)增益2~4，??；反電動(dòng)勢系數(shù)，則；電樞直流電阻。故
(3.24)
折合到工作臺部件的直線剛度
(3.25)
2.滾珠絲杠的拉壓剛度
本題中的絲杠為一端軸向定位結(jié)構(gòu)。其最小拉壓剛度發(fā)生在工作臺螺母離定位點(diǎn)交接班遠(yuǎn)的位置。已知工作臺的行程為660 mm，當(dāng)螺母移動(dòng)到離定位點(diǎn)最近位置時(shí)，還應(yīng)保留一定的絲杠距離，假設(shè)為140mm。因而絲杠最大距離 。代入公式計(jì)得絲杠拉剛度
(3.26)
式中，是絲杠底徑，為絲杠名義直徑減滾珠絲杠。本題目中＝40mm，＝7.144mm，故＝－＝40－7.144。為絲杠材料鋼的彈性模量，，則
(3.27)
3.絲杠軸承的軸向剛度
哈爾濱軸承總廠生產(chǎn)的7602030TVP型號軸承的鋼球直徑，鋼珠數(shù)Z＝17，接觸角，預(yù)加載荷，軸向外載荷為導(dǎo)軌摩擦力，故軸向載荷為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和，即
(3.28)
絲杠軸承軸向載荷剛度可按下式求得，即
(3.29)
4.滾珠絲杠螺母的接觸剛度
查樣本手冊得
(3.30)
5.撓性聯(lián)軸節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度
查文獻(xiàn)得
(3.31)
折合到工作臺部件的直線剛度為
(3.32)
6.綜合剛度
計(jì)算出伺服剛度折算到工作臺部件的直線剛度、滾珠絲杠最小拉壓剛度、絲杠軸承軸向剛度、滾珠絲杠螺母接觸剛度折算到工作臺部件直線剛度和聯(lián)軸節(jié)扭轉(zhuǎn)剛度后，按彈簧串聯(lián)原則合成求得綜合剛度，即
(3.33)
故
(3.34)
7.彈性變形
數(shù)控銑床的定位精度是在不切削空載條件下檢驗(yàn)的。故軸向載荷僅為導(dǎo)軌摩擦為。本題目的摩擦力，故因引起的彈性變形由以下公式可知：
(3.35)
8.定位誤差驗(yàn)算
本題目中滾珠絲杠在任意300mmm內(nèi)的導(dǎo)程誤差為，加上彈性變形，即6+0.2＝6.2。再加上某些因素，將不會(huì)超過要求的定位公差，能滿足定位精度±0.015 mm的設(shè)計(jì)要求。
從以上計(jì)算可知，絲杠的拉壓剛度是系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，其次是伺服剛度和軸承剛度。絲杠螺母間的接觸和聯(lián)軸節(jié)的扭虧為盈轉(zhuǎn)剛度很高，其變形很小，可忽略不計(jì)。
如果經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)剛度不夠，定位精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可把絲杠一端軸向固定結(jié)構(gòu)形式改為兩端軸向定位結(jié)構(gòu)，這是提高剛度的有效措施。其次，可適當(dāng)提高系統(tǒng)增益和速度環(huán)開環(huán)增益，以提高伺服剛度；也可采用多聯(lián)組合的推力角接觸球軸承組配方式或改用滾針—雙向推力圓柱滾子（或滾珠）組合軸承，以提高綜合剛度。
在影響定位誤差的諸因素中，最大的一項(xiàng)是絲杠的誤差。如果定位精度要求較高，允許的定位誤差值已接近1級精度絲杠的值，則可采用數(shù)控系統(tǒng)的螺距自動(dòng)補(bǔ)償功能，對絲杠誤差進(jìn)行自動(dòng)校正。若定位精度很高，采用高精度絲杠和螺距自動(dòng)補(bǔ)償措施后仍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，可考慮采用全閉環(huán)進(jìn)給伺機(jī)服系統(tǒng)。
3.6 直線滾動(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：
（1）選BR直線滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)軌,E級精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,fα=1,fw=1.
（2）工作壽命每天8小時(shí)，連續(xù)工作5年，250/年,額定壽命為:
Lh=5×250×8=10000 h,每分鐘往復(fù)次數(shù)nz=8
L=(2lsnz60Lh)/(103)=(2×0.31×8×60×38400)/ (103)=11428Km (3.36)
計(jì)算四滑塊的載荷,工作臺及其物重約為4000N
計(jì)算需要的動(dòng)載荷Cα
P=110/4=27.5N (3.37)
Cα=( fwP)÷(fh ft fc fα)×(L/50)1/3=208N (3.38)
由《機(jī)械電子工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-20中選用LY15AL直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副,其Cα=606N, C0α=745N.
基本參數(shù)如下:
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:
(3.39)
(3.40)
(3.41)
(3.42)
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
(3.43)
(3.44)
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
4 豎直方向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
4.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1.1 對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號（包括指令信號或擾動(dòng)信號）的性質(zhì)或形式無關(guān)。
(2) 精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。
(3) 快速響應(yīng)性
快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。
4.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
能夠克服摩擦力和負(fù)載
(2) 很小的進(jìn)給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度
(4) 足夠的調(diào)速范圍
(5) 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無爬行現(xiàn)象
在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
(2) 具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量
(3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小
對于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求
(1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量
高的剛度
良好的阻尼
傳動(dòng)部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能小的非線性
4.1.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析
(1).時(shí)間響應(yīng)特性
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。
(2) 頻率響應(yīng)特性
(3) 快速性分析
4.2 豎直滾珠絲杠副計(jì)算與選擇
4.2.1 計(jì)算進(jìn)給牽引力
豎直進(jìn)給導(dǎo)軌則
（4.1）
式中 Fx、Fy、Fz一分力（N）
G—移動(dòng)部件重量 G=2000N
—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) =0.2
K—考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) K=1.4
各切削分力有,,
,取中間值,，，則
（4.2）
而插補(bǔ)平面內(nèi)合力
（4.3）
4.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
選用滾珠絲桿副的直徑do時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲桿在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕的現(xiàn)象，這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲桿能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下式計(jì)算：
（4.5）
式中 L—壽命,以106轉(zhuǎn)為一單位
（4.6）
n—絲桿轉(zhuǎn)速，（γ/min），用下式計(jì)算
（4.7）
Vs—最大條件下的進(jìn)給速度（m/min）
Vs =0.4～0.6m/min,取Vs =0.5m/min
L0—絲桿導(dǎo)程（mm）,L0=6mm
T—使用壽命（h），對于數(shù)控機(jī)床T=15000h
—運(yùn)用系數(shù) 見表4-12 取=1.2
4.2.3 滾珠絲桿螺母副的選擇
可采用W1L4000外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲桿副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載24800N，精度等級按4-5選為3級。
1 傳動(dòng)效率計(jì)算
（4.8）
式中：γ—螺旋升角,
—磨擦角取10′滾動(dòng)磨擦系數(shù)?0.003～0.004
2 剛度計(jì)算
圖4-1 進(jìn)給簡圖
如圖所示豎直進(jìn)給滾珠絲杠支承方式，最大牽引力為4482N，支承間距L=1250mm，
計(jì)算如下：
(1) 絲桿的拉伸或壓縮變形量δ1
（4.9）
— 在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm）
— 工作負(fù)載
— 滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）
E — 材料彈性模數(shù)，鋼E=20.6104（N/mm2）
A — 滾珠絲杠橫截面積（按內(nèi)徑確定）mm2
“+” — 用于拉伸，“-” —用于壓縮
（4.10）
（4.11）
（4.12）
R=0.52 =4.763
故R=0.524.763=2.48
=35+20.0056-22.48=30.05mm
=
= （4.13）
由于采用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍，其實(shí)際變形量δ1′（mm）為
′=1/4×=1/4×3.835×=0.958×mm （4.14）
(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形
W系列1列3.5圈滾珠和螺紋滾道的接觸變形量δQ=6.4μm固進(jìn)行了預(yù)緊拉伸，故其拉壓剛度可以提高2倍。其實(shí)際變形量：
=1/2δQ=3.2μm （4.15）
(3) 支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形δ3采用8107推力球軸承d1=30，滾體直徑d0=6.35mm，滾體數(shù)量Z=18
（4.16）
注意此公式中Fm單位為kgf
因施加預(yù)緊力，故
δ3=1/2δc=1/2×0.01104=0.00552mm （4.17）
綜合以上計(jì)算：
δ=++=0.00783+0.0032+0.00552=0.01655>定位精度
故要采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力
=3945N
=
=L=
δ2和δ3不變
δ=δ1+δ2+δ3=0.00333+0.0032+0.00558=0.01211<定位精度
3 穩(wěn)定性校核
計(jì)算臨界負(fù)載（N）
（4.18）
式中：
E — 材料彈性模量，鋼：E=；
I — 截面慣性矩（）絲杠：I=，為絲杠內(nèi)徑；
L — 絲杠兩支承端距離（cm）
— 絲杠支承方式系數(shù)，從表4-13中查出，一端固定，一端簡支=2
（4.19）
[]=2.5～4
故此絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。
4.3 豎直進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算
4.3.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
（4.20）
式中 Jm——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm2）；
J2、J1——齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm2）；
Js——滾球絲轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·cm2）。
參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)孖轉(zhuǎn)慣量Jm=10（kg·cm2）。
J1=0.78×10-3×=0.78×10-3×6.44×2=2.62kg·cm2
J2=0.78×10-3×=0.78×10-3×84×2=6.39kg·cm2
Js=0.78×10-3×54×125=60.938kg·cm2
G=2000N
代入上式
考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題。
基本滿足慣量匹配的要求。
4.3.2 電機(jī)力矩計(jì)算
機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算：
（1）快速空載起動(dòng)力矩M起
在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：
M起=Mamax+Mf+Mo （4.21）
（4.22）
（4.23）
將數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。
起動(dòng)加速時(shí)間t=30ms
（4.24）
=992.62N·cm
折算到電機(jī)軸的磨擦力矩Mf：
（4.25）
附加磨擦力矩M0：
（4.26）
上述三項(xiàng)合計(jì)：
M起=Mamax+Mf+Mo
=992.62+99.76+40.90
=1133.28N·cm
（2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快
M快=Mf+M0 （4.27）
=99.76+40.90
=140.66N·cm
（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切
（4.28）
從上面計(jì)算可以看出，M起、M快和M切三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)
最大靜力矩
按此最大靜轉(zhuǎn)矩從表4-23查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N·m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
4.3.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作步頻率
（4.29）
150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800Hz，運(yùn)行頻率為8000Hz， 150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如圖4.1所示。從圖4.1a看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，時(shí)，M=100N·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（1138.28N·cm）直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1000Hz時(shí)，起動(dòng)力矩可增加到588.4N·cm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。
起動(dòng)矩頻特性 運(yùn)行矩頻特性
a b
圖4.2 150BF002型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性
當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性（圖4.1）完全可以滿足要求。
4.4 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
（4.30）
（4.31）
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,其型號為:HJG-D25
基本參數(shù)如下:
表4-1 額定靜載荷初選導(dǎo)軌
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長度
動(dòng)載荷
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:
（4.32）
（4.33）
（4.34）
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
（4.35）
（4.36）
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
4.5 聯(lián)軸器的選擇
金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器是由各種片狀、圓柱狀、卷板狀等形狀的金屬彈簧，利用金屬彈簧的弱性變形以達(dá)到補(bǔ)償兩軸相對偏移 和減振、緩沖功能，構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)、性能的撓性聯(lián)軸器。金屬彈性元件比非金屬彈性元件強(qiáng)度高，使用壽命長，傳遞載荷能力大，,適用于高溫工況，彈性模最大且穩(wěn)定。
如圖3.5所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯(cuò)地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸呂靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償報(bào)聯(lián)兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，不用潤滑，使用壽命長，無旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高速、高溫、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動(dòng)，廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動(dòng) 。
圖4-3 DJM5金屬膜片撓性聯(lián)軸器
5 流延頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 電機(jī)的選取
（1）粗略計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率
已知重量為m=100kg
g=10N/kg
總重力G1=mg=1000N
查表5-1得摩擦系數(shù)為0.035
表5-1 摩擦系數(shù)表
作用在一個(gè)滾子上的載荷（包括滾子自重） N
物品與接觸的底面材料
金屬
木材
硬底板
0～110
0.04
0.045
0.05
110～450
0.035
0.035
0.05
450～900
0.025
0.03
0.045
≥900
0.02
0.025
0.05
1）驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
則工件受到的摩擦力為：
(5.1)
則電機(jī)所需牽引力為：
(5.2)
假設(shè)直徑R=125mm
假設(shè)轉(zhuǎn)速na=61rpm
速度vω=πRna=π×0.125×61=24m/min (5.3)
設(shè)功率安全系數(shù)為1.2，驅(qū)動(dòng)裝置的效率為0.8，則需要的驅(qū)動(dòng)功率為：
(5.4)
2）電動(dòng)機(jī)至的總效率η
ηc—聯(lián)軸器效率，ηc=0.99
ηb—對滾動(dòng)軸承效率，ηb=0.99
ηcy—效率，ηcy=0。96
估算傳動(dòng)系統(tǒng)總效率
η=ηvηbηcηcy=0.94×0.99×0.99×0.96=0.88 (5.5)
1. 所需電動(dòng)機(jī)的功率Pd（kw）
Pd=Pw/η=0.05/0.88=0.06kw (5.6)
（1） 基于電動(dòng)機(jī)的以上特點(diǎn)，本文選用作為北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。
圖5-2是北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)。
圖5-2 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)
所以根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)選擇110BYG350DH-SAKRMA型號的電機(jī)，圖5-3是110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號說明。
圖5-3 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號說明
110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸，如圖5-4所示。
圖5-4 110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸
110BYG系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線，如圖5-5所示。
圖5-5 110BYG350DH型電機(jī)矩頻特性曲線
5.2 軸的設(shè)計(jì)
5.2.1 材料
可選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
5.2.2 計(jì)算軸的最小直徑
電機(jī)軸的直徑為14,
由于軸的直徑小于100mm，且由1個(gè)鍵槽，故將軸徑增加15%，即
將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑，取d=14mm
5.2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)軸向定位的要求，確定軸的各段直徑和長度。
（1）、根據(jù)內(nèi)徑可得d67