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分 類 號(hào) 密 級(jí) 寧XXXX學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)） －工作臺(tái)及床身設(shè)計(jì) 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 年 月 日 誠(chéng) 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《XK7130數(shù)控銑床（設(shè)計(jì)）－工作臺(tái)及床身設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日 35 寧波大紅鷹學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 本全面闡述了數(shù)控銑床的結(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)介紹了數(shù)控銑床的結(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：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，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(shì) 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(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 10 2.1 設(shè)計(jì)題目 10 2.2 設(shè)計(jì)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(jī)械部分的設(shè)計(jì) 10 2.2.3 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 第3章 工作臺(tái)總體方案的確定 11 3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 11 3.1.1 導(dǎo)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(dòng)機(jī)的選用 11 3.1.5 檢測(cè)裝置的選用 12 3.2 繪制總體方案圖 12 第4章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì) 12 4.1.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理 13 4.1.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) 13 4.1.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 14 4.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 15 4.1.5 滾珠絲杠的選型與計(jì)算 17 4.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算 21 4.3 傳動(dòng)計(jì)算 22 4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算及選型 23 4.4.1 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 23 4.4.2 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 24 4.4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的初選 25 4.4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 25 第5章 銑床床身整體設(shè)計(jì) 26 5.1 床身設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求 26 5.2 床身材料的選擇及壁厚的設(shè)計(jì) 28 5.2.1 床身材料的選擇 28 5.2.2 壁厚的設(shè)計(jì) 29 5.2.3 機(jī)床床身的制造方法的選擇 30 5.2.4 鑄造床身強(qiáng)度校核 30 結(jié) 論 32 致 謝 33 參考文獻(xiàn) 34 第1章 緒 論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì) 1946年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)誕生了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。 數(shù)控NC階段（1952年-1970年） 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)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(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在） 到1970年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過(guò)來(lái)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）階段（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的“通用”兩個(gè)字省略了）。到1971年，美國(guó)INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件—運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)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(jiǎn)稱CPU）。 　　到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)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(guò)多處理器結(jié)構(gòu)來(lái)解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。 　　到了1990年，PC機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī)）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(jìn)入了基于PC的階段。 　　總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代—微處理器和1990年的第六代—基于PC（國(guó)外稱為PC-BASED）。 　　還要指出的是，雖然國(guó)外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國(guó)仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實(shí)質(zhì)上已是指"計(jì)算機(jī)數(shù)控"了。 3.數(shù)控未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì) (1) 繼續(xù)向開(kāi)放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 　　基于PC所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)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(yīng)機(jī)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(jì)算機(jī)領(lǐng)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(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種控制方法。 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門(mén)新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域又：機(jī)械制造技術(shù)；微電子技術(shù)；信息處理加工傳輸技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；檢驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)；傳感技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術(shù)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(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出的優(yōu)點(diǎn)；特別是在適應(yīng)機(jī)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。 數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國(guó)際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing, IEIP）第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下的定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號(hào)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(jī)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件作縱，橫，垂直三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，稱為升降臺(tái)式銑床。為了提高剛度，目前多采用主軸既作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，又隨主軸箱升降臺(tái)作垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)只作縱橫2個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(tái)沿橫縱2個(gè)坐標(biāo)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即可以同時(shí)到達(dá)平面曲面的某一點(diǎn)這種加工軌跡的控制，稱為兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制（兩軸聯(lián)動(dòng)）。當(dāng)加工圓錐臺(tái)零件時(shí)，依靠工作臺(tái)縱橫兩坐標(biāo)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成圓周加工，加工完一圈后，再沿錐臺(tái)高度方向提升一個(gè)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(gè)錐臺(tái)，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(gè)坐標(biāo)進(jìn)給每時(shí)每刻都必須協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即同時(shí)到達(dá)空間的某一點(diǎn)，這稱為三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制即三軸聯(lián)動(dòng)。三軸聯(lián)動(dòng)即可加工復(fù)雜的空間曲面。從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前3坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行3坐標(biāo)中的任意兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞X、Y、Z坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的4坐標(biāo)和5坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍及可選擇的加工對(duì)象也越多。但隨之而來(lái)的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程難度更大，設(shè)備的價(jià)格也更高。數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤(pán)、采用自動(dòng)交換臺(tái)、增加靠模裝置等來(lái)擴(kuò)大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對(duì)象，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。 1.3 課題研究的目的和意義 我國(guó)近幾年數(shù)控銑床工作臺(tái)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)數(shù)控銑床工作臺(tái)的不足之處及生產(chǎn)中存在的問(wèn)題，有必要在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上研究出新型數(shù)控銑床工作臺(tái)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)銑床手動(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。 數(shù)控銑床工作臺(tái)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)小型和大型工作臺(tái)；在性能上將研制以鋼為材料的工作臺(tái)，大幅度提高工作臺(tái)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(tái)。 綜上所訴，數(shù)控工作臺(tái)的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)具有很高研究的意義.本課題采用類似的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果的方法，進(jìn)行數(shù)控銑床工作臺(tái)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)數(shù)控銑床工作臺(tái)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究數(shù)控銑床的結(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)控機(jī)床的結(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)控機(jī)床的技術(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 設(shè)計(jì)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(tái)加工范圍 300mm×900mm； 2 最大移動(dòng)速度為3m/min 定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=20000h，中等沖擊 2.2 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.2.2 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。 2.2.3 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。 第3章 工作臺(tái)總體方案的確定 3.1 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 3.1.1 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 3.1.2 絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足0.001mm沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 3.1.3 減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，考慮到傳動(dòng)精度和緩和減速機(jī)工作時(shí)軸上的扭轉(zhuǎn)沖擊及減輕軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，所以采用聯(lián)軸器。 3.1.4 伺服電動(dòng)機(jī)的選用 任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。以降低成本，提高性價(jià)比。 3.1.5 檢測(cè)裝置的選用 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。 考慮到X、Y兩個(gè)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(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)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(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門(mén)廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。 第4章 機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì) 銑床工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)車床絲杠傳動(dòng)。在數(shù)控車床上的絲杠傳動(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，在數(shù)控銑床上要擦系數(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)控車床的發(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)控車床工作臺(tái)的的直線位移。 滾珠絲杠螺母副，也簡(jiǎn)稱為滾珠絲杠副，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)。 4.1.1 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)。 4.1.2 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€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€運(yùn)動(dòng),也可以從直線運(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. 4.1.3 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(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(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鸬奈灰啤５A(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(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)控機(jī)床有所應(yīng)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(jì)算 由技術(shù)要求, ,絲杠工作長(zhǎng)度L=600mm, 工作壽命,傳動(dòng)精度要求 （1）求計(jì)算載荷 由條件,查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》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(jì)工作載荷為1500N. （2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值Ca`由式(2-4) 設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/min。 （5）根據(jù)選擇滾珠絲杠副 假設(shè)選用FC1型號(hào),按滾珠絲杠的額定動(dòng)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(hào)規(guī)格 表4-1 FC1型號(hào)滾珠絲杠參數(shù) 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(zhǎng)度 動(dòng)載荷 靜載荷 L (mm) 8630 18241 198 198 288 0.60 3.1 780 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長(zhǎng)度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M 4 0.6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷滿足要求 公稱直徑 導(dǎo)程 螺旋角 滾珠直徑 按表2-1中尺寸計(jì)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(hào) 計(jì)算公式和結(jié)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(yàn)算 〈1〉由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn),所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) 絲杠不會(huì)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(huì)失穩(wěn) 〈2〉高速長(zhǎng)絲杠工作時(shí)可能發(fā)生共振,因此需驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速----臨界轉(zhuǎn)速,要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 式中，為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表2-10。本題，，則 所以絲杠不會(huì)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(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)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(duì)鋼G=83.3GP a;T()為轉(zhuǎn)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(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)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(yàn)算 要求在90%---95%之間,所以該絲杠副合格. 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證,FC1-2005-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求,可選用. 4.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算 (1)Y方向?qū)к? 由所給條件得,該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間為 由 得 因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)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(dǎo)軌的額定工作時(shí)間為 由 得 因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座,由表2-15----2-18確定 則由式2-9, 得 選用漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,查表2-13,其中HJG-D25型號(hào)的導(dǎo)軌的Ca值為17500,能滿足20000小時(shí)的使用要求. 4.3 傳動(dòng)計(jì)算 選擇脈沖當(dāng)量當(dāng)量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm。初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為=0.72°，根據(jù)公式i=可求得傳動(dòng)比的值。代入數(shù)據(jù)得i=＝1. 固機(jī)構(gòu)不用減速箱，通過(guò)聯(lián)軸器直連。 4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算及選型 4.4.1 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 （1）已知絲杠公稱直徑d=25mm,絲杠長(zhǎng)為，得L=756mm，則杠的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)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(tái)、工件折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量　　 公式為Ｊ＝（）ＭＸ10 （kg.m） Ｊ——慣量，kg.m.; Ｓ——絲杠的導(dǎo)程，mm； Ｍ——工作臺(tái)（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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 由所選的電動(dòng)機(jī)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(hào)為ＹＬ3,查表可得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為kg.m 則加在電動(dòng)機(jī)軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、工作臺(tái)、工件折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算 （1）快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ｍ——Ｍ包括三部分,一部分是快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩M；一部分是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩M；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩M。即Ｍ＝M+ M+ M。 三公式如下： M=n　 Ｊ——折算到電動(dòng)機(jī)軸上總慣量， Ｔ——系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，Ｓ N——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min,當(dāng)n=n時(shí)計(jì)算Ｍ，n=n時(shí)計(jì)算Ｍ n——切削時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min M=Ｘ10 Ｆ——導(dǎo)軌摩擦力，Ｎ Ｓ——絲杠螺距，mm i----齒輪降速比 ——傳動(dòng)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(yù)緊時(shí)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(dòng)時(shí)所需力矩Ｍ＝0.1656. （2）承受最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩Ｍ 　　　最大切削負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩Ｍ＝Ｍ+ M+ M+Ｍ Ｍ＝，Ｍ＝Ｘ10 Ｆ——進(jìn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Ｍ＝max{ ?。?Ｍ}=0.44585 4.4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的初選 　　　考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Ｍ來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。?。耍?,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最以靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足Ｍ4Ｍ＝4Ｘ0.44585＝1.7534 初選電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為90YBG006，查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩Ｍ＝2.156>1.7534,可見(jiàn)該電動(dòng)機(jī)可滿足要求。 4.4.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核 （1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)時(shí)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核　　 　　　該工作臺(tái)的最快工進(jìn)速度Ｖ＝400mm/nin, =0.01mm/脈沖,由公式f=求得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最高頻率。代入數(shù)據(jù)得f＝＝＝667從90BF006電動(dòng)機(jī)的運(yùn)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(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 空載Ｖ＝3000mm/nin,其運(yùn)行頻率＝3000/(60X0.01)=5000 (3)最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行頻率校核 　　＝5000，由電動(dòng)機(jī)的表可以知道，其空載運(yùn)行頻率可達(dá)30000,該電動(dòng)機(jī)滿足要求。 （4）起動(dòng)頻率計(jì)算 　　已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ｊ＝29.5×10 kg.m 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ｊ＝17.64×10 kg.m，而由電動(dòng)機(jī)的表上可以查到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶舒適負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率＝2400,則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻率為： 要想保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是不失步，任何時(shí)候的啟動(dòng)頻率都必須小于. （5）慣量匹配驗(yàn)算 電動(dòng)機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量與電機(jī)軸自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太小，也就是說(shuō)伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要取決于負(fù)載特性，由于工作條件的變化，而引起的負(fù)載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)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(shè)計(jì)造成困難。如果比值太小，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)選擇或傳動(dòng)比設(shè)計(jì)不太合理，經(jīng)濟(jì)性較差，為使系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的匹配，應(yīng)該使兩值控制在1/4——1之間。 ,可見(jiàn)，慣量匹配符合要求。 第5章 銑床床身整體設(shè)計(jì) 5.1 床身設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求 床身作為一個(gè)支撐件，是機(jī)床的基礎(chǔ)構(gòu)件。因?yàn)楸容^大，所以也稱為“大件”。在切削時(shí)，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(jī)床的動(dòng)態(tài)力使床身和整體震動(dòng)。床身的熱變形會(huì)改變執(zhí)行器件的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。這些，都將影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，床身是機(jī)床十分重要的構(gòu)件。 因此在床身設(shè)計(jì)中，對(duì)其要求如下： 1：應(yīng)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(shè)計(jì)的合理性。 2：應(yīng)具有較好的動(dòng)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(jī)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(huì)發(fā)生薄壁震動(dòng)而產(chǎn)生噪音等. 3:床身應(yīng)設(shè)計(jì)的使整機(jī)的熱變形較小. 4:應(yīng)該排屑暢通,吊運(yùn)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(duì)整機(jī)床的性能有不小的影響,床身的重量又往往占機(jī)床很大部分.因此,應(yīng)該正確地進(jìn)行床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)主要的構(gòu)件進(jìn)行必要的驗(yàn)算和試驗(yàn).使支撐件能滿足對(duì)它的基本要求,并在這個(gè)前提下節(jié)約材料. 由此可知，床身的設(shè)計(jì)步驟,應(yīng)該是首先是根據(jù)其使用要求進(jìn)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(jī)床同類構(gòu)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(jì)算機(jī)進(jìn)行驗(yàn)算或進(jìn)行模型試驗(yàn),求得其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,并據(jù)此對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改或?qū)讉€(gè)方案進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)算或進(jìn)行模型試驗(yàn) 進(jìn)行修改 選擇最佳方案 圖5-1 床身的設(shè)計(jì)步驟 這樣,在設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)測(cè)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(jī)床的一個(gè)重要組成部分.分析床身的受力必須首先分析機(jī)床的受力. 機(jī)床根據(jù)其所受外載荷的特點(diǎn),可分為三大類.如下表所示： 表1-1 機(jī)床受外載荷情況分類 這類機(jī)床工件較重,切屑力較大,移動(dòng)件的重量也較大.因此,載荷必須同時(shí)考慮工件重力,切屑力和移動(dòng)的重力 這類機(jī)床以精細(xì)加工為主 這類機(jī)床的外載荷以切屑為主.工件的重量,移動(dòng)部件的重量等相對(duì)較小,在受力和變形分析時(shí)可忽略不計(jì).中型普通機(jī)床,銑床,立式鉆床,搖臂鉆都屬于這一類 大型機(jī)床 精密、高精密機(jī)床 中小型普通機(jī)床 這類機(jī)床工件較重,切屑力較大,移動(dòng)件的重量也較大.因此,載荷必須同時(shí)考慮工件重力,切屑力和移動(dòng)的重力 這類機(jī)床以精細(xì)加工為主 這類機(jī)床的外載荷以切屑為主.工件的重量,移動(dòng)部件的重量等相對(duì)較小,在受力和變形分析時(shí)可忽略不計(jì).中型普通機(jī)床,銑床,立式鉆床,搖臂鉆都屬于這一類 大型機(jī)床 精密、高精密機(jī)床 中小型普通機(jī)床 由此可知，對(duì)于X7130銑床，屬于中小型普通機(jī)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(dòng)部件的重量等相對(duì)較小，在受力分析和變形分析時(shí)可忽略不計(jì)。 5.2 床身材料的選擇及壁厚的設(shè)計(jì) 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(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)性特點(diǎn) 類 別 性能特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 灰鑄鐵件 流動(dòng)性好，體收縮和線收縮性小。綜合力學(xué)性能低，抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高3—4倍。吸振性好。彈性模量低。 形狀可以復(fù)雜，結(jié)構(gòu)允許不對(duì)稱，有箱體形、筒形等。用于發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體、筒套、各種機(jī)床床身、底版、平板、平臺(tái)等。 球 墨 鑄 鐵件 流動(dòng)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(xué)性能高；抗磨性好；沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度較好。消振能力比灰鑄鐵低 一般多設(shè)計(jì)成均勻壁厚；對(duì)于厚大斷面件，可采用空心結(jié)構(gòu)，如球墨鑄鐵曲軸軸頸部分。 可 鑄 鐵 件 流動(dòng)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(xué)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(yīng)用肋條加固。 鑄 鋼 件 流動(dòng)性差，體收縮、線收縮和裂紋敏感性都較大。綜合力學(xué)性能高；抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度幾乎相同，吸振性差。 結(jié)構(gòu)應(yīng)具有最少的熱節(jié)點(diǎn)，并創(chuàng)造順序凝固的條件。相鄰壁的連接和過(guò)度更應(yīng)圓滑；鑄件截面應(yīng)采用箱行和槽形等近似封閉狀的結(jié)構(gòu)；一些水平壁應(yīng)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(tái)，以減少產(chǎn)生裂紋的可能 對(duì)于X7130銑床，床身作為支撐件，形狀復(fù)雜，并承受銑床的打不部分力，并且在工作時(shí)，床身震動(dòng)較為嚴(yán)重。 結(jié)合以上分析，灰鑄鐵件吸震性好，并能達(dá)到強(qiáng)度要求，且鑄造容易，經(jīng)濟(jì)性好，因此確認(rèn)灰鑄鐵為X7130銑床床身的材料。 5.2.2 壁厚的設(shè)計(jì) 通過(guò)以上分析，由于XK7130銑床床身要進(jìn)行砂模鑄造，查閱資料可知，其外壁可由當(dāng)量尺寸C來(lái)確定。 C= （公式1-1） (式中，L、B、H——床身的長(zhǎng)、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(jì)算當(dāng)量尺寸對(duì)照表 當(dāng)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(jī)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(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，所以床身用鑄造方式制造出來(lái)。 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(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短。 5.2.4 鑄造床身強(qiáng)度校核 在床身設(shè)計(jì)中，床身強(qiáng)度是一個(gè)重要的限制因素，因此必須進(jìn)行床身強(qiáng)度的校核。 機(jī)床可大體分為四部分，一是懸梁，二是升降臺(tái)，三是床體，四是底座。可將其簡(jiǎn)化受力模型建造如下： 圖1-7 X7130銑床受力模型 圖1-8 X7130銑床底座簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 由簡(jiǎn)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(jī)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(jì)算。 所以δ=F/S=5000×10/33624=1.49 N/mm2 查閱資料可知，HT150的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度符合計(jì)算要求。 結(jié) 論 在這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我認(rèn)真分析了指導(dǎo)老師提供的基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和要求，之后在查閱了大量工具書(shū)和期刊資料；對(duì)現(xiàn)在我國(guó)的數(shù)控工作臺(tái)總體趨勢(shì)進(jìn)行分析，在網(wǎng)上和圖書(shū)館搜集了大量的第一手的資料，首先初步確定了本次設(shè)計(jì)的基本方案，然后設(shè)計(jì)出了具體的方案。 伺服系統(tǒng)采用了步進(jìn)電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng)，而且其軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動(dòng)，采用一個(gè)深溝來(lái)保證其徑向的圓跳動(dòng)。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮滿足精度的要求，因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計(jì)的成本較高。 致 謝 首先，要感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)XX老師。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，給了我許多指導(dǎo)性的建議和改進(jìn)方法，使我在設(shè)計(jì)過(guò)程中少走彎路，在生活上也給與了一定的關(guān)心和支持。其次，也要感謝XX老師，他對(duì)我的設(shè)計(jì)提出了許多改進(jìn)的建議，并且對(duì)我的設(shè)計(jì)方案，圖形繪制等提出了許多寶貴的建議。對(duì)我的方案改進(jìn)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?cè)谏钌虾蛯W(xué)習(xí)上給我關(guān)心和幫助，讓我能全身心的投入到學(xué)習(xí)中。 再次，也非常感謝學(xué)校能給我這次機(jī)會(huì)來(lái)進(jìn)行我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我把書(shū)本上的知識(shí)運(yùn)用的實(shí)踐中去，讓我深刻的體會(huì)到了“學(xué)以致用”的道理。讓我在實(shí)踐中豐富和充實(shí)了自己。 最后，要感謝所有曾經(jīng)幫助我的同學(xué)，我的舍友，使他們的鼓勵(lì)和幫助，讓我的設(shè)計(jì)圓滿結(jié)束。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅給我?guī)?lái)了知識(shí)上的收獲，在做人方面也教會(huì)了我許多許多，在對(duì)待事情方面，尤其是有選擇的時(shí)候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時(shí)候做，我明白了好多。 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！ 參考文獻(xiàn) [1] 華楚生.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2003. 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