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摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計名為專用數(shù)控銑床自動進(jìn)出料系統(tǒng)設(shè)計，從研究數(shù)控銑床加工中心工作臺入手，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗，設(shè)計了一個適合與加工中心工作臺匹配的自動進(jìn)出料裝置，完成具有動作快速、定位準(zhǔn)確以及可以長時間連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點的自動進(jìn)出料裝置設(shè)計，滿足了生產(chǎn)和設(shè)計的需要，主要設(shè)計包括一套專用夾具、輸送機(jī)構(gòu)等主要部件。
認(rèn)真了考慮“實用、安全、經(jīng)濟(jì)”等各項因素，進(jìn)行必要的方案計較后，最終確定最佳方案為專用夾具選用了電動裝置作為夾緊裝置，設(shè)計了壓桿及內(nèi)外壓板進(jìn)行工件的夾緊、定位。輸送機(jī)構(gòu)選用了機(jī)電裝置，采用了步進(jìn)電機(jī)、滾動直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠螺母副和聯(lián)軸器等進(jìn)行工件的自動進(jìn)出料。
設(shè)計主要進(jìn)行了與加工中心工作臺匹配的輸送機(jī)構(gòu)自動進(jìn)出料裝置以及專用夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行了分析。論述了采用步進(jìn)電機(jī)、滾動直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠螺母副以及電動夾緊裝置的優(yōu)點。詳細(xì)介紹了主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程及相關(guān)的計算校核。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵字：自動進(jìn)出料；夾具；步進(jìn)電機(jī)；滾珠絲杠副
Abstract
The graduation project dedicated CNC milling machine automatic feeding system design called out, starting from the research bench CNC milling machining centers, advanced experience at home and abroad, has designed a device suitable for automatic access to material processing center table with matching finish with action automatic feeding device designed out fast, accurate positioning and long-time continuous operation, etc., to meet the needs of production and design, the main components of the major design includes a dedicated fixture, transportation agencies.
Seriously considering "practical, safe and economical" and other factors, make the necessary care program after finalization.Choose the best solution for special fixtures electric device as a clamping device, designed inside and outside the bar and clamping plate workpiece positioning. Delivery mechanism chosen electromechanical device, using a stepper motor, linear guides, ball screw pair and couplings for automatic access to material of the workpiece.
The graduation project dedicated CNC milling machine automatic feeding system design called out, starting from the research bench CNC milling machining centers, advanced experience at home and abroad, has designed a device suitable for automatic access to material processing center table with matching finish with action automatic feeding device designed out fast, accurate positioning and long-time continuous operation, etc., to meet the needs of production and design, the main components of the major design includes a dedicated fixture, transportation agencies.
Keywords: automatic access to materials;fixture;stepper motor;ball screw
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 國外數(shù)控機(jī)床業(yè)自動進(jìn)出料的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 2
1.2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床業(yè)自動進(jìn)出料的發(fā)展?fàn)顩r及存在問題 2
1.3 課題研究的目的及意義 3
1.4 課題主要任務(wù) 3
2 總體方案設(shè)計 3
2.1 方案擬定 3
2.1.1 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案 3
2.1.2 專用夾具的設(shè)計方案 5
3 專用數(shù)控銑床自動進(jìn)出料裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
3.1 滾珠絲杠副的設(shè)計 7
3.1.1滾珠絲杠副主要尺寸參數(shù) 7
3.1.2滾珠絲杠副的支承形式 8
3.1.3 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊 8
3.1.4滾珠絲杠副的計算與選型 8
3.1.5滾珠絲杠副的安裝聯(lián)接尺寸 11
3.2 導(dǎo)軌的選型 12
3.2.1直線滾動導(dǎo)軌副的工作原理與裝配方式 13
3.2.2直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 14
3.2.3直線滾動導(dǎo)軌副的安裝聯(lián)接尺寸 15
3.2.4導(dǎo)軌間隙的調(diào)整 15
3.2.5 導(dǎo)軌材料的熱處理 15
3.2.6 導(dǎo)軌的潤滑和防護(hù) 16
3.3 聯(lián)軸器的選型 16
3.4 電機(jī)的選型 18
4 專用夾具設(shè)計 20
4.1 定位方案 20
4.1.1定位方案的選擇 21
4.2 夾緊方案 21
4.3 夾具裝配圖 25
4.4夾具裝配圖上的尺寸、公差和技術(shù)要求 25
4.5 夾具經(jīng)濟(jì)性分析 26
5 主機(jī)支架設(shè)計 27
6 自動進(jìn)出料裝置控制系統(tǒng)簡介 29
7 總結(jié) 30
謝 辭 31
參考文獻(xiàn) 32
桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第14頁 共32頁
引言
隨著機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用越來越廣泛，如工業(yè)自動化機(jī)床控制，計算機(jī)控制，機(jī)器人等。隨著我國數(shù)控銑床業(yè)的發(fā)展，工件的加工質(zhì)量趨于準(zhǔn)確，加工速度更加快，但對工件的自動進(jìn)出料也提出了更高的要求。移動工件功能的自動化裝置能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)力。自動化裝置越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)里它可用于加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更加普遍。它適用于大批量生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。目前我國的自動化裝置技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外相比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，為提高我國的自動化技術(shù)水平，進(jìn)行銑床的自動進(jìn)出料裝置設(shè)計是十分必要的。
目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上，數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率，降低成本，并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn)，針對具體生產(chǎn)工藝，利用現(xiàn)在自動化技術(shù)，設(shè)計一套與數(shù)控銑床加工中心相匹配的自動進(jìn)出料裝置代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率，改善現(xiàn)代工人勞動條件。
1 緒論
1.1 國外數(shù)控機(jī)床業(yè)自動進(jìn)出料的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢
（1）國外數(shù)控機(jī)床自動進(jìn)出料技術(shù)現(xiàn)狀
高速高精與多軸加工成為數(shù)控機(jī)床的主流，納米控制已經(jīng)成為高速高精加工的潮流。多任務(wù)和多軸加工數(shù)控機(jī)床越來越多地應(yīng)用到能源、航空航天等行業(yè)。
機(jī)床與機(jī)器人的集成應(yīng)用日趨普及，且結(jié)構(gòu)形式多樣化，應(yīng)用范圍擴(kuò)大化，運動速度高速化，多傳感器融合技術(shù)實用化，控制功能智能化，多機(jī)器人協(xié)同普及化。
智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴(kuò)充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機(jī)床本身的狀態(tài)信息，分析相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測機(jī)床的狀態(tài)。
最新的機(jī)床誤差檢測與補(bǔ)償技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)完成對機(jī)床的補(bǔ)償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機(jī)床誤差的補(bǔ)償精度能夠提高3～4倍。
最新的CAD/CAM技術(shù)為多軸多任務(wù)數(shù)控機(jī)床的加工提供了強(qiáng)有力的支持，可以大幅度提高加工效率。
刀具技術(shù)發(fā)展迅速，眾多刀具的設(shè)計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。
（2）國外數(shù)控系統(tǒng)自動進(jìn)出料的發(fā)展趨勢
①平臺數(shù)字化。②運行高速化。③加工高精化。④功能復(fù)合化。⑤控制智能化。⑥伺服驅(qū)動高性能控制。
1.2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床業(yè)自動進(jìn)出料的發(fā)展?fàn)顩r及存在問題
數(shù)控機(jī)床是當(dāng)代機(jī)械制造業(yè)的主流裝備，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展經(jīng)歷了30年跌宕起伏，已經(jīng)由成長期進(jìn)入了成熟期，可提供市場1,500種數(shù)控機(jī)床，覆蓋超重型機(jī)床、高精度機(jī)床、特種加工機(jī)床、鍛壓設(shè)備、前沿高技術(shù)機(jī)床等領(lǐng)域，產(chǎn)品種類可與日、德、意、美等國并駕齊驅(qū)。特別是在五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床、數(shù)控超重型機(jī)床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機(jī)床領(lǐng)域部分技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。其中，五軸(坐標(biāo))聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是數(shù)控機(jī)床技術(shù)的制高點標(biāo)志之一。
由于中國技術(shù)水平和工業(yè)基礎(chǔ)還比較落后，數(shù)控機(jī)床自動進(jìn)出料的性能、水平和可靠性與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，差距還是很大，尤其是數(shù)控自動進(jìn)出料系統(tǒng)的控制可靠性還較差，數(shù)控產(chǎn)業(yè)尚未真正形成。因此加速進(jìn)行數(shù)控自動進(jìn)出料系統(tǒng)的工程化、商品化，盡快建成與完善數(shù)控機(jī)床自動進(jìn)出料和數(shù)控產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)前的主要任務(wù)。目前存在著：核心技術(shù)嚴(yán)重缺乏?、民族品牌與國際品牌差距明顯?、技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化與市場脫節(jié)、缺乏先進(jìn)的管理機(jī)制等問題。
1.3 課題研究的目的及意義
在機(jī)械加工的過程中，人工上下料不僅勞動強(qiáng)度大，而且效率低，工作環(huán)境也差。相對于人工上下料而言，自動上下料裝置具有動作快速、定位準(zhǔn)確以及可以長時間連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點。設(shè)計自動進(jìn)出料裝置能夠改善工人工作條件，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率，提高數(shù)控銑床的零件加工質(zhì)量。
1.4 課題主要任務(wù)
本次畢業(yè)設(shè)計擬設(shè)計一個適合與加工中心工作臺匹配的自動進(jìn)出料裝置，該裝置主要能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：
（1）具有與主機(jī)聯(lián)控的獨立動力，能夠自動將指定工件輸送至加工正確位置；
（2）設(shè)計一套專用夾具實施定位、夾緊動作，以確保加工過程的位置穩(wěn)定；
（3）加工完畢后，工件能夠自動退出到指定位置。
2 總體方案設(shè)計
2.1 方案擬定
總體方案主要包括輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計和專用夾具設(shè)計兩個方案。根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，每個部分的設(shè)計至少初定兩個方案，并加以比較，從而選擇有利于設(shè)計的最優(yōu)方案。
2.1.1 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案
輸送機(jī)構(gòu)主要是能實現(xiàn)待加工工件的自動進(jìn)出料。進(jìn)料系統(tǒng)與出料系統(tǒng)分開工作，進(jìn)料完成后，工件在數(shù)控銑床加工中心進(jìn)行加工，加工完畢，由出料系統(tǒng)完成工件輸送至指定位置的工作。對于輸送機(jī)構(gòu)，初步設(shè)計兩種方案加以比較進(jìn)行選擇，方案如下：
方案一是采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行自動進(jìn)出料。液壓系統(tǒng)用油液作為工作介質(zhì)，在一定功率條件下，可大大減小工件的尺寸。液壓系統(tǒng)的加速能力較好，易實現(xiàn)無極調(diào)速。初步采用液壓泵、液壓閥、推桿、軸等來輸送工件。但是液壓系統(tǒng)裝置容易漏油，因而會影響運動的平穩(wěn)性，并使效率降低；液體粘度受溫度影響，使供油量和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動速度不穩(wěn)定；需要一套專門的供油系統(tǒng)，成本高。
液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動進(jìn)出料的示意圖如下圖2-1所示：
1-電動機(jī)；2-液壓泵；3-過濾器；4-塊式集成液壓閥組；5-冷卻器；6-液壓缸；7-排屑油過濾器；8-電機(jī)齒輪泵組；9-隨動油箱；10-推進(jìn)裝置；11-推桿；12-油封頭進(jìn)油軟管；13-油封頭；14-對開式軸承座；15-工件；16-三爪卡盤；17-液壓馬達(dá)座；18-液壓馬達(dá)；19-液壓馬達(dá)油管；20-床身
圖2-1液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動進(jìn)出料結(jié)構(gòu)示意圖
方案二是采用機(jī)電裝置實現(xiàn)自動進(jìn)出料。機(jī)電裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，準(zhǔn)確，調(diào)整和維修方便。初步采用步進(jìn)電機(jī)提供動力，設(shè)計一控制系統(tǒng)控制電機(jī)的正反運轉(zhuǎn)與停止，實現(xiàn)工件到達(dá)加工位置及出料指定位置。利用滾珠絲杠副使工件移動。示意圖如下圖2-2所示：
圖2-2機(jī)電裝置實現(xiàn)自動進(jìn)出料結(jié)構(gòu)示意圖
兩種方案的分析比較：
液壓系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)的動力部分比較合適，不宜在控制系統(tǒng)中采用，而機(jī)電裝置能很好地滿足本設(shè)計的要求，因此采用方案二。
機(jī)電裝置進(jìn)料系統(tǒng)動力采用步進(jìn)電機(jī)提供，利用滾珠絲杠副來移動工件。工件設(shè)計一托板加以支承，并在進(jìn)料機(jī)構(gòu)處增加導(dǎo)向板。托板固定在絲杠上，設(shè)計一導(dǎo)軌以完成移動部件的要求。
步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間采用聯(lián)軸器聯(lián)接，傳動效率較高。絲杠與聯(lián)軸器聯(lián)接時，支撐部件之間采用向心軸承支承以保證轉(zhuǎn)動平穩(wěn)可靠。出料系統(tǒng)裝置與進(jìn)料系統(tǒng)裝置相同，但出料裝置不加導(dǎo)向板，并且只要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)進(jìn)出料。設(shè)計一控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與停止。采用光電傳感器確保工件中心移動至加工中心位置。
2.1.2 專用夾具的設(shè)計方案
設(shè)計一套專用夾具用于工件的定位與夾緊。采用內(nèi)外壓桿作為夾緊元件，臺面板與底板用于工件的定位。其中夾具的動力裝置初步設(shè)計兩種方案加以比較供選擇。方案如下：
一是采用液動夾緊，二是采用電動夾緊。
方案一液動夾緊采用的是油缸結(jié)構(gòu)，用壓力油作為動力源，通過管道、液壓閥、液壓缸等元件夾緊工件。需要單獨為液壓裝置專門配備專門泵站，成本高，對密封性能要求高，需要一套壓力油供應(yīng)系統(tǒng)，為單一夾具設(shè)計不經(jīng)濟(jì)。如下圖2-3所示：
1-氣缸；2-油缸
圖2-3 液動夾緊裝置
方案二是采用電動夾緊，設(shè)計的是凸輪機(jī)構(gòu)，用低速大扭矩步進(jìn)電機(jī)提供動力。凸輪只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計出其輪廓曲線，就可以使推桿得到預(yù)期的運動規(guī)律，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。如下圖2-4所示：
1.推桿；2.滾子軸承；3.凸輪；4.鍵槽
圖2-4 電動夾緊凸輪機(jī)構(gòu)
本設(shè)計使用夾具是從工件兩邊進(jìn)行夾緊，需要動力夾緊裝置從兩邊同時夾緊，同步性要好，而液壓系統(tǒng)同步性差，而且成本高，不能滿足此要求。電動夾緊可滿足本設(shè)計的要求。故選擇電動夾緊凸輪機(jī)構(gòu)。
3 專用數(shù)控銑床自動進(jìn)出料裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
專用數(shù)控銑床自動進(jìn)出料裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括以下部分：輸送機(jī)構(gòu)動力的設(shè)計，如電機(jī)；輸送機(jī)構(gòu)傳動部件的設(shè)計，如滾珠絲杠副；傳動部件的支承部件設(shè)計，如導(dǎo)軌；各部件之間的聯(lián)接設(shè)計，如聯(lián)軸器等。
3.1 滾珠絲杠副的設(shè)計
滾珠絲杠副是在絲杠和螺母的滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置，滾珠通過此裝置自動返回其入口，形成循環(huán)回路[6]。滾珠絲杠副外形如圖3-1、3-2所示：
圖3-1滾珠絲杠副外形 圖3-2滾珠絲杠副外形
滾珠絲杠副具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、使用壽命高等特性，廣泛運用于數(shù)控機(jī)床等。滾珠絲杠副由專門工廠制造，當(dāng)型號計算選定后，可以外購或定制。
3.1.1滾珠絲杠副主要尺寸參數(shù)
滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)：
（1）公稱直徑
（2）節(jié)圓直徑 (通常與公稱直徑相等)
（3）導(dǎo)程
（4）公稱導(dǎo)程
（5）行程
（6）有效行程
此外還有絲杠螺紋外徑、絲杠螺紋底徑、螺母體外徑、螺母體螺紋底徑、螺母體螺紋內(nèi)徑、滾珠直徑、絲杠螺紋全長等。
3.1.2滾珠絲杠副的支承形式
滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，其結(jié)構(gòu)形式可分為四種類型，根據(jù)軸向剛度要求高、無壓桿穩(wěn)定性問題，本次設(shè)計選擇了雙推-雙推支承形式。
3.1.3 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整與預(yù)緊
為了提高滾珠絲杠副的傳動精度和軸向剛度，安裝時需要消除絲杠與螺母之間的傳動間隙，并對絲杠-螺母進(jìn)行預(yù)緊。單螺母的絲杠副在出廠前通常采用過盈滾珠預(yù)緊或變導(dǎo)程自預(yù)緊，絲杠與螺母之間幾乎沒有間隙，所以用戶使用時不必考慮。對于雙螺母絲杠副，常采用墊片調(diào)整預(yù)緊和螺紋調(diào)整預(yù)緊兩種方式[6] 。
本設(shè)計選擇了單螺母絲杠副，采用過盈滾珠預(yù)緊，在出廠前已經(jīng)過預(yù)緊。
3.1.4滾珠絲杠副的計算與選型
(1)最大工作載荷的計算
表 3-1 實驗計算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實驗公式
K
μ
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
三角形導(dǎo)軌
1.15
0.15～0.18
式中
為進(jìn)給方向載荷，橫向載荷，為垂直載荷，單位均為N；
為移動部件總重力，單位為N；
為顛覆力矩影響系數(shù)；
為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)。
(2)最大動載荷的計算
最大動載荷的計算公式如下：
(3-1)
式中
為滾珠絲杠的壽命，單位為.
（3-2）
其中
為使用壽命，數(shù)控機(jī)床的為,為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))；
為載荷系數(shù)，(平穩(wěn)或輕度沖擊為，中等沖擊，較大沖擊或振動為)；
為硬度系數(shù)，（等于50HRC時，取1.56）；
為滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
根據(jù)設(shè)計參數(shù)，工件質(zhì)量,輸送機(jī)構(gòu)直線移動速度取. 滾動副承受的負(fù)載為輸送機(jī)構(gòu)部分重量以及其負(fù)載重量（工件重量），估算為，即 。
由轉(zhuǎn)數(shù)x導(dǎo)程=絲杠轉(zhuǎn)速，導(dǎo)程取,算得絲杠轉(zhuǎn)數(shù)n為，則算得=，
則=
(3)規(guī)格型號的初選
選擇滾珠絲杠副的規(guī)格時，應(yīng)使其額定動載荷。當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應(yīng)使其額定靜載荷，查表
初選型號參數(shù)如下表：
表3-2 GD系列滾珠絲杠副尺寸參數(shù) 單位（mm）
規(guī)格代 號
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
絲杠外徑
額定載荷/N
螺母安裝尺寸
d0
Ph
Dw
d1
Ca
Coa
D1
D
D4
L
B
h
Φ1
Φ2
4005-3
40
5
3.17
39.2
11952
37700
60
94
75
85
15
9
9
15
滾珠絲杠副的傳動效率可用下式計算：
（3-3）
式中
為絲杠的螺旋升角，由算得；
為摩擦角，取。則
（3-4）
(4)剛度的驗算
滾珠絲杠副的的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形等。
①絲杠的拉伸或壓縮變形量
在總變形量中占的比重比較大，可按下式計算：
（3-5）
式中
為絲杠的最大工作載荷，單位為；
為絲杠兩端支承間的距離，單位為；
為絲杠材料的彈性模量，鋼的；
為絲杠按底徑確定的截面積，單位為；
為轉(zhuǎn)矩，單位為；
為絲杠按底徑確定的截面慣性矩（）,單位為；
其中，“+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。由于轉(zhuǎn)矩一般較小，式中第2項在計算時可酌情忽略。經(jīng)設(shè)計，取，
S= （3-6）
則.
②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
可由產(chǎn)品型號中查出。查機(jī)械設(shè)計手冊得出，GD系列4005-3的，因進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力達(dá)到軸向工作載荷的1/3時，值減少一半左右，所以
== （3-7）
③剛度驗算
絲杠的總變形量。一般總變形量不應(yīng)大于機(jī)床規(guī)定的定位精度的一半。計算結(jié)果符合設(shè)計要求。
④穩(wěn)定性的驗算
滾珠絲杠屬于受軸向力的細(xì)長桿，如果軸向負(fù)載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷應(yīng)滿足：
F= （3-8）
式中
為臨界載荷，單位為；
為絲杠支承系數(shù)，（雙推-自由取0.25，雙推-簡支取2，雙推-雙推取4，單推-單推取1）；
K為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4；
為滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為。
因為滾珠絲杠兩端采用向心軸承并施加了預(yù)緊，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此不用進(jìn)行穩(wěn)定性驗算及校核。
3.1.5滾珠絲杠副的安裝聯(lián)接尺寸
本設(shè)計采用GD系列滾珠絲杠副，其安裝尺寸如圖3-3所示：
圖3-3 GD系列4005-3滾珠絲杠副
3.2 導(dǎo)軌的選型
導(dǎo)軌裝置，在機(jī)械中是使用頻率最高的零部件之一。沒有不使用導(dǎo)軌的金屬切削機(jī)床；在測量機(jī)、繪圖機(jī)上，導(dǎo)軌是它們的工作基準(zhǔn)；在其他機(jī)械中，例如軋機(jī)、壓力機(jī)、紡織機(jī)等也都離不開導(dǎo)軌的導(dǎo)向。由此可見，導(dǎo)軌的精度、承載能力和使用壽命等都將直接影響機(jī)械的工作質(zhì)量[6]。
導(dǎo)軌的功用是承載和導(dǎo)向。它承受安裝在導(dǎo)軌上的運動部件及工件的質(zhì)量和切削力。運動的導(dǎo)軌稱為動導(dǎo)軌，不動的導(dǎo)軌成為靜導(dǎo)軌或支撐導(dǎo)軌。動導(dǎo)軌相對于靜導(dǎo)軌可以作直線運動或者回轉(zhuǎn)運動。有用于保證主運動軌跡的，也有用于調(diào)整部件之間的相對位置的，后者在加工時沒有相對運動。實現(xiàn)直線運動的成為直線運動導(dǎo)軌；實現(xiàn)圓周運動的稱為圓周導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌的設(shè)計要求如下：
（1）幾何精度就是通常所說的導(dǎo)向精度，即運動的直線度或回轉(zhuǎn)精度，影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌承導(dǎo)面的幾何精度、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)類型、導(dǎo)軌副的接觸精度、導(dǎo)軌副的油膜厚度以及導(dǎo)軌和支撐件的熱變形；
（2）運動精度包括兩方面的內(nèi)容：一是運動的平穩(wěn)性（例如低速不爬行），二是定位精確（線定位和角定位）；
（3）精度保持性。導(dǎo)軌精度的保持性主要取決于導(dǎo)軌的耐磨性和導(dǎo)軌材料的尺寸穩(wěn)定性。耐磨性與導(dǎo)軌副的材料匹配情況、受力情況、加工精度、潤滑方式及防護(hù)裝置的性能等因素有關(guān)，導(dǎo)軌及其支撐件的剩余盈利等會影響導(dǎo)軌的精度保持。
（4）具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長。導(dǎo)軌受力后的變形將影響部件之間的相對位置和導(dǎo)軌精度，這對于高精度機(jī)械和儀表尤為重要；
（5）對溫度變化的適應(yīng)性。環(huán)境溫度變化和機(jī)械局部熱源產(chǎn)生的不均勻性的溫度場，都會引起導(dǎo)軌變形，導(dǎo)軌應(yīng)有良好的適應(yīng)能力；
（6）結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、便于調(diào)整和維修；
（7）具有良好的潤滑和防護(hù)裝置。
導(dǎo)軌的設(shè)計程序和內(nèi)容：
（1）根據(jù)工作條件、載荷特點，確定導(dǎo)軌的類型、截面形狀和結(jié)構(gòu)尺寸。
（2）進(jìn)行導(dǎo)軌的力學(xué)計算，選擇導(dǎo)軌材料、表面經(jīng)加工和熱處理方法以及摩擦面硬度匹配。
（3）設(shè)計導(dǎo)軌的配合間隙和預(yù)加載荷調(diào)整機(jī)構(gòu)。
（4）設(shè)計導(dǎo)軌的潤滑系統(tǒng)及防護(hù)裝置。
（5）制定導(dǎo)軌的精度和技術(shù)條件。
有些導(dǎo)軌（如非水平放置的導(dǎo)軌）在移動之后，要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖緊裝置。常用的鎖緊方式有機(jī)械鎖緊和液壓鎖緊。
本設(shè)計選用的是直線滾動導(dǎo)軌。
在相配的兩導(dǎo)軌面之間放置滾動體或滾動支承，是導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)成為滾動摩擦，這種導(dǎo)軌就叫滾動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌的最大優(yōu)點就是摩擦因素小，動、靜摩擦因數(shù)差小，因此運動輕便靈活，運動所需功率小，摩擦發(fā)熱少，磨損少，精度保持性好，低速運動平穩(wěn)性好，移動精度和定位精度高。滾動導(dǎo)軌還具有潤滑簡單（有時可用油脂潤滑），高速運動時不會像滑動導(dǎo)軌那樣因為動壓效應(yīng)而使導(dǎo)軌浮起等優(yōu)點。但滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造比較困難，成本比較高、抗震性較差。對贓物比較敏感，因此必須有良好的保護(hù)。
滾動直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板組成，當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊做相對運動時，鋼球沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向器進(jìn)入反向孔后在進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始的進(jìn)行運動，返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。鋼球承載的形式與角接觸球軸承相似，一個滑塊就像是4個直線運動的角接觸球軸承，導(dǎo)軌軸的安裝形式可以水平，也可以豎直或者傾斜。可以兩條或多條導(dǎo)軌軸平行安裝，也可以一條導(dǎo)軌安裝，也可以將導(dǎo)軌接長成為長導(dǎo)軌，一條導(dǎo)軌上可以安裝一個滑塊和兩個滑塊，以適應(yīng)各種行程的需要。
桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第34頁 共32頁
滾動直線導(dǎo)軌的特點是：
（1）動、靜摩擦力之差很小，摩擦阻力小，隨動性極好。有利于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。驅(qū)動功率小，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。
（2）承載能力大，剛度高。導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值（溝槽曲率半徑，為鋼球直徑）的圓弧溝槽，因而承載能力及剛度比平面與鋼球接觸大大提高。
（3）能是實現(xiàn)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高10倍。
（4）采用滾動直線導(dǎo)軌副可簡化設(shè)計、制造、裝配工作、保證質(zhì)量、縮短時間、降低成本。導(dǎo)軌副具有“誤差均化效應(yīng)”從而降低基礎(chǔ)件的加工精度，精銑或精刨即可滿足要求。
3.2.1直線滾動導(dǎo)軌副的工作原理與裝配方式
由上述可知直線滾動導(dǎo)軌副具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、便于安裝和預(yù)緊、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點?？紤]到工件質(zhì)量較大，所需運動需要平穩(wěn)可靠，導(dǎo)向精度要高，由上述導(dǎo)軌類型可知，矩形和燕尾形導(dǎo)軌組合有調(diào)整方便承受力巨大的特點，這兩種導(dǎo)軌的剛度高，承載能力強(qiáng)，加工、檢驗和維修方便。為提高低速性能，減少爬行，提高導(dǎo)軌壽命，初選直線滾動導(dǎo)軌副。
直線滾動導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌和滑塊兩部分組成，滑塊中裝有兩組滾珠，當(dāng)滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時，會經(jīng)端面擋板和滑塊中的返回軌道返回，在導(dǎo)軌和滑塊之間的滾道內(nèi)循環(huán)滾動。裝配時常將兩根導(dǎo)軌固定在支承件上，每根導(dǎo)軌上一般有兩個滑塊，滑塊固定在移動件上。
3.2.2直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型
初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為JSA-LG25，其尺寸參數(shù)如下：
表3-3 JSA-LG25直線滾動導(dǎo)軌副
型號
裝配后組合尺寸
導(dǎo)軌尺寸
滑塊尺寸
H
W
B
H1
I
F
Lomax
d*D*h1
B1
K
T
T1
JSA-LG25
36
23.5
23
22
20
60
3000
7*11*9
70
29
12
16
(1)導(dǎo)軌面的尺寸
其中 b為斜鑲條小端厚度，滑座及鑲條斜度K為1:50；1:100。導(dǎo)軌面尺寸包括寬度b和厚度H。
導(dǎo)軌的尺寸：
(燕尾導(dǎo)軌) 選取H=40，則H1=41mm, d=32mm；
斜鑲條小端厚度b=6mm；
導(dǎo)軌跨度A=160mm，B2≥65mm取80mm；
（矩形導(dǎo)軌) 當(dāng)H=40m,則B=32mm，A=360mm；
壓板厚度h=25mm,B=140mm；
(2)額定壽命的計算
當(dāng)滾動體為球時：
（3-9）
式中
為距離額定壽命，單位為；
為額定動載荷，單位為；
為滑塊上的工作載荷，單位為；
分別為硬度系數(shù)（取0.53）、溫度系數(shù)（1.00）、接觸系數(shù)（1.00）、精度系數(shù)（1.0）、載荷系數(shù)（1.5）；
計算得到額定壽命為，即大于球?qū)к壍木嚯x期望壽命（），初選的導(dǎo)軌型號符合設(shè)計要求。
3.2.3直線滾動導(dǎo)軌副的安裝聯(lián)接尺寸
JSA-LG25型直線滾動導(dǎo)軌副的尺寸參數(shù)如圖3-4所示：
圖3-4 JSA-LG25導(dǎo)軌副
3.2.4導(dǎo)軌間隙的調(diào)整
導(dǎo)軌間隙常用壓板、鑲條來調(diào)整，結(jié)構(gòu)型式很多，設(shè)計時一般要求如下：
?。?）調(diào)整方便，保證剛度，接觸良好。
?。?）鑲條應(yīng)放在受力小的一側(cè)，如要求調(diào)整后中心位置不變，可在導(dǎo)軌兩側(cè)各方一根鑲條。
?。?）導(dǎo)軌長度較長（）時，可以一端各裝一塊支承板和一塊導(dǎo)向調(diào)整板。
（4）選擇燕尾導(dǎo)軌的鑲條時，應(yīng)考慮部件裝配的方式，要便于裝配。
矩形導(dǎo)軌壓板尺寸參考設(shè)計。壓板螺釘直徑，當(dāng)壓板厚度時,，時，。 壓板長度，當(dāng)壓板受力較大或?qū)к壒ぷ鏖L度較短時，壓板長度等于導(dǎo)軌長度。當(dāng)壓板受力不大時或?qū)к壒ぷ鏖L度較長時，只需在運動部件的兩端或中間裝短壓板，其長度可取為導(dǎo)軌工作長度的1/3或1/4。裝壓板后，導(dǎo)軌可以承受傾覆力矩。
3.2.5 導(dǎo)軌材料的熱處理
在液壓滑臺中存在導(dǎo)軌，而在導(dǎo)軌副摩擦中，為了提高耐磨性動導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌應(yīng)有不同的硬度，因此盡量采用不同的材料，如果采用同樣材料，也要進(jìn)行不同熱處理。
由于滑臺體屬于動導(dǎo)軌，因此可以根據(jù)表材料的特點及應(yīng)用，選擇鑄鐵HT150而滑座與導(dǎo)軌是鑄為一體的，屬于支撐導(dǎo)軌，鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料，故鑄鐵材料符合要求。由于導(dǎo)軌的材料要耐磨性好、工藝性好、成本低。而HT200用于精度保持要求不高，載荷較小，需刮研加工的導(dǎo)軌。HT300用于較精密的機(jī)床導(dǎo)軌。耐磨鑄鐵用于精密機(jī)床[6]。
綜合上述材料特點，滑座材料應(yīng)該選灰鑄鐵HT200。為提高導(dǎo)軌的硬度，對鑄鐵導(dǎo)軌常采用高頻淬火，超高頻淬火，中頻淬火及電接觸自冷淬火，提高表面硬度，表面淬火硬度一般為45~55HRC左右，增加抗硬粒的磨損能力和防止撕傷。
3.2.6 導(dǎo)軌的潤滑和防護(hù)
導(dǎo)軌的良好潤滑和可靠防護(hù)，可以降低摩擦力，減少磨損，降低溫度和防止銹蝕，延長壽命，因此，必須有專門的供油系統(tǒng)，采用自動和強(qiáng)制潤滑，并選擇合適粘度的潤滑油。
3.3 聯(lián)軸器的選型
聯(lián)軸器是一種常用的機(jī)械傳動裝置，主要用來聯(lián)接軸與軸，以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。此外，聯(lián)軸器還有補(bǔ)償兩軸相對位移、緩沖和減震，以及安全防護(hù)等功能。無鍵聯(lián)接撓性聯(lián)軸器是機(jī)床進(jìn)給傳動中廣泛采用的一種無間隙傳動聯(lián)軸器。它不僅可以簡化聯(lián)接結(jié)構(gòu)，降低噪聲，而且對消除傳動間隙，提高傳動剛度都有利，主要用于傳遞較大轉(zhuǎn)矩的場合。本設(shè)計采用無鍵鏈接撓性聯(lián)軸器[3]。
(1)聯(lián)軸器的類型
根據(jù)傳遞的轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)速高低，以及對緩沖和振動的要求，參考各類聯(lián)軸器的特點，選擇適用的聯(lián)軸器類型。
(2)計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩
傳動軸上的公稱轉(zhuǎn)矩可用下式進(jìn)行計算：
（3-10）
則。
式中
為傳遞的功率，單位為；
為軸的轉(zhuǎn)速，單位為。
實際計算時，應(yīng)將公稱轉(zhuǎn)矩乘以工作情況系數(shù)，得到計算轉(zhuǎn)矩
（3-11）
原動機(jī)是電動機(jī)的屬于Ⅱ類轉(zhuǎn)矩變化小的機(jī)械，=1.5。
(3)確定聯(lián)軸器的型號
根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩及所選的聯(lián)軸器類型按照確定聯(lián)軸器的型號。為所選聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩。
(4)核定最高轉(zhuǎn)速
聯(lián)軸器工作過程的最高轉(zhuǎn)速，不應(yīng)超過其允許的最高轉(zhuǎn)速即：
(5)協(xié)調(diào)軸孔直徑
多數(shù)情況下，每一型號聯(lián)軸器適用軸的直徑均有一個范圍，被聯(lián)接兩軸的直徑應(yīng)當(dāng)在此范圍之內(nèi)。
所選聯(lián)軸器型號為：
表3-4 GL3聯(lián)軸器
型號
公稱扭矩[T]N.m
許用轉(zhuǎn)速r/min
軸孔直徑mm
軸孔長度mm
GL3
100
4000
24
48
聯(lián)軸器示意圖如圖3-5所示：
1. 外齒套Ⅰ；2.彈簧墊圈；3.六角螺栓；4.端蓋；5.O形圈；6.凹內(nèi)齒；7.油杯8.膠制螺栓；9.凸內(nèi)齒；10標(biāo)準(zhǔn)彈墊；11螺母；12 O形圈；13端蓋；14 O形圈；15外齒套Ⅱ；
圖3-5 聯(lián)軸器
3.4 電機(jī)的選型
(1)電動機(jī)的選擇
合理選擇電動機(jī)類型，對工作機(jī)械有效的工作，以及機(jī)組運行的可靠性、安全、節(jié)能及降低設(shè)備造價都有重要意義。
選擇電動機(jī)時綜合考慮下列問題：
①根據(jù)機(jī)械負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)起動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。
②根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和起動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制，并確定通風(fēng)冷卻方式。容量選擇應(yīng)適當(dāng)留有余量。
③根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、腐蝕和易燃?xì)怏w等考慮必要的防護(hù)等級和結(jié)構(gòu)與安裝方式。
④根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因數(shù)的要求，確定電動機(jī)的電壓等級與類型。
⑤根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速要求與減速機(jī)械的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。
⑥由于目前已有相當(dāng)多的派生與專用產(chǎn)品系列，對各自相應(yīng)的行業(yè)生產(chǎn)特殊要求能較好地適應(yīng)與滿足，可優(yōu)先考慮選用系列產(chǎn)品。
⑦運行經(jīng)濟(jì)性
從降低整個電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的能耗及電動機(jī)的綜合成本來考慮選擇電動機(jī)類型，針對使用情況選擇不同效率水平的電動機(jī)類型；對一些使用時間很短、年使用時數(shù)也不高的機(jī)械，電動機(jī)效率低些也不會使總能耗產(chǎn)生較大的變化，所以并不注重電動機(jī)的效率：但另一類年利用時間較長的機(jī)械，如空調(diào)設(shè)備、循環(huán)泵、冰箱壓縮機(jī)、裝箱機(jī)等，就需要選用效率高的電動機(jī)以降低總能耗。
另外，條件通用性、安裝與維修是否方便、產(chǎn)品價格、建設(shè)費用和運行維修費用等方面， 也應(yīng)在綜合考慮之列。
絲杠所傳遞的功率計算：
水平使用，電機(jī)驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，導(dǎo)軌承重和導(dǎo)向，理想安裝，絲杠所承受的最大軸向載荷為，則絲杠扭矩為：
（3-11）
設(shè),得：
式中
為絲杠軸向最大載荷，單位為；
為絲杠導(dǎo)程，單位為；
為進(jìn)給絲杠正效率；
所以絲杠傳遞的功率可根據(jù)下式計算：
（3-12）
即=0.877Kw=877w.
絲杠的傳動效率，滾動軸承的傳動效率，撓性聯(lián)軸器的傳動效率，傳動裝置的傳動效率為，所以電機(jī)需要傳遞功率為：。
根據(jù)以上參數(shù)，可選擇電機(jī)型號參數(shù)如下：
表3-5 110BYG5801電機(jī)參數(shù)
型號
步距角
相數(shù)
驅(qū)動電壓（V）
相電流（A）
保持轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)動慣量（Kg.cm2）
110BYG5801
0.45
5
80
3
10
11.3
4 專用夾具設(shè)計
在機(jī)床上對工件進(jìn)行加工時，為了保證加工表面相對其它表面的尺寸和位置精度，首先需要使工件在機(jī)床上占有準(zhǔn)確的位置，并在加工過程中能承受各種力的作用而始終保持這一準(zhǔn)確位置不變。前者稱為工件的定位，后者稱為工件的夾緊，這一過程稱為工件的裝夾。所使用的工藝裝備稱為夾具。[5]本設(shè)計設(shè)計一套專用夾具用于工件的定位與夾緊。
工件分析：
工件材料為灰鑄鐵，質(zhì)量20～30Kg,則根據(jù)
（5-1）
查表得灰鑄鐵的密度，算得工件體積為，估算工件的大致尺寸為長*寬*高。
4.1 定位方案
（1）六點定位原理
工件在沒有采取定位措施以前，與空間自由狀態(tài)的剛體相似，每個工件在夾具中的位置可以是任意的不確定的。對一批工件來說，它們的位置是不一致的。這種狀態(tài)在空間坐標(biāo)系中可以用以下六個方面的獨立部分來加以表示[5]：
即沿（繞）X軸的不定度，沿（繞）Y軸的不定度，沿（繞）Z軸的不定度。
六個方面的不定度都存在，是工件在夾具中所占空間位置不確定的最高程度，即工件在空間最多只能有六個不定度。限制工件在某一方面的不定度，工件在夾具中某一方向的位置就得以確定。在夾具中，用分別適當(dāng)?shù)呐c工件接觸的六個支撐點，來限制六個自由度的原理，稱為六點定位原理。
（2）應(yīng)用定位原理的幾種情況
①完全定位
即工件在夾具中，六個不定度都被限制。
②部分定位
工件在夾具中，六個不定度沒有都被全部限制。
③欠定位
工件在夾具中定位時，若實際定位支承點或?qū)嶋H限制的不定度個數(shù)少于工序加工要求應(yīng)予限制的不定度個數(shù)，則工件的定位不足。叫做欠定位。
（3）確定要限制的自由度
根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點及數(shù)控銑加工特點，加工時應(yīng)限制零件的四個不定度，即采用部分定位。這樣才能使工件在機(jī)床上的位置確定，定位準(zhǔn)確也就有了保證。
4.1.1定位方案的選擇
工件在夾具位置中的確定，主要是通過各種類型的定位元件實現(xiàn)的。定位元件類型主要是根據(jù)被加工工件的表面形狀，選擇其上的平面、圓柱面、圓錐面或幾者的組合面作為定位基準(zhǔn)。
由定位基本原則知，應(yīng)盡可能使定位基準(zhǔn)與零件的設(shè)計基準(zhǔn)重合，這樣才能保證做到定位誤差最小化的要求。根據(jù)零件的形狀，本設(shè)計選擇平面定位元件。當(dāng)零件由進(jìn)料板輸送至指定位置時，夾具固定在進(jìn)料板與出料板的中間位置，工件處于兩塊板之間，出料完成時夾具即可夾緊工件進(jìn)行加工。由于輸送機(jī)構(gòu)尺寸確定，能較好地安裝夾具，處于加工中心的位置，定位比較準(zhǔn)確可靠。內(nèi)壓板屬于可調(diào)支承元件，除了輔助支承外，對工件主要起定位作用。
4.2 夾緊方案
在機(jī)械加工過程中，工件會受到切削力等力的作用。為了保證在這些外力的作用下，工件仍能在夾具中保持已由定位元件所確定的加工位置，而不致發(fā)生振動和位移。在夾具結(jié)構(gòu)中必須設(shè)置一定的夾緊裝置將工件可靠地夾牢。工件定位后將工件固定并使其在加工過程中保持定位位置不變的裝置，稱為夾緊裝置。選擇工件的夾緊裝置，選擇工件的夾緊方案，必須與選擇定位方法同時結(jié)合起來考慮。
從夾緊的要求及夾具的工藝性考慮，采用壓桿和雙向內(nèi)外壓板組成的定心、對中夾緊機(jī)構(gòu)，將工件夾緊在內(nèi)外壓板之間的夾緊方案。
（1）夾緊裝置的組成
①動力裝置
動力來源可以分為手動夾緊、機(jī)動夾緊。因為是自動進(jìn)出料以及自動化加工，手動夾緊不符合設(shè)計要求，所以采用機(jī)動夾緊。機(jī)械夾緊裝置初定兩個方案：
一是采用液動夾緊；二是采用電動夾緊。液動夾緊采用的是油缸結(jié)構(gòu)，需要單獨為液壓裝置專門配備專門泵站，成本高，最主要的是本設(shè)計使用夾具是從工件兩邊進(jìn)行夾緊，需要動力夾緊裝置從兩邊同時夾緊，同步性要好，而液壓系統(tǒng)不能滿足此要求。
二是采用電動夾緊，設(shè)計的是凸輪機(jī)構(gòu)，用低速大扭矩步進(jìn)電機(jī)提供動力。凸輪只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計出其輪廓曲線，就可以使推桿得到預(yù)期的運動規(guī)律，而且響應(yīng)快速，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。
凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計：
選用盤形凸輪，推桿使用滾子推桿，滾子推桿由于滾子與凸輪輪廓之間為滾動摩擦，所以磨損較小，故可用來傳遞較大的動力。滾子采用特制結(jié)構(gòu)的球軸承。
根據(jù)設(shè)計任務(wù)的工作要求選定合適的推桿的運動規(guī)律和有關(guān)基本尺寸，然后根據(jù)選定的推桿的運動規(guī)律設(shè)計出所需的凸輪的輪廓曲線。
推桿的運動規(guī)律為多項式運動規(guī)律，表達(dá)式如下：
（5-2）
式中
為凸輪轉(zhuǎn)角；S為推桿位移；為待定系數(shù)，可以邊界條件來確定。
本設(shè)計采用一次多項式運動規(guī)律，設(shè)凸輪以等角速度轉(zhuǎn)動，凸輪的運動角為，推桿完成行程h，如下式：
設(shè)取邊界條件為
在始點處，
在終點處，。
則推桿推程的運動方程為
回程時的運動方程為
式中為凸輪回程運動角。
則由上述，取推桿的運動規(guī)律為等速運動規(guī)律，推桿會使凸輪機(jī)構(gòu)承受較大的剛性沖擊。因此所使用的推桿需能夠承受一定的彎曲，不能夠使用脆性材料，使用彈簧鋼板。材料為60si2mn。
根據(jù)設(shè)計工作要求，機(jī)器的工作過程只要求凸輪轉(zhuǎn)過某一角度時，推桿完成一行程h，因此推桿的運動規(guī)律無嚴(yán)格要求。推桿只需要推動夾具的外壓板使內(nèi)壓板移動至工件進(jìn)行夾緊即可。
凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸的確定：
初步確定凸輪基圓半徑，推桿滾子半徑為，偏心距為，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過時，推桿完成行程32mm，此時凸輪停止不動，推桿停止不動。當(dāng)凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過時，推桿后退32mm，此時凸輪停止不動，推桿停止不動。所以初步設(shè)計凸輪最大半徑與最小半徑之差為32mm，即。
②傳力機(jī)構(gòu)
它是介于動力源和夾緊元件之間傳遞力的機(jī)構(gòu)。傳力機(jī)構(gòu)的作用是：改變作用力的方向：改變作用力的大?。痪哂幸欢ǖ淖枣i功能，以便在夾緊力一旦消失后，仍能保證整個夾緊系統(tǒng)處于可靠的夾緊狀態(tài)。所設(shè)計的凸輪機(jī)構(gòu)具有一定的自鎖功能，當(dāng)凸輪推動推桿，推桿推動夾具外壓板夾緊工件，凸輪靜止不動時具有自鎖功能。
③夾緊元件
它是直接與工件接觸完成夾緊作用的最終執(zhí)行元件。設(shè)計的內(nèi)壓板直接夾緊工件，并且外壓板與滑套之間設(shè)計有壓簧，保證夾緊運動往復(fù)運動的平穩(wěn)性。
(2）夾緊裝置設(shè)計原則
夾緊裝置的設(shè)計和選用是否正確，對于保證價格質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、減輕工人勞動強(qiáng)度有很大影響。為此，對夾緊裝置提出了如下基本要求：
①夾緊力應(yīng)有助于定位，而不應(yīng)破壞定位；
②夾緊力的大小應(yīng)能保證加工過程中工件不發(fā)生移動和振動，并能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；
③工件在夾緊后的變形和受壓表面的損傷不應(yīng)超出允許的范圍；
④應(yīng)有足夠的夾緊行程，手動時要有一定的自鎖作用；
⑤結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈活，制造、操作、維護(hù)方便，省力、安全，并有足夠的強(qiáng)度和剛度。
為滿足上述要求，其核心問題是正確地確定夾緊力。
(3）夾緊力的確定
①夾緊力的方向
夾緊力的方向應(yīng)垂直于主要定位基準(zhǔn)面。為使夾緊力有助于定位，則工件應(yīng)緊靠支承面，并保證各個定位基準(zhǔn)與定位元件接觸可靠。夾緊力垂直作用于內(nèi)壓板面上，有利于工件的加工質(zhì)量。夾緊力的方向應(yīng)有利于減小夾緊力。切削力與夾緊力方向相反，工件的重力由進(jìn)出料板支承。
②夾緊力的作用點
夾緊力的作用點是指夾緊元件與工件相接觸的一小塊面積。即內(nèi)壓板與工件接觸的一小部分面積。夾緊力的作用點應(yīng)能保持工件定位穩(wěn)定，而不致引起工件發(fā)生位移和偏轉(zhuǎn)；夾緊力的作用點應(yīng)使被夾緊工件的夾緊變形盡可能小。本設(shè)計所設(shè)計的夾具，采用增大工件受力面積的措施，來盡量減小工件的夾緊變形。夾緊力應(yīng)盡可能靠近工件加工表面，以提高定位穩(wěn)定和夾緊可靠性。設(shè)計的夾具在靠近加工處增大了剛度，減少了振動。
③夾緊力的大小
夾緊力的大小必須適當(dāng)。夾緊力過小，工件可能在加工過程中移動而破壞定位，不僅影響質(zhì)量，還可能造成事故；夾緊力過大，不但會使工件和夾具產(chǎn)生變形，對加工質(zhì)量不利，而且造成人力、物力的浪費。計算夾具力，將夾具與工件看作一個剛性系統(tǒng)以簡化計算。根據(jù)工件受切削力、夾緊力、重力等力后處于靜力平衡條件，計算出理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)K，作為實際所需夾緊力，即
（5-3）
式中
為實際所需要的夾緊力（N）；
為按力平衡條件計算之夾緊力（N）；
為安全系數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，一般取。
銑削時切削力的作用點、方向和大小都是變化的，應(yīng)按最危險情況考慮。當(dāng)開始銑削且切深最大時是最危險情況。引起工件翻轉(zhuǎn)的力矩是，而阻止工件翻轉(zhuǎn)的是支承面上的摩擦力矩，當(dāng)時，根據(jù)力矩平衡得
= （5-4）
考慮到安全系數(shù)則所需壓板夾緊力為
式中為銑削合力。
當(dāng)，，，，時，根據(jù)經(jīng)驗可取為，則計算得到實際所需夾緊力為。
根據(jù)所設(shè)計的凸輪機(jī)構(gòu)，結(jié)合所需實際夾緊力，計算所需扭矩，來選取合適的步進(jìn)電機(jī)以給凸輪提供動力。由轉(zhuǎn)矩計算公式
（5-5）
有推桿轉(zhuǎn)矩為
凸輪所需轉(zhuǎn)矩為
且
所以計算得到，查表初選電機(jī)型號
參數(shù)如下：
表5-1 130BYG2502電機(jī)參數(shù)
型號
交流電壓
電流
額定轉(zhuǎn)矩
峰值轉(zhuǎn)矩
功率
轉(zhuǎn)速
效率
130BYG2502
220V
6A
106N.m
210N.m
2Kw
180rm
89.6%
4.3 夾具裝配圖
工件夾緊方案確定之后，進(jìn)行了切削力，夾緊力等力的計算，從而確定了夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及定位元件的結(jié)構(gòu)尺寸和精度。根據(jù)定位元件及夾緊機(jī)構(gòu)所需的空間范圍以及輸送機(jī)構(gòu)工作臺的尺寸，確定了夾具體的結(jié)構(gòu)尺寸，先繪制夾具總圖如5-1所示：
1. 臺面板；2.端板；3.滑套；4.壓簧；5.外壓板；6.內(nèi)六角圓柱頭螺釘；7.平墊圈；8.壓桿；9.底板；10內(nèi)壓板；11內(nèi)六角圓柱頭螺釘。
圖4-1夾具裝配圖
4.4夾具裝配圖上的尺寸、公差和技術(shù)要求
如圖所示，夾具的有關(guān)尺寸，公差及技術(shù)要求如下：
（1）夾具總圖上的尺寸，公差
①夾具最大輪廓尺寸：；
②各定位元件的位置尺寸為；
③夾具體與定位元件的配合為及。
（2）夾具總圖應(yīng)標(biāo)注的技術(shù)條件
①臺面板平面度0.3，相對底板平行度0.6；
②所有緊固件連接牢固、可靠；
③壓桿軸向移動靈活，內(nèi)外壓板復(fù)位可靠；
④未注倒角。
4.5 夾具經(jīng)濟(jì)性分析
在夾具設(shè)計中，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件或推薦的元件，這樣在夾具需要更換元件時，可避免重復(fù)設(shè)計、重復(fù)制造帶來的麻煩和浪費，減少更換時間，且降低了夾具成本。應(yīng)盡量采用方便、簡單的夾緊裝置，這樣不僅可以減少勞動強(qiáng)度，還可以降低成本。
夾具的裝配總圖應(yīng)該遵循機(jī)械制圖國家標(biāo)準(zhǔn)繪制，圖形比例盡量采用1：1，使繪制的夾具總圖有良好的直觀性，如果工件過大，采用1：2比例。圖中應(yīng)以最少數(shù)量的視圖清楚地表示出夾具結(jié)構(gòu)，定位元件與夾緊元件之間的位置關(guān)系等。
5 主機(jī)支架設(shè)計
支架類零件以其良好的操縱性和良好的穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于各種機(jī)床中。本設(shè)計設(shè)計支架用于輸送機(jī)構(gòu)、夾具體以及凸輪推桿的支承，輔助加工。
（1）輸送機(jī)構(gòu)支架
根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)、夾具以及凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸、位置關(guān)系，維持整個輸送機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運行的支撐,并為夾具體支架提供良好的支撐,使夾具體在工作過程中保持穩(wěn)定。采用橫梁、襯板及六角螺母等材料，現(xiàn)設(shè)計如下圖5-2的支架。
圖5-2 輸送機(jī)構(gòu)支架
（2）夾具體支架
根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)支架的尺寸及布局，結(jié)合夾具體尺寸，現(xiàn)設(shè)計一支架來固定夾具體以及保證夾具中心處于加工中心位置，采用Q235鋼板、內(nèi)六角圓柱頭螺釘來連接夾具體的底板與夾具體支架上表面，固定住夾具體，保持加工位置不動，設(shè)計如圖5-3。
圖5-3 夾具體支架
（3） 凸輪推桿支架
根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)與輸送機(jī)構(gòu)支架的相對位置，設(shè)計一支架使推桿能夠繞其轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對夾具體壓板的壓緊，如