齒輪外齒去毛刺機設計【含CAD圖紙、三維圖】

齒輪外齒去毛刺機設計【含CAD圖紙、三維圖】,含CAD圖紙、三維圖,齒輪,外齒去,毛刺,設計,CAD,圖紙,三維 畢業(yè)設計(論文) 齒輪外齒去毛刺機設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 年 月 日 VI 摘 要 本次設計是對去毛刺機的設計。在這里主要包括:傳動系統(tǒng)的設計、卡盤裝夾部位系統(tǒng)的設計、毛刷系統(tǒng)的設計這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件。 整機結構主要由電動機產生動力通過聯軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機運動，提高勞動生產率和生產自動化水平。更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本論文研究內容： (1) 去毛刺機總體結構設計。 (2) 去毛刺機工作性能分析。 (3)電動機的選擇。 (4) 去毛刺機的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件設計。 (5)對設計零件進行設計計算分析和校核。 (6)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖。 關鍵詞：去毛刺機， 聯軸器，滾珠絲杠 Abstract This design is the design of deburring machine. Here mainly includes: the design of transmission system, chuck clamping part of the system design, the brush system design the graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create the conditions for general mechanical design. The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development. The research of this thesis: (1) to the overall structure of deburring machine design. (2) analysis of deburring machine performance. (3) the choice of motor. (4) the design of transmission system, execution parts deburring 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: deburring machine, coupling, ball screw 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 1 緒論 1 1.1 課程的研究目的及意義 1 1.1.1 課程背景 1 1.1.2 意義 2 1.2 研究現狀及發(fā)展趨勢 2 1.2.1 國內去毛刺機的發(fā)展概況 2 1.2.2 國外去毛刺機的發(fā)展概況 3 1.2.3 去毛刺機在我國的應用及發(fā)展趨勢 3 1.3 本課題研究的內容及方法 4 1.3.1 主要的研究內容 4 1.3.2 設計要求 4 2 總體方案機構設計 6 2.1 設計概念 6 2.2 設計原理 6 3 水平進給機構結構及傳動設計 7 3.1 水平進給滾珠絲桿副的選擇 8 3.1.1 導程確定 8 3.1.2 確定絲桿的等效轉速 8 3.1.3 估計工作臺質量及負重 8 3.1.4 確定絲桿的等效負載 8 3.1.5 確定絲桿所受的最大動載荷 9 3.1.6 精度的選擇 10 3.1.7 選擇滾珠絲桿型號 10 3.2 校核 10 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 11 3.2.2 臨界轉速驗證 12 3.2.3 絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 12 3.3 電機的選擇 13 3.3.1 電機軸的轉動慣量 13 3.3.2 電機扭矩計算 14 4 垂直進給機構設計計算 16 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 16 4.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 16 4.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點 16 4.1.3 滾珠絲杠副的結構與調整 17 4.1.4 軸向間隙的調整和加預緊力的方法 18 4.2 滾珠絲杠的選擇 20 4.2.1 滾珠絲杠的精度 20 4.2.2 滾珠絲杠參數的計算 20 4.3 伺服電機的選擇 24 4.3.1 最大負載轉矩的計算 24 4.3.2 負載慣量的計算 24 4.3.3 空載加速轉矩計算 26 4.4 導軌副的計算、選擇 26 4.5 聯軸器的選擇 27 4.6 軸承的選擇 28 4.7 滾珠絲杠副的安全使用 29 5 卡盤夾持機構及主軸設計計算 31 5.1 電機的選擇 31 5.2 同步帶傳動計算 31 5.2.1 同步帶計算選型 31 5.2.2 同步帶的主要參數（結構部分） 34 5.2.3 同步帶的設計 36 5.2.4 同步帶輪的設計 37 5.3 卡盤的選型設計 38 5.4 主軸組件設計計算 39 5.4.1 主軸的材料與熱處理 39 5.4.2 主軸直徑的選擇 40 5.4.3 主軸前后軸承的選擇 41 5.4.4 軸承的選型及校核 42 5.4.5 主軸前端懸伸量 43 5.4.6 主軸支承跨距 44 5.4.7 主軸結構圖 45 5.4.8 主軸的校核 45 5.4.9 軸承壽命校核 48 5.4.10 主軸組件中相關部件 48 6 毛刷工作機構設計 51 6.1 電機的選型 51 6.2 同步帶傳動計算 52 6.2.1 同步帶計算選型 52 6.2.2 同步帶的設計 55 6.3 毛刷主軸的設計 55 6.3.1 確定毛刷主軸最小直徑 55 6.3.2 求軸上的載荷 56 6.3.3 按彎曲扭轉合成應力校核軸的強度 57 6.3.4 精確校核軸的疲勞強度 57 結論 61 致 謝 62 參考文獻 64 1 緒論 1.1 課程的研究目的及意義 1.1.1 課程背景 毛刺，是指在金屬（包括熱加工和冷加工）切割加工過程中在切削力作用下，產生晶粒剪切滑移、塑性變形使材料擠壓撕裂，導致工件表面過渡處出現各種尖角、毛邊等不規(guī)則的金屬部分。毛刺是金屬切削加工中產生的普遍現象之一，也是金屬切削理論研究中迄今為止尚未解決好的兩大難題（毛刺的生成與控制，切屑的處理與控制）之一。隨著工業(yè)化和自動化程度的提高, 當今毛刺向微型化、薄型化、復合化、模塊化和智能化等發(fā)展的趨勢，在毛刺的各個門類中都得到了充分的體現，在機械加工領域,特別是航空、航天、儀器儀表領域中,對機械零件制造精度要求的提高和機構設計的微型化,毛刺的危害性尤為明顯,逐漸引起人們的普遍重視, 基于毛刺在日常生活與生產當中起著舉足輕重的角色，因此對于毛刺的檢驗也就成了一項很重要的工作，人們也開始對毛刺的生成機理及去除方法進行研究。 目前,檢測毛刺及去毛刺技術已受到各工業(yè)發(fā)達國家的普遍重視,相繼成立了許多專門研究機構,進行了大量實驗研究。檢測毛刺去毛刺工藝已由手工作業(yè)向機械化、自動化的方向發(fā)展,去毛刺的工藝方法也在逐年增加。據粗略統(tǒng)計,1972 年,去除毛刺的方法僅有22種,1975 年增加到30種,1990 年則已達70 余種,已涉及機械加工的各個方面,并不斷有新的去毛刺研究成果問世。隨著中國加入WTO、改革開放進程的加快,產品競爭會日益激烈。提高產品內在質量、增加系統(tǒng)可靠性、降低成本是企業(yè)面臨的唯一選擇;另外,隨著國家機電產品出口比率的加大,也為去毛刺的研究和應用帶來鍥機。有跡象表明,歐、美、日本、臺灣、香港等國家和地區(qū)的一些企業(yè),考慮或正在我國大陸設立光整設備生產基地和設置服務中心,以搶先占領中國市場。國外已成功研制了用于CNC 數控機床上的去毛刺技術,并已投入使用。該項技術的核心是一套按不同幾何形狀確定的刀具,由刀桿、去毛刺工具和特殊軸承結構三部分組成,具有非常短暫的工作節(jié)拍和很高的去毛刺質量。國內研制的由PC控制一組輪刷作為切削工具的半自動齒輪端面去毛刺機床已研制成功并投入使用。以德國Bosch 公司研制的柔性去毛刺系統(tǒng)FDS( Flexible Deburring) 和包括切屑處理、清洗在內的柔性清整系統(tǒng)FFS(Flexible Finishing System) 為代表的高度自動化的去毛刺技術已得到應用,這標志著去毛刺技術正向高新技術領域邁進。在美國的SMC（生產加工工程師學會）和ASME（美國機械工程師學會）對這毛刺檢測有較深入的研究，但沒有制訂成國家標準。 1.1.2 意義 毛刺現象既是一個簡單的又是一個復雜的問題，隨著工業(yè)化和自動化程度的提高,機械加工領域,特別是航空、航天、儀器儀表領域中,對機械零件制造精度要求的提高和機構設計的微型化,毛刺的危害日益明顯，因此，跟蹤世界毛刺科技發(fā)展新動向，總結各國發(fā)展毛刺科技發(fā)展新舉措，科技發(fā)展新特點，密切關注毛刺領域的新材料等，對促進我國毛刺科技的發(fā)展、工件整體水平、推動電子信息產業(yè)發(fā)展，都具有重要的理論和現實意義。在實際工作中，若去毛刺的方法適當，它會提高產品的質量、降低成本，否則，不但影響生產效率的提高、產品質量好壞，還會影響產品的成本。具體說：有些產品要求較高，經過認真去毛刺后由于毛刺較牢固，如果不是經過切削加工是很難脫落的；有些高精度產品，特別是安全性能要求特別高，價值極高的產品，如飛機、衛(wèi)星等產品就要求徹底消除毛刺，即使非常牢固的毛刺，需要經過切削加工也要消除，否則萬一毛刺脫落就會造成不可估量的損失，隨著技術的發(fā)展，無論產品種類、規(guī)格、產能和產量、技術水平都得到很大提高。毛刺是電子科技的重要支撐，是電子設備、電子信息系統(tǒng)以及武器裝備控制系統(tǒng)的重要基礎。從的發(fā)展歷程可以看出，電子系統(tǒng)功能的每一次升級、半導體技術的每一次創(chuàng)新都會從產量和性能等方面對元件提出更高的要求。伴隨著信息化浪潮在世界范圍內如火如荼地發(fā)展，毛刺的發(fā)展速度、技術水平和生產規(guī)模，不僅直接影響著電子技術的發(fā)展，而且對改造傳統(tǒng)行業(yè)，促進科技進步，提高裝備現代化水平都具有重大意義。因此，毛刺去除與毛刺檢測對整個機械產品及機械工業(yè)有著重要意義。 1.2 研究現狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 國內去毛刺機的發(fā)展概況 目前，國外許多工業(yè)發(fā)達國家已經把數控去毛刺設備的生產標準化、產業(yè)化，價格相對也有所下降。在近幾年，微電子技術的快速發(fā)展帶動了以PC機位代表的計算機軟硬件的發(fā)展，去毛刺機設備也以建立以pc機為基礎的制造系統(tǒng)為目標，向開放的集成自動化方向發(fā)展。為順應這一趨勢，去毛刺數控系統(tǒng)也由專用的封閉數控系統(tǒng)向基于PC機的開放數控系統(tǒng)發(fā)展。有些進口的去毛刺設備只需要操作者輸入去毛刺材料、厚度、坡口形式等去毛刺工藝條件他就可自動生成去毛刺工藝，并且還可以隨著被焊材料、構件的換代，實現在線遠程升級。他們的設備基本都提供了現場總線接口，是國外自動化去毛刺系統(tǒng)的集成水平顯著提高。在歐美、日本等技術發(fā)達國家，自動化、機器人去毛刺設備的應用非常普遍，特別是在批量化、大規(guī)模和有害作業(yè)環(huán)境中使用率更高，已形成了成熟的技術、設備和與之配套并不斷升級的去毛刺工藝。 1.2.2 國外去毛刺機的發(fā)展概況 去毛刺產品中有許多曲線的去毛刺，在我國一般采用手工去毛刺。手工操作具有一定的優(yōu)勢，但也，存在著人員管理難、工人培訓周期長、生產環(huán)境惡劣、勞動強度大、去毛刺質量難以穩(wěn)定的保持、容易產生夾雜、氣孔等缺陷、去毛刺成本高、生產效率低一系列的問題等。為了克服上述種種弊端，去毛刺科技工作者研究出了多種自動化去毛刺設備，如仿形去毛刺機，去毛刺機器人，三維數控去毛刺機等。近些年來我國去毛刺技術的整體發(fā)展水平比較好，尤其是逆變式焊機技術現已成熟，正在全國推廣應用。波控、智能及自動、半自動去毛刺技術快速發(fā)展?？墒潜M管如此，我國的去毛刺設備還是不能滿足國內工業(yè)的生產需求。 1.2.3 去毛刺機在我國的應用及發(fā)展趨勢 我國從20世紀80年代開始進行大型機床等機械產品去毛刺結構的研究，20 多年來已取得長足的進步。去毛刺結構已經在現代化的數控機床等大型機床上應用以焊代鑄以焊代鍛的結構設計和制造技術迅速發(fā)展。 在汽車制造工業(yè)方面，隨著我國汽車產量的不斷增加20世紀90年代開始從國外陸續(xù)引進先進的去毛刺設備。并在車轉動軸、剎車蹄片、輪圈以及其他部件的制造過程中普遍采用各種先進的去毛刺工藝，提高了去毛刺效率和產品質量。去毛刺在船舶、汽車、鍋爐、壓力容器制造行業(yè)中也成為主要的生產工藝手段之一 。目 前，已有多種去毛刺工藝方法獲得各國船級社的認可而被應用于生產。自十一五期間開始進行高效去毛刺技術的探索以來，至今已取得令人欣喜的成績。 近年來，我國在大型貯罐去毛刺、球形貯罐去毛刺、鋁鎂合金料倉去毛刺等領域中，已成功地開發(fā)應用了自動焊或半自動焊工藝，如球罐全位置自動焊工藝和裝備已在國內開發(fā)成功，它將為進一步推動去毛刺自動化發(fā)揮重要作用。 在當前，數控去毛刺機的機構設計絕大多數還是依據具體的情況來設計專用去毛刺數控去毛刺機，稱之為固定結構的傳統(tǒng)數控去毛刺機，其運動特性使特定數控去毛刺機僅能適應一定的范圍，花費成本較大，不利于數控去毛刺機的發(fā)展。 很數移動去毛刺數控去毛刺機還有焊縫跟蹤的功能,其不足之處就是在焊前必須通過人為的方式,幫助數控去毛刺機找到合適的位置并且放好，通過人工將數控去毛刺機本體、十字滑塊等調整到合適的狀態(tài) ,這里所設計的移動數控去毛刺機是有軌移動去毛刺數控去毛刺機，只是現有的移動去毛刺數控去毛刺機技術在PCB板去毛刺中的應用， 還不能滿足要求，而當前的移動去毛刺數控去毛刺機技術有相當的發(fā)展。也就是說數控去毛刺機的自主性還跟不上工業(yè)發(fā)展的腳步。 未來的發(fā)展趨勢可分為以下三個方面：[2] 1 選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤：因為與圖象處理方面相關的技術得到發(fā)展； 2 采用多傳感信息融合技術以面對更為復雜的去毛刺任務； 3 控制技術由經典控制到向智能控制技術的發(fā)展：這也將是移動去毛刺數控去毛刺機的控制所采用。 1.3 本課題研究的內容及方法 1.3.1 主要的研究內容 在查閱了國內外大量的有關去毛刺數控去毛刺機設計理論及相關知識的資料和文獻基礎上，綜合考慮去毛刺數控去毛刺機結構特點、具體作業(yè)任務特點以及去毛刺數控去毛刺機的推廣應用，分析確定使用三自由度關節(jié)型去毛刺數控去毛刺機配合生產工序，實現自動化去毛刺的目的。 為了實現上述目標，本文擬進行的研究內容如下: 1 根據現場作業(yè)的環(huán)境要求和數控去毛刺機本身的結構特點，確定數控去毛刺機整體設計方案。 2 確定數控去毛刺機的性能參數，對初步模型進行靜力學分析，根據實際情況選擇電機。 3 從所要功能的實現出發(fā)，完成數控去毛刺機各零部件的結構設計； 4 完成主要零部件強度與剛度校核。 1.3.2 設計要求 1 根據所要實現的功能，提出三維數控去毛刺機的整體設計方案； 2 完成三維數控去毛刺機結構的詳細設計； 3 通過相關設計計算，完成電機選型； 4 完成三維數控去毛刺機結構的三維造型；繪制三維數控去毛刺機結構總裝配圖、主要零件圖。 62 2 總體方案機構設計 2.1 設計概念 對于去毛刺的結構設計，首先我們應該了解齒輪毛刺的特點：其次考慮觀察毛刺的設備，我們有很多種方法可以觀察毛刺，第一種方法是利用激光照射，激光橫掃貫穿孔可以掃描出貫穿齒輪毛刺的形貌；第二種方法是利用超聲波檢測，利用超聲波在物體中的多種傳播特性，例如反射與折射、衍射與散射、衰減、諧振以及聲速等的變化，可以測知許多物體的尺寸、表面與內部缺陷、組織變化等等；第三種方法是利用攝像頭進行拍攝，而利用波不易觀察，設備較為昂貴。找出它們的位置，以觀察毛刺是否全部去除通過X、Z向電機帶動各向滾珠絲杠轉動，繼而使工作臺在各向導軌上移動以調節(jié)工作臺在空間的位置，由此可確定毛刺的位置。 本文采用的是利用主軸帶動毛刷，通過進給機構進行去毛刺操作 2.2 設計原理 數控去毛刺機的設計應滿足一下幾個條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性，為了使工件與去毛刺點保持準確的相對位置，必須根據要求的去毛刺點，去選擇合適的定位機構。再者就是要有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到去毛刺槍在運動過程中產生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度可能會發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對于受力較大的進行強度、剛度計算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應考慮到產品零件變換的問題。為適應不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結構，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構的使用范圍。 X軸和Z軸采用絲杠傳動：X軸 電動機—聯軸器—滾珠絲杠 Z軸 電動機—聯軸器—滾珠絲杠 3 水平進給機構結構及傳動設計 表3.1 滾珠絲桿副支承 支承方式 簡圖 特點 一端固定一端自由 結構簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速都較低設計時盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。 一端固定一端游動 需保證螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長，轉速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數量，轉速不高時多用更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承。 兩端固定 只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A拉伸，預拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結構和工藝都比較困難，這種裝置適用于對剛度和位移精度要求較高的場合。 3.1 水平進給滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個機構。他的作用就是把旋轉運動轉和直線運動進行相互轉換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉動時帶動滾珠滾動。 設水平進給最大行程為200mm, 兩側各留10mm的安全距離.最快進給速度為18m/min, 絲杠等組件大概質量為50kg,工作臺大概質量為80kg,移動部件大概質量為30kg 3.1.1 導程確定 電機與絲桿通過聯軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電動機的最高轉速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm 3.1.2 確定絲桿的等效轉速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉速 最小進給速度是絲桿的轉速 絲桿的等效轉速 式中取故 3.1.3 估計工作臺質量及負重 絲杠等組件重量 工作臺重量 移動部件重量 3.1.4 確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數為0.03，K為顛覆力矩影響系數，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 3.1.5 確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負載性質系數，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數（查表：取ft=1） fh-------硬度系數（查表：取fh =1） fa-------精度系數（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數（（查表：取fk =1） Fm------等效負載 nz-------等效轉速 Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h 由上式計算得Car=17300N 表3-1-1各類機械預期工作時間Lh 表3-1-2精度系數fa 表3-1-3可靠性系數fk 表3-1-4負載性質系數fw 3.1.6 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。選用滾珠絲杠的精度等級絲軸為1～3級（1級精度最高），考慮到本設計的定位精度要求及其經濟性，選擇X軸精度等級為3級 3.1.7 選擇滾珠絲桿型號 計算得出Ca=Car=17.3KN, 則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公稱直徑Ph=12mm 則選擇FFZD型內循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD4010—3。 公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm 3.2 校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率，其扭轉剛度影響扭轉固有頻率。承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計算而定。 3.2.1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 式中do--------是絲桿公稱直徑（mm） dw------------滾珠直徑（mm）， 絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺最大行程+螺母長度+兩端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm 代入上式計算得出Fca=5.8X108N 可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負荷滿足要求。 3.2.2 臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速，要求絲杠的最高轉速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系數，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數，雙推-簡支方式時取18.9 經過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉速，所以滿足要求。 3.2.3 絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計算公式 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。 經計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。 3.3 電機的選擇 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉動慣量、負載轉矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1 電機軸的轉動慣量 a、回轉運動件的轉動慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經計算得 b、水平進給直線運動件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質量 水平進給直線運動件M=160kg P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經計算得 c、聯軸器的轉動慣量 查表得 因此 3.3.2 電機扭矩計算 a、折算至電機軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經計算得 b、折算至電機軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導軌摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系數為0.02，F0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動效率，η=0.90 I—傳動比，I=1 經計算得 c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9 經計算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據以上計算的扭矩及轉動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉矩為6.7。 4 垂直進給機構設計計算 4.1 滾珠絲杠螺母副的選用設計 進給機構的進給運動，由進電機的轉動，然后帶動工作臺絲杠傳動。在數控工作臺上的絲杠傳動，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。 所以要擦系數大，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，變換成數控工作臺進給機構的的直線位移。 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，目前國內正式投產的，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 目前國內常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內循環(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循環(huán)（N系列），如圖所示。這種內循環(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。內循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數目少，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 內循環(huán)的滾珠絲杠 4.1.4 軸向間隙的調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。雙螺母經加預緊力調整后，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動部分的軸向間隙，應同時調整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預緊力調整方法有下面三種。 （1）墊片調隙式 如圖所示為墊片調隙式，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生軸向位移，以達到消除間隙和產生預緊力的目的。 這種結構特點是結構簡單，可靠，裝拆方便。但缺點是調整很費時，在工作狀態(tài)下不能隨意調整，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）螺紋調隙式 如圖所示為螺紋調隙式。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，調整方便，所以應用廣泛，但調整的位移量不太精確。 圖4.4 墊片調隙式 圖4.5螺紋調隙式 （3）齒差調隙式 如圖所示為齒差調隙式。它是在兩個螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數值相差一個齒，裝入內齒圓3中，內齒圓3是用螺釘1和定位銷4固定在套筒5上的。調整是先取下內齒圓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。消除間隙并產生預緊力后，把內齒圓3套上用定位銷4固定。 這種結構的特點是調整精確可靠，定位精度高，但結構復雜，僅在高精度的數控機床有所應用。 1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內齒圓； 4——定位銷； 5——套筒。 圖4-6 齒差調隙式 4.2 滾珠絲杠的選擇 4.2.1 滾珠絲杠的精度 查閱滾珠絲杠的樣本選擇絲杠精度為5級精度等級，有初步設計現設絲杠效行程350 mm，行程偏差允許達到30μm。 4.2.2 滾珠絲杠參數的計算 （1）最大工作載荷的計算 絲杠的最大載荷為工作時的最大進給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設最大進給力=5000N，導軌上面移動部件的重量約為500㎏，導軌的摩擦系數為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力） （N） (4.1) 絲杠最大載荷是： 5000＋196＝5196（N） (4.2) 平均載荷是： =×=≈3529（N） (4.3) （2）當量動載荷的計算 滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據導程和動載荷兩個參數,其選擇的原則為:①滾珠絲杠的靜載荷Coa不能大于額定靜載荷Coam,即Coa≤Coam;②滾珠絲杠的動載荷Ca不能大于額定動載荷Cam,即Ca≤Cam。 驅動電機最高轉速2000 r/min 絲杠最高轉速為2000r/min，工作臺最小進給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉速為0.1r/min，可取為0，則平均轉速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命 ==675（r） (4.4) 當量動載荷值： (4.5) 式中： ——載荷性質系數，無沖擊取1-1.2，一般情況取1.2-1.5，有較大沖擊振動時取1.5-2.5； ——精度影響系數，對1、2、3級精度的滾珠絲杠取=1.0，對4、5級精度的絲杠取=0.9。 根據要求去=1.5，=0.9，代入數據得 ≈51.59（KN） (4.6) 根據計算所得最大動載荷和初選的絲杠導程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF4010-5型內循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為40mm，導程為10mm，循環(huán)滾珠為5圈×2列，精度等級取5級，額定動載荷為55600N，大于最大計算動載荷=51590N，符合設計要求。 表4.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數 名 稱 符 號 計算公式和結果 公稱直徑（mm） 40 螺距(mm) P 10 接觸角 鋼球直徑(mm) 7.144 螺紋滾道法面半徑(mm) 偏心距(mm) 0.009 螺紋升角(mm) = 絲杠外徑(mm) 39.5 絲杠底徑(mm) 34.3 螺桿接觸直徑(mm) 32.87 （3）傳動效率的計算 將公稱直徑=40mm，導程=10mm，代入λ=arctan[]，的絲杠螺旋升角λ=。將摩擦角，代入=，得傳動效率=93.7%。 （4）剛度的驗算 本傳動系統(tǒng)的絲杠采用一端軸向固定，一端浮動的結構形式。固定端采用一對面對面角接觸球軸承和一個角接觸球軸承，另一端也采用角接觸球軸承，這種安裝適應于較高精度、中等載荷的絲杠。 滾珠絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。 a、滾珠絲杠滾道間的接觸變 根據公式Z=，求得單圈滾珠數Z=22，改型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數×列數為5×2，代入公式圈數×列數，得滾珠總數量=220。絲杠預緊時，取軸向預緊力=1732（N）。查相關公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形 (4.7) 式中=51590N。代入數據得； ==0.013(mm) 因為絲杠有預緊力，且為軸向負載，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0065mm。 b、絲杠在工作載荷作用下的抗壓變形 絲杠采用的是兩端都為角接觸球軸承，軸承的中心距a=720mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=34.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6() 根據公式代入數據得： =0.018(mm) C、總的變形 ==0.0065+0.018=0.0245mm,絲杠的有效行程為600， 絲杠在有效行程500—400mm時，行程偏差允許達到30μm,，可見絲杠剛度足夠。 （5）穩(wěn)定性的驗算 (4.8) 公式中取支撐系數=2， 由絲杠底徑=43.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝），滾珠螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm，代入公式得： =181129.6(㎏) 則f=181129.6N大于=51590N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。 （6）臨界轉速的驗算 對于滾珠絲杠還有可能發(fā)生共振，需要驗算其臨界轉速，設不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界轉速。 查資料得公式 ： (4.9) 為絲杠支承方式系數（一端固定，一端游動） 代入數據得：4397(r/min),臨界速度遠大于絲杠所需轉速，故不會發(fā)生共振。 （7）滾珠絲杠選型和安裝尺寸的確定 由以上驗算可以知道，絲杠型號為FF4010—5，完全符合所需要求，故確定選用該型號，安裝尺寸查表可知。 （8）絲杠支承的選擇 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有較高要求。其兩端支承的配置情況為軸向固定方式。本次設計絲杠支承選用一端固定，另一端浮動。 4.3 伺服電機的選擇 4.3.1 最大負載轉矩的計算 所選伺服電機的額定轉矩應大于最大切削負載轉矩。最大切削負載轉矩T可根據以下公式計算，即 (4.10) 從前面的計算可以知道，最大載荷N，絲杠導程=10mm=0.01m，預緊力=N，根據計算的滾珠螺母絲杠的機械效率=0.947，因為滾珠絲杠預加載荷引起的附加摩擦力矩： （N·m） (4.11) 查手冊得單個軸承的摩擦力矩為0.32N·m，故一對軸承的摩擦力矩=0.64N·m。簡支端軸承步預緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機與絲杠直接相連，其傳動比=1，則最大切削負載轉矩： (N·m) 所選的伺服電機額定轉矩應該大于此值。 4.3.2 負載慣量的計算 伺服電機的轉動慣量應與負載慣量相匹配。 負載慣量可以按一下次序計算。立柱與主軸箱的質量為500㎏，折算到電動機軸上的慣量可按下式計算， (kg·㎡) (3.14) 絲杠名義直徑=50mm=0.05m，長度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據公式計算絲杠加在電動機軸上的慣量 (㎏·㎡) (4.12) 聯軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即(㎏·㎡) 故負載總的慣量為 (㎏·㎡) 電動機的轉子慣量應與負載慣量相匹配。通常要求不小于，但也不是越大越好。因越大，總的慣量就越大，加速度性能受影響。為了保證足夠的角加速度，以滿足系統(tǒng)反應的靈敏的，將采用轉矩較大的伺服電動機和它的伺服控制系統(tǒng)。根據有關資料的推薦，匹配條件為： (4.13) 則所選交流伺服電動機的轉子慣量應在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內。 根據上述計算可選用表3.2中的交流伺服電機α22/3000i型，其額定轉矩為22N·m，最高，轉動慣量J=0.012㎏·㎡。 表4.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機 型號 α1/ 5000i α2/ 5000i α4/ 4000i α8/ 3000i α12/ 3000i α22/3000i 輸出功率/kw 0.5 0.75 1.4 1.6 3 4 額定轉矩(N·m) 1 2 4 8 12 22 最高轉速 5000 5000 4000 3000 3000 3000 轉動慣量(㎏·㎡) 0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012 質量㎏ 3 4 8 12 18 29 伺服放大器規(guī)格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 4.3.3 空載加速轉矩計算 當執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速到最大移動（快速）速度時，所需要的空載加速轉矩按下式求， (4.14) 空載加速時，主要克服的是慣性，選用的α22/3000i型交流伺服電動機,總慣量 0.0120+0.0092=0.0212(㎏·㎡) 加速度時間通常取的3~4倍，故=(3~4)=(3~4)×6=18~24(ms)，則 (N·m) 4.4 導軌副的計算、選擇 根據給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動）。根據計算結果查有關資料初選導軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據計算額定靜載荷初選導軌: 選擇漢機江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25 基本參數如下: 表4.3 額定靜載荷初選導軌 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) 17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座個數 單向行程長度 每分鐘往復次數 M 4 0.6 4 導軌的額定動載荷N 依據使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln： 額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命: 導軌的工作壽命足夠. 4.5 聯軸器的選擇 金屬彈性元件撓性聯軸器是由各種片狀、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到補償兩軸相對偏移 和減振、緩沖功能，構成不同結構、性能的撓性聯軸器。金屬彈性元件比非金屬彈性元件強度高，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所示膜片聯軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯地與兩半聯軸器聯接，每組膜片由數片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯軸呂靠膜片的彈性變形來補償報聯兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯軸器，結構較緊湊，強度高，不用潤滑，使用壽命長，無旋轉間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點，適用于高速、高溫、有腐蝕介質工況環(huán)境的軸系傳動，廣泛用于各種機械裝置的軸系傳動 。 圖4.7 DJM5金屬膜片撓性聯軸器 4.6 軸承的選擇 滾珠絲杠中經常使用的滾動軸承有以下兩類。 （1）接觸角為的角接觸球軸承 這是目前國內外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可以組合配置。一種為面對面方式，另一種為背靠背組合方式。這兩種方式都可承受雙向軸向推力，還有一種是通向組合方式，其承受能力較高，但只承受一個方向的軸向力，同向組合時的額定動載荷等于單個軸承的乘下列系數：2個為1.40;3個為2.16；4個為2.64。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兩接觸線與軸線交點間的距離a比背對背的小，故容易實現自動調整。因此在進給傳動中面對面組合用的較多。 （2）滾針—推力圓柱滾子組合軸承 外圈與箱體固定不轉，內圈和隔套內圈隨軸轉動，滾針承受徑向載荷，圓柱滾子分別承受兩個方向的軸向載荷，修磨隔套內圈的寬度可調整軸承的軸向預緊量。 本次設計選用角接觸球軸承，根據軸的直徑選用型號為表3.3中的7009 GB/T 292—1994。 表4.4 角接觸球軸承 4.7 滾珠絲杠副的安全使用 4.7.1 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑的方式主要有以下兩種： 1．潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內部空間容積的1／3，滾珠絲杠副出廠時在螺母內部已經加注GB7324—942#鋰基潤滑脂。 2．潤滑油 運動粘度28．5—74cst(400T)的潤滑油，給油量隨使用條件等的不同而有所變化。 4.7.2 防塵 滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及