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沈陽理工大學學士學位論文
沈陽理工大學
畢業(yè)設(shè)計(論文)
電火花打小孔機床關(guān)鍵零部件設(shè)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(shè)計是對高速電火花打小孔機床的設(shè)計。在這里主要包括: X軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計、Y軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計、Z軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計、動力頭系統(tǒng)的設(shè)計。這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件。
整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機裝置運動，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)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(nèi)容：
(1) 高速電火花打小孔機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
(2) 高速電火花打小孔機床工作性能分析。
(3)電動機的選擇。
(4) 高速電火花打小孔機床的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件設(shè)計。
(5)對設(shè)計零件進行設(shè)計計算分析和校核。
(6)運用計算機輔助設(shè)計，對設(shè)計的零件進行三維建模。
(7)繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計零件的零件圖。
關(guān)鍵詞：高速電火花打小孔機床， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is the design of high-speed electric spark pinhole machine. Here mainly includes: the X axis drive system design, Y axis drive system design, Z axis drive system design, power system 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, so as to drive the device, 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) a small overall structure design of high-speed electric spark machine tool.
(2) analysis of small hole machine tool working performance of high speed electric spark hit.
(3) the choice of motor.
(4) the design of transmission system, execute parts of the high-speed electric spark eyeleting machine.
(5) the design of components for the design calculation and check.
(6) the use of computer aided design, 3D modeling on Design of parts.
(7) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.
Keywords: high speed EDM drilling holes on the machine, coupling, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
1 緒論 1
1.1 電火花加工簡述 1
1.2 電火花加工工作原理 1
1.3 電火花加工特性 2
1.4 電火花加工主要特點 2
1.5 本課題研究的內(nèi)容及方法 4
1.5.1 主要的研究內(nèi)容 4
1.5.2 設(shè)計要求 4
2 高速電火花打小孔機床總體設(shè)計 6
2.1 總體概述 6
2.2 技術(shù)參數(shù) 6
2.3 設(shè)計原理 7
3 X軸進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計 8
3.1 擬定X軸進給方案圖 8
3.2 最大工作載荷的計算 8
3.3 最大動載荷的計算 9
3.4 滾珠絲杠螺母副的選型 9
3.5 滾珠絲杠副的支承方式 10
3.6 傳動效率的計算 10
3.7 剛度的驗算 10
3.8 穩(wěn)定性校核 11
3.9 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 11
3.10 步進電機的計算和選用 12
3.10.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算 12
3.10.2 電機力矩的計算 13
3.11 步進電機的選擇 15
4 Y向進給機構(gòu)設(shè)計計算 17
4.1 Y向傳動系統(tǒng)圖 17
4.2 Y向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核 17
4.2.1 桿螺母副的設(shè)計、計算與選型 18
4.2.2 步進電機的計算，校核和選型 21
4.2.3 導軌副的計算、選擇 27
4.2.4 軸承的選擇 29
5 Z軸進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計 31
5.1 Z軸進給滾珠絲桿副的選擇 31
5.1.1 導程確定 31
5.1.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 31
5.1.3 估計工作臺質(zhì)量及負重 31
5.1.4 確定絲桿的等效負載 32
5.1.5 確定絲桿所受的最大動載荷 32
5.1.6 精度的選擇 33
5.1.7 選擇滾珠絲桿型號 33
5.2 校核 34
5.2.1 臨界壓縮負荷驗證 34
5.2.2 臨界轉(zhuǎn)速驗證 35
5.2.3 絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 35
5.3 電機的選擇 36
5.3.1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 36
5.3.2 電機扭矩計算 37
6 動力頭主軸設(shè)計計算 40
6.1 電機的選擇 40
6.2 同步帶傳動計算 40
6.2.1 同步帶計算選型 40
6.2.2 同步帶的設(shè)計 44
6.3 主軸組件設(shè)計計算 44
6.3.1 主軸的材料與熱處理 44
6.3.2 主軸直徑的選擇 45
6.3.3 主軸前后軸承的選擇 46
6.3.4 軸承的選型及校核 46
6.3.5 主軸前端懸伸量 48
6.3.6 主軸支承跨距 49
6.3.7 主軸的校核 49
6.3.8 軸承壽命校核 52
6.3.9 主軸組件中相關(guān)部件 53
結(jié)論 55
致 謝 56
參考文獻 57
1 緒論
1.1 電火花加工簡述
電火花加工是浸在液體中的另外的導電材料的特殊加工方法電腐蝕的電極之間的脈沖放電，也被稱為放電加工或電蝕，英文簡稱EDM。1943，蘇聯(lián)學者蒂夫婦發(fā)明了電火花加工，用脈沖電源和控制系統(tǒng)的改進，并迅速發(fā)展。脈沖電源的最初使用的是一個簡單的電阻-電容電路。電阻電感電容回路50時間的改善。同時，還采用了脈沖發(fā)生器，一個長脈沖電源，提高去除效率，相對的工具電極損耗。其次是大功率電子管，閘流管，高頻脈沖電源，使在提高生產(chǎn)率相同的粗糙度條件。60在一個晶體管和可控硅脈沖電源，提高能源效率和減少工具電極損耗，并擴大了粗、精加工的可調(diào)范圍。70出現(xiàn)在低壓和高壓脈沖，多回路脈沖，脈沖可調(diào)的脈沖電源，表面粗糙度，加工精度和降低工具電極損耗和取得新進展。在控制系統(tǒng)方面，從最初簡單的維持放電間隙，控制工具電極，微型計算機的發(fā)展，對電參數(shù)和非電參數(shù)的實時控制。
1.2 電火花加工工作原理
電火花加工時，工具電極和工件分別與脈沖電源的兩極，并浸在液體中，或在放電間隙的液體灌裝。通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極對工件的間隙，當兩個電極之間有一定的距離，兩個電極施加的脈沖電壓將工作液體擊穿，產(chǎn)生火花放電。在微通道放電瞬間集中了大量的熱量，溫度可高達攝氏一萬度，壓力也很大，這使這一點工作表面局部微量金屬材料立刻熔化，氣化，并爆炸濺到工作流體，快速冷凝，形成金屬的固體顆粒，是工作流體。然后對工件表面會留下一個小坑，放電痕跡，暫停，恢復(fù)絕緣狀態(tài)的兩個電極之間的工作流體。
然后，在兩個電極的另一點故障下的脈沖電壓比較接近，火花放電，重復(fù)上面的過程。因此，雖然每個脈沖金屬體積放電消融以每秒數(shù)千次的幾十個，但由于脈沖放電的影響，可以去除更多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。在工具電極與工件之間的侵蝕條件下的恒流放電間隙，當工件金屬，當工具電極與工件，最后處理相應(yīng)的工具電極的形狀。因此，只要對電極和工件和工具電極的形狀類型之間的相對運動的變化，可以生產(chǎn)各種形狀的。
工具電極用導電性好，熔點高，易加工的耐電蝕材料，如銅，石墨，銅鎢和鉬。在這個過程中，工具電極是有損的，但小于金屬侵蝕量，甚至接近沒有損失。工作液作為放電介質(zhì)，但也發(fā)揮了作用，在冷卻過程中，芯片。的工作流體是低粘度，閃點高，性能穩(wěn)定的媒體，如煤油，去離子水和乳液。
1.3 電火花加工特性
1：電火花加工速度和表面質(zhì)量
模具電火花通常用于粗，精加工，文件的處理方法。粗加工的方式來實現(xiàn)高功率，低損耗，并且，在精加工電極相對損耗，但總的來說，精加工余量少，因此電極的磨損也很小，可以通過加工尺寸控制進行補償，或被忽略而不影響精度的要求。
2：火花碳渣和渣
電火花加工順利在殘?zhí)亢拖荚胶鈼l件。在實踐中往往以消除在處理速度為代價的殘?zhí)迹绺唠妷?，使用結(jié)束時，靜息脈等。排除碳渣的影響已加工表面形狀的另一個原因是復(fù)雜的，使排屑路徑不暢。只有積極創(chuàng)造良好的條件，采取一些方法來對癥積極治療。
3：工件和電極損耗之間的火花
電火花放電脈沖時間長，有利于降低電極損耗。電火花加工的粗加工一般采用長脈沖大電流放電加工速度快，電極損耗。在結(jié)束的時候，小電流放電必須降低放電脈沖時間，不僅增加了電極損耗，也降低了處理速度大大。
電火花加工是一種新的技術(shù)，從加工完全不同。隨著工業(yè)的發(fā)展和科學技術(shù)的進步，高熔點，高硬度，高強度，高脆性，高粘度和高純度的性能的新材料的出現(xiàn)。具有工作越來越要求的各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊的技術(shù)，使傳統(tǒng)的機械加工方法無法處理或難加工。因此，除了進一步發(fā)展和完善的加工方法的人，也能尋求新的加工方法。電火花加工方法能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，并表現(xiàn)出了許多優(yōu)異的性能，故應(yīng)用，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
1.4 電火花加工主要特點
1對普通方法加工難加工材料和復(fù)雜形狀工件；
2沒有力的加工；
3無毛刺和條紋缺陷；
4工具電極材料不需比工件材料硬；
5功率處理直接使用，容易實現(xiàn)自動化；
6處理后的表面改性層，必須進一步去除中的一些應(yīng)用；
7在煙霧污染治理工作液的凈化處理。
電火花加工的主要目的是：模具和復(fù)雜形狀的工件的孔和型腔加工；各種難加工硬脆材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼；深孔加工孔，異形孔，深槽，窄、切割片；各種異型工具處理，模型和螺紋環(huán)規(guī)工具和量規(guī)。
電火花加工主要用于孔，模具型腔加工，已成為模具制造行業(yè)的領(lǐng)先的加工方法，提高模具行業(yè)的技術(shù)進步。電火花在3000以下零件號，模具沖壓件更為經(jīng)濟合理。根據(jù)與所使用的工具和工件的相對運動特性的電火花加工工藝的不同，可分為：電火花加工，電火花線切割，電火花銑削加工和電火花加工，電火花加工非金屬表面強化處理，等。
這種方法是通過工具電極進給運動相對于工件，對工件的工件電極形狀和大小的復(fù)制，因此加工所需要的零部件。它包括放電腔的加工和機械加工兩個。放電腔的加工主要用于各種熱鍛模具型腔加工，壓鑄，擠壓模具，塑料模具和塑料薄膜。電火花加工主要用于孔（孔，方孔，孔，多邊形孔），曲線控（彎孔，螺絲孔，孔和微孔）處理。近年來，為了解決電極孔的橫截面小，加工容易變形，孔深徑比大，在電火花加工屑困難的問題，在高速加工的發(fā)展，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
電火花打孔機能夠處理任何高強度，高硬度，高韌性，高脆性和高純度的導電材料，也可以加工方形孔內(nèi)，微孔和深孔高長徑比。在這個過程中，電火花加工的原理是通過電流擊穿介質(zhì)產(chǎn)生的熱量，氣化和熔化的材料，不產(chǎn)生力，所以不會產(chǎn)生毛刺和條紋缺陷。由于電火花是緩慢的，高頻脈沖電源的使用，可以提高工作效率，以實現(xiàn)高速電火花加工鉆孔機床的設(shè)計目的。
1.5 本課題研究的內(nèi)容及方法
1.5.1 主要的研究內(nèi)容
在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)數(shù)控電火花打小孔設(shè)計理論及相關(guān)知識的資料和文獻基礎(chǔ)上，綜合考慮數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)特點、具體作業(yè)任務(wù)特點以及數(shù)控電火花打小孔的推廣應(yīng)用，分析確定使用數(shù)控電火花打小孔配合生產(chǎn)工序，實現(xiàn)自動化的目的。
為了實現(xiàn)上述目標，本文擬進行的研究內(nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控電火花打小孔本身的結(jié)構(gòu)特點，確定數(shù)控電火花打小孔整體設(shè)計方案。
2 確定數(shù)控電火花打小孔的性能參數(shù)，對初步模型進行靜力學分析，根據(jù)實際情況選擇電機。
3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成數(shù)控電火花打小孔各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計；
4 完成主要零部件強度與剛度校核。
1.5.2 設(shè)計要求
1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出數(shù)控電火花打小孔的整體設(shè)計方案；
2 完成數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計；
3 通過相關(guān)設(shè)計計算，完成電機選型；
4 完成三維數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制三維數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
54
2 高速電火花打小孔機床總體設(shè)計
2.1 總體概述
電火花小孔加工機床能加工不銹鋼，淬火鋼，硬質(zhì)合金，銅，鋁等多種導電材料 ，能加工孔徑φ0.3-3mm,最大深徑比能達300:1以上，加工速度每分鐘可達40-60mm ，能直接從斜面，曲面穿入,工作臺X,Y,Z軸配有光柵數(shù)顯，Z軸具有定深功能。
2.2 技術(shù)參數(shù)
表2-1 技術(shù)參數(shù)
工作臺面尺寸 (mm) Worktable dimensions(mm)
438×318
438×318
工作臺行程 (mm) Worktable stroket(mm)
350×250
350×250
Z軸行程 (mm) Servo travel (mm)
300+300
300+300
加工深度 (mm) Maching thickness(mm)
0～300
0～300
最大加工速度 (mm/min) Max.machining removalrate (mm/min)
65
65
最大加工電流 (A) Max.machining current (A)
30
30
加工孔徑范圍 (mm) Max.wire (mm)
φ0.3～φ3
φ0.3～φ3
工作臺承受重量 (kg) Max.weight of Worktable (kg)
200
200
工作液 Work fluid
水/皂化液 water/saponification
水/皂化液 water/saponification
工作液桶容量 (L) Work fluid bucket capacity (L)
30
30
機床供電電源 Total power
380V/50Hz
380V/50Hz
最大消耗功率 (KVA) Max.rate of electrode wear (KVA)
3.5 KVA
3.5 KVA
機床外形尺寸 (mm) Overall dimensions(mm)
1100×750×1700
1100×750×1700
機床重量 (kg) Weight(kg)
600
600
控制方式 control manner
Z軸自動 travel auto
Z軸自動 travel auto
數(shù)顯 Digital display
三軸數(shù)顯 3
二軸數(shù)顯 2
Z軸定深功能 travel auto control thickness
有 YES
無 NO
2.3 設(shè)計原理
數(shù)控電火花打小孔的設(shè)計應(yīng)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，為了使工件與點保持準確的相對位置，必須根據(jù)要求的點，去選擇合適的定位機構(gòu)。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，還受到在運動過程中產(chǎn)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(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大機構(gòu)的使用范圍。
X軸、Y軸和Z軸采用絲杠傳動：X軸 電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
Y軸 電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
Z軸 電動機—聯(lián)軸器—滾珠絲杠
3 X軸進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計
3.1 擬定X軸進給方案圖
X向進給絲桿支承方式圖所示
圖3-1 傳動系統(tǒng)圖
3.2 最大工作載荷的計算
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。設(shè)計工作臺簡圖如下：
圖3-2 工作臺簡圖
X向拖板(上拖板)尺寸為:
重量: (3.1)
Y向拖板(下拖板)尺寸為:
重量: (3.2)
上導軌(含電機)重量:
(3.3)
假設(shè)夾具及工件重量: 最大承載重量50Kg
X-Y工作臺運動部分總重量為:
(3.4)
3.3 最大動載荷的計算
(3.5)
(3.6)
(3.7)
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—X向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6；
—X向滾珠絲杠導程，初選為。
—X向最大工進速度，該設(shè)計值為；
—X向最大工進速度對應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計算得出得 ：=12278.8 (3.8)
3.4 滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL2005-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級為3級，其參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 FL2005-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
20
5
3.5
19
16.5
32.8
14
3.5 滾珠絲杠副的支承方式
考慮到X向滾珠絲杠副的長度、精度與負載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進行預(yù)拉伸。
3.6 傳動效率的計算
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==95.67% (3.9)
3.7 剛度的驗算
=（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)設(shè)計，為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047 (3.10)
=±4.7
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
3.8 穩(wěn)定性校核
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設(shè)計取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計中該值為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設(shè)中將代入算出=87080。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：== (3.11)
臨界載荷遠大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會失穩(wěn)。
3.9 臨界轉(zhuǎn)速的驗證
(3.12)
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值約為720；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經(jīng)過計算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.10 步進電機的計算和選用
3.10.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算
（1）帶輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算（）
對于鋼材：
(3.13)
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長度（）
—鋼材的密度
對于帶輪：D可取分度圓直徑，L取帶輪寬度；
對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。
具體計算如下：
X向：
(3.14)
（2）絲杠傳動時折算到電機軸上的總傳動慣量
步進電機經(jīng)一對帶輪降速后傳到絲杠，此傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：
式中：
具體計算如下：
X向： (3.15)
3.10.2 電機力矩的計算
電機的負載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大負載時所需力矩等幾部分介紹其計算方法。
（1） 快速空載起動時所需力矩
(3.16)
式中：
（2） 快速進給時所需力矩
(3.17)
因此對運動部件已起動，固不包含，顯然。
（3）最大負載時所需力矩
(3.18)
式中：
在采用絲杠螺母副傳動時，上述各種力矩可用下式計算
(3.19)
式中：
摩擦力矩
(3.20)
式中：
附加摩擦力矩
(3.21)
式中：
折算到電機軸上的負載力矩
(3.22)
式中：
具體計算：
X向： (3.23)
(3.24)
3.11 步進電機的選擇
目前，經(jīng)濟型數(shù)控機床中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進電機。
1. 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距
從表中查出，當步進電機為三相六拍時，
(3.25)
(3.26)
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為8N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。但必須進一步考核步進電機起
動矩頻特性和運行矩頻特性。
步進電機起動頻率 Hz (3.27)
最高工作頻率 Hz (3.28)
從電機表中查出，110BYG3500型步進電機的空載起動頻率為1600Hz，運行頻率為30000Hz，滿足要求。
X向： (3.29)
按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進電機型號表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。
4 Y向進給機構(gòu)設(shè)計計算
4.1 Y向傳動系統(tǒng)圖
圖4-1 傳動系統(tǒng)圖
4.2 Y向進給伺服系統(tǒng)機械部分計算與校核
根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。設(shè)計工作臺簡圖如下：
圖4-2 工作臺簡圖
X向拖板(上拖板)尺寸為:
重量: (4.1)
Y向拖板(下拖板)尺寸為:
重量: (4.2)
上導軌(含電機)重量:
(4.3)
假設(shè)夾具及工件重量: 最大承載重量50Kg
X-Y工作臺運動部分總重量為:
(4.4)
4.2.1 桿螺母副的設(shè)計、計算與選型
(1) 計算牽引力
(4.5)
(2) 計算最大動負載C
選用滾珠絲桿導軌 參考《機床設(shè)計手冊.3》P185-P210
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中：L——壽命，以轉(zhuǎn)為一單位
n ——絲桿轉(zhuǎn)速（r/min）
——為最大條件下進給速度，可取最高進給速度的1/2-1/3
取
——絲桿導程（mm） 初選=6mm
T——為使用壽命（h）,對于數(shù)控機床取15000h
——運轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5
(4.6)
(4.7)
(4.8)
(3) 螺母副的選型
查閱《綜合作業(yè)指導書》附表Ａ-2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動負載為9700N,精度等級按表3-17選為３級。
(4) 傳動效率計算
式中：——螺旋升角，WD3006
——摩擦角取 滾動摩擦系數(shù)0.003-0.004
(4.9)
(5) 剛度驗算
Y向進給絲桿支承方式圖２所示，最大牽引力2000N,支承間距Ｌ＝350mm，因絲桿長度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。
計算如下:
a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)
b) 查閱《綜合作業(yè)指導書》圖3-4,根據(jù)＝2087.98N,D=30mm查出 可算出：
(4.10)
c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量
查圖3-5得Ｗ系列１列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量
因進行了預(yù)緊 (4.11)
d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
采用推力球軸承5204查閱《機床設(shè)計手冊.2》表5.9-137,d=20mm,滾動體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13
(4.12)
綜合以上幾項變形量之和：
(4.13)
(6) 穩(wěn)定性校核
計算臨界負載(N)
式中:E——材料彈性模量()
I ——截面慣性矩()
L——絲桿兩軸承端距離(cm)
——絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00
(4.14)
(4.15)
一般=2.5-4.0,所以>>
此滾珠絲桿不會產(chǎn)生失穩(wěn)。
(7) Y向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表1)
表4-1 Y向滾珠絲桿副的幾何參數(shù)
參數(shù)名稱
符號
關(guān)系式
WD3006
螺
紋
滾
道
公稱直徑
30
導程
6
接觸角
鋼球直徑
3.175
滾道法面半徑
R
1.651
偏心距
e
0.045
螺紋升角
螺
桿
外徑
d
29.365
內(nèi)徑
26.788
接觸直徑
26.83
螺
母
螺紋直徑
D
33.212
內(nèi)徑
30.635
4.2.2 步進電機的計算，校核和選型
(1) 初選步進電機
a) 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩
查閱《綜合作業(yè)指導書》P22頁
式中: ——脈沖當量，取
——進給牽引力(N)
——步距角，初選雙拍制為
——電機—絲桿傳動效率為帶輪、軸承、絲桿效率之積分別為
(4.16)
b) 估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩
根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進電機起動轉(zhuǎn)矩(N.cm)
一般Y向進給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5
(4.17)
c) 計算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表3-22如取五相十拍，則
(4.18)
d) 計算步進電機運行頻率和最高啟動頻率
式中:——最大進給速度
——最大快移速度
——脈沖當量，取
(4.19)
(4.20)
根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉(zhuǎn)矩為245N.cm >可以滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床有可能使用較大的用量，應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進電機，以留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機床進行類比的要求。決定采用150BFG2915，但從《綜合作業(yè)指導書》P24頁查出，步進電機最高空載啟動頻率為4000Hz,滿足空載時(3333.33Hz)的要求。
(2) 校核步進電機轉(zhuǎn)矩
前面所述初選步進電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初選后，應(yīng)該進行校核計算。
a) 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)降速時，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算:
(4.21)
式中:——帶輪及其軸的轉(zhuǎn)動慣量
——帶輪的轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿轉(zhuǎn)動慣量
——絲桿導程(cm)
G——工件及工作臺重量(N)
b) 帶輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計算
表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下:
對于鋼材，
式中:M——圓柱體質(zhì)量
D——圓柱體直徑 (cm)
L——圓柱體長度或原長(cm)
鋼材的密度為
(4.22)
(4.23)
(4.24)
(4.25)
(4.26)
因此
(4.27)
(4.28)
基本滿足慣量匹配的要求。
c) 電機轉(zhuǎn)矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算:
快速空載起動轉(zhuǎn)矩
在快速空載起動階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計算如下：
式中: ——快速空載起動轉(zhuǎn)矩
——空載起動時折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
——由于絲桿預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩
在采用絲桿螺母副傳動時，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計算：
式中: ——傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量
——電機最大角速度
——電機最大轉(zhuǎn)速
——運動部件最快速度
——脈沖當量
——步進電機的步距角
——運動部件從停止到起動加速到最大快進速度所需時間(s)
(4.29)
起動加速時間=30(ms)
(4.30)
折算到電機軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩
式中: ——導軌的摩擦力(N)
——垂直方向的力(N)
G——運動部件的總重量(N)
——導軌摩擦系數(shù)，取=0.15
——帶輪降速比
——傳動鏈總效率，一般可取0.7-0.8
(4.31)
附加摩擦轉(zhuǎn)矩:
式中: ——滾珠絲桿預(yù)加負荷，一般取，為進給牽引力(N)
——滾珠絲桿導程(cm)
——滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取
(4.32)
上述三項合計:
(4.33)
快速移動時所需轉(zhuǎn)矩
(4.34)
最大負載時所需要的轉(zhuǎn)矩
式中: ——折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩
(4.35)
從上面計算看出、、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。
從表3-22查出，當步進電機為五相十拍時為
則最大靜轉(zhuǎn)矩為:
(4.36)
從表3-23查出150BFG2815最大轉(zhuǎn)矩為為245，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項要求。
d) 校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性
前面已經(jīng)計算出機床最大快移時，需步進電機的最高起動頻率為3333.33Hz,進給時所需步進電機運行頻率為1666.7Hz
從表3-23中查出150BFG2815型步進電機允許的最高空載起動頻率為4000Hz，運行頻率為16000Hz，再從圖3-15，3-16查出150BFG2815步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性如圖4-3所示:
圖4-3 步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性
當快速運動和進給時，150BFG2815型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性可以滿足要求。
4.2.3 導軌副的計算、選擇
根據(jù)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(shù)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(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
(4.37)
根據(jù)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(shù)如下:
表4-2 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(shù)
單向行程長度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導軌的額定動載荷N
依據(jù)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:
(4.38)
導軌的額定工作時間壽命:
(4.39)
導軌的工作壽命足夠.
4.2.4 軸承的選擇
滾珠絲杠中經(jīng)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(nèi)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(shù)：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(xiàn)自動調(diào)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(zhuǎn)，內(nèi)圈和隔套內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)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(nèi)圈的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。
本次設(shè)計選用角接觸球軸承，根據(jù)軸的直徑選用型號為表4-3中的7009 GB/T 292—1994。
表4-3 角接觸球軸承
5 Z軸進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計
5.1 Z軸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(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。
設(shè)水平進給最大行程為200mm, 兩側(cè)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(zhì)量為50kg, 其他輔件大概質(zhì)量為80kg,移動部件大概質(zhì)量為30kg
5.1.1 導程確定
選擇電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導程為: 取Ph=12mm
5.1.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (5.1)
最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (5.2)
絲桿的等效轉(zhuǎn)速
式中取故 (5.3)
5.1.3 估計工作臺質(zhì)量及負重
絲杠等組件重量 (5.4)
工作臺重量 (5.5)
移動部件重量 (5.6)
5.1.4 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(shù)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(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
(5.7)
(5.8)
其等效載荷按下式計算（式中取，）
(5.9)
5.1.5 確定絲桿所受的最大動載荷
fw-------負載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計算得Car=17300N (5.10)
表5-1-1各類機械預(yù)期工作時間Lh
表5-1-2精度系數(shù)fa
表5-1-3可靠性系數(shù)fk
表5-1-4負載性質(zhì)系數(shù)fw
5.1.6 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(shù)中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(yīng)小于目標設(shè)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(shè)計的定位精度要求及其經(jīng)濟性，選擇X軸精度等級為3級
5.1.7 選擇滾珠絲桿型號
計算得出Ca=Car=17.3KN, (5.11)
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN (5.12)
公稱直徑Ph=12mm (5.13)
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD2010—3。
公稱直徑 d0=20mm 絲桿外徑d1=19.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=14.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
5.2 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(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)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(nèi)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。
5.2.1 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：
(5.14)
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(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
(5.15)
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=200+148+20X2=388mm (5.16)
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。
5.2.2 臨界轉(zhuǎn)速驗證
滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
(5.17)
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm (5.18)
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9
經(jīng)過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
5.2.3 絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)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
(5.19)
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
經(jīng)計算得：
(5.19)
(5.20)
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(nèi)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(jīng)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。
5.3 電機的選擇
步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈