鏜銑加工中心工作臺設計

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中國地質大學長城學院 本 科 畢 業(yè) 論 文 題目 鏜銑加工中心工作臺的設計 系 別 工程學院_________ 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 馮啟貴 學 號 指導教師 楊運強 職 稱 教授 二O一四年十二月二十七日 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒 論 III 1.1 課題來源及研究目的和意義 9 1.2 鏜銑加工中心的現狀及趨勢 10 1.3 鏜銑加工中心工作臺的方案分析 11 1.3.1 機械結構分析 13 1.3.2 機械結構總體方案和布局 15 2 機械結構的設計 16 2.1滾珠絲杠的設計 22 2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定 22 2.3滾珠絲杠的預緊 23 2.4滾珠絲杠選取與校核 24 3 滾動軸承的選取與計算 25 3.1 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸受力分析 25 3.2 計算軸承壽命 25 3.3當量載荷 26 4 步進電機的選取及設計計算 26 4.1轉動慣量計算 27 4.2將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量 28 4.3計算電機輸出的總力矩 28 4.4負載起動頻率估算 29 5 聯(lián)軸器的選取 29 6 齒輪減速器的選取 30 7 進給系統(tǒng)精度校核 31 7.1支承滾珠絲杠軸承的變形 32 7.2支承滾珠絲杠軸承的軸向變形 33 結 論 34 致 謝 35 參 考 文 獻 36 摘 要 鏜銑加工中心工作臺的設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現方便而且能夠保證一定的精度。降低成本，是微機控制技術的最直觀的應用。其通過步進電機控制滾珠絲桿轉動，從而帶動滾珠螺母往復移動，以實現工作臺的往復移動，也就是實現了工件能夠在鏜銑加工中心工作臺上面進行X軸和Y軸靈活移動的加工功能。 鏜銑加工中心工作臺機電系統(tǒng)設計采用步進電機作為驅動裝置，步進電機是一個將脈沖信號轉移成角位移的機電式數模轉換器裝置。其工作原理是每給一個脈沖便在定子電路中產生一定的空間旋轉磁場;由于步進電機通的是三相交流電所以輸入的脈沖數目及時間間隔不同，轉子的旋轉快慢及旋轉時間的長短也是不同的。 對于鏜銑加工中心工作臺的研究，我國與國外相比，還是有一定的差距，因此工作臺的設計具有重要意義，我們要借助時代的步伐，與時俱進，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領先技術的綜合性強國。 關鍵詞：鏜銑加工中心工作臺 ；數控 ；步進電機 ；機床 absraote This paper discusses the meat processing machinery - crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis.umatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced. The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer auger,This paper discusses the meat processing machinery - crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis. Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat food consisting mainly of minced required. Key word: pneumatic manipulator ；cylinder ；pneumatic loop ；Four degrees 中國地質大學長城學院2015屆畢業(yè)設計（論文） 1 緒 論 1.1 課題的來源及研究的目的和意義 本設計所設計的鏜銑加工中心工作臺采用了低摩擦的直線滾動導軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過MCS-51單片機來控制步進電機，使鏜銑加工中心工作臺實現了數控控制。工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞動生產效率。本設計的鏜銑加工中心工作臺工作臺機電系統(tǒng)設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現方便而且能保證一定的精度。通過微機控制技術的簡單的應用，實現對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步提高。本設計所設計的鏜銑加工中心工作臺不僅可用于加工中心上進行數控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數控鉆削加工，所以其功能遠高于傳統(tǒng)的普通工作臺是新一代機電一體化的典型產品。通過對鏜銑加工中心工作臺的設計，能夠正確運用機床數控系統(tǒng)等課程的基本理論個有關知識學會設備數控化改造方案的擬定、比較、分析及進行必要的計算；通過對設備改造的機械部分設計，掌握數控設備典型零件的計算方法和步驟以及正確的結構設計方法；通過設備的數控系統(tǒng)硬件和軟件設計，掌握簡單的數控系統(tǒng)硬件及軟件設計的基本方法；通過課程設計，初步樹立正確的設計思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應用手冊、標準以及編寫文件等資料的能力。 在本設計中著重介紹了如何對鏜銑加工中心工作臺進行設計，對導軌、絲杠、電機、選用和數控控制電路的設計和其控制程序的編制等方面進行了深入的分析。 數控技術的發(fā)展歷程 ：數控加工中心品種繁多，規(guī)格不一，可按通用加工中心的分類方法分為以下3類： 數控立式加工中心：數控立式加工中心主軸軸線垂直于水平面，這種加工中心占數控加工中心的大多數，應用范圍也最廣。目前三坐標數控立式加工中心占數控加工中心的大多數，一般可進行三軸聯(lián)動加工。 臥式數控加工中心：臥式數控加工中心的主軸軸線平行于水平面。 為了擴大加工范圍和擴充功能，臥式數控加工中心通常采用增加數控轉臺或萬能數控轉臺的方式來實現四軸和五軸聯(lián)動加工。這樣既可以加工工件側面的連續(xù)回轉輪廓，又可以實現在一次裝夾中通過轉臺改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進行多個位置或工作面的加工。 立臥兩用轉換加工中心：這類加工中心的主軸可以進行轉換，可在同一臺數控加工中心上進行立式加工和臥式加工，同時具備立、臥式加工中心的功能。加工中心是用銑刀進行切削加的機床,加工中心的加工情況如圖1-1所示。在加工中心上，用不同銑刀可以對平面、斜面、溝槽、臺階、T形槽、燕尾槽等表面進行加工，另外配上分度頭或回轉臺還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故加工中心的萬能性強，應用范圍很廣。加工中心的主參數是工作臺面寬度及長度。圖1-1 加工中心上的典型工作加工中心的工藝特點如下： (1) 加工中心的主軸帶動銑刀作旋轉主運動； (2) 銑刀是多齒、多刃連續(xù)進行切削； (3) 多數加工中心由工作臺帶動工件作直線進給運動； (4) 銑刀在切削時，每個刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時參加切削的齒數是變化的，每個刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機床振動； (5) 銑削時，銑刀同時參加切削的齒數較多，便于采用較大的銑削速度和進給給量，因而生產效率高。我國的數控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應用階段過渡的關鍵時期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時期。我國數控系統(tǒng)在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術上（包括核心技術），已達到國外先進水平。目前，已新開發(fā)出數控系統(tǒng)80種。自“七五”以來，國家一直把數控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現已開發(fā)出具有中國版權的數控系統(tǒng)，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關鍵技術。 我國數控機床產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內市場占有率偏低。據有關資料表明,年國產數控機床的市場占有率僅為38.88%。造成這種嚴峻的形勢,除客觀原因外,主要是產品的質量、可靠性不過硬?！笆濉逼陂g,我國機械制造工業(yè)正朝著精密化、柔性化、集成化、自動化、智能化方面迅速發(fā)展,國內數控機床需求強勁,我國數控機床產業(yè)適逢極好的發(fā)展機遇。然而,我國加入ＷＴＯ后,國外生產的數控機床將會更多的進入我國市場市場競爭更為激烈。提高國產數控機床市場占有率,關鍵在于提高質量和可靠性。幾年來,經過對國內外數控機床的機械結構剖析和使用性能的調研,探索和總結了數控機床機械結構設計和制造的新技術?，F時主要存在有以下幾個問題： （1）缺乏產業(yè)規(guī)模 （2）缺乏發(fā)展數控產業(yè)的政策和技術配套體系 （3）缺乏技術創(chuàng)新，產品更新和產業(yè)調整的內在動力 （4）面臨國外強手競爭的巨大壓力 回顧數控技術的發(fā)展已經經歷了兩個階段，六代的發(fā)展歷程。第一個階段叫做NC階段，經歷了電子管、晶體管、和小規(guī)模集成電路三代。自1970年開始小型計算機開始用于數控系統(tǒng)就進入了第二個階段，叫做CNC階段，成為第四代數控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經過十多年的發(fā)展，數控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實際上從20世紀末期直到今天，在生產中使用的數控系統(tǒng)大部分都是第五代數控系統(tǒng)。但第五代數控系統(tǒng)以及以前各代都是一種專用封閉的系統(tǒng)，而第六代——開放式數控系統(tǒng)將代表著數控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。 1.2數控加工中心的現狀及趨勢 隨著科學技術的發(fā)展、制造技術的進步和人類生活水平的提高，以及社會對產品質量和品種的多樣化的要求趨勢日益增強。中、小批量生產的比例明顯增加，對數控機床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護和培訓的成本，同時還要求具有網絡功能，以適應未來車間面向任務和定單的生產組織和管理模式。為此，近10年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數控系統(tǒng)應運而生，發(fā)展很快。目前正朝標準化開放體系結構的方向前進。就體系結構而言，當今世界上的數控系統(tǒng)大致分為4種類型：傳統(tǒng)數控系統(tǒng)、“PC嵌入NC結構的數控系統(tǒng)、“嵌入PC”結構的開放式數控統(tǒng)、開放式數控系統(tǒng)。特別是進入20世紀90年代以來，隨著國際上計算機技術突飛猛進的發(fā)展，數控技術正在不斷采用計算機、控制理論等領域的最新技術成就。目前外數控機床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動化、高可靠性、智能化、復合化、網絡化、開放式體系結構等方向迅速發(fā)展這將對數控機床機械結構設計和制造的質量和可靠性提出更高的要求?！笆濉逼陂g,我國機械制造行業(yè)必須瞄準國際數控機床發(fā)展的科學前沿,開拓創(chuàng)新,消化吸收國外先進技術,開創(chuàng)我國數控機床設計和制造技術的新局面。 1.3 鏜銑加工中心工作臺的方案分析 1.3.1機械結構分析 本課題是設計一種鏜銑加工中心工作臺的機構，此工作臺可以在X,Y軸兩個方向自由移動，由電動機控制，人們只需啟動和關閉開關，即可實現工作臺在任意位置的停止，可以實現將工件移動到指定的位置，為加工提供方便。 由于為了進給機構可以實現多種方案，本課題平移、升降裝置采用電機驅動滾珠絲桿的方式來帶動工作臺的平移，現提供以下設計方案： 聯(lián)軸器 工作臺 滾滾絲桿 步進電機 圖1 步進電機驅動滾珠絲桿進給機構方案1 此種方案為傳統(tǒng)的的進給機構設計方案，此種方案步進電機與滾珠絲桿通過聯(lián)軸器固結，絲桿螺母裝在滾珠絲桿上面，保持滾珠絲桿與工作臺通過螺紋連接，，這種方法由于滾珠絲桿動，從而帶動絲桿螺母轉動，從而實現工作臺的平移，可以做X、Y方向的移動，從而實現鉆床工作臺的快速進給。此種方案結構簡潔，造價低廉，定位精準，可靠，符合此次設計的要求，因此此種方案雖然是傳統(tǒng)的設計方法，但切合實際，我們優(yōu)先考慮。 縱向滾珠絲桿 橫向滾珠絲桿 桿 橫向進給步進電機 縱向進給步進電機 工作臺安裝架 圖3 鏜銑加工中心工作臺大體布局圖 1.3.2機械結構總體方案和布局 本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。因為滾珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機構，在數控機床上得到廣泛應。它的傳動特點是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動元件。當絲杠和螺母相對運動時，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動（靜）摩擦系數相差極小，配以滾動導軌，起動力矩很小，運動靈敏，低速時不會出現爬行。滾珠絲杠螺母機構是回轉運動與直線運動相互動的傳動裝。它具有以下優(yōu)點: （1） 摩擦損失小、傳動效率高傳動效率可達92%--96%，是普通絲杠傳動的3～4倍，而驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的25%。 （2）運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數都很小，且其差值小，因而啟動轉矩小，動作靈敏。 （3）軸向剛度高、反向定位精度高由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實現滾珠的預緊，因而軸向剛度高，反向時無空行程，定位精度高。 4）滾珠絲杠螺母副主要零件均經過熱處理，其滾面的硬度值可達602HRC，因而耐磨性好，壽命長，精度穩(wěn)定性好。 （5）磨損小、壽命長、維護簡單使用壽命是普通滑動絲杠的4～10倍。 （6）傳動具有可逆性、不能自鎖由于摩擦因數小、不能自鎖，因面使該機構的傳動具有可逆性，可以把旋轉運動轉化為直線運動，還可以把直線運動轉化為旋轉運動。由于不能自鎖，在作垂直運動時應附加裝或防止逆轉的裝置防止工作臺因自重而下降。因為滾珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點，因此，本題目選用滾珠絲杠螺母副。 2 機械結構的設計 2.1滾珠絲杠的設計 滾珠絲桿具有以下特點： (1)傳動效率高 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的傳動效率高達90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動絲杠系統(tǒng)的2～4倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、動時無顫動、低速時無爬行現象，因此可精密地控制微量進給。 （2）高精度 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)運動中溫升較小，并可預緊消除軸向間隙和對絲杠進行預拉伸以補償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和 鋼球滾動接觸處均經硬化（HRC58～63）處理，并經精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動，相對對磨損甚微，故具有較高的使用壽命同步性好由于運動平穩(wěn)、反應靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動系統(tǒng)同時傳動幾個相同的部件或裝置，可以獲得很性與其它傳動機械，液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進行一般的潤滑和防塵。在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作。 一般來說滾珠絲杠在工作中應該預緊以提高絲杠的剛度，從而提 高傳動精度，但在本機械系統(tǒng)中由于絲杠所承受的彎矩很小，所以我覺得沒必要進行預緊，所以安裝方式是一端固定一端游動的形式。X軸向的工作臺與其上面所安裝的機械結構重力約10N，焊槍在焊接時由于電流作用與工件之間的相互吸引力約2N。 2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動法面截形，循環(huán)方式等的確定 查《機械傳動設計手冊》，根據滾珠絲杠副螺紋滾道法面截形、參數和特點的比較選擇如下： （1）確定選擇螺紋滾道法面截形為單圓弧，參數公式見表8.2-11，接觸角為=45。其特點是：磨削滾道的砂輪成形簡便，可得到較高的加工精度。有較高的接觸強度，但比值/小，運行時摩擦損失增大。接觸角α隨初始間隙和軸向載荷的大小變化，為保證α=，必須嚴格控制徑向間隙。圖示如圖2 圖2 單圓弧法面截形 （2）單圓弧法面截形要求消除間隙和調整預緊必須采用雙螺母結構。 （3）根據機床的特點，選用內循環(huán)浮動式反向器，其特點是徑向尺寸小，循環(huán)通道短，摩擦損失小，傳動效率高。 2.3 滾珠絲杠的預緊 滾珠絲杠副除了對本身單一方向的傳動精度有要求外，對其軸向間隙也有要求，以保證其反向傳動的精度。我們通常采用雙螺母結構預緊方式（圖3） 圖3 雙螺母結構預緊示意圖 雙螺母預緊的結構通常有三種： 1.墊片調隙式(圖4) 圖4 墊片調隙式 調整方法：調整墊片厚度，使螺母產生軸向位移。為便于調整，墊片常制成剖分式。 特點：結構簡單，裝卸方便，剛度高；但調整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊。適用于高剛度重載傳動。 2.螺紋調隙式(圖5) 圖5 螺紋調隙式 調整方式：調整端部的圓螺母，使螺母產生軸向位移。 特點：結構緊湊，工作可靠，調整方便；但準確性差，且易于松動。用于剛度要求不高或需隨時調節(jié)預緊力的傳動。 3.齒差調隙式(圖6) 圖6 齒差調隙式 調整方式：螺母1、2的凸緣上有外齒，分別與緊固在螺母座兩端的內齒圈3、4嚙合，其齒數風別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個螺母向相同方向同轉動，每轉過一個齒，調整軸向位移量為：(Ph—導程)。 特點：能夠精確地調整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調整比較復雜，用于高精度的傳動機構。 本設計中將采用的是雙螺母內循環(huán)墊片調整式滾動螺旋副來消除間隙。 墊片調整式有結構比較簡單，裝卸方便，剛度高的特點。 2.4滾珠絲杠選取與校核 （1） 初始條件 本設計的軸向進給長度大于徑向進給結構，只校核軸向進給結構用的絲杠如下： 由本設計要求可知，估算工作臺的重量和安裝在工作臺上面的電磁夾具給絲杠的平均工作載荷Fm=4000N，最大軸向行程420 mm，取用絲杠的工作長度為672mm，有效滾道長度是500mm。 兩支承間最大距離為：575mm平均轉速100r/m使用壽命Lh=15000h,Ra為58-62HRC,要求傳動精度0.03mm，螺桿材料為：50Mn， 高、中頻加熱,表面淬火。螺母材料為：CrWMn ，整體淬火、低溫回火。返向器材料為：40Cr，離子滲氮處理螺紋滾道法面截形為半圓弧，螺母采用雙螺母墊片式預緊方式。 （2） 計算載荷 公式摘自《機械零件設計手冊》第二版中冊滾動螺旋傳動設計計算部分，下同） = （式1） 式中為載荷系數，K為硬度系數，為短行程系數。參《機械零件設計手冊》表18-18，表18-19，表18-20取=1.2，K=1，=1 （3） 計算額定動載荷 計算額定動載荷公式 （式2） 其中n為平均轉速，其中Lh=15000h，取n=100r/min,代入上式后計算得C=21496.42N （4） 根據必須的額定動載荷C選擇螺旋尺寸 根據內循環(huán)滾動螺旋副結構，查表8.2-18《機械傳動設計手冊》，使選擇規(guī)格的螺旋副C接近 C 或者稍大于C，如下表1： 表1 螺旋尺寸表 導程Ph 公稱直徑 圈數 螺紋升角 直徑 動載荷 靜載荷 6 32 1X2 3.25度 3.969 14750 37600 6 32 1X3 3.25度 3.969 19600 56450 6 32 1X4 3.25度 3.969 24000 75250 6 40 1X2 3.25度 3.969 16300 47100 6 40 1X3 3.25度 3.969 21650 70650 6 40 1X4 3.25度 3.969 26450 94200 6 50 1X2 3.25度 3.969 18050 59700 6 50 1X3 3.度 3.969 24000 119400 6 50 1X4 3.25度 3.969 29350 結合公稱直徑和公稱導程的優(yōu)先配合，綜合考慮選擇參數如下： 查特征代號確定型號為 FD406-3-3/全長螺紋長度，其尺寸參數如下：額定動載荷 公稱直徑 公稱導程 鋼球直徑 mm 圈數列數=13, 螺紋升角 = 基本額定靜載荷 =70650N 滾道半徑R = 0.52 =2.064mm 偏心距e = 0.707x（R-/2）=0.0562mm 絲杠螺紋內徑d==35.984mm （5）穩(wěn)定性驗算 因為絲杠采用一端固定一端鉸支的安裝方式，查表18-7《機械零件設計手冊》長度系數， 參照《機電一體化系統(tǒng)設計基礎》表2-10取安全系數[S]=3，因為螺桿較長，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷成為臨界載荷F（N）按下式計算： F= （式3） 式中E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206GP；l為絲杠工作長度（m），l=672mm；為絲杠危險截面軸慣性矩（m）; == （式4） =8.14910m 又 可得： 安全系數S= F/= （式5）絲杠安全,不會失穩(wěn). （6） 剛度驗算 按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉矩引起的彈性變形方向是一致的。 滾珠絲杠在工作載荷F(N)和轉矩T(Nm)共同作用下引起每個導程變形量 (m)為 = （式6） 式中,A為絲杠截面積,A=1/4;為絲杠的極慣性矩,=/32(m);G為絲杠的切變模量,對鋼G=83.3GP;T（Nm）為轉矩。 又T=F （式7） 式中，為摩擦角，其正切值為摩擦系數；為平均工作載荷；可以查出螺旋副運動由旋轉運動轉化為直線運動時取參數摩擦系數tan=0.0025，又=，所以樣有下式： T=F 按最不利的情況計算，F=F有 則每米螺紋距離上彈性變形量為 （式8） 而每米螺紋距離上彈性變形量的許用值見《機械零件設計手冊》第二版中冊表18-17. 通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的1/2，即 =3.02μm/m<1/2()=1/2 10μm/m 所以絲杠的剛度是完全滿足要求的。 （7） 效率驗算 合格 （式9） 綜上所校核，該絲杠是符合要求的。 同理，徑向傳動的滾珠絲杠也好似符合要求的。 3 滾動軸承的選取與計算 3.1 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸受力分析 軸向滾珠絲杠軸和徑向滾珠絲杠軸一端受力 如圖 根據如圖選取深溝球軸承6006 求當量載荷P。 FA=309.6N 查表12-5可得，6306軸承的Cr=27kN，C0r=15.2kN；輕微沖擊，取fP=1.1 因，查表可得，e=0.21. 因，故 P1=fp=1834.8N P2=fp=2305.8N 3.2計算軸承壽命Lh 已知球軸承ε=3，因工作溫度小于120℃，取ft=1。 滿足壽命要求。 另一端受力如圖所示，根據圖所選取深溝球軸承6206。 3.3求當量載荷P。 查表12-5可得，6210軸承的C0r=19.8kN，Cr=27kN；輕微沖擊，取fP=1.2 P1=fp=2135.2N P2=fp=1277.7N (2)計算軸承壽命Lh。 已知球軸承ε=3，因工作溫度小于120℃，取ft=1。 （3）因轉速較低，此處還需進行靜強度計算 查表得X0=0.6，Y0=0.5，S0=1.2 P01= [0.6，]max＝=1779.3N C0r/P01=11.13＞S0=1.2 滿足壽命要求。 軸向滾珠絲杠副絲杠軸的滾動軸承電機傳動部分，初步選擇的滾動軸承為0基本游隙組，標準精度級的推力球軸承51206。 軸向力 ， ，Y=1.9，X=0.4 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 則 則 則 則 則 則 故合格。 徑向滾珠絲杠副絲杠軸的滾動軸承電機傳動部分，初步選擇的滾動軸承為0基本游隙組，標準精度級的推力球軸承52207。 軸向力 ， ，Y=1.7，X=0.4 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 則 則 則 則 ， 則 4 步進電機的選取及設計計算 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步距角增量。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頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控加工中心、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： 4.1 轉動慣量計算 在旋轉運動中，物體的轉動慣量J 對應于直線運動中的物體質量。要計算系統(tǒng)在加速過程中產 生的動態(tài)載荷，就必須計算物體的轉動慣量J 和角加速度e，然后得慣性力矩T＝J. 轉軸的距離。單位：kgm2。以園柱體為例： J=W/8(D/1000)*2 式中： L：長度，mm D：直徑，mm 轉矩 22NM 4.2將負載質量換算成電機輸出軸上的轉動慣量，常見傳動機構與公式如下： Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2） 式中Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 ---齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2) W---工作臺重量（N） S ---絲桿螺距（cm） J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL2 4.3計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T1.0210ˉ2 （1-4） 式中Ma ---電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt---電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n---電機所需達到的轉速（r/min） T---電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2πηi)10ˉ2 （1-5） Mf---導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m) u---摩擦系數 η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)10ˉ2 （1-6） Mt---切削力折算至電機力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） 計算所得力矩28NM 4.4負載起動頻率估算 數控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為: fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7） 式中fq---帶載起動頻率（Hz） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. 4.5運行的最高頻率與升速時間的計算 由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。 4.6負載力矩和最大靜力矩Mmax 負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 ～0.4)Mmax. 綜上述選取三相混合步進電機110BYG350A/350A-S(接線型) 5 聯(lián)軸器的選取 mm 輸入軸的最小直徑為安裝聯(lián)軸器的直徑，為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。聯(lián)軸器的計算轉矩，查《機械設計（第八版）》表14-1，由于轉矩變化很小，故取，則 =1.3X49.24=64012N.Mm 查《機械設計課程設計》表14-4，選Lx3型彈性柱銷聯(lián)軸器其工稱轉矩為1250N.m，而電動機軸的直徑為19mm所以聯(lián)軸器的孔徑不能太小。取=19mm，半聯(lián)軸器長度L=82mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為60mm。軸向滾動絲杠副絲杠軸，選HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為1250000，半聯(lián)軸器的孔徑19mm，半聯(lián)軸器長度42mm。徑向滾動絲杠副絲杠軸選Lx3型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為1250000，半聯(lián)軸器的孔徑19mm，半聯(lián)軸器長度42mm。 6 齒輪減速器的選取 b)根據所需扭矩T2R按一下公式的出計算用扭矩： T2c=T2rXFs T2c--計算用扭矩 T2r--實際所需扭矩 Fs--使用系數 C)由所要求的輸出轉速n2和輸入轉速n1確定傳動比 i=n1/n2 i-傳動比 n1-- 輸入轉速（r/min) n2--輸出轉速（r/min) d)確定T2c和i后，在輸入轉速不超過減速機額定轉速的情況下，選擇最接近計算值的傳動比，并滿足一下條件的減速機型號： T2n>T2c T2n--額定輸出扭矩（單位N/m) 所以所選取步進電機為110BYG350C，根據以上查表計算所得選取行星減速器型號為PL120。 7 進給系統(tǒng)精度校核 根據用戶的要求的定位精度, 該內圓磨床機構向進給系統(tǒng)采用半閉環(huán)的控制形式, 通過工作臺的進給速度及負載慣量與電機慣量的匹配計算, 滾珠絲杠不可能采用與電機直連的形式, 而通過降速比為2的一對齒形帶輪傳動, 絲杠螺距為6mm。 7.1支承滾珠絲杠軸承的變形 在軸向載荷作用下, 絲杠在軸線方向上被拉伸或壓縮, 變形量的大小與支承方式和螺母工作位置有關。由于絲杠采用兩端固定的形式, 根據材料力學求解超 靜定計算式, 可得變形量 : 式中: F 軸向工作載荷, N; E 彈性模量,對鋼 E = 20.6104N/mm2; A 絲杠截面積(按內徑定), mm2; L 絲杠在支承間的受力長度, mm; a, b 螺母至兩端支承的距離, mm 當工作臺運動到兩支承的中間位置時變形量最大, 其最大變形量 11max=F/4EA 。 絲杠內徑 57mm, 因此 絲杠扭轉變形所產生的軸向變形量,絲杠受扭矩作用而引起導程發(fā)生變化, 一個導程的變化量 式中: L0 絲杠導程, mm; 則絲杠受扭矩作用在支承長度L 上所產生的軸向變形量 式中:扭矩作用下絲杠每一導程長度兩截面上的相對扭轉角，根據材料力學計算式, 扭轉角式中: M 絲杠的驅動扭矩, G 剪切彈性模量, 對鋼G = 8.24104N/mm2. J 絲杠截面極慣性矩,mm4。絲杠的驅動扭矩.式中:a代表絲杠的螺旋升角;數控加工中心進給滾珠絲杠副的螺旋升角%= 2&53?,摩擦角&= 10?,所以?= 0.94,每一導程長度兩截面上相對扭轉角絲杠自重彎曲所引起的軸向變形量,絲杠雖然采用兩端固定,預拉伸的結構,但由于絲杠自重, 軸線發(fā)生彎曲變形。 根據材料力學超靜定結構分析計算,可得出絲杠自重彎曲變形所引起的軸向變形量。式中:?中央處撓度,絲杠長4280因絲杠太長,采用兩端固定預拉伸仍不能完全消除絲杠的下垂,必須考慮絲杠自重的影響, 根據實測?值取1mm。則絲杠因自重和載荷變化所產生的軸向變形量:滾珠與滾道面彈性接觸變形引起的軸向變形量螺母體變形量包括螺母和螺母座的變形量、螺母的固定螺栓所產生的軸向變形量和滾珠, 與滾道面彈性接觸變形引起的軸向變形量, 由于螺母和螺母座的剛性好, 不考慮其變形。 當采用預緊螺母時, 對固定螺栓的變形也略不計。對螺母體的變形只需考慮滾珠與滾道面彈性接觸變形。根據彈性接觸理論, 其變形量與螺母有無預緊有關。當有預緊時，式中:R 滾道半徑,mm;rb、db分別為滾珠半徑、直徑mm;? 接觸角,= 45&;z 工作的滾珠數,外循環(huán)時 z =!D 0db圈數 列數,內循環(huán)時,z =!D 0db- 3圈數列數式中: D0滾珠絲杠副公稱直徑;Fp 預緊軸向力10-3+3.65X10-3 = 0.02733mm <0.03mm滿足定位精度要求. 結 論 通過本次設計鏜銑加工中心工作臺結構的設計，從中深刻掌握到了滾珠絲桿，滾珠螺母等等結構，并對該結構進行設計計算，并繪制出裝配圖和零件圖。然后在通過二維軟件AUTOCAD進行零件和裝配圖的繪制。 綜上所述得到一下結論： (1)本設計適應了鏜銑加工中心工作臺結構的設備，可以在允許的任意位置下停止。 (2)滾珠絲桿與滾珠螺母的應用得到了認可； (3)充分查找資料根據計算結果和設計的需要，選用合適的零部件，并對其進行校核；精度驗算； (4)機械系統(tǒng)中各個傳動系統(tǒng)的設計，方案合理，能適應實際的情況。 致 謝 本課題是在xxx老師的精心指導和熱情關懷下完成的，在此謹向導師表示最衷心的感謝和最誠摯的敬意。 本次畢業(yè)設計是在指導老師xx的細心指導下完成的。在我三個月的畢業(yè)設計中，正是他們以無私的關懷、忘我的研究精神和嚴謹的學術作風關心影響和教導了我，將令我終身受益。從課題的開始到最后，無處不凝聚著xxx老師的心血。xxx老師在學習和生活方面給予了我極大的關心和支持。同時老師嚴謹的、科學的學術作風，前瞻的科研眼光、敏銳的思維、淵博的知識、豐富的閱歷、謙虛大度的胸懷、獨特的為人處世原則,忘我工作的奉獻精神是永遠值得我學習的。在此謹向xxx老師表示衷心的感謝！ 感謝應用技術學院的各位老師！在我四年多的求學生涯中，從學習和生活各方面給予我莫大的關懷和幫助。感謝我的大學同學,與他們共同度過這一段難忘的人生旅程，他們?yōu)槲业拇髮W生生活和畢業(yè)設計生活增添了無限色彩。 再有要感謝一起學習生活的同學們，與他們的一次次交流使我得以不斷進步和提高。 我能夠專心學習，順利完成學業(yè)，與我的父母的培養(yǎng)、鼓勵和支持是分不開的，在此向他們表示最誠摯的感謝！ 感謝文中所引用文獻的所有作者們！再次感謝所有關心、支持和幫助過我的老師、同學和朋友們！ 參 考 文 獻 [1] Zhang Guoxiong，Liu Shugui，Qiu Zurong，Yu Fusheng，NaYonglin，Leng Changlin.NON-CONTACT MEASUREMENT OF SCULPTURED SURFACE OF ROTATION［J］.CHINESE JOURNAL OF M ECHANICAL ENGIN EERING.Vo1，17，No．4，2004. 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