復(fù)合式波浪能實驗臺設(shè)計-試驗臺設(shè)計【9張cad圖紙+文檔全套資料】
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畢業(yè)設(shè)計（論文）
XX
畢業(yè)設(shè)計(論文)
課題名稱 復(fù)合式波浪能實驗臺設(shè)計
系 別
專 業(yè)
班 級
學(xué) 號
姓 名
指導(dǎo)教師
教研室主任
系 主 任
年 月 日
摘 要
本文全面闡述了運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計特點(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)介紹了運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及校核，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：運(yùn)動機(jī)構(gòu)，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠
Abstract
This paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters.
The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection.
Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 波浪能應(yīng)用的發(fā)展趨勢 3
1.4本課題的研究內(nèi)容及意義 4
第2章 設(shè)計的內(nèi)容及要求 5
2.1課題的主要內(nèi)容和基本要求 5
2.2進(jìn)度計劃與應(yīng)完成的工作 5
2.3 設(shè)計的內(nèi)容 5
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 5
2.3.2 機(jī)械部分的設(shè)計 6
2.3.3 編寫設(shè)計說明書 6
2.4 運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要部件及運(yùn)動方式的選定 6
第3章 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 7
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計 7
3.1.1 滾珠絲杠副的傳動原理 8
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點(diǎn) 8
3.1.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 8
3.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 10
3.2滾珠絲杠的選擇 12
3.2.1滾珠絲杠的精度 12
4.2.2 滾珠絲杠參數(shù)的計算 12
3.3伺服電機(jī)的選擇 15
3.3.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 15
3.3.2負(fù)載慣量的計算 16
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算 17
3.4滑動導(dǎo)軌的選擇計算 18
3.4.1工作載荷的計算 18
3.4.2小時額定工作壽命的計算 18
3.4.3距離額定工作壽命的計算 18
3.4.4額定動載荷計算及選型 19
3.5聯(lián)軸器的選擇 19
3.6軸承的選擇 20
3.7 滾珠絲杠副的安全使用 21
3.7.1 潤滑 21
3.7.2 防塵 21
3.7.3使用 21
3.7.4 安裝 22
第4章 增速器的設(shè)計 22
4.1 電動機(jī)的選擇 22
4.2 齒輪傳動件的設(shè)計計算 24
4.3 軸的計算 28
4.4 滾動軸承的選擇及計算 37
4.5連接件的選擇及潤滑 38
4.6 增速器潤滑與密封 39
第5章 浮塊的設(shè)計 39
總結(jié) 42
參考文獻(xiàn) 43
致 謝 44
43
第1章 緒 論
1.1 課題背景
從石油危機(jī)開始，各國開始把注意力轉(zhuǎn)移到本地資源和尋找最適宜的廉價能源上，21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，人類向大海索取能源成為必然趨勢，沿海地區(qū)把希望寄在洶涌澎湃的巨浪上——利用波浪能發(fā)電。波浪能在海洋中無處不在，無處不有，而且受時間限制相對較小，在很大程度上克服了潮汐能的這些缺點(diǎn)，同時波浪能的能流密度最大，可通過較小的裝置提供可觀的廉價能量，又可以為邊遠(yuǎn)海域的國防、海洋開發(fā)等活動提供能量，因此，世界各海洋大國均十分重視波浪能的開發(fā)和利用的研究。波浪能的開發(fā)和利用是一個涵蓋多個學(xué)科的綜合性問題，涉及到機(jī)械設(shè)計與制造，空氣動力學(xué)，流體力學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)模型，計算機(jī)模擬，海洋科學(xué)等各領(lǐng)域[1]。
波浪能實質(zhì)上是吸收了風(fēng)能而形成的，能量傳遞速率與風(fēng)速和風(fēng)與水相互作用的距離直接相關(guān)，由于受各種氣候條件的影響，加上風(fēng)能本身具有很大的不確定性，因此波浪能是不穩(wěn)定的一種能源。波浪能以海洋表面波浪所蘊(yùn)含的動能與勢能形式存在，水相對于海平面發(fā)生位移時，使波浪具有勢能，而水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，則使波浪具有動能[2]。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在國外，1799年，法國的吉拉德父子，獲得了利用波浪能的首項專利。英國具有世界上最好的波浪能資源。從20世紀(jì)70年代開始，英國將波浪發(fā)電研究放在新能源開發(fā)的重要位置。20世紀(jì)80年代，英國已成為世界波浪能研究的中心。日本平均波能約為13 kW/km（近海）和6 kW/km（沿岸），沿海的波浪可利用能量估算約20 GW，可滿足國內(nèi)能源總需求量的1/3。挪威的波浪發(fā)電研究起始于20世紀(jì)70年代，雖然起步晚但是發(fā)展十分迅速。挪威主要對波浪發(fā)電裝置的理論設(shè)計做出了較大貢獻(xiàn)，提出了相位控制原理和喇叭口收縮波道式波能裝置等。葡萄牙的海浪發(fā)電研究起步較晚，技術(shù)以引進(jìn)為主。但葡萄牙有著發(fā)展波浪發(fā)電得天獨(dú)厚的自然條件優(yōu)勢，政府和科研機(jī)構(gòu)對海浪能資源也越來越重視。此外，葡萄牙還于2008年引進(jìn)英國的海蛇發(fā)電機(jī)組，在此海洋實驗區(qū)建立了世界上第一個商業(yè)規(guī)模的波浪發(fā)電站[3]。
圖1-1 英國海蛇發(fā)電裝置
圖1-2 海洋浮體發(fā)電裝置
我國擁有著473萬千米 的海洋、1．89萬千米綿延的海岸線，可以說有著富饒的海洋能資源。據(jù)現(xiàn)有觀測資料統(tǒng)計，全國沿岸波浪能資源平均理論功率大約為1000余萬千瓦。波力發(fā)電技術(shù)始于20世紀(jì)70年代。1989年，我國第一座實驗波力電站建成。首座波力獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)汕尾100kW岸式波力電站于1996年12月開工，2001年2月完成進(jìn)入試發(fā)電和實海況試驗階段，2005年1
圖1-3 廣東汕尾岸式波浪能發(fā)電站
月，第一次實海況試驗成功。中科院廣州能源所海洋能實驗室和氣體水合物實驗室協(xié)同攻關(guān)，提出并解決了海洋波浪能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。利用這一技術(shù)，可以將隨機(jī)輸入的勢能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的、可任意調(diào)控的水的動能。目前已通過實驗室實驗證實了該系統(tǒng)的可行性 。我國計劃至2020年，在山東、海南、廣東各建1座l000kW級的岸式波力電站[3]。
1.3 波浪能應(yīng)用的發(fā)展趨勢
目前，國內(nèi)外一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)將波浪發(fā)電設(shè)備的研制制定在遠(yuǎn)海區(qū)域環(huán)境條件下使用的基礎(chǔ)上了，以后的商業(yè)化海洋波浪發(fā)電會基于這些發(fā)電裝置。遠(yuǎn)海區(qū)域比起近海岸基區(qū)域蘊(yùn)藏著更多更豐富的波浪能資源，需要的設(shè)備也相對簡單。遠(yuǎn)海區(qū)域的波浪發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。首先，遠(yuǎn)海區(qū)域的發(fā)電裝置相對簡單、成本低，可選取的區(qū)域廣，適合建大規(guī)模波浪發(fā)電場。例如，如果要建一個50MW的波浪發(fā)電場，岸基發(fā)電場選址就很困難，而且成本很高，但是，如果是在遠(yuǎn)海區(qū)域，則只需將發(fā)電裝置放在海上，而且可選取的區(qū)域也很廣。其次，遠(yuǎn)海區(qū)域的發(fā)電裝置單位發(fā)電效率較高，而且這些發(fā)電裝置的裝機(jī)容量一般也比岸基裝置高很多，這一優(yōu)點(diǎn)使其更適用于遠(yuǎn)距離輸電以及一些島嶼的用電。由于上述優(yōu)點(diǎn)，所以在2004至2008年問新的波浪發(fā)電開發(fā)當(dāng)中，岸基發(fā)電裝置的裝機(jī)容量只占其中的8％，而遠(yuǎn)海區(qū)域的波浪發(fā)電裝置的占58％[2]。
波浪能的開發(fā)利用將具有很廣泛的應(yīng)用價值，目前的海浪發(fā)電的裝置可為海水養(yǎng)殖場，海上燈船，海上孤島，海上氣象浮標(biāo)，石油平臺等提供能源，還可以并入城市電網(wǎng)提供工業(yè)或民用的能源。波浪能開發(fā)利用的關(guān)鍵是在降低發(fā)電成本的同時，提高發(fā)電的穩(wěn)定性，發(fā)展波浪能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，使用戶直接使用波浪能。
波浪能是一種密度低、不穩(wěn)定、無污染、可再生、儲量大、分布廣、利用難的能源。由于目前波浪能的利用地點(diǎn)大都局限在海岸附近，因此還容易受到海洋災(zāi)害性氣候的侵襲。由于開發(fā)成本高，規(guī)模小，社會效益好但經(jīng)濟(jì)效益一般，投資回收期相對較長，這些都在一定程度上束縛了波浪能的大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)利用和發(fā)展，但隨著理論和實踐方面的不斷發(fā)展成熟，波浪能開發(fā)利用的前景將是十分廣闊的[4]。
1.4本課題的研究內(nèi)容及意義
隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，人類對能源的需求量越來越大，由于目前作為主要能源的煤和石油均不具有可再生性，這直接導(dǎo)致了能源危機(jī)不斷地出現(xiàn)，能源的短缺甚至成為社會發(fā)展的一個瓶頸，這些都在不斷地提醒人們?nèi)ふ倚碌目稍偕哪茉?。由此波浪能作為一種清潔可再生的能源越來越引起人們的關(guān)注。盡管現(xiàn)在和常規(guī)能源相比，波浪發(fā)電還有很大的距離，但是，從我國能源長期發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)儲備的角度來看，加大和加快開海洋波浪能源的開發(fā)研究具有重要的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義[3]。
結(jié)合日本“3·11”發(fā)生大震后而引發(fā)的核泄漏惡劣影響，我們更加意識到發(fā)展新能源，一種可再生又對環(huán)境負(fù)面作用小，以及較小甚至不存在潛在威脅的能源。波浪能無疑就處在這種優(yōu)選行列的前茅，相信人類對波浪能的開發(fā)利用又將加快腳步。
我國近幾年運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)雖然發(fā)展較快，但與國際先進(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)品開發(fā)周期長，應(yīng)變能力差。
針對傳統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的不足之處及生產(chǎn)中存在的問題，有必要在傳統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究出新型運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。通過對傳統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)手動的進(jìn)給系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計，加入新技術(shù)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實現(xiàn)自動化，降低勞動強(qiáng)度及工作量。
運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢是：在規(guī)格上將向兩頭延伸，即開發(fā)小型和大型進(jìn)給機(jī)構(gòu)；在性能上將研制以鋼為材料的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，大幅度提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)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)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。
綜上所訴，運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的開發(fā)和設(shè)計具有很高研究的意義.本課題采用類似的運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計成果的方法，進(jìn)行運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更好的工業(yè)生產(chǎn)自動化。
本課題對運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計，研究運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，主要部件及典型零件的設(shè)計方法，其意義如下：
1、通過對數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究掌握機(jī)構(gòu)設(shè)計的一般步驟和方法；
2、通過對課題的研究，了解國內(nèi)外有關(guān)數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；
3、通過畢業(yè)設(shè)計培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神，提供分析問題和解決問題的能力。
第2章 設(shè)計的內(nèi)容及要求
2.1課題的主要內(nèi)容和基本要求
本課題要求設(shè)計開展波浪能XY二自由度運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計，X、Y軸采用滾珠絲杠螺母
2.2進(jìn)度計劃與應(yīng)完成的工作
應(yīng)完成的工作：
1、完成二萬字左右的畢業(yè)設(shè)計說明書，其中包括400字左右的中文摘要，英文摘要應(yīng)與中文摘要內(nèi)容完全相同；
2、完成與課題相關(guān)，不少于3000漢字的英文資料翻譯（附英文原文）；
3、完成運(yùn)動機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計；
4、繪制裝配圖及所有非標(biāo)件零件圖。
進(jìn)度計劃：
1、第1-2周，查閱相關(guān)資料，了解表面感應(yīng)加熱淬火運(yùn)動機(jī)構(gòu)技術(shù)技術(shù)要求，完成開題報告；
2、第3周，翻譯一篇與設(shè)計相關(guān)的英文論文；
3、第4-5周，根據(jù)設(shè)計要求確定總體方案及計算；
4、第6周，根據(jù)設(shè)計要求完成AC軸選型，查找其技術(shù)參數(shù)；
5、第7-11周，完成運(yùn)動機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)、Z軸結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計；
6、第12-14周，繪制圖紙；
7、第15周，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，準(zhǔn)備答辯。
2.3 設(shè)計的內(nèi)容
2.3.1 數(shù)控裝置總體方案的確定
(1).數(shù)控裝置設(shè)計參數(shù)的確定；
(2).方案的分析，比較，論證。
2.3.2 機(jī)械部分的設(shè)計
(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).傳動元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計，計算和選用；
(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)等效慣量計算；
(7).系統(tǒng)精度分析。
2.3.3 編寫設(shè)計說明書
(1) 說明書是設(shè)計的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個設(shè)計的內(nèi)容，包括提方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機(jī)械傳動設(shè)計計算，選用元器件參數(shù)的說明；
(2)論文正文不少于10000字。
2.4 運(yùn)動機(jī)構(gòu)主要部件及運(yùn)動方式的選定
（1）伺服電機(jī)的選擇
本次設(shè)計選用交流伺服電機(jī)，根據(jù)本進(jìn)給系統(tǒng)定位精度的要求，初步選用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。如果經(jīng)計算后半閉環(huán)系統(tǒng)不能滿足定位精度要求，可改用全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。交流伺服電機(jī)有交流同步電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，與同容量的直流伺服電動機(jī)相比較，質(zhì)量輕、價格便宜。缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)的實現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。所以數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不采用這種電動機(jī)。
交流同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻率之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，即在電源電壓和頻率固定不變時，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變得。由變頻電源供電給同步電動機(jī)時，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機(jī)械特性及寬的調(diào)速范圍。其結(jié)構(gòu)雖然比感應(yīng)電動機(jī)復(fù)雜，但比直流電動機(jī)簡單。同步電動機(jī)又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中，多采用永磁式同步電動機(jī)。在數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給驅(qū)動中，采用具有大轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速并裝有反饋元件的機(jī)電一體化的永磁式交流同步電動機(jī)已十分普及。
（2）滾珠絲杠螺母副的選擇
滾珠絲杠具有高精度、高剛度、高效率及無間隙等優(yōu)點(diǎn)。特別是在半閉環(huán)加工系統(tǒng)中，滾珠絲杠自身的精度對運(yùn)動機(jī)構(gòu)加工精度有很大的影響，定位精度在很大程度上受到滾珠絲杠精度的影響。
滾珠螺母副[4]的滾珠循環(huán)方式一般會分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。對于內(nèi)循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過程中始終保持與滾珠絲杠接觸。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠螺母副工作滾珠數(shù)目少，徑向尺寸緊湊，摩擦損失少，流暢性好，傳動效率高，軸向剛度好，但回珠器槽行比較復(fù)雜，需三坐標(biāo)數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行加工。外循環(huán)過程中滾珠與絲杠脫離接觸，目前使用插管完成滾珠循環(huán)的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，但滾道管子突出于螺母外面，所以外循環(huán)滾珠絲杠螺母徑向尺寸較大。滾珠和滾珠絲杠螺母副接觸處有過盈配合，即兩者達(dá)到預(yù)緊；滾珠絲杠螺母副事先通過調(diào)節(jié)左右螺母的相互離開和靠近消除間隙。常用的消除間隙或預(yù)緊的辦法有墊片是調(diào)隙結(jié)構(gòu)、螺紋式調(diào)隙結(jié)構(gòu)和齒差式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計采用墊片式調(diào)隙結(jié)構(gòu)。
（3）導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計的進(jìn)給機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌選用貼塑導(dǎo)軌，它屬于滑動導(dǎo)軌，是在運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動導(dǎo)軌面上貼上一層抗磨軟帶，導(dǎo)軌副的另一個固定導(dǎo)軌面為淬火磨削面。這樣就會使導(dǎo)軌摩擦系數(shù)變?yōu)?.03—0.05，導(dǎo)軌速度可達(dá)30m/min，剛度比較高，動、靜摩擦系數(shù)差值小，沒有爬行。耐磨性與鑄鐵對鑄鐵導(dǎo)軌副相比可提高1—3倍。
第3章 滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算
3.1 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計
進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，然后帶動運(yùn)動機(jī)構(gòu)絲杠傳動。在數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)上的絲杠傳動，可以用普通的絲杠傳動，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動。原因是普通絲杠傳動摩，但總是不太穩(wěn)定。
所以，在運(yùn)動機(jī)構(gòu)上要擦系數(shù)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(bǔ)償，修正采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠傳動有一系列的優(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)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)的發(fā)展，它的使用將會更加廣泛。
滾珠絲杠傳動都使用防護(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－角位移，變換成數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)給機(jī)構(gòu)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(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機(jī)構(gòu)。
3.1.1 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(nèi)裝有許多滾珠.當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)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(yīng)用擋住器擋住,并設(shè)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(jìn)行不斷地滾動。
3.1.2 滾珠絲杠副的傳動特點(diǎn)
滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是:傳動效率高,因為它是滾動摩擦,傳動效率可達(dá)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(diǎn),如功率損耗小,傳動平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個特點(diǎn),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(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動反向時,可以沒有空程,提高了反向的定位精度,,也增強(qiáng)了傳動剛度.二是:一般的絲杠傳動只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動,而滾珠絲杠副由于傳動的摩擦系數(shù)小,所以既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動,也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)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(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(dāng)應(yīng)用在垂直傳動裝置時,由于自重和慣性的關(guān)系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動裝置.
3.1.3 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(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3-1 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(fù)載大小而變化的，當(dāng)軸向負(fù)載為零時，接觸角也為零；當(dāng)負(fù)載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實驗證明：當(dāng)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(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(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(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3-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖3-3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠
3.1.4 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法
對于滾珠絲杠副，除了單一方向的進(jìn)給傳動精度有一定的要求外，對它的軸向間隙也有嚴(yán)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(dāng)困難的。通常采用雙螺母，并加預(yù)緊力的方法來消除其軸向間隙。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絲杠和螺母的連接精度來保證。
雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn)，一是：通過預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預(yù)緊力不能太大，否則會使驅(qū)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(qū)動部分的軸向間隙，應(yīng)同時調(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(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)簡單，可靠，裝拆方便。但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)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(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(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3-4 墊片調(diào)隙式 圖3-5螺紋調(diào)隙式
齒差調(diào)隙式
如圖所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個齒，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)動圓柱齒輪2，在兩個滾柱螺母相對于滾筒5轉(zhuǎn)動時，可以使兩個螺母相互產(chǎn)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(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)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)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3-6 齒差調(diào)隙式
3.2滾珠絲杠的選擇
3.2.1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，Z軸有效行程300 mm，初步設(shè)計現(xiàn)設(shè)絲杠在有效行程502mm時，行程偏差允許達(dá)到30μm。
4.2.2 滾珠絲杠參數(shù)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(jìn)給力加摩擦力，最小載荷即為摩擦力。設(shè)此臺Z向的最大進(jìn)給力=5000N，導(dǎo)軌上面移動部件的重量約為500㎏，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為0.04，故絲杠的最小載荷（即摩擦力）
（N） (4.3)
絲杠最大載荷是：
5000＋196＝5196（N） (4.4)
平均載荷是：
=×=≈3529（N） (4.5)
（2）當(dāng)量動載荷的計算
滾珠絲杠副類型的選擇主要是根據(jù)導(dǎo)程和動載荷兩個參數(shù),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(qū)動電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2000 r/min
絲杠最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，工作臺最小進(jìn)給速度為0.5m/min，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=1000r/min。絲杠使用壽命T=15000h，故絲杠的工作壽命
==675（r） (4.6)
當(dāng)量動載荷值： (4.7)
式中： ——載荷性質(zhì)系數(shù)，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(shù)，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(jù)要求去=1.5，=0.9，代入數(shù)據(jù)得
≈51.59（KN） (4.8)
根據(jù)計算所得最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查滾珠絲杠樣本，選擇FF6310-5型內(nèi)循環(huán)浮動返回器雙螺母對旋預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為63mm，導(dǎo)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(shè)計要求。
表3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)
名 稱
符 號
計算公式和結(jié)果
公稱直徑（mm）
63
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)
62.5
絲杠底徑(mm)
57.3
螺桿接觸直徑(mm)
55.87
螺母螺紋外徑(mm)
螺母內(nèi)徑(mm)（內(nèi)循環(huán)）
62.64
（3）傳動效率的計算
將公稱直徑=63mm，導(dǎo)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=94.7%。
（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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jù)公式Z=，求得單圈滾珠數(shù)Z=22，改型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為5×2，代入公式圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=220。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力=1732（N）。查相關(guān)公式得滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形
(4.9)
式中=51590N。代入數(shù)據(jù)得；
==0.013(mm)
因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)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=1100mm，鋼的彈性模量E=,由表2.1中可知，滾珠直徑=7.144mm，絲杠底徑=44.3mm，則絲杠的截面積： =1540.6()
根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)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—630mm時，行程偏差允許達(dá)到30μm,，可見絲杠剛度足夠。
（5）穩(wěn)定性的驗算
(4.10)
公式中取支撐系數(shù)=2，
由絲杠底徑=44.3mm求的截面慣性矩=188957.7()，壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，設(shè)不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。
查資料得公式 ：
(4.11)
其中： (mm)；
為臨界轉(zhuǎn)速計算長度=1200(mm)；
為絲杠支承方式系數(shù)（一端固定，一端游動）
代入數(shù)據(jù)得：4397(r/min),臨界速度遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)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FF6310—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(yīng)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(shè)計絲杠支承選用一端固定，另一端浮動。
3.3伺服電機(jī)的選擇
3.3.1最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算
所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)以下公式計算，即
(4.12)
從前面的計算可以知道，最大載荷N，絲杠導(dǎo)程=10mm=0.01m，預(yù)緊力=N，根據(jù)計算的滾珠螺母絲杠的機(jī)械效率=0.947，因為滾珠絲杠預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩：
（N·m） (4.13)
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(yù)緊，其摩擦力矩可忽略不計。伺服電動機(jī)與絲杠直接相連，其傳動比=1，則最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
(N·m)
所選的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于此值。
3.3.2負(fù)載慣量的計算
伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。
負(fù)載慣量可以按一下次序計算。立柱與主軸箱的質(zhì)量為500㎏，折算到電動機(jī)軸上的慣量可按下式計算，
(kg·㎡) (4.14)
絲杠名義直徑=63mm，長度L=1.2m絲杠材料（鋼）的密度ρ=7.8㎏·。根據(jù)公式計算絲杠加在電動機(jī)軸上的慣量
(㎏·㎡) (4.15)
聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的慣量可直接查手冊得到，即(㎏·㎡)
故負(fù)載總的慣量為
(㎏·㎡)
電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)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(yīng)的靈敏的，將采用轉(zhuǎn)矩較大的伺服電動機(jī)和它的伺服控制系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)資料的推薦，匹配條件為：
(4.16)
則所選交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)在0.0092—0.036㎏·㎡范圍之內(nèi)。
根據(jù)上述計算可選用表4.2中的交流伺服電機(jī)α22/3000i型，其額定轉(zhuǎn)矩為22N·m，最高，轉(zhuǎn)動慣量J=0.012㎏·㎡。
表4.2 FANUCα(HV)i系列交流伺服電機(jī)
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(zhuǎn)矩(N·m)
1
2
4
8
12
22
最高轉(zhuǎn)速
5000
5000
4000
3000
3000
3000
轉(zhuǎn)動慣量(㎏·㎡)
0.00031
0.00053
0.0014
0.0026
0.0026
0.012
質(zhì)量㎏
3
4
8
12
18
29
伺服放大器規(guī)格
20i
20i
20i
40i
80i
80i
3.3.3空載加速轉(zhuǎn)矩計算
當(dāng)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(zhuǎn)矩按下式求，
(4.17)
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(jī),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)
3.4滑動導(dǎo)軌的選擇計算
常用的導(dǎo)軌截面有矩形、三角形、燕尾形和圓形的。如圖4.2所示。根據(jù)支承導(dǎo)軌的凸凹狀[4]態(tài)，又可分為凸形和凹形兩類導(dǎo)軌。凹形容易存油，但也容易積存切屑和塵粒，因此適用于具有良好的防護(hù)環(huán)境。凸形需要有良好的潤滑條件。目前數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)使用的導(dǎo)軌主要有三種：塑料導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。
圖4.4
3.4.1工作載荷的計算
影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素是工作載荷，假設(shè)立柱所有重量加在貼塑滑動導(dǎo)軌的一根導(dǎo)軌上，則導(dǎo)軌所承受的最大垂直方向上的載荷是：
(4.18)
上式中G是重量，即G=500×10=5000(N)，代入上式得：
=2500(N)
3.4.2小時額定工作壽命的計算
預(yù)計運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作壽命是10年，一年是365天，工作時間是350天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命28000(h)。
3.4.3距離額定工作壽命的計算
根據(jù)公式得：
(4.19)
公式中：為小時額定工作壽命；
n為移動部件每分鐘往返次數(shù)(4-6)取5：
S為移動部件的行程，即S=600mm。
代入數(shù)據(jù)得：L=10080km 。
3.4.4額定動載荷計算及選型
由公式得：
(4.20)
公式中：為額定動載荷；
L為距離工作壽命，由上面的計算可以知道為10080km；
F為導(dǎo)軌的工作載荷，即F=2500N。
代入數(shù)據(jù)得：=29318N。
由計算的動載荷值本次設(shè)計選用的是貼塑滑動導(dǎo)軌，它是在數(shù)控運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動導(dǎo)軌[4]面，是塑料導(dǎo)軌的一種。導(dǎo)軌副的另一固定導(dǎo)軌面為淬火磨削面。軟帶是以聚四氟乙烯為基材，添加合金粉（青銅粉、二硫化鉬）、玻璃纖維和氧化物的高分子復(fù)合材料。其厚度有0.8、1.1、1.4、1.7、2mm，寬150mm、300mm等幾種。塑料滑動導(dǎo)軌與其他導(dǎo)軌相比，具有以下特點(diǎn)：
（1）動靜摩擦系數(shù)相近：運(yùn)動平穩(wěn)性和爬行性能較鑄鐵導(dǎo)軌副好。
（2）吸收振動：具有良好的阻尼性，優(yōu)于接觸剛度較低的滾動導(dǎo)軌和易漂浮的靜壓導(dǎo)軌。
（3）摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定：比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個數(shù)量級。
（4）化學(xué)穩(wěn)定性好：耐磨、耐低溫、耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化性劑及各種有機(jī)溶劑。
（5）耐磨性好：有自身潤滑作用，無潤滑油也能工作，灰塵磨粒的嵌入性好。
（6）維護(hù)修理方便：軟帶耐磨，損壞后更換容易。
（7）經(jīng)濟(jì)型好：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，約為滾動導(dǎo)軌的1/20，為三層復(fù)合材料DU導(dǎo)軌成本的1/4。
其中導(dǎo)軌貼塑板選用揚(yáng)中市天一高分子新材料有限公司生產(chǎn)的TY導(dǎo)軌貼塑板。
3.5聯(lián)軸器的選擇
金屬彈性元件撓性聯(lián)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(dá)到補(bǔ)償兩軸相對偏移 和減振、緩沖功能，構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)、性能的撓性聯(lián)軸器。金屬彈性元件比非金屬彈性元件強(qiáng)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4.5所示膜片聯(lián)軸器是由幾組膜片（不銹鋼薄板）用螺栓交錯地與兩半聯(lián)軸器聯(lián)接，每組膜片由數(shù)片疊集而成，膜片分為連桿式和不同形狀的整片式。膜片聯(lián)軸呂靠膜片的彈性變形來補(bǔ)償報聯(lián)兩軸的相對位移，是一種高性能的金屬弱性元件撓性聯(lián)軸器，結(jié)構(gòu)較緊湊，強(qiáng)度高，不用潤滑，使用壽命長，無旋轉(zhuǎn)間隙，不受溫度和油污影響，具有耐酸、耐堿、防腐蝕的特點(diǎn)，適用于高速、高溫、有腐蝕介質(zhì)工況環(huán)境的軸系傳動，廣泛用于各種機(jī)械裝置的軸系傳動 。
圖4.5 DJM5金屬膜片撓性聯(lián)軸器
3.6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1.63;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(diǎn)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(jìn)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3.3 角接觸球軸承
3.7 滾珠絲杠副的安全使用
3.7.1 潤滑
為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機(jī)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(nèi)部空間容積的1／3，滾珠絲杠副出廠時在螺母內(nèi)部已經(jīng)加注GB7324—942#鋰基潤滑脂。
2．潤滑油
運(yùn)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。
3.7.2 防塵
滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨損，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物進(jìn)入時，必須采用防塵裝置，將絲杠軸完全保護(hù)起來。另外，如沒有異物，但有浮沉?xí)r可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈。
3.7.3使用
滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項：
1．滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動，必要時在行程兩端配置限位，以免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。
2．滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動使，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃印?
3．滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為±60C。
3.7.4 安裝
滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項：
1.滾珠絲杠副僅用于承受軸向載荷。徑向載荷、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等負(fù)荷，從而造成絲杠的永久性破壞。因此，滾珠絲杠副安裝到運(yùn)動機(jī)構(gòu)時，應(yīng)注意：
1）絲杠的軸線必須和其配套導(dǎo)軌的軸線平行，運(yùn)動機(jī)構(gòu)的兩端軸承座與螺母座必須三點(diǎn)成一線；
2）安裝螺母時，應(yīng)盡量靠近支撐軸承；
3）同時，安裝支撐軸承時，應(yīng)盡量靠近螺母安裝部位。
2.滾珠絲杠安裝到運(yùn)動機(jī)構(gòu)時，盡量不要把螺母從絲杠上卸下來，如
必須卸下來時要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1）輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1-0.2 mm
2）輔助套早使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；
3）裝卸時，不可使用過大力以免螺母損壞；
4）裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。
第4章 增速器的設(shè)計
4.1 電動機(jī)的選擇
工業(yè)上一般使用三相交流電源，因此，當(dāng)無特殊要求時均應(yīng)選用交流電動機(jī)，其中以三相交流電動機(jī)使用最為廣泛。我國新設(shè)計的Y系列三相鼠籠式異步電動機(jī)屬于一般用途的全封閉自扇冷電動機(jī)，起結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，價格低廉，維護(hù)方便，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的場合，以及要求具有較好起動性能的機(jī)械。
電動機(jī)的型號的確定主要依據(jù)電動機(jī)的額定功率和同步轉(zhuǎn)速。
1 按照工作要求和條件選用Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電動機(jī)
2 選擇電動機(jī)容量
工作機(jī)所需容量為：Pw = Fw?Vw/1000ηwKw
假設(shè)工作時需要的參數(shù)：Fw=34KN Vw=27.1m/s
Pw=3.4×103/1000×0.94=97.92Kw
電動機(jī)的輸出功率為：P=Pw/η
式中：η為電動機(jī)傳動裝置總效率
根據(jù)傳動簡圖可查得： 三對齒輪副效率ηw = 0.97；一對滾動軸承效率ηw=0.99；聯(lián)軸器ηw=0.98；由此可得
η=η1η2η23η4=0.95x0.973x0.994x0.98=0.816
P0=Pw/0.816=97.92/0.816=120kn
一般電動機(jī)的額定功率
PM=（1~1.3）P0=（1~1.3）X120=120~156kw
經(jīng)查可取電動機(jī)額定功率為PM=150kw
3 確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)速為：nw=60x1000Vw/πD=260r/min
三級圓柱齒輪傳動比i2=3~5
則總傳動比范圍為i= i1 i2=(2x3)~(4x5)=6~20
電動機(jī)可選擇的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)為
n=i·nw=(6~20)x260=1560~5200r/min
電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速符合這一范圍的型號為Y315s-2，其滿載轉(zhuǎn)速為nm=2970r/min
計算傳動裝置的總傳動比并分配各級傳動比
1 傳動裝置的總傳動比I=nm/ nw=2970/53=56
2 分配各級傳動比I= i1 i2
則齒輪傳動比為：i2=9
3 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)
以下各軸符號代表：
O軸——電動機(jī)輸出軸； Ⅰ軸——增速器中的高速軸；
Ⅱ軸——齒輪軸； Ⅲ軸——中間軸；
Ⅳ軸——增速器中的低速軸； Ⅴ軸——低速軸；
n0=nn= 2970r/min; nⅠ= n0/ i1=1485r/min;
nⅡ= nⅠ/ i2=165r/min; nⅢ= nⅡ/i3=27.5r/min;
nw = nⅢ=27.5r/min
各軸功率；
P0=120kw; PⅠ= P0η1=120x0.95=114kw;
PⅡ= PⅠη2η3 =114x0.97x0.99=109.47kw ;
PⅢ= PⅡη2η3 =109.47x0.97x0.99=105.13kw;
PⅣ= PⅣη2η3 =105.13x0.97x0.99=100.95kw;
PⅤ= PⅣη3η4=100.95x0.99x0.98=97.95kw;
各軸轉(zhuǎn)矩；
T0=9.55x106 P0/ n0=9.55x106x120/2970=3.86x105 Nm
TⅠ=9.55x106 P0/ nⅠ= 9.55x106 114/ 1485=7.33x105 Nm
TⅡ=9.55x106 PⅡ/ nⅡ=9.55x106 x109.47/ 1485=6.28x105 Nm
TⅢ=9.55x106 PⅢ/ nⅢ=9.55x106 x105.13/ 27.5=3.65x107 Nm
TⅣ=9.55x106 PⅣ/ nⅣ=9.55x106x x100.95/ 27.5==3.51x107 Nm
TⅤ=9.55x106 PⅤ/ nⅤ=9.55x106 x97.95/ 27.5==3.40x107 Nm
4.2 齒輪傳動件的設(shè)計計算
1） 材料及熱處理；
選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
2） 精度等級選用7級精度；
3） 試選小齒輪齒數(shù)z1＝20，大齒輪齒數(shù)z2＝100的；
4） 選取螺旋角。初選螺旋角β＝14°
2．按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計
因為低速級的載荷大于高速級的載荷，所以通過低速級的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算
按式試算，即 ?
dt≥ 50
1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
（1） 試選Kt＝1.6
（2） 由圖選取區(qū)域系數(shù)ZH＝2.433
（3） 由表選取尺寬系數(shù)φd＝1
（4） 由圖查得εα1＝0.75，εα2＝0
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