數(shù)控工作臺三維造型設(shè)計及關(guān)鍵零部件工藝設(shè)計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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2、畢業(yè)設(shè)計說明書一份，內(nèi)容與字?jǐn)?shù)都不少于規(guī)定的任務(wù)量。 3、圖紙若干（折合后不少于A1圖紙3張，可以用計算機繪圖）。 4、包含本次設(shè)計的所有內(nèi)容的光盤一張。 畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范及有關(guān)要求，請查閱《黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)手冊》。 三、時間安排 1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設(shè)計 5-11 周 完成總體設(shè)計、完成部分機構(gòu)的裝配圖及部分零件圖并撰寫說明書 12-13 周 修改論文、資格審查等 14 周 畢業(yè)答辯 畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 5 月 15 日 計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 5 月 19 日 專業(yè)（教研室）審批意見： 審批人簽名： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計開題報告表 課題名稱 數(shù)控工作臺三維造型設(shè)計及關(guān)鍵零部件工藝設(shè)計 課題來源 教師擬訂 課題類型 AX 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號 一、調(diào)研資料的準(zhǔn)備 根據(jù)任務(wù)書的要求，在做本課題之前，查閱了與該課題相關(guān)的資料，有：機械制圖、機械設(shè)計、數(shù)控機床構(gòu)造、機械制造工藝學(xué)、CAXA制造工程師基礎(chǔ)教程與畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)手冊等一系列與設(shè)計相關(guān)的材料。 二、設(shè)計的目的與要求 畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)教學(xué)中最后一個實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過該設(shè)計過程，可以檢驗我對所學(xué)知識融會貫通的程度，同時培養(yǎng)我處理工程中實際問題的能力，因此意義特別重大。 數(shù)控工作臺主要利用步進電機作為動力源輸出轉(zhuǎn)矩，電機輸出軸通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連接，最后通過滾珠螺母帶動工作臺X向或者Y向運動。工作臺在滾動導(dǎo)軌上滾動。 圖1 數(shù)控工作臺的物理模型 二維數(shù)控工作臺的結(jié)構(gòu)包括：1.電機底座； 2.X向步進電機； 3.聯(lián)軸器； 4.工作臺； 5.滾珠絲杠； 6.行程開關(guān)； 7.滾動導(dǎo)軌； 8.X向支座； 9.Y向支座； 10.Y向步進電機。 圖2 二維數(shù)控工作臺（X向）的結(jié)構(gòu)圖 利用CAXA制造工程師軟件先對數(shù)控工作臺進行設(shè)計，并完成其裝配圖與部分零件圖的造型圖；再編制工作臺與滾珠絲杠的工藝規(guī)程。 三、設(shè)計的思路與預(yù)期成果 1、設(shè)計思路 先整體后局部，先抽象后具體。首先要理解數(shù)控工作臺的整體結(jié)構(gòu)，弄清楚各部分工作的原理及相互之間的作用關(guān)系；其次根據(jù)所選參數(shù)并結(jié)合實際因素，運用CAXA制造工程師軟件對各部分進行造型設(shè)計；最后參照已有的資料和多方經(jīng)驗，創(chuàng)造性的對工作臺、滾珠絲杠和導(dǎo)軌進行最佳的工藝過程安排。 2、預(yù)期的成果 （1）設(shè)計出既符合使用要求又經(jīng)濟合理的數(shù)控工作臺； （2）完成文獻綜述一篇，不少與3000字，與專業(yè)相關(guān)的英文翻譯一篇，不少于3000字； （3）繪制裝配圖和部分零件圖； （4）完成內(nèi)容與字?jǐn)?shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設(shè)計說明書一份； （5）刻錄包含本次設(shè)計所有內(nèi)容的光盤一張。 四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排 2月17日之前完成開題報告； 3月 2 日之前完成文獻翻譯； 3月13日之前完成文獻綜述及總體方案設(shè)計； 3月30日之前完成裝配圖和部分零件圖的繪制； 4月13日之前完成工作臺、滾珠絲杠、導(dǎo)軌的工藝設(shè)計； 4月27日之前完成設(shè)計說明書； 4月30日之前完成所有設(shè)計任務(wù)并修改； 5月19日畢業(yè)答辯。 五、完成設(shè)計所具備的條件因素 我已修完機械制圖、機械設(shè)計、機電一體化技術(shù)、機械制造工藝學(xué)、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、、數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控機床構(gòu)造、CAXA制造工程師基礎(chǔ)教程及畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)等課程，同時借助圖書館的相關(guān)文獻資料并查詢相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等資源。 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 課題來源：（1）教師擬訂；（2）學(xué)生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供 課題類型：（1）A—工程設(shè)計（藝術(shù)設(shè)計）；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報告 （2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題 要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 3 目 錄 1．任務(wù)書……………………………………………………… 1 2．開題報告…………………………………………………… 2 3．指導(dǎo)教師評閱表…………………………………………… 4 4．主審教師評審表…………………………………………… 5 5．畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評審與總成績評定表…………… 6 6．畢業(yè)設(shè)計說明書…………………………………………… 7 7．文獻綜述……………………………………………………41 8．文獻翻譯……………………………………………………52 9．光盤 10．設(shè)計圖紙或?qū)嶒灁?shù)據(jù)記錄 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻綜述） 第 10 頁 數(shù)控機床的歷程和數(shù)控工作臺的設(shè)計概述 摘要 數(shù)控技術(shù)可以說就是先進制造技術(shù)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)著數(shù)控技術(shù)的數(shù)控機床和數(shù)控技術(shù)本身就理所當(dāng)然地成為制造業(yè)關(guān)注的重點。 計算機控制的數(shù)控機床、數(shù)控加工中心的高精度、高度柔性化及適合加工復(fù)雜零件的性能，正好滿足當(dāng)今市場競爭和工藝發(fā)展的需要。所以，計算機數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用是機械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場競爭中的成敗。 其中，數(shù)控工作臺采用滾珠直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副是運動執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)。具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。目前已廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機床、射線掃描、雕銑機及實用教學(xué)等場合。 通過這些文字的說明，使得更加全面的了解數(shù)控工作臺，為順利的完成數(shù)控工作臺的三維造型設(shè)計及關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計做好準(zhǔn)備。 關(guān)鍵詞：數(shù)控工作臺，三維造型，工藝設(shè)計 前言 數(shù)控機床的出現(xiàn)是20世紀(jì)機床工業(yè)的主要特點。數(shù)控機床的出現(xiàn)和發(fā)展,有效地解決了高精度、復(fù)雜零件的生產(chǎn)自動化問題[1]。數(shù)控機床是一種裝有計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的機床，數(shù)控系統(tǒng)能夠處理加工程序，控制機床自動完成各種加工運動和輔助運動。與普通機床相比，數(shù)控機床能夠自動換刀，自動變更切削參數(shù)，完成平面、回旋面、平面曲線和空間曲面的加工，加工精度和生產(chǎn)率都比較高，因而應(yīng)用日益廣泛。在制造業(yè)中，機械工業(yè)是制造業(yè)的基礎(chǔ)與核心。發(fā)展機械制造業(yè)是發(fā)展國民經(jīng)濟和發(fā)展生產(chǎn)力的一項關(guān)鍵性的的戰(zhàn)略措施。而21世紀(jì)機械制造業(yè)的競爭，其實質(zhì)就是數(shù)控技術(shù)的競爭。 X-Y數(shù)控工作臺的設(shè)計可用于刻字設(shè)備、微型簡易數(shù)控鉆/銑床的改造等，是一種多用途的機電一體化裝置。其主要功能是通過X-Y軸的聯(lián)動，可在二維平面內(nèi)實現(xiàn)任意點或軌跡的運動控制。 1數(shù)控機床的發(fā)展歷程 到19世紀(jì)末、世界上已經(jīng)有了車床、轉(zhuǎn)塔車床、回輪式車床、單軸和三軸自動車床、臥式銑床、龍門銑床、平面磨床、滾齒機、插齒機等。所以，到19世紀(jì)末.世界機床工業(yè)已具有了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)[2]。 1903年美國萊特(W Wrlght and O Wrlgh)兄弟研制了第一架飛機。20世紀(jì)初，機床開始采用單獨電動機驅(qū)動，取代了過去的天軸傳動。在中國，直到50年代初，不少地方都還存在有天軸傳動的痕跡。 20世紀(jì)隨著機床工業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)汽車工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動化的坐標(biāo)鍵床、磨床、齒輪機床、組合機床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機床和功能復(fù)合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是20世紀(jì)機床工業(yè)最顯著的特征之一。 20世紀(jì)中國機床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機床方面，中國1958年開始起步，60年代有了正式的數(shù)控機床產(chǎn)品。70年代，開始研制出加工中心。80年代研制出FMC，F(xiàn)MS，而且根據(jù)中國國情，還提出了數(shù)控機床與普通機床并存的獨立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究實施CIMS的熱潮，應(yīng)該說，F(xiàn)MC、FMS、CIMS的基礎(chǔ)之一，就是數(shù)控機床，而實施FMC、FMS、CIMS又進一步帶動了數(shù)控機床的發(fā)展。 1.1數(shù)控機床的主體機構(gòu)的特點 (1)由于采用了高性能的無級變速主軸及伺服傳動系統(tǒng)，數(shù)控機床的機械傳動結(jié)構(gòu)大為簡化，傳動鏈也大大縮短。 (2)為適應(yīng)連續(xù)的自動化加工和提高加工生產(chǎn)率，數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的靜、動態(tài)剛度和阻尼精度，以及較高的耐磨性，而且熱變形小。 (3)為減小摩擦、消除傳動間隙和獲得更高的加工精度，更多地采用了高效傳動部件，如滾珠絲杠副、滾動導(dǎo)軌和消隙齒輪傳動副等。 (4)為了改善勞動條件，減少輔助時間，改善操作性，提高勞動生產(chǎn)率，采用了刀具自動夾緊裝置、刀庫與自動換刀裝置及自動排屑裝置等輔助裝置[3]。 1.2數(shù)控機床機構(gòu)的具體要求 (1)較高的機床靜、動態(tài)剛度 數(shù)控機床是按照數(shù)控編程或手動輸入數(shù)據(jù)方式提供的指令自動進行加工的。由于機械結(jié)構(gòu)(如機床床身、導(dǎo)軌、工作臺、刀架和主軸箱等)的幾何精度與變形產(chǎn)生的定位誤差在加工過程中不能人為地調(diào)整與補償，因此，必須把各處機械結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以保證所要求的加工精度與表面質(zhì)量。為了充分發(fā)揮數(shù)控機床的高效加工能力，并能進行穩(wěn)定切削，在保證靜態(tài)剛度的前提下，還必須提高動態(tài)剛度。 (2)減少機床的熱變形 在內(nèi)外熱源的影響下，機床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，工件與刀具之間的相對運動關(guān)系遭到破壞，機床精度下降。對于數(shù)控機床來說，因為全部加工過程是指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。 (3)減少運動間的摩擦和消除傳動間隙 數(shù)控機床工作臺的位移量是以數(shù)控裝置脈沖當(dāng)量為最小單位的，通常又要求能以極低的速度運動，但速度很低就容易造成爬行無法準(zhǔn)確快速響應(yīng)。為了使工作臺能對數(shù)控裝置的指令做出準(zhǔn)確響應(yīng)，就必須采取相應(yīng)的措施響應(yīng)數(shù)控裝置的指令。數(shù)控機床的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。除了減少傳動齒輪和滾珠絲杠的加工誤差之外，另一個重要措施是采用無間隙傳動副。 (4)提高機床的壽命和精度保持性 為了提高機床的壽命和精度保持性，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮數(shù)控機床零部件的耐磨性，尤其是機床導(dǎo)軌、進給伺服驅(qū)動和主軸部件等影響精度的主要零件的耐磨性。在使用過程中，應(yīng)保證數(shù)控機床各部件潤滑良好。 (5)減少輔助時間和改善操作性能 在數(shù)控機床的單件加工中，輔助時間占有較大的比重。要進一步提高機床的生產(chǎn)率，就必須最大限度地壓縮輔助時間。 2數(shù)控工作臺的運行機理 數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，在加工工藝與加工表面形成方法上，與普通機床是基本相同的，最根本的不同在于實現(xiàn)自動化控制的原理與方法上。數(shù)控機床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的，將與加工零件有關(guān)的信息——工件與刀具相對運動軌跡的尺寸參數(shù)(進給執(zhí)行部件的進給尺寸)，切削加工的工藝參數(shù)(主運動和進給運動的速度、切削深度等)以及各種輔助操作(主運動變速、刀具更換、冷卻潤滑液啟停、工件加緊松開等)等加工信息——用規(guī)定的文字、數(shù)字和符號組成的代碼，按一定的格式編寫成加工程序單，將加工程序通過控制介質(zhì)輸入到數(shù)控裝置中，由數(shù)控裝置經(jīng)過分析處理后，發(fā)出各種與加工程序相對應(yīng)的信號和指令控制數(shù)控機床進行加工。數(shù)控機床的控制原理通過下述的數(shù)控機床的各系統(tǒng)得以實現(xiàn)其功能[4]。 X-Y數(shù)控工作臺是生產(chǎn)或教學(xué)中應(yīng)用最為普遍的一種機電一體化產(chǎn)品,它包含了機械和電氣控制兩部分[5]。 機械部分中的進給過程，如圖2.1所示，縱向底座與機床工作臺連接,由縱向運動滾珠絲杠、減速器及X向步進電機構(gòu)成的軸系安裝在縱向底座的軸承中,螺母固定在縱溜板上,由步進電機驅(qū)動縱溜板沿底座上的矩形導(dǎo)軌縱向運動[6]。由橫向運動滾珠絲杠、減 1-工作臺橫向部分；2-縱溜板；3-縱向滾珠絲杠螺母副；4-，9-軸承；5-減速器；6-步進電機； 7-右聯(lián)軸器；8-剛性聯(lián)軸器；10-左聯(lián)軸器；11-刻度盤；12-縱向底座；13-手輪. 圖2.1 數(shù)控工作臺運作機理示意圖 速器及Y向步進電機構(gòu)成的橫向軸系安裝在縱溜板上的軸承中,螺母與橫溜板固連,由步進電機驅(qū)動橫溜板沿縱溜板上的導(dǎo)軌橫向運動。 傳動驅(qū)動部分包括步進電動機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動,步進電動機須滿足快速急停、定位以及退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力(如切削力、摩擦力)并以指令的速度運行。 3數(shù)控工作臺的結(jié)構(gòu)組成 3.1滾珠絲杠驅(qū)動的數(shù)控工作臺的物理模型： 圖3.1 數(shù)控工作臺的物理模型 3.2數(shù)控工作臺的工作簡圖： 圖3.2 數(shù)控工作臺的工作簡圖 3.3數(shù)控工作臺相應(yīng)部件的連接關(guān)系[7]： 圖3.3 數(shù)控工作臺相應(yīng)部件的連接關(guān)系 根據(jù)以上的圖示分析，數(shù)控工作臺是由驅(qū)動電機、電機支承、聯(lián)軸器、前端軸承、前端軸承座、滾珠絲杠、滾珠螺母、后端軸承、后端軸承座、導(dǎo)軌和工作臺等組成，是一個復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)。 4數(shù)控工作臺的設(shè)計特點 數(shù)控工作臺是數(shù)控設(shè)備中的重要附件之一。它的主要功能是將兩個數(shù)控工作臺組裝在一起后，構(gòu)成X-Y數(shù)控工作臺，實現(xiàn)兩個坐標(biāo)的定位和聯(lián)動。數(shù)控工作臺兩側(cè)的結(jié)合面位置及工作臺行程均可根據(jù)用戶的需要進行特殊的定制。數(shù)控工作臺工作行程一般以被加工零件的切削長度和刀盤的直徑大小來確定。行程S=L+D+備量，L為工件切削長度，D為刀盤直徑。二維工作臺的組成原則是上層工作臺行程一定要≤下層工作臺行程。 其中，數(shù)控銑床的工作臺，不僅要平整還要與主軸刀具保持垂直。即使把工件磨得很光滑平整、主軸及刀具的垂直度精度很高，也會存在著裝配誤差以及由于地基不平所帶來的誤差。因此，工作臺的加工方式可采用“自干自”的加工方法。 數(shù)控工作臺的型號的表示方法如圖4.1所示： 圖4.1 數(shù)控工作臺的型號的表示方法 4.1導(dǎo)軌 導(dǎo)軌采用直線導(dǎo)軌[8]。其優(yōu)點有：（1）噪音低，音質(zhì)好；（2）卓越的高速性，壽命長；（3）長期無需維修保養(yǎng)；（4）運動平滑穩(wěn)定，磨擦阻力小。 4.2進給機械系統(tǒng) 進給機械系統(tǒng)均采用滾珠絲杠和滾動導(dǎo)軌副。其優(yōu)點：（1）傳動效率高；（2）運動平穩(wěn)；（3）高精度；（4）高耐用性；（5）同步性好；（6）高可靠性；（7）無背隙與預(yù)緊。 4.3驅(qū)動方式 采用交流伺服同步電機。其優(yōu)點有：（1）無電刷和換向器，因此工作可靠，對維護和保養(yǎng)的要求低；（2）定子繞組散熱比較方便；（3）慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性；（4）適應(yīng)于高速大力矩的工作狀態(tài)；（5）同功率下有較小的體積和重量。 4.4直線導(dǎo)軌 有兩條直線導(dǎo)軌安裝在底板上，在導(dǎo)軌上安裝有兩個導(dǎo)軌副，它支撐著整個工作臺的重量，但絲杠本身幾乎不承載重量。 4.5滾珠絲杠 滾珠絲杠的型號規(guī)格如圖4.2所示： 圖4.2 滾珠絲杠的型號規(guī)格 4.6電機的選定 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mta(Mta＝Fa×Ph0/(2000×π×η))與由預(yù)加載荷而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Mte(Mte＝Fa0×Ph0×Kp/(2000×π×η))在電機選型時需要進行適當(dāng)?shù)姆治?在精確設(shè)計中還要考慮各方面的轉(zhuǎn)矩，如：加速度時的負載轉(zhuǎn)矩及馬達所負荷的總慣性矩等。 平均速度時最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mt1為：Mt1＝Mta＋Mte。 電機的選定，一般來說以平均速度時的Mt1在電機額定轉(zhuǎn)矩的30%以內(nèi)情況下使用，則電機額定轉(zhuǎn)矩為M＝Mt1/0.3。 查交流伺服電機性能表，選取符合規(guī)格的電機型號。 4.7校驗及其他 （1） 絲杠理論容許軸向載荷Fk Fk＝fFk×(d2)4/(LK)2×104 （2） 絲杠工作容許軸向載荷Fkzul Fkzul＝Fk/2 （3） 臨界轉(zhuǎn)速nk nk＝fnk×d2/Ln2×107 （4） 允許工作轉(zhuǎn)速nkper nkper≤0.8×nk 數(shù)控機床系統(tǒng)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)采用電機與滾珠絲杠直接相聯(lián)的方式，就需要借助聯(lián)軸器讓它們相聯(lián)。聯(lián)軸器是用來將原動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞給從動機的裝置。 5數(shù)控工作臺的應(yīng)用 雙坐標(biāo)X-Y數(shù)控工作臺可廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域?？筛鶕?jù)生產(chǎn)的實際需要選擇步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機作為驅(qū)動；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。 6數(shù)控工作臺的日常維護 通過對機械狀態(tài)測試、數(shù)據(jù)分析與故障診斷，可以確定機械的實時工作狀態(tài)及所需的各種參數(shù)以及確定機械的故障形式和故障部位，直至檢測出發(fā)生故障的零部件或元器件，從而可以對有故障的機械進行快速監(jiān)測和維修[9]。 故障診斷就其診斷內(nèi)容來說極為廣泛，包含有命令，運行參數(shù)，軸的運行失調(diào)等。故障診斷模塊的主要功能是當(dāng)主機向運動控制器發(fā)送命令出錯時，顯示出錯的原因，根據(jù)出錯的原因，排除故障使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。 7中國數(shù)控機床的未來之路 (1)提高技術(shù)開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力,鼓勵產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合,理順研發(fā)機制[10]。數(shù)控機床要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,首先必須擁有較強的產(chǎn)品開發(fā)能力,要具備快速反應(yīng)市場需求、運用各種先進設(shè)備技術(shù)、及時推出新產(chǎn)品的綜合能力。只有針對中國國情并參考發(fā)達國家經(jīng)驗,建立起產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系,集中產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢,不斷提升產(chǎn)品的技術(shù)含量,企業(yè)才能形成核心競爭力,并保持技術(shù)優(yōu)勢,獲得持續(xù)發(fā)展的空間。 (2)制造裝備的高水平和高效率。數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化基地的自身裝備水平應(yīng)該首先達到高質(zhì)量、高效率,這也是與一般機床制造企業(yè)的最大區(qū)別之一。 (3)發(fā)展功能部件,打造現(xiàn)代化機床。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副、刀庫和機械手、高速防護裝置等。功能部件技術(shù)水平及社會整體配套水平直接決定和影響著數(shù)控機床的整機水平和性能。 (4)擴大生產(chǎn)規(guī)模,提升產(chǎn)業(yè)水平。首先,我國數(shù)控機床制造要在規(guī)模生產(chǎn)上取得突破,形成以產(chǎn)業(yè)鏈組成的相對穩(wěn)定的企業(yè)合作群體。其次,我國數(shù)控機床制造企業(yè)要以自主技術(shù)創(chuàng)新為主,通過信息技術(shù)的應(yīng)用,提高產(chǎn)品的檔次和水平,使企業(yè)擁有自己的核心技術(shù)、核心產(chǎn)品和核心人才。在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化建設(shè)中,企業(yè)要打造自己的產(chǎn)品品牌,提高企業(yè)和產(chǎn)品的信譽度,讓國產(chǎn)數(shù)控機床得到廣大用戶的認同。再次,提升企業(yè)適應(yīng)市場變化的能力。 我國數(shù)控機床裝備制造業(yè)只要堅持以市場為導(dǎo)向、高效運營、人才激勵、增強凝聚力的發(fā)展原則,就一定能在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化中取得新的突破,也一定會使中國的數(shù)控機床裝備制造業(yè)早日跨入世界數(shù)控機床制造強國的行列。 參考文獻 [1] 楊萍.數(shù)控工作臺的設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù),1996,08期，18-20. 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Proceedingsof the International UUV Conference, Newport,RI,2000,(4):31-38. 畢業(yè)設(shè)計 文獻綜述 院（系）名稱 工學(xué)院機械系 專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2012年 03 月 06 日 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 CNC 4101 零件圖號 CNC 4101001 產(chǎn)品名稱 數(shù)控工作臺 零件名稱 滾珠絲杠 共 3 頁 第 1 頁 材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 零件毛重（Kg） 零件凈重（Kg） 材料消耗定額 每臺產(chǎn)品零件數(shù) 每批數(shù)量 9Mn2V 熱軋圓鋼 20×710 1 2 工 序 安 裝 工 步 工 序 內(nèi) 容 設(shè) 備 工藝裝備名稱及編號 工 時（分） 名稱及型號 編號 夾具 切削工具 量具、輔具 準(zhǔn)終 基本工時 備料 熱處理(球化退火) 10 車割試樣10mm×8mm 車床CA6140 三爪自定心卡盤 YT5 90°偏刀 游標(biāo)卡尺 15 0.08 20 磨試樣兩平面 平面磨床M820 專用夾具 1FF1 游標(biāo)卡尺 7 0.01 30 檢驗試樣 40 熱處理(調(diào)質(zhì)) 1 校直 50 粗車各部外圓 車床CA6140 三爪自定心卡盤 YT5 45°外圓車刀 游標(biāo)卡尺 15 1.55 60 鉗 1 劃線 劃線平臺 V形鐵 劃針 鋼皮尺 8 10 2 鉆3mm起吊通孔 鉆床Z518 專用夾具 高速鋼麻花鉆3 圓柱塞規(guī) 11.3 0.11 70 熱處理(時效處理) 80 粗車 車床CA6140 三爪自定心卡盤 15 0.17 1 車兩端面取總長690mm YT5 90°偏刀 游標(biāo)卡尺 2 車外圓至8mm，6mm YT5 45°偏刀 游標(biāo)卡尺 3 車滾珠螺紋大徑至9.7mm YD 15螺紋車刀 千分尺 設(shè) 計（日 期） 校 對（日期） 審 核（日期） 標(biāo)準(zhǔn)化（日期） 會 簽（日期） 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 CNC 4101 零件圖號 CNC 4101001 產(chǎn)品名稱 數(shù)控工作臺 零件名稱 滾珠絲杠 共 3 頁 第 2 頁 材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 零件毛重（Kg） 零件凈重（Kg） 材料消耗定額 每臺產(chǎn)品零件數(shù) 每批數(shù)量 9Mn2V 熱軋圓鋼 20×710 1 2 工 序 安 裝 工 步 工 序 內(nèi) 容 設(shè) 備 工藝裝備名稱及編號 工 時（分） 名稱及型號 編號 夾具 切削工具 量具、輔具 準(zhǔn)終 基本工時 90 粗磨 萬能外圓磨床M1432A 頭架、尾座 1FF1 12 0.09 1 粗磨滾珠螺紋大徑至9.7mm 千分尺 2 磨其他各外圓，均留磨余量1.1~1.2mm 游標(biāo)卡尺 100 熱處理(中溫回火) 110 檢驗硬度，去磁 120 研磨兩端中心孔 車床CA6140 三爪自定心卡盤 圓柱磨頭5301 圓柱塞規(guī) 7 5 130 粗磨 萬能外圓磨床M1432A 頭架、尾座 1FF1 0.13 1 磨外圓至8mm，6mm 游標(biāo)卡尺 2 磨滾珠螺紋大徑至8.7mm 千分尺 140 去磁 150 粗磨 絲杠磨床S7432 頭架、尾座 5 0.20 1 磨滾珠絲杠底槽至尺寸 1FF1 三根量針、千分尺 2 齒形用樣板透光檢查，去不完整牙 160 磁性探傷，去磁 170 熱處理(低溫回火) 180 修研兩端中心孔 車床CA6140 三爪自定心卡盤 圓柱磨頭5301 圓柱塞規(guī) 3 設(shè) 計（日 期） 校 對（日期） 審 核（日期） 標(biāo)準(zhǔn)化（日期） 會 簽（日期） 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 機械加工工藝過程卡片 產(chǎn)品型號 CNC 4101 零件圖號 CNC 4101001 產(chǎn)品名稱 數(shù)控工作臺 零件名稱 滾珠絲杠 共 3 頁 第 3 頁 材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 零件毛重（Kg） 零件凈重（Kg） 材料消耗定額 每臺產(chǎn)品零件數(shù) 每批數(shù)量 9Mn2V 熱軋圓鋼 20×710 1 2 工 序 安 裝 工 步 工 序 內(nèi) 容 設(shè) 備 工藝裝備名稱及編號 工 時（分） 名稱及型號 編號 夾具 切削工具 量具、輔具 準(zhǔn)終 基本工時 190 粗磨外圓至8mm，6mm 萬能外圓磨床M1432A 頭架、尾座 1FF1 游標(biāo)卡尺 3 0.12 200 半精磨滾珠螺紋 絲杠磨床S7432 頭架、尾座 1FF1 千分尺 11 0.15 210 熱處理(低溫回火) 220 修研兩端中心孔 車床CA6140 三爪自定心卡盤 圓柱磨頭5301 圓柱塞規(guī) 5 2.5 230 半精磨 萬能外圓磨床M1432A 頭架、尾座 1FF1 8 1 磨8mm、6mm外圓至圖樣要求 游標(biāo)卡尺 0.13 2 磨滾珠螺紋大徑至圖樣要求 千分尺 0.17 240 精磨滾珠絲杠螺紋至圖樣要求 絲杠磨床S7432 頭架、尾座 1FF1 三根量針、千分尺 0.14 250 終磨各外圓至圖樣要求 萬能外圓磨床M1432A 頭架、尾座 1FF1 游標(biāo)卡尺 0.15 260 垂直吊放 1 涂防銹油 2 備單配滾珠螺母 設(shè) 計（日 期） 校 對（日期） 審 核（日期） 標(biāo)準(zhǔn)化（日期） 會 簽（日期） 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標(biāo)記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 1 緒論 1.1課題的背景及目的 科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程自動化是實現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一。而數(shù)控機床則能適應(yīng)這種要求，滿足目前的生產(chǎn)需求[1]。 數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，改型頻繁。機械加工中，多品種、小批量加工的比例約占80%。這樣，對機床不僅要求具有高精度和生產(chǎn)效率，而且還具備“柔性”，即靈活通用，能迅速適應(yīng)加工零件的變更。數(shù)控機床較好地解決了形狀復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問題，具有適應(yīng)性強、加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是一種靈活而高效的自動化機床[2]。 隨著電子、自動化、計算機和精密測試等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位將更加重要，而X-Y工作臺是這些設(shè)備實現(xiàn)高精密加工的核心部件，對于提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著尤為重要的作用。 1.2國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展?fàn)顩r 數(shù)控機床的出現(xiàn)是20世紀(jì)機床工業(yè)的主要特點。隨著機床工業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)汽車工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動化的坐標(biāo)鍵床、磨床、齒輪機床、組合機床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機床和功能復(fù)合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是20世紀(jì)機床工業(yè)最顯著的特征之一[3]。 20世紀(jì)中國機床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機床方面，中國1958年開始起步，60年代有了正式的數(shù)控機床產(chǎn)品。70年代，開始研制出加工中心。80年代研制出FMC，F(xiàn)MS，而且根據(jù)中國國情，還提出了數(shù)控機床與普通機床并存的獨立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究實施CIMS的熱潮，應(yīng)該說，F(xiàn)MC、FMS、CIMS的基礎(chǔ)之一，就是數(shù)控機床，而實施FMC、FMS、CIMS又進一步帶動了數(shù)控機床的發(fā)展。 1.3數(shù)控工作臺的分類及其特點 數(shù)控工作臺分為十字工作臺、旋轉(zhuǎn)工作臺等。 數(shù)控精密工作臺采用滾珠絲杠副及直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副為運動執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)。具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗摩擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。 1.4數(shù)控工作臺的應(yīng)用 雙坐標(biāo)X-Y數(shù)控工作臺可廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域。可根據(jù)生產(chǎn)的實際需要選擇步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機驅(qū)動；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。 2 總體方案設(shè)計 總體設(shè)計是數(shù)控工作臺設(shè)計的基礎(chǔ)，是數(shù)控工作臺具體內(nèi)容的總體描述，是數(shù)控工作臺重要零部件工藝設(shè)計的前提，是完成所有設(shè)計內(nèi)容的指導(dǎo)思想。因此，在對數(shù)控工作臺進行詳細設(shè)計之前，必須對數(shù)控工作臺進行總體設(shè)計。數(shù)控工作臺的總體設(shè)計要遵循數(shù)控工作臺設(shè)計的基本準(zhǔn)則及其相關(guān)要求。 (1)數(shù)控工作臺設(shè)計的基本準(zhǔn)則 數(shù)控工作臺是數(shù)控設(shè)備中的重要附件之一。它的主要功能是將兩個數(shù)控工作臺組裝在一起后，構(gòu)成X-Y數(shù)控工作臺，實現(xiàn)兩個坐標(biāo)的定位和聯(lián)動。數(shù)控工作臺兩側(cè)的結(jié)合面位置及工作臺行程均可根據(jù)用戶的需要進行特殊的定制。數(shù)控工作臺工作行程一般以被加工零件的切削長度和刀盤的直徑大小來確定。行程S=L+D+備量，L為工件切削長度，D為刀盤直徑。二維工作臺的組成原則是上層工作臺行程一定要≤下層工作臺行程。 (2)數(shù)控工作臺設(shè)計的參數(shù)要求 負載重量G=200N； 工作臺尺寸為 320mm×320mm×20mm； 工作臺加工范圍 X=350mm，Y=350mm； 工作臺最大快移速度為1.5m/min； 重復(fù)定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。 2.1工作臺外形尺寸及重量估算 1、∵工作臺尺寸為 320mm×320mm×20mm，根據(jù)重量=體積×材料比重(硬鋁) ∴W=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 2、∵X向托板 320mm×320mm×20mm， ∴WX=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 3、∵Y向托板 320mm×320mm×20mm， ∴WY=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 4、上導(dǎo)軌座(含電機) 重量 (800×320×20)×10-3×2.8×10-2+10×10=143.36N+100N=243.36N 5、夾具及工件重量(約) 220N 6、綜上所述，X-Y工作臺運動部件的總重量(約) 57.344×3+243.36+220=635.392N 2.2滾動導(dǎo)軌副的計算與選擇 根據(jù)給定的工作臺部件的總重量及負載和估算的WX和WY，計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)： fSL=C0/P (2.1) 由公式(2.1)可知：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷；fSL=1.0～3.0(一般運行狀況),3.0～5.0(運動時受沖擊、振動)。 ∵系統(tǒng)受中等沖擊， ∴取fSL=3.0。 又根據(jù)，工作載荷，得： 0.5×() (2.2) ∴PX=0.5×(220+57.344×2)=167.344N； PY=0.5×(220+57.344×3+243.36)=317.696N； C0X=3.0×167.344=502.032N； C0Y=3.0×317.696=953.088N。 根據(jù)計算的額定靜載荷，同時確定其長度為：350+320+30(余量)=700mm；再瀏覽“深圳市騰展精密機電有限公司”網(wǎng)站[4]，下載相應(yīng)產(chǎn)品的“資料”，即可選取符合上述計算結(jié)果的導(dǎo)軌。 ∴參照圖2.1中的型號定義，綜合分析考慮，選取符合要求的導(dǎo)軌型號，即：MR 12 M L 2 V1 P -700 -15 -15 II。 圖2.1 導(dǎo)軌的型號定義 根據(jù)上述所選定的導(dǎo)軌型號，查閱對應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號對應(yīng)的具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.1所示。 表2.1 導(dǎo)軌(MR 12ML)尺寸參數(shù) 組裝尺寸(mm) 軌道尺寸(mm) 額定負荷(N) 靜扭矩(N·M) H W2 W1 H1 P D×d×g1 C C0 Mr0 Mp0 My0 13 7.5 12 7.5 25 6×3.5×3.5 3240 5630 34.9 30.2 30.2 重量 滑座尺寸(mm) 滑座(g) 導(dǎo)軌(g/m) W L L1 h2 P1 P2 M×g2 Φ S T 51 602 27 47.6 34 10 20 20 M3×3.5 2 2.6 4.3 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.2中所示。 圖2.2 導(dǎo)軌示意圖 根據(jù)所得的導(dǎo)軌型號及其相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，計算導(dǎo)軌間需要滿足的間距數(shù)值： 當(dāng)工作臺運動到上導(dǎo)軌座(含電機)的一端時，對下導(dǎo)軌產(chǎn)生的扭矩最大，故取此狀態(tài)下的情況為校核參考即可。 假設(shè)導(dǎo)軌間距為2·x，距工作臺幾何中心近的一條導(dǎo)軌為l1，所受力為F1；另一條導(dǎo)軌據(jù)工作臺幾何中心的距離為l2，所受力為F2；已知工作臺部分及其負載G=635.392N；受力分析如圖2.3所示： 圖2.3 導(dǎo)軌受力分析示意圖 ∴根據(jù)力學(xué)平衡分析，得：{ (2.3) { (2.4) ∴代入數(shù)值，解之得： { (2.5) 又考慮此情況下兩條導(dǎo)軌分別受力，即可以認為兩條導(dǎo)軌均可以平衡來自工作臺部分及其負載所產(chǎn)生的扭矩，故查表2.1中單條導(dǎo)軌的靜扭矩My0=30.2N·m，可知設(shè)計所得工作臺部分及其負載給予導(dǎo)軌的扭矩不得大于選定導(dǎo)軌的額定靜扭矩，即T≤60.4N·m；再根據(jù)公式(2.4)和(2.5)，代入： (2.6) 中，進行化簡計算，得： x≥79.941mm ∴ 2·x≥159.881mm 即兩導(dǎo)軌間距不能小于159.881mm即可滿足要求。 因此，考慮到產(chǎn)品各部件的協(xié)調(diào)及美觀要求，確定兩導(dǎo)軌間距為165mm。 2.3滾珠絲杠的設(shè)計及計算 1、滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力，應(yīng)按銑削時的情況計算。 已知：①上導(dǎo)軌 GX=57.344×2+220=334.688N；②下導(dǎo)軌GY=635.392N。 (1)最大動負荷Q的計算 (2.7) 查表得，系數(shù)fW=1，fH=1，壽命值 L=60nT/106 (2.8) n=1000Vmax/t (2.9) 查表得，使用壽命時間T=15000h；初選絲杠螺距t=5mm，由公式(2.9)得絲杠轉(zhuǎn)速n=1000×1.5/5=300r/min； ∴由公式(2.8)可知，L=60×300×15000/106=270。 又X向絲杠牽引力（為當(dāng)量摩擦系數(shù)） =1.414×0.01×334.688=4.732N Y向絲杠牽引力 =1.414×0.01×635.392=8.984N ∴由公式(2.7)可知，最大動載荷為： X向 ×1×1×4.732=30.584N Y向 ×1×1×8.984=58.066N 查閱相關(guān)的官方技術(shù)資料表，取滾珠絲杠的公稱直徑d0=8mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號為8×2，其額定動載荷為225Kgf（1Kgf=9.8N），足夠用。 同時，滾珠絲杠的長為350+165+115(余量)+60(支撐座寬)=690mm。 根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號，查閱對應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號對應(yīng)的具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.2所示。 表2.2 滾珠絲杠(8×2)尺寸參數(shù) d I D A B n —— 8 2 16 29 4 3 —— X H Da L W Co(Kgf) Coa(Kgf) 3.4 20 1.2 16 23 135 225 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.4中所示。 圖2.4 滾珠絲杠局部示意圖 2、滾珠絲杠支撐座 根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號，查閱對應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并選取該型號對應(yīng)的支撐座凸形固定側(cè)類型為EK08、凸形支撐側(cè)類型為EF08；其具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.3和表2.4所示。 表2.3 凸形固定側(cè)(EK08)尺寸參數(shù) 規(guī)格(mm) 軸徑d1 L L1 L2 L3 b/±0.02 B H P 8 23 7 26 4 26 52 32 38 X Y Z M T h/±0.02 B1 H1 使用軸承 6.6 11 12 M3 14 17 25 26 719/8C 注1：固定側(cè)軸承為2個角接觸軸承背對背安裝。 注2：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.5中所示。 ①軸承座本體；②軸承；③壓板；④套筒；⑤軸封；⑥鎖固螺帽；⑦內(nèi)六角止付螺絲附銅片 圖2.5 凸形固定側(cè)示意圖 表2.4 凸形支撐側(cè)(EF08)尺寸參數(shù) 規(guī)格(mm) 軸徑d1 L 使用軸承 B H X Y 6 14 606ZZ 52 32 6.6 11 P Z 使用C型扣環(huán) B1 H1 b/±0.02 h/±0.02 38 12 S6 25 26 26 17 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.6中所示。 ①軸承座本體；②軸承；③C型扣環(huán) 圖2.6 凸形支撐側(cè)示意圖 3、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算 (1)基本參數(shù) 公稱直徑 d0 8mm 螺距 t 2mm 接觸角 β 45° (2)螺紋滾道 鋼球直徑Da 1.2mm 螺紋滾道法面半徑R R=0.52·Da=0.52×1.2=0.624mm 偏心距e e=(R-Da/2)?sinβ=(0.624-1.2/2)×sin45°=0.017 螺紋升角γ γ=arc tan=arc tan=4.550° (3)螺桿參數(shù) 螺桿外徑 d d=d0-(0.2～0.25)?Da=8-0.2×1.2=7.76mm 螺桿內(nèi)徑 d1 d1=d0+2e-2R=8+2×0.017-2×0.624=6.786mm 螺桿接觸直徑 dZ dZ=d0-Da?cosβ=8-1.2×cos45°=7.152mm (4)螺母參數(shù) 螺母螺紋外徑 D D=d0-2e+2R=8-2×0.017+2×0.624=9.214mm 螺母內(nèi)徑(外循環(huán)) D1 D1=d0+(0.2～0.25)?Da=8+0.2×1.2=8.24mm 4、傳動效率計算 5、剛度驗算 滾珠絲杠受工作載荷P引起的導(dǎo)程L0的變化量： Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計算： QY=P=58.066N ,L0=0.2cm ,E=20.6×106(N/cm2) F=π?R2=3.14×(0.6786/2)2=0.361cm2 ∴10-6cm 因而，絲杠因受扭矩角而引起的導(dǎo)程變化量ΔL1很小，可以忽略。 綜上所述，導(dǎo)程總誤差 10-6×=7.810(μm/m) (2.10) ∴查表知，E級精度的絲杠允許誤差為15μm，故剛度足夠。 6、穩(wěn)定性計算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。 2.4步進電機的選用 (1)步進電機的步距角θb[5] 取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量δp=0.01mm/step，初選步進電機的步距角為θb=1.5°。 (2)步進電機啟動力矩的計算 設(shè)步進電機等效力矩為T，負載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關(guān)系： T?ψ?η=P?S (2.11) 公式(2.11)中，ψ為電機轉(zhuǎn)角，η為機械傳動效率，S為移動部件相應(yīng)位移。 若取ψ=θb，則S=δp，且P=Ps+μG，則： (2.12) 公式(2.12)中，T為電機軸的負載力矩，Ps為移動部件的負載(N)，μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，G為移動部件的重量(N)，θb為步進電機的步距角(rad)； 這里，取μ=0.03(淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù))，η=0.96，Ps為絲杠牽引力，Ps=PH=58.066N， 考慮到重力的影響，Y向電機負載較大，因此取G=GY=635.392N； ∴30.688N?mm 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩： (2.13) 由公式(2.13)取安全系數(shù)為0.3，則：=102.293N?mm。 ∴對于工作方式為三相六拍的三相步進電機： =118.121N?mm (2.14) (3)步進電機的最高工作頻率: =2500Hz (2.15) (4)步進電機所需功率的計算 ∵工作臺最大快移速度為1.5m/min ∴步進電機所需功率： 2.009W (2.16) 因YS系列步進電動機的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維修方便。兩個端蓋式軸承。絕緣級為E級，防護等級IP44，廣泛應(yīng)用在機械傳動設(shè)備上，如小型機床、冶金、紡織、化工、醫(yī)療器械及日用電器。 其工作條件：環(huán)境溫度不超過40℃，最低-15℃；相對濕度不超過90%；海拔不超過1000m；電源頻率50Hz，電壓220/380V；工作方式S1；按IMB14方式安裝(無底腳，有軸伸，端蓋上帶凸緣，凸緣有通孔，凸緣在D端，借凸緣安裝)。 所以，查表選用兩個YS4512型步進電機，電機有關(guān)參數(shù)見表2.5： 表2.5 YS4512電機技術(shù)數(shù)據(jù)[6] 型號 功率/W 電流/A 電壓/V 電機主軸/mm 轉(zhuǎn)速/(r/min) 最大轉(zhuǎn)矩 外形尺寸 (mm×mm×mm) YS4512 16 0.085 380 Φ9 2800 2.4 150×100×115 2.5聯(lián)軸器的選擇 1、選擇一種合適的聯(lián)軸器類型可考慮以下幾點[7]： (1) 所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減震功能的要求； (2) 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小； (3) 兩軸相對位移的大小和方向； (4) 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境； (5) 聯(lián)軸器的制造、安裝、維護和成本。 2、計算聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩 由于機器啟動時的動載荷和運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計算轉(zhuǎn)矩Tca。計算轉(zhuǎn)矩按下式計算 Tca=KA·T (2.17) 公式(2.17)中,T為公稱轉(zhuǎn)矩,N·m；KA為工作情況系數(shù),查表,選取KA=1.3； 根據(jù)公稱轉(zhuǎn)矩: 6 (2.18) ∴ 654.571N·mm 故由公式（2.17）得計算轉(zhuǎn)矩為 Tca=1.3×54.571N·mm=70.942N·mm 3、確定聯(lián)軸器型號 首先根據(jù)為了補償兩軸的相對位移的考慮而選取聯(lián)軸器類型為撓性聯(lián)軸器；再根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩Tca，按照 Tca≤[T] (2.19) 的條件，由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器的型號TGA-C28-6-10。上式(2.19)中的[T]為該型號聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩,具體尺寸數(shù)據(jù)參見表2.6。 表2.6 撓性聯(lián)軸器(TGA-C28-6-10)尺寸參數(shù) Φd1(mm) Φd2(mm) ΦD(mm) L(mm) L1(mm) 軸向偏差(mm) 6 10 28.6 28.1 5.00 ±0.15 M 額定扭矩(N·m) 最大扭矩(N·m) 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 重量(g) 擰緊力矩(N·m) M3 1.6 3.2 5000 46 2.0 注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖2.7中所示。 圖2.7 撓性聯(lián)軸器示意圖 4、校核最大轉(zhuǎn)速 根據(jù)被連接軸的轉(zhuǎn)速n不應(yīng)該超過所選聯(lián)軸器所允許的最高轉(zhuǎn)速nmax，參照表2.6中相關(guān)數(shù)值，得：TGA-C28-6-10滿足n≤nmax。 2.6數(shù)控工作臺三維造型裝配圖及其關(guān)鍵零部件圖 綜合上述分析及計算，運用Solidworks軟件[8]，繪制數(shù)控工作臺的三維造型裝配圖及其關(guān)鍵零部件圖(另附圖紙作)。 其中，簡述滾珠絲杠的繪制步驟： 1、打開Solidworks軟件，新建Solidworks文件→零件，如圖1a、1b所示。 圖1a 圖1b 2、打開前視平面，繪制草圖1。 圖2 3、對草圖1使用旋轉(zhuǎn)命令，生成旋轉(zhuǎn)體1。 圖3  4、選取如圖所示平面。 圖4 5、正視，繪制草圖2。 圖5  6、對草圖2使用拉伸切除命令，切除深度為3。 圖6 7、切換到等軸測視角，選取圖示平面。 圖7  8、正視，繪制草圖3。 圖8 9、拉伸切除，切除深度為10。 圖9  10、打開前視平面， 繪制草圖4，保存退出草圖編輯狀態(tài)。 圖10 11、轉(zhuǎn)換到等軸測視角，選取圖示平面。 圖11  12、正視，繪制草圖5，保存退出草圖編輯狀態(tài)。 圖12 13、選取特征→曲線→螺旋線/渦狀線命令繪制螺旋線，如圖13所示。 圖13 保存退出。 圖14 14、特征→掃描切除，輪廓選擇草圖4，路徑選擇螺旋線/渦狀線1，確定退出；滾珠絲杠繪制完成。 圖15 3 數(shù)控工作臺關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計 3.1滾珠絲杠的工藝設(shè)計 滾珠絲杠既有軸類零件的加工特點，又具有一定的特殊性。滾珠絲杠是通過絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運動變換為執(zhí)行件的直線運動，它不僅要傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，而且要準(zhǔn)確地傳遞運動，所以對滾珠絲杠的強度、精度和耐磨性都有較高的技術(shù)要求[9]。 3.1.1滾珠絲杠加工工藝特點分析 (1)滾珠絲杠加工中，中心孔是定位基準(zhǔn)，但由于滾珠絲杠是柔性件，剛性很差，加工時還須增加輔助支承，將外圓表面與跟刀架相接觸，防止因切削力造成的工件彎曲變形[10]。分析跟刀架的結(jié)構(gòu)，可以知道：爪式跟刀架，用于外圓表面的車削與磨削；套式跟刀架，于磨削過的外圓接觸，用于滾珠絲杠螺紋的加工。同時，為了確保定位基準(zhǔn)的精度、在工藝過程中[11]先后安排了四次修研中心孔工序。 (2)由于該滾珠絲杠為單件生產(chǎn)，要求較高，故加工工藝過程嚴(yán)格按照工序劃分階段的原則，將整個工藝過程分為五個階段：準(zhǔn)備和預(yù)先熱處理階段，粗加工階段，半精加工階段，精加工階段，終加工階段。 (3)為了消除殘余應(yīng)力，整個工藝過程安排了四次消除殘余應(yīng)力的熱處理，并嚴(yán)格規(guī)定機械加工和熱處理后不準(zhǔn)冷校直，以防止產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為了消除加工過程中的變形，每次加工后工件應(yīng)垂直吊放，并采用預(yù)留加工余量分層加工的方法，經(jīng)過多道工序逐步消除加工過程中引起的變形。 (4)在加工前須對該滾珠絲杠進行嚴(yán)格的切試樣檢查。為了消除由于9Mn2V熱軋圓鋼金相組織不穩(wěn)定而引起的殘余應(yīng)力，安排了冰冷處理工序，使淬火后的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。同時，為了保證質(zhì)量，還安排了三次磁性探傷，檢查熱處理和磨削工序后零件是否有微觀裂紋。 (5)由于滾珠絲杠螺紋[12]是關(guān)鍵部位，為防止因淬火應(yīng)力集中所引起的裂紋和避免螺紋在全長上的變形而使磨削余量不均等弊病，不采用先粗車、再磨削螺紋的方法，而是經(jīng)熱處理后直接采用磨削螺紋工藝，即“全磨”加工方法，以確保螺紋加工精度。 3.1.2滾珠絲杠螺紋的加工方法 對于精密淬硬絲杠，應(yīng)采用“全磨”加工方案，即絲杠光桿經(jīng)熱處理后，不經(jīng)車削，螺紋[13]全部用磨削而成?？紤]到加工中產(chǎn)生的彎曲和殘余應(yīng)力，磨削螺紋分成粗磨、半粗磨和精磨多道工序完成，每道工序切去很少的余量，同時切削用量逐漸減少，這樣不但可以逐漸減少切削力和殘余應(yīng)力，還可以減少“誤差復(fù)映”，提高加工精度。精密絲杠的最后終磨應(yīng)在恒溫條件下進行，加強冷卻措施，加工后的測量也應(yīng)使用相應(yīng)的精密儀器。 螺紋磨削中影響導(dǎo)程(螺距)的因素： (1)產(chǎn)生周期誤差的原因 所謂周期誤差，是指滾珠絲杠在2π弧度內(nèi)的行程變動量V2。產(chǎn)生的原因如下： ①螺紋磨床從工件主軸到螺母絲杠的傳動鏈的運動精度，包括頭架主軸和頂尖的徑向圓跳動和軸向竄動，齒輪副、蝸輪副的安裝誤差和運動誤差等。 ②工件的安裝誤差、中心孔和螺紋外圓的圓柱度及絲杠的彎曲振擺。 ③螺紋磨床螺母絲杠副的軸向竄動以及螺母絲杠副自身周期誤差對工件的影響。 (2)產(chǎn)生非漸近性局部誤差的原因 這類誤差對滾珠絲杠是指V300、V0(V為螺紋長度300mm和有效長度內(nèi)的行程變動量)。產(chǎn)生原因如下： ①螺紋磨床的機械校正機構(gòu)失靈，螺距校正尺調(diào)整不當(dāng)或校正尺變形。 ②螺紋磨床工作臺沿床身運動的直線性誤差、運行平穩(wěn)性和爬行。 ③工件絲杠材質(zhì)不均勻、熱處理后硬度不均勻，有“軟帶”和“硬點”。 ④恒溫室內(nèi)溫控不準(zhǔn)確，在最后精磨過程中溫度波動超出允許的范圍。 ⑤外界的干擾。 (3)產(chǎn)生漸近性全長累積誤差的原因 這類誤差是指滾珠絲杠的e。原因如下： ①螺紋磨床傳動鏈誤差，螺紋交換掛輪計算的理論螺距與實際螺距的誤差。 ②床身與工作臺的熱變形、機床螺母絲杠與工件絲杠熱變形不同步。 ③在磨削螺紋一次進給走刀過程中，砂輪磨損太快。 ④工藝過程中前道工序的累積誤差復(fù)映。 3.2滾珠絲杠的加工工藝過程 表3.1 滾珠絲杠加工工藝過程 工序號 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及夾緊 1 備料 熱軋圓鋼 20mm×710mm 2 熱處理 球化退火 3 車 車割試樣，試樣尺寸為10mm×8mm，車割后應(yīng)保證零件總長700mm 外圓 4 磨 在平面磨床上磨試樣兩平面，表面粗糙度Ra值為1.25μm 5 檢驗 檢驗試樣，要求試樣球化等級1.5~4級，網(wǎng)狀組織小于3級，待試樣合格后方轉(zhuǎn)入下道工序 6 熱處理 調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后硬度250HBS，校直 7 粗車 粗車各部外圓，均留加工余量6mm 中心孔及外圓 8 鉗 劃線，鉆3mm起吊通孔 外圓及端面 9 熱處理 時效處理，除應(yīng)力，要求全長彎曲小于1.5mm，不得冷校直 10 粗車 ① 車兩端面取總長690mm，修正兩端中心孔，要求60°錐面的表面粗糙度Ra值為2.5μm 中心孔及外圓 ② 車外圓8mm處至8mm，6mm處至6mm，滾珠螺紋大徑7.76mm處車至9.7mm，留磨量1.1~1.2mm，均按圖樣基本尺寸留加工余量1.4~1.5mm，各部倒角，工藝要求：各外圓相互跳動0.25mm，加工后垂直吊放 中心孔及外圓 11 粗磨 粗磨滾珠螺紋大徑至9.7mm，磨其他各外圓，均留磨余量1.1~1.2mm 中心孔及外圓 工序號 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及加緊 12 熱處理 按圖樣技術(shù)要求淬硬，中溫回火，冰冷處理，工藝要求：全長彎曲小于0.5mm，兩端中心孔硬度達50~56HRC，不得冷校直 13 檢驗 檢驗硬度，磁性探傷，去磁 14 研 研磨兩端中心孔，表面粗糙度Ra值為1.25μm 15 粗磨 磨8mm外圓至8mm，6mm外圓至6mm，磨滾珠螺紋大徑至8.7mm，均留磨量0.65~0.75mm，磨出兩端垂直度為0.0005mm及表面粗糙度Ra值為1.25μm的肩面，要求用環(huán)規(guī)著色檢查，接觸面50%，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 16 檢驗 磁性探傷，去磁 17 粗磨 磨滾珠絲杠底槽至尺寸，粗磨滾珠絲杠螺紋，留磨量(三針測量值M=9.9mm，量棒直徑1.0mm)，齒形用樣板透光檢查，去不完整牙，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 18 檢驗 磁性探傷，去磁 19 熱處理 低溫回火除應(yīng)力，要求變形不大于0.15mm，不準(zhǔn)冷校直 20 研 修研兩端中心孔，要求表面粗糙度Ra值為0.63μm，完工后垂直吊放 21 粗磨 磨8mm外圓至8mm，6mm外圓至6mm，留磨量0.3~0.4mm 中心孔及外圓 工序號 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及加緊 22 半精磨 半精磨滾珠螺紋，留精磨余量（三針測量值M=9.0mm，量棒直徑1.0mm），齒形按樣板透光檢查，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 23 熱處理 低溫回火消除磨削應(yīng)力，要求全長彎曲小于0.10mm，不得冷校直 24 研 修研兩端中心孔，表面粗糙度Ra值為0.32μm，完工后垂直吊放 25 半精磨 磨8mm、6mm外圓，磨滾珠螺紋大徑至圖樣要求，全長圓柱度0.02mm 中心孔及外圓 26 精磨 精磨滾珠絲杠螺紋至圖樣要求，齒尖倒圓R0.3mm，要求：齒形按樣板透光檢驗[三針測量值M=（9.56±0.10）mm，量棒直徑1.2mm]，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 27 終磨 終磨各外圓至圖樣要求，完工后應(yīng)垂直吊放，并涂防銹油（備單配滾珠螺母） 中心孔及外圓 3.3滾珠絲杠的檢驗 滾珠絲杠的檢驗是滾珠絲杠工藝中重要的內(nèi)容。滾珠絲杠的測量內(nèi)容主要有螺紋牙形角的偏差、螺紋中徑和螺距誤差。選用測量工具時，一般以其測量的最大極限誤差不得超過被測尺寸公差的1/5～1/10為準(zhǔn)。 結(jié) 論 數(shù)控工作臺是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床是數(shù)控技術(shù)的重要應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。它已經(jīng)開始在各個領(lǐng)域普及，并且它所帶來的巨大效益已引起世界各國科技與工業(yè)界的普遍重視。本文所設(shè)計說明的數(shù)控工作臺是對數(shù)控機床整體結(jié)構(gòu)的研究和分析，是基于當(dāng)前數(shù)控技術(shù)要求的綜合和梳理的結(jié)果。 在設(shè)計的開始，考慮到對數(shù)控機床的了解不是很多，不太清楚數(shù)控工作臺與數(shù)控機床的協(xié)調(diào)機理，總體設(shè)計更是無從著手。在老師的指導(dǎo)和建議下，我耐心、細致地查閱了與數(shù)控技術(shù)相關(guān)的圖書資料，并在互聯(lián)網(wǎng)上參考了眾多的圖片及實物信息，從而在感官上對數(shù)控機床有了一個較好地認識；再加上我還參加了“2012中國中部(鄭州)國際裝備制造業(yè)博覽會”，更是親眼目睹了數(shù)控工作臺在數(shù)控機床上的動作過程。在設(shè)計的過程中我遇到的一些難題，如：數(shù)控工作臺尺寸與工作行程之間協(xié)調(diào)關(guān)系的確定、滾珠絲杠軸徑與兩側(cè)支撐座上不同軸承孔之間的大小確定、滾珠絲杠加工工藝的流程設(shè)計、Solidworks軟件的實際操作的問題等。但是，在老師和同學(xué)們的幫助下，我最終還是克服了心理上的畏懼，從而較好地解決了一系列看上去很難的問題；并且通過設(shè)計的親自體驗，也讓我感受到了選擇使用標(biāo)準(zhǔn)件的方法及其帶來的方便之處。 經(jīng)過長期認真地工作，我已完成數(shù)控工作臺三維造型設(shè)計及其關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計。但，由于能力所限，再加上實踐經(jīng)驗的不足，在我的設(shè)計中一定會有一些不足之處，還請老師給予嚴(yán)格的教育和適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。 致 謝 這次畢業(yè)設(shè)計是在楊漢嵩老師的悉心指導(dǎo)下完成的。楊漢嵩老師對于機械方面的知識的駕馭能力之大是讓我敬仰的，能夠得到楊漢嵩老師的親自指導(dǎo)是我所期望的，于我而言，更是一個絕佳的學(xué)習(xí)機會。 在我遇到困難的時候，我就會找到楊老師，請老師幫助我。他給予我的講解是詳細和有耐心的，讓我在獨自思考的前提下，指引著我的方向；我感受到的不僅是知識，更是老師的一片真心。我珍惜著這份師生情，在設(shè)計工作上，更是努力著、認真地推進著我的設(shè)計進程，我懂得，我不能辜負了老師的期望，我一定得好好干。 除了日常的必要指導(dǎo)和解釋，楊老師還親自帶領(lǐng)我到理工實驗大樓參觀了與數(shù)控機床相關(guān)的教學(xué)儀器，并且為我提供了“2012中國中部(鄭州)國際裝備制造業(yè)博覽會”的參觀券，以使我對于數(shù)控工作臺的設(shè)計工作變得有了更加明確地方向，讓原先在我看來還是一頭霧水的事情變得簡單了許多。 這些日子里，我發(fā)現(xiàn)，無論是工作日還是休息日，楊老師基本上都是會在辦公室的，或辦公，或?qū)W習(xí)……這些點滴，我都看在眼里，記在心里，時刻激勵和鞭策著我也要不斷地前進，努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識，為符合一名當(dāng)代大學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)而繼續(xù)完善自我、永不止步。 最后，我想對所有在我成長的路上給予我?guī)椭睦蠋?、同學(xué)，說一聲：謝謝你！ 參考文獻 [1] 蔡厚道.數(shù)控機床構(gòu)造.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007. 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