鏜銑加工中心工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
鏜銑加工中心工作臺(tái)的設(shè)計(jì),加工,中心,工作臺(tái),設(shè)計(jì)
中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本 科 畢 業(yè) 論 文
題目 鏜銑加工中心工作臺(tái)的設(shè)計(jì)
系 別 工程技術(shù)系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
職 稱
二O一五年四月二日
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(xiàn)狀及趨勢(shì) 10
1.3 鏜銑加工中心工作臺(tái)的方案分析 11
1.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 13
1.3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案和布局 15
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16
2.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì) 22
2.2滾珠絲杠副絲杠副傳動(dòng)法面截形，循環(huán)方式等的確定 22
2.3滾珠絲杠的預(yù)緊 23
2.4滾珠絲杠選取與校核 24
3 滾動(dòng)軸承的選取與計(jì)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(jì)算軸承壽命 25
3.3當(dāng)量載荷 26
4 步進(jìn)電機(jī)的選取及設(shè)計(jì)計(jì)算 26
4.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 27
4.2將負(fù)載質(zhì)量換算成電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 28
4.3計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩 28
4.4負(fù)載起動(dòng)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(jìn)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(jié) 論 34
致 謝 35
參 考 文 獻(xiàn) 36
摘 要
鏜銑加工中心工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單。實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。降低成本，是微機(jī)控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用。它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。鏜銑加工中心工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用8031單片機(jī)，及2764,6264存儲(chǔ)器及8155芯片等硬件組成，在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序來通過步進(jìn)電機(jī)控制滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滾珠螺母往復(fù)移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的往復(fù)移動(dòng)，也就是實(shí)現(xiàn)了工件能夠在鏜銑加工中心工作臺(tái)上面進(jìn)行X軸和Y軸靈活移動(dòng)的加工功能。
鏜銑加工中心工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。本題目是步進(jìn)電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，滾珠絲桿螺母副，匯編語言的綜合應(yīng)用。
近年以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速增長，機(jī)械設(shè)備在機(jī)械工業(yè)中的地位也日益顯著，當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。 工作臺(tái)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡單的零件而設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動(dòng)的X—Y工作臺(tái)，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，也為了環(huán)境的要求，一作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置從原來的機(jī)械驅(qū)動(dòng)變?yōu)橐郝抿?qū)動(dòng)，現(xiàn)在更多的采用了氣動(dòng)裝置，更好的保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺(tái)是一臺(tái)機(jī)床的關(guān)鍵配套部件，因此世界各國都有對(duì)其進(jìn)行研究，我國在工作臺(tái)的研究開發(fā)方面也取得了長足的進(jìn)步。目前工作臺(tái)的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺(tái)只能安裝在某一指定機(jī)床上，伴隨著科技的與時(shí)俱進(jìn)，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現(xiàn)代的功能性方向發(fā)展，現(xiàn)在一些工作臺(tái)，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在加工中心和鏜床等機(jī)床上。并且目前部分工作臺(tái)還可以作為機(jī)床的第四回轉(zhuǎn)軸，大大提高了機(jī)床的性能。例如：可傾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它可以實(shí)現(xiàn)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心機(jī)床上，可利用原機(jī)床的兩個(gè)控制坐標(biāo)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)和傾斜，也可直接利用本轉(zhuǎn)臺(tái)配套的數(shù)控裝置與機(jī)床聯(lián)接完成所需的工作循環(huán)。它可以完成任意角度的孔、槽、平面類機(jī)械加工，以及曲線、凸輪等的加工，并可達(dá)到較高的精度另外也可用于非數(shù)控鉆、銑鏜類機(jī)床上，獨(dú)立完成等分和不等分的角度分度工作。國外工作臺(tái)的功能與我國所生產(chǎn)的工作臺(tái)功能基本相似，但是在其精度方面，國外的一些公司所生產(chǎn)的工作臺(tái)要略高于我國所生產(chǎn)的工作臺(tái)。
因此我國與國外相比，還是有一定的差距，因此工作臺(tái)的設(shè)計(jì)具有重要意義，我們要借助時(shí)代的步伐，與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新，使我國成為具有領(lǐng)先技術(shù)的綜合性強(qiáng)國。
關(guān)鍵詞：數(shù)控 ；步進(jìn)電機(jī) ；機(jī)床
absraote
Pneumatic 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.
This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading.The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.
It can replace the heavy labor in order to achieve th 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.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.
This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.
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 foo
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
1 緒 論
1.1 課題的來源及研究的目的和意義
本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的鏜銑加工中心工作臺(tái)采用了低摩擦的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過MCS-51單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，使鏜銑加工中心工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控控制。工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)的鏜銑加工中心工作臺(tái)工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過微機(jī)控制技術(shù)的簡單的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步提高。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的鏜銑加工中心工作臺(tái)不僅可用于加工中心上進(jìn)行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通工作臺(tái)是新一代機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品。通過對(duì)鏜銑加工中心工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，能夠正確運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)等課程的基本理論個(gè)有關(guān)知識(shí)學(xué)會(huì)設(shè)備數(shù)控化改造方案的擬定、比較、分析及進(jìn)行必要的計(jì)算；通過對(duì)設(shè)備改造的機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握數(shù)控設(shè)備典型零件的計(jì)算方法和步驟以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；通過設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，掌握簡單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的基本方法；通過課程設(shè)計(jì)，初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)以及編寫文件等資料的能力。
在本設(shè)計(jì)中著重介紹了如何對(duì)鏜銑加工中心工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī)、選用和數(shù)控控制電路的設(shè)計(jì)和其控制程序的編制等方面進(jìn)行了深入的分析。
數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程 ：數(shù)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(shù)控立式加工中心：數(shù)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(shù)控加工中心的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目前三坐標(biāo)數(shù)控立式加工中心占數(shù)控加工中心的大多數(shù)，一般可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)加工。
臥式數(shù)控加工中心：臥式數(shù)控加工中心的主軸軸線平行于水平面。
為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控加工中心通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動(dòng)加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實(shí)現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺(tái)改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進(jìn)行多個(gè)位置或工作面的加工。
立臥兩用轉(zhuǎn)換加工中心：這類加工中心的主軸可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可在同一臺(tái)數(shù)控加工中心上進(jìn)行立式加工和臥式加工，同時(shí)具備立、臥式加工中心的功能。加工中心是用銑刀進(jìn)行切削加的機(jī)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(duì)平面、斜面、溝槽、臺(tái)階、T形槽、燕尾槽等表面進(jìn)行加工，另外配上分度頭或回轉(zhuǎn)臺(tái)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(qiáng)，應(yīng)用范圍很廣。加工中心的主參數(shù)是工作臺(tái)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(diǎn)如下：
(1) 加工中心的主軸帶動(dòng)銑刀作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)；
(2) 銑刀是多齒、多刃連續(xù)進(jìn)行切削；
(3) 多數(shù)加工中心由工作臺(tái)帶動(dòng)工件作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；
(4) 銑刀在切削時(shí)，每個(gè)刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時(shí)參加切削的齒數(shù)是變化的，每個(gè)刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機(jī)床振動(dòng)；
(5) 銑削時(shí)，銑刀同時(shí)參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進(jìn)給給量，因而生產(chǎn)效率高。我國的數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過渡的關(guān)鍵時(shí)期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過渡的時(shí)期。我國數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國外先進(jìn)水平。目前，已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80種。自“七五”以來，國家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國外一直對(duì)我國封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。
我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內(nèi)市場(chǎng)占有率偏低。據(jù)有關(guān)資料表明,年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率僅為38.88%。造成這種嚴(yán)峻的形勢(shì),除客觀原因外,主要是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性不過硬?！笆濉逼陂g,我國機(jī)械制造工業(yè)正朝著精密化、柔性化、集成化、自動(dòng)化、智能化方面迅速發(fā)展,國內(nèi)數(shù)控機(jī)床需求強(qiáng)勁,我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)適逢極好的發(fā)展機(jī)遇。然而,我國加入ＷＴＯ后,國外生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床將會(huì)更多的進(jìn)入我國市場(chǎng)市場(chǎng)競(jìng)爭更為激烈。提高國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率,關(guān)鍵在于提高質(zhì)量和可靠性。幾年來,經(jīng)過對(duì)國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)剖析和使用性能的調(diào)研,探索和總結(jié)了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的新技術(shù)。現(xiàn)時(shí)主要存在有以下幾個(gè)問題：
（1）缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模
（2）缺乏發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和技術(shù)配套體系
（3）缺乏技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在動(dòng)力
（4）面臨國外強(qiáng)手競(jìng)爭的巨大壓力
回顧數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段，六代的發(fā)展歷程。第一個(gè)階段叫做NC階段，經(jīng)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(jì)算機(jī)開始用于數(shù)控系統(tǒng)就進(jìn)入了第二個(gè)階段，叫做CNC階段，成為第四代數(shù)控系統(tǒng)：從1974年微處理器開始用于數(shù)控系統(tǒng)即發(fā)展到第五代。經(jīng)過十多年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實(shí)際上從20世紀(jì)末期直到今天，在生產(chǎn)中使用的數(shù)控系統(tǒng)大部分都是第五代數(shù)控系統(tǒng)。但第五代數(shù)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(shù)控系統(tǒng)將代表著數(shù)控系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，將在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。
1.2數(shù)控加工中心的現(xiàn)狀及趨勢(shì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、制造技術(shù)的進(jìn)步和人類生活水平的提高，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化的要求趨勢(shì)日益增強(qiáng)。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，對(duì)數(shù)控機(jī)床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場(chǎng)能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護(hù)和培訓(xùn)的成本，同時(shí)還要求具有網(wǎng)絡(luò)功能，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)組織和管理模式。為此，近10年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展很快。目前正朝標(biāo)準(zhǔn)化開放體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)。就體系結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)今世界上的數(shù)控系統(tǒng)大致分為4種類型：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、“PC嵌入NC結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)、“嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)。特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著國際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就。目前外數(shù)控機(jī)床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動(dòng)化、高可靠性、智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)等方向迅速發(fā)展這將對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求?！笆濉逼陂g,我國機(jī)械制造行業(yè)必須瞄準(zhǔn)國際數(shù)控機(jī)床發(fā)展的科學(xué)前沿,開拓創(chuàng)新,消化吸收國外先進(jìn)技術(shù),開創(chuàng)我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的新局面。
1.3 鏜銑加工中心工作臺(tái)的方案分析
1.3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)分析
本課題是設(shè)計(jì)一種鏜銑加工中心工作臺(tái)的機(jī)構(gòu)，此工作臺(tái)可以在X,Y軸兩個(gè)方向自由移動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)控制，人們只需啟動(dòng)和關(guān)閉開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在任意位置的停止，可以實(shí)現(xiàn)將工件移動(dòng)到指定的位置，為加工提供方便。
由于為了進(jìn)給機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種方案，本課題平移、升降裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿的方式來帶動(dòng)工作臺(tái)的平移，現(xiàn)提供以下設(shè)計(jì)方案：
聯(lián)軸器
步進(jìn)電機(jī)
工作臺(tái)
滾滾絲桿
圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案
此種方案為傳統(tǒng)的的進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，此種方案步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲桿通過聯(lián)軸器固結(jié)，絲桿螺母裝在滾珠絲桿上面，保持滾珠絲桿與工作臺(tái)通過螺紋連接，，這種方法由于滾珠絲桿動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的平移，可以做X、Y方向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鉆床工作臺(tái)的快速進(jìn)給。此種方案結(jié)構(gòu)簡潔，造價(jià)低廉，定位精準(zhǔn)，可靠，符合此次設(shè)計(jì)的要求，因此此種方案雖然是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，但切合實(shí)際，我們優(yōu)先考慮。
縱向滾珠絲桿
橫向滾珠絲桿
桿
橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)
縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)
工作臺(tái)安裝架
圖3 鏜銑加工中心工作臺(tái)大體布局圖
1.3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)總體方案和布局
本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)，在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)。它的傳動(dòng)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件。當(dāng)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動(dòng)，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動(dòng)（靜）摩擦系數(shù)相差極小，配以滾動(dòng)導(dǎo)軌，起動(dòng)力矩很小，運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)爬行。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互動(dòng)的傳動(dòng)裝。它具有以下優(yōu)點(diǎn):
（1） 摩擦損失小、傳動(dòng)效率高傳動(dòng)效率可達(dá)92%--96%，是普通絲杠傳動(dòng)的3～4倍，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的25%。
（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無爬行由于主要存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦因數(shù)都很小，且其差值小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)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(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時(shí)無空行程，定位精度高。
4）滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過熱處理，其滾面的硬度值可達(dá)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(hù)簡單使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的4～10倍。
（6）傳動(dòng)具有可逆性、不能自鎖由于摩擦因數(shù)小、不能自鎖，因面使該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有可逆性，可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，還可以把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于不能自鎖，在作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)附加裝或防止逆轉(zhuǎn)的裝置防止工作臺(tái)因自重而下降。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點(diǎn)，因此，本題目選用滾珠絲杠螺母副。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1滾珠絲杠的設(shè)計(jì)
滾珠絲桿具有以下特點(diǎn)：
(1)傳動(dòng)效率高
滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率高達(dá)90%～98%，為傳統(tǒng)的滑動(dòng)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(yùn)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，工作中摩擦阻力小、靈敏度高、動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)、低速時(shí)無爬行現(xiàn)象，因此可精密地控制微量進(jìn)給。
（2）高精度
滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中溫升較小，并可預(yù)緊消除軸向間隙和對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱伸長，因此可以獲得較高的定位精度和鋼球滾動(dòng)接觸處均經(jīng)硬化（HRC58～63）處理，并經(jīng)精密磨削，循環(huán)體系過程純屬滾動(dòng)，相對(duì)對(duì)磨損甚微，故具有較高的使用壽命同步性好由于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、無阻滯、無滑移，用幾套相同的滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置，可以獲得很性與其它傳動(dòng)機(jī)械，液壓傳動(dòng)相比，滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很低，維修保養(yǎng)也較簡單，只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵。在特殊場(chǎng)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(yīng)該預(yù)緊以提高絲杠的剛度，從而提 高傳動(dòng)精度，但在本機(jī)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(jìn)行預(yù)緊，所以安裝方式是一端固定一端游動(dòng)的形式。X軸向的工作臺(tái)與其上面所安裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)重力約10N，焊槍在焊接時(shí)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(dòng)法面截形，循環(huán)方式等的確定
查《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)滾珠絲杠副螺紋滾道法面截形、參數(shù)和特點(diǎn)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(shù)公式見表8.2-11，接觸角為=45°。其特點(diǎn)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(qiáng)度，但比值/小，運(yùn)行時(shí)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(yán)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(diào)整預(yù)緊必須采用雙螺母結(jié)構(gòu)。
（3）根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)，選用內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式反向器，其特點(diǎn)是徑向尺寸小，循環(huán)通道短，摩擦損失小，傳動(dòng)效率高。
2.3 滾珠絲杠的預(yù)緊
滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有要求，以保證其反向傳動(dòng)的精度。我們通常采用雙螺母結(jié)構(gòu)預(yù)緊方式（圖3）
圖3 雙螺母結(jié)構(gòu)預(yù)緊示意圖
雙螺母預(yù)緊的結(jié)構(gòu)通常有三種：
1.墊片調(diào)隙式(圖4)
圖4 墊片調(diào)隙式
調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。為便于調(diào)整，墊片常制成剖分式。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊。適用于高剛度重載傳動(dòng)。
2.螺紋調(diào)隙式(圖5)
圖5 螺紋調(diào)隙式
調(diào)整方式：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便；但準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)。用于剛度要求不高或需隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊力的傳動(dòng)。
3.齒差調(diào)隙式(圖6)
圖6 齒差調(diào)隙式
調(diào)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(nèi)齒圈3、4嚙合，其齒數(shù)風(fēng)別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個(gè)螺母向相同方向同轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移量為：(Ph—導(dǎo)程)。
特點(diǎn)：能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，用于高精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本設(shè)計(jì)中將采用的是雙螺母內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)整式滾動(dòng)螺旋副來消除間隙。
墊片調(diào)整式有結(jié)構(gòu)比較簡單，裝卸方便，剛度高的特點(diǎn)。
2.4滾珠絲杠選取與校核
（1） 初始條件
本設(shè)計(jì)的軸向進(jìn)給長度大于徑向進(jìn)給結(jié)構(gòu)，只校核軸向進(jìn)給結(jié)構(gòu)用的絲杠如下：
由本設(shè)計(jì)要求可知，估算工作臺(tái)的重量和安裝在工作臺(tái)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(zhuǎn)速100r/m使用壽命Lh=15000h,Ra為58-62HRC,要求傳動(dòng)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(yù)緊方式。
（2） 計(jì)算載荷
公式摘自《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版中冊(cè)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算部分，下同）
= （式1）
式中為載荷系數(shù)，K為硬度系數(shù)，為短行程系數(shù)。參《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表18-18，表18-19，表18-20取=1.2，K=1，=1
（3） 計(jì)算額定動(dòng)載荷
計(jì)算額定動(dòng)載荷公式
其中n為平均轉(zhuǎn)速，其中Lh=15000h，取n=100r/min,代入上式后計(jì)算得C=21496.42N
（4） 根據(jù)必須的額定動(dòng)載荷C選擇螺旋尺寸
根據(jù)內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副結(jié)構(gòu)，查表8.2-18《機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，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(dǎo)程Ph
公稱直徑
圈數(shù)
螺紋升角
直徑
動(dòng)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(jié)合公稱直徑和公稱導(dǎo)程的優(yōu)先配合，綜合考慮選擇參數(shù)如下：
查特征代號(hào)確定型號(hào)為 FD406-3-3/全長螺紋長度，其尺寸參數(shù)如下：額定動(dòng)載荷
公稱直徑
公稱導(dǎo)程
鋼球直徑 mm
圈數(shù)列數(shù)=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(nèi)徑d==35.984mm
（5）穩(wěn)定性驗(yàn)算
因?yàn)榻z杠采用一端固定一端鉸支的安裝方式，查表18-7《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》長度系數(shù)，
參照《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表2-10取安全系數(shù)[S]=3，因?yàn)槁輻U較長，絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷成為臨界載荷F（N）按下式計(jì)算：
F= （式3）
式中E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206GP；l為絲杠工作長度（m），l=672mm；為絲杠危險(xiǎn)截面軸慣性矩（m）;
== （式4）
=8.14910m
又
可得：
安全系數(shù)S= F/= （式5）
絲杠安全,不會(huì)失穩(wěn).
（6） 剛度驗(yàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩T(Nm)共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)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(duì)鋼G=83.3GP;T（Nm）為轉(zhuǎn)矩。
又T=F （式7）
式中，為摩擦角，其正切值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷；可以查出螺旋副運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)時(shí)取參數(shù)摩擦系數(shù)tan=0.0025，又=，所以樣有下式：
T=F
按最不利的情況計(jì)算，F(xiàn)=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(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版中冊(cè)表18-17.
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)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(yàn)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(dòng)的滾珠絲杠也好似符合要求的。
3 滾動(dòng)軸承的選取與計(jì)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(jù)如圖選取深溝球軸承6006
求當(dāng)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(jì)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(jù)圖所選取深溝球軸承6206。
3.3求當(dāng)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(jì)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(zhuǎn)速較低，此處還需進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)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(dòng)軸承電機(jī)傳動(dòng)部分，初步選擇的滾動(dòng)軸承為0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)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(dòng)軸承電機(jī)傳動(dòng)部分，初步選擇的滾動(dòng)軸承為0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)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(jìn)電機(jī)的選取及設(shè)計(jì)計(jì)算
步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。
? 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控加工中心、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。
? 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。
? 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。
? 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)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(jī)床快速移動(dòng)的需要。
選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算：
4.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 對(duì)應(yīng)于直線運(yùn)動(dòng)中的物體質(zhì)量。要計(jì)算系統(tǒng)在加速過程中產(chǎn)
生的動(dòng)態(tài)載荷，就必須計(jì)算物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J 和角加速度e，然后得慣性力矩T＝J.轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩 22NM
4.2將負(fù)載質(zhì)量換算成電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，常見傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(jī)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(tái)重量（N）
S ---絲桿螺距（cm）
J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL2
4.3計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩M
M=Ma+Mf+Mt （1-3）
Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）
式中Ma ---電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（N.m)
Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2)
n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min）
T---電機(jī)升速時(shí)間（s）
Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5）
Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m)
u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率
Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6）
Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m)
Pt---最大切削力（N）
計(jì)算所得力矩28NM
4.4負(fù)載起動(dòng)頻率估算
數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)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(dòng)頻率（Hz）
fq0---空載起動(dòng)頻率
Ml---起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m)
若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進(jìn)行估算.
4.5運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算
由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。
4.6負(fù)載力矩和最大靜力矩Mmax
負(fù)載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由矩頻特性決定的電機(jī)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(yīng)小于（0.2 ～0.4)Mmax.
綜上述選取三相混合步進(jìn)電機(jī)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(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查《機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）》表14-1，由于轉(zhuǎn)矩變化很小，故取，則
=1.3X49.24=64012N.Mm
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表14-4，選Lx3型彈性柱銷聯(lián)軸器其工稱轉(zhuǎn)矩為1250N.m，而電動(dòng)機(jī)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(dòng)絲杠副絲杠軸，選HL1型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為1250000，半聯(lián)軸器的孔徑19mm，半聯(lián)軸器長度42mm。徑向滾動(dòng)絲杠副絲杠軸選Lx3型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)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(jù)所需扭矩T2R按一下公式的出計(jì)算用扭矩：
T2c=T2rXFs
T2c--計(jì)算用扭矩
T2r--實(shí)際所需扭矩
Fs--使用系數(shù)
C)由所要求的輸出轉(zhuǎn)速n2和輸入轉(zhuǎn)速n1確定傳動(dòng)比
i=n1/n2
i-傳動(dòng)比
n1-- 輸入轉(zhuǎn)速（r/min)
n2--輸出轉(zhuǎn)速（r/min)
d)確定T2c和i后，在輸入轉(zhuǎn)速不超過減速機(jī)額定轉(zhuǎn)速的情況下，選擇最接近計(jì)算值的傳動(dòng)比，并滿足一下條件的減速機(jī)型號(hào)：
T2n>T2c
T2n--額定輸出扭矩（單位N/m)
所以所選取步進(jìn)電機(jī)為110BYG350C，根據(jù)以上查表計(jì)算所得選取行星減速器型號(hào)為PL120。
7 進(jìn)給系統(tǒng)精度校核
根據(jù)用戶的要求的定位精度, 該內(nèi)圓磨床機(jī)構(gòu)向進(jìn)給系統(tǒng)采用半閉環(huán)的控制形式, 通過工作臺(tái)的進(jìn)給速度及負(fù)載慣量與電機(jī)慣量的匹配計(jì)算, 滾珠絲杠不可能采用與電機(jī)直連的形式, 而通過降速比為2的一對(duì)齒形帶輪傳動(dòng), 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(guān)。由于絲杠采用兩端固定的形式, 根據(jù)材料力學(xué)求解超靜定計(jì)算式, 可得變形量 :
式中: F 軸向工作載荷, N;
E 彈性模量,對(duì)鋼 E = 20.6104N/mm2;
A 絲杠截面積(按內(nèi)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(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到兩支承的中間位置時(shí)變形量最大, 其最大變形量11max=F/4EA 。
絲杠內(nèi)徑 57mm, 因此 絲杠扭轉(zhuǎn)變形所產(chǎn)生的軸向變形量,絲杠受扭矩作用而引起導(dǎo)程發(fā)生變化, 一個(gè)導(dǎo)程的變化量
式中: L0 絲杠導(dǎo)程, mm;
則絲杠受扭矩作用在支承長度L 上所產(chǎn)生的軸向變形量
式中:扭矩作用下絲杠每一導(dǎo)程長度兩截面上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算式, 扭轉(zhuǎn)角式中: M 絲杠的驅(qū)動(dòng)扭矩,
G 剪切彈性模量, 對(duì)鋼G = 8.24104N/mm2.
J 絲杠截面極慣性矩,mm4。絲杠的驅(qū)動(dòng)扭矩.式中:a代表絲杠的螺旋升角;數(shù)控加工中心進(jìn)給滾珠絲杠副的螺旋升角%= 2&53?,摩擦角&= 10?,所以?= 0.94,每一導(dǎo)程長度兩截面上相對(duì)扭轉(zhuǎn)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(yù)拉伸的結(jié)構(gòu),但由于絲杠自重, 軸線發(fā)生彎曲變形。
根據(jù)材料力學(xué)超靜定結(jié)構(gòu)分析計(jì)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(yù)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(jù)實(shí)測(cè)?值取1mm。則絲杠因自重和載荷變化所產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)采用預(yù)緊螺母時(shí), 對(duì)固定螺栓的變形也略不計(jì)。對(duì)螺母體的變形只需考慮滾珠與滾道面彈性接觸變形。根據(jù)彈性接觸理論, 其變形量與螺母有無預(yù)緊有關(guān)。當(dāng)有預(yù)緊時(shí)，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(shù),外循環(huán)時(shí) z =!D 0db圈數(shù) 列數(shù),內(nèi)循環(huán)時(shí),z =!D 0db- 3圈數(shù)列數(shù)式中: D0滾珠絲杠副公稱直徑;Fp 預(yù)緊軸向力10-3+3.65X10-3 = 0.02733mm <0.03mm滿足定位精度要求.
結(jié) 論
通過本次設(shè)計(jì)鏜銑加工中心工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從中深刻掌握到了滾珠絲桿，滾珠螺母等等結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪制出裝配圖和零件圖。然后在通過二維軟件AUTOCAD進(jìn)行零件和裝配圖的繪制。
綜上所述得到一下結(jié)論：
(1)本設(shè)計(jì)適應(yīng)了鏜銑加工中心工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)用得到了認(rèn)可；
(3)充分查找資料根據(jù)計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)的需要，選用合適的零部件，并對(duì)其進(jìn)行校核；精度驗(yàn)算；
(4)機(jī)械系統(tǒng)中各個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，方案合理，能適應(yīng)實(shí)際的情況。
致 謝
本課題是在xxx老師的精心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，在此謹(jǐn)向?qū)煴硎咀钪孕牡母兄x和最誠摯的敬意。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)老師xx的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。在我三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，正是他們以無私的關(guān)懷、忘我的研究精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)關(guān)心影響和教導(dǎo)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(xué)習(xí)和生活方面給予了我極大的關(guān)心和支持。同時(shí)老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、科學(xué)的學(xué)術(shù)作風(fēng)，前瞻的科研眼光、敏銳的思維、淵博的知識(shí)、豐富的閱歷、謙虛大度的胸懷、獨(dú)特的為人處世原則,忘我工作的奉獻(xiàn)精神是永遠(yuǎn)值得我學(xué)習(xí)的。在此謹(jǐn)向xxx老師表示衷心的感謝！
感謝應(yīng)用技術(shù)學(xué)院的各位老師！在我四年多的求學(xué)生涯中，從學(xué)習(xí)和生活各方面給予我莫大的關(guān)懷和幫助。感謝我的大學(xué)同學(xué),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(xué)生生活和畢業(yè)設(shè)計(jì)生活增添了無限色彩。
再有要感謝一起學(xué)習(xí)生活的同學(xué)們，與他們的一次次交流使我得以不斷進(jìn)步和提高。
我能夠?qū)Ｐ膶W(xué)習(xí)，順利完成學(xué)業(yè)，與我的父母的培養(yǎng)、鼓勵(lì)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(xiàn)的所有作者們！再次感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們！
參 考 文 獻(xiàn)
[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.
[2 ] GUO Yuan，WANG Yutian，HAO Bing .Non—touch Fiber—optic Reflective Displacement Sens
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