教學型數(shù)控銑床設計說明書初稿

1、教學型數(shù)控銑床的方案分析1.機械結(jié)構(gòu)分析 本課題是設計一種數(shù)控銑床進給的機構(gòu)，此機構(gòu)的工作臺可以在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(xiàn)病床在任意位置的停止，可以實現(xiàn)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(gòu)可以實現(xiàn)多種方案，本課題升降裝置采用電機驅(qū)動滾珠絲桿的方式來帶動工作臺的平移，現(xiàn)提供以下設計方案：步進電機工作臺滾滾絲桿聯(lián)軸器 圖1 步進電機驅(qū)動滾珠絲桿進給機構(gòu)方案1此種方案為傳統(tǒng)的的進給機構(gòu)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(jié)，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

2、螺母轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)工作臺的平移，可以做X、Y方向的移動，從而實現(xiàn)鉆床工作臺的快速進給。此種方案結(jié)構(gòu)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。進給機構(gòu)安裝架滾珠螺母桿滾珠螺母桿橫向滾珠絲桿桿圖3 進給機構(gòu)大體布局圖機械結(jié)構(gòu)的設計2.1滾珠絲杠的設計（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24倍，能以較小的扭矩得到較大的推力，亦可由直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動（運動可逆）。 （2）運動平穩(wěn)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(xiàn)象，因此可精密地控制

3、微量進給。 （3）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重復定位精度。 （4）高耐用性鋼球滾動接觸處均經(jīng)硬化（HRC5863）處理，并經(jīng)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和精度保持性。 （5）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，可以獲得很好的同步效果。 （6）高可靠性與其它傳動機械，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)下工一般來說滾珠絲杠在

4、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(jié)構(gòu)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(jù)滾珠絲杠副螺紋滾道法面截形、參數(shù)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(shù)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。接觸角隨

5、初始間隙和軸向載荷的大小變化，為保證=，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(diào)整預緊必須采用雙螺母結(jié)構(gòu)。（3）根據(jù)機床的特點，選用內(nèi)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(jié)構(gòu)預緊方式（圖3）圖3 雙螺母結(jié)構(gòu)預緊示意圖 雙螺母預緊的結(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：結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方

6、便，剛度高；但調(diào)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(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：結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)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(diào)節(jié)預緊力的傳動。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)風別為Z1和Z2，且Z2=Z1+1。兩個螺母向相同方向同時轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個齒，調(diào)整軸向位移量為：(Ph導程)。特點：能夠精確地調(diào)整預緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復雜，宜用于高精度的傳動機構(gòu)。本設計中將

7、采用的是雙螺母內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)整式滾動螺旋副來消除間隙。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。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(jié)構(gòu)，只校核軸向進給結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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：C

8、rWMn ，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(shù)，K為硬度系數(shù)，為短行程系數(shù)。參考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(zhuǎn)速，其中Lh=15000h，取n=100r/min,代入上式后計算得C=21496.42N（4） 根據(jù)必須的額定動載荷C選擇螺旋尺寸根據(jù)內(nèi)循環(huán)滾動螺旋副結(jié)構(gòu)，查表8.2-18機械傳動設計手

9、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 螺旋尺寸表結(jié)合公稱直徑和公稱導程的優(yōu)先配合，綜合考慮選擇參數(shù)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(shù)如下：額定動載荷 公稱直徑 公稱導程 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(shù)，參照機電一體化系統(tǒng)設計基礎表2-10取安全系數(shù)S=3，因為螺桿較長，絲

10、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(shù)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(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

11、）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；可以查出螺旋副運動由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動時取參數(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=3.02m/m<1/2()=1/2 10m/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。第3章 滾動軸承的選取與計

12、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=1834.8NP2=fp=2305.8N3.2計算軸承壽命Lh 已知球軸承=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=

13、fp=2135.2N P2=fp=1277.7N (2)計算軸承壽命Lh。已知球軸承=3，因工作溫度小于120，取ft=1。（3）因轉(zhuǎn)速較低，此處還需進行靜強度計算查表得X0=0.6，Y0=0.5，S0=1.2P01= 0.6，max=1779.3NC0r/P01=11.13S0=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

14、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(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。   步進電機是機電一體化產(chǎn)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(chǎn)品中，如：數(shù)控銑床、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

15、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(zhuǎn)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(nèi)。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(qū)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(zhuǎn)動慣量計算 在旋轉(zhuǎn)運動中，物體的轉(zhuǎn)動慣量J 對應于直線運動中的物體質(zhì)量。要計算系統(tǒng)在加速過程中產(chǎn)生的動態(tài)載荷，就必須計算物體的轉(zhuǎn)動慣量J 和角加速度e，然后得慣性力矩TJe。物體的轉(zhuǎn)動慣量為： J = ò r 2 r × dV ，式中：dV 為體積元，r為物體密度，r 為體