滾珠絲杠設計步進電機選型機床設計

摘要本文主要致力于發(fā)動機缸蓋氣門導管壓裝設備進給系統(tǒng)設計，并根據所學專業(yè)知識，進行發(fā)動機缸蓋氣門導管壓裝工藝分析和工藝設計，主要完成了壓裝設備進給系統(tǒng)設計，氣門導桿壓裝工藝分析與設計，參與壓裝裝備總體設計，完成外文資料翻譯。根據壓裝的要求本文提出了四種方案并進行了簡單比較，最后選中其中一種，并進行具體設計，本文主要介紹數控十字滑臺的設計方法，并完成了機床的總體設計和裝配，機床主要針對發(fā)動機氣門導管的壓裝工作，并有一定的柔性，可以在簡單編程和修改程序的基礎上適應不同的導管壓裝工作，本文也從事機床主體的相關工作，并對軟件控制方面提出具體要求。通過完成載荷計算，導軌選型，滾珠絲杠選型，步進電機選型以及十字滑臺結構設計，最后設計的壓裝機床的進給部分確定下來，具有很好的可行性。關鍵詞：十字滑臺；滾珠絲杠；滑動導軌；步進電機。1緒論為實現發(fā)動機缸蓋氣門導管的壓裝工作，現要設計制造一臺專用機床，以高效的方式完成氣門導管的壓裝工作。發(fā)動機缸蓋氣門導桿壓裝設備進給系統(tǒng)設計，下稱進給系統(tǒng)。分析發(fā)動機缸蓋資料可知在一個缸蓋上有四個導桿需要壓裝，發(fā)動機氣門導桿有很重要的作用，氣門導桿是與氣缸蓋壓配在一起，是汽車發(fā)動機氣門的導向裝置，主要是對氣門起導向作用，同時使氣門桿上的熱量經氣門導管傳給汽缸蓋。畢業(yè)設計主要內容是根據所學專業(yè)知識，分小組進行發(fā)動機缸蓋氣門導桿壓裝工藝分析和工藝設計，主要完成壓裝設備進給系統(tǒng)設計。氣門導桿壓裝工藝分析與設計，參與壓裝裝備總體設計，進給系統(tǒng)設計，外文資料翻譯，并最后完成設計說明書。根據圖紙要求和有關數據可以選擇液壓滑臺進給系統(tǒng)和數控十字滑臺，另外還有手動進給系統(tǒng)。進給伺服以數控機床的各坐標為控制對象，要求進給伺服能快速調節(jié)坐標軸的運動速度，并能精確地進行位置控制。具體要求其調速范圍寬、位移精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快。該畢業(yè)設計的目的就是要設計一套進給系統(tǒng)從而完成相應四個位置的氣門導桿的壓裝工作并使壓裝后的氣門導桿滿足一定的位置要求。手動進給反應慢精度低，不適合快速大量的設備?，F階段的壓裝方法一般有：常溫下壓裝、液氮冷卻壓裝及缸蓋加熱壓裝等。氣門導管與氣缸蓋之間要求有一定的緊度，因此，安裝時最好采用壓入法將氣門導管正直地壓入氣缸蓋中。由于人工操作隨意性大，經常壓歪，壓歪后又要再壓出，所以不僅勞動強度大，而且效率低。并且這樣極易損壞導管，有時還可能使整個缸蓋報廢?？紤]到本課題的實際情況，綜合經濟效益等多方面的因素，最終采用常溫壓裝?，F階段壓裝進給系統(tǒng)有多種形式，有液壓，滾珠絲杠，氣動等，在要求有定位要求的位置多用滾珠絲杠以保證精度，液壓用在受力很大精度不高的場合，現階段數控機床進給系統(tǒng)多用滾珠絲杠并配合伺服電機。國內外的專用數控機床也多采用這種形式，因此本課題可以很好地應用已有的成熟技術進行研究處理從而完成進給系統(tǒng)的設計。2技術方案方案一：如圖下圖所示，缸蓋以底面、兩對角座圈孔在工裝上定位。工裝上有四個伸入座圈孔內的凸臺，凸臺高度33.6±°5mm，用以控制導管壓裝的軸向位置。設置在凸臺中的伸縮銷用以實現導管的定心，伸縮銷隨壓裝過程下縮，保證其不干涉壓裝過程。壓裝之前在導管外圈均勻的涂一層二硫化鉬膏，將其套裝在伸縮銷上。因為導管長度有一定的公差，為保證將每一導管壓裝至限位凸臺，保證其下端面距底面的尺寸33.6±°-5mm,可采用逐個壓裝的方法。為實現逐個壓裝，可將圖所示的工裝與工件分別送至壓頭下，并逐一壓裝?？刹捎脭悼厥只_實現。方案二：還是上圖，只是壓頭改為四個導管一起壓的形式，這樣生產效率可以大大提高，但是壓頭會變得很復雜，同時考慮到此發(fā)動機年生產批量不是很大，四個壓頭一起壓力的分配不易平很。不過這樣一來機床的進給系統(tǒng)就會大大簡化，但是鑒于畢業(yè)設計的題目是進給系統(tǒng)的設計，所以進給系統(tǒng)不能過于簡化。方案三：工作臺采用液壓推進，采用行程開關來控制進給量的大小，此方案實現容易，成本較低，但是后續(xù)工作繁多，還要配備液壓油路和電路控制總的看來工作了也很大而且液壓油的泄漏不易清理。方案四：采用手動進給，進給系統(tǒng)簡單，但是對工人要求較高，定位不易保證，生產效率很低。綜合分析以上的四個方案，方案一符合畢業(yè)設計工作量要求，可以很好的鍛煉自己的能力，并且綜合了機械設計，電機選擇，數控程序的編制等學科，因此選擇方案一是很好的選擇。3理論分析傳動系統(tǒng)擬定包括滾珠絲杠及其支承組合方式，伺服電動機及其反饋裝置選擇，精度驗算等。應用用于數控機床的伺服機構有開環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)和混合伺服幾種方式。開環(huán)系統(tǒng)主要多用在經濟型數、控系統(tǒng)或老設備的數控改造；混合伺服方式只有在大型機床中使用。在半閉環(huán)方式中，機床定位精度很大程度取決于滾珠絲杠的精度，通過選用高精度的滾珠絲杠，輔以螺距誤差補償等措施，半閉環(huán)完全可以滿足普通精度級的加工中心的定位精度的要求。對定位精度特別高的加工中心來說，由于螺距誤差補償受絲杠溫度變化的影響和反向間隙補償受工件重量變化的影響，半閉環(huán)方式已不能滿足其精度要求。在以上幾種方式中，一般根據目標給定的精度要求、機床種類來選用適當的伺服方式。半閉環(huán)是被最廣泛使用的伺服方式。一般在設計是選用半閉環(huán)方式進行初步設計與計算，當半閉環(huán)方式不能滿足要求才選用全閉環(huán)方式和混合伺服方式。采用所學的接口和相關控制原理與編程可以完成對步進電機的控制，從而實現工作臺的精確定位，使的誤差嚴格控制在允許的范圍內。本設計根據定位誤差的要求和控制精度，選用開環(huán)控制來控制步進電機，在步進電機不失步的情況下滿足控制要求。為了減小動靜摩擦力之差，防止出現爬行現象，采用滾動導軌，運動傳遞采用滾珠絲杠，這樣設計的運動部分方案基本確定，在下文中將具體選擇型號。4機床設計4.1 機床壓裝力4.1.1壓裝力的介紹根據畢業(yè)設計題目要求，對于氣門導管的壓裝，壓裝力的大小對機床的大小，功率等有很大影響，是選擇支持導軌和支持結構的決定性參數，因此壓裝力的計算方式和計算中的參數選擇有嚴格要求。4.1.2技術數據缸蓋材質為HT250，硬度190?250HB；導管材質為合金鑄鐵，硬度220-270HB；氣門導管在室溫時壓裝，壓裝前在導管外均勻涂一層潤滑劑二硫化鉬；導管與底孔配合的最小過盈量為0.012mm，最大過盈量為0.034mm4.1.3壓裝力計算過盈配合壓裝力壓強計算公式：a二--被包容件和包容件材料的彈性模量；；，L-被包容件和包容件的剛性系數；d2+世瞻+d2C2=^+V2查表得-1號二查表得 號d=15mmdi=8mm1)2=26mm由所給圖片資料可知導管與底孔配合的最大過盈量為0.034mm5/165/16有計算式(2)(3)可得C￡=有計算式(2)(3)可得C￡=1.5C2=2.25所以配合面壓強為:配合面處的最大壓裝力：T:.EI上查表得「?婦查圖片資料得I 二］-「'一田所以由(5)計算的?-"lbI；：?.：Ml-以上公式及數據來至于參考資料［11］由于此公式趨于保守計算的壓裝力較大，有足夠的大小可以滿足壓裝要求，所以取最大壓裝力23653.6N即為選擇導軌和壓頭的參考依據，不需要再乘以一個安全系數。4.2 機床的總體設計機床的總體設計是機床設計的關鍵環(huán)節(jié)，對機床的技術性能和經濟性能指標起著決定性作用，機床的總體設計是根據設計要求，通過調查研究，檢索資料，掌握機床設計的依據；然后進行工藝分析，擬定出性能先進，經濟性好的工藝方案，必要時畫出加工示意圖，在此基礎上確定機床總體布局，畫出機床聯(lián)系尺寸圖，確定設計機床的主要技術參數。I_liDjL1、底座2、夾具3、工件4、立柱5、操作按鈕及顯示屏6、伺服壓裝機4.3滾動導軌的選取直線導軌的一種。直線導軌一般為二種，一種是滾動式，一種是滑動式，滾動直線滑軌是一種滾動導引，它由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環(huán)，使得負載平臺能沿著滑軌輕易的以高精度作線性運動，其摩擦系數可降至傳統(tǒng)滑動導引的1/50，使之能輕易地達到um級的定位精度。現在滑塊與滑軌間的末制單元設計，使得線形滑軌可同時承受上下左右等各方向的負荷，專利的回流系統(tǒng)及精簡化的結構設計使線性滑軌有更平順且低噪音的運動。要選取滾動導軌要先計算導軌的載荷，由于十字滑臺采用下托板，中托板，上托板的結構，滾動導軌承重為中托板和上托板以及工件的重量，初步設計中托板的質量為11-3「葉，上托板的質量為I1「")"工件質量為'一門患，在此所取得質量是根據托板的長寬高以及鑄鐵密度計算而得，并取得一定的質量余量，從而使得在接下來的設計中不會出現設計不夠用的問題。

在此處的十字滑臺中有兩套滾動導軌副，規(guī)定下托板上的滾動導軌副為滾動導軌副1,中托板上的滾動導軌副為滾動導軌副2。4.3.1滾動導軌副1的選取根據壓裝力的大小，及工作臺，工件總重量可求得滾動導軌副1的直線滾動導軌選用GGB32型兩根導軌副上共有四個滑塊座安裝在工作臺上。由表2.9-5查的GGB32型直線滾動導軌的法向載荷中壓裝時的靜載荷最大為：Pi=F+(m+mi+mJX9,8=23653,6+280x9.8=26397,6N<工作臺移動時的載荷為：P=(m-FmL4-mJx9.8=280x9,8=2744NIP2744由于- 所以取P1'-'l，：l4由此可得滑動導軌副1的摩擦力為:0=叩+4f=0.004X2744+4x5=31NL=(L=(普3;[<(km)⑹_ 道江?二硬生I竺）3,”式中匕——硬度系數，按下式計算： "由于產品技術要求規(guī)定，滾道硬度不低于HRC58。所以通常取L1——溫度系數，查表2.9-13；-——接觸系數，查表2.9-14。根據一根導軌上的滑座數而定，滑塊至少為2；■-——精度系數，查表2.9-15；——載荷系數，查表2.9-16；p，一一計算載荷（kN）;Z——直線運動滾動支承系統(tǒng)上的滑塊數；P——直線運動滾到支承系統(tǒng)上的載荷（kN）。K——額定壽命單位，對滾珠，K=50（kN）；:——指數，對滾珠，：-"。計算各滑塊的的載荷：按表2.9-11序號1的載荷計算公式求的各滑塊的載荷分布，由于四個導管均勻分布在壓頭周圍所以四個滑塊的受力相等得土（頊由永上查表得R："."，二】"；1，】"，1IL=x?)XK=1.2x106krn由以上可得： - -設計需要壽命：頃''、、可腳.廳5、:?.可得"1'滿足使用要求因此選用GGB32-AA2PX450XE4.3.2滑動導軌副2的選取對于滑動導軌副2選用GGB25，兩根導軌副上共有四個滑塊座安裝在工作臺上。由表2.9-5查的GGB25型直線滾動導軌的*,法向載荷中壓裝時的靜載荷最大為：Pi=F+(m+x9.8=24927.6<C(ja工作臺移動時的載荷為：P=(m+x9,8=1274NI】， 1274由于■ 所以取I」?！弧坑纱丝傻没瑒訉к壐?的摩擦力為：Fp=|jP+4f=0,01x1274+4x5=32.74N滑動導軌的額定壽命計算：L—―-—x—xK(km)各代號字母的含義與上相同。計算各滑塊的的載荷：按表2.9-11序號1的載荷計算公式求的各滑塊的載荷分布，由于四個導管均勻分布在壓頭周圍所以四個滑塊的受力相等得七"'廿心查表得3. I*，""1，心"」I,:1IL=付弦*xK=4.2X106km由以上可得： - -設計需要壽命：、—」"小恥f。.廠qr餌」睥可得'^1'，但是壓裝時余量不足所以選擇大一號的滾動導軌所以選用GGB32-AA2PX450XE以上公式及代號均參考于參考資料[1].4.4滾珠絲杠副的選取滾珠絲桿是將回轉運動轉化為直線運動，或將直線運動轉化為回轉運動的理想的產品。滾珠絲桿由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉運動轉化成直線運動，這是9/169/16滾珠螺絲的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應用于各種工業(yè)設備和精密儀器。常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內循環(huán)。其中應用較廣的是插管式和螺旋槽式，它們各有特點，其軸向間隙的調整方法主要有墊片調隙式和螺紋調隙式。為了方便描述和計算在此指定驅動中托板的滾珠絲杠為絲杠1，驅動上托板的滾珠絲杠為絲杠2。機床年工作時間3820小時，年產量7萬件，則單件的生產所需時間為tn— X60-3.27min妙70000除去安裝和拆卸工件所花費的1min，剩下2.27min，則單個導管壓裝所用去的時間為：2.27t=3—x60=34.05s由所提供的圖片資料可知，四個導管分別在邊長為75mm的正方形的四個頂點，壓裝順序依次為1-2-3-4。4.4.1滾珠絲杠1的選取根據所給數據，已知參數如下：絲杠驅動的工作臺重量 七"對定絲杠驅動最大重量 I"：罰足工作臺最大行程 1絲杠兩端為固定支承（E-F），每個支座安裝兩個國接觸角推力角接觸球軸承絲杠載荷"勺''電機轉速取二一 頃mn電機轉速取二一 頃mnnmax=1500r/min工作臺最大速度絲杠導程吟破工作臺最大速度絲杠導程吟破=6ni/min6(100當量轉速 根據單位工件所需時間確定平移75mm所需時間為2s，即可得兩秒轉過75■'—"'：，即一分鐘內I、 IL'"心E"當量載荷 J":"n

計算動負荷要求壽命由表2.8-65查得”Lh計算動負荷要求壽命由表2.8-65查得”Lh串5￡iol17x104x1x10 _v1.16 鹿一|—-「，由表2.8-66查得-"?:遂v1.16 鹿一|—-「，由表2.8-66查得-"?:遂4上1X1x1x匕=k=疽—二0403綜合系數（8）1——溫度系數，匕——硬度系數，"——精度系數，‘ 負荷性質系數，查表2.8-60到2.8-64得上「：.后"IKb 1一16即可得滾珠絲杠副的型號 由表2.8-27選用FFZD型內循環(huán)浮動反向雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號FFZD3206，額定動負荷、 I杰.■＜」，預緊力頭—。，頊立*J 符合要求。Gj=即可得滾珠絲杠副的型號 由表2.8-27選用FFZD型內循環(huán)浮動反向雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號FFZD3206，額定動負荷、 I杰.■＜」，預緊力頭—。，頊立*J 符合要求。絲杠螺紋部分長度Lu=1：作?止大$律+：羅的長屯+陽.端金管=200+102+20x2=342mm支承距離 L應大于■-，=d2 4.732X0.0272nc=9900 =9900X———=57037i7min臨界轉速校核1_|了 U:JuO*臨界轉速校核杠底徑支承方式系數由=d°-1.2Dw=32-1,2X4=27.2mm=杠底徑支承方式系數"由表2.8-66查得L=102 4&0-342 _ _臨界轉速計算長度’’」'而1 芭 門"時1頃小】由上得符合要求。壓桿穩(wěn)定校核 兩端固定支承，絲杠不受壓縮，因而不必校核穩(wěn)定性預拉伸計算溫升引起的伸長量。 心卜］、W'、:捉XLL.S"E】nTOC\o"1-5"\h\z絲杠全長伸長量廠 匚一F ri：m17xW6x^x0.027234r^Fi-—-— t.門 x2.1x1011—6062N預拉力 11-軸承選擇 軸端結構，由表2.8-50得采用E-F型，軸承型號采用7602020TVP,主要尺寸和參數由表2.8-39查得，工Lnin，D?"."F］，「?.=】?；?「］］，1 i軸承的最大軸向載荷為："-1'" '-X"］I. 1由于w?、《.「._：qf。—也七二符合設計要求Kh1.16 .4入、[/心.、h,、，l么C=—F=7^x6062=15626<19600、皿土時卜.疲勞壽命計算額定動負荷： . 「? 滿足要求定位精度校核：絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移FI『 0.45X31 .6smaji=TTFx10&= x10fj=0.03um4A， 仆沁.皿"％時絲杠與螺母間的接觸角變形查2.8-27得FFZD3206滾珠絲杠副的接觸角剛度F31Kc=1150N/um灸=瓦=ft03um、F31軸承的接觸變形 由計算得、,:七K絲杠系統(tǒng)總位移'、m1（）?「「"o*[，|-]7|：|11滿足定位精度，因此選用滾珠絲杠副型號為，*DA.，"、，：/1■（：'/■]■-兩端支承為E,F型，軸承型號為7602020TVP。4.4.2滾珠絲杠2的選取絲杠驅動的工作臺重量 ?七 W二TOC\o"1-5"\h\z絲杠驅動最大重量 I工作臺最大行程 1品（二'時絲杠兩端為固定支承（E-F），每個支座安裝兩個廁接觸角推力角接觸球軸承絲杠載荷 土電機轉速取二=」頑「腥/ …:*川「'叩"選取時具體計算步驟與絲杠1完全一樣以下只寫計算數據工作臺最大速度vnnax 即0。絲杠導程 」-—'>mJ：■-當量轉速 根據單位工件所需時間確定平移75mm所需時間為2s，即可得兩秒轉過75■'—"'：，即一分鐘內I、IL，"心E"當量載荷 ■■■■'NK], 1.16計算動負荷 J'：-： ■-|滾珠絲杠副的型號 由表2.8-27選用FFZD型內循環(huán)浮動反向雙螺母墊片預緊滾珠絲杠副，型號FFZD2506，額定動負荷「」'*"..'.，預緊力七"""W’J符合要求。12/1612/16絲杠螺紋部分長度支承距離Lp=絲杠螺紋部分長度支承距離Lp=200+100+20x2=340mmL應大于??.，l?-技命】…d2 4.732X0.0202nc=9900-^-=9900X―—=42359I7minI&= x10°=0.06um4x-x0.02022x2.1xW11絲杠與螺母間的接觸角變形查2.8-27得FFZD3206滾珠絲杠副的接觸角剛度IF 33=jQ=gio=°，04umIV,=910N/umF33由計算得，叩'「 ：X|E『心"⑴6=6smax+&+諭=0-06+0.04+Oh12=0.22um臨界轉速校核由上得「”符合要求。預拉伸計算溫升引起的伸長量上q ］^-ih絲杠全長伸長量* 匚一F''、‘I,rl:mEAExW6x^x0.02023*、.Ft=-i—= 用 x2.1x1011=3363N預拉力'■!軸承選擇軸端結構，由表2.8-50得采用E-F型，軸承型號采用36203,主要尺寸和參數由表2.7-6查得I.：山|，.；，S「n，-.=】"f】，Ca=8380Ni i軸承的最大軸向載荷為:：1 ' -1''■--一、"-Kh1.16「=—R— v —QAAQ＞「疲勞壽命計算額定動負荷：' % 1初選36203型軸承的額定動負荷小于8669N，所以改用7602020TVP，由表2.8-39查得」=.也『】】，I""】】，3—】?"'"】】，：?'—In…，L.'Em，C」IM⑴牛預緊力Fo=23QON。定位精度校核：絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移Flu OAEx壽 日^smax=4AI就1°軸承的接觸變形絲杠系統(tǒng)總位移滿足定位精度，因此選用滾珠絲杠副型號為EFIM"—：」如1.土.*腥,兩端支承為E,F型，軸承型號為7602020TVP。以上計算公式及數據的選擇均參考與參考資料［1］中滾珠絲杠章節(jié)。4.5步進電機的選取步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度即步進角?？梢酝ㄟ^控制

脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。指定與絲杠1相連的是步進電機1，與絲杠2相連的是步進電機2.4.5.1步進電機1的選取脈沖當量的選擇:3脈沖當量的選擇:3時轉脈沖數r一*?！钙叱踹x脈沖當量己-"：」」"",「，電機到滾珠絲杠傳動比為■-Luwl0,004x200x9.8x0,00&等效負載轉矩計算:等效轉動慣量計算:滾珠絲杠的轉動慣量Tlf=2^1=—2x^txo.Hxi—=00125N，等效負載轉矩計算:等效轉動慣量計算:滾珠絲杠的轉動慣量叫日品 3.14X7.8SXI(PX0.0 X財5 』邛0.0062K314 3.635X100.0062K314—m托板運動慣量換算到電機軸上的轉動慣量為；2.56X10_<kg-m2因此換算到電機軸上的總慣量性負載為Jl.二，十Jw=3,635x10-4+2.56xW4=6.195x10-4kg-m2初選步進電機型號：已知'「］』l)mn". .HJ ，初選步進電機型號為110BF003，其最大靜扭矩"：：」?,?幻5〕，轉子慣量ITlfM12S 立 II6.195X10-4.匚一T4曰~=~n—=1-56x10-<0.5I-=—~~—=1.32<4由上可得.該型號電動機規(guī)定最小加減速時間為1s10004.7X1010004.7X10-4 =657Hz6.195X10一4為電動機本身的起動頻率(1+1疽1上 (6.195X1U-4+4.7X10-4)XB2A25+3^+ln-+r'-tta—0」°47 =04047X 「 =0.0027s<Is起動時間， ■-111-其中當F_3H,時」q 頃因此該電動機在帶慣性負載時能夠起動速度驗算：從圖5.50的運行矩-頻特性曲線查得當、山”卜了時，電動機轉矩'「：.： 一。，)*卜廣，故可用此頻率。

111 6最大快移速度'「?一 一?，5字：EU*一頃U七」頊:質血：滿足使用要求。故確定步進電機型