機械裝備設計主題實踐指導書

北京石油化工學院機械裝備設計主題實踐指導書機電工程系二零二三年十一月目錄機械裝備設計主題實踐的目的經(jīng)濟型數(shù)控銑床XY二維進給伺服系統(tǒng)組成與工作原理 機械裝備設計主題實踐的任務和要求 系統(tǒng)方案設計XY軸主要標準件的計算和選型5.1滾珠絲杠選型與計算實例5.2步進電機選型與計算實例5.3聯(lián)軸節(jié)的選型5.4支承軸承安裝方式與選型計算5.5導軌的選型和設計XY軸非標件的設計6.1電機座的設計6.2前后軸承座的設計6.3底座設計6.4零件工作臺的設計6.5絲杠螺母與平臺連接件設計7.設計總結7.1設計的合理性分析7.2設計的經(jīng)濟性分析8.參考文獻1.機械裝備設計主題實踐的目的機械裝備設計主題實踐的目的在于培養(yǎng)學生機械裝備設計能力。通過運用所學基礎課、技術基礎課和專業(yè)課的理論知識，生產(chǎn)實習和實驗等實踐知識進行設計，達到鞏固、加深和擴大所學知識的目的。通過分析比較數(shù)控機床XY二維進給伺服平臺的結構，對主要部件進行設計計算、選型和校核并編寫技術文件，達到學習典型機械產(chǎn)品設計步驟和方法的目的。通過學習查閱有關的設計手冊、設計標準和資料，達到積累設計知識和提高設計能力的目的，從而獲得設計工作基本技能的訓練，提高分析和解決工程技術問題的能力。2.經(jīng)濟型數(shù)控銑床XY二維進給伺服結構和工作原理圖2-1數(shù)控銑床圖2-2二維伺服進給裝置3D圖圖2-3二維伺服系統(tǒng)裝配圖圖2-4二維伺服系統(tǒng)主視圖如圖2-1和2-2分別為經(jīng)濟型數(shù)控銑床實物和二維伺服進給裝置3D圖。圖2-3為二維進給伺服進給系統(tǒng)裝配圖，圖4為二維進給伺服進給系統(tǒng)主視圖。長軸X軸在上，短Y軸在下。兩軸的結構基本相同，都包括步進電機及電機座、聯(lián)軸節(jié)、滾珠絲杠、軸承及定位鎖緊件、軸承座、工作臺與連接件、導軌、底座等零件，步進電機通過聯(lián)軸節(jié)帶動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母副通過連接件帶動工作臺運動，電機安裝在電機座上，滾珠絲杠支承在前后軸承上，軸承安裝在軸承座上并用螺母或蓋定位和鎖緊，平臺的兩側由導軌支承，電機座、軸承座、導軌安裝在底座上。3.機械裝備設計主題實踐的任務和要求機械裝備設計主題實踐，要求綜合運用所學的理論知識，設計經(jīng)濟型數(shù)控銑床的XY二維進給伺服平臺,任務包括設計說明書的手寫版，二維零件圖的手繪版版,二維裝配圖的CAD繪制版，上交設計資料手寫版和拍照版，計算機打印版和電子版。（1）設計說明書應根據(jù)教師給每位同學的設計參數(shù)進行設計，包括數(shù)控銑床伺服傳動系統(tǒng)結構工作原理、總體方案設計，主要部件包括滾珠絲杠、步進電機、軸承及定位鎖緊件、聯(lián)軸節(jié)、軸承座、導軌、底座、平臺、連接件、行程開關等選型和計算等。在設計開始必須將自己的設計參數(shù)列出，標準件和非標零件的設計和選型應有詳細的設計、選型和校核過程，給出最終選用的標準零件的主要參數(shù)和產(chǎn)品圖，非標零件應根據(jù)所對應的的標準零件的參數(shù)進行設計，并列出所設計的非標件的主要尺寸和3D圖。設計說明書要求設計步驟完整、清晰，計算準確，條理清楚，文字通順，圖文規(guī)范，裝訂整齊。（2）非標件零件圖包括X軸的工作臺、工作臺與滾珠絲杠連接件、滾珠絲杠螺母副、前軸承座、后軸承座、電機座、導軌、底座共8個零件。非標零件的尺寸參數(shù)要與設計說明書一致，用視圖將其結構表達清楚，有完整的尺寸標注和技術要求，標題欄等。符合國家標準，圖面清晰。（3）裝配圖要包括伺服進給系統(tǒng)兩個方向的結構和參數(shù)。裝配圖不是示意圖，至少要有三視圖（包括主視圖、俯視圖和側視圖），零件號，尺寸標注（包括總體外形尺寸、裝配尺寸、配合尺寸），標題欄（包括圖形比例、名稱，各零件的標準、數(shù)量、材料等），技術要求等。繪圖符合國家標準，圖面清晰.4、系統(tǒng)方案設計對系統(tǒng)的各子系統(tǒng)包括伺服進給、傳動、支承、導軌等進行方案設計，經(jīng)過技術和經(jīng)濟評價后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用，然后按照設計步驟進行進一步的選型和設計。4.1伺服進給系統(tǒng)設計數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)伺服系統(tǒng)及閉環(huán)伺服系統(tǒng)兩大類。其中，開環(huán)伺服系統(tǒng)多用步進電機作為執(zhí)行元件，又稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)，常用步進電機作為執(zhí)行部件；閉環(huán)伺服系統(tǒng)常用直流伺服電機和交流伺服電機作為執(zhí)行元件。（1）閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、測量反饋裝置、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動線路和機床運動部件五大部分組成。下圖是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理圖。圖4－1閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置反饋系統(tǒng)，可以補償機械傳動裝置中的各種誤差、間隙和干擾的影響，因而可以達到很高的定位精度，同時還可能達到很高的速度。但是，由于很多的機械傳動環(huán)節(jié)(尤其是慣量較大的工作臺等)包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內(nèi),各部件的摩擦特性、剛性及間隙等都是非線性的,直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。測量裝置價格較高，安裝和調(diào)整都比較復雜，設計和調(diào)整的不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因而閉環(huán)控制數(shù)控機床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型數(shù)控機床，如鏜銑床、超精車床、超精磨床等。開環(huán)伺服系統(tǒng)目前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床中廣泛采用步進電機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)。步進電機控制的系統(tǒng)結構比較簡單，由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，因而控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試都比較容易，維修也很方便。隨著計算機技術的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了進展.例如在驅(qū)動電路方面，采用高低壓切換的雙電壓供電，有利于提高動態(tài)輸出力矩，改善矩頻和慣頻特性；采用自動升降速電路，以使步進電機能跟隨較高的啟?；蛲惶l率運行，提高伺服電機工作效率；在低速運行中采用平滑或細分電路以減少低頻(步進)轉動對零件切削加工的精度和表面粗糙度的影響，也解決了微量進給與快速移動之間的矛盾。其它硬件電路也均可由軟件實現(xiàn)，從而更簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。當然，開環(huán)步進伺服系統(tǒng)在小功率驅(qū)動時工作效率降低的矛盾還不突出，大功率驅(qū)動的步進電機空載啟動頻率和最高運行頻率均不高，而且當負載力矩和慣量增加時，步進電機的連續(xù)運行矩頻特性和啟動慣頻特性都存在明顯增加的趨勢。另外,步進電機本質(zhì)上是脈沖控制，還將產(chǎn)生共振。以上因素使得開環(huán)步進數(shù)控系統(tǒng)適宜于在精度、速度要求不高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應用。如經(jīng)濟型、中小型機床。圖4－2開環(huán)伺服系統(tǒng)4.2進給系統(tǒng)機械部分螺旋傳動主要用來把運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D運動。在經(jīng)濟型數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實現(xiàn)精密進給運動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機構，特別是在數(shù)控機床、精密機床上應用更為普遍。由于本設計中該機構主要以傳動運動為主，要求有較高的傳動精度和傳動效率，又要求結構緊湊，運動靈敏，所以選用滾珠螺旋傳動機構作進給運動，以滿足工作臺的X、Y向移動要求。為了提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構?？紤]到傳統(tǒng)的精度和系統(tǒng)復雜程度，本設計步進電直接與與滾珠絲杠相連。4.3.支承和連接的選擇滾珠絲杠將轉動變?yōu)槠絼硬竭M電機與滾珠絲杠之間采用十字滑塊聯(lián)軸節(jié)等撓性聯(lián)軸節(jié)。滾珠絲杠的支承方式包括四種：雙推-自由、雙推支承、單推-單推、雙推-雙推。不同的支承方式所采用支承軸承不同，常用的雙推-支承方式前支撐采用一對角接觸球軸承，背靠背安裝，能承受雙向軸向力，后支撐采用圓柱滾子軸承（或深溝球軸承），只能承受徑向力，可以讓后支承在受熱時自由伸縮，防止內(nèi)應力，但精度低；雙推-雙推方式前后軸承都采用一對角接觸球軸承背靠背安裝，都能承受雙向軸向力，精度較高，需要預緊才能防止內(nèi)應力主要應用于高精度機床。經(jīng)濟型機床通常采用雙推-支承方式。圖4－3支承方式4.4設計步驟本設計主要完成經(jīng)濟型數(shù)控銑床XY二維進給伺服平臺設計，兩軸的設計過程類似，首先對核心器件滾珠絲桿和步進電機進行選型、主要參數(shù)確定和校核；然后根據(jù)滾珠絲杠的軸徑和步進電機的軸徑選擇聯(lián)軸節(jié)和支承軸承的型號，并對支承軸承進行校核計算；在此基礎上設計非標零件件比如軸承座、電機座、零件平臺、連接件、導軌、底座等。5.XY軸主要標準件的計算和選型主要標準件包括：滾珠絲杠螺母副（整體是非標，直徑和導程是標準件）的計算和選型、步進電機的計算和選型、軸承選型和計算、撓性聯(lián)軸器的選型、滾動導軌的選型。每位同學的主要初始設計參數(shù)都不相同，其他參數(shù)按以下實例中給定的值或給定的范圍取值。圖5-1滾珠絲杠訂貨圖5.1滾珠絲杠的設計計算實例要求：對兩個方向的滾珠絲杠進行設計計算、選型和校核，并將滾珠絲杠圖片和主要參數(shù)列出，并繪制和打印零件圖如圖5-1。滾珠絲杠長度估算如圖5-2若進給距離(工作行程)Lw，螺母副寬度為W，軸承寬度w,鎖緊螺母寬度Ws,絲杠連接軸長度l,絲杠滾道長度Lsp=Lw+1.2*W,滾珠絲杠總長Lz=Lsp+w*軸承數(shù)量+Ws+l+軸頸前后間隙。計算實例：若進給距離Lw=1100mm,螺母副寬W=50mm，軸承寬度w=25mm,鎖緊螺母寬Ws=30mm,連接軸長l=50mm。則絲杠滾道長度Lsp=Lw+1.2*W=1160mm滾珠絲杠總長Lz=Lsp+w*軸承數(shù)量+Ws*2+l+軸頸前后間隙=1160+25*4+30*2+50+30+100=1500mm；這是初步估算的長度，實際各部分的長度，還要根據(jù)后面所選的絲杠、軸承、聯(lián)軸節(jié)等零件確定后，在進一步確定和計算。2.滾珠絲杠直徑選取與校核實例（參見《現(xiàn)代數(shù)控機床》相關內(nèi)容）圖5-2滾珠絲杠支程（雙推-雙推）示意圖圖5-3工作循環(huán)已知主要參數(shù)：零件和平臺質(zhì)量mT=500kg最大加工受力FＷ＝1000N快進速度Vfast≥=0.17m/s工進速度Vv=0.1m/s最大加速度amax=1.3m/s2工作臺導軌摩擦力Fr=2.5N工作行程Lw=0.35m絲杠長度L=0.5m絲杠導程hsp=10mm=0.01m絲杠傳動效率=0.9確定最大轉速常數(shù)A=60000軸承支承方式本例中是雙推—雙推，應根據(jù)自己所選方式更改（1）確定動載荷C’a加速時間=0.1/1.3=0.077s加工時間=0.35/0.1=3.5s工作循環(huán)T=2tw+4ta=7.308s加減速期間平均轉速=60×0.1/2/(2*0.01)=300r/min工作時進給轉速=600r/min當量轉速nm==(2×3.5×600+4×0.077×300)/7.309=587r/min當量載荷Fm=Fr+=2.5+(2×3.5×1000+4×0.077×500×1.3)/7.309=988N如要求滾珠絲杠的壽命為Lh=20000h查《現(xiàn)代數(shù)控機床》表5-8載荷系數(shù)fw=1.1則滾珠絲杠的動載荷:C’a=fw.Fm(60nmLn×10-6)=1.1×988×(60×587×20000×10-6)=9670N（注意單位，有些網(wǎng)站資料用kgf,需要換算成N)（2）確定靜載荷.最大軸向力可以近似取最大加工受力.即：Fmax≈Fω=1000N由《現(xiàn)代數(shù)控機床》表5-9查取靜態(tài)安全系數(shù)fd=1靜載荷:C’oa=fd×Fmax=1×1000=1000N（3）由軸向壓力選取絲杠直徑.絲杠直徑公式:dsp=由Fa≈Fω=1000N，L=0.5m=500mm查《現(xiàn)代數(shù)控機床》表5-10得：m=20.3（雙推—雙推）；雙推—支承是10.2dsp==5.924mm故取dsp≥6mm（4）轉速限制1）最大轉速限制：nmax≤由：nmax===1020得：dsp≤==58.8mm2）臨界轉速限制：d由n=1020r/min<n,取n最小值1020r/min,L=500mm,f=21.9（雙推—雙推)，雙推—支承是15.1.得：d=1.2mm（5）.選擇絲杠直徑：由C=9670N，C=1000Nd6mm，d58.8mm，d1.2mm由以上數(shù)據(jù)，從滾珠絲杠國家標準或從網(wǎng)上產(chǎn)品樣本中選取絲杠型號，確定其參數(shù)。此例中直徑選d=20mm，額定動載荷是C=11075N，額定靜載荷是Co=22172N。要求在設計說明書中粘貼打印所查滾珠絲杠的外形參數(shù)圖和型號表格，用紅色邊框標出所選型號和參數(shù)，并手寫一遍。5.2步進電機的選型計算實例應對XY兩個方向的步進電機都進行設計計算和選型，并列出最后選出的兩個方向的步進電機型號和主要參數(shù)，包括性能參數(shù)和外形參數(shù)。X方向步進電機選型計算實例如下：加工零件和平臺最大重量W=2000N，導軌之間的摩擦系數(shù)μ=0.06，銑削時X軸向最大切削力Fx=2150N，Z向切削力Fz=4300N（垂直于導軌），要求工進時切削進給速度υ1=10～500mm/min，快速運動時速度υ2=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑dsp=32mm=3.2cm，導程hsp=6mm=0.6cm,絲杠總長l=1400mm=140cm，（實際計算時應和所選的滾珠絲杠的參數(shù)一致），定位精度δ（脈沖當量）±0.01mm。試選擇合適的步進電動機，校核其工作速度。（本例題中采用齒輪傳動，但是主題實踐的設計中無齒輪傳動）1.步距角θ的選擇定位精度（脈沖當量）δ=θ*hsp/（360*i）所以所選步進電機的步距角θ≦360i*δ/hsp,才能使傳動系統(tǒng)滿足精度要求其中θ為步進電機步距角，i為齒輪減速比，hsp為滾珠絲杠導程。步距角的選取與定位精度和滾珠絲杠的導程選取有關，精度越高，所選的步進電機步距角越??；滾珠絲杠的導程選取的越小，則所選的步進電機步距角可變大。本例中采用齒輪減速，設選用的齒輪減速比i=1.25，選小齒輪數(shù)z1=20,z2=25,模數(shù)m=2mm。為了達到精度要求，所選步進電機的步距角應小于θ=360*1.25*0.01/6=0.75°。如果不加齒輪減速，i=1，則θ=360*δ/hsp=0.6°。2.等效負載轉矩計算（1）空載時的摩擦轉矩Tf（2）切削加工時的負載轉矩TL式中的ηs=0.8，為絲杠預緊時的傳動效率。3.等效轉動慣量計算（1）滾珠絲杠的轉動慣量JsP式中的鋼密度ρ=7.85×10-3kg/cm3。（2）拖板（工作臺）運動慣量換算到滾珠絲杠軸上的轉動慣量JW（3）大齒輪的轉動慣量Jg2（不加齒輪傳動可不計算）式中的b2=1.0cm，為大齒輪寬度。（4）小齒輪的轉動慣量Jg1（不加齒輪傳動可不計算）式中的b1=1.2cm，為小齒輪寬度。因此，換算到電動機軸上總慣性負載JL為4.初選步進電機型號（要求自查別的型號電機，在設計說明書中粘貼打印所查步進電機外形參數(shù)圖和型號表格，用紅色邊框標出所選型號和參數(shù)，并手寫一遍）已知：TL=241.4N.cm,JL=8.93kg.cm2,初選步進電動機型號為110BF003，其最大靜轉矩Tmax=800（N.cm），轉子慣量Jm=4.7kg.cm2，由此可得圖5-4110BF003型步進電動機的運行矩頻特性速度的驗算110BF003型步進電動機的運行矩頻特性曲線見圖5-4。（1）快進速度的驗算從圖5-7的運行矩頻特性曲線查得，當fmax=6000Hz時，電動機轉矩Tm=90N·cm＞Tf=11.46N·cm，故可按此頻率計算最大的快進速度：=3600＞3000mm/min61.2561.25當TL=241.4N?cm時，對應的頻率f≈2000Hz，因此工進速度=1200mm/min＞500mm/min綜上所述，可選該型號的步進電動機，且有一定的裕量。5.3聯(lián)軸節(jié)的選型根據(jù)電機型號，查取電機軸直徑；根據(jù)絲杠直徑，得到與聯(lián)軸節(jié)相連處的滾珠絲杠的軸端直徑，查《機械設計手冊》或從網(wǎng)上選撓性聯(lián)軸節(jié)。將該型號聯(lián)軸節(jié)的圖片和主要參數(shù)列出，并校核其轉矩。5.4.軸承的選型計算查相關的書籍和手冊，例如《機械設計》、《機械設計基礎》和《機械設計手冊》等，根據(jù)絲杠直徑確定與前后支撐軸承內(nèi)孔相配合的軸頸直徑，并選取相應的角接觸球軸承、圓柱滾子軸（或深溝球軸承），精度為4-6級。并把軸承的圖片和主要參數(shù)列出，進行載荷和壽命校核，用手工繪制的示意圖標出主要尺寸，畫出軸承的安裝和鎖緊方式示意圖并用文字說明。5.5導軌的選型根據(jù)滾珠絲杠的長度和直徑，初步確定導軌的長度、寬度和高度。導軌長度應大于滾珠絲杠的長度，兩側留50-100mm的余量。通常為了保證導軌的受力良好、不會在運動中卡死，在上面的長軸X導軌的長度與其兩條導軌之間的寬度比為3-4，Y軸兩條導軌之間的寬度與X導軌的長度之比為0.4-0.6；導軌本身的寬度應為兩條導軌之間的寬度的1/5-1/8左右。導軌的高度應和絲杠和平臺高度相匹配，若高度較高時，應抬高導軌的底座高度。根據(jù)以上尺寸從網(wǎng)上查取所用滾動導軌的型號，確定其外形和安裝尺寸，將該型號導軌的圖片和主要參數(shù)列出,并用手工繪制導軌本體和安裝示意圖，并標出