五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)【XY軸滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)方式-XY軸】
五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)【XY軸滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)方式-XY軸】,XY軸滾珠絲杠螺母副傳動(dòng)方式-XY軸,聯(lián)動(dòng),表面,感應(yīng),加熱,淬火,機(jī)床,設(shè)計(jì),xy,滾珠,螺母,傳動(dòng),方式
寧XX大學(xué)
課程設(shè)計(jì)(論文)
五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)論文
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摘要
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的應(yīng)用也顯得越來越頻繁，先進(jìn)切割技術(shù)的發(fā)展總是不斷地從新科技的成果中獲得新的起點(diǎn)。目前，五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)在電子科技、計(jì)算機(jī)技術(shù)及機(jī)器人的制造中都起著重要的作用。無論在什么情況下，五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)才能提高淬火的水平和質(zhì)量。我們只有將數(shù)控機(jī)技術(shù)淬火淬火技術(shù)有效的結(jié)合才能更好的推動(dòng)新科技的發(fā)展，因此數(shù)控淬火機(jī)床的設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一難題至關(guān)重要。
本課題針對(duì)龍門式火焰淬火的橫梁及火焰切割頭的機(jī)械部分X、Y方向的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。橫梁的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要對(duì)其結(jié)構(gòu)的確定，之后對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行了選擇及計(jì)算檢驗(yàn)，最后對(duì)主要傳動(dòng)的零部件進(jìn)行選擇校核。其中主要對(duì)滾動(dòng)絲杠的強(qiáng)度及傳動(dòng)效率等進(jìn)行了計(jì)算校核。并對(duì)橫梁設(shè)計(jì)中存在的結(jié)構(gòu)部件的聯(lián)接問題進(jìn)行了改進(jìn)?；鹧媲懈铑^是在傳動(dòng)裝置的基礎(chǔ)上運(yùn)用絲杠的轉(zhuǎn)速控制運(yùn)動(dòng),經(jīng)過驗(yàn)證取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。
關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)
Abstract
With the development of science and technology, application and design of heating quenching machine five axis surface induction is becoming more and more frequent, the development of advanced cutting technology is constantly from the new achievements of science and technology in the new starting point. At present, five axis surface induction hardening machine design technology has played an important role in the manufacture of electronic technology, computer technology and robot. In any case, five axis surface induction hardening machine design to improve the level and quality of welding. We will only quenching technology combined effectively in order to better promote the development of new technology for CNC machine welding technology, the NC quenching machine tool design is very important for solving this problem.
The structure and design of transmission of the Longmen type flame cutting beam and the flame cutting machine head of mechanical part X, Y direction is designed. Mechanism design of beam is mainly determined the structure of the transmission device, the selection and calculation of main drive test, finally the parts selection check. The major was calculated on the rolling of screw strength and transmission efficiency etc.. Was improved and the structure of existing beam in the design of the connection problem. Flame cutting head is the speed control based on motion by using screw transmission device, good results were achieved after verification, to achieve the desired objective.
Keywords: five axis linkage, mechanism design, the design of five axis surface induction hardening machine
目 錄
摘要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的研究目的及意義 1
1.1.1五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)背景 1
1.1.2五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 1
1.1.3意義 1
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1
1.3淬火機(jī)床國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀 2
1.4 淬火機(jī)床發(fā)展前景 5
1.5本課題研究的內(nèi)容及方法 6
1.5.2 課題研究?jī)?nèi)容 6
1.5.2設(shè)計(jì)要求 6
1.5.3關(guān)鍵的技術(shù)問題 6
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.1設(shè)計(jì)概念 7
2.2設(shè)計(jì)原理 7
2.3方案討論 7
第3章 X向機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 8
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇 9
3.1.1導(dǎo)程確定 9
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 9
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 9
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 9
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 10
3.1.6精度的選擇 11
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào) 11
3.2校核 11
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 12
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 13
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 13
3.3電機(jī)的選擇 14
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 14
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 15
3.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 16
第4章 Y向機(jī)械機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 19
4.1 龍門式橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
4.1.1 確定龍門式火焰切割機(jī)橫梁結(jié)構(gòu) 19
4.1.2 傳動(dòng)裝置類型的選用 19
4.1.3 傳動(dòng)方案的選取 20
4.2 機(jī)床零部件的設(shè)計(jì) 20
4.2.1 絲杠副的選取 21
3.2.2聯(lián)軸器的選取 25
4.2.4 軸承的選取 27
4.2.5滾動(dòng)絲杠的計(jì)算 27
4.2.6 步進(jìn)電機(jī)的選取 30
第5章 機(jī)架的設(shè)計(jì) 34
5.1 床身結(jié)構(gòu) 34
5.1.1 對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求 34
5.1.2 床身的結(jié)構(gòu) 35
總結(jié)與展望 39
致 謝 42
43
第1章 緒論
1.1五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的研究目的及意義
1.1.1五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)背景
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，用來提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作。當(dāng)然，也不排除PCB板的淬火加工過程。我們發(fā)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域并且被廣泛使用。根據(jù)資料顯示，我國(guó)每年鋼鐵的產(chǎn)量一般在3億噸左右，其中有一半以上的鋼有用到淬火技術(shù)加工。我國(guó)每年的淬火設(shè)備需求量金額超過50億元。既然淬火機(jī)能夠這么普遍地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，它肯定具備了很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1.1.2五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介
龍門式數(shù)控火焰/五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)采用驅(qū)動(dòng)，即切割頭，運(yùn)行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據(jù)用戶的要求配置多把割炬。
1.1.3意義
1.橫梁：采用方管對(duì)焊的結(jié)構(gòu)，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點(diǎn)。所有的淬火件均采用振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力處理，有效的防止了結(jié)構(gòu)變形；
2.縱、橫向驅(qū)動(dòng)：橫向?qū)к墑t采用了臺(tái)灣進(jìn)口的直線式導(dǎo)軌，縱向?qū)к壥怯删芗庸さ奶刭|(zhì)鋼軌制成的，保證了淬火的運(yùn)行平穩(wěn)，精度高，且經(jīng)久耐用，清潔美觀；
1.2研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
激光淬火的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國(guó)家指定的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國(guó)家安全、國(guó)防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對(duì)激光切割有很高的重視程度，這就將激光淬火的制造和升級(jí)帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對(duì)激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光淬火。
隨著現(xiàn)代化的機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，并對(duì)生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低、高智能化地自動(dòng)切割的功能要求也在不斷的提升。數(shù)控淬火必須要去適應(yīng)現(xiàn)代化機(jī)械加工發(fā)展的要求。
1.數(shù)控淬火的發(fā)展
從現(xiàn)在幾種通用的數(shù)控切割及應(yīng)用情況來看，五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床的功能及性能已經(jīng)比較完善了，但是對(duì)切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產(chǎn)效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場(chǎng)不可能有大的增加。
等離子淬火具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點(diǎn)，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術(shù)的提高、數(shù)控系統(tǒng)與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細(xì)等離子技術(shù)也能提高切割速度、切面質(zhì)量和切割精度；通過完善和提高數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子切割效率和切割質(zhì)量的提升。
激光淬火的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國(guó)家指定的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國(guó)家安全、國(guó)防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對(duì)激光切割有很高的重視程度，這就將激光淬火的制造和升級(jí)帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對(duì)激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光淬火。
2.專用數(shù)控淬火的發(fā)展
數(shù)控管材淬火適用于各種管材上的切割，如切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子的端部切割與之相交的相貫線。這種類型的設(shè)備已經(jīng)廣泛運(yùn)用在金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，電力設(shè)備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內(nèi)比較高端的產(chǎn)品之一，此類的設(shè)備切割功能可以滿足淬火工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)和使用數(shù)控等離子淬火。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外的船廠紛紛配備了具有回轉(zhuǎn)坡口功能的等離子淬火，為了滿足其高技術(shù)、高附加值船的建造要求。
1.3淬火機(jī)床國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀
目前來說淬火機(jī)床應(yīng)用在金屬及非金屬行業(yè)上，一般來說，非金屬行業(yè)分得比較細(xì)致，比如有切割石材的石材淬火機(jī)床、水淬火機(jī)床、鋸齒淬火機(jī)床，切割布料、塑料及化纖制品用的激光淬火機(jī)床、刀片式淬火機(jī)床，切割金屬材料的則有火焰淬火機(jī)床（火焰淬火機(jī)床又分?jǐn)?shù)控火焰淬火機(jī)床和手動(dòng)火焰淬火機(jī)床。而手動(dòng)的又有小跑車、半自動(dòng)、純手動(dòng)的；數(shù)控的有龍門式數(shù)控淬火機(jī)床、懸臂式數(shù)控淬火機(jī)床、臺(tái)式數(shù)控淬火機(jī)床、相貫線數(shù)控淬火機(jī)床等等）、等離子淬火機(jī)床。
經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，數(shù)控淬火機(jī)床在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，譬如切割能源已經(jīng)由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流等等)切割方式；數(shù)控淬火機(jī)床控制系統(tǒng)已由當(dāng)初的簡(jiǎn)單功能、復(fù)雜編程和輸入方式及自動(dòng)化程度不高已經(jīng)發(fā)展到具有功能完善的、智能化的、圖形化的、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也從的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、模擬伺服驅(qū)動(dòng)到今天的全數(shù)字式的伺服驅(qū)動(dòng)。
數(shù)控淬火機(jī)床是目前國(guó)際上非常流行的一種高新技術(shù)機(jī)床產(chǎn)品。該機(jī)床順應(yīng)了當(dāng)今世界機(jī)床工業(yè)“高速、復(fù)合、智慧、環(huán)?！钡陌l(fā)展潮流，適應(yīng)多品種小批量、變品種變批量的生產(chǎn)方式。這類機(jī)床可廣泛地應(yīng)用于對(duì)圓柱、圓錐、球軸承內(nèi)外套圈、滾道及端面各表面的多批量、多品種、多規(guī)格的精加工磨削；也適用于齒輪類、套筒類等零件的高精度磨削加工。?
中國(guó)數(shù)控立式復(fù)合磨床的發(fā)展速度確實(shí)相當(dāng)驚人，生產(chǎn)廠家增多，產(chǎn)品產(chǎn)量亦大幅擴(kuò)增。與國(guó)外同類機(jī)床相比，雖在某些細(xì)節(jié)方面仍存在差距，但總體上看，機(jī)床制造水平還是比較高的，完全可以替代進(jìn)口。這類機(jī)床的配置都較好，制造廠商大多選用進(jìn)口的高檔配置，以增強(qiáng)機(jī)床性能的可靠性。?
目前的數(shù)控淬火機(jī)床在突破大型工件的加工難題之后，主要問題便集中在以下幾方面：機(jī)床選用的配置、布局和模組化設(shè)計(jì)；如何進(jìn)一步提高機(jī)床的效率、降低制造成本，從而提高綜合市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等。?
對(duì)于數(shù)控淬火機(jī)床而言，令人擔(dān)心的不是制造能力方面的問題，而應(yīng)是市場(chǎng)容量層面的問題。可以預(yù)料，今后淬火機(jī)床的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)日趨激烈。競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)將集中于機(jī)床的加工精度、效率、適用范圍、操作便捷性、價(jià)格、交貨期、售后服務(wù)等方面。?
近年來可以看到，在國(guó)內(nèi)各個(gè)重要的機(jī)床展覽會(huì)上，都展出了大量的、較高水準(zhǔn)的數(shù)控淬火機(jī)床，顯示出國(guó)內(nèi)各專業(yè)制造廠對(duì)該類機(jī)床的重視。?
以今年于北京舉行的CIMT展覽會(huì)為例，杭州機(jī)床集團(tuán)公司等廠家便展出了5臺(tái)數(shù)控淬火機(jī)床，昭示著該類機(jī)床已然成為當(dāng)今機(jī)床市場(chǎng)的新熱點(diǎn)和銷售重點(diǎn)。同時(shí)值得注意的是，該類機(jī)床也是服務(wù)于風(fēng)電等大型基礎(chǔ)建設(shè)的重要裝備之一。?
數(shù)控淬火機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)?
為了取得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的先機(jī)，就有必要充分了解數(shù)控淬火機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)如何。本人總結(jié)出以下四點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)。?
1. 規(guī)格將向大小兩頭發(fā)展?
根據(jù)用戶需求，淬火機(jī)床的規(guī)格將向大小兩頭發(fā)展，工作臺(tái)直徑逐步發(fā)展達(dá)到2.5米、3米、4米甚至5米的機(jī)床。?
小規(guī)格機(jī)床的發(fā)展會(huì)受到市場(chǎng)因素的制約，因?yàn)橛脩魧?duì)小規(guī)格磨床的需求并不太緊迫，而用淬火機(jī)床替代臥式端面內(nèi)圓磨床也有一定難度。從國(guó)外淬火機(jī)床來看，除了日本太陽(yáng)工機(jī)有小規(guī)格機(jī)床外，其他廠家基本上都是大規(guī)格的。?
但是，從發(fā)展的觀點(diǎn)看，小型淬火機(jī)床一定會(huì)有潛在的市場(chǎng)需求，而一旦現(xiàn)有加工設(shè)備不能達(dá)到該要求，就會(huì)急需用新設(shè)備來予以替代。若能實(shí)現(xiàn)替代，這一市場(chǎng)潛力是不可估量的。特別是當(dāng)新設(shè)備能大幅度提高磨削效率的時(shí)候，即使價(jià)格比較昂貴，也會(huì)有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。?
2. 向磨削中心和加工中心方向發(fā)展?
可以預(yù)見，通過采用先進(jìn)的部件，機(jī)床將采用砂輪交換裝置、刀具交換裝置、機(jī)械手、自動(dòng)測(cè)量裝置，形成集成程度更高的復(fù)合機(jī)床。?
3. 將在風(fēng)電行業(yè)發(fā)揮重要作用
中國(guó)風(fēng)能資源豐富，近海和海上可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億KW，至2010年，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量有望達(dá)到500萬(wàn)千瓦。而風(fēng)機(jī)需使用大型軸承，如洛陽(yáng)軸承最大轉(zhuǎn)盤軸承5.5m左右。相信隨著風(fēng)力發(fā)電的主軸、風(fēng)機(jī)輪轂等需求量的不斷攀升，用于這些大型零件的磨削加工的磨床必將大顯身手。?
應(yīng)當(dāng)引起注意的幾個(gè)問題?
面對(duì)大好形勢(shì)的同時(shí)，也應(yīng)結(jié)合中國(guó)實(shí)情，及時(shí)注意以下幾方面問題。?
1. 生產(chǎn)商不可一哄而上?
無數(shù)次的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)已經(jīng)證明，生產(chǎn)廠商一哄而上，會(huì)造成劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和資源浪費(fèi)。?目前已經(jīng)能夠看到，淬火機(jī)床的制造廠出現(xiàn)了大幅增加，可是在市場(chǎng)容量尚不能準(zhǔn)確預(yù)計(jì)的當(dāng)前，無疑風(fēng)險(xiǎn)也較大。生產(chǎn)量與需求量相適應(yīng)這一客觀規(guī)律不容忽視，否則就會(huì)造成經(jīng)濟(jì)效益低下的惡果。?
2. 機(jī)床配置須符合用戶生產(chǎn)實(shí)際?
發(fā)展該類機(jī)床時(shí)，應(yīng)注意機(jī)床須與用戶實(shí)際生產(chǎn)需求相適應(yīng)，并不是機(jī)床的配置越好銷路就越好。結(jié)合中國(guó)當(dāng)前的國(guó)情來看，有些高技術(shù)含量的機(jī)床品種如高檔的復(fù)合磨床、磨加工中心尚缺乏強(qiáng)勁的銷售動(dòng)力。也就是說，先進(jìn)技術(shù)的前瞻性與現(xiàn)實(shí)往往存在一定距離，往往會(huì)由于價(jià)格等原因造成“叫好不叫座”的窘?jīng)r。?
3. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有待制定?
面臨該類產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，行業(yè)工作的加強(qiáng)也需正式提上議程，有必要以標(biāo)準(zhǔn)為紐帶，適時(shí)組織制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，全面規(guī)范立式數(shù)控磨床的制造。
4. 力促制造廠商交流?
在條件成熟時(shí)，可由機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)牽頭召開制造廠經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)控淬火機(jī)床的生產(chǎn)和相關(guān)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。?
1.4 淬火機(jī)床發(fā)展前景
隨著現(xiàn)代化的機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，并對(duì)生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低、高智能化地自動(dòng)切割的功能要求也在不斷的提升。數(shù)控淬火機(jī)床必須要去適應(yīng)現(xiàn)代化機(jī)械加工發(fā)展的要求。
1.數(shù)控淬火機(jī)床的發(fā)展
從現(xiàn)在幾種通用的數(shù)控切割及應(yīng)用情況來看，數(shù)控火焰淬火機(jī)床的功能及性能已經(jīng)比較完善了，但是對(duì)切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產(chǎn)效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場(chǎng)不可能有大的增加。
等離子淬火機(jī)床具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點(diǎn)，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術(shù)的提高、數(shù)控系統(tǒng)與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細(xì)等離子技術(shù)也能提高切割速度、切面質(zhì)量和切割精度；通過完善和提高數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子切割效率和切割質(zhì)量的提升。
激光淬火機(jī)床的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點(diǎn)。在國(guó)家指定的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃時(shí)，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國(guó)家安全、國(guó)防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對(duì)激光切割有很高的重視程度，這就將激光淬火機(jī)床的制造和升級(jí)帶來很大的商機(jī)。隨著用戶對(duì)激光切割技術(shù)特點(diǎn)的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光淬火機(jī)床。
2.專用數(shù)控淬火機(jī)床的發(fā)展
數(shù)控管材淬火機(jī)床這種類型的設(shè)備已經(jīng)廣泛運(yùn)用在金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，電力設(shè)備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內(nèi)比較高端的產(chǎn)品之一，此類的設(shè)備切割功能可以滿足焊接工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國(guó)內(nèi)率先引進(jìn)和使用數(shù)控等離子淬火機(jī)床。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外的船廠紛紛配備了具有回轉(zhuǎn)坡口功能的等離子淬火機(jī)床，為了滿足其高技術(shù)、高附加值船的建造要求。
1.5本課題研究的內(nèi)容及方法
1.5.2 課題研究?jī)?nèi)容
在查閱了國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮淬火五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及淬火五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的推廣應(yīng)用，分析確定使用三自由度關(guān)節(jié)型淬火五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化淬火的目的。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容如下:
1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求和五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)方案。
2 確定五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。
3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。
1.5.2設(shè)計(jì)要求
1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；
3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型；
4 完成五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。
1.5.3關(guān)鍵的技術(shù)問題
1 方案選擇
2整體的支撐架設(shè)計(jì)（龍門結(jié)構(gòu)及懸臂結(jié)構(gòu)的選擇）
3機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
4 強(qiáng)度校核
第2章 總體方案機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)概念
整體的支撐架采用龍門結(jié)構(gòu)——在工程中我們常用的整體支撐架結(jié)構(gòu)有龍門結(jié)構(gòu)和懸臂梁。所謂的懸臂梁就是梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的固定支座，另一端為自由端（可以產(chǎn)生平行于軸向和垂直于軸向的力）。而龍門結(jié)構(gòu)通俗地說就是一根橫梁連接兩個(gè)支腿與地面緊固組成的像一個(gè)門框一樣的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗请p支撐結(jié)構(gòu)區(qū)別于單支撐和懸臂結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單。
2.2設(shè)計(jì)原理
數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)表面感應(yīng)加熱淬火機(jī)床設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下幾個(gè)條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性， 為了使工件、焊槍與淬火點(diǎn)保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)要求的淬火點(diǎn)，去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到淬火槍在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對(duì)于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性 如果可以，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。
X軸采用絲杠加導(dǎo)軌形式：橫向電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—橫向滾珠絲杠（導(dǎo)軌）-橫滑板
Y軸和采用絲杠傳動(dòng)：縱向電動(dòng)機(jī)—聯(lián)軸器—縱向滾珠絲杠—大托板
2.3方案討論
懸臂梁在工程力學(xué)受力分析中，比較典型的簡(jiǎn)化模型。在實(shí)際工程分析中，大部分實(shí)際工程受力部件都可以簡(jiǎn)化為懸臂梁。龍門結(jié)構(gòu)制作方便，承受負(fù)載大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工程上廣泛應(yīng)用?？紤]到上述問題該課題的整體結(jié)構(gòu)采用龍門結(jié)構(gòu)。
第3章 X向機(jī)械結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
表 3-1滾珠絲桿副支承
支承方式
簡(jiǎn)圖
特點(diǎn)
一端固定一端自由
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度底，僅僅適用于短絲桿。
一端固定一端游動(dòng)
需保證螺母與兩端支承同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，絲桿的軸向剛度與兩端相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的較高，絲桿有膨脹余地，這種安裝方式一般用在絲桿較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合，在受力較大時(shí)還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承。
兩端固定
只有軸承無間隙，絲桿的軸向剛度為一端固定的四倍。一般情況下，絲桿不會(huì)受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)和工藝都比較困難，這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的場(chǎng)合。
3.1 X向滾珠絲桿副的選擇
滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。
已知X向最大行程為5000mm, 快速進(jìn)給速度為10m/min,
假設(shè)主軸箱大概質(zhì)量為50kg,工作臺(tái)大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg。
3.1.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動(dòng)比i=1, 選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=10mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重
主軸箱重量
工作臺(tái)重量
移動(dòng)部件重量
3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載
工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷
fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw =1.2）
ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1）
fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1）
fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1）
fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1）
Fm------等效負(fù)載
nz-------等效轉(zhuǎn)速
Th ----------工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h
由上式計(jì)算得Car=17300N
表3-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh
表3-1-2精度系數(shù)fa
表3-1-3可靠性系數(shù)fk
表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw
3.1.6精度的選擇
滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸Z軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號(hào)
計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN,
則Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN
公稱直徑Ph=10mm
則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD4010—3。
公稱直徑 d0=40mm 絲桿外徑d1=39.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=34.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/μm
3.2校核
滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。
3.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證
絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
LO-------最大受壓長(zhǎng)度（m）
K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3
Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N）
f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
式中do--------是絲桿公稱直徑（mm）
dw------------滾珠直徑（mm），
絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長(zhǎng)度+兩端余量
Lu=300+148+20X2=488mm
支撐距離LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度Lu，選取LO=620mm
代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N
可見Fca＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。
3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)
--------臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)取18.9
經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.2.3絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。
經(jīng)計(jì)算得：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。
3.3電機(jī)的選擇
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)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)速取決于輸入脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)具有慣量低、定位精度高、無累計(jì)誤差、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。選擇步進(jìn)電動(dòng)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，再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長(zhǎng)度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動(dòng)件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
查表得
因此
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算
a、折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時(shí)間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動(dòng)效率，η=0.90
I—傳動(dòng)比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
c、折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，選擇電機(jī)型號(hào)為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
3.4 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算
1.的設(shè)計(jì)要求：
(1)幾何精度就是通常所說的導(dǎo)向精度，即運(yùn)動(dòng)的直線度或回轉(zhuǎn)精度；
(2)運(yùn)動(dòng)精度包括兩方面內(nèi)容：一是運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，二是定位精確；
(3)具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長(zhǎng)；
(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，便于調(diào)整和維修；
(5)具有良好的潤(rùn)滑和防護(hù)裝置。
導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載，一般分有滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌兩種。
滾動(dòng)導(dǎo)軌在兩導(dǎo)軌面間裝有球，滾子或滾針等滾動(dòng)元件，具有滾動(dòng)摩擦性質(zhì)，廣泛地用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。
滾珠導(dǎo)軌的特點(diǎn)是摩擦阻力小，剛度低，承載能力差，不能承受大的顛覆力矩和水平力。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與滾動(dòng)軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支
承不發(fā)生點(diǎn)蝕為依據(jù)。這個(gè)載荷稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca,可從產(chǎn)品樣本中查到。見式（3.5）
滾動(dòng)體為球時(shí) 式（3.5）
L——滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命；
Ca——額定動(dòng)載荷，初選滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)后，可從樣本中查出；
F——每個(gè)滑塊上的工作載荷；
——硬度系數(shù)，
導(dǎo)軌面的硬度為5864HRC時(shí), =1.0；硬度為55HRC時(shí)=0.8；為50HRC時(shí)=0.53; fT為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100°C時(shí)，fT=1；fC為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)=0.81,裝三個(gè)時(shí)=0.72；fw為載荷速度系數(shù)，無沖擊振動(dòng)或v<15m/min時(shí)fw=1～1.5.
現(xiàn)初選導(dǎo)軌型號(hào)為：GDA20···S，額定動(dòng)載荷Ca為12.4KN
現(xiàn)在計(jì)算立柱
底座的導(dǎo)軌，底座下每根導(dǎo)軌條安裝三個(gè)滑塊，所以=0.72，現(xiàn)把數(shù)據(jù)代入上式，有
一般球?qū)к壍木嚯x期望壽命為50km，所以此滾動(dòng)導(dǎo)軌滿足要求。由于其它方向的導(dǎo)軌所受的載荷都很少，且其他參數(shù)同底座的都相同，所以為了使用方便，把其它導(dǎo)軌統(tǒng)一選擇該型號(hào)。
導(dǎo)軌參數(shù)（單位mm）：
滑座參數(shù)（單位mm）:
如圖3-1導(dǎo)軌圖所示：
圖3-3導(dǎo)軌
第4章 Y向機(jī)械機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)
4.1 龍門式橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1.1 確定龍門式火焰切割機(jī)橫梁結(jié)構(gòu)
采用箱式橫梁，這樣承載力好，整體回火可以消除焊接應(yīng)力，而且性能穩(wěn)定可靠。
4.1.2 傳動(dòng)裝置類型的選用
機(jī)械傳支裝置的選用是比較復(fù)雜的工作，它需要考慮從動(dòng)力機(jī)到工作機(jī)多方面的因素，經(jīng)細(xì)致分析對(duì)比后才能作出合理的選擇。通常，以下幾方面是選擇機(jī)械傳動(dòng)裝置類型的基本依據(jù)：
（1）工作機(jī)的工況的性能參數(shù)；
（2）動(dòng)力機(jī)的性能及與動(dòng)力機(jī)匹配對(duì)傳動(dòng)裝置機(jī)械特性上的要求；
（3）綜合分析不同類型傳動(dòng)裝置的初始費(fèi)用，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和維修費(fèi)用，使所選的傳動(dòng)裝置具有良好的經(jīng)濟(jì)性；
（4）能符合運(yùn)轉(zhuǎn)安全和環(huán)境保護(hù)方面的要求；
（5）使用的控制方便，可靠。
在現(xiàn)代的機(jī)器設(shè)計(jì)中，為了優(yōu)化機(jī)器的設(shè)計(jì)方案，傳動(dòng)方案的確定都是同動(dòng)力機(jī)的選擇，工作機(jī)構(gòu)的選定通盤考慮的。也就是考慮動(dòng)力機(jī)，傳動(dòng)裝置秘工作機(jī)的匹配問題。傳動(dòng)裝置的選用，通常并沒有一成不變的程序可行，而要根據(jù)不同機(jī)器的具體條件和復(fù)雜程度，經(jīng)多方案的分析比較才能選定。以下幾方面是在選定傳動(dòng)裝置類型時(shí)要具體分析考慮的：
(1)機(jī)械特性；(2)功率范圍；(3)速度； (4)傳動(dòng)比范圍；(5)傳動(dòng)效率；(6)壽命；(7)外廓尺寸；(8)重量；(9)變速要求；(10)價(jià)格
本次設(shè)計(jì)主要解決的問題是變速方式
無級(jí)變速：
無極變速能夠選用最合理的運(yùn)動(dòng)速度，可在運(yùn)轉(zhuǎn)中變帶，操縱控制方便，箭筒化機(jī)械結(jié)構(gòu)等，是目前發(fā)展的主要方向。無極變速在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛的運(yùn)用，主要利用直流和交流調(diào)速主軸電動(dòng)機(jī)。利用直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)床主軸無級(jí)變速發(fā)展比較早，應(yīng)用較廣。但直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)恒功率調(diào)速范圍很小，一般為1～2，很少為3～4，且有換向限制。現(xiàn)在國(guó)際上新生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床已有85﹪采用交流變頻主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；交流變頻調(diào)速電機(jī)恒功率調(diào)速范圍8 ～30，有的直接驅(qū)動(dòng)主軸。
內(nèi)裝主軸就是主軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子合為一體，其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，可提高起動(dòng)，停止的響應(yīng)特性，并有利于控制振動(dòng)和噪聲，其缺點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量容易使主軸產(chǎn)生熱變形。因此控制溫升和冷卻是使用內(nèi)裝主軸電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。內(nèi)裝主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)1500r/min。
設(shè)計(jì)無級(jí)變速系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)符合傳動(dòng)鏈的要求。若不滿足要求，還應(yīng)串聯(lián)有級(jí)變速箱，一般變速級(jí)數(shù)為2～4級(jí)。
4.1.3 傳動(dòng)方案的選取
由于工作臺(tái)只作直線運(yùn)動(dòng)，以下為直線傳動(dòng)的常用方案：
方案1. 電機(jī) 聯(lián)軸器 變速箱 齒輪 齒條
方案2. 伺服電機(jī) 一級(jí)齒輪 絲杠 絲杠螺母
方案3. 步進(jìn)電機(jī) 聯(lián)軸器 絲杠 絲杠螺母
由于要實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的無級(jí)調(diào)速，方案1只能實(shí)現(xiàn)有限級(jí)調(diào)速，所以不能使用，動(dòng)力機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，方案2，3都適用，另外工作臺(tái)要求的運(yùn)行精度在1—4mm，精度要求不高，如果傳動(dòng)系統(tǒng)用一級(jí)齒輪傳動(dòng)會(huì)加大傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)加大電機(jī)的負(fù)擔(dān)，如果電機(jī)與絲桿用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，所以選取方案3傳動(dòng)系統(tǒng)。
4.2 機(jī)床零部件的設(shè)計(jì)
（1）電機(jī)與滑動(dòng)絲杠的聯(lián)接是通過過盈套筒聯(lián)軸器、緊定螺釘M4X6、套筒聯(lián)軸器、平鍵6X6、軸套和推力球軸承。（圖3 -1）
其優(yōu)點(diǎn)在于：傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，減小電機(jī)的負(fù)載
圖3 -1電機(jī)與滑動(dòng)絲杠的聯(lián)接
（2）電機(jī)與滾動(dòng)絲杠的聯(lián)接是由變徑聯(lián)軸器、軸承端蓋、圓錐滾子軸承和軸承座。（見圖3 -2）
圖3 -2電機(jī)與滾動(dòng)絲杠的聯(lián)接
4.2.1 絲杠副的選取
一般絲杠副分為滑動(dòng)絲杠副和滾動(dòng)絲杠副。
滾動(dòng)絲杠副的特點(diǎn)：1.傳動(dòng)效率高；2.運(yùn)動(dòng)具有可逆性；3.系統(tǒng)剛度好；4.傳動(dòng)精度高；5.使用壽命長(zhǎng)；6.不能自鎖；7.制造工藝復(fù)雜。
滑動(dòng)絲杠特點(diǎn)：滑動(dòng)絲杠摩擦力較大，傳動(dòng)效率較低，一般為30%--40% ，磨損快，低速和微調(diào)傳容易出現(xiàn)爬行，容易自鎖，定位精度和軸向剛度較差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便定位精度和軸向剛度較差，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便。
由于工作臺(tái)要實(shí)現(xiàn)橫向及縱向運(yùn)動(dòng)，所以需要橫向和縱向絲杠傳動(dòng)。橫向絲杠沒有工作載荷，而且不需要考慮自鎖功能，伺服電機(jī)取用步進(jìn)電機(jī)就滿足自鎖要求，所以橫向絲杠副取用滾動(dòng)絲杠副?？v向絲杠要支承工作臺(tái)的重力，必須要有很好的自鎖功能，所以縱向絲桿取用滑動(dòng)絲杠副。
1.滑動(dòng)絲杠的計(jì)算與校核
立柱上支承工作臺(tái)的縱向滑動(dòng)絲桿計(jì)算：(參考自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第4版第3卷)
最大軸向力為1.5 Kg，最大行程為3000mm,采用單頭梯型開螺紋，螺旋應(yīng)有自鎖性。
(1) 選擇材料和許用應(yīng)力
螺桿材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，
～5=360/3～5=120～72
現(xiàn)取
螺母材料選用ZcuAl10Fe3, ～
～ 現(xiàn)取35
加工進(jìn)給速度 0.5 m/min
許強(qiáng)～ 10 取8
(2)按耐磨性計(jì)算螺紋中徑
滑動(dòng)絲杠螺母的主要失效形式是磨損，因此應(yīng)以耐磨性計(jì)算來決定絲杠中徑，或由類比，結(jié)構(gòu)決定中徑后，進(jìn)行耐磨性校核，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)且受壓的絲杠，還應(yīng)校核壓桿穩(wěn)定性，強(qiáng)度一般不用校核。見式（3.1）
整體式螺母取1.2～2.5,現(xiàn)取
——軸向載荷
——螺紋副許用壓強(qiáng)
由GB5796.3—1986 可選
的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標(biāo)記為— 。
螺母高度見式（3.2）
式（3.2）
取
則螺紋圈數(shù)圈
（1）自鎖性驗(yàn)算
由于系單頭螺紋，導(dǎo)程S=P=5mm,故螺紡升角為
摩擦因數(shù)f由于是鋼對(duì)青銅 f=0.08～0.1, 取f=0.09。梯形螺蚊的夾角
由于λ<ρ,故自鎖可靠。
（2）螺桿強(qiáng)度驗(yàn)算
螺紋摩擦力矩見式（3.3）
式（3.3）
(5)螺母螺紋強(qiáng)度驗(yàn)算
因螺母材料強(qiáng)度低于螺桿，故只驗(yàn)算螺母螺紋強(qiáng)度即可，
牙根寬度= 基本牙型高
=1.8<δp
(6)螺桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算
螺桿的總長(zhǎng)
按一端固定一端自由，得
臨界載荷
(7)效率計(jì)算
由于底部用滾動(dòng)推力球軸承，其效率為0.98
2.橫向進(jìn)給的滾動(dòng)絲桿的計(jì)算（參考于《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》）
(1)絲桿所受的最大軸向力計(jì)算
滑臺(tái)2的重量計(jì)算：
體積
重量
重力
因?yàn)榛_(tái)在進(jìn)給時(shí)沒有受工作載荷，只受重力的作用，即
(滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005)
絲桿所受的軸向力很少，為了計(jì)算方便和其它因素影響，
現(xiàn)取
最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選
L——工作壽命：
n——絲桿轉(zhuǎn)速
——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1～1.2, 取1.2
選取絲桿
圈數(shù)×列數(shù)
由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進(jìn)行剛性校核，只校核絲桿的穩(wěn)定性。
（2）滾動(dòng)絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
臨界載荷，如式（3.4）
Ia——絲桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩:
E——絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，;
——絲桿工作長(zhǎng)度；
μ——長(zhǎng)度系數(shù)，一端固定一端簡(jiǎn)支，
所以絲桿安全不會(huì)失穩(wěn)。
3.2.2聯(lián)軸器的選取
聯(lián)軌器一般分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。
剛性聯(lián)軸器的特點(diǎn)：制造容易，徑向尺寸小，裝拆時(shí)需移動(dòng)軸，用于要求兩軸對(duì)中性好，工作平穩(wěn)，無沖擊，經(jīng)常正反轉(zhuǎn)。
在剛性聯(lián)軸器中，又有聯(lián)軸套和變徑聯(lián)軸套等，變徑聯(lián)軸套適用于低速，輕載，小尺寸軸的聯(lián)接。
現(xiàn)在滑動(dòng)絲杠φ24與電機(jī)75BF003的連接采用平鍵聯(lián)軸套，其主要尺寸如下：
平鍵
由于電機(jī)的主軸只有8mm,所以在電機(jī)軸上再套一個(gè)過盈配合套筒聯(lián)軸器。對(duì)過盈配合聯(lián)接，應(yīng)根據(jù)聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和軸套不發(fā)生滑動(dòng)條件，確定配合面的壓強(qiáng)p，如式（3.6）
式（3.6）
μ——配合表面的摩擦系數(shù)（取μ=0.12）；
L——套筒與主動(dòng)軸伸接觸部分長(zhǎng)度（ =14）；
Tc——扭矩（Tc=0.835N·m）。
所以
產(chǎn)生壓強(qiáng)p所需的過盈量
E為套筒材料的彈性模量，
外套筒與內(nèi)套筒相對(duì)軸向推進(jìn)量e與過盈量δ關(guān)系為（見圖3-4）
圖4-4鍵聯(lián)軸套
4.2.4 軸承的選取
1.深溝球軸承（如圖3 -5）
（GB/T276—1994）
型號(hào)：6005
圖4-5溝球軸承
2.推力球軸承（如圖4 -6）
（GB/T301—1995）
軸承代號(hào)：51205
圖4-6推力軸承
4.2.5滾動(dòng)絲杠的計(jì)算
1.絲桿所受的最大軸向力計(jì)算
滑臺(tái)2的重力=75N
滑動(dòng)1的重力
（1）滑臺(tái)1上的導(dǎo)軌，絲杠，電機(jī)的重力
導(dǎo)軌座面積：
導(dǎo)軌面積：
合面積：
重力：
查得電機(jī) 55BF003的重量為0.83Kg,再加上聯(lián)軸器，軸承座約為3Kg.重力為30N。
滾動(dòng)絲桿φ20的重力
(2）.立柱上的導(dǎo)軌和絲杠重
滑動(dòng)絲杠φ20的重力
滑動(dòng)絲杠φ24的重力
(3)．立柱底滑座重力
滑座尺寸：
體積
重力
（4）.立柱重力
立柱高2800mm,結(jié)構(gòu)用冷彎方形空心型鋼的理論重量為86.8Kg/m
所以
立柱重力
（5）．總重力
在考慮到其他的重力 ≈
因?yàn)榛_(tái)在進(jìn)給時(shí)沒有受工作載荷，只受重力的作用，即
(滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系f=0.0025～0.005,取0.005)
絲桿所受的軸向力很少，為了計(jì)算方便和其它因素影響，
現(xiàn)取Fm=40N
最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選，式（3.7）
L——工作壽命；
n——絲桿轉(zhuǎn)速
fm——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)（無沖擊取1～1.2, 取1.2）。
選取絲桿
圈數(shù)×列數(shù), .
由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進(jìn)行剛性校核，只校核絲桿的穩(wěn)定性。
2.滾動(dòng)絲桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
滾道半徑
偏心距
絲桿內(nèi)徑
臨界載荷，式(3.8)
式(3.8)
——絲桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩
E——絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206G;
l——絲桿工作長(zhǎng)度；
μ——長(zhǎng)度系數(shù)(一端固定一端簡(jiǎn)支，μ=2/3 )。
所以絲桿安全不會(huì)失穩(wěn)。
4.2.6 步進(jìn)電機(jī)的選取
1.步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)
（1）一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積。
（2）步進(jìn)電機(jī)外表允許的溫度高。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會(huì)使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏80-90度完全正常。
（3）步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。
（4）步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牡退偕礁咚伲?
2.步進(jìn)電機(jī)的選型
(1)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
如式(3.9)
絲桿：
D——絲桿的公稱直徑 L——絲桿的長(zhǎng)度
工作臺(tái)：
P—絲桿導(dǎo)程G—工作臺(tái)的重量
總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
(2)最大靜轉(zhuǎn)矩計(jì)算
加速力矩，如式( 3 .10 )
Vmax——快進(jìn)的速度
θ——步距角
δ——脈沖當(dāng)量
所以
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