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目錄
編號：
畢業(yè)設計說明書
題 目： 專用數(shù)控銑床自動進出料系統(tǒng)設計
學 院： 機電工程學院
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
學生姓名： 黃光領
學 號： 1000110119
指導教師單位： 桂林電子科技大學
姓 名： 黃 偉
職 稱： 講 師
題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 t工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā)
2014年5月26日
III
摘 要
本次畢業(yè)設計名為專用數(shù)控銑床自動進出料系統(tǒng)設計，從研究數(shù)控銑床加工中心工作臺入手，借鑒國內外先進經驗，設計了一個適合與加工中心工作臺匹配的自動進出料裝置，完成具有動作快速、定位準確以及可以長時間連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點的自動進出料裝置設計，滿足了生產和設計的需要，主要設計包括一套專用夾具、輸送機構等主要部件。
認真了考慮“實用、安全、經濟”等各項因素，進行必要的方案計較后，最終確定最佳方案為專用夾具選用了電動裝置作為夾緊裝置，設計了壓桿及內外壓板進行工件的夾緊、定位。輸送機構選用了機電裝置，采用了步進電機、滾動直線導軌、滾珠絲杠螺母副和聯(lián)軸器等進行工件的自動進出料。
設計主要進行了與加工中心工作臺匹配的輸送機構自動進出料裝置以及專用夾具的結構設計，并進行了分析。論述了采用步進電機、滾動直線導軌、滾珠絲杠螺母副以及電動夾緊裝置的優(yōu)點。詳細介紹了主要部件的結構設計過程及相關的計算校核。另外匯總了有關技術參數(shù)。
關鍵字：自動進出料；夾具；步進電機；滾珠絲杠副
Abstract
The graduation project dedicated CNC milling machine automatic feeding system design called out, starting from the research bench CNC milling machining centers, advanced experience at home and abroad, has designed a device suitable for automatic access to material processing center table with matching finish with action automatic feeding device designed out fast, accurate positioning and long-time continuous operation, etc., to meet the needs of production and design, the main components of the major design includes a dedicated fixture, transportation agencies.
Seriously considering "practical, safe and economical" and other factors, make the necessary care program after finalization.Choose the best solution for special fixtures electric device as a clamping device, designed inside and outside the bar and clamping plate workpiece positioning. Delivery mechanism chosen electromechanical device, using a stepper motor, linear guides, ball screw pair and couplings for automatic access to material of the workpiece.
The graduation project dedicated CNC milling machine automatic feeding system design called out, starting from the research bench CNC milling machining centers, advanced experience at home and abroad, has designed a device suitable for automatic access to material processing center table with matching finish with action automatic feeding device designed out fast, accurate positioning and long-time continuous operation, etc., to meet the needs of production and design, the main components of the major design includes a dedicated fixture, transportation agencies.
Keywords: automatic access to materials;fixture;stepper motor;ball screw
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 國外數(shù)控機床業(yè)自動進出料的發(fā)展狀況及趨勢 2
1.2 國內數(shù)控機床業(yè)自動進出料的發(fā)展狀況及存在問題 2
1.3 課題研究的目的及意義 3
1.4 課題主要任務 3
2 總體方案設計 3
2.1 方案擬定 3
2.1.1 輸送機構的設計方案 3
2.1.2 專用夾具的設計方案 5
3 專用數(shù)控銑床自動進出料裝置機械結構設計 7
3.1 滾珠絲杠副的設計 7
3.1.1滾珠絲杠副主要尺寸參數(shù) 7
3.1.2滾珠絲杠副的支承形式 8
3.1.3 滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊 8
3.1.4滾珠絲杠副的計算與選型 8
3.1.5滾珠絲杠副的安裝聯(lián)接尺寸 11
3.2 導軌的選型 12
3.2.1直線滾動導軌副的工作原理與裝配方式 13
3.2.2直線滾動導軌副的計算與選型 14
3.2.3直線滾動導軌副的安裝聯(lián)接尺寸 15
3.2.4導軌間隙的調整 15
3.2.5 導軌材料的熱處理 15
3.2.6 導軌的潤滑和防護 16
3.3 聯(lián)軸器的選型 16
3.4 電機的選型 18
4 專用夾具設計 20
4.1 定位方案 20
4.1.1定位方案的選擇 21
4.2 夾緊方案 21
4.3 夾具裝配圖 25
4.4夾具裝配圖上的尺寸、公差和技術要求 25
4.5 夾具經濟性分析 26
5 主機支架設計 27
6 自動進出料裝置控制系統(tǒng)簡介 29
7 總結 30
謝 辭 31
參考文獻 32
桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第13頁 共32頁
引言
隨著機械制造產業(yè)的發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在工業(yè)上的應用越來越廣泛，如工業(yè)自動化機床控制，計算機控制，機器人等。隨著我國數(shù)控銑床業(yè)的發(fā)展，工件的加工質量趨于準確，加工速度更加快，但對工件的自動進出料也提出了更高的要求。移動工件功能的自動化裝置能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。自動化裝置越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)里它可用于加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更加普遍。它適用于大批量生產，結構緊湊，而且適應性很強。目前我國的自動化裝置技術及其工程應用的水平和國外相比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，為提高我國的自動化技術水平，進行銑床的自動進出料裝置設計是十分必要的。
目前，在國內很多工廠的生產線上，數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大，生產效率低。為了提高生產加工的工作效率，降低成本，并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現(xiàn)代自動化大生產，針對具體生產工藝，利用現(xiàn)在自動化技術，設計一套與數(shù)控銑床加工中心相匹配的自動進出料裝置代替人工工作，以提高勞動生產率，改善現(xiàn)代工人勞動條件。
1 緒論
1.1 國外數(shù)控機床業(yè)自動進出料的發(fā)展狀況及趨勢
（1）國外數(shù)控機床自動進出料技術現(xiàn)狀
高速高精與多軸加工成為數(shù)控機床的主流，納米控制已經成為高速高精加工的潮流。多任務和多軸加工數(shù)控機床越來越多地應用到能源、航空航天等行業(yè)。
機床與機器人的集成應用日趨普及，且結構形式多樣化，應用范圍擴大化，運動速度高速化，多傳感器融合技術實用化，控制功能智能化，多機器人協(xié)同普及化。
智能化加工與監(jiān)測功能不斷擴充，車間的加工監(jiān)測與管理可實時獲取機床本身的狀態(tài)信息，分析相關數(shù)據(jù)，預測機床的狀態(tài)。
最新的機床誤差檢測與補償技術能夠在較短的時間內完成對機床的補償測量，與傳統(tǒng)的激光干涉儀相比，對機床誤差的補償精度能夠提高3～4倍。
最新的CAD/CAM技術為多軸多任務數(shù)控機床的加工提供了強有力的支持，可以大幅度提高加工效率。
刀具技術發(fā)展迅速，眾多刀具的設計涵蓋了整個加工過程，并且新型刀具能夠滿足平穩(wěn)加工以及抗振性能的要求。
（2）國外數(shù)控系統(tǒng)自動進出料的發(fā)展趨勢
①平臺數(shù)字化。②運行高速化。③加工高精化。④功能復合化。⑤控制智能化。⑥伺服驅動高性能控制。
1.2 國內數(shù)控機床業(yè)自動進出料的發(fā)展狀況及存在問題
數(shù)控機床是當代機械制造業(yè)的主流裝備，國產數(shù)控機床的發(fā)展經歷了30年跌宕起伏，已經由成長期進入了成熟期，可提供市場1,500種數(shù)控機床，覆蓋超重型機床、高精度機床、特種加工機床、鍛壓設備、前沿高技術機床等領域，產品種類可與日、德、意、美等國并駕齊驅。特別是在五軸聯(lián)動數(shù)控機床、數(shù)控超重型機床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床、數(shù)控齒輪加工機床領域部分技術已經達到世界先進水平。其中，五軸(坐標)聯(lián)動數(shù)控機床是數(shù)控機床技術的制高點標志之一。
由于中國技術水平和工業(yè)基礎還比較落后，數(shù)控機床自動進出料的性能、水平和可靠性與工業(yè)發(fā)達國家相比，差距還是很大，尤其是數(shù)控自動進出料系統(tǒng)的控制可靠性還較差，數(shù)控產業(yè)尚未真正形成。因此加速進行數(shù)控自動進出料系統(tǒng)的工程化、商品化，盡快建成與完善數(shù)控機床自動進出料和數(shù)控產業(yè)成為當前的主要任務。目前存在著：核心技術嚴重缺乏?、民族品牌與國際品牌差距明顯?、技術創(chuàng)新和成果轉化與市場脫節(jié)、缺乏先進的管理機制等問題。
1.3 課題研究的目的及意義
在機械加工的過程中，人工上下料不僅勞動強度大，而且效率低，工作環(huán)境也差。相對于人工上下料而言，自動上下料裝置具有動作快速、定位準確以及可以長時間連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點。設計自動進出料裝置能夠改善工人工作條件，提高產品生產效率，提高數(shù)控銑床的零件加工質量。
1.4 課題主要任務
本次畢業(yè)設計擬設計一個適合與加工中心工作臺匹配的自動進出料裝置，該裝置主要能夠實現(xiàn)以下功能：
（1）具有與主機聯(lián)控的獨立動力，能夠自動將指定工件輸送至加工正確位置；
（2）設計一套專用夾具實施定位、夾緊動作，以確保加工過程的位置穩(wěn)定；
（3）加工完畢后，工件能夠自動退出到指定位置。
2 總體方案設計
2.1 方案擬定
總體方案主要包括輸送機構設計和專用夾具設計兩個方案。根據(jù)設計要求，結合實際生產經驗，每個部分的設計至少初定兩個方案，并加以比較，從而選擇有利于設計的最優(yōu)方案。
2.1.1 輸送機構的設計方案
輸送機構主要是能實現(xiàn)待加工工件的自動進出料。進料系統(tǒng)與出料系統(tǒng)分開工作，進料完成后，工件在數(shù)控銑床加工中心進行加工，加工完畢，由出料系統(tǒng)完成工件輸送至指定位置的工作。對于輸送機構，初步設計兩種方案加以比較進行選擇，方案如下：
方案一是采用液壓系統(tǒng)進行自動進出料。液壓系統(tǒng)用油液作為工作介質，在一定功率條件下，可大大減小工件的尺寸。液壓系統(tǒng)的加速能力較好，易實現(xiàn)無極調速。初步采用液壓泵、液壓閥、推桿、軸等來輸送工件。但是液壓系統(tǒng)裝置容易漏油，因而會影響運動的平穩(wěn)性，并使效率降低；液體粘度受溫度影響，使供油量和執(zhí)行機構的運動速度不穩(wěn)定；需要一套專門的供油系統(tǒng)，成本高。
液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動進出料的示意圖如下圖2-1所示：
1-電動機；2-液壓泵；3-過濾器；4-塊式集成液壓閥組；5-冷卻器；6-液壓缸；7-排屑油過濾器；8-電機齒輪泵組；9-隨動油箱；10-推進裝置；11-推桿；12-油封頭進油軟管；13-油封頭；14-對開式軸承座；15-工件；16-三爪卡盤；17-液壓馬達座；18-液壓馬達；19-液壓馬達油管；20-床身
圖2-1液壓系統(tǒng)實現(xiàn)自動進出料結構示意圖
方案二是采用機電裝置實現(xiàn)自動進出料。機電裝置機械結構緊湊，靈活，準確，調整和維修方便。初步采用步進電機提供動力，設計一控制系統(tǒng)控制電機的正反運轉與停止，實現(xiàn)工件到達加工位置及出料指定位置。利用滾珠絲杠副使工件移動。示意圖如下圖2-2所示：
圖2-2機電裝置實現(xiàn)自動進出料結構示意圖
兩種方案的分析比較：
液壓系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)的動力部分比較合適，不宜在控制系統(tǒng)中采用，而機電裝置能很好地滿足本設計的要求，因此采用方案二。
機電裝置進料系統(tǒng)動力采用步進電機提供，利用滾珠絲杠副來移動工件。工件設計一托板加以支承，并在進料機構處增加導向板。托板固定在絲杠上，設計一導軌以完成移動部件的要求。
步進電機與絲杠之間采用聯(lián)軸器聯(lián)接，傳動效率較高。絲杠與聯(lián)軸器聯(lián)接時，支撐部件之間采用向心軸承支承以保證轉動平穩(wěn)可靠。出料系統(tǒng)裝置與進料系統(tǒng)裝置相同，但出料裝置不加導向板，并且只要控制電機的正反轉即可實現(xiàn)進出料。設計一控制系統(tǒng)實現(xiàn)電機的正反轉與停止。采用光電傳感器確保工件中心移動至加工中心位置。
2.1.2 專用夾具的設計方案
設計一套專用夾具用于工件的定位與夾緊。采用內外壓桿作為夾緊元件，臺面板與底板用于工件的定位。其中夾具的動力裝置初步設計兩種方案加以比較供選擇。方案如下：
一是采用液動夾緊，二是采用電動夾緊。
方案一液動夾緊采用的是油缸結構，用壓力油作為動力源，通過管道、液壓閥、液壓缸等元件夾緊工件。需要單獨為液壓裝置專門配備專門泵站，成本高，對密封性能要求高，需要一套壓力油供應系統(tǒng)，為單一夾具設計不經濟。如下圖2-3所示：
1-氣缸；2-油缸
圖2-3 液動夾緊裝置
方案二是采用電動夾緊，設計的是凸輪機構，用低速大扭矩步進電機提供動力。凸輪只要適當?shù)卦O計出其輪廓曲線，就可以使推桿得到預期的運動規(guī)律，而且響應快速，機構簡單緊湊。如下圖2-4所示：
1.推桿；2.滾子軸承；3.凸輪；4.鍵槽
圖2-4 電動夾緊凸輪機構
本設計使用夾具是從工件兩邊進行夾緊，需要動力夾緊裝置從兩邊同時夾緊，同步性要好，而液壓系統(tǒng)同步性差，而且成本高，不能滿足此要求。電動夾緊可滿足本設計的要求。故選擇電動夾緊凸輪機構。
3 專用數(shù)控銑床自動進出料裝置機械結構設計
專用數(shù)控銑床自動進出料裝置的機械結構設計主要包括以下部分：輸送機構動力的設計，如電機；輸送機構傳動部件的設計，如滾珠絲杠副；傳動部件的支承部件設計，如導軌；各部件之間的聯(lián)接設計，如聯(lián)軸器等。
3.1 滾珠絲杠副的設計
滾珠絲杠副是在絲杠和螺母的滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產生滾動摩擦。其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動。絲杠或螺母轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置，滾珠通過此裝置自動返回其入口，形成循環(huán)回路[6]。滾珠絲杠副外形如圖3-1、3-2所示：
圖3-1滾珠絲杠副外形 圖3-2滾珠絲杠副外形
滾珠絲杠副具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、使用壽命高等特性，廣泛運用于數(shù)控機床等。滾珠絲杠副由專門工廠制造，當型號計算選定后，可以外購或定制。
3.1.1滾珠絲杠副主要尺寸參數(shù)
滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)：
（1）公稱直徑
（2）節(jié)圓直徑 (通常與公稱直徑相等)
（3）導程
（4）公稱導程
（5）行程
（6）有效行程
此外還有絲杠螺紋外徑、絲杠螺紋底徑、螺母體外徑、螺母體螺紋底徑、螺母體螺紋內徑、滾珠直徑、絲杠螺紋全長等。
3.1.2滾珠絲杠副的支承形式
滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，其結構形式可分為四種類型，根據(jù)軸向剛度要求高、無壓桿穩(wěn)定性問題，本次設計選擇了雙推-雙推支承形式。
3.1.3 滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊
為了提高滾珠絲杠副的傳動精度和軸向剛度，安裝時需要消除絲杠與螺母之間的傳動間隙，并對絲杠-螺母進行預緊。單螺母的絲杠副在出廠前通常采用過盈滾珠預緊或變導程自預緊，絲杠與螺母之間幾乎沒有間隙，所以用戶使用時不必考慮。對于雙螺母絲杠副，常采用墊片調整預緊和螺紋調整預緊兩種方式[6] 。
本設計選擇了單螺母絲杠副，采用過盈滾珠預緊，在出廠前已經過預緊。
3.1.4滾珠絲杠副的計算與選型
(1)最大工作載荷的計算
表 3-1 實驗計算公式及參考系數(shù)
導軌類型
實驗公式
K
μ
矩形導軌
1.1
0.15
燕尾導軌
1.4
0.2
三角形導軌
1.15
0.15～0.18
式中
為進給方向載荷，橫向載荷，為垂直載荷，單位均為N；
為移動部件總重力，單位為N；
為顛覆力矩影響系數(shù)；
為導軌的摩擦系數(shù)。
(2)最大動載荷的計算
最大動載荷的計算公式如下：
(3-1)
式中
為滾珠絲杠的壽命，單位為.
（3-2）
其中
為使用壽命，數(shù)控機床的為,為絲杠每分鐘轉數(shù))；
為載荷系數(shù)，(平穩(wěn)或輕度沖擊為，中等沖擊，較大沖擊或振動為)；
為硬度系數(shù)，（等于50HRC時，取1.56）；
為滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
根據(jù)設計參數(shù)，工件質量,輸送機構直線移動速度取. 滾動副承受的負載為輸送機構部分重量以及其負載重量（工件重量），估算為，即 。
由轉數(shù)x導程=絲杠轉速，導程取,算得絲杠轉數(shù)n為，則算得=，
則=
(3)規(guī)格型號的初選
選擇滾珠絲杠副的規(guī)格時，應使其額定動載荷。當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應使其額定靜載荷，查表
初選型號參數(shù)如下表：
表3-2 GD系列滾珠絲杠副尺寸參數(shù) 單位（mm）
規(guī)格代 號
公稱直徑
導程
滾珠直徑
絲杠外徑
額定載荷/N
螺母安裝尺寸
d0
Ph
Dw
d1
Ca
Coa
D1
D
D4
L
B
h
Φ1
Φ2
4005-3
40
5
3.17
39.2
11952
37700
60
94
75
85
15
9
9
15
滾珠絲杠副的傳動效率可用下式計算：
（3-3）
式中
為絲杠的螺旋升角，由算得；
為摩擦角，取。則
（3-4）
(4)剛度的驗算
滾珠絲杠副的的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形等。
①絲杠的拉伸或壓縮變形量
在總變形量中占的比重比較大，可按下式計算：
（3-5）
式中
為絲杠的最大工作載荷，單位為；
為絲杠兩端支承間的距離，單位為；
為絲杠材料的彈性模量，鋼的；
為絲杠按底徑確定的截面積，單位為；
為轉矩，單位為；
為絲杠按底徑確定的截面慣性矩（）,單位為；
其中，“+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。由于轉矩一般較小，式中第2項在計算時可酌情忽略。經設計，取，
S= （3-6）
則.
②滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
可由產品型號中查出。查機械設計手冊得出，GD系列4005-3的，因進行了預緊，且預緊力達到軸向工作載荷的1/3時，值減少一半左右，所以
== （3-7）
③剛度驗算
絲杠的總變形量。一般總變形量不應大于機床規(guī)定的定位精度的一半。計算結果符合設計要求。
④穩(wěn)定性的驗算
滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，如果軸向負載過大，則可能產生失穩(wěn)現(xiàn)象。失穩(wěn)時的臨界載荷應滿足：
F= （3-8）
式中
為臨界載荷，單位為；
為絲杠支承系數(shù)，（雙推-自由取0.25，雙推-簡支取2，雙推-雙推取4，單推-單推取1）；
K為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4；
為滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為。
因為滾珠絲杠兩端采用向心軸承并施加了預緊，不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，因此不用進行穩(wěn)定性驗算及校核。
3.1.5滾珠絲杠副的安裝聯(lián)接尺寸
本設計采用GD系列滾珠絲杠副，其安裝尺寸如圖3-3所示：
圖3-3 GD系列4005-3滾珠絲杠副
3.2 導軌的選型
導軌裝置，在機械中是使用頻率最高的零部件之一。沒有不使用導軌的金屬切削機床；在測量機、繪圖機上，導軌是它們的工作基準；在其他機械中，例如軋機、壓力機、紡織機等也都離不開導軌的導向。由此可見，導軌的精度、承載能力和使用壽命等都將直接影響機械的工作質量[6]。
導軌的功用是承載和導向。它承受安裝在導軌上的運動部件及工件的質量和切削力。運動的導軌稱為動導軌，不動的導軌成為靜導軌或支撐導軌。動導軌相對于靜導軌可以作直線運動或者回轉運動。有用于保證主運動軌跡的，也有用于調整部件之間的相對位置的，后者在加工時沒有相對運動。實現(xiàn)直線運動的成為直線運動導軌；實現(xiàn)圓周運動的稱為圓周導軌。
導軌的設計要求如下：
（1）幾何精度就是通常所說的導向精度，即運動的直線度或回轉精度，影響導向精度的主要因素有導軌承導面的幾何精度、導軌的結構類型、導軌副的接觸精度、導軌副的油膜厚度以及導軌和支撐件的熱變形；
（2）運動精度包括兩方面的內容：一是運動的平穩(wěn)性（例如低速不爬行），二是定位精確（線定位和角定位）；
（3）精度保持性。導軌精度的保持性主要取決于導軌的耐磨性和導軌材料的尺寸穩(wěn)定性。耐磨性與導軌副的材料匹配情況、受力情況、加工精度、潤滑方式及防護裝置的性能等因素有關，導軌及其支撐件的剩余盈利等會影響導軌的精度保持。
（4）具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長。導軌受力后的變形將影響部件之間的相對位置和導軌精度，這對于高精度機械和儀表尤為重要；
（5）對溫度變化的適應性。環(huán)境溫度變化和機械局部熱源產生的不均勻性的溫度場，都會引起導軌變形，導軌應有良好的適應能力；
（6）結構簡單、工藝性好、便于調整和維修；
（7）具有良好的潤滑和防護裝置。
導軌的設計程序和內容：
（1）根據(jù)工作條件、載荷特點，確定導軌的類型、截面形狀和結構尺寸。
（2）進行導軌的力學計算，選擇導軌材料、表面經加工和熱處理方法以及摩擦面硬度匹配。
（3）設計導軌的配合間隙和預加載荷調整機構。
（4）設計導軌的潤滑系統(tǒng)及防護裝置。
（5）制定導軌的精度和技術條件。
有些導軌（如非水平放置的導軌）在移動之后，要求將它的位置固定，因而要用專用的鎖緊裝置。常用的鎖緊方式有機械鎖緊和液壓鎖緊。
本設計選用的是直線滾動導軌。
在相配的兩導軌面之間放置滾動體或滾動支承，是導軌面間的摩擦性質成為滾動摩擦，這種導軌就叫滾動導軌。滾動導軌的最大優(yōu)點就是摩擦因素小，動、靜摩擦因數(shù)差小，因此運動輕便靈活，運動所需功率小，摩擦發(fā)熱少，磨損少，精度保持性好，低速運動平穩(wěn)性好，移動精度和定位精度高。滾動導軌還具有潤滑簡單（有時可用油脂潤滑），高速運動時不會像滑動導軌那樣因為動壓效應而使導軌浮起等優(yōu)點。但滾動導軌結構復雜、制造比較困難，成本比較高、抗震性較差。對贓物比較敏感，因此必須有良好的保護。
滾動直線導軌副是由導軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板組成，當導軌與滑塊做相對運動時，鋼球沿著導軌上的經過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向器進入反向孔后在進入滾道，鋼球就這樣周而復始的進行運動，返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內部。鋼球承載的形式與角接觸球軸承相似，一個滑塊就像是4個直線運動的角接觸球軸承，導軌軸的安裝形式可以水平，也可以豎直或者傾斜?？梢詢蓷l或多條導軌軸平行安裝，也可以一條導軌安裝，也可以將導軌接長成為長導軌，一條導軌上可以安裝一個滑塊和兩個滑塊，以適應各種行程的需要。
桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第33頁 共32頁
滾動直線導軌的特點是：
（1）動、靜摩擦力之差很小，摩擦阻力小，隨動性極好。有利于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。驅動功率小，只相當于普通機械的十分之一。
（2）承載能力大，剛度高。導軌副滾道截面采用合理比值（溝槽曲率半徑，為鋼球直徑）的圓弧溝槽，因而承載能力及剛度比平面與鋼球接觸大大提高。
（3）能是實現(xiàn)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導軌提高10倍。
（4）采用滾動直線導軌副可簡化設計、制造、裝配工作、保證質量、縮短時間、降低成本。導軌副具有“誤差均化效應”從而降低基礎件的加工精度，精銑或精刨即可滿足要求。
3.2.1直線滾動導軌副的工作原理與裝配方式
由上述可知直線滾動導軌副具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、便于安裝和預緊、結構緊湊等優(yōu)點?？紤]到工件質量較大，所需運動需要平穩(wěn)可靠，導向精度要高，由上述導軌類型可知，矩形和燕尾形導軌組合有調整方便承受力巨大的特點，這兩種導軌的剛度高，承載能力強，加工、檢驗和維修方便。為提高低速性能，減少爬行，提高導軌壽命，初選直線滾動導軌副。
直線滾動導軌副由導軌和滑塊兩部分組成，滑塊中裝有兩組滾珠，當滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時，會經端面擋板和滑塊中的返回軌道返回，在導軌和滑塊之間的滾道內循環(huán)滾動。裝配時常將兩根導軌固定在支承件上，每根導軌上一般有兩個滑塊，滑塊固定在移動件上。
3.2.2直線滾動導軌副的計算與選型
初選直線滾動導軌副的型號為JSA-LG25，其尺寸參數(shù)如下：
表3-3 JSA-LG25直線滾動導軌副
型號
裝配后組合尺寸
導軌尺寸
滑塊尺寸
H
W
B
H1
I
F
Lomax
d*D*h1
B1
K
T
T1
JSA-LG25
36
23.5
23
22
20
60
3000
7*11*9
70
29
12
16
(1)導軌面的尺寸
其中 b為斜鑲條小端厚度，滑座及鑲條斜度K為1:50；1:100。導軌面尺寸包括寬度b和厚度H。
導軌的尺寸：
(燕尾導軌) 選取H=40，則H1=41mm, d=32mm；
斜鑲條小端厚度b=6mm；
導軌跨度A=160mm，B2≥65mm取80mm；
（矩形導軌) 當H=40m,則B=32mm，A=360mm；
壓板厚度h=25mm,B=140mm；
(2)額定壽命的計算
當滾動體為球時：
（3-9）
式中
為距離額定壽命，單位為；
為額定動載荷，單位為；
為滑塊上的工作載荷，單位為；
分別為硬度系數(shù)（取0.53）、溫度系數(shù)（1.00）、接觸系數(shù)（1.00）、精度系數(shù)（1.0）、載荷系數(shù)（1.5）；
計算得到額定壽命為，即大于球導軌的距離期望壽命（），初選的導軌型號符合設計要求。
3.2.3直線滾動導軌副的安裝聯(lián)接尺寸
JSA-LG25型直線滾動導軌副的尺寸參數(shù)如圖3-4所示：
圖3-4 JSA-LG25導軌副
3.2.4導軌間隙的調整
導軌間隙常用壓板、鑲條來調整，結構型式很多，設計時一般要求如下：
?。?）調整方便，保證剛度，接觸良好。
?。?）鑲條應放在受力小的一側，如要求調整后中心位置不變，可在導軌兩側各方一根鑲條。
?。?）導軌長度較長（）時，可以一端各裝一塊支承板和一塊導向調整板。
（4）選擇燕尾導軌的鑲條時，應考慮部件裝配的方式，要便于裝配。
矩形導軌壓板尺寸參考設計。壓板螺釘直徑，當壓板厚度時,，時，。 壓板長度，當壓板受力較大或導軌工作長度較短時，壓板長度等于導軌長度。當壓板受力不大時或導軌工作長度較長時，只需在運動部件的兩端或中間裝短壓板，其長度可取為導軌工作長度的1/3或1/4。裝壓板后，導軌可以承受傾覆力矩。
3.2.5 導軌材料的熱處理
在液壓滑臺中存在導軌，而在導軌副摩擦中，為了提高耐磨性動導軌和支撐導軌應有不同的硬度，因此盡量采用不同的材料，如果采用同樣材料，也要進行不同熱處理。
由于滑臺體屬于動導軌，因此可以根據(jù)表材料的特點及應用，選擇鑄鐵HT150而滑座與導軌是鑄為一體的，屬于支撐導軌，鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料，故鑄鐵材料符合要求。由于導軌的材料要耐磨性好、工藝性好、成本低。而HT200用于精度保持要求不高，載荷較小，需刮研加工的導軌。HT300用于較精密的機床導軌。耐磨鑄鐵用于精密機床[6]。
綜合上述材料特點，滑座材料應該選灰鑄鐵HT200。為提高導軌的硬度，對鑄鐵導軌常采用高頻淬火，超高頻淬火，中頻淬火及電接觸自冷淬火，提高表面硬度，表面淬火硬度一般為45~55HRC左右，增加抗硬粒的磨損能力和防止撕傷。
3.2.6 導軌的潤滑和防護
導軌的良好潤滑和可靠防護，可以降低摩擦力，減少磨損，降低溫度和防止銹蝕，延長壽命，因此，必須有專門的供油系統(tǒng)，采用自動和強制潤滑，并選擇合適粘度的潤滑油。
3.3 聯(lián)軸器的選型
聯(lián)軸器是一種常用的機械傳動裝置，主要用來聯(lián)接軸與軸，以傳遞運動和轉矩。此外，聯(lián)軸器還有補償兩軸相對位移、緩沖和減震，以及安全防護等功能。無鍵聯(lián)接撓性聯(lián)軸器是機床進給傳動中廣泛采用的一種無間隙傳動聯(lián)軸器。它不僅可以簡化聯(lián)接結構，降低噪聲，而且對消除傳動間隙，提高傳動剛度都有利，主要用于傳遞較大轉矩的場合。本設計采用無鍵鏈接撓性聯(lián)軸器[3]。
(1)聯(lián)軸器的類型
根據(jù)傳遞的轉矩的大小和轉速高低，以及對緩沖和振動的要求，參考各類聯(lián)軸器的特點，選擇適用的聯(lián)軸器類型。
(2)計算聯(lián)軸器的轉矩
傳動軸上的公稱轉矩可用下式進行計算：
（3-10）
則。
式中
為傳遞的功率，單位為；
為軸的轉速，單位為。
實際計算時，應將公稱轉矩乘以工作情況系數(shù)，得到計算轉矩
（3-11）
原動機是電動機的屬于Ⅱ類轉矩變化小的機械，=1.5。
(3)確定聯(lián)軸器的型號
根據(jù)計算轉矩及所選的聯(lián)軸器類型按照確定聯(lián)軸器的型號。為所選聯(lián)軸器的許用轉矩。
(4)核定最高轉速
聯(lián)軸器工作過程的最高轉速，不應超過其允許的最高轉速即：
(5)協(xié)調軸孔直徑
多數(shù)情況下，每一型號聯(lián)軸器適用軸的直徑均有一個范圍，被聯(lián)接兩軸的直徑應當在此范圍之內。
所選聯(lián)軸器型號為：
表3-4 GL3聯(lián)軸器
型號
公稱扭矩[T]N.m
許用轉速r/min
軸孔直徑mm
軸孔長度mm
GL3
100
4000
24
48
聯(lián)軸器示意圖如圖3-5所示：
1. 外齒套Ⅰ；2.彈簧墊圈；3.六角螺栓；4.端蓋；5.O形圈；6.凹內齒；7.油杯8.膠制螺栓；9.凸內齒；10標準彈墊；11螺母；12 O形圈；13端蓋；14 O形圈；15外齒套Ⅱ；
圖3-5 聯(lián)軸器
3.4 電機的選型
(1)電動機的選擇
合理選擇電動機類型，對工作機械有效的工作，以及機組運行的可靠性、安全、節(jié)能及降低設備造價都有重要意義。
選擇電動機時綜合考慮下列問題：
①根據(jù)機械負載性質和生產工藝對電動機起動、制動、反轉、調速等要求，選擇電動機類型。
②根據(jù)負載轉矩、轉速變化范圍和起動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制，并確定通風冷卻方式。容量選擇應適當留有余量。
③根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、腐蝕和易燃氣體等考慮必要的防護等級和結構與安裝方式。
④根據(jù)企業(yè)的電網電壓標準和對功率因數(shù)的要求，確定電動機的電壓等級與類型。
⑤根據(jù)生產機械的轉速要求與減速機械的復雜程度，選擇電動機的額定轉速。
⑥由于目前已有相當多的派生與專用產品系列，對各自相應的行業(yè)生產特殊要求能較好地適應與滿足，可優(yōu)先考慮選用系列產品。
⑦運行經濟性
從降低整個電動機驅動系統(tǒng)的能耗及電動機的綜合成本來考慮選擇電動機類型，針對使用情況選擇不同效率水平的電動機類型；對一些使用時間很短、年使用時數(shù)也不高的機械，電動機效率低些也不會使總能耗產生較大的變化，所以并不注重電動機的效率：但另一類年利用時間較長的機械，如空調設備、循環(huán)泵、冰箱壓縮機、裝箱機等，就需要選用效率高的電動機以降低總能耗。
另外，條件通用性、安裝與維修是否方便、產品價格、建設費用和運行維修費用等方面， 也應在綜合考慮之列。
絲杠所傳遞的功率計算：
水平使用，電機驅動，滾珠絲杠傳動，導軌承重和導向，理想安裝，絲杠所承受的最大軸向載荷為，則絲杠扭矩為：
（3-11）
設,得：
式中
為絲杠軸向最大載荷，單位為；
為絲杠導程，單位為；
為進給絲杠正效率；
所以絲杠傳遞的功率可根據(jù)下式計算：
（3-12）
即=0.877Kw=877w.
絲杠的傳動效率，滾動軸承的傳動效率，撓性聯(lián)軸器的傳動效率，傳動裝置的傳動效率為，所以電機需要傳遞功率為：。
根據(jù)以上參數(shù)，可選擇電機型號參數(shù)如下：
表3-5 110BYG5801電機參數(shù)
型號
步距角
相數(shù)
驅動電壓（V）
相電流（A）
保持轉矩
轉動慣量（Kg.cm2）
110BYG5801
0.45
5
80
3
10
11.3
4 專用夾具設計
在機床上對工件進行加工時，為了保證加工表面相對其它表面的尺寸和位置精度，首先需要使工件在機床上占有準確的位置，并在加工過程中能承受各種力的作用而始終保持這一準確位置不變。前者稱為工件的定位，后者稱為工件的夾緊，這一過程稱為工件的裝夾。所使用的工藝裝備稱為夾具。[5]本設計設計一套專用夾具用于工件的定位與夾緊。
工件分析：
工件材料為灰鑄鐵，質量20～30Kg,則根據(jù)
（5-1）
查表得灰鑄鐵的密度，算得工件體積為，估算工件的大致尺寸為長*寬*高。
4.1 定位方案
（1）六點定位原理
工件在沒有采取定位措施以前，與空間自由狀態(tài)的剛體相似，每個工件在夾具中的位置可以是任意的不確定的。對一批工件來說，它們的位置是不一致的。這種狀態(tài)在空間坐標系中可以用以下六個方面的獨立部分來加以表示[5]：
即沿（繞）X軸的不定度，沿（繞）Y軸的不定度，沿（繞）Z軸的不定度。
六個方面的不定度都存在，是工件在夾具中所占空間位置不確定的最高程度，即工件在空間最多只能有六個不定度。限制工件在某一方面的不定度，工件在夾具中某一方向的位置就得以確定。在夾具中，用分別適當?shù)呐c工件接觸的六個支撐點，來限制六個自由度的原理，稱為六點定位原理。
（2）應用定位原理的幾種情況
①完全定位
即工件在夾具中，六個不定度都被限制。
②部分定位
工件在夾具中，六個不定度沒有都被全部限制。
③欠定位
工件在夾具中定位時，若實際定位支承點或實際限制的不定度個數(shù)少于工序加工要求應予限制的不定度個數(shù)，則工件的定位不足。叫做欠定位。
（3）確定要限制的自由度
根據(jù)零件的結構特點及數(shù)控銑加工特點，加工時應限制零件的四個不定度，即采用部分定位。這樣才能使工件在機床上的位置確定，定位準確也就有了保證。
4.1.1定位方案的選擇
工件在夾具位置中的確定，主要是通過各種類型的定位元件實現(xiàn)的。定位元件類型主要是根據(jù)被加工工件的表面形狀，選擇其上的平面、圓柱面、圓錐面或幾者的組合面作為定位基準。
由定位基本原則知，應盡可能使定位基準與零件的設計基準重合，這樣才能保證做到定位誤差最小化的要求。根據(jù)零件的形狀，本設計選擇平面定位元件。當零件由進料板輸送至指定位置時，夾具固定在進料板與出料板的中間位置，工件處于兩塊板之間，出料完成時夾具即可夾緊工件進行加工。由于輸送機構尺寸確定，能較好地安裝夾具，處于加工中心的位置，定位比較準確可靠。內壓板屬于可調支承元件，除了輔助支承外，對工件主要起定位作用。
4.2 夾緊方案
在機械加工過程中，工件會受到切削力等力的作用。為了保證在這些外力的作用下，工件仍能在夾具中保持已由定位元件所確定的加工位置，而不致發(fā)生振動和位移。在夾具結構中必須設置一定的夾緊裝置將工件可靠地夾牢。工件定位后將工件固定并使其在加工過程中保持定位位置不變的裝置，稱為夾緊裝置。選擇工件的夾緊裝置，選擇工件的夾緊方案，必須與選擇定位方法同時結合起來考慮。
從夾緊的要求及夾具的工藝性考慮，采用壓桿和雙向內外壓板組成的定心、對中夾緊機構，將工件夾緊在內外壓板之間的夾緊方案。
（1）夾緊裝置的組成
①動力裝置
動力來源可以分為手動夾緊、機動夾緊。因為是自動進出料以及自動化加工，手動夾緊不符合設計要求，所以采用機動夾緊。機械夾緊裝置初定兩個方案：
一是采用液動夾緊；二是采用電動夾緊。液動夾緊采用的是油缸結構，需要單獨為液壓裝置專門配備專門泵站，成本高，最主要的是本設計使用夾具是從工件兩邊進行夾緊，需要動力夾緊裝置從兩邊同時夾緊，同步性要好，而液壓系統(tǒng)不能滿足此要求。
二是采用電動夾緊，設計的是凸輪機構，用低速大扭矩步進電機提供動力。凸輪只要適當?shù)卦O計出其輪廓曲線，就可以使推桿得到預期的運動規(guī)律，而且響應快速，機構簡單緊湊。
凸輪機構的設計：
選用盤形凸輪，推桿使用滾子推桿，滾子推桿由于滾子與凸輪輪廓之間為滾動摩擦，所以磨損較小，故可用來傳遞較大的動力。滾子采用特制結構的球軸承。
根據(jù)設計任務的工作要求選定合適的推桿的運動規(guī)律和有關基本尺寸，然后根據(jù)選定的推桿的運動規(guī)律設計出所需的凸輪的輪廓曲線。
推桿的運動規(guī)律為多項式運動規(guī)律，表達式如下：
（5-2）
式中
為凸輪轉角；S為推桿位移；為待定系數(shù)，可以邊界條件來確定。
本設計采用一次多項式運動規(guī)律，設凸輪以等角速度轉動，凸輪的運動角為，推桿完成行程h，如下式：
設取邊界條件為
在始點處，
在終點處，。
則推桿推程的運動方程為
回程時的運動方程為
式中為凸輪回程運動角。
則由上述，取推桿的運動規(guī)律為等速運動規(guī)律，推桿會使凸輪機構承受較大的剛性沖擊。因此所使用的推桿需能夠承受一定的彎曲，不能夠使用脆性材料，使用彈簧鋼板。材料為60si2mn。
根據(jù)設計工作要求，機器的工作過程只要求凸輪轉過某一角度時，推桿完成一行程h，因此推桿的運動規(guī)律無嚴格要求。推桿只需要推動夾具的外壓板使內壓板移動至工件進行夾緊即可。
凸輪機構基本尺寸的確定：
初步確定凸輪基圓半徑，推桿滾子半徑為，偏心距為，當凸輪轉過時，推桿完成行程32mm，此時凸輪停止不動，推桿停止不動。當凸輪繼續(xù)轉過時，推桿后退32mm，此時凸輪停止不動，推桿停止不動。所以初步設計凸輪最大半徑與最小半徑之差為32mm，即。
②傳力機構
它是介于動力源和夾緊元件之間傳遞力的機構。傳力機構的作用是：改變作用力的方向：改變作用力的大?。痪哂幸欢ǖ淖枣i功能，以便在夾緊力一旦消失后，仍能保證整個夾緊系統(tǒng)處于可靠的夾緊狀態(tài)。所設計的凸輪機構具有一定的自鎖功能，當凸輪推動推桿，推桿推動夾具外壓板夾緊工件，凸輪靜止不動時具有自鎖功能。
③夾緊元件
它是直接與工件接觸完成夾緊作用的最終執(zhí)行元件。設計的內壓板直接夾緊工件，并且外壓板與滑套之間設計有壓簧，保證夾緊運動往復運動的平穩(wěn)性。
(2）夾緊裝置設計原則
夾緊裝置的設計和選用是否正確，對于保證價格質量、提高生產率、減輕工人勞動強度有很大影響。為此，對夾緊裝置提出了如下基本要求：
①夾緊力應有助于定位，而不應破壞定位；
②夾緊力的大小應能保證加工過程中工件不發(fā)生移動和振動，并能在一定范圍內調節(jié)；
③工件在夾緊后的變形和受壓表面的損傷不應超出允許的范圍；
④應有足夠的夾緊行程，手動時要有一定的自鎖作用；
⑤結構緊湊、動作靈活，制造、操作、維護方便，省力、安全，并有足夠的強度和剛度。
為滿足上述要求，其核心問題是正確地確定夾緊力。
(3）夾緊力的確定
①夾緊力的方向
夾緊力的方向應垂直于主要定位基準面。為使夾緊力有助于定位，則工件應緊靠支承面，并保證各個定位基準與定位元件接觸可靠。夾緊力垂直作用于內壓板面上，有利于工件的加工質量。夾緊力的方向應有利于減小夾緊力。切削力與夾緊力方向相反，工件的重力由進出料板支承。
②夾緊力的作用點
夾緊力的作用點是指夾緊元件與工件相接觸的一小塊面積。即內壓板與工件接觸的一小部分面積。夾緊力的作用點應能保持工件定位穩(wěn)定，而不致引起工件發(fā)生位移和偏轉；夾緊力的作用點應使被夾緊工件的夾緊變形盡可能小。本設計所設計的夾具，采用增大工件受力面積的措施，來盡量減小工件的夾緊變形。夾緊力應盡可能靠近工件加工表面，以提高定位穩(wěn)定和夾緊可靠性。設計的夾具在靠近加工處增大了剛度，減少了振動。
③夾緊力的大小
夾緊力的大小必須適當。夾緊力過小，工件可能在加工過程中移動而破壞定位，不僅影響質量，還可能造成事故；夾緊力過大，不但會使工件和夾具產生變形，對加工質量不利，而且造成人力、物力的浪費。計算夾具力，將夾具與工件看作一個剛性系統(tǒng)以簡化計算。根據(jù)工件受切削力、夾緊力、重力等力后處于靜力平衡條件，計算出理論夾緊力，再乘以安全系數(shù)K，作為實際所需夾緊力，即
（5-3）
式中
為實際所需要的夾緊力（N）；
為按力平衡條件計算之夾緊力（N）；
為安全系數(shù)，根據(jù)生產經驗，一般取。
銑削時切削力的作用點、方向和大小都是變化的，應按最危險情況考慮。當開始銑削且切深最大時是最危險情況。引起工件翻轉的力矩是，而阻止工件翻轉的是支承面上的摩擦力矩，當時，根據(jù)力矩平衡得
= （5-4）
考慮到安全系數(shù)則所需壓板夾緊力為
式中為銑削合力。
當，，，，時，根據(jù)經驗可取為，則計算得到實際所需夾緊力為。
根據(jù)所設計的凸輪機構，結合所需實際夾緊力，計算所需扭矩，來選取合適的步進電機以給凸輪提供動力。由轉矩計算公式
（5-5）
有推桿轉矩為
凸輪所需轉矩為
且
所以計算得到，查表初選電機型號
參數(shù)如下：
表5-1 130BYG2502電機參數(shù)
型號
交流電壓
電流
額定轉矩
峰值轉矩
功率
轉速
效率
130BYG2502
220V
6A
106N.m
210N.m
2Kw
180rm
89.6%
4.3 夾具裝配圖
工件夾緊方案確定之后，進行了切削力，夾緊力等力的計算，從而確定了夾緊機構的結構形式及定位元件的結構尺寸和精度。根據(jù)定位元件及夾緊機構所需的空間范圍以及輸送機構工作臺的尺寸，確定了夾具體的結構尺寸，先繪制夾具總圖如5-1所示：
1. 臺面板；2.端板；3.滑套；4.壓簧；5.外壓板；6.內六角圓柱頭螺釘；7.平墊圈；8.壓桿；9.底板；10內壓板；11內六角圓柱頭螺釘。
圖4-1夾具裝配圖
4.4夾具裝配圖上的尺寸、公差和技術要求
如圖所示，夾具的有關尺寸，公差及技術要求如下：
（1）夾具總圖上的尺寸，公差
①夾具最大輪廓尺寸：；
②各定位元件的位置尺寸為；
③夾具體與定位元件的配合為及。
（2）夾具總圖應標注的技術條件
①臺面板平面度0.3，相對底板平行度0.6；
②所有緊固件連接牢固、可靠；
③壓桿軸向移動靈活，內外壓板復位可靠；
④未注倒角。
4.5 夾具經濟性分析
在夾具設計中，盡量采用標準件或推薦的元件，這樣在夾具需要更換元件時，可避免重復設計、重復制造帶來的麻煩和浪費，減少更換時間，且降低了夾具成本。應盡量采用方便、簡單的夾緊裝置，這樣不僅可以減少勞動強度，還可以降低成本。
夾具的裝配總圖應該遵循機械制圖國家標準繪制，圖形比例盡量采用1：1，使繪制的夾具總圖有良好的直觀性，如果工件過大，采用1：2比例。圖中應以