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畢業(yè)設計(論文)
二維交流伺服數控控制工作臺機械系統(tǒng)設計
THE MECHANICAL SYSTEM DESIGN OF TWO-DIMENSIONAL EXCHANGE SERVO NUMERICAL CONTROL CONTROL WORK TABLE
學生姓名
學院名稱
機電工程學院
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
指導教師
徐州工程學院畢業(yè)設計
徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明: 所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外,本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標注。
本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
論文作者簽名: 日期: 年 月 日
徐州工程學院學位論文版權協(xié)議書
本人完全了解徐州工程學院關于收集、保存、使用學位論文的規(guī)定,即:本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有。徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件和電子文檔拷貝,允許論文被查閱和借閱。徐州工程學院可以公布學位論文的全部或部分內容,可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數據庫進行發(fā)布和檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。
論文作者簽名: 導師簽名:
日期: 年 月 日 日期: 年 月 日
徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明: 所呈交的學位論文,是本人在導師的指導下,獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用或參考的內容外,本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標注。
本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
論文作者簽名: 陳飛 日期: 2008 年 6月1日
徐州工程學院學位論文版權協(xié)議書
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論文作者簽名: 導師簽名:
日期: 年 月 日 日期: 年 月 日
摘要
隨著現代信息技術的發(fā)展,以提高產品加工的生產效率為主的高度自動化和以提高ch產品的質量為主的精密化成為現代機械加工技術發(fā)展的兩個主要方向。人們對航空機、數控機床、精密儀器和儀表以及各種精密機械設備提出了越來越高的精度要求,X-Y作臺是這些設備實現高精密加工的核心部件,對于提高產品的加工質量起著尤為重要作用。
本設計通過伺服系統(tǒng)控制伺服電機經過數控機床進給傳動系統(tǒng)包括絲杠螺母副及其支承部件等,即將伺服電機的旋轉運動傳遞為工作臺或刀架的進給運動的整個機械傳動鏈。對整個機械傳動鏈進行了系統(tǒng)的設計,涉及到伺服電機的選型,滾珠絲杠副的選型、強度校核及其生產設計中應注意的問題,連接伺服電機和滾珠絲杠副的聯(lián)軸器的選型與校核,支承件軸承的設計,導軌及機架的設計。通過對工作臺機械傳動鏈的系統(tǒng)設計以期滿足機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度。滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。進給傳動機構時必須滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。進給傳動機構時必須滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。進給傳動機構時必須滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。進給傳動機構時必須滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。如何保證工作臺在超高速和超低速工作狀態(tài)下具有極高的定位和跟蹤精度,是電傳動伺服系統(tǒng)的一項重要研究課題.
X-Y工作臺伺服系統(tǒng)的作用是將伺服驅動裝置的運動和動力傳給執(zhí)行件,實現進給切削運動。目前加工制造業(yè)普遍采用的數控機床進給傳動系統(tǒng)包括齒輪傳動副,絲杠螺母副及其支承部件等,即將伺服電機的旋轉運動傳遞為工作臺或刀架的進給運動的整個機械傳動鏈。通常設計進給傳動機構時必須滿足一定的要求,才能保證機床進給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動態(tài)性能,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。X-Y工作臺作為一種平面定位機械系統(tǒng),它的控制方法也已經趨于成熟.
關鍵詞X-Y工作臺;伺服系統(tǒng);數控機床
Abstract
With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the air machines, CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, XY for Taiwan is that these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play Is particularly important role.
The servo system designed to control the servo motor to the transmission system into the NC machine tools, including screw and nut bearing components such as vice, is about to servo motor for the transfer of rotating turret of the table or feed the entire campaign mechanical transmission chain. The entire mechanical transmission chain for the system design, servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis The Selection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine.
Keywords XY table; servo system; CNC machine tools
VI
目 錄
1 緒論 1
1.1數控工作臺概述 1
1.1.1概念 1
1.1.2數控工作臺分類 1
1.1.3數控工作臺組成 1
1.2課題的背景 2
1.3總體方案設計 2
2交流伺服電動機 4
2.1交流伺服電動機概述 4
2.2交流伺服電動機的選型 6
3絲杠的選型及計算 8
3.1絲杠的介紹 8
3.1.1絲杠螺母機構基本傳動形式 8
3.1.2滾珠絲杠副的組成及特點 8
3.1.3滾珠絲杠的結構形式 8
3.2絲杠的選型 10
3.3絲杠的校核 10
3.4絲杠設計中應注意的問題 12
4聯(lián)軸器的選擇 14
4.1聯(lián)軸器的初步計算 14
4.1.1選擇聯(lián)軸器 14
4.1.2聯(lián)軸器較核 15
5軸承的選用及潤滑 17
5.1滾動軸承結構設計 17
5.1.1精度 17
5.1.2配合 17
5.1.3 軸承材料選擇 18
5.2軸承的型號選擇: 18
5.2.1深溝球軸承的選擇與計算 18
5.2.2角接觸球軸承的選擇 19
5.3軸承的潤滑 20
6 導軌的選型及計算 21
6.1 初選導軌型號及估算導軌長度 21
6.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命 22
6.3導軌材料與熱處理 24
6.4導軌的技術要求 25
6.4.1表面粗糙度 25
6.4.2幾何精度 25
6.5導軌設計和使用注意事項 26
7機架的設計 27
7.1機架設計的技術要求 27
7.2機架設計的一般要求 28
7.3機架材料的選擇 28
8伺服驅動部分 30
8.1接口 30
8.1.1人機接口 30
8.1.2機電接口 30
8.2伺服系統(tǒng) 30
8.2.1伺服系統(tǒng)的特點 30
8.2.2伺服系統(tǒng)的組成 31
8.2.3變頻器 31
8.3控制系統(tǒng) 31
結論 33
致謝 34
參考文獻 35
II
徐州工程學院畢業(yè)設計
1 緒論
1.1數控工作臺概述
1.1.1概念
X – Y數控工作臺是指能分別沿著X 向和Y向移動的工作臺。數控機床的加工系統(tǒng)、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結構和功能各不相同,但基本原理相同。機電一體化系統(tǒng)是將機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結合而形成的一個有機整體。在中小形企業(yè)中,由于產品更新?lián)Q代頻繁,且大都是一些適應市場的單件,小批零件,若由數控機床來解決這些零件的加工精度和自動化問題,因成本高,而不現實。為此,數控工作臺,作為工裝與通用機床(立銑,立鏜,鉆等)陪用,以解決單件,小批。小尺寸復雜零件的孔,槽及凸輪等精度加工問題,具有一定的靈活性,通用性和經濟性。
1.1.2數控工作臺分類
X - Y工作臺的機電一體化系統(tǒng)可以設計為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。開環(huán)的伺服系統(tǒng)采用步進電機驅動,系統(tǒng)中不設置傳感與檢測設備,半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中一般采用交流或直流伺服電機驅動,并在電機輸出軸端設置傳感與檢測設備;閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中也是采用交流或直流伺服電機驅動,但檢測與傳感設備設置在工作臺末端。
1.1.3數控工作臺組成
數控交流伺服X-Y工作臺系統(tǒng)是由控制計算機部分、伺服驅動部分、機械傳動部分及檢測部分組成,采用閉環(huán)控制方式,其結構如圖1-1所示。
圖1-1 檢測系統(tǒng)
本系統(tǒng)控制計算機為PC486機型,主要處理以下事務:鍵盤分析,輸入數控指令,完成數據處理工作,將處理后的有效指令輸送到伺服驅動部分,接收并處理來自光電編碼器的反饋數據,進行控制算法的運算工作,動態(tài)顯示機械工作臺運動狀況。
伺服驅動部分主要由數字伺服控制板(一塊)、伺服驅動電路(兩套)及交流伺服電機(兩個)組成。與電機同軸裝有測速發(fā)電機和光電編碼器,傳動執(zhí)行機構(進給系統(tǒng))由聯(lián)軸器、滾珠絲杠螺母副和數控工作臺組成,由交流伺服電機驅動。
1.2課題的背景
X-Y工作臺的機械主體部份直線導軌和滾珠絲桿,聯(lián)軸器,工作臺面。電氣部份的關聯(lián)性及傳動裝置的保護性,X軸及Y軸兩端配有高質量的緩沖器,同時可選配在工作臺的兩端配有限位檢測開關,部份工作臺的配有原點檢測開,并可提供光電編碼裝置以適于閉環(huán)控制,原點開關的位置可以大距離的調節(jié)。工作臺可廣泛用于焊接,點膠,打孔,包裝,取料等各類精密位置控制設備的應用,開發(fā),以及高等院校相關專業(yè)的機電傳動控制、機械工程控制基礎以及數控技術等課程的教學實踐。
1.3總體方案設計
設計一臺微機控制XY兩坐標工作臺,采取PLC控制,控制方式采用交流伺服、運動控制器和PC機(閉環(huán)控制)。
X-Y工作臺的機械主體部分直線導軌和滾珠絲杠,聯(lián)軸器,工作臺面。電氣部分的關聯(lián)性及傳動裝置的保護性,X軸及Y軸兩端配有高質量的緩沖器,同時可選配在工作臺的兩端配有限位檢測開關,部分工作臺的配有原點檢測開光,并提供光電編碼裝置以適于閉環(huán)控制,原點開關的位置可以打距離的調節(jié)。工作臺可廣泛用于焊接,點膠,打孔,包裝,取料等各類精密位置控制設備的應用。
其他參數見表1-1
表1-1 設計參數
脈沖當量mm/step
定位精度
Mm
最大移動速度m/s
工作臺尺寸mm
進給抗力N
工作臺行程mm
臺面最大物重質量kg
X
Y
0.001
0.005
0.1
300*350
800
420
500
100
(一)機械系統(tǒng)設計
1)傳動機構采用滾珠絲杠副 ;
2)導向機構采用滾動直線導軌;
3)執(zhí)行機構采用交流伺服電動機。
(二)伺服驅動部分設計
1)接口設計
2)伺服系統(tǒng)設計
3)控制系統(tǒng)設計
2交流伺服電動機
2.1交流伺服電動機概述
交流伺服電動機廣泛用于機電一體化設備及自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件,用于將輸入的交流控制信號快速的轉換為轉軸的角位移或角速度輸出。對交流伺服電動機的一般性能要求是:
1)良好的可控性,單向供電時無自轉現象;
2)運行穩(wěn)定性好,在較寬的速度范圍內均勻穩(wěn)定運行;
3)響應速度快,控制信號發(fā)生時,電動機能快速跟隨變化。
交流伺服電動機的分類、特點及使用范圍見下表2-14.8-651
表2-14.8-651 交流伺服電動機的分類、特點及使用范圍
類型
代號
結構特點
性能特點
使用范圍
籠型交流伺服電動機
SL
轉子與定子結構與一般籠型異步電動機相似,但轉子一般為兩相,且細而長,籠可用鋁、紫銅、黃銅制成
勵磁電流較小,體積較小,機械強度較高,低速運轉時不夠平滑,有抖動現象
廣泛運用于小功率自動控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和計算裝置中
非磁性杯型交流伺服電動機
SK
ADP
用非磁性金屬鋁、黃銅等制成杯形轉子,杯的內外由內外定子構成磁路
轉動慣量小,運轉平滑、無抖動現象,勵磁電流和體積較大
用于要求運行平滑的系統(tǒng),如自動裝置和計算裝置等
FANUC交流伺服電動機
FANUC
轉矩大,轉速低,機械特性線性度好,低速性能良好,可直接與絲杠連接
用于數控機床驅動或其他驅動系統(tǒng)
低速交流伺服電動機
SD
SA
ND
轉子、定子結構與籠型交流伺服電動機相同,另外機殼中裝有齒輪減速裝置
體積小,重量輕,力能指標高,性能好,輸出轉速低,轉矩大
廣泛應用于自動裝置和計算技術裝置中作驅動、執(zhí)行或控制元件
兩相交流伺服電動機的主要特性見下表2-14.8-662
表14.8-662-2 兩相交流伺服電動機的主要特性
特性
含義
特性
含義
空載始動電壓Uso
在額定勵磁電壓下,使轉子在任意位置開始空載連續(xù)轉動的最小控制電壓。以額定控制電壓的百分比表示。Uso越小,系統(tǒng)的不靈敏區(qū)域越小
堵轉特性非線性度kd
在額定勵磁電壓下,實際堵轉特性的最大轉矩偏差(△Tdn)max與αr=1時的堵轉矩Tdo之比值的百分數
機械特性非線性度km
在額定勵磁電壓下,任意控制電壓是的實際機械與線性機械特性在T=Td/2時的轉速差與空載轉速n0之比的百分數。Km和本表以下兩欄中的kc、kd越小,伺服電動機的性能越接近線性,系統(tǒng)的動態(tài)誤差就越小.
機電時間常數τj
在空載和額定電壓下,加以階躍的額定控制電壓,電動機由靜止上升到空載轉速的63.2%時所需時間(以上略去了相對來說比較小的電磁時間常數)。τj越小,對信號響應越快
調節(jié)特性非線性度kv
在額定勵磁電壓下,當αe=0.7時,實際調節(jié)特性與線性調節(jié)特性的轉速偏差與空載轉速之比的百分數
表2-14.8-683 伺服電動機的額定值
額定值
符號
單位
說明
額定勵磁電壓
Uj
V
額定運行時勵磁繞組上所加的電壓
額定電壓
Uk
V
額定運行時控制繞組上所加的電壓
額定頻率
Hz
電動機所用電源的頻率
堵轉勵磁電流
Ij
A
定子繞組加上額定電壓,輸出轉速為零時的勵磁繞組電流
堵轉控制電流
Ik
A
定子繞組加上額定電壓,輸出轉速為零時的控制繞組電流。
空載轉速
n0
r/min
定子繞組加上額定電壓后,電動機不帶任何負載時的轉速
續(xù)表2-3
堵轉轉矩
Td
N.m
定子繞組加上額定電壓,輸出轉速為零時的輸出轉矩
額定輸出功率
P2
W
最大輸出功率
2.2交流伺服電動機的選型
影響交流伺服電動機使用性能的因素見表2-414.8-72
表2-14.8-724 影響交流伺服電動機使用性能的因素
影響使用性能的因素
對性能的影響
電源頻率和電壓波動
頻率升高時,定,轉子漏抗增加,勵磁電抗增加,堵轉下降,機械特性的線性度變壞,頻率增高過多時,還可能出現內阻尼顯著變小和產生單相供電自轉現象。電壓下降時,堵轉轉矩和輸出功率會顯著下降,加速時間增長
放大器內阻抗
伺服放大器的內阻抗大,將使兩相交流伺服電動機的機械特性線性度變壞甚至引起單相供電自轉,所以一般伺服放大器都采用副反饋方法來降低內阻抗
不同控制方式
控制方式
km
kv
輸出功率
效率
控制功率
e選擇
溫升
線路
幅值,相位,電容
一般,好
不好
不好,一般,好
中,小,大
高,低,中
小,大,小
受限,受限,靈活
低,高,中
一般,復雜,簡單
不同有效信號系數
制造廠提供的是兩相交流伺服電動機的兩相對稱狀態(tài)機械特性(有效信號系數αe=1)。但是,系統(tǒng)設計時往往需要不對稱狀態(tài)的機械特性。求不對稱的機械特性的方法是:按圖示方法求取/2時線性機械特性和對稱狀態(tài)機械特性的轉矩差值H;再求出A=4H/和B=Td-4H/;再將A,B和所需要的有效特性系數αe帶入下式即可求得不同轉速n下的轉矩T,得到T=f(n)機械特性
綜上所述,選擇FANUC系列交流伺服電動機,其特點是轉矩大、轉速低,機械特性線性度好、
低速性能良好,可直接與絲杠連接。選擇FANUC2-0,其技術數據見下表2-5
表2-5 FANUC的技術數據
型號)
輸出功率(KW)
額定轉矩(Nm)
最大轉矩(Nm)
最高轉速(r/min)
轉動慣量(kg/)
機械時間常數(ms)
熱時間常數(min)
質量(kg)
2-0
0.2
1.0
7.8
2000
6.0
9
15
3
3絲杠的選型及計算
3.1絲杠的介紹
3.1.1絲杠螺母機構基本傳動形式:
絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構。它主要用來將旋轉運動變?yōu)橹本€運動或將直線運動變?yōu)樾D運動,有以傳遞能量為主的(如螺旋壓力機),也有以傳遞運動為主的(如工作臺的進給絲杠)。
絲杠螺母機構有滑動摩擦和滾動摩擦之分?;瑒咏z杠螺母機構結構簡單,加工方便,制造成本低,具有自鎖功能。但其摩擦阻力大,傳動效率低(30%~40%)。滾動絲杠螺母機構雖然結構復雜制造成本高。但其最大優(yōu)點是摩擦阻力小,傳動效率高(92%~98%),因此選用滾動絲杠螺母機構。
根據工作臺運動情況,應選擇絲杠傳動螺母移動的形式,該傳動形式需要限制螺母的轉動,故需導向裝置。其特點是結構緊湊,絲杠剛性較好,適用于工作行程較大的場合。
3.1.2滾珠絲杠副的組成及特點:
滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構,其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動元件—滾珠。滾珠絲杠螺母機構由絲杠,螺母,滾珠,和反向器等四部分組成。當絲杠轉動時,帶動滾珠沿螺紋滾道滾動,為防止?jié)L珠從滾道端面掉出,在螺母的螺旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)返回通道,從而形成滾珠流動的閉合通路。
滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比,除上述優(yōu)點外,還具有軸向剛度高,運動平穩(wěn),傳動精度高,不易磨損,使用壽命長等優(yōu)點。但由于不能自鎖,具有傳動的可逆性,在用做升降傳動機構時,需要采取制動等措施。
3.1.3滾珠絲杠的結構形式
按照用途和制造工藝的不同,滾珠絲杠副的結構形式很多。一般,根據鋼球的循環(huán)形式,消除軸向間隙和調整預緊的方法以及螺紋滾道法向截面形狀的不同,將其區(qū)分成不同的結構形式進行研究。
1)鋼球循環(huán)方式
按鋼球返回時是否脫離絲杠表面可分為內循環(huán)和外循環(huán)兩大類,見表3-1[1]。若鋼球在循環(huán)過程中,始終與絲杠表面保持接觸,稱內循環(huán);否則,稱外循環(huán)。通常,把在同一螺母上所具有的循環(huán)回路的數目,稱為鋼球的列數,常用的有2~4列。而把每一循環(huán)回路中鋼球所經過的螺紋滾道圈數(導程數)稱為工作圈。
表3-1 鋼球的循環(huán)方式
類別
形式
特點
內循環(huán)
優(yōu)點:返回通道短,一個循環(huán)只有一圈鋼球,流暢性好,摩擦損失小,效率高,徑向尺寸小,剛性好
缺點:返向器鋼球返回通道的曲面加工復雜
外循環(huán)
端蓋式
優(yōu)點:結構緊湊,工藝性好
缺點:循環(huán)回路長,流暢性差,鋼球通過短槽時易卡住
螺旋槽式
優(yōu)點:結構簡單,制造方便,承載能力大
缺點:鋼球流暢性較差,擋珠器較易磨損
插管式
優(yōu)點:結構簡單,工藝性好,鋼球的流暢性好,應用較廣
缺點:凸出式的插管凸出于螺母外部,徑向尺寸較大
2)消除軸向間隙的調整預緊方式
滾珠絲杠副中的間隙對傳動精度影響較大。當精度要求不高時,可采用單螺母,并對絲杠和螺母進行選配,或進行預緊以減小配合間隙。當精度要求較高時,常采用雙螺母,通過調整兩個螺母間的軸向位置,以消除軸向間隙,并進行預緊,提高傳動的定位精度、重復定位精度及軸向剛度。預緊力一般約取最大軸向載荷的1/3。表3-2為幾種常用的消除間隙和調整預緊的方式。
表3-2 消除間隙和調整預緊的方式
類型
特點
墊片式
結構簡單,裝拆方便,剛度高,但不易實現精確調整,螺紋滾道有磨損時,不能隨時消除間隙和預緊。適用于重載傳動和一般精度要求的場合
圓螺母式
結構緊湊,工作可靠,調整方便。但容易松動,不夠準確。一般用于剛度要求不高及需要隨時調整預緊力的場合
齒差式
調整精度較高,要求較小時,所需齒數較多,結構尺寸較大,且齒圈的模數m較小,聯(lián)接剛度較差,適用于高精度傳動場合
3)螺紋滾道法向截型
螺紋滾道法向截型(或稱滾道型面),是指通過滾珠中心的螺旋線的法向平面與絲杠或螺母滾道型面的交線的形狀。
3.2絲杠的選型
初步選取絲杠數據見表3-3
表3-3 所選絲杠參數初取滾珠絲杠:
公稱直徑/mm
導程/mm
20
5
滾珠絲杠的工作長度計算:
L=
X方向絲杠的的工作長度計算:
Y方向絲杠的工作長度:
、
X方向絲杠的工作載荷:
Y方向絲杠的工作載荷:
由于兩方向絲杠的公況為,每天開機六小時,每年300個工作日。工作八年以上,依工作要求和工作條件,初選外循環(huán)插管式,預緊采用雙螺母型,圓螺母調隙,導珠管凸出式,3級精度,定位滾珠副,絲杠材料:鋼; 滾道硬度為58~62HRC,螺紋右旋,型號為CLT-2004-3.5-P3,。
絲杠的傳動精度為
=14400h
絲杠的轉速:
絲杠的工作載荷:
F=800N
3.3絲杠的校核
壽命計算:
5810.4<8850
滿足壽命要求。
式中 F――軸向載荷(N)軸向載荷,取FF=8800N;
――壽命系數壽命系數,
――工作壽命,取=15000
――載荷系數,取=1.2
――動載荷硬度影響系數,取=1.0
――短行程系數,取=1.0
――轉速系數,取=0.5107
靜載荷條件計算:
滿足條件
螺母長度72mm, , 余程為 10mm
X方向螺紋長度
取支撐跨矩
絲杠全長最大為780mm
Y方向螺紋長度:
L=500+350+20=870mm
取支撐跨矩:
絲杠全長最大為910mm
F—F 支撐方式的絲杠不受壓縮力作用,不校核壓桿穩(wěn)定性
絲杠彎曲振動臨界轉速:
查表 ,
=0.01714m
=600mm=0.6m
預拉深量:取溫升
螺紋深長量:
=6.6045um
絲杠的全長深長量:
取預拉伸量:
預拉伸力:
所選絲杠預拉伸力滿足要求。
3.4絲杠設計中應注意的問題
絲杠由于其精度要求高,制造比較復雜,所以在設計過程中應注意如下問題:
1)受力合理
為了保證定位精度,除考慮絲杠剛度外,還應在結構布置上盡可能使螺母和絲杠同樣受拉或受壓,以使兩者軸向變形方向一致,減少螺母與絲杠之間的導程變形量之差。此外,滾珠螺旋傳動應盡量避免承受徑向載荷,以免使絲杠彎曲,若絲杠上有齒輪等產生徑向載荷的元件,則應使其盡可能靠近絲杠,螺母所受的傾覆力矩,力求部件移動阻力的合力通過絲杠軸線。
2)防止逆轉
滾珠螺旋傳動反行程不能自鎖,為了使螺旋傳動受軸向力后 不發(fā)生逆轉,應設置防止逆轉的裝置:
①采用本身不能逆?zhèn)鲃拥碾娨好}沖馬達或步進電動機等驅動元件。
②采用可自鎖的蝸桿傳動等作中間傳動機構。
③采用電磁或液壓制動器,或選用本身帶制動器的電動機。
④采用能鎖住某一方向傳動的超越離合器。
3)安全裝置
垂直安裝的滾珠螺旋傳動,容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋滾道上脫出而造成事故,因此,在設計時應考慮設置防止螺母脫出的安全裝置,如限位擋塊或安全制動器等。
4)控制升溫
設計時應注意時滾珠絲杠傳動遠離熱源,并采用油浴,氣冷等方法減小溫升,以減少絲杠的熱變形;或在安裝時對絲杠進行預拉伸,以抵消運行時因發(fā)熱后引起的絲杠伸長。
5)密封與潤滑
為防止塵埃和污物進入螺紋滾道,妨礙鋼球運轉的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損,設計中必須考慮防護設施與密封。如在螺母兩端加密封圈或采用伸縮套,防塵罩等。此外,還應注意合理潤滑,以延長滾珠螺旋傳動的使用壽命,保持起優(yōu)良的傳動性能。一般可用抗高壓的高粘度潤滑劑進行脂潤滑或滴油,浸油,飛濺潤滑。要求高的某些數控機床或特高速運轉情況,可用噴霧潤滑。當在高溫或其它惡劣條件下時,可用固體潤滑劑潤滑。
4聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是聯(lián)結兩軸或軸和回轉件,在傳遞運動和動力過程中一同回轉而不脫開的一種裝置。此外,聯(lián)軸器還可能具有補償兩軸相對位移,緩沖和減振以及安全防護等功能。
4.1聯(lián)軸器的初步計算
4.1.1選擇聯(lián)軸器
在選擇標準聯(lián)軸器時應根據使用要求和工作條件,如承載能力,轉速,兩軸相對位移,緩沖吸振以及裝拆,維修更換易損元件等綜合分析來確定。具體選擇時可順序考慮以下幾點。
1)原動機和工作機的機械特性。原動機的類型不同,其載荷性質差異很大,有的平穩(wěn),有的沖擊甚至強烈沖擊或振動。這將直接影響聯(lián)軸器類型的選擇,是選型的首要依據之一。對于載荷平穩(wěn)的,則可選用剛性聯(lián)軸器,否則宜選用彈性聯(lián)軸器。
2)聯(lián)軸器連接的軸系及其運轉情況。對于聯(lián)接軸系的質量大,轉動慣量大,而又經常起動,變速或反轉的,則應考慮選用能承受較大瞬時過載,并能緩沖吸振的彈性聯(lián)軸器。
3)工作機的轉速高低,對于需告訴運轉的兩軸連接,應考慮選擇聯(lián)軸器的結構具有高平衡精度特性,以消除離心力而產生的振動和躁聲,增加相關元件的磨損和發(fā)熱而降低傳動質量和使用壽命。其中膜片聯(lián)軸器對高速運轉適應性較大。
4)聯(lián)軸器的對中和對中保持程度,保持良好的對中是使運轉正常的前提,防止產生過大附加載荷及其他不良工況。
5)聯(lián)軸器的結構及工作特性,聯(lián)軸器的外形尺寸,安裝,拆卸所需的空間大小和難易程度以及對維護的要求等都應與連接機組的具體配置位置和要求相適應。
6)聯(lián)軸器的可靠性,使用壽命和工作環(huán)境。
7)聯(lián)軸器的制造,安裝和維護的成本,在滿足使用要求的條件下,應使選擇的聯(lián)軸器成本低,不需維護以降低經常費用。
由絲杠的軸徑和Tc選取聯(lián)軸器:由下表4-1[1]聯(lián)軸器的性能比較后選用圓錐銷套筒聯(lián)軸器:
表4-1 聯(lián)軸器的性能比較
類別
聯(lián)軸器名稱
轉矩范圍N.mm
軸徑范圍mm
最高轉速r/min
特點及應用說明
固定式
套筒聯(lián)軸器(見圖)
圓錐銷
3~4000
平鍵
71~5000
半圓鍵
8~450
花鍵
150~12500
4~100
20~100
10~35
25~102
一般小于等200~250
結構簡單,制造容易,徑向尺寸小,成本低。但裝拆時需沿軸向移動較大的 距離。而且只能連接兩軸直徑相同的圓柱形,軸伸一般用于工作平穩(wěn)的功率傳動軸系。
剛性
凸緣聯(lián)軸器(GB/T5843—2003)
10~20000
10~180
13000~2300
結構簡單,制造容易,工作可靠,裝拆方便,剛性好,傳遞轉矩大,但不能吸收沖擊。當兩軸對中精度較低時,將引起較大的附加載荷,適用于工作平穩(wěn)的一般傳動,高速傳動時需要有高的對中和制造精度。
套筒
夾殼聯(lián)軸器
(HG5—213—1965)
85~9000
30~110
900~380
裝拆方便,不需沿軸向移動兩軸,但平衡困難,而且兩軸徑必須是相同的圓柱形。僅適用于低速傳動的水平或垂直軸系,以傳遞平穩(wěn)載荷為宜。
聯(lián)軸器
緊箍夾殼聯(lián)軸器
180~12500
30~110
900~380
其特點和使用性能與夾殼聯(lián)軸器相似,但外形簡單,平衡條件有所改善,夾緊力大,很適宜用于徑向夾緊力大的場合。
由絲杠的軸徑和Tc選取聯(lián)軸器:
表4-2初取d=12mm的圓錐銷套筒聯(lián)軸器 (mm)
d
公稱轉矩(N.m)
D
L
l
C
圓錐銷(2個)
12
7.5
22
40
8
0.5
5
4.1.2聯(lián)軸器較核
考慮動載荷及過載,取聯(lián)軸器工作情況系數K=1.5
計算轉矩Tc=KT
K—工作情況系數
P—輸出功率(kw)
T—理論轉矩N.m
Tc—計算轉矩N.m
n—工作轉速r/min
計算轉矩;
Tc=1.5=5.73N.m
所選聯(lián)軸器合適。
銷的抗剪強度計算:
〈
成立,銷材料為45號鋼
5軸承的選用及潤滑
選擇滾動軸承類型時應考慮多種因素的影響,如軸承所受負荷的大小,方向及性質:軸向固定形式,調心性能要求,剛度要求,轉速與工作環(huán)境,經濟性和其他要求。概括起來有以下選擇原則:
1)轉速較高,負荷不大,而旋轉精度要求較高時,宜用球軸承。如000,6000型;
2)轉速較低,負荷較大或有沖擊負荷時,宜用角接觸球軸承。如2000型,3000型;
3)當徑向負荷和軸向負荷都比較大時,宜用角接觸球軸承。如36000型,46000型,66000型。
5.1滾動軸承結構設計[2]:
5.1.1精度
各種機電一體化機械的滾動軸系的精度一般根據該機械的功能要求和檢驗標準有所規(guī)定,如精密級加工中心主軸軸系的端部徑向跳動和軸向竄動,據此來選擇主軸和軸承的精度。
滾動軸承的精度分B,C,D,E,G五級。B級最高,G級為普通級。選擇精度時主要根據載荷方向 。僅受徑向載荷的深溝球軸承,主要根據內外圈的徑向跳動然后考慮其他因素的影響。
5.1.2配合
滾動軸承內外圈往往是薄壁件,受相配的軸徑箱體孔的精度和配合性質影響很大。配合性質和配合面的精度合適,不致影響軸承精度;反之則旋轉精度下降,引起振動和噪聲配合性質和配合面的精度合適不致影響軸承精度;反之則旋轉精度下降,引起振動和噪聲。配合性質和配合面的精度還影響軸承的承載能力和預緊狀態(tài)。
滾動軸承外圈和箱體孔的配合采用基軸制。內圈孔與軸徑的配合采用基孔制,但作為基準的軸承孔的公差帶位于以公稱直徑為零線的下方。這樣在采用相同配合的情況下,軸承孔與軸徑的配合更緊些。
滾動軸承的配合的選擇參照GB-275-93,《滾動軸承與軸和外殼的配合》國家標準。對于G,E級精度軸承配合的鋼,鑄鐵制軸的軸徑規(guī)定17種公差帶;對鋼,鑄鐵制箱體孔規(guī)定16種公差帶。
軸承配合性質的選擇,要考慮下列工作條件:
1)負荷類型:承受始終在軸承套圈滾道的某一局部,作用的局部負荷的套圈,配合應相對松些。承受依次在軸承套圈的整個滾道上作用的循環(huán)負荷的套圈,配合應相對緊些。負荷越大,配合的過盈量應大寫些。承受沖擊振動負荷比承受平穩(wěn)負荷的配合應更緊些。
2)轉速
一般轉速越高,發(fā)熱越大,軸承與運動件的配合應緊些,與靜止件的配合可松些。
3)軸承的游隙和預緊
軸承具有基本游隙,配合的過盈量應適中。軸承預緊,配合的過盈量應減小。
軸承的軸向限位分無軸向負荷,單軸向負荷,雙軸向負荷。深溝球軸承只要把軸承內圈用軸用擋圈或軸肩螺母限位在軸上即可。雙向短圓柱滾子軸承的內外圈雙向定位,內圈小端單向定位。
5.1.3 軸承材料選擇
不銹鋼軸承用鋼9Cr18,9Cr18Mo 用于耐蝕,耐高、低溫及微型的和在水蒸氣、海水、蒸餾水及硝酸等腐蝕介質中使用的軸承,如潛水泵部件中軸承、石油、化工機械的軸承以及腐蝕性能有很大影響的測量儀器的微型軸承;用于特殊條件下的軸承,例如化工工業(yè)、食品工業(yè)、船舶工業(yè)等要求耐蝕環(huán)境下的工作軸承;主要由馬氏體型高碳鋼不銹鋼9Cr18,耐高溫下不銹鋼軸承Cr14M04,耐腐蝕性要求較高是采用奧氏體性不銹鋼1Cr18Ni9Ti這類鋼沒有軸承專用標準,選擇時要注意軸承的性能要求,可參考GB3086-82高碳鉻不銹軸承鋼耐腐蝕軸承。
無內圈和外圈時,軸和外殼的滾道表面應淬火處理(硬度HRC58-64,淬硬層深度0.6-1mm),表面粗糙度Ra0.32 m,(一般精度、高精度的Ra≤0.20mm),滾道公差參照GB5846-86,一般孔為G6,軸徑為h5(對d≤80mm)或g5(對d﹥80mm)。
5.2軸承的型號選擇:
5.2.1深溝球軸承的選擇與計算
初選:采用深溝球軸承(單列) 代號60000型,型號為6202,型號見表5-1[3]
表5-1 深溝球軸承的數據
d(mm)
D(mm)
B (mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(kN)
(Kn)
15
28
11
20
32
0.6
21.6
29.4
0.6
7.65
3.72
對所選軸承進行校核
當量動載荷:
式中 ——沖擊載荷系數,取=1.2
——徑向載荷
軸承的基本額定壽命
式中 ——壽命指數,球軸承;滾子軸承
軸承的預期使用壽命:
取=25000h[3]
計算額定動載荷
故選用6202深溝球軸承可以滿足壽命的要求 。
5.2.2角接觸球軸承的選擇
初選角接觸球軸承(單列) 代號7202AC型數據見表5-2[4]
表5-2 角接觸球軸承的數據
d(mm)
D(mm)
B(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(kN)
(kN)
15
32
9
17.4
29.6
0.3
20.4
26.6
0.3
6.25
3.42
這里的角接觸球成對安裝,其特點可以承受徑向為主的較大徑向、軸向聯(lián)合載荷。
對所選軸承進行校核
基本額定動載荷:
取滾動軸承當量動載荷X的值:X=1,Y=0.92
當量動載荷
軸承組壽命:
軸承的預期壽命取
計算額定動載荷
故所選軸承滿足壽命及強度要求。
5.3軸承的潤滑
為使軸承正常運轉,避免零件表面直接接觸,減少軸承內部的摩擦及磨損,提高軸承性能,延長軸承的使用壽命,必須對軸承進行潤滑。軸承使用中,選擇合適的潤滑方式十分重要,軸承的潤滑分為脂潤滑,油潤滑和固體潤滑。
脂潤滑的優(yōu)點是軸承座,密封結構及潤滑結構設施簡單,維護保養(yǎng)容易,潤滑不易泄露,有一定的防水、氣、灰塵和其它有害雜質浸入軸承的能力,本機構轉速不高,故選用潤滑脂, 型號為鈣基潤滑脂(GB491-1987)。
6 導軌的選型及計算
按結構特點和摩擦特性劃分的導軌類型見表6-1[5]9.3—1,各類導軌的主要特點及應用列于表中。
表6-19.3—1 導軌類型特點及應用
導軌類型
主要特點
應用
導軌類型
主要特點
應用
滑動導軌
1, 結構簡單,使用維修方便。2,未形成完全液體摩擦時低速易爬行 3,磨損大壽命低,運動精度不穩(wěn)定
普通機床,冶金設備上應用普遍
滾動導軌
1,運動靈敏度高,低速運動平穩(wěn)性好,定位精度高。2,精度保持性好,磨損少,壽命長。3,剛性和抗振性差,結構復雜成本高,要求良好的保護
廣泛用于各類精密機床,數控機床,紡織機械等
塑料導軌
1,動導軌表面貼塑料軟帶等與鑄鐵 或鋼導軌搭配,摩擦系數小,且動靜摩擦系數搭配,不易爬行,抗摩擦性能好。2,貼塑工藝簡單。3,剛度較低,耐熱性差容易蠕變
主要應用與中大型機床壓強不大的導軌應用日益廣泛
動壓導軌
1,速度高(90m/min~600m/min),形成液體摩擦2,阻尼大,抗陣性好 3,結構簡單,不需復雜供油系統(tǒng),使用維護方便4,油膜厚度隨載荷與速度而變化。影響加工精度,低速重載易出現導軌面接觸
主要用語速度高,精度要求一般的機床主運動導軌
鑲鋼,鑲金屬導軌
1,在支撐導軌上鑲裝有一定硬度的不鋼板或鋼帶,提高導軌耐磨性,改善摩擦或滿足焊接床身結構需要。2,在動導軌上鑲有青銅只類的金屬防止咬合磨損,提高耐磨性,運動平穩(wěn)精度高
鑲鋼導軌工藝復雜,成本高。常用于重型機床如立車,龍門銑床的導軌上
靜壓導軌
1,摩擦系數很小,驅動力小。2,低速運動平穩(wěn)性好 3,承載能力大,剛性,吸陣性好4,需要一套液壓裝置,結構復雜,調整困難
各種大型,重型機床,精密機床,數控機床的工作臺
6.1 初選導軌型號及估算導軌長度
X方向初選導軌型號為 [6]具體數據見《機械設計手冊》9-149 Y方向初選導軌型號為
導軌的運動條件為常溫,平穩(wěn),無沖擊和震動
為何選用滾動直線導軌副:
1)滾動直線導軌副動靜摩擦力之差很小,摩擦阻力小,隨動性極好。有利于提高數控系統(tǒng)的響應速度和靈敏度。驅動功率小,只相當普通機械的十分之一。
2)承載能力大,剛度高。
3)能實現高速直線運動,起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,制造和裝配工作,保證質量,縮短時間,降低成本。
導軌的長度:
由于導軌長度影響工作臺的工作精度和高度,一般可根據滑塊導向部分的長度來確定導軌長度。
其公式為:
L=H+S+△l-S1-S2
由此公式估算出Lx=940mm,Ly=1090mm
其中L—導軌長度
H—滑塊的導向面長度
S—滑塊行程
△l—封閉高度調節(jié)量
S1—滑塊到上死點時,滑塊露出導軌部分的長度
S2—滑塊到下死點時,滑塊露出導軌部分的長度
6.2 計算滾動導軌副的距離額定壽命
X方向的導軌計算
X方向初選導軌型號為,查表9.3-73[1]得,這種導軌的額定動,靜載荷分別為Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。
4個滑塊的載荷按表9.3-48序號1的載荷計算式計算。
其中工作臺的最大重量為:
G=100×9.8=980N
F1=F2=F3=F4=1/4(G1+F)=250N
1)滾動導軌的額定壽命計算公式[6]為:
L=(fh ft fc fa Ca/ fwPc)K=27166km
式中 L——額定壽命(km);
Ca——額定動載荷(KN);
P——當量動載荷(KN);
Fmax———-受力最大滑塊所受的載荷(KN);
Z——導軌上的滑塊數;
——指數,當導軌體為滾珠時,=3;當為滾柱時=10/3;
K——額定壽命單位(KM),滾珠時,K=50KM;滾柱時,K=100KM;
fh ——硬度系數;
fh ――(滾道實際硬度(HRC))。
由于產品技術要求規(guī)定,滾道硬度不得低于58HRC,故通常可取fh =1
ft ——溫度系數,查表6-2[7]9。3-45, 得=1
表6-2 溫度系數
工作溫度/
》100~150
》150~200
》200~250
1
0.90
0.73
0.60
fc——接觸系數,查表9。3-466-3;得=1
表6-3 接觸系數
每根導軌上的滑塊數
1
2
3
4
5
1.00
0.81
0.72
0.66
0.61
fa——精度系數,查表9。3-476-4;取=1.5
表6-4 精度系數
工作條件
無外部沖擊或振動的低速運動的場合,速度小于15m/min
1~1.5
無明顯沖擊或振動的場合,速度為15~60m/min
1.5~2
有外部沖擊或高速運動的場合,速度大于60m/min
2~3.5
fw——載荷系數,查表6-59。3-48;得=1
表6-5 載荷系數
精度等級
2
3
4
5
1.0
1.0
0.9
0.9
則L=27166Km
2)壽命時間的計算
當行程長度一定,以h為單位的額定壽命為:
式中 ——壽命時間(h)
L——額定壽命(km)
La——行程長度(m)
n2——每分鐘往返次數
則 L h =30592.3h
工況為:每天開機6個小時,每年300個工作日,則預計壽命年限為:
LhL h=30592.3/300×6=16.9年
同理求出Y方向滾動導軌副的距離額定壽命:
L=26340.1km
Lh=25230h=14年
6.3導軌材料與熱處理;
2.4導軌材料與熱處理
2.4.1導軌材料的要求和匹配
用于導軌的材料應具有良好的耐磨性、摩擦系數小和動靜摩擦系數差小。加工和使用時產生的內應力小,尺寸穩(wěn)定性好等性能。
表9.3-14 導軌材料匹配及其相對壽命
導軌材料與熱處理
相對壽命
導軌材料及熱處理
相對壽命
鑄鐵/鑄鐵
1
淬火鑄鐵/淬火鑄鐵
4~5
鑄鐵/淬火鑄鐵
2~3
鑄鐵/鍍鉻
3~4
鑄鐵/淬火鋼
>2
塑料/鑄鐵
8
注:導軌材料前邊為動導軌后邊為固定導軌
導軌副應盡量由不同材料組成,如果選用相同材料,也應采用不同的熱處理或不同的硬度。通常動導軌(短導軌)用較軟耐磨性低的材料,固定導軌(長導軌)用較硬和耐磨材料制造,材料匹配對耐磨性影響見表9.3-14
2.4.2導軌材料與熱處理
機床滑動導軌常用材料主要是灰鑄鐵和耐磨鑄鐵。
灰鑄鐵通常以HT200或HT300做固定導軌,以HT150或HT200做動導軌。
JB/T3997-1994標準對普通灰鑄鐵導軌的硬度要求如表9.3-15所示
表9.3-15 灰鑄鐵導軌硬度要求
硬度要求(HBS)
硬度不均勻性(HBS)
導軌長度/mm
導軌鑄件重量/t
不低于
不高于
導軌長度/mm
硬度差不超過
≤2500
-
190
255
≤2500
25
>2500
>3
180
241
>2500
35
>5
175
241
由幾何件連接的導軌
45
>10
165
241
常用耐磨鑄鐵與普通鑄鐵耐磨性比較見表9.3-16
表9.3-16 常用耐磨鑄鐵
耐磨鑄鐵名稱
耐磨性高于普通鑄鐵倍數
磷銅鈦耐磨鑄鐵
1.5~2
高磷耐磨鑄鐵
1
釩鈦耐磨鑄鐵
1~2
稀土鑄鐵
1
鉻鉬耐磨鑄鐵
1
導軌熱處理:一般重要的導軌,鑄件粗加工后進行一次時效處理,高精度導軌鑄件半精加工后還需進行第二次