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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 31 頁(yè) 1 緒論 1.1課題的背景及目的 科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本提出了越來(lái)越高的要求。機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一。而數(shù)控機(jī)床則能適應(yīng)這種要求，滿足目前的生產(chǎn)需求[1]。 數(shù)控機(jī)床是一種高度自動(dòng)化的機(jī)床，隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，改型頻繁。機(jī)械加工中，多品種、小批量加工的比例約占80%。這樣，對(duì)機(jī)床不僅要求具有高精度和生產(chǎn)效率，而且還具備“柔性”，即靈活通用，能迅速適應(yīng)加工零件的變更。數(shù)控機(jī)床較好地解決了形狀復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問(wèn)題，具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種靈活而高效的自動(dòng)化機(jī)床[2]。 隨著電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和精密測(cè)試等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的地位將更加重要，而X-Y工作臺(tái)是這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精密加工的核心部件，對(duì)于提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著尤為重要的作用。 1.2國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r 數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)是20世紀(jì)機(jī)床工業(yè)的主要特點(diǎn)。隨著機(jī)床工業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)汽車(chē)工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動(dòng)化的坐標(biāo)鍵床、磨床、齒輪機(jī)床、組合機(jī)床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機(jī)床和功能復(fù)合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是20世紀(jì)機(jī)床工業(yè)最顯著的特征之一[3]。 20世紀(jì)中國(guó)機(jī)床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機(jī)床方面，中國(guó)1958年開(kāi)始起步，60年代有了正式的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品。70年代，開(kāi)始研制出加工中心。80年代研制出FMC，F(xiàn)MS，而且根據(jù)中國(guó)國(guó)情，還提出了數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床并存的獨(dú)立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80年代后，世界上掀起了研究實(shí)施CIMS的熱潮，應(yīng)該說(shuō)，F(xiàn)MC、FMS、CIMS的基礎(chǔ)之一，就是數(shù)控機(jī)床，而實(shí)施FMC、FMS、CIMS又進(jìn)一步帶動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。 1.3數(shù)控工作臺(tái)的分類及其特點(diǎn) 數(shù)控工作臺(tái)分為十字工作臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。 數(shù)控精密工作臺(tái)采用滾珠絲杠副及直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)。具有精度高、效率高、壽命長(zhǎng)、磨損小、節(jié)能低耗摩擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。 1.4數(shù)控工作臺(tái)的應(yīng)用 雙坐標(biāo)X-Y數(shù)控工作臺(tái)可廣泛應(yīng)用于測(cè)量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機(jī)械手、搬運(yùn)、機(jī)床改造、專機(jī)制造及實(shí)用教學(xué)等領(lǐng)域。可根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際需要選擇步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。 2 總體方案設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)是數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是數(shù)控工作臺(tái)具體內(nèi)容的總體描述，是數(shù)控工作臺(tái)重要零部件工藝設(shè)計(jì)的前提，是完成所有設(shè)計(jì)內(nèi)容的指導(dǎo)思想。因此，在對(duì)數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。數(shù)控工作臺(tái)的總體設(shè)計(jì)要遵循數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則及其相關(guān)要求。 (1)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則 數(shù)控工作臺(tái)是數(shù)控設(shè)備中的重要附件之一。它的主要功能是將兩個(gè)數(shù)控工作臺(tái)組裝在一起后，構(gòu)成X-Y數(shù)控工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)的定位和聯(lián)動(dòng)。數(shù)控工作臺(tái)兩側(cè)的結(jié)合面位置及工作臺(tái)行程均可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行特殊的定制。數(shù)控工作臺(tái)工作行程一般以被加工零件的切削長(zhǎng)度和刀盤(pán)的直徑大小來(lái)確定。行程S=L+D+備量，L為工件切削長(zhǎng)度，D為刀盤(pán)直徑。二維工作臺(tái)的組成原則是上層工作臺(tái)行程一定要≤下層工作臺(tái)行程。 (2)數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)的參數(shù)要求 負(fù)載重量G=200N； 工作臺(tái)尺寸為 320mm×320mm×20mm； 工作臺(tái)加工范圍 X=350mm，Y=350mm； 工作臺(tái)最大快移速度為1.5m/min； 重復(fù)定位精度為±0.01mm，定位精度為0.025mm。 2.1工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 1、∵工作臺(tái)尺寸為 320mm×320mm×20mm，根據(jù)重量=體積×材料比重(硬鋁) ∴W=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 2、∵X向托板 320mm×320mm×20mm， ∴WX=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 3、∵Y向托板 320mm×320mm×20mm， ∴WY=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 4、上導(dǎo)軌座(含電機(jī)) 重量 (800×320×20)×10-3×2.8×10-2+10×10=143.36N+100N=243.36N 5、夾具及工件重量(約) 220N 6、綜上所述，X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件的總重量(約) 57.344×3+243.36+220=635.392N 2.2滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選擇 根據(jù)給定的工作臺(tái)部件的總重量及負(fù)載和估算的WX和WY，計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)： fSL=C0/P (2.1) 由公式(2.1)可知：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷；fSL=1.0～3.0(一般運(yùn)行狀況),3.0～5.0(運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng))。 ∵系統(tǒng)受中等沖擊， ∴取fSL=3.0。 又根據(jù)，工作載荷，得： 0.5×() (2.2) ∴PX=0.5×(220+57.344×2)=167.344N； PY=0.5×(220+57.344×3+243.36)=317.696N； C0X=3.0×167.344=502.032N； C0Y=3.0×317.696=953.088N。 根據(jù)計(jì)算的額定靜載荷，同時(shí)確定其長(zhǎng)度為：350+320+30(余量)=700mm；再瀏覽“深圳市騰展精密機(jī)電有限公司”網(wǎng)站[4]，下載相應(yīng)產(chǎn)品的“資料”，即可選取符合上述計(jì)算結(jié)果的導(dǎo)軌。 ∴參照?qǐng)D2.1中的型號(hào)定義，綜合分析考慮，選取符合要求的導(dǎo)軌型號(hào)，即：MR 12 M L 2 V1 P -700 -15 -15 II。 圖2.1 導(dǎo)軌的型號(hào)定義 根據(jù)上述所選定的導(dǎo)軌型號(hào)，查閱對(duì)應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號(hào)對(duì)應(yīng)的具體尺寸數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2.1所示。 表2.1 導(dǎo)軌(MR 12ML)尺寸參數(shù) 組裝尺寸(mm) 軌道尺寸(mm) 額定負(fù)荷(N) 靜扭矩(N·M) H W2 W1 H1 P D×d×g1 C C0 Mr0 Mp0 My0 13 7.5 12 7.5 25 6×3.5×3.5 3240 5630 34.9 30.2 30.2 重量 滑座尺寸(mm) 滑座(g) 導(dǎo)軌(g/m) W L L1 h2 P1 P2 M×g2 Φ S T 51 602 27 47.6 34 10 20 20 M3×3.5 2 2.6 4.3 注：表中各項(xiàng)所指示的零件尺寸部位參見(jiàn)圖2.2中所示。 圖2.2 導(dǎo)軌示意圖 根據(jù)所得的導(dǎo)軌型號(hào)及其相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，計(jì)算導(dǎo)軌間需要滿足的間距數(shù)值： 當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到上導(dǎo)軌座(含電機(jī))的一端時(shí)，對(duì)下導(dǎo)軌產(chǎn)生的扭矩最大，故取此狀態(tài)下的情況為校核參考即可。 假設(shè)導(dǎo)軌間距為2·x，距工作臺(tái)幾何中心近的一條導(dǎo)軌為l1，所受力為F1；另一條導(dǎo)軌據(jù)工作臺(tái)幾何中心的距離為l2，所受力為F2；已知工作臺(tái)部分及其負(fù)載G=635.392N；受力分析如圖2.3所示： 圖2.3 導(dǎo)軌受力分析示意圖 ∴根據(jù)力學(xué)平衡分析，得：{ (2.3) { (2.4) ∴代入數(shù)值，解之得： { (2.5) 又考慮此情況下兩條導(dǎo)軌分別受力，即可以認(rèn)為兩條導(dǎo)軌均可以平衡來(lái)自工作臺(tái)部分及其負(fù)載所產(chǎn)生的扭矩，故查表2.1中單條導(dǎo)軌的靜扭矩My0=30.2N·m，可知設(shè)計(jì)所得工作臺(tái)部分及其負(fù)載給予導(dǎo)軌的扭矩不得大于選定導(dǎo)軌的額定靜扭矩，即T≤60.4N·m；再根據(jù)公式(2.4)和(2.5)，代入： (2.6) 中，進(jìn)行化簡(jiǎn)計(jì)算，得： x≥79.941mm ∴ 2·x≥159.881mm 即兩導(dǎo)軌間距不能小于159.881mm即可滿足要求。 因此，考慮到產(chǎn)品各部件的協(xié)調(diào)及美觀要求，確定兩導(dǎo)軌間距為165mm。 2.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)及計(jì)算 1、滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力，應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算。 已知：①上導(dǎo)軌 GX=57.344×2+220=334.688N；②下導(dǎo)軌GY=635.392N。 (1)最大動(dòng)負(fù)荷Q的計(jì)算 (2.7) 查表得，系數(shù)fW=1，fH=1，壽命值 L=60nT/106 (2.8) n=1000Vmax/t (2.9) 查表得，使用壽命時(shí)間T=15000h；初選絲杠螺距t=5mm，由公式(2.9)得絲杠轉(zhuǎn)速n=1000×1.5/5=300r/min； ∴由公式(2.8)可知，L=60×300×15000/106=270。 又X向絲杠牽引力（為當(dāng)量摩擦系數(shù)） =1.414×0.01×334.688=4.732N Y向絲杠牽引力 =1.414×0.01×635.392=8.984N ∴由公式(2.7)可知，最大動(dòng)載荷為： X向 ×1×1×4.732=30.584N Y向 ×1×1×8.984=58.066N 查閱相關(guān)的官方技術(shù)資料表，取滾珠絲杠的公稱直徑d0=8mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號(hào)為8×2，其額定動(dòng)載荷為225Kgf（1Kgf=9.8N），足夠用。 同時(shí)，滾珠絲杠的長(zhǎng)為350+165+115(余量)+60(支撐座寬)=690mm。 根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號(hào)，查閱對(duì)應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號(hào)對(duì)應(yīng)的具體尺寸數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2.2所示。 表2.2 滾珠絲杠(8×2)尺寸參數(shù) d I D A B n —— 8 2 16 29 4 3 —— X H Da L W Co(Kgf) Coa(Kgf) 3.4 20 1.2 16 23 135 225 注：表中各項(xiàng)所指示的零件尺寸部位參見(jiàn)圖2.4中所示。 圖2.4 滾珠絲杠局部示意圖 2、滾珠絲杠支撐座 根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號(hào)，查閱對(duì)應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并選取該型號(hào)對(duì)應(yīng)的支撐座凸形固定側(cè)類型為EK08、凸形支撐側(cè)類型為EF08；其具體尺寸數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2.3和表2.4所示。 表2.3 凸形固定側(cè)(EK08)尺寸參數(shù) 規(guī)格(mm) 軸徑d1 L L1 L2 L3 b/±0.02 B H P 8 23 7 26 4 26 52 32 38 X Y Z M T h/±0.02 B1 H1 使用軸承 6.6 11 12 M3 14 17 25 26 719/8C 注1：固定側(cè)軸承為2個(gè)角接觸軸承背對(duì)背安裝。 注2：表中各項(xiàng)所指示的零件尺寸部位參見(jiàn)圖2.5中所示。 ①軸承座本體；②軸承；③壓板；④套筒；⑤軸封；⑥鎖固螺帽；⑦內(nèi)六角止付螺絲附銅片 圖2.5 凸形固定側(cè)示意圖 表2.4 凸形支撐側(cè)(EF08)尺寸參數(shù) 規(guī)格(mm) 軸徑d1 L 使用軸承 B H X Y 6 14 606ZZ 52 32 6.6 11 P Z 使用C型扣環(huán) B1 H1 b/±0.02 h/±0.02 38 12 S6 25 26 26 17 注：表中各項(xiàng)所指示的零件尺寸部位參見(jiàn)圖2.6中所示。 ①軸承座本體；②軸承；③C型扣環(huán) 圖2.6 凸形支撐側(cè)示意圖 3、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算 (1)基本參數(shù) 公稱直徑 d0 8mm 螺距 t 2mm 接觸角 β 45° (2)螺紋滾道 鋼球直徑Da 1.2mm 螺紋滾道法面半徑R R=0.52·Da=0.52×1.2=0.624mm 偏心距e e=(R-Da/2)?sinβ=(0.624-1.2/2)×sin45°=0.017 螺紋升角γ γ=arc tan=arc tan=4.550° (3)螺桿參數(shù) 螺桿外徑 d d=d0-(0.2～0.25)?Da=8-0.2×1.2=7.76mm 螺桿內(nèi)徑 d1 d1=d0+2e-2R=8+2×0.017-2×0.624=6.786mm 螺桿接觸直徑 dZ dZ=d0-Da?cosβ=8-1.2×cos45°=7.152mm (4)螺母參數(shù) 螺母螺紋外徑 D D=d0-2e+2R=8-2×0.017+2×0.624=9.214mm 螺母內(nèi)徑(外循環(huán)) D1 D1=d0+(0.2～0.25)?Da=8+0.2×1.2=8.24mm 4、傳動(dòng)效率計(jì)算 5、剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作載荷P引起的導(dǎo)程L0的變化量： Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算： QY=P=58.066N ,L0=0.2cm ,E=20.6×106(N/cm2) F=π?R2=3.14×(0.6786/2)2=0.361cm2 ∴10-6cm 因而，絲杠因受扭矩角而引起的導(dǎo)程變化量ΔL1很小，可以忽略。 綜上所述，導(dǎo)程總誤差 10-6×=7.810(μm/m) (2.10) ∴查表知，E級(jí)精度的絲杠允許誤差為15μm，故剛度足夠。 6、穩(wěn)定性計(jì)算 由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.4步進(jìn)電機(jī)的選用 (1)步進(jìn)電機(jī)的步距角θb[5] 取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量δp=0.01mm/step，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角為θb=1.5°。 (2)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效力矩為T(mén)，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做功有如下關(guān)系： T?ψ?η=P?S (2.11) 公式(2.11)中，ψ為電機(jī)轉(zhuǎn)角，η為機(jī)械傳動(dòng)效率，S為移動(dòng)部件相應(yīng)位移。 若取ψ=θb，則S=δp，且P=Ps+μG，則： (2.12) 公式(2.12)中，T為電機(jī)軸的負(fù)載力矩，Ps為移動(dòng)部件的負(fù)載(N)，μ為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，G為移動(dòng)部件的重量(N)，θb為步進(jìn)電機(jī)的步距角(rad)； 這里，取μ=0.03(淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù))，η=0.96，Ps為絲杠牽引力，Ps=PH=58.066N， 考慮到重力的影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此取G=GY=635.392N； ∴30.688N?mm 若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩： (2.13) 由公式(2.13)取安全系數(shù)為0.3，則：=102.293N?mm。 ∴對(duì)于工作方式為三相六拍的三相步進(jìn)電機(jī)： =118.121N?mm (2.14) (3)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率: =2500Hz (2.15) (4)步進(jìn)電機(jī)所需功率的計(jì)算 ∵工作臺(tái)最大快移速度為1.5m/min ∴步進(jìn)電機(jī)所需功率： 2.009W (2.16) 因YS系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維修方便。兩個(gè)端蓋式軸承。絕緣級(jí)為E級(jí)，防護(hù)等級(jí)IP44，廣泛應(yīng)用在機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備上，如小型機(jī)床、冶金、紡織、化工、醫(yī)療器械及日用電器。 其工作條件：環(huán)境溫度不超過(guò)40℃，最低-15℃；相對(duì)濕度不超過(guò)90%；海拔不超過(guò)1000m；電源頻率50Hz，電壓220/380V；工作方式S1；按IMB14方式安裝(無(wú)底腳，有軸伸，端蓋上帶凸緣，凸緣有通孔，凸緣在D端，借凸緣安裝)。 所以，查表選用兩個(gè)YS4512型步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2.5： 表2.5 YS4512電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)[6] 型號(hào) 功率/W 電流/A 電壓/V 電機(jī)主軸/mm 轉(zhuǎn)速/(r/min) 最大轉(zhuǎn)矩 外形尺寸 (mm×mm×mm) YS4512 16 0.085 380 Φ9 2800 2.4 150×100×115 2.5聯(lián)軸器的選擇 1、選擇一種合適的聯(lián)軸器類型可考慮以下幾點(diǎn)[7]： (1) 所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對(duì)緩沖減震功能的要求； (2) 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大??； (3) 兩軸相對(duì)位移的大小和方向； (4) 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境； (5) 聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。 2、計(jì)算聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 由于機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過(guò)載現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca。計(jì)算轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算 Tca=KA·T (2.17) 公式(2.17)中,T為公稱轉(zhuǎn)矩,N·m；KA為工作情況系數(shù),查表,選取KA=1.3； 根據(jù)公稱轉(zhuǎn)矩: 6 (2.18) ∴ 654.571N·mm 故由公式（2.17）得計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 Tca=1.3×54.571N·mm=70.942N·mm 3、確定聯(lián)軸器型號(hào) 首先根據(jù)為了補(bǔ)償兩軸的相對(duì)位移的考慮而選取聯(lián)軸器類型為撓性聯(lián)軸器；再根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca，按照 Tca≤[T] (2.19) 的條件，由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器的型號(hào)TGA-C28-6-10。上式(2.19)中的[T]為該型號(hào)聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩,具體尺寸數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2.6。 表2.6 撓性聯(lián)軸器(TGA-C28-6-10)尺寸參數(shù) Φd1(mm) Φd2(mm) ΦD(mm) L(mm) L1(mm) 軸向偏差(mm) 6 10 28.6 28.1 5.00 ±0.15 M 額定扭矩(N·m) 最大扭矩(N·m) 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 重量(g) 擰緊力矩(N·m) M3 1.6 3.2 5000 46 2.0 注：表中各項(xiàng)所指示的零件尺寸部位參見(jiàn)圖2.7中所示。 圖2.7 撓性聯(lián)軸器示意圖 4、校核最大轉(zhuǎn)速 根據(jù)被連接軸的轉(zhuǎn)速n不應(yīng)該超過(guò)所選聯(lián)軸器所允許的最高轉(zhuǎn)速nmax，參照表2.6中相關(guān)數(shù)值，得：TGA-C28-6-10滿足n≤nmax。 2.6數(shù)控工作臺(tái)三維造型裝配圖及其關(guān)鍵零部件圖 綜合上述分析及計(jì)算，運(yùn)用Solidworks軟件[8]，繪制數(shù)控工作臺(tái)的三維造型裝配圖及其關(guān)鍵零部件圖(另附圖紙作)。 其中，簡(jiǎn)述滾珠絲杠的繪制步驟： 1、打開(kāi)Solidworks軟件，新建Solidworks文件→零件，如圖1a、1b所示。 圖1a 圖1b 2、打開(kāi)前視平面，繪制草圖1。 圖2 3、對(duì)草圖1使用旋轉(zhuǎn)命令，生成旋轉(zhuǎn)體1。 圖3  4、選取如圖所示平面。 圖4 5、正視，繪制草圖2。 圖5  6、對(duì)草圖2使用拉伸切除命令，切除深度為3。 圖6 7、切換到等軸測(cè)視角，選取圖示平面。 圖7  8、正視，繪制草圖3。 圖8 9、拉伸切除，切除深度為10。 圖9  10、打開(kāi)前視平面， 繪制草圖4，保存退出草圖編輯狀態(tài)。 圖10 11、轉(zhuǎn)換到等軸測(cè)視角，選取圖示平面。 圖11  12、正視，繪制草圖5，保存退出草圖編輯狀態(tài)。 圖12 13、選取特征→曲線→螺旋線/渦狀線命令繪制螺旋線，如圖13所示。 圖13 保存退出。 圖14 14、特征→掃描切除，輪廓選擇草圖4，路徑選擇螺旋線/渦狀線1，確定退出；滾珠絲杠繪制完成。 圖15 3 數(shù)控工作臺(tái)關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計(jì) 3.1滾珠絲杠的工藝設(shè)計(jì) 滾珠絲杠既有軸類零件的加工特點(diǎn)，又具有一定的特殊性。滾珠絲杠是通過(guò)絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為執(zhí)行件的直線運(yùn)動(dòng)，它不僅要傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，而且要準(zhǔn)確地傳遞運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)滾珠絲杠的強(qiáng)度、精度和耐磨性都有較高的技術(shù)要求[9]。 3.1.1滾珠絲杠加工工藝特點(diǎn)分析 (1)滾珠絲杠加工中，中心孔是定位基準(zhǔn)，但由于滾珠絲杠是柔性件，剛性很差，加工時(shí)還須增加輔助支承，將外圓表面與跟刀架相接觸，防止因切削力造成的工件彎曲變形[10]。分析跟刀架的結(jié)構(gòu)，可以知道：爪式跟刀架，用于外圓表面的車(chē)削與磨削；套式跟刀架，于磨削過(guò)的外圓接觸，用于滾珠絲杠螺紋的加工。同時(shí)，為了確保定位基準(zhǔn)的精度、在工藝過(guò)程中[11]先后安排了四次修研中心孔工序。 (2)由于該滾珠絲杠為單件生產(chǎn)，要求較高，故加工工藝過(guò)程嚴(yán)格按照工序劃分階段的原則，將整個(gè)工藝過(guò)程分為五個(gè)階段：準(zhǔn)備和預(yù)先熱處理階段，粗加工階段，半精加工階段，精加工階段，終加工階段。 (3)為了消除殘余應(yīng)力，整個(gè)工藝過(guò)程安排了四次消除殘余應(yīng)力的熱處理，并嚴(yán)格規(guī)定機(jī)械加工和熱處理后不準(zhǔn)冷校直，以防止產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為了消除加工過(guò)程中的變形，每次加工后工件應(yīng)垂直吊放，并采用預(yù)留加工余量分層加工的方法，經(jīng)過(guò)多道工序逐步消除加工過(guò)程中引起的變形。 (4)在加工前須對(duì)該滾珠絲杠進(jìn)行嚴(yán)格的切試樣檢查。為了消除由于9Mn2V熱軋圓鋼金相組織不穩(wěn)定而引起的殘余應(yīng)力，安排了冰冷處理工序，使淬火后的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。同時(shí)，為了保證質(zhì)量，還安排了三次磁性探傷，檢查熱處理和磨削工序后零件是否有微觀裂紋。 (5)由于滾珠絲杠螺紋[12]是關(guān)鍵部位，為防止因淬火應(yīng)力集中所引起的裂紋和避免螺紋在全長(zhǎng)上的變形而使磨削余量不均等弊病，不采用先粗車(chē)、再磨削螺紋的方法，而是經(jīng)熱處理后直接采用磨削螺紋工藝，即“全磨”加工方法，以確保螺紋加工精度。 3.1.2滾珠絲杠螺紋的加工方法 對(duì)于精密淬硬絲杠，應(yīng)采用“全磨”加工方案，即絲杠光桿經(jīng)熱處理后，不經(jīng)車(chē)削，螺紋[13]全部用磨削而成?？紤]到加工中產(chǎn)生的彎曲和殘余應(yīng)力，磨削螺紋分成粗磨、半粗磨和精磨多道工序完成，每道工序切去很少的余量，同時(shí)切削用量逐漸減少，這樣不但可以逐漸減少切削力和殘余應(yīng)力，還可以減少“誤差復(fù)映”，提高加工精度。精密絲杠的最后終磨應(yīng)在恒溫條件下進(jìn)行，加強(qiáng)冷卻措施，加工后的測(cè)量也應(yīng)使用相應(yīng)的精密儀器。 螺紋磨削中影響導(dǎo)程(螺距)的因素： (1)產(chǎn)生周期誤差的原因 所謂周期誤差，是指滾珠絲杠在2π弧度內(nèi)的行程變動(dòng)量V2。產(chǎn)生的原因如下： ①螺紋磨床從工件主軸到螺母絲杠的傳動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)精度，包括頭架主軸和頂尖的徑向圓跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)，齒輪副、蝸輪副的安裝誤差和運(yùn)動(dòng)誤差等。 ②工件的安裝誤差、中心孔和螺紋外圓的圓柱度及絲杠的彎曲振擺。 ③螺紋磨床螺母絲杠副的軸向竄動(dòng)以及螺母絲杠副自身周期誤差對(duì)工件的影響。 (2)產(chǎn)生非漸近性局部誤差的原因 這類誤差對(duì)滾珠絲杠是指V300、V0(V為螺紋長(zhǎng)度300mm和有效長(zhǎng)度內(nèi)的行程變動(dòng)量)。產(chǎn)生原因如下： ①螺紋磨床的機(jī)械校正機(jī)構(gòu)失靈，螺距校正尺調(diào)整不當(dāng)或校正尺變形。 ②螺紋磨床工作臺(tái)沿床身運(yùn)動(dòng)的直線性誤差、運(yùn)行平穩(wěn)性和爬行。 ③工件絲杠材質(zhì)不均勻、熱處理后硬度不均勻，有“軟帶”和“硬點(diǎn)”。 ④恒溫室內(nèi)溫控不準(zhǔn)確，在最后精磨過(guò)程中溫度波動(dòng)超出允許的范圍。 ⑤外界的干擾。 (3)產(chǎn)生漸近性全長(zhǎng)累積誤差的原因 這類誤差是指滾珠絲杠的e。原因如下： ①螺紋磨床傳動(dòng)鏈誤差，螺紋交換掛輪計(jì)算的理論螺距與實(shí)際螺距的誤差。 ②床身與工作臺(tái)的熱變形、機(jī)床螺母絲杠與工件絲杠熱變形不同步。 ③在磨削螺紋一次進(jìn)給走刀過(guò)程中，砂輪磨損太快。 ④工藝過(guò)程中前道工序的累積誤差復(fù)映。 3.2滾珠絲杠的加工工藝過(guò)程 表3.1 滾珠絲杠加工工藝過(guò)程 工序號(hào) 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及夾緊 1 備料 熱軋圓鋼 20mm×710mm 2 熱處理 球化退火 3 車(chē) 車(chē)割試樣，試樣尺寸為10mm×8mm，車(chē)割后應(yīng)保證零件總長(zhǎng)700mm 外圓 4 磨 在平面磨床上磨試樣兩平面，表面粗糙度Ra值為1.25μm 5 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)試樣，要求試樣球化等級(jí)1.5~4級(jí)，網(wǎng)狀組織小于3級(jí)，待試樣合格后方轉(zhuǎn)入下道工序 6 熱處理 調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后硬度250HBS，校直 7 粗車(chē) 粗車(chē)各部外圓，均留加工余量6mm 中心孔及外圓 8 鉗 劃線，鉆3mm起吊通孔 外圓及端面 9 熱處理 時(shí)效處理，除應(yīng)力，要求全長(zhǎng)彎曲小于1.5mm，不得冷校直 10 粗車(chē) ① 車(chē)兩端面取總長(zhǎng)690mm，修正兩端中心孔，要求60°錐面的表面粗糙度Ra值為2.5μm 中心孔及外圓 ② 車(chē)外圓8mm處至8mm，6mm處至6mm，滾珠螺紋大徑7.76mm處車(chē)至9.7mm，留磨量1.1~1.2mm，均按圖樣基本尺寸留加工余量1.4~1.5mm，各部倒角，工藝要求：各外圓相互跳動(dòng)0.25mm，加工后垂直吊放 中心孔及外圓 11 粗磨 粗磨滾珠螺紋大徑至9.7mm，磨其他各外圓，均留磨余量1.1~1.2mm 中心孔及外圓 工序號(hào) 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及加緊 12 熱處理 按圖樣技術(shù)要求淬硬，中溫回火，冰冷處理，工藝要求：全長(zhǎng)彎曲小于0.5mm，兩端中心孔硬度達(dá)50~56HRC，不得冷校直 13 檢驗(yàn) 檢驗(yàn)硬度，磁性探傷，去磁 14 研 研磨兩端中心孔，表面粗糙度Ra值為1.25μm 15 粗磨 磨8mm外圓至8mm，6mm外圓至6mm，磨滾珠螺紋大徑至8.7mm，均留磨量0.65~0.75mm，磨出兩端垂直度為0.0005mm及表面粗糙度Ra值為1.25μm的肩面，要求用環(huán)規(guī)著色檢查，接觸面50%，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 16 檢驗(yàn) 磁性探傷，去磁 17 粗磨 磨滾珠絲杠底槽至尺寸，粗磨滾珠絲杠螺紋，留磨量(三針測(cè)量值M=9.9mm，量棒直徑1.0mm)，齒形用樣板透光檢查，去不完整牙，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 18 檢驗(yàn) 磁性探傷，去磁 19 熱處理 低溫回火除應(yīng)力，要求變形不大于0.15mm，不準(zhǔn)冷校直 20 研 修研兩端中心孔，要求表面粗糙度Ra值為0.63μm，完工后垂直吊放 21 粗磨 磨8mm外圓至8mm，6mm外圓至6mm，留磨量0.3~0.4mm 中心孔及外圓 工序號(hào) 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及加緊 22 半精磨 半精磨滾珠螺紋，留精磨余量（三針測(cè)量值M=9.0mm，量棒直徑1.0mm），齒形按樣板透光檢查，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 23 熱處理 低溫回火消除磨削應(yīng)力，要求全長(zhǎng)彎曲小于0.10mm，不得冷校直 24 研 修研兩端中心孔，表面粗糙度Ra值為0.32μm，完工后垂直吊放 25 半精磨 磨8mm、6mm外圓，磨滾珠螺紋大徑至圖樣要求，全長(zhǎng)圓柱度0.02mm 中心孔及外圓 26 精磨 精磨滾珠絲杠螺紋至圖樣要求，齒尖倒圓R0.3mm，要求：齒形按樣板透光檢驗(yàn)[三針測(cè)量值M=（9.56±0.10）mm，量棒直徑1.2mm]，完工后垂直吊放 中心孔及外圓 27 終磨 終磨各外圓至圖樣要求，完工后應(yīng)垂直吊放，并涂防銹油（備單配滾珠螺母） 中心孔及外圓 3.3滾珠絲杠的檢驗(yàn) 滾珠絲杠的檢驗(yàn)是滾珠絲杠工藝中重要的內(nèi)容。滾珠絲杠的測(cè)量?jī)?nèi)容主要有螺紋牙形角的偏差、螺紋中徑和螺距誤差。選用測(cè)量工具時(shí)，一般以其測(cè)量的最大極限誤差不得超過(guò)被測(cè)尺寸公差的1/5～1/10為準(zhǔn)。 結(jié) 論 數(shù)控工作臺(tái)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床是數(shù)控技術(shù)的重要應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。它已經(jīng)開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域普及，并且它所帶來(lái)的巨大效益已引起世界各國(guó)科技與工業(yè)界的普遍重視。本文所設(shè)計(jì)說(shuō)明的數(shù)控工作臺(tái)是對(duì)數(shù)控機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的研究和分析，是基于當(dāng)前數(shù)控技術(shù)要求的綜合和梳理的結(jié)果。 在設(shè)計(jì)的開(kāi)始，考慮到對(duì)數(shù)控機(jī)床的了解不是很多，不太清楚數(shù)控工作臺(tái)與數(shù)控機(jī)床的協(xié)調(diào)機(jī)理，總體設(shè)計(jì)更是無(wú)從著手。在老師的指導(dǎo)和建議下，我耐心、細(xì)致地查閱了與數(shù)控技術(shù)相關(guān)的圖書(shū)資料，并在互聯(lián)網(wǎng)上參考了眾多的圖片及實(shí)物信息，從而在感官上對(duì)數(shù)控機(jī)床有了一個(gè)較好地認(rèn)識(shí)；再加上我還參加了“2012中國(guó)中部(鄭州)國(guó)際裝備制造業(yè)博覽會(huì)”，更是親眼目睹了數(shù)控工作臺(tái)在數(shù)控機(jī)床上的動(dòng)作過(guò)程。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我遇到的一些難題，如：數(shù)控工作臺(tái)尺寸與工作行程之間協(xié)調(diào)關(guān)系的確定、滾珠絲杠軸徑與兩側(cè)支撐座上不同軸承孔之間的大小確定、滾珠絲杠加工工藝的流程設(shè)計(jì)、Solidworks軟件的實(shí)際操作的問(wèn)題等。但是，在老師和同學(xué)們的幫助下，我最終還是克服了心理上的畏懼，從而較好地解決了一系列看上去很難的問(wèn)題；并且通過(guò)設(shè)計(jì)的親自體驗(yàn)，也讓我感受到了選擇使用標(biāo)準(zhǔn)件的方法及其帶來(lái)的方便之處。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期認(rèn)真地工作，我已完成數(shù)控工作臺(tái)三維造型設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計(jì)。但，由于能力所限，再加上實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，在我的設(shè)計(jì)中一定會(huì)有一些不足之處，還請(qǐng)老師給予嚴(yán)格的教育和適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。 致 謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在楊漢嵩老師的悉心指導(dǎo)下完成的。楊漢嵩老師對(duì)于機(jī)械方面的知識(shí)的駕馭能力之大是讓我敬仰的，能夠得到楊漢嵩老師的親自指導(dǎo)是我所期望的，于我而言，更是一個(gè)絕佳的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。 在我遇到困難的時(shí)候，我就會(huì)找到楊老師，請(qǐng)老師幫助我。他給予我的講解是詳細(xì)和有耐心的，讓我在獨(dú)自思考的前提下，指引著我的方向；我感受到的不僅是知識(shí)，更是老師的一片真心。我珍惜著這份師生情，在設(shè)計(jì)工作上，更是努力著、認(rèn)真地推進(jìn)著我的設(shè)計(jì)進(jìn)程，我懂得，我不能辜負(fù)了老師的期望，我一定得好好干。 除了日常的必要指導(dǎo)和解釋，楊老師還親自帶領(lǐng)我到理工實(shí)驗(yàn)大樓參觀了與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的教學(xué)儀器，并且為我提供了“2012中國(guó)中部(鄭州)國(guó)際裝備制造業(yè)博覽會(huì)”的參觀券，以使我對(duì)于數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)工作變得有了更加明確地方向，讓原先在我看來(lái)還是一頭霧水的事情變得簡(jiǎn)單了許多。 這些日子里，我發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是工作日還是休息日，楊老師基本上都是會(huì)在辦公室的，或辦公，或?qū)W習(xí)……這些點(diǎn)滴，我都看在眼里，記在心里，時(shí)刻激勵(lì)和鞭策著我也要不斷地前進(jìn)，努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，為符合一名當(dāng)代大學(xué)生的標(biāo)準(zhǔn)而繼續(xù)完善自我、永不止步。 最后，我想對(duì)所有在我成長(zhǎng)的路上給予我?guī)椭睦蠋?、同學(xué)，說(shuō)一聲：謝謝你！ 參考文獻(xiàn) [1] 蔡厚道.數(shù)控機(jī)床構(gòu)造.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007. 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