數(shù)控車床縱向進(jìn)給及導(dǎo)軌潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
數(shù)控車床縱向進(jìn)給及導(dǎo)軌潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),數(shù)控車床,縱向,進(jìn)給,導(dǎo)軌,潤(rùn)滑,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)
鹽城工學(xué)院機(jī)械工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
0前言
一．我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀
當(dāng)前，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)正處在由研究開發(fā)階段向推廣應(yīng)用階段過(guò)渡的關(guān)鍵時(shí)期。也是由封閉型系統(tǒng)向開放型系統(tǒng)過(guò)渡的時(shí)期。我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于成熟，在重大關(guān)鍵技術(shù)上（包括核心技術(shù)），已達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。目前，已新開發(fā)出數(shù)控系統(tǒng)80種。自“七五”以來(lái)，國(guó)家一直把數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展作為重中之重來(lái)支持，現(xiàn)已開發(fā)出具有中國(guó)版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，掌握了國(guó)外一直對(duì)我國(guó)封鎖的一些關(guān)鍵技術(shù)。
二．?dāng)?shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題
當(dāng)前,我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率偏低。據(jù)有關(guān)資料表明,1999年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率僅為38.88%。造成這種嚴(yán)峻的形勢(shì),除客觀原因外,主要是產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性不過(guò)硬?！笆濉逼陂g,我國(guó)機(jī)械制造工業(yè)正朝著精密化、柔性化、集成化、自動(dòng)化、智能化方面迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床需求強(qiáng)勁,我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)適逢極好的發(fā)展機(jī)遇。然而,我國(guó)加入ＷＴＯ后,國(guó)外生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床將會(huì)更多的進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更為激烈。提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率,關(guān)鍵在于提高質(zhì)量和可靠性。幾年來(lái),經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)剖析和使用性能的調(diào)研,探索和總結(jié)了數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的新技術(shù)?，F(xiàn)時(shí)主要存在有以下幾個(gè)問(wèn)題：
1．缺乏產(chǎn)業(yè)規(guī)模
2．缺乏發(fā)展數(shù)控產(chǎn)業(yè)的政策和技術(shù)配套體系
3．缺乏技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品更新和產(chǎn)業(yè)調(diào)整的內(nèi)在動(dòng)力
4．面臨國(guó)外強(qiáng)手競(jìng)爭(zhēng)的巨大壓力
三．?dāng)?shù)控機(jī)床簡(jiǎn)介
數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測(cè)量及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和未來(lái)工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段,是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)裝備。
四．經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造
縱橫向進(jìn)給系統(tǒng)原機(jī)床掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠,光杠等全部拆除,縱、橫向以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,經(jīng)一級(jí)齒輪減速轉(zhuǎn)矩增大后,由滾珠絲杠傳動(dòng)。縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：縱向伺服電機(jī)為P20B200DxS，2.0的交流伺服電機(jī),滾珠絲杠仍利用原絲杠位置,其螺母副通過(guò)托架安裝在床鞍底部,滾珠絲杠兩端加裝接套、接桿及支承,與床身尾部步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接。伺服電機(jī)經(jīng)減速后,減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器與絲杠直接聯(lián)接,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,徑向尺寸小,可防止被聯(lián)接軸的位移和偏斜所帶來(lái)裝配困難和附加應(yīng)力。
改造后的數(shù)控機(jī)床應(yīng)有以下發(fā)展方向：?jiǎn)我坏臄?shù)字控制應(yīng)向數(shù)控中心發(fā)展，數(shù)控機(jī)床總體布局更加合理，機(jī)床控制系統(tǒng)的控制和運(yùn)算功能更進(jìn)一步加強(qiáng)，機(jī)床的伺服系統(tǒng)采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)代替直流伺服系統(tǒng)，編程更趨合理化，加工工藝更趨簡(jiǎn)單化90%機(jī)床的檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
隨著科學(xué)技術(shù)水平和人類生活水平的提高，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，產(chǎn)品品種越來(lái)越多，中大批量的產(chǎn)品需求越來(lái)越少，而單件小批量生產(chǎn)模式迅速增加。作為實(shí)現(xiàn)單件小批量加工自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床，由于其突出的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。目前,國(guó)外數(shù)控機(jī)床的性能正朝著高精度、高效率、高柔性、高自動(dòng)化方向迅速發(fā)展,這將對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求?！笆濉逼陂g,我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)必須瞄準(zhǔn)國(guó)際數(shù)控機(jī)床發(fā)展的科學(xué)前沿,開拓創(chuàng)新,消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù),開創(chuàng)我國(guó)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的新局面。
1總體設(shè)計(jì)方案
1．1總體設(shè)計(jì)方案論證
數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)包括橫向進(jìn)給系統(tǒng)(X軸)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)(Z軸),它們是由伺服電機(jī)經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu),來(lái)實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)GB/T16462-1996《數(shù)控臥式車床精度檢驗(yàn)》,機(jī)床的位置精度包括重復(fù)定位精度、反向偏差和定位精度。當(dāng)機(jī)床的中心距DC=3000mm時(shí),其重復(fù)定位精度X軸0.0075mm,Z軸0.010mm;反向偏差X軸為0.006mm,Z軸為0.012mm;定位精度X軸為0.035mm,Z軸為0.040mm?？梢钥闯?進(jìn)給軸設(shè)計(jì)與主軸設(shè)計(jì)相比,具有相同的重要性。因而,進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)應(yīng)從動(dòng)、靜兩方面充分考慮,位置精度才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。在數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,根據(jù)橫向、縱向的不同精度要求,不同移動(dòng)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特點(diǎn),分別解決設(shè)計(jì)中的主要矛盾。以期望設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,即滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。
1．1．1驅(qū)動(dòng)元件：
各種數(shù)控機(jī)床加工的對(duì)象不同，工藝要求不同，所以對(duì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的要求不盡相同，但基本要求是一樣的，大致有四個(gè)方面。
（1）高精度 使用數(shù)控機(jī)床主要是解決零件加工質(zhì)量的穩(wěn)定性，一致性，減少?gòu)U品率；解決復(fù)雜空間曲面零件的加工；解決復(fù)雜零件的加工精度，縮短制造周期等。為了滿足這些要求，必須保證數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。要求定位精度和輪廓切削精度能達(dá)到機(jī)床要求的指標(biāo)。在位置控制中要求有高的定位精度，而在速度控制中，要求有高的調(diào)速精度，強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，即靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速度降盡可能小。
（2）快速響應(yīng) 為了保證輪廓切削形狀精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。
（3）調(diào)速范圍寬 在各種數(shù)控機(jī)床中，由于加工用刀具，被加工零件的材質(zhì)及加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。
（4）低速大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，大都是在低速進(jìn)行重切削，即在低速時(shí)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)要有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
(一)元件選擇
（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)是目前常用的驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電執(zhí)行元件，它能快速的啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；在一定頻率范圍內(nèi)各種運(yùn)動(dòng)方式都能任意的改變且不會(huì)失步，具有自整步的能力；沒(méi)有一周累計(jì)誤差，所以定位精度很高；價(jià)格便宜。但由于步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性遠(yuǎn)不如交，直流伺服電機(jī)，尤其是運(yùn)行的可靠性得不到保證，目前已使用的較少。
（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性，因此在對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能要求較高的設(shè)備中，大都采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在著一些固有的缺點(diǎn)，如它的電刷和換向器易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；此外，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高，因此，現(xiàn)在已很少選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。
（3）交流伺服電動(dòng)機(jī)則沒(méi)有直流伺服電動(dòng)機(jī)的上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流伺服電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)上響應(yīng)更好。一般來(lái)說(shuō)，在同樣的體積下，交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高10%—70%，另外，交流伺服電動(dòng)機(jī)的容量也比直流伺服電動(dòng)機(jī)大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。因此，本課題選用的是交流伺服電動(dòng)機(jī)。
1．1．2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副是一種新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的傳動(dòng)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件。當(dāng)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動(dòng)，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。
由于滾珠絲杠螺母副屬于滾動(dòng)摩擦，故與普通滑動(dòng)螺母副相比有以下優(yōu)點(diǎn):（1）傳動(dòng)效率高?？蛇_(dá)90%--95%，是普通絲杠傳動(dòng)的2—4倍。
（2）因摩擦系數(shù)小，無(wú)自鎖現(xiàn)象，即運(yùn)動(dòng)有可逆性，一般需要制動(dòng)裝置。
（3）摩擦力小。因靜動(dòng)摩擦系數(shù)相差較小，因而傳動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度高。
（4）滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過(guò)熱處理，其滾道表面的硬度值可達(dá)60—62HRC，因而耐磨性好，壽命長(zhǎng)，精度穩(wěn)定性好。
（5）可消除軸向間隙和預(yù)緊，提高軸的剛度。
因?yàn)闈L珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點(diǎn)，因此，作者選用滾珠絲杠螺母副。
1．1．3聯(lián)軸器
聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器之分，本課題選用的是ML-02型彈性膜片式聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但它無(wú)補(bǔ)償性能，不能緩沖減振，且對(duì)兩軸安裝精度要求較高，用于振動(dòng)很小的工況條件，聯(lián)接中，高速和剛性不大的且要求對(duì)中性較高的兩軸。彈性膜片式聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕，且承載能力大，強(qiáng)度高，傳動(dòng)效率高，精度高，可用于高，低溫，高，中速，大轉(zhuǎn)矩和有油，水的場(chǎng)合，且可部分代替齒式聯(lián)軸器，工作溫度-20--250℃。
ML-02型彈性膜片式聯(lián)軸器主要性能特點(diǎn)有:
（1） 定位方便可靠,相位可調(diào)；
（2） 無(wú)反向間隙,傳動(dòng)精度高,可不用鍵和錐銷,不須止推機(jī)構(gòu),傳遞扭矩大,能承受沖擊載荷和振動(dòng)；
（3） 可以反復(fù)裝卸,重復(fù)使用,不影響精度,拆裝方便；
（4） 可補(bǔ)償軸的角度偏差,偏心,軸向竄動(dòng).無(wú)噪音,無(wú)磨損,能量損失小。
1．1．4潤(rùn)滑方式：
常用的潤(rùn)滑方式大致有以下幾種：
1. 手工加潤(rùn)滑油或手工加潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑
手工潤(rùn)滑是人工的分散潤(rùn)滑方式，大多用于各種軸承，開式齒輪和鏈條等處。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于執(zhí)行，加油次數(shù)和油量靠人工掌握。
2. 油池飛濺潤(rùn)滑
油池飛濺潤(rùn)滑常用在閉式齒輪箱內(nèi)，它依靠箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)的齒輪或附加在軸上的甩油機(jī)件，將箱體內(nèi)底部的存油濺散到應(yīng)該潤(rùn)滑的機(jī)件軸承，或其他應(yīng)該潤(rùn)滑的位置上。有些軸承和潤(rùn)滑點(diǎn)隱蔽在箱體內(nèi)部時(shí)，則通過(guò)油槽油路或油管油路進(jìn)行潤(rùn)滑。
3.自動(dòng)送油潤(rùn)滑
自動(dòng)送油潤(rùn)滑主要是自動(dòng)送油裝置。它的形式較多，有簡(jiǎn)單也有復(fù)雜，常常用在機(jī)床或其他設(shè)備的齒輪箱內(nèi)。自動(dòng)送油也可以采用潤(rùn)滑油泵送油，但大多應(yīng)用于集中潤(rùn)滑的系統(tǒng)內(nèi)，例如大量的潤(rùn)滑點(diǎn)話潤(rùn)滑部位，甚至整個(gè)車間的潤(rùn)滑系統(tǒng)。
本課題選用的是TM型電動(dòng)潤(rùn)滑器。TM型電動(dòng)潤(rùn)滑器采用彈簧活塞式往復(fù)泵，由微型同步電機(jī)和集成減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，注油量可在0.2—5毫升范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，注油周期時(shí)間可在6—145分鐘內(nèi)選擇，可實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐液化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，適用于中小型機(jī)床周期潤(rùn)滑系統(tǒng)。該潤(rùn)滑器配套安裝聯(lián)接件，計(jì)量件，配油管等附件后，可潤(rùn)滑1-50個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，組成周期集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。
TM型電動(dòng)潤(rùn)滑器由微型伺服電機(jī)經(jīng)蝸輪傳動(dòng)系統(tǒng)減速，與蝸輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的凸輪，帶動(dòng)擺桿上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞升起時(shí)，大氣將油罐內(nèi)的油液通過(guò)單向閥壓入油缸；壓縮彈簧使活塞復(fù)位，潤(rùn)滑液通過(guò)出口后進(jìn)入輸油管路中并到達(dá)各潤(rùn)滑點(diǎn)。注油頻率由定時(shí)機(jī)確定。
潤(rùn)滑器配有液位報(bào)警傳感器（低油位開關(guān)），在油罐潤(rùn)滑液低于規(guī)定液位時(shí)，可自動(dòng)發(fā)出信號(hào)，以確定及時(shí)向油罐添加潤(rùn)滑液。
TM型電動(dòng)潤(rùn)滑器具有下列特點(diǎn)：
（1） 結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。
（2） 清潔安全，潤(rùn)滑液經(jīng)精細(xì)過(guò)濾后輸出至各潤(rùn)滑點(diǎn)。
（3） 能按事先確定的注油周期輸供潤(rùn)滑液。
（4） 潤(rùn)滑液的流量可調(diào)，并能精確的控制。
（5） 潤(rùn)滑時(shí)，無(wú)須中斷生產(chǎn)過(guò)程。
（6） 維護(hù)容易，經(jīng)濟(jì)耐用。
（7） 可以延長(zhǎng)機(jī)器的壽命，對(duì)中小型機(jī)器更為理想。
1.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定
經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定的CA6140經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案圖如圖1-2所示。該系統(tǒng)由MCS-51系列單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口，軟件環(huán)形分配器與放大控制功率伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱，橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀架改成由微機(jī)控制的經(jīng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器，為此采用主軸靠同步齒形帶使脈沖發(fā)生器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號(hào)：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和一個(gè)同步信號(hào)，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機(jī)。同時(shí)選用TM型電動(dòng)潤(rùn)滑器，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑功能。
圖1-2 CA6140車床數(shù)控改造的總體方案示意圖
1．2．1縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造:
（1）撤除原機(jī)床的進(jìn)給箱，溜板箱,光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)及減速箱安裝在車床的床尾，并不占據(jù)絲杠空間。利用原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和重新配作銷釘安裝新設(shè)計(jì)的齒輪箱體;
（2）滾珠絲桿仍安置在原絲桿的位置,兩端仍采用原固定方式,為便于安裝滾珠絲桿螺母副,絲桿不是整體的,而是采用分體式,即用連接套筒剛性連接。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給整體剛度。
（3）縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)均由伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲桿螺母副和中間傳動(dòng)齒輪副(一級(jí)傳動(dòng))組成。
2縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
縱向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇，伺服電機(jī)的選擇，繪制縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的裝配圖，導(dǎo)軌潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)裝配圖以及各零件圖等。
2.1 已知條件
(1)、床身上最大回轉(zhuǎn)直徑:400mm;
(2)、加工最大工件長(zhǎng)度:1000mm
(3)、快移速度:X軸 4m/min,Z軸 8m/min
(4)、定位精度:X軸 0.035mm, Z軸 0.04mm
(5)、重復(fù)定位精度:X軸 0.0075mm, Z軸 0.01mm
(6)、數(shù)控車床工作臺(tái)質(zhì)量W:根據(jù)圖形尺寸粗略計(jì)算W=120Kg;
2．2滾珠絲杠副主要參數(shù)的確定
在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中,滾珠絲杠副的作用是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),用較小的轉(zhuǎn)矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動(dòng)是一種應(yīng)用較廣的機(jī)構(gòu),尤其是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的各種機(jī)構(gòu)中,滾珠絲杠副的傳動(dòng)是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而又可靠的。所以滾珠絲杠副的選擇對(duì)整個(gè)機(jī)床的制造起著不可忽視的作用。滾珠絲杠副的精度是影響機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機(jī)床的設(shè)計(jì)中更合理的選用滾珠絲杠副,使其充分發(fā)揮效能,必須進(jìn)行一系列的計(jì)算。
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。一般情況下,設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí),已知條件為:最大工作負(fù)載Fd(或平均工作負(fù)載Fm)作用下的使用壽命,絲杠的工作長(zhǎng)度(或螺母的有效行程),絲杠的轉(zhuǎn)速(或平均轉(zhuǎn)速),滾道的硬度及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
2.2.1 設(shè)計(jì)步驟
通常的設(shè)計(jì)步驟為:
A、計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)載荷;
B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動(dòng)負(fù)載的近似值,并初選幾個(gè)型號(hào);
C、根據(jù)具體工作要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面的要求，從初選的幾個(gè)型號(hào)中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號(hào)。
D、根據(jù)所選的型號(hào),列出或計(jì)算出其主要參數(shù)的數(shù)值,計(jì)算傳動(dòng)效率,并驗(yàn)算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求,則另選其他型號(hào),再作上述計(jì)算和驗(yàn)算,直至滿足要求為止。
2.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)況
（1）選用CPG系列滾珠絲杠副。
A、 CPG系列滾珠絲杠副主要參數(shù)的確定:
按預(yù)期壽命Ln及軸向載荷Fa進(jìn)行選擇:
Ln=(Ca/Fa)×106(轉(zhuǎn)) [2—1]
式中: Ca—額定動(dòng)載荷;
一般情況下Fa可以用平均軸向載荷Fm予以代替:
Fm=(2Fmax+Fmin)/3 [2—2]
式中: Fmax—最大軸向載荷;
Fmin—最小軸向載荷。
Fmax=mg+F=120×9.8+3860=5036 [2—3]
Fmin=mg=120×9.8=1176 [ 2—4]
所以：Fm=(2Fmax+Fmin)/3=3749N [2—5]
對(duì)于機(jī)車和精密機(jī)械通常取Ln=20×106(轉(zhuǎn))
則:： Ca=(20)1/3Fm=2.71Fm=10161N [2—6]
計(jì)算出Ca,可通過(guò)查表得到對(duì)應(yīng)的滾珠絲杠副的尺寸,選取4006-6型號(hào)滾珠絲杠副,基本直徑為40mm,大徑位39.5mm,絲杠導(dǎo)程L0為6mm, 滾珠直徑為3.969mm, 滾珠列數(shù)為四列。
B、 對(duì)選用的滾珠絲杠副的參數(shù)進(jìn)行核算
a、 最大軸向壓縮載荷F:
對(duì)各種支承條件下所支承的最大軸向載荷,是否會(huì)超過(guò)臨界載荷而失去穩(wěn)定性,造成穩(wěn)定失效,因此對(duì)保持絲杠不失去穩(wěn)定性的軸向壓縮載荷進(jìn)行驗(yàn)算。
滾珠絲杠受壓力作用后在彈性范圍內(nèi)的臨界穩(wěn)定載荷Fc由下式計(jì)算:
Fc=m(d0-db)4/Ls2 [2—7]
式中:m為支承系數(shù);G-J形式:m=20×104(N/mm2);
d0為公稱直徑(mm);
db為滾珠直徑(mm);
Ls為絲杠軸的支承距離(mm)。
所以: Fc=20×104×(40-3.969)4/15772 =1.36×105 N [2—8]
則: Fc/F＞［n］ F〈（1/4 Fc ）=3.4×104 N＞Fmax
式中: ［n］為許用穩(wěn)定安全系數(shù),當(dāng)絲杠垂直安置時(shí)［n］=2.5,水平安置時(shí)［n］=4;
F為最大軸向壓縮載荷。
由以上計(jì)算可知條件滿足。
b、 極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算:
為使絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生共振現(xiàn)象,應(yīng)對(duì)其極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算。當(dāng)絲杠發(fā)生共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速,以Nc表示:
Nc=121×106(d0-db)·K1/2/L2 =2.80×103 ［2-9］
式中: d0為公稱直徑(mm);
db為滾珠直徑(mm);
K為支承結(jié)構(gòu)系數(shù), G-J形式: K=2.5。
極限轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足:
n＜0.8 Nc=0.8×2.80×103=2.24×103r/min ［2-10］
n0=v/(2π)=8000/(2π)=1.27×103r/min [2-11］
因?yàn)?n0＜n,所以條件滿足。
c、 滾珠絲杠副的預(yù)加負(fù)載:
為了消除螺母與絲杠間的軸向間隙,提高滾珠絲杠副的剛度與定位精度,在絲杠螺母間施加負(fù)載Fp,其預(yù)加負(fù)載的大小為:
Fp= Ca/10=1016N
d、 臨界轉(zhuǎn)速的核算:
絲杠的名義直徑d0=40mm,nmax=vmax/L0=200r/min ［2-12］
查參考文獻(xiàn)［5］支承為“固定-自由”支承長(zhǎng)度L=1577mm, 查參考文獻(xiàn)［5］5.7-91,的交線點(diǎn)在d0=40mm左側(cè),所以安全。
e、 效率計(jì)算:
查參考文獻(xiàn)［5］201頁(yè)上:
η=tanβ/tan(β+φ) ［2-13］
式中: β—螺紋的螺旋升角,可參考文獻(xiàn)［5］5.7-41表,取β=3o3’;
φ—摩擦角, tanφ=0.003～0.004。
所以: φ=13’45’’
則: η=tan3o3’/ tan(3o3’+13’45’’)=93% ［2-14］
f、 剛度檢驗(yàn):
查參考文獻(xiàn)［5］202頁(yè)上:
△=100F/(EA)+50T/(Πgjc),μm/m ［2-15］
式中: E—彈性摸量,E=2.1×102GPa;
F—工作負(fù)載, F=5036 N ;
A—滾珠絲杠橫截面積, A=π/4·（d0-db）2=0.785×（40-3.969）2=10.19cm2;
db—滾珠直徑(mm);
G—切變模量，G=8.4×104GPa;
Jc—滾珠絲杠截面慣性矩，Jc=2.27×10-7m4;
代入公式［21］得： △=8.03μm/m
查參考文獻(xiàn)［5］表5-10和表5-17，B級(jí)精度為40μm/300mm，七級(jí)精度△=15μm，八級(jí)精度△=30μm，所以FYND4006-6型絲杠的剛度是足夠的。
由于選用滾珠絲杠的直徑為40mm,支承方式為G-J型，所以穩(wěn)定性不成問(wèn)題。
運(yùn)動(dòng)部重量 W 120 Kg
摩擦系數(shù) μ 0.15
外界施加的力 F 3860N/9.8
螺桿螺距 P 6 mm
螺桿直徑 D 40 mm
螺桿長(zhǎng)度 L 1350 mm
傳遞效率 η 0.85
驅(qū)動(dòng)部件比重 7.2×10-3
傳動(dòng)裝置減速比 1/G 3/5
2．3 伺服電機(jī)的選擇
2．3．1選用螺桿驅(qū)動(dòng)方式的伺服電機(jī)
2．3．2求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷力矩
TL=（F+μW）/η·D/2·1/G·9.8/100 [3-1]
=(3860/9.8+0.15×120)/0.85·(P/2π)×(3/5)×(9.8/100)
=(3860/9.8+0.15×120)/0.85×(6/2π) ×(3/5)×(9.8/100)
=2.72 N·m
要求 TLTR
2．3．3求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷慣性
(JL不大于電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的5倍)
·運(yùn)動(dòng)部的慣性
JB=(1/G) 2·(πD4 A)/32×104 [3-2]
=(3/5) 2·(3.14×7.2×10-3×404×1.35)/32×104
=0.88×10-4 Kg·m2
·工作慣性
JW =(1/G) 2·W/104·(D/2π)2 [3-3]
=(3/5) 2·120/104·(6/2π) 2
=0.39×10 -4 Kg·m2
JL = JB+ JW =9.17×10 -4 Kg·m2 [3-4]
2．3．4電機(jī)的假擬選定
從產(chǎn)品目錄中選出滿足上述(TL, JL,NP)條件的電機(jī), 假擬選用P20B10200D×S，2.0的交流伺服電動(dòng)機(jī)。
2．3．5加減速力矩(Ta, Tb)的計(jì)算：
·加速力矩
Ta=2π（N1—N2）·（JL+ JM）/60·ta+ TL [3-5]
=2×3.14(4500-3000)(9.17+2.04) ×10 -4/(60·1/6)+ 2.72
=3.78
Tb=2π（N1—N2）·（JL+ JM）/60·ta- TL [3-6]
=-1.66
2．3．6實(shí)際力矩的計(jì)算
Trms= [3-7]
=
=2.65
假擬選用的P20B10200D×S，2.0的交流伺服電動(dòng)機(jī)滿足上述條件。
備注：標(biāo)注公式[2-1]--[2-15]出自參考文獻(xiàn)[5]
備注：標(biāo)注公式[3-1]--[3-7]出自參考文獻(xiàn)[6]
小結(jié)
通過(guò)對(duì)CA6140經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造，使其尤其適合我國(guó)機(jī)床擁有量大,生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情。數(shù)控機(jī)床以伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行位置控制,減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié),改善了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,避免了多級(jí)傳動(dòng)帶來(lái)的累積誤差。經(jīng)改造后的機(jī)床完全能實(shí)加工外圓、錐度、螺紋、端面等的自動(dòng)控制, 加工的零件精度高,尺寸一致性好,自動(dòng)化程度高,提高了原機(jī)床的生產(chǎn)效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度.而且使用方便,改造費(fèi)用低，采用數(shù)控技術(shù)對(duì)企業(yè)原有機(jī)床進(jìn)行改造,即發(fā)展經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工礦企業(yè)機(jī)床技術(shù)改造的有效途徑。當(dāng)然，由于本人經(jīng)驗(yàn)有限，在設(shè)計(jì)與改造過(guò)程中難免有缺陷和欠慮的地方，有待今后不斷的提高與完善。
致謝
通過(guò)本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們受到了很大的啟發(fā)，學(xué)到了很多東西。在此要特別感謝我們的指導(dǎo)老師沙愛民工程師，她在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)過(guò)程中為我們盡心盡力，排憂解難。讓我們進(jìn)一步學(xué)會(huì)了如何查閱文獻(xiàn)，如何分析處理設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，如何寫好論文、做好答辯等。當(dāng)然取得這樣的成績(jī)是多方面的：有學(xué)校圖書館為我們準(zhǔn)備的充足完備的專業(yè)資料；有計(jì)算機(jī)房通宵達(dá)旦的辛勤工作；有系領(lǐng)導(dǎo)給予的多方面的大力支持等等。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束之際，請(qǐng)?jiān)试S我向他們表示衷心的感謝！
參考文獻(xiàn)
1 余良英. 機(jī)床數(shù)控技術(shù)改造設(shè)計(jì)與實(shí)例.第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982
2 李峻勤 ,費(fèi)仁元. 數(shù)控機(jī)床及其使用與維修.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985
3 楊學(xué)桐 ,李冬茹. 我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展舉措. 中國(guó)機(jī)械工程，1999（10）
4 徐亞明.大型數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析.甘肅：機(jī)械制造，1998(6)
5 陳秀義，施高義.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).浙江：浙江大學(xué)出版社，1995（1）
6 徐錦康.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001（2）
7 袁國(guó)定，朱洪海.機(jī)械制造基礎(chǔ).南京：東南大學(xué)出版社，2000（2）
8 鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理.南京：高等教育出版社，1995
9 王辰寶.機(jī)械加工工藝基礎(chǔ). 南京：東南大學(xué)出版社，1996
10 龐懷玉。機(jī)械制造工程學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998
附件清單
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 1份
2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 1份
3.總裝圖 CK000 A3 1份
4. 進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖 CK001 A0 1份
5.潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)裝配圖 CK002 A1 1份
6. 床鞍零件圖 CK124 A1 1份
7.電機(jī)支座零件圖 CK117 A1 1份
8.螺母支架零件圖 CK110 A2 1份
9．連接軸零件圖 CK101 A3 1份
10．面板零件圖 CK102 A3 1份
11．端蓋零件圖 CK106 A3 1份
12．法蘭零件圖 CK108 A3 1份
13．滾珠絲杠副零件圖 CK112 A3 1份
14．支座零件圖 CK114 A3 1份
15．墊圈零件圖 CK103 A4 1份
16．套筒零件圖 CK104 A4 1份
17．連接法蘭零件圖 CK105 A4 1份
18．側(cè)板零件圖 CK107 A4 1份
19．法蘭零件圖 CK109 A4 1份
20．法蘭零件圖 CK111 A4 1份
21．法蘭零件圖 CK113 A4 1份
22．小端蓋零件圖 CK115 A4 1份
23．防護(hù)罩零件圖 CK116 A4 1份
24．錐銷零件圖 CK118 A4 1份
25．連接管零件圖 CK119 A4 1份
26．墊板零件圖 CK121 A4 1份
27．防護(hù)罩零件圖 CK122 A4 1份
28．接頭零件圖 CK123 A4 1份
15
收藏