[機(jī)械畢業(yè)論文]數(shù)控銑床十字工作臺及其支承件設(shè)計【專業(yè)答辯必備資料】

數(shù)控銑床十字工作臺及其支承件設(shè)計 論文摘要 ： 這次畢業(yè)設(shè)計我選擇的就是 MC01立式銑床工作臺及 支承件 設(shè)計。MC01立式銑床 是一種比較普通的數(shù)控機(jī)床，其最大的特點是 可用于中小型模具及復(fù)雜輪廓的金屬零件加工 。它在我國屬于普遍采用的技術(shù)項目，具有不錯的發(fā)展前途和市場潛力。 這次設(shè)計主要采用的是借鑒同類銑床的設(shè)計經(jīng)驗， 此次設(shè)計綜合考慮了剛度，抗振性，精度，熱變形和工藝性等諸多因素，結(jié)合 AutoCAD軟件制圖，完成了設(shè)計任務(wù)。 工作臺部分設(shè)計了兩個方向的底座和一塊 200X210的臺面， 選擇了伺服電機(jī)導(dǎo)軌與絲杠， 本次設(shè)計也有 不足之處，軸承沒有消除間隙的措施，影響了加工精度。 關(guān)鍵詞： 立式銑床 ； 十字工作臺 ； 支承件 目錄 1 緒論 . 1 1.1數(shù)控機(jī)床的基本概念 . 1 1.2數(shù)控銑床的功能 . 1 1.3數(shù)控銑床的總體結(jié)構(gòu) . 2 2 設(shè)計 MC01 型數(shù)控銑床 . 2 2.1 設(shè)計 MC01 型立式銑床的理由及根 據(jù) . 2 2.1.1 MC01 型立式銑床主要用途及特點 . 3 2.1.2 MC01 型立式銑床主要技術(shù)參數(shù) . 3 2.2數(shù)控銑床工作臺的 類型 . 4 2.3工作臺方案擬定 . 5 2.3.1 傳動方案 . 5 2.3.2 絲杠支承方案 . 6 3 支承件設(shè)計方案 . 6 3.1床身設(shè)計準(zhǔn)則 . 6 3.2 機(jī)座和箱體的截面形狀及肋板布置 . 8 3.2.1 機(jī)座和箱體的截面形狀 . 8 3.2.2 機(jī)座和箱體的肋板布置 . 9 3.3主要技術(shù)資料 . 10 3.3.1 主要技術(shù)參數(shù) . 10 3.3.2 附加技術(shù)條件及要求 . 10 3.4 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計要點 . 10 3.5 床身材 料 . 15 3.6 結(jié)構(gòu)參數(shù)及加工面的形位公差的選擇 . 15 4 設(shè)計計算 . 17 4.1電機(jī)類型選擇 . 17 4.2轉(zhuǎn)動慣量的計算 . 17 4.3所需電機(jī)扭矩計算 . 18 4.3.1 空載快速啟動時所需的最大扭矩 . 18 4.3.2 重切時所需扭矩計算 . 19 4.4 電機(jī)選擇 . 19 5 導(dǎo)軌方案 . 20 5.1 基本要求 . 20 5.2 滾動導(dǎo)軌優(yōu)點 . 21 5.3 滾動導(dǎo)軌的類型 . 21 5.4 滾動導(dǎo)軌 . 22 5.5 直線滾動導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)的減震 . 24 5.6 直線導(dǎo)軌副的使用說明 . 26 5.7 直線導(dǎo)軌副的安裝調(diào)整 . 26 5.8 導(dǎo)軌的壽命 . 27 5.9 導(dǎo)軌的選用 . 27 6 結(jié)論 . 28 7 謝 辭 . 29 參考文獻(xiàn) . 30 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 1 1緒論 1.1 數(shù)控機(jī)床的基本概念 1數(shù)控 即數(shù)字控制（ Numerical Control）是用數(shù)字化的信號對機(jī)床運動及其加工過程進(jìn)行控制的一種方法，簡稱 NC。 1) 數(shù)字信號 -指時間上和數(shù)值上都是離散的信號，即時間上不是連續(xù)的，信號 總是在高電平和低電平之間來回變化，只要能正確區(qū)分出信號的高和低就可以，至于高、低電平的精度在一定范圍內(nèi)為多少則無關(guān)系。 2) 模擬信號 -是指時間上和數(shù)值上都是連續(xù)的信號，一般用于模擬真實世界物理量信號。比如：語音、溫度、重力等等。模擬信號著重處理信號的幅值的變化和時間的連續(xù)性。 例如： 上述信號為模擬警笛發(fā)出的聲音信號，對該信號進(jìn)行放大后，推動嗽叭發(fā)出聲音。模擬信號缺點是容易受到溫度、電網(wǎng)干擾影響。 2數(shù)控系統(tǒng)： 數(shù)控系統(tǒng)是一種控制裝置，它自動閱讀輸入載體上事先給定的數(shù)字值， 并將其譯碼，從而使機(jī)床動作和加工零件。早期機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)叫 NC，也叫硬件 NC，因為各種控制動作主要由硬件集成電路完成。但由于計算機(jī)技術(shù)的長足發(fā)展，逐漸將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了數(shù)控機(jī)床上，也叫 CNC即 Computer Numerical Control ,簡稱 CNC系統(tǒng) 3數(shù)控系統(tǒng)組成： 1）硬件（印刷線路板，數(shù)字化集成電路，電纜，插頭，顯示器等） 2）軟件（系統(tǒng)軟件，用戶編程軟件，插補(bǔ)軟件等） 1.2 數(shù)控銑床的功能 數(shù)控銑床的功能有很多，不同檔次的數(shù)控銑床的功能有較大的差別，但都應(yīng)具備以下主要功能 ： 1) 銑削加工： 數(shù)控銑床一般應(yīng)具有三坐標(biāo)以上聯(lián)動功能，能夠進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，自動控制旋轉(zhuǎn)的銑刀相對于工件運動進(jìn)行銑削加工。坐標(biāo)聯(lián)動軸數(shù)越多，對工件的裝夾要求就越低，加工工藝范圍越大。 2) 孔及螺紋加工： 可以采用定尺寸孔加工刀具進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪、鏜削等加工，也可以采用數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 2 銑刀銑削不同尺寸的孔 。 1.3 數(shù)控銑床的總體結(jié)構(gòu) 數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 ,兩都的加工工藝基本相同 ,結(jié)構(gòu)也有些相似 ,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機(jī)床 ,所以其結(jié)構(gòu)也與普通銑床有很大區(qū)別 . 如圖所示，數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、 主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成： 1.主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。 2.進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進(jìn)給運動和旋轉(zhuǎn)運動。 3.控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加工。 4.輔助裝置 如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 5.機(jī)床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機(jī)床的基礎(chǔ)和框 架。 2 設(shè)計 MC01 型 數(shù)控銑床 2.1 設(shè)計 MC01 型立式銑 床的理由及根據(jù) MC01立式銑床 是一種比較普通的數(shù)控機(jī)床，其最大的特點是 可用于中小型模具及復(fù)雜輪廓的金屬零件加工 。它在我國屬于普遍采用的技術(shù)項目，具有不錯的發(fā)展前途和市場潛力。 這次設(shè)計主要采用的是借鑒同類銑床的設(shè)計經(jīng)驗，綜合考慮 機(jī)床 剛度，抗振性，精度，熱變形和工藝性等諸多因素，結(jié)合 AutoCAD 軟件數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 3 制圖，完成設(shè)計任務(wù)。 2.1.1 MC01 型立式銑床主要用途及特點 *機(jī)床采用彩色液晶顯示，控制系統(tǒng)可選用 586微機(jī)或西門子 802D數(shù)控系統(tǒng)。 *交流 伺服或步進(jìn)驅(qū)動。 *主軸變頻調(diào)速，三軸聯(lián)動。 *具有圖形模擬、動態(tài)圖形跟蹤及間隙補(bǔ)償功能（西門子 802D 系統(tǒng)除外）。 *可與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊加工。 *可用于中小型模具及復(fù)雜輪廓的金屬零件加工。 *用于各類機(jī)械培訓(xùn)部門進(jìn)行 CAD/CAM 及數(shù)控編程培訓(xùn)、技術(shù)開發(fā)、研究等 2.1.2 MC01 型立式銑 床主要技術(shù)參數(shù) 系統(tǒng)可選 工控機(jī) 西門子 802D 工作臺外形尺寸 mm 2002 20 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 4 T型槽數(shù)量 /螺栓尺寸 5/M12 允許載荷 kg 150kg 工作行程： mm 2002 00 X軸 400 Y軸 250 Z軸 主軸轉(zhuǎn)速 rpm 100 2000 50 5000 主傳動電機(jī) 1.1KW 3.5KW 主軸孔錐度 MAS-BT30 快速進(jìn)給 mm/min 5000 6000 工作進(jìn)給 12 500 10 3500 最小輸入單位 mm 0.01 0.001 定位精度 mm 0.01 重復(fù)定位精度 0.005 機(jī)床外形尺寸 mm 175014302350 凈重 kg 1500 2.2 數(shù)控銑床工作 臺的類型 在數(shù)控銑床上使用的工作臺主要有下列幾種：矩形工作臺使用最多，以表面上的 T 形槽與工件、附件等連接，基準(zhǔn)一般設(shè)在中間。方形回轉(zhuǎn)工作臺 ， 用于臥式銑床，表面以眾多分布的螺紋孔安裝工件。圓形工作臺 ， 可作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，表面 T 形槽呈放射狀分布（徑向）。 圖 1 十字工作臺 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 5 2.3 工作臺方案擬定 2.3.1 傳動方案 方案 1一級齒輪傳動 電動機(jī)通過一級齒輪傳動與絲杠連接。 因為齒輪傳動附帶有徑向力，會施加到絲杠上影響傳動精度。 方案 2聯(lián)軸器傳動 伺服電機(jī)直接通過聯(lián)軸器與絲杠連接 ，結(jié) 構(gòu)最為簡單。而且安裝方便。 本人選擇了型號為 lk13-c32-1012的彈性鍵膜聯(lián)軸器。 方案 3直線電機(jī) 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 6 2.3.2 絲杠支承 方案 絲杠選擇 FYND-2004-3-P4 3 支承件設(shè)計方案 3.1 床身設(shè)計準(zhǔn)則 剛度和強(qiáng)度的要求是床身，機(jī)架設(shè)計的重要設(shè)計準(zhǔn)則。對于某些床身，機(jī)架零件，還應(yīng)進(jìn)行震動穩(wěn)定性和熱變形的校核計算。 重載結(jié)構(gòu)均以強(qiáng)度設(shè)計為第一設(shè)計條件，如鍛錘支架，水壓機(jī)橫梁，顎式破碎機(jī)底座等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)器向高效，高精度發(fā)展，包括像軋鋼機(jī)架也由傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計向剛度設(shè)計轉(zhuǎn)變。 大多數(shù)的床身 ，機(jī)架設(shè)計是以剛度作為第一設(shè)計條件，如機(jī)床主軸箱及床身，立柱，機(jī)械壓力機(jī)機(jī)身等。按剛度條件設(shè)計所得到的截面尺寸一般比按強(qiáng)度設(shè)計所得的尺寸要大。因此，滿足剛度條件的床身，機(jī)架往往也滿足強(qiáng)度條件，但對某些結(jié)構(gòu)也不盡然， 剛度是滿足強(qiáng)度的重要條件，在床身，機(jī)架的受壓結(jié)構(gòu)和彎壓結(jié)構(gòu)中存在失穩(wěn)問題，薄壁床身，機(jī)加也存在局部失穩(wěn)問題，必須進(jìn)行校核。 1）強(qiáng)度 現(xiàn)行的強(qiáng)度設(shè)計主要以靜載荷作為依據(jù)，對于重要的床身，機(jī)架計算，還要考慮動載荷的影響；更精確的計算，應(yīng)采用同類機(jī)器中典型的工況載荷譜對其進(jìn)行動態(tài)分析，并校核其疲勞強(qiáng) 度。 強(qiáng)度條件中，除體積強(qiáng)度外，還要包括表面強(qiáng)度條件，具有導(dǎo)軌和滑道的機(jī)數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 7 架要考慮其表面擠壓強(qiáng)度和表面磨損強(qiáng)度。 2）剛度 以剛度作為設(shè)計條件時，是以載荷作用下產(chǎn)生的最大變形量 f 作為參數(shù)和其許用值 f p進(jìn)行比較，使其滿足 ff p。 3）振動穩(wěn)定性 當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率和外載荷周期變化的頻率相同或接近時，就會發(fā)生共振，使其失去振動穩(wěn)定性，影響機(jī)器的正常工作精度，甚至使床身，機(jī)架損壞。 振動 穩(wěn)定性的計算準(zhǔn)則就是使床身，機(jī)架的固有頻率和外載荷的激振頻率不相等也不接近。增大結(jié)構(gòu)剛度或減小質(zhì)量可提高其固有頻率，反之則降低固有頻率。 機(jī)床中的床身，立柱，橫梁和其他高精度下工作的床身，機(jī)架都要進(jìn)行振動穩(wěn)定性計算。對于不進(jìn)行振動穩(wěn)定性計算的床身，機(jī)架，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也要采取一些減振措施。 機(jī)座和箱體等零件工作能力的主要指標(biāo)是剛度，其次是強(qiáng)度和抗振性能；當(dāng)同時用作滑道時，滑道部分還應(yīng)具有足夠的耐磨性。此外，對具體的機(jī)械，還應(yīng)滿足特殊的要求，并力求具有良好的工藝性。 機(jī)座和箱體的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小，決 定于安裝在它的內(nèi)部或外部的零件和部件的形狀和尺寸及其相互配置、受力與運動情況等。設(shè)計時，應(yīng)使所裝的零件和部件便于裝折與操作。 機(jī)座和箱體的一些結(jié)構(gòu)尺寸，如壁厚、凸緣寬度、肋板厚度等，對機(jī)座和箱體的工作能力。材料消耗、質(zhì)量和成本，均有重大的影響。但是由于這些部位形狀的不規(guī)則和應(yīng)力分布的復(fù)雜性，以前大多是按照經(jīng)驗公式、經(jīng)驗數(shù)據(jù)或比照現(xiàn)用的類似機(jī)件進(jìn)行設(shè)計，而略去強(qiáng)度和剛度等的分析與校核。這對那些不太重要的場合雖是可行的，但卻帶有一定的盲目性（例如對減速器箱體的設(shè)計就是如此）。因而對重要的機(jī)座和箱體，考慮到上述 設(shè)計方法不夠可靠，或者資料不夠成熟，還需用模型或?qū)嵨镞M(jìn)行實測試驗，以便按照測定的數(shù)據(jù)進(jìn)一步修改結(jié)構(gòu)及尺寸，從而彌補(bǔ)經(jīng)驗設(shè)計的不足。但是，隨著科學(xué)技術(shù)和計算工具的發(fā)展，現(xiàn)在已有條件采用精確的計算方法（有限元法）來決定前述一些結(jié)構(gòu)尺寸。 關(guān)于增強(qiáng)機(jī)座和箱體剛度的辦法，除了前述選用完全封閉或僅一面敞開的空心矩形截面及采用斜肋板等較好的結(jié)構(gòu)外，還可采取盡量減少與其它機(jī)件的聯(lián)接面數(shù)；使聯(lián)接面垂直于作用力；使相聯(lián)接的各機(jī)件間相互聯(lián)接牢固并靠緊；盡顯減小機(jī)座和箱體的內(nèi)應(yīng)力以及選用彈性模量較大的材料等一系列的措施 。 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 8 設(shè)計機(jī)座和箱體時，為了機(jī)器裝配，調(diào)整、操縱、檢修及維護(hù)等的方便，應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)有大小適宜的孔洞。金屬切削機(jī)床的機(jī)座還應(yīng)具有便于迅速清除切屑或邊腳料的可能。 箱體零件上必須鏜磨的孔數(shù)及孔位置的相關(guān)影響應(yīng)盡量減少。位于同一軸線上的各孔直徑最好相同或順序遞減。 當(dāng)機(jī)座和箱體的質(zhì)量很大時，應(yīng)設(shè)有便于起吊的裝置，如吊裝孔，吊鉤或吊環(huán)等。如需用繩索捆綁時，必須保證捆吊時具有足夠的剛度，并考慮在放置平穩(wěn)后，繩索易于解下或抽出。 3.2 機(jī)座和箱體的截面形狀及肋板布置 3.2.1 機(jī)座和箱體的 截面形狀 絕大多數(shù)的機(jī)座和箱體受力情況都很復(fù)雜，因而要產(chǎn)生拉伸（或壓縮）、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形。當(dāng)受到彎曲或扭轉(zhuǎn)時截面形狀對于它們的強(qiáng)度和剛度有著很大的影響。如能正確設(shè)計機(jī)座和箱體的截面形狀，從而在既不增大截面面積，又不增大（甚至減?。┝慵|(zhì)量（材料消耗量）的條件下，來增大截面系數(shù)及截面的慣性矩就能提高它們的強(qiáng)度和剛度。表 17一 1中列出了常用的幾種截面形狀（面積接近相等）通過它們的相對強(qiáng)度和相對剛度的比較可知：雖然空心矩形截面的彎曲強(qiáng)度不及工字形截面的，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不及圓形截面的，但它的扭轉(zhuǎn)剛度卻大得很多；而且 采用空心矩形截面的機(jī)座和箱體的內(nèi)外壁上較易裝設(shè)其它機(jī)件。因而對于機(jī)座和箱體來說它是結(jié)構(gòu)性能較好的截面形狀。實用中絕大多數(shù)的機(jī)座和箱體都采用這種截面形狀就是這個緣故。 常用的幾種截面形狀的對比 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 9 3.2.2 機(jī)座和箱體的肋板布置 一般地說，增加壁厚固然可以增大機(jī)座和箱體的強(qiáng)度和剛度，但不如加設(shè)肋板來得有利。因為加設(shè)肋板 時既可增大強(qiáng)度和剛度，又可較增大壁厚時減小質(zhì)量；對于鑄件，由于不需增加壁厚，就可減少鑄造的缺陷；對于焊件則壁薄時更易保證焊接的品質(zhì)。特別是當(dāng)受到鑄造、焊接工藝及結(jié)構(gòu)要求的限制時，例如為了便于砂芯的安裝或清除，以及需在機(jī)座內(nèi)部裝置其它機(jī)件等等，往往需把機(jī)座制成一面或兩面敞開的，或者至少需在某些部位開出較大的孔洞，這樣必然大大削弱了機(jī)座的剛度，此時則加設(shè)助板更屬必要。因此加設(shè)助板不僅是較為有利的，而且常常是必要的。 肋板布置的正確與否對于加設(shè)肋板的效果有著很大的影響。如果布置不當(dāng)，不僅不能增大機(jī)座和箱體的強(qiáng) 度和剛度，而且會造成浪費工料及增加制造困難。由表 17 2所列的幾種肋板布置情況即可看出：除了第 5、6號的布置情況外，其它幾種肋扳布置形式對于彎曲剛度增加得很少；尤其是第3， 4號的布置情況，相對彎曲剛度 Cb的增加值還小，相對質(zhì)量 R的增加值 (Cb/R200*200 500*500 6 10 500*500 15 20 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 16 直線度、平面度公差值與應(yīng)用 公差等級 主參數(shù) L/mm 應(yīng) 用 250 400 400 630 630 1000 1000 1600 1600 2500 公差值 m 1 1.2 1.5 2 2.5 3 精密量具、要求極高的精密 機(jī)械零件 2 2.5 3 4 5 6 3 5 6 8 10 12 1級樣板平尺工作面 4 8 10 12 15 20 用于量具、高精度機(jī)床導(dǎo)軌 5 12 15 20 25 30 1級平板，平面磨床縱導(dǎo)軌 (根據(jù)所得資料 )綜合考慮機(jī)床的加工精度和加工成本，各加工面的形位公差選擇 3級。具體為安裝導(dǎo)軌下表面的兩個面的互為基準(zhǔn)平行度 0.01/1000mm、直線度 0.01/1000mm，粗糙度 0.8um；與導(dǎo)軌側(cè)面接觸的兩面以安放導(dǎo)軌面為基準(zhǔn)平行度 0.01/1000mm、平面度 0.01mm，粗糙度 0.8um；安裝刀架面的平面度 0.01mm，相對導(dǎo)軌安裝面的平行度 0.01mm，表面粗糙度 1.6um。 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 17 4 設(shè)計計 算 4.1 電機(jī)類型選擇 選擇電機(jī)類型時，要根據(jù)總體設(shè)計方案的要求在滿足主要技術(shù)性能的前提下，綜合考慮電機(jī)的參數(shù)。對于 FANUC 的進(jìn)給伺服電機(jī)來說，分大扭矩大慣量的 C系列和小扭矩小慣量的系列兩大類。大慣量電機(jī)低速性能好，可與絲杠直聯(lián)，而且由于其本身慣量大，系統(tǒng)時間特性可預(yù)知受機(jī)械傳動的影響小容易調(diào)試，適于中等規(guī)格的數(shù)控機(jī)床應(yīng)用 ，故確定采用 FANUC的 C系列電機(jī)。 4.2 轉(zhuǎn) 動慣量的計算 1)回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn) 動慣量 ).(328mdJ 242R mkgld 其中： d 直徑 (m)； l 長度 (m)； 鋼的密度 =7800kg m2 絲杠外徑為 0.028m， l=0.824m。那么，由上式可以得出： 244R .0 0 0 4.032 8 2 4.00 2 8.07 8 0 032 ldJ mkg 2)直線運動件向 絲杠折算的慣量 ).(2J 22L mkgPM 其中： M 質(zhì)量 (Kg，主要包括溜板、刀架、刀盤等 )； P 絲杠螺距 (m)。 直線運動件質(zhì)量 M=3OOkg，絲杠螺距 P=0.01m。 那么，由上式可以得出： 22L .0008.0201.0300J mkg 3)聯(lián)軸器的轉(zhuǎn) 動慣量 聯(lián) 軸器為外購件，根據(jù)聯(lián)軸器樣本 (上海席特傳動 )可以查出 2W .0004.0J mkg 4)折算至電機(jī)軸 上的總慣量 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 18 2WLR .0 . 0 0 1 60 . 0 0 0 40 . 0 0 0 7 60 . 0 0 0 3 9JJJJ mkg 4.3 所需 電機(jī)扭矩計算 電機(jī)的扭矩選擇很重要，直接影響機(jī)床的性能和制造成本：在實際設(shè)計當(dāng)中我們通常分兩步走，一是計算快速空載啟動時所需的最大扭矩，再個就是計算機(jī)床重切時所需的最大扭矩，以兩者中最大值作為選擇電機(jī)的依據(jù)。 4.3.1 空載 快速 啟動時所需的最大扭矩 1） 折算至電機(jī)軸 上的最大加速力矩 mNt Jna.602T m a xm a xn 其中： 要求 X向快移速度 20m/min絲杠螺距為 0.01m 則 m in/2 0 0 001.0/20n m a xn r J 折算至電機(jī)軸上的系統(tǒng)總慣量 0.0016kg.m2； at 加速時間 (s)，Ks3ta ， Ks 系統(tǒng)增益，取 120 sKs ，則 sKs 15.03t a 。 那么，由上式可以得出： mNt Jna.23.215.060 0 0 1 6.02 0 0 02602T m a xm a xn 2） 折算至電機(jī)軸上 的摩擦力矩 mNiPF .2T 0f 其中：0F 導(dǎo)軌摩擦力 N，0F=Mf，而 f 摩擦系數(shù) =0.018(TSF軟帶 淬火鋼，油潤滑 ) 所以， Nfg 12.1 4 10 1 8.08.93 0 0MF0 ； p 絲杠螺距， 0.01m； 傳動鏈總效率，滾珠絲杠副 98.0 ； i 齒輪降速比，無齒輪減速， 1i 。 那么，由上式可以得出： mNiPF .229.0198.02 01.02.1412T 0f 3） 折算至電機(jī)軸上 的由絲杠予緊引起的附加摩擦力矩 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 19 iPP21T 2000 其中：0P 滾珠絲杠予加載荷 2060N3F 2 0 滾珠絲杠副未予緊時的傳動 效率 0.9。 那么，由上式可以得出： miPP N.6 3 6.0198.029.0101.02 0 6 021T 22000 4） 空載快速啟動 時所需的最大扭矩 3 . 0 1 M . m0 . 6 3 60 . 2 2 92 . 2 3TTT 0fm a x T 4.3.2 重切時所 需扭矩計算 1)重切時切削 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2FT z p切 其中： zF Z向進(jìn)給力 =6180N 那么： Nmp 84.92FT z 切 2)重切時的摩擦 力矩 2TpfFgM yf切 其中：yF Y向切削分力 =0.7 2F =2472N則： mpfFgM yf N296.0201.0018.02 4 7 28.98002T 切 3)重切時所需扭 矩 3 . 0 1 M . m0 . 6 3 60 . 2 2 92 . 2 3TTT 0fm a x T 4.4 電機(jī)選擇 根據(jù)機(jī)床設(shè)計要求選擇的電機(jī)扭矩應(yīng)大于機(jī)床最大扭矩，其次等效電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量與電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量之比最好在 0.25 1范圍內(nèi)；不要超過 1，否則容易產(chǎn)生工作臺停止不穩(wěn)、振蕩等慣量不匹配現(xiàn)象；小于 0.25，則造成電機(jī)性能浪費。 通過以上計算可知，電機(jī)扭矩應(yīng)大于 10.77Nm，慣量大 于 0.0016kg.m2 ，在伺服電機(jī)系列中符合條件且最為合適的電機(jī)應(yīng)該是僅 12/3000i，該電機(jī)額定數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 20 扭矩 12Nm，轉(zhuǎn)動慣量 0.0062kgm，完全可以勝任 AD25X全功能數(shù)控車床 X向伺服驅(qū)動工作。通過以上設(shè)計計算，伺服進(jìn)給電機(jī)的選擇主要和電機(jī)的扭矩和電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)系：如果選擇的數(shù)值太大，則造成電機(jī)的功能、經(jīng)濟(jì)浪費如果太小，則使機(jī)床不能正常工作。 伺服電機(jī)總體特性 環(huán)境參數(shù) Ambient Parameter Ambient Temperature -10C 40C 安裝與防護(hù) Mounting and Enclosure 絕緣等級 Insulations class: F； 防護(hù)等級 Enclosure: IP65； 安裝方式 Mounting Mode: B5 傳感器 Sensor 增量混合式編碼器 Incremental Encoder(ZDK-12): 3000ppr 5 導(dǎo)軌方案 5.1 基本要求 1. 一定的導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度是指運動導(dǎo)軌沿著支承導(dǎo)軌運動時，直線運動導(dǎo)軌的 直線性及圓周運動導(dǎo)軌的真圓性，及導(dǎo)軌同其它運動件之間相互位置的準(zhǔn)確性。導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度變化會引起工件的尺寸誤差、形狀 誤差及相對位置誤差，從而影響機(jī)床的加工精度。影響它的主要因素：導(dǎo)軌的類型、組合形式與尺寸、導(dǎo)軌本身的幾何精度、制造精度及裝配精度、導(dǎo)軌和基礎(chǔ)件結(jié)構(gòu)剛度和熱變形、動壓導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌之間油膜的剛度、導(dǎo)軌的間隙及其調(diào)整方法等。 2一定的剛度 在外力作用下，各種變形集中反映到導(dǎo)軌面上，以致降低了機(jī)床的使用性能。直接影響部件之間的相對位置精度和導(dǎo)向精度。因此，為了平衡或減輕外力的影響，就要加強(qiáng)導(dǎo)軌部分的剛度，盡量減少導(dǎo)軌的變形。導(dǎo)軌的變形由兩部分組成。一部分是導(dǎo)軌本身的變形，包括導(dǎo)軌受壓后的接觸變形、彎曲變 形及扭轉(zhuǎn)變形。另一部分是由于床身的變形而引起導(dǎo)軌的變形。 3耐磨性好 導(dǎo)軌表面在一定的壓力下，以一定的速度相對運動，潤滑條件和雜質(zhì)的侵入對于導(dǎo)軌的磨損都有很大的影響。導(dǎo)軌的耐磨性能好與壞，直接影響機(jī)床工作精度及使用壽命。因此，要盡可能減輕導(dǎo)軌的磨損，且應(yīng)在磨損后能夠自動補(bǔ)償或便于調(diào)整。改善導(dǎo)軌的耐磨性可從導(dǎo)軌的材料、導(dǎo)軌表面的硬度及熱處理、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)、尺寸與表面粗糙度、導(dǎo)軌潤滑與防護(hù)以及導(dǎo)軌間隙的補(bǔ)償與調(diào)整等方面來考慮。 4低速平穩(wěn)性 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 21 當(dāng)運動導(dǎo)軌作低速運動或微量 移動時，應(yīng)保證導(dǎo)軌運動平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行 現(xiàn)象，機(jī)床的爬行現(xiàn)象將影響被加工零件粗糙度和加工精度，特別是對高精度機(jī)床來說，必須引起足夠的重視。 5結(jié)構(gòu)工藝性 在可能的情況下，設(shè)計時應(yīng)盡量使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于制造、調(diào)整和維護(hù)。對于刮研導(dǎo)軌應(yīng)盡量減少刮研量，對于鑲裝導(dǎo)軌，應(yīng)做到更換容易，力求工藝性及經(jīng)濟(jì)性好。 5.2 滾動 導(dǎo)軌 優(yōu)點 1）運動靈敏度高，其摩擦系數(shù)僅為 0.0025 0.005。遠(yuǎn)小于滑動導(dǎo)軌的靜、 動摩擦系數(shù)?；瑒訉?dǎo)軌的動摩擦系數(shù)為 0.1 0.2。 2）定位精度高。定位 誤差約為 0.1 0.2微米。 3）啟動力小，移動輕便。 4）具有較高的耐磨性，精度保持性好。 5）潤滑系統(tǒng)簡單，維護(hù)方便。（只需更換滾柱體） 滾動導(dǎo)軌有下列缺點： 1）抗振性差。 2）由于滾動體與導(dǎo)軌是點接觸或線接觸，接觸應(yīng)力大，承載能力較小。 3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，制造困難，成本高。 5.3 滾動 導(dǎo)軌的類型 1）按滾動體類型分類：滾珠、滾柱和滾針三類。 滾珠式為點接觸，承載能力差，剛度低，多用于小載荷。滾柱式為線接觸，承載能力高，剛度好，用于較大載荷。滾針式 為線接觸，常用于徑向尺寸小的導(dǎo)軌。 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 22 2）按循環(huán)方式分類：循環(huán)式與非循環(huán)式。 循環(huán)式滾動導(dǎo)軌的滾動體在運行過程中沿自己的工作軌道和返回軌道作連續(xù)循環(huán)運動。 （圖 3-116） 非循環(huán)式滾動導(dǎo)軌的滾動體在運行過程 中不循環(huán)，因而行程有限。 （圖3-115c） 5.4 滾動導(dǎo)軌 1）直線滾動導(dǎo)軌的特點 簡稱直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌副是由一根長導(dǎo)軌軸和一個或幾個滑塊組成，如右圖所示。滑塊內(nèi)有四組滾珠或滾柱， 1 與 2、 3 與 4、 5 與 6、 7 與 8 各為一組，其中 2、 3、 6、 7為負(fù)載 滾珠或滾柱， 1、 4、 5、 8為回珠（回柱）當(dāng)滑塊相對導(dǎo)軌軸移動時，每一組滾珠或滾柱都在各自的滾道內(nèi)循環(huán)運動，循環(huán)承受載荷，承受載荷形式與軸承類似。四組滾珠（滾柱）可承受除軸向力以外的任何方向的力和力矩?；瑝K兩端裝有防塵密封墊。 優(yōu)點： 摩擦系數(shù)小，精度高。 安裝、維修方便。對支承其部件要求不高。 可預(yù)緊，所以有較高的剛度和承載能力。 移動速度快，可達(dá)到 60m/min。 缺點： 抗振性和承載能力均不如滑動導(dǎo)軌。因此，有過 大的振動和沖 擊載荷的機(jī)床不宜采用直線導(dǎo)軌。 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 23 2）直線滾動導(dǎo)軌的安裝特點 直線導(dǎo)軌通常是兩條成對使用，可以水平安裝，也可以豎直或傾斜安裝。有時也可以多個導(dǎo)軌平行安裝，當(dāng)長度不夠時可以多根接長安裝。 單導(dǎo)軌定位安裝 為保證兩條（或多條）導(dǎo)軌平行，通常把一條導(dǎo)軌作為基準(zhǔn)導(dǎo)軌，安裝在床身的基準(zhǔn)面上，底面和側(cè)面都有定位面，另一條導(dǎo)軌作為非基準(zhǔn)導(dǎo)軌，床身上沒有側(cè)向定位面，固定時以基準(zhǔn)導(dǎo)軌為定位面固定。這種安裝方式易保證平行。 雙導(dǎo)軌定位安裝 兩導(dǎo)軌的側(cè)面都要定位。這種定位方式對定位面的平行度要求高。 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 24 5.5 直線滾動導(dǎo)軌導(dǎo)向系統(tǒng)的減震 近年來，隨著數(shù)控機(jī)床和精密加工的發(fā)展，對機(jī)床導(dǎo)向系統(tǒng)的要求越來越高，它是決定機(jī)床加工精度、工作效率和使用壽命的重要因素。許多設(shè)備都選用國內(nèi)外專業(yè)工藝裝備廠生產(chǎn)的機(jī)床功能部件 直線滾動導(dǎo)軌作為導(dǎo)向支承。由于直線滾動導(dǎo)軌使用淬硬的導(dǎo)軌和預(yù)緊 (無間隙 )的滾珠或滾柱滑塊作為接觸副，所以具有摩擦系數(shù)小、承載能力大、剛性好、使用壽 命長的特點，可達(dá)到很高的進(jìn)給速度和定位精度。 但滾動導(dǎo)軌與傳統(tǒng)的平面滑動導(dǎo)軌相比較，因其滾動接觸面是點或線，減振性能相對要差一些。有的導(dǎo)軌制造商曾采用對滾動導(dǎo)向系統(tǒng)增加預(yù)載荷的方法來改善減振性能，然而實際試驗表明這種方法效果不明顯。 增加預(yù)載荷只是改變了共振頻率，而對減振沒有多大改善。相反，由于增加滾動導(dǎo)向系統(tǒng)的預(yù)載荷，加大了滾動元件的變形，從而增大導(dǎo)向機(jī)構(gòu)位移阻力，使接觸面磨損加快，勢必影響導(dǎo)向元件的工作壽命。有效的減振方法可通過附加減振元件的方法來實現(xiàn)。我們這次在產(chǎn)學(xué)研合作項目 “ SHZ1044雙 主軸立式車削中心”研制過程中，采取了兩種形式的滾動導(dǎo)軌減振措施，取得良好效果。 數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 25 (a)帶有阻尼滑座的滾柱導(dǎo)軌 (b)阻尼滑座剖面圖 圖 1 具有減振功能的滾柱導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 阻尼滑座包括一個鋼結(jié)構(gòu)主體，其內(nèi)表面用專門的噴涂工藝噴涂了一種滑動支承材料，制造時與相配合的導(dǎo)軌配磨加工，使這層滑動支承材料與所對應(yīng)的導(dǎo)軌表面均形成 0.03mm 的間隙，見圖 1b。阻尼滑座與導(dǎo)軌表面不直接接觸，中間留有一定的間隙，間隙中充滿潤滑油，這層油膜能起到一個擠壓油膜減振器作用，可達(dá)到良好的減振效果。由于這層 0.03mm 的油膜很薄，可以產(chǎn)生毛細(xì)作用，所以耗油很少，工作時，只需象滾 動滑塊一樣定時在滑座的注油孔中滴入潤滑油即可。這種減振型滾動導(dǎo)向系統(tǒng)既保持了原有直線滾動導(dǎo)軌運行輕捷快速的特點，又具有滑動導(dǎo)軌減振性能好的優(yōu)點。 擠壓膜減振原理如圖 2所示，其減振因數(shù) d為 式中： 油液粘度 b 擠壓膜寬度 h 擠壓膜高度 l 減振元件長度 很明顯寬度 b 是減振的主要因數(shù)，在設(shè)計時要考慮此因數(shù)；另外增加長度 l理論上也可得到好的減振效果，然后實際上隨著長度增加會遇到一個減振的“飽和點”，超過此點，減振性能將不再增加。 阻尼滑座可與相應(yīng)的滾動滑塊配套定制，安裝也十分方便，安裝時將滑座調(diào)數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 26 整至兩側(cè)間隙相同，然后擰緊螺栓即可。 目前這種阻尼滑座僅配套于直線滾柱導(dǎo)向系統(tǒng)，而在滾珠滑塊的導(dǎo)向系統(tǒng)上未見到應(yīng)用，原因是滾珠接觸的導(dǎo)軌面是曲面，對應(yīng)滑塊偶件之間的這層 0.03mm的間隙難以加工，擠壓 油膜容易流失。 5.6 直線導(dǎo)軌副的使用說明 1)基礎(chǔ)件上安裝導(dǎo)軌副的安裝平面的精度要求： 使用單根導(dǎo)軌副的安裝面其平面精度可略低于導(dǎo)軌副運行精度。 同一平面內(nèi)使用兩根或兩根以上導(dǎo)軌副時，其安裝面精度可低于導(dǎo)軌副運行精度。建 議按下表選用的精度要求： 安裝側(cè)基面平行度誤差 b 安裝基面高度度誤差 h=k b 預(yù)載類型 預(yù)載類別 P0 P1 P P3 計算系數(shù) P0 P1 P P3 0.010 0.015 0.020 0.030 k 0.00004 0.00006 0.00008 0.00012 基礎(chǔ)件滑塊安裝面的高度誤差為 s=0.00004b 2)導(dǎo)軌副連接基準(zhǔn)面的結(jié)構(gòu)形式： 5.7 直線導(dǎo)軌副的安裝調(diào)整 安裝與使用 請小心輕拿輕放，避免磕碰以影響導(dǎo)軌副的直線精度。不允許數(shù)控銑床十字工作臺及支承件設(shè)計 27 將滑塊拆離導(dǎo)軌或超過 行程又推回去。若因安裝困難，需要拆下滑塊，可向我公司定購引導(dǎo)軌。（引導(dǎo)軌是 一種裝配輔助工具，其實際尺寸比導(dǎo)軌小一號。需要時，可將導(dǎo)軌與引導(dǎo)軌的端頭對 接，把滑塊從導(dǎo)軌推到引導(dǎo)軌上，當(dāng)導(dǎo)軌安裝好后，再將滑塊從引導(dǎo)軌推到導(dǎo)軌上， 注意基準(zhǔn)方向）。 5.8 導(dǎo)軌 的壽命 滾動直線導(dǎo)軌是七十年代末發(fā)展起來的一種 具有獨特機(jī)械性能的新型滾動支承部件 ,目前已在機(jī)械設(shè)備、精密電子機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人及測量儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。影響滾動直線導(dǎo)軌壽命的因素有 很多 ,如材質(zhì)、潤滑、防塵條件、振動等 ,即使制造方法和使用條件完全相同 ,對于不同組件的滾動直線導(dǎo)軌來講 , 它們的壽命分布也具有很大的離散性。因此 ,衡量滾動直線導(dǎo)軌壽命的長短是按照以破壞概率為理論根據(jù)的額定壽命為標(biāo)準(zhǔn)。滾動直線導(dǎo)軌額定壽命的定義為 :在相同的工作條件下 ,同一批導(dǎo)軌組件分別運行 , 其中 90 %的導(dǎo)軌組件尚未出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象之前 ,滑塊相對于導(dǎo)軌運行距離的總和 ( 用 L 10表示 ) 或一定運行速度下的工作小時數(shù)。當(dāng)滾動體為鋼球時 , 取 L 10的單位為 50km。在文獻(xiàn) 1 中 ,給出了滾動直線導(dǎo)軌額定壽命計算的基本公式 : 100310 FCL 式中 C 為額定動載荷 , F 工作時的實際載荷。若以工作小時數(shù)來表示壽命 ,當(dāng)行程長度和滑塊往復(fù)運行次數(shù)一定時 , 可用下式來求出 : L 10 h =L 10 1032 ls n 60,式中 ls 為滑塊單向行程 (m) ,n 為滑塊每分鐘往復(fù)次數(shù) (次 / 分 ) 。 5.9 導(dǎo)軌 的選用 考慮 MC01立式銑床 精度的要求 ，本次設(shè)計選用 深圳市博特精密公司 滾動導(dǎo)軌， 型號為 LG55KL-F2*2*786-3。 主要性