大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過(guò))

下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 目錄 目錄 . 1 中文摘要 . 2 Abstract . 2 第 1 章 緒論 . 3 第 2 章 數(shù)學(xué)模型及工藝分析 . 6 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學(xué)模型的建立 . 6 2.2 割炬運(yùn)動(dòng)分析 . 7 2.3 焊接坡口工藝分析 . 8 2.4 割炬的徑向補(bǔ)償 . 9 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局 . 9 3.1 機(jī)床 總體方案 . 9 3.2 切割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說(shuō)明 . 9 3.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析 .11 第 4 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 12 4.1 Z 軸工作滑臺(tái)的設(shè)計(jì) . 12 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè)計(jì) . 19 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 . 20 4.4 支架的設(shè)計(jì) . 21 第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 22 5.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) . 22 5.2 控制系統(tǒng)的選用 . 23 5.3 數(shù)控裝置的部件結(jié)構(gòu)和安裝 . 24 5.4.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 25 5.5 圖形交互人機(jī)界面 . 26 總 結(jié) . 27 鳴 謝 . 26 參 考文獻(xiàn) . 27 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 中文摘要 本設(shè)計(jì)以相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的基礎(chǔ) , 分析切割機(jī)的割炬的軌跡運(yùn)動(dòng) , 將切割運(yùn)動(dòng)分解為割炬回轉(zhuǎn)、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補(bǔ)償四軸聯(lián)動(dòng) ,對(duì)鋼管相貫焊接坡口數(shù)控切割運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究 ,并最終完成相貫線切割機(jī)的設(shè)計(jì) .該切割機(jī)采用數(shù)控原理進(jìn)行軌跡控制，采用火焰切割方式工作 .設(shè)計(jì)共分四部分 :相貫線數(shù)學(xué)參數(shù)模型的建立 ,切割機(jī)總體方案設(shè)計(jì) ,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 關(guān) 鍵 詞 :大型管材 ；相貫線 ；焊接坡口 ；數(shù)控火焰切割 Abstract Based on the mathematical model of intersecting line and the analysis of the track of cutting torch, the design studies NC cutting movement for welding groove of pipe intersecting and finishes the design of pipe intersecting line cutting device . The cutting movement was divided into four axis relative motions of cutting torch, i. e. rotate round the pipe, shift along pipe, swing and compensate along radial direction. The device uses NC principle for intersecting line track control, the cutting method is flame-cutting. And the design contains four sections: the establishment of mathematical model of intersecting line, the design of the whole scheme, the design of mechanical structure and the design of NC control system. Keywords: Large-scale pipe； Intersecting line； Welding groove； NC flame-cutting 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 湖南工學(xué)院機(jī)械工程系數(shù)控 0401,2000121509,黃俊 指導(dǎo)教師：黃開有 第 1 章 緒論 隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展 ,海洋工程結(jié)構(gòu)建造將面對(duì)面大量的鋼管相貫的加工 .南海西部石油合眾 公司，主要以海上平臺(tái)上部模塊建造工程為主 ,而大型管材相貫是該海上平臺(tái)加工制造過(guò)程中經(jīng)常遇見的切割焊接結(jié)構(gòu) .相貫焊接前 ,管端相貫 線需要加工 ,相貫線上每一點(diǎn)的焊接坡口也需要加工 .根 據(jù)石油天然氣行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn) (SY/T 4802-92)和美國(guó)石油協(xié)會(huì) 標(biāo)準(zhǔn) (API PI 2A),相貫線上每一點(diǎn)的焊接坡口取決于該 點(diǎn)的局部?jī)擅娼?. 不同形式的鋼管相貫 ,相貫線上每一點(diǎn) 的局部?jī)擅娼歉鞑幌嗤?,局部?jī)擅娼茄叵嘭灳€在不斷變化 . 目前，該公司切割下料以人工作業(yè)為主，對(duì)于這種帶坡口相 貫線均采用人工放樣等工藝方法來(lái)進(jìn)行加工 ,因此下料工作 進(jìn)度與效率成為影響整個(gè)平臺(tái)建造工程進(jìn)度的主要因素，為 改變工作強(qiáng)度大和效率低的現(xiàn)狀 ,本課題嘗試運(yùn)用所學(xué)的機(jī)電 一體化的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行大型管材相貫線切割機(jī)的設(shè)計(jì) . 全套資料帶 CAD圖， QQ聯(lián)系 414951605或 1304139763 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 本課題所研究的大型管材相貫線切割機(jī)是屬于 數(shù)控火焰切割機(jī) ,它 具有一般數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，能根據(jù)數(shù)控加工程序 ,自動(dòng)完成從點(diǎn)火 -預(yù)熱 -通切割氧 -切割 -熄火 -返回原點(diǎn)的整套切割過(guò)程。但數(shù)控火焰切割機(jī)又有別于一般數(shù)控金屬切削機(jī)床，它利用氧 -乙炔火焰把鋼板割縫加熱到熔融狀下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 態(tài)，用高壓氧吹透鋼板進(jìn)行切割 ,而不像金屬切削機(jī)床那樣 ,是用金屬切削工具與工件剛性接觸來(lái)進(jìn)行切削加工。 目前這種 數(shù)控火焰切割機(jī) 仍依賴進(jìn)口 .因此 ,開發(fā)這種 火焰切割機(jī) 具有重要的意義 . 第 2 章 數(shù)學(xué)模型及工藝分析 2.1 鋼管典型相貫線數(shù)學(xué)模型的建立 如圖 2-1 所示 ,空間相貫線是一個(gè)復(fù)雜的空間 曲線 ,描述其軌跡需要用空間坐標(biāo)方程 f(x,y,z)=0, 其函數(shù)關(guān)系復(fù)雜 ,但由于相貫線是兩個(gè)圓柱的交線 , 所以 ,采用柱坐標(biāo)可以把三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為二維坐標(biāo)方 程 f(h,)=0.以下相貫線均指支管內(nèi)圓柱和主管外圓柱相貫 . 圖 2-1 空間相貫線曲線 如圖 2-2 所示 ,在空間三維坐標(biāo) 系下兩圓柱的相貫線方程為 (1) (2) 式中 r - 支管半徑 (mm) R - 主管半徑 (mm) Oxyz 坐標(biāo)系與 Oxyz 坐標(biāo)系間存在以下坐標(biāo)變換關(guān)系 圖 2- 2 兩圓柱的相貫線 (3) (4) 2 2 2y z R2 2 2y z r c o s s i nx x y s i n c o sy x y 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 22 ( ) s i n ( ) ( c o s ( )( s i n t a nR r e rhf 1(5) 式中 - 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角 ,亦即兩管交角 . 在平面內(nèi)支管圓柱面的方程為 (6) (7) 圖 2- 3 支管圓柱面的方程 式中 - 支管上的旋轉(zhuǎn)角 . 由式 (1)(7) 式得出兩圓柱相貫線各點(diǎn)的參數(shù)方程如下 (8) (9) (10) 取在 Oxyz 坐標(biāo)系下過(guò)相貫線上 x 軸坐標(biāo)值最大的點(diǎn)且垂直于 x 軸的平面為下料基準(zhǔn)面 .其在 Oxyz 坐標(biāo)系下的方程為 (11) 由此可得支管下料高度為 (12) 即下料高度 h 是支管上的旋轉(zhuǎn)角 的函數(shù) : (13) 以上討論的是典型相貫線數(shù)學(xué)方程 ,即兩圓柱軸線相交成一角度 .在兩圓柱軸線異面并有一偏心距 e 時(shí) ,其相貫線方程為 : 式中 - 支管壁厚 (mm) - 扭轉(zhuǎn)角 ,標(biāo)志主管相對(duì)于支管的扭轉(zhuǎn)角度 . 2.2 割炬運(yùn)動(dòng)分析 zz c o syr s inzr c o s c o ss i nyrx 22 s i ny R r s i nzr c o t c s cx r R( c o t c s c ) ( c o s s i n )h r R x y c o s c o s 22( ) ( c o t c s c ) ( c o s s i n s i n )s i nyrh f r R R r 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 1如圖 2-3 所示 ,被切支管保持不動(dòng) , 割炬沿被切支管做 R 軸 (旋轉(zhuǎn)軸 ),T 軸 (擺動(dòng)軸 ),A 軸 (縱向補(bǔ)償軸 )三軸和環(huán) 架的 Z 軸 (軸向移動(dòng) )共四軸聯(lián)動(dòng) .正式 切割前 ,手動(dòng)完割炬和環(huán)架的徑向運(yùn)動(dòng) , 以調(diào)整割炬與被切管徑向位置 ；在切割 過(guò)程中 , 割炬按照設(shè)定 速度繞被切管作 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) , 被切管剖面的擺動(dòng)和徑向補(bǔ) 償運(yùn)動(dòng) ,環(huán)架沿被切管軸向作軸向移動(dòng) , 其速度大小是由管壁厚和害炬回轉(zhuǎn)速度 決定 . 割炬在被切管剖面的擺動(dòng)角度按 工藝規(guī)范切出坡口 .四軸必須按照一定 的數(shù)學(xué)關(guān)系聯(lián)動(dòng) ,才能切出所需的空間相 貫曲面 . 圖 2-4 割炬運(yùn)動(dòng) 注 :1肖聚亮 ,王國(guó)棟 .火焰數(shù)控切管機(jī)割炬軌研究及仿 真 2.3 焊接坡口工藝分析 根據(jù)焊接工藝要求 ,為保證構(gòu)件的強(qiáng)度和避免較大的焊縫尺寸 ,一般中厚板的接頭都要進(jìn)行開坡口焊接 .因此 ,切管時(shí)不僅要切出相貫線 ,還要切出坡口角 ,切管機(jī)最后切出的管端形狀是空間曲面 .根據(jù)美國(guó)焊接學(xué)會(huì) AWS D1.1規(guī)范要求 ,所開焊接坡形式 ,根部間隙和鈍邊高度均取決于相交雙管相貫線上各部位的局部二面角 .而支管下料時(shí)切割高度曲線的確定也與相貫線上的局部二面角相關(guān) .不同管徑 ,不同厚度 ,不同交角的相交雙管的相貫線上的各部位局部二面角各不相同 .在工程實(shí)際中 ,焊接坡口角度是通過(guò)鈍邊和坡口切割高 度來(lái)保證的 . 圖 2-5 焊接坡口參數(shù)及裝配規(guī)范 坡口角的取值是根據(jù)兩面角的大小來(lái)決定 .相貫線上任選兩點(diǎn)兩面角 為 : a r c c o s c o s ( ) 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (SY/T 4802-92)和美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (API PI 2A)來(lái)確定坡口角 .按 API標(biāo)準(zhǔn) 當(dāng) 90 時(shí) ,坡口角 = /2； 當(dāng) 90 時(shí) , = 45 . 2.4 割炬的徑向補(bǔ)償 在實(shí)際切割過(guò)程中是沿支管外表面進(jìn)行的 ,在這一過(guò)程中不僅要完成相貫線的切割 ,也要完成坡口的切割 .坡口角是由實(shí)際 切割角 來(lái)保證 ,實(shí)際切割角由割炬 繞支管外表面一點(diǎn)在軸剖面內(nèi)偏轉(zhuǎn)實(shí) 現(xiàn)的 ,其偏轉(zhuǎn)的結(jié)果不應(yīng)使要切割 的 相貫線偏離原來(lái)的位置 ,為此 ,割炬需 沿支管外表面作徑向補(bǔ)償 . 其補(bǔ)償量 為 : 圖 2-6 徑向補(bǔ)償 = tan 第 3 章 設(shè)備總體方案及布局 3.1 機(jī)床 總體方案 對(duì)于大型鋼管的相貫線的切割有兩個(gè)方案： 方 案 1：鋼管由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)割矩槍只需進(jìn)行軸向移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)切割要求，所以要實(shí)現(xiàn) 2 軸聯(lián)動(dòng)。 方案 2：鋼管靜止不動(dòng)，并且由于相貫鋼管的直徑大小不同、相貫角度不同，都會(huì)導(dǎo)致相貫線軌跡的不同，因此割矩槍必須要利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)、軸向移動(dòng)、徑向補(bǔ)償移動(dòng)、軸剖面內(nèi)擺動(dòng) ,均采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，所以要實(shí)現(xiàn) 4 軸聯(lián)動(dòng) ,并且要求能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯(cuò)功能強(qiáng)，具有顯示和通信功能，縮短非生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高生產(chǎn)率。 由于被加工的鋼管最大重量可達(dá) M=7.8 1000 3.14 (0.5 0.5-0.46 0.46) 12=11285.9kg 且鋼管長(zhǎng)度最長(zhǎng)時(shí)可達(dá) 12m。 如果照方案 1 鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)需要耗費(fèi)比較大的功率 ,并且鋼管過(guò)長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)還會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩從而影響鋼管的加工質(zhì)量 .因此本設(shè)計(jì)采用方案 2. 3.2 切割機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要說(shuō)明 3.2.1 切割機(jī)各軸的定義 切割機(jī)在實(shí)現(xiàn)相貫線切割時(shí) ,需要四軸聯(lián)動(dòng)和兩個(gè)手動(dòng)來(lái)完成 .現(xiàn)定義四軸如下圖 4-1. 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 圖 3-1 切割機(jī)的四軸聯(lián)動(dòng) 3.2.2 Z 軸工作滑臺(tái)簡(jiǎn)明傳動(dòng)系統(tǒng)圖 z 軸主要完成沿著鋼管軸心的軸向進(jìn) 給 圖 3-2 Z 軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖 圖 3-3 R 軸和 A 軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖 3.2.3 R 軸和 A 軸傳動(dòng)系統(tǒng)圖 R 軸和 A 軸分別實(shí)現(xiàn)割炬繞著鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)和沿鋼管徑向補(bǔ)償 .如圖 3-3。 3.2.4 T 軸和徑向調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)圖 T 軸是實(shí)現(xiàn)割炬的前后擺動(dòng) ,以切出所需要的軸軸下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 坡口角 .其擺動(dòng)行程為 30 -30 . 圖 3-4 T 軸和徑向調(diào)整傳動(dòng)系統(tǒng)圖 3.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析 相干鋼管的直徑大小不同、相干角度不同，都會(huì)導(dǎo)致相干相貫線軌跡的不同，因此割矩槍必須要利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和徑向移動(dòng)的定位精度、走刀速度等諸技術(shù)參數(shù)，并且要求能進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯(cuò)功能強(qiáng)，具有顯示和通信功能，縮短非生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高生產(chǎn)率。加上割矩槍在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中隨著切割位置的不同還需要割矩?cái)[動(dòng)角度參數(shù)，即機(jī)床要實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)。 加工的鋼管直徑尺寸 200 1000mm，最長(zhǎng) 12000mm,厚度 1040mm，屬于 比較大型的鋼管，精度要求不高，主要考慮機(jī)構(gòu)機(jī)床的剛度要求。因此可采用開環(huán)結(jié)構(gòu)，并選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為機(jī)床的動(dòng)力源。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可通過(guò)數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，因此主軸轉(zhuǎn)速只需要滿足最小與最大極限要求轉(zhuǎn)速即可在此范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的速度變化要求。 由于乙炔在熱切割里應(yīng)用的廣泛性和低成本 ,決定選用乙炔作為氣體燃料。選用外混式割嘴。 查簡(jiǎn)明焊工手冊(cè) P581 可得火焰切割速度如下： 表 3-1 火焰切割速度 板厚/mm 割嘴 切割速度 （ mm/min） 號(hào)碼 喉徑d/mm 5 20 1 0.6 800 300 25 40 2 0.8 500 250 35 70 3 1.0 350 150 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 第 4 章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 Z 軸工作滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 4.1.1 脈沖當(dāng)量 p 即系統(tǒng)分辨率。 本設(shè)計(jì)中選用p 0.01mm 4.1.2 選定傳動(dòng)比 當(dāng) i 1 時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本設(shè)計(jì)中取 i 1。 4.1.3 初選步機(jī)電機(jī) 根據(jù)公式 pb Li 360 0 公式 (4-1) 其中 i 為傳動(dòng)比，b為電機(jī)步距角，0L為滾珠絲杠導(dǎo)程，p為脈沖當(dāng)量。 因?yàn)?i 1，p 0.01mm，現(xiàn)取0L 4mm，可得b 0.9o初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 90BF001。 4.1.4 計(jì)算絲杠承受的質(zhì)量 在本設(shè)計(jì)中加工的最在鋼管直徑是 1m, 以 30 o 為鋼管的最小相干角度 ,則此時(shí)絲杠的行程至少應(yīng)為 1.73m, 絲杠的尺寸取整為 2m. 燕尾槽的重量大約為 0.10 0.6 0.3 0.6 7.8 1000=84.2kg 工作臺(tái)的重量為 0.3 0.33 0.04 7.8 1000=30.8kg 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 齒輪和管 狀體的重量大概為 7.8 (0.7 0.7-0.6 0.6) 3.14 0.1=318.3kg 再加上繞齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的燕尾滑塊、兩個(gè)電動(dòng)機(jī)、和火焰切割槍等，取絲杠所承受的質(zhì)量 M=460kg 4.1.5 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)是根據(jù)最大工作載荷和最大靜載荷。初步選型后，進(jìn)行軸向剛度驗(yàn)算和壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 4.1.5.1 最大工作載荷的計(jì) 本設(shè)計(jì)中，選用矩形滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。得滾珠絲杠上的工作載荷： 公式 (4 2) 其中 f 為考慮導(dǎo) 軌上的摩擦系數(shù) , 對(duì)于矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌取 f 0.005。 G=M 所以， 2 2 . 5 48.94 6 00 . 0 0 5F m 4.1.5.2 最大動(dòng)載荷 C 的計(jì)算和主要尺寸的初選 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷 C 可用下式計(jì)算： mmFfL3C 公式 (4 3) 式中： L 為工作壽命， 610/60 ntL ； n 為絲杠轉(zhuǎn)速，0/1000 Lvn ； v 為最大進(jìn)給速度；0L為絲杠導(dǎo)程； t 為額定使用壽命，可取 t 15000h；mf為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，現(xiàn)mf 1.5；mF為絲杠工作載荷； 由板厚 520、 2540、 3570mm 查簡(jiǎn)明焊工手冊(cè) P581 可得火焰切割速度分別為 800300、500250、 150350mm/min。 綜合考慮大齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和底下工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)用工作臺(tái)的直線進(jìn)給速度為v =0.8m/min )10(18010 150002006010/60m i n/2004 8.01000/10006660rntLrLvn 公式（ 4 4) 所以， 89.1902 2 . 5 45.1180C 33mm FfL本設(shè)計(jì)選外循環(huán)滾動(dòng)螺旋副，查機(jī)電綜合設(shè)計(jì) 指導(dǎo)書表 2-8，根據(jù)0L 4mm，選絲 杠公稱直徑 mmdm 16， 有： 9700C4000C93312 . 52 . 3 8 1D Woaamm額定靜載荷額定動(dòng)載荷，絲杠螺旋升角，列數(shù)圈數(shù)，滾珠直徑 Gf mF下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 1 mFLEA 因?yàn)?Ca C，所以初選的絲杠螺母副合格。 4.1.5.3 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為 )( tg tg公式 (4 5) 式中： 為絲杠螺旋升角， 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f 0.003 0.004, 其摩擦角約等于 01 。 所以， 96.0)01933( 933)( tg tgtg tg 4.1.5.4 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì)縱向變形的 影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考慮。 A） 絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量，其計(jì)算公式為 公式 (4 6) 式中： 1 為在工作載荷mF作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（ mm）；mF為絲杠的工作載荷 (N)； L 為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度 (mm)； E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E 20.6104MPa； A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（ mm2）；“”號(hào)用于拉伸，“ ”號(hào)用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW 2.381mm 公式見機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) P25， 其中， md為絲杠公稱直徑。 1d 為絲杠底徑。 取進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L 2000mm.。 所以 mm4-41 101 5 . 11 4 4 . 9102 0 . 6 20002 2 . 5 4 =0.00151mm B） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。其計(jì)算公式： 222112 4 2 . 9 4 11 3 . 5 9414.3d4A59.13238.12034.021622d034.0)2/381.2238.1(707.0)2/(707.0238.1381.252.052.0mmmmRedmmDRemmDRmwW下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 有預(yù)緊時(shí) 3 2wm2DF0 0 1 3.0ZF YJ公式 (4 7) 式中：wD為滾珠直徑（ mm）； Z為滾珠總數(shù)量 ZZ圈數(shù)列數(shù)； Z 為一圈的滾珠數(shù)， wm Dd /Z （外循環(huán)）；md為滾珠絲杠的公稱直徑（ mm）；mF為滾珠絲杠的工作載荷（ kgf）；YJF為預(yù)緊力（ kgf， 1kgf=9.8N），取工作載荷mF的 1/3。 因?yàn)椋?212. 38 1 163. 14 Z ZZ 圈數(shù)列數(shù) 21 2.5 1 52.5 513.754.223131F YJ mF 所以 0 . 0 0 0 5 5 8 m m5 2 . 52 2 . 5 42 . 3 8 1 2 2 . 5 40 . 0 0 1 3 3 22 因?yàn)闈L珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為工作載荷的 1/3 時(shí)， 2 值可減少一半左右。所以縱向和橫向： 2 0.000279mm。 C） 滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總的變形量 21 應(yīng)小于允許的變形量。一般 不應(yīng)大于 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。 因?yàn)?mm0 0 1 7 8 9.00 .0 0 0 2 7 90 0 1 5 1.021 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 0.01mm，其一半為 0.005mm。 所以，總的變形量小于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半 ,故滾珠絲杠可以滿足要求。 4.1.5.5 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作載荷過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 KF 為 22L EIfF ZK 公 式 (4 8) 式中： I 為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面 )(64 441 mmdI （ d1 為絲杠底徑）； L 為絲杠最大工作長(zhǎng)度（ mm）； E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E 20.6 104MPa； Zf 為絲杠支承方式系數(shù)。 本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即 Zf 4。 )(5.1 6 7 364 59.1314.364 4441 mmdI 所以 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 0.3 3 9 92 0 0 0 5.1 6 7 3106.2014.34 242KF臨界載荷KF與絲杠工作載荷mF之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)Kn，如果Kn大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) Kn，則滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 KmKK nFFn 公式 (4 9) 一般取 Kn 2.5 4，考慮到絲杠自重對(duì)水平 滾珠的絲杠的影響可取 Kn4。 又因?yàn)槊嫱ㄖ?KmKK nFFn 7.1 5 154.22 0.3 3 9 9所以，滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 4.1.5.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據(jù)最大動(dòng)載荷選用，其代號(hào)為： 1604 4.1.6 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 4.1.6.1 初選導(dǎo)軌型號(hào)及估算導(dǎo)軌長(zhǎng)度 導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計(jì)中共用 2 條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌用 2 個(gè)滑塊，根據(jù)最大動(dòng)載荷C=190.89N，通過(guò)查 機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 表 2-16 P33，初選 2條導(dǎo)軌的型號(hào)都為 GDA20TW。其部分參數(shù)如下 ： mmlmml 6020 21 ， 根據(jù)工作臺(tái)的長(zhǎng)度和工作臺(tái)的行程，估算出導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為 2200mm。 由公式 212 nlll 。式中 l 為支座長(zhǎng)度； n 為導(dǎo)軌兩孔之間的距離。可算得導(dǎo)軌的 n 36。 4.1.6.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命 L 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算： 滾動(dòng)體 為球時(shí) 350 W CTHa f fffFCL公式 (4 10) 式中： L 為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（ km）；a C為額定載荷（ N），從機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 表 2-10 查得aC 19100N； Hf 為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為 58 64HRC 時(shí)， Hf 1.0；Tf 為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò) 1000C 時(shí)，Tf 1； Cf 為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)Cf 0.81；Wf為載荷 /速度系數(shù)，有沖擊振動(dòng)或 min/60 mv 時(shí)，Wf 1.5。 F 為每個(gè)滑塊的工作載荷（ N）。 6 3 5.54/54.224/mFF 考慮到工作臺(tái)上各部分的重量在工作臺(tái)上的重心不落在中心上，而這些載荷都通過(guò)工作臺(tái)直接作用在滑塊上，故取 F=20N。 所以 50km6857430km1. 5 0. 8111. 02019100503 LL 大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副可采用。 4.1.7 步進(jìn)電機(jī)的驗(yàn)算 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 4.1.7.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載 ,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng) 部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問(wèn)題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本設(shè)計(jì)需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子 ,聯(lián)軸器 ,絲杠 ,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 A）、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量DJ的折算 由機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表 2-18 P40 查出DJ=1.764 cm2 B）、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量LJ的折算 選用 TL1 聯(lián)軸器 8443234820 2210 GBJJ(查機(jī)械設(shè)計(jì) 實(shí)用手冊(cè)化學(xué)工業(yè)出版 P666)，可查出它轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.0004 m2，得出 LJ 4 cm2。 C）、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量SJ的折算 1m 長(zhǎng)的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.94 cm2，本設(shè)計(jì)的絲杠長(zhǎng)度 L 2000mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量縱向：SJ=0.94 2=1.88 cm2。 D）、工作臺(tái)質(zhì)量GJ的折算 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算 到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GJ可按下式進(jìn)行計(jì)算：MLJ G 20 )2( 公式 (4 11) 式中，0L為絲杠導(dǎo)程（ cm）； M 為工作臺(tái)質(zhì)量（ kg）。 所以 2220 1249.08.3014.32 4.0)2( cmkgMLJ G E）、傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 計(jì)算 27 6 8 9 1.71 2 4 9.088.147 6 4.1 cmkgJJJJJ GSLD 4.1.7.2、驗(yàn)算矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩maxjM是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩，從 機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表 2-18 中查得 mMj 92.3m ax。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩mqM與最大靜轉(zhuǎn)矩maxjM的關(guān)系為： maxjmq MM 公式 (4 12) 由 0.707 得， mMmq 77.292.37 0 7.0步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： 0MMMM KfKaKq 公式 (4 13) 式中：KqM為空載啟動(dòng)力矩（ Ncm）；kaM為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩 （ Ncm）；KfM為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩 擦力矩 （ Ncm）；0M為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （ Ncm）。 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 有關(guān)KqM的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下： A）加速力矩 3 6 010602m a xm a x2m a xpbKavntnJJM 公式 (4 14) 式中：J為 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)最大角加速度；maxn為與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大 轉(zhuǎn)速； t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間，maxv為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；b為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；p為脈沖當(dāng)量。 m in/20036001.0 9.0800360m a xm a x rvnpb cmtnJM Ka 13.82.060 20014.327689.710602 2m a x B） 空載摩擦力矩 iLfGM kf 2 0公式 (4 15) 式中： G 為運(yùn)動(dòng)部件的總重量； f 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； i 齒輪傳動(dòng)降速比； 為傳動(dòng)系數(shù)總效率，取 0.8；0L為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。 cmM kf 120.018.014.32 4.0005.08.98.30 C）、附加摩擦力矩 2000 12 iLFM YJ 公式 (4 16) 式中：YJF為滾珠絲杠預(yù)緊力；0為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取0 0.96。 于是 cmM 04681.096.0118.014.32 4.05.7 20所以， 步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩： cmMMMM KfKaKq 296.80 4 6 8 1.0120.013.80 初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即mqKq MM 從上式可知，所選電動(dòng)機(jī)初步滿足要求。 4.1.7.3、啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。突跳啟動(dòng)很少使用。升速啟動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時(shí)刻，啟動(dòng)頻率為零。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度。 查看機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書圖 2-21 P42，從 90BF001 啟動(dòng)矩頻特性圖中，可查得： 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 縱向： 空載啟動(dòng)力矩KqM cm296.8 對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率Zyq Hf 2500。查 機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表 2-21 P42，步進(jìn)電機(jī) 90BF001 的最高空載啟動(dòng)頻率yqZq fHf 2000， 所以所選電機(jī)不會(huì)丟步。 4.1.7.4、運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率KJf可按下式計(jì)算： PKZvf 601000 max 公式 (4 17) 式中：maxv為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度。P=0.01 算得ZKZ Hf 1333.333。 快進(jìn)力矩KJM的計(jì)算公式： 0MMM KfKJ 公式 (4 18) 式中：0M為附加摩擦力矩，KfM為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得： cmMMM KfKJ 0 . 1 6 6 8 10 . 0 4 6 8 10 . 1 2 00 。 查看機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書圖 2-22 P43，從 90BF001 運(yùn)行矩頻特性圖中，可知： 快進(jìn)力矩KJM mcmN 0 0 1 6 6 8 1.0.1 6 6 8 1.0. 對(duì)應(yīng)的允許快進(jìn)頻率KJyKJ ff ； 所以，所用的電機(jī)滿足快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性要求。 綜上所述，所選用的 Z 軸步進(jìn)電機(jī) 90BF001 符合要求，可以使用。 其他各軸電動(dòng)為 :R 軸電機(jī)為 70BF001 A 軸電機(jī)為 70BF001 T 軸電機(jī)為 70BF001 4.2 調(diào)整絲杠的設(shè) 計(jì) 該部件采用燕尾槽的導(dǎo)向、絲杠的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下調(diào)整。 4.2.1 絲杠的螺紋升角的確定 由于在調(diào)整中調(diào)整絲杠要有自鎖性，因此其螺紋升角應(yīng) 小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角（ 6. 5到 10. 5） 取絲杠的 螺紋升角為 3.絲杠底下的雙推力軸承代號(hào)為 52208。內(nèi) 徑 d=30,外徑 D=68,厚度 T1=36. 圖 4-1 調(diào)整絲杠 4.2.2 絲桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作載荷過(guò)大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 KF 為 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢 設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 22L EIfF ZK 公式 (4 19) 式中： I 為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面 )(64 441 mmdI （ d1 為絲杠底徑）； L 為絲杠最大工作長(zhǎng)度（ mm）； E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E 20.6 104MPa；Zf為絲杠支承 方式系數(shù)。 本設(shè)計(jì)中，絲杠為長(zhǎng)絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即Zf 0.25。 )(25.1 2 6 5 664 3014.364 4441 mmdI 所以 4.1 8 1 0 56 0 0 25.1 2 6 5 6106.2014.325.0 242KF臨界載荷 KF 與絲杠工作載荷mF之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) Kn ，如果 Kn 大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) Kn，則滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 KmKK nFFn 公式 (4 20) 一般取 Kn 2.5 4，在這里取 Kn 4。 齒輪和管狀體的重量大概為 7.8 (0.7 0.7-0.6 0.6) 3.14 0.1=318.3kg 取 Fm =250kg。 KmKK nXFFn 3 8 9.78.92 5 0 4.1 8 1 0 5 所以， 調(diào)整絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 4.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核 4.3.1 所需的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速 最短相貫線 Lmin= 200=628.32 628mm(最小與最大鋼管垂直相干時(shí)的情況 ) 最大切割速度選 600mm/min，即每分鐘割炬繞工件轉(zhuǎn) 600/628=0.955r/min。 選大小齒輪的分度