機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第2章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),2.1 概 述,為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，通常對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)提出以下要求： (1)高精度 精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，尤其是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)性能、工藝水平和功能比普通的機(jī)械產(chǎn)品都有很大的提高，因此機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的高精度是其首要的要求。如果機(jī)械系統(tǒng)的精度不能滿足要求，則無(wú)論機(jī)電一體化產(chǎn)品其它系統(tǒng)工作怎樣精確，也無(wú)法完成其預(yù)定的機(jī)械操作,2) 快速響應(yīng)性 即要求機(jī)械系統(tǒng)從接到指令到開(kāi)始執(zhí)行指令指定的任務(wù)之間的時(shí)間間隔短，這樣控制系統(tǒng)才能及時(shí)根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，下達(dá)指令，使其準(zhǔn)確地完成任務(wù)。 (3) 良好的穩(wěn)定性 即要求機(jī)械系統(tǒng)的工作性能不受外界環(huán)境

2、的影響，抗干擾能力強(qiáng),2.1 概 述,2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),2.2.1 齒輪傳動(dòng) 2.2.2 諧波齒輪傳動(dòng) 2.2.3 同步帶傳動(dòng) 2.2.4 滾珠絲杠副傳動(dòng),1、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比及其分配 最佳總傳動(dòng)比 ：等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩最小或負(fù)載加速度最大的總傳動(dòng)比，即為最佳總傳動(dòng)比 。單級(jí)傳動(dòng)比增大使傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，但大齒輪的尺寸增大會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的輪廓尺寸變大。因此，總傳動(dòng)比要進(jìn)行分級(jí)分配，并在各級(jí)之間分配傳動(dòng)比。 傳動(dòng)比分配原則如下： 最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則： 重量最輕原則 輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則,2.2.1 齒輪傳動(dòng),2 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法 (1)中心距調(diào)節(jié)法 如右圖所示，將相互嚙合的一對(duì)齒輪

3、中的一個(gè)齒輪4裝在電機(jī)輸出軸心軸)上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償,2.2.1 齒輪傳動(dòng),上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏,1 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法 (1)中心距調(diào)節(jié)法 如右圖所示，將相互嚙合的一對(duì)齒輪中的一個(gè)齒輪4裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償,2.2.1 齒輪傳動(dòng),2) 軸向墊片調(diào)整法 如右圖所示，齒輪1和2相嚙合，其分度

4、圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動(dòng)，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法,2.2.1 齒輪傳動(dòng),3) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū),2.2.1 齒輪傳動(dòng),4) 斜齒輪傳動(dòng) 消除斜齒輪傳動(dòng)齒輪側(cè)隙的方法與上述錯(cuò)齒調(diào)整法基本相同，也是用兩個(gè)薄片齒輪與一個(gè)寬齒輪嚙合，只是在兩個(gè)薄片斜齒輪的中間隔開(kāi)了一小段距

5、離，這樣它的螺旋線便錯(cuò)開(kāi)了,2.2.1 齒輪傳動(dòng),5) 錐齒輪傳動(dòng) (a) 軸向壓簧調(diào)整法 軸向壓簧調(diào)整法原理如圖，在錐齒輪4的傳動(dòng)軸7上裝有壓簧5，其軸向力大小由螺母6調(diào)節(jié)。錐齒輪4在壓簧5的作用下可軸向移動(dòng)，從而消除了其與嚙合的錐齒輪l之間的齒側(cè)間隙,2.2.1 齒輪傳動(dòng),b) 周向彈簧調(diào)整法 將與錐齒輪3嚙合的齒輪做成大小兩片(1、2)，在大片錐齒輪1上制有三個(gè)周向圓弧槽8，小片錐齒輪2的端面制有三個(gè)可伸入槽8的凸爪7。彈簧5裝在槽8中，一端頂在凸爪7上，另一端頂在鑲在槽8中的鑲塊4上。止動(dòng)螺釘6裝配時(shí)用，安裝完畢將其卸下，則大小片錐齒輪1、2在彈簧力作用下錯(cuò)齒，從而達(dá)到消除間隙的目的,

6、2.2.1 齒輪傳動(dòng),諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)比大(幾十幾百)、傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪聲低、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，故在工業(yè)機(jī)器人、航空、火箭等機(jī)電一體化系統(tǒng)中日益得到廣泛的應(yīng)用。 1 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理,2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),諧波傳動(dòng)由三個(gè)主要構(gòu)件所組成，即具有內(nèi)齒的剛輪l、具有外齒的柔輪2和波發(fā)生器3。通常波發(fā)生器為主動(dòng)件，而剛輪和柔輪之一為從動(dòng)件，另一個(gè)為固定件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)，由于前者的總長(zhǎng)度略大于后者的內(nèi)孔直徑，故柔輪變?yōu)闄E圓形，于是在橢圓的長(zhǎng)軸兩端產(chǎn)生了柔輪與剛輪輪齒的兩個(gè)局部嚙合區(qū)；同時(shí)在橢圓短軸兩端，兩輪輪齒則完全脫開(kāi)。至于其余各處，則視

7、柔輪回轉(zhuǎn)方向的不同，或處于嚙合狀態(tài)，或處于非嚙合狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪長(zhǎng)短軸的位置不斷交化，從而使輪齒的嚙合處和脫開(kāi)處也隨之不斷變化，于是在柔輪與剛輪之間就產(chǎn)生了相對(duì)位移，從而傳遞運(yùn)動(dòng),2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)一周期間，柔輪上一點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)與波發(fā)生器上的凸起部位數(shù)是一致的，稱(chēng)為波數(shù)。常用的有兩波和三波兩種。為了有利于柔輪的力平衡和防止輪齒干涉，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)等于波發(fā)生器波數(shù)(即波發(fā)生器上的滾輪數(shù))的整倍數(shù)，通常取為等于波數(shù),2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),2 諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比計(jì)算 式中： 、 、 分別為剛輪、柔輪和波形發(fā)生器的角速度； 、 分別為剛輪和柔輪的齒

8、數(shù)。 (1) 當(dāng)柔輪固定時(shí)， ，則,三、諧波齒輪傳動(dòng),2) 當(dāng)剛輪固定時(shí)， ，則 設(shè) 、 當(dāng)柔輪固定時(shí)， 當(dāng)柔輪固定時(shí),2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),3. 諧波齒輪減速器產(chǎn)品及選用 常見(jiàn)的諧波齒輪減速器標(biāo)記代號(hào)如下圖 諧波齒輪減速機(jī)選用說(shuō)明： (1). 樣本中的圖表參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，用戶選型時(shí)需確定以下三項(xiàng)參數(shù)： （a）傳動(dòng)比或輸出轉(zhuǎn)速（r/min) （b）減速機(jī)輸入功率（kw) （c）額定輸入轉(zhuǎn)速（r/min,2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),2). 如減速機(jī)輸入轉(zhuǎn)速是可調(diào)的，則在選用減速機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)分別確定：工作條件為“恒功率”時(shí)按最低轉(zhuǎn)速選用機(jī)型；工作條件為“恒扭矩”時(shí)，按最高轉(zhuǎn)速選用機(jī)型。訂貨時(shí)須說(shuō)明

9、是否與電機(jī)直聯(lián)，電機(jī)型號(hào)及參數(shù)。 (3). 選用減速機(jī)輸入功率 與輸出扭矩 的計(jì)算 式中：P 減速機(jī)額定輸入功率（KW） T 減速機(jī)額定輸出扭矩（Nm) KA 工作情況系數(shù),2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),4). 減速機(jī)輸出軸裝有齒輪、鏈輪、三角皮帶輪及平皮帶輪時(shí)，需要校驗(yàn)軸伸的懸臂負(fù)荷 ，校驗(yàn)公式為 式中：D齒輪、鏈輪、皮帶輪的節(jié)圓直徑(m) FR懸臂負(fù)荷系數(shù)（齒輪FR=1.5；鏈輪 FR=1.2；三角皮帶輪FR=2；平皮帶輪FR=2.5) 當(dāng) 結(jié)果安全,2.2.2、諧波齒輪傳動(dòng),同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)零件。由于同步帶是一種兼有鏈、齒輪、三角膠帶優(yōu)點(diǎn)的傳動(dòng)零件，于1940年由

10、美國(guó)尤尼羅爾(Unirayal)橡膠公司首先加以開(kāi)發(fā)。1946年辛加公司把同步帶用于縫紉機(jī)針和纏線管的同步傳動(dòng)上，取得顯著效益，并被逐漸引用到其他機(jī)械傳動(dòng)上,2.2.3、同步帶傳動(dòng),1. 分類(lèi) 2. 同步帶的優(yōu)缺點(diǎn) 3. 同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸結(jié)構(gòu) 4. 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算,2.2.3、同步帶傳動(dòng),1. 分類(lèi) (1)按用途分 (a) 一般工業(yè)用同步帶傳動(dòng) 即梯形齒同步帶傳動(dòng)。它主要用于中、小功率的同步帶傳動(dòng)，如各種儀器、計(jì)算機(jī)、輕工機(jī)械中均采用這種同步帶傳動(dòng)。 (b) 高轉(zhuǎn)矩同步帶傳動(dòng) 又稱(chēng)HTD帶(High Torque Drive)或STPD帶傳動(dòng)(Super Torque Positive D

11、rive)。由于其齒形呈圓弧狀，在我國(guó)通稱(chēng)為圓弧齒同步帶傳動(dòng)。它主要用于重型機(jī)械的傳動(dòng)中，如運(yùn)輸機(jī)械(飛機(jī)、汽車(chē))、石油機(jī)械和機(jī)床、發(fā)電機(jī)等的傳動(dòng),2.2.3、同步帶傳動(dòng),3) 特種規(guī)格的同步帶傳動(dòng) 這是根據(jù)某種機(jī)器特殊需要而采用的特種規(guī)格同步帶傳動(dòng)，如工業(yè)縫紉機(jī)用的、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用的同步帶傳動(dòng)。 (4) 特殊用途的同步帶傳動(dòng) 即為適應(yīng)特殊工作環(huán)境制造的同步帶,2.2.3、同步帶傳動(dòng),2). 按規(guī)格制度分 (a) 模數(shù)制 同步帶主要參數(shù)是模數(shù)m(與齒輪相同)，根據(jù)不同的模數(shù)數(shù)值來(lái)確定帶的型號(hào)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。在60年代該種規(guī)格制度曾應(yīng)用于日、意、蘇等國(guó)，后隨國(guó)際交流的需要，各國(guó)同步帶規(guī)格制度逐漸統(tǒng)一到

12、節(jié)距制。目前僅前蘇聯(lián)及東歐各國(guó)仍采用模數(shù)制,2.2.3、同步帶傳動(dòng),2) 節(jié)距制 即同步帶的主要參數(shù)是帶齒節(jié)距，按節(jié)距大小不同，相應(yīng)帶、輪有不同的結(jié)構(gòu)尺寸。該種規(guī)格制度目前被列為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 由于節(jié)距制來(lái)源于英、美，其計(jì)量單位為英制或經(jīng)換算的公制單位。 (3) DIN米制節(jié)距 DIN米制節(jié)距是德國(guó)同步帶傳動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的規(guī)格制度。其主要參數(shù)為齒節(jié)距，但標(biāo)準(zhǔn)節(jié)距數(shù)值不同于ISO節(jié)距制，計(jì)量單位為公制。在我國(guó)，由于德國(guó)進(jìn)口設(shè)備較多，故DIN米制節(jié)距同步帶在我國(guó)也有應(yīng)用,2.2.3、同步帶傳動(dòng),2. 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn) (1)工作時(shí)無(wú)滑動(dòng)，有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 (2)傳動(dòng)效率高，節(jié)能效果好 (3)傳動(dòng)比范圍

13、大，結(jié)構(gòu)緊湊 (4)維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低 (5)惡劣環(huán)境條件下仍能正常工作,2.2.3、同步帶傳動(dòng),3. 同步帶的結(jié)構(gòu)和尺寸規(guī)格 (1)同步帶結(jié)構(gòu) 如下左圖所示，同步帶一般由承載繩、帶齒、帶背和包布層組成。 工業(yè)用同步帶帶輪形狀如下右圖所示,2.2.3、同步帶傳動(dòng),4. 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1)失效形式和計(jì)算準(zhǔn)則 同步帶傳動(dòng)主要失效形式有： (a) 承載繩斷裂 原因是帶型號(hào)過(guò)小和小帶輪直徑過(guò)小等。 (b) 爬齒和跳齒 原因是同步帶傳遞的圓周力過(guò)大、帶與帶輪間的節(jié)距差值過(guò)大、帶的初拉力過(guò)小等。 (c) 帶齒的磨損 原因是帶齒與輪齒的嚙合干涉、帶的張緊力過(guò)大等。 (d) 其他失效方式 帶和帶輪

14、的制造安裝誤差引起的帶輪棱邊磨損、帶與帶輪的節(jié)距差值太大和嚙合齒數(shù)過(guò)少引起的帶齒剪切破壞、同步帶背的龜裂、承載繩抽出和包布層脫落等。 在正常的工作條件下，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在不打滑的條件下，保證同步帶的抗拉強(qiáng)度。在灰塵雜質(zhì)較多的條件下，則應(yīng)保證帶齒的一定耐磨性,2.2.3、同步帶傳動(dòng),2)同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟 設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)的已知條件為： Pm 需要傳遞的名義功率； n1、n2 主從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速或傳動(dòng)比； (a) 確定帶的設(shè)計(jì)功率； (b) 選擇帶型和節(jié)距； (c) 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑； (d) 確定同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度、齒數(shù)及傳動(dòng)中心距； (e) 校驗(yàn)同步帶和小帶輪的嚙合齒數(shù)； (f)

15、 確定實(shí)際所需同步帶寬度； (g) 帶的工作能力驗(yàn)算,2.2.3、同步帶傳動(dòng),滾珠絲杠傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無(wú)間隙甚至有過(guò)盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。 滾珠絲杠副傳動(dòng)與滑動(dòng)絲杠副傳動(dòng)或其它直線運(yùn)動(dòng)副相比，有下列特點(diǎn)： （1）傳動(dòng)效率高 一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)9095，耗費(fèi)能量?jī)H為滑動(dòng)絲桿的1/3,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾動(dòng)摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動(dòng)與工作摩擦力矩差別很小。啟動(dòng)時(shí)無(wú)沖擊，預(yù)緊后可

16、消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。 （3）工作壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度(HRC5862)、高精度，具有較長(zhǎng)的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動(dòng)絲桿副的410倍以上。 （4）定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、無(wú)爬行、無(wú)間隙，通過(guò)預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),5）同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。 （6）可靠性高 潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。 （7）不能自鎖 用于垂直傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)裝置。 （8）制造工藝復(fù)雜 滾珠絲桿

17、和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),1. 工作原理與結(jié)構(gòu),滾珠絲桿副結(jié)構(gòu),端蓋循環(huán),插管循環(huán),2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),絲杠和螺母的螺紋滾道間裝有承載滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，則絲杠與螺母之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，為防止?jié)L珠從滾道中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。 滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)二種,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),2. 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力的方法 滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方向的傳動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格要求，

18、以保證其反向傳動(dòng)精度。滾珠絲杠副的軸向間隙是承載時(shí)在滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。 通常采用雙螺母預(yù)緊或單螺母（大滾珠、大導(dǎo)程）的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減小或消除軸向間隙，并可以提高滾珠絲杠副的剛度,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),1) 雙螺母預(yù)緊原理 根據(jù)墊片厚度不同分成兩種形式，當(dāng)墊片厚度較厚時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)拉應(yīng)力”，而當(dāng)墊片厚度較薄時(shí)即產(chǎn)生“預(yù)壓應(yīng)力”以消除軸向間隙,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),2) 單螺母預(yù)緊原理（增大滾珠直徑法） 為了補(bǔ)償滾道的間隙，設(shè)計(jì)時(shí)將滾珠的尺寸適當(dāng)增大，使其4點(diǎn)接觸，產(chǎn)生預(yù)緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間

19、加入間隔鋼球,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),3) 單螺母預(yù)緊原理（偏置導(dǎo)程法） 偏置導(dǎo)程法原理如上圖所示，僅僅是在螺母中部將其導(dǎo)程增加一個(gè)預(yù)壓量，以達(dá)到預(yù)緊的目的,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),3. 滾珠絲杠副的軸向彈性變形 滾珠絲杠受軸向載荷后，滾珠和滾道面將產(chǎn)生彈性變形，軸向彈性變形量 與軸向載荷 之間的關(guān)系與滾動(dòng)軸承的計(jì)算相同，根據(jù)點(diǎn)接觸理論，滿足下式： (1)單螺母預(yù)緊（無(wú)預(yù)緊）的軸向彈性變形,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),式中： 鋼球和滾道的接觸角（45）； 鋼球直徑（mm）； 單個(gè)鋼球所受載荷（N）； 鋼球數(shù)； 和精度、結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù),2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),2) 雙螺母預(yù)緊時(shí)的軸向

20、變形量 對(duì)兩個(gè)螺母A和B施加預(yù)緊力 后，螺母A、B均變形至X點(diǎn)。如果這時(shí)作用有外力 ，則螺母A從X點(diǎn)向X1點(diǎn)、螺母B從X點(diǎn)向X2點(diǎn)移動(dòng)由于和成正比關(guān)系，假設(shè)其比例系數(shù)為k，則有 ，并且螺母A和B的變形量分別為： 由于在外力作用下螺母A和B的變形量相同（方向相反），所以,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),而且，當(dāng)僅有外力 作用時(shí)， 隨著 的增加使 接近零時(shí)，則外力幾乎全被螺母A吸收。 當(dāng) 時(shí) 又因?yàn)?所以,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),目前制造的單螺母式滾珠絲杠副的軸向間隙達(dá)0.05mm，而雙螺母式的經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后基本上能消除軸向間隙。應(yīng)用該方法消除軸向間隙時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： （1）預(yù)緊力大小必須合適

21、，過(guò)小不能保證無(wú)隙傳動(dòng)；過(guò)大將使驅(qū)動(dòng)力矩增大，效率降低，壽命縮短。預(yù)緊力應(yīng)不超過(guò)最大軸向負(fù)載的1/3。 （2）要特別注意減小絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙，這些間隙用預(yù)緊的方法是無(wú)法消除的，而它對(duì)傳動(dòng)精度有直接影響,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),4. 滾珠絲杠副的主要尺寸、精度等級(jí) (1)主要尺寸 標(biāo)稱(chēng)直徑、導(dǎo)程、螺旋升角等。 (2). 精度等級(jí) JB316.282滾珠絲杠副精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為六個(gè)等級(jí)：C、D、E、F、G、H。C級(jí)最高，H級(jí)最低,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),5. 滾珠絲杠副的安裝 絲杠的軸承組合及軸承座、螺母座以及其它零件的連接剛性，對(duì)滾珠絲杠副傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度和精度都有很大影響，需在

22、設(shè)計(jì)、安裝時(shí)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合，僅當(dāng)軸向載荷很小時(shí)，才用向心推力軸承。以下列出了四種典型支承方式及其特點(diǎn),2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),單推單推,推力軸承分別裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊。 1軸向剛度較高； 2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較大，軸承壽命比方案 2低； 3適宜中速、精度高，并可用雙推單推組合,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),雙推雙推,推力軸承和深溝球軸承的組合裝在滾珠絲杠的兩端并施加預(yù)緊。 1軸向剛度最高； 2預(yù)拉伸安裝時(shí)，須加載荷較小，軸承壽命較高 3適宜高速、高剛度、高精度,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),雙推簡(jiǎn)支,一端安裝深溝球軸承和推力軸承的組

23、合，一端安裝深溝球軸承。 1軸向剛度不高，與螺母位置有關(guān)； 2雙推端可預(yù)拉伸安裝； 3適宜中速、精度較高的長(zhǎng)絲杠,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),雙推自由,一端安裝深溝球軸承和推力軸承的組合，一端自由。 1軸向剛度低，與螺母位置有關(guān)； 2雙推端可預(yù)拉伸安裝； 3適宜中小載荷與低速，更適宜垂直安裝，短絲杠,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),6. 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)滾珠絲杠副的已知條件： 工作載荷F(N)或平均工作載荷Fm(N)，使用壽命 (h)，絲杠的工作長(zhǎng)度(或螺母的有效行程)L(m)，絲杠的轉(zhuǎn)速n （平均轉(zhuǎn)速nm或最大轉(zhuǎn)速nmax) (rmin)，以及滾道硬度HRC和運(yùn)轉(zhuǎn)情況。 一般的設(shè)計(jì)步驟

24、及方法如下： (1)絲杠副的計(jì)算載荷Fc(N,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),載荷系數(shù)，按表1選??； 硬度系數(shù)，按表2選??； 精度系數(shù)，按表3選??； 平均工作載荷（N,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),絲杠副的平均轉(zhuǎn)速（r/min,2)計(jì)算額定動(dòng)載荷,式中,運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（h,計(jì)算載荷（N,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),3根據(jù)在滾珠絲杠系列中選擇所需要的規(guī)格，使所選規(guī)格的絲杠副的額定動(dòng)載荷。 4驗(yàn)算傳動(dòng)效率、剛度及工作穩(wěn)定性，如不滿足要求則應(yīng)另選其它型號(hào)并重新驗(yàn)算。 5對(duì)于低速（ ）傳動(dòng)，只按額定靜載荷計(jì)算即可,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),例2-1 試設(shè)計(jì)一數(shù)控銑床工作臺(tái)進(jìn)給用滾珠絲杠副。已知平均工作載荷Fm3

25、800N，絲杠工作長(zhǎng)度l1.2m，平均轉(zhuǎn)速nm100r/min，最大轉(zhuǎn)速nmax10000r/min，使用壽命15000h左右，絲杠材料為CrWMn鋼，滾道硬度為5862HRC，傳動(dòng)精度要求 解：(1) 求計(jì)算載荷Fc,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),2) 根據(jù)壽命條件計(jì)算額定動(dòng)載荷 (3) 根據(jù)必須的額定動(dòng)載荷選擇絲杠副尺寸，由查表，得如下規(guī)格,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),考慮各種因素，選FFZD5006-5，其中： 公稱(chēng)直徑：D0=50mm 導(dǎo)程：p=6mm 螺旋角：=arctan(6/(50)=211 滾珠直徑：d0=4mm 滾道半徑：R =0.52d0=0.524=2.08mm 偏心距：絲

26、杠內(nèi)徑：d1=45.9mm,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算： 假設(shè)為雙推簡(jiǎn)支（FS），因?yàn)榻z杠較長(zhǎng)，所以用壓桿穩(wěn)定性來(lái)求臨界載荷 式中：E絲杠的彈性模量，對(duì)鋼 絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 長(zhǎng)度系數(shù)，兩端用鉸接時(shí)， m,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn),2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),臨界轉(zhuǎn)速 驗(yàn)證 高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠最高轉(zhuǎn)速 。 臨界轉(zhuǎn)速可按公式計(jì)算,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),5）剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠在工作負(fù)載F（N）和轉(zhuǎn)矩T（Nm）共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量 （m）為 式中：A絲杠的截面積， (m2)； 絲杠的極慣性矩， (m

27、4)； G鋼的切變模量，對(duì)于鋼G=83.3GPa； T轉(zhuǎn)矩（Nm,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),按最不利的情況，即取F=Fm，則 絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的1/2，即,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),6）效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為 要求在90%95%之間，所以該絲杠副能滿足使用要求。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，F(xiàn)FZD5006-5各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合題目要求，可選用,2.2.4、滾珠絲杠副傳動(dòng),2.3 支承部件,2.3.1、軸系的支承部件 2.3.2、導(dǎo)軌 2.3.3、支承件,軸系由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動(dòng)部件組成，有主軸軸系和中間傳動(dòng)軸

28、軸系。通常在設(shè)計(jì)軸系時(shí)要求： （1）旋轉(zhuǎn)精度 （2）剛度 （3）抗振性 （4）熱變形 （5）軸上零件的布置合理,2.3.1、軸系的支承部件,1. 軸系用軸承的類(lèi)型與選擇 在設(shè)計(jì)軸系選擇軸承時(shí)，我們應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)： （1）滿足使用性能要求，包括承載能力、旋轉(zhuǎn)精度、剛度及轉(zhuǎn)速等； （2）滿足安裝空間要求； （3）維護(hù)保養(yǎng)方便； （4）使用環(huán)境，如溫度、環(huán)境氣氛對(duì)軸承的影響； （5）性價(jià)比,2.3.1、軸系的支承部件,在選擇軸承時(shí)，一般的選擇流程如圖下,確定軸承形式及組合,確定尺寸及精度,確定配合及內(nèi)部間隙,確定潤(rùn)滑及密封,確定安裝尺寸,確定最終軸承規(guī)格,2.3.1、軸系的支承部件,1. 導(dǎo)軌副的

29、種類(lèi)及基本要求 各種機(jī)械運(yùn)行時(shí)，由導(dǎo)軌副保證執(zhí)行件的正確運(yùn)動(dòng)軌跡，并影響執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)特性。導(dǎo)軌副包括運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌兩部分。支承導(dǎo)軌用以支承和約束運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，使之按功能要求作正確的運(yùn)動(dòng)。 1)按導(dǎo)軌副運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的軌跡分類(lèi) （a）直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副 支承導(dǎo)軌約束了運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的五個(gè)自由度，僅保留沿給定方向的直線移動(dòng)自由度。 （b）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副 支承導(dǎo)軌約束了運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的五個(gè)自由度，僅保留繞給定軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度,2.3.2、導(dǎo)軌,2)按導(dǎo)軌副導(dǎo)軌面間的摩擦性質(zhì)分類(lèi) （a）滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌副； （b）滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌副； （c）流體摩擦導(dǎo)軌副。 3)按導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)分類(lèi) （a）開(kāi)式導(dǎo)軌 必須借助運(yùn)動(dòng)件的自重或外載荷，

30、才能保證在一定的空間位置和受力狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面保持可靠的接觸，從而保證運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的規(guī)定運(yùn)動(dòng)。開(kāi)式導(dǎo)軌一般受溫度變化的影響較小。 （b）閉式導(dǎo)軌 借助導(dǎo)軌副本身的封閉式結(jié)構(gòu)，保證在變化的空間位置和受力狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支承導(dǎo)軌的工作面都能保持可靠的接觸，從而保證運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的規(guī)定運(yùn)動(dòng)。閉式導(dǎo)軌一般受溫度變化的影響較小,2.3.2、導(dǎo)軌,4)按直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的基本截面形狀分類(lèi),2.3.2、導(dǎo)軌,5). 導(dǎo)軌副應(yīng)滿足的基本要求 （a）導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度主要是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度或圓度。影響它的因素有：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動(dòng)壓和靜壓導(dǎo)

31、軌的油膜厚度、油膜剛度等。 （b）耐磨性 是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過(guò)程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^(guò)程中難免有所磨損，所以應(yīng)力求減小磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 （c）疲勞和壓潰 導(dǎo)軌面由于過(guò)載或接觸應(yīng)力不均勻而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性變形，反復(fù)運(yùn)行多次后就會(huì)形成疲勞點(diǎn)，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動(dòng)導(dǎo)軌失效的主要原因，為此應(yīng)控制滾動(dòng)導(dǎo)軌承受的最大載荷和受載的均勻性,2.3.2、導(dǎo)軌,d）剛度 導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對(duì)位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為減輕或平衡外力的影響，可采用加大導(dǎo)軌尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法提

32、高剛度。 （e）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。 （f）結(jié)構(gòu)工藝性 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，要注意制造、調(diào)整和維修的方便，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性及經(jīng)濟(jì)性好,2.3.2、導(dǎo)軌,2. 導(dǎo)軌副間隙調(diào)整 為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動(dòng)表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過(guò)小，會(huì)增加摩擦阻力；間隙過(guò)大，會(huì)降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來(lái)保證，要費(fèi)很大的勞動(dòng)量，而且導(dǎo)軌經(jīng)長(zhǎng)期使用后，會(huì)因磨損而增大間隙，需要及時(shí)調(diào)整，故導(dǎo)軌應(yīng)有間隙調(diào)整裝置。矩形導(dǎo)軌需要在垂直和水平兩個(gè)方向上調(diào)整間隙,2.3.2、導(dǎo)軌,常用的調(diào)整方

33、法有壓板和鑲條法兩種方法。對(duì)燕尾形導(dǎo)軌可采用鑲條(墊片)方法同時(shí)調(diào)整垂直和水平兩個(gè)方向的間隙,2.3.2、導(dǎo)軌,對(duì)矩形導(dǎo)軌可采用修刮壓板、修刮調(diào)整墊片的厚度或調(diào)整螺釘?shù)姆椒ㄟM(jìn)行間隙的調(diào)整,2.3.2、導(dǎo)軌,3. 導(dǎo)軌副的材料選擇 滑動(dòng)導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等 1)鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類(lèi)有： （1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運(yùn)動(dòng)速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上； （2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵； （3）合金鑄鐵,2.3.2、導(dǎo)軌,鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接

34、觸電阻淬火，淬硬層為0.150.2mm。硬度可達(dá)HRC55。中高頻感應(yīng)淬火， 淬硬層為23mm，硬度可達(dá)HRC4855，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長(zhǎng)上同時(shí)淬火需要相應(yīng)的設(shè)備,2.3.2、導(dǎo)軌,2)鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為5258HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至5662HRC；38CrMoAlA等采用氮化處理。 3)有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅

35、合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好,2.3.2、導(dǎo)軌,4)塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200+260)，抗撕傷能力強(qiáng)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前在各類(lèi)機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺(tái)的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配,2.3.2、導(dǎo)軌,導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方

36、法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等,2.3.2、導(dǎo)軌,4 滾動(dòng)導(dǎo)軌副 1)滾動(dòng)導(dǎo)軌的特點(diǎn) （1）滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而獲得： 動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好 驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一； 與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍； 能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度； 適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍； 能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度,2.3.2、導(dǎo)軌,2）承載能力大 其滾

37、道采用圓弧形式，增大了滾動(dòng)體與圓弧滾道接觸面積，從而大大地提高了導(dǎo)軌的承載能力，可達(dá)到平面滾道形式的13倍。 （3）剛性強(qiáng) 在該導(dǎo)軌制作時(shí)，常需要預(yù)加載荷，這使導(dǎo)軌系統(tǒng)剛度得以提高。 （4）壽命長(zhǎng) 由于是純滾動(dòng)，摩擦系數(shù)為滑動(dòng)導(dǎo)軌的l50左右，磨損小，因而壽命長(zhǎng)，功耗低。 （5）成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”。 （6）傳動(dòng)平穩(wěn)可靠 由于摩接力小，動(dòng)作輕便，因而定位精度高，微量移動(dòng)靈活準(zhǔn)確。 （7）具有結(jié)構(gòu)自調(diào)整能力 裝配調(diào)整容易，因此降低了對(duì)配件加工精度要求。 （8）導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的耐磨性；心部保持良好的機(jī)械性能。 （9）簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造,2.3.2、導(dǎo)

38、軌,2)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的分類(lèi) （1）按滾動(dòng)體的形狀分類(lèi) a、滾珠式 b、滾柱式,2.3.2、導(dǎo)軌,2）按導(dǎo)軌截面形狀分類(lèi),右上圖所示為四方向等載荷式，導(dǎo)軌截面為矩形，承載時(shí)各方向受力大小相等。梯形截面如下圖所示，導(dǎo)軌能承受較大的垂直載荷，而其它方向的承載能力較低，但對(duì)于安裝基準(zhǔn)的誤差調(diào)節(jié)能力較強(qiáng),2.3.2、導(dǎo)軌,3）按滾道溝槽形狀分類(lèi),有單圓弧和雙圓弧二種，見(jiàn)右圖。單圓弧溝槽為二點(diǎn)接觸，如右上圖所示。雙圓弧溝槽為四點(diǎn)接觸，如右下圖所示。前者運(yùn)動(dòng)摩擦和安裝基準(zhǔn)平均作用比后者要小，但其靜剛度比后者稍差,2.3.2、導(dǎo)軌,3滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的有關(guān)計(jì)算 循環(huán)式直線導(dǎo)軌副的承載能力用額定動(dòng)載荷Ca和額定靜載

39、荷Coa表示。其額定壽命L用下式計(jì),式中： 額定壽命（km）； 行程長(zhǎng)度（m）； 每分鐘往復(fù)次數(shù)； 小時(shí)為單位的額定壽命,2.3.2、導(dǎo)軌,額定壽命L與額定動(dòng)載荷Ca的關(guān)系式可表示為,其中： 實(shí)際工作載荷(kN)； 指數(shù)，滾珠， 滾子 額定壽命單位，滾珠， 滾子 硬度系數(shù)， 溫度系數(shù)，查表1； 接觸系數(shù)，查表2； 精度系數(shù)，查表3； 載荷系數(shù)，查表4,2.3.2、導(dǎo)軌,表1 溫度系數(shù),2.3.2、導(dǎo)軌,表2 接觸系數(shù),2.3.2、導(dǎo)軌,表3 精度系數(shù),2.3.2、導(dǎo)軌,表4 載荷系數(shù),2.3.2、導(dǎo)軌,1、支承件設(shè)計(jì)的基本要求 1）應(yīng)具有足夠的剛度和抗振性 剛度是抵抗載荷變形的能力。抵抗恒定載

40、荷變形的能力稱(chēng)為靜剛度；抵抗交變載荷變形的能力稱(chēng)為動(dòng)剛度。 機(jī)座或機(jī)架的靜剛度，主要是指它們的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度。動(dòng)剛度與靜剛度、材料阻尼及固有振動(dòng)頻率有關(guān)。在共振條件下的動(dòng)剛度可用下式表示,2.3.3、支承件,式中： 靜剛度N/m； 阻尼比； 阻尼系數(shù)； 固有振動(dòng)頻率1/s,2.3.3、支承件,2）應(yīng)具有較小的熱變形和熱應(yīng)力 設(shè)備在工作時(shí)由于傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪、軸承，以及導(dǎo)軌等因摩擦而發(fā)熱，電動(dòng)機(jī)、強(qiáng)光燈、加熱器等熱源散發(fā)出的熱量，都將傳到支承件上，由于熱量分布，散發(fā)的不均勻，支承件各處溫度不同，由此產(chǎn)生熱變形、影響系統(tǒng)原有精度。對(duì)于數(shù)控機(jī)床及其它精密機(jī)床，熱變形對(duì)機(jī)床的加工精度有極其重要的影

41、響。在設(shè)計(jì)這類(lèi)設(shè)備時(shí)，應(yīng)予以足夠的重視,2.3.3、支承件,3）耐磨性 為了使設(shè)備能持久地保持其精度，支承件上的導(dǎo)軌應(yīng)具有良好的耐磨性。因此對(duì)導(dǎo)軌的材料、結(jié)構(gòu)和形狀，熱處理及保護(hù)和潤(rùn)滑等應(yīng)作周密的考慮。 4）結(jié)構(gòu)工藝性及其它要求 設(shè)計(jì)支承件時(shí)，還應(yīng)考慮毛坯制造、機(jī)械加工和裝配的結(jié)構(gòu)工藝性。正確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和必要的計(jì)算以保證用最少的材料達(dá)到最佳的性能指標(biāo)，并達(dá)到縮短生產(chǎn)周期，降低造價(jià)，操作方便，搬運(yùn)裝吊安全等要求,2.3.3、支承件,2、支承件的材料選擇 支承件的材料，除應(yīng)滿足上述要求外，還應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性等。目前常用的材料有鑄鐵、鋼板和型鋼、天然和人造花崗巖、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝

42、土等。 1）鑄鐵 鑄造可以鑄出形狀復(fù)雜的支承件，存在在鑄鐵中的片狀或球狀石墨在振動(dòng)時(shí)形成阻尼，抗振性比鋼高3倍。但生產(chǎn)鑄鐵支承件需要制作木模、芯盒等，制造周期長(zhǎng)，成本高，故適宜于成批生產(chǎn),2.3.3、支承件,2）鋼板與型鋼 用鋼板與型鋼焊接成支承件，生產(chǎn)周期比鑄造快1.73.5倍，鋼的彈性模量約為鑄鐵的2倍，承受同樣載荷，壁厚可做得比鑄件薄，重量也輕。但是，鋼的阻尼比只為鑄鐵的約1/3，抗振性差，結(jié)構(gòu)和焊縫上要采取抗振指施,2.3.3、支承件,3）天然和人造花崗巖 天然花崗巖的優(yōu)點(diǎn)很多：性能穩(wěn)定，精度保持性好。由于經(jīng)歷長(zhǎng)期的自然時(shí)效，殘余應(yīng)力極小，內(nèi)部組織穩(wěn)定；抗振性好，阻尼比鋼大15倍；耐磨

43、性比鑄鐵高510倍；導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好；抗氧化性強(qiáng)；不導(dǎo)電；抗磁；與金屬不粘合，加工方便，通過(guò)研磨和拋光容易得到很高的精度和表面粗糙度。目前用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和印刷板數(shù)控鉆床等。用作氣浮導(dǎo)軌的基底很理想。主要缺點(diǎn)是，結(jié)晶顆粒粗于鋼鐵的晶粒，抗沖擊性能差，脆性較大，油和水等液體易滲入晶界中，使巖石局部變形脹大，難于制作形狀復(fù)雜的零件,2.3.3、支承件,4）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土 主要用于制造不常移動(dòng)的大型機(jī)械的機(jī)身、底座、立柱等支承件。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支承件的剛度和阻尼比較之鑄鐵大5倍，抗振性好，成本較低。但鋼筋的配置對(duì)支承件影響較大，應(yīng)按彈性理論或有限元法所得的主應(yīng)力方向進(jìn)行鋼筋的配

44、置。制作時(shí)混凝土的保養(yǎng)方法也影響性能，混凝土耐腐蝕性差，油滲導(dǎo)致疏松，表面應(yīng)噴漆或噴涂塑料，脆性也較大。使用條件較為嚴(yán)格方能保持工作壽命,2.3.3、支承件,3、支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 選取有利的截面形狀 設(shè)置隔板和加強(qiáng)筋 選擇合理的壁厚 選擇合理的結(jié)構(gòu)以提高聯(lián)接處的局部剛度和接觸剛度 提高阻尼比 用模擬剛度試驗(yàn)類(lèi)比法設(shè)計(jì)支承 支承件的結(jié)構(gòu)工藝性,2.3.3、支承件,4、焊接支承件的設(shè)計(jì) 采用減振接頭 為了制造方便，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免圓角。 布置焊接支承件的筋板，除局部截面考慮強(qiáng)度外，主要從剛度的角度進(jìn)行設(shè)計(jì),2.3.3、支承件,2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),2.4.1數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 1）主傳

45、動(dòng)裝置多采用無(wú)級(jí)變速或分段無(wú)級(jí)變速方式，可利用程序控制主軸的變向和變速，主傳動(dòng)具有較寬的調(diào)速范圍。 2）進(jìn)給傳動(dòng)裝置中廣泛采用無(wú)間隙滾珠絲杠傳動(dòng)和無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)，利用貼塑導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌來(lái)減少運(yùn)動(dòng)副的摩擦力，提高傳動(dòng)精度。 3）床身、立柱、橫梁等主要支承件采用合理的截面形狀，且采取一些補(bǔ)償變形的措施，使其具有較高的結(jié)構(gòu)剛度。 4）加工中心備有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，可進(jìn)行多工序、多面加工，大大提高了生產(chǎn)率,2.4.2、數(shù)控機(jī)床的支承件 1）在抵抗受力變形方面 圖a為某加工中心的床身結(jié)構(gòu)，在其箱形結(jié)構(gòu)內(nèi)部有兩條斜筋支承導(dǎo)軌，形成三個(gè)三角形框架，從而獲得較高的靜剛度和較好的抗振性。圖b是數(shù)控車(chē)床床身截面

46、，采用封閉箱形結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部有加強(qiáng)筋，具有很高的剛度。床身呈傾斜狀便于排屑和裝卸工件。圖c是在床身底座腔內(nèi)填充混凝土來(lái)增大阻尼，從而提高其動(dòng)剛度，減小振動(dòng),2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),2）在抵抗受熱變形方面 為了減小因支承件受熱變形而產(chǎn)生的加工誤差，可采取減小熱源法、均勻熱量法、采用熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)等措施。 (a)數(shù)控立式銑床電機(jī)采用隔熱罩 (b)雙立柱結(jié)構(gòu)減小熱變形 圖a是采用隔熱罩隔離熱源來(lái)減小熱源的影響。圖b則是采用熱對(duì)稱(chēng)雙立柱結(jié)構(gòu)來(lái)減小熱變形引起的主軸軸線的位置變動(dòng)量，從而保證主軸的工作精度,2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),2.4.3、數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng) 1、主傳動(dòng)及變速 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)廣

47、泛采用無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，用交流調(diào)速電機(jī)或直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，且傳動(dòng)鏈短、傳動(dòng)件少。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的類(lèi)型與大小，其主傳動(dòng)主要有以下三種形式 帶有變速齒輪的主傳動(dòng) 通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng) 由主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng) 2、主軸部件 主軸部件是機(jī)床的重要部件之一，其精度、抗振性和熱變形對(duì)加工質(zhì)量有直接影響。特別是數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中不進(jìn)行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴(yán)重。數(shù)控機(jī)床主軸部件在結(jié)構(gòu)上要解決好主軸的支承、主軸內(nèi)刀具自動(dòng)裝夾、主軸的定向停止等問(wèn)題,2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),3、電主軸 電主軸是“高頻主軸”（High Frequency Spindle）的簡(jiǎn)稱(chēng)，有時(shí)也稱(chēng)作“直接傳動(dòng)主軸”

48、（Direct Drive Spindle），是內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元。 1）電主軸的結(jié)構(gòu) 如圖所示，電主軸由無(wú)外殼電機(jī)、主軸、軸承、主軸單元?dú)んw、驅(qū)動(dòng)模塊和冷卻裝置等組成。電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支承。電機(jī)的定子通過(guò)冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動(dòng)模塊控制， 而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置限制。在主軸的后端裝有測(cè)速、測(cè)角位移傳感器，前端的內(nèi)錐孔和端面用于安裝刀具,2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),2）電主軸的軸承 目前電主軸采用的軸承主要有陶瓷球軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。 3）電主軸的冷卻 采取強(qiáng)制循環(huán)油冷卻的方式對(duì)電主軸的定子及主軸軸承進(jìn)行冷卻，即

49、將經(jīng)過(guò)油冷卻裝置的冷卻油強(qiáng)制性地在主軸定子外和主軸軸承外循環(huán)，帶走主軸高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量。 4）電主軸的驅(qū)動(dòng) 當(dāng)前，電主軸的電動(dòng)機(jī)均采用交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，由于是用在高速加工機(jī)床上，啟動(dòng)時(shí)要從靜止迅速升速至每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)乃至數(shù)十萬(wàn)轉(zhuǎn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，因而啟動(dòng)電流要超出普通電機(jī)額定電流57倍。其驅(qū)動(dòng)方式有變頻器驅(qū)動(dòng)和矢量控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩種。 5）電主軸的基本參數(shù) 電主軸的基本參數(shù)包括：套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù),2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),2.4.4數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng) 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給包括直線運(yùn)動(dòng)部件的進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件的進(jìn)給，不論是直線進(jìn)給系統(tǒng)還是旋

50、轉(zhuǎn)進(jìn)給系統(tǒng)，目前仍以“伺服電動(dòng)機(jī)+機(jī)械傳動(dòng)鏈”為主導(dǎo)，但是這種傳統(tǒng)的進(jìn)給系統(tǒng)存在剛度低、傳動(dòng)誤差大、傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低等問(wèn)題，已很難滿足數(shù)控機(jī)床向高速加工方向發(fā)展的要求，因而近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在研究開(kāi)發(fā)直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件直線運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力矩電機(jī)，并已獲得應(yīng)用。 （一）直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給系統(tǒng) 1）直線電機(jī)的工作原理,2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),直線電動(dòng)機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能的電力傳動(dòng)裝置。其工作原理類(lèi)似于相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)上則可看作是由相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向切開(kāi)，拉直演變而成。它可以省去大量中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，加快系統(tǒng)反映速度，提高系統(tǒng)精確度，所以得到

51、廣泛的應(yīng)用。工作原理,2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),分類(lèi)及特點(diǎn)：直線電動(dòng)機(jī)按原理分為直流直線電動(dòng)機(jī)、交流直線異步電動(dòng)機(jī)、直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和交流直線同步電動(dòng)機(jī)。以前 3種應(yīng)用較多。 1、直流直線電動(dòng)機(jī) 直流供電的直線電動(dòng)機(jī)。由一套磁極和一組繞組構(gòu)成。繞組中的電流有的通過(guò)電刷和換向片結(jié)構(gòu)引入，稱(chēng)刷型；有的不經(jīng)換向器和電刷，直接用導(dǎo)線引入，稱(chēng)無(wú)刷型。直流直線電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上還可分為動(dòng)極式和動(dòng)圈式兩種。直流直線電動(dòng)機(jī)由于推力與電樞電流成正比，速度與電樞電壓成正比，故具有良好的線性控制特性，它與閉環(huán)控制系統(tǒng)配合，可以進(jìn)行精密的調(diào)節(jié)和控制，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的磁頭定位系統(tǒng),2.4 數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu),2、交