先進制造技術方向課程設計指導書2014-參數修改-12-20

1、北京石油化工學院 機械工程及自動化專業(yè)綜合訓練 指導書機電工程系 二零一 四 年十 月目 錄第一部分：專業(yè)綜合訓練的目的、要求及內容一 專業(yè)綜合訓練的目的二 專業(yè)綜合訓練的要求三 專業(yè)綜合訓練的步驟四 設計說明書和圖紙要求第二部分：設計訓練一 經濟型數控銑床XY向進給伺服系統(tǒng)設計參數二 經濟型數控銑床XY向進給伺服系統(tǒng)設計過程與實例第一部分 專業(yè)綜合訓練內容及要求一、 專業(yè)綜合訓練的目的 機械工程及自動化專業(yè)綜合訓練的目的在于培養(yǎng)學生機械和自動化控制綜合集成能力和工程應用能力。通過運用所學基礎課、技術基礎課和專業(yè)課的理論知識，生產實習和實驗等實踐知識進行設計，達到鞏固、加深和擴大所學知識的目的

2、。通過分析比較數控機床XY二維進給伺服平臺的結構，對主要部件進行設計計算、選型和校核并編寫技術文件，達到學習典型機電產品設計步驟和方法的目的。通過學習查閱有關的設計手冊、設計標準和資料，達到積累設計知識和提高設計能力的目的，從而獲得設計工作基本技能的訓練，提高分析和解決工程技術問題的能力。二、 專業(yè)綜合訓練的要求機械工程及自動化專業(yè)綜合訓練的內容，要求綜合運用所學的理論知識，設計經濟型數控銑床的XY二維進給伺服平臺。內容包括設計計算說明書、三維圖、二維裝配圖和零件圖。手工撰寫和計算機整理設計計算說明書，包括數控銑床伺服傳動系統(tǒng)原理說明、總體傳動設計和各部件設計，主要部件包括滾珠絲杠、步進電機、

3、軸承、聯軸節(jié)、軸承座、導軌、底座、平臺、連接件、行程開關和撞塊等選型和計算等。手工繪制XY二維進給伺服平臺裝配圖A0號坐標圖紙1張，計算機繪制其3維圖和二維裝配圖，并打印A0裝配圖和主要零件（包括滾珠絲杠螺母副、電機和前軸承座，底座）A4圖3張，A4三維軸側圖1張。三、專業(yè)綜合訓練的步驟1明確目的要求、查閱有關資料，弄清給定的條件、數據，設計的內容與要求。查閱資料時，可查閱機械設計基礎、機械設計手冊和現代數控機床設計等。2總體方案設計3各部件的選型與計算3.1 滾珠絲杠設計計算3.2 步進電機的選型計算3.3聯軸節(jié)的選型3.4 軸承的選型與計算3.5滾動導軌的選型3.6 前后軸承支撐件、底座、

4、工作平臺的設計3.7 行程開關的選型和設計四、設計說明書和圖紙要求1、 手寫的設計說明書要設計步驟完整、清晰，計算準確，字跡清楚.在設計開始必須將自己的設計參數列出，最后結果應給出設計和選型部件的主要參數，圖紙應按照這些參數值進行繪制。2、 電子版計算說明書（需打?。?，內容充實、條理清楚，文字通順、圖表和公式清晰，裝訂整齊。3、無論是手工繪制還是打印圖紙，都必須符合國家標準，圖面清晰。裝配圖不是示意圖，至少要有三視圖（包括必要的剖視圖），零件號，尺寸標注（包括總體外形尺寸、裝配尺寸、配合尺寸），標題欄（包括圖形比例、名稱，各零件的標準、數量、材料等），技術要求等。零件圖要用視圖將其結構反應清楚

5、，有完整的尺寸標注和技術要求，標題欄等。第二部分 設計與訓練一、 經濟型數控銑床XY二維進給伺服平臺 圖2-1 數控銑床示意圖 圖2-2 二維伺服平臺參考實物和裝配圖 本設計完成經濟型數控銑床XY二維進給伺服平臺設計，每位同學的主要初始設計參數都不相同(見表格），其他參數按給定的值或給定的范圍內取值。主要技術參數的范圍： 定位精度 ±0.01-0.05mm X向進給距離（X>Y) 500-2000mm Y向進給距離 500-2000mm銑床Z向（垂直于導軌）最大切削力 1000-5000N 銑床零件重量 500-2000NX、Y向最大切削負載 1000-5000N(與運動方向相

6、反) X、Y向快速進給速度大于 3000mm/min， X、Y向 工進進給速度 10-500mm/min導軌之間的摩擦系數 =0.02傳動效率 0.9二、 經濟型數控機床伺服系統(tǒng)設計過程與實例 包括總體方案設計、各部件的選型和設計，繪制伺服驅動裝配圖、繪制伺服驅動三維圖并對典型零件進行數控仿真加工。2.1總體方案設計1功能與技術參數分析設計的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設計任務所提出的主要功能和技術指標。比如，普通機床的數控化改造要求利用數控系統(tǒng)代替人工或機械凸輪、靠模來控制機床的運動，提高機床的加工精度和自動化水平，滿足多品種小批量零件加工的功能要求。設計任務給出了X向走刀、Y向走刀的定位精度、走

7、刀速度、主軸變速等諸技術參數。并且，要求能進行人機對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強，具有顯示和通信功能縮短非生產準備時間，提高生產率。2原理構思和技術路線確定針對設計任務的主要功能和技術指標要求提出一些原理性的構思。比如，普通車床車削螺紋時為了防止亂扣，進給與主軸旋轉之間用掛輪來實現嚴格的機械傳動關系，改變螺紋的螺距就需改變掛輪。數控化改造后，省掉了掛輪，要提出合理的、先進的方法來解決進給與主軸旋轉相配合的問題。要做到：主軸轉轉，車刀精確移動一個螺距；螺紋加工不能一次切削完成時，每次進刀的位置必須相同；切制多頭螺紋時，能正確分度。有了原理性構思，還要提出實現該功能原理的技術途徑。沒有

8、合理的可行的技術途徑來保障，好的原理性構思就成為空想。3擬定總體方案功能原理構思和技術路線確定后，對運動、布局、傳動、結構、控制以及軟件等方面作出總體方案設計。方案可以同時作幾個，經過技術和經濟評價后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如，普通車床的數控化改造方案應該在滿足改造設計任務要求的前提下，盡可能對原普通車床作較少的改動，這樣可以降低改造成本。2.關鍵部件設計設備機電一體化改造設計或機電一體化新產品設計都需要抓住關鍵部件的設計。比如，要做好普通機床的數控化改造；X向進給系統(tǒng)、Y向進給系統(tǒng)改造；主軸調速系統(tǒng)改造；螺紋加工改造；數控系統(tǒng)的選型和配置設計等。不能把某個關鍵部件設計簡

9、單地看做某個關鍵部件的結構設計。比如，縱向進給系統(tǒng)改造將遇到采用什么驅動裝置，怎樣提高傳動精度和效率，原有的進給箱怎樣處理，滾珠絲杠螺母副怎樣支承等問題的綜合性解決辦法，而不是孤立地設計一對齒輪，一個絲杠副。2.1.1進給伺服系統(tǒng)機械部分機械結構可參考兩種方案：一種是將步進電機及減速箱安裝在機床中部,固定軸機床中部,這樣占據絲杠空間。另一種結構是把步進電機及減速箱安裝在機床尾部，并不占據絲杠空間，且這種結構是滾珠絲杠轉動，絲母不動，帶動絲母上的工作臺移動。因為這種結構緊湊，整個結構小巧。因此，采用這種結構方案，畫出的傳動原理圖。螺旋傳動主要用來把運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D運動。在經

10、濟型數控機床進給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實現精密進給運動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機構。滾珠絲杠具有下述特點:(1)傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副傳動的效率為 0.92-0.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高3-4倍，因此，功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的1/4-1/3。(2)運動靈敏，低速時無爬行。(3)軸向剛度高，反向定位精度高。(4)具有傳動的可逆性。即絲杠和螺母都可以作為主動件。(5)磨損小，使用壽命長，精度保持性好。(6)工藝復雜。目前已由專門的工廠集中生產。(7)不能自鎖。故常需添加制動裝置?；谝陨咸攸c，滾珠絲杠機構在機床上的應用越來越廣泛，特別是在數控機床、精密機床上應用更為普遍

11、。由于本設計中該機構主要以傳動運動為主，要求有較高的傳動精度和傳動效率，又要求結構緊湊，運動靈敏，所以選用滾珠螺旋傳動機構作進給運動，以滿足工作臺的X、Y向移動要求。為了提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構?？紤]到電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，因此在步進電機與絲杠之間需采用一級齒輪降速傳動。2.1.2伺服進給系統(tǒng)數控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)伺服系統(tǒng)及閉環(huán)伺服系統(tǒng)兩大類。其中，開環(huán)伺服系統(tǒng)多用步進電機作為執(zhí)行元件，又稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)；閉環(huán)伺服系統(tǒng)常用直流伺服電機和交流伺服電機作為執(zhí)行元件。（1）閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、測量反饋裝置、比較環(huán)節(jié)、驅動線路和機床運動部件五

12、大部分組成。下圖是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理圖。圖23 閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置反饋系統(tǒng)，可以補償機械傳動裝置中的各種誤差、間隙和干擾的影響，因而可以達到很高的定位精度，同時還可能達到很高的速度。但是，由于很多的機械傳動環(huán)節(jié)(尤其是慣量較大的工作臺等)包括在閉環(huán)控制的環(huán)路內,各部件的摩擦特性、剛性及間隙等都是非線性的,直接影響伺服系統(tǒng)的調節(jié)參數。測量裝置價格較高，安裝和調整都比較復雜，設計和調整的不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。因而閉環(huán)控制數控機床主要用于一些精度要求高和速度高的精密大型數控機床，如鏜銑床、超精車床、超精磨床等。(2) 開環(huán)伺服系統(tǒng) 目前，在經濟型數控機床中廣泛采用步進電機作

13、為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)。步進電機控制的系統(tǒng)結構比較簡單，由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，因而控制系統(tǒng)的實現與調試都比較容易，維修也很方便。隨著計算機技術的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了進展.例如在驅動電路方面，采用高低壓切換的雙電壓供電，有利于提高動態(tài)輸出力矩，改善矩頻和慣頻特性；采用自動升降速電路，以使步進電機能跟隨較高的啟?；蛲惶l率運行，提高伺服電機工作效率；在低速運行中采用平滑或細分電路以減少低頻(步進)轉動對零件切削加工的精度和表面粗糙度的影響，也解決了微量進給與快速移動之間的矛盾。其它硬件電路也均可由軟件實現，從而更簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。當

14、然，開環(huán)步進伺服系統(tǒng)在小功率驅動時工作效率降低的矛盾還不突出，大功率驅動的步進電機空載啟動頻率和最高運行頻率均不高，而且當負載力矩和慣量增加時，步進電機的連續(xù)運行矩頻特性和啟動慣頻特性都存在明顯增加的趨勢。另外,步進電機本質上是脈沖控制，還將產生共振。以上因素使得開環(huán)步進數控系統(tǒng)適宜于在精度、速度要求不高的一般數控系統(tǒng)中應用。如經濟型、中小型機床。圖24 開環(huán)伺服系統(tǒng)經過以上比較，決定采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動X-Y工作臺，使用滾珠絲杠將轉動變?yōu)槠絼硬竭M電機與滾珠絲杠之間采用撓性聯軸節(jié)連接，滾珠絲杠前支撐采用一對角接觸球軸承，背靠背安裝，后支撐采用圓柱滾子軸承。2.2主要部件選型、設計和計算

15、包括：滾珠絲杠螺母副的計算和選型、步進電機的計算和選型、軸承選型和計算、撓性聯軸器的選型、滾動導軌的選型、非標件的設計、電器的選型等。2.2.1 滾珠絲杠的設計計算（實例）-參見現代數控機床相關內容要求：對兩個方向的滾珠絲杠進行設計計算、選型和校核，并將滾珠絲杠圖片和主要參數列出，并繪制和打印零件圖。 滾珠絲杠示意圖 工作循環(huán)機床進給部件重量 mT = 600N最大加工受力 F1000N 快進速度 |Vfast|= 0.02 m/s工進速度 Vv=0.042m/s 最大加速度 amax=0.8m/s2工作臺導軌摩擦力 Fr= 25N工作行程 Lw = 1100mm絲杠傳動效率 =0.96確定最

16、大轉速常數 A=60000軸承支承方式 雙推支撐電機轉子慣量 =0.05×10-3 Kg/m-3鋼的密度 Kg/m-3根據所給的進給距離( 工作行程) Lw = 1100mm=1.1m,估算絲杠長度L=1250mm=1.25m，軸承間距約Lsp=1300mm=1.3m，軸承寬度約25mm,前端軸頸約長150mm，后端軸頸約50mm,總長約1300+50+150+50=1550mm左右。 1 .確定動載荷Ca =0.042/0.8=0.0525s=1.1/0.042=26.19sT=2tw+4ta=52.59s= 60×0.042/2×5×10-3=252

17、r/min=504 r/min當量轉速nm= =(2×26.19×504+4×0.0525×252)/52.59 =502r/minFm=Fr+ =25+(2×26.19×1000+4×0.0525×60×0.8)/52.59 =1021.12N 設該機床預定使用時間為10年,且為單班工作制,則該滾珠絲杠的壽命為: Lh=10×300×8=24000h查表現代數控機床5-14靜態(tài)安全系數fw=1.1則滾珠絲杠的動載荷:Ca=fFm(60nmLn×10-6) =1.1×

18、;1021×(60×502×24000×10-6) =10053N 2 .確定靜載荷. 最大軸向力可以近似取最大加工受力.即： FmaxF=1000N 由現代數控機床表5-9查取靜態(tài)安全系數fd=1 靜載荷:Coa=fd×Fmax=1×1000=1000N 3. 由軸向壓力選取絲杠直徑. 絲杠直徑公式:dsp= 由FmaxF=1000N，L=1250mm 查現代數控機床表5-15得： m=10.2 dsp=3.52mm 故取 dsp3.52mm 4. 轉速限制 （1）最大轉矩限制： mmax由：nmax=500 A=60000 得：

19、dsp=120mm （2）臨界轉速限制： d 由n=500r/min<n, 取n最小值500,L=1250mm,f=15.1(雙推-支撐) 得：d=5.17mm 5 .選擇絲杠直徑： 由 C=10053N C=1000N d3.52mm d120mm d5.17mm由以上數據，從滾珠絲杠國家標準或從網上產品樣本中選取絲杠型號，確定其參數.此例中直徑選d=20mm，額定動載荷是C=11075N，額定靜載荷是Co=22172N。滾珠絲杠的導程選取要能達到精度要求。2.2.2步進電機的選擇該對XY兩個方向的步進電機都進行設計計算和選型，并列出最后選出的兩個方向的步進電機型號和主要參數，包括性能

20、參數和外形參數。實例：加工零件最大重量W=2000N，導軌之間的摩擦系數=0.06，銑削時X向最大切削力Fx=2150N(與運動方向相反)，Z向切削力Fz=4300N（垂直于導軌），要求切削進給速度1=10500mm/min，快速行程速度2=3000mm/min，滾珠絲杠名義直徑d0=32mm，導程tsp=6mm=0.6cm,絲杠總長l=1400mm，最大行程為1150mm，定位精度（脈沖當量）±0.01mm，試選擇合適的步進電動機，校核其工作速度。（本例題中采用齒輪傳動，但是綜合訓練的設計中無齒輪傳動）1. 步距角的選擇定位精度（脈沖當量）= *tsp/（360*i）其中為步進電機

21、步距角，i為齒輪減速比，tsp為滾珠絲杠導程。從式中可以看出步距角越小，滾珠絲杠導程，傳動比越大，定位精度越高。步距角=360i* /tsp 步距角的選取與定位精度和滾珠絲杠的導程選取有關，精度越高，所選的步進電機步距角越?。粷L珠絲杠的導程選取的越小，則所選的步進電機步距角可變大。本例中采用齒輪減速，設選用的齒輪減速比i=1.25，選小齒輪數z1=20,z2=25,模數m=2mm。則為了達到精度要求，最大步距角為=360i*0.01/6=0.6*i °=0.75 °的步進電機。如果不加齒輪減速，i=1，則=360*/tsp2.等效負載轉矩計算（1） 空載時的摩擦轉矩Tf W

22、tsp 0.06×2000×6 Tf= = =114.6(N.mm)=11.46 N.cm 2si 2×0.8×1.25（2）車削加工時的負載轉矩TL Fx+(W+Fz)tsp 2150+0.06(2000+4300)0.6 TL = = = 241.4 (N.cm) 2si 2×0.8×1.25式中的s=0.8，為絲杠預緊時的傳動效率。3.等效轉動慣量計算（1）.滾珠絲杠的轉動慣量JsP d40lp (32)4×140×7.85×10-3JsP= = =11.31 (N.cm.s2) 32 32 式中的

23、鋼密度 =7.85×10-3kg/cm3。（2）.拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉動慣量JW W tsp 1 2000 0.6 1 JW= ( )2× = ( )2× =1.2×10-2 (N.cm.s2) g 2 i2 980 2 (1.25)2（3）.大齒輪的轉動慣量Jg2 d42b2 (5)4×1.0×7.85×10-3 Jg2= = =0.482 (N.cm.s2) 32 32式中的b2=10mm，為大齒輪寬度。（4）小齒輪的轉動慣量Jg1d41b1 (4)4×1.2×7.85×10-3

24、 Jg2= = =0.2 (N.cm.s2) 32 32式中的b1=12mm，為小齒輪寬度。因此，換算到電動機軸上總慣性負載JL為 Jg2+Jsp 0.482+11.31 JL=Jg1+JW+ =0.2+0.012+ =7.76 (N.cm.s2) i2 (1.25)24.初選步進電機型號已知：TL=241.4(N.cm),JL=7.76(N.cm.s2),初選步進電動機型號為110BF003，它的三條性能曲線見圖1。其最大靜轉矩Tmax=800（N.cm），轉子慣量Jm=4.7(N·cm·s2)，由此可得 TL 241.4 JL 7.76 = =0.3<0.5, = =1.65<4 Tmax 800