大型管材相貫線切割機(jī)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 目錄目錄1中文摘要2Abstract2第 1 章 緒論3第 2 章 數(shù)學(xué)模型及工藝分析42.1鋼管典型相貫線數(shù)學(xué)模型的建立42.2 割炬運(yùn)動分析52.3 焊接坡口工藝分析62.4 割炬的徑向補(bǔ)償6第3章 設(shè)備總體方案及布局73.1 機(jī)床總體方案73.2 切割機(jī)傳動系統(tǒng)的簡要說明73.3 功能和技術(shù)參數(shù)分析8第4章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)104.1 Z軸工作滑臺的設(shè)計(jì)104.2調(diào)整絲杠的設(shè)計(jì)174.3 齒輪齒數(shù)的確定與較核184.4 支架的設(shè)計(jì)18第 5 章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)205.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)205.2 控制系統(tǒng)的選用215.3 數(shù)控裝置的部件結(jié)構(gòu)和安裝215.4.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)225.5 圖形交互

2、人機(jī)界面23總 結(jié)25鳴 謝26參考文獻(xiàn)27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, 將切割運(yùn)動分解為割炬回轉(zhuǎn)、割炬平移、割炬擺角和割炬徑向補(bǔ)償四軸聯(lián)動,對鋼管相貫焊接坡口數(shù)控切割運(yùn)動進(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A(yù)bstractBased on the mathematical model of intersecting line and the anal

3、ysis 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

4、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 des

5、ign of mechanical structure and the design of NC control system.Keywords: Large-scale pipe; Intersecting line; Welding groove; NC flame-cutting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，主要以海上平臺上部模塊建造工程為主,而大型管材相貫是該海上平臺加工制造過程中經(jīng)常遇見的切割焊接結(jié)構(gòu).相貫焊

6、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)和美國石油協(xié)會標(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)的局部兩面角. 不同形式的鋼管相貫,相貫線上每一點(diǎn)的局部兩面角各不相同,局部兩面角沿相貫線在不斷變化.目前，該公司切割下料以人工作業(yè)為主，對于這種帶坡口相貫線均采用人工放樣等工藝方法來進(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)知識進(jìn)行大型管材相貫線切割機(jī)的設(shè)計(jì).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

7、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

8、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,ø)=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)坐標(biāo)系與坐標(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)(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)取在坐標(biāo)系下過相貫線上x軸坐標(biāo)值最

9、大的點(diǎn)且垂直于x軸的平面為下料基準(zhǔn)面.其在 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)志主管相對于支管的扭轉(zhuǎn)角度. 2.2 割炬運(yùn)動分析 如圖2-3所示,被切支管保持不動,割炬沿被切支管做R軸(旋轉(zhuǎn)軸),T軸(擺動軸),A軸(縱向補(bǔ)償軸)三軸和環(huán)架的Z軸(軸向移動)共四軸聯(lián)動.正式切割前,手動完割炬和環(huán)架的徑向運(yùn)動,以調(diào)整割炬與被切管徑向位置;在切割過程中, 割炬按照設(shè)定速度繞被切

10、管作回轉(zhuǎn)運(yùn)動, 被切管剖面的擺動和徑向補(bǔ)償運(yùn)動,環(huán)架沿被切管軸向作軸向移動,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,才能切出所需的空間相貫曲面. 圖2-4 割炬運(yùn)動 注:1肖聚亮,王國棟.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)美國焊接學(xué)會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

11、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鈍邊和坡口切割高度來保證的. 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)兩面角的大小來決定.相貫線上任選兩點(diǎn)兩面角為: 根據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 4802-92)和美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(API PI 2A)來確定坡口角.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)際切割過程中是沿支管外表面進(jìn)行的,在

12、這一過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 加Q 1037774652 有多張 CAD圖紙，開題報(bào)告第3章 設(shè)備總體方案及布局3.1 機(jī)床總體方案對于大型鋼管的相貫線的切割有兩個(gè)方案：方案1：鋼管由主軸帶動旋轉(zhuǎn)，同時(shí)割矩槍只需進(jìn)行軸向移動即可實(shí)現(xiàn)切割要求，所以要實(shí)現(xiàn)2軸聯(lián)動。方案2：鋼管靜止不動，并且由于相貫鋼管的直徑大小不同、相貫角度不同，都會導(dǎo)致相貫線軌跡的不同，因此割

13、矩槍必須要利用數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動、軸向移動、徑向補(bǔ)償移動、軸剖面內(nèi)擺動,均采用步進(jìn)電動機(jī)帶動，所以要實(shí)現(xiàn)4軸聯(lián)動,并且要求能進(jìn)行人機(jī)對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強(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××0.46) ×12=11285.9kg且鋼管長度最長時(shí)可達(dá)12m。如果照方案1鋼管轉(zhuǎn)動起來需要耗費(fèi)比較大的功率,并且鋼管過長轉(zhuǎn)動起來還會產(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)傳動系統(tǒng)的簡要說明3.2.1

14、 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)動和兩個(gè)手動來完成.現(xiàn)定義四軸如下圖4-1. 圖3-1 切割機(jī)的四軸聯(lián)動3.2.2 Z軸工作滑臺簡明傳動系統(tǒng)圖z軸主要完成沿著鋼管軸心的軸向進(jìn)給 圖3-2 Z軸傳動系統(tǒng)圖 圖3-3 R軸和A軸傳動系統(tǒng)圖3.2.3 R軸和A軸傳動系統(tǒng)圖R軸和A軸分別實(shí)現(xiàn)割炬繞著鋼管轉(zhuǎn)動和沿鋼管徑向補(bǔ)償.如圖3-3。3.2.4 T軸和徑向調(diào)整傳動系統(tǒng)圖T軸是實(shí)現(xiàn)割炬的前后擺動,以切出所需要的坡口角.其擺動行程為30°-30°. 圖3-4 T軸和徑向調(diào)整傳動系統(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，都會導(dǎo)致相干相

15、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，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和徑向移動的定位精度、走刀速度等諸技術(shù)參數(shù)，并且要求能進(jìn)行人機(jī)對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強(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)過程中隨著切割位置的不同還需要割矩?cái)[動角度參數(shù)，即機(jī)床要實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動。加工的鋼管直徑尺寸2001000mm，最長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)電動機(jī)作為機(jī)床的動力源。步進(jìn)電動機(jī)可通過數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)無級調(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)

16、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。查簡明焊工手冊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）號碼喉徑d/mm52010.6800300254020.8500250357031.0350150第4章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 Z軸工作滑臺的設(shè)計(jì)4.1.1 脈沖當(dāng)量即系統(tǒng)分辨率。本設(shè)計(jì)中選用0.01mm4.1.2 選定傳動比當(dāng)1時(shí)，可使步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本設(shè)計(jì)中取 1。4.1.3 初選步機(jī)電機(jī)根據(jù)公式 公式 (4-1)其中為傳動比，為電機(jī)步距角，為滾珠

17、絲杠導(dǎo)程，為脈沖當(dāng)量。因?yàn)?，0.01mm，現(xiàn)取4mm，可得0.9o初選步進(jìn)電機(jī)型號為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工作臺的重量為0.3×0.33×0.04×7.8×1000=30.8kg齒輪和管狀體的重量大概為7.8×(0.7××0.6)

18、5;3.14 ×0.1=318.3kg再加上繞齒輪轉(zhuǎn)動的燕尾滑塊、兩個(gè)電動機(jī)、和火焰切割槍等，取絲杠所承受的質(zhì)量M=460kg4.1.5 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，選用矩形滾動直線導(dǎo)軌。得滾珠絲杠上的工作載荷：公式(42)其中為考慮導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù), 對于矩形滾動導(dǎo)軌取0.005。G=M所以，4.1.5.2最大動載荷的計(jì)算和主要尺寸的初選滾珠絲杠最大動載荷可用下式計(jì)算： 公式(43) 式中：為工作壽命，； 為絲杠轉(zhuǎn)速，；為最大進(jìn)給速度

19、；為絲杠導(dǎo)程；為額定使用壽命，可取15000h；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，現(xiàn)1.5；為絲杠工作載荷； 由板厚520、2540、3570mm查簡明焊工手冊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)動和底下工作臺的直線運(yùn)動選項(xiàng)用工作臺的直線進(jìn)給速度為=0.8m/min 公式（44)所以，本設(shè)計(jì)選外循環(huán)滾動螺旋副，查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2-8，根據(jù)4mm，選絲杠公稱直徑，有：因?yàn)椋猿踹x的絲杠螺母副合格。4.1.5.3 傳動效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 公式(45)式中：為絲杠螺旋升角，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)0.0030.00

20、4,其摩擦角約等于。所以， 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(46)式中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）；為絲杠的工作載荷(N)；為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)；E為材料彈性模量，對鋼E20.

21、6×104MPa；A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm2）；“”號用于拉伸，“”號用于壓縮。根據(jù)滾珠直徑DW2.381mm公式見機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)P25，其中， 為絲杠公稱直徑。為絲杠底徑。 取進(jìn)給的絲杠長度L2000mm.。所以 =0.00151mmB） 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。其計(jì)算公式：有預(yù)緊時(shí) 公式(47)式中：為滾珠直徑（mm）；為滾珠總數(shù)量圈數(shù)×列數(shù)；Z為一圈的滾珠數(shù)，（外循環(huán)）；為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）；為滾珠絲杠的工作載荷（kgf）；為預(yù)緊力（kgf，1kgf=9.8N），取工作載荷

22、的1/3。因?yàn)?，圈?shù)×列數(shù)21×2.5×152.5所以 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)， 值可減少一半左右。所以縱向和橫向：0.000279mm。C） 滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算絲杠的總的變形量應(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)?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)長桿，若軸向工作載荷過大，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)的臨界載荷為

23、公式(48)式中： I為截面慣性矩，對絲杠圓截面（d1為絲杠底徑）；L為絲杠最大工作長度（mm）；E為材料彈性模量，對鋼E20.6×104MPa；為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計(jì)中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即4。所以 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 公式(49)一般取2.54，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取4。又因?yàn)槊嫱ㄖ?所以，滾珠絲杠不會失穩(wěn)。4.1.5.6 滾珠絲杠螺母副的選擇根據(jù)最大動載荷選用，其代號為：16044.1.6 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算4.1.6.1 初選

24、導(dǎo)軌型號及估算導(dǎo)軌長度導(dǎo)軌為直線滾動矩形導(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)最大動載荷C=190.89N，通過查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表2-16 P33，初選2條導(dǎo)軌的型號都為GDA20TW。其部分參數(shù)如下：根據(jù)工作臺的長度和工作臺的行程，估算出導(dǎo)軌的長度為2200mm。由公式。式中為支座長度；為導(dǎo)軌兩孔之間的距離?？伤愕脤?dǎo)軌的36。4.1.6.2 計(jì)算滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算：滾動體為球時(shí) 公式(410)式中：為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）；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19100N；為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為586

25、4HRC時(shí)，1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過1000C時(shí)，1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)0.81；為載荷/速度系數(shù)，有沖擊振動或時(shí)，1.5。為每個(gè)滑塊的工作載荷（N）?？紤]到工作臺上各部分的重量在工作臺上的重心不落在中心上，而這些載荷都通過工作臺直接作用在滑塊上，故取F=20N。所以 大于滾動導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動導(dǎo)軌副可采用。4.1.7 步進(jìn)電機(jī)的驗(yàn)算4.1.7.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機(jī)軸折算問題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動系統(tǒng)

26、折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。本設(shè)計(jì)需要對電機(jī)轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸器,絲杠,工作臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算。A）、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的折算由機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表2-18 P40查出=1.764cm2B）、聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量的折算選用TL1聯(lián)軸器(查機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊化學(xué)工業(yè)出版P666)，可查出它轉(zhuǎn)動慣量為0.0004m2，得出4cm2。C）、滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量的折算1m長的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為0.94cm2，本設(shè)計(jì)的絲杠長度L2000mm，所以滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量縱向：=0.94×2=1.88cm2。D）、工作臺質(zhì)量的折算工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進(jìn)行計(jì)

27、算： 公式(411)式中，為絲杠導(dǎo)程（cm）；為工作臺質(zhì)量（kg）。所以 E）、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算4.1.7.2、驗(yàn)算矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(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。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： 公式(412)由0.707得，步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩可按下式計(jì)算： 公式(413)式中：為空載啟動力矩（Ncm）；為空載啟動時(shí)運(yùn)動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）；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm）； 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （N

28、cm）。有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下：A）加速力矩 公式(414) 式中：為傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量；為電機(jī)最大角加速度；為與運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t為運(yùn)動部件從靜止啟動加速到最大快進(jìn)速度所需的時(shí)間，為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度；為初選步進(jìn)電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。B） 空載摩擦力矩 公式(415)式中：為運(yùn)動部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；齒輪傳動降速比；為傳動系數(shù)總效率，取0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。C）、附加摩擦力矩 公式(416)式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動效率，現(xiàn)取0.96。于是 所以，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩：初選電機(jī)型號應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步

29、進(jìn)電機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即 從上式可知，所選電動機(jī)初步滿足要求。4.1.7.3、啟動矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動很少使用。升速啟動是步進(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啟動矩頻特性圖中，可查得：縱向：空載啟動力矩對應(yīng)的允許啟動頻率。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的最高空載啟動頻率，所以所選電機(jī)不會丟步。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)行頻率可按下式計(jì)算： 公式(417)

30、式中：為運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度。=0.01算得?？爝M(jìn)力矩的計(jì)算公式： 公式(418)式中： 為附加摩擦力矩， 為快進(jìn)時(shí)，折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩。算得：。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)力矩對應(yīng)的允許快進(jìn)頻率；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。其他各軸電動為:R軸電機(jī)為70BF001 A軸電機(jī)為70BF001 T軸電機(jī)為70BF0014.2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

31、，因此其螺紋升角應(yīng)小于螺旋副的當(dāng)量摩擦角（6. 5º到10. 5º）取絲杠的螺紋升角為3º.絲杠底下的雙推力軸承代號為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)長桿，若軸向工作載荷過大，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)的臨界載荷為 公式(419) 式中： I為截面慣性矩，對絲杠圓截面 （d1為絲杠底徑）；L為絲杠最大工作長度（mm）；E為材料彈性模量，對鋼E20.6×104MPa；為絲杠支承方式系數(shù)。本設(shè)計(jì)中，絲杠為長絲杠，故支承方式選用兩端軸向固定，即0.25

32、。所以 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 公式(420)一般取2.54，在這里取4。齒輪和管狀體的重量大概為7.8×(0.7××0.6)×3.14 ×0.1=318.3kg取F=250kg。 所以，調(diào)整絲杠不會失穩(wěn)?？?結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)是對三年大學(xué)所學(xué)過的知識的一次全面檢測,是對學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的知識，提高理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)與分析計(jì)算能力的培養(yǎng)；是對學(xué)生圍繞某項(xiàng)專題收集閱讀，分析和運(yùn)用資料的能力和學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立工作，科學(xué)研究和解決工程實(shí)際問題的能力的培養(yǎng)。而且,這次畢業(yè)設(shè)計(jì)與以前學(xué)期末所進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)有著很大的區(qū)別，課程設(shè)計(jì)有指導(dǎo)書，我們都是按照指導(dǎo)書的步驟，套公式計(jì)算。這種設(shè)計(jì)方式在很大程度上限制了我們設(shè)計(jì)的靈活性和創(chuàng)新能力。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)打破了以前的那種設(shè)計(jì)模式，完全是靠自己來完成，設(shè)計(jì)的步驟，演算的內(nèi)容都是由自己構(gòu)思，把所學(xué)到