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畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）任 務(wù) 書
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：
數(shù)控連續(xù)彎管機總體設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及技術(shù)參數(shù)：
1.設(shè)計要求：
設(shè)計一種數(shù)控可以進行連續(xù)多角度多方向進行管子彎曲，最大彎曲管徑及壁厚為Φ25及2mm的管子彎曲設(shè)備，本次畢業(yè)設(shè)計“數(shù)控連續(xù)彎管機總體設(shè)計”進行數(shù)控彎管機設(shè)備機械部分設(shè)計。
2.技術(shù)參數(shù)：
最大彎曲管徑及壁厚：Φ25×2mm
最大彎曲半徑： 250mm
最小彎曲半徑： 50mm(根據(jù)彎管直徑)
最大彎曲角度： 180°
標準送料長度： 1500mm
送料方式： 直送或夾送
工作速度 彎管速度： 100mm/s
送料速度： 3000mm/min
工作精度 彎管精度：±0. 5°
送料精度：±0.1mm
電源： 380V/50Hz
控制閥電壓： 24V
總功率： 7Kw
液壓系統(tǒng)最高壓力： 10Mpa
第1頁
3．畢業(yè)設(shè)計說明書格式（或參考學校規(guī)定的格式）
（1） 太原學院畢業(yè)設(shè)計統(tǒng)一封面
（2） 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
（3） 畢業(yè)設(shè)計中英文摘要
中文摘要300字左右
英文摘要和中文摘要對應(yīng)
（4） 說明書目錄
（5） 說明書正文
第一章 ··········
一． ··········
二． ··········
三． ··········
第二章 ··········
一． ··········
二． ··········
三． ··········
第三章 ··········
第四章
（6） 總結(jié)（對設(shè)計內(nèi)容的評價）
（7） 致謝
（8） 參考文獻
（9） 附錄
4．查閱有關(guān)外文資料，并將其中的1-2篇翻譯成中文
第2頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：
(1) 數(shù)控彎管機機構(gòu)的總體設(shè)計。
(2) 機頭機構(gòu)的設(shè)計。
(3) 小車部件的設(shè)計。
(4) 電機的選型，根據(jù)機構(gòu)的不同工況，按標準選取相應(yīng)的電機。
(5) 控制原理圖設(shè)計。
(6) 液壓原理圖設(shè)計。
學生應(yīng)交出的設(shè)計文件（論文）：
1．開題報告。
2．設(shè)計計算說明書（不少于2萬字）。
3．圖紙：折合數(shù)量不少于2張A0?？傃b圖、原理圖、零件圖。
4．外文文獻及譯文（不少于1萬英文字符）。
第3頁
主要參考文獻（資料）：
[1] 成大先 機械設(shè)計手冊 化學工業(yè)出版社
[2] 機床設(shè)計手冊 機械工業(yè)出版社
[3] 機械零件設(shè)計手冊 冶金工業(yè)出版社
[4] 機電傳動控制 華中科技大學出版社
[5] 材料力學
[6] 機械制圖
[7] 互換性與技術(shù)測量
[8] 可編程序控制器
[9] 機床設(shè)計圖冊
專業(yè)班級 學生
要求設(shè)計（論文）工作起止日期
指導教師簽字 日期
教研室主任審查簽字 日期
系主任批準簽字 日期
第4頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：數(shù)控連續(xù)彎管機總體設(shè)計
學 生：
指 導 教 師：
專 業(yè) 班 級：
20 年 月 日
1. 課題名稱：
數(shù)控連續(xù)彎管機設(shè)計
2. 課題研究背景：
在航空、航天、船舶、汽車、摩托車、空調(diào)等制造業(yè)中，大量應(yīng)用到對管材的彎曲加工作業(yè)，如何將管材彎曲成復雜的空間幾何形狀，并保持工藝要求的精度，一直是人們所關(guān)心的問題。近十幾年來，國內(nèi)的許多汽車、摩托車、空調(diào)生產(chǎn)廠家引進了用于管材彎曲成形加工的CNC彎管機，這種彎管機以它在同一臺機器上可實現(xiàn)管材的各種復雜彎曲加工，以及加工精度高和對管材外表面損傷小等特點，在管材的彎曲成形加工方法中占有非常重要的地位。所以液壓彎管機將取代傳統(tǒng)的彎管機而成為彎管生產(chǎn)的主要設(shè)備。通過分析液壓彎管機的使用范疇可以看出未來電動液壓彎管機的未來發(fā)展趨勢還是非常不錯的。而且近年來的發(fā)展也是比較順利的，所以這個行業(yè)能夠?qū)⒈豢春谩?
彎管機是管材彎曲加工的主要設(shè)備。彎管機的結(jié)構(gòu)形式很多，按彎管時加熱與否可分為冷彎管機和熱彎管機兩類，按傳動方式可分為手動、氣動、機械傳動和液壓傳動四種，按控制方式又可分為手控、半自動、自動和數(shù)控四種。
彎管機特點如下：
1、彎管機采用觸熒幕加數(shù)控模組，對話式操作，程式設(shè)定簡便容易2、床身結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，不易變形。3、每一檔可設(shè)定16個彎管角度，記憶體可儲放16組檔案。4、俱慢速定位功能，彎管角度穩(wěn)定，重復精度達±0.15、錯誤訊息在屏幕上顯示，幫助操作者立即排除。6、提供自行研發(fā)之座標轉(zhuǎn)換彎管加工值，軟體可選購裝在桌上型電腦編輯計算。
彎管機的彎管工藝的特點：
彎管機進行管材的彎曲和板料的彎曲一樣。在純彎曲的情況下，外徑為D，壁厚為t的管子受外力矩?M的作用發(fā)生彎曲時，中性層外側(cè)管壁受拉應(yīng)力σ1作用，管壁變?。恢行詫觾?nèi)側(cè)管壁受拉應(yīng)力σ1作用，管壁變厚。而且，橫截面的形狀由于受合力F1和F2的作用由圓形變?yōu)榻茩E圓形，當變形量過大時，外側(cè)管壁會產(chǎn)生裂紋，內(nèi)側(cè)管壁會出現(xiàn)起皺。管材的變形程度，取決于相對彎曲半徑R/D和相對厚度t/D數(shù)值的大小。R/D和t/D值越小，表示變形程度越大。為保證管件成形質(zhì)量，必須控制變形程度在許可范圍內(nèi)，管材彎曲成形極限不僅取決于材料的力學性能和彎曲方法，而且還考慮管件的使用要求。管件的成形極限應(yīng)包含以下幾個內(nèi)容：1)中性層外側(cè)拉伸變形區(qū)內(nèi)最大的伸長變形不超過材料塑性允許值而產(chǎn)生破裂；2)中性層內(nèi)側(cè)壓縮變形區(qū)內(nèi)，受切向壓應(yīng)力作用的薄壁結(jié)構(gòu)部分不致超過失穩(wěn)而起皺；3)如果管件有橢圓度的要求時，控制其斷面產(chǎn)生畸變；4)如果管件有承受內(nèi)壓力的強度要求時，控制其壁厚減薄的成形極限。2.彎管機的發(fā)展歷史結(jié)構(gòu)特點:
我國的彎管機加工工藝，從青銅器時代開始萌芽的，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時期已經(jīng)有了相當發(fā)達的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時有出土文物與甲骨文記錄表明，這個時期的生產(chǎn)的青銅工具和生活工具，在制造過程中大都要經(jīng)過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術(shù)比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術(shù)的發(fā)明，為制造堅硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質(zhì)工具的出現(xiàn)，表明金屬切削加工進入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)的琢玉工具，這也就是金屬切削機床的前身。70年代在河北滿城一號漢墓出土的五銖錢，其外圓上有經(jīng)過車削的痕跡，刀花均勻，切削振動，波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上然后裝夾在木質(zhì)的車床上，用手拿著工具進行切削。美國自20世紀60年代就開始使用垂直液壓(即立式)彎管機，可以彎制152.4～762mm?(6～30英寸)各種壁厚的鋼管。70年代后，冷彎機的性能進一步完善，同時，彎管內(nèi)胎研制成功，與冷彎機配套使用，能夠彎制薄壁高強度大口徑的輸油輸氣管道鋼管，最大彎管直徑達到1524mm(60英寸)。原蘇聯(lián)研制冷彎管機基本也是從20世紀60年代開始的，功能與美國機器相仿，但由于其主機液壓系統(tǒng)采取臥式結(jié)構(gòu)，平面占用空間較大，運輸及現(xiàn)場擺布均存在較大困難。目前，世界上有美國、加拿大和德國等發(fā)達國家近10家冷彎機生產(chǎn)廠，所產(chǎn)機型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式，內(nèi)胎形式主要有氣動式和液壓式兩種。氣動式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點在于行走速度快、彎管預(yù)制效率高，但需要另行配置空氣壓縮機，系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差，難以控制。液壓式內(nèi)胎借助于整機液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，且液壓傳動平穩(wěn)可靠，能夠保證管道在預(yù)制過程中不發(fā)生橢圓變形。
如今我國彎管機的設(shè)計特點具有以下顯著的特點：
1.搖臂，其作用是保證彎管彎曲半徑符合要求，其夾緊座是限制鋼管在彎曲過程中反彈。
2.矯直輥一是防止在彎曲過程中垂直方向變形，與浮動防橢圓夾具配合使用保證彎曲后的鋼管橢圓度符合要求。
3.導向輥裝置一有兩組導向輥和機架及夾緊傳動系統(tǒng)組成，導向輥開合由液壓驅(qū)動來完成，其功能是與搖臂共同完成鋼管水平方向的彎曲。
4.推送裝置(由小車、床身、傳動軸、牽引鏈等組成)推動鋼管前進，在搖臂和導向輥作用下鋼管產(chǎn)生彎曲。
5.驅(qū)動裝置它是推送裝置的動力源。
6.泵站一分高壓和低壓兩部分為導向輥開合、搖臂夾緊座油缸、推送裝置小車卡盤開合、矯直輥開合提供動力。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機的型式日趨多樣化，彎管性能也在大幅度地提高。微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使彎管機的功能更趨完善。
3.彎管機的工作原理：三軸自由彎曲系統(tǒng)關(guān)鍵部分如圖 1 1所示。該系統(tǒng)主要由彎曲模、球面軸承、導向機構(gòu)和推進機構(gòu)4部分組成，其中彎曲模與球面軸承相接觸的球面半徑相同。其工藝原理是：管材在推進機構(gòu)的連續(xù)推動作用下依次通過導向機構(gòu)和彎曲模，在管材通過彎曲模時，球面軸承在X/Y平面內(nèi)作偏心運動，而彎曲模隨著球面軸承的偏心運動發(fā)生轉(zhuǎn)動，當球面軸承在X/Y平面內(nèi)偏離平衡位置為u時，管材在彎曲部位產(chǎn)生偏心距u，進而實現(xiàn)彎曲成形。
隨著Z軸方向的送料，管材逐漸彎曲出較大的彎曲角。偏心距u的大小決定了彎曲半徑R的大小，當u很大時，彎曲半徑R將會很小。從彎曲模球心到導向機構(gòu)前端之間在Z向的距離為A，當A值大小超過正常范圍時，即使u值很大，同樣無法彎曲出較小的彎曲半徑。在三軸自由彎曲系統(tǒng)中，管材在彎曲時受到軸向推進機構(gòu)所施加的推力PL和球面軸承所施加的彎曲力Pu。在PL和Pu的共同作用下產(chǎn)生彎矩M，使管材發(fā)生彎曲，其中：
M=Pu×A+PL×u（該公式為標量計算）。
彎曲力Pu的大小取決于管材材料本身的性質(zhì)以及偏心距u和A的大小，當管材材料不變時，A值越大，u值越小，則彎曲力Pu越小。球面軸承和軸向推進機構(gòu)可在伺服電機的驅(qū)動下實現(xiàn)X/Y/Z 3個方向的自由運動，故將該彎曲方法命名為三軸自由彎曲系統(tǒng)。
3. 課題研究意義
彎管機技術(shù)如今在我國廣泛用于電力施工，公鐵路建設(shè)，鍋爐、橋梁、船舶、家俱、家電和裝潢等行業(yè)，其工藝隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步也在不斷發(fā)展。數(shù)控彎管機是數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)彎管工藝相結(jié)合，隨著機床工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的。其自動化程度高、效率高，適合于快速精確地彎制復雜的空間彎曲件。彎管技術(shù)還廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器、空調(diào)制造、汽車、航空航天等多種行業(yè)。彎管質(zhì)量的好壞，將直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著制造業(yè)的發(fā)展，自動彎管機在汽車配件、造船、家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。各類彎管機應(yīng)運而生，如大型立體彎管機、CNC彎管機、液壓彎管機等。數(shù)控彎管機彎管效率高，管件質(zhì)量穩(wěn)定，可迅速提高機加車間的生產(chǎn)效率。特別適合大批量多種類管件生產(chǎn)。目前國內(nèi)的鍋爐制造廠家大部分仍采用手動彎管。部分有實力的公司引進了國外的自動彎管機，但價格十分昂貴。 為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，業(yè)內(nèi)迫切需要能滿足大批量、多規(guī)格，且價格低廉的自動彎管機。本文設(shè)計了一種適合鍋爐生產(chǎn)過程中彎管需要的全自動數(shù)控彎管機，在操作員的配合下，可自動完成送管、置位、彎管、復位、翻身等操作?？刂葡到y(tǒng)以PLC為核心，穩(wěn)定可靠；步進電動機保證了送管的精度；觸摸屏提供了更直觀的人機界面。因此彎管機設(shè)計有著重要意義。
4. 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢：
在工業(yè)高速發(fā)展的今天，世界各國開發(fā)彎管機已經(jīng)有多年的歷史，特別是歐美發(fā)達國家如美國、德國和意大利等在這方面已經(jīng)有相當成熟的經(jīng)驗和頂尖技術(shù)水平。
數(shù)控彎管機的發(fā)展與計算機技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),早在20世紀70年代時,美國?EATONLEONARD公司就已經(jīng)研制生產(chǎn)了計算機數(shù)控彎管設(shè)備,首創(chuàng)計算機編程數(shù)控彎管之先河,大大提高了當時的數(shù)控彎管水平。
20世紀80年代,日本千代田工業(yè)株式會社在美國EATONLEONARD公司的研究成果上,成功研制了M-1型管型測量機和EC、TC兩種系列十多種型號的數(shù)控彎管機,功能非常強大,很快便以嶄新的技術(shù)面貌擠入了國際市場。
我國的數(shù)控彎管機研究起步較晚,但發(fā)展很快,早在1970年武昌造船廠就研制成功一臺數(shù)控彎管機,這是國內(nèi)自主研制的第一臺數(shù)控彎管機。1973年武昌造船廠又成功研制了SKWG-2型數(shù)控彎管機。為適應(yīng)用戶的對管加工機床功能、精度及效率的要求，意大利的博利馬（BLM?GROUP）公司推出了當代代表今彎管機最高水平的全電動數(shù)控彎管機，他們最大的加工管徑分別為Φ76mm及Φ90mm，可以實現(xiàn)最小彎管半徑小于1D。機床13個軸均為可編程控制的電動伺服驅(qū)動。機床的設(shè)計充分考慮了復雜制造業(yè)的市場需求，尤其適用于復雜外形管件的中小批量高質(zhì)量的加工，如航天航空及汽車領(lǐng)域。
我國的液壓管類加工機械行業(yè)液壓彎管機還沒有年產(chǎn)值達10億元以上的企業(yè)，即使是年產(chǎn)值超過5億元的企業(yè)也屈指可數(shù)，所以中國會萃了很多中小彎管機企業(yè)，統(tǒng)一發(fā)展水平的起跑線上，產(chǎn)品線是競爭力的一個特征。液壓管類加工機械主要出產(chǎn)產(chǎn)品：彎管機、液壓彎管機數(shù)控彎管機全自動彎管機切管機圓鋸機全自動切管機縮管機管端成型機滾圓機、磨齒機液壓油缸、等等。公司雄厚的技術(shù)實力，LCX羅茨泵一套完整的檢修設(shè)備，是國家質(zhì)量信得過產(chǎn)品。大型冷彎管機的研制成功，使我國化工行業(yè)大口徑高壓管進行冷彎加工成為可能。此外，公司自主研制的大口徑彎管機價格、小彎曲半徑推拉式冷彎彎管機為化工煉油渣油加氫裝置及其他大口徑、特種材質(zhì)管道實施管道工廠化施工，提供了有力的裝備保證。公司推廣的管道工廠化技術(shù)、將管道按管線圖在工廠制作完成，到施工現(xiàn)場安裝，減少焊縫80%左釉冬不僅降低了施工成本，提高了施工質(zhì)量，而且大大縮短了工期。國外大口徑長輸管道建設(shè)中，美國自20世紀60年代就開始使用垂直液壓(即立式)彎管機，可以彎制152.4～762mm (6～30英寸)各種壁厚的鋼管。70年代后，冷彎機的性能進一步完善，同時，彎管內(nèi)胎研 制成功，與冷彎機配套使用，能夠彎制薄壁高強度大口徑的輸油輸氣管道鋼管，最大彎管直徑達到1524mm(60英寸)。原蘇聯(lián)研制冷彎管機基本也是從20世紀60年代開始的，功能與美國機器相仿，但由于 其主機液壓系統(tǒng)采取臥式結(jié)構(gòu)，平面占用空間較大，運輸及現(xiàn)場擺布均存在較大困難。目前，世界上有美國、加拿大和德國等發(fā)達國家近10家冷彎機生產(chǎn)廠，所產(chǎn)機型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式，內(nèi)胎形 式主要有氣動式和液壓式兩種。氣動式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點在于行走速度快、彎管預(yù)制效率高，但需要另行配置空氣壓縮機，系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差，難以控制。液壓式內(nèi)胎借助于整機液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，且液壓 傳動平穩(wěn)可靠，能夠保證管道在預(yù)制過程中不發(fā)生橢圓變形。全球機床生產(chǎn)基地主要分為亞洲、歐盟、美洲三大地區(qū)，其中歐盟以歐洲機床協(xié)會最具代表性，而亞洲主要生產(chǎn)國為中國、韓國、日本，兩大基地幾乎占據(jù)全世界生產(chǎn)總值，而三大生產(chǎn)基地同時也是三大主力消費市場。目前,歐洲各國互相采購的比率很高，形成內(nèi)部區(qū)域性的互補效果；亞洲由于各國機床發(fā)展水平不均衡，使機床貿(mào)易頻繁，占據(jù)全國近半消費額；而美洲新興工業(yè)化國家居多，產(chǎn)值有限需大量進口。中國作為全球最大機床生產(chǎn)國、進口國和消費國,早期的機床均屬國營，生產(chǎn)效率不佳，出口比例較低；目前管類加工機床彎管機及其行業(yè)機床正在逐漸成熟 走向國際市場 在國內(nèi)機床企業(yè)大力改革、裁汰冗員，大量崛起“人員精簡、產(chǎn)值高”的民營企業(yè)等事件后，情況得到好轉(zhuǎn)；同時，隨著逐步學習日本、美國的技術(shù)設(shè)計理念，把主要市場投向汽車、模具、電子等高端產(chǎn)業(yè)，管材類機械 主要有 彎管機、及數(shù)控彎管機 等、采用技術(shù)合作或引進外資的方式吸引日本、臺灣企業(yè)，使機床產(chǎn)業(yè)得到大幅度的發(fā)展。
以新工藝為導向，滿足新工藝要求的特殊結(jié)構(gòu)、特殊功能的鍛壓設(shè)備也不斷出現(xiàn)。比如，等數(shù)控彎管機、切管機、彎管切管縮管與一體流水線管材加工設(shè)備，特殊材料鍛壓設(shè)備等。發(fā)電設(shè)備、大飛機、船舶、軍機、航天、車輛等快速發(fā)展，極大地推動了管材加工設(shè)備的發(fā)展、彎管機設(shè)備上面尤其是全自動彎管機在航天行業(yè)、造船行業(yè)、車輛行業(yè)中，有著很重要的地位、全自動彎管機、數(shù)控彎管機設(shè)備的發(fā)展與進步，使我國成為擁用自動化設(shè)備、不需要過去依靠進口這一大突破。而且，彎管機設(shè)備技術(shù)還將繼續(xù)刷新。
但是中國機床產(chǎn)業(yè)與其他制造強國相比較，在結(jié)構(gòu)、水平、研發(fā)和服務(wù)能力等方面都還存在明顯的差距。例如，2009年國產(chǎn)機床的市場占有率雖然已上升至70.1%，但是進口機床仍高達59億美元，進口產(chǎn)品幾乎都是高檔數(shù)控機床(包括成套生產(chǎn)線)?？梢姡槍Ω叨水a(chǎn)品的需求，國產(chǎn)機床長期以來一直供非所需，低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，高端產(chǎn)品主要依賴進口。
機床主機企業(yè)大而不強，小而不精；配套能力弱，產(chǎn)業(yè)分工不清晰；自主創(chuàng)新能力薄弱，尚未完全掌握基礎(chǔ)、關(guān)鍵、共性技術(shù)；高性能數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的發(fā)展滯后于主機，與數(shù)控機床發(fā)展相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈體系還不夠完善；工程集成能力弱，為汽車等重點行業(yè)核心制造領(lǐng)域提供成套生產(chǎn)線還處于起步階段；缺乏大量研發(fā)、高級技工和復合型管理等高端人才，這些都制約機床產(chǎn)業(yè)快速、可持續(xù)發(fā)展。?
據(jù)悉，目前國內(nèi)管類加工行業(yè)彎管機占機床行業(yè)70%的消費主體，但如此巨大的市場卻被進口機床占近80%。不過這也從側(cè)面說明未來中國機床行業(yè)市場占有空間很大
專家預(yù)測，在經(jīng)濟的發(fā)展、國家政策大力支持、上下游產(chǎn)業(yè)振興等背景下，機床行業(yè)的旺盛需求仍將保持高速增長，但對高檔數(shù)控機床需求將不斷上升，對中低檔機床工具產(chǎn)品的需求則將不斷下降。
從現(xiàn)狀來看，我國機械工業(yè)產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)鏈，雖然高檔、中檔、低檔產(chǎn)品對應(yīng)著不同的市場和用戶群，但是產(chǎn)品卻存在著相同問題，即產(chǎn)品的質(zhì)量和效率不高。比如，機床制造業(yè)，無論是滿足高精度要求的高端機床、或數(shù)控管材數(shù)控彎管機機床，還是普通、量大、面廣的中低檔機床，首先要保證機床產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。因此，傳統(tǒng)的機械行業(yè)，其產(chǎn)業(yè)升級改造，關(guān)鍵在于提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。另外，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機的型式日趨多樣化，彎管性能也在大幅度地提高。特別是微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)彎管機的功能更趨完善，數(shù)控彎管機將取代傳統(tǒng)彎管機而成為現(xiàn)代彎管的主要設(shè)備。
嵌入式系統(tǒng)（embedded system），是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可定制，適用于各種應(yīng)用場合，對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上PDA、移動計算設(shè)備、電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設(shè)備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、數(shù)控彎管機畢業(yè)論文 3 存儲器及外設(shè)器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）（要求實時和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。有時設(shè)計人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用[4] 。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點：1）對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。 2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。3）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級[5] 。嵌入式計算機系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有以下特點： 1.嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，它通常都具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強，跟網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密。 2.嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 3.嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。4.嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期。5.為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。6.嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開發(fā)能力，即使設(shè)計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)[5] 。
5. 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容
前 言
摘 要
ABSTRACT
1. 緒 論
1.1. 引言
1.2. 彎管機概述
1.3. 彎管機的研究背景
1.4. 彎管機的研究目的及意義
1.5. 彎管機的彎管的設(shè)計原理(三軸自由彎曲成形系統(tǒng)原理):
2. 彎管機設(shè)計
2.1. 機頭機構(gòu)的設(shè)計
2.2. 推料機構(gòu)的設(shè)計
2.3. 升降機構(gòu)的設(shè)計
2.4. 彎管機的總體設(shè)計
2.5. 滾珠絲杠概述
2.5.1. 滾珠絲杠概述
2.6. 機頭部的滾珠絲杠選型計算
2.6.1. 確定滾珠絲杠副的導程
2.6.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
2.6.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
2.6.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
2.6.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
2.6.6. 滾珠絲杠副導程精度的選擇：
2.6.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
2.6.8. 確定滾珠絲杠副的導程
2.6.9. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
2.6.10. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
2.6.11. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
2.6.12. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
2.6.13. 滾珠絲杠副導程精度的選擇：
2.6.14. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
2.7. 推料機構(gòu)的滾珠絲杠選型計算
2.7.1. 確定滾珠絲杠副的導程
2.7.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
2.7.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
2.7.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
2.7.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
2.7.6. 滾珠絲杠副導程精度的選擇：
2.7.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
3. 電機概述及選型計算
3.1. 電機概述
3.1.1. 電機簡要介紹
3.1.2. 調(diào)速方法
3.1.3. 使用壽命
3.1.4. 注意事項
3.2. 電機選型計算
3.2.1. 外部負荷的轉(zhuǎn)動慣量
3.2.2. 外部負荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩
3.2.3. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩
3.2.4. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩
3.2.5. 加速度產(chǎn)生的負荷扭矩
3.2.6. 外部負荷的轉(zhuǎn)動慣量
3.2.7. 外部負荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩
3.2.8. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩
3.2.9. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩
3.2.10. 加速度產(chǎn)生的負荷扭矩
3.3. 皮帶輪與皮帶的計算與選擇
3.4. 聯(lián)軸器的計算與選擇
3.5. 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4. 機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算
4.1. 機架的設(shè)計準則
4.2. 機架設(shè)計的一般要求
5. 直線導軌的原理及其應(yīng)用
5.1. 直線導軌的工作原理
5.2. 直線導軌的剛性
5.3. 導軌的精度
5.4. 直線導軌的選用
6. 軸承的概述及選擇
6.1. 軸承的概述
6.1.1. 概念
6.1.2. 特性
6.1.3. 精度等級
6.1.4. 類型
6.1.5. 負載能力
6.1.6. 結(jié)構(gòu)變形種類
6.1.7. 主要用途
6.1.8. 安裝技巧
6.1.9. 保養(yǎng)方法
6.2. 軸承的選擇
總結(jié)
外文翻譯
7. 自由彎曲——液壓成型工藝鏈中的一個新的彎曲技術(shù)
摘要
7.1. .導言
7.2. 自由彎曲技術(shù)
7.3. 彎曲原理
7.4. 彎曲的控制
7.5. 自由彎曲的優(yōu)點與缺點
7.6. 彎曲試驗的完成
7.7. 有限元模擬模型在自由彎曲領(lǐng)域的發(fā)展
7.8. 仿真模型
7.9. 工藝參數(shù)的確定
7.10. 比較彎曲試驗和仿真的結(jié)果
7.11. 總結(jié)和進一步的工作
7.12. 參考文獻
致謝
參考文獻
附錄
外文原文
6.進度安排
計劃14周完成畢業(yè)設(shè)計，具體安排如下：
（1）1-2周查閱資料，收集信息，查找數(shù)據(jù)并進行學習
（2）3-4周整理資料，完成開題報告的撰寫、提交及外文資料翻譯
（3）5-6周彎管機的系統(tǒng)設(shè)計計算與初步方案的確定
（4）7-9周完成彎管機整體裝配圖
（5）10-11周完成彎管機的部件圖及相關(guān)零件圖
（6）12-13周整理論文，編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，準備答辯
（7）14周答辯
7.設(shè)計（論文）提交形式
畢業(yè)設(shè)計圖紙
畢業(yè)設(shè)計計算說明書
外文翻譯資料
8．參考文獻
[1]齊秀麗，陳修龍，《機械原理》.北京：中國電力出版社，2010.8
[2]王穎，楊德星等，《工程圖學與計算機繪圖》第二版，北京航空航天出版社，2010.8
[3]王鵬李東濱劉朝陽劉杰，基于PLC與步進電動機的全自動數(shù)控彎管機設(shè)計，哈爾濱理工大學出版社
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[5]韓莉芬，基于PLC與伺服電機的全自動彎管機控制系統(tǒng)的設(shè)計，蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院
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[7]尹霞，數(shù)控彎管機彎管技術(shù)及其應(yīng)用，湖南化工職業(yè)技術(shù)學院機械工程系
[8]宮文斌，劉昕暉，陳學海，紀永飛，自動液壓數(shù)控彎管機設(shè)計與試驗，農(nóng)業(yè)機械學報2007年9月第38卷第9期
[9]王昆，何小柏，汪信遠，《機械設(shè)計課程設(shè)計》高等教育出版社。
[10]成大先機械設(shè)計手冊(單行本)[M]北京化學工業(yè)出版社,2004
[11]何存興，張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動[M].第二版.武漢：華中科技大學出版社，2000
[12]沈鴻機械設(shè)計手冊[M]北京機械工業(yè)出版社,1982
[13]楊寶光液壓機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.4
[14]俞新陸鍛壓機械液壓傳動[M]北京：機械工業(yè)出版社，1982.3
[15]機械設(shè)計手冊[M]北京化學工業(yè)出版社,1976
9. 指導教師意見
簽名：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）
畢業(yè)設(shè)計題目：數(shù)控連續(xù)彎管機總體設(shè)計
畢業(yè)生姓名
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專業(yè)
：
學號
：
指導教師
：
所屬系（部）
：
二〇 七年 月
前 言
本組畢業(yè)設(shè)計題目為《數(shù)控連續(xù)彎管機總體設(shè)計》。在設(shè)計前期，我復習了《結(jié)構(gòu)力學》、《材料力學》、《理論力學》、《機械制圖》等知識，并借閱了《機械原理》、《機械設(shè)計手冊》、《機械設(shè)計》、《盤管全自動彎管機的電氣控制》等資料。在網(wǎng)上搜集了不少資料，并做了筆記。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中期，我們通過所學的基本理論、專業(yè)知識和基本技能進行計算和分析。在結(jié)構(gòu)設(shè)計后期，主要進行設(shè)計手稿的電腦輸入，并得到老師的審批和指正，使我圓滿的完成了任務(wù)，在此表示衷心的感謝。
結(jié)構(gòu)設(shè)計的六周里，在指導老師的幫助下，經(jīng)過資料查閱、設(shè)計計算、以及外文的翻譯，加深了對新規(guī)范、規(guī)程、手冊等相關(guān)內(nèi)容的理解。鞏固了專業(yè)知識、提高了綜合分析、解決問題的能力。在繪圖時熟練掌握了AutoCAD，CAXA2013等專業(yè)軟件。以上所有這些從不同方面達到了畢業(yè)設(shè)計的目的與要求。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算工作量很大，在計算過程中都是自己親手計算的。由于自己水平有限，難免有不妥和疏忽之處，敬請各位老師批評指正。
摘 要
隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，彎管技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個生產(chǎn)行業(yè)，特別是在鍋爐、壓力容器、石油石化工程等領(lǐng)域。本次課題研究的數(shù)控連續(xù)彎管機采用三維自由彎曲成型技術(shù)，該技術(shù)作為金屬塑性變形領(lǐng)域近年來一項重要的技術(shù)創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)管材、型材、線材在各種彎曲半徑條件下的精確成形，對傳統(tǒng)彎曲成型技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。從三維自由彎曲成形技術(shù)的基本原理入手，對彎管機進行了總體的設(shè)計。設(shè)計的彎管機由機身、機頭(彎管機構(gòu))、推料機構(gòu)、升降機構(gòu)等機構(gòu)組成。其中升降機構(gòu)主要作用是使彎管模具提升或下降，選擇液壓缸提供動力。彎管機構(gòu)選擇滾珠絲杠帶動，通過使用兩個滾珠絲杠混合作用來實現(xiàn)機頭機構(gòu)的任意方向，任意角度的彎曲。一個滾珠絲杠控制X方向的移動，另外一個滾珠絲杠控制Y方向的移動。推料機構(gòu)是通過滾珠絲杠帶動推料塊來實現(xiàn)彎管的進給。
關(guān)鍵詞：自由彎曲；彎管機；機頭機構(gòu)；推料機構(gòu)；
ABSTRACT
With the rapid development of modern technology, elbow technology has been widely used in various production industries, especially in the boiler, pressure vessels, petroleum and petrochemical engineering and other fields. In this paper, the numerical control continuous bending machine adopts three-dimensional free bending forming technology, which is an important technological innovation in recent years. It can realize the precise shaping of pipe, profile and wire under various bending radius conditions. The traditional bending molding technology has brought great challenges. Starting from the basic principle of 3D free bending technology, the overall design of the pipe bending machine is carried out. The design of the bending machine from the fuselage, head (bending body), push material institutions, lifting agencies and other institutions. Which lift the main role is to make the elbow mold to lift or down, select the hydraulic cylinder to provide power. Bend mechanism selection ball screw drive, through the use of two ball screw mixing to achieve the nose of any direction, any angle of bending. A ball screw controls the movement of the X direction, and the other ball screw controls the movement of the Y direction. Pusher mechanism is through the ball screw drive poke block to achieve the elbow feed.
Key Words: Free bending; bending machine; nose mechanism; push material body;
目 錄
1. 緒 論 1
1.1. 引言 1
1.2. 彎管機概述 1
1.3. 彎管機的研究背景 2
1.4. 彎管機的研究目的及意義 3
1.5. 彎管機的彎管的設(shè)計原理(三軸自由彎曲成形系統(tǒng)原理): 4
2. 彎管機設(shè)計 5
2.1. 機頭機構(gòu)的設(shè)計 5
2.2. 推料機構(gòu)的設(shè)計 7
2.3. 升降機構(gòu)的設(shè)計 8
2.4. 彎管機的總體設(shè)計 9
2.5. 滾珠絲杠概述 10
2.5.1. 滾珠絲杠概述 10
2.6. 機頭部的滾珠絲杠選型計算 12
2.6.1. 確定滾珠絲杠副的導程 12
2.6.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 12
2.6.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷 12
2.6.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm 13
2.6.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X 13
2.6.6. 滾珠絲杠副導程精度的選擇： 14
2.6.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號 14
2.6.8. 確定滾珠絲杠副的導程 14
2.6.9. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 14
2.6.10. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷 15
2.6.11. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm 16
2.6.12. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X 16
2.6.13. 滾珠絲杠副導程精度的選擇： 16
2.6.14. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號 16
2.7. 推料機構(gòu)的滾珠絲杠選型計算 17
2.7.1. 確定滾珠絲杠副的導程 17
2.7.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 17
2.7.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷 17
2.7.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm 18
2.7.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X 18
2.7.6. 滾珠絲杠副導程精度的選擇： 19
2.7.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號 19
3. 電機概述及選型計算 19
3.1. 電機概述 19
3.1.1. 電機簡要介紹 19
3.1.2. 調(diào)速方法 20
3.1.3. 使用壽命 20
3.1.4. 注意事項 20
3.2. 電機選型計算 21
3.2.1. 外部負荷的轉(zhuǎn)動慣量： 21
3.2.2. 外部負荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩： 21
3.2.3. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩： 21
3.2.4. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩： 21
3.2.5. 加速度產(chǎn)生的負荷扭矩： 22
3.2.6. 外部負荷的轉(zhuǎn)動慣量： 22
3.2.7. 外部負荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩： 22
3.2.8. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩： 23
3.2.9. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩： 23
3.2.10. 加速度產(chǎn)生的負荷扭矩： 23
3.3. 皮帶輪與皮帶的計算與選擇 23
3.4. 聯(lián)軸器的計算與選擇 24
3.5. 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
4. 機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 25
4.1. 機架的設(shè)計準則 25
4.2. 機架設(shè)計的一般要求 25
5. 直線導軌的原理及其應(yīng)用 27
5.1. 直線導軌的工作原理 27
5.2. 直線導軌的剛性 28
5.3. 導軌的精度 28
5.4. 直線導軌的選用 28
6. 軸承的概述及選擇 30
6.1. 軸承的概述 30
6.1.1. 概念 30
6.1.2. 特性 30
6.1.3. 精度等級 30
6.1.4. 類型 31
6.1.5. 負載能力 31
6.1.6. 結(jié)構(gòu)變形種類 32
6.1.7. 主要用途 32
6.1.8. 安裝技巧 33
6.1.9. 保養(yǎng)方法 33
6.2. 軸承的選擇 34
總結(jié) 35
外文原文 36
外文翻譯 43
致謝 56
參考文獻 57
IV
1. 緒 論
1.1. 引言
隨著社會的發(fā)展，各行各業(yè)對各種型號的彎管的需求會迅速增長，對管材彎曲成型精度要求也會越來越高，這一切促使人們對管材彎曲加工工藝及加工設(shè)備進行深入的研究。美、英、日、德等工業(yè)發(fā)達的國家紛紛研制計算機數(shù)控彎管加工設(shè)備，同時資助管材彎曲加工工藝的理論及實驗研究，并在實際應(yīng)用中取得良好的經(jīng)濟效益。然而，我國的管材彎曲加工設(shè)備與加工技術(shù)的研究與應(yīng)用遠遠落后于當今世界先進水平，遠遠不能適應(yīng)我國工業(yè)生產(chǎn)和國防的需要，致使我國許多企業(yè)不得不花費大量資金引進國外先進的棺材數(shù)控玩去加工設(shè)備。目前國內(nèi)使用的數(shù)控彎管機設(shè)備通常是在通用計算機或工業(yè)計算機的基礎(chǔ)上加裝運動控制卡，使用windows操作系統(tǒng)，并安裝昂貴的數(shù)控軟件構(gòu)成的。這樣的系統(tǒng)軟件成本高，硬件資源浪費，功耗大。為了提高彎管生產(chǎn)的效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的精度，采用三位自由彎曲技術(shù)是本課題的主要任務(wù)。
1.2. 彎管機概述
管材彎曲有很多方法，相應(yīng)地也就有不同的彎管設(shè)備.在各種方法中，繞彎是最常用的彎管方法，而繞彎最常用的設(shè)備是彎管機。因此，彎管機是管材彎曲加工的主要設(shè)備。
彎管機的機構(gòu)形式有很多，按彎管時加熱與否可分為冷彎管機和熱彎管機兩類，按傳動方式可分為手動、氣動、機械傳動和液壓傳動四種，按控制方式又可分為手控、半自動、自動、數(shù)控四種。機械傳動式彎管機機構(gòu)簡單，制造方便，通用性大。液壓彎管機傳動平穩(wěn)、可靠、噪音小、結(jié)構(gòu)緊湊、能彎制不同直徑的管材。半自動控制的彎管機，一般只對彎管角度進行自動控制，主要用于中小批量的生產(chǎn)。自動控制的彎管機通過尺寸預(yù)選機構(gòu)和程序控制系統(tǒng)對彎管全過程（送進、彎管和空間轉(zhuǎn)角）實行自動控制，這種彎管機一般采用液壓傳動，適用于大批量生產(chǎn)。數(shù)控彎管機能夠根據(jù)零件圖規(guī)定的程序和尺寸，通過輸入數(shù)據(jù)來實現(xiàn)彎管過程的全自動控制，它適用于大批量生產(chǎn)，尤其是管件尺寸參數(shù)多變的場合。
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機的形式日趨多樣化，彎管機性能也在大幅度地提高。微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使彎管機的功能更趨完善，而數(shù)控彎管機將是現(xiàn)代彎管生產(chǎn)的主要設(shè)備。
1.3. 彎管機的研究背景
在航空、航天、船舶、汽車、摩托車、空調(diào)等制造業(yè)中，大量應(yīng)用到對管材的彎曲加工作業(yè)，如何將管材彎曲成復雜的空間幾何形狀，并保持工藝要求的精度，一直是人們所關(guān)心的問題。近十幾年來，國內(nèi)的許多汽車、摩托車、空調(diào)生產(chǎn)廠家引進了用于管材彎曲成形加工的CNC彎管機，這種彎管機以它在同一臺機器上可實現(xiàn)管材的各種復雜彎曲加工，以及加工精度高和對管材外表面損傷小等特點，在管材的彎曲成形加工方法中占有非常重要的地位。所以液壓彎管機將取代傳統(tǒng)的彎管機而成為彎管生產(chǎn)的主要設(shè)備。通過分析液壓彎管機的使用范疇可以看出未來電動液壓彎管機的未來發(fā)展趨勢還是非常不錯的。而且近年來的發(fā)展也是比較順利的，所以這個行業(yè)能夠?qū)⒈豢春谩?
彎管機是管材彎曲加工的主要設(shè)備。彎管機的結(jié)構(gòu)形式很多，按彎管時加熱與否可分為冷彎管機和熱彎管機兩類，按傳動方式可分為手動、氣動、機械傳動和液壓傳動四種，按控制方式又可分為手控、半自動、自動和數(shù)控四種。
我國的彎管機加工工藝，從青銅器時代開始萌芽的，并逐漸形成和發(fā)展。從殷商到春秋時期已經(jīng)有了相當發(fā)達的青銅冶鑄業(yè)出現(xiàn)了各種青銅工具，如：青銅刀、青銅銼、青銅鋸等等。同時有出土文物與甲骨文記錄表明，這個時期的生產(chǎn)的青銅工具和生活工具，在制造過程中大都要經(jīng)過切削加工或研磨。我國的冶鑄技術(shù)比西歐早一千多年。滲碳、淬火、和煉鋼技術(shù)的發(fā)明，為制造堅硬鋒利的工具提供了便利的條件。鐵質(zhì)工具的出現(xiàn)，表明金屬切削加工進入了一新的階段。有記載表明早在三千多年前的商代已經(jīng)有了旋轉(zhuǎn)的琢玉工具，這也就是金屬切削機床的前身。70年代在河北滿城一號漢墓出土的五銖錢，其外圓上有經(jīng)過車削的痕跡，刀花均勻，切削振動，波紋清晰，橢圓度很小。有可能將五銖錢穿在方軸上然后裝夾在木質(zhì)的車床上，用手拿著工具進行切削。美國自20世紀60年代就開始使用垂直液壓(即立式)彎管機，可以彎制152.4～762mm?(6～30英寸)各種壁厚的鋼管。70年代后，冷彎機的性能進一步完善，同時，彎管內(nèi)胎研制成功，與冷彎機配套使用，能夠彎制薄壁高強度大口徑的輸油輸氣管道鋼管，最大彎管直徑達到1524mm(60英寸)。原蘇聯(lián)研制冷彎管機基本也是從20世紀60年代開始的，功能與美國機器相仿，但由于其主機液壓系統(tǒng)采取臥式結(jié)構(gòu)，平面占用空間較大，運輸及現(xiàn)場擺布均存在較大困難。目前，世界上有美國、加拿大和德國等發(fā)達國家近10家冷彎機生產(chǎn)廠，所產(chǎn)機型基本結(jié)構(gòu)均為垂直液壓式，內(nèi)胎形式主要有氣動式和液壓式兩種。氣動式結(jié)構(gòu)內(nèi)胎優(yōu)點在于行走速度快、彎管預(yù)制效率高，但需要另行配置空氣壓縮機，系統(tǒng)工作平穩(wěn)性差，難以控制。液壓式內(nèi)胎借助于整機液壓站，結(jié)構(gòu)緊湊，且液壓傳動平穩(wěn)可靠，能夠保證管道在預(yù)制過程中不發(fā)生橢圓變形。
如今我國彎管機的設(shè)計特點具有以下顯著的特點：1.搖臂，其作用是保證彎管彎曲半徑符合要求，其夾緊座是限制鋼管在彎曲過程中反彈。2.矯直輥一是防止在彎曲過程中垂直方向變形，與浮動防橢圓夾具配合使用保證彎曲后的鋼管橢圓度符合要求。3.導向輥裝置一有兩組導向輥和機架及夾緊傳動系統(tǒng)組成，導向輥開合由液壓驅(qū)動來完成，其功能是與搖臂共同完成鋼管水平方向的彎曲。4.推送裝置(由小車、床身、傳動軸、牽引鏈等組成)推動鋼管前進，在搖臂和導向輥作用下鋼管產(chǎn)生彎曲。5.驅(qū)動裝置它是推送裝置的動力源。6.泵站一分高壓和低壓兩部分為導向輥開合、搖臂夾緊座油缸、推送裝置小車卡盤開合、矯直輥開合提供動力。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，彎管機的型式日趨多樣化，彎管性能也在大幅度地提高。微型計算機、單片機、可編程控制器、先進的交流伺服系統(tǒng)以及新型液壓元器件和液壓技術(shù)的應(yīng)用，使彎管機的功能更趨完善。
1.4. 彎管機的研究目的及意義
本次研究的數(shù)控連續(xù)彎管機主要由機身、機頭、升降機構(gòu)、推料機構(gòu)及滑動副等等。設(shè)備的參數(shù)主要有：最大彎曲管徑及壁厚分別為Φ25×2mm;最大彎曲半徑為250mm;最小彎曲半徑為50mm(根據(jù)彎管直徑)；最大彎曲角度為180°；標準送料長度為1500mm;送料方式為直送；電源為380V/50Hz；控制閥電壓為24V；總功率為7kw;液壓系統(tǒng)最高壓力為10MPa。
對本次課題研究的主要是兩個方面：
1) 彎管機的彎曲機構(gòu)(機頭)
2) 彎管機的推料機構(gòu)
彎管機技術(shù)如今在我國廣泛用于電力施工，公鐵路建設(shè)，鍋爐、橋梁、船舶、家俱、家電和裝潢等行業(yè)，其工藝隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步也在不斷發(fā)展。數(shù)控彎管機是數(shù)控技術(shù)與傳統(tǒng)彎管工藝相結(jié)合，隨著機床工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的。其自動化程度高、效率高，適合于快速精確地彎制復雜的空間彎曲件。彎管技術(shù)還廣泛應(yīng)用于鍋爐及壓力容器、空調(diào)制造、汽車、航空航天等多種行業(yè)。彎管質(zhì)量的好壞，將直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著制造業(yè)的發(fā)展，自動彎管機在汽車配件、造船、家用電器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。各類彎管機應(yīng)運而生，如大型立體彎管機、CNC彎管機、液壓彎管機等。數(shù)控彎管機彎管效率高，管件質(zhì)量穩(wěn)定，可迅速提高機加車間的生產(chǎn)效率。特別適合大批量多種類管件生產(chǎn)。目前國內(nèi)的鍋爐制造廠家大部分仍采用手動彎管。部分有實力的公司引進了國外的自動彎管機，但價格十分昂貴。 為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，業(yè)內(nèi)迫切需要能滿足大批量、多規(guī)格，且價格低廉的自動彎管機。本文設(shè)計了一種適合鍋爐生產(chǎn)過程中彎管需要的全自動數(shù)控彎管機，在操作員的配合下，可自動完成送管、置位、彎管、復位、翻身等操作。控制系統(tǒng)以PLC為核心，穩(wěn)定可靠；步進電動機保證了送管的精度；觸摸屏提供了更直觀的人機界面。因此彎管機設(shè)計有著重要意義。
1.5. 彎管機的彎管的設(shè)計原理(三軸自由彎曲成形系統(tǒng)原理):
三軸自由彎曲系統(tǒng)關(guān)鍵部分如圖 1 1所示。該系統(tǒng)主要由彎曲模、球面軸承、導向機構(gòu)和推進機構(gòu)4部分組成，其中彎曲模與球面軸承相接觸的球面半徑相同。其工藝原理是：管材在推進機構(gòu)的連續(xù)推動作用下依次通過導向機構(gòu)和彎曲模，在管材通過彎曲模時，球面軸承在X/Y平面內(nèi)作偏心運動，而彎曲模隨著球面軸承的偏心運動發(fā)生轉(zhuǎn)動，當球面軸承在X/Y平面內(nèi)偏離平衡位置為u時，管材在彎曲部位產(chǎn)生偏心距u，進而實現(xiàn)彎曲成形。
圖 1 1自由彎曲系統(tǒng)關(guān)鍵部分
隨著Z軸方向的送料，管材逐漸彎曲出較大的彎曲角。偏心距u的大小決定了彎曲半徑R的大小，當u很大時，彎曲半徑R將會很小。從彎曲模球心到導向機構(gòu)前端之間在Z向的距離為A，當A值大小超過正常范圍時，即使u值很大，同樣無法彎曲出較小的彎曲半徑。在三軸自由彎曲系統(tǒng)中，管材在彎曲時受到軸向推進機構(gòu)所施加的推力PL和球面軸承所施加的彎曲力Pu。在PL和Pu的共同作用下產(chǎn)生彎矩M，使管材發(fā)生彎曲，其中：
M=Pu×A+PL×u（該公式為標量計算）。
彎曲力Pu的大小取決于管材材料本身的性質(zhì)以及偏心距u和A的大小，當管材材料不變時，A值越大，u值越小，則彎曲力Pu越小。球面軸承和軸向推進機構(gòu)可在伺服電機的驅(qū)動下實現(xiàn)X/Y/Z 3個方向的自由運動，故將該彎曲方法命名為三軸自由彎曲系統(tǒng)。
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2. 彎管機設(shè)計
2.1. 機頭機構(gòu)的設(shè)計
圖 2 1機頭部主視圖
圖 2 2機頭部左視圖
圖 2 3機頭部實物圖
如圖 2 1，
圖 2 2，所示，是彎管機的機頭機構(gòu)的設(shè)計。圖 2 3是機頭機構(gòu)的實物圖。機頭機構(gòu)由導向機構(gòu)，彎曲模，球面軸承組成，球面軸承與托板相連，由伺服電機旋轉(zhuǎn)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠帶動螺母座做直線運動，而螺母座與托板通過螺釘連接，此時托板也做直線運動，要想實現(xiàn)機頭任意方向的旋轉(zhuǎn)彎曲，需要兩個滾珠絲杠，一個控制X方向的直線運動，另外一個絲杠控制垂直方向的即Y方向的直線運動，機頭就可以實現(xiàn)自由彎曲了。機頭機構(gòu)的安裝用內(nèi)六角螺釘。為了節(jié)省材料，降低成本，將托板做成空心的，用加強筋支撐，如
圖 2 2所示。
2.2. 推料機構(gòu)的設(shè)計
圖 2 4推料機構(gòu)主視圖
圖 2 5機頭部左視圖
圖 2 6機頭部俯視圖
如圖 2 4，圖 2 5，
圖 2 6所示，是推料機構(gòu)的設(shè)計。它的作用是推動管子進行直線進給，它是利用電機旋轉(zhuǎn)帶動同步帶轉(zhuǎn)動，同步帶輪把運動傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，帶動小車直線運動，實現(xiàn)管子的進給。它的整個機構(gòu)支撐在箱體上，可以從圖 2 5看到。而推動器是錐體的，把推動器頭部插入管子中，外面用大于管子直徑的圓柱體卡住，使管子不能隨意運動。為了使推料機構(gòu)能平衡，還用到了兩個直線導軌，推料機構(gòu)在滾珠絲杠上直線移動的同時，沿著直線導軌直線運動，推料機構(gòu)與直線導軌的連接用滑塊，也要用到內(nèi)六角螺釘。
2.3. 升降機構(gòu)的設(shè)計
圖 2 7升降系統(tǒng)主視圖
圖 2 8升降系統(tǒng)俯視圖
如圖 2 7，圖 2 8所示，是升降機構(gòu)的設(shè)計。該機構(gòu)由液壓缸提供動力來實現(xiàn)壓塊的提升和下降，完成管子的更換。
2.4. 彎管機的總體設(shè)計
圖 2 9彎管機俯視圖
圖 2 10彎管機主視圖
圖 2 11彎管機左視圖
2.5. 滾珠絲杠概述
2.5.1. 滾珠絲杠概述
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是艾克姆螺桿的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。
1、與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3
由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。
2、高精度的保證
滾珠絲杠副是一般是用世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
3、微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。
4、無側(cè)隙、剛性高
滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達到負值,進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加予壓力,在實際用于機械裝置等時,由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強)。
5、高速進給可能
滾珠絲杠由于運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。
常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時 與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，每個滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。如圖 2 12
圖 2 12滾珠絲杠
1）外循環(huán)：外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。 常用外循環(huán)方式(a)端蓋式；（b）插管式；（c）螺旋槽式是端蓋式，在螺母上加工一縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開有滾珠的回程口，滾珠由此進入回程管，形成循環(huán)。（b）所示為插管式，它用彎管作為返回管道，這種結(jié)構(gòu)工藝性好，但是由于管道突出螺母體外，徑向尺寸較大。c）所示為螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復雜。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。
2）內(nèi)循環(huán)：所示為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。（a）所示為圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵1定位，以保證對準螺紋滾道方向。（b）所示為扁圓鑲塊反向器，反向器為一般圓頭平鍵鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽3，用鑲塊的外輪廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。
2.6. 機頭部的滾珠絲杠選型計算
該彎管機共用到三個滾珠絲杠副，下面先計算機頭機構(gòu)的滾珠絲杠副：
2.6.1. 確定滾珠絲杠副的導程
根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速和X向滑板的最大速度，計算絲杠導程。X向運動的驅(qū)動電機選擇SS5402C40A，電機最高轉(zhuǎn)速為4500rpm。電機與滾珠絲杠直連，傳動比為1。X向最大運動速度為100mm/s，即6000mm/min。則絲杠導程為
Ph=Vmax/i?nmax=6000/1×4500≈1.34mm
實際取Ph=4mm，可滿足速度要求。
2.6.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
滾動導軌承重時的滑動摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導軌靜摩擦力：
F0=μ0?M?g+f=0.006×6000×9.8+4×5=372.8N
式中：
M—工件及工作臺質(zhì)量，經(jīng)計算M約為1500kg。
f—導軌滑塊密封阻力，按4個滑塊，每個滑塊密封阻力5N。
由于該設(shè)備主要用于檢測絲杠工作時不受切削力檢測運動接近勻速其阻力主要來自于導軌、滑塊的摩擦力。則有：
nmax≈nmin=60?vPh=60×2510=150rpm
Fmax≈Fmin≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當量載荷：
Fm=2Fmax+Fmin3≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當量轉(zhuǎn)速：
nm=nmax+nmin2=150rpm
2.6.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間計算：
Cam=360nmLh?Fmfw100fafe=360×150×15000×372.8×1100×1×1=555.06N
式中：
nm—當量轉(zhuǎn)速，nm=60?vPh=60×2510=150rpm
Lh—預(yù)期工作時間，測試機床選擇15000小時
fw—負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇fw=1
fa—精度系數(shù)，2級精度選擇fa=1
fe=可靠性系數(shù)，一般選擇fe=1
按滾珠絲杠副的預(yù)期運行距離計算：
Cam=3LsPh?Fmfwfafe=325×10310×10-3×372.8×1=14684.9993N
式中：
Ls—預(yù)期運行距離，一般選擇Ls=25×103m
2.3.3按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負載計算：
Cam=feFmax=6.7×108.2=729.94N
式中：
fe—欲加負荷系數(shù)，輕欲載時，選擇fe=6.7
Fmax— 絲杠副最大載荷
2.6.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
δm≤(13~14)?重復定位精度
X向運動的重復定位精度要求為0.005mm,則
δm≤14×0.1=0.00125mm
2.6.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
根據(jù)X向運動行程為50mm，可計算出兩個固定支撐的最大距離：
L≈（1.1~1.2）?l+(10~14)?Ph=1.2×1200+14×10=1580mm
按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：
d2m≥0.039F0L/1000δm
式中：
F0—導軌靜摩擦力，F(xiàn)0=372.8N
L—滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=100mm
則有：
d2m≥0.039×372.8×1001000×0.00125=6.7
2.6.6. 滾珠絲杠副導程精度的選擇：
根據(jù)X向運動的定位精度要求達到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長度的導程精度為0.0015mm
2.6.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號為FF2004—3，精度等級為2級。絲杠基本導程為4mm,絲杠外徑為19.1mm，絲杠底徑為16.9mm,公稱直徑為20mm，額定動載荷為7300N>Cam,額定靜載荷為15400N。如圖 2 13
圖 2 13滾珠絲杠
2.6.8. 確定滾珠絲杠副的導程
根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速和X向滑板的最大速度，計算絲杠導程。X向運動的驅(qū)動電機選擇SS5402C40A，電機最高轉(zhuǎn)速為4500rpm。電機與滾珠絲杠直連，傳動比為1。Y向最大運動速度為100mm/s，即6000mm/min。則絲杠導程為
Ph=Vmax/i?nmax=6000/1×4500≈1.34mm
實際取Ph=4mm，可滿足速度要求。
2.6.9. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
滾動導軌承重時的滑動摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導軌靜摩擦力：
F0=μ0?M?g+f=0.006×6000×9.8+4×5=372.8N
式中：
M—工件及工作臺質(zhì)量，經(jīng)計算M約為1500kg。
f—導軌滑塊密封阻力，按4個滑塊，每個滑塊密封阻力5N。
由于該設(shè)備主要用于檢測絲杠工作時不受切削力檢測運動接近勻速其阻力主要來自于導軌、滑塊的摩擦力。則有：
nmax≈nmin=60?vPh=60×2510=150rpm
Fmax≈Fmin≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當量載荷：
Fm=2Fmax+Fmin3≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當量轉(zhuǎn)速：
nm=nmax+nmin2=150rpm
2.6.10. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間計算：
Cam=360nmLh?Fmfw100fafe=360×150×15000×372.8×1100×1×1=555.06N
式中：
nm—當量轉(zhuǎn)速，nm=60?vPh=60×2510=150rpm
Lh—預(yù)期工作時間，測試機床選擇15000小時
fw—負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇fw=1
fa—精度系數(shù)，2級精度選擇fa=1
fe=可靠性系數(shù)，一般選擇fe=1
按滾珠絲杠副的預(yù)期運行距離計算：
Cam=3LsPh?Fmfwfafe=325×10310×10-3×372.8×1=14684.9993N
式中：
Ls—預(yù)期運行距離，一般選擇Ls=25×103m
2.3.3按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負載計算：
Cam=feFmax=6.7×108.2=729.94N
式中：
fe—欲加負荷系數(shù)，輕欲載時，選擇fe=6.7
Fmax— 絲杠副最大載荷
2.6.11. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
δm≤(13~14)?重復定位精度
Y向運動的重復定位精度要求為0.005mm,則
δm≤14×0.1=0.00125mm
2.6.12. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
根據(jù)Y向運動行程為50mm，可計算出兩個固定支撐的最大距離：
L≈（1.1~1.2）?l+(10~14)?Ph=1.2×1200+14×10=1580mm
按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：
d2m≥0.039F0L/1000δm
式中：
F0—導軌靜摩擦力，F(xiàn)0=372.8N
L—滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=100mm
則有：
d2m≥0.039×372.8×1001000×0.00125=6.7
2.6.13. 滾珠絲杠副導程精度的選擇：
根據(jù)Y向運動的定位精度要求達到0.005mm/1000mm，則任意300mm。長度的導程精度為0.0015mm
2.6.14. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號為FF2004—3，精度等級為2級。絲杠基本導程為4mm,絲杠外徑為19.1mm，絲杠底徑為16.9mm,公稱直徑為20mm，額定動載荷為7300N>Cam,額定靜載荷為15400N。如圖 2 14
圖 2 14滾珠絲杠
2.7. 推料機構(gòu)的滾珠絲杠選型計算
2.7.1. 確定滾珠絲杠副的導程
根據(jù)電機額定轉(zhuǎn)速和滑板的最大速度，計算絲杠導程。X向運動的驅(qū)動電機選擇SS5402C40A，電機最高轉(zhuǎn)速為4500rpm。電機與滾珠絲杠直連，傳動比為2。最大運動速度為50mm/s，即3000mm/min。則絲杠導程為
Ph=Vmax/i?nmax=3000/1×4500≈1.34mm
實際取Ph=4mm，可滿足速度要求。
2.7.2. 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算
滾動導軌承重時的滑動摩擦系數(shù)最大為0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計算取靜摩擦系數(shù)為0.006。則導軌靜摩擦力：
F0=μ0?M?g+f=0.006×6000×9.8+4×5=372.8N
式中：
M—工件及工作臺質(zhì)量，經(jīng)計算M約為1500kg。
f—導軌滑塊密封阻力，按4個滑塊，每個滑塊密封阻力5N。
由于該設(shè)備主要用于檢測絲杠工作時不受切削力檢測運動接近勻速其阻力主要來自于導軌、滑塊的摩擦力。則有：
nmax≈nmin=60?vPh=60×2510=150rpm
Fmax≈Fmin≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當量載荷：
Fm=2Fmax+Fmin3≈F0=372.8N
滾珠絲杠副的當量轉(zhuǎn)速：
nm=nmax+nmin2=150rpm
2.7.3. 滾珠絲杠副預(yù)期額定載荷
按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間計算：
Cam=360nmLh?Fmfw100fafe=360×150×15000×372.8×1100×1×1=555.06N
式中：
nm—當量轉(zhuǎn)速，nm=60?vPh=60×2510=150rpm
Lh—預(yù)期工作時間，測試機床選擇15000小時
fw—負荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇fw=1
fa—精度系數(shù)，2級精度選擇fa=1
fe=可靠性系數(shù)，一般選擇fe=1
按滾珠絲杠副的預(yù)期運行距離計算：
Cam=3LsPh?Fmfwfafe=325×10310×10-3×372.8×1=14684.9993N
式中：
Ls—預(yù)期運行距離，一般選擇Ls=25×103m
2.3.3按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負載計算：
Cam=feFmax=6.7×108.2=729.94N
式中：
fe—欲加負荷系數(shù)，輕欲載時，選擇fe=6.7
Fmax— 絲杠副最大載荷
2.7.4. 估算滾珠絲杠副的最大允許軸向變形量δm
δm≤(13~14)?重復定位精度
X向運動的重復定位精度要求為0.005mm,則
δm≤14×0.1=0.00125mm
2.7.5. 估算滾珠絲杠副的螺紋底X
根據(jù)X向運動行程為50mm，可計算出兩個固定支撐的最大距離：
L≈（1.1~1.2）?l+(10~14)?Ph=1.2×1200+14×10=1580mm
按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底X：
d2m≥0.039F0L/1000δm
式中：
F0—導軌靜摩擦力，F(xiàn)0=372.8N
L—滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支承的最大距離，L=100mm
則有：
d2m≥0.039×372.8×1001000×0.00125=6.7
2.7.6. 滾珠絲杠副導程精度的選擇：
根據(jù)X向運動的定位精度要求達到0.1mm/1000mm，則任意1500mm。長度的導程精度為0.15mm
2.7.7. 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號
按照絲杠Ph、d2m、Cam選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號為FF2004—5，精度等級為2級。絲杠基本導程為8mm,絲杠外徑為38.6mm，絲杠底徑為34.9mm,公稱直徑為40mm，額定動載荷為30700N>Cam,額定靜載荷為84900N。如圖 2 15
圖 2 15滾珠絲杠
3. 電機概述及選型計算
3.1. 電機概述
3.1.1. 電機簡要介紹
電動機是一種旋轉(zhuǎn)式電動機器，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，它主要包括一個用以產(chǎn)生磁場的電磁鐵繞組或分布的定子繞組和一個旋轉(zhuǎn)電樞或轉(zhuǎn)子。在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，其在定子繞組有效邊中有電流通過并受磁場的作用而使其轉(zhuǎn)動。根據(jù)電機可逆性原則，如果電動機在其結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生任何改變，電機即電動機使用，也可作發(fā)電機使用。它是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的一種機器。通常電動機的作功部分作旋轉(zhuǎn)運動，這種電動機稱為轉(zhuǎn)子電動機；也有作直線運動的，稱為直線電動機。電動機能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到千瓦級。機床、水泵，需要電動機帶動；電力機車、電梯，需要電動機牽引。家庭生活中的電扇、冰箱、洗衣機，甚至各種電動機玩具都離不開電動機。電動機已經(jīng)應(yīng)用在現(xiàn)代社會生活中的各個方面。
3.1.2. 調(diào)速方法
電動機的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機械速度變化的要求。一般電動機調(diào)
速時其輸出功率會隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度看，調(diào)速大致可分兩種 ：
① 保持輸入功率不變。通過改變調(diào)速裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。
②控制電動機輸入功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。電機、電動機、制動電機、變頻電機、調(diào)速電機、三相異步電動機、高壓電機、多速電機、雙速電機和防爆電機。
3.1.3. 使用壽命
電動機的壽命與絕緣劣化或是滑動部的摩耗、軸承的劣化等造成的功能障礙等各項要素有關(guān)，大部分視軸承狀況而定。軸承的壽命有機構(gòu)壽命、潤滑油壽命兩種。
1、潤滑油因熱劣化的潤滑油壽命
2、運轉(zhuǎn)疲勞造成的機械壽命
電動機在絕大部分的情況下，因發(fā)熱對于潤滑油壽命的影響更甚于加在軸承上的負載重量對機械壽命的影響。因此，以潤滑油壽命推算電動機壽命，對潤滑油壽命影響最大的要因是溫度，溫度大幅地影響了壽命時間。
3.1.4. 注意事項
⑴在拆卸前，要用壓縮空氣吹凈電機表面灰塵，并將表面污垢擦拭干凈。
⑵選擇電機解體的工作地點，清理現(xiàn)場環(huán)境。
⑶熟悉電機結(jié)構(gòu)特點和檢修技術(shù)要求。
⑷準備好解體所需工具（包括專用工具）和設(shè)備。
⑸為了進一步了解電機運行中的缺陷，有條件時可在拆卸前做一次檢查試驗。為此，將電機帶上負載試轉(zhuǎn)，詳細檢查電機各部分溫度、聲音、振動等情況，并測試電壓、電流、轉(zhuǎn)速等，然后再斷開負載，單獨做一次空載檢查試驗，測出空載電流和空載損耗，做好記錄。
⑹切斷電源，拆除電機外部接線，做好記錄。
⑺選用合適電壓的兆歐表測試電機絕緣電阻。為了跟上次檢修時所測的絕緣電阻值相比較以判斷電機絕緣變化趨勢和絕緣狀態(tài)，應(yīng)將不同溫度下測出的絕緣電阻值換算到同一溫度，一般換算至75℃。
⑻測試吸收比K。當吸收比大于1.33時，表明電機絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴重。為了跟以前數(shù)據(jù)進行比較，同樣要將任意溫度下測得的吸收比換算到同一溫度。
3.2. 電機選型計算
X方向的電機
條件：選擇伺服電機驅(qū)動，伺服電機用SS54020A，其功率為1.5kw，額定轉(zhuǎn)矩為7.15N?m,電機慣量為：0.00123Kg?m2
X向運動工件及工作臺質(zhì)量估計最大值約150kg.
3.2.1. 外部負荷的轉(zhuǎn)動慣量：
J1=12m?r3=12×31.633×0.0313=0.0151996565kg?m2
外部負荷的負荷轉(zhuǎn)動慣量：
JL=J1+m?Ph2π2=0.0151996565+1500×0.012π2=0.0189992009kg?m2
則有：
JLJM=0.01899920090.00123=15.45
加在電機上的轉(zhuǎn)動慣量：
J=JL+JM=0.0189992009+0.00123=0.0202292009kg?m2
3.2.2. 外部負荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩：
Tp=F?Ph2πη?×10-3=108.2×102π×0.9×10-3=0.1913396094N?m
式中：
Ph—滾珠絲杠副的導程
η-未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率（2級精度η=0.9）
F—外加軸向載荷，含導軌摩擦力，其中含切削力為0
3.2.3. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：
TD=Fp?Ph2π?1-η2η2×10-3=36.07×102π×1-0.920.92×10-3=0.0134658836N?m
式中：
Fp—滾珠絲杠副間的預(yù)緊力，F(xiàn)p=Fmax3=108.23=36.07N
3.2.4. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩：
選擇角接觸球軸承，查軸承樣本可得摩擦力矩Tb1=0.23N?m
3.2.5. 加速度產(chǎn)生的負荷扭矩：
根據(jù)設(shè)計要求可知：X向工作臺運動速度為V=100mm/s,對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速n2=150rpm,最大加速度為a=40mm/s2,則工作臺速度從0升至100mm/s所需時間：
t=2va=2×2540=1.25s
當電機轉(zhuǎn)速從n1=0升至n2=150rpm時，其負載扭矩
Tj=J?2πn2-n160?t=0.020229209×2π×15060×1.25=0.2542076356N?m
Tm=Tp+TD+TJ+Tb=0.68901312N?m<7.15N?m
所以所選電機扭矩符合要求。
Y方向的電機
條件：選擇伺服電機驅(qū)動，伺服電機用SS54020A，其功率為1.5kw，額定轉(zhuǎn)矩為7.15N?m,電機慣量為：0.00123Kg?m2
Y向運動工件及工作臺質(zhì)量估計最大值約150kg.
3.2.6. 外部負荷的轉(zhuǎn)動慣量：
J1=12m?r3=12×31.633×0.0313=0.0151996565kg?m2
外部負荷的負荷轉(zhuǎn)動慣量：
JL=J1+m?Ph2π2=0.0151996565+1500×0.012π2=0.0189992009kg?m2
則有：
JLJM=0.01899920090.00123=15.45
加在電機上的轉(zhuǎn)動慣量：
J=JL+JM=0.0189992009+0.00123=0.0202292009kg?m2
3.2.7. 外部負荷產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩：
Tp=F?Ph2πη?×10-3=108.2×102π×0.9×10-3=0.1913396094N?m
式中：
Ph—滾珠絲杠副的導程
η-未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率（2級精度η=0.9）
F—外加軸向載荷，含導軌摩擦力，其中含切削力為0
3.2.8. 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：
TD=Fp?Ph2π?1-η2η2×10-3=36.07×102π×1-0.920.92×10-3=0.0134658836N?m
式中：
Fp—滾珠絲杠副間的預(yù)緊力，F(xiàn)p=Fmax3=108.23=36.07N
3.2.9. 支承軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩：
選擇角接觸球軸承，查軸承樣本可得摩擦力矩Tb1=0.23N?m
3.2.10. 加速度產(chǎn)生的負荷扭矩：
根據(jù)設(shè)計要求可知：X向工作臺運動速度為V=100mm/s,對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速n2=150rpm,最大加速度為a=40mm/s2,則工作臺速度從0升至100mm/s所需時間：
t=2va=2×2540=1.25s
當電機轉(zhuǎn)速從n1=0升至n2=150rpm時，其負載扭矩
Tj=J?2πn2-n160?t=0.020229209×2π×15060×1.25=0.2542076356N?m
Tm=Tp+TD+TJ+Tb=0.68901312N?m<7.15N?m
所以所選電機扭矩符合要求。
3.3. 皮帶輪與皮帶的計算與選擇
由電機轉(zhuǎn)速與功率，確定了采用普通同步帶作為傳動帶。
由同步帶的小帶輪最小直徑為85.64mm，故定小帶輪直徑為100mm
皮帶驗算速度
V=πd1n060×1000=3.14×100×960/60/1000=5.03
所以5﹤v
120°
3.4. 聯(lián)軸器的計算與選擇
由于此聯(lián)軸器承受的力矩相對較大，且顧及性價比軸孔徑的配合關(guān)系且彈性柱銷齒式聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，不需要專用的加工設(shè)備，工作是不需要潤滑，維修方便，更換易損件容易迅速，費用低，因此選用彈性柱銷齒式聯(lián)軸器。
由于T3=1020.93N?m
且絲杠軸徑為14mm,故選用ZL4聯(lián)軸器
它的許用轉(zhuǎn)矩為1600N?m,許用轉(zhuǎn)速為4000r/min,軸孔直徑為14mm.
3.5. 軸套的結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于軸套的厚度s在0.5d~2d之間
小絲杠軸徑為15mm 故取小軸的軸套厚度為2mm
大絲杠軸徑為30mm 故取大軸的軸套厚度為4mm
軸套的材料為45鋼，為能與絲杠軸與軸承之間的更好的，更持久的配合，故把軸套進行調(diào)質(zhì)處理。
4. 機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算
4.1. 機架的設(shè)計準則
機架的設(shè)計主要應(yīng)保證剛度，強度及穩(wěn)定性。
1）剛度
評定大多數(shù)機架工作能力的主要準則是剛度，例如在機床中床身的剛度決定生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度；在齒輪減速器中，箱體的剛度決定了齒輪的嚙合情況和它的工作性能；薄板軋機的機架剛度直接影響鋼板的質(zhì)量和精度。
2）強度
強度是評定重型機架工作性能的基本準則。機架的強度應(yīng)根據(jù)機器在運轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生最大在合伙安全裝置所能傳遞的最大載荷來校核靜強度。此外，還要校核其疲勞強度。
機架的強度和剛度都要從靜態(tài)和動態(tài)兩方面來考慮。動剛度是衡量機架抗振能力的指標，而提高機架抗振能力應(yīng)從提高機架構(gòu)件的靜剛度，控制固有頻率，加大阻尼等方面著手。提高靜岡度和控制固有頻率的途徑是：合理設(shè)計機架構(gòu)件的截面形狀和尺寸，合理選則壁厚及布肋，注意機架的整體剛度和局部剛度以及結(jié)合面剛度的匹配等。
3）穩(wěn)定性
機架受壓結(jié)構(gòu)及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題。有些構(gòu)件制成薄壁腹式也存在局部失穩(wěn)。穩(wěn)定性是保證機構(gòu)正常工作的基本條件，必須加以校核。
此外，對于機床，儀器等精密機械還應(yīng)考慮熱變形。熱變形將直接影響機架原有精度，從而使產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，使立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝表面不平行，有導軌的機架，由于導軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，機架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)使熱變形盡量小。
4.2. 機架設(shè)計的一般要求
1）在滿足剛度和強度的前提下，機架的重量應(yīng)要求輕，成本低。
2) 抗振性好，把受迫振動振幅限制在允許范圍內(nèi)。
3）噪聲小。
4) 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小。
5）結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造，焊接和機械加工。熱變形對精度的影響小。
6）機構(gòu)力求便于安裝和調(diào)整，方便修理和更換零件。
7）有導軌的機架要求導軌面受力合理，耐磨性良好。）造型好。使之既適用經(jīng)濟，又美觀大方。
由于機身支撐了整套機器的零件，故機身采用厚鋼板及鋼管焊接而成，由于機器重且機器性能要求平穩(wěn)，故用地腳螺釘來緊固機器以減少機器的振動。
腳板采用45鋼，厚15mm,尺寸為B* L*h=2144*708*932mm,用10個腳來支撐機器。
地腳高度為h1=15mm。
5. 直線導軌的原理及其應(yīng)用
圖 5 1直線導軌
5.1. 直線導軌的工作原理
自1973年直線導軌開始商品化以來，已被廣泛應(yīng)用在精密機械、自動化、各種動力傳輸、半導體、醫(yī)療和航空航天等產(chǎn)業(yè)上。直線導軌以滾珠作為導軌與滑塊之間的動力傳輸界面，可進行無限滾動循環(huán)的運動，并將滑塊限制在導軌上，使得負載工作臺能沿導軌以高速度、高精度作直線運動。組成零件主要包括導軌、滑塊、端蓋、滾珠及保持器等（見圖）。其特性如下：
(l）滾動代替滑動；
(2）適用高速運動且大幅度降低機器所需驅(qū)動力；
(3）定位精度高；
(4）可同時承受上下左右方向的負荷；
(5）組裝容易且互換性好，潤滑構(gòu)造簡單；
(