數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),數(shù)控車床,橫向,進(jìn)給,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)
鹽城工學(xué)院機(jī)械工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）
0 引言
該次畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我很有幸分在“數(shù)控車床小組”,我所設(shè)計(jì)的課題為“數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) (經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控機(jī)床)”。進(jìn)行這一設(shè)計(jì)主要是為了進(jìn)一步地提高數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精度、重復(fù)定位精度以及改造手動(dòng)進(jìn)給裝置以使其能夠可靠地運(yùn)行。而且,通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也可以檢驗(yàn)自己的學(xué)習(xí)情況,鍛煉自己,對(duì)今后的學(xué)習(xí)和工作也有一定程度上的幫助。
信息時(shí)代的高新技術(shù)流向傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，引起后者的深刻變革。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)之一的機(jī)械工業(yè)，在這場(chǎng)新技術(shù)革命沖擊下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都發(fā)生了質(zhì)的躍變，微電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展使信息、智能與機(jī)械裝置和動(dòng)力設(shè)備相結(jié)合，促使機(jī)械工業(yè)開始了一場(chǎng)大規(guī)模的機(jī)電一體化技術(shù)革命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電力技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各先進(jìn)國家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮。機(jī)床、汽車、儀表、家用電器、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、冶金機(jī)械、化工機(jī)械以及工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等許多門類產(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機(jī)電一體化到各方面的技術(shù)已越來越受關(guān)注，它在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強(qiáng)企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展，國內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。主要有全閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Full Closed AC Servo）、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)（Linear Motor Driving）、可編程序計(jì)算機(jī)控制器（Programmable Computer Controller，PCC）和運(yùn)動(dòng)控制卡（Motion Controlling Board）等幾項(xiàng)具有代表性的新技術(shù)。數(shù)控機(jī)床是一種高科技的機(jī)電一體化產(chǎn)品,是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測(cè)量及現(xiàn)在機(jī)械制造技術(shù)等各種先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。數(shù)控機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)和未來工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)已成為現(xiàn)在制造技術(shù)中不可缺少的生產(chǎn)手段,是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)在機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)裝備。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床主要用于對(duì)中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有：控制主軸正反轉(zhuǎn)和實(shí)現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速；刀架能實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并具備在換刀點(diǎn)自動(dòng)改變四個(gè)刀位完成選擇刀具；冷卻泵、潤滑泵的啟停；加工螺紋時(shí)，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動(dòng)一個(gè)被加工螺紋的螺距或?qū)С獭?
數(shù)控車床的進(jìn)給系統(tǒng)包括橫向進(jìn)給系統(tǒng)(X軸)和縱向進(jìn)給系統(tǒng)(Y軸),它們是由伺服電機(jī)經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)GB/T16462-1996《數(shù)控臥式車床精度檢驗(yàn)》,機(jī)床的位置精度包括重復(fù)定位精度、反向偏差和定位精度。當(dāng)機(jī)床的中心距DC=3000mm時(shí),其重復(fù)定位精度X軸0.007mm,Z軸0.020mm;反向偏差X軸為0.006mm,Z軸為0.012mm;定位精度X軸為0.016mm,Z軸為0.050mm?？梢钥闯?進(jìn)給軸設(shè)計(jì)與主軸設(shè)計(jì)相比,具有相同的重要性。因而,進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)應(yīng)從動(dòng)、靜兩方面充分考慮,位置精度才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。 對(duì)于X軸，由于其位置誤差值復(fù)映在零件加工尺寸上為直徑值，故放大了2倍，X軸移動(dòng)質(zhì)量不大，要求的快移速度較低，因而要求X軸應(yīng)有更高的位置精度。因X軸滾珠杠直徑比Z軸小，長度短，并且采用降速傳動(dòng)，使得折算在X軸電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小。因此，X軸的設(shè)計(jì)應(yīng)著重以達(dá)到所要求的位置精度為主要矛盾進(jìn)行設(shè)計(jì)，而選用的電機(jī)扭矩比Z軸小些。為了達(dá)到這目標(biāo)，X軸應(yīng)從提高重復(fù)定位精度、反向偏差及定位精度三個(gè)方面，從設(shè)計(jì)上解決。在數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,根據(jù)橫向、縱向的不同精度要求,不同移動(dòng)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特點(diǎn),分別解決設(shè)計(jì)中的主要矛盾。以期望設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,即滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。限于編者水平，書中錯(cuò)誤和不妥之處在所難免，殷切期望讀者批評(píng)指正。
1、 總體設(shè)計(jì)方案
1.1 總體設(shè)計(jì)方案論證
與普通機(jī)床相比,數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度外,還具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。為了確保數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性,在設(shè)計(jì)機(jī)械了機(jī)構(gòu)時(shí),通常還應(yīng)提出無間隙、低摩擦、高剛度以及有適宜的阻尼比要求等。為了達(dá)到這些要求,在機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)中,主要采取如下措施:
1、盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副;
2、選用最佳的降速比;
3、盡量縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的方法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度;
4、盡量消除傳動(dòng)間隙,減少反向行程誤差。
數(shù)控車床的總體總體設(shè)計(jì)方案示意圖如下圖所示：
本設(shè)計(jì)數(shù)控車床要求設(shè)計(jì)為中檔精度機(jī)床,為此提出以下兩種設(shè)計(jì)方案:
設(shè)計(jì)方案一:該方案的進(jìn)給裝置及動(dòng)作原理如下:
機(jī)床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)由：床鞍，滾珠絲杠副，螺母座，滑板，連接套，步進(jìn)電機(jī)等部分組成。由步進(jìn)電機(jī)通過連接套帶動(dòng)滾珠絲杠副至螺母座，實(shí)現(xiàn)滑板的橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給。在滾珠絲杠的前端加一螺孔，用內(nèi)六角螺釘及套與之連接，這樣用內(nèi)六角扳手可實(shí)現(xiàn)滑板的橫向手動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
設(shè)計(jì)方案二:該方案的進(jìn)給裝置及動(dòng)作原理如下:車床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)由床鞍4,滾珠絲杠副5,螺母座6,橫滑板7,同步帶輪12、19,交流伺服電機(jī)64等部分組成,見設(shè)計(jì)裝配圖001。由交流伺服電機(jī)64經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副5至螺母座6,實(shí)現(xiàn)橫滑板7的橫向機(jī)動(dòng)進(jìn)給,來實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)。在該方案中,在滾珠絲杠的前端加了一個(gè)固定銷46,床鞍上改進(jìn)了支座3,增加了滾花手柄2,在滾花手柄2的前端用一個(gè)開口槽及內(nèi)孔與滾珠絲杠相連, 支座3下用一個(gè)開槽平端緊定螺釘45與滾花手柄2上的兩圓槽相連作定位作用。當(dāng)需手動(dòng)進(jìn)給時(shí), 滾花手柄2的開口槽就插到滾珠絲杠的固定銷46中,將螺釘45緊到手柄2的相應(yīng)圓槽中,這樣轉(zhuǎn)動(dòng)滾花手柄2就可帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)手動(dòng)進(jìn)給。當(dāng)不用手動(dòng)進(jìn)給時(shí),松開螺釘45,將滾花手柄2出,使開口槽與滾珠絲杠的固定銷分開,再將螺釘45緊到手柄2的相應(yīng)圓槽中,此時(shí)手柄2與滾珠絲杠脫開了。
在方案一中,由于在機(jī)動(dòng)進(jìn)給時(shí),套8仍在轉(zhuǎn)動(dòng),不安全。用內(nèi)六角扳手時(shí),在作螺紋的反向運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)使內(nèi)六角螺釘松動(dòng),而不能使手動(dòng)進(jìn)給可靠進(jìn)行。在方案二中,在機(jī)動(dòng)進(jìn)給時(shí), 滾花手柄不再轉(zhuǎn)動(dòng),使車床的安全可靠性得以加強(qiáng)。同時(shí),這樣做也使得在車床檢驗(yàn)后的工作過程中,不至于被他人轉(zhuǎn)動(dòng)手柄而破壞現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)。在方案一中,采用步進(jìn)電機(jī),起精度受到一定程度上的限制。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求中檔精度,所以在方案二中改用交流伺服電機(jī),以提高相應(yīng)的精度。并且在方案二中以同步帶傳動(dòng)代替方案一中的連接套,其益處在參考文獻(xiàn)［4］106-107頁中可以見到,這里就不再重復(fù)了。
1.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定
經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的比較和論證后,確定的經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案示意圖如裝配圖001所示。該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)既可以進(jìn)行機(jī)動(dòng)進(jìn)給,也可以進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)給。該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng), 經(jīng)同步齒形帶傳動(dòng),驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床的橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。刀架采用LD-1型列電動(dòng)刀架。
2 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算的主要內(nèi)容有: 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型、同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型、同步帶輪的選擇、交流伺服電機(jī)的計(jì)算及選型、導(dǎo)軌副的選擇、自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的選擇。繪制橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的裝配圖以及各零件圖等。
2.1 已知條件
(1)、床身上最大回轉(zhuǎn)直徑:400mm；
(2)、加工最大工件長度:1000mm；
(3)、快移速度:X軸 4m/min,Z軸 8m/min；
(4)、定位精度:X軸 0.035mm, Z軸 0.04mm；
(5)、重復(fù)定位精度:X軸 0.0075mm, Z軸 0.01mm；
(6)、數(shù)控車床工作臺(tái)質(zhì)量W:根據(jù)圖形尺寸粗略計(jì)算W=60Kg；
(7)、橫向進(jìn)給切削力Fx的確定:
根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］查出:
Pdf/ Pa =3～5%[5] 1—1
式中: Pdf—進(jìn)給系統(tǒng)所需電機(jī)功率;
Pa—主傳動(dòng)電機(jī)功率。
已知Pa為5.5Kw,取比例系數(shù)為5%,則由公式1—1可得：
Pdf= Pa×5%
=5.5×5%=0.275Kw
根據(jù)參考文獻(xiàn)查出:
F=61200ηf·Pdf/Vf[5] 1—2
式中: ηf—進(jìn)給系統(tǒng)效率,其范圍為0.15～0.20,取ηf=0.20;
Vf—進(jìn)給速度,m/min;查出:
Vf=(1/2～1/3)Vixmax[5] 1—3
取Vf=1/3 Vixmax
由公式1—2： Fx=61200×0.20×0.275/(4·1/3)
=2524.5(w)
為了安全起見,取安全系數(shù)為1.85,則:
Fx=2524.5×1.85≈4680N
2.2滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。
一般情況下,設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí),已知條件為:最大工作負(fù)載Fd(或平均工作負(fù)載Fm)作用下的使用壽命,絲杠的工作長度(或螺母的有效行程),絲杠的轉(zhuǎn)速(或平均轉(zhuǎn)速),滾道的硬度及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
2.2.1 設(shè)計(jì)步驟
通常的設(shè)計(jì)步驟為:
A、計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)載荷;
B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動(dòng)負(fù)載的近似值,并初選幾個(gè)型號(hào);
C、根據(jù)具體工作要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面的要求，從初選的幾個(gè)型號(hào)中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號(hào)；
D、根據(jù)所選的型號(hào),列出或計(jì)算出其主要參數(shù)的數(shù)值,計(jì)算傳動(dòng)效率,并驗(yàn)算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求,則另選其他型號(hào),再作上述計(jì)算和驗(yàn)算,直至滿足要求為止。
2.2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算簡況
選用CPG系列滾珠絲杠副。
A、 CPG系列滾珠絲杠副主要參數(shù)的確定:
按預(yù)期壽命Ln及軸向載荷Fa進(jìn)行選擇:
Ln=(Ca/Fa)×106(轉(zhuǎn))[11] 2—1
式中: Ca—額定動(dòng)載荷;
一般情況下Fa可以用平均軸向載荷Fm予以代替:
Fm=(2Fmax+Fmin)/3 [11] 2—2
式中: Fmax—最大軸向載荷;
Fmin—最小軸向載荷。
Fmax=mg+F[11] 2—3
=60×9.8+4680=5268N
Fmin=mg=60×9.8=588N
所以：Fm=(2Fmax+Fmin)/3=3078N
對(duì)于機(jī)車和精密機(jī)械通常取Ln=20×106(轉(zhuǎn)) [11]
則:： Ca=(20)1/3Fm=2.71F[m[11]=8341.38N 2—4
計(jì)算出Ca,可通過查表得到對(duì)應(yīng)的滾珠絲杠副的尺寸,選取2505-4型號(hào)滾珠絲杠副,基本直徑為25mm,大徑位24.5mm,絲杠導(dǎo)程L0為5mm, 滾珠直徑為3.175mm, 滾珠列數(shù)為四列。
B、 對(duì)選用的滾珠絲杠副的參數(shù)進(jìn)行核算
a、軸向壓縮載荷F:
對(duì)各種支承條件下所支承的最大軸向載荷,是否會(huì)超過臨界載荷而失去穩(wěn)定性,造成穩(wěn)定失效,因此對(duì)保持絲杠不失去穩(wěn)定性的軸向壓縮載荷進(jìn)行驗(yàn)算。
滾珠絲杠受壓力作用后在彈性范圍內(nèi)的臨界穩(wěn)定載荷Fc由下式計(jì)算:
Fc=m(d0-db)4/Ls2 [11] 2—5
式中:m為支承系數(shù);G-J形式:m=20×104(N/mm2);
d0為公稱直徑(mm);
db為滾珠直徑(mm);
Ls為絲杠軸的支承距離(mm)。
所以: Fc=20×104×(25-3.175)4/5552 =1.47×105 N
則: Fc/F=1.47×105/5268＞［n］
式中: ［n］為許用穩(wěn)定安全系數(shù),當(dāng)絲杠垂直安置時(shí)［n］=2.5,水平安置時(shí)［n］=4;
F為最大軸向壓縮載荷。
由以上計(jì)算可知條件滿足。
a、 極限轉(zhuǎn)速的計(jì)算:
為使絲杠副在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不發(fā)生共振現(xiàn)象,應(yīng)對(duì)其極限轉(zhuǎn)速進(jìn)行核算。當(dāng)絲杠發(fā)生共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速,以Nc表示:
Nc=121×106(d0-db)·K1/2/L2 [11] 2—6
式中: d0為公稱直徑(mm);
db為滾珠直徑(mm);
K為支承結(jié)構(gòu)系數(shù), G-J形式: K=2.5。
極限轉(zhuǎn)速n應(yīng)滿足:
n＜0.8 Nc[11]=0.8×1.36×104=1.08×104r/min 2—7
n0=v/(2π) [11] 2—8
=4000/(2π)=6.4×102r/min
因?yàn)?n0＜n,所以條件滿足。
b、 滾珠絲杠副的預(yù)加負(fù)載:
為了消除螺母與絲杠間的軸向間隙,提高滾珠絲杠副的剛度與定位精度,在絲杠和螺母間施加負(fù)載Fp,其預(yù)加負(fù)載的大小為:
Fp= Ca/10[11]=834N
c、 臨界轉(zhuǎn)速的核算:
絲杠的名義直徑：d0=25mm；
nmax=vmax/L0[5]=200r/min 2—9
查參考文獻(xiàn)［5］圖5.7-91,支承為“固定-固定”支承長度L=1568mm, 查參考文獻(xiàn)［5］圖5.7-91, L與n的交線點(diǎn)在d0=25mm左側(cè),所以安全。
d、 效率計(jì)算:
查參考文獻(xiàn)：
η=tanβ/tan(β+φ) [5] 2—10
式中: β—螺紋的螺旋升角,可參考文獻(xiàn)［5］5.7-41表,取β=3o3’;
φ—摩擦角, tanφ=0.003～0.004。
所以: φ=13’45’’
則: η=tan3o3’/ tan(3o3’+13’45’’)=93%
e、 剛度檢驗(yàn):
查參考文獻(xiàn):
△=100F/(EA)+50T/(πGJc), [5]μm/m 2—11
式中: E—彈性摸量,E=2.1×102GPa;
F—工作負(fù)載, F=4680 N ;
A—滾珠絲杠橫截面積, A=π/4·（d0-db）2=（25-3.175）2=3.37cm2;
db—滾珠直徑(mm);
G—切變摸量，G=8.4×10GPa;
Jc—滾珠絲杠截面慣性矩，Jc=2.27×10-7m4;
代入公式2—11得： △=10.3μm/m
查參考文獻(xiàn)［5］表5-10和表5-17，B級(jí)精度為40μm/300mm，七級(jí)精度△=15μm，八級(jí)精度△=30μm，所以2005-5型絲杠的剛度是足夠的。
由于選用滾珠絲杠的直徑為25mm,支承方式為G-J型，所以穩(wěn)定性不成問題。
2.3同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.3.1 設(shè)計(jì)計(jì)算簡況
A、根據(jù)同步帶傳動(dòng)的工作條件確定傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率:
Pd=KPm [4] 2—12
K=1.4～1.5取K=1.6則代入公式2—12得：
Pd=1.6×1.5=2.4Kw
B、確定帶的型號(hào)和節(jié)距，根據(jù)設(shè)計(jì)功率Pd和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由同步帶選型圖中確定所需采用帶的型號(hào)和節(jié)距分別為L型，節(jié)距=9.525mm。同步帶選型圖選自美國同步帶傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)ANS11RMA IP-24-1983,如參考文獻(xiàn)［4］圖6-2所示。
C、選擇帶輪齒數(shù)Z1和Z2:根據(jù)型號(hào)及小帶輪轉(zhuǎn)速n1，查參考文獻(xiàn)［4］表6-1所列帶輪最小許用齒數(shù)，確定一帶輪齒數(shù)為：Z1=32，另一帶輪齒數(shù)為：Z2=1×32=32。
D、帶輪節(jié)圓直徑： d1=TbZ1/π[4] 2—13
=9.525×32/π=97
d2=TbZ2/π[4] 2—14
=9.525×32/π=97
E、確定同步帶的節(jié)線長度
帶的節(jié)線長度Lp可根據(jù)帶圍繞兩帶輪的周長計(jì)算得出：
Lp=2Acosα+π(d1+d2)/2+πα(d1-d2)/360[4] 2—15
=2×125cos0+π·97=554。58mm
圓整為554。
式中：A為兩傳動(dòng)輪的中心距；
α如參考文獻(xiàn)［4］圖6-3所示。
F、計(jì)算同步帶齒數(shù)Zb：
Zb=Lp/Tb[4] 2—16
=554/9.525=58.163
圓整為59。
G、計(jì)算精確的中心距：
A≈M+｛M2-1/8［Tb(Z2-Z1)/π］2｝1/2[4] 2—17
=2M=2 Tb(2Zb -Z2-Z1)/8=121.5mm
H、確定同步=3.39Kw帶設(shè)計(jì)功率為Pd下所需的帶寬：
a、計(jì)算所選型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率P0（Kw）為：
P0=（F-mv2）v×10-3[4] 2—18
式中：v—帶速（m/s），其計(jì)算公式為：
v=ωTbZ1×10-3/2π[4] 2—19
=（3000×2π/60）×9.525×32×10-3
=15.24 m/s
由公式2—19得：
P0=（244.46-0.095×15.242）×15.24×10-3
=3.39Kw
F、M的值可根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］表6-2查出。
b、計(jì)算小帶輪的嚙合齒數(shù)Zm，計(jì)算公式如下：
Zm= Z1/2- TbZ1(Z2-Z1)/（2π2A）[4] 2—20
=16/2-0=8
c、確定實(shí)際所需帶寬bs：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，帶的設(shè)計(jì)功率Pd應(yīng)小于或等于帶所能傳遞的額定功率，即Pd＜P0,額定功率可根據(jù)近似公式計(jì)算得出，如下所示：
P≈P0KzKw[4] 2—21
式中：Kz—嚙合系數(shù)，當(dāng)嚙合齒數(shù)Zm≥6時(shí)，Kz=1；
Kw—寬度系數(shù)，即
Kw=(bs/b0)1/1.14[4] 2—22
式中：bs—實(shí)際帶寬；
b0—該種型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)帶寬；
將上式化簡為： P≈P0Kz(bs/b0)1/1.14≥Pd[4] 2—23
移項(xiàng)得： bs≥b0Pd/( Kz P0) 1/1.14[4] 2—24
=25.4(2.4/3.39) 1/1.14 =19.94mm
根據(jù)參考文獻(xiàn)［4］表6-2圓整為25.4mm。
2.3.2 帶的工作的驗(yàn)算
可根據(jù)下列公式進(jìn)行驗(yàn)算：
P=［ KzKwF-(bs/b0)mv2］v×10-3[4] 2—25
＝（1×1×244.46-1×0.095×15.42）×15.24×10-3
=3.39Kw
由于：Pd=2.4Kw
所以：P＞Pd，滿足條件要求。
綜上所述，可選用的規(guī)格為220L，其接線長為558.80mm，齒數(shù)為59。
2.4同步帶輪的選型
同步帶輪已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此同步帶輪設(shè)計(jì)歸結(jié)為同步帶輪型號(hào)的選擇。
根據(jù)同步帶傳送的計(jì)算，查參考文獻(xiàn)［3］中同步帶選型表，可選擇規(guī)格為T5-32的A型同步帶。其齒數(shù)為：Z=32mm，節(jié)徑為：Tp=50.93mm，外徑為：De=50.08mm，內(nèi)孔徑為：d=20mm，臺(tái)肩知覺為：Dm=35mm。
2.5 交流伺服電機(jī)的計(jì)算與選擇
1、選用螺桿驅(qū)動(dòng)方式的交流伺服電機(jī)，如下圖所示：
其中：運(yùn)動(dòng)部件重量W為：60Kg；
摩檫系數(shù)μ為：0.15；
外界施加的力F為：4680/9.8=477.5Kg；
螺桿螺距P為：0,5cm；
螺桿直徑D為：2.5cm
螺桿長度L為：35cm；
傳遞效率η為：085；
驅(qū)動(dòng)部件比重ρ為：7.2×10-3Kg/cm3；
傳動(dòng)裝置減速比1/G為：1/2。
2、求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷力矩（TL）：
TL=9.8（F+μω）D/（2×2π×100ηG）[14] 2—25
=9.8(150+0.15×60)/（2×2π×100×0.85）
=2.23(N·m)
要求：TL≤TR
3、求換算到電機(jī)軸上的負(fù)荷慣性（JL）：
運(yùn)動(dòng)部件的慣性JB：
JB=πρD4A/（32×104G4）[14] 2—26
將各個(gè)參數(shù)代入式2—26可得：JB=0.24×10-4Kg·m2。
工件的慣性Jw：
Jw=(1/G)2ω/10-4·(P/2π)2[14] 2—27
將各個(gè)參數(shù)代入式2—27可得：Jw=0.095×10-4Kg·m2。
注：上述的“A”代表螺桿長度（L）；
對(duì)于螺桿： D/2=P/2π[14]。 2—28
JL= JB +Jw[14] 2—29
=0.34×10-4Kg·m2
4、電機(jī)的假擬選定：
從產(chǎn)品目錄中選出滿足上述（JL）、（TL）、（Np）條件的電機(jī)，其型號(hào)為：P20B10150D×S 《100》。
5、加減速力矩（Ta、Tb）的計(jì)算：
加速力矩Ta：
Ta=［2π（N1-N2）·（JL +JM）/（60·ta）］+TL[14] 2—30
將各個(gè)參數(shù)代入式2—30可得：Ta =2.45(N·m)
減速力矩Tb:
Tb=［2π（N1-N2）·（JL +JM）/（60·tb）］-TL[14] 2—31
將各個(gè)參數(shù)代入式2—31可得：Tb =-2(N·m)
由上述計(jì)算可以看出，假擬選定電機(jī)滿足上述（JL）、（TL）、（Np）的計(jì)算條件。
6、實(shí)際力矩（Trms）的計(jì)算：
Trms= ［（Ta2 ta+ Tb2 tb+ TL2 tL）/t］1/2[14] 2—32
取t=1/2,則： ta= tb=tL=t/3=1/6
將各個(gè)參數(shù)代入式2—32可得：Trms =-2.236(N·m)
由上述計(jì)算可以看出，假擬選定電機(jī)滿足上述（Trms）的計(jì)算條件。
7、總結(jié)：
根據(jù)上述計(jì)算和論述可得：應(yīng)選用P20B10150D×S 《100》型交流伺服電機(jī)。 2.6導(dǎo)軌副的選擇
導(dǎo)軌的作用是支承和導(dǎo)向,也就是支承運(yùn)動(dòng)部件并保證運(yùn)動(dòng)部件在外力作用,精確的沿著確定的軌跡運(yùn)動(dòng),為此對(duì)裝配基準(zhǔn)的導(dǎo)軌提出如下要求。
1、導(dǎo)向精度；
2、耐磨性；
3、剛度；
4、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
目前機(jī)床上常用的導(dǎo)軌，根據(jù)接觸角的摩擦情況可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌，滾動(dòng)導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)軌主要直線型。滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別小，啟動(dòng)阻力小，能微量準(zhǔn)確移動(dòng)，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行，因而運(yùn)動(dòng)靈活，定位精度高，通過預(yù)緊可以提高剛度和抗震性，承受較大的沖擊和振動(dòng)。和靜壓導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，其結(jié)構(gòu)簡單，保養(yǎng)方便，是適合數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)用比較理想的導(dǎo)軌。
綜上所述，本設(shè)計(jì)應(yīng)選用滾動(dòng)導(dǎo)軌。
2.7自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)
自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)機(jī)械方面的關(guān)鍵。由微機(jī)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高，工作剛度好，性能可靠，使用可靠以及工藝性好等特點(diǎn)。
在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)時(shí)，多采用外購自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。一些機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠為用戶生產(chǎn)了系列自動(dòng)刀架，一些長是參加了全國聯(lián)合計(jì)劃組織設(shè)計(jì)了LD14，LD24，LD34刀架后，又結(jié)合該廠生產(chǎn)刀架的經(jīng)驗(yàn)，吸收了LD型刀架結(jié)構(gòu)，原理之優(yōu)點(diǎn)，還參考了國外專利自動(dòng)刀架的特點(diǎn)，使刀架設(shè)計(jì)更為合理，更為完美，具有同類產(chǎn)品最先進(jìn)的水平，如常州武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的系列自動(dòng)刀架就是一例。本設(shè)計(jì)就選用該廠生產(chǎn)的LD4-1型系列選用于AC140，CC620的四工位自動(dòng)刀架LD4-C620。選用自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架必須搞清原理，自行設(shè)計(jì)的話要求更高。
自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架按其原理可分為：
1、螺旋轉(zhuǎn)位刀架；
2、十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架；
3、凸臺(tái)棘式轉(zhuǎn)位刀架；
4、電磁式轉(zhuǎn)位刀架；
5、液壓式轉(zhuǎn)位刀架。
自動(dòng)刀架設(shè)計(jì)時(shí)，刀架要能自動(dòng)完成抬起，回轉(zhuǎn)，選位，下降，定位和壓緊，既要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)，又要檢測(cè)出各順序動(dòng)作的電信號(hào)，以便由控制系統(tǒng)加以控制。
刀架的抬起常采用的有：利用壓縮彈簧的恢復(fù)力；利用螺紋傳動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成軸向直線運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到刀架抬起。
刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時(shí)，由撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架的迭位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來實(shí)現(xiàn)。
刀架的下降常采用微機(jī)控制使微電機(jī)反轉(zhuǎn)，由于斜面銷的棘輪作用，刀架不跟隨轉(zhuǎn)，只是下降。精度常采用錐型定位銷定位，端面鍵定位，后者優(yōu)于前者，所以端面定位是最常用的。
壓緊刀架的壓緊力由微電機(jī)下降到位后而繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，合選的壓緊力應(yīng)呈切削力的兩倍以上，壓緊力還應(yīng)能調(diào)整。
本設(shè)計(jì)選用的LD4-1型自動(dòng)刀架的工作原理類似于螺旋轉(zhuǎn)位刀架。微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào)，使微電機(jī)工轉(zhuǎn)，通過減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體上升到一定位置時(shí)，離合轉(zhuǎn)盤起作用，帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到所選刀位，發(fā)信盤發(fā)出刀位信號(hào)，使微電機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠初定位，上刀體下降，齒輪盤嚙合，完成精定位，并通過蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好狀態(tài)時(shí)，過流繼電器動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微機(jī)發(fā)出回答信號(hào)，開始執(zhí)行下道工序。刀架的動(dòng)作順序簡明的表示為：微電機(jī)—減速器—升降機(jī)構(gòu)—上刀體上升—轉(zhuǎn)位—信息符合—粗定位機(jī)構(gòu)—上刀體下降—精定位—刀體鎖定—微電停轉(zhuǎn)—換刀回答信號(hào)—加工順序執(zhí)行。
2.8預(yù)計(jì)結(jié)果
本人所設(shè)計(jì)的數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滿足經(jīng)濟(jì)型中檔精度機(jī)床的要求，伺服電機(jī)的大小滿足要求，對(duì)滾珠絲杠直徑的選擇也滿足強(qiáng)度和剛度的要求，并在橫向行程中有電控極限行程限位裝置。也就是說所設(shè)計(jì)的結(jié)果滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，達(dá)到了預(yù)期性的效果，即到達(dá)了設(shè)計(jì)任務(wù)書中的技術(shù)要求和工作要求。
3、結(jié)論
本設(shè)計(jì)主要研究了經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及改造，其中主要是改造橫向手動(dòng)進(jìn)給裝置以及進(jìn)一步提高數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精度、重復(fù)定位精度及可靠性等。通過設(shè)計(jì)達(dá)到了經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。而且，通過這次設(shè)計(jì)使我較好地了解和掌握了數(shù)控車床的工作原理及組成等，特別是對(duì)機(jī)械傳動(dòng)裝置有了深刻地認(rèn)識(shí)與了解。本次設(shè)計(jì)主要解決了手動(dòng)進(jìn)給裝置的可靠性問題以及數(shù)控車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度、重復(fù)定位精度等問題。在手動(dòng)進(jìn)給裝置的可靠性問題中主要是針對(duì)先前手動(dòng)進(jìn)給裝置的不安全問題和不能可靠運(yùn)行等因素加以改造，其具體改造見設(shè)計(jì)部分，這里就不再累述了。通過改造，使數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的安全可靠性得到加強(qiáng)，同時(shí)也使得在機(jī)床檢驗(yàn)好后的工作過程中，不至于被他人轉(zhuǎn)動(dòng)而破壞現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)?？偠灾私Y(jié)構(gòu)既簡單又可靠。至于精度問題，由于所做的設(shè)計(jì)為經(jīng)濟(jì)型中檔精度的數(shù)控車床，所以應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣咂涓骶龋ǘㄎ痪取⒅貜?fù)定位精度、反向偏差等）。為此本設(shè)計(jì)采取以下各措施提高其精度：
1、用交流伺服電機(jī)代替以前的步進(jìn)電機(jī)；
2、采用同步帶傳動(dòng)代替連接套傳動(dòng)；
3、優(yōu)化導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)；
4、選取適宜的滾珠絲杠直徑，在保證數(shù)控機(jī)床必須的慣量匹配的前提下，加大滾珠絲杠的直徑以提高滾珠絲杠的軸向剛度。這些做法的優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)參考文獻(xiàn)中均有論述，這里也就不加以重復(fù)了。這樣做后，使數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的各精度都得以提高，以達(dá)到中檔精度機(jī)床的設(shè)計(jì)要求。
由于安全可靠性的加強(qiáng)和精度的進(jìn)一步提高，所以該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)與以前的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)相比有加工精度高、質(zhì)量好、效率高以及效益好等特點(diǎn)。當(dāng)然，由于本人的水平有限，該橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)再所難免存在一些不足之處。主要是機(jī)床的動(dòng)靜摩擦死區(qū)及爬行等問題，為了減少爬行，應(yīng)選用具有良好防爬行性能的優(yōu)質(zhì)聚四氟乙烯軟帶，減少摩擦副的綜合摩擦系數(shù)。此外，還應(yīng)設(shè)計(jì)更佳的油溝形式，選用黏度高的潤滑油（如HJ40、HJ50等），以提高油膜的剛度。
工作小結(jié)與致謝
短暫而寶貴的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）即將結(jié)束了，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的鍛煉，使我從中受益非淺。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)生活的最后一個(gè)階段，也是檢查我們四年以來學(xué)習(xí)情況的階段，是我們大學(xué)生活必不可少的一個(gè)階段。我對(duì)該次畢業(yè)設(shè)計(jì)比較重視，一來是為了把握好這次學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)；二來是為了使自己通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)一下自己的學(xué)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)自己的不足之處，以為將來的學(xué)習(xí)和工作做好充分的準(zhǔn)備。因此，雖然有“非典”的干擾，但是我還是靜下心來去做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，每天到教室或機(jī)房做設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)包括許多的小的環(huán)節(jié)，如文獻(xiàn)綜述、畢業(yè)實(shí)習(xí)、繪制裝配圖和零件圖以及寫設(shè)計(jì)說明書等部分。其中，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是必不可少的，都對(duì)是我們有幫助的。通過文獻(xiàn)綜述，使我對(duì)自己所做課題以及相關(guān)內(nèi)容有了進(jìn)一步了解，且為設(shè)計(jì)做好了一定的準(zhǔn)備；通過畢業(yè)實(shí)習(xí)，使我能夠理論與實(shí)踐相結(jié)合，并且鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也為畢業(yè)設(shè)計(jì)積累了一些經(jīng)驗(yàn)和資料。通過繪圖、寫論文，使我的CAD繪圖能力進(jìn)一步提高，同時(shí)也提高了打字速度和Word的操作能力?？傊?，通過這次設(shè)計(jì)使我受益非淺，雖然畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間不長，但是我從中學(xué)到的知識(shí)和方法是豐富的。當(dāng)然，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也發(fā)現(xiàn)了自己的一些不足之處，這對(duì)進(jìn)一步提高自己起了一定程度的積極作用。因此，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)為將來從事實(shí)際工程技術(shù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)由鹽城市機(jī)床高級(jí)工程師沙愛民老師的指導(dǎo)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，沙老師教給我許多設(shè)計(jì)的方法以及一些實(shí)用的技巧，在此對(duì)沙老師的熱情指導(dǎo)表示衷心的感謝。在設(shè)計(jì)過程中姜煜林等多位老師以及許多同學(xué)也給予了幫助及指導(dǎo)在此也表示衷心的感謝，同時(shí)，也感謝學(xué)校及機(jī)械系的大力支持。
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10 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).第1版.北京:兵器出版社.1999年.214~323頁.
11 上海川浦機(jī)械實(shí)業(yè)公司.滾珠絲杠產(chǎn)品目錄.上海.2~20頁
12慈溪恒力同步帶輪產(chǎn)品目錄.寧波.2~42頁
13武進(jìn)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠.LD-1型列電動(dòng)刀架產(chǎn)品目錄.常州
14 廣州數(shù)據(jù)設(shè)備廠.交流伺服電機(jī)產(chǎn)品目錄.廣州
附件清單
1 數(shù)控車床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)裝配圖CK—001：A0,1張；
2：滾花手柄零件圖CK—102：A4,1張；
3 支座零件圖CK—103：A3,1張；
4 床鞍零件圖CK —104：A0,1張；
5 橫向滾珠絲杠零件圖CK —105：A3,1張；
6 螺母座零件圖CK—106：A3,1張；
7 橫滑板零件圖CK —107：A1,1張；
8 護(hù)罩零件圖CK —110：A2,1張；
9 小護(hù)罩零件圖CK —111：A3,1張；
10 同步帶輪零件圖CK—112：A4,1張；
11 軸套零件圖CK —113；A4,1張；
12 隔套零件圖CK —115：A4,1張；
13防護(hù)罩零件圖CK—116：A3,1張；
14法蘭座零件圖CK—117：A3,1張；
15 電機(jī)支架零件圖CK —118：A1,1張；
16 同步帶輪零件圖CK —119：A4,1張；
17 擋邊零件圖CK—120：A4,1張；
18 內(nèi)隔套零件圖CK —121：A4,1張；
19 外隔套零件圖CK —122：A4,1張；
20 墊板零件圖CK —123：A4,1張；
21 墊塊零件圖CK—124：A4,1張；
22 擋板零件圖CK—127：A4,1張；
23 電纜罩零件圖CK—136：A3,1張；
24 擋塊零件圖CK—137：A4,1張；
25 擋塊零件圖CK —138：A4,1張；
26 堵塞零件圖CK —139：A4,1張；
27、總裝圖CK —000：A3,1張。
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