數(shù)控銑床XY軸進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含8張CAD圖
數(shù)控銑床XY軸進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含8張CAD圖,數(shù)控,銑床,xy,進(jìn)給,系統(tǒng),機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad
摘要
數(shù)控銑床XY軸進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)是是指能分別沿著X 向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)，是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車(chē)床的縱—橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專(zhuān)門(mén)廠家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 X-Y數(shù)控工作臺(tái)；伺服電動(dòng)機(jī)；數(shù)控車(chē)床
Abstract
CNC XY table are mean to each along X and Y to move to the table, electromechanical integration equipment, many basic components, such as vertical CNC lathe - lateral feed body,CNC milling and CNC drilling machine XY work Taiwan, laser processing equipment, workstations, electronic components surface mount equipment. Modular CNC XY table, usually by rail seat, move the slider, work, ball screw pair, and the servo motor and other component parts. One servo motor to drive the ball screw actuator to do, the ball screw drive and work platform slide rail movement, complete table in the X, Y direction of the straight line movement. Guideways, ball screw pair and servo motors etc., shall be standardized by the specialized manufacturers, design can be selected only according to work load. Control system as needed, you can select a computer using a standard job control, you can design a dedicated computer control system.
Keywords XY table servo system CNC machine tools
II
目 錄
1緒論 1
1.1課題的選擇背景 1
1.2設(shè)計(jì)目的及意義 1
1.3總體方案的設(shè)計(jì) 2
2交流伺服電動(dòng)機(jī)的選型 3
2.1交流伺服電動(dòng)機(jī)的選型..............................................................................3
2.1.1電機(jī)的選擇依據(jù)...................................................................................4
2.1.2電機(jī)的負(fù)載力矩和慣量的計(jì)算...........................................................5
2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)概述...................................................................................6
2.2.1選擇伺服電動(dòng)機(jī)...................................................................................7
3絲杠的選型 7
3.1絲杠的介紹 7
3.1.1絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式 7
3.1.2滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn) 7
3.1.3滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)形式 8
3.1.4滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊 9
3.1.5滾珠絲杠副的密封與潤(rùn)滑 9
3.2絲杠螺母副的選擇 10
3.3絲杠的校核 11
3.4滾珠絲杠支承的選擇 12
3.4.1支承方式的選擇 12
3.4.2軸承的選擇 13
3.5設(shè)計(jì)滾珠絲杠應(yīng)注意的問(wèn)題 15
4聯(lián)軸器的選型 17
4.1聯(lián)軸器的介紹 17
4.2選擇聯(lián)軸器的類(lèi)型 17
4.2.1初選聯(lián)軸器的類(lèi)型 17
4.2.2初選聯(lián)軸器 18
4.3聯(lián)軸器的校核 19
4.3.1轉(zhuǎn)矩的校核 20
4.3.2銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度的校核 20
5導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 21
5.1 導(dǎo)軌的組成種類(lèi)及其應(yīng)滿足的要求 21
5.2導(dǎo)軌材料的選擇及熱處理 21
5.2.1導(dǎo)軌材料的選擇 21
5.2.3導(dǎo)軌的熱處理 22
5.3導(dǎo)軌的選型及長(zhǎng)度估算 22
5.4導(dǎo)軌副的額定壽命計(jì)算 23
5.5滾動(dòng)導(dǎo)軌副的技術(shù)要求 25
5.6導(dǎo)軌防護(hù)罩的設(shè)計(jì) 25
5.6.1導(dǎo)軌防護(hù)罩的介紹 25
6.6.2導(dǎo)軌防護(hù)罩的選擇 25
5.7導(dǎo)軌的注意事項(xiàng) 26
6機(jī)座的設(shè)計(jì) 27
6.1機(jī)座的作用及基本要求 27
6.2機(jī)座的設(shè)計(jì) 27
6.2.1機(jī)座自身剛度 27
6.2.2提高機(jī)座連接處的接觸剛度 28
6.3機(jī)座材料的選擇 28
結(jié)論 29
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31
附錄 32
1緒論
1.1課題的選擇背景
X – Y數(shù)控工作臺(tái)是指能分別沿著X 向和Y向移動(dòng)的工作臺(tái)。數(shù)控機(jī)床的加工系統(tǒng)、立體倉(cāng)庫(kù)中堆垛機(jī)的平面移動(dòng)系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等，盡管結(jié)構(gòu)和功能各不相同，但基本原理相同。機(jī)電一體化系統(tǒng)是將機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結(jié)合而形成的一個(gè)有機(jī)整體。在中小形企業(yè)中，由于產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，且大都是一些適應(yīng)市場(chǎng)的單件，小批零件，若由數(shù)控機(jī)床來(lái)解決這些零件的加工精度和自動(dòng)化問(wèn)題，因成本高，而不現(xiàn)實(shí)。為此，數(shù)控工作臺(tái)，作為工裝與通用機(jī)床（立銑，立鏜，鉆等）陪用，以解決單件，小批。小尺寸復(fù)雜零件的孔，槽及凸輪等精度加工問(wèn)題，具有一定的靈活性，通用性和經(jīng)濟(jì)性。X - Y工作臺(tái)的機(jī)電一體化系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種。開(kāi)環(huán)的伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)中不設(shè)置傳感與檢測(cè)設(shè)備，半閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中一般采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在電機(jī)輸出軸端設(shè)置傳感與檢測(cè)設(shè)備；閉環(huán)的伺服系統(tǒng)中也是采用交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但檢測(cè)與傳感設(shè)備設(shè)置在工作臺(tái)末端。數(shù)控交流伺服X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)是由控制計(jì)算機(jī)部分、伺服驅(qū)動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)部分及檢測(cè)部分組成，采用閉環(huán)控制方式。
1.2設(shè)計(jì)目的及意義
《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：
1）能夠正確運(yùn)用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；
2）通過(guò)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；
3）通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；
4）通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專(zhuān)業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。
1.3總體方案的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控銑床XY工作臺(tái)，采取PLC控制，控制方式采用交流伺服、運(yùn)動(dòng)控制器和PC機(jī)（閉環(huán)控制）。
X-Y工作臺(tái)的機(jī)械主體部分直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠，聯(lián)軸器，工作臺(tái)面。電氣部分的關(guān)聯(lián)性及傳動(dòng)裝置的保護(hù)性，X軸及Y軸兩端配有高質(zhì)量的緩沖器，同時(shí)可選配在工作臺(tái)的兩端配有限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)，部分工作臺(tái)的配有原點(diǎn)檢測(cè)開(kāi)光，并提供光電編碼裝置以適于閉環(huán)控制，原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的位置可以打距離的調(diào)節(jié)。其具體參數(shù)如下：
X方向行程:100mm Y方向行程:160mm
工作臺(tái)面的參考尺寸:240260mm
工作臺(tái)和工件最大物重質(zhì)量60kg
工作臺(tái)表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5
平均切削力:500N
快進(jìn)進(jìn)給速度:1000mm/min
最高運(yùn)動(dòng)速度:10000mm/min
脈沖當(dāng)量0.001mm
定位精度: 0.02mm
工作壽命:每天8小時(shí)，工作8年，250天/年
（一）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。絲杠的轉(zhuǎn)速為中轉(zhuǎn)速，精度要求為高精度。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠直接與聯(lián)軸器連接。
2）導(dǎo)向機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副動(dòng)靜摩擦力之差很小，摩擦阻力小，隨動(dòng)性極好。導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度要求高。
3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用交流伺服電動(dòng)機(jī)。
（二）工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算
工作臺(tái)草圖如下圖1-1：
圖1-1工作臺(tái)流程圖
根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。
圖1-2工作臺(tái)簡(jiǎn)圖
2交流伺服電動(dòng)機(jī)的選型
2.1交流伺服電動(dòng)機(jī)的選型
2.1.1電機(jī)的選擇依據(jù)
一般電機(jī)要承受兩種形式的力矩：恒定的負(fù)載力矩和切削力矩（包括摩擦力矩）；加/減速力矩。下面是選擇電機(jī)時(shí)應(yīng)滿足的條件。
1）機(jī)床無(wú)負(fù)載時(shí)，加在電動(dòng)機(jī)上的力矩應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的連續(xù)額定力矩的50%一下。否則，在切削或加速/減速時(shí)電動(dòng)機(jī)就可能過(guò)熱。
2）加/減速時(shí)間要短，須在電動(dòng)機(jī)的允許范圍內(nèi)。通常，負(fù)載力矩幫助電動(dòng)機(jī)的減速，因此如果加速在允許時(shí)間內(nèi)完成的話，減速也可在相同時(shí)間內(nèi)完成。這樣我們只需計(jì)算加速力矩，并在允許時(shí)間內(nèi)核算力矩在電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的斷續(xù)區(qū)內(nèi)。
3）頻繁地定位和加/減速會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，此時(shí)需要計(jì)算出電動(dòng)機(jī)承受的力矩的均方根值Trms，使其小于電動(dòng)機(jī)的額定力矩Tc。
4）電動(dòng)機(jī)以最大切削力矩運(yùn)行的時(shí)間應(yīng)在允許范圍內(nèi)。
5）負(fù)載的慣量要小于電動(dòng)機(jī)本身慣量的3倍。
這里我們依據(jù)負(fù)載來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)。
2.1.2電機(jī)的負(fù)載力矩和慣量的計(jì)算
加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩通常由下式算出：
式（2.1）
式中：——加到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩（Nm）
F ——沿坐標(biāo)軸移動(dòng)一個(gè)部件所需的力（kgf）
L ——電機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)機(jī)床的移動(dòng)距離=
——滾珠絲杠螺母或軸承加到電機(jī)軸上的摩擦力矩
無(wú)論是否在切削，是垂直軸還是水平軸，F(xiàn)值取決于工作臺(tái)的重量，摩擦系數(shù)，F(xiàn)值還與平衡錘有關(guān)。對(duì)于水平工作臺(tái)，F(xiàn)值可按下式計(jì)算:
W——工作臺(tái)與工件重量=60kg
——滑動(dòng)表面摩擦系數(shù)=0.05
——驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率=0.9
Fg——鑲條鎖緊力=5kgf
——反切削力=50kgf
——由切削力矩引起的滑動(dòng)表面上工作臺(tái)上收到的力=30kgf
（設(shè)=2kgfcm=0.2Nm）
不切削時(shí)：
式（2.2）
kgf
切削時(shí)：
式（2.3）
為滿足運(yùn)行條件，應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)選擇電動(dòng)機(jī)，其負(fù)載力矩在不切削時(shí)應(yīng)大于0.1Nm，最高轉(zhuǎn)速應(yīng)小于2000r。
2.2交流伺服電動(dòng)機(jī)概述
同步型和感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為交流伺服電動(dòng)機(jī)，其基本原理是檢測(cè)SM（同步）型和IM（感應(yīng)）型的氣隙磁場(chǎng)的大小和方向，用電力電子變換器代替整流子和電刷，并通過(guò)與氣隙磁場(chǎng)方向相同的磁化電流和氣隙磁場(chǎng)方向垂直的有效電流來(lái)控制其主通磁量和轉(zhuǎn)矩，廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化設(shè)備和自動(dòng)控制系統(tǒng)中做執(zhí)行元件。采用永久磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)不需要磁化電流控制，只需要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子即可，這種交流伺服電動(dòng)機(jī)也叫做無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)（如SM伺服電動(dòng)機(jī)）。由于它不要電流控制，故比IM型伺服電動(dòng)機(jī)容易控制。交流伺服電機(jī)的具體分類(lèi)見(jiàn)表2-1。對(duì)交流伺服電機(jī)的一般性能要求是：
1)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)該在電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩的范圍以?xún)?nèi)；
2)工作負(fù)載與過(guò)載時(shí)間應(yīng)該在規(guī)定的范圍以?xún)?nèi)；
3)應(yīng)使加速度與希望的時(shí)間常數(shù)一樣；
表2-1交流伺服電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)、特點(diǎn)及使用范圍
類(lèi)型
代號(hào)
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
性能特點(diǎn)
使用范圍
籠型交流伺服電動(dòng)機(jī)
SL
轉(zhuǎn)子與定子結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動(dòng)機(jī)相似,但轉(zhuǎn)子一般為兩相,且細(xì)而長(zhǎng),籠可用鋁、紫銅、黃銅制成
勵(lì)磁電流較小，體積較小，機(jī)械強(qiáng)度較高，低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不夠平滑，有抖動(dòng)現(xiàn)象
廣泛運(yùn)用于小功率自動(dòng)控制系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算裝置中
非磁性杯型交流伺服電動(dòng)機(jī)
SK
ADP
用非磁性金屬鋁、黃銅等制成杯形轉(zhuǎn)子，杯的內(nèi)外由內(nèi)外定子構(gòu)成磁路
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，勵(lì)磁電流和體積較大
用于要求運(yùn)行平滑的系統(tǒng)，如自動(dòng)裝置和計(jì)算裝置等
FANUC交流伺服電動(dòng)機(jī)
FANUC
轉(zhuǎn)矩大,轉(zhuǎn)速低,機(jī)械特性線性度好,低速性能良好，可直接與絲杠連接
用于數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)或其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
低速交流伺服電動(dòng)機(jī)
SD
SA
ND
轉(zhuǎn)子、定子結(jié)構(gòu)與籠型交流伺服電動(dòng)機(jī)相同,另外機(jī)殼中裝有齒輪減速裝置
體積小,重量輕,力能指標(biāo)高,性能好，輸出轉(zhuǎn)速低,轉(zhuǎn)矩大
廣泛應(yīng)用于自動(dòng)裝置和計(jì)算技術(shù)裝置中作驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行或控制元件
下表2-2為交流伺服電動(dòng)機(jī)的特性實(shí)例：
表2-2 交流伺服電動(dòng)機(jī)特性舉例
電動(dòng)機(jī)
特性
SM型伺服電機(jī)
IM型伺服電機(jī)
輸出功率/W
1100
1100
峰值電流（A/相)
11.7
14.4
峰值電壓（V/相）
68.9
79.3
功率因素/%
99.8
78.6
功率/%
91.1
82.0
電阻/
0.284
1.035
感應(yīng)電壓常數(shù)/
100
100
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/
功率變化率/
12
16
2.2.1選擇伺服電動(dòng)機(jī)
綜上所述，選擇FANUC系列交流伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為FANUC4-0該類(lèi)型伺服電動(dòng)機(jī)是由日本法納克公司為滿足CNC機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人的需要開(kāi)發(fā)的，這種伺服交流電動(dòng)機(jī)都是永磁式同步型伺服電動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)都是定子為三相繞組，轉(zhuǎn)子為永久磁鐵。其結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低，機(jī)械特性線性度好低速性能良好，可直接與絲杠連接。我們選用的FANUC4-0，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-3。其特點(diǎn)如下：
1）具有獨(dú)特的磁極形狀，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小；
2）外面沒(méi)有機(jī)殼，定于鐵心直接在空氣中冷卻，這種結(jié)構(gòu)使電動(dòng)機(jī)溫升能減到最低；
3）具有高的轉(zhuǎn)矩/慣量比，能承受高的加減速；
4）由于采用了集中磁力線機(jī)構(gòu)，在保證高輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，電動(dòng)機(jī)體積小而且重量輕；
5）由于采用高頻脈寬調(diào)制控制，電動(dòng)機(jī)只有很低的噪聲和振動(dòng)。
表2-3FANUC4-0的技術(shù)數(shù)據(jù)
型號(hào)）
輸出功率（KW）
額定轉(zhuǎn)矩（Nm）
最大轉(zhuǎn)矩(Nm)
最高轉(zhuǎn)速(r/min)
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg/)
機(jī)械時(shí)間常數(shù)(ms)
熱時(shí)間常數(shù)(min)
質(zhì)量(kg)
4-0
0.05
0.25
1.1
3000
11
15
1.2
3絲杠的選型
3.1絲杠的介紹
3.1.1絲杠螺母機(jī)構(gòu)基本傳動(dòng)形式
絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱(chēng)螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它主要用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機(jī)），也有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的（如工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠）。
絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦之分?；瑒?dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能。但其摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低（30%~40%）。滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造成本高。但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高（92%~98%），因此選用滾動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)。
根據(jù)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組合情況，其基本傳動(dòng)形式一共可分為四種類(lèi)型，其類(lèi)型如下：
1）螺母固定、絲桿傳動(dòng)并移動(dòng)。該傳動(dòng)形式因螺母本身起著支承作用，消除了絲桿軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動(dòng)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可獲得較高的傳動(dòng)精度。但其軸向尺寸不已太長(zhǎng)，剛性較差。因此只適合用于行程較小的場(chǎng)合。
2）絲桿傳動(dòng)、螺母移動(dòng)。該傳動(dòng)形式需要限制螺母的傳動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、絲桿剛性較好。適用于工作行程較大的場(chǎng)合。
3）螺母?jìng)鲃?dòng)、絲桿移動(dòng)。該傳動(dòng)形式需要限制螺母移動(dòng)和絲桿的傳動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且占用軸向空間較大，故應(yīng)用較少。
4）絲桿固定、螺母?jìng)鲃?dòng)并移動(dòng)。該傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，但在多數(shù)情況下，使用極不方便，故很少應(yīng)用。
根據(jù)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)情況，應(yīng)選擇絲杠傳動(dòng)螺母移動(dòng)的形式，該傳動(dòng)形式需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故需導(dǎo)向裝置。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，絲杠剛性較好，適用于工作行程較大的場(chǎng)合。
3.1.2滾珠絲杠副的組成及特點(diǎn)
滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間傳動(dòng)元件—滾珠。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)由絲杠，螺母，滾珠，和反向器等四部分組成。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動(dòng)的閉合通路。
滾珠絲杠副與滑動(dòng)絲杠副相比，除上述優(yōu)點(diǎn)外，還具有軸向剛度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，不易磨損，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于不能自鎖，具有傳動(dòng)的可逆性，在用做升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要采取制動(dòng)等措施。
3.1.3滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)形式
滾珠絲桿副的結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以從螺紋滾道的截面形狀、滾珠的循環(huán)方式和消除軸向的調(diào)整方法進(jìn)行區(qū)別。
我國(guó)生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧形和雙圓弧形。滾道形面和滾珠接觸點(diǎn)之法線與絲桿軸向之垂線的夾角被稱(chēng)為接觸角，一般為45度。單圓弧形的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，主要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而定。接觸角增大時(shí)，傳動(dòng)效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由于單圓弧形滾道加工用砂輪加工成型比較簡(jiǎn)單，故容易得到較高的加工精度。單圓弧形面的滾道圓弧半徑R稍大于滾珠半徑。
雙圓弧形的螺紋滾道的接觸角在工作中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙，可使?jié)L道底部與滾珠不接觸，并能儲(chǔ)存一定的潤(rùn)滑油以減少摩擦磨損。由于加工其型面的砂輪修整和加工、檢驗(yàn)均比較困難，故加工成本較高。
滾珠絲杠副中的滾珠循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種，區(qū)別見(jiàn)表3-1。
表3-1滾珠的循環(huán)方式
類(lèi)別
形式
特點(diǎn)
內(nèi)循環(huán)
優(yōu)點(diǎn):返回通道短,一個(gè)循環(huán)只有一圈鋼球,流暢性好,摩擦損失小,效率高,徑向尺寸小,剛性好
缺點(diǎn):返向器鋼球返回通道的曲面加工復(fù)雜
外循環(huán)
端蓋式
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊,工藝性好
缺點(diǎn):循環(huán)回路長(zhǎng),流暢性差,鋼球通過(guò)短槽時(shí)易卡住
螺旋槽式
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造方便,承載能力大
缺點(diǎn):鋼球流暢性較差,擋珠器較易磨損
插管式
優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝性好,鋼球的流暢性好,應(yīng)用較廣
缺點(diǎn):凸出式的插管凸出于螺母外部,徑向尺寸較大
3.1.4滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊
滾珠絲杠副在負(fù)載時(shí)，其滾珠與滾道面接觸點(diǎn)處將產(chǎn)生彈性變形。換向時(shí)，其軸向間隙會(huì)引起空回。這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動(dòng)精度，又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。單螺母絲桿螺母副的間隙消除相當(dāng)困難。實(shí)際應(yīng)用中，常采用以下幾種調(diào)整預(yù)緊方法見(jiàn)表3-2。
表3-2常用的調(diào)整預(yù)緊方法
調(diào)整預(yù)緊方式
特點(diǎn)
雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好、預(yù)緊可調(diào)，使用中調(diào)整方便，但不能精確定量地進(jìn)行調(diào)整。
雙螺母齒差預(yù)緊調(diào)整式
可實(shí)現(xiàn)定量調(diào)整即可進(jìn)行精密微調(diào)，使用中調(diào)整方便。
雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剛度高、預(yù)緊可靠，但使用中調(diào)整不方便。
彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊式
能消除使用過(guò)程中因磨損或彈性變形產(chǎn)生的間隙，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸向剛度低，適合用于輕載場(chǎng)合。
單螺母變位倒程自頂預(yù)緊式和單螺母滾珠過(guò)贏預(yù)緊式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但在使用中不能調(diào)整，且制造困難。
根據(jù)防塵防護(hù)條件以及對(duì)調(diào)隙及預(yù)緊的要求，可選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。例如，當(dāng)允許有間隙存在時(shí)可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副；當(dāng)必需有預(yù)緊或在使用過(guò)程中因磨損而需要定期調(diào)整時(shí)，應(yīng)采用雙螺母螺紋預(yù)緊或齒差預(yù)緊式結(jié)構(gòu)；當(dāng)具備良好的防塵條件，且只需要在裝配時(shí)調(diào)整間隙及預(yù)緊力時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式結(jié)構(gòu)。
考慮到設(shè)計(jì)的所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)有良好的防塵條件且只需要在裝配時(shí)調(diào)整間隙及預(yù)緊力，故采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊式。
3.1.5滾珠絲杠副的密封與潤(rùn)滑
滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護(hù)套來(lái)防止灰塵及雜質(zhì)進(jìn)入滾珠絲杠副，使用潤(rùn)滑劑來(lái)提高其耐磨性及傳動(dòng)效率，從而維持其傳動(dòng)精度、延長(zhǎng)其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母兩端即可。非接觸式密封圈通常由聚氯乙烯等塑料制成，其內(nèi)孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱(chēng)迷宮式密封圈。接觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成，因此有接觸壓力并產(chǎn)生一定的摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩類(lèi)。潤(rùn)滑脂一般在裝配是放進(jìn)滾珠螺母滾道內(nèi)定期潤(rùn)滑，而使用潤(rùn)滑油時(shí)應(yīng)注意經(jīng)常通過(guò)注油孔注油。防護(hù)套的形式有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板。其材料有耐油塑料、人造革等。
3.2絲杠螺母副的選擇
初選滾珠絲杠副數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：
公稱(chēng)直徑/mm
導(dǎo)程/mm
余量/mm
節(jié)距/mm
25
5
20
8
根據(jù)絲杠的工作行程初選絲杠的工作長(zhǎng)度：
初選X方向絲杠的工作長(zhǎng)度為410mm
初選Y方向絲杠的工作長(zhǎng)度為460mm
滾珠絲杠的工作載荷計(jì)算公式為：
式（3.1）
由條件，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》取 =1.2，取 =1.2， 取D精度，取 =1.0，
X方向絲杠工作載荷：
=1.2×1.2×1.0×600=864N
Y方向絲杠工作載荷：
=1.2×1.2×1.0×600=864N
額定動(dòng)載荷值計(jì)算：
導(dǎo)程初選為5mm，則
= =864 5011N
根據(jù)值選擇滾珠絲杠副，假設(shè)選用按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca 等于或稍大于的原則，查表選以下型號(hào)規(guī)格：
FC1-2505-2.5 Ca=5011N
公稱(chēng)直徑D=25mm 導(dǎo)程P=5mm 螺旋角 滾珠直徑
計(jì)算可得：
滾道半徑 R=0.52
偏心距
絲杠內(nèi)徑
3.3絲杠的校核
1）由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn),所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)。
絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱(chēng)為臨界載荷
其中 E=206Gpa
L=0.3m
取 則
安全系數(shù)
查表可得 [S]=253.3 S>[S] 絲杠是安全的,不會(huì)失穩(wěn)
2） 速長(zhǎng)絲杠工作時(shí)可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速—臨界轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速
所以 所以絲杠不會(huì)發(fā)生共振
3） 此外滾珠絲杠副還受Dn值的限制，通常要求：
Dnmm/min
Dn=25 <
4)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)程的變形量為：
式（3.2）
式中，A為絲杠截面積，A為絲杠的極慣性矩， G為絲杠切變模量，對(duì)鋼G=83.3GP a;T(Nm)為轉(zhuǎn)矩，
式中 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 為平均工作載荷.取摩擦系數(shù)為
,則得
按最不利的情況取(F=)
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2,即
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可滿足要求。
5)效率驗(yàn)算：
要求在90%---95%之間，所以該絲杠副合格.
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證，F(xiàn)C1-2505-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，可選。
3.4滾珠絲杠支承的選擇
3.4.1支承方式的選擇
滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷來(lái)自于絲杠的自重。因此，滾珠絲杠的軸向剛度和位移精度要求很高。滾珠絲杠的支承方式有以下幾種：
1） 固定—固定，適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的絲杠；
2） 固定—游動(dòng)，適用于中轉(zhuǎn)速、高精度的絲杠；
3） 固定—自由適用于低轉(zhuǎn)速、中精度、短軸向的絲杠。
考慮到設(shè)計(jì)要求中轉(zhuǎn)速、高精度，這里我們選擇固定—游動(dòng)的支承方式。固定斷采用軸承連接。
3.4.2軸承的選擇
3.4.2.1軸承的分類(lèi)
軸承可以分為標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承、非標(biāo)滾動(dòng)軸承、靜壓軸承和磁懸浮軸承。滾珠絲杠一般配用標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承已標(biāo)準(zhǔn)化系列化，有向心軸承、向心推力軸承和推力軸承，共十種類(lèi)型。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架（俗稱(chēng)四大件）組成。在軸承設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)承載的大小、旋轉(zhuǎn)精度、剛度、轉(zhuǎn)速等要求選用合適的軸承類(lèi)型。舉例如下：
1） 深溝球軸承。軸系用球軸承有單列向心球軸承和角接觸軸承。前者一般不能承受軸向力，且間隙不能調(diào)整，常用于旋轉(zhuǎn)精度和剛度要求不夠的場(chǎng)合。后者既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷；并可以通過(guò)內(nèi)外圍之間的相對(duì)位移來(lái)調(diào)整其大小。因此在輕載時(shí)應(yīng)用廣泛。
2） 雙列向心短圓柱滾子軸承。此類(lèi)軸承一般分為兩種一種是滾道開(kāi)在內(nèi)圈上，一種是滾道開(kāi)在外圈上。這兩種軸承的圓柱滾子數(shù)目多、密度大，分兩列交叉排列，旋轉(zhuǎn)時(shí)支承剛度變化小，內(nèi)圈上均有1:12的錐孔與帶錐度 的軸頸配合，內(nèi)圈相對(duì)于軸頸作軸向移動(dòng)時(shí)，內(nèi)圈被漲大，從而可調(diào)整軸承的徑向間隙或?qū)崿F(xiàn)預(yù)緊；因此，其承載能力大、支承剛度高，但只能承受徑向載荷，與其他推力軸承組合使用，可用于較大載荷、較高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合。
3） 圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承由內(nèi)圈、外圈、格圈和圓錐滾子組成。該軸承能承受較大載荷，用其代替短圓柱滾子軸承和推力軸承，則剛度提高，雖極限轉(zhuǎn)速有所降低，但仍能達(dá)到高精度的要求。
4） 推力軸承。推力軸承一般軸向承載能力很強(qiáng)，支承剛度很大，但極限轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)動(dòng)造勢(shì)較大。
3.4.2.2軸承的選擇
考慮到輕載初選接觸角推力角接觸軸承代號(hào)7202AC型數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：
表3-3角接觸軸承的數(shù)據(jù)
d(mm)
D(mm)
B(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(kN)
(kN)
15
32
9
18.4
29.6
0.3
20.4
26.6
0.3
6.25
3.42
該軸承是與滾珠絲杠專(zhuān)配的軸承其主要特點(diǎn)是：既能承受軸向載荷又能承受徑向載荷，接觸角大、鋼球多、剛度高。
3.4.2.3軸承的校核
基本額定動(dòng)載荷：
取滾動(dòng)軸承當(dāng)量動(dòng)載荷X的值：X=1，Y=0.92
則當(dāng)量動(dòng)載荷為：
軸承壽命的計(jì)算：
軸承的預(yù)期壽命取=25000h
額定動(dòng)載荷的計(jì)算：
N<9980N
所以選擇的的軸承可以滿足壽命和強(qiáng)度的的要求。
3.4.2.4軸承的潤(rùn)滑與配合
滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及摩損，防止燒粘、其潤(rùn)滑效用如下：
1）減少摩擦及摩損。
在構(gòu)成軸承的套圈、滾動(dòng)體及保持器的相互接觸部分，防止金屬接觸，減少摩擦、磨損。
2）延長(zhǎng)疲勞壽命。
軸承的滾動(dòng)疲勞壽命，在旋轉(zhuǎn)中，滾動(dòng)接觸面潤(rùn)滑良好，則延長(zhǎng)。相反地，油粘度低，潤(rùn)滑油膜厚度不好，則縮短。
3）排出摩擦熱、冷卻。
循環(huán)給油法等可以用油排出由摩擦發(fā)生的熱，或由外部傳來(lái)的熱，冷卻。防止軸承過(guò)熱，防止?jié)櫥妥陨砝匣?
4）其他
也有防止異物侵入軸承內(nèi)部，或防止生銹、腐蝕之效果。
軸承的潤(rùn)滑方法，分為脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑。為了使軸承很好地發(fā)揮機(jī)能，首先，要選擇適合使用條件、使用目的的潤(rùn)滑方法。若只考慮潤(rùn)滑，油潤(rùn)滑的潤(rùn)滑性占優(yōu)勢(shì)。但是，脂潤(rùn)滑有可以簡(jiǎn)化軸承周?chē)Y(jié)構(gòu)的特長(zhǎng)，將脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑的利弊比較。
滾動(dòng)軸承的套圈與軸和座孔之間應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)呐浜?，以保證軸的旋轉(zhuǎn)精度和
軸承的周向固定。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)零件，因此，軸承內(nèi)圈與軸頸的配合采用基孔
制，軸承外圈與座孔的配合采用基軸制。為了防止軸頸與內(nèi)圈在旋轉(zhuǎn)時(shí)有相對(duì)運(yùn)
動(dòng)，軸承內(nèi)圈與軸頸一般選用m5、m6、n6、p6、r6、js5等較緊的配合。軸承外圈 與座孔一般選用J7、K7、M7、H7等較松的配合。配合選擇取決于載荷大小、方向和性質(zhì)；軸承類(lèi)型、尺寸和精度；軸承游隙以及其他因素。具體選用可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。
3.4.2.5軸承使用注意事項(xiàng)
與一般的機(jī)械零件相比，滾動(dòng)軸承的精度較高，因此使用時(shí)也相應(yīng)地應(yīng)小心謹(jǐn)慎。
1）保持軸承及其周邊的清潔
2）使用時(shí)仔細(xì)認(rèn)真
3）若使用時(shí)粗心大意給軸承以強(qiáng)烈沖擊，會(huì)使軸承出現(xiàn)傷痕，壓痕，斷裂等損傷。
4）注意軸承的防銹
5）避免在潮濕的場(chǎng)所使用，而且為不使汗水沾上，應(yīng)戴厚套。
3.5設(shè)計(jì)滾珠絲杠應(yīng)注意的問(wèn)題
1）為提高滾珠絲杠副的使用壽命和精度，應(yīng)使作用在螺母上的合力通過(guò)絲杠軸心，以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。
2）放逆轉(zhuǎn)：滾珠絲杠副傳動(dòng)逆效率高，應(yīng)考慮在電機(jī)停電后，因部件自重而產(chǎn)生螺旋副的逆?zhèn)鲃?dòng)（特別是在垂直方向上傳動(dòng)時(shí)），防止逆?zhèn)鲃?dòng)的方法可采用：停電自鎖的電機(jī)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、離合器等方式。
3）滾珠絲杠副在行程兩端應(yīng)有行程保護(hù)裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊而影響精度、使用壽命甚至損壞。
4）防止熱變形：熱變形對(duì)精密螺旋傳動(dòng)的定位精度有著重要的影響。其熱源不單是螺旋副的摩擦熱，還有其他機(jī)械部件工作時(shí)產(chǎn)生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長(zhǎng)。為此必須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預(yù)拉伸、強(qiáng)制冷卻等減少熱變形對(duì)絲杠的伸長(zhǎng)的影響。
5）細(xì)長(zhǎng)而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，是影響導(dǎo)程累積誤差的因素之一，還會(huì)使螺母受載不均。設(shè)計(jì)細(xì)長(zhǎng)絲杠時(shí)，應(yīng)考慮防止或減小自重彎曲變形的措施。
6）防護(hù)與密封：塵埃和雜質(zhì)進(jìn)入滾道會(huì)妨礙滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)流暢，會(huì)加速滾動(dòng)體與滾道的磨損，使?jié)L動(dòng)螺旋副喪失精度。為此需要防塵措施。滾珠絲杠副在螺母兩端已安裝防塵圈，為避免絲杠外露，用戶還需要為絲杠選擇防護(hù)裝置。
7）合理潤(rùn)滑是減小驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、提高傳動(dòng)效率、延長(zhǎng)螺旋副使用壽命的重要環(huán)節(jié)。接觸表面的油膜還有吸振、減小傳動(dòng)噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。因此要注入潤(rùn)滑脂。在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴，再采用其他合適的潤(rùn)滑方式。
8）用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副，必須使絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙，并該端所有外圓尺寸均小于絲杠螺紋底徑d2,否則無(wú)法裝配螺母。
4聯(lián)軸器的選型
4.1聯(lián)軸器的介紹
聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械傳動(dòng)件。其一般可分為8種，具體分類(lèi)如下：
1）聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器三種：
2）剛性聯(lián)軸器：剛性聯(lián)軸器不具有補(bǔ)償被聯(lián)兩軸軸線相對(duì)偏移的能力，也不具有緩沖減震性能；但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。只有在載荷平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，能保證被聯(lián)兩軸軸線相對(duì)偏移極小的情況下，才可選用剛性聯(lián)軸器。
3）撓性聯(lián)軸器：具有一定的補(bǔ)償被聯(lián)兩軸軸線相對(duì)偏移的能力，最大量隨型號(hào)不同而異。
4）無(wú)彈性元件的撓性聯(lián)軸器：承載能力大，但也不具有緩沖減震性能，在高速或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定或經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)時(shí)，有沖擊噪聲。適用于低速、重載、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的場(chǎng)合。
5）非金屬?gòu)椥栽膿闲月?lián)軸器 在轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)時(shí)有很好的緩沖減震性能；但由于非金屬（橡膠、尼龍等）彈性元件強(qiáng)度低、壽命短、承載能力小、不耐高溫和低溫，故適用于高速、輕載和常溫的場(chǎng)合
6）金屬?gòu)椥栽膿闲月?lián)軸器：除了具有較好的緩沖減震性能外，承載能力較大，適用于速度和載荷變化較大及高溫或低溫場(chǎng)合。
7）安全聯(lián)軸器 ：在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是，存在一個(gè)保險(xiǎn)環(huán)節(jié)（如銷(xiāo)釘可動(dòng)聯(lián)接等），其只能承受限定載荷。當(dāng)實(shí)際載荷超過(guò)事前限定的載荷時(shí)，保險(xiǎn)環(huán)節(jié)就發(fā)生變化，截?cái)噙\(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，從而保護(hù)機(jī)器的其余部分不致?lián)p壞，即起安全保護(hù)作用。
8）起動(dòng)安全聯(lián)軸器：除了具有過(guò)載保護(hù)作用外，還有將機(jī)器電動(dòng)機(jī)的帶載起動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瓶蛰d起動(dòng)的作用。
4.2選擇聯(lián)軸器的類(lèi)型
4.2.1初選聯(lián)軸器的類(lèi)型
根據(jù)傳遞載荷的大小，軸轉(zhuǎn)速的高低，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類(lèi)聯(lián)軸器特性，選擇一種合用的聯(lián)軸器類(lèi)型。具體選擇時(shí)可考慮以下幾點(diǎn)：
1）所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對(duì)緩沖減振功能的要求。例如，對(duì)大功率的重載傳動(dòng)，可選用齒式聯(lián)軸器；對(duì)嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳動(dòng)，可選用輪胎式聯(lián)軸器等具有高彈性的聯(lián)軸器。
2）聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。對(duì)于高速傳動(dòng)軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器，例如膜片聯(lián)軸器等，而不宜選用存在偏心的滑塊聯(lián)軸器等。
3）兩軸相對(duì)位移的大小和方向。當(dāng)安裝調(diào)整后，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對(duì)中，或工作過(guò)程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對(duì)位移時(shí)，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。例如當(dāng)徑向位移較大時(shí)，可選滑塊聯(lián)軸器，角位移較大或相交兩軸的聯(lián)接可選用萬(wàn)向聯(lián)軸器等。
4）聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤(rùn)滑的聯(lián)軸器此較可靠；需要潤(rùn)滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤(rùn)滑完善程度的影響，且可能污染環(huán)境。含有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對(duì)溫度、腐蝕性介質(zhì)及強(qiáng)光等比較敏感，而且容易老化。
5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。在滿足便用性能的前提下，應(yīng)選用裝拆方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低的聯(lián)軸器。例如剛性聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且裝拆方便，可用于低速、剛性大的傳動(dòng)軸。一般的非金屬?gòu)椥栽?lián)軸器(例如彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器、彈性柱銷(xiāo)聯(lián)軸器、梅花形彈性聯(lián)軸器等)，由于具有良好的綜合能力，廣泛適用于一般的中、小功率傳動(dòng)。
4.2.2初選聯(lián)軸器
依據(jù)滾珠絲杠的軸徑和來(lái)選擇聯(lián)軸器。有下表4-1所列的聯(lián)軸器性能初選圓錐銷(xiāo)套筒聯(lián)軸器。
表4-1聯(lián)軸器性能
類(lèi)別
聯(lián)軸器名稱(chēng)
轉(zhuǎn)矩范圍N.mm
軸徑范圍mm
最高轉(zhuǎn)速r/min
特點(diǎn)及應(yīng)用說(shuō)明
固定式
套筒聯(lián)軸器
圓錐銷(xiāo)
3~4000
平鍵
71~5000
半圓鍵
8~450
花鍵
150~12500
4~100
20~100
10~35
25~102
一般小于等200~250
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，徑向尺寸小，成本低。但裝拆時(shí)需沿軸向移動(dòng)較大的 距離。而且只能連接兩軸直徑相同的圓柱形，軸伸一般用于工作平穩(wěn)的功率傳動(dòng)軸系。
續(xù)表4-1
類(lèi)別
聯(lián)軸器名稱(chēng)
轉(zhuǎn)矩范圍N.mm
軸徑范圍mm
最高轉(zhuǎn)速r/min
特點(diǎn)及應(yīng)用說(shuō)明
剛性
凸緣聯(lián)軸器（GB/T5843—2003）
10~20000
10~180
13000~2300
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠，裝拆方便，剛性好，傳遞轉(zhuǎn)矩大，但不能吸收沖擊。當(dāng)兩軸對(duì)中精度較低時(shí)，將引起較大的附加載荷，適用于工作平穩(wěn)的一般傳動(dòng)，高速傳動(dòng)時(shí)需要有高的對(duì)中和制造精度。
套筒
夾殼聯(lián)軸器
（HG5—213—1965）
85~9000
30~110
900~380
裝拆方便，不需沿軸向移動(dòng)兩軸，但平衡困難，而且兩軸徑必須是相同的圓柱形。僅適用于低速傳動(dòng)的水平或垂直軸系，以傳遞平穩(wěn)載荷為宜。
聯(lián)軸器
緊箍夾殼聯(lián)軸器
180~12500
30~110
900~380
其特點(diǎn)和使用性能與夾殼聯(lián)軸器相似，但外形簡(jiǎn)單，平衡條件有所改善，夾緊力大，很適宜用于徑向夾緊力大的場(chǎng)合。
初選d=12mm的圓錐銷(xiāo)套筒聯(lián)軸器，其具體數(shù)據(jù)如下表4-2：
表4-2 d=12mm的圓錐銷(xiāo)套筒聯(lián)軸器數(shù)據(jù)
d
公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩（Nm）
D
L
l
C
圓錐銷(xiāo)
（2個(gè)）
12
7.5
22
40
8
0.5
4.3聯(lián)軸器的校核
4.3.1轉(zhuǎn)矩的校核
聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：
式（4.1）
式中：K——工作情況系數(shù)
P——輸出功率（kw）
T——理論轉(zhuǎn)矩N.m
——計(jì)算轉(zhuǎn)矩N.m
N——工作轉(zhuǎn)速r/mi n
則聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩為(考慮動(dòng)載荷及過(guò)載,取聯(lián)軸器工作情況系數(shù)K=1.5)：
=
經(jīng)計(jì)算可以確定選則的聯(lián)軸器合適。
4.3.2銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度的校核
銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：
式（4.2）
則銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度為：
經(jīng)計(jì)算銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度合適，材料為45號(hào)鋼。
5導(dǎo)軌的選型及計(jì)算
5.1 導(dǎo)軌的組成種類(lèi)及其應(yīng)滿足的要求
導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件和運(yùn)動(dòng)件兩大部分組成。運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹本€的被稱(chēng)為直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副、為回轉(zhuǎn)的被稱(chēng)為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副。常用的導(dǎo)軌副的種類(lèi)很多，按其接觸面的摩擦性質(zhì)可分為滑動(dòng)導(dǎo)軌副、滾動(dòng)導(dǎo)軌副、流體介質(zhì)摩擦導(dǎo)軌等。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軌的基本要求是導(dǎo)向精度高、剛性高、運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好。對(duì)精度要求高的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌還要求導(dǎo)軌的承載面與導(dǎo)向面嚴(yán)格分開(kāi)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)件較重時(shí)，必須設(shè)有卸荷裝置，運(yùn)動(dòng)件的支承必須符合三點(diǎn)定位原理 。
5.2導(dǎo)軌材料的選擇及熱處理
5.2.1導(dǎo)軌材料的選擇
導(dǎo)軌常用的材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。常使用鑄鐵—鑄鐵、鑄鐵—?jiǎng)偟膶?dǎo)軌。
1）鑄鐵。鑄鐵具有耐磨性和減震性好，熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工，成本低等特點(diǎn)，因此在滑動(dòng)導(dǎo)軌中被廣泛應(yīng)用。常用的鑄鐵有：
灰鑄鐵，常用的是HT200（一級(jí)鑄鐵），硬度以180~200HB較為適合。適當(dāng)增加鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可以提高導(dǎo)軌的耐磨性。
高磷鑄鐵，他是指含磷量為0.3%~0.65%的灰口鑄鐵，其硬度為180~220HB，耐磨性比灰鑄鐵HT200約高一倍。
低合金鑄鐵，這類(lèi)鑄鐵具有較好的耐磨性，且鑄造性能優(yōu)于高磷系鑄鐵。
稀土鑄鐵，它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，耐磨性與高磷鑄鐵相近。但鑄造性能和減震性較差，成本也較高。
2）鋼。為了提高導(dǎo)軌的耐磨性，可以采用淬硬的鋼導(dǎo)軌。淬火的鋼導(dǎo)軌都是鑲裝或焊接上去的。淬硬的鋼導(dǎo)軌的耐磨性比不淬硬的鑄鐵導(dǎo)軌高5~10倍。常用的鋼有45鋼、40Cr、T8A、T10A、GCr15等。
3）有色金屬。常用的有色金屬有黃銅HPb59-1，鋁青銅ZQA19-2，超硬鋁LC4，鑄鋁Z16等，其中以鋁青銅較好。
4）塑料。鑲裝塑料導(dǎo)軌具有較好的耐磨性，抗震性能好，工作適應(yīng)范圍廣，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)定性好，工藝簡(jiǎn)單，成本低等等特點(diǎn)。
綜上所訴，本次設(shè)計(jì)中我們選用灰鑄鐵HT200
5.2.3導(dǎo)軌的熱處理
導(dǎo)軌熱處理:一般重要的導(dǎo)軌，鑄件粗加工后進(jìn)行一次時(shí)效處理，高精度導(dǎo)軌鑄件半精加工后還需進(jìn)行第二次時(shí)效處理。
常用導(dǎo)軌淬火方法有:
1)中頻淬火，淬硬層深度(1～2)mm。硬度(45～50)HRC。
2)接觸加熱自冷表面淬火，淬硬深度(0.2～0.25)mm,顯微硬度600HM左右。這種淬火方法主要用于大型鑄件導(dǎo)軌。
5.3導(dǎo)軌的選型及長(zhǎng)度估算
在本次設(shè)計(jì)中，我們選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)條件是常溫，平穩(wěn)，無(wú)沖擊和震動(dòng)。選擇滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的理由如下：
1）滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副動(dòng)靜摩擦力之差很小，摩擦阻力小，隨動(dòng)性極好。有利于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。驅(qū)動(dòng)功率小，只相當(dāng)普通機(jī)械的十分之一。
2）承載能力大，剛度高。
3）能實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)，起瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高10倍。
4）采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，制造和裝配工作，保證質(zhì)量，縮短時(shí)間，降低成本。
常見(jiàn)的導(dǎo)軌截面形狀有三角形（分對(duì)稱(chēng)、不對(duì)稱(chēng)兩類(lèi)）、矩形、燕尾形及圓形等四種。其各自特點(diǎn)如下：
1） 三角形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌在垂直載荷作用下，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，不會(huì)產(chǎn)生間隙，故導(dǎo)向精度高。但板面仍需要有間隙調(diào)整裝置。
2） 矩形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)和修理方便，導(dǎo)軌面較寬，承載能力大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。
3） 燕尾形導(dǎo)軌：此類(lèi)導(dǎo)軌磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，需設(shè)間隙調(diào)整裝置。兩燕尾面起壓板作用，用一根鑲條就可調(diào)節(jié)水平與垂直的方向的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊，可以承受顛覆力矩。
4） 圓形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔經(jīng)過(guò)研磨，可以達(dá)到精密配合，但磨損后很難調(diào)整和補(bǔ)償間隙。
綜上，選擇燕尾形導(dǎo)軌。X方向初選導(dǎo)軌型號(hào)為GGB20BAL2P 12×940-4, Y方向初選導(dǎo)軌型號(hào)為GGB20AAL2P 2×1090-4。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》9-149。
導(dǎo)軌的長(zhǎng)度：由于導(dǎo)軌長(zhǎng)度影響工作臺(tái)的工作精度和高度，一般可根據(jù)滑塊導(dǎo)向部分的長(zhǎng)度來(lái)確定導(dǎo)軌長(zhǎng)度。
其公式為：
L=H+S+△l-S1-S2 式（5.1）
由此公式估算出=370mm,=420mm
其中: L——導(dǎo)軌長(zhǎng)度
H——滑塊的導(dǎo)向面長(zhǎng)度
S——滑塊行程
△l——封閉高度調(diào)節(jié)量
S1——滑塊到上死點(diǎn)時(shí)，滑塊露出導(dǎo)軌部分的長(zhǎng)度
S2——滑塊到下死點(diǎn)時(shí)，滑塊露出導(dǎo)軌部分的長(zhǎng)度
5.4導(dǎo)軌副的額定壽命計(jì)算
X方向的導(dǎo)軌計(jì)算
X方向初選導(dǎo)軌型號(hào)為 ，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得，這種導(dǎo)軌的額定動(dòng)，靜載荷分別為Ca=13.6kN,Coa=20.3kN。
因滑座數(shù)M=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座。
其中工作臺(tái)的最大重量為:;
G=60×10N=600N
F1=F2=F3=F4=1/4(G+F)=200N
滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定壽命計(jì)算公式為：
L=（/）K
式中：L——額定壽命（km）；
——額定動(dòng)載荷（KN）；
P——當(dāng)量動(dòng)載荷（KN）；
——受力最大滑塊所受的載荷（KN）；
Z——導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)；
——指數(shù)，當(dāng)導(dǎo)軌體為滾珠時(shí)，ε=3；當(dāng)為滾柱時(shí) =10/3；
K——額定壽命單位（KM），滾珠時(shí)，K=50km；滾柱時(shí)，K=100km；
——硬度系數(shù)；
由于產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)定，滾道硬度不得低于58HRC，故通?？扇?1
——溫度系數(shù)，查表5-1,得=1
表5-1溫度系數(shù)
工作溫度/
100~150
150~200
200~250
1
0．90
0．73
0．60
——接觸系數(shù)，查表5-2；得 =0.81
表5-2接觸系數(shù)
每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)
1
2
3
4
5
1．00
0．81
0．72
0．66
0．61
——精度系數(shù)，查表5-3；取 =1
表5-3精度系數(shù)
工作條件
無(wú)外部沖擊或振動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，速度小于15m/min
1~1.5
無(wú)明顯沖擊或振動(dòng)的場(chǎng)合，速度為15~60m/min
1.5~2
有外部沖擊或高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，速度大于60m/min
2~3.5
——載荷系數(shù)，查表5-4；得 =1
表5-4載荷系數(shù)
精度等級(jí)
2
3
4
5
1．0
1．0
0．9
0．9
將數(shù)據(jù)帶入公式中即可算出L=37179km
2)壽命時(shí)間的計(jì)算
當(dāng)行程長(zhǎng)度一定，以h為單位的額定壽命為：
式中 ——壽命時(shí)間（h）
L——額定壽命（km）
——行程長(zhǎng)度（m）
——每分鐘往返次數(shù)
由于一年有250個(gè)工作日，每天工作8小時(shí)。則預(yù)計(jì)的工作壽命年限為：
年
同理，可以求得Y方向的導(dǎo)軌副的額定壽命：
年
5.5滾動(dòng)導(dǎo)軌副的技術(shù)要求
滾動(dòng)導(dǎo)軌副的技術(shù)要求包括包括配合性質(zhì)和公差等級(jí)、配合面的形位公差和表面粗糙度等。其精度主要根據(jù)工作精度要求，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件而定。
1） 配合性質(zhì)和公差等級(jí)：對(duì)導(dǎo)向精度要求較高的導(dǎo)軌面，常用H6/h5，H7/h6，H6/g5，H7/g6等配合，對(duì)導(dǎo)向精度要求不高的導(dǎo)軌面，可用H8/h7，H8/f7等配合。這里導(dǎo)向精度要求高，我們選用H7/h6配合。
2） 配合面的形位公差：導(dǎo)軌配合面的形位公差應(yīng)根據(jù)機(jī)械對(duì)導(dǎo)向精度的要求而定。如導(dǎo)向面的直線度公差，導(dǎo)向面對(duì)基準(zhǔn)平面或基準(zhǔn)軸線的平行度公差等，一般占機(jī)械導(dǎo)向精度的1/2~1/3。本次設(shè)計(jì)中本機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌精度取3級(jí)。
3） 表面粗糙度：表面粗糙度應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的公差等級(jí)確定。對(duì)于普通精度的導(dǎo)軌，被包容件導(dǎo)向面的表面粗糙度幅度參數(shù)Ra在0.63~2.5 范圍內(nèi)；對(duì)于高精度的導(dǎo)軌，表面粗糙度幅度參數(shù)Ra在0.16~0.63 范圍內(nèi)，包容件導(dǎo)向面的表面粗糙度相應(yīng)降一級(jí)。
5.6導(dǎo)軌防護(hù)罩的設(shè)計(jì)
5.6.1導(dǎo)軌防護(hù)罩的介紹
機(jī)床導(dǎo)軌防護(hù)罩，又稱(chēng)為機(jī)床導(dǎo)軌防塵罩。按材質(zhì)分為鋼制導(dǎo)軌防護(hù)罩、塑膠布導(dǎo)軌防塵罩、耐油橡膠防護(hù)罩。不同的機(jī)床不同的工作環(huán)境采用不同材質(zhì)和形式的導(dǎo)軌防護(hù)罩。
6.6.2導(dǎo)軌防護(hù)罩的選擇
幾種導(dǎo)軌防護(hù)罩的區(qū)別如下：
1）只是用來(lái)防塵防油、運(yùn)行速度快的機(jī)床，如：龍門(mén)銑床、線切割機(jī)床、電火花機(jī)等機(jī)床就適合用風(fēng)琴式塑膠布防護(hù)罩，此類(lèi)護(hù)罩行程長(zhǎng)壓縮小、護(hù)罩內(nèi)沒(méi)有任何金屬零件，不用擔(dān)心護(hù)罩工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)零件松動(dòng)而給機(jī)器造成嚴(yán)重的損壞。
2）運(yùn)行速度快，并且有高溫金屬碎屑的機(jī)床，如：數(shù)控加工中心等機(jī)床就適合用盔甲式風(fēng)琴防護(hù)罩，此類(lèi)護(hù)罩適合立導(dǎo)軌，即通常說(shuō)的Y軸導(dǎo)軌的防護(hù)。
3）冷卻液多高溫金屬碎屑屑多、機(jī)床運(yùn)行速度慢的機(jī)床，如：加工中心、落地鏜銑床、龍門(mén)刨床等機(jī)床就適合用鋼制導(dǎo)軌防護(hù)罩。
4）只是用來(lái)防塵、耐酸堿液、沒(méi)有高溫環(huán)境的機(jī)械設(shè)備，如液壓機(jī)械的油缸，適合選擇橡膠防塵罩。該型防塵罩具有柔軟的外形、耐酸堿、使用時(shí)間長(zhǎng)、伸縮更自如的特點(diǎn)。
綜上所
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