電火花小孔加工機(jī)床關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)【6張cad圖紙】【W(wǎng)G系列】

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Here mainly includes: the X axis drive system design, Y axis drive system design, Z axis drive system design, power system design. The graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, so as to drive the device, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) a small overall structure design of high-speed electric spark machine tool.(2) analysis of small hole machine tool working performance of high speed electric spark hit.(3) the choice of motor.(4) the design of transmission system, execute parts of the high-speed electric spark eyeleting machine.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) the use of computer aided design, 3D modeling on Design of parts.(7) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: high speed EDM drilling holes on the machine, coupling, ball screw目 錄摘 要IIAbstractIII目 錄IV1 緒論11.1 電火花加工簡述11.2 電火花加工工作原理11.3 電火花加工特性21.4 電火花加工主要特點(diǎn)21.5 本課題研究的內(nèi)容及方法41.5.1 主要的研究內(nèi)容41.5.2 設(shè)計(jì)要求42 高速電火花打小孔機(jī)床總體設(shè)計(jì)62.1 總體概述62.2 技術(shù)參數(shù)62.3 設(shè)計(jì)原理73 X軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)83.1 擬定X軸進(jìn)給方案圖83.2 最大工作載荷的計(jì)算83.3 最大動(dòng)載荷的計(jì)算93.4 滾珠絲杠螺母副的選型93.5 滾珠絲杠副的支承方式103.6 傳動(dòng)效率的計(jì)算103.7 剛度的驗(yàn)算103.8 穩(wěn)定性校核113.9 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證113.10 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用123.10.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算123.10.2 電機(jī)力矩的計(jì)算133.11 步進(jìn)電機(jī)的選擇154 Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算174.1 Y向傳動(dòng)系統(tǒng)圖174.2 Y向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核174.2.1 桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型184.2.2 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算，校核和選型214.2.3 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇274.2.4 軸承的選擇295 Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)315.1 Z軸進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇315.1.1 導(dǎo)程確定315.1.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速315.1.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重315.1.4 確定絲桿的等效負(fù)載325.1.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷325.1.6 精度的選擇335.1.7 選擇滾珠絲桿型號(hào)335.2 校核345.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證345.2.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證355.2.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率355.3 電機(jī)的選擇365.3.1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量365.3.2 電機(jī)扭矩計(jì)算376 動(dòng)力頭主軸設(shè)計(jì)計(jì)算406.1 電機(jī)的選擇406.2 同步帶傳動(dòng)計(jì)算406.2.1 同步帶計(jì)算選型406.2.2 同步帶的設(shè)計(jì)446.3 主軸組件設(shè)計(jì)計(jì)算446.3.1 主軸的材料與熱處理446.3.2 主軸直徑的選擇456.3.3 主軸前后軸承的選擇466.3.4 軸承的選型及校核466.3.5 主軸前端懸伸量486.3.6 主軸支承跨距496.3.7 主軸的校核496.3.8 軸承壽命校核526.3.9 主軸組件中相關(guān)部件53結(jié)論55致 謝56參考文獻(xiàn)571 緒論1.1 電火花加工簡述電火花加工是浸在液體中的另外的導(dǎo)電材料的特殊加工方法電腐蝕的電極之間的脈沖放電，也被稱為放電加工或電蝕，英文簡稱EDM。1943，蘇聯(lián)學(xué)者蒂夫婦發(fā)明了電火花加工，用脈沖電源和控制系統(tǒng)的改進(jìn)，并迅速發(fā)展。脈沖電源的最初使用的是一個(gè)簡單的電阻-電容電路。電阻電感電容回路50時(shí)間的改善。同時(shí)，還采用了脈沖發(fā)生器，一個(gè)長脈沖電源，提高去除效率，相對(duì)的工具電極損耗。其次是大功率電子管，閘流管，高頻脈沖電源，使在提高生產(chǎn)率相同的粗糙度條件。60在一個(gè)晶體管和可控硅脈沖電源，提高能源效率和減少工具電極損耗，并擴(kuò)大了粗、精加工的可調(diào)范圍。70出現(xiàn)在低壓和高壓脈沖，多回路脈沖，脈沖可調(diào)的脈沖電源，表面粗糙度，加工精度和降低工具電極損耗和取得新進(jìn)展。在控制系統(tǒng)方面，從最初簡單的維持放電間隙，控制工具電極，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對(duì)電參數(shù)和非電參數(shù)的實(shí)時(shí)控制。1.2 電火花加工工作原理電火花加工時(shí)，工具電極和工件分別與脈沖電源的兩極，并浸在液體中，或在放電間隙的液體灌裝。通過間隙自動(dòng)控制系統(tǒng)控制工具電極對(duì)工件的間隙，當(dāng)兩個(gè)電極之間有一定的距離，兩個(gè)電極施加的脈沖電壓將工作液體擊穿，產(chǎn)生火花放電。在微通道放電瞬間集中了大量的熱量，溫度可高達(dá)攝氏一萬度，壓力也很大，這使這一點(diǎn)工作表面局部微量金屬材料立刻熔化，氣化，并爆炸濺到工作流體，快速冷凝，形成金屬的固體顆粒，是工作流體。然后對(duì)工件表面會(huì)留下一個(gè)小坑，放電痕跡，暫停，恢復(fù)絕緣狀態(tài)的兩個(gè)電極之間的工作流體。然后，在兩個(gè)電極的另一點(diǎn)故障下的脈沖電壓比較接近，火花放電，重復(fù)上面的過程。因此，雖然每個(gè)脈沖金屬體積放電消融以每秒數(shù)千次的幾十個(gè)，但由于脈沖放電的影響，可以去除更多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。在工具電極與工件之間的侵蝕條件下的恒流放電間隙，當(dāng)工件金屬，當(dāng)工具電極與工件，最后處理相應(yīng)的工具電極的形狀。因此，只要對(duì)電極和工件和工具電極的形狀類型之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的變化，可以生產(chǎn)各種形狀的。工具電極用導(dǎo)電性好，熔點(diǎn)高，易加工的耐電蝕材料，如銅，石墨，銅鎢和鉬。在這個(gè)過程中，工具電極是有損的，但小于金屬侵蝕量，甚至接近沒有損失。工作液作為放電介質(zhì)，但也發(fā)揮了作用，在冷卻過程中，芯片。的工作流體是低粘度，閃點(diǎn)高，性能穩(wěn)定的媒體，如煤油，去離子水和乳液。1.3 電火花加工特性1：電火花加工速度和表面質(zhì)量模具電火花通常用于粗，精加工，文件的處理方法。粗加工的方式來實(shí)現(xiàn)高功率，低損耗，并且，在精加工電極相對(duì)損耗，但總的來說，精加工余量少，因此電極的磨損也很小，可以通過加工尺寸控制進(jìn)行補(bǔ)償，或被忽略而不影響精度的要求。2：火花碳渣和渣電火花加工順利在殘?zhí)亢拖荚胶鈼l件。在實(shí)踐中往往以消除在處理速度為代價(jià)的殘?zhí)?，如高電壓，使用結(jié)束時(shí)，靜息脈等。排除碳渣的影響已加工表面形狀的另一個(gè)原因是復(fù)雜的，使排屑路徑不暢。只有積極創(chuàng)造良好的條件，采取一些方法來對(duì)癥積極治療。3：工件和電極損耗之間的火花電火花放電脈沖時(shí)間長，有利于降低電極損耗。電火花加工的粗加工一般采用長脈沖大電流放電加工速度快，電極損耗。在結(jié)束的時(shí)候，小電流放電必須降低放電脈沖時(shí)間，不僅增加了電極損耗，也降低了處理速度大大。電火花加工是一種新的技術(shù)，從加工完全不同。隨著工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高熔點(diǎn)，高硬度，高強(qiáng)度，高脆性，高粘度和高純度的性能的新材料的出現(xiàn)。具有工作越來越要求的各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊的技術(shù)，使傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法無法處理或難加工。因此，除了進(jìn)一步發(fā)展和完善的加工方法的人，也能尋求新的加工方法。電火花加工方法能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，并表現(xiàn)出了許多優(yōu)異的性能，故應(yīng)用，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。1.4 電火花加工主要特點(diǎn)1對(duì)普通方法加工難加工材料和復(fù)雜形狀工件；2沒有力的加工；3無毛刺和條紋缺陷；4工具電極材料不需比工件材料硬；5功率處理直接使用，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；6處理后的表面改性層，必須進(jìn)一步去除中的一些應(yīng)用；7在煙霧污染治理工作液的凈化處理。電火花加工的主要目的是：模具和復(fù)雜形狀的工件的孔和型腔加工；各種難加工硬脆材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼；深孔加工孔，異形孔，深槽，窄、切割片；各種異型工具處理，模型和螺紋環(huán)規(guī)工具和量規(guī)。電火花加工主要用于孔，模具型腔加工，已成為模具制造行業(yè)的領(lǐng)先的加工方法，提高模具行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。電火花在3000以下零件號(hào)，模具沖壓件更為經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)與所使用的工具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的電火花加工工藝的不同，可分為：電火花加工，電火花線切割，電火花銑削加工和電火花加工，電火花加工非金屬表面強(qiáng)化處理，等。這種方法是通過工具電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相對(duì)于工件，對(duì)工件的工件電極形狀和大小的復(fù)制，因此加工所需要的零部件。它包括放電腔的加工和機(jī)械加工兩個(gè)。放電腔的加工主要用于各種熱鍛模具型腔加工，壓鑄，擠壓模具，塑料模具和塑料薄膜。電火花加工主要用于孔（孔，方孔，孔，多邊形孔），曲線控（彎孔，螺絲孔，孔和微孔）處理。近年來，為了解決電極孔的橫截面小，加工容易變形，孔深徑比大，在電火花加工屑困難的問題，在高速加工的發(fā)展，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。電火花打孔機(jī)能夠處理任何高強(qiáng)度，高硬度，高韌性，高脆性和高純度的導(dǎo)電材料，也可以加工方形孔內(nèi)，微孔和深孔高長徑比。在這個(gè)過程中，電火花加工的原理是通過電流擊穿介質(zhì)產(chǎn)生的熱量，氣化和熔化的材料，不產(chǎn)生力，所以不會(huì)產(chǎn)生毛刺和條紋缺陷。由于電火花是緩慢的，高頻脈沖電源的使用，可以提高工作效率，以實(shí)現(xiàn)高速電火花加工鉆孔機(jī)床的設(shè)計(jì)目的。1.5 本課題研究的內(nèi)容及方法1.5.1 主要的研究內(nèi)容在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)數(shù)控電火花打小孔設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及數(shù)控電火花打小孔的推廣應(yīng)用，分析確定使用數(shù)控電火花打小孔配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進(jìn)行的研究內(nèi)容如下:1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控電火花打小孔本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定數(shù)控電火花打小孔整體設(shè)計(jì)方案。2 確定數(shù)控電火花打小孔的性能參數(shù)，對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī)。3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā)，完成數(shù)控電火花打小孔各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核。1.5.2 設(shè)計(jì)要求1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出數(shù)控電火花打小孔的整體設(shè)計(jì)方案；2 完成數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，完成電機(jī)選型；4 完成三維數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)的三維造型；繪制三維數(shù)控電火花打小孔結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。542 高速電火花打小孔機(jī)床總體設(shè)計(jì)2.1 總體概述電火花小孔加工機(jī)床能加工不銹鋼，淬火鋼，硬質(zhì)合金，銅，鋁等多種導(dǎo)電材料 ，能加工孔徑0.3-3mm,最大深徑比能達(dá)300:1以上，加工速度每分鐘可達(dá)40-60mm ，能直接從斜面，曲面穿入,工作臺(tái)X,Y,Z軸配有光柵數(shù)顯，Z軸具有定深功能。2.2 技術(shù)參數(shù)表2-1 技術(shù)參數(shù)工作臺(tái)面尺寸 (mm) Worktable dimensions(mm)438318438318工作臺(tái)行程 (mm) Worktable stroket(mm)350250350250Z軸行程 (mm) Servo travel (mm)300+300300+300加工深度 (mm) Maching thickness(mm)03000300最大加工速度 (mm/min) Max.machining removalrate (mm/min)6565最大加工電流 (A) Max.machining current (A)3030加工孔徑范圍 (mm) Max.wire (mm)0.330.33工作臺(tái)承受重量 (kg) Max.weight of Worktable (kg)200200工作液 Work fluid水/皂化液 water/saponification水/皂化液 water/saponification工作液桶容量 (L) Work fluid bucket capacity (L)3030機(jī)床供電電源 Total power380V/50Hz380V/50Hz最大消耗功率 (KVA) Max.rate of electrode wear (KVA)3.5 KVA3.5 KVA機(jī)床外形尺寸 (mm) Overall dimensions(mm)1100750170011007501700機(jī)床重量 (kg) Weight(kg)600600控制方式 control mannerZ軸自動(dòng) travel autoZ軸自動(dòng) travel auto數(shù)顯 Digital display三軸數(shù)顯 3二軸數(shù)顯 2Z軸定深功能 travel auto control thickness有 YES無 NO2.3 設(shè)計(jì)原理數(shù)控電火花打小孔的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足一下幾個(gè)條件首先就是必須保證工件定位可靠的可靠性，為了使工件與點(diǎn)保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)要求的點(diǎn)，去選擇合適的定位機(jī)構(gòu)。再者就是要有足夠的強(qiáng)度和剛度除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，沒有足夠的強(qiáng)度和剛度可能會(huì)發(fā)生折斷或者彎曲變形，所以對(duì)于受力較大的進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計(jì)算是非常必要的。最后要盡可能做到具有一定的通用性，如果可以應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件變換的問題。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的零件，為滿足這些要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴(kuò)大機(jī)構(gòu)的使用范圍。X軸、Y軸和Z軸采用絲杠傳動(dòng)：X軸 電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠Y軸 電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠Z軸 電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠3 X軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)3.1 擬定X軸進(jìn)給方案圖X向進(jìn)給絲桿支承方式圖所示圖3-1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖3.2 最大工作載荷的計(jì)算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡圖如下：圖3-2 工作臺(tái)簡圖X向拖板(上拖板)尺寸為: 重量: (3.1)Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量: (3.2)上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量: (3.3)假設(shè)夾具及工件重量: 最大承載重量50KgX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為: (3.4)3.3 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 (3.5) (3.6) (3.7)式中：滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r； 絲杠壽命，取15000； 載荷系數(shù)，一般取1.2； 硬度系數(shù)取1； X向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6； X向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。 X向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為； X向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。計(jì)算得出得 ：=12278.8 (3.8)3.4 滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL2005-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級(jí)為3級(jí)，其參數(shù)如表3-1所示。表3-1 FL2005-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)公稱直徑/導(dǎo)程/鋼球直徑/絲杠外徑/絲杠底徑/額定載荷/接觸剛度/14532053.51916.532.8143.5 滾珠絲杠副的支承方式考慮到X向滾珠絲杠副的長度、精度與負(fù)載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進(jìn)行預(yù)拉伸。3.6 傳動(dòng)效率的計(jì)算 =式中：螺距升角，根據(jù),可得=228； 摩擦角，一般取=10。算得： =95.67% (3.9)3.7 剛度的驗(yàn)算=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）式中：絲杠的最大工作載荷，單位為； 絲杠縱向最大有效行程，單位為； 絲杠材料的彈性模量，鋼； 絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。根據(jù)設(shè)計(jì)，為2459.6N，為420，為36.5，算得： =0.0047 (3.10) =4.7查表3-3可知，,所以剛度足夠。3.8 穩(wěn)定性校核 =式中：絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時(shí)，取1； 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.54，本設(shè)計(jì)取4； 滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為500； 按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設(shè)中將代入算出=87080。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：= (3.11) 臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。3.9 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 (3.12)式中：絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時(shí)，由表3-5可得該值為12.1；臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值約為720；絲杠內(nèi)徑，單位；安全系數(shù)，可取=0.8經(jīng)過計(jì)算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。3.10 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用3.10.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（1）帶輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（） 對(duì)于鋼材： (3.13)式中：M圓柱體質(zhì)量（）D圓柱體直徑（）L圓柱體長度（）鋼材的密度對(duì)于帶輪：D可取分度圓直徑，L取帶輪寬度； 對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑滾珠直徑，L取絲杠長度。具體計(jì)算如下：X向： (3.14)（2）絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一對(duì)帶輪降速后傳到絲杠，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：式中：具體計(jì)算如下：X向： (3.15)3.10.2 電機(jī)力矩的計(jì)算電機(jī)的負(fù)載力矩在各種工況下是不同的，下面分快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩、最大負(fù)載時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法。（1） 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 (3.16)式中：（2） 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 (3.17)因此對(duì)運(yùn)動(dòng)部件已起動(dòng)，固不包含，顯然。（3）最大負(fù)載時(shí)所需力矩 (3.18)式中：在采用絲杠螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種力矩可用下式計(jì)算 (3.19)式中：摩擦力矩 (3.20)式中：附加摩擦力矩 (3.21)式中：折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩 (3.22)式中：具體計(jì)算：X向： (3.23) (3.24)3.11 步進(jìn)電機(jī)的選擇目前，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中大多數(shù)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。1. 首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)， (3.25) (3.26)按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，110BYG3500型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為8N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率 Hz (3.27)最高工作頻率 Hz (3.28)從電機(jī)表中查出，110BYG3500型步進(jìn)電機(jī)的空載起動(dòng)頻率為1600Hz，運(yùn)行頻率為30000Hz，滿足要求。X向： (3.29)按此最大靜轉(zhuǎn)矩產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)表（三相）可查出，90BYGH3502型最大靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩為5N.m，大于所需靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。4 Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 Y向傳動(dòng)系統(tǒng)圖圖4-1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖4.2 Y向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計(jì)算與校核根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡圖如下：圖4-2 工作臺(tái)簡圖X向拖板(上拖板)尺寸為: 重量: (4.1)Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量: (4.2)上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量: (4.3)假設(shè)夾具及工件重量: 最大承載重量50KgX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為: (4.4)4.2.1 桿螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選型(1) 計(jì)算牽引力 (4.5)(2) 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C 選用滾珠絲桿導(dǎo)軌 參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).3P185-P210 查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書P22頁 式中：L壽命，以轉(zhuǎn)為一單位 n絲桿轉(zhuǎn)速（r/min） 為最大條件下進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的1/2-1/3 取 絲桿導(dǎo)程（mm） 初選=6mm T為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，查表3-14一般取1.2-1.5 (4.6) (4.7) (4.8)(3) 螺母副的選型查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書附表-2，可采用WD3006外循環(huán)墊片調(diào)整緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為9700N,精度等級(jí)按表3-17選為級(jí)。(4) 傳動(dòng)效率計(jì)算式中：螺旋升角，WD3006 摩擦角取 滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003-0.004 (4.9)(5) 剛度驗(yàn)算Y向進(jìn)給絲桿支承方式圖所示，最大牽引力2000N,支承間距350mm，因絲桿長度較短，不需預(yù)緊螺母及軸承預(yù)緊。計(jì)算如下:a) 絲桿的拉伸或壓縮變形量(mm)b) 查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖3-4,根據(jù)2087.98N,D=30mm查出 可算出： (4.10)c) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量查圖3-5得系列列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量因進(jìn)行了預(yù)緊 (4.11)d) 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形采用推力球軸承5204查閱機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).2表5.9-137,d=20mm,滾動(dòng)體直徑=5.556mm,數(shù)量Z=13 (4.12)綜合以上幾項(xiàng)變形量之和： (4.13)(6) 穩(wěn)定性校核計(jì)算臨界負(fù)載(N) 式中:E材料彈性模量() I截面慣性矩() L絲桿兩軸承端距離(cm) 絲桿支承方式系數(shù)，從表3.15中查出，一端固定，一端簡支為2.00 (4.14) (4.15) 一般=2.5-4.0,所以此滾珠絲桿不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。 (7) Y向滾珠絲桿副的幾何參數(shù) (見表1)表4-1 Y向滾珠絲桿副的幾何參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)關(guān)系式WD3006螺紋滾道公稱直徑30導(dǎo)程6接觸角鋼球直徑3.175滾道法面半徑R1.651偏心距e0.045螺紋升角螺桿外徑d29.365內(nèi)徑26.788接觸直徑26.83螺母螺紋直徑D33.212內(nèi)徑30.6354.2.2 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算，校核和選型(1) 初選步進(jìn)電機(jī)a) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 查閱綜合作業(yè)指導(dǎo)書P22頁式中: 脈沖當(dāng)量，取 進(jìn)給牽引力(N) 步距角，初選雙拍制為 電機(jī)絲桿傳動(dòng)效率為帶輪、軸承、絲桿效率之積分別為 (4.16)b) 估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來估算步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(N.cm) 一般Y向進(jìn)給伺服系統(tǒng)取0.4-0.5 (4.17)c) 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩查表3-22如取五相十拍，則 (4.18)d) 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率 式中:最大進(jìn)給速度 最大快移速度 脈沖當(dāng)量，取 (4.19) (4.20) 根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)矩在表3-23中查出150BFG2815最大靜轉(zhuǎn)矩為245N.cm 可以滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床有可能使用較大的用量，應(yīng)該選用稍大轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)，以留有一定余量，另一方面與國內(nèi)同類型機(jī)床進(jìn)行類比的要求。決定采用150BFG2915，但從綜合作業(yè)指導(dǎo)書P24頁查出，步進(jìn)電機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為4000Hz,滿足空載時(shí)(3333.33Hz)的要求。(2) 校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩前面所述初選步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初選后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。a) 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算計(jì)算簡圖見圖2，根據(jù)表3-24，經(jīng)降速時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算: (4.21)式中:帶輪及其軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 絲桿導(dǎo)程(cm) G工件及工作臺(tái)重量(N) b) 帶輪、軸、絲桿等圓柱體慣量計(jì)算 表3-24所示圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下: 對(duì)于鋼材，式中:M圓柱體質(zhì)量 D圓柱體直徑 (cm) L圓柱體長度或原長(cm) 鋼材的密度為 (4.22) (4.23) (4.24) (4.25) (4.26)因此 (4.27) (4.28)基本滿足慣量匹配的要求。c) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算: 快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在快速空載起動(dòng)階段，加速轉(zhuǎn)矩占的比例較大，具體計(jì)算如下： 式中: 快速空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 由于絲桿預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 在采用絲桿螺母副傳動(dòng)時(shí)，上述各種轉(zhuǎn)矩可用下式計(jì)算： 式中:傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 電機(jī)最大角速度 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 運(yùn)動(dòng)部件最快速度 脈沖當(dāng)量 步進(jìn)電機(jī)的步距角 運(yùn)動(dòng)部件從停止到起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間(s) (4.29) 起動(dòng)加速時(shí)間=30(ms) (4.30) 折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 式中: 導(dǎo)軌的摩擦力(N) 垂直方向的力(N) G運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N) 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.15 帶輪降速比 傳動(dòng)鏈總效率，一般可取0.7-0.8 (4.31)附加摩擦轉(zhuǎn)矩: 式中: 滾珠絲桿預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進(jìn)給牽引力(N) 滾珠絲桿導(dǎo)程(cm) 滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 (4.32)上述三項(xiàng)合計(jì): (4.33) 快速移動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩 (4.34) 最大負(fù)載時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩 式中: 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 (4.35)從上面計(jì)算看出、三種工況下，以快速空載所需轉(zhuǎn)矩最大，即以此項(xiàng)作為校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。從表3-22查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)為則最大靜轉(zhuǎn)矩為: (4.36)從表3-23查出150BFG2815最大轉(zhuǎn)矩為為245，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以滿足此項(xiàng)要求。d) 校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性前面已經(jīng)計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)，需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為3333.33Hz,進(jìn)給時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為1666.7Hz從表3-23中查出150BFG2815型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為4000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再從圖3-15，3-16查出150BFG2815步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性如圖4-3所示:圖4-3 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給時(shí)，150BFG2815型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以滿足要求。4.2.3 導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般運(yùn)行狀況)，3.05.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 (4.37)根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:HJG-D25基本參數(shù)如下:表4-2 額定靜載荷初選導(dǎo)軌額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長度動(dòng)載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個(gè)數(shù)單向行程長度每分鐘往復(fù)次數(shù)M40.64導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：額定行程長度壽命: (4.38)導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: (4.39)導(dǎo)軌的工作壽命足夠.4.2.4 軸承的選擇滾珠絲杠中經(jīng)常使用的滾動(dòng)軸承有以下兩類。（1）接觸角為的角接觸球軸承這是目前國內(nèi)外廣泛采用的滾珠絲杠軸承，這種軸承可以組合配置。一種為面對(duì)面方式，另一種為背靠背組合方式。這兩種方式都可承受雙向軸向推力，還有一種是通向組合方式，其承受能力較高，但只承受一個(gè)方向的軸向力，同向組合時(shí)的額定動(dòng)載荷等于單個(gè)軸承的乘下列系數(shù)：2個(gè)為1.40;3個(gè)為2.16；4個(gè)為2.64。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，而且采用面對(duì)面組合方式時(shí)兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離a比背對(duì)背的小，故容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用的較多。（2）滾針推力圓柱滾子組合軸承 外圈與箱體固定不轉(zhuǎn)，內(nèi)圈和隔套內(nèi)圈隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾針承受徑向載荷，圓柱滾子分別承受兩個(gè)方向的軸向載荷，修磨隔套內(nèi)圈的寬度可調(diào)整軸承的軸向預(yù)緊量。本次設(shè)計(jì)選用角接觸球軸承，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為表4-3中的7009 GB/T 2921994。表4-3 角接觸球軸承5 Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)5.1 Z軸進(jìn)給滾珠絲桿副的選擇滾珠絲桿副就是由絲桿、螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng)。設(shè)水平進(jìn)給最大行程為200mm, 兩側(cè)各留10mm的安全距離.最快進(jìn)給速度為18m/min, 絲杠等組件大概質(zhì)量為50kg, 其他輔件大概質(zhì)量為80kg,移動(dòng)部件大概質(zhì)量為30kg 5.1.1 導(dǎo)程確定選擇電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為: 取Ph=12mm5.1.2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速基本公式 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (5.1)最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 (5.2)絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 (5.3)5.1.3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重絲杠等組件重量 (5.4)工作臺(tái)重量 (5.5)移動(dòng)部件重量 (5.6)5.1.4 確定絲桿的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算。選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.11.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 (5.7) (5.8)其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，） (5.9)5.1.5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷fw-負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2）ft-溫度系數(shù)（查表：取ft=1）fh-硬度系數(shù)（查表：取fh =1）fa-精度系數(shù)（查表：取fa =1）fk-可靠性系數(shù)（查表：取fk =1）Fm-等效負(fù)載nz-等效轉(zhuǎn)速Th -工作壽命，取絲桿的工作壽命為15000h由上式計(jì)算得Car=17300N (5.10)表5-1-1各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間Lh表5-1-2精度系數(shù)fa表5-1-3可靠性系數(shù)fk表5-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)fw5.1.6 精度的選擇滾珠絲杠副的精度對(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/31/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。選用滾珠絲杠的精度等級(jí)絲軸為13級(jí)（1級(jí)精度最高），考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)5.1.7 選擇滾珠絲桿型號(hào)計(jì)算得出Ca=Car=17.3KN, (5.11)則Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN (5.12)公稱直徑Ph=12mm (5.13)則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號(hào)為FFZD20103。公稱直徑 d0=20mm 絲桿外徑d1=19.5mm 鋼球直徑dw=7.144mm 絲桿底徑d2=14.3mm 圈數(shù)=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 剛度kc=973N/m5.2 校核滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率，其扭轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度KO有絲桿本身的拉壓剛度KS，絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度KC，軸承的接觸剛度Ka，螺母座的剛度Kn，按不同支撐組合方式計(jì)算而定。5.2.1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大，采用一端固定一端支撐的方式。臨界壓縮負(fù)荷按下列計(jì)算： (5.14)式中E-材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）LO-最大受壓長度（m）K1-安全系數(shù)，取K1=1.3Fmax-最大軸向工作負(fù)荷（N）f1-絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1I=絲桿最小截面慣性距（m4） (5.15)式中do-是絲桿公稱直徑（mm）dw-滾珠直徑（mm），絲桿螺紋不封閉長度Lu=工作臺(tái)最大行程+螺母長度+兩端余量Lu=200+148+20X2=388mm (5.16)代入上式計(jì)算得出Fca=5.8X108N可見FcaFmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。5.2.2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： (5.17)式中：A-絲桿最小截面：A=-絲杠內(nèi)徑，單位；P-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm (5.18)-安全系數(shù)，可取=0.8fZ-絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時(shí)取18.9經(jīng)過計(jì)算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。5.2.3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式 (5.19)式中 A絲杠最小橫截面，；螺母座剛度KH=1000N/m。經(jīng)計(jì)算得： (5.19) (5.20)式中 Ke 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/m)； KH螺母座的剛度(N/m)；KH=1000 N/mKc絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/m)；KS絲杠本身的拉壓剛度(N/m)；KB軸承的接觸剛度(N/m)。經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于1500r/min，能滿足要求。5.3 電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈