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摘 要 本設(shè)計(jì)主要是 X Y 兩個(gè)方向移動(dòng)的滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 在生產(chǎn)和實(shí)踐中具有很強(qiáng)的實(shí) 用性 X Y 直線滑臺(tái)當(dāng)前已普遍運(yùn)用于測量 激光焊接 激光切割 涂膠機(jī) 打孔機(jī) 點(diǎn)膠機(jī) 小型數(shù)控機(jī)床 雕銑機(jī)及適用教育等場所 本設(shè)計(jì) X Y 工作臺(tái)用于高能電 子束焊機(jī) X Y 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)簡單 實(shí)現(xiàn)方 便而且能夠保證一定的精度 降低成本 是微機(jī)控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用 它充分的 利用了微機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制 使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大 精度和可靠 性進(jìn)一步得到提高 由于具有很小的摩擦阻力 可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直 線運(yùn)動(dòng) 滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器 本設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分內(nèi)容 第一部分為設(shè)計(jì)方案的提出與確定 第二部分為結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的選擇 第三部分為檢驗(yàn)校核 第四部分為繪圖 全部設(shè)計(jì)過程都是 參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和具體要求設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)先對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 提出不同方案并進(jìn)行比較選擇 然后對(duì)零部 件進(jìn)行選擇和檢驗(yàn)校核 最后利用 Solidworks 軟件對(duì) XY 工作臺(tái)進(jìn)行三維建模 裝配 利用 CAD 繪制零件圖和裝配圖 關(guān)鍵詞 工作臺(tái) X 方向 Y 方向 選擇 校核 電機(jī) Abstract The major work of this design is to design two workbenchs which can move along two directions X and Y and this design is very practicality in production and practice XY table has been widely used in the current measurement laser welding laser cutting gluing machine drilling machine dispenser small CNC machine tools engraving and milling machine and applicable education and other places The design of XY table is used for the high energy electron beam welding Electrical system XY CNC table is an open loop control system its structure is simple Easy to achieve but also to guarantee the accuracy Cost reduction is the easiest applications microcomputer control technology It takes full advantage of the computer s software and hardware features to achieve the machine s control make the machining expand the scope accuracy and reliability is further improved With little friction at high load conditions to achieve high precision linear motion ball screws are widely used in various industrial equipment and precision instruments There are four major part of this design first put forward and conform the design second chose the frame and hardware third check up and test forth blueprint During the design all designs complied with the country standard and the requirement in detail The design of the first on the bench for structural design propose to compare different options and choose then select and test checked parts finally Solidworks software for XY table for three dimensional modeling assembly use CAD drawing parts and assembly drawings Key words workbench X direction Y direction chose check up motor 目 錄 引言 1 1 緒論 2 1 1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 2 1 1 2 國內(nèi)外產(chǎn)品的現(xiàn)狀 2 1 1 3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的發(fā)展趨勢(shì) 2 1 2 滾珠絲杠 3 1 2 1 國內(nèi)外產(chǎn)品的現(xiàn)狀 3 1 2 2 滾珠絲杠的發(fā)展趨勢(shì) 3 1 3 設(shè)計(jì)軟件簡介 4 2 方案提出及論證 4 2 1 方案一 5 2 2 方案二 5 2 3 方案三 5 2 4 方案論證 5 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件選擇 7 3 1 工作臺(tái)及導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì) 7 3 1 1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 7 3 1 2 導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì) 9 3 2 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 10 3 3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 3 3 1 導(dǎo)軌簡介 10 3 3 2 導(dǎo)軌的選擇 11 3 3 3 導(dǎo)軌的計(jì)算 11 2 4 滾珠絲杠和軸承的選擇 14 2 4 1 滑動(dòng)絲杠簡介 14 2 4 2 滾動(dòng)絲杠簡介 15 2 4 3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3 4 4 滾珠絲杠的安裝 23 3 4 5 滾珠絲杠螺母副的間隙消除 25 3 4 6 滾珠絲杠螺母副的防護(hù) 26 3 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 27 3 5 1 步進(jìn)電機(jī)簡介 27 3 5 2 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選型 28 3 6 聯(lián)軸器的選擇 33 4 結(jié)論 34 謝 辭 35 參考文獻(xiàn) 37 引言 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來解決具體的實(shí)際問題 與以前的課程 設(shè)計(jì)不同的是 本次設(shè)計(jì)不是單純的從某一方面進(jìn)行設(shè)計(jì) 而是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán) 節(jié)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì) 以培養(yǎng)較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新意識(shí) 為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的 基礎(chǔ) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是 X Y 軸直線滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線 運(yùn)動(dòng) 這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展 這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng) 作變成滑動(dòng)動(dòng)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 可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng) 本設(shè)計(jì)的 X Y 工作臺(tái)用于 高能電子束焊機(jī) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求 X Y 方向運(yùn)動(dòng)行程分別為 2000mm 700mm 直線度 0 2 1000 要求工作臺(tái)上下層能拆卸單獨(dú)使用 工作臺(tái)載重 量 150kg 畫出部分設(shè)計(jì)圖 本設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分內(nèi)容 第一部分為設(shè)計(jì)方案的提出與確定 第二部分為結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的選擇 第三部分為檢驗(yàn)校核 第四部分為繪圖 全部設(shè)計(jì)過程都是 參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和具體要求設(shè)計(jì) 1 緒論 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展 數(shù)控機(jī)床的制造和使用越來越廣泛 因而 與之 配套的數(shù)控機(jī)床功能部件的性能 品種及規(guī)格也發(fā)展迅猛 X Y 直線滑臺(tái)作為數(shù)控功 能部件之一 我們隊(duì)其提出了更高的要求 同時(shí)設(shè)計(jì)者和使用者也應(yīng)該對(duì)其部件有更 深刻的了解 以便在設(shè)計(jì)時(shí)方便選用 其中 X Y 工作臺(tái)上的滾動(dòng)部件 滾珠絲杠 和滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 是確保工作臺(tái)精度的關(guān)鍵 1 1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 1 1 2 國內(nèi)外產(chǎn)品的現(xiàn)狀 世界上生產(chǎn)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的著名廠商有日本的 THK 公司 NSK IKO 軸承公司及 德國的 REXROTH 公司 INA 公司 瑞士的 Schneerberger 等公司 這些公司的產(chǎn)品代 表了世界最高水平 國外的產(chǎn)品做工精細(xì) 結(jié)構(gòu)靈巧 運(yùn)動(dòng)速度高 設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn) 精度 高 重載并有互換性 國內(nèi)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的發(fā)展已經(jīng)走過 26 個(gè)年頭 主要廠家有陜西漢江機(jī)床有限公司 南京工藝裝備制造有限公司 濟(jì)寧博特精工股份有限公司 廣東高新凱特精密機(jī)械有 限公司 大連高金數(shù)控集團(tuán)有限公司等 國內(nèi)產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)和不足 1 以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的產(chǎn)品基本成熟 日 德產(chǎn)品逐步淡出 2 應(yīng)用于大型數(shù)控機(jī)床的滾柱導(dǎo)軌發(fā)展迅速 各主要廠家投入大量資源進(jìn)行研發(fā) 并 陸續(xù)進(jìn)入批量化生產(chǎn)階段 3 綠色 環(huán)保產(chǎn)品受到了重視 大連高金數(shù)控集團(tuán)推出了自潤滑導(dǎo)軌 減少了潤 滑液帶來的污染 4 高速靜音導(dǎo)軌不斷推出 大連高金數(shù)控集團(tuán) 南京工藝裝備制造有限公司等廠 家推出了帶隔離鏈及減振結(jié)構(gòu)的滾柱導(dǎo)軌 降低了運(yùn)動(dòng)噪聲 提高了潤滑效果 運(yùn)動(dòng)速度達(dá) 到 100m min 大連高金數(shù)控集團(tuán)的產(chǎn)品在重型臥式加工中心及龍門加工中心機(jī)床中得 到了應(yīng)用 5 與國外相比 產(chǎn)品研發(fā)能力比較單薄 實(shí)驗(yàn)裝置幾近空白 院校結(jié)合的研究機(jī)制起 步較晚 產(chǎn)品驗(yàn)證機(jī)制的薄弱直接影響了中高端產(chǎn)品的發(fā)展進(jìn)程及推廣速度 6 與國外產(chǎn)品相比 在運(yùn)動(dòng)精度方面 尤其是關(guān)鍵精度 國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品不相上 下 甚至高于國外 但受到原材料限制及系統(tǒng)的試驗(yàn)手段的不足 導(dǎo)致了產(chǎn)品性能指標(biāo)難 以提升 使得產(chǎn)品在噪聲 穩(wěn)定性等方面略顯不足 7 產(chǎn)品外觀 倒角 粗加工面的處理水平較低 影響了國內(nèi)產(chǎn)品的推廣力度乃至經(jīng) 濟(jì)效益 尤其是在出口方面 1 1 3 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的發(fā)展趨勢(shì) 1 規(guī)格不斷延伸 2 承載能力不斷加大 3 運(yùn)動(dòng)速度不斷提高 4 靜音導(dǎo)軌 5 環(huán)保產(chǎn)品層出不窮 1 2 滾珠絲杠 1 2 1 國內(nèi)外產(chǎn)品的現(xiàn)狀 隨著數(shù)控機(jī)床高速 精密 環(huán)保的發(fā)展需求 滾珠絲杠副得到了前所未有的發(fā)展 國內(nèi)企業(yè)不斷加大對(duì)滾珠絲杠副的研究力度 并取得了顯著的成果 主要表現(xiàn)在以下 方面 1 高速絲杠 從近幾年機(jī)床展上可以看到 很多企業(yè)研制的高速絲杠的速度是 十幾年前的 2 3 倍 如日本 NSK 的 BSS 系列的 DN 值達(dá)到 22 萬 HMD 系列的 DN 值達(dá)到 16 萬 而加速度已經(jīng)能達(dá)到 1 5 2g 的水平 2 重載絲杠 NSK THK SHUTON REXROTH 采用新的工藝方法 將基本 額定動(dòng)載荷在原來的基礎(chǔ)上提高了 25 3 大型絲杠 大型及超大型滾珠絲杠副近兩年可謂屢見不鮮 西班牙 KORTA 公司生產(chǎn)的直徑 225mm 的滾珠絲杠副長度達(dá) 20m 4 綠色環(huán)保絲杠 滾珠絲杠副的低噪聲 長期免維護(hù)一直是業(yè)內(nèi)人士追求的目 標(biāo) 在這方面有很多廠家推出了球保持器和自潤滑裝置 在使用了球保持器后 噪聲 可在原來基礎(chǔ)上降低 8 10dB 自潤滑裝置可保證 10000km 直線行程的潤滑 5 雙驅(qū)動(dòng)絲杠 為了滿足機(jī)床高剛性 高效率需求 NSK 采用特殊的工藝方法 制造出了雙驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副 螺紋長度為 1200mm 的兩根絲杠 相互累計(jì)導(dǎo)程偏差不 超過 0 005mm 6 個(gè)性化產(chǎn)品 針對(duì)各行各業(yè)不同的需求 特別是針對(duì)一些特殊行業(yè) 如化工 機(jī)械 木工機(jī)械 航空航天 包裝機(jī)械 機(jī)器人 鐵路等 滾珠絲杠生產(chǎn)廠有針對(duì)性 地開發(fā)了許多新產(chǎn)品 國內(nèi)大陸地區(qū)的制造企業(yè)生產(chǎn)滾珠絲杠副經(jīng)過 50 多年的發(fā)展 也取得了較大的成 就 尤其最近 5 10 年 設(shè)計(jì)和制造工藝都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展 國產(chǎn)高速滾珠絲杠副不斷嶄露頭角 北京機(jī)床研究所開發(fā)的高速絲杠副 DN 值可 達(dá) 12 萬 加速度為 1g 南京工藝裝備制造有限公司開發(fā)的 DK 系列滾珠絲杠副 DN 值 達(dá)到 16 萬 大連高金數(shù)控集團(tuán)生產(chǎn)的三維管系列和端面返向系列的 DN 值達(dá)到 16 萬 高速重載滾珠絲杠副 型號(hào) CW8016 10 5 DN 值達(dá)到 16 萬 額定動(dòng)載荷 Ca 可達(dá) 460kN 靜載荷 C0a 可達(dá) 1868kN 中國臺(tái)灣地區(qū)的制造企業(yè)如 HIWIN 公司 ABBA 公司等具有相當(dāng)先進(jìn)的制造水平 其中 HIWIN 公司的重載絲杠的承載能力是普通絲杠的 2 3 倍 1 2 2 滾珠絲杠的發(fā)展趨勢(shì) 縱觀各國滾珠絲杠副現(xiàn)狀 可以判斷出今后滾珠絲杠發(fā)展趨勢(shì)如下 1 高速 重載 低噪聲 低溫升 自潤滑和可靠性是滾珠絲杠副發(fā)展的主要方向 2 特殊行業(yè)用滾珠絲杠副 如在木工機(jī)械 醫(yī)療機(jī)械 食品機(jī)械 真空環(huán)境 核 電 鐵路 機(jī)器人等行業(yè)的應(yīng)用是滾珠絲杠副發(fā)展的重要方面 3 新工藝 新材料是滾珠絲杠副進(jìn)一步發(fā)展的保障 如絲杠的冷軋技術(shù) 材料的 穩(wěn)定性及材料熱處理等 1 3 設(shè)計(jì)軟件簡介 SolidWorks 軟件是世界上第一個(gè)基于 Windows 開發(fā)的三維 CAD 系統(tǒng) 至此 SolidWorks 所遵循的易用 穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明 使用它 設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間 產(chǎn)品快速 高效地投向了市場 由于使用了 Windows OLE 技術(shù) 直觀式設(shè)計(jì)技術(shù) 先進(jìn)的 parasolid 內(nèi)核 由劍橋提供 以及良好的與第三 方軟件的集成技術(shù) SolidWorks 成為全球裝機(jī)量最大 最好用的軟件 資料顯示 目 前全球發(fā)放的 SolidWorks 軟件使用許可約 28 萬 涉及航空航天 機(jī)車 食品 機(jī)械 國防 交通 模具 電子通訊 醫(yī)療器械 娛樂工業(yè) 日用品 消費(fèi)品 離散制造等分 布于全球 100 多個(gè)國家的約 3 萬 1 千家企業(yè) 在教育市場上 每年來自全球 4 300 所 教育機(jī)構(gòu)的近 145 000 名學(xué)生通過 SolidWorks 的培訓(xùn)課程 Solidworks 軟件功能強(qiáng)大 組件繁多 Solidworks 功能強(qiáng)大 易學(xué)易用和技術(shù) 創(chuàng)新是 SolidWorks 的三大特點(diǎn) 使得 SolidWorks 成為領(lǐng)先的 主流的三維 CAD 解 決方案 SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案 減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品 質(zhì)量 SolidWorks 不僅提供如此強(qiáng)大的功能 同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說 操作 簡單方便 易學(xué)易用 對(duì)于熟悉微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶 基本上就可以用 SolidWorks 來搞設(shè)計(jì)了 SolidWorks 獨(dú)有的拖拽功能使用戶在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì) SolidWorks 資源管理器是同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器 用它可以方便地管理 CAD 文件 使用 SolidWorks 用戶能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作 能夠更快 地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場 在強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作 包括 Windows 風(fēng) 格的拖 放 點(diǎn) 擊 剪切 粘貼 協(xié)同下 使用 SolidWorks 整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之 百可編輯的 零件設(shè)計(jì) 裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的 本次設(shè)計(jì)我采用 SolidWorks 對(duì)零件進(jìn)行三維建模并裝配 最后轉(zhuǎn)化為工程圖 2 方案提出及論證 XY 工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)工作臺(tái)在 X 和 Y 方向上做直線運(yùn)動(dòng) 這就 需要把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 在整體設(shè)計(jì)中各種運(yùn)動(dòng)部件的選擇很重要 設(shè) 計(jì)任務(wù)中要求各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)具有精度高 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn) 如圖 2 1 所示 部件的 選擇包括動(dòng)力源 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 執(zhí)行構(gòu)件等 由此經(jīng)過考慮列出一下方案 圖 2 1 X Y 工作臺(tái)的工作系統(tǒng)框圖 2 1 方案一 如圖 2 2 所示 動(dòng)力源選擇電機(jī) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇同步帶和齒輪齒條傳動(dòng) 電機(jī)通 過同步帶帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng) 齒輪齒條帶動(dòng)工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng) 圖 2 2 方案一工作原理 2 2 方案二 如圖 2 3 所示 動(dòng)力源選擇步進(jìn)電機(jī) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇滾珠絲杠副 步進(jìn)電機(jī)與滾 珠絲杠直聯(lián) 帶動(dòng)在滾動(dòng)直線導(dǎo)軌上的工作臺(tái)做直線運(yùn)動(dòng) 圖 2 3 方案二工作原理 2 3 方案三 動(dòng)力源選擇限壓式變量葉片泵 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇換向閥和液壓缸 2 4 方案論證 方案一中同步帶 承載力較大 負(fù)載再大就要加寬皮帶 傳動(dòng)精度較高 傳動(dòng)長 度不可太大 否則需要考慮較大的彈性變形和振動(dòng) 傳動(dòng)距離大尤其不適合精確定位 連續(xù)性運(yùn)動(dòng)控制 優(yōu)點(diǎn) 短距離傳動(dòng)速度可以很高 噪音低 典型用途 小型數(shù)控設(shè)備 某些打印機(jī) 齒輪齒條 承載力大 傳動(dòng)精度較高 可達(dá) 0 1mm 可無限長度對(duì)接延 續(xù) 傳動(dòng)速度可以很高 2m s 缺點(diǎn) 若加工安裝精度差 傳動(dòng)噪音大 磨損大 典型用途 大版面鋼板 玻璃數(shù)控切割機(jī) 建筑施工升降機(jī)可達(dá) 30 層樓高 所以 方案一可能會(huì)造成噪聲污染 并且使用壽命短 精度也達(dá)不到微米級(jí) 與方案一相比較 方案二具有方案一中所有優(yōu)點(diǎn) 并且滾珠絲杠副傳動(dòng)精度比齒 輪齒條高很多 結(jié)構(gòu)緊湊 傳動(dòng)效率高 定位精度高 缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜 成本較 高 但是使用壽命長 維護(hù)簡單 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用 相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言 它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn) 1 定位精度高 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的 1 50 由于動(dòng)摩 擦與靜摩擦系數(shù)相差很小 運(yùn)動(dòng)靈活 可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少 90 因此 可將機(jī)床定位 精度設(shè)定到超微米級(jí) 2 降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力 采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小 特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng) 停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型 化 減輕了重量 使機(jī)床所需電力降低 90 具有大幅度節(jié)能的效果 3 可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小 因此發(fā)熱少 可實(shí) 現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng) 提高機(jī)床的工作效率 20 30 4 可長期維持機(jī)床的高精度 對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤滑 由于油膜的浮動(dòng) 產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無法避免的 在絕大多數(shù)情況下 流體潤滑只限于邊界區(qū)域 由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無法避免的 在這種摩擦中 大量的能量以摩擦損耗 被浪費(fèi)掉了 與之相反 滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能小 滾動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少 故能使直線滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長期處于高精度狀態(tài) 同時(shí) 由于使用潤滑油也很少 大多 數(shù)情況下只需脂潤滑就足夠了 這使得在機(jī)床的潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的 非常容易了 方案三中使用了液壓系統(tǒng) 與機(jī)械傳動(dòng)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)相比 液壓傳動(dòng)具有以下 優(yōu)點(diǎn) 1 液壓元件的布置不受嚴(yán)格的空間位置限制 系統(tǒng)中各部分用管道連接 布局安 裝有很大的靈活性 2 可以在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)大范圍的無極調(diào)速 調(diào)速范圍可達(dá) 2000 1 3 液壓傳動(dòng)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn) 易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng) 制動(dòng)和頻繁的換向 4 操作控制方便 省力 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 中遠(yuǎn)程距離控制 過載保護(hù) 與電 氣控制 電子控制相結(jié)合 易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)工作循環(huán)和自動(dòng)過載保護(hù) 5 液壓元件屬機(jī)械工業(yè)基礎(chǔ)件 標(biāo)準(zhǔn)化 系列化和通用化程度高 有利于縮短機(jī) 器的設(shè)計(jì) 制造周期和降低制造成本 液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) 1 在傳動(dòng)過程中 能量需經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換 傳動(dòng)效率偏低 2 由于傳動(dòng)介質(zhì)的可壓縮性和泄漏等因素的影響 不能嚴(yán)格保證定比傳動(dòng) 3 液壓傳動(dòng)性能對(duì)溫度比較敏感 不能在高溫下工作 采用石油基液壓油作傳動(dòng) 介質(zhì)時(shí)還需注意防火問題 4 液壓元件制造精度高 系統(tǒng)工作過程中發(fā)生故障不易診斷 以上三個(gè)方案 從原理上來說 都能完成任務(wù)書提出的要求 但考慮使用條件 由于隨著科技的發(fā)展 現(xiàn)代機(jī)床要求的精度越來越高 因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動(dòng)為主 要求有較高的傳動(dòng)精度 又要求結(jié)構(gòu)緊湊 方案一中能會(huì)造成噪聲污染 并且使用壽 命短 精度也達(dá)不到微米級(jí) 所以不采用 方案三傳動(dòng)效率偏低 精度得不到保證 維護(hù)困難 所以不采用 方案二雖然成本比較高 但是傳動(dòng)精度和定位精度達(dá)到了要 求 結(jié)構(gòu)緊湊 使用壽命長 符合科技發(fā)展的要求 所以根據(jù)以上三種方案的論證 采用方案二比較合適 圖 2 4 方案二結(jié)構(gòu)原理 方案二如圖 2 4 所示 步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源與滾珠絲杠直聯(lián) 滾珠絲杠將步進(jìn)電 機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng) 工作臺(tái)在滾動(dòng)導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng) X Y 方 向分別用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件選擇 3 1 工作臺(tái)及導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì) 3 1 1 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 在工作臺(tái)上設(shè)計(jì) T 型槽 主要用來固定工件 是鉗工用來調(diào)試 裝配 維修設(shè)備 的基礎(chǔ)工作平臺(tái) T 型槽平臺(tái) T 型槽平板 也可用于動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的裝配及調(diào)試 T 型槽平臺(tái) T 型槽平板 的工作面采用刮研工藝 對(duì)于 3 級(jí)以下的平板工作面也可以 采用刨銑工藝 T 型槽平 T 型槽平板臺(tái) 的材質(zhì)為 HT200 300 硬度為 HB170 240 規(guī)格為 200 200mm 3000 6000mm 大于此規(guī)格或特殊規(guī)格可以定做 也可以按圖紙制 造 T 形槽的尺寸標(biāo)準(zhǔn)如表 3 1 和表 3 2 所示 表 3 1 T 形槽尺寸標(biāo)準(zhǔn) T 形槽 A B C H E F G 基本 尺寸 最小 尺寸 最大 尺寸 最小 尺寸 最大 尺寸 最小 尺寸 最大 尺寸 最大 尺寸 最大 尺寸 最大 尺寸 12 19 21 8 9 20 25 1 0 6 1 表 3 2 T 型槽的尺寸標(biāo)準(zhǔn) T 形槽寬度 A T 形槽間距 p 12 40 50 63 80 按照上述標(biāo)準(zhǔn) 我們選擇 A 12 B 19 C 8 H 20 E 1 F 0 6 G 1 間距 p 80 工作臺(tái)的外型如圖 3 1 所示 圖 3 1 工作臺(tái) 其中長寬高分別為 1000mm 500mm 50mm 3 1 2 導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì) 由于 X Y 工作臺(tái)沿 X Y 兩個(gè)方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng) 所以有兩個(gè)導(dǎo)軌座 用來 支撐兩個(gè)方向的導(dǎo)軌 設(shè)計(jì) Y 向?qū)к壸谏蠈?Y 方向的行程為 700mm 所以設(shè)計(jì) Y 向?qū)к壸鶇?shù)為 1000 1500 20mm 其外型如圖 3 2 所示 圖 3 2 X 向?qū)к壸?X 向?qū)к壸O(shè)置在下層 工作臺(tái)在 X 方向的行程為 2000mm 所以設(shè)計(jì) X 導(dǎo)軌座 的參數(shù)為 3000 800 20 3 2 導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算 導(dǎo)軌上的移動(dòng)部件包括工件 夾具 工作平臺(tái) 上層電動(dòng)機(jī) 滾珠絲杠副 直線 滾動(dòng)導(dǎo)軌副 導(dǎo)軌座等 為了計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副的負(fù)載 必須把這些移動(dòng)部 件的重量一一計(jì)算出來 工作臺(tái)材料為灰鑄鐵 HT350 密度 7 4g cm3 工作臺(tái)尺寸 1000 500 50mm 則 G1 1000 500 50 10 3 7 4 10 2 1850N 由于工作臺(tái)并不是實(shí)心體 而是設(shè)有 T 型槽的 所以取 G1 1500N Y 向?qū)к壸叽?1000 1500 20 則 G2 1000 1500 20 10 3 7 4 10 2 2220N 工作臺(tái)載重量 150KG 則 G3 1500N 按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算 包括工件 夾具 工作臺(tái) 上層電 動(dòng)機(jī) 滾珠絲杠螺母副 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副 上層導(dǎo)軌座等 估計(jì)重量約為 G 6000N 3 3 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算 3 3 1 導(dǎo)軌簡介 導(dǎo)軌由承導(dǎo)件和運(yùn)動(dòng)件組成 其功用是導(dǎo)向和承載 即保證運(yùn)動(dòng)件按給定的方向 獲得精確的直線位移或角位移 在導(dǎo)軌副中 運(yùn)動(dòng)的零 部 件叫動(dòng)導(dǎo)軌 不動(dòng)的叫支承 導(dǎo)軌 常用的導(dǎo)軌 按其接觸面的摩擦性質(zhì) 分為滑動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌三 大類 按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 分為力封式和自封式兩類 力封式又稱開式 必須借助外力 例 如重力或彈簧力 才能保證運(yùn)動(dòng)件相承導(dǎo)面間的接觸 從而保證運(yùn)動(dòng)件按給定的方向作 直線運(yùn)動(dòng) 自封式又稱閉式 無需借助外力 而靠導(dǎo)軌本身的結(jié)構(gòu)形狀便朗保證運(yùn)動(dòng) 件部承導(dǎo)面間的接觸 本設(shè)計(jì)中采用的便是直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 導(dǎo)軌的作用是支承工作臺(tái)并且引導(dǎo)工作臺(tái)做 直線運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)軌要保證工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線度 導(dǎo)軌副應(yīng)滿足的基本要求 1 導(dǎo)向精度高 2 剛性好 3 精度的保持性 4 運(yùn)動(dòng)的靈活性和低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性 5 對(duì)溫度的敏感性和結(jié)構(gòu)工藝性 表 3 3 是對(duì)不同種類性能的比較 表 3 3 導(dǎo)軌性能的比較 XY 工作臺(tái)要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 導(dǎo)向精度高 不能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 為防止爬行現(xiàn)象的出現(xiàn) 可同時(shí)采取以下幾項(xiàng)措施 1 采用滾動(dòng)導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌 卸荷導(dǎo)軌 貼塑導(dǎo)軌等 2 在普通導(dǎo)軌上使用含有極性添加劑的導(dǎo)軌油 3 用減小結(jié)合面 增大結(jié)構(gòu)尺寸 縮短傳動(dòng)鏈 減少傳動(dòng)副等方法來提高傳 動(dòng)系統(tǒng)的剛度 3 3 2 導(dǎo)軌的選擇 由于靜壓導(dǎo)軌成本比較高 滑動(dòng)導(dǎo)軌精度不高而且容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象 而滾動(dòng)導(dǎo) 軌也能滿足本設(shè)計(jì)的要求 所以決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副 滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌式在運(yùn)動(dòng)件 和承導(dǎo)件之間放置滾動(dòng)體 滾珠 滾柱 滾動(dòng)軸承等 使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)處于滾動(dòng)摩擦 狀態(tài) 與滑動(dòng)導(dǎo)軌比較 它具有的特點(diǎn)是 1 摩擦系數(shù)小 并且靜 動(dòng)摩擦系數(shù)之差很小 故運(yùn)動(dòng)方便 不易出現(xiàn)爬行 現(xiàn)象 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的 1 50 由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù) 相差很小 運(yùn)動(dòng)靈活 可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少 90 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小 因此 發(fā)熱少 可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng) 提高機(jī)床的工作效率 20 30 2 定位精度高 一般滾動(dòng)導(dǎo)軌的重復(fù)定位誤差約為 0 1 0 2 m 而滑動(dòng)導(dǎo)軌定 位誤差一般為 10 20 m 因此 當(dāng)要求運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生精確微量的移動(dòng)時(shí) 通常采用滾動(dòng) 導(dǎo)軌 3 磨損較小 壽命長 潤滑簡便 4 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 加工比較困難 成本較高 5 對(duì)臟物及導(dǎo)軌面的誤差比較敏感 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用 3 3 3 導(dǎo)軌的計(jì)算 X Y 方向使用型號(hào)相同的導(dǎo)軌 其中 X 向?qū)к夐L度為 1500mm Y 方向?qū)к墳?3000mm 初選漢江機(jī)床廠生產(chǎn)的 HJG DA 系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 矩型滑塊 型號(hào)為 DA65C 其外形如圖 3 3 所示 參數(shù)如表 3 4 所示 圖 3 3 滾動(dòng)導(dǎo)軌外形圖 表 3 4 DA65C 導(dǎo)軌的參數(shù) 組件尺寸 滑塊尺寸 導(dǎo)軌尺寸 型號(hào) H W A B B 1 K C L1 L N E M 1 W 1 h1 d D h F DA65 C 90 31 5 126 76 25 76 70 147 198 16 16 M1 6 2 0 63 53 18 26 22 150 基本額定載荷 kN 允許靜力矩 N m 重量 動(dòng)載 C 靜載 C0 MA MB MC 滑塊 kg 導(dǎo)軌 kg m 129 6 197 1 3876 3876 6090 7 3 21 7 HJG DA 系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副采用四列圓弧接觸型結(jié)構(gòu) 具有差動(dòng)滑移量小 自 調(diào)整性高 承載大等特點(diǎn) 設(shè)計(jì)每個(gè)導(dǎo)軌座上采用兩根導(dǎo)軌 四個(gè)滑塊的安裝方法 如圖 3 4 所示 圖 3 4 導(dǎo)軌的安裝形式 下面對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行校核 1 滑塊承受工作載荷 Fmax 的計(jì)算 工作載荷是影響直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素 X Y 工作臺(tái)采用水平布置 利用雙導(dǎo)軌 四滑塊的支承形式 考慮最不利的情況 即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部 由一個(gè)滑塊承擔(dān) 則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為 3 1 FG 4max 其中 移動(dòng)部件重量 G 4500N 外加載荷 F 1500N 代入式 2 1 得最大工作載荷 導(dǎo)軌的額定壽命的計(jì)算 3 2 50 3max FCfLWRTH 式中 L 為額定壽命 km C a 為基本額定動(dòng)載荷 kN 從樣本中查取 F max 為最大工作載荷 f H 為硬度系數(shù) fT 為溫度系數(shù) f C 為接觸系數(shù) f R 為精度系數(shù) f W 為載荷系數(shù) 表 3 5 硬度系數(shù) fH 滾道硬度 HRC 50 55 58 64 fH 0 53 0 8 1 0 表 3 6 溫度系數(shù) fT 工作溫度 100 100 150 150 200 200 250 fT 1 00 0 90 0 73 0 60 表 3 7 接觸系數(shù) fC 每根導(dǎo)軌滑塊數(shù) 1 2 3 4 5 fC 1 00 0 81 0 72 0 66 0 61 ax50126 FNk 表 3 8 精度系數(shù) fR 精度等級(jí) 2 3 4 5 fR 1 0 1 0 0 9 0 9 表 3 9 載荷系數(shù) fW 工 況 無外部沖擊或震動(dòng)的 低速場合 速度小于 15m min 無明顯沖擊或振動(dòng)的 中速場合 速度為 15 60m min 有外部沖擊或振動(dòng)的 高速場合 速度大于 60m min fW 1 1 5 1 5 2 2 3 5 取硬度系數(shù) fH 1 0 工作臺(tái)工作溫度 100 所以取溫度系數(shù) fT 1 00 每根導(dǎo)軌上 滑塊數(shù)為 2 所以取接觸系數(shù) fC 0 81 精度等級(jí)為 4 所以精度系數(shù) fR 0 9 導(dǎo)軌工 作在無外部沖擊或震動(dòng)的低速場合 工作臺(tái)最快進(jìn)給速度速度小于 15m min 所以取 載荷系數(shù) fW 1 5 將以上數(shù)據(jù)代入式 3 2 解得 L 690726km 遠(yuǎn)大于預(yù)期的 50km 所以設(shè)計(jì)滿足 要求 2 4 滾珠絲杠和軸承的選擇 絲杠螺母機(jī)構(gòu)又稱螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅?線運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 有以傳遞能量為主的 如螺旋壓力機(jī) 千斤頂?shù)?也有以傳 遞運(yùn)動(dòng)為主的如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠 還有調(diào)整零件之問相對(duì)位置的螺旋傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)等 絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)之分 2 4 1 滑動(dòng)絲杠簡介 滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 加工方便 制造成本低 具有自鎖功能 但其摩擦 阻力矩大 傳動(dòng)效率低 30 40 磨損嚴(yán)重 壽命短 許多滑動(dòng)絲杠的導(dǎo)程精度都可以達(dá)到磨制螺桿的品質(zhì) 尤其是滾軋成型的精密滑 動(dòng)絲杠 比如 Kerk Motion 公司生產(chǎn)的那種 再配上以工程塑料制作的螺母部件 已 能夠超越滾珠絲杠的使用壽命 在某些應(yīng)用中 較低的傳動(dòng)效率反而成為滑動(dòng)絲杠的一種優(yōu)勢(shì) 在立式應(yīng)用或者 設(shè)計(jì)人員不希望絲杠被逆向驅(qū)動(dòng)的場合 滑動(dòng)絲杠能夠?qū)⒇?fù)載保持在原位 而無需使 用帶抱閘的電機(jī)或者系統(tǒng)中附加的摩擦制動(dòng)裝置 從原則上講 只要導(dǎo)程低于絲杠直 徑的三分之一 上述自鎖條件就能夠成立 滑動(dòng)絲杠螺母材料的選用原則可以基于溫 度條件 運(yùn)行 PV 壓力 速度 值 抗磨壽命要求 使用環(huán)境 以及成本等因素 例 如 可供選用的材料特性包括 從 50 到 150 的溫度允許范圍 高達(dá) 60 000psi fpm 的可用 PV 值 可提供 5 千萬英寸累計(jì)工作行程的反向間隙消除能力 免維護(hù)運(yùn) 行 以及可用于污染和惡劣環(huán)境等 2 4 2 滾動(dòng)絲杠簡介 常用的螺旋機(jī)構(gòu)中絲杠和螺母之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是滑動(dòng) 磨損較嚴(yán)重 影響傳動(dòng)精 度 壽命短 效率低 不能滿足高速度 高效率和高精度等傳動(dòng)要求 為了使運(yùn)動(dòng)靈敏 又能滿足精度要求 選用滾珠螺旋機(jī)構(gòu) 滾珠螺旋傳動(dòng)是在螺桿和螺母間放人適當(dāng)數(shù) 量的滾珠 使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳動(dòng)裝置 現(xiàn)采 用了間隙可調(diào)的滾珠絲杠傳動(dòng) 為使傳動(dòng)穩(wěn)定可靠 采用絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 螺母帶著工作臺(tái) 作移動(dòng)的傳動(dòng)形式 滾珠絲桿傳動(dòng)是由絲桿 螺母 滾珠和滾珠循環(huán)返回裝置四部分組成 如圖 3 5 所示 當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng) 為了防止?jié)L珠沿滾道面掉出來 螺母 上設(shè)有滾珠循環(huán)返回裝置 構(gòu)成了一個(gè)滾珠循環(huán)通道 滾珠從滾道的一端滾出后 沿著循環(huán)通道返回另一端 重新進(jìn)入滾道 從而構(gòu)成一閉合回路 1 返向器 2 螺母 3 絲杠 4 滾珠 圖 3 5 滾珠絲杠副 滾珠絲杠的滾道按法向截面的不同 分為單圓弧和雙圓弧兩種不同的形狀 如圖 3 7 所示 其中 單圓弧工藝簡單 雙圓弧性能較好 圖 3 6 滾珠絲杠外觀圖 a 單圓弧 b 雙圓弧 圖 3 7 螺紋滾道型面 滾珠絲桿傳動(dòng)除具有螺旋傳動(dòng)的一般特點(diǎn) 降速傳動(dòng)比大及牽引力大 外 與滑 動(dòng)絲桿傳動(dòng)相比較 具有以下特點(diǎn) 1 傳動(dòng)效率高 一般可達(dá) 90 以上 約為滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)效率的三倍 在伺服 控制系統(tǒng)中采用滾動(dòng)絲桿傳動(dòng) 不僅提高傳動(dòng)效率 而且可以減小啟動(dòng)力矩 顫動(dòng) 及滯后時(shí)間 2 傳動(dòng)精度高 由于摩擦力小 工作時(shí)螺絲桿的熱變形小 絲桿尺寸穩(wěn)定 并且經(jīng)調(diào)整預(yù)緊后 可得到無間隙傳動(dòng) 因而具有較高的傳動(dòng)精度 定位精度和軸 向剛度 3 具有傳動(dòng)的可逆性 但不能自鎖 用于垂直升降傳動(dòng)時(shí) 需附加制動(dòng)裝置 4 制造工藝復(fù)雜 成本較高 但使用壽命長 維護(hù)簡單 鋼球滾動(dòng)接觸處均 經(jīng)硬化 HRC58 63 處理 并經(jīng)精密磨削 循環(huán)體系過程純屬滾動(dòng) 相對(duì)對(duì)磨損 甚微 故具有較高的使用壽命和精度保持性 5 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)為點(diǎn)接觸滾動(dòng)運(yùn)動(dòng) 工作中摩擦阻力小 靈 敏度高 啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng) 低速時(shí)無爬行現(xiàn)象 因此可精密地控制微量進(jìn)給 6 同步性好 由于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 反應(yīng)靈敏 無阻滯 無滑移 用幾套相同的滾 珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置 可以獲得很好的同步效果 7 高可靠性 與其它傳動(dòng)機(jī)械 液壓傳動(dòng)相比 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)故障率很 低 維修保養(yǎng)也較簡單 只需進(jìn)行一般的潤滑和防塵 在特殊場合可在無潤滑狀態(tài) 下工作 8 無背隙與高剛性滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)采用歌德式 Gothic arch 溝槽形狀 使 鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸以便輕易運(yùn)轉(zhuǎn) 若加入適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力 消除軸向間隙 可使 滾珠有更佳的剛性 減少滾珠和螺母 絲杠間的彈性變形 達(dá)到更高的精度 滾珠絲杠螺母副的缺點(diǎn)是 1 制造工藝復(fù)雜 成本高 滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高 表面 粗糙度要求也高 故制造成本高 2 沒有自鎖能力 在垂直升降系統(tǒng)或高速大慣量系統(tǒng)中必須有制動(dòng)機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠的循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán) 外循環(huán)是在循環(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(jìn)入循環(huán) 其結(jié)構(gòu)如圖 3 8 所示 圖 3 8 a 所示為螺旋槽式 它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(fù)雜 圖 3 8 b 所示為插管式 它用彎管作為返回管道 這種結(jié)構(gòu) 的工藝性好 但由于管道突出于螺母體外 徑向尺寸較大 外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單 使用較廣泛 其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做的平滑 影響滾珠滾道的平穩(wěn)性 甚至發(fā)生卡珠現(xiàn)象 噪聲也較大 圖 3 8 外循環(huán)示意圖 a 螺旋槽式 1 套筒 2 螺母 3 滾珠 4 擋珠器 5 絲杠 b 插管式 1 彎管 2 壓板 3 絲杠 4 滾珠 5 滾道 內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán) 反相器有兩種類型 圓柱凸槽反相 器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi) 端部開有反向槽 反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定 位 以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向 扁圓鑲塊反向器為一半圓頭平鍵鑲塊 鑲塊嵌入螺母 的切槽中 其端部開有方向槽 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 但這種反向器對(duì)外輪廓和螺母上 的切槽尺寸精度要求較高 其結(jié)構(gòu)如圖 3 9 所示 內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)是徑向尺寸緊湊 剛性好 因其返回滾道較短 故摩擦損 失小 它適用于高靈敏度 高精度傳動(dòng) 不宜用于重載傳動(dòng) 其缺點(diǎn)是反向器加工困 難 1 凸鍵 2 3 反向鍵 圖 3 9 內(nèi)循環(huán)示意圖 2 4 3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算 本設(shè)計(jì)選用滾珠絲杠傳動(dòng) 下面進(jìn)行絲杠的選型計(jì)算 1 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 Ph 3 3 maxhvPin 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)與絲杠直聯(lián) i 1 v max 10m min n max 1000r min 代入式 3 3 得 Ph 10mm 2 最大工作載荷 Fm 的計(jì)算 由于本設(shè)計(jì)的 X Y 移動(dòng)滑臺(tái)用于高能電子束焊機(jī) 所以工作臺(tái)只有垂直載荷 沒有切屑力 所以絲桿最大軸向力 Fm G 表 3 10 最大工作載荷 Fm 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù) 導(dǎo)軌類型 實(shí)驗(yàn)公式 K 矩形導(dǎo)軌 GKyzxm 1 1 0 15 燕尾導(dǎo)軌 2xzy1 4 0 2 三角形或綜合導(dǎo) 軌 Fzxm1 15 0 15 0 8 其中 是導(dǎo)軌摩擦因數(shù) 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦因數(shù)取 0 05 G 為工作臺(tái)移動(dòng)部件 和載荷的總重量 G 6000N Fm G 0 05 6000N 300N 3 最大動(dòng)載荷 FQ 的計(jì)算 取滾珠絲杠的使用壽命 T 20000h 代入 L0 60nT 106 得絲杠壽命系數(shù) L0 1200 3 4 30amWHmCLfF 式中 L 0 滾珠絲杠副的壽命 單位 10 6r L 0 60nT 106 其中 T 為使用壽命 普通機(jī)械取 T 5000 10000h 數(shù)控機(jī)床及一般機(jī)電設(shè)備取 T 15000h n 為絲杠每分鐘 轉(zhuǎn)速 fW 載荷系數(shù) 由表 3 11 查得 fH 硬度系數(shù) 58HRC 時(shí) 取 1 0 等于 55HRC 時(shí) 取 1 11 等于 52 5HRC 時(shí) 取 1 35 等于 50HRC 時(shí) 取 1 56 等于 45HRC 時(shí) 取 2 40 Fm 滾珠絲杠副的最大工作載荷 單位為 N 表 3 11 滾珠絲杠載荷系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 載荷系數(shù) fW 平穩(wěn)或輕度沖擊 1 0 1 2 中等沖擊 1 2 1 5 較大沖擊或振動(dòng) 1 5 2 5 載荷系數(shù) fw 1 2 滾道硬度為 60HRC 時(shí) 取硬度系數(shù) fH 1 0 代入式 3 4 得3120 30825 7amCN 4 估算絲杠變形量和最小螺紋底徑 估算絲杠允許的最大軸向變形量可根據(jù)以下公式 3 5 1 3 4 m 定 位 精 度 已知本設(shè)計(jì)要求直線度 0 2 1000 行程為 2000mm 所以定位精度為 根據(jù)以上40m 公式計(jì)算 0 估算最小螺紋底徑 取兩端支承的支承形式 3 6 000mm1 39zzmFLFLdE 12 14 P230z hm 行 程 摩擦力 F0 300N 將數(shù)據(jù)代入式 3 6 得 d0m 10 24mm 5 確定滾珠絲杠的規(guī)格代號(hào) 選擇內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭 直通雙螺母型墊片預(yù)緊形式 由計(jì)算出的 Ph C am d 0m 查表選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠螺母副 DGC GD3210 3 其參數(shù)如圖 3 10 和表 3 12 所示 圖 3 10 滾珠絲杠螺母副 表 3 12 滾珠絲杠螺母副 DGC GD3210 3 參數(shù) 滾珠絲杠尺寸 mm 鋼球 直徑 mm 額定載荷 N 公稱 直徑 公稱 導(dǎo)程 外徑 滾珠絲杠型號(hào) d0 Ph d Dw 循環(huán)列 數(shù) 圈 數(shù) 動(dòng)載 Ca 靜載 C0a DGC GD3210 3 32 10 31 5 953 3 3 25988 52565 螺母安裝尺寸 mm D1 D D4 L E B M 1dD6 D5 h 53 90 71 140 5 15 8 M6 15 9 9 此型號(hào)的滾珠絲杠 Ph 10 C a 25988N C am 3825 57N d 2 26 047mm d 2m 10 24mm 滿足設(shè)計(jì)要求 6 確定滾珠絲杠的預(yù)緊力 3 7 max13PF 其中 F max 300N 則 FP 100N 7 預(yù)拉伸力 滾珠絲杠在工作時(shí)會(huì)發(fā)熱 其溫度高于機(jī)床 絲杠的熱膨脹將使導(dǎo)程加大 影響 定位精度 為了補(bǔ)償熱膨脹 可將絲杠預(yù)拉伸 預(yù)拉伸量應(yīng)略大于熱膨脹量 發(fā)熱后 熱膨脹量抵消了部分預(yù)拉伸量 使絲杠內(nèi)的拉應(yīng)力下降 但長度卻沒有變化 需進(jìn)行 預(yù)拉伸的絲杠在制造時(shí)應(yīng)使其目標(biāo)行程 螺紋部分在常溫下的長度 等于公稱行程 螺紋部分的理論長度等于公稱導(dǎo)程乘以絲杠上的螺紋圈數(shù) 減去預(yù)拉伸量 拉伸后 恢復(fù)公稱行程值 減去的量稱為 行程補(bǔ)償值 3 8 221 954tIAEdFTTdL 式中 預(yù)拉伸力 N tF L 安裝間距 mm d2 滾珠絲杠螺紋底徑 mm E 彈性模量為 2 1 105N mm2 溫度變化值 2 3 這里取 2 5 T 將數(shù)據(jù)代入式 3 8 算得 Ft 4992N 8 確定滾珠絲杠支承用的軸承規(guī)格型號(hào) 1 軸承所承受的最大軸向載荷 FBmax Ft Fmax 4992 300N 5292N 2 選擇軸承類型 滾珠絲杠采用的是兩端支承的支承方式 所以絲杠的兩端各采用一對(duì)推力角接觸 球軸承反裝 角接觸球軸承具有極限轉(zhuǎn)速高 剛性好 成本低 精度高等特點(diǎn) 是高 速精密轉(zhuǎn)軸的理想支承 由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 角接觸球軸承的工作是通過滾珠與滾道間 的滾動(dòng)接觸來完成的 屬于點(diǎn)接觸工作形式 接觸疲勞是角接觸球軸承失效的主要形 式 角接觸球軸承可同時(shí)承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷 能在較高的轉(zhuǎn)速下工作 接觸角 越大 軸向承載能力越高 高精度和高速軸承通常取 15 度接觸角 在軸向力作用下 接觸角會(huì)增大 單列角接觸球軸承 機(jī)床主軸 高頻馬達(dá) 燃汽輪機(jī) 離心分離機(jī) 小型汽車前輪 差速器小齒輪軸 雙列角接觸球軸承 油泵 羅茨鼓風(fēng)機(jī) 空氣壓縮機(jī) 各類變速器 燃料噴射泵 印刷機(jī)械 3 確定軸承內(nèi)徑 d D 略小于 d2 26 47mm 取 d 25mm 4 確定軸承預(yù)緊力 FBP 1 3FBmax 1764N 則預(yù)加載荷 FBP 5 選擇軸承型號(hào) 選擇型號(hào)為 7205B 的角接觸球軸承 9 滾珠絲杠工作圖設(shè)計(jì) 1 絲杠螺紋長度 Ls Lu 2Le 由表查得余程 Le 40mm 則 Ls 2206 2 40 2286mm 2 兩支承的距離 L1 2310mm 全長 L 2360mm 3 行程起點(diǎn)離固定支承的距離 L0 L0 130mm 10 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 1 絲杠抗壓剛度 絲杠最小抗壓剛度 Ksmin 2min16 0 sdNmL 絲杠最小抗壓剛度 Ksmax 22ax010 957 4s 2 支承軸承的組合剛度 一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度 3 9 2530max 4sinBQdzF Famax 是預(yù)加載荷的 3 倍 d Q 6 85 z 13 40 F amax 5292N 將數(shù)據(jù)代入式 3 9 算得 KB0 410N m 支承軸承組合剛度 滾珠絲杠為兩端支承的支承方式 則 Kb KB0 410 N m 滾珠絲杠滾珠和滾道的接觸剛度 3 10 130 PcaFKC 由表查得滾珠絲杠的 973N m C a 25988N FP 100N 將數(shù)據(jù)代入式 3 10 算得c Kc 328N m 11 剛度驗(yàn)算及精度選擇 3 11 minin11sbcK 得 min195K 3 12 maxax11sbcK 得 max153K F0 300N 1 驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度 3 13 0min1 6FK 反 向 差 值 反向差值取 10 m 得 Kmin 95 48 2 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 3 14 k0minax1FK 得 k1 97m 3 確定精度 V300p 0 8 定位精度 k 定位精度為 20 m 1000 V300p 15 04 m 絲杠精度為 3 級(jí) V300p 12 m 15 04 m 12 壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠是屬于受軸向力的細(xì)長桿 如果軸向負(fù)載過大 則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象 失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 Fk 應(yīng)滿足 3 15 mkKaEIf 2 式中 Fk 臨界載荷 單位 N fk 絲杠支承系數(shù) 如表所示 K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) 一般取 2 5 4 垂直安裝時(shí)取小值 A 滾珠絲杠兩端支承間的距離 單位為 mm 表 3 13 絲杠支承系數(shù) fk 方式 雙推 自由 雙推 簡支 雙推 雙推 單推 單推 fk 0 25 2 4 1 查表 3 12 取 fk 1 由絲杠底徑 d2 26 47mm 求得截面慣性矩 44 6208 Idm 壓桿穩(wěn)定系數(shù) K 取 3 絲杠臥式水平安裝 滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離 a 取最大值 2300mm 代入式 3 15 得臨界載荷 遠(yuǎn)大于工作載荷 2521 0486 312 43kFN Fm 300N 故絲杠不會(huì)失穩(wěn) 綜上所述 初選的滾珠絲杠副滿足使用要求 3 4 4 滾珠絲杠的安裝 數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)要獲得較高的傳動(dòng)精度 除了加強(qiáng)滾珠絲杠螺母副本身的剛 度以外 滾珠絲杠的正確安裝及支撐結(jié)構(gòu)的剛度也是不可忽視的因素 滾珠絲杠常用 推力軸承支座 以提高軸向剛度 當(dāng)滾珠絲杠的軸向負(fù)載很小時(shí) 也可以用角接觸球 軸承支座 滾珠絲杠在數(shù)控機(jī)床的安裝支撐方式有以下幾種 1 一端裝推力軸承 如圖 3 11 a 所示 這種安裝方式的承載能力小 軸向剛度低 只適用于短絲杠 一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的立向軸 2 一端裝推力軸承 一端裝向心球軸承 如圖 3 11 b 所示 這種方式可用于絲杠 較長的情況 應(yīng)將推力軸承遠(yuǎn)離液壓電動(dòng)機(jī)等熱元件及絲杠上的常用段 以減少絲杠 熱變形的影響 3 兩端裝推力軸承 如圖 3 11 c 所示 把推力軸承裝在滾珠絲杠的兩端 并施加 預(yù)緊的拉力 這樣有助于提高剛度 但這種安裝方式對(duì)絲杠的熱變形較為敏感 軸承 的壽命較兩端裝推力軸承及向心球軸承方式低 4 兩端裝推力軸承及向心球軸承 如圖 3 11 d 所示 為使絲杠具有最大的剛度 它的兩端可用雙重支撐 即使可用雙重支撐 即推力軸承加向心軸承 并施加預(yù)緊拉 力 這種結(jié)構(gòu)方式不能精確地預(yù)先測定預(yù)緊力 預(yù)緊力的大小是由絲杠的溫度變形轉(zhuǎn) 化而產(chǎn)生的 但設(shè)計(jì)時(shí)要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度 a b c d 圖 3 11 滾珠絲杠的支承方式 圖 3 12 簡易單推 單推式支承 如圖 3 12 所示 本次設(shè)計(jì)滾珠絲杠副采用簡易單推 單推式支承 止推軸承在兩端 并施加預(yù)緊力 特點(diǎn) 軸向剛度較高 保證了工作臺(tái)的精度 預(yù)緊力大 安裝簡單 維護(hù)方便 3 4 5 滾珠絲杠螺母副的間隙消除 滾珠絲杠螺母副的間隙是軸向間隙 它是指絲杠和螺母無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 絲杠和螺 母之間的最大軸向竄動(dòng)量 除了結(jié)構(gòu)本身所有的游隙之外 還包括施加軸向載荷后絲 杠產(chǎn)生彈性變形所造成的軸向竄動(dòng)量 為了保證反向傳動(dòng)精度和軸向剛度 必須消 除軸向間隙 在用預(yù)緊方法消除間隙時(shí) 應(yīng)注意預(yù)加載荷能夠有效地減少彈性變形所 帶來的軸向位移 但預(yù)緊力不宜過大 過大的預(yù)加載荷將增加摩擦力 使傳動(dòng)效率降 低 縮短絲杠的使用壽命 所以一般需要經(jīng)過多次調(diào)整才能保證機(jī)床在最大軸向載荷 下既能消除間隙 又能靈活運(yùn)轉(zhuǎn) 為了保證滾珠絲杠的傳動(dòng)精度和軸向剛度 必須消除滾珠絲杠螺母副的軸向間隙 除了少數(shù)用微量過盈滾珠的單螺母消除間隙外 常采用雙螺母結(jié)構(gòu) 利用兩個(gè)螺母的 相對(duì)軸向位移 使兩個(gè)滾珠絲杠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面 上 用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí) 應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大 否則會(huì)使空載力矩增 加 從而降低傳動(dòng)效率 縮短使用壽命 常用的絲杠螺母副消除間隙的方法有單螺母調(diào)隙和雙螺母調(diào)隙兩類 本設(shè)計(jì)選擇 的滾珠絲杠采用了雙螺母調(diào)隙的方法 雙螺母調(diào)隙的方法又分為墊片調(diào)隙式 螺紋調(diào)整式和齒差調(diào)隙式 圖 3 13 所示為雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 調(diào)整墊片厚度使左右兩螺母產(chǎn)生軸向位移 即可消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力 這種方法結(jié)構(gòu)簡單 剛性好 但調(diào)整不便 滾道有磨損 時(shí)不能隨時(shí)消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊 圖 3 13 雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 圖 3 14 所示為雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 它是用鍵限制螺母在螺母座內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng) 調(diào) 整時(shí) 擰動(dòng)圓螺母將螺母沿軸向移動(dòng)一定距離 在消除間隙之后用圓螺母將其鎖緊 這種方法結(jié)構(gòu)簡單緊湊 調(diào)整方便 但調(diào)整精度較差 且易于松動(dòng) 1 2 鎖緊螺母 圖 3 14 雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 圖 3 15 所示為齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 螺母 1 和 2 的凸緣上各制有一個(gè)圓柱外齒輪 兩 個(gè)齒輪的齒數(shù)相差一個(gè)齒 兩個(gè)內(nèi)齒圈 3 和 4 與外齒輪齒數(shù)分別相同 并用預(yù)緊螺釘 和銷釘固定在螺母座的兩端 調(diào)整時(shí)先將內(nèi)齒圈取下 根據(jù)間隙的大小調(diào)整兩個(gè)螺母 1 2 分別相同的方向轉(zhuǎn)過一個(gè)或多個(gè)齒 使兩個(gè)螺母在軸向移近了相應(yīng)的距離達(dá)到調(diào) 整間隙和預(yù)緊的目的 圖 3 15 雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)選擇的滾珠絲杠為雙螺母型墊片預(yù)緊形式 3 4 6 滾珠絲杠螺母副的防護(hù) 滾珠絲杠螺母副和其他滾動(dòng)摩擦的傳動(dòng)元件一樣 要避免磨料微粒及化學(xué)活性物 質(zhì)進(jìn)入 滾道中若落入了贓物 不僅會(huì)妨礙滾珠的正常運(yùn)轉(zhuǎn) 而且會(huì)使磨損加劇 對(duì) 于制造誤差和預(yù)緊變形量以微米級(jí)的滾珠絲杠螺母副來說 對(duì)這種摩擦?xí)貏e敏感 因此有效的防護(hù)密封和保持潤滑油的清潔是非常重要的 滾珠絲桿螺母副通常采用毛氈圈對(duì)螺母進(jìn)行密封 毛氈圈的厚度為螺距的 2 3 倍 而且內(nèi)孔做成螺紋的形狀 緊密地包住絲杠 并裝入螺母或套筒兩端的槽孔內(nèi) 密封 圈除了采用柔軟的毛氈外 還可以采用耐油橡皮或尼龍材料 由于密封圈和絲杠直接 接觸 因此防塵效果較好 但也增加了滾珠絲杠副的摩擦阻力矩 為了避免這種摩擦 阻力矩 可以采用由硬質(zhì)塑料制成的非接觸式迷宮密封圈 內(nèi)孔做成與絲杠螺紋滾道 相反的形狀 并留有一定間隙 滾珠絲杠螺母副常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類 潤滑油要經(jīng)常通過注油孔 注油 潤滑脂一般在安裝過程中放進(jìn)滾珠螺母的滾道內(nèi) 為定期潤滑 良好的潤滑可 提高耐磨性及傳動(dòng)效率 從而保持傳動(dòng)精度 延長使用壽命 3 5 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3 5 1 步進(jìn)電機(jī)簡介 步進(jìn)電機(jī)