【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電無(wú)自鎖。 （ 2） 永磁式步進(jìn)電機(jī)：動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本高。步距角大，與之配套的驅(qū)動(dòng)電源一般要求具有細(xì)分功能。斷電后可以自鎖。 （ 3） 混合式步進(jìn)電機(jī)：輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、驅(qū)動(dòng)電流小、電動(dòng)機(jī)不易發(fā)熱、步距角小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相對(duì)較高。綜合比較性價(jià)比較高，所以目前得到廣泛的應(yīng)用。 本次設(shè)計(jì)選擇為混合式步進(jìn)電機(jī)，可滿足設(shè)計(jì)要求。 圖 21 步進(jìn)電機(jī) 2. 2 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的選擇 滾動(dòng)導(dǎo)軌副是應(yīng)用最多的直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支撐的部件，多用于精密機(jī)床，數(shù)控懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 機(jī)床和測(cè)量?jī)x器等。按其機(jī)構(gòu)形式可分為滾動(dòng)體循環(huán)和滾動(dòng)體步循環(huán)的滾動(dòng)導(dǎo)軌服。滾動(dòng)體循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副行程長(zhǎng)度不受限制，因此多用于行程長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)精度和行程精度較高的場(chǎng)合。滾動(dòng)體不循環(huán)的直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)導(dǎo)軌副多用于載荷 較大，行程較短的場(chǎng)合 圖 22 直線導(dǎo)軌 2. 3 機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇 常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)及各種非線性傳動(dòng)部件等。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大的影響，特別是傳動(dòng)類(lèi)型，傳 動(dòng)方式，傳動(dòng)剛性及傳動(dòng)的可靠性對(duì)系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性和快速反映性有重大影響。因此，應(yīng)選擇傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)扭矩大的運(yùn)動(dòng)部件。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求 ,經(jīng)過(guò)在齒輪、帶輪、纜繩、杠桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、渦輪、鏈條、絲杠螺母等之間的性能比較 .絲杠螺母符合要求 , 而絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦和滾動(dòng)摩擦之分。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，但其具有的運(yùn)動(dòng)優(yōu)越性使之得到廣泛的應(yīng)用。 綜上所述 ,本次設(shè)計(jì)選用滾動(dòng)絲杠螺母作為其機(jī)械傳動(dòng)部件。 圖 23 滾珠絲杠螺母副 結(jié)構(gòu)件圖 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 與普通絲杠螺母副相比，滾珠絲杠螺母副其有一下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)效率可達(dá)到 92%~98%，是普通絲杠螺母副傳動(dòng)的 2~4 倍。 （ 2）摩擦力小，因?yàn)閯?dòng)、靜摩擦因數(shù)相差小，因而傳動(dòng)靈敏，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低 速不易產(chǎn)生爬行，隨動(dòng)精度和定位精度高。 （ 3）使用壽命長(zhǎng)，滾珠絲杠副采用優(yōu)質(zhì)合金制成，其滾道表面淬火硬度高達(dá) 60~62HRC，表面粗糙度值小，故磨損很小。 （ 4）經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙，提高系統(tǒng)的剛度。 （ 5）反向運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)空行程，可以提高軸向運(yùn)動(dòng)精度。 （ 6）滾動(dòng)摩擦因數(shù)小，不能實(shí)現(xiàn)自鎖，用于垂向位置時(shí)，為防止突然停、斷電而造成主軸箱下滑，必須設(shè)置制動(dòng)裝置。 圖 24 滾珠絲杠副 2. 4 支承方式的選擇 了獲得高精度，高剛度的進(jìn)給系統(tǒng)，不僅應(yīng)選用合適的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠副的支撐設(shè)計(jì)，應(yīng)選用轉(zhuǎn)動(dòng)精度高，軸向剛度高，摩擦力矩較小的滾動(dòng)軸承。圖示軸承特性圖。 表 2— 1絲杠支撐滾動(dòng)軸承特點(diǎn)比較 滾動(dòng)軸承類(lèi)型 軸向剛度 軸承安裝 預(yù)緊調(diào)整 摩擦力矩 60176。推力角接觸球軸承 大 簡(jiǎn)單 不需要 小 雙向推力角接觸球軸承 中 簡(jiǎn)單 不需要 小 圓錐滾子軸承 小 簡(jiǎn)單 如內(nèi)圓之間有隔圈則，不需要 大 滾針和推力滾子組合軸承 特大 簡(jiǎn) 單 不需要 特大 深溝球軸承和推力球軸承組合使用 大 復(fù)雜 麻煩 小 上表個(gè)軸承中用的最多的是 60176。接觸角推力角接觸球軸承，其特點(diǎn)有： （ 1） 接觸角大、軸向載荷能力大、剛度大。 （ 2） 能承受軸向和徑向載荷，可簡(jiǎn)化軸承支座結(jié)構(gòu)。 （ 3） 根據(jù)載荷情況，軸承可以進(jìn)行組合。 （ 4） 可根據(jù)購(gòu)貨方要求的預(yù)緊力由滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家組配好成組供應(yīng)。 （ 5） 啟動(dòng)摩擦力矩小，可以降低滾珠絲杠副的驅(qū)動(dòng)功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 靈敏度。 推力角接觸軸承的組配方式： （ 1） 背靠背組配：有效支點(diǎn)距離增大，可以承受雙向軸向載荷和徑向載荷，并且有較大的承受傾斜力矩的能力 （ 2） 面對(duì) 面組配：軸承間的有效支點(diǎn)距離減小，可以承受雙向軸向載荷和徑向載荷，但承受傾斜力矩的能力差，并較大降低了軸承極限轉(zhuǎn)速。一般用于需要精密調(diào)心的場(chǎng)合。 （ 3） 串聯(lián)組配：除承受徑向載荷外，只能承受單向軸向載荷，且裝配繁瑣。 滾珠絲杠副的支撐形式： 支撐應(yīng)限制絲杠的軸向竄動(dòng)，較短的絲杠或垂直安裝的絲杠，可以一端固定，一端自由的裝配方式。水平安裝絲杠較長(zhǎng)時(shí)，可以一端固定，一端游動(dòng)的裝配方式。對(duì)于精密和高精度的機(jī)床，為了提高絲杠的拉壓剛度，可采用兩端固定，并進(jìn)行預(yù)緊拉伸的裝配方式。 本次設(shè)計(jì)所選用的是：一端固定，一端游動(dòng)的支撐 結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)為： （ 1） 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的一端固定一端自由型的要高。 （ 2） 絲杠有熱膨脹余地。 （ 3） 適于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠。 綜合上述分析，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其支撐的選擇為：采用 FFB型滾珠絲杠螺母副，一端固定（ 60176。角接觸推力球軸承，背對(duì)背裝配），以端游動(dòng)（深溝球軸承裝配）的支撐方式。 圖 25 角接觸球軸承和深溝球軸承 2. 5 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是一種常用的機(jī)械傳動(dòng)裝置，主要用來(lái)連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)部件）以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。此外，聯(lián)軸器還具有補(bǔ)償兩端軸的相對(duì)位移，緩沖和減震，以及安 全防護(hù)等功能。由于制造及安裝誤差等影響，通常根據(jù)各種相對(duì)位移有無(wú)補(bǔ)償能力，將聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器（無(wú)補(bǔ)償）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩類(lèi)。 剛性聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，但傳遞扭矩不大，緩沖和減震效果不好。 撓性聯(lián)軸器：有些結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，但可傳遞較大的扭矩，可有利低消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)剛度。緩沖和減震效果明顯。 當(dāng)傳遞小轉(zhuǎn)矩時(shí)，可選用小型撓性聯(lián)軸器。本次設(shè)計(jì)選用專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)的小型撓性聯(lián)軸器，既有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易等特點(diǎn)，也可滿足緩沖和減震的效果。如圖所示 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 圖 26 小型撓性聯(lián)軸器 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3 機(jī)械傳動(dòng)部分 設(shè)計(jì) 3. 1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 3. 1. 1 確定步進(jìn)電機(jī)的步距角和導(dǎo)程 設(shè)絲杠導(dǎo)程 P=5，則 360 p??? ? （ 41） 360 ? ?? 則 ?? 3. 1. 2 確定精度和校驗(yàn)速度 則選擇 1??? ，由式 41得 1 5 0 .0 1 3 9360?? ? ? ? m a x 60 0. 01 39 80 00 60 66 72 / m inV f m m?? ? ? ? ? ? ? ? F=8000Hz額定負(fù)載下的工作頻率（查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 表 ） 而切割速度 75 0 / minV mm? maxVV? 3. 1. 3 確定電機(jī) 查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)得 電機(jī)選擇為 90BF 1— 5 圖 41 電機(jī) 外形 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 表 41 步進(jìn)電機(jī) BF 數(shù)據(jù) 3. 2 Y 向滾珠絲杠副的驗(yàn)算 3. 2. 1 絲杠初選型號(hào) 設(shè) Y 軸工作臺(tái)的最大重量 my=20kg，絲杠的工作長(zhǎng)度為 1200yl mm? ,絲杠材料為 CrWMn鋼，滾到硬度為 58~62HRC，工作臺(tái)與滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù) u=，使用壽 命為 40000hLh? 左右。 4. 2. 1. 1 確定轉(zhuǎn)速 最大進(jìn)給速度 V=1000mm/min 時(shí)間比列 q=30% 平均進(jìn)給速度 V=750mm/min 時(shí)間比列 q=70% 確定絲杠導(dǎo)程 P=5mm 則有 m a xm a x 1 0 0 0 / m in 2 0 0 / m in5V m mnrP m m? ? ? 11 7 5 0 / m in 1 5 0 / m in5V m mn m mP m m? ? ? 3. 2. 1. 2 計(jì)算絲杠載荷 導(dǎo)軌摩擦力： 0. 03 20 10 6uyF um g N N? ? ? ? ? 移動(dòng)載荷： 6y uyF F N?? 3. 2. 1. 3 計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 21m a x 11 0 0 1 0 0m qqn n n?? （ 42） 3 0 7 0( 2 0 0 1 5 0 ) / m in1 0 0 1 0 0mynr? ? ? ?=185r/min 3. 2. 1. 4 計(jì)算當(dāng)量負(fù)荷 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3 3 3 31 1 m a x 2 33 1 5 0 / m in 3 0 2 0 0 / m in 7 06 6 61 0 0 1 0 0 1 8 5 / m in 1 0 0 1 8 5 / m in 1 0 0mmmn q n q r rF F F Nn n r r? ? ? ? ? ? ? ? ? 則 1. 2 1. 0 1. 0 6 7. 2c y F H A mF K K K K N N? ? ? ? ? ? 上式中查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表 26 FK =，查表27 HK =，查表 28 AK =。 3. 2. 1. 5 初選滾珠絲杠 計(jì)算額定載荷 341 .6 7 1 0mhacnLCF? ?? （ 43） 則 341 8 5 4 0 0 0 07 .2 5 4 .8 91 .6 7 1 0ayC N N????? 根據(jù)所選的絲杠 DIK 20226型的滾珠絲杠動(dòng)載荷 aC =8500N55N符合要求。 DIK 16056型絲杠參數(shù)如下： 公稱(chēng)直徑： 20yD mm? 導(dǎo)程： P=5mm 螺旋角： ,433?? 滾珠直徑： 0 mm? 3. 2. 2 穩(wěn)定性驗(yàn)算 3. 2. 2. 1 絲杠是否失穩(wěn) 一端軸向固定受壓縮的滾珠絲杠進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核計(jì)算 。 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷稱(chēng)為臨界壓縮載荷 ： ? ?2110cf E JF K NL?? （ 44） 式中： E材料的拉，壓彈性模量，鋼的 E= 11 10 /Nm? J絲杠軸最小載面慣性矩 ? ?4m ， 4264Jd?? 2d 絲杠螺紋底 2 0 01 .2 2 0 1 .2 2 .5 7 5 1 6 .9 1d D d m m? ? ? ? ? ? 懸臂式數(shù)控火焰切割機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 0D 絲杠螺紋公稱(chēng)直徑 0d 滾珠直徑 0L 最大受壓長(zhǎng)度 ? ?mm 1f 絲杠之承方式系數(shù)（查表 ，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 1f =2） 1K 安全系數(shù)，1 13K? 將個(gè)值帶入式中可簡(jiǎn)化得： ? ? 4341 0 4122 3 202 1 6 .9 1 1 03 .4 1 0 3 .4 1 0 3 8 6 1 .1 9( 1 2 0 0 1 0 )cfdFNL????? ? ? ? ? ?? 安全系數(shù) 3