【文章內(nèi)容簡介】 100 ㎜； (3)快速定位速度 1000 ㎜ /min；進(jìn)給速度 50~100 ㎜ /min； (4)加速度 ； (5)切削力約 100N； (6)工件夾具約 25 ㎏ ； 加工材料為碳鋼 工作臺臺面尺寸 230mm 230mm X、 Y 方向定位精度 XY 方向的脈沖當(dāng)量均為 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 工作臺的外形尺寸 根據(jù)工作臺面尺寸和加工范圍。 磨齒 工作臺外觀圖 大致 如下 ： 圖 2． 1 磨齒工作臺外觀圖 X 方向工作臺尺寸的確定： X 向托板（上托板）的尺寸：長寬高 上導(dǎo)軌（ X 向） 取動 導(dǎo)軌長度 動導(dǎo)軌行程 支承導(dǎo)軌長度 Y 方向工作臺尺寸的確定： Y 向托板（下托板）的尺寸：長寬高 600mm 230mm 30mm 下 導(dǎo)軌（ Y 向） 取動導(dǎo)軌長度 250BL mm? mmmm 50230mm230 ??mmlB 230?mml 250?mm l l L B 480 ? ? ? 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 7 頁 動導(dǎo)軌行程 100l mm? 支承導(dǎo)軌長度 350bL l l mm? ? ? 機(jī)械傳動部件的選擇 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)數(shù)控工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。 絲杠螺母副的選用 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足 沖當(dāng)量和 ? mm 的定位精度，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽 命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 伺服電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 ，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有因此 1000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的 伺服 電動機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動機(jī)。以降低成本，提高性價比。 控制系統(tǒng) 的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。 設(shè)計(jì)參數(shù)所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說 尚可以達(dá)到 ，決定采用 開 環(huán)控制， 以降低成本。 考慮到 X、 Y 兩個方向的加工范圍不是很大 ，承受的工作載荷相差 也 不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量， X、 Y 兩個坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機(jī)擬采用相同的型號與規(guī)格。 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)的 XY 工作臺準(zhǔn)備用在 磨床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位 ，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。 2）對于步進(jìn)電動機(jī)的 開 環(huán)控制，選用 S7200PLC 作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足 相關(guān)指標(biāo) 。 3）要設(shè)計(jì)一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴(kuò)展程序存儲器， 便于 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 存儲編寫程序 。 4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。 系統(tǒng)總體框圖 圖 2． 2 系統(tǒng)總體框圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 3 機(jī)械設(shè)計(jì)部分 工作臺重量初步估算 重量估計(jì)： W 下 = 夾具及工件重量： XY 工作臺運(yùn)動部分重量： 磨 削力的計(jì)算 根據(jù)已知的數(shù)據(jù)可知，磨床使用碗形砂輪 D=200mm，轉(zhuǎn)速為 1400r/min，磨床的額定功率為 3KW,帶傳動的機(jī)械效率η =， 計(jì)算砂輪的磨削力。 砂輪轉(zhuǎn)速 n=1400 =1152 r/min 根據(jù)公式 可知，代入 數(shù)值 V= 由 P=FV可知 計(jì)算工作時砂輪對于工作臺的縱向力 ，和橫向力 由 圖 32 可知 ?XW 23 ?????? ?? 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 10 頁 圖 3． 1 受力分析圖 滾動導(dǎo)軌的選用 導(dǎo)軌長度： 在工作臺外形尺寸初步估算中我們得到 X 方向?qū)к夐L度為 480mm， Y方向?qū)к夐L度為 350mm?？紤]到工作行程應(yīng)該留有一定余量，選取導(dǎo)軌的長度均為600mm 此時工作臺的重量如下： 導(dǎo)軌工作負(fù)載計(jì)算 導(dǎo)軌基本額定動負(fù)載的計(jì)算 ： 根 據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇 由濟(jì)寧博特公司生產(chǎn) KL 系列的 JSALG15 型 導(dǎo)軌副，其參數(shù)如下 ： 表 3． 1 導(dǎo)軌副參數(shù) 型號 滑塊尺寸 額定載荷 /KN 額定靜力矩 /() C1 C2 L1 L2 L3 M1 Ca C0a MA MB MC JSALG15 38 65 30 6 M5 55 55 88 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁 塊承受工作載荷 maxF 的計(jì)算 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的 XY 工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： max GFF4?? （ 31） 其中，移動部件重 量Ｇ＝ ，外加載荷 ，代上式，得最大工作載荷 maxF ==。 距離額定壽命 L的計(jì)算 上述所取的 KL 系列 JSALG15 系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 100 C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù) fH =，溫度系數(shù) fT =，接觸系數(shù) fc =，精度系數(shù) fR =，載荷系數(shù)fw =，代入式（ 333），得距離壽命： L=( H T C RWf f f ffmaxaCF )3 50≈ 48965 Km 大于期望值 50Km， 故距離額定壽命滿足要求。 滾珠絲杠的計(jì)算和選擇 滾珠絲杠的負(fù)荷包括 鉆削力和 銑削力及運(yùn)動部件 的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計(jì)算 。 型號 裝配后 組合尺寸 導(dǎo)軌尺寸 滑塊尺寸 H W B H1 I F L0max dDh1 B1 K T T1 JSALG15 24 16 15 20 60 1500 47 7 11 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 最大工作載荷 Fm的計(jì)算 在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行） xF =,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）yF=，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直） zF =. 已知移動部件總重量 G=644N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，取顛覆力矩影響系數(shù) K=，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系 數(shù) ? =。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷 : 最大動工作載荷 FQ的計(jì)算 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度 v=1000mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速 n=v/Ph=100r/min。 取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入公式 0 66010nTL ? （ 32） 得絲杠壽命系數(shù) LO=180（單位為： 106r）。 取載荷系數(shù) Wf =,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數(shù) Hf =,代入 下 式，求得最大動載荷： FQ= 3 0 W H mL f f F ≈ N 型號的選擇與校核 規(guī)格型號的初選 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料， 選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 GDM 系列 20203 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為 20mm，導(dǎo)程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈 2 系列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 9309N，大于最大計(jì)算動載荷最大動工作載荷 FQ，滿足要求。 工作臺在鉆削加工時受載，滾珠接觸面產(chǎn)生變形，即應(yīng)該考慮滾珠絲杠的額定靜載荷 Coa是否充分超過了滾珠絲杠的 最大工作載荷 Fm，一般使 Coa/Fm=2～ 3。所選絲杠的額定靜載荷為 21569 遠(yuǎn)大于 1779， 杠滿足要求。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 表 3． 2 滾珠絲杠螺母副幾何參 數(shù) （單位 mm） 名 稱 符 號 計(jì)算公式和結(jié)果 絲杠滾道 公稱直徑 0d 20 螺距 P 5 接觸角 ? 45 鋼球直徑 wd 螺紋滾道法面半徑 R ?? 偏心距 e ? 螺紋升角 ? a rc 4 3 3 39。hwPtg d? ??? 絲桿 絲杠外徑 1d 絲杠底徑 2d 螺桿接觸直徑 zd c os 17. 75z w bd d d ?? ? ? 絲杠螺母 螺母螺紋外徑 D 0 2 2 2D d e R? ? ? ? 螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 1D 傳動效率η的計(jì)算 將公稱直徑 d0=20mm,導(dǎo)程 Ph=5mm,代入 0arctanhPd? ?? （ 33） 得絲杠螺旋升角 λ=4176。 33′。 將摩擦角 ψ=10′，代入 tantan( )?? ??? ? （ 34） 得傳動效率 η=% 。 剛度的驗(yàn)算 XY 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推 單推”的方式，絲杠的兩端各采用 對推力角接觸球軸承，面對面組 配，左、右支承的中心距約為 a=500mm；鋼的彈性模量 E=。滾珠直徑 Dw=，絲杠底徑 d2=,絲杠截面積 222 4 20 6. 12???S d m m。算得絲杠在工作載荷 Fm作用下產(chǎn)生的拉 /壓變形量 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁 根據(jù)公式 0 3WZ d D???，求得單圈滾珠數(shù) Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) ? 列數(shù)為 3? 1，代入公式 Z?? Z? 圈數(shù) ? 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 Z? =60。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力 YJ mFF? /3=。 求得滾珠與螺紋滾 間的接觸變形量 2 ? ? 。 因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的 1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取 2? = 將以上算出的 1? 和 2? 代入 12? ? ???總 ，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度 500mm） ?總 == m。 本例中，絲杠的有效行程為 330mm，由表 327 知， 5 級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時，行程偏差允許達(dá)到 25um，可見絲杠剛度足夠。 壓桿穩(wěn)定性校核 計(jì)算 失穩(wěn)時的臨界載荷 FK。，取支承系數(shù) kf =1；由絲杠底徑 d2= 求得截面慣性矩 42 / 64Id??? 4mm ； 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離 a 取最大值 500mm。代 入式 22kkF f E I ka?? 得臨界載荷 等于 9343N，遠(yuǎn)大于工作載荷 故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述，初選的滾珠絲杠副 滿足使用要求。 步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型 計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=20mm，總長 l=554mm，導(dǎo)程 Ph=5mm，材料密度? =? 103kg/ 2cm 。移動部件總重力 G=；傳動比 i=1。 機(jī)械系統(tǒng)各部件的轉(zhuǎn)動慣量可以根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算，對于某些傳動件（齒輪、絲杠）不容易精確計(jì) 算 ， 可以用圓柱體公式進(jìn)行相似計(jì)算。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 22????????hW PJM 22S LRJ ??? 22Z RJ ??? b 滾 珠 絲杠 的 轉(zhuǎn)動 慣量 Js= cm2。 拖 板 折 算 到 絲杠 上的 轉(zhuǎn) 動慣 量Jw= cm2。 初選 步進(jìn)電動機(jī)的型號為 90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬 前楊電機(jī)有限 公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時的步距角為 176。，查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 Jm=4 kg cm2。 步進(jìn)電動機(jī)的 驅(qū)動器選擇的是常州偉通機(jī)電制造有限公司生產(chǎn)的 MD21 型驅(qū)動器，滿足