【文章內(nèi)容簡介】 （ 3） 混合式步進電機：輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、驅(qū)動電流小、電動機不易發(fā)熱、步距角小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相對較高。綜合比較性價比較高，所以目前得到廣泛的應(yīng)用。 本次設(shè)計選擇為混合式步進電機，可滿足設(shè)計要求。 圖 21 步進電機 2. 2 直線滾動導(dǎo)軌副的選擇 滾動導(dǎo)軌副是應(yīng)用最多的直線運動滾動支撐的部件，多用于精密機床，數(shù)控懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 機床和測量儀器等。按其機構(gòu)形式可分為滾動體循環(huán)和滾動體步循環(huán)的滾動導(dǎo)軌服。滾動體循環(huán)運動的直線運動滾動導(dǎo)軌副行程長度不受限制，因此多用于行程長，運動精度和行程精度較高的場合。滾動體不循環(huán)的直線運動滾動導(dǎo) 軌副多用于載荷較大，行程較短的場合 圖 22 直線導(dǎo)軌 2. 3 機械傳動部件的選擇 常用的機械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動及各種非線性傳動部件等。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大的影響，特別是傳動類型，傳動方式，傳動剛性及傳動的可靠性對系統(tǒng)的精度，穩(wěn)定性和快速反映性有重大影響。因此，應(yīng)選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕、運動平穩(wěn)、傳動扭矩大的運動部件。根據(jù)本次設(shè)計的要求 ,經(jīng)過在齒輪、帶輪、纜繩、杠桿機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(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 , 而絲杠螺母機構(gòu)有滑動摩擦和滾動摩擦之分。滾動絲杠螺母機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但其具有的運動優(yōu)越性使之得到廣泛的應(yīng)用。 綜上所述 ,本次設(shè)計選用滾動絲杠螺母作為其機械傳動部件。 圖 23 滾珠絲杠螺母副 結(jié)構(gòu)件圖 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 與普通絲杠螺母副相比，滾珠絲杠螺母副其有一下優(yōu)點： （ 1）傳動效率高，傳動效率可達到 92%~98%，是普通絲杠螺母副傳動的 2~4 倍。 （ 2）摩擦力小，因為動、靜摩擦因數(shù)相差小，因而傳動靈敏，運動平穩(wěn)，低 速不易產(chǎn)生爬行，隨動精度和定位精度高。 （ 3）使用壽命長，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 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）反向運動時無空行程，可以提高軸向運動精度。 （ 6）滾動摩擦因數(shù)小，不能實現(xiàn)自鎖，用于垂向位置時，為防止突然停、斷電而造成主軸箱下滑，必須設(shè)置制動裝置。 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，應(yīng)選用轉(zhuǎn)動精度高，軸向剛度高，摩擦力矩較小的滾動軸承。圖示軸承特性圖。 表 2— 1 絲杠支撐滾動軸承特點比較 滾動軸承類型 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 簡單 不需要 小 雙向推力角接觸球軸承 中 簡單 不需要 小 圓錐滾子軸承 小 簡單 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 上表個軸承中用的最多的是 60176。接觸角推力角接觸球軸承，其特點有： （ 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，可簡化軸承支座結(jié)構(gòu)。 （ 3） 根據(jù)載荷情況，軸承可以進行組合。 （ 4） 可根據(jù)購貨方要求的預(yù)緊力由滾珠絲杠副生產(chǎn)廠家組配好成組供應(yīng)。 （ 5） 啟動摩擦力矩小，可以降低滾珠絲杠副的驅(qū)動功率，提高進給系統(tǒng)的懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 8 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） 面對面組配：軸承間的有效支點距離減小，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，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。水平安裝絲杠較長時，可以一端固定，一端游動的裝配方式。對于精密和高精度的機床，為了提高絲杠的拉壓剛度，可采用兩端固定，并進行預(yù)緊拉伸的裝配方式。 本次設(shè)計所選用的是：一 端固定，一端游動的支撐結(jié)構(gòu)。其主要特點為： （ 1） 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的一端固定一端自由型的要高。 （ 2） 絲杠有熱膨脹余地。 （ 3） 適于較長的臥式安裝絲杠。 綜合上述分析，本次設(shè)計的機械傳動機構(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，背對背裝配），以端游動（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械傳動裝置，主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)部件）以傳遞運動和轉(zhuǎn)矩。此外，聯(lián)軸器還具有補償兩端軸的相對位 移，緩沖和減震，以及安全防護等功能。由于制造及安裝誤差等影響，通常根據(jù)各種相對位移有無補償能力，將聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器（無補償）和撓性聯(lián)軸器（有補償能力）兩類。 剛性聯(lián)軸器：結(jié)構(gòu)簡單，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，可有利低消除傳動間隙，提高傳動剛度。緩沖和減震效果明顯。 當(dāng)傳遞小轉(zhuǎn)矩時，可選用小型撓性聯(lián)軸器。本次設(shè)計選用專業(yè)廠家生產(chǎn)的小型撓性聯(lián)軸器，既有結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易等特點，也可滿足緩沖和減震的效果。如圖所示 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 圖 26 小型撓性聯(lián)軸 器 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3 機械傳動部分 設(shè)計 3. 1 步進電機的選擇 3. 1. 1 確定步進電機的步距角和導(dǎo)程 設(shè)絲杠導(dǎo)程 P=5，則 360 p??? ? （ 41） 360 5? ?? 則 ?? 3. 1. 2 確定精度和校驗速度 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額定負載下的工作頻率（查機電一體化設(shè)計手冊 表 ） 而切割速度 75 0 / minV mm? maxVV? 3. 1. 3 確定電機 查機電一體化設(shè)計手冊得 電機選擇為 90BF 1— 5 圖 41 電機 外形 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 表 41 步進電機 BF 數(shù)據(jù) 3. 2 Y 向滾珠絲杠副的驗算 3. 2. 1 絲杠初選型號 設(shè) Y 軸工作臺的最大重量 my=20kg，絲杠的工作長度為 1200yl mm? ,絲杠材料為 CrWMn鋼，滾到硬度為 58~62HRC，工作臺與滾 動導(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 最大進給速度 V=1000mm/min 時間比列 q=30% 平均進給速度 V=750mm/min 時間比列 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 計算絲杠載荷 導(dǎo)軌摩擦力： 0. 03 20 10 6uyF um g N N? ? ? ? ? 移動載荷： 6y uyF F N?? 3. 2. 1. 3 計算當(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 計算當(dāng)量負荷 懸臂式數(shù)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 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 機電一 體化設(shè) 計基礎(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 20216型的滾珠絲杠動載荷 aC =8500N55N符合要求。 DIK 16056 型絲杠參數(shù)如下： 公稱直徑： 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行壓桿穩(wěn)定性校核計算 。 不發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷稱為臨界壓縮載荷 ： ? ?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)控火焰切割機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 0D 絲杠螺紋公稱直徑 0d 滾珠直徑 0L 最大受壓長度 ? ?mm 1f 絲杠之承方式系數(shù)（查表 ，機電一體化設(shè)計手冊 1f =2） 1K 安全系數(shù)，1 13K? 將個值帶入式中可簡化得： ? ? 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 8 6 1 .1 9 6 4 3 .5 36cmFSF? ? ? 其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)認許的安全系數(shù)