【正文】 總重量 N= 3 104=90N 床身： 體積 V= 107mm3 總重量 N= 3 104=1239N 導(dǎo)軌參數(shù)確定 導(dǎo)軌類型的確定 常用的導(dǎo)軌元件類型有：滑動導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌。它們的特點(diǎn)如下： ①滑動導(dǎo)軌：特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，接觸剛度好。但普通摩擦副材料的導(dǎo)軌摩擦損特性差，影響定位精度。采用特殊的滑動副材料可降低滑動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)和磨損量。 ②滾動導(dǎo)軌：摩擦系數(shù)低，摩 擦阻力變化小，定位精度高，精度保持性高。杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 32 但抗振性差，制造精度要求高，制造工藝復(fù)雜。 ③靜壓導(dǎo)軌：具有良好的摩擦磨損特性和精度保持性。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。一般用于重、大型及精密數(shù)控機(jī)床上。 滾動導(dǎo)軌因?yàn)榫哂心Σ料禂?shù)低，摩擦阻力變化小，定位精度高，精度保持性高。但抗振性差等優(yōu)點(diǎn)，故本系統(tǒng)采用滾動導(dǎo)軌，當(dāng)然滾動導(dǎo)軌也有一定的缺點(diǎn)，如制造工藝復(fù)雜、成本高。 直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 （ 1）滾動導(dǎo)軌的選型 滾動導(dǎo)軌又有很多種類，由于本數(shù)控工作臺精度要求不是非常高，而且工作負(fù)荷也相對較小，故采用價格相對低廉的直線滾動導(dǎo) 軌作為滾動導(dǎo)軌。 （ 2）滑塊承受工作載荷 Fmax的計算及導(dǎo)軌型號的選取 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： Fmax=G/4+F 其中，移動部件重量 G=650N，外加載荷 F=FZ=0N，代入式中得最大工作載荷Fmax== KN。 查表 341，根據(jù)工作載荷 Fmax= KN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為 KL系 列的 JSALG15 型，其額定動載荷 Ca=,額定靜載荷 C0a=。 任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為 240mm 254mm，加工范圍為 400mm 200mm，考慮工作行程應(yīng)有一定余量，查表 335，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取 X方向?qū)к夐L度為 640mm，Y方向?qū)к夐L度為 460mm。 （ 3）距離額定壽命 L 的計算 上述選取的 KL 系列 JSALG15 型導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 100℃，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。查表 336~表 340，分別取硬度系數(shù) Hf =、溫度系數(shù) Tf =、接觸系數(shù) cf =、精度系數(shù) Rf =、載荷系數(shù) wf =，代入式，得壽 命： ? ?? ? KMFfCffffL WaRCTH 3 6 0 9 050m a x ??? 遠(yuǎn)大于期望值 50KM，故距離額定壽命滿足要求。 滾珠絲桿的設(shè)計計算 （ 1）滾珠絲杠副的確定 常用的傳動元件類型有：滑動絲杠螺母副，滾珠絲杠螺母副，齒輪，齒輪、齒條傳動副，蝸輪、蝸桿傳動副，齒形帶傳動副等。數(shù)控系統(tǒng)對于傳動元件的要求是：摩擦阻力小，高傳動精度及剛度，消除傳動間隙，具有小運(yùn)動慣量、高諧杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 33 振及適宜的阻尼比。而滾珠絲杠副具有一下特點(diǎn)： 傳動效率高，摩擦損失小。傳動效率 ~?? ；給予適當(dāng)預(yù)緊可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，定位精度高，剛度好；運(yùn)動平穩(wěn)，傳動精度高；磨損小，使用壽命長；故本系統(tǒng)采用這種傳動元件，當(dāng)然滾珠絲杠副也有一定的缺點(diǎn)，如制造工藝復(fù)雜、成本高。 （ 2）滾珠絲杠的設(shè)計計算 ① 最大動負(fù)載 Q的計算 選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn) 100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載 Q，計算公式如下： PffLQ hw3? 公式 (41) 式中： L －壽命值， 61060nTL? ，以 610 轉(zhuǎn)為單位； wf －載荷系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 ； hf －硬度系數(shù)，因滾道的硬度一般不低于 58HRC，故一般取 1； P－滾珠絲杠導(dǎo)程，初選出 P＝ 5mm； 其中： n －絲杠轉(zhuǎn)速： PVn max1000? ； maxV －最大進(jìn)給速度，以 m/min 為單位 ； T－使用壽命，可取 15000h； 由設(shè)計參數(shù)可知： max 1 / minVm? 所以可求得絲杠轉(zhuǎn) 速： n=v/Ph=1000/5=200(r/min) 壽命值： 66 0 2 0 0 1 5 0 0 0 18010L ???? 已知移動部件總重量 G=650N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查 得 ，取顛覆力矩影響系數(shù) K=，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù) u=，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： ? ? NNGFFKFF YXXm ??????? ? 最后便可求得該滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載 ： Q== 根據(jù)具體工作要求，對于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動效率等方面的要求，從初選的幾個型號中再挑選出比較合適的公稱直徑 d0、導(dǎo)程 Ph、滾珠列數(shù) k、滾珠圈數(shù) j 等，最后確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格代號為 G、 GD 系列 20213（兩只），其直徑 d0=20mm，額定動載荷為 9309N，足夠用。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 34 ② 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算見表 41。 表 41 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) 名 稱 符 號 計算公式和結(jié)果 螺紋滾道 公稱直徑 0d 20 導(dǎo)程 Ph 54 鋼球直徑 Dw 螺紋升角 ? ? =arctan(Ph/π 0d )= 絲杠 絲杠外徑 d 絲杠底徑 d2 螺母 螺母外徑 D 60 螺母長 度 L 46 （ 3）傳動效率計算 η=tan? /tan (? +? ) =(+1039。) =% 式中： ? —— 摩擦角 ,一般取 1039。； ? —— 絲杠螺紋升角 。 （ 4）穩(wěn)定性校核 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā) 生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) [S]=～ 。 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 crF 按下式計算： 22()acr EIF l??? 式中： E— 絲杠材料的彈性模量，對于鋼， E=210GPa； l — 絲杠工作長度，以 m為單位 ； aI — 絲杠危險截面的軸慣性矩，以 4m 為單位 ； 181?！?長度系數(shù)，可取 2/3。 所以可求得： aI = 6441d? = 6401 4）（? = m－? 22()acr EIF l??? 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 35 ＝2992）（－????? ＝ ? 360 00 5 ????QFS cr S[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 （ 5）剛度校核 滾珠絲杠在工作負(fù)載 Q（ N）作用下引起每個導(dǎo)程的變形量 ? L0（ m）為： 1 QpL EA? ?? 公式 (42) 式中： A— 絲杠截面積 因?yàn)椋? 24221 mdA －＝ ????? ? 所以： mEAQpL 949 31 －－－ ＝ ???? ?????? mpLlL 63 91 －－ － ＝ ?? ?????? 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 ?L 應(yīng)小于其傳動精度的 1/2，即： mmmL ][ －＝ ????? ? 可見： ?L[?L] 所以該絲杠滿足剛度要求。 （ 6） 軸承的選擇 在選擇滾珠絲杠后，根據(jù)載荷，滾珠絲杠底徑 d2，查《機(jī)械零件手冊》，選擇深溝球軸承型號 7005AC，其額定載荷 NKNC r 6 5 ?? ，軸承內(nèi)徑 d 小于滾珠絲杠底徑 d2，規(guī)定的預(yù)緊力大于軸承所受最大軸向載荷 Q的 1/3。故選用此軸承合適。 步進(jìn)電機(jī)的 選型與計算 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 36 （ 1）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是機(jī)床移動部件相對于每一個進(jìn)給脈沖信號的位移量，其大小視機(jī)床的加工精度而定。脈沖當(dāng)量值一般為 。 一般取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量ζ =，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θ =176。 （ 2） 初步選擇電機(jī)的類型 數(shù)控系統(tǒng)對電機(jī)的基本要求是： ①調(diào)速范圍寬，伺服電機(jī)需要滿足調(diào)速要求； ②負(fù)載特性硬，在調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)有足夠的驅(qū)動力矩； ③動態(tài)響應(yīng)快。 故選取步進(jìn)電動機(jī) （ 3） 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 eqJ 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=20mm，總長 l=446mm，導(dǎo)程 Ph=5mm，材料密度ρ = 103Kg/cm2。 如表 41 所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 cmkgJ s ?? ；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 cmkgJ w ?? ；小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 21 cmkgJ z ?? ；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 22 cmkgJ z ?? 初選步進(jìn)電機(jī)型號為 90BYG2602，為四相混合式，四相八拍驅(qū)動時步距角為176。，從資料上查得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 24 cmkgJm ?? 。 則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： 2221 )( cmkgiJJJJJJ swzzmeq ??????? 表 42 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型 號 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 ()mm 重量 ()N 步距角?? 最 大靜轉(zhuǎn)距cmN? 最高空載啟動頻率( /steps ) 相數(shù) 電壓 ()V 電流 ()A 外徑 長度 軸徑 90BYG2602 6 1800 2/4 100 4 70 134 14 11 （ 4） 計算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 eqT 分快速空載起動和承 受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。 ① 快速空載起動是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT 包括三部分：一部分是快杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 37 速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 maxT ；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fT ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 oT 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式 )2/()1( 2 ??? ohYJo PFT ?? 可知， oT 相對于 maxT 和 fT 很小，可以忽略不計。則有： 1eqT ＝ maxT ＋ fT 考慮傳動鏈的總效率η，計算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： )60/(2m a x ?? ameq tnJT ? 公式 （ 43） 式中 mn — 對應(yīng)空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位 r/min at — 步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至 mn 轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為 s。 其中： mn = maxV α/ (360ζ) 公式 （ 44） 式中 maxV — 空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 1000mm/min； α — 步進(jìn)電動機(jī)步矩角，預(yù)選電動機(jī)為 176。； ζ — 脈沖當(dāng)量，本例 ζ =。 將以上各值代入式 （ 44），算得 nm =417r/min。 設(shè)步進(jìn)電動機(jī)有靜止到加速至 nm轉(zhuǎn)速所需時間 ta=，傳動鏈效率η =。則由式（ 43）求得 maxT =?m 移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩 擦轉(zhuǎn)矩為： fT =u( ZF +G) hP / )2(?? 公式 （ 45） 式中 u— 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取 ； ZF — 垂直方向的銑削力，空載時取 0； ? — 傳 動鏈總效率，取 。 則由（ 45）得： fT = N?m 最后由式得 1eqT = maxT + fT = N?m ② 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2eqT 包括三個部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 tT ；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fT ；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 oT ， oT 相對于 tT 和 fT 很小，可以忽略不計。 則有： 2eqT = tT + fT 公式 （ 46） 其中，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 tT 。因?yàn)椴豢紤]切削力的關(guān)杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 38 系， tT =0。 再計算垂直方向承受最大工作負(fù)載（ ( ZF =0N） 情況下，移動部件運(yùn)動時折