【正文】 預(yù)緊力采用經(jīng)驗數(shù)值為1000N，則空載時軸向力最小，最大速度為空載快退速度，最小速度為銑削工進速度，則： （317） （318）平均載荷為、平均速度： （319)（3）確定滾珠絲杠額定動載荷Cm：根據(jù)設(shè)計壽命時長，查表得載荷系數(shù)fw=，運動精度系數(shù)fa=1，可靠系數(shù)fc=1。 （320）（4）確定滾珠絲杠最小直徑： 按照前面結(jié)構(gòu)設(shè)計可知，滾珠絲杠結(jié)構(gòu)為左端固定，右端支撐模式，則兩個支撐座之間的距離L0： 滾珠絲杠預(yù)緊力f=1000N,則最小螺紋底徑： （321）（5）最終選擇滾珠絲杠型號：初步選擇型號為CDM32055的滾珠絲杠，其參數(shù)為：導程L=5mm/r，螺紋底徑d=28mm，公稱直徑d0=32mm，額定動載荷Cm=19249N。所選滾珠絲杠在工作參數(shù)上全部滿足計算所得，但還需驗證所選滾珠絲杠在以上運動參數(shù)下能否達到設(shè)計使用時間25000小時以上才可以。根據(jù)以下公式可求的滾珠絲杠的使用壽命： （322）綜上所述，型號為CDM32055的滾珠絲杠完全可以滿足倒棱機動力頭進給運動的設(shè)定，同時刀盤進給機構(gòu)也選擇CDM32055滾珠絲杠。 動力頭進給電動機的選擇機頭在鋼管上的總銑削深度是一定的，其機頭進給速度與進給量的大小直接決定銑刀的背吃刀量的大小與鋼管表面加工質(zhì)量的好壞，進給速度太快，容易造成刀具損壞，影響加工質(zhì)量；速度太慢，加工時間過長，效率低下。因此，要精確設(shè)置機頭的進給速度，既要保證加工質(zhì)量，又要保證加工效率。鋼管固定好后，根據(jù)倒棱機的工作原理，進給運動包括機頭到工件的快進速度、刀具開始工作到工作完成的工進速度、完成后機頭退回原位的快退速度，在整個加工過程中因為倒棱面的加工量遠大于平端面的加工量，所以進給運動的參數(shù)以倒棱刀為標準計算，以倒棱角度45176。為例進行計算，其運動簡圖如圖35所示。圖35 進給過程圖為方便觀察，倒棱刀位置稍微錯開一些，1位置為機頭快進結(jié)束位置，這段位置空載，因此速度可以較快；從1位置開始減速，2位置為剛接觸鋼管位置，到3位置一段屬于刀具加工的工進距離，加工總長為77mm，要求速度較慢且穩(wěn)定；3位置為鋼管加工結(jié)束位置，從3位置退回原位時因為空載，所以速度較快。①快進時間t1：從原位置快進到1位置。②工進時間t2：從2位置到3位置，工進總距離為87mm。加工過程中大盤自轉(zhuǎn)、銑刀自轉(zhuǎn)、機頭進給三個運動同時進行，銑刀的背吃刀量從0逐漸增大，沿鋼管表面的前進軌跡為螺旋線狀，因此當大盤旋轉(zhuǎn)一周后要求倒棱刀達到最大銑削深度ap=26mm，即大盤每轉(zhuǎn)一圈工進距離為6mm，保持這個速度直到3位置為止，根據(jù)進給速度公式得出大盤圓周旋轉(zhuǎn)速度： （323）則大盤轉(zhuǎn)速 （324）。所以加工總時間 （325）③進給停止時間t3：由于銑削軌跡為螺線，因此當?shù)估獾兜竭_3位置時進給應(yīng)停止，大盤應(yīng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一圈，保證端面銑刀也完成加工要求，因此t3=。④快退時間t4：當加工完成后從3位置退回原位所用的時間，快進和快退速度可以根據(jù)生產(chǎn)要求自行設(shè)計。因此加工一根80mm壁厚的鋼管大約需要t總=t1+t2+t3≈25min,此時各系統(tǒng)工作時的速度見下表:表36 工作參數(shù)大盤刀盤動力頭軸向進給速度本文設(shè)計的倒棱機對鋼管的加工精度要求高，對于進給運動速度的控制要精確，因此本文采用永磁同步伺服電動機，其特點是：效率高結(jié)構(gòu)簡單；體積小、重量輕、損耗??；力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好。進給伺服電機與減速器直接相連，通過聯(lián)軸器直接帶動滾珠絲杠，減少了配合間隙，提高了傳動效率。減速機是一種動力傳動機構(gòu)，一般用于低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動設(shè)備，把電動機、內(nèi)燃機或其它高速運轉(zhuǎn)的動力通過減速機的輸入軸上的齒數(shù)少的齒輪嚙合到輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，將馬達的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩。其主要作用在于:降速増扭，慣量的減少為減速比的平方。減速器分類很多，一下是幾種常見減速器的優(yōu)缺點：①蝸輪蝸桿減速機的優(yōu)缺點：優(yōu)點是具有反向自鎖功能，能夠獲得很大的減速比，同時其輸入軸和輸出軸不共線，也不在同一平面上；缺點是體積比較大，傳動效率低。②諧波減速機的優(yōu)缺點：諧波減速器靠波發(fā)生器使柔性齒輪產(chǎn)生可控彈性變形，并與剛性齒輪相嚙合來傳遞運動和動力的齒輪傳動。其優(yōu)點是體積較小，精度很高，單級傳動比最大可達100；但是缺點是柔性齒輪壽命不長、易磨損、不耐沖擊、剛性與件相比較差，適用于短期工作。③行星減速機的優(yōu)缺點：其優(yōu)點結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低回程間隙小，精度較高，安裝方便，額定輸出扭矩比較大；主要缺點價格稍微昂貴。根據(jù)上述幾種減速機的分析，本文選擇傳動系數(shù)比為i=30的PLF廠家行星減速器行星減速機PLF PLFS PLFN PLFD。滾珠絲杠帶動滾珠絲杠螺母做直線運動，所以轉(zhuǎn)動慣量[29]： （326）對外轉(zhuǎn)矩的計算（）： （327）380V伺服電動機選用三協(xié)/180TXB15020E型伺服電動機，工作參數(shù)見表36。表36 工作參數(shù)功率（kw）轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)矩Nm3200015 刀盤進給電機的選擇，刀盤進給電機根據(jù)鋼管圓度誤差進行速度調(diào)節(jié)，且反應(yīng)要求迅速準確，傳遞簡圖如36所示。 a. 進給傳遞機構(gòu)簡圖 圖36 進給機構(gòu)及擺臂機構(gòu)傳遞簡圖，擺角a=120176。，%，整個擺臂長L=530mm（零件長度均在三維模型中測量得到），要求進給伺服電機在2s內(nèi)響應(yīng)并輸出速度至進給機構(gòu)完成仿型運動，速度變化時間設(shè)為T=1s，則絲杠螺母的運動如圖37所示。圖37 誤差偏移圖圖37虛線為直線位移傳感器在運動到鋼管最大變形量處時刀盤、擺臂及絲杠螺母的運動位置。絲杠的擺動角度瞬間變化很小近似認為鋼管圓度變化瞬間絲杠保持水平不變。滾珠絲杠導程L導程=2mm/r，錐齒輪配合傳動比i=3:2。直線傳感器最大偏移量d： （328）直線傳感器最大偏移量時絲杠螺母移動距離D： （329）滾珠絲杠直線速度V直線： （330）滾珠絲杠轉(zhuǎn)速V轉(zhuǎn)動： （331）進給伺服電機的轉(zhuǎn)速V電： （332）因此選用伺服電機130HMB300B301000,工作參數(shù)見表37。表37 工作參數(shù)功率（kw）轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)矩Nm3150015 大盤自轉(zhuǎn)電機的選擇，傳動電機與大盤之間僅靠鏈條傳動，傳動速度根據(jù)鋼管尺寸進行調(diào)節(jié)，且大盤轉(zhuǎn)速較慢，因此選用低轉(zhuǎn)速變頻電機即可，本文選用YP290S2變頻電機，工作參數(shù)見表38。表38 工作參數(shù)功率（kw）轉(zhuǎn)速（r/min）額定轉(zhuǎn)矩Nm1200 自轉(zhuǎn)動力輸出軸的設(shè)計校驗軸的設(shè)計主要包括以下幾個內(nèi)容[30]：(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力：機構(gòu)設(shè)計：根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理的確定軸的形式和尺寸。工作能力：主要計算是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性方面的計算。一般傳動軸的工作能力主要取決于軸的強度，只需計算強度，以防斷裂或塑性變形。(2) 軸的材料：軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。碳鋼：價格便宜，對應(yīng)力集中的敏感性較低，可以用熱處理提高抗疲勞強度，應(yīng)用最廣泛，常用材料為45鋼。合金鋼：具有更高的力學性能和更好的淬火性能，在傳遞大動力并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸耐磨性，以及在高溫條件下工作的軸采用合金鋼，常用材料25CrMo合金鋼。(3) 設(shè)計計算過程：本文軸的材料選擇45調(diào)質(zhì)剛，σb=60MPa。由前面計算可知每根自轉(zhuǎn)動力輸出軸功率應(yīng)該是電動機總功率的一半： （333）動力輸出軸的轉(zhuǎn)速： （334）初步計算軸的最小直徑[30]： （335）當材料為45鋼時查表可知A0=120。(4)初步設(shè)計周結(jié)構(gòu)圖如圖38a所示。(5)作出軸的力學模型：軸所受的載荷是從軸上的零件傳來的，計算時常將軸上的分布載荷簡化為集中力，作用點為載荷分布段中點，如圖38b所示。由齒輪結(jié)構(gòu)知，自轉(zhuǎn)動力輸出軸齒輪m=4mm，z=92。左側(cè)與聯(lián)軸器相連，只承受扭矩。齒輪4分度圓直徑 （336）齒輪4轉(zhuǎn)矩（，） （337）齒輪4的圓周力： （338）齒輪4的徑向力： （339）齒輪4的軸向力： （340）(6)作出彎矩圖：根據(jù)設(shè)計簡圖，分別畫出水平支承反力FNH(XY平面)和垂直支撐反力FNV(XZ平面)的力，由力矩平衡可得： （341）并計算分別作出水平受力圖和彎矩MH圖(圖38c)和垂直受力圖和彎矩圖MV(圖38d)，然后按下式計算總彎矩并作出合成彎矩圖(圖38e)。 （342）(7)作出轉(zhuǎn)矩圖(38f)和當量彎矩圖(38g)。轉(zhuǎn)矩T1=T，當量彎矩計算公式如下，其中a=[24]。 （343）(a) 軸結(jié)構(gòu)圖(b) 軸受力圖(c) 軸水平受力圖和水平彎矩圖(d) 軸垂直受力圖和彎矩圖(e) 合成彎矩圖(f) 軸轉(zhuǎn)矩圖和當量轉(zhuǎn)矩圖(g) 軸當量彎矩圖圖38 軸的載荷分析圖(8) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度：進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的的截面，即齒輪所在的截面。根據(jù)軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力以及軸的直徑，根據(jù)公式： （344）已知，所以通過以上設(shè)計計算校核，該齒輪輸出軸符合條件。 本章小結(jié)本章主要針對第二章結(jié)構(gòu)設(shè)計中的動力系統(tǒng)進行了計算和選擇，并對關(guān)鍵輸出軸做了詳細的設(shè)計計算，并畫出了其軸上的載荷分布圖，根據(jù)載荷分布對軸進行了校核，校核結(jié)果能夠滿足軸的工作強度，最后詳細的給出了軸加工尺寸及技術(shù)要求(見下頁)。 64 第四章 倒棱機的建模、有限元分析及動力學仿真第四章 倒棱機的建模、有限元分析及動力學仿真為了更明確的了解新型銑頭倒棱機各部分的結(jié)構(gòu)以及工作時運動受力的情況，有必要用Solidworks三維設(shè)計軟件和Adams運動仿真軟件對倒棱機進行實體建模和運動仿真，模擬其運動狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計過程中不合理的地方節(jié)約開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。 Solidworks建模及裝配 Solidworks概述Solidworks軟件是一款優(yōu)秀的三維機械設(shè)計軟件，可以大大縮短設(shè)計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。使用Solidworks，正確的設(shè)計流程可以做到事半功倍的效果，SolidWorks的設(shè)計流程如下：(1)創(chuàng)建草圖：創(chuàng)建模型的草繪圖形，此草繪圖可以是模型的一個截面或軌跡等。(2)創(chuàng)建特征：添加拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征，利用創(chuàng)建的草繪圖形創(chuàng)建實體。(3)裝配部件：如果模型為裝配體，那么還需要將各個零部件按某種規(guī)則進行裝配，以檢驗零部件間配合是否合理。(4)仿真和分析：為了檢驗設(shè)計的機械能否穩(wěn)定運行，使用有限元分析判斷其內(nèi)部的受力等情況，以確定所設(shè)計零件或機械的可靠性。(5)繪制工程圖：依照三維實體可以直接繪制繪工程圖[32]。 各主要零部件以及主要機構(gòu)的裝配圖在不影響結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動分析的前提下，本文中對倒棱機零部件進行簡化實體建模，其中各種規(guī)格齒輪及軸承只表示其中一個，各個零件圖及主要裝配圖如圖41所示： (a) T型大盤軸測圖及剖視圖 (b) 套筒