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XXXX畢業(yè)設(shè)計
第一章 引 言
1.1 課題的背景
我國機(jī)床的消費(fèi)量在全世界僅次于美國和日本,居第三位。我國機(jī)床工業(yè)已基本形成門類較齊全的生產(chǎn)科研體系,數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械代表產(chǎn)品。機(jī)床是機(jī)床制造技術(shù)、微電子和計算機(jī)技術(shù)三者相結(jié)合的產(chǎn)物。機(jī)床的性能水平主要取決與系統(tǒng)的先進(jìn)性。近年來,隨著國外高檔機(jī)床產(chǎn)品的進(jìn)口和國外技術(shù)的引進(jìn),我國的機(jī)床生產(chǎn)取得了長足的進(jìn)步。
進(jìn)入21世紀(jì),我國機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī),也遭遇到加入后激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上來講,加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備,它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、敏捷而多樣化的功能引起世人矚目,它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河,因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。另一方面,通過持續(xù)的研究,信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。
在發(fā)達(dá)國家,數(shù)控機(jī)床已經(jīng)大量普遍使用。我國制造業(yè)機(jī)床數(shù)控化率不到,而且,對現(xiàn)有的為數(shù)不多的數(shù)控機(jī)床也未能充分利用。原因是多方面的,數(shù)控人才的匱乏是其主要原因之一。尤其迫切需要大量的從研究開發(fā)到使用維修的各個層次的技術(shù)人才。
我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。逐步成為世界制造中心 進(jìn)入新的世紀(jì)以后,隨著我國綜合國力的進(jìn)一步增強(qiáng)和加人世界貿(mào)易組織,我國經(jīng)濟(jì)全面與國際接軌,并正在成為全球制造業(yè)的中心,大批跨國企業(yè)搶灘登陸在國內(nèi)高起點設(shè)廠、將生產(chǎn)加工向中國轉(zhuǎn)移;國內(nèi)制造企業(yè)更是背水一戰(zhàn)。大舉通過信息化、廣泛應(yīng)用現(xiàn)代制造技術(shù)積極參與國際競爭,我國制造業(yè)進(jìn)入了一個空前蓬勃發(fā)展的新時期,這必然對掌握現(xiàn)代信息化制造技術(shù)的技術(shù)人才、特別是對大量的一線技術(shù)工人形成了巨大需求。
近年來,由于受數(shù)控人才需求的拉動,各校均建有不同規(guī)模的數(shù)控實訓(xùn)基地,有的是規(guī)模大、設(shè)備種類多的實訓(xùn)中有的是設(shè)備種類和數(shù)量相對較少的實驗室。有的學(xué)校實訓(xùn)基地以普通加工設(shè)備配進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)為主.有的學(xué)校以教學(xué)型數(shù)控設(shè)備為主??偟那闆r是,數(shù)控設(shè)備的臺套種類,數(shù)量與學(xué)生規(guī)模反差較大。用于教學(xué)實驗的設(shè)備更是落后,加之由于各種客觀和主觀的原因,全國大專院校機(jī)電類學(xué)生工程實踐能力普遍較差,其學(xué)習(xí)和研究工作偏向計算機(jī)化、軟件化,動手能力與理論更是難結(jié)合在一起。嚴(yán)重影響實訓(xùn)、培訓(xùn)效果。
1.2 課題的意義
通過對實驗型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計,要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)過的數(shù)控技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、軟件程序設(shè)計、工藝等知識,掌握數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程。重點掌握步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)過程,機(jī)床工作臺及其相應(yīng)的夾具及機(jī)床配件設(shè)計。為畢業(yè)后從事機(jī)械電子設(shè)備的研制和使用打下良好的基礎(chǔ)。
第二章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計
2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計
主要包括以下幾個方面:
(1) 運(yùn)動功能設(shè)計。包括確定機(jī)床所需運(yùn)動的個數(shù)、形式(直線運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動)、功能(主運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動、其他運(yùn)動)及排列順序,最后畫出機(jī)床的運(yùn)動功能圖。
(2) 基本參數(shù)設(shè)計。包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計。
(3) 傳動系統(tǒng)設(shè)計。包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計。
(4) 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。包括運(yùn)動功能分配、總體布局機(jī)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設(shè)計。
(5) 控制系統(tǒng)設(shè)計。包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計。
根據(jù)前面所提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計。在各項基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機(jī)床所需要的運(yùn)動。完成每個運(yùn)動又有相應(yīng)的功能部件。這就可以確定各部件的相對運(yùn)動和相對位置關(guān)系。機(jī)床的總體布局也就可以大體確定下來。
因此,總體方案設(shè)計是一項全局性的設(shè)計工作,直接影響機(jī)床產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本,關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)水平和市場競爭能力。
2.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
對教學(xué)試驗型微型數(shù)控銑床的設(shè)計,一方面,要求其功能完善、結(jié)構(gòu)開放,具有與一般生產(chǎn)型數(shù)控銑床一樣的工作原理和工作性能;另一方面,要求其體積小、價格低,有利于此類銑床的普及推廣。所以本課題的設(shè)計主要是兩個方面:其一:機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計;其二:控制系統(tǒng)的設(shè)計。這里有兩個方案:
方案一、采用減速箱,并對滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐;
減速箱采用圓注齒輪變速,這種方案可以通過增加減速箱,達(dá)到:1.增大轉(zhuǎn)動扭矩;2.提高脈沖當(dāng)量;3.匹配慣量。對滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐,可以盡量減少由于一端支撐,可能產(chǎn)生的彎曲,減少誤差,提高精度。
方案二、直接采用套筒式聯(lián)軸器連接步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠,對滾珠絲杠進(jìn)行一端支撐。
該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單。
2.3 方案的比較與選擇
方案一、由于切削石蠟、塑料等材料,根據(jù)計算切削力較小,選用步進(jìn)電機(jī),脈沖當(dāng)量為2mm/min,采用減速向變速,傳動比選用1.25,通過計算可以提高脈沖當(dāng)量為1.02mm/min。對滾珠絲杠采用兩端支撐,可以提高滾珠絲杠的剛度,提高滾珠絲杠壽命。
方案二、直接采用套同式聯(lián)軸器聯(lián)接電動機(jī)軸和滾珠絲杠,精度不高,電機(jī)功率太小,直接帶動滾珠絲杠在長時間工作時,對步進(jìn)電機(jī)損耗較大。采用一端支撐,會導(dǎo)致滾珠絲杠產(chǎn)生撓度,影響滾珠絲杠的剛度,從而影響其壽命。
根據(jù)實際工作要求,考慮其工作壽命,最終選擇地一種方案:采用減速箱,并對滾珠絲杠采用兩端支撐。
2.4 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
教學(xué)試驗型微型數(shù)控銑床的總體長為300mm,寬為180mm,高為400mm,工作臺寬度180mm,長180mm??梢詫崿F(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三坐標(biāo)聯(lián)動。X軸、Y軸的進(jìn)給是通過電機(jī)帶動絲杠,絲杠又與螺母傳動來實現(xiàn)。電機(jī)與絲杠的連接可以通過銷釘來達(dá)到。在傳動過程中電機(jī)帶動絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,螺母沿導(dǎo)軌做水平移動,從而帶動工作臺運(yùn)動。Z軸的進(jìn)給也是通過電機(jī)帶動絲杠,絲杠又與Z軸螺母傳動來實現(xiàn)。主軸套與Z軸螺母相連,在傳動過程中電機(jī)帶動絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,螺母沿導(dǎo)軌做上下移動,從而帶動主軸做上下運(yùn)動。
控制系統(tǒng)部分:通過采用三菱公司的FX2N系列單片微機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動和變頻調(diào)速的控制,從而實現(xiàn)加工過程的自動控制。其中重點是確定硬件電路的總體方案和軟件設(shè)計,主要有:存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計,輸入輸出接口電路設(shè)計,步進(jìn)電機(jī)接口和驅(qū)動電路(光電隔離電路,功率放大電路),其他輔助電路(時鐘電路,復(fù)位電路,越界報警電路,掉電保護(hù)電路等等),流程圖的繪制和程序的書寫。
由此,可以大體畫出整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方案圖圖1:
鍵盤輸入
傳動機(jī)構(gòu)
MCS-51
驅(qū)動電路
接口電路
工作臺
數(shù)據(jù)顯示
圖1 總體框圖
第三章 第三章 機(jī)械部件的計算和選擇
3.1 切削力的計算
該實驗型數(shù)控實訓(xùn)設(shè)備,主要用來模擬加工,工件材料是石蠟或塑料,X、Y向形成均為200mm,根據(jù)查閱《機(jī)床設(shè)計手冊》,因沒有石蠟和塑料的銑削公式,所以在查閱手冊時,以圖表中最軟的材料為依據(jù)進(jìn)行參數(shù)的選擇。
Z軸銑削工作時銑削力的計算:
現(xiàn)以刀具材料為高速鋼,工作材料為碳鋼進(jìn)行計算。
1. 最大銑削直徑 d=10mm.最小直徑d=4mm
由《實用機(jī)床手冊》P=FV/60000
F=642aaadZK
K=KKK
其中K=(σ/0.638)=0.982 d=400×(10-4)X(1590-397)=2
高速鋼銑刀 r=15,前角系數(shù)K=0.92
主偏角 k=75 K=1.0 a=8mm a=0.08~0.05mm/Z
取a=0.05mm/Z a=4mm
齒數(shù)Z=4 d=6mm
F=642×4×0.05×8×6×4×0.903=2773N
V=πdn/1000=3.14×2×400/1000=2.52
pm= FV/60000=2773×2.512/60000=0.17KW
選電動機(jī)時按銑削計算。
3.選主電動機(jī)時:
因為銑削最大的切削力為:
F=642×4×0.05×8×10×4×0.903=832.03N
V=π×10×1590/1000=49.9m/s
p= FV/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW
p= p/0.88=0.69/0.88=0.79KW
所以選電動機(jī)為p=1.1KW 型號:Y90S—4型
2. X、Y軸銑削工作時銑削力的計算
其中主轉(zhuǎn)動中主軸功率N=0.79KW.則η=0.79/1.1=0.718
電動機(jī)的額定功率N=1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材料、切削量等因素有關(guān),現(xiàn)以刀具材料為高速鋼,共建材料為碳鋼進(jìn)行計算。
主轉(zhuǎn)動功率包括切削功率N,空載功率N,附加功率N三部分,即:N= N+ N+ N,一般輕載高速的中、小型機(jī)床中,N=0.5N/(2-η)N,故總功率為:N= N+0.5 N+(1-η)N,N=0.5N/(2-η),再進(jìn)給傳動中切削功率:N=K×0.5N/(2-η),N=0.85×0.5×1.1/(2-0.718)=0.36KW
切削時主軸上的扭短為:
M=974000 N/n
則主軸上最大扭矩為:M=974000×0.36/397=883(NCM)
銑刀的最大直徑為:10mm。主切削力F=883/1=880N。銑削加工時主切削力F與銑削進(jìn)給抗力F之間的值由《機(jī)床設(shè)計手冊》查得F/ F=1.0~1.2,取F/ F=1.2。則F=1.2× F=1059.6N,垂直部分力F的幣值為0.75~0.8,取F/ F=0.8,F(xiàn)=0.8× F=706.4N。
3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇
3.2.1電動機(jī)的選擇
應(yīng)用中的注意點
①步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn),(0.9度時6666PPS),最好在1000-3000PPS(0.9度)間使用,可通過減速裝置使其在此間工作,此時電機(jī)工作效率高,噪音低。
②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài),整步狀態(tài)時振動大。
③由于歷史原因,只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外,其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ,可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓(建議:57BYG采用直流24V-36V,86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V),當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源, 不過要考慮溫升。
④轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。
⑤電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時,一般不在工作速度起動,而采用逐漸升頻提速,一電機(jī)不失步,二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
⑥高精度時,應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決,也可以采用5相電機(jī),不過其整個系統(tǒng)的價格較貴,生產(chǎn)廠家少。
⑦電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作,如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
⑧電機(jī)在600PPS(0.9度)以下工作,應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。
? ⑨應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。
(2)步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)有步距角(涉及到相數(shù))、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定,步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。
①步距角的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求,將負(fù)載的最小分辨率(當(dāng)量)換算到電機(jī)軸上,每個當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度(包括減速)。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度(五相電機(jī))、0.9度/1.8度(二、四相電機(jī))、1.5度/3度 (三相電機(jī))等。選用1.5度。
②靜力矩的選擇
步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)力矩一下子很難確定,我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載,而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動時(一般由低速)時二種負(fù)載均要考慮,加速起動時主要考慮慣性負(fù)載,恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下,靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好,靜力矩一旦選定,電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來。
③電流的選擇
靜力矩一樣的電機(jī),由于電流參數(shù)不同,其運(yùn)行特性差別很大,可依據(jù)矩頻特性曲線圖,判斷電機(jī)的電流(參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓)
綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循步驟如圖2所示:
??
圖2 選擇電機(jī)的步驟
④力矩與功率換算
步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的,一般只用力矩來衡量,力矩與功率換算如下:
????P= Ω·M
????Ω=2π·n/60
????P=2πnM/60
????其中P為功率,單位為瓦;Ω為每秒角速度,單位為弧度;n為每分鐘轉(zhuǎn)速;M為力矩,單位為牛頓·米。
????P=2πfM/400(半步工作)
????其中f為每秒脈沖數(shù)(簡稱PPS)。
(3)混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點
混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點正是由混合式步進(jìn)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)所帶來的,簡而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點,以和最具有可比性的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比為例。
首先,混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高,由于驅(qū)動器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個部分,所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動器的可靠性來決定的?;旌鲜诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁體,部分磁場已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生,所以混合式電機(jī)繞組電流可以設(shè)計得比較小,而反應(yīng)式電機(jī)磁場完全由繞組電流產(chǎn)生,故欲和混合式電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩,在電機(jī)體積相差不太大的情況下,反應(yīng)式電機(jī)所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下,混合式電機(jī)的驅(qū)動器就比反應(yīng)式電機(jī)的驅(qū)動器要可靠得多,同時由于大的繞組電流,反應(yīng)式電機(jī)本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。
實際上,為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩,反應(yīng)式電機(jī)不僅線圈電流大,而且定子線圈匝數(shù)多,電機(jī)體積大,繞組電感也大。由于繞組電感大,反應(yīng)式驅(qū)動器必須要以高壓驅(qū)動才會有比較好的高頻性能,但這樣驅(qū)動器的可靠性會明顯變差;如果反應(yīng)式驅(qū)動器取和混合式驅(qū)動器一樣的驅(qū)動電壓時,電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要小,這也是反應(yīng)式電機(jī)系統(tǒng)性能比混合式電機(jī)系統(tǒng)差的一個重要原因。
混合式步進(jìn)電機(jī)一般步距角θ較小,再加上混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯,振蕩較小,在控制步進(jìn)電機(jī)升降頻規(guī)律一致的情況下,運(yùn)行要比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定。
混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的缺點在于混合式步進(jìn)電機(jī)的制造比較復(fù)雜,電機(jī)的成本相對較高;其次是雖然混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯,振蕩較小,但依然影響性能。
脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求來確定,一般取為0.01~0.02mm。如取得太大,無法滿足系統(tǒng)精度要求,如取得太小,或者機(jī)械系統(tǒng)難以實現(xiàn),或者對其精度和動態(tài)性能提出過高要求,使經(jīng)濟(jì)性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求,步進(jìn)電動機(jī)脈沖當(dāng)量:δ=0.02/Step,步角距θ=1.8/ Step。由于無減速裝置,所以由δ=θ/360×P可知,滾珠絲杠螺距,即基本導(dǎo)程P=4mm。一般來講,反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角較小,運(yùn)行頻率高,價格較低,但功耗較大,永磁式步進(jìn)電機(jī)功耗較小,斷電后仍有制動力矩,但步距角較大,啟動和運(yùn)行頻率較低,混合式步進(jìn)電機(jī)由上述兩種電機(jī)的優(yōu)點,但價格較高。
考慮到該機(jī)床垂直進(jìn)給方向需用自鎖機(jī)構(gòu),所以選用具有自鎖功能的混合式步進(jìn)電機(jī)。
(4) 計算選擇
1. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算
銑削時:F=26.1N, F=65.27N
T=36×0.01×[26.1+0.03×(300+65.27)]/2π×1.8×0.85=40.8 N.cm
根據(jù)以上計算可知,銑削時啟動力矩遠(yuǎn)大于鉆削啟動力矩,為滿足鉆銑要求,以銑削時所需要求為宜。由手冊可知:T/T=0.866,步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T= T/0.866=40.8/0.866=47.1 N.cm
2. 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
f=1000v/δ,v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù),初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。
相數(shù),3;步距角,1.8;電流,2.5A;靜力矩,110Ncm;轉(zhuǎn)動慣量,280gcm
引線數(shù),4。
接線圖 圖3
3.2.2 絲杠的選擇
1.滾珠絲杠的特點
滾珠絲杠螺母副(以下簡稱滾珠絲杠副)是一種新型的傳動機(jī)構(gòu)。具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副。在數(shù)控機(jī)床的傳動中,經(jīng)常用于代替滑動絲杠,以提高傳動精度。
絲杠螺母副的特點:
(1)用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠(或螺母),可使螺母(或絲杠)獲得較大的軸向牽引力。
(2)可達(dá)到很大的降速比,使降速機(jī)構(gòu)大為簡化,傳動鏈的以縮短。
(3)能達(dá)到較高的傳動精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時,還可兼作測量元件,通過刻度盤讀出直線位移的尺寸,最小數(shù)值可達(dá)0.0001mm。
(4)傳動效率高,摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)(滑動)絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的。
(5)給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊,可消除絲杠和螺母螺紋間隙,這樣反向時就可以沒有空程死區(qū),反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。
(6)運(yùn)動平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象,傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦,摩擦阻力小,摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動速度完全無關(guān),這樣就可以保證運(yùn)動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦,與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,故傳動精度高。
(7)有可逆性,由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小,可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動,也可以由直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。絲杠和螺母都可以作為主動件,也可以作為從動件。
(8)制造工藝復(fù)雜,滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高,光潔度要求也高,故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道,一般都要求磨削成型表面的。
(9)不能自鎖,特別是垂直絲杠,由于自重慣性力的關(guān)系,下降時當(dāng)傳動切斷后,不能立刻停止運(yùn)動,故常需要添加制動裝置。
在設(shè)計滾珠絲杠時,首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時,目前采用的方法是,在防止疲勞點蝕的基礎(chǔ)上,即滾性絲杠在工作過程中受軸向負(fù)載時,在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下,經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后,就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷,而使?jié)L珠副喪失其工作性能,這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計滾珠絲杠副時,必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下,這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)后,在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象,這個負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載。
2. 滾珠絲杠的選擇計算
(1) 動載荷Cae的計算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0,
f——硬度系數(shù)取為1.2,
P——最大的工作負(fù)載
L——使用壽命
工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時,實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力,他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實驗公式計算:
對于類似燕尾型尋軌的機(jī)床
P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力
P——Y方向的切削力
P——z方向的切削力
G——移動部件的重量
f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)
k——考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)
選用滾動導(dǎo)軌,在正常潤滑情況下,對于類似燕尾型尋軌
k=1.4 f=0.03
由于銑削時所需切削力均大于鉆削的切削力,故意下計算均按銑削設(shè)計。
在銑削過程中,P=706.4N ,P=0,
P=1059.6N ,G=300N
P=1.4×0+0.03×(706.4+2×1059.6+300)=93.7N
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速(r/min)
T——使用壽命(小時)
對于數(shù)控機(jī)床,n一般取1250 r/min,T一般取15000h,
因為L=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×93.7=1169N
查表初步選用的型號為N系列1604-3,3列Q=4612N較為合適,這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副,其主要參數(shù)如下:
名義直徑:D=20mm,基本導(dǎo)程t=5mm,剛求直徑:D=3.725 mm ,絲杠內(nèi)徑d=17.96mm ,絲杠外徑d =19.4mm ,循環(huán)列數(shù)3,額定動負(fù)載C=6367 N ,螺母外徑D=72 mm,螺母內(nèi)徑 D=32 mm,螺母長度 L=40 mm。
(2) 校核
(1)效率計算
從《機(jī)械原理》中得知,滾珠絲杠螺母副的傳動效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中:β-螺紋的螺旋升角;
β=arctg=arctg=4.55
φ-摩擦角;
滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004,其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
(3) 剛度的驗算
數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠是一種精密的傳動元件,它在工作負(fù)載P的作用下,將伸長或縮短,在扭矩M的作用下,將向一方或另一方扭轉(zhuǎn),這樣,滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化,從而影響其傳動精度和定位精度,因此,滾珠絲杠應(yīng)驗算其滿載時的變形量。
從《材料力學(xué)》中得知,滾珠絲杠受工作負(fù)載(軸向力)P的作用而引起一個螺距t的變化量△t,可按下式計算:
△t=
其中:P-工作負(fù)載;
t-滾珠絲杠螺距 ;
E-彈性模數(shù),對鋼而言(E=20.1×10);
F-滾珠絲杠的橫截面積(按內(nèi)徑而定);
△t==0.14×10cm
滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個螺距t的變化量△t,可以按下式計算:
△t=(cm)
其中φ-在扭矩M的作用下,滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn)角;
φ= 其中,M-扭矩(Ncm),M===6.18Ncm
G——扭轉(zhuǎn)彈性對鋼而言,G=841×10N/cm
J——滾珠絲杠載面積的極慣性矩J=/32d(cm)
(其中d——滾珠絲杠的內(nèi)徑,cm)
J=3.14/32×13.1=2889cm
Φ=Mt/ GJ=6.18×0.4/84×10×2889=0.1×10
t=tΦ/2π=0.4×0.1×10/2×3.14=0.6×10cm(可忽略不計)
如果Y方向的滾珠絲杠的長度為100m,則整個工作長度上的螺距變形總誤差: △=100/0.4×0.14×10=3.5×10cm/m
查表得對E級絲杠,允許誤差△=15um/m ,故該滾珠絲杠滿足要求。
(4) 穩(wěn)定性驗算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿,如果軸向力過大,可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負(fù)載P,可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計算
P=(N)
E-絲杠材料的彈性模數(shù),對鋼而言E=2.1×10 N/cm;
J-截面慣性矩,對實心圓桿而言,J===1445cm;
l-絲杠的工作長度,l=28.6cm;
u-絲杠的軸端系數(shù),由支撐條件決定,本設(shè)計是兩端向心軸承,u=1。
P==3.6×10N
臨界負(fù)載P與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)n大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n],則該壓桿安全不致失穩(wěn)。
n===3.8×10>>[ n]=4
故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。
(5)由于鉆、銑工作時,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低,滾珠絲杠傳動時的振動就會非常小,所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。
3.2.3 軸承的選擇
機(jī)床傳動軸的滾動軸承的失效形式,主要是在循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用,滾動體和滾道表面上出現(xiàn)疲勞破環(huán)。即通常所說的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷,徑向除絲杠和工作臺的重量外,一般無外載荷,對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高,摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承,該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承,其主要特點如下:
(1)接觸角大,鋼球數(shù)多,承載能力高,剛度高。
(2)既能承受軸向載荷,也能承受徑向載荷,支撐結(jié)構(gòu)可以簡化。
(3)軸承啟動摩擦力矩小,降低絲杠副的驅(qū)動功率,提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。
現(xiàn)選用7000C型號,基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動負(fù)荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN,極限轉(zhuǎn)速(油潤滑)為28000。
對軸承的疲勞壽命進(jìn)行校核:由《機(jī)械設(shè)計》可知,軸承的基本額定壽命為:
L=
式中:P-當(dāng)量動載荷;
L-基本額定壽命;
ε—壽命指數(shù),球軸承ε=3;
n—軸承工作轉(zhuǎn)速,n=1250;
C——基本額定動載荷,C=2250N;
其中:P=f(X+YF)
f——沖擊載荷系數(shù),取1.1;
F——徑向載荷;
X、Y——徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。X=0.44,Y=1;
P=1.1×(0.44×305+415)=604N
L==21000h>15000h
所以該軸承的選用也是合格的。
3.2.4 導(dǎo)軌的選擇
導(dǎo)軌(Guideways)的功用是導(dǎo)向和承載。在導(dǎo)軌副(如工作臺和床身導(dǎo)軌)中,運(yùn)動的另一方(如工作臺導(dǎo)軌)叫作動導(dǎo)軌,不動的另一方(如床身導(dǎo)軌)叫做支承導(dǎo)軌。
按摩擦性質(zhì)分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。在滑動導(dǎo)軌中有靜壓導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和普通滑動導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的原理和靜壓滑動軸承相同,該導(dǎo)軌多用于進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌。動壓倒軌,當(dāng)導(dǎo)軌面間的相對滑動速度達(dá)到一定值后,液體的動壓效應(yīng)是導(dǎo)軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔,把兩導(dǎo)軌面分開,從而形成以液體摩擦,這種導(dǎo)軌只能用于高速的場合,故僅用作主運(yùn)動導(dǎo)軌,例如立式銑床導(dǎo)軌。普通滑動導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。
按受力狀態(tài)可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。在部件自重和外載作用下,導(dǎo)軌面在導(dǎo)軌全長上可以始終貼合的稱為開式導(dǎo)軌,如龍門銑床的工作臺和床身導(dǎo)軌。部件的自重不能使主導(dǎo)軌面始終貼合,就必須增加壓板,形成輔助導(dǎo)軌面,稱為閉式導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌選擇考慮的因素:
1. 導(dǎo)向精度
導(dǎo)軌在空載下運(yùn)動和在切削條件下運(yùn)動時,都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸承運(yùn)動的準(zhǔn)確性,是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。
(1)幾何精度
直線運(yùn)動導(dǎo)軌的幾何精度一般包括:導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度(簡稱A項精度);導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度(簡稱B項精度);兩導(dǎo)軌面間的平行度,也叫作扭曲(簡稱C項精度)。在A、B兩項精度中,都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長度上和導(dǎo)軌全長上,兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長度上的扭曲值。
(2)接觸精度
磨削和刮研的導(dǎo)軌表面,接觸精度按的規(guī)定,采用著色法進(jìn)行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內(nèi)接觸點數(shù)衡量。
精度保持性
影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度,是提高機(jī)床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一,也是科學(xué)研究的一大課題。常見的磨損形式有磨料(硬粒)磨損、粘著磨損(或咬焊)和接觸疲勞。磨料磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導(dǎo)軌面間隨之相對運(yùn)動,形成對導(dǎo)軌面的切削,使導(dǎo)軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高,相對滑動速度越大,壓強(qiáng)越大,對摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免,是導(dǎo)軌防護(hù)的重點。粘著磨損也稱為分子——機(jī)械磨損。當(dāng)兩個摩擦表面相互接觸時,在高壓強(qiáng)下材料產(chǎn)生塑性變形,相對運(yùn)動時的摩擦,又使表面層的氧化膜破壞,在新暴露出來的金屬表面之間,就會產(chǎn)生分子間的相互吸引和滲透,使接觸點粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對運(yùn)動又要將咬焊點拉開,就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動摩擦副中,也是無法避免的。
低速運(yùn)動平穩(wěn)性
當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動或微量位移時,應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動的平穩(wěn)性,即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運(yùn)動平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料和潤滑,與動、靜摩擦系數(shù)的差值,與傳動導(dǎo)軌運(yùn)動的傳動鏈的剛度有關(guān)。
結(jié)構(gòu)簡單平穩(wěn)性好
大多數(shù)機(jī)床的導(dǎo)軌都要淬硬,因此導(dǎo)軌的精加工,不能淬硬。設(shè)計時要注意使導(dǎo)軌的制造和維修方便,刮研量少。如果采用鑲裝導(dǎo)軌,則應(yīng)盡量做到更換容易。
導(dǎo)軌的潤滑
潤滑的目的、要求與方式
潤滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。
潤滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動和強(qiáng)制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開車和潤滑不正常有報警信號等。
導(dǎo)軌的潤滑方式有很多??梢匀斯ざㄆ谙?qū)к壝鏉灿汀4朔ê唵我仔?,但不能?jīng)常保證足夠的潤滑。也可在運(yùn)動部件上裝油杯,使油沿油孔流或滴向?qū)к壝?,也可在運(yùn)動導(dǎo)軌面上裝潤滑電磁泵?;蚴謩訚櫥捅?,定時拉動幾下供油。
為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布,保證潤滑效果,需在導(dǎo)軌面上開出油溝。
2. 潤滑油的選擇
導(dǎo)軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂,滑動導(dǎo)軌用潤滑油,滾動導(dǎo)軌兩者都可用。
導(dǎo)軌潤滑油的粘度可根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和潤滑方式選擇。高速低載荷可用粘度較低的潤滑油,反之,則用粘度較高的潤滑油。低載荷,高、中速的中、小型機(jī)床進(jìn)給導(dǎo)軌,可用導(dǎo)軌油;中載荷的中低速導(dǎo)軌,可采用導(dǎo)軌油;重型機(jī)床的低速導(dǎo)軌,可用或?qū)к売?。三嗪的合成路線
3.2.5 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩進(jìn)給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運(yùn)動的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類型繁多,有液力式、電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。
套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡單,徑向尺寸小,但裝卸困難(軸需作軸向移動)。且要求兩軸嚴(yán)格對中,不允許有徑向或角度偏差,因此使用時受到一定限制。
繞行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷,可使動力傳遞沒有方向間隙。
凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡單、成本的、可傳遞較大扭矩,常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對中性好的場合。他的主要缺點是對兩軸的對中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜,救在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷,使工作狀況惡化。
根據(jù)所設(shè)計的系統(tǒng)為模擬實驗實訓(xùn)系統(tǒng),需要的轉(zhuǎn)距不是很大,精度不高,又因為軸徑較小,所以選擇了套同式聯(lián)軸器
3.2.6 傳動裝置的選擇
傳動裝置選用閉式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動。齒輪傳動的適用范圍很廣,傳遞功率可高達(dá)數(shù)萬千瓦,圓周速度可達(dá)150m/s(最高可達(dá)300m/s)。和其他機(jī)械傳動比較,齒輪傳動的主要優(yōu)點是工作可靠,使用壽命長;瞬時傳動比為常數(shù);傳動效率高;結(jié)構(gòu)緊湊;功率和速度適用范圍很廣等。
齒輪的設(shè)計
1)材料的選取
因傳動載荷小,生產(chǎn)批量少,故大齒輪選用45鋼,硬度為229-286HB,平均取240HB;小齒輪選用45,調(diào)制處理,硬度為240-280HB,平均取250HB。
2)尺寸計算
初選兩齒輪的模數(shù)m=1,大齒輪的齒數(shù)為,小齒輪的齒數(shù)為,
根據(jù)公式,計算得齒輪的傳動比=1.25<5,符合齒輪單級減速的條件。
中心距
小齒輪: 齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
大齒輪: 齒頂高
齒根高=1.25
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
據(jù)機(jī)械設(shè)計相關(guān)知識校核計算得知,齒輪的設(shè)計符合要求。
3.3 Y軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計實例
1、步進(jìn)電機(jī)的選擇和脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求,步進(jìn)電動機(jī)脈沖當(dāng)量:δ=0.02/Step,步角距θ=1.8/ Step。由于無減速裝置,所以由δ=θ/360×P可知,滾珠絲杠螺距,即基本導(dǎo)程P=5mm。
2、步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算
T=36δ[F+μ(G+F)]/2πθη(Ncm)
其中:F——水平方向的切削抗力 F=260N;
μ——摩擦系數(shù) μ=0.03;
F——垂直方向的切削抗力 F=650N;
G——移動部件的總重量 G=50N;
η——總機(jī)械效率 η=0.85;
代入得: =47Ncm;
由手冊可知:T/T=0.866,
則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T= T/0.866=60N.cm
(3)確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
f=1000v/δ,v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù),初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。相數(shù),3;步距角,1.8;電流,2.5A;靜力矩,110Ncm;轉(zhuǎn)動慣量,280gcm
引線數(shù),4。
3. 滾珠絲杠傳動的設(shè)計計算
(1)最大動負(fù)載Q的計算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0,f——硬度系數(shù)取為1.2,P——最大的工作負(fù)載,L——使用壽命。
工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時,實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力,他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實驗公式計算:
對于類似圓柱導(dǎo)軌的機(jī)床: P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力,取260N;P——Y方向的切削力,由于Y方向不進(jìn)行切削,所以為0N;P——z方向的切削力,取為650N。G——移動部件的重量,取50N,f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),k——考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù)
選用滾動導(dǎo)軌,在正常潤滑情況下,對于類似燕尾型尋軌:k=1.4 ,f=0.03。
代入公式得: P=1.4*260+0.03*(650+0+50)=285N。
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速(r/min)
T——使用壽命(小時)
對于數(shù)控機(jī)床,n一般取1250 r/min,T一般取15000h,
因為L=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×285=3358.9N
查表初步選用的型號為N系列1604-3,3列Q=4612N較為合適,這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副,其主要參數(shù)如下:
名義直徑:D=20mm,基本導(dǎo)程t=4mm,鋼球直徑:D=3.725 mm ,絲杠內(nèi)徑d=17.1 mm ,絲杠外徑d =19.3mm ,循環(huán)列數(shù)3,額定動負(fù)載C=6612 N ,螺母外徑D=72 mm,螺母內(nèi)徑 D=28 mm,螺母長度 L=40 mm。
(2)效率計算
從《機(jī)械原理》中得知,滾珠絲杠螺母副的傳動效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中:β-螺紋的螺旋升角;φ-摩擦角;
β=arctg=arctg=4.55
滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004,其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
(3)剛度的驗算
從《材料力學(xué)》中得知,滾珠絲杠受工作負(fù)載(軸向力)P的作用而引起一個螺距t的變化量△t,可按下式計算: △t=
其中:P-工作負(fù)載;t-滾珠絲杠螺距 ;
E-彈性模數(shù),對鋼而言(E=20.1×10);
F-滾珠絲杠的橫截面積(按內(nèi)徑而定);
△t==0.31×10cm
由于扭矩引起的螺距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向力引起的螺距誤差,所以可以忽略不計。
如果Y方向的滾珠絲杠的長度為100m,則整個工作長度上的螺距變形總誤差:
△=100/0.4×0.31×10=7.1×10cm/m
查表得對E級絲杠,允許誤差△=15um/m,故該滾珠絲杠滿足要求。
(4) 穩(wěn)定性驗算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿,如果軸向力過大,可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負(fù)載P,可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計算:
P=(N)
E-絲杠材料的彈性模數(shù),對鋼而言E=2.1×10 N/cm;
J-截面慣性矩,對實心圓桿而言,J===1445cm;
l-絲杠的工作長度,l=290cm;
u-絲杠的軸端系數(shù),由支撐條件決定,本設(shè)計是兩端向心軸承,u=1。
P==3.5×10N
臨界負(fù)載P與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)n大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n],則該壓桿安全不致失穩(wěn)。
n===3.7×10>>[ n]=4
所以該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。
(5) 由于鉆、銑工作時,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低,滾珠絲杠傳動時的振動就會非常小,所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。
5 滾動軸承的選用計算
絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷,徑向除絲杠和工作臺的重量外,一般無外載荷,對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高,摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承,該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承,
現(xiàn)選用7000C型號,基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動負(fù)荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN,極限轉(zhuǎn)速(油潤滑)為28000。
由于橫向與縱向的切削力相差不大,所以橫向的滾動軸承也能滿足要求。就不進(jìn)行滾動軸承壽命的校核了。
6、滾動導(dǎo)軌的選用
本設(shè)計選用的滑動導(dǎo)軌中的圓柱的導(dǎo)軌,
該滾動導(dǎo)軌內(nèi)部套有銅套,提高了耐磨性,并且其導(dǎo)向精度能滿足一般數(shù)控鉆銑床的要求,同時,運(yùn)動平穩(wěn),耐磨性和剛度都能符合要求。
根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式及選用原則,分別對其他兩個方向的各個部件進(jìn)行選擇,為了提高互換性,并且在裝配時統(tǒng)一,首先分別進(jìn)行計算,然后選取性能更高的零部件,這樣不但保證個各個性能要求。
其余計算過程在此將不再一一贅述。
第四章 第四章 虛擬樣機(jī)的制作
根據(jù)設(shè)計計算結(jié)果,首先進(jìn)行了Solidworks的三維模擬,以下是其中部分零件及裝配圖的基本外觀形狀,其余各零件圖及部件圖見附光盤。
4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖
4.1.1 減速箱齒輪
圖4
4.1.2 工作臺
圖5
4.1.3 滾珠絲杠
圖6
4.1.4 套筒式聯(lián)軸器
圖7
4.1.5 橫梁
圖8
4.1.6 滾動軸承
圖9
4.1.7 軸
圖10
4.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖
圖11
第五章 第五章 控制系統(tǒng)
任何一個微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成的,硬件是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ),而只有配置了軟件的硬件才是可以工作的控制系統(tǒng)。其核心是計算機(jī)數(shù)字控制裝置。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件、合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息,控制執(zhí)行部件,使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求進(jìn)行自動加工。
隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,微型計算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。其發(fā)展之一就是將微處理器及其外圍芯片,如程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、并行、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷控制器及其他控制部件集成在一個芯片之中,制成單片機(jī)(Single Chip Microcomputer)。單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展,今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。
5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切聯(lián)系。驅(qū)動電源由喚醒脈沖分配器、功率放大器組成如圖12所示:
圖12
驅(qū)動電源是將變頻信號源(微機(jī)或數(shù)控裝置等)送來的脈沖信號及方向信號按照要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機(jī)的各個繞組,以驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。從計算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安,不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大,使其增加到幾至幾十毫安,從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。
環(huán)形分配器輸出的電流很?。ê涟布墸?,不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),需要功率器將脈沖電流放大到幾安培甚至幾十安培,才能驅(qū)動電動機(jī)。放大電路對步進(jìn)電機(jī)的性能起著非常重要的作用。功率放大的類型很多,從放大元器件來分,可以用功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、混合元件來組成放大電路;從工作原理來分,有單電壓、高低電壓切換、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動電路等。從工作原理上講,目前用的最多的是恒流斬波電路。
斬波恒流功率放大電路如圖所示。該電路的工作特點是:Vin端輸入方波步進(jìn)信號,當(dāng)Vin為“0”電平時,由與門A2輸出Vb為“0”電平,功率管(大林頓管)VT截止,繞組W上沒有電流通過,采樣電阻R3上沒有反饋電壓,A1放大器輸出高電平;當(dāng)Vin為高電平時,由與門A2輸出的Vb也是高電平,功率管VT導(dǎo)通,繞組W上有電流,采樣電阻R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf,由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減,來決定A1輸出點評的高低,來決定Vin信號能否通過與門A2。若Vref>Vf時,Vin信號通過與門,形成Vb正脈沖,打開功管VT;反之,Vref
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