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南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 論文 說明書 前 言 機床作為工作母機和維修工具 早已成為各個工業(yè)領域不可或缺的必 要裝備 數控機床的產生與發(fā)展 更是制造高質量 高效率 高一致性產 品的有力保障 隨著人類社會的飛速發(fā)展與進步 各種新材料 新技術 新工藝 新結構 新配件不斷涌現 各個領域不斷提出新的要求 這一切 都使得機床的結構 性能千變萬化 計算機技術的高速發(fā)展又使得機床數 控系統(tǒng)正在以更短的周期更新 面對如此的形勢 機床制造者在不斷努力 跟蹤時代的步伐 機床的使用者 維修者也要努力跟上 為使讀者及時了 解球面蝸桿專用數控機床及控制系統(tǒng)的技術與知識 加深球面蝸桿專用數 控機床及控制系統(tǒng)使用與維修理念上的認識 編輯了此設計說明書 力圖 對讀者有所幫助 本設計說明書以大量圖例來說明球面蝸桿專用數控機床及控制系統(tǒng)設 計的思路 設計中得到顏竟成教授的悉心指導 在此向他表示誠摯的感謝 由于編者的水平和經驗有限 加之設計時間較短 資料收集較困難 說明 書中難免有缺點和錯誤 在此懇請讀者諒解 并衷心希望廣大讀者提出批 評意見 使本設計說明書能有所改進 編者 2005 年 6 月 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計 論文 說明書 設計說明書中英文摘要 摘 要 根據設計任務書的要求 本設計說明書針對球面 蝸桿專用數控機床的加工及控制系統(tǒng)進行設計說明 主要 內容包括三種球面蝸桿傳動原理和加工特點 球面蝸桿專 用數控機床的機械結構及控制系統(tǒng)的總體設計方案 進給 系統(tǒng)的機械結構設計和數控系統(tǒng)的電路設計 關鍵字 球面蝸桿 數控系統(tǒng) 設計 Abstract According to the requirement of the design this design aims at the machining of Arc worm numerical control machine and the control system The main contents include the transmission theory and machining characteristic of three kinds of Arc worm the blue print of the engine configuration of Arc worm numerical control machine and control system the design of the feed system s transmission theory and the circuit design of numerical control system Key word Arc worm numerical control system design 湖南科技大學 第 1 頁 共 46 頁 弧面蝸桿加工專用數控機床設計 目 錄 設計說明書中英文摘要 第一章 弧面蝸桿蝸輪的特點 1 1 1 蝸桿蝸輪的形成 類型及其結構 1 1 2 蝸桿傳動的特點及其應用 3 1 3 弧面蝸桿的加工 4 1 4 弧面蝸輪的加工 5 第二章 弧面蝸桿數控專用機床總體結構方案設計 12 2 1 加工機床運動的基本要求 12 2 2 弧面蝸桿數控專用機床總體方案 13 2 3 專用球面蝸桿數控車床的基本結構 14 第三章 弧面蝸桿數控專用機床的主傳動系統(tǒng)設計 15 3 1 傳動結構式和結構選擇 15 1 主傳動的確定 和公比 的確定 15nmaxin 2 確定變速組和傳動副數目 15 3 確定傳動順序方案 16 3 2 傳動方案的擬訂 18 3 3 齒輪傳動部分的設計 19 3 4 軸的設計計算 25 1 軸 的設計計算 25 2 軸 的設計計算 26 3 主軸的設計計算 32 第四章 弧面蝸桿數控專用機床的進給系統(tǒng)設計 32 5 1 進給系統(tǒng)傳動方案擬訂 32 5 2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 33 1 縱向進給系統(tǒng)的設計 33 2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 33 5 3 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 39 5 4 齒輪傳動間隙的消除 46 第五章 弧面蝸桿數控專用機床回轉工作臺設計 52 第六章 弧面蝸桿數控專用機床控制系統(tǒng)總體方案擬定 54 第七章 潤滑油的選用 54 結 束 語 湖南科技大學 第 2 頁 共 46 頁 第一章 弧面蝸桿蝸輪的特點 1 1 蝸桿蝸輪的形成 類型及其結構 1 蝸輪蝸桿的形成 蝸桿蝸輪傳動是由交錯軸斜齒圓柱齒輪傳動演變而來的 小齒輪的輪齒分度圓柱面上纏 繞一周以上 這樣的小齒輪外形像一根螺桿 稱為蝸桿 大齒輪稱為蝸輪 為了改善嚙合狀 況 將蝸輪分度圓柱面的母線改為圓弧形 使之將蝸桿部分地包住 并用與蝸桿形狀和參數 相同的滾刀范成加工蝸輪 這樣齒廓間為線接觸 可傳遞較大的動力 蝸桿蝸輪傳動的特征 其一 它是一種特殊的交錯軸斜齒輪傳動 交錯角為 90 z1 很少 一般 z1 1 4 其二 它具有螺旋傳動的某些特點 蝸桿相當于螺桿 蝸輪相當于螺母 蝸輪部分地包 容蝸桿 2 蝸桿傳動的類型 桿形狀的不同可分 圓柱蝸桿傳動 普通圓柱蝸桿 阿基米德蝸桿 漸開線蝸桿 法向直廓蝸桿 錐面包 絡蝸桿 和圓弧蝸桿 普通圓柱蝸桿 湖南科技大學 第 3 頁 共 46 頁 圓弧蝸桿 環(huán)面蝸桿傳動 環(huán)面蝸桿 錐蝸桿傳動 湖南科技大學 第 4 頁 共 46 頁 錐蝸桿動 3 蝸輪蝸桿結構 蝸桿結構 蝸桿通常與軸為一體 采用車制或銑制 結構分別見下圖 蝸輪結構 蝸輪常采用組合結構 由齒冠和齒芯組成 聯(lián)結方式有 鑄造聯(lián)結 過盈配合聯(lián)結和螺 栓聯(lián)接 結構分別見下圖 蝸輪只有在低速輕載時采用整體式 湖南科技大學 第 5 頁 共 46 頁 1 2 蝸桿傳動的特點及其應用 1 蝸桿傳動的特點 在動力傳動中 一般傳動比i 5 80 在分度機構或手動機構的傳動中 傳動比可達 300 若只傳遞運動 傳動比可達1000 由于傳動比大 零件數目又少 因而結構十分緊湊 在蝸桿傳動中 由于蝸桿齒是連續(xù)不斷的螺旋齒 它和蝸輪齒是逐漸進入嚙合及逐漸退 出嚙合的 同時嚙合的齒對又較多 故沖擊載荷小 傳動平穩(wěn) 噪聲低 當蝸桿的螺旋線升角小于嚙合面的當量摩擦角時 蝸桿傳動便具有自鎖性 這時 只能以蝸 桿為主動件帶動蝸輪傳動 而不能由蝸輪帶動蝸桿運動 蝸桿傳動與螺旋齒輪傳動相似 在嚙合處有相對滑動 當滑動速度很大 工作條件不夠 良好時 會產生較嚴重的摩擦與磨損 從而引起過分發(fā)熱 使?jié)櫥闆r惡化 因此摩擦損失 較大 效率低 當傳動具有自鎖性時 效率僅為0 4左右 為保證有一定使用壽命 蝸輪常 須采用價格較昂貴的減磨材料 因而成本高 蝸桿軸向力較大 致使軸承摩擦損失較大 2 蝸桿傳動的應用 由于蝸桿蝸輪傳動具有以上特點 故常用于兩軸交錯 傳動比較大 傳遞功率不太大或 間歇工作的場合 當要求傳遞較大功率時 為提高傳動效率 常取z1 2 4 此外 由于當 1較小時傳動具有自鎖性 故常用在卷揚機等起重機械中 起安全保護作用 它還廣泛應 用在機床 汽車 儀器 冶金機械及其它機器或設備中 利用蝸桿傳動傳動比大省力的特點 以及它的自鎖性能 在起重機械中廣泛應用 蝸桿傳動由蝸桿相對于蝸輪的位置不同分為上 置蝸桿和下置蝸桿傳動 1 3 弧面蝸桿的加工 這種蝸桿按其蝸旋面的形成特征可分為阿基米德螺線蝸桿 法向直廓蝸桿和漸開線蝸桿 通常都采用前面兩種 蝸桿的技術要求與軸類零件相同 只是增加了蝸桿螺牙的制造程度和光潔度 在車床上用車刀加工蝸桿是最普通的方法 車蝸桿和車梯形螺紋的方法相類似 所用的 車刀刃是直線型的 刀尖角等于 2 40 一般在蝸桿時將車刀刀刃放于水平位置 并且與 湖南科技大學 第 6 頁 共 46 頁 蝸桿軸線在同一水平面內 這樣加工出來的蝸桿在垂直于軸心線的截面內齒形是阿基米德螺 線 所以叫阿基米德蝸桿 它的軸向截面齒形是直線的 法向截面齒形不是直線的 當螺旋 線升角較大時 如果仍把車刀刀刃放置在水平位置上 車刃的兩個刀刃的前后角就很不理想 總會有一個刀刃是沒前角 為了使車刀獲得合理的前角和后角 常用的把車刀分別加工蝸桿 的兩個側面 或者將車刀刀刃放在蝸桿齒面的法向位置來加工蝸桿 這樣加工出來的蝸桿 軸向截面齒形不是直線的 而法向截面齒形才是直線的 所以叫法向直廓蝸桿 也有叫延長 漸升線蝸桿的 正因為如此 小螺旋線升角 小于 5 常用阿基米德蝸桿 大螺旋線升角 常用法向直廓蝸桿 也是由加工方法而決定的 當批量較大時 可以在專用銑床或車床改裝成專用銑床上 采用長狀銑刀和指狀銑刀來 精銑蝸桿 然后再用車刀來進行精加工 可提高生產率 如果蝸桿精度要求不太高 通常用車削就可完成加工 但對于高精度的分度蝸桿 或較 高精度的高轉速傳動蝸桿 由于需經淬火處理 故車削只能作為淬火前的加工 而需采用啟 削作為終加工 用來啟削蝸桿的機床 可以用車床改裝 也可以用鏟啟車床 還有專門設計 的蝸桿啟床 例如 S7712 蝸桿啟床 和精密螺母啟床 如 S7520W 萬能螺絲啟床 1 4 弧面蝸輪的加工 普通蝸輪的技術要求與圓柱齒輪基本相同 主要包括三個方面 1 齒形的加工精度和 齒側 2 蝸輪胚基準孔 喉結部分的尺寸精度和幾何形狀精度 基準孔與喉結軸心線的 不同軸度 基準端面對基準孔軸心線的不垂直度 如果是嵌入輪圈式蝸輪 還必須對組裝的 配合表面提出一定的精度要求 3 裝面光潔度 與圓柱齒輪加工相似 蝸輪加工也是經過蝸輪胚加工和齒形加工兩個階段 齒胚加工與 圓柱齒輪齒胚加工基本上相同 但胚加喉結部分的加工 如果是嵌入輪圈式的 首先將輪殼 和輪圈分別進行加工 然后組裝在一起時進行輪胚的精加工 在進行精加工時 應將喉結 基準孔和基準端面在一次安裝下加工出來 或首先加工好基準孔 用心軸定位安裝來加工喉 結和基準端面 以保證喉結 基準孔的不同軸度 以及基準端面和軸心線的不垂直度 螺輪齒形的加工是蝸輪整個加工過程中的關鍵工序 也是加工中的主要矛盾 齒形加工 方法有滾齒 飛刀切齒 剃齒等 冶金礦山機械和重型機械廠主要采用滾齒和飛刀切齒 1 用蝸輪滾刀加工蝸輪 湖南科技大學 第 7 頁 共 46 頁 在滾齒機上用蝸輪滾刀加工蝸輪齒形是加工蝸輪的一種基本方法 滾動蝸輪與滾切圓柱 齒輪有許多共同點 但椰油很多不同點 這些特點是 齒輪滾刀的基本蝸桿沒有嚴格的規(guī)定 可以采用阿基米德型 法向直廓型或漸升線型 按工作條件由自己選擇 基本蝸桿的直徑也可由自己決定 但蝸輪滾刀的基本蝸桿相當于 一般加工蝸輪相嚙合的蝸桿 不但蝸桿的類型應相同 而且主要尺寸 如軸向模數 分度 圓直徑 頭數 螺旋方向 螺旋升角等 均須一致 只是外徑比工作蝸桿稍大一些 以便 使加工后的螺輪與蝸桿嚙合時有齒頂間隙 壇大量通常為徑向間隙的兩倍 即 2 0 2m 0 4m m 為軸向模數 蝸輪滾刀水平安裝 不需要象加工圓柱齒輪那樣刀架要搬角度 同時蝸輪滾刀軸心 線應和蝸輪蝸桿傳動嚙合狀態(tài)一樣 應在蝸輪中心平面內 工件的分齒運動應符合蝸桿蝸輪傳動速比的關系 即蝸輪滾刀一轉 被加工蝸輪應 轉一個齒 單頭滾刀 或幾個齒 多頭滾刀 滾齒機分齒蝸輪的計算與加工圓柱齒輪的計 算或相同 例如 Y38 滾齒機 當 Z 161 時 i 分齒 a b c d 24k z 當 Z 161 時 i 分齒 a b c d 48k z 但滾切蝸輪時 不能忽視蝸輪滾刀的頭由文 K 進給方向 加工圓柱齒輪時 滾刀相對被切齒輪由上向下或由下向上作垂直進給運動 但加工蝸輪時 蝸輪滾刀要保持在蝸輪中心平面內 因此蝸輪滾刀相對工件只能作徑向進 給或切向進給 a 徑向進給法 這時蝸輪滾刀向被加工蝸輪作徑向進刀 逐漸切至全齒深為止 這種 方法在生產中應用較廣 因為生產率高 而且不需要切向刀架 許多滾齒機往往沒有這種 附件 徑向進給運動是滾切過程中被加工蝸輪轉一轉 滾刀在水平面沒被切蝸輪半徑方向移動 S 徑毫米 運動是通過徑向絲桿來實現的 Y38 滾齒機徑向供給傳動關系 工作臺 蝸輪付 Z96 K 蝸桿蝸輪 K1 Z30 進給掛輪 i 進給 接通離合器 M1 齒輪 Z45 Z36 錐齒輪 Z17 Z17 錐齒輪 Z17 Z17 蝸桿蝸輪 K4 Z20 接通 M2 螺旋齒輪 X10 Z20 脫落蝸桿 K4 Z20 蝸桿蝸輪 K4 Z16 錐齒輪 Z20 Z25 徑向進給絲桿 t 10 毫 米 刀架立柱水平移動 列成計算式 S 徑 工作臺轉一轉 96 1 1 30 i 進給 45 36 17 17 湖南科技大學 第 8 頁 共 46 頁 17 17 4 20 10 20 4 20 4 16 20 25 10 經簡化和整理得到徑向進給掛輪調整公式 i 進給 徑 a1 b1 c1 d1 25 4 S 徑 b 切向進給法 此時用一端為錐形的蝸輪滾刀 也有叫玉米滾刀的 沿被加工蝸輪位切 向進給 滾刀和被加工蝸輪的中心距 予先調整到蝸輪蝸桿的中心距 A 加工時保持不變 依滾刀齒高由小到大 逐漸切至全齒架 滾刀圓錐部分刀齒依切入和粗加工用 圓錐部分刀 齒位精加工和最后修整用 用切向進給法加工蝸輪時 由于需要滾刀在刀架上作軸向移動 故必須用切向刀架 這 時刀具和工件之間的相互運動關系 除了分齒運動外 還需要切向進給運動和差動運動 切向進給運動 指滾刀沿蝸輪切向 即滾刀本身軸線方向 移動 以實現連續(xù)進給的目 的 Y38 滾齒機是由專用切向刀架來完成的 其傳動關系是工作臺或工作轉一轉 滾刀沿切 向移動 S 切毫米 工作臺 蝸輪蝸桿 Z96 K1 蝸桿蝸輪 K1 Z30 進給掛輪 i 進給 接通離合器 M1 齒輪 Z45 Z36 錐齒輪 Z17 Z17 錐齒輪 Z17 Z17 進入切向刀架 錐齒輪 Z17 Z17 齒輪 Z35 Z35 蝸桿蝸輪 K1 Z50 切向進給絲桿 t 5 毫米 切向進給 列成計算式 S 切 工作臺轉一轉 96 1 1 30 a1 b1 c1 d1 45 36 17 17 17 17 17 17 35 35 1 50 5 經簡化和整理得到切向進給掛輪調整公式 i 進給 切 a1 b1 c1 d1 5 2 S 切 差動運動 切向進給法加工蝸輪時 由于滾刀多了一個切向進給運動 這時被加工蝸輪 工作臺 必須隨著刀具移動方向 相應地轉過一定角度 稱它為附加運動 因此需要掛 差動掛輪 差動掛輪速比的計算 根據滾刀切向 軸向 移動一個軸向齒距 ms 時 被加 工蝸輪的附加轉動應為 1 Z 轉的關系 由刀具與工件的轉動關系列出 切向進給絲桿 t 5 毫米 蝸桿蝸輪 Z50 K1 齒輪 Z35 Z35 錐齒輪 Z17 Z17 錐齒 輪 Z17 Z17 錐齒輪 Z17 Z17 齒輪 Z36 Z45 插動掛輪 i 差掛 蝸桿蝸輪 K1 Z30 差動機 構 i 差動 2 分齒掛輪 i 分齒 蝸桿蝸輪 K1 Z96 工作臺 列成計算式 ms 5 50 1 35 35 17 17 17 17 17 17 36 45 i 差掛 1 30 i 差動 2 i 分齒 1 96 1 Z 其中 i 差動 2 2 i 分齒 24K Z 當 Z 161 時 代入并化簡 得到切向進給時 差動掛 湖南科技大學 第 9 頁 共 46 頁 輪調整公式 i 差掛 a2 b2 c2 d2 15 2 msK 0 38733 msK 式中 ms 被加工蝸輪軸向模由文 K 蝸輪滾刀頭數 必須指出 用切向進給法加工蝸輪掛差動掛輪 與加工斜齒輪時掛差動掛輪的目的不 同 斜齒輪主要為了保證螺旋角 而切向進給法是刀具多了一個切向移動 故工件 工作 臺 必須相應地附加轉動以補償刀具切向的移動 切向進給法的加工精度和光潔度 要比徑向進給法高 因為切向進給的滾刀是由不同的 刀齒進行粗加工和精加工的 但切向進給時滾齒機必須富有單獨的切向刀架 而一般中小 型滾齒機除專門訂貨外是不帶切向刀架的 因此徑向進給法比切向進給法應用要廣泛得多 由以上看出 在滾齒機上用蝸輪滾刀加工蝸輪 只要滾刀和滾齒機的精密度較高 就可 以加工出程度較高的蝸輪來 但這種無法需要有專門的蝸輪滾刀 在冶金廠或礦山機修車 間里 也有用一般齒輪滾刀來加工蝸輪的 因為滾刀也是一個蝸桿 當加工時若齒輪滾刀 的螺旋升角不等于被加工蝸輪的螺旋升角時 可用轉動刀架的辦法來解決 這種方法當滾 刀與蝸桿的直徑和螺旋升角相差較大時 加工誤差越大 因此 采用這種方法加工 在設 計蝸桿時應盡量按齒輪滾刀的形狀來設計 2 用飛刀加工蝸輪 用蝸輪滾刀加工蝸輪比較精確 而且生產率也高 但需要專門蝸輪滾刀 當單件小批生 產 特別是一個或幾個大型蝸輪時 專做蝸輪滾刀就不合算 而且時間要拖久 因此 許 多冶金礦山機械廠和重型機械廠經常采用飛刀里加工蝸輪 在滾齒原理和蝸桿蝸輪嚙合原理中知道 滾刀或蝸桿在中心平面剖面內相當于一個齒條 旋齒加工就象齒條與齒輪相嚙合的情況一樣 如果只用蝸輪滾刀沙鍋內一個刀齒來切削 使這個刀齒一方面旋轉 同時又作相應的軸向移動 這樣刀齒走的路線和滾刀刀齒的螺旋 線一樣 因此象滾刀一樣能銑出正確的齒形來 這就是飛刀加工的原理 飛刀刀頭的齒形和蝸輪滾刀上一個刀齒一樣 也和蝸桿軸向剖面內的齒形相同 僅齒頂 高大 0 2ms 飛刀刀頭的尺寸根據被加蝸輪的模數 2 壓力角 20 的蝸輪飛刀刀頭尺寸 飛刀在刀桿上的安裝 其中 R d 頂 1 2 0 2ms L R d 刀桿 2 湖南科技大學 第 10 頁 共 46 頁 d 頂 1 蝸桿外徑 d 刀桿 飛刀刀桿直徑 飛刀刀桿材料選用 W18Cr4V 高速鋼 淬大后切削部分硬度達 HRC60 64 齒形部分要進 行研究 并用梯板透光檢查 飛刀刀桿的結果主要應滿足刀頭漿固 不致在加工中松動 是一種加工中小模數的飛刀 刀桿 飛刀裝在刀桿 1 的圓孔中 由螺母面通過壓緊套筒工來壓緊 這種結構簡單調節(jié)方 便 另外 在加工大模數蝸輪時 可采用刀桿結構 它用斜面或圓弧面來卡緊 使飛 刀 不會轉動或滑動 所以能承受較大的切削力 用飛刀加工蝸輪時 飛刀裝在專用的飛刀刀桿上 由刀桿帶動飛刀一面旋轉 一面切向 軸向 進給 這就要求在滾齒機上裝上切向刀架 掛上切向進給掛輪 就能使飛刀在銑 齒過程中連續(xù)的作軸向移動 由于飛刀作軸向移動 故被加工蝸輪除了有分齒運動外 還 應有和上述切向進給法相同的附加轉動 即應掛差掛輪 升車加工之前 應將刀桿中心的 距離按圖紙調整到蝸桿螺嚙合時的中心距離 分幾次將蝸輪切成 由于飛刀只有一個刀齒 一轉內在蝸輪上的切痕比液刀一轉的切痕少得多 為了保證齒面有一定的光潔度 切向進 給很小 因此因產率很低 所以只是沒有蝸輪滾刀并且單件小批生產才采用飛刀加工 3 蝸輪的剃齒和珩齒 為了提高蝸輪付的接觸精度 有些工廠在蝸輪粗精滾之后 采用剃齒作為最終齒形加工 工序 剃齒刀的形狀和主要尺寸與工作蝸桿相同 只是在這蝸桿螺旋工作臺上開出很多小 槽 以形成切削刃 剃齒刃的外徑比工作蝸桿外徑較大一點 約 0 2ms 以保證蝸輪全部有 效齒面都能加工 剃齒方法有自由剃和強通剃兩種 自由剃在剃削時蝸輪與機床傳動能脫開 只是依靠頂 尖和轉臺 由剃刀在切削過程中自由帶動 只輔加以一定的阻尾力來提高切削效率 因此 機床分變機構精度沒有影響 被加工蝸輪的相鄰周節(jié)誤差主要取決于剃齒刀的齒距精度和 機床裝刀軸的徑向和軸向竄動 強迫剃在剃齒時蝸輪仍與機床傳動鏈相聯(lián)系 故相鄰周期 誤差仍與機床有關 有些工廠在蝸輪經粗滾精滾后 采用珩面方法來作為精密蝸輪的最終工序 珩面是用珩 面蝸桿裝在滾齒機的滾刀上 以自由或強迫的運動來帶動蝸輪進行切削 珩面桿是由面料 粘結劑 如環(huán)氧樹脂等 澆注成形并經修面而制成 其參數除外徑略小 齒厚稱法外 其 余與工作蝸桿在同樣條件刃面出 一般珩面蝸桿的線速度比剃齒高一些 珩面時應采用足夠的冷卻 珩齒對提高蝸輪齒面 湖南科技大學 第 11 頁 共 46 頁 光潔度十分顯著 一般可達 8 剃齒和珩齒目前工廠里均有采用 剃齒的優(yōu)點能提高接觸粘度 生產率較高 但剃齒制 造困難 且剃刀使用壽命有限 因此有些工廠多采用珩齒法加工 因珩齒蝸桿制造簡單 成本低 周期小 其主要缺點是生產率低 第二章 弧面蝸桿數控專用機床總體結構方案設計 2 1 加工機床運動的基本要求 根據圓弧面蝸桿蝸輪的加工原理 對機床的運動要求如圖所示 由于加工蝸輪的刀具 與蝸桿相似 所以加工蝸桿的機床也能加工蝸輪 加工圓弧面蝸桿專用機床 必須具有以下 基本運動 分 齒As1v232 圖 1加 工 圓 弧 面 蝸 桿 蝸 輪 副 機 床 的 基 本 運 動 1 切削運動 主運動 1 即被加工蝸桿的旋轉運動 2 分齒運動 2 隨著蝸桿以 1 旋轉 刀盤也要以 2 的速度相應旋轉 并要求 1 和 2 之間有準確的傳動關系 即 U 分齒 1 2 Z2 Z1 被加工蝸桿和刀盤的旋轉方向應 符合蝸桿蝸輪副的嚙合關系 1 和 2 也可統(tǒng)一稱齒廓形成運動 展成運動 這兩個運 動是切削弧面蝸桿齒面或滾動蝸輪齒面的最基本運動 由速度掛輪和分齒掛輪來調整 3 徑向進給運動 S1 和圓周進給運動 3 4 調整運動 S2 和 S3 此兩個運動是用來調整蝸桿的軸向位置和刀盤的上下位置 2 2 弧面蝸桿數控專用機床總體方案 設計任務是將 CK6163 型數控臥式車床改造成經濟型弧面蝸桿數控專用機床 根據圓弧 湖南科技大學 第 12 頁 共 46 頁 面蝸桿蝸輪的加工原理 初步選擇弧面蝸桿數控加工專用機床參數如下 1 車床縱向運動由 X1 向 1 步進電動機聯(lián)接控制 130BF001 型步進電動機 配套絲桿螺距 8mm 脈沖當量 0 01mm 2 車床橫向運動由 Z1 向 2 步進電動機聯(lián)接控制 110BF001 型步進電動機 配套絲桿螺距 6mm 脈沖當量 0 005mm 3 圓盤工作臺由 Y1 向 3 步進電動機聯(lián)接控制 130BF001 型步進電動機 配套絲桿螺距 6mm 脈沖當量 0 005mm 4 圓盤工作臺上縱向運動由 X2 向 4 步進電動機聯(lián)接控制 110BF001 型步進電動機 配套絲桿螺距 6mm 脈沖當量 0 01mm 5 圓盤工作臺上橫向運動由 Z2 向 5 步進電動機聯(lián)接控制 110BF001 型步進電動機 配套絲桿螺距 6mm 脈沖當量 0 005mm CK6163 數控車床改造為弧面蝸桿專用加工機床后 要求能完成一般車削及加工任意錐 面 球面 螺紋等 并具有回轉工作臺及其它輔助功能 根據設計任務 選用 JWK 5 2 經濟型機床微機控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用 MCS 51 系列單片 機 ISO 國際標準數控代碼編程 功能較完備 驅動性能好 縱向和橫向均采用步進電動機 降速齒輪 滾珠絲杠螺母副 溜板的傳動方式 2 3 專用弧面蝸桿數控車床的基本結構 湖南科技大學 第 13 頁 共 46 頁 1 床身 床身是用 HT300 澆鑄而成的 它由牢固的橫向十字筋組成 振動低 2 個 90 V 形平導 軌是經過高頻淬火和精密磨削加工而成的 拖板和尾架各使用一個 90 V 形平導軌 縱向走 刀 Z 向 采用滾珠絲桿傳動 絲桿安裝在床身前面 主電機安裝在床身后面 2 主軸箱 主軸箱是用 HT250 澆鑄而成的 它由 4 顆螺釘固定在床身上 在床頭箱里 主軸安裝在 2 個圓錐滾子軸承 7210 7212 上 主軸有一個 38 的通孔 主軸端內孔錐度為莫氏 5 號 3 拖板 大拖板是用 HT200 澆鑄而成的 其滑動導軌面經過精密磨削 它與床身上的 90 V 形平 導軌之間無間隙 下面的滑動部分能夠簡單而又方便的調整 中拖板是安裝在大拖板上的 通過滾珠絲桿傳動可帶動中拖板在大拖板上滑動 可通過鑲條來調整中拖板與大拖板燕尾導 軌的間隙 4 尾架及其調整 尾架通過鎖緊受柄拉緊鎖緊塊 固定在床身上 尾架有一個帶 3 號莫氏錐孔的套筒 尾 架套筒在任何位置都能用鎖緊手柄將其鎖緊 5 工作臺 弧面蝸桿數控專用加工機床的回轉工作轉臺由滑座 十字滑臺 工作臺等零件組成 工 作臺 X 軸向移動 由已預緊且通過座 緊固在工作臺上的滾珠螺母和兩端分別用右托架 電 機座固定在十字滑臺上的絲桿的轉動來實現 絲桿是由電機通過同步齒形帶及兩帶輪來驅動 的 工作臺 Y 向移動由已預緊且通過底座 緊固在十字滑臺上的滾珠螺母和用電機座固定在 滑座上的絲桿轉動來實現的 絲桿是由電動機通過同步齒形帶及帶輪來驅動的 工作臺面有 六條 T 形槽 用來對工件進行安裝 定位 中間的 T 形槽是定位 T 形槽 湖南科技大學 第 14 頁 共 46 頁 130BF 10BF 10BF10BF圖 2 工 作 臺 結 構 示 意 圖 第三章 弧面蝸桿數控專用機床的主傳動系統(tǒng)設計 3 1 傳動結構式和結構選擇 1 主傳動的確定 和公比 的確定 nmaxin 根據 ZJK 7532 的使用說明書 初步定主軸轉速范圍為 32 1000r min 則 1 361 ZnR1minaxz1350 由設計手冊取標準值得 1 26 令 則in 10maxr min 32106 axmin rZ 則取 i 10i 32axin r 2 確定變速組和傳動副數目 大多數機床廣泛應用滑移齒輪的變速方式 為了滿足結構設計和操縱方便的要求 通 常采用雙聯(lián)或三聯(lián)滑移齒輪 因此主軸轉速為 12 級的變速系統(tǒng) 總共需要兩個變速組 3 確定傳動順序方案 按著傳動順序 各變速組排列方案有 湖南科技大學 第 15 頁 共 46 頁 12 3 2 2 12 2 3 2 12 2 2 3 從電機到主軸 一般為降速傳動 接近電機處的零件 轉速較高 從而轉矩較小 尺 寸也就較小 如使傳動副較多的傳動組放在接近電機處 則可使小尺寸的零件多些 而大 尺寸的零件可以少些 這樣就節(jié)省省材料 經濟上就占優(yōu)勢 且這也符合 前多后少 的 原則 從這個角度考慮 以取 18 3 3 2 的方案為好 本次設計即采用此方案 3 2 傳動方案的擬訂 根據以上分析及計算 擬定主軸箱 變速箱傳動結構圖如下 圖 3 1 主 軸 箱 傳 動 結 構 圖主 軸 脈 沖發(fā) 生 器 帶 輪 Z5 4Z6789Z1023 湖南科技大學 第 16 頁 共 46 頁 主 電 機功 率 13千 瓦轉 速 450轉 分帶 輪 Z1 雙 聯(lián) 滑 移 圖 3 2 變 速 箱 傳 動 結 構 圖帶 輪帶 輪 23Z44 雙 聯(lián) 滑 移 圖 3 2 中 第 軸至第 軸 其結構式為 4 22 21 圖 3 1 中 第 軸至第 軸 機床主軸箱傳動系統(tǒng)采用分離傳動 其主要特點是 1 在滿足傳動副極限傳動比的條件下 可以得到較大的變速范圍 2 高速由短支傳動 有助于減少高速時機床的空運轉功率損失 而且高速分支的尺寸 可相對小些 3 變速級數不像常規(guī)變速系統(tǒng)那樣受 2 3 因子的限制 如與部分轉速重合的方法配 合 幾乎可以得到任意的變速級數 大大增加了可供選擇方案的數目 3 3 齒輪傳動部分的設計 選擇以機床變速箱中第 軸和第 軸間 兩嚙合直齒圓柱齒輪 Z1 和 Z2 對其進行齒輪 傳動部分的設計和驗算 根據總體結構方案 主電機功率 13KW 轉速 1450r min 要求輸出 軸轉速 1000 r min 齒輪齒數比 U 1 25 具體計算如下 1 大 小齒輪的材料均為 45 鋼 經調質與表面淬火處理 硬度為 40 50HRC 2 選小齒輪齒數 Z1 28 大齒輪齒數 Z2 U Z1 1 25 28 35 齒數比 U 1 25 3 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行試算 即 d1t m ZuTKHEdt 232 1 2 湖南科技大學 第 17 頁 共 46 頁 1 選取載荷系數 K t 1 2 2 計算大齒輪傳遞的轉矩 T2 95 5 10 P1 n1 95 5 10 13 1450 N mm 8 562 10 N mm55 4 3 選取齒寬系數 d 1 4 查得材料的彈性影響系數 ZE 189 8MPa 2 1 5 按齒面硬度查得大 小齒輪的接觸疲勞強度極限 Hlim1 Hlim2 550 MPa 6 計算應力循環(huán)次數 N2 60n1jLh 60 1450 1 2 8 365 15 7 6212 10 9 N1 7 6212 10 1 25 9 5265 1099 7 查得接觸疲勞壽命系數 KHN1 0 86 K HN2 0 88 8 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1 安全系數 S 1 得 1H MPSKHN4735086 1lim 2 8 2li 9 試算小齒輪分度圓直徑 d1t 帶入 中較小的值 H d1t 69 429mm 23 4232 4738 19 25 190 8 562 1 HEdtZuTK 10 計算圓周速度 smsnt 64 3 106429 106 11 計算齒寬 b b d d1t 1 69 429 mm 69 429 mm 12 計算齒寬與齒高之比 b h 模數 m t d1t Z1 69 429 28 mm 2 480 mm 齒高 h 2 25 mt 2 25 2 480 mm 5 58 mm b h 69 429 5 58 12 44 湖南科技大學 第 18 頁 共 46 頁 13 計算載荷系數 根據 3 64m s 7 級精度 查得動載荷系數 Kv 1 14 直齒輪 假設 KAFt b 100 N mm 查表得 KH KF 1 2 查表得使用系數 KA 1 查得 7 級精度 小齒輪相對支承非對稱布置時 KH 1 14 0 18 1 0 6 d d 0 23 10 b23 將數據帶入后 得 KH 1 14 0 18 1 0 6 1 1 0 23 10 69 429 1 444 23 由 b h 10 66 K H 1 444 查圖 機械設計 10 13 得 KF 1 32 故載荷系數 K KAKvKH KH 1 1 14 1 2 1 444 1 975 14 按實際的載荷系數效正所得的分度圓直徑 由式 69 429 mmtd1 3 t 81 793 95 13 15 計算模數 m m d1 Z1 79 81 28 mm 2 85 mm 4 按齒根彎曲強度設計 321 FSadYzKTm 1 查得大 小齒輪的彎曲疲勞強度極限均為 FE1 710MPa 2 查得彎曲疲勞壽命系數 KFN1 0 805 KFN2 0 82 3 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數 S 1 4 由式 MPPSKFENF 25 4084 1780511 FEF 6 1 222 4 計算載荷系數 K K KAKvKF KF 1 1 14 1 2 1 32 1 806 5 查取齒形系數 湖南科技大學 第 19 頁 共 46 頁 查得 YFa1 2 61 Y Fa2 2 52 6 查取應力校正系數 查得 YSa1 1 58 Y Sa2 1 625 7 計算大 小齒輪的 并加以比較 FSa 01 25 408611 FSaY 985 6 2FSa 小齒輪的數值大 8 設計計算 mm 1 53 mm32 401 819 056 80 2 m 對比計算結果 由齒面接觸疲勞強度計算的模數 m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數 由于齒輪模數 m 的大小主要取決于彎曲強度決定的承載能力 而齒面接觸疲勞強度所決定的 承載能力 僅與齒輪直徑 即模數與齒數的乘積 有關 可取由彎曲強度算得的模數 1 53 并就近圓整為標準值 m 3 mm 按接觸強度算得的分度圓直徑 d1 79 81 mm 算出小齒輪的齒 數 取 Z1 32 mm6 2381 791 dZ 大齒輪齒數 Z2 U Z1 1 25 32 40 取 Z2 40 5 幾何尺寸計算 1 計算分度圓直徑 d1 Z1 m 32 3 mm 96 mm d 2 Z2 m 40 3 mm 120 mm 2 計算中心距 a d1 d2 2 108 mm 3 計算齒輪寬度 b d d1 1 96 mm 96 mm 湖南科技大學 第 20 頁 共 46 頁 因為變速箱中 小齒輪 1 固定安裝在第 軸上 大齒輪 2 安裝在第 軸上 且為雙聯(lián)滑 移齒輪 兩齒輪副傳動比取值為 1 25 變速箱做減速傳動 考慮整個變速系統(tǒng)的總體結構 及其安裝 取 B2 108 mm B1 42 mm 4 驗算 NdTFt 142712056 82 100 N mm 合適 mNbKtA 3 847 5 結構設計及繪制齒輪零件圖如下 40332圖 滑 移 雙 聯(lián) 齒 輪 結 構 圖 365 1 H0ad7f645 012 Had7f圖 4 小 齒 輪 結 構 圖 機床主軸箱中 第 軸和軸 間為一對斜齒輪 兩齒輪的材料選用 40Cr 經過調質與 表面淬火處理 硬度為 48 55HRC 許用接觸強度疲勞應力 精度等級取 7MPaHP340 級 經校核 齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲疲勞強度均滿足要求 此處 計算和驗算過程略 兩斜齒輪參數選擇具體如下 1 齒輪齒數 Z1 30 Z2 u Z1 2 30 60 2 中心距 將中心距圓整為 210mm mmZan 643 20915cos2 4630cos21 3 按圓整后的中心距修正螺旋角 512358 120 463arcos2arcos1 Zn 湖南科技大學 第 21 頁 共 46 頁 4 大 小齒輪的分度圓直徑 mmZdn 140512cos 430cs1 n 28s 6s2 5 齒輪寬度 mdb12408 1 圓整后取 B2 100 mm B1 110 mm 6 齒輪結構如圖所示 Z 30mn4 5 1 圖 小 斜 齒 輪 結 構 圖 Z 60mn4 5 1圖 大 斜 齒 輪 結 構 圖 弧面蝸桿加工專用數控機床是對 CK6163 型數控車床的改造 弧面蝸桿數控加工機床主 軸箱齒輪傳動系統(tǒng)的總體結構布置和參數的選擇均參考原 CK6163 型數控車床 主軸箱中 各軸間齒輪的齒數和模數與原 CK6163 型數控車床主軸箱內部齒輪的齒數和模數相同 變速 箱和主軸箱內部齒輪結構簡圖 4 2 如下所示 3 4 軸的設計計算 1 軸 的設計計算 1 軸的材料選用 45 鋼 并經調質處理 2 軸的結構設計 軸的結構是參考了 CK6163 的 軸 如圖所示 湖南科技大學 第 22 頁 共 46 頁 32634036345 012H7faHd 80c 最大切削速度 m min 按用硬質合金刀具半精車鋼件時的速度取值 100m min NFc360106 在一般外圓車削時 cf F 5 cpF 65 0 1 取 Fcf 72836048 0 Np 208368 2 滾珠絲杠副的計算和選型 滾珠絲杠副的設計主要是型號的選擇和性能驗算 縱向進給為綜合型導軌 按式計算絲 杠軸向進給切削力 其中 K 1 5 取 0 16 則 f 湖南科技大學 第 31 頁 共 46 頁 2 691 8036 1 072815 NWFfkcm 最大切削力下的進給速度 可取最高進給速度量的 1 2 1 5 取為 1 2 縱向最大進給速度sV 為 0 6m min 絲杠導程 8mm 則絲杠轉速為 0Lmin 5 378 min 6 10 rLVns 絲杠使用壽命時間取為 T 15000h 則絲杠的計算壽命 L 為 10 75 3105in 37610 66 rhrnT 根據工作負載 壽命 L 計算滾珠絲杠副承受的最大動載荷 取mF mC 2 wfaf NNfLCamwm 3 104612 69 75 33 由 參照某廠滾珠絲杠副產品樣本 可采用 W6008 內循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠 副 1 列 3 5 圈 其額定動負載為 181000N 精度等級選為 3 級 其幾何參數如下 公稱直 徑 63mm 導程 8mm 螺紋升角 滾珠直徑 4 763mm 螺桿內0d0L9120 dLarctg wD 徑 60mm 1 按式 5 9 校驗絲桿螺母副的傳動效率 其中磨擦角 1 94 0 192 tgtg 縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖所示 支承間距 絲杠螺母及軸承均進行預緊 預緊力為最大軸向負荷的 1 3 絲杠的變ml150 形量計算如下 滾珠絲杠截面面積 按絲杠螺紋的底徑確定 229 106984 35A 工作負載 引起的導程 的變化量 可用下式計算 mFL0 湖南科技大學 第 32 頁 共 46 頁 mmEALFm 4400 107 9 106 2 則絲杠拉伸或壓縮變形量 lL2401 109 1567 由于兩端均采用角接觸 且絲杠又進行了預緊 故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高 4 倍 其實際變形量為 m211048 滾珠與螺紋滾道間接變形量 按下式進行計算 2 mmZFdym 093 96 34520896 3 101 03 2202 因絲杠加有預緊力 且預緊力為軸向最大負載的 1 3 時 可減少一半 因此實際變形量2 為 m22 10465 093 支承滾珠絲桿的軸承為 51209 型推力球軸承 幾何參數為 40mm 滾動體直徑1d 10mm 滾動體數量 18 軸承的軸向接觸變形量 可按式 5 16 計算 QdQZ3 mdFm 078 1835 62904 024 323 注意 此公式中 單位應為 kg f 因施加預緊力 故實際變形量 m039 78 02 1 3 根據以上計算 總變形量為 m0135 9 465 321 三級精度絲桿允許的螺距誤差為 故剛度足夠 1 湖南科技大學 第 33 頁 共 46 頁 因為滾珠絲桿兩端都采用推力球軸承并預緊 因此不會產生失穩(wěn)現象 故不需做穩(wěn)定性校核 1 減速齒輪設計 根據給定的縱向進給脈沖當量 0 01mm 滾珠絲杠導程 及初選的步mL80 進電動機步距角 可計算出傳動比 75 0i6 875 0136 i 選取齒輪齒數為 30 50 m 2mm 1z2 2 步進電動機的選擇 1 負載轉動慣量計算 參考同類型機床 初選反應式步進電動機 130BF001 其電動機轉動慣量 210cmkgJM 傳動系統(tǒng)折算到步進電動機軸上的等效轉動慣量按表 5 15 中介紹方法計算 齒輪 的z 轉動慣量為 30 1411 LdJ 03 126 08 745 cmcmkg 252c 3 124 LdJ 50 1210 08 7 345 cmcmkg 2 6 絲杠的轉動慣量可從表 5 16 查出 22175 235 1 451 cmkgmckgJs 等效慣量 2021 LWJzs 2222 6 08 9175 37 640357 mNcmkgcmkgcmkg 2891 湖南科技大學 第 34 頁 共 46 頁 考慮步進電動機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題 1457 0891 202 cmkgJM 不完全滿足慣量匹配的要求 1 負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇 機床在不同的工況下 其所需轉矩不同 下面分別進行計算 快速空載起動時所需轉矩可按下式進行計算 min 50367 01 2436maxa rvnbp 考慮了電動機轉子的轉動慣量以后 傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的總轉動慣量 222 89 891 10 ckgckgckgJJM maxmax6 tn 22103 06in 5891 3 srckgmN 60 5 折算到電動機軸上的磨擦力矩 1200 2zLWFfiLMcf 5 86 361 ccmN 2 7 附加磨擦力矩 294 0125 806913 c 9 98N cm 則 0maxMf 起 cmNccN 98 26 760 5 633 84N cm 快速移動時所需力矩 快 20102000 3 zLFiLFMp 湖南科技大學 第 35 頁 共 46 頁 cmNccmNMf 24 798 26 7快 最大切削負載時所需力矩 切 iLFtflf 2000 切 5 180798 26 7 cmNcmcN 6 c342 從上面計算看出 三種工況下 以快速空載起動的需力矩最大 以此項作為起M切 快 初選步進電動機的依據 對于工作方式為五相十拍的步進電動機最大靜轉矩 cmNccmNj 67 5 6951 08463 max起 從相關資料查出 130BF001 型步進電動機最大靜轉矩為 9 31N m 大于所需最大靜轉矩 可 作為初選型號 但需考核步進電動機起動矩頻特性和運行特性 2 步進電動機的空載起動頻率 Hzmvf 40in 01 64201maxax fse i 查相關資料知 130BF001 型步進電動機允許的最高空載起動頻率為 3000Hz 運行頻率為 16000 Hz 滿足設計要求 根據計算綜合考慮 機床縱向進給機構選用 130BF001 型步進電 機 4 3 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 1 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 1 脈沖當量和傳動比的確定 湖南科技大學 第 36 頁 共 46 頁 傳動比的選定 04 1 36570Lipb 2 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 初選步進電機的型號為 110BF001 則查表查出電機轉子轉動慣量 40 06 DJ25m10 kg 為了機床的布局緊湊且方便可取 i 1 0 則滾珠絲桿轉動慣量折算 工作臺25233434S mKg108 6cKg105 681052 7801L78D 0J 質量折算 252220G 7 cmKg 5 MJ 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 40 06 36 81 12 7 DJ SG510 225975Kg 8g107 89 3 工作載荷分析及計算 滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅動工作臺是滾珠絲杠所承受的軸向力 也 叫作進給牽引力 它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分 力相關的摩檫力 據機床加工的特點 當轉速較低時 工作載荷最大 工作載荷既包括車削 時沿著絲杠軸的方向的力 即軸向力 也包括工作臺及工件的重量 即垂直絲杠軸方向的 力 取機床的計算轉速為 250r min 則 s 98m 0in 581027dnV 而 機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率4KWPE 則 333mZ 1027 98 04F 選端銑 對稱 其中端銑 時 0e ad 2 fa 湖南科技大學 第 37 頁 共 46 頁 則得 35 0 ZLF90 ZVF50 ZCF 則可得 14N23163N 則在燕尾導軌上滾珠絲桿的工作載荷 Fm 為 G2F fKFCVLm 32 1960 930 14 其中 0 2 G 1960Nf 4 滾珠絲桿螺母副的選型和校核 滾珠絲杠副已經標準化 因此 滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇 1 計算作用在絲杠上的最大動負荷 C 首先根據切削力和運動部件的重量引起的進給抗力 計算出絲杠的軸向載荷 再根據要 求的壽命值計算出絲杠副應能承受的最大動載荷 C C3LmfF 式中 運轉狀態(tài)系數 一般運轉取 1 2 1 5 有沖擊的運轉取 1 5 2 5 滾珠絲杠工作載荷 N m 工作壽命 單位為 10 r 可按下式計算L6L 610nT 式中 滾珠絲杠的轉速 r min 使用壽命時間 h 數控機床 取 15000h TT 主軸燕尾導軌滾珠絲桿副驅動時滾珠絲桿的工作載荷 2dMfFm 式中 F 切削時的軸向切削抗力 軸套和軸架以及主軸鍵上的摩擦系數 0 15 f f 湖南科技大學 第 38 頁 共 46 頁 M 主軸上的扭矩 主軸直徑 2d 則 mFN8074 3521 073 n0Lv 其中 為最大切削力條件下的進給速度 可取最高進給速度的 min213 為絲杠基本導程 計算時 可初選一數值 等剛度驗算后再確定 0Lm 則 in 7 6103 2rn 為額定使用壽命 可取 15000h tht 則 60 03 萬轉L61057 60 根據工作負載 壽命 計算出滾珠絲杠副承受的最大動負載 取 1 2 則 mFL mf 37997 8N C3Lf 8072 136 由 查 機床設計手冊 選擇絲杠的型號 選擇滾珠絲杠的直徑為 40mm 型號為 CDM4010 5 P4 其額定動載荷是 53411N 強度足夠用 2 效率計算 根據 機械原理 的公式 絲杠螺母副的傳動效率 為 tg 式中 螺紋的螺旋升角 該絲杠為 5 41 摩擦角 約等于 10 湖南科技大學 第 39 頁 共 46 頁 則 0 971 01 45 tg 3 剛度驗算 絲桿的拉壓變形量 1 滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用 它將引起導程 發(fā)生變化 因滾珠絲杠受0L 扭時引起的導程變化量很小 可忽略不計 故工作負載引起的導程變化量 L cmEAF0 式中 彈性模數 對鋼 2610 2cmNE 滾珠絲杠截面積 按絲杠螺紋底徑確定 F2c 834 7 214dA 26 3m2 用于拉伸時 用于壓縮時 則 L m45 1073 834106 27 則絲桿的拉伸或壓縮變形量 1 mlL2401 08 5073 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列 圈數有關 即與滾珠總數量有關 與滾珠絲桿的長度無關 當絲 桿在工作時有預緊時 其計算公式為 湖南科技大學 第 40 頁 共 46 頁 32201 ZFDYJWm 式中 滾珠直徑 w 滾珠總數量 Z 圈數 列數 Z 一圈的滾珠數 Z 外循環(huán) Z 3 內循環(huán) WmDd WmDd 滾珠絲桿的公稱直徑 md 預緊力 YJF 滾珠絲桿工作載荷 m Ny 2738131ax Z 40 5 953 21 11WmDd 則 Z 圈數 列數 21 11 2 5 2 73 88 Z 又 滾珠絲桿的預緊力為軸向工作載荷的 1 3 值可減小一半 因而 2 m012 2 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 3 在垂直進給運動中采用角接觸球軸承 其計算公式為 32304 QmZdF 式中 軸承所受軸向載荷 m 軸承的滾動休數目 Q 軸承滾動體直徑 d 湖南科技大學 第 41 頁 共 46 頁 工作載荷 kgfFm2 8531ax 滾珠絲桿的滾動體數量 滾動體直徑19QdZ mdQ953 則 dFQm016 953 2804 024 323 因為有預緊力 故實際變形量 m 213 根據以上的計算 則總變形量為 0248 012 48 3 2 1 四級精度絲桿允許的螺距誤差為 25 m 故剛度足夠 4 壓桿穩(wěn)定的校核 滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細長桿 若軸向力工作負荷過大 將使絲桿失去穩(wěn)定而 產生縱向屈曲 即失穩(wěn) 失穩(wěn)時的臨界載荷 為 kF 2 EI L2 N kFz 式中 E 為絲桿的彈性模量 對于鋼 E 20 6 104 I 為截面慣性矩 I d14 64 d 1為絲桿底徑 L 為絲桿最大工作長度 為絲桿支承方式系數 zF I 32 64 64 55442 2 對于一端固定一端自由的情況 0 25z 2 0 25 20 6 104 55442 2 5802kF 8 38 104 臨界載荷 與絲桿工作載荷 之比稱為穩(wěn)定性安全系數 如果大于許用穩(wěn)定性安kmFkn 湖南科技大學 第 42 頁 共 46 頁 全系數 則該滾珠絲桿不會失穩(wěn) 一般取 2 5 4 kn kn 8 38 104 8087 10 4 k 壓桿穩(wěn)定 5 導軌的選型 經濟型數控車床的導軌可采用鑲鋼導軌或鑄鐵淬火導軌 采用 HT200 鑄鐵 淬火硬度為 HRC45 以上 與它們相配的動導軌則用 貼塑 或 注塑 導軌 近年來數控機床中廣泛采 用直線滾動導軌 以降低摩擦系數 以降低摩擦系數 保持導軌精度 提高導軌的使用壽命 使導軌生產進一步標準化 系列化 6 驅動電機的選用 負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇 min 417r360 52360Vnpbmaxa 又 2c957Kg 8J 則折算到電動機軸上的總加速力矩為 cm38N 1003 647 60tn2JM2maxa 折算到電動機軸上的摩擦力矩 c9 80 1259iLfG0f 附加摩擦力矩 預緊力 滾珠絲桿未預緊時的傳動效率取45FYJ 95 0 則 cm24N 1 95 01 802 1 i2LM0J0 則步進電動機快速空轉啟動力矩 c6 4 3 0fakq 對于工作方式為五相十拍得步進電動機最大靜轉矩 湖南科技大學 第 43 頁 共 46 頁 m2N c5 219 06Mkqjmax 從相關資料查出 130BF001 型步進電動機最大靜轉矩為 9 31 大于所需快速空mN 載啟動力矩 可作為初選型號 校核步進電機的空載啟動頻率 步進電機的空載啟動頻率是 Zmaxmax 3H01 6201Vf 而 130BF001 型步進電動機最高空載啟動頻率為 f 3000HZ 因而必須分三個階段啟動 每個階段啟動頻率為 在 0 25s 內玩完成升速 0 05s 過渡 取 fmaxq 則步進電動機運行頻率 為 in 98 0VS Gf163HZ0 6981fSG 而步進電機允許的運行頻率為 16000HZ 因而滿足要求 第五章 弧面蝸桿數控專用機床回轉工作臺設計 回轉工作臺是數控銑床 數控鏜床 加工中心等數控機床不可缺少的重要附件 或部件 它的作用是按照控制裝置的信號或指令作回轉分度或連續(xù)回轉進給運動 以使數控機床能 完成指定的加工工序 弧面蝸桿專用機床回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺 湖南科技大學 第 44 頁 共 46 頁 130BF10BF8321圖 回 轉 工 作 臺 結 構 圖7410 580 數控回轉工作臺的功能是使工作臺作連續(xù)回轉進給 以完成切削工作 同時能完成 0 360 范圍內的任意角度的分度 其作用是既能作為數控機床的一個回轉坐標軸 用于各 加工各種圓弧或直線坐標軸聯(lián)動加工曲面 又能作為分度頭完成工件的轉位換面 由于數控回轉工作臺的功能要求連續(xù)回轉進給并與其他坐標軸聯(lián)動 因此采用伺服驅動 系統(tǒng)來實現回轉 分度和定位 其定位精度由控制系統(tǒng)決定 根據控制方式 有開環(huán)數控回 轉工作臺和閉環(huán)數控回轉工作臺 開環(huán)數控工作臺采用電液脈沖馬達或功率步進電機驅動 開環(huán)數控回轉工作臺由功率步 進電機驅動 經齒輪副 蝸輪副 帶動其作回轉進給運動 由于是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖 數來決定轉位角度 因此 對開環(huán)數控回轉工作臺的傳動精度要求高 傳動間隙應盡量小 為了消除累積誤差 數控回轉工作臺設有零點 當數控回轉工作臺用于分度時 分度回 轉結束后 要把工作臺夾緊 該數控回轉工作臺的圓形導軌采用大型滾珠軸承 使回轉運動 靈活 雙列短圓柱磙子軸承及圓錐磙子軸承保證回轉精度和定心精度 調整軸承的預緊力 可以消除回轉軸的徑向間隙 調整軸承的調整套的厚度 可以使大型滾珠軸承有適當的預緊 力 保證導軌喲一定的接觸剛度 第六章 弧面蝸桿數控專用機床控制系統(tǒng)的設計 機電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成 控制系統(tǒng)的控制對象主要包 湖南科技大學 第 45 頁 共 46 頁 括各種機床 如車床 銑床 磨床等等 控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示 通信 接口 軟件 微 機 步進電機 驅動電路 步進電機 機 床開關量控制電 路 主運動驅動電 路 主軸電動機 第七章 潤滑油的選用 1 潤滑油粘度及給油方法 潤滑油粘度及給油方法 一般根據相對滑動速度及載荷類型進行選擇 對于閉式傳動 常用 的潤滑油粘度及給油方法見表 對于開式傳動 則采用粘度較高的齒輪油或潤滑旨 如果采 用噴油潤滑 噴油嘴要對準蝸桿嚙入端 蝸桿正反轉時 兩邊都要裝有噴油嘴 而且要控制 一定的油壓 蝸桿傳動的相對滑動