立式高速火焰噴涂機(jī)床設(shè)計(jì)【含5張CAD圖紙優(yōu)秀課程畢業(yè)設(shè)計(jì)】

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充值購買 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 摘 要 高速火焰噴涂技術(shù)（ 是一種可在零部件表面高效率地形成涂層的工藝方法，該方法具有火焰速度高、涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密性好、耐磨等優(yōu)點(diǎn)。 本 課題主要是對 立式 高速火焰噴涂機(jī)床進(jìn)行 機(jī)械 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 依據(jù)技術(shù)要求，給出機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案，并 完成包括進(jìn)給機(jī)構(gòu)及主要零部件 等 的繪制 。整 機(jī)主要包括橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱、底座、工作臺(tái)等主要部件 。 其中 所有 進(jìn)給機(jī)構(gòu)均采用滾珠絲杠 螺母 副進(jìn)行傳動(dòng)，并由 伺服 電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 噴槍 安裝在縱向工作臺(tái)上， 并 采用重錘平衡機(jī)構(gòu) 保持 平衡 ，使 其升降輕便。 本文介紹了高速火焰噴涂機(jī)床的組成， 全 面闡述了 高速火焰 噴涂機(jī)床的結(jié)構(gòu) 及 設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用 伺服 電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了 高速火焰 噴涂機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及 其 校核 ， 另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù) 。其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及其選用原則，系統(tǒng)地對滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則等。 關(guān)鍵詞 ： 熱 噴涂 ； 高速 火焰噴涂 ； 滾珠 絲杠 ； 伺服 電機(jī) 充值購買 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 is a in of of is on on s by on of to it of a of of of of in to a of on of to 充值購買 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 目錄 摘 要 ........................................................................................................................ I ........................................................................................................................ 1 章 緒論 ............................................................................................................... 1 高速火焰噴涂簡介 ....................................................................................... 1 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................................................... 2 立式高速 火焰噴涂機(jī)床設(shè)計(jì)的選題意義 ................................................... 5 課題研究內(nèi)容 ............................................................................................... 6 本章小節(jié) ....................................................................................................... 6 第 2 章 立式高速火焰噴涂機(jī)床的總體機(jī)械設(shè)計(jì) ................................................... 7 機(jī)床的設(shè)計(jì)要求 ........................................................................................... 7 設(shè)計(jì)方案 ....................................................................................................... 7 本章小節(jié) ....................................................................................................... 9 第 3 章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ..................................................................... 10 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ......................................................................... 10 滾珠絲杠的特點(diǎn) ......................................................................................... 11 絲杠的計(jì)算 ................................................................................................. 12 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計(jì)算 ................................................................ 12 滾珠絲杠副的載荷計(jì)算 ................................................................ 13 確定允許最小螺紋低經(jīng) ................................................................ 14 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào) ........................................................ 15 伺服電機(jī)的選擇 ......................................................................................... 15 基本 原則 ........................................................................................ 15 額定轉(zhuǎn)速的選擇 ............................................................................ 16 慣量匹配 ........................................................................................ 16 電機(jī)選擇 ........................................................................................ 17 慣量匹配驗(yàn)算 ................................................................................ 17 速度的驗(yàn)算 .................................................................................... 17 滾珠絲杠副的安全使用 ............................................................................. 18 潤滑 ................................................................................................ 18 充值購買 費(fèi)領(lǐng)取圖紙 防塵 ................................................................................................ 18 使用 ................................................................................................ 18 安裝 ................................................................................................ 18 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................................. 19 Y 軸和 Z 軸滾珠絲杠及伺服電機(jī)的選擇 ................................................ 19 伺服進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì) ..................................................................... 20 本章小節(jié) ..................................................................................................... 22 第 4 章 主要零部件設(shè)計(jì) ......................................................................................... 23 床身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ......................................................................................... 23 床身設(shè)計(jì)的基本要求 .................................................................... 23 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................ 24 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) ................................................................................................. 25 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)要求 ............................................................................ 25 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................................................................ 25 導(dǎo)軌的防護(hù)及潤滑 ........................................................................ 28 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) ............................................................................................. 29 本章小節(jié) ..................................................................................................... 29 第 5 章 結(jié)論 ............................................................................................................. 30 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 31 致謝 ............................................................................................................................. 33 1 第 1 章 緒論 高速火焰噴涂簡介 高速火焰噴涂 (稱 在火焰噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的熱噴涂技術(shù) [1]，其出現(xiàn)促進(jìn)了熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大了熱噴涂的應(yīng)用范圍 [2,3]，與其他技術(shù)相比，有許多優(yōu)越性 [4]。它是利用丙烯、天然氣、煤油[5]等燃料和氧氣在燃燒室或特殊噴嘴中燃燒產(chǎn)生高溫 ，將涂料融化或半融化，經(jīng)加速撞擊在被加工體表面沉積形成涂層。從表 1以看出，高速火焰噴涂較其它表面噴涂工藝擁有更高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，孔隙率及氧化物含量較低等特點(diǎn)。由于 槍所產(chǎn)生的粉末顆粒速度相對于其他熱噴涂方法的顆粒速度有明顯提高 ,使得粉末顆粒從進(jìn)入噴槍到噴涂至工件表面，進(jìn)而撞擊基體表面形成涂層的整個(gè)過程得到改善 [6]。 表 1速火焰噴涂涂層與其它表面噴涂工藝涂層性能比較 [7] 工藝 結(jié)合強(qiáng)度 厚度 孔隙率 氧化物含量 硬度 應(yīng)力 電弧線材噴涂 20~40 % >3% 中 低 火焰線材噴涂 10~30 0% >5% 低 中 火焰粉末噴涂 10~30 0% >5% 低 中 等離子噴涂 30~50 3% >1% 中 高 0~100 5 1% <1% 高 中 冷噴涂 30~50 10 1% <1% 高 高 術(shù)的主要特點(diǎn)有 : (1) 火焰速度高，可達(dá) 1500/s 以上 [8,9,10]，可將噴涂粒子加速到 300~500/s [11]； (2) 溫度比等離子噴涂低很多，約 2760℃ [12]，可有效防止噴涂過程中粒子的氧化，特別適合噴涂加熱后易于分解的金屬陶瓷涂層； (3) 涂層的致密性好，結(jié)合強(qiáng)度高 (大于 7013,14]，耐磨性能優(yōu)越。 2 高速火焰噴涂的發(fā)展現(xiàn)狀 術(shù)是在上世紀(jì) 80 年代初期，由美國 司開發(fā)成功，并且先以 1商品推出。經(jīng)過幾年的系統(tǒng)開發(fā)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)逐漸被接受和認(rèn)識(shí)。由此，世界上發(fā)達(dá)國家，投入了大量的財(cái)力對高速火焰噴涂技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。于上世紀(jì)八十年 代末九十年代初期，先后又有數(shù)種高速火焰噴涂系統(tǒng)開發(fā)成功，并投放入市場。如射流槍 (沖鋒槍 (金剛石射流 (高速空氣燃料系統(tǒng) (連續(xù)爆炸噴涂 (等。如圖 1目前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)是參照火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理設(shè)計(jì)的 [15]。 1—噴涂槍； 2—冷卻水； 3—控制箱； 4—送粉器； 5—?dú)怏w供給 圖 1速燃?xì)鈬娡肯到y(tǒng)示意圖 1 2 3 4 5 燃?xì)? 3 a—擴(kuò)散型噴嘴 ； b—收劍型噴嘴 ； c—前端細(xì)圓筒噴嘴 ； d—多段噴嘴 ； e—無噴嘴 ； f—前端細(xì)圓筒噴嘴 圖 1前國際上流行的主要超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖 [16] 1994 年 ,這種設(shè)備日本有 60 多套，歐洲大約有 120 套，其中德國大約有 30套， 1995年在日本神戶召開的第 14屆熱噴涂國際會(huì)議上，以 0篇 [17]。在九十年代初期，高速火焰噴涂設(shè)備在熱噴涂市場中所占的比例約為 3%，到了 2000年，該比例達(dá)到約 25%[18]。據(jù)英國 限公司 4 稱，高速火焰噴涂設(shè)備在熱噴涂市場上越來越熱銷。 司認(rèn)為高速火焰噴設(shè)備越來越受到那些尋求耐磨性能更好或耐腐蝕性能的涂層的工程師們的歡迎，因?yàn)橄鄬τ谀切┎捎幂^熟悉的常規(guī)噴涂工藝，如 : 等離于噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等制成的涂層來說，高速火焰噴涂制成的涂層硬度更高、致密度會(huì)更好一些 [19]。 司現(xiàn)已關(guān)閉電鍍 產(chǎn)線而轉(zhuǎn)向 涂，因?yàn)檫@種涂層具有高韌性和高結(jié)合強(qiáng)度，完全可以適應(yīng)部件服役時(shí)的彎曲情況。公司總裁 ，高 速火焰噴涂的費(fèi)用可與電鍍鉻的價(jià)格相競爭，尤其對于大型部件或外形復(fù)雜的部件是十分經(jīng)濟(jì)的方法。該公司的其它應(yīng)用還包括化工廠軸承密封區(qū)域聯(lián)接配合件、離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和推進(jìn)軸承配合件等的修復(fù) [20]。 到目前為止，我國己陸續(xù)從國外購進(jìn)了幾臺(tái) 備，如上海的司太立公司引進(jìn)了美國 司的 速火焰噴涂設(shè)備，中國有色金屬研究總院引進(jìn)了 統(tǒng)，鞍山鋼鐵公司引進(jìn)了 統(tǒng)。此外 ,西安交通大學(xué)于 1995 年已研制成功了我國自己的 統(tǒng) (長安大學(xué)、 沈陽工業(yè)大學(xué)、裝甲兵工程學(xué)院、武漢材料保護(hù)研究院、北京鋼鐵研究總院、北京欽得新工藝材料有限公司等幾家單位也都在進(jìn)行這方面研究 [21]。 美國近年來在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件如壓縮機(jī)葉片，軸承套等上使用 術(shù)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，可完全取代以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本[22]。英國在氣輪機(jī)使用 術(shù)在第一級靜葉片上效果很好，可取代昂貴的電子束物理氣相沉積和低壓等離子噴涂層。美國、德國、法國等國家在冶金行業(yè)中大量使用熱浸鍍鋅槽、擠壓輥輪中的有色金屬及沉沒輥二次加工軋輥等應(yīng)用高速火焰噴涂技術(shù)，使其壽命明顯 提高 [23]。日本鋼鐵工業(yè)應(yīng)用 涂修復(fù)退火爐輥，修復(fù)率從 80 年代中期的 30%上升到 90 年代后期的 80%，而帶鋼因結(jié)瘤等引起的次品率則由 85%下降到零 [24]。 國際上著名的熱噴涂設(shè)備生產(chǎn)公司普萊克斯表面技術(shù)公司推出的 高壓 統(tǒng)是當(dāng)前國際上最為暢銷的 統(tǒng) ,目前在國際上已有超過 500 臺(tái)的在役量，這是其他 統(tǒng)無法比擬的 [25]。其中 100 型 制臺(tái)，是一閉環(huán)、全自動(dòng)控制的控制臺(tái) ,其外形如下圖 1示 。 5 1- 冷卻水回路 ； 234圖 1統(tǒng)的 8100 型 統(tǒng)控制臺(tái)外形圖 立式 高速 火焰噴涂機(jī)床設(shè)計(jì) 的 選題意義 高速 火焰噴涂機(jī)床作為 火焰噴涂工藝的 載體， 其主要功能是在 高速 火焰噴涂 生產(chǎn)過程中 ， 控制整個(gè)噴涂過程 ， 同時(shí)還可以 通過 控制噴槍的 速度和 噴槍 到工件表面距離 ， 從而實(shí)現(xiàn)對噴涂 寬度 和厚度的 控制 ， 達(dá)到滿足不同性能材料的噴涂要求 ， 最終噴涂出滿足簡單或者極端條件應(yīng)用需求的涂層 。 高速 火焰噴涂技術(shù)是 一種比較新型技術(shù) ， 而 高速 火焰噴涂設(shè)備也 隨著微控制技術(shù)的不斷革新 ，在不斷 地發(fā)生變化。研究和設(shè)計(jì)出穩(wěn)定性好、快速性 好 、可靠性 高 和易操作的高速 火焰噴涂機(jī)床 是 生產(chǎn) 和 發(fā)展的需要。 6 課題研究內(nèi)容 本 課題主要是對 立式 高速火焰噴涂機(jī)床進(jìn)行 機(jī)械 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 依據(jù)技術(shù)要求，確定 機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案，并對 其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) ,完成 橫縱向 進(jìn)給 機(jī)構(gòu)及床身 、 滑座 、 立柱、工作臺(tái)等主要零部件的繪制。 本章 小節(jié) 本章主要講述了 高速火焰噴涂 技術(shù) 發(fā)展趨勢及 其 相關(guān)知識(shí)，包括 熱噴涂 的類型， 高速火焰噴涂 設(shè)備 的 組成部分和工作原理 。 7 第 2 章 立式 高速火焰噴涂 機(jī)床 的 總體 機(jī)械 設(shè)計(jì) 機(jī)床 的設(shè)計(jì) 要求 根據(jù) 設(shè)計(jì)要求及常用 機(jī)床 性能 ， 列出 以下 立式高速火焰 噴涂 機(jī)床主要參數(shù)，用于 方案 擬定。 工作臺(tái) 尺寸： 600 橫向 X 軸 加工范圍 00，工件 線速度 0~30m/向 Y 軸 加工范圍 00 要求 性能穩(wěn)定 ， 精度較高，高速高效，結(jié)構(gòu)簡單可靠，可用于 噴涂 板材以及多種工件。 設(shè)計(jì) 方案 整機(jī)分為床身 、基座、立柱、 滑 座、 主軸箱 、 工作臺(tái)、 三軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分。 總裝圖 如圖 2示 。 圖 2式高速 火焰噴涂機(jī) 總裝圖 床身是 機(jī)床 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計(jì)影響著 機(jī)床 的設(shè)計(jì)，而 且設(shè)計(jì)的合理性直接影響到 機(jī)床 的剛度。 床身 用來固定和支 撐 機(jī)床上的各個(gè)部件 ，頂面 8 有供滑座移動(dòng)的導(dǎo)軌。 基座的 設(shè)計(jì)是 在 床身完成后 完成的 ， 而 立柱安裝在 床身一側(cè) ， 按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導(dǎo)軌面為原則，并把 Z 軸驅(qū)動(dòng)安裝位置設(shè)計(jì)在 立柱 上，有效地減輕滑 座 的重量。 因 滾珠絲杠 傳動(dòng) 效率高，摩擦力小 ， 精度高，三 軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 均 采用 滾珠絲杠 螺母 副將。 這樣設(shè)計(jì)使 可以 機(jī)床的整體進(jìn)給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進(jìn)給力和進(jìn)給速度得到了最佳匹配。 驅(qū)動(dòng) 電機(jī) 采用永磁同步 交流伺服電機(jī)，其特點(diǎn)是 可以 通過軟件簡單精準(zhǔn)的 對速度 、轉(zhuǎn)矩 進(jìn)行 控制 ， 將 伺服 系統(tǒng)的性 能發(fā)揮到最大 ， 其 伺服 驅(qū)動(dòng)器連接圖如圖 2 圖 2服 驅(qū)動(dòng)器連接圖 9 噴槍 的上下垂直運(yùn)動(dòng) Z 軸 同樣 采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。 關(guān)于 Z 軸的安全問題 ， 首先選用帶電磁剎車的伺服電動(dòng)機(jī)，其次 為 防止?jié)L珠螺母自轉(zhuǎn)引起 噴槍 機(jī)械式下垂 ， 使噴槍升降更輕便 ， 采用了 重錘平衡 機(jī)構(gòu)。 本章 小節(jié) 本章主要講解了 立式 高速火焰噴涂 機(jī)床 的 總體 方案設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容 為 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)所給要求制定出 了 總體設(shè)計(jì)方案。 10 第 3 章 進(jìn)給伺服 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與 計(jì)算 進(jìn)給 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 機(jī)床的位置調(diào)節(jié)對進(jìn) 給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有： (1)能夠克服摩擦力和負(fù)載； (2)很小的進(jìn)給位移量； (3)高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； (4)足夠的調(diào)速范圍，滿足快進(jìn)和工進(jìn)的需要； (5)進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)，無爬行現(xiàn)象。 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有： (1)具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)距，以便快速地完成啟動(dòng)和制動(dòng)過程。 (2)具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意地表面質(zhì)量； (3)負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小 。 對于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求： (1)被加速的運(yùn)動(dòng)部 件具有較小的慣量； (2)高的剛度； (3)良好的阻尼； (4)傳動(dòng)部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。 伺服系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì) 方案 如 圖 3 11 圖 3服系統(tǒng) 總體 設(shè)計(jì) 方案 滾珠 絲杠的特點(diǎn) 在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻 力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器 [26]。 滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。 滾珠絲杠的特點(diǎn) ： (1)與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為 1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1/3 以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的 1/3。在省電方面很有幫助。 (2)高精度的保證 12 滾珠絲杠副 是用世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 (3)微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。 (4)無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加 預(yù) 壓，由于 預(yù) 壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得到較高的剛性 (滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加 預(yù) 壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng) )。 (5)高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn) 動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給 (運(yùn)動(dòng) )。 滾珠絲杠副的精度是影響機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機(jī)床的設(shè)計(jì)中更合理的選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進(jìn)行一系列的計(jì)算。 絲杠 的 計(jì)算 滾珠 絲杠副的導(dǎo)程計(jì)算 工作臺(tái)橫向 X 軸行程 300度為 0~30m/服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為3000r/算得其導(dǎo)程為： 0 0 0 0??(3式中 : 絲杠 導(dǎo)程 ， 工件最大 速度 ， m/ 電機(jī) 最大轉(zhuǎn)速， r/ 13 滾珠絲杠副的載荷 計(jì)算 (1)最小載荷 機(jī)床空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力，如工作臺(tái)重量引起的摩擦力 ???? (3式中 : 最小 載荷 ， N； f—— 摩擦 力系數(shù) ； G—— 滑座 及 工作臺(tái) 重力， N。 (2)最大載荷 選機(jī)床承受最大負(fù)荷時(shí)滾珠絲杠的傳動(dòng)力。如機(jī)床切削時(shí)，切削力在滾珠絲杠副軸向的分力與導(dǎo)軌摩擦力之和即為 時(shí)導(dǎo)軌摩擦力是由工作臺(tái)、工件、夾具三者總的重量以及切削力在垂 直導(dǎo)軌方向的分量共同引起的）。 615)( ??? (3式中 : 最大 載荷 ， N； 夾具 重 量， N； 工件重量 ， N。 (3)平均載荷 平均載荷為： 4 8 232 ??(3 14 (4)當(dāng)量載荷 工作臺(tái)進(jìn)給速度為 0~30m/平均轉(zhuǎn)速為： 0 0 03 13 0 0 02 rn ??? (3絲杠的工作壽命取為 10000h。故 ： 6 101401060 ??? (3當(dāng)量動(dòng)載荷 ???(3式中 : 負(fù)荷系數(shù) ； 精度系數(shù)。 確定允許 最小螺紋 低 經(jīng) 絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 1010 002 ???????????(3 15 式中 : m? —— 最大軸向 形變量， L—— 行程， 靜 摩擦力， N。 確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào) 查《機(jī)械 設(shè)計(jì)師手冊》 ，選型號(hào)為 絲杠。額定動(dòng)載荷為。 合要求。絲杠直徑為 32程 10滾珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu) 如圖 4 圖 4珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu)圖 伺服電機(jī)的選擇 基本 原則 (1) 考慮電動(dòng)機(jī)的主要性能（啟動(dòng)、過載及調(diào)速等）、額定功率大小、額定轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)形式等方面要滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。 (2) 在以上前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便又價(jià)格合理的電動(dòng)機(jī)。 (3)安裝方式：立式和臥式 (4)防護(hù)方式：開啟式、封閉式、防護(hù)式、防暴式。 (5)額定電壓 交流 380～ 220V，或根據(jù)需要配變壓器。 16 額定轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況來選擇要求重復(fù)、短時(shí)、正反轉(zhuǎn)工作的生產(chǎn)機(jī)械，除應(yīng)選擇滿足工藝要求的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速外，還要保證生產(chǎn)機(jī)械達(dá)到最大的加、減速度的要求而選擇最恰當(dāng)?shù)貍鲃?dòng)裝置，以達(dá)到最大生產(chǎn)率或最小損耗的目標(biāo)。一般都是直接傳動(dòng)，而不是減速器。 慣量匹配 工件和工作臺(tái)的最大質(zhì)量為 3000算到電動(dòng)機(jī)軸，其慣量為 221 0 0 ?? (3式中 :m—— 工件和工作臺(tái) 的 重量， v—— 速度， m/s； w—— 角速度 ， 絲杠慣量：絲杠直徑 32定長度為 920 202 ?? ?? (3式中 : 絲杠 直徑， l—— 絲杠長度， ? —— 密度 ， 取 負(fù)載慣量為： 2321 106.1 ????? ? (3最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 17 w ???? (3電機(jī) 選擇 選 伺服電機(jī) 最高轉(zhuǎn)速 ： 3000 / 額定轉(zhuǎn)距 ： 4； 轉(zhuǎn)子慣量 ： 功率： 重量： 慣量 匹配 驗(yàn)算 ?TT w (3 ??慣量 滿足匹配要求。 速度的 驗(yàn)算 高速 長絲杠 工作時(shí)可能 發(fā)生共振 ， 因此驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生 共振 的最高轉(zhuǎn)速 1242)(9910n 212 df ? (3 18 絲杠 平均轉(zhuǎn)速 因此不會(huì)發(fā)生共振 。 滾珠絲杠副的安全使用 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑的方式主要有以下兩種： (1)潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的 1/3，滾珠絲杠副出廠時(shí)在螺母內(nèi)部已經(jīng)加注鋰基潤滑脂。 (2)潤滑油 運(yùn)動(dòng)粘度 7400T)的潤滑油，給油量隨使用條件等的不同而有所變化。 防塵 滾珠絲杠與滾動(dòng)軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨損，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物進(jìn)入時(shí)，必須采用防塵裝置，將絲杠軸 完全保護(hù)起來。另外，如沒有異物，但有浮沉?xí)r可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈。 使用 滾珠絲杠副在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1)滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，必要時(shí)在行程兩端配置限位，以免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 (2)滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動(dòng)使，如部件重量未加平衡，必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)。 (3)滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為± 60C。 安裝 滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1)滾珠絲杠副僅用于承受軸向 載荷。徑向載荷、彎矩會(huì)使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等負(fù)荷，從而造成絲杠的永久性破壞。因此，滾珠絲杠副安 19 裝到機(jī)床時(shí)，應(yīng)注意絲杠的軸線必須和其配套導(dǎo)軌的軸線平行，機(jī)床的兩端軸承座與螺母座必須三點(diǎn)成一線； 安裝螺母時(shí)，應(yīng)盡量靠近支撐軸承； 同時(shí)，安裝支撐軸承時(shí)，應(yīng)盡量靠近螺母安裝部位。 (2)滾珠絲杠安裝到機(jī)床時(shí)，盡量不要把螺母從絲杠上卸下來，如 必須卸下來時(shí)要使用輔助套，否則裝卸時(shí)滾珠有可能脫落。螺母裝卸時(shí)應(yīng)注意輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑 .2 輔助套早使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；裝卸時(shí)，不可使 用過大力以免螺母損壞；裝入安裝孔時(shí)要避免撞擊和偏心。 聯(lián)軸器的選擇 已 知：電動(dòng)機(jī)輸出軸 D=24絲杠 輸入軸 d=22????? 3 8 2 0 03000 (3由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 14 得 .5 ?? 57300 (3從 9147 查 得 2 雙 錐套 膜片彈性 聯(lián)軸器 。 公稱轉(zhuǎn)矩： 80； 許用轉(zhuǎn)速： 5000r/ 軸孔直徑： 1032 Y 軸 和 Z 軸 滾珠絲杠及伺服電機(jī)的選擇 (1)Y 軸 滾珠絲杠 額定動(dòng)載荷 ： 20 絲杠直徑為 ： 20 導(dǎo)程 ： 5 伺服電機(jī) 最高轉(zhuǎn) ： 2000 / 額定轉(zhuǎn)距 ： 6； 轉(zhuǎn)子慣量 ： 110 功率： 重量： (2)Z 軸 滾珠絲 3： 額定動(dòng)載荷 ： 絲杠直徑為 ： 32 導(dǎo)程 ： 5 伺服電機(jī) ： 最高轉(zhuǎn)速 ： 3000 / 額定轉(zhuǎn)距 ： 6； 轉(zhuǎn)子慣量 ： 功率： 重量： 伺服進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì) 由以上的分析計(jì)算可以設(shè)計(jì)出伺服進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)如圖 3示。 21 圖 3服進(jìn)給 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（ 主視圖 ） 圖 3服進(jìn)給 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（ 左視圖 ） 22 圖 3服進(jìn)給 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（ 俯視圖 ） 本章小節(jié) 本章主要講述了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求和進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 ，按照 要求 選擇滾珠絲杠 、 伺服電機(jī) ，并進(jìn)行 伺服進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 的 設(shè)計(jì)。 23 第 4 章 主要 零部件 設(shè)計(jì) 床身結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì) 床身 設(shè)計(jì)的基本要求 機(jī)床的床身是整個(gè)機(jī)床的 設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)，一般用來放置導(dǎo)軌，主軸箱等重要部件。為了滿足機(jī)床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求， 立式 高速火焰噴涂 機(jī)床 應(yīng)有高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。 對 立式 高速火焰噴涂 機(jī)床 的床身主要在以下 3 個(gè)方面提出了更高的要求： (1)較 高的精度和精度保持性 在床身上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面，這些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要長時(shí)間保持。另外，機(jī)床在加工時(shí)，所有的靜、 動(dòng)載荷最后往往都傳到床身上，所以，床身受力很復(fù)雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對運(yùn)動(dòng)精度，除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外，還需要滿足靜、動(dòng)剛度和抗振性、熱穩(wěn)定性、工藝性等方面的技術(shù)要求。 (2)應(yīng)具有足夠的靜、動(dòng)剛度 靜剛度包括：床身的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達(dá)到有較高的剛度 剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，為了保證機(jī)床在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力，可以通過適當(dāng)?shù)脑黾幼枘帷⑻岣吖逃蓄l率等措施避免共振及因薄壁振動(dòng) 而產(chǎn)生噪音。 (3)較好的熱穩(wěn)定性 對 高速火焰噴涂 機(jī)床 來說，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個(gè)突出問題，必須在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)的熱變形小，或使熱變形對加工精度的影響小。熱變形將直接影響機(jī)架的原有的精度，從而是產(chǎn)品精度下降，如立軸矩臺(tái)平面磨床，立柱前臂的溫度高于后臂，是立柱后傾，其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行；有導(dǎo)軌的機(jī)架，由于導(dǎo)軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使熱變形盡量小。 床身機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求 ： (1) 在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下，機(jī)架的重量應(yīng)要求 輕、成本低； 24 (2) 抗振性好。把受迫振動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi)； (3) 躁聲小； (4) 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小； (5) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機(jī)械加工； (6) 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件； (7) 有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理、耐磨性良好； (8) 造型既適用經(jīng)濟(jì)， 又 美觀大方。 床身的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)床的類型不同，床身的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如數(shù)控車床床身的結(jié)構(gòu)形式有平床身、斜床身、平床身斜導(dǎo)軌和直立床身等四種 類型。 另外，斜床身結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)成封閉式斷面，這樣大大提高了床身的剛度。數(shù)控鉆銑床、加工中心等這一類數(shù)控機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)與數(shù)控車床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種。前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心，而后者又分為整體 T 形床身和前后床身分開組裝的 T 形床身。所謂 T 形床身是指床身是由橫置的前床身和與它垂直的后床身組成。整體式床身，剛性和精度保持性都比較好，但是卻給鑄造和加工帶來很大不便，尤其是大中型機(jī)床的整體床身，制造時(shí)需要大型設(shè)備。而分離式 T 形床身，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。 前后床身聯(lián)接處要刮研，聯(lián)接時(shí)用定位鍵和專用定位銷定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固緊。這樣聯(lián)接成的床身，再剛度和精度保持性方面，基本能滿足使用要求。 機(jī)床的床身通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)床身的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。床身肋板一般根據(jù)床身結(jié)構(gòu)和載荷分布情況 進(jìn)行 設(shè)計(jì)，滿足床身剛度和抗振性要求， V 形肋板有利于加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度；斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)床身的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。 此外，還有縱向肋板和橫向肋板，分別對抗 彎剛度和抗扭剛度有明顯效果；米字形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高，尤其是米字形肋板更高。 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀。根據(jù)設(shè)計(jì)的具體情況及要求，床身的結(jié)構(gòu) 如圖 4 25 圖 4身 結(jié)構(gòu) 導(dǎo)軌的 設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌 的設(shè)計(jì) 要求 當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著絲杠作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承和保證運(yùn)動(dòng)件在外力的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。對導(dǎo)軌的要求如下： (1)一定的導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌移動(dòng)的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的正確性。 (2)運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)。工作時(shí)，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)應(yīng)無爬行現(xiàn)象。 (3)良好的耐磨性。導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 (4)足夠的剛度。運(yùn)動(dòng)件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓 。 設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。 (5)溫度變化影響小。應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。 (6)結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導(dǎo)軌其它要求的條件下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工 、丈量、裝配和調(diào)整，降低本錢。 導(dǎo)軌 的 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) (1)導(dǎo)軌 的基本形式 26 三角形導(dǎo)軌：該導(dǎo)軌磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，故導(dǎo)向精度高。它的截面角度由載荷大小及導(dǎo)向要求而定，一般為 90°。為增加承載面積，減小比壓，在導(dǎo)軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（ 110°～ 120°）；為進(jìn)步導(dǎo)向性，采用 較 小的 頂 角 （ 60°）。假如導(dǎo)軌上所受的力，在兩個(gè)方向上的分力相差很大，應(yīng)采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導(dǎo)軌面。 矩形導(dǎo)軌：優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗(yàn)和修理方便；導(dǎo)軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應(yīng)用廣泛。 但它的導(dǎo)向精度沒有三角形導(dǎo)軌高；導(dǎo)軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。 燕尾形導(dǎo)軌：燕尾形導(dǎo)軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗(yàn)不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運(yùn)動(dòng)速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。 圓形導(dǎo)軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達(dá)精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動(dòng)，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。 (2)常用導(dǎo)軌組合形式 三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導(dǎo)軌為導(dǎo)向面，導(dǎo) 向精度較高，而平導(dǎo)軌的工藝性好，因此應(yīng)用最廣。這種組合有 、高速都能采用；棱 用于低速移動(dòng)。為使導(dǎo)軌移動(dòng)輕便省力和兩導(dǎo)軌磨損均勻，驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)設(shè)在三角形導(dǎo)軌之下，或偏向三角形導(dǎo)軌。 如圖 4 圖 4角形和矩形組合 27 矩形和矩形組合：承載面和導(dǎo)向面分開，因而制造和調(diào)整簡單。導(dǎo)向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。 如 圖 4 圖 4形和矩形組合 雙三角形導(dǎo)軌：由于采用對稱結(jié)構(gòu)，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，磨損后對稱 位置位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導(dǎo)向精度高，但工藝性差，四個(gè)表面刮削或磨削也難以完全接觸，假如運(yùn)動(dòng)部件熱變形不同，也不能保證四個(gè)面同時(shí)接觸，故不宜用在溫度變化大的場合。 (3)間隙調(diào)整 為保證導(dǎo)軌正常工作，導(dǎo)軌滑動(dòng)表面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)拈g隙。間隙過小，會(huì)增加摩擦阻力；間隙過大，會(huì)降低導(dǎo)向精度。導(dǎo)軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動(dòng)量，而且導(dǎo)軌經(jīng)過長期使用后，會(huì)因磨損而增大間隙