第四組第四周第一次課件

1、工作臺模塊的裝配與調(diào)試泰職院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院 數(shù)控專業(yè)工作任務(wù)工作任務(wù) 工作臺的組成零件 工作臺的選型及其計算步驟立式數(shù)控機(jī)床工作臺臥式數(shù)控機(jī)床工作臺工作臺的概述及其組成 工作臺含義：工作臺含義：支撐工件通過傳動機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的回轉(zhuǎn)、直線曲線、角度分度等運動，并配有夾緊裝置。 功能：功能：支撐工件 傳遞運動 定位基準(zhǔn) 功能要求：功能要求： 尺寸容量尺寸容量 形體尺寸應(yīng)能容納加工零件的 最大輪廓尺寸性能要求性能要求 靜剛度要高 動剛度要好 溫度分布均勻 受力合理 耐磨性好工作臺的組成 工作臺工作臺 螺釘螺釘 支座支座 定位銷定位銷 大齒輪大齒輪 活塞活塞 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī) 軸承軸承 螺栓螺栓 底座底

2、座 擋塊擋塊 液壓缸液壓缸 矩形工作臺矩形工作臺 彈簧彈簧設(shè)計流程根據(jù)加工形式選型根據(jù)加工形式選型確定工作臺的參數(shù)確定工作臺的參數(shù)支撐結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)傳動形式（消隙機(jī)構(gòu)）傳動形式（消隙機(jī)構(gòu)）潤滑密封裝置潤滑密封裝置定位結(jié)構(gòu)定位結(jié)構(gòu)計算校核計算校核一.工作臺的形式根據(jù)機(jī)床的不同，工作臺有三種外型根據(jù)機(jī)床的不同，工作臺有三種外型 方形工作臺方形工作臺:工作面上可加工工作面上可加工V形，形，T形形 U型型槽和圓孔，長孔等槽和圓孔，長孔等.一般適用于鏜床一般適用于鏜床 鉆床鉆床 銑銑床床 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臺 ：適用于磨床適用于磨床 立式車床立式車床 專用機(jī)床專用機(jī)床 移動轉(zhuǎn)臺移動轉(zhuǎn)臺 ： 適用于鏜銑加工中心等適用于

3、鏜銑加工中心等二.工作臺參數(shù)HTK160 x180HTK160 x180面積mm16001800 承重kg10000 行程mm 2000(選項1000,3000,4000) 轉(zhuǎn)數(shù)r/min1 移動速度mm/min1-6000 定位精度mm0.026 B(490)18(4)重復(fù)定位精度mm0.015 B(490)10(4)外形尺寸mm500023001110重量kg 13000技術(shù)參數(shù)：技術(shù)參數(shù)：承載、尺寸、行程、承載、尺寸、行程、轉(zhuǎn)速、定位精度、移轉(zhuǎn)速、定位精度、移動速度動速度 三. 支撐結(jié)構(gòu) 臺面材料：臺面材料：以大型和重型化為目標(biāo)的機(jī)床，材料的力學(xué)性能起著決定性的作用；以超速、超精加工為目

4、標(biāo)的現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)材料還要求具備高的減震性、熱穩(wěn)定性和抗腐性等綜合的性能?；诣T鐵材料：灰鑄鐵材料：易于鑄造，且切削加工性好，制造成本低 ，并具有良好的耐磨性和減震性，是傳動的機(jī)床結(jié)構(gòu)材料四.定位機(jī)構(gòu) 分度工作臺：分度工作臺：分度工作臺的功能只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的多種工序，提高工作效率. 分度工作臺的分度精度要求較高（普通級 10 精密級 5 高精密級3 ） 常用的定位元件有插銷定位、反靠定位、齒盤定位和鋼球定位等幾種。齒盤可承受很大的外載，定位剛度高，精度保持性好。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺：數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺：除了分度和轉(zhuǎn)位的功能之外，還能實現(xiàn)數(shù)

5、控圓周進(jìn)給運動。 注：注：常用有轉(zhuǎn)動角度的測量元件(圓光柵或圓感應(yīng)同步器)，由伺服電機(jī)控制使轉(zhuǎn)臺定位精度更高。分度定位機(jī)構(gòu)又分為：分度定位機(jī)構(gòu)又分為： 插銷定位 反靠定位 齒盤定位 鋼球定位 插銷定位插銷定位基本定位機(jī)構(gòu)是定位銷和定位套。基本定位機(jī)構(gòu)是定位銷和定位套。 操縱定位銷的插入和拔 出，有的是用杠桿或凸輪并與分度回轉(zhuǎn)、夾緊等動作一起實現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)制控制，有的則是用單獨的油缸控制。齒盤定位 定位精度高、剛性好、機(jī)構(gòu)簡單、改變分度工位時調(diào)整方便。在花盤底面和底座頂面上都裝有齒盤，由齒盤的嚙合使工作臺定位。工作臺轉(zhuǎn)位時，須將花盤抬起，使兩個齒盤脫開。注：承受軸向力，徑向力，切向力反靠定位 用兩個

6、定位塊，一個固定不動，另一個由彈簧和不動定位塊的作用上下移動。 缺點：移動導(dǎo)向桿和導(dǎo)向套仍有磨損。(4)鋼球定位 除了用一圈相互擠緊的鋼球代替了端面齒盤外，其分度傳動的工作原理、分度延續(xù)時間、可調(diào)性及自動化程度等，均與前面介紹的齒盤定位分度相似，分度精度高于齒盤。五、傳動形式兩種伺服電機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu) 靜壓蝸桿蝸母條副傳動能滿足加工中心靜壓蝸桿蝸母條副傳動能滿足加工中心進(jìn)給元件沒有間隙、磨損小、剛度高、阻進(jìn)給元件沒有間隙、磨損小、剛度高、阻尼性好、傳動效率高的要求尼性好、傳動效率高的要求,它是絲杠螺母它是絲杠螺母機(jī)構(gòu)的一種特殊形式機(jī)構(gòu)的一種特殊形式,適用于龍門鏜銑床、適用于龍門鏜銑床、數(shù)控落地銑鏜床

7、。數(shù)控落地銑鏜床。 其優(yōu)點表現(xiàn)在摩擦阻力小、使用壽命長、 抗振性能好, 且有足夠的軸向剛度, 蝸母條能無限接長。滾珠絲杠螺母副傳動 滾珠絲杠螺母副是直線運動與回轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置,一般應(yīng)用于機(jī)械加工的高速加工中心和經(jīng)濟(jì)型高速數(shù)控機(jī)床, 它具有以下特點：傳動效率高,摩擦損失小;給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊,可消除絲杠和螺母螺紋間隙;運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象,傳動精度高;有可逆性;磨損小,使用壽命長。滾珠絲杠螺母副齒輪傳動 齒輪傳動形式多應(yīng)用廣泛，其主要特點是：齒輪傳動形式多應(yīng)用廣泛，其主要特點是：工作可靠傳動比穩(wěn)定等。工作可靠傳動比穩(wěn)定等。漸開線齒輪傳動錐齒輪傳動六、潤滑密封裝置回轉(zhuǎn)部分的潤滑：回轉(zhuǎn)部分

8、的潤滑：一般采用循環(huán)噴油潤滑，可以沖掉傳動一般采用循環(huán)噴油潤滑，可以沖掉傳動過程中齒輪嚙合區(qū)的磨粒、減少磨損、延長使用壽命、對過程中齒輪嚙合區(qū)的磨粒、減少磨損、延長使用壽命、對渦輪蝸桿進(jìn)行很好的冷卻與潤滑等。渦輪蝸桿進(jìn)行很好的冷卻與潤滑等。密封裝置：密封裝置：為防止工作過程中切屑與雜質(zhì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)臺，回為防止工作過程中切屑與雜質(zhì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)臺，回轉(zhuǎn)部分與下箱之間要用密封圈封好，這樣還能起到潤滑軸轉(zhuǎn)部分與下箱之間要用密封圈封好，這樣還能起到潤滑軸承的作用。承的作用。密封圈密封圈：依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接接 觸壓觸壓 力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)

9、的內(nèi)壓，則不發(fā)生力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。泄漏，反之則發(fā)生泄漏。七、計算校核數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動部分的計算數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺傳動部分的計算圓柱齒輪傳動設(shè)計計算圓柱齒輪傳動設(shè)計計算主要包括：材料選擇、精度及參數(shù)選擇、螺旋角選擇、齒寬系數(shù)確定、計算齒輪各個直徑、中心距、齒輪寬度、齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計、校核彎曲疲勞強(qiáng)度等等。渦輪蝸桿傳動設(shè)計計算渦輪蝸桿傳動設(shè)計計算主要包括：渦輪蝸桿材料、硬度、頭數(shù)、齒數(shù)、螺旋升角、渦輪齒寬、彎曲疲勞強(qiáng)度校核、效率計算、熱平衡計算等等。工作臺設(shè)計舉例圖臺面臺面密封裝置密封裝置傳動機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)底座底座靜壓塊靜壓塊設(shè)計一套供立式數(shù)控銑床使用的X

10、-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：立銑刀最大直徑的d=15mm，立銑刀齒數(shù)Z=3最大銑削寬度ac=15mm最大背吃刀量ap=8mm加工材料為碳素鋼或有色金屬X、Y方向的脈沖當(dāng)量 =0.01mm X、Z方向的定位精度均為0.04mm工作臺面尺寸為250mm250mm加工范圍為 300mm120mm工作臺空載進(jìn)給最快移動速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作臺進(jìn)給最快移動速度:加減速0.3s。例題解析maxymax400mm / minxffVVxy設(shè)計主要步驟1 確定設(shè)計總方案機(jī)械傳動部件的選擇控制系統(tǒng)的設(shè)計2 機(jī)械傳動部件的計算和選擇工作臺外形尺寸及重量初步估算計算切削力

11、滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗 一、 確定設(shè)計總方案1 1、機(jī)械傳動部件的選擇、機(jī)械傳動部件的選擇 1）絲杠螺母副的選擇 步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足初選0.01mm脈沖當(dāng)量，因為定位精度0.04mm，對于機(jī)械傳動要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現(xiàn)取為1/2，即是0.02mm和0.04mm的定位精度，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 同時選用內(nèi)循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高。 由于定

12、位精度不高，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙方式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便。 由于工作臺最快的移動速度 Vxmax = Vymax =1500mm/min 所需的轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。2）、導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。3）、伺服電機(jī)的選用 選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏低，為了確保電動機(jī)在運動過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影

13、響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有1500mm/min,故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提高性價比。 4）、減速裝置的選用 選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪傳動減速箱。2、 控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)計 1）設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控

14、制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。2）對于步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。二 、機(jī)械傳動部件的計算和選擇1 1）工作臺外形尺寸及重量初步估算）工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程,估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。XY工作臺如圖所示:X向拖板向拖板(上拖板上拖板)尺寸為尺寸為: 長*寬*高=320*270*40 重量:按重量=體積*材料比

15、重估算為: = N=270NY向拖板向拖板(下拖板下拖板)尺寸為尺寸為: 長*寬*高= 重量 = N=320N上導(dǎo)軌(含電機(jī))估算重量為：240N夾具及工件重量:150NX-Y工作臺運動部分總重量為: 270N+320N+240N+150N=800N按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計重量約為800N。 xW23108 . 7104027032040320320YW23108 . 710403203202） 計算切削力計算切削力根據(jù)設(shè)計任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)：立銑刀 最大直徑的 d=

16、15mm 立銑刀齒數(shù) Z=3 最大切削寬度 =15mm 最大背吃刀量 =8mm設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。d=15mm的硬質(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下： 每齒進(jìn)給量fz=0.1mm 銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min立銑時切削力計算公式為：代入上式得： eapa0.850.750.73 1.00.10cezp118afda nZF0.850.750.731.00.10c118 150.11583003N 1229NF采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值范圍如下： Ff/ Fc =(1.01.2) 取1.1 / Fc =(0.20.3) 取0.25 Fe/

17、Fc=（0.350.4） 取0.38考慮逆銑時受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的情況。由此可估算三個方向的銑削力分別為： （與絲杠軸線平行） （與工作臺面垂直） （與絲杠軸線垂直）考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力Fx，徑向銑削力為Fy。 fnFNFFcf13521.1NFFce46838.0NFFcfn30725.0 xfFF1352NyfnFF307N NFFez4683)滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算1、工作載荷的計算 工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺

18、多采用雙導(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)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=800N,外加載荷外加載荷得最大工作載荷 max4GFFNFeF468kNNF668.0668max2、小時額定工作壽命的計算預(yù)期工作臺的工作壽命為5年，一年365天，取工作時間為360天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命14400hLh3、距離額定壽命計算由公式 ，從而得到 式中： 為小時額定工作壽命。n為移動件每分鐘往復(fù)次數(shù)（46）取5S為移動件行程長度，由加工范圍為300mm120mm取330mm代入數(shù)據(jù) 得：L=2851km .

19、310260hLLnS326010hL nSLhL4、額定動載荷計算由公式從而得到：式中：Ca為額定動載荷 L為距離工作壽命，由上式可知為2851km F為滑塊的工作載荷，由上式可知為668N代入數(shù)據(jù)得：Ca =5120N36.25(/)aLCF3/ 6.25aCFL 5、產(chǎn)品選型 根據(jù)額定動載荷，選擇滾動導(dǎo)軌，查滾動導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB16BA型，相關(guān)尺寸如下所示 可知其額定動載荷可知其額定動載荷C=6.07KN，大于，大于4580N，故可知滿足要求。，故可知滿足要求。4)滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗1、最大工作載荷的計算已知移動部件總重量G=800N，按滾動導(dǎo)軌

20、計算，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)u=0.00250.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =1.11352+0.005(307+468+800) =1495NxFF(FF)eqyZkuG2、最大計算動載荷的確定 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速 =v/P=80r/min。預(yù)計滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時，由此得使用壽命為： T=53608=14400h，公式得： =其中 T使用壽命 14400 h N循環(huán)次數(shù) 滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/min 求得： 69（

21、 ）eqn66010eqn TT 610Neqn660 80 1440010T610 r369 1.3 1.0 1495cC 受中等沖擊載荷取值范圍 ，現(xiàn)取 ，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數(shù)取值 ，由式代入數(shù)據(jù)得： 7971N3cdheqCT f f F1.21.5df 1.0hf1.3df3、規(guī)格型號的初選根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GDM系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=

22、80mm，額定動載荷為9309N，大于最大計算動載荷Cc=7971,滿足要求。名 稱符 號計算公式和結(jié)果 絲杠滾道公稱直徑d020螺距P5接觸角鋼球直徑dw3.175螺紋滾道法面半徑R偏心距e螺紋升角絲桿絲杠外徑d119.3絲杠底徑d216.2螺桿接觸直徑dz絲杠螺母螺母螺紋外徑D螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)）D120.14450.521.651wRd0.0449earc4 33hwPtgdcos17.75zwbd d d 02 223.212D deR 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm） 4、傳動效率的計算將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得絲杠螺旋升角=433

23、。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=96.4%。5、剛度的驗算X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定-一端游動”的軸承配置形式。可知這種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承,這樣能承受集中力。絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量根據(jù)公式 求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式 Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =120。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力 /3=498N。查相關(guān)公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 Pa= = 因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0007mm。0/WZddZZeqFyF3310.0013/wyPad F z3310.0013/wyPad F z330.0013 1495/