第三組第四周第一次作業(yè)

1.分度工作臺和回轉(zhuǎn)工作臺工作臺是數(shù)控機床的重要部件，為了提高數(shù)控機床的生產(chǎn)效率，擴大其工藝范圍，對于數(shù)控機床的進(jìn)給運動除了沿坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)給運動之外，還常常需要有分度運動和圓周進(jìn)給運動。數(shù)控機床中的工作臺主要有矩形、回轉(zhuǎn)式以及傾斜成各種角度的萬能工作臺三種。本節(jié)主要介紹數(shù)控機床常用的定位、回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)及工作原理。

1.分度工作臺分度工作臺的功用是完成分度輔助運動，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道工序的加工。分度工作臺的分度、轉(zhuǎn)位和定位是按照控制系統(tǒng)的指令自動進(jìn)行的，每一次轉(zhuǎn)位可回轉(zhuǎn)一定的角度（45°、60°、90°等）。分度工作臺按其定位機構(gòu)的不同分為端面齒盤式和定位銷式兩類。

1.端面齒盤式分度工作臺端面齒盤式分度工作臺是目前用得較多的一種精密的分度定位機構(gòu)，它主要由工作臺底座、夾緊液壓缸、分度液壓缸和端面齒盤等零件組成，其結(jié)構(gòu)如圖6-14。端面齒盤式分度工作臺的分度轉(zhuǎn)位動作過程可分為三大步驟：

（1）工作臺的抬起（2）回轉(zhuǎn)分度（3）工作臺下降定位夾緊

1、2、15、16—推桿3—下齒盤4—上齒盤5、13—推力軸承6—活塞7—工作臺8—齒條活塞9—升降液壓缸上腔10—升降液壓缸下腔11—齒輪12—齒圈14、17—擋塊18—分度液壓缸右腔19—分度液壓缸左腔20、21—分度液壓缸進(jìn)油管道22、23—分度液壓缸回油管道圖6-14端面齒盤式工作臺

端面齒盤式分度工作臺的特點：優(yōu)點：分度和定心精度高，分度精度可達(dá)±(0.5～3)″，由于采用多齒重復(fù)定位，因此重復(fù)定位精度穩(wěn)定，定位剛度高，只要是分度數(shù)能除盡端面齒盤齒數(shù)，都能分度，適用于多工位分度。缺點：是端面齒盤制造較為困難，且不能進(jìn)行任意角度的分度。

2.定位銷式分度工作臺這種工作臺的定位元件由定位銷和定位套孔組成，圖6-15所示為自動換刀臥式數(shù)控銑鏜床的定位銷式分度工作臺的結(jié)構(gòu)。分度工作臺面1的兩側(cè)有長方形工作臺,在不單獨使用分度工作臺時，它們可以作為整體工作臺使用。在分度工作臺1的下方又八個均布的圓柱定位銷7，在轉(zhuǎn)臺座19上有一個定位套6和一個供定位銷移動的環(huán)形槽。其中只有一個定位銷7進(jìn)入定位套中，其它7個定位銷都在環(huán)形槽中。定位銷之間間隔45°，工作臺只能作二、四、八等分的分度運動。

2.回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺主要用于數(shù)控鏜床和數(shù)控銑床，它的功用是使工作臺進(jìn)行圓周進(jìn)給，以完成切削工作，也可使工作臺進(jìn)行分度。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的外形和分度工作臺很相似，但由于要實現(xiàn)圓周進(jìn)給運動，所以其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動機構(gòu)的許多特點，區(qū)別在于數(shù)控機床的進(jìn)給驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)的是直線運動，而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運動。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。

1.開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)直線進(jìn)給機構(gòu)一樣，都可以用功率步進(jìn)電機驅(qū)動。

1-偏心環(huán)2、6-齒輪3-電動機4-蝸桿5-墊圈7-調(diào)整環(huán)8、10-微動開關(guān)9.11-擋快12、13-軸承14-液壓缸15-蝸輪16-柱塞17-鋼球18、19-夾緊瓦20-彈簧21-底座22-圓錐滾子軸承23-調(diào)整套24-支座圖6-16開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺圓周進(jìn)給運動控制系統(tǒng)首先發(fā)出指令，使液壓缸14上腔的壓力油流回油箱，在彈簧20的作用下將鋼球17抬起，夾緊瓦18和19就松開蝸輪15，柱塞16到上位發(fā)出信號，功率步進(jìn)電機起動并按照指令脈沖的要求驅(qū)動數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)圓周進(jìn)給運動。當(dāng)工作臺作圓周分度運動時，先分度回轉(zhuǎn)再夾緊蝸輪，以保證定位的可靠，并提高承受負(fù)載的能力。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的圓形導(dǎo)軌采用大型推力滾柱軸承13支承，回轉(zhuǎn)靈活。徑向?qū)к売蓾L子軸承12及圓周滾子軸承22保證回轉(zhuǎn)精度和定位精度。調(diào)整軸承12的預(yù)緊力，可以消除回轉(zhuǎn)軸的徑向間隙。調(diào)整軸承22的調(diào)整套23的厚度，可以使圓導(dǎo)軌上有適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，保證導(dǎo)軌有一定的接觸剛度。

數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的分度定位和分度工作臺不同，它是按照控制系統(tǒng)所制定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度，沒有其它的定位元件，因此，對開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的傳動精度要求高、傳動間隙應(yīng)盡量小。

開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可做成標(biāo)準(zhǔn)附件，回轉(zhuǎn)軸可水平安裝也可垂直安裝，以適應(yīng)不同工件的加工要求。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺脈沖當(dāng)量是指每一個脈沖使工作臺回轉(zhuǎn)的角度，現(xiàn)有的脈沖當(dāng)量在0.001°/脈沖到2′/脈沖之間，使用時根據(jù)加工精度要求和工作臺直徑大小來選取。

2.閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺和開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺大致相同，其區(qū)別在于閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺由轉(zhuǎn)動角度的測量元件(圓光柵或元感應(yīng)同步器)。所測量的結(jié)果經(jīng)反饋可與指令值相比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使工作臺分度精度更高。圖6-17所使為閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的結(jié)構(gòu)。

1-工作臺2-鑲鋼滾柱導(dǎo)軌3、4-夾緊瓦5-液壓缸6-活塞7-彈簧8-鋼球9-光柵10、11-軸承12-蝸桿13-蝸輪14、16-齒輪15-電機圖6-17閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺工作臺的選型與計算模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行組件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。由于工作臺的精度將直接影響到零件的加工精度，因此工作臺的選型與計算至關(guān)重要。下面來看一個例子。

任務(wù)：設(shè)計一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1、立銑刀最大直徑的d=20mm；2、立銑刀齒數(shù)Z=3;3、最大銑削寬度=20mm;4、最大背吃刀量=10mm;5、加工材料為碳素鋼活有色金屬。6、X、Y方向的脈沖當(dāng)量=0.005mm;7、X、Z方向的定位精度均為mm;8、工作臺尺寸1320X320mm，加工范圍為680X330㎜;9、工作臺空載進(jìn)給最快移動速度：==2300mm/min;10、工作臺進(jìn)給最快移動速度:==700mm/min；導(dǎo)軌上移動部件的重量估算X向拖板(上拖板)重量為:重量:按重量=體積*材料比重估算體積=長x寬x高=2200X320X40=2200X320X40X10X7.8=2196N

材料選用鑄鐵，其密度為7.8X10kg/cm。

Y向拖板(下拖板)重量估算為:

工作臺的重量為；

W=1320X320X30XN=988N按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算，包括夾具、工件、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導(dǎo)軌座等,估計重量約為300N；所以，其總重量為：2196+748+988+300=4200N塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：

其中，移動部件重量Ｇ＝4200N，外加載荷，代入式，得最大工作載荷=747+4200/4=1797N=1.8KN。

查表根據(jù)工作載荷=1.8kN，工作臺面尺寸為，加工范圍為等數(shù)值，并考慮一定的余量；查表初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列，其中X向?qū)к墳镴SA-LG35型，長度為2200mm，其額定動載荷，額定靜載荷；Y向?qū)к墳镴SA-LG20型，長度為760mm；其額定動載荷，額定靜載荷。

距離額定壽命L的計算上述所取的KL系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。JSA-LG20系列所允許的靜載荷值比JSA-LG35型更小，所以此處只需對JSA-LG20系列進(jìn)行驗算即可。

分別取硬度系數(shù)，溫度系數(shù)，接觸系數(shù)，精度系數(shù)，載荷系數(shù)，代入下式，得距離壽命分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)f=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，得距離壽命：遠(yuǎn)大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。滾珠絲杠螺母副的計算與選型1最大工作載荷Fm的計算: 如前所述，在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2162N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=419N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=747N.已知移動部件總重量G=4200N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：

=[1.12162+0.005(747+491+4200)]N2405N2最大動工作載荷FQ的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度v=700mm/min，初選絲杠導(dǎo)程,則此時絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入,得絲杠壽命系數(shù)L0=126（單位為：106r）。查表，取載荷系數(shù),滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大動載荷：

3初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，選擇CM系列3205-5型滾珠絲杠副，為外循環(huán)插管埋入式反向器雙螺母預(yù)緊式，其公稱直徑為32mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為系列，精度等級取5級，額定動載荷為17998N，大于，滿足要求。

4傳動效率η的計算將公稱直徑,導(dǎo)程,代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入,得傳動效率。5、剛度的驗算1、X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=2000mm；鋼的彈性模量;查表得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲杠底徑d2=28.2mm,絲杠截面積S=/4=624.6m。忽略式中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量.2、根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=29；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù):2X2.5X2，代入公式ZX圈數(shù)X列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=290。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力/3=800N。則由式求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量為=0.003mm；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=0.0015mm。3、將以上算出的和代入=0.0367+0.0015=0.0382mm，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度500mm）=0.0382mm=38.2。本設(shè)計中，絲杠的有效行程為850mm，由表知，5級精度滾珠絲杠有效行程在800~1000mm時，行程偏差允許達(dá)到40，可見絲杠剛度足夠。6壓桿穩(wěn)定性校核 取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑d2=28.2mm求得截面慣性矩31043；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值2000mm。代入下式得臨界載荷，故=2405N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。步進(jìn)電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計要求，增大步進(jìn)電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，今在步進(jìn)電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速。已知工作臺的脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm，初選步進(jìn)電動機的步距角=0.75°。算得減速比：

=（0.755）/（3600.005）=25/12本設(shè)計選用JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為1mm，齒數(shù)比為75：36，材料為45調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達(dá)到55HRC。減速箱中心距為[（75+36）1/2]mm=55.5mm,小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。步進(jìn)電動機的計算與選型1計算加在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq

已知：滾珠絲杠的公稱直徑d0=32mm，總長L=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度;移動部件總重力G=4200N；小齒輪齒寬b1=20mm.，直徑d1=30mm，大小齒輪齒寬b2=20mm，直徑d2=75mm；傳動比i=25/12。如表4-1所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：，，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=16.15kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=2.91kg·cm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz1=0.125kg·cm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量Jz2=4.877kg·cm2。初選步進(jìn)電動機的型號為110BC380F,為三相混合式，三相六拍驅(qū)動時的步距角為0.75°，從表查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=9kg·cm2。則加在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：

=14.655kg·cm22計算加在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。1)快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高.可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：

考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩：

=其中：=958.3r/min(6-15)式中—空載最快移動速度，任務(wù)書指定為2300mm/min；—步進(jìn)電動機步距角，預(yù)選電動機為0.75；—脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由求得：由式知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：

式中——導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005——垂直方向的銑削力，空載時取0——傳動鏈效率，取0.7最后由式求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

=0.525+0.115=0.64N·m2)最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有：其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式計算。有：再由式計算垂直方向承受最大工作負(fù)載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：最后求得在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：3步進(jìn)電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=4,則步進(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：初選步進(jìn)電動機的型號為110BC380F，查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=11.76Nm。可見，滿足要求。4步進(jìn)電動機的性能校核1)最快工進(jìn)速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核