數(shù)控軟片裁片設(shè)備機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算書

第一章設(shè)計(jì)任務(wù)書及及總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)任務(wù)書數(shù)控軟片裁片設(shè)備重要用于實(shí)現(xiàn)絕熱軟片（2-10）mm倒邊的裁制。該設(shè)備規(guī)定操作簡(jiǎn)樸、方便，結(jié)構(gòu)材料采用不銹鋼或其它金屬材料，保證該部分具有一定的剛度、耐磨性能及機(jī)械加工質(zhì)量，同時(shí)規(guī)定設(shè)備表面美觀大方，軟片倒邊裁制速度可調(diào)，并提供刀具移動(dòng)速度顯示。數(shù)控絕熱軟片裁片、倒邊設(shè)備由裁片、倒邊模具，軟片裝夾部分及控制部分組成。裁片、倒邊模具，軟片裝夾部分重要用于實(shí)現(xiàn)裁片模具、軟片的定位及裝夾。規(guī)定該部分模具定位、軟片裝夾操作方便快捷。且在裁片、倒邊裁制過(guò)程中以及受力狀態(tài)下保持模具、軟片緊固。并提供模具裝夾力值顯示。控制系統(tǒng)重要用于實(shí)現(xiàn)刀具運(yùn)動(dòng)、裝夾部分運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。通過(guò)軟片裁片、倒邊裁制過(guò)程的位移、速度控制，以保證軟片裁制度質(zhì)量及精度。軟片裁制基本外型有三種：長(zhǎng)方形、扇形、圓形。所裁軟片最大尺寸如下：圓片：Φmin外徑＝65mm Φmax外徑≤500mm扇形片：最大弧長(zhǎng)900mm ，高500mm長(zhǎng)方形片：最大尺寸1000mmX750mm規(guī)定軟片裁制倒邊尺寸精度為±0.5mm，為提高裁片效率，對(duì)2mm、3mm厚軟片可實(shí)現(xiàn)雙層疊放裁制。以某一特定發(fā)動(dòng)機(jī)裁片時(shí)間為依據(jù)，規(guī)定所有裁完軟片的時(shí)間少于手工裁片時(shí)間的20％長(zhǎng)方形片絕熱材料軟片倒角即裁制斜邊寬度規(guī)定如下：（1）2mm軟片倒邊寬度為片厚的（2-7）倍。（2）3mm以上軟片倒邊寬度為片厚的（2-5）倍最后附上幾種絕熱材料的資料：5-III材料：重要組份為丁腈橡膠、酚醛樹脂。未固化材料的邵氏硬度為40-50。材料的延伸率≥170％9621材料：重要組份為丁腈橡膠。未固化材料的邵氏硬度為20-30。材料的延伸率≥200％VI材料：重要組份為丁腈橡膠、酚醛樹脂、碳纖維。未固化材料的邵氏硬度為80-90。材料的延伸率≥15％1.2設(shè)計(jì)方案的擬定1.2.1概述為了滿足用貼片機(jī)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)粘貼橡膠襯板的需要，橡膠襯板的加工必須規(guī)范化并保證足夠的精度，數(shù)控橡膠軟片裁片機(jī)必須與貼片機(jī)緊密配合，與貼片機(jī)的工藝規(guī)定相適應(yīng)。這就規(guī)定數(shù)控橡膠軟片裁片機(jī)自動(dòng)化限度高，橡膠軟片裁片時(shí)安裝方便，定位便捷，把操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度減到最低，同時(shí)獲得最高的工作效率。1.2.2系統(tǒng)原理及功能1.2.2.1系統(tǒng)組成本機(jī)由臺(tái)架、大臂、小臂、升降臂、刀桿、真空轉(zhuǎn)盤、真空泵和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等幾大部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1數(shù)控橡膠襯板倒邊機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.2.2.2工作原理(1)大、小臂運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)刀具實(shí)現(xiàn)平面(X、Y)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，真空轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)（C）帶動(dòng)夾具和工件實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給和分度。為了可以切出曲邊坡口，上述三個(gè)運(yùn)動(dòng)需要聯(lián)動(dòng)控制。(2)升降臂的升降(Z)和刀桿的擺動(dòng)(B)用于調(diào)整刀具位置和切削角度。可以單獨(dú)控制。(3)刀桿軸帶動(dòng)刀盤回轉(zhuǎn)形成主切削運(yùn)動(dòng)。根據(jù)橡膠軟片的厚度及刀具幾何形狀的不同刀具回轉(zhuǎn)存在一個(gè)最佳速度，因此刀具回轉(zhuǎn)角速度必須可以連續(xù)可調(diào)。(4)工件用真空吸盤吸附夾緊，一次裝卡可自動(dòng)完畢切邊、倒坡口等操作。數(shù)控橡膠軟片裁片機(jī)的運(yùn)動(dòng)鏈如圖2-2所示。圖2-2數(shù)控橡膠軟片裁片機(jī)的運(yùn)動(dòng)鏈1.2.2.3控制系統(tǒng)本機(jī)運(yùn)動(dòng)控制需要采用六軸軸三聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，大、小臂驅(qū)動(dòng)軸(X、Y)和真空轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)軸（W）用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并需三軸聯(lián)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)直線和圓弧插補(bǔ)；升降臂的升降軸(Z)和刀盤回轉(zhuǎn)軸（主軸）單獨(dú)控制，其中升降軸用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；而刀盤回轉(zhuǎn)軸用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變頻調(diào)速器控制其轉(zhuǎn)速。擺動(dòng)軸用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以便獲得坡口所需的角度。運(yùn)動(dòng)控制采用工控機(jī)IPC和美國(guó)GALIL公司生產(chǎn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器組成開放性數(shù)控系統(tǒng)，具有內(nèi)置的可編程序控制器PLC功能，便于對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制，對(duì)于常用規(guī)格產(chǎn)品可儲(chǔ)存其加工程序，加工過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行。1.2.2.4．性能指標(biāo)(1)本機(jī)可以對(duì)厚度為2~10mm的橡膠軟片進(jìn)行直線、曲線切邊和倒坡口操作。(2)根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本機(jī)倒坡口角度可達(dá)成<12°，凹邊曲率半徑可達(dá)成100mm或更小。(3)切削速度可達(dá)成1500-4000mm/min。第二章設(shè)計(jì)計(jì)算2.1X軸傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算2.1.1電機(jī)的選擇負(fù)載扭矩的計(jì)算負(fù)載扭矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削力所引起。即2M＝FL其中M為負(fù)載扭矩，F(xiàn)為摩擦力，L為龍門架移動(dòng)距離F=+f,為滑動(dòng)摩擦系數(shù)=0.005，f為刮油片阻力f=0.5×9.8=4.9NG為龍門架的總重量,其中m=46(刀架)＋109(龍門)＋10(導(dǎo)軌等)＝165kg故F=0.005×1617+4.9=12.985N由于存在傳動(dòng)效率和摩擦系數(shù)因素，所以M=其中為同步帶的效率＝0.95，MB為支撐軸承的摩擦力矩查手冊(cè)得＝30N所以M==選擇電機(jī)DSM4-09.1-1系列，P=0.25KW，轉(zhuǎn)數(shù)3000r/min2.1.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)（以下所用的表和圖均源自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）求計(jì)算功率查表10-39得＝1.9選擇帶型根據(jù)=0.475KW和查圖10-18應(yīng)選用L型同步帶，選取帶輪齒數(shù)>,由表10-40查得＝18，?。?9帶輪節(jié)徑帶速初定中心距選用帶長(zhǎng)及齒數(shù)按表10-36選用，代號(hào)1200求理論中心距采用中心距可調(diào)，齒輪嚙合齒數(shù)基本額定功率mm,查表10-41得=244.46N,m=0.095KG/m帶寬查表10-37選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬＝25.4mm代號(hào)100作用于軸上的力2.1.3滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇本書考慮滿足機(jī)床傳動(dòng)的精度規(guī)定，故初步?jīng)Q定選用精度很高的HIWIN線性滑動(dòng)導(dǎo)軌，此種線性滑軌為一種滾動(dòng)導(dǎo)引，藉由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著滑軌容易地以高精度作線性運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)引相比較，滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)可減少至本來(lái)的1/50，由于起動(dòng)的摩擦力大大減少，相對(duì)的較少無(wú)效運(yùn)動(dòng)發(fā)生，故能容易達(dá)成μm級(jí)進(jìn)給及定位。再加上滑塊與滑軌間的束制單元設(shè)計(jì)，使得線性滑軌可同時(shí)承受上下左右等各方向的負(fù)荷，上述所列特點(diǎn)并非傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)引所能比擬，因此采用此導(dǎo)軌能大幅提高設(shè)計(jì)機(jī)器的精度和機(jī)械效能。根據(jù)龍門架的傳動(dòng)規(guī)定及設(shè)計(jì)尺寸，初步選用LGW25CB型號(hào)，查表得：基本動(dòng)額定負(fù)荷C=2410kgf＝23618N，基本靜額定負(fù)荷=38024N，允許靜力矩2.1.4線性滑軌壽命計(jì)算2.1.4.1基本靜額定負(fù)荷計(jì)算導(dǎo)軌的基本靜額定負(fù)荷為刀架部件的總重量，即由于有兩個(gè)線性導(dǎo)軌，所以靜安全系數(shù)為：故靜強(qiáng)度安全3.1.4.2基本動(dòng)額定負(fù)荷計(jì)算（1）壽命的計(jì)算考慮線性滑軌使用的環(huán)境因素，其壽命會(huì)隨運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、珠道表面硬度及系統(tǒng)溫度而有所變化，所以滑軌壽命為：其中：L為壽命，C為基本動(dòng)額定負(fù)荷，PC為最大工作負(fù)荷，fk為硬度系數(shù)，ft為溫度系數(shù)，fw為負(fù)荷系數(shù)HIWIN的線性滑軌硬度都為HRC58以上，故查表得，Pz為預(yù)壓力，初選預(yù)壓形式為Z1，所以（2）壽命時(shí)間的計(jì)算依使用速度及頻率將壽命距離換算成壽命時(shí)間：其中：Lk為壽命時(shí)間，L為壽命，S為運(yùn)營(yíng)速率，取S=100mm/s,即6m/min故其壽命年限約為2023。2.1.5積極軸的強(qiáng)度校核及設(shè)計(jì)計(jì)算作用于帶輪的圓周力、徑向力、軸向力為:Ft=2T1/d=2×0.8/0.02=80N徑向力Fr=Ft×tan20o=29.18N由圖3-1可知L1=43mm，L2=39mm圖3-1軸的受力分析圖2.1.5.1繪制軸的受力簡(jiǎn)圖，求支座反力Y方向支反力：由∑MB=0，得－RAY(L1+L2)+Ft×L2=0RAY=Ft×L2/(L1+L2)=80×32/(50+32)=31.22N由∑Y=0，得RBY=Ft－RAY=80-61.58=48.78NZ方向支反力：由∑MB=0，得－RAZ×(L1+L2)+Fr×L2=0RAZ=(Fr×L2)/(L1+L2)=(29.18×32)/(50+32)=11.39N由∑Y=0，得RBZ=Fr－RAZ=29.18-22.42=17.79N2.1.5.2作彎矩圖A、垂直面彎矩MY圖：C點(diǎn)MCY=RAY×L1=31.22×50=1.56×103N·mmB、水平面彎矩MZ圖： C點(diǎn)MCZ=RAZ×L1=11.39×50=0.57×103N·mmC、合成彎矩M圖：C點(diǎn)總彎矩為：MC=1.66×103N·mm2.1.5.3作轉(zhuǎn)矩T圖C點(diǎn)左邊：TC1=Ft×d/2=80×20/2＝0.8×103N·mmC點(diǎn)右邊：TC2=TC1/2=0.4×103N·mm2.1.5.4作計(jì)算彎矩Mca圖該軸單向工作，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力考慮，按第三強(qiáng)度理論，取α=0.6C點(diǎn)左邊McaC===1.73×103N·mmC點(diǎn)右邊McaC===1.68×103N·mmD點(diǎn)McaD===0.48×103N·mmE點(diǎn)McaE==×103N·mmB點(diǎn)McaB＝McaE=0.24×103N·mm2.1.5.5校核軸的強(qiáng)度（以下所用的表和圖均源自《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材）由圖可知，C點(diǎn)彎矩值最大，D、E點(diǎn)軸徑最小，所以該軸的危險(xiǎn)斷面是C點(diǎn)和D、E點(diǎn)所在剖面，由45鋼調(diào)質(zhì)解決查表8-1得σb=650N/mm2，再由表8-3查得[σb]-1=60N/mm2C點(diǎn)軸徑dC≥=6.61mm考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dC=6.61×（1+0.05）=6.94mm該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑20mm，安全。D點(diǎn)軸徑dD≥=4.31mm考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dD=4.31×（1+0.05）=4.53mm該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑14mm，安全。E點(diǎn)軸徑dE≥=3.42mm考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dE=3.42×（1+0.05）=3.59mm該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑14mm，安全2.1.5.6精確校核軸的疲勞強(qiáng)度由圖可知，Ⅱ~Ⅺ剖面均為有應(yīng)力集中的剖面，均有也許是危險(xiǎn)剖面。其中Ⅱ~Ⅴ剖面計(jì)算彎矩相同。這幾個(gè)剖面相比較，只是應(yīng)力集中影響不同，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者計(jì)算即可。Ⅸ~Ⅺ與Ⅱ~Ⅴ剖面形狀相似，但其上的彎矩更小，所以不必校核。同理，Ⅶ、Ⅷ剖面承載情況也相近，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者計(jì)算。（1）校核Ⅱ、Ⅲ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅱ剖面因配合引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：kσ=1.97,kτ=1.51Ⅱ剖面因過(guò)度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：（D-d）/r=（17-14）/0.5=6，r/d=0.5/14=0.036，kσ=2.465，kτ=1.592因Ⅰ、Ⅱ剖面重要受轉(zhuǎn)矩作用，故校核Ⅱ剖面。Ⅱ剖面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為τmax=T/WT=T/(0.2×d3)=0.8×103/(0.2×203)=0.5N/mm2τa=τm=τmax/2=0.25N/mm245鋼機(jī)械性能查表8-1得：σ-1=268N/mm2，τ-1=155N/mm2；絕對(duì)尺寸影響系數(shù)由副表1-4查得：εσ=0.91，ετ=0.89；表面質(zhì)量系數(shù)由副表1-5查得：βσ=0.937，βτ=0.937；查表1-5得ψσ=0.34，ψτ=0.21。Ⅰ剖面的安全系數(shù)為S=Sτ=τ-1/（Kτ×τa/（βτ×ετ）+ψτ×τm）=292.6取[S]=1.5~1.8，S＞[S]，所以Ⅱ剖面安全。（2）校核Ⅶ、Ⅷ剖面的疲勞強(qiáng)度兩個(gè)剖面的應(yīng)力集中相近，載荷線性遞減，而Ⅶ剖面的載荷較大，故校核Ⅶ剖面。Ⅶ剖面因配合引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：kσ=1.97,kτ=1.51Ⅶ剖面因過(guò)度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：（D-d）/r=（26-20）/1=6，r/d=0.5/20=0.025，kσ=2.465，kτ=1.683剖面因鍵槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：kσ=1.825，kτ=1.625故應(yīng)按過(guò)度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)校核Ⅶ剖面。Ⅶ剖面承受的彎矩和轉(zhuǎn)矩分別為MⅦ=MC（L1-L）/L1=1.56×103×16/32＝0.78×103N·mmTⅥ=T=0.4×103N·mmⅦ剖面產(chǎn)生的正應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為σmax=MⅦ/W=0.78×103/（0.1×203）＝0.975N/mm2σa=σmax=1.16N/mm2，σm=0Ⅶ剖面產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為τmax=TⅥ/WT=0.4×103/（0.1×203）＝0.5N/mm2τa=τm=τmax/2=0.25N/mm2絕對(duì)尺寸影響系數(shù)由副表1-4查得：εσ=0.91，ετ=0.89，表面質(zhì)量系數(shù)同上βσ=0.937，βτ=0.937。Ⅶ剖面的安全系數(shù)為Sσ=σ-1/（Kσ×σa/（βσ×εσ）+ψσ×σm）=79.9Sτ=τ-1/（Kτ×τa/（βτ×ετ）+ψτ×τm）=278.3S=SσSτ/（Sσ2+Sτ2）1/2=69.1S＞[S]=1.5~1.8，所以Ⅵ剖面安全。2.1.6滾動(dòng)軸承的選擇和壽命驗(yàn)算2.1.6.1滾動(dòng)軸承的選擇由于軸不承受軸向力，所以帶輪軸兩端軸承采用深溝球軸承6203號(hào) 查表得：額定工作壽命2.1.6.2壽命驗(yàn)算（1）受力分析：圓周力軸向力Fa=0徑向力Fr=Ft×tan20°=29.18N根據(jù)下圖已經(jīng)求得軸承支反力為：RAY=31.22N，RBY=48.78NRAZ=11.39N，RBZ=17.79N圖3-2軸承的受力分析圖（2）設(shè)軸承所受支反力合力為R1,R2R2>R1，并且兩個(gè)軸承相同，所以根據(jù)合力R2校核。計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷Fa1=0，即Fa1/R1=0，所以Fa1/R1≤e，查表得：負(fù)荷系數(shù)X＝1，Y＝0在稍有波動(dòng)的情況下 由此可求得：Fa2=0，即Fa2/R2=0，所以Fa2/R2≤e，查表得：負(fù)荷系數(shù)X＝1，Y＝0在稍有波動(dòng)的情況下 由此可求得：軸承壽命計(jì)算：P2>P1，所以按動(dòng)負(fù)荷P1進(jìn)行校核所選軸承合格。2.1.7鍵聯(lián)接的選擇和驗(yàn)算帶輪軸上的鍵選擇:已知：軸徑D=20mm，查GB1095-79，GB1096-79可選，鍵寬b=6mm，鍵高h(yuǎn)=6mm，鍵槽深t=3.5mm。傳動(dòng)扭矩為T=1960Nmm。根據(jù)輪轂長(zhǎng)度選鍵長(zhǎng)L=25mm，校核擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。假設(shè)工作條件有輕微沖擊，可查得許用擠壓應(yīng)力許用剪應(yīng)力，據(jù)校核公式：及，又知鍵的有效工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂的接觸高度。所以該鍵的強(qiáng)度足夠。2.1.8聯(lián)軸器的選擇在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步帶傳動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸并通過(guò)同步帶實(shí)現(xiàn)各個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。而連接電機(jī)輸出軸和同步帶軸的器件便是聯(lián)軸器。為保證傳動(dòng)精度，消除回轉(zhuǎn)誤差，應(yīng)采用措施消除扭轉(zhuǎn)方向上聯(lián)軸器的連接間隙。由結(jié)構(gòu)選擇本機(jī)床的聯(lián)軸器均為伺服撓性聯(lián)軸器。伺服撓性聯(lián)軸器，無(wú)背間隙，遲滯小，最適合于高精度定位使用，元件要素是由螺栓聯(lián)結(jié)，對(duì)于正反運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)揮其優(yōu)秀的耐久性。此聯(lián)軸器采用夾緊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝極為簡(jiǎn)樸，聯(lián)結(jié)的確。根據(jù)同步帶軸的尺寸選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為SFC-030SA,TYPEC。2.1.9潤(rùn)滑與密封的設(shè)計(jì)根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、周邊環(huán)境等項(xiàng)條件，以及考慮到軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)材料、操作狀況等因素，綜合選用。由于本書中設(shè)計(jì)的機(jī)床，各軸轉(zhuǎn)速普遍都很小，負(fù)荷也不太大，并且根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及加工材料怕油的特點(diǎn)，決定選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。對(duì)于X軸方向進(jìn)給上的軸承，因其成倍的縮短換脂期，故規(guī)定選用粘附性好，稠度較大，具有良好的機(jī)械安定性的潤(rùn)滑脂。為防止?jié)櫥瑒┑男钩?，防止灰塵、切屑微粒等其它雜物和水分的侵入，軸承必須進(jìn)行必要的密封，以保持良好的潤(rùn)滑條件和工作環(huán)境，使軸承達(dá)成預(yù)期的工作壽命。由于設(shè)計(jì)的機(jī)床不規(guī)定經(jīng)常填充潤(rùn)滑脂，所以規(guī)定密封要良好，故所有需要密封的部分均采用毛氈密封，并且在位于軸承座孔的箱體內(nèi)壁處設(shè)擋油盤，既可起到軸向固定的作用，又可以防止灰塵進(jìn)入和潤(rùn)滑脂泄漏。2.2Y軸傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.1電機(jī)的選擇負(fù)載扭矩的計(jì)算負(fù)載扭矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削力所引起。即2M＝FL其中M為負(fù)載扭矩，F(xiàn)為摩擦力，L為架體移動(dòng)距離F=+f,為滑動(dòng)摩擦系數(shù)=0.005，f為刮油片阻力f=0.5×9.8=4.9NG為刀架總重量,m=46kg故F=0.005×450.8+4.9=7.154N由于存在傳動(dòng)效率和摩擦系數(shù)因素，所以M=其中為同步帶的效率＝0.95，為支撐軸承的摩擦力矩查手冊(cè)得＝30N所以M==考慮到和X軸傳動(dòng)一致，所以選擇電機(jī)DSM4-09.1-xx.x3型號(hào)，2.2.2同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)求計(jì)算功率查表10-39得＝1.9（以下所用的表和圖均源自《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》）選擇帶型根據(jù)=0.475和查圖10-18應(yīng)選用L型同步帶，選取帶輪齒數(shù)>,由表10-40查得＝18，取＝19帶輪節(jié)徑帶速初定中心距選用帶長(zhǎng)及齒數(shù)按表10-36選用，代號(hào)1200求理論中心距采用中心距可調(diào)，齒輪嚙合齒數(shù)基本額定功率查表10-41得,=244.46,m=0.095帶寬查表10-37選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬＝19.1代號(hào)075作用于軸上的力2.2.3滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇計(jì)算本書考慮滿足機(jī)床傳動(dòng)的精度規(guī)定，故初步?jīng)Q定選用精度很高的HIWIN線性滑動(dòng)導(dǎo)軌，此種線性滑軌為一種滾動(dòng)導(dǎo)引，藉由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著滑軌容易地以高精度作線性運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)引相比較，滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)可減少至本來(lái)的1/50，由于起動(dòng)的摩擦力大大減少，相對(duì)的較少無(wú)效運(yùn)動(dòng)發(fā)生，故能容易達(dá)成μm級(jí)進(jìn)給及定位。再加上滑塊與滑軌間的束制單元設(shè)計(jì)，使得線性滑軌可同時(shí)承受上下左右等各方向的負(fù)荷，上述所列特點(diǎn)并非傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)引所能比擬，因此采用此導(dǎo)軌能大幅提高設(shè)計(jì)機(jī)器的精度和機(jī)械效能。根據(jù)龍門架的傳動(dòng)規(guī)定及設(shè)計(jì)尺寸，初步選用LGW25CA型號(hào)，查表得：基本動(dòng)額定負(fù)荷C=2410kgf＝23618N，基本靜額定負(fù)荷=38024N，允許靜力矩(1)基本靜額定負(fù)荷計(jì)算導(dǎo)軌的受力N1和N2,N1=N2=式中，F(xiàn)—刀架部件的總重量；L1—刀架中心到滑塊的距離；L2—為兩滑軌中心的距離；代入數(shù)據(jù)得N1=N2=靜安全系數(shù)為：故靜強(qiáng)度安全(2)基本動(dòng)額定負(fù)荷計(jì)算(a)壽命的計(jì)算考慮線性滑軌使用的環(huán)境因素，其壽命會(huì)隨運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、珠道表面硬度及系統(tǒng)溫度而有所變化，所以滑軌壽命為：

其中：L為壽命，C為基本動(dòng)額定負(fù)荷，為最大工作負(fù)荷，為硬度系數(shù)，為溫度系數(shù)，為負(fù)荷系數(shù)HIWIN的線性滑軌硬度都為HRC58以上，故查表得，為預(yù)壓力，初選預(yù)壓形式為Z1，所以(b)壽命時(shí)間的計(jì)算依使用速度及頻率將壽命距離換算成壽命時(shí)間：其中：為壽命時(shí)間，為壽命，S為運(yùn)營(yíng)速率，取S=10m/min故其壽命年限為2023。2.2.4積極軸的強(qiáng)度校核及設(shè)計(jì)計(jì)算作用于蝸輪的圓周力、徑向力、軸向力為圓周力Ft=2×T1/d1=195.68N徑向力Fr=Ft×tan20o=71.22N軸向力Fa=G=8.65N由圖可知L1=43mm，L2=39mm圖3-3軸的受力分析圖2.2.4.1繪軸的受力簡(jiǎn)圖，求支座反力Y方向支反力：由∑MB=0，得－RAY(L1+L2)+Ft×L2=0RAY=Ft×L2/(L1+L2)=195.685×39/(43+39)=93.08N由∑Y=0，得RBY=Ft－RAY=195.68-93.08=102.6NZ方向支反力：由∑MB=0，得－RAZ×(L1+L2)－Fa×d/2+Fr×L2=0RAZ=(Fr×L2-Fa×d/2)/(L1+L2)=(71.22×39-8.65×20)/(43+39)=31.76N由∑Y=0，得RBZ=Fr－RAZ=71.22-31.76=39.46N2.2.4.2作彎矩圖(1)垂直面彎矩MY圖：C點(diǎn)MCY=RAY×L1=93.08×43=4.01×103N·mm(2)水平面彎矩MZ圖：C點(diǎn)左邊MCZ=RAZ×L1=31.76×43=1.37×103N·mmC點(diǎn)右邊MCZ’=RBZ×L2=39.46×39=1.54×104N·mm(3)合成彎矩M圖：C點(diǎn)左邊MC=（MCY2+MCZ2）1/2=4.24×103N·mmC點(diǎn)右邊MC’=（MCY2+MCZ2）1/2=1.59×104N·mm2.2.4.3作轉(zhuǎn)矩T圖T=Ft×d/2=195.68×20/2＝1.96×103N·mm2.2.4.4作計(jì)算彎矩Mca圖該軸單向工作，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力考慮，取a=0.6C點(diǎn)左邊McaC=（MC2+（α×TC）2）1/2=（（4.24×103）2+（0.6×1.96×103）2）1/2=4.40×103N·mmC點(diǎn)右邊McaC’=（MC2+（α×TC’）2）1/2=MC=1.59×104N·mmD點(diǎn)McaD=（MD2+（α×TD）2）1/2=α×T=0.6×1.96×103=1.18×103N·mm2.2.4.5校核軸的強(qiáng)度（以下所用的表和圖均源自《機(jī)械設(shè)計(jì)》教材）由圖可知，C點(diǎn)彎矩值最大，D點(diǎn)軸徑最小，所以該軸的危險(xiǎn)斷面是C點(diǎn)和D點(diǎn)所在剖面，由45鋼調(diào)質(zhì)解決查表8-1得σB=650N/mm2，再由表8-3查得[σb]=60N/mm2則C點(diǎn)軸徑dc≥（McaC/(0.1×[σb])）1/3=13.84mm考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dc=13.84×（1+0.05）=14.53mm該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑20mm，安全。D點(diǎn)軸徑dD≥（McaD/(0.1×[σb])）1/3=5.82mm考慮鍵槽影響，軸徑加大5%dD=5.82×（1+0.05）=6.12mm該值小于原設(shè)計(jì)該點(diǎn)處軸徑14mm，安全。2.2.4.6精確校核軸的疲勞強(qiáng)度由圖可知，Ⅱ~Ⅸ剖面均為有應(yīng)力集中的剖面，均有也許是危險(xiǎn)剖面。其中Ⅱ~Ⅸ剖面計(jì)算彎矩相同。Ⅱ剖面與Ⅲ剖面相比較，只是應(yīng)力集中影響不同，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者計(jì)算即可。同理，Ⅵ、Ⅶ剖面承載情況也相近，可取應(yīng)力集中系數(shù)值較大者計(jì)算。（1）校核Ⅱ、Ⅲ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅱ剖面因配合引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：kσ=1.97,kτ=1.51Ⅱ剖面因過(guò)度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：（D-d）/r=（16-14）/1=2，r/d=1/14=0.071，kσ=1.94，kτ=1.625因ⅠⅡ剖面重要受轉(zhuǎn)矩作用，故校核Ⅱ剖面。Ⅱ剖面產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力、應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為τmax=T/WT=T/(0.2×d3)=3.572N/mm2τa=τm=τmax/2=1.786N/mm245鋼機(jī)械性能查表8-1得：σ-1=268N/mm2，τ-1=155N/mm2；絕對(duì)尺寸影響系數(shù)由副表1-4查得：εσ=0.91，ετ=0.89；表面質(zhì)量系數(shù)由副表1-5查得：βσ=0.937，βτ=0.937；查表1-5得ψσ=0.34，ψτ=0.21。Ⅰ剖面的安全系數(shù)為S=Sτ=τ-1/（Kτ×τa/（βτ×ετ）+ψτ×τm）=40.2取[S]=1.5~1.8，S＞[S]，所以Ⅱ剖面安全。（2）校核Ⅵ、Ⅶ剖面的疲勞強(qiáng)度Ⅵ剖面因配合引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：kσ=1.97,kτ=1.51Ⅵ剖面因過(guò)度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：（D-d）/r=（25-20）/2=2.5，r/d=1/20=0.05，kσ=2.1075，kτ=1.925剖面因鍵槽引起的應(yīng)力集中系數(shù)由副表1-1查得：kσ=1.825，kτ=1.625故應(yīng)按過(guò)度圓角引起的應(yīng)力集中系數(shù)校核Ⅵ剖面。Ⅵ剖面承受的彎矩和轉(zhuǎn)矩分別為MⅥ=MC（L1-B/2）/L1=1.59×104×（43-32/2）/43＝1.00×104N·mmTⅥ=T=1.96×104N·mmⅥ剖面產(chǎn)生的正應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為σmax=MⅥ/W=1.00×104/（0.1×203）＝12.5N/mm2σa=σmax=12.5N/mm2，σm=0Ⅵ剖面產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力及其應(yīng)力幅、平均應(yīng)力為τmax=TⅥ/WT=1.96×104/（0.1×203）＝24.5N/mm2τa=τm=τmax/2=12.25N/mm2絕對(duì)尺寸影響系數(shù)由副表1-4查得：εσ=0.91，ετ=0.89，表面質(zhì)量系數(shù)同上βσ=0.937，βτ=0.937。Ⅵ剖面的安全系數(shù)為Sσ=σ-1/（Kσ×σa/（βσ×εσ）+ψσ×σm）=8.67.Sτ=τ-1/（Kτ×τa/（βτ×ετ）+ψτ×τm）=5.02S=SσSτ/（Sσ2+Sτ2）1/2=4.34S＞[S]=1.5~1.8，所以Ⅵ剖面安全。2.2.5滾動(dòng)軸承的選擇和壽命驗(yàn)算2.2.5.1滾動(dòng)軸承的選擇積極軸兩端軸承為向心推力球軸承36303號(hào)查表得：額定工作壽命2.2.5.2壽命驗(yàn)算(1)受力分析：圓周力軸向力徑向力圖3-4軸承支撐受力分析圖圖3-5軸承受力分析圖(2)設(shè)軸承所受支反力合力為Y方向支反力R1Y=Ft×L2/(L1+L2)=195.685×39/(43+39)=93.08NR2Y=Ft－R1Y=195.68-93.08=102.6NZ方向支反力 R1Z=(Fr×L2-Fa×d/2)/(L1+L2)=(71.22×39-8.65×20)/(43+39)=31.76NR2Z=Fr－R1Z=71.22-31.76=39.46N計(jì)算派生軸向力查表得7000C型軸承得派生軸向力為：，則可求得軸承I、II的派生軸向力分別為：計(jì)算軸承所受的軸向負(fù)荷由于并由圖分析知，軸承II被壓緊，軸承I被放松。由此得NN計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷軸承I：查表由線性插值法可得：查表得：在稍有波動(dòng)的情況下 由此可求得：軸承II:查表由線性插值法可得：在稍有波動(dòng)的情況下 由此可求得：軸承壽命計(jì)算：由于，故按軸承II計(jì)算軸承的壽命：所選軸承合格。2.2.6鍵聯(lián)接的選擇和驗(yàn)算帶輪軸上的鍵選擇:已知：軸徑D=20mm，查GB1095-79，GB1096-79可選，鍵寬b=6mm，鍵高h(yuǎn)=6mm，鍵槽深t=3.5mm。傳動(dòng)扭矩為T=1960Nmm。根據(jù)輪轂長(zhǎng)度選鍵長(zhǎng)L=25mm，校核擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。假設(shè)工作條件有輕微沖擊，可查得許用擠壓應(yīng)力許用剪應(yīng)力，據(jù)校核公式：及，又知鍵的有效工作長(zhǎng)度，鍵與輪轂的接觸高度。所以該鍵的強(qiáng)度足夠。2.2.7聯(lián)軸器的選擇在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步帶傳動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸并通過(guò)同步帶實(shí)現(xiàn)各個(gè)坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。而連接電機(jī)輸出軸和同步帶軸的器件便是聯(lián)軸器。為保證傳動(dòng)精度，消除回轉(zhuǎn)誤差，應(yīng)采用措施消除扭轉(zhuǎn)方向上聯(lián)軸器的連接間隙。由結(jié)構(gòu)選擇本機(jī)床的聯(lián)軸器均為伺服撓性聯(lián)軸器。伺服撓性聯(lián)軸器，無(wú)背間隙，遲滯小，最適合于高精度定位使用，元件要素是由螺栓聯(lián)結(jié)，對(duì)于正反運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)揮其優(yōu)秀的耐久性。此聯(lián)軸器采用夾緊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝極為簡(jiǎn)樸，聯(lián)結(jié)的確。根據(jù)同步帶軸的尺寸選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為SFC-030SA。2.2.8潤(rùn)滑與密封的設(shè)計(jì)根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、周邊環(huán)境等項(xiàng)條件，以及考慮到軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)材料、操作狀況等因素，綜合選用。由于本書中設(shè)計(jì)的機(jī)床，各軸轉(zhuǎn)速普遍都很小，負(fù)荷也不太大，并且根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及加工材料怕油的特點(diǎn)，決定選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。對(duì)于垂直軸上的軸承，因其成倍的縮短換脂期，故規(guī)定選用粘附性好，稠度較大，具有良好的機(jī)械安定性的潤(rùn)滑脂。為防止?jié)櫥瑒┑男钩?，防止灰塵、切屑微粒等其它雜物和水分的侵入，軸承必須進(jìn)行必要的密封，以保持良好的潤(rùn)滑條件和工作環(huán)境，使軸承達(dá)成預(yù)期的工作壽命。由于設(shè)計(jì)的機(jī)床不規(guī)定經(jīng)常填充潤(rùn)滑脂，所以規(guī)定密封要良好，故所有需要密封的部分均采用皮碗密封，并且在位于軸承座孔的箱體內(nèi)壁處設(shè)擋油盤，既可起到軸向固定的作用，又可以防止灰塵進(jìn)入和潤(rùn)滑脂泄漏。2.3Z方向傳動(dòng)裝置（刀架）設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1Z方向傳動(dòng)裝置（刀架）總體設(shè)計(jì)我們?cè)谠O(shè)計(jì)Z方向傳動(dòng)裝置時(shí)，重要基于以下兩點(diǎn)考慮：一是必須達(dá)成設(shè)計(jì)規(guī)定，設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置能達(dá)成預(yù)期的功能和作用；二是在滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的前提下，盡最大也許使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)樸，尺寸緊湊，加工方便，成本低廉和使用維護(hù)方便等。本產(chǎn)品的X和Y方向的傳動(dòng)裝置都采用齒形帶傳動(dòng)，但是Z方向與X和Y方向相比較而言，規(guī)定能達(dá)成更高的精度，精度規(guī)定控制在0.1~0.2mm之間，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，選用運(yùn)動(dòng)精度很高的滾珠絲桿螺母副和精密定位導(dǎo)軌作為重要的傳動(dòng)元件。由于本產(chǎn)品為單臺(tái)生產(chǎn)，故在Z方向機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，整體采用焊接結(jié)構(gòu)，從而減少成本，生產(chǎn)方便。2.3.2選擇電動(dòng)機(jī)2.3.2.1電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度：設(shè)計(jì)刀架快進(jìn)速度為100mm/秒。則電機(jī)轉(zhuǎn)速nM應(yīng)為：nM≥v快/Lsp(r/min)式中，v快—工作臺(tái)快進(jìn)速度（mm/min）Lsp—絲桿導(dǎo)程（mm）即，nM≥=1200（轉(zhuǎn)/分）2.3.2.2電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是用來(lái)克服導(dǎo)軌摩擦，刀架重力作用，傳動(dòng)摩擦，機(jī)械切削力作用，預(yù)緊力作用，支撐軸承的摩擦力矩。Mst=+MMc+Mz式中，Mst—靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；—作用于滑塊上的摩擦力矩的總和；MMc—切削力矩；Mz—重力矩，預(yù)緊力作用和支撐軸承的摩擦力矩之和；圖3-6是Z方向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)樸示意圖，圖3-7為以螺母為研究對(duì)象的受力分析。X方向：N3sinθ+F1=F2，Y方向：N3cosθ=G,G0.06=M1+M2,M1=M2Z方向：N1=-N2重力G=150N,由于導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦系數(shù)很小，可忽略作用于滑塊上的f1和f2，同時(shí)切削力產(chǎn)生的力矩也忽略不計(jì)，預(yù)緊力Fao取最大軸向工作載荷Fmax的1/3，即Fao=1/3150=50N。軸承由于預(yù)緊而產(chǎn)生的摩擦力矩MB，可查表得到，MB=152=300（N·CM）。由以上分析得：Mst=MR+MMC+MZ=0+0+（K++MB）K—滾珠絲桿預(yù)緊系數(shù)，取0.2；η1—滾珠絲桿的傳動(dòng)效率，取0.9；代入數(shù)據(jù)得：Mst=（0.2×＋＋）=0.441（N·M）2.3.2.3擬定電機(jī)額定功率由①、②知：NM=0.441(N·M)Mst=1200(r/min)則電機(jī)的額定功率POM=Mst×=0.441×=61.5（w）η2—電機(jī)傳動(dòng)效率，取0.9根據(jù)①、②、③，選百格拉交流伺服電機(jī)DSM4—07.1—1，其重要參數(shù)如表3-1所示：表3-1百格拉DSM4—07.1—1型交流伺服電機(jī)參數(shù)型號(hào)UDCVMdoNmIdoAeffMdnNmIdnAeffnNmin-1PNkwKEVeffMmaxNmImaxAeffJRKgcm2mkgDSM-07.1-13250.651.90.62.040000.2520.83.111.380.221.52.3.3設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)—滾珠絲桿螺母副在選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，重要根據(jù)行程來(lái)擬定，此外還要根據(jù)精度規(guī)定來(lái)選擇。刀架在Z方向的行程為250mm左右，并且Z方向的精度規(guī)定比較高，在0.1-0.2mm之間，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，選用滾珠絲桿螺母?jìng)?。用于?jì)算的下列數(shù)據(jù)是已知的：刀架mT=15kg最大加工受力FW=10N快進(jìn)速度V快=0.1m/s工作進(jìn)給速度VV=0.08m/s最大加速度amax=1m/s2工作臺(tái)導(dǎo)軌摩擦力FR≈0

工作行程SW=0.2m軸承軸向剛度 KL=760N/um絲桿螺母剛度KM=882N/um螺母支座剛度KTM=N/um絲桿傳動(dòng)效率ηsp=0.9絲桿長(zhǎng)度Lsp=348mm螺母摩擦力矩軸承平均間距L=382mm導(dǎo)程hsp=10mm擬定最大轉(zhuǎn)速的常數(shù)A=60000軸承支承方式雙推—雙推機(jī)床在工作時(shí)，按照加速—工進(jìn)—減速—反向加速—工進(jìn)—減速—加速這樣一個(gè)過(guò)程循環(huán)。圖3-8給出了電機(jī)轉(zhuǎn)矩在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的范圍。2.3.3.1絲桿螺母靜態(tài)設(shè)計(jì)（1）擬定動(dòng)載荷Ca由圖3-4可見，工作循環(huán)周期T有加速時(shí)間ta和加工時(shí)間tw組成，計(jì)算如下：ta=Vv/amax=0.08/1=0.08(s)tw=SW/Vv=0.2/0.08=2.5(s)T=2tw+4ta=5.32(s)在減速期間的平均轉(zhuǎn)速na為na=Vv/hsp=(60×0.08)／(2×0.005)=480（r/min）工作進(jìn)給時(shí)轉(zhuǎn)速nw為nw=Vv/hsp=(60×0.08)/0.005=960（r/min）當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm為nm==(480×4×0.08)+（960×22.5）/5.32=1056（r/s）載荷系數(shù)fw查表可取fw=1.1當(dāng)量載荷Fm計(jì)算如下：Fm=FR+，其中Fa=mTamax=15×1=15（N）代入數(shù)據(jù)得：Fm=0+=29.1（N）取滾珠絲桿壽命Lh為20230h,則可算出滾珠絲桿的動(dòng)載荷Ca=(60nmLh)1/3Fmfw×10-2=（60×1056×20230）1/3×21.9×1.1×10-2=260.7(N)（2）擬定靜載荷最大軸向力可近似為Fmax=mTg+Fw=15×9.8－10=137(N)取靜態(tài)安全系數(shù)fd=1.2,則靜載荷CoaCoa=fdFmax=1.2×137=165（N）（3）根據(jù)軸向壓力選取絲桿直徑在機(jī)床工作臺(tái)加速與切削加工過(guò)程中，在進(jìn)給軸向方向會(huì)產(chǎn)生力，必須保證此力與刀架自身的重力之和小于允許的壓彎臨界載荷Fa,否則也許導(dǎo)致進(jìn)給絲桿彎曲。壓彎臨界載荷可用下式計(jì)算，F(xiàn)a=m×104將上式變換得：dsp=式中dsp—絲桿底徑（mm）；L—絲桿支承間距(mm);m—與絲桿支承方法有關(guān)的臨界載荷參數(shù)；Fa=－Fw+mTg=－10+15×9.8=137(N);L=348(mm);查表得m=20.3;代入數(shù)據(jù)得：dsp==3.2(mm)故取dsp≥3.2（mm）（4）轉(zhuǎn)速限制最大轉(zhuǎn)速限制：絲桿最大轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算dspnmax≤A,式中dsp為絲桿名義直徑變化上式得nmax≤由nmax===1200(r/min)A=60000，得 dsp≤=50（mm）臨界轉(zhuǎn)速限制：臨界轉(zhuǎn)速ncnc=f×107式中，f—與支承方法有關(guān)的臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，可查表取21.9;L=348;nmax=1200＜nc變換上式，得dsp≥==0.88(mm)（5）選擇絲桿直徑:由上面計(jì)算結(jié)果得Ca≥260.7(N)Coa≥212(N)dsp≥3.2(mm)dsp≥0.88(mm)dsp≤50(mm)根據(jù)以上數(shù)據(jù),我們從臺(tái)灣研華公司產(chǎn)品樣本中選擇絲桿直徑,參數(shù)如表3-2所示。表3-2研華滾珠絲桿重要參數(shù)型號(hào)外徑(mm)導(dǎo)程(mm)動(dòng)負(fù)荷Ca(kgf)靜負(fù)荷Coa(kgf)25x5FDW25546743702.3.3.2絲桿螺母動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)（1）擬定絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)的總剛度扭轉(zhuǎn)剛度:進(jìn)給絲桿的扭轉(zhuǎn)剛度是KTSP=(N·m)式中,G—剪切模量(鋼為8×1010Pa);dsp—絲桿底徑(mm);L—絲桿總自由長(zhǎng)度;將絲桿的扭轉(zhuǎn)剛度轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€剛度KTSKTS=KTSP=×7.84×10-3(N·m)=×7.84×10-3=2968(N/um)式中量綱:Ks(N/um),dsp(mm),L(m)。拉壓剛度:拉壓剛度KsKs≈1.65×10-1=0.165×=137(N/um)總剛度：對(duì)于“雙推—雙推”式支承的絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)裝置，其剛度等效如圖3-9所示。設(shè)螺母位于絲桿中間，于是Ksp1=Ksp2=2Ks系統(tǒng)的總剛度為Kgen,則=++++=++++=192(N/um)（2）擬定機(jī)械諧振頻率機(jī)械傳動(dòng)部分的諧振頻率ωω===3578（N/um）（3）擬定具有滿意動(dòng)態(tài)性能的絲桿直徑電氣驅(qū)動(dòng)部件的諧振頻率取下列值，則其動(dòng)態(tài)性能較好，即取ωOA=350(rad/s)采用常規(guī)的比例位置調(diào)節(jié)，為使機(jī)械傳動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)性能不影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)當(dāng)使ω＞（2～3）ωOA根據(jù)我們所選絲桿底徑dsp=17時(shí)，==10.2可見，所選絲桿底徑符合規(guī)定。2.3.4滾珠絲桿專用軸承的選用與校核2.3.4.1軸承的選擇滾珠絲桿軸承通常為專用軸承，我們選的是日本NSK公司生產(chǎn)的絲桿支承專用角接觸軸承，型號(hào)為17TAC47A,組合形式為兩列正面（DF）。查表知：額定動(dòng)、靜載荷Ca=17.93KN,C=20.83KN額定工作壽命Lh=106h2.3.4.2壽命驗(yàn)算：（1）受力分析軸向力Fa=mTg=15×9.8=147（N）徑向力Fr≈0（2）壽命計(jì)算Lh=(h)Pa=XFr+Yfa式中，Lh—額定壽命（h）;Ca—額定動(dòng)載荷（N）；Pa—?jiǎng)討B(tài)等效載荷（N）；Fr—徑向載荷（N）；Fa—軸向載荷（N）；X—徑向載荷系數(shù)，查表取1.9；Y—軸向載荷系數(shù)，查表取0.54；設(shè)實(shí)際能達(dá)成的壽命為L(zhǎng)h1Lh1===1.814×106＞1×106所以，選擇的軸承符合規(guī)定。2.3.5滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇2.3.5.1選擇導(dǎo)軌型號(hào)本項(xiàng)目考慮滿足機(jī)床傳動(dòng)的精度規(guī)定，故初步?jīng)Q定選用精度很高的HIWIN線性滑動(dòng)導(dǎo)軌，此種線性滑軌為一種滾動(dòng)導(dǎo)引，藉由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著滑軌容易地以高精度作線性運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)引相比較，滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)可減少至本來(lái)的1/50，由于起動(dòng)的摩擦力大大減少，相對(duì)的較少無(wú)效運(yùn)動(dòng)發(fā)生，故能容易達(dá)成μm級(jí)進(jìn)給及定位。再加上滑塊與滑軌間的束制單元設(shè)計(jì)，使得線性滑軌可同時(shí)承受上下左右等各方向的負(fù)荷，上述所列特點(diǎn)并非傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)引所能比擬，因此采用此導(dǎo)軌能大幅提高設(shè)計(jì)機(jī)器的精度和機(jī)械效能。根據(jù)Z方向的傳動(dòng)規(guī)定及設(shè)計(jì)尺寸，初步選用LGW20CA型號(hào)，查表得：基本動(dòng)額定負(fù)荷C=1650kgf＝16170N；基本靜額定負(fù)荷=26166N；允許靜力矩2.3.5.2線性滑軌壽命計(jì)算（1）基本靜額定負(fù)荷計(jì)算導(dǎo)軌的受力N1和N2,N1=N2=式中，MT—刀架質(zhì)量；L1—刀架中心到絲桿中心的距離；L2—為滑軌中心到絲桿中心的距離；代入數(shù)據(jù)得N1=N2===135.7（N）靜安全系數(shù)為：故靜強(qiáng)度安全（2）基本動(dòng)額定負(fù)荷計(jì)算考慮線性滑軌使用的環(huán)境因素，其壽命會(huì)隨運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)、珠道表面硬度及系統(tǒng)溫度而有所變化，所以滑軌壽命為：其中：L為壽命，C為基本動(dòng)額定負(fù)荷，為最大工作負(fù)荷，為硬度系數(shù)，為溫度系數(shù)，為負(fù)荷系數(shù)HIWIN的線性滑軌硬度都為HRC58以上，故查表得，為預(yù)壓力，初選預(yù)壓形式為Z1，所以壽命時(shí)間的計(jì)算依使用速度及頻率將壽命距離換算成壽命時(shí)間：其中：為壽命時(shí)間，為壽命，S為運(yùn)營(yíng)速率，取S=6m/min故其壽命年限為2023。2.3.6聯(lián)軸器的選擇在數(shù)控機(jī)床Z方向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾珠絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)由電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿Z坐標(biāo)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。而連接電機(jī)輸出軸和滾珠絲桿軸端的器件便是聯(lián)軸器。為保證傳動(dòng)精度，消除回轉(zhuǎn)誤差，應(yīng)采用措施消除扭轉(zhuǎn)方向上聯(lián)軸器的連接間隙。由結(jié)構(gòu)選擇本機(jī)床的聯(lián)軸器均為伺服撓性聯(lián)軸器。伺服撓性聯(lián)軸器，無(wú)背間隙，遲滯小，最適合于高精度定位使用，元件要素是由螺栓聯(lián)結(jié)，對(duì)于正反運(yùn)轉(zhuǎn)可以發(fā)揮其優(yōu)秀的耐久性。此聯(lián)軸器采用夾緊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝極為簡(jiǎn)樸，聯(lián)結(jié)的確。根據(jù)同步帶軸的尺寸選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為SFC-030SA。2.3.7潤(rùn)滑與密封的設(shè)計(jì)根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、工作溫度、周邊環(huán)境等項(xiàng)條件，以及考慮到軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)材料、操作狀況等因素，綜合選用。由于本書中設(shè)計(jì)的滾珠絲桿，其轉(zhuǎn)速較小，負(fù)荷也不大，所以決定選用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。對(duì)于垂直安裝的滾珠絲桿專用軸承，規(guī)定選用粘附性好，稠度較大，具有良好的機(jī)械安定性的潤(rùn)滑脂。為防止?jié)櫥瑒┑男钩?，防止灰塵、切屑微粒等其它雜物和水分的侵入，滾珠絲桿軸承必須進(jìn)行必要的密封，以保持良好的潤(rùn)滑條件和工作環(huán)境，使軸承達(dá)成預(yù)期的工作壽命。由于設(shè)計(jì)的機(jī)床不規(guī)定經(jīng)常填充潤(rùn)滑脂，所以規(guī)定密封要良好，故所有需要密封的部分均采用皮碗密封，并且在位于軸承座孔的箱體內(nèi)壁處設(shè)擋油盤，既可起到軸向固定的作用，又可以防止灰塵進(jìn)入和潤(rùn)滑脂泄漏。2.4回轉(zhuǎn)臺(tái)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算2.4.1回轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)及相應(yīng)減速機(jī)的選擇方案2.4.1.1一般執(zhí)行電機(jī)的選擇原則(1)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常從選擇執(zhí)行電機(jī)開始的，作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件．應(yīng)能方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)地、平滑地、可逆調(diào)速，對(duì)控制信號(hào)反映快捷，才干保證整個(gè)系統(tǒng)帶動(dòng)被控對(duì)象按所需要的規(guī)律及控制精度運(yùn)動(dòng)。(2)考慮電機(jī)的種類及控制方式?？捎米魉欧到y(tǒng)執(zhí)行元件的電機(jī)種類很多，從大的類別看：有直流伺服電動(dòng)機(jī)(他激的或水磁的)、直流無(wú)刷電機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)、滑差電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、交流伺服電機(jī)、各種步進(jìn)電機(jī)……等等。由于它們調(diào)速方法不同、所需電源種類不同、驅(qū)動(dòng)它們運(yùn)轉(zhuǎn)的功率放大裝置更是多種多樣，因而它們的機(jī)械特性、調(diào)速特性、過(guò)載能力、驅(qū)動(dòng)功率的大小、以及構(gòu)成系統(tǒng)的總成本，都各不相同，需要認(rèn)真地具體分析比較來(lái)擬定。(3)直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)和直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均采用位置閉環(huán)控制，一船用于規(guī)定高精度、高速度的數(shù)控系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)重要用于開環(huán)系統(tǒng)，一般用于精度、速度規(guī)定不高，成本規(guī)定低的數(shù)控系統(tǒng)。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)用于一般的直流伺服系統(tǒng)。無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)用于需要速動(dòng)作、功率較大的伺服系統(tǒng)?？招谋姌兄绷魉欧妱?dòng)機(jī)用于需要快速動(dòng)作的伺服系統(tǒng)。印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)用于低速運(yùn)營(yíng)和起動(dòng)、反轉(zhuǎn)頻繁的系統(tǒng)。同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)及其它機(jī)電一體化產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)控制．涉及點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。常見的功率范圍是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個(gè)別的達(dá)成數(shù)十千瓦。而異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)重要用于需要以恒功率擴(kuò)展調(diào)速范圍的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，如在數(shù)控機(jī)床中用作主軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)．常見的功率范圍是數(shù)干瓦以上。(4)通過(guò)定量的核算擬定電機(jī)的具體型號(hào)與規(guī)格。選擇執(zhí)行電機(jī)不能只停留在擬定電機(jī)的類別及其控制方式上，還必須擬定具體型號(hào)與規(guī)格，需要作定量的核算。為此，要根據(jù)被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)形式(旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng))，運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，運(yùn)動(dòng)負(fù)載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運(yùn)營(yíng)工作體制(是長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)營(yíng)或短時(shí)運(yùn)營(yíng)或間歇式運(yùn)營(yíng))，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)規(guī)定，作定量的分析。(5)考慮被控對(duì)象工作的特點(diǎn)和環(huán)境條件。執(zhí)行電機(jī)是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分．同時(shí)又靠它驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，因此它是伺服系統(tǒng)與被控對(duì)象相聯(lián)系的一個(gè)關(guān)鍵部件。執(zhí)行電機(jī)必須適應(yīng)被控對(duì)象工作的特點(diǎn)與環(huán)境條件，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸、安裝固定方式，必須與被控對(duì)象緊密配合，以求得總體的合理配置，便于安裝調(diào)整，便于使用維護(hù)。這些都關(guān)系到執(zhí)行電機(jī)的選擇。在伺服系統(tǒng)應(yīng)用的許多場(chǎng)合，要想改換別種類型的執(zhí)行電機(jī)，常會(huì)碰到機(jī)械結(jié)構(gòu)、體積重量、使用環(huán)境條件、電源配備等條件的限制(6)其它考慮因素。當(dāng)兩種電氣伺服系統(tǒng)都能滿足實(shí)際應(yīng)用的規(guī)定期．則產(chǎn)品的價(jià)格是關(guān)鍵因素。其它一些條件．如貨源方便限度、維修與服務(wù)、技術(shù)成熟度、未來(lái)發(fā)展等都也許成為選擇何種電氣伺服系統(tǒng)的考慮因素。2.4.1.2電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)計(jì)計(jì)算（1）交流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)計(jì)計(jì)算①慣量匹配計(jì)算為了使伺服進(jìn)給系統(tǒng)的進(jìn)給執(zhí)行部件具有快速的響應(yīng)能力，必須選用加速能力大的電動(dòng)機(jī)，亦即可以快速響應(yīng)的電機(jī)（如采用大慣量伺服電機(jī)），但又不能盲目追求大慣量，否則由于不能充足發(fā)揮其加速能力，會(huì)不經(jīng)濟(jì)的。因此必須使電動(dòng)機(jī)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量有個(gè)合理的匹配。通常在電動(dòng)機(jī)慣量與負(fù)載慣量(折算至電動(dòng)機(jī)軸)或總慣量之間，推薦下列匹配關(guān)系：(3-1）或(3-2)或(3-3)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)鈾上(3-4)其中T―――負(fù)載轉(zhuǎn)矩―――折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量i――――減速比――――減速機(jī)效率――――電動(dòng)機(jī)慣量――――總慣量J（r）②電動(dòng)機(jī)力矩的計(jì)算根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的工作狀態(tài)的不同，進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載力矩不得大于伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩或最大轉(zhuǎn)矩。即進(jìn)給系統(tǒng)所允許的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與伺服電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)(伺服電動(dòng)機(jī)的特性)有關(guān)。當(dāng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)給定后，應(yīng)根據(jù)結(jié)定條件和伺服電動(dòng)機(jī)的特性，計(jì)算進(jìn)給系統(tǒng)的負(fù)載力矩，以便合理選擇伺服電動(dòng)機(jī)。下面分定位加速時(shí)所需力矩、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩等幾部分介紹其計(jì)算方法a．定位加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算定位加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩M(NM)，按下式計(jì)算：(3-5)式中： ―――快速移動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速（R/MIN）;――――加速、減速時(shí)間，（s），取150－200ms；――――電機(jī)慣量（kgm2）；――――負(fù)載慣量（kgm2）（折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量）；――――負(fù)載轉(zhuǎn)矩（nm）。若是M小于伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Mmax，則電機(jī)能以所取的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行加速和減速。b．快速進(jìn)給時(shí)的力矩?？焖龠M(jìn)給時(shí)的力矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)鈾上(3-6)③需要特別注意的是伺服電動(dòng)機(jī)的各種性能參數(shù)均與其配套的驅(qū)動(dòng)電源有很大的關(guān)系，不同控制方式的驅(qū)動(dòng)功率放大電路及其電壓、電流等參數(shù)不同，都會(huì)使伺服電動(dòng)機(jī)的輸出特性發(fā)生很大的變化。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一定要與其配套的驅(qū)動(dòng)電源一起考慮來(lái)選擇。（2）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇設(shè)計(jì)計(jì)算。①根據(jù)機(jī)床的加工精度規(guī)定，選擇進(jìn)給脈沖當(dāng)量。②根據(jù)所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角以及所規(guī)定的脈沖當(dāng)量來(lái)計(jì)算減速齒輪的減速比。采用減速裝置可較容易配置出所規(guī)定的脈沖當(dāng)量、減小負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量核和轉(zhuǎn)矩。但采用減速齒輪會(huì)帶來(lái)額外的傳動(dòng)誤差，使負(fù)載刀軸等裝置的快速移動(dòng)速度減少．并且其自身又引入附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。所以是否加減速機(jī)要綜合考慮。③最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（）的選擇在選擇前．一方面需進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上）的計(jì)算，然后依下式去選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。(3-7)―――折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；――――步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩；對(duì)于上式中系數(shù)的選擇．當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)較多，突跳頻率規(guī)定不高時(shí)取較大的系數(shù)值；反之取較小的系數(shù)值。④對(duì)于慣量匹配、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、定位轉(zhuǎn)矩的計(jì)算與交流伺服電動(dòng)機(jī)的相同。⑤運(yùn)營(yíng)的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電動(dòng)機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時(shí)．由矩頻特性決定的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的裕量。由式(3-5)可知，在升速過(guò)程中、電動(dòng)機(jī)不僅要驅(qū)動(dòng)負(fù)載力矩，并且要能輸出足夠的加速力矩.升速時(shí)間與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加速力矩和自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及負(fù)載慣量有關(guān)。需要特別注意的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各種性能參數(shù)均與其配套的驅(qū)動(dòng)電源有很大的關(guān)系，不同控制方式的驅(qū)動(dòng)功率放大電路及其電壓、電流等參數(shù)不同，都會(huì)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出特性發(fā)生很大的變化。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一定要與其配套的驅(qū)動(dòng)電源一起考慮來(lái)選擇。2.4.2電機(jī)及減速機(jī)的選擇初始條件：切削力F為50N，最大切削半徑是0.5m，規(guī)定有較快速的響應(yīng)能力，加速時(shí)間是2s，主軸采用半閉環(huán)控制。傳動(dòng)圖如下圖3-10所示。2.4.2.1驅(qū)動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩。（1）負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算負(fù)載扭矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削力所引起的，切削力引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可用下式表達(dá)：式中T――――電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩；F――――使機(jī)械部件沿直線方向移動(dòng)所需力；L――――電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，機(jī)械移動(dòng)的距離。就圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)：T=FR(3-8)R――――最大切削半徑；O型圈的摩擦力以及軸承引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩難以計(jì)算，我們只能在計(jì)算總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，選電機(jī)的時(shí)候，把電機(jī)的額定扭矩選擇的適當(dāng)大一些。所以：總的負(fù)載扭矩：T(總)＝T（切）＋T（摩）；這里我們假設(shè)摩擦力引起的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)5NM,由式（3-8）得。T(總)＝50×0.5＋5＝30NM所以選擇的伺服電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（不加減速機(jī)）應(yīng)大于等于30NM。（2）定位加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算由計(jì)算知，主軸負(fù)載動(dòng)慣量為16kgm2；按規(guī)定主軸的轉(zhuǎn)速為30轉(zhuǎn)/min；加速時(shí)間為1s；所以在聯(lián)軸器上的最大轉(zhuǎn)矩由式（3-5）為；2×3.1415×30÷(60×1)×16＋30＝80.3NM；所以選擇聯(lián)軸器的最大需用扭矩應(yīng)大于80.3NM;2.4.4.2電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)的選擇考慮精度的需要，本系統(tǒng)擬采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。并且考慮貨源的方便、技術(shù)的成熟度等方面的因素，擬用由沈陽(yáng)萊茵公司代理的德國(guó)百格拉交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩比較大并且定位加速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩很大，并且交流伺服電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩和最大輸出轉(zhuǎn)矩相比與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大定位加速轉(zhuǎn)矩來(lái)說(shuō)較小，所以要增長(zhǎng)減速機(jī)；從轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，必須減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方面，也要增長(zhǎng)減速機(jī)。(1)減速機(jī)的選擇由于本系統(tǒng)對(duì)精度有較高的規(guī)定，且系統(tǒng)擬采用半閉環(huán)控制，所以對(duì)減速機(jī)的規(guī)定較高，不能采用一般普通的減速機(jī)。必須采用伺服電機(jī)專用的減速機(jī)?？紤]貨源的方便、技術(shù)的成熟度等方面的因素，擬采用由沈陽(yáng)萊茵公司代理的德國(guó)NEUGART公司生產(chǎn)的高精密伺服電機(jī)專用行星加速機(jī)。該公司的減速機(jī)由PLE、PLS、WPLE、WPLS四種，其中WPLS、WPLE屬于直角型減速機(jī)。考慮設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和減速機(jī)安裝的空間及安裝方式等方面，擬采用WPLS型（有輸出端法蘭，安裝更方便、牢固）。有上面的計(jì)算可知，減速機(jī)輸出端的額定轉(zhuǎn)矩也必須大于30NM，最大輸出轉(zhuǎn)矩必須大于130NM。由比較選擇WPLS115型。(2)伺服電機(jī)的選擇從減速機(jī)的選項(xiàng)須知與安裝指南中我們知道。電機(jī)與減速機(jī)必須適配，才干連接。且減速機(jī)允許輸入法蘭不能大于或小于臨級(jí)減速機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，就WPLS115來(lái)說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)法蘭為115mm，其臨級(jí)的減速機(jī)時(shí)WPLS90和WPLS142,WPLS115最大允許法蘭不應(yīng)小于90mm，也不能大于142mm。同時(shí)考慮電機(jī)的最高輸入轉(zhuǎn)速要小于減速機(jī)的最大輸入轉(zhuǎn)速。這里我們選擇DSM4-11.1-2XX.X3型。該型號(hào)伺服電機(jī)的技術(shù)參數(shù)：連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩：3.7Nm額定轉(zhuǎn)速：3000n/min電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：18.9Nm轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4.8kgcm2(3)減速機(jī)減速比的選擇設(shè)減速比為i，則在電機(jī)上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：減速比應(yīng)大于30÷3.7＝8.1,在電機(jī)軸上最大定位轉(zhuǎn)矩由式（3-5）為：2×3.1415×2500÷（60×2）×16÷（i×i）＋30÷i應(yīng)小于18.9Nm。計(jì)算得i應(yīng)大于16,12.3，這里選用25級(jí)減速比。所以選擇的減速機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：額定輸出轉(zhuǎn)矩：210Nm滿載效率：94％故障停止扭矩420Nm最大輸入轉(zhuǎn)速：4000n/min額定輸入轉(zhuǎn)速：2500n/min輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：5.33kgcm2(4)減速機(jī)及電機(jī)的核算由公式(3-6)得，電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：30/25/0.94=1.28Nm<3.7Nm（電機(jī)連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩）由公式(3-4)得，電機(jī)軸上的定位加速最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：16/25^2/0.94+5.33/100^2=0.02777Kgm20.067上式為折算到電機(jī)軸山的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＋減速機(jī)輸入端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由式(3-5)得電機(jī)軸上的最大定位轉(zhuǎn)矩：1×3.1415×2500÷（60×2）×（0.02777+4.8/100^2）+30/25/0.94=2.7Nm<18.9Nm（電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩）由式（3-1）慣量匹配條件知：0.02777/4.8/100^2=58,不滿足慣量匹配條件圖3-11電機(jī)的矩頻特性曲線在圖3-11中：1電機(jī)最大扭矩2電機(jī)額定扭矩1.1電機(jī)最大扭矩(配TLXX32型驅(qū)動(dòng)器)1.3電機(jī)最大扭矩(配TLXX34型驅(qū)動(dòng)器)1.5電機(jī)最大扭矩(配TLXX36型驅(qū)動(dòng)器)1.7電機(jī)最大扭矩(配TLXX38型驅(qū)動(dòng)器)從電機(jī)的矩頻特性曲線（圖3-11）知，所選電機(jī)加配TLD134驅(qū)動(dòng)器完全滿足規(guī)定。綜合以上計(jì)算校核可知，所選電機(jī)是可行的。從減速機(jī)的選擇中也可知減速機(jī)是可行的。在聯(lián)軸器上的最大轉(zhuǎn)矩80.3Nm小于所選聯(lián)軸器的許用扭矩100Nm，所以聯(lián)軸器是可用的。2.5刀架切削主軸及擺動(dòng)軸電機(jī)的選擇刀架部分結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。2.5.1．主軸電機(jī)及減速機(jī)選擇2.5.1.1初始條件切削刀的切削力F為50Nm。切削轉(zhuǎn)速n為600n/min左右。切削刀的直徑D為80mm。圖3-12刀軸擺軸結(jié)構(gòu)示意圖刀軸電機(jī)的選擇在滿足切削力矩和切削功率的情況下，應(yīng)盡量考慮電機(jī)的重量和體積。從而使擺軸承受的力矩盡量小，并且使得刀軸總體上美觀、大方。由上可知，刀軸承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=F×D/2=50×0.08/2＝2Nm。刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量重要由切削刀及刀軸引起。經(jīng)計(jì)算刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.74kgcm2。綜合以上各方面的考慮，本系統(tǒng)擬選用電機(jī)＋減速機(jī)組合的方式。電機(jī)選擇由北京四通電機(jī)技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的BL系列永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)57BL-C30-30H1，減速機(jī)采用由沈陽(yáng)萊茵公司代理的德國(guó)NEUGART行星減速機(jī)PLE60，減速比為4。該減速機(jī)與上述電機(jī)的組合達(dá)成了相對(duì)較高的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)體積小，重量輕，電機(jī)與減速機(jī)可以適配連接。所選擇的電機(jī)及減速機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下；電機(jī)57BL-C30-0H1;額定功率：300W額定電壓：220VAC額定轉(zhuǎn)矩：0.96Nm額定轉(zhuǎn)速；3000rpm最大轉(zhuǎn)矩：1.92Nm重量：1.5kg電機(jī)總長(zhǎng)（帶軸）：150mm外殼長(zhǎng)×寬：57×57mm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.471kgcm2減速機(jī)PLE60-4：額定輸出扭矩：16Nm故障停止扭矩：32Nm額定輸入轉(zhuǎn)速：4000RPM最高輸入轉(zhuǎn)速：8000rpm重量0.9kg減速機(jī)總長(zhǎng)（帶軸）：106mm滿載效率；0.96轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.093kgcm2外殼長(zhǎng)×寬：60×60mm2.5.1.2電機(jī)的核算折算刀到電機(jī)軸上的運(yùn)營(yíng)時(shí)轉(zhuǎn)矩由式（3-6）為2/4/0.96=0.52Nm，由切削刀的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)（切削刀正常運(yùn)營(yíng)后，才開始切削，即正常運(yùn)營(yíng)前無(wú)負(fù)載），只要0.52小于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩0.96，電機(jī)可滿足規(guī)定。設(shè)電機(jī)的加速時(shí)間是100ms，則根據(jù)式（3-5）知電機(jī)空載啟動(dòng)并加速刀額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的規(guī)定轉(zhuǎn)矩為：2×3.1415×3000÷（60×0.1）×（0.74/4^2/0.96/100^2+0.093/100^2+0.471/100^2）=0.2Nm；由式（3-1）慣量匹配條件知：(0.74/4^2/0.96+0.093)/(0.471)=0.3,滿足慣量匹配條件綜合以上計(jì)算，電機(jī)滿足規(guī)定2.5.2．?dāng)[動(dòng)軸電機(jī)選擇擺軸擬采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，擺軸轉(zhuǎn)速60n/min，擺軸啟動(dòng)加速時(shí)間200ms，由于按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)定是通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制擺軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)刀軸上切削刀實(shí)現(xiàn)角度切削，所以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量直接影響擺軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度，從而也直接影響切削精度。本系統(tǒng)擬選用由沈陽(yáng)萊茵公司代理的德國(guó)產(chǎn)品百格拉步進(jìn)電機(jī)，步距角選用0.36度的，通過(guò)其配套的控制器再次10細(xì)分，使脈沖當(dāng)量達(dá)成0.036度，滿足設(shè)計(jì)規(guī)定說(shuō)明書的精度規(guī)定。2.5.2.1負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩計(jì)算在擺軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀軸上所以部件擺動(dòng)，在擺軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩重要由刀軸電機(jī)、減速機(jī)、連接板機(jī)刀軸的重力引起，并且負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著擺角增大而增大，成正弦變化。參照刀軸結(jié)構(gòu)圖，從而得知擺軸負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=4.3sinα（Nm），α為擺角度數(shù)。負(fù)載對(duì)擺軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：0.0717kgm2所以最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.3Nm。a．快速運(yùn)營(yíng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩：快速運(yùn)營(yíng)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩也即最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1=4.3Nmb．啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩；T2=2×3.1415×60/(60×0.2)×0.0717＋4.3＝2.25＋4.3=6.55Nm從上面計(jì)算看出再快速運(yùn)營(yíng)和快速啟動(dòng)兩種工況下，以快速起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。2.5.2.2兩種方案的對(duì)比a．采用減速機(jī)。從減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小加在擺軸上的轉(zhuǎn)矩，以及綜合考慮最后的所占空間體積和部件總重量（單就電機(jī)與減速機(jī)兩個(gè)來(lái)說(shuō)，加減速機(jī)步不加減速機(jī)重量至少5公斤的力）來(lái)說(shuō)，有加一個(gè)減速機(jī)的必要，但是加上減速機(jī)之后，卻引入了由減速機(jī)回程間隙帶來(lái)的誤差，并且就減速機(jī)自身而言，回程減小有30弧分(相稱于0.5度)和5弧分（相稱于0,08度，精密級(jí)減速機(jī)），無(wú)論那種減速機(jī)，由回程間隙帶來(lái)的誤差遠(yuǎn)大于一個(gè)脈沖的進(jìn)給角度（0.036度）。假如采用加編碼器的方式，那么編碼器只能加在減速機(jī)的輸出軸端，從而形成閉環(huán)控制。假如采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞?，若回程是固定的，那?wèn)題好解決，但是若是不固定，那么軟件補(bǔ)償（如采用開環(huán)控制）也不能達(dá)成規(guī)定精度，由于若是補(bǔ)償不準(zhǔn)確，哪怕只有6弧分的誤差，那就是0.1度。取減速比為9。根據(jù)式（3－7）系數(shù)為0.4，T1/9<0.4×TMAX；所以TMAX>1.19這里我們擬選用百格拉步進(jìn)電動(dòng)機(jī)VRDM368/LHA，技術(shù)參數(shù)如下：步數(shù)：10000步/轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)矩1.5Nm保持轉(zhuǎn)矩：1.74Nm最高啟動(dòng)速度：6.3r/s轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.38kgcm2重量：1.1kg減速機(jī)選擇NEUGART行星齒輪減速WPLE60，減速比9，技術(shù)參數(shù)如下：額定輸出轉(zhuǎn)矩：44Nm故障停止轉(zhuǎn)矩：88Nm滿載效率：92％重量：1.9kg轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.242kgcm2回程間隙：<35弧分最大輸入速度：6000n/min額定輸入速度：3000n/min電機(jī)的校核計(jì)算：電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（3-6）：T1/i/0.92=4.3/9/0.92=0.52;電機(jī)軸上的等效定位轉(zhuǎn)矩由式（3-5）：2×3.1415×540/(60×0.2)×（0.0717/9^2/0.92+0.38/100^2+0.242/100^2）+0.52=0.8Nm.<1.74由式（3－1）慣量匹配條件知：(0.0717/9^2/0.92+(0.38/100^2))/(0.242/100^2)=41,不滿足慣量匹配條件由于電機(jī)的最高空載啟動(dòng)速度是6.3r/s，而電機(jī)的運(yùn)營(yíng)速度是9r/s，所以必須采用升降速控制。電機(jī)的快速運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)矩是0.52Nm，運(yùn)營(yíng)速度是9r/s，從電機(jī)的矩頻特性曲線（如圖3-13所示）可知，所選電機(jī)完全滿足規(guī)定，根據(jù)以上計(jì)算綜合考慮，所選電機(jī)滿足規(guī)定。b．不采用減速機(jī)。從在滿足規(guī)定的情況下減少零部件，使組裝力求簡(jiǎn)樸，并且不增長(zhǎng)減速，可以不引入由減速裝置帶來(lái)的誤差，并且控制方面相對(duì)簡(jiǎn)樸，不必增長(zhǎng)軟硬件補(bǔ)償措施等方面的考慮，可以不引入減速機(jī)，而采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式。但這樣增長(zhǎng)重量，約5kg根據(jù)式（3－7）系數(shù)為0.4，T1<0.4×TMAX；所以TMAX>10.75這里我們擬選用百格拉步進(jìn)電動(dòng)機(jī)VRDM31117LSB，技術(shù)參數(shù)如下：步數(shù)：10000步/轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)矩12Nm保持轉(zhuǎn)矩：13.92Nm最高啟動(dòng)速度：4.7r/s轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：10.5kgcm2重量：8kg圖3-131.5Nm、1.7Nm和3.7Nm電機(jī)的矩頻特性曲線電機(jī)的校核計(jì)算：電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩：T1=4.3Nm電機(jī)軸上的等效定位轉(zhuǎn)矩:T2=2×3.1415×60/(60×0.2)×（0.0717+10.5/100^2）＋4.3＝2.25＋4.3=6.55Nm6.6<12由式（3－1）慣量匹配條件知：0.0717/(10.5/100^2)=68,不滿足慣量匹配條件圖3-1412Nm步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線電機(jī)的快速運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)矩是12Nm，運(yùn)營(yíng)速度是1r/s，從電機(jī)的矩頻特性曲線（圖3-14）知，所選電機(jī)完全滿足規(guī)定，根據(jù)以上計(jì)算綜合考慮，所選電機(jī)滿足規(guī)定。第三章數(shù)控機(jī)床的安裝及維修3.1數(shù)控機(jī)床的安裝3.1.1安裝的環(huán)境規(guī)定數(shù)控機(jī)床安裝規(guī)定大部分都和普通機(jī)床類似，但由于有較多高精度零部件，所以在一般廠房規(guī)定基礎(chǔ)上，每臺(tái)機(jī)床都在其說(shuō)明書上對(duì)工作環(huán)境提出具體規(guī)定。各種機(jī)床環(huán)境規(guī)定大體可以分為以下幾大類：（1）地基規(guī)定用戶事先做好機(jī)床基礎(chǔ)，并且在安裝機(jī)床之前地基已通過(guò)一段時(shí)間保養(yǎng)，基礎(chǔ)進(jìn)入穩(wěn)定階段。（2）環(huán)境溫度和濕度規(guī)定精密型數(shù)控機(jī)床一般都有恒溫環(huán)境規(guī)定，只有在恒溫條件下，才干保證機(jī)床精度和加工精度。由于數(shù)控系統(tǒng)中大量采用了電子元器件，電柜內(nèi)的這些元器件工作溫度已接近極限溫度。潮濕的環(huán)境會(huì)減少數(shù)控機(jī)床可靠性，特別在酸氣較大潮濕環(huán)境下會(huì)使印制線路板和接插件銹蝕，機(jī)床電氣故障也會(huì)增長(zhǎng)。（3）避免環(huán)境干擾的一些措施如機(jī)床遠(yuǎn)離鍛壓設(shè)備等一些振動(dòng)源。遠(yuǎn)離電磁場(chǎng)干擾較大的設(shè)備，供電直接從配電站給出，車間防塵規(guī)定等。（4）其他提供數(shù)控機(jī)床運(yùn)營(yíng)所需的壓縮空氣氣源水源、排屑等也有一定規(guī)定。3.1.2安裝調(diào)試環(huán)節(jié)（1）機(jī)床初就位機(jī)床到廠后一般都在地基附近拆開包裝箱、卸下底托，按機(jī)床說(shuō)明書中規(guī)定把組成機(jī)床的各大部件分別在地基上就位，墊鐵、調(diào)整墊板和地腳螺栓等也相應(yīng)對(duì)號(hào)入座就位。（2）機(jī)床連接把初就位的機(jī)床各部件組裝起來(lái)。在組裝前，一方面去除安裝連接面、導(dǎo)軌和各運(yùn)動(dòng)面上的防銹涂料，做好各部件外表清潔工作，然后準(zhǔn)備好連接所需的各類連接零件、螺釘、連接工具等。最后把各部件組裝成整機(jī)，如將龍門架、電氣柜裝在床身上，刀架裝到龍門架上等等。組