五轴四联动数控电解加工机床设计【含CAD图纸、说明书】
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五轴四联动数控电解加工机床设计
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5轴数控电解加工机床
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摘要五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。本文设计了一台五轴联动机床主轴模型，在XY工作台的基础上叠加两层托板，步进电动机带动轴使其做旋转运动，构成类似陀螺仪的结构。分别实现工作台绕XY轴的转动和移动，再沿Z轴装配一根丝杠完成工作台沿Z轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。主要完成了：模型整体结构设计，各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、轴承和直线滚动导轨的选择及其强度分析；步进电机的选择及分析。关键词 五轴联动 丝杠传动 陀螺仪AbstractFive-axis machining center with high efficiency and precision characteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system, can also carry out complex curved surface precision machining, more able to adapt as automotive components, aircraft structural parts and other modern mold processing. This paper designed a five-axis machine tool spindle model, based on the XY table overlay two pallets, stepper motor drive shaft rotation to do so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XY axis rotating table and move along the Z axis and then complete the table assembly of a screw up and down movement along the Z axis to the ultimate realization of the various surface processing tool. Main completed: overall structural design model, each shaft structure design and calculation, ball screws, bearings and linear motion guide the choice and strength analysis; stepper motor selection and analysis. Keywords five-axis gyro screw drive目录摘要1Abstract2第一章 绪论5第二章 总体方案的设计62.1设计任务62.2设计方案的论证62.2.1传动方式的确定62.2.2 陀螺仪机构的设计62.3 总体方案的设计及结构组成6第三章 XY工作台及绕XY旋转工作台的设计83.1 XY工作台的设计83.1.1主要设计参数及依据83.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析83.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重83.2绕XY旋转工作台的设计83.2.1主要设计参数及依据83.2.2绕XY旋转工作台受力分析93.2.3初步选定绕XY旋转工作台的尺寸及重量估计93.3 沿Z向移动工作部分设计9第四章 滚珠丝杠副的选型与计算104.1滚珠丝杠的选型104.2 滚珠丝杠副导程的确定134.3 滚珠丝杠副的传动效率14第五章 直线滚动导轨的选型155.1定位精度高155.2降低机床造价并大幅度节约电力155.3可提高机床的运动速度155.4可长期维持机床的高精度155.5直线滚动导轨副的计算与选型165.5.1滑块承受工作载荷F的计算及导轨型号的选取165.5.2距离额定寿命L的计算16第六章 步进电机的参数与选型176.1步进电动机的特点176.2 步进电动机的分类176.2.1反应式步进电动机176.2.2永磁式步进电动机176.2.3混合式步进电动机176.3步进电动机的参数及其选择186.3.1步距角的选择186.4电动机的转速与功率196.5各参素的确定196.6初选步进电动机型号206.6.1脉冲当量的选择206.6.2等效负载转矩的计算206.6.3等效转动惯量计算206.6.4步进电动机型号选择的计算21第七章 轴、轴承及联轴器的选用267.1轴的材料267.1.1轴的分类267.1.2轴的材料及选择267.2 轴的结构设计267.2.1轴头、轴颈和轴身267.2.2轴上零件的轴向固定和定位277.2.3轴的周向固定：277.2.4减少应力集中的措施277.3轴承的选用287.4联轴器的选用28第八章 连接部分328.1 螺纹紧固件的联接画法32致谢34参考文献35第一章 绪论五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上，又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的应用，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资，大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99展会上，国产五轴联动数控机床登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以后，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业，相继开发了五轴联动数控机床。当前，国产五轴联动数控机床在品种上，已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应大小不同尺寸的复杂零件加工，还有五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ-5HMC40卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可与发达国家的产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产品，已获得国内市场的认同。 五轴联动机床通常价格很高，在学校利用毕业设计的机会制作一个五轴联动机构的模型不但对我们所学知识起到很好的巩固作用，同时如果将其完善可以做成实物作为教学之用，具有很好的现实意义。第二章 总体方案的设计2.1设计任务本次设计任务是设计一台用于实验室教学用的五轴联动机床主轴模型，机构组要部件为步进电动机、滚珠丝杠副、滚珠直线导轨副、滚动轴承、工作台等。要求能够用所设计的模型清晰的反映出五轴联动机床一次完成加工各个工作面的工作过程，能够模拟出其控制刀架实现工件各个面加工的过程，设计时应兼顾各层次的安装尺寸和装配工艺。2.2设计方案的论证 以学校数控实验室XY工作台为原型，在XY工作台上安装一支撑架用步进电机带动一平板使其绕X轴旋转，用同样的方法在绕X轴的平板上安装一支撑轴用电机带动另一平台使其绕Y轴旋转，做成一个类似陀螺仪的机构。最后，在绕Y轴旋转的平台上安装一支撑架用电机带动滚珠丝杠副使其完成沿Z轴移动的过程，与自动换刀系统共同使用可以模拟出五轴联动机床的工作过程，不过在我的设计中不要求画出工作台沿Z轴移动的部分。2.2.1传动方式的确定在整个系统中，第一部分XY工作台采用电机带动滚珠丝杠副控制工作台沿XY方向的移动，第二部分采用电机带动轴用平键与托板的连接控制托板3、4分别做绕XY轴的旋转运动。2.2.2 陀螺仪机构的设计 由于设计要求工作绕XY轴的旋转角度应达到3060，所以在设计第三、四块托板高度的时候应注意要能让电机带动托板使其达到合理的旋转范围而不至于让其碰到底板；同时不至于将支撑板的结构设计的过高，造成布局不合理的情况。并在支撑板的合理位置安装传感器用于检测和控制托板使其在合理的工作范围内运动。2.3 总体方案的设计及结构组成 根据设计要求，最终用如下图2-3-1五轴联动机床主轴设计示意图的结构来实现 图2-3-1 五轴联动机床主轴设计示意图第三章 XY工作台及绕XY旋转工作台的设计3.1 XY工作台的设计3.1.1主要设计参数及依据本设计的XY工作台的参数定为：1）工作台行程：横向800mm，纵向400mm2）工作台最大尺寸（长宽高）：1050650430mm3）工作台最大承载重量： 20Kg4）脉冲当量：0.001mm/pluse5）进给速度：60平方毫米/min6）表面粗糙度：0.81.67）设计寿命：10年3.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析在XY工作台中，异步电动机1所受的作用力最大，应根据托板2、3、4的重量选用正确的电机型号。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说,机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。3.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重初定工作台1尺寸(长宽高度)为: 90024060mm，材料为HT200，查资料得到HT200的密度为：7.9千克/立方分米所以，估算工作台1的重量W1=125N工作台2的尺寸(长宽高度)为：45024060mm，材料为HT200。所以估算的工作台2的重量W2=80N3.2绕XY旋转工作台的设计3.2.1主要设计参数及依据本设计的绕XY轴旋转工作台的参数定为：工作台绕X轴的旋转角度0 3060） 绕Y轴的旋转角度0 3060）初定：绕Y旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）：310240150mm 绕X旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）：270200135mm 绕X轴旋转工作台的尺寸16016010mm工作台最大承载重量： 10Kg脉冲当量：0.001mm/pluse表面粗糙度：0.81.6设计寿命：10年3.2.2绕XY旋转工作台受力分析 异步电机带动轴3旋转，轴3与绕X轴旋转的托板通过平键的连接传递动力，电机3需要承受的力包括使托板4、5转动所需的力以及板4中电机的重力，要求能通过电机的控制使其在合理的范围内正常的运转。3.2.3初步选定绕XY旋转工作台的尺寸及重量估计设绕Y旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）：310240150mm材料为HT200，查资料的HT200的密度为7.9千克/立方分米所以，估算工作台3的重量W3=58N绕X旋转工作台的托板最大尺寸（长宽高）：270200135mm材料为HT200，查资料的HT200的密度为7.9千克/立方分米所以，估算工作台4的重量W4=45N绕X轴旋转工作台的尺寸16016010mm材料为HT200，查资料的HT200的密度为7.9千克/立方分米所以，估算工作台5的重量W5=120N另外估计其它零件的重量约为G=80N则下托座导轨副所承受的最大负载W为:W=W1+W2+W3+W4+W5+G=125+80+58+45+35+120=463N3.3 沿Z向移动工作部分设计 在我设计的五轴联动主轴的基础上，再次利用滚珠丝杠能够将电机的2旋转运动转换为直线运动，在绕X轴旋转的工作台上用肋板支撑电机，滚珠丝杠将电机的动力转化成直线运动，使丝杠顶端的工作台沿Z轴做直线运动。因我的设计中不要求画出其结构，所以仅在此写出其设计思路。第四章 滚珠丝杠副的选型与计算4.1滚珠丝杠的选型滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适当的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将螺旋运动转变为直线运动或将直线运动转变为螺旋运动。丝杠或螺母转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。滚珠丝杠副具有传动效率高，运动平稳，使用寿命长的特性，广泛应用于各种工业设备，精密仪器和数控机床等。滚珠丝杠副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。滚珠丝杠副按照滚珠的循环方式可分为内循环滚珠丝杠和外循环滚珠丝杠，下面通过比较其各自的特点对系统中需要使用的滚珠丝杠进行选择。内循环滚珠丝杠副如图 4-1 所示，滚珠在循环回路中始终和螺杆接触，螺母上开有侧孔，孔内有反向器将相邻两螺纹滚道联通，滚珠越过螺纹顶部进入相邻滚道，行成一个循环回路。内循环的每一封闭循环滚道只有一圈滚珠，滚珠的数量较少，因此流动性好、摩擦损失小、径向尺寸小。但反向器及螺母上的定位孔的加工要求较高。 图4-1内循环滚珠丝杠外循环滚珠丝杠的特点，如下图所示为螺旋槽式外循环滚珠丝杠。它是在螺母的外表面上铣出一个供滚珠返回的螺旋槽，其两端钻有圆孔，与螺母上的内滚道相联通。在螺母的滚道上装有挡珠器，引导滚珠从螺母外表面上的螺旋槽返回滚道，循环到工作滚道的另一端。这种结构的加工工艺比内循环滚珠丝杠好，故应用较方便，但缺点是挡珠器的形状复杂且容易磨损。 图4-2 螺旋槽式外循环滚动螺旋传动根据两种螺旋传动的特点我选用螺旋槽式外循环螺旋传动作为作为系统XY工作台的传动机构。滚珠丝杆副的支撑形式采用双推减支的支撑形式其特点是：1.临界转速、压杆稳定性较高 2. 丝杠有热膨胀的余地 3.以用于较长的卧式安装的丝杠在五轴联动系统中，其第一层和第二层的工作台都是在步进电动机的控制下，运用滚珠丝杠副将步进电动机的旋转运动转变为直线运动，在滚珠丝杠带动下是工作台沿XY方向做直线运动。设计要求：工作台沿X向的有效行程800mm工作台沿Y向的有效行程400mm 滚珠丝杠副的传动关系如下图4-3所示： 图4-3 滚珠丝杠副的传动关系图根据机床的受力情况及结构尺寸，其安装尺寸启东润泽机床附件有限公司生产的FL、LL系列滚珠丝杠副，其中FL为浮动反向器内循环式滚珠丝杠副。两种丝杠副均为双螺母结构，采用螺纹调整预紧，安装连接尺寸完全相同，具体型号如下： X向： FL 3206 900800Y向： FL2506 450400 其尺寸参数如下： X向：规格Le 3206900800 Dw 3.9688 d 1 38.8 L1 35 d 3 25 D 60 D3 80 B 10 L2 122 L3 82 平键尺寸GB/T10962003 6655 小圆螺母GB/T8121988 M452 额定载荷 动载荷Ca 13.2 静载荷Coa 37.4 Y向：规格Le 2506 450 400 Dw 3.5 d 1 24 L1 25 d 3 17 D 45 D3 62 B 8 L2 95 L3 66 平键尺寸GB/T10962003 6650 小圆螺母GB/T8121988 M451.5 额定载荷 动载荷Ca 10.4 静载荷Coa 22.2 图4-4 滚珠丝杠的结构示意图 因Y向的滚珠丝杆比X向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算Y向丝杆的相关数据，X向根据Y向的结果相同选用即可满足要求。具体计算如下：4.2 滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式： （3-1） 式中F 切削力，F=0W工件重量加工作台重量 W=455NU滚动导轨上的滚动动摩擦系数 约为U=0.005则根据式（3.1）： = 0.005463=2.315NXY工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的 Go=（0.2-0.3）， =2.315N。对照样本参数,这里的Go非常小，选定导程为6的滚珠丝杠副。4.3 滚珠丝杠副的传动效率滚珠丝杠副的传动效率为: （3-2）式中滚珠丝杠的螺纹升角当量摩擦角 根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系（见表3-1），前面已经定v=1m/s，材料选择灰铸铁HRC45。 所以：=400，tg=0.0025 ；因为=arctg（Ph/d） （3-3）则根据式（3-2）得：0.953。表4-1 当量摩擦系数f和当量摩擦角齿圈材料锡 青 铜无锡青铜灰铸铁齿面硬度HRC45其它HRC45HRC45其它相对速度 s m/sfffff0.010.050.100.250.501.01.52.02.53.04581015240.1100.0900.0800.0650.0550.0450.0400.0350.0300.0280.0240.0220.0180.0160.0140.0136175094343433092352172001431361221161020550480450.1200.1000.900.0750.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310.0290.0260.0240.0206515435094173433092522352172001471401291221090.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0550.050.0450.0400.0350.0310127587245435094003433092522352172001430.1800.1400.1300.1000.0900.0700.0650.0551027587245435094003433090.1900.1600.1400.1200.1000.0900.0800.0701045905758651549509434400第五章 直线滚动导轨的选型导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种， 直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：5.1定位精度高直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。5.2降低机床造价并大幅度节约电力采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。5.3可提高机床的运动速度直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率2030%。5.4可长期维持机床的高精度对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。5.5直线滚动导轨副的计算与选型5.5.1滑块承受工作载荷F的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。在我的设计中处于工作台底层的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。由于考虑到最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： F= （5-1） 其中，移动部件重量估算为600N，由于可能会有外加载荷设为F=240N，得到最大工作载荷 F=390N=0.39 kN查表可得，根据工作载荷F=0.39Kn，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALG15型，其额定载荷C=7.94kN,额定静载荷C=9.5 kN任务书规定工作台台面尺寸为160160，X向的导程为800 mm,Y向的导程为400mm,查表可得，考虑到工作行程应留有一定的余量，查表可得，按标准系列，导轨的长度820400mm。5.5.2距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSALG15型导轨副的滚道硬度为60HRC,工作温度不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表分别取硬度系数f=1.0、温度系数f=100、接触系数f=0.81、精度系数f=0.9、载荷系数f=1.5,带入式（5-2）中。得距离寿命：L=()506649km远大于期望值50 km，故距离满足额定寿命满足要求第六章 步进电机的参数与选型6.1步进电动机的特点步进电动机也叫脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的执行原件。步进电动机输出的角位移与输入的脉冲个数成正比，在时间上与脉冲同步。因此，只要控制输入脉冲的数量、频率和电动机的绕组的通电顺序，便可以获得所需要的转角、转速以及转动的方向。当无脉冲输入时，在绕组电流的激励下，步进电动机可以锁相。步进电动机结构简单、制造容易、价格低廉。它的转子转动惯量小、动态响应快、易于起停正反转和无级变速也容易实现。其缺点主要表现在：低频时有震荡、速度不够均匀、在高速时输出转矩减小。6.2 步进电动机的分类步进电动机的种类很多，按其运动的方式可分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机；按其输出转矩的大小可以分为快速步进电动机和功率步进电动机；按其励磁绕组的相数可以分为两相、三相、四相、五相和六相步进电动机；按其工作原理可分反应式、永磁式和混合式步进电动机。6.2.1反应式步进电动机反应式步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。此类电动机结构简单、材料成本低、驱动容易，定子和转子加工方便，步距角可以做的较小，但动态性能差一些，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。6.2.2永磁式步进电动机永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力。这种电动机的特点是动态性能好、输出转矩大、驱动电流小、电动机不易发热，但制造成本高。由于转子受磁钢加工的限制，因而步距角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。6.2.3混合式步进电动机混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但从钉子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。该类电动机的特点是输出转矩大、动态性能好、步距角小、驱动电源电流小、功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。因为混合式步进电动机的性价比较高，所以目前得到了广泛的应用。6.3步进电动机的参数及其选择如何正确选用步进电动机是一项重要的工作，它需要与系统总体设计相协调。首先要合理选择电动机的功率。通常根据生产机械负载的需要来选择电动机的功率，同时，还要考虑负载的工作制问题，也就是说，所选的电动机应适应机械负载的连续、短时或间断周期工作性质。功率选用时不能太大，也不能太小。选小了，保证不了电动机和生产机械的正常工作；选大了，虽然能保证正常运行，但是不经济，电动机容量不能被充分利用，而且电动机经常不能满载运行，使得效率和功率因数不高。其次，根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与频率同供电电源电压与频率相符合。电动机的转速一定要按生产机械铭牌上的要求选择，否则可能改变生产机械的性能。此外，电动机的结构、防护、冷却和安装形式，应适应使用环境条件的要求，并且要力求安装、调试、检修方便，以保证电机能安全可靠的运行6.3.1步距角的选择步距角是在一个电脉冲信号的作用下，步进电动机转过的机械角位移。它与步进电动机的相数m、转子齿数z以及绕组的通电方式有关。步进电动机的步距角计算公式为：=360 / (zmK) （6-1）（1）最大静转矩（保持转矩）T jmax最大静转矩是指步进电动机在通电状态下，使转子离开平衡位置是的极限转矩值，它反映了步进电动机承受外加转矩的特性。最大静转矩也叫保持转矩，它是步进电动机最重要的参数之一。当我们说一台步进电动机的转矩是12Nm时，在没有特殊说明的情况下，通常就是指该电动机的最大静转矩。在步进电动机的产品样本中，均可查到最大静转矩或保持转矩（在额定电流和规定的通电方式下）。（2）起动转矩Tq步进电动机的起动转距是指步进电动机单相绕组励磁时所能带动的极限负载转矩。它可以通过最大静转矩Tjmax进行折算，如下表所示 步进电动机的起动转矩与最大静转矩的关系（T q/Tjmax）电动机相数 3 4 5 运行拍数 3 6 4 8 5 10起动转矩/ 最大静转矩0.50.8660.7070.7070.8090.951(3) 距频特性步进电动机的输出转矩与运行频率有关。一般来说，随着运行频率的升高，输出转矩逐渐下降。输出转矩与频率的关系称作矩频特性。步进电动机的矩频特性有两种，一种是起动距频特性，另一种是运行矩频特性。对于给定的负载转矩Tl，电动机在小于 fs的频率范围内可以不失步地直接起动；在 fsfe 之间可以连续运行，但不能直接起动；当频率超过 fe 时，步进电动机就会失步或堵转。（4）定位转矩系统如果断电，允许被控对象处于自由位置，则可选用反应式步进电动机；如果不允许被控对象处于自由状态，则应选永磁式或混合式步进电动机，这两种电动机在断电的状态下均有一定的定位转矩。6.4电动机的转速与功率同一功率的异步电机有几种转速。一般来说，电动机的同步转速愈高，磁数极对数愈少，外廓尺寸愈小，价格愈低；反之，转速愈小，外廓尺寸愈大，价格愈高。在一般机械中，用得最多的是同步转速为1500或30000转每分钟的电机。电机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选的过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机功率和功率因数都较低，造成很大的浪费；功率选小，不能保证正常的工作或使电动机长期过载而过早损坏。故电动机的功率略大于生产机械要求就可以了。PN=PN / cF （6-2）PN-生产机械的负载功率；c-电动机与生产机械间传动装置的效率。带传动时，c=0.980.99F-生产本身的效率6.5各参素的确定1. 各拖板重量W455N2. 拖板与导轨贴塑板间摩擦系数U=0.123. 最大走刀抗力FZ（与运动方向相反）=200N4. 最大主切削力FY（与导轨垂直）=250N5. 拖板进给速V1 =10500毫米/分6. 车刀空行程速度V2 =200毫米/分7. 滚珠丝杆导程L=6毫米8. 滚珠丝杆节圆直径d0 =32毫米9. 丝杆总长L=1000毫米10.定位精度0.01毫米6.6初选步进电动机型号6.6.1脉冲当量的选择脉冲当量：一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.01mm/p（输入一个指令脉冲工作台移动0.01毫米）初选之相步进电动机的步距角0.75/1.5，当三相六拍运行时，步距角=0.75其每转的脉冲数S=360/0.75=480p/r步进电动机与滚珠丝杆间的传动比ii=L/s=6/0.01480=1.25 （6-3）6.6.2等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩T T=uwl/2I （6-4）=0.064550.2/23.140.81.25=0.81N.m6.6.3等效转动惯量计算1)滚珠丝杆的转动惯量Js=dlp/32 (6-5）=3.1417.8510=8.1102）拖板的运动惯量Jw= (6-6)=0.1886.6.4步进电动机型号选择的计算1）根据步进电机的计算与选型，求得加在步进电机转轴上的总转动惯量J；2)计算不同工况下加在步进电机转轴上的等效负载转T；3）取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大静转矩的依据；4）根据运行距频特性、起动惯频特性等，对粗选的步进电机进行校核。1.加在步进电机转轴上的总转动惯量J 是进给系统伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。J主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。J的具体算法如下: 丝杠的转动惯量：设丝杠的质量m20N J= (6-7)=2.510N/m1. 步进电机转轴上的等效负载转矩T步进电动机转轴所受的负载转矩在不同工况下是不同的。通常考虑两种情况:一种情况是快速空载启动（工作负载为0），另一种情况是承受最大工作负载。下面分别进行讨论：（1） 快速空载起动时电机转轴所受的负载转轴T T=T+T+T (6-8) =0.654+6.52=7.17 N.mT快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩，单位N.mT 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位N.m T滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，单位N.mT=J= (6-9)=0.654 N.mn=1250r/min v纵向空载最快移动速度，在系统中为6000mm/min； 步进电机的步距角，为0.75； 脉冲当量，为0.01mm/minJ步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为Kg.m 电动机转轴的角加速度，单位为 rad/sn电动机的转速，单位为r/min;t电动机加速所用时间，单位为s,一般在0.31 之间选取。取t=0.5s2)移动部件运动时间折算到电机转轴上的摩擦转矩:T= （6-10）=6.52N.m式中 F导轨的摩擦力，单位为N； P滚珠丝杠导程，单位为m； 传动链的总效率，一般取=0.70.85； i总的传动比，i=n/n,其中n为电动机转速，n为丝杠的转速。其中上式中导轨的摩擦力为：F= （6-11）=0.18455=81.9N式中 导轨的摩擦因数（滑动导轨取0.150.18）取=0.18 F垂直方向的工作负载，单位为N，空载时为0； G运动部件的总动力，单位为N.3) 滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩； T= （6-12）式中 F滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷F的1/3,单位为N； 滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以由式（6-12）算出的T值很小在式(6-8)中与T和T比起来，通常可以忽略不计。（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T： T =T+T+ T （6-13）而 T= (6-14)=0.978N.m式中F为进给方向最大工作载荷，单位NT= (6-15)=0.128 N.m对于T是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有： T=T+T=0.978+0.128=1.106 N.m （6-16） 经过上述计算后，得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩: T= max7.17 N.m （6-17）(3)步进电机最大静转矩的选定 考虑到步进电机的驱动电源受到电网电压的影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成失步，甚至堵转。因此，根据T来选择步进电机的最大静转矩是需考虑安全系数K。对于开环控制，一般应在2.54之间选取。选择K=3。则步进电机的最大静转矩应满足：T=3=9.51N.m （6-18） 根据上述计算选择步进电机的型号为110BC380F，查表可得该型号电机的最大静转矩T=11.76 N.m,转动惯量为9Kg/cm.可见，满足式（6-18）的要求。由于每层受到的工作台的重力越来越小，所以第二层的工作台使用的电机同样选择110BC380F，经计算第三四层选择异步电机的型号为90BF003。下面将所选用的两重步进电动机的型参数列为表6-1。型号相数步距角电压电流最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量90BF00331.5/36051.961500150000.6110BC380F30.75/1.580611.761200120009第七章 轴、轴承及联轴器的选用7.1轴的材料轴是组成机器的重要零件，各种各样机器上作旋转运动的零件，必须安装在轴和轴承上，才能传递运动和动力。7.1.1轴的分类根据几何轴线形状的不同，轴可分为直轴、曲轴和挠性轴。曲轴在内燃机、空压机中应用比较广泛；挠性轴可将旋转运动灵活地传到所需要的任何位置；直轴是最基本的一种轴，我们主要讨论直轴。直轴按形状可分为光轴和阶梯轴两种。按载荷性质又可分为转轴、心轴和传动轴三种。工作中既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴；工作中只承受弯矩不传递转矩的轴称为心轴，又可分为转动心轴和固定心轴；传动轴主要承受转矩，不承受弯矩或能承受较小的弯矩。7.1.2轴的材料及选择轴的材料主要是碳素钢和合金钢，其中碳素钢价格低廉，对应力集中敏感性小，机械性能也较好，故应用最为广泛。常用的碳素钢为35、45、50钢，其中最常用的是45钢。为提高轴的机械性能，采用调质或正火处理。对于载荷不大或不太重要的轴，可采用Q235、Q275等普通碳素钢。对于传递功率大而又受到空间限制，要求截面尺寸较小或要求耐磨性较高的轴，可采用合金钢并进行相应的热处理。但进行热处理只能提高钢材的强度和硬度，而不能提高其刚度，所以从提高刚度来考虑，就不能采用合金钢。轴的毛坯一般用轧制的圆钢或锻件，重要的轴采用锻制毛坯。7.2 轴的结构设计7.2.1轴头、轴颈和轴身轴颈：轴和轴承配合部分；轴头：轴上装轮毂的部分；轴身：联接轴头和轴颈的部分。轴颈直径与轴承内径、轴头直径与相配合零件的轮毂内径应一致，而且为标准值。为便于装配，轴颈和轴头的端部均应有倒角。用作零件轴向固定的台阶部分称为轴肩，环形部分称为轴环。轴上螺纹或花键部分的直径应符合螺纹或花键的标准。7.2.2轴上零件的轴向固定和定位为防止轴上零件沿轴向移动，应对它们进行轴向固定和定位。常用的有：轴肩和轴环、套筒、圆螺母和止动垫圈、弹性挡圈和紧定螺钉、轴端挡圈。、轴肩和轴环：简单可靠，不需附加零件，能承受较大的轴向力，但会使轴径增大，阶梯处形成应力集中，阶梯过多不利于加工。、套筒：当轴上一零件的位置已固定时而零件间的距离又较小时，可采用套筒。简单可靠，简化了轴的结构设计且不削弱轴的强度，但机器重量增加，且由于套筒与轴的配合较松，故不宜于高速运转的轴。、圆螺母：当套筒过长或无法采用套筒，而轴上又允许车制螺纹时，可采用圆螺母固定。圆螺母可承受较大的轴向力，但切制螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度。、轴端挡圈：主要用于有振动和冲击的轴端零件的轴向固定。轴的端部可以是锥面或柱面。、当轴向力很小时，可采用弹簧挡圈和紧定螺钉。根据轴上零件的轴向固定原则，本设计采用了轴肩和轴承端盖共同定位的轴向定位方法，其其特点是结构简单、定位可靠、没有多余的结构不会对电机造成多余的载荷负担。在五轴联动系统中采用两端轴肩和两端轴承端盖共同定位，由于模型中轴承主要受轴的切线方向力，所以在两端的轴承端盖用紧定螺钉定位能够满足其要求。7.2.3轴的周向固定：主要是为了传递转矩和防止零件与轴产生相对转动。一般采用键、花键及过盈配合等联接方式。考虑到设计结构，在不会引起轴的周向跳动的情况下采用轴的过配合的连接方式。四、轴的结构设计时应注意的问题、为便于零件的装拆，轴端应有45的倒角，零件装拆 时所经过的各段轴颈都要小于零件的孔径；、轴肩或轴环定位时，其高度必须小于轴承内圈端部的厚度；、用套筒、圆螺母、轴端挡圈作轴向定位时，一般装配零件的轴头长度应比零件的轮毂长度短23mm，以确保套筒、螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面。、轴上磨削的轴段和车制螺纹的轴段，应分别留有砂轮越程槽和螺纹退刀槽，且后轴段的直径小于轴颈处的直径，以减少应力集中，提高疲劳强度。在我的设计中，轴的周向定位主要是通过两端的支撑板定位，轴的两端与轴承通过过盈配合固定。7.2.4减少应力集中的措施、倒角和倒圆：零件截面突然发生变化的地方，都会不生应力集中现象，降低轴的强度，所以在两截面的变化处应采用圆角过渡。、过渡结构：当轴肩尺寸不够，圆角半径达不到规定值而又要减小轴肩处的应力集中，可采用间隔环、凹圆角或制成卸载槽的形式。、过盈配合；、改善受力情况；、提高轴表面的机械性能，降低表面粗糙度，对提高轴的疲劳强度有重要意义。7.3.1滚动轴承的结构特性7.3轴承的选用轴承是标准件，通过轴径确定轴承型号及尺寸；再通过轴承寿命来计算轴承的额定动载荷；最后校核轴承型号选用是否正确 在我的设计中每层的滚珠丝杠副均采用“单推-单推”的方式，丝杠的两端均采用一对内径为25的深沟球轴承，其型号为6305轴承的安装轴承安装前应先用汽油或煤油清洗干净，干燥后使用，并保证良好润滑，轴承一般采用脂润滑，也可采用油润滑。采用脂润滑时，应选用无杂质、抗氧化、防锈、极压等性能优越的润滑脂。润滑脂填充量为轴承及轴承箱容积的30%-60%，不宜过多。带密封结构的双列圆锥滚子轴承和水泵轴连轴承已填充好润滑脂，用户可直接使用，不可再进行清洗。 轴承安装时，必须在套圈端面的圆周上施加均等的压力，将套圈压入，不得用鎯头等工具直接敲击轴承端面，以免损伤轴承。 在过盈量较小的情况下，可在常温下用套筒压住轴承套圈端面，用鎯头敲打套筒，通过套筒将套圈均衡地压入。如果大批量安装时，可采用液压机。压入时，应保证外圈端面与外壳台肩端面，内圈端面与轴台肩端面压紧，不允许有间隙。 当过盈量较大时，可采用油浴加热或感应器加热轴承方法来安装，加热温度范围为80-100，最高不能超过120。同时，应用螺母或其它适当的方法紧固轴承，以防止轴承冷却后宽度方向收缩而使套圈与轴肩之间产生间隙。 单列圆锥滚子轴承安装最后应进行游隙的调整。游隙值应根据不同的使用工况和配合的过盈量大小而具体确定。必要时，应进行试验确定。双列圆锥滚子轴承和水泵轴连轴承在出厂时已调整好游隙，安装时不必再调整。 轴承安装后应进行旋转试验，首先用于旋转轴或轴承箱，若无异常，便以动力进行无负荷、低速运转，然后视运转情况逐步提高旋转速度及负荷，并检测噪音、振动及温升，发现异常，应停止运转并检查。运转试验正常后方可交付使用。7.4联轴器的选用联轴器是标准件，一般可以根据机器的工作条件、使用要求，如承载能力、转速、两轴相对位移、缓冲吸震以及装拆、维修更换易损元件等，综合分析来选择标准联轴器。具体选择时可以考虑以下几点。1. 原动机和工作机的机械特性。原动机的类型不同，其输出功率和转速，有的是平稳恒定的，有的是波动不均匀的。而各种工作机的载荷性质差异更大，有的平稳，有的甚至强烈冲击或震动。这将直接影响联轴器的类型的选择，是选型的首要依据之一。对于载荷为平稳的，则可选用刚性联轴器，否则宜选用刚性联轴器2. 联轴器连接的轴系及其运转情况。对于联轴器系的质量大、转动惯量大，而又经常启动、变速或反转的，则应考虑选用能承受较大瞬时过载，并能缓冲吸震的弹性联轴器 在五轴联动系统主轴设计中，所有的异步电机输出轴与受力轴的连接均采用刚性套筒联轴器，用平键和紧定螺钉共同定位，其特点是结构简单，径向尺寸小，加工、安装均较容易，但消除周向间隙不可靠，且要求两轴轴线严格对中。 3计算联轴器的转矩传动轴上的公称转矩T(N.m)可用下式进行计算： T=9550 （7-1）式中 P传递的功率，单位为 kW; n轴的转速，单位为r.min。 实际计算时，应将公称转矩T乘以工作情况系数KT。工作情况系数K如表7-1所示。 原动机 K 工 作 机类类类类类类电动机、汽轮机1.3151.71.92.33.1四缸及四缸以上内燃机1.51.71.9232.53.3双缸内燃机1.82.02.22.42.83.6单缸内燃机2.2242.62.83.24.0表 7-1在五轴联动系统中，此系统为转矩变化量很小的系统，选类，即K=1.5根据第六章选择的电动机型号为110BC380F，该型号电机的最大静转矩T=11.76 N.m，其电机的输出率P=UI=806=480W； n=1250r/min 所以得到其公称转矩T=3.6672 N.m T=KT=5.5N.m4.确定联轴器的型号 根据计算转矩T及所选用的联轴器类型，在联轴器的标准中按照下式： TT (7-2) 的条件确定联轴器的型号
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