X502数控铣床机械部分的设计.doc

第三章 x502型铣床机械部分的改装设计x502型铣床机械部分的改装设计在工作台纵向进给手柄轴上安装圆锥销型联轴器，使工作台纵向进给手柄轴与步进电机联在一起。用微机数控系统控制纵向进给运动。加工时将离合器脱开使原来的机床进给运动停止工作。一、步进电机的选择步进电机又称脉冲电机。它是将脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其特点是输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过相应的一个步矩角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量、频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向，很容易用微机实现数字控制。1 步进电机的特点：1）步进电动机的工作状态不易受各种干扰因素的影响，只要在它们的大小未引起步进电动机产生“丢步”现象之前，就不影响其正常工作；2）步进电动机的步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累积误差，但转子转过一转以后，其累积误差为“零”，不会长期累积；3）控制性能好，在起动、停止、反转时不易“丢步”。因此，步进电动机被广泛应用于开环结构的机电一体化系统，使系统简化，并可靠地获得较高的位置精度。2 脉冲当量p，步距角b和降速比的选择脉冲当量p，步距角b，丝杠螺距t和降速比i之间的关系为：p=bt /360i一般数控机床的脉冲当量p取为0.01mm/step, 步距角b=1.5/step,t=6mm, 则减速比i为i=bt/360p=1.56/3600.01=2.53 铣刀铣削力的估算铣削力是由刀具的材料，铣削工件的材料，切削用量等许多因素决定的。设计机床是从计算铣削力开始估算电动机的功率的。对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电动机的功率和主轴上传动的功率反推出工作台进给时的铣削力。该机床的主传动和进给传动均采用一个电动机。进给传动的功率较小，可以在主传动上乘以一个系数k。有机床设计手册查得铣床的k为0.85。主传动功率包括切屑功率nc,空载功率nm0.附加功率nmc三部分，即n=nc+ nm0+nme。空载功率nm0是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中，小型机床，可达总功率的50，现取nm0=0.5n。附加功率nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接与载荷的大小有关。可以用下式计算，nmc=（1-）nc，所以总功率为：n=nc+0.5n+（1-）nc，则 nc=0.5n/(2-)在进给传动中的切削功率为：nct=(k0.5n)/(2-)主轴上传动功率为1.45kw，电机功率为2.2kw，则=1.45/2.2=0.66， nct=0.850.52.2/（2-0.66）=0.698（kw） 切削时在主轴上的扭矩为 mn=974000 nct/n (n.cm)主轴上转速有8种，现用n=47.5r/min代入，则主轴上的最大扭矩为:mn=97400nct/n ( 现用n=47.5r/min) mn=9740000.698/47.5=14313（n.cm）铣刀的最大直径为32mm,主切削力fc=14313/3.2=4473n。铣削加工时主切削力fc与铣削进给抗力fs之间的比值由机床设计手册查的：fs/fc=1.01.2，取fs/fc=1，则fs=4473n，垂直分力与fc的比值为0.750.8，取fz/fc=0.75，则：fz=0.754473=3355（n）4 步进电动机功率的的估算（1）步进电机转轴上启动力矩的计算步进电机转轴上启动力矩的计算的公式为 tq= (n.cm) 式中： q 脉冲当量(mm/step)；fs- 铣削进给抗力（n）；fz 垂直分力（n）；g- 工作台及工件夹具的总重量（n）；取=0.6，=0.2，g=1500n，则 tq=347(n.cm)（2） 确定步进电机的最高工作频率由步进电机的最高工作频率的公式查的其中=0.03（m/s） n=750(r/min) =3000(hz) （3）步进电机的选择由步进电机的性能参数图表中查得：tq/tjm=0.866,步进电机的最大静转矩tjm= tq/0.866=401 (n.cm)经过计算的两个方向即纵向和横向的步进电机均选用110bf004步进电机步进电机的主要性能参数如下：（表3-1）相数 步距角 电压 相电流 最大转矩 空载启动频率空载运行频率3 0.75 30v 4 4.9n/m 3000步/s 7000步/s电感 电阻 分配方式 外形尺寸 重量 转子转动惯量56.5 0.72 3相6拍 110110 5.5 34.3 表3-1 步进电机的主要性能参数由以上图可知电动机的转速为375转/分 5 步进电机的控制 步进电机的运行特性跟配套使用的驱动电路有关。驱动电源由脉冲分配器，功率放大器组成。驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动的循环更给电动机各相绕组，以驱动电动机的转子正反向旋转。变频信号源是可提更从几赫兹到几十万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可以精确控制步进电机的转角和速度。下面简单介绍一下它的控制元件：（1） 环形脉冲分配器步进电机的各项绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作，这种使电机的通电顺序按一定规律变化的部分称为环形脉冲分配器。它的主要功能是将数控装置送来的一串指令脉冲，按步进电机所要求的通电顺序分配给步进电机的驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的通断，实现步进电机的运行及换向。当步进电机在一个方向上连续运行时，其各相通、断的脉冲分配是一个循环。环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。 环形分配的功能可由硬件或软件的方法来实现，分别称为硬件环形分配器和软件环形分配器。它实现环形脉冲分配的方法有三种：1）用计算机软件，利用查表或计算的方法来进行脉冲的环形分配，我们采用的是三相六拍的分配状态，可将状态代码01h，03h，02h，06h，04h，05h列入程序数据表中，通过软件可顺序在数据表中提取数据并通过输出接口输出即可。通过正相顺序读取和反向顺序读取可控制电动机的正反转。通过控制读取一次的时间间隔可控制电动机的转速。2）用小规模集成电路搭接而成的三相六拍环形脉冲分配器。这种方式灵活性很大，可搭接任意向任意通电顺序的环形分配器，同时在工作时不占用计算机的工作时间。 3）采用专用的环形脉冲分配器件 （2）功率放大器从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几毫安，不能直接驱动步进电动，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几倍，从而驱动步进电机运转。功率放大电路的作用就是对从环形分配器输出的信号进行功率放大并送至步进电机的各相绕组。功率放大电路的控制方式很多，最早采用单电压驱动电路，后来出现了高低电压切换驱动电路、恒流斩波电路、调频调压和细分电路等。所采用的功率半导体元件可以是大功率晶体管gtr，也可以是功率场效应晶体管mosfet或可关断晶闸管gto。二、滚珠丝杠的选择常用的机械传动部件有螺旋传动，齿轮传动，同步带等，其主要功能是传递转矩和转速。在本次毕业设计中由于使数控机床的改装，精度要求较高，我们采用螺旋传动，即采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠是数控机床伺服驱动的重要部件之一，它的优点是摩擦系数小，传动精度高。下面我们将详细介绍一下滚珠丝杠传动的知识。1 滚珠丝杠副的组成部分及其特点滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性： (1) 传动效率高 在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到90%以上，整个传动副的驱动力矩减少至滑动丝杠的1/3左右，发热率也因此得以大幅降低。 (2 ) 定位精度高 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度。 (3) 传动可逆性 滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现的爬行现象，滚珠丝杠副能够实现两种传动方式将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动并传递动力 (4) 使用寿命长 由于对丝杠滚道形状的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠。 (5) 同步性能好 由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。2滚珠丝杠副的工作原理螺杆和螺母的螺纹滚道间置有滚动体，当螺杆或螺母转动时，滚动体在螺纹滚道内滚动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高传动的效率和传动的精度。滚动螺旋传动的滚动体有球和滚子两大类，本次毕业设计我们使用的是应用最广泛的以球为滚动体的滚珠丝杠副，随着机电一体化技术的发展，滚珠丝杠的使用的范围越来越广泛，目前，我国有十几家专业工厂按国家标准gb/t17587-1998，专业标准jb/t3162.4-1993及jb/t9893-1999来组织生产。我们不必自行设计，可以根据使用的工况来选择某种结构类型的滚珠丝杠，再根据载荷，转速等条件来选择。3 滚珠丝杠的计算与选择(1) 最大动负荷q的计算q=（n）查表取1.3，取1.0。对于燕尾形导轨的机床 f=k(n) 其中：-x方向上的切削力（n）；-y方向上的切削力（n）；g-工作台总重量（n）. k=1.4，选用滚动导轨=0.02，=0，在传动过程中不考虑，g=0n,所以 f=0.02x450=9（n） l= 查表t=15000h n=625() 按最大速度0.025计算 l=562.5 q=97(n) 查表=20mm, (2)滚珠丝杠螺母副几何参数（见表3-2）滚珠丝杠螺母副几何参数计算（表3-2）(3)传动效率计算 =0.96 名称 符号 计算公式和结果公称直径 d0 25mm螺距p 5mm接触角 45螺纹滚道钢球直径dw 3.175mm螺纹滚道 法面半径 r r=0.52dw=1.651mm偏心距 e e=(r- dw/2)sin=0.0449螺纹升角 =arctgt/d0=433螺杆外径 d1 d1= d0-(0.20.25) dw=19.302mm 螺杆 螺杆内径 d2 d2= d0+2e-2r=16.79mm 螺杆接触直径 d3 d3= d0- dwcos=17.76mm 螺母 螺母螺纹外经 d1 d1= d0-2e+2r=23.21mm 螺母内径 d2 d2= d0+(0.20.255 ) dw=20.7mm 表3-2滚珠丝杠螺母副几何参数计算(4)刚度验算 = p=9(n) =0.5(cm) e=20.6x() a=3.14x=2.213 =0.099x (cm) e-钢的弹性模量 a-丝杠的最小截面积 丝杠受扭矩作用而引起的导程变化量，因扭矩很小，此项可以忽略。 导程变化总误差 =0.198 () 查表e级允许误差15，满足要求。 （5）稳定性验算 = （n） e=21x () j=0.39 () =65918 (n) =73244 滚珠丝杠三维造型图：1）丝杠的三维图（图3-1）图3-1丝杠的三维图丝杠的平面图（图3-1-1）图3-1-1丝杠的平面图2）螺母的三维造型见图3-2 图3-2 螺母的三维造型图三、导轨副的选择1 直线运动导轨的类型 直线运动导轨界面的基本形状主要有三角形，矩形，燕尾形和圆形。直线运动导轨常由两条组合而成。下面具体介绍一下他们的具体情况：三角形导轨：该导轨磨损后能自动补偿，故导向精度高。矩形导轨：优点是结构简单，制造、检验和修理方便；导轨面较宽，承载力较大，刚度高，故应用广泛。但它的导向精度没有三角形导轨高；导轨间隙需用压板或镶条调整，且磨损后需重新调整。燕尾形导轨：燕尾形导轨的调整及夹紧较简便，用一根镶条可调节各面的间隙，且高度小，结构紧凑；但制造检验不方便，摩擦力较大，刚度较差。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的场合。圆形导轨：制造方便，外圆采用磨削，内孔珩磨可达精密的配合，但磨损后不能调整间隙。2 直线导轨的要求当运动件沿着承导件作直线运动时，承导件上的导轨起支承和导向的作用，即支承运动件和保证运动件在外力（载荷及运动件本身的重量）的作用下，沿给定的方向进行直线运动。对导轨的要求如下：1）定的导向精度。导向精度是指运动件沿导轨移动的直线性，以及它与有关基面间的相互位置的准确性。2）运动轻便平稳。工作时，应轻便省力，速度均匀，低速时应无爬行现象。3）良好的耐磨性。导轨的耐磨性是指导轨长期使用后，能保持一定的使用精度。4）足够的刚度。运动件所受的外力，是由导轨面承受的，故导轨应有足够的接触刚度。5）温度变化影响小。应保证导轨在工作温度变化的条件下，仍能正常工作。6）结构工艺性好。在保证导轨其它要求的前提下，应使导轨结构简单，便于加工、测量、装配和调整、降低成本。不同设备的导轨，必须作具体分析，对其提出相应的设计要求。必须指出，上述点要求是相互影响的。3 导轨的选用1)横向传动及导轨副 横向导轨副为矩形导轨副,导轨通过高频淬火与粘贴塑料导轨板相配合,具有耐磨、防止爬行、摩擦系数小等优点。横向传动是通过步进电机和弹性套柱销联轴器把滚珠丝杠副传动连接在一起的，带动工作台来运转的。图3-3 矩形导轨的尺寸图注：1括号内的尺寸尽可能不用。 2 b为斜镶条小端厚度。表3-3 矩形导轨的尺寸表2)纵向传动及导轨副纵向导轨副为燕尾形导轨副,导轨通过高频淬火与粘贴塑料导轨板相配合,具有耐磨、防止爬行、摩擦系数小等优点。横向传动是通过步进电机和弹性套柱销联轴器把滚珠丝杠副传动连接在一起的，带动工作台来运转的。燕尾形导轨的尺寸如下图（图3-4）图3-4 燕尾形导轨的尺寸图注： 1）b为斜镶条小端厚度，滑做及镶条斜度k为1：50；1：100，镶条法向斜度-垂直于55方向的斜度k：0.82：50；0.82：100。 2） a1=a+b， b=a+1.4h， b1=a1+1.4h1 f=a+2d/2(1+cot)=a+2.921d图3-4 燕尾形导轨的尺寸图下面列出了燕尾形导轨的尺寸表（表3-5），仅列出了我们需要的型号：表3-5 燕尾形导轨的尺寸表四、联轴器的选用 1 联轴器选择原则 1） 转矩t：t，选刚性联轴器、无弹性元件的挠性联轴器或有弹性元件的挠性联轴器； t有冲击振动，选有弹性元件的挠性联轴器； 2） 转速n：n，非金属弹性元件的挠性联轴器；3） 对中性：对中性好选刚性联轴器，需补偿时选挠性联轴器；4） 装拆：考虑装拆方便，选可直接径向移动的联轴器；5） 环境：若在高温下工作，不可选有非金属元件的联轴6） 成本：同等条件下，尽量选择价格低，维护简单的联轴器； 2 联轴器的选用1） 联轴器计算扭矩 的计算公式：tca = kat =ka9550pw/n =3.47(n.m) 1.3 =4.511n.m式中： tca计算转矩，nm；t公称转矩，nm；ka工作情况系数；pw理论（名义）工作功率，kw；n工作转速，r/mm；所以：tca =4.511n.m2) 确定联轴器型号 tca由机械设计手册知，为了隔离振动与冲击，我们采用弹性套柱销联轴器tl1。其具体的平面图如下图所示（图3-5）：图3-5 弹性套柱销联轴器五、滚动轴承的选择滚动轴承是广泛运用的机械支承。其功能是在保证轴承有足够寿命的条件下，用以支承轴及轴上的零件，并与机座作相对旋转、摆动等运动，使转动副之间的摩擦尽量降低，以获得较高传动效率。常用的滚动轴承已制定了国家标准，它是利用滚动摩擦原理设计而成，由专业化工厂成批生产的标准件。在机械设计中只需根据工作条件选用合适的滚动轴承类型和型号进行组合结构设计。1滚动轴承的工作特点与滑动轴承相比，滚动轴承具有下列优点： （）应用设计简单，产品已标准化，并由专业生产厂家进行大批量生产，具有优良的互换性和通用性。 （）起动摩擦力矩低，摩擦阻力小，功率损耗小，起动容易，滚动轴承效率（0.980.99）比混合润滑轴承高。 （）负荷、转速和工作温度的适应范围宽，工况条件的少量变化对轴承性能影响不大。 （）大多数类型的轴承能同时承受径向和轴向载荷，轴向尺寸较小。 （）易于润滑、维护及保养。滚动轴承也有下列缺点： （1）大多数滚动轴承径向尺寸较大。 （2）在高速、重载荷条件下工作时，寿命短。 （3）振动及噪音较大。2 滚动轴承的设计 1）滚动轴承类型的选择按轴承用于承受的外载荷不同来分类，滚动轴承可以概括的分为向心轴承、摧力轴承和向心摧力轴承三大类。向心轴承主要承受径向载荷，摧力轴承只能承受轴向载荷。向心摧力轴承同时承受径向载荷和轴向载荷。在本次设计中主要选用角接触球轴承，可以同时承受径向载荷及轴向载荷。也可以单独承受轴向载荷，能在较高转速下正常工作，且接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。 下图为滚动轴承的寿命与载荷的关系曲线（图3-6）：图3-6滚动轴承的寿命与载荷的关系曲线其曲线方程为：l10=(c/p)其中 p为当量动载荷，n；l10为基本额定寿命，常以106r为单位（当寿命为一百万转时，l10=1）；为寿命指数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=10/3以小时数表示的轴承寿命lh为:lh=(106/60n) (c/p) 如果载荷p和转速n为已知，预期计算寿命又已取定，则所需轴承应具有的基本额定动载荷c为：c=p在较高温度下工作的轴承，应该采用经过较高温度回火处理的高温轴承，则c=由手册查得的基本额定动载荷c是以l10 =1、可靠度为90%为依据的。由此可得当轴承的当量动载荷为p时以转速为单位的基本额定寿命l10为c1= pl10若已知轴承的当量动载荷p和预期使用寿命lh ，则可按下式求得相应的计算额定动载荷c，它与所选用轴承型号的c值必须满足下式要求六 、夹具的选择1.夹具的特点：机床夹具是在切削加工中，用以准确地确定工件位置，并将其牢固地夹紧的工艺装备。它的主要作用是：可靠地保证工件的加工精度，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。因此，机床夹具在机械制造中占有重要的地位，是保证产品质量和提高劳动