钢条加工过程中及传送设计说明书.doc

I 目录 第二章 总体设计方案2 2.1 总方案的确定2 第三章 伺服电机的选择3 3.1 选择伺服电机3 3.1.1 最大的切削负载转矩计算.3 3.1.2 负载惯量计算.3 3.1.3 空载加速转矩计算.4 第四章 联轴器设计6 4.1 联轴器的种类和特性6 4.2 联轴器的选择6 4.3 键的校核7 第五章 滚珠丝杠的设计8 5.1 滚珠丝杠的工作原理8 5.2 滚珠丝杠的结构类型9 5.2.1 滚珠循环方式：.9 5.2.2 轴向间隙的调整和预紧方法：.9 5.2.3 滚珠丝杠的安装：9 5.2.4 材料的选择：.10 5.3 滚珠丝杠副的承载能力及其选用10 5.3.1 纵向进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用.10 5.3.2 横向水平进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用.13 5.4 滚珠丝杠的防护15 第六章 致谢16 参考文献17 钢条加工过程中的传送设计 2 第二章 总体设计方案 2.1 总方案的确定 由以上数据可以看出，该钻铣床为小型机床，且为立式。主要加工对象为普通 45 号钢，加工并不困难，精度要求也不是非常高。所需要的功率也不大。因此，工作台 的纵向和横向的移动通过丝杠来实现，按滚珠的循环方式可分为 弯管式 回球器 式 端盖式。如图 2-1 图 2-1 弯管式丝杠副 弯管式丝杠副与丝母之间设有滚珠转动沟道,滚珠对沟道产生轴向负载,滚珠在丝 杠轴周围做滚动运动之后,进入镶在丝母内部的弯管口内,并沿弯管再次向负载区循环, 从而进行无限滚动运动。这种产品（如图 2-2）是滚珠丝杠副中品种最丰富的普及型 产品，可广泛用于各种用途。 图 2-2 螺母丝杠副 钢条加工过程中的传送设计 3 根据题目给出的要求，在工作台控制滑动的是才用的是 WL1 型有衬套的丝杠结构。 第三章 伺服电机的选择 3.1 选择伺服电机 伺服电机的选择用，应考虑三个要求：最大切削负载转矩，不得超过电机的额定转 矩；电机的转子惯量应与负载惯量相匹配（匹配条件可根据伺服电机样本提供 M J r J 的匹配条件，也可以按照一般的匹配规律） ；快速移动时，转矩不得超过伺服电机的最 大转矩。 3.1.1 最大的切削负载转矩计算 所选伺服电动机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载矩可根据公T 式计算可得，即 3)-(3.4 2 00 max iTT PF T fp h 其中，从前面的计算已知，最大进给力，丝杠导程，NF5112 max mmmPh01 . 0 10 预紧力，查丝杠样本，滚珠丝杠螺母副的机械效率。因滚珠丝杠NFp140009 . 0 预加载荷引起的附加摩擦力矩 mN PF T hp P 7 . 4 8 . 29 01 . 0 14000 8 . 29 0 查哈尔滨轴承总厂角接触推力球轴承组配技术条件 ，得 7602030TVP 单个轴承 的摩擦力矩为 0.32,故一对轴承的摩擦力矩。简支端轴承不预紧，mN mNTf64 . 0 0 其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机丝杠直连，其传动比，则最大切削负载转1:1i 矩 mNT 38.1464 . 0 7 . 4 9 . 02 01 . 0 5112 故所选伺服电机的额定转矩应大于此值。 3.1.2 负载惯量计算 伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。 M J L J 钢条加工过程中的传送设计 4 工件夹具与工作台的最大质量为 285.7kg，折算到电动机轴上的惯量可按公式计算 1 J 得： 5)-(3.4 0007. 0 2 01. 0 7 . 285 22 2 222 2 1 mkg P m n nP m v mJ hh 式中 工作台移动速度，；vsm/ 伺服电机的角速度，；srad / 直线移动工件夹具和工作台的质量，kg。m 丝杠名义直径，长度，丝杠材料（钢）的密度mmmD04 . 0 40 0 ml2 . 1 。则丝杠加在电动机轴上的惯量，根据公式可知： 33 /108 . 7mkg 6)-(3.4 0024 . 0 32 04 . 0 2 . 1108 . 7 32 1 2 43 4 02 mkglDJ 联轴器节加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到，即 3 J 2 3 001 . 0 mkgJ 故负载总惯量 5)-(3.4 0041 . 0 001 . 0 0024 . 0 0007 . 0 2 321 mkgJJJJL 按式 3.44 中小型数控机床惯量匹配条件， ，所选伺服电动机的转4/1 LM JJ 子惯量应在 0.00540.021范围之内。 M J 2 /mkg 根据上述计算可初步选定伺服电动机，如果选用直流伺服电动机，可选北京数控设 备厂的 FB15 型直流伺服电动机，其额定转矩为，大于最大切削负载转矩mN 6 . 17 ；转子惯量，满足匹配要求。如选用交流伺服电动机，可mN 38.14 2 .015 . 0 mkgJM 选用交流伺服电动机，可选 BESK20 型。其额定转矩为，转子惯量mN 5 . 22 ，最大输出转矩，机械时间常数，满足要求。 2 .014 . 0 mkgJMmNT147 max mstM6 FB15 型直流伺服电动机的主要技术参数为： 最高转速：1500 max nmin/r 额定转矩：17.6 R TmN 最大转矩：154 max TmN 转子惯量：0.019 M J 2 mkg 反电动势系数：0.58 e KradVs/ 转矩系数：0.57 t KAmN/ 电枢直流电阻：0.26 M R 机械时间常数：15.2 ms M t 钢条加工过程中的传送设计 5 3.1.3 空载加速转矩计算 当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快移）速度时，所需的空载加速转 矩按公式求得，即 a T 8)-(3.4 60 2 max ac a t n JT 空载加速时，主要克服的是惯性。如选用 FB15 直流伺服电机，总惯量： 29)-(5 0191 . 0 0041 . 0 015 . 0 2 mkgJJJ LM 加速时间通常取的 34 倍，故 ac t M t （34）(34)15.2=45.660.8ms=0.04560.0608s ac t M t 则 49.3265.76 ac a t T 60 15002 0191 . 0 mN BESK20 型交流伺服电动机的6ms,故 M t 18 ms24 ms0.018s0.024ms ac t 则 125167 ac a t T 60 15002 0191 . 0 mN 空载加速转矩不允许超过伺服电动机的最大输出转矩。由此可见，FB15 a T max T 型直流伺服电动机的49.3265.76,满足设计要求；BESKmNT154 max a TmN 20 型交流伺服电动机的略小于，也可使用，但加速时间较长。 max T a T 经过比较从成本与造价方面考虑本题采用 BESK20 型交流伺服电动机。 钢条加工过程中的传送设计 6 第四章 联轴器设计 4.1 联轴器的种类和特性 联轴器的所连接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影 响等，往往不能保证严格的对中，而是存在某种程度的相对位移，如图 4-1 所示两种 相对位移等。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适 应一定范围的相对位移能力。 轴向位移 径向位移 图 4-1 轴的相对位移 根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移的条件下保持 连接的功能） ，联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力） 两大类。 4.2 联轴器的选择 由于这里伺服电机和丝杠的轴在同一直线上具有很好的对中，有轴向位移。所以 选用刚性联轴器，刚性联轴器里套筒联轴器能很好的满足结构要求且结构相对简单便 于安装，所以选用套筒联轴器。自行设计联轴器如图 4-2 所示： 钢条加工过程中的传送设计 7 图 4-2 套筒联轴器 4.3 键的校核 套筒与丝杠连接是用普通圆头平键。轴径为 30mm，传动转矩为 44.8Nm,载荷稳 定。 选择键的类型：选 A 型普通平键。 确定键的尺寸：查表可选键的尺寸为 bhl=10855 mm 挤压强度：按式（10-32） ，并取 ；，则工作4 2 h KmmbLl451055 表面的挤压应力为： 3 2244.8 10 16.59 8 45 30 2 p T MPa kld ，故联结能满足挤压强度要求。MPaMPa pp 605092.22 钢条加工过程中的传送设计 8 第五章 滚珠丝杠的设计 5.1 滚珠丝杠的工作原理 滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置。其工作原理如图 5-1 所示在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧槽合起来便形成了螺 旋滚道，在滚道内装入滚珠，迫使二者发生轴向相对位移，为了防止滚珠从螺母中滚 出来在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭 合回路。由于滚珠的存在，丝杠和螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运 动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下，即达到同样运动结果所需 的动力为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很有帮助。滚珠丝杠副是用制造机械设备 连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度和湿度 进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。滚珠丝杠副由于是 利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精 确的微进给。滚珠丝杠副可以加压，由于压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的 刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可 使丝母部的刚性增强)。滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给 (运动)。 钢条加工过程中的传送设计 9 图 5-1 滚珠丝杠螺母工作原理图 5.2 滚珠丝杠的结构类型 5.2.1 滚珠循环方式： 滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触称谓为外循环。本方案采用外循环方式的螺旋 槽式。在螺母外圆上铣有回珠槽，两个挡珠器分别位于回珠槽与螺母的螺旋滚道的联 接处，利用挡珠器一端修磨的圆弧引导滚珠离开螺旋滚道进入回珠槽，以及引导滚珠 由回珠槽返回螺旋滚道，形成外循环回路。 螺旋槽式滚珠循环回路转折平缓，便于滚珠循环，同时结构简单、加工方便，因 此在数控机床中应用较为广泛。 5.2.2 轴向间隙的调整和预紧方法： 滚珠丝杠螺母的轴向间隙调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同，即通过调 整滚珠螺母的轴向相对位置，使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面。 本设计的间隙调整采用螺纹调隙式。一个滚珠螺母的外端有凸缘，而另一个外端 没有凸缘而设有螺纹。用双螺母对双滚珠螺母进行轴向位置的调整和固定。旋转前螺 母可使双螺母产生轴向相对位移，达到调整轴向间隙的目的，而用后螺母进行锁紧， 这种方法结构简单。调整方便，因此应用广泛。缺点是调整量难以精确控制。 5.2.3 滚珠丝杠的安装： 1 支承方式 钢条加工过程中的传送设计 10 按照怎样安排承受推力的轴承来分，有四种支承方式， a、双推双推；b、双 推支承 ；c、单推单推；d、双推自由。本仿案采用 c、单推单推支 承方式。 数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母机构的正 确安装及其支承，结构刚度也是不可忽视的因素，滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及 支承刚度不足，会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降。 丝杠的支承轴承采用滚珠丝杠专用轴承，这是一种特殊的向心推力球轴承，其接 触角增大到 60 度，增加了滚珠的数目并相对减少了滚珠直径，使轴向刚度增大到普通 向心推力球轴承的两倍，该轴一般是成套出售，出厂时已调好预紧力，使用极为方便。 丝杠两端的轴承座孔与滚珠螺母座孔应保证严格的同轴度，同时要保证滚珠螺母 与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度，保证轴承支座和螺母支座的整体刚度、局 部刚度和接触刚度等。 本方案选用 T 类螺纹调整滚珠丝杠副。 5.2.4 材料的选择： 滚珠丝杠： GCr15 整体淬火 硬度 5860HRC 滚珠螺母： GCr15 整体淬火 硬度 6062HRC 外循环挡珠器：65Mn 整体淬火 硬度 56HRC 5.3 滚珠丝杠副的承载能力及其选用 5.3.1 纵向进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用 滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷（C）和额定静载荷（）来表示，它的定 o C 义、计算和选用方法和滚动轴承基本相同。一般额定动载荷或额定静载荷选用滚珠丝 杠副的尺寸规格；只有细厂而又承受压缩载荷的滚珠丝杠副，才需要压杆稳定性的核 算，对转速高，支撑距离大的滚珠丝杠副，才做临界转速的核算；对精度要求高的滚 珠丝杠副，才做刚度的核算。 按额定动载荷选用 额定动载荷 C 是指一批相同规格的滚珠丝杠副，经过运转一百万转（相当于在转 钢条加工过程中的传送设计 11 速 n=的条件下，运转 500 小时）后，90%的滚珠丝杠副不产生疲劳剥伤min/ 33 1 33r （或称为点蚀，是滚珠丝杠副的主要失效形式）时的轴向载荷。 不同规格的的滚珠丝杠副的额定载荷植见表 5.7-3542。实际应用中，由于预期的 总运转时间（寿命） 、转速、载荷性质等与得到额定动载荷值的条件不同，必须根据已 知条件，按式（5-1）折算成与之相当额定动载荷值，只要选用的滚珠丝杠副的额定动 载荷值等于或大于由式（5-1）计算所得的 C 值，这些滚珠丝杠副就可以在给定的条件 下和预期的寿命内安全地工作。 hdH d n f f f CPkgf f (5-1) 式中 ，根据预期的寿命（） ，查寿命系数 h f 3 1 ) 500 ( h h L f )(hLh选取按表15 h L 图 5.7-89，取 15000h，。 h L1 . 3 h f 表 5-1 滚珠丝杠的预期工作寿命 h L 机床类别工作寿命 一般机床，组合机床 数控机床，精密机床 机床的移动机构和辅助机构 10000 15000 50008000 521.2 dd ff 载荷性质系数，按表选取，取； 表 5-2 载荷系数 d f 载荷性质 d f 平稳，轻微冲击 中等冲击 较大冲击，振动 11.2 1.21.5 1.52.5 表 5-3 硬度影响系数及 H F H f 硬度 HRC585552.55047.54540 动载荷硬度影响系数 静载荷硬度影响系 1.0 1.0 1.11 1.11 1.33 1.40 1.56 1.67 1.92 2.1 2.4 2.65 3.85 4.5 531.0 HH ff 动载荷影响系数，按表选取，取； 钢条加工过程中的传送设计 12 n f 转速系数，根据已知的 n，可查图 5.7-90, n 取 100r/min,所以 3 1 ) 3 . 33 ( n fn =0.69; n f 当量轴向载荷(kgf), 取 500kgf。 d P d P 所以可得 3.1 1.2 1.0 500 0.69 2695.7 hdH d n f f f CP f kgf 按额定静载荷选用 额定静载荷 O C 是指滚珠丝杠副在静止状态下，承载最大接触应力的滚珠和滚道接 触面的塑性变形量之和滚珠直径万分之一时的轴向载荷。 如果滚珠丝杠副的载荷是静载荷，或其转速小于 10r/min,这时应按额定静载荷选用， 使其值符合下式的要求： o C , maxodH Cf fPkgf (5-2) 式中 521.4 dd ff 载荷性质系数，按表选取，取； , 53 HH ff 静载荷影响系数，按表选取，取1. 0； max P 最大轴向载荷(kgf)， max P 取 1500(kgf)。 所以可得： , max 1.4 1.0 1500 2100 odH Cf fP kgf 临界转速 c n （r/min） 7 2 10 L d fn sp c 式中 丝杠底径（mm） ，=38.5； sp d sp d 支撑方法有关的临界转速系数，见表 5-4，取 15.1；ff 支承方式 Fm 钢条加工过程中的传送设计 13 双推双推 双推支承 单推单推 双推自由 21.9 15.1 9.7 3.4 20.3 10.2 5.1 1.3 表 5-4 系数 f 和 m 丝杠支撑间距（mm） ，取 1000mm。LL 所以可得 7 2 7 2 10 15.1 38.5 10 1000 5813.5 /min sp c d nf L r 转速远远大于电机的最大转速，所以合适。 查8 型外循环螺纹调整预紧的带套的双螺母滚珠丝LW1 杠副,表 5.7-37 得：6008 额定动载荷 3120kgf 额定动载荷 14600kgfLW1 额定动载荷和额定静载荷都符合要求。 5.3.2 横向水平进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用 滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷（C）和额定静载荷（）来表示，它的定 o C 义、计算和选用方法和滚动轴承基本相同。一般额定动载荷或额定静载荷选用滚珠丝 杠副的尺寸规格；只有细厂而又承受压缩载荷的滚珠丝杠副，才需要压杆稳定性的核 算，对转速高，支撑距离大的滚珠丝杠副，才做临界转速的核算；对精度要求高的滚 珠丝杠副，才做刚度的核算。 按额定动载荷选用 (5-3)(kgfP f fff C d n hdh 1 3 , 500 5515000 , h hh hh L ffh Lh f h h 寿命系数，根据预期的寿命L 其中L 按表选取，查图5. 7-89，取=3. 1； 表 5-5 滚珠丝杠的预期工作寿命 h l 钢条加工过程中的传送设计 14 机床类别工作寿命 一般机床，组合机床 数控机床，精密机床 机床的移动机构和辅助机构 10000 15000 50008000 561.2 dd ff 载荷性质系数，按表选取，取； 表 5-6 d f 载荷性质 d f 平稳，轻微冲击 中等冲击 较大冲击，振动 11.2 1.21.5 1.52.5 571.0 HH ff 动载荷影响系数，按表选取，取； 转速系数，根据已知的 n，可查图 5.7-90, n 取 100r/min, n f 3 1 3 . 33 n fn 所以=0.69; n f 当量轴向载荷(kgf), 取 200kgf。 d p d p 所以可得 3.1 1.2 1.0200 0.69 1078.26 hdH d n f f f CP f kgf 表 5-7 硬度影响系数及 H fHf 按额定静载荷选用 额定静载荷是指滚珠丝杠副在静止状态下，承载最大接触应力的滚珠和滚道接 o C 触面的塑性变形量之和滚珠直径万分之一时的轴向载荷。 硬度(HRC)585552.55047.54540 动载荷硬度影响系数 静载荷硬度影响系 1.0 1.0 1.11 1.11 1.33 1.40 1.56 1.67 1.92 2.1 2.4 2.65 3.85 4.5 钢条加工过程中的传送设计 15 如果滚珠丝杠副的载荷是静载荷，或其转速小于 10r/min,这时应按额定静载荷选用， 使其值符合下式的要求： o C , maxodH Cf fPkgf (5-4