机械毕业设计（论文）-LOM快速成型机的机械传动系统设计【全套图纸】.pdf

毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 0 页 装 订 线 目目 录录 1. 绪绪 论论 1 1.1 概述概述 1 1.2 快速成形的原理快速成形的原理 1 1.3 快速成形的特性快速成形的特性 2 1.4 快速成形的历史和发展快速成形的历史和发展 3 2. 总体方案总体方案 . 5 2.1 机械结构传动传动装置设计机械结构传动传动装置设计 . 5 2.2 电机的选型电机的选型 6 3. lom 型快速成型机传动系统设计型快速成型机传动系统设计 7 3.1 概述概述 . 7 3.2 传动系统的机械零件设计和计算传动系统的机械零件设计和计算 10 3.2.1 x-y 向滚珠丝杠的选择向滚珠丝杠的选择 10 3.2.2 伺服电机的选择伺服电机的选择 . 15 3.2.3 y 向滚珠丝杠的选择向滚珠丝杠的选择 18 3.2.4 伺服电机的选择伺服电机的选择： . 21 3.2.5 联轴器的选择联轴器的选择 . 21 3.2.6 运动导轨的设计运动导轨的设计 . 23 3.3 可升降工作台的实际和计算可升降工作台的实际和计算 . 24 3.3.1 z 向滚珠丝杠及伺服电机的选择向滚珠丝杠及伺服电机的选择 24 3.3.2 z 向运动导轨的设计向运动导轨的设计 29 4. 快速成形的效益和应用快速成形的效益和应用 35 结结 论论 . 37 致致 谢谢 . 38 主要参考文献主要参考文献 . 39 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 1 页 装 订 线 绪绪 论论 1.1 概述概述 众所周知，制造业是一个国家的立国之本。20 世纪下半叶以来，随着科学技术 迅速发展，制造业正在经历一场深刻的革命。产品的竞争越来越激烈，产品更新周期 越来越短。空前激烈的市场竞争迫使制造业必须以更快的速度设计、制造出性能价格 比高并能满足人们要求的产品。因此，产品快速开发的技术和手段成为了企业的核心 竞争力。在这种形式下，传统的大批量、刚性的生产方式及其制造技术已不再适应要 求，于是先进制造技术就成为世界范围内的研究热点，涌现出了计算机集成制造、敏 捷制造、并行工程、智能制造等先进的生产管理模式和净近成形、激光加工、快速成 形等先进的成形概念和技术。 产生于 20 世纪 80 年代的快速成形技术是先进制造技术的重要组成部分。 该技术 是基于离散堆积成形原理， 集成了计算机、 数控、 激光、 新材料等技术发展起来的， 与 60 年代的数控技术一样对制造业产生了巨大的影响。 快速成形经过十多年的发展，目前已有几十种工艺及相应的商品化设备。在这一 领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最新出现，研究、开发的工艺 种类也最多。其次在欧洲、日本发展规律也很快。国内在该领域的研究起步较晚，20 世纪 90 年代初开始涉足，经过几年的努力，在快速成形工艺研究、成形设备开发、 数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上了世界 发展的步伐，并有新的创新 1。 1.2 快速成形的原理快速成形的原理 快速成形是 80 年代末期开始商品化的一种高新造技术它有不同的英文名称，如 rapid prototyping （快速原型制造、 快速成型、 快速成形） 、 freeform manufacturing （自 由形式制造） 、additive fabrication（添加式制造）等，常常简称为 rp。快速成形将计 算机辅助设计（cad） 、计算机辅助制造（cam） 、计算机数字控制（cnc） 、激光、精密 伺服驱动系统和新材料等先进技术集于一体。 快速成形技术是由 cad 模型直接驱动， 快速制造任意复杂形状的三位物理实体的 技术。其核心是由 cad 模型直接驱动。首先由 cad 软件设计出所需要零件的计算机三 维曲面或实体模型，即数字模型或电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则将 模型离散为一系列有序的单元，通常在向将其按一定厚度进行离散（习惯称之为分 层或切片） ，把三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息， 进行工艺规划，选择合适的加工参数自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令 制造一系列层片并自动将它们联接起来，最终得到一个三维物理实体。这种将一个复 杂物理实体所需的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想， 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 2 页 装 订 线 大大降低了加工的难度， 并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复 杂程度无关。 快速成形由以下五个部分组成： 1) cad 模型设计 主要是解决零件的几何造型，因此需有较强的实体造型或曲 面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。目前，大多数 cad 商业 软件配有 stl 数据接口，如 pro/engineer，ug，cadkey，strim100， solidworks，autocad 系列等。 2) 向离散化 这是一个分层过程，它将 cad 模型在向上分解成一系列具有 一定厚度的薄层，厚度通常在0.050.3mm-之间。 离散化破坏了零件在 向上的连续性，使之在向上产生了“台阶” 。但从理论上讲，只要将分层 厚度定得合理，就能满足零件的加工精度要求。 3) 层面信息处理 为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状信 息转化成控制成形机运动的数控代码。 4) 层面加工与粘接 成形机根据控制指令进行二维扫描。同时进行层与层的粘 接。 5) 层层堆积 当一层制造完毕后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再加 工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完成。对完成的原型进行后处 理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。 快速成形彻底的摆脱了传统的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的 材料来得到工件， 而采用全新的增长加工方法用一层层的小毛坯逐层叠加成大工 件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，因此，它不必采用传统的加工 机床和模具，只需传统加工方法 1030的工时和 2035的成本，就能直接 制造出产品样品和模型。由于快速成形具有上述突出的优势，所以近些年来发展规律 迅速，已成为现代制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（concurrent engineering，简称 ce）的必不可少的手段 2，3。 1.3 快速成形的特性快速成形的特性 快速成形在成形概念上以离散堆积成形为知道思想； 在控制上以计算机和数控 为基础，以最大柔性为目标。因此，只有在计算机技术和数控技术高度发展的今天， 才有可能产生快速成形技术。cad 技术实现了零件的曲面和实体造型，能够进行精确 的离散运算和复杂的数据转换。 先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供了必要的 基础，这是精确高效堆积材料的前提。而材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚 实的基础，材料技术的每一项技术带来新的发展机遇。目前快速成形技术中材料的转 移形式是自由添加、去除、添加和去除相结合等多种形式，构成三维物理实体的每一 层片，一般为 2.5 维层片，即侧壁为直壁的层片，目前也出现了由三维层片构成的实 体工艺,相信在不久的将来,这种技术将形成规模应用。 快速成形技术的重要特征是： 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 3 页 装 订 线 1) 高度柔性，成形过程无需专用工具和夹具，可以制造任何复杂形状的三维实 体； 2) cad 模型直接驱动，cad/cam 一体化，无须人员干预或较少干预，是一种自 动化的成形过程； 3) 成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适合成形材料为非均质并具有功 能梯度或空隙度要求的原型； 4) 成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场； 5) 技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、激光、新材料等技术的高度 集成 3。 1.4 快速成形的历史和发展快速成形的历史和发展 从历史上看，很早以前就有“增长”制造原理，例如，1892 年，j.e.blanther 在 他的美国专利 （473901） 中， 曾建议用分层制造法制成地形图。 这种方法的原理是， 将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上,然后按轮廓线切割蜡片并将其粘接在一 起，熨平表面，从而得到三维的地形图。1902 年，carlo baese 在他的美国专利（ 774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术 “立体平板印刷术” （sterelithography）的初始设想。1940 年，perera 提出了在 硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘接成三维地形图的方法。50 年代之后，出 现了几百个有关快速成形技术的专利。其中，zang(1964)、richard meyer(1970)和 gaskin(1973) 等又提出了用一系列轮廓片形成三维地形图模型的新方法。paul dimatteo 在他的 1976 年的美国专利（3932923）中，进一步明确提出，先用轮廓跟 踪器将三维物体转换成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割使这些薄片成形，再用螺 钉、销钉等将一系列薄片连接成三维物体，这些设想与现代另一种快速成形技术 物体分层制造（laminated object manufacturing）的原理极为相似。1979 年，日本东 京大学的 nakagawa 教授开始采用分层制造技术制作实际的模具，如落料模、压力机 成形模和注塑模。 上述早期的专利虽然提出了一些快速成形的基本原理，但还很不完善，更没有实 现快速成形机械及其使用原材料的商品化。80 年代末之后，快速成形技术有了根本 的发展，出现的专利更多，仅在 1986-1998 年期间，注册的美国专利就有 274 个。这 首先是 charles w hull 在他 1986 年的美国专利（#4575330）中，提出了一个用激光 照射液态光敏树脂，从而分层制造三维体的现代快速成形机的方案。随后，美国的 3d systems 公司据此专利，于 1988 年生产出了第一台现代快速成形机 sla-250(液态光敏树脂选择性固化成形机)，开创了快速成形技术发展的新纪元。在 此后的 10 年内，涌现了 10 多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄 形材料选择性切割 （lom） 、 丝状材料选择性熔覆 （fdm） 和粉末材料选择性烧结 （sls） 等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。到 1980 年为止，全世界已拥 有快速成形机 4259 台快速成形制造公司约 27 个，用快速成形机对外服务的机构 331 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 4 页 装 订 线 个。不仅如此，还派生出一个全新的领域快速模具制造（rapid tooling）,从而使 快速成形技术为现代制造业必不可少的支柱技术。 我国自 90 年代以来也展开了相应的快速成形技术的研究和应用。有几家公司引 进了国外的 rpm 系统。清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空航天大学 等几所高等院校及北京隆源自动化有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发， 并 开始有产品问世。例如，现已研制出的样机或系统有：华中理工大学基于分层制造方 法（lom）hrp 的系统、隆源公司基于选择性激光烧结（sls）rps 的系统。1995 年 11 月召开了中国第一届快速成形技术（rpm）学术及技术展示会，1997 国家科委 专门召集了国内有关 rpm 研究和应用单位， 共同探讨了在我国推广 rpm 应用的战略。 由于各国十分重视快速成形技术，每年都有一批研究成果问世，十分复杂的零部 件已能用快速成形技术制造出来，企业应用该技术所取得的效益十分明显。rpm 设 备的需求量日益增大1,4。 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 5 页 装 订 线 1. 总体方案总体方案 机械传动部分的设计主要包括电机的选型和机械结构 x-y 水平运动传动装置和 z 轴上下移动升降装置。 2.1 机械结构传动传动装置设计机械结构传动传动装置设计 机械传动系统简图机械传动系统简图 x 轴与 y 轴的传动系统简图如图 2- 1 所示： 图 2-1 传动系统简图 传动装置是大多数机床的主要组成部分。实践证明，传动装置在整台机床的质量 和成本都占很大的比例。 机器的工作性能和运转费用也在很大的程度上决定于传动装 置的优劣。因此传动方案的选择是机械设计的重点。 在这次成型机的设计中电机到执行部件的传动装置可采取的几种方案:齿轮传 动、普通 v 带传动、同步带传动、链传动、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆传动。下面将以上 几种传动方案进行比较： 齿轮传动的承载能力和速度范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率 高，寿命长，制造安装精度要求高，噪声大，成本较高。齿轮齿条传动常用于行程较 大的大型机床上，可以得到较大的传动比，易得到高速直线运动，刚度及机械效率也 高，但传动不够平稳，传动精度不高。 普通 v 带传动的承载能力较小，传递相同转矩时结构尺寸较其他传动形式大，但 传动平稳，能缓冲振动，噪声小，经济性好。 同步带传动可保证准确的传动比，优点是传动适用的速度范围广，传动比大，效 率高（可达 98%） ，预紧力较小，轴和轴承上受的载荷较小，单位长度质量小，故允 许较高的线速度，但制造和安装精度要求较高，中心距要求严格。 链传动属于带有中间挠性件的啮合传动。 在两根平行轴间只能用于同向回转的传 动；运动是不能保持恒定的瞬时传动比；磨损后易发生跳齿；工作时有噪声；不宜在 载荷变化很大和急速反向的传动中应用。 丝杠螺母副传动中，滚珠丝杠螺母副中是滚动摩擦，摩擦损失小，传动效率高， 伺服电机 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 6 页 装 订 线 可达 0.90-0.96；丝杠与螺母预紧后，可以完全消除间隙，提高了传动刚度；摩擦阻 力小，几乎与速度无关。能保证运动平稳，不易发生低速爬行现象；不能自锁，有可 逆性。 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构， 由于蜗杆的齿 是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是逐渐进入啮合及逐渐推出啮合的，同时啮合的齿 对有较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。 综合比较几种传动方案最后选择丝杠螺母副传动适合并能满足伺服电机和工作 台的连接需要，因此传动装置选择丝杠螺母副传动。 机床的整体布局设计要根据设计要求中能成型的最大空间、 负重的载荷以及传动 关系，位移，速度，加速度，时间等一系列参数进行设计，最后得到一个能满足设计 要求并且成型机各个部件间相对位置关系协调合理的结果造型。 机械结构的主要组成有机架、工作平台、导轨。 2.2 电机的选型电机的选型 步进电机和伺服电机性能比较如下： 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目 前国内的数字控制系统中， 步进电机的应用十分广泛。 随着全数字式伺服系统的出现， 伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动 控制系统中大多采用步进电机或全数字式伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制 方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。 现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同： 两相混合式步进电机步距角一般为 3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一 般为 0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一 种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09；德国百格拉公司（berger lahr） 生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8、0.9、0.72、 0.36、 0.18、 0.09、 0.072、 0.036， 兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。 以松下全数字式交流伺服 电机为例，对于带标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技 术，其脉冲当量为 360/10000=0.036。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接 收 217=131072 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360/131072=9.89 秒。是步距角 为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有 关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决 定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应 采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技 术等。 伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。伺服系统具有共振 抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（fft），可检 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 7 页 装 订 线 测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最 高工作转速一般在 300600rpm。伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000rpm 或 3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。伺服电机具有较强的过载能力。以松下伺服系统 为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服 惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克 服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那 么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现 象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速 问题。伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内 部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为 可靠。 六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。 伺服系统的加速性能较好，以松下 msma 400w 伺服电机为例，从静止加速到其额定转 速 3000rpm 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，伺服电机在许多性能方面都优于步进电机。而且本次 lom 快速成型机 的设计属于精密车床系列。所以，本次设计传动控制系统中选择伺服电机。 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 8 页 装 订 线 3. lom 型快速成型机传动系统设计型快速成型机传动系统设计 3.1 概述概述 目前所研制的快速成型系统的系统的原理和工作方法均有很大不同， 而且分类的 方法亦有多种。现在，已有多种商品化的快速成形技术和快速成形机，其中最典型的 有如下几种： （1） 液态光敏聚合物选择性固化（stereolithography apparat , 简称为 sla 或 sl，直译名为“立体平板印刷设备” ） ； （2） 薄形材料选择性切割（laminated object manufacturing，简称为 lom，直译名为“分层物体制造” ） ； （3） 丝状材料选择 性熔覆（fused deposition modeling，简称为 fdm，直译名为“熔积成形” ） ； （4）粉 末材料选择性烧结 （selected laser sintering， 简称 sls， 直译名为 “选择性激光烧结” ） ； （5） 粉末性材料选择性粘结； （6）喷墨式三维打印等。其差别主要在于薄片所采用 的原材料类型，由原材料构成截面轮廓的方式，以及截面层与层之间的连接方式。 分层实体制造（lom）工艺又称叠层实体制造或薄形材料选择性切割，由美国的 helisys 公司的 michael feygin 于 1986 年研制成功，并推出产品化的机器。 lom 工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。 加工时， 用二氧化碳激光器 （或刀） 在计算机控制下切割片材， 然后通过热压辊热压， 使当前层与下面已成形的工件粘接，从而堆积成型。 lom 型快速成形机是由计算机、原材料、热碾压机构、激光切割系统、可升降工 作台、机架和数控系统等组成。其中计算机用于接受和存储工件的三维模型，沿模型 的高度方向提取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送进机构将存 于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸） ，逐步送至工作台的上方。热粘压 机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统按照计算机提供的横截面轮廓线，逐一 在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓线区切割成小方网格，这是为了在 成形之后能剔除废料。网格的大小据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容 易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。可升降工作台支撑正在成形的工件，并 在每层成形之后，降低一个材料厚度（通常为 0.10.2mm） ，以便送进、粘合和切割 新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，使一段段的材料逐步送至工作台的 上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。机架是整个机器的支撑。其系统见图 3-1 所示： 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 9 页 装 订 线 图 3- 1 快速成形机原理图 在 lom 快速成形机上， 截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如图 3-2 所示。 其中， 所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 10 页 装 订 线 图 3- 2 成型产品 lom 工艺中的成型材料涉及三个方面的问题， 即纸、热熔胶、和涂布工艺。纸 材料的选取、热熔胶的配置即涂布工艺的研究均要从保证最终成形零件的质量出发， 同时要考虑成本 5。 3.2 传动系统的机械零件设计和计算传动系统的机械零件设计和计算 激光切割系统是由 2 co 激光器、外光路、切割头、xy 工作台、直流伺服电机等 组成。其中，激光器的输出功率为w5025-；发射波长为mm10600；输入功率为 kw6 . 03 . 0-；冷却方式为空气冷却；激光头尺寸：;5088cm 电源尺寸： cm302020。外光路由 2 个反光镜和 1 个聚焦镜组成，它能保证焦距稳定，切割 光斑的直径为mm2 . 01 . 0-。配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束 能恰好切透正在成形的一层材料，而不会损伤已成形的下一层截面轮廓。激光切割头 由两台直流伺服电机驱动，能在 xy 平面上作高速、精密扫描运动。xy 工作台由 精密滚珠丝杠传动，用精密直线导轨导向，重复定位精度为mm10 1。 主要技术参数： 成形空间：mm400400500 激光头最大切割速度：smm/500 激光头定位精度：01. 0+mm01. 0- 3.2.1 x-y向滚珠丝杠的选择向滚珠丝杠的选择 由于电动机布局等的考虑，将 x 向滚珠丝杠放在 y 向滚珠丝杠之下，而且丝杠所 受到的载荷主要是滚珠丝杠副所受的摩擦力（重力由导轨部分来抵消，其它力暂时忽 略不计）。由于 x 方向的丝杠带动的部件重量较 y 向大，故所选用的丝杠型号以 x 向为基准。y 向丝杠的选用过程同 x 向。 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 11 页 装 订 线 计算 x 向滚珠丝杠的有关数据： 经初步估算，上拖板、y 向滚珠丝杠及螺母副、直线导轨轴和激光头及安装座等 的重量约为kg15。 工作台滚动导轨摩擦系数为005. 0，工作台最高移动速度min/30m，相当于 smm/500，显然滑动导轨不能符合要求，因为它只适合速度相对不高（导轨移动的 相对速度min/10vm）的情况；同时，静压导轨（不管是液体静压导轨，还是气体 静压导轨）的结构复杂，需要多加一部分管路和沟槽以及动力设备，会大大增加机床 的复杂程度，同时增大了产品的成本；采用滚动导轨，摩擦系数小，而且几乎与运动 速度无关， 中等尺寸部件的摩擦力一般为kgf52， 而且低速无爬行， 精度满足要求， 且寿命长（10 年），精度保持性高。类比用于坐标镗床工作台的滚动导轨，数控机 床等高精度机床中，这种导轨副的摩擦系数如下表： 表 3.1 摩擦系数 导轨材料 摩擦系数 k f 淬火钢 cm001. 0 铸铁 cm0025. 0 为提高 x、y 向传动系统的刚度，丝杠两端采用固定支承（f-f），每个轴承座内 安装一个滚针和一对推力组合轴承（详见6）。 由于本机床要求的定位精度为mmum 300/20，且工作台的最大行程为mm500， 移动最大速度为）（min/30/500msm=；同时，设丝杠寿命hlh/20000，工作可靠性 %96；滚珠丝杠副的传动效率可达%98%85 7，传动可逆性好，效率与正传动几乎 相同。依据以上的这些设计参数，可得： 1丝杠载荷 6： 对于采用三角形或综合导轨的机床， 滚珠丝杠副的轴向载荷可以近似使用以下 公式计算 )( ngfkff zxa +=m （2-1） 15. 1=k（考虑颠覆力矩影响的实验系数）； 18 . 0 15 . 0 =m（导轨上的摩擦系数）； nmgg1478 . 915=（移动部件的重量） 0,的切削分力为 zx ff 所以，nfa46.26)1470(18 . 0 015 . 1 =+= 导轨摩擦力 nmgf735 . 0 8 . 915005 . 0 =m m 快速移动载荷为.490. 0n 导轨摩擦力丝杠移动部件轴向载荷总载荷 nf195.27735 . 0 46.26=+= 以上为丝杠副的轴向载荷计算。 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 12 页 装 订 线 工作台最大速度：.min/30min/3000060500/500 max mmmsmmv=2.电机 转速最大 2500r/min 2.丝杠导程 h p 滚珠丝杠导程： 工作台最大速度min/30000 max mmv= mmph12 2500 30000 = 3.初选滚珠丝杠 （1）计算动负荷 a n h aj f fk k c = （2-2） 其中： 寿命系数: 3 1 ) 500 ( h h l k = （2-3） hlh20000= 42 . 3 ) 500 20000 ( 3 1 = h k 转速系数: 3 1 ) 3 . 33 ( n kn= （2-4） 237 . 0 ) 2500 3 . 33 ( 3 1 = n k 查表，选用两端固定（f-f）, 可提高x、y向传动系统的刚度，每个轴承座内安 装一个滚针和一对推力组合轴承。 适用于高速、高精度、高刚度的丝杠。 影响滚珠丝杠副寿命的综合系数(电p829) （2） w kaht f ffff f= （2-5） 当滚珠丝杠副在较高转速（一般转速min/1000rn ）下工作时，应按其使用寿 命选择基本尺寸，并校核其承载能力是否超过额定动负荷。 由表查得 温度系数 1= t f（工作温度小于100） 硬度系数 )6258( 1 hrcfh=（p731） 精度系数 0 . 1= a f（精度等级4级）（p749） 可靠性系数 53 . 0 = k f 负荷性质系数 1= w f（p827） 53 . 0 1 53 . 0 111 = = f 滚珠丝杠副的轴向负荷195.27=ffa（p829） 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 13 页 装 订 线 ncaj442.740 53 . 0 237 . 0 195.2742 . 3 = = 以上是在较高速和定工作负荷的情况下，滚珠丝杠副的运用方法。 （3）确定允许的最小螺纹底径 m d2（计算步骤参见12第五版第三卷12章） 估算丝杠允许的最大轴向变形量 m d 由表12-1-40中式（8） ) 4 1 3 1 ( = m d重复定位精度 (2-6) 重复定位精度=10um ) 4 1 3 1 ( = m d重复定位精度um5 . 23 . 3= 由表12-1-40中式（9） ) 5 1 4 1 ( = m d定位精度 (2-7) 定位精度=20um ) 5 1 4 1 ( = m d定位精度um0 . 40 . 5= 取两结果最小值um m 5 . 2=d 按表12-1-40中式（11） wuf 00 = (2-7) nwuf735 . 0 8 . 915005 . 0 00 =（按无工件空载启动检验精度） )2 . 11 . 1 (=l行程 h p)14(10+ (2-8) )2 . 11 . 1 (=l行程mmph786670168120600550)14(10=+=+ 取700mm 丝杠要求预拉伸，取两端固定支撑形式a=0.039代入表12-1-40中式（10） m m lf ad d 0 2 = (2-9) mm lf ad m m 56 . 0 5 . 2 700735 . 0 039 . 0 0 2 = = d 4.确定滚珠丝杠副的规格代号 由 gb/t 17587.2-1998 试初选需用型内循环大导程预紧滚珠丝杠，型号为 1012ct 查表得 mmd20 0 = mmdmmd m 56 . 0 9 . 15 22 = ncnca aj 442.74011414= mmdw969. 3= ncoa23418= umnkc/305= 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 14 页 装 订 线 同时查的螺母长mml68=同时选定 jb/t3162 推荐的固定轴端形式: mmd20 0 =, 采用一对 df 型 760202 角接触球轴承，从表可查的一个支撑长为mm50 5.临界转速校核 min)/(9910 2 2 2 2 r l df n c c = (2-10) 高速运转的丝杠有可能发生共振，需要校核临界转速，不发生共振的最高转速称 为临界转速，以 c n 表示。 丝杠支承方式系数 730 . 4 2 =f 丝杠螺纹底径： mmd 9 . 15 2 = 临界转速计算长度 mmlu64840268500=+=mmlc600 2 648700 40 2 68 500= - += 9386 6 . 0 0159 . 0 73 . 4 9910 2 2 = = c n max n 所以，非常符合要求。 6.压杆稳定性校核： 两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性。 7.预拉伸计算（设温升为5 . 3，工作前均衡温度场） （1）温升引起的伸长量 t d t d ut l tda (2-11) 线膨胀系数 cl t o /1011 6- =a 丝杠温升td，一般取c o 53 螺纹有纹长度mmlu648= mmmmm t md25024948 . 0 6485 . 31011 6 = - （2）丝杠全长伸长量 tz d mmm tz md27026950 . 0 7005 . 31011 6 = - （3）预拉力 t f u t t l ae f d = (2-12) 195.277596101 . 2 648 . 0 01524 . 0 4 1027 11 26 = = - m u t t fn l ae f p d 8.定位精度校核 （1）丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 15 页 装 订 线 6 max 10 4 = ae fl s d (2-13) m f ae fl s m p d1065 . 0 10 101 . 201524 . 0 4 4 )195.276 . 0(6 . 0 10 4 6 112 6 max = = （2）丝杠与螺 母间的接触变形 c c k f =d (2-14) 由表，查得大导程ct1012滚珠丝杠副的接触刚度 mnkcm/305= 所以，快移时接触变形量 m k f c c md0892 . 0 305 195.27 = 由于采用的是组合轴承，故轴承的接触变形可忽略不计。 （3）丝杠系列的总位移 cs ddd+= max (2-15) m cs mddd1957 . 0 0892 . 0 1065 . 0 max =+=+= 由于 maxs d发生在螺母处于丝杠中部处，而 c d与螺母位置无关。所以，以上求得的 位移均为mm300/1957. 0。 （4）定位精度 查表，取丝杠等级为2级的丝杠任意mm300行程内行程公差为mm8。加上快移时 的总位移为mm1597 . 0 ，可以满足点位控制精度300/02. 0的要求。 总结： 根据计算结果可选用丝杠副型号为500700/151012-ct，两端支承为fe、 型的支承方式，轴承选用型号为tvp760202型组合轴承。 3.2.2 伺服电机的选择伺服电机的选择 参数：估算工作台重量为kgm20=；工作台移动速度smmv/500 max =；摩擦系 数为005. 0；联轴器效率为%90；进给丝杠长为mml700=；进给丝杠直径为 mmd20=；丝杠导程mmp12=。 1 8计算丝杠转速 p v nl max 1000 = (2-16) min/2500 12 605 . 010001000 max r p v nl= = 2折算到电动机上的转动惯量 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 16 页 装 订 线 设电动机额定转速min/2500rnm=，传动比为1=i，则 工作台的 2 gd ： 2 2 1 = m l l n v mgd p (2-17) 236 2 2 2 1 .1086 . 2 10 14 . 3 2 12 208 . 94mn n v mgd m l l - = = = p 进给丝杠的 2 gd 1242 2 1077 . 0 44 - =ldggjgdl (2-18) 231241242 2 1038 . 3 107002077 . 0 8 . 941077 . 0 44mnldggjgdl= - 联轴器的 2 gd 2422 3 1045 . 2 01 . 0 8 . 925 . 0 mngdl= - 总的 232 10485 . 6 mngd ml = - 负载转矩 ph2 8 . 9 h l ump t = (2-19) mnmn ump t h l = = -3 1020021 . 0 9 . 014 . 3 2 012 . 0 20005 . 0 8 . 9 2 8 . 9 ph 负载运行功率 60 2 0 lmt n p = p (2-20) w tn p lm 66 . 0 60 0021 . 0 300014 . 3 2 60 2 0 = = = p 计算所需的加速功率 3 . 2 10356 = a m ml a t ngd p (2-21) w tt ngd p aa m ml a 93.10 10356 600010485 . 6 10356 3 3 3 . 2 = = = - 其中：s mm ngdgd t lsm m lmm a 01 . 0 )(365 )( 22 = - + = 计算稳定运行力矩 hp m m lm l n mv m 2 = 2-22) mn n mv m m lm l = = -3 10212 . 0 %90250014 . 3 2 3020005 . 0 2hp m 试初选用小惯量直流伺服电机其主要参数为6 表3.2 sz系列电磁式直流伺服电机主要技术参数 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 17 页 装 订 线 型号 转矩 mn -3 10 转速 min)/(r 功 率 )(w 电 压 )(v 最大电流 )(a 总 长 )(mm 外径 )(mm 55sz01 64.48 3000 20 24 1.55/0.43 112 53f 3选用另一种方法验证： 负载功率wsmnvffvp al 598.13/5 . 0195.27 = 设选用联轴器的传递效率为90，则 lm pp%90= 所需电机功率为wpm11.15= 又 mlm wtp = 电机转速sradr n m /262min/ 60 250014 . 3 2 60 2 = = p w 电机转矩mnmn p t m m l = -3 10 7 . 570577 . 0 262 11.15 w 又mntt lm = -3 10 7 . 57 所列参数如下 mntm= -3 10 7 . 57 min/2500rnm= 综上，选择小惯量直流伺服电机其主要参数如下： sz系列电磁式直流伺服电机主要技术参数 型号 转矩 mn -3 10 转速 min)/(r 功 率 )(w 电 压 )(v 最大电流 )(a 总长 )(mm 外径 )(mm 55sz01 64.68 3000 20 24 1.55/0.43 112 53f sz系列电磁式直流伺服电动机，具有体积小，重量轻，伺服性能好，力学指标高 等优点，广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件。 sz系列电动机是数控机床和其它数控装置伺服系统的执行元件。具有体积小，重 量轻，承受过载能力强，起动转矩大，反应快等优点。检测元件可采用脉冲编码器或 测速发电机。 同时，所选用的伺服电机应满足以下条件： 2 ml gd 2 3 m gd 电动机额定输出功率)21 ( 0 +ppa wppa59.1166 . 0 93.10 0 =+=+ 满足条件，试选电机合适。 wpm11.15= 毕业设计（论文）说明书 共 39 页 第 18 页 装 订 线 3.2.3 y向滚珠丝杠的选择向滚珠丝杠的选择 因为 x 向滚珠丝杠在 y 向丝杠之下，而且丝杠受到的力主要是滚珠丝杠副所受 的摩擦力，故所选的丝杠以 x 向丝杠为计算机基准。 y 向滚珠丝杠基本设计参数： 载荷重量 g： 152kg 工作台最大行程： 400mm 工作台导轨摩擦系数： 动摩擦系数： m=0.005; 静摩擦系数： 0m =0.005 要求寿命： 20000 小时（两班制工作十年） 丝杆切割转速： 2000/minr 工作时间百分比：90% 丝杆快速进给转速： 2500/minr 工作时间百分比：10% 定位精度： 20mm/300mm 重复定位精度： 10mm 工作台最高移动速度： 30/minm 计算步骤同 x 方向滚珠丝杠相同6， 1. 载荷丝杠 对于采用三角形或综合导轨的机床， 滚珠丝杠副的轴向载荷可以近似使用以下 公式计算 15. 1=k（考虑颠覆力矩影响的实验系数）； 18 . 0 15 . 0 =m（导轨上的摩擦系数）； nmgg 6 . 14898 . 9152=（移动部件的重量） 0,的切削分力为 zx ff 所以，nfa128.268) 6 . 14890(18 . 0 =+= 导轨摩擦力 nmgf448 . 7 8 . 9152005 . 0 =m m