毕业论文-复合式波浪能实验台设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 XX 毕业设计毕业设计( (论文论文) ) 课题名称课题名称 复合式波浪能实验台设计 系 别 专 业 班 级 学 号 姓 名 指 导 教 师 教研室主任 系 主 任 年 月 日 毕业设计（论文） II 摘 要 本文全面阐述了运动机构的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺 母副的优点。详细介绍了运动机构的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技 术参数。 其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进 行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及 厂家的选择等。 关键词关键词：运动机构，数控，伺服电机，滚珠丝杠 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract This paper describes the structure and principle, five axis surface induction hardening machine design features, discusses the advantages of using servo motor and ball screw nut pair. This paper introduces in detail the structure design and calculation of five axis surface induction hardening machine, and analyses the. In addition a summary of the relevant technical parameters. The paper introduces the principle and selection of ball screw, ball screw system of production, application and other aspects were introduced. Including the principle and type selection, parameter selection, manufacturer of precision, circulation mode selection, selection and matching host selection. Key Words:Key Words: five axis surface induction hardening machine, CNC system, servo motor, ball screw 毕业设计（论文） IV 目 录 摘 要. II Abstract III 目 录. IV 第 1 章 绪 论1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外发展现状.1 1.3 波浪能应用的发展趋势.3 1.4 本课题的研究内容及意义4 第 2 章 设计的内容及要求5 2.1 课题的主要内容和基本要求5 2.2 进度计划与应完成的工作5 2.3 设计的内容.5 2.3.1 数控装置总体方案的确定. 5 2.3.2 机械部分的设计. 5 2.3.3 编写设计说明书. 6 2.4 运动机构主要部件及运动方式的选定.6 第 3 章 滚珠丝杠进给系统的设计计算7 3.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计.7 3.1.1 滚珠丝杠副的传动原理. 8 3.1.2 滚珠丝杠副的传动特点. 8 3.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整. 8 3.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法. 10 3.2 滚珠丝杠的选择 11 3.2.1 滚珠丝杠的精度.11 4.2.2 滚珠丝杠参数的计算. 12 3.3 伺服电机的选择15 3.3.1 最大切削负载转矩的计算 15 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.3.2 负载惯量的计算 16 3.3.3 空载加速转矩计算 17 3.4 滑动导轨的选择计算17 3.4.1 工作载荷的计算 18 3.4.2 小时额定工作寿命的计算 18 3.4.3 距离额定工作寿命的计算 18 3.4.4 额定动载荷计算及选型 19 3.5 联轴器的选择19 3.6 轴承的选择20 3.7 滚珠丝杠副的安全使用.21 3.7.1 润滑. 21 3.7.2 防尘. 21 3.7.3 使用 21 3.7.4 安装. 22 第 4 章 增速器的设计22 4.1 电动机的选择电动机的选择 22 4.2 齿轮传动件的设计计算齿轮传动件的设计计算 24 4.3 轴的计算轴的计算 28 4.4 滚动轴承的选择及计算滚动轴承的选择及计算 37 4.5 连接件的选择连接件的选择及润滑及润滑 .38 4.6 增速器润滑与密封增速器润滑与密封 39 第 5 章 浮块的设计39 总结42 参考文献43 致 谢44 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 从石油危机开始，各国开始把注意力转移到本地资源和寻找最适宜的廉价能源上，21 世 纪是海洋的世纪，人类向大海索取能源成为必然趋势，沿海地区把希望寄在汹涌澎湃的巨浪 上利用波浪能发电。波浪能在海洋中无处不在，无处不有，而且受时间限制相对较小， 在很大程度上克服了潮汐能的这些缺点，同时波浪能的能流密度最大，可通过较小的装置提 供可观的廉价能量，又可以为边远海域的国防、海洋开发等活动提供能量，因此，世界各海 洋大国均十分重视波浪能的开发和利用的研究。波浪能的开发和利用是一个涵盖多个学科的 综合性问题，涉及到机械设计与制造，空气动力学，流体力学，物理学，数学模型，计算机 模拟，海洋科学等各领域1。 波浪能实质上是吸收了风能而形成的，能量传递速率与风速和风与水相互作用的距离直 接相关，由于受各种气候条件的影响，加上风能本身具有很大的不确定性，因此波浪能是不 稳定的一种能源。波浪能以海洋表面波浪所蕴含的动能与势能形式存在，水相对于海平面发 生位移时，使波浪具有势能，而水质点的运动，则使波浪具有动能2。 1.2 国内外发展现状 在国外，1799 年，法国的吉拉德父子，获得了利用波浪能的首项专利。英国具有世界上 最好的波浪能资源。从 20 世纪 70 年代开始，英国将波浪发电研究放在新能源开发的重要位 置。20 世纪 80 年代，英国已成为世界波浪能研究的中心。日本平均波能约为 13 kW/km（近 海）和 6 kW/km（沿岸） ，沿海的波浪可利用能量估算约 20 GW，可满足国内能源总需求量的 1/3。挪威的波浪发电研究起始于 20 世纪 70 年代，虽然起步晚但是发展十分迅速。挪威主要 对波浪发电装置的理论设计做出了较大贡献，提出了相位控制原理和喇叭口收缩波道式波能 装置等。葡萄牙的海浪发电研究起步较晚，技术以引进为主。但葡萄牙有着发展波浪发电得 天独厚的自然条件优势， 政府和科研机构对海浪能资源也越来越重视。 此外， 葡萄牙还于 2008 年引进英国的海蛇发电机组， 在此海洋实验区建立了世界上第一个商业规模的波浪发电站3。 2 图1-1 英国海蛇发电装置 图1-2 海洋浮体发电装置 我国拥有着 473 万千米 的海洋、189 万千米绵延的海岸线，可以说有着富饶的海洋能 资源。据现有观测资料统计，全国沿岸波浪能资源平均理论功率大约为 1000 余万千瓦。波力 发电技术始于 20 世纪 70 年代。1989 年，我国第一座实验波力电站建成。首座波力独立发电 系统汕尾 100kW 岸式波力电站于 1996 年 12 月开工， 2001 年 2 月完成进入试发电和实海况试 验阶段，2005 年 1 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图1-3 广东汕尾岸式波浪能发电站 月，第一次实海况试验成功。中科院广州能源所海洋能实验室和气体水合物实验室协同 攻关，提出并解决了海洋波浪能发电的关键技术。利用这一技术，可以将随机输入的势能转 变成稳定的、可任意调控的水的动能。目前已通过实验室实验证实了该系统的可行性 。我国 计划至 2020 年，在山东、海南、广东各建 1 座 l000kW 级的岸式波力电站3。 1.3 波浪能应用的发展趋势 目前，国内外一些科研机构已经将波浪发电设备的研制制定在远海区域环境条件下使用 的基础上了，以后的商业化海洋波浪发电会基于这些发电装置。远海区域比起近海岸基区域 蕴藏着更多更丰富的波浪能资源，需要的设备也相对简单。远海区域的波浪发电装置的优点 体现在以下几点。首先，远海区域的发电装置相对简单、成本低，可选取的区域广，适合建 大规模波浪发电场。例如，如果要建一个 50MW 的波浪发电场，岸基发电场选址就很困难， 而且成本很高，但是，如果是在远海区域，则只需将发电装置放在海上，而且可选取的区域 也很广。其次，远海区域的发电装置单位发电效率较高，而且这些发电装置的装机容量一般 也比岸基装置高很多，这一优点使其更适用于远距离输电以及一些岛屿的用电。由于上述优 点，所以在 2004 至 2008 年问新的波浪发电开发当中，岸基发电装置的装机容量只占其中的 8，而远海区域的波浪发电装置的占 582。 波浪能的开发利用将具有很广泛的应用价值，目前的海浪发电的装置可为海水养殖场， 海上灯船，海上孤岛，海上气象浮标，石油平台等提供能源，还可以并入城市电网提供工业 或民用的能源。波浪能开发利用的关键是在降低发电成本的同时，提高发电的稳定性，发展 波浪能独立发电系统，使用户直接使用波浪能。 波浪能是一种密度低、不稳定、无污染、可再生、储量大、分布广、利用难的能源。由 于目前波浪能的利用地点大都局限在海岸附近，因此还容易受到海洋灾害性气候的侵袭。由 于开发成本高，规模小，社会效益好但经济效益一般，投资回收期相对较长，这些都在一定 4 程度上束缚了波浪能的大规模商业化开发利用和发展，但随着理论和实践方面的不断发展成 熟，波浪能开发利用的前景将是十分广阔的4。 1.4 本课题的研究内容及意义 随着经济和社会的发展，人类对能源的需求量越来越大，由于目前作为主要能源的煤和 石油均不具有可再生性，这直接导致了能源危机不断地出现，能源的短缺甚至成为社会发展 的一个瓶颈，这些都在不断地提醒人们去寻找新的可再生的能源。由此波浪能作为一种清洁 可再生的能源越来越引起人们的关注。尽管现在和常规能源相比，波浪发电还有很大的距离， 但是，从我国能源长期发展战略和技术储备的角度来看，加大和加快开海洋波浪能源的开发 研究具有重要的现实和战略意义3。 结合日本“311”发生大震后而引发的核泄漏恶劣影响，我们更加意识到发展新能源，一种 可再生又对环境负面作用小，以及较小甚至不存在潜在威胁的能源。波浪能无疑就处在这种 优选行列的前茅，相信人类对波浪能的开发利用又将加快脚步。 我国近几年运动机构进给机构虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主 要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。 针对传统运动机构进给机构的不足之处及生产中存在的问题，有必要在传统运动机构的 基础上研究出新型运动机构进给机构。通过对传统运动机构手动的进给系统、夹紧系统及传 动系统的创新设计，加入新技术，从而提高产品质量和生产效率，实现自动化，降低劳动强 度及工作量。 运动机构进给机构的发展现状和趋势是：在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型进 给机构；在性能上将研制以钢为材料的进给机构，大幅度提高进给机构的承载能力；在形式 上继续研制多轴并联，甚至于五轴并联的进给机构。 综上所诉，运动机构进给机构的开发和设计具有很高研究的意义.本课题采用类似的运动 机构结构设计成果的方法，进行运动机构进给机构的设计，使其能够实现更好的工业生产自 动化。 本课题对运动机构进给机构部件进行了设计，研究运动机构的结构，主要部件及典型零 件的设计方法，其意义如下： 1、通过对数控运动机构的结构设计和研究掌握机构设计的一般步骤和方法； 2、通过对课题的研究，了解国内外有关数控运动机构的技术现状和发展趋势； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3、通过毕业设计培养自己的创新精神，提供分析问题和解决问题的能力。 第 2 章 设计的内容及要求 2.1 课题的主要内容和基本要求 本课题要求设计开展波浪能 XY 二自由度运动机构设计，X、Y 轴采用滚珠丝杠螺母 2.2 进度计划与应完成的工作 应完成的工作： 1、完成二万字左右的毕业设计说明书，其中包括 400 字左右的中文摘要，英文摘要应 与中文摘要内容完全相同； 2、完成与课题相关，不少于 3000 汉字的英文资料翻译（附英文原文） ； 3、完成运动机构总体结构、结构及传动设计； 4、绘制装配图及所有非标件零件图。 进度计划： 1、第 1-2 周，查阅相关资料，了解表面感应加热淬火运动机构技术技术要求，完成开 题报告； 2、第 3 周，翻译一篇与设计相关的英文论文； 3、第 4-5 周，根据设计要求确定总体方案及计算； 4、第 6 周，根据设计要求完成 AC 轴选型，查找其技术参数； 5、第 7-11 周，完成运动机构总体结构、Z 轴结构及传动设计； 6、第 12-14 周，绘制图纸； 7、第 15 周，编写毕业设计说明书，准备答辩。 2.3 设计的内容 2.3.1 数控装置总体方案的确定 (1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 2.3.2 机械部分的设计 (1).确定脉冲当量； 6 (2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算； (3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用； (4).确定伺服电机； (5).绘制机械结构装配图； (6).系统等效惯量计算； (7).系统精度分析。 2.3.3 编写设计说明书 (1) 说明书是设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括提方案的确定，系统 框图的分析，机械传动设计计算，选用元器件参数的说明； (2)论文正文不少于 10000 字。 2.4 运动机构主要部件及运动方式的选定 （1）伺服电机的选择 本次设计选用交流伺服电机，根据本进给系统定位精度的要求，初步选用半闭环伺服系 统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求，可改用全闭环伺服系统。交流伺服电 机有交流同步电机和交流感应电机。交流感应电机结构简单，与同容量的直流伺服电动机相 比较，质量轻、价格便宜。缺点是不能经济的实现范围较大的平滑调速。所以数控运动机构 的进给系统中一般不采用这种电动机。 交流同步电动机的转速与所用电源的频率之间存在一种严格的关系，即在电源电压和频 率固定不变时，它的转速是稳定不变得。由变频电源供电给同步电动机时，便可方便地获得 与频率成正比的可变速度。并可得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。其结构虽然比感应 电动机复杂，但比直流电动机简单。同步电动机又分为电磁式和非电磁式两大类。在后一类 中又有磁滞式、永磁式和反应式多种。在数控运动机构的进给驱动系统中，多采用永磁式同 步电动机。在数控运动机构进给驱动中，采用具有大转矩、宽调速并装有反馈元件的机电一 体化的永磁式交流同步电动机已十分普及。 （2）滚珠丝杠螺母副的选择 滚珠丝杠具有高精度、高刚度、高效率及无间隙等优点。特别是在半闭环加工系统中， 滚珠丝杠自身的精度对运动机构加工精度有很大的影响，定位精度在很大程度上受到滚珠丝 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 杠精度的影响。 滚珠螺母副4的滚珠循环方式一般会分为外循环和内循环两种。对于内循环方式，滚珠 在循环过程中始终保持与滚珠丝杠接触。内循环滚珠丝杠螺母副工作滚珠数目少，径向尺寸 紧凑，摩擦损失少，流畅性好，传动效率高，轴向刚度好，但回珠器槽行比较复杂，需三坐 标数控运动机构才能进行加工。外循环过程中滚珠与丝杠脱离接触，目前使用插管完成滚珠 循环的结构，结构简单，工艺性好，但滚道管子突出于螺母外面，所以外循环滚珠丝杠螺母 径向尺寸较大。滚珠和滚珠丝杠螺母副接触处有过盈配合，即两者达到预紧；滚珠丝杠螺母 副事先通过调节左右螺母的相互离开和靠近消除间隙。常用的消除间隙或预紧的办法有垫片 是调隙结构、螺纹式调隙结构和齿差式调隙结构。本次设计采用垫片式调隙结构。 （3）导轨副的选用 要设计的进给机构的导轨选用贴塑导轨，它属于滑动导轨，是在运动机构的动导轨面上 贴上一层抗磨软带，导轨副的另一个固定导轨面为淬火磨削面。这样就会使导轨摩擦系数变 为 0.030.05，导轨速度可达 30m/min，刚度比较高，动、静摩擦系数差值小，没有爬行。耐 磨性与铸铁对铸铁导轨副相比可提高 13 倍。 第 3 章 滚珠丝杠进给系统的设计计算 3.1 滚珠丝杠螺母副的选用设计 进给机构的进给运动，由进电机的转动，然后带动运动机构丝杠传动。在数控运动机构 上的丝杠传动，可以用普通的丝杠传动，也还有应用滚珠丝杠来转动。原因是普通丝杠传动 摩，但总是不太稳定。 所以，在运动机构上要擦系数大，效率低，传动中有间隙。虽然传动中的间隙可以用一 些办法来补偿，修正采用滚珠丝杠传动。滚珠丝杠传动有一系列的优点，但制造工艺较为复 杂，成本高，在某些应用上受到一定的限制，但随着数控运动机构的发展，它的使用将会更 加广泛。 滚珠丝杠传动都使用防护罩，以防止空气中的尘土和其它杂物等进入。 8 滚珠丝杠和滚珠螺母组成滚珠丝杠螺母副，它是把步进电机的转动角位移，变换成数 控运动机构进给机构的的直线位移。 滚珠丝杠螺母副，也简称为滚珠丝杠副，是一种新的传动机构，它是在丝杠和螺母的螺 旋槽之间装有滚珠，以此作为中间元件的一种传动机构。 3.1.1 滚珠丝杠副的传动原理 丝杠和螺母上都有圆弧形的螺旋槽,这两个圆弧形的螺旋槽对合起来就形成螺旋线的滚 道,在滚道内装有许多滚珠.当丝杠旋转时,滚珠相对于螺母上的滚道滚动,因此丝杠与螺母之 间滚道的摩擦为滚动摩擦.为防止滚珠从螺母中吊出来,在螺母的螺旋槽两端应用挡住器挡住, 并设有回路滚道是他的两端连接起来.使滚珠从滚道的一端滚出后,沿着这个回路滚道从新返 回到滚道的另一端,可以循环进行不断地滚动。 3.1.2 滚珠丝杠副的传动特点 滚珠丝杠副的优点是:传动效率高,因为它是滚动摩擦,传动效率可达 0.920.96,比普通的 丝杠传动提高34倍.由此带来了一系列的优点,如功率损耗小,传动平稳,磨损小,无爬行现象 等等.除此而外还有两个特点,一是:一般的丝杠传动总是有间隙,而滚珠丝杠可以消除间隙, 所以当丝杠转动反向时,可以没有空程,提高了反向的定位精度,也增强了传动刚度.二是:一 般的丝杠传动只能使旋转运动转变为直线运动,而滚珠丝杠副由于传动的摩擦系数小,所以既 能把旋转运动转变为直线运动,也可以从直线运动转变为螺旋运动,具有传动的可逆性,因此 可以作为主动件,也可以作为从动件. 它也有缺点,主要是元件的精度要求高,光洁度要求也高,所以制造工艺很复杂,成本也高. 对于丝杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困难,也限制了使用. 又由于传动的可逆性,所以不能自锁,当应用在垂直传动装置时,由于自重和惯性的关系, 在下降过程中不能立刻停止,因此还需要备有制动装置. 3.1.3 滚珠丝杠副的结构与调整 滚珠丝杠副的结构尽管在形式上有很多类型，但其主要区别是在螺纹滚到的型面形状，滚 珠循环的方式，轴向间隙的调整和加预紧力的方法等三个方面。 （1）螺纹滚道型面的形状 螺纹滚道型面的形状有很多种，目前国内正式投产的，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 如图所示。滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂线之间的夹角，称为接触角（） 。 （a）单圆弧 (b) 双圆弧 图 3-1 滚珠丝杠副螺纹滚道型面的截形 （2）单圆弧型面 一般滚道的圆弧半径要比滚柱的半径稍大一些。对于单圆弧型面的螺纹滚道，接触角是 随着轴向负载大小而变化的，当轴向负载为零时，接触角也为零；当负载逐渐增大，接触角 也逐渐增大。实验证明：当接触角增大时，传动效率，轴向刚度，承载能力都随之增大。 （3）双圆弧型面 双圆弧型面螺纹滚道的接触角是不变的。在偏心距（e）决定后，滚珠与滚道的圆弧角接 处，会有很小的空隙。这些空隙虽然能容纳一些脏物，但不至于堵塞，反而对滚柱的滚动有 利。从传动效率，轴向刚度，承载能力等要求出发，接触角大一些好，但接触角过大制造就 会困难。一般接触角为 45 ，滚道的圆弧半径也同样比滚柱的半径稍大一些。 滚珠的循环方式 目前国内常用的滚珠循环方式由外循环和内循环两种。 （1）外循环方式 如图所示为外循环方式，滚柱在循环过程中与丝杠脱离接触，通过外面的循环回路称为 外循环（W 系列） 。这种外循环是直接在螺母的外圆上铣出螺旋槽，用挡珠器从螺母内部切断 螺纹滚道，挡珠滚珠的去路，迫使滚珠导入通向外圆螺旋槽中，构成了外面的旋环回路。外 循环的结构和制造较为简单容易，因此应用较广，他可以制成单列或式双列两种的结构形式。 （2）内循环方式 滚柱在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环（N 系列） ，如图所示。这种内循环 是在螺母外侧孔中装了一个接通相邻滚道的反向器，借助这个反向器迫使滚珠翻过丝杠的牙 顶，而进入相邻的滚道。内循环滚珠丝杠副回路短，工作滚珠数目少，结构尺寸紧凑，流畅 10 性好，摩擦磨损小，传动效率高，轴向刚度和承载能力都较高，具有一系列优点，但制造困 难，结构复杂，所以不及外循环方式应用的广泛。 图 3-2 外循环的滚珠丝杠 图 3-3 内循环的滚珠丝杠 3.1.4 轴向间隙的调整和加预紧力的方法 对于滚珠丝杠副，除了单一方向的进给传动精度有一定的要求外，对它的轴向间隙也有 严格的要求，以保证反向传动的精度。要把轴向间隙完全消除，也是相当困难的。通常采用 双螺母，并加预紧力的方法来消除其轴向间隙。双螺母经加预紧力调整后，能基本上消除轴 向间隙。单螺母的滚珠丝杠副是不能调整轴向间隙和预紧力的，其轴向间隙只能依靠滚珠丝 杠副本的精度和安装时丝杠和螺母的连接精度来保证。 双螺母加预紧力消除轴向间隙必须注意两点，一是：通过预紧后产生的力，可促使预拉 变形，以减少弹性变形所引起的位移。但预紧力不能太大，否则会使驱动力矩增大，传动效 率反而降低，使用寿命也随之缩短。二是：轴向间隙的消除，不能忽视丝杠的安装部分和驱 动部分的轴向间隙，应同时调整是它减少到最小。目前常用的双螺母预紧力调整方法有下面 三种。 （1）垫片调隙式 如图所示为垫片调隙式，一般用螺钉来连接滚珠丝杠上的两个螺母的凸缘处，在中间加垫片。 垫片的厚度是螺母间产生轴向位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。 这种结构特点是结构简单，可靠，装拆方便。但缺点是调整很费时，在工作状态下不能随 意调整，因为要更换不同厚度的垫片才能消除间隙，所以是用于一般精度的机构中使用。 （2）螺纹调隙式 如图所示为螺纹调隙式。它是一个螺母的外端有凸缘，而另一个螺母的外端没有凸缘， 车有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母调整好间隙后，再用一圆螺母锁紧螺母锁紧就 可以了。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，所以应用广泛，但调整的位移量不太精确。 图 3-4 垫片调隙式 图 3-5 螺纹调隙式 齿差调隙式 如图所示为齿差调隙式。它是在两个螺母的凸缘上各有圆齿轮 2，两者的齿数值相差一个 齿，装入内齿圆 3 中，内齿圆 3 是用螺钉 1 和定位销 4 固定在套筒 5 上的。调整是先取下内 齿圆 3，转动圆柱齿轮 2，在两个滚柱螺母相对于滚筒 5 转动时，可以使两个螺母相互产生角 位移，这样滚柱螺母对于滚珠丝杠的螺旋滚道也相对移动是两个螺母中的滚柱分别贴近在螺 旋滚到的两个相反的侧面上。消除间隙并产生预紧力后，把内齿圆 3 套上用定位销 4 固定。 这种结构的特点是调整精确可靠，定位精度高，但结构复杂，仅在高精度的数控运动机构 有所应用。 1螺钉； 2圆柱齿轮； 3内齿圆； 4定位销； 5套筒。 图 3-6 齿差调隙式 3.2 滚珠丝杠的选择 3.2.1 滚珠丝杠的精度 查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为 5 级精度等级，Z 轴有效行程 300 mm，初步设计现 设丝杠在有效行程 502mm 时，行程偏差允许达到 30m。 12 4.2.2 滚珠丝杠参数的计算 （1）最大工作载荷的计算 丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设此台 Z 向的 最大进给力F f =5000N，导轨上面移动部件的重量约为 500 ，导轨的摩擦系数为 0.04，故 丝杠的最小载荷（即摩擦力） 1968 . 950004. 0 min f g F （N） (4.3) 丝杠最大载荷是： Fmax50001965196（N） (4.4) 平均载荷是： Fm= FF minmax 2 3 1 = 3 1 196519623529（N） (4.5) （2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠丝杠的 静载荷 Coa 不能大于额定静载荷 Coam,即 CoaCoam;滚珠丝杠的动载荷 Ca 不能大于额定 动载荷 Cam,即 CaCam。 驱动电机最高转速 2000 r/min 丝杠最高转速为 2000r/min，工作台最小进给速度为 0.5m/min，故丝杠的最低转速为 0.1r/min，可取为 0，则平均转速 n=1000r/min。丝杠使用寿命 T=15000h，故丝杠的工作寿命 106 60nT L = 106=675（106r） (4.6) 当量动载荷值： Ka L KpFm Cm 3 (4.7) 式中： Kp载荷性质系数，无冲击取 1-1.2，一般情况取 1.2-1.5，有较大冲击振动时取 1.5-2.5； Ka精度影响系数，对 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取Ka=1.0，对 4、5 级精度的 丝杠取Ka=0.9。 根据要求去Kp=1.5，Ka=0.9，代入数据得 9 . 0 3 6 7 55 . 13 5 2 9 Cm 51.59（KN） (4.8) 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择 FF6310-5 型内循环 浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为 63mm，导程为 10mm，循环滚珠为 5 圈2 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 55600N，大于最大计算动载荷Cm=51590N，符合 设计要求。 表 3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数 名 称 符 号 计算公式和结果 公称直径（mm） 0 d 63 螺距(mm) P 10 接触角 6 . 3 0 钢球直径(mm) w d 7.144 螺纹滚道法面半 径(mm) R 715. 352. 0 dW R 偏心距(mm) e 0.009 螺纹升角(mm) d Ph arctg = 6 . 3 0 丝杠外径(mm) 1 d 62.5 丝杠底径(mm) 2 d 57.3 螺 杆 接 触 直 径 (mm) z d 55.87 螺 母 螺 纹 外 径 (mm) D 412.7022 0 Re d D 螺 母 内 径 (mm) （内循环） 1 D 62.64 （3）传动效率的计算 将公称直径d0=63mm，导程P=10mm，代入 =arctan d P 0 ，的丝杠螺旋升角 = 6 . 3 0。 将摩擦角 10 ，代入=tantan，得传动效率=94.7%。 （4）刚度的验算 本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对面角 接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较高精度、 中等载荷的丝杠。 滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。 a、滚珠丝杠滚道间的接触变1 根据公式 Z= dwd0 ，求得单圈滚珠数 Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数 14 为 52，代入公式 Z Z 圈数列数，得滚珠总数量Z=220。丝杠预紧时，取轴向预紧 力3 max FFy =1732（N） 。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变形 3 3 0013. 0 1 ZFydwPa (4.9) 式中Pa= Cm 51590N。代入数据得； 3 3 0013. 0 1 ZFydwPa = 33 220 1732144. 7515900013. 0= 0.013(mm) 因为丝杠有预紧力， 且为轴向负载31， 所以实际变形量可以减少一半， 取1=0.0065mm。 b、丝杠在工作载荷Fmax作用下的抗压变形2 丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距 a=1100mm，钢的弹性模量 E= 105 1 . 2 Pa M,由表 2.1 中可知，滚珠直径dw=7.144mm，丝杠底径d2=44.3mm，则丝杠的 截面积： 4 2 2 d S=1540.6(mm2) 根据公式ES Feq 2 代入数据得： 6 .1540 105 1 . 2 12005196 2 =0.018(mm) C、总的变形总 总= 21 =0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为 600， 丝杠在有效行程 500 630mm 时，行程偏差允许达到 30 m,，可见丝杠刚度足够。 （5）稳定性的验算 K L EIf k Pa 2 2 (4.10) 公式中取支撑系数f k =2， 由丝杠底径d2=44.3mm 求的截面惯性矩64 4 2 d I=188957.7(mm4)， 压杆稳定安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装） ，滚珠螺母至轴向固定处的距离aL 取最大值 1200mm，代入公 式得： 3 12002 7 .188957 105 1 . 2 14. 3 2 2 Pa =181129.6() 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 则 f=181129.6N 大于Cm=51590N，故不会失稳，满足使用要求。 （6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转速为 临界转速nc。 查资料得公式 ： Lc d f nc 2 2 2 2 9 9 1 0 (4.11) 其中： 43.54144. 72 . 1632 . 1 02 dwdd (mm)； Lc为临界转速计算长度Lc=1200(mm)； f 2为丝杠支承方式系数 927. 3 2 f（一端固定，一端游动） 代入数据得： nc 4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 （7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定 由以上验算可以知道，丝杠型号为 FF63105，完全符合所需要求，故确定选用该型号， 安装尺寸查表可知。 （8）丝杠支承的选择 滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向 精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计丝杠支承 选用一端固定，另一端浮动。 3.3 伺服电机的选择 3.3.1 最大切削负载转矩的计算 所选伺服电机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。 最大切削负载转矩 T 可根据以下公 式计算，即 i TfTp PhF T 00 2 max (4.12) 从前面的计算可以知道，最大载荷5196 max F N，丝杠导程Ph=10mm=0.01m，预紧力 CaFp 4 1 =1390055600 4 1 N，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率=0.947，因为滚珠丝 杠预加载荷引起的附加摩擦力矩： 7 . 4 8 .29 01. 013900 8 .29 0 PhFP Tp（Nm） (4.13) 16 查手册得单个轴承的摩擦力矩为 0.32Nm，故一对轴承的摩擦力矩T f 0=0.64Nm。简 支端轴承步预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直接相连，其传动比i=1，则最 大切削负载转矩： 7 .1464. 07 . 4 947. 02 01. 05196 T(Nm) 所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。 3.3.2 负载惯量的计算 伺服电机的转动惯量JM应与负载惯量JL相匹配。 负载惯量可以按一下次序计算。立柱与主轴箱的质量为 500 ，折算到电动机轴上的惯 量J1可按下式计算， 0025. 0 2 01. 0 2 800 2 22 1 Ph m v m J (kg ) (4.14) 丝杠名义直径d0=63mm，长度 L=1.2m 丝杠材料（钢）的密度 =7.8 103 m3。根据 公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量 0057. 0 32 05. 0 4 2 . 1 103 8 . 7 4 0 32 1 2 dl J ( ) (4.15) 联轴器加上锁紧螺母等的惯量J3可直接查手册得到，即001. 0 3 J ( ) 故负载总的惯量为 0092. 0001. 00057. 00025. 0 3213 JJJJ ( ) 电动机的转子惯量 JM 应与负载惯量 JL 相匹配。通常要求 JM 不小于 JL ，但 JM 也不 是越大越好。因 JM 越大，总的惯量J就越大，加速度性能受影响。为了保证足够的角加速 度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制系统。根据有 关资料的推荐，匹配条件为： 41 JL JM (4.16) 则所选交流伺服电动机的转子惯量 JM 应在 0.00920.036 范围之内。 根据上述计算可选用表 4.2 中的交流伺服电机 22/3000i 型，其额定转矩为 22N m，最高 min 3000 max r n ，转动惯量 J=0.012 。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 表 4.2 FANUC (HV)i 系列交流伺服电机 型号 1/ 5000i 2/ 5000i 4/ 4000i 8/ 3000i 12/ 3000i 22/30 00i 输出功率 /kw 0.5 0.75 1.4 1.6 3 4 额定转矩 (Nm) 1 2 4 8 12 22 最高转速 min 1 5000 5000 4000 3000 3000 3000 转动惯量 () 0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012 质量 3 4 8 12 18 29 伺服放大 器规格 20i 20i 20i 40i 80i 80i 3.3.3 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（快速）速度时，所需要的空载加速转矩Ta 按下式求， tac n J Ta 60 max 2 (4.17) 空载加速时，主要克服的是惯性，选用的 22/3000i 型交流伺服电动机,总惯量 JLJM J0.0120+0.0092=0.0212( ) 加速度时间tac通常取tm的 34 倍，故tac=(34)tm=(34)6=1824(ms)，则 173130 60 150014. 32 0212. 0 tac Ta (N m) 3.4 滑动导轨的选择计算 常用的导轨截面有矩形、三角形、燕尾形和圆形的。如图 4.2 所示。根据支承导轨的凸凹 状 4态，又可分为凸形和凹形两类导轨。凹形容易存油，但也容易积存切屑和尘粒，因此适用 于具有良好的防护环境。凸形需要有良好的润滑条件。目前数控运动机构使用的导轨主要有 三种：塑料导轨、静压导轨和滚动导轨。 18 图 4.4 3.4.1 工作载荷的计算 影响导轨副寿命的重要因素是工作载荷，假设立柱所有重量加在贴塑滑动导轨的一根导 轨上，则导轨所承受的最大垂直方向上的载荷是： 2 m a x G F (4.18) 上式中 G 是重量，即 G=50010=5000(N)，代入上式得： Fmax=2500(N) 3.4.2 小时额定工作寿命的计算 预计运动机构的工作寿命是 10 年，一年是 365 天，工作时间是 350 天，每天工作 8 小 时，因此得到小时额定工作寿命835010 Lh 28000(h)。 3.4.3 距离额定工作寿命的计算 根据公式 602 10 3 nS L Lh 得： 103 602 nS Lh L (4.19) 公式中：Lh为小时额定工作寿命； n 为移动部件每分钟往返次数(4-6)取 5： S 为移动部件的行程，即 S=600mm。 代入数据得：L=10080km 。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.4.4 额定动载荷计算及选型 由公式 F Ca L 3 25. 6得： 3 25. 6LF Ca (4.20) 公式中：Ca为额定动载荷； L 为距离工作寿命，由上面的计算可以知道为 10080km； F 为导轨的工作载荷，即 F=2500N。 代入数据得：Ca=29318N。 由计算的动载荷值本次设计选用的是贴塑滑动导轨，它是在数控运动机构的动导轨 4面， 是塑料导轨的一种。导轨副的另一固定导轨面为淬火磨削面。软带是以聚四氟乙烯为基材， 添加合金粉（青铜粉、二硫化钼） 、玻璃纤维和氧化物的高分子复合材料。其厚度有 0.8、1.1、 1.4、1.7、2mm，宽 150mm、300mm 等几种。塑料滑动导轨与其他导轨相比，具有以下特点： （1）动静摩擦系数相近：运动平稳性和爬行性能较铸铁导轨副好。 （2） 吸收振动： 具有良好的阻尼性， 优于接触刚度较低的滚动导轨和易漂浮的静压导轨。 （3）摩擦系数低而稳定：比铸铁导轨副低一个数量级。 （4）化学稳定性好：耐磨、耐低温、耐强酸、强碱、强氧化性剂及各种有机溶剂。 （5）耐磨性好：有自身润滑作用，无润滑油也能工作，灰尘磨粒的嵌入性好。 （6）维护修理方便：软带耐磨，损坏后更换容易。 （7）经济型好：结构简单，成本低，约为滚动导轨的 1/20，为三层复合材料 DU 导轨成 本的 1/4。 其中导轨贴塑板选用扬中市天一高分子新材料有限公司生产的 TY 导轨贴塑板。 3.5 联轴器的选择 金属弹性元件挠性联轴器是由各种片状、圆柱状、卷板状等形状的金属弹簧，利用金属 弹簧的弱性变形以达到补偿两轴相对偏移 和减振、缓冲功能，构成不同结构、性能的挠性联 轴器。金属弹性元件比非金属弹性元件强度高，使用寿命长，传递载荷能力大，,适用于高温 工况，弹性模最大且稳定。 如图 4.5 所示膜片联轴器是由几组膜片（不锈钢薄板）用螺栓交错地与两半联轴器联接， 每组膜片由数片叠集而成，膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴吕靠膜片的弹性 变形来补偿报联两轴的相对位移，是一种高性能的金属弱性元件挠性联轴器，结构较紧凑， 强度高，不用润滑，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱、防 腐蚀的特点，适用于高速、高温、有腐蚀介质工况环境的轴系传动，广泛用于各种机械装置 的轴系传动 。 20 图 4.5 DJM5 金属膜片挠性联轴器 3.6 轴承的选择 滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下两类。 （1）接触角为600的角接触球轴承 这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承，这种轴承可以组合配置。一种为面对面方式， 另一种为背靠背组合方式。这两种方式都可承受双向轴向推力，还有一种是通向组合方式， 其承受能力较高，但只承受一个方向的轴向力，同向组合时的额定动载荷Ca等于单个轴承的 Ca乘下列系数：2 个为 1.63;3 个为 2.16；4 个为 2.64。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装 的过程中难免有误差，而且采用面对面组合方式时两接触线与轴线交点间的距离 a 比背对背 的小，故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用的较多。 （2）滚针推力圆柱滚子组合轴承 外圈与箱体固定不转，内圈和隔套内圈随轴转动，滚针承受径向载荷，圆柱滚子分别承 受两个方向的轴向载荷，修磨隔套内圈的宽度可调整轴承的轴向预紧量。 本次设计选用角接触球轴承， 根据轴的直径选用型号为表 4.3 中的 7009 GB/T 2921994。 表 3.3 角接触球轴承 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.7 滚珠丝杠副的安全使用 3.7.1 润滑 为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态