毕业设计（论文）-铝塑型材加工中心进给装置及工作台设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 铝塑型材加工中心进给装置及工作台设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 0702 学学 生生 王公印 学学 号号 20070403173 指导教师指导教师 付秀丽 二一一年五月三十日 济南大学毕业设计 - I - 摘 要 铝塑型材属于新型工业材料，具有节能、环保、质轻、抗压、折弯系数好等一 系列优良特点，得到广泛应用，从而带动了铝塑型材加工设备的发展。铝塑型材加 工中心将控制技术和制造技术融为一体，可实现多种复杂的加工工序，具有良好的 柔性加工性能。 铝塑型材加工中心的进给装置是机电一体化的典型系统，包括电机、滚珠丝杠 等典型装置和导轨设计，可进行 X 和 Y 向直线运动。本次设计中 X 向采用齿轮齿 条机构进给，Y 向通过滚珠丝杠实现进给传动。同时考虑到立柱、横梁等支撑件的 受力特点，在满足刚性及稳定性的前提下，对其进行了合理的设计并进行校核。对 重要的支撑件工作台、定位元件和夹紧装置等进行了设计和校核，保证其加工过程 中的可靠性，使加工中心总体达到预期设计要求。 关键词：加工中心；进给装置设计；工作台；铝塑型材 济南大学毕业设计 - II - ABSTRACT Aluminum profiles as a new generation of industrial materials, energy saving, environmental protection, light weight, compression, bending coefficient of a series of excellent and good characteristics, are widely used, which led to the development of aluminum profiles processing equipment. Aluminum profile processing center, consists of control technology and manufacturing technology, enabling a variety of complex manufacturing processes, has a good flexible processing performance. Aluminum profile processing at the center to the device is a typical mechatronic system, including motors, ball screws and other typical equipment and rail design, can be X and Y to the linear motion. In this design, X to the feed by gear rack mechanism, Y to achieve through the ball screw feed drive. Under the premise of its rigidity and stability, taking into account the columns, beams and other supports for the mechanical characteristics, I conduct a reasonable check. Important parts of the support table, positioning and clamping devices, components were designed and checked to ensure the reliability of its processing, so that the processing center can be to achieve the desired overall design requirements. Key words：Processing center；feeding device design；table；aluminum profiles 济南大学毕业设计 - III - 目 录 摘要. .I ABSTRACT.II 1 前 言.1 1.1 铝塑型材的特点.1 1.2 铝塑型材加工中心的特点.1 1.3 铝塑型材加工中心的研究现状及发展.2 1.3.1 研究现状.2 1.3.2 发展趋势.2 1.4 研究的内容.3 1.5 选题的目的和意义.3 2 进给装置及工作台方案确定.4 2.1 传动系统总体设计.4 2.2 Y 向进给方 案.4 2.3 X 向进给方案.6 2.4 工作台方案的设计.7 2.4.1 工作台设计要求7 2.4.2 工作台材料的选择7 2.4.3 工作台附件.8 3 运动部件设计.9 3.1 滚珠丝杠副的选型.9 3.1.1 滚珠丝杠副的计算9 3.1.2 选择伺服电动机10 3.1.3 滚珠丝杠副的校核12 3.2 导轨的设计.14 3.2.1 导轨的基本要求.14 3.2.2 导轨的分类.15 3.2.3 导轨的选型16 3.3 支撑部件的设计.16 3.3.1 立柱的设计16 3.3.2 横梁的设计17 济南大学毕业设计 - IV - 4 典型零件设计与选用19 4.1 伺服电机的选用.19 4.2 齿轮及齿条的设计.19 4.3 滚动轴承的选用.23 4.4 联轴器的选用.24 5 结论. .26 参考文献.27 致谢.28 济南大学毕业设计 - 1 - 1 前言 1.1 铝塑型材的特点 铝塑型材是将铝型材与塑料型材复合在一起，即其外部是铝合金，内部是塑料 型材。铝塑型材是新型门窗材料，将铝型材和塑型材有机的结合在一起，集合了铝 材的钢性、色彩多样、不变形、耐腐蚀性和塑材的密封性、隔热性、绝缘性等优点1。 铝塑型材的特点大致如下： 1）隔热、保温性能优良 铝塑型材的导热系数比较低，接近于塑料型材的导热系数，型材整体采用多腔 结构，紧密复合设计，能够有效隔断热传导，达到隔热保温效果。 2）水密性、气密性、隔声性高 优异的隔声性能：使用中空玻璃，通过改变压条、增加空气层厚度等方法，可 使空气层厚度显著加大，提高隔音效果。 优异的密封性能：双道密封结构，使用密封胶条及密封护角设计，显著提高水 密性和气密性。 3）美观、经济、性价比好 铝塑型材可以通过电泳、氧化、喷涂等技术手段使外层显现不同颜色，满足建 筑物对色彩和图案的需求。内里的塑型材避免了直接与外界接触，避免了紫外线照 射，防止材料老化变形，提高寿命。外铝内塑的结构，保证各项物理性能满足使用 要求，从而降低材料成本。 1.2 铝塑型材加工中心的特点 随着铝塑材料的发展，铝塑型材加工中心逐渐成为独立的加工中心门类。基于 加工对象与加工工艺的 独特性，铝塑型材加工中心 在结构布局及数控系统的设 计等方面，与通用加工中心有 明显的区别。 其特点可以概括为以下几个方面 2： 1）纵向行程大 铝塑型材多为细长类零件，工作台面多为窄长形状。一般而言，其宽度不超过 500mm，长度大致在 6000mm 左右，可以根据加工零件的长度的大小而定。工作台 面上装配有气动夹具和定位靠板，便于 对工件进行定位、夹紧 等操作。 2）定制的数控系统 基于铝塑型材加工中心与普通数控机床的不同，它的数控系统需要量身定做。 其操作界面按照铝 塑型材加工中心 的应用特点规划设计 。其中，主轴运转/静 济南大学毕业设计 - 2 - 止、定位靠板抬起 /落下、工件夹紧 /松开等状态信息 可以以动态形式表现在显 示屏上，极大的方便了操作者在短时间内 掌握加工中心的操作 技术。 3）主轴转速高 通用加工中心主轴最高转速一般在8000rpm 以下，而铝塑型材加工中心主 轴最高转速远远大于通用加工中心。由于转速高，优先 采用集成式永磁同步电 主轴，将刀具夹持、吹气清洁、循环水冷却等功能集成在一起 。 4）精度、刚度适中 铝塑型材多为薄壁件，其加工精度一般在IT10 至 IT12 之间，因此铝塑型 材加工中心不需要追求高的定位精度和刚性。床身等结构多采用钢板焊接，而不 是普遍采用的铸件。 5）工作效率高 通过提高工件定位和装卡 的自动化，可以提高工作效率。 这写操作可以通 过加工中心配备的 气动夹具和定位靠板 来实现。另外，随着对铝塑加工中心研 究的深入，已开发出 的多主轴加工中心，可以互不干扰的各自加工零件，又可以 相互配合的加工同一个零件，进一步的提高了工作效率。 6）刀库容量小 刀库容量取决于加工材料及其加工特点。一般而言，铝塑型材对刀具磨损较 小，不需要频繁刃磨和更换。 加工中心主要用于加工孔和槽， 因此不需要太多 种类的刀具，一般容量 设置为 6 到 12 把。 1.3 铝塑型材加工中心的研究现状及发展 1.3.1 研究现状 铝塑型材的广泛应用，使得对铝塑型材设备的应用研究技术日趋成熟，目前国 外的铝塑型材加工中心已具有很高的加工精度，可自动实现加工的优化，将多种复 杂的铣削、钻削工序集中在一起，提高了加工效率，具有明显的柔性加工性能3。 我国经过对国外设备的引进与创新，使得加工设备的技术水平和自动化程度有了很 大的发展，提高了国内铝塑型材的制造水平，拓宽了型材的应用范围。当前，在满 足尺寸位置精度、几何形状、高的表面质量和其他特殊性能的前提下，进一步探索 铝塑型材加工中心的关键技术，进而开发出更加优异的加工设备，提高我国装备制 造业的整体水平，是我国铝塑型材行业急需解决的的重大课题4。 1.3.2 发展趋势 随着现代社会铝塑材料行业的不断发展，新型的高性能铝塑型材也即将应用在 人类的各种生产生活中。因而对目前现有的加工中心提出了更高的加工要求。总体 而言，现代化得铝塑型材加工中心应该包括： 1）增加自动换刀装置，使工件一次装夹能够自动更换刀具并完成多种工序5； 济南大学毕业设计 - 3 - 2）选择性安装自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱，实现在一次装夹中， 可以完成多个平面或者多个角度位置的多工序加工； 3）安装交换工作台，可使工件在工作位置上进行加工的同时，使另外的工件在 装夹位置上进行装卸操作，不干涉加工动作的进行。 1.4 设计研究内容 铝塑型材加工中心与数控金属切削机床相比,切削阻力小，但切削和进给速度高， 同时自身的加工精度相对较低。 因而在进给系统和工作台的设计上也应有自己的特 点。进给系统承担了加工中心各直线坐标轴的定位和切削进给，总体来说，其设计 应该满足整机的要求6（稳定性、精度要求、快速响应），以达到整个系统工作时 的相互匹配。 1.5 选题的目的与意义 铝塑型材加工中心的优化设计能有效提高设备利用率，减少生产时间，降低生 产成本。进给系统和工作台的合理设计保证了加工中心能够较好的实现高精度、高 效率、最优化的加工生产。本设计课题“铝塑型材加工中心进给装置及工作台设计” 综合性比较强，可以巩固加强所学的知识，提高综合运用知识和解决一定程度的工 程实际问题的能力。 济南大学毕业设计 - 4 - 2 进给装置及工作台方案确定 2.1 传动系统总体设计 机床的伺服机构有开环、闭环、半闭环和混合伺服几种方式。开环系统最为简 单，但是常有“丢失脉冲”现象。全闭环系统的设计和调整难度较大，只在大型、 精密加工中心上采用。半闭环系统中，机床的定位精度可以通过选用高精度的滚珠 丝杠，再采用螺距误差补偿等措施来提高，可以满足对精度要求不太高的加工中心 的定位精度要求7。混合伺服只有在大型机床上使用。故综述以上传动系统的优缺 点，在此次进给系设计中，经过多种方案对比，采用半闭环传动系统。图 2.1 为半 闭环系统的几种方式。 图 2.1 半闭环系统 如上图 2.1c）所示，此种传动方式无传动副，而图 2.1在上图 a）与图 2.1 上 图 b）中，都设置有传动副，伺服电机直接与丝杠联接，构造最为简单，传动准确。 因此采用图 2.1 上图 c）所示的半闭环传动系统。 ，伺服电机直接与丝杠联接，构造 最为简单，传动准确。 2.2 Y 向进给方案 加工中心的性能在很大程度上取决进给传动方式，机械驱动机构是加工中心进 给系统中位置控制的重要环节，直接影响加工精度。在铝塑型材加工中心上，Y 向 行程范围不大，可以考虑采用滚珠丝杠驱动结构。表 2.1 为各类滚珠丝杠副的精度 等级8。 滚珠丝杠副被用于加工中心的进给运动中，作为传送动力及定位的关键部件， 将旋转运动转换成为直线运动，已实现了标准化、通用化与标准化。它有着许多优 济南大学毕业设计 - 5 - 异的性能特点：摩擦损失小，传动效率高；采用双螺母预紧后，可以消除间隙，提 高传动刚度；摩擦阻力小，运动平稳，不易产生低速爬行现象，传动精度比较高。 表 2.1 滚珠丝杠副精度等级 代号精度等级应用范围 P B J C 普通级 标准级 精密级 超精密 普通机床 一般数控机床 精密机床、精密数控机床、仪表机床、加工中心 精密机床、精密数控机床、仪表机床、高精密加工中心 铝塑型材加工中心的精度和加工工件的载荷是选用滚珠丝杠时的重要依据，图 2.2 为典型的滚珠丝杠螺母副机构。 1-迷宫式密封圈；2-循环器；3-回珠管；4-丝杠轴；5-丝母；6-滚珠 图 2.2 滚珠丝杠螺母副机构 选用滚珠丝杠螺母副时,要确定导程、名义直径 D0、滚珠直径 d0等主要参数， 根据丝杠的承载能力和刚度要求，确定名义直径 D0和精度，然后根据 D0等参数计 算当量动载荷和等效载荷，最后查阅丝杠手册，选取合适的滚珠丝杠9。选取合适 丝杠后，进行校核验算扭转刚度、临界转速和工作寿命等。 滚珠丝杠常用的支承方式有三种： 1）一端轴向固定，一端自由。常用于短丝杠和竖直丝杠； 2）一端固定，一端简支。常用于较长的卧式安装丝杠； 3）两端固定。用于长丝杠或者高转速、高拉压刚度的进给装置，还可以预拉伸。 在铝塑型材加工中心上，由于受热、变形等因素，丝杠有一定变形量，故采用一端 济南大学毕业设计 - 6 - 固定，一端自由的支撑方式。 图 2.3 为丝杠常见的三种轴向固定方式。 （a）一端固定，一端自由；（b）一端固定，一端简支；（c）两端固定 图 2.3 丝杠的轴向固定 在 Y 向进给总体方案中，采用伺服电动机和滚珠丝杠通过联轴器直联，这样的 结构传动环节大为减少，因而对精度影响也比较小，同时也解决了齿轮传动布置困 难的难题。在本次设计中，Y 向进给装置总体方案如图 2.4 所示。 图 2.4 Y 向进给装置大体方案 2.3 X 向进给方案 铝塑型材加工中心加工的部件主要为窄长型，故工作台的行程很大，因此它的 进给运动不宜采用滚珠丝杠副。若滚珠丝杠副长度过长，容易下垂，产生弯曲变形， 在高速旋转时发生抖动现象，影响到加工中心的精度和整体性能，导致扭转刚度也 会相应下降，故我们采用齿轮齿条传动。 在齿轮齿条传动中，一般不受上述因素的影响，其齿条支撑刚度比较大，可以 实现分段拼接10。传动效率比较高，对于大功率传动十分重要，具有很大的经济意 义。在加工中心上安装一个正确合理的齿轮齿条传动副，可以使其工作可靠，在维 护良好的情况下，可以极大的提高加工中心的使用寿命，这是其他机械传动不具备 济南大学毕业设计 - 7 - 的。此外，齿轮齿条传动比较为稳定，可以保证加工中心加工精度的保持性。 下图 2.5 为齿轮齿条副传动示意图。 图 2.5 齿轮齿条副传动 齿轮齿条自身存在制造误差，并且在安装过程中，为了避免零部件间的相互干 涉，还需要保留一定量的齿侧间隙，故齿轮齿条副传动精度低，但是铝塑型材加工 中心对工件加工要求比较低，驱动负载也较小，精度没有必要达到数控机床的高精 度要求。因而可以在铝塑型材加工中心的大行程方向上采用齿轮齿条副传动，如果 有必要提高传动精度，可以采用双片薄齿轮错齿调整法，分别使两个齿轮与齿条齿 槽两侧贴紧，达到消除齿侧间隙的目的。 综合考虑铝塑型材加工中心的精度要求、加工特性和成本等因素，对于本次设 计中 X 向的进给传动，则选用齿轮齿条副传动机构。 2.4 工作台方案的设计 2.4.1 工作台设计要求 工作台是加工中心上的重要支撑件，在满足加工中心性能要求的前提下，应该 方便与铸造与加工，铸造件的壁厚应该尽量均匀。加工中心上各种支撑件相互固定 连接或者做相对运动，在进行切削运动时，刀具与工件的相互作用力沿着支撑件传 递并且使支撑件发生变形，以至于震动，改变加工中心执行件的相对位置或者运动 轨迹，影响加工精度，降低工件表面加工质量。因而支撑件要有足够的刚度和较好 的动态特性， ，使整机的热变形较小。在铸造时要对其进行时效处理，保证内应力的 要求，具有良好的工艺性以便于排屑、吊运和装配。 支撑件的材料、尺寸、结构的选择与设计，直接影响整个加工中心的加工精度， 因此，应该合理、正确的进行结构设计，并且对主要支撑件进行验算校核，同时， 在满足使用要求的前提下，尽量节省材料。 济南大学毕业设计 - 8 - 2.4.2 工作台材料的选择 根据铝塑型材加工中心的性能特点，加工对象为轻便的窄长形铝塑型材，故其 工作台受压力较小，外形也比较简单，因而工作台的材料可以采用铸铁。铸铁成本 低，但是性能比铁要优良，减震性能较好，易于铸造和切削，因此可以选用 HT200 来加工工作台。图 2.6 为工作台示意图。 图 2.6 工作台 工作台是铸铁材料，其表面要进行渗碳处理，增强工作台的耐磨性。其夹具 （或者夹紧板）固定在工作台的 T 型槽内，可以按照工件的具体尺寸在 T 型槽内适 当移动，当移动到合适位置时，再用气缸加紧工件，并进行加工。在工作台的底部 安装滑块导轨副，可以在底部中心凹进去一部分，两边留出合适的加工余量，这样 减少了加工长度，也方便于切削加工，保证加工精度。 2.4.3 工作台附件 工作台是一个机构，并不是孤立的部件，要完成加工进给运动，需要其他辅助 部件的参与协助。本次设计的铝塑型材加工中心的工作台外形简单，承重较低，用 到的附件大致如下： （1）连接板 连接板安装在工作台的右下面，底端部带有螺栓。当加工中心工作时，工作台 与工件固定到合适位置是，拧紧底端部的螺栓，使之紧贴在加工中心的底座上，起 到定位功能。 （2）手柄 加工中心的手柄安装在工作台的右侧面，它是一个中空的部件，可以用来放置 气缸的导线，避免导线散落在加工中心床身外面，使之美观。同时可以通过操纵手 柄来移动工作台。 （3）左右夹紧板 夹紧板通过螺栓固定在工作台的 T 型槽内，被用来加紧固定工件。根据工件的 大小，可以调节夹紧板的位置，在右侧夹紧板上，安装有气缸，施加夹紧力，气缸 的伸缩可以用来加工宽度大小不一的工件。 （4）镶板 镶板固定在加工中心床身的左侧，用来固定齿条，定位精度要求比较高。 济南大学毕业设计 - 9 - 3 运动部件设计 3.1 滚珠丝杠副的选型 3.1.1 滚珠丝杠副的计算 （1）滚珠丝杠精度 根据一般通用铝塑型材加工中心的产品目录查到伺服电机的最高转速为 nmax=1500r/min 或者 2000r/min，因为伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接，即 i=1。 工作台快速进给的最高速度要求达到 Vmax=15m/min。取电动机的最高转速为 nmax=1500r/min，则丝杠的最高转速 nmax=1500r/min，得到基本丝杠导程 = 1000 = 10（） 由于 Y 轴进给系统要求达到0.01/300mm 的定位精度，根据此要求查阅滚珠丝 杠样本，对于 1 级精度丝杠，任意 300mm 内导程允许误差为 0.006mm，2 级精度丝 杠的导程允许误差为 0.008mm。初步设计丝杠的任意 300mm 行程内的行程变动量 V300为定位精度的 1312，即 0.0030.005mm，因此，取 1 级精度滚珠丝杠。 （2） 滚珠丝杠等效载荷计算 滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷Cm选择。滚珠丝 杠的最大载荷为切削时的最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。已选取最大进 给力=2000N，工作台加工件与夹具的质量为 100+200=300kg，贴塑导轨的摩擦系 数取 0.04，则滚珠丝杠的最小载荷（即摩擦力）为 = = 0.04 300 9.8 = 117.6（） 滚珠丝杠的最大载荷为 = + = 2000 + 117.6 = 2117.6 （） 则平均载荷为 = 2+ 3 = 2 2117.6 + 117.6 3 = 1450.9（） (3) 滚珠丝杠当量动载荷计算 已知滚珠丝杠最高转速为 1500r/mim,最低转速取 0r/mim,.则平均转速为 = 2+ 3 = 2 1500 + 0 3 = 1000（/） 济南大学毕业设计 - 10 - 取滚珠丝杠使用寿命 T=15000h，则滚珠丝杠工作寿命为 = 60 106 = 60 1000 15000 106 = 900（ 106 ） 取载荷性质系数 Kp=1.5，1 级精度滚珠丝杠的精度影响系数为，则丝杠 = 1 的当量动载荷为 (3.1) = 3 = 1450.9 3 900 1.5 1 = 21.012（） 通过查阅滚珠丝杠样本，初步选择山东博特精工股份有限公司成产的 CM3210- 2.5 型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副。其公称直径为 32mm，导程为 10mm，循 环总圈数为 3 列。额定动载，额定静载荷,刚 = 25.092 = 56.7 度,符合设计要求。 = 302/ 轴向刚度预紧力,只要轴向载荷值不达到 = 302/， = 4 = 6.273() 或超过预紧力 Fp的 3 倍，就不必提出额外要求，本例中丝杠的最大载荷 Fmax为 2.196KN，远小于 3Fp。 （4）滚珠丝杠支承的选择 本传动系统的滚珠丝杠采用一端轴向固定，一段浮动的结构形式。两端安装机 床丝杠用推力角接触球轴承，只承受丝杠的重量11。 3.1.2 选择伺服电动机 （1）最大切削负载和转矩计算 所选伺服电动机的额定转矩应大于最大切削负载转矩12。从前面的计算得知， 滚珠丝杠最大载荷，则预紧力为 = 2117.6 = 3 = 2117.6 3 = 705.86（） 丝杠导程，滚珠丝杠螺母副的机械效率。因滚珠丝 = 10 = 0.010= 0.9 杠预加载和引起的附加摩擦力矩为 0= 2（1 2 0）= 0.237（） （3.2） 查阅相关手册，选取 760205TN 型推力角接触球轴承，单个轴承的摩擦力矩为 济南大学毕业设计 - 11 - 0.16Nm，则一对轴承的摩擦力矩。简支端轴承不预紧，其摩擦力矩 0= 0.32 可忽略不计。伺服电动机与丝杠直连，其传动比 i=1，则最大切削负载转矩为 = （ 2 + 0+ 0） = 4.3( ) (3.3) 所选伺服电动机额额定转矩应大于此值。 (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。负载惯量按以下次序计算。 工作台、夹具与工件的最大质量为 300kg，折算到电动机轴上的惯量为 (3.4) 1= 2 = ( 2) 2 = 300 (0.01 2 ) 2 = 7.6 10 4( 2) 滚珠丝杠的直径=32mm=0.032m，长度取 l=0.8m，材料（钢）的密度 0 。则丝杠加在电动机轴上的惯量为 = 7.8 103/2 (3.5) 2= 1 32 4 0= 6.42 10 4( 2) 联轴节加上锁紧螺母等的惯量 可直接查阅手册得到 3 3= 0.001 2 故负载总惯量 = 1+ 2+ 3= 2.402 10 3( 2) 按惯量匹配条件，1JM/JL4，所选伺服电动机的转子惯量 JM应在 的范围内。 2.402 10 - 3 9.608 10 - 3 根据上述计算，可初步选择伺服电动机得相关型号与参数。 选用 YVP 系列变频调速三相异步电动机，型号为 YVP90L-4。 此电动机的主要技术参数为： 标称功率：1.5kw 额定电流：3.8A 额定转矩：10N.M 转子惯量：0.0027kg.m2 重量：27kg 同步转速：1500r/min 堵转转矩/额定转矩=1.25 济南大学毕业设计 - 12 - 满足设计预期要求，可以选用。 3.1.3 滚珠丝杠副的校核 （1）丝杠稳定性的校核 已知工作台的 Y 轴行程为 500mm，当螺母移动到离定位点最近位置时，保留 150mm 的丝杠位置，因此丝杠最大受压长度=500+150=650mm=0.65m，查阅手 册可得丝杠底径=24.4mm=0.0244m，安全系数，此丝杠为一端轴向定位 1= 1/3 结构，查得丝杠支承方式系数 a=10.2，E 为丝杠材料钢的弹性模量， ，则滚珠丝杠的最小惯性矩为 E =2.1 105/2 =a (3.6) = 0.5 2 2 4 2 104 式中：I丝杠断面的最小惯性矩 I=（ 4 64 = 1.74 104 4） La螺母至固定端处的最大距离（如表 3.1） a 和 b 是与丝杠安装方式相关的系数，其值按表 3.1 选取，并满足 滚珠丝杠的临界压缩载荷为 = 4 2 104= 8.56 104（） （3.7） Y 轴进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为=2117.6N，远远小于 其临界压缩载荷 P 的值，故满足要求，该压杆安全。 （2）丝杠临界转速校核 为防止丝杠转速接近其固定振动频率时发生共振，需要对丝杠极限转速和 Dn 进行校核计算。极限转速按下式计算 （3.8） = 0.8 602 22 = 2 107 济南大学毕业设计 - 13 - 式中： I丝杠断面最小的惯性矩 I=（ 2 644） 丝杠底径 （ mm ） A丝杠断面积 A=/4（ 2 2） 应满足 = 15.1 24.4 6502 107= 8720（/） Y 轴向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为 1500r/min，远小于其临界转 速，故满足要求。 表 3.1 不同安装方式的相关系数 (3) 滚珠丝杠的拉压刚度验算 已知丝杠最大受压长度，丝杠底径，丝 = 0.65= 24.4 = 0.0244 杠材料钢的弹性模量，则 E =2.1 105/2 = 10 6 = 150.9（/） （3.9） 故满足要求。 ， 滚珠丝杠副在工作载荷和扭矩M作用下，所引起的螺纹每米导程变形总误 差 按下式计算 济南大学毕业设计 - 14 - = （ 1000 500 ） 103 （3.10） 式中：A丝杠截面积 G丝杠材料剪切弹性模量，对钢 G 82400/2 K-安装方式系数（固定自有：K=1；固定固定：K=0.25） 验算不等式为：（300mm 单一导程变动量）。效率验算为 300 = tan 100% tan （ + ） 90% 式中：丝杠螺纹螺旋升角；为摩擦角 = tan - 1 以上验算满足要求，可以采用此滚珠丝杠副。 故本次设计中 Y 向进给采用山东博特精工股份有限公司生产的 CM3210-2.5 型 内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副。 3.2 导轨的设计 3.2.1 导轨的基本要求 导轨是加工中心的基本结构要素之一，对其刚度、加工精度和加工中心的使用 寿命都有一定影响。导轨主要用来导向和承载，引导运动部件沿一定的轨道运动。 在一对导轨副中，与运动部件连在一起的是运动导轨，而与支承部件连在一起的是 支承导轨，前者相对于后者的运动，通常是直线运动或者回转运动。 鉴于导轨在加工中心的重要性，因而对其有一定的基本要求，具体包括以下几 点： （1）导向精度：是指运动导轨的轨迹直线度或者圆度。影响精度的因素大致有 导轨的结构类型、刚度和热变形等。 （2）耐磨性：导轨的耐磨性直接影响加工中心的精度保持性，它的长期运行会 导致导轨不均匀的磨损，破坏加工性能。因而要提高导轨的耐磨性，可以改善导轨 材料和热处理加工的工艺方法，注意对导轨的润滑与保养防护13。 （3）低速运动的平稳性：运动部件在低速行进时候易产生爬行现象，这会增大 被加工表面的粗糙度，降低定位精度，因此需要改善导轨结构，做好导轨润滑工作， 保持低速运动的平稳性。 （4）足够的刚度：导轨受力后扭转弯曲变形，会影响精度和部件之间的相对位 置，因此必须保证足够的刚度。 （5）结构简单、工艺性好：设计导轨时，要考虑到维修调整的方便，在满足使 济南大学毕业设计 - 15 - 用要求的前提下，尽可能的结构简单、性价比好。 3.2.2 导轨的分类 导轨按照不同的分类方式，可分为： （1）按照运动轨迹分为：直线运动导轨与圆周运动导轨。 （2）按照运动性质分为：主运动导轨、进给运动导轨和调整导轨。 （3）按照摩擦性质分为：滑动导轨和滚动导轨。其中滑动导轨按照其摩擦状态 又可以分为液体静压导轨和液体动压导轨。 （4）按照受力情况分为：开式导轨和闭式导轨。 在所有的导轨类型中，滑动导轨结构简单，制造方便，刚度好，减震性优良， 广泛应用于各类机床中。直线滑动导轨有若干个平面，考虑到制造、装备等因素， 应该使平面数量尽可能的减少，常用的有矩形、燕尾形、三角形及圆形表面。 在机床上，一般采用两条导轨来承受载荷和导向，因此导轨的组合方式因机床 的不同而不同，组合方式取决于导向精度、工艺性和导轨受载荷的大小等因素，常 见的组合方式如下： （1）双三角形导轨：导轨面同时起到导向支承作用，磨损能自动补偿，因而导 向精度高，但是制造检修较为困难，一般适用于精度较高的加工中心。 （2）双矩形导轨：虽然易于制造，承受载荷较大，但是导向面还需设置镶条和 压板来调整间隙，其导向精度比较低。 （3）三角形平导轨组合：这种组合精度较高，加工装配也较为简单，但是发 生热变形时候，会使移动部件发生偏移，使两条导轨磨损不一样，从而影响精度。 （4）三角形矩形导轨：这种导轨组合易于制造，刚度较高，三角形导轨面用 于导向，矩形导轨用于承载，应用非常普遍。 虽然滑动导轨应用较为普遍，但是也有明显的缺点，在低速运动时，容易出现 爬行现象。 随着加工中心技术的发展，在相配合的两导轨面之间放置滚珠或者滚柱，使摩 擦性质变成滚动摩擦，这就变成了滚动导轨。 与普通滑动导轨相比，滚动导轨有如下优点：运动灵敏度高，摩擦系数小，没 有爬行现象；定位精度高，精度保持性好；移动轻便，润滑系统简单。因而在新开 发的各类加工中心上被应用，由于滚动体和导轨是点接触或者线接触，故滚动体 和导轨面需要淬火处理，增强硬度。 3.2.3 导轨的选型 在本次设计中，铝塑型材加工中心的导轨副可以采用直线滚动导轨副，它是新 开发的一种滚动导轨，没有间隙，故不需要调隙机构，通过选配不同直径的钢球来 决定间隙和预紧。直线运动导轨副包括滑块和导轨两部分，导轨安装在哎支撑件上， 滑块固定在移动件上14。 济南大学毕业设计 - 16 - 图 3.1 为直线滚动导轨副的示意图。 图 3.1 直线滚动导轨副 3.3 支承部件的设计 3.3.1 立柱的设计 立柱属于立式床身，所承受的外载荷有两类：一是弯曲载荷，作用于立柱的对 称面；另一种是弯曲和扭转载荷，立柱的截面形状主要由刚度要求决定. 常见的有以下几种截面形状： （1）圆形截面，抗弯刚度较差，用于载荷不大的场合，或者有部件绕它旋转。 （2）对称矩形截面，以弯曲载荷为主，用于立柱对称面，载荷较大的场合。 （3）方形截面，用于受到两个方向弯曲载荷和扭转载荷的场合。 (4)双立柱，用于大型的龙门框架式加工中心。 立柱内部空间是中空的，为了合理利用这些空间，立柱上往往需要开孔。而孔 的大小和位置会影响立柱本身的刚度，因而孔尽量不要开在前后壁上，也不要开在 与弯曲平面垂直的壁上。开孔时，孔的宽度不要超过空腔宽度的 70%，高度不超过 空腔宽度的 1.2 倍，孔的边缘尽量厚一些，并用螺钉拧紧，这样可以补偿一些刚度。 济南大学毕业设计 - 17 - 本次设计中应用于铝塑型材加工中心的立柱示意图如下： 图 3.2 立柱结构示意图 3.3.2 横梁的设计 在本次设计中，横梁是一重要的支承部件，承担着 Y 方向的进给，同时还要承 担主轴箱的重量。横梁主要用于框架式机床，与立柱接触的长度不大，因此可以看 作是两只点的简支梁，承受了复杂的空间载荷，一方面有两个方向的弯矩，同时又 有转矩。 在设计横梁的过程中，要采取一些措施来加强横梁的刚度和减少截面形状的畸 变，因此可以在横梁下面合理配置加强筋。横梁示意图 3.3 如下，具体尺寸参数请 参考零件图。 济南大学毕业设计 - 18 - 图 3.3 横梁结构示意图 4 典型零件设计与选用 4.1 伺服电机的选用 伺服驱动电机作为加工中心运动的动力源，是决定了加工中心性能的关键要素 之一，不同种类的加工中心对电机的性能、特点有不同的要求，在选择伺服电机时， 要根据加工中心的最高转速和机械减速机构的复杂程度，选择电机的额定转速，再 综合考虑加工特点、电机与负载的转矩及转动惯量的匹配等因素，综合选出合适的 济南大学毕业设计 - 19 - 驱动电机15。 在本次设计中，可以选用交流伺服电机作为驱动，通过与滚珠丝杠连接，从而 完成直线运动。交流伺服电机具有精度高、运行平稳性好、结构尺寸紧凑和可控性 好等优点，满足铝塑型材加工中心的性能要求。通过上面滚珠丝杠的选用计算，选 定 YVP 系列变频调速三相异步电动机，型号为 YVP90L-4，具体技术参数如下所示： 标称功率：1.5kw 额定电流：3.8A 额定转矩：10N.M 转子惯量：0.0027kg.m2 重量：27kg 同步转速：1500r/min 堵转转矩/额定转矩=1.25 4.2 齿轮及齿条的设计 在本次设计中，X 方向的进给装置中，使用齿轮齿条作为机械传动，齿轮齿条 传动具有结构尺寸紧凑、传动稳定性好等优点，可以用于长距离的传动，适合于铝 塑型材对窄长型零件加工的需要16。 齿轮齿条的设计计算与选择，依照下面的步骤进行： 1.选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 （1）根据要求选用直齿圆柱齿轮传动 （2）齿轮为低速转动，设为 160rpm，故选用 7 级精度（GB1009588） （3）材料选择：齿轮材料为 45 钢，调制处理 4050HRC （4）选取齿轮的齿数为 Z=30 齿数比=3 （5）工作寿命 15 年（设每年工作 300 天） （6）取电动机与 Y 轴电机一样 P=1.5KW 2.按齿面接触强度计算 根据齿面接触的状况与系数，可由公式 4.1 进行计算： (4.1) 1 2.32 3 1 1 ( ) （1）试选载荷系数 Kt=1.1 查机械设计表 10-7 选取齿宽系数 = 1 计算齿轮传递的扭矩 1= 95.5 1051 1 = 8.9 104（ ） 查机械设计表 10-6 选取材料的弹性系数 = 189.8 1 2 查机械设计图 10-21d 按齿面硬度查的小齿轮的解除疲劳极限 1= 600 济南大学毕业设计 - 20 - 计算应力循环次数 N1=60n1jLh=6.912108 查机械设计图 10-19 得解除疲劳强度寿命系数 KHN1=0.8 计算解除疲劳许用应力见如下公式，取失效概率为 1%，安全系数 S=1 (4.2) 1= 11 = 480() （2）尺寸计算 计算齿轮分度圆直径 =63.4(mm) 1 2.323 1.1 8.9 104 1 4 3 (189.8 480 ) 2 计算圆周速度 (4.3) = 11 60 1000 = 0.53（/） 计算尺宽 (4.4) = 1= 63.4（） 计算尺宽与齿高之比 b/h 模数： 1= 1 1 = 2.11() 齿高： = 2.251 = 4.755() b/h=13.3 （3）按齿根弯曲强度设计 设计公式为 (4.5) 3 21 12 确定公式内各计算数值 查机械设计图 10-21 选取齿轮的弯曲疲劳强度极限 = 500 济南大学毕业设计 - 21 - 查机械设计图 10-18 选取弯曲疲劳寿命系数 = 0.85 计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数 S=1.4 (4.6) = = 303.57（） (4)计算载荷系数 K (4.7) = 确定式中各数值: 根据 V=0.53m/s，7 级精度，由图 10-8 查的动载系数 KV=1.04 直齿轮 = = 1 由表 10-2 查的使用系数 = 1 由表 10-4 用插值法查的 7 级精度、小齿轮相对非对称布置时， = 1.423 故载荷系数 K=1.479 按照实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，由下式得 (4.8) 1= 13 = 69.9() (5)查取齿形系数 由机械设计表 10-5 查的 = 2.6 (6)查取应力校正系数 由机械设计表 10-5 查的 = 1.46 (7)计算齿轮的 = 0.0125 设计计算 3 2 1.479 8.9 104 1 302 0.0125= 1.54() 对比以上计算结果可知，按齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于按齿根弯曲疲 劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力， 济南大学毕业设计 - 22 - 而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关， 所以取模数 m=1.54mm，并就近圆整为 m=2mm，则按接触强度算得的分度圆直径 ，算出齿轮齿数： 1= 69.9 (4.9) 1= 1 = 34.9 35 计算分度圆直径1 = 1 = 35 2 = 70() 计算齿轮宽度 ，式中，取 = = 16= 610.= 8 因为齿轮直径小于 160mm，故采用实心结构的齿轮。 齿轮具体参数如下 分度圆直径：70mm 齿根圆直径： =（1 2 2 ）= 65 齿顶圆直径：= 1 (1+ 2 ) = 74 3.齿条的计算与选型 根据以上计算的齿轮结果来计算齿条主要参数17： 齿顶高：1 = 2= 齿根高：1 = 2=( + ) 齿全高：1 = 2=（2 + ） 齿距： = 齿轮中心到齿条基准线的距离，式中齿顶高系