毕业设计（论文）-汽车送丝机的设计【全套图纸】.doc

全套图纸，加153893706目 录1 绪论11.1选题背景41.2 国内外研究现状及发展趋势21.3 主要研究内容22 数控焊接机床的总体方案设计32.1原始数据及技术要求32.2总体方案设计32.2.1机床主要部件及其布置方案32.2.2各部件传动系统的选型43 工位转换机构的设计63.1 同步带传动副的选型与计算63.2 伺服电机的选型与计算93.2.1 伺服电机和步进电机的性能比较93.2.2伺服电机的选型与计算104 工件转动机构的设计134.1 同步带传动副的选型与计算134.2 伺服电机的选型与计算165 进给机构的设计205.1 滚珠丝杠副的选型与计算205.1.1 滚珠丝杠副及其支承形式205.1.2 滚珠丝杠副的计算与选型215.2 直线滚动导轨副的选型与计算255.2.1 直线滚动导轨副的工作原理、装配和特点255.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型265.3 联轴器的选用285.4伺服电机的计算与选型.296 送丝机构的设计336.1 微型自动送丝机的设计336.1.1 微型自动送丝机的设计原理336.1.2工作条件336.1.3技术数据346.1.4自动送丝机的方案356.2 焊丝盘固定座的设计367 夹具和电磁顶紧机构的设计377.1夹具的设计377.2电磁顶紧机构的设计38结论40参考文献41致谢42第1章 绪论1.1 选题背景现代社会对汽车的需求量很大，特别是我国现阶段汽车工业的飞速发展，对汽车零件的需求量、质量和企业的效率提出越来越高的要求。带轮是汽车传动系统中的一个重要零件，与其它种类传动件相比，它们具有结构简单、传动平稳、传动噪声低、造价低廉、不需要润滑以及利于缓冲、吸震、易维护等优点。带轮的传统加工方法及其缺点主要有：1、铸造带轮毛坯，经热处理后车出V面再经磨削完成精加工，最后镗带轮孔和插制键槽，这种加工方法不仅效率低，而且质量也不易保证，还大量浪费材料；2、由若干冲压板经螺栓固定制成带轮，这种方法虽然价格低廉，生产效率也较高，但是其承载能力不足以满足大载荷要求；3、精铸带轮毛坯，然后经磨削完成V面的精加工，这种方法的前期成本非常高；4、由铣床铣削出已铸带轮毛坯的V面，同样用铣削完成带轮的精加工，这种加工方法的工艺流程繁杂，加工效率也很低。在机械产品中如何节约原材料却能提高产品质量，减轻产品的重量却能延长使用寿命，降低产品的制造成本及能源消耗还能减少加工工时一直是人们关注的。由金属钣材经拉伸-旋压成形的钣制旋压带轮是最新最佳的带轮结构形式，这种带轮在汽车、拖拉机、收割机、空压机等多种机械产品中应用广泛。旋压带轮与铸铁带轮相比的优点是：1、采用旋压工艺制成，属于无屑加工，结构轻、节省原材料70%以上，因而转动惯量小，是一种节料、节能的新产品；2、生产效率高，平衡性能好，一般无需平衡处理；3、由于材料流线不被切断，表面产生冷作硬化，组织密度提高，使轮槽表面的强度和硬度提高；4、尺寸精度高，皮带与轮槽的滑差小，皮带寿命长。旋压是板坯与芯模共同旋转，由辊轮进给并施加压力，使板坯紧贴芯模逐点局部变形的冲压成形工艺方法。在旋压之前的板坯与芯摸的焊接工艺，目前多采用手工焊接的方式，其缺点主要有：工人的劳动强度大，工艺参数单一，焊接轨道单一，在一系列的带轮加工中焊接质量无法保持统一。在汽车产业飞速发展的今天，手工焊接方式已经无法适应零件大批量、多规格、多种类的生产。旋压带轮作为汽车传动系统中的重要零件之一，其加工质量的高低直接影响汽车的整车性能，所以急需有一套数控焊接设备以代替传统的手工焊接。因此，本文针对旋压板坯与芯模的焊接工艺设计专用的数控焊接机床，以提高焊接的加工效率和焊接质量作为研究目的，这对利用高新技术改善原有的焊接工艺以及传统的汽车制造产业的自动化发展具有很大的实际意义和研究价值。1.2 国内外研究现状及发展趋势旋压板坯与芯模的焊接属于环形焊缝的焊接。现有很多种类的立式环缝自动焊机，它们是一种操作简单方便、物美价廉、精致小巧、能完成不同规格和各种尺寸的圆形、环形焊缝焊接的通用自动焊接设备。现有数控焊接机床数控机构为单轴或多轴数控，采用步进电机或交流伺服电机驱动，焊枪做环缝焊接时数控机构驱动焊枪做上下做仿形运动，也有部分数控焊接机床的相对运动通过控制工件旋转完成。焊接夹具保证工件的轴向和径向定位，通过调整焊接夹具的定位点和更换定心轴，可以实现不同尺寸规格工件的自动焊接。焊枪气动提升机构采用气缸或滚珠丝杠推动，保证升降重复精度。焊枪三维调节机构用于焊枪初始焊接位置的微调对中。但是，根据作者的大量参考文献，未发现国内有用于汽车旋压带轮数控焊接的数控焊接机床，该工序仍然采用手工焊接方式。相对于目前的汽车制造产业对数控焊接机床的巨大需求，汽车旋压带轮数控焊接机床的研发生产仍是处于初步时期，相应的产品也是处于供不应求的阶段。因此，本课题根据当前国内数控焊接机床的发展状况，结合汽车产业对数控焊接的需求，同时分析环缝数控焊接设备的研发和产品的特点，进行了总结，自主设计并开发了物美价廉，操作简单，生产效率高，能够焊接不同规格和尺寸的旋压带轮的数控焊接机床。1.3 主要研究内容 本数控焊接机床是针对汽车旋压带轮环形焊缝焊接的设备，根据零部件环形焊缝的特点及对焊接的要求，数控焊接机床的设计过程中研究内容主要由以下几部分组成：（1）、焊枪位置调节机构。要求本数控焊接机床可焊接不同尺寸规格的旋压带轮，所以需要可调节焊枪的上下、左右、前后移动的机构，能使焊枪位于待焊焊缝的上方，并准确定位。（2） 、工件转动机构。本机床加工旋压带轮，需要360焊接，故需支撑工件并使工件转动，即控制工件自由转动的机构，也是控制焊接速度的机构。（3）、工位转换机构。本数控焊接机床的设计要求四工位，立体式布局，在工位转换过程中需要工件移位机构来实现这个功能。（4）、定位夹紧机构。定位、夹紧工件的机构，使旋压带轮准确定位，焊缝准确对准3焊枪，并随着工件转动机构旋转。（5）、送丝机构。数控焊接机床中自动给焊枪送焊丝的机构，是焊接自动化中不可缺少的一部分，主要由微型自动送丝机和焊丝盘装置组成。（6）、应用Pro/Engineer软件进行关键机构的仿真模拟。19第2章 数控焊接机床的总体方案设计2.1 原始数据及技术要求（1） 加工对象 汽车旋压带轮（2） 加工范围 径向：500mm； 转动轴：任意角度（3） 机床定位精度 直线：0.005mm； 转动方向：0.36（4） 最大快进速度：40m/min 最大进给速度：30m/min 启动加速时间：10ms（5） 机床结构：四工位，立体式布局（6） 焊接工艺：数控化，能适应多规格产品加工的要求（7） 焊接方式：CO2保护焊2.2 总体方案设计2.2.1 机床主要部件及其布置方案本文设计的数控焊接机床主要包括以下几个部分：多工位工作台、焊枪固定及调节装置、自动送丝装置、Z向进给系统、定位与夹紧装置、电磁顶紧机构和工件加工转动平台等。主床身以三层的形式布置，从下到上，第一层安装自动焊机控制系统和伺服驱动模块；第二层安装Z向进给系统和工件加工转动平台，工件加工转动平台所在的溜板上安装电磁顶紧机构，以保证该机构与零件的相对位置，Z向进给系统所在的立板上适当位置安装夹紧装置，二层平面上安装用于调节焊枪位置的支架，其上装有焊枪；第三层安装微型自动送丝机和焊丝盘，以保证焊丝能够源源不断的从上输送到焊枪中。辅助床身安装多工位工作台，两层式布局，下层与主床身的第一层平齐构成一个统一的空间，保证有足够的空间安装伺服驱动模块；上层支承多工位工作台，工作台上需安装工件托架，托架上装有可拆卸、可移动、转动的托盘，托盘之上装有用于工件定位的V型块，托盘与托架之间由两根大小不一的销钉进行定位和定向。数控焊接机床的总体方案如图2-1所示。2.2.2 各部件传动系统的选型一般来说，数控机床的进给系统采用滚珠丝杠副传动，而本文设计的数控机床要求的最大快进速度和最大进给速度都较大，所以Z向进给系统采用伺服电机通过联轴器直接与滚珠丝杠联接的方式。滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计，但滚珠丝副之间的摩擦力不能忽略，这些摩擦力矩会影响电机的精度，因此有必要对采取丝杠预紧，和螺母座调隙的措施，以把产生的负载波动控制在很小的范围内。为保持工件加工平台的良好的导向精度，保证其运转的稳定性，工件加工平台所在的溜板采用具有良好的精度保持性和足够的刚度的滚动直线导轨与立板联接。对于多工位工作台和工件加工转动平台，由于其转动速度相对较低，且要求的速度和位置定位精度都较高，所以综合考虑传动的平稳性、传动比精度和润滑的因素，宜采用同步带传动。同步带传动综合了带传动和链传动的优点。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨脂橡胶为基体、工作面上带齿的环形带。工作时，带的凸齿与带轮上的齿槽进行啮合传动。由于抗拉层承载后变形小、能保持同步带的周节不变，故带与带轮间没有相对滑动，从而保证了同步传动传动比的准确。同步带传动的主要优点是：、无滑动，能保证固定的传动比；、预紧力小，轴和轴承上所承受的载荷小；、带的厚度小，单位长度质量小，故允许的线速度较高；、带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。其主要缺点是制造和安装精度要求高，价格也较高。图2-1 焊接机床的总体方案图第3章 工位转换机构的设计3.1 同步带传动副的选型与计算设计参数：P=1kW， n1=2000r/min i=3.2（1）、确定带的设计功率Pd 设计功率： （3-1）式中 KA-工作情况系数，根据焊接机床的工作情况，查参考文献1P28表3-18 得KA=1.85； P-传递的功率，单位为kW。（2）、选择带型和节距pb根据Pd和n1由1P29图3-14选择带型，图中水平坐标为带的设计功率Pd（kW），垂直坐标为小带轮的转速n1（r/min)。由根据设计参数查图，选用H型同步带，pb=12.7mm。（3）、确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1应使Z1Zmin，Zmin由1P28表3-17得Zmin=14，在带速v和安装尺寸允许情况下，选择Z1=15，查1P27表3-16的参数如下：Z1=15，d1=60.64mm，d01=59.27mm 验算带速： （3-2） 极限带速vmax为：H型，vmax=35-40m/s，v=6.35m/svmax，故带速符合要求。（4）、确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2大带轮齿数Z2=iZ1=3.215=48，查1P27表3-16的参数如下：Z2=48，d2=194.04mm，d02=192.67mm（5）、初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数zb根据下式进行中心距的初选： 0.7（d1+d2）a02(d1+d2) （3-3）初选中心距a0=250mm，则带的节线长度为： （3-4）由节线长度L0p=917.85mm查1P23表3-13，选择长度代号360，于是Lp=914.4mm，对应的带齿数Zb=72。（6）、计算实际中心距a设计同步带传动时，中心距a应该可调整，以便获得适当的张紧力。中心距的调整范围如1P30表3-20所示。此时，实际中心距为： (3-5)取整为：a=240mm。（7）、校验带与小带轮的啮合齿数Zm啮合齿数： （式3-6）式中，ent（x）为取整函数。一般情况下，应保证ZmZmmin=6，故啮合齿数符合要求。（8）、计算基准额定功率P0基准额定功率P0为： （3-7）式中 P0-所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为kW； Ta-带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N，查1P30表3-21得bs0=76.2mm； m-带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m，查1P30表3-21得 m=0.448kg/m； v-同步带的线速度，单位为m/s。（9）、确定实际所需同步带宽度bs 实际所需同步带宽度bs为： （3-8）式中 bs0-选定型号的基准宽带； Kz-小带轮的啮合齿数系数，查1P31表3-22的Kz=1。根据计算结果，查1P26表3-15选轮宽带号为075，则bs=19.1mm。（10）、带的工作能力验算同步带的额定功率P： （3-9）式中 Kz-啮合齿数； Kw-齿宽系数，； Ta-基准带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N； M-带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m； V-同步带的线速度，单位为m/s。结果满足PPd，故带的工作能力满足要求。故最终选定的同步带传动型号为360H075。3.2 伺服电机的选型与计算3.2.1 伺服电机和步进电机的性能比较作为一种开环控制系统的步进电机，现代数字控制技术与其有着密切的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流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交流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。（1）、控制精度两相混合式步进电机步距角一般为1.8、0.9，五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通过细分后步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以山洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000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360/8000=0.045。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=0.0027466，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。故控制精度方面，由交流伺服电机驱动的系统要远高于由步进电机驱动的系统。（2）、低频特性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。交流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。交流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），可检测出机械的共振点，便于系统调整。由此可见，伺服电机的低频特性要优于步进电机的低频特性。（3）、矩频特性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300600r/min。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000r/min或3000r/min）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。（4）、过载能力步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。交流伺服系统具有速度过载和转矩过载能力，其最大转矩为额定转矩的二到三倍，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。（5）、运行性能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。交流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。（6）、速度响应性能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。交流伺服系统的加速性能较好，一般从静止加速到其额定转速3000r/min仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。工位转换的数控系统的运转速度较低，要求的位置精度也较高，要求的启动时间较短（20ms)，同时为减少力矩浪费现象的出现，所以选用控制精度、低频特性、过载能力和速度响应性能较好的交流伺服电机驱动。3.2.2伺服电机的选型与计算（1）、机械系统的决定 因电机轴与支承轴之间采用同步带减速装置，所以传动比G和传动效率分别为： （2）、动作模式的决定 图3-1为转动托盘的运动曲线，等加速时间为和等减速时间为0.02s，匀速运动时间为2s。图3-1 转盘的转速曲线图（3）、换算到电机轴负载惯量的的计算 （3-10） 式中 JL-换算到电机轴惯量； J1-电机轴侧惯量，包括小带轮及其附属零件的惯量，估算为 J1=9.5210-9kgm2； J2-负载轴侧转动件的惯量，包括轴、固定转盘和托架的零件，估算为 J2=0.3510-4kgm2； JW-负载惯量，包括转动托盘和待焊接带轮及其他小附件，估算为JW=0.1510-4kgm2。 （4）、负载转矩的计算 负载的转矩可如估算得： （3-11） （3-11）式中 u-滚动轴承的摩擦因素； F-整个工作台个零件及各工件所收到的重力，单位为N； r-轴承滚珠与轴线的距离，单位为m。 换算到电机轴负载转矩，如下计算得： （3-12）（5）、伺服电机的初步选定 电机的转子的惯量根据下式选定： （3-13） 参考相关资料，初步选定伺服电机型号为MSMA10ZP1U 技术参数为：额定转矩：TN=3.18Nm 额定转速：nN=3000r/min 最高转速：nmax=5000r/min转子惯量：JM=1.8810-4kgm 最大转矩：TM=9.5Nm（6）、加减速转矩的计算 加减速转矩 （3-14）（7）、瞬时最大转矩、有效转矩的计算 、瞬时最大转矩 Tmax计算：加速转动时的转矩： （3-15）等速转动时的转矩： （3-16）等减速转动时的转矩： （3-17） 综合以上计算所得可知瞬时最大转矩Tmax=0.88Nm。 、有效转矩Trms的计算： （3-18）（8）、讨论验证负载惯量条件满足有效转矩条件满足最大转矩条件满足表3-1故所选伺服电机符合设计需求。第4章 工件转动机构的设计4.1 同步带传动副的选型与计算 设计参数：P=400W， n1=2000r/min i=2.25（1）、确定带的设计功率Pd 设计功率： （4-1）式中 KA-工作情况系数，根据焊接机床的工作情况，查参考文献1P28表3-18 得KA=1.85； P-传递的功率，单位为kW。（2）、选择带型和节距pb 根据Pd和n1由1P29图3-14选择带型，图中水平坐标为带的设计功率Pd（kW），垂直坐标为小带轮的转速n1（r/min)。由根据设计参数查图，选用L型同步带，pb=9.525mm。（3）、确定小带轮齿数Z1和小带轮节圆直径d1 应使Z1Zmin，Zmin由1P28表3-17得Zmin=12，在带速v和安装尺寸允许情况下，选择Z1=16，查1P27表3-16的参数如下：Z1=16，d1=48.51mm，d01=47.75mm 验算带速： （4-2） 极限带速vmax为：L型，vmax=35-40m/s，v=5.08m/svmax，故带速符合要求。（4）、确定大带轮齿数Z2和大带轮节圆直径d2大带轮齿数Z2=iZ1=2.2516=36，查1P27表3-16的参数如下：Z2=36，d2=109.15mm，d02=108.39mm（5）、初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数zb根据下式进行中心距的初选： 0.7（d1+d2）a02(d1+d2) （4-3）初选中心距a0=200mm，则带的节线长度为： （4-4）由节线长度L0p=652.25mm查1P23表3-13，选择长度代号240，于是Lp=609.6mm，对应的带齿数Zb=64。（6）、计算实际中心距a设计同步带传动时，中心距a应该可调整，以便获得适当的张紧力。中心距的调整范围如1P30表3-20所示。此时，实际中心距为： （4-5）取整为：a=178mm。（7）、校验带与小带轮的啮合齿数Zm啮合齿数： （4-6）式中，ent（x）为取整函数。一般情况下，应保证ZmZmmin=6，故啮合齿数符合要求。（8）、计算基准额定功率P0基准额定功率P0为： （4-7）式中 P0-所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率，单位为kW； Ta-带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N，查1P30表3-21得bs0=25.4mm； m-带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m，查1P30表3-21得 m=0.095kg/m；v-同步带的线速度，单位为m/s。（9）、确定实际所需同步带宽度bs 实际所需同步带宽度bs为： （4-8）式中 bs0-选定型号的基准宽带；Kz-小带轮的啮合齿数系数，查1P31表3-22的Kz=1。根据计算结果，查1P26表3-15选轮宽带号为075，则bs=19.1mm。（10）、带的工作能力验算同步带的额定功率P： （4-9）式中 Kz-啮合齿数； Kw-齿宽系数，； Ta-基准带宽为bs0时的许用工作拉力，单位为N； M-带宽为bs0时的单位长度的质量，单位为kg/m； V-同步带的线速度，单位为m/s。结果满足PPd，故带的工作能力满足要求。故最终选定的同步带传动型号为240L075。4.2 伺服电机的选型与计算如前所诉，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。工件转动的驱动控制系统的运转速度较低，要求的位置精度也较高，要求的启动时间较短（20ms)，同时为减少力矩浪费现象的出现，所以选用控制精度、低频特性、过载能力和速度响应性能较好的交流伺服电机驱动。（1）、机械系统的决定 因电机轴与支承轴之间采用同步带减速装置，所以传动比G和传动效率分别为： （2）、动作模式的决定 图4-1为转动托盘的运动曲线，等加速时间为和等减速时间为0.02s，匀速运动时间为6s。图4-1 托盘的转速曲线图（3）、换算到电机轴负载惯量的的计算 （式4-10） 式中 JL-换算到电机轴惯量； J1-电机轴侧惯量，包括小带轮及其附属零件的惯量，估算为 J1=3.7910-9kgm2； J2-负载轴侧转动件的惯量，包括轴、固定托盘和其他小附件，估算为 J2=3.4510-6kgm2； JW-负载惯量，包括转动托盘和带焊接带轮及其他小附件，估算为 JW=2.5010-7kgm2。 （4）、负载转矩的计算 负载的转矩可如估算得： （式4-11）式中 u-工件转动托盘之间的摩擦因素； F-夹具与升降台作用于工件的夹紧力，单位为N； r-驱动销钉与主轴线之间的距离，单位为m。 换算到电机轴负载转矩，如下计算得： （4-12）（5）、伺服电机的初步选定 电机的转子的惯量根据下式选定： （4-13） 参考相关资料，初步选定伺服电机型号为MSMD04ZP1U 技术参数为：额定转矩：TN=1.3Nm 额定转速：nN=3000r/min 最高转速：nmax=5000r/min转子惯量：JM=0.2810-4kgm 最大转矩：TM=3.8Nm（6）、加减速转矩的计算 加减速转矩 （4-14）（7）、瞬时最大转矩、有效转矩的计算 、瞬时最大转矩 Tmax计算：升程加速运动时的转矩： （4-15）升程等速运动时的转矩： （4-16）升程等减速运动时的转矩： （4-17）综合以上计算所得可知瞬时最大转矩Tmax=1.404Nm。 、有效转矩Trms的计算： （4-18）（8）、讨论验证负载惯量条件满足有效转矩不满足最大转矩条件满足表4-1由表中可以看到，三项中只有有效转矩略低于电机的额定转矩。但是由于本系统长期在远低于额定转速的情况下工作，其电机的实际转矩会比电机的额定转矩高出很多，所以所选伺服电机基本符合设计需求。第5章 进给机构的设计5.1 滚珠丝杠副的选型与计算5.1.1 滚珠丝杠副及其支承形式滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。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。丝杠或螺母转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。滚珠丝杠的外形如图5-1所示。 图5-1 滚珠丝杠 滚珠丝杠副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长等特性，广泛运用于各种工业设备、精密仪器和数控机床等。滚珠丝杠副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。在实际应用中，滚珠丝杠副的安装方式的选择，同样会影响整个机构的工作效果，根据具体应用情况的不同，滚珠丝杠副的安装可以有多种不同的方式。不同的安装方式（即支承形式）都有其各自的特点，选取时，既要考虑实际工作要求（定位精度、传动速度、扭矩和推力情况等），又要结合滚珠丝杠副型号规格的选择，只有两者综合考虑合理搭配，才能实现最佳效果，发挥滚珠丝杠副的最大价值。 滚珠丝杠副的安装方式一般叫做滚珠丝杠副的支承形式，通常有两大类（丝杠旋转类和螺母旋转类）共四种典型的支承形式（如图5-2），支承形式不同，所容许的轴向载荷和容许的回转转速也有所不同，应根据工况适当选择。图5-2 滚珠丝杠的支承形式 （a）、双推-自由 一端装止推轴承。此种支承形式的特点是：刚度、临界转速、压杆稳定性低；设计时应该尽量使丝杠受拉伸；仅适用于较短或垂直安装的丝杠。 （b）、单推-单推 两端装止推轴承。此种支承形式的特点是：可根据预计温升产生的热膨胀量进行预拉伸。 （c）、双推-简支 一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承。此种支承形式的特点是：临界转速、压杆稳定性较高；丝杠有热膨胀的余地；适用于较长的卧式安装的丝杠。 （d）、双推-双推两端装双重止推轴承及深沟球轴承。此种支承形式的特点是：丝杠的轴向刚度高；丝杠一般不会受压，无压杆稳定性问题；可用预拉伸减小因丝杠自重引起的下垂；适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。为提高丝杠的轴向刚度，提高位移精度，使其符合数控焊接机床进给传动系统对精度的要求，本文采用“双推-双推”的支承形式。5.1.2 滚珠丝杠副的计算与选型（1）、最大工作载荷Fm的计算 最大工作载荷Fm是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠副的进给力、移动部件的重力，以及工作台与导轨之间的摩擦力。图5-3为工作台得受力情况。图5-3 工作台受力示意图 最大动载荷如下： （5-1）式中 G-整个工作台及所承载零部件的重力，单位为N，设计中估算m=40kg； F-工件转动过程中所受到的夹紧力，单位为N； f-工作台与导轨之间的摩擦力，单位为N； u-导轨副的摩擦系数，查1P38得u=0.005。（2）、最大动载荷的计算最大动载荷计算如下： （5-2） （5-3）式中 L0-滚珠丝杠的寿命，单位为106r； T-使用寿命，数控机床及一般的机电设备取T=15000h； n-丝杠每分钟的转速，本文此处取n=4000r/min； fW-载荷系数，查1P39表3-30得fW=1.2； fH-硬度系数，查1P38得fH=1； Fm-滚珠丝杠的最大工作载荷，单位为N。（3）、导程的选择 （5-4）式中 vmax-系统要求达到的最大快进速度，单位为m/s；Nmax-所选电机的恒功率最高转速，单位为r/min。故所选丝杠的导程应该不小于8mm。（4）、规格型号的选择初选滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷CaFQ。当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷Coa（2-3）Fm。根据已算得的相关数据，且考虑到丝杠的工作情况和安装尺寸的要求，参考2P962表3-7-68，选取滚珠丝杠副的型号为CDM-2510-3，其相关参数如下：公称直径d0=25mm 导程Ph=10mm 滚珠直径DW=4.763mm 丝杠外径d=24.5mm丝杠底径d1=19.2mm 循环圈数Z1Z2=1.52（5）、传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.8-0.9之间，可由下式计算： （5-5） （5-6）式中 -丝杠的螺旋升角； -摩擦角，一般取10。（6）、刚度的验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形等。 丝杠的拉伸或压缩变形量 在总变形量中占的比率比较大，可按下式计算： （5-7） （5-8） 式中 Fm-丝杠的最大工作载荷，单位为N； -丝杠两端支承间的距离，单位为mm； E-丝杠材料的弹性模量，钢的E=2.1105； S-丝杠按底径d2确定的截面积，单位为mm2；M-转矩，单位为Nmm； I-丝杠按底径d2确定的截面惯性矩。其中，“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。由于转矩M较小，故第二项忽略不计。 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 可从产品型号中查出，或由下式计算： （5-9） （5-10）式中 DW-滚珠直径，单位为mm； Z-滚珠总数量； FYJ-预紧力，单位为N，取夹紧力的2倍。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减小一半左右。 刚度验算 丝杠的总变形量： （5-11）由于大于机床规定的定位精度的一半，故需要对丝杠进行预拉伸以减小丝杠的拉伸变形量，且加大丝杠的预紧力以减小滚珠与螺纹滚道间的接触变形量，经过安装调试使其变形量达到要求。）、稳定性的验算滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。失稳时的临界载荷Fk应满足： （5-12） （5-13）式中 Fk-临界载荷，单位为N； fk-丝杠支承系数，查1P42表3-34得fk=4； K-压杆的稳定安全系数，一般取为2.5-4，垂直安装时取小值，故K=2.5； a-滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为mm。 因Fk=88485.8NFm=493.93N，故滚珠丝杠的稳定性符合要求。5.2 直线滚动导轨副的选型与计算5.2.1 直线滚动导轨副的工作原理、装配和特点直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成。一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚道滑块的端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。装配时常将两根导轨固定在支承件上，每根导轨上一般有两个滑块，滑块固定在移动件上。若移动件较长，可在一根导轨上装两个以上的滑块；若移动肩较宽，可选用两根以上的导轨。两根导轨中，一根为基准导轨，另一根为从动导轨，基准导轨上有基准面，其上滑块有基准面。安装时先固定基准导轨，之后以基准导轨校正从动导轨，达到装配要求时再紧固从动导轨。直线滚动导轨副具有摩擦因素小、不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。其缺点是抗振性较差、成本较高。直线滚动导轨副的结构如图5-4所示。图5-4 滚动直线导轨副5.2.2 直线滚动导轨副的计算与选型（1）、工作载荷P的计算工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。对于竖直布置的工作台，多采用双导轨、四滑块的支承形式。工作台的受力情况如图5-5所示，任一滑块所受到的工作载荷可以如下进行计算：图 5-5 溜板受力示意图 （5-14）式中 P1-P4-作用在各滑块上的工作载荷，单位为N； G-工作台和工件的总重力，单位为N； F-工件的夹紧力，单位为N； h-工作台和工件的重心与导轨接触面的垂直距离，单位为m； l-夹紧力相对于导轨接触面的力矩，单位为m； d-同根导轨上两个滑块的距离，单位为m。根据计算所得的工作载荷P=353.17N，查2P1571选择导轨副的型号为GGB16BA。（2）、距离额定寿命的计算直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为额定动载荷Ca，该行走距离称为距离额定寿命。滚动体不同时，距离额定寿命L的计算公式也不同。滚动体为球时： （5-15）式中 L-距离额定寿命，单位为km； Ca-额定动载荷，单位为kN； P-滑块上的工作载荷，单位为kN； fH-硬度系数，查1P46表3-36的fH=0.8； fT-温度系数，查1P46表3-37的fT=1； fC-接触系数，查1P46表3-38的fC=0.81； fR-精度系数，查1P47表3-39的fR=1； fW-载荷系数，查1P47表3-40的fW=1.3；（3）、小时额定寿命的计算根据距离额定寿命，可以计算出导轨副的小时额定寿命，计算如下： （5-16）式中 Lh-寿命时间，单位为h； L-距离额定寿命，单位为km； S-移动件行程长度，单位为m； n-移动件每分钟的往复次数。（4）、距离额定寿命的校验如上，根据选定型号的导轨副给定的额定动载荷计算出的导轨副的距离额定寿命：L=3.14104km50km，导轨副的小时额定寿命为4.36105h15000h，故所选的导轨副型号满足设计要求。5.3 联轴器的选用联轴器是一种常用的机械传动装置，主要用来连接轴与轴（或联接轴