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二维交流伺服数控控制工作台机械系统设计.doc

二维交流伺服数控控制工作台机械系统设计【优秀含6张CAD图纸+全套机械毕业设计】

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关键词：: 二维交流交换伺服数控控制节制工作台机械系统设计优秀优良 cad 图纸全套毕业设计

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xy工作台1777.dwg

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摘要

随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和以提高ch产品的质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对航空机、数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来越高的精度要求，X-Y作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。

本设计通过伺服系统控制伺服电机经过数控机床进给传动系统包括丝杠螺母副及其支承部件等,即将伺服电机的旋转运动传递为工作台或刀架的进给运动的整个机械传动链。对整个机械传动链进行了系统的设计,涉及到伺服电机的选型,滚珠丝杠副的选型、强度校核及其生产设计中应注意的问题，连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型与校核，支承件轴承的设计，导轨及机架的设计。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能，从而确保机床的加工精度。

关键词X-Y工作台；伺服系统；数控机床

Abstract

With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the air machines, CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, XY for Taiwan is that these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play Is particularly important role.

The servo system designed to control the servo motor to the transmission system into the NC machine tools, including screw and nut bearing components such as vice, is about to servo motor for the transfer of rotating turret of the table or feed the entire campaign mechanical transmission chain. The entire mechanical transmission chain for the system design, servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis The Selection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine.

Keywords XY table; servo system; CNC machine tools

1 绪论1

1.1数控工作台概述1

1.1.1概念1

1.1.2数控工作台分类1

1.1.3数控工作台组成1

1.2课题的背景2

1.3总体方案设计2

2交流伺服电动机4

2.1交流伺服电动机概述4

2.2交流伺服电动机的选型6

3丝杠的选型及计算8

3.1丝杠的介绍8

3.1.1丝杠螺母机构基本传动形式8

3.1.2滚珠丝杠副的组成及特点8

3.1.3滚珠丝杠的结构形式8

3.2丝杠的选型10

3.3丝杠的校核10

3.4丝杠设计中应注意的问题12

4联轴器的选择14

4.1联轴器的初步计算14

4.1.1选择联轴器14

4.1.2联轴器较核15

5轴承的选用及润滑17

5.1滚动轴承结构设计17

5.1.1精度17

5.1.2配合17

5.1.3 轴承材料选择18

5.2轴承的型号选择：18

5.2.1深沟球轴承的选择与计算18

5.2.2角接触球轴承的选择19

5.3轴承的润滑20

6 导轨的选型及计算21

6.1 初选导轨型号及估算导轨长度21

6.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命22

6.3导轨材料与热处理24

6.4导轨的技术要求25

6.4.1表面粗糙度25

6.4.2几何精度25

6.5导轨设计和使用注意事项26

7机架的设计27

7.1机架设计的技术要求27

7.2机架设计的一般要求28

7.3机架材料的选择28

8伺服驱动部分30

8.1接口30

8.1.1人机接口30

8.1.2机电接口30

8.2伺服系统30

8.2.1伺服系统的特点30

8.2.2伺服系统的组成31

8.2.3变频器31

8.3控制系统31

结论33

致谢34

参考文献35

附录36

参考文献

[1]机械设计手册编委会.机械设计手册[S].北京：机械工业出版社，2004。

[2]任嘉卉主编.公差与配合手册[S].北京：机械工业出版社，2000。

[3]洛阳轴视研究所.滚动轴承产品样本[M].北京：机械工业出版社。2000。

[4]王恺主编.机械工业基础标准应用手册[S].北京：机械工业出版社，2001。

[5]戌灏主编.机械设计手册[S].北京：机械工业出版社，2000。

[6]成大先主编.机械设计手册[S].北京：化学工业出版社，2002。

[7]中国机械工程学会、中国机械设计大典编委会.机械设计大典[S]。江西科学技术出版社，2002。

[8]朱龙根主编.简明机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1997，11.

[9]RORZE株式会社.RORZE综合手册.1996

[10]郑玉华.典型机械（电）产品构造. 北京：北京科学出版社，2006

[11]S.卡尔帕基安，S.R.施密德.制造工程与技术（机加工）（英文版）及学习辅导（上册）.

北京：机械工业出版社 .1998

[12]冯辛安.机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社.1999

[13]陈婵娟.数控机床设计. 北京：化学工业出版社，2006

[14]Park,J.S.,Anti-IL-4 monoclonal antibody prevents antibiotics-induced active fatal anaphylaxis[J]; Journal of Immunology.1997 May 15;158(10);5002-6.

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内容简介：: 毕业设计 (论文 ) 二维交流伺服数控控制工作台机械系统设计 THE MECHANICAL SYSTEM DESIGN OF TWO-DIMENSIONAL EXCHANGE SERVO NUMERICAL CONTROL CONTROL WORK TABLE 学生姓名学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师 nts I 摘要随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和以提高 ch产品的质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对航空机、数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来越高的精度要求， X-Y作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。本设计通过伺服系统控制伺服电机经过数控机床进给传动系统包括丝杠螺母副及其支承部件等 ,即将伺服电机的旋转运动传递为工作台或刀架的进给运动的整个机械传动链。对整个机械传动链进行了系统的设计 ,涉及到伺服电机的选型 ,滚珠丝杠副的选型、强度校核及其生产设计中应注意的问题，连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型与校核，支承件轴承的设计，导轨及机架的设计。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能，从而确保机床的加工精度。关键词 X-Y工作台；伺服系统；数控机床 nts II Abstract With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the air machines, CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, XY for Taiwan is that these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play Is particularly important role. The servo system designed to control the servo motor to the transmission system into the NC machine tools, including screw and nut bearing components such as vice, is about to servo motor for the transfer of rotating turret of the table or feed the entire campaign mechanical transmission chain. The entire mechanical transmission chain for the system design, servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis The Selection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine. Keywords XY table; servo system; CNC machine tools nts I 目录 1 绪论 . 1 1.1数控工作台概述 . 1 1.1.1概念 . 1 1.1.2数控工作台分类 . 1 1.1.3数控工作台组成 . 1 1.2课题的背景 . 2 1.3总体方案设计 . 2 2 交流伺服电动机 . 4 2.1交流伺服电动机概述 . 4 2.2交流伺服电动机的选型 . 6 3 丝杠的选型及计算 . 8 3.1丝杠的介绍 . 8 3.1.1丝杠螺母机构基本传动形式 . 8 3.1.2滚珠丝杠副的组成及特点 . 8 3.1.3滚珠丝杠的结构形式 . 8 3.2丝杠的选型 . 10 3.3丝杠的校核 . 10 3.4丝杠设计中应注意的问题 . 12 4 联轴器的选择 . 14 4.1联轴器的初步计算 . 14 4.1.1选择联轴器 . 14 4.1.2联轴器较核 . 15 5 轴承的选用及润滑 . 17 5.1滚动轴承结构设计 . 17 5.1.1精度 . 17 5.1.2配合 . 17 5.1.3 轴承材料选择 . 18 5.2轴承的型号选择： . 18 5.2.1深沟球轴承的选择与计算 . 18 5.2.2角接触球轴承的选择 . 19 5.3轴承的润滑 . 20 6 导轨的选型及计算 . 21 6.1 初选导轨型号及估算导轨长度 . 21 nts II 6.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命 . 22 6.3导轨材料与热处理 . 24 6.4导轨的技术要求 . 25 6.4.1表面粗糙度 . 25 6.4.2几何精度 . 26 6.5导轨设计和使用注意事项 . 26 7 机架的设计 . 27 7.1机架设计的技术要求 . 27 7.2机架设计的一般要求 . 28 7.3机架材料的选择 . 28 8 伺服驱动部分 . 30 8.1接口 . 30 8.1.1人机接口 . 30 8.1.2机电接口 . 30 8.2伺服系统 . 30 8.2.1伺服系统的特点 . 30 8.2.2伺服系统的组成 . 31 8.2.3变频器 . 31 8.3控制系统 . 32 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附录 . 36 nts徐州工程学院毕业设计 - 1 - 1 绪论 1.1 数控工作台概述 1.1.1 概念 X Y 数控工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等 ,尽管结构和功能各不相同 ,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。在中小形企业中，由于产品更新换代频繁，且大都是一些适应市场的单件，小批零件，若由数控机床来解决这些零件的加工精度和自动化问题，因成本高，而不现实。为此，数控工作台，作为工装与通用机床（立铣，立镗，钻等）陪用，以解决单件，小批。小尺寸复杂零件的孔，槽及凸轮等精度加工问题，具有一定的灵活性，通用性和经济性。 1.1.2 数控工作台分类 X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动 ,系统中不设置传感与检测设备 ,半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动 ,并在电机输出轴端设置传感与检测设备 ;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动 ,但检测与传感设备设置在工作台末端。 1.1.3 数控工作台组成数控交流伺服 X-Y工作台系统是由控制计算机部分、伺服驱动部分、机械传动部分及检测部分组成 ,采用闭环控制方式 ,其结构如图 1-1所示。 nts徐州工程学院毕业设计 - 2 - 图 1-1 检测系统本系统控制计算机为 PC486 机型 ,主要处理以下事务 :键盘分析 ,输入数控指令，完成数据处理工作，将处理后的有效指令输送到伺服驱动部分 ,接收并处理来自光电编码器的反馈数据，进行控制算法的运算工作，动态显示机械工作台运动状况。伺服驱动部分主要由数字伺服控制板 (一块 )、伺服驱动电路 (两套 )及交流伺服电机 (两个 )组成。与电机同轴装有测速发电机和光电编码器，传动执行机构 (进给系统 )由联轴器、滚珠丝杠螺母副和数控工作台组成 ,由交流伺服电机驱动。 1.2 课题的背景 X-Y 工作台的机械主体部份直线导轨和滚珠丝杆，联轴器 ,工作台面。电气部份的关联性及传动装置的保护性 ,X 轴及 Y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关 ,部份工作台的配有原点检测开 ,并可提供光电编码装置以适于闭环控制，原点开关的位置可以大距离的调节。工作台可广泛用于焊接，点胶，打孔，包装，取料等各类精密位置控制设备的应用，开发，以及高等院校相关专业的机电传动控制、机械工程控制基础以及数控技术等课程的教学实践。 1.3 总体方案设计设计一台微机控制 XY 两坐标工作台，采取 PLC 控制，控制方式采用交流伺服、运动控制器和 PC 机（闭环控制）。 X-Y 工作台的机械主体部分直线导轨和滚珠丝杠，联轴器，工作台面。电气部分的关联性及传动装置的保护性， X 轴及 Y 轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关，部分工作台的配有原点检测开光，nts徐州工程学院毕业设计 - 3 - 并提供光电编码装置以适于闭环控制，原点开关的位置可以打距离的调节。工作台可广泛用于焊接，点胶，打孔，包装，取料等各类精密位置控制设备的应用。其他参数见表 1-1 表 1-1 设计参数脉冲当量mm/step 定位精度 Mm 最大移动速度m/s 工作台尺寸 mm 进给抗力 N 工作台行程 mm 台面最大物重质量 kg X Y 0.001 0.005 0.1 300*350 800 420 500 100 （一）机械系统设计 1）传动机构采用滚珠丝杠副； 2）导向机构采用滚动直线导轨； 3）执行机构采用交流伺服电动机。（二）伺服驱动部分设计 1）接口设计 2）伺服系统设计 3）控制系统设计 nts徐州工程学院毕业设计 - 4 - 2 交流伺服电动机 2.1 交流伺服电动机概述交流伺服电动机广泛用于机电一体化设备及自动控制系统中作为执行元件 ,用于将输入的交流控制信号快速的转换为转轴的角位移或角速度输出。对交流伺服电动机的一般性能要求是 : 1)良好的可控性 ,单向供电时无自转现象； 2)运行稳定性好 ,在较宽的速度范围内均匀稳定运行； 3)响应速度快，控制信号发生时，电动机能快速跟随变化。交流伺服电动机的分类、特点及使用范围见下表 2-1 表 2-1 交流伺服电动机的分类、特点及使用范围类型代号结构特点性能特点使用范围笼型交流伺服电动机 SL 转子与定子结构与一般笼型异步电动机相似 ,但转子一般为两相 ,且细而长 ,笼可用铝、紫铜、黄铜制成励磁电流较小，体积较小，机械强度较高，低速运转时不够平滑，有抖动现象广泛运用于小功率自动控制系统、随动系统和计算装置中非磁性杯型交流伺服电动机 SK ADP 用非磁性金属铝、黄铜等制成杯形转子，杯的内外由内外定子构成磁路转动惯量小，运转平滑、无抖动现象，励磁电流和体积较大用于要求运行平滑的系统，如自动装置和计算装置等 FANUC 交流伺服电动机 FANUC 转矩大 ,转速低 ,机械特性线性度好 ,低速性能良好，可直接与丝杠连接用于数控机床驱动或其他驱动系统低速交流伺服电动机 SD SA ND 转子、定子结构与笼型交流伺服电动机相同 ,另外机壳中装有齿轮减速装置体积小 ,重量轻 ,力能指标高 ,性能好，输出转速低 ,转矩大广泛应用于自动装置和计算技术装置中作驱动、执行或控制元件两相交流伺服电动机的主要特性见下表 2-2 nts徐州工程学院毕业设计 - 5 - 表 2-2 两相交流伺服电动机的主要特性特性含义特性含义空载始动电压 Uso 在额定励磁电压下，使转子在任意位置开始空载连续转动的最小控制电压。以额定控制电压的百分比表示。 Uso 越小，系统的不灵敏区域越小堵转特性非线性度kd 在额定励磁电压下，实际堵转特性的最大转矩偏差 ( Tdn)max与 r=1 时的堵转矩Tdo之比值的百分数机械特性非线性度km 在额定励磁电压下，任意控制电压是的实际机械与线性机械特性在 T=Td 2 时的转速差与空载转速 n0之比的百分数。 Km和本表以下两栏中的kc、 kd 越小 ,伺服电动机的性能越接近线性，系统的动态误差就越小 . 机电时间常数 j 在空载和额定电压下 ,加以阶跃的额定控制电压 ,电动机由静止上升到空载转速的 63.2%时所需时间(以上略去了相对来说比较小的电磁时间常数 )。 j 越小 ,对信号响应越快调节特性非线性度kv 在额定励磁电压下 ,当 e=0.7 时 ,实际调节特性与线性调节特性的转速偏差与空载转速之比的百分数表 2-3 伺服电动机的额定值额定值符号单位说明额定励磁电压 Uj V 额定运行时励磁绕组上所加的电压额定电压 Uk V 额定运行时控制绕组上所加的电压额定频率 Hz 电动机所用电源的频率堵转励磁电流 Ij A 定子绕组加上额定电压 ,输出转速为零时的励磁绕组电流堵转控制电流 Ik A 定子绕组加上额定电压 ,输出转速为零时的控制绕组电流。空载转速 n0 r min 定子绕组加上额定电压后，电动机不带任何负载时的转速 nts徐州工程学院毕业设计 - 6 - 续表 2-3 堵转转矩 Td N.m 定子绕组加上额定电压 ,输出转速为零时的输出转矩额定输出功率 P2 W 最大输出功率 2.2 交流伺服电动机的选型影响交流伺服电动机使用性能的因素见表 2-4 表 2-4 影响交流伺服电动机使用性能的因素影响使用性能的因素对性能的影响电源频率和电压波动频率升高时 ,定 ,转子漏抗增加 ,励磁电抗增加，堵转下降，机械特性的线性度变坏 ,频率增高过多时 ,还可能出现内阻尼显著变小和产生单相供电自转现象。电压下降时 ,堵转转矩和输出功率会显著下降，加速时间增长放大器内阻抗伺服放大器的内阻抗大，将使两相交流伺服电动机的机械特性线性度变坏甚至引起单相供电自转，所以一般伺服放大器都采用副反馈方法来降低内阻抗不同控制方式控制方式 km kv 输出功率效率控制功率 e e选择温升线路幅值 ,相位 ,电容一般 ,好不好不好 ,一般 ,好中 ,小 ,大高 ,低 ,中小 ,大 ,小受限 ,受限 ,灵活低 ,高 ,中一般 ,复杂 ,简单不同有效信号系数制造厂提供的是两相交流伺服电动机的两相对称状态机械特性 (有效信号系数 e=1)。但是 ,系统设计时往往需要不对称状态的机械特性。求不对称的机械特性的方法是 :按图示方法求取 0n 2 时线性机械特性和对称状态机械特性的转矩差值 H;再求出 A=4H 02n和 B=Td 4H 0n ;再将 A,B 和所需要的有效特性系数 e 带入下式即可求得不同转速 n 下的转矩 T,得到T=f(n)机械特性 222 )1(2),( AnnBTnfT eedee 综上所述，选择 FANUC系列交流伺服电动机，其特点是转矩大、转速低，机nts徐州工程学院毕业设计 - 7 - 械特性线性度好低速性能良好，可直接与丝杠连接。选择 FANUC2-0，其技术数据见表 2-5 表 2-5 FANUC的技术数据型号）输出功率（ KW）额定转矩（ Nm）最大转矩(Nm) 最高转速(r/min) 转动惯量(kg/ 2m ) 机械时间常数(ms) 热时间常数(min) 质量(kg) 2-0 0.2 1.0 7.8 2000 6.0 410 9 15 3 nts徐州工程学院毕业设计 - 8 - 3 丝杠的选型及计算 3.1 丝杠的介绍 3.1.1 丝杠螺母机构基本传动形式丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。它主要用来将旋转运动变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，有以传递能量为主的（如螺旋压力机），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠）。丝杠螺母机构有滑动摩擦和滚动摩擦之分。滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能。但其摩擦阻力大，传动效率低（ 30%40%）。滚动丝杠螺母机构虽然结构复杂制造成本高。但其最大优点是摩擦阻力小，传动效率高（ 92%98%），因此选用滚动丝杠螺母机构。根据工作台运动情况，应选择丝杠传动螺母移动的形式，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑，丝杠刚性较好，适用于工作行程较大的场合。 3.1.2 滚珠丝杠副的组成及特点滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通路。滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。 3.1.3 滚珠丝杠的结构形式按照用途和制造工艺的不同 ,滚珠丝杠副的结构形式很多。一般 ,根据钢球的循环形式 ,消除轴向间隙和调整预紧的方法以及螺纹滚道法向截面形状的不同 ,将其区分成不同的结构形式进行研究。 1)钢球循环方式按钢球返回时是否脱离丝杠表面可分为内循环和外循环两大类，见表 3-11。若钢球在循环过程中，始终与丝杠表面保持接触，称内循环；否则，称外循环。nts徐州工程学院毕业设计 - 9 - 通常，把在同一螺母上所具有的循环回路的数目，称为钢球的列数，常用的有24列。而把每一循环回路中钢球所经过的螺纹滚道圈数（导程数）称为工作圈。表 3-1 钢球的循环方式类别形式特点内循环优点 :返回通道短 ,一个循环只有一圈钢球 ,流畅性好 ,摩擦损失小 ,效率高 ,径向尺寸小 ,刚性好缺点 :返向器钢球返回通道的曲面加工复杂外循环端盖式优点 :结构紧凑 ,工艺性好缺点 :循环回路长 ,流畅性差 ,钢球通过短槽时易卡住螺旋槽式优点 :结构简单 ,制造方便 ,承载能力大缺点 :钢球流畅性较差 ,挡珠器较易磨损插管式优点 :结构简单 ,工艺性好 ,钢球的流畅性好 ,应用较广缺点 :凸出式的插管凸出于螺母外部 ,径向尺寸较大 2)消除轴向间隙的调整预紧方式滚珠丝杠副中的间隙对传动精度影响较大。当精度要求不高时，可采用单螺母，并对丝杠和螺母进行选配，或进行预紧以减小配合间隙。当精度要求较高时，常采用双螺母，通过调整两个螺母间的轴向位置，以消除轴向间隙，并进行预紧，提高传动的定位精度、重复定位精度及轴向刚度。预紧力一般约取最大轴向载荷的 1/3。表 3-2为几种常用的消除间隙和调整预紧的方式。表 3-2 消除间隙和调整预紧的方式类型特点垫片式结构简单 ,装拆方便 ,刚度高 ,但不易实现精确调整 ,螺纹滚道有磨损时 ,不能随时消除间隙和预紧。适用于重载传动和一般精度要求的场合圆螺母式结构紧凑 ,工作可靠 ,调整方便。但容易松动 ,不够准确。一般用于刚度要求不高及需要随时调整预紧力的场合齿差式调整精度较高 ,要求 s 较小时 ,所需齿数较多 ,结构尺寸较大 ,且齿圈的模数 m较小 ,联接刚度较差 ,适用于高精度传动场合 3)螺纹滚道法向截型螺纹滚道法向截型（或称滚道型面），是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面与丝杠或螺母滚道型面的交线的形状。 nts徐州工程学院毕业设计 - 10 - 3.2 丝杠的选型初步选取丝杠数据见表 3-3 表 3-3 所选丝杠参数公称直径 /mm 导程 /mm 20 5 滚珠丝杠的工作长度计算：余量行程工作台 lll LX方向丝杠的的工作长度计算： mml x 7 4 0204 2 03 0 0 Y方向丝杠的工作长度： mml y 8 7 0205 0 03 5 0 X方向丝杠的工作载荷 : NFx 800 Y方向丝杠的工作载荷： NFy 800 由于两方向丝杠的公况为，每天开机六小时，每年 300个工作日。工作八年以上，依工作要求和工作条件，初选外循环插管式，预紧采用双螺母型，圆螺母调隙，导珠管凸出式， 3级精度，定位滚珠副，丝杠材料： nrWMC 钢；滚道硬度为 5862HRC， ,55.0,15.3,3 8 1.2,4,200 DwrkjmmDmmPmmd sWh 螺纹右旋， 393 型号为 CLT-2004-3.5-P3， WCNC oaa 2 4 7 0 0,8 8 5 0 。丝杠的传动精度为 mm04.0 1 4 4 0 0 h3 0 068 hT 丝杠的转速： min/2502 rn 丝杠的工作载荷： F=800N 3.3 丝杠的校核寿命计算： nts徐州工程学院毕业设计 - 11 - 8 8 5 05 8 1 0 . 4 FK KKKKCnLHFhoe 满足寿命要求。式中 F轴向载荷，取 F 800N; hK 寿命系数 , 1072.3)500/( 3/1 hh LK hL 工作寿命 ,取 hL =15000 FK 载荷系数 ,取 FK =1.2 HK 动载荷硬度影响系数 ,取 HK =1.0 LK 短行程系数 ,取 LK =1.0 nK 转速系数 ,取 nK =0.5107 静载荷条件计算 : 2 4 7 0 09 6 00 FKKC HFa 满足条件螺母长度 72mm, mmPh 4 , 余程为 10mm X方向螺纹长度 mmL 7 4 01023 0 04 2 00 取支撑跨矩 mml 7601 丝杠全长最大为 780mm Y方向螺纹长度 : L=500+350+20=870mm 取支撑跨矩 : mml 8901 丝杠全长最大为 910mm F F 支撑方式的丝杠不受压缩力作用，不校核压杆稳定性丝杠弯曲振动临界转速 : 22222222 9 9 1030cccr LdfKeAEILfn 查表 73.42 f ， mmmDdd w 0 1 7 1 4.014.173 8 1.22.1202.102 mmmL C 6.06002 740780102300420 m i n/250m i n/1.105 7 06.0017 1 4.073.49910 22 rrn cr 预拉深量：取温升 co5.3 nts徐州工程学院毕业设计 - 12 - 螺纹深长量 : 6 . 6 0 4 5 u m74.05.31055.2 6 utu lta 丝杠的全长深长量： umtu 9615.678.05.31055.2 6 取预拉伸量： um5.4 预拉伸力： NNL EAF t 380001.30174.0101.201714.04105.4 11260 所选丝杠预拉伸力满足要求。 3.4 丝杠设计中应注意的问题丝杠由于其精度要求高 ,制造比较复杂 ,所以在设计过程中应注意如下问题 : 1)受力合理为了保证定位精度，除考虑丝杠刚度外，还应在结构布置上尽可能使螺母和丝杠同样受拉或受压 ,以使两者轴向变形方向一致 ,减少螺母与丝杠之间的导程变形量之差。此外 ,滚珠螺旋传动应尽量避免承受径向载荷 ,以免使丝杠弯曲 ,若丝杠上有齿轮等产生径向载荷的元件 ,则应使其尽可能靠近丝杠 ,螺母所受的倾覆力矩 ,力求部件移动阻力的合力通过丝杠轴线。 2)防止逆转滚珠螺旋传动反行程不能自锁 ,为了使螺旋传动受轴向力后不发生逆转 ,应设置防止逆转的装置 : 采用本身不能逆传动的电液脉冲马达或步进电动机等驱动元件。采用可自锁的蜗杆传动等作中间传动机构。采用电磁或液压制动器，或选用本身带制动器的电动机。采用能锁住某一方向传动的超越离合器。 3)安全装置垂直安装的滚珠螺旋传动，容易发生螺母从丝杠螺纹滚道上脱出而造成事故，因此，在设计时应考虑设置防止螺母脱出的安全装置，如限位挡块或安全制动器等。 4)控制升温 nts徐州工程学院毕业设计 - 13 - 设计时应注意时滚珠丝杠传动远离热源，并采用油浴 ,气冷等方法减小温升 ,以减少丝杠的热变形；或在安装时对丝杠进行预拉伸 ,以抵消运行时因发热后引起的丝杠伸长。 5)密封与润滑为防止尘埃和污物进入螺纹滚道 ,妨碍钢球运转的流畅性并且加速钢球与滚道的磨损 ,设计中必须考虑防护设施与密封。如在螺母两端加密封圈或采用伸缩套 ,防尘罩等。此外 ,还应注意合理润滑 ,以延长滚珠螺旋传动的使用寿命 ,保持起优良的传动性能。一般可用抗高压的高粘度润滑剂进行脂润滑或滴油 ,浸油 ,飞溅润滑。要求高的某些数控机床或特高速运转情况 ,可用喷雾润滑。当在高温或其它恶劣条件下时 ,可用固体润滑剂润滑。 nts徐州工程学院毕业设计 - 14 - 4 联轴器的选择联轴器是联结两轴或轴和回转件 ,在传递运动和动力过程中一同回转而不脱开的一种装置。此外 ,联轴器还可能具有补偿两轴相对位移 ,缓冲和减振以及安全防护等功能。 4.1 联轴器的初步计算 4.1.1 选择联轴器在选择标准联轴器时应根据使用要求和工作条件 ,如承载能力 ,转速 ,两轴相对位移 ,缓冲吸振以及装拆 ,维修更换易损元件等综合分析来确定。具体选择时可顺序考虑以下几点。 1)原动机和工作机的机械特性。原动机的类型不同 ,其载荷性质差异很大 ,有的平稳 ,有的冲击甚至强烈冲击或振动。这将直接影响联轴器类型的选择 ,是选型的首要依据之一。对于载荷平稳的 ,则可选用刚性联轴器 ,否则宜选用弹性联轴器。 2)联轴器连接的轴系及其运转情况。对于联接轴系的质量大 ,转动惯量大 ,而又经常起动 ,变速或反转的 ,则应考虑选用能承受较大瞬时过载 ,并能缓冲吸振的弹性联轴器。 3)工作机的转速高低 ,对于需告诉运转的两轴连接 ,应考虑选择联轴器的结构具有高平衡精度特性 ,以消除离心力而产生的振动和躁声 ,增加相关元件的磨损和发热而降低传动质量和使用寿命。其中膜片联轴器对高速运转适应性较大。 4)联轴器的对中和对中保持程度 ,保持良好的对中是使运转正常的前提 ,防止产生过大附加载荷及其他不良工况。 5)联轴器的结构及工作特性 ,联轴器的外形尺寸 ,安装 ,拆卸所需的空间大小和难易程度以及对维护的要求等都应与连接机组的具体配置位置和要求相适应。 6)联轴器的可靠性 ,使用寿命和工作环境。 7)联轴器的制造 ,安装和维护的成本 ,在满足使用要求的条件下 ,应使选择的联轴器成本低 ,不需维护以降低经常费用。由丝杠的轴径和 Tc 选取联轴器 :由表 4-11联轴器的性能比较后选用圆锥销套筒联轴器： nts徐州工程学院毕业设计 - 15 - 表 4-1 联轴器的性能比较类别联轴器名称转矩范围N.mm 轴径范围 mm 最高转速r/min 特点及应用说明固定式套筒联轴器（见图）圆锥销 34000 平键 715000 半圆键 8450 花键 15012500 4100 20100 1035 25102 一般小于等200250 结构简单，制造容易，径向尺寸小，成本低。但装拆时需沿轴向移动较大的距离。而且只能连接两轴直径相同的圆柱形，轴伸一般用于工作平稳的功率传动轴系。刚性凸缘联轴器（ GB/T5843 2003） 1020000 10180 130002300 结构简单，制造容易，工作可靠，装拆方便，刚性好，传递转矩大，但不能吸收冲击。当两轴对中精度较低时，将引起较大的附加载荷，适用于工作平稳的一般传动，高速传动时需要有高的对中和制造精度。套筒夹壳联轴器（ HG5 213 1965） 859000 30110 900380 装拆方便，不需沿轴向移动两轴，但平衡困难，而且两轴径必须是相同的圆柱形。仅适用于低速传动的水平或垂直轴系，以传递平稳载荷为宜。联轴器紧箍夹壳联轴器 18012500 30110 900380 其特点和使用性能与夹壳联轴器相似，但外形简单，平衡条件有所改善，夹紧力大，很适宜用于径向夹紧力大的场合。由丝杠的轴径和 Tc选取联轴器 : 表 4-2初取 d=12mm的圆锥销套筒联轴器 (mm) d 公称转矩（ N.m） D L l C 圆锥销（ 2个） 12 7.5 22 40 8 0.5 224 4.1.2 联轴器较核考虑动载荷及过载 ,取联轴器工作情况系数 K=1.5 计算转矩 Tc=KT K 工作情况系数 nts徐州工程学院毕业设计 - 16 - P 输出功率（ kw） T 理论转矩 N.m Tc 计算转矩 N.m n 工作转速 r/min 计算转矩 ; Nm73.5250 1.095501 . 5Tc nc TNmKTT 73.5 所选联轴器合适。销的抗剪强度计算： M p aMPaN m mDd T 1 0 0807.48125 1046.1144 2 32 成立，销材料为 45 号钢 nts徐州工程学院毕业设计 - 17 - 5 轴承的选用及润滑选择滚动轴承类型时应考虑多种因素的影响，如轴承所受负荷的大小，方向及性质：轴向固定形式，调心性能要求，刚度要求，转速与工作环境，经济性和其他要求。概括起来有以下选择原则： 1)转速较高，负荷不大，而旋转精度要求较高时，宜用球轴承。如 000， 6000型； 2)转速较低，负荷较大或有冲击负荷时，宜用角接触球轴承。如 2000 型，3000型； 3)当径向负荷和轴向负荷都比较大时，宜用角接触球轴承。如 36000 型，46000型， 66000型。 5.1 滚动轴承结构设计 2 5.1.1 精度各种机电一体化机械的滚动轴系的精度一般根据该机械的功能要求和检验标准有所规定，如精密级加工中心主轴轴系的端部径向跳动和轴向窜动，据此来选择主轴和轴承的精度。滚动轴承的精度分 B， C， D， E， G 五级。 B 级最高， G 级为普通级。选择精度时主要根据载荷方向。仅受径向载荷的深沟球轴承，主要根据内外圈的径向跳动然后考虑其他因素的影响。 5.1.2 配合滚动轴承内外圈往往是薄壁件，受相配的轴径箱体孔的精度和配合性质影响很大。配合性质和配合面的精度合适，不致影响轴承精度；反之则旋转精度下降，引起振动和噪声配合性质和配合面的精度合适不致影响轴承精度；反之则旋转精度下降，引起振动和噪声。配合性质和配合面的精度还影响轴承的承载能力和预紧状态。滚动轴承外圈和箱体孔的配合采用基轴制。内圈孔与轴径的配合采用基孔制，但作为基准的轴承孔的公差带位于以公称直径为零线的下方。这样在采用相同配合的情况下，轴承孔与轴径的配合更紧些。滚动轴承的配合的选择参照 GB-275-93，滚动轴承与轴和外壳的配合国家标准。对于 G， E 级精度轴承配合的钢，铸铁制轴的轴径规定 17种公差带；对钢，铸铁制箱体孔规定 16种公差带。 nts徐州工程学院毕业设计 - 18 - 轴承配合性质的选择，要考虑下列工作条件： 1)负荷类型：承受始终在轴承套圈滚道的某一局部，作用的局部负荷的套圈，配合应相对松些。承受依次在轴承套圈的整个滚道上作用的循环负荷的套圈，配合应相对紧些。负荷越大，配合的过盈量应大写些。承受冲击振动负荷比承受平稳负荷的配合应更紧些。 2)转速一般转速越高，发热越大，轴承与运动件的配合应紧些，与静止件的配合可松些。 3)轴承的游隙和预紧轴承具有基本游隙，配合的过盈量应适中。轴承预紧，配合的过盈量应减小。轴承的轴向限位分无轴向负荷，单轴向负荷，双轴向负荷。深沟球轴承只要把轴承内圈用轴用挡圈或轴肩螺母限位在轴上即可。双向短圆柱滚子轴承的内外圈双向定位，内圈小端单向定位。 5.1.3 轴承材料选择不锈钢轴承用钢 9Cr18,9Cr18Mo 用于耐蚀，耐高、低温及微型的和在水蒸气、海水、蒸馏水及硝酸等腐蚀介质中使用的轴承，如潜水泵部件中轴承、石油、化工机械的轴承以及腐蚀性能有很大影响的测量仪器的微型轴承；用于特殊条件下的轴承，例如化工工业、食品工业、船舶工业等要求耐蚀环境下的工作轴承；主要由马氏体型高碳钢不锈钢 9Cr18，耐高温下不锈钢轴承 Cr14M04，耐腐蚀性要求较高是采用奥氏体性不锈钢 1Cr18Ni9Ti 这类钢没有轴承专用标准，选择时要注意轴承的性能要求，可参考 GB3086-82 高碳铬不锈轴承钢耐腐蚀轴承。无内圈和外圈时，轴和外壳的滚道表面应淬火处理（硬度 HRC58-64，淬硬层深度 0.6-1mm），表面粗糙度 Ra 0.32 m，（一般精度、高精度的 Ra 0.20mm） ,滚道公差参照 GB5846-86，一般孔为 G6，轴径为 h5（对 d 80mm）或 g5（对 d 80mm）。 5.2 轴承的型号选择： 5.2.1 深沟球轴承的选择与计算初选：采用深沟球轴承（单列）代号 60000 型，型号为 6202,型号见表 5-13 nts徐州工程学院毕业设计 - 19 - 表 5-1 深沟球轴承的数据 d(mm) D(mm) B (mm) minad(mm) maxaD(mm) maxar (mm) 2d (mm) 2D (mm) minr (mm) rC (kN) orC (Kn) 15 28 11 20 32 0.6 21.6 29.4 0.6 7.65 3.72 对所选轴承进行校核当量动载荷 : NFfP rd 9 6 08 0 02.1 式中 df 冲击载荷系数，取 df =1.2 rF 径向载荷轴承的基本额定寿命 hPCnL rh 33741)9607650(25016670)(16670 310 式中寿命指数，球轴承 3 ；滚子轴承 3/10 轴承的预期使用寿命： hLL hh 3374110 取 hL =25000h3 计算额定动载荷 rhr CNnLPC 3.6922166702502500096016670 33 故选用 6202深沟球轴承可以满足寿命的要求。 5.2.2 角接触球轴承的选择初选角接触球轴承（单列）代号 7202AC型数据见表 5-24 表 5-2 角接触球轴承的数据 d(mm) D(mm) B(mm) minad (mm) maxaD (mm) maxar (mm) 2d (mm

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