立式加工中心直線回轉工作臺設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 主要部件 18 常用的方法有下列幾種。 （ 1）墊片調隙式 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調整墊片的厚度使螺母產生軸向位移，已達到消除間隙和產生預緊力的目的。這種結構的特點是構造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調整費時，并且在工作中不能隨意調整，除非更換厚度不同的墊片。 （ 2）螺紋 調隙式 其中一個螺母的外端有凸緣而另一螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個圓螺母固定。旋轉圓螺母時，即可消除間隙，并產生預緊力，調整好后再用另一個圓螺母把它鎖緊。 （ 3）齒差調隙式 在兩個螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪。這種調整方法精確可靠，但結構復雜，多用于對調整準確度要求較高的場合。 滾珠絲杠的安裝 加工中心的進給系統要求獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母機構本身的剛度外，滾珠絲杠的正確安裝及其支承的結構剛度也是不可忽視的因素。加工中心由于要求具有高精度、高進給速度，因此常采用一端 固定，一端游動以及兩端固定的絲杠安裝形式。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 19 （ 1）一端固定一端游動 對于高精度、中等轉速較長的臥式安裝絲杠，為了防止熱變形造成絲杠伸長的影響，常采用一端軸向固定的支承方式。 這種支承形式的特點安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難，絲杠的軸向剛度比兩端固定低；絲杠有熱膨脹的余地。 （ 2）兩端固定 對于高精度、高速旋轉的滾珠絲杠應該采用兩端固定的安裝方式，為了給絲杠施加預緊拉力，可采用兩端固定方式，并可在絲杠一端安裝碟型彈簧和調整螺母，既能對絲杠施加預緊力，又能讓彈簧來補償絲杠 的熱變形，保持預緊力幾乎不變。 這種支承形式的剛度最高，只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固定的 4 倍。安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構較復雜，工藝較困難；絲杠一般不會受壓，無壓桿穩定問題，固有頻率比一端固定要高；可以預拉伸，預拉伸后可減少絲杠自重的下垂和補償熱膨脹，但需一套預拉伸機構，結構及工藝都比較復雜；要進行預拉伸的絲杠，其目標行程應略小于公稱行程，減少量等于拉伸量。因此這種形式適用于對剛度和位移精度要求高的場合， 絲杠的支承軸承應采用滾珠絲杠專用軸承，這是一種特殊第二章 加工中心工作臺的主要部件 20 的向心推力球軸承。絲杠兩端軸承 座孔與滾珠螺母座孔保證嚴格的同軸度，同時保證滾珠絲杠螺母與座孔的配合良好以及孔對端面的垂直度，保證軸承支座和螺母支座的整體剛度、局部剛度、接觸剛度等。 圖 25 滾珠絲桿的安裝 滾珠絲杠螺母的計算和選用 滾珠絲杠螺母副的承載能力用額定負載表示，其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據額定負載表示，其動、靜載強度計算原則與滾動軸承相類似。一般根據額定動載荷選用滾珠絲杠副，只有當 n≤ 10r/min 時，按額定動載荷選用。對于細長承受壓縮的滾珠絲杠副需做 壓桿穩定性計算；對于高第二章 加工中心工作臺的主要部件 21 速、支承距大的滾珠絲杠副需要做臨界轉速的校核；對于精度要求高的傳動要進行剛度驗算，轉動慣量校核，對閉環控制系統還要進行諧振頻率的驗算。 在選擇滾珠絲杠螺母的過程中，一般首先根據動載強度計算或靜載強度計算來確定其尺寸規格，然后對其剛度和穩定性進行校核計算。 伺服電動機與絲杠的連接 采用鍵連接，鍵用于連接軸和軸上的傳動件 ,使軸和傳動件不發生相對轉動，以傳遞扭矩或旋轉運動。 常用鍵的型式有：普通平鍵、半圓鍵和鉤頭楔鍵。 圖 26 常用普通平鍵 普通平鍵分 A 型、 B 型、 C 型，本設計中所用到的 鍵有普通 A 型平鍵、 C 型平鍵、半圓鍵。 A 型 B 型 C 型 半圓鍵 鉤頭楔鍵 第二章 加工中心工作臺的主要部件 22 回轉工作臺 加工中心是一種高頻率的加工設備，當零件被裝夾在工作臺上以后，為了盡可能完成較多工藝內容，除了要求機床有沿X、 Y、 Z 三個坐標軸的直線運動之外，還要求工作臺在圓周方向有進給運動和分度運動。這些運動通常用回轉工作臺實現。 數控回轉工作臺的主要功能有兩個：一是實現工作臺的進給分度運動，即在非切削時，裝有工件的工作臺在整個圓周（ 360176。范圍內）進行分度旋轉；二是實現工作臺圓周方向的進給運動，即在進行切削時，與 X、 Y、 Z 三個坐標軸進行聯動，加工復雜的空間曲面。 所設計 的加工中心回轉工作臺是由傳動系統、間隙消除裝置及蝸輪蝸桿等傳動裝置組成的。 加工中心本體設計 支承件的基本要求 支承件受力受熱后的變形和振動將直接影響機床的加工精度和表面質量。因此，正確設計支承件結構、尺寸及布局具有十分重要的意義。它們應滿足下列要求： 第二章 加工中心工作臺的主要部件 23 （ 1）剛度要求 支承件的剛度是指支承件在恒定載荷和交變載荷作用下抵抗變形的能力。前者稱為靜剛度，后者為動剛度。靜剛度取決于支承件本身的結構剛度和接觸剛度。動剛度不僅與靜剛度有關，而且與支承系統的阻尼和固有頻率有關。 （ 2）抗振性要求 支承件的抗振性是指其 抵抗受迫振動和自激振動的能力。影響支承件的抗振性的主要因素是：支承件的剛度、支承件的固有頻率、支承件的阻尼、支承件的支承情況、支承件的材料等。抵抗受迫振動的能力是指受迫振動的振幅不超過許用值，即要求有足夠的靜剛度。抵抗自激振動的能力是指在給定的切削條件下，能保證切削的穩定性。實際中常常通過選擇高阻尼的材料、采用高阻尼部件、增加消振墊改善支承件的支撐情況等措施來增加支承件的抗振性。 （ 3）熱變形要求 機床工作時，電動機、傳動系統的機械摩擦及切削過程等都會發熱，機床周圍環境溫度的變化也會引起支承件溫度變化產生 熱變形，從而影響機床的工作精度和幾何精度。因此應對支承件的熱變形及熱應力加以控制。影響支承件熱變形的主要因素是：支承件的結構，運動部件的發熱及外部熱源。通過采用熱對稱結構、隔離熱源、強制冷卻、快速排屑等措施減少熱變形。 第二章 加工中心工作臺的主要部件 24 （ 4）內應力要求 支承件在鑄造、焊接及粗加工的過程中，材料內部會產生內應力，導致變形。在使用中，由于內應力的重新分布和逐漸消失會使變形增大，超出許用的誤差范圍。支承件的設計應從結構上和材料上保證其內應力要小，并應在焊、鑄等工序后進行時效處理。 （ 5）其他 支承件還應使排屑通暢，操作方便，吊 運安全，切削液及潤滑油的回收方便，加工及裝配工藝性好等。 支承件的性能對整臺機床的性能影響很大，其重量約為機床總重的 80%以上，因此，應正確地對支承件進行結構設計，并對主要支承件進行必要的驗證和試驗，使其能夠滿足對它的基本要求，并在此前提下減輕重量，節省材料。 導軌的設計 由于加工中心的進給運動都是通過其執行部件沿著它的床身、立柱、橫梁等支承大件的導軌運動實現的。導軌的作用是用來支撐和引導機床執行部件的運動，導軌的剛度以及摩擦特性又對執行部件的定位精度有重要影響，因此，導軌是加工中心進給傳動系統的重要組成部 分。 對導軌設計的基本要求是： a. 導向精度要高 第二章 加工中心工作臺的主要部件 25 導向精度是指機床執行部件的動導軌沿支承導軌的直線度（對于直線運動導軌）或圓度。影響導向精度的主要因素有導軌的幾何精度，導軌的接觸剛度，導軌的結構形式，動導軌及導軌的剛度和熱變形，還有裝配質量。導軌的幾何精度一般用低速下的導向精度來衡量。對直線運動導軌而言，檢驗的內容主要是導軌在水平平面內和垂直平面內的直線度。在水平面內，兩條導軌的還有平行度的要求。 b. 精度保持性要好 精度保持性是指導軌保持其原始精度的時間是否足夠長。導軌的耐磨性決定了導軌的精度保 持性。動導軌沿支承導軌長期運行會引起導軌的不均勻磨損，破壞導軌的導向精度，從而影響機床的加工精度。此外，導軌的結構形式和導軌材料也與精度保持性有關。 c. 有足夠的剛度 因為機床執行部件在工作過程中所承受的各種阻力，最后都轉化到導軌面來承受。如果導軌在載荷的作用下產生過大的變形，不僅破壞了導向精度，惡化了導軌的工作條件，而且使機床各部件間的相對位置發生變化。導軌的剛性主要取決于導軌類型、結構形式和尺寸大小、導軌與床身的連接方式，還取第二章 加工中心工作臺的主要部件 26 決于導軌材料和表面加工質量。 d. 有良好的摩擦特性 機床在低速運動時， 動導軌易產生爬行，將影響低速運動的平穩性。爬行與導軌的摩擦特性有關，導軌的摩擦因數越小，并且動、靜摩擦因數越接近，則導軌低速運動越平穩，將不會產生爬行，這對于精度要求較高的加工中心來說尤其重要。 e. 加工工藝性要好 設計導軌時，要注意到制造、調整和維護的方便；力求結構簡單、工藝性好和經濟性好，而且要有合理的導軌防護和潤滑措施等等。 本設計采用的是直線滾動導軌副，它包括導軌條和滑塊兩部分。導軌通常有兩根，裝在支承件上，每根導軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。在兩條導軌條中，一條為基準導軌，上有基準面 ，另一條為從動導軌。第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統的設計 27 第三章 加工中心的工作臺和伺服進給的設計 加工中心工作臺的進給運動是通過伺服驅動裝置實現的。伺服驅動裝置的性能 ,在很大程度上決定了機床的性能。因此 , 研究和開發高性能伺服進給系統 ,始終是研究現代數控機床的關鍵之一。本文所介紹的加工中心為立式 ,其工作臺可進行 X 和 Y 向直線運動 , 另外工作臺上面可固定夾具式回轉工作臺( Z 向轉動 ) 。使用時 ,回轉工作臺如夾具固定在直線進給工作臺的 T 形槽內 , 不用時即可拆下。文中除作了工作臺、滾珠絲杠副、伺服電機、滾動直線導軌的設計計算外 ,還作了傳動精度計 算、絲杠拉壓振動和扭轉振動的固有頻率驗算。 工作臺的主要參數及結構 主要參數的確定 工作臺面尺寸（長179。寬179。高）： 900 179。 500 179。 50 ，回轉工作臺面尺寸 (直徑179。高 ) ： ? 320 179。 222 ,材料為 HT200。設定工作臺進給速度為 1～ 1500mm/ min ,快速進給速度 15m/ min ,工作臺 X向工作行程為 750mm , Y向工作行程為 500mm ,銑削最大直徑為 ? 100mm。 第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統的設計 28 工作臺質量及工作臺承重初估 直線工作臺質量 G1 = ρVg = 103 9005005010 9 = 1733N 回轉工作臺質量 G2 = ρVg = 103 π160222210 9 = 1362N 工作臺承重初估為 G3=4500N 根據以上估算得總的質量為 G= G1+ G2+ G3=1733+1363+4500≈7600N 切削力估算 根據最大切削條件為：端銑刀直徑 為 100mm, Z=10 齒，每齒 進 給 量 S 齒 =，工件寬度 B=80mm, 加工σb=80kg/mm 的高碳鋼。查《銑工工藝學》中級本得：切削力p=4230N/mm2,則得切向銑削力 切F ： ND ZB t SpF 4900100 ?? ?????? ?? 齒切第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統的設計 29 查《銑工工藝學》中級本得： 縱向切削力 NFFF X 1 7 1 54 9 0 ????? 切縱 橫向切削力 NFFF Y 4 4 1 04 9 0 ????? 切橫 垂直切削力 NFFF Z 2 5 7 34 9 0 ????? 切垂 縱向伺服進給系統與直線工作臺的設計 工作臺伺服進給傳動裝置的設計在整個加工中心設計中占有非常重要的地位，其關系到加工中心的使用性能和加工精度。下面就加工中心進給傳動裝置設計中的關鍵技術 —— 滾珠絲杠副、滾動直線導軌和伺服電動機的選擇問題等進行討論。 第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統的設計 30 滾珠絲桿副的設計計算 在本設計中 ,電機和絲杠直接相連 ,傳動比為 1 ,選擇電機的最高工作轉速 1500r/ min ,最大轉矩 Mmax=1570kgf178。 cm，工作負載的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動導軌 , 從而設定摩擦系數 , 可算出最大牽引力。 （一） 絲杠的導程確定 Ph=Vmax/nmax=15000/1500=10mm （二） 確定絲杠的等效轉速 最 大 進 給 時 ， 絲 杠 的 轉 速 為 nmax= Vmax/ Ph =15000/10=1500r/min 最慢進給時，絲杠的轉速為 nmin= Vmin/ Ph=1/10=則得到絲杠的等效轉速（估算 t1=2t2）為 Nm = 212min1max tt tntn ?? = 1000r/min （三） 確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，它的數值可用進給牽引力的試驗公式計算。選定導軌為滾動 直 線 導軌 ，而 一 般情 況下 ，滾 動 導軌 的摩 擦系 數為，取摩擦系數為 ，則絲杠所受的最大牽引第三章 加工中心的工作臺和伺服進給系統的設計 31 力為 Fmax=KFX+f(FY+FZ+G) 其中， K 為顛覆力矩影響系數， K 一般取為 ，現取