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工作臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)部分(一)
第一章 工作臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)部分
設(shè)計(jì)要求是切削力是15千克,工作臺(tái)的重量是10千克,伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為直流伺服電機(jī),伺服系統(tǒng)為閉環(huán)伺服系統(tǒng),單坐標(biāo),脈寬調(diào)速系統(tǒng),工作臺(tái)的行程為300毫米,工作臺(tái)傳動(dòng)精度為±0.03毫米,檢測(cè)元件為光柵,其每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表的位移量是0.005毫米。
1.1選擇滾珠絲杠副
1.1.1 滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作原理
絲杠和螺母的螺紋軌道間置有滾珠,當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),滾珠沿螺紋滾到滾動(dòng),則絲杠與螺紋之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦,為防止?jié)L珠從滾到中滾出,在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置反向器和擋珠器,它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路,使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。
1.1.2 滾珠絲杠副的特點(diǎn)
傳動(dòng)效率高 效率高達(dá)90%~95%,耗費(fèi)的能量?jī)H為滑動(dòng)絲杠的1/3。
運(yùn)動(dòng)具有可逆性 及可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng),又可將直線運(yùn)動(dòng)變成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且逆?zhèn)鲃?dòng)效率幾乎與正傳動(dòng)效率相同。
系統(tǒng)剛度好 通過給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來獲得較高的系統(tǒng)剛度,可滿足各種機(jī)械傳動(dòng)要求,無爬行現(xiàn)象,始終保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏性。
傳動(dòng)精度高 經(jīng)過淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有很高的制造精度,又由于摩擦小,絲杠副工作時(shí)溫升和熱變形小,容易獲得較高的傳動(dòng)精度。
使用壽命長(zhǎng) 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),磨損極小,長(zhǎng)期使用后仍能保持其精度,因而壽命長(zhǎng),具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動(dòng)絲杠要高5~6倍。
不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠,當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后,螺母將在重力作用下下滑,故常需設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置。
制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗燥度要求高,制造成本高。
1.1.3 滾珠絲杠副的安裝
支承方式的選擇
為了保證滾珠絲杠副傳動(dòng)的剛度和精度,應(yīng)選擇合適的支承方式,選用高剛度、小摩擦力矩、高運(yùn)轉(zhuǎn)精度的軸承,并保證支承座有足夠的剛度。
滾珠絲杠副的支承按其限制絲杠軸的軸向竄動(dòng)情況,分為三種形式:一端固定,一端自由;一端固定,一端游動(dòng);兩端固定。本文絲杠選擇第三種方式兩端固定。這種方式的特點(diǎn)是:
只要軸承無間隙,絲杠的軸香港毒為一端固定的4倍;
絲杠一般不會(huì)受壓,無壓桿穩(wěn)定問題,固有頻率比一端固定要高;
可以預(yù)拉伸,預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和熱補(bǔ)償膨脹,但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜;
要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠,其目標(biāo)行程應(yīng)略小于公稱行程,減少量等于拉伸量;
適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合。
潤(rùn)滑和密封
潤(rùn)滑
潤(rùn)滑劑可提高滾珠絲杠副的耐磨性和傳動(dòng)效率。潤(rùn)滑劑分為潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂兩大類。潤(rùn)滑油可通過螺母上的油孔將其注入螺紋滾道;潤(rùn)滑脂可采用鋰基油脂,它加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)。
密封
為防止雜質(zhì)和水進(jìn)入絲杠(否則會(huì)增加摩擦或造成損壞),對(duì)于預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)入雜質(zhì)處使用波紋管或伸縮罩,以完全蓋住絲杠軸。對(duì)于螺母,應(yīng)在其兩端進(jìn)行密封。密封防護(hù)材料必須具有防腐蝕和耐油性能。
1.1.4 根據(jù)已知條件設(shè)計(jì)滾珠絲杠副
已知平均工作載荷是Fm=150N,絲杠工作長(zhǎng)度l=1.2m,平均轉(zhuǎn)速nm=100r/min,最大轉(zhuǎn)速nmax=10000r/min,使用壽命Lh=15000h左右,選擇絲杠材料為CrWMn鋼,滾道硬度為58~62HRC,傳動(dòng)精度要求σ=±0.03mm。
⒈求計(jì)算載荷Fc
Fc=KFKHKAFm =1.2×1.0×1.0×150N=180N
⒉計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值C'a
C'a=Fc(nmLh/1.67×104)1/3=180×(100×15000/1.67×104)1/3=806N
⒊根據(jù)C'a選擇滾珠絲杠副
假設(shè)選用FC1型號(hào),按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca等于或稍大于
C'a的原則,查表[文獻(xiàn)1]選擇FC1-2004-2.5,Ca=5393N.
查表得絲杠副數(shù)據(jù)[文獻(xiàn)1]:
公稱直徑D0 =20mm 導(dǎo)程p =4 mm
螺旋角λ=3°38′ 滾珠直徑d0=2.381 mm
滾道半徑R=0.52d0=0.52×2.381=1.238 mm
偏心距 e=0.07×(R-d0/2)=0.07×(1.238-2.381/2 )=3.33×10-3 mm
絲杠內(nèi)徑d1=D0+2e-2R=20+2×3.33×10-3-2×1.238=17.53 mm
⒋穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn),所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]。
絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷Fcr(N)按下式計(jì)算:
Fcr =π2EIa/(μl)2
式中,E為絲杠材料的彈性模量,對(duì)于鋼,E=206GPa;l為絲杠工作長(zhǎng)度(m);Ia為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩(m4);μ為長(zhǎng)度系數(shù)。
依題意,Ia=πd14/64=3.14×(0.01753m)4/64=4.63×10-7m4
取μ=2/3,則
Fcr=3.142×206×109×4.63×10-7/(2/3×0.3)2=2.35×107N
安全系數(shù)S=Fcr/Fm=2.35×107/180=130555。查表得[S]=2.5~3.3,S>[S],絲杠是安全的,不會(huì)失穩(wěn)。
高速長(zhǎng)絲杠工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生共振,因此需驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速ncr。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速nmax<ncr.
臨界轉(zhuǎn)速ncr (r/min)可按下式計(jì)算:
ncr=9910fc2d1/(μl)2
式中,fc為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù),查表所得[文獻(xiàn)1] 。本設(shè)計(jì)取fc =3.927, μ=2/3,則
ncr=9910fc2d1/(μl)2=9910×3.9272×0.01753/(2/3×0.3)2r/min
≈66975r/min
ncr >nmax =10000r/min, 所以絲杠不會(huì)發(fā)生共振。
此外,滾珠絲杠副還受D0n值的限制,通常要求D0n<7×104mm·r/min。
D0n=20×100mm·r/min=2×103mm·r/min<7×104mm·r/min.
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
⒌剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T(N·m)共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量L0(m)為
△L0 =±pF/EA±p2T/(2πGJc)
式中,A為絲杠截面積,A=πd12/4(m2),Jc為絲杠的極慣性矩,Jc=πd14/32(m4), G為絲杠切變模量,對(duì)鋼,G=83.3Gpa;T(N·m)為轉(zhuǎn)矩。
T=FmD0tan(λ+ρ)/2
式中,ρ為摩擦角,其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù);Fm為平均工作負(fù)載。本設(shè)計(jì)取摩擦系數(shù)為tanρ=0.0025,則得ρ=8′40″.
按最不利的情況。ㄆ渲蠪=Fm)
L0 =pF/EA+p2T/(2πGJc)=4pF/(πEd12)+16p2T/(π2Gd14)
=4×4×10-3×150/(3.14×206×109×0.017532)+16×(4×10-3)2×150/(3.142×83.3×109×0.017532)=1.2×10-8m=1.2×10-2μm
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性形變所引起的導(dǎo)程誤差為
△L=l △L0/p=0.3×1.2×10-2/4×10-3≈0.9μm
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差△L應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的1/2,即
△L<σ/2=0.03/2mm=0.015mm
該絲杠的滿足上式,所以其剛度可滿足要求。
⒍效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
η=tanλ/tan(λ+ρ)=tan3°38′/tan(3°38′+8′40″)=0.96
η要求在0.90~0.95之間,所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)證,F(xiàn)C1-2004-2.5各項(xiàng)性能均符合要求,可選用。
⒎其它尺寸:
接觸角α=45°,螺母外徑D=36mm,
螺母內(nèi)徑D1=60mm,絲杠外經(jīng)d=19.5mm
1.2 選擇減速器
根據(jù)絲杠的尺寸及轉(zhuǎn)矩要求,選擇XB1-50型諧波減速器,減速比為46,輸出力矩T2=15N·m.
1.3 伺服電機(jī)的選擇
1.3.1 執(zhí)行元件的特點(diǎn)
執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機(jī)械執(zhí)行裝置接點(diǎn)部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置,它能在控制裝置的控制下,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。本文選擇的執(zhí)行元件是直流伺服電機(jī)。
1.3.2 直流伺服電機(jī)
直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理
直流伺服電機(jī)主要由磁極、電樞、電刷及換向片等三部分組成。其中磁極在工作中固定不動(dòng),故又成為定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場(chǎng)。電樞是直流伺服電機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,故又成為轉(zhuǎn)子,它由硅鋼片疊成,表面嵌有線圈,
通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。
當(dāng)電樞繞組中通過直流電時(shí),在定子磁場(chǎng)的作用下,就會(huì)產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制電樞繞組中的電流的大小和方向,就可以控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度方向和大小。當(dāng)電樞繞組中的電流為零時(shí),伺服電動(dòng)機(jī)靜止不動(dòng)。
直流伺服電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
額定功率 是指電動(dòng)機(jī)軸上的輸出功率的額定值,即電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的輸出功率。在額定功率下允許電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行而不致過熱。
額定電壓 是指電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),勵(lì)磁繞組和電樞控制繞組上應(yīng)加的電壓額定值。
額定電流 是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下,驅(qū)動(dòng)負(fù)載為額定功率時(shí)繞組中的電流。勵(lì)磁電流不隨電機(jī)輸出功率而變化,但控制電流卻隨輸出功率的變化而變化。
額定轉(zhuǎn)速 有時(shí)也稱最高轉(zhuǎn)速,是指電動(dòng)機(jī)在額定電壓下,輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速。直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍一般在額定轉(zhuǎn)速以下。
額定轉(zhuǎn)矩 是指在額定狀態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩。
最大轉(zhuǎn)矩 是指電動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩,它反映了電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)過載能力。
機(jī)電時(shí)間常數(shù)τj和電磁時(shí)間常數(shù)τd 分別反映了直流伺服電機(jī)兩個(gè)過渡過程時(shí)間的長(zhǎng)短。τj通常小于20ms,τd通常小于5ms,兩者之比通常大于3,因而通?蓪⒅绷魉欧妱(dòng)機(jī)近似的看成是一階慣性環(huán)節(jié)。
熱時(shí)間常數(shù) 是指電動(dòng)機(jī)繞組上升到額定溫升的63.2%時(shí)所需的時(shí)間。
阻尼系數(shù) 又稱內(nèi)阻尼系數(shù),其倒數(shù)即為機(jī)械特性曲線的斜率。
3. 選擇電動(dòng)機(jī)
由諧波減速器的輸入力矩尺寸及減速比,選擇110SZ07,轉(zhuǎn)速為10000rpm,輸入轉(zhuǎn)矩4870 μN(yùn)·m,功率為500W[文獻(xiàn)1].
1.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
⒈4.1 聯(lián)軸器的特點(diǎn)
聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件,在傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的裝置。此外,聯(lián)軸器還可能具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移、緩沖和減振以及安全防護(hù)等功能。
按照聯(lián)軸器的性能可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器雖然不具有補(bǔ)償性能,但有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、不需維護(hù)、成本低等特點(diǎn)而仍有其應(yīng)用范圍;撓性聯(lián)軸器又可分為無彈性元件撓性聯(lián)軸器和帶彈性元件撓性聯(lián)軸其,前一類只具有補(bǔ)償兩軸相對(duì)位移的能力,后一類由于含有能產(chǎn)生較大彈性變形的元件,除有補(bǔ)償性能外還具有緩沖和減振作用,但在傳遞轉(zhuǎn)矩的能力上,因受彈性元件的強(qiáng)度限制,一般不及無彈性元件聯(lián)軸器。
鑒于本工作臺(tái)的具體情況,故選擇剛性聯(lián)軸器中的套筒聯(lián)軸器。
套筒聯(lián)軸器是利用一公用套筒以銷、鍵、或過盈配合等連接方式與兩軸相聯(lián)。套筒聯(lián)軸器制造容易,零件數(shù)量少,結(jié)構(gòu)緊湊,徑向外形尺寸最小,但拆裝不便,需要沿軸向移動(dòng)較大的距離,一般可用于無軸肩的光軸或允許沿軸向移動(dòng)的輕載傳動(dòng)軸系。
1.4.2減速器與電機(jī)間的聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
類型選擇
選擇半圓鍵套筒聯(lián)軸器
載荷計(jì)算
公稱轉(zhuǎn)矩 T=9550P/n=9550×0.5/10000=0.4775N·m
查表[文獻(xiàn)1]得KA=1.3,由Tca=KAT,得Tca=KAT=1.3×0.4775=0.62075N·m
校核強(qiáng)度
σp=2Tca/dlk=2×0.62075/(10×8×7.5)=2.07×10-3N/mm<[σp]
合格.
1.4.3 減速器與絲杠間的聯(lián)軸器設(shè)計(jì)
類型選擇
選用平鍵套筒聯(lián)軸器
2)載荷計(jì)算
公稱轉(zhuǎn)矩:T=0.1N·m
查表得[文獻(xiàn)1]:KA=1.3,由Tca=KAT,有Tca=KAT=1.3×0.1=0.13 N·m。
校核強(qiáng)度
σp=2Tca/dl1k=2×0.13/(20×20×7.5)=8.6×105 N/mm<[σp]
合格。
1.5 滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)
由于深溝球軸承具有額定動(dòng)負(fù)荷為1,能承受一定的雙向軸相負(fù)荷,軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi),并且極限轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn),故選用深溝球軸承。有電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速在有潤(rùn)滑時(shí)為10000rpm,選擇軸承型號(hào)為1000810型,其額定動(dòng)負(fù)荷是4KN,d=50mm,D=65mm,B=7mm.
1.6 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
導(dǎo)軌屬于導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其作用是支承和導(dǎo)向,為機(jī)械系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)提供保障。
1.6.1 導(dǎo)軌的特點(diǎn)
導(dǎo)軌根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況可分為:滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。滾動(dòng)導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌表面之間為滾動(dòng)摩擦,導(dǎo)向面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動(dòng)體來實(shí)現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動(dòng)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)軌磨損小,壽命長(zhǎng),定位精度高,靈敏度高,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,幾何精度要求高,抗振性較差,防護(hù)要求高,制造困難,成本高。它適用于工作部件要求移動(dòng)均勻,動(dòng)作靈敏以及定位精度高的場(chǎng)合。
1.6.2 導(dǎo)軌的基本要求
⒈導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度主要是指動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度或圓度。影響它的因素有:導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動(dòng)壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等。
⒉耐磨性 是指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免有所磨損,所以應(yīng)力求減少磨損量,并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。
⒊疲勞和壓潰 導(dǎo)軌面由于過載或接觸應(yīng)力不均勻而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性形變,反復(fù)運(yùn)行多次后就會(huì)形成疲勞點(diǎn),呈塑性變形,表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑,這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動(dòng)導(dǎo)軌失效的主要原因,為此應(yīng)控制滾動(dòng)導(dǎo)軌承受的最大載荷和受載的均勻性。
⒋剛度 導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對(duì)位置,因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為減少或平衡外力的影響,可采用加大導(dǎo)軌尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法提高剛度。
⒌低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 低速運(yùn)動(dòng)時(shí),作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑,動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值,以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。
⒍結(jié)構(gòu)工藝性 設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí),要注意到制造、調(diào)整和維修方便,力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝性及經(jīng)濟(jì)性好。
1.6.3 根據(jù)要求設(shè)計(jì)導(dǎo)軌
載荷Fm=150N,滑座個(gè)數(shù)m=4,單向行程長(zhǎng)度ls=0.3m,每分鐘往復(fù)次數(shù)為4,使用壽命Lh=15000小時(shí)。由Lh=Ts×103/2lsn,得
Ts=2Lhlsn/103=2×15000×0.3×4×10/1000=360Km。
因=4,所以每根導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座,查表得[文獻(xiàn)1]
fH=1.0,fτ=1.0,fc=0.81,fw=3
由Ts=K(fH fτfcCa/F fw)3,F(xiàn)=Fm/m,則
Ca=F(Ts/Kfw)1/3/fHfcfτ=150×(360/50×3)1/3/(4×1×1×0.81)=61.98N
選用HJ-D25的滾動(dòng)導(dǎo)軌。
1.7 機(jī)床工作臺(tái)即總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由電機(jī)的選擇,查表得[文獻(xiàn)1]
W=250mm,B2=140mm,B3=150mm,B1=210mm,
F×N=250×2mm,G=25mm,L1=550mm.
其余尺寸見AUTOCAD圖所示。
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