機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化大學(xué)畢業(yè)論文.pdf

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE (2015 屆) (2015 屆) 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè) 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè) 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) The Design of Dynamic Test Bench for Measuring Ball Screw Assembly of Machine Tool 學(xué)學(xué) 院院 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 完成日期完成日期 2015 年年 5 月月 承諾書承諾書 本人鄭重承諾： 所呈交的畢業(yè)論文“機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)”是在導(dǎo) 師的指導(dǎo)下， 嚴(yán)格按照學(xué)校和學(xué)院的有關(guān)規(guī)定由本人獨(dú)立完成。 文中所引用的觀點(diǎn)和參考資 料均已標(biāo)注并加以注釋。論文研究過程中不存在抄襲他人研究成果和偽造相關(guān)數(shù)據(jù)等行為。 如若出現(xiàn)任何侵犯他人知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問題，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。 承諾人(簽名)：_ 日期： 年 月 日 摘摘 要要 螺母副預(yù)緊力是影響滾珠絲桿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)特性的主要因素 （在一定程度上也能 防止螺母副滑落，特別是在立式機(jī)床中） ，而滾珠絲桿的運(yùn)動(dòng)精度直接影響機(jī)床 的定位精度和重復(fù)定位精度。 目前對(duì)于滾珠絲桿副的研究主要集中在對(duì)絲桿的沖 擊及軸向接觸剛度力學(xué)模型上， 這樣就忽略了預(yù)緊力對(duì)滾珠絲桿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)特性的 影響。 由于滾珠在運(yùn)行過程中需反復(fù)進(jìn)出絲桿滾道，從而產(chǎn)生絲桿摩擦力矩的波 動(dòng)， 對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。隨著滾珠絲桿副預(yù)緊力的提高及施 加軸向作用力， 其摩擦力矩波動(dòng)將隨之發(fā)生變化對(duì)絲桿的傳動(dòng)性能產(chǎn)生極大的影 響，其中預(yù)緊力占主導(dǎo)地位（一般情況下預(yù)緊力是大于軸向力的） ：當(dāng)預(yù)緊力過 大，機(jī)床的軸向剛度會(huì)得到提高，但會(huì)影響其傳動(dòng)穩(wěn)定性；而預(yù)緊力過小，滾珠 啟動(dòng)時(shí)的阻力就會(huì)變小，但會(huì)影響機(jī)床的傳動(dòng)精度，如重復(fù)定位精度。目前國內(nèi) 尚無對(duì)滾珠絲桿副批量產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)緊力直接測(cè)量和控制的裝置， 僅有應(yīng)用于實(shí)驗(yàn) 的測(cè)試裝置。但其幾何尺寸較大，影響產(chǎn)品總成尺寸，故未能用于實(shí)際產(chǎn)品的測(cè) 量。 所以本次設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，它能實(shí)現(xiàn)螺母副預(yù)緊力的調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí) 監(jiān)控，而且其結(jié)構(gòu)精巧，使用簡單方便，能廣泛用于研究預(yù)緊力的各種實(shí)驗(yàn)臺(tái)， 也能大批生產(chǎn)并應(yīng)用于實(shí)際機(jī)床，使機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)都得到提高。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：滾珠絲桿，螺母副，預(yù)緊力，試驗(yàn)臺(tái) ABSTRACT Nut pre tightening force is the main factor affecting the motion characteristics of ball screw feed(It can prevent the nut down to a certain extent, especially in vertical machine tool),The accuracy of ball screw is directly influenced by the movement accuracy of the machine tool and the accuracy of the positioning is directly influenced. At present, the research of the ball screw pair is mainly focused on the impact of the screw and the mechanical model of the axial contact stiffness, so that the influence of the preload on the feed motion of the ball screw is neglected. As the ball movement in the process of the need to repeatedly screw in and out, resulting in the fluctuation of the screw friction torque, the stability of the system to produce a greater impact. With ball screw pre tightening force of improving and applying an axial force, the friction torque fluctuation will ensue changes of ballscrew transmission performance have a great impact, the pre tightening force accounted for dominant position(under normal circumstances the preload is greater than the axial force):when the preload is too large, the axial stiffness of the machine tool will be improved, but it will affect the stability of the machine; The preload is too small, the resistance will become small when the ball starts, but it will affect the transmission accuracy of the machine tools, such as repeat positioning accuracy. At present, there is no device for the pre tightening force direct measurement and control of the ball screw pair, and only the test device is applied to the experiment. However, its geometric size, the impact of the total size of the product, it failed to measure the actual product. So the design of a pre tightening force adjusting mechanism, it can realize nut pair pre tightening force adjusting and real-time monitoring, and the structure of delicate, simple and convenient to use, can be widely applied to the pre tightening force of various experimental station, also can mass production and application in the actual machine, to improve the performance indexes of the machine bed. keywords：Ball screw, Nut vice, Pre-tightening force, Test bench i 目錄目錄 摘要摘要 ABSTRACT 第第 1 章章 緒論緒論 1 1.1 項(xiàng)目的研究背景及意義 . 1 1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) . 2 1.3 設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容及目的 . 4 1.3.1 重點(diǎn)解決的問題 . 4 1.3.2 研究的幾個(gè)主要方面. 5 1.3.3 設(shè)計(jì)預(yù)期成果 . 5 1.4 論文組織結(jié)構(gòu) . 5 第第 2 章章 試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì) 7 2.1 VMC850E 立式加工中心簡介 7 2.2 整體布局 . 9 2.3 試驗(yàn)臺(tái)零部件設(shè)計(jì)及選擇 . 10 2.3.1 工作臺(tái)尺寸確定 . 10 2.3.2 滾珠絲桿選擇. 11 2.3.3 聯(lián)軸器選擇. 13 2.3.4 電機(jī)選擇. 14 2.3.5 電機(jī)座設(shè)計(jì). 16 2.3.6 螺母副選擇. 17 2.3.7 前后支撐座選擇 . 18 2.3.8 導(dǎo)軌選擇. 19 2.3.9 壓電陶瓷選擇 . 21 2.3.10 傳感器選擇 . 22 2.3.11 行程開關(guān)選擇及相關(guān)零部件設(shè)計(jì) . 23 2.3.12 緩沖器設(shè)計(jì) . 25 2.3.13 床身設(shè)計(jì) . 26 2.3.14 床身支撐腳設(shè)計(jì) . 29 第第 3 章章 滾珠絲滾珠絲桿桿螺母副預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)螺母副預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 第第 4 章章 試驗(yàn)臺(tái)零部件校核試驗(yàn)臺(tái)零部件校核 37 4.1 滾珠絲桿校核 . 37 4.2 聯(lián)軸器剛強(qiáng)度校核 . 40 ii 4.3 電機(jī)校核 . 40 4.4 軸承校核 . 40 4.5 導(dǎo)軌校核 . 41 4.6 調(diào)節(jié)螺栓收縮度校核 . 41 4.7 螺栓螺紋部分的校核 . 42 第第 5 章章 結(jié)論結(jié)論 43 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 45 致致 謝謝 47 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 1 第第1章章 緒論緒論 1.1 項(xiàng)目的研究背景及意義項(xiàng)目的研究背景及意義 隨著機(jī)械制造工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)零件精度的要求越來越高，數(shù)控車床由于其高 效率、高精度等方面的優(yōu)勢(shì)漸漸普及，在機(jī)械加工設(shè)備中的占有率越來越高。在當(dāng)今 制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床一般采用滾珠絲桿。滾珠絲桿是目前世界上應(yīng)用最廣泛的一種傳 動(dòng)方式，它具有摩擦小、效率高、靈敏度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、磨損小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但 由于制造和裝配的誤差，滾珠絲桿副總是存在間隙，同時(shí)滾珠絲桿在軸向載荷的作用 下，滾珠和螺紋滾道接觸部位會(huì)產(chǎn)生彈性形變，影響滾珠絲桿的傳動(dòng)精度，但可以通 過調(diào)節(jié)絲桿與螺母副之間預(yù)緊力的大小來消除軸向間隙、提高軸向剛度，所以在數(shù)控 機(jī)床結(jié)構(gòu)中滾珠絲桿被普遍使用。 由精密滾珠絲桿副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，再結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，雖高速、高精密 是機(jī)床發(fā)展發(fā)展永恒的主題， 但是目前對(duì)于提高機(jī)床的精度， 人們主要從電機(jī)分辨率、 軸承、滾珠絲桿自身結(jié)構(gòu)、螺母副等結(jié)構(gòu)模型上來研究。而對(duì)于其中的滾珠絲桿副的 研究則主要還是集中在對(duì)絲桿的沖擊及軸向接觸剛度力學(xué)模型上， 這樣就忽略了預(yù)緊 力對(duì)滾珠絲桿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)特性的影響。 而預(yù)緊力對(duì)滾珠絲桿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)特性的影響卻是無 法忽視的，當(dāng)預(yù)緊力過大，機(jī)床的軸向剛度會(huì)得到提高，但會(huì)影響其傳動(dòng)穩(wěn)定性；而 預(yù)緊力過小或不存在時(shí)，滾珠啟動(dòng)時(shí)的阻力就會(huì)變小，但機(jī)床的傳動(dòng)精度就會(huì)嚴(yán)重下 圖 1.1 滾珠絲桿螺母副結(jié)構(gòu)原理圖 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2 降，如重復(fù)定位精度。所以對(duì)預(yù)緊力的研究是非常具有意義的。如何調(diào)節(jié)預(yù)緊力來提 高剛度成了人們?nèi)找骊P(guān)注的課題（并且人們想出了雙螺母調(diào)隙的方法，但卻不方便隨 時(shí)的根據(jù)需要調(diào)節(jié)螺母間預(yù)緊力的大小，而且每次調(diào)節(jié)必須停機(jī)并人工調(diào)節(jié)，不但麻 煩還需要一定的經(jīng)驗(yàn)才能調(diào)好） 。所以本文以此為目的， 在如何調(diào)節(jié)預(yù)緊力來提高滾 珠絲桿傳動(dòng)副的傳動(dòng)精度和軸向剛度上做了些研究， 最終設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 機(jī)床一般采用滾珠絲桿與螺母副來實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)， 在螺母副中 很多是用滾珠與絲桿配合來將絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成工作臺(tái)（螺母副）的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 而機(jī)床滾珠與絲桿之間并不是完全無間隙配合， 所以需要通過預(yù)緊力來使工作臺(tái)與絲 桿的轉(zhuǎn)動(dòng)同步性能提高和減小回程誤差。 目前我們研究的雙螺母預(yù)緊力可調(diào)機(jī)構(gòu)則有 效的解決了調(diào)節(jié)預(yù)緊力的功能，能更好的實(shí)現(xiàn)提高機(jī)床精度，從而提高機(jī)床的加工范 圍，間接的提高機(jī)床的利用價(jià)值。這就是我們此設(shè)計(jì)的意義，我相信其價(jià)值也是非常 可觀的。 1.2 目前目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 高速、高精密是機(jī)床發(fā)展永恒的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn) 品對(duì)零件加工的精度和表面質(zhì)量的要求也愈來愈高。為滿足這個(gè)市場(chǎng)的需求，當(dāng)前機(jī) 床正向高速切削、干切削和準(zhǔn)干切削的方向發(fā)展，加工精度也在不斷地提高。另一方 面，電主軸和直線電機(jī)的成功應(yīng)用，陶瓷滾珠軸承、高精度大導(dǎo)程空心內(nèi)冷和滾珠螺 母強(qiáng)冷的低溫高速滾珠絲桿副及帶滾珠保持器的直線導(dǎo)軌副等機(jī)床功能部件的面市， 也為機(jī)床向高速、精密發(fā)展創(chuàng)造了條件。 圖 1.2 電主軸 圖 1.3 陶瓷滾珠軸承 近年來，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)水平的提高，數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給 速度越來越快，必然帶動(dòng)滾珠絲桿副向高速化的方向發(fā)展?，F(xiàn)階段我國滾動(dòng)功能部件 行業(yè)的產(chǎn)品水平和發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距， 普遍存在產(chǎn)品性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后精度 指標(biāo)，而且整個(gè)滾動(dòng)功能部件行業(yè)測(cè)試儀器配備不完善，有些項(xiàng)目的主要性能指標(biāo)無 法測(cè)試，同時(shí)行業(yè)缺乏統(tǒng)一的檢驗(yàn)規(guī)程，使理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐均受到制約。為使國 產(chǎn)滾動(dòng)功能部件滿足高性能數(shù)控機(jī)床的要求， 博特公司研制開發(fā)了精密滾珠絲桿副綜 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 3 合性能試驗(yàn)臺(tái)、高速精密滾珠絲桿副速度噪聲試驗(yàn)臺(tái)、精密滾珠絲桿副剛度試驗(yàn)臺(tái)、 精密滾珠絲桿副載荷試驗(yàn)臺(tái)、精密滾珠絲桿副摩擦力矩測(cè)試儀等設(shè)備，并以此組建了 國內(nèi)第一家滾動(dòng)功能部件性能試驗(yàn)室。 如相關(guān)的精密滾珠絲桿副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)： 該試驗(yàn)臺(tái)能測(cè)量絲桿的最大長度為 2000mm 直徑為 2080mm，實(shí)際工作行程 小于 1800mm?？梢酝瓿韶?fù)載狀態(tài)下的加速度、速度、定位精度以及絲桿熱伸長的在 線實(shí)時(shí)測(cè)量。 控制系統(tǒng)采用了高分辨率的單軸數(shù)控系統(tǒng)， 上位機(jī)軟件采用 Visual basic 6.0 編寫。各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，可以實(shí)現(xiàn)硬盤數(shù)據(jù)保存并打印輸出規(guī)范的 檢測(cè)報(bào)告。試驗(yàn)臺(tái)安裝時(shí)嚴(yán)格保證兩直線導(dǎo)軌和滾珠絲桿在兩個(gè)方向的平行度，前后 軸承采用高精度的 C 級(jí)向心球軸承，絲桿及導(dǎo)軌均采用噴油潤滑。 圖 1.4 光柵尺 測(cè)量儀器采用高精密光柵尺或雙頻激光作為長度測(cè)量基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了滾珠絲桿副 工作狀態(tài)下定位精度和重復(fù)定位精度的測(cè)量，測(cè)試分辨率為 0.2 微米。通過在絲桿螺 母前軸承座后軸承座等處設(shè)置多路高精度溫度傳感器， 實(shí)現(xiàn)了載荷狀態(tài)下絲桿溫升的 實(shí)時(shí)測(cè)量：分辨率為 0.1 攝氏度；利用高精度加速度傳感器及位移傳感器，完成了對(duì) 高速精密滾珠絲桿副載荷狀態(tài)下的加速度、速度以及熱位移的測(cè)量，測(cè)試加速度分辨 率 0.0001g，最大加速度為 5g，熱位移分辨率為 0.1 微米。各性能參數(shù)通過計(jì)算機(jī)測(cè) 量處理后，存盤保存并打印輸出規(guī)范的檢測(cè)報(bào)告。測(cè)量時(shí)，工作臺(tái)移動(dòng)速度可達(dá) 72m/min。 但目前國內(nèi)尚無對(duì)滾珠絲桿副批量產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)緊力直接測(cè)量和控制的裝置，僅 有應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的測(cè)試裝置（如上所說的精密滾珠絲桿副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)） 。但其幾何 尺寸較大，影響產(chǎn)品總成尺寸，故未能大批生產(chǎn)并用于實(shí)際產(chǎn)品的測(cè)量。 而我們的設(shè)計(jì)是從螺母副滾珠與絲桿間預(yù)緊力大小著手來提高機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng) 精度間接的提高機(jī)床加工精度，從本質(zhì)上還是遵循高精度化的步伐，而我們的設(shè)計(jì)只 是在機(jī)床上添加一個(gè)機(jī)構(gòu)而沒有改變機(jī)床原有結(jié)構(gòu)， 相對(duì)于重新設(shè)計(jì)機(jī)床來說更方便、 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4 更快捷、 更經(jīng)濟(jì)。 另一方面,我們的設(shè)計(jì)是通過傳感器來調(diào)節(jié)的， 數(shù)據(jù)都是通過電腦處 理的，所以調(diào)節(jié)起來相對(duì)來說就比較方便，也充分實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化。 1.3 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容研究的內(nèi)容及目的及目的 1.3.1 重點(diǎn)解決的問題重點(diǎn)解決的問題 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)總體方案的設(shè)計(jì) 首先通過全面的市場(chǎng)調(diào)查并閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)資料、教材及新聞背景資料（包括 機(jī)械設(shè)計(jì)的原理及方法， 國際水平探討方面的書籍、 報(bào)刊） ,對(duì)機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài) 性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)有一定的了解，并確定試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案。 試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查來選擇具有一定代表性的機(jī)床或加工中心作參考來初步估算工作 臺(tái)的重量、最大行程、及加工工件時(shí)的最大切削力等相關(guān)參數(shù)，再進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的總體 布局；后確定試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)，選擇好需要的零件并設(shè)計(jì)好相關(guān)的零部件，完 成試驗(yàn)臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 單螺母定導(dǎo)程的滾珠絲桿副是不能消除軸向間隙的， 雙螺母卻可以消除它的軸向 間隙。通過預(yù)加載荷來消除間隙的方法有許多。在機(jī)床上常用的雙螺母法，其原理圖 如下圖所示。 圖 1.5 滾珠絲桿副的消除間隙和預(yù)加載荷原理 1、 絲桿； 2、左螺母； 3、鋼球； 4、右螺母 在預(yù)緊力 F0的作用下，圖中個(gè)（a）是左、右螺母往兩頭撐開；而（b）則是向中 間擠緊。這時(shí)接觸角為 45 ，左右螺母接觸相反。左、右螺母的中間安裝一塊板，使 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 5 兩螺母作為一個(gè)整體，這就使這個(gè)整體與絲桿間處于無間隙或過盈狀態(tài)，以提高接觸 剛度。而我們的工作的創(chuàng)新點(diǎn)就是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)代替兩螺母中間的板，并通過調(diào)節(jié)兩 螺母間的距離來調(diào)節(jié)預(yù)緊力的大小。 1.3.2 研究的幾個(gè)主要方面研究的幾個(gè)主要方面 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)。 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)輔助裝置設(shè)計(jì)。 預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置的安裝及試驗(yàn)臺(tái)的整體布局。 1.3.3 設(shè)計(jì)預(yù)期設(shè)計(jì)預(yù)期成果成果 通過對(duì)市場(chǎng)加工設(shè)備的調(diào)查，從中選出適用范圍較廣的機(jī)床或加工中心，并參 照其螺母絲桿副的傳動(dòng)系統(tǒng)及各部件的主要技術(shù)參數(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)非常接近目前國內(nèi) 機(jī)床加工設(shè)備的試驗(yàn)臺(tái)， 完成其總體方案設(shè)計(jì)； 設(shè)計(jì)出相關(guān)的輔助裝置， 如緩沖裝置、 限位裝置、支撐裝置等，選出其中用到的標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)并設(shè)計(jì)出非標(biāo)件，最后用圖紙 表達(dá)一些主要非標(biāo)件的機(jī)構(gòu)及要求；最主要的是設(shè)計(jì)出我們的預(yù)緊力調(diào)節(jié)裝置，使得 它能完美的實(shí)現(xiàn)絲桿螺母副預(yù)緊力的無級(jí)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能； 最后再將預(yù)緊力調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)安裝到試驗(yàn)臺(tái)上，觀察其工作效果。 最后根據(jù)以上工作，完成試驗(yàn)臺(tái)的總裝配圖、三維結(jié)構(gòu)圖，以及預(yù)緊力機(jī)構(gòu)的 裝配圖、主要部件的零件圖、一份詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明書，并完成論文和其相關(guān)東西。 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)論文組織結(jié)構(gòu) 本文共分五部分，第一部分為緒論，主要介紹了本文項(xiàng)目的背景及工作的目標(biāo)， 主要研究內(nèi)容及相關(guān)的創(chuàng)新點(diǎn)。 第二部分為試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)， 主要介紹了如何經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查后選擇的參考加 工中心并通過相關(guān)的計(jì)算來設(shè)計(jì)并選擇試驗(yàn)臺(tái)的主要零部件。 其中介紹了在選擇零部 件時(shí)要注意的問題和相關(guān)方面的專業(yè)知識(shí)。 第三部分為此次設(shè)計(jì)的主要機(jī)構(gòu)滾珠絲桿螺母副預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； 在里面介 紹了預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的背景和背景。 第四部分主要是校核前面章節(jié)中選擇的標(biāo)準(zhǔn)件以及主要工作元件的剛度、強(qiáng)度、 彎曲度等。 第五部分是對(duì)本次設(shè)計(jì)的總結(jié)，其中列出了設(shè)計(jì)中的一些不足之處。 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 6 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 7 第第 2 章章 試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì) 因?yàn)槲业哪康氖菍?shí)現(xiàn)對(duì)螺母副預(yù)緊力的檢測(cè)和調(diào)節(jié)， 而同時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)滾珠絲 桿試驗(yàn)臺(tái)來用于試驗(yàn)。 通過市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其中 VMC 系列的加工中心越來越適用市場(chǎng)要求，而該系列 的 VMC850E 的適應(yīng)性具有一定程度上的代表性。它適用于加工高精度、多工序、復(fù) 雜形狀零件的一款新型加工中心，能適應(yīng)從粗加工到精加工的加工要求，可獨(dú)立完成 零件的銑、鉆、攻、鏜及二維三維曲面、斜面的精確加工等多種不同的加工方式，這 樣則大幅的縮短生產(chǎn)周期，提升了加工的效率。 所以試驗(yàn)臺(tái)可參考市面上使用范圍較廣的 VMC850E 立式加工中心， 這樣更具有 代表性，實(shí)用性也會(huì)更強(qiáng)。但本試驗(yàn)的對(duì)象是螺母副預(yù)緊力的檢測(cè)和調(diào)節(jié)，只需設(shè)計(jì) 單軸試驗(yàn)臺(tái)，所以可參考 VMC850E 立式加工中心 X 軸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.1 VMC850E 立式加工中心簡介立式加工中心簡介 日前，VMC 系列產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，中捷立式加工中心事業(yè)部的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì) 逐漸減弱，對(duì)產(chǎn)品銷售形成不利影響。為打破這種局面，該事業(yè)部設(shè)計(jì)并制造了經(jīng)濟(jì) 型產(chǎn)品 VMC850 立式加工中心，以爭(zhēng)奪更多的市場(chǎng)份額。 VMC850E 立式加工中心主要用于加工板類、盤類件、殼體件、模具等精度高、 工序多、形狀復(fù)雜的零件，可在一次裝夾中連續(xù)完成銑、鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、攻絲及二 維三維曲面，斜面的精確加工，加工實(shí)現(xiàn)程序化，縮短了生產(chǎn)周期，從而使用戶獲得 良好的經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品亮點(diǎn)為采用皮帶和主軸一比一傳動(dòng)，使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到 8000 轉(zhuǎn) /分，提高產(chǎn)品加工效率；各軸均采用絲桿和電機(jī)直聯(lián)，減少加工間隙，進(jìn)一步提高產(chǎn) 品的加工精度；螺旋式的排屑器，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的自動(dòng)化排屑；潤滑、氣動(dòng)系統(tǒng)采用整 體供貨，縮短了產(chǎn)品安裝周期，提高交貨速度； 、是國防工業(yè)、拖拉機(jī)、輕工行業(yè)、 汽車制造、紡織機(jī)械、小型模具及機(jī)床行業(yè)技術(shù)改造理想的加工設(shè)備之一。 通過對(duì) VMC850 的初步研究可以發(fā)現(xiàn) VMC850 立式加工中心具有以下兩種主要 機(jī)械特性： 高鋼性、重切削 全部采用優(yōu)質(zhì)樹脂砂耐磨鑄件，強(qiáng)韌筋骨，超大立柱，寬低座，蜂巢式結(jié)構(gòu)。經(jīng) 退火處理，清除應(yīng)力長久不變形。三軸采用鋼性極強(qiáng)的矩形導(dǎo)軌，可承受重切削，工 作臺(tái)精密研磨，淬火處理，大大增強(qiáng)了表面硬度。 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 8 高精度 三軸傳動(dòng)均采用臺(tái)灣 C3 級(jí)精密滾珠絲桿，安裝 P3 級(jí)軸承，確保了定位精度和 重復(fù)定位精度。三軸均采用日本三菱伺服馬達(dá)和主軸電機(jī)，直聯(lián)傳動(dòng)，提供了強(qiáng)勁的 動(dòng)力，確保了在強(qiáng)大承載能力下的進(jìn)給精度。采用國際知名品牌的 P3 級(jí)主軸，確保 了主軸的可靠性高、壽命長、噪音小、震動(dòng)小、精度高的優(yōu)點(diǎn)。 VMC850 立式加工中心控制系統(tǒng)特性為穩(wěn)定性好、速度快、精度高。其采用世界 先進(jìn)頂級(jí)的三菱數(shù)控系統(tǒng)， M60S系列均采用伺服驅(qū)動(dòng)， 確保了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性高、 速度快，表面光滑，精度高等優(yōu)點(diǎn)，具備了制造模具應(yīng)有的功能，是模具生產(chǎn)的最佳 選擇。 參考 VMC850B（E）主要參數(shù)可暫定以下數(shù)據(jù)： 工作臺(tái)質(zhì)量：200Kg； 最大負(fù)載：約 600Kg，則可得導(dǎo)軌負(fù)重 M=200+600=800Kg； 行程長度 L：X 軸最大行程為 850mm，Y 軸最大行程為 560mm； 最快移動(dòng)速度 V：X、Y 軸最快移動(dòng)速度均為 32m/min； 加（減）速時(shí)間：t1（t3）=0.15s； 每分鐘往返次數(shù)：8； 定位精度：X、Y 軸的定位精度均為 0.005mm/300mm； 重復(fù)定位精度：X、Y 軸的定位精度均為 0.005mm/300mm； 最小進(jìn)給量：s=0.020mm/脈沖； 希望壽命時(shí)間：30000h； 絲桿密度：7.9x103Kg/m3 ； 允許最大負(fù)荷：500Kg； 機(jī)床重量：5200Kg； 圖 2.1 VMC850E 立式加工中心 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 9 2.2 整體布局整體布局 我們?cè)O(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的目的是為了實(shí)現(xiàn)絲桿螺母副預(yù)緊力的調(diào)節(jié)和檢測(cè)， 因此可以參 考 VMC850E 的 X、Y 兩軸布局來具體設(shè)計(jì)雙軸聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。 所以在試驗(yàn)臺(tái)中我們要合適的布局好工作臺(tái)、床身、電機(jī)、聯(lián)軸器、預(yù)緊力機(jī)構(gòu) 的位置，然后再根據(jù)具體功能添加輔助零部件及機(jī)構(gòu)。并且要盡量使其結(jié)構(gòu)簡單、緊 湊，兼顧試驗(yàn)臺(tái)的精度、剛度、抗震性和熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)性能。 該試驗(yàn)臺(tái)由各類部件組成，進(jìn)行布局時(shí)要從其工作原理結(jié)合各部件的外形、尺寸 和重量等因素，來確定各主要部件之間的相對(duì)位置關(guān)系和配置；另一方面還應(yīng)考慮試 驗(yàn)臺(tái)的操作維修、外觀形狀、生產(chǎn)管理和人機(jī)關(guān)系等因素?？傮w布局是設(shè)計(jì)中帶全局 性的問題。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的制造和使用關(guān)系很大。 在此次設(shè)計(jì)中考慮到的問題： 工作臺(tái)上安裝的工件的形狀、尺寸、重量； 本次設(shè)計(jì)中，工作臺(tái)的形狀設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)的方形試驗(yàn)臺(tái)，在其上面開有 T 型槽，主 要用來固定工件，是鉗工工人用來調(diào)試設(shè)備，裝配設(shè)備（如夾具） ，維修設(shè)備的基礎(chǔ) 平臺(tái)；其重量則是估算為 VMC850E 立式加工中心工作臺(tái)的重量，暫取 200Kg；而工 作臺(tái)的尺寸則是在 VMC850E 立式加工中心工作臺(tái)的基礎(chǔ)上稍作改變， 因?yàn)槲覀兊脑?驗(yàn)臺(tái)并沒有 VMC850E 加工中心大，所以根據(jù)實(shí)際情況將工作臺(tái)的尺寸取為 600 500mm，高度則通過工作臺(tái)截面高寬比來計(jì)算。 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的分配； 試驗(yàn)臺(tái)預(yù)定設(shè)計(jì)為雙軸試驗(yàn)臺(tái)，類似于普通的十字滑臺(tái)，如圖 2.2 所示。所以試 驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)主要分配為 X、Y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。而具體則由電機(jī)輸出動(dòng)力，通過聯(lián)軸器將 動(dòng)力傳到滾珠絲桿，然后由絲桿螺母副轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能； 試驗(yàn)臺(tái)數(shù)控裝置的各項(xiàng)動(dòng)作和指令都是由試驗(yàn)臺(tái)本體轉(zhuǎn)換成真實(shí)的、 準(zhǔn)確的機(jī)械 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的功能，并保證數(shù)控機(jī)床的性能要求。本試驗(yàn)臺(tái)的本 體由以下幾部分構(gòu)成： 進(jìn)給系統(tǒng)：其功用是實(shí)現(xiàn) X、Y 軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)件：主要有床身、底座、滑座、工作臺(tái)等。其功用是支承試驗(yàn)臺(tái)本 體的零部件，并保證這些零部件在切削加工過程中占有的準(zhǔn)確位置。 實(shí)現(xiàn)工件精確定位的裝置和附件：如工作臺(tái)。 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特性包括結(jié)構(gòu)的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性、低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性及 運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦特性、幾何精度、傳動(dòng)精度等。而本試驗(yàn)臺(tái)主要通過合理設(shè)計(jì)截面形狀 和尺寸來提高基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)靜剛度、抗震性等，如在床身打圓孔、鑄筋板等。 人工操作的方便性； 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 10 為了使本試驗(yàn)臺(tái)操作方便，所以試驗(yàn)臺(tái)基本是自動(dòng)化，如進(jìn)給系統(tǒng)、預(yù)緊力調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)。而預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)則是通過電腦對(duì)壓電陶瓷、傳 感器的控制來實(shí)現(xiàn)的。 圖 2.2 試驗(yàn)臺(tái)總體布局 2.3 試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)零部件設(shè)計(jì)及選擇臺(tái)零部件設(shè)計(jì)及選擇 圖 2.3 單軸方案簡圖 1、伺服電機(jī) 2、前支撐座 3、后支撐座 4、負(fù)載 5、工作臺(tái) 6、絲桿 7、聯(lián)軸器 2.3.1 工作臺(tái)尺寸確定工作臺(tái)尺寸確定 根據(jù) VMC850E 立式加工中心參數(shù)可知：工作臺(tái)為矩形 T 型槽，具體參數(shù)：重量 約為 200Kg；長寬：1000mm 500mm，但我們的試驗(yàn)臺(tái)比 VMC850E 要窄，所以取長 寬：600 500。T 型槽尺寸 18 5，截面高寬比 0.10.18。 暫取截面高寬比 0.12，則工作臺(tái)高：h=500 0.12=60mm 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 11 設(shè)間距為 a，兩邊空出 b，則： 18 5+4a+2b=500 通過對(duì)多種工作臺(tái) T 型槽的測(cè)量并根據(jù)比例可取 T 型槽間距 90mm，兩邊各留 25mm，若尺寸影響到導(dǎo)軌滑塊的安裝，則最后可以根據(jù)導(dǎo)軌滑塊再稍做調(diào)整。之后 再根據(jù)工作臺(tái)與試驗(yàn)臺(tái)其他部件間的連接關(guān)系來確定螺紋孔、通孔等的位置。具體結(jié) 構(gòu)如下圖： 圖 2.4 工作臺(tái)尺寸圖 2.3.2 滾珠絲滾珠絲桿桿選擇選擇 滾珠絲桿精度選擇 X、Y 軸精度均為 0.005mm/300mm，為了滿足精度 0.005mm/300mm ，因此滾 珠絲桿的精度等級(jí)應(yīng)選擇 C1 級(jí)（ 0.005mm/300mm） ，所以選用精密制造 C1 級(jí)滾珠 絲桿。 滾珠絲桿導(dǎo)程選擇 由 VMC850E 立式加工中心 X、 Y 軸最快移動(dòng)速度均為 32m/min， 導(dǎo)程 1020mm 左右，預(yù)定電機(jī)轉(zhuǎn)速： N=32 103 10=3200rpm，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速在 30006000rpm 預(yù)定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 3000rpm，取快速移動(dòng)速度 30m/min，所以絲桿導(dǎo)程為： 30x1000 3000=10mm 為了滿足最小進(jìn)給量 0.020mm/脈沖，所以導(dǎo)程應(yīng)選： 10mm （1000p/rev） 滾珠絲桿的絲桿螺紋長度 L 的計(jì)算 L=Lu+L1+2Le （2.1） 式子中：Lu機(jī)床工作臺(tái)的有效行程，單位：mm 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 12 L1螺母長度，單位：mm Le余程(按下表選取)，單位：mm 表 2.1 滾珠絲桿導(dǎo)程-余程表 導(dǎo)程Ph（mm） 4 5 6 8 10 12 16 20 余程le（mm） 16 20 24 32 40 45 50 60 由上可知，已選導(dǎo)程為 10mm，則：余程 le=40mm， 而本試驗(yàn)臺(tái)中采用雙螺母副（螺母副總長約 200mm） ，雙螺母中間的機(jī)構(gòu)長約 100mm，所以 L1=200 2+100=500mm， X 軸的有效行程為 Lu=850mm，所以：L=850+500+80=1430mm； VMC850E 立式加工中心 Y 軸有效行程為 560mm，但我的試驗(yàn)臺(tái)床身比其窄， 所以這里取 Y 軸有效行程為 220mm。 Y 軸的有效行程為 Lu=220mm，所以：L=220+500+80=800mm。 滾珠絲桿直徑選擇： VMC850E 立式加工中心 X、Y 軸滾珠絲桿直徑均為 40mm，參考 NSK 滾珠絲桿 型號(hào)表： 表 2.2 NSK 滾珠絲桿部分型號(hào)表 再根據(jù)滾珠絲桿導(dǎo)程為 10mm，為了使絲桿不過于細(xì)長且剛強(qiáng)度足夠，且參考 VMC850E 立式加工中心絲桿的直徑，選得 X、Y 軸直徑都為 40mm。 綜上，根據(jù)已定數(shù)據(jù)參考 NSK 滾珠絲桿型號(hào)表，應(yīng)選擇： HTF-4010-7.5，具體參數(shù)如上表所示。 圖 2.5 滾珠絲桿零件圖 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 13 滾珠絲桿總長度選擇 一般情況下，國產(chǎn)滾珠絲桿副螺紋部分的長徑比小于或等于 30，國外滾珠絲桿 副長徑比小于或等于 70，在此參考日本 NSK（國外）滾珠絲桿副長徑比，并根據(jù)軸 端長度和絲桿螺紋長度，取兩軸絲桿長度分別為：X 軸 1709mm，Y 軸 1079mm。 2.3.3 聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器選擇 撓性聯(lián)軸器的共同特點(diǎn)是具有不同程度補(bǔ)償兩軸線軸向、徑向、角向相對(duì)偏移的 能力。無彈性元件撓性聯(lián)軸器由可做移動(dòng)或滑動(dòng)的剛性件組成，過去亦稱為剛性可移 式聯(lián)軸器，利用聯(lián)接元件間的相對(duì)移動(dòng)性以補(bǔ)償被聯(lián)接兩軸線的相對(duì)位移，大部分彈 性元件撓性聯(lián)軸器需在良好的潤滑和密封條件下工作， 選用時(shí)應(yīng)充分考慮其對(duì)軸線位 移的補(bǔ)償范圍，這類聯(lián)軸器雖有一定補(bǔ)償能力但不能減振緩沖（最大量隨型號(hào)不同而 異） ，因此不適用于有沖擊、振動(dòng)的軸系傳動(dòng)。但它有一個(gè)缺點(diǎn)，由于它的材質(zhì)是橡 膠、 尼龍等， 所以其強(qiáng)度低、 壽命短、 承載能力小、 不耐高溫， 只適用于低溫的場(chǎng)合。 無彈性元件撓性聯(lián)軸器包括滑塊聯(lián)軸器、鏈條聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器、球 面滾子聯(lián)軸器、滾珠聯(lián)軸器、鋼球聯(lián)軸器等。 剛性聯(lián)軸器即使承受負(fù)載時(shí)也沒有任何回轉(zhuǎn)間隙，即便有偏差而產(chǎn)生負(fù)荷時(shí)，剛 性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。如果系統(tǒng)中有任何偏差，都會(huì)導(dǎo)致軸、軸承或聯(lián)軸器過 早的損壞，也就是說其無法在高速的環(huán)境下工作，因?yàn)樗鼰o法補(bǔ)償由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生 高溫而產(chǎn)生的軸間相對(duì)位移。當(dāng)相對(duì)位移能成功被控制，在伺服系統(tǒng)應(yīng)用中剛性聯(lián)軸 器也可以發(fā)揮很出色的性能。剛性聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是，存在一個(gè)保險(xiǎn)環(huán)節(jié)（如 銷釘可動(dòng)聯(lián)接等） ，其只能承受限定載荷。當(dāng)實(shí)際載荷超過事前限定的載荷時(shí)，保險(xiǎn) 環(huán)節(jié)就發(fā)生變化，截?cái)噙\(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞，從而保護(hù)機(jī)器的其余部分不致?lián)p壞，即起 安全保護(hù)作用。具有過載保護(hù)作用，還有將機(jī)器電動(dòng)機(jī)的帶載起動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻瓶蛰d起 動(dòng)的作用， 但它對(duì)于兩軸間同心度的要求非常高。 而小規(guī)格的剛性聯(lián)軸器具有重量輕， 超低慣性和高靈敏度的優(yōu)越性能，且在實(shí)際應(yīng)用中，剛性聯(lián)軸器具有免維護(hù)，超強(qiáng)抗 油性以及耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。雖然過去人們不贊成把剛性聯(lián)軸器用在伺服傳動(dòng)中，但由于 其高扭矩承重、剛性和零間隙性能，小規(guī)格的剛性聯(lián)軸器越來越多的應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)控制 領(lǐng)域中。 而本試驗(yàn)臺(tái)是應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中，而且對(duì)其強(qiáng)度、壽命、承載能力等都有一定程 度上的要求， 當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)使用正常的情況下電機(jī)軸與滾珠絲桿之間基本不會(huì)有過多的偏 移，對(duì)補(bǔ)償兩軸線軸向、徑向、角向相對(duì)偏移的能力也沒有特殊要求，再者工作臺(tái)的 移動(dòng)速度也不會(huì)太快，一般也不會(huì)出現(xiàn)高速的情況，所以在此試驗(yàn)臺(tái)中剛性聯(lián)軸器能 發(fā)揮出色的性能，而撓性聯(lián)軸器相對(duì)來說就不適合了。 參考 VNC850E 加工中心得：主軸轉(zhuǎn)速 8000rpm，扭矩 52.5nm，且 X、Y 軸滾珠 絲桿軸徑 d=40mm，查得其端部直徑為 d1=25mm，并且選用剛性凸緣聯(lián)軸器（與相連 軸采用鍵連接） 。 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 14 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) P318 聯(lián)軸器型號(hào)選得： 凸緣剛性聯(lián)軸器型號(hào)為 GYH5(Y 型)，主要參數(shù)為：TN=224Nm,n=9000rpm, d1=25mm，軸孔長度 L=62mm，外徑 DC=105mm，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 I=0.003kg*m2，質(zhì)量為 Mc=3.15kg，摩擦系數(shù) 0.1，傳動(dòng)效率 0.9。 圖 2.6 凸緣聯(lián)軸器 2.3.4 電機(jī)選擇電機(jī)選擇 滾珠絲桿通過軸承與前后支持座裝配固定,伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)與滾珠絲桿 直聯(lián),直線運(yùn)動(dòng)部件有工作臺(tái)和工件。 1. Y 軸參數(shù) 負(fù)載速度:V=30mm/min;直線運(yùn)動(dòng)部分(工作臺(tái)與工件)質(zhì)量:M=200+600=800kg;滾 珠絲桿的有效長度:LB=220mm;滾珠絲桿的直徑:DB=40mm;滾珠絲桿導(dǎo)程:PB=10mm; 聯(lián)軸器質(zhì)量:MC=3.15kg;聯(lián)軸器的外徑:DC=105mm;摩擦系數(shù):=0.1;機(jī)械傳動(dòng)效率: =0.9。 2. X 軸參數(shù) 負(fù)載速度:V=30mm/min;直線運(yùn)動(dòng)部分(包括 Y 軸所有零部件以及 Y 軸床身)質(zhì) 量:M1=800+400=1200kg;滾珠絲桿的有效長度:LB=850mm;滾珠絲桿的直徑:DB=40mm; 滾珠絲桿導(dǎo)程:PB=10mm;聯(lián)軸器質(zhì)量:MC=3.15kg;聯(lián)軸器的外徑:DC=105mm;摩擦系 數(shù):=0.1;機(jī)械傳動(dòng)效率: =0.9。 轉(zhuǎn)速計(jì)算 由上可知絲桿的導(dǎo)程為 P=10mm， 通過上 述參數(shù) ,我 們 可計(jì)算 出滾珠 絲 桿 轉(zhuǎn)速 N1與電 機(jī)軸 轉(zhuǎn)速 NM： N1=Vmax/P=30/0.010=3000rpm 因采用聯(lián)軸器與絲桿直聯(lián)的方式， 所以X、 Y電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速均為： Nm=N1=3000rpm. 滾珠絲桿換算轉(zhuǎn)矩計(jì)算 X 軸：TL=g M P2=0.1 9.8 1200 0.01020.9=2.08Nm 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 15 Y 軸：TL=gMP2=0.19.88000.01020.9=1.39Nm 電機(jī)軸換算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(JM)的計(jì)算 電機(jī)軸換算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包含兩部分:直線運(yùn)動(dòng)部件將其慣量折算成旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量及滾珠絲桿、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： X 軸：JB= LB DB4/32= 7.9 103 0.85 0.044/32=1.69 103Kg m2； 聯(lián)軸器： JC=0.003 Kg m2； 直線運(yùn)動(dòng)的物體將其慣量折算成旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： JL=M （PB/2）2=3.03 10-3 Kg m2； 所以電機(jī)軸換算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： JM=JB+JC+JL= 1.69 103+ 0.003 + 3.03 103 7.72 103kg m2 Y 軸：JB=LB DB4/32=7.9103 0.22 0.044/32=0.44 103Kg m2 聯(lián)軸器： JC=0.003Kg m2 直線運(yùn)動(dòng)的物體將其慣量折算成旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： JL=M （PB/2）2=2.03 10-3 Kg m2 所以電機(jī)軸換算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： JM=JB+JC+JL= 0.44 103+ 0.003 + 2.03 103 5.47 103kg m2 負(fù)載運(yùn)行功率計(jì)算 Y 軸： 恒速時(shí)的功率：P0=2NMTL/60=2x3000x1.3960=436.68w=0.44kw 恒加（減）速的功率：Pa=(2NM/60)2xJM/t1=3599w=3.60kw 所以 P0+Pa=4.04kw X 軸： 恒速時(shí)的功率：P0=2NMTL/60=230002.08 60=653w=0.65kw 恒加（減）速的功率：Pa=(2NM/60)2xJM/t1=5080w=5.08kw 所以 P0+Pa=5.73kw 伺服電機(jī)的初步選型 選型條件： TL小于或等于 T額（TLY=1.39Nm，TLX=2.08Nm） ； P0+Pa=（12）x 電機(jī)額定輸出（Y 軸：P0+Pa=4.04kw；X 軸：P0+Pa=5.73kw） ； NM小于或等于 N額（NM=3000rpm） ； JM小于或等于伺服單位的容許負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Y 軸：JM=5.47 103 kg*m2；X 軸：JM=7.72 103 kg*m2） ； 根據(jù)以上條件和數(shù)據(jù)再參考三菱伺服電機(jī)選型手冊(cè)得： X、Y 軸電機(jī)都應(yīng)選擇電機(jī)型號(hào)：HC-RP353，驅(qū)動(dòng)器：MR-J3-70A 主要參數(shù)：T額=11.1Nm，N額=3000rpm，P額=3.5kw。 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 16 圖 2.7 電機(jī) HC-RP 安裝尺寸圖 2.3.5 電機(jī)電機(jī)座座設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)中雙螺母副中間連接了預(yù)緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，而其外徑大于螺母副，所以 電機(jī)并不能放到床身上，而是有一定的距離，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)支承件來安裝電機(jī)并能 容納聯(lián)軸器（X、Y 軸電機(jī)、聯(lián)軸器等參數(shù)大致相同，因此支撐架可設(shè)計(jì)成一樣） 。 根據(jù)聯(lián)軸器的總長 116mm，可設(shè)計(jì)電機(jī)座內(nèi)部長為 136mm（兩邊各留 10mm 以 防止聯(lián)軸器與之摩擦） 。 聯(lián)軸器 DC=105mm，則取電機(jī)座內(nèi)部寬 130mm。 由電機(jī)軸到床身的高度及電機(jī)尺寸則可取其高為 198mm。 取支撐架壁厚 20mm， 上方留空并在壁上攻 4 個(gè) M4 的螺紋孔， 用于和蓋板連接。 下方與床身連接，電機(jī)軸到床身的距離為 108mm，則在左右鑄 18mm 的板；在其上 鉆 4 個(gè) 8 的通孔來用于螺栓連接； 鉆 6 的通孔用于電機(jī)盒的定位 （用 6 銷定位） 并在與電機(jī)連接面打孔 110mm，深 5mm。而在兩頭對(duì)應(yīng)電機(jī)軸高度打 60 的通孔 來讓電機(jī)軸與滾珠絲桿穿過，最后在與電機(jī)連接側(cè)鉆 9 孔用于電機(jī)安裝。 圖 2.8 電機(jī)盒設(shè)計(jì)圖 機(jī)床滾珠絲桿裝配動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 17 2.3.6 螺母副選擇螺母副選擇 滾珠絲桿螺母副螺旋傳動(dòng)除具有螺旋傳動(dòng)的一般特征 （降速傳動(dòng)比大及牽引力大） 外，與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)相比，具有下列特性： （1）傳動(dòng)效率高：在滾珠絲桿副中，自由滾動(dòng)的滾珠將力與運(yùn)動(dòng)在絲桿與螺母 之間傳遞。這一傳動(dòng)方式取代了傳統(tǒng)螺紋絲桿副之間的絲桿與螺母間直接作用方式， 因而以極小滾動(dòng)摩擦代替了傳統(tǒng)絲桿的滑動(dòng)摩擦，使?jié)L珠絲桿副傳動(dòng)效率達(dá)到 90% 以上，整個(gè)傳動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)力矩減少至滑動(dòng)絲桿的 1/3 左右，發(fā)熱率也因此得以大幅降 低。 （2）定位精度高： 滾珠絲桿副發(fā)熱率低，溫升小以及在加工過程中對(duì)絲桿采取 預(yù)拉伸并預(yù)緊消除軸向間隙等措施，使絲桿副具有高的定位精度和重復(fù)定位精度。 傳動(dòng)可逆性：滾珠絲桿副沒有滑動(dòng)絲桿粘滯摩擦，消除了在傳動(dòng)過程中可能出現(xiàn) 的爬行現(xiàn)象， 滾珠絲桿副能夠?qū)崿F(xiàn)兩種傳動(dòng)方式將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅?線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并傳遞動(dòng)力。 （3）使用壽命長：由于對(duì)絲桿滾道形狀的準(zhǔn)確性、表面硬度、材料的選擇等方 面加以嚴(yán)格控制，滾珠絲桿副的實(shí)際壽命遠(yuǎn)高于滑動(dòng)絲桿。 （4） 同步性能好： 由于滾珠絲桿副運(yùn)轉(zhuǎn)順滑、 消除軸向間隙以及制造的一致性， 采用多套滾珠絲桿副方案驅(qū)動(dòng)同一裝置或多個(gè)相同部件時(shí)，可獲得很好的同步工作。 根據(jù)螺母副的公稱直徑 d0=40mm， 導(dǎo)程 P=10mm， 查 FFZD 型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺 母式滾珠絲桿副尺寸系列得： 應(yīng)選用螺母型號(hào)為：FFZD4010-5 具體尺寸如下表： 表 2.3 FFZD4010-5 尺寸表 圖 2.9 螺母副參考尺寸圖 2.3.7 前后支撐座選擇前后支撐座選擇 滾珠絲桿的安裝方式一般叫做滾珠絲桿的支承形式，通常有兩大類（絲桿旋轉(zhuǎn)類 和螺母旋轉(zhuǎn)類）共 4 種典型的支承形式，支承形式不同，所允許的軸向載荷和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 上海理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 18 速也有所不同。應(yīng)該根據(jù)工況情況來選擇，在機(jī)床中一般選用絲桿旋轉(zhuǎn)類。絲桿的支 承形式分為 3 種： 兩端固定型 該形式兩端分別一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，負(fù)荷由兩組軸承共同承擔(dān)。采 用這種方式，固定端軸承可以同時(shí)承受軸向力，并且可以對(duì)絲桿施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力， 以提高絲桿的支承剛度，同時(shí)還可以部分地補(bǔ)償絲桿的熱變形。因此，大型機(jī)床、重 型機(jī)床以及高精度鏜銑床大多都是采用這種結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，其也有不足的地方，那就是 采用這種結(jié)構(gòu)的話會(huì)使得調(diào)整工作比較繁瑣；此外，如果在安裝調(diào)整時(shí)兩端的預(yù)緊力 過大的話，將會(huì)導(dǎo)致絲桿最終的行程比設(shè)計(jì)行程長，螺距也會(huì)比設(shè)計(jì)螺距大；而如果 兩端螺母的預(yù)緊力不夠的話，就會(huì)導(dǎo)致相反的結(jié)果，從而容易引起機(jī)床振動(dòng)，致使精 度降低。因此，如果是采用兩端固定這種結(jié)構(gòu)的話，那么在拆裝時(shí)一定要嚴(yán)格按照說 明書來進(jìn)行調(diào)整，或者是借助儀器(雙頻激光測(cè)量儀)來調(diào)整，以免造成一些不必要的 損失。這種安裝方式適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的場(chǎng)合。在定位要求很高的場(chǎng)合，可以根 據(jù)受力情況和絲桿受熱變形趨勢(shì)精確到設(shè)定目標(biāo)行程補(bǔ)償，來進(jìn)一步提高定位精度。 一端固定，一端游隙型 該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度， 另一端由單個(gè)軸承約束徑向自由 度， 負(fù)荷是由一對(duì)軸承副承擔(dān)， 游動(dòng)的單個(gè)軸承能防止懸臂擾度， 但受熱會(huì)變形伸長， 會(huì)影響加工精度。因此，這是使用最廣泛的一種結(jié)構(gòu)。比如：目前國內(nèi)中小型數(shù)控車 床、立式加工中心等等都是采用這種結(jié)構(gòu)。 一端固定，一端自由 該形式一端由一對(duì)軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈懸空自由狀態(tài)，負(fù) 荷均有一對(duì)軸承副承擔(dān)，并且需要克服絲桿回轉(zhuǎn)離心力造成的彎矩，適用于低轉(zhuǎn)速， 中精度，軸向長度短的場(chǎng)合。此形式結(jié)構(gòu)簡單，受力情況差，但在行程小，轉(zhuǎn)速低時(shí) 經(jīng)常用到。盡管如此，由于其結(jié)構(gòu)較簡單，安裝調(diào)試較方便，大多高精度機(jī)床依然是 采用這種結(jié)構(gòu)；但是，有一點(diǎn)需要特別注意的就是，采用這種結(jié)構(gòu)時(shí)必須加裝光柵， 采用全封閉環(huán)來反饋，以便能夠充分絲桿的性能。 在本試驗(yàn)臺(tái)中對(duì)精度的要求較高，三種方案中一端固定一端自由精度較差，而且 必須加裝光柵，采用全閉環(huán)系統(tǒng)來反饋，其只適用于中精度，軸向長度短的情況，而 我們的絲桿長度約 2000mm，明顯不適用；而一端固定另一端自由絲桿受熱會(huì)變形伸 長，會(huì)影響加工精度；而兩端固定更適用于高精度場(chǎng)合，只要嚴(yán)格按照說明來安裝的 話，軸的變形也可以由預(yù)緊力來抵消，相比之下這種方案更適合此次設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)。 所以前后支撐座都選擇固定端方形 （BK 系列） 支撐座， 由于絲桿直徑 d0=4