機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)講稿

1、 項(xiàng)目一 數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與部件選擇1. 1無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)鏈1. 1. 1機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足的基本要求機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)因機(jī)床的類型、性能、規(guī)格尺寸等因素的不同，應(yīng)滿足的要求一也不一樣。在設(shè)計(jì)機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)最基本的原則就是以最經(jīng)濟(jì)、合理的方式滿足既定的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合具體機(jī)床進(jìn)行分析，一般應(yīng)滿足下述基本要求:(1)滿足機(jī)床使用性能要求。首先應(yīng)滿足機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特性，如機(jī)床的主軸有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)(對(duì)于主傳動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，則有足夠的每分鐘雙行程數(shù)范圍及變速級(jí)數(shù));傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，操作方便靈活、迅速、安全可靠等。(2)滿足機(jī)床傳遞動(dòng)力要求。主電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能提供和傳遞足夠的功

2、率和轉(zhuǎn)矩，具有較高的傳動(dòng)效率。1.1.2數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)分類機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)可按以下不同的特征來(lái)分類:(1)按驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)的電動(dòng)機(jī)類型可分為交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中又可分為單速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種。調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又有多速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和無(wú)級(jí)調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。無(wú)級(jí)調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)通常采用變頻調(diào)速的原理。(2)按傳動(dòng)裝置類型可分為機(jī)械傳動(dòng)裝置、液壓傳動(dòng)裝置、電氣傳動(dòng)裝置及其組合。(3)按變速的連續(xù)性可分為分級(jí)變速傳動(dòng)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)(此部分在下面詳細(xì)介紹)。數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證在加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工

3、精度和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)主要有以下四種配置方式:(1)主軸電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。如圖2一1 (a)所示，電動(dòng)機(jī)軸與主軸用聯(lián)軸器連接，這種方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱和主軸結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸影響較大。目前，多采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，它的功率很大，但輸出功率與實(shí)際消耗的功率保持同步，效率很高。(2)電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒形帶帶動(dòng)主軸。如圖1一1 (b)所示，電動(dòng)機(jī)將其運(yùn)動(dòng)經(jīng)同步齒形帶以定比傳動(dòng)傳遞給主軸。由于輸出扭矩較小，這種傳動(dòng)方式主要用于小型數(shù)控機(jī)床低扭

4、矩特性要求的主軸，可以減小傳動(dòng)中的振動(dòng)和噪聲。(3)電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪變速傳動(dòng)主軸。如圖1一1 (c)所示，主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)二級(jí)齒輪傳動(dòng)變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉(zhuǎn)速，從而使之實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速，這種方式在大、中型數(shù)控機(jī)床中采用較多。經(jīng)過齒輪傳動(dòng)降速后，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可以擴(kuò)大，以滿足主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸出扭矩大的特性要求。一部分小型數(shù)控機(jī)床一也采用這種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切削時(shí)所需要的扭矩。(4)電主軸。如圖1一1 (d)所示，將調(diào)速電動(dòng)機(jī)與主軸合成一體(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸即機(jī)床主軸)，其優(yōu)點(diǎn)是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、質(zhì)量輕、慣量小，且可提高調(diào)速電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止的響應(yīng)特性;其缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)發(fā)熱易引起熱變形。1.

5、1.3無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)鏈可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以得到最有利的切削速度;能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化;能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時(shí)保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)可由機(jī)械摩擦無(wú)級(jí)變速器、液壓無(wú)級(jí)變速器和電氣無(wú)級(jí)變速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械摩擦無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠，常用于中、小型車床、銑床等主傳動(dòng)系統(tǒng)中。液壓無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)換向沖擊小，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，常用于主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床，如磨床、拉床、刨床等機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)中。電氣無(wú)級(jí)變速器有由直流電動(dòng)機(jī)或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的兩種，由于它可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速、連續(xù)

6、變速和負(fù)載下變速，故其應(yīng)用越來(lái)越)一泛，尤其在數(shù)控機(jī)床上目前幾乎全都采用電氣無(wú)級(jí)變速器。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)廣泛采用無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)，這不僅能使其在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選擇到合理的切削速度，而且還能在運(yùn)轉(zhuǎn)中自動(dòng)變速。無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)有機(jī)械、液壓和電氣等多種形式，數(shù)控機(jī)床一般采用由直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的電氣無(wú)級(jí)變速。由于數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍較寬，一般情況下單靠調(diào)速電動(dòng)機(jī)無(wú)法滿足;另一方面調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性一也難以直接與機(jī)床的功率和轉(zhuǎn)矩要求安全匹配。因此，需要在無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)之后串聯(lián)機(jī)械分級(jí)變速傳動(dòng)，以滿足調(diào)速范圍和功率、轉(zhuǎn)矩特性的要求。(1)無(wú)級(jí)變速裝置的分類。機(jī)床主傳動(dòng)中常用的無(wú)級(jí)變速裝

7、置有三類:變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置和液壓無(wú)級(jí)變速裝置。1) 變速電動(dòng)機(jī)。機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，它們?cè)陬~定轉(zhuǎn)速以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2 3;額定轉(zhuǎn)速以下為恒定轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可達(dá)30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率變速范圍，可在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串連一個(gè)分級(jí)變速箱。變速電動(dòng)機(jī)I一泛用于數(shù)控機(jī)床和大型機(jī)床中。2)機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置。機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置有柯普(Koop)型、行星錐輪型、分離錐輪鋼環(huán)型和寬帶型等多種結(jié)構(gòu)，它們都是利用摩擦力來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的，通過連續(xù)地改變摩擦傳動(dòng)副工作半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。由于它的變

8、速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)，通常較少單獨(dú)使用，而是與分級(jí)變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)使用，以擴(kuò)大變速范圍。機(jī)械無(wú)級(jí)變速器應(yīng)用于要求功率和變速范圍較小的中、小型車型、銑床等機(jī)床的主傳動(dòng)中，更多的是用于進(jìn)給變速傳動(dòng)中。3)液壓無(wú)級(jí)變速裝置。液壓無(wú)級(jí)變速裝置通過改變單位時(shí)間內(nèi)輸入液壓缸或液動(dòng)機(jī)中液體的油量來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。它的特點(diǎn)是變速范圍較大，變速方便，傳動(dòng)平穩(wěn)，在運(yùn)動(dòng)換向時(shí)沖擊小;易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)化。液壓無(wú)級(jí)變速裝置常用在主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床中，如刨床、拉床等。(2)無(wú)級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速機(jī)構(gòu)的串聯(lián)。在無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍都較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代通用機(jī)床變速范圍的要求。因此，常常將無(wú)

9、級(jí)變速裝置與機(jī)械分級(jí)變速機(jī)構(gòu)串聯(lián)，以擴(kuò)大其變速范圍。(3)采用直流或交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。機(jī)床上常用的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)為直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)是采用調(diào)壓和調(diào)磁方式來(lái)得到主軸所需轉(zhuǎn)速的。直流電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流(簡(jiǎn)稱調(diào)磁)的辦法來(lái)調(diào)速的，屬于恒功率調(diào)速;從額定轉(zhuǎn)速向下至最低轉(zhuǎn)速是用調(diào)節(jié)電樞電壓(簡(jiǎn)稱調(diào)壓)的辦法來(lái)調(diào)速的，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。通常，直流電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍較小，僅為24，而恒轉(zhuǎn)矩變速范圍很大，可達(dá)幾十，甚至超過100。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)靠調(diào)節(jié)供電頻率的方式來(lái)調(diào)速，所以其常被稱為調(diào)頻主軸電動(dòng)機(jī)。通常額定轉(zhuǎn)速向上至最高轉(zhuǎn)速氣max為恒定功率，變速范圍為35;額定轉(zhuǎn)

10、速至最低轉(zhuǎn)速氣為恒轉(zhuǎn)矩，變速范圍為幾十，甚至超100。直流和交流電動(dòng)機(jī)的功率轉(zhuǎn)矩特性如圖1 -2所示。交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)由于體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、沒有電刷且能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)高，故磨損和故障也少?，F(xiàn)在在中、小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)已占優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用一也更加廣泛。伺服電動(dòng)機(jī)和脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)都是恒轉(zhuǎn)矩的，而且功率不大，所以只能用于直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)?；谏鲜龇治隹芍?，如果直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)用于拖動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器，例如龍門刨床工作臺(tái)(主運(yùn)動(dòng))或立式車床刀架(進(jìn)給運(yùn)動(dòng))，可直接利用調(diào)速電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩變速范圍，用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)或通過定比減速齒輪拖動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1. 2主傳動(dòng)系統(tǒng)

11、分析數(shù)控車床用于加工回轉(zhuǎn)體零件。它集中了臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床、多刀車床、仿形車床、自動(dòng)和半自動(dòng)車床的功能，是數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較廣泛的品種之一。下面以一個(gè)典型數(shù)控車床C K3263 B為例說(shuō)明如何分析數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)，圖1一4所示為C K3263 B主傳動(dòng)系統(tǒng)。主電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶輪副和四速變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)主軸，其傳動(dòng)路線表達(dá)式是擬定轉(zhuǎn)速圖如圖2 -5所示，從圖中可知，主軸共得到四段轉(zhuǎn)速:1. 3 車床數(shù)控化改裝主傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)將06140臥式車床改造成用MCS -51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。將原來(lái)的主傳動(dòng)系統(tǒng)改裝為主變速系統(tǒng)。一般的臥式車

12、床在改裝為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床時(shí)，主傳動(dòng)系統(tǒng)和變速操縱機(jī)構(gòu)是不動(dòng)的，可利用暫停指令進(jìn)行手動(dòng)變速換擋，然后再繼續(xù)加工。如果要提高機(jī)床的自動(dòng)化程度或者所加工工件的直徑相差較大，在加工過程中需要自動(dòng)變速時(shí)，可考慮設(shè)置加工過程中的自動(dòng)變速裝置，本任務(wù)即后一種情況。將機(jī)械主傳動(dòng)系統(tǒng)改裝為自動(dòng)變速裝置的幾種方案說(shuō)明見下文介紹。1.采用多速電動(dòng)機(jī)改裝 目前采用多速電動(dòng)機(jī)對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，一般是將主電動(dòng)機(jī)更換為雙速或四速電動(dòng)機(jī)，由微機(jī)系統(tǒng)信號(hào)自動(dòng)控制切換電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣做的好處是機(jī)床性能良好，主傳動(dòng)鏈改裝量較少，但多速電動(dòng)機(jī)的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以電動(dòng)機(jī)功率要選的大一些，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的尺寸一也大，因

13、此還要增加一套電動(dòng)機(jī)變速系統(tǒng)。2.主變速系統(tǒng)改裝 對(duì)主軸箱內(nèi)變速系統(tǒng)進(jìn)行改裝，一般是將滑移齒輪變速改為電磁離合變速。這種變速機(jī)構(gòu)仍為有級(jí)變速，一般變速級(jí)數(shù)不超過四級(jí)。3.采用直流主軸電動(dòng)機(jī)或交流主軸電動(dòng)機(jī)改裝 改裝后，機(jī)床主軸由直流主軸電動(dòng)機(jī)(或交流主軸電動(dòng)機(jī))通過皮帶直接帶動(dòng)，并通過電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。 采用直流主軸電動(dòng)機(jī)或交流主軸電動(dòng)機(jī)改裝，其改裝成本高，但效果好，能獲得滿意的速度，而且由于傳動(dòng)鏈中沒有齒輪，故噪聲很小。另外在改裝中要注意，主軸電動(dòng)機(jī)的選擇要與進(jìn)給系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)配套，以利于使用CNC系統(tǒng)。圖1 -5所示為本任務(wù)改裝后的主傳動(dòng)系統(tǒng)示意。拆下原操縱手柄，裝上齒輪2;以一個(gè)180

14、W的交流小電動(dòng)機(jī)8通過蝸輪副7和齒輪3, 2將運(yùn)動(dòng)傳給手柄軸1，帶動(dòng)主軸箱內(nèi)的撥叉和滑塊進(jìn)行變速。另外將手柄軸接長(zhǎng)，在接長(zhǎng)軸4上安裝帶單個(gè)壓塊6的圓盤，并在附加的機(jī)殼上固定一個(gè)裝有6個(gè)微動(dòng)開關(guān)的圓盤5, 6個(gè)微動(dòng)開關(guān)的位置與6級(jí)變速擋位對(duì)應(yīng)。當(dāng)手柄軸帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，壓塊6依次壓下6個(gè)微動(dòng)開關(guān)，發(fā)出6個(gè)不同信號(hào)，數(shù)控系統(tǒng)通過對(duì)電路信號(hào)的識(shí)別來(lái)控制變速。 自動(dòng)變速過程如下:當(dāng)變速電動(dòng)機(jī)接到S指令后，便開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置使手柄軸帶動(dòng)撥叉滑塊使變速齒輪移位。與此同時(shí)，在速度繼電器的控制下，主電動(dòng)機(jī)低速點(diǎn)動(dòng)，以便滑移齒輪順利地進(jìn)人嚙合位片。當(dāng)壓塊壓下的觸點(diǎn)信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)S指令信號(hào)相符時(shí)，小電動(dòng)機(jī)制動(dòng)

15、，主運(yùn)動(dòng)變速完成。這種方案保留了原主軸箱的結(jié)構(gòu)，改裝量小，但只適合于06140型車床。1. 3. 2主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程1.明確已知條件，草擬轉(zhuǎn)速圖擬定轉(zhuǎn)速圖的一般步驟如下:(i)確定變速組數(shù)及各變速組的傳動(dòng)副數(shù);(2)安排變速組的傳動(dòng)順序，擬定結(jié)構(gòu)式(網(wǎng));(3)分配傳動(dòng)副傳動(dòng)比.繪制轉(zhuǎn)涼圖2.齒輪齒數(shù)的確定 齒輪的齒數(shù)取決于傳動(dòng)比和徑向尺寸要求。在同一變速組中，若模數(shù)相同且不采用變位齒輪，則傳動(dòng)副的齒數(shù)和相同;若模數(shù)不同，則齒數(shù)和S與模數(shù)m,成反比，即:對(duì)于三聯(lián)滑移齒輪，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)齒輪且模數(shù)相同時(shí)，最大齒輪與次大齒輪的齒數(shù)差應(yīng)大于4，以避免滑移過程中的齒頂干涉。當(dāng)傳動(dòng)比i采用標(biāo)準(zhǔn)公比的整數(shù)次

16、方時(shí)，齒數(shù)和S及小齒輪齒數(shù)可以從表1一1中查得。1. 4 實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備1.項(xiàng)目任務(wù)單項(xiàng)日任務(wù)單見附錄二。2.項(xiàng)目要求學(xué)完基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)例后，學(xué)生自主分析數(shù)控車床主軸箱實(shí)物，熟悉內(nèi)部組成，然后分組制訂設(shè)計(jì)方案，方案合格后，開始具體設(shè)計(jì)。3.儀器與設(shè)備(1) CAK4085數(shù)控車床6(2)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)若干。(3)扳手、鉗子、直尺。4.實(shí)訓(xùn)步驟(1)學(xué)生分組，并在現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)控車床主軸箱實(shí)物。(2)學(xué)生分組，制定任務(wù)實(shí)施方案。(3)根據(jù)任務(wù)實(shí)施方案，學(xué)生將任務(wù)實(shí)施過程填入記錄表1一2中。1. 4. 2項(xiàng)目評(píng)價(jià)項(xiàng)日的整體評(píng)價(jià)如表1-3所示。 圖1一1數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的配置方式 圖1 -2直流和交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功

17、率轉(zhuǎn)矩特性 圖1 -4 CK3263B主傳動(dòng)系統(tǒng) 圖1 -5改裝后主傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 表1一1常見傳動(dòng)比的適用齒數(shù) 表1一2項(xiàng)目實(shí)施過程記錄表 表1-3項(xiàng)目評(píng)價(jià)表 項(xiàng)目二 數(shù)控車床導(dǎo)軌副設(shè)計(jì)2. 1. 1導(dǎo)軌副設(shè)計(jì)步驟(1)根據(jù)已知的工作條件，選擇合適的導(dǎo)軌類型，常見導(dǎo)軌形式見表2 -1.(2)選擇導(dǎo)軌截面形狀與組合方式。常見導(dǎo)軌截面形狀見表2一2。1)雙三角形導(dǎo)軌。如圖2 -1所示，雙三角形導(dǎo)軌導(dǎo)向性和精度保持性都很高，磨損后能自動(dòng)下沉補(bǔ)償磨損量。兩條三角形導(dǎo)軌副同時(shí)起支撐和導(dǎo)向作用，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，故接觸剛度好。但由于超定位，加工、檢驗(yàn)、維修都較困難，而且當(dāng)量摩擦系數(shù)也高，因

18、此適于精度高的場(chǎng)合。例如絲杠車床、單柱坐標(biāo)鎖床的導(dǎo)軌副等。2)雙矩形導(dǎo)軌。如圖2一2所示，雙矩形導(dǎo)軌的剛度高，當(dāng)量摩擦系數(shù)比雙三角形導(dǎo)軌低，承載能力強(qiáng)，加工、檢驗(yàn)、維修都較方便，因此被廣泛使用，例如數(shù)控機(jī)床的導(dǎo)軌副。雙矩形導(dǎo)軌承載面和導(dǎo)向面是分開的，存在側(cè)向間隙，必須用鑲條調(diào)節(jié)。如圖2一2 (a)所示，用兩外側(cè)面做導(dǎo)向面時(shí)，間距大、熱變形大、間隙大，因而導(dǎo)向精度低、承載能力大;如圖2-2 (b)所示，以內(nèi)外側(cè)面做導(dǎo)向面時(shí)，間距小、熱變形小、間隙小，因而導(dǎo)向精度高、易獲得較高的平行度;如圖2一2 (c)所示，用兩內(nèi)側(cè)面做導(dǎo)向面時(shí)，由于導(dǎo)軌面對(duì)稱分布在導(dǎo)軌中部，當(dāng)傳動(dòng)件位于對(duì)稱中心線上時(shí)，避免了由

19、于牽引力與導(dǎo)向中心線不合而引起的偏轉(zhuǎn)，不致在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)引起位置誤差，故導(dǎo)向精度高。3)三角形與矩形組合。如圖2-3 (a)和圖2 -3 ( b)所示，三角形與矩形組合導(dǎo)軌兼有三角形導(dǎo)軌的良好導(dǎo)向性及矩形導(dǎo)軌的制造方便、剛性好等優(yōu)點(diǎn)，并避免了由于熱變形所引起的配合變化。其缺點(diǎn)是三角形導(dǎo)軌比矩形導(dǎo)軌磨損快，易造成磨損不均勻，磨損后又不能通過調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償，故對(duì)位置精度有影響。三角形與矩形組合導(dǎo)軌兼有導(dǎo)向性好、制造方便和剛度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛使用，例如車床、磨床、龍門刨床、龍門銑床、滾齒機(jī)、坐標(biāo)鎖床的導(dǎo)軌副等。4)雙燕尾形導(dǎo)軌。如圖2一4 (a)所示，它的高度較小，可以承受顛覆力矩，是閉式導(dǎo)軌

20、中接觸面最少的一種結(jié)構(gòu)。間隙調(diào)整方便，用一根鑲條就可以調(diào)節(jié)各接觸面的間隙。這種導(dǎo)軌剛度較差，加工、檢驗(yàn)、維修都不大方便，適用于受力小、層次多、要求間隙調(diào)整方便的場(chǎng)合，例如牛頭刨床和插床的滑枕導(dǎo)軌、升降臺(tái)銑床的床身導(dǎo)軌、車床刀架導(dǎo)軌副和儀表機(jī)床導(dǎo)軌等。5)矩形與燕尾形導(dǎo)軌組合。如圖2一4 (b)所示，由于它兼有調(diào)整方便、能承受較大力矩的優(yōu)點(diǎn)，故多用于橫梁、立柱和搖臂的導(dǎo)軌副。6)雙圓柱導(dǎo)軌組合。圓柱導(dǎo)軌具有制造方便、不宜積存較大切屑的優(yōu)點(diǎn)，但間隙難以調(diào)整，磨損后一也不易補(bǔ)償，因此適用于移動(dòng)件只受軸向力的場(chǎng)合，例如攻螺紋機(jī)、機(jī)械手的導(dǎo)軌副等。(3)通過計(jì)算選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。1)計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca(單位

21、N)。式中: KW負(fù)荷系數(shù)，按表2一3選取;KH-硬度系數(shù)，按表2一4選取;KT溫度系數(shù)，按表2一5選取;KC接觸系數(shù)，按表2一6選取;K壽命系數(shù)，一般取K=50;2)依據(jù) 的原則，選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)。(4)其他參數(shù)選擇。1)導(dǎo)軌材料選擇。鑄鐵耐磨性好，熱穩(wěn)定性高，減振性好，成本低，易于加工，在滑動(dòng)導(dǎo)軌中應(yīng)用廣泛。淬硬的鋼導(dǎo)軌耐磨性好。鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)接近，化學(xué)穩(wěn)定性好，抗振性好，抗撕傷能力強(qiáng)，工作范圍廣，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在選材時(shí)，支撐導(dǎo)件與運(yùn)動(dòng)件應(yīng)選不同的材料，其熱處理的方式一也有所不同。2)調(diào)整裝置。導(dǎo)軌工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生間隙，間隙過小會(huì)增加摩擦阻力，間隙過大會(huì)降低導(dǎo)向精度，

22、所以應(yīng)選擇合適的調(diào)整裝置進(jìn)行調(diào)整。例如滑動(dòng)導(dǎo)軌副采用壓板和鑲條兩種方法調(diào)整。鑲條。鑲條用來(lái)調(diào)整矩形導(dǎo)軌、燕尾形導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面能正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)，常用的有平鑲條和楔形鑲條兩種。平鑲條如圖2一5所示，它是靠調(diào)整螺釘1移動(dòng)鑲條2的位置來(lái)調(diào)整間隙的，圖2一5(c)所示為在間隙調(diào)整好后，再用螺釘3將鑲條2緊固。平鑲條調(diào)整方便，制造容易，圖2一5(a)和圖2一5 (b)所示的鑲條較薄，而且只在與螺釘接觸的幾個(gè)點(diǎn)上受力，容易變形，剛度較低，日前較少使用。楔形鑲條如圖2一6所示，鑲條的兩個(gè)面分別與動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌均勻接觸，所以比平鑲條剛度高，但加工較困難。楔形鑲條的斜度為1 :

23、 100一1:40,鑲條越長(zhǎng)，斜度應(yīng)越小，以免兩端厚度相差太大。如圖2一6( a)所示的調(diào)整方法是用調(diào)節(jié)螺釘1帶動(dòng)鑲條2做縱向移動(dòng)以調(diào)節(jié)間隙。鑲條上的溝槽a在刮配好后加工，這種方法構(gòu)造簡(jiǎn)單，但螺釘頭凸肩和鑲條上溝槽之間的間隙會(huì)引起鑲條在運(yùn)動(dòng)中竄動(dòng)。圖2一6( b)所示為從兩端用螺釘3和5調(diào)節(jié)，避免了鑲條4的竄動(dòng)，性能較好。圖2一6 (c)所示為通過螺釘6和螺母7調(diào)節(jié)，鑲條8上的圓孔在刮配好后加工，這種調(diào)節(jié)方法方便，且能防止鑲條8的竄動(dòng)，但其縱向尺寸較長(zhǎng)。壓板。壓板用來(lái)調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受的顛覆力矩，如圖2一7所示。2. 2. 1選擇導(dǎo)軌副1.確定最大載荷Fmax已知作用在單滑座上的最大載

24、荷Fmax ，滑座數(shù)M=4，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷(與絲杠軸線平行) Ff= 1 401 N，工作臺(tái)受到橫向的載荷(與絲杠軸線垂直)Fn= 337 N ,工作臺(tái)受到垂直方向的載荷(與工作臺(tái)面垂直) Fe=512 N，移動(dòng)部件總重量G =736 N。單滑塊所受的最大垂直2.確定額定工作時(shí)間壽命孔要求該導(dǎo)軌副每天開機(jī)6h，每年工作300個(gè)工作日，且工作8年以上，則額定工作時(shí)間壽命:3.確定行程長(zhǎng)度系數(shù)TS要求單向行程長(zhǎng)度LS = 0. 52m，每分鐘往返次數(shù)為3，則額定行程長(zhǎng)度系數(shù):4.計(jì)算額定動(dòng)載荷Ca(單位為N)要求工作溫度不超過120 0C，工作速度為40 m/min，滾道表面硬度取60

25、HRC。由前面的計(jì)算結(jié)果得額定工作時(shí)間壽命Th = 14 400 h。則:表2一7為JSA一KL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副(寬型螺孔)尺寸參數(shù)，圖2一8所示為其外形圖;表2 - 8為JSA一ZL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副(窄型螺孔)尺寸參數(shù)，圖2一9所示為其外形圖。2. 3. 1實(shí)訓(xùn)準(zhǔn)備1.項(xiàng)目任務(wù)單項(xiàng)目任務(wù)單見附錄四。2.項(xiàng)目要求學(xué)完基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)例后，學(xué)生自主分析導(dǎo)軌實(shí)物，熟悉內(nèi)部組成，然后分組制定設(shè)計(jì)方案，方案合格后，開始具體設(shè)計(jì)。3.儀器與設(shè)備(1)數(shù)控車床導(dǎo)軌2套。(2)JSA導(dǎo)軌產(chǎn)品說(shuō)明書若干。(3)扳手、鉗子、直尺。4.實(shí)訓(xùn)步驟(1)學(xué)生分組，并在現(xiàn)場(chǎng)分析導(dǎo)軌實(shí)物。(2)學(xué)生分組制定項(xiàng)目實(shí)施方案。(3

26、)根據(jù)任務(wù)實(shí)施方案，學(xué)生將實(shí)施過程填人記錄表2一9中。2.4. 1項(xiàng)目評(píng)價(jià)項(xiàng)目的整體評(píng)價(jià)如表2一10所示。 表2一1常見導(dǎo)軌形式 2一2常見導(dǎo)軌截面形狀 圖2一1雙三角形導(dǎo)軌 圖2一2雙矩形導(dǎo)軌 圖2一3三角形與矩形組合導(dǎo)軌 圖2一4燕尾形導(dǎo)軌組合 2-3導(dǎo)軌負(fù)荷系數(shù)表2-4導(dǎo)軌硬度系數(shù)表2-5導(dǎo)軌溫度系數(shù)表2-6導(dǎo)軌接觸系數(shù) 圖2一5平鑲條 圖2一7壓板 圖2-8 JSA-KL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副外形 圖2-9 JSA-ZL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副外形 表2-7 JSA-KL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副尺寸參數(shù) 表2 - 8 JSA-ZL型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副尺寸參數(shù) 表2-9項(xiàng)目實(shí)施過程記錄表 表2-10項(xiàng)目評(píng)價(jià)表 項(xiàng)

27、目三 簡(jiǎn)易機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作3. 1. 1設(shè)計(jì)原則一方面，在保證產(chǎn)品完成規(guī)定功能的前提下，通過對(duì)構(gòu)成各子系統(tǒng)的方案進(jìn)行優(yōu)化組合，降低成本，使系統(tǒng)功能平穩(wěn)、準(zhǔn)確、快速，以滿足用戶的要求。機(jī)電一體化產(chǎn)品的主要特征是自動(dòng)化操作，功能是產(chǎn)品的生命，只有功能可靠，產(chǎn)品才具有價(jià)值。另一方面，要使功能達(dá)到最佳，機(jī)械子系統(tǒng)、電子信息處理子系統(tǒng)、動(dòng)力子系統(tǒng)、傳感檢測(cè)子系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)5部分構(gòu)成要素的匹配、相互協(xié)調(diào)和相互補(bǔ)充也極為重要。而通過降低成本，并且使系統(tǒng)功能達(dá)到穩(wěn)、準(zhǔn)、快，又增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。3. 1. 2設(shè)計(jì)工作流程一個(gè)全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)和開發(fā)過程大體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)和詳

28、細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。1.產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃包括需求分析、市場(chǎng)預(yù)測(cè)和技術(shù)可行性分析，最后確定設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)制約條件，提出設(shè)計(jì)要求，并將其作為設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和決策的依據(jù)。(1)需求分析。需求分析從需求識(shí)別開始，認(rèn)識(shí)需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深人實(shí)際，細(xì)致觀察，敏銳捕捉市場(chǎng)的需求，并及時(shí)完成產(chǎn)品的開發(fā)和試制工作。(2)市場(chǎng)預(yù)測(cè)。市場(chǎng)預(yù)測(cè)是產(chǎn)品的前期調(diào)研工作，調(diào)研內(nèi)容主要有以下三方面:1)面向用戶的產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研:主要有產(chǎn)品銷售對(duì)象的可能銷售量，用戶對(duì)產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、使用維護(hù)、包裝及價(jià)格等方面的要求。此外，還應(yīng)了解競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的種類、優(yōu)缺點(diǎn)和市場(chǎng)占有率等情況。2)面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)調(diào)研:主要有行業(yè)和

29、專業(yè)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，相關(guān)理論的研究成果和新材料、新器件的發(fā)展動(dòng)態(tài)，競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)、競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)分析等。此外，還要了解本單位的生產(chǎn)基礎(chǔ)條件。3)面向產(chǎn)品生命周期的社會(huì)環(huán)境調(diào)研:主要有產(chǎn)品生產(chǎn)和目標(biāo)市場(chǎng)所在地的經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策(如產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、投資動(dòng)向、環(huán)境保護(hù)及安全法規(guī)等)，產(chǎn)品的種類、規(guī)模及分布，社會(huì)的風(fēng)俗習(xí)慣，社會(huì)人員構(gòu)成狀況及消費(fèi)水平、消費(fèi)心理和購(gòu)買能力等。通過調(diào)研應(yīng)確定開發(fā)產(chǎn)品的必要性、種類和生命周期，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等，確定用戶對(duì)產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、外觀和價(jià)格等方面的要求，即形成產(chǎn)品的初步概念，然后進(jìn)行技術(shù)可行性分析。(3)技術(shù)可行性分析。技術(shù)可行性分析包括以下幾個(gè)

30、方面:1)關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)線路:研究本產(chǎn)品需要的關(guān)鍵技術(shù)，指明產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。例如，一個(gè)新概念汽車，采用什么樣的發(fā)動(dòng)機(jī)、什么樣的控制總線和什么樣的人機(jī)接口等。所使用的關(guān)鍵性技術(shù)應(yīng)該是比較成熟的、成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)容易控制的。如果要采用比較前沿的新技術(shù)，則需要在市場(chǎng)和成本方面多做考慮。2)可選技術(shù)方案:同樣的產(chǎn)品可能有多種技術(shù)方案可選擇，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)一定的準(zhǔn)則從中選擇一個(gè)最合適的方案或?qū)⑦@些方案進(jìn)行綜合處理。3)主要性能指標(biāo)及技術(shù)規(guī)格的可行性:產(chǎn)品的性能指標(biāo)及技術(shù)規(guī)格對(duì)產(chǎn)品的成本和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。性能指標(biāo)和技術(shù)規(guī)格越高，產(chǎn)品的成本就越高，價(jià)格也就越高。但市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不完全由技術(shù)性能

31、決定，還與其價(jià)格、品牌等許多因素有關(guān)。用戶往往追求性價(jià)比高的產(chǎn)品。因此制定產(chǎn)品的規(guī)格和性能指標(biāo)需要綜合考慮各方面的因素，突出產(chǎn)品的特色，力爭(zhēng)做到高性能、低價(jià)格。在制定主要產(chǎn)品的規(guī)格和性能指標(biāo)時(shí)還要充分參考競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品及發(fā)展趨勢(shì)，制定最合理的參數(shù)。4)主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn):綜合分析產(chǎn)品功能、技術(shù)規(guī)格及性能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性，分析產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)中可能存在的各種問題和風(fēng)險(xiǎn)，以及這些問題與風(fēng)險(xiǎn)的解決和規(guī)避方法。如果不充分考慮這些問題和風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間則可能拖延，從而錯(cuò)過市場(chǎng)最佳時(shí)機(jī)，使產(chǎn)品的成本過高、質(zhì)量和成品率低或者大規(guī)模地更換生產(chǎn)設(shè)備等。因此，必須提前對(duì)這些問題進(jìn)行充分的評(píng)估，使產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)能順利進(jìn)行

32、。5)成本分析:根據(jù)所制定的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格和技術(shù)路線，綜合分析產(chǎn)品成本，包括技術(shù)成本、原材料成本、制造成本和人力成本等，為產(chǎn)品的立項(xiàng)提供決策支持。6)結(jié)論和建議:根據(jù)產(chǎn)品的成本分析和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能指標(biāo)和市場(chǎng)定位等參數(shù)提出修改建議，確定產(chǎn)品是否立項(xiàng)。產(chǎn)品立項(xiàng)應(yīng)給出生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求表，表中所列要求分為特征指標(biāo)、優(yōu)化指標(biāo)和尋常指標(biāo)，各項(xiàng)要求應(yīng)盡可能量化，并按重要程度分出等級(jí)。2.概念設(shè)計(jì)階段在概念設(shè)計(jì)階段輸人生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求表，輸出總體方案。該方案主要包括產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)布置方案、產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分以及設(shè)計(jì)目標(biāo)、各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)等三個(gè)方面，并制訂詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書、驗(yàn)收規(guī)范及進(jìn)度計(jì)劃

33、。3. 3案例導(dǎo)入(3)確定小帶輪齒數(shù)Z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1.應(yīng)使小帶輪齒數(shù) ，而帶輪最小許用齒數(shù)Z min可查表3一3獲得。當(dāng)帶速和安裝尺比寸允許時(shí)，Z1盡可能選用較大值，初步選取Z1=12。(4)確定大帶輪齒數(shù)Z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2(5)初選中心距久ao、帶的節(jié)線長(zhǎng)度Lop、帶的齒數(shù)Zb。根據(jù)表9 -4選取接近標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)線長(zhǎng)度Lp=381mm，相應(yīng)齒數(shù)Zb= 40。(6)計(jì)算實(shí)際中心距a。設(shè)計(jì)同步帶傳動(dòng)時(shí)，中心距a應(yīng)該可以調(diào)整，以便獲得適當(dāng)?shù)膹埦o力。(7)校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù)Zm嚙合齒數(shù):(8)計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0(9)確定實(shí)際所需的同步帶寬度bs。式中bs0選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，由表9 -5可查得bs0 = 25. 4mm;Kz小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表9 -6可查得K, = 0. 8 。10)帶的工作能力驗(yàn)算。根據(jù)下式計(jì)算同步帶額定功率P的精確值，若結(jié)果滿足 帶的設(shè)計(jì)功率)，則帶的工作能力合格。同步帶傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖如圖3 -9所示。(11)結(jié)果整理。同步帶:選用L型同步帶，訂購(gòu)型號(hào)為150 L100最后，經(jīng)過廠家訂購(gòu)與協(xié)商，確定帶輪及帶，零件如圖3一10、圖3一11所示，同步帶傳動(dòng)效果如圖3一12所示。3. 3. 3錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)(1)確定齒輪材料及精度等級(jí)。錐齒輪材料選擇45 #鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度