1956_數(shù)控工作臺三維造型設(shè)計及關(guān)鍵零部件工藝設(shè)計

1956_數(shù)控工作臺三維造型設(shè)計及關(guān)鍵零部件工藝設(shè)計,數(shù)控,工作臺,三維,造型,設(shè)計,關(guān)鍵,癥結(jié),樞紐,零部件,工藝 畢業(yè)設(shè)計 文獻綜述院 （ 系 ） 名 稱 工 學(xué) 院 機 械 系專 業(yè) 名 稱 機 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化學(xué) 生 姓 名 岳 校 培指 導(dǎo) 教 師 楊 漢 嵩2012 年 03 月 06 日產(chǎn)品型號 CNC 4101 零件圖號 CNC 4101001機械加工工藝過程卡片產(chǎn)品名稱 數(shù)控工作臺 零件名稱 滾珠絲杠 共 3 頁 第 1 頁材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 零件毛重（Kg） 零件凈重（Kg） 材料消耗定額 每臺產(chǎn)品零件數(shù) 每批數(shù)量9Mn2V 熱軋圓鋼 20×710?1 2設(shè) 備 工藝裝備名稱及編號 工 時（分）工序安裝工步工 序 內(nèi) 容名稱及型號 編號 夾具 切削工具 量具、輔具 準終 基 本 工 時備料熱處理(球化退火)10 車割試樣 10mm×8mm?車床 CA6140 三爪自定心卡盤 YT5 90°偏刀 游標卡尺 15 0.0820 磨試樣兩平面 平面磨床 M820 專用夾具 1FF1 游標卡尺 7 0.0130 檢驗試樣40 熱處理(調(diào)質(zhì))1 校直50 粗車各部外圓 車床 CA6140 三爪自定心卡盤 YT5 45°外圓車刀 游標卡尺 15 1.5560 鉗1 劃線 劃線平臺 V 形鐵 劃針 鋼皮尺 8 102 鉆 3mm 起吊通孔? 鉆床 Z518 專用夾具 高速鋼麻花鉆 3?圓柱塞規(guī) 11.3 0.1170 熱處理(時效處理)80 粗車 車床 CA6140 三爪自定心卡盤 15 0.171 車兩端面取總長 690mm YT5 90°偏刀 游標卡尺2 車外圓至 8 mm， 6 mm?40.3?40.3? YT5 45°偏刀 游標卡尺3 車滾珠螺紋大徑至 9.7 mm.2 YD 15 螺紋車刀 千分尺設(shè) 計（日 期） 校 對（日期） 審 核（日期） 標準化（日期） 會 簽（日期）標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期產(chǎn)品型號 CNC 4101 零件圖號 CNC 4101001機械加工工藝過程卡片產(chǎn)品名稱 數(shù)控工作臺 零件名稱 滾珠絲杠 共 3 頁 第 2 頁材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 零件毛重（Kg） 零件凈重（Kg） 材料消耗定額 每臺產(chǎn)品零件數(shù) 每批數(shù)量9Mn2V 熱軋圓鋼 20×710?1 2設(shè) 備 工藝裝備名稱及編號 工 時（分）工序安裝工步工 序 內(nèi) 容名稱及型號 編號 夾具 切削工具 量具、輔具 準終 基 本 工 時90 粗磨 萬能外圓磨床 M1432A 頭架、尾座 1FF1 12 0.091 粗磨滾珠螺紋大徑至 9.7 mm?02.? 千分尺2 磨其他各外圓，均留磨余量 1.1~1.2mm 游標卡尺100 熱處理(中溫回火)110 檢驗硬度，去磁120 研磨兩端中心孔 車床 CA6140 三爪自定心卡盤 圓柱磨頭 5301 圓柱塞規(guī) 7 5130 粗磨 萬能外圓磨床 M1432A 頭架、尾座 1FF1 0.131 磨外圓至 8 mm， 6 mm?20.1?20.1? 游標卡尺2 磨滾珠螺紋大徑至 8.7 mm. 千分尺140 去磁150 粗磨 絲杠磨床 S7432 頭架、尾座 5 0.201 磨滾珠絲杠底槽至尺寸 1FF1 三根量針、千分尺2 齒形用樣板透光檢查，去不完整牙160 磁性探傷，去磁170 熱處理(低溫回火)180 修研兩端中心孔 車床 CA6140 三爪自定心卡盤 圓柱磨頭 5301 圓柱塞規(guī) 3設(shè) 計（日 期） 校 對（日期） 審 核（日期） 標準化（日期） 會 簽（日期）標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期產(chǎn)品型號 CNC 4101 零件圖號 CNC 4101001機械加工工藝過程卡片產(chǎn)品名稱 數(shù)控工作臺 零件名稱 滾珠絲杠 共 3 頁 第 3 頁材 料 牌 號 毛 坯 種 類 毛坯外形尺寸 每毛坯件數(shù) 零件毛重（Kg） 零件凈重（Kg） 材料消耗定額 每臺產(chǎn)品零件數(shù) 每批數(shù)量9Mn2V 熱軋圓鋼 20×710?1 2設(shè) 備 工藝裝備名稱及編號 工 時（分）工序安裝工步工 序 內(nèi) 容名稱及型號 編號 夾具 切削工具 量具、輔具 準終 基 本 工 時190 粗磨外圓至 8 mm， 6 mm?02.?02.?萬能外圓磨床 M1432A 頭架、尾座 1FF1 游標卡尺 3 0.12200 半精磨滾珠螺紋 絲杠磨床 S7432 頭架、尾座 1FF1 千分尺 11 0.15210 熱處理(低溫回火)220 修研兩端中心孔 車床 CA6140 三爪自定心卡盤 圓柱磨頭 5301 圓柱塞規(guī) 5 2.5230 半精磨 萬能外圓磨床 M1432A 頭架、尾座 1FF1 81 磨 8mm、 6mm 外圓至圖樣要求? 游標卡尺 0.132 磨滾珠螺紋大徑至圖樣要求 千分尺 0.17240 精磨滾珠絲杠螺紋至圖樣要求 絲杠磨床 S7432 頭架、尾座 1FF1 三根量針、千分尺 0.14250 終磨各外圓至圖樣要求 萬能外圓磨床 M1432A 頭架、尾座 1FF1 游標卡尺 0.15260 垂直吊放1 涂防銹油2 備單配滾珠螺母設(shè) 計（日 期） 校 對（日期） 審 核（日期） 標準化（日期） 會 簽（日期）標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 標記 處數(shù) 更改文件號 簽 字 日 期 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁1 緒論1.1 課題的背景及目的科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程自動化是實現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一。而數(shù)控機床則能適應(yīng)這種要求，滿足目前的生產(chǎn)需求 [1]。數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高，改型頻繁。機械加工中，多品種、小批量加工的比例約占 80%。這樣，對機床不僅要求具有高精度和生產(chǎn)效率，而且還具備“柔性”，即靈活通用，能迅速適應(yīng)加工零件的變更。數(shù)控機床較好地解決了形狀復(fù)雜、精密、小批、多變的零件加工問題，具有適應(yīng)性強、加工精度高、質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是一種靈活而高效的自動化機床 [2]。隨著電子、自動化、計算機和精密測試等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床在機械制造業(yè)中的地位將更加重要，而 X-Y 工作臺是這些設(shè)備實現(xiàn)高精密加工的核心部件，對于提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著尤為重要的作用。1.2 國內(nèi)外數(shù)控機床的發(fā)展狀況數(shù)控機床的出現(xiàn)是 20 世紀機床工業(yè)的主要特點。隨著機床工業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)汽車工業(yè)的需要、高精度、高效率、高自動化的坐標鍵床、磨床、齒輪機床、組合機床大量出現(xiàn)；其中，數(shù)控機床和功能復(fù)合、柔性化、系統(tǒng)集成化亦是 20 世紀機床工業(yè)最顯著的特征之一 [3]。20 世紀中國機床工業(yè)的迅速崛起。在數(shù)控機床方面，中國 1958 年開始起步，60 年代有了正式的數(shù)控機床產(chǎn)品。70 年代，開始研制出加工中心。80 年代研制出FMC，F(xiàn)MS ，而且根據(jù)中國國情，還提出了數(shù)控機床與普通機床并存的獨立制造島(Alone Manufacturing Island)方案。80 年代后，世界上掀起了研究實施 CIMS 的熱潮，應(yīng)該說，F(xiàn)MC、FMS、CIMS 的基礎(chǔ)之一，就是數(shù)控機床，而實施FMC、FMS 、 CIMS 又進一步帶動了數(shù)控機床的發(fā)展。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁1.3 數(shù)控工作臺的分類及其特點數(shù)控工作臺分為十字工作臺、旋轉(zhuǎn)工作臺等。數(shù)控精密工作臺采用滾珠絲杠副及直線導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副為運動執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)。具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗摩擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強等特點。1.4 數(shù)控工作臺的應(yīng)用雙坐標 X-Y 數(shù)控工作臺可廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、機床改造、專機制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域?？筛鶕?jù)生產(chǎn)的實際需要選擇步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機驅(qū)動；并且在特殊需要的情況下，還可以安裝防塵、電器限位等裝置。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁2 總體方案設(shè)計總體設(shè)計是數(shù)控工作臺設(shè)計的基礎(chǔ)，是數(shù)控工作臺具體內(nèi)容的總體描述，是數(shù)控工作臺重要零部件工藝設(shè)計的前提，是完成所有設(shè)計內(nèi)容的指導(dǎo)思想。因此，在對數(shù)控工作臺進行詳細設(shè)計之前，必須對數(shù)控工作臺進行總體設(shè)計。數(shù)控工作臺的總體設(shè)計要遵循數(shù)控工作臺設(shè)計的基本準則及其相關(guān)要求。(1)數(shù)控工作臺設(shè)計的基本準則數(shù)控工作臺是數(shù)控設(shè)備中的重要附件之一。它的主要功能是將兩個數(shù)控工作臺組裝在一起后，構(gòu)成 X-Y 數(shù)控工作臺，實現(xiàn)兩個坐標的定位和聯(lián)動。數(shù)控工作臺兩側(cè)的結(jié)合面位置及工作臺行程均可根據(jù)用戶的需要進行特殊的定制。數(shù)控工作臺工作行程一般以被加工零件的切削長度和刀盤的直徑大小來確定。行程 S=L+D+備量，L 為工件切削長度，D 為刀盤直徑。二維工作臺的組成原則是上層工作臺行程一定要≤下層工作臺行程。(2)數(shù)控工作臺設(shè)計的參數(shù)要求負載重量 G=200N；工作臺尺寸為 320mm×320mm×20mm；工作臺加工范圍 X=350mm，Y=350mm；工作臺最大快移速度為 1.5m/min；重復(fù)定位精度為±0.01mm，定位精度為 0.025mm。2.1 工作臺外形尺寸及重量估算1、∵工作臺尺寸為 320mm×320mm×20mm，根據(jù)重量=體積×材料比重(硬鋁)∴W=320×320×20×10 -3×2.8×10-2=57.344N2、∵X 向托板 320mm×320mm×20mm，∴W X=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N3、∵Y 向托板 320mm×320mm×20mm，∴W Y=320×320×20×10-3×2.8×10-2=57.344N 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁4、上導(dǎo)軌座(含電機) 重量 (800×320×20)×10-3×2.8×10-2+10×10=143.36N+100N=243.36N5、夾具及工件重量(約) 220N6、綜上所述，X-Y 工作臺運動部件的總重量(約)57.344×3+243.36+220=635.392N2.2 滾動導(dǎo)軌副的計算與選擇根據(jù)給定的工作臺部件的總重量及負載和估算的 WX 和 WY，計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)：fSL=C0/P (2.1)由公式(2.1)可知： C0 為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷；f SL=1.0～3.0(一般運行狀況),3.0～5.0(運動時受沖擊、振動)?！呦到y(tǒng)受中等沖擊，∴取 fSL=3.0。又根據(jù) ，工作載荷 ，得：YX,SL0PC??）（ WF5.0PZ???0.5×( ) (2.2)Y, YX，∴P X=0.5×(220+57.344×2)=167.344N；PY=0.5×(220+57.344×3+243.36)=317.696N；C0X=3.0×167.344=502.032N；C0Y=3.0×317.696=953.088N。根據(jù)計算的額定靜載荷，同時確定其長度為：350+320+30(余量)=700mm；再瀏覽“深圳市騰展精密機電有限公司”網(wǎng)站 [4]，下載相應(yīng)產(chǎn)品的“資料”，即可選取符合上述計算結(jié)果的導(dǎo)軌?！鄥⒄請D 2.1 中的型號定義，綜合分析考慮，選取符合要求的導(dǎo)軌型號，即：MR 12 M L 2 V1 P -700 -15 -15 II。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁圖 2.1 導(dǎo)軌的型號定義根據(jù)上述所選定的導(dǎo)軌型號，查閱對應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號對應(yīng)的具體尺寸數(shù)據(jù)參見表 2.1 所示。表 2.1 導(dǎo)軌(MR 12ML)尺寸參數(shù)組裝尺寸(mm) 軌道尺寸 (mm) 額定負荷(N) 靜扭矩(N ·M)H W2 W1 H1 P D×d×g1 C C0 Mr0 Mp0 My013 7.5 12 7.5 25 6×3.5×3.5 3240 5630 34.9 30.2 30.2重量 滑座尺寸(mm)滑座(g)導(dǎo)軌(g/m)W L L1 h2 P1 P2 M×g2 Φ S T51 602 27 47.6 34 10 20 20 M3×3.5 2 2.6 4.3注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖 2.2 中所示。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁圖 2.2 導(dǎo)軌示意圖根據(jù)所得的導(dǎo)軌型號及其相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，計算導(dǎo)軌間需要滿足的間距數(shù)值：當工作臺運動到上導(dǎo)軌座(含電機)的一端時，對下導(dǎo)軌產(chǎn)生的扭矩最大，故取此狀態(tài)下的情況為校核參考即可。假設(shè)導(dǎo)軌間距為 2·x，距工作臺幾何中心近的一條導(dǎo)軌為 l1，所受力為 F1；另一條導(dǎo)軌據(jù)工作臺幾何中心的距離為 l2，所受力為 F2；已知工作臺部分及其負載 G=635.392N；受力分析如圖 2.3 所示：圖 2.3 導(dǎo)軌受力分析示意圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁∴根據(jù)力學(xué)平衡分析，得：{ (2.3)21lFG????{ (2.4)x75l-2∴代入數(shù)值，解之得： { (2.5)x2G-1F????）（ ）（又考慮此情況下兩條導(dǎo)軌分別受力，即可以認為兩條導(dǎo)軌均可以平衡來自工作臺部分及其負載所產(chǎn)生的扭矩，故查表 2.1 中單條導(dǎo)軌的靜扭矩 My0=30.2N·m，可知設(shè)計所得工作臺部分及其負載給予導(dǎo)軌的扭矩不得大于選定導(dǎo)軌的額定靜扭矩，即 T≤ 60.4N·m；再根據(jù)公式(2.4)和(2.5) ，代入：(2.6)）（ 12l-FT??中，進行化簡計算，得： x≥79.941mm∴ 2·x≥159.881mm即兩導(dǎo)軌間距不能小于 159.881mm 即可滿足要求。因此，考慮到產(chǎn)品各部件的協(xié)調(diào)及美觀要求，確定兩導(dǎo)軌間距為 165mm。2.3 滾珠絲杠的設(shè)計及計算1、滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部件的重量所引起的進給抗力，應(yīng)按銑削時的情況計算。已知：①上導(dǎo)軌 G X=57.344×2+220=334.688N；②下導(dǎo)軌 GY=635.392N。(1)最大動負荷 Q 的計算(2.7)PfLHW3??查表得，系數(shù) fW=1，f H=1，壽命值L=60nT/106 (2.8)n=1000Vmax/t (2.9)查表得，使用壽命時間 T=15000h；初選絲杠螺距 t=5mm，由公式(2.9) 得絲杠轉(zhuǎn)速 n=1000×1.5/5=300r/min；∴由公式(2.8) 可知，L=60×300×15000/10 6=270。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁又 X 向絲杠牽引力（ 當f為當量摩擦系數(shù)）=1.414×0.01×334.688=4.732NXGf41.P??當Y 向絲杠牽引力=1.414×0.01×635.392=8.984NYf.?當∴由公式(2.7) 可知，最大動載荷為： X 向 ×1×1×4.732=30.584N3270Q?Y 向 ×1×1×8.984=58.066N查閱相關(guān)的官方技術(shù)資料表，取滾珠絲杠的公稱直徑 d0=8mm，選用滾珠絲杠螺母副的型號為 8×2，其額定動載荷為 225Kgf（1Kgf=9.8N），足夠用。同時，滾珠絲杠的長為 350+165+115(余量)+60(支撐座寬)=690mm。根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號，查閱對應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并記錄該型號對應(yīng)的具體尺寸數(shù)據(jù)參見表 2.2 所示。 表 2.2 滾珠絲杠(8×2) 尺寸參數(shù)d I D A B n ——8 2 16 29 4 3 ——X H Da L W Co(Kgf) Coa(Kgf)3.4 20 1.2 16 23 135 225注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖 2.4 中所示。圖 2.4 滾珠絲杠局部示意圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁2、滾珠絲杠支撐座根據(jù)上述所選定的滾珠絲杠型號，查閱對應(yīng)的官方技術(shù)資料，分析并選取該型號對應(yīng)的支撐座凸形固定側(cè)類型為 EK08、凸形支撐側(cè)類型為 EF08；其具體尺寸數(shù)據(jù)參見表 2.3 和表 2.4 所示。表 2.3 凸形固定側(cè)(EK08)尺寸參數(shù)規(guī)格(mm)軸徑 d1 L L1 L2 L3 b/±0.02 B H P8 23 7 26 4 26 52 32 38X Y Z M T h/±0.02 B1 H1 使用軸承6.6 11 12 M3 14 17 25 26 719/8C注 1：固定側(cè)軸承為 2 個角接觸軸承背對背安裝。注 2：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖 2.5 中所示。 ①軸承座本體；②軸承；③壓板；④套筒；⑤軸封；⑥鎖固螺帽；⑦內(nèi)六角止付螺絲附銅片圖 2.5 凸形固定側(cè)示意圖表 2.4 凸形支撐側(cè)(EF08)尺寸參數(shù)注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖 2.6 中所示。規(guī)格(mm)軸徑 d1 L 使用軸承 B H X Y6 14 606ZZ 52 32 6.6 11P Z 使用 C 型扣環(huán) B1 H1 b/±0.02 h/±0.0238 12 S6 25 26 26 17 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁①軸承座本體；②軸承；③C 型扣環(huán)圖 2.6 凸形支撐側(cè)示意圖3、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算(1)基本參數(shù)公稱直徑 d 0 8mm螺距 t 2mm接觸角 β 45°(2)螺紋滾道 鋼球直徑 Da 1.2mm螺紋滾道法面半徑 R R=0.52·Da=0.52×1.2=0.624mm偏心距 e e=(R-Da/2)?sinβ=(0.624 -1.2/2)×sin45°=0.017螺紋升角 γ γ=arc tan =arc tan =4.550°0dt?π 82?π(3)螺桿參數(shù)螺桿外徑 d d=d 0-(0.2～0.25) ?Da=8-0.2×1.2=7.76mm螺桿內(nèi)徑 d 1 d1=d0+2e-2R=8+2×0.017-2×0.624=6.786mm螺桿接觸直徑 d Z dZ=d0-Da?cosβ=8-1.2×cos45°=7.152mm(4)螺母參數(shù)螺母螺紋外徑 D D=d0-2e+2R=8-2×0.017+2×0.624=9.214mm 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁螺母內(nèi)徑(外循環(huán)) D 1 D1=d0+(0.2～0.25)?Da=8+0.2×1.2=8.24mm4、傳動效率計算958.)2.5.4(tan)(ta????????5、剛度驗算滾珠絲杠受工作載荷 P 引起的導(dǎo)程 L0 的變化量：FEL01????Y 向所受牽引力大，故應(yīng)用 Y 向參數(shù)計算：QY=P=58.066N ,L0=0.2cm ,E=20.6×106(N/cm2)F=π?R 2=3.14×(0.6786/2)2=0.361cm2∴ 10-6cm???????5.136..581因而，絲杠因受扭矩角而引起的導(dǎo)程變化量 ΔL 1 很小，可以忽略。綜上所述，導(dǎo)程總誤差10-6× =7.810(μm/m) (2.10)????562.1L01 .0∴查表知，E 級精度的絲杠允許誤差為 15μm，故剛度足夠。6、穩(wěn)定性計算由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。2.4 步進電機的選用(1)步進電機的步距角 θ b[5]取系統(tǒng)脈沖當量 δp=0.01mm/step，初選步進電機的步距角為 θ b=1.5°。(2)步進電機啟動力矩的計算設(shè)步進電機等效力矩為 T，負載力為 P，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力做功有如下關(guān)系：T?ψ?η=P?S (2.11)公式(2.11) 中，ψ 為電機轉(zhuǎn)角，η 為機械傳動效率，S 為移動部件相應(yīng)位移。若取 ψ=θ b，則 S=δ p，且 P=Ps+μG，則： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁(2.12)）（ mN)(Tbp????????GPs公式(2.12) 中，T 為電機軸的負載力矩， Ps 為移動部件的負載(N )，μ 為導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，G 為移動部件的重量(N)，θ b 為步進電機的步距角(rad)；這里，取 μ=0.03(淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù))，η=0.96，Ps 為絲杠牽引力，Ps=PH=58.066N，考慮到重力的影響，Y 向電機負載較大，因此取 G=GY=635.392N；∴ 30.688N?mm????96.0)18/(5. )3250Tπ若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩：(2.13)5.0~3Tq由公式(2.13) 取安全系數(shù)為 0.3，則： =102.293N?mm。3.68q?∴對于工作方式為三相六拍的三相步進電機：=118.121N?mm (2.14)86.0291.Tqjmax?(3)步進電機的最高工作頻率:=2500Hz (2.15)1.5Vfpmaxax??(4)步進電機所需功率的計算∵工作臺最大快移速度為 1.5m/min∴步進電機所需功率：2.009W (2.16)????? 96.0)60/5.1()326.58(vFP?因 YS 系列步進電動機的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維修方便。兩個端蓋式軸承。絕緣級為 E 級，防護等級 IP44，廣泛應(yīng)用在機械傳動設(shè)備上，如小型機床、冶金、紡織、化工、醫(yī)療器械及日用電器。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁其工作條件：環(huán)境溫度不超過 40℃，最低-15℃；相對濕度不超過 90%；海拔不超過 1000m；電源頻率 50Hz，電壓 220/380V；工作方式 S1；按 IMB14 方式安裝(無底腳，有軸伸，端蓋上帶凸緣，凸緣有通孔，凸緣在 D 端，借凸緣安裝)。所以，查表選用兩個 YS4512 型步進電機，電機有關(guān)參數(shù)見表 2.5：表 2.5 YS4512 電機技術(shù)數(shù)據(jù) [6]型號 功率/W 電流/A 電壓/V電機主軸/mm轉(zhuǎn)速/(r/min) 最大轉(zhuǎn)矩外形尺寸(mm×mm×mm)YS4512 16 0.085 380 Φ9 2800 2.4 150×100×1152.5 聯(lián)軸器的選擇1、選擇一種合適的聯(lián)軸器類型可考慮以下幾點 [7]：(1)所傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減震功能的要求；(2)聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大??；(3)兩軸相對位移的大小和方向；(4)聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境；(5)聯(lián)軸器的制造、安裝、維護和成本。2、計算聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩由于機器啟動時的動載荷和運轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的過載現(xiàn)象，所以應(yīng)當按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為計算轉(zhuǎn)矩 Tca。計算轉(zhuǎn)矩按下式計算Tca=KA·T (2.17)公式(2.17)中 ,T 為公稱轉(zhuǎn)矩 ,N·m；KA 為工作情況系數(shù),查表,選取 KA=1.3；根據(jù)公稱轉(zhuǎn)矩:6 (2.18)105.9??nP∴ 6 54.571N·mm.T??28故由公式（2.17）得計算轉(zhuǎn)矩為Tca=1.3×54.571N·mm=70.942N·mm 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 14 頁3、確定聯(lián)軸器型號首先根據(jù)為了補償兩軸的相對位移的考慮而選取聯(lián)軸器類型為撓性聯(lián)軸器；再根據(jù)計算轉(zhuǎn)矩 Tca，按照Tca≤[T] (2.19)的條件，由聯(lián)軸器標準中選定該聯(lián)軸器的型號 TGA-C28-6-10。上式(2.19)中的[T ]為該型號聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩,具體尺寸數(shù)據(jù)參見表 2.6。表 2.6 撓性聯(lián)軸器(TGA-C28-6-10)尺寸參數(shù)Φd1(mm) Φd2(mm) ΦD(mm) L(mm) L1(mm) 軸向偏差(mm)6 10 28.6 28.1 5.00 ±0.15M 額定扭矩(N·m)最大扭矩(N·m)最高轉(zhuǎn)速(rpm)重量(g) 擰緊力矩(N·m)M3 1.6 3.2 5000 46 2.0注：表中各項所指示的零件尺寸部位參見圖 2.7 中所示。圖 2.7 撓性聯(lián)軸器示意圖4、校核最大轉(zhuǎn)速根據(jù)被連接軸的轉(zhuǎn)速 n 不應(yīng)該超過所選聯(lián)軸器所允許的最高轉(zhuǎn)速 nmax，參照表2.6 中相關(guān)數(shù)值，得：TGA-C28-6-10 滿足 n≤n max。2.6 數(shù)控工作臺三維造型裝配圖及其關(guān)鍵零部件圖綜合上述分析及計算，運用 Solidworks 軟件 [8]，繪制數(shù)控工作臺的三維造型裝配圖及其關(guān)鍵零部件圖(另附圖紙作)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 15 頁其中，簡述滾珠絲杠的繪制步驟：1、打開 Solidworks 軟件，新建 Solidworks 文件→零件，如圖 1a、1b 所示。圖 1a圖 1b 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁2、打開前視平面，繪制草圖 1。圖 23、對草圖 1 使用旋轉(zhuǎn)命令，生成旋轉(zhuǎn)體 1。圖 3 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁4、選取如圖所示平面。圖 45、正視，繪制草圖 2。圖 5 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁6、對草圖 2 使用拉伸切除命令，切除深度為 3。圖 67、切換到等軸測視角，選取圖示平面。圖 7 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁8、正視，繪制草圖 3。圖 89、拉伸切除，切除深度為 10。圖 9 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁10、打開前視平面， 繪制草圖 4，保存退出草圖編輯狀態(tài)。圖 1011、轉(zhuǎn)換到等軸測視角，選取圖示平面。圖 11 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁12、正視，繪制草圖 5，保存退出草圖編輯狀態(tài)。圖 1213、選取特征→曲線→螺旋線/渦狀線命令繪制螺旋線，如圖 13 所示。圖 13 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁保存退出。圖 1414、特征→掃描切除，輪廓選擇草圖 4，路徑選擇螺旋線/渦狀線 1，確定退出；滾珠絲杠繪制完成。圖 15 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁3 數(shù)控工作臺關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計3.1 滾珠絲杠的工藝設(shè)計滾珠絲杠既有軸類零件的加工特點，又具有一定的特殊性。滾珠絲杠是通過絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運動變換為執(zhí)行件的直線運動，它不僅要傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，而且要準確地傳遞運動，所以對滾珠絲杠的強度、精度和耐磨性都有較高的技術(shù)要求 [9]。3.1.1 滾珠絲杠加工工藝特點分析(1)滾珠絲杠加工中，中心孔是定位基準，但由于滾珠絲杠是柔性件，剛性很差，加工時還須增加輔助支承，將外圓表面與跟刀架相接觸，防止因切削力造成的工件彎曲變形 [10]。分析跟刀架的結(jié)構(gòu)，可以知道：爪式跟刀架，用于外圓表面的車削與磨削；套式跟刀架，于磨削過的外圓接觸，用于滾珠絲杠螺紋的加工。同時，為了確保定位基準的精度、在工藝過程中 [11]先后安排了四次修研中心孔工序。(2)由于該滾珠絲杠為單件生產(chǎn)，要求較高，故加工工藝過程嚴格按照工序劃分階段的原則，將整個工藝過程分為五個階段：準備和預(yù)先熱處理階段，粗加工階段，半精加工階段，精加工階段，終加工階段。(3)為了消除殘余應(yīng)力，整個工藝過程安排了四次消除殘余應(yīng)力的熱處理，并嚴格規(guī)定機械加工和熱處理后不準冷校直，以防止產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為了消除加工過程中的變形，每次加工后工件應(yīng)垂直吊放，并采用預(yù)留加工余量分層加工的方法，經(jīng)過多道工序逐步消除加工過程中引起的變形。(4)在加工前須對該滾珠絲杠進行嚴格的切試樣檢查。為了消除由于 9Mn2V熱軋圓鋼金相組織不穩(wěn)定而引起的殘余應(yīng)力，安排了冰冷處理工序，使淬火后的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。同時，為了保證質(zhì)量，還安排了三次磁性探傷，檢查熱處理和磨削工序后零件是否有微觀裂紋。(5)由于滾珠絲杠螺紋 [12]是關(guān)鍵部位，為防止因淬火應(yīng)力集中所引起的裂紋和避免螺紋在全長上的變形而使磨削余量不均等弊病，不采用先粗車、再磨削螺紋的 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁方法，而是經(jīng)熱處理后直接采用磨削螺紋工藝，即“全磨”加工方法，以確保螺紋加工精度。3.1.2 滾珠絲杠螺紋的加工方法對于精密淬硬絲杠，應(yīng)采用“全磨”加工方案，即絲杠光桿經(jīng)熱處理后，不經(jīng)車削，螺紋 [13]全部用磨削而成?？紤]到加工中產(chǎn)生的彎曲和殘余應(yīng)力，磨削螺紋分成粗磨、半粗磨和精磨多道工序完成，每道工序切去很少的余量，同時切削用量逐漸減少，這樣不但可以逐漸減少切削力和殘余應(yīng)力，還可以減少“誤差復(fù)映”，提高加工精度。精密絲杠的最后終磨應(yīng)在恒溫條件下進行，加強冷卻措施，加工后的測量也應(yīng)使用相應(yīng)的精密儀器。螺紋磨削中影響導(dǎo)程(螺距)的因素：(1)產(chǎn)生周期誤差的原因 所謂周期誤差，是指滾珠絲杠在 2π 弧度內(nèi)的行程變動量 V2。產(chǎn)生的原因如下：①螺紋磨床從工件主軸到螺母絲杠的傳動鏈的運動精度，包括頭架主軸和頂尖的徑向圓跳動和軸向竄動，齒輪副、蝸輪副的安裝誤差和運動誤差等。②工件的安裝誤差、中心孔和螺紋外圓的圓柱度及絲杠的彎曲振擺。③螺紋磨床螺母絲杠副的軸向竄動以及螺母絲杠副自身周期誤差對工件的影響。(2)產(chǎn)生非漸近性局部誤差的原因 這類誤差對滾珠絲杠是指 V300、V 0(V 為螺紋長度 300mm 和有效長度內(nèi)的行程變動量)。產(chǎn)生原因如下：①螺紋磨床的機械校正機構(gòu)失靈，螺距校正尺調(diào)整不當或校正尺變形。②螺紋磨床工作臺沿床身運動的直線性誤差、運行平穩(wěn)性和爬行。③工件絲杠材質(zhì)不均勻、熱處理后硬度不均勻，有“軟帶”和“硬點”。④恒溫室內(nèi)溫控不準確，在最后精磨過程中溫度波動超出允許的范圍。⑤外界的干擾。(3)產(chǎn)生漸近性全長累積誤差的原因 這類誤差是指滾珠絲杠的 e。原因如下：①螺紋磨床傳動鏈誤差，螺紋交換掛輪計算的理論螺距與實際螺距的誤差。②床身與工作臺的熱變形、機床螺母絲杠與工件絲杠熱變形不同步。③在磨削螺紋一次進給走刀過程中，砂輪磨損太快。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25 頁④工藝過程中前道工序的累積誤差復(fù)映。3.2 滾珠絲杠的加工工藝過程表 3.1 滾珠絲杠加工工藝過程工序號 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及夾緊1 備料 熱軋圓鋼 20mm×710mm2 熱處理 球化退火3 車車割試樣，試樣尺寸為10mm×8mm，車割后應(yīng)保證零件總長?700mm外圓4 磨在平面磨床上磨試樣兩平面，表面粗糙度 Ra 值為 1.25μm5 檢驗檢驗試樣，要求試樣球化等級 1.5~4 級，網(wǎng)狀組織小于 3 級，待試樣合格后方轉(zhuǎn)入下道工序6 熱處理 調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)后硬度 250HBS，校直7 粗車 粗車各部外圓，均留加工余量 6mm 中心孔及外圓8 鉗 劃線，鉆 3mm 起吊通孔?外圓及端面9 熱處理時效處理，除應(yīng)力，要求全長彎曲小于 1.5mm，不得冷校直10 粗車 ①車兩端面取總長 690mm，修正兩端中心孔，要求 60°錐面的表面粗糙度 Ra 值為2.5μm中心孔及外圓②車外圓 8mm 處至?8 mm， 6mm 處至 6 mm，滾40.3? 40.3?珠螺紋大徑 7.76mm 處車至9.7 mm，留磨量 1.1~1.2mm，均按圖?40.2?樣基本尺寸留加工余量 1.4~1.5mm，各部倒角，工藝要求：各外圓相互跳動 0.25mm，加工后垂直吊放中心孔及外圓 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁11 粗磨粗磨滾珠螺紋大徑至 9.7 mm，磨?02.?其他各外圓，均留磨余量 1.1~1.2mm中心孔及外圓工序號 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及加緊12 熱處理按圖樣技術(shù)要求淬硬，中溫回火，冰冷處理，工藝要求：全長彎曲小于0.5mm，兩端中心孔硬度達 50~56HRC，不得冷校直13 檢驗 檢驗硬度，磁性探傷，去磁14 研研磨兩端中心孔，表面粗糙度 Ra 值為1.25μm15 粗磨磨 8mm 外圓至 8 mm， 6mm?20.1??外圓至 6 mm，磨滾珠螺紋大徑至 8.720.1??mm，均留磨量 0.65~0.75mm，磨出兩10.端垂直度為 0.0005mm 及表面粗糙度 Ra 值為 1.25μm 的肩面，要求用環(huán)規(guī)著色檢查，接觸面 50%，完工后垂直吊放中心孔及外圓16 檢驗 磁性探傷，去磁17 粗磨磨滾珠絲杠底槽至尺寸，粗磨滾珠絲杠螺紋，留磨量(三針測量值M=9.9 mm，量棒直徑 1.0mm)，齒形07.??用樣板透光檢查，去不完整牙，完工后垂直吊放中心孔及外圓18 檢驗 磁性探傷，去磁19 熱處理低溫回火除應(yīng)力，要求變形不大于0.15mm，不準冷校直20 研修研兩端中心孔，要求表面粗糙度 Ra值為 0.63μm，完工后垂直吊放21 粗磨 磨 8mm 外圓至 8 mm， 6mm?02.??中心孔及外圓 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁外圓至 6 mm，留磨量 0.3~0.4mm?02.?工序號 工序名稱 安裝 工序內(nèi)容 定位及加緊22 半精磨半精磨滾珠螺紋，留精磨余量（三針測量值 M=9.0 mm，量棒直徑20.?1.0mm），齒形按樣板透光檢查，完工后?垂直吊放中心孔及外圓23 熱處理低溫回火消除磨削應(yīng)力，要求全長彎曲小于 0.10mm，不得冷校直24 研修研兩端中心孔，表面粗糙度 Ra 值為0.32μm，完工后垂直吊放25 半精磨磨 8mm、 6mm 外圓，磨滾珠螺紋?大徑至圖樣要求，全長圓柱度 0.02mm中心孔及外圓26 精磨精磨滾珠絲杠螺紋至圖樣要求，齒尖倒圓 R0.3mm，要求：齒形按樣板透光檢驗[三針測量值 M=（9.56±0.10 ）mm，量棒直徑 1.2mm]，完工后垂直吊放?中心孔及外圓27 終磨終磨各外圓至圖樣要求，完工后應(yīng)垂直吊放，并涂防銹油（備單配滾珠螺母）中心孔及外圓3.3 滾珠絲杠的檢驗滾珠絲杠的檢驗是滾珠絲杠工藝中重要的內(nèi)容。滾珠絲杠的測量內(nèi)容主要有螺紋牙形角的偏差、螺紋中徑和螺距誤差。選用測量工具時，一般以其測量的最大極限誤差不得超過被測尺寸公差的 1/5～1/10 為準。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁結(jié) 論數(shù)控工作臺是數(shù)控機床的重要組成部分，數(shù)控機床是數(shù)控技術(shù)的重要應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)是綜合應(yīng)用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術(shù)的產(chǎn)物。它已經(jīng)開始在各個領(lǐng)域普及，并且它所帶來的巨大效益已引起世界各國科技與工業(yè)界的普遍重視。本文所設(shè)計說明的數(shù)控工作臺是對數(shù)控機床整體結(jié)構(gòu)的研究和分析，是基于當前數(shù)控技術(shù)要求的綜合和梳理的結(jié)果。在設(shè)計的開始，考慮到對數(shù)控機床的了解不是很多，不太清楚數(shù)控工作臺與數(shù)控機床的協(xié)調(diào)機理，總體設(shè)計更是無從著手。在老師的指導(dǎo)和建議下，我耐心、細致地查閱了與數(shù)控技術(shù)相關(guān)的圖書資料，并在互聯(lián)網(wǎng)上參考了眾多的圖片及實物信息，從而在感官上對數(shù)控機床有了一個較好地認識；再加上我還參加了“2012 中國中部(鄭州)國際裝備制造業(yè)博覽會”，更是親眼目睹了數(shù)控工作臺在數(shù)控機床上的動作過程。在設(shè)計的過程中我遇到的一些難題，如：數(shù)控工作臺尺寸與工作行程之間協(xié)調(diào)關(guān)系的確定、滾珠絲杠軸徑與兩側(cè)支撐座上不同軸承孔之間的大小確定、滾珠絲杠加工工藝的流程設(shè)計、Solidworks 軟件的實際操作的問題等。但是，在老師和同學(xué)們的幫助下，我最終還是克服了心理上的畏懼，從而較好地解決了一系列看上去很難的問題；并且通過設(shè)計的親自體驗，也讓我感受到了選擇使用標準件的方法及其帶來的方便之處。經(jīng)過長期認真地工作，我已完成數(shù)控工作臺三維造型設(shè)計及其關(guān)鍵零部件的工藝設(shè)計。但，由于能力所限，再加上實踐經(jīng)驗的不足，在我的設(shè)計中一定會有一些不足之處，還請老師給予嚴格的教育和適當?shù)闹笇?dǎo)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁致 謝這次畢業(yè)設(shè)計是在楊漢嵩老師的悉心指導(dǎo)下完成的。楊漢嵩老師對于機械方面的知識的駕馭能力之大是讓我敬仰的，能夠得到楊漢嵩老師的親自指導(dǎo)是我所期望的，于我而言，更是一個絕佳的學(xué)習(xí)機會。在我遇到困難的時候，我就會找到楊老師，請老師幫助我。他給予我的講解是詳細和有耐心的，讓我在獨自思考的前提下，指引著我的方向；我感受到的不僅是知識，更是老師的一片真心。我珍惜著這份師生情，在設(shè)計工作上，更是努力著、認真地推進著我的設(shè)計進程，我懂得，我不能辜負了老師的期望，我一定得好好干。除了日常的必要指導(dǎo)和解釋，楊老師還親自帶領(lǐng)我到理工實驗大樓參觀了與數(shù)控機床相關(guān)的教學(xué)儀器，并且為我提供了“2012 中國中部(鄭州)國際裝備制造業(yè)博覽會”的參觀券，以使我對于數(shù)控工作臺的設(shè)計工作變得有了更加明確地方向，讓原先在我看來還是一頭霧水的事情變得簡單了許多。這些日子里，我發(fā)現(xiàn)，無論是工作日還是休息日，楊老師基本上都是會在辦公室的，或辦公，或?qū)W習(xí)……這些點滴，我都看在眼里，記在心里，時刻激勵和鞭策著我也要不斷地前進，努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識，為符合一名當代大學(xué)生的標準而繼續(xù)完善自我、永不止步。最后，我想對所有在我成長的路上給予我?guī)椭睦蠋煛⑼瑢W(xué)，說一聲：謝謝你！ 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 30 頁參考文獻[1] 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