五轴联动数控铣床设计【含5张CAD图纸、说明书】
毕业设计 (论文)五轴联动数控铣床的设计学 院 :专 业 : 姓 名 :学 号 : 指 导 教 师 : 201 年 6 月摘 要摘 要现在,普通的三轴数控机床已满足不了人们对加工零件的更高要求。随着技术的发展,越来越多的国家已经开始重点研究并使用五轴数控机床。五轴联动数控机床是数控机床制造技术的标志性产品,是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。若配以五轴联动的高档数控系统,还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工,更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。国际上把五轴联动加工技术作为一个国家工业化水平的标志。因此,研究五轴联动的技术是十分必要的。本文设计了一台五轴联动机床主轴模型,在 XY 工作台的基础上叠加两层托板,步进电动机带动轴使其做旋转运动,构成类似陀螺仪的结构。分别实现工作台绕 XY 轴的转动和移动,再沿 Z 轴装配一根丝杠完成工作台沿 Z 轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。主要完成了:模型整体结构设计,各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、轴承和直线滚动导轨的选择及其强度分析;步进电机的选择及分析。关键词 :数控;五轴联动;丝杠传动AbstractAbstractNow, the ordinary three axis NC machine tool can not meet the higher requirements of the processing parts. With the development of technology, more and more countries have begun to focus on research and use of five axis CNC machine tools. Five axis linkage CNC machine tool is a manufacturing technology of CNC machine tools, and is the most difficult and the most widely used technology in the numerical control technology. Five axis machining center with high efficiency, high precision features. If the five axis linkage of high-end CNC system, but also to the complex space surface for high precision machining, more able to adapt to such as automotive parts, aircraft structural parts and other modern mold processing. International five axis linkage processing technology as a symbol of the level of industrialization of the country. Therefore, it is very necessary to study the technology of five axis linkage. The manipulator designed in this paper using cylindrical coordinates, can finish feeding, turning and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation of 4 degrees of freedom, can meet the general requirements of the industry. The manipulator is a hydraulic drive, 4 degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic system, the design and implementation of various provisions of manipulator motion control, to simplify the circuit, save cost, improve work efficiency, improve productivity, at the same time in the circuit layout and planning combined with machinery manufacturing base, with asphalt manufacturing the feasibility of constantly making and circuit layout into a spatial structure, the structure of the manipulator is more concise and compact.This paper designed a five-axis machine tool spindle model, based on the XY table overlay two pallets, stepper motor drive shaft rotation to do so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XY axis rotating table and move along the Z axis and then complete the table assembly of a screw up and down movement along the Z axis to the ultimate realization of the various surface processing tool. Main completed: overall structural design model, each shaft structure design and AbstractIcalculation, ball screws, bearings and linear motion guide the choice and strength analysis; stepper motor selection and analysis. Key Words:NC; five-axis linkage; screw drive目 录II目录摘要I AbstractII摘 要 .I第一章 绪论 11.1 课题研究背景与意义 11.2 国内外发展现状 11.2.1 国外发展状况 .11.2.1 国内发展状况 .21.3 五轴联动数控机床的结构类型 31.4 本文的研究目的及主要工作 .5第二章总体设计 62.1 设计要求 62.2 主要技术参数 62.3 总体方案设计 62.4 本章小结 7第三章 进给传动系统的设计 83.1 滚珠丝杠传动系统工作原理 83.2 垂直方向传动系统设计 103.2.1Z 方向滚珠丝杠的选择和校核 103.2.2Z 方向导轨的选择 113.2.3Z 方向装配图 133.3X、Y 方向传动系统的设计 143.3.1 滚珠丝杠的选型 .143.3.2 直线导轨设计 .153.3.3 联轴器的选型 .163.3.4 装配模型 .173.4 本章小结 17第四章 电机的选型 184.1 步进电机介绍 184.2 参数计算 18目 录III4.2.1 转速与功率 .184.2.2 相关参数的确定 .194.3 型号的确定 194.3.1 脉冲当量的选择 .194.3.2 等效负载转矩的计算 .194.3.3 等效转动惯量的计算 .204.3.4 步进电动机型号选择的计算 .204.4 本章小结 23第五章 其他关键部件的设计 245.1 床身(底座)的设计 245.2 立柱设计 245.3 工作台的设计 255.3.1 尺寸确定及估算 .255.3.2 绕轴旋转的设计 .255.4 装配总图 265.5 本章小结 26结论 27参考文献 28致谢 30第一章 绪论0第一章 绪论1.1 课题研究背景与意义自 2002 年以来,中国已成为世界机床消费第一大进口国,出口逆差严重,高档,大型,精密,高速数控机床和数控系统进口依赖是比较明显的。同时,随着科学技术的飞速发展,普通的三轴数控机床不能满足人工们加工零件工作,人们提出零件加工的更高要求。目前,中国进口高档,大型,精密和高速数控机床的 73以上,中国汽车制造装备的 83以上,汽车发动机生产线的比例85以上依赖进口,并在高档数控机床采用的数控系统几乎是百分之百依赖进口。长期以来,西方发达国家一直把五轴联动数控技术作为重要战略物资控制起来出口,发展中国家在五轴联动机床的开发和推出两个方面遇到了很大的阻力,因此研究五轴联动技术,对提高国家的综合国力影响深远。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展状况目前五轴数控机床的主要出口国为欧洲,美国,日本,这些国家的数控机床代表代表了当今五轴数控机床发展的最高水平。根据近年来对展示机产品的中国国际机床展览会,该展会展品的特点是:突出的智能功能,提倡低碳和绿色制造方法,灵活,柔性,五轴联动,高精度高速依然是数控机床发展主流,自动化程度高,机床的发展以安全,友好的人机体验为深入发展的主流。GF 阿奇夏米尔 MIKRON HPM 450U 高性能五轴加工中心是适合质量,数量和复杂度的部分有很高的要求,加工中心的结构稳定性和直接驱动旋转/摆动轴它可以在任何过程中完成重载粗加工到精确的抛光工艺。在 450U 高性能加工中心的旋转摆动工作台可以保证无限制五轴加工。 MIKRON HEM500U 高效轴立式五轴加工中心是专为阿奇夏米尔在单件或小批量生产精密件而设计设计的高效五轴立式加工中心。加工中心利用落地床身滑枕结构,两个线性轴由刀具移动实现,以确保高的动态性能和精度实现的。 MIKRON HEM500U 具有12000 转的主轴转速,加 T 可提供效率和精度平衡而新设计的旋转 /旋转台,以第一章 绪论1满足 5 面体零件的所有要求。德国 DMG 公司的 DMU40evo 高端五轴加工中心,其突出特点是 X 轴和 Y轴为新的龙门式结构。导轨距离非常短,并且因此整个工作区域保持非常高的刚性和硬度不变。与传统的龙门式结构相比,龙门式构架优化从侧面接近性能显著改善。即使加工中心配备自动化系统,也能够保证接近加工区的性能。新的设计允许机器以减少所需的空间,同时也增加了加工区。保留了经验成熟的摆动回转工作台,现在允许装载 300kg。还有为铣削车削复合加工技术提供扭矩电机驱动的工作台。 DMU 40 EVO 配置标准滚珠丝杆,快速移动 60m/min,与 X 轴 Y 轴的高动态性能版陪了 90m/min 的快速进给直线电机。主轴速度从15000 到 25000RPM。1.2.2 国内发展状况中国的五轴机床比其他国家尤其是欧美和日本起步较晚。由于中国的工业基础薄弱,与国外同类产品相比,我国的五轴联动数控机床是国外比较低的水平,与国外同类产品的稳定性,精确度比较来说差别较大。沉阳机床厂研制的 VMC-MU 系列五轴联动高速加工中心,配备高速电主轴摇篮转台,具有高速度,高加速度和高刚性等特点。可以实现高速,高精度的切割,高品质的加工面,适合加工高速模具、航空航天和医疗设备行业所需机械。该系机器采用龙门框架结构,高刚性,精度保持好。转台直径可达800mm,最大承重为 1t。南京第二数控机床有限公司制造的 SPM-5 五轴高速加工中心,工作台面尺寸 250mm*250mm,X / Y / Z 轴 250mm /200mm/190mm 行程,进给速度 10 -5000mm /min,快速进给高达 15000mm/min。机床主轴为电主轴,采用进口高精密轴承,以确保整体的精度和转速要求。天津大学采用 3-RPS 并联机构为原型,创新设计了内副驱动,与新的坐标并联电源专有头-A3 头对头为功能核心,以两个平动工作台开发相结合,打造高速大型航空结构件的高速、高精度加工的,五轴联动机床加工。1.3 五轴联动数控机床的结构类型五轴加工是指在一台机床上至少有五个坐标轴(三个直线坐标和两个旋转坐标) ,而且可在计算机数控(CNC)系统的控制下同时协调运动进行加工。第一章 绪论21、摆动+回转复合主轴头型摆动+回转头型复合五轴数控机床两个旋转轴都是刀具的运动,由一个复合主轴头实现的。包括安装在主轴前端的主轴头可绕 Z 轴主轴头(C 轴)和主轴头 360可安装围绕转台的 X 轴或 Y 轴旋转(A 或 B 轴)构成,如图 1-1 所示。这种类型的五轴联动机床有米克朗 HPM 1850U 和意大利 Paoino 巴奇的 master系列。当使用复合头类型的五轴数控机床球磨表面上的,主轴相对于工件能以一个角度旋转,使球头铣刀避免切割零线速度的顶点,满足高精度表面加工表面质量要求。这种类型的机床可以进行在其中安装工具主轴头可更长的主轴结构超过一个可以根据不同的工艺要求进行选择和切换,还能根据需要选择主轴头的不同的速度和扭矩根据 1-2 中所示的处理。图 1-1 运动模型示意图 图 1-2 Bacci Master 4P82、主轴头摆动+工作台回转混合型主轴头摆动+工作台回转型轴的数控机床两个旋转轴摆动从主轴头侧(A / B 轴)和在旋转工作台的一侧(C 轴)工件以完成工具。通过主轴为旋转轴,再加上表旋转轴到 5 轴联动加工摆动。主轴头可以摆动以实现所述工具的摆动,它也可以牢固地夹紧,它被定位在摆动角度,如图 1-3 所示的范围的任何地方。这种类型的机器有德国公司德克尔马豪 DMC75V 线性/ DMC105V 线性等。工作台能承受更大的重量,但也可以使用标准托盘,中等轴数控机床大多是现在用。这也是本设计中采用的五轴联动结构。第一章 绪论3图 1-3 运动模型示意图 图 1-4 DMG DMC 75V linear 103、摆动+回转复合工作台型摆动+回转复合工作台型五轴联动数控机床的两个旋转坐标轴都作用于工件,由设置在床身上即可以沿 A 或 B 轴摆动又可以沿 C 轴回转的工作台来实现。旋转轴只作分度定位,并不参与切削轨迹插补运动。机床的 A 或 B 轴可在一定角度范围内摆动,C 轴为 360回转,可以在原有三轴数控加工机床基础上配备数控摆动回转工作台发展而成,如图 1-5 所示为瑞士 Mikron 公司在三轴数控高速铣削加工中心 HSM 400 的基础上改变工作台型式制造的五轴联动加工中心HSM 400U。复合工作台型的五轴加工机床有德国 Roders 公司的RXP500DS/RXP800 DS,德国 DeckelMaho 公司的 DMU 70,瑞士 Mikron 的HSM400U/HSM600U 和 XSM400U/XSM 600U,以及德国 Hermle 的C30U/C40U/C50U/C42U 等。第一章 绪论4图 1-5 运动模型示意图 图 1-6 Mikron HSM 400U 61.4 本文的研究目的及主要工作本文中设计的五轴联动数控铣床,结构为一摆头一转台,可加换刀装置,加工零件种类为轴类零件的复杂曲面(既可以车削轴的外圆,又可以铣削轴上的复杂曲面) ,因为汽车上多用一端是轴类,一端是轴上的复杂曲面,转台为立式(既转台轴的方向为纵向) ,这样转台转动时,铣刀可以车削轴类零件,又可以加工轴上的复杂曲面。本文具体章节安排如下:第一章,介绍了本论文课题,即五轴联动数控机床的研究背景与意义,并分别综述了国内外在五轴联动数控车床方面的发展历史、研究现状与发展趋势,并引出了本文的主要内容。第二章,拟定整体方案,对其进行总体设计,确定传动方式。第三章,对 XY 工作台及绕 XY 旋转工作台进行设计,并对滚珠丝杠和直线导轨进行相关计算第四章,确定电机的型号并进行相关计算和选型。第五章,铣刀头的设计第六章,相关连接件的设计和计算。第二章 总体设计5第二章总体设计2.1 设计要求要求设计的五轴联动数控铣床,结构为一摆头一转台,可加换刀装置,加工零件种类为轴类零件的复杂曲面(既可以车削轴的外圆,又可以铣削轴上的复杂曲面),因为汽车上多用一端是轴类,一端是轴上的复杂曲面,转台为立式(既转台轴的方向为纵向),这样转台转动时,铣刀可以车削轴类零件,又可以加工轴上的复杂曲面。2.2 主要技术参数运动名称 符 号 行程范围X轴 800mmY轴 500mm行 程 Z轴B轴(摆动)C轴(转动)400mm-451500360工 作 台尺寸最大承载量550500mm20Kg精 度定位精度重复定位精度0.012mm0.003mm表2-1 主要参数2.3 总体方案设计根据设计要求,经过考虑,本设计的五轴联动系统的结构主要是:工作台沿 Y 轴上下移动,同时可以沿 Z 轴转动,十字工作刀头沿 X、Z 轴移动, 并第二章 总体设计6垂直于 Y 轴。机构的移动部分采用滚珠丝杠,而工作台的转动则采用蜗轮蜗杆结构,动力输出部分采用力矩电动机。所设计的五轴联动数控铣床进给系统能夹住工件实现沿 X 轴平移及绕 C 轴转动,其主要由滑动支架、力矩电机系统及蜗轮蜗杆系统组成,铣刀头能够绕 B 轴摆动。2.4 本章小结本章针对五轴联动铣床的要求,对其进行总体设计,提出了设计的主要参数和机构的总体传动方案,为后续设计工作提供了理论依据。第三章 进给传动系统的设计7第三章 进给传动系统的设计为了提高传动系统的灵敏度,定位精度和防止爬行。五轴联动数控机床必须减少传动系统的摩擦力,并且减少摩擦系数的静动差异。所以,行程不太长的直线传动一般采用滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副是一种新型传动装置,通过它可以实现直线运动和回转运动的转换。滚珠丝杠螺母副可以预加载以用来消除反向间隙,有利于提高定位精度和刚度。本设计中沿 X、Y、Z 轴的直线移动均采用滚珠丝杠和螺母的结构。3.1 滚珠丝杠传动系统工作原理滚珠丝杠螺母副是一种在数控联动铣床中广泛使用用来转换直线运动和回转运动的机械装置。这种装置的特点是在丝杠和螺母副之间放入滚珠,使丝杠螺纹和螺母螺纹与滚珠产生滚动摩擦。其作用是将回转运动转化为直线运动或直线运动成回转运动。在螺杆和螺母的圆弧状的螺旋形沟槽,它们一起形成一个螺旋形轨道。丝杠和螺母之间相对转动时,滚珠在轨道内滚动,在螺母滚珠返回导引装置的两端设置螺旋槽,滚珠自动通过入口返回形成一个圆形的循环。滚珠丝杠副具有高传输效率,运动平稳,使用寿命长等特点,广泛应用于各种工业设备,精密仪器和数控机床中。计算选择的滚珠丝杠时,由专门的工厂生产定制或购买。根据滚珠循环方式,滚珠丝杠可分为内部和外部的循环滚珠丝杠副,通过比较用于选择滚珠丝杠系统的各自的特点如下。如图 3-1 所示为内循环滚珠丝杠副,通过安装在螺母副上的反向器连接相邻的螺旋沟槽,滚珠球总是在循环回路和丝杠螺母接触,在螺母副开一个侧孔,孔内装有反向器使相邻螺纹沟槽连接,滚珠通过反向器旋入相邻的滚道,行成一个循环回路。因为内循环的封闭滚道只有一圈滚珠,所以滚珠数量少,流动性好,刚性高,摩擦损失小,径向尺寸公差小。内循环丝杠副缺点是内置反向器的加工处理困难。第三章 进给传动系统的设计8图 3-1 内循环1丝杆 2螺母 3滚珠 4反向器如下图 3-2 所示为螺旋槽式外循环滚珠丝杠。滚珠在丝杠与螺母之间的滚道循环结束后,由螺母副的外表面上的螺旋槽重新进入滚道内循环。这种结构形式类型的螺母副,是在螺母表面铣出螺旋状槽,两端的出口与螺母副的滚道连接起来。螺母的滚道需要安装挡珠圈,起球的导向返回螺母滚道的外表面,循环到丝杠螺母副的轨道工作另一端上的螺旋槽内。这种结构的加工处理比在内循环滚珠丝杠要简单,所以机床传动中实际应用较多,但由于螺母副的外侧存在循环管道,所以径向尺寸比内循环要大,同时滚珠挡圈形状较为复杂且厚度小,易磨损发生形变。图 3-2 外循环1丝杆 2回珠管 3滚珠 4反向器螺母这里选用螺旋槽式外循环螺旋传动作为系统 XYZ 轴水平传动的工作机构。第三章 进给传动系统的设计93.2 垂直方向传动系统设计3.2.1 Z 方向滚珠丝杠的选择和校核由于本系统要求达到0.012/400mm 的定位精度,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于 1 级精度丝杠,任意 400mm 内导程允许误差为 0.006mm。2 级精度丝杠的导程允许误差为 0.008mm。初步设计时先设丝杠的任意 400mm 行程内的行程变动量为定位精度的 1/31/2,即 0.0040.006mm。因此取滚珠丝杠精度为 1P 级精度丝杠。设滚珠丝杠的最大载荷 Fmax=500N,摩擦因数 =0.04,设位于其上的质量m=200Kg,则 Fmin=fG=0.0420010=80N,则平均工作载荷: maxin22508363N设丝杠的最高转速为 5000r/min,工作台的最小进给速度为 1mm/min.故丝杠的最低转速为 0.1r/min,则平均转速为: 502/minnr故丝杠的工作寿命为: 3661.510100ThL在式中: L工作寿命,以 106r 为一个单位,n丝杠转速,r/min, T丝杠使用寿命,对数控机床可取 T=15000h,本例中取 T=15000h。计算当量动载荷 Cm 为: 33602514.7paFLKKN在式中: Kp载荷性质系数,无冲击取 11.2,一般情况下取 1.21.5,有较大冲击振动时取 1.52.5。本设计中取 Kp=1。Ka精度影响系数,对于 1、2、3 的精度的滚珠丝杠取 Kp=1。 第三章 进给传动系统的设计10根据 Cm=4.717KN,本设计采用深圳市赛瑞德精工机械技术有限公司提供的 G 系列滚珠丝杠副。其 Ca=7.5KN,其具体性能指标如下表: (mm)表 3-1 GGD 系列滚珠丝杠螺母副尺寸表这里选用型号为 G2004-3 的滚珠丝杠。图 3-3 Z 方向丝杠模型3.2.2 Z 方向导轨的选择根据导轨摩擦接触表面的性质可分为滑动导轨,滚动导轨和静压导轨三种。其中粘塑料的滑动导轨和滚动导轨是数控铣床中最常用的导轨。支承构件和导向构件相对运动接触面之间加入滚动元件(如滚珠,滚子或滚针)的,使得两个轨道之间不是直接接触的导轨,称为滚动导轨。本设计中 Z 轴选择滚动导轨。滑动导轨多使用于言普通机床中,而在多轴数控机床中,滚动导轨具有以下优点:定位精度高、摩擦阻力小:滚动导轨的摩擦系数可以降低到滑动导轨的第三章 进给传动系统的设计111/701/100,由于静摩擦力于动摩擦力之间相差非常小的,可以有效的防止爬行现象,运动更加灵活,可以减少 95的驱动转矩,因此多轴数控铣床可以将定位精度设置为超微米级。运动平稳,能提高数控机床的移动速度:滚动导轨由于摩擦力小,因此发热量少,运动单元可实现高速运动,提高了传动系统的传动效率 15%25。滑动导轨面大多数是用流体润滑,用于长期保持高精度的机床润滑液,由于浮动油膜,无法避免得到的运动精度误差。在大多数情况下,流体润滑主要出于边界封闭区域中,所以通过将金属接触所产生的直接摩擦无法避免在,大量的能量在摩擦损失被浪费。与此相反,滚动轴承因为是滚动接触,滚动表面摩擦损失较小,它可以使直线运动导轨传动系统长处于高精度状态。同时,导轨间使用润滑剂很少,在大多数情况下,它使用脂润滑就可以保证润滑效果,这使得使用设计和机润滑系统的维护都变得非常容易。因此,在导轨结构中选用:开式直线滚动导轨。滚动导轨的缺点是:导向面和滚动元件是点或是线接触,抗击震动性能差,存在接触应力较大的问题,因此导轨表面硬度要求高,对导轨和滚动元件的尺寸精度和形状精度要求苛刻。工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。在设计中处于工作台底层的 X-Y 工作台为水平布置,采用双导轨、四滑块的支撑形式。由于考虑到最不利的情况,即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担,则单滑块所受的最大垂直方向载荷为: max4GF有前面计算得 Fmax=360N。导轨计算公式为 350HTCcfLF在式中: L滚动导轨的预期寿命 KM;C额定动载荷 N;F导轨块上的工作载荷 N; 第三章 进给传动系统的设计12fH硬度系数,当导轨面硬度为 5864HRC 时, fH =1.0;为 55HRC 时,fH=0.53;fH温度系数,工作温度为 1000C 时,Tf=1.0;为 2000C 时,Tf=0.73; fC接触系数,装两个滚动导轨块时,Cf=0.81,装三个时,Cf=0.72,装四个时,Cf=0.66 ; fW载荷系数,无冲击振动,v5m/min 时, fW=1 1.5,15v60m/min 时,f W=1.52。此设计中根据实际情况和计算可选择出下列参数: fH =1.0,f T=0.73, fC=0.81,f W=1.2, F=360N;所以 L=960mm查表可得,根据工作载荷 Fmax=360N,初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 JSALS 型,具体型号为 LSBSA45。其额定载荷 Ca=7.94kN,额定静载荷C0a=9.5kN因为 X 向的导程为 800 mm,Y 向的导程为 400mm,查表可得,考虑到工作行程应留有一定的余量,查表可得,按标准系列,导轨的长度 1000400mm。图 3-4 滚动导轨模型设滚珠丝杠的最大载荷 Fmax=500N,摩擦因数 =0.04,设位于其上的质量m=200Kg,则 Fmin=fG=0.0420010=80N,则平均工作载荷: maxin22508363N第三章 进给传动系统的设计133.2.3 Z 方向装配图图 3-5 部分装配模型3.3 X、Y 方向传动系统的设计在五轴联动系统中,其第一层和第二层的工作台都是在步进电动机的控制下,运用滚珠丝杠副将步进电动机的旋转运动转变为直线运动,在滚珠丝杠带动下是工作台沿 XY 方向做直线运动。同时需要考虑的设计要求为工作台沿 X向的有效行程 800mm,工作台沿 Y 向的有效行程 400mm。3.3.1 滚珠丝杠的选型轴向负荷计算公式: aF=+UW式中 F切削力, F=0W工件重量加工作台重量,W=455NU滚动导轨上的滚动动摩擦系数,约为 U=0.005Fa=0.005463=2.315N第三章 进给传动系统的设计14XY 工作台滚珠丝杠是在低速条件下工作的。故本处的 Go=(0.2-0.3 ) ,F a=2.315N。对照样本参数,这里的 Go 非常小,选定导程为 6 的滚珠丝杠副。根据机床的受力情况及结构尺寸,其安装尺寸启东润泽机床附件有限公司生产的 FL、 LL 系列滚珠丝杠副,其中 FL 为浮动反向器内循环式滚珠丝杠副。两种丝杠副均为双螺母结构,采用螺纹调整预紧,安装连接尺寸完全相同,具体型号如下:X 向选择型号 FL3206900800;Y 向选择型号为FL2506450400。尺寸参数参见下表。基本额定负荷 螺母安装连接尺寸规格代号公称直径d0公称导程Ph0丝杠外径d1钢球直径Dw丝杠底径d2循环圈数动载荷Ca(KN)静载荷Coa(KN) D1(g6) D2( ) L2 D3 B L13206900800 35 6 32 3.9688 25 13.2 37.4 60 122 80 10 352506450400 26 6 24 3.5 17 10.4 22.2 45 95 62 8 25表 3-2 滚珠丝杠参数表图 3-6 滚珠丝杠部分结构示意图3.3.2 直线导轨设计这里两个方向采用与垂直方向同样型号的导轨,如图所示。导轨为铝塑料合金氧化,滚珠轨道为淬硬的滚动轴承刚。第三章 进给传动系统的设计15图 3-7 导轨及滑块模型3.3.3 联轴器的选型联轴器是连接伺服电机和滚珠丝杆之间的连接件,丝杠的回转运动通过联轴器实现和伺服电机的同转速同轴回转,联轴器的型号和加工精度对传动系统会产生影响,联轴器的选择不仅能简化传动结构、降低噪音,还能降低传动间隙和提高传动刚度。联轴器的选择类型可根据传动系统的载荷大小和转速高低,丝杠和伺服电机的安装精度等选用。考虑以下具体选择:考虑所需传递转矩大小和对缓冲力矩改变性能的要求,齿轮联轴器的符合大功率重载荷传动。轮胎式联轴器具有高弹性,适合冲击载荷和消除扭转震动传动。高传动转速时,选择平衡精度高的联轴器。 考虑到传动过程中的过载现象和伺服电机启动时的动载荷,所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩 Tca,计算转矩公式为:T ca=KAT,式子中 Tca 为公称转矩,单位为 Nm;K A 为工作情况系数。其中 Tca=9550P/n,可算出Tca=2*9.55*2.2/5000=0.84Nm.根据前面丝杠的选型,d=25mm,T ca=0.84Nm,n=5000r/min,确定联轴器的型号为 LK2-112-2022M。第三章 进给传动系统的设计16图 3-8 联轴器模型3.3.4 装配模型图 3-9 Y 方向装配模型图 3-9 X 方向装配模型3.4 本章小结这一章主要介绍了传动系统 XYZ 三个方向的器件选择及型号确定,以及相关的三维建模。第四章 电机的选型17第四章 电机的选型4.1 步进电机介绍设计选择步进电机。步进电动机也称为脉冲电机,是传动电动机的一种,是将电脉冲信号转换成机械角位移的动力机构。输入脉冲的数量是正比于步进电机输出的角位移,机械转动在时间上与脉冲同步。因此,只要控制输入脉冲,包括数量和频率,还有电动机绕组排列方式,就可以控制转速转动角度和转动方向。电机中的绕组丝在没有电流的激励之下,步进电机可以自锁。步进电机的主要优点是简单的结构原理、低廉的市场价格和相对容易的制造工艺。其转子惯性小,动态响应快,启动停止、正传反转和无级变速易于实现。缺点主要表现在:低频时易发生震荡现象,均匀的速度难以实现的,在高速的输出转矩降低。步进电机种类根据运动的类型可分为旋转步进电机和线性步进电机。根据输出转矩的大小可分为快速步进电机和功率步进电机。根据激励绕组激励相绕组可分为两相,三相,四相,五相和六相步进电机。根据步进工作原理可以分为反应式步进电机,永久磁铁式步进电机和混合式步进电机。4.2 参数计算4.2.1 转速与功率同一功率的异步电机有几种转速。根据日常生产中的经验,价格低电动机主要参数是同步转高,磁数极对少,外廓尺寸小,而价格愈高电动机类型为转速小,外廓尺寸大,磁极对数多。在一般机械中,用得最多的是同步转速为1500 转/min30000 转/min 的电机。功率选择对电动机的工作是否正常和经济性优良都有重要影响。功率选择不合理,不在满载下运行,电动机功率和功率因数都较低,造成很大的浪费,若功率选小,不能保证正常的工作所需的转动力矩或使电动机处于过载状态。故电动机的功率需要略大于生产机械要求。即 PNPN/cFPN-生产机械的负载功率;第四章 电机的选型18c-电动机与生产机械间传动装置的效率。带传动时,c=0.980.99F-生产本身的效率4.2.2 相关参数的确定根据前面的设计和工作要求,相关参数如下:1、各拖板重量 W455N2、拖板与导轨贴塑板间摩擦系数 U=0.123、最大走刀抗力 FZ(与运动方向相反)=200N4、最大主切削力 FY(与导轨垂直)=250N5、拖板进给速 V1=10500mm/min6、车刀空行程速度 V2=200 mm/min7、滚珠丝杆导程 L=6mm8、滚珠丝杆节圆直径 35、26、20mm9、丝杆总长 L=1000mm10、定位精度正负 0.012mm4.3 型号的确定4.3.1 脉冲当量的选择脉冲当量:一个指令脉冲使步进电动机驱动拖动的移动距离=0.01mm/(输入一个指令脉冲工作台移动 0.01 毫米)。步进电动机的步距角为 0.75/1.5,当选择运行方式为三相六拍时,步距角 =0.75,电机每工作一转的脉冲数 S=360/0.75=480p/r,步进电动机与滚珠丝杆间的传动比ii=L/s=6/0.01480=1.25。4.3.2 等效负载转矩的计算空载时的摩擦转矩 T LFT =uwl/2 ILF=0.064550.2/23.140.81.25第四章 电机的选型19=0.81N.m4.3.3 等效转动惯量的计算滚珠丝杆的转动惯量Js=d04lp/32=3.14 417.8510=8.110 4 m2(0.35)拖板的运动惯量Jw= )( lgw= 2).(89 =0.188 m24.3.4 步进电动机型号选择的计算确定步进电机选型步骤为:根据步进电机的传动计算和选择的型号,步进电机转轴上的总转动惯量 Jeq。计算不同工况下加在步进电机转轴上的等效负载转 T eq;取其中最大的等效负载转矩,作为确定步进电动机最大静转矩的依据;根据运行距频特性、起动惯频特性等,对粗选的步进电机进行校核。1、加在步进电机转轴上的总转动惯量 J ep是进给系统伺服系统的主要参数之一,它对选择电动机具有重要意义。J 主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。Jep的具体算法如下:丝杠的转动惯量:设丝杠的质量 m j20NJ ep= 82Dj= 8)103(2=2.510 3N/m2、步进电机转轴上的等效负载转矩 T ep步进电动机转轴所受的负载转矩在不同工况下是不同的。通常考虑两种情况:一种情况是快速空载启动(工作负载为 0),另一种情况是承受最大工作负载。则有:(1)快速空载起动时电机转轴所受的负载转轴 T 1eqT 1eq=T max+T f+T 0 =0.654+6.52=7.17NmT max快速空载起动时折算到电机转轴上的最大加速转矩,单位 NmT f移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩,单位 NmT 0滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩,单位 Nm第四章 电机的选型20T max=J eq= ameqtn60J2 = 5.061214.33=0.654 Nmn = xv= .71250r/minv max纵向空载最快移动速度,在系统中为 6000mm/min;步进电机的步距角,为 0.75;脉冲当量,为 0.01mm/minJ eq步进电动机转轴上的总转动惯量,单位为 Kg.m 2 电动机转轴的角加速度,单位为 rad/s 2n m电动机的转速,单位为 r/min;t a电动机加速所用时间,单位为 s,一般在 0.31 之间选取。取t =0.5s移动部件运动时间折算到电机转轴上的摩擦转矩:T f= iFh 摩2P= 8.01439.=6.52N.m式中 F 摩 导轨的摩擦力,单位为 N;P h滚珠丝杠导程,单位为 m;传动链的总效率,一般取 =0.70.85;i总的传动比,i=n m/n s,其中 n m为电动机转速,n s为丝杠的转速。其中上式中导轨的摩擦力为:F 摩 = )( Gc=0.18455=81.9N式中 导轨的摩擦因数(滑动导轨取 0.150.18)取 =0.18F c垂直方向的工作负载,单位为 N,空载时为 0;G运动部件的总动力,单位为 N.滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩;T 0= )1(220iPFhYJ第四章 电机的选型21式中 FYJ滚珠丝杠的预紧力,一般取滚珠丝杠工作载荷 F m的 1/3,单位为 N;0滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取 09.由于滚珠丝杠副的传动效率很高,所以由式算出的 T 值很小 T max和 Tf比起来,通常可以忽略不计。(2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 T 2eq:T 2eq =T t+T f+ T 0T t= jPFhf = 18.4369=0.978N.m式中 F f为进给方向最大工作载荷,单位为牛顿T f= jGhz2)(= 18.04326)59.(=0.128 Nm对于 T 0是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩,T 0相对于 T t和 T f很小,可以忽略不计。则有:T 2eq=T t+T f=0.978+0.128=1.106 Nm经过上述计算后,得到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩:T eq= max21,eqT7.17 Nm(3)步进电机最大静转矩的选定 考虑到步进电机的驱动电源受到电网电压的影响较大,当输入电压降低时,其输出转矩会下降,可能造成失步,甚至堵转。因此,根据 T eq来选择步进电机的最大静转矩是需考虑安全系数 K。对于开环控制,一般应在 2.54 之间选取。选择 K=3。步进电机的最大静转矩应计算公式:T maxj3eq=3 mN.17=9.51N.m根据上述计算选择步进电机的型号为 110BC380F,查表可得该型号电机的最大静转矩 T axj=11.76 N.m,转动惯量为 9Kg/cm 3.可见,满足式的要求。由于每层受到的工作台的重力越来越小,所以第二层的工作台使用的电机同样选择 110BC380F,经计算第三四层选择异步电机的型号为 90BF003。下面将所选用的两重步进电动机的型参数列为表 4-1。第四章 电机的选型22型号相数步距角电压电流最大静转矩空载启动频率空载运行频率转动惯量90BF003 3 1.5/3 60 5 1.96 1500 15000 0.6110BC380F 3 0.75/1.5 80 6 11.76 1200 12000 9表 4-1 电机型号及参数4.4 本章小结这一章主要针对电机系统参数计算及型号选择做了简单介绍。第五章 其他关键部件的设计23第五章 其他关键部件的设计5.1 床身(底座)的设计机床的床身是是整个机床的基础部件,在机床的所有组成部分中占有非常重要的地位,其主要作用是支撑其他零部件。根据设计要求,回转工作台要在机床床身上完成沿 Y 轴的移动(Y 轴行程500mm)并且床身上还要安装两个支撑横梁的立柱。其中移动采用两根直线导轨,滚珠丝杆安装在两导轨之间,滚珠丝杆的螺母座同定 Y 轴托板的底部,回转工作台同定在托板的上部。步进电机通过联轴器与滚珠丝杆直接联接。图 5-1 床身建模5.2 立柱设计立柱的结构设计采用双立柱龙门结构,立柱主要是联接床身和横梁,并起到支撑横梁的作用。由前文小跨度龙门结构的设计方案提到的立柱设计基准,立柱的宽度以及
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