平板流延机设计【三维UG】[含CAD高清图和说明书全套]
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沈阳理工大学学士学位论文沈阳理工大学毕业设计(论文)平板流延机结构设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日V摘 要本次设计是对平板流延机的设计。在这里主要包括:水平方向丝杠传动系统的设计、竖直方向丝杠传动系统的设计、流延头传动设计、真空卡盘真空夹具的设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练,提高了分析和解决工程技术问题的能力,并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上,丝杆带动丝杆螺母,从而带动整机运动,设计流延机面积在300x300mm平板流延机。平板流延机更显示其优越性,有着广阔的发展前途。本论文研究内容:(1) 平板流延机总体结构设计。(2) 平板流延机工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 平板流延机的传动系统、执行部件设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词:平板流延机, 联轴器,滚珠丝杠AbstractThis design is the design of slab casting machine. Here mainly includes: the horizontal screw drive system design, the vertical screw drive system design, casting head transmission design, vacuum chuck vacuum fixture design. The graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, which drives the motion, design of casting machine in the area of 300X300mm slab casting machine. Slab casting machine but also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the overall structure design of slab casting machine.(2) analysis of slab casting machine performance.(3) the choice of motor.(4) the design of transmission system, executive components of plate casting machine.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: slab casting machine, coupling, ball screw目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV1 绪论11.1 流延机的历史及现状11.2 我国流延机的特点21.3 本课题研究的内容及方法21.3.1 主要的研究内容21.3.2 设计要求32 总体方案机构设计42.1 设计内容及要求42.2 设计方案43 水平方向进给机构结构及传动设计63.1 滚珠丝杆副的设计63.2 滚珠丝杠选择73.3 滚珠丝杠支承选择93.4 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧103.5 伺服电机选择113.6 直线滚动导轨副的计算、选择184 竖直方向进给传动系统的设计和计算214.1 进给伺服系统的设计214.1.1 对进给伺服系统的基本要求214.1.2 进给伺服系统的设计要求214.1.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析224.2 竖直滚珠丝杠副计算与选择224.3 竖直进给步进电机计算274.4 导轨副的计算、选择304.5 联轴器的选择325 流延头机构设计335.1 电机的选取335.2 轴的设计355.3 轴的校核365.4 键的校核375.5 轴承的校核386 真空夹具设计406.1 总体方案406.2 设计过程41结论44致 谢45参考文献461 绪论1.1 流延机的历史及现状(1)初级阶段 我国从80年代中期开始引进国外的流延机,多数为单层结构.(2)发展阶段:进入90年代后,我国从德国、日本、意大利、奥地利等国引进了多层共挤流延机生产线。我国引进的流延机装置,最小产能为500t/a,最大产能为6500t/a。引进的主要设备厂家为德国Reifenhauser、Barmag、Battenfeld公司,奥地利Lenzing公司,日本三菱重工公司、意大利Colines、Dolci公司等。同时,国内部分设备生产厂商研制出具有自主知识产权的国产流延机生产线,但这时期的国产设备主要是单层的小生产线,不管在设备的机械性能,还是在产能方面,都无法与进口设备相比。 (3)成熟阶段:进入21世纪在流延机市场需求推动下,国产流延机生产设备取得了长足进展,国产流延设备国际竞争力日益增强。例如,广东仕诚塑料机械公司生产的宽幅为2500mm、3000mm的多层流延机生产线都已批量生产,部分技术指标已达到了国外同类产品的标准。而该公司推出的5000mm的高精密超宽多层流延机生产线,则标志着国产流延机生产设备已经进入高速发展的成熟阶段。我国流延机的发展2004年是我国流延机迅速发展的一年。有数字为证:去年我国流延机市场需求增加到约27万吨。在此刺激下,去年流延机的全国产量同比增长18。今后几年内估计每年需求增长约4-5万吨(即2005年30万吨、2006年35万、2006年40万吨、2008年45万吨)。以上数据表明,虽然今后几年随着我国宏观调控,中国GDP增长短期内有所放缓,但流延机仍属于朝阳工业,年市场需求仍可保持12-17%的快速增长。 但现阶段全行业光进口流延机生产线的生产能力已经达到20万吨以上。预计到2005年末,流延机厂家将继续增加,生产能力会有突破性增长,年生产能力将达到40万吨左右 在此基础上,有业内人士预测,随着我国流延机新建和在建项目的纷纷投产,2005年流延机的产能将有可能出现暂时性的过剩,那么新一轮的价格战则势在必行。如果这一预测成真,那么流延机加工企业避免市场恶性竞争的办法,除了走自主创新之路,开发差异化、专用化产品外,还有个重要的环节就是合理选择设备及其供应商。 据国家海关总署数据统计,从国外引进一条5层共挤设备约需资金5800万元,总投资在8000万元左右。若没有市场作支撑,或市场发生变化,势必造成巨大的投资损失。而同类型的国产设备投资只有进口线的18左右,而且各项性能也不比进口的差。而且,国产设备生产企业(例如广东仕诚公司)提出的“无缝衔接”式的售前、售中、售后服务。这些都值得流延机加工企业考虑。投资大的设备未必是最明智的投资,只有投入产出比相宜,在尽可能短期内能够得到良好的投资回报率,这才是最明知智的投资。1.2 我国流延机的特点1)国产流延机生产线按薄膜宽可分为:2500mm、3000mm、3500mm、5000mm,以挤出机的配置可分为:三层、五层、七层。 2)国产流延机生产线主要由挤出部分、流延部分、电晕部分、收卷部分、电控部分等五个部份组成。其中模具部分和挤出部分,可根据客户的要求进行自由组合,因而最大限度地满足广大客户(市场)的不同需求。 3)除此之外,国产设备在设计上,也紧随国际先进水平,例如: A、独特的背后装置的设计,可自由调节挤出机的压力。 B、独特的螺杆流道的设计,可以适用不同的材料,实现一机多用。 C、辊筒的流道设计,冷却效果更好、产品质量更稳定,产量更高。 D、国产流延机生产线线速度已达到160mmin-250mmin的水平。 4)国产流延机生产线与进口设备相比,同样具有高速、性能稳定、环保、节能等特点。其中产品厚度为0.017mm-0.08mm(国际标准以0.025mm计算)。 1.3 本课题研究的内容及方法1.3.1 主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关数控平板流延机设计理论及相关知识的资料和文献基础上,综合考虑数控平板流延机结构特点、具体作业任务特点以及数控平板流延机的推广应用,分析确定使用数控平板流延机配合生产工序,实现自动化的目的。为了实现上述目标,本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求和数控平板流延机本身的结构特点,确定数控平板流延机整体设计方案。2 确定数控平板流延机的性能参数,对初步模型进行静力学分析,根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发,完成数控平板流延机各零部件的结构设计;4 完成主要零部件强度与刚度校核。1.3.2 设计要求1 根据所要实现的功能,提出三维数控平板流延机的整体设计方案;2 完成三维数控平板流延机结构的详细设计;3 通过相关设计计算,完成电机选型;4 完成三维数控平板流延机结构的三维造型;绘制三维数控平板流延机结构总装配图、主要零件图。442 总体方案机构设计2.1 设计内容及要求设计一台流延面积在300x300mm,平板流延机。要求绘制总装图、典型部件和零件图,图量为4-5张零号图。要求:1总体装配图和典型部件图等,共计图纸4-5张; 2 编写设计计算说明书1份,满足设计大纲规范,页数在4565页; 3 翻译外文文献一篇.内容和字数满足设计大纲要求;4 写开题报告1 份.2.2 设计方案数控平板流延机的设计应满足一下几个条件首先就是必须保证工件定位可靠的可靠性,为了使工件与点保持准确的相对位置,必须根据要求的点,去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度,除了受到工件、工具的重量,还要受到本身的重量,还受到枪在运动过程中产生的惯性力和振动的影响,没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形,所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以,应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件,为满足这些要求,可将制成组合式结构,迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。水平方向电动机联轴器滚珠丝杠竖直方向 电动机联轴器滚珠丝杠图2-1 平板流延机传动系统图3 水平方向进给机构结构及传动设计3.1 滚珠丝杆副的设计在数控机床的设计中,滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的旋转运动转变为直线运动,用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的机构,尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中,滚珠丝杠副的传动是最简单、经济而又可靠的。所以滚珠丝杠副的选择对整个机床的制造起着不可忽视的作用。滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副,使其充分发挥效能,必须进行一系列的计算。滚珠丝杠副已经标准化,因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。一般情况下,设计滚珠丝杠时,已知条件为:最大工作负载Fd(或平均工作负载Fm)作用下的使用寿命,丝杠的工作长度(或螺母的有效行程),丝杠的转速(或平均转速),滚道的硬度及丝杠的运转情况。通常的设计步骤为:A、计算作用在滚珠丝杠上的最大动载荷;B、从滚珠丝杠列表指出相应最大动负载的近似值,并初选几个型号;C、根据具体工作要求,对于结构尺寸、循环方式、调隙方法及传动效率等方面的要求,从初选的几个型号中再挑出比较合适的直径、导程、滚珠列数等,确定某一型号。D、根据所选的型号,列出或计算出其主要参数的数值,计算传动效率,并验算刚度及稳定系数是否满足要求。如不满足要求,则另选其他型号,再作上述计算和验算,直至满足要求为止。根据进给系统定位精度的要求,初步选用半闭环伺服系统。如果经计算后半闭环系统不能满足定位精度要求,改用全闭环伺服系统。从产品目录中查得伺服电动的最高转速为或。取伺服电机通过联轴器与丝杠直接,即。工作台快速进给的最高速度要求达到。取电动机的最高转速,则丝杠的最高转速也为。基本丝杠导程公式如下: (3.1)根据精度要求,数控机床的脉冲当量可定为mm/脉冲。伺服电机每转应发出的脉冲数由以下公式可知: (3.2)3.2 滚珠丝杠选择3.2.1 滚珠丝杠精度由于本系统要求达到0.015 mm的定位精度,根据此要求查阅滚珠丝杠样本,对于1级(P1)精度丝杠,任意300mm内导程允差为0.006mm,2级(P2)精度丝杠的导程允差为0.008mm。初步设计时先设计丝杠的任意300mm行程内的行程变动量为定位精度的1/31/2,即0.0040.006,因此,取滚珠丝杠精度为P1级,即为1级精度丝杠。3.2.2 滚珠丝杠选择滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷为切削力的最大进给力加摩擦力;最小载荷即摩擦力。已知最大进给力,工作台加工件与真空夹具的重力为2800N,导轨的摩擦系数为0.04,故丝杠的最小载荷(即摩擦力) (3.3)丝杠最大载荷 (3.4)平均载荷 (3.5)丝杠最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min,故丝杠的最低转速为0.1r/min,可取为0,则平均转速。丝杠使用命取,故丝杠工作寿命由公式可知: (3.6)式中 工作寿命,以为一个单位; 丝杠转速,; 丝杠的使用寿命,对数控机床可取,本题选取。代入公式可得丝杠的当量动载荷为 (3.7)式中 精度响影系数,对于1、2、3级精度的滚珠丝杠取,对于4、5级精度滚珠丝杠取,本题取; 载荷性质系数,无冲击取11.2一般情况取1.21.5,有较大冲击振动时取1.52.5,本题取。查滚珠丝杠样本中与相近的额定动载荷,使得选择,然后由此确定滚珠丝杠副的型号和尺寸。查滚珠丝杠产品中样本,选择FFZ4010型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副。其名义直径为40mm,导程为10mm,每个螺母滚珠有5列。额定动载荷,符合设计要求。轴向刚度。预紧力。只要轴向载荷值不达到或超过预紧力的3倍,就不必对预紧力提出额外的要求。本题中丝杠最大载荷为3.445kN,远小于。3.3 滚珠丝杠支承选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷,径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况如图42所示的轴向固定方式。为两端固定方式,常用于长丝杠或高转速、高刚度的丝杠,这种配置方式可对丝杠进行预拉伸。图3-1 滚珠丝杠的支承配置滚珠丝杠中经常使用的滚动轴承有以下2类。1) 接触角为的角接触球轴承这是目前国内外广泛采用的滚珠丝杠轴承,这种轴承可组配置。图书43b)为1对背靠背组合方式,图4-3c)为一对面对面方式。这两种方式可承受双向轴向推力。图33d)为一同向组合方式,其承受能力较高,但只承受1个方向的轴向力,同向组合时的额定动载荷等于单个轴承的乘下列数:2个为1.63;3 个为2.16;4个为2.64.图43e)为1对同向与左边1个面对面组合方式。用上述方法还能派生出三联、四联等多种组合方式。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差,而且采用面对面组合方式时两接触与轴线交点间的距离比背对背的小,故容易实现自动调整。因此在进给传动中面对面组合用得较多。2) 滚珠推力圆柱滚子组合轴承(图43f)外圈3与箱体固定不转,只圈1、5和隔套内圈6随轴转动,滚针7承受径向载荷,圆柱滚子(或球)2和4分别承受两个方向的轴向载荷,修磨隔套内圈6的宽度可调整轴承的轴向预紧量。图3-2 滚珠丝杠用轴承上述2类轴承中,角接触轴承的摩擦力矩小于后者,而且可以根据需要进行组合,但刚度较后者低,目前在一般中,小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。经过分析在此设计中本传动系统的丝杠采用一端轴向固定,一端浮动的结构形式如图43所示。固定端采用1对接触球轴承面对面组配,以容易实现自动调整。简支端支承采用深沟球轴承,只承受丝杠的重力。同时滚珠丝杠工作时要发热,其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差,可采用丝杠预拉伸的结构,使预拉伸量略大于热膨胀量。3.4 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置,是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下,滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形,接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙,接触刚度较小;当滚珠丝杠反向旋转时,螺母不会立即反向,存在死区,影响丝杠的传动精度。因此,滚珠丝杠螺母副必须消除间隙,并施加预紧力,以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙,提高滚珠丝杠螺母副的接触刚度。滚珠丝杠螺母副通常采用双螺母结构,如图3-3所示图3-3 双螺母滚珠丝杠1滚珠螺母;2紧定螺钉;3支座;4滚珠丝杠;5调整垫片图中1代表滚珠螺母,3代表支座,螺母与支座之间有调整垫片,通过调整垫片来调节滚珠螺母与滚珠丝杠螺纹之间的间隙。通过调整两个螺母之间的轴向位置,使两个螺母的滚珠在承受载荷之前,分别与丝杠的两个不同的侧面接触,产生一定的预紧力,以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式,上图所示的为垫片调整式,通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离,实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。3.5 伺服电机选择伺服电机的选择用,应考虑三个要求:最大切削负载转矩,不得超过电机的额定转矩;电机的转子惯量应与负载惯量相匹配(匹配条件可根据伺服电机样本提供的匹配条件,也可以按照一般的匹配规律);快速移动时,转矩不得超过伺服电机的最大转矩。3.5.1 最大的切削负载转矩计算所选伺服电动机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。最大切削负载矩可根据公式计算可得,即 (3.8)其中,从假设受到的负载,丝杠导程,预紧力,查丝杠样本,滚珠丝杠螺母副的机械效率。因滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩 (3.9)查哈尔滨轴承总厂角接触推力球轴承组配技术条件,得7602030TVP单个轴承的摩擦力矩为0.32,故一对轴承的摩擦力矩。简支端轴承不预紧,其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机丝杠直连,其传动比,则最大切削负载转矩 (3.10)故所选伺服电机的额定转矩应大于此值。3.5.2 负载惯量计算伺服电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配。负载惯量可按以下次序计算。工件真空夹具与工作台的最大质量为285.7kg,折算到电动机轴上的惯量可按公式计算得: (3.11)式中 工作台移动速度,; 伺服电机的角速度,; 直线移动工件真空夹具和工作台的质量,kg。 丝杠名义直径,长度,丝杠材料(钢)的密度。则丝杠加在电动机轴上的惯量,根据公式可知: (3.12)联轴器节加上锁紧螺母等的惯量可直接查手册得到,即故负载总惯量 (3.13)按式3.44中小型数控机床惯量匹配条件, ,所选伺服电动机的转子惯量应在0.00540.021范围之内。根据上述计算可初步选定伺服电动机,如果选用直流伺服电动机,可选北京数控设备厂的FB15型直流伺服电动机,其额定转矩为,大于最大切削负载转矩;转子惯量,满足匹配要求。如选用交流伺服电动机,可选用交流伺服电动机,可选BESK20型。其额定转矩为,转子惯量,最大输出转矩,机械时间常数,满足要求。FB15型直流伺服电动机的主要技术参数为:最高转速:1500额定转矩:17.6最大转矩:154转子惯量:0.019反电动势系数:0.58转矩系数:0.57电枢直流电阻:0.26机械时间常数:15.2 ms3.5.3 空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动(快移)速度时,所需的空载加速转矩按公式求得,即 (3.14)空载加速时,主要克服的是惯性。如选用FB15直流伺服电机,总惯量: (3.15)加速时间通常取的34倍,故(34)(34)15.2=45.660.8ms=0.04560.0608s (3.16)则 49.3265.76 (3.17)BESK20型交流伺服电动机的6ms,故 18 ms24 ms0.018s0.024ms (3.18)则 125167 (3.19)空载加速转矩不允许超过伺服电动机的最大输出转矩。由此可见,FB15型直流伺服电动机的49.3265.76,满足设计要求;BESK20型交流伺服电动机的略小于,也可使用,但加速时间较长。经过比较从成本与造价方面考虑本题采用BESK20型交流伺服电动机。通常取系统增益825。对轮廓控制的加工中心机床可取较大值,如取。伺服系统的时间常数为的倒数,。如果选用FB15型直流伺服电机,执行件(工作台)达到的最大加速度根据公式可知 (3.20) 伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数内,执行件的速度从增加到时, (3.21)略大于,因而按照加速能力选择是适合的。如远小于,可以适当增大值,以提高系统的性能。精度验算本数控机床要求的定位精度为0.015 mm,其丝杠的导程误差为0.0075mm。其余误差为伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形起的位移等。1.伺服刚度伺服刚度可根据下式子计算,即 (3.22)是伺服电动机的增益,它等于电动机的角速度与输入电压的比值。输入电压除少量消耗于电枢回路的阻抗外,大部分被反电动势所平衡。是伺服电动机的反电动势系数,为伺服电动机单位角速度所产生的反电动势(V)。估算时,可以近似地认为输入电压等于反电动势。因而近似地可认为 (3.23)FB15直流伺服电动机的转矩系数,因伺服系统增益,速度控制的开环增益24,取;反电动势系数,则;电枢直流电阻。故 (3.24)折合到工作台部件的直线刚度 (3.25)2.滚珠丝杠的拉压刚度本题中的丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生在工作台螺母离定位点交接班远的位置。已知工作台的行程为660 mm,当螺母移动到离定位点最近位置时,还应保留一定的丝杠距离,假设为140mm。因而丝杠最大距离 。代入公式计得丝杠拉刚度 (3.26)式中,是丝杠底径,为丝杠名义直径减滚珠丝杠。本题目中40mm,7.144mm,故407.144。为丝杠材料钢的弹性模量,则 (3.27)3.丝杠轴承的轴向刚度哈尔滨轴承总厂生产的7602030TVP型号轴承的钢球直径,钢珠数Z17,接触角,预加载荷,轴向外载荷为导轨摩擦力,故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和,即 (3.28)丝杠轴承轴向载荷刚度可按下式求得,即 (3.29)4.滚珠丝杠螺母的接触刚度查样本手册得 (3.30)5.挠性联轴节扭转刚度查文献得 (3.31)折合到工作台部件的直线刚度为 (3.32)6.综合刚度计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度、滚珠丝杠最小拉压刚度、丝杠轴承轴向刚度、滚珠丝杠螺母接触刚度折算到工作台部件直线刚度和联轴节扭转刚度后,按弹簧串联原则合成求得综合刚度,即 (3.33)故 (3.34)7.弹性变形数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷仅为导轨摩擦为。本题目的摩擦力,故因引起的弹性变形由以下公式可知: (3.35)8.定位误差验算本题目中滚珠丝杠在任意300mmm内的导程误差为,加上弹性变形,即6+0.26.2。再加上某些因素,将不会超过要求的定位公差,能满足定位精度0.015 mm的设计要求。从以上计算可知,丝杠的拉压刚度是系统刚度的薄弱环节,其次是伺服刚度和轴承刚度。丝杠螺母间的接触和联轴节的扭亏为盈转刚度很高,其变形很小,可忽略不计。如果经过计算发现刚度不够,定位精度达不到设计要求,可把丝杠一端轴向固定结构形式改为两端轴向定位结构,这是提高刚度的有效措施。其次,可适当提高系统增益和速度环开环增益,以提高伺服刚度;也可采用多联组合的推力角接触球轴承组配方式或改用滚针双向推力圆柱滚子(或滚珠)组合轴承,以提高综合刚度。在影响定位误差的诸因素中,最大的一项是丝杠的误差。如果定位精度要求较高,允许的定位误差值已接近1级精度丝杠的值,则可采用数控系统的螺距自动补偿功能,对丝杠误差进行自动校正。若定位精度很高,采用高精度丝杠和螺距自动补偿措施后仍达不到设计要求,可考虑采用全闭环进给伺机服系统。3.6 直线滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:C0为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0(一般运行状况),3.05.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:(1)选BR直线滚动导轨导轨,E级精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,f=1,fw=1.(2)工作寿命每天8小时,连续工作5年,250/年,额定寿命为:Lh=52508=10000 h,每分钟往复次数nz=8L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.3186038400)/ (103)=11428Km (3.36)计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为4000N计算需要的动载荷CP=110/4=27.5N (3.37)C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=208N (3.38)由机械电子工程专业课程设计指导书表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其C=606N, C0=745N.基本参数如下:导轨的额定动载荷N依据使用速度v(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln:额定行程长度寿命: (3.39) (3.40) (3.41) (3.42)导轨的额定工作时间寿命: (3.43) (3.44)导轨的工作寿命足够.4 竖直方向进给传动系统的设计和计算4.1 进给伺服系统的设计4.1.1 对进给伺服系统的基本要求进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分,也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为:定位精度高;跟踪指令信号的响应快;系统的稳定好。(1) 稳定性伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后,系统能够恢复到原来的稳定状态下运行,或者在输入的指令信号作用下,系统能够达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性,取决于系统的结构及组成元件的参数(如惯性、刚度、阻尼、增益等),与外界的作用信号(包括指令信号或扰动信号)的性质或形式无关。(2) 精度伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过程中通常存在三种误差:动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系统的误差满足精度指标就行。(3) 快速响应性快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间,传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。4.1.2 进给伺服系统的设计要求在静态设计方面有:能够克服摩擦力和负载(2) 很小的进给位移量(3) 高的静态扭转刚度(4) 足够的调速范围(5) 进给速度均匀,在速度很低时无爬行现象在动态设计方面的要求有:(1) 具有足够的加速和制动转矩(2) 具有良好的动态传递性能,以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量(3) 负载引起的轨迹误差尽可能小对于数控机床机械传动部件则有以下要求(1) 被加速的运动部件具有较小的惯量高的刚度良好的阻尼传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性4.1.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析(1).时间响应特性进给伺服系统的动态特性,按其描述方法的不同,分为时间响应特性和频率响应特性。(2) 频率响应特性(3) 快速性分析4.2 竖直滚珠丝杠副计算与选择4.2.1 计算进给牵引力竖直进给导轨则 (4.1)式中 Fx、Fy、Fz一分力(N)G移动部件重量G=2000N导轨上的摩擦系数 =0.2K考虑颠复力矩影响的实验系数K=1.4各切削分力有,取中间值,,则 (4.2)而插补平面内合力 (4.3)4.2.2 计算最大动负载C选用滚珠丝杆副的直径do时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杆在回转100万转(106转)后,在它的滚道上不产生点蚀的现象,这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杆能承受的最大动负载C,可用下式计算: (4.5)式中 L寿命,以106转为一单位 (4.6)n丝杆转速,(/min),用下式计算 (4.7)Vs最大条件下的进给速度(m/min)Vs =0.40.6m/min,取Vs =0.5m/minL0丝杆导程(mm),L0=6mmT使用寿命(h),对于数控机床T=15000h运用系数见表4-12取=1.24.2.3 滚珠丝杆螺母副的选择可采用W1L4000外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副,2.5圈1列,其额定动负载24800N,精度等级按4-5选为3级。1 传动效率计算 (4.8)式中:螺旋升角,磨擦角取10滚动磨擦系数0.0030.0042 刚度计算图4-1 进给简图如图所示竖直进给滚珠丝杠支承方式,最大牵引力为4482N,支承间距L=1250mm,计算如下:(1) 丝杆的拉伸或压缩变形量1 (4.9) 在工作负载作用下引起每一导程的变化量(mm) 工作负载 滚珠丝杠的导程(mm)E 材料弹性模数,钢E=20.6104(N/mm2)A 滚珠丝杠横截面积(按内径确定)mm2“+” 用于拉伸,“-” 用于压缩 (4.10) (4.11) (4.12)R=0.52 =4.763故R=0.524.763=2.48=35+20.0056-22.48=30.05mm= (4.13)由于采用向心推力球轴承,且丝杆又进行了预拉伸,故其拉压刚度可以提高4倍,其实际变形量1(mm)为=1/4=1/43.835=0.958mm (4.14)(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道的接触变形量Q=6.4m固进行了预紧拉伸,故其拉压刚度可以提高2倍。其实际变形量:=1/2Q=3.2m (4.15)(3) 支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形3采用8107推力球轴承d1=30,滚体直径d0=6.35mm,滚体数量Z=18 (4.16)注意此公式中Fm单位为kgf因施加预紧力,故3=1/2c=1/20.01104=0.00552mm (4.17)综合以上计算:=+=0.00783+0.0032+0.00552=0.01655定位精度故要采用贴塑导轨减小摩擦力,从而减小最大牵引力=3945N=L=2和3不变=1+2+3=0.00333+0.0032+0.00558=0.01211定位精度3 稳定性校核计算临界负载(N) (4.18)式中:E 材料弹性模量,钢:E=;I 截面惯性矩()丝杠:I=,为丝杠内径;L 丝杠两支承端距离(cm) 丝杠支承方式系数,从表4-13中查出,一端固定,一端简支=2 (4.19)=2.54故此丝杠不会产生失稳。4.3 竖直进给步进电机计算4.3.1 等效转动惯量计算 (4.20)式中 Jm步进电机转子转动惯量(kgcm2); J2、J1齿轮Z1、Z2的转动惯量(kgcm2);Js滚球丝转动惯量(kgcm2)。参考同类型机床,初选反应式步进电机150BF,其转孖转惯量Jm=10(kgcm2)。J1=0.7810-3=0.7810-36.442=2.62kgcm2J2=0.7810-3=0.7810-3842=6.39kgcm2Js=0.7810-354125=60.938kgcm2G=2000N代入上式 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。基本满足惯量匹配的要求。4.3.2 电机力矩计算机床在不同的工况下,其所需转矩不同,下面分别按各阶段计算:(1)快速空载起动力矩M起在快速空载起动阶段,加速力矩占的比例较大,具体计算公式如下:M起=Mamax+Mf+Mo (4.21) (4.22) (4.23)将数据代入,式中各符号意义同前。起动加速时间t=30ms (4.24) =992.62Ncm折算到电机轴的磨擦力矩Mf: (4.25) 附加磨擦力矩M0: (4.26) 上述三项合计:M起=Mamax+Mf+Mo =992.62+99.76+40.90=1133.28Ncm(2)快速移动时所需力矩M快M快=Mf+M0 (4.27)=99.76+40.90=140.66Ncm(3)最大切削负载时所需力矩M切 (4.28)从上面计算可以看出,M起、M快和M切三种工况下,以快速空载起动所需力矩最大,以此项作为初选步进电机的依据。当步进电机为五相十拍时最大静力矩按此最大静转矩从表4-23查出,150BF002型最大静转矩为13.72Nm。大于所需最大静转矩,可作为初选型号,但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。4.3.3 计算步进电机空载载起动频率和切削时的工作步频率 (4.29)150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800Hz,运行频率为8000Hz, 150BF002步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图4.1所示。从图4.1a看出,当步进电机起动时,时,M=100Ncm,远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩(1138.28Ncm)直接使用则会产生失步现象,所以必须采取升降控制(用软件实现),将起动频率降到1000Hz时,起动力矩可增加到588.4Ncm,然后在电路上再采用高低压驱动电路,还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 起动矩频特性 运行矩频特性 a b图4.2 150BF002型步进电机矩频特性当快速运动和切削进给时,150BF002型步进电机运行矩频特性(图4.1)完全可以满足要求。4.4 导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:C0为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0(一般运行状况),3.05.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:因系统受中等冲击,因此取 (4.30) (4.31)根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:表4-1 额定静载荷初选导轨额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln:额定行程长度寿命: (4.32) (4.33) (4.34)导轨的额定工作时间寿命: (4.35) (4.36)导轨的工作寿命足够.4.5 联轴器的选择 金属弹性元件挠性联轴器是由各种片状、圆柱状、卷板状等形状的金属弹簧,利用金属弹簧的弱性变形以达到补偿两轴相对偏移 和减振、缓冲功能,构成不同结构、性能的挠性联轴器。金属弹性元件比非金属弹性元件强度高,使用寿命长,传递载荷能力大,,适用于高温工况,弹性模最大且稳定。如图3.5所示膜片联轴器是由几组膜片(不锈钢薄板)用螺栓交错地与两半联轴器联接,每组膜片由数片叠集而成,膜片分为连杆式和不同形状的整片式。膜片联轴吕靠膜片的弹性变形来补偿报联两轴的相对位移,是一种高性能的金属弱性元件挠性联轴器,结构较紧凑,强度高,不用润滑,使用寿命长,无旋转间隙,不受温度和油污影响,具有耐酸、耐碱、防腐蚀的特点,适用于高速、高温、有腐蚀介质工况环境的轴系传动,广泛用于各种机械装置的轴系传动 。图4-3 DJM5金属膜片挠性联轴器5 流延头机构设计5.1 电机的选取(1)粗略计算驱动电机的功率已知重量为m=100kgg=10N/kg总重力G1=mg=1000N查表5-1得摩擦系数为0.035表5-1 摩擦系数表作用在一个滚子上的载荷(包括滚子自重) N物品与接触的底面材料金属木材硬底板01100.040.0450.051104500.0350.0350.054509000.0250.030.0459000.020.0250.051)驱动功率计算则工件受到的摩擦力为: (5.1)则电机所需牵引力为: (5.2)假设直径R=125mm假设转速na=61rpm 速度v=Rna=0.12561=24m/min (5.3)设功率安全系数为1.2,驱动装置的效率为0.8,则需要的驱动功率为: (5.4)2)电动机至的总效率c联轴器效率,c=0.99b对滚动轴承效率,b=0.99cy效率,cy=0。96估算传动系统总效率=vbccy=0.940.990.990.96=0.88 (5.5)1. 所需电动机的功率Pd(kw)Pd=Pw/=0.05/0.88=0.06kw (5.6)(1) 基于电动机的以上特点,本文选用作为北京和利时电机技术有限公司部分110BYG系列混合式步进电机驱动装置。图5-2是北京和利时电机技术有限公司部分110BYG系列混合式步进电机的技术数据。图5-2 110BYG系列混合式步进电机的技术数据所以根据计算所得数据选择110BYG350DH-SAKRMA型号的电机,图5-3是110BYG系列混合式步进电机的型号说明。图5-3 110BYG系列混合式步进电机的型号说明110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸,如图5-4所示。图5-4 110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸110BYG系列混合式步进电机的矩频特性曲线,如图5-5所示。图5-5 110BYG350DH型电机矩频特性曲线5.2 轴的设计5.2.1 材料可选轴的材料为45钢,调质处理。5.2.2 计算轴的最小直径电机轴的直径为14,由于轴的直径小于100mm,且由1个键槽,故将轴径增加15%,即将轴径圆整为标准直径,取d=14mm5.2.3 轴的结构设计根据轴向定位的要求,确定轴的各段直径和长度。(1)、根据内径可得d67
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