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工作臺的機械設(shè)計部分(一)
第一章 工作臺的機械設(shè)計部分
設(shè)計要求是切削力是15千克，工作臺的重量是10千克，伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為直流伺服電機，伺服系統(tǒng)為閉環(huán)伺服系統(tǒng)，單坐標(biāo)，脈寬調(diào)速系統(tǒng)，工作臺的行程為300毫米，工作臺傳動精度為±0.03毫米,檢測元件為光柵，其每個計數(shù)脈沖代表的位移量是0.005毫米。
1.1選擇滾珠絲杠副
1.1.1 滾珠絲杠副傳動機構(gòu)的工作原理
絲杠和螺母的螺紋軌道間置有滾珠，當(dāng)絲杠或螺母轉(zhuǎn)動時，滾珠沿螺紋滾到滾動，則絲杠與螺紋之間相對運動時產(chǎn)生滾動摩擦，為防止?jié)L珠從滾到中滾出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置反向器和擋珠器，它們與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內(nèi)循環(huán)。
1.1.2 滾珠絲杠副的特點
傳動效率高 效率高達90％～95％，耗費的能量僅為滑動絲杠的1/3。
運動具有可逆性 及可將回轉(zhuǎn)運動變成直線運動，又可將直線運動變成回轉(zhuǎn)運動，且逆?zhèn)鲃有蕩缀跖c正傳動效率相同。
系統(tǒng)剛度好 通過給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來獲得較高的系統(tǒng)剛度，可滿足各種機械傳動要求，無爬行現(xiàn)象，始終保持運動的平穩(wěn)性和靈敏性。
傳動精度高 經(jīng)過淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，絲杠副工作時溫升和熱變形小，容易獲得較高的傳動精度。
使用壽命長 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動運動，磨損極小，長期使用后仍能保持其精度，因而壽命長，具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動絲杠要高5～6倍。
不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，當(dāng)運動停止后，螺母將在重力作用下下滑，故常需設(shè)計制動裝置。
制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗燥度要求高，制造成本高。
1.1.3 滾珠絲杠副的安裝
支承方式的選擇
為了保證滾珠絲杠副傳動的剛度和精度，應(yīng)選擇合適的支承方式，選用高剛度、小摩擦力矩、高運轉(zhuǎn)精度的軸承，并保證支承座有足夠的剛度。
滾珠絲杠副的支承按其限制絲杠軸的軸向竄動情況，分為三種形式：一端固定，一端自由；一端固定，一端游動；兩端固定。本文絲杠選擇第三種方式兩端固定。這種方式的特點是：
只要軸承無間隙，絲杠的軸香港毒為一端固定的4倍；
絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高；
可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和熱補償膨脹，但需一套預(yù)拉伸機構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜；
要進行預(yù)拉伸的絲杠，其目標(biāo)行程應(yīng)略小于公稱行程，減少量等于拉伸量；
適用于對剛度和位移精度要求高的場合。
潤滑和密封
潤滑
潤滑劑可提高滾珠絲杠副的耐磨性和傳動效率。潤滑劑分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑油可通過螺母上的油孔將其注入螺紋滾道；潤滑脂可采用鋰基油脂，它加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)。
密封
為防止雜質(zhì)和水進入絲杠（否則會增加摩擦或造成損壞），對于預(yù)計會進入雜質(zhì)處使用波紋管或伸縮罩，以完全蓋住絲杠軸。對于螺母，應(yīng)在其兩端進行密封。密封防護材料必須具有防腐蝕和耐油性能。
1.1.4 根據(jù)已知條件設(shè)計滾珠絲杠副
已知平均工作載荷是Fm=150N,絲杠工作長度l=1.2m，平均轉(zhuǎn)速nm=100r/min,最大轉(zhuǎn)速nmax=10000r/min,使用壽命Lh=15000h左右,選擇絲杠材料為CrWMn鋼,滾道硬度為58～62HRC,傳動精度要求σ=±0.03mm。
⒈求計算載荷Fc
Fc=KFKHKAFm =1.2×1.0×1.0×150N=180N
⒉計算額定動載荷計算值C＇a
C＇a=Fc(nmLh/1.67×104)1/3=180×(100×15000／1.67×104)1／3=806N
⒊根據(jù)C＇a選擇滾珠絲杠副
假設(shè)選用FC1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或稍大于
C＇a的原則，查表[文獻1]選擇FC1-2004-2.5,Ca=5393N.
查表得絲杠副數(shù)據(jù)[文獻1]:
公稱直徑D0 =20mm 導(dǎo)程p =4 mm
螺旋角λ=3°38′ 滾珠直徑d0=2.381 mm
滾道半徑R=0.52d0=0.52×2.381=1.238 mm
偏心距 e=0.07×(R-d0／2)=0.07×(1.238-2.381/2 )=3.33×10-3 mm
絲杠內(nèi)徑d1=D0+2e-2R=20+2×3.33×10-3-2×1.238=17.53 mm
⒋穩(wěn)定性驗算
由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]。
絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷Fcr(N)按下式計算：
Fcr =π2EIa／(μl)2
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206GPa；l為絲杠工作長度(m)；Ia為絲杠危險截面的軸慣性矩(m4)；μ為長度系數(shù)。
依題意，Ia=πd14/64=3.14×(0.01753m)4／64=4.63×10-7m4
取μ=2/3，則
Fcr=3.142×206×109×4.63×10-7／(2/3×0.3)2=2.35×107N
安全系數(shù)S=Fcr/Fm=2.35×107/180=130555。查表得[S]=2.5～3.3，S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
高速長絲杠工作時可能會發(fā)生共振，因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速ncr。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速nmax<ncr.
臨界轉(zhuǎn)速ncr (r/min)可按下式計算：
ncr=9910fc2d1/(μl)2
式中，fc為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，查表所得[文獻1] 。本設(shè)計取fc =3.927, μ=2/3，則
ncr=9910fc2d1/(μl)2=9910×3.9272×0.01753／(2/3×0.3)2r/min
≈66975r/min
ncr >nmax =10000r/min, 所以絲杠不會發(fā)生共振。
此外，滾珠絲杠副還受D0n值的限制，通常要求D0n<7×104mm·r/min。
D0n=20×100mm·r/min=2×103mm·r/min<7×104mm·r/min.
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
⒌剛度驗算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T(N·m)共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量L0(m)為
△L0 =±pF/EA±p2T/(2πGJc)
式中，A為絲杠截面積,A=πd12/4(m2)，Jc為絲杠的極慣性矩，Jc=πd14/32(m4), G為絲杠切變模量，對鋼,G=83.3Gpa；T(N·m)為轉(zhuǎn)矩。
T=FmD0tan(λ+ρ)/2
式中，ρ為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；Fm為平均工作負(fù)載。本設(shè)計取摩擦系數(shù)為tanρ=0.0025，則得ρ=8′40″.
按最不利的情況�。ㄆ渲蠪=Fm）
L0 =pF/EA+p2T/(2πGJc)=4pF/(πEd12)+16p2T/(π2Gd14)
=4×4×10-3×150／(3.14×206×109×0.017532)＋16×(4×10-3)2×150／(3.142×83.3×109×0.017532)＝1.2×10-8m＝1.2×10-2μm
則絲杠在工作長度上的彈性形變所引起的導(dǎo)程誤差為
△L=l △L0/p=0.3×1.2×10-2／4×10-3≈0.9μm
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差△L應(yīng)小于其傳動精度的1/2，即
△L<σ/2=0.03/2mm=0.015mm
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可滿足要求。
⒍效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
η=tanλ/tan(λ+ρ)=tan3°38′/tan(3°38′+8′40″)=0.96
η要求在0.90～0.95之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗證，F(xiàn)C1-2004-2.5各項性能均符合要求，可選用。
⒎其它尺寸：
接觸角α=45°，螺母外徑D=36mm，
螺母內(nèi)徑D1=60mm，絲杠外經(jīng)d=19.5mm
1.2 選擇減速器
根據(jù)絲杠的尺寸及轉(zhuǎn)矩要求，選擇XB1-50型諧波減速器，減速比為46，輸出力矩T2=15N·m.
1.3 伺服電機的選擇
1.3.1 執(zhí)行元件的特點
執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的控制下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換成機械能。本文選擇的執(zhí)行元件是直流伺服電機。
1.3.2 直流伺服電機
直流伺服電機的結(jié)構(gòu)及工作原理
直流伺服電機主要由磁極、電樞、電刷及換向片等三部分組成。其中磁極在工作中固定不動，故又成為定子。定子磁極用于產(chǎn)生磁場。電樞是直流伺服電機中的轉(zhuǎn)動部分，故又成為轉(zhuǎn)子，它由硅鋼片疊成，表面嵌有線圈，
通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。
當(dāng)電樞繞組中通過直流電時，在定子磁場的作用下，就會產(chǎn)生帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過控制電樞繞組中的電流的大小和方向，就可以控制直流伺服電動機的旋轉(zhuǎn)速度方向和大小。當(dāng)電樞繞組中的電流為零時，伺服電動機靜止不動。
直流伺服電機的主要技術(shù)參數(shù)
額定功率 是指電動機軸上的輸出功率的額定值，即電動機在額定狀態(tài)下運行時的輸出功率。在額定功率下允許電動機長期連續(xù)運行而不致過熱。
額定電壓 是指電動機在額定狀態(tài)下運行時，勵磁繞組和電樞控制繞組上應(yīng)加的電壓額定值。
額定電流 是指電動機在額定電壓下，驅(qū)動負(fù)載為額定功率時繞組中的電流。勵磁電流不隨電機輸出功率而變化，但控制電流卻隨輸出功率的變化而變化。
額定轉(zhuǎn)速 有時也稱最高轉(zhuǎn)速，是指電動機在額定電壓下，輸出額定功率時的轉(zhuǎn)速。直流伺服電動機的調(diào)速范圍一般在額定轉(zhuǎn)速以下。
額定轉(zhuǎn)矩 是指在額定狀態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩。
最大轉(zhuǎn)矩 是指電動機在短時間內(nèi)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩，它反映了電動機的瞬時過載能力。
機電時間常數(shù)τj和電磁時間常數(shù)τd 分別反映了直流伺服電機兩個過渡過程時間的長短。τj通常小于20ms,τd通常小于5ms，兩者之比通常大于3，因而通�？蓪⒅绷魉欧妱訖C近似的看成是一階慣性環(huán)節(jié)。
熱時間常數(shù) 是指電動機繞組上升到額定溫升的63.2％時所需的時間。
阻尼系數(shù) 又稱內(nèi)阻尼系數(shù)，其倒數(shù)即為機械特性曲線的斜率。
3. 選擇電動機
由諧波減速器的輸入力矩尺寸及減速比，選擇110SZ07，轉(zhuǎn)速為10000rpm，輸入轉(zhuǎn)矩4870 μN·m，功率為500W[文獻1].
1.4 聯(lián)軸器的設(shè)計
⒈4.1 聯(lián)軸器的特點
聯(lián)軸器是連接兩軸或軸和回轉(zhuǎn)件，在傳遞運動和動力過程中一同回轉(zhuǎn)而不脫開的裝置。此外，聯(lián)軸器還可能具有補償兩軸相對位移、緩沖和減振以及安全防護等功能。
按照聯(lián)軸器的性能可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器雖然不具有補償性能，但有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、不需維護、成本低等特點而仍有其應(yīng)用范圍；撓性聯(lián)軸器又可分為無彈性元件撓性聯(lián)軸器和帶彈性元件撓性聯(lián)軸其，前一類只具有補償兩軸相對位移的能力，后一類由于含有能產(chǎn)生較大彈性變形的元件，除有補償性能外還具有緩沖和減振作用，但在傳遞轉(zhuǎn)矩的能力上，因受彈性元件的強度限制，一般不及無彈性元件聯(lián)軸器。
鑒于本工作臺的具體情況，故選擇剛性聯(lián)軸器中的套筒聯(lián)軸器。
套筒聯(lián)軸器是利用一公用套筒以銷、鍵、或過盈配合等連接方式與兩軸相聯(lián)。套筒聯(lián)軸器制造容易，零件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)緊湊，徑向外形尺寸最小，但拆裝不便，需要沿軸向移動較大的距離，一般可用于無軸肩的光軸或允許沿軸向移動的輕載傳動軸系。
1.4.2減速器與電機間的聯(lián)軸器的設(shè)計
類型選擇
選擇半圓鍵套筒聯(lián)軸器
載荷計算
公稱轉(zhuǎn)矩 T=9550P/n=9550×0.5／10000=0.4775N·m
查表[文獻1]得KA=1.3,由Tca=KAT,得Tca=KAT=1.3×0.4775=0.62075N·m
校核強度
σp＝2Tca／dlk=2×0.62075／(10×8×7.5)＝2.07×10-3N/mm＜[σp]
合格.
1.4.3 減速器與絲杠間的聯(lián)軸器設(shè)計
類型選擇
選用平鍵套筒聯(lián)軸器
2）載荷計算
公稱轉(zhuǎn)矩：T=0.1N·m
查表得[文獻1]：KA=1.3,由Tca=KAT，有Tca=KAT=1.3×0.1=0.13 N·m。
校核強度
σp＝2Tca／dl1k=2×0.13／(20×20×7.5)=8.6×105 N/mm＜[σp]
合格。
1.5 滾動軸承的設(shè)計
由于深溝球軸承具有額定動負(fù)荷為1，能承受一定的雙向軸相負(fù)荷，軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)，并且極限轉(zhuǎn)速高的特點，故選用深溝球軸承。有電機的極限轉(zhuǎn)速在有潤滑時為10000rpm，選擇軸承型號為1000810型，其額定動負(fù)荷是4KN，d=50mm,D=65mm,B=7mm.
1.6 導(dǎo)軌的設(shè)計
導(dǎo)軌屬于導(dǎo)向機構(gòu)，其作用是支承和導(dǎo)向，為機械系統(tǒng)中各運動裝置能安全、準(zhǔn)確地完成其特定方向的運動提供保障。
1.6.1 導(dǎo)軌的特點
導(dǎo)軌根據(jù)導(dǎo)軌副之間的摩擦情況可分為：滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。滾動導(dǎo)軌的兩導(dǎo)軌表面之間為滾動摩擦，導(dǎo)向面之間放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體來實現(xiàn)兩導(dǎo)軌無滑動地相對運動。這種導(dǎo)軌磨損小，壽命長，定位精度高，靈敏度高，運動平穩(wěn)可靠，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何精度要求高，抗振性較差，防護要求高，制造困難，成本高。它適用于工作部件要求移動均勻，動作靈敏以及定位精度高的場合。
1.6.2 導(dǎo)軌的基本要求
⒈導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度主要是指動導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運動的直線度或圓度。影響它的因素有：導(dǎo)軌的幾何精度、接觸精度、結(jié)構(gòu)形式、剛度、熱變形、裝配質(zhì)量以及液體動壓和靜壓導(dǎo)軌的油膜厚度、油膜剛度等。
⒉耐磨性 是指導(dǎo)軌在長期使用過程中能否保持一定的導(dǎo)向精度。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免有所磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動補償或便于調(diào)整。
⒊疲勞和壓潰 導(dǎo)軌面由于過載或接觸應(yīng)力不均勻而使導(dǎo)軌表面產(chǎn)生彈性形變，反復(fù)運行多次后就會形成疲勞點，呈塑性變形，表面形成龜裂、剝落而出現(xiàn)凹坑，這種現(xiàn)象就是壓潰。疲勞和壓潰是滾動導(dǎo)軌失效的主要原因，為此應(yīng)控制滾動導(dǎo)軌承受的最大載荷和受載的均勻性。
⒋剛度 導(dǎo)軌受力變形會影響導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度及部件之間的相對位置，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的剛度。為減少或平衡外力的影響，可采用加大導(dǎo)軌尺寸或添加輔助導(dǎo)軌的方法提高剛度。
⒌低速運動平穩(wěn)性 低速運動時，作為運動部件的動導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。低速運動的平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和潤滑，動、靜摩擦系數(shù)的差值，以及導(dǎo)軌的剛度等有關(guān)。
⒍結(jié)構(gòu)工藝性 設(shè)計導(dǎo)軌時，要注意到制造、調(diào)整和維修方便，力求結(jié)構(gòu)簡單，工藝性及經(jīng)濟性好。
1.6.3 根據(jù)要求設(shè)計導(dǎo)軌
載荷Fm=150N，滑座個數(shù)m=4，單向行程長度ls=0.3m，每分鐘往復(fù)次數(shù)為4，使用壽命Lh=15000小時。由Lh=Ts×103／2lsn，得
Ts=2Lhlsn/103=2×15000×0.3×4×10／1000＝360Km。
因=4，所以每根導(dǎo)軌上使用2個滑座，查表得[文獻1]
fH=1.0,fτ=1.0,fc=0.81,fw=3
由Ts=K（fH fτfcCa／F fw）3，F(xiàn)=Fm/m,則
Ca=F(Ts/Kfw)1/3／fHfcfτ=150×(360／50×3)1／3／(4×1×1×0.81)=61.98N
選用HJ-D25的滾動導(dǎo)軌。
1.7 機床工作臺即總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
由電機的選擇，查表得[文獻1]
W=250mm,B2=140mm,B3=150mm,B1=210mm,
F×N=250×2mm，G=25mm,L1=550mm.
其余尺寸見AUTOCAD圖所示。
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