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高精密平板流延机结构设计(全套设计含CAD图纸

  img srchttp//图纸集合.gif/img srchttp//垂直进给机构.gif/img srchttp//工作台草图.gif/img srchttp//流延头机构装配图.gif/img srchttp//竖直方向滚珠丝杆.gif/img srchttp//水平进给机构.gif/img srchttp//真空夹具图.gif/img srchttp//总装图.gif/img srchttp//三维图.jpg/img srchttp//三维图纸.jpg/img srchttp//压缩包内容.jpg/img srchttp//目录二.png/img srchttp//目录一.png/img srchttp//设计内容缩略.png/img srchttp//透明三维结构截图.png/img srchttp//摘要及字数统计.png/br/ 包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396I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 日包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396II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 300 x300mm 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,滚珠丝杠包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396IIIAbstractThis 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 thesis1 the overall structure design of slab casting machine.2 analysis of slab casting machine perance.3 the choice of motor.4 the design of transmission system, cutive 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包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 197216396IV目 录摘 要 .........................................................................................................................................IIAbstract....................................................................................................................................III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 ...................................................................................22沈阳理工大学学士学位论文V4.3 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..................................................................................................................................46沈阳理工大学学士学位论文VI沈阳理工大学学士学位论文VII沈阳理工大学学士学位论文VIII沈阳理工大学学士学位论文IX沈阳理工大学学士学位论文X沈阳理工大学学士学位论文XI沈阳理工大学学士学位论文XII包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 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 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沈阳理工大学学士学位论文2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 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mm,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)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沈阳理工大学学士学位论文31 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。包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 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 300 x300mm,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沈阳理工大学学士学位论文5图 2-1 平板流延机传动系统图包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 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min/150maxrnin/20r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1i。取电动机的最高转速 ,则丝杠的最高转速 也min/2axv i/axrmax为 。基本丝杠导程公式如下150r沈阳理工大学学士学位论文73.110510 maxmnvPh 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.a转应发出的脉冲数由以下公式可知3.22015. iaPbh3.2 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 P130V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。mC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 ,工作台加工件与线,故丝杠的最小载荷(即摩擦力)3.3NfFG12804.min丝杠最大载荷3.455ax平均载荷3.5NFm 341232 minax 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min/7502/150rn沈阳理工大学学士学位论文8, , ,故丝杠工作寿命由公式可知hT1501aK5.p3.667076 6nL式中 工作寿命,以 为一个单位;r1丝杠转速, ;nmin/丝杠的使用寿命,对数控机床可取 ,本题选取T hT150。h150代入公式可得丝杠的当量动载荷 为mC3.7451.67345 3 kNKLFapm 式中 精度响影系数,对于 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取 ,对于aK 1aK4、5 级精度滚珠丝杠取 ,本题取 ;9.0aa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p振动时取 1.52.5,本题取 。5.1pK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mCaCmaC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kNa56ma。预紧力 。只要轴向载荷值不达到或超mNKc/230CFp14//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pF为 3.445kN,远小于 。max p3.3 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 所示沈阳理工大学学士学位论文9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。 支 承 间 距 离 工 作 台 轴 向 载 荷c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60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aCaC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。a2) 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。沈阳理工大学学士学位论文10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60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,60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,沈阳理工大学学士学位论文11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MJrJ沈阳理工大学学士学位论文12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T根据公式计算可得,即3.82 0maxiTPFTfph其中,从假设受到的负载 ,丝杠导程 ,预紧N51ax mh01.力 ,查丝杠样本,滚珠丝杠螺母副的机械效率 。因滚珠丝杠NFp140 9预加载荷引起的附加摩擦力矩3.9mNPFThp 7.48.29014. 0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mN Tf6.0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1i大切削负载转矩3.10mNT38.146.0749.215 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MJLJ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1J3.1107.21.7852221 mkgPmnvmhh 式中 工作台移动速度, ;s/伺服电机的角速度, ;rad直线移动工件真空夹具和工作台的质量,kg。沈阳理工大学学士学位论文13丝杠名义直径 ,长度 ,丝杠材料(钢)的密度mD04.0l2.1。则丝杠加在电动机轴上的惯量,根据公式可知3/108.7mkg3.12243402 0.2.18.7kglJ 联轴器节加上锁紧螺母等的惯量 可直接查手册得到,即3J201.mkg故负载总惯量3.134..24.07. 2321JJL 按式 3.44 中小型数控机床惯量匹配条件, ,所选伺服电动机/1LMJ的转子惯量 应在 0.00540.021 范围之内。MJ2/mkg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mN6.17负载转矩 ;转子惯量 ,满足匹配要求。如选用交流伺服mN38.142.015.kgJM电动机,可选用交流伺服电动机,可选 BESK20 型。其额定转矩为 ,5.2转子惯量 ,最大输出转矩 ,机械时间常数 ,2.0.kgJMT47max stM6满足要求。FB 15 型直流伺服电动机的主要技术参数为最高转速 1500maxnin/r额定转矩 17.6RTN最大转矩 154max转子惯量 0.019MJ2kg反电动势系数 0.58eKradVs/转矩系数 0.57t AN沈阳理工大学学士学位论文14电枢直流电阻 0.26MR机械时间常数 15.2 mst3.5.3 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aT3.14602maxcatnJT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3.1519.4.015. 2kgJLM加速时间 通常取 的 34 倍,故actt(34) 3415.245.660.8ms0.04560.0608s 3.16act则49.3265.76 3.17acatT601529.mNBESK20 型交流伺服电动机的 6ms,故M18 ms24 ms0.018s0.024ms 3.18act则125167 3.19acatT601529.mN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,a axTFB15 型直流伺服电动机的 49.3265.76 ,满足设计要求;NT154maxaTBESK20 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sK1沈阳理工大学学士学位论文15取 。伺服系统的时间常数 为 的倒数, 。120sKatsKsKtsa05.2/1/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3.20/84.1209.1542 2max smJPTh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at速度从 增加到 时,maxvmaxv3.21略大于 ,因而按照加速能力选择 是适合的。如 远小于 ,amax 120sKmax可以适当增大 值,以提高系统的性能。sK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30V0.0075mm。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3.22MVtsRK01是伺服电动机的增益,它等于电动机的角速度 与输入电压MK /srad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VUMU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e /Vs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/srad MU动势。因而近似地可认为3.23eMK1FB15 直流伺服电动机的转矩系数 ,因伺服系统增益AmNt/75.0,速度控制的开环增益 24 ,取 ;120sK0vs 10402ssv2/3150ms沈阳理工大学学士学位论文16反电动势系数 ,则 ;电枢直流电阻radVsKe/58.0 /58.0/1VsradKM。故26.0MR3.24rmNR /4326../720折合到工作台部件的直线.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ml 8.01406max3.26/1041 6ax26axin mNlEdlAKit 式中, 是丝杠底径,为丝杠名义直径 减滚珠丝杠 。本题目中id0D0d40mm, 7.144mm,故 407.144 。0D0id0 m328..32为丝杠材料钢的弹性模量, ,则EaGPE213.27NKt /2108.43. 6min 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mdb14.7珠数 Z17,接触角 ,预加载荷 ,轴向外载荷为导轨摩擦力60NF290,故轴向载荷 为预加载荷与轴向外载荷之和,即NFf314a3.283214 0f 丝杠轴承轴向载荷刚度 可按下式求得,即baK3.29sin4.3 52ZdFKba沈阳理工大学学士学位论文17mNKba /5096sin174.324. 24.滚珠丝杠螺母的接触刚度查样本手册得3.30Kc/2305.挠性联轴节扭转刚度查文献得3.31radmN/102.641折合到工作台部件的直线.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RK、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mintKbaK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c 13.331 1min cbatR故3.34mNKKcbatR /65.311min 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fFNFf12fF3.35.065.3 mKf 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30Vm6沈阳理工大学学士学位论文18,即 60.26.2 。再加上某些因素,将不会超过要求的定位公差,m2.0m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30V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 fSLC0/P,式中C 0 为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷 P0.5FzW; fSL1.03.0一般运行状况, 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,f h1,ft1,fc0.81,f1,fw1.(2)工作寿命每天 8 小时,连续工作 5 年,250/年 ,额定寿命为Lh5250810000 h,每分钟往复次数 nz8L2lsnz60Lh/10320.3186038400/ 10311428Km 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 CP110/427.5N 3.37C fwPfh ft fc fL/501/3208N 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 直线滚动导沈阳理工大学学士学位论文19轨副,其 C606N, C0745N.基本参数如下导轨的额定动载荷 N1750a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aC作寿命 Ln沈阳理工大学学士学位论文20额定行程长度寿命3.39HTCaWfSFK3.402045M3.411,.81,oTCHRdfff3.423310.875214209.58HTCaWfSFKkm导轨的额定工作时间寿命 3.433102SoTHln3.443 310249.Soln hTh导轨的工作寿命足够.包含 CAD 图纸和三维建模及说明书,咨询 Q 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沈阳理工大学学士学位论文221 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 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 mF竖直进给导轨则2GFfKyzx(4.1)式中 Fx、Fy、Fz 一分力( N)G移动部件重量 G2000N导轨上的摩擦系数 0.2f fK考虑颠复力矩影响的实验系数 K1.4各切削分力有 , ,cfF2.1cfNF3.0,取中间值 , , ,则coF4.035.Cf.CfN25. CoF375.0沈阳理工大学学士学位论文23(4.2)NFo135637.0而插补平面内合力(4.3)FccfNf 4083.2.24.2.2 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)mwfL3式中 L寿命,以 106 转为一单位(4.6)610Tnn丝杆转速, (/min) ,用下式计算(4.7)osLVnVs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),L06mmT使用寿命(h) ,对于数控机床 T15000h运用系数 见表 4-12 取 1.2wf wfmin8365.01rn7.4LNC26.17434.2.3 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 传动效率计算沈阳理工大学学士学位论文24(4.8)tg式中螺旋升角, 93磨擦角取 10滚动磨擦系数 0.0030.004 6.95.0193tg2 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L1250mm,计算如下1 丝杆的拉伸或压缩变形量 1(4.9)AELFm0 在工作负载 作用下引起每一导程的变化量(mm)Lm 工作负载mF 滚珠丝杠的导程(mm)0E 材料弹性模数,钢 E20

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