270 數(shù)控回轉工作臺的結構設計

270 數(shù)控回轉工作臺的結構設計,數(shù)控,回轉,工作臺,結構設計 第二章：數(shù)控回轉工作臺的結構設計2.1 傳動方案的確定2.1.1步進電機的原理步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要2.1.2.傳動方案傳動時應滿足的要求數(shù)控回轉工作臺一般由原動機、傳動裝置和工作臺組成，傳動裝置在原動機和工作臺之間傳遞運動和動力，并可實現(xiàn)分度運動。在本課題中，原動機采用電液脈沖馬達，工作臺為T形槽工作臺，傳動裝置由齒輪傳動和蝸桿傳動組成。合理的傳動方案主要滿足以下要求：（1）機械的功能要求：應滿足工作臺的功率、轉速和運動形式的要求。（2）工作條件的要求：例如工作環(huán)境、場地、工作制度等。 （3）工作性能要求：保證工作可靠、傳動效率高等。（4）結構工藝性要求；如結構簡單、尺寸緊湊、使用維護便利、工藝性和經濟合理等。2.1.3.傳動方案及其分析數(shù)控回轉工作臺傳動方案為：電液脈沖馬達——齒輪傳動——蝸桿傳動——工作該傳動方案分析如下：齒輪傳動承受載能力較高 ，傳遞運動準確、平穩(wěn)，傳遞 功率和圓周速度范圍很大，傳動效率高，結構緊湊。蝸桿傳動有以下特點：1．傳動比大在分度機構中可達1000以上。與其他傳動形式相比，傳動比相同時，機構尺寸小，因而結構緊湊。2．傳動平穩(wěn) 蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪的嚙合是連續(xù)的，因此，傳動平穩(wěn)，噪聲低。3．可以自鎖 當蝸桿的導程角小于齒輪間的當量摩擦角時，若蝸桿為主動件，機構將自鎖。這種蝸桿傳動常用于起重裝置中。4．效率低、制造成本較高 蝸桿傳動是，齒面上具有較大的滑動速度，摩擦磨損大，故效率約為0.7-0.8，具有自鎖的蝸桿傳動效率僅為0.4左右。為了提高減摩擦性和耐磨性，蝸輪通常采用價格較貴的有色金屬制造。由以上分析可得：將齒輪傳動放在傳動系統(tǒng)的高速級，蝸桿傳動放在傳動系統(tǒng)的低速級，傳動方案較合理。同時，對于數(shù)控回轉工作臺，結構簡單，它有兩種型式：開環(huán)回轉工作臺、閉環(huán)回轉工作臺。兩種型式各有特點：開環(huán)回轉工作臺 開環(huán)回轉工作臺和開環(huán)直線進給機構一樣，都可以用點液脈沖馬達、功率步進電機來驅動。閉環(huán)回轉工作臺 閉環(huán)回轉工作臺和開環(huán)回轉工作臺大致相同，其區(qū)別在于：閉環(huán)回轉工作臺有轉動角度的測量元件（圓光柵） 。所測量的結果經反饋與指令值進行比較，按閉環(huán)原理進行工作，使轉臺分度定位精度更高。2.2 齒輪傳動的設計由于前述所選電機可知T=2.39N.M傳動比設定為i=3，效率η=0.97工作日安排每年300工作日計，壽命為10年。2.2.1 選擇齒輪傳動的類型根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用直齒輪傳動的形式。2.2.2 選擇材料 考慮到齒輪傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達到更高的效率和更好的耐磨性，要求齒輪面，硬度為45-55HRC。2.2.3 按齒面接觸疲勞強度設計先按齒面接觸疲勞強度進行設計，在校核齒根彎曲疲勞強度。傳遞轉矩T1=9.55×10 6P1/N1=（9.55X10 6×0.75/3000）=2.39N.M載荷系數(shù)K：因載荷平穩(wěn)，由表6-6取K=1.2齒寬系數(shù)ψd:由表6-7取ψd=1許用接觸壓力［δH］：［δH］=［δH2］=220Mpa傳動比i:i=3將以上參數(shù)代入公式D13≥（671/[δh]） 2（6-21）KT1(i+1)/ψdiD1≥32.88mm2.2.4 確定齒輪的主要參數(shù)與主要尺寸1）齒數(shù) 取Z1=22，則Z2=i×Z1=3×22=66,取Z2=66。2）模數(shù) m=d1/Z1=32.88/22=1.49mm,取標準值m=1.5。3）中心距 標準中心距 α=m/2(Z1+Z2)=60.5mm4）其他主要尺寸分度圓直徑：d1=mZ1=1.5x22=33mm,d2=mZ2=1.5x66=99mm齒頂圓直徑：da1=d1+2m=33+2x1.5=36mm,da2=d2+2m=99+2x1.5=102mm齒寬：b= ψdd1=0.6x33=19.8mm, 取b2=b1+(5-10)=25-30mm,取b1=30mm。2.2.5 校核齒根彎曲疲勞強度δF=22KT1YFS/bmd1≤［δF］復合齒形系數(shù)Ys：由x=0（標準齒輪）及Z1 Z2查圖6-29得YFS1=4.12，YFS2=3.96則δf1=2kT1YFS1/bmd1=2x1.2x2.39x10 3x4.12/(19.8x1.5x33)=74.6Mpa＜［δF1］δf2=δf1YFS2/YFS1=(74.6x3.96/4.12)Mpa=71.70MPa＜［δF2］彎曲強度足夠。2.2.6 確定齒輪傳動精度齒輪圓周速度v=d1nπ/(60x1000)=3.14x72.5x970/(600x1000)=3.68m/s由表6-4確定第Ⅱ公差組為8級。第Ⅰ、Ⅱ公差組也定為8級，齒厚偏差選HK2.2.7 齒輪結構設計小齒輪 da1 =33mm 采用實心式齒輪大齒輪 da2 =99mm 采用腹板式齒輪2.3 電液脈沖馬達的選擇及運動參數(shù)的計算許多機械加工需要微量進給。要實現(xiàn)微量進給，步進電機、直流伺服交流伺服電機都可作為驅動元件。對于后兩者，必須使用精密的傳感器并構成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實現(xiàn)微量進給。在閉環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用電液脈沖馬達作為執(zhí)行單元。這是因為電液脈沖馬達具有以下優(yōu)點：●直接采用數(shù)字量進行控制;●轉動慣量小，啟動、停止方便；●成本低；●無誤差積累；●定位準確；●低頻率特性比較好；●調速范圍較寬；采用電液脈沖馬達為驅動單元，其機構也比較簡單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進電機每加一個脈沖轉過一個脈沖當量；但由于其脈沖當量一般較大，如0.01mm，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用電液脈沖馬達的細分驅動技術。1）電液脈沖馬達電機的選擇按照工作要求和條件選Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠型三相異步電機。2）選擇電液脈沖馬達的額定功率馬達的額定功率應等于或稍大于工作要求的功率。額定功率小于工作要求，則不能保證工作機器正常工作，或使馬達長期過載、發(fā)熱大而過早損壞；額定功率過大，則馬達價格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪費。工作所需功率為：Pw=FwVw/1000ηw KW Pw=Tnw/9950ηw KW 式中T=150N.M, nw=36r/min,電機工作效率ηw=0.97，代入上式得Pw=150×36/（9950×0.97）=0.56 KW電機所需的輸出功率為：P0= Pw/η式中：η為電機至工作臺主動軸之間的總效率。由表2.4查得：齒輪傳動的效率為ηw=0.97；一對滾動軸承的效率為ηw=0.99；蝸桿傳動的效率為ηw=0.8。因此，η=η1η2 3η3=0.97×0.99 3×0.8=0.75P0= Pw/η=0.56/0.75=0.747 KW一般電機的額定功率Pm=(1-1.3)P0=(1-1.3)0.747=0.747-0.97 KW則由表2.1取電機額定功率為：Pm=0.75 KW。確定電機轉速按表2.5推薦的各種機構傳動范圍為，取：齒輪傳動比：3-5，蝸桿傳動比：15-32，則總的傳動范圍為：i=i1×i2=3×15-5×32=45-160電機轉速的范圍為N= i×nw=(45-160)×36=1620-5760 r/min為降低電機的重量和價格，由表2.1中選取常用的同步轉速為3000r/min的Y系列電機，型號為Y801-2，其滿載轉速nm=3000r/min,此外，電機的安裝和外形尺寸可查表2.22.4 蝸輪及蝸桿的選用與校核由于前述所選電機可知T=6.93N.M傳動比設定為i=27.5，效率η=0.8工作日安排每年300工作日計，壽命為10年。2.4.1 選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿。2. 4. 2 選擇材料 考慮到蝸桿傳動效率不大，速度只是中等，故蝸桿用45號鋼；為達到更高的效率和更好的耐磨性，要求蝸桿螺旋齒面淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅Zcusn10p1，金屬鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。2.4.3 按齒面接觸疲勞強度設計根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，在校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距： ??232()EHZakT???(3-2) （1）確定作用在蝸輪上的轉距T 2按Z 1=2，估取效率η=0.8，則T2=T*η*i=153.4N.M (3-3)（2）確定載荷系數(shù)K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)K β=1；由使用系數(shù)K A表從而選取K A=1.15；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)K V=1.1；則K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27 (3-4)（3）確定彈性影響系數(shù)Z E選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配。（4）確定接觸系數(shù)Zρ先假設蝸桿分度圓直徑d 1和傳動中心距a的比值d1/a=0.30，從而可查出Zρ=3.12。（5）確定許用應力[σ H]根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應力[σ H]‘=268MPA。因為電動刀架中蝸輪蝸桿的傳動為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.92，則[σH]= KHN[σH]‘=0.92×268=246.56≈247MPA (3-5)（6）計算中心距 23160.71.2758.()4am????(3-6)取中心距a=50mm，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d 1=22.4mm，這時=0.448，從而可查得接觸系數(shù)=2.72，因為＜Z ρ，因此以上計算結果可用。2.5 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸2. 5. 1 蝸桿直徑系數(shù)q=17.92；分度圓直徑d 1=22.4mm，蝸桿頭數(shù)Z 1=1；分度圓導程角γ=3°11′38″蝸桿軸向齒距：P A==3.94mm；(3-7)蝸桿齒頂圓直徑：*123.2aadhm????(3-8)蝸桿軸向齒厚： /S?=1.97mm(3-10)2. 5. 2 蝸輪蝸輪齒數(shù)：Z 2 =62，變位系數(shù)Χ=0驗算傳動比：i= z/ 1=62/1=62(3-11)這是傳動比誤差為：（60-62）/60=2/60=0.033=3.3%(3-12)蝸輪分度圓直徑：d 2=mz2= .567.m??(3-13)蝸輪喉圓直徑：d a2=d2+2ha2=93.5 (3-14)蝸輪喉母圓直徑r g2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 (3-17)2. 5. 3 校核齒根彎曲疲勞強度 221.53[]aFFFkTYdm?????(3-18)當量齒數(shù) 3236/cos.1862oVZCOS???(3-19)根據(jù)Χ 2=0，Z V2=62，可查得齒形系數(shù) 2aFY=2.31，螺旋角系數(shù)Yβ=1-γ/140°=0.9773；(3-20)許用彎曲應力[δ F]= []'H?KFN[δF]=56×0.72=40.32MPa(3-21)[]'H?=1.531.2710445.5??2.31×0.9773=4.29MPa(3-22)所以彎曲強度是滿足要求的。2.6 軸的校核與計算2.6.1 畫出受力簡圖圖 3-1受力簡圖計算出：R 1=46.6N R2=26.2N 扭 矩 圖2. 6. 2 畫出扭矩圖 T=η.i.T電機 =0.36×60×0.98=21.2 N.M （3-33） 圖3-2扭矩圖 2. 6. 3 彎矩圖M=72.8×180×10-3 =13.1N. （3-34） 圖3-3彎矩圖2.7 彎矩組合圖由此可知軸的最大危險截面所在。組合彎矩' 22()MaT??（3-35）2.8 根據(jù)最大危險截面處的扭矩確定最小軸徑221()[]caMTW??????（3-36） 扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取α=0.6抗彎截面系數(shù)W=0.1d 3根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及小2.9 齒輪上鍵的選取與校核（1）取鍵連接的類型好尺寸因其軸上鍵的作用是傳遞扭矩，應用平鍵連接就可以了。在此用平鍵。由資料可查出鍵的截面尺寸為：寬度b=5mm，高度h=5mm，由連軸器的寬度并參考鍵的長度系列，從而取鍵長L=10mm。（2） 鍵連接的強度鍵、軸和連軸器的材料都是鋼，因而可查得許用擠壓力[δ p]= 50～60MPa，取其平均值[δ p]=135MPa。鍵的工作長度l=L-b=10-5=5mm，鍵與連軸器的鍵槽的接觸高度k=0.5h=2.5mm，從而可得：δp=2000T/(kld)=127≤[δ p]可見滿足要求。 此鍵的標記為：鍵B5×10 GB/T 1096—1979。2.10 軸承的選用滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動接觸來支撐轉動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。并且常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經標準化，因此使用滾動軸承時，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調整、潤滑、密封等有關的“軸承裝置設計” 問題。2. 10. 1 軸承的類型考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差，因此選用調心性能比較好的圓錐滾子軸承。此類軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，外圈可分離，安裝時可調整軸承的游隙。其機構代碼為3000，然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：30208。2. 10. 2 軸承的游隙及軸上零件的調配軸承的游隙和欲緊時靠端蓋下的墊片來調整的，這樣比較方便。2. 10. 3 滾動軸承的配合滾動軸承是標準件，為使軸承便于互換和大量生產，軸承內孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內孔的尺寸為基準；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準。2.10.4 滾動軸承的潤滑考慮到電動刀架工作時轉速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤滑，轉速越高，應采用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應選用粘度越高的。 2. 10. 5 滾動軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。此處，采用接觸式密封，唇形密封圈。唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應朝內；如果主要是為了防止外物浸入，蜜蜂唇應朝外。2.11 本章小結對數(shù)控回轉工作臺的主要零件及傳動系統(tǒng)的零件進行設計 選型 零件校核，按照機械設計一書進行設計，完成機械部分。