1、內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書學校代碼： 10128學 號： 本科畢業(yè)設計說明書 題 目學生姓名：包秀蘭學 院：機械學院系 別：機械系專 業(yè)：機械設計制造及其自動化班 級：指導教師：二 一 二 年 六 月摘 要并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)，又稱并聯(lián)結(jié)構(gòu)機床(Parallel Structured Machine Tools)、虛擬軸機床(Virtual Axis Machine Tools)，也曾被稱為六條腿機床、六足蟲(Hexapods)。并聯(lián)機床是近年來國內(nèi)外機床研究的熱點，它具有自由度多、剛度高、精度高、傳動鏈短、制造成本低等優(yōu)點。但其也不足之處，其中位置正

2、解復雜就是關鍵的一條。6-SPS伸縮式并聯(lián)機床是Stewart機床的一種變形結(jié)構(gòu)形式，它主要特點是動、靜平臺上的6個關節(jié)點分別分布在同一個平面上，且構(gòu)成的形狀相似。并聯(lián)機床是集機械、氣動（液壓）、控制技 9! Eq 術于一體的典型的機電一體化設備，它容易實現(xiàn)“六軸聯(lián)動”，有望成為21世紀高速輕型數(shù)控加工的主力設備。本課題結(jié)合本院實驗室建設，設六自由度并聯(lián)機床機構(gòu)，使其能根據(jù)工藝要求進行加工。 d)dL%9K$ 提高學生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合實踐及應用能力。 本課題設計的主要針對并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設計，其內(nèi)容主要包括機器人設計方案的確定，機器人機構(gòu)設計計算，以及滾珠絲杠螺母副、步進電機、滾動軸承、

3、聯(lián)軸器等主要零部件的計算選用，并利用PRO/E軟件繪制各相關零部件的三維實體零件圖和總裝配圖，以期達到能直觀看出并聯(lián)機床實體機構(gòu)的效果。關鍵詞：并聯(lián)機床；步進電動機；空間變換矩陣；滾珠絲杠螺母副AbstractPMT (Parallel Machine Tools), also known as the parallel structure machine (Parallel Structured Machine Tools), Virtual Axis Machine Tool, has also been known as the six-legged machine, six-legge

4、d insects (Hexapods).Parallel machine is in recent years the domestic machine tool research hot spot, it has multiple degrees of freedom, high rigidity, high precision, short transmission chain, with low manufacturing cost.But its shortcomings, in which the forward solution of position of a complex

5、is the key. 6-SPS telescopic type parallel machine tool is Stewart machine tools, a deformable structure form, it is the main characteristics of dynamic, static platform on the 6joints are respectively distributed on the same plane, and form the shape similarity.Parallel machine is a mechanical, pne

6、umatic (hydraulic), control technology in one of the typical electrical and mechanical integration equipment. Parallel machine is easy to achieve "six-axis", is expected to become the 21st century, the main high-speed light CNC machining equipment. The combination of hospital laboratory co

7、nstruction project, located six-DOF parallel machine tool sector, so that it can be processed according to process requirements. Improve their engineering quality, innovation, comprehensive practice and application of skills.The main topics for the design of parallel machine tool design, its content

8、 includes the determination of robot design, robot design and calculation, and the ball screw pair, stepping motor, bearings, couplings, limit switch, spindle ,and other major components of the calculation used to draw solid model and using Pro/E software to draw the relevant parts of the three-dime

9、nsional solid parts drawings, and assembly drawings to achieve the parallel machine tool can directly see the effect of physical bodies.Keywords: parallel machine；Stepping motor；space transformation matrix；ball screw pair目 錄第一章 總體方案的確定11.1 課題的研究背景11.2 課題研究的意義21.3 課題研究的內(nèi)容31.3.1 并聯(lián)機構(gòu)介紹31.3.2 并聯(lián)機床設計類型的

10、選定31.3.3 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設計的相關計算41.3.4 各零部件的三維建模、裝配與二維圖的轉(zhuǎn)化4第二章 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設計相關計算52.1 6-SPS伸縮式并聯(lián)機床位置逆解計算與分析52.1.1 6-SPS并聯(lián)機器人機械結(jié)構(gòu)簡介62.1.2 坐標系的建立62.1.3 初始條件的確立72.1.4 空間變換矩陣的求解72.1.5 新坐標及各軸滑塊移動量的計算92.1.6 并聯(lián)機床桿系簡化分析122.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型142.2.1 最大工作載荷的計算152.2.2 最大動載荷的計算152.2.3 規(guī)格型號的初選162.2.4 傳動效率的計算172.2.5 剛度的驗算172.2.6 穩(wěn)定

11、性的校驗192.2.7 滾珠絲杠總長度的確定202.3 滾動軸承的選用202.3.1 基本額定載荷202.3.2 滾動軸承的選擇202.3.3 軸承的校核222.4 步進電動機的計算與選型222.4.1 步進電機轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動慣量的計算222.4.2 步進電機轉(zhuǎn)軸上等效負載轉(zhuǎn)矩的計算242.4.3 步進電動機尺寸272.5 聯(lián)軸器的選用28第三章 并聯(lián)機床三維建模、裝配與出圖303.1 Pro/E軟件的概述303.2 Pro/E的功能303.3 主要零部件的Pro/E建模313.4 零件的裝配323.5 CAXA電子圖版概述333.6 Pro/E繪圖導入CAXA方法333.7 二維圖的處理34第

12、四章 并聯(lián)機床前景展望364.1 引言364.2 并聯(lián)機床未來研究方36總結(jié)38參考文獻39謝 辭40第一章 總體方案的確定1.1 課題的研究背景為了提高對生產(chǎn)環(huán)境的適應性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機床制造業(yè)都在積極探索和研制新型多功能的制造裝備與系統(tǒng)，其中在機床結(jié)構(gòu)技術上的突破性進展當屬90年代中期問世的并聯(lián)機床(Parallel Machine Tools)，又稱虛(擬)軸機床(Virtual Axis Machine Tool)或并聯(lián)運動學機器(Parallel Kinematics Machine)。并聯(lián)機床實質(zhì)上是機器人技術與機床結(jié)構(gòu)技術結(jié)合的產(chǎn)物，其原型是并聯(lián)機器人操作機

13、。與實現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標數(shù)控機床相比，并聯(lián)機床具有如下優(yōu)點：    剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準靜態(tài)情況下，傳動構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動機構(gòu)的單位重量具有很高的承載能    響應速度快：運動部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動態(tài)品質(zhì)，允許動平臺獲得很高的進給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。    環(huán)境適應性強：便于可重組和模塊化設計，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動平臺上安裝刀具可進行多坐標銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加

14、工。裝備機械手腕、高能束源或CCD攝像機等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測量等作業(yè)。 技術附加值高：并聯(lián)機床具有“硬件”簡單，“軟件”復雜的特點，是一種技術附加值很高的機電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟回報。    目前，國際學術界和工程界對研究與開發(fā)并聯(lián)機床非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機。1994年在芝加哥國際機床博覽會上，美國Ingersoll銑床公司、Giddings & Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機床與加工中心，引起轟動。此后，

15、英國Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司, 瑞士ETZH和IFW0研究所，德國亞琛工業(yè)大學、漢諾威大學和斯圖加特大學等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機床、坐標測量機和加工中心。與之相呼應，由美國Sandia國家實驗室和國家標準局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會，并在國際互聯(lián)網(wǎng)上設立站點。近年來，與并聯(lián)機床和并聯(lián)機器人操作機有關的學術會議層出不窮，例如第4749屆CIRP年會、19981999年CIRA大會、ASME第25屆機構(gòu)學雙年會、第10屆TMM世界大會均有大量文章涉及這一領域。由美國

16、國家科學基金會動議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國際并聯(lián)運動學機器專題研討會，并決定第二屆研討會于2000年在美國密執(zhí)安大學舉行。19941999年期間，在歷次大型國際機床博覽會上均有這類新型機床參展，并認為可望成為21世紀高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。 我國已將并聯(lián)機床的研究與開發(fā)列入國家“九五”攻關計劃和863高技術發(fā)展計劃，相關基礎理論研究連續(xù)得到國家自然科學基金和國家攀登計劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機床的研發(fā)納入教育部211工程重點建設項目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機床骨干企業(yè)的參與。在國家自然科學基金委員會的支持下，中國大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在

17、清華大學召開了我國第一屆并聯(lián)機器人與并聯(lián)機床設計理論與關鍵技術研討會，對并聯(lián)機床的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢以及亟待解決的問題進行了研討。整體而言，傳統(tǒng)的串聯(lián)機構(gòu)機床，是屬于數(shù)學簡單而機構(gòu)復雜的機床，而相對的，并聯(lián)機構(gòu)機床則機構(gòu)簡單而數(shù)學復雜，整個平臺的運動牽涉到相當龐大的數(shù)學運算，因此虛擬軸并聯(lián)機床是一種知識密集型機構(gòu)。這種新型機床完全打破了傳統(tǒng)機床結(jié)構(gòu)的概念，拋棄了固定導軌的刀具導向方式，采用了多桿并聯(lián)機構(gòu)驅(qū)動，大大提高了機床的剛度，使加工精度和加工質(zhì)量都有較大的改進。另外，由于其進給速度的提高，從而使高速、超高速加工更容易實現(xiàn)。由于這種機床具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度以及重量輕、機械結(jié)

18、構(gòu)簡單、制造成本低、標準化程度高等優(yōu)點，在許多領域都得到了成功的應用，因此受到學術界的廣泛關注。由并聯(lián)、串聯(lián)同時組成的混聯(lián)式數(shù)控機床，不但具有并聯(lián)機床的優(yōu)點，而且在使用上更具實用價值。1.2 課題研究的意義并聯(lián)機床對于實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強度、 yt(_ Oi 保障生產(chǎn)安全具有重要意義。并聯(lián)機床是集機械、氣動（液壓）、控制技 9! Eq 術于一體的典型的機電一體化設備。并聯(lián)機床容易實現(xiàn)“六軸聯(lián)動”，有望成為21世紀高速輕型數(shù)控加工的主力設備。本課題結(jié)合本院實驗室建設，設六自由度并聯(lián)機床機構(gòu)，使其能根據(jù)工藝要求進行加工。從而使學生得到一次機械結(jié)構(gòu)設計、氣動（液壓）系統(tǒng)設計

19、 d)3ceJ: 的訓練。 d)dL%9K$ 提高學生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合實踐及應用能力。1.3 課題研究的內(nèi)容設計過程中需要做的工作主要有：第一、收集相關資料，在了解6-SPS伸縮式并聯(lián)機床工作原理的基礎上，制定出滿足設計要求的結(jié)構(gòu)方案，繪制出主要結(jié)構(gòu)。第二、完善機床的結(jié)構(gòu)設計，完成傳動零部件的設計、選型。第三、對并聯(lián)機床工作原理及運行情況做簡單分析、計算。第四、利用CAXA、PRO/E軟件建立零件圖、裝配模型，完善整機結(jié)構(gòu)。1.3.1 并聯(lián)機構(gòu)介紹一并聯(lián)機構(gòu)的定義并聯(lián)機構(gòu)（Parallel Mechanism，簡稱PM），可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具

20、有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機。二并聯(lián)機構(gòu)的特點 并聯(lián)機構(gòu)主要具有以下特點： （1）與串聯(lián)機構(gòu)相比剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定； （2）承載能力大； （3）微動精度高； （4）運動負荷小； （5）在位置求解上，串聯(lián)機構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機構(gòu)正解困難反解卻非常容易。三6自由度并聯(lián)機構(gòu)6自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，但這類機構(gòu)有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。從完全并聯(lián)的角度出發(fā)，這類機構(gòu)必須具有6個運動鏈。但現(xiàn)有的并聯(lián)機構(gòu)中，也有擁有3 個運動鏈的6 自由度并聯(lián)

21、機構(gòu)，如3-PRPS 和3-URS 等機構(gòu)，還有在3 個分支的每個分支上附加1個5桿機構(gòu)作這驅(qū)動機構(gòu)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)等。 1.3.2 并聯(lián)機床設計類型的選定6自由度并聯(lián)機器人有很多種結(jié)構(gòu)類型，如6-SPS型、6-PTRT型、6-PSS型等等。根據(jù)導師提供的參考資料以及畢業(yè)設計任務書，選定6-SPS型并聯(lián)機床進行設計。6-SPS伸縮式并聯(lián)機構(gòu)是將6套驅(qū)動模塊固定在連桿上，每套驅(qū)動模塊連接1套連桿機構(gòu)，連桿機構(gòu)末端與運動平臺連接，由步進電機驅(qū)動絲杠螺母副，使絲母滑座做傾斜（與連桿平行）方向的運動，然后通過連桿聯(lián)動，帶動運動平臺產(chǎn)生運動。可以定義為動平臺和定平臺通過六個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有

22、6個自由度，伸縮式且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機。此類型并聯(lián)機床主要零部件包括步進電機、滾珠絲杠螺母副、連桿、運動平臺、底座、立柱、頂蓋、運動鉸鏈等，在研究過程中必須加強了解，使得并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設計得更加合理。1.3.3 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設計的相關計算一并聯(lián)機器人位置逆解的算（1）坐標系的建立；（2）初始條件的確立；（3）空間變換陣的求解；（4）求各軸的變化距離，實現(xiàn)逆解；（5）計算結(jié)果的簡化分析。二滾珠絲杠螺母副的計算與選型三步進電機的計算與選型四其他主要零部件的計算與選用 1.3.4 各零部件的三維建模、裝配與二維圖的轉(zhuǎn)化為了較為直觀的看出并聯(lián)機床空間結(jié)構(gòu)的特征，采用PRO/E軟件對并聯(lián)機床各零部

23、件進行三維建模并裝配，以達到預期效果。在三維建模完成后將其轉(zhuǎn)化成CAXA電子圖版二維圖進行修改完善，以便打印出圖。第二章 并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)設計相關計算此部分主要包括6-SPS伸縮式并聯(lián)機床位置逆解的相關計算與分析，滾珠絲杠螺母副的計算與選型，滾動軸承的選用，步進電機的計算與選型，聯(lián)軸器的選用與校核的選用等。所設計的6-SPS伸縮式并聯(lián)機床實物圖如圖2-1所示： 圖2-1 6-SPS伸縮式并聯(lián)機床模型 2.1 6-SPS伸縮式并聯(lián)機床位置逆解計算與分析該部分根據(jù)劉國平、李建武等6-SPS并聯(lián)機器人一種逆解算法研究主要介紹了6-SPS并聯(lián)機器人位置逆解的一種求解方法，該方法采用坐標變換原理，求得運動平

24、臺上的任意點經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)后的新坐標，再根據(jù)6-SPS機械結(jié)構(gòu)的特點，通過幾何方法求出各軸滑塊的移動距離，從而實現(xiàn)逆解的求，并根據(jù)張曙的并聯(lián)運動機床加以分析處10。2.1.1 6-SPS并聯(lián)機器人機械結(jié)構(gòu)簡介 該類型并聯(lián)機器人采用6-SPS結(jié)構(gòu)，簡圖如圖2-2所示，其中1：固定支；2：運動滑塊；3：連桿；4：活動平臺。 6-SPS并聯(lián)機器人的工作原理是通過步進電機驅(qū)動滾珠絲桿，帶動絲桿上滑塊與連桿并行的移動，滑塊又通過虎克鉸帶動連桿運動，從而使活動平臺變化在空間的位置和姿態(tài)。 圖2-2 6-SPS并聯(lián)機床機構(gòu)簡圖2.1.2 坐標系的建立為求解6自由度平臺的空間位置關系，首先建立動、靜兩坐標系，

25、靜坐標系原點位于上平臺中心，動坐標系原點。位于下平臺中心，各軸指向如圖所示，動靜平臺坐標系方向保持一致，坐標系如圖2-3所示。其中，Bi各點是上虎克鉸的幾何中心，Bi所在圓是以上虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓；Pi各點是下虎克鉸的幾何中心，Pi所在圓是以下虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓(i=l、26)。 123456 圖2-3 坐標系示意圖 其中上下虎克鉸中心所在平面之間的距離定為324.03mm，上虎克鉸中心;且關于上虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓成分布，對稱。下虎克鉸中心 ; ; ; 且關于下虎克鉸幾何中心所構(gòu)成圖形的外接圓成分布、對稱。上平臺虎克鉸幾何中心所在圓半徑為500mm，下

26、平臺虎克鉸幾何中心所在圓半徑為120mm。2.1.3 初始條件的確立當已知機構(gòu)的基本尺寸，在所建立的坐標系上，由于上、下平臺的各個鉸點和(i=l，26)對于坐標系的幾何關系已確定(如各鉸點與原點的連線和X軸的夾角為定值)，通過幾何關系就可計算出各鉸點在靜坐標系中的坐標值，即各個鉸點和的坐標值可計算出來而成為已知條件。 經(jīng)計算可知： 上平臺各個交點坐標為： B1(-171.01，-469.85，324.03) B2 (171.01，-469.85，324.03) B3(492.4，-469.85，324.03) B4(321.39，383.02，324.03) B5(-321.39，383.02

27、，324.03) B6(-492.40，86.82，324.03) 下平臺各個交點坐標為： P1(-82.60，-87.04，0) P2(82.60，-87.04，0) P3(116.68，-28.01，0) P4(34.08，115.06，0) P5(-34.08，115.06，0) P6(-116.68，-28.01，0)2.1.4 空間變換矩陣的求解假定動坐標系沿定坐標系的X、Y、Z坐標軸分別平移XPYPZP后，再在新的坐標系下繞X軸旋轉(zhuǎn)，繞Y軸旋轉(zhuǎn)，繞Z軸旋轉(zhuǎn) ，則坐標變換矩陣：9 (21) 其中： ；其他依此類推。隨著滑塊的移動，活動平臺各鉸點也隨之到達新的位置，設為到達新位置時的坐

28、標值，則有 。根據(jù)畢業(yè)設計任務書技術參數(shù)中機床運動平臺的動作范圍，不妨假定運動平臺處于其中一極限位置時有且；于是計算可得： 假定運動平臺處于另一極限位置時有且；此時： 2.1.5 新坐標及各軸滑塊移動量的計算 當計算滑塊的移動量 計算新坐標： 根據(jù)上述計算方法可知： (22) 其中以及分別表示和的齊次坐標，參考工業(yè)機器人第二版229。故的坐標為：同理可以計算得： 求到的距離，到的距離： 如圖2-4所示，是與Z軸平行且經(jīng)過點的直線，垂直于，垂足為(i=1,2,.,6)，則可構(gòu)建出一個直角三角形，由于平行于靜坐標系的軸，所以與僅Z軸坐標不同，即， 。圖2-4 計算幾何圖于是， (23)到得距離為上

29、下虎克鉸中心的距離，此距離不變所以：由于 (24)代入相關數(shù)據(jù)可求得： ； ；求各軸上滑塊的移動量： (25) 代入相關數(shù)據(jù)可求得： 以上計算結(jié)果,“-”值表示沿Z軸負方向移動；反之則表示沿Z軸正方向移動。 當 計算滑塊的移動量計算新坐標： 根據(jù)上述相同計算方法與過程，同理可以計算得： 求到的距離，到的距離： 同上， 代入相關數(shù)據(jù)可求得：而 代入相關數(shù)據(jù)可求得： ； ；求各軸上滑塊的移動量：代入相關數(shù)據(jù)可求得： 以上計算結(jié)果,“-”值表示沿Z軸負方向移動。 綜上計算結(jié)果可知，滑塊的最大位移量為191.24mm,圓整為195mm；據(jù)此可知滾珠絲杠螺紋的有效行程不得低于195mm。2.1.6 并聯(lián)

30、機床桿系簡化分析 跟據(jù)張曙并聯(lián)運動機床第78頁的相關內(nèi)容，將并聯(lián)機器人桿系配置簡化為平面機構(gòu)進行分析計10。 以刀頭點沿X方向從0到100mm每移動10mm為參考，即=10mm；據(jù)此計算機床每根軸上滑塊的移動量，記為（同2.1.5中的計算）。此時坐標變換矩陣為： (26) 按照2.1.5中相關滑塊位移量的計算方法，容易計算出各滑塊的移動量如下：軸1上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -0.16 -0.65 -1.34 -2.53 -3.93 -5.65 -7.69 -10.05 -12.75 -15.79 0.16 0.49 0.69 1.19

31、1.4 1.72 2.04 2.36 2.7 3.04 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸2上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -0.11 -0.54 -1.27 -2.31 -3.66 -5.32 -7.3 -9.6 -12.24 -15.22 0.11 0.43 0.73 1.04 1.35 1.66 1.98 2.3 2.64 2.98 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸3上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -4.35 -9.09 -14.2

32、1 -19.74 -25.71 -32.12 -39.03 -46.45 -54.43 -63.03 4.35 4.74 5.12 5.53 5.97 6.41 6.91 7.42 7.98 8.6 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸4上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 -4.32 -9.08 -14.23 -19.8 -25.78 -32.23 -39.16 -46.61 -54.63 -63.26 4.32 4.76 5.15 5.57 5.98 6.45 6.93 7.45 8.02 8.63 10 10 10 1

33、0 10 10 10 10 10 10軸5上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 4.11 7.80 11.16 14.19 16.91 19.33 21.44 23.25 24.78 26.02 4.11 3.69 3.36 3.03 2.72 2.42 2.11 1.81 1.53 1.24 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10軸6上滑塊X 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z 0 4.03 7.7 11.04 14.05 16.75 19.14 21.23 23.02 24.53 25.74

34、 4.03 3.67 3.34 3.01 2.7 2.39 2.09 1.79 1.51 1.21 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10根據(jù)上述計算可知： (27) 于是根據(jù)虛功原理及運動學知識有： (28) 假定刀頭點在加工時X、Y、Z方向上所受最大切削力均為100N，有設計要求技術參數(shù)，X、Y、Z方向上的最大移動速度均為100mm/s 。由于 ，這使得滑塊上所受Z方向的力與刀頭點處受力出現(xiàn)巨大波動，并且參考的劃分越細可能出現(xiàn)的波動越大，此處取平均值予以計算： 代入數(shù)值計算得： 以刀頭點沿Y方向從0到100mm每移動10mm為參考時，相關計算與沿X方向的計算方法相同并且

35、結(jié)果相差不大，可取X方向計算結(jié)果。 以刀頭點沿Z方向從零到100mm每移動10mm為參考時，顯然滑塊和運動平臺（刀頭點）移動速度相同，即有： 此時可知： 從上所述：刀頭點以最快速度運動并且受到最大切削力時，各軸滑塊最快移動速度和根據(jù)虛功原理轉(zhuǎn)換到滑塊上沿Z軸的最大作用力分別為 2.2 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 該部分主要介紹滾珠絲杠螺母副最大工作載荷的計算、初選型號和剛度的驗算等。2.2.1 最大工作載荷的計算根據(jù)機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書第37頁滾珠絲杠副的計算與選型，最大工作載荷是指滾珠絲杠在驅(qū)動時所承受的的最大軸向力，也叫進給牽引6。它包括滾珠絲杠螺母副的進給力和移動部件的重力。

36、從左邊的幾何圖可以看出： (29) 豎直方向最大工作載荷為： （210) 折算到滾珠絲杠上的最大工作載荷： (211) 圖2-5 幾何圖2.2.2 最大動載荷的計算選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向載荷作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載，根據(jù)機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書38頁6，用以下公式計： (212) (213) (214) 式中： 滾珠絲杠副壽命，以10r為單位 硬度系數(shù)，=1 載荷系數(shù)，機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表3-30查得，取中等沖擊值=1.2 絲杠轉(zhuǎn)速 為最大切削力條件下

37、的進給速度 絲杠導程 為使用壽命，對于數(shù)控機床取T=15000h 初選導程=5mm，由2.1.6最大切削力下的速度，代入公式可計算得： = = 2.2.3 規(guī)格型號的初選初選滾珠絲杠副的規(guī)格時，應使其額定動載荷 ；初選海特傳動部件高速靜音型滾珠絲杠，型號為SFS03205-3.8(pdf35頁)，其參數(shù)如表2-1所示：圖2-6 滾珠絲杠螺母副外形尺寸表2-1 滾珠絲杠螺母副參數(shù)表該型號滾珠絲杠螺母副額定動載荷，滿足額定動載荷的要求。2.2.4 傳動效率的計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書3-24式可6： (215) 式中: 絲杠螺旋升角 摩擦角，其摩擦角約等于 其中

38、: (216) 絲杠導程，=5mm 公稱直徑，近似取為=32mm 所以 代入公式計算得：2.2.5 剛度的驗算根據(jù)指導書3-28表，采用單推-單推的形式來安裝滾珠絲杠副簡圖如圖2-5所示6： 圖2-7 滾珠絲杠副支承形式 滾珠絲杠副的軸向變行主要包括絲杠的拉伸或壓縮、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形等，從以下方面計算： 絲杠的拉伸或壓縮變形量在總的變形量中占的比重較大,按機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書3-25式計算6，公式如下： (217) 式中: 絲杠的變形量（mm） 絲杠的最大工作載荷（N） 材料彈性模數(shù)，對鋼E=21MPaS絲杠按底徑確定的截面積（）絲杠兩端支承間的距離（mm）“+”號用于

39、拉伸，“-”號用于壓縮。其中；（絲杠的底徑，按照機電裝備設計136頁8，取d=20mm）。由機電裝備設計課本3-21表可知8，取余程為20mm，所選絲杠副螺母裝配總長為L=42mm，則初步計算螺桿螺紋長度： (218)取支承跨距為=320mm 代入公式計算得：=0.0058mm 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書3-27式可知6： (219)式中: 滾珠直徑，=3.175mm預緊力，取軸向預緊力為 滾珠總數(shù)量，（圈數(shù)3.8，列數(shù)1） Z單圈滾珠數(shù)，（為公稱直徑） 即， 圓整為120 代入公式得： 剛度的驗算絲杠的總變形量 (220)顯然，小于要求的重復定位精度0.0

40、5mm，滿足設計要求。2.2.6 穩(wěn)定性的校驗 滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，如果軸向負載過大，則可能產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。可根據(jù)機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書3-28式進行校6： (221) 式中： 臨界載荷，單位為N； 絲杠支撐系數(shù)，根據(jù)機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書3-34表，取；材料彈性模數(shù)，對鋼E=21MPa K 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為2.54，垂直安裝取K=3； a 絲杠兩端支承間的距離（mm），a=320mm；I 滾珠絲桿橫截面慣性矩單位，按底徑計算；其中：（材料力學） (222) 代入公式計算得：顯然，即所選滾珠絲桿壓桿穩(wěn)定性完全滿足要求。2.2.7 滾珠絲杠總長度的確定圖2-

41、8 滾珠絲杠尺寸圖總長度：L=20+278+31.5+14+12.5=356mm2.3 滾動軸承的選用2.3.1 基本額定載荷 (223) 式中： 速度系數(shù)，由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書查表4.2-8，取=0.370； 壽命系數(shù)，由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書查表4.2-8，取=3.11； 當量動載荷，由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書查表4.2-84，取；2.3.2 滾動軸承的選擇滾珠絲桿的公稱直徑為12mm，基本額定載荷=1168.46N，根據(jù)以上條件選擇（角接觸球軸承）。表2-2 軸承參數(shù)基本尺寸mm基本額定載荷/KN極限轉(zhuǎn)速/（r/min）質(zhì)量/kg軸承代號dDB脂油7000

42、0C（AC.B）型25471211.27.0812000170000.0747005AC其它尺寸/mm安裝尺寸/mma31.940.114.40.60.1530420.6圖2-9 軸承外形尺寸 根據(jù)十字軸的直徑可以選擇60000型深溝球軸承，型號為626。表2-3 軸承參數(shù)基本尺寸mm基本額定載荷/KN極限轉(zhuǎn)速/（r/min）質(zhì)量/kg軸承代號dDB脂油70000型61962.801.0528000360000.0008626安裝尺寸mm其他尺寸mm8.417.00.310.715.70.32.3.3 軸承的校核（1）壽命校核 (224) 式中： 額定動載荷，=11200N 工作轉(zhuǎn)速， 當量動

43、載荷，=1205N遠大于15000h，所以滿足要求。（2）額定靜載荷校核 (225) 式中： 基本額定靜載荷（N） 當量靜載荷，由機械設計使用手冊查表4.2-84得 安全系數(shù)，由機械設計使用手冊查表4.2-16得=2遠大于2410N，所以滿足要求。2.4 步進電動機的計算與選型根據(jù)指導書61頁6，對步進電動機的計算與選型，通常按一下幾個步驟進： 根據(jù)機械結(jié)構(gòu)，求得加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動慣量； 計算不同工況下加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩； 取其中較大值，作為確定步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)； 根據(jù)運行矩頻特性、起動慣頻特性等，對初選步進電動機進行校核。2.4.1 步進電機轉(zhuǎn)軸上總轉(zhuǎn)動慣量

44、的計算、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量計算 由機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書表4-1知，圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式如下6： (226) 式中: 材料密度（kg/cm3），取; L 絲杠總長，L=356mm=35.6cm； 絲杠的公稱直徑，取=32mm=3.2cm； 代入公式計算得 ： 控制系統(tǒng)采用步進電機單片機控制系統(tǒng)，調(diào)速靈活，可不用減速齒輪直接通過聯(lián)軸器與電機直接連接，絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： (227) 、滑塊等部件折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書4-1表公式6： (228) 式中： 絲杠導程，取； 分配到每根軸移動部件的平均質(zhì)量，取為3kg；代入公式計算得： 、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算由于絲杠是通過聯(lián)軸器與電機直接進行連接的，所以，絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： (229) 根據(jù)機電裝備設計課本第2448，為使步進電機具有良好的起到性能及較快的響應速度，所選電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量應滿足，由此可知所選電機轉(zhuǎn)動慣量不小于719.75。據(jù)此可初步選擇步進電機：由北京和利時56系列二相混合式步進電機.pdf第一頁，初選步進電機為56BYG250E-SASSBL0601型號，其參數(shù)表如表2-2所示：表2-4步進電動機參數(shù)表顯然，該步進電動機