滚珠丝杠设计

摘要本文主要致力于发动机缸盖气门导管压装设备进给系统设计，并根据所学专业知识，进行发动机缸盖气门导管压装工艺分析和工艺设计，主要完成了压装设备进给系统 设计，气门导杆压装工艺分析与设计，参与压装装备总体设计，完成外文资料翻译。根据压装的要求本文提出了四种方案并进行了简单比较，最后选中其中一种， 并进行具体设计，本文主要介绍数控十字滑台的设计方法，并完成了机床的总体 设计和装配，机床主要针对发动机气门导管的压装工作，并有一定的柔性，可以 在简单编程和修改程序的基础上适应不同的导管压装工作，本文也从事机床主体 的相关工作，并对软件控制方面提出具体要求。通过完成载荷计算，导轨选型，滚珠丝杠选型，步进电机选型以及十字滑台结 构设计，最后设计的压装机床的进给部分确定下来，具有很好的可行性。关键词 十字滑台 ； 滚珠丝杠 ； 滑动导轨 ；步进电机。1 绪论为实现发动机缸盖气门导管的压装工作，现要设计制造一台专用机床，以高效的 方式完成气门导管的压装工作。发动机缸盖气门导杆压装设备进给系统设计，下称进给系统。分析发动机缸盖资料 可知在一个缸盖上有四个导杆需要压装，发动机气门导杆有很重要的作用，气门导杆是 与气缸盖压配在一起，是汽车发动机气门的导向装置，主要是对气门起导向作用，同时 使气门杆上的热量经气门导管传给汽缸盖。毕业设计主要内容是根据所学专业知识，分小组进行发动机缸盖气门导杆压装工艺 分析和工艺设计，主要完成压装设备进给系统设计。气门导杆压装工艺分析与设计，参 与压装装备总体设计，进给系统设计，外文资料翻译，并最后完成设计说明书。根据图纸要求和有关数据可以选择液压滑台进给系统和数控十字滑台，另外还有手 动进给系统。进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，要求进给伺服能快速调节坐标 轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定 性好、动态响应快。该毕业设计的目的就是要设计一套进给系统从而完成相应四个位置 的气门导杆的压装工作并使压装后的气门导杆满足一定的位置要求。手动进给反应慢精 度低，不适合快速大量的设备。现阶段的压装方法一般有：常温下压装、液氮冷却压装及缸盖加热压装等。气门 导管与气缸盖之间要求有一定的紧度，因此，安装时最好采用压入法将气门导管正直地 压入气缸盖中。由于人工操作随意性大 ,经常压歪 ,压歪后又要再压出 ,所以不仅劳动 强度大 ,而且效率低。并且这样极易损坏导管，有时还可能使整个缸盖报废。考虑到本 课题的实际情况，综合经济效益等多方面的因素，最终采用常温压装。现阶段压装进给系统有多种形式，有液压，滚珠丝杠，气动等，在要求有定位要求 的位置多用滚珠丝杠以保证精度，液压用在受力很大精度不高的场合，现阶段数控机床 进给系统多用滚珠丝杠并配合伺服电机。国内外的专用数控机床也多采用这种形式，因 此本课题可以很好地应用已有的成熟技术进行研究处理从而完成进给系统的设计。2 技术方案方案一：如图下图所示，缸盖以底面、两对角座圈孔在工装上定位。工装上有四个伸入座圈孔内的凸台，凸台高度土5，用以控制导管压装的轴向位置。设置在凸台中的伸缩销用以实现导管的定心，伸缩销随压装过程下缩，保证其不干涉压装过程。压装之前在导管外圈均匀的涂一层二硫化钼膏，将其套装在伸缩销上。因为导管长 度有一定的公差，为保证将每一导管压装至限位凸台，保证其下端面距底面的尺寸土 5, 可采用逐个压装的方法。为实现逐个压装，可将图所示的工装与工件分别送至压头下，并逐一压装。可采用数 控十字滑台实现。方案二：还是上图，只是压头改为四个导管一起压的形式，这样生产效率可以大大提高，但是压头会变得很复杂，同时考虑到此发动机年生产批量不是很大，四个压头一 起压力的分配不易平很。不过这样一来机床的进给系统就会大大简化，但是鉴于毕业设 计的题目是进给系统的设计，所以进给系统不能过于简化。方案三：工作台采用液压推进，采用行程开关来控制进给量的大小，此方案实现容 易，成本较低，但是后续工作繁多，还要配备液压油路和电路控制总的看来工作了也很大 而且液压油的泄漏不易清理。方案四：采用手动进给，进给系统简单，但是对工人要求较高，定位不易保证，生产 效率很低。综合分析以上的四个方案，方案一符合毕业设计工作量要求，可以很好的锻炼自己的 能力，并且综合了机械设计，电机选择，数控程序的编制等学科，因此选择方案一是很 好的选择。3 理论分析传动系统拟定包括滚珠丝杠及其支承组合方式 , 伺服电动机及其反馈装置选择 , 精度验算等 。应用用于数控机床的伺服机构有开环、半闭环 、闭环和混合伺服几种方 式 。开环系统主要多用在经济型数、控系统或老设备的数控改造 ; 混合伺服方式只有 在大型机床中使用。在半闭环方式中 , 机床定位精度很大程度取决于滚珠丝杠的精度 , 通过选用高精 度的滚珠丝杠 , 辅以螺距误差补偿等措施 , 半闭环完全可以满足普通精度级的加工中 心的定位精度的要求 。对定位精度特别高的加工中心来说 , 由于螺距误差补偿受丝杠 温度变化的影响和反向间隙补偿受工件重量变化的影响 , 半闭环方式已不能满足其精度 要求 。在以上几种方式中 , 一般根据目标给定的精度要求 、机床种类来选用适当的伺服 方式 。半闭环是被最广泛使用的伺服方式 。一般在设计是选用半闭环方式进行初步设 计与计算 , 当半闭环方式不能满足要求才选用全闭环方式和混合伺服方式 。采用所学的接口和相关控制原理与编程可以完成对步进电机的控制，从而实现工作 台的精确定位，使的误差严格控制在允许的范围内。 本设计根据定位误差的要求和 控制精度，选用开环控制来控制步进电机，在步进电机不失步的情况下满足控制 要求。为了减小动静摩擦力之差，防止出现爬行现象，采用滚动导轨，运动传递 采用滚珠丝杠，这样设计的运动部分方案基本确定，在下文中将具体选择型号。4机床设计机床压装力压装力的介绍根据毕业设计题目要求，对于气门导管的压装，压装力的大小对机床的大小，功 率等有很大影响，是选择支持导轨和支持结构的决定性参数，因此压装力的计算方式和 计算中的参数选择有严格要求。技术数据缸盖材质为HT250,硬度190250HB；导管材质为合金铸铁，硬度220270HB；气门导管在室温时压装，压装前在导管外均匀涂一层润滑剂二硫化钼;导管与底孔配合的最小过盈量为，最大过盈量为压装力计算过盈配合压装力压强计算公式:八k十J!： -1-被包容件和包容件材料的弹性模量； n被包容件和包容件的刚性系数;查表得巧 I規，lJT -1 丈查表得匚 I.: .：1| = SlILlt. :切=JJLII由所给图片资料可知导管与底孔配合的最大过盈量为有计算式(2)(3)可得:I I二 :二 二打o.: II = i k dlpo所以配合面压强为:配合面处的最大压装力:查表得i l：l 1查图片资料得1I. vILLJ Uli所以由(5)计算的I； I 上一WUZ二八以上公式及数据来至于参考资料11由于此公式趋于保守计算的压装力较大，有足够的大小可以满足压装要求，所以取最大 压装力即为选择导轨和压头的参考依据，不需要再乘以一个安全系数。机床的总体设计机床的总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技术性能和经济性能指标起着决 定性作用，机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计 的依据；然后进行工艺分析，拟定出性能先进，经济性好的工艺方案，必要时画出加工 示意图，在此基础上确定机床总体布局，画出机床联系尺寸图，确定设计机床的主要技 术参数。mKr- _CiDjL 1、 底座2、夹具3、工件4、立柱5、操作按钮及显示屏6、伺服压装机滚动导轨的选取直线导轨的一种。直线导轨一般为二种，一种是滚动式，一种是滑动式，滚动直线 滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿 着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻 易地达到m级的定位精度。现在滑块与滑轨间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时 承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计使线性滑轨有更平 顺且低噪音的运动。要选取滚动导轨要先计算导轨的载荷，由于十字滑台采用下托板，中托板，上托板 的结构，滚动导轨承重为中托板和上托板以及工件的重量，初步设计中托板的质量为I |Pk、L；，上托板的质量为吠一山-;，工件质量为II匸，在此所取得质量是根据 托板的长宽高以及铸铁密度计算而得，并取得一定的质量余量，从而使得在接下来的设 计中不会出现设计不够用的问题。在此处的十字滑台中有两套滚动导轨副，规定下托板上的滚动导轨副为滚动导轨副1,中托板上的滚动导轨副为滚动导轨副2。滚动导轨副1的选取根据压装力的大小，及工作台，工件总重量可求得滚动导轨副1的直线滚动导轨选用 GGB32型两根导轨副上共有四个滑块座安装在工作台上。由表查的GGB32型直线滚动导轨的八；法向载荷中压装时的静载荷最大为：Pl = ? + Gil + 11.1 + |.：O X J. 8 二 2?. e. + 280 X 6X -工作台移动时的载荷为：卩二(I + -| - ir.J X J. S = *：； X =271 -X1- ：1由于所以取|：4由此可得滑动导轨副1的摩擦力为：F,. = : I - -L 二；. ：；： I X 2?1 I - - X 3 = 31X滑动导轨的额定寿命计算：I. - 1 -1 r. I 工 i ; L.i :(6)式中-i硬度系数，按下式计算：心-：?由于产品技术要求规定，滚道硬度不低于HRC58。所以通常取1。&温度系数，查表；心一一接触系数，查表。根据一根导轨上的滑座数而定，滑块至少为2；仁一一精度系数，查表；J载荷系数，查表；P巴计算载荷(kN); I ；-Z直线运动滚动支承系统上的滑块数；P直线运动滚到支承系统上的载荷（kN）。K额定寿命单位，对滚珠，K=50（kN）；-一一指数，对滚珠，；-：。计算各滑块的的载荷：按表序号1的载荷计算公式求的各滑块的载荷分布，由于四个导管均匀分布在压头周围 所以四个滑块的受力相等得巴认w查表得5J ）1, ft 二W I，二 1由以上可得：I. -工I ： I-. -二X 川认.11设计需要寿命：L. JT / RW门-门 D - j 1.1.：!11可得1- 满足使用要求因此选用GGB32-AA2PX450XE滑动导轨副2的选取对于滑动导轨副2选用GGB25，两根导轨副上共有四个滑块座安装在工作台上。由表查的GGB25型直线滚动导轨的!爲 匸：，汽，法向载荷中压装时的静载荷最大为：P, = ; | （il 十 ij） X &技=2 u.-飞工作台移动时的载荷为：P =（匚 | X :丄呂二 m、I- i.r-i由于所以取n = ：- 由此可得滑动导轨副2的摩擦力为：F,. = : I3 - 1 = :;. ： I X 127-1 - d X -1 = 32. 7 A滑动导轨的额定寿命计算:一仏 罔I = X - X X 的）各代号字母的含义与上相同。计算各滑块的的载荷：按表序号1的载荷计算公式求的各滑块的载荷分布，由于四个导管均匀分布在压头周围 所以四个滑块的受力相等得巴J :汕小查表得程.匚：八，】1,11,; 小I,爲二I由以上可得：I.-卩T1工I ?. I-. - I.二巴.Jin设计需要寿命：JI. / 的 /门/ 2 |.| :： .01 11 可得 - I，但是压装时余量不足所以选择大一号的滚动导轨所以选用 GGB32-AA2PX450XE以上公式及代号均参考于参考资料1.滚珠丝杠副的选取滚珠丝杆是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产 品。滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是 滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动 作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接 触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。其中应用较广的是插管式和螺 旋槽式，它们各有特点，其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。为了方便描述和计算在此指定驱动中托板的滚珠丝杠为丝杠1,驱动上托板的滚 珠丝杠为丝杠2。机床年工作时间3820小时，年产量7万件，则单件的生产所需时间为3820c =X 60 = 3+27niin除去安装和拆卸工件所花费的lmin，剩下，则单个导管压装所用去的时间为:2 97匚二亍X 30 = 3-1.尺由所提供的图片资料可知，四个导管分别在边长为75mm的正方形的四个顶点，压装顺序 依次为1-2-3-4。滚珠丝杠1的选取根据所给数据，已知参数如下:丝杠驱动的工作台重量iii = 250 kg丝杠驱动最大重量II- = 280kg工作台最大行程i = 200imi丝杠两端为固定支承（E-F），每个支座安装两个:接触角推力角接触球轴承丝杠载荷I.i :八电机转速取I- .L-lii I Hu- G.L2ii I工作台最大速度，”计：=汕土 II i 二丝杠导程血號6000r当量转速根据单位工件所需时间确定平移75mm所需时间为2s,即可得两秒转过:丨：T，即一分钟内1-1. I I - ：), |：)：1 A1=丄以滚珠丝杠副的型号由表选用FFZD型内循环浮动反向双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号FFZD3206，额定动负荷5一甘， “，预紧力F,：二门 2.:二，& ；, 符合要求。丝杠螺纹部分长度二:件台最大行程-螺母长度十两端余量二 200 + 102 + 20 X 2 = 342him支承距离L应大于! ，I.工川II临界转速校核4. 732 X 0.0272C.:夕：；：/,OVr/ini i:丝杠底径：卜_ I - -I-1/, 匕上-二- I丄-二I I I 11JI JII支承方式系数 応由表查得圮二丄-eq 亠、r t132450 - 342临界转速计算长度I由上得lh 山叶符合要求。压杆稳定校核两端固定支承，丝杠不受压缩，因而不必校核稳定性预拉伸计算 温升引起的伸长量J丄 .1 - . -XI 丝杠全长伸长量丨丨二丨；：“ - ). 1515预拉力i.li： - ： X X 0.閒3. 312X J. 1 X Kj11轴承选择轴端结构，由表得采用E-F型，轴承型号采用7602020TVP,主要尺寸和参数由表查得】IUli，1 1ii，匕 _l.i.n，：in，叫 m汕II，r-川小,预紧力斤、n、。 1 1轴承的最大轴向载荷为：几、i _由于符合设计要求疲劳寿命计算额定动负荷：舄二m1J：.：满足要求定位精度校核: 丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移,X 1泸二：）.0!. 1 X L：L丝杠与螺母间的接触角变形 查得FFZD3206滚珠丝杠副的接触角刚度丨一匚人.|汕I：:U厂二而二 0. 031LII轴承的接触变形由计算得K 丝杠系统总位移=ti .贾、- B 二二心-C. ：；3 -门1= 0. I7 -II满足定位精度，因此选用滚珠丝杠副型号为卜丁口匸上匚卍两端支承 为E, F型，轴承型号为7602020TVP。滚珠丝杠2的选取丝杠驱动的工作台重量iii =丨，：问丝杠驱动最大重量m2 = 130kg工作台最大行程I 二 JOCILII丝杠两端为固定支承（E-F）,每个支座安装两个:接触角推力角接触球轴承丝杠载荷 1 ：；暑电机转速 取niiaax = 1500r/min，”计：=戸口1上选取时具体计算步骤与丝杠1完全一样以下只写计算数据 工作台最大速度丝杠导程_Vn3K_6000_卢=ICO：）=当量转速根据单位工件所需时间确定平移75mm所需时间为2s,即可得两秒转过厂二 12 -1，即一分钟内 inJ - - :二.iiii计算动负荷0.45 X 0.408.1(:x 33 = 208.5N滚珠丝杠副的型号由表选用FFZD型内循环浮动反向双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，型号FFZD2506，额定动负荷5：，预紧力lv H -F八丁 符合要求。丝杠螺纹部分长度h-一川 匸二 八H支承距离L应大于I- ，I.工川II临界转速校核!.山1匕：；乂51由上得山m符合要求。预拉伸计算温升引起的伸长量J ： - A.I I二: ：.5 - 0.：-.| rn丝杠全长伸长量丨丨二丨；：“ )-1515预拉力预拉力卜轴承选择轴端结构，由表得采用E-F型，轴承型号采用36203,主要尺寸和参数由表查得:!匚hi，I. hi，. - ill，打 卜;：山負。II轴承的最大轴向载荷为：F,：.疲劳寿命计算额定动负荷：L：丁匚;I %二对上：匚初选36203型轴承的额定动负荷小于8669N,所以改用7602020TVP，由表查得J. iib b I： hi,I：.-I iib 11|,匕：.，：；iiii,打fA,预紧力卜广匕:【八。定位精度校核： 丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移106 = 0. 06umC. -h 、上I X 7 x 0.02022 2.1 X 1011丝杠与螺母间的接触角变形 查得FFZD3206滚珠丝杠副的接触角刚度匚人小“F 33J = I:.二 m =- 丁F 33轴承的接触变形由计算得A丝杠系统总位移 h 11.1 - 讥 二|:二 II 二 II满足定位精度，因此选用滚珠丝杠副型号为卜丁口二上匚 m ； 山,两端支承 为E, F型，轴承型号为7602020TVP。以上计算公式及数据的选择均参考与参考资料1中滚珠丝杠章节。步进电机的选取步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲 信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度即步进角。可以通过控制 脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来 控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。指定与丝杠1相连的是步进电 机1,与丝杠2相连的是步进电机2.步进电机1的选取脉冲当量的选择:初选三相步进电机采用三相六拍运行方式，步距角扌二二：一，:epim。初选脉冲当量-.2川儿1，电机到滚珠丝杠传动等效负载转矩计算:jwl1|：； = ：、-： r.=U. UDi 2i3U X U.COlJ 、”._ .、:八-二川勺等效转动惯量计算:滚珠丝杠的转动惯量工；二飞一二.：；二 2. 2口 X& 匸托板运动惯量换算到电机轴上的转动惯量为人- II； I : -:1 mi：1亍、14) X 1 因此换算到电机轴上的总惯量性负载为.1,二.1； += ；L 打甘 X I : 1 +:i. X Ki - 1 二匚 I 帖 X 1厂好 J初选步进电机型号：已知d 一能7, 讥 比：、-屮J,初选步进电机Jl型号为110BF003，其最大静扭矩转子惯量I.二一工丨二 忘:厂 由上可得丁 该型号电动机规定最小加减速时间为Is二 r.：7|74 9; X K： I + ：；-1丄L XJ为电动机本身的起动频率起动时间* 二 0. 0-17_= u. U-17（心 I山 x d _ 1 +- I;j S、：“-。川一：；：.，=C. uC27 Is其中当IL时山:.：订因此该电动机在带惯性负载时能够起动速度验算：从图的运行矩-频特性曲线查得当 心时，电动机转矩hiHHii 丨厂” II，故可用此频率。最大快移速度八_T - N：l： .：; I |羽！ 二.： : .U 沪加门 满足使用要求。故确定步进电机型号为110BF003。以上步进电机计算及数据选择来至于参考资料2中步进电机章节。步进电机2的选取脉冲当量的选择：初选三相步进电机采用三相六拍运行方式，步距角上：二二厂，其每转脉冲数。初选脉冲当量二山I，电机到滚珠丝杠传动比为丄 1。:忒 0.01 X 130 X 9.8 X 0.006等效负载转矩计算:等效转动惯量计算:：-=n ：1二 0. 015X - JI滚珠丝杠的转动惯量nH. - JiH 1（：、:.Czh1 X ）和1. /.-I x -花 J托板运动惯量换算到电机轴上的转动惯量为 人-需!：； X （厂j x | - :, 18 X因此换算到电机轴上的总惯量性负载为Ji 二二；+ , = x I：:) 1 + l ir x I ：) 1 =：.弓| I x 1：)- =kp； - r-初选步进电机型号：已知上灯、7, Ji tW kJ,初选步进电机型号为110BF003，其最大静扭矩LI*%转子惯量匚-匚 ：由上可得；LU 1 该型号电动机规定最小加减速时间为Is=S：；hll7二-；J1 X K； _K X ：； - 1h为电动机本身的起动频率起动时间鼻=0. ：0-17(| ：. * J-i：0. jj-17（：；. :4I X D _ 1 + 1：厂 9、ICO.门0. 0022s Is其中当-:时山 :-：；.-3 匚汽工 II). 75-inH-因此该电动机在带惯性负载时能够起动 速度验算：从图的运行矩-频特性曲线查得当心时，电动机转矩hi 心7二dii，故可用此频率。最大快移速度八；“：； 二二上门:工： ； l-y.j 二，：.：沪加门 满足使用要求。故确定步进电机型号为110BF003。以上步进电机计算及数据选择来至于参考资料2中步进电机章节。