畢業(yè)設計（論文）題目
總計：畢業(yè)論文： 41 頁
表 格： 8 表
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摘 要
機床為制造企業(yè)的工作母機，數(shù)控機床廣泛應用于工程實踐中，數(shù)控機床尾座系統(tǒng)的結構和性能的優(yōu)劣直接影響對工件的加工效率、精度和成本，設計可編程尾座可以提高加工過程的自動化和現(xiàn)代化，減少人力，縮短工時，做到與時俱進，適應社會的快速發(fā)展和進步，將會給企業(yè)帶來很大的效益。
本設計是針對傳統(tǒng)手動尾座無法適應高效率數(shù)控機床這一現(xiàn)象，設計出一種可以實現(xiàn)自動化的全新尾座。首先查閱國內(nèi)外相關資料為設計的開始做準備，接下來通過選擇驅(qū)動方案，選擇鎖緊方案，然后完成總體的方案設計。根據(jù)機床主體尺寸設計出尾座上下箱體的尺寸，然后根據(jù)尾座上下箱體的結構和尺寸設計出內(nèi)部各零件尺寸，最終完成了尾座總體裝配的結構設計，畫出CAD裝配圖與重要零件圖及三維圖。最后進行伺服電機的選型及其他零件的選型校核，液壓鎖緊校核等方面計算的工作完成斜床身數(shù)控機床尾座結構的設計。
本設計在參考傳統(tǒng)手動尾座結構和給出的設計要求的基礎上，設計出全新的尾座上下箱體的結構和各個零件，設計可實現(xiàn)尾座移動的伺服電機驅(qū)動部分，液壓缸控制的鎖緊部分等，實現(xiàn)快速自動進給頂緊和自動液壓鎖緊。實現(xiàn)了機床尾座在機械加工過程中的自動化，高速化，大大減少人力，縮短工時，更加適合現(xiàn)代化的企業(yè)，可編程尾座的設計一定會帶給企業(yè)高效益和降低工人的勞動強度。
關鍵詞：數(shù)控車床；尾座；結構設計
I
ABSTRACT
The machine tool is the working machine of the manufacturing enterprise. The CNC machine tool is widely used in engineering practice. The structure and performance of the tailstock system of the CNC machine tool directly affect the machining efficiency, precision and cost of the workpiece. The design of the programmable tailstock can improve the machining process. Automation and modernization, reducing manpower, shortening working hours, advancing with the times, and adapting to the rapid development and progress of society will bring great benefits to enterprises.
This design is for the traditional manual tailstock can not adapt to the phenomenon of high-efficiency CNC machine tools, design a new tailstock can be automated. First, consult the domestic and foreign relevant data to prepare for the beginning of the design, then select the locking scheme by choosing the driving scheme, and then complete the overall scheme design. According to the size of the main body of the machine, the dimensions of the tailstock upper and lower boxes are designed, and then the dimensions of the internal parts are designed according to the structure and dimensions of the tailstock upper and lower boxes. Finally, the overall design of the tailstock assembly is completed, and CAD assembly drawings and important drawings are drawn. Parts and 3D drawings. Finally, the selection of the servo motor and the selection of other parts, the calculation of the hydraulic locking and other aspects completed the design of the tailstock structure of the slant bed CNC machine tool.
This design is based on the traditional manual tailstock structure and given design requirements, and designs a new tailstock upper and lower box structure and various parts, designed to achieve the servo motor drive part of the tailstock movement, hydraulic cylinder control Locking parts, etc., to achieve fast automatic feed tight and automatic hydraulic lock. It realizes the automation of machine tailstocks in the machining process, speeds up the work, greatly reduces manpower, shortens working hours, and is more suitable for modern companies. The design of the programmable tailstock will bring high efficiency to the enterprise and reduce the labor intensity of the workers.
Key Words：CNC lathe; Tailstock; Structural design
II
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1選題的目的和意義 1
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.3設計的主要內(nèi)容 2
2 DL32M 斜床身數(shù)控機床尾座方案設計 4
2.1驅(qū)動機構方案設計 4
2.2鎖緊機構方案設計 7
3 DL32M 斜床身數(shù)控機床尾座結構設計 10
3.1尾座上下箱體設計 10
3.2尾座套筒設計 11
3.3尾座液壓缸設計 12
4 組成元件選擇計算 15
4.1電機選型 15
4.2滾珠絲杠選型 17
4.3對尾座整體液壓鎖緊裝置進行計算校核 20
4.4上下箱體鎖緊螺栓預緊力計算 20
5 尾座總體裝配圖 24
6 結 論 25
參 考 文 獻 26
附錄1：外文翻譯 27
附錄2：外文原文 35
致 謝 41
II
DL32M斜床身數(shù)控機床尾座結構設計
1 緒論
1.1選題的目的和意義
機床是制造機器的機器，也稱作工作母機，在世界工業(yè)發(fā)展史上曾經(jīng)起到舉足輕重的作用。在科學技術高速發(fā)展的今天，機床領域的發(fā)展仍然十分重要。因此研究和分析機床的發(fā)展現(xiàn)狀是非常具有現(xiàn)實意義的。機床經(jīng)歷了長時間的發(fā)展，到今天主要以數(shù)控機床為主[1]。我國政府高度重視數(shù)控機床的發(fā)展，國務院提出了《國家中長期科學和技術展規(guī)劃綱要》[2]，鼓勵發(fā)展自己的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)，而且還將其列為國家戰(zhàn)略物資。
數(shù)控機床尾座是數(shù)控機床重要的一部分，在進行軸類零件加工時起到輔助支撐的作用，對于保證軸類工件加工精度和表面粗糙度起到重要作用。[3]傳統(tǒng)的手動機床尾座對于數(shù)控機床的加工效率并不高，而且工人勞動強度大，耗費大量時間又耗費大量的人力，還在很大程度上增加企業(yè)的生產(chǎn)成本，嚴重影響企業(yè)的快速發(fā)展和進步。設計可編程尾座可以提高加工過程的自動化高速化和現(xiàn)代化，做到與時俱進，適應社會的快速發(fā)展和進步。當在加工過程中需要使用尾座時，使用本課題所設計的可編程尾座可以利用編好的程序自動控制尾座的移動和鎖緊工作，從而減少尾座頂緊工件的勞動量，降低工人的勞動強度，可以提高加工過程的機械化和自動化水平，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，給企業(yè)帶來更高的效益。
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1)發(fā)展現(xiàn)狀
從20世紀中葉數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。[4]
當今的機床名企大部分出自德國和日本，世界機床的核心技術主要掌握在日德意美等少數(shù)發(fā)達國家的手里。在機床尾座的設計和研發(fā)方面，德國和日本等國也是走在前列，比如日本的馬扎克和FANUC，德國的通快集團和吉特邁集團在數(shù)控機床方面其中就包括機床尾座部分擁有最先進的技術，是數(shù)控尾座系統(tǒng)科研，設計，制造最強大的幾大企業(yè)，還有他們所生產(chǎn)的可編程尾座響應速度更快，定位精度更高，尾座的設計也更人性化，這幾家世界名企生產(chǎn)的尾座系統(tǒng)之所以能夠達到高速度高精度等的要求，是因為他們對技術創(chuàng)新的不斷追求，以及在制造方面擁有更高的水平，他們生產(chǎn)的每一個零件都有特別高的精度。這些先進的企業(yè)真的很值得我們學習，如果想要盡快的趕上甚至超越他們我們就要虛心的學習，不斷的創(chuàng)新。
雖然我國在數(shù)控機床尾座方面在近幾年得到了發(fā)展，但是德國日本等國家在數(shù)控技術方面發(fā)展的比我們早太多，所以我國相對于在數(shù)控技術方面發(fā)展較早較快的美國和德國日本等國家在自動化程度，定位精度，定位速度等方面仍然存在一定的差距。但是相信在我國技術人員的努力下，對于機床尾座的發(fā)展一定會趕上甚至超越其他國家。
2）發(fā)展趨勢[1]
(1)高精度
當代工業(yè)產(chǎn)品對精度的要求越來越高，特別是在航空航天等行業(yè)體現(xiàn)尤為突出。想要生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品對數(shù)控機床就有很高的要求，在計算機技術發(fā)展的推動下，各種加工精度補償技術得以發(fā)展和應用，生產(chǎn)的機床尾座零部件有了更高的精度;同時，各種高性能新型材料在機床結構制造中的使用，使得數(shù)控機床的各項精度顯著提高，其中就包括機床尾座的定位精度。
(2)高自動化
現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的效率不斷提高，傳統(tǒng)的手動驅(qū)動尾座浪費時間還浪費人力，嚴重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，進而影響企業(yè)的效益，嚴重阻礙企業(yè)的發(fā)展，而且隨著數(shù)控技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的手動驅(qū)動的尾座已不能滿足高自動化的數(shù)控機床，為了實現(xiàn)機床在加工過程中完全的自動化，實現(xiàn)真正的高效率生產(chǎn)，極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，機床尾座必然要朝著自動化方向發(fā)展。
(3)高速度化
提高生產(chǎn)效率是機床技術發(fā)展的永恒主題，也是企業(yè)不斷追求的根本目標，隨著數(shù)控設備高自動化的發(fā)展，在企業(yè)的生產(chǎn)操作過程中，減少了“人 ”的介入，實現(xiàn)了尾座的快速移動及定位，同時縮短了工時，從人工的低效率生產(chǎn)，逐步發(fā)展到高自動化生產(chǎn)，大幅提高了數(shù)控機床的加工效率。
(4)高人性化
對數(shù)控機床尾座的自動化的改造，除完善其各項加工性能外，對外觀、顯示及操作人性化的設計同樣不容忽視。 從按鍵操作到菜單選擇甚至對話框操作，從 LED 顯示到 TFT 液晶顯示，相關輔助設備的革新，使得機床尾座操作越來越簡單，顯示信息越來越清晰、豐富，使工人操作過程更簡單容易，運用人機工程學，設計生產(chǎn)更人性化的產(chǎn)品，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境。
1.3設計的主要內(nèi)容
本論文主要是對傳統(tǒng)機床尾座進行結構上的重新設計，它主要增加自動驅(qū)動部分和液壓鎖緊部分還有套筒自動伸縮結構部分，驅(qū)動部分通過伺服電機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)尾座的整體移動，鎖緊部分通過液壓鎖緊結構實現(xiàn)尾座運動到工作位置后的自動鎖緊，免去了人手動鎖緊的過程。
因為傳統(tǒng)手動尾座的箱體結構很難滿足此次設計的要求，所以需要對尾座的箱體進行重新設計，其中就要考慮驅(qū)動部分鎖緊部分的安裝位置，然后根據(jù)機床主體的尺寸和結構設計全新的尾座箱體，包括上箱體和下箱體。由于整個尾座都是自動化的，所以在尾座運動過程中要盡量減少阻力，所以還要設計整體的潤滑油孔。在液壓鎖緊部分沒有選擇傳統(tǒng)的液壓缸而是利用箱體結構設計出類似液壓缸的缸體結構，然后設計出相配合芯軸結構。尾座結構設計完成后，需要根據(jù)工作要求進行伺服電機的選型和滾珠絲杠的選型，進行液壓鎖緊部分的校核計算，還有部分重要螺栓的強度校核計算。
最終的成果包括：尾座裝配圖的CAD圖紙，部分重要零件圖紙，部分零件三維圖，論文，外文文獻翻譯。
2 DL32M 斜床身數(shù)控機床尾座方案設計
2.1驅(qū)動機構方案設計
2.1.1方案一：液壓驅(qū)動，利用液壓缸驅(qū)動尾座左右移動
1尾座2連接塊3機床接觸面4液壓缸
圖2.1 液壓缸驅(qū)動
優(yōu)點：
1)液壓驅(qū)動裝置同其它類型的驅(qū)動裝置相比，有很多的有點，比如在同等功率情況條件下占用空間更小、整體重量相對更輕一些，動作速度非?？?，可以高速實現(xiàn)頻繁的啟動與換向動作。
2)能實現(xiàn)無級調(diào)速,有很大的調(diào)速范圍。。
3)能實現(xiàn)過載保護，可以在液壓回路中安裝安全閥以便起到過載保護的作用。因為液壓驅(qū)動裝置能吸收掉運動過程中的沖擊和振動，所以運動過程很平穩(wěn)。
4)液壓驅(qū)動裝置能在各種方位實現(xiàn)傳動，這種裝置應用起來比較方便和靈活，容易實現(xiàn)往復運動。因為整體的體積很小、傳遞的功率又很大，所以這種驅(qū)動方案可在比較小的空間里面實現(xiàn)復雜的運動形式。這些特點使液壓驅(qū)動在組合機床中的使用和自動線中的使用十分普遍。
5)操作起來簡單，便于實現(xiàn)機械的自動化，特別是和電氣控制系統(tǒng)組合起來時上述優(yōu)點就會表現(xiàn)的更為明顯，這種組合系統(tǒng)稱為為電液復合系統(tǒng)。
6)液壓元件很容易實現(xiàn)標準和化通用化，使用起來更便捷，很容易實現(xiàn)系列化生產(chǎn)和使用都更加便捷，因此更便于推廣和使用。
缺點：
1)由于油液本身有很小的壓縮量，而且由于泄漏的原因在工作時不可避免會有油液漏損的現(xiàn)象、通油的管路在工作時也會有細微彈性變形的產(chǎn)生,因此液壓傳動不適合用于高傳動精度的傳動系統(tǒng)中。
2)液壓所用的零部件對精度要求較高，因此就要求要有很高的制造工藝水平，也要有較高的技術水平來支持液壓裝置的使用和維護。
3)在工作過程中，如果油液溫度和工作載荷變化比較大，就會影響系統(tǒng)運動速度的穩(wěn)定性，因此也會有爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣對機械部分的損傷也是很大的。當油液受到污染時，液壓系統(tǒng)的性能也會收到影響，如果有雜質(zhì)混入油液，在運行過程中也會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，更嚴重的甚至出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。
4)油液在管路中流動時會產(chǎn)生壓力損失，因為油液要克服摩擦等做功。管路越長壓力損失越大、降低了傳功效率，不推薦用在特別遠距離的傳動。
2.1.2方案二：電機帶動絲杠螺母驅(qū)動尾座左右移動
1尾座2絲杠3螺母4機床接觸面5軸承6聯(lián)軸器7伺服電機
圖2.2 滾珠絲杠副
優(yōu)點：
1）傳動效率高。
2）傳動精度高，傳動平穩(wěn)。摩擦阻力很小，而且摩擦阻力大小不受運動速度影響，穩(wěn)定性很好。
3）反向運動時不會出現(xiàn)空行程的情況。滾珠絲杠與螺母軸向預緊后，軸向間隙可以消除，避免了空行程，這樣一來運動過程中軸向傳動的精度和軸向剛度便可得到極大的提高。
4）在運動形式的轉(zhuǎn)換時有可逆性。滾珠絲杠傳動可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的雙向轉(zhuǎn)換，因為傳動過程中摩擦損失特別小。絲杠既可以是主動件也可以是從動件，螺母也一樣作為主動件和從動件都是可以的。
5）使用壽命比較長。滾珠絲杠有更長的壽命，因為滾動摩擦的摩損小，不會出現(xiàn)非常嚴重的磨損現(xiàn)象。
6）因為具有很多的優(yōu)點，所以在數(shù)控機床上的應用很普遍。
缺點：
1）滾珠絲杠副的制造成本高。由于滾珠絲杠和螺母等元件的制造技術水平要求比較高，加工精度，粗糙度等方面要求很嚴格，所以制造滾珠絲杠副的成本很高。絲杠和螺母上的螺旋槽滾道要經(jīng)過精細的磨削成形過程，有極其復雜的工藝要求，給滾珠絲杠副的制造帶來了極大的難度。
2）不能自鎖。特別是垂直絲杠受重力作用，不能實現(xiàn)自鎖，想要實現(xiàn)鎖緊需要附加制動裝置。
2.1.3方案比較分析：
液壓驅(qū)動尾座一般用在全機能數(shù)控車床上，自動化程度相對較高，但是穩(wěn)定性相對較差，定位精度不高。
電機式驅(qū)動尾座一般用在高性能的數(shù)控車削中心上，是目前水平較高的尾座系統(tǒng)，性能優(yōu)越，省時省力省成本，已經(jīng)被很多企業(yè)所接受。
根據(jù)機床尾座的發(fā)展趨勢，和各種驅(qū)動方案的特點，選擇電機驅(qū)動時更合適的選擇，最終設計驅(qū)動方案如圖3.2所示。
圖2.3 驅(qū)動傳動機構
2.2鎖緊機構方案設計
方案一： 螺紋鎖緊
1螺栓2尾座3床體
圖2.4 螺紋鎖緊
優(yōu)缺點分析：
螺紋鎖緊的產(chǎn)品已經(jīng)標準化，是很常用的鎖緊方案，在一般情況下均可使用。使用螺紋鎖緊時要特別注意配合螺紋的長度。一般配合的牙不超過八個，超出配合的牙都是多余的，沒有太大作用，如果少于三個牙，則連接不牢靠，螺紋鎖緊的一個最大優(yōu)點是產(chǎn)品標準化，使用方便。其缺點是，當工作要求的鎖緊和松開頻率特別高時，操作就會特別的麻煩，需要人工的縮進和松開，很難實現(xiàn)自動化和高速化，一般情況下都可以使用，但是要求快換的情況下不適合單獨使用。
方案二：偏心輪鎖緊
圖2.5 偏心輪鎖緊機構
優(yōu)缺點分析：
偏心輪機構能夠?qū)崿F(xiàn)快速的鎖緊，但其鎖緊作用點比較固定，而且對零件的精度有一定的要求。偏心輪機構也很難實現(xiàn)自動縮進控制，大多是都用在手動鎖緊方面。
方案三：液壓缸鎖緊
1螺栓2銷3液壓缸芯軸4螺栓5蓋板6液壓缸缸體7壓板8車床主體
圖 2.6液壓鎖緊結構
優(yōu)缺點分析：
液壓鎖緊在自動化領域已經(jīng)被大面積的采用，因為整個液壓系統(tǒng)都可以在自動控制的情況下進行工作，在鎖緊速度和鎖緊壓力方面相對于其他的鎖緊方式有很大的優(yōu)勢，因為液壓缸的動作速度特別快，而且整個液壓回路可以實現(xiàn)自動控制，所以液壓鎖緊裝置能實現(xiàn)快速的鎖緊，而且液壓油壓由所選油泵決定，可以達到非常高的值，這樣就會產(chǎn)生更大的鎖緊力，在工作過程中保證鎖緊工作的穩(wěn)定度，對零件精度要求也不是特別高。
綜合比較上述三種方案，因為液壓鎖緊更適合本次課程設計的要求，所以最終選擇液壓缸鎖緊方案。
3 DL32M 斜床身數(shù)控機床尾座結構設計
由于本次設計是為了實現(xiàn)尾座的自動控制，但傳統(tǒng)的手動尾座結構很難實現(xiàn)我們的要求，所以在尾座整體結構方面相對于傳統(tǒng)的手動尾座做了很多的改進，要實現(xiàn)尾座整體的自動移動，要實現(xiàn)尾座整體的自動鎖緊，要實現(xiàn)尾座套筒的自動伸縮，就要設計與之相對應的全新的結構。所設計的尾座的結構主要包括:尾座的上箱體，尾座的下箱體，與上箱體配合的套筒，與下箱體配合的液壓鎖緊結構，電機滾珠絲杠傳動部分。
圖3.1機床主體
3.1尾座上下箱體設計
因為所設計的尾座是跟機床主體相配合的，所以在進行結構尺寸設計之前，要對機床主體的所需尺寸進行測量，測量機床主體所用尺寸如圖3.1所示，然后根據(jù)機床主體尺寸進行尾座箱體的尺寸設計，要求尾座套筒中心距離床體上面400mm,距離尾座上側面85mm，將上體和下體結構尺寸設計出來，如圖3.2所示，圖中表示的是上下體安裝在一起的組合圖。其中將設計要求的尾座套筒中心距離床體上面400mm分為套筒中心到上箱體底部255mm，上箱體下表面與下箱體上表面重合，下箱體上表面到下箱體下表面的距離就是L=400-255=145mm。
圖 3.2上下箱體組合圖
3.2尾座套筒設計
尾座的上下箱體的尺寸設計出來后，根據(jù)上箱體尺寸進行尾座套筒的設計
1法蘭盤,2軸承,3套筒,4徑向鎖緊螺母,5導向螺釘,
6軸承組,7螺堵,8推桿,9法蘭盤
圖3.3 套筒結構圖
如圖所示為套筒部分的結構設計
套筒的外徑尺寸根據(jù)上箱體套筒孔尺寸確定為160mm。
3.3尾座液壓缸設計
3.3.1結構設計：
根據(jù)尾座下箱體尺寸，在下箱體內(nèi)部設計出來液壓缸鎖緊結構。液壓缸的主要結構包括：（1）液壓缸缸體（2）液壓缸上蓋板（3）芯軸（4）復位的彈簧（5）密封圈(6)導向作用的銷軸（7）連接芯軸和壓板的螺栓
圖4.4 液壓缸結構尺寸圖
3.3.2尺寸設計
液壓缸缸體尺寸設計：根據(jù)尾座下體大致尺寸616×380×145，在尾座下體內(nèi)部設計出液壓缸缸體部分，設計液壓缸缸體內(nèi)大孔直徑，要滿足R<380才能滿足尾座箱體能放下液壓缸結構，所以我設計液壓缸內(nèi)大孔直徑為R=150mm，可以滿足下箱體的內(nèi)部設計要求，液壓缸內(nèi)大孔長度應遠小于145mm，才能滿足空間設計要求，我設計內(nèi)孔長度為L1=45mm，小孔直徑r=50mm,小孔長度l1=45mm，使L=45+45=90mm也小于尾座整體的高度145mm。
液壓缸芯軸尺寸設計：根據(jù)液壓缸缸體尺寸設計出與之相配合的液壓缸芯軸，芯軸大徑與液壓缸缸體大徑相同為:
R1=R=150mm
芯軸大徑長度為:L2=40
小徑與液壓缸缸體小徑相同為
r1=r=50mm
芯軸小徑長度為:l2=50mm
液壓缸的芯軸上下移動的最大范圍是:△L=L1-L2=5mm。
3.3.3液壓缸鎖緊的工作原理：
在液壓缸芯軸下部通入液壓油，推動芯軸向上移動，芯軸與壓板用螺栓連接，芯軸的向上移動帶動壓板也向上移動，當壓板壓緊床體時,尾座被壓板鎖緊在工作位置，當液力油不供給時，芯軸下部不產(chǎn)生壓力，芯軸在重力的作用下向下運動，為了加速芯軸快速復位，我們加入了復位彈簧給芯軸一個向下的推力，使芯軸帶動壓板快速向下移動，尾座不再鎖緊可自由運動。在蓋板上加入導向的芯軸，避免芯軸在上下運動過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
4 組成元件選擇計算
4.1電機選型
選型依據(jù)：假定尾座與床體的摩擦系數(shù)為0.1,根據(jù)所設計尾座整體重量，選型可帶動尾座整體移動的電機。
根據(jù)機床整體尺寸，設計尾座箱體尺寸，計算尾座整體體積估算尾座上箱體體積：
V1=110*10-3m3
估算尾座上箱體體積：
V2=90*10-3m3
估算尾座總體積：
V=200*103m3
尾座材料選取灰鑄鐵HT200，查閱資料可知
ρ灰鑄鐵=7300kg/m3
尾座整體質(zhì)量：
m尾座=7300kg/m3*200*10-3m3=1500kg
尾座與床體的摩擦力：
F=μmg=0.1*1500*10=1500N (4.1)
電機所需轉(zhuǎn)矩：
T=F*P2*3.14*n=1500*0.012*3.14*0.9=2.65N?M (4.2)
(n:進給絲杠正效率，取n=0.9,l:絲杠單程取P=0.01m)
電機所需功率由公式p=T*n9549得：
P=2.65*30009549=0.83kw
表4.1 電機選型數(shù)據(jù)
項目
單位
α1/5000i
α2/5000i
α4/4000i
輸出功率
kw
0.5
0.75
1.4
HP
0.67
1.0
1.9
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
1
2
4
kgfcm
10
20
41
額定轉(zhuǎn)速
min-1
5000
4000
4000
轉(zhuǎn)動慣量
kgm2
0.00031
0.00053
0.0014
質(zhì)量
kg
2.8
4.3
7.5
項目
單位
α8/3000i
α12/5000i
α22/3000i
輸出功率
kw
1.6
3.0
4.0
HP
2.1
4.0
5.4
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
8
12
22
kgfcm
82
122
224
額定轉(zhuǎn)速
min-1
3000
3000
3000
轉(zhuǎn)動慣量
kgm2
0.0026
0.0062
0.012
質(zhì)量
kg
12
18
29
項目
單位
α30/3000i
α240/3000i
輸出功率
kw
7.0
6.0
HP
9.4
8.0
額定轉(zhuǎn)矩
Nm
30
38
kgfcm
306
388
額定轉(zhuǎn)速
min-1
3000
2000
轉(zhuǎn)動慣量
kgm2
0.017
0.022
質(zhì)量
kg
40
51
以上的數(shù)據(jù)的條件是在20攝氏度以下
查閱FANUC電機型號相關參數(shù)的資料，根據(jù)需要選取a12/3000i足夠滿足所需要求，該型號電機輸出轉(zhuǎn)矩Tn=12N?M>2.65*3，選用電機額定轉(zhuǎn)矩大于計算電機總轉(zhuǎn)矩的三倍以上，求滿足要.功率為P=3kw>0.83kw，滿足要求。
綜上所述，選取a12/3000型號的FANUC電機足夠滿足設計要求，可以帶動所設計的尾座移動。
圖 4.1 速度扭矩特性曲線
該值為20°C的標準值，公差為“10%”，速度轉(zhuǎn)矩特性取決于軟件的類型、參數(shù)設置和數(shù)字伺服電機的輸入電壓。（上述數(shù)字顯示平均值）這些值可在不另行通知的情況下更改。
4.2滾珠絲杠選型
滾珠絲杠的設計首先選擇結構類型:確定滾珠循環(huán)方式,預緊方式,結構類型確定之后在計算其他技術參數(shù),如公稱直徑d0,導程P,長度。
4.2.1滾珠絲杠導程的確定
選取FANUC電機,最大轉(zhuǎn)速為3000rpm。電機與絲杠直連,傳動比為1。X向移動速度一般不超過25mm/min,即Vmax=1500mm/min,則絲杠導程為：
Ph=Vmaxi*nmax=15001*3000≈0.5mm (4.3)
所以選取Ph=10mm滿足要求。
4.2.2滾珠絲杠副載荷計算
滾珠絲杠承重時的滑動摩擦系數(shù)最大為0.004,靜摩擦系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)差別并不大,此處取靜摩擦系數(shù)為0.006。則靜摩擦力為：
F0=μ0*M*g+f=0.006*1500*9.8+10≈100N (4.4)
式中:
M—尾座的總質(zhì)量，經(jīng)計算約為1500kg。
f—滑塊密封阻力，按10N計算。
Fmax≈Fmin≈F0=100N
滾珠絲杠副的當量載荷為:
Fm=2Fmax+Fmin3≈100N (4.5)
4.2.3預期額定動載荷計算Cam
有預載情時計算得：
Cam=fe*Fmax
式中，
--預加負載系數(shù)（見表4-15）。
表4.2 預加負載系數(shù)表
預加載荷類型
較大預加負載
中等預加負載
輕微預加負載
3.4
4.5
6.7
選取中等預加負載，fe=4.5。
Cam=4.5*100=45N
4.2.4最小底徑估算
估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量：
δm<13~14*重復定位精度 （4.6）
X向的重復定位精度取0.005，則
δm<14*0.005=0.00125mm
根據(jù)安裝方式估算滾珠絲杠副螺紋低徑d2m
當滾珠絲杠副的安裝方式采用兩端支承時，計算最小底徑公式：
d2min≥1010FJ?lsπ?δm?E=0.039*μ0?mg?1.05～1.1?lu+10～14?Phδm (4.7)
式中，
L--兩個固定軸承之間的距離（mm）；
--最小底徑（mm）；
--靜摩擦力（N）；
--楊氏彈性模量（2.1×105N/mm2）;
--靜摩擦系數(shù)。如果機床工作臺是滾動導軌，靜摩擦系數(shù)取0.01-0.02之,如果是滑動導軌，取0.1-0.2之間。
表4.3 載荷系數(shù)表
載荷性質(zhì)
無沖擊、平穩(wěn)載荷
輕微沖擊載荷
沖擊振動載荷
負載系數(shù)
1.0~1.2
1.2~1.5
1.5~2.0
表4.4 精度系數(shù)表
精度等級
1,2,3
4,5
6
9
精度系數(shù)
1.0
0.8
0.7
0.6
表4.5 可靠性系數(shù)表
可靠性%
90
94
95
96
97
99
可靠性系數(shù)
1.0
0.63
0.54
0.45
0.34
0.22
因為絲杠長L=1200mm,所以取滾珠絲杠兩固定端最大距離L=1200mm。
計算螺紋底徑：
d2m≥0.039Fm*L1000δm=0.039*100*12001000*0.00125=14mm
4.2.5滾珠絲杠選取
按照絲杠導程，底徑參考表4.6，選擇型號為BIF3210。絲杠導程Ph=10mm，直徑d0=32mm。
表 4.6 優(yōu)先組合
4.2.6滾珠絲杠剛度校核
一般滾珠絲杠比較細長，它的剛度應該特別重視。
確定滾珠絲杠預緊力
FP=13Fmax
FP=13*100=33N
最大牽引力為1500N，L=1200mm。
（1）絲杠的拉伸壓縮變形量δ1
根據(jù)Fmax=1500N，d0=32mm，查閱資料可查出δLL=1.2*10-5mm，可算出：
δ1=δLL*1200=1.4*10-2(mm)
（2）滾珠絲杠與螺紋滾道間接觸變形δ2
查閱資料，滾珠絲杠滾珠和滾道接觸變形量δQ
δQ=6.2μm
因進行了預緊，δ2=1/2δQ=3.1μm
根據(jù)以上計算：
δ=δ1+δ2=1.71*10-2mm
一般要求的定位精度遠大于0.0171mm，所以所選絲杠螺母副符合剛度要求
4.3對尾座整體液壓鎖緊裝置進行計算校核
設計液壓推桿的面積為A,已知尾座與床體的摩擦系數(shù)為0.1，液壓壓力為5Mpa，要求在鎖緊狀態(tài)下尾座可承受1000kgf的軸向頂緊力而不移動。（1kgf≈10N）
F壓力=2P*A=5*106*2.0*10-2*2=2*105N (4.8)
求得液壓鎖緊的最大摩擦力為
f=μFN=μP*A=0.1*2*105=2*104N (4.9)
取安全系數(shù)i=1.8
f>F頂緊*1.8 (4.10)
通過計算液壓壓力為5Mpa，在鎖緊狀態(tài)下尾座承受1000kgf的軸向頂緊力時而移動。
4.4上下箱體鎖緊螺栓預緊力計算
4.4.1受橫向載荷的螺栓組鏈接：
上下箱體的連接采用8個M16*80普通螺栓連接，應保證預緊后所產(chǎn)生的最大摩擦力大于等于橫向載荷。
假設螺栓需要預緊力均為F0，螺栓數(shù)目n,則：
fF0ni≥KsF (4.11)
于是可以算出所需要的預緊力F0為
F0≥KsFfni (4.12)
式中：f—結合面的摩擦系數(shù)，見表4.1；
i— 接合面數(shù)（i=1）；
Ks—防滑系數(shù)，Ks=1.1~1.3。
F0≥1.1*100000.1*4*1=27500N
表格 4.7 連接接合面的摩擦系數(shù)
被連接件
結合表面狀態(tài)
摩擦系數(shù)
鋼或鑄鐵零件
干燥加工表面
0.10-0.16
有油加工表面
0.06-0.10
軋制表面
0.30-0.35
鋼結構件
涂富鋅漆
0.35-0.40
噴砂處理
0.45-0.55
鑄鐵對磚料，混凝土或木材
干燥表面
0.40-0.45
4.4.2受轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接：
采用普通螺栓連接時,靠連接預緊后在接觸面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T,假設各螺栓的預緊力均為F0',則各螺栓處產(chǎn)生的摩擦力相等,假設此摩擦力集中作用在螺栓中心處。根據(jù)作用在地板上的力矩平衡及連接強度條件,則有:
fF0'r1+fF0'r1+?+fF0'≥Ks*T （4.13）
根據(jù)上面的計算公式可以得出各螺栓所需要的預緊力：
F0'≥KsTfr1+r2+?+r3 （4.14）
式中：f—結合面的摩擦系數(shù)，見表4.1；
rn—第n個螺栓軸線到螺栓組對稱中心O的距離；
z—螺栓數(shù)目；
Ks—防滑系數(shù)，Ks=1.1~1.3。
代入數(shù)值計算可得：
T=10000*85+188=2730
F0'≥KsTfr1+r2+?+r3=1.1*27300.1*0.856=35000N
F0總=F0+F0'=27500+35000=65200N
4.4.3螺紋連接的強度計算：
在預緊力的作用下螺栓承受拉伸應力和扭轉(zhuǎn)切應力，處于復合應力狀態(tài)。進行強度計算時應該綜合考慮。
拉伸應力為
σ=F0π4d12 （4.15）
螺栓危險截面的扭轉(zhuǎn)切應力為
τ=F0tanφ+?d2Ω16d13=tan?+tanφ1-tan?tanφ2d2d1F0π4d12 (4.16)
根據(jù)第四強度理論得：
σca=σ2+3τ2=1.3σ (4.17)
螺栓危險截面的拉伸強度條件為：
σca=1.3F0π4d12≤σ (4.18)
σca=1.3*652000.145=584552Pa≈0.6MPa
螺紋連接件的許用應力：
σ=σsS （4.19）
式中σs—螺紋材料屈服極限，查閱機械設計；
S—安全系數(shù)，見表4.8。
根據(jù)查表可得，σs=640MPa。
表格 4.8 螺紋連接安全系數(shù)S
載荷類型
靜載荷
變載荷
松螺栓連接
1.2-1.7
緊螺栓連接
受軸向及橫向載荷的普通螺栓連接
不控制預緊力的計算
M6-M16
M16-M30
M30-M60
M6-M16
M16-M30
M30-M60
碳鋼
5-4
4-2.5
2.5-2
碳鋼
12.5-8.5
8.5
8.5-12.5
合金鋼
5.7-5
5-3.4
3.4-3
合金鋼
10-6.8
6.8
6.8-10
控制預緊力的計算
1.2-1.5
1.2-1.5
鉸制孔用螺栓連接
鋼：Sτ=2.5,Sp=1.25
鑄鋼：Sp=2.0-2.5
鋼：Sτ=3.5-5.0,Sp=1.5
鑄鋼：Sp=2.5-3.0
根據(jù)表格4.3，S=1.2。
螺栓連接的許用應力計算可得：
σ=640*1061.2=533*106Pa。
所以σca<σ
根據(jù)計算螺栓連接部分滿足強度條件。
5 尾座總體裝配圖
1上箱體,2下箱體,3調(diào)整塊,4液壓缸,5螺栓,6壓板
7螺母,8絲杠,9伺服電機,10調(diào)整塊,11螺栓,12螺栓
圖 5.1 尾座裝配圖
工作過程：當加工長軸類零件需要頂緊時，可以利用本設計的尾座。利用伺服電機9進行驅(qū)動，滾珠絲杠副傳動，帶動尾座左右移動，尾座與機床各接觸面均有潤滑油溝，在運動過程中可以保證運行的順暢和平穩(wěn)，當運動到尾座頂緊工件的位置時，利用液壓缸4將壓板6上拉，將尾座鎖緊在頂緊位置。當加工過程結束，需要將尾座恢復到原位，將斷開液壓油的供給，使與液壓缸連接的壓板在復位彈簧和自重的作用下向下運動，尾座不再鎖緊在機床床體上，然后同樣利用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠傳動，將尾座移動到車床尾部。
尾座位置的調(diào)整：當尾座套筒的軸心與被被加工工件的軸心不重合時，可以利用調(diào)整塊3,10和調(diào)整螺栓5,11進行對心調(diào)整。將尾座上體1推到最左側，用螺栓4稍微固定，調(diào)整尾座套筒軸心的位置，若想將尾座向下挪動，需擰緊螺釘11與調(diào)整塊10，使尾座上體向下動，若想將尾座向上挪動，需擰緊螺釘12，是尾座上體向上動；若尾座需要向右移動，需擰緊螺釘5與調(diào)整塊3，使尾座上體向右移動。
6 結 論
本設計的與數(shù)控機床配合使用，能極大提高生產(chǎn)效率，減少人力投入，在伺服電機驅(qū)動下，通過滾珠絲杠傳動，進行尾座移動的自動控制，在尾座運動到工件所需要的頂緊位置時，電機停止驅(qū)動，然后利用液壓缸進行尾座的自動鎖緊，本設計只負責設計可編程尾座的機械結構，在數(shù)控編程方面不做設計，只為實現(xiàn)可編程提供可能。在設計中的結論如下：
（1）本設計主要針對DL32M 斜床身數(shù)控機床進行可編程尾座的結構設計，通過理論分析，確定尾座整體的方案設計，綜合分析各驅(qū)動方案和鎖緊方案的優(yōu)缺點，然后選擇最佳的驅(qū)動方案和鎖緊方案。
（2）根據(jù)已有的數(shù)控機床床體的各個尺寸設計出機床尾座箱體的總體結構尺寸，然后根據(jù)機床尾座箱體尺寸設計出各零部件的結構尺寸，繪制出總體裝配圖和重要零件圖。
（3）為了達到設計要求和預想的效果，對伺服電機進行選型，對滾珠絲杠進行選型和校核，對重要螺栓進行強度校核。
參 考 文 獻
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附錄1：外文翻譯
在磨削過程中為了實現(xiàn)精密鍛造曲軸準確對心的可動尾座
B. Denkena a , O. Gümmer a
摘要
在萊布尼茨漢諾威大學的合作研究中心489正在研究一個新的和創(chuàng)新的制造曲軸的過程鏈。通過無毛刺和近凈形精鍛可以明顯縮短工藝鏈，然而由于新工藝鏈的特點這種新的生產(chǎn)工藝要求在研磨前進行精確的工件對齊。本文提出了一種新的包括光學測量系統(tǒng)（傳感器）的機床綜合定位系統(tǒng)并且介紹了一個活躍的尾座（執(zhí)行器）。對于定位誤差的檢測，用計算機集成光學測量系統(tǒng)測量曲軸的幾何元素。一個求幾何數(shù)據(jù)和計算和調(diào)整向量的值的算法。這個向量包含偏心和傾斜誤差的修正。磨床擺錘的自由度（DOF）的程度將用來糾正偏心誤差。曲軸的傾斜誤差被一個新的可移動的尾座修正。這種尾座在磨削過程中產(chǎn)生反向的傾斜。壓電式線性驅(qū)動器為了此目的，尾座中心在兩自由度的動態(tài)驅(qū)動作為角度位置的函數(shù)被兩個新開發(fā)的壓電式線性驅(qū)動器實現(xiàn)（行程4毫米）?；钚晕沧牧Χ榷ㄎ痪缺或炞C。在1.5微米的范圍內(nèi)的定位精度可以通過重復學習控制的來獲得高達10Hz,此外在磨削過程中進行了主動對準試驗。
關鍵詞：機械；磨削；自適應控制；
1簡介
在汽車工業(yè)中，鍛造的曲軸由于其與鑄造相比，具有更高的承載能力和延展性，變得越來越重要。這些性能允許更緊湊和更輕的設計〔1〕。此外，曲軸制造商由于經(jīng)濟原因被迫縮短加工時間和步驟。
基于這一需求，在漢諾威萊布尼茨大學合作研究中心489（CRC 489）中研究了一種用于制造高性能部件的新工藝鏈。鍛造的無毛刺和近凈形狀以允許傳統(tǒng)工藝鏈的顯著縮短[2 ]。
精密鍛造可省去去毛刺和軟預加工。此外，通過采用整體熱處理的精鍛后的曲軸直接硬化，可以縮短工藝鏈，也可以省略冷卻和再加熱的工藝步驟。在精密鍛造和硬化之后，曲軸僅通過研磨[ 3 ]定型。然而，由于新工藝步驟的特點，這種新的工藝鏈需要適應的后續(xù)工藝步驟。軟預加工的缺乏導致軸承的不等量的余量，這必須被磨削。由于變形和余量分布，鍛造工件軸不同于最佳加工軸線，需要對偏心和傾斜誤差進行在位對準。根據(jù)技術上有用的標準（如不平衡和允許）分配軸承上的可用余量，并確保無阻磨削過程。生產(chǎn)工程和機床研究所（IFW）和測量與自動控制研究所（IMR）合作，研究磨床內(nèi)長部件的主動對準。對尾座用光學測量裝置測量夾緊曲軸及其在磨削過程中的調(diào)整進行了研究。
圖1精密對準系統(tǒng)的原理結構
夾緊的曲軸的幾何形狀和位置可以通過光學內(nèi)聯(lián)測量系統(tǒng)來測量。根據(jù)測量的幾何數(shù)據(jù)，計算調(diào)整矢量，調(diào)整偏心和傾斜誤差。在路徑控制磨削中，可以利用磨床擺錘的自由度來校正偏心誤差?？梢詫⑾鄳闹捣峙浣o機器控制。曲軸的傾斜誤差由一個新的主動尾架（參見圖1）通過將工件在圓形路徑上的一側位移作為曲軸的角位置的函數(shù)來校正。
2測量系統(tǒng)
測量系統(tǒng)由陰影投影系統(tǒng)、錐形傳感器和三個線性軸（見圖1）組成。在磨削之前，它測量曲軸。在測量過程中，主動夾緊尾座的中心點處于其零位置。借助于線性軸，測量系統(tǒng)可以被定位。陰影投影系統(tǒng)測量曲軸的幾何形狀，并結合線性軸的位置信號檢測軸承的位置。錐度傳感器測量曲柄腹板和軸承在曲軸旋轉(zhuǎn)時的輪廓。保護罩保護測量系統(tǒng)在磨削過程中不接觸冷卻潤滑劑和切屑（見圖2）。
測量的幾何形狀被轉(zhuǎn)換成一個坐標系。分析了軸承上的余量分布，計算了當前夾緊軸與理想加工軸線的調(diào)整矢量。如果有足夠的余量來保證最終磨削，則通過使用質(zhì)量近似來計算關于殘余不平衡的理想加工軸線。這樣，磨削過程中的不平衡可以被最小化。
圖2測量系統(tǒng)的線輪廓和縱剖面
調(diào)整向量包含偏心和傾斜誤差的校正。相關數(shù)據(jù)將被分配給磨床和主動尾架。有關測量系統(tǒng)的進一步信息發(fā)表在[4]中。
3.迅速的尾座
3.1裝配
為了糾正傾斜誤差，必須由主動尾架產(chǎn)生圓形運動。為了將中心套筒定位在平面中，選擇具有兩個線性軸的箱內(nèi)原理（圖3）。
圖3兩自由度壓電混合定位的箱型原理
主動尾架的動力學目前設計為曲軸轉(zhuǎn)速為600轉(zhuǎn)/分（10 Hz），在±2 mm的調(diào)整行程內(nèi)，精度為±1.5μm。
作為每個軸的驅(qū)動器，已經(jīng)開發(fā)了壓電-液壓混合定位。兩個液壓螺桿短行程致動器（行程：4毫米）串聯(lián)與一個壓電執(zhí)行器（行程：60μm，1000 V）每軸。液壓螺桿在氣缸中提供了緊湊性的優(yōu)點，因為它們的可積性進入結構[5 ]。
壓電致動器只能產(chǎn)生壓縮力，并且必須防止張力。在〔6〕中，提出了一種雙作用液壓缸壓電液壓定位方法。為了防止張力和產(chǎn)生拉力，壓電致動器被預加載。這不是必要的使用兩個單作用液壓缸。通過執(zhí)行器的對立布置，產(chǎn)生預載荷。此外，在定位期間可以避免齒隙。液壓缸由每個軸的一個伺服閥驅(qū)動。
壓電致動器具有高度的動力學定位精度和剛度[7]。缺點是它們的執(zhí)行器長度約為0.2%的有限行程范圍[8]。為了提高定位精度和動力學性能，特別是在外力作用下，一個液壓定位軸由一個壓電致動器組合而成。
其目的是開發(fā)出的壓電-液壓混合定位可以滿足定位精度和動力學的要求。
3.2控制結構
圖4顯示了壓電-液壓混合定位的控制結構。對于圓形定位，指定了每個軸的正弦動態(tài)參考值。通過測量質(zhì)量的位置，計算出控制偏差。一方面，控制偏差由壓電控制器補償。壓電控制器由一個簡單的pi -控制器組成。該積分器必須調(diào)整壓電驅(qū)動器的滯后。除了控制偏差外，還增加了壓電驅(qū)動器的撓度，并將其輸入到液壓控制的輸入中，使壓電致動器能夠在控制偏差被液壓修正后，立即返回零位置。
圖4 壓電-液壓混合定位的控制結構
液壓控制是一種基于模型的IMC-控制器(內(nèi)部模型控制)，具有smith預測器和附加的集成元素。利用史密斯預測器，考慮了約2毫秒伺服閥的死時間。液壓控制器的i貢獻是調(diào)節(jié)外部力和伺服閥的中性位置所必需的。通過使用基于模型的液壓控制器，與簡單的pi -控制器相比，可以大大提高動態(tài)和超調(diào)。由于動態(tài)參考值的存在，設置和實際值之間的滯后是不可避免的。為此，采用液壓定位系統(tǒng)的速度前饋控制來減小滯后。由于循環(huán)定位導致了引用值的循環(huán)重復，所以使用了迭代學習控制。迭代學習速度控制方案如圖5所示。
57/5000
圖5 迭代學習速度控制方案
如果已知參考值的周期長度和控制過程的延遲時間，可以在無干擾的定位過程中對速度前饋控制進行優(yōu)化，從而使控制偏差最小化。低通濾波器是