锂电池化成设备的研发

1 绪 论

1.1 课题研究的背景

锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。

1.2 锂电池的知识及国内外研究现状

1.2.1 18650锂电池

18650锂电池中的18650这几个数字，代表外表尺寸：18指电池直径18.0mm ，650指电池高度65.0mm 。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为1.2V 常见容量为2500MAH ，锂离子电池电压为3.6V 常见容量为1500MAH-3100MAH 。

锂电池（Li-ion ，Lithium Ion Battery）：锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等等优点，因此得到了

图1-1 18650锂电池

普遍应用——许多数码设备都用了锂离子电池作电源，虽然其价格相对来说比较昂贵。锂电池的能量密度很高，它的容量是同等重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且有极低的自放电率。另外，锂电池没有“记忆效应”以及没有有毒物质等优点也是它广泛应用的主要原因。

1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势

在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率大、无污染、使用时间长、自我放电指数低、温度合适的范围宽泛等优点的锂电池方式逐渐取代镍氢电池，成为纯用电汽车中的核心技术之一。截至2006年10月为止，全球大部分国家已经有了20余家车厂进行锂电池研究发明，例如富士重工、NEC 、东芝、Johnson Controls 、Degussa AG/Enax、Sanyo 电机、Panasonic EV Energy等。

中国在锂电池部分的研究水平，有多项指标超过了USABC 提出的2010年长期指标所规定的目标。

目前，专家认为锂电池技术还需更多的发展。一方面，各企业所公布的大部分纯粹使用蓄电池的电动汽车实验室来测试数据，如加速性能、充电的时间、持续里程数等等，还须在复杂的外部的环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，我国锂离子电池所需隔膜材料基本依赖进口，成本尚待减少。此外，有专家认为，蓄电池使用寿命还不长，造成高额使用成本，成为其商业化的一大瓶颈。

1） 超快充电技术

用传统的慢速充电法，纯电动汽车充满一次电需要好几个小时。这虽然能够保证相对比较长的续驶里程，但因为要安装许多电池，增加了车辆的重量以及成本，对电池一致性的要求也比较高。现在，快速充电电池技术已经出现，具有寿命长（可充电2000次以上）、没有记忆性、可以大容量充电及放电等特点，在几分钟内就可充70%～80%的电。前面所述的东芝可急速充电锂电池的技术，即是快速充电技术的其中之一，这为纯电动汽车的市场化充分供应了技术。但是也有专家对于蓄电池的快速充放电提出了疑惑，他们认为快速充电时的过度充电和过度放电很有可能会使各电池在电池组内协同工作环境恶化，从而造成整体电池组的瓦解崩溃。而现在许多企业在这方面积极进行研发，也有所进展。2005年《参考消息》报导内华达州有企业研制出纳米电池，只需6分钟就能充满电，每次充电后的使用时间能达到目前充电电池的10倍，使电池充电次数量高达到2万次，所提供的电流强度最大能到现在的3倍。这也成为目前纯电动汽车电池技术的发展动向之一。

2） 电池与电容相结合技术

超级电容具有充电快、无记忆充放电、充放电循环次数高、无二次污染等优等特性，但是有放电快的缺点；锂离子电池的储电量大、储存时间长的优点，但是充电时间很长。取他们两个的长处，结合后使用在电动的汽车上，除了可以有传统纯电动式汽车的“电代油”与“零排放”的主要优点外，并且还具有一次充电可以行驶路程（可达300公里）、速度（可达100公里/小时）、而行使的过程中能源回收效率很高等优点，为了向着纯电动汽车的发展最新趋势。目前有富士的重工和NEC 联合一起开发“锂离子电容器”，能量密度达30瓦时/千克，为先前的电容器的4倍，达到用于电动汽车的运用水准。我国有上海瑞华集团研发了混合型环保电能超级电容极电动汽车，还有国家家电网公司在这一方面早已经完成了3种电池-混合电容型电力工程车辆的改装和性能测试，并将开展示范应用。

3）电动轮技术

电动轮亦称轮内电动机（In-Wheel Motor ）。目前大部分重型矿用自卸汽车所采用的电动轮是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。其工作原理如下：交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏于车轮内，电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联，而轮毂支撑于转向节上，轮胎随同电动机的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向节连接于车身上。

1.2.3 锂离子电池原理

一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC （正温度控制端子），电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。再充电，又重复上述过程。以典型液态锂离子作为例子，当以石墨作负极材料，以LiCoO 2作正极材料时，其充放电的原理为：

放电 6C+LiCoO2—→Li-xCoO2+LixC6；

充电 6C+LiCoO2←—Li-xCoO2+LixC6；

充电时，Li +从LiCoO 2中发生脱嵌，释放出一个电子，C 3+被氧化为C 4 +，此时，Li +经过隔膜与电解液流到负极石墨表面，然后插入到石墨结构中，石墨结

构同时获得一个电子，形成锂—碳层间化合物Li x C 6，放电时过程则相反，Li +从石墨结构脱插，嵌入到正极LiCoO 2中。

图1-2 锂电池充放电示意图

1.2.4 锂电池组成

⑴ 正极： 锂电池的正极组成材料为氧化物， 锰酸锂(LiMn2O4)、 氧化钴锂(钴酸锂 LiCoO2)、 氧化镍锂(镍酸锂 LiNiO2)、 磷酸铁锂(LiFePO4)等。

⑵ 负极：锂电池的负极组成材料最主要是石墨型化碳材料(碳素) 。 ⑶ 导电剂：乙炔黑。

⑷ 粘接剂：聚四氟乙烯。

⑸ 电解质：锂电池的电解质主要有两种，液态电解质(碳酸脂) 和固态电解质(聚合物) 。

⑹ 隔膜：锂电池用隔膜是聚烯微孔隔膜，此隔膜的优点是离子交换能力强，保液能力好，强度高，抗氧化性能好。

⑺ 铝壳或塑壳。

1.2.5锂离子电池生产工艺流程

1.2.6锂离子电池的化成

组装好的锂离子电池首先进行化成。化成工艺：以 0.1C 恒流(40mA/g)充电到 3.6V，再以 0.2C 恒流充电到 4.2V，最后以 4.2V 恒压充电 2 小时。静置 10min，以 0.2C 恒流放电至 2.5V～3.0V 终止，充电同前。

1.2.7锂离子电池的优点

1) 超长寿命，铅酸电池具有长寿命，它的循环的寿命在300次左右，能达到的最高也就500次，而磷酸铁锂电池，循环的寿命可以达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，也可以达到近2000次。同质量的铅酸电池是“新半

年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就1—1.5年时间，而磷酸铁的锂电池在同样的条件下，将达到７~８年可以说是" 终身制" 。综上所述，性价比是铅酸电池的5倍以上。

2) 使用安全，磷酸铁锂电池能够充分地解决钴酸锂和锰酸锂所产生的安全隐患问题，锰酸锂和钴酸锂在剧烈的碰撞下会爆炸，这对于消费者的生命财产构成威胁，而磷酸铁锂经过了严谨的安全测试，它即使在最恶劣的交通事故下也不会爆炸，是最特色的锂电池。

3) 可大电流2C 快速的充放电，在于专用的充电器下，1.5C 充电40min 内就可以让电池充满，起动电源可达2C ，然而铅酸电池现如今没有该性能。

4) 耐高温，磷酸铁锂电最高温能够达到350℃—500℃然而锰酸锂和钴酸锂的温度只能达到200℃左右。

5) 大容量，它生产的磷酸铁锂电池的 续行里程能够达到同等质量的铅酸电池的3—4倍，她得优点能够让电动自行车处在适中重量的前提下，只需要充一次电就能跑100多公里，基本充一次电能，上班族能够使用一周的时间。然而铅酸电池来装备的电动自行车在整车重量不超标的条件下，其电池容量最大为12Ah （铅酸电池重量此时已达13公斤，而同内容的磷酸铁锂离子电池的重量只有5公斤），充一次电最多能够行驶50km 左右。

6) 无记忆效应，充电池在补充完的的情况下，容量会低于额定容量，这叫记忆效应。而像镍氢、镍镉电池存在记忆性，磷酸铁锂离子电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

7) 体积很小、重量很轻，相同规格容量的磷酸铁锂离子电池的大小是铅酸电池大小的2/3，质量是铅酸电池的1/3。

1.2.8 锂离子电池的缺点

1) 电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co 的资源较小），电解质体系提纯比较困难。

2) 不能过大的电流放电。由于有了机电解质体系等等的原因，电池的内阻相对于其他一类的电池较大。因此要求比较小的放电的电流密度，一般放电电流在0.5C 以下，只能用于中小型电流的用电器使用。

3) 保护线路的控制。

A 、过充保护：电池过度充能将会破坏掉正极结构从而影响到了它的寿命和性能；而与此同时过度的充电使得电解液分解，它的内部压力过高会导致漏液等等的问题；因此必须要在4.1V-4.2V 的恒压下再充电；

B 、过放保护：过度放会使活性物质的恢复很困难，因此也要有线路保护的控制。

2 总体方案设计

2.1 任务要求及参数

据现有的锂电池化成工艺要求，设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极片或极板夹紧以及充放电功能，完成该化成设备的机械结构设计、主要零件的力分析、完成该设备三维建模及仿真。

以18650锂电池为例，

18650这几个数字，代表外表尺寸：

18指电池直径18.0mm

650指电池高度65.0mm

2.2 升降机构方案

升降机构方案一：丝杠传动

如下图所示，采用步进电机和丝杠带动电极工作台升降。此方案的优点是升降工作台升降速度可调，升降高度可以通控制步进电机转的圈数来调节，升降距离可以很长。缺点是结构相对较复杂，生产成本较高。

图2-1 方案一：升降台采用丝杠传动

升降机构方案二：采用气压传动 如下图所示，方案二采用的是气压传动来控制升降台升降，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，以便于集中的供气和中距离的输送，使用很安全，没有爆炸和电击的危险，具有过载保护能力；

缺点是：

（1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统所带来的速度稳定性很差，给系统的速度还有位置控制的精度带来了很大的影响。

（2）气压传动的噪声很大，尤其是排气的时侯，需要加一个消音器。

图2-2 方案二：升降台采用气缸传动

在本机械中，所要求升降台提升高度不高，如果采用丝杠传动，会使结构相对较复杂，如采用气压传动，会使结构更简单，因此，升降机构采用气压传动。

2.3 进料机构方案

进料机构方案一：齿轮齿条传动

如下图所示，方案一采用的是齿轮齿条传动来控制送料台送料，承载力大，传动精度较高，可达0.1mm ，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，可达>2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。

图2-3 进料机构方案一：齿轮齿条传动方案 进料机构方案二：气压传动

如下图所示，进料机构方案二采用的是气压传动来控制进料台工作，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，以便于集中的供气和平均距离的输送，为了使用的安全，没有爆炸和电击的危险，有了过载保卫能力；

缺点是：（1）因为空气能够被极大的压缩，气压传动系统它的速度的稳定性不高，给系统带来的速度以及位置控制精度带来了较大的影响。（2）气压传动系统会有很大的噪音，尤其是在排气的时候，需要加一个消音器。

图2-4 进料机构方案二：送料机构传动方案

综上所述，为能够集中供气和中距离的传输，为了使用安全，没有爆炸和电击的危险，有过载保护能力；进料机构和升降机构一样，统一采用气压传动。

2.4 总体方案拟定

根据以上升降机构和进料机构的设计，最后拟定传动方案如下图所示： 由气缸带动进料机构左右运动，气杆伸出，可以往电池模板里放入锂电池，模板底部弹片与电池负极接通，气杆缩进，电池模板与正电极模板对齐。

由气缸带动升降台作上下运动，升降台上升，正电极与池正极脱开，升降台下降，正电极与电池正极接合，接通电源便可开始对锂电池化成。

图2-5 总体方案

3 气压传动设计

3.1 气压传动系统图

该系统由左右移动的进料气缸、升降气缸、组成。气源出来的气体经过二联件处理后进入到汇流板。通过相应的电磁换向阀进入气动执行元件，分别驱动气缸1的左右移动、气缸2的上升下降运动

.

3.1 升降气缸设计

升降气缸运动参数

升降行程35mm

升降速度5mm /s

1）所要克服的重力

G=170Kg⨯10=1780 N

2）气缸的直径

本气缸主要带动升降板升降，气缸必须克服升降板的重力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

F 1=πD 2P

4-F t -F z (3-1)

式中: F 1 - 活塞杆上的推力，N

F t - 升降板重力G ，N

F z - 气缸工作时的总阻力，N

P - 气缸工作压力，Pa

在设计中，必须考虑负载率η的影响，则:

F t +F z =πD 2p η

4

由以上分析得气缸的直径

:

D = (3-2) 代入有关数据，可得

所以:D =

= =53.7(mm )

查有关手册圆整，得D =63mm

由d /D =0. 2-0. 3, 可得活塞杆直径:d =(0.2-0.3) D =13-18.9mm 圆整后，取活塞杆直径d =16mm 校核，按公式F 1/(π/4d 2) ≤[σ] 有:d ≥(4F 1/π[σ])0. 5

其中，[σ]=120MPa

则:d ≥[4⨯(490+1780) /π⨯120]0.5

=4.9≤16

满足实际设计要求。

3）缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

δ=DP p /2[σ] (3-3)

式中:σ - 缸筒壁厚，mm

D - 气缸内径，mm

P p - 实验压力，取P p =1. 5P , Pa

材料为:ZL3,[σ]=6MPa

代入己知数据，则壁厚为:

δ=DP p /2[σ]

=65⨯6⨯105/(2⨯6⨯106)

=3.25(mm )

取δ=5mm ，则缸筒外径为:D 1=63+5⨯2=73(mm )

3.2 进料气缸设计

进料气缸运动参数

伸缩行程1100mm

伸缩速度200mm /s

最大加速度1m/s

1）所要克服的摩擦阻力

f=150Kg⨯10⨯0.17=255N 2

2）气缸的直径

本气缸主要带动移动板伸缩，气缸必须克服移动板和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

F 1=πD 2P

4-f -F z (3-4)

式中: F 1 - 活塞杆上的推力，F 1=ma =150⨯1=150N

F t - 升降板重力G ，N

F z - 气缸工作时的总阻力，N

P - 气缸工作压力，Pa

在设计中，必须考虑负载率η的影响，则:

F 1+F t +F z =πD 2p η

4

由以上分析得气缸的直径

:

D =代入有关数据，可得

所以:D =

==34.8(mm )

查有关手册圆整，得D =50mm

由d /D =0. 2-0. 3, 可得活塞杆直径:d =(0.2-0.3) D =10-15mm 圆整后，取活塞杆直径d =15mm 校核，按公式F 1/(π/4d 2) ≤[σ] 有:d ≥(4F 1/π[σ])0. 5

其中，[σ]=120MPa

则:d ≥[4⨯(550+255+150) /π⨯120]0.5

=3.18≤16

满足实际设计要求。

3）缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

δ=DP p /2[σ] (3-6)

式中:σ - 缸筒壁厚，mm

D - 气缸内径，mm

P p - 实验压力，取P p =1. 5P , Pa

材料为:ZL3,[σ]=6MPa

代入己知数据，则壁厚为:

δ=DP p /2[σ]

=50⨯6⨯105/(2⨯6⨯106)

=2.5(mm )

取δ=5mm ，则缸筒外径为:D 1=50+5⨯2=60(mm )

3.3 升降气缸尺寸设计与校核

1）尺寸设计

气缸运行长度设计为l =40mm,气缸内径为D 1=63mm，气缸运行速度，加速度时间∆t =0.1s,压强p=1MPa,则驱动力：

G 0=p . πR 2`` (3-7)

62 =1⨯10⨯3.14⨯0.063

=12462(N )

2）尺寸校核

（1）测定上模板质量为170kg, 则重力：

G =mg

=170⨯10 =1700(N )

（2）设计加速度a =1(m /s 2) ，则惯性力：

G 1=ma

=170⨯1 =170(N )

（3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k =0. 1，

G m =k . G 1

=0.1⨯850 =85(N )

∴ 总受力G q =G +G 1+G m =1955N

G q

所以设计尺寸符合实际使用要求。

3.4 伸缩气缸尺寸设计与校核

1）尺寸设计

气缸运行长度设计为l =1100mm,气缸内径为D 1=50mm，气缸运行速度，加速度时间∆t =0.1s,压强p=1MPa,则驱动力：

G 0=p . πR 2`` (3-8)

62 =1⨯10⨯3.14⨯0.05

=7850(N )

2）尺寸校核

（1）设计加速度a =5(m /s 2) ，则惯性力：

G 1=ma

=150⨯1 =150(N )

（3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数k =0. 1，

G m =k . G 1

=0.1⨯150 =15(N )

∴ 总受力G q =G 1+G m =165N

G q

所以设计尺寸符合实际使用要求。 滚珠丝杠的设计计算与选用

纵向滚珠丝杠的设计与计算

1）确定滚珠丝杠副的导程 V P = (3-9) h i *n max

V ：工作台最高移动速度 max

n ：电机最高转速； max

I ：传动比

电机与丝杠间为齿轮连接式，i=4（取一级减速齿轮） 由上表查得W 1=4m/min，n =1500r/min max

代入得P =0.67mm h

查《现代机床设计手册》取P =5mm h

2）确定当量转速与当量载荷

Vi （1） 各种切削方式下，丝杠转速n = (3-10) i p h

由上表查的v 1=0.6, v 2=0.8, v 3=1, P h =4 代入得n 1=120，n 2=160，n 3=200，n 4=800

（2） 各种切削方式下，丝杠轴向载荷F i =p xi +(w 1+w 2+p zi ) /10 F i ：丝杠轴向载荷，p xi ：纵向切削力，p zi ：垂向切削力

由上表得p xi (i=1,2,3,4)分别为2000 N,1000N,500N,0N p zi (i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N 已知w 1＝800 N，w 2＝200 N

代入得F i (i=1,2,3,4)分别为2200N ，1150N ，620N ，1000N

（3） 当量转速

n m =n m =n 1*t 1/100+n 2*t 2/100+n 3*t 3/100+n 4*t 4/100数据代入得n m =240r/min

（4） 当量载荷

F m = (3-11)

带入数据得F m ＝1057N 3）初选滚珠丝杠副

由公式《现代机床设计手册》（3.7－24）知

c f *f *f *f 106

L h =*(a *t h a k ) 3 (3-12)

60n m F m f w 查《现代机床设计手册》表（3.7－51）—表（3.7－54） 得f t ＝1，f h ＝1，f a ＝1，f k ＝0.53，f w =1.3，L h ＝10000h 代入数据可求得c a ＝13589N=13.58KN 4) 确定允许的最小螺纹底径

（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 ①δm ≤（1/3—1/4）重复定位精度 ②δm ≤ (1/4—1/5 )定位精度

δm ：最大轴向变形量μm

已知重复定位精度10μm 定位精度25μm

①δm ＝3μm ，②δm ＝6μm 取两种结果最小值δm ＝3μm （2）估算最小螺纹底径

丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式

d 2m ==

d 2m ：最小螺纹底径mm

L ＝（1.1—1.2）行程+(10—14) P h 静摩擦力F 0=μ0W 1

已知行程950mm ，W 1＝800N, μ0=0.2 代入数据得L=1110mm，F 0＝160N, d 2m =9.5mm 5）确定滚珠丝杠副得规格代号

（5） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式

（6） 由计算出的P h ，c am ，d 2m 在《现代机床设计手册》中选取相应规格的

滚珠丝杠副FFZD4005-5

P =5, c a h

=22000N>c am =13589N

6) 确定滚珠丝杠副预紧力

1

F P =F max

3

其中F max ＝2200

F P ＝733N

7) 行程补偿值与拉伸力

（1）行程补偿值C=11.8∆tl u *10-3 式中l u ＝L k +L n +2L a

查《现代机床设计手册》L k ＝950

L n

＝110，L a ＝（2—4）P h ＝15

∆t 温差取2.50c

代入数据得C=32μm (2)预拉伸力

2

F t ＝1.95∆t d 2

代入得F t ＝4807N

8）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格

（1）轴承所承受得最大轴向载荷

F B max ＝4807＋2200＝7007 （2）轴承类型

两端固定的支承形式，选背对背600c 角接触推力球轴承 （7） 轴承内径

d 略小于d 2＝40，F BP =

1

，取d ＝30 F

3B max

带入数据得F BP ＝2336N

（8） 轴承预紧力：预力负荷≥F BP

（9） 按《现代机床设计手册》选取轴承型号规格 当d ＝30mm ，预加负荷为：≥F BP 所以送7602030TVP 轴承

d ＝30，预加负荷为2900>F BP ＝2336N 9) 滚珠丝杠副工作图设计

(1)丝杠螺纹长度L s =L u +2L e 由表查得余程L e

（2）两固定支承距离L 1，丝杠L (3)行程起点离固定支承距离L 0

L s L e

＝1290，L 1＝1350 ＝1410，L 0＝30

10）传动系统刚度 （1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度

2d 2

k s min ＝6.6**102

l 1

d 2:丝杠底径

l 1

：固定支承距离

k s m in

代入数据

＝782N/μm

2）丝杠最大抗压刚度

2d 2*l 1

*102 k s max ＝6 .6*

4l 0(l 1-l 0)

代入数据得9000 N/μm （2）支承轴承组合刚度

1）一对预紧轴承的组合刚度

K B 0=d Q

：滚珠直径mm ， Z：滚珠数 ：最大轴向工作载荷N

F a m ax

β

：轴承接触角

由《现代机床设计手册》查得

7602030TVP 轴承F a m ax 是预加载荷得3倍

k a max ＝8700N/μm K B 0=375 N/μm 2）支承轴承组合刚度

k b =2K B 0

k b ＝750 N/μm

3) 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度

k c =k c ' (

k c

k c

'

F p 0.1c a

) 1/3 (3-14)

：《现代机床设计手册》上的刚度 ＝2150 N/μm , c a =2200N,

F p

=733N

代入数据得k c ＝1491 N/μm

11）刚度验算及精度选择

d Q =3.5，Z ＝17，β＝600

（1）

1k min

=

1k s min

+

11

+ (3-15) k b k c

1k min

代入前面所算数据得

1k max

1k s max

＝

1 30

=+

11

+ k b k c

1k max

=1 476

代入前面所算数据得

F 0=μ0w 1

已知w 1＝800N, μ0=0.2, F 0=160N

F 0

:静摩擦力，μ0：静摩擦系数，w 1：正压力

（2）验算传动系统刚度

1.6F 0

；已知反向差值或重复定位精度为10 k min ＝

反向差值k min ＝30>25.6

（3）传动系统刚度变化引起得定位误差

1k min

1k max

δk ＝F 0（

－

），代入δk ＝5μm

（4）确定精度

v 300p ：任意300mm 内行程变动量对系统而言

v 300p ≤0.8×定位精度－δk 定位精度为20μm /300

v 300p

v 300p ＝12μm

（5）确定滚珠丝杠副得规格代号 已确定得型号：FFZD 公称直径：40，导程：5 螺纹长度1290，丝杠长度1410 P 类3级精度

所选规格型号：FFZD4005-3-P3/1410×1290 12）验算临界压缩载荷

丝杠所受大轴向载荷F max 小于丝杠预拉伸力F 不用验算

13）验算临界转速

d

n c =f 22*107 (3-16)

L c 2

n c ：临界转速n/min f ：与支承形式有关的系数

d 2：丝杠底径

L c 2：临界转速计算长度mm

由《现代机床设计手册》得f ＝21.9, d 2=40, L c 2=l 1-l 0 可得n c ＝5028>n max =1500 横向滚珠丝杠的设计与计算

1）确定滚珠丝杠副的导程

P h =V i *n max

————V max ：工作台最高移动速度；

n max

：电机最高转速 I ：传动比

电机与丝杠间为齿轮连接式 i=4（取一级减速齿轮）

由上表查得V max =2m/min，n max =1500r/min 代入得P h =0.33mm

查《现代机床设计手册》取P h =5mm 2）确定当量转速与当量载荷

（1） 各种切削方式下，丝杠转速n Vi i

=p h

由上表查的v 1=0.6, v 2=0.8, v 3=1, v 4=2 代入得n 1=120，n 2=160，n 3=200，n 4=400

（2） 各种切削方式下，丝杠轴向载荷F i =p xi +(w 1+w 2+p zi ) /10F i

：丝杠轴向载荷，p xi ：纵向切削力，p zi ：垂向切削力

由上表得p xi (i=1,2,3,4)分别为2000 N,1000N,500N,0N p zi (i=1,2,3,4)分别为1200N,500N,200N,0N 已知w 1＝800 N，w 2＝200 N

代入得F i (i=1,2,3,4)分别为2200N ，1150N ，620N ，1000N （3） 当量转速

n m =n 1*t 1/100+n 2*t 2/100+n 3*t 3/100+n 4*t 4/100 数据代入得n m =200r/min （4） 当量载荷

F m = (3-17)

带入数据得F m ＝1097N

3）初选滚珠丝杠副，由公式《现代机床设计手册》（3.7－24）知

106

L c f *f *f *f h =60n *(a F *t h a k ) 3 (3-18)

m m f w 查《现代机床设计手册》表（3.7－51）—表（3.7－54） 得f t ＝1，f h ＝1，f a ＝1，f k ＝0.53，f w =1.3，L h ＝10000h

代入数据可求得c a ＝13272N=13.27KN 4) 确定允许的最小螺纹底径

（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量

①δm ≤（1/3—1/4）重复定位精度 ②δm ≤ (1/4—1/5 )定位精度

δm ：最大轴向变形量μm

已知重复定位精度10μm ，定位精度25μm ，

①δm ＝3μm ②δm ＝6μm

取两种结果最小值δm ＝3μm （2）估算最小螺纹底径

丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式

d 2m ==d 2m ：最小螺纹底径mm

L ＝（1.1—1.2）行程+(10—14) P h 静摩擦力F 0=μ0W 1

已知行程950mm ，W 1＝800N, μ0=0.2 代入数据得L=1110mm，F 0＝160N, d 2m =9.5mm 5）确定滚珠丝杠副得规格代号

（1） 选内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式

（2） 由计算出的P h ，c am ，d 2m 在《现代机床设计手册》中选取相应规格的

滚珠丝杠副FFZD4005-5

P =5, c a

h

=22000N>c am =13272N

6) 确定滚珠丝杠副预紧力

1

F P =F max 其中F max ＝2200

3

F P ＝733N

7) 行程补偿值与拉伸力

（1）行程补偿值C=11.8∆tl u *10-3，式中l u ＝L k +L n +2L a 查《现代机床设计手册》

L k

＝950，L n ＝110，L a ＝（2—4）P h ＝15

∆t 温差取2.50c

代入数据得C=32μm (2)预拉伸力

2

F t ＝1.95∆t d 2

代入得F t ＝4807N

8）确定滚珠丝杠副支承用得轴承代号，规格

（1）轴承所承受得最大轴向载荷

F B max ＝4807＋2200＝7007 （2）轴承类型

两端固定的支承形式，选背对背600c 角接触推力球轴承 （3） 轴承内径 d 略小于d 2＝40，F BP =

1

F B max ，取d ＝30 3

带入数据得F BP ＝2336N

（4） 轴承预紧力：预力负荷≥F BP

（5） 按《现代机床设计手册》选取轴承型号规格 当d ＝30mm ，预加负荷为：≥F BP 所以送7602030TVP 轴承

d ＝30，预加负荷为2900>F BP ＝2336N 9) 滚珠丝杠副工作图设计

(1)丝杠螺纹长度L s =L u +2L e 由表查得余程L e

（2）两固定支承距离L 1，丝杠L (3)行程起点离固定支承距离L 0

L s

＝1290，L 1＝1350，L e ＝1410，L 0＝30

10）传动系统刚度 （1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度

2d 2

k s min ＝6 .6**102

l 1

d 2:丝杠底径

l 1

：固定支承距离

代入数据

k s m in

＝782N/μm

2）丝杠最大抗压刚度

2d 2*l 1

*102 k s max ＝6 .6*

4l 0(l 1-l 0)

代入数据得9000 N/μm （2）支承轴承组合刚度

1）一对预紧轴承的组合刚度

K B 0=

d Q

：滚珠直径mm

Z ：滚珠数，

F a m ax ：最大轴向工作载荷N

β

：轴承接触角

由《现代机床设计手册》查得7602030TVP 轴承

F a m ax

是预加载荷得3倍

k a max ＝8700N/μm K B 0=375 N/μm 2）支承轴承组合刚度

k b =2K B 0

k b ＝750 N/μm

3) 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度

k c =k c ' (

k c

F p 0.1c a

) 1/3

：《现代机床设计手册》上的刚度

k c

'

＝2150 N/μm , c a =2200N,

F p

=733N

代入数据得k c ＝1491 N/μm

11）刚度验算及精度选择

d Q =3.5，Z ＝17，β＝600

（1）

1k min

=

1k s min

+

11

+ k b k c

代入前面所算数据 得

1k min

＝

1 30

1k max

=

1k s max

+

11

+ (3-18) k b k c

代入前面所算数据 得

1k max

=1 476

F 0=μ0w 1

已知w 1＝800N, μ0=0.2, F 0=160N

F 0

:静摩擦力，μ0：静摩擦系数，w 1：正压力

（2）验算传动系统刚度

k min ＝

1.6F 0

反向差值

已知反向差值或重复定位精度为10

k min ＝30>25.6

（3）传动系统刚度变化引起得定位误差

1k min

1k max

δk ＝F 0（

－

），代入δk ＝5μm

（4）确定精度

v 300p ：任意300mm 内行程变动量对系统而言 v 300p ≤0.8×定位精度－δk ；定位精度为20μm /300 v 300p

所选规格型号：FFZD4005-3-P3/1410×1290 12）验算临界压缩载荷

丝杠所受大轴向载荷F max 小于丝杠预拉伸力F 不用验算 13）验算临界转速

n c =f d 27 *102L c 2

n c ：临界转速n/min

f ：与支承形式有关的系数 d 2：丝杠底径

L c 2：临界转速计算长度mm

由《现代机床设计手册》

得f ＝21.9, d 2=40, L c 2=l 1-l 0

可得n c ＝5028>n max =1500

4 结构设计

4.1下模板设计

图4-1 下模板

下模板设计如上图所示，下模板由支撑板、绝缘层、电极层、模框及燕尾槽组成，支撑板的材料为不锈钢板，主要起支撑作用，燕尾槽块材料为45钢，与支撑板焊接在一起。支撑板上边为绝缘层，材料是绝缘塑料，绝缘层有一方形凹坑，坑中安放有铜片电极，铜片电极上压着模框。支撑板、绝缘层、电极层、模框由螺栓联接。

4.2 上模板设计

图4-2 上模板

上模板设计如上图所示，上模板由支撑板、绝缘层、电极层、模框及导向套组成，支撑板的材料为不锈钢板，主要起支撑作用，导向套为45钢，与支撑板联接在一起。支撑板下边为绝缘层，材料是绝缘塑料，绝缘层有一方形凹坑，坑中安放有铜片电极，铜片电极下压着模框。支撑板、绝缘层、电极层、模框由螺栓联接，弹簧电极与铜片电极层焊接在一起。

4.3 机架设计

1）机架设计准则

底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。

机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零件一般可提出下列要求:

(1)工况要求：即任何的机架所出的设计，第一应该保证机器所需的特定工作要求。比如，要保证该机架上的零部件能够运转顺利，机架上的外形或者结构的内部结构不致有阻碍的运动件所通过的突起, 设置来执行某一种工况必要的平台；保证其上下料要求、以及人工简便的操作以及安全等。

(2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形，振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其它性能。例如机床的零部件中，床身的刚度则决定了机床的生产率和加工产品的精度。

(3)强度要求：对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求

(4)对稳定性要求：在对于细长的或者薄壁的结构以及受弯-压结构所存在失稳的问题，对于某些板壳的结构也会存在失稳问题或者局部失稳的问题。失稳会对结构产生巨大的破坏，设计时应该校核。

(5)美观：目前对机器的要求不仅仅要能完成特定的工作，还要使得它的外形美观。

(6)其它：如散热的要求，以及防腐蚀的特定环境的要求。

能够在满足机架的设计准则的前提下，必须根据机架的不同的用途和所处的环境，考虑以下各项要求，并有所偏重。

(1)机架的重量要轻，材料应当选择合适，成本要低。

(2)结构要合理，要便于制造。

(3)结构应当使机架上的零部件能够安装、调整、修理以及更换都方便。

(4)结构设计要合理，工艺性要好，还应该使机架本身的内应力减小，由于温度变化而引起的变形应力小。

(5)抗振性能好。

(6)耐腐蚀性好，使得机架结构在服务期限内应当尽量少地修理。

(7)有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性要好。

2）机架

图4-3 机架

4.4 燕尾导轨设计

沿着给定的方向直线运动。对导轨有以下的要求：

1）精确的导向精度。导向精度就是运动件要沿着导轨的直线运动，以及它的相互位置要有准确性。

2）运动要轻便及稳定。它工作时，应当轻便+省力，速度均匀，低速时应当没有爬行现象。

3）要有较好的耐磨性。而导轨它的耐磨性是导轨长期使用之后，能够保持一定的使用精度。而导轨在使用过程中要有磨损，但应当使磨损量变小，而且磨损后能够自动补偿或者便于调整。

4）足够的刚度。运动件所受到的外力，是由导轨面来承受的，因此导轨应当有足够的接触刚度。所以，常用加大导轨面的宽度，以及降低导轨面的比压；设置辅助导轨，来承受外载。

5）温度变化的影响小。应当保证导轨在工作温度的变化的条件下，仍然能够正常工作。

6）结构工艺性要好。在保证导轨其它要求的前提下，应当使导轨的结构简单，以便于加工、测量、装配和调整，来降低成本。

上述六点要求是相互影响的。

导轨设计的主要内容 ：

设计导轨要有以下几方面的内容：

1）根据其工作的条件，来选择适当的导轨型号。

2）要选择该导轨适当的截面形状，以此保证导向的精度

3）选择相当的导轨尺寸以及结构，使得其在给予的载荷以及工作的温度范围内，能够拥有充分的刚度和较好的耐磨性，以及运动的轻巧和稳定。

4）来选择导轨的调节装置以及补偿，经过长期使用之后，通过调整才能保持需要的导向精度。

5）选择好的方法使其润滑以及防护装置，使得导轨有良好的工作条件，以此减少摩擦和磨损。

6）制订能保证导轨所必须的技术条件，例如选择适当的材料，热处理、精加工以及测量方法等等。

导轨的结构设计

燕尾槽结构示意标准如下：

按如下标准取第二组数据，

图4-4 燕尾槽

导轨的质量取决于它的制造精度和安装精度，设计时根据使用要求，按如下技术条件实行：

两导轨面间的不平度一般为3微米；

导轨不直度一般为10-15微米，精密的小于10微米；

滚动体的直径差，对于一般的导轨，全部滚动体的直径差不大于2微米，每组滚动体的直径差不大于1微米；对于精密导轨，全部滚动体的直径差不大于1微米，每组滚动体的直径差不大于0.5微米；

表面光洁度通常应刮研；在25×25厘米2内，其接触斑点为20-25个点，精密的取上限，一般的取下限。