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立式數(shù)控銑床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計說明書

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立式數(shù)控銑床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計說明書

中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 0 目錄 . 1 術(shù)要求 . 1 體設(shè)計方案 . 1 . 1 切削力及其切削分力計算 . 1 軌摩擦力的計算 . 2 算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 . 2 珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 . 3 . 7 . 7 珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗 . 7 珠絲 桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗 . 7 珠絲桿螺母副額定壽命的校驗 . 8 . 8 械傳動系統(tǒng)的剛度計算 . 8 珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計算 . 9 . 9 算折算到電動機軸上的負載慣量。 . 9 算折算到電動機軸上的負載力矩 . 10 算坐標軸折算到電動機軸上的各種所需力矩 . 11 擇驅(qū)動電動機的型號 . 12 . 12 定滾珠絲杠螺母副的精度等級 . 12 珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 . 13 8. 課程設(shè)計總結(jié) . 13 . 13 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 1 術(shù)要求 工作臺、 工件和夾具的總質(zhì)量 m=918中,工作臺的質(zhì)量 510作臺的最大行程 00 作臺快速移動速度 18000mm/作臺采用貼塑導(dǎo)軌,導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)為 摩擦系數(shù)為 作臺的定位精度為 30 m,重復(fù)定位精度為 15 m;機床的工作壽命為 20000h(即工作時間為 10 年)。機床采用主軸伺服電動機,額定功率為 床采用端面銑刀進行強力切削,銑刀直徑 125軸轉(zhuǎn)速 310r/削狀況如下: 數(shù)控銑床的切削狀況 切削方式 進給速度 時間比例( %) 備 注 強力切削 0 主電動機滿功率條件下切削 一般切削 0 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進給 20 10 空載條件下工作臺快速進給 體設(shè)計方案 為了滿足以上技術(shù)要求,采取以下技術(shù)方案: ( 1) 工作臺工作面尺寸(寬度×長度)確定為 4001200 ( 2) 工作臺導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌,在與之相配的動導(dǎo)軌滑動畫面上貼聚四氟乙烯導(dǎo)軌板。同時采用斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙,在背板上通過設(shè)計偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙,并在與工作臺導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面 上貼膜。 ( 3) 對滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊,并對滾珠絲杠進行拉伸預(yù)。 ( 4) 采用伺服電動機驅(qū)動。 ( 5) 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲杠連接。 切削力及其切削分力計算 ( 1)計算主切削力 根據(jù)已知條件,采用端面銑刀在主軸計算轉(zhuǎn)速下進行強力切削(銑刀直徑 D=125中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 2 主軸具有最大扭矩,并能傳遞主電動機的全部功率,此時銑刀的切削速度為:(已知機床主電動機的額定功率軸計算轉(zhuǎn)速 n=310r/ 根據(jù)公式得刀具的切削速度為: 0 取機床的機械效率為: ,則由式得主切削力: z 10P 33 ( 2)計算各切削分力 工作臺的縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為 1 1 9 2 . 1 2 6 7 . 4 5 9 . 1 2 6 7 . 4 4 軌摩 擦力的計算 在切削狀態(tài)下坐標軸導(dǎo)軌摩擦力 ( 1) 根據(jù)式( 2算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力F。此時導(dǎo)軌動摩擦系數(shù) ,查表 2鑲條緊固力 ,則 2 0 6 0 . 6 9 9 5 91 5 0 09 0 0 c ( 2) 按式( 2算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力0F 1 2)f()( 算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 ( 1) 按式( 2算最大軸向負載力 2 9) 6 28 6 7(1m a ( 2) 按式( 2算最小軸向負載力 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 3 5 7 50m i 珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 1)確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 根據(jù)已知條件取電動機的最高轉(zhuǎn)速 a x 得: 0 01 1 8 0 0 0m a xm a 算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 ( 1)各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷。 強力切削時的軸向載荷定為最大軸向載荷,快速移動和鉆鏜定位時的軸向載荷定為最小軸向載荷。一般切削(粗加工)和精細切削(精加工)時,滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分別可按下式計算: m i nm i a xm i n %5,%20 并將計算結(jié)果填入表 2 表 2 數(shù)控銑床滾珠絲杠的計算 切削方式 軸向載荷 /N 進給速度/(m/時間比例/(%) 備注 強力切削 v 10 一般切削(粗加工) v 30 m a xm 20 精細切削(精加工) 3v 50 m a xm 5 快移和鏜鉆加工 1575 10 ( 2)計算滾珠絲杠螺母副在各種 切削方式下的轉(zhuǎn)速 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 4 m 5 0 0m 01015m 00m 0101m 0m 0m ( 3)按式( 2算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速 m i n/230m i n/)1500100101001005080100306010010(100100100 2211 ( 4)按式( 2算滾珠絲杠螺母副的平均 載荷333332321131 3)確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷 ( 1)按預(yù)定工作時間估算。查表 2載荷性質(zhì)系數(shù) 知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級為 2 級,查表 2精度系數(shù) 1,查表 2可靠性系數(shù) 由式( 2 m m h 6 0 n L 1 0 0 f f 757200 0 0230603 ( 2)因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊,所以可按式( 2算最大軸向載荷。查表 2 1 8 2 m a ( 3)確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷 取以上兩種結(jié)果的最大值, 。 4)按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 5 ( 1)根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算 允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知工作臺的定位精度為 30 m ,重復(fù)定位精度為 15 m ,根據(jù)式( 2式( 2及定位精度和重復(fù)定位精度的要求,得 m a x 1 1=2 1( )3 15 m ( 510) m m a x 2 1 5 1( )430 m ( 6m 取上述計算結(jié)果的較小值,即 =5 m 。 ( 2)估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2 本機床工作臺( X 軸)滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式。 滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為 L行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長度 +支承長度 ( 程 +( 2530) 0L 取 L 程 +30 0L ( 600+30× 10) 1140 0F =1260N,由式( 2 a 5)初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)計算所得的 0L 、 2初步選擇 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副 本書附錄 其公稱直徑 0d 、基本導(dǎo)程 0L 、額定動載荷 絲杠直徑 2d 如下: 0d =40 0L =10mm 46500N d =2滿足式( 2要求。 6)由式( 2定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 p m a )計算滾珠絲杠螺母副的目標行程補償值與預(yù)緊拉力 ( 1)按式( 2算目標行程補償值 t 。 已知溫度變化值 t=2,絲杠的膨脹系數(shù) = 611 10 m /,滾珠絲杠螺母副的有效行程 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 6 工作臺行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長度 ( 600+100+2× 20+146) 886 t 11 t 11× 2× 886× 2)按式( 2算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力 已知滾珠絲杠螺紋底徑 2d =珠絲杠的溫升變化值 t=2,則 22 1 . 8 1 t d 1 . 8 1 2 3 4 . 3 N 4 2 5 8 . 8 9 N 8)確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號 ( 1)按式( 2算軸承所承受的最大軸向載荷 a m a a x ( 2)計算軸承的預(yù)緊力 m a x ( 3)計算軸承的當量軸向載荷 6 5 0 7F ( 4)按式( 2算軸承的基本額定動載荷 C。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速 n= 230r/承所承受的當量軸向載荷 承的基本額定壽命 L=20000h。軸承的徑向載荷 軸向載荷 別為 3 6 460co s 0 8 6 460s B a 因為 3 2 8 8FF ,所以查表 2,徑向系數(shù) X=向系數(shù) Y= 0 8 3 C 33 h ( 5)確定軸承的規(guī)格型號。 因為滾珠絲杠螺母副擬采取預(yù)拉伸措施,所以選用 60°角接觸球軸承組背對背安裝,以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于滾珠絲杠的螺紋底徑 2d 為 以選擇軸承的內(nèi)徑 d 為 30滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 7 在滾珠絲杠的兩個固定端均選擇國產(chǎn) 60°角接觸球軸承兩件一組背對背安裝,組成滾珠絲杠的兩端固定支承方式。軸承的型號為 7603064寸(內(nèi)徑×外徑×寬度)為307219用脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力 2900N,大于計算所得的軸承預(yù)緊力 在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 1900r/于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速2000r/滿足要求。該軸承的額定動載荷為 C=34500N,而該軸承在 20000h 工作總壽命下的基本額定動載荷 C=34395N,也滿足要求。 將以上計算結(jié)果用于工作臺部件的裝配圖設(shè)計。 珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗 工作臺的滾珠絲桿支承方式采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu),絲杠始終受拉而不受壓。因此,不存在壓桿不穩(wěn)定問題。 珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速 校驗 根據(jù)圖可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度 2L =知彈性模量E= N/ 3重力加速度 全系數(shù) 1K =表2 滾珠絲桿的最小慣性矩為 44442 22222 9 2 3 . 5 4107 . 8109 . 867909102 . 18 3 7 . 53 . 1 424 . 7 3600 . 821c r/北大學(xué)課程設(shè)計說明書 8 本工作臺滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為 1800r/遠小于其臨界轉(zhuǎn)速,故滿足要求。 珠絲桿螺母副額定壽命的校驗 滾珠絲桿螺母副的壽命,主要是指疲勞壽命。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲杠在相同的條件下回轉(zhuǎn)時,其中 90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速。 查附錄 A 表 滾珠絲桿額定動載荷 46500a 轉(zhuǎn)條件系數(shù) ,滾珠絲桿的動載荷 a ,滾珠 絲桿螺母副轉(zhuǎn)速 n= 2000r/即:(一般來講,在設(shè)計數(shù)控機床時,應(yīng)該保證滾珠絲桿螺母副的總時間壽命 L ,姑滿足要求。 械傳動系統(tǒng)的剛度計算 (1)計算滾珠絲桿的拉壓剛度 本工作臺的絲杠支承方式為兩端固定,當滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置( a=L/2, L=1075,滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度算為: 2 . 3 1 N /m/1 0 7 5 2222s m i n 當 a= a=(即滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時),滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度 m/ 3 7 . 5 )-( 1 0 7 52 3 7 . 54 10753 4 . 3106 . 6)4 2m a x (2)計算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度 已知軸承的接觸角 ß=60動體個數(shù) Z=17,軸承的最大軸向中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 9 工作載荷 表 2 2 K b = 4× 3 5m a x2 s = 4× 0s i 52 (3)計算滾珠與滾道的接觸剛度 查附錄 表得滾珠與滾道的接觸剛度 K=1585N/定動載荷 6500N,滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷 由式( 2 ( 1 =1585× (31 N/4) 計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉 壓剛度 K。 由式( 2進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 4 9 11111m a xm a x m 由式( 2進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 2 11111m i nm i n m 珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計算 由圖 4知,扭矩作用點之間的距離 945.5 知剪切模量 G= 滾珠絲杠的底徑 m。由式 ( 2 K =22432= m/ 算折算到電動機軸上的負載慣量 。 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 10 (1)計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量 已知滾珠絲杠的密度 =103 kg/由式 (2 : (2)計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 103 =103 (34 ) (3)折算到電動機軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量 計算 已知機床執(zhí)行部件(即工作臺、工件和夾具)的總質(zhì)量 m=918動機每轉(zhuǎn)一圈,機床執(zhí)行部件在軸向移 動的距離 L=1由式( 2 222 3.)182 (4)加在電動機軸上總的負載轉(zhuǎn)動慣量 計算 2= 算折算到電動機軸上的負載力矩 (1)計算切削負載力矩 已知在切削狀態(tài)下坐標軸的軸向 負載力 動機每轉(zhuǎn)一圈,機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離 L=10給傳動系統(tǒng)的總效率 =式( 2 2 m (2)計算摩擦負載力矩 T。 已知在不切削狀態(tài)下坐標軸的軸向負載力(即為空載時的導(dǎo)軌摩擦力) 1575N,由式( 2 T=20 N m=m (3)計算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負載力矩 已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程 10北大學(xué)課程設(shè)計說明書 11 滾珠絲杠螺母副的效率 0 =式( 2 p .) 612 2200 算坐標軸折算到電動機軸上的各種所需力矩 ( 1)計算線性加速度力矩 已知機床執(zhí)行部件以最快速度運動時電動機的最高轉(zhuǎn)速 800r/動機的轉(zhuǎn)動慣量 2坐標軸的負載慣量 進給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益0 加速時間 203 s=式( 2 g g as 1()a ( 2) 計算階躍加速力 矩。 已知加速時間 ,由式( 2 g g 0 m a x( 3) 計算坐標軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩。 1)按式 (2算線性加速時空載啟動力矩(1 2)按式 (2算線性加速時空載啟動力矩 ( 3)按式 (2算快進力矩 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 12 ( 4)按式 (2算工進力矩( 擇驅(qū)動電動機的型號 (1)選擇驅(qū)動電動機的型號 根據(jù)以上計算和表 2擇日本 司生產(chǎn)的 000i 型交流伺服電機為驅(qū)動電機。主要技術(shù)參數(shù)如下:額定功率, 3高轉(zhuǎn)速 ,3000r/定力矩, 動慣量, 質(zhì)量 ,18 交流伺服電動機的加速力矩一般為額定力矩的 510 倍。若按 5 倍計算,則該電動機的加速力矩為 大于本機床工作臺的線性加速時所需的空載啟動力矩 及階躍加速時所需的空載啟動力矩 ,因此,不管采用何種加速方式,本電動機均滿足加速力矩要求。 該電動機的額定力矩為 大于本機床 工作臺快進時所需的驅(qū)動力矩以及工進時所需的驅(qū)動力矩 ,因此,不管是快進還是工進,本電動機均滿足驅(qū)動力矩要求。 (2)慣量匹配驗算。 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配,系統(tǒng)的負載慣量 伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量 比一般應(yīng)滿足式 (2即 1,滿足慣量匹配要求。 定滾珠絲杠螺母副的精度等級 本機床工作臺采用半閉環(huán)系統(tǒng), 中北大學(xué)課程設(shè)計說明書 13 30(m a xk m a 定位精度定位精度 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為二級,查表 2 ,查表 2螺紋長度為 850, 故滿足設(shè)計要求。 珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為 239 850,其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程: 400紋長度 :850杠長度 :1239型與精度 :P 類, 2 級精度。 在這次的課程設(shè)計中,學(xué)到了一些除技能以外的其他東西,領(lǐng)略到了別人在處理問題時顯示出的優(yōu)秀品質(zhì),更深切的體會到人與人之間的那種相互協(xié)調(diào)合作的機制,最重要的還是自己對一些問題的看法產(chǎn)生了良性的變化,尤其是在互相的 合作中。 課程設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗,而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習的東西還太多,以前老是覺得自己什么東西都會,什么東西都懂,有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計,我才明白學(xué)習是一個長期積累的過程,在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習,努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 1 范超毅 武漢:華中科技大學(xué)出版社, 2006 2 王愛玲 北京:高等教育出版社, 2006

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