數(shù)控銑床縱向進(jìn)給軸設(shè)_計

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數(shù)控機床 課程設(shè)計 題 目： 數(shù) 控 銑 床 縱 向 進(jìn) 給 軸 設(shè) 計 指導(dǎo)教師 ： 師 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 二零 一零 年七月 數(shù)控 機床課程設(shè)計 2 目 錄 課程設(shè)計任務(wù)要求 3 設(shè) 計計算 4 工作臺部件的裝配圖設(shè)計 10 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 12 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 14 驅(qū)動電動機的選型與計算 16 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài) 析 21 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 22 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 22 設(shè)計總結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 23 數(shù)控 機床課程設(shè)計 3 課程設(shè)計任務(wù)要求 工作臺、工作和夾具的總質(zhì)量 m=920所受的重力W=10888N ），其中，工作臺的質(zhì)量 20所受的重力047N）；工作臺最大行程 90作臺快速移動速度5000mm/作臺采用滾動直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動、靜摩擦系數(shù)均為 作臺的定位精度為 25 m,重復(fù)定位精度為 8 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 床采用端面銑刀進(jìn)行強力切削，銑刀直徑 D=125軸轉(zhuǎn)速 n=320r/削狀況如下表所示： 切削方式 進(jìn)給速度（ m/ 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(jìn)給 15 10 空載條件下工作臺快速進(jìn)給 為了滿足以上技術(shù)要求，采用以下技術(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)軌采用滾動直線導(dǎo)軌。 （ 3）對滾珠絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。 （ 4）采用伺服電 動機驅(qū)動。 （ 5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲杠直連。 數(shù)控 機床課程設(shè)計 4 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 設(shè)計計算 1主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(jìn)行強力切削（銑刀直徑 D=125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：V=60 1000= 3 1 2 5 2 2 06 0 1 0 0 0m/s=s 若機械效率 m=可以計算主切削力 103= 4 103N= 2）計算各切削分力。 工作臺縱向切削力 向切削力 c=v=（ 1）在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力 此時導(dǎo)軌摩擦系數(shù) =得導(dǎo)軌緊固力 5N，則 （ W+c+ =(9016+75+= 刀 的 切 削 速度： V=s 主切削力： 向切削力 向切削力 直切削力 軌摩擦 控 機床課程設(shè)計 5 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力 和導(dǎo)軌靜摩擦力 =（ W+=(9016+75)N=0=（ 1）計算最大軸向負(fù)載力 l +(= 2）計算最小軸向負(fù)載力 =1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 據(jù)已知條件，取電動機的最高轉(zhuǎn)速 000 4000r/： L0= 150001 2000 )計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 （ 1）估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，見下表： 立式加工中心滾 珠絲杠的計算 切削方式 軸向載荷 /N 進(jìn)給速度 /（ m/ 時間比例 （ %） 備注 強力切削 0 般切削（粗加工） 0 0%細(xì)切削（精加工） 50 %移和鉆鏜定位 15 10 軌摩擦力 =軌靜摩擦力 大軸向負(fù)載力小軸向負(fù)載力 珠絲杠的導(dǎo)程 控 機床課程設(shè)計 6 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速 0 0 r/0r/0 0 r/07/ r/0 0 r/33r/0 0 r/000r/ 3）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速 121 . 0 1 0 0 1 0 01 0 3 0 5 0 1 0( 8 0 1 0 7 1 3 3 2 0 0 0 ) / m i 0 1 0 0 1 0 0 1 0 03 0 6 / m i n （ 4）計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷 3333 3 31 1 1 21223 3 3 33 3 3 3 + 0 1 0 0 1 0 08 0 1 0 1 0 7 3 0 1 3 3 5 0 2 0 0 0 1 01 3 5 8 . 2 1 3 6 2 . 5 5 1 5 8 . 8 2 9 0 . 9 13 0 6 1 0 0 3 0 6 1 0 0 3 0 6 1 0 0 3 0 6 1 0 01 3 5 8 . 2 1 0 . 0 2 6 3 6 2 . 5 5 0 . 1 0 4 1 5 8 . 8 2 0 . 2 1 7 9 0 . 9 1 0 . 6 5 44 1 4 . 9 7q n Fn n 3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷 1）由預(yù)定工作時間計 算。根據(jù)載荷性質(zhì)，有輕微沖擊，取載荷系數(shù) 據(jù)初步選擇滾珠絲杠的精度等級為 2 級精度，取精度系數(shù) ；一般情況下可靠性應(yīng)達(dá)到 97%，故可靠性系數(shù) 強力切削時： 0r/般切削時： 07 r/細(xì)切削時： 33r/移和鉆鏜定位時： 000r/珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速 : 06r/珠絲杠螺母 副 的 平 均 載荷 : : 載 荷 系 數(shù)度系數(shù) 可靠性系數(shù) 控 機床課程設(shè)計 7 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 60 1003 4 1 4 . 9 7 1 . 46 0 3 0 6 2 0 0 0 0 1 0 0 1 0 . 4 4 N =）因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊，所以可以估算最大軸向載荷。按預(yù)載選取預(yù)加載荷系數(shù) 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，即 4）按精度要求確定允 許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 1）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 25 m，重復(fù)定位精度為8 m，根據(jù)公式及定位精度和重復(fù)定位精度的要求得 （ 1/31/2） 18 m =（ 69） m （ 1/51/4） 25 m=（ 5 m 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 本工作臺（ 縱向進(jìn)給軸）滾 珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定、一端游動的支承方式，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） 定動載荷 大軸向載荷 定 額 定 動 載荷，取兩者最大值 大軸向變形：5 m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 8 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 ?。?L=行程 +30（ 590+30 051 0=m a . 9 1 1 0 5 10 . 0 7 8 0 . 0 7 85 ）初步確定滾珠絲 杠 螺母 副的規(guī)格型號 根據(jù)計算所行的 步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為： 公稱直徑 本導(dǎo)程 定動載荷 00a=30000N滿足要求。 6）確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 ： 33 )確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號 （ 1）計算軸承所承受的最大軸向載荷 個固定支承之間的距離： L=1051小螺紋底 稱直徑 : 0本導(dǎo)程 : 0定動載荷 : 0000N 絲杠底徑 : 緊力 : 大軸向載荷 : 控 機床課程設(shè)計 9 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算軸承的預(yù)緊力 33 3）計算軸承的當(dāng)量軸向載荷 m=（ N= 4）計算軸承的基本額定動載荷 C。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 同，取 n=06r/承的基本額定壽命 L=20000h，軸承所承受的軸向載荷 承的徑向載荷 a=為 得 徑向系數(shù) X、軸向系數(shù) Y 分別為 X=Y= 故 P=（ N =3 60100 31 2 3 1 . 9 9 6 0 3 0 6 2 0 0 0 0100 N =承的預(yù)緊力 : 量軸向載荷 : 向載荷 向載荷 向系數(shù) X=向系數(shù) Y=量動載荷： P=定動載荷： C=控 機床課程設(shè)計 10 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 5）確定軸承的規(guī)格型號。 因為滾珠絲杠螺母副擬采用一端固定、一端游動的支承方式，所以將在固定端選用 60角接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力。由于滾珠絲杠的螺紋底徑 以選擇軸承的內(nèi)徑 0滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 選擇國產(chǎn) 60角接觸球軸承兩件一組背對背安裝，型號為 7602064寸（內(nèi)徑 外徑 寬度）為 306216用油脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力 1450N，大于計算所得的軸承預(yù)緊力 油脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 2200r/于本機床滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速 000r/滿足要求。該軸承的額定 動載荷為 C=26000N，而該軸承在 20000h 工作壽命下的基本額定動載荷 C=也滿足要求。 工作臺部件的裝配圖設(shè)計 將以上計算結(jié)果用于工作臺（ X 軸）部件的裝配圖設(shè)計，其計算簡圖見附 圖 。 軸承的規(guī)格型號 : 7602064寸： 內(nèi)徑 外徑 寬度 306216圖 數(shù)控 機床課程設(shè)計 11 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 根據(jù) 數(shù)控銑床工 作臺計算簡圖得滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度 27杠水平安裝時， ，查得 ，則得： 1 522110 =13 2 4 0927 =工作臺滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷小于其臨界壓縮載荷 值，故滿足要求。 由 數(shù)控銑床 工作臺計算簡圖得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度 44彈性模量 E=105知材料密度 = 1g 105N/重力加速度g=103mm/全系數(shù) 表得與支承有關(guān)的系數(shù) = 滾珠絲杠的最小慣性矩為： I= 4264d=7909珠絲杠的最小載面積為： A= 224d= 以得： 臨界壓縮載荷： 大軸向壓縮載荷： 滿足要求 最小慣性矩： I=67909小載面積： A=控 機床課程設(shè)計 12 21 22602=2 5 3256 0 3 . 9 2 7 2 . 1 1 0 6 7 9 0 9 9 . 8 1 02 3 . 1 4 9 4 4 7 . 8 1 0 9 2 3 . 5 4 r/5826r/工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為 2000r/小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。 查表得滾珠絲杠的額定動載荷 0000N，軸向載荷 轉(zhuǎn)條件系數(shù)珠絲杠的轉(zhuǎn)速n=2000r/ 則得： L=3() 106=330000()1 3 5 8 1 106r=109r 0060 2000h=153416h 一般來講，在設(shè)計數(shù)控機床時，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總工作壽命 20000h，故滿足要求。 臨界轉(zhuǎn)速： 826r/高轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速： 000r/滿足要求 額定壽命： 53416h 總工作壽命： 20000h 故滿足要求 數(shù)控 機床課程設(shè)計 13 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 （ 1）計算滾珠絲杠的拉壓剛度 本機床工作臺的絲杠支承方式為一端固定、一端游動，由 數(shù)控銑床 工作臺計算簡圖可知，滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離 a=珠絲杠具有最小拉壓剛度 224 10102 22102 m = m 當(dāng) a=01，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度 224 10102 22102 m = m 最小拉壓剛度 m 最大拉壓剛度 m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 14 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度 已知軸承接觸角 =60，滾動體直徑 動 體 個 數(shù) Z=17 ， 軸 承 的 最 大 軸 向 工 作 載 荷表得： 2 253m a x s i F =2 3 257 . 1 4 4 1 7 1 3 5 8 . 2 1 s i n 6 0 N/ m =m （ 3）計算滾珠與滾道的接觸剛度 查表得滾珠絲杠的剛度 K=973N/ m，額定動載荷0000N，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷 1()73 131 3 5 8 ()0 0 0 0 0N/ m= m （ 4）計算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的 綜合拉壓剛度 K。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 11 17N/ m。 進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值 為 11 25N/ m。 支承軸承的剛度 m 接觸剛度： m 綜合拉壓剛度的最大值： 33N/ m 綜合拉壓剛度的最小值25N/ m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 15 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 由 數(shù)控銑床工 作臺計算簡圖可知，扭矩作用點之間的距離 268切模量 G=104珠絲杠的底徑 故得 42232 = 3 4 4 633 . 1 4 ( 3 4 . 3 1 0 ) 8 . 1 1 0 1 03 2 1 2 6 8 1 0 N m/m/動電動機的選型與計算 （ 1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 已知滾珠絲杠的密度 =10 故得 10L=10 4 4 88+34 9） 轉(zhuǎn)剛度： m/動慣量： 控 機床課程設(shè)計 16 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 10L =10（ 64 3）計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量 已知機床執(zhí)行部件（即工作臺、工件和夾具）的總質(zhì)量 m=920動機每轉(zhuǎn)一圈機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離 L=7.5 m m=m 則： JL=m 2()2L=920 2 4）計算加在電動機軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 r+L =（ （ 1）計算切削負(fù)載力矩 切 削 狀 態(tài) 下 坐 標(biāo) 軸 的 軸 向 負(fù) 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=m = 給傳動系統(tǒng)的總效率 = = 1 3 5 8 0 7 52 3 0 N m=m 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量： 動部件的轉(zhuǎn)動慣量： 載轉(zhuǎn)動慣量： 削負(fù)載力矩： m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 17 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算摩擦負(fù)載力矩 在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的 軸向負(fù)載力（即為空載時的導(dǎo)軌摩擦力） = 02= 9 0 0 7 52 3 0 N m=m （ 3）計算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩 滾動絲杠螺母副的預(yù)力 ，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程 .5 m m=m m，滾珠絲杠螺母副的效率 0= 0 20(1 )2 = 24 5 2 . 7 4 0 . 0 0 7 5 ( 1 0 . 9 4 )2 3 . 1 4 0 . 9 N m=m （ 1）計算線性加速力矩 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 000r/動機的轉(zhuǎn)動慣量 2標(biāo)軸的負(fù)載慣量 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益 0加速時間 320s= 故： 80an t （ d） (1 ) = 2 3 2 0 0 06 0 9 8 0 0 （ 62+ 20 )e m 摩 擦 負(fù) 載 力矩： m 附加負(fù)載力矩： m 線性加速力矩： m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 18 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 2）計算階躍加速力矩 加速時間 120s= 故： 80an t （ d） = 2 3 2 0 0 06 0 9 8 0 0 （ 62+39. 35） m （ 3）計算坐標(biāo)軸所需的折算到電 動機軸上的各種力矩。 計算線性加速時的空載啟動力矩 =（ N m= m 計算階躍加速時的空載啟動力矩 =（ N m=m 計算空載時的快進(jìn)力矩 + N m=m 計算切削時的工進(jìn)力矩 C+ N m=m 加速時間： 躍加速力矩： m 空載啟動力矩： m 空載啟動力矩： m 空載快進(jìn)力矩： m 切削時的工進(jìn)力矩： m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 19 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 （ 1）選擇驅(qū)動電動機的型號。 根據(jù)以上計算和查表，選擇日本 司生產(chǎn)的 12/3000i 型交流伺服電動機為驅(qū)動電動機。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率， 3高轉(zhuǎn)速， 3000r/定力矩， 12N m； 轉(zhuǎn)動慣量， 62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，該電動機的加速力矩為 60N m，均大于本機床工作臺線性加速時的空載啟動力矩m 或階躍加速時的空載啟動力矩 m，所以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 12N m，均大于本機床工作臺的快進(jìn)力矩 m 或工進(jìn)力矩 m。因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電機均滿足驅(qū)動要求。 （ 2）慣量匹配驗算 為了使機械 傳動系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量 1 在本次設(shè)計計算中，0. 63 1，故滿足慣量匹配要求。 電動機的型號： 12/3000i 型交流伺服電動機 足匹配要求 數(shù)控 機床課程設(shè)計 20 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 知 滾 珠 絲 械 螺 母 副 的 綜 合 拉 壓 剛 度25 106N/m，滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為 md=m+13中 m、 知 m=920 42 10md=m+13111+13 06125 s=368s 算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為 r+(絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 =m/ s=1827s 由以上計算可知，絲杠 最低固有頻率 68s、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率 828s 都比較高。一般按 n=300s 的要求來設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 最低固有頻率： 68s 最低固有頻率： 827s 條件滿足要求 數(shù)控 機床課程設(shè)計 21 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 1計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知 進(jìn)給傳動系統(tǒng) 的綜合拉壓剛 度的最 小25 610 N/m，導(dǎo)軌的靜摩擦力 ： 30 6m i 9 0 . 9 12 1 0 3 1 . 4 5 1 01 2 5 1 0F m m m 即 =mm,故滿足要求。 2計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 3m a x 0 11 10m i n m a K 366119 0 . 9 1 1 01 2 5 1 0 2 3 3 1 0 =10 m4 m,故滿足要求。 3計算滾珠絲桿因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 （ 1）計算由扭矩引起的滾珠絲桿螺母副的變形量 負(fù)載力矩 T=90 N 2=1268桿底徑 2224421 9 0 1 2 6 87 . 2 1 1 0 7 . 2 1 1 0 0 . 0 1 2 73 4 . 3 （ 2）由該扭轉(zhuǎn)變形量 引起的 軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度。 0 0 . 0 1 2 77 . 5 0 . 0 0 0 2 6 0 . 2 63 6 0 3 6 0L m m m m m 反向死區(qū)： =m m 故滿足要求 定位誤差 : 104 m 故滿足要求 螺母副的變形量 : =動滯后量 : =m 數(shù)控 機床課程設(shè)計 22 設(shè) 計 計 算 步 驟 結(jié) 論 確定滾珠絲杠螺母副的精 度等級和規(guī)格型號 （ 1）確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)控制系統(tǒng)， 滿足下列要求： (定位精度 - =(26) =m (定位精度 - =m 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為 2 級，查表得 m15. 52 m;當(dāng)螺紋長度為 1000， 5 mm，故滿足設(shè)計要求。 （ 2）確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 規(guī) 格 型 號 為337 1000，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程： 4010紋長度： 1000杠長度：1337型與精度： P 類， 2 級精度。 300程內(nèi)允許行程變動量：15. 52 m 有效行程 15. 52m 滿足 設(shè)計要求 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為： 1337 1000 數(shù)控 機床課程設(shè)計 23 參考文獻(xiàn)： 1范超毅數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計華中科技大學(xué)出版社 2006 2李福生實用數(shù)控機床技術(shù)手冊北京出版社 1993 3王愛玲現(xiàn)代數(shù)控機床國防工業(yè)出版社 2003