數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的設計.doc

?？瓶飘厴I(yè)設計 論文 專科科畢業(yè)設計 論文 題目 數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的題目 數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的 設計設計 院院 系 系 機電工程學院機電工程學院 專專 業(yè) 業(yè) 機械設計及其自動化機械設計及其自動化 班班 級 級 姓姓 名 名 學學 號 號 指導教師指導教師 2012 年 06 月 摘要 數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的設計數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的設計 摘要摘要 本課題為數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的設計 經(jīng)濟型數(shù)控車床就是 指價格低廉 操作使用方便 比較適合我國國情的 動化的機床 采用數(shù)控機 床 可以降低工人的勞動強度 節(jié)省勞動力 一個人可以看管多臺機床 減少 工裝 縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期 可對市場需求作出快速反應 在設計 的時候具體進行了詳細的各部件的選型和計算 比如 導軌的設計選型 滾珠 絲杠螺母副的選型與計算 還進行了進給傳動系統(tǒng)的剛度計算 進給傳動系統(tǒng) 的誤差分析 驅(qū)動電機的選型計算 驅(qū)動電機與滾珠絲杠的聯(lián)接 驅(qū)動電機與 進給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析等 關鍵詞關鍵詞 數(shù)控化 進給系統(tǒng) 滾珠絲杠 伺服電機 摘要 I Numerical control lathe to servo drive system longitudinal into the design Abstract The topic for the CNC lathe longitudinal servo drive system design Economic type CNC lathe is a low price convenient operation and use is suitable for the national conditions of our country the move of the machine tool The use of CNC machine tools can reduce the labor intensity of workers labor saving one can look after more than one machine reduce tooling shorten new product development cycle and the production cycle the market demand for rapid response When the design of specific detail each component selection and calculation For example the design selection guide ball screw pair selection and calculation Also performed a feed system rigidity calculation feed transmission system error analysis the calculation and selection of the driving motor driving motor and ball screw coupling the drive motor and the feed drive system dynamic characteristics analysis Key words NC feed system ball screw Servo motor 2 1 1 緒論緒論 7 7 1 1 畢業(yè)設計題目 7 1 2 畢業(yè)設計的目的 7 1 3 題目背景 7 1 4 研究意義 7 1 5 國內(nèi)相關研究情況 7 1 6 畢業(yè)設計 論文 的主演內(nèi)容與要求 8 1 6 1 畢業(yè)論文的主要內(nèi)容 8 1 6 2 畢業(yè)論文的要求 8 2 2 總體方案論證總體方案論證 9 9 3 3 滾珠絲杠的設計與計算滾珠絲杠的設計與計算 1111 3 1 滾珠絲杠副的工作原理及其特點 11 3 1 1 工作原理 11 3 1 2 滾珠絲杠副的特點 11 3 2 確定滾珠絲杠的導程 Ph 12 3 3 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 12 3 3 1 工作載荷 F 12 3 3 2 最小載荷 Fmin 13 3 3 3 最大工作載荷 Fmax 13 3 3 4 當量載荷 Fm 與當量轉(zhuǎn)速 nm 13 3 4 預期額定動載荷 13 3 5 滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 13 3 6 估算滾珠絲杠的底徑 d2m 14 4 4 剛度的計算剛度的計算 1515 4 1 絲杠軸向剛度計算 15 4 1 1 雙推 支承安裝絲杠的軸向剛度 15 3 4 1 2 雙推 雙推安裝絲杠的軸向剛度 16 4 2 2 帶預壓載荷的雙螺母軸向剛度 17 4 3 支承軸承的剛度 KB 17 4 4 螺母及軸承支承部件的剛度 KH 4 5 進給滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度 17 4 6 進給滾珠絲杠副的傳動剛度 18 4 7 本絲杠副剛度的計算結果 19 4 7 1 絲杠軸向剛度計算 19 4 7 2 計算螺母剛度 19 4 7 3 計算支承軸承剛度 20 4 7 4 螺母支架及軸承座剛度 KH 20 4 7 5 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 20 4 7 6 計算系統(tǒng)傳動剛度 20 5 5 滾珠絲杠校核滾珠絲杠校核 2222 5 1 滾珠壓桿穩(wěn)定性計算 22 5 2 滾珠壓桿極限轉(zhuǎn)速計算 22 5 3 驗算額定靜載荷 22 5 4 額定壽命的校核 22 6 6 電機的設計計算電機的設計計算 2424 6 1 正常情況下電動機驅(qū)動扭矩 Tm 24 6 1 1 負載扭矩 Ta 24 6 1 2 預壓扭矩 Td 24 6 1 3 軸承扭矩 Tb 24 6 2 加速狀況下電機驅(qū)動扭矩 T 24 6 2 1 電機慣性矩計算 J1 24 6 2 2 滾珠絲桿慣性矩計算 J2 25 6 2 3 負荷慣性矩計算 J3 25 6 3 總電機扭矩 Tmax 25 7 7 電機的校核電機的校核 2626 7 1 所需啟動轉(zhuǎn)矩 Tp 的校核 26 4 7 2 所需制動轉(zhuǎn)矩 TS 的校核 26 7 3 轉(zhuǎn)矩有效值 Tms 的校核 26 8 8 慣量的校核慣量的校核 2828 9 9 軸承及密封的選擇軸承及密封的選擇 2929 1010 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的選擇 3030 1111 導軌的選擇導軌的選擇 3131 11 1 直線運動導軌的基本截面形狀 31 11 2 常用的組合形式 31 1212 畢業(yè)論文總結畢業(yè)論文總結 3333 致謝致謝 3535 附錄 畢業(yè)設計 論文 知識產(chǎn)權聲明 36 畢業(yè)設計 論文 知識產(chǎn)權聲明畢業(yè)設計 論文 知識產(chǎn)權聲明 3636 附錄 畢業(yè)設計 論文 獨創(chuàng)性聲明 37 畢業(yè)設計 論文 獨創(chuàng)性聲明畢業(yè)設計 論文 獨創(chuàng)性聲明 3737 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 5 1 1 緒論緒論 1 11 1 畢業(yè)設計題目畢業(yè)設計題目 此次畢業(yè)設計的題目是 數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的設計 1 2 畢業(yè)設計的目的畢業(yè)設計的目的 機械類畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合運用本學科的基本理論 專業(yè)知識和基本 技能 提高分析和解決問題的能力的重要手段 是從事 科學研究工作和專業(yè)工 程技術工作的基本訓練 通過畢業(yè)設計鞏固和發(fā)展所學知識 學習設計機器設 備的一般方法和步驟 熟悉并掌握設計的基本技能 如計算 繪圖 計算機輔助 設計 和學習使用設計資料 手冊 標準和規(guī)范 1 31 3 題目背景題目背景 數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)是保證產(chǎn)品達到高的加工精度和穩(wěn)定的加 工質(zhì)量的關鍵部件 以伺服電機 減速裝置 滾珠絲杠副等組成的半閉環(huán)傳動 系統(tǒng)能確保伺服系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩 速度 位置的精確控制 確保機械部件的高精 度 高剛度 高強度 使之滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求 1 41 4 研究意義研究意義 在我國大多數(shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn) 加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床 而且 半數(shù)以上是役齡在 10 年以上的舊機床 用這種裝備加工出來的產(chǎn)品國內(nèi) 外市 場上缺乏競爭力 直接影響一個企業(yè)的的生存和發(fā)展 所以必須大力提高機床 的數(shù)控化率 數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性 由于計算機可以瞬時 準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量 因此可以復合成復雜的曲線 或曲面 可以實現(xiàn)加工的自動化 而且是柔性自動化 從而效率可比傳統(tǒng)機床 提高 3 7 倍 擁有自動報警 自動監(jiān)控 自動補償?shù)榷喾N自律功能 因而可實 現(xiàn)長時間無人看管加工 1 51 5 國內(nèi)相關研究情況國內(nèi)相關研究情況 目前 國外數(shù)控機床的性能正朝著高精度 高效率 高柔性 高自動化方向 迅速發(fā)展 這將對數(shù)控機床機械結構設計和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求 例如 日本法努克公司 三菱電機公司 安川電機公司 德國西門子公司 aeg 公司 力士樂 indramat 公司 美國抗體公司 通用電氣公司等均先后在 1984 年前后將交流伺服系統(tǒng)付諸實用 我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是國內(nèi)市場占有率偏低 據(jù)有關資料表明 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 6 1999 年國產(chǎn)數(shù)控機床的市場占有率僅為 38 88 造成這種嚴峻的形勢 除客觀 原因外 主要是產(chǎn)品的質(zhì)量 可靠性不過硬 十五 期間 我國機械制造行業(yè)必 須瞄準國際數(shù)控機床發(fā)展的科學前沿 開拓創(chuàng)新 消化吸收國外先進技術 開創(chuàng)我 國數(shù)控機床設計和制造技術的新局面 然而 我國加入 后 國外生產(chǎn)的數(shù) 控機床將會更多的進入我國市場 市場競爭更為激烈 提高國產(chǎn)數(shù)控機床市場占 有率 關鍵在于提高質(zhì)量和可靠性 幾年來 經(jīng)過對國內(nèi)外數(shù)控機床的機械結構 剖析和使用性能的調(diào)研 探索和總結了數(shù)控機床機械結構設計和制造的新技術 1 61 6 畢業(yè)設計 論文 的主演內(nèi)容與要求畢業(yè)設計 論文 的主演內(nèi)容與要求 1 6 11 6 1 畢業(yè)論文的主要內(nèi)容畢業(yè)論文的主要內(nèi)容 1 在分析車床加工對象和加工要求的基礎上 提出縱向進給伺服傳動系統(tǒng) 的總體設計方案 2 要求控制定位精度為 0 001 mm 根據(jù)要求計算并選擇伺服電機 滾珠 絲杠副 導軌副 軸承等 3 根據(jù)要求設計縱向進給系統(tǒng)的零件圖 4 設計數(shù)控車床縱向進給伺服傳動系統(tǒng)的總體機械裝配圖 1 6 21 6 2 畢業(yè)論文的要求畢業(yè)論文的要求 工作量要求 畢業(yè)論文一篇 字數(shù)不少于 15000 字 1 實驗 時數(shù) 或?qū)嵙?天數(shù) 2 周 2 圖紙 幅面和張數(shù) 機構裝配圖 A0 圖紙 折合 3 張 3 其他要求 外文翻譯不少于 3000 字 參考文獻不少于 18 篇 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 7 2 2 總體方案論證總體方案論證 普通車床 如 C616 C618 C620 CA6140 C630 等是金屬切削加工最常用的 一類機床 400 普通車床的布局如圖如圖 1 21 2 所示所示 當工件隨主軸回轉(zhuǎn)時 通過 刀架的縱向和橫向移動 能加工出內(nèi)外圓柱面 圓錐面 端面 螺紋面等 借 助成形刀具 還能加工出各種成形回轉(zhuǎn)面 普通車床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉(zhuǎn)運動經(jīng)掛輪傳遞而來 通過 進給箱變速后 由光杠或絲杠帶動溜板箱 縱溜板 橫溜板移動 進給參數(shù)要 靠手工預先調(diào)整好 改變參數(shù)時要停車進行操作 刀架的縱向進給和橫向進給 不能聯(lián)動 切削次序也由人工控制 圖圖 2 1400mm 普通車床的結構布局圖普通車床的結構布局圖 對普通車床進行數(shù)控化改造 主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造成為微機 控制的 能獨立運動的進給伺服系統(tǒng) 刀架改造成能自動換刀的回轉(zhuǎn)刀架 這 樣 利用數(shù)控裝置 車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工 由于切 削加工中的切削參數(shù) 切削次序和刀具都會按程序自動進行調(diào)節(jié)和更換 再加 上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能 數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜 的回轉(zhuǎn)零件 并能實現(xiàn)多工序自動車削 從而提高了生產(chǎn)率和加工精度 也能 適應小批量多品種復雜零件的加工 本設計為縱向進給運動的設計 設計內(nèi)容主要包括 確定系統(tǒng)的負載 運 動部件慣量計算 空載起動及切削力矩機計算 確定伺服電機等 設計時要求電機與絲杠采用柔性連接 電機選用伺服電機對電機的大小選 擇進行驗證 對滾珠絲杠直徑及支承形式選擇進行強度較核 設計與生產(chǎn)實際 相結合 既要滿足理論要求 又要滿足生產(chǎn)現(xiàn)實實際 設計應遵循先易后難 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 8 先局部后全局的規(guī)律 確定設計步驟時 應把整個數(shù)控車床 Z 向進給傳動系統(tǒng) 分成若干個子系統(tǒng)進行 待各系統(tǒng)基本合理后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作 設計的 產(chǎn)品應高效經(jīng)濟 本課題所設計的進給系統(tǒng)是針對經(jīng)濟型中檔數(shù)控車床的 該 系統(tǒng)設計成功一旦應用到生產(chǎn)實踐中 將給中小規(guī)模的加工廠輸入新的血液 顯著提高生產(chǎn)力水平 減輕勞動強度 提高經(jīng)濟效益 很高興能設計本題目 本設計是通過從主觀的調(diào)查 研究 分析 后又經(jīng) 過計算等各個工作 完成了本設計 本設計是數(shù)控車床的縱向進給系統(tǒng)的設計 在設計題目給定后 又給了一定的設計參數(shù) 這樣的話按照設計要求縱向最大 行程 Z 軸 650mm 進給速度 0 25m min 加工中最大切削力 2500 N 材料 HT200 床鞍及附件的估計尺寸 600 300 10 控制定位精度為 0 001mm 根據(jù)要求計算并選擇伺服電機 滾珠絲杠副 導軌副 軸承等 進 行了設計 3 夾緊機構的整體結構 9 3 3 滾珠絲杠的設計與計算滾珠絲杠的設計與計算 3 13 1滾珠絲杠副的工作原理及其特點滾珠絲杠副的工作原理及其特點 3 1 13 1 1工作原理工作原理 滾珠絲杠在機械傳動中的作用是將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動 也可以將直線 運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動 根據(jù)絲杠和螺母相對運動的組合情況 其傳動方式也是多 種多樣的 3 1 23 1 2滾珠絲杠副的特點滾珠絲杠副的特點 由上述工作原理可知 滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比較 它以滾動摩擦代 替滑動摩擦 因此 具有以下特點 1 摩擦損失小 傳動效率高 由于滾動絲杠副的摩擦損失小 其傳動效率高達90 98 為傳統(tǒng)的滑 動絲杠系統(tǒng)的2 4倍 所以能以較小的扭矩得到較大的推力 亦可由直線運動 轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動 運動可逆 2 磨損小 壽命長 通常 滾珠絲杠副的主要零件 如絲杠 螺母以及滾珠都是經(jīng)過淬硬的并 且有很低的表面粗糙度 而且 滾動摩擦的磨損很小 因而具有良好的耐磨性 即其精度保持性能好 工作壽命長 3 軸向剛度高 由于滾珠絲杠副可以完全的消除傳動問隙 而不至于影響絲杠運動的靈活 性 因而可以獲得較高的軸向剛度 通常 可以通過預緊來提高軸向剛度 4 摩擦阻力小 運動平穩(wěn) 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)為點接觸滾動運動 動 靜摩擦系數(shù)相差極小 其摩擦 阻力幾乎與速度無關 工作中摩擦阻力小 靈敏度高 啟動時無顫動 低速時 無爬行現(xiàn)象 因此可精密地控制微量進給 5 高可靠性 與其它傳動機械 液壓傳動相比 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)故障率很低 維修保養(yǎng) 也較簡單 只需進行一般的潤滑和防塵 在特殊場合可在無潤滑狀態(tài)下工作 6 不能自鎖 具有傳動的可逆性 由于滾珠絲杠副沒有自鎖能力 故具有傳動的可逆性 當它用于垂直升降傳 動系統(tǒng)時 必須增設自鎖裝置或制動裝置 以防止產(chǎn)生逆?zhèn)鲃?由于滾珠絲杠副具有上述優(yōu)點 所以它日益廣泛地應用于精密機械 機床 汽 車 船舶 火炮 航空 航天和紡織等工業(yè)部門 但是 與滑動絲杠副相比 滾珠絲杠副仍然存在以下的缺點 結構較復雜 工 3 夾緊機構的整體結構 10 藝難度大 制造成本高等 已知技術參數(shù) 縱向最大行程 Z 軸 650 mm 工作進給速度為 6mm min 縱向快速進給速度 0 25m min 床鞍及其他的估計尺寸 長 寬 高 600mm 300mm 100mm 材料選為 HT200 估計工作臺質(zhì)量及工作臺承重 縱向工作臺重量 0 6 0 3 0 1 7200 1296 N 取值為 1300N 下表 1 給出了工作臺的切削狀況 以此為前提進行傳動部件的設計 表 1 軸向受力狀況 3 23 2 確定滾珠絲杠的導程確定滾珠絲杠的導程 PhPh 根據(jù)車床傳動要求 負載大小和傳動效率等因素綜合考慮確定 導程t 先按車床傳動要求確定 其公式為 Ph Vmax i Nmax 式中 Vmax Z 向快速進給速度 0 25m min i 傳動比 因電機與滾珠絲杠副直接聯(lián)接 i 取1 Nxmax 驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速 2000r min 由式 Ph 25000 2000 12 5mm 取常用導程 Ph 10mm 3 33 3 滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算 3 3 13 3 1工作載荷工作載荷F F 是指數(shù)控車床工作時 實際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力 其數(shù)值可用下 列進給作用力的實驗公式計算 對于滑動導軌機床 F Fzi Ff 式中 Fzi Z 方向上的切削分力 切削方式軸向力 N 進給速度 r min 工作時間百分比 強力切削 25005020 普通切削 150010050 精切削 100050030 3 夾緊機構的整體結構 11 Ff 導軌摩擦阻力 Ff W 摩擦系數(shù) 對滑動導軌取0 04 0 05 W Z 向工作臺總重量 在各種切削方式下 絲杠軸向載荷 F1 2500 0 05 1300 2565N F2 1500 0 05 1300 1565N F3 1000 0 05 1300 1065N 3 3 23 3 2 最小載荷最小載荷FminFmin 最小載荷Fmin為數(shù)控機床空載時作用于滾珠絲杠的軸向載荷 此時 Fx Fy Fz 0 Fmin W 0 05 1300 65N 3 3 33 3 3 最大工作載荷最大工作載荷FmaxFmax 最大載荷為機床承受最大切削力時作用于滾珠絲杠的軸向載荷 Fmax F1 2565N 3 3 43 3 4 當量載荷當量載荷FmFm與當量轉(zhuǎn)速與當量轉(zhuǎn)速n nm m 當機床工作載荷隨時間變化且此期間轉(zhuǎn)速不同時 式中 t1 t2 t3 分別為滾珠絲杠在轉(zhuǎn)速n1 n2 n3 下 所受 軸向載荷分別是F1 F2 F3 時的工作時間 見表1 nm n1 t1 n2 t2 n3 t3 50 0 2 100 0 5 500 0 3 210 r min 當量載荷 Fm 把式中 F1F2F3 帶入公式 經(jīng)計算為 1157N 3 43 4 預期額定動載荷預期額定動載荷 式中 Fm 滾珠絲杠副當量載荷 N nm 當量轉(zhuǎn)速 r min Lh 預期工作時間 取20000 小時 fa 精度系數(shù) 取0 9 fc 可靠性系數(shù) 取1 fw 負荷系數(shù) 取 1 2 3 夾緊機構的整體結構 12 Cam 帶入公式中 計算得到為 9733N 3 53 5 滾珠絲杠的最大允許軸向變形量滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 0 33 0 001 0 25 0 001 取中間合適值為 0 3um 3 63 6 估算滾珠絲杠的底徑估算滾珠絲杠的底徑 d d2m2m 由于 滾珠絲杠副的安裝方式為一端固定 另一端游動 式中 支承方式系數(shù) 安裝方式為一端固定 另一端游 動時為0 078 m 估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量0 3 F0 導軌靜摩擦力 其中F0 W 1300 0 05 65N L 兩個固定支承點中心之間的距離1000mm 帶入計算得d2m 40mm 滾珠絲杠選擇 根據(jù)以上計算 預期額定動載荷 Cam 9733N d2m 40mm 導程 Ph 10mm 選擇深圳市萬臣科技有限公司生產(chǎn)的 SFV04010 4 8 型內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠 滾珠絲 杠的為公稱直徑為 40mm 導程 10mm 靜額定負荷 Coa 11264KGF 接觸剛度 K 65kgf m 滾珠絲杠采用中預緊方式裝配 且在上述計算中 預期額定動載 荷 Cam 9733N 11264 滿足設計要求 所以可行 還需進行下一步校核 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 13 4 4 剛度的計算剛度的計算 進給滾珠絲杠副軸向剛度表示滾珠絲杠副及其支承部件抵抗其軸向彈性變 行的能力 用彈簧常數(shù)K1表示 按下式計算 K1 F 1 式中 K1 進給滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)軸向剛度 N m F 施加于進給絲杠的軸向負載 N 1 進給滾珠絲杠副軸向彈性位移 m KS 絲杠軸向剛度 N m KN 螺母組件軸向剛度 N m KB 支承軸承軸向剛度 N m KH 螺母支架及軸承支架軸向剛度 N m 4 14 1 絲杠軸向剛度計算絲杠軸向剛度計算 絲杠的軸向剛度因安裝方式不同而不同 4 1 14 1 1雙推雙推 支承安裝絲杠的軸向剛度支承安裝絲杠的軸向剛度 采用雙推 支承方式安裝絲杠時 絲杠的軸向剛度隨載荷作用點至雙推支 承真?zhèn)€間隔變化而改變 其最小剛度KS按下式計算 式中 A 絲杠的斷面積 mm2 d 為螺紋小徑 mm E 絲杠材料的彈性模量 對于鋼材 E 2 07 105MPa La 載荷作用點距雙推支承的最大間隔 mm 附圖 a 為日本精機生產(chǎn)的標準滾珠絲杠雙推 支承安裝時的軸向剛度圖 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 14 滾珠絲杠軸向剛度圖4 1 4 1 24 1 2雙推雙推 雙推安裝絲杠的軸向剛度雙推安裝絲杠的軸向剛度 采用雙推 雙推安裝絲杠時 其軸向剛度計算公式為 式中 L 兩雙推支承端間隔 mm 由上式可以看出 絲杠采用雙推 雙推方式安裝時 剛度也是變化的 且 在x 1處軸向剛度值最小 其最小值 附圖b為日本精機生產(chǎn)的標準滾珠絲杠雙推 雙推安裝時的軸向剛度圖 4 24 2螺母的剛度螺母的剛度 為與多數(shù)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品樣本名稱同一 本設計仍沿用螺母剛度這一名稱 螺母剛度實為螺母組件的剛度 包括滾珠和絲杠 螺母螺紋滾道的軸向剛度 根據(jù)赫茲接觸理論 滾珠和螺紋滾道間的軸向彈性變形量 N按下式計算 m 式中 滾珠的接觸角 F 軸向載荷 N d0 滾珠直徑 mm Z 每圈有效載荷滾珠數(shù) Z Dm d0cos Dm 螺母公稱直徑 mm 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 15 螺旋升角 4 2 14 2 1單螺母軸向剛度單螺母軸向剛度 進給滾珠絲杠副為單螺母時 假如軸向工作載荷即是30 動額定載荷Ca 其剛度KN 0 8K 1 K 1為產(chǎn)品樣本尺寸表中給出的剛度值 假如軸向載荷不 即是30 動額定載荷Ca時 其軸向剛度按下式計算 4 2 24 2 2帶預壓載荷的雙螺母軸向剛度帶預壓載荷的雙螺母軸向剛度 當預壓載荷Fao 0 1Ca時 其剛度KN按下式計算 KN 0 8K 1 當Fao 0 1Ca時 剛度KN計算公式為 式中 Fao 預壓載荷 N 4 34 3支承軸承的剛度支承軸承的剛度K KB B 不加預壓載荷時 軸承軸向剛度按下式計算 KB F B 式中 F 軸向載荷 N B 軸承軸向彈性位移量 m 施加預壓載荷時 軸承軸向剛度計算公式為 KB 3Fao ao 式中 Fao 軸向預壓載荷 N ao 在預壓載荷作用下 軸向彈性位移 m 各種軸承的軸向彈性位移量 B計算公式如下 自動調(diào)心滾珠軸承 圓錐滾柱軸承 止推滾珠軸承 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 16 式中 接觸角 Q 加于軸承一個轉(zhuǎn)動體上的載荷 N d0 軸承轉(zhuǎn)動體的直徑 mm l 軸承滾柱的有效接觸長度 mm Z 軸承轉(zhuǎn)動體個數(shù) 4 44 4 螺母及軸承支承部件的剛度螺母及軸承支承部件的剛度K KH H 螺母支架的剛度 已在螺母剛度計算時乘以系數(shù)0 8計進 軸承安裝部件的 剛度可通過采用高剛度支承部件解決 4 54 5進給滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度進給滾珠絲杠副的扭轉(zhuǎn)剛度 影響進給滾珠絲杠副扭轉(zhuǎn)變形的主要因素是絲杠 下面僅就絲杠的扭轉(zhuǎn)剛 度進行討論 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度是指絲杠抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力 其計算公式為 式中 KT 絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 N mm rad 扭轉(zhuǎn)角 rad M 扭矩 N mm G 絲杠材料抗剪彈性模量 對鋼材 G 8 24 104MPa JP 截面慣性矩 對實心絲杠 mm4 4 64 6進給滾珠絲杠副的傳動剛度進給滾珠絲杠副的傳動剛度 在載荷作用下 進給滾珠絲杠副的軸向彈性變形為 絲杠的扭轉(zhuǎn)變形為 此角折算成滾珠絲杠副的軸向變形量為 式中 t 滾珠絲杠導程 mm 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 17 故滾珠絲杠副總的軸向變形為 由可得 m 式中 K 進給滾珠絲杠副傳動剛度 N m 由于 2 1 所以計算絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 KT時 x 取以下數(shù)值 4 74 7 本絲杠副剛度的計算結果本絲杠副剛度的計算結果 進給滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)采用雙推 支承方式 已知數(shù)據(jù)為 La 1000mm 雙推支承端軸承為背靠背布置的角接觸滾珠軸承 鋼珠直徑 5 556mm 鋼珠個 數(shù) Z 15 接觸角 30 軸承預緊力 Fao 3kN 滾珠絲杠滾珠中心圓直徑 dp 40mm 滾珠直徑為 7 1mm 基本動額定載荷 Ca 9 733kN 預緊力 Fao 0 1Ca 要求計算其系統(tǒng)傳動剛度 計算如下 4 7 14 7 1 絲杠軸向剛度計算絲杠軸向剛度計算 40 7 1 2 2 07 105 4 1000 82 23 N m 4 7 24 7 2 計算螺母剛度計算螺母剛度 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 18 按已知條件 從產(chǎn)品樣本尺寸表中查得 K 1 750N m KN 0 8K 1 0 8 750 600N m 4 7 34 7 3 計算支承軸承剛度計算支承軸承剛度 支承軸承為自動調(diào)心滾珠軸承且預緊 因此 4 7 44 7 4 螺母支架及軸承座剛度螺母支架及軸承座剛度 K KH H 螺母支架剛度已在前面計算螺母剛度以系數(shù) 0 8 計進 在此不予考慮 設軸承 座剛度非常大 即 0 于是 該系統(tǒng)滾珠絲杠副的軸向剛度 K1可通過以下 計算求得為 4 7 54 7 5絲杠扭轉(zhuǎn)剛度絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 由滾珠絲杠型號可知其導程Ph 10mm 從產(chǎn)品樣本尺寸表中查得絲杠螺紋小徑 d 30 1mm 代進公式計算得 4 7 64 7 6 計算系統(tǒng)傳動剛度計算系統(tǒng)傳動剛度 由公式 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 19 得K 60 kgf m 由于 65 60 小于預期剛度 故所選絲杠剛度滿足要求 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 20 5 5 滾珠絲杠校核滾珠絲杠校核 5 15 1滾珠壓桿穩(wěn)定性計算滾珠壓桿穩(wěn)定性計算 式中 K1 安全系數(shù) 水平安裝取1 3 D2 絲桿底徑 38 766mm Lc1 絲桿最長受壓長度 1000mm Famax 滾珠絲桿副受最大軸向力 2500N 帶入數(shù)據(jù)由公式可以推出得Fc 113078 2500 Fc遠遠大于Famax 所以可 行 5 25 2滾珠壓桿極限轉(zhuǎn)速計算滾珠壓桿極限轉(zhuǎn)速計算 對于高速長絲杠有可能發(fā)生共振 需要算其臨界轉(zhuǎn)速 不會發(fā)生共振的最高 轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 min c n r nc 107 fd2 L2c2 式中 f 支承系數(shù) 取15 1 D2 絲桿底徑D0 38 766mm Lc2 絲桿臨界轉(zhuǎn)速計算長度 900mm 帶入公式得 nc 107 15 1 38 766 900 6504r min 2000 r min 遠遠小于其最大速度 故臨界轉(zhuǎn)速滿足 5 35 3 驗算額定靜載荷驗算額定靜載荷 fsFmax20000h 故滿足要求 經(jīng)過以上四個參數(shù)的校核后都滿足要求 所以SFV04010 4 8型內(nèi)循環(huán)式絲 杠可以使用 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 22 6 6 電機的設計計算電機的設計計算 伺服電動機的力矩一下子很難確定 我們往往先確定電機的靜力矩 靜力 矩的選擇依靠電機的工作負載 而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種 單一 的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的 直接啟動時兩種負載均要考慮 加 速起動時主要考慮慣性負載 恒速運行只考慮摩擦負載 一般情況下靜力矩應 為摩擦負載的 2 3 倍為好 靜力矩一旦選定 電機的機座及長度便能定下來 6 16 1 正常情況下電動機驅(qū)動扭矩正常情況下電動機驅(qū)動扭矩 TmTm Tm Ta Td Tb 式中 Ta 順向切削扭矩 負載扭矩 Td 預壓扭矩 Tb 軸承扭矩 6 1 16 1 1 負載扭矩負載扭矩 TaTa Ta Fp L 2 3 14 N 1157 65 10 2 3 14 0 9 2594 5N MM 式中 Fb 軸向負荷 Fp 軸向載荷 Fm uW 1157 0 05 1300 L 絲杠導程 N 機械效率 0 9 0 95 6 1 26 1 2 預壓扭矩預壓扭矩 TdTd 預壓扭矩 Td Td P L 2 3 14 1157 10 2 3 14 221 1N MM 式中 P 軸向負荷 L 絲杠導程 6 1 36 1 3 軸承扭矩軸承扭矩 TbTb 查的軸承 Tb 98N MM 所以正常情況下電機驅(qū)動扭矩為 Tm 2594 5 221 1 98 2913 6 N MM 2 9136N M 6 26 2 加速狀況下電機驅(qū)動扭矩加速狀況下電機驅(qū)動扭矩T T T J1 J2 J3 式中 J1 電機慣性矩 J2 滾珠絲桿慣性矩 J3 負荷慣性矩 加速度 100rad sec2 6 2 16 2 1 電機慣性矩計算 電機慣性矩計算 J1J1 式中 密度 7 8 10 6kgf mm3 g 重力加速度9800mm sec2 R 電機轉(zhuǎn)子半徑R20mm L 電機轉(zhuǎn)子長度1230mm 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 23 代入數(shù)據(jù)得J1 0 25kgf mm sec2 6 2 26 2 2 滾珠絲桿慣性矩計算 滾珠絲桿慣性矩計算 J2J2 式中 Ws 絲桿重量 45kg Dn 絲桿公稱直徑 40mm 代入數(shù)據(jù)得 J2 0 92 kgf mm sec2 6 2 36 2 3 負荷慣性矩計算 負荷慣性矩計算 J3J3 式中 W 工作臺總重量 1300kg l 絲桿導程 10mm 代入數(shù)據(jù)得 J3 0 06 kgf mm sec2 所以 加速狀況下電機驅(qū)動扭矩 T J1 J2 J3 a 0 25 0 92 0 06 100 1 2054N M 6 36 3 總電機扭矩總電機扭矩 TmaxTmax Tmax Tm T 2 9136 1 2054 4 119N M 取電機安全系數(shù)為 2 則安全電機扭矩 2 Tmax 2 4 119 8 238N M 電機的選擇 根據(jù)以上的計算 電機安全扭矩為 8 258 N M 選擇伺服電動機 1FT7082 5AC7 額定轉(zhuǎn)速為 2000rpm 額定功率 2 39 3 20 靜態(tài)扭矩 13 9 6 額 定轉(zhuǎn)矩 11 4 8 4 轉(zhuǎn)動慣量 26 5 23 5 10 4 kgm2 由于 2 Tmax 8 258N M 小于 11 4N M 所以選擇該電動機 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 24 7 7 電機的校核電機的校核 7 17 1 所需啟動轉(zhuǎn)矩所需啟動轉(zhuǎn)矩 TpTp 的校核 的校核 TP 2 3 14 Nm Jm J 60ta 1000 TL 式中 Nm N1 N1 為絲杠的轉(zhuǎn)速 因為絲杠和電機是通過聯(lián)軸器直接連接的 所以轉(zhuǎn)速為 2000r min Jm 為電機軸換算電機慣量 Jm J2 J3 J 聯(lián) J2 是滾珠絲杠慣性量 在電機的設計選取中取值為 0 92 kgm2 J3 是負荷慣性量 J 在電機的設計選取中取值為 0 06 kgm2 J 聯(lián)是聯(lián)軸器慣性量 根據(jù)公式 J 聯(lián) M DD 8 0 5 0 08 0 08 0 4 10 3 kgm2 帶入計算 Jm J2 J3 J 聯(lián) 0 92 0 06 0 0004 0 9804 kgm2 J 為電機轉(zhuǎn)動慣量為 2 65 10 3 kgm2 ta 為加速時間 根據(jù)是設計要求計算可以得到 0 1s TL u 9 8 M Pb 2 3 14 0 9 0 1 9 8 130 0 0125 2 3 14 0 9 0 2874 綜上所述 把對應的值帶入公式計算可以得到 TP 2 3 14 Nm Jm J 60ta 1000 TL 2 3 14 2000 0 9804 2 65 10 3 60 0 1 1000 0 287 2 064 0 287 2 351NM 11 4NM 7 27 2 所需制動轉(zhuǎn)矩所需制動轉(zhuǎn)矩 TSTS 的校核 的校核 TS 2 3 14 Nm Jm J 60ta 1000 TL 2 064 0 287 1 776 NM 11 4 NM 7 37 3 轉(zhuǎn)矩有效值轉(zhuǎn)矩有效值 TmsTms 的校核 的校核 式中 Tp 2 351NM TS 1 776 NM TL 0 2874 NM ta 為加速時間 在設計中取值 0 1 tc 為恒速時間 在設計中取值 1 1 td tc 0 1 t 2s 把以上數(shù)字帶入計算可得到 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 論文 25 1 414NM 11 4NM 額定扭矩 經(jīng)以上三方面的校核 可知所選取的伺服電機滿足使用要求 8 畢業(yè)論文總結 26 8 8 慣量的校核慣量的校核 8 1 Jb 32 980 Db4Lb kgf Cm s2 式中 J 慣量 kgf cm s2 物體的比重 kg cm3 Db 直徑 cm Lb 長度 cm 若物體的材料是鐵 其比重為 7 8 10 3kg cm3 則慣量的近似值為 Jb 0 78 10 6 4 04 100 0 0199 kg cm s2 沿直線運動物體 工件 工作臺等 的慣量 8 2 Jw W 980 L 2 2 kgf cm s2 W 沿直線運動物體的重量 kg L 電機一轉(zhuǎn)物體沿直線的移動距離 cm Jw 1300 980 1 25 2 2 0 0525 kgf cm s2 負載慣量Jl Jb Jw 0 0199 0 0525 0 0724 kgf cm s2 負載慣量對電機的控制特性和快速移動的加 減速時間都有很大影響 負載慣量增加時 可能出現(xiàn)以下問題 指令變化后 需要較長的時間達到新 指令指定的速度 若機床沿著兩個軸高速運動加工圓弧等曲線 會造成較大 的加工誤差 負載慣量小于或等于電機的慣量時 不會出現(xiàn)這些問題 若負 載慣量為電機的3倍以上 控制特性就會降低 實際上這對普通金屬加工機 床的工作的影響不大 但是如果加工木制品或是高速加工曲線軌跡 建議負 載慣量要小于或等于電機的慣量 如果負載慣量比3 倍的電機慣量大的多 則控制特性將大大下降 此時 電機的特性需要特殊調(diào)整 使用中應避免這 樣大的慣量 顯然小于所選電機的額定慣量 所以滿足要求 致謝 27 9 9 軸承及密封的選擇軸承及密封的選擇 支撐滾珠絲杠的專用軸承的選用計算過程如下 對于任何所選用軸承型號 其基本額定動載荷Ca值必須滿足下式要求 式中 i為一組軸承中的軸承個數(shù) P為當量動載荷 Lh 為與其使用壽命 n為計算轉(zhuǎn)速 r min 所選擇的軸承工作情況為 絲杠螺母軸用一對角接觸球軸承背對背方式支 承 另一端用深溝球軸承支承 此種支撐方式預緊力小 軸承壽命較高適用于 中速精度較高的絲杠傳動系統(tǒng) 當轉(zhuǎn)速為 50r min 時 軸向力為 200N 有沖 擊 軸徑為直徑 17mm 軸承預期使用壽命為 20000h 可靠度 90 油潤滑 根 據(jù)這些情況進行角接觸球軸承的選型計算 首先 預選角接觸球軸承進行計算 由手冊查得軸承數(shù)據(jù)如下 表10 1 由于滾珠絲杠球軸承主要受軸向載荷 因此其軸向當量動載荷 預緊力 軸 向載荷 P F0 Fa 當量動載荷P 200 83 3 283 3N 計算額定動載荷Ca 196 9N Ca 14 5KN 所以所選軸承符合要求 所選深溝球軸承的額定動載荷Ca 12 8KN 也符合要求 既然軸承做了選擇 那軸承中密封應怎樣呢 按照常用密封來說 采用工 業(yè)用羊毛氈可以滿足要求 它更換比較方面 價格低廉 而且起到了非常好的 作用 能有效的防止雜物進入軸承內(nèi)部 影響軸承的使用壽命 故全部采用羊 毛氈進行密封 再緊靠軸承的部分 為了防止軸承經(jīng)常高速運轉(zhuǎn)的情況下 要 產(chǎn)生大量的熱量 故采用了密封圈密封 這樣一方面可以防止軸承內(nèi)部的潤滑 油的保持 也可以保證很小的為例進入軸承內(nèi)部 所以采用了橡膠密封圈進行 3 62 1 60 10 h ana nL CCPN i 軸承型號額定動載荷 Ca KN 額定靜載荷 Coa KN D mm 7204AC14 5KN7 82KN47 致謝 28 密封 參考文獻 29 1010 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器直聯(lián)接 這是一種最簡單的連接型式 這種結構型式的優(yōu)點是 具有最 大的扭轉(zhuǎn)剛度 傳動機構本身無間隙 傳動精度高 而且結構簡單 安裝 調(diào)整方 便 適用于像中小型號的數(shù)控車床 聯(lián)軸器采用撓性聯(lián)軸器 它能補償因同軸 度及垂直度誤差引起的 干涉 現(xiàn)象 采用這種撓性聯(lián)軸器把電動機與絲杠直接 聯(lián)接 不僅可以簡化結構 減少噪聲 而且可以消除傳動間隙 能減少中間環(huán) 節(jié)帶來的傳動誤差 提高傳動剛度 聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件 他們聯(lián)接軸與軸 以傳遞運動與轉(zhuǎn)矩 有時候也可以用做安全裝置 由于機器的工況各異 因而對聯(lián)軸器提出了各種 不同的要求 如傳遞轉(zhuǎn)矩的大小 轉(zhuǎn)速高低 扭轉(zhuǎn)剛度的變化情況 體積大小 吸震能力等等 出現(xiàn)了許多新的類型 聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸 由于制造及安裝誤差 承載后的變形以及溫度變化 的影響等 往往不能保證嚴格的對中 而是存在這某種程度的相對位移 這就 要求設計聯(lián)軸器時 要從結構上采用各種不同的措施 使之具有適應一定范圍 的相對位移的性能 根據(jù)聯(lián)軸器對各種相對位移有無補償能力 可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸 器兩類 撓性聯(lián)軸器又可分為是否具有彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的 撓性聯(lián)軸器兩個類別 選擇合適的聯(lián)軸器要考慮以下幾點 1 所需要傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及 對緩沖減震功能的要求 2 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起離心力的大小 3 兩 軸相對位移的大小和方向 4 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境 5 聯(lián)軸器的制造安 裝維護和成本 本課題所選的聯(lián)軸器要連接的電機軸徑為 32mm 絲杠光軸軸徑為 32mm 因 此選擇 GY 型凸緣聯(lián)軸器 其公稱轉(zhuǎn)矩為 224 許用轉(zhuǎn)速為NM 9000r min Y 型軸孔長度為 82mm J1 型軸孔長度為 60mm 質(zhì)量為 3 15Kg 這 種聯(lián)軸器剛性好 傳遞轉(zhuǎn)矩大 結構簡單 工作可靠 維護方便 對中精度良 好 參考文獻 30 1111 導軌的選擇導軌的選擇 11 111 1 直線運動導軌的基本截面形狀直線運動導軌的基本截面形狀 圖 11 1 圖 11 1a 是矩形導軌 具有剛度高 承載能力大 制造 檢驗和維修方便 但是導軌不可避免地存在側間間隙 因而導向精度較差 圖 11 1b 是三角形導軌 導向性能與頂角 有關 越小導向性越好 但 減小時導軌面當量摩擦系數(shù)加大 角加大承載能力增加 支承導軌為 凸三角形時 不易積存有較大積屑 也不易存潤滑油 支承導軌為凹三角形時 導軌副易產(chǎn)生動壓效應 但防塵性差 圖 11 1c 是燕尾形導軌 是三角形導軌的變形 其高度較小 可承受顛 覆力矩 但剛度差 制造 檢驗和維修都不方便 圖 11 1d 是圓柱形導軌 易制造 不易積存較大積屑和潤滑油 磨損后 難以調(diào)整和補償間隙 主要用于受軸向載荷的場合 11 211 2 常用的組合形式常用的組合形式 圖 11 2a 為雙三角形組合 導向精度高 磨損后相對位置不變 常用于龍 門刨床 絲桿車床等 參考文獻 31 圖 11 2b 為雙矩形組合 承載能力大 剛度高 制造 調(diào)整簡單 常用 于數(shù)控機床 拉床 鏜床等 圖 11 2c 為三角形和矩形組合 兼有導向性好 制造方便等優(yōu)點 應用 最廣泛 常用于車床 磨床 精密鏜床 滾齒機等機床上 圖 11 2d 為矩形與燕尾形組合 兼有承受較大力矩 調(diào)整方便等優(yōu)點 用于橫梁和立柱上 圖 11 2e 為雙圓柱導軌組合 常用于拉床 機械手等 圖 11 2 本設計選用燕尾型導軌 32 1212 畢業(yè)論文總結畢業(yè)論文總結 本次設計 是大學的全部基礎課 技術基礎課程以及全部專業(yè)課程和生 產(chǎn)實習的綜合 這是我們在進行畢業(yè)之前對所學各課程的一次深入的綜合性 的總復習 也是一次理論聯(lián)系實際的鍛煉 它在我們四年的大學生活學習中 占有很重要的地位 在此次畢業(yè)設計中我對自己未來將從事的工作進行了一 次適應性訓練 從中鍛煉自己分析問題 解決問題的能力 為今后參加祖國 的代化建設打下了一個良好的基礎 本次設計查閱了有關手冊 教材 并在互聯(lián)網(wǎng)上進行文獻檢索 采用了 計算機輔助設計軟件 CAD2007 對各個重要步驟進行了詳細計算和說明 必要處都有校核 裝配圖和零件圖按照國家機械制圖標準的習慣畫法繪制 通過這次設計 我進一步熟悉了有關標準 規(guī)范 技術文件和設計說明書的 編寫 分析問題 解決問題的能力得到了提高 能