數(shù)控銑床X-Y工作臺設(shè)計

1、湖北工業(yè)大學(xué)設(shè)計題目：800×200（工作臺工作面積 長×寬 mm） 經(jīng)濟型數(shù)控銑床x-y工作臺設(shè)計。表1-1 數(shù)控x-y工作臺設(shè)計參數(shù)規(guī)格工作臺行程（mm)工作臺、夾具及工件重力（N)工作臺快移速度（m/min)最大進給速度（m/min)走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y向相同啟動加速時間ms定位精度mmx縱向y縱向x縱向y縱向x縱向y縱向x縱向y縱向800×2006001602500400018180.60.61500/100030+0.01-0.01 設(shè)計計算1.1確定脈沖當(dāng)量縱向：0.01mm/步 橫向：0.01mm/步2.1 計算切削分力根據(jù)數(shù)

2、控技術(shù)課程設(shè)計表2-1可得工作臺縱向切削力F,橫向切削力F和垂向切削力F分別為: F=1500NF=1500NFZ =1000N2.2 導(dǎo)軌摩擦力的計算（1）按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式計算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦FZ。此時導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)=0.01X縱向：F=（W+Fg+Fc+Fv） =0.01 = 50NY橫向：F=（W+Fg+Fc+Fv） =0.01 = 65 N (2)按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式計算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力F和導(dǎo)軌靜摩擦力FX縱向： F=(W+F)=0.01×(2500+0)N=25N F=（W+F)=0.01×(2500+0)N= 25 NY橫向： F=(W+

3、F)=0.01×(4000+0)N = 40 N F=（W+F)=0.01×(400+0)N=40 N2.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力（1）按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式計算最大軸向負載為 X縱向： F=F+F=(1500+50)N=1550N Y橫向： F=F+F=1500+65N=1565N(2)按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式計算最小軸向負載力FX縱向：F= F=25N Y橫向：F= F=40N2.4 滾珠絲杠的動載荷計算和直徑估算。2.4.1 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)已知條件，取電動機最高轉(zhuǎn)速為n=1800r/min,則由式2-16得L= = =10mm2.4.2 計算滾珠絲杠螺

4、母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 表2-1 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r/min時間比例/(%)備注一般切削X：1550Y：1565=0.680=快移和鉆鏜定位X：25Y：40=1820=(2)計算滾珠絲杠螺母副在各種切削條件下的轉(zhuǎn)速ni(3)按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式計算滾珠絲杠螺母副的平均速度=(4)按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷FmX縱向：F= = = 759 NY橫向： F= = = 766.88N2.4.3 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。查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計2-28表得載荷系數(shù)=1.3.已知初步選擇的滾珠絲杠的精度為1級，查數(shù)控技

5、術(shù)課程設(shè)計2-29表得精度系數(shù)=1，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計2-30表得可靠性系數(shù)=0.44，則由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式2-19得X縱向：= = = 17 674.46NY橫向： = = =17 857.96N（2） 因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊，所以按公式2-21估算最大軸向載荷。查表2-31得：預(yù)加載荷系數(shù)=4.5,則X縱向： =4.5×1550 = 6975 NY橫向: =4.5×1565 =7042.5 N（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X縱向:= 17 674.46N Y橫向: =17 857.96N 2.4.4 按精度要求確定允許的滾珠絲杠

6、的最小螺紋底徑（1）根據(jù)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10m,根據(jù)公式以及定位精度的要求得： =（1/51/4）×10m=（22.5）m取上述計算結(jié)果的較小值，即=2.5m（2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。本機床工作臺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撐之間的距離為L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度 （1.21.4）行程+（2530）取L=1.4×行程+30 X縱向: =（1.4×600+30×10）mm=1140mm 又=25N，由公式得，0.039

7、· 0.039 4.16mmY橫向: =（1.4×160+30×10）mm=524mm又=40N，由公式得，0.039· 0.039 3.57mm2.4.5 初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號X縱向: 根據(jù)計算所得的，初步選擇FF型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母絲滾珠絲杠螺母副FF 3210-3，其共稱直徑，基本導(dǎo)程，額定動載荷和絲杠底徑如下： =10mm，=32mm，=25700N=17 674.46N =27.3mm=4.16mm故滿足要求。Y橫向: 根據(jù)計算所得的，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母絲滾珠絲杠螺母副FF 3210-3，其共稱直徑，基本導(dǎo)程，額定

8、動載荷和絲杠底徑如下： =10mm，=32mm，=25700N=17 857.96N =27.3mm=3.57mm故滿足要求2.4.6 由公式確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力X縱向：=×1550=516.67NY橫向：=×1565=521.67N2.4.7.計算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補償值與預(yù)拉伸力（1）按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計式2-31計算目標(biāo)行程補償值。已知溫度變化值t=2，絲杠的線膨脹系數(shù)=11×10m/，滾珠絲杠螺母副的有效行程。=工作臺行程+安全行程+2×余程+螺母長度 安全行程（mm）=5 X縱向：=600+5×10+2×10+74

9、=744mmY橫向: =160+5×10+2×10+74=304mm故：X： =11×t××10=11×2×744×10=0.016mm Y： =11×t××10=11×2×304×10=0.007mm（2）按公式計算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。已知滾珠絲杠螺紋底徑=27.3mm，滾珠絲杠溫升變化值t=2。則X：=1.81×t×=1.81×2×=2697.95N Y：=1.81×t×=1.81×

10、2×=2697.95N 2.4.8 確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號（1）按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式2-33計算軸承所受的最大軸向載荷X縱向：=+= 2697.95×1550=3472.95N Y橫向：=+=2697.95×1565=3480.45N（2）計算軸承的預(yù)緊力X縱向： =×3472.95=1157.65NY橫向： =×3480.45=1160.15N（3） 計算軸承的當(dāng)量軸向載荷 X縱向：=+=1157.65759=1916.65NY橫向：=+=1160.15+766.88=1927.03N（4）按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式2-15計算

11、軸承的基本額定動載荷已知軸承的工作轉(zhuǎn)速n=408r/min，軸承所承受的當(dāng)量軸向載荷。軸承的基本額定壽命L=20000h。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為：X縱向：=×cos60°=1916.65×0.5N=958.33N =×sin60°=1916.65×0.87N=1659.87N Y橫向： =×cos60°=1927.03×0.5N=963.52N =×sin60°=1927.03×0.87N=1668.86N =1.732.17 查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計表2-25得，徑向系數(shù)

12、x=1.9，軸向系數(shù)y=0.54故：P=X+Y=1.9×958.33+0.9×1659.87=3314.71N C=·=×=26125.18NY橫向： =×cos60°=1927.03×0.5N=963.52N =×sin60°=1927.03×0.87N=1668.86N =1.732.17 查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計表2-25得，徑向系數(shù)x=1.9，軸向系數(shù)y=0.54故：P=X+Y=1.9×963.52+0.9×1668.86=3332.66NC=·=×=2

13、6266.66N（5）確定軸承的規(guī)格型號。因為滾珠絲杠螺母副擬采用預(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=27.3mm，所以選用軸承內(nèi)徑d為25mm以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。X縱向：在滾珠絲杠的兩個固定端均選擇國產(chǎn)60°角接觸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：760305TNI，尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為25 mm×62 mm×17mm，選用脂潤滑，該軸承的預(yù)載荷能力=3300N ,大于計算所得的軸承預(yù)緊力=1157.65N。并在脂

14、潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為2200 r/min ,高于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速n=1800r/min，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為=28500 N,而該軸承在20000h工作壽命下的額定載荷 C=26125.18N，也滿足要求。Y橫向：在滾珠絲杠的兩個固定端均選擇國產(chǎn)60°角接觸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：760305TNI，尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為25 mm×62 mm×17mm，選用脂潤滑，該軸承的預(yù)載荷能力=3300N ,大于計算所得的軸承預(yù)緊力=1160.15N。并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為2200

15、r/min ,高于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速n=1800r/min，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為=28500 N,而該軸承在20000h工作壽命下的額定載荷 C=26266.66N，也滿足要求。3 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗3.1 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗本工作臺的滾珠絲杠支承方式采用預(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。3.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗已知彈性模量E=2.1×MPa，材料密度=×7.8×N/，重力加速度g=9.8×mm/，安全系數(shù)=0.8，由表2-44得=4.73X縱向：滾珠絲杠的最小慣性矩為： I=&

16、#215;=27252.12滾珠絲杠的最小截面積為： A=585.05故可由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式2-36得：= =0.8× = 7011469.26r/min本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min，遠遠小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。Y橫向：滾珠絲杠的最小慣性矩為： I=×=27252.12滾珠絲杠的最小截面積為： A=585.05故可由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式2-36得：= =0.8× = 35057.35r/min本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min，遠遠小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。3.3 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗滾珠絲杠螺母副的壽命

17、主要指疲勞壽命。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。X縱向：查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計表A-3得滾珠絲杠的動載荷=25700N，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)=1，滾珠絲杠的軸向載荷=1550N。滾珠絲杠螺母副運轉(zhuǎn)速度n=1800r/min。故由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式得：L=（）× = =2.64×r =L/60n=24444h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時間壽命20000h，故滿足要求Y橫向：查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計表A-3得滾珠絲杠的動載荷=25700N，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)=1，滾珠絲杠的軸向載荷=1565N。滾珠絲

18、杠螺母副運轉(zhuǎn)速度n=1800r/min。故由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式得：L=（）× = =2.56×r =L/60n=23704h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時間壽命20000h，故滿足要求4 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度4.1 計算滾珠絲杠的拉壓剛度本工作臺的絲杠支承方式為兩端固定，由圖知，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲杠兩支承的中心位置（a=L/2）時，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度，可按數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式（2-45）計算。X縱向：=6.6×=6.6×N/m=565.39N/mY橫向：=6.6×=6.6×N/m=14

19、38.28N/m當(dāng)a=或a=時（即滾珠絲杠的螺母中心位于行程的兩端位置時）滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，可按公式計算。X縱向：=6.6× =6.6×=596.80N/mY橫向：=6.6× =6.6×=1035.24N/m4.2 計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度已知軸承接觸角=60°，滾珠體直徑=7.144mm；滾珠體個數(shù)Z=17，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計表2-45,2-46得：X縱向：=3472.95N =4×2.34× =4×2.34×N/m =1420.17N/mY橫向：=3480.45N， =4

20、5;2.34× =4×2.34× =1421.19N/m4.3 計算滾珠與滾道的接觸剛度查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計A-3得滾珠與滾道的接觸剛度K=386N/m，額定動載荷=25700N，故由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式（2-46b）得:=K()X縱向：滾珠絲杠上承受的最大軸向載荷=2557.5N =386=326.13N/mY橫向：=2805N,=386=327.18N/m4.4 計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K。由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為：=+ X縱向 ： =0.0054=185N/mY橫向：=+=0.0048=208.33N/m由數(shù)控技術(shù)課程

21、設(shè)計公式得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為：=+X縱向 ： =0.0055=181.82N/mY橫向： =+=0.0045=222.22N/m（2）滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算已知剪切模量G=8.1×MPa，滾珠絲杠的底徑=34.3×m，由公式得：=X縱向 ：=4528.04Nm/radY橫向：=9876.61Nm/rad5.1 計算折算到電動機軸上的負載慣量（1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量已知滾珠絲杠的密度=7.8×kg/，由公式得X縱向 ： kg·cY橫向： kg·c（2） 計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量X縱向：=0.78×10×

22、（6.62.5）×8.2=11.89kg·cY橫向：=0.78×10×（6.62.5）×8.2=11.89kg·c（3）計算折算到電動機軸上的移動部件的 轉(zhuǎn)動慣量 =X縱向： =6.34kg·cY橫向：=10.14kg·c（4） 由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計式（2-66）計算加在電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)動慣量=+X縱向：=9.46+11.89+6.34=27.69kg·cY橫向：=4.42+11.89+10.14=26.45kg·c5.2 計算折算到電動機軸上的負載力矩（1）計算切削負載力矩 電動機每轉(zhuǎn)一圈，

23、機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=10mm=0.01m，進給傳動系統(tǒng)的總效率=0.9由公式=得X縱向：=2.74N· m Y橫向： =2.77 N· m （2）計算摩擦負載力矩已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負載力（即為空載時的導(dǎo)軌摩擦力）,由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式得：=X縱向：=0.04 N· m Y橫向: =0.07 N· m （3）計算由滾珠絲杠的預(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=N，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程=10 mm=0.01 m，滾珠絲杠螺母副的效率 =0.94,由數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計公式得 =）=0.093 N· mX縱

24、向：=N =0.10N· mY橫向：=N=0.11N· m5.3 計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上的各種所需力矩(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=1800r/min，加速時間=30 ms=0.03 s ，,由公式=（1-）X縱向：其轉(zhuǎn)動慣量=62kg· cm，坐標(biāo)軸的負載慣量=27.69kg·c=（1-）=546.13kgf·m=53.52N·mY橫向：其轉(zhuǎn)動慣量=62kg· cm，坐標(biāo)軸的負載慣量=26.45kg·c=（1-）=538.58kgf·m=52.78N

25、83;m（2） 計算階躍加速力矩已知加速時間=1÷ k=0.01s，由公式得 :=X縱向：=574.75kgf·m=56.32N·m Y橫向： =566.8kgf·m= 55.55N·m（3）計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機上的各種力矩。（1）按式（2-61）計算線性空載啟動力矩 =+（）X縱向： =53.52+0.04+0.10=53.66N·mY橫向： =52.78+ 0.07+0.11=52.96N·m（2） 按式（2-61）計算階躍空載啟動力矩 =+（）X縱向：=56.32+0.04+0.10=56.46N

26、3;mY橫向：=55.55+ 0.07+0.11=55.73N·m（3）由式（2-57a）計算快進力矩 X縱向：=0.04+0.10=0.14N· mY橫向： =0.07+0.11=0.18N· m（4）由式（2-57b）計算工進力矩 N· mX縱向：=2.74+0.10=2.84N· mY橫向：=2.77 + 0.11 =2.88 N· m 5.4 選擇驅(qū)動電動機的型號（1）選擇交流伺服電動機，其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率3kw；最高轉(zhuǎn)速3000r/min；額定力矩12N· m；轉(zhuǎn)動慣量為62 kg· cm。（2

27、）慣性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)的負載慣量與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量只比一般應(yīng)滿足公式，即0.25/1X縱向：/=27.69/62=0.450.25，1，故滿足慣量匹配要求.Y橫向：/=26.45/62=0.430.25，1，故滿足慣量匹配要求。6 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析6.1 計算絲杠工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度=，而滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量=m+1/3（其中m，分別是機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的品質(zhì)），則m=W/gX縱向：m=250.12kg =/4××130×7.8×kg= kg= m+1/3= kg= rad/sY橫向：m=4 kg，= N/m，=/4× 3.2× ×7.8×kg kg= m+1/3= kg= rad/s6.2 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)