歷史數(shù)控銑床進給傳動系統(tǒng)設(shè)計正文

1、中北大學(xué)課程設(shè)計說明書目錄1.概述11.1技術(shù)要求11.2總體設(shè)計方案22.滾珠絲杠螺母副的選型和計算22.1主切削力及其切削分力計算22.2導(dǎo)軌摩擦力的計算32.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力32.4滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算33.工作臺部件的裝配圖設(shè)計74.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗84.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗84.2滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗84.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗85.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度95.1機械傳動系統(tǒng)的剛度計算95.2滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計算106.驅(qū)動電動機的選型與計算106.1計算折算到電動機軸上的負載慣量。106.2計算折算到電動機

2、軸上的負載力矩116.3 計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上的各種所需力矩126.4選擇驅(qū)動電動機的型號137.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號137.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級137.2滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號148. 課程設(shè)計總結(jié)149.參考文獻141.概述1.1技術(shù)要求工作臺、工件和夾具的總質(zhì)量m=918kg，其中，工作臺的質(zhì)量510kg；工作臺的最大行程Lp=600 mm;工作臺快速移動速度18000mm/min；工作臺采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)為0.15，靜摩擦系數(shù)為0.12；工作臺的定位精度為30m，重復(fù)定位精度為15m；機床的工作壽命為20000h（即工作時間為10年）。機

3、床采用主軸伺服電動機，額定功率為5.5kw，機床采用端面銑刀進行強力切削，銑刀直徑125mm，主軸轉(zhuǎn)速310r/min。切削狀況如下：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0.610主電動機滿功率條件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速進給2010空載條件下工作臺快速進給1.2總體設(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400mm1200mm。（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

4、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。2.滾珠絲杠螺母副的選型和計算2.1主切削力及其切削分力計算（1）計算主切削力Fz。 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=125mm），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為5.5kw，主軸計算轉(zhuǎn)速n=310r/min。）根據(jù)公式得刀具的切削速度為： 取機床的機械效率為：，則由式得主切削力： （2）計

5、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 2.2導(dǎo)軌摩擦力的計算在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力的計算可以查課程設(shè)計指導(dǎo)書：（1）根據(jù)式（2-8a）計算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。此時導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)，查表2-3得鑲條緊固力,則 （2）按式（2-9a）計算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和 2.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 （1）按式（2-10a）計算最大軸向負載力 （2）按式（2-11a）計算最小軸向負載力 2.4滾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)速得： 2）計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

6、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： 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/min)時間比例/(%)備注強力切削2929.6910一般切削（粗加工）2160.9430精細切削（精加工）1721.4850快移和鏜鉆加工157510（2）計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速。 （3）按式（2-17）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 （4）按式（2-18）計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷3)確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載

7、荷（1）按預(yù)定工作時間估算。查表2-28得載荷性質(zhì)系數(shù)=1.3。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級為2級，查表2-29得精度系數(shù)=1，查表2-30得可靠性系數(shù)=0.44，則由式（2-19）得 （2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊，所以可按式（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 （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，33801.49 N。4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑（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，重復(fù)定位精度為15，根據(jù)式（2-23）、式（2-24）以及定位精

8、度和重復(fù)定位精度的要求，得15（510）30（67.5）取上述計算結(jié)果的較小值，即=5。（2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。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 （1.21.4）行程+（2530）取L1.4行程+30（1.4600+3010）mm1140mm又=1260N，由式（2-26）得 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、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副FFZD4010-5（見本書附錄A表A-3），其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動載荷和絲杠

9、直徑如下： =40mm， =10mm =46500N=33801.49N =34.3mm=20.9mm故滿足式（2-27）的要求。6）由式（2-29）確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 2929.69N976.56N7）計算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補償值與預(yù)緊拉力（1）按式（2-31）計算目標(biāo)行程補償值。已知溫度變化值t=2，絲杠的膨脹系數(shù)=/，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 （600+100+220+146）mm886mm故 11t112886mm0.02mm（2）按式（2-32）計算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。已知滾珠絲杠螺紋底徑=34.3mm，滾珠絲杠的溫升變化值t=2

10、，則 8）確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號（1）按式（2-33）計算軸承所承受的最大軸向載荷。 （2）計算軸承的預(yù)緊力。 （3）計算軸承的當(dāng)量軸向載荷。 （4）按式（2-15）計算軸承的基本額定動載荷C。已知軸承的工作轉(zhuǎn)速n=230r/min，軸承所承受的當(dāng)量軸向載荷=3664.95N，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 因為，所以查表2-25得，徑向系數(shù)X=1.9，軸向系數(shù)Y=0.54，故 （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為34.3

11、mm，所以選擇軸承的內(nèi)徑d為30mm，以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。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760306TNI/P4DFB，尺寸（內(nèi)徑外徑寬度）為30mm72mm19mm，選用脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力為2900N，大于計算所得的軸承預(yù)緊力=1939.62N。并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1900r/min，高于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速=2000r/min，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為=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。3.工作臺部件的裝配圖設(shè)計 將以上計

12、算結(jié)果用于工作臺部件的裝配圖設(shè)計。4.滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗4.1滾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。4.2滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗根據(jù)圖可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度=837.5mm。已知彈性模量E=MPa，材料密度N/，重力加速度9.8，安全系數(shù)=0.8。由表2-44查得滾珠絲桿的最小慣性矩為 滾珠絲桿的最小截面積為 故可由公式得： r/min=10738.5r/min本工作臺滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1800r/min，遠遠小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。4.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗滾

13、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A-3得滾珠絲桿額定動載荷N，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲桿的動載荷N，滾珠絲桿螺母副轉(zhuǎn)速n=r/min 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，姑滿足要求。5.計算機械傳動系統(tǒng)的剛度5.1機械傳動系統(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(dāng)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=1075mm）時，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，計算為： 當(dāng)a=837.5mm

14、或a=237.5mm時（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計算得：(2) 計算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度Kb。 已知軸承的接觸角=60，滾動體直徑=7.144mm，滾動體個數(shù)Z=17,軸承的最大軸向工作載荷F= 5723.44N,由表2-45，表2-46得= 42.34= 42.34 (3)計算滾珠與滾道的接觸剛度K。 查附錄表得滾珠與滾道的接觸剛度K=1585N/um，額定動載荷C=46500N，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷F=2929.69N，故由式（2-46）得K=K（)=1585()N/um=1358.79N/um(4) 計算進給傳動系統(tǒng)的

15、綜合拉壓剛度K。 由式（2-47a）得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故K=440.53N/m 由式（2-47b）得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 故K=370.37N/m5.2滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計算 由圖4-1可知，扭矩作用點之間的距離L= 945.5 mm。已知剪切模量G= M,滾珠絲杠的底徑d=m。由式（2-48）得K= 11635.35 Nm/rad6.驅(qū)動電動機的選型與計算 6.1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)到慣量J。 已知滾珠絲杠的密度=7.810kg/cm,由式(2-63)得: (2)計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量J J= 0.7810DL =0.

16、7810(6.6-3)8.2kg/cm=11.62kg/cm(3)折算到電動機軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量的計算 已知機床執(zhí)行部件（即工作臺、工件和夾具）的總質(zhì)量m=918kg，電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=1cm，則由式（2-65）得 (4)加在電動機軸上總的負載轉(zhuǎn)動慣量的計算 =+J=(21.43+11.62+23.28)=56.336.2計算折算到電動機軸上的負載力矩(1)計算切削負載力矩T。 已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負載力F=F=2929.69N,電動機每轉(zhuǎn)一圈，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=0.90，由式（2-54）得

17、T=5.18Nm(2)計算摩擦負載力矩T。 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）F=1575N，由式（2-55）得T=Nm=2.79Nm(3)計算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負載力矩T。 已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力F=976.56N，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程L=10mm=0.01mm，滾珠絲杠螺母副的效率=0.94，由式（2-56）得Tf=6.3 計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上的各種所需力矩（1）計算線性加速度力矩T。 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n=1800r/min，電動機的轉(zhuǎn)動慣量J=62kgcm，坐標(biāo)軸的負載慣量J=56.33kgcm，進給伺服

18、系統(tǒng)的位置環(huán)增益k=20，加速時間=s=0.15s，由式（2-58）得 （2） 計算階躍加速力矩。 已知加速時間，由式（2-59）得 （3） 計算坐標(biāo)軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩。1) 按式(2-61)計算線性加速時空載啟動力矩 2) 按式(2-61)計算線性加速時空載啟動力矩 3) 按式(2-57a)計算快進力矩 4) 按式(2-57a)計算工進力矩 6.4選擇驅(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2-14，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的a12/3000i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，3kW,最高轉(zhuǎn)速,3000r/min，額定力矩，12N.m

19、,轉(zhuǎn)動慣量，,質(zhì)量,18kg。 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60N.m，均大于本機床工作臺的線性加速時所需的空載啟動力矩以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12N.m，均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)的負載慣量與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式(2-67)，即而在本例中，故滿足慣量匹配要求。7.確定滾珠絲杠

20、螺母副的精度等級和規(guī)格型號7.1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)系統(tǒng)，、應(yīng)滿足下列要求： 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為二級，查表2-20得，查表2-21得，當(dāng)螺紋長度為850mm時，故滿足設(shè)計要求。7.2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FFZD4010-5-P2/1239850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：40mm,10mm;螺紋長度:850mm;絲杠長度:1239mm;類型與精度:P類，2級精度。8.課程設(shè)計總結(jié)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

21、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(xí)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(xí)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(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 9.參考文獻1吳宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊M.北京：高等教育出版社，2000.2濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計（第七版）M.北京：高等教育出版社，2001. 3文懷興，夏田.數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.54夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計M.北