數控銑床縱向進給軸設_計
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數控機床 課程設計 題 目： 數 控 銑 床 縱 向 進 給 軸 設 計 指導教師 ： 師 班 級： 學 號： 姓 名： 二零 一零 年七月 數控 機床課程設計 2 目 錄 課程設計任務要求 …………………………………… 3 設 計計算 ……………………………………………… 4 工作臺部件的裝配圖設計 …………………………… 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 設計總結 ……………………………………………… 23 參考文獻 ……………………………………………… 23 數控 機床課程設計 3 課程設計任務要求 工作臺、工作和夾具的總質量 m=920所受的重力W=10888N ），其中，工作臺的質量 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軌，導軌的動、靜摩擦系數均為 作臺的定位精度為 25μ m,重復定位精度為 8μ 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 床采用端面銑刀進行強力切削，銑刀直徑 D=125軸轉速 n=320r/削狀況如下表所示： 切削方式 進給速度（ 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 快速進給 15 10 空載條件下工作臺快速進給 為了滿足以上技術要求，采用以下技術方案。 （ 1）工作臺工作面尺寸（寬度 ×長度 ）確定為 4001200 （ 2）工作臺導軌采用滾動直線導軌。 （ 3）對滾珠絲杠螺母副進行預緊。 （ 4）采用伺服電 動機驅動。 （ 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。 數控 機床課程設計 4 設 計 計 算 步 驟 結 論 設計計算 1．主切削力及其切削分力計算 （ 1）計算主切削力 根據已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉速下進行強力切削（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 0???m/s=s 若機械效率 η 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)下的導軌摩擦力 此時導軌摩擦系數 μ =得導軌緊固力 5N，則 μ（ 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 機床課程設計 5 設 計 計 算 步 驟 結 論 （ 2）計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力 和導軌靜摩擦力 =μ（ W+=(9016+75)N=0==（ 1）計算最大軸向負載力 l +(= 2）計算最小軸向負載力 =1）確定滾珠絲杠的導程 據已知條件，取電動機的最高轉速 000~ 4000r/： L0= 150001 2000? )計算滾珠絲杠螺母副的平均轉速和平均載荷 （ 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 進給速度 /（ m/ 時間比例 （ %） 備注 強力切削 0 般切削（粗加工） 0 0%細切削（精加工） 50 %移和鉆鏜定位 15 10 軌摩擦力 =軌靜摩擦力 大軸向負載力小軸向負載力 珠絲杠的導程 控 機床課程設計 6 設 計 計 算 步 驟 結 論 （ 2）計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉速 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）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷 1）由預定工作時間計 算。根據載荷性質，有輕微沖擊，取載荷系數 據初步選擇滾珠絲杠的精度等級為 2 級精度，取精度系數 ；一般情況下可靠性應達到 97%，故可靠性系數 強力切削時： 0r/般切削時： 07 r/細切削時： 33r/移和鉆鏜定位時： 000r/珠絲杠螺母副的平均轉速 : 06r/珠絲杠螺母 副 的 平 均 載荷 : : 載 荷 系 數度系數 可靠性系數 控 機床課程設計 7 設 計 計 算 步 驟 結 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 =）因對滾珠絲杠螺母副將實施預緊，所以可以估算最大軸向載荷。按預載選取預加載荷系數 3）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷 取以上兩種結果的最大值，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 25μ m，重復定位精度為8μ m，根據公式及定位精度和重復定位精度的要求得 （ 1/3~1/2） ? 18μ m =（ 6~9） μ m （ 1/5~1/4） ? 25μ m=（ 5~μ m 取上述計算結果的較小值，即5μ 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 +（ 25~30） 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：5μ m 數控 機床課程設計 8 設 計 計 算 步 驟 結 論 ?。? L=行程 +30（ 590+30? 051 μ 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 根據計算所行的 步選擇南京工藝裝備公司生產的 內循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號為： 公稱直徑 本導程 定動載荷 00a=30000N>滿足要求。 6）確定滾珠絲杠螺母副的預緊力 ： 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本導程 : 0定動載荷 : 0000N 絲杠底徑 : 緊力 : 大軸向載荷 : 控 機床課程設計 9 設 計 計 算 步 驟 結 論 （ 2）計算軸承的預緊力 33? 3）計算軸承的當量軸向載荷 m=（ N= 4）計算軸承的基本額定動載荷 C。 已知軸承的工作轉速與滾珠絲杠的當量轉速 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 X、軸向系數 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 =承的預緊力 : 量軸向載荷 : 向載荷 向載荷 向系數 X=向系數 Y=量動載荷： P=定動載荷： C=控 機床課程設計 10 設 計 計 算 步 驟 結 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 60o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 以選擇軸承的內徑 0滿足滾珠絲杠結構的需要。 選擇國產 60o角接觸球軸承兩件一組背對背安裝，型號為 7602064寸（內徑 ? 外徑 ? 寬度）為 306216用油脂潤滑。該軸承的預載荷能力 1450N，大于計算所得的軸承預緊力 油脂潤滑狀態(tài)下的極限轉速為 2200r/于本機床滾珠絲杠的最高轉速 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計 將以上計算結果用于工作臺（ X 軸）部件的裝配圖設計，其計算簡圖見附 圖 。 軸承的規(guī)格型號 : 7602064寸： 內徑 ? 外徑 ? 寬度 306216圖 數控 機床課程設計 11 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 根據 數控銑床工 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 數控銑床 工作臺計算簡圖得滾珠絲杠螺母副臨界轉速的計算長度 44彈性模量 E=105知材料密度 ρ = 1g? 105N/重力加速度g=103mm/全系數 表得與支承有關的系數 λ = 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速為 2000r/小于其臨界轉速，故滿足要求。 查表得滾珠絲杠的額定動載荷 0000N，軸向載荷 轉條件系數珠絲杠的轉速n=2000r/ 則得： L=3() 106=330000()1 3 5 8 1 ? 106r=109r 0060 2000??h=153416h 一般來講，在設計數控機床時，應保證滾珠絲杠螺母副的總工作壽命 20000h，故滿足要求。 臨界轉速： 826r/高轉轉速： 000r/滿足要求 額定壽命： 53416h 總工作壽命： 20000h 故滿足要求 數控 機床課程設計 13 設 計 計 算 步 驟 結 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 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 μm 最大拉壓剛度 μm 數控 機床課程設計 14 設 計 計 算 步 驟 結 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 β =60o，滾動體直徑 動 體 個 數 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/μ 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/μ 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 0?N/μ m= m （ 4）計算進給傳動系統(tǒng)的 綜合拉壓剛度 K。 進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 11 17N/μ m。 進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值 為 11 25N/μ 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/μ m 綜合拉壓剛度的最小值25N/μ m 數控 機床課程設計 15 設 計 計 算 步 驟 結 論 由 數控銑床工 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）計算滾珠絲杠的轉動慣量 已知滾珠絲杠的密度 ρ =10 故得 10L??=10 4? 4? 88+34? 9） 轉剛度： m/動慣量： 控 機床課程設計 16 設 計 計 算 步 驟 結 論 （ 2）計算聯(lián)軸器的轉動慣量 10L =10（ 64? 3）計算坐標軸折算到電動機軸上的移動部件的轉動慣量 已知機床執(zhí)行部件（即工作臺、工件和夾具）的總質量 m=920動機每轉一圈機床執(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載轉動慣量 r+L =（ （ 1）計算切削負載力矩 切 削 狀 態(tài) 下 坐 標 軸 的 軸 向 負 載 力動機每轉一圈，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 η = = 1 3 5 8 0 7 52 3 0 ?N· m=m 聯(lián)軸器的轉動慣量： 動部件的轉動慣量： 載轉動慣量： 削負載力矩： m 數控 機床課程設計 17 設 計 計 算 步 驟 結 論 （ 2）計算摩擦負載力矩 在不切削狀態(tài)下坐標軸的 軸向負載力（即為空載時的導軌摩擦力） = 02?= 9 0 0 7 52 3 0 ?N· m=m （ 3）計算由滾珠絲杠的預緊而產生的附加負載力矩 滾動絲杠螺母副的預力 ，滾珠絲杠螺母副的基本導程 .5 m m=m m，滾珠絲杠螺母副的效率 η 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速 000r/動機的轉動慣量 2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 320s= 故： 80an t?? （ d） (1 ) = 2 3 2 0 0 06 0 9 8 0 0 ??? （ 62+ ? 20 )e??? m 摩 擦 負 載 力矩： m 附加負載力矩： m 線性加速力矩： m 數控 機床課程設計 18 設 計 計 算 步 驟 結 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）計算坐標軸所需的折算到電 動機軸上的各種力矩。 ①計算線性加速時的空載啟動力矩 =（ N· m=· m ②計算階躍加速時的空載啟動力矩 =（ N· m=m ③計算空載時的快進力矩 μ + N· m=m ④計算切削時的工進力矩 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 空載快進力矩： m 切削時的工進力矩： m 數控 機床課程設計 19 設 計 計 算 步 驟 結 論 （ 1）選擇驅動電動機的型號。 根據以上計算和查表，選擇日本 司生產的 α 12/3000i 型交流伺服電動機為驅動電動機。其主要技術參數如下：額定功率， 3高轉速， 3000r/定力矩， 12N· m； 轉動慣量， 62量， 18 交流伺服電動機的加速力矩一般為額定力矩的 5~10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力矩 m 或工進力矩 m。因此，不管是快進還是工進，本電機均滿足驅動要求。 （ 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 1 在本次設計計算中，0. 63∈ [1]，故滿足慣量匹配要求。 電動機的型號： α 12/3000i 型交流伺服電動機 足匹配要求 數控 機床課程設計 20 設 計 計 算 步 驟 結 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 ω 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)總當量轉動慣量為 r+(絲杠的扭轉剛度 Φ =m/ ω s=1827s 由以上計算可知，絲杠 最低固有頻率 ω 68s、扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率 ω828s 都比較高。一般按 ω n=300s 的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 最低固有頻率： ω 68s 最低固有頻率： ω827s 條件滿足要求 數控 機床課程設計 21 設 計 計 算 步 驟 結 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 進給傳動系統(tǒng) 的綜合拉壓剛 度的最 小25? 610 N/m，導軌的靜摩擦力 ： 30 6m i 9 0 . 9 12 1 0 3 1 . 4 5 1 01 2 5 1 0F m m m ??? ? ? ? ? ? ?? 即 ? =m
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