立式數(shù)控銑床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書

中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 0 目錄 . 1 術(shù)要求 . 1 體設(shè)計(jì)方案 . 1 . 1 切削力及其切削分力計(jì)算 . 1 軌摩擦力的計(jì)算 . 2 算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 . 2 珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 . 3 . 7 . 7 珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) . 7 珠絲 桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) . 7 珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn) . 8 . 8 械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 . 8 珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算 . 9 . 9 算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量。 . 9 算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 . 10 算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需力矩 . 11 擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) . 12 . 12 定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí) . 12 珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) . 13 8. 課程設(shè)計(jì)總結(jié) . 13 . 13 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 1 術(shù)要求 工作臺(tái)、 工件和夾具的總質(zhì)量 m=918中，工作臺(tái)的質(zhì)量 510作臺(tái)的最大行程 00 作臺(tái)快速移動(dòng)速度 18000mm/作臺(tái)采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)為 摩擦系數(shù)為 作臺(tái)的定位精度為 30 m，重復(fù)定位精度為 15 m；機(jī)床的工作壽命為 20000h（即工作時(shí)間為 10 年）。機(jī)床采用主軸伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率為 床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，銑刀直徑 125軸轉(zhuǎn)速 310r/削狀況如下： 數(shù)控銑床的切削狀況 切削方式 進(jìn)給速度 時(shí)間比例（ %） 備 注 強(qiáng)力切削 0 主電動(dòng)機(jī)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 20 10 空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給 體設(shè)計(jì)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(tái)工作面尺寸（寬度×長(zhǎng)度）確定為 4001200 （ 2） 工作臺(tái)導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)畫面上貼聚四氟乙烯導(dǎo)軌板。同時(shí)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(jì)偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺(tái)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(duì)滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行拉伸預(yù)。 （ 4） 采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （ 5） 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠連接。 切削力及其切削分力計(jì)算 （ 1）計(jì)算主切削力 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑 D=125中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 2 主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率，此時(shí)銑刀的切削速度為：（已知機(jī)床主電動(dòng)機(jī)的額定功率軸計(jì)算轉(zhuǎn)速 n=310r/ 根據(jù)公式得刀具的切削速度為： 0 取機(jī)床的機(jī)械效率為： ，則由式得主切削力： z 10P 33 （ 2）計(jì)算各切削分力 工作臺(tái)的縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為 1 1 9 2 . 1 2 6 7 . 4 5 9 . 1 2 6 7 . 4 4 軌摩 擦力的計(jì)算 在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力 （ 1） 根據(jù)式（ 2算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力F。此時(shí)導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù) ，查表 2鑲條緊固力 ,則 2 0 6 0 . 6 9 9 5 91 5 0 09 0 0 c （ 2） 按式（ 2算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力0F 1 2)f(）（ 算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 （ 1） 按式（ 2算最大軸向負(fù)載力 2 9) 6 28 6 7(1m a （ 2） 按式（ 2算最小軸向負(fù)載力 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 3 5 7 50m i 珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)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(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 a x 得： 0 01 1 8 0 0 0m a xm a 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荷。 強(qiáng)力切削時(shí)的軸向載荷定為最大軸向載荷，快速移動(dòng)和鉆鏜定位時(shí)的軸向載荷定為最小軸向載荷。一般切削（粗加工）和精細(xì)切削（精加工）時(shí)，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分別可按下式計(jì)算： m i nm i a xm i n %5,%20 并將計(jì)算結(jié)果填入表 2 表 2 數(shù)控銑床滾珠絲杠的計(jì)算 切削方式 軸向載荷 /N 進(jìn)給速度/(m/時(shí)間比例/(%) 備注 強(qiáng)力切削 v 10 一般切削（粗加工） v 30 m a xm 20 精細(xì)切削（精加工） 3v 50 m a xm 5 快移和鏜鉆加工 1575 10 （ 2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種 切削方式下的轉(zhuǎn)速 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 4 m 5 0 0m 01015m 00m 0101m 0m 0m （ 3）按式（ 2算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速 m i n/230m i n/)1500100101001005080100306010010(100100100 2211 （ 4）按式（ 2算滾珠絲杠螺母副的平均 載荷333332321131 3)確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 （ 1）按預(yù)定工作時(shí)間估算。查表 2載荷性質(zhì)系數(shù) 知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級(jí)為 2 級(jí)，查表 2精度系數(shù) 1，查表 2可靠性系數(shù) 由式（ 2 m m h 6 0 n L 1 0 0 f f 757200 0 0230603 （ 2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按式（ 2算最大軸向載荷。查表 2 1 8 2 m a （ 3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 取以上兩種結(jié)果的最大值， 。 4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 5 （ 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(tái)的定位精度為 30 m ，重復(fù)定位精度為 15 m ，根據(jù)式（ 2式（ 2及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得 m a x 1 1=2 1（ ）3 15 m （ 510） m m a x 2 1 5 1（ ）430 m （ 6m 取上述計(jì)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 2 本機(jī)床工作臺(tái)（ 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(gè)固定支承之間的距離為 L行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長(zhǎng)度 +支承長(zhǎng)度 （ 程 +（ 2530） 0L 取 L 程 +30 0L （ 600+30× 10） 1140 0F =1260N，由式（ 2 a 5）初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的 0L 、 2初步選擇 內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副 本書附錄 其公稱直徑 0d 、基本導(dǎo)程 0L 、額定動(dòng)載荷 絲杠直徑 2d 如下： 0d =40 0L =10mm 46500N d =2滿足式（ 2要求。 6）由式（ 2定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 p m a ）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)緊拉力 （ 1）按式（ 2算目標(biāo)行程補(bǔ)償值 t 。 已知溫度變化值 t=2，絲杠的膨脹系數(shù) = 611 10 m /，滾珠絲杠螺母副的有效行程 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 6 工作臺(tái)行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長(zhǎng)度 （ 600+100+2× 20+146） 886 t 11 t 11× 2× 886× 2）按式（ 2算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力 已知滾珠絲杠螺紋底徑 2d =珠絲杠的溫升變化值 t=2，則 22 1 . 8 1 t d 1 . 8 1 2 3 4 . 3 N 4 2 5 8 . 8 9 N 8）確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) （ 1）按式（ 2算軸承所承受的最大軸向載荷 a m a a x （ 2）計(jì)算軸承的預(yù)緊力 m a x （ 3）計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷 6 5 0 7F （ 4）按式（ 2算軸承的基本額定動(dòng)載荷 C。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速 n= 230r/承所承受的當(dāng)量軸向載荷 承的基本額定壽命 L=20000h。軸承的徑向載荷 軸向載荷 別為 3 6 460co s 0 8 6 460s B a 因?yàn)?3 2 8 8FF ，所以查表 2，徑向系數(shù) X=向系數(shù) Y= 0 8 3 C 33 h （ 5）確定軸承的規(guī)格型號(hào)。 因?yàn)闈L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(duì)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 2d 為 以選擇軸承的內(nèi)徑 d 為 30滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 7 在滾珠絲杠的兩個(gè)固定端均選擇國(guó)產(chǎn) 60°角接觸球軸承兩件一組背對(duì)背安裝，組成滾珠絲杠的兩端固定支承方式。軸承的型號(hào)為 7603064寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為307219用脂潤(rùn)滑。該軸承的預(yù)載荷能力 2900N，大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力 在脂潤(rùn)滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 1900r/于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速2000r/滿足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為 C=34500N，而該軸承在 20000h 工作總壽命下的基本額定動(dòng)載荷 C=34395N，也滿足要求。 將以上計(jì)算結(jié)果用于工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)。 珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 工作臺(tái)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。 珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速 校驗(yàn) 根據(jù)圖可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度 2L =知彈性模量E= N/ 3重力加速度 全系數(shù) 1K =表2 滾珠絲桿的最小慣性矩為 44442 22222 9 2 3 . 5 4107 . 8109 . 867909102 . 18 3 7 . 53 . 1 424 . 7 3600 . 821c r/北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 8 本工作臺(tái)滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為 1800r/遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。 珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn) 滾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(shí)，其中 90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速。 查附錄 A 表 滾珠絲桿額定動(dòng)載荷 46500a 轉(zhuǎn)條件系數(shù) ，滾珠絲桿的動(dòng)載荷 a ，滾珠 絲桿螺母副轉(zhuǎn)速 n= 2000r/即：（一般來講，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)該保證滾珠絲桿螺母副的總時(shí)間壽命 L ，姑滿足要求。 械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 (1)計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度 本工作臺(tái)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=1075，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度算為： 2 . 3 1 N /m/1 0 7 5 2222s m i n 當(dāng) a= a=（即滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時(shí)），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度 m/ 3 7 . 5 )-( 1 0 7 52 3 7 . 54 10753 4 . 3106 . 6)4 2m a x (2)計(jì)算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度 已知軸承的接觸角 ß=60動(dòng)體個(gè)數(shù) Z=17,軸承的最大軸向中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 9 工作載荷 表 2 2 K b = 4× 3 5m a x2 s = 4× 0s i 52 (3)計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度 查附錄 表得滾珠與滾道的接觸剛度 K=1585N/定動(dòng)載荷 6500N，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷 由式（ 2 （ 1 =1585× (31 N/4) 計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉 壓剛度 K。 由式（ 2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 4 9 11111m a xm a x m 由式（ 2進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 2 11111m i nm i n m 珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算 由圖 4知，扭矩作用點(diǎn)之間的距離 945.5 知剪切模量 G= 滾珠絲杠的底徑 m。由式 （ 2 K =22432= m/ 算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量 。 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 10 (1)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量 已知滾珠絲杠的密度 =103 kg/由式 (2 : (2)計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 103 =103 (34 ) (3)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量 m=918動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移 動(dòng)的距離 L=1由式（ 2 222 3.)182 (4)加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 計(jì)算 2= 算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 (1)計(jì)算切削負(fù)載力矩 已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向 負(fù)載力 動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離 L=10給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率 =式（ 2 2 m (2)計(jì)算摩擦負(fù)載力矩 T。 已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力） 1575N，由式（ 2 T=20 N m=m (3)計(jì)算由滾珠絲杠得預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩 已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程 10北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 11 滾珠絲杠螺母副的效率 0 =式（ 2 p .) 612 2200 算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需力矩 （ 1）計(jì)算線性加速度力矩 已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 800r/動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2坐標(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(shí)間 203 s=式（ 2 g g as 1()a （ 2） 計(jì)算階躍加速力 矩。 已知加速時(shí)間 ，由式（ 2 g g 0 m a x（ 3） 計(jì)算坐標(biāo)軸所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩。 1)按式 (2算線性加速時(shí)空載啟動(dòng)力矩(1 2)按式 (2算線性加速時(shí)空載啟動(dòng)力矩 ( 3)按式 (2算快進(jìn)力矩 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 12 ( 4)按式 (2算工進(jìn)力矩( 擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) (1)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) 根據(jù)以上計(jì)算和表 2擇日本 司生產(chǎn)的 000i 型交流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率， 3高轉(zhuǎn)速 ,3000r/定力矩， 動(dòng)慣量， 質(zhì)量 ,18 交流伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的 510 倍。若按 5 倍計(jì)算，則該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為 大于本機(jī)床工作臺(tái)的線性加速時(shí)所需的空載啟動(dòng)力矩 及階躍加速時(shí)所需的空載啟動(dòng)力矩 ，因此，不管采用何種加速方式，本電動(dòng)機(jī)均滿足加速力矩要求。 該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為 大于本機(jī)床 工作臺(tái)快進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩以及工進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 ，因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電動(dòng)機(jī)均滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。 (2)慣量匹配驗(yàn)算。 為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 比一般應(yīng)滿足式 (2即 1,滿足慣量匹配要求。 定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí) 本機(jī)床工作臺(tái)采用半閉環(huán)系統(tǒng)， 中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 13 30(m a xk m a 定位精度定位精度 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級(jí)為二級(jí)，查表 2 ，查表 2螺紋長(zhǎng)度為 850， 故滿足設(shè)計(jì)要求。 珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)為 239 850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程： 400紋長(zhǎng)度 :850杠長(zhǎng)度 :1239型與精度 :P 類， 2 級(jí)精度。 在這次的課程設(shè)計(jì)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(shí)顯示出的優(yōu)秀品質(zhì)，更深切的體會(huì)到人與人之間的那種相互協(xié)調(diào)合作的機(jī)制，最重要的還是自己對(duì)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(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計(jì)使我明白了自己原來知識(shí)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(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)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(shí)和綜合素質(zhì)。 1 范超毅 武漢：華中科技大學(xué)出版社， 2006 2 王愛玲 北京：高等教育出版社， 2006