立式數(shù)控銑床工作臺X軸進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)題目：立式數(shù)控銑床工作臺（X軸）進(jìn)給傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，先進(jìn)制造技術(shù)是振興傳統(tǒng)技術(shù) 是振興制造業(yè)的技術(shù)支撐和發(fā)展趨勢，是直接創(chuàng)造社會財富的主要手段，誰掌握先進(jìn)制造技術(shù)，誰就能夠占領(lǐng)市場。而數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)和共性技術(shù)，已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。我國數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)業(yè)盡管在改革開放后取得了顯著的成就，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控平臺，即以PC為基礎(chǔ)的總線式、模塊化、開放型的單處理器平臺，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基本系統(tǒng)，也研制成功了并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床，但是我過的數(shù)控技術(shù)及產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比仍然有比較大的差距，其原因是多方面的，

2、但是最重要的是數(shù)控人才匱乏。關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù)Abstract Manufacturing industry is the foundation of the national economy and national defense industry, advanced manufacturing technology is the revitalization of traditional technology is the revitalization of technical support and development trend of the manufacturing indus

3、try, is the main means to create social wealth, who master the advanced manufacturing technology, who will be able to occupy the market. Numerical control technology is the basic technology and common technology of advanced manufacturing technology, which has become one of the important signs to mea

4、sure the level of a country's manufacturing industry. China's CNC technology and industry even after the reform and opening up has made remarkable achievements, the development of the NC platform with independent intellectual property rights, which is based on PC bus modular open type single

5、 processor platform, developed the basic system with independent intellectual property rights, also developed a parallel motion but I have the machine tool, numerical control technology and industry compared with the developed countries is still a relatively large gap, its reason is i Key words: num

6、erical control technology目錄第1章概述11.2 總體方案設(shè)計(jì)1第二章 設(shè)計(jì)計(jì)算22.1 主切削力及其切削分力計(jì)算22.2 導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算22.3 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力32.4 滾珠絲杠的動載荷計(jì)算與直徑估算3第3章 工作臺部件的裝配圖設(shè)計(jì)7第4章  滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn)74.1  滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)74.2  滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速 的校驗(yàn)84.3. 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn)8第5章  計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度95.1

7、60; 機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度計(jì)算95.2  滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算10第6章.  驅(qū)動電動機(jī)的選型與計(jì)算106.1  計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載慣量106.2  計(jì)算折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩116.3 計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電機(jī)軸上的各種所需的力矩126.4. 選擇驅(qū)動電機(jī)的型號13參考文獻(xiàn)14第1章概述1.1技術(shù)要求  工作臺、工件和夾具的總重量m=1500kg（所受的重力W=14700N），其中，工作臺的質(zhì)量=510kg（所受的重力=5000N）；工作臺的最大行程=600mm；工作臺快速移動速

8、度=15000mm/min；工作臺采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)u=0.15,靜摩擦系數(shù)µ=0.2；工作臺的定位精度為30um，重復(fù)定位精度為20um；機(jī)床的工作壽命為20000h。機(jī)床采用伺服主軸，額定功率=7.5kw，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，銑刀直徑D=125mm，主軸轉(zhuǎn)速n=272min/r，切削狀況如表1-1所示。表1-1 數(shù)控銑床的切削狀況切削方式進(jìn)給速度/（m/min）時間比例/（%）備注強(qiáng)力切削0.610主電機(jī)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(jìn)給1510空載條件下工作臺快速進(jìn)給1.2 總體方案設(shè)計(jì) 為了滿足以上技術(shù)要求,采取以下技

9、術(shù)方案。 (1) 工作臺工作面尺寸(寬度×長度)確定為 400 mm×1 200 mm。 (2) 工作臺的導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌,在與之相配的動導(dǎo)軌滑動面上貼聚四氟乙烯(PT-FE)導(dǎo)軌板。 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塑。 (3) 對滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊措施,并對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。 (4) 采用伺服電動機(jī)驅(qū)動。 (5) 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直連。(6)第二章 設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 主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 

10、= 125mm)時,主軸具有最大扭矩,并能傳遞主電動機(jī)的全部功率。此時,銑刀的切削速度為 v=m/s=1.78m/s若主傳動鏈的機(jī)械效率 =0.8,按式(2-6)可計(jì)算主切削力:=×=3370.79N(2) 計(jì)算各切削分力。 根據(jù)表 21可得工作臺縱向切削力 、橫向切削力 和垂向切削力 分別為=0.4=0.4×3370.79N=1348.32N=0.95=0.95×3370.79N=3202.25N=0.55=0.55×3370.79N=1853.93N2.2 導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 (1) 按式(2-8a)計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌

11、摩擦力 。 此時,導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)=0.15,查表 2-3得鑲條緊固力=2000 N,則=(W+)=0.15×(14700+2000+3202.25+1853.93)N=3263.43N(2) 按式(2-9a)計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌動摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力。=(W+) =0.15×(14700+2000)N=2505N=µ(W+)=0.2×(14700+2000)N=3340N2.3 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 (1) 按式(2-10a)計(jì)算最大軸向負(fù)載力。 =+= (1348.32+3263.43)N=4611.75N(2) 按式(2-11a)計(jì)算最

12、小軸向負(fù)載力 =2505N2.4 滾珠絲杠的動載荷計(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,取電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 =1500r/min,則由式(2-16)得 = =mm=10 mm=10mm 2)計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)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。 將強(qiáng)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(xì)切削(精加工)時,滾珠絲杠螺母副的軸向載荷 F2、F3分別可按下式計(jì)算: F2=+20%，F(xiàn)3=+5%并將計(jì)算結(jié)果填入表 1-2表1-2 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

13、/（m/min）時間比例/（%）備注強(qiáng)力切削4611.75V1=0.610F1=Famax一般切削(粗加工)3427.35V2=0.830F2=Famin+20%Famax精細(xì)切削(精加工)2735.59V3=150F3=Famin+5%Famax快移和鉆鏜定位2505V4=Vmax10F4=Famin (2) 計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速 。 = = r/min=60 r/min=r/min=80r/min=r/min=100r/min=r/min=1500r/min(3) 按式(2-17)計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 r/min=230r/min(4) 按式(2-18)計(jì)算滾

14、珠絲杠螺母副的平均載荷 。 N2788.80 N 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。 查表 2-28 得載荷性質(zhì)系數(shù) fw=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) fa=1,查表2-30 得可靠性系數(shù) fc=0.44,則由式(2-19)得 N N =53646.62 N(2) 因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)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) fe=4.5,則N=20752.88 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 =53646.62 N。4) 按精度要求確

15、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 30m,重復(fù)定位精度為 20m,根據(jù)式(2-23)、式(2-24)以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求,得取上述計(jì)算結(jié)果的較小值,即 =6。(2) 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 。 本機(jī)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 行程+取 L=1.4x行程+30 =（1.4x600+30x10）=1140 mm又 =3400 N,由式(2-26)

16、得 mm= 31.07mm 5)初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)計(jì)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 FFZD8010-5(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底徑如下: = 80 mm, = 10 mm= 70300 N > = 53646.62 N= 74.3 mm >= 31.07 mm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 N =1537.25 N 7)計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)拉伸力 (1) 按式(2-31)計(jì)算目標(biāo)行

17、程補(bǔ)償值 。已知溫度變化值 t=2,絲杠的線膨脹系數(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+2x20+204）mm=944 mm故 mm =0.02 mm (2) 按式(2-32)計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力 。  已知滾珠絲杠螺紋底徑 d2=74.3 mm,滾珠絲杠的溫升變化值  t=2,則 N =19984.17 N 8) 確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號

18、0; (1) 按式(2-33)計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷 。 N=22290.05 N (2) 計(jì)算軸承的預(yù)緊力 。 N =7430.02 N (3) 計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷。 （7430.02+2788.80） N =10218.82 N (4) 按式(2-15)計(jì)算軸承的基本額定動載荷 C。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速 n = = 230 r/ min,軸承所承受的當(dāng)量軸向載荷 =10218.82 N,軸承的

19、基本額定壽命L=20000 h。 軸承的徑向載荷 和軸向載荷分別為= cos60°=10218.82× 0.5 N = 5109.41 N = sin60° =10218.82 × 0.87 N = 8890.37 N 因?yàn)?.74<2.17,所以查表 2-25 得,徑向系數(shù) X=1.9，軸向系數(shù)Y=0.54，故P = =

20、 (1.9 ×5109.41+ 0.54 ×8890.37) N = 14508.68 NN =94463.11 N(5) 確定軸承的規(guī)格型號。 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74.3 mm,所以選擇軸承的內(nèi)徑 d 為70mm,以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。在滾珠絲杠裝,組成滾珠絲杠的兩端固定支承方式。 

21、軸承的型號為 760314TNI/ P4DFB,尺寸(內(nèi)徑×外徑×寬度)為70 mm×150 mm×35 mm,選用油潤滑。 該軸承的預(yù)載荷能力為 12000 N,大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力 =7430.02 N。 并在油潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1500 r/ min,高于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速=1 500 r/ min ,故滿足要求。該軸承的額定動載荷為 =110000 N

22、,而該軸承在 20000 h 工作壽命下的基本額定動載荷 C=94463.11 N,也滿足要求。 第3章 工作臺部件的裝配圖設(shè)計(jì)將以上計(jì)算結(jié)果用于工作臺部件的裝配圖設(shè)計(jì)第4章  滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗(yàn) 4.1  滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 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。4.2  滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速 的校驗(yàn) 根據(jù)圖41 可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)

23、算長度 =837.5mm。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×,安全系數(shù)=0.8。由表 244 得=4.73。 滾珠絲杠的最小慣性矩為 滾珠絲杠的最小截面積為故可由式(236)得 r/min =23261.5 r/min本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1500r/ min,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。4.3. 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn)滾珠絲杠螺母副的壽命,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

24、條件下回轉(zhuǎn)時,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A3得滾珠絲杠額定動載荷 =70300 N,運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù) =1.2,滾珠絲杠的軸向載荷 =4611.75N,滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)速 n=1500 r/ min,故由式(237)、式(238)得 r =2.05 r22777 h一般來講,在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)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。第5章  計(jì)算機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度5.1  機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度計(jì)算(1) &#

25、160;計(jì)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 41 可知,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,L=1075mm)時,滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度,可按式(245a)計(jì)算: = 6.6 × = 6.6 ××N/=3389.32N/當(dāng) a=837.5 mm 或 a=237.5 mm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,可按式(245

26、b)計(jì)算: (2) 計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度。 已知軸承接觸角 =60°,滾動體直徑=7.144 mm,滾動體個數(shù) Z=17,軸承的最大軸向工作載荷 =22290.05 N,由表 245、表 246得 (3) 計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度 。 查附錄 A 表 A3 得滾珠與滾道的接觸剛度 K = 3071 N/ m,額定動載荷 =70300 N,滾珠絲杠

27、上所承受的最大軸向載荷 =4611.75 N,故由式(246b)得(4) 計(jì)算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K。 由式(2-47a)得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。由式(2-47b)得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。5.2  滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 由圖 41 可知,扭矩作用點(diǎn)之間的距離 =945.5 mm。 已知剪切模量 G =8.1×MPa,滾珠絲杠的底徑 =74.3×m。 由式(248)得

28、第6章.  驅(qū)動電動機(jī)的選型與計(jì)算6.1  計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載慣量 (1)  計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量。已知滾珠絲杠的密度 =7.8×kg/ ,由式(2-63)得 = =21.43kg·cm2(2)計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量。 (3) 計(jì)算折算到電動機(jī)軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺、工件和夾具）的總質(zhì)量m=1500kg，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=1cm，則由式（2-65）得(4) 由式（2-66）計(jì)算加在電動機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 （21.43+11.

29、62+38.03）= 71.08 6.2  計(jì)算折算到電機(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=4656.75N,電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=10mm=0.01m,進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總效率=0.9，由式(254)得 (2) 計(jì)算負(fù)載摩擦力矩.已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即空載時的導(dǎo)軌摩擦力）=2505N，由式(255)得(3) 計(jì)算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。已知滾珠絲杠的螺母副的預(yù)緊力=1537.25N,滾珠絲杠的螺母副的基本導(dǎo)程=10mm=0.01m,滾珠絲杠的螺母副的效率0=0.94，由式(256)得 6.3 計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電機(jī)軸上的各種所需的力矩 （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)動時電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 =1500r/min,電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量=62，坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動慣量=71.08，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益=20Hz,加速度時間=s=0.15s，由式(2-58)得 (2) 計(jì)算階躍加速度力矩。已