工作臺、工件和夾具的總重量=950kg,其中,工作臺的質(zhì)量=550kg(所受的重力=5000N)

1、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院課程設(shè)計說明書 1.1技術(shù)要求：工作臺、工件和夾具的總重量=950kg，其中，工作臺的質(zhì)量=550kg（所受的重力=5000N）；工作臺的最大行程=600mm；工作臺快速移動速度=15000；工作臺采用滾動直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)=0.01,靜摩擦系數(shù)=0.01；工作臺的定位精度為25，重復(fù)定位精度為18；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時間為10年）機(jī)床采用伺服主軸，額定功率=5.5，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=200，切削狀況如表所示切削方式進(jìn)給速度/時間比例/(%)備注強(qiáng)力切削0.610主電動機(jī)滿功率條件下切削一

2、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1.1.2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） 對滾珠絲杠螺母進(jìn)行預(yù)緊；（2） 采用伺服電動機(jī)驅(qū)動；（3） 采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直連；（4） 采用交流調(diào)頻主軸電動機(jī)，實現(xiàn)主軸的無級變速。1.2設(shè)計計算1.2.1關(guān)于主切削力及其切削分力計算（1）計算主切削力。 銑刀的切削速度為若主傳動鏈的機(jī)械效率，按式可計算主切削力；-機(jī)床主軸的計算轉(zhuǎn)速（主軸轉(zhuǎn)速全部功率時的最低切削速度，；-機(jī)床主傳動系統(tǒng)的傳動功率，一般取。（2）計算各切削分力。查表得工作臺縱向切削力、橫向切削力和垂

3、向切削力分別為1.2.2關(guān)于導(dǎo)軌摩擦力的計算 （1）動摩擦系數(shù)，其推薦值可查表得鑲條緊固力=75N=0.01×(9310+75+3190.84+1847.33)N=144.23N(2) 計算在吧切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力。 =0.01×（9310+75）N=93.85N =0.01×(9310+75)N=93.85N1.2.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 （1）計算最大軸向負(fù)載力 =（1343.51+144.23）N=1587.74N（2）計算最小軸向負(fù)載力 =93.85N1.2.4關(guān)于滾珠絲杠選型設(shè)計計算1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 取電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速2)

4、計算滾珠絲杠螺母副得平均轉(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、分別可按下列公式計算：，并將計算結(jié)果填入表中。切削方式軸向載荷/N進(jìn)給速度/()時間比例/()備注強(qiáng)力切削1587.7410一般切削（粗加工）411.4030精細(xì)加工（精加工）173.2450快移和定鏜定位93.8510(2) 計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速（3）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。（4） 計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷。3)確定滾珠絲杠預(yù)

5、期的額定動載荷（1）按預(yù)定工作時間估算。查表得在和性質(zhì)系數(shù)。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級為2級，查表得精度系數(shù)。查表得可靠性系數(shù)，額定壽命則由式得(2) 因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊，所以可按式估算最大軸向載荷。查表得欲加動載荷系數(shù)，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，即=13917.704）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底經(jīng)（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25，重復(fù)定位精度為18，根據(jù)公式重復(fù)定位精度和定位精度以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，取上述計算結(jié)果的較小值，即。（2）估算允許的滾珠絲

6、杠的最小螺紋底經(jīng)。銑床工作臺（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L=1.4×行程+30=（1.4×600+30×10）mm=1140mm,又=93.85N，由式得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FF3210-5,其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動載荷和絲桿底徑如下：，,，故滿足式，的要求。6）由式確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力7）計算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行

7、程補(bǔ)償值和預(yù)拉伸力（1） 計算目標(biāo)行程補(bǔ)償值-目標(biāo)行程補(bǔ)償值；-溫度變化值（），一般情況下為23；-絲桿的線膨脹系數(shù),一般情況下為；-滾珠絲杠副的有效行程。 已知溫度變化值，絲桿的線膨脹系數(shù)，滾珠絲杠副的有效行程=工作臺行程+安全行程+2×余程+螺母長度 =（600+100+2×20+146）mm=886mm,故(2)計算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力。已知滾珠絲杠螺紋底徑,滾珠絲杠的溫度變化值，則8)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。（2）計算軸承的預(yù)緊力(3) 計算軸承的當(dāng)量軸向載荷(4)計算軸承的基本額定動載荷。已知軸承的工作轉(zhuǎn)速,軸承所受

8、的當(dāng)量軸向載荷,軸承的基本額定壽命。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因為，所以查表得，徑向系數(shù)X=1.軸向系數(shù)Y=0.54 (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27.3mm，所以選擇軸承的內(nèi)徑為25mm，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760205TNZ/P4DFB,尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為25mm×52mm×15mm，選擇脂潤滑。該軸承的預(yù)

9、載荷能力為1250N，大于計算所得的軸承預(yù)緊力=303.83N.并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1500r/min,等于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為=22000N，而該軸承在20000h工作壽命下的基本額定動載荷=7991.81N,也滿足要求。工作臺的滾珠絲杠支承方式采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，絲桿始終受拉而不受壓，因此，不存在壓桿補(bǔ)穩(wěn)定問題。滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗根據(jù)以上的計算可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度=1239mm 已知彈性模量，材料密度，重力加速度，安全系數(shù)，。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 本絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)

10、速，故滿足要求。滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗滾珠絲杠的額定動載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲杠的軸向載荷,滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)速,由式， ， 一般來講，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床時，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總時間壽命故滿足要求。1.2.5關(guān)于傳動系統(tǒng)的剛度計算(1)計算滾珠絲杠的拉壓剛度。本工作臺的絲桿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杠兩支承的中心位置時時，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度當(dāng)或時（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（2）計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度。已知軸承接觸角，滾動體直徑，滾動體個數(shù)Z=16，軸承的最大軸向工作載荷（2） 計算滾珠與滾道的

11、接觸剛度滾珠與滾道的接觸剛度，額定載荷，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷 （3） 計算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。（4） 滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算由以上計算可知，扭矩作用點(diǎn)之間的距離已知剪切模量，滾珠絲杠的底徑 1.2.6關(guān)于驅(qū)動電動機(jī)的選型與計算計算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)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（2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動量。（3）計算折算到電動機(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、夾具）的總質(zhì)量，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸上移動的距離（4）計算加在電動機(jī)軸上

12、總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。計算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩（1）計算切削負(fù)載力矩。已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，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，進(jìn)給傳動系統(tǒng)總效率（2）計算摩擦負(fù)載力矩 （3）計算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程，滾珠絲杠螺母副的效率計算坐標(biāo)軸折算到電動機(jī)軸上的各種所需的力矩（1）計算線性加速力矩已知機(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，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，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，加速時間，由式得 （2）計算階躍加速力矩。已知加速時間，由式得（3）計算坐標(biāo)軸所需的折算到電動機(jī)軸上的各種力

13、矩。 線性加速時空載啟動力矩。 階躍加速時空載啟動力矩。 快進(jìn)力矩。 工進(jìn)力矩。選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號（1） 選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號 選擇FANUC型交流伺服電動機(jī)為驅(qū)動電動機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)如下:額定功率3kw；最高轉(zhuǎn)速3000；額定力矩12；轉(zhuǎn)動慣量；質(zhì)量。交流伺服電動機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的5-10倍。若按5倍計算，則該電動機(jī)的加速力矩為60，均大于本機(jī)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驅(qū)動力矩，電動機(jī)均滿足加速力矩要求。 該電動機(jī)的額定力矩為12，均大于本機(jī)床工作臺快進(jìn)時所需的驅(qū)動力矩以及工進(jìn)時所需的驅(qū)動力矩，電動機(jī)均滿足驅(qū)動力矩要求。（2）慣量匹配驗算。系統(tǒng)的

14、負(fù)載慣量與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式而在本設(shè)計中，故滿足慣量匹配要求。1.2.7機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 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(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量（其中、分別是機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量（）和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量（）， 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)量轉(zhuǎn)動慣量為已知絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則 由以上計算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。計算傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析計算機(jī)械傳動系統(tǒng)的方向死區(qū)已知進(jìn)給傳動

15、系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度，導(dǎo)軌的靜摩擦力即故滿足要求。計算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 即故滿足要求。計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差（1）計算由快速進(jìn)給扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。已知負(fù)載力矩，由以上計算得扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑（2） 由扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度。 1.2.8確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為2級，；當(dāng)螺紋長度為850mm時，故滿足設(shè)計要求。確定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FFZD5010-3-P2/1519×1000,其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：

16、50mm,10mm；螺紋長度：1000mm；絲杠長度：1519mm；類型與精度：P類，2級精度。 第2章 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)型號考慮數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型和實用性決定選用華中數(shù)控系統(tǒng)HNZ-21M。2.2強(qiáng)電回路課程設(shè)計，照明燈的AC24V電源和HNC-21的AC24V電源是各自獨(dú)立的；工作電流較大的電磁閥用DC24V電源與輸出開關(guān)量用的是DC24V電源也是相互獨(dú)立的，并且中間用一個低通濾波器隔離開來。下圖中QFO-QF4為三相空氣開關(guān)；QF5-QF11為單相空氣開關(guān)；KM1-KM4為三相交流接觸器；RC1-RC3為三相阻容吸收器；RC4-RC7為單相阻容吸收器；KA1-KA10為直流2

17、4v繼電器；V1,V2，V3，VZ為續(xù)流二極管；YV1，YV2，YV3，YVZ為電磁閥和Z軸電動機(jī)抱閘。QFO為電源總開關(guān)，QF1-4分別為伺服電源模塊，主軸強(qiáng)電，液壓電動機(jī)，冷卻電動機(jī)的空氣開關(guān)，空氣開關(guān)的作用是接通電源及電源在短路，過流時起保護(hù)作用；KM1，KM2，KM3，KM4分別為控制伺服電源模塊，主軸變頻器，液壓電動機(jī)，冷卻電動機(jī)交流接觸器，由他們主觸點(diǎn)控制相應(yīng)的電動機(jī)；伺服變壓器將交流380v電壓變?yōu)榻涣?00v電壓，供給伺服電源模塊；RC1，RC2，RC5為阻容吸收器，當(dāng)相應(yīng)的電路斷開后，吸收伺服電源模塊,液壓電動機(jī)，冷卻電動機(jī)的能量，避免上述器件上產(chǎn)生過電壓。圖中下半部分為電源

18、回路，途中TC2為控制變壓器，初級為AC380V,次級為AC110V、AC220V、AC24V，其中AC110V提供給交流控制回路、電柜熱交換器電源；AC24V給工作燈提供電源；AC220V給自動潤滑電動機(jī)和24V電源供電，并通過低通濾波器濾波給伺服模塊、電源模塊、24V電源提供電源控制；50W開關(guān)電源給數(shù)控系統(tǒng)、PLC輸入輸出、24V繼電器線圈、伺服模塊、電源模塊、吊掛風(fēng)扇提供電源，100W開關(guān)電源給Z軸電動機(jī)提供直流24V，用于Z軸抱閘、主軸換擋閥等供電。2.3弱電回路2.3.1控制信號圖 繼電器主要是由輸出開關(guān)量控制的，出入開關(guān)量主要是指進(jìn)給裝置、主軸裝置、機(jī)床電氣等部分的狀態(tài)信息與報警信息。2.3.2輸入輸出開關(guān)（I/O）圖2.3.3伺服驅(qū)動器電路連線圖用HSV-11型伺服驅(qū)動器驅(qū)動1FT6系列伺服電動機(jī)時要特別注意：伺服電動機(jī)電源線V、W總結(jié)與體會緊張而又辛苦的課程設(shè)