數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

數(shù)控車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例摘要：文中對(duì)于數(shù)控機(jī)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程作了詳細(xì)論述。此設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床縱向進(jìn)給系統(tǒng)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，并達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于相類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；縱向進(jìn)給；設(shè)計(jì)Abstract：Inthearticlehasmadethecontrastregardingthenumericalcontrollatheandtheconventionallathe,andhasmadethedetailedelaborationonthenumericalcontrollathefeedforAxisdesignprocess.Inall,thepresenteddesignoffeeddevicesandplatentypesgenerallyconformstotheproductdesignrequest,whichreachestodesignstandard,itisprobablyhasaguidingsignificancetotheproductdesignanddevelopment.Keywords:Numericalcontrollathe，feedforAxis(Z)，design數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。它的出現(xiàn)及所帶來(lái)的巨大效益，引起世界各國(guó)科技界和工業(yè)界的普遍重視。發(fā)展數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前我國(guó)機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造的必由之路，是未來(lái)工廠自動(dòng)化的基礎(chǔ)。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志幾十年來(lái)一直受到世界各國(guó)的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)控車床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括：按照需要達(dá)到的加工精度要求，選擇開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)其中之一；傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括傳動(dòng)方式的選擇；滾珠絲桿導(dǎo)程的確定，滾珠絲桿支承選擇；伺服電動(dòng)機(jī)的選擇等過(guò)程。以下就是CK6160數(shù)控車床的縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)實(shí)例。1. CK6160數(shù)控車床設(shè)計(jì)要求主要技術(shù)參數(shù)：1、 床身上最大回轉(zhuǎn)直徑：600mm；2、 最大車削直徑：600mm；3、 最大車削長(zhǎng)度：1000mm(最大行程：1050mm)；4、 橫向最大行程：350mm；5、 主電機(jī)功率：11kw；；6、 主軸最高轉(zhuǎn)速：2500rpm；7、 X向/Z向參數(shù)：快速進(jìn)給速度16m/8m/min,最小移動(dòng)單位0.001mm,最小輸入單位0.001mm。8、 其余：床身為矩形導(dǎo)軌,與其接觸的工作臺(tái)面貼塑滾珠絲杠副的計(jì)算及選型為了滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求,必須合理選擇滾珠絲杠副,并進(jìn)行必要的校核計(jì)算。計(jì)算參數(shù)：縱向工作臺(tái)總重量 W=2000N工作臺(tái)Z向最大行程 1050mm縱向快速進(jìn)給速度 Vxmax=8m/min定位精度 ±0.01mm重復(fù)定位精度 ±0.005mm下表1給出了工作臺(tái)的切削狀況,以此為前提進(jìn)行傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)。表1軸向受力狀況切削方式軸向力(N)進(jìn)給速度(r/min)工作時(shí)間百分比％強(qiáng)力切削69005020一般切削390010050精切削1400500302.1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程t根據(jù)機(jī)床傳動(dòng)要求、負(fù)載大小和傳動(dòng)效率等因素綜合考慮確定導(dǎo)程。先按機(jī)床傳動(dòng)要求確定,其公式為:tV /inxmax xmax式中：V z向快速進(jìn)給速度，mm/min；xmaxi――傳動(dòng)比，因電機(jī)與滾珠絲杠副直接聯(lián)接，i取1；n 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min。xmax由式t=16000/2000=8mm,取導(dǎo)程t二8mm。2.2滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計(jì)算2.2.1工作載荷F工作載荷F是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力，其數(shù)值可用下列進(jìn)給作用力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)床：F=F+Fzif式中：F——Z方向上的切削分力，N；ziF 導(dǎo)軌摩擦阻力，N。fF=uWf口——摩擦系數(shù)，對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.04~0.05W——Z向工作臺(tái)總重量在各種切削方式下，絲杠軸向載荷：F=6900+0.05X2000=7000N1F=3900+0.05X2000=4000N2F=1400+0.05X2000=1500N32.2.2最小載荷Fmin最小載荷Fmin為數(shù)控機(jī)床空載時(shí)作用于滾珠絲杠的軸向載荷。此時(shí)，F(xiàn)=F=F=0。xyzF.=F=uW=0.05X2000=100Nmin42.2.3最大工作載荷Fmax最大載荷為機(jī)床承受最大切削力時(shí)作用于滾珠絲杠的軸向載荷。Fmax=F1=7000N2.2.4當(dāng)量載荷Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm當(dāng)機(jī)床工作載荷隨時(shí)間變化且此期間轉(zhuǎn)速不同時(shí)If3xnxt+F3xnxt+F3xnxtTOC\o"1-5"\h\zF=3,T 11 2 22 3 33m' nxt+nxt+nxt* 1 1 2 2 3 3式中：tl、t2、t3分別為滾珠絲杠在轉(zhuǎn)速nl、n2、n3下，所受軸向載荷分別是F1、F2、F3時(shí)的工作時(shí)間，見(jiàn)表3.1。n=nxt+nxt+nxt=50x20%+100x50%+500x30%=210r/minm1 1 2 2 3 3廠 70003x50x20%+40003x100x50%+15003x500x30%F=3'-\o"CurrentDocument"m 210=3293N2.3確定預(yù)期額定動(dòng)載荷Cam2.3.1按預(yù)期壽命時(shí)間計(jì)算C=3：60nL m_w——am mh100ffac式中：Fm——滾珠絲杠副當(dāng)量載荷，N；nm 當(dāng)量轉(zhuǎn)速，r/min；L——預(yù)期工作時(shí)間，取20000小時(shí)；fa——精度系數(shù)，取0.9；af——可靠性系數(shù)，取1；fw——負(fù)荷系數(shù)，取1.2。w所以，C=＜60X210X20000x——蘭一=22095Nam 100x1x0.92.3.2按預(yù)期工作距離計(jì)算C'二fxFx“/P/fxf=1.2X3239X30.001/8/0.9x1=2159Nam wm shac式中：Ls——預(yù)期工作距離（Km）；其余參數(shù)與上述3.2.3.1中相同。根據(jù)上述3.2.3.1、3.2.3.2式的計(jì)算結(jié)果，選取大數(shù)值為滾珠絲杠副的預(yù)期額定動(dòng)載荷，即取預(yù)期額定動(dòng)載荷Cam=22095N。am2.4確定滾珠絲杠最小螺紋底徑d2m2.4.1估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量6m5＜（1/3?14）xAa=0.00143mmm5 ＜（1/4?15）xAc=0.0022mmm式中：Aa 重復(fù)定位精度，0.005mm；Ac 定位精度，0.01mm。取Sm為0.0014=1.43口m。2.4.2估算滾珠絲杠副的底徑d2m由于，滾珠絲杠副的安裝方式為一端固定，另一端游動(dòng)2m=0.078『100x1337.5/1.43二23.9mm2m式中：a—支承方式系數(shù)，安裝方式為一端固定，另一端游動(dòng)時(shí)為）.078打一估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量；F0——導(dǎo)軌靜摩擦力，其中F=卩W二0.005x2000二100N；000L——兩個(gè)固定支承點(diǎn)中心之間的距離，1337.5mm；設(shè)計(jì)時(shí)，取d2m=44mm：2.5確定滾珠絲杠副預(yù)緊力FpF=1F=7000=2333Np3max3滾珠絲杠選擇：根據(jù)以上計(jì)算：預(yù)期額定動(dòng)載荷C=22095N；d=44mm；導(dǎo)程t=8mm。選擇漢江機(jī)床有am 2m限公司絲桿導(dǎo)軌廠生產(chǎn)的FYND-5008-4型浮動(dòng)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。滾珠絲杠的為公稱直徑為50mm；導(dǎo)程8mm；動(dòng)載荷C=30107N；靜載荷C=94637N；接觸剛度2095(N/um)；滾珠絲杠aao采用中預(yù)緊方式裝配。且在上述計(jì)算中，預(yù)期額定動(dòng)載荷=22095N<C=94637N,滿足設(shè)am a計(jì)計(jì)算要求，所以可行(還需進(jìn)行下一步校核)。2.6滾珠絲杠校核對(duì)上述所選取的FYND-5008-4型滾珠絲杠進(jìn)行以下幾個(gè)參數(shù)的校核驗(yàn)算：2.6.1滾珠壓桿穩(wěn)定性計(jì)算F二KK105D4/L>Fc122 c1 amax式中：K——安全系數(shù)，水平安裝取1/3；1D——絲桿底徑=。-0.6495l=50-0.6495X8=44.804mm；20L 絲桿最長(zhǎng)受壓長(zhǎng)度，1213mm;c1F——滾珠絲桿副受最大軸向力，7000NamaxF二KK105D4/L2二1/3x15.1x105x44.8044/12132二182580>F二7000c122 c1 amax由上式右知F遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于F，所以可行。c amax2.6.2滾珠壓桿極限轉(zhuǎn)速計(jì)算n=107fd/L2c2c2式中：f——支承系數(shù)，取15.1；D——絲桿底徑=。-0.6495l=50-0.6495X8=44.804mm；20L 絲桿臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度=1174.5mm;c2n二107fd/L2二107x15.1x44.804/1174.5二4904r/min>n=2000r/minc 2c2 2 max2.6.3校驗(yàn)dn值dn二50x2000二10000<700000max式中：d 絲桿公稱直徑mm；n 絲桿最高轉(zhuǎn)速，2000r/min0 nax2.6.4驗(yàn)算額定靜載荷C0afF<Csmax 0a式中：f――靜態(tài)安全系數(shù)，一般取!?2,有沖擊及振動(dòng)時(shí)取2?3,這里取2；sF――滾珠絲桿副受最大軸向力maxC=2X7000N=14000N<30107N。oa滾珠絲杠支撐專用軸承的選型

支撐滾珠絲杠的專用軸承的選用計(jì)算過(guò)程如下：對(duì)于任何所選用軸承型號(hào)，其基本額定動(dòng)載荷^a值必須滿足下式要求:aC>C>C'=paa'：60nL\106Xi2.1式中，i——一組軸承中的軸承個(gè)數(shù)；P——當(dāng)量動(dòng)載荷；g——壽命指數(shù)，球軸礎(chǔ)=3,滾子軸承戸3.333;Lh——預(yù)期使用壽命；n——計(jì)算轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)／分?？芍x擇的角接觸球軸承的工作情況為：絲杠螺母軸用一對(duì)角接觸球軸承背對(duì)背方式支承，另一端用深溝球軸承支承。當(dāng)轉(zhuǎn)速n=50r/min,軸向載荷F=7000N,有沖a擊，軸頸為直徑40mm，軸承預(yù)期使用壽命L，=20000h，可靠度90%，脂潤(rùn)滑。根據(jù)這些

h情況可進(jìn)行角接觸軸承型號(hào)的選擇計(jì)算。首先，預(yù)選角接觸球軸承方案進(jìn)行計(jì)算，由手冊(cè)查得軸承數(shù)據(jù)如下：軸承的參數(shù)表軸承型號(hào)額定動(dòng)載荷CaN額定靜載荷CoaN軸向剛度RaN/um預(yù)載荷FaoND/mm760208TN137500640001180430040由于滾珠絲杠球軸承主要承受軸向載荷，因此其軸向當(dāng)量動(dòng)載荷=預(yù)緊力+軸向載荷：即P=Fao+Fa當(dāng)量動(dòng)載荷P=7000+4300=11300N計(jì)算額定動(dòng)載荷C'=P-=11300x,'60X50X20000=27232N\106Xi2.1 106X22.1計(jì)算額定動(dòng)載荷C'=P可知C>C'，所以所選擇的軸承760208TN1符合要求。rr滾珠絲杠的精度計(jì)算滾珠絲杠的抗壓剛度：兀d2EK=—4L式中：E 楊氏彈性模量，取2.1x105N/mmL 兩個(gè)固定支承之間的距離，mm；LM亍程+安全行程+兩個(gè)余程+螺母長(zhǎng)度+—支承長(zhǎng)度當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí)，有最大和最小拉壓剛度，其中L值分別為67.5mm和

1400mm貝U：Kmax兀d2E 兀x502x2.1x1054L1400mm貝U：Kmax兀d2E 兀x502x2.1x1054L_ 4x67.5=6108652.4N/pmKmin兀d2E 兀x502x2.1x1054x1400=294524.3N/pm滾珠絲杠螺母的接觸剛度為：KC=2095/pm，滾珠絲杠用軸承的軸向接觸剛度Kt=1180N/pm。算得最小機(jī)械傳動(dòng)剛度K0mim11TK+1/K+1/KminCT1/294524.3+1/2095+1/1180=152,9N/pm最大機(jī)械傳動(dòng)剛度：K0max11/K+1/K+1/KmaxCT1/6108652.4+1/2095+1/1180=754.7N/pm因此得到因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)裝置所引起的定位誤差：_1]-K—‘0min 0max=100、752.9—754.7丿=0.00032pm其中F。為摩擦力。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)選用的是1級(jí)滾珠絲杠，其任意300mm的導(dǎo)程公差為±6口m,機(jī)床定位精度0.012mm/300mm。所以可以滿足由于傳動(dòng)剛度所引起的定位誤差小于（1/3~1/5）機(jī)床定位精度的要求。（當(dāng)然，定位精度還可以通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)補(bǔ)嘗的方式進(jìn)行校正。）經(jīng)以上驗(yàn)算，漢江機(jī)床有限公司絲桿導(dǎo)軌廠生產(chǎn)白務(wù)YND-5008-4型浮動(dòng)內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠，符合設(shè)計(jì)要求。伺服電機(jī)的選型伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸。）所選用的伺服電機(jī)要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載扭矩主要計(jì)算如下：5.1正常狀況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩T

m式中：T——順向切削扭矩；Td——預(yù)壓扭矩；Tb——軸承扭矩T=T+T+TmadbT=T+T+Tmadbab5.1.1順向切削扭矩TaFxl―Fxl―p—2兀耳1(3239+100)x8

2兀x0.9二4723.7Nmm式中：F——軸向負(fù)荷，(F+^W=3239+0.05々000N)；bml——絲桿導(dǎo)程；X——機(jī)械效率(0.9-0.95)；5.1.2預(yù)壓扭矩Td02329380.2xx8Td=Pxx= 28 =294.6Nmm2兀 2兀式中：K——預(yù)壓系數(shù)onp——軸向負(fù)荷；i——絲桿導(dǎo)程;5.1.3軸承扭矩T查得T=98Nmmbb所以，正常狀況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩：T=4723.7+294.6+98=5116.3Nmm=5.1163Nmm5.2加速狀況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩T'T'=(〕衛(wèi)2+〕3)1式中：J】一一電機(jī)慣性矩；J2——滾珠絲桿慣性矩；J3——負(fù)荷慣性矩;a 加速度，100rad/sec25.2.1電機(jī)慣性矩計(jì)算(J1)1兀PR41兀PR4L=12x9800x兀x7.8x10-6x254x2500=1.3kgf.mm.sec2式中：P 密度，7.8X10-6kgf/mm3；g 重力加速度9800mm/sec2；R 電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑，?50mm；L 電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度2500mm5.2.2滾珠絲桿慣性矩計(jì)算J2)C)5.2.2滾珠絲桿慣性矩計(jì)算J2)C)2J=—W22gs212x9800x18x(0)20.57kgf.mm.sec2式中：W 絲桿重量kg；Dn 絲桿公稱直徑mm；s5.2.3負(fù)荷慣性矩計(jì)算(J3)

(l)2(l)2兀2000/9.8x9800(8)2兀0.03kgf.mm.sec2式中：W 工作臺(tái)總重量kg；l 絲桿導(dǎo)程mm；所以，加速狀況下電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩：T'=(J1+J2+J3)Xa=(1.3+0.57+0