数控铣床纵向进给轴设_计

数控机床 课程设计 题 目： 数 控 铣 床 纵 向 进 给 轴 设 计 指导教师 ： 师 班 级： 学 号： 姓 名： 二零 一零 年七月 数控 机床课程设计 2 目 录 课程设计任务要求 3 设 计计算 4 工作台部件的装配图设计 10 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 12 计算机械传动系统的刚度 14 驱动电动机的选型与计算 16 机械传动系统的动态 析 21 机械传动系统的误差计算与分析 22 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 22 设计总结 23 参考文献 23 数控 机床课程设计 3 课程设计任务要求 工作台、工作和夹具的总质量 m=920所受的重力W=10888N ），其中，工作台的质量 20所受的重力047N）；工作台最大行程 90作台快速移动速度5000mm/作台采用滚动直线导轨，导轨的动、静摩擦系数均为 作台的定位精度为 25 m,重复定位精度为 8 m；机床的工作寿 命为 20000h（即工作时间为 10 年）。 机床采用主轴伺服电动机，额定功率 床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径 D=125轴转速 n=320r/削状况如下表所示： 切削方式 进给速度（ m/ 时间比例（ %） 备 注 强力切削 0 主电动机满功率条件下切削 一般切削 0 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速进给 15 10 空载条件下工作台快速进给 为了满足以上技术要求，采用以下技术方案。 （ 1）工作台工作面尺寸（宽度 长度 ）确定为 4001200 （ 2）工作台导轨采用滚动直线导轨。 （ 3）对滚珠丝杠螺母副进行预紧。 （ 4）采用伺服电 动机驱动。 （ 5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。 数控 机床课程设计 4 设 计 计 算 步 骤 结 论 设计计算 1主切削力及其切削分力计算 （ 1）计算主切削力 根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径 D=125主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为：V=60 1000= 3 1 2 5 2 2 06 0 1 0 0 0m/s=s 若机械效率 m=可以计算主切削力 103= 4 103N= 2）计算各切削分力。 工作台纵向切削力 向切削力 c=v=（ 1）在切削状态下的导轨摩擦力 此时导轨摩擦系数 =得导轨紧固力 5N，则 （ 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 轨摩擦 控 机床课程设计 5 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算在不切削状态下的导轨摩擦力 和导轨静摩擦力 =（ W+=(9016+75)N=0=（ 1）计算最大轴向负载力 l +(= 2）计算最小轴向负载力 =1）确定滚珠丝杠的导程 据已知条件，取电动机的最高转速 000 4000r/： L0= 150001 2000 )计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 （ 1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，见下表： 立式加工中心滚 珠丝杠的计算 切削方式 轴向载荷 /N 进给速度 /（ m/ 时间比例 （ %） 备注 强力切削 0 般切削（粗加工） 0 0%细切削（精加工） 50 %移和钻镗定位 15 10 轨摩擦力 =轨静摩擦力 大轴向负载力小轴向负载力 珠丝杠的导程 控 机床课程设计 6 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速 0 0 r/0r/0 0 r/07/ r/0 0 r/33r/0 0 r/000r/ 3）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速 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）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷 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）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 1）由预定工作时间计 算。根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷系数 据初步选择滚珠丝杠的精度等级为 2 级精度，取精度系数 ；一般情况下可靠性应达到 97%，故可靠性系数 强力切削时： 0r/般切削时： 07 r/细切削时： 33r/移和钻镗定位时： 000r/珠丝杠螺母副的平均转速 : 06r/珠丝杠螺母 副 的 平 均 载荷 : : 载 荷 系 数度系数 可靠性系数 控 机床课程设计 7 设 计 计 算 步 骤 结 论 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 =）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可以估算最大轴向载荷。按预载选取预加载荷系数 3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 取以上两种结果的最大值，即 4）按精度要求确定允 许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 1）估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。 已知工作台的定位精度为 25 m，重复定位精度为8 m，根据公式及定位精度和重复定位精度的要求得 （ 1/31/2） 18 m =（ 69） m （ 1/51/4） 25 m=（ 5 m 取上述计算结果的较小值，即5 m （ 2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 本工作台（ 纵向进给轴）滚 珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定、一端游动的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程 +安全行程 +2 余程 +螺母长度 +支承长度 （ 程 +（ 2530） 定动载荷 大轴向载荷 定 额 定 动 载荷，取两者最大值 大轴向变形：5 m 数控 机床课程设计 8 设 计 计 算 步 骤 结 论 取： L=行程 +30（ 590+30 051 0=m a . 9 1 1 0 5 10 . 0 7 8 0 . 0 7 85 ）初步确定滚珠丝 杠 螺母 副的规格型号 根据计算所行的 步选择南京工艺装备公司生产的 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为： 公称直径 本导程 定动载荷 00a=30000N满足要求。 6）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 ： 33 )确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 （ 1）计算轴承所承受的最大轴向载荷 个固定支承之间的距离： L=1051小螺纹底 称直径 : 0本导程 : 0定动载荷 : 0000N 丝杠底径 : 紧力 : 大轴向载荷 : 控 机床课程设计 9 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算轴承的预紧力 33 3）计算轴承的当量轴向载荷 m=（ N= 4）计算轴承的基本额定动载荷 C。 已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速 同，取 n=06r/承的基本额定寿命 L=20000h，轴承所承受的轴向载荷 承的径向载荷 a=为 得 径向系数 X、轴向系数 Y 分别为 X=Y= 故 P=（ N =3 60100 31 2 3 1 . 9 9 6 0 3 0 6 2 0 0 0 0100 N =承的预紧力 : 量轴向载荷 : 向载荷 向载荷 向系数 X=向系数 Y=量动载荷： P=定动载荷： C=控 机床课程设计 10 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 5）确定轴承的规格型号。 因为滚珠丝杠螺母副拟采用一端固定、一端游动的支承方式，所以将在固定端选用 60角接触球轴承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠的螺纹底径 以选择轴承的内径 0满足滚珠丝杠结构的需要。 选择国产 60角接触球轴承两件一组背对背安装，型号为 7602064寸（内径 外径 宽度）为 306216用油脂润滑。该轴承的预载荷能力 1450N，大于计算所得的轴承预紧力 油脂润滑状态下的极限转速为 2200r/于本机床滚珠丝杠的最高转速 000r/满足要求。该轴承的额定 动载荷为 C=26000N，而该轴承在 20000h 工作寿命下的基本额定动载荷 C=也满足要求。 工作台部件的装配图设计 将以上计算结果用于工作台（ X 轴）部件的装配图设计，其计算简图见附 图 。 轴承的规格型号 : 7602064寸： 内径 外径 宽度 306216图 数控 机床课程设计 11 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 根据 数控铣床工 作台计算简图得滚珠丝杠螺母副的最大受压长度 27杠水平安装时， ，查得 ，则得： 1 522110 =13 2 4 0927 =工作台滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷小于其临界压缩载荷 值，故满足要求。 由 数控铣床 工作台计算简图得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度 44弹性模量 E=105知材料密度 = 1g 105N/重力加速度g=103mm/全系数 表得与支承有关的系数 = 滚珠丝杠的最小惯性矩为： I= 4264d=7909珠丝杠的最小载面积为： A= 224d= 以得： 临界压缩载荷： 大轴向压缩载荷： 满足要求 最小惯性矩： I=67909小载面积： A=控 机床课程设计 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/工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为 2000r/小于其临界转速，故满足要求。 查表得滚珠丝杠的额定动载荷 0000N，轴向载荷 转条件系数珠丝杠的转速n=2000r/ 则得： L=3() 106=330000()1 3 5 8 1 106r=109r 0060 2000h=153416h 一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 20000h，故满足要求。 临界转速： 826r/高转转速： 000r/满足要求 额定寿命： 53416h 总工作寿命： 20000h 故满足要求 数控 机床课程设计 13 设 计 计 算 步 骤 结 论 计算机械传动系统的刚度 （ 1）计算滚珠丝杠的拉压刚度 本机床工作台的丝杠支承方式为一端固定、一端游动，由 数控铣床 工作台计算简图可知，滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离 a=珠丝杠具有最小拉压刚度 224 10102 22102 m = m 当 a=01，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度 224 10102 22102 m = m 最小拉压刚度 m 最大拉压刚度 m 数控 机床课程设计 14 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 已知轴承接触角 =60，滚动体直径 动 体 个 数 Z=17 ， 轴 承 的 最 大 轴 向 工 作 载 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/ m =m （ 3）计算滚珠与滚道的接触刚度 查表得滚珠丝杠的刚度 K=973N/ m，额定动载荷0000N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷 1()73 131 3 5 8 ()0 0 0 0 0N/ m= m （ 4）计算进给传动系统的 综合拉压刚度 K。 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 11 17N/ m。 进给传动系统的综合拉压刚度的最小值 为 11 25N/ m。 支承轴承的刚度 m 接触刚度： m 综合拉压刚度的最大值： 33N/ m 综合拉压刚度的最小值25N/ m 数控 机床课程设计 15 设 计 计 算 步 骤 结 论 由 数控铣床工 作台计算简图可知，扭矩作用点之间的距离 268切模量 G=104珠丝杠的底径 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/动电动机的选型与计算 （ 1）计算滚珠丝杠的转动惯量 已知滚珠丝杠的密度 =10 故得 10L=10 4 4 88+34 9） 转刚度： m/动惯量： 控 机床课程设计 16 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算联轴器的转动惯量 10L =10（ 64 3）计算坐标轴折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量 已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量 m=920动机每转一圈机床执行部件在轴向移动的距离 L=7.5 m m=m 则： JL=m 2()2L=920 2 4）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量 r+L =（ （ 1）计算切削负载力矩 切 削 状 态 下 坐 标 轴 的 轴 向 负 载 力动机每转一圈，机床执行部件在轴 向移动的距离 L=m = 给传动系统的总效率 = = 1 3 5 8 0 7 52 3 0 N m=m 联轴器的转动惯量： 动部件的转动惯量： 载转动惯量： 削负载力矩： m 数控 机床课程设计 17 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算摩擦负载力矩 在不切削状态下坐标轴的 轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力） = 02= 9 0 0 7 52 3 0 N m=m （ 3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩 滚动丝杠螺母副的预力 ，滚珠丝杠螺母副的基本导程 .5 m m=m m，滚珠丝杠螺母副的效率 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）计算线性加速力矩 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 000r/动机的转动惯量 2标轴的负载惯量 进给伺服系统的位置环增益 0加速时间 320s= 故： 80an t （ d） (1 ) = 2 3 2 0 0 06 0 9 8 0 0 （ 62+ 20 )e m 摩 擦 负 载 力矩： m 附加负载力矩： m 线性加速力矩： m 数控 机床课程设计 18 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 2）计算阶跃加速力矩 加速时间 120s= 故： 80an t （ d） = 2 3 2 0 0 06 0 9 8 0 0 （ 62+39. 35） m （ 3）计算坐标轴所需的折算到电 动机轴上的各种力矩。 计算线性加速时的空载启动力矩 =（ N m= m 计算阶跃加速时的空载启动力矩 =（ N m=m 计算空载时的快进力矩 + N m=m 计算切削时的工进力矩 C+ N m=m 加速时间： 跃加速力矩： m 空载启动力矩： m 空载启动力矩： m 空载快进力矩： m 切削时的工进力矩： m 数控 机床课程设计 19 设 计 计 算 步 骤 结 论 （ 1）选择驱动电动机的型号。 根据以上计算和查表，选择日本 司生产的 12/3000i 型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率， 3高转速， 3000r/定力矩， 12N m； 转动惯量， 62量， 18 交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的 510倍，若按 5 倍计算，该电动机的加速力矩为 60N m，均大于本机床工作台线性加速时的空载启动力矩m 或阶跃加速时的空载启动力矩 m，所以不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。 该电动机的额定力矩为 12N m，均大于本机床工作台的快进力矩 m 或工进力矩 m。因此，不管是快进还是工进，本电机均满足驱动要求。 （ 2）惯量匹配验算 为了使机械 传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量 1 在本次设计计算中，0. 63 1，故满足惯量匹配要求。 电动机的型号： 12/3000i 型交流伺服电动机 足匹配要求 数控 机床课程设计 20 设 计 计 算 步 骤 结 论 机械传动系统的动态分析 工作台纵向振动系统的最低固有频率 知 滚 珠 丝 械 螺 母 副 的 综 合 拉 压 刚 度25 106N/m，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为 md=m+13中 m、 知 m=920 42 10md=m+13111+13 06125 s=368s 算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为 r+(丝杠的扭转刚度 =m/ s=1827s 由以上计算可知，丝杠 最低固有频率 68s、扭转振动系统的最低固有频率 828s 都比较高。一般按 n=300s 的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。 最低固有频率： 68s 最低固有频率： 827s 条件满足要求 数控 机床课程设计 21 设 计 计 算 步 骤 结 论 机械传动系统的误差计算与分析 1计算机械传动系统的反向死区 已知 进给传动系统 的综合拉压刚 度的最 小25 610 N/m，导轨的静摩擦力 ： 30 6m i 9 0 . 9 12 1 0 3 1 . 4 5 1 01 2 5 1 0F m m m 即 =mm,故满足要求。 2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 3m a x 0 11 10m i n m a K 366119 0 . 9 1 1 01 2 5 1 0 2 3 3 1 0 =10 m4 m,故满足要求。 3计算滚珠丝杆因扭转变形产生的误差 （ 1）计算由扭矩引起的滚珠丝杆螺母副的变形量 负载力矩 T=90 N 2=1268杆底径 2224421 9 0 1 2 6 87 . 2 1 1 0 7 . 2 1 1 0 0 . 0 1 2 73 4 . 3 （ 2）由该扭转变形量 引起的 轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。 0 0 . 0 1 2 77 . 5 0 . 0 0 0 2 6 0 . 2 63 6 0 3 6 0L m m m m m 反向死区： =m m 故满足要求 定位误差 : 104 m 故满足要求 螺母副的变形量 : =动滞后量 : =m 数控 机床课程设计 22 设 计 计 算 步 骤 结 论 确定滚珠丝杠螺母副的精 度等级和规格型号 （ 1）确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 本机床工作台采用半闭环控制系统， 满足下列要求： (定位精度 - =(26) =m (定位精度 - =m 滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为 2 级，查表得 m15. 52 m;当螺纹长度为 1000， 5 mm，故满足设计要求。 （ 2）确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 规 格 型 号 为337 1000，其具体参数如下。公称直径与导程： 4010纹长度： 1000杠长度：1337型与精度： P 类， 2 级精度。 300程内允许行程变动量：15. 52 m 有效行程 15. 52m 满足 设计要求 滚珠丝杠螺母副的规格型号为： 1337 1000 数控 机床课程设计 23 参考文献： 1范超毅数控技术课程设计华中科技大学出版社 2006 2李福生实用数控机床技术手册北京出版社 1993 3王爱玲现代数控机床国防工业出版社 2003