数控滑台的结构设计和设计方案

1 数控滑台的结构设计和设计方案 数控滑台的结构设计 本章主要对数控滑台的机械结构进行设计，其机械结构主要包括：交流伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、轴承、导轨、滑鞍等零部件的设计。所采用的机械结构具有如下特点：进给系统采用进给伺服电机直接带动滚珠丝杠，取消了齿轮减速机构，使机械传动结构简单，提高位移精度，减少传动误差；轴承采用深沟球轴承，它主要承受径向载荷，亦能承受一定的双向轴向载荷，高转速时，可用来承受纯轴向载荷，并且价格便宜。机床整体结构的刚度较高，运动控制精确及传动平稳。 数控滑台的总体设计方案 对数控滑台而 言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用伺服电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙。 1. 交流伺服电机 直流伺服电机相比， 交流电动机输出功率可比直流电动机提高 10 70，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。 2. 联轴器 采用机械式结构的 联轴器，这种联轴器的特点是 大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短 ，结构简单。 3. 滚珠丝杠 选用的滚珠丝杠精度高，并通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理方式，使产品具有优异的耐久性。 2 4. 丝杠螺母座 采用 径向安装尺寸小，安装简便 的丝杠螺母座。 滚珠丝杠副支撑方式的选择 两端固定的支承形式，选背对背 60角接触推力球轴承 丝杠导程 P 的确定 丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为 服电机的最高转速 电机与丝杠的 传动比 i 来确定 ,基本丝杠导程应满足式为 : i : 滚珠丝杠副的导程 作台最高移动速度 mm/机最高转速 r/知： 5m/5000mm/500r/因 伺服电机 与丝杠直联， i=1 P=15000/1500=10 车 床改造中取 整数 所以取 P=10承载能力校核 切削力的计算 5 :中 ， D 为车床床身上的最大回转直径 ( 垂直向的切削力（ N） 进给方向上的分力（ N） 吃刀方向上的分力（ N） 3 D=500(001 5 = f=c=p=c= 摩擦阻力 计算 溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数 u（ 02）取 u=1=（ G+ *u 式中 001=（ 8000+* 承载能力 校核 计算丝杠的 最大动载荷 Q m a L 为滚珠丝杠的寿命系数（单位为 1* 610 ） L=60610 其中 H） ,两班制工作十年 所以取 T=20000，电机最大转速 N=3000 为硬度系数（ =58 时为 于 55 时为 为 0 时为 45 时为 为 8，所以 4 载荷系数（平稳或轻冲击时为 大冲击时为 床属于中等冲击所以=60610 =3600 则 确定允许的最小螺纹底径 （ 1） 估算丝杠允许的 最大轴向变形量 （ 1/3 1/2）重复定位精度 （ 1/4 1/5）定位精度 : 最大轴向变形量 m 已知： 工作台的 定位精度 30m, 重复定位精度 20m =（ 10） m = (6 m 取两种结果的小值 =6m (2）估算最小螺纹底径 L=行程 +安全行程 +2*余程 +螺母长度 +支承长度 程 +（ 25 30） 取 L=程 +30 5 静摩擦力 已知：行程为 6008000N ,0=入得 L=10200=800N 初步 确定滚珠丝杠副的规格代号 由计算出的 在样本中取相应规格的滚珠丝杠副 h=10a=51500 确定滚珠丝杠副预紧力 行程补偿值与与拉伸力 (1) 行程补偿值 C 已知温度变化值 作台行程 +安全行程 +2*余程 =600+100+2*20=740 C=2) 预拉伸力 代入得 6 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 （ 1） 轴承所承受的最大轴向载荷 t+ 2）轴承类型 两端固定的支承形式，选背对背 60 角接触推力球轴承 (3) 轴承内径 d 略小于 取 d=55承预紧力 1/3 4）轴承预紧力 预加 负荷 F 5）按样本选轴承型号规格 当 d=55预加负荷为： F 以选 760211承 d=55加负荷为 滚珠丝杠副工作图设计 (1) 丝杠螺纹长度 u+2由表二查得余程 0 40+40=780程起点离固定支承距离 0=30固定支承距离 7 80+2*21=822杠全长 L L=8640 传动系统刚度 （ 1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度 10 最小抗压刚度 N/ m 丝杠底径 固定支承距离 (2）丝杠最大抗压刚度 10 最大抗压刚度 N/ m (3)支承轴承组合刚度 1)一对预紧轴承的组合刚度 对预紧轴承的组合刚度 N/ m 滚珠直径 ：滚珠数 8 最大轴向工作载荷 N ：轴承接触角 由样本查出 760211承 大于预 加载荷 Z=17 =60 700N/ m 75N/ m (4）支承轴承组合刚度 由表 13两端固定支承 b=750N/ m ：支承轴承组合刚度 N/ m (5）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 滚珠和滚道的接触刚度 N/ m ：查样本上的刚度 N/ m ：滚珠丝杠副预紧力 N ：额定动载荷 N 由样本查得： 1410 N/ m； 600N； 000N 9 得 20 N/ m 刚度验算及精度选择 （ 1） = （ 2） （ 3） (1)已知 000N ， =0=800N 静摩擦力 N ：静摩擦系数 正压力 N (2）验算传动系统刚度 传动系统刚度 N 已知反向差值或重复定位精度为 20 40 160 （ 3） 传动系统刚度变化引起的定位误差 10 = 1.7 m （ 4）确定精度 ：任意 300的行程变动量对半闭环系统言， 定位精度 - 定位精度为 20 m/300 14.3 m 丝杠精度取为 3级 (5) 确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定的型号： 称直径： 63 导程： 10 螺纹长度： 780 丝杠全长： 864 级精度 780 验算临界转速 11 nc=f (210 7 临界转速 n/f：与支承形式有关的系数 杠底径 临界转速计算长度 表 14得 f=样本得 工作图及表 14得： 0=86434 500 滚珠丝杠副形位公差的标 支承方式 简 图 f 一端固定 一端自由 端固定 一端游动 2 端支承 1 端固定 4 12 第 2 章 交流伺服电机选择计算 计算折算到电动机轴上的负载惯量 （ 1） 计算滚珠丝杠的转动惯 量 r= L 1012 ( ) 864 1012 =103 (2)工作台折算到丝杠上的转动惯量 C=()2 M 106 ( ) =(2P)2 M 106 ( ) 其中 M=800 P=10 则 103 （ 3）电动机轴上总的负载转动惯量 d= 103 = 2 计算折算到电机轴上的负载力矩 （ 1）计算切削负载力矩 C=2c=7490N L= = m (2)计算摩擦负载力矩 T T =2 F =1549 13 则 T =m (3)计算由滚珠丝杠的预紧力产生的附加负载力矩 t=2(1- 2 ) 其中预紧力为 则 m 计算电动机轴上的加速力矩 ap= 98060 2 (d) 其中 9 2 2 则 m 计算横向进给系统所需要的折算导电剂轴上的各种力矩 （ 1）计算空载启动力矩 q= T +=m (2)计算快进力矩 T +m (3)计算工进力矩 c+m 选择驱动电动机的型号 （ 1）选择电机的型号 根据以上计算查表，选择 000 交流伺服电机 其主要技术参数如下： 14 输出功率： 大静转矩： 40N m 最高转速： 4000r/动惯量： 103 大于 103 符合要求 质量： 282)确定最大静转矩 给出的机械传动系统空载启动力矩 所需的步进电机的最大转矩 s=m 本电动机的最大静转矩为 40N m，大于 以在规定的时间里正常启动 （ 3）验算惯量匹配 为了使机械转动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量 m 之比一般要满足 1 因为1 所以满足惯量匹配要求 15 第 3 章 数控滑台结构件的设计 导轨的设计 机床导轨的功用 导轨在机器中十分重要，在机床中尤其重要。 机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下 (运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力等 )能准确地沿着一定方向的运动。在导轨副中，与运动部件联成一体的运动一方叫做动导轨， 与文承件联成一体固定不动的一方为支承导轨，动导轨对于支承导轨通常是只有一个自由度的直线运动或回转运动。 导轨应满足的基本要求 1导向精度 导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性，影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度，导轨的接触精度及导轨的结构形式，导轨和基础件结构刚度和热变形，动压导软和静压导轨之间油膜的刚度，以及导轨的装配质量等等。 2刚度 导轨的刚度是机床工作质量的重要指标，它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变 形的能力，若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度，另外还使得导轨面上的比压分布不均，加重导轨的磨损，因此导轨必须具有足够的刚度 o 3耐磨性 导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度从而影响机床的加工精度的材料、导轨面的摩掠性质，导轨受力情况及两导轨相对运动精度有关。 16 导轨的选择 导轨的截面与组合如下图所示： 矩形 三角形 燕尾形 圆形 矩形 三角形 燕尾形 圆形矩形 三角形 燕尾形 数控机床常用的滑动导轨 数控机床常用直线运动滑动导轨的截面形状的组合形式主要有：三角形一矩形 (图 7 38)矩形一矩形 (图 7 39)。这两种导轨的刚度高，承载能力强，加工、检验和维修方便。为提高低速性能，减少爬行，提高导轨寿命，在动导轨上都贴有塑料带。数控机床少用不贴塑的摩擦滑动导轨。图 7 38a 为开式，没有压板，不能承受较大的翻转力矩，图 7 38b 是闭式，有压板可以承受翻转力矩，图 7 39作台由一条导轨的两侧导向；图 7 39b 为宽式导向，由两条导轨的内侧导向，两个导向面的距离较大，热膨胀时变形量大，须留较大的侧向间隙，因而导向性不如窄式好。 17 滑鞍的设计 概述 滑鞍在数控机床中的作用是连接丝杠和工作台，它在数控 机床中的作用是不可或缺的部件。他把丝杠的旋转变为滑台的直线运动。 滚珠 丝杠 螺母副与电机的连接 联轴器的设计与选择 方案 1 采用齿轮连接 这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是，传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在，在开环和半闭环系统中，将影响加工精度。 方案 2 采用连轴器连接直接连接 这是一种最简单的连接 ，这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在 15 综上所素，由于电机的最大静转矩为 40N m，所以采用方案 2，用联轴器直接连接 联轴器的设计与选择 联轴器的作用 联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。常用联轴器有膜 片联轴器 ，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。 18 联轴器的结构原理及型号选择 一般机械都是由原动机、传动机和工作机构组成，这三部分必须联接起来才能工作，而联轴器就是把它们联接起来的一种重要装置。联轴器主要用于两轴之间的联接，它也可用于轴和其它零件（卷筒、齿轮、带轮等）之间的联接。它的主要任务是传递扭矩。 根据被联接两轴的相对位置关系，联轴器可分为刚性、弹性和液力三种。刚性联轴器用在两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的地方；弹性联轴器用在两轴有偏斜或工作中有相对位移的地方 ；液力联轴器是用液体动能来传递功率，用在需要保护原动机不遭过载损坏而又可空载起动的地方。 几种常用的联轴器： 一、刚性联轴器 刚性联轴器不具有补偿被联接两轴轴线的相对偏移的能力，也不具备缓冲减震性能；但刚性联轴器的结构简单、价格便宜。适用于载荷平稳、转速稳定、轴的刚性较大、且能保证被联接两轴轴线相对偏移极小的情况下。 凸缘式联轴器 套筒联轴器 19 二、挠性 联轴器 挠性联轴器具有对被联接两轴轴线相对偏移的补偿能力，最大补偿量随型号的不同而异。凡被联接两轴的同轴度不易保证的场合，都应选用挠性联轴器 十字滑块联轴器 十字滑块联轴器是无弹性元件的挠性联轴器，具有较好的补偿两轴相对偏移的能力、承载能力大；但不具备缓冲减震性能。适用于轴的刚度较大、中载、低速且无剧烈冲击的场合。 滚子链联轴器 滚子链联轴器也是一种无弹性元件的挠性联轴器。具有结构简单、装拆方便、效率高，并具有一定的补偿两轴相对偏移能力；但在高速、转速不稳定或正反转时有冲击噪声，不具备缓冲减震能力，不 能承受轴向力等。适用于高温、多尘、油污、及潮湿等恶劣环境下工作。 万向联轴器 万向联轴器用于两轴有很大角向位移的场合，最大角向补偿两可达 35 45。常用在汽车、拖拉机和机床等行业 20 联轴器型号的选择及其计算 （ N m） T=9550P/n =9550 000 =m C 考虑机器启动时的弹性力和过载等影响，应将名义转矩修正为计算转矩。联轴器的计算转矩 N m）可按下式计算： T 式中 C=m 所以联轴器选择的型号为： 凸缘式联轴器 ，其中 d1=35： 电机轴的直径， 滚珠丝杠的直径 计算转矩 工作情况系数，查表 15轴器传递的标称转矩 所选联轴器的许用转矩 21 结论 本次设计中，在指导老师王超俊的指导下，