机床数控技术课程设计范本

目 录1机床课程设计的目的-22纵向进给系统的设计计算-22.1设计参数-22.2工作过程分析-32.3丝杠螺母静态设计-32.4丝杠螺母动态设计-52.5变速机构设计-72.6电机的静态设计-93进给系统的结构设计-113.1滚珠丝杠螺母副的设计 -113.2确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号-12总结与体会-13参考文献-141数控技术课程设计的目的通过本课程设计的训练，使学生在完成数控机床及金属切削机床的结构课程学习之后，让学生能够运用所学的知识，独立完成数控机床传动系统的设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的分析、设计能力，同时巩固金属切削机床课程的部分知识。1.运用所学理论及知识，进行数控机床部分机械结构设计，培养学生综合设计能力； 2.掌握数控机床传动系统的设计方法和步骤；3.掌握设计的基本技能，具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；4.基本掌握编写技术文件的能力。2纵向进给系统的设计计算2.1设计参数：工作台工作台质量最大加工受力快进速度工进速度最大加速度工作台导轨摩擦力工作行程减速机构丝杠螺母机构，已知数据如下：丝杠螺母机构轴承轴向刚度丝杠螺母刚度螺母支座刚度丝杠传动效率丝杠长度丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力矩 轴承平均间距导程最大转速常数支承方式双推双推伺服电机电机转子惯量 2.2工作过程分析机床在工作时，按照加速-工进-减速-反向加速-工进-减速-加速这样一个过程循环。图1给出电机转矩在一个工作周期内随时间变化的范围。2.3丝杠螺母静态设计（1）确定动载荷，由图1可见，工作循环周期T由加速时间和加工时间组成，计算如下： 在减速期间的平均转速为： 工作进给时转速将上述数据带入式（5-131）中可得当量转速：载荷系数由表5-13取当量载荷由式（5-129）计算，则当量载荷为将已知条件、，并算出 代入上式 取滚珠丝杠寿命为20000h，从式（5-132）算出该滚珠丝杠的动载荷 14574（2）确定静载荷 最大轴向力可近似取最大加工受力，即由表5-14取静态安全系数，根据式（5-135）得静载荷 （3）根据轴向压力选取丝杠直径。由式（5-139）可得 （5-149）由 L=0.55（m）=550(mm)查表5-15得 m=20.3代入上式得 故 （4）转速限制1）最大转矩限制：由式（5-138）得 （5-150）由和A=60000得2）临界转速限制：由式（5-137）得 （5-151）由，L=550(mm),f=21.9(见表5-15)得 （5）选择丝杠直径：由上面计算结果得： 根据以上数据，从厂家产品样本中可选取丝杠直径。如表5-21所示。 表5-212011075221722515975341703225909569304029427734092.4丝杠螺母动态设计(1)确定丝杠螺母传动的总刚度1）扭转刚度：由式（5-141）可得对于钢的抗扭刚度量纲公式 (5-152)式中 丝杠底径（mm）； 丝杠自由长度（m）.由式（5-121）可得将济钢扭转刚度折算成工作台（执行件）直线刚度公式 （5-153）式中量纲：，,L(m).由上式可算出 21982）拉压刚度：由式（5-140）可得对于钢的拉压刚度量纲公式 （5-154）式中量纲，,L（m）.根据已知条件可得 3)总刚度：对于“双推-双推”式支撑的丝杠螺母传动装置，其刚度的等效图如图2。设螺母位于丝杠中间，于是 系统的总刚度为 （5-155）将已知条件代入，得系统总刚度 =（2）确定机械谐振频率 机械传动部件的谐振频率 （5-156）故 （3）确定具有满意动态性能的丝杠直径。电气驱动部件的谐振频率取下列值，则其动态性能较好，即取 采用常规的比例位置调节，为使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性能，应当使 但是，根据本课题中选择的丝杠直径，只能得到 因此，丝杠直径应该跟大一些若取代入式（5- 156）得 将此总刚度带入式（5-155），、和为已知常数，再由式（5-153）和式（5-154），得 2.5变速机构设计已经知道。电器驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率 阻尼比 电气时间常数 机械时间常数 式中 -驱动线路总电感; -驱动线路总电阻； -电机扭矩常数； -电机反电动势系数。机械时间常数里的是电机轴上总的转动惯量 为使电气驱动部件获得最大的谐振频率，必须使计算到电机轴上的机械部件转动惯量最小。这一点可以借助减速机构达到。如上图中电机轴上的小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数的要求决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量就是已知的。大齿轮转动惯量可由和降速比i近似确定，即 根据 5.6.4节转动惯量的折算方法，机械部件折算到电机轴上的总转动惯量为 （5-157）式中 电机转动惯量; 小齿轮转动惯量; 丝杠转动惯量; 工作台折算到丝杠上的转动惯量， 令，得满足最小惯量要求的相对额定降速比 （5-158） 根据所设计系统的已知条件，得 丝杠的转动惯量为 （5-159） （5-160）式中 丝杠质量; 包括轴颈的丝杠总长; 钢的密度， （）将已知条件代入，得小齿轮由齿轮设计确定，其转动惯量为已知，设。将、代入式（5-158），得根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为、，模数m=2，齿宽 =20mm， =18mm.2.6电机的静态设计（1）计算。由式（5-157）得 根据上面球的的最佳传动比和其他参数，得 （2）确定电机额定转矩。工作台加速和加工力所引起的当量力矩 （5-161）式中 -丝杠传动效率; -当量载荷，已经算出为1484（N）。故得 丝杠加速度 （5-162）丝杠加速所需的转矩 （5-163）由图1可知，由丝杠加速所硬气的当量力矩 （5-164）由式（5-162）、（5-163）、（5-164）可得 丝杠螺母传动机构的总当量力矩为 （5-165） 电机轴角加速度 （5-166） 电机轴的加速转矩 （5-167）由图1可知，由电机轴加速所引起的当量力矩 （5-168）由式（5-166）、（5-167）、（5-168）得 作用在电机轴上的当量力矩为 （5-169） 电机的额定转矩应为 （5-170） （3）确定电机额定功率。电机的额定转速 （5-171） =2070（r/min）电机的额定功率 （5-172） （5-173）最后得电机额定功率 3进给系统的结构设计3.1滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.（2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（5）磨损小，使用寿命长。（6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副，精度为3级，两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。这种调隙方法结构简单，但载荷量须预先设定而且不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的60角接触轴承，组合方式为DDB。以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。3.2确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号确定滚珠丝杠螺母副的精度等级，本进给传动系统采用开环控制系统，应满足如下要求： 取滚珠丝杠螺母副的精度等级为3级，查表得，当螺纹长度约为350mm时，；总结与体会课程设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用，是对以前每门课程设计的综合，是对所学知识的彻底检验。刚开始选择课题的时候，我因为对数控铣床比较感兴趣，所以选择了关于数控铣床方面的课题。我所在的组设计的是一台数控铣床，我主要对其中的纵向进给系统进行设计。开始设计之前，我首先上网搜索了有关铣床方面的知识，对数控铣床的发展现状和发展趋势有了进一步的了解，也让我学习到了很多新的知识。设计的时候，我们对学校的一些数控铣床进行了观察，我主要观察了机床的进给系统结构，同时并结合自己的课题对机床的总体布局做了进一步的研究，并通过查阅资料和相关图册，设计出了满足数控铣床需要的横向进给系统及纵向进给系统。课程设计是我们走向工作岗位的最后一次练兵，是一次理论和实践完美结合的过程。在近三个月的课程设计当中，使我更加认识到理论联系实际的重要性，只有理论而不去进行实践是不行的。在设计过程中，我参考了一些图纸，在参考的基础上，理解并分析其优缺点，取长补短，对自己其中不合理的部分进行了充分改进。通过这次设计，自己在查阅资料、运用资料、运用专业知识及CAD绘图等方面的能力有了较大地提高，对如何将机、电互相结合起来有了较深刻的认识，弥补了原来学习中的很多不足之处，为以后从事机械方面的工作打下了一定的基础，积累了一定的经验，对设计工作有了一定的认识。总之，这次设计顺利完成使我受益匪浅，不但巩固了我以前学习的东西，而且学到了很多新东西，