数控技术课程设计-数控车床横向和纵向进给系统设计（全套图纸） .pdf

- 1 - 目目 录录 1 机床课程设计的目的机床课程设计的目的1 2 纵向进给系统的设计计算纵向进给系统的设计计算2 2.1 主切削力及其切削分力计算主切削力及其切削分力计算3 2.2 导轨摩擦力的计算导轨摩擦力的计算 3 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力3 2.4 确定进给传动链的传动比确定进给传动链的传动比 i 和传动级数和传动级数3 2.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算4 2.6 滚珠丝杠螺母副承载能力校核滚珠丝杠螺母副承载能力校核5 2.7 计算机械传动的刚度计算机械传动的刚度6 2.8 驱动电机的选型与计算驱动电机的选型与计算7 2.9 机械传动系统的动态分析机械传动系统的动态分析9 2.10 机械传动系统的误差计算与分析机械传动系统的误差计算与分析10 2.11 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和规格型号10 3 进给系统的结构设计进给系统的结构设计 11 3.1 滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副的设计11 总结与体会总结与体会12 致谢词致谢词12 参考文献参考文献 13 - 2 - 摘摘 要要 1 数控技术课程设计的目的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。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 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纵向进给系统的设计计算 设计参数如下： 工作台工作台 工作台质量 kgmt600= 最大加工受力 nfw1500= 快进速度 smvf/2 . 0 max = - 3 - 工进速度 smvv/1 . 0= 最大加速度 2 max /2 . 1sma= 工作台导轨摩擦力 nfr5 . 2= 工作行程 msw7 . 0= 减速机构减速机构 丝杠螺母机构(图 2)，已知数据如下： 图 2 丝杠螺母机构 轴承轴向刚度 800/ l knm= 丝杠螺母刚度 800/ m knm= 螺母支座刚度 1000/ tm knm= 丝杠传动效率 0.9 sp = 丝杠长度 0.5 sp lm= 丝杠轴承、丝杠丝杠轴承、丝杠 螺母摩擦力矩 , 2.5 r sp mn m=g 轴承平均间距 1 550lmm= 导程 10 sp hmm= 最大转速常数 60000a = 支承方式 双推双推 伺服电机伺服电机 电机转子惯量 32 0.05 10 m jkg m =g 2.1 主切削力及其切削分力计算主切削力及其切削分力计算 取机床的机械效率0.8 =，/1 wz ff = ，/0.35 cz ff =，/0.2 vz ff =则有 1500 zw fkf nn= 工作台横向进给方向载荷 c f 和工作台垂直进给方向载荷 v f 为 0.350.35 1500525 cz ffnn= 0.20.2 1500300 vz ffnn= 2.2 导轨摩擦力的计算导轨摩擦力的计算 导轨受到垂向切削分力300 v fn=， 纵向切削分力 c f =525n， 移动部件的全部 质量（包括机床夹具和工件的质量）m=600kg，查表得镶条紧固力2000 g fn=，取 - 4 - 导轨动摩擦系数0.15 =，则 () gvc fwfff =+ 0.15 (3002000300525)=+ 468.75n= 计算在不切削状态下的导轨摩擦力 0 f和 0 f 0 ()0.15 (3002000)345 g fwfn =+=+= 00( )0.2 (3002000)460 g fwfn=+=+= 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 计算最大轴向负载力 maxa f max (300468.75)768.75 ay fffnn =+=+= 计算最小轴向负载力 mina f min0 345 a ffn = 2.4 确定进给传动链的传动比确定进给传动链的传动比 i 和传动级数和传动级数 取步进电动机的步距角1.5 =，滚珠丝杠的基本导程 0 10lmm=，进给传动 链的脉冲当量0.004/ p mm p =，则有 0 1.5 10 10.42 360360 0.004 p l i = 根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为 1 20z =、 2 208z =，模数 m=2， 齿宽 b=20mm。 2.5 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 （1）按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷 已知数控机床的预期工作时间15000 h lh=，滚珠丝杠的当量载荷 m f = maxa f 768.75n=，查表得载荷系数1.3 w f =；初步选择滚珠丝杠的精度等级为 3 级精度， 取精度系数1 a f = ；查表得可靠性系数1 c f = 。取滚珠丝杠的当量转速 maxm nn=，已 知 max 12/ minvm=，滚珠丝杠的基本导程 0 10lmm=，则 max max 0 10001000 12 1200 / 10 v nr m l = 360 100 mw ammh ac f f cn l f f = 3 768.75 1.3 60 1200 1500010253.4 100 1 1 nn = （2）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。 已知本车床纵向进给系统的定位精度为 40 m,重复定位精度为 16 m，则 有 - 5 - max1 11 () 165.338 32 mm=: max2 11 () 40810 54 mm=: 取上述计算结果的较小值，即 max 5.33 m=。 （3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 2m d 滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，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 （1.21.4）行程+（2530） 0 l 取 l=(1.4700+3010)mm=1280mm 0 2 max 460 1280 0.0780.07825.92 5.33 m f l dmm = （4）初步确定滚珠丝杠螺母副的型号 根据以上计算所得的 0 l 、 am c、 2m d和结构的需要， 初步选择 ff 型内循环螺母， 型号为 ff3210-3 其公称直径 0 d 、基本导程 0 l 、额定动载荷 a c 和螺纹底径 2 d 如下： 0 32dmm= 0 10lmm= 2570010253.4 aam cncn= 22 27.3mm25.92 m ddmm= 2.6 滚珠丝杠螺母副承载能力校核滚珠丝杠螺母副承载能力校核 已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径 2 27.3dmm=，已知滚珠丝杠螺母副的最大受 压长度 1 550lmm=，丝杠水平安装时，取 1 1/3k =，查表得 2 2k =，则有 44 55 2 12 22 1 127.3 10210122414.81 3550 c d fk knn l = = 本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为768.75 amax fn=，远小 于其临界压缩载荷 c f 的值，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度 2 550lmm=，其弹性模量 5 2.1 10e = mpa，密度 53 17.8 10/gn mm =，重力加速度 32 9.8 10/gmm s= 滚珠丝杠的最小惯性矩为 444 2 3.14 27.327252.12 6464 idmm = 滚珠丝杠的最小截面积为 222 2 3.14 27.3585.05 44 admm = - 6 - 取 1 0.8k =，查表得3.927 =，则有 2 1 2 2 60 2 c ei nk la = 253 25 60 3.9272.1 1027252.12 9.8 10 0.8 2 3.14 5507.8 10585.05 = 13660.20 / minr= 本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为 166.67r/m，远小于其临 界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷25700 a cn=，已 知其轴向载荷 max 768.75 aa ffn=，滚珠丝杠的转速 max 1200 / minnnr=，运转条 件系数1.2 w f =，则有 3636 25700 ()10()10 768.75 1.2 a aw c lr f f = 6 21622.22 10 r= 6 21622.22 10 300309 6060 1200 h l lhh n = 本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命30030915000 h lhh=， 故满足要求。 2.7 计算机械传动的刚度计算机械传动的刚度 已知滚珠丝杠的弹性模量 5 2.1 10empa=，滚珠丝杠的底径 2 27.3dmm=。丝 杠支撑方式为两端支撑或者两端固定时，则 22 33 221 11 d 106.6 10/ 4 ()4 () s d el knm a laa la = 当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离 1/ 2 al=时，滚珠丝杠螺母副具有 最小拉压刚度 mins k 222 332 21212 min 11 111 dd 106.6 106.6 10894.35/ 11 4 () 4() 22 s d ell knm a lal l ll = 当 0 al=时，即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端，此时，滚珠丝杠螺母副具有 最大拉压刚度 maxs k - 7 - 22 32 2121 max 1010 d 106.6 1012525.01/ 4 ()4() s d ell knm a lal ll = 已知滚动体直径7.144 q d =mm，滚动体个数 z=15.轴承接触角60 =。轴承 最大轴向工作载荷 maxmax 768.75 ba ffn=。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 b k 为： 22 3 max 2 2.34sin bqa kd z f= 22 3 3 2 2.347.144 15768.75 () 2 = 456.28/nm= 查表得滚珠与滚道的接触刚度386/knm=，滚珠丝杠的额定动载 a c = 25700n。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷 max 768.75 a fn=则 11 max 33 768.75 ()386 ()/258.15/ 0.10.1 25700 a c a f kknmnm c = 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 maxmax 1111111 0.006145 12525.01456.28258.15 sbc kkkk =+=+= 故 max 162.73/knm=。 进给传动系统的综合拉压刚度最小值为 minmin 1111111 0.007183 894.35456.28258.15 sbc kkkk =+=+= 故 min 139.21/knm= 已知扭矩作用点之间的距离 2 355lmm=，滚珠丝杠的剪切模量8.1g = 4 10 mpa，滚珠丝杠的底径 2 27.3dmm=，则有 441246 2 3 2 3.14 27.3108.1 1010 3232 355 10 d g k l = 13566.04/nm rad= 2.8 驱动电机的选型与计算驱动电机的选型与计算 （1）计算滚珠丝杠的转动惯量 已知滚珠丝杠的密度 33 7.8 10/kg cm =，则有 342 1 0.78 101.38 n rjj j jd lkg cm = = （2）计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量 - 8 - 已知纵向进给系统执行部件的总质量为 m=600kg;丝杠轴每转一圈，机床执行 部件在轴向移动的距离 l=1cm 则 222 1 ()600 ()15.21 22 3.14 l l jmkg cm = （3）计算电动机轴上的回转体的转动惯量 r j 2 2 1 1 (1,2,., )0.009 n rrj j jjjnkgcm i = = （4）计算加在电动机轴上总负载转动惯量 d j drl jjj=+ 0.009 15.21=+ 2 15.22kg cm= （5）计算折算到电动机轴上的切削负载力矩 c t 已知在切削状态下的轴向负载力 max 768.75 aa ffn=， 丝杠每转一圈， 机床执 行部件轴向移动的距离 l=10mm=0.01m，进给传动系统的传动比 i=10.24 总效率 =0.85，则有 768.75 0.01 0.14 22 3.14 0.85 10.24 a c f l tnmnm i = （6）计算折算到电动机上的摩擦负载力矩t 已知在不切削状态下的轴向负载力矩 0 345fn =，则有 0 345 0.01 0.063 22 3.14 0.85 10.24 f l tnm i = （7） 计算由滚珠丝杠预紧力 p f 产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩 f t 已知滚珠丝杠螺母副的效率 0 0.98 =，滚珠丝杠螺母副的预紧力 p f 为 max 1 256.25 3 pa ffn= 022 0 256.25 0.01 (1)(1 0.98 )0.0019 22 3.14 0.85 10.24 p f f l tnm i = 折算到电动机轴上的负载力矩 t 的计算。 空载时（快进力矩），为 (0.0630.0019)0.0649 kjf tttnmnm =+=+= 切削时（工进力矩），为 (0.140.0019)0.1419 gjcf tttnmnm=+=+= - 9 - 根据以上计算结果和查表初选 55bf010 型反应式步进电动机，其转动惯量 2 50 m jkgcm=；而进给传动系统的负载惯量 2 0.789 d jkgcm=；对于开环系统， 一般取加速时间0.003 a ts=。当机床以最快进给速度12000/ minvmm=运动时电动 机的最高转速为： max 12000 10.24 / min12288 / min 10 nrr= max 2 () 60 980 apmd a in tjj t =+ 2 3.14 12288 10.24 (0.80.789) 60 980 0.003 =+ 5774.24565.88kgfcmnm= （8）计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩 计算空载启动力矩 q t ()(10.080.0620.0057)10.15 qapf ttttnmnm =+=+= 计算快进力矩 kj t (0.0620.0057)0.068 kjf tttnmnm =+=+= 计算工进力矩 gj t (0.430.0057)0.44 gjcf tttnmnm=+=+= （9）选择驱动电动机的型号 根据以上计算和查表选择国产 150bf002 型电动机，其主要参数如下：相数， 5；步距角，0.75 /1.5；最大静转矩，13.72nm；转动惯量， 2 9.8kg cm；最高 空载启动频率，2800hz；运行频率，8000hz；分配方式，五相十拍。 确定最大静转矩 s t ： 机械传动系统空载启动力矩 q t 与所需的步进电动机的最大静转矩 1s t 的关系 为： 1 0.951 q s t t = 1 10.15 10.67 0.9510.951 q s t tnmnm= 机械传动系统空载启动力矩 q t 与所需的步进电动机的最大静转矩 2s t 的关系 为： 2 0.44 1.47 0.30.3 gj s t tnmnm= 取 1s t 和 2s t 中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩 s t =10.67nm。本 - 10 - 电动机的最大静转矩为13.72nm，大于 s t ，可以在规定的时间内正常启动，故满 足要求。 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 d j 与伺服电 动机的转动惯量 m j 之比一般应满足式（2-67），即 0.251 d m j j 15.22 0.3040.25,1 50 d m j j =，故满足惯性匹配要求。 2.9 机械传动系统的动态分析机械传动系统的动态分析 滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度 6 0min 894.35 10/kkn m=，机床执行部件 的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为m 、 s m ，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件 的等效质量为1/3 ds mmm=+，已知 m=600