毕业设计（论文）-立式数控镗床机械部分的设计（全套图纸）

Abstract I I 摘 要 此次是设计完成一台立式数控镗床的机械部分。在设计中首先要合理的完成镗 床总体结构布局，包括床身结构设计，立柱结构布局和工作台结构设计。其次对主 轴系统和伺服系统进行分析并设计计算，其中主轴系统的包括主轴、齿轮、液压 缸，伺服系统包括伺服电机、滚珠丝杠、轴承等。同时对滚动导轨和刀库进行了选 型设计，最后对主轴、滚珠丝杠、轴承进行了强度等校核计算。 因此要设计一台数控镗床，首先要了解数控镗床的结构与工作原理，其次操 作、维修、改进数控镗床也至关重要。本文介绍了数控镗床的主轴系统、伺服进给 系统、刀库转换系统等的设计要求及结构特点，对于系统各个部件也作了相关介 绍。 Abstract I II 关键词：关键词：数控镗床；伺服电机；滚珠丝杠；轴承；液压缸 关键词：关键词： Abstract In design, you can see the machining part design of verteal machining center. In the design, we deal with such systerm problems as the selection of motors,ballscrew,bearing and such headshaft systerm as gear hydraulic pressure iar and lathebed worktable.We explain the choosing of the material of rarious kmds and the assembling of the whole machine. And we check and calculate of the whole machine . And we cheak and calculate the main machine compoents. Therefore study the structure and working principle is the premise of operate、 maintain、improve Numerical- controlled millng machine, it is the basic of designing Numerical- controlled millng machine.Introduced the characteristics, the design request and the structure characteristicses of Principal axis system 、Servo system and Tools system of Numerical- controlled millng machine according to this text, also made a introduction for the system parts. KeyWords： Numerical control millng machine;Ballserew;Hydraulic pressure jar; Abstract I III Headshaft. 目 录 I IV 目目 录录 摘 要 I 关键词：关键词： Abstract II 1 综述 . 1 2 机械结构及布局设计 . 5 2.1 床身结构设计 . 5 2.1.1 对床身结构的基本要求 . 5 2.1.2 床身结构布局及截面形状 . 6 2.2 立柱的结构布局 . 6 2.2.1 对立柱的条件要求 . 6 2.2.2 立柱的结构布局 . 6 2.3 工作台的结构设计 . 7 2.3.1 T 形槽 . 8 2.3.2 工作台其余结构 . 8 3 滚珠丝杠的设计 . 10 3.1 滚珠丝杠的传动特点 . 10 3.2 滚珠丝杠副的运动原理 . 11 3.2.1 x 向丝杠螺母副的设计 11 4.2.2 y 向丝杠的选型 . 17 4.2.3 z 向丝杠螺母的设计 . 17 4.3 滚珠丝杠副的传动特点 . 17 4.4 电机的选型设计 . 18 4.4.1 伺服控制电机的基本要求 . 18 4.4.2 伺服电机的选型设计 . 18 3 数控机床的主传动系统设计 . 24 3.1 主轴组件设计 . 24 3.2 主轴组件需要满足的条件 . 24 3.2.1 回转精度 . 25 目 录 I V 3.2.2 主轴的刚度 . 25 3.2.3 主轴的抗震性 . 25 3.2.4 主轴的温升 . 26 3.2.5 主轴的耐磨性 . 26 3.2.6 主轴的承载能力 . 26 3.3 主轴的设计 . 27 3.3.1 主轴的转动 . 27 3.3.2 主轴传动部件位置的合理布置 . 28 3.4 主轴的结构设计 . 29 3.4.1 主轴设计 . 29 3.4.2 主轴的设计计算 . 30 3.5 轴端设计 . 31 3.6 主轴的校核 . 32 3.6.1 主轴箱齿轮强度校核 . 32 3.6.2 齿轮接触疲劳强度的校核 . 33 3.6.3 主轴强度的校核 . 33 3.7 主轴箱的润滑 . 35 3.7.1 润滑剂的选择 . 35 3.7.2 管路设计 . 35 3.7.3 自动控制油温的选择 . 35 3.8 轴承的合理安排 . 35 3.9 主轴电机的选择 . 36 3.10 主轴轴承的选择和强度校核 . 36 3.10.1 支反力的计算 . 37 3.10.2 对于轴承使用寿命的计算 . 38 3.11 传动齿轮的设计 . 39 3.11.1 齿轮的尺寸 . 39 3.11.2 双联齿轮的设计 . 40 目 录 I VI 3.11.3 齿轮的结构设计 . 41 3.11.4 齿轮的强度校核 . 41 5 液压缸的选择设计 45 5.1 液压传动的特点 . 45 5.2 液压工作原理 . 46 5.3 液压缸的选取 . 46 5.4 液压缸的设计和计算 . 47 6 刀库的选择 48 6.1 刀库的种类 . 48 6.2 刀库交换装置 . 48 6.3 刀具识别装置 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.4 刀库的换刀方式 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6.5 刀库的选择 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结 论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1 1 综述 1.1 数控镗床的主要优点数控镗床的主要优点 1. 能完成复杂型面的零件加工。 2. 可以提高零件的加工精度,稳定产品的质量,由于数控机床是按照预定的程序 自动加工的，加工过程不需要人工干预,而且加工精度还可以利用软件来进行校正和 修补,因此可以获得比机床本身精度还要高的加工精度和重复精度。 3.可以提高生产率.一般一台数控机床比普通机床可提高效率2-3倍。由于工序 集中，容易适应多品种、中小批量生产。 4.可以一机多用,有的数控机床一次装夹可完成多部位的加工,可以替代5-7台普 通机床,并节省了厂房面积。 5.几乎不需要专用的工装卡具，可发挥其“多工序集中”的优势，在一台机床 上完成多个工序，大大减少在制品数量,从而加速了流动资金的周转, 提高了经济效 益。 6. 大大减轻了工人的劳动强度。 1.2 数控机床的发展方向数控机床的发展方向 机械制造业是一个民族经济的支柱产业，其技术水平高低已成为衡量一个地区 甚至国家经济发展水平的重要标志。美国、日本等发达国家有很大部分的财富都来 源于机械制造业，我国机械制造业也后来居上，可以说，机械制造业决定了国家的 繁荣和昌盛。机械制造业的发展规模和水平也反映了一个国家的科学技术水平。工 件的加工效率、所需的生产成本多少、加工质量的优劣是衡量机械制造业技术水平 的标志，全面提高这几项行业将会得到飞跃式的发展。 15 世纪出现了水力驱动的炮筒镗床。1774 年英国人 J.威尔金森发明了炮筒镗 床，第二年用作瓦特蒸汽机加工汽缸体。1776 年他又制造了一台比较精确的气缸镗 床。1880 年，德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。为了适应特大、特重 2 工件的加工，20 世纪 30 年代发展出了落地镗床。随着铣削量的增加，50 年代出现 了落地镗铣床。20 世纪初期，随着钟表仪器制造业的迅速发展，为了加工孔距误差 较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。为了提高镗床的定位精度，现在已经广泛地 采用光学读数头或数字显示装置。一些镗床还采用了数字控制系统实现坐标的定位 和加工过程的自动化。 数控镗床同其他机床一样，其技术水平的提高也表现在固有技术（如高速、高 精度化等）的发展和新技能（如智能化、网络化等）的应用上。我国自从改革开放 以来，加快了数控机床的引进和研制，由于技术并不完善，在国内大中型企业中数 控机床并未得到广泛应用，因此极大地束缚了这类企业经济的迅速发展，本设计在 保证精度准确的基础上，还最大限度的降低生产成本，既检验了我在大学四年中所 学知识是否掌握并熟练运用，也是为步入职场铺下一块坚实的垫脚石。此设计包 括：数控镗床总体结构布局、床身结构设计、立柱结构布局、工作台结构设计。滚 珠丝杠选型设计、滚动导轨设计。滚动导轨选型设计、主轴箱结构设计、传动齿轮 设计，轴承选型设计、液压缸选型设计，刀库选型设计、主要件的强度校核，伺服 进给电机选型设计、联轴器选型设计。 （1）数控镗床高速化，是指主轴转速、进给速度的高速化。 以下措施可以实现机床主轴的高速： 选用陶瓷轴承 使用陶瓷材料 SiN 制成轴承滚动体，而内圈则仍用轴承钢制造的轴承。选用陶 瓷作为滚动体，因为它重量轻，是轴承钢的 40%；热膨胀率低，是轴承钢的 25%；弹 性膜量大，是轴承钢的 1.5 倍 10。 3 转速越高，滚动体引起的离心力和惯性滑移越高。选用陶瓷滚动体，大大地减 少了离心力和惯性滑移，进一步地提高了主轴转速。但目前其价格昂贵，且寿命、 可靠性等试验数据还未确定，扔需进一步改进和完善。但陶瓷轴承的优越性是不容 置疑的，而且已应用于部分正式产品的数控机床上。 主轴轴承采用预紧量可调装置 早期主轴的预紧方式是固定预紧量式，但由于轴承滚动体离心力的影响，主轴 在低速区和高速区的刚性有所差异，从而影响了主轴在全转速范围内的稳定切削。 随着主轴转速的高速化发展，要实现低速时的高刚性和高速时的低发热，固定预紧 量方式已无法满足其要求，于是出现了随着转速自动改变轴承预紧量的结构。在低 速区由活塞顶紧，实现高刚性固定预紧量式，而在高速区活塞松开，只靠弹簧预 紧，实现顶压预紧。 改进主轴轴承润滑、冷却方式: 以往，加工中心主轴轴承的润滑方式大多采用油脂封入式润滑。为了满足主轴 转速向高速化发展的要求，相继开发了新型润滑、冷却方式。 油气（oil air）润滑方式：这种润滑方式与油雾润滑相似，但两者有原则上的 区别。油气润滑是定时定量地把油雾送入轴承空隙中，这样既保证了油雾润滑，又 不会污染周围空气。 喷注（jet）润滑：它用较大流量的恒温油（每个轴承 34L/min）喷注到主轴 轴承，以实现润滑冷却的目的。喷注的油是用两台排油泵强制排出的。 （2） 精密化 速度固然重要，但精确也必不可少。随着汽车、电子、航空等行业的迅猛发 展，更要求我们所生产的工件达到极为精细的标准，这对加工设备精确性的不断提 高是一个极大的挑战。因为急需一大批加工精度为“”级、主轴转速高于 4 12000r/min、快移速度大于 40m/min 的高效高精镗床。为了顺应发展的趋势，满足 各生产商的需求，镗床将会向着高精密方向发展。 （3） 复合化 复合化指的是功能的复合化与工序的复合化，新兴的数控机床已将粗加工与精 加工紧密结合，同时把车，镗，铣，钻，磨等工序整合到一起，将非加工辅助时间 减至最少，扩大了机床的试用范围，进一步提高了机床的生产效率。 （4） 高可靠性 数控机床的可靠性是衡量数控机床产品质量的一项关键性指标。可靠性的高低 直接影响数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率以及最终的效益。 (5) 智能化、网络化、柔性化 智能化运用在数控系统的各个方面，如工艺参数自动生成、智能化主轴监控功 能、智能化维护监控功能、智能化振动防止功能、语音导航功能、智能化平衡失调 检测功能等。 网络化数控装备是近年来比较被关注的一点。数控装备的网络化将极大地满足 了制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如虚拟企业、全球制造等 的基础条件。 柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各 各国家制造业发展的一大趋势，是先进制造领域的基础技术。 5 2 机械结构及布局设计 2.1 床身结构设计 主机：它是数控机床的主体，包括床身、立柱、主轴、进给机构等部件。它用 于完成各种切削加工。 床身、床头箱的尾座应注意排屑、冷却、润滑、和维护。 2.1.1 对床身结构的基本要求 机床的床身是整个机床的基础支承件，用来放置导轨、主轴箱等重要部件。为 了满足数控机床高速度、高精度、高可靠性和高自动化程度的要求，数控机床应比 普通机床有更高的静、动刚度，更好的抗震性。因此数控机床在以下几个方面应有 更高的要求。 1) 很高的精度和精度保持性 在床身上有许多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面自身精度和 相对位置精度要求就很高，并且需要保持很长时间。此外机床在切削加工时，所有 的静、动载荷最后往往都是传到床身上的，因此床身受力极为复杂。为保证零部件 之间的相互位置和相对运动精度，除了满足几何尺寸、位置关系精度等要求外，还 要满足静、动刚度和抗震性、热稳定性、工艺性等各方面技术要求。 2) 应具有足够的静、动刚度 静刚度包括床身结构刚度、局部刚度和接触刚度，应采取相应的措施，使它们 最后都达到较高的性能。 动刚度直接反应机床的动态特性，它保证了机床在交变载荷作用下具有较高的 抵抗变形的能力，同时抵抗受迫振动及自激震动而产生的噪音。 3) 较好的热稳定性 对于高精度的数控机床来说，热稳定性是一个突出问题，必须在设计中考虑到 整体的热变形状况，保证变形度达到最小，使其对精度的影响力尽可能达到最小。 6 2.1.2 床身结构布局及截面形状 1) 床身各种各样的结构形式。 床身分为平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身等四种类型。床身是基础 支撑部件，必须具有足够高的静、动刚度保持性，肋板布置适当，又能保证良好的 冷热加工工艺性。加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种，本次设计采用 的是固定立柱式，由溜板和工作台来实现平面上 X、Y 坐标的移动，床身结构较为 简单,一般适用于中小型立式和卧式加工中心。 2) 床身肋板一般依据床身结构和载荷分布情况进行设计 为了满足床身刚度和抗震性要求，V 形肋有利于加强导轨支撑部分的刚度，斜 方肋和对角肋结构可明显增强床身的扭转刚度，且便于设计成全封闭的箱型结构。 床身截面的形状受机床结构设计条件和铸造能力的约束，以及使用厂家习惯的影 响，种类较多，主要有横向、纵向和斜向三类。 纵向肋板可加强抗弯刚度，横向肋板对加强抗扭刚度有显著效果。斜向肋板对 提高抗弯刚度有所帮助。 当肋板厚度相同时，米字形肋板结构抗弯刚度接近“#”字形结构，而抗扭刚 度则是“#”字形结构的数倍。此外纵向肋板和横向肋板分别对抗弯刚度有显著效 果：米字形肋板和“#”字形肋板的抗弯刚度也较高，米字形肋板更为突出，但米 字形肋板加工工艺性差，制造工时较长。 2.2 立柱的结构布局 2.2.1 对立柱的条件要求 立柱必须在承受切削力、震动、温度变化等条件下依然保持正常工作。它必须 支撑主轴箱体，使其能够顺着垂直方向上下移动。 2.2.2 立柱的结构布局 数控镗床的主轴箱在框式立柱中间，立柱应设计成对称形结构；同过比较分析 并在设计中采用“X”形来布置隔板与筋条。 7 1) 立柱和床身的连接 立柱与床身的连接，一般采用螺栓紧固，圆锥销定位的方式。考虑到连接的实 际应选取 12 个螺栓，连接草图如下： 图 1. 立柱与工作台的布局 立柱和机床身的连接采用螺栓与圆柱销的定位方式，是为了最大限度的提升立 柱和机床身接触刚度，采用了以下方法： 提高有效接触面的平面度，尽量减小其粗糙度。以此来提升集合强度; 强紧得方法。 2) 立柱的导轨精度 立柱底面对主导面的垂直度：0.01mm 直线度：0.0060.015mm 安装底面与主导面的垂直度：0.050.001mm 16 两导轨扭曲度：0.010.015 16 2.3 工作台的结构设计 使用矩形的工作台，并开 T 形槽，且不做分度运动，如下图： 立 柱 主轴箱 8 图 2. 工作台的结构 2.3.1 T 形槽 图 3. T 型槽的结构和尺寸 2.3.2 工作台其余结构 1) 为了方便安装，应采用 Z 方向丝杆的螺母座与工作台分离式结构，具体的 形式结构见总装配图； 2) 为了防止切屑对防护罩造成影响，固在工作台的两边加上挡板； 18H8 30 20 14 400 600 9 3) 为防止切屑对导轨造成影响，安装防护板，板的大小由加工工作要求来确 定，详情见总装配图； 4) 为便于安装，尽量减小零件，因此采用工作台在导轨上面滑动，应在工作 台上面钻油孔，方便润滑； 5) 工作台座的作用： (1) 安装 X 方向减速箱； (2) 作 Y 方向上进给运动的滑动体； (3) 安装 X 方向进给滚动导轨和该方向上丝杆螺母； (4) 支承工作台； (5) 容纳 X 方向上进给丝杆的润滑油； (6) 作 X 方向上的进给丝杆支撑箱体。 10 3 滚珠丝杠的设计 需按所设计机构的最大载荷、最高速度初选一个滚珠丝杠的公称直径，其中包 括循环方式。再按马达的转速等要求初选滚珠丝杠的导程。然后根据定位精度的要 求，作定位精度、重复定位精度、压杆稳定性、极限转速、极限寿命以及 Dn 值等各 项校核试验并修正初选值。 3.1 滚珠丝杠的传动特点 1) 滚珠丝杠与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3：由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝 杠螺母之间有很多滚珠在作滚动运动，因此可以得到较高的运动效率。与 过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下，即达到同样运动结果动力 只需为使用滚动丝杠副的 1/3。在省电方面很显著； 2) 高精度的保证：采用歌德式（Gothic arch）沟槽形状、可将轴向间隙调整 得很小，依旧能够轻便地传动。若加入适当预紧载荷，消除轴向间隙，可 使丝杠具有更优良的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变 形，以便达到更高的精度； 3) 微进给：由于滚珠丝杠副是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现 滑动运动中那样的爬行现象，能够保证实现精确的微进给。 4) 无侧隙、刚性高：滚珠丝杠副可以加予压力，压力可使轴向间隙达到负值, 进而得到较高的刚性（在实际用于机械装置时，滚珠丝杠内通过给滚珠加 予压力，滚珠间的斥力可使丝母部的刚性增强）； 5) 高速进给：滚珠丝杠由于运动效率高、发热小，固可实现高速进给运动； 6) 高可靠性：与其它传动机械、液压传动等相比，滚珠丝杠传动系统故障率 很低，维修保养也更为简单，只需进行一般的润滑和防尘即可。在特殊场 合中可在无润滑状态下工作； 7) 高耐用性：钢球滚动接触面均经过硬化（HRC5863）处理，并经精密磨 削，循环体系过程纯属滚动，相对磨损甚微，故具有较高的使用寿命，精 度保持更为持久。 由上面可以归纳出传动特点为： 11 (1) 传动可逆； (2) 使用可靠； (3) 同步性好； (4) 预紧性好； (5) 使用寿命长； (6) 定位精确； (7) 效率较高； (8) 运动稳定。 3.2 滚珠丝杠副的运动原理 滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间以钢球为滚动体的螺旋转动部件，它将螺旋运 动变为直线运动。滚动丝杠副的运动位置机理就是用滚动摩擦代替滑动摩擦。在丝 杠和螺母副上有圆弧形螺旋槽，在丝杠与螺母旋合螺旋槽间放置适当数量的钢球作 为中间转动体，借助滚珠返回通道，丝杠或螺母副转动时，震动滚珠沿着滚道导珠 管不断循环从而实现周而复始的滚动。 3.2.1 x 向丝杠螺母副的设计 1) 型号选择 (参考的是南京工艺装备厂生产的精密滚珠丝杠) (1) 选择型号：FFZD 型浮动内循环垫片预紧式滚珠丝杠； (2) 滚珠丝杠的导程：电机与丝杠直接相连 (3) 调整方法:改变垫片的厚度尺寸,使双螺母重新获得所需要的预紧力 3 max max n 10= N V P(41) 式中： max N 电机最高的转速根据要求取min/1500 max rN= max V 工作台最高移动的速度根据要求取min/m15 max =V 固因此可以得出 mmPn10= 12 2) 确定当量转速和当量载荷 表 8. 各种切削方式下的参数 切削方式 纵向切削 力 Pxi(N) 垂向切削 力 Pzi(N) 进给速度 V1 (m/min) 工作时间 百分比 丝杠轴向 载荷(N) 丝杠转速 r/min 强力切削 2000 1200 0.6 10 1677 75 一般切削 1000 500 0.8 30 1607 100 精切削 500 200 1 50 1077 125 快速进给 0 0 12 10 557 1500 (1) 各种切削方式下丝杠转速 Ni= Pn Vi 10 3 取 V1=0.6 V2=0.8 V3=1 V4=12 则 N1=60r / min N2=80r / min N3=100r / min N4=1200r / min (2) 丝杠的轴向载荷 各种情况下： () zi PWWPF+= 21xii (42) 经过查表可以得到：2000 1 = x P 1000 2 = x P 500 3 = x P 0 4 = x P 1200 1 = z P 500 2 = z P 200 3 = z P 0 4 = z P 通过已知道的条件得： 工作台的最大行程：600mm. 工作台的重量： 917.25N.89.87.5064 1 =W 定位精度mm300/m20 全行程m90 重复定位精度m10 动摩擦因数：1 . 0= 静摩擦因数：2 . 0 0 = 要求寿命：20000h 工件和夹具的最大重量 KNW10 2 = 快速进给速度min/15mV = 因此 ()()NPWWPF ZX 321120010009171 . 02000 12111 =+=+= ()()NPWWPF ZX 2142500100009171 . 01000 22122 =+=+= ()()NPWWPF ZX 161200100009171 . 0500 32133 =+=+= ()()NPWWPF ZX 10920100009171 . 00 42144 =+=+= 13 (3) 当量转速 m N min/191100/100/100/100/tn 44332211m rtntntnN=+= (4) 当量载荷 m F 3 44 3 433 3 322 3 211 3 1m 100/tn100/100/100/tn+= mmmm NFNtnFNtnFNFF (43) 通过计算得出：NF1617 m = (5) 各种切削方式下丝杠转速 3 n i i 10= P V N 选取.60 1 =V .80 2 =V 1 3 =V 12 4 =V 可以得出 min/ r60 1 =N min/80 2 rN = min/ r100 3 =N min/1200 4 rN = 3) 预计将要达到的额定动载荷 am C (1) 通过预期的工作时间可以估算： ca wm 3 ham ff100 f m60 F LNC=(44) 通过机械设计手册查表：轻微的冲击.31fw= 13 级取1fa= 已知h20000 h =L 可靠性 0 0 97 固选取 5.40fc= NC2764344 . 0 1100/.3115232000019160 3 am = (2) 通过选用预紧式滚珠丝杠副，依照最大的负载荷 max F计算可得 maxmax FfC e =(45) 通过查表 12 5 . 4= e f 12 NCam 5 . 1444932115 . 4= 通过计算选择所求结果的最大值即NC277643 am = 4) 确定最小螺纹的底径 (1) 估算丝杠允许的最大轴向变形量 m=(1/3 1/4) 重复定位精度 已知:重复定位精度 10 m,定位精度 20 m m=(1/3 1/4) 重复定位精度 3 m m=(1/3 1/4)定位精度 6 m 取以上两种的最小值 取m=3m (2) 估算最小螺纹的底径 m2 d m 9.30 m 10 10d 00 m2 LF EQ LF =(46) 14 ()()ph10141.1.21+=LL(47) 已知行程 3500 1 =W 1100 0 =F 1100=L .20 0 = 所以可以得到 mm 7 . 233/1100100039.00d m2 = 5) 对滚珠丝杠副规格的确定： (1) 通过 am C m2 d 选取相对应的滚珠丝杠副 Wch5010 10 n =P .6mm23d.742d m22 = (2) 调整方法：通过衬套外循环的齿差来调节预紧双螺母的调节。 (3) 滚珠丝杠副预紧力的确定 max 3 1 FFP= NF1070 p = NFF3211 1max = 6) 行程的补偿 (1) 3- 10t 8 . 11=LC(48) ank 2LLLL+= (49) 上式中的 ()3042 na =PL mm1100 k =L 153 n =L (2) 1313153601100=+= L C.52t o = 预拉伸力为 2 2t td5.91=F 所以有 NF8889.7425.91.742.52 t = 7) 滚珠丝杠副支撑作用的轴承型号的确定 (1) 紧力 NFF B 40333/1121003/1 maxbp =； (2) 选型为两端固定支撑背对背 60 度接触角推力角接触的球轴承； (3) 所选径 D 应该微小于.742d2= 取整 mm40d =； (4) 轴向的载荷 NFFFB1210088893211 tmaxmax =+=+= 通过计算选取轴承的型号 40TAC72A 8) 计算丝杠上螺纹的长度 (1) es 2LLL U += 通过查表可知 40 e =L； (2) 端固定支撑的长度 mm1393 1 =L； (3) 长度 187mm； (4) 固定点和起点的长度 mm30 0 =L； (5) 丝杠的总体长度 mm1600=L。 15 9) 传动系统的刚度 (1) 轴承的组合刚度； 3 2 max 2 sind4.322FZK QBD =(410) amax F是预加载荷的 3 倍， NF9543 amax = 17=Z o 60= 14 . 7 d= Q 所以NKBD109460sin95434.17174.322 323 = 滚珠丝杠副的滚道与滚珠接触的刚度 3/1 c /a = a P C C F KK(411) 通过已给的条件可以得到 NFP1000= NCa38300= mNKc/1410= (2) 拉刚度 2 1 2 2 smin 10 d .66= L K(412) 875 1374 .742 10.6610 d .66 2 22 1 2 2 smin = L K 最大的抗压刚度为： () 010 1 2 22 smax 4 d 10.66 LLL L K = 所以可以得到1548 smax =K 10) 刚度的演算 scsminmin 1111 KKKK +=(413) 于是 301 1 932 1 835 1 740 11111 csminmin =+=+= KKKK scsmaxmax 1111 KKKK += 于是 310 1 932 1 1548 1 740 11111 csmaxmax =+=+= KKKK 16 (1) 传动系统刚度的演算 反向差值 0 min .6F1 =K(414) 112 10 .61700.61 0 min = = 反向差值 F K 700.203500 100 =F 因为 maxmin KK 所以可以知道传动系统的刚度合格。 (2) 传动系统刚度的变化引起的定位误差 k = maxmin 0k 1 - 1 KK F(415) m8.26 323 1 - 278 1 700 1 - 1 maxmin 0k = = = KK F (3) 丝杠精度的确定 任意的 300mm 内的行程变动量 V300 因为2.714 300 V 因此 丝杠的精度选为 3 级。 (4) 滚珠丝杠的确定 选定的型号为 FFZD,丝杠全长 1700,公称直径 50,导程 10,螺纹长度 1393，P 类，3 级精 度，代号：FFZD5010-3-P3/17001393 (5) 演算强度 因为.742d.326d2max= 因此强合格 (6) 传动效率的计算： ()+= g t /tg(416) 其中 为螺旋升角 丝杠的滚动摩擦系数004, 0003 . 0 =f 为摩擦角丝杠滚动摩擦系数 f=0.003 0.004 2 . 010150 = g t o 2 . 11= 所以摩擦角为 1019 1345 取整 12 所以() 0 0 g 2 . 98982 . 0 12 2 . 11/.211t=+= g t o (7) 临界转速的演算 17 7 22 2 10= CL d fnc(417) 通过样本 7 . 42 2 =d mmLLLc1363301393 012 = 查表可以得到 9 . 21=f 则 max 7 2 506410 1363 7 . 42 9 . 21= c n 4.2.2 y 向丝杠的选型 通过 X 方向丝杠的选型确定 Y 方向丝杠的型号为 FFZD6312-4-P3/1200874 通过计算符 合要求。 4.2.3 z 向丝杠螺母的设计 1) 所选丝杠型号为 FFZD 型 公称直径为 50mm，10 n =P 2) 两端固定支承距离mm874600214 1 =+=L 丝杠全长为 230+874=1114mm 因为 Z 方向上丝杠长度应小于 X 方向，所以 Z 方向丝杠 合格。 因此 Z 放向丝杠的型号选为 FFZD5010-4-P3/17001393 4.3 滚珠丝杠副的传动特点 1) 传动效率高； 2) 运动平稳； 3) 传动可逆； 4) 可以预紧； 5) 定位精度高； 6) 重复定位精度高； 7) 同步性好； 8) 使用寿命长； 9) 使用可靠。 18 4.4 电机的选型设计 现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影 响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重 要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技 术经济指标选择最适合的电机。 4.4.1 伺服控制电机的基本要求 1) 震动与噪音小； 2) 功率密度与比率大即性能的密度大； 3) 位置的控制精度高； 4) 快速性好，即加减速扭矩小，频率特性好； 5) 可靠性比较高。 与此同时还应该具备：机械特性：要求伺服电机的速降小、刚度大;快速响应的 要求：这在轮廓加工，特别对曲率大的加工对象进行高速加工时要求较严格；调速 范围：这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质;适应于各种不同的加工 工艺；一定的输出转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是 克服工作台的摩擦力和切削的阻力，因此主要是“恒转矩“的性质。 4.4.2 伺服电机的选型设计 1) 伺服电机应该满足的要求： (1) 电机的额定转矩应该大于最大切削力矩； (2) 快速进给频率应该在预期值以内； (3) 在进给调速范围内点电机的额定转矩应该大于空载进给力矩； (4) 加速时间应该满足预期的时间常数。 2) X 方向伺服电机的选择： (1) 最高转速的选择 伺服电机最高的转速应该依据进给系统的快速进给速 度丝杠螺距及传动系统的减速比来确定，计算公式： ()min/n mimax rpVK=(418) m V ： 工作台要求快速进给的速度，min/15mVm= P : 丝杠的螺距， mmmP01. 010= 19 K : 裕度系数， 33. 1=K I : 传动系统减速比，因为是直连 1=i 所以min/2000 01 . 0 115 33 . 1 max rn= = (2) 负载转矩计算 iT PLLF KT b += 1 000 1 22 (419) 2 00L F K 双螺母滚珠丝杠的预紧力矩 0 F 预紧力通常会选择最大工作的载荷的 1/3 NF107032113/1 0 = 1 T 驱动力矩 K丝杠的预紧力矩的系数0.1-0选择0.15 所以 mmN LF K= = 6 . 255 2 101070 15 . 0 2 00 0 L 丝杠导程 选择mmL10 0 = P 加在丝杠轴间的外载荷 nWFP+= 1 2 PL 克服轴向外载荷所需的力矩 W 法向载荷 1 WW = 1 W 移动部件的重量包括工作 NWW106121000052.611 1 =+= N 导轨摩擦系数065. 0=u NP78.2189150010612065. 0=+= 1 滚珠丝杠的效率 98537 . 0 1 = mmN PL = =3537 298537 . 0 1078.2189 2 1 0 mNcmNTb=2940 4 . 29 i：传动比 选取1=i 因此 mNmmNT=+=73 . 6 673025329403537 1 电机的选择根据 1 TTS S T 是伺服电机的额定转矩 根据设计手册选取 BESK10 额定转矩 11.8Nm 电机的输出功率为 1.8KW 最大转矩 78Nm 3) 惯量匹配计算： 负载惯量 1 J 与电动机的惯量 m J 换算至电机的机轴之间有以下关系：1/4/1 ml JJ 20 (1) 工作台的转动惯量为： 根据表 6.6-29 可知 1000kg 工作台换算到10 h =P的丝杠上转动的惯量是： 22 cm.9kg12mkg258.00= (2) 确定联轴器的转动惯量： 根据机床设计手册第 3 卷表 6.6-19 可以得到飞轮 22 cmkg48=GD 因此可有 22 1 cmkg124/1484/1=GDJ (3) 传动系统换算电机轴上面的总转动惯量： 2 321 cmkg57.34257.41712.912=+=+=JJJJL (4) 惯量的匹配计算： 根据表可以得出 2 m cmkg150=J 所以53.16 m i = J J 1/4/1 ml JJ 由上面可以看出符合惯量匹配关系。 (5) 伺服电机的加减速能力的校核 () lml a t60 nm2 JJJT+= (420) 当快速移动加速时候它的最大转矩用上面公式计算可以得到 m n 快速移动时候的电机转动速度 min/ r2000nm= a t 加减速度时间 sa Kt3= s K 系统的开环增益 通常情况 25 到 8 加工中心通常 20= s K 在这里选择18= s K 因此有sKt sa 167 . 0 1833 “ = m J 电动机转子的惯量 2 150cmkgJm= l J 负载的转矩 2 357.42cmkgJL= L T : 321 TTT+ 2 0 1 Ln T =(421) 上面式中： 1 T :移动体的摩擦转矩 mmNT=16002/1095 . 0 065 . 0 14700 1 2 T :丝杠副的摩擦转矩 21 mmNLFKT a =2132/ 2 B T :轴承的摩擦力矩 mmNTV= 294 ()mNTL=+= 1 . 2102941600213 3 因此则有 ()mNT=+ = 2 . 201 . 2015 . 0 0042 . 0 167 . 0 60 15002 因此由上面计算可以选 BESK10 的最大转矩是 78Nm 符合条件 4) Y 方向上伺服电机的选择 (1) 最高的转速 0 max n L V = (422) min/ r200 01.00 201 nmax= = (2) 脉冲编码器的选择： i 0 = L I(423) r /10001101/01.00 3 PI= (3) 负载转矩的计算方法： i 22 0 b 00a += PL T LF KT(424) 上式中 () 11 PWFWFP+=+= NFF893 3 1 2687 3 1 max0a = 5.10k = NP27741960065.00= 1 W 移动部件的重量（工作台，工作台架，工件） ()NW196005001000500.89 1 =+= NP27741960065.001500=+= 是丝杠的效率 85.90= 内丝杠的预紧力的系数为5.10=K B T 是支撑轴承的摩擦力矩 m.429=NTB 22 m9.94 28537.90 277410 294115.10 2 89310 1 = + =NT (425) 通过机电一体化系统设计手册取 BESK10 重要的参数： 额定的转矩 11.8Nm ；最大的转矩 78Nm； 最高的转速 2000r/min;输出的功率 1.8KW; 5) 惯量的匹配计算 (1) 联轴器转动惯量通过机床设计手册3 卷表 66-19 可以看出 22 cmkg48=GD 22 1 cmkg12 4 1 =GDJ (2) 移动部件的惯量 2 3 cmkg25802580.00 1000 500500 =+ + =J (3) 丝杠的转动惯量 通过机床设计手册可以得到 24 2 cmkg57.4175.1101518.005.11=J (4) 换算到电动机的总转动惯量 2 321 cmkg58.255457.1712.825=+=+=JJJJL 电动机的转子惯量 2 m cmkg150=J 7.30 m = J JL 即 4 1 1 m J JL 可以看出符合要求。 (5) 伺服电机加减能力的校核 快速移动时的最大转矩 () LL JJJT+= m a m t60 n2 (426) 上面式子中： 2 m cmkg57.255150= L JJ min/ r1500nm= 167 . 0 = a t 321 TTTJL+= 1 T 移动体摩擦转矩 mNaT=21341960095 . 0 065 . 0 2/102/ 01 2 T 丝杠副的摩擦转矩 mNKFT a =2132/ 02 B T 轴承摩擦转矩 mNTB= 294 23 mNTTTT BL =+=6 . 2 21 所以()mNmNT=+=78 9 . 216 . 2 60 1500 150257.5516 . 0 2 因此符合要求 6) Z 方向上伺服电动机的选择 (1) 脉冲编码器的选择 r Z L I/p10150 1 1.00 1 33- i 0 = (2) 最高的转速为 min/20002001.10/ max rPiVn m = (3) 负载转矩的计算 i 2 k 2 b 00a0 1 +=T LFPL T (427) 其中 NFF.31277 3 1 3832 3 1 max0a = () 11 mPFFP+=+=(428) N7820 1 = 0 1 =P 3700=F 所以选择 BESK10 伺服电机 主要数据： 最大的转矩 78Nm； 输出的功率 1.8KW； 最高的转速 2000r/min; 额定的转矩 11.8 Nm 7) 计算转动惯量匹配 (1) 联轴器的惯量 22 1 cmkg12 4 1 =GDJ (2) 丝杠的转动惯量 丝杠的主要数据 mm10 h =P mm1114=Lmm50d = 2 cmkg9.44603576.00.31= L J (3) 主轴箱的转动惯量 96.60 150 5.898 m = JJL 即 4 1 1 m J JL 通过上面计算可以知道符合要求 (4) 电动机快速移动能力的校核 24 () L L J JJ T+ + = m t60 nm2 (429) 上面式子中 b21 TTTTL+= mm8522/105.905.6078202/m 01 =NLT mm3052/105.10.312772/ 0a2 =NLKFT mm340 b =NT m1.5Nmm1479 b21 =+=NTTTTL b