毕业设计（论文）-加工中心侧铣头结构设计（全套图纸）.pdf

加工中心侧铣头结构设计加工中心侧铣头结构设计 Structural Design of the Profile Cutter Head of a Machining Centre 作 者 姓 名： 指 导 教 师： 学 院 名 称：机械工程与自动化 专 业 名 称：机械制造及自动化 开 始 日 期：2016 年 03 月 01 日 终 止 日 期：2016 年 06 月 15 日 东北大学 2016 年 6 月 东北大学毕业设计（论文） 摘要 I 加工中心侧铣头结构设计加工中心侧铣头结构设计 摘要摘要 本设计主要是根据设计要求，依据机械设计和机械制图的基本原理对一台重型 数控龙门铣床的侧铣头进行结构设计，该侧铣头能够在 X 方向和 Z 方向两个方向上进 行铣削运动。本设计主要分四部分： 第一部分是根据设计要求对侧铣头的结构进行总体方案的设计， 主要包括伺服进给 运动和主运动方式的确定。 全套图纸加全套图纸加 153893706 第二部分是利用机械设计基本原理对设计中伺服进给运动和主运动系统的机械部 分的设计计算，主要包括进给电动机、主轴电动机、滚珠丝杠副的选则、计算和校核以 及对同步带和带轮进行设计。 第三部分是根据所选择设计的主要零件， 先进行大体结构设计， 之后在此基础之上， 利用机械制图的基本原理，应用 CAXA 电子图版对侧铣头的结构进行二维设计，并生 成三张二维装配图纸和一张二维零件图纸。 最后一部分是依据所设计的二维图， 利用 SOLIDWORKS 软件对侧铣头结构中零件 进行三维建模，并将所有建模零件进行装配，生成三维装配体；在此基础上，利用该软 件做一个三维动画，显示装配体内部结构及运动方式。 东北大学毕业设计（论文） 摘要 II 关键字：关键字： 重型数控龙门铣床 侧铣头 结构设计 总体方案设计 二维设计 三维建模 三维动画 Structural Design of the Profile Cutter Head of a Machining Centre Abstract: The design is mainly to design the profile cutter head structural of a heavy numerically controlled planomiller according as the rationale of mechanism design and theory of machines on the bases of design specification. The design is mainly divided into four parts: The first part is a content of total project design of the profile cutter head Structure according as design specification, including confirming the manner of servo feed motion and the main motion. The second part is design of calculations of machine parts of servo feed motion system and the main motion system according as the rationale of mechanism design. Its mainly including choose the type, the calculation and the verification of the feed electromotor, the principal axis electromotor and the ball screw, and the design of hold- in range and synchronous pulley. The third part is to design the mainly structure firstly on the bases of main parts choosed and designed in the second part, then to design two dimensional drawings, and create three assembly drawings and one detail drawings using CAXA software according to the rationale of theory of machines. The finally part is to model the parts of the profile cutter head, and create three dimensional drawings using SOLIDWORKS software according to two dimensional drawings designed in the third part；The following is to create a three- dimensional animation to show the inside structure of the three- dimensional assembly drawing and the motion manner using the 东北大学毕业设计（论文） 摘要 III software on the bases of the three- dimensional assembly drawing. Keywords: Heavy numerically controlled planomiller, The profile cutter head, Structural design, total project design, two dimensional design, three dimensional modeling ， three- dimensional animation。 东北大学毕业设计（论文） 目录 目目 录录 摘 要I ABSTRACT 第一章 绪 论1 1.1 国内外数控机床的发展状况1 1.2 数控技术的发展趋势2 1.3 设计目的和意义3 第二章 总体方案设计5 2.1 设计基本要求5 2.2 总体设计方案6 第三章 伺服系统机械部分设计计算8 3.1 滚珠丝杠副的选择计算8 3.1.1 已知参数8 3.1.2 切削力的确定8 3.1.3 滚珠丝扛螺母副的设计、计算8 3.2 进给伺服系统传动计算11 3.2.1 电动机选择11 3.2.2 同步带的设计计算17 3.3 机床主轴部分设计计算18 3.3.1 主轴电机及其减速器的选择计算18 3.3.2 同步带的设计计算19 第四章 二维设计 21 4.1 大体结构设计21 4.2 利用 CAXA 电子图版进行二维设计22 东北大学毕业设计（论文） 目录 第五章 三维设计27 5.1 Solidworks2005 软件介绍27 5.2 三维建模28 5.3 三维动画34 经济技术性与环保分析35 结 论36 致 谢37 参考文献38 外文翻译39 东北大学毕业设计（论文） 第一章 绪论 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 国内外数控机床的发展状况国内外数控机床的发展状况 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用， 计算机及控制技术在 机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。 自从年美国 第台数控铣床问世至今已经历了个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、 磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有 万台，产值上百亿美元。尤其是以美国和德国为代表的数控技术最为先进。 只就数控铣床来说，已经出现了各式各样适应于不同加工形式的数控铣床，而只就数控 龙门铣床来说， 自从西班牙尼古拉斯 克雷亚集团公司(Nicolas Correa， 下称NC公司)80 年代中期开发出第一台龙门式数控铣床，在这短短的几十年里，数控龙门铣床技术的不 断发展，先后出现了各种形式的龙门铣床，到目前为止数控龙门铣床技术的发展已经相 当完善。 从整体上看，现在在机械行业中使用的数控龙门铣床大部分只带有立式铣头，也就 是说只能对工件上表面进行Y向和X向铣削或是带有侧铣头但该侧铣头只能进行Z向进 给运动。也就是说带有能够做两个方向进给运动的侧铣头还是少见的。特别是对于重型 龙门铣床来说，加工工件一般都是很大很重的，移动工件时很不合理的，所以这时采用 能够做两个方向进给运动的侧铣头是必要的。 我国数控机床制造业在年代曾有过高速发展的阶段， 许多机床厂从传统产品实 现向数控化产品的转型，但数控龙门铣床并没有得到很大发展。从年“九五”以 后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数 控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场 一派繁荣，数控龙门铣床也得到了很大发展。但从年月份的上海数控机床展 览会和年月北京国际机床展览会上，也看到了一些问题： (1)低技术水平的产品竞争激烈，相互之间靠压价促销； (2)高技术水平、全功能产品主要靠进口； (3)配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； (4)应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； (5)自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或 东北大学毕业设计（论文） 第一章 绪论 - 2 - 进口件组装。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目 前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近万台） ，但我们的机床数控化率仅达 到左右，这与西方工业国家一般能达到的差距太大。日本不到万台 的机床却有近倍于我国的制造能力。 数控化率低， 已有数控机床利用率、 开动率低， 这是发展我国世纪制造业必须首先解决的最主要问题。 每年我们国产全功能数控机 床台，日本年产万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口 台数控机床， 即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度 提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五” 期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达万台，需投入 亿资金，但得到的经济效益将是投入的倍以上。因此，这两年来承 担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十五”刚刚开始，国防科 工委就明确提出了在军工企业中投入亿元，用于对万台机床的数 控化改造。 有专家指出专家说，从整体上提高我国机床水平刻不容缓。但当前需要特别注意的 是，必须快速提高数控机床产品的自主开发、制造能力。为此，要建立有效的数控技术 开发中心，加强对重点工艺的研究、试验，形成成套开发能力；同时，通过国际合作生 产、合资经营，实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化。 1.2 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方 面： （1） 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高 产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其 列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究 方向之一。 高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。 在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m， 精密级加工中心则从35m，提高到11.5m，并且超精密加工精度已开始进入纳 东北大学毕业设计（论文） 第一章 绪论 - 3 - 米级(0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到 30000h以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的 发展，应用领域进一步扩大。 （2）5轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁 度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动 机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬火钢零件时，5轴联动加 工可比3轴联动加工发挥更高的效益。 当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制 造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴 联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 （3） 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统， 智能化的内容包括在数控系统中的 各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便 的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有智能诊断、智能监控方面的内容、 方便系统的诊断及维修等。 （4）重视新技术标准、规范的建立 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基 于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程， 显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制 定一种新的CNC系统标准ISO14649 （STEPNC)， 其目的是提供一种不依赖于具体系统 的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程， 乃至各个工业领域产品信息的标准化。 1.3 设计目的和意义设计目的和意义 (a) 目的目的 （1） 根据设计要求，设计一个重型数控龙门铣床的侧铣头，使其能够在横向和纵 向两个方向作进给运动，对于一台重型数控龙门铣床来说通常加工的工件都是很大很重 东北大学毕业设计（论文） 第一章 绪论 - 4 - 的，在加工过程中要让工件移动或是进行多次安装是很费时费力的，所以设计一个能够 在横向和纵向两个方向作进给运动的侧铣头，来减少实际工件的移动和安装次数，进而 减少安装的时间和由于多次安装引起的定位精度误差。 （2） 使学生了解机械设备的设计过程。 对作为一名将来从事机械行业的大学生来 说，了解机械设备的设计过程是一个必须的。而对数控铣床侧铣头的设计完全能够体现 出机械设备的设计过程以及在设计过程中应注意的问题和一般要考虑的因素。 （3） 使学生能够将在大学期间所学的理论知识与具体实践相结合。 当今大学生大 部分都存在着不知道如何将大学所学的东西运用到实际中去，甚至认为大学所学的东西 根本没有用处。 （4） 使学生在实际过程中学习新的软件。通过完成这个毕业设计，以掌握当今社 会上一些常用的制图软件和分析软件。现在的社会是高科技的社会，对于机械行业来说 也是如此。现在的机械行业中很少有用手工绘制的图纸，而且现在的人们都有一种安全 的理念和结构的美感， 运用三维软件和分析软件对工程师所设计的结构进行三维建模和 强度分析，可以事先发现不合理之处，以便提早加以改正。 (b) 意义意义 （1） 、在现实中，带有侧铣头的数控龙门铣床是不常见的一种形式，而带有能够在 两个方向上进行进给运动的侧铣头的龙门铣床更是不常见。 这项设计所设计的侧铣头与 其他龙门铣床部分相配合，可以应用在现实中对工件进行三个方向上的加工，从而很可 能能够对工件进行一次性安装加工， 这无疑可以省去很多调整时间并保证良好的安装精 度。而且这是对一台重型数控龙门铣床侧铣头的设计，对于一台重型铣床来说，加工的 工件一般都是很大很重的，要对工件进行多次安装是很困难的也很浪费时间，且定位精 度不容易保证，而该课题所设计的侧铣头正适合这种情况，所以说这项设计有重要的现 实意义。 （2） 、在做毕业设计的过程中学习掌握二维和三维绘图软件，为以后更好的适应社 会打下良好的基础。 （3） 、了解机械产品的设计过程，掌握设计过程中应注意的问题和应考虑的因素。 东北大学毕业设计（论文） 第二章 总体方案设计 - 5 - 第二章第二章 总体方案设计总体方案设计 2.1 设计基本要求设计基本要求 1） 侧铣头的行程为600mm； 2） 定位精度为5m ； 3） 与立柱连接部分横跨度为1300mm； 4） 最大进给速度为10 m/min； 5） 两侧铣头中间能通过最大零件宽度为3150mm； 6） 主切削力5000N。 图 2.1 加工中心方案图1 东北大学毕业设计（论文） 第二章 总体方案设计 - 6 - 图 2.2 加工中心方案图2 2.2 总体设计方案总体设计方案 根据设计要求，侧铣头能够在横向和纵向进行切削进给，即在X向和Z向进行切削进 给。为实现这两个运动，所以将侧铣头主要分为实现纵向运动的垂直导轨和实现横向运 动的水平滑枕两部分。同时需要在这两部分上安装有实现的导轨，考虑到此数控机床是 一台重型数控龙门铣床， 侧铣头本身有很大的重量并且在加工过程中要受到很大的切削 力的作用，这就要求所选择的导轨必须能够承受很大的重力及较高的刚度，除此之外， 因为本数控机床要求有很高的加工精度， 根据这一点本设计采用承载能力大结构简单刚 性好的贴塑滑动式矩形导轨， 在这之中之所以采用贴塑方式是因为普通的滑动导轨摩擦 系数大，容易产生爬行现象，而贴塑导轨具有摩擦系数小、抗咬合磨损性能好、不易爬 行、工艺性能好等优点，但是由于矩形导轨磨损后不能自动补偿间隙，这就会影响加工 精度和定位精度，因此对于导轨主要承载面需要有间隙调整装置，在本设计中，采用斜 镶条对其进行调整。 对于主轴的运动， 初步考虑了两种方案： 一、 采用电动机通过联轴器带动主轴运动； 二、 采用电动机通过同步带带动主轴运动。 但是考虑到此设计是一台重型数控龙门铣床， 侧铣头本身有很大的重量并且在加工过程中要受到很大的切削力的作用， 要带动侧铣头 东北大学毕业设计（论文） 第二章 总体方案设计 - 7 - 运动并实现进给，这就要求选择功率很大的电动机，而这就导致电动机有很大的结构尺 寸，如果采用联轴器进行连接，势必会增加侧铣头的结构尺寸，从而导致侧铣头重量的 增加浪费原材料。而采用同步带传动，可以将电动机放置在侧铣头结构以外，这不但会 减小侧铣头的结构尺寸， 同时也大大降低了原材料的使用； 除此之外， 采用同步带传动， 还具有传动比准确，传动效率高，噪音小的优点。这符合经济环保的要求。为保证加工 精度，在这部分设计中，主轴采用高精密主轴B50-190。 为了实现横向进给运动，也初步考虑了两种方案：一、采用电动机通过联轴器与滚 珠丝杠螺母副连接带动水平滑枕运动；二、采用电动机通过同步带与滚珠丝杠螺母副带 动水平滑枕运动。如果采用联轴器连接的方式，就要将电动机及联轴器安置在水平滑枕 的尾部，而一个大功率的电动机有很大的重量，这样就会导致水平滑枕尾部承受很大的 重力，从而产生很大的扭矩，这对实现水平滑枕的运动精度、定位精度产生影响，并会 导致摩擦性能的降低，而且为实现设计要求，水平滑枕需要有很长的结构尺寸，如果在 将电动机放置在水平滑枕尾部，这就增加了整体机床的安装空间；而采用电动机通过同 步带与滚珠丝杠螺母副带动水平滑枕运动的方式，可以将电动机放置在垂直导轨上，这 无疑可以减少安装空间，而且合理利用空间。之所以采用滚珠丝杠螺母副进行传动，是 因为它具有摩擦损失小，传动效率高；摩擦阻力小，动静摩擦力之差极小，因而运动灵 活、平稳、低速时不易产生爬行、且磨损小、精度保持性好、寿命长；丝杠螺母之间进 行消隙或预紧，可以消除反向间隙、市反向无死区，定位精度高、轴向刚度大；传动具 有可逆性，即能将旋转运动转换为直线运动等优点，此设计中采用的滚珠丝杠螺母副是 BNFN 5020-2.5。 对于主轴电动机的选择，初步选用西门子公司生产的风冷式交流感应电动机。对于 伺服进给电动机，初步选用西门子公司生产的自冷式三相交流同步伺服电动机。交流伺 服电动机结构简单、体积小、制造成本低；其没有电刷和换向器，不需要经常维护，没 有直流伺服电动机因换向火花影响运行速度提高这种限制。 为了提高水平滑枕的X方向定位精度，在该方向上安装直线光栅尺进行位置检测并 构成闭环控制系统。闭环控制系统可以消除整个系统的误差，包括机械系统的传动误差 等，其控制精度和动态性能都比较理想，但是系统结构复杂，安装和调试比较麻烦，成 本高。 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 8 - 第三章第三章 伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算 3.1 滚珠丝杠副的选择计算滚珠丝杠副的选择计算 311 已知参数已知参数 丝杠的公称直径 50mm，导程 20mm，螺纹长度 1245mm，BNFN5020- 2.5。 312 切削力的确定切削力的确定 按照立铣（不对称顺铣）计算各向分力，如下图所示：已知主切削力( )NFc5000= 图 2.1 铣头受力示意图 取 ( )NFF ca 200050004 . 04 . 0= ( )NFF cH 400050008 . 08 . 0= ( )NFF cve 400050008 . 08 . 0= 313 滚珠丝扛螺母副的设计、计算滚珠丝扛螺母副的设计、计算 （1） 计算进给牵引力计算进给牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和 切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此其数值的大小与导轨的类型有关，此处为贴塑矩 形导轨，则( )NFm的计算公式为： () xyFm=K F + f Fz+F +Ggg (3.1) 其中， x F 、 y F 、 z F 各向切削分力，( )N ； G 移动部件的重量，( ) N ； 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 9 - f 导轨上的摩擦系数，随导轨形势而不同，取 0.05； K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，取 1.1。 () () () xyFm=K F + f Fz+F +G =1.1 2000 + 0.05 40004000 1000 9.8 =3090 N + gg （2）计算最大动负载）计算最大动负载 C 选用滚珠丝杠副的直径 0 d 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万 转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受 的最大动负载 C，可用下式计算： C L f Fm= 3 (3.2) 式中：L寿命，以10 6 为一单位， L nT = 60 106 n丝杠转速， （r/min） ，用下式计算 S v n s 1000 = vs 为最大切削力条件下的进给速度（m/min） ，可取最高进给速度的 1/21/3； S 丝杠导程， （mm） ； n丝杠转速， （r/min） ， T为使用寿命，( ) h ，对于数控机床取 T=15000h； fw 运转系数，见下表。 运转系数 运转状态 运转系数 无冲击运转 1.01.2 一般 运 转 1.21.5 有冲击运转 1.52.5 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 10 - 计算：计算： 250r/min 20 510001000 = S v n s 225 10 1500025060 10 60 66 = Tn L () 33 2252.5 309047 m CL f FKN = 计算结果小于丝杠额定动载荷 72.5KN，满足要求。 （3）传动效率计算）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： )tan( tan + = r r (3.3) 式中： 摩擦角， 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=f0.0030.004， 摩擦角约为10, 即 0.1667 r 丝杠螺旋升角 丝杠中径 52.7dmm= tanacrr = S d tanacr= 20 52.7 = 6.8880 = )tan( tan +r r = tan6.8880 tan(6.88800.1667 ) + = 0.976 （4）刚度计算）刚度计算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性， 因此应考虑以 下引起轴向变形的因素： 丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠的拉伸或压缩变形量1： 在总的变形量中占的比重较大，可以用计算方法确定。 先用下式计算滚珠丝杠受工作负载 m F 的作用引起导程S的变化量()mmL在计算 滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量1（两端固定） ： EF SF L m 4 = (3.4) 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 11 - 式中， L在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量， （mm） ； Fm 工作负载，即进给牵引力，( ) N ； S滚珠丝杠的导程， （mm） ； E 材料弹性模数，对钢E =206104. （ 2 mmN） ； F滚珠丝杠截面积（按内径确定） （mm2） “+”号用于拉伸， “- ”号用于压缩。 () 4 52 .3090 20 0.52 10 1 4 4 2.06 1042.9 4 m F S Lmm EF = = = 计算滚珠丝杠在总长度上拉伸或压缩的变形量1 () 5 1 0 5.2 10 12450.00324 20 L Lmm L = （3.5） 式中：L滚珠丝杠在支承间的受力长度，()mm 。 根据实用机床设计手册滚珠丝杠副的传动刚度主要由丝杠本身拉压刚度，丝杠 副内的接触刚度，轴承和轴承座刚度，因此近似取拉压刚度的 1/3(变形近似为拉压变形 的 3 倍)。 () 1 33 0.003240.00970.02 mm = =， 符合要求定位精度()mm300/005 . 0 。 3.2 进给伺服系统传动计算进给伺服系统传动计算 3.2.1 电动机选择电动机选择 1、初选电动机和减速器、初选电动机和减速器 （a）电动机和减速器参数）电动机和减速器参数 电机西门子 1FK7101- 5AF7：额定转速 3000r/min，最大输出静力矩()mN.27，额定 转矩()mN. 5 . 15，自身惯量() 2 .0.00799mKg。 减速器：LP155- M01，转动惯量() 2 0.002573mKg ，5=i。 （b）转动惯量的计算）转动惯量的计算 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 12 - 丝杠导程mmS20=，公称直径为 50mm。 max max max 0.020 5 10 nsn i v =，取()min/2500 max rn= 工作台重量 M=1000 Kg。 2 12 2 1 2 Ms S JJJJJJM i =+ 减速器电机 (3.6) 其中丝杠的转动惯量： () 4124122 0.77100.77 501245 100.0060. s JD LKg m = 电机轴同步带轮的转动惯量： () () () () () () () () 2 22 1 2 22 22 22 22 22 2 2 7800 3.140.0550.0190.056 0.0550.019 2 7800 3.140.0550.0090.012 0.0550.009 2 7800 3.140.0390.0190.018 +0.0390.019 2 0.00620.00130.0005 0.008. m JRr kg m =+ =+ + + =+ = 丝杠同步带轮的转动惯量： () () () () () () 2 22 2 2 22 22 22 2 2 7800 3.140.0550.01750.047 0.0550.0175 2 7800 3.140.0550.0070.012 0.0550.007 2 0.00520.0013 0.0065. m JRr kg m =+ =+ + =+ = 则： 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 13 - () 2 12 2 2 3 2 2 1 2 120 10 0.009230 0025730 00600.0080.0065 1000 52 0.01369. Ms S JJJJJJM i . =Kg m =+ =+ 减速器电机 惯量匹配 0.00799/0.013690.58 J J = 电机 ，符合要求。 0.00923/0.013690.67 J J = 电机 （c）电机力矩的计算）电机力矩的计算 快速空载起动时所需力矩快速空载起动时所需力矩 起 M: 0max MMMM f += 起 (3.7) 式中， M起 快速空载起动力矩，()mN.； max M 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩，()mN.； f M 折算到电机轴上的摩擦力矩，()mN.； M0 由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩，()mN.； () max 0.01369 2500 21.39. 1 9.6 9.6 6 J n MN m T = 上式中 T时间常数 摩擦力矩()mNM f .： () 0 0.05 1000 9.8 0.020 0.39. 220.8 5 f F S MN m i = 0 F 导轨摩擦力（N） ，空载快速起动时； 传动链总效率，一般可取85 . 0 7 . 0。 附加摩擦力矩 0 M().N m : 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 14 - () () () 23 max 00 23 110 2 1 3090 20 3 1 0.910 2 3.14 0.8 5 0.159. a FS M i N m = = = maxa F 滚珠丝杠预加载荷，一般取 m F 3 1 ， m F 为进给牵引力( )N 。 S滚珠丝杠导程( )mm ； 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取009 . 空载快速启动所需力矩M起： () max0 21.390.390.15921.94. f MMMMN m=+=+= 起 21.94Nm小于电机输出最大静转矩27Nm，电机满足使用要求。 最大切削负载时所需力矩最大切削负载时所需力矩 切 M: M MMM ft 切 =+ 0 （3.8） Mt 折算到电机轴上的切削负载力矩，()mN.： () 5000 0.02 3.98. 22 3.14 0.8 5 t t FS MN m i = 式中： t F 进给方向最大切削力( )N ； 最大切削负载时摩擦力矩 Mf，()mN.： () () 0 0.0540004000 1000 9.80.02 0.708. 220.8 5 f F S MN m i + = 附加摩擦力矩 0 M : () () () 23 max 00 23 110 2 1 3090 20 3 1 0.910 2 3.14 0.8 5 0.159. a FS M i N m = = = 最大切削负载所需力矩最大切削负载所需力矩 M切 切： 0 0.7080.1593.984.85(. ) ft MMMMN m=+=+= 切 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 15 - （d）加速运行加速度）加速运行加速度 计算折算到电机轴的等效转矩 )( 5 . 463 5 . 15 3NmTTe= 计算工作台空载加速度 电机轴角加速度： 2 146.510.02 2.26(/)0.23 20.0131152 eh e TP am sg Ji = = 2、更换电动机和减速器、更换电动机和减速器 （a）电机和减速器参数）电机和减速器参数 电机西门子 1FK7100- 5AF7：额定转速 3000r/min，最大输出静力矩()mN.18，额定 转矩()mN.12，自身惯量() 2 .0.00553mKg。 减速器：LP155- M01，转动惯量() 2 0.002573mKg ，5=i。 （b）转动惯量的计算）转动惯量的计算 丝杠导程mmS20=，公称直径为 50mm。 max max max 0.02 5 10 nsn i v =，取()min/2500 max rn=， 工作台重量 W=1000 Kg。 2 12 2 1 2 Ms S JJJJJJM i =+ 减速器电机 其中丝杠的转动惯量： () 4124122 0.77100.77 501245 100.0060. s JD LKg m = 则： () 2 2 2 3 2 2 1 2 120 10 0 006770 0025730 00600.0080.0065 1000 52 0 01058. Ms S JJJJM i . = . Kg m =+ =+ 减速器电机 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 16 - 惯量匹配 0.00677/0.010580.63 J J = 电机 ，符合要求。 （c）电机力矩的计算）电机力矩的计算 快速空载起动时所需力矩快速空载起动时所需力矩 起 M: 0max MMMM f += 起 式中， M起 快速空载起动力矩，()mN.； max M 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩，()mN.； f M 折算到电机轴上的摩擦力矩，()mN.； M0 由于丝杠预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩，()mN.； () max 0.01058 2500 16.53. 1 9.6 9.6 6 J n MN m T = 上式中 T时间常数 摩擦力矩摩擦力矩()mNM f .： () 0 0.39. 2 f F S MN m i = 0 F 导轨摩擦力（N） ，空载快速起动时； 传动链总效率，一般可取85 . 0 7 . 0。 附加摩擦力矩附加摩擦力矩 0 M : () () () 23 max 00 23 110 2 1 3090 20 3 1 0.910 2 3.14 0.8 5 0.159. a FS M i N m = = = maxa F 滚珠丝杠预加载荷，一般取 m F 3 1 ， m F 为进给牵引力( )N 。 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 17 - S滚珠丝杠导程( )mm ； 0滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取009 . 空载快速启动所需力矩： () max0 16.530.390.15917.08. f MMMMN m=+=+= 起 17.08Nm小于电机输出最大静转矩18Nm，电机满足使用要求。 （d）加速运行加速度）加速运行加速度 计算折算到电机轴的等效转矩计算折算到电机轴的等效转矩 )(36312 3NmTTe= 计算工作台空载加速度计算工作台空载加速度 电机轴角加速度： 2 13610.02 2.3(/)0.234 20.01052 eh e TP am sg Ji = = （e）最大运行速度：）最大运行速度： 3000 max0.0212(/min) 5 n Vsm i =g，满足设计要求。 3.2.2 同同步带步带的设计计算的设计计算 （1） 初初步步选择基本参数数选择基本参数数据据 带轮传动中心距 224mm，同步带规格：800- 8M，慈溪恒力。 带轮：8- M，44 齿，慈溪恒力。 按照圆弧齿计算，8M 型，基本参数如下：传动比1i =， 节距8= b pmm，齿形角 o 142=，齿根厚 s=5.15mm，齿高 1 3.36h =mm，齿根角半径 76 . 0 64 . 0 = r rmm，齿顶园半径46 . 2 = a rmm，带高0 . 6= s hmm。 （2） 同同步带步带的选择计算的选择计算 从动带轮节径 1 112.05d =mm，外径 1 110.67 o d=mm， 主动带轮节径2112.05d =mm，外径 2 110.67 o d=mm. 东北大学毕业设计（论文） 第三章 伺服系统机械部分设计计算 - 18 - 初定中心距： ()() 21021 27 . 0ddadd+ （3.9） 即 ()() 0 0 7112.05 112.052112.05 112.05.+a + 0 156.87448.2a 取 0 a =224mm。 带的节线长度： () () () () () 2 21 0012 0 2 2 24 112.05 112.05 2 224112.05 112.05 24 300 4483520 800 p dd Ladd a mm =+ =+ =+ = （3.10） 选择()800 p Lmm=，齿数100 b z = 实际中心距按照可调方式： () 0 0 800800 224224