加工中心进给系统毕业设计说明书.doc

摘摘 要要 随着科学与技术的发展 加工技术在世界的工业范围内都有了显著的提高 而我 国以加工中心为代表的高自动化 高附加值 高利润的机床产品却远远落后于世界机 床同行 随着中国经济的持续发展 机床行业的全球化 以及在政府加强自主知识创新 举措的鼓励下 投资开发加工中心等高档机床的时机趋于成熟 本次设计是设计铣床的 X Y 轴进给系统及其仿真 首先 了解铣床的结构 确定 方案 其次 选择滚珠丝杠 步进电机和消隙齿轮等零件 来达到提高传动精度 减 小加工误差的目的 本次设计的结果可以顺利达到设计任务的要求 完成 X Y 两方向 单独运行和同时运行 提高了加工效率 论文研究完成了基于虚拟样机的网架节点球立式加工中心本体设计 X 轴和 Y 轴及 其仿真设计 形成机床详细结构设计的指导文件 为设计的全面铺开实施奠定了基础 关键词 立式加工中心 机床结构 总体设计 进给系统 Abstract With the development of science and technology processing technology in the world with the industry wide have improved significantly In China the representative of a processing center for high automation high value added high profit machine the world has fallen far behind the peer machine With China s sustained economic development the globalization of the machine tool industry as well as knowledge of the Government to strengthen the autonomy of the encouragement of innovation investment and development centers such as processing time for high end machine tools mature The design is the design of the xy axis milling machine feed system and its simulation First of all to understand the structure of milling machine to determine the program Secondly the choice of ball screws stepper motors and anti backlash gear such as spare parts to achieve to improve the accuracy of transmission the purpose of reducing the processing error The results can be successfully designed to meet the design requirements of the task the completion of X Y two directions at the same time running a separate operation and improved processing efficiency Completion of the study paper based virtual prototyping of network nodes Ontology ball vertical machining center design X axis and Y axis and the simulation design detailed structural design of machine tools to form the guiding document for the design of the implementation of a comprehensive way and laid the foundation Key words Vertical Machining Center machine structure design feeding system 目目 录录 摘摘 要要 1 ABSTRACT 2 目录目录 3 绪绪 论论 4 1 1 课题背景和目的 4 1 2 国内外研究现状及发展趋势 4 1 2 1 我国加工中心的研究现状 4 1 2 2进给系统的发展现状 5 1 2 3加工中心的发展趋势 6 2 总体设计总体设计 7 2 1 总体设计方案的确定 7 2 2 床身设计 7 2 3 导轨设计 8 3 进给系统设计进给系统设计 9 3 1 Y 轴 纵向 传动部分的设计 10 3 1 1 切削力的计算 10 3 1 2 滚珠丝杆的选择计算 11 3 1 3 传动齿轮选择 15 3 1 4 滚动轴承的选择 16 3 1 5 伺服系统选择计算 17 3 2 X 轴 横向 传动部分的设计 21 3 2 1 切削力的计算 21 3 2 2 滚珠丝杆的选择计算 21 3 2 3 传动齿轮选择 24 3 2 4 滚动轴承的选择 24 3 2 5 伺服系统选择计算 25 总总 结结 29 致致 谢谢 30 参考文献参考文献 31 绪绪 论论 1 1 课题背景和目的课题背景和目的 数控加工是机械制造业中的先进加工技术 在生产企业中 数控机床的使用越来 越广泛 企业要在当前市场需求多变 竞争激烈的环境中生存和发展 就需要迅速地 更新企业产品 以最低价格 最好质量 最短时间取满足市场需求的不断变化 普通 机床已不能很好的适应多品种 小批量的生产要求 数控机床则可以满足这些要求 加工中心是数控机床中功能较全 加工精度较高的工艺装备 它主要用于箱体类 零件和复杂曲面零件的加工 能把铣削 镗削 钻削 攻螺纹和车螺纹等功能集中于 一台设备上 加工中心已成为现代机床发展的主流方向 广泛应用于机械制造中 与 普通传统的机床相比 加工中心有工序集中 加工精度高 适应性强 生产效率高 经济效益好 劳动强度低 有利于生产管理现代化等优点 所以加工中心一直都是受 到企业的高度重视 采用加工中心 可以降低工人的劳动强度 节省劳动力 一个人可以看管多台机 床 减少工装 缩短新产品试制周期和生产周期 可对市场需求作出快速反应 此外 机床数控化还是推行 FMC 柔性制造单元 FMS 柔性制造系统 以及 CIMS 计算机 集成制造系统 等企业信息化改造的基础 数控技术已经成为制造业自动化的核心技 术和基础技术 由于以上优越性 加工中心所占的比例逐渐增大 在这样的背景下 我选择设计一台加工中心的 X Y 轴 此外 熟悉国内外数控技 术及加工中心的现状及发展趋势 增强对如何发展民族加工中心产业的感性认识 1 2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 我国加工中心的研究现状我国加工中心的研究现状 我国从 1958 年开始研究数控机床 一直到 20 世纪 60 年代中期还处于研制 开发 时期 当时 一些高等院校 科研单位研制出试验性样机 是从电子管起步的 目前我国加工中心生产厂家有 100 多家 生产加工中心配套产品的企业有 300 余 家 产品品种包括八大类 2000 种以上 目前以新开发出数控系统 80 余种 分为 3 种 型级 即经济型 普及型和高级型 在 20 余年间 加工中心的设计和制造技术有较大提高 主要表现在三大方面 培 训一批设计 制造 使用和维护的人才 通过合作生产先进加工中心 使设计 制造 使用水平大大提高 缩小了与世界先进技术的差距 通过利用国外先进元部件 数控 系统配套 开始能自行设计及制造高速 高性能 五面或五轴联动加工的加工中心 供应国内市场的需求 但对关键技术的试验 消化 掌握及创新却较差 至今许多重 要功能部件 自动化刀具 数控系统依靠国外技术支撑 不能独立发展 基本上处于 从仿制走向自行开发阶段 与日本加工中心的水平差距很大 存在的主要问题包括 缺乏象日本 机电法 机信法 那样的指引 严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人 缺少深入系统的科研工作 元部件和数控系统不配套 企业和专业间缺乏合作 基本 上孤军作战 虽然厂多人众 但形成不了合力 随着科技的发展 我国在数控技术与装备的发展得到了高度重视特别是在通用微 机数控领域 以 PC 平台为基础的国产数控系统 已经走在了世界前列 但是 我国在 数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题 特别是在技术创新能力 商品化进程 市场占有率等方面情况尤为突出 我们的大多数制造行业和企业的生产 加工装备绝 大数是传统的机床 而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床 用这种装备加工出来 的产品国内 外市场上缺乏竞争力 直接影响一个企业的的生存和发展 所以必须大 力提高机床的数控化率 在新世纪到来时 如何有效解决这些问题 使我国数控领域 沿着可持续发展的道路 从整体上全面迈入世界先进行列 使我们在国际竞争中有举 足轻重的地位 将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务 1 2 2 进给系统的发展现状进给系统的发展现状 加工中心的进给传动系统一般均采用进给伺服系统 这也是加工中心区别于普通 车床的一个特殊部分 加工中心的伺服系统一般由驱动控制单元 驱动元件 机械传动部件 执行件和 检测反馈环节等组成 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统 机械传动部件和 执行元件组成机械传动系统 检测元件与反馈电路组成检测系统 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统 闭环控制方式通常 是具有位置反馈的伺服系统 根据位置检测装置所在位置的不同 闭环系统又分为半 闭环系统和全闭环系统 半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴 端两种类型 前者把丝杠包括在位置环内 后者则完全置机械传动部件于位置环之外 全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上 机械传动部件整个被包括在位置环之内 开环系统的定位精度比闭环系统低 但它结构简单 工作可靠 造价低廉 由于 影响定位精度的机械传动装置的磨损 惯性及间隙的存在 故开环系统的精度和快速 性较差 全闭环系统控制精度高 快速性能好 但由于机械传动部件在控制环内 所以系 统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数 而且还与机械传动部件的刚度 阻 尼特性 惯性 间隙和磨损等因素有很大关系 故必须对机电部件的结构参数进行综 合考虑才能满足系统的要求 因此全闭环系统对机床的要求比较高 且造价也较昂贵 闭环系统中采用的位置检测装置有 脉冲编码器 旋转变压器 感应同步器 磁尺 光栅尺和激光干涉仪等 加工中心的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机 伺服电机有直流伺服电 机和交流伺服电机之分 交流伺服电机由于具有可靠性高 基本上不需要维护和造价 低等特点而被广泛采用 1 2 3 加工中心的发展趋势加工中心的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 使制造业成为工业化的 象征 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 它对国计民生的一些重要行 业 IT 汽车 轻工 医疗等 的发展起着越来越重要的作用 因为这些行业所需装 备的数字化已是现代化发展的大趋势 随着科学技术的不断发展 对机械产品的质量和生产率提出了越来越的要求 产 品的更新换代也不断加快 数控机床在机械加工行业中应用越来越广泛 数控机床的 发展 除要满足多功能 高性能的要求外 还要具有自动加工的基本功能 操作 维 修方便 在数控加工中心发展的本个多世纪的历程中 世界先进制造技术的兴起和不断成 熟 电子的迅速发展 以及各种性能良好的传感器的出现和运用 使加工中心功能日 益完善 自动化 智能化程度越来越高 加工中心正朝着高速化 高精度化 多功能 化 智能化 系统化及高可靠性方向发展 2 总体设计总体设计 2 12 1 总体设计方案的确定总体设计方案的确定 初步确定设计的任务后 初步拟定三种传动方案 即 1 电机直接与丝杠相连 2 电机通过同步带的传动带动丝杠转动 3 电机通过齿轮传动带动丝杠转动 数控机床按 控制方式分为开环 闭环 半闭环 由于采用直流式交流伺服电机的闭环控制方案 结构复杂 技术难度大 调试和维修困难 造价也高 闭环控制可以达到很好的机床 精度 能补偿机械传动系统中各种误差 消除间隙 干扰等对加工精度的影响 一般 应用于要求高的数控设备中 由于所改造的数控钻床加工精度不十分高 采用闭环系 统的必要性不大 若采用直流或交流伺服电机的半闭环控制 精度较闭环控制的查 但是稳定性好 成本较低 调试维修较容易 但是对于经济型数控机床来说必要性不 大 故在本次设计中 采用开环控制步进电机驱动即保证改造后的性能不低于原钻床 又保证较高的性价比 在本次设计中采用它带动 X Y 向工作台移动 传动方案 1 的结构简单 三是消除 由步进电动机引起的振动等现象能力较差 故在本次设计中不采用方案 2 同步带传动 保持恒定传动比 传动精度高工作平稳 结构紧凑 无噪声 有良好减振性能 但制 造工艺比较复杂 传递功率较小 寿命较低 故在本次设计中不易采用 所以本次设 计中采用齿轮传动 其主要特点是效率高 结构紧凑 工作可靠 寿命长 传动比稳 定 传动过程中采用消隙齿轮 消除正反转齿轮间隙提高传动精度 性价比高 在本次毕业设计的工作过程中 技术方面应用滚珠丝杠 工作方式为滚珠丝杠转 动 滚珠丝杠副螺母移动 可以提高加工精度 在可拆卸方面考虑了许多因素由于设 计经验不足 在快卸方便性上考虑有时略有纰漏 在经济性方面采用反应式步进电动 机其性价比高 在满足精度的前提下减少了生产成本 材料的使用上采用了较为广泛 应用的 45 号钢加工成本低且避免使用有毒害的材料污染环境 还可以回收应用 在环 境方面应用消隙齿轮可以有效的降低噪音减少对人体的危害 2 2 床身设计床身设计 机床的床身是整个机床的基础支承件 是机床的主体 一般用来放置导轨 等重 要部件 床身的结构对机床的布局有很大的影响 按照床身导轨面与水平面的相对位 置 立式加工中心通常采用固定立柱式 主轴箱吊在立柱一侧 其平衡重锤放置在立 柱中 工作台为十字滑台 可以实现 X Y 两个坐标轴的移动 主轴箱沿立柱导轨运动 实现 Z 坐标移动 本设计中采用加工中心床身取 T 字型结构 立柱固定在其上面 工 作台用十字滑台 在床身导轨上做 X Y 两向移动 主轴箱沿立柱导轨做 Z 向移动 2 3 导轨设计导轨设计 导轨一般可分为滑动导轨和滚动导轨两种 滑动导轨具有结构简单 制造方便 接触刚度大等优点 但传统滑动导轨摩擦阻 力大 磨损快 动 静摩擦系数差别大 低速时易产生爬行现象 目前数控机床已几 乎不采用传统滑动导轨 而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动 导轨 它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点 滚动导轨的优点是摩擦系数小 动 静摩擦系数很接近 不会产生爬行现象 可以使用油脂润滑 这次设计中采用的是滚动直线导轨 3 进给系统设计进给系统设计 数控机床的进给系统必须保证由数控装置发出的控制指令转换成速度符合要求的 相应角位移或直线位移 带动运动部件运动 根据工件加工的需要 在机床上各运动 坐标的数字控制可以是相互独立的 也可以是联动的 总之 数控机床对进给系统的 要求集中在精度 稳定 和快速响应三个方面 为满足这种要求 首先需要高性能的 伺服驱动电动机 同时也需要高质量的机械结构与之匹配 为提高进给系统机械结构 性能主要采取措施有 1 提高系统机械结构的传动刚度 2 采用低而稳定的摩擦传动副 数控机床进给系统多采用刚度高摩擦因数小而稳定的滚动摩擦副 如滚珠丝杠螺母副 直线滚动导轨等 3 惯量匹配 最佳惯量匹配目的是为保证伺服驱动电机的工作性能 和满足传动系统对控制指令的快速响应的要求 4 提高传动件精度 高质量的机械传 动配合与高性能的伺服电动机使现代数控机床进给系统性能有了大幅度提高 立式加工中心的进给伺服系统特别是进给系统的传动精度及效率是性能的重要组 成部分 为了保证加工中心进给伺服系统工作的精度 刚度和稳定性 对进给系统结 构的要求是高精度 高刚度 低摩擦和低惯量 设计过程中要尽可能的增大驱动力矩 提高传动效率 消除反向间隙 增强自动平衡等 拟定的主要参数如下 工作台尺寸 长 X 宽 500900 mm 工作台行程 X 向 600mm 工作台行程 Y 向 500mm 主轴头垂直行程 Z 向 500mm 主轴端面距工作台面距离 680 180mm 主电机功率 5 5 kW 主轴转速范围 无级调速 3000 63min r 主轴最大输出扭距 150 NM 主轴最大轴向抗力 10000N 快速移动速度 X Y Z 方 向 X Y Z 12min m6min m 进给速度范围 2500 1min mm 工作台承重 400kg 刀柄 BT40 坐标定位精度 X Y Z 025 0 022 0 重复定位精度 X Y Z 015 0 012 0 坐标控制 三轴控制 数控系统 SIEMENS 802D 3 1 Y 轴 纵向 传动部分的设计轴 纵向 传动部分的设计 设计过程中 采用步进电动机和滚珠丝杆副 步进电动机与丝杆之间的传动采用 齿轮一级传动式 在设计步进电动机与丝杆的连接时 尽量减少传动间隙 轴承采用 能达到精度要求的 3 1 1 切削力的计算切削力的计算 采用的进给机械简图如图所示 切削功率 C P 由 机床设计手册 可知切削功率 3 C PP K 1 式中 主轴电动机功率 PP5 5kW 主传动系数总功率 一般为 取 85 0 75 0 8 0 进给系统功率系数 取 KK96 0 则 C P96 0 8 05 5 kW22 4 kW 切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大铣削力 或转矩 和最大切削转 速 或转速 来计算 若按最大切削速度来计算 取切削速度 根据公 100min m 式 3 C P 60 z F 10 3 电动机消隙齿轮滚珠丝杆螺母副工作台 2 式中 主切削力 Z FN 切削速度 min m 则主切削力为 Z F C P60 3 10 100 1022 4 60 3 N2532N 根据 机床设计手册 可得 纵向切削分力 X F 9 0 6 0 Z F 横向切削分力 Y F 65 0 5 0 Z F 取 X F6 0 Z FN25326 0 N 2 1519 Y F5 0 Z FN25325 0 N1266 3 1 2 滚珠丝杆的选择计算滚珠丝杆的选择计算 滚珠丝杆螺母副 是在丝杆和螺母间 以滚珠为滚动体的螺旋传动机构 是回转 运动和直线运动相互转换的一种新型传动装置 其结构的主要特点是普通丝杆螺母间 的滑动摩擦转变为滚动摩擦 因而摩擦系数小 且它的传动负载比梯形的滑动丝杆要 大得多 精度又高 平稳性好 在设计过程中 滚珠丝杆的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况 计算出 丝杆工作时的最大载荷及丝杆的工作寿命等参数进行选择 最大动载荷必须小于丝杆 的额定动载荷 滚珠丝杆螺母副是标准化生产 其规格型号都按国家标准 其选择的 详细计算如下 1 工作负载计算 计算进给牵引力 可根据 机床设计手册 中进给牵引力的实验公式计算 m F N 则 3 m FK X Ff Z FG 3 式中 切削分力 X F N 颠覆力矩影响的实验系数 KK15 1 滑动导轨摩擦因数 取 ff18 0 15 0 f16 0 工作台承重 GGN4000 则 m FNN 40002532 16 0 2 151915 1 N 2 2792 2 滚珠丝杆寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杆螺距计算出丝杆的转速 再根据丝杆转速计算出丝杆的 寿命 滚珠丝杆转速 n 3 n o f P 4 式中 进给速度 取 f min 60mm 滚珠丝杆的螺距 取 o Pmm6 则 n o f P min 6 60 rmin 10r 寿命计算公式 3 t 6 10 60nT 5 其中数控机床可取15000h 则T 万 t 6 10 60nT 6 10 150001060 rr万9 3 对大动载荷计算及丝杆型号选择 根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力 计算出丝杆的轴向载荷 再计算 出丝杆副应能承受的最大动载荷C 最大动载荷计算公式 3 C mHw Ffft 3 6 式中 寿命 以为 单位 t 6 101 运转系数 按一般运转 取 w f w f5 1 2 1 w f2 1 硬度系数 为时 小于时 这里取 H fHRC60 H f1HRC60 H f1 H f1 进给牵引力 m F 则 C mHw Ffft 3 2 279212 19 3 82 6976 根据的原则 使选取的滚珠丝杆的额定动载荷大于计算的最大工作动载荷 a CC 查 现代实用机床设计手册 可知 可选择滚珠丝杆的型号为 CDM3206 5 P4 其 公称直径为 其额定动载荷为 强度满足要求 mm32NN82 697626250 CDM3206 5 P4滚珠丝杆的参数数值如下表 表表3 3 1 1 CDM3206 5 P4滚珠丝杆具体参数滚珠丝杆具体参数 公称 直径 mm 基本 导程 mm 钢球 直径 mm 丝杆 外径 mm 螺纹 底径 mm 额定动 载荷 N 额定静 载荷 N 接触刚度 mN 滚珠丝 杆型号 0 d 0 P W D 1 d 2 d 循环 圈数 a C a C0 R CDM32065P4326969 3 5 31 1 2725 1 262507663176631 4 效率计算 根据 机械原理 丝杠螺母副的传动效率的计算公式为 3 tan tan 7 式中 为丝杆螺旋升角 根据计算得 0 0 14 3 arctan d P 253o 为摩擦角 取 10 则 10 253tan 253tan o o 953 0 5 刚度验算 滚珠丝杆工作时受轴向力和转矩的作用 将引起导程的变化 因滚珠丝杆受转 0 P 矩时引起的导程变化很小 可以忽略不记 所以工作负载引起的导程变化量为 3 0 P EA PFm 0 8 式中 滚珠丝杆导程 取 0 Pmm6cm6 0 材料弹性模量 对于钢 取 EMPa 4 10 6 20 26 10 6 20cmN 滚珠丝杠截面积 按丝杆螺纹底径确定 即 则A 2 dcm71 2 A 22 2 d14 3 2 71 2 2 2 765 5 cm 所以 0 P 765 5 10 6 20 6 0 2 2792 6 cm 5 1041 1 滚珠丝杆受转矩引起的导程变化量很小 可以忽略不计 即 所以导 P 1 P P 程变形总误差为 总 P 3 总 P 0 0 P P P 总 9 式中 Y 轴 纵向 最大行程 由拟定参数 总 P 中可知 总 Pmm50050cm 则 总 P 0 0 P P P 总5 1041 1 6 0 50 mm 75 11 由 现代实用机床设计手册 可知 4 级精度丝杆允许的螺距误差为 故此丝杆精度足够 mmmm 75 11 33 3 1 3 传动齿轮选择传动齿轮选择 齿轮传动比的计算 传动比计算公式为 3 i 0 360 P b p o 10 式中 步进电动机的步距角 b 丝杆螺距 0 P 脉冲当量 p 根据系统的脉冲当量 一般情况下普通数控机床取 步 选步进电动机 p 01 0 mm 的步距角 则 b o 75 0 0 Pmm6 i 0 360 P b p o 675 0 01 0 360 8 0 可选定齿轮齿数为 i 2 1 Z Z 40 32 由于进给运动齿轮受力不大 且根据优先选用第一系列的原则 可取模数 m 齿轮传动效率 由经验公式可知 齿宽 则分度圆直径分别mm2 i 98 0 bmm20 为 1 d 1 Zm232 mm64 2 d 2 Zm240 mm80 中心距为 a 2 21 ZZm 2 4032 2 mm72 3 1 4 滚动轴承的选择滚动轴承的选择 传动系统的平稳性事检测数控机床性能的一项重要指标 设计过程中要保证加工 的可靠性 轴承的刚度太高 则会造成物不尽其用 增加设计成本 太低会影响到丝 杆的传动精度和寿命 滚珠丝杆螺母副传递驱动力矩 驱动其来回移动 因此丝杆必须采用三点式支撑 方式 各方向传动系统的丝杆采用一端轴向固定 另一端浮动的结构形式 使丝杆轴 向留有移动的空间 这种安装方式可以减少机床的振动和传动的误差 避免轴承卡死 的情况发生 适用于较长的卧式安装丝杆 根据额定载荷承载能力在固定端采用一对 角接触球轴承76020225TVP 面对面组配 成对使用能限制两个方向的轴向位移 浮 动端支撑采用6205 P5型深沟球轴承 只承受丝杆的重力 根据查得的具体的轴承参数可知 76020225TVP 轴承的额定载荷 CN26000 而牵引进给力 因此76020225TVP 轴承的承载能力满足要求 m FN 2 2792C m F 6205 P5轴承的额定载荷 所以6205 P5轴承的承载能力也满足CN10800C m F 要求 76020225TVP 轴承的具体参数如下表 表表3 3 2 2 76020225TVP 轴承的具体参数轴承的具体参数 尺寸 mm额定载荷 N 极限转速 min r 安装尺寸 mm 轴承型号 dDBC 0 C 预紧 载荷 N 脂 质量 kg 1 D 2 D g r 7602030TVP2562172850058500330022000 14438521 6205 P5型深沟球轴承的具体参数如下表 表表3 3 3 3 6205 P5型深沟球轴承的具体参数型深沟球轴承的具体参数 尺寸 mm额定载荷 N 极限转速 min r 安装尺寸 mm 轴承型号 dDBC 0 C 预紧 载荷 N 脂油 质量 kg 1 D 2 D g r 6205 P5 255215108006950330012000150000 1330471 3 1 5 伺服系统选择计算伺服系统选择计算 伺服电动机的种类有很多 在经济型的数控化设计中常选用步进电动机 步进电 动机是将电脉冲控制信号转化成机械角位移的执行元件 通过控制输入点脉冲的数量 频率以及电动机绕组通电相序等实现单位时间内通过点脉冲越多 电动机的转速越高 选择私服电动机应考虑三个要求 1 最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩 2 电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配 3 快速移动时 转矩步得超过伺服电动机的最大转矩 1 负载转动惯量计算 负载转动惯量计算可以通过折算到步进电动机轴上的转动惯量计算 计算公式为 3 F J 1 J 2 32 i JJ gi G b 2 2 180 11 式中 折算到电动机上的转动惯量 F J 2 cmkg 齿轮的转动惯量 1 J 1 Z 2 cmkg 齿轮的转动惯量 2 J 2 Z 2 cmkg 滚珠丝杆的转动惯量 3 J 2 cmkg 计算参数 工作台 将其折算为电动机轴上的转动惯量为 GN4000 01 0 b o 75 0 gi G b 2 2 180 2 2 2 10 108 0 4000 75 0 14 3 01 0 180 2 65 3 cmkg 在本设计中 齿轮可看做材料为钢的圆柱形零件 对于材料为钢的圆柱形零件 其转动惯量计算公式为 3 J 44 108 7bd 12 式中 齿宽或者零件轴向长度 b 齿轮直径或者圆形零件的直径d 由前面的计算可知 齿轮的直径 齿轮宽度为 1 dmm64 2 dmm80 1 b 2 b 则cm2 齿轮转动惯量 1 Z 1 J 44 4 62108 7 2 62 2 cmkg 齿轮转动惯量 2 Z 2 J 44 82108 7 2 39 6 cmkg 计算丝杆转动惯量时 丝杆直径要采用其螺纹底径进行计算 由前面知道的丝杆 直径可查得其螺纹底径 长度 则丝杆加在电动机轴上的转 3 dmm 1 27 3 bmm1300 动惯量 3 J 44 71 2 130108 7 2 47 5 cmkg 则负载总转动惯量为 F J 1 J 2 32 i JJ gi G b 2 2 180 65 3 8 0 47 5 39 6 62 2 2 2 8 24cmkg 2 最大切削负载转矩计算 根据能量守恒原理 电动机等效负载转矩可按下式计算 3 m T i PF i m 0 0 2 13 取 代入前面计算所得的数据 则 0 966 0 m T 8 098 0 966 0 14 3 2 106 2 2792 3 mN 52 3 如果不考虑起动时运动部件惯性的影响 则起动转矩的计算公式为 q T 5 0 3 0 m T 取安全系数为 则5 0 q T 5 0 52 3 04 7mN 查 实用微电机手册 当步进电动机为五相十拍时 选步进电动机的起动转矩和 最大静转矩的关系为 maxj q T T 951 0 maxj T q T 951 0 04 7 mN 41 7 因数控机床对动态性能要求较高 确定电动机以最大静转矩运动时 应满足快速 空载起动所需转矩的要求 T 3 T 0max TTT fa 14 式中 快速空载起动时所需的转矩 maxa T 克服摩擦所需的转矩 f T 丝杆预紧所引起的折算到电动机轴上的附加转矩 0 T 当工作台快速移动时 电动机的转速计算公式为 3 n 0 max P i 15 式中 快速移动速度 由立式加工中心拟定参数可知为 max min 1200mm 代入之前所得的 的数据 则i 0 P n 6 8 01200 min 160r 由动力学可知 maxa T F J 其中 为加速时间常数 则 t n 30 tt025 0 s maxa T F J 025 0 30 16014 3 10 8 24 4 mN 66 1 的计算公式为 f T 3 f T i GfP i 0 0 2 16 代入数据 则 f T 8 098 0 966 0 14 3 2 10616 0 4000 3 mN 81 0 的计算公式为 0 T 3 0 T i PF i 0 00 2 17 式中 预加载荷 一般为最大轴向载荷的 即 0 F3 1 0 F m F 3 1 2 2792 3 1 73 930 则 0 T i PF i 0 00 28 098 0 966 0 14 3 2 10673 730 3 mN 92 0 所以 T 0max TTT fa 92 0 81 0 66 1 mN 39 3 2 步进电动机的最高工作频率计算 步进电动机的最高工作频率计算公式为 3 max f max1000 18 代入数据 则 max f 60 1000 max 01 0 60 121000 Hz20000 即 步进电动机的最高工作频率为Hz20000 在步进电动机的选择过程中 其输出转矩 起动频率和空载运行频率等参数都要 比理论计算值大 由 实用微电机手册 查得 130BF001反应式步进电动机的空载 运行频率为 足够提供此处所需的运行频率 所以可选用130BF001反应式Hz30000 步进电动机 130BF001反应式步进电动机的具体参数如下表 表表3 4 130BF001反应式步进电动机的具体参数反应式步进电动机的具体参数 型 号相数 保持 转矩 mN 步距 角 静态 相电 流 A 空载 运行 频率 Hz 空载 起动 频率 Hz 转动惯量 2 cmkg 使用 电压 范围 V 质量 kg 130BF001 59 310 75103000030004012 8010 3 2 X 轴 横向 传动部分的设计轴 横向 传动部分的设计 立式加工中心的横向进给系统设计的方法与纵向的设计方法类似 也采用步进电 动机和滚珠丝杆副 轴承要能够达到精度要求 3 2 1 切削力的计算切削力的计算 由前面的计算已知 Z F C P60 3 10 2532N X F6 0 Z FN25326 0 N 2 1519 Y F5 0 Z FN25325 0 N1266 3 2 2 滚珠丝杆的选择计算滚珠丝杆的选择计算 滚珠丝杆传动是数控机床伺服系统驱动的主要部件之一 它的优点是摩擦因数小 传动精度高 传动效率高达85 98 是普通滑动丝杆传动的2 4倍 它的动静摩 擦因数很小 有利于防止爬行和提高进给系统的灵敏度 采用消除反向间隙并预紧措 施 有助于提高定位精度和刚度 采用滚珠丝杆传动 一方面提高了传动精度 另一 方面发挥了滚珠丝杆的优势 提高了其传动的效率及减小损耗 在设计过程中 滚珠丝杆的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况 计算出 丝杆工作时的最大载荷及丝杆的工作寿命等参数进行选择 最大动载荷必须小于丝杆 的额定动载荷 滚珠丝杆螺母副是标准化生产 其规格型号都按国家标准 横向滚珠丝杆的设计选型方案可参照纵向机械传动部分的设计算的选型方案及选 择原因选择横向滚珠丝杆 1 工作负载计算 工作负载的计算可根据 机床设计手册 进给牵引力的实验公式计算 公式为 m FK Y Ff Z F X F2 G 代入前面的 则GN4000K15 1 f16 0 m F 4000 2 151922532 16 0 126615 1 N16 2987 2 滚珠丝杆寿命计算 根据进给速度和滚珠丝杆副距计算出丝杆的转速 再根据丝杆转速计算出丝杆寿 命 可参照纵向滚珠丝杆计算出的丝杆寿命 即 万 t 6 10 60nT 6 10 150001060 rr万9 3 最大动载荷计算和型号选择 根据切削力和运动部件的质量引起的进给阻力 计算出丝杆的轴向载荷 再根据 要求的寿命值计算出滚珠丝杆副应能承受的最大动载荷 其计算公式和纵向最大动载 荷计算公式一样 即 C mHw Ffft 3 其中 取 代入其他数据 则 w f2 1 H f1 C mHw Ffft 3 16 298712 19 3 N95 7455 根据的原则 使选取的滚珠丝杆的额定动载荷大于计算的最大工作动载荷 a CC 查 现代实用机床设计手册 可知 这里可选择型号为 CDM4006 5 P4的滚珠丝 杆 其公称直径为 额定动载荷为 强度可满足要求 mm40NN95 745528771 CDM4006 5 P4滚珠丝杆的具体参数如下表 表表3 5 CDM4006 5 P4滚珠丝杆的具体参数滚珠丝杆的具体参数 公称 直径 mm 基本 导程 mm 钢球 直径 mm 丝杆 外径 mm 螺纹 底径 mm 额定动 载荷 N 额定静 载荷 N 接触刚度 mN 滚珠丝 杆型号 0 d 0 P W D 1 d 2 d 循环 圈数 a C a C0 R CDM32065P4406969 3 5 39 1 3525 2 28771959702191 4 效率计算 根据 机械原理 丝杠螺母副的传动效率可有式 3 7 计算 其中取 10 则 0 0 14 3 arctan d P 4014 3 6 arctan 442o 10 442tan 442tan o o 942 0 5 刚度验算 滚珠丝杆工作时受轴向力和转矩的作用 将引起导程的变化 因滚珠丝杆受转 0 P 矩时引起的导程变化很小 可以忽略不记 工作负载引起的导程变化量可用式 3 8 计算 其中钢的弹性模量取 丝杆螺纹底径EMPa 4 10 6 20 26 10 6 20cmN 确定为 则滚珠丝杠截面积 2 dcm51 3 A 22 2 d14 3 2 51 3 2 2 67 9cm 所以 0 P 67 9 10 6 20 6 016 2987 6 cm 6 109 滚珠丝杆受转矩引起的导程变化量很小 可以忽略不计 即 导程变 P 1 P P 形总误差可用式 3 9 计算 最大行程由拟定参数中可知 总 P 则 总 Pmm50050cm 总 P 0 0 P P P 总6 109 6 0 50 mm 5 7 由 现代实用机床设计手册 可知 4 级精度丝杆允许的螺距误差为 故此丝杆精度足够 mmmm 5 7 33 3 2 3 传动齿轮选择传动齿轮选择 横向电动机与滚珠丝杆的连接也是通过一对齿轮单级传动构成 这样配置的目的 是减少传动链 进而减少传动误差 在纵向的齿轮计算中 选择的脉冲当量为 p 这里也可以使用一样的脉冲当量 步距角则可以选择比纵向的步距角小步 01 0 mm 一点 这里可以取 则传动比为 b o 6 0 0 Pmm6 i 0 360 P b p o 66 0 01 0 360 1 齿轮的安装方式一般有两种 一种是齿轮完全暴露的外边 称为开式齿轮传动 一种是在经过精确加工而且封闭的箱体内的 称为闭式齿轮传动 闭式齿轮传动一般 转速较高 为了提高传动的平稳性 减小冲击振动 以齿数多些为好 根据 机械设 计 中齿数的选择 小齿轮齿数可取为 取 则 1 Z40 20 1 Z24 2 Z 1 iZ241 24 由于进给运动齿轮受力不大 且根据优先选用第一系列的原则 可取模数 m 齿轮传动效率 由经验公式可知 齿宽 则分度圆直径分别mm2 i 98 0 bmm20 为 1 d 1 Zm224 mm48 2 d 2 Zm224 mm48 中心距为 a 2 21 ZZm 2 2424 2 mm48 3 2 4 滚动轴承的选择滚动轴承的选择 轴承的选择 对最终的设计结果会产生影响 所以轴承选择要合适 和纵向的选 择计算一样 丝杆必须采用三点式支撑方式 各方向传动系统的丝杆采用一端轴向固 定 另一端浮动的结构形式 使丝杆轴向留有移动的空间 这样可以减少机床的振动 和传动引起的误差 防止轴承卡死的情况 由于横向的最大动载荷相对纵向的较大 所以横向的轴承在固定端可采用一对角 接触球轴承7602035TVP 面对面组配 成对使用能限制两个方向的轴向位移 其额定载 荷 远远大于丝杆的最大动载荷 其承载力能满足要求 CN36500 m FN2987316 7602035TVP 轴承的具体参数如下表 表表3 6 7602035TVP7602035TVP 轴承的具体参数轴承的具体参数 尺寸 mm额定载荷 N 极限转速 min r 安装尺寸 mm 轴承型号 dDBC 0 C 预紧 载荷 N 脂 质量 kg 1 D 2 D g r 7602035TVP 3580213650086500480017000 32451671 5 浮动端支撑可和纵向的选择一样 采用6207 P5型深沟球轴承 只承受丝杆的重力 6205 P5轴承的额定载荷 其承载能力也满足要求 CN10800C m F 6205 P5轴承的具体参数如表3 3所示 3 2 5 伺服系统选择计算伺服系统选择计算 横向传动部分与纵向传动部分的传动方式是一样的 因此也选用步进电动机 1 负载转动惯量计算 和纵向负载转动惯量计算一样 横向负载转动惯量计算也可以通过折算到步进电 动机轴上的转动惯量计算 首先计算折算到电动机轴上的转动惯量 用和之前一样的公式 则GN4000 01 0 b o 6 0 gi G b 2 2 180 2 2 2 10 101 4000 6 014 3 01 0 180 2 82 3 cmkg 横向齿轮也可看做材料为钢的圆柱形零件 对于材料为钢的圆柱形零件 其转动 惯量计算可用式 3 12 计算齿轮 的转动惯量 齿轮的直径 1 Z 2 Z 1 J 2 Jd 齿轮宽度 则mm48bcm2 1 J 44 8 42108 7 2 83 0 cmkg 2 J 1 J 2 83 0cmkg 查 CDM4006 5 P4滚珠丝杆的具体参数可知 螺纹底径可知 长dmm 1 35 度 则丝杆加在电动机轴上的转动惯量为 bmm200 3 J 44 51 3 201084 7 2 37 2 cmkg 所以 负载总动惯量由式 3 1 计算可得 F J 1 J 2 32 i JJ gi G b 2 2 180 82 3 1 73 283 0 83 0 2 2 21 8 cmkg 2 最大切削负载转矩计算 根据能量守恒原理 电动机等效负载转矩可按式 3 13 计算 取 代 0 942 0 入前面计算所得的数据得 m T i PF i m 0 0 2198 0 942 0 14 3 2 10616 2987 3 mN 09 3 如果不考虑起动时运动部件惯性的影响 取安全系数为 则3 0 q T 3 0 09 3 mN 3 10 查 实用微电机手册 当步进电动机为三相六拍时 选步进电动机的起动转矩和 最大静转矩的关系为 maxj q T T 866 0 则 maxj T q T 866 0 3 10 mN 89 11 因数控机床对动态性能要求较高 确定电动机以最大静转矩运动时 应满足快速 空载起动所需转矩如式 3 14 的要求 T 当工作台快速移动时 电动机的转速计算可用式 3 15 计算 式中 快速移动速度 由拟定参数可知为 max min 1200mm 代入之前所得的 的数据 则i 0 P n 6 11200 min 200r 由动力学可知 maxa T F J 其中 为加速时间常数 则 t n 30 tt025 0 s maxa T F J 025 0 30 20014 3 1021 8 4 mN 69 0 可有式 3 16 计算 代入数据 得 f T f T i GfP i 0 0 2198 0 942 0 14 3 2 10616 0 4000 3 mN 66 0 预加载荷 一般为最大轴向载荷的 即 0 F3 1 0 F m F 3 1 3 16 2987 N72 995 可根据式 3 17 计算 代入数据 得 0 T 0 T i PF i 0 00 2198 0 942 0 14 3 2 10672 955 3 mN 99 0 综合以上各式 得 T 0max TTT fa 99 0 66 0 69 0 mN 34 2 3 步进电动机的最高工作频率计算 步进电动机的最高工作频率用式 3 18 计算 代入数据 得 max f 60 1000 max 01 0 60 121000 Hz20000 即 步进电动机的最高工作频率为Hz20000 在步进电动机的选择过程中 其输出转矩 起动频率和空载运行频率等参数都 要比理论计算值大 为了避免步进电动机选型太过复杂和麻烦 在符合要求和条件 的情况 横向可以选用与纵向同样的步进电动机 由 实用微电机手册 查得 纵 向使用的110BYG350B 三相混合式步进电动机的空在运行频率为 足够Hz30000 提供此处所需的运行频率 所以可选用110BYG350B 三相混合式步进电动机作为 横向的伺服电动机 110BYG350B 三相混合式步进电动机的具体参数如下表所示 表表3 7 110BYG350B 三相混合式步进电动机的具体参数三相混合式步进电动机的具体参数 型 号相数 保持 转矩 mN 步距 角 静态 相电 流 A 空载 运行 频率 Hz 空载 起动 频率 Hz 相电 感 mH 转动惯量 2 cmkg 使用电 压范围 V 质量 kg 110BYG350B3120 752 83000016003012 680 32510 总总 结结 毕业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 的提炼和