数控滑台的结构设计和设计方案.doc

数控滑台的结构设计和设计方案1.1 数控滑台的结构设计本章主要对数控滑台的机械结构进行设计，其机械结构主要包括：交流伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、轴承、导轨、滑鞍等零部件的设计。所采用的机械结构具有如下特点：进给系统采用进给伺服电机直接带动滚珠丝杠，取消了齿轮减速机构，使机械传动结构简单，提高位移精度，减少传动误差；轴承采用深沟球轴承，它主要承受径向载荷，亦能承受一定的双向轴向载荷，高转速时，可用来承受纯轴向载荷，并且价格便宜。机床整体结构的刚度较高，运动控制精确及传动平稳。1.2 数控滑台的总体设计方案对数控滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用伺服电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙。1. 交流伺服电机-交流电动机与直流伺服电机相比，交流电动机输出功率可比直流电动机提高1070，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。2. 联轴器采用机械式结构的联轴器，这种联轴器的特点是大扭矩承载、高扭矩刚性和卓越灵敏度；免维护、超强抗油和耐腐蚀性；零回转间隙；体积小巧的联轴器，总长度短 ，结构简单。3. 滚珠丝杠选用的滚珠丝杠精度高，并通过使用高纯净度的合金钢并采取特殊的表面热处理方式，使产品具有优异的耐久性。4. 丝杠螺母座采用径向安装尺寸小，安装简便的丝杠螺母座。1.3 滚珠丝杠副支撑方式的选择两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承1.4 丝杠导程P的确定丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为Vmax、伺服电机的最高转速Nmax、及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足式为:PP: 滚珠丝杠副的导程 mmVmax:工作台最高移动速度 mm/minNmax:电机最高转速 r/min已知：Vmax=15m/min=15000mm/min Nmax=1500r/min 因伺服电机与丝杠直联，i=1P=15000/1500=10 mm 车床改造中取整数所以取P=10mm1.5 承载能力校核1.5.1 切削力的计算Fc=0.67D15Fc：Ff：Fp=1:0.1:0.15式中，D为车床床身上的最大回转直径(mm)。Fc为垂直向的切削力（N）Ff为进给方向上的分力（N）Fp为吃刀方向上的分力（N）D=500(mm)Fc=0.67*50015 = 7490.83NFf=0.1 Fc=0.1*7490.83=749.08NFp=0.15 Fc=0.15*7490.83=1123.62N1.5.2 摩擦阻力F1的计算溜板箱与导轨为滑动摩擦，摩擦系数u（0.0802）取u=0.1F1=（G+ Fc）*u式中G-工作台质量设为800kgF1=（8000+7490.83）*0.1=1549.083N1.5.3 承载能力校核计算丝杠的最大动载荷QCam=式中 L为滚珠丝杠的寿命系数（单位为1* ）L=60NT/其中T为使用寿命时间（H）,两班制工作十年 所以取T=20000，电机最大转速N=3000为硬度系数（HRC =58时为1.0，等于55时为1.11，52.5时为1.35，50时为1.56，45时为2.40）因为HRC=58，所以=1.0载荷系数（平稳或轻冲击时为1.01.2中等冲击时为1.21.5，较大冲击时为1.52.5）机床属于中等冲击所以=1.2Cam -额定动载荷= Fp +F1=1123.62+1549.083=2672.703NL=60NT/=3600则Cam =49154.82N1.5.4 确定允许的最小螺纹底径（1） 估算丝杠允许的最大轴向变形量 （1/31/2）重复定位精度 （1/41/5）定位精度: 最大轴向变形量m已知：工作台的定位精度30m, 重复定位精度20m =（6.67 10）m = (6 7.5) m取两种结果的小值 =6m(2）估算最小螺纹底径L=行程+安全行程+2*余程+螺母长度+支承长度1.11.2)行程+（2530）取 L=1.4*行程+30L0 静摩擦力F0=W 已知：行程为600mm, W=8000N ,=0.1代入得 L=1020mm F0=800N d2m=14.38mm1.5.5 初步确定滚珠丝杠副的规格代号由计算出的在样本中取相应规格的滚珠丝杠副FF6310-4Ph=10mmCa=51500Cam=49154.82Nd=57.3mm1.5.6 确定滚珠丝杠副预紧力Fmax= Fp +F1=1123.62+1549.083=2672.703N则 Fp=890.901N1.5.7 行程补偿值与与拉伸力(1) 行程补偿值C已知温度变化值t为2.5LU=工作台行程+安全行程+2*余程 =600+100+2*20=740mm故 C=0.02mm(2) 预拉伸力代入得Ft=1.95*2.5*57.3*57.3=12804.8N1.5.8 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格（1） 轴承所承受的最大轴向载荷FBmaxFBmax=Ft+0.5*Fmax=14141.15N（2）轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承(3) 轴承内径 d 略小于d2 取d=55mm轴承预紧力FBP =1/3 FBmax=4713.7N（4）轴承预紧力预加负荷FBP（5）按样本选轴承型号规格 当d=55mm 预加负荷为：FBP 所以选760211TNI轴承d=55mm预加负荷为40.5kN FBP1.5.9 滚珠丝杠副工作图设计(1) 丝杠螺纹长度Ls：Ls=Lu+2Le 由表二查得余程Le=20LS=740+40=780mm行程起点离固定支承距离L0L0=30mm两固定支承距离L1L1=780+2*21=822mm丝杠全长LL=864mm1.5.10 传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度 1）丝杠最小抗压刚度Ksmin=6.610Ksmin ：最小抗压刚度 N/md2：丝杠底径L1：固定支承距离Ksmin=2636.2 N/m(2）丝杠最大抗压刚度Ksmax=6.610Ksmax ：最大抗压刚度 N/mKsmax=18742.1 N/m(3)支承轴承组合刚度1)一对预紧轴承的组合刚度KBO=22.34KBO：一对预紧轴承的组合刚度 N/mdQ：滚珠直径mmZ ：滚珠数Famax ：最大轴向工作载荷 N：轴承接触角由样本查出760211TNI轴承大于预加载荷dQ=7.144 Z=17 =60Kamax=8700N/mKBO=375N/m(4）支承轴承组合刚度由表13两端固定支承Kb=2 KBOKb=750N/mKb ：支承轴承组合刚度 N/m(5）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度KC= KCKC ：滚珠和滚道的接触刚度 N/mKC：查样本上的刚度 N/mFP ：滚珠丝杠副预紧力 NCa ：额定动载荷 N由样本查得：KC=1410 N/m； Ca=3600N；FP=1000N得KC=920 N/m1.5.11 刚度验算及精度选择（1）=（2）（3）F0=(1)已知W1=8000N ， =0.1F0=800NF0：静摩擦力 N：静摩擦系数W1 ：正压力 N(2）验算传动系统刚度KminKmin ：传动系统刚度 N已知反向差值或重复定位精度为20Kmin=640160（3）传动系统刚度变化引起的定位误差= 1.7m（4）确定精度 V300p ：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言， V300p0.8定位精度-定位精度为20m/300V300p14.3m丝杠精度取为3级(5)确定滚珠丝杠副的规格代号已确定的型号：FF6310-4公称直径：63 导程：10螺纹长度：780丝杠全长：864P类3级精度FF6130-4-P3 /8647801.5.12 验算临界转速nc=f ()10nc: 临界转速 n/minf：与支承形式有关的系数d2：丝杠底径c2: 临界转速计算长度 mm由表14得f=21.9由样本得d2=57.3由工作图及表14得：Lc2= L1- L0=864-30=834nc=18041.3nmax=1500滚珠丝杠副形位公差的标支承方式简 图K2f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9第 2 章 交流伺服电机选择计算2.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量（1） 计算滚珠丝杠的转动惯量JrJr=0.77DL10 ()Jr=0.7757.386410 =7.1710(2)工作台折算到丝杠上的转动惯量JCJC=()M10() =()M10() 其中 M=800 P=10则JC=1.2710（3）电动机轴上总的负载转动惯量JdJd= Jr+ JC =8.4410=84.42.2 计算折算到电机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩TC TC=其中Fa=Fc=7490N L=0.01m =0.9 则 TC=13.25Nm(2)计算摩擦负载力矩TT=其中 F=1549则 T=2.74Nm(3)计算由滚珠丝杠的预紧力产生的附加负载力矩TtTt=(1-) 其中预紧力为890.9N 则Tt=1.1Nm2.3 计算电动机轴上的加速力矩TapTap=(Jm+Jd) 其中 Jm=99 Jd=84.4则Tap=17.98Nm2.4 计算横向进给系统所需要的折算导电剂轴上的各种力矩（1）计算空载启动力矩TqTq=Tap+( T+Tf) =17.98+2.74+1.1 =21.82Nm(2)计算快进力矩TkjTkj= T+Tf =2.74+1.1 =3.84Nm(3)计算工进力矩TgjTgj=Tc+Tf =13.25+1.1 =14.35Nm2.5 选择驱动电动机的型号（1）选择电机的型号根据以上计算查表，选择FANUC aM40/4000 HVi型交流伺服电机其主要技术参数如下： 输出功率：5.5kW 最大静转矩：40Nm 最高转速：4000r/min 转动惯量：9.910大于Jd=8.4410 符合要求 质量：28kg(2)确定最大静转矩Ts由给出的机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电机的最大转矩Ts的关系可得 =0.951Ts=22.98Nm本电动机的最大静转矩为40Nm，大于Ts,可以在规定的时间里正常启动（3）验算惯量匹配为了使机械转动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量JL与伺服电机的转动惯量Jm之比一般要满足 0.251因为=0.850.25，1所以满足惯量匹配要求第 3 章 数控滑台结构件的设计3.1 导轨的设计3.1.1 机床导轨的功用 导轨在机器中十分重要，在机床中尤其重要。机床导轨的功用是起导向及支承作用，即保证运动部件在外力的作用下(运动部件本身的重量、工件重量、切削力及牵引力等)能准确地沿着一定方向的运动。在导轨副中，与运动部件联成一体的运动一方叫做动导轨，与文承件联成一体固定不动的一方为支承导轨，动导轨对于支承导轨通常是只有一个自由度的直线运动或回转运动。3.1.2 导轨应满足的基本要求1导向精度导向精度是指运动导轨沿支承导轨运动时直线运动导轨的直线性及圆周运动导轨的真圆性，以及导轨同其它运动件之间相互位置的准确性，影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度，导轨的接触精度及导轨的结构形式，导轨和基础件结构刚度和热变形，动压导软和静压导轨之间油膜的刚度，以及导轨的装配质量等等。2刚度 导轨的刚度是机床工作质量的重要指标，它表示导轨在承受动静载荷下抵抗变形的能力，若刚度不足，则直接影响部件之间的相对位置精度和导向精度，另外还使得导轨面上的比压分布不均，加重导轨的磨损，因此导轨必须具有足够的刚度o 3耐磨性 导轨的不均匀磨损，破坏导轨的导向精度从而影响机床的加工精度的材料、导轨面的摩掠性质，导轨受力情况及两导轨相对运动精度有关。3.1.3 导轨的选择导轨的截面与组合如下图所示：矩形 三角形 燕尾形 圆形3.1.4 数控机床常用的滑动导轨数控机床常用直线运动滑动导轨的截面形状的组合形式主要有：三角形一矩形(图738)矩形一矩形(图739)。这两种导轨的刚度高，承载能力强，加工、检验和维修方便。为提高低速性能，减少爬行，提高导轨寿命，在动导轨上都贴有塑料带。数控机床少用不贴塑的摩擦滑动导轨。图738a为开式，没有压板，不能承受较大的翻转力矩，图738b是闭式，有压板可以承受翻转力矩，图739a为窄式导向，工作台由一条导轨的两侧导向；图739b为宽式导向，由两条导轨的内侧导向，两个导向面的距离较大，热膨胀时变形量大，须留较大的侧向间隙，因而导向性不如窄式好。3.2 滑鞍的设计概述滑鞍在数控机床中的作用是连接丝杠和工作台，它在数控机床中的作用是不可或缺的部件。他把丝杠的旋转变为滑台的直线运动。3.3 滚珠丝杠螺母副与电机的连接联轴器的设计与选择方案1 采用齿轮连接 这种方法可以降低丝杠工作台在系统中所占的比重，提高进给系统的快速性。可利用伺服电机高速底转矩的特性。在开环系统中还起到机械和电器的匹配作用。但是，传动装置结构简单降低传动效率增加噪声。传动级数的增加必将带来传动部件间隙和摩擦的增加，从而影响进给系统的性能。传动齿轮副的存在，在开环和半闭环系统中，将影响加工精度。方案2 采用连轴器连接直接连接这是一种最简单的连接，这种形式具有扭转刚度。传动机构本身无间隙。传动精度。而且结构简单。安装方便。在输出扭矩要求在15-40Nm左右的中小型机床或高速加工机床中非常普遍。 综上所素，由于电机的最大静转矩为40Nm，所以采用方案2，用联轴器直接连接3.4 联轴器的设计与选择3.4.1 联轴器的作用联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。常用联轴器有膜片联轴器 ，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。3.4.2 联轴器的结构原理及型号选择一般机械都是由原动机、传动机和工作机构组成，这三部分必须联接起来才能工作，而联轴器就是把它们联接起来的一种重要装置。联轴器主要用于两轴之间的联接，它也可用于轴和其它零件（卷筒、齿轮、带轮等）之间的联接。它的主要任务是传递扭矩。根据被联接两轴的相对位置关系，联轴器可分为刚性、弹性和液力三种。刚性联轴器用在两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的地方；弹性联轴器用在两轴有偏斜或工作中有相对位移的地方；液力联轴器是用液体动能来传递功率，用在需要保护原动机不遭过载损坏而又可空载起动的地方。几种常用的联轴器：一、刚性联轴器刚性联轴器不具有补偿被联接两轴轴线的相对偏移的能力，也不具备缓冲减震性能；但刚性联轴器的结构简单、价格便宜。适用于载荷平稳、转速稳定、轴的刚性较大、且能保证被联接两轴轴线相对偏移极小的情况下。凸缘式联轴器 套筒联轴器二、挠性联轴器挠性联轴器具有对被联接两轴轴线相对偏移的补偿能力，最大补偿量随型号的不同而异。凡被联接两轴的同轴度不易保证的场合，都应选用挠性联轴器十字滑块联轴器十字滑块联轴器是无弹性元件的挠性联轴器，具有较好的补偿两轴相对偏移的能力、承载能力大；但不具备缓冲减震性能。适用于轴的刚度较大、中载、低速且无剧烈冲击的场合。 滚子链联轴器滚子链联轴器也是一种无弹性元件的挠性联轴器。具有结构简单、装拆方便、效率高，并具有一定的补偿两轴相对偏移能力；但在高速、转速不稳定或正反转时有冲击噪声，不具备缓冲减震能力，不能承受轴向力等。适用于高温、多尘、油污、及潮湿等恶劣环境下工作。万向联轴器万向联轴器用于两轴有很大角向位移的场合，最大角向补偿两可达3545。常用在汽车、拖拉机和机床等行业3.4.3 联轴器型号的选择及其计算计算转矩工作情况系数，查表15-2联轴器传递的标称转矩所选联轴器的许用转矩1.名义转矩T（Nm）T=9550P/n=95501.96/6000=3.12Nm2.计算转矩TC考虑机器启动时的弹性力和过载等影响，应将名义转矩修正为计算转矩。联轴器的计算转矩TC（N