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数控车床纵向进给传动系统设计【2张图纸】【优秀】【机械毕业设计全套】

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关键词：: 数控车床纵向进给传动系统设计图纸优秀优良机械毕业设计全套

资源描述：

一、数控机床进给系统概述1

二、主要设计任务参数3

三、数控车床纵向进给系统传动的方案设计3

1、纵向进给系统设计的基本要求3

1、带有齿轮传动的进给运动................................... ......3

2、经同步带轮传动的进给运动4

3、电机通过联轴器直接与丝杠联接5

四、运动设计5

1、降速比计算5

2、减速齿轮的确定6

五、丝杠螺母机构的选择与计算6

1、动载强度计算 6

2、静强度计算7

3、临界转速校核8

4、额定寿命的校核 8

六、动力计算8

1、传动件转动惯量的计算8

2、电动机力矩的计算9

七、丝杠螺母机构的传动刚度计算10

八、结构设计11

1、滚珠丝杠的支承11

2、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧12

九、主要结构性能及特点的分析12

十、总结与体会13

参考文献……………………………………………………………………… 14

一、数控机床进给系统概述

数控机床伺服系统的一般结构如图图1-1所示：

图1-1数控机床进给系统伺服

相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：

（1）提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。

（2）数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的精度和重复精度。

（3）有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。

（4）可以实现一机多用。一些数控机床，可以自动换刀，一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。

（5）可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。

（6）不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求。节省了专用夹具设计制造和存放的费用。

（7）大大减轻了工人的劳动强度[2]。

因此，采用数控机床，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。

由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。

数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。

??? 数控车床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。

??? 数控车床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。

直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

伺服系统对伺服电机的要求：

（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。

（2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。

（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。

（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。

随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。

交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

二、主要设计任务参数

车床控制精度：0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度：Vmax=5m/min。最大加工直径为Dmax=400mm，工作台及刀架重：110㎏；最大轴，向力=160㎏；导轨静摩擦系数=0.2；行程=1280mm；步进电机：110BF003；步距角：0.75°；电机转动惯量：J=1.8×10-2 ㎏.cm.s-2；

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内容简介：: 目录第 1章概述 1 1.1 设计目的 1 1.2 进给系统概述 1 第 2章运动设计 2 2.1 传动方案拟定 2 2.2 丝杠螺母副的选择与计算 2 2.2.1 丝杠螺母副的选择 2 2.2.2 丝杠螺母副的计算 3 2.2.3 滚珠丝杠螺母副的验算 4 第 3章动力计算 8 3.1 电动机的验算 8 3.2 齿轮的计算 10 3.3 轴的设计 13 总结 19 参考文献 20 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 1 第 1 章概述 1.1. 设计目的机床课程设计是在金属切削机床之后进行的实践性环节，其目的在于通过机床进给运动机械变速传动系统的结构设计，使学生在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到结构构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件设计、编写技术文件和查阅技术资料的等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析、结构设计与计算能力。 1.2. 进给系统概述进给系统的特点是速度低、消耗功率少、受力小，而速度越低越易出现爬行现象，而一般的捣鬼由于受摩擦力下降特性的影响，很难满足高精度的要求，特别是对于数控而言更不能适应精度要求。而滚珠丝杠副基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，切摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就有效的保证了运动的平稳性，克服了爬行现象的产生。而且滚珠丝杠摩擦损失小，传动效率高，运动灵敏、低速时无爬行现象、轴向刚度高、寿命长、维护简单且具有传动可逆性并反向精度高等优点故而选用滚珠丝杠螺母副传动。 nts陕西科技大学课程设计说明书 2 第 2章运动设计 2.1. 传动方案拟定 2.1.1. 总体传动框图如下图： 2.1.2. 具体的分析过程：因设计要求系统为开环系统从而使系统简化，若直接将电机与滚珠丝杠联必会引起丝杠温度过高即磨损加剧使其寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一是使丝杠速度降低，而则是消除系统传动中的间隙，提高传动精度，并有效减少反向运动死区现象，消息齿轮箱与丝杠可采用联轴器形式连接，这样便确定了如上图所示的传动方案。 2.2. 丝杠螺母副的选择与计算 2.2.1. 丝杠螺母副的选择 1. 内循环与外循环的选用说明外循环滚珠丝杠是利用挡珠器一端修磨的圆环引导滚珠离开旋滚道进入回珠槽，以及引导滚珠由回珠槽，返回螺旋滚道，因管道突出与螺母外面，径向尺寸较大。内循环滚珠丝杠是借助反向器迫使滚珠丝杠翻越丝杠的齿顶进入相邻滚道，内循环是因回路短、工作滚珠数少，流畅性好，摩擦损失少，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，承载能力强等优点，故而采用内循环滚珠丝杠。（制造有些困难） 2. 滚珠丝杠的轴向间隙调整和预紧方法滚珠丝杠的轴向间隙的调整和预紧方法的原理预普通丝杠螺母相同，但滚珠丝杠螺母机构间隙调整精度要求高，要求能作微调以获准确的间隙或预紧量。常用的方法有三种：垫片调隙式，螺纹调隙式，齿差调隙式，垫片调隙式常需垫片反复修磨，工作中不能随时调整，螺纹调隙式调整量难以精确控制。齿差调隙式精度可靠，多用于调整准确性要求较高的场合，电机消隙齿轮箱滚珠丝杠螺母副工作台 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 3 故而采用齿差调隙式调隙机构。 3. 滚珠丝杠的安装实践表明：螺母座，丝杠的轴承及其支架等不足会严重的影响滚珠丝杠副的传动刚度。为了提高轴向刚度，一般常用止推轴承。滚珠丝杠的支撑方式有一下四种： a.一端装止推轴承型；这种支撑方式仅适用于丝杠行程较短，它的支撑能力较小，轴向刚度较低。 b.一端装止推轴承，一端装向心轴承，其目的是为了减少丝杠热变形的影响，因数控机床常常姚连续工作数小时，丝杠的热变形必须予以重视。 c.两端装止推轴承，这种支撑对丝杠的热伸长较为敏感。 d.两端装止推及向心轴承，此种支撑虽使滚珠丝杠有最大的刚度，但设计计算较为复杂且轴向尺寸大，且结构复杂，故而采用 b 支撑的安装方式，即一端装止推轴承，一端装向心轴承。 2.2.2. 丝杠螺母副的计算参照机床数控技术 P118 页的设计过程进行计算： 1. 滚珠丝杠螺母副承受轴向载荷时，在滚珠与滚道型面产生接触应力，但对一点来说，若应力状态是交变接触应力，它的工作状态与滚动轴承类似，所以它的主要实效形式是疲劳点蚀损伤和变形，故其设计方法与滚动轴承相类似，故按疲劳寿命的选择计算： 25.101.0360 675.0360 su nts陕西科技大学课程设计说明书 4 s 步进角丝杠导程脉冲当量有公式： eqHdc FffTC 3dfeqFT cCHf 载荷系数轴向工作载荷使用寿命计算动载荷（ N ）硬度影响系数上式中各参数的确定：（ 1）df：根据数控机床系统设计 P110 表 5-2，一般df 1.2 1.5，取 df 1.2 （ 2） Hf ：根据数控机床系统设计 P110 表 5-1，滚珠丝杠的材料取 15GCr ，硬度可处理到 HRC60 左右，则 Hf 1.0 （ 3）eqF：轴向工作载荷的计参照金属切削机床下册计算工作载荷。 3/)2( m inm a x FFF eq NFk g fFFk g fNFFFeq 3.1 1 33/)201 6 02(201 8 01 7 6 42.08.91 0 08.91 6 0m i nm a x摩擦摩擦工作 (4) T: rp mn 80025.1/1000 电机 7 2 010/60 6 TnT 将各参数带入公式有： 12.119428.93.1130.12.172033 eqhdc FffTC 由上式中所计算的结果，从滚珠丝杠产品样本中找出相应的额定动载荷aC值，使ac CC 。参照机床设计手册 P498 选取丝杠螺母副，有 NCh4506 型：查产品目录，得aC 2390，使ja CC ，然后由aC值确定滚珠丝杠型号。 2.2.3. 滚珠丝杠螺母副的验算 1. 刚度计算：数控机床得滚珠丝杠是最精密得元件，它在轴向力的作用下产生伸长和缩短，在扭矩的作用下产生扭曲变形这将引起丝杠导程发生变化，从而影响结构精度和定位精度，因此滚珠丝杠在受力情况下的变形量：由公式 cmGI TEA Fpp aEz 501 0 01 0 0 0 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 5 F E A G aI 螺距变形总误差工作载荷弹性模量丝杠的内径面积扭矩弹性模量滚珠丝杠截面积的惯性距上式中各参数的确定： F ： kgfF 160 A ： 2221 56.124044 cmdA :T cmkgmk g fTT 125125125 电 aI： 4441 12.254324 cmdI a E ： 26 /101.2 cmkgE G ： 25 /104.8 cmkgG 将各参数代入后得： mcmIG TfEA Fa 80 0 0 8.012.25104.8 1 2 55056.12101.2 1 8 61 0 01 0 0 560 对于数控机床而言，根据机床设计手册 P461 页可知，丝杠精度和表面光洁度选取为 J 级精度则允许 mm 168，故丝杠可用。 2. 稳定性验算：根据材料力学欧拉公式：22)( lIEFk E：丝杠材料的弹性模量取 26 /1021 cmNE l ：丝杠的工作长度 1280l I ： 4441 56.120.46464 cmdI 截面惯性距：丝杠轴端系数，由轴承条件决定，由于丝杠安装方式为一端推力轴承，一端为自由的，则 2 将上面的参数代入公式： NlIEF k5.39681)1282(56.121021)(26222nts陕西科技大学课程设计说明书 6 43.251568 5.39681kkkknnFFn 故可以用。 3. 丝杠系统的刚度计算： NTB KKKK1111 K ：丝杠传动的综合拉压刚度 BK ：轴承刚度 TK ：丝杠拉压刚度 NK：轴的接触刚度由于丝杠的拉压刚度特别大，故可以不考虑由与传动刚度变化而引起的定位误差的影响，即时可忽略，同时计算Tk KK 0BKK11 +NK1 mk g fFzdK aB/3.261 6 0149 3 8.74 1 7.04 1 7.022初选推力球轴承 8206，参数如下表：轴承型号 C （ kgf ） 0C Z ad ( mm ) )(mmd NK （ kgf ） 8206 2200 4410 14 7.938 30 96 则： mk g fKKKNB/64.209613.2611111 4. 反向死区的验算：死区误差，是指的是系统启动和反向时产生的输入运动与输出运动之间的差值，在开环系统中，由于启动和反向死区误差的存在，影响刀具与工件定位精度，对于反向死区可采用消隙措施减小，消隙后，根据数控机床系统设计 P141 页： 2 0022ngKF 0：导轨摩擦系数 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 7 g ：系数 980 2/scm 2n：机械传动装置固有频率 )/( sr sra dgKmKn/14221010098064.201044 sra dsra d nn /3 0 0/1 4 2 2 ，故可用。丝杠直径的确定： mmLd n6.401 2 8 01 3 01 4 2 2107.0107.0424 死区误差： mgn 9.11422 109802.02102 2 4420 再一次说明丝杠所取的直径可用。 nts陕西科技大学课程设计说明书 8 第 3章动力计算 3.1. 电动机的验算 1. 伺服电动机为 100BF003 型脉冲步进电机，加在电机轴上的负载有两种，分别为负荷转矩与负载惯量，即就是要使电机合适，就要达到两种负载的匹配。 2. 转动惯量的计算（ 1）齿轮的转动惯量 scmk g fLDJ000190.0103378.01078.064641 scmk gfLDJ00195.01040578.01078.064642 L ：齿轮宽度 D ：分度圆直径见齿轮设计（ 2）丝杠的转动惯量 scmk g fLDJ0 4 2 4.0102 0 006.478.01078.064643 L ：丝杠长度 D：丝杠直径（ 3）工作台折算到丝杠上的转动惯量 0 0 0 9 3.0980/100)14.32/6.0(/)14.32/( gwtJ scmk g fJscmk g fJscmk g fJJmrr 018.00073.02.0 03641.0)00093.00424.000195.0(/11 t ：丝杠螺距 w ：工作台及刀架重量 rJ ：机械传动及负载转换到马达上的转动惯量：降速比取 1.25 故满足要求。 3. 电机负载力矩的计算 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 9 tfa MMMMM 0m a xM ：最大切削负载所需力矩 maxaM：折算加速力矩 fM：折算到电机轴上的摩擦力矩 0M：由丝杠预紧力引起的折算到电机轴上的附加力矩 tM：折算到电机轴上的切削负载力矩（对于数控机床而言，因为动态性能要求较高，所以驱动力矩主要使用来产生加速的，而负载力矩点的比重很小，一般为电机力矩的 10% 30%,所以可忽略不计）则： mk g fTnJM ra16.0)105.26.9/(10100003641.0)6.9/(10332m a x mk g ftFM f141.0)25.18.014.32/(106.02.08.9100)2/(10220 mk g ftFspMm01127.010)9.01(25.18.014.326.01603110)1(23110)1(22222022000 mk g fmk g fMMMM fa141.00 1 1 2 7.01 4 1.016.00m a x T：加速时间段 25s 0F：导轨摩擦力 NMF 201 0 0*2.0*50 0p：丝杠预加载荷 0p=1/3 F =53.3 ：传动链总效率 =0.8 9.00 故满足要求 ,可得出结论，电机可用。 3.2. 齿轮的计算消隙齿轮结构简图如下： nts陕西科技大学课程设计说明书 10 1. 选定齿轮、精度等级、材料及齿数 1) 按图所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。 2) 速度不高，故选用 7 级精度（ GB10095-88） 3) 材料选择，由表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr（调质处理），硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢（调质处理），硬度为 240HBS，两者材料硬度之差为 40HBS 4) 选小齿轮齿数 302425.1,24 121 ZZZ 大齿轮齿数 2. 按齿面接触强度设计由设计计算公式（ 10-9a）进行试算，即 3 211 )(132.2 HEdtt zTKd 3. 确定公式内各计算数值 1) 试选载荷系数 3.1tK2) 计算小齿轮传递的转矩 NmmT 98001 3) 由表 10-7 选取齿宽系数 1d（d取 0.7 1.5） 4) 由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 2/18.189 MPaz E 5) 由图 10-21d，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限a5 5 0,6 0 0 2l i m1l i m MPM P a HH 极限大齿轮的接触疲劳强度 6) 由式 10-13 计算应力循环次数 991291110456.325.1/1032.4/1032.4153008211 0 006060NNjLnN h 7) 由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 89.01 HNK 91.02 HNK 8) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1，安全系数 S 1，由式子 10-12 得 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 11 M P aSKM P aSKHHNHHHNH5.500155091.0534160089.02l i m221l i m114. 计算 1) 试算小齿轮分度圆直径中较小得值。代 HHd , mmmmzTKdHEdtH013.345.5008.18925.1125.1198003.132.2)(132.2222) 计算圆周速度 v smsmndv H /780.1/100060 103.34100060 1 3) 计算齿宽 b mmdb Hd 0 1 3.340 1 3.341 4) 计算齿高与齿高之比 b/h 66.1019.3/013.34/19.34417.124/013.34/ 1hbmmmhmmmmzdmtHt齿高 5) 计算载荷系数根据 v 1.780 sm/ ， 7 级精度，由图 10-8 查得动载荷系数 ,05.1vK直齿轮，假设 mNbFK tA /100由表 10-3 查得 2.1 FH KK由表 10-2 查得使用系数 1AK 由表 10-4 查得 7 级精度，小齿轮对支撑非对称布置时 HK=1.12+0.18(1+0.6 bdd 322 1023.0) =1.12+0.18(1+0.61) 013.341023.0 32 =1.416 由 b/h=10.66. 416.1HK,查图 10 13 得 4.1FK，故载荷系数K= 784.141 HHVA KKKK6) 按实际得载荷系数校正所计算得的分度圆直径，由式 10 10a得 mmKKddtt 80.373.1/784.1013.34/ 3311 nts陕西科技大学课程设计说明书 12 7) 计算模数 m M= 1d / 57.124/80.371 Z 5. 按齿根弯曲强度设计：由式 10 5 得弯曲强度得设计公式为 m F SdFdd YYZKT 21121) 确定公式内各计算数值 a) 由图 10 20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限,5001 MPaFE M P aFE 3 8 02 极限，小齿轮得弯曲疲劳强度 b) 由图 10 18 查得弯曲疲劳寿命系数 88.0,85.021 FNFN KKc) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4, 由 10 12 得 M P aSK FEFNF 57.303/111 M P aSK FEFNF 86.238/222 d) 计算载荷系数 K K 7 6 05.11 FFdVA KKKKe) 查取齿形系数，由表 10 5 查得 65.21 FY, 52.22 FYf) 查取应力校正系数由表 10 5 查得 58.11 SY, 625.12 SYg) 计算大小齿轮的并加以比较F SF YY 0 1 3 1 0.057.3 0 3/58.165.21 21 F SF YY 0 1 7 1 4.086.2 3 8/6 2 5.152.22 22 F SF YY 大齿轮的极值大 2）设计计算 m mm3 2241 0 1 7 1 4.09 8 0 07 6 4.12 =1.01 mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿面弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算的模数 1.01 并就近圆整为标准值 m 2.5mm ，按接触强度算的分度圆直径 mmd 80.371 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 13 算出小齿轮齿数 241 Z ,大齿轮齿数 mmZZ 3025.12412 ，这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。 6. 几何尺寸计算： 1）计算分度圆直径 mmmZd 605.22411 mmmZd 755.23022 2）计算中心距 a 5.672/)7560(2/)( 21 dd 3）计算齿轮宽度 mmdbd 606011 取 mm65mm105(,60 212 ） BBmmB 验算： mmNmmNb FKNNdTFtAt/100/4.5460 65.326165.32660/9 8 0 02/2 11 可见合适。 7. 结构设计及绘制齿轮零件图（见图纸） 3.3 轴的设计 3.3.1 主动轴的设计 1. 初步确定轴的最小直径按机械设计式 15-2 初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45钢，调质处理。根据表 15-3，取 ,1200 A于是得： mmnpAd 121 0 0 09 5 5 0 1 0 0 08.9120 330m i n 轴的最小直径显然式安装联轴器处轴的直径 21d ，与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩 TKTAca ,查表 14-1，考虑到转矩变化中等，故取AK =1.9,则： mmNTKT Aca 1 2 7 4 09 8 0 03.1 按照计算转矩caT应小于联轴器公称转矩的条件，查标准GB/T5014-1985 或手册，选用 HL2 型弹性柱销联轴器，其公称转矩为315 mmN ，半联轴其的孔径 ,20mmd 故取 mmd 201 ，半联轴器的长度为52mm ，半联轴器与轴配合的毂孔长度 mmL 381 nts陕西科技大学课程设计说明书 14 2. 轴的结构设计 1) 拟定轴上零件的装配方案，如下图： 2) 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 i. 为了满足半联轴器轴向定位要求，第一段轴段右端需制处一轴肩，故取第二段的直径 ,262 mmd 右端用轴端挡圈定位，按轴端直径反挡圈直径 D=300 ,mm 半联轴器与轴配合的毂常度 ,381 mmL 为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的断面上，故第一段轴的长度应比 1L 略短一些，现取第一段轴段长度为 36mm 。 ii. 初步选择滚动轴承因轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥棍子轴承，参照工作要求并根据 ,262 mmd 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组，标准精度级的单列圆锥棍子轴承30206，其尺寸为 ,25.176230 mmTDd 故mmlmmlmmdd 16,40,30 7273 而右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，由手册上查得 30206轴承得定位轴肩高度为 h 6 mm ，因此取 mmd 366 iii. 取安装齿轮处得轴段的直径为 36mm ，齿轮的左端与左轴肩之间采用套筒定位。一直齿轮毂的宽度为 60mm ，为了使套筒断面可靠地压紧齿轮，因此轴段应略短于轮毂宽度，毂取4l 58mm ，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度 h0.07d，取,8,2.44.1,45,5.4 5 mmbhbmmdmmh 轴环宽度则轴环处的直径则 mml 85 iv. 轴上零件的轴向定位齿轮，半联轴器于轴的轴向定位均采用平键联接，按,201 mmd 由手册查平键界面 lb ，键槽用叫曹铣刀加工，长为 25mm ，同时为了保证齿轮与轴配合由良好的对中性，毂nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 15 选择齿轮轮毂与轴的配合为 H7/h6，同样，半联轴器与轴的联接选用 10 80mm ，长为 50mm ，半联轴器与轴的配合为H7/h6。 v. 确定轴上的圆角和倒角尺寸参考表 15-2，取轴端倒角 452 vi. 求轴上载荷 mmlmmlmmlNNFFNNtgtgFFNNdTFratrt2.568.1330161682.468.1330308.898.13403649.12620c o s/9.118c o s/9.1182067.32667.326609800223211nts陕西科技大学课程设计说明书 16 NFNFFFMLFlFNFFFNFFlFlFNFNFNFFFNVNVNVNVaNVNVNVNVraNVNHNHNHNHtNHNH45.9645.2260*249.1262.562.469.1181264938.14729.17967.3261221322121132212121N m mTN m mMMMN m mMMMN m mMN m mMN m mMVHVHVVH98008.83787.940525.12622.5645.2299.44552.4645.9620.82832.4629.1792222212121取 a 0.6，轴的计算应力 M P aaTMca 24361.09 8 006.07.9 4 05)(322221 前已选定轴的材料为 45 钢，调质处理，由表 15-1 查得 MPa601 即ca 1 ,故安全。 3. 键得联接强度计算 1) 选择键 6 20） GB/1096-1979,假定载荷在键得工作面上均匀分布，则： lkdTp 2nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 17 其中： mmddmmllhhkkNmTT2020(36*5.05.0,8.9：轴的直径，：键的工作长度，为键的高度）高度：键与轮毂键槽的接触：传递的转矩MPap 33.1620203 108.92 3 p ：键、轴、轮毂三者中最弱材料取用的挤压应力，查机械设计表 6-2， p取 100 120 p p则键的选用合适。 2) 键 B10 28 GB/T 1096-1979 的强度校核 lkdTp 1032 其中： mmddmmllhhkkmNTT3620(48*5.05.0,8.9：轴的直径，：键的工作长度，为键的高度）高度：键与轮毂键槽的接触：传递的转矩所以： pp M P a 8.636204 108.92 3 则键选用合适。 4. 轴承的寿命验算对于 30206 型轴承：圆锥棍子轴承 1) 求相对轴向载荷对应的 e 值与 Y 值查机械零件手册表 9-6-1， e 0.37， Y=1.6 2) 求当量动载荷 P ar FYFXP 00 rF ：轴承的径向载荷 rF 96.45+1568 1664.45N aF：轴承的轴向载荷 aF 126.49N 0X、0Y:分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数，可查轴承手册得到，0X 0.5，0Y 0.9 NNP 057.946)49.1269.045.16645.0( 3) 验算 30206 轴承的寿命，根据机械设计式 13-5 nts陕西科技大学课程设计说明书 18 pcnL h 60106 其中： c ：基本额定动载荷，查机械零件手册得 c 50.5kN =50500 N ：滚子轴承 10/3 63/106 109 6 3 5.88 9 6 3 5 0 0)0 5 7.9 6 45 0 5 0 0(1 0 0 060 10 hL 故轴承选用合适。 nts数数控控车车床床纵纵向向进进给给系系统统设设计计 19 总结经过为期两周的不懈努力，我们顺利完成了对数控车床纵向进给系统的设计。在这两周内，我们本着“ 以我所学，为我所用，提高自我 ” 的宗旨，按照设计要求、结合所学设计理论一步一步，认认真真地分析、计算，近乎绞尽脑汁终于取得了现在的圆满成功。可以毫不夸张地说，我们甚至没睡过一个好觉。但是，“ 不经一番寒彻骨，那得梅花扑鼻香 ” 。虽然在本次课程设计过程中，我们明显感觉到本次相对以前所做过的课程设计难度较高，但我们还是把它完成了。我们又一次超越了自我，这意味着相对以前我们的水平有所提高，我们高兴，我们累的值！通过本次课程设计，使我们以前所学的多门知识得到了一次综合性地运用，也使我们进一步理解了各门学科之间的相互联系。通过机床进给运动机械变速传动系统的结构设计，使我们在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到结构构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件设计、编写技术文件和查阅技术资料的等方面的综合训练，也使我们进一步树立了正确的设计思想，掌握了基本的设计方法。同时，作为毕业前的最后一次课程设计，可以说是对以后工作的一次战前练兵，本次课程设计在提高我们解决实际问题能力的同时，也让我们认识到了自身或多或少在某些方面还有不足之处，有待提高。在以后的学习、工作中，我们会再接再励，努力学习新的现代设计理论 ,计算技术 ,力争做到理论与实际相结合，不断提高自己。另外，在本次设计过程中，文怀兴老师不辞劳苦指导我们，给予了我们很大帮助，在此深表感谢！当然，由于我们水平有限，整个设计中不妥之处在所难免，恳请老师不吝指正。 nts陕西科技大学课程设计说明书 20 参考文献 1. 步进电动机应用技术李忠杰宁守信主编机械工业出版社 2. 数控机床系统设计文怀兴夏田编著化学工业出版社 3. 机械设计第七版濮良贵纪名刚主编高等教育出版社 4. 机械设计课程设计图册第三版龚桂义主编高等教育出版社 5. 机械零件手册第五版周开勤主编高等教育出版社 6. 机床设计图册哈尔滨工业大学上海纺织工业学院天津大学主编上海科学技术出版社 7. 机床设计手册之零件设计机床设计手册编写组主编机械工业出版社出版 nts 数控机床设计课程设计任务书机电工程学院机械设计制造及其自动化专业班级学生：题目：数控车床纵向进给系统设计课程设计从 2006 年 12 月 22 日起到 2007 年 1 月 5 日 1、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：课程设计的内容：（ 1）设计数控车床纵向进给系统传动设计；结构设计；主要零件设计（选择一个主要零件轴或齿轮）（ 2）编写设计说明书主要内容包括：机床的用途及主要技术参数，数控车床纵向进给系统传动的方案设计、动力计算、结构设计、零件设计、结果分析、设计体会及今后的改进等设计过程设计要求：车床控制精度： 0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度： Vmax=5m/min。设计参数：最大加工直径为 Dmax=400mm，工作台及刀架重： 110 ；最大轴向力 =160；导轨静摩擦系数 =0.2；行程 =1280mm；步进电机： 110BF003；步距角： 0.75；电机转动惯量： J=1.8 10-2 .cm.s-2；主要参考资料：机床课程设计指导书，挂图，机床设计手册、数控机床等教材 2、对课程设计成果的要求包括图表、实物等硬件要求：（ 1）图纸 nts 进给系统装配图 A1一张；消隙齿轮箱装配图 A1 一张；零件图 A4一张（手画或坐标纸画）（ 2）说明书方案设计、运动设计、结构设计、零件设计、结果分析、体会及今后的改进、参考资料 3、课程设计工作进度计划：时间设计任务及要求 12.2224 方案设计、设计计算、传动设计，绘制传动图 12.2527 结构设计，绘制装配结构图 12.2830 对装配结构图不合理结构修改；绘制典型零件图。 12.31元 .5 编写说明书。按要求整理说明书，打印，出图，上交指导教师：日期：教研室主任：日期： nts目录一一、数数控控机机床床进进给给系系统统概概述述 . 1 二、主要设计任务参数 . 3 三、数控车床纵向进给系统传动的方案设计 . 3 1、纵向进给系统设计的基本要求 . 3 1、带有齿轮传动的进给运动 . .3 2、经同步带轮传动的进给运动 . 4 3、电机通过联轴器直接与丝杠联接 . 5 四、运动设计 . 5 1、降速比计算 . 5 2、减速齿轮的确定 . 6 五、丝丝杠杠螺螺母母机机构构的的选选择择与与计计算算 . 6 1、动载强度计算 . 6 2、静强度计算 . 7 3、临界转速校核 . 8 4、额定寿命的校核. 8 六、动力计算 . 8 1、传传动动件件转转动动惯惯量量的的计计算算 . 8 2、电动机力矩的计算 . 9 七七、丝丝杠杠螺螺母母机机构构的的传传动动刚刚度度计计算算 . 10 八、结构设计 . 11 1、滚珠丝杠的支承 . 11 2、滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧 . 12 九、主主要要结结构构性性能能及及特特点点的的分分析析 . 12 十、总结与体会 . 13 参考文献 14 nts陕西科技大学课程设计说明书第 1 页一一、数数控控机机床床进进给给系系统统概概述述数控机床伺服系统的一般结构如图图 1-1 所示：图 1-1 数控机床进给系统伺服相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性：（ 1）提高生产率。数控机床能缩短生产准备时间，增加切削加工时间的比率。采用最佳参数和最佳走刀路线，缩短加工时间，从而提高生产率。（ 2）数控机床可以提高零件的加工精度，稳定产品质量。由于它是按照程序自动加工不需要人工干预，其加工精度还可以利用软件进行校正及补偿，故可以获得比机床本身精度还要高的精度和重复精度。（ 3）有广泛的适应性和较大的灵活性。通过改变程序，就可以加工新产品的零件，能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件的加工。（ 4）可以实现一机多用。一些数控机床，可以自动换刀，一次装卡后，几乎能完成零件的全部加工部位的加工，节省了设备和厂房面积。（ 5）可以进行精确的成本计算和生产进度安排，减少在制品，加速资金周转，提高经济效益。（ 6）不需要专用夹具。采用普通的通用夹具就能满足数控加工的要求。节省了专用夹具设计制造和存放的费用。（ 7）大大减轻了工人的劳动强度 2。因此，采用数控机床，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。此数控装置控制介质测量装置伺服系统机床nts陕西科技大学课程设计说明书第 2 页外，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。由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。数控车床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。数控车床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。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。伺服系统对伺服电机的要求：（ 1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 nts陕西科技大学课程设计说明书第 3 页（ 2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载 4-6 倍而不损坏。（ 3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s2 以上的角加速度的能力，才能保证电机可在 0.2s 以内从静止启动到额定转速。（ 4）电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。二、主要设计任务参数车床控制精度： 0.01mm（即为脉冲当量）；最大进给速度： Vmax=5m/min。最大加工直径为 Dmax=400mm，工作台及刀架重： 110；最大轴，向力 =160；导轨静摩擦系数 =0.2；行程 =1280mm；步进电机： 110BF003；步距角： 0.75；电机转动惯量： J=1.8 10-2 .cm.s-2；三、数控车床纵向进给系统传动的方案设计用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为： nts陕西科技大学课程设计说明书第 4 页（ 1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。（ 2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。（ 3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。（ 4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（ 5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的 T型丝杠。也可对原车床上 T型丝杠加以修复，但此时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。数控机床的进给系统当采用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有三种形式，如图 1-1所示。 1 纵向伺服进给系统设计的基本要求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以下措施：（ 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。 2、带有齿轮传动的进给运动 nts陕西科技大学课程设计说明书第 5 页数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求，如图1-2a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。 ( c )( b )( a )图 1-2 电机与丝杠间的联接形式 3、经同步带轮传动的进给运动如图 1-2b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低扭矩特性要求的场所。安装时中心距要求严格，且同步带与带轮的制造工艺复杂。 4、电机通过联轴器直接与丝杠联接如图 1-2c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采用这种联接形式。根据进给系统的要求及设计要求，选择带有齿轮传动的进给运动，选用最佳降速比，可以提高机床的分辨率，并使系统折算到驱动轴上的惯量减少；尽量消除传动间隙，减少反向死区误差，提高位移精度等。四、运动设计 1、降速比计算功率步进电动机型号为 110BF003，其主要技术参数为最大静转矩为 7.84Nm ,步距角0.75 ,电电机机转转动动惯惯量量： J=1.8 10-2 .m2；快快速速空空载载启启动动时时电电动动机机转转速速 500 / minr 。进给传动链的脉冲当量 0 .0 1 /mm P .选滚珠丝杠的螺距为 12mm. 由式中步进电动机的步距角 0 . 7 5 1 2 2 . 53 6 0 3 6 0 0 . 0 1Si nts陕西科技大学课程设计说明书第 6 页脉冲当量， mm S 丝杠螺距 , mm 2、减速齿轮的确定选择一级减速器，选齿轮1 20Z ，2 50Z ，模数 2m mm ，齿宽 20b mm 。五、丝丝杠杠螺螺母母机机构构的的选选择择与与计计算算已知条件：工工作作台台及及刀刀架架重重： 100 ,所所以以重重量量为为 9 . 8 1 1 0 1 0 7 8GN (1 1）最大行程： 1280mm，失动量： 0.01mm ，工作台最高速度：m a x 5 / m invm查表选择丝杆预期寿命： 15000hL 小时，摩擦系数 0.2 。则导轨的静摩擦力 FO。 0 . 2 1 0 7 8 2 1 5 . 6OF G N （ 1 2）最大轴向负载 0 m a x 1 6 0 9 . 8 1 5 6 8FN （ 1 3） 1、动载强度计算当转速 10 / minnr 时，滚珠丝杠；螺母的主要破坏形式是工作表面的疲劳点蚀，因此要进行动载强度计算，其计算动载荷 ()Cc N 应小于或等于滚珠丝杆螺母副的额定动负荷，即 3 c d H e q rC T f f F F（ 1 4) 式中 df 动载荷系数，见表 1 1; Hf 硬度影响系数，见表 1-2; eqF 当量动负荷， N; rF 滚珠丝杠；螺母副的额定动负荷， N； T 寿命，以 610 r 为一个单位。 660 10neqTT (1-5) 式中 T 使用寿命， h；按设计机床要求取 T=15000h N 循环次数： eqn 滚珠丝杠的当量转速， r/min。 nts陕西科技大学课程设计说明书第 7 页 1 0 0 0 m a x 1 0 0 0 5 4 1 6 . 6 7 / m i n12eq VnrS (1 6）代入上式得 666 0 6 0 4 1 6 . 6 7 1 5 0 0 0 3 7 51 0 1 0n e q TT （ 1 7）表 1-1 动载荷系数df载荷性质dfdf载荷性质 df平稳轻微冲击 1.0 1.2: 较大冲击和振动 1.5 2.5: 中等冲击 1.2 1.5: 表 1-2 硬度影响系数Hf、 Hf硬度 /HRC 50 55 52.5 50 47.5 45 40 Hf1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.40 3.85 Hf 1.0 1.11 1.40 1.67 2.10 2.64 4.50 当工作载荷单调连续或周期行单调连续变化时，则 0 0 m a x2 1 1 1 7 . 23eq FFFN（ 1 8）式中 0F0maxF 最大和最小工作载荷， N。查表 1 1 1 2 取df=1.5 Hf=1.56 代入上式得 3 3 1 . 5 1 . 5 6 1 1 1 7 . 231 8 8 5 1 . 9759 1 8 . 8 5c d H e qN K NC T f f F （ 1 9） 2、静强度计算当转速 10 / minnr 时，滚珠丝杠螺母的主要破坏形式为滚珠接触面上产生较大的塑性变形，影响正常工作。因此，应进行静强度计算，最大计算静载荷0 ()cFN为 0 m a xc d H o rF f f F F（ 1 10）式中 Hf 硬度硬度影响系数，见表 5 2；取 Hf=1.67. 0rF 滚珠丝杠螺母副的额定静负荷， N。代入得 0 m a x 1 . 5 1 . 5 6 1 5 6 8 3 6 6 9c d HF f f F N （ 2 1）根据计算额定动负载荷和额定静负荷初选滚珠丝杠副型号为 5012 5CBM 。其基本参数为公称直径0 50d mm，导程 12S mm ，滚珠直径 7 .1 4 4Dw mm 。额定动负荷nts陕西科技大学课程设计说明书第 8 页 39348Ca N ，额定静负荷 0 108290rFN 。动载荷与静载荷载均满足要求。 3、临界转速校核对于高速长丝杠有可能发生共振，需要算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速 ( / min).cnr22229910ccfdnL（ 2 2） 201 .2 wd d D（ 2 3）式中临界转速计算长度， m；丝杠支撑方式系数。两端固定时，代入数据得 20 1 . 2 5 0 1 . 2 7 . 1 4 4 4 1 . 4 2 7wd d D m m 2 222224 . 7 3 0 . 0 4 19 9 1 0 9 9 1 0 5 5 4 8 . 3 / m i n1 . 2 8c cfdnrL 远远小于其最大速度，故临界转速满足。 4、额定寿命的校核滚珠丝杠的额定动载荷 39348aCN，已知其轴向载荷m a x 1568aaF F N，滚珠丝杠的转速m a x 4 1 6 . 6 7 / m i nn n r，运转条件系数 1.2wf ，则有 3 6 3 6 639348( ) 1 0 ( ) 1 0 9 1 4 5 1 01 5 6 8 1 . 2aawCL r rFf （ 2 4） 69 1 4 5 1 0 3657996 0 6 0 4 1 6 . 6 7h LL h hn （ 2 5）滚珠丝杠螺母副的总工作寿命 3 6 5 7 9 9 1 5 0 0 0hL h h，故满足要求。六、动力计算 1、传传动动件件转转动动惯惯量量的的计计算算 cL2f 2 4.73f nts陕西科技大学课程设计说明书第 9 页 1.1、小齿轮的转动惯量1J4 1 2 4 1 2 5 2110 . 7 7 1 0 0 . 7 7 4 0 2 0 1 0 4 1 0J D b k g m g （ 2 6）式中 1D 齿轮1Z分度圆直径， mm， 11 2 2 0 4 0D m Z m m ；（ 2 7） b 齿轮宽度， mm。 1.2、大齿轮转动惯量2J4 1 2 4 1 2 3 2220 . 7 7 1 0 0 . 7 7 1 0 0 2 0 1 0 1 . 5 4 1 0J D b k g m g （ 2 8）式中 2D 齿轮2Z分度圆直径， mm 22 2 5 0 1 0 0D m z m m （ 2 9） 1.3、计算工作台的转动惯量 JW 2 6 2 64212( ) 1 0 ( ) 1 0 0 1 0223 . 6 5 1 0SJ w Wk g m g（ 2 10) 式中 W 工作台（包括工件）的质量， kg； S 丝杠螺距， mm。 1.4、计算丝杠的转动惯量 Js 4 1 2 4 1 2320 . 7 7 1 0 0 . 7 7 5 0 1 2 8 0 1 06 . 2 1 0SoJ d Lk g m g(3 1）式中 L 支撑距， mm。 1.5、负载折算到电动机轴上的转动惯量为： 12 25 3 3 4 221 ()14 1 0 (1 . 5 4 1 0 6 . 2 1 0 3 . 6 5 1 0 ) 0 . 0 0 1 32 . 5r s wJ J J J Jik g m g（ 3 2） 2、电动机力矩的计算 2.1、计算加速力矩 Ma 0 . 0 0 1 3 5 0 0 2 . 7 19 . 6 9 . 6 0 . 0 2 5ra JnM N mT g （ 3 3） nts陕西科技大学课程设计说明书第 10 页 2.2、计算摩擦力矩 Mf （ 3 4）式中传动链总效率，取 =0.8。 2.3、计算附加摩擦力矩0M2 3 2 30 m a x00 1 5 6 8 1 2( 1 ) 1 0 ( 1 0 . 9 ) 1 0 0 . 2 8 52 2 0 . 8 2 . 5FSM N mi g（ 3 5）式中传动链总效率，取 =0.8； 0 滚珠丝杠未预紧时的效率，取0=0.9。 2.4、空载启动时电动机所需力矩： 0 0 . 2 1 0 . 2 8 5 2 . 7 1 3 . 2 0 5afM M M M N m g（ 3 6）因此，选用 7.84Nmg 的步进电机满足要求。七七、丝丝杠杠螺螺母母机机构构的的传传动动刚刚度度计计算算滚珠丝杠一段轴向支撑，丝杠的最小拉压刚度minK和最大拉压刚度maxK分别为： 2m i nm a x25545 0 2 . 0 6 1 0 3 . 1 5 8 1 0 / 3 1 6 /4 1 2 8 0dEKlN m m N m （ 3 7) 2m a xm i n25645 0 2 . 0 6 1 0 1 . 0 1 1 1 0 / 1 0 1 1 /4 4 0 0dEKlN m m N m (3 8）式中 E 弹性模量。按近似估算，将丝杠本身的拉压刚度 K乘以 1/3，作为传动的综合拉压刚度0K，即： 332 1 5 . 6 1 21 0 1 02 2 0 . 8 2 . 50 . 2 1OfFSMiNm gnts陕西科技大学课程设计说明书第 11 页 m a x0 m a x 1011 3 3 7 /33KK N m （ 3 9） m i n0 m i n 316 1 0 5 . 3 3 /33KK N m （ 4 1）反向死区误差计算 002 2 2 1 5 . 6 4 . 0 9 1 01 0 5 . 3 3F mmK （ 4 2）所以能满足单脉冲进给的要求。计算由于传动刚度的变化的定位误差 k ，应使 0 m i n 0 m a x110 ( )112 1 5 . 6 ( ) 1 . 41 0 5 . 3 3 3 3 7k F KKm （ 4 3）满足由于传动刚度变化引起的定位误差小于 11()35:机床定位精度的要求。八、结构设计 1、滚珠丝杠的支承滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：

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