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I 毕业设计 论文 课 题 名 称 数控滚齿机轴向进给 径向进给部件及滚刀架 回转运动部件 专 业 班 级 学 生 姓 名 学 生 学 号 起迄日期 指导教师 日期 2014 年 5 月 22 日 II 摘 要 本次设计是对数控滚齿机的设计 在这里主要包括 轴向进给的设计 径向进给 部件的设计 滚刀架回转运动部件系统的设计这次毕业设计对设计工作的基本技能的 训练 提高了分析和解决工程技术问题的能力 并为进行一般机械的设计创造了一定 条件 整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上 丝杆带 动丝杆螺母 从而带动整机运动 提高劳动生产率和生产自动化水平 更显示其优越 性 有着广阔的发展前途 本论文研究内容 1 数控滚齿机总体结构设计 2 数控滚齿机工作性能分析 3 电动机的选择 4 数控滚齿机的传动系统 执行部件及机架设计 5 对设计零件进行设计计算分析和校核 6 绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图 关键词 数控滚齿机 联轴器 滚珠丝杠 III Abstract This design is the design of CNC gear hobbing machine Here mainly includes the design of axial feed radial feed component design hob head rotating parts of the system design of the graduation design the design of the basic skills training enhancing the analysis and to solve engineering problems and create a certain condition for general mechanical design The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod the screw rod drives the screw rod nut thereby driving the movement improve labor productivity and automation level of production But also show its superiority there are broad prospects for the development The research of this thesis 1 the overall structure design of CNC roll grinding machine 2 analysis of the work gear machine CNC roll 3 the choice of motor 4 transmission system execution unit and the frame design of CNC gear hobbing machine 5 the design of components for the design calculation and check 6 to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design Keywords CNC gear hobbing machine coupling ball screw IV 目 录 摘 要 II Abstract III 目 录 IV 第 1 章 绪论 1 1 1 数控滚齿机的研究定义及工作原理 1 1 1 1 数控滚齿机定义 1 1 1 2 工作原理 1 1 2 课题的目的及意义 2 1 3 国内外概况综述 3 1 4 本课题研究的内容及方法 5 1 4 1 主要的研究内容 5 1 4 2 设计要求 5 1 4 3 关键的技术问题 5 第 2 章 数控滚齿机总体结构设计 6 2 1 毕业设计 论文 要求及原始数据 6 2 2 数控滚齿机的构成 7 2 2 数控滚齿机的工作原理 8 第 3 章 轴向进给结构及传动设计 9 3 1 轴向进给滚珠丝杆副的选择 10 3 1 1 导程确定 10 3 1 2 确定丝杆的等效转速 10 3 1 3 估计工作台质量及负重 10 3 1 4 确定丝杆的等效负载 10 3 1 5 确定丝杆所受的最大动载荷 11 3 1 6 精度的选择 12 3 1 7 选择滚珠丝杆型号 12 3 2 校核 13 V 3 2 1 临界压缩负荷验证 13 3 2 2 临界转速验证 14 3 2 3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 15 3 3 电机的选择 15 3 3 1 电机轴的转动惯量 16 3 3 2 电机扭矩计算 17 第 4 章 径向进给机械结构设计 19 4 1 确定脉冲当量 19 4 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 19 4 2 1 精度的选择 19 4 2 2 丝杠导程的确定 19 4 2 3 最大工作载荷的计算 19 4 2 4 最大动载荷的计算 20 4 2 5 滚珠丝杠螺母副的选型 21 4 2 6 滚珠丝杠副的支承方式 21 4 2 7 传动效率的计算 22 4 2 8 刚度的验算 22 4 2 9 稳定性校核 23 4 2 10 临界转速的验证 24 4 3 步进电动机的选择 24 4 4 丝杠轴的校核 27 4 5 键的校核 28 4 6 轴承的校核 28 4 7 直线滚动导轨副的计算和选择 30 第 5 章 滚刀架回转运动的设计 33 5 1 滚刀架回转运动设计 33 5 2 步进电机选择 33 5 3 齿轮设计与计算 38 5 4 轴的设计与计算 46 VI 5 5 轴承的校核 54 5 6 键的选择和校核 58 结论 59 参考文献 60 致 谢 62 1 第 1 章 绪论 1 1 数控滚齿机的研究定义及工作原理 1 1 1 数控滚齿机定义 数控滚齿机适用于成批 小批及单件生产加工圆柱齿轮和蜗轮 及一定参数的鼓 形齿轮也可用花键滚刀连续分度滚切长度小于 300 的 6 齿及 6 齿以上的短花键轴 且 用链轮滚刀可以滚切链轮 加工圆柱齿轮时可采用逆铣和顺铣滚切 采用轴向进给 垂直进给 的方法加工出全齿宽 数控滚齿机滚切普通蜗轮是采用径向进给的方法 进行加工 数控滚齿机加工花键轴及链轮时机床的调整及加工方法与加工圆柱直齿轮 时一样 1 1 2工作原理 齿轮被广泛地应用于机械设备的传动系统中 滚齿是应用最广的切齿方法 1 传统的机械滚齿机床机械结构非常复杂 一台主电机不仅要驱动展成分度传动链 还 要驱动差动和进给传动链 各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被 加工齿轮的加工精度 同时为加工不同齿轮 还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时 2 大大降低了劳动生产率 以德国西门子 日本发那科公司数控系统为主流的数控滚齿机的出现 大大提高 了齿轮加工能力和加工效率 我国目前真正能够生产数控滚齿机的只有 2 3 个厂家 且使用的多是德国西门子数控系统 加工中模数齿轮 没有自主产权的核心技术 缺 少国际竞争力 注意到以上问题 并根据近来数控技术 尤其是开放式运动控制器飞速发展的现 状 本文针对小模数 少齿数 大螺旋角斜齿轮滚齿加工迫切要求数控化的实际需求 进行了深入的研究 成功地开发了了一套基于开放式运动控制器的数控滚齿系统并用 于实际生产 1 基于开放式运动控制器的数控体系结构 该体系结构的核心是一块具有 PC104 总线并且自带高速 DSP 芯片的开放式多轴运 动控制卡 与嵌入式 PC 主机构成多处理器结构 提供 4 路 16 位 D A 模拟电压 2 10V 控制信号 4 路 4 倍频差动式光电编码器反馈信号接口 输入信号频率 最高可达 8MHZ 32 路光电隔离输入输出接口 可编程数字 PID 速度前馈 加速度前馈 滤波方式 卡上自带 DSP 芯片以实现实时高速插补 计算功能 可完成空间直线 圆 弧插补 大大减轻了主机负担 还提供了程序缓冲区 降低了对主机通讯速度的要求 3 该运动控制卡通过 PC104 总线和计算机通讯 一方面将从各控制轴采集到的数 据送给主机进行计算 另一方面 将主机根据工艺及数学模型进行运算生成的运动控 制指令经过进一步处理送各轴伺服驱动器 完成各轴的运动控制 加工出满足工艺要 求的合格零件 由于使用标准的 PC104 型工控机作 为主机 采用标准化接口 可灵活地选用电机 驱动装置和反馈元件 支持包括乙太 网甚至是 Internet 网在内的多种网络协议及拓扑结构 可方便地实现远程控制 组 网技术十分灵活而且技术成熟 4 1 2 课题的目的及意义 近年来 随着汽车 机械 航天等工业领域的不断发展 对齿轮提出了更高的 要求 传动速度大 承载能力强 使用寿命长 运行噪音小 制造成本低 相应地对 齿轮的设计 加工 检测等方面也提高了要求 在这种背景下 现代设计方法 先进 制造技术 计算机技术及相关技术的交叉融合 使齿轮相关技术的研究进入了一个崭 新的阶段 齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统 由于齿轮使用的量大面 广 齿轮加工机床已成为汽车 摩托车 工程机械 船舶等行业的关键设备 特别是 随着汽车工业的高速发展 对齿轮的需求量日益增加 对齿轮加工的效 率 质量及加工成本的要求愈来愈高使齿轮加工机床在汽车摩托车等行业中占有越来 越重要的作用 滚齿机是齿轮加工机床中的一种 占齿轮加工机床拥有量的 40 它主 要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等 传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动往需要 经过多级齿轮传动 并且引入蜗杆蜗轮机构使得机械结构非常复杂调整维护非常困难 也降低了加工精度 数控滚齿机高加工精度 高生产率的特点 在制造业中的应用比 例越来越大 有效地保证了产品质量和产量 随着风电 船舶 建材产业的迅速发展 国内对大型高档机床的需求旺盛 且要求效率高 精度高 国内机床技术与国外有很大 差距 国内还没几家单位有能力加工直径为两米的大型数控滚齿机 全世界也只有两家 分 3 别在德国和美国 在这种情况下 有好几年 中国的大型数控滚齿机都需进口这两家的 产品 从国外进口 价格贵 交货期长 售后服务麻烦 所以研制加工直径两米以上的大 型数控滚齿机和有必要 对数控滚齿机的设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论 基本技能和 专业知识的能力 培养学生建立正确的设计思想 掌握工程设计的一般程序 规范和 方法 而工科类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实际知识和技能 获得工程 技术经用性岗位的基本训练 通过毕业设计 可树立正确的生产观点 经济观点和全 局观点 实现由学生向工程技术人员的过渡 使学生进一步巩固和加深对所学的知识 使之系统化 综合化 培养学生独立工作 独立思考和综合运用所学知识的能力 提 高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力 从而扩大 深化所学的专业知识和 技能 培养学生的设计计算 工程绘图 实验研究 数据处理 查阅文献 外文资料的 阅读与翻译 计算机应用 文字表达等基本工作实践能力 使学生初步掌握科学研究 的基本方法和思路 使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想 方法手 段 树立做事严谨 严肃认真 一丝不苟 实事求是 刻苦钻研 勇于探索 具有创 新意识和团结协作的工作作风 通过毕业设计资料的搜集 整理 数据的查询 方案的确定 撰写 电路的设计 以及毕业答辩等活动 初步了解数控机床回参考点的方式的种类何工作原理 接受初 步的数控机床的训练和熏陶 深化和综合基础课 专业课的分析问题和解决问题的能 力以及培养协作精神 树立高度的工作责任感的能力 同时系统的对我们三年所学知 识进行总结 全面的复习整理 查缺补漏 以达到熟练掌握专业知识的目的 并综合 运用和深化所学专业理论识培养独立分析和解决一般工作实际问题的能力 树立高度 的责任感 以便在日后工作中能得心应手 能更好的适应社会的需要 充分发挥自己 的才华 贡献自己的一份力量 随着教育改革的逐步深入 为落实增强学生的创新精神 能力培养和素质教育三 大新的教育目标打破以理论教学为主 实验教学和实践为辅的传统教育方法 提高学 生的创新能力及灵活运用知识的能力 以便能最快的适应工作的需求 1 3 国内外概况综述 我国生产滚齿机的历史始于 1953 年 经过 30 年的努力 到 80 年代初已进入世滚 4 齿机主要生产国家行列 目前 国产滚齿机以传统的机械传动式为主 品种 系列齐 全 传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动 往往 需要经过多级齿轮传动 并且引入蜗杆蜗轮机构使得机械结构非常复杂调整维护非常 困难也降低了加工精度 近几年 我国在滚齿机设计技术方面研究的主要经历了从统 机械式滚齿机通过数控改造发展为 2 至 3 轴 直线运动轴 实用型数控高效滚齿机 到全新六轴四联动数控高速滚齿机的开发 最大主轴转速一般为 1200 转 分 与发达 国家同类产品相比我国仍然存在着不小的差距 究其原因主要还是因为基础研究差 整体设计能力不足 由此导致新技术应用慢和仿制比重较大 如零传动技术干切技术 在齿轮加工机床中的应用一直处于落后状态 数控系统是数控机床的核心 德国西门子 利勃海尔和日本的马扎克 法拉克掌 握着数控系统的最高水平 利勃海尔数控系统 16 个软件包的价格接近母机价格 软件 和母机一起卖 不分开出售 软件利润非常高 目前国内机床企业使用的中高档机床 的数控系统基本都是国外进口 同时国内研制加工效率高 精度高直径为两米的大型 数控滚齿机的单位的能力比较弱 而从国外进口 价格贵 交货期长 售后服务麻烦 数 控系统和功能部件发展滞后已成为制约行业发展的瓶颈 国产中档数控系统国内市场 占有率只有 35 而高档数控系统 95 以上依靠进口 功能部件国内市场总体占有率约 为 30 其中高档功能部件市场占有率更低 台湾地区品牌功能部件约占国内市场的 50 其余 20 为欧盟 日本等品牌产品 据国家海关统计数据 2010 年我国进口数控 系统金额达 18 1 亿美元 滚齿机附件 含功能部件和夹具 类产品达 16 2 亿美元 以高速 高精 复合 智能等为特征的高档数控滚齿机关键技术虽然已经取得明 显进步 一批共性 基础技术和新产品研发也有了新的进展 但与国际先进水平相比 还存在较大差距 有些关键技术 如 高速高精运动控制技术 动态综合补偿技术 多轴联动和复合加工技术 智能化技术 高精度直驱技术 可靠性技术等尚需进一步 突破 有些重大技术离产业化还有一段路程 以企业为主体 以市场为导向 产学研 用相结合的研发体系尚未真正建立 行业的自主创新发展缺乏高新技术支撑 我国滚齿机工具行业产品质量整体水平已经有了很大提高 对提升产业的整体素 质和核心竞争力起到了重要作用 也得到广大用户的认可 但在产品质量的稳定性和 可靠性方面 例如 滚齿机早期故障率较高 精度稳定性周期短 工程能力系数 CPK 值 平均无故障工作时间 MTBF 等指标与国际先进水平比较尚有一定差距 加强产品 5 质量工作 解决深层次的质量问题依然不容忽视 1 4 本课题研究的内容及方法 1 4 1 主要的研究内容 为了实现上述目标 本文拟进行的研究内容如下 1 根据现场作业的环境要求和本身的结构特点 确定数控滚齿机整体设计方案 2 确定的性能参数 对初步模型进行静力学分析 根据实际情况选择电机 3 从所要功能的实现出发 完成数控滚齿机各零部件的结构设计 4 完成主要零部件强度与刚度校核 1 4 2 设计要求 1 根据所要实现的功能 提出数控滚齿机的整体设计方案 2 完成数控滚齿机结构的详细设计 3 通过相关设计计算 完成电机选型 4 完成数控滚齿机结构的设计 绘制数控滚齿机结构总装配图 主要零件图 1 4 3 关键的技术问题 1 方案选择 2 整体设计 3 电机选型设计 4 强度校核 6 第 2 章 数控滚齿机总体结构设计 2 1 毕业设计 论文 要求及原始数据 本机床主要用于模数小于 1 5mm 的直齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮的精密 高效加 工 可进行硬齿面齿轮的一次成形加工或二次对刀成形加工 也可进行模数小于 3mm 的直齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮的精密加工 通过闭环的 X 轴控制可进行高精度鼓形 齿轮的加工 本机床可广泛用于汽车 摩托车 仪器 仪表 玩具 电动工具 渔具等行业 的各种不同精度的齿轮的大批量 高效率加工 最大加工直径 100mm 最大加工模数 3mm 最大轴向行程 150mm 加工齿数范围 4 100齿 滚刀架可转动范围 50 最大滚刀直径 63mm 滚刀轴转速 550 4000 rpm 工件轴转速 5 495 rpm 轴向运动快速 5000 mm min 径向运动快速 5000 mm min 切向运动快速 5000 mm min 7 2 2 数控滚齿机的构成 该机在整体结构的主要零部件有底座基础 纵向导轨 横向导轨 支柱 切削头 旋转工作台 控制箱 等组成 其中底座基础上安装有地脚螺栓 纵向导轨支撑体通 过地脚螺栓与基础体固定在一起 该机分为主运动系统 轴向进给 径向进给部件 滚刀架回转运动部件 8 2 2 数控滚齿机的工作原理 机器工作时 主电机运动将动力通过带轮传递给主轴 主轴带动工作台上的工件 通过纵向导轨和横向导轨实现刀具的上下运动和左右运动 整机的运动是在 PLC 的控 制下进行的 进而实现了对工件加工的连续性和自动化 立式滚齿机工作时 滚刀装在滚刀主轴上 由主电动机驱动作旋转运动 刀架可 沿立柱导轧垂直移动 还可绕水平轴线调整一个角度 工件装在工作台上 由分度蜗 轮副带动旋转 与滚刀的运动一起构成展成运动 滚切斜齿时 差动机构使工件作相应 的附加转动 工作台 或立柱 可沿床身导轨移动 以适应不同工件直径和作径向进给 滚齿机的齿形加工原理为展成法 展成法是将齿轮啮合副中的一个齿轮转化为刀 具 另一个齿轮转化为工件 齿轮刀具做切削主运动的同时 以内联系传动链强制刀 具和工件做严格的啮合运动 于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求的齿形表面来 这种方法的加工精度和生产效率都很高 滚齿机的立柱固定在床身上 刀架滑板可沿立柱上的导轨做轴向进给运动 安装 滚刀的刀杆固定在刀架体的刀具主轴上 刀架体能绕自身轴线倾斜一个角度 这个角 度成为滚刀安装角 其大小与滚刀螺旋升角大小及旋向有关 安装工件用的心轴固定 在工作台上 工作台与后立柱装在床鞍上 可沿床身导轨做径向进给运动或调整径向 进给位置支架用于支撑工件心轴上端 以提高心轴的刚度 9 第 3 章 轴向进给结构及传动设计 表表 3 13 1 滚珠丝杆副支承滚珠丝杆副支承 支承 方式 简图特点 一端 固定 一端 自由 结构简单 丝杆的压杆的稳定性和临界转速 都较低设计时尽量使丝杆受拉伸 这种安装 方式的承载能力小 轴向刚度底 仅仅适用 于短丝杆 一端 固定 一端 游动 需保证螺母与两端支承同轴 故结构较复杂 工艺较困难 丝杆的轴向刚度与两端相同 压杆稳定性和临界转速比同长度的较高 丝 杆有膨胀余地 这种安装方式一般用在丝杆 较长 转速较高的场合 在受力较大时还得 增加角接触球轴承的数量 转速不高时多用 更经济的推力球轴承代替角接触球轴承 两端 固定 只有轴承无间隙 丝杆的轴向刚度为一端固 定的四倍 一般情况下 丝杆不会受压 不 存在压杆稳定问题 固有频率比一端固定要 高 可以预拉伸 预拉伸后可减少丝杆自重 的下垂和热膨胀的问题 结构和工艺都比较 困难 这种装置适用于对刚度和位移精度要 求较高的场合 10 3 1 轴向进给滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆 螺母和滚珠组成的一个机构 他的作用就是把旋转运动 转和直线运动进行相互转换 丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体 丝杠转动时带动滚珠 滚动 设轴向进给最大行程为 150mm 最快进给速度为 5000 mm min 工作台大概质量为 80kg 移动部件大概质量为 30kg 工作台最大行程为 300mm 3 1 1 导程确定 电机与丝杆通过联轴器连接 故其传动比 i 1 选择电机 Y 系列异步电动机的最 高转速 则丝杠的导程为cmkgfMrn 2 2min 1500 maxmax 最大转矩 取 Ph 12mm maxmax 5000 15003 33 H PVnmm 3 1 2 确定丝杆的等效转速 基本公式 min rPVn h 最大进给速度是丝杆的转速 min 150012 18000 maxmax rPVn h 最小进给速度是丝杆的转速 min 083 0 12 1 minmin rPVn h 丝杆的等效转速 式 min 212min1max rtttntnnm 中取故 21 2tt min 03 1000 212min1max rtttntnnm 3 1 3 估计工作台质量及负重 主轴箱重量 NXgmG19608 9200 11 工作台重量 NXgmG7848 980 22 移动部件重量 NXgmG2948 930 33 11 3 1 4 确定丝杆的等效负载 工作负载是指机床工作时 实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力 他的数值用进给 牵引力的实验公式计算 选定导轨为滑动导轨 取摩擦系数为 0 03 K 为颠覆力矩影 响系数 一般取 1 1 1 5 本课题中取 1 3 则丝杆所受的力为 NGFGGGGGFFGfKFF Zx 2155 2 2 2 2 03 03 1 2 2 2 2 3y13323ymax 0 min F 其等效载荷按下式计算 式中取 21 tt 12 2nn N tntn tnFtnF Fm1494 3 1 2211 22 3 min11 3 max 3 1 5 确定丝杆所受的最大动载荷 3 1 6 mh kaht wm 10 60 nT ffff fF Car fw 负载性质系数 查表 取 fw 1 2 ft 温度系数 查表 取 ft 1 fh 硬度系数 查表 取 fh 1 fa 精度系数 查表 取 fa 1 fk 可靠性系数 查表 取 fk 1 Fm 等效负载 nz 等效转速 Th 工作寿命 取丝杆的工作寿命为 15000h 由上式计算得 Car 17300N 表表 3 1 13 1 1 各类机械预期工作时间各类机械预期工作时间 LhLh 12 表表 3 1 23 1 2 精度系数精度系数 fafa 表表 3 1 33 1 3 可靠性系数可靠性系数 fkfk 表表 3 1 43 1 4 负载性质系数负载性质系数 fwfw 3 1 6 精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响 在滚珠丝杠精度参数中 导 程误差对机床定位精度是最明显的 一般在初步设计时设定丝杠的任意 300行程变 mm 动量应小于目标设定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度验算中确定 选用滚珠 300 V 丝杠的精度等级 X 轴为 1 3 级 1 级精度最高 径向进给为 2 5 级 考虑到本设计 的定位精度要求及其经济性 选择 X 轴 Y 轴精度等级为 3 级 径向进给为 4 级 3 1 7 选择滚珠丝杆型号 计算得出计算得出 Ca Car 17 3KN 则 Coa 2 3 Fm 34 6 51 9 KN 13 公称直径 Ph 12mm 则选择 FFZD 型内循环浮动返向器 双螺母垫片预紧滚珠丝杆副 丝杆的型号为 FFZD4010 3 公称直径 d0 40mm 丝杆外径 d1 39 5mm 钢球直径 dw 7 144mm 丝杆底径 d2 34 3mm 圈数 3 圈 Ca 30KN Coa 66 3KN 刚度 kc 973N m 3 2 校核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率 其扭 转刚度影响扭转固有频率 承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 KO有丝杆本身 的拉压刚度 KS 丝杆副内滚道的接触刚度 KC 轴承的接触刚度 Ka 螺母座的刚度 Kn 按不同支撑组合方式计算而定 3 2 1 临界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大 采用一端固定一端支撑的方式 临界压 缩负荷按下列计算 NFK L EIf Fcr max 2 0 2 1 1e 式中 E 材料的弹性模量 E钢 2 1X1011 N m2 LO 最大受压长度 m K1 安全系数 取 K1 1 3 Fmax 最大轴向工作负荷 N f1 丝杆支撑方式系数 f1 15 1 I 丝杆最小截面惯性距 m4 4 4 2 2 1 6464 wo dddI 14 式中 do 是丝杆公称直径 mm dw 滚珠直径 mm 丝杆螺纹不封闭长度 Lu 工作台最大行程 螺母长度 两端余量 Lu 300 148 20X2 488mm 支撑距离 LO应该大于丝杆螺纹部分长度 Lu 选取 LO 620mm 代入上式计算得出 Fca 5 8X108N 可见 Fca Fmax 临界压缩负荷满足要求 3 2 2 临界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时 需验算其是否会发生共振的最高转速 要求丝杠的最 cr n 高转速 2 2 2 30 K PA EI L f n C Z cr 式中 A 丝杆最小截面 A 24 6 2 2 2 m10 9 210 3 34 4 14 3 4 d 丝杠内径 单位 2 dmm P 材料密度 p 7 85 103 Kg m 临界转速计算长度 单位为 本设计中该值为 c Lmm 148 2 300 620 488 2 440mm c L 安全系数 可取 0 8 2 K 2 K fZ 丝杠支承系数 双推 简支方式时取 18 9 经过计算 得出 6 3 104 该值大于丝杠临界转速 所以满足要求 cr n min r 15 3 2 3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式 LAEK LAEK s s max min 式中 A 丝杠最小横截面 22 2 4 Admm 螺母座刚度 KH 1000N m 当导轨运动到两极位置时 有最大和最小拉压刚度 其中 L 植分别为 750mm 和 100mm 经计算得 min 1 12 1 1 sCHe KKKK srad m W e B k 式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度 N m KH 螺母座的刚度 N m KH 1000 N m Kc 丝杠副内滚道的接触刚度 N m KS 丝杠本身的拉压刚度 N m KB 轴承的接触刚度 N m 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r min 能满足要求 3 3 电机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件 每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量 电机总的回转角与输入脉冲数成正比例 相应的转速取决于输入脉冲的频率 步进电机具有惯量低 定位精度高 无累计误差 16 控制简单等优点 所以广泛用于机电一体化产品中 选择步进电动机时首先要保证步 进电机的输出功率大于负载所需的功率 再者还要考虑转动惯量 负载转矩和工作环 境等因素 3 3 1 电机轴的转动惯量 a 回转运动件的转动惯量 328 md 42 Ld JR 上式中 d 直径 丝杆外径 d 39 5mm L 长度 1m P 钢的密度 7800 2 kg m 经计算得 2 m0 002kg R J b 轴向进给直线运动件向丝杆折算的惯量 2 2 P MJL 上式中 M 质量 轴向进给直线运动件 M 160kg P 丝杆螺距 m P 0 001m 经计算得 2 8 10 4 09mkgJL c 联轴器的转动惯量 查表得 2 0004kg 0 mJW 17 因此 28 m0 0028kg0004 0 10 09 4 002 0 WLR JJJJ 3 3 2 电机扭矩计算 a 折算至电机轴上的最大加速力矩 a t Jn T 60 2 max max 上式中 min 1500 max rn J 0 0028kg m2 ta 加速时间 KS 系统增量 取 15s 1 则 ta 0 2s S K 3 ta 经计算得mNT 2 2 max b 折算至电机轴上的摩擦力矩 I P FT 2 0f 上式中 F0 导轨摩擦力 F0 Mf 而 f 摩擦系数为 0 02 F0 Mgf 32N P 丝杆螺距 m P 0 001m 传动效率 0 90 I 传动比 I 1 经计算得mNTf 75 0 c 折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 18 i2 1 2 00 0 PP T 上式中 P0 滚珠丝杆预加载荷 1500N 0 滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 0 9 经计算的 T0 0 05N M 则快速空载启动时所需的最大扭矩 mNTTTT f 82 2 0max 根据以上计算的扭矩及转动惯量 选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066 其额定转 矩为 6 7 N mA 19 第 4 章 径向进给机械结构设计 4 1 确定脉冲当量 一个进给脉冲 使数控滚齿机运动部件产生位移量 也称为数控滚齿机的最小设 定单位 脉冲当量是衡量数控数控滚齿机加工精度的一个基本技术参数 经济型数控 机床常采用的脉冲当量是 0 01 0 005mm 脉冲 根据数控滚齿机精度要求确定脉冲当量 0 01mm 脉冲 4 2 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动 其螺旋传动是在丝杠和螺母滚 道之间放人适量的滚珠 使螺纹间产生滚动摩擦 丝杠转动时 带动滚珠沿螺纹滚道 滚动 螺母上设有返向器 与螺纹滚道构成滚珠的循环通道 为了在滚珠与滚道之间 形成无间隙甚至有过盈配合 可设置预紧装置 为延长工作寿命 可设置润滑件和密 封件 4 2 1 精度的选择 滚珠丝杠副的精度直接影响数控数控滚齿机的定位精度 在滚珠丝杠精度参数中 其导程误差对数控滚齿机定位精度最明显 一般在初步设计时设定丝杠的任意 300 行程变动量应小于目标设定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度验算中确定 mm 300 V 对于车床 选用滚珠丝杠的精度等级 X 轴为 1 3 级 1 级精度最高 径向进给为 2 5 级 考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性 选择 X 轴精度等级为 3 级 径向进给为 4 级 4 2 2 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度 系统等有关 通常在 4 5 6 8 10 12 20 中选择 规格较大 导程一般也可选择较大 主要考虑承载牙厚 在速度满足的情况 下 一般选择较小导程 利于提高控制精度 本设计中初选向丝杠导程为 8 mm 4 2 3 最大工作载荷的计算 最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力 也叫 m F 20 进给牵引力 其实验计算公式如表 3 1 所示 表 3 1 实验计算公式及参考系数 m F 导轨类型实验公式 K 矩形导轨 GFFKFF yzxm 1 10 15 燕尾导轨 2 GFFKFF yzxm 1 40 2 综合或三角导轨 GFKFF zxm 1 150 15 0 18 表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数 为滑动导轨摩擦系数 为移动K G 部件总重量 假设重量 G 1000 N 查表 3 1 选择综合导轨 取 1 15 取 0 18 为 1000 K GN 算得 1 15 1197 0 18 3420 1000 GFKFF zxm 2171 55 N 4 2 4 最大动载荷的计算 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化 系统产生惯性力 此类载荷为 动载荷 比如起重机以等速度吊起重物 重物对吊索的作用为静载 起重机以加速度 吊起重物 重物对吊索的作用为动载 对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下 Q F mhwQ FffLF 3 式中 滚珠丝杠副的寿命系数 单位为r T 为使用寿命 普通L 6 10 6 10 60nTL 数控滚齿机 T 取 5000 10000h 数控数控滚齿机 T 取 15000h n 为丝杠每分 钟转速 载荷系数 一般取 1 2 1 5 本设计取 1 2 w f 硬度系数 HRC58 时取 1 0 等于 55 时取 1 11 等于 52 5 时取 1 35 h f 等于 50 时取 1 56 等于 45 时取 2 40 滚珠丝杠副的最大工作载荷 单位为 N m F 本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度 初选丝杠min 6 0 max mVj 21 基本导程 则丝杠转速 取滚珠丝杠 mmPh8 min 75 1000 max rPVn hj 使用寿命 带入得 90 取 代入 hT15000 6 10 60nTL L 2 1 w f1 h f 求得 17390N mhwQ FffLF 3 Q F 4 2 5 滚珠丝杠螺母副的选型 初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下 Qa FC 长时间承受工作载荷时 还应使额定静载荷 min 10 rn moa FC 32 根据计算出的最大动载荷 选择江苏启东润泽数控滚齿机附件有限公司生产的 Q F FL4008 3 型内循环式滚珠丝杠副 采用双螺母螺纹式预紧 精度等级为 4 级 其参数 如表 3 2 所示 表 3 2 FL4008 3 型滚珠丝杠相关参数 公称直 径 mm 导程 mm 钢球直 径 mm 丝杠外 径 mm 丝杠底 径 mm 额定载荷 KN 接触刚度 1 mN 0 d h P w D 1 d 2 d oa C a C 4084 76338 635 246631 1897 4 2 6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动 为了提高轴向刚度 丝杠支承 常用推力轴承为主的轴承组合 考虑到纵向丝杠长度较大 本设计丝杠采用双推 简 支支承方式 该方式临界转速 压杆稳定性高 有热膨胀的余地 4 2 7 传动效率的计算 滚珠丝杠的传动效率一般在 0 8 0 9 之间 其计算公式如下 22 tan tan 式中 螺距升角 根据 可得 2 91 0 h 14 3 P tan d 摩擦角 一般取 10 算得 96 67 01192tan 192tan 4 2 8 刚度的验算 滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用 引起导程的变化 从而影响定位精度 和运动的平稳性 轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形 丝杠与螺母间滚道的 1 接触变形 支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 2 3 因转矩和丝杠 螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小 所以 可以忽略 2 3 不计 所以丝杠的拉伸或压缩变形量为 号代表拉伸 代表压缩 1 ES lF um 式中 丝杠的最大工作载荷 单位为 m FN 丝杠纵向最大有效行程 单位为 u l mm 丝杠材料的弹性模量 钢 EMPaE 5 101 2 丝杠的横截面面积 单位按丝杠螺纹的底径确定 S 2 mm 2 d 根据前面的设计 为 3234 36 取 1665 为 45 24 算得 m FN u l mm 2 dmm 0 01597 15 97 1 25 24 45 14 3 25 0 101 2 166576 3233 mmm 查表 3 3 可知 所以刚度足够 m 36 1 表 3 3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量 u l p e up V 23 精度等级 有效行程mmlu 12345 大于至 p e up V p e up V p e up V p e up V p e up V 3156688121216162323 40050087109151320192726 1600200018132518352548366551 4 2 9 稳定性校核 由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用 若轴向负载过大 则会产生失稳 现象 不失稳时的临界载荷 Fk 应该满足 K F 2 2 Ka EIfk m F 式中 丝杠支承系数 双推 简支方式时 取 2 其他方式如表 3 4 所示 k f 滚珠丝杠稳定安全系数 一般取 2 5 4 垂直安装时取最小值 本设计取 K 4 滚珠丝杠两端支承间的距离 单位为 本设计中该值为 2000 ammmm 其中工件加工长度为 1400 取 2000 留 600 的两端余量 按丝杠底径确定的截面惯性矩 单位为 本设I 2 d 64 4 2 d I 4 mm 中将代入算出 205513 36 mmd24 45 2 I 4 mm 由以上数据可以算出 K F 200020004 205513101 214 3 14 3 2 5 1041 4 4 N 临界载荷远大于工作载荷 3234 36N 故丝杠不会失稳 K F m F 表 3 4 丝杠支承系数 k f 支承方式双推 双推双推 简支单推 单推双推 自由 取值 k f 4210 25 24 4 2 10 临界转速的验证 滚珠丝杠副高速运转时 需验算其是否会发生共振的最高转速 要求丝杠的最 cr n 高转速 7 2 2 max 10 c nkccr a d fKnn 式中 丝杠支承系数 双推 简支方式时 取值如表 3 5 所示 nk f 临界转速计算长度 单位为 本设计中该值为 2300 c ammmm 丝杠内径 单位 2 dmm 安全系数 可取 0 8 c K c K 表 3 5 丝杠支承系数 nk f 支承方式双推 双推双推 简支单推 单推双推 自由 取值 nk f 27 418 912 14 3 经过计算 得出 1293 由已知 可以 cr n min r min 6 max mV mmPh8 算出 该值小于丝杠临界转速 所以满足要求 min 750 max rn 4 3 步进电动机的选择 1 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 丝杠的转动惯量 44 1 7 8 10 s JD L 式中 滚珠丝杠的公称直径 D 丝杠长度 1 L 则 齿轮的转动惯量 442 1 7 8 106 4226 17N gcm z J 442 2 7 8 108263 9N gm z J 25 电机的转动惯量很小可忽略 因此 总转动惯量 211 2 2 2 1 1 299 5263 9 26 175 55264 3N gcm 1 25 sZZ JJJJJ i 2 所需转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 max0f MMMM 最大切削负载时所需力矩 0atft MMMMM 快速进给时所需力矩 0f MMM 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩 max M 折算到电机轴上的摩擦力矩 f M 由于丝杠预紧所引起 折算到电机轴上的附加摩擦力矩 0 M 切削时折算到电机轴上的加速度力矩 at M 折算到电机轴上的切削负载力矩 t M 4 10 N gm 9 6 a Jn M T 当时 max nn maxaa MM max max 4000 1 25 833 33r min 6 h Vi n P 4 max 26 43 833 33 109 177N gm91 77kg fgcm 9 6 0 025 a M 当时 t nn 26 aat MM 00 1000 1000 150 0 3 1 25 142 17r min 3 14 21 6 i t V fi n fi D n LL 4 26 43 142 17 101 5715 7kg fgcm 9 6 0 025 at MNgm 0 0 0 22 f FL fW L M ih i 当时 时0 8h 0 16f 0 16 95 0 6 1 4522kgfgcm14 522N gcm 2 3 14 0 8 1 25 f M 0 0 2 00 1 2 P L M i 当时预加载荷 则 0 0 9 1 3 bX PF 22 00 0 195 472 0 61 0 9 0 5776kg fgcm5 776N gcm 66 3 14 0 8 1 25 x FL M i 0 95 472 0 6 9 12kg fgcm91 2N gcm 22 3 14 0 8 1 25 x t FL M i 所以 快速空载启动所需力矩 max0 917 7 14 5225 776738 000N gcm f MMMM 切削时所需力矩 0 15 7 1 45220 57769 1226 85kg fgcm268 5N gcm atf MMMM 快速进给时所需力矩 0 1 45220 57762 0298kg fgcm20 298N gcm f MMM 由上分析计算可知 所需最大力矩发生在快速启动时 max M max 738 000N gcmM 3 纵向进给系统步进电机的确定 0 938 078 1876 16N cm 0 50 5 l q M M 27 为了满足最小步距要求 电动机选用三相六拍工作方式 查表知 0 866 qjm MM 所以 步进电机最大静转距为 jm M 1876 16 2166 46N cm 0 8660 866 q jm M M 步进电机最高工作频率 max maxZ 4000 6666 6H 6060 0 01 p V f 综合考虑 查表选用 110BF003 型直流步进电动机 能满足要求 7 12 4 4 丝杠轴的校核 需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度 验算倾角时 若支撑类型相同则只需 验算支反力最大支撑处倾角 当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时 则齿轮处倾 角不必验算 验算挠度时 要求验算受力最大的齿轮处 但通常可验算传动轴中点处 挠度 误差 3 当轴的各段直径相差不大 计算精度要求不高时 可看做等直径 采用平均直径 进行计算 弯曲刚度验算 的刚度时可采用平均直径或当量直径 一般将轴化 1 d 1 d 2 d 为集中载荷下的简支梁 其挠度和倾角计算公式见 5 表 7 15 分别求出各载荷作用 下所产生的挠度和倾角 然后叠加 注意方向符号 在同一平面上进行代数叠加 不 在同一平面上进行向量叠加 通过受力分析 NdTF mNnPT r 7 1535 10112 862 2 86800 96 0 5 71055 9 1055 9 3 66 最大挠度 mm EI blbF 3 4 3 4 9 4 322 22 max 1068 110 10 64 30 1021048 1042644643426 7 1535 48 43 28 6 39740 64 3014 3 64 101 2 4 44 9 mm d II MPaEE 轴的 材料弹性模量 式中 查 1 表 3 12 许用挠度 mmy12 0 403 0 所以合格 yYB 4 5 键的校核 键和轴的材料都是钢 由 4 表 6 2 查的许用挤压应力 取MPa p 120 100 其中间值 键的工作长度 键与轮榖MPa p 110 mmmmmmbLl16822 键槽的接触高度 由 4 式 6 1 可得mmmmhk5 375 05 0 MPaMPaMPa kld T pp 110 3 102 30165 3 10862102 33 式中 表键 弱材料的许用挤压应力键 轴 轮毂三者中最 键的直径 为键的宽度 为键的公称长度 圆头平键键的工作长度 为键的高度此处度键与轮毂键槽的接触高 传递的转矩 264 5 0 p MPa mmd mmbmmLbLlmml mmh