数控车床进给传动系统设计

江南大学毕业设计 第 1 页 毕业设计 数控车床进给传动系统设计数控车床进给传动系统设计 院 系 名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 2011 年 06 月 10 日 江南大学毕业设计 第 2 页 1 绪论 4 1 1 数控机床的概念 4 1 2 数控机床的组成分类及特点 4 1 2 1 数控机床的组成 4 1 2 2 数控机床的分类 4 1 2 3 数控机床的特点 5 1 3 数控系统的发展简史及国外发展现状 5 1 4 我国数控系统的发展现状及趋势 5 1 4 1 数控技术状况 5 1 5 伺服系统的特点 7 1 6 设计的内容 目的和方法 9 2 进给系统的总体设计 10 2 1 机床的主要性能参数 10 2 2 进给系统的精度要求及主要工作参数 10 2 3 进给传动控制伺服系统的选择 11 2 4 进给系统的传动要求及传动类型的选择 12 2 4 1 进给系统的传动要求 12 2 4 2 传动类型的选择 12 2 5 电机与丝杠联接方式的选择 13 2 6 进给传动方案设计 13 2 7 进给系统的一些其它要求 14 2 8 总体布局 14 3 滚珠丝杠螺母副的选择与计算 15 3 1 主切削力的计算 15 4 横向进给系统 17 4 1 已知技术参数 17 4 2 滚珠丝杠的计算及选择 17 4 2 1 滚珠丝杠导程的确定 17 4 2 2 确定丝杠的等效转速 17 4 2 3 估计工作台质量及工作台承重 18 4 2 4 确定丝杠的等效负载 18 4 2 5 确定丝杠所受的最大动载荷 19 4 2 6 选择滚珠丝杠型号 20 4 3 校核 20 4 3 1 临界压缩负荷 20 4 3 2 临界转速 21 4 3 3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 22 4 3 4 丝杠扭转刚度 23 4 3 5 传动精度计算 24 4 3 6 伺服电机计算 25 4 3 7 电机的选择 26 江南大学毕业设计 第 3 页 5 纵向进给系统 27 5 1 已知技术参数 27 5 2 滚珠丝杠的计算及选择 27 5 2 2 确定丝杠的等效转速 27 5 2 3 估计工作台质量及工作台承重 27 5 2 4 确定丝杠的等效负载 27 5 3 校核 29 5 3 1 临界压缩负荷 29 5 3 2 临界转速 29 5 3 3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 29 5 3 4 丝杠扭转刚度 30 5 3 5 传动精度计算 30 5 3 6 伺服电机计算 31 5 3 7 电机的选择 32 结 论 33 致 谢 34 参考文献 35 附录 1 数控车床纵向进给传动机构 36 附录 2 数控车床横向进给传动机构 37 附录 3 数控车床装配图 38 江南大学毕业设计 第 4 页 1 绪论 1 1 数控机床的概念 数控机床是综合应用计算机 自动控制 自动检测及精密机械等高新技术的产物 是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备 它与普通机床相比 其 优越性是显而易见的 不仅零件加工精度高 产品质量稳定 且自动化程度极高 可 减轻工人的体力劳动强度 大大提高了生产效率 特别值得一提的是数控机床可完成 普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工 因而数控机床在机械制造 业中的地位愈来愈显得重要 1 2 数控机床的组成分类及特点 1 2 1 数控机床的组成 数控机床一般由控制介质 数控装置 伺服系统和机床本体组成 1 控制介质 以指令的形式记载各种加工信息 2 数控装置 接受输入的加工信息 经数控装置运算处理 向伺服系统发出相应 的脉冲 3 伺服系统 把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移 用于实现 数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制 4 机械系统 包括 主轴部分 进给系统 刀库和自动换刀装置 ATC 自动托盘 交换装置 APC 等 1 2 2 数控机床的分类 数控机床的品种和规格繁多 分类方法不一 根据不完全统计 目前已有近 500 种数控机床 根据数控机床的功能和组成 一般分为以下几类 按坐标轴数分类 一般数控机床 数控加工中心机床 多坐标轴数控机床 按特点分类 点位控制数控机床 直线控制数控机床 轮廓控制数控机床 按有无测量装置分类 开环数控系统 半闭环数控系统 闭环数控系统 按功能水平分类 经济型 普及型 高级型 1 2 3 数控机床的特点 数控机床较好地解决了复杂 精密 小批 多变的零件加工问题 是一种灵活的 江南大学毕业设计 第 5 页 高效能的自动化机床 尤其对于约占机械加工总量 80 的单件 小批量零件的加工 更显示出其特有的灵活性 概括起来 数控机床有以下几方面的特点 1 提高加工精度 尤其提高了同批零件加工的一致性 使产品质量稳定 2 提高生产效率 一般约提高效率 3 5 倍 使用数控加工中心机床则可提高生率 5 10 倍 3 可加工形状复杂的零件 4 减轻了劳动强度 改善了劳动条件 5 有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展 1 3 数控系统的发展简史及国外发展现状 1949 年美国帕森公司首先提出了机床数字控制的概念 1952 年第一代数控系统 电子管数控系统的诞生 20 世纪 50 年代末 完全由固定布线的晶休管元器件电路 所组成的第二代数控系统 晶体管数控系统被研制成功 取代了昂贵的 易坏的 难以推广的电子管控制装置 随着集成电路技术的发展 1965 年出现了第三代数控系 统 集成电路数控系统 1970 年 在美国芝加哥国际机床展览会上 首次展出了第 四代数控系统 小型计算机数控系统 然后 随着微型计算机以其无法比拟的性能 价格比渗透各个行业 1974 年 第五代数控系统 微型计算机数控系统也出现了 应用一个或多个计算机作为数控系统的核心组件的数控系统统称为计算机数控系统 CNC 综上所述 由于微电子技术和计算机技术的不断发展 数控机床的数控系统也 随着不断更新 发展非常迅速 几乎 5 年左右时间就更新换代一次 1 数控机床是先进制造业的基础机械 是最典型的多品种 小批量 高科技含量的 机电一体化产品 欧 美 日等工业化国家已先后完成了数控机床产品进程 1990 年 日本机床产值数控化率达 75 美国达 70 1 德国达 57 目前世界数控机床年 产量超过 15 万台 品种超过 1500 多种 2 1 4 我国数控系统的发展现状及趋势 1 4 1 数控技术状况 目前 我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过渡的关键时期 也 是由封闭型向开放型过渡的时期 我国数控系统在技术上已趋于成熟 在重大关键技术 包括核心技术 已达到国 际先进水平 自 七五 以来 国家一直把数控系统的发展作为重中之重来支持 现 江南大学毕业设计 第 6 页 已开发出具有中国版权的数控系统 掌握了国外一直对我国封锁的一些关键技术 例 如 曾长期困扰我国 并受到西方国家封锁的多坐标联动技术对我们已不再是难题 0 1 当量的超精密数控系统 数控仿型系统 非圆齿轮加工系统 高速进给数控系统 m 实时多任务操作系统都已研制成功 尤其是基于 PC 机的开放式智能化数控系统 可实 施多轴控制 具备联网进线等功能既可作为独立产品 又是一代开放式的开发平台 为机床厂及软件开发商二次开发创造了条件 特别重要的是 我国数控系统的可靠性 已有很大提高 MPBF 值可以在 15000h 以上 同时大部分数控机床配套产品已能国内 生产 自我配套率超过 60 这些成功为中国数控系统的自行开发和生产奠定了基础 1 我国进行改革开放后 由于政策的开放 使得金属切削行业得以和世界上先进的 机床制造国家进行技术交流 并通过引进技术 到 80 年代初 国产数控机床进入实用 化阶段 1991 年数控机床的产值数控化率为 14 3 到 1997 年数控机床产值数控化 率为 24 5 目前 我国数控机床 包括经济型机床 品种约有 500 个 2 但是 与国外数控车床相比 在性能 质量 设计 制造等各方面存在较大差异 并存在许多不足 机械件的材质 加工精度 加工工艺存在较大差距 装配工艺也存 在一定差距 主轴及卡盘刚性差 主轴定位准停不好 安全性较差 软硬件保护功能 不够 刀片磨损快 生产成本高 效率低 硬件设计方面不规范 不符合国标 比如 使用电压等级 电线颜色使用 图纸资料的绘制装订 提交等等 有的机床厂家甚至 仍然停留在十年二十年前的设计思想 程序设计方面缺乏标准 不规范 逻辑性不强 故障率高 在使用过程中需不断对程序进行修改 外围元件布置及走线不规范 标牌 线号不清 图纸与实物不符 维修困难 使用的元器件本身质量差 使用寿命短 故 障率高 有的机床厂家为了降成本却忘记了质量 忘记了可靠性 选用一些国产的轴 承 接触器 继电器 接近开关等元件 在生产过程中小故障连绵不断 柔性化不强 多品种生产困难 而国外数控车床无论是设计水平 还是制造水平 都要高出国内数 控车床 机械件材质 加工精度 加工工艺 装配工艺比较好 软硬件设计有专门的 标准 设计规范合理 配套件齐全 标牌标示清楚齐全 使用的元器件质量好 故障 率低 新技术的应用及时领先 概括来说 精度及可靠性高 性能稳定故障率低 3 1 4 2 数控系统的发展趋势 随着微电子技术和计算机技术的发展 数控系统性能日臻完善 数控系统应用领 江南大学毕业设计 第 7 页 域日益扩大 为了满足社会经济发展和科技发展的需要 数控系统正朝着高精度 高 速度 高可靠性 多功能 智能化及开放性等方向发展 1 5 伺服系统的特点 数字控制 是一种自动控制技术 是用数字化信号对控制对象加以控制的一种方 法 数控机床是采用了数控技术的机床 或者说是装备了数控系统的机床 数控机床 是典型的数控化设备 它一般由信息载体 计算机数控系统 伺服系统和机床四部分 组成 1 信息载体 信息载体又称控制介质 用于记录数控机床上加工一个零件所必需的各种信息 以控制机床的运动 实现零件的机械加工 常用的信息载体有穿孔带等 通过相应的 输入装置将信息输入到数控系统中 数控机床也可采用操作面板上的按钮和键盘将加 工信息直接输入 或通过窜行口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统 高级的 数控系统可能还包含一套自动编程机或者 CAD CAM 系统 2 计算机数控系统 计算机数控系统是数控机床的核心 它的功能是接受载体送来的加工信息 经计 算和处理后去控制机床的动作 它由硬件和软件组成 硬件除计算机外 其外围设备 主要包括光电阅读机 CRT 键盘 面板 机床接口等 软件由管理软件和控制软件组 成 数控装置控制机床的动作可概括为 机床主运动 机床的进给运动 刀具的选择 和刀具的补偿 其它辅助运动等 3 伺服系统 它是数控系统的执行部分 包括驱动机构和机床移动部件 它接受数控装置发来的 各种动作命令 驱动受控设备运动 伺服电动机可以是步进电机 电液马达 直流伺 服电机或交流伺服电机 4 机床 它是用于完成各种切削加工的机械部分 是在普通机床的基础上发展起来的 但 也做了很多改进和提高 它的主要特点是 由于大多数数控机床采用了高性能的主轴 及伺服传动系统 因此数控机床的机械传动结构得到了简化 传动链较短 为了适应 数控机床连续地自动化加工 数控机床机械结构具有较高的动态刚度 阻尼精度及耐 磨性 热变形较小 更多地采用高效传动部件 如滚珠丝杠副 直线滚动导轨等 不 江南大学毕业设计 第 8 页 少数控机床还采用了刀库和自动换刀装置以提高机床工作效率 1 数控机床集中了传统的自动机床 精密机床和万能机床三者的优点 将高效率 高精度和高柔性集中于一体 而数控机床技术水平的提高首先依赖于进给和主轴驱动 特性的改善以及功能的扩大 为此数控机床对进给伺服系统的位置控制 速度控制 伺服电机 机械传动等方面都有很高的要求 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统 在数控机床中 伺服系统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统 伺服系统接受来自 CNC 装置的进 给脉冲 经变换和放大 再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动 这些轴有的带动工作 台 有的带动刀架 通过几个坐标轴的综合联动 使刀具相对于工件产生各种复杂的 机械运动 加工出所要求的复杂形状工件 进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节 是数控机床的重要 组成部分 它包含机械 电子 电机 早期产品还包含液压 等各种部件 并涉及到强 电与弱电控制 是一个比较复杂的控制系统 要使它成为一个既能使各部件互相配合 协调工作 又能满足相当高的技术性能指标的控制系统 的确是一个相当复杂的任务 提高伺服系统的技术性能和可靠性 对于数控机床具有重大意义 研究与开发高性能 的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一 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 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 江南大学毕业设计 第 9 页 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 4 1 6 设计的内容 目的和方法 本次设计的内容是机床总体方案设计及总体布局图绘制 纵向及横向伺服进给机 构的理论计算 结构设计及绘制装配图 典型零件绘制 数控系统 硬件连接图 设 计及外文资料文献翻译 并撰写毕业设计论文 设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识 解决工程实际问题的能力 提 高综合素质和创新能力 受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练 使工程绘 图 数据处理 外文文献阅读 使用手册等基本技能得到训练和提高 培养正确的设 计思想 严肃认真的科学态度 加强团队合作精神 在设计中 先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理 作用及结构特点 选 择合适的算法 根据计算结果查阅手册 得出相关的结构或零件 在图纸的绘制中 充分利用软件的先进性 完成三张 A1图纸 最后 完成硬件连接设计 绘制典型零件 的 CAD 图纸 撰写说明书 江南大学毕业设计 第 10 页 2 进给系统的总体设计 2 1 机床的主要性能参数 本设计对数控车床的进给系统进行了设计 该车床主要用于小尺寸的轴类零件和 盘类零件的精密加工 该数控车床具有刚度高 排屑功能流畅 运转噪音低 传动效率高 精度保持性 好 有效寿命长等优点 为保证机床运转的稳定性 采用了高精密孔式主轴结构和大 功率交流伺服主轴电机 并具备良好的抗振性设计 车床的进给伺服系统采用交流伺服电机驱动 选用精密数控系统 并合理选用高 精度元器件 保证了伺服系统达到要求的精度 重复定位精度 并使其具有高刚度和 良好的稳定性 车床的主要技术参数如表 1 所示 表 1 车床主要技术参数 序 号项 目子 项 目单 位参 数 值 工件最大回转直径mm500 最大车削长度mm650 顶尖距 1 加工范围 最大车削直径mm310 主轴通孔直径mm80 主轴转速范围r p m35 3500 主轴恒功率范围r p m437 3500 主轴恒扭矩范围r p m35 437 2主轴 主轴电机功率kw11 15 连续 30min 倾斜角度度 30 X 轴行程mm180 Z 轴行程mm650 X 轴快速移动速度m min8 3床鞍 Z 轴快速移动速度m min15 2 2 进给系统的精度要求及主要工作参数 进给伺服系统的精度对机床的加工精度有很大的影响 良好的电气部件设计和机 械结构设计 能保证进给伺服系统的精度和稳定性 本设计着重进行进给伺服系统的机械结构设计 传动设计 本车床精度较高 能 江南大学毕业设计 第 11 页 进行微米级加工 能获得高质量的加工表面 进给系统采用滚珠丝杠螺母副传动 Z X 两轴联动 单轴具有较高的定位精度和重复定位精度 表 2 给出了进给轴的精度 要求 表 2 进给轴精度要求 项 目单位进给轴参 数 值 Z0 006 定位精度mm X0 005 Z0 004 重复定位mm X0 003 2 3 进给传动控制伺服系统的选择 1 开环伺服系统 开环伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统 执行元件一般为步进电机 开环 进给伺服系统的精度较低 速度也受到步进电动机性能的限制 但由于其结构简单 易于调整 在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用 2 闭环控制系统 因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求 所以为了保证精度 最根 本的办法是采用闭环控制方式 闭环控制系统是采用直线型位置检测装置对数控机床 工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统 3 半闭环控制系统 采用旋转型角度测量元件 脉冲编码器 旋转变压器 圆感应同步器等 和伺服 电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统 称作半闭环控制系统 半闭环控制系 统的检测装置有两种安装方式 一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端 另一种是 把角位移检测装置安装在电动机轴端 数控机床要求达到预定的精度要求以外 根据需求 并且考虑到经济的效益 还要求具有良好的稳定性和快速响应能力 基于这些要求 本设计采用闭环控制方式 包含位置反馈环合速度反馈环闭环控制能够较好地减小误差 有利于提高机床性能 伺服系统控制原理图如图 2 所示 江南大学毕业设计 第 12 页 图 2 进给伺服系统原理图 2 4 进给系统的传动要求及传动类型的选择 2 4 1 进给系统的传动要求 数控机床进给传动装置的精度 灵敏度和稳定性 将直接影响工件的加工精度 为此 数控机床的进给传动系统必须满足 1 传动精度高 2 摩擦阻力小 3 运动部件惯量小 2 4 2 传动类型的选择 数控机床进给传动系统的基本传动方式常用的有两种 滚珠丝杠螺母副和静压丝 杠螺母副 1 滚珠丝杠螺母副 在数控机床上 将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺 母副 其特点是 传动效率高 一般为 0 92 0 98 传动灵敏 摩擦力小 不易 产生爬行 使用寿命长 具有可逆性 不仅可以将旋转运动转变为直线运动 亦可将 直线运动变成旋转运动 轴向运动精度高 施加预紧力后 可消除轴向间隙 反向时 无空行程 因此 在数控机床上得到了广泛的应用 是目前中 小型数控机床的常见 的传动方式 2 静压丝杠螺母副 其特点是 摩擦系数小 仅为 0 0005 平稳性高 反向间隙小 但是 静压丝 杠螺母副应有一套供油系统 而且对有的清洁度要求高 如果在运动中供油忽然中断 将造成不良后果 江南大学毕业设计 第 13 页 由以上比较 根据要求 纵向进给传动系统和横向进给传动系统都采用滚珠丝杠 螺母副的传动方式 2 5 电机与丝杠联接方式的选择 滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种 1 联轴器直联接 这是一种最简单的连接型式 这种结构型式的优点是 具有最大的扭转刚度 传动 机构本身无间隙 传动精度高 而且结构简单 安装 调整方便 适用于像中小型号的数 控车床 联轴器采用挠性联轴器 它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的 干涉 现 象 采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接 不仅可以简化结构 减少噪声 而且可以消除传动间隙 能减少中间环节带来的传动误差 提高传动刚度 2 通过齿轮联接 这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下 保持齿轮的无间隙 啮合 但是结构比较复杂 轴向尺寸大 传动刚度低 传动平稳性较差 一般用于精度 要求低的机床中 3 通过同步齿形带联接 同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点 与齿轮传动相比它结构更简单 制造成本更低 安装调整更方便 并且传动不打滑 不需要大的张紧力 但是在同步 齿形传动设计时对材料的要求很高 在满足机床要求的前提下 通过对比本课题采用通过联轴器联接电机与丝杠副 这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度 制造成本低 传动精度高 而且结构简 单 安装调整方便 2 6 进给传动方案设计 本车床具有较高的精度要求 为了保证精度 在选用精密元器件和精密数控系统 的同时 应尽量减小传动链 并需要保证较高的刚度 提高传动系统效率 以减小温 升的影响 用滚珠丝杠螺母副直连电机传动的方案 并采用 双推 支承 丝杠支承 方式 双推 支承 方式能够避免丝杠自重引起的弯曲 以及高速回转时自由端的晃 动 符合本设计的设计条件 X Z 两轴分别用独立电机驱动 滚珠丝杠螺母副是一种将旋转运动转化为直线运动的理想传动件 因其具有螺纹 江南大学毕业设计 第 14 页 丝杠无法比拟的优点 被广泛应用于各行业 更是普通数控机床 精密机床不可或缺 的零部件 兼具高效率 高精度 可逆性的特点 滚珠丝杠螺母副具有驱动力矩小 精度高 可实现微进给 无侧隙 刚度高 告诉等优点 进给伺服系统的传动方案示意图如图 1 所示 a b a Z 轴传动系统 b X 轴传动系统 图 1 进给系统传动框图 对于驱动电机 由于系统要求精度高 不宜采用步进电机驱动 因此选用交流伺 服电机 2 7 进给系统的一些其它要求 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样 应避免硬质灰尘或切屑污物进入 因此必须装有防护装置 如果滚珠丝杠副在机床上外露 则应采用封闭的防护罩 如 采用螺旋弹簧钢带套管 伸缩套管以及折叠式套管等 安装时将防护罩的一端连接在 滚珠螺母的侧面 另一端固定在滚珠丝杠的支承座上 如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位 置 则可采用密封圈防护 密封圈装在螺母的两端 接触式的弹性密封圈采用耐油橡 胶或尼龙制成 其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状 接触式密封圈的防尘效果好 但由于存在接触压力 使摩擦力矩略有增加 非接触式密封圈又称迷宫式密封圈 它 采用硬质塑料制成 其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反 并稍有间隙 这样可避免摩 擦力矩 但防尘效果差 工作中应避免碰击防护装置 防护装置一有损坏应及时更换 另外对滚珠丝杠安装处应进行削边 2 8 总体布局 机床结构可以布置成卧式 立式 倒立式及斜置式等 根据设计任务 加工轴 类和直径不太大的盘 套类零件 采用卧式斜床身形式 主轴水平安装 横向成 30 布置 数控机床的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分 在设计中 在伺服 Z 轴驱动电机联轴器滚珠丝杠螺母副滑板 X 轴驱动电机联轴器滚珠丝杠螺母副刀架 江南大学毕业设计 第 15 页 方式上选择最广泛应用的半闭环方式 采用螺旋传动 计算滚珠丝杠副尺寸规格 接 着进行丝杠的校核并进行精度等验算 根据计算的扭矩选择伺服电机 3 滚珠丝杠螺母副的选择与计算 3 1 主切削力的计算 切削力的大小可以用各种仪器测得 也可以用实验得出的近似公式计算 1 PZPZ XY ZPZ PCtSk 2 vPZPZPZhPZPZ kkkkkk 料 3 PZPZ XY ZPZvPZPZPZhPZPZ PCtSkkkkk 料 式中 系数 由工件的材料和加工方法决定 一定的切削条件 一定 PZ Cvst 下 为常数 大表示工件的材料加工性差 小 表示工件的材料加工性好 PZ C PZ C PZ C 总体修正系数 见表 3 k 工件材料对的修正系数 见表 3 PZ k料P 切削速度对的修正系数 见表 3 vPZ kP 主偏角对的修正系数 见表 3 PZ k P 前角对的修正系数 见表 3 PZ k P 刀具磨损限度对的修正系数 见表 3 hPZ kP 指数 表示吃刀深度对切削力的影响要比走刀量对切削 PZPZ XY PZPZ XY 力的影响大 表 3 切削力计算时各系数和指数 系数及指数 工件材料 PZ C PZ X PZ Y 结构钢1671 00 75 修正系数 b 40 5050 6060 7070 8080 9090 100工件材料 PZ k料0 840 900 951 01 041 09 v50100200300400500切削速度 vPZ k1 00 900 820 770 740 71 3045607090主偏角 PZ k 1 081 00 940 940 89 江南大学毕业设计 第 16 页 20 100 10 20前角 PZ k 0 901 01 101 201 30 表 3 续 h0 9 1 21 5 2 0后刀面磨 损限度 hPZ k1 01 05 指定切削条件 刀具材料为硬质合金 工件材料为碳素结构钢 后刀面磨损限度 2 75 h kgfmm 50 minvm 45 10 0 车削时不用冷却液 车削外圆 0 9 1 2hmm 计算切削力 如表 3 所示 取其中参数的最大值来估算切削力 取 167 PZ C 1 0 PZ X 0 75 PZ Y 1 09 PZ k料 0 9 vPZ k 1 08 PZ k 1 3 PZ k 1 05 hPZ k 取切深 5mm t 进给量 S 0 3mm r 代入公式 3 中 得 N 0 75 167 5 0 31 09 0 9 1 08 1 3 1 054800 Z P 故主切削力 4800N c F Z P 进给力 0 25 1200N f F c F 径向力 0 4 1920N D F c F 江南大学毕业设计 第 17 页 4 横向进给系统 4 1 已知技术参数 横向最大行程 X 轴 180mm 工作进给速度为 1 8000mm min 横向快速进给速度 8 m min 刀架估计质量 150kg 滑板的估计尺寸 长 宽 高 400mm 200mm 80mm 材料选为 HT200 4 2 滚珠丝杠的计算及选择 4 2 1 滚珠丝杠导程的确定 在本设计中 电机和丝杠直接相连 传动比为 设电机的最高工作转速为1i 则丝杠导程为 max 1500 minnr 3 1 max max h v P n 取 3 8 10 5 33 1500 h P 6 h P 4 2 2 确定丝杠的等效转速 3 2 min h v nr P 由公式 3 2 最大进给速度时丝杠的转速 3 max max 8 10 1333 33 min 6 h v nr P 最小进给速度时丝杠的转速 min min 1 0 167 min 6 h v nr P 江南大学毕业设计 第 18 页 丝杠等效转速 取 12 2tt 3 3 max 1min 2 12 min m ntnt nr tt 转速 作用下的时间 s 1 t 2 t max n min n 1111 169 max 1min 2 12 888 94 min m ntnt nr tt 4 2 3 估计工作台质量及工作台承重 刀架质量 1 150 9 81470GN 滑板 39 2 400 200 80 7 85 109 81 10520GN 总质量 12GGN 4 2 4 确定丝杠的等效负载 工作负载是指机床工作时 实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力 它的数值可用进 给牵引力的试验公式计算 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 现取为 1 1 则丝杠所受的力为 如图 3 1 所示 图 3 1 受力分析 江南大学毕业设计 第 19 页 3 4 max 22 22 22 1 1 12000 03 20004800 19202000 22 XZY FKFfGFFG 2013N min 0FN 其等效负载可按下式估算 取 21 tt 21 2nn t1 t2 轴向载荷 作用下的时间 s max F min F n1 n2 轴向载荷 作用下的转速 r min max F min F 3 5 1 33 3 max1 1min2 2 1 12 2 1396 m FntFn t FN ntn t 4 2 5 确定丝杠所受的最大动载荷 3 6 1 3 60 6 10 FfT n m wh m CN a f f f f t h a k fw 负荷性质系数 查表 当一般运转时 fw 为 1 2 1 5 取 fw 1 5 ft 温度系数 查表 fh 硬度系数 查表 滚道实际硬度 HRC58 时 fh 1 fa 精度系数 查表 当精度等级为 3 时 fa 1 0 fk 可靠性系数 查表 可靠性为 90 时 fk 1 00 Fm 等效负荷 N nm 等效转速 r min Tn 工作寿命 h 查表得 数控机床 Th 15000 由公式 3 6 6 6060 15000 888 94800 10 hm T n n cr 1 3 6 60 16847 10 hm amw T n CF fN 江南大学毕业设计 第 20 页 4 2 6 选择滚珠丝杠型号 由文献 7 8 可知 查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型 型号 CDM3206 3 丝杠公称直径为 32mm 基本导程 其额定动载荷 6 h Pmm 16917 a CN 额定静载荷 圈数 列数 1 5 2 丝杠螺母副的接触刚度为45968 oa CN 丝杠底径 27 9mm 螺母长度为 112mm 取丝杠的精度为 3 级 在1130 c KNm 本设计中采用双螺母垫片预紧 两边轴承分别为 20mm 和 25mm 本设计中丝杠采用两端固定的支承方式 选用成对丝杠专用轴承组合 滚珠丝杠支承用专用轴承 轴承特点 1 刚性大 由于采用特殊设计的尼龙成形保持架 增加了钢球数 且接触角为 60 轴向刚性大 2 不需要预调整 对每种组合形式 生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙 故 用户在装配时不需要再调整 只要按厂家作出的装置序列符号 排列后 装紧即 可 3 起动力矩小 与圆锥滚子轴承 圆柱滚子轴承相比 起动力矩小 为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度 推荐采用正面组合形式 DF DFD DFF 等 4 3 校核 滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率 其扭 转刚度影响扭转固有频率 承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度 Ke由丝杠本身 的拉压刚度 KS 丝杠副内滚道的接触刚度 Kc 轴承的接触刚度 KB 螺母座的刚度 KH 按不同支承组合方式的计算而定 扭转刚度按丝杠的参数计算 4 3 1 临界压缩负荷 丝杠的支承方式对丝杠的刚度影响很大 采用两端固定的支承方式并对丝杠进行 预拉伸 可以最大限度地发挥丝杠的潜能 所以设计中采用两端固定的支承方式 9 临界压缩负荷按下式计算 3 7 2 1 1max 2 0 cr fEI FKFN L 江南大学毕业设计 第 21 页 式中 E 材料的弹性模量 E钢 2 1 1011 N m2 L0 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 丝杠支承方式系数 支承方式为双推 双推时 见下图 f1 4 f2 4 730 I 丝杠最小截面惯性矩 m4 3 8 44 20 1 2 6464 w Iddd 式中 d0 丝杠公称直径 mm dw 滚珠直径 mm 41284 3 14 32 1 2 3 969 102 7 10 64 Im 丝杠螺纹部分长度 182 112 40 334mm 取 180 11240332 u Lmm 350 u Lmm 支承跨距 丝杠全长 1 400Lmm 500Lmm 由公式 3 7 2118 max 26 4 3 142 1 102 7 101 422554 32013 420103 NFN cr F 可见远大于 临界压缩负荷满足要求 cr F max F 4 3 2 临界转速 3 9 22 222 2max 22 30 9910 cr cc ff dEI nkn LAL 式中 A 丝杠最小横截面 2642 2 31 5 107 8 10 44 Adm 临界转速计算长度 c L 112500350 18040351 50 4 22 c Lm 江南大学毕业设计 第 22 页 取 1 0 4 c LLm 安全系数 一般取 2 k 2 0 8k 材料的密度 33 7 85 10 kg m 丝杠支承方式系数 查表得 2 f 2 4 730f 2 max 2 0 0315 9910 4 73043650 min1500 min 0 4 cr nrnr 满足要求 4 3 3 丝杠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 两端固定 3 10 1 11111 4 eBcHS Nm KKKKK 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 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 1 丝杠副内滚道的接触刚度可查滚珠丝杠副型号样本 2 轴承的接触刚度可查轴承型号样本 3 螺母座的刚度可近似估算为 1000 4 丝杠本身的拉压刚度 对丝杠支承组合方式为两端固定的方式 3 11 6 10 s AEl KNm ala 式中 A 丝杠最小横截面 22 2 4 Admm E 材料的弹性模量 E 2 1 1011 N m2 l 两支承间距 m a 螺母至轴向固定处的距离 m 江南大学毕业设计 第 23 页 已知 轴承的接触刚度 丝杠螺母的接触刚度 1080 B KNm 716 7 C KNm 丝杠的最小拉压刚度 见后面计算 螺母座刚度 min 545 2 s KNm 1000 H KNm 11111 4 1080716 710004 545 2 e K 324 e KNm 丝杠系统轴向拉压振动的固有频率 3 12 e B K rad s m 式中 m 丝杠末端的运动部件与工件的质量和 N m Ke 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 N m 3000 6 9 8 324 10 1260 12038 min1500 min 2000 e B K rad srr m 显然 丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r min 能满足要求 4 3 4 丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度按下式计算 3 13 4 7 84 m T d K L 式中 丝杠平均直径 m d L 丝杠长度 4 31 75 7 8415934 500 T KNm r 扭转振动的固有频率 3 14 3 T T s wz K J JJ 式中 JW 运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量 kg m2 JZ 丝杠上传动件的转动惯量 kg m2 JS 丝杠的转动惯量 kg m2 江南大学毕业设计 第 24 页 由文献 7 8 得 平移物体的转动惯量为 242 2000 0 01 5 2 10 9 812 Jkg m 丝杠转动惯量 222 111 884 sssss Jm dddL 34 42 1 3 14 7 85 100 5 0 032 32 4 10 kg m 42 1 6 10 z Jkg m 4 15934 4427 1 42297 min 4 5 2 1 6 10 3 T rad sr 显然 丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r min 可以满足要求 4 3 5 传动精度计算 滚珠丝杠的拉压刚度 3 15 2 4 s d E K L 导轨运动到两极位置时 有最大和最小拉压刚度 其中 L 值分别为 300mm 和 100mm 最大与最小机械传动刚度 25 max 0 03152 1 10 1635 7 4 0 1 s AE KNm L 25 min 0 03052 1 10 102 5 4 0 3 s AE KNm L 最大和最小机械传动刚度 max min 11 240 65 1 1 1 1 545 2 1 716 7 1 1080 o sCB KNm KKK 江南大学毕业设计 第 25 页 max max 11 341 1 1 1 1 1635 7 1 716 7 1 1080 o sCB KNm KKK 由于机械传动装置引起的定位误差为 3 16 0 0min0max 11 k Fm KK 11 1456 6 1 78 240 65341 k m 对于 3 级滚珠丝杠 其任意 300mm 导程公差为 机床定位精度12 m 所以 可以满足由于传动刚度变化所引起0 024 300mmmm24 1 54 8 k m 的定位误差小于 1 3 1 5 机床定位精度的要求 再加上闭环反馈系统的补偿 定 位精度能进一步提高 10 4 3 6 伺服电机计算 根据文献 11 扭矩的计算为 1 理论动态预紧转矩 查表知 3 级滚珠丝杠 而 0 9 max 3 2013 3671 P FFN m 3 17 23 0 2 1 10 PPh TF P 23 671 6 2 1 0 9 0 9 10 0 135 N m 2 最大动态摩擦力矩 对于 3 级滚珠丝杠 40 P 3 18 max 0 140 0 19 PP TTN m 3 驱动最大负载所耗转矩 3 19 3 max 10 2 ah TFP 3 2013 6 10 20 9 2 14 N m 4 支承轴承所需启动扭矩 查轴承表 江南大学毕业设计 第 26 页 对于的轴承 其 20 1 0 15 b TN m 对于的轴承 其 25 2 0 2 b TN m 则 12 0 150 20 35 Bbb TTTN m 5 驱动滚珠丝杠副所需扭矩 max gPaB TTTT 0 192 140 352 68N m 6 电机的额定扭矩 0 35 0 5 gJ TT 5 36 7 66 J TN m 4 3 7 电机的选择 根据以上计算的扭矩及文献 12 选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066 其额定 转矩为 6 7 N m 江南大学毕业设计 第 27 页 5 纵向进给系统 5 1 已知技术参数 纵向最大行程 Z 轴 650 mm 工作进给速度为 115000mm min 纵向快速进给速度 15 m min 床鞍及其他的估计尺寸 长 宽 高 600mm 300mm 100mm 材料选为 HT200 5 2 滚珠丝杠的计算及选择 5 2 1 滚珠丝杠导程的确定 在本设计中 电机和丝杠直接相连 传动比为 设电机的最高工作转速为1i 则由公式 3 1 可得丝杠导程为 max 1500 minnr 3 max max 15 10 10 1500 h v P n 5 2 2 确定丝杠的等效转速 由公式 3 2 最大进给速度时丝杠的转速 3 max max 15 10 1500 min 10 h v nr P 最小进给速度时丝杠的转速 min min 1 0 1 min 10 h v nr P 由公式 3 3 丝杠等效转速为 max 1min 2 12 1000 min m ntnt nr tt 5 2 3 估计工作台质量及工作台承重 横向工作台质量 1 2000GN 床鞍及其他 39 2 600 300 100 7 85 109 81 101386GN 江南大学毕业设计 第 28 页 总质量 12 2000 13863386GGGN 5 2 4 确定丝杠的等效负载 取滑动导轨摩擦系数为 0 025 则丝杠所受的力为 如图 4 1 所示 图 4 1 受力分析 4 1 max 22 22 2 12000 025 3386 4800 1920 2 XYZ FFf GFF 1335 6N min 0 025 338684 65FfGN 其等效负载可按公式 3 5 估算 1 33 3 max1 1min2 2 1 12 2 926 2 m FntFn t FN ntn t 5 2 5 确定丝杠所受的最大动载荷 由公式 3 6 得 6 6060 15000 1000900 10 hm T n n cr 1 3 6 60 13413 5 10 hm amw T n CF fN 查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型 型号 CDM2510 2 5 丝 江南大学毕业设计 第 29 页 杠公称直径为 25mm 基本导程 其额定动载荷 额定静载荷10 h Pmm 15975 a CN 圈数 列数 2 5 1 丝杠螺母副的接触刚度为 丝杠34170 oa CN 767 c KNm 底径 24 5mm 螺母长度为 125mm 取丝杠的精度为 3 级 在本设计中采用双螺母垫片 预紧 两边的轴承选为 17mm 与 20mm 5 3 校核 5 3 1 临界压缩负荷 轴向固定的长丝杠在承受压缩负荷时 应验算其压杆稳定性 临界压缩负荷按公 式 3 7 3 8 计算 丝杠螺纹部分长度 675 125 40 840 取 650 12540815 u Lmm 850 u Lmm 支承跨距 丝杠全长 1 1000Lmm 1100Lmm 2118 max 26 4 3 142 1 100 68 10 208011335 6 95010 NFN cr F 可见远大于 临界压缩负荷满足要求 cr F max F 5 3 2 临界转速 由公式 3 9 2642 2 20 1 103 17 10 44 Adm 125 2 675 40 1100 1251100850 65040877 50 9 22 c Lm 850 2 902 5 取 1 1 c LLm 2 max 2 0 0201 9910 4 7304456 5 min1500 min 1 cr nrnr 满足要求 5 3 3 丝杠拉压振动与扭转振动的固有频率 由公式 3 10 3 11 3 12 已知 轴承的接触刚度 丝杠螺母的接触刚度 760 B KNm 556 25 C KNm 丝杠的最小拉压刚度 见后面计算 螺母座刚度 min 102 5 s KNm 1000 H KNm 江南大学毕业设计 第 30 页 11111 4 760556 2510004 102 5 e K 179 67 e KNm 丝杠系统轴向拉压振动的固有频率 6 9 8 179 67 10 721 12 6889 7 min1500 min 3386 e B K rad srr m 显然 丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r min 能满足要求 5 3 4 丝杠扭转刚度 丝杠的扭转刚度由公式 3 13 计算 4 24 8 7 842696 1 1100 T KNm r 由文献 7 8 得 平移物体的转动惯量为 242 3386 0 01 8 75 10 9 812 Jkg m 丝杠转动惯量 222 111 884 sssss Jm dddL 34 42 1 3 14 7 85 101 15 0 025 32 3 46 10 kg m 42 1 5 10 z Jkg m 扭转振动的固有频率按公式 3 14 计算 4 2696 1 1537 86 14692 9 min 3 46 8 75 1 5 10 3 T rad sr 显然 丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r m