数控钻床横纵两向进给系统的设计.doc

1 65 数控钻床横纵两向进给系统的设计说明书数控钻床横纵两向进给系统的设计说明书 目录目录 1 绪论绪论 1 1 1 先进制造技术的提出 1 1 2 先进制造技术的特点 1 1 2 1 先进性 1 1 2 2 通用性 1 1 2 3 系统性 2 1 2 4 集成性 2 1 2 5 技术与管理的更紧密结合 2 1 2 6 重视人的因素和人的作用 2 1 3 先进制造技术的发展进程 2 1 3 1 常规制造工艺的优化 2 1 3 2 新兴 非常规 加工方法的发展 2 1 3 3 专业 学科间的局限逐渐淡化 消失 3 1 3 4 工艺设计由经验走向定量分析 3 1 3 5 信息技术 管理技术与工艺技术紧密结合 3 1 4 振兴传统机械制造业的对策 3 1 4 1 加强合作 共同开发 4 1 4 2 积极开展技术改造 4 2 65 1 4 3 加强宣传 提高人员素质 4 1 4 4 结合国情 逐步发展 4 1 5 微观看改造的必要性 5 1 6 宏观看改造的必要性 6 1 7 数控化改造的优缺点 6 1 7 1 减少投资额 交货期短 6 1 7 2 机械性能稳定可靠 结构受限 7 1 7 3 熟悉了解设备 便于操作维修 7 1 7 4 可充分利用现有的条件 7 1 7 5 可以采用最新的控制技术 7 2 设计方案的确定设计方案的确定 8 3 机械部分设计与计算机械部分设计与计算 10 3 1 估计重量及基本参数确定 10 3 2 横向 Y 向 设计计算 10 3 2 1 切削力计算 10 3 2 2 滚珠丝杠设计计算 10 3 2 3 齿轮的相关计算 13 3 2 4 转动惯量计算 14 3 2 5 横向步进电机的选择 16 3 2 6 齿轮的验算 16 3 3 纵向 X 向 设计计算 24 3 3 1 滚珠丝杠设计计算 24 3 65 3 3 2 传动齿轮的相关计算 26 3 3 3 转动惯量计算 27 3 3 4 步进电机的选择 29 3 3 5 齿轮的验算 29 4 轴的设计与校核轴的设计与校核 30 4 1 轴的材料选择 30 4 2 初选滚动轴承 30 4 3 初步确定传动轴的轴向 径向尺寸 30 4 4 按弯扭合成强度校核轴的强度 31 5 零件校核计算零件校核计算 35 5 1 滚动轴承的寿命校核计算 35 5 2 键的强度校核 35 6 数控系统的硬件电路设计数控系统的硬件电路设计 37 6 1 单片机简介 37 6 2 单片机在设计中的应用 40 7 经济性环保性分析经济性环保性分析 44 结结 论论 46 致致 谢谢 47 参考文献参考文献 48 4 65 1 绪论 1 1 先进制造技术的提出 当今世界各国经济的竞争 主要是制造技术的竞争 在企业的生产力构成中 制 造技术的作用一般占 60 左右 美国现在正推行以微电子带动的第三次产业革命 重 点就是发展先进制造技术 当前 制造技术已经进入了计算机辅助制作时代 它是通 过一个计算机分级结构网络来监测 控制和管理制作过程中各个阶段的工作 其中包 括生产管理与控制 工程分析与设计 财务与销售等方面 在制造系统中 存在着以 生产对象为中心 由原材料 毛坯 零件 成品构成的物质流 以生产管理和信息管 理等管理技术为主题的信息流以及为了保证生产活动正常进行而必须的能量流 其中 信息流的引入是形成先进制造系统最关键的要素 以机械制造为代表的先进制造技术 对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作 用 它的水平高低在很大程度上反映了一个国家工业发展的水平 是现代企业最重要 的看家本领 是企业竞争力的最重要因素 也是提高产品自主开发能力和技术创新能 力 提高产品质量的技术基础 1 2 先进制造技术的特点 先进制造技术已经不是传统意义上的机械制造技术 它是集机械 电子 光学 信息科学 材料科学 管理科学与许多领域最新成就于一体的新兴技术与新兴工业 是各种先进技术与制作技术的有机结合 具有以下六个特点 1 2 1 先进性 作为先进技术的基础 制造技术 必须是经过优化的先进工艺 因此 先进制 造技术的核心和基础必须是优质 高效 低耗 清洁的工艺 它从传统工艺发展起来 并与新技术实现了局部或系统集成 1 2 2 通用性 先进制造技术不是单独分割在制造过程中的某一环节 它覆盖了产品设计 生产 5 65 设备 加工制造 维修服务 甚至回收再生的整个过程 1 2 3 系统性 随着微电子 信息技术的引入 先进制造技术能驾驭信息生成 采集 传递 反 馈 调整的信息流动过程 先进制造技术能驾驭生产过程的物质流 能源流和信息流 的系统工程 1 2 4 集成性 先进制造技术由于专业 学科间不断渗透 交叉 融合 界限逐渐淡化甚至消失 技术趋于系统化 以发展成为集机械 电子 信息 材料和管理技术于一体的新兴交 叉学科 因此有人称其为制造工程 1 2 5 技术与管理的更紧密结合 对市场变化做出更敏捷的反应及对最佳经济效益的追求 使先进制造技术十分生 产过程合理化和最佳化 它是技术与管理 自然科学和社会科学紧密结合的产物 1 2 6 重视人的因素和人的作用 在先进制造系统中 人的智能和技艺再次证明是难以代替的 在决策 管理和作业 操作中 人机优化分工较之复杂的自动化系统更有竞争力 以装配作业为例 人机混 合装配较之机器人装配更为合理 1 3 先进制造技术的发展进程 近二三十年来 先进制造技术的发展进程和未来的发展趋势主要有如下几个方面 1 3 1 常规制造工艺的优化 常规制造工艺的优化方向是高效化 紧密化 清洁化 强韧化 以形成优质高效 低耗 少或无污染的制造技术为主要目标 在保持原有工艺原理不变的情况下 通过 改善工艺条件 优化工艺参数来实现 由于常规工艺至今仍然是量大面广 经济实用 的技术 因此对其进行优化有很大的技术经济意义 1 3 2 新兴 非常规 加工方法的发展 6 65 由于产品更新换代的要求 常规工艺在某些方面 场合 已不能满足要求 同时 高新技术的发展有其产业化的要求 同时高新技术的发展有其产业化的要求 使新兴 加工方法成为必然趋势 新能源 或能源载体 的引入 新型材料的应用 产品特殊 功能的要求都促进了新型加工方法的形成和发展 如激光加工技术 电磁加工技术 超塑加工技术及复合加工技术等 1 3 3 专业 学科间的局限逐渐淡化 消失 在制造技术内部 冷热加工之间 加工过程 检测过程 物流过程 装配过程之 间 设计 材料应用 加工制造之间 其局限均逐渐变化 逐步走向一体化 1 3 4 工艺设计由经验走向定量分析 应用计算机技术和模拟技术来确定工艺规范 优化工艺方案 预测加工过程中可 能出现的缺陷及防止措施 控制和保障加工工件的质量 使工艺设计由经验判断走向 定量分析 加工工艺由技术发展成为工程科学 1 3 5 信息技术 管理技术与工艺技术紧密结合 微电子学 计算机 自动化技术与传统工艺及设备相结合 形成多项自动化单元 技术 经局部系统集成后 形成了从单元技术到复合技术 从刚性到柔性 从简单到 复杂等不同档次的自动化制造技术系统 使传统工艺产生显著 本质的变化 极大的 提高了生产效率及产品质量 管理技术与制造进一步结合 要求再采用先进工艺方法的同时 不断调整组织结 构和管理模式 探索新型生产组织方式 以提高先进工艺方法的使用效果 提高企业 竞争力 1 4 振兴传统机械制造业的对策 振兴我国的机械制造业 最重要的一点是靠技术振兴 提高我国的机械制造技术 水平是根本出路 改革开放以来 通过技术改造和引进国外先进技术 我国机械制造 技术水平不断发展和提高 已经具有了相当的规模和实力 从总体上看 我国制造生 产水平依然比较落后 在质量 品种 成本 效率 效益 交货期和售后服务等方面 与国外先进水平相比都有很大差距 缺乏国际竞争力 为发展我国机械制造技术 振 7 65 兴传统机械工业 在新的技术革命面前 我们应把握时机 超越某些阶段 迎头赶上 世界先进水平 要使这种愿望成为现实 必须采取相应对策 1 4 1 加强合作 共同开发 先进制造技术是集机械 电子 信息 材料和管理技术于一体的综合技术 它的 发展涉及规划与管理 资金保证 研究开发 生产与应用等各个方面 因此 必须把 政策部门 科研单位 高等院校和企事业中各方面力量组织起来 加强合作 共同开 发 走集团化 规模化的途径 我们一方面要跟踪国际上高新技术 同时必须花大力 气抓新技术 新工艺的推广工作 目前更应抓好数控和计算机技术的应用和推广 只 有现普及后提高 才能使我国制造技术的发展具有稳固的基础 1 4 2 积极开展技术改造 制造技术的发展是通过技术改造的过程实现的 其中也包括人员培训 技术更新 进行技术改造必须从经营战略和生产系统整体出发 不能单纯把技术改造局限与更新 设备上 还要考虑到原始投资和日后生产管理的经济性 因此 进行技术改造时应进 行经济分析与论证 以作出科学的决策和判断 只有这样 才能走出一条技术改造及 经济效益相结合的正确之路 1 4 3 加强宣传 提高人员素质 要使先进制造技术对传统制造业的发展起作用 首先要做好宣传工作 使上上下 下 从领导到各级管理人员 特别是决策人员对其有较为清楚的了解 从而消除实施 这项技术时来自各方的阻力 其次是要培养扎实过硬的技术队伍 进入 90 年代后的机 械制造业已不是传统意义上的机械加工 因此 我国的机械制造技术人员知识要更新 技能要拓宽 其主要方向包括信息科学 材料科学 控制论 生物科学 管理科学 微电子技术 计算机技术等 只有熟练地掌握了以上高新技术 才能适应新世纪机械 制造工业发展的需要 1 4 4 结合国情 逐步发展 发展和应用先进制造技术一定要适合我国国情 不能把发达国家最先进的技术直 接拿来 不问经济效益 就跟着发展 跟着应用 甚至号召 推广 我国的情况是劳 8 65 动力过剩 工资较低 人员素质低 企业管理落后 此外我们的企业有国有大中型企 业 中小型集体企业 乡镇企业 私营和个体企业 合资和外资企业等多种形式 条 件不同 组织管理方式不同 因此需要的机械制造技术和生产方式也各不相同的 当前我国各企业应根据不同情况 采取有效的自动化和半自动化 如独立制造岛 做法等 独立制造岛是上海同济大学张曙教授所提倡的 它以成组技术为基础 NC 机 床为核心 NC 机床与普通机床并存 强调信息流的自动化 以 软 取胜和以 人 为中心的生产方式 其特征是组织 人员和技术三者有机集成 面向车间 权 利下 放 综合治理 并以获取经济效益为主要目标 因此在实质上也是一种精良生产方式 企业应结合各自的情况 选用各种先进的制造生产模式 近年来 国外提出的并行工 程和敏捷制造等方式应积极探讨和尝试 我国现有机床 370 多万台 旧机床占有相当大的比重 不可能在短期内统统淘汰 和更新 为了提高我国机械制造水平 用低档和经济性数控系统改造部分旧机床是一 项适合我国国情的策略 1 5 微观看改造的必要性 从微观上看 数控机床比传统机床有以下突出的优越性 而且这些优越性均来自 数控系统所包含的计算机的威力 可以加工出传统机床加工不出来的曲线 曲面等复杂的零件 由于计算机有高超的运算能力 可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运 动量 因此可以复合成复杂的曲线或曲面 可以实现加工的自动化 而且是柔性自动化 从而效率可比传统机床提高 3 7 倍 由于计算机有记忆和存储能 力 可以将输入的程序记住和存储下来 然后按程序规定的顺序自动去执行 从而实 现自动化 数控机床只要更换一个程序 就可实现另一工件加工的自动化 从而使单 件和小批生产得以自动化 故被称为实现了 柔性自动化 加工零件的精度高 尺寸分散度小 使装配容易 不再需要 修配 可实现多工序的集中 减少零件 在机床间的频繁搬运 拥有自动报警 自动监控 自动补偿等多种自律功能 因而可实现长时间无人看管 加工 9 65 由以上五条派生的好处 如 降低了工人的劳动强度 节省了劳动力 一个人可以看管多台机床 减少了工装 缩短了新产品试制周期和生产周期 可对市场需求作出快速反应等等 以上这些优越性是前人想象不到的 是一个极为重大的突破 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 1 6宏观看改造的必要性 从宏观上看 工业发达国家的军 民机械工业 在 70 年代末 80 年代初已开始大 规模应用数控机床 其本质是 采用信息技术对传统产业 包括军 民机械工业 进 行技术改造 除在制造过程中采用数控机床 FMC FMS 外 还包括在产品开发中推 行 CAD CAE CAM 虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS 管理信息系统 CIMS 等等 以及在其生产的产品中增加信息技术 包括人工智能等的含量 由于采用信息 技术对国外军 民机械工业进行深入改造 称之为信息化 最终使得他们的产品在国 际军品和民品的市场上竞争力大为增强 而我们在信息技术改造传统产业方面比发达 国家约落后 20 年 如我国机床拥有量中 数控机床的比重 数控化率 到 1995 年只 有 1 9 而日本在 1994 年已达 20 8 因此每年都有数控化改造的内容 机床与生产线的数控化改造主要内容有以下几点 是恢复原功能 对机床 生产线存在的故障部分进行诊断并恢复 是 NC 化 在普通机床上加数显装置 或加数控系统 改造成 NC 机床 CNC 机床 是翻新 为提高精度 效率和自动化程度 对机械 电气部分进行翻新 对机械部 分重新装配加工 恢复原精度 对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更 新 是技术更新或技术创新 为提高性能或档次 或为了使用新工艺 新技术 在原有 基础上进行较大规模的技术更新或技术创新 较大幅度地提高水平和档次的更新改造 1 7 数控化改造的优缺 10 65 1 7 1 减少投资额 交货期短 同购置新机床相比 一般可以节省 60 80 的费用 改造费用低 特别是大型 特殊机床尤其明显 一般大型机床改造 只花新机床购置费用的 1 3 交货期短 但有 些特殊情况 如高速主轴 托盘自动交换装置的制作与安装过于费工 费钱 往往改 造成本提高 2 3 倍 与购置新机床相比 只能节省投资 50 左右 1 7 2 机械性能稳定可靠 结构受限 所利用的床身 立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件 而不是那种焊接构件 改造后的机床性能高 质量好 可以作为新设备继续使用多年 但是受到原来机械结 构的限制 不宜做突破性的改造 1 7 3 熟悉了解设备 便于操作维修 购买新设备时 不了解新设备是否能满足其加工要求 改造则不然 可以精确地 计算出机床的加工能力 另外 由于多年使用 操作者对机床的特性早已了解 在操 作使用和维修方面培训时间短 见效快 改造的机床一一安装好 就可以实现全负荷 运转 1 7 4 可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基 不必像购入新设备时那样需重新构筑地基 1 7 5 可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度 及时地提高生产设备的自动化水平和效率 提高设 备质量和档次 将旧机床改成当今水平的机床 2 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 11 65 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 步进电机具有如下优点 1 电动机的输出转角与输入的脉冲个数严格成正比 故控制输入步进电动机的脉冲个 数就能控制位移量 2 电动机的转速与输入的脉冲频率成正比 与要控制脉冲频率就能调节步进电动机的 转速 3 停止送入脉冲时 只要维持绕组内电流不变 电动机轴可以保持在某个固定位置上 不需要机械制动装置 4 变通电相序即可以改变电动机的转向 5 进电动机存在齿间相邻误差 但是不会产生累积误差 6 进电动机转动惯量小 启动 停止迅速 滚珠丝杠副具有摩擦因数小 传动效率高 所需的传动转矩小 灵敏度高 传动平稳 不易产生爬行 随着精度和定位精度高 磨损小 寿命长 精度保持性好 可通过预紧间隙消除措施提高轴承刚度和反向精度 运动具有可逆性 故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 控 制部分设计要求能控制 X Y Z 三坐标轴的运动 考虑使用方便决定采用 Internal 公 司的 8051 8255 8155 等单片机组成键盘 显示控制面板等机床控制电路 3 机械部分设计与计算 3 1 确定尺寸及估计重量 12 65 根据钻床工作台的尺寸初步确定 Y 轴方向移动的工作台尺寸重量约为 200N X 轴方向移动的工作台尺寸重量约为 150N XY 工作台总重量 包括夹具及工件 不超过 450N 3 2 3 横向 Y 向 设计计算 3 2 1 切削力的计算 工件为 45 HB250 C 1063 12 F V 0 129 F d 0 903 F f 0 956 F f 0 966 F f V 18m min d 6mm f 0 102mm r F C V df F F V F d F f 1063 12 18 6 0 102 012909050966 877 82 N 对于麻花钻钻削加工 F 0 57F X 0 57 877 82 500 4 N F 0 4F Y 0 4 877 82 351 128 N 13 65 F 0 03F Z 0 03 877 82 26 33 N 3 2 2 滚珠丝杠设计计算 1 强度计算 对于燕尾型导轨的牵引力计算 F KF f F 2F G m XZY 取 K 1 4 f 0 2 考虑工作台在移动过程中只受 G 影响 故 F fG 1m 0 2 450 90 N 考虑工作台在加工时静止只受 FX影响 故 F KF 2mX 1 4 500 4 700 56 N 取 F F max 2m 2 计算最大动载荷 C 初选螺母副导程 L0 6mm 丝杠的转速 n 100r min L 6 10 60nT 查 2 表 6 7 取 T 15000 h L 6 10 60nT 6 10 1500010060 90 14 65 考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响 查 2 表 6 7 取 f 1 2 W 查 2 表 6 8 取 f 1 0 H Q ffF 3 L WH 1 2 1 877 82 3 90 4 72 KN 查 3 表 2 27 选取 W2506 型滚珠丝杠 Ca 13 1 KN Q 所以刚度足够 3 效率计算 根据 7 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 tan tan v v 摩擦角 10 由 2 可知 螺旋角 4 22 由 3 可知 tan tan v v 01224tan 224tan 0 963 滚珠丝杠的传动效率高 这可使丝杠副的温度变化较小 对减小热变形 提高刚度 强度都起了很大作用 4 刚度验算 滚珠丝杠受工作载荷 Fm 引起的导程变化量 L1 ZF LFm 0 L 6 mm 0 6 cm 0 E 21 10 N cm 62 F 2 2 2 d 15 65 3 46 cm 2 L1 ZF LFm 0 46 3 1021 6 056 700 6 5 78 10 6 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小 可忽略 既 L L1 所以导程变形总误 差 为 0 100 L 6 0 1078 5 100 6 9 64 m m 查 2 表 6 9 知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 15 m m 故刚度足够 5 稳定验算 机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆 若轴向力过大 将使丝杠失去稳定而产生弯曲 依据 8 中的欧拉公式计算 F K 2 L ZJ 式中截面惯性矩 对实心圆柱 J 64 4 1 d 64 984 2014 3 0 95 N cm F K 2 L ZJ 2 62 101 95 0 1021 1972613 719 N 16 65 n 2 4 4 K n K m K F F 56 700 719 1972613 2815 77 n K 所以滚珠丝杠安全不至失稳 6 滚珠丝杠基本尺寸 表 3 1 滚珠丝杠副主要尺寸列表 3 2 3 齿轮的相关计算 1 传动比的计算 i t P L 360 0 主要尺寸计算公式计算结果 公称直径 d0 25 基本导程 L0 6 滚珠直径 d3 3 969 滚珠圆弧半径 R 2 064 螺旋升角 4 22 滚道圆弧偏心距 e 0 056 丝杠大径 d 丝杠小径 d1 d d 2e 2R 10 20 984 丝杠长度 S S 700 螺母大径 D 45 螺母小径 D0 螺母长度 58 2 列 17 65 005 0 360 675 0 2 5 2 初步分配传动比 由 2 按获得最小转动惯量的原则分配传动比 i i i t12 i 2 2 1 i 得 i 1 52 i 1 64 12 3 初步估计齿轮模数 m 1 25 小齿轮 Z 27 1 大齿轮 Z i Z1 21 1 52 27 41 b 17mm b 20mm 12 d mZ 11 1 25 27 33 75mm d mZ 22 1 25 41 51 25 mm a 1 2 21 dd 2 25 5175 33 42 5 mm 小齿轮 Z 30 3 18 65 大齿轮 Z4 i Z 23 1 64 30 49 b 26mm b 28mm 34 d mZ 33 1 25 30 37 5 mm d mZ 44 1 25 49 61 25 mm a 2 2 43 dd 2 25 61 5 37 49 375 mm 3 2 4 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J 2 G 1 180 2 450 75 0 005 0 180 65 66 N cm2 丝杠的转动惯量 Js 7 84 10P L 4 4 7 8 10 4 24 48 5 9904 N cm2 齿轮的转动惯量 J 7 84 10P L 1Z 4 4 19 65 7 8 10 4 3 775 4 1 7 1 72 N cm2 J 7 84 10P L 2Z 4 4 7 8 10 4 5 125 4 2 1 076 N cm2 J 7 84 10P L 3Z 4 4 7 8 10 4 3 75 4 2 6 4 N cm2 J 7 84 10P L 4Z 4 4 7 8 10 4 6 125 4 2 8 30 738 N cm2 总传动惯量 J J J 2 2 2 1 4 ZZ JJ ZS 2 1 23 Z JJ ZZ 1Z1 1 72 65 66 222 27 076 1 4 4127 738 309904 5 79 679 N cm2 所需转动力矩 快速空载时所需的力矩 M M M M maxaf0 当 n n时 M M maxmaxaa n max 0 max L iv 6 25100 416 67 r min M maxa 4 10 6 9 T Jn 20 65 未改6 9 67 416679 79 1 66 Ncm M f i wLf 2 0 5 28 02 6 045016 0 3 44 N cm 当 0 9 时 预加载荷 P 则 0 3 X F M 0 i LFX 6 1 2 00 5 28 06 9 016 056 700 2 3 44 N cm M t i LFX 2 0 5 28 02 6 056 700 33 45 所以快速启动时所需力矩 M M M M maxaf0 1 66 2 865 1 765 6 29 N cm 切削时所需力矩 M M M M atf0 0 0 1 765 27 87 29 635 N cm 由上分析计算可知 21 65 所需最大力矩 M发生切削启动时 M M 35 568 N cm maxmax M q 6 0 max M 4 0 568 35 74 0875 N cm 为满足最小步进距要求 电动机选用三相三拍工作方式 查表 7 2 知 0 886 jM q M M M jM 866 0 q M 102 68 N cm 步进电动机的最高频率 f max p v 60 max 005 0 60 1000 3333 33 HZ 选用 110BF003 型直流步进电机 能满足使用要求 3 2 5 齿轮的验算 1 材料的选择 由 5 机械设计表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材 料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 2 第一对齿轮按齿面接触强度设计 由 5 设计计算公式 10 9a d t 1 2 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 1 确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 K 1 3 t 22 65 小齿轮传递的转矩 T 8000 N m 由 5 表 10 7 选出齿宽系数 0 5 d 由 5 表 10 6 查得材料的弹性影响系数 Z 189MPa E 2 1 由 5 图 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限 1limH 550MPa 小齿轮的接触疲劳强度极限 2limH 由 5 10 13 计算应力循环次数 N 60n j h 11 60 833 1 2 8 300 15 3 6 10 9 N 2 1 1 i N 52 1 106 3 9 2 368 10 9 由 5 图 10 19 查得接触疲劳寿命系数 K 0 92 K 0 96 1HN2HN 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 10 12 得 H 1 S K HHN1lim 1 1 60092 0 552 MPa H 2 S K HHN2lim 2 1 55096 0 528 MPa 23 65 2 计算 试算小齿轮分度园直径 d 带入 中较小的值 tH d t 1 2 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 2 32 2 2 528 52 1 5 0 8 189 152 1 80003 1 38 18 mm 计算圆周速度 v v 100060 11 nd t 100060 83318 38 1 665 m s 计算齿宽 b tdd1 0 5 38 18 19 09 mm 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 m t 1 1 Z d t 1 414 mm 齿高 h 2 25mt 2 5 1 414 3 18 mm h b 735 3 09 19 6 计算载荷系数 24 65 根据 v 1 665m s 7 级精度 由 5 图 10 8 得 动载系数 K 1 1 v 直齿轮 假设 100 N mm 由表 10 3 得 K K 1 2 b FK tA H F 由表 10 2 得 使用系数 K 1 A 由表 10 4 得 7 级精度小齿轮相对支承悬臂布置时 K 1 12 0 18 1 0 7 0 23 10b H 2 d 2 d 3 1 24 由 5 1 K 1 24 查图 10 13 得 K 1 28 h b H F 故 载荷系数 K K K K A H H 11 11 21 24 1 6368 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径 由式 10 10a 得 d d 1t 1 3 t K K 38 18 3 3 1 6368 1 41 23 mm 计算模数 m m 1 1 Z d 27 23 41 1 527 mm 3 第一对齿轮按齿根弯曲强度设计 由式 10 5 得弯曲强度的设计公式 m 3 1 1 2 Fd SaFa Z YYKT 25 65 1 确定公式内的各计算值 由图 10 20C 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极 1 FZ 限 380MPa 2 FZ 由图 10 18 查得弯曲疲劳寿命系数 K 0 8 K 0 87 1 FN 2 FN 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 S 1 4 1 F S K FZFN 11 4 1 50086 0 307 14 MPa 2 F S K FZFN 2 2 4 1 38087 0 236 14 MPa 计算载荷系数 K K K KK AV FFR 11 11 21 28 1 6896 查取齿形系数 由表 10 5 查得 Y 2 57 Y 2 39 1 Fa 2 Fa 查取应力校正系数 由表 10 5 查得 Y 1 6 Y 1 672 1 Sa 2 Sa 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 1 11 F FaFaY Y 14 307 6 157 2 26 65 0 0134 2 2 2 F SaFa YY 14 236 62 1 39 2 0 0169 大齿轮数值大 2 设计计算 m 3 1 1 2 Fd SaFa Z YYKT 3 2 27 5 0 0169 0 80006896 1 2 1 078 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根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 强度多决定的承载能力 而齿面接触强度多决定的承载能力 仅与只论直径归类 可 取由弯曲强度算得的模数 1 078 m m 1 25 故 齿轮强度适合 4 第二对齿轮按齿面接触强度设计 由 5 设计计算公式 10 9a d t 1 2 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 1 确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 K 1 3 t 小齿轮传递的转矩 T i 13120 N m 121 T 由 5 表 10 7 选出齿宽系数 0 7 d 由 5 表 10 6 查得材料的弹性影响系数 Z 189MPa E 2 1 由 5 图 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限 1limH 27 65 550MPa 2limH 由 5 10 13 计算应力循环次数 N 60n jh 31 60 457 69 1 2 8 300 15 1 977 10 9 N 4 2 3 i N 64 1 10977 1 9 1 2 10 9 由 5 图 10 19 查得接触疲劳寿命系数 K 0 95 K 0 99 3HN4KN 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 10 12 得 H 3 S K HHN3lim3 1 60095 0 570 MPa H 4 S K HHN4lim4 1 55099 0 544 5 MPa 2 计算 试算小齿轮分度园直径 d 带入 中较小的值 tH d t 3 2 3 2 31 1 32 2 Hd Et i ZiTK 2 32 2 2 5 544 64 1 7 0 8 189 164 1 131203 1 28 65 39 04 mm 计算圆周速度 v v 100060 21 nd t 100060 69 45704 39 0 94 m s 计算齿宽 b tdd1 0 7 39 04 27 328 mm 计算齿宽与齿高之比 b h 模数 m t 3 3 Z d t 30 04 39 1 3 mm 齿高 h 2 25mt 2 5 1 414 3 18 mm h b 925 2 328 27 9 34 计算载荷系数 根据 v 0 94m s 7 级精度 由 5 图 10 8 得 动载系数 K 1 06 v 直齿轮 假设 100 N mm 由表 10 3 得 K K 1 2 b FK tA H F 由表 10 2 得 使用系数 K 1 A 29 65 由表 10 4 得 7 级精度小齿轮相对支承悬臂布置时 K 1 12 0 18 1 0 7 0 23 10b H 2 d 2 d 3 1 12 0 18 1 0 7 0 7 0 7 0 23 1027 328 2 2 3 1 24 由 9 34 K 1 24 查图 10 13 得 K 1 23 h b H F 故载荷系数 K K K K K Av H H 11 061 21 24 1 57728 按实际的载荷系数校正所算得的分度园直径 由式 10 10a 得 d d 3t 3 3 t K K 39 04 3 06 1 57728 1 41 64 mm 计算模数 m m 3 3 Z d 30 64 41 1 388 mm 5 按齿根弯曲强度设计 由式 10 5 得弯曲强度的设计公式 m 3 3 2 2 Fd SaFa Z YYKT 1 确定公式内的各计算值 由图 10 20C 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度极 3 FZ 限 380MPa 4 FZ 30 65 由图 10 18 查得弯曲疲劳寿命系数 K 0 8 K 0 87 3 FH 4 FN 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳完全系数 S 1 4 F 3 S K FZFN 33 4 1 50084 0 300 MPa F 4 S K FZFN 44 4 1 38086 0 233 43 MPa 计算载荷系数 K K K KK AV F F 11 061 21 23 1 56456 查取齿形系数 由表 10 5 查得 Y 2 57 Y 2 39 1 Fa 2 Fa 查取应力校正系数 由表 10 5 查得 Y 1 625 Y 1 696 3 Sa 4 Sa 计算大 小齿轮的 并加以比较 F SaFaY Y 3 33 F FaFaY Y 300 625 152 2 0 0136 4 4 4 F SaFa YY 43 233 696 1 326 2 0 0169 31 65 大齿轮数值大 2 设计计算 m 3 1 1 2 Fd SaFa Z YYKT 3 2 30 5 0 0169 0 56456 1 131202 0 92 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根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 强度多决定的承载能力 而齿面接触强度多决定的承载能力 仅与只论直径归类 可 取由弯曲强度算得的模数 0 92 m m 1 25 故齿轮强度适合 3 3 纵向 X 向 设计计算 3 3 1 滚珠丝杠设计计算 1 强度计算 对于燕尾型导轨的牵引力计算 F KF f F 2F G m XZY 取 K 1 4 f 0 2 考虑工作台在移动过程中只受 G 影响 故 F fG 1m 0 2 200 40 N 考虑工作台在加工时静止只受 FX影响 故 F KF 2mX 1 4 500 4 700 56 N 32 65 取 F F max 2m 2 计算最大动载荷 C 初选螺母副导程 L0 6mm 丝杠的转速 n 100r min L 6 10 60nT 2 查 2 表 6 7 取 T 15000 h L 6 10 60nT 6 10 1500010060 90 考虑滚珠丝杠在运转过程中有冲击振动和考虑滚珠丝杠的硬度对寿命的影响 查 2 表 6 7 取 f 1 2 W 查 2 表 6 8 取 f 1 0 H Q ffF 3 L WH 1 2 1 877 82 3 90 4 72 KN 查 3 表 2 27 选取 W2506 型滚珠丝杠 Ca 13 1 KN Q 所以刚度足够 3 效率计算 根据 机械原理 的公式 丝杠螺母副的传动效率 为 tan tan v v 摩擦角 10 由 2 可知 螺旋角 4 22 由 3 可知 tan tan v v 33 65 01224tan 224tan 0 963 滚珠丝杠的传动效率高 这可使丝杠副的温度变化较小 对减小热变形 提高刚度 强度都起了很大作用 4 刚度验算 滚珠丝杠受工作载荷 Fm 引起的导程变化量 L1 ZF LFm 0 2 L 6 mm 0 6 cm 0 E 21 10 N cm 2 6 F 2 2 2 d 没写 2 3 46 cm 2 L1 ZF LFm 0 46 3 1021 6 056 700 6 5 78 10 6 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小 可忽略 既 L L1 所以导程变形总误 差 为 0 100 L 6 0 1078 5 100 6 9 64 m m 查 2 表 6 9 知 E 级精度丝杠允许的螺距误差 1m 长 为 15 m m 故刚度足够 5 稳定验算 34 65 机床的进给丝杠通常是轴向力的压杆 若轴向力过大 将使丝杠失去稳定而产生弯曲 依据 材料力学 中的欧拉公式计算 F K 2 L ZJ 式中截面惯性矩 对实心圆柱 J 64 4 1 d 64 984 2014 3 0 95 N cm F K 2 L ZJ 2 62 101 95 0 1021 1972613 719 N n 2 4 4 K n K m K F F 56 700 719 1972613 2815 77 n K 所以滚珠丝杠安全不至失稳 6 滚珠丝杠副主要尺寸列表 见表 3 2 35 65 表 3 2 滚珠丝杠副主要尺寸列表 主要尺寸计算公式计算结果 公称直径 d0 25 基本导程 L0 6 滚珠直径 d3 3 969 滚珠圆弧半径 R 2 064 螺旋升角 4 22 滚道圆弧偏心距 e 0 056 丝杠大径 d 丝杠小径 d1 d1 d0 2e 2R20 984 丝杠长度 S S 700 螺母大径 D 45 螺母小径 D0 螺母长度 58 2 列 3 3 2 传动齿轮的相关计算 1 传动比的计算 i t P L 360 0 005 0 360 675 0 2 5 2 初步分配传动比 由 2 按获得最小转动惯量的原则分配传动比 i 2 2 1 i i i i t12 36 65 得 i 1 52 i 1 64 12 3 初步估计齿轮模数 m 1 25 小齿轮 Z 27 1 大齿轮 Z i Z1 21 1 52 27 41 b 17mm b 20mm 12 d mZ 11 1 25 27 33 75mm d mZ 22 1 25 41 51 25 mm a 1 2 21 dd 2 25 5175 33 42 5 mm 小齿轮 Z 30 3 大齿轮 Z4 i Z 23 1 64 30 49 b 26mm b 28mm 34 d mZ 33 37 65 1 25 30 37 5 mm d mZ 44 1 25 49 61 25 mm a 2 2 43 dd 2 25 61 5 37 49 375 mm 4 3 3 3 转动惯量计算 工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 J 2 G 1 180 2 200 5 1 01 0 180 29 18 N cm2 丝杠的转动惯量 Js 7 84 10P L 4 4 7 8 10 4 24 48 5 9904 N cm2 齿轮的转动惯量 J 7 84 10P L 1Z 4 4 7 8 10 4 3 775 4 1 7 1 72 N cm2 J 7 84 10P L 2Z 4 4 7 8 10 4 5 125 4 2 1 076 N cm2 J 7 84 10P L 3Z 4 4 38 65 7 8 10 4 3 75 4 2 6 4 N cm2 J 7 84 10P L 4Z 4 4 7 8 10 4 6 125 4 2 8 30 738 N cm2 总传动惯量 J J J 2 2 2 1 4 ii JJ ZS 2 1 23 i JJ ZZ 1Z1 1 72 29 18 22 64 1 52 1 74 30 4 13 2 52 1 76 1001 4 44 396 N cm2 所需转动力矩 快速空载时所需的力矩 M M M M maxaf0 当 n n时 M M maxmaxaa n max 0 max L iv 6 25100 416 67 r min M maxa 4 10 6 9 T Jn 4 10 025 0 6 9 67 416918 2 0 5 N cm2 M f i wLf 2 0 5 28 02 6 020016 0 1 53 N cm 39 65 当 0 9 时 预加载荷 P 则 0 3 X F M 0 i LFX 6 1 2 00 5 28 06 9 016 056 700 2 2 118 N cm M t i LFX 2 0 5 28 02 6 056 700 33 45 N cm2 快速启动时所需力矩 M M M M maxaf0 0 5 1 53 2 118 4 148 N cm 切削时所需力矩 M M M M M atf0t 0 0 2 118 33 45 35 568 N cm 由上分析计算可知 所需最大力矩 M发生切削启动时 M M 35 568 N cm maxmax M q 4 0 max M 4 0 568 35 88 92 N cm 为满足最小步进距要求 电动机选用三相三拍工作方式 40 65 查表 7 2 知 0 886 jM q M M M jM 866 0 q M 102 68 N cm 步进电动机的最高频率 f max p v 60 max 005 0 60 1000 3333 33 HZ 选用 110BF003 型直流步进电机 能满足使用要求 3 3 4 齿轮的验算 1 材料的选择 由 5 机械设计表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材 料为 45 钢 调质 硬度为 240HBS 2 第一对齿轮按齿面接触强度设计 由 5 设计计算公式 10 9a d t 1 2 1 2 11 1 32 2 Hd Et i ZiTK 1 确定公式内的各计算值 试选择载荷系数 K 1 3 t 小齿轮传递的转矩 T 8000 N m 由 5 表 10 7 选出齿宽系数 0 5 d 由 5 表 10 6 查得材料的弹性影响系数 Z 189MPa E 2 1 由 5 图 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 600MPa 大齿轮的接触疲劳强度极限 1limH 41 65 550MPa 小齿轮的接触疲劳强度极限 2limH 由 5 10 13 计算应力循环次数 N 60n j h 11 60 833 1 2 8 300 15 3 6 10 9 N 2 1 1 i N 60