数控车床纵向进给伺服传动系统的设计.doc

专科科毕业设计 论文 专科科毕业设计 论文 题目 数控车床纵向进给伺服传动系统的题目 数控车床纵向进给伺服传动系统的 设计设计 院院 系 系 机电工程学院机电工程学院 专专 业 业 机械设计及其自动化机械设计及其自动化 班班 级 级 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师指导教师 2012 年 06 月 摘要 数控车床纵向进给伺服传动系统的设计数控车床纵向进给伺服传动系统的设计 摘要摘要 本课题为数控车床纵向进给伺服传动系统的设计 经济型数控车床就是 指价格低廉 操作使用方便 比较适合我国国情的 动化的机床 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 在设计 的时候具体进行了详细的各部件的选型和计算 比如 导轨的设计选型 滚珠 丝杠螺母副的选型与计算 还进行了进给传动系统的刚度计算 进给传动系统 的误差分析 驱动电机的选型计算 驱动电机与滚珠丝杠的联接 驱动电机与 进给传动系统的动态特性分析等 关键词关键词 数控化 进给系统 滚珠丝杠 伺服电机 摘要 I Numerical control lathe to servo drive system longitudinal into the design Abstract The topic for the CNC lathe longitudinal servo drive system design Economic type CNC lathe is a low price convenient operation and use is suitable for the national conditions of our country the move of the machine tool The use of CNC machine tools can reduce the labor intensity of workers labor saving one can look after more than one machine reduce tooling shorten new product development cycle and the production cycle the market demand for rapid response When the design of specific detail each component selection and calculation For example the design selection guide ball screw pair selection and calculation Also performed a feed system rigidity calculation feed transmission system error analysis the calculation and selection of the driving motor driving motor and ball screw coupling the drive motor and the feed drive system dynamic characteristics analysis Key words NC feed system ball screw Servo motor 2 1 1 绪论绪论 7 7 1 1 毕业设计题目 7 1 2 毕业设计的目的 7 1 3 题目背景 7 1 4 研究意义 7 1 5 国内相关研究情况 7 1 6 毕业设计 论文 的主演内容与要求 8 1 6 1 毕业论文的主要内容 8 1 6 2 毕业论文的要求 8 2 2 总体方案论证总体方案论证 9 9 3 3 滚珠丝杠的设计与计算滚珠丝杠的设计与计算 1111 3 1 滚珠丝杠副的工作原理及其特点 11 3 1 1 工作原理 11 3 1 2 滚珠丝杠副的特点 11 3 2 确定滚珠丝杠的导程 Ph 12 3 3 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 12 3 3 1 工作载荷 F 12 3 3 2 最小载荷 Fmin 13 3 3 3 最大工作载荷 Fmax 13 3 3 4 当量载荷 Fm 与当量转速 nm 13 3 4 预期额定动载荷 13 3 5 滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 13 3 6 估算滚珠丝杠的底径 d2m 14 4 4 刚度的计算刚度的计算 1515 4 1 丝杠轴向刚度计算 15 4 1 1 双推 支承安装丝杠的轴向刚度 15 3 4 1 2 双推 双推安装丝杠的轴向刚度 16 4 2 2 带预压载荷的双螺母轴向刚度 17 4 3 支承轴承的刚度 KB 17 4 4 螺母及轴承支承部件的刚度 KH 4 5 进给滚珠丝杠副的扭转刚度 17 4 6 进给滚珠丝杠副的传动刚度 18 4 7 本丝杠副刚度的计算结果 19 4 7 1 丝杠轴向刚度计算 19 4 7 2 计算螺母刚度 19 4 7 3 计算支承轴承刚度 20 4 7 4 螺母支架及轴承座刚度 KH 20 4 7 5 丝杠扭转刚度 20 4 7 6 计算系统传动刚度 20 5 5 滚珠丝杠校核滚珠丝杠校核 2222 5 1 滚珠压杆稳定性计算 22 5 2 滚珠压杆极限转速计算 22 5 3 验算额定静载荷 22 5 4 额定寿命的校核 22 6 6 电机的设计计算电机的设计计算 2424 6 1 正常情况下电动机驱动扭矩 Tm 24 6 1 1 负载扭矩 Ta 24 6 1 2 预压扭矩 Td 24 6 1 3 轴承扭矩 Tb 24 6 2 加速状况下电机驱动扭矩 T 24 6 2 1 电机惯性矩计算 J1 24 6 2 2 滚珠丝杆惯性矩计算 J2 25 6 2 3 负荷惯性矩计算 J3 25 6 3 总电机扭矩 Tmax 25 7 7 电机的校核电机的校核 2626 7 1 所需启动转矩 Tp 的校核 26 4 7 2 所需制动转矩 TS 的校核 26 7 3 转矩有效值 Tms 的校核 26 8 8 惯量的校核惯量的校核 2828 9 9 轴承及密封的选择轴承及密封的选择 2929 1010 联轴器的选择联轴器的选择 3030 1111 导轨的选择导轨的选择 3131 11 1 直线运动导轨的基本截面形状 31 11 2 常用的组合形式 31 1212 毕业论文总结毕业论文总结 3333 致谢致谢 3535 附录 毕业设计 论文 知识产权声明 36 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 3636 附录 毕业设计 论文 独创性声明 37 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 3737 西安工业大学毕业设计 论文 5 1 1 绪论绪论 1 11 1 毕业设计题目毕业设计题目 此次毕业设计的题目是 数控车床纵向进给伺服传动系统的设计 1 2 毕业设计的目的毕业设计的目的 机械类毕业设计是培养学生综合运用本学科的基本理论 专业知识和基本 技能 提高分析和解决问题的能力的重要手段 是从事 科学研究工作和专业工 程技术工作的基本训练 通过毕业设计巩固和发展所学知识 学习设计机器设 备的一般方法和步骤 熟悉并掌握设计的基本技能 如计算 绘图 计算机辅助 设计 和学习使用设计资料 手册 标准和规范 1 31 3 题目背景题目背景 数控车床纵向进给伺服传动系统是保证产品达到高的加工精度和稳定的加 工质量的关键部件 以伺服电机 减速装置 滚珠丝杠副等组成的半闭环传动 系统能确保伺服系统实现转矩 速度 位置的精确控制 确保机械部件的高精 度 高刚度 高强度 使之满足数控系统的要求 1 41 4 研究意义研究意义 在我国大多数制造行业和企业的生产 加工装备绝大数是传统的机床 而且 半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床 用这种装备加工出来的产品国内 外市 场上缺乏竞争力 直接影响一个企业的的生存和发展 所以必须大力提高机床 的数控化率 数控机床比传统机床有以下突出的优越性 由于计算机可以瞬时 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 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 1 51 5 国内相关研究情况国内相关研究情况 目前 国外数控机床的性能正朝着高精度 高效率 高柔性 高自动化方向 迅速发展 这将对数控机床机械结构设计和制造的质量和可靠性提出更高的要求 例如 日本法努克公司 三菱电机公司 安川电机公司 德国西门子公司 aeg 公司 力士乐 indramat 公司 美国抗体公司 通用电气公司等均先后在 1984 年前后将交流伺服系统付诸实用 我国数控机床产业面临的挑战是国内市场占有率偏低 据有关资料表明 西安工业大学毕业设计 论文 6 1999 年国产数控机床的市场占有率仅为 38 88 造成这种严峻的形势 除客观 原因外 主要是产品的质量 可靠性不过硬 十五 期间 我国机械制造行业必 须瞄准国际数控机床发展的科学前沿 开拓创新 消化吸收国外先进技术 开创我 国数控机床设计和制造技术的新局面 然而 我国加入 后 国外生产的数 控机床将会更多的进入我国市场 市场竞争更为激烈 提高国产数控机床市场占 有率 关键在于提高质量和可靠性 几年来 经过对国内外数控机床的机械结构 剖析和使用性能的调研 探索和总结了数控机床机械结构设计和制造的新技术 1 61 6 毕业设计 论文 的主演内容与要求毕业设计 论文 的主演内容与要求 1 6 11 6 1 毕业论文的主要内容毕业论文的主要内容 1 在分析车床加工对象和加工要求的基础上 提出纵向进给伺服传动系统 的总体设计方案 2 要求控制定位精度为 0 001 mm 根据要求计算并选择伺服电机 滚珠 丝杠副 导轨副 轴承等 3 根据要求设计纵向进给系统的零件图 4 设计数控车床纵向进给伺服传动系统的总体机械装配图 1 6 21 6 2 毕业论文的要求毕业论文的要求 工作量要求 毕业论文一篇 字数不少于 15000 字 1 实验 时数 或实习 天数 2 周 2 图纸 幅面和张数 机构装配图 A0 图纸 折合 3 张 3 其他要求 外文翻译不少于 3000 字 参考文献不少于 18 篇 西安工业大学毕业设计 论文 7 2 2 总体方案论证总体方案论证 普通车床 如 C616 C618 C620 CA6140 C630 等是金属切削加工最常用的 一类机床 400 普通车床的布局如图如图 1 21 2 所示所示 当工件随主轴回转时 通过 刀架的纵向和横向移动 能加工出内外圆柱面 圆锥面 端面 螺纹面等 借 助成形刀具 还能加工出各种成形回转面 普通车床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来 通过 进给箱变速后 由光杠或丝杠带动溜板箱 纵溜板 横溜板移动 进给参数要 靠手工预先调整好 改变参数时要停车进行操作 刀架的纵向进给和横向进给 不能联动 切削次序也由人工控制 图图 2 1400mm 普通车床的结构布局图普通车床的结构布局图 对普通车床进行数控化改造 主要是将纵向和横向进给系统改造成为微机 控制的 能独立运动的进给伺服系统 刀架改造成能自动换刀的回转刀架 这 样 利用数控装置 车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工 由于切 削加工中的切削参数 切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换 再加 上纵向和横向进给联动的功能 数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂 的回转零件 并能实现多工序自动车削 从而提高了生产率和加工精度 也能 适应小批量多品种复杂零件的加工 本设计为纵向进给运动的设计 设计内容主要包括 确定系统的负载 运 动部件惯量计算 空载起动及切削力矩机计算 确定伺服电机等 设计时要求电机与丝杠采用柔性连接 电机选用伺服电机对电机的大小选 择进行验证 对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核 设计与生产实际 相结合 既要满足理论要求 又要满足生产现实实际 设计应遵循先易后难 西安工业大学毕业设计 论文 8 先局部后全局的规律 确定设计步骤时 应把整个数控车床 Z 向进给传动系统 分成若干个子系统进行 待各系统基本合理后再互联完成全系统工作 设计的 产品应高效经济 本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的 该 系统设计成功一旦应用到生产实践中 将给中小规模的加工厂输入新的血液 显著提高生产力水平 减轻劳动强度 提高经济效益 很高兴能设计本题目 本设计是通过从主观的调查 研究 分析 后又经 过计算等各个工作 完成了本设计 本设计是数控车床的纵向进给系统的设计 在设计题目给定后 又给了一定的设计参数 这样的话按照设计要求纵向最大 行程 Z 轴 650mm 进给速度 0 25m min 加工中最大切削力 2500 N 材料 HT200 床鞍及附件的估计尺寸 600 300 10 控制定位精度为 0 001mm 根据要求计算并选择伺服电机 滚珠丝杠副 导轨副 轴承等 进 行了设计 3 夹紧机构的整体结构 9 3 3 滚珠丝杠的设计与计算滚珠丝杠的设计与计算 3 13 1滚珠丝杠副的工作原理及其特点滚珠丝杠副的工作原理及其特点 3 1 13 1 1工作原理工作原理 滚珠丝杠在机械传动中的作用是将旋转运动变为直线运动 也可以将直线 运动变为旋转运动 根据丝杠和螺母相对运动的组合情况 其传动方式也是多 种多样的 3 1 23 1 2滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副的特点 由上述工作原理可知 滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比较 它以滚动摩擦代 替滑动摩擦 因此 具有以下特点 1 摩擦损失小 传动效率高 由于滚动丝杠副的摩擦损失小 其传动效率高达90 98 为传统的滑 动丝杠系统的2 4倍 所以能以较小的扭矩得到较大的推力 亦可由直线运动 转为旋转运动 运动可逆 2 磨损小 寿命长 通常 滚珠丝杠副的主要零件 如丝杠 螺母以及滚珠都是经过淬硬的并 且有很低的表面粗糙度 而且 滚动摩擦的磨损很小 因而具有良好的耐磨性 即其精度保持性能好 工作寿命长 3 轴向刚度高 由于滚珠丝杠副可以完全的消除传动问隙 而不至于影响丝杠运动的灵活 性 因而可以获得较高的轴向刚度 通常 可以通过预紧来提高轴向刚度 4 摩擦阻力小 运动平稳 滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动 动 静摩擦系数相差极小 其摩擦 阻力几乎与速度无关 工作中摩擦阻力小 灵敏度高 启动时无颤动 低速时 无爬行现象 因此可精密地控制微量进给 5 高可靠性 与其它传动机械 液压传动相比 滚珠丝杠传动系统故障率很低 维修保养 也较简单 只需进行一般的润滑和防尘 在特殊场合可在无润滑状态下工作 6 不能自锁 具有传动的可逆性 由于滚珠丝杠副没有自锁能力 故具有传动的可逆性 当它用于垂直升降传 动系统时 必须增设自锁装置或制动装置 以防止产生逆传动 由于滚珠丝杠副具有上述优点 所以它日益广泛地应用于精密机械 机床 汽 车 船舶 火炮 航空 航天和纺织等工业部门 但是 与滑动丝杠副相比 滚珠丝杠副仍然存在以下的缺点 结构较复杂 工 3 夹紧机构的整体结构 10 艺难度大 制造成本高等 已知技术参数 纵向最大行程 Z 轴 650 mm 工作进给速度为 6mm min 纵向快速进给速度 0 25m min 床鞍及其他的估计尺寸 长 宽 高 600mm 300mm 100mm 材料选为 HT200 估计工作台质量及工作台承重 纵向工作台重量 0 6 0 3 0 1 7200 1296 N 取值为 1300N 下表 1 给出了工作台的切削状况 以此为前提进行传动部件的设计 表 1 轴向受力状况 3 23 2 确定滚珠丝杠的导程确定滚珠丝杠的导程 PhPh 根据车床传动要求 负载大小和传动效率等因素综合考虑确定 导程t 先按车床传动要求确定 其公式为 Ph Vmax i Nmax 式中 Vmax Z 向快速进给速度 0 25m min i 传动比 因电机与滚珠丝杠副直接联接 i 取1 Nxmax 驱动电机最高转速 2000r min 由式 Ph 25000 2000 12 5mm 取常用导程 Ph 10mm 3 33 3 滚珠丝杠副的载荷及转速计算滚珠丝杠副的载荷及转速计算 3 3 13 3 1工作载荷工作载荷F F 是指数控车床工作时 实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力 其数值可用下 列进给作用力的实验公式计算 对于滑动导轨机床 F Fzi Ff 式中 Fzi Z 方向上的切削分力 切削方式轴向力 N 进给速度 r min 工作时间百分比 强力切削 25005020 普通切削 150010050 精切削 100050030 3 夹紧机构的整体结构 11 Ff 导轨摩擦阻力 Ff W 摩擦系数 对滑动导轨取0 04 0 05 W Z 向工作台总重量 在各种切削方式下 丝杠轴向载荷 F1 2500 0 05 1300 2565N F2 1500 0 05 1300 1565N F3 1000 0 05 1300 1065N 3 3 23 3 2 最小载荷最小载荷FminFmin 最小载荷Fmin为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷 此时 Fx Fy Fz 0 Fmin W 0 05 1300 65N 3 3 33 3 3 最大工作载荷最大工作载荷FmaxFmax 最大载荷为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷 Fmax F1 2565N 3 3 43 3 4 当量载荷当量载荷FmFm与当量转速与当量转速n nm m 当机床工作载荷随时间变化且此期间转速不同时 式中 t1 t2 t3 分别为滚珠丝杠在转速n1 n2 n3 下 所受 轴向载荷分别是F1 F2 F3 时的工作时间 见表1 nm n1 t1 n2 t2 n3 t3 50 0 2 100 0 5 500 0 3 210 r min 当量载荷 Fm 把式中 F1F2F3 带入公式 经计算为 1157N 3 43 4 预期额定动载荷预期额定动载荷 式中 Fm 滚珠丝杠副当量载荷 N nm 当量转速 r min Lh 预期工作时间 取20000 小时 fa 精度系数 取0 9 fc 可靠性系数 取1 fw 负荷系数 取 1 2 3 夹紧机构的整体结构 12 Cam 带入公式中 计算得到为 9733N 3 53 5 滚珠丝杠的最大允许轴向变形量滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 0 33 0 001 0 25 0 001 取中间合适值为 0 3um 3 63 6 估算滚珠丝杠的底径估算滚珠丝杠的底径 d d2m2m 由于 滚珠丝杠副的安装方式为一端固定 另一端游动 式中 支承方式系数 安装方式为一端固定 另一端游 动时为0 078 m 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量0 3 F0 导轨静摩擦力 其中F0 W 1300 0 05 65N L 两个固定支承点中心之间的距离1000mm 带入计算得d2m 40mm 滚珠丝杠选择 根据以上计算 预期额定动载荷 Cam 9733N d2m 40mm 导程 Ph 10mm 选择深圳市万臣科技有限公司生产的 SFV04010 4 8 型内循环滚珠丝杠 滚珠丝 杠的为公称直径为 40mm 导程 10mm 静额定负荷 Coa 11264KGF 接触刚度 K 65kgf m 滚珠丝杠采用中预紧方式装配 且在上述计算中 预期额定动载 荷 Cam 9733N 11264 满足设计要求 所以可行 还需进行下一步校核 西安工业大学毕业设计 论文 13 4 4 刚度的计算刚度的计算 进给滚珠丝杠副轴向刚度表示滚珠丝杠副及其支承部件抵抗其轴向弹性变 行的能力 用弹簧常数K1表示 按下式计算 K1 F 1 式中 K1 进给滚珠丝杠副传动系统轴向刚度 N m F 施加于进给丝杠的轴向负载 N 1 进给滚珠丝杠副轴向弹性位移 m KS 丝杠轴向刚度 N m KN 螺母组件轴向刚度 N m KB 支承轴承轴向刚度 N m KH 螺母支架及轴承支架轴向刚度 N m 4 14 1 丝杠轴向刚度计算丝杠轴向刚度计算 丝杠的轴向刚度因安装方式不同而不同 4 1 14 1 1双推双推 支承安装丝杠的轴向刚度支承安装丝杠的轴向刚度 采用双推 支承方式安装丝杠时 丝杠的轴向刚度随载荷作用点至双推支 承真个间隔变化而改变 其最小刚度KS按下式计算 式中 A 丝杠的断面积 mm2 d 为螺纹小径 mm E 丝杠材料的弹性模量 对于钢材 E 2 07 105MPa La 载荷作用点距双推支承的最大间隔 mm 附图 a 为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推 支承安装时的轴向刚度图 西安工业大学毕业设计 论文 14 滚珠丝杠轴向刚度图4 1 4 1 24 1 2双推双推 双推安装丝杠的轴向刚度双推安装丝杠的轴向刚度 采用双推 双推安装丝杠时 其轴向刚度计算公式为 式中 L 两双推支承端间隔 mm 由上式可以看出 丝杠采用双推 双推方式安装时 刚度也是变化的 且 在x 1处轴向刚度值最小 其最小值 附图b为日本精机生产的标准滚珠丝杠双推 双推安装时的轴向刚度图 4 24 2螺母的刚度螺母的刚度 为与多数生产厂家产品样本名称同一 本设计仍沿用螺母刚度这一名称 螺母刚度实为螺母组件的刚度 包括滚珠和丝杠 螺母螺纹滚道的轴向刚度 根据赫兹接触理论 滚珠和螺纹滚道间的轴向弹性变形量 N按下式计算 m 式中 滚珠的接触角 F 轴向载荷 N d0 滚珠直径 mm Z 每圈有效载荷滚珠数 Z Dm d0cos Dm 螺母公称直径 mm 西安工业大学毕业设计 论文 15 螺旋升角 4 2 14 2 1单螺母轴向刚度单螺母轴向刚度 进给滚珠丝杠副为单螺母时 假如轴向工作载荷即是30 动额定载荷Ca 其刚度KN 0 8K 1 K 1为产品样本尺寸表中给出的刚度值 假如轴向载荷不 即是30 动额定载荷Ca时 其轴向刚度按下式计算 4 2 24 2 2带预压载荷的双螺母轴向刚度带预压载荷的双螺母轴向刚度 当预压载荷Fao 0 1Ca时 其刚度KN按下式计算 KN 0 8K 1 当Fao 0 1Ca时 刚度KN计算公式为 式中 Fao 预压载荷 N 4 34 3支承轴承的刚度支承轴承的刚度K KB B 不加预压载荷时 轴承轴向刚度按下式计算 KB F B 式中 F 轴向载荷 N B 轴承轴向弹性位移量 m 施加预压载荷时 轴承轴向刚度计算公式为 KB 3Fao ao 式中 Fao 轴向预压载荷 N ao 在预压载荷作用下 轴向弹性位移 m 各种轴承的轴向弹性位移量 B计算公式如下 自动调心滚珠轴承 圆锥滚柱轴承 止推滚珠轴承 西安工业大学毕业设计 论文 16 式中 接触角 Q 加于轴承一个转动体上的载荷 N d0 轴承转动体的直径 mm l 轴承滚柱的有效接触长度 mm Z 轴承转动体个数 4 44 4 螺母及轴承支承部件的刚度螺母及轴承支承部件的刚度K KH H 螺母支架的刚度 已在螺母刚度计算时乘以系数0 8计进 轴承安装部件的 刚度可通过采用高刚度支承部件解决 4 54 5进给滚珠丝杠副的扭转刚度进给滚珠丝杠副的扭转刚度 影响进给滚珠丝杠副扭转变形的主要因素是丝杠 下面仅就丝杠的扭转刚 度进行讨论 丝杠的扭转刚度是指丝杠抵抗扭转变形的能力 其计算公式为 式中 KT 丝杠扭转刚度 N mm rad 扭转角 rad M 扭矩 N mm G 丝杠材料抗剪弹性模量 对钢材 G 8 24 104MPa JP 截面惯性矩 对实心丝杠 mm4 4 64 6进给滚珠丝杠副的传动刚度进给滚珠丝杠副的传动刚度 在载荷作用下 进给滚珠丝杠副的轴向弹性变形为 丝杠的扭转变形为 此角折算成滚珠丝杠副的轴向变形量为 式中 t 滚珠丝杠导程 mm 西安工业大学毕业设计 论文 17 故滚珠丝杠副总的轴向变形为 由可得 m 式中 K 进给滚珠丝杠副传动刚度 N m 由于 2 1 所以计算丝杠扭转刚度 KT时 x 取以下数值 4 74 7 本丝杠副刚度的计算结果本丝杠副刚度的计算结果 进给滚珠丝杠副传动系统采用双推 支承方式 已知数据为 La 1000mm 双推支承端轴承为背靠背布置的角接触滚珠轴承 钢珠直径 5 556mm 钢珠个 数 Z 15 接触角 30 轴承预紧力 Fao 3kN 滚珠丝杠滚珠中心圆直径 dp 40mm 滚珠直径为 7 1mm 基本动额定载荷 Ca 9 733kN 预紧力 Fao 0 1Ca 要求计算其系统传动刚度 计算如下 4 7 14 7 1 丝杠轴向刚度计算丝杠轴向刚度计算 40 7 1 2 2 07 105 4 1000 82 23 N m 4 7 24 7 2 计算螺母刚度计算螺母刚度 西安工业大学毕业设计 论文 18 按已知条件 从产品样本尺寸表中查得 K 1 750N m KN 0 8K 1 0 8 750 600N m 4 7 34 7 3 计算支承轴承刚度计算支承轴承刚度 支承轴承为自动调心滚珠轴承且预紧 因此 4 7 44 7 4 螺母支架及轴承座刚度螺母支架及轴承座刚度 K KH H 螺母支架刚度已在前面计算螺母刚度以系数 0 8 计进 在此不予考虑 设轴承 座刚度非常大 即 0 于是 该系统滚珠丝杠副的轴向刚度 K1可通过以下 计算求得为 4 7 54 7 5丝杠扭转刚度丝杠扭转刚度 由滚珠丝杠型号可知其导程Ph 10mm 从产品样本尺寸表中查得丝杠螺纹小径 d 30 1mm 代进公式计算得 4 7 64 7 6 计算系统传动刚度计算系统传动刚度 由公式 西安工业大学毕业设计 论文 19 得K 60 kgf m 由于 65 60 小于预期刚度 故所选丝杠刚度满足要求 西安工业大学毕业设计 论文 20 5 5 滚珠丝杠校核滚珠丝杠校核 5 15 1滚珠压杆稳定性计算滚珠压杆稳定性计算 式中 K1 安全系数 水平安装取1 3 D2 丝杆底径 38 766mm Lc1 丝杆最长受压长度 1000mm Famax 滚珠丝杆副受最大轴向力 2500N 带入数据由公式可以推出得Fc 113078 2500 Fc远远大于Famax 所以可 行 5 25 2滚珠压杆极限转速计算滚珠压杆极限转速计算 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 c n r nc 107 fd2 L2c2 式中 f 支承系数 取15 1 D2 丝杆底径D0 38 766mm Lc2 丝杆临界转速计算长度 900mm 带入公式得 nc 107 15 1 38 766 900 6504r min 2000 r min 远远小于其最大速度 故临界转速满足 5 35 3 验算额定静载荷验算额定静载荷 fsFmax20000h 故满足要求 经过以上四个参数的校核后都满足要求 所以SFV04010 4 8型内循环式丝 杠可以使用 西安工业大学毕业设计 论文 22 6 6 电机的设计计算电机的设计计算 伺服电动机的力矩一下子很难确定 我们往往先确定电机的静力矩 静力 矩的选择依靠电机的工作负载 而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种 单一 的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的 直接启动时两种负载均要考虑 加 速起动时主要考虑惯性负载 恒速运行只考虑摩擦负载 一般情况下静力矩应 为摩擦负载的 2 3 倍为好 静力矩一旦选定 电机的机座及长度便能定下来 6 16 1 正常情况下电动机驱动扭矩正常情况下电动机驱动扭矩 TmTm Tm Ta Td Tb 式中 Ta 顺向切削扭矩 负载扭矩 Td 预压扭矩 Tb 轴承扭矩 6 1 16 1 1 负载扭矩负载扭矩 TaTa Ta Fp L 2 3 14 N 1157 65 10 2 3 14 0 9 2594 5N MM 式中 Fb 轴向负荷 Fp 轴向载荷 Fm uW 1157 0 05 1300 L 丝杠导程 N 机械效率 0 9 0 95 6 1 26 1 2 预压扭矩预压扭矩 TdTd 预压扭矩 Td Td P L 2 3 14 1157 10 2 3 14 221 1N MM 式中 P 轴向负荷 L 丝杠导程 6 1 36 1 3 轴承扭矩轴承扭矩 TbTb 查的轴承 Tb 98N MM 所以正常情况下电机驱动扭矩为 Tm 2594 5 221 1 98 2913 6 N MM 2 9136N M 6 26 2 加速状况下电机驱动扭矩加速状况下电机驱动扭矩T T T J1 J2 J3 式中 J1 电机惯性矩 J2 滚珠丝杆惯性矩 J3 负荷惯性矩 加速度 100rad sec2 6 2 16 2 1 电机惯性矩计算 电机惯性矩计算 J1J1 式中 密度 7 8 10 6kgf mm3 g 重力加速度9800mm sec2 R 电机转子半径R20mm L 电机转子长度1230mm 西安工业大学毕业设计 论文 23 代入数据得J1 0 25kgf mm sec2 6 2 26 2 2 滚珠丝杆惯性矩计算 滚珠丝杆惯性矩计算 J2J2 式中 Ws 丝杆重量 45kg Dn 丝杆公称直径 40mm 代入数据得 J2 0 92 kgf mm sec2 6 2 36 2 3 负荷惯性矩计算 负荷惯性矩计算 J3J3 式中 W 工作台总重量 1300kg l 丝杆导程 10mm 代入数据得 J3 0 06 kgf mm sec2 所以 加速状况下电机驱动扭矩 T J1 J2 J3 a 0 25 0 92 0 06 100 1 2054N M 6 36 3 总电机扭矩总电机扭矩 TmaxTmax Tmax Tm T 2 9136 1 2054 4 119N M 取电机安全系数为 2 则安全电机扭矩 2 Tmax 2 4 119 8 238N M 电机的选择 根据以上的计算 电机安全扭矩为 8 258 N M 选择伺服电动机 1FT7082 5AC7 额定转速为 2000rpm 额定功率 2 39 3 20 静态扭矩 13 9 6 额 定转矩 11 4 8 4 转动惯量 26 5 23 5 10 4 kgm2 由于 2 Tmax 8 258N M 小于 11 4N M 所以选择该电动机 西安工业大学毕业设计 论文 24 7 7 电机的校核电机的校核 7 17 1 所需启动转矩所需启动转矩 TpTp 的校核 的校核 TP 2 3 14 Nm Jm J 60ta 1000 TL 式中 Nm N1 N1 为丝杠的转速 因为丝杠和电机是通过联轴器直接连接的 所以转速为 2000r min Jm 为电机轴换算电机惯量 Jm J2 J3 J 联 J2 是滚珠丝杠惯性量 在电机的设计选取中取值为 0 92 kgm2 J3 是负荷惯性量 J 在电机的设计选取中取值为 0 06 kgm2 J 联是联轴器惯性量 根据公式 J 联 M DD 8 0 5 0 08 0 08 0 4 10 3 kgm2 带入计算 Jm J2 J3 J 联 0 92 0 06 0 0004 0 9804 kgm2 J 为电机转动惯量为 2 65 10 3 kgm2 ta 为加速时间 根据是设计要求计算可以得到 0 1s TL u 9 8 M Pb 2 3 14 0 9 0 1 9 8 130 0 0125 2 3 14 0 9 0 2874 综上所述 把对应的值带入公式计算可以得到 TP 2 3 14 Nm Jm J 60ta 1000 TL 2 3 14 2000 0 9804 2 65 10 3 60 0 1 1000 0 287 2 064 0 287 2 351NM 11 4NM 7 27 2 所需制动转矩所需制动转矩 TSTS 的校核 的校核 TS 2 3 14 Nm Jm J 60ta 1000 TL 2 064 0 287 1 776 NM 11 4 NM 7 37 3 转矩有效值转矩有效值 TmsTms 的校核 的校核 式中 Tp 2 351NM TS 1 776 NM TL 0 2874 NM ta 为加速时间 在设计中取值 0 1 tc 为恒速时间 在设计中取值 1 1 td tc 0 1 t 2s 把以上数字带入计算可得到 西安工业大学毕业设计 论文 25 1 414NM 11 4NM 额定扭矩 经以上三方面的校核 可知所选取的伺服电机满足使用要求 8 毕业论文总结 26 8 8 惯量的校核惯量的校核 8 1 Jb 32 980 Db4Lb kgf Cm s2 式中 J 惯量 kgf cm s2 物体的比重 kg cm3 Db 直径 cm Lb 长度 cm 若物体的材料是铁 其比重为 7 8 10 3kg cm3 则惯量的近似值为 Jb 0 78 10 6 4 04 100 0 0199 kg cm s2 沿直线运动物体 工件 工作台等 的惯量 8 2 Jw W 980 L 2 2 kgf cm s2 W 沿直线运动物体的重量 kg L 电机一转物体沿直线的移动距离 cm Jw 1300 980 1 25 2 2 0 0525 kgf cm s2 负载惯量Jl Jb Jw 0 0199 0 0525 0 0724 kgf cm s2 负载惯量对电机的控制特性和快速移动的加 减速时间都有很大影响 负载惯量增加时 可能出现以下问题 指令变化后 需要较长的时间达到新 指令指定的速度 若机床沿着两个轴高速运动加工圆弧等曲线 会造成较大 的加工误差 负载惯量小于或等于电机的惯量时 不会出现这些问题 若负 载惯量为电机的3倍以上 控制特性就会降低 实际上这对普通金属加工机 床的工作的影响不大 但是如果加工木制品或是高速加工曲线轨迹 建议负 载惯量要小于或等于电机的惯量 如果负载惯量比3 倍的电机惯量大的多 则控制特性将大大下降 此时 电机的特性需要特殊调整 使用中应避免这 样大的惯量 显然小于所选电机的额定惯量 所以满足要求 致谢 27 9 9 轴承及密封的选择轴承及密封的选择 支撑滚珠丝杠的专用轴承的选用计算过程如下 对于任何所选用轴承型号 其基本额定动载荷Ca值必须满足下式要求 式中 i为一组轴承中的轴承个数 P为当量动载荷 Lh 为与其使用寿命 n为计算转速 r min 所选择的轴承工作情况为 丝杠螺母轴用一对角接触球轴承背对背方式支 承 另一端用深沟球轴承支承 此种支撑方式预紧力小 轴承寿命较高适用于 中速精度较高的丝杠传动系统 当转速为 50r min 时 轴向力为 200N 有冲 击 轴径为直径 17mm 轴承预期使用寿命为 20000h 可靠度 90 油润滑 根 据这些情况进行角接触球轴承的选型计算 首先 预选角接触球轴承进行计算 由手册查得轴承数据如下 表10 1 由于滚珠丝杠球轴承主要受轴向载荷 因此其轴向当量动载荷 预紧力 轴 向载荷 P F0 Fa 当量动载荷P 200 83 3 283 3N 计算额定动载荷Ca 196 9N Ca 14 5KN 所以所选轴承符合要求 所选深沟球轴承的额定动载荷Ca 12 8KN 也符合要求 既然轴承做了选择 那轴承中密封应怎样呢 按照常用密封来说 采用工 业用羊毛毡可以满足要求 它更换比较方面 价格低廉 而且起到了非常好的 作用 能有效的防止杂物进入轴承内部 影响轴承的使用寿命 故全部采用羊 毛毡进行密封 再紧靠轴承的部分 为了防止轴承经常高速运转的情况下 要 产生大量的热量 故采用了密封圈密封 这样一方面可以防止轴承内部的润滑 油的保持 也可以保证很小的为例进入轴承内部 所以采用了橡胶密封圈进行 3 62 1 60 10 h ana nL CCPN i 轴承型号额定动载荷 Ca KN 额定静载荷 Coa KN D mm 7204AC14 5KN7 82KN47 致谢 28 密封 参考文献 29 1010 联轴器的选择联轴器的选择 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 联轴器是机械传动中常用的部件 他们联接轴与轴 以传递运动与转矩 有时候也可以用做安全装置 由于机器的工况各异 因而对联轴器提出了各种 不同的要求 如传递转矩的大小 转速高低 扭转刚度的变化情况 体积大小 吸震能力等等 出现了许多新的类型 联轴器所联接的两轴 由于制造及安装误差 承载后的变形以及温度变化 的影响等 往往不能保证严格的对中 而是存在这某种程度的相对位移 这就 要求设计联轴器时 要从结构上采用各种不同的措施 使之具有适应一定范围 的相对位移的性能 根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力 可分为刚性联轴器和挠性联轴 器两类 挠性联轴器又可分为是否具有弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的 挠性联轴器两个类别 选择合适的联轴器要考虑以下几点 1 所需要传递的转矩大小和性质以及 对缓冲减震功能的要求 2 联轴器的工作转速高低和引起离心力的大小 3 两 轴相对位移的大小和方向 4 联轴器的可靠性和工作环境 5 联轴器的制造安 装维护和成本 本课题所选的联轴器要连接的电机轴径为 32mm 丝杠光轴轴径为 32mm 因 此选择 GY 型凸缘联轴器 其公称转矩为 224 许用转速为NM 9000r min Y 型轴孔长度为 82mm J1 型轴孔长度为 60mm 质量为 3 15Kg 这 种联轴器刚性好 传递转矩大 结构简单 工作可靠 维护方便 对中精度良 好 参考文献 30 1111 导轨的选择导轨的选择 11 111 1 直线运动导轨的基本截面形状直线运动导轨的基本截面形状 图 11 1 图 11 1a 是矩形导轨 具有刚度高 承载能力大 制造 检验和维修方便 但是导轨不可避免地存在侧间间隙 因而导向精度较差 图 11 1b 是三角形导轨 导向性能与顶角 有关 越小导向性越好 但 减小时导轨面当量摩擦系数加大 角加大承载能力增加 支承导轨为 凸三角形时 不易积存有较大积屑 也不易存润滑油 支承导轨为凹三角形时 导轨副易产生动压效应 但防尘性差 图 11 1c 是燕尾形导轨 是三角形导轨的变形 其高度较小 可承受颠 覆力矩 但刚度差 制造 检验和维修都不方便 图 11 1d 是圆柱形导轨 易制造 不易积存较大积屑和润滑油 磨损后 难以调整和补偿间隙 主要用于受轴向载荷的场合 11 211 2 常用的组合形式常用的组合形式 图 11 2a 为双三角形组合 导向精度高 磨损后相对位置不变 常用于龙 门刨床 丝杆车床等 参考文献 31 图 11 2b 为双矩形组合 承载能力大 刚度高 制造 调整简单 常用 于数控机床 拉床 镗床等 图 11 2c 为三角形和矩形组合 兼有导向性好 制造方便等优点 应用 最广泛 常用于车床 磨床 精密镗床 滚齿机等机床上 图 11 2d 为矩形与燕尾形组合 兼有承受较大力矩 调整方便等优点 用于横梁和立柱上 图 11 2e 为双圆柱导轨组合 常用于拉床 机械手等 图 11 2 本设计选用燕尾型导轨 32 1212 毕业论文总结毕业论文总结 本次设计 是大学的全部基础课 技术基础课程以及全部专业课程和生 产实习的综合 这是我们在进行毕业之前对所学各课程的一次深入的综合性 的总复习 也是一次理论联系实际的锻炼 它在我们四年的大学生活学习中 占有很重要的地位 在此次毕业设计中我对自己未来将从事的工作进行了一 次适应性训练 从中锻炼自己分析问题 解决问题的能力 为今后参加祖国 的代化建设打下了一个良好的基础 本次设计查阅了有关手册 教材 并在互联网上进行文献检索 采用了 计算机辅助设计软件 CAD2007 对各个重要步骤进行了详细计算和说明 必要处都有校核 装配图和零件图按照国家机械制图标准的习惯画法绘制 通过这次设计 我进一步熟悉了有关标准 规范 技术文件和设计说明书的 编写 分析问题 解决问题的能力得到了提高 能