X52K进给系统经济型数控改造设计说明书

0X52K进给系统经济型数控改造设计目录1概述111技术要求112总体设计方案22滚珠丝杠螺母副的选型和计算221主切削力及其切削分力计算222导轨摩擦力的计算323计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力324滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算33工作台部件的装配图设计74滚珠丝杠螺母副的承载能力校验841滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验842滚珠丝杆螺母副临界转速的校验843滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验85计算机械传动系统的刚度951机械传动系统的刚度计算952滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算106驱动电动机的选型与计算1061计算折算到电动机轴上的负载惯量。1062计算折算到电动机轴上的负载力矩1163计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩1264选择驱动电动机的型号137确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1371确定滚珠丝杠螺母副的精度等级1372滚珠丝杠螺母副的规格型号148设计总结149参考文献1411概述由上面的介绍可以看出，如今对现有普通机床的数控化改造具有十分重要的意义。本课题设计重点则是对X52K铣床纵向传动机构的数控化改造，该X52K型普通铣床主要用于加工中小型零件的平面、成型表面及具有一定斜度的平面。经改造后与原来机床加工相比可实现其自动化铣削，且具有高精、高效及加工产品范围广等特点。具体研究内容如下（1）对普通铣床X52K的基本机械传动结构进行了解分析；（2）对数控机床的基本机械传动结构及电气控制系统结构进行详细分析；（3）系统的总体方案设计，研究其各个部分的设计原理，拟定设计方案；（4）系统的详细设计，对机械传动系统的设计和控制系统的设计等；（5）总结自己的设计理念及设计思路，得出本课题的设计流程。11技术要求数控铣床的切削状况切削方式进给速度时间比例（）备注强力切削0610主电动机满功率条件下切削一般切削0830粗加工精加工切削150精加工快速进给2010空载条件下工作台快速进给12总体设计方案为了满足以上技术要求，采取以下技术方案（1）工作台工作面尺寸（宽度长度）确定为400MM1200MM。（2）工作台导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动画面上贴聚四氟乙烯导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴膜。2（3）对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预。（4）采用伺服电动机驱动。（5）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接。2滚珠丝杠螺母副的选型和计算21主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力FZ。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D125MM），主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为（已知机床主电动机的额定功率为55KW，主轴计算转速N310R/MIN。）MP根据公式得刀具的切削速度为SMSDNV/032/60312514360取机床的机械效率为，则由式得主切削力8MNVFZ492167032510P3E（2）计算各切削分力工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为192N267450F05984VCZ1Z22导轨摩擦力的计算在切削状态下坐标轴导轨摩擦力的计算可以查课程设计指导书F（1）根据式（28A）计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时导轨动摩擦系数，F150查表23得镶条紧固力,则N150FG269N2192051905FCVWF3（2）按式（29A）计算在不切削状态下的导轨摩擦力和0FN126509012FWF75G0）（23计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（1）按式（210A）计算最大轴向负载力AMXFNF6926920871MAX（2）按式（211A）计算最小轴向负载力MINN50MINA24滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杠的导程根据已知条件取电动机的最高转速得MIN/R180NMAX180INVMAX0L2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷（1）各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷分别可按下式计算MININ3MAXIN5,20AAAZFFF并将计算结果填入表2表2数控铣床滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/M/MIN时间比例/备注强力切削292969601V10MAX1F一般切削（粗加工）2160948230IN20A4精细切削（精加工）17214813V50MAXIN35AF快移和镗钻加工1575MAX4104（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速。INMIN/150IN/105IN/80I/1086630433021RRLVNRRVNL（3）按式（217）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速。MIN/230I/1501058360121RRNQNQMM（4）按式（218）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷MFNNQNFQNFMMM1571023517052348170328941602360933323133确定滚珠丝杠预期的额定动载荷AMC（1）按预定工作时间估算。查表228得载荷性质系数13。已知初步选择的滚珠丝杠的WF精度等级为2级，查表229得精度系数1，查表230得可靠性系数044，则由式AFCF（219）得MW3AMHACFC60NL1FN49380110572（2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（221）估算最大轴向载荷。查表231得预加载荷系数45，则EF5NFC613869254FAMXEA（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷。AMC取以上两种结果的最大值，3380149N。A4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2D（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为30，重复定位精度为15，根据式（223）、式（224）以及定位精度和重复定位精度的要求，得15（510）MAX12（）3M30（675）25（）4取上述计算结果的较小值，即5。MAX（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。2MD本机床工作台（X轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式。滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L行程安全行程2余程螺母长度支承长度（1214）行程（2530）0L取L14行程30（146003010）MM1140MM0又1260N，由式（226）得0FMLFDM9205142603939MAX025）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的、，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母0AC2D副FFZD40105（见本书附录A表A3），其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝0D0LAC杠直径如下2D40MM，10MM0D0L46500N3380149NACAM343MM209MM22D故满足式（227）的要求。6）由式（229）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力PF6292969N97656NPMAX1F37）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉力（1）按式（231）计算目标行程补偿值。T已知温度变化值T2，丝杠的膨胀系数/，滚珠丝杠螺母副的有效行程610M工作台行程安全行程2余程螺母长度UL（600100220146）MM886MM故11T112886MM002MMTU610610（2）按式（232）计算滚珠丝杠的预拉伸力。TF已知滚珠丝杠螺纹底径343MM，滚珠丝杠的温升变化值T2，则2D2TF18T134N5898）确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号（1）按式（233）计算轴承所承受的最大轴向载荷。BMAXFNB4572369215948F21AMXTMAX（2）计算轴承的预紧力。BPBP0733AX（3）计算轴承的当量轴向载荷。BAMFNFBP9536415819AM（4）按式（215）计算轴承的基本额定动载荷C。已知轴承的工作转速N230R/MIN，轴承所承受的当量轴向载荷366495N，轴MNBAMF承的基本额定寿命L20000H。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为RFAN481325093640COSARBF7INMA因为，所以查表225得，径向系数X19，轴向系数127481325FRY054，故N51203318540839XPARYF7N3879206105236NL10PC3H（5）确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用60角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径为343MM，所以选择轴承2D的内径D为30MM，以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产60角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杠的两端固定支承方式。轴承的型号为760306TNI/P4DFB，尺寸（内径外径宽度）为30MM72MM19MM，选用脂润滑。该轴承的预载荷能力为2900N，大于计算所得的轴承BPF预紧力193962N。并在脂润滑状态下的极限转速为1900R/MIN，高于滚珠丝杠的最高转BPF速2000R/MIN，故满足要求。该轴承的额定动载荷为34500N，而该轴承在20000H工MAXNC作总寿命下的基本额定动载荷C34395N，也满足要求。3工作台部件的装配图设计将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计。4滚珠丝杠螺母副的承载能力校验41滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此，不存在压杆不稳定问题。42滚珠丝杆螺母副临界转速的校验CN根据图可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度8375MM。已知弹性模量2LEMPA，材料密度N/，重力加速度98，安全系数08。由510251087G3M1K表244查得734滚珠丝杆的最小惯性矩为4442679061DI8滚珠丝杆的最小截面积为222M5493341D4A故可由公式得R/MIN107385R/MIN9235410781086835142760EIL260KN3521C本工作台滚珠丝杆螺母副的最高转速为1800R/MIN，远远小于其临界转速，故满足要求。43滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠在相同的条件下回转时，其中90不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速。查附录A表A3得滚珠丝杆额定动载荷N，运转条件系数，滚珠丝杆的动4650AC21FW载荷N，滚珠丝杆螺母副转速NR/MIN692MAXF20NMAX即21389H0632NR13R0451FC9H963WAL）（一般来讲，在设计数控机床时，应该保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命，H20HL姑满足要求。5计算机械传动系统的刚度51机械传动系统的刚度计算1计算滚珠丝杆的拉压刚度。SK本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（AL/2，L1075MM）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，计算为SMINK7231N/M/105346D10622SMINLK当A8375MM或A2375MM时（即滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置YJ9时），滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度计算得SMAXKM/1409/23751023754106L4D106J2SMAXNK2计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度KB。已知轴承的接触角60，滚动体直径7144MM，滚动体个数Z17,轴承的最大轴QD向工作载荷F572344N,由表245，表246得MAXB4234KB35AX2SINBQZD4234NM49167/60SI47314753计算滚珠与滚道的接触刚度K。C查附录表得滚珠与滚道的接触刚度K1585N/UM，额定动载荷C46500N，A滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷F292969N，故由式（246）得MAXKK（1585N/UM135879N/UMCACF10MX34650192314计算进给传动系统的综合拉压刚度K。由式（247A）得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为023358791674104911MAXAXCBSKK故K44053N/M由式（247B）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为0273589167431211MININCBSK故K37037N/MI52滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算由图41可知，扭矩作用点之间的距离L9455MM。已知剪切模量GM24108,滚珠丝杠的底径DM。由式（248）得PA2310410K1163535NM/RAD243LGD6驱动电动机的选型与计算61计算折算到电动机轴上的负载惯量。1计算滚珠丝杠的转到惯量J。R已知滚珠丝杠的密度7810KG/CM,由式263得322444314314352910821078078CMKGCMKGLDLDJNJJNJJR2计算联轴器的转动惯量J0J07810DL0781066382KG/CM1162KG/CM03434333折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量的计算LJ已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量M918KG，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L1CM，则由式（265）得2228314398CMKGCKGLMJ4加在电动机轴上总的负载转动惯量的计算DJJ2143116223285633DJRL02CK2CK62计算折算到电动机轴上的负载力矩1计算切削负载力矩T。C已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力FF292969N,电动机每转一圈，机床执行AMX部件在轴向移动的距离L10MM001M,进给传动系统的总效率090，由式（254）得T518NMC2LFAN9014362计算摩擦负载力矩T。已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）F1575N，由011式（255）得TNM279NM20LF90143573计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩T。F已知滚珠丝杠螺母副的预紧力F97656N，滚珠丝杠螺母副的基本导程PL10MM001MM，滚珠丝杠螺母副的效率094，由式（256）得00TFMNFP294104325697122063计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩（1）计算线性加速度力矩T。1A已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速N1800R/MIN，电动机的转动MAX惯量J62KGCM，坐标轴的负载惯量J5633KGCM，进给伺服系统的位置环增益M2D2K20，加速时间S015S，由式（258）得SZHATSK30MNCKGFCMKGFEJTNTASTKDMAA12407214356986321502X1（2）计算阶跃加速力矩。12（3）已知加速时间，由式（259）得SKTSA0521MNCKGFCKGFJTNTDMAAP594974536210863X（4）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。1按式261计算线性加速时空载启动力矩QTMNTTFUAQ1720791412按式261计算线性加速时空载启动力矩QFUAPQ58453按式257A计算快进力矩KJTMNTFUKJ9207924按式257A计算工进力矩GJFCGJ38518564选择驱动电动机的型号1选择驱动电动机的型号13根据以上计算和表214，选择日本FANUC公司生产的A12/3000I型交流伺服电机为驱动电机。主要技术参数如下额定功率，3KW,最高转速,3000R/MIN，额定力矩，12NM,转动惯量，,质量,18KG。26CMKG交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的510倍。若按5倍计算，则该电动机的加速力矩为60NM，均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩以MNTQ17及阶跃加速时所需的空载启动力矩，因此，不管采用何种加速方式，本电动MNTQ5847机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为12NM，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩以及工进时所需的驱动力矩，因此，不管是快进还是工进，本电MNTKJ92TGJ385动机均满足驱动力矩要求。2惯量匹配验算。为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转DJ动惯量之比一般应满足式267，即MJ1250MDJ而在本例中，故满足惯量匹配要求。1,906235MD7确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号71确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本机床工作台采用半闭环系统，、应满足下列要求PV30EMEMVP91809124038KMAX3定位精度定位精度滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为二级，查表220得，查表2VP83021得，当螺纹长度为850MM时，故满足设计要求。EP572滚珠丝杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD40105P2/1239850，其具体参数如下。公称直径14与导程40MM,10MM螺纹长度850MM丝杠长度1239MM类型与精度P类，2级精度。8凸轮加工程序数控铣床铣削加工程序图示为压缩机壳焊接机上的仿形零件，零件曲线是二段圆弧和三条直线构成，零件的上下两面和中心孔已加工好，现要在数控铣床上铣削零件的轮廓曲线，并一次铣削加工成形。零件的交点坐标A（40，20），B（40，20），C（0，40），D（40，0），E（20，20）。刀具偏移号为H08偏移方向为刀具的左侧。设工件表面Z0，厚度为25MM。15在数控铣床上铣削加工程序如下O0012N0010G00Z250N0020G90G17G41X400Y200H08N0030S20M03N0040G01Z25F100N0050Y200N0060X0Y400N0070G02X400Y0R400N0080X200Y200R200N0090G01