GMF-1龙门立式加工中心X轴的设计说明书.docx
GMF-1龙门立式加工中心X轴的设计SW三维及3张CAD图
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目录X轴设计11.1GMF构成11.2设计依据11.3总体方案设计1第二章 设计计算22.1主切削力及其切削分力计算22.2 导轨摩擦力的计算32.3滚珠丝杆螺母副及轴承选型号32.3.1计算滚珠丝杠螺母副的轴向力32.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算42.5滚珠丝杆螺母副的承载能力校验102.5.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验102.5.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验10第四章 驱动电动机的选型124.1驱动电动机的选型与计算124.1.1计算折算到电动机轴上的负载惯量124.1.2计算折算到电动机轴上的负载力矩124.1.3选择驱动电动机的型号13第四章 总结15参考文献16致谢17IIX轴设计1.1GMF构成GMF龙门立式加工中心结构如图1所示，机床立柱固定在底座上，工作台在底座上做前后方向（Y方向）运动，主轴箱在鞍座带着主轴箱在立柱上做左右方向（X方向）运动，主轴箱在鞍座上做上下方向（Z 立柱方向）运动。1.2设计依据工作台（长宽）为22001100mm，门宽1300mm，X轴行程为2000mm，X轴最大快进速度12m/min，定位精度0.021mm，重复定位精度0.02mm，主轴马达功率15KW。1.3总体方案设计采用伺服电机驱动用滚珠丝杠将旋转运动转换为横向移动，对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预拉伸，采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。18第二章 设计计算2.1主切削力及其切削分力计算1、主切削力查GMF龙门立式加工中心的技术参数可知，最大刀具直径100mm，其主轴转速为240r/min，当机床在该参数下满载运行时，主轴具有最大扭矩，并能传递主轴电机的全部功率。工作台承重800kg（所受重力W=8000N）。铣刀的切削速度为机床主轴传动系统的机械效率，主轴电机功率PE=15kw，则主切削力为各切向分力由表2-1工作台工作载荷与切向切削力的经验比值可计算出工作台纵向切削力F1、横向切削力FC和垂直切削力FV分别为表2-1 工作台工作载荷与切向切削力的经验比值2.2 导轨摩擦力的计算1、切削状态下的导轨摩擦力工作台导轨选用矩形导轨，在与与之相配合的导轨动面上贴聚四氟乙烯导轨板，则导轨动摩擦系数为=0.15，由表2-2镶条紧固力推荐值查得表2-2 镶条紧固力推荐值2、 切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力2.3滚珠丝杆螺母副及轴承选型号在半闭环控制方式中,机床定位精度很大程度上取决于滚珠丝杆的精度,其中丝丝杆的导程误差对机床定位精度的影响最明显。因此根据机床定位精度要求,首先确定丝杆导程精度,再根据机床行程、快速移动速度、承载要求,确定丝杆轴长、导程和直径。丝杠型号确定后根据其轴径可选择轴承型号。2.3.1计算滚珠丝杠螺母副的轴向力1、 计算最大轴向负载力2、 计算最小轴向负载力2.4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，则丝杠导程为2、计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷Fm（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷现将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷，快速移动时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般粗加工和精细加工时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷F2、F3分别按下列公式计算：，计算结果如表2-3所示表2-3 龙门立式加工中心滚珠丝杠计算切削方式轴向载荷/N进给速度（m/min）时间比列q（%）备注强力切削7621.310粗加工3174.330精加工2031.150快速移动165010（2） 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削力作用下的转速（3）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速（4）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷（5） 计算滚珠丝杠额定动载荷从表2-4中查得载荷性质系数为1.3。初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级，由表2-5查得精度系数为1，由表2-6查得可靠性系数为0.44，机床设计的额定寿命，则滚珠丝杠额定动载荷为表2-4载荷性质系数表2-5 精度系数表2-6 可靠性系数（6） 计算滚珠丝杠的最大轴向载荷因对滚珠丝杠螺母副实施预紧，由表2-7查得遇见爱动载荷系数为4.5，则滚珠丝杠螺母副的最大轴向载荷为表2-7 欲加动载荷系（7）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。取其最大值，即=53221.4N3、按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经（1）估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为21，重复定位精度为20，根据公式重复定位精度和定位精度以及定位精度和重复定位精度的要求，得 ， 取二者较小值，。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副拟采用两端固定式的安装方式。滚珠丝杆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（1.21.4）行程+（2530）取L=1.4行程+30=（1.42000+3010）mm=3100mm，又=16600N，由式 得5）初步确定滚珠丝杆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杆螺母副FFZD5005-3，其公称直径、基本导程、额定动载荷，丝杠底径分别为： ， , ， 符合要求。6）由式确定滚珠丝杆螺母副的预紧力 7）计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力(1)按式计算目标行程补偿值 其中-目标行程补偿值；-温度变化值（），一般情况下为23；-丝杆的线膨胀系数（1/）,一般情况下为；-滚珠丝杆副的有效行程。已知温度变化值，丝杆的线膨胀系数，滚珠丝杆副的有效行程=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度 =（2000+100+220+146）mm=2286mm,故(2)按式计算滚珠丝杆的预拉伸力。已知滚珠丝杆螺纹底径，滚珠丝杆的温度变化值，则 8)确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号（1）按式计算轴承所承受的最大轴向载荷。 (2)计算轴承的预紧力 计算轴承的当量轴向载荷 (4)按式计算轴承的基本额定动载荷。已知轴承的工作转速，轴承所受的当量轴向载荷，轴承的基本额定寿命。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 因为，所以查表2-8得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故 表2-8 载荷系数组合列数2列3列4列承载列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列组合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTTX1.9-1.432.33-1.172.332.53-Y0.54-0.770.35-0.890.350.26-X0.920.920.920.020.020.920.920.920.92Y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0(5)确定滚动轴承的规格型号由于滚珠丝杆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。由于滚珠丝杆的螺纹底径为46.4mm，所以选择轴承的内径为45mm。在滚珠丝杆的两个固定端均选择角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为S7309，尺寸（内径外径宽度）为45mm100mm25mm，选择脂润滑。该轴承的预载荷能力为2250N，大于计算所得的轴承预紧力=1438.2N。并在脂润滑状态下的极限转速为2600r/min，大于滚珠丝杆的最高转速，故满足要求。该轴承的额定动载荷为=32000N，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷=42985.1N，也满足要求。2.5滚珠丝杆螺母副的承载能力校验2.5.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验本滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杆受拉而不受压，所以，不存在压杆不稳定。2.5.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验由以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度=2166mm。已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数。查参考文1表2-9得。则： 滚珠丝杆的最小惯性矩为 滚珠丝杆的最小截面积为故可由式得 本丝杆螺母副的最高转速为1500r/min，远远小于其临界转速，故满足要求。 表2-9 与支撑方式有关的系数 支撑方式 f一端固定一段自由F-O0.251.8753.4一端固定一段游动F-S23.92715.1 二段固定F-F44.7321.91.3.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杆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。查参考文献1附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杆的轴向载荷，滚珠丝杆螺母副转速,由式，得： 一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命，故满足要求。第四章 驱动电动机的选型4.1驱动电动机的选型与计算4.1.1计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量。滚珠丝杠的密度，可得 （2）计算联轴器的转动量。 （3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量，电动机每转一圈，机床执行部件在轴上移动的距离,则由式得 （4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。 4.1.2计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩。已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，进给传动系统总效率，由式得 （2）计算摩擦负载力矩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），由式得 （3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。已知滚珠丝杠螺母副的预紧力，滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，由式得 4.1.3选择驱动电动机的型号 通过以上计算和查参考文献1表2-47，选择交流伺服电动机为日本FANUC公司生产的型驱动电动机。主要参数如下:额定功率5kw；最高转速3000r/min；额定力矩12；转动惯量；质量。现按5倍计算额定力矩，电动机的加速力矩为60，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及阶跃加速时所需的驱动，本电动机均满足要求。（2）惯量匹配验算。系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式而在本设计中： 故满足惯量匹配要求。第四章 总结本设计根据题目要求，对GMF-1龙门立式加工中心X轴进行了设计，在参考已有相关产品结构的基础上，以机械设计、机械原理、机械设计制造理论等课程为设计支柱，对GMF-1龙门立式加工中心X轴进行了设计。主要设计内容如下：1.设计了GMF-1龙门立式加工中心X轴的总体方案，设计的由伺服电机驱动，滚珠丝杠进行动力传递。2.对甘滚珠丝杠螺母副和轴承进行了选型计算，并对其可靠性进行了验算。3. 利用solid works三维软件绘制了三维模型，并对关键部件绘制了二维图纸。参考文献1 孙宏昌.华中数控系统装调与实训.北京:机械工业出版社,2012.2 范超毅，赵天婵等.数控技术课程设计.武汉:华中科技大学出版社,2006.3 唐小奇，徐建春.华中数控系统电气联接与控制手册.北京:机械工业出版社,2012.19致谢本设计是在xx老师的悉心指导下完成的，从最初的选定设计题目直到现在设计的完成，花费了老师很多时间和
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