机电的一体化系统设计

1、摘要（1 ）1、 数控铳床的组成与进给系统概述（1-2 ）2、数控铳床X方向进给伺服系统总体结构设计2.1技术参数（2）2.2系统结构和工作原理（2-3）3、X方向滚珠丝杠副的设计3.1 X方向滚珠丝杠副的计算（3-6）3.2伺服电机的选择计算（6-8）3.3确定滚珠丝杠副的型号（8-10）3.4滚珠丝杠副的校验（10-11）3.5轴承的选择及校核（11-13）4、总结（13）参考文献（13）21数控铳床X向进给伺服系统设计摘要：数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性 加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的。数控铣床主要用于加工平面和 曲面轮廓的零件，

2、还可以加工复杂型面的零件，如凸轮、样板、模具、螺旋槽等，同时 也可以对零件进行钻、扩、铰和镗孔的加工。本文主要介绍数控铣床的组成、设计过程 及其发展趋势。1、数控铣床的组成与进给系统概述（1）主传动系统；图（1）为数控铣床示意图。其机械结构由以下几部分组成: 进给传动系统；（3）基础支承件；（4）辅助装置图（1）数控铳床示意图1-底座；2-强电柜；3-变压器箱；4-垂直升降进给伺服电机；5-主轴变速手柄和按钮板；6-床身；7-数控柜；8，11-保护开关；9-档铁；10-操纵台；12-横向溜板；13-纵向进给 伺服电机；14-横向进给伺服电机；15-升降台；16-纵向工作台数控铣床的进给系统包括

3、动力源、传动件及进给运动执行件（工作台、刀架）等， 其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。其中的代表 部件为滚珠丝杠副、伺服电动机、滚动直线导轨。（1）滚珠丝杠副滚珠丝杠副是将螺母与丝杠分别加工成凹半圆弧螺纹，在螺纹之间放入滚珠形成 的。滚珠沿螺旋滚道滚动，带动螺母或丝杠轴向移动，将原先传动中使用的T形丝杠的螺纹摩擦变为滚动摩擦，因为降低了摩擦阻力，消除了局部爬行现象，从而提高了传动 精度与传动机械效率。滚珠丝杠副有很多优点，主要为传动效率高，约为92% -96%。可消除轴向移动产生的间隙，定位精度高，刚度好，运动平稳，无爬行现象，传动精度 好。再次，旋转运动变为直

4、线运动，丝杠与螺母都可作为主动件，磨损小，使用寿命长。 但滚珠丝杠副制作工艺复杂，精度要求高，且不能自锁。滚珠丝杠支承用轴承通常要选用专用轴承，一般选用丝杠支承专用角接触球轴承。该轴承具有如下特点：a.刚性大。由于采用采用特殊色设计的尼龙保持架，增加了钢球数，且接触角为60 °故轴向刚度大；b无须预调整。对每种组合形式，厂家已做好了能得到最佳预紧力的间隙，故用 户在装配时不需再调整，只要按厂家作出的装置序列符号排列后，装紧即可；c.力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，启动力矩更小。（2）伺服电动机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服

5、电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速 以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统 中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电电压等特性，可把所收 到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。2、数控铣床X方向进给伺服系统总体结构设计2.1技术参数1200mm5m/min650mm320mm650N300kg±).025mm±).015mmX行程X向快速进给速度 工作台长度 工作台宽度 工作台重量 工作台最大承重 定位精度 重复定位精度2.2系统结构和工作原理数控铣床的X方向进给系统主要由伺服电

6、机、联轴器、轴承、滚珠丝杠副、滚动导 轨副等零件组成，具体如图（2）所示。图（2） X方向进给系统1-X向伺服电机；2-联轴器；3-角接触球轴承；4-X向滚珠丝杠；5-X向滑块;6-连接基座；7-X向滚珠螺母；8-工作台；9-Y向滑块；10-Y向导轨其中，X向导轨由滚珠螺母、滑块与连接基座固定；导轨与工作台用螺钉联接。系 统工作时，伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠作横向移动，滚动导轨带 动工作台作横向移动。滚珠螺母与滑块均固定不动。滚珠丝杠的固定方式为两端固定， 左右各有2个角接触球轴承。3、X方向滚珠丝杠副的设计3.1 X方向滚珠丝杠副的计算为了满足数控机床高进给速度、高定位精度

7、、高平稳性和快速响应的要求，必须合 理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。计算参数：工作台重量工作台最大承重 工作台X向最大行程X向快速进给速度 定位精度重复定位精度WW1200mmVi=650N 2=300kg=2940Nxmax=5m/min ± 0. 025mm ±0.015mm表（3）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（3）切削状况切削状况切削方式纵向切削力（N）垂向切削力（N）进给速度（m/min）工作时间百分比强力切削12007000.55一般切削6003000.830精切削30080155快速进给005.1103.1.1确定滚珠丝杠的导

8、程PhPh。先按机床传根据机床传动要求、负载大小和传动效率等因素综合考虑确定导程 动要求确定，其公式为： 式中：VmaxX向快速进给速度，m/min ；Phmaxinmaxi 传动比，因电机与滚珠丝杠副直接联接，i取1； nmax驱动电机最高转速，r/min。5Ph1000 = 2mm2000选Ph为5mm。3.1.2滚珠丝杠副的载荷及转速计算（1）工作载荷F工作载荷F是指数控机床工作时，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:对于滚动导轨机床:式中:FxFfX方向上的切削分力, 导轨摩擦阻力，NFf-'(W1 W2Fzi)式中：Fzi Z方向上的切削

9、分力，卩一一摩擦系数，对滚动导轨取0.0030.004。 在各种切削方式下，丝杠轴向载荷：F1=1200+0.004(650+2940+700)=1217.16NF2=600+0.004(650+2940+300)= 615.56NF3=300+0.004(650+2940+80)=314.68NF4= 0.004(650+2940)=14.36N(2)最小载荷Fmin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,Fmin = F4=14.36NFx=Fy=Fz=0。(3)最大工作载荷 F max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 = 12

10、17.16N(4)当量载荷Fm与当量转速nm当机床工作载荷随时间变化且此期间转速不同时:3Fi ni3F3 n3上 + F23 n2+ F33n 3- + F43 门4-1 00 1 0 0 1 00 1 0 0nmh丄 七2丄七3丄七4nm 二 nrn2n3 n4_100 100 100 100式中：t1、t 2、t 3、t 4分别为滚珠丝杠在转速F2、F3、F4时的工作时间m、隹、n3、帀下，所受轴向载荷分别是 R、nm =120 5% 160 30% 200 55% 2000 10% =363r/minFm =333331217-16 5 615-56 48 31468 110 仏36

11、200 =402.33N3633.1.3确定预期额定动载荷Cam(1)按预期寿命时间计算Cam6叽-10；：;式中：Fm滚珠丝杠副当量载荷，N ；当量转速，r/min ；nmLh预期工作时间，取20000小时；fa精度系数，取1.0； fc可靠性系数，取0.53;fw负荷系数，取1.2。.402 33 工 1 2Cam =160 363 20000'=6905.32N100 253(2) 按最大轴向载荷 当滚珠丝杠副有预加载荷时：Cam = f e Fmax式中，fe为预加负荷系数，取中预载fe=4.5。Cam =4.5 1217.16 = 5477.22NCam为选取(1)、(2)计

12、算结果中的大数值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷，即取 6905.32N。3.1.4确定滚珠丝杠最小螺纹底径 d2m(1)估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量S m、m 乞 1 3 1 4 ； ： =a = 0.0062mmm _ 1 4 1 5 ； =c = 0.003mm式中： a重复定位精度，0.025mm； c定位精度，0.015mm。 取 S m 为 0.0062mm。(2)估算滚珠丝杠副的底径d2m 滚珠丝杠副的安装方式为两端固定：式中：E杨氏弹性模量，2.1 x 105MPa；S m 估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量，mm；F0导轨静摩擦力，F。二= 15.91N ；气1.11.2）行程

13、+L两个固定支承之间的距离，mm；L-行程+安全行程+两个余程+螺母长度+ 支承长度 (1014) PhF500mm。设计时，取d2m =23.41mm,因此：d2mF.41 0.039,15；1500=确定滚珠丝杠副预紧力FpF P=FmaW3=1217.16/3=405.72N3.1.6确定滚珠丝杠副其它尺寸(1)滚珠丝杠副的螺纹长度LsLs二 Lv 2Le式中：Lv有效行程+螺母长度，mm;Le 余程，取20mm；(2)丝杠全长LLs = 1200 2 20 80 = 1320mmL二Ls 连接长度 两端轴承长度 起始距离综合考虑各项几何尺寸要求，取L为1500mm。3.

14、2伺服电机的选择计算3.2.1作用在滚珠丝杠副上的各种转矩的计算 外加载荷产生的摩擦力矩TF(Nm)TF二电 10F2 -滚珠丝杠副预加载荷Fp产生的预紧力矩Tp(Nm)TFpPh 上厂102式中：Ph滚珠丝杠副导程，mm；n未预紧的滚珠丝杠副效率，取n为0.9；F作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，N。1217.165:Tf10 = 1.076N2 二 0.9405 72 51 - 0 92/Tp = 405.72 5 1 肾 10 ： = 0.076N "0.923.2.2负荷转动惯量JL(kgm)及传动系统转动惯量J(kgm2)的计算J = Jm Jl式中：Ji，ni各旋转件的转

15、动惯量(kgm2)和转速(r/min)；mj，Vj 各直线运动件的质量(kg)和速度(m/min)； Jm，nm电机的转动惯量(kgm2)和转速(r/min)。实心圆柱体的转动惯量为1JiLD432式中：D外径，m；L长度，m；P密度，kg/m3。14-42Ji3.14 7.85 1500 254 =4.5 X0 kgm32-42Jl 4.5 10 kgm42Jm > Jl/3 1.5 10- kgm初选电机为三相混合式步进电机，型号为 86BYG350BL-0601，最大转矩为5Nm, 转动惯量为2.4为0-4kgm2。-42J 二 Jm JL = 2.4 4.5=6.9 >10

16、 kgm3.2.3加速转矩Ta和最大加速转矩当电机转速从n1升至n2时：Tam2 二 m - 门2 la J60ta当电机从静止升至nmax时：2FmaxTam - J60ta式中： n电机转速(r/min);namx电机最高转速(r/min);ta加速时间(S)，取0.1S；/2兀汇2000Tam =6.9 101.45Nm60 电机的最大启动转矩Tr =TamTfTpTr =1.451.076 0.076 二 2.602NmTr =2.602Nm乞5Nm电机的最大转矩，符合要求。3.2.5电机连续工作的最大转矩机械在最大工作载荷下连续均匀运转时的电机转矩:Tm 二Tf Tp

17、Tm =1.076 0.076 = 1.152NmTm =1.152乞1.8Nm电机的额定转矩，符合要求。最终确定电机型号为86BYG350BL-0601 ，其输出功率为480W3.2.6电机输出端轴直径的计算 轴的最小直径(mm):9.55 106P0.2T n式中：P轴传递的功率，kW ；n轴的转速，r/min；取 n=120r/min ；t许用切应力，MPa；9.55 106P _ 0.2 Jn亠3C与轴有关的系数 查得，C=106。d _3C3 P = 106 3。.件 16.8mm n120设计时，取d=17mm，符合要求。3.3确定滚珠丝杠副的型号3.3.1传动系统刚度计算(1)

18、传动系统的刚度K计算111111111= + + + + + + + K Ks Kb Kc Kr Kd Kt Kh Kj式中：Ks滚珠丝杠副的拉压刚度(N/mm);Kb滚珠丝杠副的轴向刚度(N/mm);Kc滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度(N/mm);Kr折合到滚珠丝杠副上的伺服刚度，可忽略不计算；Kd滚珠丝杠副中螺母体刚度(N/mm)，按Kd =4Kc计算；Kt折合到滚珠丝杠副上的联轴节刚度，可忽略不计；Kh螺母座、轴承座刚度，可忽略不计；Kj滚珠丝杠副的扭刚度，可忽略不计。(2) 计算Ks滚珠丝杠副的拉压刚度 Ks是滚珠螺母至滚珠丝杠轴向固定处距离 a的函数。当丝 杠支承形式为两端固定时：K

19、s =165d22L a L -a式中：Ks 拉压刚度(N/mm)；d2丝杠螺纹底径(mm)；a滚珠螺母中点至轴承支点距离，mm。当a=L/2 (即处在两支承的中点)时刚度最小：Ksmin =165 23.412 1500 750 1500-750 =241.13N/mm当a=L0 (螺母在行程两端处)时刚度最大：Ksmax =165 23.412 1500 13201500-1320 = 570.86N/mm(3) 确定Kb对两端固定的支撑结构，滚珠丝杠副轴向刚度Kb =2Kb° ,查资料可知，心=2Kbo =2 1025 = 2050N/5(4) 计算Kc= 389.68N/mm

20、对预紧的滚珠丝杠副:式中：Kc 查文献11上的刚度，取 Kc=467(N/mm)；Ca额疋动载何，N。Kc= 4671r 405.72 初2.1x6983 .丿3.3.2传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择匚二丄丄丄maxs maxKb KcKd-4.96 10mm/N570.862050000389.684 389.68匚二丄丄丄KminKsminKb Kc Kd11117.36 10mm/N241.132050000389.684 389.68(1)传动系统刚度验算0.8厶乞重复定位误差Kmin二 16F。_重复定位误差= 1.7k -15.914.15 10 -1.75 10 =0.0

21、38(2) 滚珠丝杠副的精度选择滚珠丝杠副精度分为七个等级，即1, 2, 3, 4, 5, 7，10级，1级精度最高，依次 逐渐降低。对半闭环控制系统：V300p 岂0.8300mm定位精度-、k =13.25m根据上述计算结果，查看文献11，选择滚珠丝杠副精度等级为3级,V300P为12 ym。 确定滚珠丝杠副型号为 CBT2505-2.5-P3 X500X1320。3.4滚珠丝杠副的校验3.4.1滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验(验算压杆稳定性)4Fc 二 g 冬Lc15'：10 F max式中:d2- Lci F max Ki K2滚珠丝杠螺纹底径-滚珠丝杠副的最大受压长 度(m

22、m); 滚珠丝杠副承受最大轴向压缩载荷 安全系数，丝杠水平安装，心=1/3;支承系数，支承方式为两端固定，取123 41°(mm);(N);K2 =4。FC 4r 105 =2277N1217.16N3132623.4.2:滚珠丝杠副极限转速nc的校验为防止丝杠转速接近其固定振动频率时发生共振，需对丝杠极限转速进行校验。nc K160 22”：L2c2=唸 107式中：nc-Lc2E-极限转速(r/mi n);-临界转速计算长度(mm)； 杨氏弹性模量；P 材料密度；I丝杠的最小惯性矩； A丝杠的最小横截面积；K1安全系数，取0.8； f支承系数，取21.9； 入一一支承系数，取4.

23、730。23.41nc =21.92132610? =2915r/min nmax 二 2000r/min3.4.3 D n值校验D pwnmax 乞 70000式中：Dpw滚珠丝杠副的节圆直径(mm)；nmax滚珠丝杠副的最高转速(r/min)。所以 25 2000 =50000，符合要求。344基本轴向额定静载荷Coa验算f sFa max-Coa式中：Coa滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N）；fs静态安全系数。一般载荷：fs=12,有冲击或振动的载荷：fs=23; Famax最大轴向载荷（N）。2 1217.16-2434.32N :： Coa = 73KN经校核，该滚珠丝杠副符合要求

24、。3.5轴承的选择及校核3.5.1初选轴承型号根据实际工作条件，选择的轴承型号为 36304GB292-83,主要性能参数如表（4） 所示。表3.2 轴承的性能参数性能参数36304GB292-83额定动载荷C（kN）14.32额定静载荷C0（kN）9.81极限转速（油润滑）（r/min ）170003.5.2计算内部轴向力SS = e Fr式中：e负荷影响系数；Fr轴承所受的径向力（N）。因为丝杠传递运动，滚动导轨承载，所以轴承径向只承受丝杠给予的重力，非常小 忽略不计，故内部轴向力S可计为0。3.5.3计算轴承的最大轴向载荷FaFa 二 Fmax =1217.16N3.5.4计算当量动载荷

25、P和当量静载荷P0F 121716二一:0.13，所以选取 e=0.43, 丫=1.26;C。9810Fa . Fr -1217.16 0 eP =0.45Fr YFa -1.26 1217.16-1533.62NFa . Fr -1217.16 0 1.042F0 =0.5Fr 0.48Fa =0.48 1217.16 = 584.24N 3.5.5寿命Lioh计算,106 fC ?Li0h :60n F式中：Li0h滚动轴承的基本额定寿命（h）;C轴承的额定动载荷（kN）;F当量动载荷（N）;&命指数：球轴承&取3;n轴承转速，取正常切削时转速，n=200r/min。106

26、（ 14320 Y4L10h =乂 I =67841h>10 h60x200 <1533.62 J3.5.6静载荷校核C0Sq Pq式中：Co额定静载荷（kN）;So安全系数，取So=2;Fo当量静载荷（N）。So Po =2 584.24 =1.17kN ： 9.81kN3.5.7动载荷校核式中：C轴承的额定动载荷（kN）;L10h滚动轴承的基本额定寿命（h）;n轴承转速，取正常切削时转速，n=200r/min ；P当量动载荷（N）；c命指数：球轴承 &取3。hC =1533.62 3 60 200 67841106= 14.319kN ： 14.32kN3.5.8极限转速校核nmax 一 f1 f2 n1i