课程设计汇本-纵向进给机构方案设计

1、 指导教师评定成绩：审定成绩：综合课程设计报告设计题目：纵向进给机构方案设计目 录一、 设计题目2二、 设计任务书2三、 总体方案设计2四、 机械系统设计31、 计算切削力32、滚珠丝杠螺母副的选择计算.3（1）、最大工作载荷的计算3（2）、最大动载荷的计算.5（3）、 滚珠丝杆螺母副的选型6（4）、传动效率的计算6（5）、 刚度验算7（6）、压杆稳定的校核.7（7）纵向滚珠丝杆副几何参数.83、齿轮传动比计算.94、 步进电机的计算和选型.10（1）、初选步进电机10（2）、校核步进电机转矩.11五、心得体会15六、参考文献15一、 设计题目综合课程设计之横向传动方案设计二、 设计任务书1

2、掌握机电产品设计的基本方法。2 掌握根据零件的受力和功能进行结构设计的方法。3 掌握零件尺寸公差和形位公差的设计方法。4 选择传动机构实现进给机构的运动。三、 总体方案设计本次设计的总体方案选用前次设计的方案，具体如下：数控机床的伺服进给系统按有无位置检测和反馈可分为开环伺服系统、半闭环伺服系统、闭环伺服系统。闭环控制方案的优点是可以达到和好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差，消除间隙、干扰等对加工精度的影响。但他结构复杂、技术难度大、调式和维修困难、造价高。半闭环控制系统由于调速围宽，过载能力强，又采用反馈控制，因此性能远优于以步进电动机驱动的开环控制系统。但是，采用半闭环控制其调式

3、比开环要复杂，设计上也要有其自身的特点，技术难度较大。开环控制系统中没有位置控制器及反馈线路，因此开环系统的精度较差，但其结构简单，易于调整，所以常用于精度要求不高的场合。经过以上比较，由于所改造的微型车床的目标加工精度没有特殊要求，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统。在该系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的，输入装置把信号输给数控装置，经数控装置运算后分配出指令脉冲，通过步进电机驱动工作台移动。由于该系统无位置和速度检测装置，因此，它的精度主要由步进电机的步距角和与之相连的丝杠等传动机构的传动精度决定。四、 机械系统设计1、计算切削力主切削力F（N）按经验

4、公式估算：走刀方向的切削分力（N）车床身上加工最大直径（mm）=630mm=10594.63（N）：=1：0.25：0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(N)=0.4=4237.85(N)2、 滚珠丝杠螺母副的选择计算（1）、最大工作载荷的计算：滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台是滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的进给力、及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力。据机床加工的特点，据机床加工的特点，图1所示为车削是拖板的受力情况，可以看出， 拖板所受载荷与切削力的关系，进给方向载荷FX=Ff，横向载荷FY=FP，垂

5、向载荷FZ=FC。图1最大工作载荷Fm的试验计算公式如图2据机床加工的特点，当铣削槽时，工作载荷最大，由于铣削时，工作载荷既包括铣削时沿着丝杠轴的方向的力（即轴向力），也包括工作台及工件的重量（即垂直丝杠轴方向的力），由于铣削时的轴向力不大，所以在此不考虑铣削时产生的轴向力。根据设计手册可得工作载荷为：=+ (+2+)式中、分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷，可由切向铣削力求出，单位为N；G为移动部件的重力，单位为N，本次设计中，G主要包括工作台、工件等的重力，取它们的质量m=200Kg；K和f分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩檫系数，不同的导轨，其值不同。对于燕尾形导轨，

6、取K=1.4 f=0.2;对于铣床，切向铣削力是沿着铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电动机的功率（即铣削功率）最多，因此切向铣削力可按铣削功率（KW）或主电动机的功率（KW）计算出：=××103/v其中为机床传动系统的传动效率；为主轴传递全部功率时的最低切削速度，本次设计由前面的设计可取=0.085m/s。而的值为：=0.996×0.984 则切向铣削力 的值为：=4×0.87×103/0.085=409.41（N） 则切削时各个方向的载荷为：=×0.8=327.53（N）=×0.75=307.6（N）=×0.3

7、5=143.29（N）则最大工作载荷的值为：=1.4×327.53+0.2（307.6+2×143.29+196）=969.27（N）（2）、最大动载荷的计算：首先根据切削力和运动部件的重量引起的进给抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据要求的寿命值计算出丝杠副应能承受的最大动载荷。=式中运转状态系数，一般运转取1.21.5，有冲击的运转取1.52.5；滚珠丝杠工作载荷（N）；精度系数，当丝杠精度为13级时，f a=1，为4、5、7级时，f a=0.9；工作寿命，单位为10r，可按下式计算=式中 滚珠丝杠的转速（r/min）；使用寿命时间（h），数控机床取20×12&

8、#215;30×24h。其中为最大切削力条件下的进给速度（），可取最高进给速度的；为丝杠基本导程（），计算时，可初选一数值，等刚度验算后再确定；则 ×0.6×÷625则 22.5万转根据工作负载、寿命，计算出滚珠丝杠副承受的最大动负载，因本次所设计的情况无冲击，所以取1.2，1，所以得：=20213N 根据滚珠丝杠所承受的最大动载荷必须小于其额定动载荷的原则，查机床设计手册，可选择丝杠的型号。本次设计选择滚珠丝杠的直径为40mm，其导程为5mm，螺旋升角为2°17，型号为CDM6308-2.5-P3,其额定动载荷是14100N，强度足够用。（3

9、）、 滚珠丝杆螺母副的选型：可采用WD6008外循环螺纹调整预紧的双螺母珠丝杆副，1列2.5圈，其额定功动负载为18200（N），精度等级按表综合作业指导书表3-17选为3级。（4）、传动效率的计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为式中 丝杠的螺旋升角，本次设计所选丝杠的为2°17；摩擦角，其值约等于10。则 0.9228（5）、 刚度验算：滚珠丝杠工作时受轴向力和扭矩的作用而发生变形，它将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性。滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接

10、触变形。滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺母座只要设计合理，其变形量也可忽略不计。丝杠轴承的轴向接触变形计算方法可参考机械设计手册，只要滚珠丝杠支撑的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此也可以不必考虑。因此，在进行滚珠丝杠的刚度验算时，只需要考虑轴向力的作用。式中 弹性模数，对钢，；滚珠丝杠截面积（）（按丝杠径确定，）25.62 “”用于拉伸时，“”用于压缩时。则 丝杠1m长度上导程变形总误差3级精度丝杠允许的螺距误差为15，故刚度足够。（6）、压杆稳定的校核：滚珠丝杆通常属于受轴向力的细长杆，若轴向力工作负荷过大，将使丝杆失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界

11、载荷为= 2 EI/L2(N)式中： E为丝杆的弹性模量，对于钢，E=20.6104，I为截面惯性矩，I=d14/64，(d1为丝杆底径),L为丝杆最大工作长度，为丝杆支承方式系数.所以 I=（40-3.175）4/64=87266.24对于两端简支的情况 =1.0因此 =220.610410687266.24/5902=47.221010临界载荷与丝杆工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳定性安全系数，则该滚珠丝杆不会失稳。一般取=2.5-4,考虑到丝杆自重对水平滚珠丝杆的影响可取4;所以 =47.221010/2208.48134因此 压杆稳定。（7）纵向滚珠丝杆副几何参数表1：W

12、D6008滚珠丝杆副几何参数参数名称符号关系式WD6008螺纹滚道公称直径60导 程8接触角2.183钢球直径3.969滚道法面半径2.064偏心距0.0030螺纹升角=螺杆外 径=-(0.20.25) 59.2 径=2255.878接触直径=Cos56.034螺 母螺纹直径=2264.122 径=(0.20.25) 60.79383、齿轮传动比计算已知纵向进给脉冲当量=0.01mm/step,滚珠丝杆导程=8mm，初选步进电动机步距角，可计算出传动比：= 脉冲当量（mm/step）滚珠丝杆的基本导程（mm）步进电机的步距角=3/8因为可进定齿轮齿数为=/=24/64=24 ，=64根据机械设

13、计，又因进给给运动齿轮受力不大，模数m取2，则有关参数如下表所示(见表4)： 表2：传动齿轮几何参数齿数2464分度圆=48128齿顶圆=252132齿根圆=21.2546.5126.5齿宽(610) 2020中心距=()/2884、 步进电机的计算和选型1 、初选步进电机（1）计算步进电机负载转矩=脉冲当量（mm/step）取=0.01mm/step进给牵引力（N）取=2175.94N步距角，初选双拍制为电机丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为0.98、0.99、0.99和0.94。=N.cm（2）算步进电机启动转矩根据负载转矩除以一定的安全系数来估算步进电机启动转矩=/0.3

14、0.5一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.30.4= /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm（3）计算最大静扭矩查综合作业指导书表3-22，如取五相十拍，则=0.951=/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm（4）计算步进电机运行的频率和最高起动频率=HZ=HZ式中：最大切削进给速度m/min , =1m/min最大快移速度m/min, =2m/min脉冲当量, =0.01mm/step 根据估算出的最大的静转矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大静扭矩为931N>479.39N可以满足要求，但从表中看出130BF001步进电机最高

15、空载起动频率为3000HZ，不能满足=3333HZ的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。2、校核步进电机转矩前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初选之后，应该进行校核计算。有效转动惯量计算计算简图如前（a）所示，根据综合作业指导书表3-24，传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：=()()步进电机转子转动惯量（）.矢轮Z1Z2的转动惯量（）滚珠丝杆转动惯车（）参考同类型机床，初步反应式步进电机BF1，作台质量折算到电机轴上的转动惯量：I4()2w()2×800.468kg·cm24.68N·cm2齿轮转动惯量：J17.8×

16、10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2J27.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2丝杆传动惯量： J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2电机转动惯量很小，可以忽略。因此，总的转动惯量：(J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2(1) 所需转动力矩计算。

17、快速空载启动所需力矩：最大切削力负载时所需力矩：式中：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的摩擦力矩由于丝杆预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩切削时折算到电机轴上的加速度力矩折算到电机轴上的切削负载力矩当时，当时，当，时，N·cm当时，预加载荷则所以，快速空载启动所需力矩：快速进给时所需力矩：切削时所需力矩：由以上分析计算可知：所需最大力矩发生快速启动时：，所以选择型号WD6008（2）校核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。已计算出机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为3333Hz，切削进入时所需步进电机运行频率为1333.3Hz。从综合作业指导书表323中查出型步进电机允许的最高空BF1-160载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz，再从综合作业指导书图315，316查出BF1-160步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如（C）图所示，当步进电机起动时，时，,不能满足此机床所要求的空载起动力矩222.916N.cm。直接使用则会施行失步现象，所以必须采取开降进控制用软件实现，将起动频率到1000Hz起动转矩可增高到588.4N.cm，