立式数控铣床工作台X轴进给传动系统的设计

1、设计题目：立式数控铣床工作台（X轴）进给传动系统的设计摘 要制造业是国民经济和国防建设的基础性产业，先进制造技术是振兴传统技术 是振兴制造业的技术支撑和发展趋势，是直接创造社会财富的主要手段，谁掌握先进制造技术，谁就能够占领市场。而数控技术是先进制造技术的基础技术和共性技术，已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。我国数控技术及产业尽管在改革开放后取得了显著的成就，开发出了具有自主知识产权的数控平台，即以PC为基础的总线式、模块化、开放型的单处理器平台，开发出了具有自主知识产权的基本系统，也研制成功了并联运动机床，但是我过的数控技术及产业与发达国家相比仍然有比较大的差距，其原因是多方面的，

2、但是最重要的是数控人才匮乏。关键词：数控技术Abstract Manufacturing industry is the foundation of the national economy and national defense industry, advanced manufacturing technology is the revitalization of traditional technology is the revitalization of technical support and development trend of the manufacturing indus

3、try, is the main means to create social wealth, who master the advanced manufacturing technology, who will be able to occupy the market. Numerical control technology is the basic technology and common technology of advanced manufacturing technology, which has become one of the important signs to mea

4、sure the level of a country's manufacturing industry. China's CNC technology and industry even after the reform and opening up has made remarkable achievements, the development of the NC platform with independent intellectual property rights, which is based on PC bus modular open type single

5、 processor platform, developed the basic system with independent intellectual property rights, also developed a parallel motion but I have the machine tool, numerical control technology and industry compared with the developed countries is still a relatively large gap, its reason is i Key words: num

6、erical control technology目录第1章概述11.2 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22.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力32.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算3第3章 工作台部件的装配图设计7第4章  滚珠丝杠螺母副的承载能力校验74.1  滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验74.2  滚珠丝杠螺母副临界转速 的校验84.3. 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验8第5章  计算机械传动系统的刚度95.1

7、60; 机械传动系统的刚度计算95.2  滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算10第6章.  驱动电动机的选型与计算106.1  计算折算到电动机轴上的负载惯量106.2  计算折算到电机轴上的负载力矩116.3 计算坐标轴折算到电机轴上的各种所需的力矩126.4. 选择驱动电机的型号13参考文献14第1章概述1.1技术要求  工作台、工件和夹具的总重量m=1500kg（所受的重力W=14700N），其中，工作台的质量=510kg（所受的重力=5000N）；工作台的最大行程=600mm；工作台快速移动速

8、度=15000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数u=0.15,静摩擦系数µ=0.2；工作台的定位精度为30um，重复定位精度为20um；机床的工作寿命为20000h。机床采用伺服主轴，额定功率=7.5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=125mm，主轴转速n=272min/r，切削状况如表1-1所示。表1-1 数控铣床的切削状况切削方式进给速度/（m/min）时间比例/（%）备注强力切削0.610主电机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给1.2 总体方案设计 为了满足以上技术要求,采取以下技

9、术方案。 (1) 工作台工作面尺寸(宽度×长度)确定为 400 mm×1 200 mm。 (2) 工作台的导轨采用矩形导轨,在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯(PT-FE)导轨板。 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塑。 (3) 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。 (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直连。(6)第二章 设计计算2.1 主切削力及其切削分力计算(1)计算主切削力 。 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 D 

10、= 125mm)时,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 v=m/s=1.78m/s若主传动链的机械效率 =0.8,按式(2-6)可计算主切削力:=×=3370.79N(2) 计算各切削分力。 根据表 21可得工作台纵向切削力 、横向切削力 和垂向切削力 分别为=0.4=0.4×3370.79N=1348.32N=0.95=0.95×3370.79N=3202.25N=0.55=0.55×3370.79N=1853.93N2.2 导轨摩擦力的计算 (1) 按式(2-8a)计算在切削状态下的导轨

11、摩擦力 。 此时,导轨动摩擦系数=0.15,查表 2-3得镶条紧固力=2000 N,则=(W+)=0.15×(14700+2000+3202.25+1853.93)N=3263.43N(2) 按式(2-9a)计算在不切削状态下的导轨动摩擦力和导轨静摩擦力。=(W+) =0.15×(14700+2000)N=2505N=µ(W+)=0.2×(14700+2000)N=3340N2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (1) 按式(2-10a)计算最大轴向负载力。 =+= (1348.32+3263.43)N=4611.75N(2) 按式(2-11a)计算最

12、小轴向负载力 =2505N2.4 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 =1500r/min,则由式(2-16)得 = =mm=10 mm=10mm 2)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 (1)估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。 将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 F2、F3分别可按下式计算: F2=+20%，F3=+5%并将计算结果填入表 1-2表1-2 数控铣床滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度

13、/（m/min）时间比例/（%）备注强力切削4611.75V1=0.610F1=Famax一般切削(粗加工)3427.35V2=0.830F2=Famin+20%Famax精细切削(精加工)2735.59V3=150F3=Famin+5%Famax快移和钻镗定位2505V4=Vmax10F4=Famin (2) 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速 。 = = r/min=60 r/min=r/min=80r/min=r/min=100r/min=r/min=1500r/min(3) 按式(2-17)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速。 r/min=230r/min(4) 按式(2-18)计算滚

14、珠丝杠螺母副的平均载荷 。 N2788.80 N 3) 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 (1) 按预定工作时间估算。 查表 2-28 得载荷性质系数 fw=1.3。 已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2 级,查表2-29 得精度系数 fa=1,查表2-30 得可靠性系数 fc=0.44,则由式(2-19)得 N N =53646.62 N(2) 因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧,所以可按式(2-21)估算最大轴向载荷。 查 表2-31得预加载荷系数 fe=4.5,则N=20752.88 N(3) 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 。 取以上两种结果的最大值,即 =53646.62 N。4) 按精度要求确

15、定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 (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 30m,重复定位精度为 20m,根据式(2-23)、式(2-24)以及定位精度和重复定位精度的要求,得取上述计算结果的较小值,即 =6。(2) 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 。 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 行程+取 L=1.4x行程+30 =（1.4x600+30x10）=1140 mm又 =3400 N,由式(2-26)

16、得 mm= 31.07mm 5)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副 FFZD8010-5(见本书附录 A 表 A-3),其公称直径 、基本导程额定动载荷和丝杠底径如下: = 80 mm, = 10 mm= 70300 N > = 53646.62 N= 74.3 mm >= 31.07 mm故满足式(2-27)的要求。 6) 由式(2-29)确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 N =1537.25 N 7)计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力 (1) 按式(2-31)计算目标行

17、程补偿值 。已知温度变化值 t=2,丝杠的线膨胀系数 ,滚珠丝杠螺母副的有效行程= 工作台行程+安全行程+2 × 余程+ 螺母长度 =（600+100+2x20+204）mm=944 mm故 mm =0.02 mm (2) 按式(2-32)计算滚珠丝杠的预拉伸力 。  已知滚珠丝杠螺纹底径 d2=74.3 mm,滚珠丝杠的温升变化值  t=2,则 N =19984.17 N 8) 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号

18、0; (1) 按式(2-33)计算轴承所承受的最大轴向载荷 。 N=22290.05 N (2) 计算轴承的预紧力 。 N =7430.02 N (3) 计算轴承的当量轴向载荷。 （7430.02+2788.80） N =10218.82 N (4) 按式(2-15)计算轴承的基本额定动载荷 C。 已知轴承的工作转速 n = = 230 r/ min,轴承所承受的当量轴向载荷 =10218.82 N,轴承的

19、基本额定寿命L=20000 h。 轴承的径向载荷 和轴向载荷分别为= cos60°=10218.82× 0.5 N = 5109.41 N = sin60° =10218.82 × 0.87 N = 8890.37 N 因为1.74<2.17,所以查表 2-25 得,径向系数 X=1.9，轴向系数Y=0.54，故P = =

20、 (1.9 ×5109.41+ 0.54 ×8890.37) N = 14508.68 NN =94463.11 N(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74.3 mm,所以选择轴承的内径 d 为70mm,以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠装,组成滚珠丝杠的两端固定支承方式。 

21、轴承的型号为 760314TNI/ P4DFB,尺寸(内径×外径×宽度)为70 mm×150 mm×35 mm,选用油润滑。 该轴承的预载荷能力为 12000 N,大于计算所得的轴承预紧力 =7430.02 N。 并在油润滑状态下的极限转速为1500 r/ min,高于滚珠丝杠的最高转速=1 500 r/ min ,故满足要求。该轴承的额定动载荷为 =110000 N

22、,而该轴承在 20000 h 工作寿命下的基本额定动载荷 C=94463.11 N,也满足要求。 第3章 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第4章  滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 4.1  滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验 本工作台的滚珠丝杠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。4.2  滚珠丝杠螺母副临界转速 的校验 根据图41 可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计

23、算长度 =837.5mm。已知弹性模量E=2.1×MPa,材料密度 =×7.8×N/,重力加速度g=9.8×,安全系数=0.8。由表 244 得=4.73。 滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为故可由式(236)得 r/min =23261.5 r/min本工作台滚珠丝杠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。4.3. 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母副的寿命,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

24、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得滚珠丝杠额定动载荷 =70300 N,运转条件系数 =1.2,滚珠丝杠的轴向载荷 =4611.75N,滚珠丝杠螺母副转速 n=1500 r/ min,故由式(237)、式(238)得 r =2.05 r22777 h一般来讲,在设计数控机床时,应保证滚珠丝杠螺母副的总时间寿命20000h，故满足要求。第5章  计算机械传动系统的刚度5.1  机械传动系统的刚度计算(1) &#

25、160;计算滚珠丝杠的拉压刚度 。 本工作台的丝杠支承方式为两端固定,由图 41 可知,当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置(a=L/2,L=1075mm)时,滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度,可按式(245a)计算: = 6.6 × = 6.6 ××N/=3389.32N/当 a=837.5 mm 或 a=237.5 mm时(即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时),滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度,可按式(245

26、b)计算: (2) 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度。 已知轴承接触角 =60°,滚动体直径=7.144 mm,滚动体个数 Z=17,轴承的最大轴向工作载荷 =22290.05 N,由表 245、表 246得 (3) 计算滚珠与滚道的接触刚度 。 查附录 A 表 A3 得滚珠与滚道的接触刚度 K = 3071 N/ m,额定动载荷 =70300 N,滚珠丝杠

27、上所承受的最大轴向载荷 =4611.75 N,故由式(246b)得(4) 计算进给传动系统的综合拉压刚度K。 由式(2-47a)得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。由式(2-47b)得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故。5.2  滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 由图 41 可知,扭矩作用点之间的距离 =945.5 mm。 已知剪切模量 G =8.1×MPa,滚珠丝杠的底径 =74.3×m。 由式(248)得

28、第6章.  驱动电动机的选型与计算6.1  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。已知滚珠丝杠的密度 =7.8×kg/ ,由式(2-63)得 = =21.43kg·cm2(2)计算联轴器的转动惯量。 (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、工件和夹具）的总质量m=1500kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=1cm，则由式（2-65）得(4) 由式（2-66）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量 （21.43+11.

29、62+38.03）= 71.08 6.2  计算折算到电机轴上的负载力矩(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=4656.75N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=10mm=0.01m,进给传动系统的总效率=0.9，由式(254)得 (2) 计算负载摩擦力矩.已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力）=2505N，由式(255)得(3) 计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。已知滚珠丝杠的螺母副的预紧力=1537.25N,滚珠丝杠的螺母副的基本导程=10mm=0.01m,滚珠丝杠的螺母副的效率0=0.94，由式(256)得 6.3 计算坐标轴折算到电机轴上的各种所需的力矩 （1）计算线性加速度力矩。 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 =1500r/min,电动机的转动惯量=62，坐标轴的转动惯量=71.08，进给伺服系统的位置环增益=20Hz,加速度时间=s=0.15s，由式(2-58)得 (2) 计算阶跃加速度力矩。已