MJ-50数控车床进给系统课程设计

1、2011年10月郑州大学自考本科助学考试MJ-50数控车床进给系统课程设计（课程代码5668）院系机电工程系专业数控技术年级09级学生学号学生姓名寇要杰总分评阅人复查人2011年11月3日目录 TOC o 1-5 h z第1章绪论1 HYPERLINK l bookmark2 1.1MJ-50数控车床简介2 HYPERLINK l bookmark4 设计要求3 HYPERLINK l bookmark6 第2章MJ-50数控车床进给系传动的统概述3 HYPERLINK l bookmark8 进给传动系统的特点3 HYPERLINK l bookmark10 进给传动系统装置6第3章MJ-5

2、0数控车床的主要技术参数7机床主要参数7 HYPERLINK l bookmark14 数控系统的主要技术规格8 HYPERLINK l bookmark16 第4章丝杠螺母机构的选择与计算9 HYPERLINK l bookmark18 纵向进给系统9 HYPERLINK l bookmark94 横向进给系统15 HYPERLINK l bookmark163 第5章机构设计19 HYPERLINK l bookmark165 滚珠丝杠的支承19 HYPERLINK l bookmark167 滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧20 HYPERLINK l bookmark169 第6章主要结构

3、性能及特点分析21 HYPERLINK l bookmark171 6.1滚珠丝杠螺母机构工作原理及特点21 HYPERLINK l bookmark173 滚珠丝杠安装方式特点22 HYPERLINK l bookmark175 第7章总结与体会22 HYPERLINK l bookmark177 第8章参考文献23第1章绪论MJ50数控车床简介MJ-50数控车床是由济南一机床团体有限公司出产，主要由主轴箱、床鞍、尾座、刀架、对刀仪、液压系统、光滑系统、气动系统以及数控装置等形成。其形状尺寸为：长2995mm,宽1667mm,高1796mm。其形状如图所示。MJ-50数控车床主要用来加工轴类

4、零件的内外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成型回转体表面。对于盘类零件可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等加工。机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。图1-1MJ-50数控车床外观图上图所示为MJ-50数控车床的外观图MJ-50数控车床为两坐标两轴联动的卧式车床。如图所示，床身14为平床身床身导轨上支承着30倾斜布置的滑板13,排屑方便。导轨的横截面为矩形，支承刚性好，且导轨上配置有防护罩8床身的左上方安装有主轴箱4,主轴有交流主轴电动机经1：1带传动直接驱动主轴，结构十分简单。为了快速而省力地装加工件，主轴卡盘3的加紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。床身右上方装有尾座12.该机床有两种可配置的尾座

5、，一种是标准尾座，另一种是液压驱动的尾座。滑板的倾斜导轨上按装有回转刀架11,其刀盘上有10个工位，最多安装10把刀具。滑板上分别安装有X轴和Z轴的进给传动装置。根据用户的需要，主轴箱前端面上可以按装对刀仪2,用于机床的机内对刀。检测刀具时对刀仪的转臂9摆出，其上端的接触式传感的测头对所用刀具进行检测。检测完成后，对刀仪的转臂摆回图中所示的原位，且测头被锁在对刀仪防护罩7中。10是操作面板，5是机床防护门，可以配置手动防护门，也可以配置气动防护门。液压系统的压力由压力表6显示。1是主轴卡盘加紧与松开的脚踏开关。设计要求结合MJ-50数控车床实现主要参数的选择，进给系统传动的方案设计，丝杠螺母机

6、构的选择与计算，动力计算、丝杠螺母机构的传动刚度计算、结构设计和主要结构性能及特点的分析，写出课程设计研究报告。第2章MJ-50数控车床进给系传动的统概述进给传动系统的特点进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，零件最后的轮廓和尺寸精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为了达到数控车床进给传动系统要求的高精度、快速响应、低速大转矩，一般采用交直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠副带动刀架移动。刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线。X轴进给传动链:X轴进给由功率为0.9kW的交流伺服电动机驱动，经20/24的同步带轮传动到滚珠丝杆，螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为6

7、mm。Z轴进给传动链:Z轴进给由功率为1.8kW的交流伺服电动机驱动，经24/30的同步带轮传动到滚珠丝杆，螺母带动滑板移动，滚珠丝杠螺距为10mm。图2-1所示为MJ-50数控车床X轴进给装置图交流（AC）伺服电动机15经同步带轮14和10以及同步带12带动滚珠丝杆6回转，其上螺母7带动刀架（如图b）沿滑板的导轨移动，实现X轴的进给运动。前支承:由三个角接触球轴承组成，一个轴承大口向前，两个大口向后，分别承受双向轴向载荷，并由螺母2预紧。后支承:由一对角接触球轴承组成，主要用于承受径向载荷和一定的双向轴向载荷，由螺母11预紧。4图2-1MJ-50数控车床X轴进给装置简图脉冲编码器16安装在电

8、机的尾部；5和8是缓冲块用于出现意外碰撞时起保护作用;因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30，回转刀架会由于自身的重力而发生下滑，滚珠丝杠和螺母不能以自锁的方式阻止其下滑，所以机床要依靠交流伺服电机的电磁制动来实现自锁。进给传动系统装置)排列后，装紧即可。起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小。为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。(DF,DFD,DFF等)4.1.5临界转速滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度K由丝杠本身的拉压刚e度K,丝杠副内滚道的接触刚度K

9、,轴承的接触刚度K,螺母座的刚度K,按不同支承组ScBH合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。TOC o 1-5 h z30f2伍匚cc“f2d厶n沁2.k沁9910_2n(4.8) HYPERLINK l bookmark137 cr2L2maxcc式中A丝杠最小横截面：兀兀A=d2=x31.5x10-6=7.8x10-4m2424L临界转速计算长度：c112500-350L=+180+40+=351.5沁0.4mc22取L=L=0.4m，c1k安全系数，一般取k=0.8；22P材料的密度：P=7.85x103kg/m3；f丝杠支承方式系数，查表得f=4.730，22TOC o 1-5

10、 h z HYPERLINK l bookmark64 n沁9910 x4.7302x0.0315=43650r/minn=1500r/mincr0.42max满足要求。丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度按下式计算：K=7.84匕(4.9)tL式中d丝杠平均直径：mL丝杠长度K=7.8431.754=15934Nm/rt500扭转振动的固有频率:T(4.10)式中J运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm2)；WJ丝杠上传动件的转动惯量(kgm2)；ZJ丝杠的转动惯量(kgm2)。S由文献7，8得：平移物体的转动惯量为T2000/0.01、J=()2=5.2x10-4kgm29.812兀丝杠转动惯

11、量：Jd2d2(x兀d2xLp)s8ss8s4sx3.14x7.85x103x0.5x0.0324324x10-4kgm21.6x10-4kgm2qT159344427.1rad/s42297r/min4(5.2+1.6+3)x10-4显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min,可以满足要求。4.1.7传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度兀d2EKs4L(4.11)导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为300mm和100mm。最大与最小机械传动刚度：KsmaxAE兀x0.03152x2.1x105L4x0.11635.7N/pm4x0.3K=竺=込竺寻竺=102.5

12、N/呦sminL最大和最小机械传动刚度：TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark70 Komax-TK+1/K+1/K-1/545.2+1/716.7+1/1080-240.65“/卩msminCBKomax-TK+1/K+1/K-1/1635.7+1/716.7+1/1080-“卩smaxCB由于机械传动装置引起的定位误差为(3.16)116=F(-屮mk0KK0min0max6k=1456-6x(爲-341)=158卩m对于3级滚珠丝杠,其任意300mm导程公差为12卩m，机床定位精度0.024mm/300mm,所以，6n=1500r/mincr12max满足要

13、求。丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度由公式(4.7)计算：K=7.842484=2696.1Nm/rt1100由文献7,8得：平移物体的转动惯量为T3386/0.01、J=()2=8.75x10-4kgm29.812兀丝杠转动惯量：J=d2=d2(x兀d2xLp)s8ss8s4sJ=1.5x10-4kgm2z扭转振动的固有频率按公式(4.8)计算:=153786切/s=14692.9r/min(8.75+1.5+于)x10-4显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min,可以满足要求。传动精度计算导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为650mm和100mm。由公式(4

14、.9)，最大与最小机械传动刚度：4x0.1K=AExO.0201：2x&=666N/帥smaxL4x0.65K=AE严00201：x2105=102.5N/帥sminL最大和最小机械传动刚度：Komax=TK_+1/K+1/K=1/102.5+1/556.25+1/760=力N“sminCBomax1/K+1/K+1/KsmaxCB1/666+1/556.25+1/760=216.68N/pm由于机械传动装置引起的定位误差据公式(4.10)5k=F0（产-宀）=84-655扁-血）=07卩m0min0max对于3级滚珠丝杠,其任意300mm导程公差为12um,机床定位精度0.024mm/300

15、mm,所以，52451/5=4.8pm，可以满足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于(1/31/5)k机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高。4.2.8伺服电机计算及电机的选择扭矩的计算理论动态预紧转矩查表知3级滚珠丝杠耳二0.9，而F=F/3=1335.6/3=445.2(Nm)Pmax由公式(4.11)T=(FP/2兀)5(1-n2)/叩510-3P0Ph=(445.2510/2兀)5(1-0.92)/0.9510-3=0.15(Nm)最大动态摩擦力矩对于3级滚珠丝杠，AP=40%，由式(4.12)T=(1+40%)T=0.21(Nm)PP0max驱动最大负载所

16、耗转矩由公式(4.13)T=FP510-3/2叩amaxh=1335.6510510-3/(2k50.9)=2.36(Nm)支承轴承所需启动扭矩查轴承表：对于M20的轴承，其T=0.15Nm,b1贝yT=T+T=0.15+0.15=0.3Nm.Bb1b2驱动滚珠丝杠副所需扭矩=T+T+T=0.21+2.36+0.3=2.87N.mPaBmax 电机的额定扭矩J=(0.350.5)TgJT(5.748.2)Nm根据以上计算的扭矩及文献12，选择电机其额定功率为0.9KW。第5章机构设计滚珠丝杠的支承滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高

17、要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此设计中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广圆柱滚子轴承多用刚度的地方。60角接触轴承有面对面的组合、向组合、一对同向面

18、组合。由于螺母在制造安装的过程又由于面对面组合与轴线交点间的距图5-1偏心轴套调整法泛应用。滚针一于重载和要求高的组合配置形式背靠背组合、同-与左边一个面对“与丝杠的同轴度中难免有误差，方式，两接触线离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此设计中采用了以面对面配对组合的60。角接触轴承，以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。5.2滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的

19、传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接刚度。滚珠丝杠螺母副采用偏心轴套式调整法达到消除齿轮间隙的目的，如图5-1所示：1.齿轮；2.偏心轴套；3.齿轮。图中1代表齿轮，2代表偏心轴套，电动机通过偏心轴套2安装在齿轮箱上，偏心轴套可以在一定程度上消除因齿厚误差和中心距误差引起的齿侧间隙。通过调整两个螺母之间的轴

20、向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。第6章主要结构性能及特点分析滚珠丝杠螺母机构工作原理及特点如图6-1所示，在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽合起来便形成了螺旋滚道，在滚道内装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道内滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间

21、构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。图6-1滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母机构具有下列特点：（1）摩擦损失小、传动效率高；（2）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行；（3）轴向刚度高、反向定位精度高；（4）摩损小、寿命长、维护简单；（5）传动具有可逆性、不能自锁；（6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性；（7）有专业厂生产，选用配套方便。6.2滚珠丝杠安装方式特点采用两端固定的安装方式，这种支承刚度最高，只要轴承无轴向间隙,丝杠的拉压刚度可提高四倍。可以进行预拉伸安装，克服热膨胀。当温升超过预

22、计的温升时，不会像双向游动那样产生轴向间隙，但实现预拉伸及其调整方法较为复杂。第7章总结与体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次数控机床系统设计课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从从拿到题目到完成整个课程设计，从理论到实践，在整整一个月的日子里，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自