课程设计说明书

摘要本次课设为SK2313-2.5数控定梁定柱龙门铣床纵向进给传动设计，是数控定梁定柱龙门铣床重要组成部分之一，其中设计内容涉及到机床的结构设计、数控机床系统设计方法、计算机辅助设计工具、机械制造技术等多方面知识的应用。设计XK2313-2.5数控定梁定柱龙门铣床纵向进给部件和导轨系统，按设计要求，设计数控定梁定柱龙门铣床工作台床身纵向进给部件，其中含纵向进给传动和导轨系统部件，设计纵向进给传动和导轨系统，其中进给机构均采用同步带减速滚珠丝杠传动形式，并由伺服电机进行驱动。电机座安装在床身端面，采用电机座与近端支承座分离形式，实现小距离上下调整，以胀紧同步带。全面阐述XK2313-2.5数控定梁定柱龙门铣床纵向进给部件的设计特点，选用同步带减速滚珠丝杠传动形式和采用伺服电机进行驱动等环节进行介绍。包括类型的选择、参数的设计、精度的选择及厂家的选择等。关键词：龙门铣床、数控、伺服电机、滚珠丝杠。目录TOC\o"1-2"\h\u21309第1章确定设计方案 确定设计方案SK2313-2.5数控龙门铣床相关设计参数条件本次课设为SK2313-2.5数控定梁定柱龙门铣床纵向进给传动设计，是数控定梁定柱龙门铣床重要组成部分之一。本数控定梁定柱龙门铣床纵向进给传动的设计，符合国家机床标准。现将SK2313-2.5数控定梁定柱龙门铣床的已定设计参数汇总如下表表1-1。序号参数项规格1工作台面积（宽X长）mm1300X25002工作台T型槽9-22X1303三向行程(X/Y/Z）mm3000/1500/8004快速移动速度(X/Y/Z）m/min10/10/105定位精度mmX0.02/1000，0.03/全程；Y0.02；Z0.026重复定位精度mm0.017工作台最大承重kg40008快速启动加速时间s0.31.2前期方案和技术设计已确定的相关结构及参数（1）工作台厚度和重量如下表1-2序号参数项规格1工作台厚度（mm)2052工作台重量(kg)1734（2）三向进给传动形式：采用同步带减速滚珠丝杠传动形式。减速比为X/Y/Z均为2。（3）三向滚珠丝杠传动的组合形式：丝杠旋转和轴向固定，螺母移动。（4）三向导轨：X、Y向采用滚动导轨，Z向采用矩形滑动+贴塑导轨结构。（5）预计X向丝杠系统平均相对最大温升2ºC。（6）采用华中数控系统及其配套交流伺服电机，三轴控制三轴联动，主轴伺服控制。（7）正向压力载荷近似分布：表1-3运行距离占比（%）备注2560105正压力负载载荷（N）30000345005500066500包括工作台和工件重力、切削负载（8）轴向载荷近似分布：表1-4 工作时间占比（%）1020204055轴向负载（N）49032006500125001800023000已含摩擦力移动速度（m/min）103210.750.5（9）机床工作时间每年工作12月，每个月工作24天；每天工作10小时，该部件每小时移动运行2/3时间。1.2初步确定导轨配置根据上述已知条件，数控定梁定柱龙门铣床属于属于较大型以上规格重载机床，由于部件和工件质量较大，切削负载较大，为保证机床运行稳定，导轨初步选择滚柱重载直线导轨副，其导轨型号为GZB45/AA，可此导轨可以满足数控定梁定柱龙门铣床的运行要求。查阅有关参考资料及参考同类型龙门铣床，已知工作台宽×长为1300×2500mm，X向行程为3000mm，故导轨左右各布置一根，形成对称布局，间距1140mm。1.3初步选择进给传动形式、丝杠支承形式滚珠丝杠副的安装支承形式是数控机床进给系统设计的重要环节。滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的旋转运动转变为直线运动，用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的机构，尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中，滚珠丝杠副是传动最简单、经济而又可靠的。所以滚珠丝杠副的选择对整个机床的制造起着不可忽视的作用。滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。因此设计机床为龙门铣床，龙门铣床进给传动形式选择同步带减速滚珠丝杠传动形式，同步带减速滚珠丝杠传动形式可以消除间隙和预紧方便，精度较高，传动平稳装配工艺性好，一般用在较大型，载荷较大的机床。符合龙门铣床的设计要求，故采用同步带减速滚珠丝杠传动形式，以便获得较大的进给驱动力。已知X向行程为3000mm、快速移动速度为10m/min，因此丝杠支承形式初步选用双端双向固定，在两端都安装方向相反的滚珠丝杆专用轴承组合，使每端都可承受双向轴向力，其适用于中等和较大行程、转速高、精度高、刚度高但温升或热变形不能超出预拉伸量的场合，故选用双端双向固定。1.4进给传动和支承系统图通过传动形式、丝杠支承型式的选择，我们采用同步带减速滚珠丝杠传动系统，本传动类型由伺服电机、同步带传动副、滚珠丝杠副、丝杠螺母座、电机座、支承座、轴承、执行部件、其他相关零件组成，如下图1-1所示。何服电机通过同步带传动减速驱动滚珠丝杠副,从而驱动执行部件运动。采用同步带预紧无间隙传动;同步带具有柔性，在常规载荷下抗拉伸性好，因此具有较好的传动刚性，且对加工和装配误差的补偿性好。第2章导轨设计与计算2.1计算、确定滚动导轨查滚珠丝杠样本，选南京工艺装备制造有限公司的型号为，滚柱重载直线导轨GZB45/AA的丝杠，额定动载荷为Ca=92.6kN。L龙门铣床相邻滑块间隔一般不大于800mm，已知导轨工作台长为2500mm，为均匀分布，故滑块数量采用四滑块，两端间隔2100mm，滑块之间间隔1140mm，左右对称布置，故单根导轨上四个滑块。该机床为大型、重型机床且应用场合属于刚性要求高、承受振动、冲击的场合，故预加载荷等级选择P0。2.2校验导轨动载荷已知单个额定动载荷为92.6KN，求XK2313-2.5的工作载荷，查《课程设计指导书》表2-1得知当运行距离占比所对应的负载载荷。运行距离占比（%）备注2560105正压力负载载荷（N）30000345005500066500包括工作台和工件重力、切削负载计算各运行距离占比的载荷总和F导轨的最大工作载荷30.28KN不大于滑块额定动载荷92.6KN，设计方案为一根导轨四个滑块，单个滑块的最大载荷不应大于其额定动载荷，所以单个滑块的工作载荷2.3计算导轨预期寿命（1）对于标准滚动导轨副，额定动载荷已经由制造商试验确定，可由《现代数控装备设计》查得。预期寿命计算如下：L式中：LS—滚动导轨的预期寿命，km；Ca—导轨上一个滑块的额定动载荷，N；Fd—导轨上一个滑块所受的当量载荷，N；查《现代数控装备设计》，得当量载荷计算公式为：式中FiLi—对应F L—总行程，m；ξi—行程比，即对应FF即当量载荷为38256N,滑块数量为4，单个滑块所承受当量载荷为38256/4=9564N由以知条件查《现代数控装备设计》表6-3-1，得ƒC—接触系数取为0.66；ƒT—温度系数取为1；ƒH—硬度系数取为1；ƒw载荷系数选取1~1.5，由L（2）长度寿命需转换成时间寿命，其公式为L当量速度：νi,ξ 工作时间占比（%）1020204055轴向负载（N）49032006500125001800023000已含摩擦力移动速度（m/min）103210.750.5故当量速度为：ν求得导轨时间寿命为：L已知机床工作时间每年工作12月，每个月工作24天；每天工作10小时，该部件每小时移动运行2/3时间，即40分钟，计算导轨工作年限：L导轨寿命时间应在6~8年以上，经过计算，发现导轨时间寿命能满足6~8年以上导轨的实际工作时长，故满足导轨工作寿命要求，故选用GZB45AA型导轨。2.4确定导轨固定、安装结构形式第3章进给传动系统设计和计算3.1估算选择滚珠丝杠等参数由上条件，可初步估算选择滚珠丝杠副类型FFZD型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副FFZD8016-5型，内循环方式是滚珠在内部直接返回循环的结构形式，单圈循环，一个螺母有若干圈滚珠在运行。其丝杠直径为80mm，导程为16mm，精度等级选择为P5，龙门铣床常用等级精度为该等级。已确定滚珠丝杠的固定方式为两端固定支承，查《南京艺工滚珠丝杠、滚动导轨2020电子样本》可知，当选择预紧螺母形式的滚珠丝杠副时需定预紧力FP。当最大轴向工作载荷Fmax能确定时，其计算公式为：F选机床承受最大负荷时滚珠丝杠的传动力。如机床切削时，切削力在滚珠丝杠副轴向的分力与导轨摩擦力之和即为Fmax（这时导轨摩擦力是由工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起的）。我们已知最大轴向工作载荷Fmax为24000N，即丝杠螺母的预紧力为：F由于丝杆螺母预紧力F0不能超过0.1Ca=0.1×92.6KN=9.26（KN），确定丝杠滚道长度，查《南京工艺滚珠丝杠、滚动导轨2020电子样本》可知FFZD8016-5型螺母长度为298mm，已知X行程为3000mm，轴承座台阶厚度为22mm，即得丝杠滚道长度为：LsL3.2对丝杠进行载荷校核计算查《现代数控装备设计》得，机床工作载荷和运行状况是力学计算的依据，由于机床实际载荷与运行转速是变化的，因此需转化为当量载荷和当量转速。若机床运行时分布有n种载荷，则式中：FdFini—对应Fti—对应Fnd—当量转速，r/min,nn 其中ni、tn式中Vi数值已知，为下表中移动速度，S为丝杠导程16，ti 工作时间占比（%）1020204055轴向负载（N）49032006500125001800023000已含摩擦力移动速度（m/min）103210.750.5先求ni数值，从n1到nnnnnnn以此公式算出其余数值的结果，求得n1=0.625，n2=0.188，n3=0.125，n4=0.188，再求ti数值，从t1到tttttt以此公式算出其余数值的结果，求得t1=1500，t2=3000，t3=3000，t46000，算出以上数值，即可求得当量载荷和当量转速，当量载荷为：F当量转速为：n3.3动载荷校核计算额定动载荷是指一批规格相同的滚珠丝杠副，在一负荷力的运转测试下，通过10°转运动而有90%不产生疲劳损伤时所能承受的最大轴向载荷。制造商生产的标准滚珠丝杠副均已经过额定动载荷和额定静载荷的试验，但各种机床的实际载荷及运行状况不相同，故一般与额定动载荷（或额定静载荷）试验状况不同，因此无法直接通过载荷比较选择丝杠规格，需按一定的等效计算方法进行核算选择，即进行动载荷校核计算，查《现代数控装备设计》式5-9可知其计算公式。式中：CmaLhfwfafc—可靠性系数，取fCa已知nd=0.2042r/min；Fd=740.28C由此可得FFZD型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副FFZD8016-5型可满足使用要求。3.3初步确定减速比初步确定X轴减速比为2.5。3.4初步确定电机规格龙门铣床属于较大型的机床，为了保证机床的正常稳定运行，据设计要求和已知的条件，选取所需的扭矩，电机初步初步选择X向电机扭矩为48Nm，型号规格为GK6103-8SC61交流永磁伺服电动机,由定子、转子、高精度反馈元件组成、温度梯度大，散热效率高，可保证龙门铣床的连续运行能力。3.5计算校核快速移动速度执行部件的快速移动速度计算主要涉及了两个问题，确定了电机的最高转速，求所能产生的执行部件的最高快速移动速度；已知执行部件的最高快速移动速度，求所需的电机最高使用转速。已知该龙门铣床X轴的快速移动速度为10m/min，故求所需的电机最高转速。滚珠丝杠的快速移动速度计算公式为：ηymax=式中—快速移动速度，m/min，X轴的快速移动速度已知为10m/min；—电机最高使用转速，r/min；S—为丝杠导程，已知滚珠丝杠的导程为16；i—为电机至丝杠的减速比，为2.5；故所需的电机最高使用转速为：ηymax=得电机最高转速为1562.5r/min。查《华中8型系统、伺服和电机选型手册》初步选择的GK6103-8SC61，该型号电机最高转速为2000r/min,可满足所需的电机最高使用转速的要求，额定扭矩为48Nm，在电机样本没有标注最大扭矩，所以按额定扭矩的1.75倍计算，得GK6103-8SC61交流永磁伺服电动机最大扭矩为48×1.75=84Nm。外型尺寸图、参数表如下：3.6电机至丝杠环节连接结构设计计算（1）确定计算功率Pd确定设计功率Pd设计功率是根据需要传递的名义功率再考虑载荷性质、原动机类型和连续工作时间长短等因素而确定的，计算公式如下。Pd=KP式中

Pd—计算功率，KW；Ka—工作情况系数；P—电机额定功率，KW。由上网查阅资料得Ka=1.4。又由电机功率P=20KW。Pd=1.4x20KW=28KW已知功率Pd=28KW，小带轮转速n=2000r/mm，确定带型及模数，由Pd和n选得节距为14M。（2）计算小带轮、大带轮齿数

据条件Z1≥Zmin，查表可知Zmin=38，已知节距pb=d1V=由此，可以确定传动比i3，查得n2=1000r/min，进而计算大带轮转数得：i=计算大齿轮齿数Z2得Z2=iz1=3×38=114大带轮节圆直径d2得d（3）初定中心距a0已知小带轮节圆直径d1=169.42mm，大带轮节圆直径0.7(d1+d2)<a0<2(d1+d2)0.7(169.42+508.28)=474.39mm<a0<2(169.42+508.28)=1355.4mm由此初定中心距ao=800m(4)初定带的节线长度Lop及其齿数Zb由上已知小带轮节圆直径d1=169.42mm，大带轮节圆直径d2=508.28mm，定中心距LL由此初定Lop取3108mm齿数取222（5）实际中心距

a由上计算可得，对初定中心距可进行调整来，确定中心距a，由如下计算公式得：aa=800+调整中心距a=946.3mm。（6）小带轮啮合齿数

Zm已知小带轮节圆直径d1=169.42mm，大带轮节圆直径d2=508.28mm，中心距ZM=ZM=得小带轮啮合齿Zm=16.7mm。3.6.1同步带的选择同步齿形带的传动装置的优点:结构简单,安装调试方便,且在一定条件下能满足转速和转矩的输出要求，可以避免避免齿轮传动时引起的振动与噪声，适用于低转矩特性的要求的主轴。通过计算：采用HTD同步带传动，选择型号为HTD-14M型（节距=14mm），规格选用3108-14M，节线长3108mm，模宽240mm，齿数222。带轮的结构尺寸为：小带轮：Z1=38；d1大带轮：Z2=114；d2中心距为:a=946.3mm3.7计算校核电机（1）负载力矩的计算为了方便比较与计算，应将各项负载都折算为电机轴上需相应克服的力矩，查《现代数控装备设计》p117页，得出以下各种运动状态下伺服电机所需的力矩。快速空载启动时电机所需力矩：M1切削负载时电机所需力矩：MM快速移动时电机所需力矩：MM式中：MamaxMfM0Fd—丝杠的当量载荷，已知Fd=740.28N；S—滚珠丝杠导程，S=16；y—电机至移动部件的总传动效率，y=i—X轴减速比，2.5；MtMtmaxMatFmax—轴向最大负载力，F由《现代数控装备设计》得知一般情况下工作进给和加速度运动不会同时出现，所以Mat实际是由正常加工过程的进给速度波动所引起，而通常波动是很小的，因此M3.7.1电机力矩规格的选择选择合适的力矩规格需要考虑电机的应用场景，应用场景需要高扭矩输出就选较大的力矩规格，反之选较小的力矩规格；还需考虑电机的负载特性、考虑电机的转速和功率需求等去选择电机力矩规格。一般情况下，加速负载比连续切削负载大，但不一定比短时最大切削负载大。在进行伺服电机力矩规格选择时，应充分发挥电机最大力矩Mdmax式中：fs—安全系数，通常取fs为1，如最大负载出现较为频繁，则Md0电机最大扭矩一般为额定扭矩的1.5~2倍，按1.75倍算：MdmaxfsM通过计算，确定该型号为GK6103-8SC61的电机满足使用要求。3.8确定滚珠丝杠支承型式、预拉伸力确定滚珠丝杠支承形式为双端双向形式固定。确定滚珠丝杠副支承形式后，就可以讨论和计算、确定预拉伸力。丝杠预拉伸安装主要是为了使丝杠处于受拉状态，提高刚度和平稳性；进行丝杠热伸长补偿，在最大负载作用和工作温升下，轴向承力轴承不出现间隙；同时实现对支承轴承（轴向承力轴承）和轴承座（支承座）的预紧作用，提高轴承和轴承座的轴向刚度。滚珠丝杠的预拉伸力计算公式如下：FS1=其中λ值可按0.55~0.75的中间值选取，λ值取为0.56，FmaxFS1=λ3.9计算和选择轴承规格、配置主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴的刚度，承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。根据相应的尺寸要求和配合要求应该采用滚珠丝杠专用轴承，选择40TAC-90B型号的轴承，才能和之前所设计的各个尺寸配合起来，使得装配起来比较顺滑。所选轴承的d=40mm,D=90mm,B=20mm。该轴承的其他参数如下图所示：3.10分析论述实现定位精度的措施铣床的定位精度直接影响到其加工效率和加工质量。因此，实现龙门铣床的定位精度对于提高其生产效率和产品质量至关重要。在实现龙门铣床的定位精度方面，可以采取以下几种措施：（一）、提高导轨精度，导轨是龙门铣床的重要组成部分，它直接影响着龙门铣床的定位精度和加工精度。导轨的精度可以通过提高导轨的耐磨性、刚性和稳定性来实现。可以使用高精度的导轨材料，来提高导轨的耐磨性和刚性；同时可以通过精密研磨工艺，提高导轨表面的光滑度和精度，以减小导轨之间的摩擦力和变形。（二）、选择合适的轴承，轴承是龙门铣床的另一个关键部件，它直接影响到龙门铣床的定位精度和加工精度。可根据不同的应用需求，可以选择不同类型的轴承，如深沟球轴承、角接触轴承、推力轴承等。同时，需要根据机床的工作环境和使用寿命要求，选择合适的轴承材料和润滑方式，以保证轴承的稳定性和使用寿命。（三）、采用先进的控制技术，先进的控制技术是实现龙门铣床高精度定位的关键。通过采用这些先进的技术，可以提高龙门铣床的性能和精度，从而实现高精度的定位和加工。可以采用伺服控制系统，根据加工需求调整机床的运动速度和加速度，以减小加工过程中的振动和噪声，提高加工质量和效率。采用自适应控制技术，根据加工过程中的实际工况，自动调整机床的运动和控制系统参数，实现更加精确的定位和加工。（四）、优化加工路径和工艺参数，在加工过程中，需要根据加工需求和工件材料特性，合理选择加工路径和工艺参数。同时，可以通过优化加工路径和工艺参数，减小加工过程中的误差和变形，从而提高加工精度。可以通过采用合理的切削深度和进给速度，减小切削力和变形；可以通过采用合理的冷却液和润滑剂，减小刀具磨损和切削热的影响。综上所述，提高导轨精度、选择合适的轴承、采用先进的控制技术和优化加工路径和工艺参数是实现龙门铣床高精度定位的关键措施。通过这些措施的实施，可以提高龙门铣床的加工效率和加工质量。总结经过三周的奋战，本次机床的课程设计终于完成了，在这次课程设计中，通过不断的尝试和修改，逐渐掌握了数控定梁定柱龙门铣床纵向进给传动设计的部分要点和技巧，同时也深刻体会到了其中的艰辛和收获。首先，在设计过程中，我遇到了许