毕业设计（论文）-某型立式数控铣床Z向伺服轴机械传动部件设计

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIVZ部件设计摘要Z态设计，电动机功率的计算等。CAD是依然让我学到了更多。分析，计算之后在进行校核，最后在作出装配图。关键词：数控系统；伺服系统；丝杠螺母AbstractThegraduationdesignofthetopicisaboutthetransformationtothessystemofmechanicaltransmissioncomponentsofacertainatypeofverticalCNCmillineryZ,firstly,Irefertotherelevantinformation,toknowthesubjecttousethedynamicorstaticpointofviewtoanalyze,design,mechanicalparsystemselectiontheselectionandselectionofthescrewnut,didagoodjobinthreshingschemeanalysissoullessconsiderthestaticsdesignanddynamicdesignofthescrewnut,themotorpowerfulcalculationetc..InthedesignIalsofamiliarwithmotor,screwnut,servossystemoftool,amoreprofoundunderstandingofmechanicaltransconditional,Ialsodelftwaretomaketheassemblydrawingofverticalmillingmachine,inthisprocess,learnedhowtousethesoftware,althoughthishasnotbeenthethecurriculumtheapplication,butstilletmelearnmore.Inshort,thedesignprocessisrequiredtoanalyzestaticandrequirementofscrewnut,thecalculationprogram,afterverification,finallymaketheassemblydrawings.Keywords:CNCsystem;servosystem;screwnut目录摘要 IAbstract II目录 III第一章绪论 1数控铣床简介 1数控铣床的组成 1数控铣床的结构 1数控铣床的用途和传动特点 2数控铣床加工范围 2数控铣床在国内的发展现状 3第二章方案的设计与分析 4机械传动部件的设计 4数控铣床进给传动装置的设计要求 4伺服系统机械传动的结构特点 4伺服系统对伺服电机的要求 5静态设计和动态设计的观点方案要求 6在静态设计方面要求有： 6在动态设计的方面要求： 6对数控机床传动部件则有下述的要求： 6第三章机械传动部件的设计 9静态设计 9动态设计 12第四章传动机构的选择 13滚珠丝杠螺母传动装置的选择 13工作台导轨的选择 15电机的选择 16确定主轴传动功率 17第五章设计计算 18主要技术参数的确定 18丝杠螺母静态设计 19丝杠螺母动态设计 25变速机构设计 28电动机的静态设计 30减速机构的设计 33总结 35致谢 36参考文献： 37PAGEPAGE10第一章 绪论数控铣床的组成数控铣床从宏观上讲主要由机床本体和计算机数控系统组成。(1)数控系统等功能。能完成绝大部分的洗削、切削、镗削，攻螺纹等加工。伺服驱动系统及传动部件组成了数控机床的进给系统。机械部件它机床相比较简单，在精度、刚度、抗振性方面要求高。数控铣床的结构X、Y、ZZ图1.1数控铣床的结构T，铣床是多齿、多刃连续进行切削；，铣床的主轴带动铣刀做主轴旋转运动；，多数铣床是由工作台带动工件做直线运动；，铣削时，铣刀同时参与的齿数越多，便于采用较大的切削速度和进床。1952的方向发展，促使了制造业发生了根本性的变化。展，适应各种机械产品的需要且经济效益显著。因此，在我国也在不断地发展数控技术，不断地提高自己的设计水平。第二章 方案的设计与分析通常在设计阶段对机械传动部分没有足够的重视，或者机械结构部分不熟加。原则：0.001mm3m30200和精度，主要是定位精度问题。伺服系统机械传动的结构特点紧的办法来提高传动刚度；通过选区用最佳降速比降低惯量。伺服系统对伺服电机的要求（1）电机具有大的较长时间内的过载能力，以满足低速大转矩的要求（2)为了使电机能够达到快速响应的要求，在选用电机时，所选择的电机应（3）电机应能频繁启动、制动和反转。频化得方向发展，使得智能化功率模块达到更加广泛的应用。数控机床Z轴传动装置结构如下图：图2.1 Z轴传动装置结构进给私服系统的设计要求,机床的进给位置调节对伺服系统有很高的要求。其中，在静态设计方面要求有(1)有很小的进给位移量。(2)高的静态扭转刚度。(3)足够的调速范围，电机的最大转矩由快进速度决定。(4)在速度低时无爬行现象，进给速度均匀。20000—30000N10—40N.在动态设计的方面要求：负载引起的轨迹误差要尽可能小。5-50N20-200Nm4对数控机床传动部件则有下述的要求：高的刚度；良好的阻尼；被加工的运动部件具有较小的惯量；

Nm

。此外，驱动装置还要1图2.2 机械传动部件设计方案对于这种机械传动部件的设计，我们可以先从静态设计和动态设计的方面来计要求选择电动机。图2.3 丝杠螺母机构3图2.4 电动机转矩第三章 机械传动部件的设计计算。转速度。机转速应为nmvfast

hsp

(3.1)式中 V快 工作台快进速度（mm/min);hsp 丝杠导程（mm);vfast0.17ms,10mm所以 v

min调速范围机床加工的最小进给量和空行程的最大快进速度是确定电动机调速范围的最重要的两个因素。取机床的最小位置偏差

xn0.00m，由系统增益公式可得xx

vmax Kv

x

（3.2）于是调速范围是

DxxXx

（3.3）vmin

Xnkv201sXn0.00m工作台最大移动速度，vmax17mmin则电机驱动部件的调速范围为：DxXx

51000静态转矩

nmin

X

0.001MstMRMMCMZ

（3.4）静态转矩来完成的。式中 Mst——————静态转矩；MR——————各种摩擦力矩的总和；MMC———————切削力矩；MZ———————重力矩；摩擦力矩 摩擦力矩包括导轨摩擦力、丝杠螺母摩擦力以及齿轮传摩擦力折算到伺服电机轴上的摩擦力矩。导轨摩擦 导轨摩擦力等于摩擦系数与正压力的乘积，即FR

fvwTg

（3.5）式中 fv 摩擦系数；mw 工件质量；mT 工作台质量；g 重力加速度；FVT

垂直于导轨的切削分力；工作台上由丝杠螺母传动折算到丝杠螺母上的摩擦力矩MRSP为：MRSP

2丝杠螺母传动摩擦 丝杠螺母传动摩擦的损耗可通过传动效p来表示，对于不加预紧的滚珠丝杠，它可按下式计算：p

110.02

（3.6）式中 dsp 表示滚珠丝杠直径；hsp 滚珠丝杠导程；p

1 0.93910.023210切削力矩 和摩擦力矩的计算方法一样，为了确定切削过程中的转矩先求出切削力，然后在折算成作用在电机轴上的力矩。影响切削力的因素很多，如：工件材料、刀具材料、切削速度、进给量、所以，如果想要获得更加精确地数据，最好通过具体的实验来获得。FMC后，由下面的公式折算成电机轴上的力矩MMC。对于丝杠螺母传动有：MMCFMChspp

（3.7）情况时如：在重力不能平衡的地方，计算时要考虑重力矩MZ。在计算重力矩时丝杠螺母传动的计算公式，只要将切削力改成重力即可。的调节要求是：无超程定位；尽可能小的轨迹误差；对切削力的抗干扰能力强。根据以上对位置环的要求对电气驱动部件提出以下要求：较高的加速能力；尽可能高的谐振频率oAKv

0.oAKv0.oA第四章 传动机构的选择启动力矩很小，运动灵敏，低速时不会出现爬行。另加自锁机构，因此，结构复杂，成本高。大多数采用推力轴承作支撑是因为丝杠主要承受轴向力，在相同尺寸条件下，向心推力球轴承及圆锥滚子轴承的轴向刚度要比推力轴承的轴向刚度要小。根据推力轴承的布置丝杠有以下四种支撑方式：图4.1 丝杠的布置方式装。预拉伸的好处有：1/3减少丝杠因自重引起的弯曲；此外，这种支撑方式只承受拉力，不承受压力，故不存在压杆稳定性问题。支撑方式相比较为复杂。我们选择了第四种支撑方式“支撑--支撑”式。技术的要求，我们希望导轨是刚度大、摩擦力小、阻尼性能好。在数控机床中主要使用三种类型的导轨：静压导轨、滑动导轨和滚柱导轨。各种类型导轨的性能特点如下表所示：表4.1不同导轨类型特点性能滑动导轨滚柱导轨静压导轨摩擦与磨损性能不好，通过选择材料来改进良好很好爬行的可能性存在不存在不存在对材料及表面质量的要求很高高低达到高精度的措施很贵不太贵不能用刚度通常很好好，可变，取决于供油系统是否有油膜压力，有油膜压力阀时刚度大阻尼很高，但不是常数小大，通过设计容易改变阻尼得到了很大的改善。所以我们采取滑动导轨。701700r／min3-1从额定转速nd到最高转速nmax的区域Ⅰ为恒功率区，最低转速nmin至nd的区域Ⅱ为恒转矩区。图4.2 变速电动机的功率特性此外还可在全程安装和使用多个工作台。数控加工具有普通机床加工不具有的特点，而且随着近年来数控技术的不断发展，其应用范围还在不断地扩大，但是也有其不足的地方。由公式量 szDn120100

n1000

计算得n1200

min

则每齿进给 Ffnwf 3pc

1000

10

（4.1）式中 pc——切削功率，单位为kw；Fc——主切削力，单位为N;vc——切削速度，单位为m/s;Ff——进给抗力，单位为N;nwfmm/r;主传动的总效率一般可取为η=0.70～0.85,数控机床的运动中，多用调速电大值。第五章 设计计算表5.1主要的技术参数参数参数值工作台：工作台质量：mT600kg最大加工受力：Fw1000N快进速度：vfast0.17m/s工进速度：vv0.1m/s最大加速度：amax1.3m/s2工作导轨摩擦力：FR2.5N工作行程：sw0.35m丝杠螺母机构如图2所示：轴承轴向刚度：KL800N/m丝杠螺母刚度：KM800N/m螺母支座刚度：KTM1000N/m丝杠传动效率：p0.9丝杠长度：Lsp0.5m丝杠轴承、丝杠：螺母摩擦力矩：MR.sp2.5Nm轴承平均间距：L650mm导程：hsp10mm确定最大转速的常数：A60000轴承支承方式：双推-双推伺服电动机：电动机转子惯量：3 2JM0.0510kgm其他参数：钢的密度：7.85103kg/m3（1）确定动载荷ca'算如下:

工作循环周期T由加速时间ta和加工时间tw组成，计atvva

amax

0.11.3

0.0769sv twswv0.35 3.5(s)v T2tw4ta7.308(s)在减速期间的平均速度na为工作进给时转速nw为

na

vv2hsp

60

20.01300(

min)sp 0.01 nwvvh600.1 600(r sp 0.01 将上述数据带入公式

m

nnitini1 （5.1）ntii1式中 i 转速，ti 不同转速时的时间;可得当量转速

7.308nm40.07760027.308

rmin载荷系数fw取由下表取

fw1.1表5.2载荷系数使用条件fw平稳无冲机运动1.01.2一般运动1.21.5伴随着冲击和振动的运动1.52.0当量载荷FmnFFitinFnntitii1式中

（5.2）F轴向载荷（N)；Fiti 为相应的工作时间（min)计算；本设计中当量载荷为

FmF

2twFw4taFaT

（5.3）将已知条件FwFR,，tw ta T带入算出FaFaTax6001.3780N代入上式得

Fm993.22N取滚珠丝杠寿命为Lh为20000h，a c'60a

m13Fm

f102fw

（5.4）m 当量转速（r/min)；c'ca 额定动载荷（N)；Fm 当量载荷（N)由（5.4）式算出该滚珠丝杠的动载荷a w c'60nL 13F f102a w 确定静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力，即FxFw1000N由下表静态安全系数表5.3 静态安全系数fd使用条件fd的下限值一般运动12伴有冲击和振动的运动23取静态安全系数,得

1静 载 ' 荷fcd 0afcc '0a fdFmaxc '根据轴向压力选取丝杠直径4Fam4

dsp

104

（5.5）L2式中 dsp 丝杠底径（mm)；L 丝杠支撑间距（mm)；m 与丝杠支撑有关的临界载荷系数；如下表所示：5.4fm支撑方法fm双推双推21.920.3双推支撑15.110.2单推单推9.75.1双推自由3.41.3FaL2FaL24m104dspFaFW1000N查上表可得代入上式得

L0.5m500mmm20.3FaL24m104FaL24m1047805002420.3104

5.567mm故取转速限制①最大转矩限制：

dp6md0xA

（5.6）式中 d0 丝杠名义直径（mm)；nmax A5000070000，由式（5.6）知

x

60vhp

600.01

min和A60000得dp58.8m②临界转速限制：由临界 c 转速的计算方

dp

nL2f107

（5.7）c式中 dsp 丝杠底径（mm)；cL 丝杠支撑间距（mm)；f 5.4由带入上式得

x

minc,L

,f21.9dp

nL2cf107c

102021.9107

1.16mm选择丝杠直径由上面计算，根据以上数据，得Ca'9670NC0a1000Ndsp6mmdsp58.8mmdsp1.2mm从厂家产品样本中选取丝杠直径如下表：表5.5HSK螺杆DFT型丝杠直径的选取dspCaC0a25244043703248201150040530014000可得 dsp20mm（1）确定丝杠螺母传动的总刚度①扭转刚度：查《机械手册》知，由公式

Gdp4

（5.8）KTSP32 L Nm式中 dsp 丝杠底径（mm)；G剪切模量；L丝杠总自由长度(mm)；可得对于钢的抗扭刚度量纲公式4K 7.841034

dspL由上述公式可知

KpKT

2

（5.9）式中 Ksp 折算到丝杠上的刚度；KT 工作台的刚度；Lsp 丝杠长度；由上述公式可得到扭转刚度折算成工作台时的直线刚度公式： d4Ks

Kp

hp

7.84103

spNL

um sp可得 Ks990N②拉压刚度：

（N/um),hspum

dsp(mm), L(mm);查《机械手册知拉亚刚度的计算公式：Ks Ndp2EKs N4L10

mm

（5.10）式中 dsp 丝杠底径（mm);E 弹性模量；L 丝杠的总自由长度（mm)；由上述公式可得到钢的拉压刚度量纲公式：

dsp2 Ks 1.65

101 NL

（5.11）K式中量纲 Ks据得

dsp(mm), L Ks1.6510 132Num0.55图5.1 双推-双推式丝杠刚度等效图设螺母位于丝杠中间，于是

K1Kp22Ks系统的总刚度

1K

1 2K1

1 14Ks K

1Ks

1KTM

（5.13）将已知条件代入，得系统的总刚度Kgen173Num确定机械谐振频率 机械传动部件的谐振频率KgnTomKgnT173106600故173106600

537rads

(5.14)omech（3)确定具有满意动态性能的丝杠直径 电气驱动部件的谐振频率取下值，则其动态性能较好，即取oA350ads为了使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性能，采用常规的比列位置调节，应当使omh2~0A但是，根据上述条件选择的丝杠直径，只能得到omhoA5373501.53

dp20m因此，丝杠的直径应该更大一些。若 omhoA700ads 则，Kgen245Num所以有解上式可得

1.2103d40.758d21.621020sp dp28sp 最后根据厂家产品样本选取丝杠直径

dp32m由于，电气驱动部件具有二阶振荡环节的特点，其谐振频率A

（5.15）阻尼比

A1/2电气时间常数

T1

LARA机械时间常数

（5.16）式中 ；；；；机械时间常数里是电动机轴上总的转动惯量动惯最小。这一点可以借助减速机构达到。大齿轮转动惯量可由和降速比近似确定，即机械部件折算到电动机轴上恩多总转动惯量为JgenJMJ1i2J2JspJT

（5.17）TTmech式中；；，得满足最小惯量要求的相对额定降速比根据所设计系统的已知条件，得，丝杠的转动惯为式中 ；，将已知条件代入，得（1）计算J式中

JnJMJpJTJM 电机的转动惯量；

（5.18）Jsp 丝杠转动惯量；JT 工作台折算到丝杠上的转动惯量；且丝杠的转动惯量Jsp为J 1md

（5.19）dsp 8 sp spdp

14

spL

2sp,gen2

（5.20）式中 Lsp,gen 包括轴颈的丝杠总长；msp 丝杠质量；7.85103kgm3为钢的密度；确定电动机额定转矩 工作台加速和加工力所引起的当量力矩MmT

1

hp2

（5.21）式中 p 丝杠的传动效率（0.8-0.9）；Fm 当量载荷；故得 MmT9930.011.76Nm0.92丝杠加速度

. hpax丝杠加速所需的转矩.d,pJpp由丝杠加速所引起的当量力矩Mmsp

4Ma.ptT

（5.22）可得MpN丝杠螺母传动机构的总当量力矩为MsMTMp

（5.23）可得 m电动机轴的加速度可得

. .

816.8radsM p

p

x.M电动机轴的加速转矩.MMTa.MM

J 0.05103816.84.084102Nm由电动机轴加速所引起的当量力矩所以

m.a.m

4Ma.mta0.202NmT作用在电动机轴上的当量力矩为MmM

msM

2.03Nmm.a.m电动机的额定转矩应为MM5~2Mm

(5.24)故 MoM3.04~4.06Nm确定电动机额定功率 电动机的额定转速MoM

60hp

600.1600rvv 0.01v

min电动机的额定功率

MMMMM2noM 60 oMPoM0.191~0.255kw。由于 iopt12.95

可取i324z272m2.5(1)分度圆直径d1z1m60mmd2z2m180mm齿宽

ad1d2120mm2b1160m ,B260mm,B165mm;d112a*m65mda2d22a*m185mdf1df2

*aaaa

c*m53.75mmc*m173.75mm故上述所选齿轮合适。总结通过近四个月的学习准备，我先后由上网查阅资料，在图书馆查阅相关书籍、询问老师同学，在大家的帮助下完成了自己的毕业设计。在此过程中使我认识到，毕业设计是对我们大学期间所学知识的运用，是对以前每门学科的综合和回顾，是对所学知识的检验。我所选的课题是某型数控Z向伺服系统机械传动部件的设计开始设计之前，我上网查阅了有关数控机床的资料发现，数控铣床是在数控机床的基础上改装的。我国可以制造，但是一些先进的核心技术我们还没有掌握，近十年来我国数控铣床的市场份额很小，因此对数控铣床的改造、传动部件的设计显得意义非凡，任务之重。在我查阅相关资料及老师同学的帮助下完成了自己的毕业设计，在这个过程中让我学会了如何使用CAD软件，知道了在设计中遇到了问题该如何查找资料，如何撰写设计方案，我熟悉了设计的各个流程。在毕业设计当