數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng),數(shù)控機(jī)床,進(jìn)給,系統(tǒng)
目 錄
1機(jī)床課程設(shè)計(jì)的目的………………………………………………1
2縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………2
2.1主切削力及其切削分力計(jì)算……………………………………3
2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 ……………………………………………3
2.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力……………………………3
2.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù)………………………3
2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算……………………………4
2.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核…………………………………5
2.7計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)的剛度……………………………………………6
2.8驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型與計(jì)算…………………………………………7
2.9機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析………………………………………9
2.10機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析……………………………10
2.11確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)………………10
3進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………11
3.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)………………………………………11
總結(jié)與體會(huì)…………………………………………………………12
致謝詞………………………………………………………………12
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………13
摘 要
1數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)的目的
通過本課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練,使學(xué)生在完成數(shù)控機(jī)床及金屬切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)之后,讓學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí),獨(dú)立完成數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從而使學(xué)生進(jìn)一步加深和鞏固對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握,并提高學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)能力,同時(shí)鞏固《金屬切削機(jī)床》課程的部分知識(shí)。
1.運(yùn)用所學(xué)理論及知識(shí),進(jìn)行數(shù)控機(jī)床部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力;
2.掌握數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟;
3.掌握設(shè)計(jì)的基本技能,具備查閱和運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、圖冊(cè)等有關(guān)技術(shù)資料的能力;
4.基本掌握編寫技術(shù)文件的能力。
2縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
設(shè)計(jì)參數(shù)如下:
工作臺(tái)
工作臺(tái)質(zhì)量
最大加工受力
快進(jìn)速度
工進(jìn)速度
最大加速度
工作臺(tái)導(dǎo)軌摩擦力
工作行程
減速機(jī)構(gòu)
絲杠螺母機(jī)構(gòu)(圖2),已知數(shù)據(jù)如下:
圖2 絲杠螺母機(jī)構(gòu)
軸承軸向剛度
絲杠螺母剛度
螺母支座剛度
絲杠傳動(dòng)效率
絲杠長度
絲杠軸承、絲杠
螺母摩擦力矩
軸承平均間距
導(dǎo)程
最大轉(zhuǎn)速常數(shù)
支承方式 雙推—雙推
伺服電機(jī)
電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量
2.1主切削力及其切削分力計(jì)算
取機(jī)床的機(jī)械效率,,,則有
工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷為
2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算
導(dǎo)軌受到垂向切削分力,縱向切削分力,移動(dòng)部件的全部質(zhì)量(包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量)m=600kg,查表得鑲條緊固力,取導(dǎo)軌動(dòng)摩擦系數(shù),則
計(jì)算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和
2.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力
計(jì)算最大軸向負(fù)載力
計(jì)算最小軸向負(fù)載力
2.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù)
取步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角,滾珠絲杠的基本導(dǎo)程,進(jìn)給傳動(dòng)鏈的脈沖當(dāng)量,則有
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要,確定各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別為、,模數(shù)m=2,齒寬b=20mm。
2.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算
(1)按預(yù)期工作時(shí)間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷
已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時(shí)間,滾珠絲杠的當(dāng)量載荷
,查表得載荷系數(shù);初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為3級(jí)精度,取精度系數(shù);查表得可靠性系數(shù)。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速,已知,滾珠絲杠的基本導(dǎo)程,則
(2)根據(jù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。
已知本車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為40 ,重復(fù)定位精度為16 ,則有
取上述計(jì)算結(jié)果的較小值,即。
(3)估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑
滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動(dòng)支承方式,滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為
L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承
≈(1.2~1.4)行程+(25~30)
取L=(1.4×700+30×10)mm=1280mm
(4)初步確定滾珠絲杠螺母副的型號(hào)
根據(jù)以上計(jì)算所得的、、和結(jié)構(gòu)的需要,初步選擇FF型內(nèi)循環(huán)螺母,型號(hào)為FF3210-3其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和螺紋底徑如下:
2.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核
已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑,已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度,絲杠水平安裝時(shí),取,查表得,則有
本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為,遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值,故滿足要求。
滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長度,其彈性模量
,密度,重力加速度
滾珠絲杠的最小慣性矩為
滾珠絲杠的最小截面積為
取,查表得,則有
本橫向進(jìn)給傳動(dòng)鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為166.67r/m,遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速,故滿足要求。
滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核,滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷,已知其軸向載荷,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速,運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù),則有
本車床數(shù)控化改造后,滾珠絲杠螺母副的總工作壽命,故滿足要求。
2.7計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)的剛度
已知滾珠絲杠的彈性模量,滾珠絲杠的底徑。絲杠支撐方式為兩端支撐或者兩端固定時(shí),則
當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離時(shí),滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度
當(dāng)時(shí),即滾珠絲杠的螺母中心位于行程的兩端,此時(shí),滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度
已知滾動(dòng)體直徑mm,滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=15.軸承接觸角。軸承最大軸向工作載荷。則滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度為:
查表得滾珠與滾道的接觸剛度,滾珠絲杠的額定動(dòng)載
。已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷則
進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為
故。
進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為
故
已知扭矩作用點(diǎn)之間的距離,滾珠絲杠的剪切模量
,滾珠絲杠的底徑,則有
2.8驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型與計(jì)算
(1)計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
已知滾珠絲杠的密度,則有
(2)計(jì)算折算到絲杠軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
已知縱向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質(zhì)量為m=600kg;絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈,機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離L=1cm則
(3)計(jì)算電動(dòng)機(jī)軸上的回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(4)計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(5)計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩
已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力,絲杠每轉(zhuǎn)一圈,機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動(dòng)的距離L=10mm=0.01m,進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比i=10.24總效率η=0.85,則有
(6)計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)上的摩擦負(fù)載力矩
已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力矩,則有
(7)計(jì)算由滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的并折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩
已知滾珠絲杠螺母副的效率,滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力為
折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩T的計(jì)算。
空載時(shí)(快進(jìn)力矩),為
切削時(shí)(工進(jìn)力矩),為
根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果和查表初選55BF010型反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī),其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;而進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量;對(duì)于開環(huán)系統(tǒng),一般取加速時(shí)間。當(dāng)機(jī)床以最快進(jìn)給速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為:
(8)計(jì)算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩
計(jì)算空載啟動(dòng)力矩
計(jì)算快進(jìn)力矩
計(jì)算工進(jìn)力矩
(9)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)
根據(jù)以上計(jì)算和查表選擇國產(chǎn)150BF002型電動(dòng)機(jī),其主要參數(shù)如下:相數(shù),5;步距角,;最大靜轉(zhuǎn)矩,;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,;最高空載啟動(dòng)頻率,2800Hz;運(yùn)行頻率,8000Hz;分配方式,五相十拍。
確定最大靜轉(zhuǎn)矩:
機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩與所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為:
機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩與所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為:
取和中的較大者為所需的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。本電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為,大于,可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正常啟動(dòng),故滿足要求。
為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配,系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿足式(2-67),即
,故滿足慣性匹配要求。
2.9機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析
滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度,機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為、,滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為,已知m=600kg,則:
折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度,則
由以上計(jì)算可知,絲杠—工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度,故滿足要求。
2.10機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析
(1)計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū)
已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值,導(dǎo)軌的靜摩擦力為,則
即,故滿足要求。
(2)計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差
即,故滿足要求。
(3)計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差
已知負(fù)載力矩,扭矩作用點(diǎn)之間的距離,絲杠底徑,則有
由該扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向移動(dòng)滯后量將影響工作臺(tái)的定位精度,有
2.11確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)
確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí),本進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng),應(yīng)滿足如下要求:
取滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)為3級(jí),查表得,當(dāng)螺紋長度約為350mm時(shí),,;;
故滿足設(shè)計(jì)要求。
3進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)
滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置,在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽,當(dāng)他們套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道,將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的螺旋滾道,并在滾道內(nèi)裝滿滾珠,當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí),滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),因而迫使螺母軸向移動(dòng)。
滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn):
(1)傳動(dòng)效率高,摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為0.92-0.96,比普通絲杠高3-4倍。因此,功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠的1/4-/3.
(2)若給于適當(dāng)預(yù)緊,可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙,反向時(shí)還可以消除空載死區(qū),從而使絲杠的定位精度高,剛度好。
(3)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象,傳動(dòng)精度高。
(4)具有可逆性,既可以從螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說,絲杠和螺母可以作為主動(dòng)件。
(5)磨損小,使用壽命長。
(6)制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高,表面粗糙度也要求高,故制造成本高。
(7)不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠,由于其自重和慣性力的不同,下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后,不能立即停止運(yùn)動(dòng),故還需要增加制動(dòng)裝置。
本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副,精度為3級(jí),兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間,使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個(gè)的導(dǎo)程突變量,從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單,但載荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。
滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷,徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求,其兩端支承的配置情況有:一端軸向固定一端自由的支承配置方式,通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠;一端固定一端浮動(dòng)的方式,常用于較長的臥式安裝絲杠;以及兩端固定的安裝方式,常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠,這種配置方式可對(duì)絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式,以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸。
絲杠中常用的滾動(dòng)軸承有以下兩種:滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承,在這兩種軸承中,60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者,而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合,但剛度較后者低,目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。
60°角接觸軸承的組合配置形式有面對(duì)面的組合、背靠背組合、同向組合、一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差,又由于面對(duì)面組合方式,兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。
在此課題中采用了以面對(duì)面配對(duì)組合的60°角接觸軸承,組合方式為DDB。以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱,其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差,可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu),使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。
圖3.1為滾珠絲杠螺母及其支承結(jié)構(gòu)圖。
圖3.1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)
總結(jié)與體會(huì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的一次總結(jié)與運(yùn)用,是對(duì)以前每門課程設(shè)計(jì)的綜合,是對(duì)所學(xué)知識(shí)的徹底檢驗(yàn)。剛開始選擇課題的時(shí)候,我因?yàn)閷?duì)數(shù)控車床比較感興趣,所以選擇了關(guān)于數(shù)控車床方面的課題。我所在的組設(shè)計(jì)的是一臺(tái)數(shù)控車床,我主要對(duì)其中的橫向進(jìn)給系統(tǒng)及縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。開始設(shè)計(jì)之前,我首先上網(wǎng)搜索了有關(guān)車床方面的知識(shí),對(duì)數(shù)控車床的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢有了進(jìn)一步的了解,也讓我學(xué)習(xí)到了很多新的知識(shí)。設(shè)計(jì)的時(shí)候,我們對(duì)學(xué)校的一些數(shù)控車床進(jìn)行了觀察,我主要觀察了機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu),同時(shí)并結(jié)合自己的課題對(duì)機(jī)床的總體布局做了進(jìn)一步的研究,并通過查閱資料和相關(guān)圖冊(cè),設(shè)計(jì)出了滿足數(shù)控車床需要的橫向進(jìn)給系統(tǒng)及縱向進(jìn)給系統(tǒng)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們走向工作崗位的最后一次練兵,是一次理論和實(shí)踐完美結(jié)合的過程。在近三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中,使我更加認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性,只有理論而不去進(jìn)行實(shí)踐是不行的。在設(shè)計(jì)過程中,我參考了一些圖紙,在參考的基礎(chǔ)上,理解并分析其優(yōu)缺點(diǎn),取長補(bǔ)短,對(duì)自己其中不合理的部分進(jìn)行了充分改進(jìn)。通過這次設(shè)計(jì),自己在查閱資料、運(yùn)用資料、中英文翻譯、運(yùn)用專業(yè)知識(shí)及CAD繪圖等方面的能力有了較大地提高,對(duì)如何將機(jī)、電互相結(jié)合起來有了較深刻的認(rèn)識(shí),彌補(bǔ)了原來學(xué)習(xí)中的很多不足之處,為以后從事機(jī)械方面的工作打下了一定的基礎(chǔ),積累了一定的經(jīng)驗(yàn),對(duì)設(shè)計(jì)工作有了一定的認(rèn)識(shí)。
總之,這次設(shè)計(jì)順利完成使我受益匪淺,不但鞏固了我以前學(xué)習(xí)的東西,而且學(xué)到了很多新東西,為我走向社會(huì)打下了深厚的基礎(chǔ)。同時(shí)也使我懂得了一個(gè)真正設(shè)計(jì)的步驟以及方法。
致謝詞
經(jīng)過3個(gè)月的忙碌和工作,本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲,作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì),由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏,難免有許多考慮不周全的地方,如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo),以及一起工作的同學(xué)們的支持,想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師楊昌明。楊老師平日里工作繁多,但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段,從查閱資料到設(shè)計(jì)草案的確定和修改,中期檢查,后期詳細(xì)設(shè)計(jì),裝配草圖等整個(gè)過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜煩瑣,但是張老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯(cuò)誤。除了敬佩張老師的專業(yè)水平外,他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣,并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。 其次要感謝我的同學(xué)對(duì)我無私的幫助,特別是在軟件的使用方面,正因?yàn)槿绱宋也拍茼樌耐瓿稍O(shè)計(jì),我要感謝我的母校——西華大學(xué),是母校給我們提供了優(yōu)良的學(xué)習(xí)環(huán)境;另外,我還要感謝那些曾給我授過課的每一位老師,是你們教會(huì)我專業(yè)知識(shí)。在此,我再說一次謝謝!謝謝大家?。?!。
【參考文獻(xiàn)】
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[5] 胡秋.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2004(6):55-56.
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目 錄
1機(jī)床課程設(shè)計(jì)的目的—————————————————————————2
2縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算—————————————2
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)———————————————————2
2.2絲杠螺母動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)—————————————————————————3
2.3變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)—————————————————————————————5
2.4絲杠螺母靜態(tài)設(shè)計(jì)———————————————7
2.5電機(jī)的靜態(tài)設(shè)計(jì)———————————————————————————9
3 進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ——————————————11
總結(jié)與體會(huì)——————————————————— 13
參考文獻(xiàn)———————————————————— 13
1數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)的目的
通過本課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練,使學(xué)生在完成數(shù)控機(jī)床及金屬切削機(jī)床的結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)之后,讓學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí),獨(dú)立完成數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),從而使學(xué)生進(jìn)一步加深和鞏固對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握,并提高學(xué)生的分析、設(shè)計(jì)能力,同時(shí)鞏固《金屬切削機(jī)床》課程的部分知識(shí)。
1.運(yùn)用所學(xué)理論及知識(shí),進(jìn)行數(shù)控機(jī)床部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力;
2.掌握數(shù)控機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟;
3.掌握設(shè)計(jì)的基本技能,具備查閱和運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)、圖冊(cè)等有關(guān)技術(shù)資料的能力;
4.基本掌握編寫技術(shù)文件的能力。
2縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1設(shè)計(jì)參數(shù):
工作臺(tái)
工作臺(tái)質(zhì)量
最大加工受力
快進(jìn)速度
工進(jìn)速度
最大加速度
工作臺(tái)導(dǎo)軌摩擦力
工作行程
減速機(jī)構(gòu)
絲杠螺母機(jī)構(gòu),已知數(shù)據(jù)如下:
絲杠螺母機(jī)構(gòu)
軸承軸向剛度
絲杠螺母剛度
螺母支座剛度
絲杠傳動(dòng)效率
絲杠長度
絲杠軸承、絲杠
螺母摩擦力矩
軸承平均間距
導(dǎo)程
最大轉(zhuǎn)速常數(shù)
支承方式 雙推—雙推
伺服電機(jī)
電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量
一般數(shù)據(jù)
鋼的密度
機(jī)床在工作時(shí),按照加速-工進(jìn)-減速-反向加速-工進(jìn)-減速-加速這樣一個(gè)過程循環(huán)。圖1給出電機(jī)轉(zhuǎn)矩在一個(gè)工作周期內(nèi)隨時(shí)間變化的范圍。
2.2絲杠螺母動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)
(1)確定絲杠螺母傳動(dòng)的總剛度
1)扭轉(zhuǎn)剛度:由參考文獻(xiàn)(1)式(5-141)可得對(duì)于鋼的抗扭剛度量綱公式
(2-1)
式中 絲杠底徑(mm);
絲杠自由長度(m).
由參考文獻(xiàn)(1)式(5-121)可得將濟(jì)鋼扭轉(zhuǎn)剛度折算成工作臺(tái)直線剛度公式 (2-2)
式中量綱:,,,L(m).
由上式可算出 2196
2)拉壓剛度:由參考文獻(xiàn)(1)式(5-140)可得對(duì)于鋼的拉壓剛度量綱公式
(2-3)
式中量綱,,L(m).
根據(jù)已知條件可得
3)總剛度:對(duì)于“雙推-雙推”式支撐的絲杠螺母傳動(dòng)裝置,其剛度的等效圖如圖2。
設(shè)螺母位于絲杠中間,于是
系統(tǒng)的總剛度為 (2-4)
將已知條件代入,得系統(tǒng)總剛度 =
(2)確定機(jī)械諧振頻率 機(jī)械傳動(dòng)部件的諧振頻率
(2-5)
故
(3)確定具有滿意動(dòng)態(tài)性能的絲杠直徑。電氣驅(qū)動(dòng)部件的諧振頻率取下列值,則其動(dòng)態(tài)性能較好,即取
采用常規(guī)的比例位置調(diào)節(jié),為使機(jī)械傳動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)性能不影響系統(tǒng)總的動(dòng)態(tài)性能,應(yīng)當(dāng)使
但是,根據(jù)本課題中選擇的絲杠直徑,只能得到
因此,絲杠直徑應(yīng)該跟大一些
若取代入式(2-5)得
將此總剛度帶入式(2-4),、和為已知常數(shù),再由式(2-2)和式(2-3),得
2.3變速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
已經(jīng)知道。電器驅(qū)動(dòng)部件具有二階振蕩環(huán)節(jié)的性能,其諧振頻率
阻尼比
電氣時(shí)間常數(shù)
機(jī)械時(shí)間常數(shù)
式中 ---驅(qū)動(dòng)線路總電感;
---驅(qū)動(dòng)線路總電阻;
---電機(jī)扭矩常數(shù);
---電機(jī)反電動(dòng)勢系數(shù)。
機(jī)械時(shí)間常數(shù)里的是電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
為使電氣驅(qū)動(dòng)部件獲得最大的諧振頻率,必須使計(jì)算到電機(jī)軸上的機(jī)械部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小。這一點(diǎn)可以借助減速機(jī)構(gòu)達(dá)到。
如上圖中電機(jī)軸上的小齒輪,其直徑及齒寬,根據(jù)傳遞的動(dòng)力由最小齒輪及模數(shù)的要求決定。當(dāng)小齒輪設(shè)計(jì)完畢,它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就是已知的。大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由和降速比i近似確定,即
根據(jù)參考文獻(xiàn)(1)5.6.4節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算方法,機(jī)械部件折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
(2-6)
式中 ——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
——小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
——絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
——工作臺(tái)折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,
令,得滿足最小慣量要求的相對(duì)額定降速比
(2-7)
根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的已知條件,得
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
(2-8)
(2-9)
式中 ——絲杠質(zhì)量;
——包括軸頸的絲杠總長;
——鋼的密度, ()
將已知條件代入,得
小齒輪由齒輪設(shè)計(jì)確定,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為已知,設(shè)。將、、代入式(2-7),得
根據(jù)結(jié)構(gòu)需要,確定各傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)分別為Z1=20、Z2=70,模數(shù)m=2,齒寬b1=20mm,b2=18mm。
2.4絲杠螺母靜態(tài)設(shè)計(jì)
(1)確定動(dòng)載荷,由圖1可見,工作循環(huán)周期T由加速時(shí)間和加工時(shí)間組成,計(jì)算如下:
在減速期間的平均轉(zhuǎn)速為:
工作進(jìn)給時(shí)轉(zhuǎn)速
將上述數(shù)據(jù)帶入?yún)⒖嘉墨I(xiàn)(1)式(5-131)中可得當(dāng)量轉(zhuǎn)速:
載荷系數(shù)由參考文獻(xiàn)(1)表5-13取
當(dāng)量載荷由參考文獻(xiàn)(1)式(5-129)計(jì)算,則當(dāng)量載荷為
將已知條件、、、、,并算出
代入上式
取滾珠絲杠壽命為20000h,從參考文獻(xiàn)(1)式(5-132)算出該滾珠絲杠的動(dòng)載荷
14574
(2)確定靜載荷 最大軸向力可近似取最大加工受力,即
由參考文獻(xiàn)(1)表5-14取靜態(tài)安全系數(shù),根據(jù)參考文獻(xiàn)(1)式(5-135)得靜載荷
(3)根據(jù)軸向壓力選取絲杠直徑。由參考文獻(xiàn)(1)式(5-139)可得
(2-10)
由
L=0.5(m)=550(mm)
查參考文獻(xiàn)(1)表5-15得
m=20.3
代入上式得
故
(4)轉(zhuǎn)速限制
1)最大轉(zhuǎn)矩限制:由參考文獻(xiàn)(1)式(5-138)得
(2-11)
由和A=60000得
2)臨界轉(zhuǎn)速限制:由參考文獻(xiàn)(1)式(5-137)得
(2-12)
由,L=550(mm),f=21.9(見參考文獻(xiàn)(1)表5-15)得
(5)選擇絲杠直徑:由上面計(jì)算結(jié)果得:
根據(jù)以上數(shù)據(jù),從廠家產(chǎn)品樣本中可選取絲杠直徑。如參考文獻(xiàn)(1)表5-21所示。
2.5電機(jī)的靜態(tài)設(shè)計(jì)
(1)計(jì)算。由式(2-6)得
根據(jù)上面球的的最佳傳動(dòng)比和其他參數(shù),得
(2)確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。工作臺(tái)加速和加工力所引起的當(dāng)量力矩
(2-13)
式中 ---絲杠傳動(dòng)效率;
---當(dāng)量載荷,已經(jīng)算出為1484(N)。
故得
絲杠加速度 (2-14)
絲杠加速所需的轉(zhuǎn)矩 (2-15)
由圖1可知,由絲杠加速所硬氣的當(dāng)量力矩
(2-16)
由式(2-14)、(2-15)、(2-16)可得
絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總當(dāng)量力矩為
(2-17)
電機(jī)軸角加速度 (2-18)
電機(jī)軸的加速轉(zhuǎn)矩
(2-19)
由圖1可知,由電機(jī)軸加速所引起的當(dāng)量力矩
(2-20)
由式(2-18)、(2-19)、(2-20)得
作用在電機(jī)軸上的當(dāng)量力矩為
(2-21)
電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)為
(2-22)
(3)確定電機(jī)額定功率。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速
(2-23)
=2070(r/min)
電機(jī)的額定功率
(2-24)
(2-25)
最后得電機(jī)額定功率
根據(jù)以上計(jì)算和?數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)?表2-47,選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的a2/5000i型交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),才能滿足要求。
3進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)
滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動(dòng)裝置,在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽,當(dāng)他們套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道,將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的螺旋滾道,并在滾道內(nèi)裝滿滾珠,當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí),滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),因而迫使螺母軸向移動(dòng)。
滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn):
(1)傳動(dòng)效率高,摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為0.92-0.96,比普通絲杠高3-4倍。因此,功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠的1/4-/3.
(2)若給于適當(dāng)預(yù)緊,可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙,反向時(shí)還可以消除空載死區(qū),從而使絲杠的定位精度高,剛度好。
(3)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),無爬行現(xiàn)象,傳動(dòng)精度高。
(4)具有可逆性,既可以從螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng),也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。也就是說,絲杠和螺母可以作為主動(dòng)件。
(5)磨損小,使用壽命長。
(6)制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高,表面粗糙度也要求高,故制造成本高。
(7)不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠,由于其自重和慣性力的不同,下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后,不能立即停止運(yùn)動(dòng),故還需要增加制動(dòng)裝置。
本次設(shè)計(jì)采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副,精度為3級(jí),兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間,使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個(gè)的導(dǎo)程突變量,從而使兩列滾珠在軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單,但載荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。
滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷,徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對(duì)絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求,其兩端支承的配置情況有:一端軸向固定一端自由的支承配置方式,通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠;一端固定一端浮動(dòng)的方式,常用于較長的臥式安裝絲杠;以及兩端固定的安裝方式,常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠,這種配置方式可對(duì)絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式,以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對(duì)絲杠進(jìn)行拉伸。
絲杠中常用的滾動(dòng)軸承有以下兩種:滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承,在這兩種軸承中,60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者,而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合,但剛度較后者低,目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。
60°角接觸軸承的組合配置形式有面對(duì)面的組合、背靠背組合、同向組合、一對(duì)同向與左邊一個(gè)面對(duì)面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差,又由于面對(duì)面組合方式,兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對(duì)背時(shí)小,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動(dòng)中面對(duì)面組合用得較多。
在此課題中采用了以面對(duì)面配對(duì)組合的60°角接觸軸承,組合方式為DDB。以容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。滾珠絲杠工作時(shí)要發(fā)熱,其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差,可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu),使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。
圖3.1為滾珠絲杠螺母及其支承結(jié)構(gòu)圖。
圖3.1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)
總結(jié)與體會(huì)
課程設(shè)計(jì)作為工科院校大學(xué)生的必修環(huán)節(jié),不僅是鞏固大學(xué)生大學(xué)所學(xué)知識(shí)的重要環(huán)節(jié),而且也是在檢驗(yàn)畢業(yè)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、自學(xué)能力、獨(dú)立操作能力和培養(yǎng)創(chuàng)新能力,是大學(xué)生參加工作前的一次實(shí)踐性鍛煉。
大學(xué)四年的學(xué)習(xí)即將結(jié)束,在我們即將踏入社會(huì)之前,通過課程設(shè)計(jì)來檢查和考驗(yàn)我們?cè)谶@幾年的所學(xué)的知識(shí),同時(shí)對(duì)于我們自身來說,這次課程設(shè)計(jì)很貼切地把一些實(shí)踐性的東西引入我們的設(shè)計(jì)中和平時(shí)所學(xué)的理論知識(shí)相關(guān)聯(lián)。為我們無論是在將來的工作或者是繼續(xù)學(xué)習(xí)的過程中打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
雖然只有一周的時(shí)間,在很倉促的情況下完成了這次數(shù)控銑床傳動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì),但收獲卻很大,使我初步具備了設(shè)計(jì)的能力,并且我相信我在這方面的設(shè)計(jì)能力會(huì)逐漸成熟起來。
再次感謝老師耐心指導(dǎo)幫助!
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