《立式加工中心工作臺X軸Y軸進給傳動系統(tǒng)設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《立式加工中心工作臺X軸Y軸進給傳動系統(tǒng)設計（14頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 一、概述 1.1 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的特點 數(shù)控機床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論是點位控制還是輪廓控制，工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性影響。為此，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)一般具有以下特點。 1）摩擦阻力小 為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能和運動精度，必須減小運動件數(shù)間的摩擦阻力和動、靜摩擦力之差。為滿足上述要求，在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副；滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。與此同時，各運動部件還考慮有適當?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2）傳動精度和剛度高

2、 進給傳動系統(tǒng)的傳動精度和剛度，從機械結(jié)構(gòu)方面考慮主要取決于傳動間隙和絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副及其支撐結(jié)構(gòu)的精度和剛度。傳動間隙主要來自傳動齒輪副、蝸輪副、絲杠螺母副及及其支撐部件之間，因此進給傳動系統(tǒng)廣泛采取施加預緊力或其他消除間隙措施。縮短傳動鏈和在傳動鏈中設置減速裝置。加大絲杠直徑以及對絲杠螺母副、支承部件、絲杠本身施加預緊力是提高傳動剛度的有效措施。 3）運動部件慣量小 運動部件的慣量對伺服機構(gòu)的啟動和制動特性有影響，尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零部件。因此，在滿足部件強度和剛度的前提下，盡可能減小運動部件的質(zhì)量、減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量。以降低其慣量。 1.2 設計內(nèi)容及

3、要求 設計立式加工中心工作臺（ X 軸、 Y 軸）進給傳動系統(tǒng) 1） 工作臺、工件和夾具總質(zhì)量 m=1200kg（所受重力 N=12000N）選取工作臺質(zhì)量 m 0 800kg ( 所受重力 N 0 8000N ) 工作臺最大行程 LP 600mm 2） 工作臺快速進給速度 Vmax 2000mm / min 3） 工作臺采用滾動直線導軌， 導軌的動、靜摩擦系數(shù)均為 u 0 0.1工作臺定位精度 20 m ， 重復定位精度為 8 m ，機床壽命為 20000h（10 年） 4）

4、 機床主軸伺服電動機，額定功率 PE 6.5kW 5） 機床采用斷面銑刀進行強力切削，銑刀直徑 D 125mm，主軸轉(zhuǎn)速 n 272r / min ，切削 狀況如表所示 表 1 立式加工中心切削情況 切削方式 進給速度（ m/min） 時間比例（％） 備注 強力切削 0.6 10 主電動機滿功率條件下切削 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進給 20 10 空載條件下工作臺快速進給 總體設計方案 1）工作臺工作面尺寸確定， 長 寬 =400m

5、m 1200mm 2）工作臺導軌采用滾動直線導軌 3）對滾球絲杠螺母副進行預緊 4）采用伺服電動機驅(qū)動 5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機的 二、設計計算 2.1 主切削力及其切削分力計算 1）計算主切削力 FZ 主軸具有最大扭矩并且能傳遞主電動機全部功率，此時切削速度為 Dn 3.14 125 10 3 272 v 60 m / s 1.78m / s 60 取機械效率 m 0.8 ，則由 [1] 中式（ 2-6 ）得 Fz mPE 10

6、3 0.8 6.5 103 N 2.92 103 N v 1.78 2）計算各切削分力 由[1] 表（ 2-1 ）得 縱向切削力 F1 0.4 Fz 1.17 103 N 橫向切削力 Fc 0.95Fz 2.77 103 N 垂向切削力 Fv 0.55Fz 1.61 103 N 2.2 導軌摩擦力計算 1）由 [1]  式（ 2-8a ）計算切削狀態(tài)下的導軌摩擦力  F ，此時導軌摩擦系數(shù)  0.01 。查 [1] 表（ 2-3 ）得，  fg  1

7、00N F (W  f g  Fc  Fv)  0.01 (12000  100  2770  1610)  164.8N 2）由 [1] 式（ 2-9a ）得 不切削狀態(tài)下導軌摩擦力 F 0 (W f g ) 0.01 (12000 100) N 121N 導軌靜摩擦力 F0 F 0 121N 2.3 計算滾球絲杠螺母副的軸向負載力 1）由 [1] 式（ 2-10a ） 最大軸向負載力 Fa max F1 F (117

8、0 166.8) N 1136.8N 2）由 [1] 式（ 2-11a ） 最小軸向負載力 Fa min F 0 121N 2.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 1）確定滾珠絲杠的導程 L 電動機的最高轉(zhuǎn)速 nmax 2000r / min ，由 [1] 式（ 2-10 ）得 L0 vmax 10mm in max 2) 計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 （ 1）估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，將結(jié)果填入表 [2] 表 2 立式加工中心滾珠絲杠的計算

9、 （ 2）計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速 ni v1 0.6 r / min 60r / min n1 10 10 3 L0 v2 0.8 r / min 80r / min n2 10 10 3 L0 v3 1 r / min 100r / min n3 10 10 3 L0 v4 20 3 r / min 2000r / min n4 10 10 L0 （3）由 [

10、1] 式（ 2-17 ）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速 nm nm q1 n1 q2 n2 L qn nn 100 100 100 ( 10 60 30 80 50 100 10 2000) r / min 280r / min 100 100 100 100 （4）由 [1] 式（ 2-18 ）計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷 Fm 。 Fm3 F13 n1 q1 F23 n2 q2 LFn3 nn qn nm 10

11、0 nm 100 nm 100 3 1136.83 60 10 348.36 3 80 30 177.84 3 100 50 1213 2000 10 N 280 100 280 100 280 100 280 100 3 1136.83 0.021 348.363 0.086 177.843 0.179 1213 0.714N 332.5N 3）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷 Cam （1）由預定工作時間按 [1] 式（ 2

12、-15 ）計算。查 [1] 表(2-28) 得載荷性質(zhì)系數(shù) fw 1.3 。查[1] 表（2-29 ）滾珠絲杠的精度等級為 2 級，取精度系數(shù) fa 1 ，查表 [1] （2-30 ），一般情況下可 靠性達 97%，取可靠性系數(shù) f c 0.44 ， C 3 Fm f w 60nmLh 100 f a fc am1 3 60 280 20000 332.5 1.3 N 6829.602N 100 1 0.44 （2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預緊，所以可按 [1] 式（ 2-21 ）估

13、算最大軸向載荷。查表（2-31 ）得預加載荷系數(shù) f e 4.5 ，則 Cam2 f eFa max 4.5 1136.8 N 5115.6 N （3）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷 Cam 。 取以上兩種結(jié)果的最大值，即 Cam 6829.602 N 。 4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 d2m 。 （1）根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知工作臺的定位精度為 20 m ，重復定位精度為 8 m ，根據(jù) [1] 式（2-23 ）、（ 2-24

14、 ）以及定 位精度和重復定位精度的要求，得 max1 (1 : 1) 8 m (2.67 : 4) m 3 2 max 2 ( 1 : 1) 20 m (4 : 5) m 5 4 取上述計算結(jié)果的最小值，即 max 2.67 m 。 （2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 d2 m 。 本機床工作臺（ X 軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定方式，一端的游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為 L

15、行程 安全行程 +2 余程 螺母長度 支承長度 (1.2 : 1.4)行程 （25 : 30） L 。 取 L 1.4 行程 30L0 (1.4 600 30 10) mm 1140mm 又 F0 Fu 0 121N ，由 [1] 式（ 2-25）得 d2m 0.078 F0 L 0.078 121 1140mm 17.66mm max 2.67 5）初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)計算所得的 L0 、 Cam 、 d2m ，由 [1] A-3 選型號為 FFZD4010-3 的滾

16、珠絲杠螺母副 ,其公稱直徑 d0 、基本導程 L0 、額定動載荷 C a 和絲杠底徑 d2 如下： d0 40mm, L0 10mm Ca 30kN Cam d2 34.3mm d2m 故滿足要求。 6）確定滾珠絲杠螺母副的預緊力 Fp 由[1](2-29) 得 Fp 1 Fa max 1 1136.8 378.93 N 3 3 7）確定滾珠絲杠螺母副支撐用軸承的規(guī)格型號 ⑴由公式計算軸承所承受的最大軸向載荷 FBmax 。 FBmax Famax 1136.

17、8N ⑵計算軸承的預緊力 FB p 。 FBp  1 FBmax 3  378.93 N ⑶計算軸承的當量軸向載荷 FBam 。 FBam FBp Fm 378.93 332.5 711.43 N ⑷由 [1] 式 (2-15) 計算軸承的基本額定動載荷 C 。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當量轉(zhuǎn)速 nm 相同 n nm 280r / min ，軸承所承受的當 量軸向載荷 FBa FBam 711.43N ，軸承的基本額定壽命 Lh 20000h 。 軸承的

18、徑向載荷 Fr 和 軸向載荷 Fa 分別為 Fr FBam cos60o 355.725N F F Bam sin60 o 616.12N a 因為 Fa 1.732 2.17 ，所以查 [1] 表(2-25) 得，徑向系數(shù) X=1.9 ，軸向系數(shù) Y=0.54 ，故 Fr p XFt YFa (1.9 355.725 0.54 616.12) N 1008.58 N C P 3 60nLh 1008.58 3 60 2

19、80 20000 N 7011.71N 100 100 ⑸確定軸承的規(guī)格型號。查 [1] 附表（ A-2 ） 因為滾珠絲杠采用一端固定， 一端游動支承方式， 所以將在固定端選用 60角接 觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力，由于滾珠絲杠螺紋底徑 d2 34.3mm ，所以選取軸承 內(nèi)徑 d 30mm，以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)需要。查《手冊》取型號為 760206TNI/P4DFA ，尺寸（內(nèi)徑 外 徑 寬 度 ） 為 30mm 62mm 16mm 的 角 接 觸 球 軸 承 選 用脂 潤滑 ，該 軸承 的負 載能 力

20、 FBP 1450 FBP 378.93 N 。在油脂潤滑狀態(tài)下的相對轉(zhuǎn)速為 2200 r min nmax 2000 r min ， 故滿足要求。軸承的額定動載荷 C 26000n C7011.71N 故滿足要求 三、工作臺部件的裝配圖設計 圖 1 、工作臺 (X 軸 ) 部件裝配圖

21、 圖 2 、工作臺零件圖、 圖 3 立式加工中心工作臺計算簡圖 四、滾珠絲杠螺母副林解壓縮在和 Fc 的校驗 4.1 滾珠絲杠螺母副林解壓縮在和 Fc 的校驗 由工作臺計算簡圖，滾珠絲杠螺母副的最大受力長度L1 766mm 。絲杠桿水平安裝時， k1 1 ，查表 2-44，取 k 2

22、 2 由式 2-35 得 3 d2 4 Fc k1k 2 2 157263.41N L1 求工作臺滾珠絲杠最大軸向壓縮載荷為Fmax 1136.8N 遠小于臨界載荷 Fc 的值，故滿足 要求 4.2. 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速 nc 的校驗 由圖 3 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速計算長度 L2 780mm 其彈性模量 E 2.1 105 MP 已知 a 材料密度 1 7.8 10 5 N mm3 重力加速度 g 10

23、 103 mm s2 。安全系數(shù) k1 0.8 ，由表取 g 3.927 滾珠絲杠的最小慣性矩為 4 3.14 4 4 I 64 d2 64 34.3 67909mm 滾珠絲杠最小截面積 A 4 d2 2 923.54mm2 由 公 式 2-26 得 60 2 EI 60 3.9272 2.1 10567909 9.8 10 3 nc k1 2 L2 A 0.8 2 3.14 7

24、802 7.8 10 5 923.54 8533r min 工作臺滾珠絲杠額定動載荷 Ca 30000 N ，軸向載荷 =1136.8N 運轉(zhuǎn)條件函數(shù) fw 1.2 ， 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速 n 2000 r min 根據(jù)公式 2-37 或 2-38 得 Ca 3 L L 106 10.64 109 r Lh 88667h Fa fw 60n 一般來講在設計數(shù)控機床時，應保證滾珠絲杠

25、螺母副的總工作壽命 Lh 2000h 故滿足要 求 五、機械傳動系統(tǒng)剛度計算 5.1. 機械傳動系統(tǒng)的剛度計算 (1) 計算滾珠絲杠的拉壓剛度 k s 本機創(chuàng)工作臺支撐方式為一端固定一端游動， 由圖 3 可知，滾珠絲杠的螺母中心至固定端 支 撐 中 心 距 離 a LY 時 ， 滾 珠 絲 杠 具 有 最 小 拉 壓 剛 度 kSmin ， 有 公 式 2-43a 得 d2 2 E k Smin 253.42 N m 當 a LJ 166mm 時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度 4LY

26、 k Sm ax 由公式 2-43b 得 k Smax 1162.59 N m (2) 計算滾珠絲杠支撐的剛度 k b 已知軸承接觸角  60。，滾動體直徑  d  - 7.144mm ，滾動體個數(shù)  Z=17，軸承的最大軸向 工作載荷  FBmax   由表  2-45 和表  2-46  得： k b  2 2.34  3 dQ Z 2 FBmax sin 5  496.04 N 

27、m (3) 計算滾珠絲杠與軌道的接觸剛度 k c 查附表 A-3 得滾珠絲杠的剛度 k=973 N m .額定動載荷 Ca 30000 N ，滾珠絲杠上所承受 最大軸向載荷 Famax 1136.8N ，由公式 2-46b 得 1 3 k c k Famax 704.1N m 0.1Ca （4）計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度 k 由 公 式 2-47a 傳動系統(tǒng)綜合拉壓剛度最大值為 1 1 1 1 0.0043 即 k max

28、ksmax ks k c k max 231N m 故 k min 135.46 N m 5.2.滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算 由圖 1 知扭矩作用點之間的距離 L2 1048mm ，剪切模量 G=8.1 104 M pa 滾珠絲杠底徑 d2 34.3mm 故由公式 2-48 得 d2 4G k 10497.35 N m rad 32L2 六、驅(qū)動電機的造型與計算 6.1．計算折算到電動機軸上的負載慣量 （1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 Jr

29、 已知滾珠絲杠的密度 7.8 10-3 kg cm3 故由公式得 n J r 0.78 10-3 D 4 j Lj 18.84kg cm 2 j 1 （2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 J0 J0 0.78 10-3 D 4 - d4 L 7.39 kg cm2 （3）由公式 2-65 計算折算到電動機軸上的移動部件轉(zhuǎn)動慣量 Jd 2 Jd m L 30.43kg cm2 2 (4)由公式 2-66 計算加在電動機軸上總的負載轉(zhuǎn)動慣

30、量 Jd Jr J0 J L 56.66 kg cm2 6.2 計算這算電動機軸上的負載力矩 （ 1）由公式 2-54 計算怯薛負載力矩 Tc 切削狀態(tài)下坐標軸的軸向負載力 Fa Famax 1136.8N 電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸 向移動距離 L 10mm 0.01mm ，緊急給傳動系統(tǒng)總效率 0.90 Fa L 2.01N m 則 Tc 2 （2）由 [1] 式（ 2-55 ）計算摩擦負載力矩 F 0 L 121 0.01 g ，故 T

31、f 2 3.14 0.9 0.21N m 2 F 0 L 121 0.01 T 2 3.14 0.21ngm 2 0.9 （3）由 [1] 式（ 2-56）計算由滾珠絲杠的預緊力而產(chǎn)生的附加負載力矩 Tf 滾珠絲杠螺母副 的預緊力 Fp 372.2 N ,滾珠絲杠螺母副的基本導程 L1 10 mm 0.01m 滾珠絲杠螺母副效率 0 0.94 ，則 Tf F 0L (1 0 ) 2 0.08N gm 2 6.

32、3 計算機坐標軸折算到電動機軸上各種所需的力矩 （1）由 [1] 式（ 2-58）計算線性加速力矩 T a1 已知機床執(zhí)行部件以最快速度運行時， 電動機最高轉(zhuǎn)速為 nmax 2000 r min ，電動機的轉(zhuǎn)動慣 量為 Jm 62kg ? cm2 。坐標軸負載慣量 J d 56.66kg ? cm2 ，進給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益 K s 20 HZ ，則加速時間 ta 3 0,15s 。 K s 故： T a 2 nmax ( Jm )(1 ksta) =15.73Nm 60 980ta

33、 J d e （2）由 [1] 式（ 2-59）計算階躍加速力矩 1 1 0.05s 加速時間 ts K s20 2 nmax 故 T a 60 980ta ( J m Jd ) 49.69Nm （3）計算坐標軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩 ①由 [1] 式（ 2-61）計算線性加速度時的空載啟動力矩 T q Ta1 T T f 15.73 0.21 0.08 16.02Nm ②

34、由 [1] 式（ 2-61）計算階躍加速度時的空載啟動力矩 T q T ap T T f 49.69 0.21 0.08 49.98Nm ③由 [1] 式（ 2-57a）計算空載時的加速力矩 T kg T T f 0.21 0.08 0.29Nm ④由 [1] 式（ 2-57）計算切削是工進力矩 TGJ T c T f 2.01 0.08 2.09Nm 6.4 選擇驅(qū)動電動機的型號 （1）選擇驅(qū)動電動機的型號 根據(jù)以上計算和 [1] 式（ 2-4），選擇 FANUC 12

35、 系列交流伺服電動機。主要技術參數(shù)： 3000i 額定功率 3Kw 。 額定力矩 12Nm。最高轉(zhuǎn)速 3000 r 。 .轉(zhuǎn)動慣量 62Kg 2 質(zhì)量 min m ,18Kg. 交流伺服電機的加速度力矩一般為額定功率的 5---10 倍，按 5 倍計算，該電動機的加速度力 矩 60Nm。均大于本工作臺線性加速的時的啟動力矩或階躍加速度時空載啟動力矩。所以，不管采用何種加工方式，本電動機均滿足加速力矩要求。 （2）滾兩匹配演算 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，應滿足（2-67

36、） 0.25 J d 1 J m 而本題中 0.25 J d 56.66 1，故滿足慣性匹配要求。 J m 62 七、機械傳動系統(tǒng)動態(tài)分析 7.1. 計算絲杠 - 工作臺縱向傳動系統(tǒng)的最低固有頻率  nc 已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度 k 0 k min 135 106 N m 滾珠絲杠螺母副和機床 1 執(zhí)行部件的等效質(zhì)量 md m m s 其中 m m s 分別為機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺 3 母副質(zhì)量， i 和 m=1200kg 1 m s

37、1203.61kg 則： m s 4 42 110.5 7.5 10-3 10.831g md m 3 nc k 0 334.91rad s md 7.2. 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率nt Js Jr J 0 0.0027kg m 2 又，絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 k s k10497.35 N m rad 由以上計算可知，絲杠 - 工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 nc 334.9 rad s 扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率 nt 197

38、2 rad s 都比較高，一般按 n 300 rad s 的要求來設計機械傳動系統(tǒng)剛度 故滿足要求 八、機械傳動系統(tǒng)的誤差計算分析 8.1. 計算機械傳動系統(tǒng)的反響壓死 已知進給傳動系統(tǒng)拉壓剛度 k min 135 10 6 N m 主軸靜摩擦為 F0 121N 由公式 2-52 得 2 2F0 10 3 1.79 10-3 mm 即 1.79 m 2.67 m 故滿足要求 k min 8.2. 計算機械傳動系

39、統(tǒng)綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 k m ax 由公式 2-53 得 1 1 10 3 0.37 10 3 mm 即 k max F0 kmin kmax k max 0.37 4 m 故滿足要求 8.3. 計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 （1）由公式 2-49 計算由扭矩引起的滾珠絲杠傳動副的變形量 。負載力矩 T Tkj 0.29N m

40、290 N mm 。 由 圖 3 得扭矩作用點之間的距離 ep 0.8 （定位精度 kmax ） 15.4 m ，絲杠底徑 d2 34.3mm 則 7.21 10 2 TL2 0.016o d2 4 2）由該扭轉(zhuǎn)變形量 引起的軸向移動滯后量 δ將影響工作臺的定位精度。由 [1] 式(2-50)得 L0 360 0.0004mm 0.4 m 九.確定滾珠絲杠螺母副的

41、精度等級和規(guī)格型號 9.1 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級 本機床工作臺采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)， V300P 、 ep , 應滿足 ep 15 m 15.5 m ep 0.8 （定位精度 kmax ） 15.4 m 查[1] 表(2-20) 滾珠絲杠螺母副采用的精度等級為 2 級 V300P 8 m 15.5 查[1] 表（ 2-21） 當螺紋長度為為 850mm時， ep 15 m 15.5 m ，固滿足設計要求。 9.2 確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 查[1] 表（A-3 ）選取規(guī)格型號為 FFZD4010-3的滾珠絲杠螺母副，其公稱直徑與導程： 40mm,10mm; 螺紋長度： 850mm;絲杠長度： 1105mm;類型與具體精度： P 級， 2 級精度。 十、主要參考文獻： [1] . 范超毅 . 數(shù)控技術課程設計 . 武漢 : 華中科技大學出版社 , 2007.5 [2]. 范云漲 . 數(shù)控編程設計簡明手冊 . 北京 : 機械工業(yè)出版社 ,1994.7