課程設(shè)計題目 立式數(shù)控銑床工作臺（X）軸設(shè)計 學(xué) 院機(jī)械自動化學(xué)院專 業(yè)機(jī)電一體化專業(yè)學(xué) 號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師日 期2011年1月目 錄1 緒論.3 1.1 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn).3 1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展.4 1.3 X、Y工作臺的設(shè)計.4 2 總體設(shè)計.5 2.1 本課題的技術(shù)要求.5 2.2 總體方案設(shè)計.52.3 系統(tǒng)組成方案.53 設(shè)計計算.7 3.1 主切屑力及其切屑分力計算 .7 3.1.1 計算主切屑力.73.1.2 計算各切削分力.73.2 導(dǎo)軌摩擦力的計算.73.2.1 切削狀態(tài)下導(dǎo)軌摩擦力.73.2.2 不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力.83.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力.8 3.3.1計算最大軸向負(fù)載力.8 3.3.2計算最小軸向負(fù)載力.83.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算.83.4.1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程.83.4.2計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷.83.4.3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定載荷.93.4.4按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小的最小螺紋底徑.103.4.5初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號.113.4.6由式2-29確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力.113.4.7計算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)拉伸力.113.4.8確定滾珠絲杠螺母副支撐用軸承的規(guī)格型號.114 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗.134.1 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗.134.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗.134.3 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗.135 計算機(jī)械傳動的剛度.145.1 機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度計算.145.2 滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度計算.156 驅(qū)動電動機(jī)的選擇與計算.166.1 計算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載慣量.166.2 計算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩.166.3 計算坐標(biāo)軸折算到電動機(jī)軸上的各種所需力矩.177 機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析.187.1 計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率.187.2 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率.188 機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差與分析.198.1 計算機(jī)械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū).198.2 計算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差.198.3 計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差.199 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格代號.20參考文獻(xiàn).21致謝.221 緒論 1.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) （1）具有高度柔性 在數(shù)控機(jī)床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機(jī)床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機(jī)床。因此機(jī)床適用于零件頻繁更換的場合。也就是適合單間、小批生產(chǎn)及新產(chǎn)品的開發(fā)，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，節(jié)省了大量工藝設(shè)備的費(fèi)用。 （2）加工精度高 數(shù)控機(jī)床的加工精度，一般可達(dá)到0.005 .1mm，數(shù)控機(jī)床是按數(shù)字信號形式控制的，數(shù)控裝置沒輸出一個脈沖信號，則機(jī)床移動部件移動一個脈沖信號，而且機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償，因此，數(shù)控機(jī)床的定位精度比較高。 （3）加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠 加工同一批零件，在同一個機(jī)床，在相同加工條件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀軌跡完全相同，零件的一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定。（4）生產(chǎn)效率高 數(shù)控機(jī)床可有效減少零件的加工時間和輔助時間，數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量的范圍大，允許機(jī)床進(jìn)行大切屑量的強(qiáng)力切屑，數(shù)控機(jī)床目前正進(jìn)入高速加工時代，數(shù)控機(jī)床移動部件的快速移動和定位及高速切屑加工，減少了半成品的工序間周轉(zhuǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。 （5）改善勞動條件 數(shù)控機(jī)床加工前經(jīng)調(diào)整好后，輸入程序并啟動，機(jī)床就能自動連續(xù)的進(jìn)行加工，直至加工結(jié)束。操作者主要是程序的輸入、編輯、裝卸零件、刀具準(zhǔn)備、加工狀態(tài)的觀測，零件的檢驗等工作，勞動強(qiáng)度極大降低，機(jī)床操作者的勞動趨于智力型工作。另外，機(jī)床一般是封閉式加工，即清潔，又安全。 （6）利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化 數(shù)控機(jī)床的加工，可預(yù)先精確估計加工時間，所使用的刀具、夾具可進(jìn)行規(guī)范化、現(xiàn)代化管理。數(shù)控機(jī)床使用數(shù)字信號與標(biāo)準(zhǔn)代碼為控制信息，易于實現(xiàn)加工信息的標(biāo)準(zhǔn)化，目前已與計算機(jī)輔助設(shè)計與制造有機(jī)結(jié)合起來，是現(xiàn)代集成技術(shù)的基礎(chǔ)。1.2數(shù)控機(jī)床的發(fā)展數(shù)控加床總的發(fā)展趨勢是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。（1）工序集中 20世紀(jì)50年代末期，在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上開發(fā)了數(shù)控加工中心，即自備刀具庫的自動換刀數(shù)控機(jī)床。在加工中心機(jī)床上，工具一次裝夾后，機(jī)床的機(jī)械手可以自動更換刀具，連續(xù)的對工件進(jìn)行多種工序加工。（2）高速、高效、高精度 高效、高精度是機(jī)械加工的目標(biāo)，數(shù)控機(jī)床因其價格昂貴，在上述三方面的發(fā)展也就更為突出。（3）方便使用 數(shù)控機(jī)床制造廠把建立友好的人機(jī)界面、提高數(shù)控機(jī)床的可靠性作為提高競爭能力的主要方面1.3 X、Y工作臺的設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是微機(jī)控制技術(shù)的最簡單的應(yīng)用.它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,精度和可靠性進(jìn)一步得到提高. 2 總體設(shè)計2.1 本課題的技術(shù)要求工作臺、工件和夾具的總質(zhì)量m=918kg（所受的重力W=9000N），其中，工作臺的質(zhì)量=510kg（所受的重力W=5000N）；工作臺的最大行程L=600mm；工作臺的快速移動速度V=3000mm/min；工作臺采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)0.15，靜摩擦系數(shù)=0.2；工作臺的定位精度為20重復(fù)定位精度為10；機(jī)床的工作壽命為15000h。機(jī)床采用主軸伺服電機(jī)，額定功率P=5.5KW，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切屑，銑刀直徑D=16mm，主軸轉(zhuǎn)速n=380r/min,切屑狀況如表41所示。表2-1 數(shù)控銑床的切屑狀況切屑方式進(jìn)給速度/（m/min）時間比例/（%）備注強(qiáng)力切屑0.610主電動機(jī)滿功率條件下切屑一般切屑0.830粗加工精加工切屑150精加工快速進(jìn)給3010空載條件下工作臺快速進(jìn)給2.2 總體方案設(shè)計為滿足以上技術(shù)要求，采取一下技術(shù)方案。（1） 工作臺工作面尺寸（寬度X長度）確定為400mm1200mm。（2） 工作臺的導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動導(dǎo)軌凍面上貼聚四氟乙烯導(dǎo)軌板。同時采用斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，在背板上通過設(shè)計偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面上貼塑。（3） 對滾珠絲杠螺母副采用預(yù)緊措施，并對滾珠絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸。（4） 采用伺服電動機(jī)驅(qū)動。（5） 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機(jī)與滾珠絲杠直連。2.3 系統(tǒng)組成方案組成框圖、功能、機(jī)械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設(shè)計參數(shù)，及方案分析、比較、說明3 設(shè)計計算3.1 主切屑力及其切屑分力計算3.1.1 計算主切屑力F。 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑D=16mm）時， 主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動機(jī)的全部功率。此時，銑刀的切削速度為：若主傳動鏈的機(jī)械效率=0.8，主切削力：N3.1.2 計算各切削分力。 根據(jù)表2-1可得工作臺縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別3.2 導(dǎo)軌摩擦力的計算3.2.1 切削狀態(tài)下導(dǎo)軌摩擦力.導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)=0.15，查表2-3得鑲條緊固力，則 3.2.2 不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力. 3.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力3.3.1按式（2-10a）計算最大軸向負(fù)載力。 3.3.2按式（2-11a）計算最小軸向負(fù)載力。 3.4滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算3.4.1確定滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)已知條件，取電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則由式（2-16）得 3.4.2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 將強(qiáng)力切削時的軸向載荷定位最大軸向載荷，快速移動和鉆鏜定位時的軸向載荷定位最小軸向載荷。一般切削（粗加工）和精細(xì)切削（精加工）滾珠絲杠螺母副的軸向載荷、分別為可按下式計算：并將計算結(jié)果填入表3-2表3-2 數(shù)控銑床滾珠絲杠的計算切削方式軸向載荷/N進(jìn)給速度/(m/min)時間比例/(%)備注強(qiáng)力切削9943.750.610一般切削3563.750.830精細(xì)切削2012.19150移動和鉆鏜定位15753010（2） 計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速。(3) 按式（2-17）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 （4）按式（2-18）計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷。 3.4.3確定滾珠絲杠預(yù)期的額定載荷（1）按預(yù)緊工作時間估算。查表2-28得載荷性質(zhì)系數(shù)=1.3。已知初步選擇的滾珠絲杠的精度為2級，查表2-29得精度系數(shù)=1。查表2-30得可靠性系數(shù)=0.44，則由式2-19得（2）因?qū)L珠絲杠螺母副講實施預(yù)緊，所以可按式2-21估算最大軸向載荷。查表2-31得預(yù)加載荷系數(shù)=4.5，則（3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷。取以上倆種結(jié)果的最大值，即。3.4.4按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小的最小螺紋底徑。（1）根據(jù)定位精度和重復(fù)精度為，重復(fù)定位精度為，根據(jù)式2-23、2-24以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得取上述計算結(jié)果的較小值，即。（3） 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。本機(jī)床工作臺（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式采用兩端固定的方式。滾珠絲杠螺母副的兩個固定支撐之間的距離為取 又,由式2-26得 3.4.5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、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副FFZD5020-3,其：滿足式（2-27）的要求。3.4.6由式2-29確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力3.4.7計算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)拉伸力(1)按式2-31計算目標(biāo)行程補(bǔ)償值。已知溫度值，絲杠的線膨脹系數(shù),滾珠絲杠螺母副的有效行程 姑（2）按式2-32計算滾珠絲杠的預(yù)拉伸力 已知滾珠絲杠螺母副底徑，滾珠絲杠的溫升變化值，則3.4.8確定滾珠絲杠螺母副支撐用軸承的規(guī)格型號（1）按式2-33計算軸承所承受的最大軸向載荷。（2）計算軸承的預(yù)緊力。（3）計算軸承的當(dāng)量軸向載荷（4）按式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，軸承所承受的當(dāng)量軸向載荷，軸承的基本額定壽命L=15000h。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因為，所以查表2-25得，徑向系數(shù)X=1.9.軸向系數(shù)Y=0.54，故4 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗4.1滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗本工作臺的滾珠絲杠支持方式采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，絲杠始終受拉而不受壓。因此，不存在壓桿不穩(wěn)定問題。4.2滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗根據(jù)圖4-1可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度。已知彈性模量，材料密度，重力加速度，安全系數(shù)。由表2-44得。 滾珠絲杠的最小慣性矩為 滾珠絲杠的最小截面積為故可由式2-36得本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。4.3滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗滾珠絲杠螺母副的壽命，主要是指疲勞強(qiáng)度。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲杠在相同的條件下回轉(zhuǎn)時，其中90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速。查附錄A表A-3得滾珠絲杠額定動載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲杠的軸向載荷，滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)速，故由式2-37、2-38得一般來講，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床時，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總時間壽命，故不滿足要求。5 計算機(jī)械傳動的剛度5.1機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度計算（1）計算滾珠絲杠的拉壓剛度。本工作臺的絲杠支撐方式為兩端固定，有圖4-1可知，當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲杠兩支撐的中心位置（，）滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度，可按式2-45a計算：當(dāng)或時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，可按式（2-45b）計算：（2）計算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度。 已知軸承接觸角，滾動體直徑，滾動體個數(shù)Z=17，軸承的最大軸向工作載荷,由表2-45、2-46得： （3）計算滾珠與滾道的接觸剛度。 查附錄A表A-3得滾珠與滾道的接觸剛度,額定動載荷,滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷,故由式（2-46b）得（4）計算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K. 由式2-47a得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。由式2-47b得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。5.2滾珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度計算由圖4-1可知，扭矩作用點(diǎn)之間的距離。已知剪切模量，滾珠絲杠的底徑。由式（2-48）得6 驅(qū)動電動機(jī)的選擇與計算6.1計算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載慣量（1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量。 已知滾珠絲杠的密度，由式（2-63）得（2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量。 （3）計算折算到電動機(jī)軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量。 已知機(jī)床執(zhí)行部件的總質(zhì)量，電動機(jī)沒轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=1cm，則由式（2-65）得 （4）由式（2-66）計算加在電動機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。6.2計算折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩（1）計算切削負(fù)載力矩。 已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=10mm=0.01m，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的總效率，由式2-54得（2）計算摩擦力負(fù)載力矩. 已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，由式2-55得（3）計算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。 已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力,滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程，滾珠絲杠螺母副的效率，由式2-56得6.3計算坐標(biāo)軸折算到電動機(jī)軸上的各種所需力矩（1）計算線性加速度力矩。 已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動時電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益，加速時間，由式2-58得（2）計算階躍加速度力矩。 已知加速時間，由式2-59得（3）計算坐標(biāo)軸所需的折算到電動機(jī)軸上的各種力矩。 按式2-61計算線性加速時空載啟動力矩。 按式2-61計算階躍加速時空載啟動力矩。 按式2-57a計算快進(jìn)力矩。 按式2-57b計算工進(jìn)力矩.7 機(jī)械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析7.1計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，而滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量，則7.2計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為已知絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則由以上計算可知，絲杠工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率，扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。8機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差與分析8.1計算機(jī)械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進(jìn)給傳動系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度，導(dǎo)軌的靜摩擦力,則由式2-52得即，故滿足要求。8.2計算機(jī)械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由式（2-53）得，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）計算由快速進(jìn)給扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。 已知負(fù)載力矩，由圖4-1得扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，由式2-49得（2）由扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量d將影響工作臺的定位精度。由式2-50得9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格代號本機(jī)床工作臺采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，、應(yīng)滿足下列要求：滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為2級，查表2-20的；查表2-21得，當(dāng)螺紋長度為850mm時，故滿足設(shè)計要求。參考文獻(xiàn)1. 范超毅.數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計.M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.2. 陳紹廉.數(shù)控機(jī)床改造技術(shù). 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