中北大學課程設(shè)計說明書 0 目錄 . 1 術(shù)要求 . 1 體設(shè)計方案 . 1 . 1 切削力及其切削分力計算 . 1 軌摩擦力的計算 . 2 算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 . 2 珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 . 3 . 7 . 7 珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗 . 7 珠絲 桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗 . 7 珠絲桿螺母副額定壽命的校驗 . 8 . 8 械傳動系統(tǒng)的剛度計算 . 8 珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計算 . 9 . 9 算折算到電動機軸上的負載慣量。 . 9 算折算到電動機軸上的負載力矩 . 10 算坐標軸折算到電動機軸上的各種所需力矩 . 11 擇驅(qū)動電動機的型號 . 12 . 12 定滾珠絲杠螺母副的精度等級 . 12 珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 . 13 8. 課程設(shè)計總結(jié) . 13 . 13 中北大學課程設(shè)計說明書 1 術(shù)要求 工作臺、 工件和夾具的總質(zhì)量 m=918中，工作臺的質(zhì)量 510作臺的最大行程 00 作臺快速移動速度 18000mm/作臺采用貼塑導軌，導軌的動摩擦系數(shù)為 摩擦系數(shù)為 作臺的定位精度為 30 m，重復定位精度為 15 m；機床的工作壽命為 20000h（即工作時間為 10 年）。機床采用主軸伺服電動機，額定功率為 床采用端面銑刀進行強力切削，銑刀直徑 125軸轉(zhuǎn)速 310r/削狀況如下： 數(shù)控銑床的切削狀況 切削方式 進給速度 時間比例（ %） 備 注 強力切削 0 主電動機滿功率條件下切削 一般切削 0 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 體設(shè)計方案 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案： （ 1） 工作臺工作面尺寸（寬度×長度）確定為 4001200 （ 2） 工作臺導軌采用矩形導軌，在與之相配的動導軌滑動畫面上貼聚四氟乙烯導軌板。同時采用斜鑲條消除導軌導向面的間隙，在背板上通過設(shè)計偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導軌背面與背板的間隙，并在與工作臺導軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面 上貼膜。 （ 3） 對滾珠絲杠螺母副采用預緊，并對滾珠絲杠進行拉伸預。 （ 4） 采用伺服電動機驅(qū)動。 （ 5） 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲杠連接。 切削力及其切削分力計算 （ 1）計算主切削力 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉(zhuǎn)速下進行強力切削（銑刀直徑 D=125中北大學課程設(shè)計說明書 2 主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動機的全部功率，此時銑刀的切削速度為：（已知機床主電動機的額定功率軸計算轉(zhuǎn)速 n=310r/ 根據(jù)公式得刀具的切削速度為： 0 取機床的機械效率為： ，則由式得主切削力： z 10P 33 （ 2）計算各切削分力 工作臺的縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為 1 1 9 2 . 1 2 6 7 . 4 5 9 . 1 2 6 7 . 4 4 軌摩 擦力的計算 在切削狀態(tài)下坐標軸導軌摩擦力 （ 1） 根據(jù)式（ 2算在切削狀態(tài)下的導軌摩擦力F。此時導軌動摩擦系數(shù) ，查表 2鑲條緊固力 ,則 2 0 6 0 . 6 9 9 5 91 5 0 09 0 0 c （ 2） 按式（ 2算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力0F 1 2)f(）（ 算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 （ 1） 按式（ 2算最大軸向負載力 2 9) 6 28 6 7(1m a （ 2） 按式（ 2算最小軸向負載力 中北大學課程設(shè)計說明書 3 5 7 50m i 珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 1）確定滾珠絲杠的導程 根據(jù)已知條件取電動機的最高轉(zhuǎn)速 a x 得： 0 01 1 8 0 0 0m a xm a 算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 （ 1）各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷。 強力切削時的軸向載荷定為最大軸向載荷，快速移動和鉆鏜定位時的軸向載荷定為最小軸向載荷。一般切削（粗加工）和精細切削（精加工）時，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷分別可按下式計算： m i nm i a xm i n %5,%20 并將計算結(jié)果填入表 2 表 2 數(shù)控銑床滾珠絲杠的計算 切削方式 軸向載荷 /N 進給速度/(m/時間比例/(%) 備注 強力切削 v 10 一般切削（粗加工） v 30 m a xm 20 精細切削（精加工） 3v 50 m a xm 5 快移和鏜鉆加工 1575 10 （ 2）計算滾珠絲杠螺母副在各種 切削方式下的轉(zhuǎn)速 中北大學課程設(shè)計說明書 4 m 5 0 0m 01015m 00m 0101m 0m 0m （ 3）按式（ 2算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速 m i n/230m i n/)1500100101001005080100306010010(100100100 2211 （ 4）按式（ 2算滾珠絲杠螺母副的平均 載荷333332321131 3)確定滾珠絲杠預期的額定動載荷 （ 1）按預定工作時間估算。查表 2載荷性質(zhì)系數(shù) 知初步選擇的滾珠絲杠的精度等級為 2 級，查表 2精度系數(shù) 1，查表 2可靠性系數(shù) 由式（ 2 m m h 6 0 n L 1 0 0 f f 757200 0 0230603 （ 2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預緊，所以可按式（ 2算最大軸向載荷。查表 2 1 8 2 m a （ 3）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷 取以上兩種結(jié)果的最大值， 。 4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2中北大學課程設(shè)計說明書 5 （ 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 30 m ，重復定位精度為 15 m ，根據(jù)式（ 2式（ 2及定位精度和重復定位精度的要求，得 m a x 1 1=2 1（ ）3 15 m （ 510） m m a x 2 1 5 1（ ）430 m （ 6m 取上述計算結(jié)果的較小值，即 =5 m 。 （ 2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 2 本機床工作臺（ X 軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式。 滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為 L行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長度 +支承長度 （ 程 +（ 2530） 0L 取 L 程 +30 0L （ 600+30× 10） 1140 0F =1260N，由式（ 2 a 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 0L 、 2初步選擇 內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母式滾珠絲杠螺母副 本書附錄 其公稱直徑 0d 、基本導程 0L 、額定動載荷 絲杠直徑 2d 如下： 0d =40 0L =10mm 46500N d =2滿足式（ 2要求。 6）由式（ 2定滾珠絲杠螺母副的預緊力 p m a ）計算滾珠絲杠螺母副的目標行程補償值與預緊拉力 （ 1）按式（ 2算目標行程補償值 t 。 已知溫度變化值 t=2，絲杠的膨脹系數(shù) = 611 10 m /，滾珠絲杠螺母副的有效行程 中北大學課程設(shè)計說明書 6 工作臺行程 +安全行程 +2×余程 +螺母長度 （ 600+100+2× 20+146） 886 t 11 t 11× 2× 886× 2）按式（ 2算滾珠絲杠的預拉伸力 已知滾珠絲杠螺紋底徑 2d =珠絲杠的溫升變化值 t=2，則 22 1 . 8 1 t d 1 . 8 1 2 3 4 . 3 N 4 2 5 8 . 8 9 N 8）確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號 （ 1）按式（ 2算軸承所承受的最大軸向載荷 a m a a x （ 2）計算軸承的預緊力 m a x （ 3）計算軸承的當量軸向載荷 6 5 0 7F （ 4）按式（ 2算軸承的基本額定動載荷 C。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速 n= 230r/承所承受的當量軸向載荷 承的基本額定壽命 L=20000h。軸承的徑向載荷 軸向載荷 別為 3 6 460co s 0 8 6 460s B a 因為 3 2 8 8FF ，所以查表 2，徑向系數(shù) X=向系數(shù) Y= 0 8 3 C 33 h （ 5）確定軸承的規(guī)格型號。 因為滾珠絲杠螺母副擬采取預拉伸措施，所以選用 60°角接觸球軸承組背對背安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于滾珠絲杠的螺紋底徑 2d 為 以選擇軸承的內(nèi)徑 d 為 30滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 中北大學課程設(shè)計說明書 7 在滾珠絲杠的兩個固定端均選擇國產(chǎn) 60°角接觸球軸承兩件一組背對背安裝，組成滾珠絲杠的兩端固定支承方式。軸承的型號為 7603064寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為307219用脂潤滑。該軸承的預載荷能力 2900N，大于計算所得的軸承預緊力 在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 1900r/于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速2000r/滿足要求。該軸承的額定動載荷為 C=34500N，而該軸承在 20000h 工作總壽命下的基本額定動載荷 C=34395N，也滿足要求。 將以上計算結(jié)果用于工作臺部件的裝配圖設(shè)計。 珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗 工作臺的滾珠絲桿支承方式采用預拉伸結(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。 珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速 校驗 根據(jù)圖可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度 2L =知彈性模量E= N/ 3重力加速度 全系數(shù) 1K =表2 滾珠絲桿的最小慣性矩為 44442 22222 9 2 3 . 5 4107 . 8109 . 867909102 . 18 3 7 . 53 . 1 424 . 7 3600 . 821c r/北大學課程設(shè)計說明書 8 本工作臺滾珠絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為 1800r/遠小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。 珠絲桿螺母副額定壽命的校驗 滾珠絲桿螺母副的壽命，主要是指疲勞壽命。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轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速。 查附錄 A 表 滾珠絲桿額定動載荷 46500a 轉(zhuǎn)條件系數(shù) ，滾珠絲桿的動載荷 a ，滾珠 絲桿螺母副轉(zhuǎn)速 n= 2000r/即：（一般來講，在設(shè)計數(shù)控機床時，應該保證滾珠絲桿螺母副的總時間壽命 L ，姑滿足要求。 械傳動系統(tǒng)的剛度計算 (1)計算滾珠絲桿的拉壓剛度 本工作臺的絲杠支承方式為兩端固定，當滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置（ a=L/2， L=1075，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度算為： 2 . 3 1 N /m/1 0 7 5 2222s m i n 當 a= a=（即滾珠絲桿的螺母副中心位于行程的兩端位置時），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度 m/ 3 7 . 5 )-( 1 0 7 52 3 7 . 54 10753 4 . 3106 . 6)4 2m a x (2)計算滾珠絲杠螺母副支撐軸承的剛度 已知軸承的接觸角 ß=60動體個數(shù) Z=17,軸承的最大軸向中北大學課程設(shè)計說明書 9 工作載荷 表 2 2 K b = 4× 3 5m a x2 s = 4× 0s i 52 (3)計算滾珠與滾道的接觸剛度 查附錄 表得滾珠與滾道的接觸剛度 K=1585N/定動載荷 6500N，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷 由式（ 2 （ 1 =1585× (31 N/4) 計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉 壓剛度 K。 由式（ 2進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 4 9 11111m a xm a x m 由式（ 2進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 2 11111m i nm i n m 珠絲杠螺母副扭轉(zhuǎn)剛度的計算 由圖 4知，扭矩作用點之間的距離 945.5 知剪切模量 G= 滾珠絲杠的底徑 m。由式 （ 2 K =22432= m/ 算折算到電動機軸上的負載慣量 。 中北大學課程設(shè)計說明書 10 (1)計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)到慣量 已知滾珠絲杠的密度 =103 kg/由式 (2 : (2)計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 103 =103 (34 ) (3)折算到電動機軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量 計算 已知機床執(zhí)行部件（即工作臺、工件和夾具）的總質(zhì)量 m=918動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移 動的距離 L=1由式（ 2 222 3.)182 (4)加在電動機軸上總的負載轉(zhuǎn)動慣量 計算 2= 算折算到電動機軸上的負載力矩 (1)計算切削負載力矩 已知在切削狀態(tài)下坐標軸的軸向 負載力 動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離 L=10給傳動系統(tǒng)的總效率 =式（ 2 2 m (2)計算摩擦負載力矩 T。 已知在不切削狀態(tài)下坐標軸的軸向負載力（即為空載時的導軌摩擦力） 1575N，由式（ 2 T=20 N m=m (3)計算由滾珠絲杠得預緊而產(chǎn)生的附加負載力矩 已知滾珠絲杠螺母副的預緊力 珠絲杠螺母副的基本導程 10北大學課程設(shè)計說明書 11 滾珠絲杠螺母副的效率 0 =式（ 2 p .) 612 2200 算坐標軸折算到電動機軸上的各種所需力矩 （ 1）計算線性加速度力矩 已知機床執(zhí)行部件以最快速度運動時電動機的最高轉(zhuǎn)速 800r/動機的轉(zhuǎn)動慣量 2坐標軸的負載慣量 進給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益0 加速時間 203 s=式（ 2 g g as 1()a （ 2） 計算階躍加速力 矩。 已知加速時間 ，由式（ 2 g g 0 m a x（ 3） 計算坐標軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩。 1)按式 (2算線性加速時空載啟動力矩(1 2)按式 (2算線性加速時空載啟動力矩 ( 3)按式 (2算快進力矩 中北大學課程設(shè)計說明書 12 ( 4)按式 (2算工進力矩( 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)以上計算和表 2擇日本 司生產(chǎn)的 000i 型交流伺服電機為驅(qū)動電機。主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率， 3高轉(zhuǎn)速 ,3000r/定力矩， 動慣量， 質(zhì)量 ,18 交流伺服電動機的加速力矩一般為額定力矩的 510 倍。若按 5 倍計算，則該電動機的加速力矩為 大于本機床工作臺的線性加速時所需的空載啟動力矩 及階躍加速時所需的空載啟動力矩 ，因此，不管采用何種加速方式，本電動機均滿足加速力矩要求。 該電動機的額定力矩為 大于本機床 工作臺快進時所需的驅(qū)動力矩以及工進時所需的驅(qū)動力矩 ，因此，不管是快進還是工進，本電動機均滿足驅(qū)動力矩要求。 (2)慣量匹配驗算。 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量 伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量 比一般應滿足式 (2即 1,滿足慣量匹配要求。 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)系統(tǒng)， 中北大學課程設(shè)計說明書 13 30(m a xk m a 定位精度定位精度 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為二級，查表 2 ，查表 2螺紋長度為 850， 故滿足設(shè)計要求。 珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為 239 850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導程： 400紋長度 :850杠長度 :1239型與精度 :P 類， 2 級精度。 在這次的課程設(shè)計中，學到了一些除技能以外的其他東西，領(lǐng)略到了別人在處理問題時顯示出的優(yōu)秀品質(zhì)，更深切的體會到人與人之間的那種相互協(xié)調(diào)合作的機制，最重要的還是自己對一些問題的看法產(chǎn)生了良性的變化，尤其是在互相的 合作中。 課程設(shè)計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設(shè)計使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學習的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 1 范超毅 武漢：華中科技大學出版社， 2006 2 王愛玲 北京：高等教育出版社， 2006