數控車床縱向進給系統設計,數控車床,縱向,進給,系統,設計 數控車床縱向進給系統設計 目 錄 第1章 概述…………………………………………………………1 1.1 設計目的……………………………………………………1 1.2 進給系統概述……………………………………………………1 第2章 運動設計……………………………………………………2 2.1 傳動方案擬定……………………………………………………2 2.2 絲杠螺母副的選擇與計算…………………………………………2 2.2.1 絲杠螺母副的選擇……………………………………………………2 2.2.2 絲杠螺母副的計算……………………………………………………3 2.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗算……………………………………………4 第3章 動力計算……………………………………………………8 3.1 電動機的驗算……………………………………………………8 3.2 齒輪的計算…………………………………………………………10 3.3 軸的設計……………………………………………………………13 總結……………………………………………………………………………19 參考文獻………………………………………………………………………20 第1章 概述 1.1. 設計目的 機床課程設計是在金屬切削機床之后進行的實踐性環(huán)節(jié)，其目的在于通過機床進給運動機械變速傳動系統的結構設計，使學生在擬定傳動和變速的結構方案過程中，得到結構構思、方案分析、結構工藝性、機械制圖、零件設計、編寫技術文件和查閱技術資料的等方面的綜合訓練，樹立正確的設計思想，掌握基本的設計方法，并培養(yǎng)學生具有初步的結構分析、結構設計與計算能力。 1.2. 進給系統概述 進給系統的特點是速度低、消耗功率少、受力小，而速度越低越易出現爬行現象，而一般的搗鬼 由于受摩擦力下降特性的影響，很難滿足高精度的要求，特別是對于數控而言更不能適應精度要求。而滾珠絲杠副基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，切摩擦阻力的大小幾乎與運動速度完全無關，這樣就有效的保證了運動的平穩(wěn)性，克服了爬行現象的產生。而且滾珠絲杠摩擦損失小，傳動效率高，運動靈敏、低速時無爬行現象、軸向剛度高、壽命長、維護簡單且具有傳動可逆性并反向精度高等優(yōu)點故而選用滾珠絲杠螺母副傳動。 第2章 運動設計 2.1. 傳動方案擬定 2.1.1. 總體傳動框圖如下圖： 電機 消隙齒輪箱 滾珠絲杠螺母副 工作臺 2.1.2. 具體的分析過程： 因設計要求系統為開環(huán)系統從而使系統簡化，若直接將電機與滾珠絲杠聯必會引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一是使絲杠速度降低，而則是消除系統傳動中的間隙，提高傳動精度，并有效減少反向運動死區(qū)現象，消息齒輪箱與絲杠可采用聯軸器形式連接，這樣便確定了如上圖所示的傳動方案。 2.2. 絲杠螺母副的選擇與計算 2.2.1. 絲杠螺母副的選擇 1. 內循環(huán)與外循環(huán)的選用說明 外循環(huán)滾珠絲杠是利用擋珠器一端修磨的圓環(huán)引導滾珠離開旋滾道進入回珠槽，以及引導滾珠由回珠槽，返回螺旋滾道，因管道突出與螺母外面，徑向尺寸較大。內循環(huán)滾珠絲杠是借助反向器迫使?jié)L珠絲杠翻越絲杠的齒頂進入相鄰滾道，內循環(huán)是因回路短、工作滾珠數少，流暢性好，摩擦損失少，傳動效率高，徑向尺寸緊湊，軸向剛度好，承載能力強等優(yōu)點，故而采用內循環(huán)滾珠絲杠。（制造有些困難） 2. 滾珠絲杠的軸向間隙調整和預緊方法 滾珠絲杠的軸向間隙的調整和預緊方法的原理預普通絲杠螺母相同，但滾珠絲杠螺母機構間隙調整精度要求高，要求能作微調以獲準確的間隙或預緊量。常用的方法有三種：墊片調隙式，螺紋調隙式，齒差調隙式，墊片調隙式常需墊片反復修磨，工作中不能隨時調整，螺紋調隙式調整量難以精確控制。齒差調隙式精度可靠，多用于調整準確性要求較高的場合，故而采用齒差調隙式調隙機構。 3. 滾珠絲杠的安裝 實踐表明：螺母座，絲杠的軸承及其支架等不足會嚴重的影響滾珠絲杠副的傳動剛度。為了提高軸向剛度，一般常用止推軸承。滾珠絲杠的支撐方式有一下四種：a.一端裝止推軸承型；這種支撐方式僅適用于絲杠行程較短，它的支撐能力較小，軸向剛度較低。b.一端裝止推軸承，一端裝向心軸承，其目的是為了減少絲杠熱變形的影響，因數控機床常常姚連續(xù)工作數小時，絲杠的熱變形必須予以重視。c.兩端裝止推軸承，這種支撐對絲杠的熱伸長較為敏感。d.兩端裝止推及向心軸承，此種支撐雖使?jié)L珠絲杠有最大的剛度，但設計計算較為復雜且軸向尺寸大，且結構復雜，故而采用b支撐的安裝方式，即一端裝止推軸承，一端裝向心軸承。 2.2.2. 絲杠螺母副的計算 參照《機床數控技術》P118頁的設計過程進行計算： 1. 滾珠絲杠螺母副承受軸向載荷時，在滾珠與滾道型面產生接觸應力，但對一點來說，若應力狀態(tài)是交變接觸應力，它的工作狀態(tài)與滾動軸承類似，所以它的主要實效形式是疲勞點蝕損傷和變形，故其設計方法與滾動軸承相類似，故按疲勞壽命的選擇計算： 步進角 絲杠導程 脈沖當量 有公式： 載荷系數 軸向工作載荷 使用壽命 計算動載荷（） 硬度影響系數 上式中各參數的確定： （1）：根據《數控機床系統設計》P110表5-2，一般＝1.2～1.5，取 ＝1.2 （2）：根據《數控機床系統設計》P110表5-1，滾珠絲杠的材料取，硬度可處理到HRC60左右，則＝1.0 （3）：軸向工作載荷的計參照《金屬切削機床》下冊計算工作載荷。 (4) T: 將各參數帶入公式有： 由上式中所計算的結果，從滾珠絲杠產品樣本中找出相應的額定動載荷值，使。參照《機床設計手冊》P498選取絲杠螺母副，有NCh4506 型：查產品目錄，得＝2390，使，然后由值確定滾珠絲杠型號。 2.2.3. 滾珠絲杠螺母副的驗算 1. 剛度計算： 數控機床得滾珠絲杠是最精密得元件，它在軸向力的作用下產生伸長和縮短，在扭矩的作用下產生扭曲變形這將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響結構精度和定位精度，因此滾珠絲杠在受力情況下的變形量： 由公式 螺距變形總誤差 工作載荷 彈性模量 絲杠的內徑面積 扭矩彈性模量 滾珠絲杠截面積的慣性距 上式中各參數的確定： ： ： ： ： ： 將各參數代入后得： 對于數控機床而言，根據《機床設計手冊》P461頁可知，絲杠精度和表面光潔度選取為J級精度 則，故絲杠可用。 2. 穩(wěn)定性驗算： 根據材料力學歐拉公式： ：絲杠材料的彈性模量取 ：絲杠的工作長度 ： ：絲杠軸端系數，由軸承條件決定，由于絲杠安裝方式為一端推力軸承，一端為自由的，則 將上面的參數代入公式： 故可以用。 3. 絲杠系統的剛度計算： ：絲杠傳動的綜合拉壓剛度 ：軸承剛度 ：絲杠拉壓剛度 ：軸的接觸剛度 由于絲杠的拉壓剛度特別大，故可以不考慮由與傳動剛度變化而引起的定位誤差 + 初選推力球軸承8206，參數如下表： 軸承型號 （） () （） 8206 2200 4410 14 7.938 30 96 則： 4. 反向死區(qū)的驗算： 死區(qū)誤差，是指的是系統啟動和反向時產生的輸入運動與輸出運動之間的差值，在開環(huán)系統中，由于啟動和反向死區(qū)誤差的存在，影響刀具與工件定位精度，對于反向死區(qū)可采用消隙措施減小，消隙后，根據《數控機床系統設計》P141頁： ：導軌摩擦系數 ：系數980 ：機械傳動裝置固有頻率 ，故可用。 絲杠直徑的確定： 死區(qū)誤差： 再一次說明絲杠所取的直徑可用。 第3章 動力計算 3.1. 電動機的驗算 1. 伺服電動機為100BF003型脈沖步進電機，加在電機軸上的負載有兩種，分別為負荷轉矩與負載慣量，即就是要使電機合適，就要達到兩種負載的匹配。 2. 轉動慣量的計算 （1） 齒輪的轉動慣量 ：齒輪寬度 ：分度圓直徑見齒輪設計 （2） 絲杠的轉動慣量 ：絲杠長度 ：絲杠直徑 （3） 工作臺折算到絲杠上的轉動慣量 ：絲杠螺距 ：工作臺及刀架重量 ：機械傳動及負載轉換到馬達上的轉動慣量 ：降速比取1.25 故滿足要求。 3. 電機負載力矩的計算 ：最大切削負載所需力矩 ：折算加速力矩 ：折算到電機軸上的摩擦力矩 ：由絲杠預緊力引起的折算到電機軸上的附加力矩 ：折算到電機軸上的切削負載力矩 （對于數控機床而言，因為動態(tài)性能要求較高，所以驅動力矩主要使用來產生加速的，而負載力矩點的比重很小，一般為電機力矩的10%～30%,所以可忽略不計） 則： T：加速時間段25s ：導軌摩擦力 ：絲杠預加載荷 =1/3=53.3 ：傳動鏈總效率 =0.8 故滿足要求,可得出結論，電機可用。 3.2. 齒輪的計算 消隙齒輪結構簡圖如下： 1. 選定齒輪、精度等級、材料及齒數 1) 按圖所示的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。 2) 速度不高，故選用7級精度（GB10095-88） 3) 材料選擇，由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr（調質處理），硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼（調質處理），硬度為240HBS，兩者材料硬度之差為40HBS 4) 選小齒輪齒數 2. 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式（10-9a）進行試算，即 3. 確定公式內各計算數值 1) 試選載荷系數 2) 計算小齒輪傳遞的轉矩 3) 由表10-7選取齒寬系數 （取0.7～1.5） 4) 由表10-6查得材料的彈性影響系數 5) 由圖10-21d，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 6) 由式10-13計算應力循環(huán)次數 7) 由圖10-19查得接觸疲勞壽命系數 8) 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為1％，安全系數S＝1，由式子10-12得 4. 計算 1) 試算小齒輪分度圓直徑 2) 計算圓周速度 3) 計算齒寬b 4) 計算齒高與齒高之比b/h 5) 計算載荷系數 根據＝1.780，7級精度，由圖10-8查得動載荷系數直齒輪，假設 由表10-3查得 由表10-2查得使用系數 由表10-4查得7級精度，小齒輪對支撐非對稱布置時 =1.12+0.18(1+0.6 =1.12+0.18(1+0.61) =1.416 由b/h=10.66.,查圖10—13得，故載荷系數K= 6) 按實際得載荷系數校正所計算得的分度圓直徑，由式10—10a得 7) 計算模數m M=/ 5. 按齒根彎曲強度設計： 由式10－5得彎曲強度得設計公式為 m 1) 確定公式內各計算數值 a) 由圖10－20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 b) 由圖10－18查得彎曲疲勞壽命系數 c) 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數S=1.4, 由10－12得 d) 計算載荷系數K K＝ e) 查取齒形系數，由表10－5查得, f) 查取應力校正系數由表10－5查得, g) 計算大小齒輪的 大齒輪的極值大 2）設計計算 m =1.01 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒面彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算的模數1.01并就近圓整為標準值m＝2.5，按接觸強度算的分度圓直徑 算出小齒輪齒數,大齒輪齒數，這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到了結構緊湊，避免浪費。 6. 幾何尺寸計算： 1）計算分度圓直徑 2）計算中心距 a＝ 3）計算齒輪寬度 取 · 驗算： 可見合適。 7. 結構設計及繪制齒輪零件圖（見圖紙） 3.3 軸的設計 3.3.1 主動軸的設計 1. 初步確定軸的最小直徑 按《機械設計》式15-2初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理。根據表15-3，取于是得： 軸的最小直徑顯然式安裝聯軸器處軸的直徑，與聯軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯軸器型號。 聯軸器的計算轉矩,查表14-1，考慮到轉矩變化中等，故取=1.9,則： 按照計算轉矩應小于聯軸器公稱轉矩的條件，查標準GB/T5014-1985或手冊，選用HL2型彈性柱銷聯軸器，其公稱轉矩為315，半聯軸其的孔徑故取，半聯軸器的長度為52，半聯軸器與軸配合的轂孔長度 2. 軸的結構設計 1) 擬定軸上零件的裝配方案，如下圖： 2) 根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 i. 為了滿足半聯軸器軸向定位要求，第一段軸段右端需制處一軸肩，故取第二段的直徑右端用軸端擋圈定位，按軸端直徑反擋圈直徑D=300半聯軸器與軸配合的轂常度為了保證軸端擋圈只壓在半聯軸器上而不壓在軸的斷面上，故第一段軸的長度應比略短一些，現取第一段軸段長度為36。 ii. 初步選擇滾動軸承 因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐棍子軸承，參照工作要求并根據由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組，標準精度級的單列圓錐棍子軸承30206，其尺寸為故 右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位，由手冊上查得30206軸承得定位軸肩高度為h＝6，因此取 iii. 取安裝齒輪處得軸段的直徑為36，齒輪的左端與左軸肩之間采用套筒定位。一直齒輪轂的寬度為60，為了使套筒斷面可靠地壓緊齒輪，因此軸段應略短于輪轂寬度，轂?。?8，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07d，取則 iv. 軸上零件的軸向定位 齒輪，半聯軸器于軸的軸向定位均采用平鍵聯接，按由手冊查平鍵界面，鍵槽用叫曹銑刀加工，長為25，同時為了保證齒輪與軸配合由良好的對中性，轂選擇齒輪輪轂與軸的配合為H7/h6，同樣，半聯軸器與軸的聯接選用10×80，長為50，半聯軸器與軸的配合為H7/h6。 v. 確定軸上的圓角和倒角尺寸 參考表15-2，取軸端倒角 vi. 求軸上載荷 取a＝0.6，軸的計算應力 前已選定軸的材料為45鋼，調質處理，由表15-1查得 即<,故安全。 3. 鍵得聯接強度計算 1) 選擇鍵[6×20）GB/1096-1979],假定載荷在鍵得工作面上均勻分布，則： 其中： ：鍵、軸、輪轂三者中最弱材料取用的擠壓應力，查機械設計表6-2，取100～120 < 則鍵的選用合適。 2) 鍵B10×28 GB/T 1096-1979的強度校核 其中： 所以： 則鍵選用合適。 4. 軸承的壽命驗算 對于30206型軸承：圓錐棍子軸承 1) 求相對軸向載荷對應的e值與Y值 查《機械零件手冊》表9-6-1，e＝0.37，Y=1.6 2) 求當量動載荷P ：軸承的徑向載荷 ＝96.45+1568＝1664.45N ：軸承的軸向載荷 ＝126.49N 、:分別為當量靜載荷的徑向載荷系數和軸向載荷系數，可查軸承手冊得到，＝0.5，＝0.9 3) 驗算30206軸承的壽命，根據《機械設計》式13-5 其中： ：基本額定動載荷，查《機械零件手冊》得＝50.5=50500 ：滾子軸承 ＝10/3 故軸承選用合適。 總 結 經過為期兩周的不懈努力，我們順利完成了對數控車床縱向進給系統的設計。在這兩周內，我們本著“以我所學，為我所用，提高自我”的宗旨，按照設計要求、結合所學設計理論一步一步，認認真真地分析、計算，近乎絞盡腦汁終于取得了現在的圓滿成功?？梢院敛豢鋸埖卣f，我們甚至沒睡過一個好覺。但是，“不經一番寒徹骨，那得梅花撲鼻香”。雖然在本次課程設計過程中，我們明顯感覺到本次相對以前所做過的課程設計難度較高，但我們還是把它完成了。我們又一次超越了自我，這意味著相對以前我們的水平有所提高，我們高興，我們累的值！ 通過本次課程設計，使我們以前所學的多門知識得到了一次綜合性地運用，也使我們進一步理解了各門學科之間的相互聯系。通過機床進給運動機械變速傳動系統的結構設計，使我們在擬定傳動和變速的結構方案過程中，得到結構構思、方案分析、結構工藝性、機械制圖、零件設計、編寫技術文件和查閱技術資料的等方面的綜合訓練，也使我們進一步樹立了正確的設計思想，掌握了基本的設計方法。同時，作為畢業(yè)前的最后一次課程設計，可以說是對以后工作的一次戰(zhàn)前練兵，本次課程設計在提高我們解決實際問題能力的同時，也讓我們認識到了自身或多或少在某些方面還有不足之處，有待提高。在以后的學習、工作中，我們會再接再勵，努力學習新的現代設計理論,計算技術,力爭做到理論與實際相結合，不斷提高自己。 另外，在本次設計過程中，文懷興老師不辭勞苦指導我們，給予了我們很大幫助，在此深表感謝！當然，由于我們水平有限，整個設計中不妥之處在所難免，懇請老師不吝指正。 參考文獻 1. 《步進電動機應用技術》 李忠杰 寧守信 主編 機械工業(yè)出版社 2. 《數控機床系統設計》 文懷興 夏田 編著 化學工業(yè)出版社 3. 《機械設計》第七版 濮良貴 紀名剛 主編 高等教育出版社 4. 《機械設計課程設計圖冊》第三版 龔桂義 主編 高等教育出版社 5. 《機械零件手冊》第五版 周開勤 主編 高等教育出版社 6. 《機床設計圖冊》 哈爾濱工業(yè)大學 上海紡織工業(yè)學院 天津大學 主編 上海科學技術出版社 7. 《機床設計手冊之零件設計》 《機床設計手冊》編寫組主編 機械工業(yè)出版社出版 19