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1、 課程設計 題目 立式數(shù)控銑床工作臺 （X） 軸設計 學 院＿機械自動化學院＿＿＿＿ 專 業(yè)＿機電一體化專業(yè)＿＿＿＿＿＿ 學 號＿＿＿＿＿＿ 學生姓名＿＿＿＿＿ 指導教師＿＿＿＿＿＿＿ 日 期＿2011年1月＿＿＿＿＿＿ 目 錄 1 緒論.................................................................3 1.1 數(shù)控機床的特點....................................................3

2、 1.2 數(shù)控機床的發(fā)展....................................................4 1.3 X、Y工作臺的設計................................................4 2 總體設計.............................................................5 2.1 本課題的技術要求..................................................5 2.2 總體方案設計.....

3、.................................................5 2.3 系統(tǒng)組成方案......................................................5 3 設計計算.............................................................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..............................

4、....................7 3.1.2 計算各切削分力................................................7 3.2 導軌摩擦力的計算..................................................7 3.2.1 切削狀態(tài)下導軌摩擦力..........................................7 3.2.2 不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力和導軌靜摩擦力........................8 3.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力................

5、....................8 3.3.1計算最大軸向負載力.............................................8 3.3.2計算最小軸向負載力.............................................8 3.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算.....................................8 3.4.1確定滾珠絲杠的導程.............................................8 3.4.2計算滾珠絲杠螺母副的平均轉速和平均載荷.

6、.........................8 3.4.3確定滾珠絲杠預期的額定載荷......................................9 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...............10 3.4.5初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號...............................11 3.4.6由式2-29確定滾珠絲杠螺母副的預緊力............................11 3.4.7計算滾珠絲杠螺母副的目標行程補償值與預拉伸力...................11 3.4

7、.8確定滾珠絲杠螺母副支撐用軸承的規(guī)格型號.........................11 4 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗........................................13 4.1 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗..................................13 4.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉速的校驗......................................13 4.3 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗......................................13 5 計算機械傳動

8、的剛度..................................................14 5.1 機械傳動系統(tǒng)的剛度計算............................................14 5.2 滾珠絲杠螺母副扭轉剛度計算........................................15 6 驅動電動機的選擇與計算..............................................16 6.1 計算折算到電動機軸上的負載慣量...................................

9、.16 6.2 計算折算到電動機軸上的負載力矩....................................16 6.3 計算坐標軸折算到電動機軸上的各種所需力矩..........................17 7 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析..............................................18 7.1 計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率.........................18 7.2 計算扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率....................................18 8 機

10、械傳動系統(tǒng)的誤差與分析.............................................19 8.1 計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)........................................19 8.2 計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差..................19 8.3 計算滾珠絲杠因扭轉變形產(chǎn)生的誤差..................................19 9 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..........

11、......................................................21 致謝....................................................................22 1 緒論 1.1數(shù)控機床的特點 （1）具有高度柔性 在數(shù)控機床上加工零件，主要取決于加工程序，它與普通機床不同，不必制造、更換許多工具、夾具，不需要經(jīng)常調(diào)整機床。因此機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)準備周期，節(jié)省了大量工藝設備的費用。 （2）加工精度高 數(shù)控機

12、床的加工精度，一般可達到0.005 .1mm，數(shù)控機床是按數(shù)字信號形式控制的，數(shù)控裝置沒輸出一個脈沖信號，則機床移動部件移動一個脈沖信號，而且機床進給傳動鏈的反向間隙與絲杠螺距平均誤差可由數(shù)控裝置進行補償，因此，數(shù)控機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)控機床可有效減少零件的加工時間和輔助時間，數(shù)控機床的主軸轉速和進給量的范圍大，允許機床進行大切屑量的強力切屑，數(shù)控機床目前正進入高速加工時代，數(shù)控機床移動部件的快速移動和定位

13、及高速切屑加工，減少了半成品的工序間周轉時間，提高了生產(chǎn)效率。 （5）改善勞動條件 數(shù)控機床加工前經(jīng)調(diào)整好后，輸入程序并啟動，機床就能自動連續(xù)的進行加工，直至加工結束。操作者主要是程序的輸入、編輯、裝卸零件、刀具準備、加工狀態(tài)的觀測，零件的檢驗等工作，勞動強度極大降低，機床操作者的勞動趨于智力型工作。另外，機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)控機床的加工，可預先精確估計加工時間，所使用的刀具、夾具可進行規(guī)范化、現(xiàn)代化管理。數(shù)控機床使用數(shù)字信號與標準代碼為控制信息，易于實現(xiàn)加工信息的標準化，目前已與計算機輔助設計與制造有機結合起來，是現(xiàn)代集成

14、技術的基礎。 1.2數(shù)控機床的發(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50年代末期，在一般數(shù)控機床的基礎上開發(fā)了數(shù)控加工中心，即自備刀具庫的自動換刀數(shù)控機床。在加工中心機床上，工具一次裝夾后，機床的機械手可以自動更換刀具，連續(xù)的對工件進行多種工序加工。 （2）高速、高效、高精度 高效、高精度是機械加工的目標，數(shù)控機床因其價格昂貴，在上述三方面的發(fā)展也就更為突出。 （3）方便使用 數(shù)控機床制造廠把建立友好的人機界面、提高數(shù)控機床的可靠性作為提高競爭能力的主要方面 1.3 X、Y工作臺的設計 X-Y數(shù)控

15、工作臺機電系統(tǒng)設計 是一個開環(huán)控制系統(tǒng),其結構簡單.實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度.降低成本,是微機控制技術的最簡單的應用.它充分的利用了危機的軟件硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制;使機床的加工范圍擴大,精度和可靠性進一步得到提高. 2 總體設計 2.1 本課題的技術要求 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；工作臺采用貼塑導軌，導軌的動摩擦系數(shù)0.15，靜摩擦系數(shù)=0.2；工作臺的定位精度為20

16、重復定位精度為10；機床的工作壽命為15000h。 機床采用主軸伺服電機，額定功率P=5.5KW，機床采用端面銑刀進行強力切屑，銑刀直徑D=16mm，主軸轉速n=380r/min,切屑狀況如表4—1所示。 表2-1 數(shù)控銑床的切屑狀況 切屑方式 進給速度/（m/min） 時間比例/（%） 備注 強力切屑 0.6 10 主電動機滿功率條件下切屑 一般切屑 0.8 30 粗加工 精加工切屑 1 50 精加工 快速進給 30 10 空載條件下工作臺快速進給 2.2 總體方案設計 為滿足以上技術要求，采取一下技術方案。 （1） 工作臺工作面尺寸

17、（寬度X長度）確定為400mm1200mm。 （2） 工作臺的導軌采用矩形導軌，在與之相配的動導軌凍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，在背板上通過設計偏心輪結構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塑。 （3） 對滾珠絲杠螺母副采用預緊措施，并對滾珠絲杠進行預拉伸。 （4） 采用伺服電動機驅動。 （5） 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲杠直連。 2.3 系統(tǒng)組成方案 組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設計參數(shù)，及方案分析、比較、說明 3 設計計算 3.1

18、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速下進行強力切削（銑刀直徑D=16mm）時， 主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動機的全部功率。此時，銑刀的切削速度為： 若主傳動鏈的機械效率=0.8，主切削力： N 3.1.2 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 導軌摩擦力的計算 3.2.1 切削狀態(tài)下導軌摩擦力. 導軌動摩擦系數(shù)=0.15，查表2-3得鑲條緊固力，則 3.2.2 不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力和導軌靜摩擦力.

19、 3.3計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 3.3.1按式（2-10a）計算最大軸向負載力。 3.3.2按式（2-11a）計算最小軸向負載力。 3.4滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 3.4.1確定滾珠絲杠的導程 根據(jù)已知條件，取電動機的最高轉速，則由式（2-16）得 3.4.2計算滾珠絲杠螺母副的平均轉速和平均載荷 （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）和精細切削（精加工）滾珠絲杠螺母副的軸向載荷、分別為可

20、按下式計算： 并將計算結果填入表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 進給速度/(m/min) 時間比例/(%) 備注 強力切削 9943.75 0.6 10 一般切削 3563.75 0.8 30 精細切削 2012.19 1 50 移動和鉆鏜定位 1575 30 10 （2） 計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉速。 (3) 按式（2-17）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉速。 （4）按式（2-18）計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷。 3.4.3確定

21、滾珠絲杠預期的額定載荷 （1）按預緊工作時間估算。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）因對滾珠絲杠螺母副講實施預緊，所以可按式2-21估算最大軸向載荷。查表2-31得預加載荷系數(shù)=4.5，則 （3）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷。 取以上倆種結果的最大值，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)定位精度和重復精度為，重復定位精度為，根據(jù)式2-23、2-24以及定位精度和重復定位精度的要求，得 取

22、上述計算結果的較小值，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緊力 3.4.7計算滾珠絲杠螺母副的目標行

23、程補償值與預拉伸力 (1)按式2-31計算目標行程補償值。 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）計算軸承的預緊力。 （3）計算軸承的當量軸向載荷 （4）按式2-15計算軸承的基本額定動載荷C。 已知軸承的工作轉速，軸承所承受的當量軸向載荷，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

24、 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拉伸結構，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速的校驗 根據(jù)圖4-1可得滾珠絲杠螺母副臨界轉速的計算長度。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

25、得 本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉速為1500r/min，遠遠小于其臨界轉速，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時，其中90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運轉的總轉速。 查附錄A表A-3得滾珠絲杠額定動載荷，運轉條件系數(shù)，滾珠絲杠的軸向載荷，滾珠絲杠螺母副轉速，故由式2-37、2-38得 一般來講，在設計數(shù)控機床時，應保證滾珠絲杠螺母副的總時間壽命，故不滿足要求。 5 計算機械傳動的剛度 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。

26、 本工作臺的絲杠支撐方式為兩端固定，有圖4-1可知，當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

27、進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度K. 由式2-47a得進給傳動系統(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剛度計算 由圖4-1可知，扭矩作用點之間的距離。已知剪切模量，滾珠絲杠的底徑。由式（2-48）得 6 驅動電動機的選擇與計算 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)軸器的轉動慣量。

28、 （3）計算折算到電動機軸上的移動部件的轉動慣量。 已知機床執(zhí)行部件的總質(zhì)量，電動機沒轉一圈，機床執(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）計算加在電動機軸上總的負載轉動慣量。 6.2計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，電動機每轉一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=10mm=0.01m，進給傳動系統(tǒng)的總效率，由式2-54得 （2）計算摩擦力負載力矩. 已知在不切削狀態(tài)下坐標軸的軸向負載力，由式2-55得 （3）計算由滾珠絲杠的預緊而產(chǎn)生的附加負載力矩。

29、 已知滾珠絲杠螺母副的預緊力,滾珠絲杠螺母副的基本導程，滾珠絲杠螺母副的效率，由式2-56得 6.3計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速，電動機的轉動慣量，坐標軸的負載慣量，進給伺服系統(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）計算坐標軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩。 ① 按式2-61計算線性加速時空載啟動力矩。 ② 按式2-61計算階躍加速時空載啟動力矩。 ③ 按式2-57a計算快進力矩。

30、 ④ 按式2-57b計算工進力矩. 7 機械傳動系統(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床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量，則 7.2計算扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當量轉動慣量為 已知絲杠的扭轉剛度，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，扭轉振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 8機械傳動系統(tǒng)的誤差與分析 8.1計算機械

31、傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知進給傳動系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度，導軌的靜摩擦力,則由式2-52得 即，故滿足要求。 8.2計算機械傳動系統(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變形產(chǎn)生的誤差 （1）計算由快速進給扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。 已知負載力矩，由圖4-1得扭矩作用點之間的距離，絲杠底徑，由式2-49得 （2）由扭轉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

32、床工作臺采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，、應滿足下列要求： 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，當螺紋長度為850mm時，故滿足設計要求。 參考文獻 1. 范超毅.數(shù)控技術課程設計.[M].武漢：華中科技大學出版社，2007. 2. 陳紹廉.數(shù)控機床改造技術. [M] 北京：北京-航空工業(yè)出版社 1989 3. 楊賀來.數(shù)控機床.清華大學出版社[M] 北京： 2009 4. 袁安富.數(shù)控技術及自動化.[M] 北京：清華大學出版社 2009 5. 蔡

33、厚道.吳暐.數(shù)控機床構造. [M] 北京：北京理工大學出版社 2007 6. 張新義.經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計. [M] 北京：機械工業(yè)出版社 1994 7. 機床設計手冊編寫組.機床設計手冊（第三冊）[M] 北京：機械工業(yè)出版社，1988 致 謝 為期三周的課程設計結束了，在這短暫的時間里，在蔡蕓老師的細心指導和關懷下，我認真地設計著自己的課題的內(nèi)容，細心地查閱著與本課題有關的資料，按部就班地完成了xxx 的設計計算和校核。同時還要感謝和我同組的同學協(xié)助我完成相關文獻的查閱以及相關資料的文獻的共享，在這里一并向關心和支持我完成設計的所有人員表示衷心的感謝。 - 22 -