毕业设计（论文）-数控滚齿机轴向进给、径向进给部件及滚刀架回转运动部件设计（全套图纸）

毕业设计（论文）课 题 名 称：数控滚齿机轴向进给、径向进给部件及滚刀架回转运动部件 专 业 班 级： 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 起迄日期： 指导教师： 日期：2014年5月22 日VI摘 要本次设计是对数控滚齿机的设计。在这里主要包括: 轴向进给的设计、径向进给部件的设计、滚刀架回转运动部件系统的设计这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 数控滚齿机总体结构设计。(2) 数控滚齿机工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 数控滚齿机的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。 (6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词：数控滚齿机， 联轴器，滚珠丝杠 全套图纸加153893706AbstractThis design is the design of CNC gear hobbing machine. Here mainly includes: the design of axial feed, radial feed component design, hob head rotating parts of the system design of the graduation design, the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, thereby driving the movement, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) the overall structure design of CNC roll grinding machine.(2) analysis of the work gear machine CNC roll.(3) the choice of motor.(4) transmission system, execution unit and the frame design of CNC gear hobbing machine.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: CNC gear hobbing machine, coupling, ball screw目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论11.1数控滚齿机的研究定义及工作原理11.1.1数控滚齿机定义11.1.2工作原理11.2课题的目的及意义21.3国内外概况综述31.4本课题研究的内容及方法51.4.1主要的研究内容51.4.2设计要求51.4.3关键的技术问题5第2章 数控滚齿机总体结构设计62.1 毕业设计（论文）要求及原始数据62.2 数控滚齿机的构成72.2 数控滚齿机的工作原理8第3章 轴向进给结构及传动设计93.1 轴向进给滚珠丝杆副的选择103.1.1导程确定103.1.2确定丝杆的等效转速103.1.3估计工作台质量及负重103.1.4确定丝杆的等效负载103.1.5确定丝杆所受的最大动载荷113.1.6精度的选择123.1.7选择滚珠丝杆型号123.2校核133.2.1 临界压缩负荷验证133.2.2临界转速验证143.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率153.3电机的选择153.3.1电机轴的转动惯量163.3.2电机扭矩计算17第4章 径向进给机械结构设计194.1 确定脉冲当量194.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型194.2.1 精度的选择194.2.2丝杠导程的确定194.2.3 最大工作载荷的计算194.2.4 最大动载荷的计算204.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型214.2.6 滚珠丝杠副的支承方式214.2.7 传动效率的计算224.2.8 刚度的验算224.2.9 稳定性校核234.2.10 临界转速的验证244.3 步进电动机的选择244.4 丝杠轴的校核274.5 键的校核284.6 轴承的校核284.7 直线滚动导轨副的计算和选择30第5章 滚刀架回转运动的设计335.1 滚刀架回转运动设计335.2 步进电机选择335.3 齿轮设计与计算385.4 轴的设计与计算465.5 轴承的校核545.6 键的选择和校核58结论59参考文献60致 谢62第1章 绪论1.1数控滚齿机的研究定义及工作原理1.1.1数控滚齿机定义数控滚齿机适用于成批、小批及单件生产加工圆柱齿轮和蜗轮，及一定参数的鼓形齿轮也可用花键滚刀连续分度滚切长度小于300的6齿及6齿以上的短花键轴。 且用链轮滚刀可以滚切链轮。加工圆柱齿轮时可采用逆铣和顺铣滚切，采用轴向进给（垂直进给）的方法加工出全齿宽。 数控滚齿机滚切普通蜗轮是采用径向进给的方法进行加工。数控滚齿机加工花键轴及链轮时机床的调整及加工方法与加工圆柱直齿轮时一样。1.1.2工作原理齿轮被广泛地应用于机械设备的传动系统中，滚齿是应用最广的切齿方法1 ，传统的机械滚齿机床机械结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链，还要驱动差动和进给传动链，各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起来复杂费时2，大大降低了劳动生产率。以德国西门子、日本发那科公司数控系统为主流的数控滚齿机的出现，大大提高了齿轮加工能力和加工效率。我国目前真正能够生产数控滚齿机的只有23个厂家，且使用的多是德国西门子数控系统，加工中模数齿轮，没有自主产权的核心技术，缺少国际竞争力。注意到以上问题，并根据近来数控技术，尤其是开放式运动控制器飞速发展的现状，本文针对小模数、少齿数、大螺旋角斜齿轮滚齿加工迫切要求数控化的实际需求，进行了深入的研究，成功地开发了了一套基于开放式运动控制器的数控滚齿系统并用于实际生产。1 基于开放式运动控制器的数控体系结构该体系结构的核心是一块具有PC104 总线并且自带高速DSP 芯片的开放式多轴运动控制卡，与嵌入式PC 主机构成多处理器结构，提供4路16 位D/A 模拟电压（/10V）控制信号，4路4倍频差动式光电编码器反馈信号接口，输入信号频率最高可达8MHZ，32 路光电隔离输入输出接口。可编程数字PID+速度前馈+加速度前馈滤波方式，卡上自带DSP 芯片以实现实时高速插补、计算功能，可完成空间直线、圆弧插补，大大减轻了主机负担，还提供了程序缓冲区，降低了对主机通讯速度的要求3。该运动控制卡通过PC104 总线和计算机通讯，一方面将从各控制轴采集到的数据送给主机进行计算，另一方面，将主机根据工艺及数学模型进行运算生成的运动控制指令经过进一步处理送各轴伺服驱动器，完成各轴的运动控制，加工出满足工艺要求的合格零件。由于使用标准的PC104 型工控机作为主机，采用标准化接口，可灵活地选用电机、驱动装置和反馈元件，支持包括乙太网甚至是Internet 网在内的多种网络协议及拓扑结构，可方便地实现远程控制，组网技术十分灵活而且技术成熟4。1.2课题的目的及意义 近年来，随着汽车、机械、航天等工业领域的不断发展，对齿轮提出了更高的要求：传动速度大、承载能力强、使用寿命长、运行噪音小、制造成本低，相应地对齿轮的设计、加工、检测等方面也提高了要求。在这种背景下，现代设计方法、先进制造技术、计算机技术及相关技术的交叉融合，使齿轮相关技术的研究进入了一个崭新的阶段。齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。特别是，随着汽车工业的高速发展，对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高使齿轮加工机床在汽车摩托车等行业中占有越来越重要的作用。滚齿机是齿轮加工机床中的一种，占齿轮加工机床拥有量的40%它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动往需要经过多级齿轮传动，并且引入蜗杆蜗轮机构使得机械结构非常复杂调整维护非常困难也降低了加工精度。数控滚齿机高加工精度、高生产率的特点，在制造业中的应用比例越来越大，有效地保证了产品质量和产量。随着风电、船舶、建材产业的迅速发展,国内对大型高档机床的需求旺盛,且要求效率高、精度高。国内机床技术与国外有很大差距。国内还没几家单位有能力加工直径为两米的大型数控滚齿机,全世界也只有两家,分别在德国和美国。在这种情况下,有好几年,中国的大型数控滚齿机都需进口这两家的产品。从国外进口,价格贵,交货期长,售后服务麻烦。所以研制加工直径两米以上的大型数控滚齿机和有必要。对数控滚齿机的设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。而工科类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实际知识和技能，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过毕业设计，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化、综合化。培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的能力，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。通过毕业设计资料的搜集、整理、数据的查询，方案的确定，撰写、电路的设计以及毕业答辩等活动，初步了解数控机床回参考点的方式的种类何工作原理，接受初步的数控机床的训练和熏陶，深化和综合基础课、专业课的分析问题和解决问题的能力以及培养协作精神，树立高度的工作责任感的能力，同时系统的对我们三年所学知识进行总结，全面的复习整理，查缺补漏，以达到熟练掌握专业知识的目的，并综合运用和深化所学专业理论识培养独立分析和解决一般工作实际问题的能力，树立高度的责任感，以便在日后工作中能得心应手。能更好的适应社会的需要，充分发挥自己的才华，贡献自己的一份力量。随着教育改革的逐步深入，为落实增强学生的创新精神，能力培养和素质教育三大新的教育目标打破以理论教学为主，实验教学和实践为辅的传统教育方法，提高学生的创新能力及灵活运用知识的能力，以便能最快的适应工作的需求。 1.3国内外概况综述我国生产滚齿机的历史始于1953年，经过30年的努力，到80年代初已进入世滚齿机主要生产国家行列。目前，国产滚齿机以传统的机械传动式为主，品种、系列齐全。传统滚齿机完全依靠机械内联传动实现滚刀与工件的同步运动和差动运动，往往需要经过多级齿轮传动，并且引入蜗杆蜗轮机构使得机械结构非常复杂调整维护非常困难也降低了加工精度。近几年，我国在滚齿机设计技术方面研究的主要经历了从统机械式滚齿机通过数控改造发展为2至3轴（直线运动轴）实用型数控高效滚齿机，到全新六轴四联动数控高速滚齿机的开发,最大主轴转速一般为1200 转/分，与发达国家同类产品相比我国仍然存在着不小的差距，究其原因主要还是因为基础研究差，整体设计能力不足，由此导致新技术应用慢和仿制比重较大，如零传动技术干切技术在齿轮加工机床中的应用一直处于落后状态。数控系统是数控机床的核心，德国西门子、利勃海尔和日本的马扎克、法拉克掌握着数控系统的最高水平，利勃海尔数控系统16个软件包的价格接近母机价格，软件和母机一起卖，不分开出售，软件利润非常高。目前国内机床企业使用的中高档机床的数控系统基本都是国外进口。同时国内研制加工效率高、精度高直径为两米的大型数控滚齿机的单位的能力比较弱，而从国外进口,价格贵,交货期长,售后服务麻烦。数控系统和功能部件发展滞后已成为制约行业发展的瓶颈。国产中档数控系统国内市场占有率只有35%，而高档数控系统95%以上依靠进口。功能部件国内市场总体占有率约为30%，其中高档功能部件市场占有率更低。台湾地区品牌功能部件约占国内市场的50%，其余20%为欧盟、日本等品牌产品。据国家海关统计数据，2010年我国进口数控系统金额达18.1亿美元，滚齿机附件(含功能部件和夹具)类产品达16.2亿美元。以高速、高精、复合、智能等为特征的高档数控滚齿机关键技术虽然已经取得明显进步，一批共性、基础技术和新产品研发也有了新的进展，但与国际先进水平相比，还存在较大差距。有些关键技术，如：高速高精运动控制技术、动态综合补偿技术、多轴联动和复合加工技术、智能化技术、高精度直驱技术、可靠性技术等尚需进一步突破，有些重大技术离产业化还有一段路程。以企业为主体、以市场为导向、产学研用相结合的研发体系尚未真正建立，行业的自主创新发展缺乏高新技术支撑。我国滚齿机工具行业产品质量整体水平已经有了很大提高，对提升产业的整体素质和核心竞争力起到了重要作用，也得到广大用户的认可。但在产品质量的稳定性和可靠性方面，例如：滚齿机早期故障率较高，精度稳定性周期短，工程能力系数(CPK值)、平均无故障工作时间(MTBF)等指标与国际先进水平比较尚有一定差距。加强产品质量工作，解决深层次的质量问题依然不容忽视。1.4本课题研究的内容及方法1.4.1主要的研究内容为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求和本身的结构特点，确定数控滚齿机整体设计方案。2 确定的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发，完成数控滚齿机各零部件的结构设计；4 完成主要零部件强度与刚度校核。1.4.2设计要求1 根据所要实现的功能，提出数控滚齿机的整体设计方案；2 完成数控滚齿机结构的详细设计；3 通过相关设计计算，完成电机选型；4 完成数控滚齿机结构的设计；绘制数控滚齿机结构总装配图、主要零件图。1.4.3关键的技术问题1 方案选择2整体设计3电机选型设计 4 强度校核 57第2章 数控滚齿机总体结构设计2.1 毕业设计（论文）要求及原始数据本机床主要用于模数小于1.5mm的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的精密、高效加工，可进行硬齿面齿轮的一次成形加工或二次对刀成形加工，也可进行模数小于3mm的直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮的精密加工。通过闭环的X轴控制可进行高精度鼓形齿轮的加工。本机床可广泛用于汽车、摩托车、仪器、仪表、玩具、 电动工具、渔具等行业的各种不同精度的齿轮的大批量、高效率加工。最大加工直径100mm最大加工模数3mm最大轴向行程150mm加工齿数范围4100齿滚刀架可转动范围50最大滚刀直径63mm滚刀轴转速5504000 rpm 工件轴转速5495 rpm轴向运动快速5000 mm /min径向运动快速5000 mm/min切向运动快速5000 mm/min2.2 数控滚齿机的构成该机在整体结构的主要零部件有底座基础、纵向导轨、横向导轨、支柱、切削头、旋转工作台、控制箱、等组成。其中底座基础上安装有地脚螺栓，纵向导轨支撑体通过地脚螺栓与基础体固定在一起。该机分为主运动系统、轴向进给、径向进给部件、滚刀架回转运动部件、2.2 数控滚齿机的工作原理机器工作时，主电机运动将动力通过带轮传递给主轴，主轴带动工作台上的工件。通过纵向导轨和横向导轨实现刀具的上下运动和左右运动。整机的运动是在PLC的控制下进行的，进而实现了对工件加工的连续性和自动化.立式滚齿机工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机驱动作旋转运动，刀架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工作台上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。滚切斜齿时,差动机构使工件作相应的附加转动。工作台(或立柱)可沿床身导轨移动,以适应不同工件直径和作径向进给。滚齿机的齿形加工原理为展成法。展成法是将齿轮啮合副中的一个齿轮转化为刀具，另一个齿轮转化为工件，齿轮刀具做切削主运动的同时，以内联系传动链强制刀具和工件做严格的啮合运动，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求的齿形表面来。这种方法的加工精度和生产效率都很高。滚齿机的立柱固定在床身上，刀架滑板可沿立柱上的导轨做轴向进给运动。安装滚刀的刀杆固定在刀架体的刀具主轴上，刀架体能绕自身轴线倾斜一个角度，这个角度成为滚刀安装角，其大小与滚刀螺旋升角大小及旋向有关。安装工件用的心轴固定在工作台上，工作台与后立柱装在床鞍上，可沿床身导轨做径向进给运动或调整径向进给位置支架用于支撑工件心轴上端，以提高心轴的刚度。第3章 轴向进给结构及传动设计表 3-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。3.1 轴向进给滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。设轴向进给最大行程为150mm,最快进给速度为5000 mm /min,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，工作台最大行程为300mm。3.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为 取Ph=12mm3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故3.1.3估计工作台质量及负重 主轴箱重量 工作台重量 移动部件重量 3.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算（式中取，）3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数，（查表：取fw=1.2）ft-温度系数（查表：取ft=1）fh-硬度系数（查表：取fh =1）fa-精度系数（查表：取fa =1）fk-可靠性系数（查表：取fk =1）Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw3.1.6精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），径向进给为25级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，径向进给为4级。3.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公称直径Ph=12mm则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=40mm 丝杆外径d1=39.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/m3.2校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。3.2.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：式中E-材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）式中do-是丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。3.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A-丝杆最小截面：A=-丝杠内径，单位；P-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系数，可取=0.8fZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中 A丝杠最小横截面，；螺母座刚度KH=1000N/m。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得：式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000 N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。3.3电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中：d直径,丝杆外径d=39.5mmL长度=1mP钢的密度=7800经计算得b、轴向进给直线运动件向丝杆折算的惯量上式中：M质量 轴向进给直线运动件M=160kgP丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此3.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。第4章 径向进给机械结构设计4.1 确定脉冲当量一个进给脉冲，使数控滚齿机运动部件产生位移量，也称为数控滚齿机的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控数控滚齿机加工精度的一个基本技术参数。经济型数控机床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。根据数控滚齿机精度要求确定脉冲当量0.01mm/脉冲。4.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。4.2.1 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控数控滚齿机的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程误差对数控滚齿机定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），径向进给为25级，考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性，选择X轴精度等级为3级，径向进给为4级。4.2.2丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚）。在速度满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度），本设计中初选向丝杠导程为8。4.2.3 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；为移动部件总重量。假设重量G=1000 N查表3-1选择综合导轨，取1.15,取0.18,为1000；算得=1.151197+0.18（3420+1000） =2171.554.2.4 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下： 式中：滚珠丝杠副的寿命系数，单位为r，（T为使用寿命，普通数控滚齿机T取5000-10000h，数控数控滚齿机T取15000h；n为丝杠每分钟转速）； 载荷系数，一般取1.21.5，本设计取1.2； 硬度系数（HRC58时取1.0；等于55时取1.11；等于52.5时取1.35；等于50时取1.56；等于45时取2.40）； 滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N。本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程，则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命，带入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。4.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽数控滚齿机附件有限公司生产的FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为4级，其参数如表3-2所示。表3-2 FL4008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18974084.76338.635.2466314.2.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计丝杠采用双推简支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。4.2.7 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间，其计算公式如下： =式中：螺距升角，根据,可得=291； 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%4.2.8 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以、可以忽略不计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为：=（“+”号代表拉伸，“-”代表压缩）式中：丝杠的最大工作载荷，单位为； 丝杠纵向最大有效行程，单位为； 丝杠材料的弹性模量，钢； 丝杠的横截面面积，单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计，为3234.36，取1665，为45.24，算得： =0.01597=15.97查表3-3可知，,所以刚度足够。表3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665514.2.9 稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用，若轴向负载过大，则会产生失稳现象，不失稳时的临界载荷Fk应该满足： =式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取2，其他方式如表3-4所示； 滚珠丝杠稳定安全系数，一般取2.54，垂直安装时取最小值，本设计取4； 滚珠丝杠两端支承间的距离，单位为，本设计中该值为2000；（其中工件加工长度为1400，取2000，留600的两端余量） 按丝杠底径确定的截面惯性矩（，单位为）,本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出：= 临界载荷远大于工作载荷（3234.36N），故丝杠不会失稳。表3-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值4210.254.2.10 临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：丝杠支承系数，双推-简支方式时，取值如表3-5所示；临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为2300；丝杠内径，单位；安全系数，可取=0.8表3-5 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3 经过计算，得出=1293，由已知，可以算出，该值小于丝杠临界转速，所以满足要求。4.3 步进电动机的选择（1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量 式中 滚珠丝杠的公称直径； 丝杠长度。则齿轮的转动惯量 电机的转动惯量很小可忽略。因此，总转动惯量 （2）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；切削时折算到电机轴上的加速度力矩；折算到电机轴上的切削负载力矩。 当时 当时 当时， 时 当时预加载荷，则 所以，快速空载启动所需力矩 切削时所需力矩 快速进给时所需力矩由上分析计算可知，所需最大力矩发生在快速启动时：（3）纵向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知所以，步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电动机，能满足要求7-12。4.4 丝杠轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差%3）.当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径进行计算，弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加。：通过受力分析，最大挠度：查【1】表3-12许用挠度； 。4.5 键的校核键和轴的材料都是钢，由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式（6-1）可得可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：4.6 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承6206，其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:在水平面：在水平面： 因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，【4】表13-6查得载荷系数，取，则有： 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。4.7 直线滚动导轨副的计算和选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：（1）选BR直线滚动导轨导轨,E级精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,f=1,fw=1.（2）工作寿命每天8小时，连续工作5年，250/年,额定寿命为:Lh=52508=10000 h,每分钟往复次数nz=8L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.3186038400)/ (103)=11428Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为4000N计算需要的动载荷CP=110/4=27.5N C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=208N由机械电子工程专业课程设计指导书表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其C=606N, C0=745N.基本参数如下:导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.（3）滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量。（4）润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘。防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命。防护方式用盖板式。第5章