毕业设计,改进机床机床进给系统机械部分设计计算

1、机床进给系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：3.1 系统脉冲当量及切削力的确定 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向：0.01mm/step；横向：0.005mm/step3.2 切削力的计算1.纵车外圆： 主切削力Fz（N）由经验公式（1）估算： Fz= 0.67D =0.67×3201.5N=3835.3N按切削

2、力各分力比例： Fz：Fx:Fy=1:0.25:0.4 Fx=3835.3× 0.25N=958.8N Fy=3835.3 × 0.4N=1534.1N 2.横切端面：主切削力可取纵切的一半，即=Fz=1917.65N 此时走刀抗力，吃刀抗力依然按上述经验公式粗略计算： ：F:F=1:0.25:0.4 F=1917.65× 0.25N=479.4N F=1917.65 × 0.4N=767.06N3.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一）纵向进给丝杠：1.计算进给牵引力Fm(N) 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量

3、和切屑分力作用在导轨上的摩擦力，因而其数值大小和导轨的形式有关。本次设计纵向进给为综合型导轨，则按以下公式确定： 式中：K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.15 滑动导轨摩擦系数：0.150.18，取=0.16 G溜板及刀架重力，由已知G=800N 代入得：Fm=1.15×958.80.16×(3835.3+800)N=1844.7N2.计算最大动负载Q选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万（）转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 Q，计算如下： 式中：L0为滚珠丝杠导程,初

4、选丝杠导程Lo=6mm； Vs最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处为 0.5m/min T使用寿命,按15000h; fw运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； 则：n=r/min=83.33r/mi L=74.99 =988.5N3 .滚珠丝杠螺母副的选型： 查阅数控机床系统设计中附表A-34，可采用WL3006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为14200N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)4.传动效率计算 =tan/tan(+) 式中：螺旋升角,WL3506螺旋升角=3°

5、;39 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004则：=tan/tan(+) =tan3°39/tan(3°39+10)=0.955.刚度校核先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（3-1）所示：图（3-1）纵向进给滚珠丝杠支承方式草图 = 700+99+3×16+53 =900mm支承间距L=900mm，最大轴向力为N，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。（1） 、丝杠的拉伸或压缩变形量 查图3-4，根据 Fm=1844.7N ，=30mm 查出Ò/L= 1×10，可算出： = Ò/L×900=

6、 10× 900mm =0.09mm由于两边都用向心推力球轴承，且丝杆又进行可预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量Ò（mm）为： =0.25×=2.25×10mm(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形查图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形Ò： Ò=6.2um行了预紧，Ò=0.5×Ò=6.2×0.5um=3.1um因进（3）滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式：Ò= =0.0059mm<0.02mm（定位精度）6稳定性校核滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳

7、现象不需要作稳定性校核。（2） 横向进给丝杠1. 计算进给牵引力 横向导轨为双燕尾形，有如下计算式 ： K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4； 滑动导轨摩擦系数：取=0.2； G溜板及刀架重力，由已知G=500N N=1441.5N2.计算最大动负载Q计算如下： 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=5mm； Vs最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处为0.3m/min; T使用寿命,按15000h; fw运转系数,按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2； L寿命以转为1单位.则：=546538.1N3.查阅数控机床系统设计中附表A-3，可采用W

8、L3005外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为10700N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级) 4.传动效率计算 =tan/tan(+3 ) 滚珠丝杠螺母副的选型螺旋升角,W1L2506的螺旋升角=3°2 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004则：=tan/tan(+) =tan3°2/tan(3°2+10)=0.965.刚度校核 (1)先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草图，如下图（3-2）所示：图（3-2）、横向进给滚珠丝杠支承方式草图 支撑间距 =160+88+3×15+7 =300mm

9、 因为丝杠长度较短不需预紧. 最大牵引力 =1441.5N ,查出=，可算出 =(2)滚珠与螺纹滚道间接接触变形 查图3-5 =6um 因进行预紧=3um(3)滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式： 则mm(4)定位误差 =显然，变形量已大于定位精度（0.02mm）要求，应该采取相应的措施修改，因横向溜板限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨（），减小摩擦力，从而减小轴向力，根据式（16）重新计算如下 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取K=1.4；G溜板及刀架重力，由已知G=500N N=825.65N最大牵引力 =825.65N ,查出=，可算出 =(2)滚珠与螺纹滚道间接接

10、触变形 查图3-5 =4um 因进行预紧 =2um(3)滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式： 则mm(4)定位误差 =经过上面计算设计依据满足精度要求。6稳定性校核 计算临界负载式中E材料的弹性模量。钢为20.6I截面惯性矩，对于丝杠为(为丝杠内径)L丝杠两支撑端距离（cm）,从表3.12中查出，一端固定，一端简支为2.00 1.0656N 滚珠丝杠不会失稳。（三）纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数：其几何参数见表3-1 表3-1名称符号W1L3006W1L3005公 称 直 径3030螺 距65接触角钢 球 直 径3.9693.175滚道法面半径2.0641.651偏 心 距0.0560.

11、045螺 纹 升 角丝 杆 外 径2929.5螺 杆 内 径25.98726.78828.5628.46螺母螺纹直径34.01633.212螺 母 内 径30.830.73.4 进给伺服系统传动计算1. 齿轮传动比计算 （1）已确定纵向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程,初选步进 电机步距角0.9°,可计算出传动比i i=360/L= 可选定齿轮齿数为: Z =20 Z=30 2. ,已确定横向进给脉冲当量,滚珠丝杠导程L=5mm,初选步进 电机步距角0.9°,可计算出传动比i i=360/L= 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径过大，以免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级

12、齿轮降速： 因进给运动齿轮受力不大，模数m取2.有关参数如表3-2。 表3-2齿 数203024402030分度圆d=mz406048804060齿顶圆da=d+2m446452844464齿根圆df=d-21.25m355543753555齿 宽(6-10)m202020202020中心矩A=(d1+d2)/2 50 64503.5 步进电机的计算和选用 （一）纵向机构步进电机选型：1.计算步进电机负载转矩Tm T=N.cm 式中: 脉冲当量 (mm/step); 进给牵引力 (N); 步距角,初选双拍制为0.9°2.初选步进电机型号 根据=1.1749N.m在网上查混合式步进电机

13、技术数据表初选步进电机型号 为56BYG250E-SASSBL-0601其中，,保持转矩为2.5N.m.。3.等效转动惯量计算根据简图 ，即图（1），传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动 件的转动惯量可由下式计算: 式中 ，齿轮,的转动惯量 () 滚珠丝杠转动惯量 () = 式中 D圆柱体直径(cm); L圆柱体长度 (cm); 代入上式: =5.75Kg.cm24.电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:1) 快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下： 又 =b/360 =r/min 启动加速时间（ms）: 带入得 折算到电机轴上的

14、摩擦力矩: = 62.87N.cm 式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8; i传动比;附加摩擦力矩： = =9.30N.cm式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比; Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N); o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9所以：N.cm2) 快速移动所需力矩 =62.87+9.3=72.17N.cm 3) 最大切削载时所需力矩 =62.87+9.3+ =101.66N.cm 从上面计算可以看出、三种工况下,以快速空载启动时所需转矩 最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据. 查得

15、：当步进电机为两相四拍时， =0.707 故最大静力矩Mjmax=172.96/0.707=244.63Ncm，而电机保持转矩为2.5N.m大于 最大静力力矩Mjmax，等于所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 图（3-3）、56BYG250ESASSBL0601混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250D-BASSBL-0241型混合式步进电机运行矩频完全可以满足要求。 5.绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号，以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后

16、，就可以画机械装配图。见附图（一） 例如，双片齿轮采用周向弹簧调整图 （3-4） 双薄片齿轮周向弹簧调整法消隙法：1、2-薄片齿轮 3、8-耳座 4-弹簧如图（3-4）所示，采用了可调拉力弹簧 5-调节螺母 6-锁紧螺母 7-螺钉 调整间隙。在两个薄片齿轮调整间隙。分别装上耳座3和8,弹簧4的一端 钩在耳座3上，另一端钩在耳座8的螺钉7上。用螺母5调节螺钉7的伸出长度即可调整弹簧的弹力，调整好后再用螺母6锁紧。弹簧的弹力使薄齿轮1和2的左、右齿面分别与宽齿轮的齿槽左、右齿侧面贴紧，消除了齿侧间隙。 （2） 横向机构初选步进电机：1.计算步进电机负载转矩Tm （18） T=N.cm 式中: 横向

17、脉冲当量 (mm/step); 横向进给牵引力 (N); 步距角,初选双拍制为0.9°2.初选步进电机型号根据=0.5408N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为56BYG250D-SASSBL-0241 其中，,保持转矩为1.72N.m.3.等效转动惯量计算 根据简图 ，即图（2），计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量运动件的转动惯量可由下式计算: J=式中 齿轮、的转动惯量 () 横向滚珠丝杠转动惯量 () = = 式中 D圆柱体直径(cm); L圆柱体长度 (cm); 代入上式: J= =3.852Kg.cm24.电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分

18、别按各阶段计算:1) 快速空载起动惯性矩在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下： 式 式 又 =b/360 =r/min 启动加速时间（ms）: 代入得 折算到电机轴上的摩擦力矩:=8.00N.cm式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i传动比; 贴塑导轨摩擦系数，取=0.04附加摩擦力矩： = =3.47N.cm式中：传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8; i传动比; Fpo滚珠丝杠预加负荷,一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力(N); o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取o=0.9所以：N.cm2) 快速移动所需力矩 =8+3.47=11.47N.cm 3) 最大切削载时所需力矩 =8+3.47+=42N.cm 从上面计算