机床数控技术课程设计范本

1、1 机床课程设计的目的 22 纵向进给系统的设计计算 22.1 设计参数 22.2 工作过程分析 32.3 丝 杠螺 母静态设计 32.4 丝杠螺母动态设计 52.5 变速机构设计 72.6 电机的静态设计 93 进给系统的结构设计 113.1 滚珠丝杠螺母副的设计11133.2 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1214归纳总结与体会参考文献 1数控技术课程设计的目的通过本课程设计的训练，使学生在完成数控机床及金属切削机床的结构课程 学习之后，让学生能够运用所学的知识，独立完成数控机床传动系统的设计， 从 而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的分析、设计能力，同时巩

2、固金属切削机床课程的部分知识。1 .运用所学理论及知识，进行数控机床部分机械结构设计，培养学生综合设 计能力；2 .掌握数控机床传动系统的设计方法和步骤；3 .掌握设计的基本技能，具备查阅和运用规范、手册、图册等有关技术资料 的能力;4 .基本掌握编写技术文件的能力2纵向进给系统的设计计算2.1 设计参数：工作台mT 600kg FW 1500NVfmax|0.2m/svv| 0.1m/s amax 1.2m/s2 FR 2.5N sW 0.7m工作台质量 最大加工受力快进速度工进速度最大加速度工作台导轨摩擦力 工作行程减速机构丝杠螺母机构，已知数据如下:丝杠螺母机构轴承轴向刚度KL 800N

3、/ m丝杠螺母刚度螺母支座刚度KM 800N / mKTM 1000N / m丝杠传动效率sp0.9Lsp 0.5mM R,sp 2.5N ?mL1550mmhsp 10mm A 60000 双推一双推JM 0.05 10 3kg?m2丝杠长度 丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力矩轴承平均间距导程最大转速常数支承方式伺服电机电机转子惯量2.2 工作过程分析I _ I I I机床在工作时，按照加速-工进-减速-反向加速-工进-减速-加速这样一个过 程循环。图1给出电机转矩在一个工作周期内随时间变化的范围。2.3 丝杠螺母静态设计(1)确定动载荷C；,由图1可见，工作循环周期T由加速时间ta和加工时间tw

4、组成，计算如下：ta Vv/amax OU 0.083(S)tw Sw/Vv 0.70.1 7(s)T2tw 4ta 14.332(s)在减速期间的平均转速 品为：na Vv. 2hsp (60 0.1) (2 0.01) 300(r. min)工作进给时转速vv. hsp (60 0.1), 0.01 600(r. min)将上述数据带入式(5-131)中可得当量转速：nm (300 4 0.083) (600 2 7)/14.332 593(r min)载荷系数由表5-13取fw 1.1当量载荷Fm由式(5-129)计算，则当量载荷为Fr2tw|Fw|2ta Fa a a将已知条件Fr、t

5、a、tw、T、Fw,并算出FaFa mTamax 600 1.2 720( N)代入上式Fm 1484(N)取滚珠丝杠寿命为20000h,从式(5-132)算出该滚珠丝杠的动载荷Ca fwFm(60nmLn 10 6)1；3_ C a 14574(N)(2)确定静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力，即Fmax Fw 1500(N)由表5-14取静态安全系数fd 1 ,根据式(5-135)得静载荷CoaCoafd Fmax 1500(N )(3)根据轴向压力选取丝杠直径。由式(5-139)可得dsp dW4(5-149).m 10由Fa Fw 1500(N)L=0.55(nj) =550(mm)

6、查表5-15得 m=20.3代入上式得dsp 6.876(mm)dsp 7(mm)(4)转速限制1)最大转矩限制：由式(5-138)得Anmax A-(5-150)dsp60vfast 60 0.2由 nmax 1200(r/min)和 A=60000得hsp0.01dsp 50( mm)2)临界转速限制：由式(5-137)得nJ 2dsp -c-(5-151)p f 107由 nmax 1200(r/min) nc, L=550(mm),f=21.9(见表 5-15)得dsp 1.7(mm)(5)选择丝杠直径：由上面计算结果得： _ C a 14574( N)Coa 1500( N)dsp

7、7(mm)dsp 50( mm)dsp 1.7(mm)根据以上数据，从厂家产品样本中可选取丝杠直径。如表 5-21所示 dsp 25(mm)表 5-21d spCaCoa2011075221722515975341703225909569304029427734092.4丝杠螺母动态设计（1）确定丝杠螺母传动的总刚度1）扭转刚度：由式（5-141）可得对于钢的抗扭刚度量纲公式KTSP7.84 10d43 dsp(5-152)式中dsp丝杠底径（mm ;l丝杠自由长度（m .由式（5-121 ）可得将济钢扭转刚度折算成工作台（执行件）直线刚度公式2 o2 oQQ d；(5-153)KtsKtsp

8、（一）2（一）27.84 10 37.84 10 3,（N/m）hsphspL式中量纲：Kt s(N/ m) , hsp(mm), dsp(mm),L(m).由上式可算出Kts 2198（ N. m）2）拉压刚度：由式（5-140）可得对于钢的拉压刚度量纲公式(5-154),dLKS 1.65 10 （N； m）式中量纲 KS (N/ m), dsp(mm) ,L (m根据已知条件可得KS 187.5(N. m)3）总刚度：对于“双推-双推”式支撑的丝杠螺母传动装置，其刚度的等效图如 图2。II-机！设螺母位于丝杠中间，于是KSP1KSP22Ks系统的总刚度为1Kgen2KL14KSS1Km1

9、Kts1KTM(5-155)将已知条件代入，得系统总刚度Kgen = 214(N. m)(2)确定机械谐振频率机械传动部件的谐振频率omechkgen(5-156)mT214106omech600597(rad s)(3)确定具有满意动态性能的丝杠直径。电气驱动部件的谐振频率取下列值, 则其动态性能较好，即取oa 350 rad / s采用常规的比例位置调节，为使机械传动部件的动态性能不影响系统总的动态性 能，应当使omech (23)oA但是，根据本课题中选择的丝杠直径dsp 25(mm),只能得到omechoA5973501.71因此，丝杠直径应该跟大一些若取 omech 2 0A 700

10、(rad / s)代入式(5-156 )得Kgen 294( N . m)将此总刚度带入式(5-155) , Kl、KM和KTM为已知常数,再由式(5-153)和式(5-154),得0.526 10 0.83d* 139.2 0spspdsp 42(mm)2.5变速机构设计已经知道。电器驱动部件具有二阶振荡环节的性能，其谐振频率1oAech阻尼比电气时间常数机械时间常数TmechJgenRAKM CE式中La-驱动线路总电感。Ra-驱动线路总电阻;KM -电机扭矩常数;Ce-电机反电动势系数。机械时间常数里的Jgen是电机轴上总的转动惯量JgenJM Jext为使电气驱动部件获得最大的谐振频率

11、，必须使计算到电机轴上的机械部件 转动惯量Jext最小。这一点可以借助减速机构达到。的要求决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量Ji就是已知的。大齿轮转动惯量J2可由Ji和降速比i近似确定，即4J2 J1/i根据5.6.4节转动惯量的折算方法，机械部件折算到电机轴上的总转动惯 量为Jgen JM Ji i (J2Jsp22Jm Ji Ji/i i (JspJT )(5-157)JT )式中 Jm 电机转动惯量。Ji 小齿轮转动惯量。Jsp 丝杠转动惯量。J工作台折算到丝/T上的转动惯量,Jt +.d令上0 ,得满足最小惯量要求的相对额定降速比isp di根据所设计系统的已知条件，得JT2 hsp

12、 mt万丝杠的转动惯量Jsp为Jsp12a mspdsp8m-d2 Lmsp /dsp Lsp,gen4(5-158)3_21.52 10 kg?m(5-159)(5-160)式中msp 丝杠质量。Lsp,gen 包括轴颈的丝杠总长钢的密度， ( 7.85 103 kg/m3)将已知条件代入，得JSP 1.32 10 3 kg?m2小齿轮由齿轮设计确定，其转动惯量为已知，设J10.02 10 3 kg?m2 。将J1、Jsp、Jt 代入式（5-158）,得iopt13.45根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为Z120、Z2 69 ,模数 m=2齿宽 B=20mm B2 =18mm.2.6电

13、机的静态设计(1)计算Jgen。由式(5-157)得JgenJm22JiJi/i2 i2(Jsp Jt)根据上面球的的最佳传动比iopt和其他参数，得._ 一 4 ._2Jgen 5.47 10 kg?m(2)确定电机额定转矩。工作台加速和加工力所引起的当量力矩1Kp,、MmT Fm-p(5-161)sp 2式中 sp-丝杠传动效率(0.80.9)。Fm-当量载荷，已经算出为1484 (ND 。1484 0.01 ,故得MmT2.63(N?m)0.922 丝杠加速度& - amaxhsp丝杠加速所需的转矩Td sp Jsp &sp,由图1可知，由丝杠加速所硬气的当量力矩Mmsp 4)人(5-1

14、64)由式(5-162)、 (5-163)、 (5-164)可得Mmsp 23.04 10 3(N?m)丝杠螺母传动机构的总当量力矩为Mms MmT Mmsp(5-165)Mms 2.65 (N?m)电机轴角加速度& 殳2iopti opt hsp&2600( rads)电机轴的加速转矩Ta,MJm ?&M1.3 10 1(N?m)(5-167)(5-162)(5-163)(5-166)由图1可知，由电机轴加速所引起的当量力矩一4 Ta,M ta, _ . _ _ xMm,a,M T( 5-168 )由式(5-166)、(5-167)、(5-168)得Mm,a,M 3.01 103(N?m)作

15、用在电机轴上的当量力矩为Mm -Mms Mm,a,M(5-169)GMm 0.856(N?m)电机的额定转矩应为Mom (1.52)Mm(5-170)MoM 1.285 1.713(N?m)(3)确定电机额定功率。电机的额定转速60,、noM Vv(5-171)hspin0M =2070 (r/min )(5-172)(5-173)电机的额定功率PoM M oM oM2oM noM 60 最后得电机额定功率POm 0.28 0.37( kw)3进给系统的结构设计3. 1滚珠丝杠螺母副的设计滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上都有半圆弧形的螺旋槽，当他们套装

16、在一起时便形成了滚珠的螺旋滚 道。螺母上有滚珠的回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋 滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环 转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：(1)传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96 ,比普通丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的1/4-/3.2）若给于适当预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（ 3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（ 4）具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，也可以从直线运动转

17、换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主动件。（ 5）磨损小，使用寿命长。（ 6）制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（ 7）不能自锁。特别是垂直安装的丝杠，由于其自重和惯性力的不同，下降时当传动切断后，不能立即停止运动，故还需要增加制动装置。本次设计采用的是内循环的丝杠螺母副， 精度为 3 级， 两端采用了小圆螺母为轴向定位丝杠螺母副采用的预紧方式为单螺母消除间隙方法。 它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间，使内螺纹滚道在轴向产生一个L0 的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位而实现预紧。 这种调隙方法结构简单， 但载荷量须预先设定而且

18、不能改变。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以及两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此课题中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以及对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针 推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60 角接触轴承，在这两种轴承中，60 角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较

19、后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针 圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此课题中采用了以面对面配对组合的60角接触轴承，组合方式为DDB。以容易实现自动调整。 滚珠丝杠工作时要发热， 其温度高于床身。 为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差， 可采用丝杠预拉伸的结构， 使预拉伸量略大于热膨胀量。（ .2 确定

20、滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号确定滚珠丝杠螺母副的精度等级，本进给传动系统采用开环控制系统，应满足如下要求：V300pep0.8 （定位精度kmax ） 0.8 （40 0.48 0.05） m 31.576 mep Vup0.8 （定位精度 -kmax ） m 31.576 m取滚珠丝杠螺母副的精度等级为 3级，查表得V300p12 m ，当螺纹长度约为 350mm寸,ep 13 m , Vup12 m ； V300 p ep 25 m 31.576 m ；ppppep Vup25 m 31.576 m归纳总结与体会课程设计是对我们大学期间所学知识的一次归纳总结与运用， 是对以前每门课程设计的综合， 是对所学知识的彻底检验。 刚开始选择课题的时候， 我因为对数控铣床比较感兴趣， 所以选择了关于数控铣床方面的课题。 我所在的组设计的是一台数控铣床， 我主要对其中的纵向进给系统进行设计开始设计之前， 我首先上网搜索了有关铣床方面的知识， 对数控铣