进给系统的设计计算

1、4横向进给系统的设计计算设计参数如下：纵向：工作台重量：W=800N行程：S=650mm脉冲当量：p=0.006mm/Pp最大进给速度：Vmax=2m/min横向：工作台重量：W=300N行程：S=200mm脉冲当量：p=0.004mm/P最大进给速度：Vmax=1m/min4.1主切削力及其切削分力计算已知机床主电动机的额定功率Pm为7.5kw,最大工件直径D=400mm主轴计算转速n=85r/m。在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，道具的切削速度为 TOC o 1-5 h z 3Dn3.1440010851.78m/s6060取机床的机械效率0.8,则有Fz-Pm103N3370.79Nv

2、走刀方向的切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy为Fx0.25Fz0.253370.79N842.7NFy0.4Fz0.43370.79N1348.32N导轨摩擦力的计算导轨受到垂向切削分力FvFz3370.79N,纵向切削分力FcFy1348.32N,移动部件的全部质量(包括机床夹具和工件的质量)m=30.61kg(所受重力W=300N)查表得镶条紧固力fg2000N,取导轨动摩擦系数0.15,则F(WfgFvFc)0.15(30020003370.791348.32)1052.87N计算在不切削状态下的导轨摩擦力F0和F。F0(Wfg)0.15(3002000)345NF00(Wfg)0

3、.2(3002000)460N计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力FamaxFamaxFyF(1348.321052.87)N2401.19N计算最小轴向负载力FaminFaminF0345N确定进给传动链的传动比i和传动级数取步进电动机的步距角1.5,滚珠丝杠的基本导程L06mm,进给传动链的脉冲当量p0.004mm/P,则有iL-1.566.25360p3600.004p2.1 。42,按最小惯量条件，查得应该采用2级传动，传动比可以分别取i13、i2根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为乙20、Z260、Z320、Z4模数m=Z齿宽b=20mm滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算

4、(1)按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷Famax3级精已知数控机床的预期工作时间Lh15000h,滚珠丝杠的当量载荷Fm2370.34N,查表得载荷系数fw1.3;初步选择滚珠丝杠的精度等级为度，取精度系数fa1;查表得可靠性系数fc1。取滚珠丝杠的当量转速nm nmax ?已知Vmax1m/min ,滚珠丝杠的基本导程L0 6mm ,则nmax1000VmaxL01000 16166.67r/mC7am3 60nmLhFmfw100 fafc a c3 60 166.67 150002370.34 1.3 N 16585.8 N100 1 1(2)根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝

5、杠的最大轴向变形。已知本车床横向进给系统的定位精度为 40 m,重复定位精度为16 有m,则maximax211(:)16 m 5.33 : 8 m3 2J 1、 C C “ (:)40 m 8:10m5 4取上述计算结果的较小值，即max 5.33 m (3)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L=行程+安全行程+2X余程+螺母长度+支承=(1.21.4)行程+(2530)L0取L=(1.4x200+30X6)mm=460mmd2m15.54mmFL4604600.07800.078mmax5.

6、33(4)初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的L。、Cam、d2m和结构的需要，初步选择南京工艺装备公司生产的FF型内循环螺母，型号为FF3206-5,其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和螺纹底径d2如下：d032mmL06mmCa20200 N Cam 16585.80Nd227.9mm d2m 15.54mm滚珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径d227.9mm,已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度L1300mm,丝杠水平安装时，取K11/3,查表得&2,则有FcK1K2 雪105 1 2 坐433002_5 _105 N 448831.21N本车床横向进给

7、系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Famax2401.19N，远aimax小于其临界压缩载荷匕的值，故满足要求。_ 52.1 10滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度L2300mm，其弹性模量E TOC o 1-5 h z 15332MPa,自度一7.810N/mm,重力加速度g9.810mm/s滚珠丝杠的g小惯性矩为3.1444Id427.9429728.05mm46464滚珠丝杠的最小截面积为Ad；31427.92611.05mm244取K10.8,查表得3.927,则有2.1 105 29728.05 9.8 1032603.92720.8223.1430024692249r/min本横

8、向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m,远小于其临界转速，故满足要求。滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷Ca20200N,已知其轴向载荷FaFamax2401.19N,滚珠丝杠的转速nnmax166.67r/min,运转条件系数fw1.2,则有(J3 106Fa fw20200(2401.19 1.2)106 r344.533106rL60n344.533 106 h60 166.6734453h本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh34453h15000h,故满足要求。计算机械传动的刚度已知滚珠丝杠的弹性模量E2.1105MPa,滚珠丝杠的底径

9、d227.9mm。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离aLy300mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度Ksm.smin慧1033.14 27.92 2.1 1054 300427.73N / m当aLj100mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度KsmaxKsmaxd；E 4LJ103.14 27.92 2.1 1054 1001283.21N/ m已知滚动体直径dQ6.75mm滚动体个数Z=15.轴承接触角60。轴承最大轴向工作载荷FBmaxFamax2401.19N。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb为：Kb22.343dQZ2Famaxsin222.3436.751522401.

10、19（；）2654.49N/m查表得滚珠与滚道的接触刚度K683N/m,滚珠丝杠的额定动载Ca2401.19N 贝U20200N。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷Famax_1_1F1240119-KcK(-ama)3683()3N/m723.51N/m0.1Ca0.12020011K max K smaxKb Kc 1283.21654.49进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为10.003689723.51故Kmax723.51N/m。进给传动系统的综合拉压刚度最小值为Kb Kc427.731654.491 0.005248723.51故 Kmin 191N/ m已知扭矩作用点之间的距离L

11、2355mm ,滚珠丝杠的剪切模量G8.110632L232 355 10 3104MPa,滚珠丝杠的底径d227.9mm,则有d4G3.1427.9410128.110413566.04N?m/rad驱动电机的选型与计算(1)计算滚珠丝杠的转动惯量已知滚珠丝杠的密度7.8103kg/cm3,则有n3_4_2Jr0.7810DjLj1.38kg?cmj1(2)计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量机床执已知横向进给系统执行部件的总质量为m=30.61kg;丝杠轴每转一圈,行部件在轴向移动的距离L=0.6cm则J z1J z2Jz4L 20.62-2m()2 30.61 (-)2 0.28kg

12、?cm222 3.14计算各齿轮的转动惯量34_2_ 2Jz3 0.78 104 2kg ?cm 0.4kg ?cm34_2_20.78 1012 2kg ?cm 32.3kg ?cm342 4 一 2一 20.78 10 3 ()4 2kg?cm2 7.8kg ?cm2 5计算加在电动机轴上总负载转动惯量 J dJd.11,Jz1 .2(Jz2 Jz3),2 (J z4 J rJL)11i10.4 -(32.3 0.4)16.252(7.8 1.380.28)4.275kg ?cm2(5)计算折算到电动机轴上的切削负载力矩Tc已知在切削状态下的轴向负载力 Fa Famax 2401.19N

13、,丝杠每转一圈，机 床执行部件轴向移动的距离L=6mm=0.006m进给传动系统的传动比i=6.25总效 率4=0.85,则有FaL2 i2401.19 0.006 N ?m 2 3.14 0.85 6.250.43N ?m(6)计算折算到电动机上的摩擦负载力矩 T已知在不切削状态下的轴向负载力矩 F 0 345N ,则有F oL2 i345 0.0062 3.14 0.85 6.250.062N ?m(7)计算由滚珠丝杠预紧力Fp产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩Tf已知滚珠丝杠螺母副的效率0 0.98,滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp为L 1Fp3FamaxTf2)800.4 0.0062

14、3.14 0.85 6.25(1 0.982)0.0057N ?m折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。空载时(快进力矩)，为TKJTTf(0.0620.0057)N?m0.068N?m切削时(工进力矩)，为TGJTcTf(0.430.0057)N?m0.436N?m根据以上计算结果和查表初选130BF001型反应式步进电动机，具转动惯量Jm4.6kg?cm2；而进给传动系统的负载惯量Jd2.8kg?cm2；对于开环系统，一般取加速时间ta0.05s。当机床以最快进给速度v1000mm/min运动时电动机的最高转速为：1000nmax6.25r/min1041.67r/min6Tapl鬻(JmJ

15、d)60980ta2 3.14 1041.67 6.25(4.6 2.8)609800.05102.9kgf?cm10.08N?m(8)计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩计算空载启动力矩TqTqTap(TTf)(10.080.0620.0057)N?m10.15N?m计算快进力矩TkjTkjTTf(0.0620.0057)N?m0.068N?m计算工进力矩TgjTgjTcTf(0.430.0057)N?m0.44N?m(9)选择驱动电动机的型号根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机，其主要参数如下：相数，5;步距角,0.75/1.5;最大静转矩，13.72N?m；转动

16、惯量，9.8kg?cm2;最高空载启动频率，2800Hz;运行频率，8000Hz;分配方式，五相十拍。确定最大静转矩Ts:机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩Tsi的关系为：Tq0.951TsiTq1015_Ts1q025N?m10.67N?m0.9510.951机械传动系统空载启动力矩Tq与所需的步进电动机的最大静转矩Ts2的关系为：TGJ0.44Ts2GJ-N?m1.47N?m0.30.3取Ts1和Ts2中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩Ts10.67N?m。本电动机的最大静转矩为13.72N?m,大于Ts,可以在规定的时间内正常启动，故满足要求。验算惯量匹配，

17、为了使机械传动的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量Jl与伺服电动机的转动惯量Jm之比一般应满足下式：0.25近1Jm因叱等0.4360.25,1,故满足惯量匹配要求。4.9机械传动系统的动态分析滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度 质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为K0 Kminm、 ms,191 106N/m ,机床执行部件的 滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为md m 1/3ms,已知m=30.61kg,则:ms3.22 64 7.8 10 3 4.01kgmd11ms (30.61334.01)kg 31.95kgK0Z91 106radmd. 31.95nc/s 2445rad /s折算

18、到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为JsJi(9.84.275)6.25kg?cm288kg?cm20.0088kg?m2已知滚珠丝杠的扭转刚度KsK13566.04N?m/rad,则Ks13566.04nt.1241.6rad/sJs-0.0088由以上计算可知，丝杠一工作台纵向振动系统的最低固有频率nc、扭转振动系统的最低固有频率nt都比较高。一般按n300rad/s的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。4.10机械传动系统的误差计算与分析(1)计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值Kmin191106N/mm,导轨的静摩擦力为F0460N,则2210324606103mm4.82103mmKmin191106即4.82m8m,故满足要求。(2)计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差kmaxk maxFo() 103KminKmax460 (1191 1061271 106)1030.71 10 3mm即kmax0.71m6m,故满足要求。(3)计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差已知负载力矩TTKJ68N?mm,扭矩作用点之间的距离L2355mm,丝杠底径d227.9mm,则有7.21102TL27.21102683550.0029d2427.94由该扭转变形引起的轴向移动滞后量将影