立式加工中心工作臺X軸Y軸進給傳動系統(tǒng)設(shè)計

1、一、概述1.1 數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的特點數(shù)控機床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論是點位控制還是輪廓控制，工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性影響。為此，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)一般具有以下特點。1）摩擦阻力小為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和運動精度，必須減小運動件數(shù)間的摩擦阻力和動、靜摩擦力之差。為滿足上述要求，在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，普遍采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副；滾動導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和塑料導(dǎo)軌。與此同時，各運動部件還考慮有適當(dāng)?shù)淖枘?，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2）傳動精度和剛度高進給傳動系統(tǒng)的傳動精度和剛度，從機械結(jié)構(gòu)方面考慮主要取決于傳動間隙和絲杠螺

2、母副、蝸輪蝸桿副及其支撐結(jié)構(gòu)的精度和剛度。傳動間隙主要來自傳動齒輪副、蝸輪副、絲杠螺母副及及其支撐部件之間，因此進給傳動系統(tǒng)廣泛采取施加預(yù)緊力或其他消除間隙措施?？s短傳動鏈和在傳動鏈中設(shè)置減速裝置。加大絲杠直徑以及對絲杠螺母副、支承部件、絲杠本身施加預(yù)緊力是提高傳動剛度的有效措施。3）運動部件慣量小運動部件的慣量對伺服機構(gòu)的啟動和制動特性有影響，尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零部件。因此，在滿足部件強度和剛度的前提下，盡可能減小運動部件的質(zhì)量、減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑和質(zhì)量。以降低其慣量。1.2 設(shè)計內(nèi)容及要求設(shè)計立式加工中心工作臺（X 軸、 Y 軸）進給傳動系統(tǒng)1）工作臺、工件和夾具總質(zhì)量 m=1200kg

3、（所受重力 N=12000N）選取工作臺質(zhì)量 m 0 800kg( 所受重力 N 0 8000N ) 工作臺最大行程 LP600mm2）工作臺快速進給速度 Vmax 2000mm / min3）工作臺采用滾動直線導(dǎo)軌， 導(dǎo)軌的動、靜摩擦系數(shù)均為 u00.1工作臺定位精度 20 m ，重復(fù)定位精度為 8 m ，機床壽命為 20000h（10 年）4）機床主軸伺服電動機，額定功率 PE 6.5kW5）機床采用斷面銑刀進行強力切削，銑刀直徑D 125mm，主軸轉(zhuǎn)速 n 272r / min ，切削狀況如表所示表 1立式加工中心切削情況切削方式進給速度（ m/min） 時間比例（）備注強力切削0.61

4、0主電動機滿功率條件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速進給2010空載條件下工作臺快速進給總體設(shè)計方案1）工作臺工作面尺寸確定，長寬 =400mm 1200mm2）工作臺導(dǎo)軌采用滾動直線導(dǎo)軌3）對滾球絲杠螺母副進行預(yù)緊4）采用伺服電動機驅(qū)動5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動機的二、設(shè)計計算2.1 主切削力及其切削分力計算1）計算主切削力FZ主軸具有最大扭矩并且能傳遞主電動機全部功率，此時切削速度為Dn3.1412510 3272v60m / s 1.78m / s60取機械效率m0.8 ，則由 1 中式（ 2-6 ）得 FzmPE 1030.8 6.5103 N 2.92

5、103 Nv1.782）計算各切削分力由1 表（ 2-1 ）得縱向切削力 F10.4 Fz1.17103 N橫向切削力 Fc0.95Fz2.77103 N垂向切削力 Fv0.55Fz1.61103 N2.2 導(dǎo)軌摩擦力計算1）由 1式（ 2-8a ）計算切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力F ，此時導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.01 。查 1表（ 2-3 ）得，fg100NF(Wf gFcFv)0.01(1200010027701610)164.8N2）由 1 式（ 2-9a ）得不切削狀態(tài)下導(dǎo)軌摩擦力F 0(Wf g )0.01(12000100) N121N導(dǎo)軌靜摩擦力 F0F 0121N2.3 計算滾球絲杠螺母副的

6、軸向負(fù)載力1）由 1 式（ 2-10a ）最大軸向負(fù)載力Fa maxF1F(1170166.8) N1136.8N2）由 1 式（ 2-11a ）最小軸向負(fù)載力Fa minF 0121N2.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程L電動機的最高轉(zhuǎn)速 nmax2000r / min ，由 1 式（ 2-10 ）得 L0vmax10mmin max2) 計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)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，將結(jié)果填入表 2 表 2 立式加工中心滾珠絲杠的計算（ 2）計算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速 niv10.6r / min 60r / m

7、inn110 103L0v20.8r / min 80r / minn210 103L0v31r / min 100r / minn310 103L0v4203 r / min 2000r / minn410 10L0（3）由 1 式（ 2-17 ）計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速nmnmq1 n1q2 n2 Lqn nn100100100( 1060308050100102000) r / min 280r / min100100100100（4）由 1 式（ 2-18 ）計算滾珠絲杠螺母副的平均載荷Fm 。Fm3 F13 n1 q1F23 n2 q2LFn3 nn qnnm 100nm 100

8、nm 1003 1136.836010348.36 38030177.84 3100501213200010 N2801002801002801002801003 1136.83 0.021 348.363 0.086 177.843 0.179 1213 0.714N 332.5N3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷Cam（1）由預(yù)定工作時間按 1 式（ 2-15 ）計算。查 1 表(2-28) 得載荷性質(zhì)系數(shù)fw1.3 。查1表（2-29 ）滾珠絲杠的精度等級為 2 級，取精度系數(shù) fa1 ，查表 1 （2-30 ），一般情況下可靠性達 97%，取可靠性系數(shù) f c 0.44 ，C3Fm f

9、w60nmLh 100 f a fcam13 60 280 20000 332.5 1.3 N 6829.602N100 1 0.44（2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預(yù)緊，所以可按 1 式（ 2-21 ）估算最大軸向載荷。查表（2-31 ）得預(yù)加載荷系數(shù) f e 4.5 ，則Cam2f eFa max4.51136.8 N5115.6 N（3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷Cam 。取以上兩種結(jié)果的最大值，即Cam6829.602 N 。4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m 。（1）根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知工作臺的定位精度為20m ，重

10、復(fù)定位精度為 8m ，根據(jù) 1 式（2-23 ）、（ 2-24 ）以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得max1(1 :1)8 m(2.67 : 4) m32max 2( 1:1) 20m(4 :5) m54取上述計算結(jié)果的最小值，即max2.67m 。（2）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2 m 。本機床工作臺（ X 軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定方式，一端的游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為L行程安全行程 +2余程螺母長度支承長度(1.2 : 1.4)行程 （25 : 30） L 。取L1.4行程30L0(1.46003010) mm1140mm又 F0Fu

11、 0121N ，由 1 式（ 2-25）得d2m 0.078 F0 L0.078121 1140mm 17.66mmmax2.675）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L0 、 Cam 、 d2m ，由 1 A-3 選型號為 FFZD4010-3 的滾珠絲杠螺母副,其公稱直徑d0 、基本導(dǎo)程L0 、額定動載荷C a 和絲杠底徑 d2 如下：d040mm, L010mmCa30kNCamd234.3mmd2m故滿足要求。6）確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力Fp由1(2-29) 得Fp1 Fa max11136.8 378.93 N337）確定滾珠絲杠螺母副支撐用軸承的規(guī)格型號由公式計算軸承

12、所承受的最大軸向載荷FBmax。FBmaxFamax1136.8N計算軸承的預(yù)緊力FB p。FBp1 FBmax3378.93 N計算軸承的當(dāng)量軸向載荷FBam。FBamFBp Fm378.93 332.5 711.43 N由 1 式 (2-15)計算軸承的基本額定動載荷C 。已知軸承的工作轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm 相同 n nm280r / min ，軸承所承受的當(dāng)量軸向載荷 FBaFBam 711.43N ，軸承的基本額定壽命 Lh20000h 。 軸承的徑向載荷 Fr 和軸向載荷 Fa 分別為FrFBamcos60o355.725NFFBamsin60 o616.12Na因為 Fa1

13、.7322.17 ，所以查 1表(2-25) 得，徑向系數(shù) X=1.9 ，軸向系數(shù) Y=0.54 ，故FrpXFtYFa (1.9 355.725 0.54616.12) N1008.58 NCP 3 60nLh1008.58 3 60 280 20000 N 7011.71N100100確定軸承的規(guī)格型號。查1 附表（ A-2 ）因為滾珠絲杠采用一端固定，一端游動支承方式， 所以將在固定端選用60°角接觸球軸承組背對背安裝，以承受兩個方向的軸向力，由于滾珠絲杠螺紋底徑d2 34.3mm ，所以選取軸承內(nèi)徑 d 30mm，以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)需要。查手冊取型號為760206TNI/P4

14、DFA ，尺寸（內(nèi)徑 ×外徑 × 寬 度 ） 為30mm × 62mm × 16mm的 角 接 觸 球 軸 承 選 用脂 潤滑 ，該 軸承 的負(fù) 載能 力FBP1450FBP378.93 N 。在油脂潤滑狀態(tài)下的相對轉(zhuǎn)速為2200 r minnmax2000 r min ，故滿足要求。軸承的額定動載荷C26000nC7011.71N 故滿足要求三、工作臺部件的裝配圖設(shè)計圖 1 、工作臺 (X 軸 ) 部件裝配圖圖 2 、工作臺零件圖、圖 3 立式加工中心工作臺計算簡圖四、滾珠絲杠螺母副林解壓縮在和Fc 的校驗4.1 滾珠絲杠螺母副林解壓縮在和Fc 的校驗

15、由工作臺計算簡圖，滾珠絲杠螺母副的最大受力長度L1 766mm 。絲杠桿水平安裝時，k11，查表 2-44，取 k 2 2由式 2-35 得3d24Fck1k 22 157263.41NL1求工作臺滾珠絲杠最大軸向壓縮載荷為Fmax1136.8N 遠(yuǎn)小于臨界載荷 Fc 的值，故滿足要求4.2. 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速nc 的校驗由圖 3滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速計算長度 L2780mm 其彈性模量 E 2.1105 MP 已知a材料密度17.8 10 5 N mm3 重力加速度 g10 103 mm s2 。安全系數(shù) k10.8 ，由表取g3.927滾珠絲杠的最小慣性矩為43.1444I64d26

16、434.367909mm滾珠絲杠最小截面積A4d22923.54mm2由公式2-26得60 2EI603.92722.1 10567909 9.8 103nc k12 L2A0.82 3.1478027.810 5 923.548533rmin工作臺滾珠絲杠額定動載荷Ca30000 N ，軸向載荷 =1136.8N 運轉(zhuǎn)條件函數(shù) fw1.2 ，滾珠絲杠轉(zhuǎn)速 n2000 r min根據(jù)公式 2-37 或 2-38 得Ca3LL10610.64109 rLh88667hFa fw60n一般來講在設(shè)計數(shù)控機床時，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總工作壽命Lh 2000h 故滿足要求五、機械傳動系統(tǒng)剛度計算5.

17、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 k s本機創(chuàng)工作臺支撐方式為一端固定一端游動，由圖 3 可知，滾珠絲杠的螺母中心至固定端支 撐 中 心 距 離 aLY 時 ， 滾 珠 絲 杠 具 有 最 小 拉 壓 剛 度 kSmin ， 有 公 式2-43a 得d2 2 Ek Smin253.42 N m 當(dāng) a LJ 166mm 時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度 4LYk Sm ax 由公式 2-43b 得k Smax1162.59 Nm(2) 計算滾珠絲杠支撐的剛度 k b已知軸承接觸角60。，滾動體直徑d- 7.144mm ，滾動體個數(shù)Z=17，軸承的最大軸向工作載荷FBm

18、ax由表2-45 和表2-46得：k b22.343 dQ Z 2 FBmax sin 5496.04 Nm(3) 計算滾珠絲杠與軌道的接觸剛度 k c查附表 A-3 得滾珠絲杠的剛度 k=973 Nm .額定動載荷 Ca30000 N ，滾珠絲杠上所承受最大軸向載荷 Famax1136.8N ，由公式 2-46b 得13k ck Famax704.1N m0.1Ca（4）計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度k由 公 式2-47a傳動系統(tǒng)綜合拉壓剛度最大值為11110.0043 即k maxksmaxksk ck max 231Nm故 k min 135.46 N m5.2.滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度

19、計算由圖 1 知扭矩作用點之間的距離 L21048mm ，剪切模量 G=8.1 104 M pa滾珠絲杠底徑 d2 34.3mm 故由公式 2-48 得d24Gk10497.35 N m rad32L2六、驅(qū)動電機的造型與計算6.1計算折算到電動機軸上的負(fù)載慣量（1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Jr已知滾珠絲杠的密度7.8 10-3 kg cm3 故由公式得nJ r 0.78 10-3D 4j Lj18.84kg cm 2j 1（2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 J0J0 0.78 10-3D 4 - d4 L7.39 kg cm2（3）由公式 2-65 計算折算到電動機軸上的移動部件轉(zhuǎn)動慣量Jd2Jd m

20、 L30.43kg cm22(4)由公式 2-66 計算加在電動機軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量 Jd JrJ0 J L 56.66 kg cm26.2 計算這算電動機軸上的負(fù)載力矩（ 1）由公式 2-54計算怯薛負(fù)載力矩 Tc切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力FaFamax1136.8N 電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動距離 L 10mm 0.01mm ，緊急給傳動系統(tǒng)總效率0.90Fa L2.01Nm則 Tc2（2）由 1 式（ 2-55 ）計算摩擦負(fù)載力矩F 0 L121 0.01g，故Tf23.140.90.21N m2F 0 L121 0.01T23.140.21ngm20.9（3）由 1 式

21、（ 2-56）計算由滾珠絲杠的預(yù)緊力而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩Tf 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 Fp372.2N ,滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程 L1 10 mm 0.01m滾珠絲杠螺母副效率0 0.94 ，則Tf F 0L (10 ) 20.08N gm26.3 計算機坐標(biāo)軸折算到電動機軸上各種所需的力矩（1）由 1 式（ 2-58）計算線性加速力矩 T a1已知機床執(zhí)行部件以最快速度運行時， 電動機最高轉(zhuǎn)速為 nmax2000 r min ，電動機的轉(zhuǎn)動慣量為 Jm62kg ? cm2 。坐標(biāo)軸負(fù)載慣量J d 56.66kg ? cm2 ，進給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益K s20 HZ ，則加速時間 ta30

22、,15s。K s故：T a2 nmax(Jm)(1ksta)=15.73Nm60 980taJ de（2）由 1 式（ 2-59）計算階躍加速力矩110.05s加速時間 tsK s202 nmax故 T a 60 980ta ( J m Jd ) 49.69Nm（3）計算坐標(biāo)軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩由 1 式（ 2-61）計算線性加速度時的空載啟動力矩T qTa1TT f 15.730.210.08 16.02Nm由 1 式（ 2-61）計算階躍加速度時的空載啟動力矩T qT apTT f49.690.210.0849.98Nm由 1 式（ 2-57a）計算空載時的加速力矩T kgT

23、T f0.210.080.29Nm由 1 式（ 2-57）計算切削是工進力矩TGJT cT f2.010.082.09Nm6.4 選擇驅(qū)動電動機的型號（1）選擇驅(qū)動電動機的型號根據(jù)以上計算和 1 式（ 2-4），選擇 FANUC12系列交流伺服電動機。主要技術(shù)參數(shù)：3000i額定功率 3Kw 。額定力矩 12Nm。最高轉(zhuǎn)速 3000 r。 .轉(zhuǎn)動慣量 62Kg2質(zhì)量minm,18Kg.交流伺服電機的加速度力矩一般為額定功率的5-10 倍，按5 倍計算，該電動機的加速度力矩 60Nm。均大于本工作臺線性加速的時的啟動力矩或階躍加速度時空載啟動力矩。所以，不管采用何種加工方式，本電動機均滿足加速力

24、矩要求。（2）滾兩匹配演算為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，應(yīng)滿足（2-67）0.25 J d1J m而本題中 0.25J d56.661，故滿足慣性匹配要求。J m62七、機械傳動系統(tǒng)動態(tài)分析7.1. 計算絲杠 - 工作臺縱向傳動系統(tǒng)的最低固有頻率nc已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度k 0k min135106 N m 滾珠絲杠螺母副和機床1執(zhí)行部件的等效質(zhì)量md m m s 其中 m m s 分別為機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺 3母副質(zhì)量， i 和 m=1200kg1 m s 1203.61kg則： m s442 110.5 7.510-310.831g md m3nck 0334.91rad smd7.2. 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率ntJs Jr J 00.0027kg m 2又，絲杠扭轉(zhuǎn)剛度 k sk10497.35 N m rad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nc334.9 rad s扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率nt1972 rad s都比較高，一般按n300 rad s 的要求來設(shè)計機械傳動系統(tǒng)剛度故滿足要求八、機械傳動系統(tǒng)的誤差計算分