課程設(shè)計(jì)匯本-縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1、 指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)：審定成績(jī)：綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)目 錄一、 設(shè)計(jì)題目2二、 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2三、 總體方案設(shè)計(jì)2四、 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)31、 計(jì)算切削力32、滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算.3（1）、最大工作載荷的計(jì)算3（2）、最大動(dòng)載荷的計(jì)算.5（3）、 滾珠絲桿螺母副的選型6（4）、傳動(dòng)效率的計(jì)算6（5）、 剛度驗(yàn)算7（6）、壓桿穩(wěn)定的校核.7（7）縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù).83、齒輪傳動(dòng)比計(jì)算.94、 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型.10（1）、初選步進(jìn)電機(jī)10（2）、校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩.11五、心得體會(huì)15六、參考文獻(xiàn)15一、 設(shè)計(jì)題目綜合課程設(shè)計(jì)之橫向傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)二、 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1

2、掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法。2 掌握根據(jù)零件的受力和功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。3 掌握零件尺寸公差和形位公差的設(shè)計(jì)方法。4 選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。三、 總體方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的總體方案選用前次設(shè)計(jì)的方案，具體如下：數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)按有無(wú)位置檢測(cè)和反饋可分為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制方案的優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到和好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對(duì)加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價(jià)高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式

3、比開(kāi)環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計(jì)上也要有其自身的特點(diǎn)，技術(shù)難度較大。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中沒(méi)有位置控制器及反饋線路，因此開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場(chǎng)合。經(jīng)過(guò)以上比較，由于所改造的微型車(chē)床的目標(biāo)加工精度沒(méi)有特殊要求，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，沒(méi)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的，輸入裝置把信號(hào)輸給數(shù)控裝置，經(jīng)數(shù)控裝置運(yùn)算后分配出指令脈沖，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。由于該系統(tǒng)無(wú)位置和速度檢測(cè)裝置，因此，它的精度主要由步進(jìn)電機(jī)的步距角和與之相連的絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度決定。四、 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、計(jì)算切削力主切削力F（N）按經(jīng)驗(yàn)

4、公式估算：走刀方向的切削分力（N）車(chē)床身上加工最大直徑（mm）=630mm=10594.63（N）：=1：0.25：0.4走刀方向的切削力垂直走刀方向的切削力=0.25=2648.66(N)=0.4=4237.85(N)2、 滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算（1）、最大工作載荷的計(jì)算：滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的進(jìn)給力、及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)，據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)，圖1所示為車(chē)削是拖板的受力情況，可以看出， 拖板所受載荷與切削力的關(guān)系，進(jìn)給方向載荷FX=Ff，橫向載荷FY=FP，垂

5、向載荷FZ=FC。圖1最大工作載荷Fm的試驗(yàn)計(jì)算公式如圖2據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)，當(dāng)銑削槽時(shí)，工作載荷最大，由于銑削時(shí)，工作載荷既包括銑削時(shí)沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺(tái)及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力），由于銑削時(shí)的軸向力不大，所以在此不考慮銑削時(shí)產(chǎn)生的軸向力。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)可得工作載荷為：=+ (+2+)式中、分別為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷，可由切向銑削力求出，單位為N；G為移動(dòng)部件的重力，單位為N，本次設(shè)計(jì)中，G主要包括工作臺(tái)、工件等的重力，取它們的質(zhì)量m=200Kg；K和f分別為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩檫系數(shù)，不同的導(dǎo)軌，其值不同。對(duì)于燕尾形導(dǎo)軌，

6、取K=1.4 f=0.2;對(duì)于銑床，切向銑削力是沿著銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床主電動(dòng)機(jī)的功率（即銑削功率）最多，因此切向銑削力可按銑削功率（KW）或主電動(dòng)機(jī)的功率（KW）計(jì)算出：=××103/v其中為機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率；為主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度，本次設(shè)計(jì)由前面的設(shè)計(jì)可取=0.085m/s。而的值為：=0.996×0.984 則切向銑削力 的值為：=4×0.87×103/0.085=409.41（N） 則切削時(shí)各個(gè)方向的載荷為：=×0.8=327.53（N）=×0.75=307.6（N）=×0.3

7、5=143.29（N）則最大工作載荷的值為：=1.4×327.53+0.2（307.6+2×143.29+196）=969.27（N）（2）、最大動(dòng)載荷的計(jì)算：首先根據(jù)切削力和運(yùn)動(dòng)部件的重量引起的進(jìn)給抗力，計(jì)算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計(jì)算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動(dòng)載荷。=式中運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.21.5，有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)取1.52.5；滾珠絲杠工作載荷（N）；精度系數(shù)，當(dāng)絲杠精度為13級(jí)時(shí)，f a=1，為4、5、7級(jí)時(shí)，f a=0.9；工作壽命，單位為10r，可按下式計(jì)算=式中 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）；使用壽命時(shí)間（h），數(shù)控機(jī)床取20×12&

8、#215;30×24h。其中為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（），可取最高進(jìn)給速度的；為絲杠基本導(dǎo)程（），計(jì)算時(shí)，可初選一數(shù)值，等剛度驗(yàn)算后再確定；則 ×0.6×÷625則 22.5萬(wàn)轉(zhuǎn)根據(jù)工作負(fù)載、壽命，計(jì)算出滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)負(fù)載，因本次所設(shè)計(jì)的情況無(wú)沖擊，所以取1.2，1，所以得：=20213N 根據(jù)滾珠絲杠所承受的最大動(dòng)載荷必須小于其額定動(dòng)載荷的原則，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，可選擇絲杠的型號(hào)。本次設(shè)計(jì)選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，其導(dǎo)程為5mm，螺旋升角為2°17，型號(hào)為CDM6308-2.5-P3,其額定動(dòng)載荷是14100N，強(qiáng)度足夠用。（3

9、）、 滾珠絲桿螺母副的選型：可采用WD6008外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母珠絲桿副，1列2.5圈，其額定功動(dòng)負(fù)載為18200（N），精度等級(jí)按表綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)表3-17選為3級(jí)。（4）、傳動(dòng)效率的計(jì)算：根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為式中 絲杠的螺旋升角，本次設(shè)計(jì)所選絲杠的為2°17；摩擦角，其值約等于10。則 0.9228（5）、 剛度驗(yàn)算：滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和扭矩的作用而發(fā)生變形，它將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接

10、觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)。絲杠軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，只要滾珠絲杠支撐的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不必考慮。因此，在進(jìn)行滾珠絲杠的剛度驗(yàn)算時(shí)，只需要考慮軸向力的作用。式中 彈性模數(shù)，對(duì)鋼，；滾珠絲杠截面積（）（按絲杠徑確定，）25.62 “”用于拉伸時(shí)，“”用于壓縮時(shí)。則 絲杠1m長(zhǎng)度上導(dǎo)程變形總誤差3級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為15，故剛度足夠。（6）、壓桿穩(wěn)定的校核：滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向力工作負(fù)荷過(guò)大，將使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界

11、載荷為= 2 EI/L2(N)式中： E為絲桿的彈性模量，對(duì)于鋼，E=20.6104，I為截面慣性矩，I=d14/64，(d1為絲桿底徑),L為絲桿最大工作長(zhǎng)度，為絲桿支承方式系數(shù).所以 I=（40-3.175）4/64=87266.24對(duì)于兩端簡(jiǎn)支的情況 =1.0因此 =220.610410687266.24/5902=47.221010臨界載荷與絲桿工作載荷之比稱(chēng)為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，則該滾珠絲桿不會(huì)失穩(wěn)。一般取=2.5-4,考慮到絲桿自重對(duì)水平滾珠絲桿的影響可取4;所以 =47.221010/2208.48134因此 壓桿穩(wěn)定。（7）縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)表1：W

12、D6008滾珠絲桿副幾何參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)符號(hào)關(guān)系式WD6008螺紋滾道公稱(chēng)直徑60導(dǎo) 程8接觸角2.183鋼球直徑3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.0030螺紋升角=螺桿外 徑=-(0.20.25) 59.2 徑=2255.878接觸直徑=Cos56.034螺 母螺紋直徑=2264.122 徑=(0.20.25) 60.79383、齒輪傳動(dòng)比計(jì)算已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm/step,滾珠絲桿導(dǎo)程=8mm，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比：= 脈沖當(dāng)量（mm/step）滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（mm）步進(jìn)電機(jī)的步距角=3/8因?yàn)榭蛇M(jìn)定齒輪齒數(shù)為=/=24/64=24 ，=64根據(jù)機(jī)械設(shè)

13、計(jì)，又因進(jìn)給給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，則有關(guān)參數(shù)如下表所示(見(jiàn)表4)： 表2：傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù)齒數(shù)2464分度圓=48128齒頂圓=252132齒根圓=21.2546.5126.5齒寬(610) 2020中心距=()/2884、 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型1 、初選步進(jìn)電機(jī)（1）計(jì)算步進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩=脈沖當(dāng)量（mm/step）取=0.01mm/step進(jìn)給牽引力（N）取=2175.94N步距角，初選雙拍制為電機(jī)絲桿的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94。=N.cm（2）算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩除以一定的安全系數(shù)來(lái)估算步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩=/0.3

14、0.5一般縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.30.4= /0.4=182.36/0.4=455.9N.mm（3）計(jì)算最大靜扭矩查綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)表3-22，如取五相十拍，則=0.951=/0.951=455.9/0.951=479.39N.mm（4）計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的頻率和最高起動(dòng)頻率=HZ=HZ式中：最大切削進(jìn)給速度m/min , =1m/min最大快移速度m/min, =2m/min脈沖當(dāng)量, =0.01mm/step 根據(jù)估算出的最大的靜轉(zhuǎn)矩=479.39N.mm在表3-23中查出130BF001最大靜扭矩為931N>479.39N可以滿足要求，但從表中看出130BF001步進(jìn)電機(jī)最高

15、空載起動(dòng)頻率為3000HZ，不能滿足=3333HZ的要求，此項(xiàng)指標(biāo)可暫不考慮，可以采用軟件開(kāi)降速程序來(lái)解決。2、校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩前面所初步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，均為估算，初選之后，應(yīng)該進(jìn)行校核計(jì)算。有效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算計(jì)算簡(jiǎn)圖如前（a）所示，根據(jù)綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)表3-24，傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：=()()步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）.矢輪Z1Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣車(chē)（）參考同類(lèi)型機(jī)床，初步反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)BF1，作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：I4()2w()2×800.468kg·cm24.68N·cm2齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：J17.8×

16、10-4×4.84×2=8.281kg·cm2=82.81 N·cm2J27.8×10-4×12.84×2=53.678kg·cm2絲桿傳動(dòng)慣量： J3=7.8×10-4×64×140=141.52kg·cm2=1415.2 N·cm2電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略。因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：(J3+J2)+J1+J4 =(141.52+53.68)+0.468+8.281 = 130.52 kg·cm2=1305.2 N·cm2(1) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算。

17、快速空載啟動(dòng)所需力矩：最大切削力負(fù)載時(shí)所需力矩：式中：空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩由于絲桿預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)，時(shí)，N·cm當(dāng)時(shí)，預(yù)加載荷則所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩：快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：切削時(shí)所需力矩：由以上分析計(jì)算可知：所需最大力矩發(fā)生快速啟動(dòng)時(shí)：，所以選擇型號(hào)WD6008（2）校核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。已計(jì)算出機(jī)床最大快移時(shí)需步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率為3333Hz，切削進(jìn)入時(shí)所需步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率為1333.3Hz。從綜合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)表323中查出型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空BF1-160載起動(dòng)頻率為3000Hz，運(yùn)行頻率為16000Hz，再?gòu)木C合作業(yè)指導(dǎo)書(shū)圖315，316查出BF1-160步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線如（C）圖所示，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，時(shí)，,不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩222.916N.cm。直接使用則會(huì)施行失步現(xiàn)象，所以必須采取開(kāi)降進(jìn)控制用軟件實(shí)現(xiàn)，將起動(dòng)頻率到1000Hz起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可增高到588.4N.cm，