課程設(shè)計-縱向進給機構(gòu)方案設(shè)計

1、指導(dǎo)教師評定成績：審定成績：綜合課程設(shè)計報告設(shè)計題目：縱向進給機構(gòu)方案設(shè)計目錄一、 目2二、 任 2三、 體方案 2四、機械系 31、 算切削力32、 珠 杠螺母副的 算.3（1）、最大工作 荷的 算3（2）、最大 荷 FQ 的 算.5（3）、 珠 桿螺母副的 型6（ 4）、 效率的 算6（5）、 度 算7（ 6）、 桿 定的校核 .7（7） 向 珠 桿副幾何參數(shù).83、 比 算.94、 步 機的 算和 型.10（1）、初 步 機10（2）、校核步 機 矩.11五、心得體會15六、參考文獻151一、 設(shè)計題目綜合課程設(shè)計之橫向傳動方案設(shè)計二、 設(shè)計任務(wù)書1掌握機電產(chǎn)品設(shè)計的基本方法。2掌握根據(jù)

2、零件的受力和功能進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。3掌握零件尺寸公差和形位公差的設(shè)計方法。4選擇傳動機構(gòu)實現(xiàn)進給機構(gòu)的運動。三、 總體方案設(shè)計本次設(shè)計的總體方案選用前次設(shè)計的方案，具體如下：數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)按有無位置檢測和反饋可分為開環(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)點是可以達到和好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙、干擾等對加工精度的影響。但他結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、調(diào)式和維修困難、造價高。半閉環(huán)控制系統(tǒng)由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于以步進電動機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)。但是，采用半閉環(huán)控制其調(diào)式比開環(huán)要復(fù)雜，設(shè)計上也要有其自身的特點，技

3、術(shù)難度較大。開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有位置控制器及反饋線路， 因此開環(huán)系統(tǒng)的精度較差，但其結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，所以常用于精度要求不高的場合。經(jīng)過以上比較，由于所改造的微型車床的目標加工精度沒有特殊要求，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號是單方向傳送的， 輸入裝置把信號輸給數(shù)控裝置，經(jīng)數(shù)控裝置運算后分配出指令脈沖， 通過步進電機驅(qū)動工作臺移動。由于該系統(tǒng)無位置和速度檢測裝置，因此， 它的精度主要由步進電機的步距角和與之相連的絲杠等傳動機構(gòu)的傳動精度決定。2四、 機械系統(tǒng)設(shè)計1、計算切削力主切削力 F（ N）按經(jīng)驗公式估算：FZ0.67D 1

4、max.5FZ 走刀方向的切削分力（N）D max 車床身上加工最大直徑（mm） D max =630mmFZ 0.67 D max1.50.67 6301.5 =10594.63（N）FZ ： FX ： FY =1：0.25： 0.4FX 走刀方向的切削力FY 垂直走刀方向的切削力FX = FZ0.25=2648.66(N)FY = FZ0.4=4237.85(N)2、滾珠絲杠螺母副的選擇計算（1）、最大工作載荷的計算：滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲杠的進給力、及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機床

5、加工的特點，據(jù)機床加工的特點， 圖 1 所示為車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，進給方向載荷FX=Ff ，橫向載荷 FY=FP，垂向載荷 FZ=FC 。3圖 1最大工作載荷 Fm 的試驗計算公式如圖 2據(jù)機床加工的特點，當銑削槽時，工作載荷最大，由于銑削時，工作載荷既包括銑削時沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力） ，也包括工作臺及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力） ，由于銑削時的軸向力不大，所以在此不考慮銑削時產(chǎn)生的軸向力。根據(jù)設(shè)計手冊可得工作載荷為：Fm = KFL + f( Fv +2 Fc + G )式中 FL 、 Fv 、 Fc 分別為工作臺進給方向載荷、垂直載荷

6、和橫向載荷，可由切向銑削力 Fz 求出，單位為N；G 為移動部件的重力，單位為N，本次設(shè)計中， G 主要包括工作臺、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驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩檫系數(shù)，不同的導(dǎo)軌，其值不同。對于燕尾形導(dǎo)軌，取K=1.4f / =0.2;對于銑床，切向銑削力Fz 是沿著銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電動機的功率（即銑削功率）最多，因此切向銑削力可按銑削功率Pm （KW ）或主電動機的功率Pe（KW ）計算出：Fz = Pe m 103/v4其中m 為機床傳動系統(tǒng)的傳動效率； v 為主軸傳遞全部功率時的最低切削速度，本次設(shè)計由前面的設(shè)計可

7、取v =0.085m/s。m 而的值為：m =0.9960.984則切向銑削力Fz 的值為：Fz =40.87103/0.085=409.41（ N）則切削時各個方向的載荷為：FL =Fz 0.8=327.53（N）Fv = Fz 0.75=307.6（ N）Fc = Fz 0.35=143.29（ N）則最大工作載荷 Fm 的值為：Fm =1.4 327.53+0.2（307.6+2143.29+196）=969.27（N）（2）、最大動載荷 FQ 的計算：首先根據(jù)切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷FQ 。FQ =

8、3 L f m Fmfa式中 fm 運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)， 一般運轉(zhuǎn)取 1.21.5，有沖擊的運轉(zhuǎn)取1.52.5；Fm 滾珠絲杠工作載荷（ N）；fa 精度系數(shù)， 當絲杠精度為 1 3 級時，f a=1，為 4、5、7 級時，f a=0.9；L 工作壽命，單位為106 r， L 可按下式計算60nTL =式中n 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（ r/min ）；T 使用壽命時間（ h），數(shù)控機床 T 取 2012 3024h。n1000 v L05其中 v 為最大切削力條件下的進給速度（m min ），可取最高進給速度的 1 2 1 3； L0 為絲杠基本導(dǎo)程（ mm），計算時，可初選一數(shù)值，等剛度驗算后再確定；則

9、n 1000 0.6 1 3 6 25 r min則 L 6025 15000 106 22.5 萬轉(zhuǎn)根據(jù)工作負載 Fm 、壽命 L ，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負載，因本次所設(shè)計的情況無沖擊，所以取fm 1.2， f a 1，所以得：FQ = 3 L f m Fmf a 3 22.51.28918.41 20213N根據(jù)滾珠絲杠所承受的最大動載荷必須小于其額定動載荷的原則，查機床設(shè)計手冊 ，可選擇絲杠的型號。本次設(shè)計選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，其導(dǎo)程為 5mm，螺旋升角為217，型號為CDM6308-2.5-P3,其額定動載荷是 14100N，強度足夠用。（3）、 滾珠絲桿螺母副的選型：

10、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，其額定功動負載為 18200（ N），精度等級按表綜合作業(yè)指導(dǎo)書表 3-17 選為 3 級。（ 4）、 傳動效率的計算：根據(jù)機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率為 tgtg式中絲杠的螺旋升角，本次設(shè)計所選絲杠的為 2 17；摩擦角，其值約等于10。則tg 2 11 0.9228tg 2 11106（5）、 剛度驗算 ：滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用而發(fā)生變形，它將引起導(dǎo)程 L0 發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(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

11、的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設(shè)計合理，其變形量也可忽略不計。 絲杠軸承的軸向接觸變形計算方法可參考 機械設(shè)計手冊，只要滾珠絲杠支撐的剛度設(shè)計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不必考慮。因此，在進行滾珠絲杠的剛度驗算時，只需要考慮軸向力的作用。LFp L0 cmEF式中E 彈性模數(shù)，對鋼， E 20.6 106 N cm2 ；F 滾珠絲杠截面積（cm2 ）（按絲杠內(nèi)徑確定，d13.25cm）F 3.25 2 cm 2 25.62 cm24“”用于拉伸時， “”用于壓縮時。則 L2421.750.8c

12、m3.2410 6 cm20.610625.62絲杠 1m 長度上導(dǎo)程變形總誤差1001003.2410 6m m4.15 m mL00.83 級精度絲杠允許的螺距誤差為15 m m ，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長桿，若軸向力工作負荷過大， 將使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk 為Fk = Fz2 EI/L 2(N)7式中：E 為絲桿的彈性模量，對于鋼， E=20.6104，I 為截面慣性矩， I=d14/64 ， (d 1為絲桿底徑 ),L 為絲桿最大工作長度， Fz為絲桿支承方式系數(shù) .所以I=（40-3.175 ） 4/64=

13、87266.24對于兩端簡支的情況fz =1.0因此220.6462Fk =1010 87266.24/590=47.221010臨界載荷 Fk 與絲桿工作載荷 Fm 之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)nk ，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) nk ，則該滾珠絲桿不會失穩(wěn)。一般取 nk =2.5-4,考慮到絲桿自重對水平滾珠絲桿的影響可取 nk 4;所以nk =47.22 1010/2208.48134因此壓桿穩(wěn)定。（7）縱向滾珠絲桿副幾何參數(shù)表 1： WD6008滾珠絲桿副幾何參數(shù)參數(shù)名稱符號關(guān)系式WD6008公稱直d060徑螺導(dǎo)程L08接觸角2.183紋鋼球直dq3.969徑滾滾道法面RR0.52 d2.0

14、64半徑道d p sin偏心距ee R0.003028螺紋升rr = arctan L030 25角d0外徑dd = d0 -(0.20.25)dq59.2螺內(nèi)徑d1d1 = d 0 2e 2R55.878桿接觸直d2d 2 = d0 dq Cos56.034徑螺螺紋直DD = d 0 2e 2R64.122母徑內(nèi)徑D1D1 =d 0 (0.2 0.25)d60.7938q3、齒輪傳動比計算已知縱向進給脈沖當量=0.01mm/step, 滾珠絲桿導(dǎo)程 L0 =8mm，初選步進電動機步距角 0.75 0 ，可計算出傳動比i ：360 pi =b L0p 脈沖當量（ mm/step）L0滾珠絲桿的

15、基本導(dǎo)程（mm）b 步進電機的步距角360p=3600.01i =0.75=3/8b L08因為可進定齒輪齒數(shù)為i = Z1 / Z 2 =24/64Z1 =24 ， Z2 =64根據(jù)機械設(shè)計，又因進給給運動齒輪受力不大，模數(shù) m取 2，則有關(guān)參數(shù)如下表所示 ( 見表 4) ：9表 2：傳動齒輪幾何參數(shù)齒2464Z數(shù)分度Z48128d = m圓齒頂52132d a= d 2 m圓齒根1.2546.5126.5d f = d 2圓齒m2020(6 10)寬中心88A=( d1 d2 )/2距4、步進電機的計算和選型1 、初選步進電機（1） 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩Tm36 p FmTm =2bp 脈

16、沖當量（ mm/step）取p =0.01mm/stepFm 進給牽引力（ N）取Fm =2175.94Nb 步距角，初選雙拍制為0.750電機絲桿的傳動效率，為齒輪、軸承、絲桿效率之積，分別為0.98、 0.99、0.99 和 0.94。36p Fm360.012175.94783.338Tm =2 3.14 0.750.980.99 0.99 0.94182.36 N.2b4.295cm10（2） 算步進電機啟動轉(zhuǎn)矩根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩除以 Tm 一定的安全系數(shù)來估算步進電機啟動轉(zhuǎn)矩TqTq =Tm /0.3 0.5一般縱向進給伺服系統(tǒng)的安全系數(shù)取0.3 0.4Tq = Tm /0.4=182.3

17、6/0.4=455.9N.mm（3） 計算最大靜扭矩Tq查綜合作業(yè)指導(dǎo)書表3-22，如取五相十拍，則=0.951T j max=Tq/0.951=455.9/0.951=479.39N.mmT j m a x（4） 計算步進電機運行的頻率和最高起動頻率f kf e1000vs =1000 11666.7 HZ60 p600.01f k1000v max10002=3333HZ60p60 0.01式中： vs 最大切削進給速度 m/min ,vs =1m/minvmax 最大快移速度 m/min,vmax =2m/minp 脈沖當量 ,p =0.01mm/step根 據(jù)估 算出的最大的 靜轉(zhuǎn)矩

18、T j m a x=479.39N.mm 在表 3-23 中查出 130BF001 最大靜扭矩為 931N479.39N 可以滿足要求， ，但從表中看出 130BF001 步進電機最高空載起動頻率為 3000HZ，不能滿足 f k =3333HZ 的要求，此項指標可暫不考慮，可以采用軟件開降速程序來解決。2、校核步進電機轉(zhuǎn)矩前面所初步電機的轉(zhuǎn)矩計算，均為估算，初選之后，應(yīng)該進行校核計算。有效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖如前（ a）所示，根據(jù)綜合作業(yè)指導(dǎo)書表3-24，傳動系統(tǒng)11計算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量J可由下式計算：J = J m J 1 ( Z 1 ) 2( J2 J S ) G ( (L 0)

19、 2 )Z2g2J m 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm2 ）J 1 . J 2 矢輪 Z1Z2 的轉(zhuǎn)動慣量（ kg.cm2 ）J S 滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣車（kg.cm2 ）參考同類型機床，初步反應(yīng)式步進電機BF1，作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：I4( 180 p )2w( 1800.01 )280 0.468kgcm2 4.68Ncm23.140.75齒輪轉(zhuǎn)動慣量：J17.810-44.84 2=8.281kg cm2=82.81 Ncm2 J27.810-412.842=53.678kg cm2絲桿傳動慣量：J3=7.810-464 140=141.52kgcm2=1415.2 Ncm2

20、電機轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。因此，總的轉(zhuǎn)動慣量：1(J3+J2)+J1+J41= 1.252 (141.52+53.68)+0.468+8.281= 130.52 kg cm2=1305.2 N cm2(1) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算?？焖倏蛰d啟動所需力矩： MM a maxM fM a最大切削力負載時所需力矩：M M afM fM o M t式中： M a max 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩M f 折算到電機軸上的摩擦力矩M o 由于絲桿預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩M af 切削時折算到電機軸上的加速度力矩12M t 折算到電機軸上的切削負載力矩M aJn10 4 NM9.6T

21、當 nnmax 時， M maxM anmaxVmaxi20002.67 / 86 6 .75r / m i nLoM max130.25667.510 436.3Nm9.6 0.025363k g f c m當 nnt 時， M aM atnif i1000v f i10001000.31.25ntDL0L03.1480818.66M at130.5218.6610 41.015Nm1.015kgf m9.60.025M fF0 L0f wL02 ni2ni當0.8， f 0.16時，M f0.16800.80.763 323.140.82.67NcmM 0P0 L012 ni當0.9時，預(yù)加載荷P0Fx3 則M 062.850.810.92cm2.373N cm63.140.80.2373kgf2.67M tF X L 062.85 0.82 i3.7483kg f cm 37.483N CM2 3.14 0.8 2.67所以，快速空載啟動所需力矩：MMa maxM fM 03630.76330.2373340.0006kgfcm3400.06N cm13快速進給時所需力矩：MM fM 00.76330.23731.0006kgfcm10.006N cm切削時所需力矩：MM atM fM 0M t10. 1