机床数控技术课程设计

1目录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-----------------------------113.2确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号------------12总结与体会-------------------------------------------13参考文献---------------------------------------------1421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，具备查阅和运用标准、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：工作台工作台质量kgmT600最大加工受力NFW1500快进速度smvf/2.0max工进速度smvv/1.0最大加速度2max/2.1sma工作台导轨摩擦力NFR5.2工作行程msW7.0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800/LKNm丝杠螺母刚度800/MKNm螺母支座刚度1000/TMKNm3丝杠传动效率0.9sp丝杠长度0.5spLm丝杠轴承、丝杠螺母摩擦力矩,2.5RspMNm轴承平均间距1550Lmm导程10sphmm最大转速常数60000A支承方式双推—双推伺服电机电机转子惯量320.0510MJkgm2.2工作过程分析机床在工作时，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'aC，由图1可见，工作循环周期T由加速时间at和加工时间wt组成，计算如下：max0.11.20.083()avtvas0.70.17()wwvtSvs2414.332()waTtts在减速期间的平均转速an为：2(600.1)(20.01)300(min)avspnvhr工作进给时转速(600.1)0.01600(min)wvspvhr4将上述数据带入式（5-131）中可得当量转速：(30040.083)(60027)14.332593(min)mnr载荷系数由表5-13取1.1wf当量载荷mF由式（5-129）计算，则当量载荷为22wwaamRtFtFFFT将已知条件RF、at、wt、T、wF，并算出aFmax6001.2720()aTFmaN代入上式1484()mFN取滚珠丝杠寿命为20000h，从式（5-132）算出该滚珠丝杠的动载荷'6(6010)13awmmnCfFnL'aC14574()N（2）确定静载荷最大轴向力可近似取最大加工受力，即max1500()wFFN由表5-14取静态安全系数1df，根据式（5-135）得静载荷'oaC'max1500()oadCfFN（3）根据轴向压力选取丝杠直径。由式（5-139）可得24410aspFLdm（5-149）由1500()awFFNL=0.55（m）=550(mm)查表5-15得m=20.3代入上式得6.876()spdmm故7()spdmm5（4）转速限制1）最大转矩限制：由式（5-138）得maxspAnd（5-150）由max60600.21200(min)0.01fastspvnrh和A=60000得50()spdmm2）临界转速限制：由式（5-137）得2710cspnLdf（5-151）由max1200(min)cnrn，L=550(mm),f=21.9(见表5-15)得1.7()spdmm（5）选择丝杠直径：由上面计算结果得：'14574()aCN1500()oaCN7()spdmm50()spdmm1.7()spdmm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。25()spdmm表5-21spdaCoaC2011075221722515975341703225909569304029427734092.4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643d7.8410spTSPKL(5-152)式中spd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42233d22()()7.84107.8410mhhspTSTSPspspKKNL（）（5-153）式中量纲：TSKNm（），()sphmm,()spdmm,L(m).由上式可算出TSK2198Nm（）2）拉压刚度：由式（5-140）可得对于钢的拉压刚度量纲公式21d1.6510()spSKNmL（5-154）式中量纲SK()Nm，()spdmm,L（m）.根据已知条件可得187.5()SKNm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。设螺母位于丝杠中间，于是122SPSPSKKK系统的总刚度为11111124genLSMTSTMKKKKKK（5-155）将已知条件代入，得系统总刚度genK=214()Nm7（2）确定机械谐振频率机械传动部件的谐振频率genomechTkm（5-156）故621410597()600omechrads（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350/oArads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(2~3)omechoA但是，根据本课题中选择的丝杠直径25()spdmm，只能得到5971.71350omechoA因此，丝杠直径应该跟大一些若取2700()omechoArads代入式（5-156）得294(m)genKN将此总刚度带入式（5-155），LK、MK和TMK为已知常数，再由式（5-153）和式（5-154），得3420.526100.83139.20spspdd42()spdmm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1oAelmechTT阻尼比12mechAelTT电气时间常数AelALTR8机械时间常数genAmechMEJRTKC式中AL---驱动线路总电感;AR---驱动线路总电阻；MK---电机扭矩常数；EC---电机反电动势系数。机械时间常数里的genJ是电机轴上总的转动惯量genMextJJJ为使电气驱动部件获得最大的谐振频率，必须使计算到电机轴上的机械部件转动惯量extJ最小。这一点可以借助减速机构达到。如上图中电机轴上的小齿轮，其直径及齿宽，根据传递的动力由最小齿轮及模数的要求决定。当小齿轮设计完毕，它的转动惯量1J就是已知的。大齿轮转动惯量2J可由1J和降速比i近似确定，即421/iJJ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2122211()/()genMspTMspTJJJiJJJJJJiiJJ（5-157）式中MJ——电机转动惯量;91J——小齿轮转动惯量;spJ——丝杠转动惯量;TJ——工作台折算到丝杠上的转动惯量，2()2spTThJm令0genddi，得满足最小惯量要求的相对额定降速比spi14optspTJiJJ（5-158）根据所设计系统的已知条件，得2321.52102spTthJmkgm丝杠的转动惯量spJ为218spspspJmd（5-159）2,14spspspgenmdL（5-160）式中spm——丝杠质量;,spgenL——包括轴颈的丝杠总长;——钢的密度，（337.8510/kgm）将已知条件代入，得321.3210SPJkgm小齿轮由齿轮设计确定，其转动惯量为已知，设3210.0210Jkgm。将1J、SPJ、TJ代入式（5-158），得13.45opti根据结构需要，确定各传动齿轮的齿数分别为120z、269z，模数m=2，齿宽1B=20mm，2B=18mm.2.6电机的静态设计10（1）计算genJ。由式（5-157）得2211/()genMspTJJJJiiJJ根据上面球的的最佳传动比opti和其他参数，得425.4710genJkgm（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12spmTmsphMF（5-161）式中sp---丝杠传动效率0.8~0.9（）;mF---当量载荷，已经算出为1484（N）。故得14840.012.63()0.92mTMNm丝杠加速度max2spah（5-162）丝杠加速所需的转矩,dspspspTJ（5-163）由图1可知，由丝杠加速所硬气的当量力矩,4aspamspTtMT（5-164）由式（5-162）、（5-163）、（5-164）可得323.0410mmspM（N）丝杠螺母传动机构的总当量力矩为msmTmspMMM（5-165）2.65mmsM（N）电机轴角加速度max2spMoptoptspaiih（5-166）2600()Mrads电机轴的加速转矩1,1.310()aMMMTJNm（5-167）由图1可知，由电机轴加速所引起的当量力矩11,,,4aMamaMTtMT（5-168）由式（5-166）、（5-167）、（5-168）得3,,3.0110maMMm（N）作用在电机轴上的当量力矩为,,mmsmaMGiMMM（5-169）0.856()mMNm电机的额定转矩应为(1.5~2)oMmMM（5-170）1.285~1.713oMMm（N）（3）确定电机额定功率。电机的额定转速60oMvspnvhi（5-171）oMn=2070（r/min）电机的额定功率oMoMoMPM（5-172）260oMoMn（5-173）最后得电机额定功率0.28~0.37()oMPkw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