立式加工中心說明書

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)名目 HYPERLINK l “_TOC_250018“ 概述3 HYPERLINK l “_TOC_250017“ 零件技術(shù)要求3 HYPERLINK l “_TOC_250016“ 總體方案設(shè)計(jì)3 HYPERLINK l “_TOC_250015“ 設(shè)計(jì)計(jì)算3 HYPERLINK l “_TOC_250014“ 主切削力及其切削分力計(jì)算3導(dǎo)軌摩擦力計(jì)算4 HYPERLINK l “_TOC_250013“ 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力4 HYPERLINK l “_TOC_250012“ 滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算4 HYPERLINK l “_TOC_250011“

2、 工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)9 HYPERLINK l “_TOC_250010“ 滾珠絲杠螺母副的承載力量校驗(yàn)9滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速壓縮載荷的校驗(yàn)9滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速n 的校驗(yàn)10c滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn)10 HYPERLINK l “_TOC_250009“ 計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度10 HYPERLINK l “_TOC_250008“ 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算10 HYPERLINK l “_TOC_250007“ 滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算12 HYPERLINK l “_TOC_250006“ 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算12 HYPERLINK l “_TOC_250005“ 計(jì)

3、算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量12計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載力矩13計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需的力矩13 HYPERLINK l “_TOC_250004“ 選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)14 HYPERLINK l “_TOC_250003“ 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析15 HYPERLINK l “_TOC_250002“ 計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率15計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率15 HYPERLINK l “_TOC_250001“ 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析16 HYPERLINK l “_TOC_250000“ 計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū)161中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械傳

4、動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差16計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差16確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)16確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)17確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)17課程設(shè)計(jì)總結(jié)18參考文獻(xiàn)192概述中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)零件技術(shù)要求工作臺(tái)快速移動(dòng)速度 15000mm/min；工作臺(tái)承受貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)為 ，0.20.04mm0.02mm；機(jī)床的工作壽命10 年,125mm350r/min。切削方式進(jìn)給速度/(m/min)時(shí)間比例/(%)備注切削方式進(jìn)給速度/(m/min)時(shí)間比例/(%)備注強(qiáng)力切削0.610主電動(dòng)機(jī)滿功率條件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削

5、150精加工快速進(jìn)給1510空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給1.2 總體方案設(shè)計(jì)為了滿足以上技術(shù)要求,實(shí)行以下技術(shù)方案。400mm1200mm。PT-FE導(dǎo)軌板。同時(shí)承受斜鑲條消退導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，在背板上通過設(shè)計(jì)偏心輪接觸面上貼塑。(4)承受伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。(5)承受膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連。設(shè)計(jì)計(jì)算主切削力及其切削分力計(jì)算計(jì)算主切削力 Fz依據(jù)條件， 承受端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)展強(qiáng)力切削 銑刀直徑D=125mm時(shí)，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率。此時(shí)，銑刀的切3削速度為v Dn60 3.14 0.125 35060中北大學(xué)課程設(shè)計(jì) 2.29 m / sm 0.8

6、，按式2-6Fz：NP0.8 5.5NF33mzv102.2910 1921 .4計(jì)算各切削分力。2-1 可得工作臺(tái)縱向切削力F1FcFv分別為F 0.4F1 0.41921 .4N 768 .56 NF 0.95 Fc 0.95 1921 .4N 1825 .33 NF 0.55 Fv 0.55 1921 .4N 1056 .77 N導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算2-8aF 0.15 ，2-3 fg 1500 N ，則F W f F F 0.15 9000 1500 1825.331056.77N 2022.3 Ngcv按式2-9aF0F 。0F W f 0.15 9000 1500 N 1575 N0g

7、F 00W fg 0.2 9000 1500 N 2100 N計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力按式2-10F。a maxFamax F F1 768.56 2022.3 N 2775.86 N按式2-11aF。a minFa min F0 1575 N滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算確定滾珠絲杠的導(dǎo)程4中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)依據(jù)條件，取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速n 1500 r / min ，則由式2-16得vLmax0inmax1500011500 10 mm計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷F ，快速移動(dòng)和鉆鏜定位時(shí)的軸向F F F23分別可按下式計(jì)算：并將計(jì)算結(jié)果填入表 4-2F F1 20% F，F(xiàn)a

8、 max3 Famin 5% Fa max進(jìn)給速度/(m/min) 時(shí)間比例/(%)進(jìn)給速度/(m/min) 時(shí)間比例/(%)備注v 0.6110F F1a maxv 0.830F F1 20% F2a mina maxv 1350F F3 5% Fa mina maxv v410maxF F4a min切削方式軸向載荷/N強(qiáng)力切削2775.86一般切削(粗加工)2130.17精細(xì)加工(精加工)1713.79快移和鉆鏜定位1575計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速n 。ivn1 60 r / min1L0vn2 80 r / min2L0vn3 100 r / min3L0vn4 150

9、0 r / min4L0按式(2-17)計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速n。m5中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)10nm10030n 110050n210010n3100n 230 r / min4按式(2-18)計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均載荷F。m331nq11n100F32nq22F3nnqnnn100n100mmm 1763.59N計(jì)算滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷Cam依據(jù)預(yù)定工作時(shí)間估算。查表 2-28 得載荷性質(zhì)系數(shù) fw 1.3 。初步選擇的22-29fa 12-30f 0.44 ，則由式(2-19)得3 3 60 230 202203 603 60nLFfmwamh 100 ffac33921.05N =

10、33925.38N因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按式(2-21)估算最大軸向載荷。查表2-31fe 4.5 ，則C fameFamax 4.5 2775.8612491.37N確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷取以上兩種結(jié)果的最大值，即Cam 33921.05N 。按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d。2m依據(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。 30 m，20 m，依據(jù)式(2-23)、(2-24)以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得max 1 31 ) 20 m (6.67 10 )m2max 2 51 ) 40 m (8 10 )m4取上述計(jì)算結(jié)果的最小值

11、，即 6.67 m 。估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d。2m滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為6中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)L行程+安全行程+2余程+螺母長度+支承長度(1.21.4)行程+(2530)L取L=1.430 L0=1.4 650 30 10 mm 1210 mm又F 2100 N ，由式(2-26)得0F L0F L0max2m 0.039 12106.67mm 24.07 mm(5)初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)依據(jù)計(jì)算所得的L 、C、d0am，初步選擇FFZD 型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副 FFZD4010-5，其公稱直徑d0dL0 40 mm L0、額定動(dòng)載荷Ca 1

12、2 mm和絲杠底徑d2如下:C 44200 N Caam 33925.38N故滿足式(2-27)的要求。d 32.7 mm d2 24.07 mm由式(2-29Fp1FFp3 1 2775.86N 925.29 N3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值與預(yù)拉伸力按式(2-31)計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值 。t溫度變化t 2，絲杠的線膨脹系數(shù) 11106 m /，滾珠絲杠螺母副的有效行程L =工作臺(tái)行程+安全行程+2余程+螺母長度u=(650+100+220+146)mm=936mm故 11tLtu10 6 11 2 936 10 6 mm 0.02 mm按式(2-32)F 。t7滾珠絲杠螺紋底徑 d2中

13、北大學(xué)課程設(shè)計(jì) 32.7 mm ，滾珠絲杠的溫升變化值t =2，則F 1.81 td 2t2 1.81 2 32.72 N 3870.82N確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào)(1)按式(2-33)F1。B maxFB max F tF2 max 1 3870.82 +0.5 2775.86 =5258.75N計(jì)算軸承的預(yù)緊力F。Bp11FBp3F 5258.75 1752.92N3F。BamFBam F FBp 1752.921763.59 3516.51N按式(2-25)C。n nm 200 r / minF 3516.51N L=20220hF 和軸向載荷F 分Bama別為F Fcos

14、 60Bam 1758.26NF FaBamsin 60 3045.39NFaFY=0.54，故3089.121775.36 1.74 2.17 ，所以查表 2-25 得，徑向系數(shù) X=1.9，軸向系數(shù)P XF YF 1.9 1758.26 0.54 3045.39 4985.2 NaP1003P1003 60nLhC 1003 60 230 20220 32457.79N由于滾珠絲杠螺母副擬實(shí)行預(yù)拉伸措施，所以選用 60角接觸球軸承組背對(duì)背安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于滾珠絲杠的螺紋底徑 d2d30mm，以滿足滾珠絲杠構(gòu)造的需要。為 32.7mm，所在滾珠絲杠的兩個(gè)固定端均選擇

15、國產(chǎn) 608中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)760306TNI/P4DEB30mm72mm19mm，選用脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷力量FBP 2900N，大于計(jì)算所得FBP 1752.92N 。并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 1900r/min，高于滾珠絲n 1500 r / min ，故滿足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為C 34500 N ，而20220hC=32457.79N，也滿足要求。工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)將以上計(jì)算結(jié)果用于工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)(見圖)，其計(jì)算簡圖如圖 1 所示。1 立時(shí)數(shù)控銑床工作臺(tái)計(jì)算簡圖滾珠絲杠螺母副的承載力量校驗(yàn)滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)本工作臺(tái)的滾珠絲杠支承方式承受預(yù)拉伸構(gòu)造，

16、絲杠始終受拉而不受壓。因此，不9存在壓桿不穩(wěn)定問題。中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速 nc的校驗(yàn)1L2=919.5mmE=2.1105 MPa，材料密度 1g7.810 5 N/mm3 g=9.8 10 3 mm/s2 ，K1=0.82-44 =4.37.。滾珠絲杠的最小慣性矩為I= 4 mm 4 =56097mm 4滾珠絲杠的最小截面積為64264A=3.14=d 2=2 mm 2 =839.39mm 2由式2-36得n =Kc1424606022 L2EI60 60 223.14 22.1 5 9.8 37.8 5 =8493.05r/min1500r/min,園小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿

17、足要求。滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn)AA-3Ca=44200NFa=2981.18.37N，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù) fw=1.2，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 n=1500r/min，依據(jù)式2-37、式2-38得 C3L=a 106 =1.89109 rFfawL = Lh60n=21000hLh計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 20220 h ，故滿足要求。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算Ks10中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)本機(jī)床工作臺(tái)的絲杠支承方式為一端固定、一端游動(dòng)。由圖1 ，由式(2-45a)得Ka min2d 6.6 1022dL 569.59 N / ma LY 919.5 mm a LJ 319.5 mm 時(shí)，滾 珠絲杠螺母 副具有最

18、大拉壓剛度Ks max，由公式2-45b得Ks max d 2 L4L L L 2112 32.7 N / 4319.5 1239 319.5 m=744.09N/m計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度K。b軸承接觸角 600 ，滾動(dòng)體直徑dQ=7.144mm，滾動(dòng)體個(gè)數(shù) Z=17，軸承的最大 =5361.41N2-452-46K=42.34dbZ 2 F sin 5 1 =1654.30 N/ m3計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度K3cAA-3K=1585 N/ m，額定動(dòng)載荷Ca=46500N，滾珠絲 =2981.18N，由式2-46b得1=K F3=1390.00 N/ mKa max c0.1Ca

19、計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度 K。由式2-47a得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故K=373.13 N/ mmax1K=1K+ 1+ 1KKb=0.0026811中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)由式2-47b得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故K=322.58 N/ mmin1K= 1K + 1+ 1KKb=0.0031滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算1L21027.5mmG=8.1 104MPa，滾珠絲杠的底徑 d2=32.7mm，故由式2-48得= d 4G=K232 L2 3 4 632 3Nm/rad=8844.51 Nm/rad驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量計(jì)算滾珠絲杠

20、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。r滾珠絲杠的密度 =7.810 3 Kg/ cm 3 ，故由式2-63得J=0.7810 3 nri1D4 Lii=0.78 10 3 2 34 8.9 44 100.9 2.5 4 5.2 kg 2=21.43Kgcm 2J0J=0.7810 3 D 4 -d 4 L0=11.62Kgcm 2JLm=833Kg,電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離 L=12mm=1.2cm，則由式(2-65)得L2J=m=30.42Kgcm 2L 2 4由公式2-66Jd12J= Jdr+J+J0中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)=21.43+11.62+30.42=63.47Kgcm 2計(jì)算折算到電動(dòng)

21、機(jī)軸上的負(fù)載力矩計(jì)算切削負(fù)載力矩T 。cFa= F =2775.86N， 電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)L=12mm=0.012m，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率 =0.90，則計(jì)算摩擦負(fù)載力矩TF L=a=Tc2=NmF0在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力 即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力 1575 N ，由式(2-55)得T = F0L2=3.348Nm計(jì)算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩T。f滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 FP 925.29 N ， 滾珠絲杠螺母副的根本導(dǎo)程L 12mm 0.012 m ，滾珠絲杠螺母副的效率0=0.94，由式2-56得FT=p L0 12 =0.22NmFf20計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上各

22、種所需的力矩計(jì)算線性加速力矩Ta1機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速n=1500r/min，電動(dòng)機(jī)的Jm 2 Jd=63.47Kgcm2 。取進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益ks=20Hz，則加速時(shí)間t=a3 = 3k20ss=0.15s，由式(2-58)得= 2 n=Tmaxal60 980 ta2 3.14 1500J+ Jm1- k ts a =60 980 0.15 e200.15Kgfcm13中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)=120.06Kgcm=12.98Nm計(jì)算階躍加速力矩。加速時(shí)間t=1 =1akss=0.05s，由由式(2-59)得= 2 =Tmaxap60 980 taJ+Jmd=379

23、.14Kgfcm=40.28Nm 由式2-61計(jì)算線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩T。qT =T+T +T=12.98+3.34+0.22Nm=16.54Nmqa1f由式2-61計(jì)算階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩 T 。qT =Tqap+T +T=40.28+3.34+0.22Nm=43.84Nm由式2-57a計(jì)算空載時(shí)的快進(jìn)力矩 T。kJT=T +T=3.34+0.24=3.56NmkJf由式2-61計(jì)算切削時(shí)的工進(jìn)力矩TGJT= T+ TGJC=5.89+0.22 Nm =6.11Nm選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)2-47FANUCa12/3000i3KW；3000r/min；額定力矩12Nm

24、；62 Kgcm 2 18Kg。溝通伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的 510 倍，假設(shè)按 5 倍計(jì)算，該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為 60Nm，均大于本機(jī)床工作臺(tái)線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩 Tq=14.78Nm以及階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩T =46.93Nm，所以，不管承受何種加速方式，本電q動(dòng)機(jī)均滿足加速力矩要求。該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為 12Nm，均大于本機(jī)床工作臺(tái)的快進(jìn)力矩TkJ=3.56Nm 以14及工進(jìn)力矩TGJ中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)=6.11Nm慣量匹配驗(yàn)算.。慣量之比一般應(yīng)滿足式2-67，即d0.25J1dJJd而=56.66JdJ62mm=0.91【0.25，1】故滿足慣量匹配要求。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)

25、的動(dòng)態(tài)分析計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 nc滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度 K0=K=371.27106N /m，滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為 md=m +13m ，其中m、ms分別為機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量m=833Kg,則m =s442 123.97.8103 Kg=12.14Kgm=m +1d3m =837.05KgsK0mdK0mdnc計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 wnt折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=Jsr+J=(21.43+11.62)Kgcm 2 =33.05Kgcm 2 =0.003Kgm 20Ks則=K=8844.5Nm/rad，KsJKsJsnt由以上計(jì)算知道，絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率nc轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 wnt=1831rad/snc=300rad/s 的要求來設(shè)15中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，