斜床身卧式数控车床的结构设计【全套含20张CAD图纸、论文】斜床身卧式数控车床的结构设计【全套含20张CAD图纸、论文】

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0 斜床身卧式数控车床的结构设计.doc---(点击预览)
A2主轴.dwg
A2主轴电机皮带轮.dwg
A2主轴皮带轮.dwg
A2编码器轴承支架.dwg
a3X向丝杠螺母座.dwg
A3X向滚珠丝杠2.dwg
A3X向电机座.dwg
A3Z向丝杠.dwg
A3主轴电机内锥套.dwg
A3主轴电机座.dwg
A3弧齿同步齿形带轮.dwg
A3编码器带轮.dwg
A3轴承套筒.dwg
A3轴承座 .dwg
A3轴承端盖.dwg
A3透盖.dwg
A4 X向滚珠丝杠套.dwg
A4主轴套.dwg
A4轴承压盖.dwg
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下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 毕毕 业业 设设 计计 题题 目目 斜床身卧式数控车床的 结构设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 学学 生生 学学 号号 指导教师指导教师 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 摘 要 斜床身卧式数控车床在机床产?#20998;?#26159;比较实用机床。其结构设计带来很大的方 便,保证工件质量的同时提高了加工效率。目前,斜床身卧式数控车床在我们国家 普遍使用。斜床身数控机床在我们国家普遍适应,更多的是用于汽车、军工等精密 加工中。 该机床型主要适用在加工高精度的零部件。比如轴类、盘类、套类,以及各种 类?#36879;?#31181;型号的内外螺纹,在加工外形和内孔过程中间不必换装。该机床适用于多 类型、批量不是很大的工件的加工,对于一些加工困?#36873;?#35201;求高的零部件上能够充 分显示出它的特点。以满足不同用户的加工需要,可以根据不同的需求,加工不同 ?#20998;?#30340;工件,可以配置不同的结构设计以及加工方式。 在本文中进行了对斜床身卧式数控车床的设计,其中包括机床的床身、传动系 ?#22330;?#20992;架系?#22330;?#23614;座等,着重?#28304;?#21160;结构中的主传动结构和进给传动结构进行设计。 主轴相连的伺服电机用皮带把运动传到主轴上,带轮及同步齿形带与主轴用键联接。 而进给运动,即车床上 X、Z 向的运动则通过丝杠运转,丝杠都通过两端固定的方 式固定,一端都通过联轴器与伺服电机相连。 关键词滚珠丝杠;伺服电机;卧式;数控车床;斜床身 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 I ABSTRACT Slant bed horizontal series CNC lathe is an economic and practical processing machine tools,mature product structure,quality stable and reliable performance. it sets the versatility and the characteristics of the special lathe, using inclined bed ball linear guide. The most widely coverage of a CNC machine tool, widely used in automobile, petroleum, military industry and many kinds of mechanical processing industry. This series of machine varieties complete specifications, are mainly used for machining high precision of rotors type parts such as shaft, plate, set of classes, all kinds of internal and external thread and high precision. it can be finished once clamping appearance and inner hole machining.In order to meet the processing needs of different users;According to the needs of users, optional different numerical control system and accessories. In this article has carried on the design of slant bed horizontal CNC lathe, including the machine tool bed, transmission system, tool post system, tailstock. Of the transmission system of main drive system and feed drive system design.The main servo motor through a belt drive the movement to the spindle, the spindle on the pulley and the synchronous cog belt wheel and spindle by linkage.And feed movement, namely lathe on X, Z to exercise by screw, screw fixed with both ends fixed way, end are connected to the servo motor through the coupling. Key wordsball screw;servo motor;horizontal type;Distributed Numerical Control(DNC); Slant bed 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 II 目 录 摘要...I ABSTRACT..II 1 前言..1 1.1 斜床身卧式数控车床的设计背景...1 1.2 斜床身数控车床设计的国内外背景...1 1.3 斜床身数控车床设计的目的.1 1.4 斜床身数控车床设计的内容.2 2 机床总体方案设计....3 3 机床各系?#36710;?#35774;计..4 3.1 床身4 3.2 传动系?#36710;?#35774;计..5 3.2.1 主传动系统设计..5 3.2.2 进给传动系统设计..6 3.3 主轴的要求及结构..8 3.4 刀架系统..9 3.5 刀架系统9 4 机床各系统机械部分设计计算10 4.1 切削力计算...10 4.2 滚珠丝杠螺和选型...10 4.2.1 纵车外圆的计算..10 4.2.2 横向进给的计算.13 4.3 轴的结构设计计算...15 4.3.1 根据轴向定位的要求确定轴的各段?#26412;?#21644;长度..15 4.3.2 轴上零件的周向定位..16 4.3.3 确定轴上?#27493;?#21644;倒角尺寸..16 4.3.4 带立式座外深?#30331;?#36724;承的校核..17 4.3.5 键的校核..20 4.3.6 轴的校核..21 4.3.7 校核轴的强度..21 4.4 伺服电机的选型和计算...21 4.4.1 等效转动伺服电机的计算..21 4.4.2 电机力矩计算..22 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 III 5 结论......25 参考文献....26 致谢....27 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 - 17 - 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 0 1 前言 1.1 斜床身卧式数控车床的设计背景 现在一些精密的零件都会用机床来进行加工,在工件的制造加工中,机床给我 们的工作带来很大方便。机床行业的发展方向很明确,越来越精密,越来越自动智 能[1]。我们国家与一些工业发达的国家比较而言,我们国家相对于他们还相差很多 很多。我们国家机床发展起步晚,发展的速度慢,以及科技含量比较低,导致了与 发达国家有一定的差距。在制造加工中,零件的尺寸变得很细致,一些精密程度变 得很?#37327;蹋?#36843;使对加工工具进行深入?#27597;鎩?#21019;新。在工件加工中,尤其是对一些复 杂精密的零件加工中,斜床身数控机床表现出了它的优点,并得到了大家的认可, 在机床行业中普遍认同,受到了各国加工行业的普遍认可,在此基础上它发展的很 快,很好。 1.2 斜床身卧式数控车床的国内外状况 我们国家机床发展起步晚,发展的速度慢,以及科技含量比较低,导致了与发 达国家有一定的差距。这?#21482;?#24202;在我们国家比较?#25237;耍?#21457;展的不够成熟,不够完善。 所以,我们国家应极力着眼于这类机床的发展,从而带动其他类型机床的发展。从我 们国家目前机床行业发展来看,机床的造价太高,研究比较表面,没有高科技的含 量,没有我们自己的东西。机床在出现一些小毛病的时候,整个机床都会停?#26500;?#20316;, 影响到工件的加工效率。这种情况使得我国数控车床在国?#36866;?#22330;,?#25237;?#26679;化的今天是 很难占据了重要的地位,因此拉大与发达国家的科研设计制造的差距。我们要正确面 对我们国家目前所处的困境与问题,从主要问题出发,攻坚克难,逢山开路,遇河 架桥,发挥不怕困难的精神,打造我们自主产品的优点与特点[2]。将我们打国产机 床在世界机床行业中打造成优等产品,占据一席之地,敢于先进发达国家的机床产 品相媲美,相抗衡。 1.3 斜床身数控车床设计的目的 首先这是一次毕业设计,只有在这次设计过程,认真学习,积极查阅资料。对 自己的设计课题进行深入的研究,并有自己的构思,自己的想法,在机械设计手册 以及参考文献的帮助下完成自己的这次设计才能够顺利的毕业。其次,我们在大学 四年的时间里,对我们的专业课有了很好地熟悉与学习,通过这次设计,我们可以 查缺补漏,对我们所学的只是进一步巩固,更好运用在今后的工作与生活中。 1.4 斜床身数控车床设计的内容 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 1 其设计内容包括车床箱体、传动零部件部分、主轴、工作台、刀架系?#22330;?#23614;架 等部分的设计工作。在传动系统设计中主要是对滚珠丝杠的设计选型,安装方式以 及在传动系?#25345;?#30340;作用于安置。 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 2 2 机床总体方案设计 这次设计的任务是斜床身卧式数控车床的结构设计,整体方案采用 45 度(常见 的倾斜角度有 45°、60°、75°等)后置斜床身布置,这样的设计方便工人师傅在加工 过?#22871;?#22841;零部件,?#27604;?#26356;有利于对加工屑进行排除。在机床中都会包含以?#24405;?#37096;分, 主轴、进给系?#22330;?#20992;架、尾座等,结构如图 2.1 所示 图 2.1 斜床身卧式数控车床结构图 设计要求?#31570;?#25968;的拟定如表 2.1 所示 表 2.1 机床设计参数 机床名称斜床身卧式数控车床 最大工件回转?#26412;?mm400 最大工件长度/mm1000 最大切削长度/mm930 最大切削?#26412;?mm400 床身 滑板?#29486;?#22823;回转?#26412;?mm210 X 轴坐标进给速度/(mm/min)3600 进给 Y 轴坐标进给进度/(mm/min)4500 主电机功率/kw7.5 主轴最高转速/(r/min)1400主轴 机床最小设定单位/mm0.01 刀架形式电动多工位立式刀架 刀架 重复定位精度/mm≤0.01 尾架最大行程/mm150 定位精度(X/Z)/mm0.045/0.05 精度 重复定位精度(X/Z)/mm0.010/0.015 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 3 加工工件精度IT6~IT7 3 机床各系?#36710;?#35774;计 3.1 床身 在机床种最主要的也是最基础的就是床身,是最基本的部分。在床身上将会放 置机床中的各个组件以及组装各个零部件。在构思床身的结构时候主要从两方面考 虑一是机床各个零部件在床身上的安放位置以及方式,二是其本身的制造材料。 床身的结构一般由放置其上面的组件位置来设计构思的。在机床行业中,一般 把车床划分两大类型--卧式的和立式的。在车床中卧式的又可由导轨的安置方向分 为两大类型倾斜导轨的和水平导轨的[3]。在一些加工行业中大都采用的是倾斜导轨 的机床,使用其的主要有以下原因一是便于实?#21482;?#30005;一体化;二是便于很好的排 屑,并且便于自动排?#35745;?#30340;安装;三是从工件上切下来的炽热?#34892;?#24456;方便的排到了 排屑箱里,不会积留在导轨上,保证?#35828;?#36712;的精度;四是人机设计好,工人方便操 作等。床身的材料在选择上一般采用普通铸铁。 图 3.1 斜床身结构侧视图 另外,车床的导轨具有很多优点,如接触刚度大、结构简单、加工方便。我们 之前采用的普通导轨有很多不足的地方摩擦阻力较大,容易磨损。在追求高质量, 更好的表现,更高的加工效率,更好的加工表现,在条件许可的?#27573;?#20869;,我们选用 表?#25351;?#22909;的滑动导轨,比传?#36710;?#23548;轨更优秀[4]。选材上,因淬硬合金钢耐磨性较高, 所以制造导轨的材料使用淬硬合金钢材料。综合以上因素,将 GCR15 轴承钢淬硬到 HRC65-62 加工导轨,再利用外在的?#38469;?#25226;导轨安装在它所在的位置,更好地增加 其硬度。 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 4 3.2 传动系?#36710;?#35774;计 在机床中传动系统都有很大的共同之处,无论是斜床身卧式数控车床还是普通 的车床,都可以分为进给传动系统和主轴传动系?#22330;?3.2.1 主传动系统设计 在目前的机床行业中大都采用较先进的无极变速系?#22330;?#26080;级变速自研发出来使 用?#36739;?#22312;,在使用的过程中不?#32454;?#36827;,不端增加科技含量,如今技术已经比较成熟。 车床中的主轴电机一般采用伺服电机,这样与编码器相配合,更能来控制主轴的转 速,达到加工要求。伺服电机与主轴之间才有带传动,提高传动效率[5]。如图 3.2(a)所示,或者通过带传动来带动主轴旋转,如图 3.2(b)所示。因为主轴电 机采用的是伺服电机,所以速度很容易被控制和调节,这样就会使主轴的速度以及 主轴箱的结构变得很简单。斜床身卧式数控机床在加工零件的过程中,速度是很不 固定,经常会改变其主轴的转速来加工不同的表面以及结构,这样才会发挥其加工 复杂精度高的优点以及特点。在加工零件之前都会先把加工程序编制好,输入数控 机床的微电脑中,来控制电机以及刀具来对材料进行加工。在加工过程中就会按照 程序来?#24202;?#23601;班的进行,所以无级变速更能适合此处的要求,发挥无级变速的优点。 如图 3.2(c)所示 (a) 变速齿轮 (b) 带传动 (c) 电机直接驱动 图 3.2 电动机主轴传动的方式 采用皮带将主轴伺服电机和主轴连接起来进行传递动力,这种传动方式与其他 传动方式相比,这样就会很大的提高了轴部件的刚度,是主轴转动更平稳,更能达 到比较好的加工效果。根据设计要求以及设计任务,可以把主轴电机的型号进行选 择出来。 据要求电动机的功率是 7.5kw,根据机械设计手册附表选 ,额定功率 7.5kw,额定转速 1500r/min,额定转矩 5.0N/m。2CE6E-110MB075D 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 5 3.2.2 进给传动系统设计 在进给传动的构?#23478;?#21450;方案制定时一定要充分?#23637;说?#26412;机器所要面对的工件尺 寸以及运动?#27573;А?#22312;设计时根据事前的调查以及分析计算合理地规划和设计本部分。 在对工件进行车削的过程中,进给系统对其所采用的方式以及车削的效果起着举足 轻重地作用[6]。所以这一部分一定要?#32454;?#35201;用设计思想去规划和设计。在加工过程 中,刀架不但要延 X 向运动,还要延 Z 向运动,所以刀架的设计要考虑它的运动方 向以及幅度。 工作台的运动方式以及运动方式也是设计时必须要考虑的,因为在加工的过程 中,它也要延 X 向和 Z 向不时的移动来带动刀架来回运动从而对零部件进行车削加 工。所以我在这两个方向的进给上采用的是滚珠丝杠,利用滚珠丝杠可以保证进给 的准确性以及平稳性。这样才能够?#26500;?#20214;被加工的更好,得到令人满意的效果[7]。 利用滚珠丝杠来带动这两个方向的运动就会变得更轻松,更灵活。在滚珠丝杠的安 装时可以对其先预紧,通过这种方式消除自重产生的变形。如下图 3.3(a)(b)和 图 3.4 所示 (a) 横向进给系统 (b) 纵向进给系统 图 3.3 横向和纵向进给系统 1 2 3 4 5 6 7 8 9 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 6 1-丝杠 2-套筒联轴器 3、7-锥销 4-螺母 5-垫圈 6-支架 8-支架套 9-进步电机 图 3.4 伺服电机与丝杠的联接 滚珠丝杠在进给系?#25345;?#24191;泛的运用,是因为它能改变进给的运动方向,获得多 方向的进给。 滚珠、螺杆和螺母是滚珠丝杠的三大组成部分[8]。利用滚珠丝杠可以把旋转运 动转化为?#27605;?#36816;动,更好地运用?#20132;?#24202;结构中,滚珠丝杠设计与运用的重要意义是 把轴承从滚动运动转变成了滑动运动。现在滚珠丝杠在很多的精密设?#38050;斜?#24212;用, 是因为它具有摩擦阻力十分小的特点。 在一些精度要求高的机械中大?#32423;?#20250;采用滚珠丝杠,因为它会满足精度要求。 除此之外,它?#22815;?#25913;变进给的运动方向,获得多方面的进给,来满足加工要求。 1)与滑动丝杠?#27605;?#27604;驱动力矩为 1/3 在传动系?#25345;?#22914;果采用了滚珠丝杠,驱动力就会是其他传动方式的三分之一, 因为它有滚珠在滚动。相当于是用了滑动丝杠副 1/3 的力矩达到了相同的效果[9]。 2)高精度的保证 滚珠丝杠副在制造加工过程中,无论是在技术标准上还是在加工条件上都采用 和执行的是世界?#29486;?#20808;进最?#32454;?#30340;技术要求。正是因为在这?#32454;?#30340;条件下,使用目 前最先进的加工设备,才加工制造出了现在这种具有高精度的滚珠丝杠副。 3)微进给 正是由于在滚珠在滚珠丝杠副中滚动,才使得滚珠丝杠在加工过程中能够实现精 密的微进给,避免了爬行现象的出现。 4)无侧隙、刚性高 在滚珠丝杠副上加上预紧压力,就可?#28304;?#22823;的?#26723;?#36724;向间隙,从而变得无间?#27573;?侧隙,因而滚珠丝杠就可获得很好的刚性。 3.3 主轴的要求及结构 (1)主轴的要求 1)旋转精度 在传动系?#25345;校?#20027;轴的旋转精度要求很高,这就要求在主轴装配完成后,对主 轴的旋转精度进行检测,保证无载荷的情况下的径向跳动和轴向跳动。 2)静刚度 在对工件进行车削的过程?#24418;?#20102;保证工件所被车削的精度,从而对主轴上地静 刚度规定很?#32454;窨量蘙10]。在主轴组件中很多原因可在运转中影响主轴的刚度,原因 有很多,在众多的原因中最主要的还是主轴的结构尺寸,滚动轴承的型号、数量、 配置形式。 3)抗振性 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 7 在加工过程中如果出现了震动的现象,就会产生很多对工件不利的影响。然而 主轴的这种不良现象受到很多原因影响。比如其静刚度、零部件的分布等一些因素。 4)温升和热变形 大家在学习物理知识是就学到了物体的形状和尺寸受温度的改变而改变。在加 工过程中,在刀具与工件的摩擦中以及主轴的旋转过程中会使部件的温度上升,受 热膨?#20572;?#20174;而使得组件变形,偏离原本的位置,偏离加工轨迹,对零件的精度产生 误差,甚至加工的零件作废。所以一定要考虑到这一点,保证材料在受热的情况下 变形最小,从而保证零部件的加工精度[11]。达到更好的加工效果。 5)耐磨性 机床在加工过程中很多时候是长时间的,不间断的,所以这就要求其耐磨性一 定要好。精度受很多因素影响,首先就是轴承对其产生很大的影响[12]。除此之外还 有夹具对其产生的影响。为了避免上述问题的产生,要将主轴上的一些部位淬硬至 HRC60左右,这样才能有效地提高其耐磨性。 6)材料和热处理 主轴在选材时一般不把强度作为依据。主轴上的尺寸以及主轴的?#26412;度?#20915;于零 部件在其上安装位置以及轴肩的位置、尺寸。当这些尺寸?#32423;?#19979;来以后,主轴的尺 寸也?#25237;?#20102;下来[13]。因此,在选择材料是主要考虑到主轴的材料能够在温度影响下 产生的形变最小,一定要满足这个要求,才能使主轴在旋转的过程中更稳,达到更 好的加工效果。目前,在主轴地加工制造中,常常采用45号或60号优质中?#20960;?#20316;为 主轴上加工型号。然后材料在加工完毕之前,则应该对材料进行调质处理和淬火。 (2)主轴的结构 在其材料确定后,其次就要要对它的主要的尺寸来构思,来制定方案,来决定 它的加工方式及方法。主轴通常制造成阶梯形,还有轴肩,这样更方便装配。主轴 上一些零部件根据主轴上的轴肩位置进行装配,再加上轴套以及定距环使得其他零 部件在主轴的位置是固定的。在主轴加工?#20445;?#36890;常是把主轴加工成中空的,这样会 通过顶锥或者是棒料。在车床的主轴中中空比其他的机床大一些,但由于刚度条件 的影响和限制,在加工时孔径应该保持在外径的70以内[14]。 3.4 刀架系统 刀具是放置在刀架结构上的,而不是单独装夹在床身上的。因此,刀架的设计 也要考虑到刀具的进给活动所必须的要求。在?#25345;?#31243;度上,一个车床的刀架设计的 水平和先进科技性可使机床的性能得到很好的提升。在车床加工过程中,刀架是直 接对工件进行车削加工的,正是因为它与工件进行直接接触,所以在加工过程中受 到很大的切削抗力。因此,刚度和强度在设计和构思前要充分的分析和研究[15]。因 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 8 为刀具直接与工件接触,直接对工件进行去材料加工,所以对刀具位置的要求很严 格。不仅要做到这些,还要在刀架的设计过程过程中做到以?#24405;?#28857;不仅要考虑到 刀架的材料与刀具的位置,还要考虑到安全性问题,在换刀的过程一定要保证刀具 的转换安全,不可对工人的安全造成威?#30149;?3.5 尾座 目前的机床的设计和使用中上一般都使用的是液压型尾座。把尾座安装在导轨 上,通过导轨的滑动作用,在上面往返滑动,滑动的位置由工件的长度以及位置来 确定。大家都知道,车床上尾座是用来装夹住顶尖,从而能够来顶住尺寸较长的工 件。还有在工件要求钻孔、攻丝的时候,?#37096;?#20197;把钻头装夹在尾座上,来进行加工 [16]。尾座的材料要用 1 级铸铁,并要经过时效处理。 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 9 4 机床各系统机械部分设计计算 4.1 切削力计算 纵车外圆时 5360N 5 . 1 max 67. 0DFz? 1.5 400 0.67 (4.1) 车床床身最大加工半径,单位 mm。 max D 求出主切削力后,由 1 0.25 0.4 yxz FFF 可求出走刀方向的切削力 1340 N x F 垂直走刀方向的切削力 2144 N y F 横切端面时 主切削力可以取纵切时的 1/2。所以1/2 2680 N F? z F ? z F z F 同理 1 0.25 0.4 ??? y FFF xz 可得走刀方向的切削力 670 N x F 垂直走刀方向的切削力 1072 N , y F 4.2 滚珠丝杠螺母副选型 在设计滚珠丝杠螺母副的的时候应该着重对一?#24405;?#26041;面进行一下构思首先是 滚珠循环的方式,其?#21351;?#26159;其预紧方式。除此之外的要求就是考虑到外径、导程 和精度等级等。 4.2.1 纵车外圆的计算 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 10 1计算进给率引力 m F 燕尾型导轨 4.22 , GFFfKFF yzxm ???? 式中切削力 yxz FFF G移动部件的重量(N) K考虑颠覆力矩影响的实验系数,此处K1.4 导轨上的摩?#26009;?#25968;,此处 0.2 , f , f 带人数据得 1.4 1340 0.2 5360 2 2144 800 2272 N m F 2计算最大动载荷 最大动载荷 4.3 mwF fLC 3 ? 式中工作寿命,单位 106r,L 6 10 60nT L ? 丝杠转速,n 0 1000 L v n s ? 最大切削力条件下的进给速度(m/min),此处取0.6 s v s v 丝杠导程,(mm),6mm 0 L 0 L 使用寿命,(h),对数控车床取15000hTT 运转系数,此处为一般运转,根据机械设计手册表 6-2-34 可知一般 w F 运转?#27604;?1.3。 w F 带入数据可得丝杠转速50r/min 0 5 . 06 . 01000 L n ?? ? 工作寿命 45 6 10 150005060?? ?L 最大动载荷 10505.6N 22723 . 145 3 ???C 根据求出的条件查表可得 采用外循环螺纹预紧的双螺母滚珠 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 11 丝杠副,其额定动载荷为 16400N,螺 距为 40mm,精度等级为 3 级。4006 1L W 0 D 3传动效率计算 传动效率 4.4 tan tan ?? ? ? ? ? 式中丝杠螺旋长升角,型滚珠丝杠副为 2°44′。?4006 1L W? 摩?#20004;牵?#28378;珠丝杠副的滚动摩?#26009;?#25968;0.003-0.004,其摩?#20004;?#32422;等于?f 10′。 代入数据可得 tan tan ?? ? ? ? ? 10442tan 442tan ???? ?? t 0.94 4刚度校验 ①丝杠的拉伸或压缩变形量 1 ? 查机械设计手册表 6-3-23,据2272N,40mm,知1.210-5mm m F 0 D 0 L L ? 则 1.210-510001.210-2mm (4.5L L L ?? 0 1 ? ? 由于两端用角接触轴承和深?#30331;?#36724;承,对丝杠螺母进行了拉伸,刚度可提高四 倍,则变形量缩小为0.310-2。 1 , 1 4 1 ??? ②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 ? 查机械设计手册表 5-3-55 知,W 系列 2.5 圈 1 列型丝杠副和螺纹滚道间的 接触变形量6.4,由于预紧,3.2。 QC ?um4 . 6 2 1 2 1 2 ??? QC ??um ③撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 ? 用 7304C 角接触轴承,35mm ,滚动体?#26412;?5.35mm,滚动体得数量 1 d 0 d 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 12 Z18,所以 0.0077mm 4.6 3 2 2 3 2 0 2 1835. 5 2 .227 0024 . 0 0024 . 0 ? ?? ? ?? zd Fm c ? 由于预紧的存在, 0.00386 mm0077. 0 2 1 2 1 3 ??? c ?? 综上可得,变形量 0.003 0.0032 0.00386 0.01006 mm? 故选用 型滚珠丝杠副符合要求。4006 1L W 5稳定性校验 滚珠丝杠在安装的时候采用的是推力轴承,在其转动的过程很稳,所以不用进 行稳定性的校验。 4.2.2 横向进给的计算 1 计算牵引力之 , m F 1.46700.22680210726002022.8N24 . 1 ,,,, GFFfFF yzxm ???? 4.7 2 计算最大负荷 C 丝杠转速 30r/min 4.8 5 5 . 03 . 010001000 0 ?? ?? L v n s 工作寿命 27 4.9 66 10 150003060 10 60?? ?? nT L 最大负载 31.22022.87282.08N 4.10 W FfLC ,3 ? 根据求出的条件查机械设计手册表 6-7-58 可得 采用外循环螺纹预紧的双螺母滚珠丝杠副型 1 列 2.5 圈,其额定动载荷2005 1L W 为 8800N,螺距 为 40mm,精度等级为 3 级。 0 D 3 传动效率计算 传动效率 tan tan ?? ? ? ? ? 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 13 型滚珠丝杠副丝杠螺旋长升角 为 4°33′,摩?#20004;?为 10′。2005 1L W?? 故 0.965 10334tan 334tan ???? ?? ?? 4 刚度校验 由横向进给的支撑方式,如图 4.1 所示 图 4.1 横向进给支撑方式 由最大牵引力为 2022.8N,支撑间距为 450mm,丝杠长度较长,需母及轴承预紧, ①丝杠的拉伸或压缩变形量 1 ? 查表,据 2202.8N,20mm,知4.210-5 则 , m F 0 D 0 L L ? 4.210-54501.910-2mm L L L ?? 0 1 ? ? (4.11) ②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 查表知,W 系列 2.5 圈 1 列型丝杠副和螺纹滚道间的接触变形量6.4μm QC ? 由于预紧,3.2μm。4 . 6 2 1 2 1 2 ??? QC ?? ③撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 3 ? 用 7319C 角接触轴承,l5mm ,滚动体?#26412;?.74 mm ,滚动体得数量 1 d 0 d Z12, 所以 0.0094(mm)(4.12) 3 2 2 3 2 0 2, 1274 . 4 28.202 0024 . 0 0024 . 0 ? ?? ? ?? zd Fm c ? 由于预紧的存在 0.0047(mm) (4.13) 0094 . 0 2 1 2 1 3 ? ?? c ?? 综上可得,变形量0.0190.00320.00470.0269mm定位精度? 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 14 变形量 δ0.0190.00320.00470.0083mm定位精度 4 1 由?#19997;?#30693;,将滚珠丝杠进行拉伸之后,使用型 1 列 2.5 圈丝杠副符合要2005 1L W 求。 (5)稳定性校验 首先计算产生失稳的临界负载用下列公式 (4.14) 2 2 ? ?EIf F z k ? 式中 E丝杠材料弹?#38405;?#37327;,钢材量N/cm264/ 4 1 dI?? I截面惯性矩(单位cm4),丝杠截面惯性矩,d1为丝杠螺纹64/ 4 1 dI?? 的底径 丝杠两支撑端距离,cm? ?z丝杠的长度支撑系数,如表 4.1 所示 表 4.1 丝杠长度支撑系数 方式一端固定一段自由 两端简支一端固定一段简支 两端固定 z f 0.251.002.004.00 本设计,丝杠采用两端固定,故取 4.00。 z f 则截面惯性矩 0.3899cm4 (4.15) 64 6788 . 1 4 ? ? ? I 临界负载 6429.8N (4.16) 2 62 81 3899 . 0 10 6 . 204??? ? ? k F 临界负载与最大负载之比称为稳定性安全系数,如果, k F m F K n][ K m k K n F F n?? 则丝杠不致失稳,为许用稳定性安全系数,一般取 2.54。则根据以求得数据,][ K n 2.83,故横向进 2272 8 .6429 ? K n][ K n? 给丝杠选用 W1L2005 型丝杠不会产生失 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 15 稳。 4.3 轴的结构设计 4.3.1 根据轴向定位的要求确定轴的各段?#26412;?#21644;长度 1)为了满足从动端半联轴器的轴向定位要求,A 轴段上端需制出一轴肩,又因 为在 B 段?#38386;?#35201;安装轴承及轴承座,故取初步取 B 段的?#26412;?0 mm;下端用轴 B d 端挡圈定位,参照标准 GB/T 891-1986,按轴端?#26412;度?#25377;圈?#26412;?D45mm。 标记为GB/T 892 B45 从动端半联轴器孔长度50mm,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在 2 L 轴的端面上,故 A 段长度应比略短一些,现取58mm。 2 L A L 2)初步选择滚动轴承。因轴?#22411;?#26102;承受较大的径向力和?#38386;?#30340;轴向力的作用, 故选用深?#30331;?#36724;承。同时考虑?#23548;?#24037;作情况及安装的方便性,选择带座外球面球轴 承。参照 B 段?#26412;丁?#25903;架套?#26448;?#24452;及带立式座外球面球轴?#26012;?#20934; GB/T 7810- 1995(表 7-2-101),初步选取型号为 UCP208 的带座轴承。 参照标准 GB/T 7810-1995(表 7-2-101)知,该带座轴承总宽 B49.2 mm,为了 安装方便,取 B 段长度60 mm。 B L 3)由于支架套筒需要从立轴上方装入,故支架套筒下方需要轴肩定?#24359;?#21448;因支 架套?#26448;誥段?d50 mm,且主要承受径向力,故取70 mm,15 mm。 C d C L 4)已知支架套?#26448;誥段?d50 mm,高度为 150 mm,为了便于安装上轴承座, 取 50 mm,155 mm。 D d D L 5)由于 E 段轴上只安装带座轴承,故 E 段轴尺寸同 B 段轴,即40 mm, E d 60 mm。 E L 4.3.2 轴上零件的周向定位 1)从动端半联轴器与轴的周向定?#24359;?#30001;于工作时需承受一定的冲击及变载荷, 而且在轴端处,所以采用单圆头普通平键连接。按35 mm、58mm,参照标 A d A L 准 GB/T 1095-2003(表 5-3-18),选择键的截面尺寸为宽度 b10mm,高度 h8mm。键槽用键槽?#36710;?#21152;工,由 长度并参考键的长度系?#26657;?#34920; 5-3-19),取 A L 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 16 键长为 L56 mm(比长度小些)。从动端半联轴器与轴的配合为。 A L 6 7 k H 2)支架套筒与轴的周向定?#24359;?#21516;样由于工作时需承受一定的冲击及变载荷,所 以采用圆头普通平键连接。根据立轴连接支架套筒处尺寸 d98 mm,参照标准 GB/T 1095-2003(表 5-3-18),选择键的截面尺寸为宽度 b14mm,高度 h9 mm。键槽用键槽?#36710;?#21152;工,由支架宽度并参考键的长度系?#26657;?#34920; 5-3-19),取键长 L140 mm(比支架套筒高度小些)。支架套筒与轴的配合为。 6 7 h H 3)滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的,此处选轴的?#26412;?#23610;寸公差 为 m6。 4.3.3 确定轴上?#27493;?#21644;倒角尺寸 参照标准 GB/T 6403.1-2008(表 1-5-10),取轴端倒角为 1.6 45°,各轴肩处? ?#27493;前?#24452;参照标准 GB/T 6403.4-2008(表 1-5-12)选取。 4.3.4 带立式座外深?#30331;?#36724;承的校核 参照标准 GB/T 276-1994(表 7-2-66)知,对于深?#30331;?#36724;承 6208,基本额定动 载荷29500N,基本额定静载荷18000 N(参照标准 GB/T 7810-1995(表 7- r C r C0 2-101),对于轴承 UCP208,基本额定动载荷22800N,基本额定静载荷 r C 8200 N),球数 z9,球径12 mm。 r C0 W D (1)受力分析 列平面?#25105;?#21147;系的平衡方程,即 0, 0 ?x F BAx FF? 0, 0 ?y F 21 PPFAy?? 0, 0 FMA ? 1200800230 21 ??????PPFB (4.17) 求解以上方程,得 5507001250(N) 21 PPFAy?? -5565.22(N) 230 1200700800550 230 1200800 21 ??? ?? ??? ?? PP FB 5565.22(N) BAx FF?? 为负值,说明他的方向与假设的方向相反,即应指向左。 B F 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 17 则轴承所受径向载荷 5565.22 N r F 轴向载荷 1250 N a F (2)校核动载荷 按照手册公式 7-2-1 计算 (4.18)P ff fff C Tn dmh ? 式中寿命因数,轴承预期寿命5000 h,查表 7-2-23,取 2.71 h f h L h f 力矩载荷因数,力矩载?#23665;闲。?#21462;1.5 m f m f 冲击载荷因数,?#26800;?#20914;击,查表 7-2-25,取1.2 d f d f 速度因数,转速取 15 r/min,查表 7-2-24,取1.305 n f n f 温度因数,查表 7-2-26,取1 T f T f P当量动载荷,按式 7-2-2 计算 计算当量动载荷 P。 (4.19) ar YFXFP?? 式中径向载荷,由受力分析知5565.22 N r F r F 轴向载荷,由受力分析知1250 N a F a F X径向动载?#19978;?#25968;,查表 7-2-65,按下面计算取值 Y轴向动载?#19978;?#25968;,查表 7-2-65,按下面计算取值 1)计算 2 W a izD F 0.965 (4.20) W a izD F 2 1291 1250 ?? 2)取 e 的值 查机械设计手册表 7-2-65,根据0.965,取 e0.28 2 W a izD F 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 18 3)计算 r a F F 0.225 (4.21) 22.5565 1250 ? r a F F 4)取 X、Y 的值 查机械设计手册表 7-2-65,单列轴承,且0.225e0.28,0.965 r a F F 2 W a izD F 故取 X1 Y0 5)求当量动载荷 P ar YFXFP?? 1 5565.220 1250?? 5565.22 N 因此 动载荷为 P ff fff C Tn dmh ? 5565.22 1305 . 1 2 . 15 . 171 . 2 ? ?? ? 20802(N) 因 C29500N(对于 UCP208,同样 C22800N) r C r C 故,合适。 (3)校核静载荷 按照手册公式 7-2-6 计算 (4.22) 000 PSC ? 式中安全因数,旋转轴承,查表 7-2-31,取1.5 0 S 0 S 当量静载荷,计算公式见表 7-2-29 0 P 计算当量静载荷 0 P 查机械设计手册表 7-2-29,对于向心球轴承,计算径向当量静载荷 (4.23) arr FYFXP 000 ?? ,取二式中的较大者,其中 rr FP ? 0 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 19 径向载荷,由受力分析知5565.22N r F r F 轴向载荷,由受力分析知1250 N a F a F 径向静载?#19978;?#25968;,查表 7-2-65 0 X 轴向静载?#19978;?#25968;,查表 7-2-65 0 Y 1)计算 arr FYFXP 000 ?? 查机械设计手册表 7-2-65, arr FFP5 . 06 . 0 0 ?? 0.6 5565.220.5 1250?? 3964.132(N) 2)计算 rr FP ? 0 5565.22(N) rr FP ? 0 故,取3964.132 N r P0 因此 静载荷为 000 PSC ? 1.5 5565.22? 8347.835(N) 因18000 N(对于 UCP208,同样18200N)。 r CC 00 ? r CC ? 故,合适。 综?#38386;?#26680;结果,选择带立式座外球面球轴承,型号为 UCP208。 标记为UCP208 GB/T 7810-1995 4.3.5 键的校核 (1)从皮带轮与轴连接处的键 由于键、立轴、皮带轮的材料都是钢,由机械设计手册表 5-3-17 查得许用 挤压应力[]100 120,取其平均值,[]110。键的工作长度 lL-b90- a MP a MP 1080(mm),键与支架键槽的接触高度 k0.4h0.4 2811.2(mm)。由表 5-3-16? 中查得 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 20 13.76()[]110 3580 2 . 11 101902102 33 ?? ?? ? ? ? kld T p ? a MP? a MP 故,合适。 标记为键 GB/T 1095-2003901628??B (2)同步齿形带轮与轴的连接处的键 由于键、立轴、同步齿形带轮的材料都是钢,由机械设计手册表 5-3-17 查 得许用挤压应力[]100 120,取其平均值,[]110。键的工作长度 a MP a MP lL-b20-416(mm),键与支架键槽的接触高度 k0.4h0.4 166.4(mm)。由? 机械设计手册表 5-3-16 中查得 6.75()[]110 35164 . 6 101902102 33 ?? ?? ? ? ? kld T p ? a MP? a MP 故,合适。 标记为键 GB/T 1095-2003201616??B 4.3.6 轴的校核按弯扭合成强度条件计算 在轴的结构设计?#20445;?#35201;考虑轴的主要尺寸,以及轴上零件的位置,以及外载荷。 当支反力的作用位置确定后,轴上的载荷就可以通过计算求出来,因而可按弯扭合 成强度条件对轴进行强度校核计算,计算结果如表 4.2 所示。 表 4.2 载荷计算结果 载荷水平面 H垂直面 V 支反力 F -5565.22N 1NH F 5565.22N 2NH F 1250N 1NV F -1250N 2NV F 弯矩 M -139.13Nm 1H M 139.13Nm 2H M 31.25Nm V M 总弯矩 -135.58Nm 22 1 25.3113.139???M 142.6Nm 22 2 25.3113.139??M 扭矩 TT190Nm 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 21 4.3.7 校核轴的强度 从轴的结构图以及弯矩和转矩图中可以看出截面 C 是轴的危险截面,所以只校 核危险截面 C 的强度。?#35789;?#20876;上表 6-1-22 中公式及上表中数据,以及轴的材料为 45 钢,扭转切应力为脉动循环变应力,取0.6,45,则的计算?#26412;段? p1? ? (4.24) 3 1 22 68.21 P TM d ? ?? ?? ? 3 22 45 1906 . 0 6 . 142 68.21 ?? ? 84(mm) 计算?#26412;?84 mm 小于选择?#26412;?98 mm,故安全。 4.4 伺服电机的选型和计算 4.4.1 等效转动伺服电机的计算 根据计算,传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量kg?cm2,可由下式计算 z J 4.25] 2 [ 2 0 2 2 2 1 1 ? ? L G W JJ Z Z JJJ sM ????? 式中 伺服电机转子转动惯量kg?cm2 M J 齿轮 Z1、Z2的转动惯量kg cm2,由于进给系统由伺服电机直接和 21 JJ 、? 丝杠联接,则 1 2 1 Z Z 滚珠丝杠转动惯量kg cm2 s J? 参考同类型机床,初选反应式伺服电机 150BF,其转子的转动惯量为 10kg cm2。? 0.7810-34415029.952kg cm2) 4.26 s J? 带入上式 ] 2 [ 2 0 2 2 2 1 1 ? ? L G W JJ Z Z JJJ sM ????? 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 22 ] 2 6 . 0 8 . 9 800 952.29[10 2 ? ??? 40.7kg cm2? 考虑伺服电机与传动系统惯量相匹配的问题 0.246 7 . 40 10 ? ? J JM 基本满足惯量匹配要求。 4.4.2 电机力矩计算 机床在不同的工作状况下,所需要的转矩不同,一下分别按各?#38181;?#35745;算。快速 ?#25484;?#21160;?#38181;?起 M 0 max a MMMM f ??? 起 2 max max 10 2 60 ? ??? ? ? ?? a a t n JJM 而 360 max max b p v n ? ? ?? 将前面以求得的数据代入, 450r/min 4.27 360 max max b p v n ? ? ?? 360 75. 0 01 . 0 2400 ? 启动加速时间30ms a t 571.1N 2 max max 10 60 2 ? ?? a a t n JM ? ? 2 10 03 . 0 60 4502 355.36 ? ? ? ? ? ? 4.28 折算到电机轴上的摩擦力矩 f M 94() 1 2 0 , 00 2 2 Z Z LGFf i LF M z f ?? ?? ?? ?? 25 . 1 8 . 02 6 . 0800536016 . 0 ?? ?? ? cmN ? 4.29 还有附加摩擦力矩 下载后文件包含有 CAD 图纸和说明书,咨询 Q 197216396 或 11970985 23 19.1()1 2 2 0 00 0 ? ?? ?? i LF M P 1 2 3 1 2 0 1 2 0 ? ?? ?? ?? Z Z LFm 9 . 01 8 . 023 6 . 02530 2 ? ?? ? ? cmN ? 4.30 综上所述 571.19419.1684.2() 4.31 0max a MMMM f ??? 起 cmN ? 快速移动?#38181;?#25152;需力矩 快 M 9419.1113.1() 4.32cmN ? 最大切削负载时所需力矩 切 M 273.1() 8 . 02 6 . 01340 1 .1994 2 0 00 ? ? ????????? ???i LF MMMMMM x
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