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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流1.2.3.4. 刀具刃磨中心Z轴进给系统设计与建模初稿.精品文档.5. 已知技术参数：纵向最大行程（Z轴）180/mm;工作给速度为1-8000mm/min;纵向快速进给速度：1.0m/min;估计质量：50kg;磨削深度2mm；进给量0.4mm;磨削系数300；材料选为：HT200；2滚珠丝杠的计算与选择2.1滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为i=1，设电机最高工作转速为，则丝杠导程为： 取 2.2确定丝杠的等效转速可知最大进给速度时丝杠的转速： 最小进给速度时丝杠的转速：丝杠等效转速：（取）假设一般磨削力的公式为
2、： 式中;F为磨削力(N)为切削系数 为工件圆周进给速度m/min 为磨削深度mm 轴向进给量mm/r在一般磨削中；Fx=(0.10.6)Fc Fy=(0.150.7)Fc3.3导轨摩擦力的计算导轨受到移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=50kg所受重力W=500N)，查表知紧固件的重力为f=1000N,取导轨动摩擦系数，则 计算在不磨削削状态下的导轨摩擦力和3.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力计算最小轴向负载力丝杠的平均载荷Fm2.3确定所丝杠受的最大载荷（2）根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。已知本机床进给系统的定位精度为40 ,重复定位精度
3、为16 ，则有取上述计算结果的较小值，即。（3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用两端固定支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承 （1.21.4）行程+（2530）Ph取L=(1.4200+306)mm=460mm（4）初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的Ph、Cat、dm和结构的需要，初步选择型号为FF3206-5，其公称直径、基本导程P0、额定动载荷和螺纹底径如下 偏心距R/r=1.143.7珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠竖直安装时，取，
4、查表得，则有 本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Fmax=1694N，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，密度，重力加速度 滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为 取，查表得，则有 进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷Fmax=1694N，滚珠丝杠的转速nmax=166.67r/min，运转条件系数fw=1.4，则有本车床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh=61411h15000，故满足要求。
5、3.8计算器械传动的刚度 已知滚珠丝杠的弹性模量，滚珠丝杠的底径。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度 已知滚动体直径dq=6.75mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为： 查表得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷则 进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。4.0传动精度计算；有机械传动装置引起的定位误差为：对于3级滚珠丝杠。其任意300mm导程公差为正负，机床定位精度为40 ,重复定位精度为16 ，则有，可以满足由于传动刚
6、度变化所引起的误差小于（1/31/5)机床的定位进度要求。再加闭环反馈系统的补偿，定位进度能进一步提高。5.确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格表1： 支承方式简 图K2f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9由丝杠的设计可知，丝杠两端的轴承主要承受轴向力，径向力，根据机械设计手册，可知用角接触球轴承。丝杠两端的尺寸27.9mm, 可知轴承内径d=25mm轴承采用成对安装方式，轴承不宜过厚，选择厚度较小的，查机械设计手册选60度角接触球轴承厚度为12mm.丝杠高速运转会产生大量的热，为了具有更好的润化性
7、和散热性应选用外径/内径较大的轴承。这种轴承承载能力强，变形系数小，横向空间大，有利于润滑油的流动带走产生的热量，减少热变形和磨损，查机械设计手册，选角接触球轴承外径为52mm。轴承承受的轴向载荷Fmax=1694N.预紧力Fp=1050N,滚珠丝杠支撑形式采用两端固定式，所选用的轴承型号为：(GB/T292-1994) 7205C其额定动载荷为16.5KN。轴承的寿命：参考机械设计公式（13-5）可知，故所选轴承符合要求。6.0 伺服驱动系统的设计计算 1. 电动机的选择2. 伺服电动机的选择是根据负载条件来进行的，加在电动机轴上的负载有负载转距和负载惯量两种，负载转距包括切削转距和摩擦转距
8、。选择伺服电动机应能满足下述条件：1.根据负载转距选择电机，负载转距应小于或等于电动机额定转距。最大切削负载转距不得超过电动机的额定转距折算到电动机轴上的最大切削负载转距。2.电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，通常要求转子惯量不小于负载惯量。但也不是转子惯量越大越好，因转子惯量越大，总的惯量就越大，加速性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏度，将不得不采用转距过大的电动机和它的控制系统。3.快速移动时，转距不得超过电动机的最大转距，当执行部件从静止状态加速到最大移动速度时，所需要的转距最大。但选择电机时，是按照负载转距小于额定转距，电动机转子惯量与负载惯量的合理匹配，执行部
9、件的快速转距小于电动机的最大转距三个要素来考虑的。根据负载转距的计算，切削转距加上摩擦转距，应小于或等于电动机的额定转距。4.加速转距应等于最大转距减去负载转距。在空载时，加速转距应等于最大转距减去摩擦转距，其差值等于全部惯量（电动机+负载惯量）乘于加速度斜率。4.3伺服驱动系统的设计计算 车刀刃磨装置的机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算。伺服驱动系统的设计计算包括脉冲当量的计算，步进电机的选型和轴的结构设计和联轴器的选择。下面详细阐述一下设计计算的内容。4.3.1脉冲当量的计算参照普通工具磨床的参数，其定位精度一般在0.01mm0.005mm，根据设计结构的要求，刃磨装置对定位精度要求不
10、高，故可选脉冲当量=0.01mm/step。初选步进电机的步距角为=0.9,步进电机每发一个脉冲（0.9），因此，步进电机和轴之间无需减速装置，脉冲当量可以满足所需精度。432步进电机的选型与计算步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。
11、步进电机的性能指标步进电机的常用术语及主要性能指标是：步距角指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过的角度的理论值，可有下列公式来计算： = (式4.1)式中，m为电动机相数；z为转子齿数；k为通电方式系数，当采用单三拍或双通电方式，k=1；而采用三相六拍通电方式时，k=2。(2)精度通常步进电机的精度有两种表示方法：一种用步距误差的最大值来表示；一种用步距累积误差最大值表示。前者是指电动机旋转一圈内相邻两步之间最大步距和理想步距的差值，用理想步距的百分数表示；后者是指任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最大值。(3)转矩保持转矩(或定位转矩)，是指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超
12、过一定值时的转矩值。通常反应式步进电机的保持转矩为零，而若干类型的永磁式步进电机具有一定的保持转矩。静转矩是指不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。它是绕组内的电流及失调角(转子偏离空载时的初始稳定平衡位置的电度角度)的函数。当绕组内的电流值不变时，静转矩与失调角的关系称为矩角特性。对应于某一失调角时，静转矩的值为最大，称之为最大静转矩Tk，它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。(4)响应频率在某一个频率范围内，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率后作为衡量指标。它是指在一定负载下直接
13、起动而不丢步的极限频率。(5)运行频率和矩频特性运行频率是指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。在相同负载情况下，连续频率的值高于响应频率或起动频率的值。运行矩频特性是指在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系，称之为运行矩频特性。起动矩频特性是指在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关系称为起动矩频特性。它们之间的关系典型曲线如图35所示，起动矩频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲线，运行矩频特性是失步转矩与频率之间的关系曲线。 图3.2 起动矩频特性与运行矩频特性曲线图图中当工作在I区范围内，步进电机可以直接停止和再起动，或者反
14、向转动，而不会失步。步进电机在I区的工作动矩速度上所产生的最大力矩坐标位于起动矩频特性曲线上，起频特性曲线与纵坐标的交点为最大静力矩，与横坐标的交点为最大起动频率。II区为单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、起动和换向，在此区域内工作，电机不会失步。为了在II区内工作，电机必须首先在I区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到lI区。若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由II区转移到I区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电机有利。III区为失步区域，在任何情况下都是不允许的。(6)起动惯频特性起动惯频特性是指负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系称为起动惯频特性或牵入
15、惯频特性，如图36所示。图3.3 惯性特性曲线上述各项是步进电机驱动系统的综合指标，是生产厂家产品出厂时提供的。这些指标是步进电机及其驱动器选用和静动态特性计算的重要依据。步进电机的选取原则 步进电机在工作中要求能严格跟随指令脉冲，不发生失频、振荡；能快速起动、停止、正反转和高效运转；能满足各项性能指标且具有良好的动态特性。步进电机在选用时首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，使电动机的矩频特性能满足机械负载并有一定余量以保证运行可靠，一般来说，最大静转矩缸大的电动机，负载转矩也大，通常取T=0.20.5。此外在选择步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与
16、步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。因此，步进电机的合理选择是保证电机安全、可靠、经济运行的重要环节。步进电机的选取计算步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩和相电流三大要素组成。三大要素确定下来，步进电机的型号就能确定下来了。考虑到步进电机的步距角要小，且有较高的起动和运行频率。初步选用型号为57BYGH203两向混合式步进电机，如图37所示57BYGH203型混合式步进电机外形图。57BYGH203型混合式步进电机的优点是步距角较小，有较高的起动和运行频率，消耗
17、功率小，有定位力矩，兼有永磁式和反应式两种步进电动机的优点，结构复杂。同时还具有良好的内部阻尼特性，因而运行平稳，无明显的低频振荡区，噪音小，可靠性高。既可用于组建稳定、可靠的开环系统，也可用于组建闭环系统。其主要性能参数如表32所示二相混合式步进电机 表3.2 57BYGH203型步进电机主要参数表型号相数电压（V）额定电流(A)电阻()电感(mH)静转矩(Kg.cm)定位转矩（kg.cm）重量(Kg)机身长(mm)出轴长(mm)接线图57BYGH101431.32.32.24.90.30.454521a57BYGH10225.10.756.812.550.30.454521b57BYGH2
18、014120.717.5228.50.70.655521a57BYGH20222.41.51.64.080.70.655521b57BYGH203451.53.33.68.50.70.655521a57BYGH20442.730.91.48.50.70.655521a57BYGH20524.41.153.8890.70.655521b57BYGH206441.62.53.58.50.70.655521a57BYGH2074321.528.50.70.655521a57BYGH20821.830.61.38.50.70.655521b57BYGH20924.51.535.490.70.65552
19、1b57BYGH30143.031.01.8140.91.07621a57BYGH30242.62.41.11.9140.91.07621a57BYGH30345.41.53.66.8140.91.07621a57BYGH304471.54.77.4140.91.07621a57BYGH30622.730.92.2150.91.07621b57BYGH30842.430.81.7140.91.07621a57BYGH40142.730.91.9201.11.59621a选择电动机型号：57BYGH10225.10.756.812.550.30.454521b7电动机参数验证：1. 最大切削负载
20、转矩不得超过电动机的额定转矩。最大载荷Fmax=1694N，丝杠导程Ph=6mm=0.006m ，3级滚珠丝杠=0.9，Fp=Fmax/3=1694/3=564N2.驱动最大摩擦负载转矩3.最大动态摩擦力矩对于3级丝杠，P=+40%或-40%4. 支撑轴承所需的启动转矩查轴承表：对于25的轴承，其T4=0.2N.m5. 驱动滚珠丝杠福所需的转矩6.电机的额定转矩8. 综上所述电动机选择根据机械设计手册，选择电动机型号型号相数电压（V）额定电流(A)电阻()电感(mH)静转矩(Kg.cm)定位转矩（kg.cm）重量(Kg)机身长(mm)出轴长(mm)接线图57BYGH10225.10.756.8
21、12.550.30.454521b取满足要求。4.4联轴器的选择4.4.1选择联轴器的类型选择一种合用的联轴器类型可以考虑一下几点：1） 所需传递的扭矩大小和性质以及缓冲振动功能的要求。2） 联轴器的工作转速高低和引起离心的大小。对于高速转动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选择存在偏心的滑块联轴器等。3） 两轴相对位移的大小和方向。在安装调整过程中，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用绕性连接器。4） 联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需要润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能容易受润滑完善程度的影响，且可能污
22、染环境 ，含有橡胶等覅经书元件的联轴器对温度.腐蚀性介质及强光灯比较铭感，而且容易老化。5） 联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的条件下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不仅结构简单，而且装拆方便，可用于低速刚性大的传动轴。一般非金属弹性元件联轴器（例如弹性套件联轴器、梅花形弹性联轴器等），由于具有良好的综合性能，广泛运用于一般小功率的传动。4.4.2.计算联轴器的计算转矩由于机器启动时的动载负荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩Tca。计算转矩按照下式计算；Tca=KAT （式4.4）式中，T称为公称转矩，N.m; KA为工作
23、系数。表14-1（机械设计.高等教育出版社KA取值；KA =1.3Tca =1.35Nmm=6.5Nm4.4.3.确定联轴器的型号根据计算转矩以Tca及所选联轴器为刚性套柱销联轴器，按照Tca 的条件由联轴器标准中选择该联轴器的型号。上式中为该型号联轴器的许用转矩。4.4.4校核最大转速被连接轴的转速n不应超过所选联轴器的最高转速nmax,即nnmax。4.4.5协调轴孔直径多参数情况下，每一型号的联轴器适用的轴的型号都有一个范围。标准中或者给出轴直径最大和最小值，或者适用直径的尺寸系列，别连接的两个轴的直径应当再此范围之内。一般情况下被连接两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能是不同的，如
24、主动轴端是圆柱形，所连接的从动轴轴端是圆锥形。4.4.6规定部件相应的安装精度根据联轴器允许的相位偏差，规定部件相应的安装精度，通常标准中只会给出单项位移偏差的允许值，如果有多项位移偏差的存在，则必须根据联轴器的尺寸大小计算出相互影响的关系，以此作为规定部件安装精度的依据。4.4.7 进行必要的校核如果有必要，应对联轴器的主要承载零件进行强度校核。适用非金属弹性元件的联轴器时，还应注意联轴器所在部位的工作问温度不要超过弹性元件材料允许的最高温度。从GB/T 5843-2003 中查到得GYS1刚性凸缘联轴器的许用转矩为25 Nm，轴径为12-19mm之间。 4.5.1失效形式 角接触球轴承可能
25、出现的实效形式主要有：主要有因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂、因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等。轴承在安装、润滑、维护良好的条件下工作时，各承载元件（包括内、外圆及滚动体）在周期性变应力的作用下，主要实效形式是解除表面材料的疲劳点蚀、轴承发生疲劳点蚀后，通常会在运转时出现比较强烈的震动，噪声和发热现象，轴承的旋转精度逐渐下降，直至丧失正常的工作能力。疲劳点蚀是轴承最常见的失效形式。塑性变形。 在过大的静载荷或者冲击载荷下，轴承元件间的接触应力超过了元件材料的屈服极限，接触部位发生塑性变形，形成凹坑，是轴承性能下降、摩擦阻力距增大。这种实效多发生在转速很低的
26、重载或者往复摆动的轴承中。磨粒磨损。 对于润滑不充分，密封不好或者润滑油不清洁，以及在多尘环境中工作的轴承，将会发生磨粒磨损，导致轴承因内、外圆与滚动体的间隙增大、振动加剧及旋转精度降低而报废。胶合。 在高速重载条件下工作的轴承，因摩擦面发热而使温度急剧升高，轴承材料回火软化，润滑实效而发生胶合。第六章 进给系统其他部件的确定及机床噪声控制6.1导轨的确定数控机床导轨必需具有较高的导向精度、高刚度、高耐磨性，机床在高速进给时不振动、低速进给时不爬行等特性。目前数控机床使用的导轨主要有3种：塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。 目前滚动导轨副被广泛应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器上。下面
27、着重介绍下滚动导轨副。滚动导轨有多种形式，目前数控机床常用的滚动导轨为直线滚动导轨。直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚柱或滚珠、保持器、端盖等组成。当滑块与导轨体相对移动时，滚动体在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动回工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成滚动体的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫，滑块上还有润滑油杯。最近新出现的一种在滑块两端装有自动润滑的滚动导轨，使用时无须再配润滑装置。由于滚动导轨的诸多优点, 综合考虑，CK516的纵向进给系统采用直线滚动导轨。床身与导轨为一体，床身
28、材料的选择应根 据导轨的要求选杼。铸铁具有良好的减震性和 耐磨性，易于铸造和加工。床身材料釆用机械 性能优良的HT250,其硬度、强度较高，耐磨 性较好，具有很好的减震性13。5.2导轨车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨 两种。猾动导轨具有结构简单、制造方便、接 触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩檫阻力大 图5.1床身结构且磨损快，动、静摩檫系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不釆用传统滑动导轨，而是釆用带有耐磨粘贴带覆 盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩檫性能良好和使用寿命长等特点 在动导轨上镶装塑料具有摩檫系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、 加:T性和化
29、学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是 用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢 支承导轨组成对偶摩檫副。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加丁精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。直线运动泔动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形，并可互相组合。由于矩形导轨制造简单，刚度高，承载能力大，具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响，便于安装。再将矩形整体倾斜45后，侧面磨损能自动补偿，克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷，使其导內性更好。图5. 2为双矩形导轨。这种导轨的刚度高，当量摩擦系数比三角
30、形导轨低，承载能 力高，加工、检验和维修都方便，而被广泛地采用。特别是数控机床，双矩形，动导轨 贴塑料软带，是滑动导轨的主要形式。矩形导轨存在侧叫间隙，必须用镶条进行调整。 图5. 3屮（a)由一条导轨的两侧导昀，称为窄式组合；图（b)分别由两条导轨的左、 右侧面导叫，称为宽式组合。导轨受热膨胀时宽式组合比窄式的变形量大，调整时应留 较大的侧叫间隙，W而导向性较差。所以，双矩形导轨窄式组合比宽式用得更多一些。图5.3双矩形导轨的两种形式 镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙，以保证导轨面的正常接触。镶条应放 在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。如图5. 4， 是用磨或刮压板3的e面和d面来调整间隙。压板的d面和e面爪空刀槽分开，间隙大 磨刮d面，太紧时则修e面。这种方式构造简单，应用较多，伹调整时比较麻烦气阁5.4压板结构6数控系统选择（1） 轴承所承受的最大轴向载荷代入得（2）轴承类型两端固定的支承形式，选背对背60角接触推力球轴承（3） 轴承内径 d 略小于取 代入得（4）轴承预紧力预加负荷（5）按样本选轴承型号规格 当d=30mm 预加负荷为：FBP 所以选7602030TVP轴承 d=30mm预加负荷为