三说明书1

兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论第三章部件的设计计算3．1伺服进给系统机械传动机构设计的一般要求伺服进给系统机械传动机构是指将电动机的旋转运动，变为工作台或刀架的运动的整个机械传动链，包括引导和支撑执行部件的导轨、丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆副、齿轮或齿链副及其支撑部件等。由于进给传动系统的精度、灵敏度、稳定性直接影响了数控机床的定位精度和轮廓加工精度，因此，在机械传动机构的设计中应满足下列要求：(1)提高传动部件的刚度一般来说，数控机床的直线运动的定位精度和分辨率都要达到微米级，回转的定位精度和分辨率都要达到角秒级，如果传动部件的刚度不足，必然会导致传动部件产生弹性变形，工作台产生爬行、振动和反向死区，影响系统的定位精度、动态稳定性和响应的快速性。关于机械传动机构的传动刚度，主要取决于丝杠螺母副、蜗杆副及其支撑结构的刚度。缩短传动链、合理选择丝杠以及丝杠螺母副的支撑部件等，施加预紧力是提高传动刚度的有效途径。(2)高谐振为了提高系统的抗振性，应使机械传动部件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2～3倍。(3)摩擦阻力小为了提高伺服进给系统的快速响应特性，保证其运动平稳、定位准确，除对伺服元件提出要求外，还必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差。机械传动机构的摩擦阻力主要来自丝杠螺母副和导轨。为了减小摩擦阻力，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨和塑料导轨。(4)减小传动部件的惯量传动部件的惯量对伺服机构的起动和制动特性都有影响，尤其是处于高速运转的零件，由于对进给系统的加速度要求较高。在驱动电机一定时，传动部件的惯量直接决定了进给系统的加速度，它是影响进给系统快速性的主要因素。因此，在满足系统强度和刚度的前提下，应尽可能减小零部件的重量、直径，以降低惯量，提高快速特性。(5)无间隙机械传动部件之间的间隙是造成伺服进给系统反向死区的一个主要原因，因此，对传动链的各个环节，如联轴器、齿轮副、蜗杆副、丝杠螺母副及其支撑部件等，均采用消除间隙的结构措施或施加预紧力。3．2滚珠丝杠螺母副的原理及支撑方式滚珠丝杠螺母传动属于滚动螺旋传动。滚动螺旋传动的滚动体有滚珠和滚子两大类，其应用最广泛的是以滚珠为滚动体的滚珠丝杠螺母传动。滚珠丝杠螺母副作为精密、高效的传动元件在数控机床得到广泛应兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等领域应用也很普遍，可作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。3．2．1滚珠丝杠螺母副的原理及特点滚珠丝杠螺母副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，基结构原理如图3．1所示：在丝杠和螺母上都有半圆形的螺旋槽，当他们套装在一起时便成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回珠滚道，将数圈螺旋滚道的两端连接成封闭的循环滚道，滚道装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内自转，同时又在封闭滚道内循环，使丝杠和螺母相对产生轴向运动。当丝杠(或螺母)固定时，螺母(或丝杠)即可产生相对直线运动，从而带动工作台或其他移动件作直线运动。滚珠丝杠副具有如下特点：(1)传动效率高滚动摩擦的摩擦损失小，传动效率n=0．92,---0．94，是普通滑动丝杠的3-4倍。(2)摩擦力小因其动、静摩擦系数小，故传动灵敏、运动平稳、低速不易爬行，随动精度和定位精度高。(3)可预紧滚珠丝杠副经预紧后可消除轴向间隙，有助于定位精度和刚度的提高，即使反向也没有空行程，反向定位精度高，且传动平稳。(4)定位精度和重复定位精度兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论高。(5)有可逆性因滚珠丝杠副摩擦系数小，所以不仅将旋转运动转换为直线运动，也可以将直线运动转换为旋转运动，丝杠和螺母既可作主动件，也可作从动件。(6)使用寿命长滚珠丝杠副采用优质合金钢制成，其滚道表面淬火硬度达60～62HRC，表面粗糙度小，而且是滚动摩擦。故磨损很小，使用寿命长。(7)同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件或装置时，可获得较好的同步性。3．2．2滚珠丝杠螺母副的支撑方式数控机床的进给系统要获得高的传动精度，除了滚珠丝杠副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支撑结构也不容忽视。滚珠丝杠副作为数控机床关键功能部件之一，它的安装形式的优劣很大程度上决定了机床的运动精度和加工精度。在现有机床中，滚珠丝杠的安装方式一般有五种：a、一端固定，一端自由；b、一端固定，一端游动；c、两端游动；d、两端固定；e、丝杠固定，螺母旋转；常见的四种主要支承形式见图3—2。其各安装方式所适用的加工状况如下：方式a适用于低速回转、丝杠较短的情况；方式b适用于中速回转、高精度的情况；方式c适用于中速回转的情况。方式d适用于高速回转、高精度的情况；方式e适用于丝杠长且速度较高的情况。本课题三轴均采用了两端固定(d)的支撑方式。图3-2滚珠丝杠螺母副的支承形式3．3滚珠丝杠螺母副的预紧和滚珠丝杠的预拉伸现代数控机床伺服进给系统的机械传动机构设计的一个突出特点是：广泛采用施加预紧力来消除间隙、提高传动刚度从而避免增大传动零件的尺寸，并使传动刚度接近于常数，这给伺服进给系统的调试带来了方便。兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论3．3．1滚珠丝杠螺母副的预紧滚珠丝杠螺母副的预紧是提高滚珠丝杆副的反向传动精度和传动刚度，减小传动系统间隙的重要措施。滚珠丝杠螺母副的预紧常采用各种形式的双螺母机构。为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时，其反向传动链仍保证无间隙出现，则一般要求施加一个合理的预紧力。预紧力过大会造成传动效率的降低、摩擦力增加、磨损增大、使用寿命降低等缺陷。因此，预紧力的大小可通过理论计算求取，计算公式如下：（1）(1)当最大轴向工作载荷不能确定时：aCFP式中PF――施加的预紧力―――预加负荷系数aC――额定动载荷，cawm3tafffFPLCk＝，（LS;预期运行距离（km）；Ph:滚珠丝杆副导程（mm）；Fm：当量载荷（N）;fw：负荷系数；fa：精度系数；fc：可靠性系数）（2）当最大轴向工作载荷能确定时：max31FFP式中maxF＝最大轴向工作载荷3．3．2滚珠丝杠的预拉伸滚珠丝杠安装时，一定要确保其轴线同与之配套导轨的轴线平行，另一方面要考虑滚珠丝杠温升对滚珠丝杠造成的影响。因为滚珠丝杠运转时，其温度的升高会影响到丝杠的传动精度，因随着滚珠丝杠温度的升高，热应力效应会使滚珠丝杠轴向伸长，这点在高速高精度的机床中影响比较显著。为避免滚珠丝杠因温度的升高而产生的轴向伸长变形造成的影响，我们在安装时采用预拉力来补偿此变形。但过大的预拉力会烧坏支撑轴承，因此，需对预拉力与变形量进行理论计算，其计算公式如下：(假设滚珠丝杠材料为$55C或SCM450、感应热处理硬度为HRC58-62。)滚珠丝杠热变形量LULKL式中K----滚珠丝杠线膨胀系数（11.6C/106－）兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论----滚珠丝杠温度变化值（C）uL――滚珠丝杠副的有效行程（mm）滚珠丝杠副的预紧力Ft（N）u22t4dLELF式中E------弹性模量（2.125mm/10N）d2-----滚珠丝杠螺纹底径（mm）由于过大预拉力会烧坏支撑轴承，在取值上采用温度变化值小于5℃的预拉值。根据丝杠生产商提供的丝杆温升一工作时间曲线中，发现在滚珠丝杠温度升高5℃后，温度趋于平稳。滚珠丝杠预拉的结构实现通过公式(3-3)与(3-4)，我们能把握好滚珠丝杠的变形趋势，针对此情况来设计滚珠丝杠的安装支撑结构，使其结构具有预拉的功能，来消除因温度升高而产生的热变形。与伺服电机直接联接的一端，则采用固定安装结构，使滚珠丝杆的轴向游隙几乎为零。另一端则有三种结构，均能很好的达到其预拉目的，如图3-3所示：图3-3丝杆预拉伸安装方式上述三种结构中，图a与图b原理一致，都是采用调整垫片来补偿，不同之处在于采用的润滑方式，图a采用油润滑，而图b采用脂润滑。其工作原理：将各零件均按图装配好后，其丝杠处于自由无拉伸状态，此时将轴承套与床身联接的螺钉松开，用另一垫片替换原有的垫片，要求此垫片比原有的厚，具体尺寸由滚珠丝杠热变形量越尺寸决定，通过锁紧螺母使丝杠达到预拉状态，而预拉力的大小兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论可通过调垫片厚度的增量计算出来。其力的传递顺序：垫片8-轴承套3-向心球轴承4-隔套6-锁紧螺母5-丝杆2。图c则是利用调整螺母来达到目的，其润滑方式采用脂润滑。润滑方式不同产生的效果也不一样，采用油润滑滚珠丝杠时，由于润滑油不断的补给，润滑油在起润滑作用的同时，还对丝杠有清洁、冷却作用，润滑效果显著。而脂润滑相对而言，效果明显不如前者，特别是在冷却方面。具体采用何种润滑方式，视具体机床性能要求而定。其中图a中的结构在南京四开数控机床上成功的实现过，经实践生产说明该结构设计合理，能很好的满足生产要求。3.4铣削力的计算目前借助车削过程中切削力来推导：铣削单位切削力PP=Fz/ac×aw经推导：uFawacCP/－－－铣刀外径－－－铣削速度－－－进给速度－－－铣削深度－－－铣削宽度每齿进给量可以推导出公式）（－－－切削厚度切削宽度切削层总面积切向（圆周）铣削力螺旋齿圆柱铣刀的平均得到公式－＝或－－－指数，由于－－－指数切削力系数012/02/110dfapae/aeapaf)av(ac/011VVafZapdaeafCFdZacCFawacawAcAAPFFacCPXXCFZAVFZAVcacavZavZavFFZFZFd0=60Z=12F切＝4600N兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论NFFCZCFZmmZZZFZFZZ4600123601.0602.6881.92.68apdafae81.9716/1.0afmm3apmm60ae12mm60d86.072.086.086007208600得带入条件得可锻铸铁碳钢，青铜，铝合金，得，工件材料：青铜，－查表：每齿进给量：铣削深度：铣削宽度齿数＝铣刀外径铣刀材料：高速钢铣刀。－。。－－－切削厚度acNFFFFrFNFFFFNFFFFNFFFFNFGPKKVHrZZZVZVZHZHZbFZFZ5676184036803910:18404.04.0/36808.08.0/391085.085.0/4164600146001)736.0736.0(Kmm/kg155a736.0516)736.0(7162222022003.0FZ2b3.0铣削合力得顺铣：－查表）（＝得：－查表加工钢：为：正系数，不同材料得铣削力修－从表3.5滚珠丝杠副的选型与计算主要尺寸参数：公称直径d0节圆直径DPW导程Pn公称导程Pho行程L有效行程Lu精度等级1．2．3．4．5．7.10七级，最高精度1级，最低精度10级。KFZ=1FZ=4600NFｒ＝5676N兰州理工大学毕业设计（论文）第页设计内容主要结论定位：P型X向最大行程：500MM支承形式：双推—双推3.5．1.最大工作载荷Fm计算轴向：Fx=1840N=Fo径向：Fy=3680N=FV切向：Fz=3910N=FH矩形导轨：Fm=KFx+µ(Fz+Fy+G)K=1.1µ=0.005G=550kg×10N/kg=5500NFm=1.1×1840+0.005(3910+3680+5500)=2089.45N3．5．2.最大动载荷FQFQ=30LfwfHFmfw载荷系数—fw=1.1fH硬度系数—fH=1.0L0—滚珠丝杠副的寿命。L0=60n/106数控机床取T=1500hn=1000V/PhPh=5mmV=2000mm/min=2m/minn=400r/minL0=60×400×15000/106=360（单位:106