刀具刃磨中心Z轴进给系统设计与建模初稿

1.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；0.004/pmmP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：maxmaxvnPh33.515008000hP取6hP2.2确定丝杠的等效转速min/vnrph可知最大进给速度时丝杠的转速：min/67.16661000min/vnrrph最小进给速度时丝杠的转速：min/167.061min/vnrrph丝杠等效转速：（取212tt）假设一般磨削力的公式为：NfavCFnYPXat式中;F为磨削力(N)tC为切削系数av为工件圆周进给速度m/minPa为磨削深度mmf轴向进给量mm/r在一般磨削中；Fx=(0.1~0.6)FcFy=(0.15~0.7)Fc1920N0.4*2*8*300Fmin/17.1113167.067.166*232n21212211rnntttntnm3.3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0.15，则NFyFWF54211529601000500*15.0xf计算在不磨削削状态下的导轨摩擦力0F和0F3.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力maxaFNFFFy16945421152amax计算最小轴向负载力minaFNFF2250amin丝杠的平均载荷Fm2.3确定所丝杠受的最大载荷NnTffffffmhkhtwma3161060CaNFFyNFF11521920*6.06.09601920*5.05.0xNWFNWF3001000500*2.0f2251000500*15.0f000NFFF120432m21（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40m,重复定位精度为16m，则有max111()165.33832mmmax211()4081054mm取上述计算结果的较小值，即max5.33m。（3）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2md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≈（1.2～1.4）行程+（25～30）PhNnTfFCmhwm782565.100*4.1*120410603316a取L=(1.4×200+30×6)mm=460mmmmPFhm6.1233.5460*300078.0078.0dmax0（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0d、基本导程P0、额定动载荷aC和螺纹底径2d如下032dmmmmP60偏心距`R/r=1.14NCNCa782520200a3.7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227.9dmm，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度1300Lmm，丝杠竖直安装时，取11/3K，查表得22K，则有4455212221127.910210448831.213300cdFKKNNLmmdmmm6.129.27d2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cF的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度2300Lmm，其弹性模量52.110EMPa，密度，重力加速度329.810/gmms滚珠丝杠的最小惯性矩为44423.1427.929728.056464Idmm滚珠丝杠的最小截面积为取10.8K，查表得3.927，则有2122602cEInKLA25325603.9272.11029728.059.8100.823.143007.810611.054692249/minr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20200aCN，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rfFCLwa66310125.61410ahhnLL6141167.1666010125.614606h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。5317.810/Nmmg22223.1427.9611.0544Admm3.8计算器械传动的刚度已知滚珠丝杠的弹性模量52.110EMPa，滚珠丝杠的底径227.9dmm。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离300YaLmm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度minsK22532min3.1427.92.11010427.73/44300sYdEKNmL当100JaLmm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度maxsK22532max3.1427.92.110101283.21/44100sJdEKNmL已知滚动体直径dq=6.75mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角60。轴承最大轴向工作载荷NFFa1694maxbmax。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度bK为：223max22.34sinbQaKdZFm/49.65475.022575.634.223N查表得滚珠与滚道的接触刚度683/KNm，滚珠丝杠的额定动载aC20200N。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷NFFa1694maxbmax则mNCFKKaa/6421.031maxc进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为maxmax11111110.0036891283.21654.49723.51sbcKKKK故max723.51/KNm。4.0传动精度计算；有机械传动装置引起的定位误差为：mmmKKFss35.021.1283173.427122511kmaxmin0k对于3级滚珠丝杠。其任意300mm导程公差为正负m12，机床定位精度为40m,重复定位精度为16m，则有m85140k，可以满足由于传动刚度变化所引起的误差小于（1/3~1/5)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K2λf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Ф27.9mm,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，h.PCnL56.271727441650033133360610601036h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。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±0.01mm～±0.005mm，根据设计结构的要求，刃磨装置对定位精度要求不高，故可选脉冲当量错误!未找到引用源。=0.01mm/step。初选步进电机的步距角为错误!未找到引用源。=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，脉冲当量错误!未找到引用源。可以满足所需精度。4．3．2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。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：步距角错误!未找到引用源。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：错误!未找到引用源。=错误!未找到引用源。(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