中财网1米2哥哥养三千蛋鸭:机床进给机械部分设计计算
来源：百度文库 编辑：中财网 时间：2024/04/19 18:03:34
第一章 机床进给伺服系统机械部分设计计算
第一节 确定系统脉冲当量
脉冲当量是机床的最小设定单位，即一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量。根据机床的定位精度为±0.015mm的要求，确定脉冲当量为0.01mm/脉冲。
第二节 切削力计算
切削力为已知条件：最大切削力Fc =300N 查机械手册可知 , 所以 PZ=120N
第三节 工作台外形尺寸用重量计算
根据加工范围确定工作台尺寸X=270mm,Y=220mm,其如附录（2）所示。X向拖板（上拖板）尺寸（长X宽X高）：270mm X 220mm X 40mm
重量：（270 X 220 X 40X 10-3X 7.8×10-2 ）N≈185N
Y向拖板（下拖板）尺寸：270mm X 270mm X 40mm
重量：（270 X 270 X 40 X 10-3X 7.8×10-2）N≈227N
上导轨座（带电机）重量：
[（640X 220 X 10+2 X360X 35 X 40）X 10-3X7.8×10-2]N≈183N
夹具及工件的质量: G≈ 150N
X-Y工作台运动部分的总重量为:185N + 227N + 183N + 150N = 745N
第四节 滚动导轨的确定：
上导轨(X向)拖板长度: L0=270mm 拖板行程: l=250mm
支撑导轨长度： L=L0+L=520mm
下导轨（Y向）拖板长度： L0=220mm 拖板行程：l=200mm
支撑导轨长度：L=L0+l=420mm
导轨尺寸及参数的选定，查机械设计手册：滑轨长度的选定：
X向导轨长度选定： 520 mm > 210 mm
Y向导轨长度选定： 460 mm > 410 mm
许可负载验算：考虑到钻削时工作台不移动，其钻削力远远小于导轨的静负载，故导轨可用。
第五节 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力.应按铣削时的情况计算.
(1) 计算进给牵引力
直线型综合导轨，导轨摩擦系数
颠复力矩影响实验系数 K=1.15
(2) 最大动负荷Q的计算
查表得系数fw=2,寿
查表得使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距L0=5mm,得丝杠转速n(r/min)为:
所以,
式中 L—寿命，以 转为一单位；
n —丝杠转速（r/min）
Vs—为最大切削力条件下的进给速度（m/min），
L0—丝杠导程（mm）;
T—为使用寿命（h），根据设设计要求取15000h;
(3)最大静载荷
中，静态安全系数 取2
由综合大作业(第150页)可选取W1D型外循环无衬套垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副（如图），型号为W1D2005，1列2.5圈，螺旋升角 ，最大动载荷8800N，最大静载荷22600N，满足计算要求。
（4） 滚珠丝杠螺母副的几何参数计算如表
名 称
符号
计算公式和结果
螺
纹
滚
道
公 称 直 径
20
螺 距
5
接 触 角
钢 球 直 径
3.175
偏 心 距
螺 纹 升 角
丝
杆
丝 杆外 径
丝 杆 内 径
丝杆接触直径
螺
母
螺母螺纹外径
螺 母 内 径
(5) 计算传动效率
其中， —摩擦角约等于
—螺纹升角
第六节 丝杠轴承的选型
根据滚珠丝杠的最大动载荷944N, 欲选择角接触球轴承， 查机械设计手册选择40O型，型号为7002C，内径为 ，外径为 ，宽度为 ，额定动载荷为6250N。
第七节 步进电动机的选型和计算
因为系统定位精度为±0.02mm,系统的脉冲当量为0.005mm/step,初选55BF009型号三相六拍步进电机步距角 =0.9 ,滚珠丝杠螺距为 ,则降速
由于1/2因为传动的扭矩较小，取模数 ，齿轮的有关计算如
关 系 式
1
（齿数）
20
50
2
20
50
3
22
52
4
17.5
47.5
5
5
5
6
35
35
（2）．步进电机启动转矩的计算：
设计步进电机等效负载转矩为 ，负载力为 ，根据能量守衡原理，电机所做的功与负载力做的功有如下关系：
式 —电机转角；
—移动部件的相应位移；
电机 齿轮 轴承 丝杠
所以，
式中 —铣削时走刀抗力（N）;
—移动部件重量（N）；
—与重力方向一致的切削力（N）；
—导轨摩擦系数，取0.005；
—步进电机的步矩角；
--传动效率，
—电机轴负载转矩（ ）
估算起动转矩
因为采用的工作方式是三相六拍的步进电机，由综合作业指导书P38
表3-22得，λ=0.866，可求得最大静转矩Tjmax
Tjmax=Tq/0.951=36/0.866=42N•cm=0.42
（3）.步进电机的最高起动频率 及运行频率 计算
fmax=1000Vmax/（60×δp）=1000×2/（60×0.005）=6667 HZ
步进电机的运行频率frun
frun=1000VS/（60×δp）=1000×0.2/（60×0.005）=667 HZ
其中Vmax---最大快进速度，为2m/min
VS--- 最大切削进给速度，为0.2m/min
（4）.确定步进电机的型号
据表3-23得步进电机型号55BF009的最大静转矩为0.78N•M> Tjmax,因为其最高空载起动频率为3500 HZ< fmax=6667 HZ可采用软件升速来决解。
（5）校核传动系统的转动惯量 （计算简图如下）
为电机转子的转动惯量 为滚珠丝杠的转动惯量
为齿轮Z1，Z2的转动惯量
根据表3-23得电机型号55BF009的转子的转动惯量JM=7 Kg•CM2
G = 713N
考虑到电机与传动系统惯量的匹配，当 的比值太小，机床的动态特性将主要取决于负载特性，此时不同的重量和行程的个坐标的特性将有很大区别，并且很容易受切削力，摩擦力等干扰的影响,而此时 ,系统爱干扰小.
（6）校核电机的转矩
1，快速空载移动时加速转矩：（加速时间设： ）
工进移动时加速转矩：（加速时间设： ）
2，折算到电机轴上的摩擦转矩：
3，丝杠预紧附加摩擦转矩：
4，折算到电机上的切削负载转矩：
快速起动时所需起动转矩：
最大切削负载时所需转矩：
对于数控机床来说，电机转矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，即以快速起动时所需加速转矩 M为校核步进电机转矩的依据：
故所选55BF009型步进电机符合要求。
经过以上计算，本设计的X向与Y向均采用了55BF009型的步进电机，W1D2005型外循环无衬套垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，直线型标准导轨，一对减速齿轮齿数 ,模数 。其结构图见附录。
第八节 设计中应注意的问题
（1）、齿轮消隙的问题。
在实际生产中，工作台在反向运动时会出现丢步、失步现象，为了使加工精确，必须要消除齿恻间隙。本设计中齿轮模数小，尺寸也比较小，不宜做成双片齿轮，因此采用了调整两齿轮中心距的方法来消除间隙。通过修刮电机座或在底座之间加垫片的方法来改变两齿轮的中心距，从而消除间隙。
（2）、55BF009步进电机伸出直径小，只有 6，上面没有键，也不允许在电机轴上打销空，只能利用过盈配合来传递扭矩。在装配时，应该先将小齿轮放入油中加热后取出套在电机轴上，冷却后得到过盈配合。
（3）安装时同一底板上滑轨的平行度采用夹板试运行调整，先将滑轨安装，再来回移动上拖板，呆运行平稳时固定两侧夹板。X-Y方向的垂直度应保持在小于0.01mm，以保持精度。
（4）底板，滑轨，滚珠丝杠螺母副应调整运转轻便，符合技术要求后，打入销定位。
第一节 确定系统脉冲当量
脉冲当量是机床的最小设定单位，即一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量。根据机床的定位精度为±0.015mm的要求，确定脉冲当量为0.01mm/脉冲。
第二节 切削力计算
切削力为已知条件：最大切削力Fc =300N 查机械手册可知 , 所以 PZ=120N
第三节 工作台外形尺寸用重量计算
根据加工范围确定工作台尺寸X=270mm,Y=220mm,其如附录（2）所示。X向拖板（上拖板）尺寸（长X宽X高）：270mm X 220mm X 40mm
重量：（270 X 220 X 40X 10-3X 7.8×10-2 ）N≈185N
Y向拖板（下拖板）尺寸：270mm X 270mm X 40mm
重量：（270 X 270 X 40 X 10-3X 7.8×10-2）N≈227N
上导轨座（带电机）重量：
[（640X 220 X 10+2 X360X 35 X 40）X 10-3X7.8×10-2]N≈183N
夹具及工件的质量: G≈ 150N
X-Y工作台运动部分的总重量为:185N + 227N + 183N + 150N = 745N
第四节 滚动导轨的确定：
上导轨(X向)拖板长度: L0=270mm 拖板行程: l=250mm
支撑导轨长度： L=L0+L=520mm
下导轨（Y向）拖板长度： L0=220mm 拖板行程：l=200mm
支撑导轨长度：L=L0+l=420mm
导轨尺寸及参数的选定，查机械设计手册：滑轨长度的选定：
X向导轨长度选定： 520 mm > 210 mm
Y向导轨长度选定： 460 mm > 410 mm
许可负载验算：考虑到钻削时工作台不移动，其钻削力远远小于导轨的静负载，故导轨可用。
第五节 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力.应按铣削时的情况计算.
(1) 计算进给牵引力
直线型综合导轨，导轨摩擦系数
颠复力矩影响实验系数 K=1.15
(2) 最大动负荷Q的计算
查表得系数fw=2,寿
查表得使用寿命时间T=15000h,初选丝杠螺距L0=5mm,得丝杠转速n(r/min)为:
所以,
式中 L—寿命，以 转为一单位；
n —丝杠转速（r/min）
Vs—为最大切削力条件下的进给速度（m/min），
L0—丝杠导程（mm）;
T—为使用寿命（h），根据设设计要求取15000h;
(3)最大静载荷
中，静态安全系数 取2
由综合大作业(第150页)可选取W1D型外循环无衬套垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副（如图），型号为W1D2005，1列2.5圈，螺旋升角 ，最大动载荷8800N，最大静载荷22600N，满足计算要求。
（4） 滚珠丝杠螺母副的几何参数计算如表
名 称
符号
计算公式和结果
螺
纹
滚
道
公 称 直 径
20
螺 距
5
接 触 角
钢 球 直 径
3.175
偏 心 距
螺 纹 升 角
丝
杆
丝 杆外 径
丝 杆 内 径
丝杆接触直径
螺
母
螺母螺纹外径
螺 母 内 径
(5) 计算传动效率
其中， —摩擦角约等于
—螺纹升角
第六节 丝杠轴承的选型
根据滚珠丝杠的最大动载荷944N, 欲选择角接触球轴承， 查机械设计手册选择40O型，型号为7002C，内径为 ，外径为 ，宽度为 ，额定动载荷为6250N。
第七节 步进电动机的选型和计算
因为系统定位精度为±0.02mm,系统的脉冲当量为0.005mm/step,初选55BF009型号三相六拍步进电机步距角 =0.9 ,滚珠丝杠螺距为 ,则降速
由于1/2因为传动的扭矩较小，取模数 ，齿轮的有关计算如
关 系 式
1
（齿数）
20
50
2
20
50
3
22
52
4
17.5
47.5
5
5
5
6
35
35
（2）．步进电机启动转矩的计算：
设计步进电机等效负载转矩为 ，负载力为 ，根据能量守衡原理，电机所做的功与负载力做的功有如下关系：
式 —电机转角；
—移动部件的相应位移；
电机 齿轮 轴承 丝杠
所以，
式中 —铣削时走刀抗力（N）;
—移动部件重量（N）；
—与重力方向一致的切削力（N）；
—导轨摩擦系数，取0.005；
—步进电机的步矩角；
--传动效率，
—电机轴负载转矩（ ）
估算起动转矩
因为采用的工作方式是三相六拍的步进电机，由综合作业指导书P38
表3-22得，λ=0.866，可求得最大静转矩Tjmax
Tjmax=Tq/0.951=36/0.866=42N•cm=0.42
（3）.步进电机的最高起动频率 及运行频率 计算
fmax=1000Vmax/（60×δp）=1000×2/（60×0.005）=6667 HZ
步进电机的运行频率frun
frun=1000VS/（60×δp）=1000×0.2/（60×0.005）=667 HZ
其中Vmax---最大快进速度，为2m/min
VS--- 最大切削进给速度，为0.2m/min
（4）.确定步进电机的型号
据表3-23得步进电机型号55BF009的最大静转矩为0.78N•M> Tjmax,因为其最高空载起动频率为3500 HZ< fmax=6667 HZ可采用软件升速来决解。
（5）校核传动系统的转动惯量 （计算简图如下）
为电机转子的转动惯量 为滚珠丝杠的转动惯量
为齿轮Z1，Z2的转动惯量
根据表3-23得电机型号55BF009的转子的转动惯量JM=7 Kg•CM2
G = 713N
考虑到电机与传动系统惯量的匹配，当 的比值太小，机床的动态特性将主要取决于负载特性，此时不同的重量和行程的个坐标的特性将有很大区别，并且很容易受切削力，摩擦力等干扰的影响,而此时 ,系统爱干扰小.
（6）校核电机的转矩
1，快速空载移动时加速转矩：（加速时间设： ）
工进移动时加速转矩：（加速时间设： ）
2，折算到电机轴上的摩擦转矩：
3，丝杠预紧附加摩擦转矩：
4，折算到电机上的切削负载转矩：
快速起动时所需起动转矩：
最大切削负载时所需转矩：
对于数控机床来说，电机转矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，即以快速起动时所需加速转矩 M为校核步进电机转矩的依据：
故所选55BF009型步进电机符合要求。
经过以上计算，本设计的X向与Y向均采用了55BF009型的步进电机，W1D2005型外循环无衬套垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，直线型标准导轨，一对减速齿轮齿数 ,模数 。其结构图见附录。
第八节 设计中应注意的问题
（1）、齿轮消隙的问题。
在实际生产中，工作台在反向运动时会出现丢步、失步现象，为了使加工精确，必须要消除齿恻间隙。本设计中齿轮模数小，尺寸也比较小，不宜做成双片齿轮，因此采用了调整两齿轮中心距的方法来消除间隙。通过修刮电机座或在底座之间加垫片的方法来改变两齿轮的中心距，从而消除间隙。
（2）、55BF009步进电机伸出直径小，只有 6，上面没有键，也不允许在电机轴上打销空，只能利用过盈配合来传递扭矩。在装配时，应该先将小齿轮放入油中加热后取出套在电机轴上，冷却后得到过盈配合。
（3）安装时同一底板上滑轨的平行度采用夹板试运行调整，先将滑轨安装，再来回移动上拖板，呆运行平稳时固定两侧夹板。X-Y方向的垂直度应保持在小于0.01mm，以保持精度。
（4）底板，滑轨，滚珠丝杠螺母副应调整运转轻便，符合技术要求后，打入销定位。
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