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1、数控车床纵向进给系统设计目 录第1章 概述11.1 设计目的11.2 进给系统概述1第2章 运动设计22.1 传动方案拟定22.2 丝杠螺母副的选择与计算22.2.1 丝杠螺母副的选择22.2.2 丝杠螺母副的计算32.2.3 滚珠丝杠螺母副的验算4第3章 动力计算83.1 电动机的验算83.2 齿轮的计算103.3 轴的设计13总结19参考文献20第1章 概述1.1. 设计目的机床课程设计是在金属切削机床之后进行的实践性环节，其目的在于通过机床进给运动机械变速传动系统的结构设计，使学生在拟定传动和变速的结构方案过程中，得到结构构思、方案分析、结构工艺性、机械制图、零件设计、编写技术文件和查阅
2、技术资料的等方面的综合训练，树立正确的设计思想，掌握基本的设计方法，并培养学生具有初步的结构分析、结构设计与计算能力。1.2. 进给系统概述进给系统的特点是速度低、消耗功率少、受力小，而速度越低越易出现爬行现象，而一般的捣鬼 由于受摩擦力下降特性的影响，很难满足高精度的要求，特别是对于数控而言更不能适应精度要求。而滚珠丝杠副基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，切摩擦阻力的大小几乎与运动速度完全无关，这样就有效的保证了运动的平稳性，克服了爬行现象的产生。而且滚珠丝杠摩擦损失小，传动效率高，运动灵敏、低速时无爬行现象、轴向刚度高、寿命长、维护简单且具有传动可逆性并反向精度高等优点故而选用滚珠丝杠螺母副传
3、动。第2章 运动设计2.1. 传动方案拟定2.1.1. 总体传动框图如下图：电机消隙齿轮箱滚珠丝杠螺母副工作台 2.1.2. 具体的分析过程：因设计要求系统为开环系统从而使系统简化，若直接将电机与滚珠丝杠联必会引起丝杠温度过高即磨损加剧使其寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一是使丝杠速度降低，而则是消除系统传动中的间隙，提高传动精度，并有效减少反向运动死区现象，消息齿轮箱与丝杠可采用联轴器形式连接，这样便确定了如上图所示的传动方案。2.2. 丝杠螺母副的选择与计算2.2.1. 丝杠螺母副的选择1. 内循环与外循环的选用说明外循环滚珠丝杠是利用挡珠器一端修磨的圆环引导滚珠离开旋滚道进入回珠
4、槽，以及引导滚珠由回珠槽，返回螺旋滚道，因管道突出与螺母外面，径向尺寸较大。内循环滚珠丝杠是借助反向器迫使滚珠丝杠翻越丝杠的齿顶进入相邻滚道，内循环是因回路短、工作滚珠数少，流畅性好，摩擦损失少，传动效率高，径向尺寸紧凑，轴向刚度好，承载能力强等优点，故而采用内循环滚珠丝杠。（制造有些困难）2. 滚珠丝杠的轴向间隙调整和预紧方法滚珠丝杠的轴向间隙的调整和预紧方法的原理预普通丝杠螺母相同，但滚珠丝杠螺母机构间隙调整精度要求高，要求能作微调以获准确的间隙或预紧量。常用的方法有三种：垫片调隙式，螺纹调隙式，齿差调隙式，垫片调隙式常需垫片反复修磨，工作中不能随时调整，螺纹调隙式调整量难以精确控制。齿差
5、调隙式精度可靠，多用于调整准确性要求较高的场合，故而采用齿差调隙式调隙机构。3. 滚珠丝杠的安装实践表明：螺母座，丝杠的轴承及其支架等不足会严重的影响滚珠丝杠副的传动刚度。为了提高轴向刚度，一般常用止推轴承。滚珠丝杠的支撑方式有一下四种：a.一端装止推轴承型；这种支撑方式仅适用于丝杠行程较短，它的支撑能力较小，轴向刚度较低。b.一端装止推轴承，一端装向心轴承，其目的是为了减少丝杠热变形的影响，因数控机床常常姚连续工作数小时，丝杠的热变形必须予以重视。c.两端装止推轴承，这种支撑对丝杠的热伸长较为敏感。d.两端装止推及向心轴承，此种支撑虽使滚珠丝杠有最大的刚度，但设计计算较为复杂且轴向尺寸大，且
6、结构复杂，故而采用b支撑的安装方式，即一端装止推轴承，一端装向心轴承。2.2.2. 丝杠螺母副的计算参照机床数控技术P118页的设计过程进行计算：1. 滚珠丝杠螺母副承受轴向载荷时，在滚珠与滚道型面产生接触应力，但对一点来说，若应力状态是交变接触应力，它的工作状态与滚动轴承类似，所以它的主要实效形式是疲劳点蚀损伤和变形，故其设计方法与滚动轴承相类似，故按疲劳寿命的选择计算：步进角丝杠导程脉冲当量有公式： 载荷系数轴向工作载荷使用寿命计算动载荷（）硬度影响系数上式中各参数的确定：（1）：根据数控机床系统设计P110表5-2，一般1.21.5，取 1.2（2）：根据数控机床系统设计P110表5-1
7、，滚珠丝杠的材料取，硬度可处理到HRC60左右，则1.0（3）：轴向工作载荷的计参照金属切削机床下册计算工作载荷。(4) T: 将各参数带入公式有：由上式中所计算的结果，从滚珠丝杠产品样本中找出相应的额定动载荷值，使。参照机床设计手册P498选取丝杠螺母副，有NCh4506 型：查产品目录，得2390，使，然后由值确定滚珠丝杠型号。2.2.3. 滚珠丝杠螺母副的验算1. 刚度计算：数控机床得滚珠丝杠是最精密得元件，它在轴向力的作用下产生伸长和缩短，在扭矩的作用下产生扭曲变形这将引起丝杠导程发生变化，从而影响结构精度和定位精度，因此滚珠丝杠在受力情况下的变形量：由公式 螺距变形总误差工作载荷弹性
8、模量丝杠的内径面积扭矩弹性模量滚珠丝杠截面积的惯性距上式中各参数的确定： ：将各参数代入后得：对于数控机床而言，根据机床设计手册P461页可知，丝杠精度和表面光洁度选取为J级精度则，故丝杠可用。2. 稳定性验算：根据材料力学欧拉公式： ：丝杠材料的弹性模量取 ：丝杠的工作长度 ： ：丝杠轴端系数，由轴承条件决定，由于丝杠安装方式为一端推力轴承，一端为自由的，则 将上面的参数代入公式：故可以用。3. 丝杠系统的刚度计算： ：丝杠传动的综合拉压刚度 ：轴承刚度 ：丝杠拉压刚度 ：轴的接触刚度由于丝杠的拉压刚度特别大，故可以不考虑由与传动刚度变化而引起的定位误差+初选推力球轴承8206，参数如下表：
9、轴承型号（）()（）820622004410147.9383096则： 4. 反向死区的验算：死区误差，是指的是系统启动和反向时产生的输入运动与输出运动之间的差值，在开环系统中，由于启动和反向死区误差的存在，影响刀具与工件定位精度，对于反向死区可采用消隙措施减小，消隙后，根据数控机床系统设计P141页： ：导轨摩擦系数 ：系数980 ：机械传动装置固有频率，故可用。丝杠直径的确定：死区误差：再一次说明丝杠所取的直径可用。第3章 动力计算3.1. 电动机的验算1. 伺服电动机为100BF003型脉冲步进电机，加在电机轴上的负载有两种，分别为负荷转矩与负载惯量，即就是要使电机合适，就要达到两种负载
10、的匹配。2. 转动惯量的计算（1） 齿轮的转动惯量：齿轮宽度 ：分度圆直径见齿轮设计（2） 丝杠的转动惯量 ：丝杠长度 ：丝杠直径（3） 工作台折算到丝杠上的转动惯量：丝杠螺距：工作台及刀架重量：机械传动及负载转换到马达上的转动惯量：降速比取1.25故满足要求。3. 电机负载力矩的计算：最大切削负载所需力矩：折算加速力矩：折算到电机轴上的摩擦力矩：由丝杠预紧力引起的折算到电机轴上的附加力矩：折算到电机轴上的切削负载力矩（对于数控机床而言，因为动态性能要求较高，所以驱动力矩主要使用来产生加速的，而负载力矩点的比重很小，一般为电机力矩的10%30%,所以可忽略不计）则：T：加速时间段25s：导轨摩
11、擦力 ：丝杠预加载荷 =1/3=53.3：传动链总效率 =0.8 故满足要求,可得出结论，电机可用。3.2. 齿轮的计算消隙齿轮结构简图如下：1. 选定齿轮、精度等级、材料及齿数1) 按图所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。2) 速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）3) 材料选择，由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质处理），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质处理），硬度为240HBS，两者材料硬度之差为40HBS4) 选小齿轮齿数2. 按齿面接触强度设计由设计计算公式（10-9a）进行试算，即3. 确定公式内各计算数值1) 试选载荷系数2) 计算小齿轮传递的转矩3
12、) 由表10-7选取齿宽系数 （取0.71.5）4) 由表10-6查得材料的弹性影响系数5) 由图10-21d，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限6) 由式10-13计算应力循环次数 7) 由图10-19查得接触疲劳寿命系数 8) 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，由式子10-12得4. 计算1) 试算小齿轮分度圆直径2) 计算圆周速度3) 计算齿宽b4) 计算齿高与齿高之比b/h5) 计算载荷系数根据1.780，7级精度，由图10-8查得动载荷系数直齿轮，假设由表10-3查得由表10-2查得使用系数由表10-4查得7级精度，小齿轮对支撑非对称布置时=1.12+0.18(1+0.6 =1.12+0.18(1+0.61) =1.416由b/h=10.66.,查图1013得，故载荷系数K=6) 按实际得载荷系数校正所计算得的分度圆直径，由式1010a得7) 计算模数m M=/5. 按齿根弯曲强度设计： 由式105得弯曲强度得设计公式为 m1) 确定公式内各计算数值a) 由图1020c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 b) 由图1018查得弯曲疲劳寿命系数c) 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4, 由1012得d) 计算载荷系数KK
