毕业设计（论文）卧式加工中心传动机构的设计.doc

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1、论文题目：卧式加工中心传动机构的设计论文要求：通过给定的设计参数，设计卧式加工中心三个传动轴的传动机构，包括滚珠丝杠参数的确定，驱动伺服马达及所用轴承型号的选取等。论文内容：设计一种卧式加工中心的传动机构。给定技术参数如下：HC630型卧式加工中心设计基本参数 行程X轴行程mm1050Y轴行程mm950Z轴行程mm950各轴移动重量X轴移动重量kg4000Y轴移动重量kg0Z轴移动重量kg6000移动速度快速移动速度mm/min20,000达到快速移动速度所需时间0.1SX轴一、设计条件X轴承重:W1=4000kgf最大行程:Smax=1050mm快送速度:Vmax=20000mm/min定位

2、精度:0.005/1000mm重复定位精度: 0.003mm失位:0.02mm要求寿命:Lt=20000hr(16时250日10年0.5转动率)滑动面摩擦系数:=0.07加工内容:镗、铣、钻加工驱动马达:AC马达(Nmax=3000rpm)Y轴一.设计条件Y轴承重:W1=0kgf最大行程:Smax=950mm快送速度:Vmax=15000mm/min定位精度:0.005/1000mm重复定位精度: 0.003mm失位:0.02mm要求寿命:Lt=20000hr(16时250日10年0.5转动率)滑动面摩擦系数:=0.07加工内容:镗、铣、钻加工驱动马达:AC马达(Nmax=3000rpm)Z轴

3、一.设计条件Z轴承重:W1=6000kgf最大行程:Smax=950mm快送速度:Vmax=20000mm/min定位精度:0.005/1000mm重复定位精度: 0.003mm失位:0.02mm要求寿命:Lt=20000hr(16时250日10年0.5转动率)滑动面摩擦系数:=0.07加工内容:镗、铣、钻加工驱动马达:AC马达(Nmax=3000rpm)论文参考资料丝杠、马达、轴承的选取丝杠、马达、轴承选取结果:轴丝杠马达轴承X轴50*1040/3000i40TAC72B DFF40TAC72B DFY轴50*1222/3000i7215CZ轴50*1040/3000i40TAC72B DF

4、F40TAC72B DFX轴一、设计条件X轴承重:W1=4000kgf最大行程:Smax=1050mm快送速度:Vmax=20000mm/min定位精度:0.005/1000mm重复定位精度: 0.003mm失位:0.02mm要求寿命:Lt=20000hr(16时250日10年0.5转动率)滑动面摩擦系数:=0.07加工内容:镗、铣、钻加工驱动马达:AC马达(Nmax=3000rpm)二、运转条件运转区别轴方向负荷(kgf)快送速度(mm/min)使用时间比例(%)切削阻力滑动阻力快送02802000030轻中切削500280500050重切削1000280100020滑动阻力Fr=4000

5、0.07=280kgf(贴聚四氟乙烯静摩擦系数为0.10,动摩擦系数为0.07)三、决定事项1. 丝杠轴径,导程,螺帽的选定(1) 导程的选定由AC马达的最高回转数LVmax/Nmax=20000/3000=6.7(mm)加大导程在进给速度方面有利,但因控制方面所需之分解能的缘故,在此仅以10及12mm加以讨论。(2) 基本动额定负荷的讨论由负荷条件求取在各导程所需负荷容量运转条件轴方向负荷(kgf)回转数(rpm)使用时间比例(%)L=10mmL=12mm快送F1=280N1=2000N1=166730轻中切削F2=780N2=500N2=41750重切削F3=1280N3=100N3=83

6、.320L=10mm时平均负荷Fm =(F13n1t1+ F23n2t2+ Fn3nntn)/( n1t1+ n2t2+ nntn)1/3=(280320000.3+78035000.5+128031000.2)/( 20000.3+5000.5+1000.2) 1/3=584.5kgf平均回转数Nm= (n1t1+ n2t2+ nntn)/(t1+t2+t3)= 20000.3+5000.5+1000.2)/(0.3+0.5+0.2)=870rpmL=12mm时平均负荷Fm =(F13n1t1+ F23n2t2+ Fn3nntn)/( n1t1+ n2t2+ nntn)1/3=(280316

7、670.3+78034170.5+1280383.30.2)/( 16670.3+4170.5+83.30.2) 1/3=584.5kgf平均回转数Nm= (n1t1+ n2t2+ nntn)/(t1+t2+t3)= 16670.3+4170.5+83.30.2)/(0.3+0.5+0.2)=725.3rpm必要负荷容量Ca(60NmLt)1/3Fmfw10-2这里Lt=20000h, fw=1.2故l=10mm,Ca7115.6kgfl=12mm,Ca6670kgf(3) 螺帽的选定初步确定选取1.外循环系列2.DFT形式3.回路数2.5圈3列（50*10） 或者1.外循环系列2.DFT形式

8、3.回路数2.5圈2列（40*12）(4) 允许回转数的检验危险速度由drnL2/f10-7(mm)在此L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量=1050+232/2+110=1276mmf=21.9故l=10mm,dr14.8mm l=12mm,dr12.4mmdmn值,由高速dmn100000dm100000/n由此l=10mm dm50mml=12mm dm60mm(5) 滚珠丝杠系统刚性检验讨论针对所要求的失位量,在此设定滚珠丝杠系统的构成元件(丝杠轴,螺帽及支撑轴承)的失位量为20(m) 0.8=16(m)来加以讨论. 此时滚珠螺杆系统构成元件的弹性变位量(一方向负荷)为L 8(m)

9、丝杠的刚性:Ks(弹性变形量: L)以会产生最大轴方向变形的丝杠轴中央位置加以算出由Ks=dr2E/Ls10-3(kgf/m)(固定-固定)Ls=Fa/Ks= FaLs/(dr2E) 103(m)在此Fa:滑动阻力(Fa=280kgf),计算结果如表5.1螺帽的刚性:KN(弹性变形量: LN)以最大轴方向负荷的1/3设定为预压负荷.Fa0=Fmax/3=1280/3=427 (kgf)此时的刚性由KN=0.8K(Fa0/Ca)1/3=0.8K(427/0.05Ca)1/3(kgf/m)LN= Fa/KN在此Ca,K:尺寸表记载值Fa:滑动阻力(Fa=280kgf)计算结果如表5.1 支撑轴承的

10、刚性(弹性变形量: LB) 支撑轴承选用滚珠丝杠支撑专用精密斜角止推滚珠轴承(TAC系列) 轴径:40 轴承编号:40TAC72B DFF 1组 轴径:40 轴承编号:40TAC72B DF 1组 轴径:35 轴承编号:35TAC72B DFF 1组 轴径:35 轴承编号:35TAC72B DF 1组 各轴承的刚性值KB(轴方向弹性系数),参照NSK精机制品样本A258页. LB=Fa/2KB 计算结果如下表5.1 螺帽号码 丝缸轴螺帽支撑轴承合计LmKSLsKNLNKBLBDFT5010-7.5101.872.75201.71.391250.844.98DFT4012-560.094.661

11、282.191200.8757.64（6）丝杠长Ls=最大行程+螺帽长+预留量（50*10）=1050+253+110=1413Ls=最大行程+螺帽长+预留量（40*12）=1050+225+110=1385（7）选定滚珠丝杠的确认计算寿命预测Lt=(Ca/(fwFm)3106(1/(60Nm) （50*10） =(8340/(1.2584.5) 3106(1/(60870) =3220520000(h)Lt=(Ca/(fwFm)3106(1/(60Nm) （40*12） =(6220/(1.2584.5) 3106(1/(60725.3) =1602520000(h)允许回转数(a) 危险速

12、度n=fdr/L2107=21.944.4/14132107=48702000(rpm) （50*10）n=fdr/L2107=21.934.1/13852107=38931667(rpm) （40*12）(b) dmn值dmn=512000=102000100000dmn=41.51667=69180.51000002. 精度的选定查NSK样本A9页之导程精度的容许值知:精度等级C3,E=0.029/1600(mm) e=0.018(mm)3. 热变位对策根据轴承的负荷能力施加1.5的预拉力.而据此累计导程的目标值也补正1.5.(1) 热变位量:L=L =1210-61.51413=0.02

13、54(mm) （50*10）L=L =1210-61.51385=0.0249(mm) （40*12）(2) 预拉力F=LKs （50*10）=LEdr2/4L=(0.02542.110444.42)/41413=584(kgf) 累计导程的目标值: -0.0254/1413mm预拉力: 584kgf拉伸量:0.0254(mm) F=LKs （40*12）=LEdr2/4L=(0.02492.110434.12)/41385=345(kgf) 累计导程的目标值: -0.0249/1385mm预拉力: 345kgf拉伸量:0.0249(mm)4. 支撑轴承的选定假定支撑轴承的基本动额定负荷CB与

14、预拉力F之比为,则以=F/CB0.2为标准来选定轴承（50*10）轴承编号CB(kgf)40TAC72B DF32500.1840TAC72B DFF52500.11 （40*12）轴承编号CB(kgf)35TAC72B DF31500.1135TAC72B DFF51500.075. 驱动马达的选定(要求规格)工作台速度: 2000rpm到达最高速所需时间: 0.1秒以下 (快送时)(1) 惯性扭矩:JL(马达轴换算)螺杆轴 GDS2=(LD4)/8 （50*10）=(7.810-3141.354)/8=270.4(kgfcm2)GDS2=(LD4)/8 （40*12）=(7.810-313

15、8.544)/8=108.5(kgfcms2)可动部GDW2=W(l/)2 （50*10） =4000(1/)2 =405.7(kgfcm2)GDW2=W(l/2)2 （40*12） =4000(1.2/)2 =584.2(kgfcm2)联轴器GDJ2=20.8(kgfcm2) (推定)合计GD2= GDS2_+ GDW2+ GDJ2=696.9(kgfcm2) （50*10） GD2= GDS2_+ GDW2+ GDJ2=713.5(kgfcms2) （40*12）(2) 驱动扭矩当选用50*10 丝杠时: Fa0=(F+w)/3=(600+0.07*4000)/3=293.3kgf K=0

16、.3(含预留量)预压扭矩Tp=k(Fa0l/2)=0.3*(293.3*1/2)=14 kgfcm1=0.9轴承起动扭矩TB=8.5(kgfcm)快送时摩擦扭矩TL1=Fa1*l/2=280*1/2*0.9 =49.5(kgfcm)重切削时摩擦扭矩TL2= Fa2*l/2=1280*1/2*0.9 =226.4(kgfcm)最大的驱动扭矩为预压扭矩+重切削时摩擦扭矩+轴承起动扭矩TL=TP+TL2+TB=14+8.5+226.4=248.9kgf*cm=24.4Nm当选用40*12 丝杠时: Fa0=(F+w)/3=(600+0.07*4000)/3=293.3kgf K=0.3(含预留量)预

17、压扭矩Tp=k(Fa0l/2)=0.3*(293.3*1.2/2)=16.8 kgfcm1=0.9轴承的起动扭矩:TB=8.5(kgfcm)快送时摩擦扭矩TL1=Fa1*l/2=280*1.2/2*0.9 =59.5(kgfcm)重切削时摩擦扭矩TL2= Fa2*l/2=1280*1.2/2*0.9 =271.8(kgfcm)最大的驱动扭矩为预压扭矩+重切削时摩擦扭矩+轴承起动扭矩TL=TP+TL2+TB=16.8+8.5+271.8=297.1kgf*cm=29.1Nm(3) 马达的选定(选定条件)最高回转数 NM2000(rpm)马达的额定扭矩 TMTL(kgfcm)马达转子惯量 4JL

18、JMJL(kgfcm2)由上述可选择如下的AC马达马达规格:额定出力:6KW最高回转数:NMAX=3000 rpm额定扭矩:TM=38Nm马达转子惯量JM=880kgfcm2(4) 到达最高回转数所需时间讨论ta=J/(TM-TL) (2N) f/60在此 J:全惯性扭矩J=GD2/4g TM=2TMTL=快送时的驱动扭矩f 安全率(f=1.4)ta=0.152/(775.5-49.5) 22000/601.4 （50*10） =0.06(sec)0.1 sec ta=0.145/(775.5-59.5) 21667/601.4 （40*12）=0.05(sec) 0.1 secY轴一.设计条

19、件Y轴承重:W1=0kgf最大行程:Smax=950mm快送速度:Vmax=15000mm/min定位精度:0.005/1000mm重复定位精度: 0.003mm失位:0.02mm要求寿命:Lt=20000hr(16时250日10年0.5转动率)滑动面摩擦系数:=0.07加工内容:镗、铣、钻加工驱动马达:AC马达(Nmax=3000rpm)二.运转条件运转区别轴方向负荷(kgf)快送速度(mm/min)使用时间比例(%)切削阻力滑动阻力快送001500030轻中切削3000500050重切削6000100020三.决定事项1.丝杠轴径,导程,螺帽的选定(1)导程的选定采用齿轮减速，减速比为2：

20、1由AC马达的最高回转数4000rpm，则导程LVmax/Nmax=15000/（4000/2）=7.5 (mm)在此以12mm加以讨论。(2)基本动额定负荷的讨论由负荷条件求取在各导程所需负荷容量运转条件轴方向负荷(kgf)回转数(rpm)L=12mm使用时间比例(%)快送F1=0N1=125030轻中切削F2=300N2=41750重切削F3=600N3=83.320平均负荷Fm =(F13n1t1+ F23n2t2+ Fn3nntn)/( n1t1+ n2t2+ nntn)1/3=(30034170.5+600383.30.2)/ (12500.3+4170.5+83.30.2) 1/3

21、=248.7kgf平均回转数Nm= (n1t1+ n2t2+ nntn)/(t1+t2+t3)= (12500.3+4170.5+83.30.2)/(0.3+0.5+0.2)=600.1rpm必要负荷容量Ca(60NmLt)1/3Fmfw10-2这里Lt=20000rpm,fw=1.2故Ca2675kgf(3)螺帽的选定因为Y轴用螺母旋转式,初步确定选取1.内循环系列2.DFD形式3.回路数1圈4列（50*12） (4)允许回转数的检验危险速度由drnL2/f10-7(mm)在此L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量=950+163/2+50=1081.5mmf=3.4故dr43mmdmn值

22、,由高速dmn70000dm70000/n由此 dm56mm (5)丝杠长Ls=最大行程+螺帽长+预留量=950+195+50=1195(6)选定滚珠丝杠的确认计算寿命预测Lt=Ca/(fwFm)31061/(60Nm) =5850/(1.2248.7) 31061/(60600.1) =20918020000(h)允许回转数(a) 危险速度n=fdr/L2107=3.444/1081.52107=1270.51250(rpm) (b) dmn值dmn=51.751250=64687.5JMJL(kgfcm2)由上述可选择如下的AC马达马达规格:额定出力:4KW最高回转数:NMAX=3000

23、rpm额定扭矩:TM=22Nm马达转子惯量JM=480kgfcm2(4) 到达最高回转数所需时间讨论ta=J/(TM-TL) (2N) f/60在此 J:全惯性扭矩J=GD2/4g TM=2TMTL=快送时的驱动扭矩f 安全率(f=1.4)ta=0.064/(449-0) 21250/601.4 =0.03(sec)0.1 secZ轴一.设计条件Z轴承重:W1=6000kgf最大行程:Smax=950mm快送速度:Vmax=20000mm/min定位精度:0.005/1000mm重复定位精度: 0.003mm失位:0.02mm要求寿命:Lt=20000hr(16时250日10年0.5转动率)滑

24、动面摩擦系数:=0.07加工内容:镗、铣、钻加工驱动马达:AC马达(Nmax=3000rpm)二.运转条件运转区别轴方向负荷(kgf)快送速度(mm/min)使用时间比例(%)切削阻力滑动阻力快送04202000030轻中切削500420500050重切削1000420100020滑动阻力Fr=6000 0.07=420kgf(贴聚四氟乙烯静摩擦系数为0.10,动摩擦系数为0.07)三.决定事项1 杠轴径,导程,螺帽的选定（1）导程的选定由AC马达的最高回转数LVmax/Nmax=20000/3000=6.7(mm)加大导程在进给速度方面有利,但因控制方面所需之分解能的缘故,在此仅以10及12

25、mm加以讨论。（2）基本动额定负荷的讨论由负荷条件求取在各导程所需负荷容量运转条件轴方向负荷(kgf)回转数(rpm)使用时间比例(%)L=10mmL=12mm快送F1=420N1=2000N1=166730轻中切削F2=920N2=500N2=41750重切削F3=1420N3=100N3=83.320L=10mm时平均负荷Fm =(F13n1t1+ F23n2t2+ Fn3nntn)/( n1t1+ n2t2+ nntn)1/3=(420320000.3+92035000.5+142031000.2)/( 20000.3+5000.5+1000.2) 1/3=698.4kgf平均回转数Nm

26、= (n1t1+ n2t2+ nntn)/(t1+t2+t3)= 20000.3+5000.5+1000.2)/(0.3+0.5+0.2)=870rpmL=12mm时平均负荷Fm =(F13n1t1+ F23n2t2+ Fn3nntn)/( n1t1+ n2t2+ nntn)1/3=(420316670.3+92034170.5+1420383.30.2)/( 16670.3+4170.5+83.30.2) 1/3=698.4kgf平均回转数Nm= (n1t1+ n2t2+ nntn)/(t1+t2+t3)= 16670.3+4170.5+83.30.2)/(0.3+0.5+0.2)=725.

27、3rpm必要负荷容量Ca(60NmLt)1/3Fmfw10-2这里Lt=20000h, fw=1.2故l=10mm,Ca8392.4kgfl=12mm,Ca8001.8kgf（3）螺帽的选定初步确定选取1.外循环系列2.DFT形式3.回路数2.5圈3列（50*10） 或者1.外循环系列2.DFT形式3.回路数2.5圈2列（50*12）（4）允许回转数的检验危险速度由drnL2/f10-7(mm)在此L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量=950+253/2+110=1186.5mmf=21.9故l=10mm,dr12.9mm l=12mm,dr10.7mmdmn值,由高速dmn100000d

28、m100000/n由此l=10mm dm50mml=12mm dm60mm（5）滚珠丝杠系统刚性检验讨论针对所要求的失位量,在此设定滚珠丝杠系统的构成元件(丝杠轴,螺帽及支撑轴承)的失位量为20(m) 0.8=16(m)来加以讨论. 此时滚珠螺杆系统构成元件的弹性变位量(一方向负荷)为L 8(m)丝杠的刚性:Ks(弹性变形量: L)以会产生最大轴方向变形的丝杠轴中央位置加以算出由Ks=dr2E/Ls10-3(kgf/m)(固定-固定)Ls=Fa/Ks= FaLs/(dr2E) 103(m)在此Fa:滑动阻力(Fa=420kgf),计算结果如表5.1螺帽的刚性:KN(弹性变形量: LN)以最大轴

29、方向负荷的1/3设定为预压负荷.Fa0=Fmax/3=1420/3=473.3 (kgf)此时的刚性由KN=0.8K(Fa0/Ca)1/3=0.8K(473.3/0.05Ca)1/3(kgf/m)LN= Fa/KN在此Ca,K:尺寸表记载值Fa:滑动阻力(Fa=420kgf)计算结果如表5.1 支撑轴承的刚性(弹性变形量: LB) 支撑轴承选用滚珠丝杠支撑专用精密斜角止推滚珠轴承(TAC系列) 轴径:40 轴承编号:40TAC72B DFF 1组 轴径:40 轴承编号:40TAC72B DF 1组 各轴承的刚性值KB(轴方向弹性系数),参照NSK精机制品样本A258页. LB=Fa/2KB 计

30、算结果如下表5.1螺帽号码 丝缸轴螺帽支撑轴承合计LmKSLsKNLNKBLBDFT5010-7.5109.63.83209.521250.846.67DFT5012-5103.74.05147.72.841250.847.73(6)丝杠长Ls=最大行程+螺帽长+预留量（50*10）=950+253+110=1313Ls=最大行程+螺帽长+预留量（50*12）=950+231+110=1291(7)选定滚珠丝杠的确认计算寿命预测Lt=(Ca/(fwFm)3106(1/(60Nm) （50*10） =(8340/(1.2698.4) 3106(1/(60870) =18878.620000(h)

31、Lt=(Ca/(fwFm)3106(1/(60Nm) （50*12） =(7920/(1.2698.4) 3106(1/(60725.3) =1939320000(h)允许回转数(c) 危险速度n=fdr/L2107=21.944.4/1186.52107=69072000(rpm) （50*10）n=fdr/L2107=21.943.2/1186.52107=67201667(rpm) （50*12）(d) dmn值dmn=512000=102000100000dmn=51.51667=85850.51000002.精度的选定查NSK样本A9页之导程精度的容许值知:精度等级C3,E=0.02

32、9/1600(mm) e=0.018(mm)3.热变位对策根据轴承的负荷能力施加1.5的预拉力.而据此累计导程的目标值也补正1.5.(1)热变位量:L=L =1210-61.51313=0.024(mm) （50*10）L=L =1210-61.51291=0.023(mm) （50*12）(2)预拉力F=LKs （50*10）=LEdr2/4L=(0.0242.110444.42)/41313=594(kgf) 累计导程的目标值: -0.024/1313mm预拉力: 594kgf拉伸量:0.024(mm) F=LKs （50*12）=LEdr2/4L=(0.0232.110443.22)/4

33、1291=476.6(kgf) 累计导程的目标值: -0.023/1291mm预拉力: 476.6kgf拉伸量:0.023(mm)4.支撑轴承的选定假定支撑轴承的基本动额定负荷CB与预拉力F之比为,则以=F/CB0.2为标准来选定轴承（50*10）轴承编号CB(kgf)40TAC72B DF32500.1840TAC72B DFF52500.11 （50*12）轴承编号CB(kgf)40TAC72B DF32500.1540TAC72B DFF52500.095.驱动马达的选定(要求规格)工作台速度: 2000rpm到达最高速所需时间: 0.1秒以下 (快送时)(1)惯性扭矩:JL(马达轴换算

34、)螺杆轴 GDS2=(LD4)/8 （50*10）=(7.810-3131.354)/8=251.2(kgfcm2)GDS2=(LD4)/8 （50*12）=(7.810-3129.154)/8=247(kgfcms2)可动部GDW2=W(l/)2 （50*10） =6000(1/)2 =608.5(kgfcm2)GDW2=W(l/2)2 （50*12） =6000(1.2/)2 =876.3(kgfcm2)联轴器GDJ2=20.8(kgfcm2) (推定)合计GD2= GDS2_+ GDW2+ GDJ2=880.5(kgfcm2) （50*10） GD2= GDS2_+ GDW2+ GDJ2

35、=1144.1(kgfcms2) （50*12）(2)驱动扭矩当选用50*10 丝杠时: Fa0=(F+w)/3=(1000+0.07*6000)/3=473.30kgf K=0.3(含预留量)预压扭矩Tp=k(Fa0l/2)=0.3*(473.3*1/2)=22.6 kgfcm1=0.9轴承起动扭矩TB=8.5(kgfcm)快送时摩擦扭矩TL1=Fa1*l/2=420*1/2*0.9 =74.3(kgfcm)重切削时摩擦扭矩TL2= Fa2*l/2=1420*1/2*0.9 =251.2(kgfcm)最大的驱动扭矩为预压扭矩+重切削时摩擦扭矩+轴承起动扭矩TL=TP+TL2+TB=22.6+8.5+251.2=282.3kgf*cm=27.7Nm当选用50*12 丝杠时: Fa0=(F+w)/3=(1000+0.07*6000)/3=473.3kgfK=0.3(含预留量)预压扭矩Tp=k(Fa0l/2)=0.3*(473.3*1.2/2)=27.1 kgfcm1=0.9轴承的起动扭矩:TB=8.5(kgfcm)快送时摩擦扭矩TL