毕业设计论文卧式加工中心传动机构的设计

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
X轴
一、设计条件
X轴承重:W1=4000kgf
最大行程:S max=1050mm
快送速度:V max=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:L t=20000h r
(16时×250日×10年×0.5转动率)
滑动面摩擦系数:μ=0.07
加工内容:镗、铣、钻加工
驱动马达:AC马达(N max=3000rpm) Y轴
一.设计条件
Y轴承重:W1=0kgf
最大行程:S max=950mm
快送速度:V max=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:L t=20000h r
(16时×250日×10年×0.5转动率)
滑动面摩擦系数:μ=0.07
加工内容:镗、铣、钻加工
驱动马达:AC马达(N max=3000rpm)
Z轴
一.设计条件
Z轴承重:W1=6000kgf
最大行程:S max=950mm
快送速度:V max=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:L t=20000h r
(16时×250日×10年×0.5转动率)
滑动面摩擦系数:μ=0.07
加工内容:镗、铣、钻加工
驱动马达:AC马达(N max=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:
X轴
一、设计条件
X轴承重:W1=4000kgf
最大行程:S max=1050mm
快送速度:V max=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:L t=20000h r
(16时×250日×10年×0.5转动率)
滑动面摩擦系数:μ=0.07
加工内容:镗、铣、钻加工
驱动马达:AC马达(N max=3000rpm)
二、运转条件
滑动阻力F r=4000 ×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
L≥V max/N max=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
L=10mm时
平均负荷F m =[(F13×n1×t1+ F23×n2×t2+…+ F n3×n n×t n)/( n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)]1/3=[(2803×2000×0.3+7803×500×0.5+12803×100×0.2)/( 2000×0.3+500×0.5+100×0.2)] 1/3=584.5kgf
平均回转数N m= (n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)/(t1+t2+…+t3)= 2000×0.3+500×0.5+100×0.2)/(0.3+0.5+0.2)=870rpm
L=12mm时
平均负荷F m =[(F13×n1×t1+ F23×n2×t2+…+ F n3×n n×t n)/( n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)]1/3=[(2803×1667×0.3+7803×417×0.5+12803×83.3×0.2)/( 1667×0.3+417×0.5+83.3×0.2)] 1/3=584.5kgf
平均回转数N m= (n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)/(t1+t2+…+t3)= 1667×0.3+417×0.5+83.3×0.2)/(0.3+0.5+0.2)=725.3rpm
必要负荷容量
C a≥(60N m×L t)1/3×F m×f w×10-2
这里L t=20000h, f w=1.2
故l=10mm,C a≥7115.6kgf
l=12mm,C a≥6670kgf
(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（φ50*10）
或者1.外循环系列2.DFT形式3.回路数2.5圈×2列（φ40*12）(4)允许回转数的检验
○1危险速度
由d r≥n×L2/f×10-7(mm)
在此L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量
=1050+232/2+110=1276mm
f=21.9
故l=10mm,d r≥14.8mm
l=12mm,d r≥12.4mm
○2d m×n值,由高速d m×n≤100000
d m≤100000/n
由此l=10mm d m≤50mm
l=12mm d m≤60mm
(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(μm) ×0.8=16(μm)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ΔL ≤8(μm)
○1丝杠的刚性:K s(弹性变形量: ΔL)
以会产生最大轴方向变形的丝杠轴中央位置加以算出
由K s=π×d r2×E/L s×10-3(kgf/μm)(固定-固定)
ΔL s=F a/K s= F a×L s/(π×d r2×E) ×103(μm)
在此F a:滑动阻力(F a=280kgf),计算结果如表5.1
○2螺帽的刚性:K N(弹性变形量: ΔL N)
以最大轴方向负荷的1/3设定为预压负荷.
F a0=F max/3=1280/3=427 (kgf)
此时的刚性由K N=0.8×K(F a0/ε×C a)1/3
=0.8×K(427/0.05×C a)1/3(kgf/μm)
ΔL N= F a/K N
在此C a,K:尺寸表记载值
F a:滑动阻力(F a=280kgf)
计算结果如表5.1
○3支撑轴承的刚性(弹性变形量: ΔL B)
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K B(轴方向弹性系数),参照NSK精机制品样本A258页.
ΔL B=F a/2K B
计算结果如下表5.1
（6）丝杠长
L s=最大行程+螺帽长+预留量（φ50*10）
=1050+253+110=1413
L s=最大行程+螺帽长+预留量（φ40*12）
=1050+225+110=1385
（7）选定滚珠丝杠的确认计算
△1寿命预测
L t=(C a/(f w×F m))3×106×(1/(60×N m)) （φ50*10）
=(8340/(1.2×584.5)) 3×106×(1/(60×870))
=32205≥20000(h)
L t=(C a/(f w×F m))3×106×(1/(60×N m)) （φ40*12）
=(6220/(1.2×584.5) 3×106×(1/(60×725.3))
=16025<20000(h)
△2允许回转数
(a)危险速度
n=f×dr/L2×107=21.9×44.4/14132×107=4870≥2000(rpm) （φ50*10）
n=f×dr/L2×107=21.9×34.1/13852×107=3893≥1667(rpm) （φ40*12）
(b)d m×n值
d m×n=51×2000=102000≈100000
d m×n=41.5×1667=69180.5≤100000
2.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:
=ρ×θ×L
ΔL
θ
=12×10-6×1.5×1413=0.0254(mm) （φ50*10）
=ρ×θ×L
ΔL
θ
=12×10-6×1.5×1385=0.0249(mm) （φ40*12）
(2)预拉力
Fθ=ΔLθ×K s（φ50*10）
=ΔLθ×E×π×d r2/4L
=(0.0254×2.1×104×π×44.42)/4×1413
=584(kgf)
累计导程的目标值: -0.0254/1413mm
预拉力: 584kgf
拉伸量:0.0254(mm)
Fθ=ΔLθ×K s（φ40*12）
=ΔLθ×E×π×d r2/4L
=(0.0249×2.1×104×π×34.12)/4×1385
=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C B与预拉力Fθ之比为ε,则以/C B＜0.2为标准来选定轴承
ε=F
θ
（φ50*10）
（φ40*12）
5.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:J L(马达轴换算)
○1螺杆轴
GD S2=(π×γ×L×D4)/8 （φ50*10）=(π×7.8×10-3×141.3×54)/8
=270.4(kgf·cm2)
GD S2=(π×γ×L×D4)/8 （φ40*12）=(π×7.8×10-3×138.5×44)/8
=108.5(kgf·cm·s2)
○2可动部
GD W2=W(l/π)2（φ50*10）
=4000×(1/π)2
=405.7(kgf·cm2)
GD W2=W(l/2π)2（φ40*12）
=4000×(1.2/π)2
=584.2(kgf·cm2)
○3联轴器
GD J2=20.8(kgf·cm2) (推定)
○4合计
GD2= GD S2_+ GD W2+ GD J2=696.9(kgf·cm2) （φ50*10）
GD2= GD S2_+ GD W2+ GD J2=713.5(kgf·cm·s2) （φ40*12）
(2)驱动扭矩
当选用φ50*10 丝杠时:
F a0=(F+μw)/3=(600+0.07*4000)/3=293.3kgf
K=0.3(含预留量)
预压扭矩T p=k·(F a0·l/2π)=0.3*(293.3*1/2π)=14 kgf·cm
η1=0.9
轴承起动扭矩T B=8.5(kgf·cm)
○1快送时
摩擦扭矩T L1=F a1*l/2π·η=280*1/2π*0.9
=49.5(kgf·cm)
②重切削时
摩擦扭矩T L2= F a2*l/2π·η=1280*1/2π*0.9
=226.4(kgf·cm)
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T L=T P+T L2+T B=14+8.5+226.4=248.9kgf*cm=24.4Nm
当选用φ40*12 丝杠时:
F a0=(F+μw)/3=(600+0.07*4000)/3=293.3kgf
K=0.3(含预留量)
预压扭矩T p=k·(F a0·l/2π)=0.3*(293.3*1.2/2π)=16.8 kgf·cm η1=0.9
轴承的起动扭矩:T B=8.5(kgf·cm)
○1快送时
摩擦扭矩T L1=F a1*l/2π·η=280*1.2/2π*0.9
=59.5(kgf·cm)
②重切削时
摩擦扭矩T L2= F a2*l/2π·η=1280*1.2/2π*0.9
=271.8(kgf·cm)
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
T L=T P+T L2+T B=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N M≥2000(rpm)
马达的额定扭矩T M＞T L(kgf·cm)
马达转子惯量4J L＞J M＞J L(kgf·cm2)
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:N MAX=3000 rpm
额定扭矩:T M=38N·m
马达转子惯量J M=880kgf·cm2
(4) 到达最高回转数所需时间讨论
t a=J/(T M’-T L) ·(2π·N) ·f/60
在此J:全惯性扭矩J=GD2/4g
T M’=2×T M
T L=快送时的驱动扭矩
f 安全率(f=1.4)
t a=0.152/(775.5-49.5) ×2π×2000/60×1.4 （φ50*10）
=0.06(sec)<0.1 sec
t a=0.145/(775.5-59.5) ×2π×1667/60×1.4 （φ40*12）
=0.05(sec) <0.1 sec
Y轴
一.设计条件
Y轴承重:W1=0kgf
最大行程:S max=950mm
快送速度:V max=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:L t=20000h r
(16时×250日×10年×0.5转动率)
滑动面摩擦系数:μ=0.07
加工内容:镗、铣、钻加工
驱动马达:AC马达(N max=3000rpm)
二.运转条件
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2：1由AC马达的最高回转数4000rpm，则导程L≥V max/N max=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
平均负荷F m =[(F13×n1×t1+ F23×n2×t2+…+ F n3×n n×t n)/( n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)]1/3=[(3003×417×0.5+6003×83.3×0.2)/ (1250×0.3+417×0.5+83.3×0.2)] 1/3=248.7kgf
平均回转数N m= (n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)/(t1+t2+…+t3)= (1250×0.3+417×0.5+83.3×0.2)/(0.3+0.5+0.2)=600.1rpm
必要负荷容量
C a≥(60N m×L t)1/3×F m×f w×10-2
这里L t=20000rpm,f w=1.2
故C a≥2675kgf
(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（φ50*12）
(4)允许回转数的检验
○1危险速度
由d r≥n×L2/f×10-7(mm)
在此L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量
=950+163/2+50=1081.5mm
f=3.4
故d r≥43mm
○2d m×n值,由高速d m×n≤70000
d m≤70000/n
由此d m≤56mm
(5)丝杠长
L s=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
△1寿命预测
L t=[C a/(f w×F m)]3×106×[1/(60×N m)]
=[5850/(1.2×248.7)] 3×106×[1/(60×600.1)]
=209180≥20000(h)
△2允许回转数
(a)危险速度
n=f×dr/L2×107=3.4×44/1081.52×107=1270.5≥1250(rpm)
(b)d m×n值
d m×n=51.75×1250=64687.5<70000
2.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℃.
(3)热变位量:
=ρ×θ×L
ΔL
θ
=12×10-6×1.5×1195=0.022(mm)
(4)预拉力
Fθ=ΔLθ×K s（φ50*10）
=ΔLθ×E×π×d r2/4L
=(0.022×2.1×104×π×44 2)/(4×1195)
=587.6(kgf)
累计导程的目标值: -0.022/1195mm
预拉力: 587.6kgf
拉伸量:0.022(mm)
4.支撑轴承的选定
假定支撑轴承的基本动额定负荷C B与预拉力Fθ之比为ε,则以/C B＜0.2为标准来选定轴承
ε=F
θ
5.驱动马达的选定
(要求规格)
最高转速: 1500rpm
到达最高速所需时间: 0.1秒以下(快送时)
(1)惯性扭矩:J L(马达轴换算)
○1螺杆轴
GD S2=(π×γ×L×D4)/8
=(π×7.8×10-3×119.5×54)/8
=228.7(kgf·cm2)
○2可动部忽略为0
○3联轴器
GD J2=20.8(kgf·cm2) (推定)
○4合计
GD2= GD S2_+ GD J2=249.5(kgf·cm2)
(2)驱动扭矩
F a0=F=600kgf
K=0.3(含预留量)
预压扭矩T p=k·(F a0·l/2π)=0.3*(600*1.2/2π)=34.4 kgf·cm η1=0.9
轴承起动扭矩T B=8.5(kgf·cm)
○1快送时
摩擦扭矩T L1=0(kgf·cm)
②重切削时
摩擦扭矩T L2= F a2*l/2π·η=600*1.2/2π*0.9
=127.4(kgf·cm)
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T L=T P+T L2+T B=34.4+8.5+127.4=170.3kgf*cm=16.7Nm
(3)马达的选定
(选定条件)
最高回转数N M≥2500(rpm)
马达的额定扭矩T M＞T L(kgf·cm)
马达转子惯量4J L>J M＞J L(kgf·cm2)
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:N MAX=3000 rpm
额定扭矩:T M=22N·m
马达转子惯量J M=480kgf·cm2
(4) 到达最高回转数所需时间讨论
t a=J/(T M’-T L) ·(2π·N) ·f/60
在此J:全惯性扭矩J=GD2/4g
T M’=2×T M
T L=快送时的驱动扭矩
f 安全率(f=1.4)
t a=0.064/(449-0) ×2π×1250/60×1.4
=0.03(sec)<0.1 sec
Z轴
一.设计条件
Z轴承重:W1=6000kgf
最大行程:S max=950mm
快送速度:V max=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:L t=20000h r
(16时×250日×10年×0.5转动率)
滑动面摩擦系数:μ=0.07
加工内容:镗、铣、钻加工
驱动马达:AC马达(N max=3000rpm)
二.运转条件
滑动阻力F r=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
L≥V max/N max=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
L=10mm时
平均负荷F m =[(F13×n1×t1+ F23×n2×t2+…+ F n3×n n×t n)/( n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)]1/3=[(4203×2000×0.3+9203×500×0.5+14203×100×0.2)/( 2000×0.3+500×
0.5+100×0.2)] 1/3=698.4kgf
平均回转数N m= (n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)/(t1+t2+…+t3)= 2000×0.3+500×0.5+100×0.2)/(0.3+0.5+0.2)=870rpm
L=12mm时
平均负荷F m =[(F13×n1×t1+ F23×n2×t2+…+ F n3×n n×t n)/( n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)]1/3=[(4203×1667×0.3+9203×417×0.5+14203×83.3×0.2)/( 1667×0.3+417×0.5+83.3×0.2)] 1/3=698.4kgf
平均回转数N m= (n1×t1+ n2×t2+…+ n n×t n)/(t1+t2+…+t3)= 1667×0.3+417×0.5+83.3×0.2)/(0.3+0.5+0.2)=725.3rpm
必要负荷容量
C a≥(60N m×L t)1/3×F m×f w×10-2
这里L t=20000h, f w=1.2
故l=10mm,C a≥8392.4kgf
l=12mm,C a≥8001.8kgf
（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（φ50*10）或者1.外循环系列2.DFT形式3.回路数2.5圈×2列（φ50*12）（4）允许回转数的检验
○1危险速度
由d r≥n×L2/f×10-7(mm)
在此L=最大行程+螺帽的长度/2+轴端预留量
=950+253/2+110=1186.5mm
f=21.9
故l=10mm,d r≥12.9mm
l=12mm,d r≥10.7mm
○2d m×n值,由高速d m×n≤100000
d m≤100000/n
由此l=10mm d m≤50mm
l=12mm d m≤60mm
（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(μm) ×0.8=16(μm)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ΔL ≤8(μm)
○1丝杠的刚性:K s(弹性变形量: ΔL)
以会产生最大轴方向变形的丝杠轴中央位置加以算出
由K s=π×d r2×E/L s×10-3(kgf/μm)(固定-固定)
ΔL s=F a/K s= F a×L s/(π×d r2×E) ×103(μm)
在此F a:滑动阻力(F a=420kgf),计算结果如表5.1
○2螺帽的刚性:K N(弹性变形量: ΔL N)
以最大轴方向负荷的1/3设定为预压负荷.
F a0=F max/3=1420/3=473.3 (kgf)
此时的刚性由K N=0.8×K(F a0/ε×C a)1/3
=0.8×K(473.3/0.05×C a)1/3(kgf/μm)
ΔL N= F a/K N
在此C a,K:尺寸表记载值
F a:滑动阻力(F a=420kgf)
计算结果如表5.1
○3支撑轴承的刚性(弹性变形量: ΔL B)
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K B(轴方向弹性系数),参照NSK精机制品样本A258页.
ΔL B=F a/2K B
计算结果如下表5.1
(6)丝杠长
L s=最大行程+螺帽长+预留量（φ50*10）
=950+253+110=1313
L s=最大行程+螺帽长+预留量（φ50*12）
=950+231+110=1291
(7)选定滚珠丝杠的确认计算
△1寿命预测
L t=(C a/(f w×F m))3×106×(1/(60×N m)) （φ50*10）
=(8340/(1.2×698.4)) 3×106×(1/(60×870))
=18878.6<20000(h)
L t=(C a/(f w×F m))3×106×(1/(60×N m)) （φ50*12）
=(7920/(1.2×698.4) 3×106×(1/(60×725.3))
=19393<20000(h)
△2允许回转数
(c)危险速度
n=f×dr/L2×107=21.9×44.4/1186.52×107=6907≥2000(rpm) （φ50*10）n=f×dr/L2×107=21.9×43.2/1186.52×107=6720≥1667(rpm) （φ50*12）
(d)d m×n值
d m×n=51×2000=102000≈100000
d m×n=51.5×1667=85850.5≤100000
2.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:
=ρ×θ×L
ΔL
θ
=12×10-6×1.5×1313=0.024(mm) （φ50*10）
ΔL
=ρ×θ×L
θ
=12×10-6×1.5×1291=0.023(mm) （φ50*12）
(2)预拉力
Fθ=ΔLθ×K s（φ50*10）
=ΔLθ×E×π×d r2/4L
=(0.024×2.1×104×π×44.42)/4×1313
=594(kgf)
累计导程的目标值: -0.024/1313mm
预拉力: 594kgf
拉伸量:0.024(mm)
Fθ=ΔLθ×K s（φ50*12）
=ΔLθ×E×π×d r2/4L
=(0.023×2.1×104×π×43.22)/4×1291
=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C B与预拉力Fθ之比为ε,则以
ε=F
/C B＜0.2为标准来选定轴承
θ
（φ50*10）
（φ50*12）
5.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:J L(马达轴换算)
○1螺杆轴
GD S2=(π×γ×L×D4)/8 （φ50*10）=(π×7.8×10-3×131.3×54)/8
=251.2(kgf·cm2)
GD S2=(π×γ×L×D4)/8 （φ50*12）
=(π×7.8×10-3×129.1×54)/8
=247(kgf·cm·s2)
○2可动部
GD W2=W(l/π)2（φ50*10）
=6000×(1/π)2
=608.5(kgf·cm2)
GD W2=W(l/2π)2（φ50*12）
=6000×(1.2/π)2
=876.3(kgf·cm2)
○3联轴器
GD J2=20.8(kgf·cm2) (推定)
○4合计
GD2= GD S2_+ GD W2+ GD J2=880.5(kgf·cm2) （φ50*10）
GD2= GD S2_+ GD W2+ GD J2=1144.1(kgf·cm·s2) （φ50*12）
(2)驱动扭矩
当选用φ50*10 丝杠时:
F a0=(F+μw)/3=(1000+0.07*6000)/3=473.30kgf
K=0.3(含预留量)
预压扭矩T p=k·(F a0·l/2π)=0.3*(473.3*1/2π)=22.6 kgf·cm
η1=0.9
轴承起动扭矩T B=8.5(kgf·cm)
○1快送时
摩擦扭矩T L1=F a1*l/2π·η=420*1/2π*0.9
=74.3(kgf·cm)
②重切削时
摩擦扭矩T L2= F a2*l/2π·η=1420*1/2π*0.9
=251.2(kgf·cm)
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
T L=T P+T L2+T B=22.6+8.5+251.2=282.3kgf*cm=27.7Nm
当选用φ50*12 丝杠时:
F a0=(F+μw)/3=(1000+0.07*6000)/3=473.3kgf
K=0.3(含预留量)
预压扭矩T p=k·(F a0·l/2π)=0.3*(473.3*1.2/2π)=27.1 kgf·cm η1=0.9
轴承的起动扭矩:T B=8.5(kgf·cm)
○1快送时
摩擦扭矩T L1=F a1*l/2π·η=420*1.2/2π*0.9
=89.2(kgf·cm)
②重切削时
摩擦扭矩T L2= F a2*l/2π·η=1420*1.2/2π*0.9
=301.5(kgf·cm)
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T L=T P+T L2+T B=27.7+8.5+301.5=337.7kgf*cm=33.1Nm
(3)马达的选定
(选定条件)
最高回转数N M≥2000(rpm)
马达的额定扭矩T M＞T L(kgf·cm)
马达转子惯量4J L＞J M＞J L (kgf·cm2)
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:N MAX=3000 rpm
额定扭矩:T M=38N·m
马达转子惯量J M=880kgf·cm2
(4) 到达最高回转数所需时间讨论
t a=J/(T M’-T L) ·(2π·N) ·f/60
在此J:全惯性扭矩J=GD2/4g
T M’=2×T M
T L=快送时的驱动扭矩
f 安全率(f=1.4)
t a=0.225/(775.5-74.3) ×2π×2000/60×1.4 （φ50*10）=0.094(sec)<0.1 sec
t a=0.292/(775.5-89.2) ×2π×1667/60×1.4 （φ50*12）
=0.08(sec) <0.1 sec
以下是另外一种机床的设计，可参考用CAD绘
1.加工过程(maching process)中电机扭矩(motor torque)的计算(calculate)
f=μ(W wt+ W wp- F c)
=0.05(1500+4000-500)
=250(kgf)
∵F m = F c+ f
=1000+250
ψ=arctan[12/(π×63)]
=3.47°
当量摩擦角(correspond friction angle)
(由旋转运动变为直线运动revolve sport conversion to straightly)
tanρ′=0.0025→ρ′=0.143°
N st= F m×63/2×tan(ψ+ρ′)
N st= 1250×63/2×tan(3.47°+0.143°)
≈24.4 (N·m)
{注: 考虑轴承摩擦力矩(bearing friction torque)需加大0.8(N·m) N b=μb d/2F m=0.8(N·m)
(d=55mm, μb=0.0015)}
∴选择(choose)
∵V max=at0
∴a= V max/ t0
=30/(60×0.2) ≈0.26g
∵F m = F v+ f
=(1500+4000-500) ×0.26+0.1×(1500+4000-500)
=1800(kgf)
∴N max= F m×63/2×tan(ψ+ρ′)
=1800×63/2×tan(3.47°+0.143°)
≈35(N·m)
N st= N max/2=17.5(N·m)
∴选择(choose)
Nst=30N·m,α30/3000i电机
综合以上2点,所以选α30/3000i电机
X轴传动部分设计
一、丝杆的选定：
1、导程l的选定：
条件：最大进给速度V max=20m/min 马达最大转速N max=2000rpm
l≥V max/N max=200000/2000=10
初定l=12；l=16
2、危险速度的计算：
d r≥n.L2.10-7/f
L=最大行程+螺帽长+调整量=2400+195+110=2705mm
f=21.9
n=1667rpm n=1250rpm
1)当导程为l=12时:
d r≥1667*27052*10-7/21.9=55.7mm
结论:φ63*12丝杆d r=56.2＞55.7,接近于危险值
2)当导程为l=16时:
d r≥1250*27052*10-7/21.9=41.8mm
结论:φ63*16丝杆d r=55.2＞41.8,可行
3、d m n值的计算：
d m n≤100000
1)当选用φ63*12时: d m n=64.5*1667=107521.5＞100000
需向NSK公司洽谈
2)当选用φ63*16时: d m n=65*1250=81250＜100000
结论:可选用φ63*12,如选用φ63*16时比较可靠.
二、驱动马达的选定：
1、 切削扭矩的计算：
条件: W=7000kg F c =600 kg F=W/3=2300 kg
f=μ(W-F)=0.05*(7000-2300)=235 kg
故:切削时的受力为F m = F c
+f=600+235=835 kg
tan -1θ=π63/12=16.49 F m ’=F m / tan -1θ=835/16.49
=50.6 kg=496N
扭矩N ST = F m ’*r=496*63*10-3/2
=15.6Nm
可选用α22电机
tan -1θ=π63/16=12.37 F m ’=F m / tan -1θ=835/12.37
=67.5 kg=662N
扭矩N ST = F m ’*r=662*63*10-3/2
=20.9Nm
可选用α22电机，选用α30比较可靠
2、起动扭矩的计算：
条件：最大进给速度V max=20m/min=0.33m/s
达到最高速度所需时间t0=0.2s
V max=a t0a= V max/ t0=0.33/0.2=1.65m/s2=0.17g
a= 0.17g
F m =(W-F)a+f (此时μ=0.1) f=μ(W-F)=0.1(7000-2300)=470 kg F m =4700*0.17+470=1269 kg=12436N
tan-1θ=π63/12=16.49
F m’=F m/ tan-1θ=12436/16.49
=754N
扭矩N max= F m’*r=754*63*10-3/2
=23.8Nm
N ST=N max/2=23.8/2=12 Nm
可选用α22电机
tan-1θ=π63/16=12.37
F m’=F m/ tan-1θ=12436/12.37
=1005N
扭矩N ST= F m’*r=1005*63*10-3/2
=31.7Nm
N ST=N max/2=31.7/2=15.9 Nm
可选用α22电机
Y轴传动部分设计
一、丝杆的选定：
4、导程l的选定：
条件：最大进给速度V max=20m/min 马达最大转速N max=2000rpm l≥V max/N max=200000/2000=10
初定l=12；l=16
5、危险速度的计算：
d r≥n.L2.10-7/f
L=2700mm
f=21.9
n=1667rpm n=1250rpm
3)当导程为l=12时:
d r≥1667*27002*10-7/21.9=55.5mm
结论:φ63*12丝杆d r=56.2＞55.5,接近于危险值
4)当导程为l=16时:
d r≥1250*27002*10-7/21.9=41.6mm
结论:φ63*16丝杆d r=55.2＞41.6,可行
6、d m n值的计算：
d m n≤100000
1)当选用φ63*12时: d m n=64.5*1667=107521.5＞100000
需向NSK公司洽谈
2)当选用φ63*16时: d m n=65*1250=81250＜100000
结论:可选用φ63*12,如选用φ63*16时比较可靠.
二、驱动马达的选定：
3、 切削扭矩的计算：
条件: W=1000kg F c =600 kg
故:切削时的受力为F m = F c
=600 kg
tan -1θ=π63/12=16.49 F m ’=F m / tan -1θ=600/16.49
=36.4 kg=357N
扭矩N ST = F m ’*r=357*63*10-3/2
=11.2Nm
可选用α12或α22电机
tan -1θ=π63/16=12.37 F m ’=F m / tan -1θ=600/12.37
=48.5 kg=475N
扭矩N ST = F m ’*r=475*63*10-3/2
=15Nm
可选用α22电机
4、起动扭矩的计算：
条件：最大进给速度V max=20m/min=0.33m/s 达到最高速度所需时间t0=0.05s
V max=a t0a= V max/ t0=0.33/0.05=6.66m/s2=0.68g a= 0.68g
F m =2W a
F m =2000*0.68=1360 kg=13328N
tan-1θ=π63/12=16.49
F m’=F m/ tan-1θ=13328/16.49
=808N
扭矩N max= F m’*r=808*63*10-3/2
=25.5Nm
N ST=N max/2=25.5/2=12.75 Nm
可选用α22电机
tan-1θ=π63/16=12.37
F m’=F m/ tan-1θ=13328/12.37
=1077N
扭矩N ST= F m’*r=1077*63*10-3/2
=34Nm
N ST=N max/2=34/2=17 Nm
可选用α22电。