MJ50数控车床进给系统课程设计报告书

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1、. . . . 2011年10月大学自考本科助学考试MJ-50数控车床进给系统课程设计 (课程代码 5668 )院 系 机电工程系 专 业 数控技术 年 级 09级 学生学号 7 学生 寇要杰 总分评阅人复查人2011年11 月 3日目录第1章绪论11.1MJ-50数控车床简介11.2设计要求3第2章MJ-50数控车床进给系传动的统概述32.1进给传动系统的特点32.2进给传动系统装置6第3章MJ-50数控车床的主要技术参数83.1机床主要参数83.2数控系统的主要技术规格8第4章丝杠螺母机构的选择与计算104.1纵向进给系统104.2横向进给系统15第5章机构设计205.1滚珠丝杠的支承20

2、5.2滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧20第6章主要结构性能与特点分析226.1 滚珠丝杠螺母机构工作原理与特点226.2滚珠丝杠安装方式特点22第7章总结与体会23第8章参考文献24第1章绪论1.1MJ-50数控车床简介MJ-50数控车床是由一机床团体出产，主要由主轴箱、床鞍、尾座、刀架、对刀仪、液压系统、光滑系统、气动系统以与数控装置等形成。其形状尺寸为：长2995，宽1667，高1796。其形状如图所示。MJ-50数控车床主要用来加工轴类零件的外圆柱面、圆锥面、螺纹表面、成型回转体表面。对于盘类零件可进行钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等加工。机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。图1-1 MJ-5

3、0数控车床外观图上图所示为MJ-50数控车床的外观图MJ-50数控车床为两坐标两轴联动的卧式车床。如图所示，床身14为平床身床身导轨上支承着30倾斜布置的滑板13，排屑方便。导轨的横截面为矩形，支承刚性好，且导轨上配置有防护罩8.床身的左上方安装有主轴箱4，主轴有交流主轴电动机经1：1带传动直接驱动主轴，结构十分简单。为了快速而省力地装加工件，主轴卡盘3的加紧与松开是由主轴尾端的液压缸来控制的。床身右上方装有尾座12.该机床有两种可配置的尾座，一种是标准尾座，另一种是液压驱动的尾座。滑板的倾斜导轨上按装有回转刀架11，其刀盘上有10个工位，最多安装10把刀具。滑板上分别安装有X轴和Z轴的进给传

4、动装置。根据用户的需要，主轴箱前端面上可以按装对刀仪2，用于机床的机对刀。检测刀具时对刀仪的转臂9摆出，其上端的接触式传感的测头对所用刀具进行检测。检测完成后，对刀仪的转臂摆回图中所示的原位，且测头被锁在对刀仪防护罩7中。10是操作面板，5是机床防护门，可以配置手动防护门，也可以配置气动防护门。液压系统的压力由压力表6显示。1是主轴卡盘加紧与松开的脚踏开关。1.2设计要求结合MJ-50数控车床实现主要参数的选择，进给系统传动的方案设计，丝杠螺母机构的选择与计算，动力计算、丝杠螺母机构的传动刚度计算、结构设计和主要结构性能与特点的分析，写出课程设计研究报告。第2章MJ-50数控车床进给系传动的统

5、概述2.1进给传动系统的特点进给传动系统是用数字控制X、Z坐标轴的直接对象，零件最后的轮廓和尺寸精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为了达到数控车床进给传动系统要求的高精度、快速响应、低速大转矩，一般采用交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠副带动刀架移动。刀架的快速移动和进给移动为同一条传动路线。 X轴进给传动链：X轴进给由功率为0.9kW的交流伺服电动机驱动，经20/24的同步带轮传动到滚珠丝杆，螺母带动回转刀架移动，滚珠丝杠螺距为6mm。Z轴进给传动链：Z轴进给由功率为1.8kW的交流伺服电动机驱动，经24/30的同步带轮传动到滚珠丝杆，螺母带动滑板移动，滚珠丝杠螺距为

6、10mm。图2-1所示为MJ-50数控车床X轴进给装置图交流（AC）伺服电动机15经同步带轮14和10以与同步带12带动滚珠丝杆6回转，其上螺母7带动刀架（如图b）沿滑板的导轨移动，实现X轴的进给运动。 前支承：由三个角接触球轴承组成，一个轴承大口向前，两个大口向后，分别承受双向轴向载荷，并由螺母2预紧。后支承：由一对角接触球轴承组成，主要用于承受径向载荷和一定的双向轴向载荷，由螺母11预紧。图2-1 MJ-50数控车床X轴进给装置简图脉冲编码器16安装在电机的尾部；5和8是缓冲块用于出现意外碰撞时起保护作用；因为滑板顶面导轨与水平面倾斜30，回转刀架会由于自身的重力而发生下滑，滚珠丝杠和螺母

7、不能以自锁的方式阻止其下滑，所以机床要依靠交流伺服电机的电磁制动来实现自锁。2.2进给传动系统装置图2-2 MJ-50数控车床Z轴进给装置简图交流（AC）伺服电动机14经同步带轮12和2以与同步带11传动刀滚珠丝杠5，由螺母4带动滑板连同刀架沿床身13的矩形导轨移动，实现Z轴的进给运动。左支承：采用三个角接触球轴承15，其中右边两个轴承与左边一个轴承的大口相对布置，由螺目16进行预紧，用于承受径向载荷和部分轴向载荷。右支承：采用一个圆柱滚子轴承7，只用于承受径向载荷。轴承间隙用螺母8来调整。滚珠丝杠的支承型式为左端固定，右端浮动，留有丝杠受热膨胀后轴向伸长的余地。第3章MJ-50数控车床的主要

8、技术参数3.1机床主要参数允许最大工件回转直径 500mm最大切削直径 310mm最大切削长度 650mm主轴转速围 35 3500r/min(连续无级)其中恒扭矩围 35 437r/min其中恒功率围 437 3500r/min主轴通孔直径 80mm拉管通孔直径 65mm刀架有效行程 X轴182mm; Z轴675mm快速移动速度 X轴10m/min; Z轴15m/min安装刀具数 10把刀具规格 车刀25mm25mm; 镗刀12mm45mm选刀方式 刀盘就近转位分度时间 单步0.8s; 180 2.2s尾座套筒直径 90mm尾座套筒行程 130mm主轴调速电动机功率 11/15kW (连续/

9、30min超载)进给伺服电动机 X轴AC 0.9kW；Z轴AC1.8kW机床外形尺寸 2995mm1667mm1796mm3.2数控系统的主要技术规格FANUC-OTE系统的主要技术规格如表3-1所示。表3-1 FANUC-OTE系统基本规格序号名称规格1控制轴数X轴、Z轴，手动方式同时仅一轴2最小设定单位X、Z轴0.001mm3最小移动单位X轴0.0005mmZ轴0.0014最大编程尺寸99999.9995定位执行G00指令时，机床快速运动并减速停止在终点6快速倍率LOW，25%，50%，100%7手摇轮连续进给每次仅一轴，0.001,0.01,0.1mm8进给倍率从0150%围以10%递增

10、9自动加/减速快速移动时，依比例加减速，切削时依指数加减速10停顿G04（09999.999s）11空运行空运行时为连续进给12进给保持在自动运行状态下暂停X、Z轴进给，按程序启动按钮可以恢复自行运动13程序保护存储器的程序不能修改14可寄存程序63个15紧急停止按下紧急停止按钮，所有指令停止，机床也立即停止运动16机床锁定仅滑板不能移动17显示语言英文18环境条件环境温度：045运输和保管时-2060第4章丝杠螺母机构的选择与计算4.1纵向进给系统4.1.1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，设电机的最高工作转速为，则丝杠导程为： (4.1)，取 由公式(4.1),最

11、大进给速度时丝杠的转速：最小进给速度时丝杠的转速：丝杠等效转速：（取 ） (4.2)，转速，作用下的时间(s)。4.1.2估计工作台质量与工作台承重刀架质量：滑板：总质量：4.1.3确定丝杠的等效负载与确定丝杠所受的最大动载荷工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引力的试验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，现取为1.1，则丝杠所受的力为（如图3.1所示）： (4.3)其等效负载可按下式估算（取 ， ）：t1，t2轴向载荷，作用下的时间(s)。n1，n2轴向载荷，作用下的转速(r/min)。 (4.4

12、)受 力 分 析 (4.5)fw负荷性质系数；（查表：当一般运转时，fw 为1.21.5，取fw=1.5。）ft温度系数；（查表：）fh硬度系数；（查表：滚道实际硬度HRC58时，fh=1。）fa精度系数；（查表：当精度等级为3时，fa=1.0。）fk可靠性系数；(查表：可靠性为90%时，fk =1.00。)Fm等效负荷(N)；nm等效转速(r/min)；Tn工作寿命(h)。（查表得：数控机床：Th=15000。）由公式(4.5) 4.1.4选择滚珠丝杠型号由文献7,8可知，查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM3206-3。丝杠公称直径为32mm，基本导程，其额定动载

13、荷，额定静载荷，圈数列数=1.52，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径27. 9mm，螺母长度为112mm，取丝杠的精度为3级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边轴承分别为20mm和25mm。本设计中丝杠采用两端固定的支承方式。选用成对丝杠专用轴承组合。 滚珠丝杠支承用专用轴承：轴承特点：1. 刚性大。由于采用特殊设计的尼龙成形保持架，增加了钢球数，且接触角为60轴向刚性大。2. 不需要预调整。对每种组合形式，生产厂家已作好了能得到最佳预紧力的间隙，故用户在装配时不需要再调整，只要按厂家作出的装置序列符号（）排列后，装紧即可。3. 起动力矩小。与圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承相比，起动力矩小。为了易

14、于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，推荐采用正面组合形式。（DF,DFD,DFF等）4.1.5临界转速滚珠丝杠副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压振动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杠副的拉压系统刚度Ke由丝杠本身的拉压刚度KS，丝杠副滚道的接触刚度Kc，轴承的接触刚度KB，螺母座的刚度KH，按不同支承组合方式的计算而定。扭转刚度按丝杠的参数计算。 (4.8)式中 A丝杠最小横截面：临界转速计算长度：取，安全系数，一般取 ；材料的密度：；丝杠支承方式系数，查表得，满足要求。4.1.6丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度按下式计算： (4.9)式中 丝杠平均直径：L丝杠长

15、度扭转振动的固有频率: (4.10)式中JW运动部件质量换算到丝杠轴上的转动惯量(kgm2)；JZ丝杠上传动件的转动惯量(kgm2)；JS丝杠的转动惯量(kgm2)。由文献7，8得：平移物体的转动惯量为丝杠转动惯量：显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，可以满足要求。4.1.7传动精度计算滚珠丝杠的拉压刚度(4.11)导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为300mm和100mm。最大与最小机械传动刚度：最大和最小机械传动刚度：由于机械传动装置引起的定位误差为 (3.16)对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为，机床定位精度，所以，可以满足由于传动刚

16、度变化所引起的定位误差小于（1/31/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高10。4.1.8伺服电机计算与电机的选择根据文献11，扭矩的计算为：1. 理论动态预紧转矩查表知3级滚珠丝杠 ， 而 (4.13)2. 最大动态摩擦力矩对于3级滚珠丝杠， (4.14)3. 驱动最大负载所耗转矩 (4.15)4. 支承轴承所需启动扭矩查轴承表：对于直径20的轴承，其，对于直径25的轴承，其，则 .5. 驱动滚珠丝杠副所需扭矩6. 电机的额定扭矩根据以上计算的扭矩与文献12，选择电机其额定功率为1.8kW。4.2横向进给系统4.2.1滚珠丝杠导程的确定在本设计中，电机和丝杠

17、直接相连，传动比为，设电机的最高工作转速为，则由公式（4.1）可得丝杠导程为：4.2.2 确定丝杠的等效转速：由公式(4.2) ，最大进给速度时丝杠的转速：最小进给速度时丝杠的转速：由公式(4.3) ，丝杠等效转速为： 4.2.3 估计工作台质量与工作台承重：横向工作台质量：床鞍与其他：总质量：4.2.4确定丝杠的等效负载与确定丝杠所受的最大动载荷取滑动导轨摩擦系数为0.025，则丝杠所受的力为（如图4.1所示）： (4.16)其等效负载可按公式(4.4)估算：由公式(4.5)得：查表选定丝杠为外循环插管式垫片预紧导珠管埋入型，型号： CDM2510-2.5。丝杠公称直径为25mm，基本导程，

18、其额定动载荷，额定静载荷，圈数列数=2.51，丝杠螺母副的接触刚度为，丝杠底径24.5mm，螺母长度为125mm，取丝杠的精度为3级。在本设计中采用双螺母垫片预紧。两边的轴承选为17mm与20mm。 4.2.5临界转速由公式(4.6)取，满足要求。4.2.6丝杠扭转刚度丝杠的扭转刚度由公式(4.7)计算： 由文献7,8得：平移物体的转动惯量为丝杠转动惯量：扭转振动的固有频率按公式(4.8)计算:显然，丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，可以满足要求。4.2.7传动精度计算导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L值分别为650mm和100mm。由公式(4.9) ，最大与

19、最小机械传动刚度：最大和最小机械传动刚度：由于机械传动装置引起的定位误差据公式(4.10)对于3级滚珠丝杠，其任意300mm导程公差为 ，机床定位精度，所以，可以满足由于传动刚度变化所引起的定位误差小于（1/31/5）机床定位精度的要求。再加上闭环反馈系统的补偿，定位精度能进一步提高。4.2.8伺服电机计算与电机的选择扭矩的计算1) 理论动态预紧转矩查表知3级滚珠丝杠 ， 而由公式(4.11) 2) 最大动态摩擦力矩对于3级滚珠丝杠，由式(4.12)3) 驱动最大负载所耗转矩由公式(4.13) 4) 支承轴承所需启动扭矩查轴承表：对于的轴承，其,则 .5) 驱动滚珠丝杠副所需扭矩6) 电机的额

20、定扭矩根据以上计算的扭矩与文献12，选择电机其额定功率为0.9。第5章机构设计5.1滚珠丝杠的支承滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求，其两端支承的配置情况有：一端轴向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短丝杠和垂直进给丝杠；一端固定一端浮动的方式，常用于较长的卧式安装丝杠；以与两端固定的安装方式，常用于长丝杠或高转速、高刚度、高精度的丝杠，这种配置方式可对丝杆进行预拉伸。因此在此设计中采用两端固定的方式，以实现高刚度、高精度以与对丝杠进行拉伸。丝杠中常用的滚动轴承有以下两种：滚针推力圆柱滚子组合轴承和接触角为60角接触轴承，在

21、这两种轴承中，60角接触轴承的摩擦力矩小于后者，而且可以根据需要进行组合，但刚度较后者低，目前在一般中小型数控机床中被广泛应用。滚针圆柱滚子轴承多用于重载和要求高刚度的地方。60角接触轴承的组合配置形式有面对面的组合、背靠背组合、同向组合、一对同向与左边一个面对面组合。由于螺母与丝杠的同轴度在制造安装的过程中难免有误差，又由于面对面组合方式，两接触线与轴线交点间的距离比背对背时小，实现自动调整较易。因此在进给传动中面对面组合用得较多。在此设计中采用了以面对面配对组合的60角接触轴承，以容易实现自动调整。滚珠丝杠工作时要发热，其温度高于床身。为了补偿因丝杠热膨胀而引起的定位精度误差，可采用丝杠预

22、拉伸的结构，使预拉伸量略大于热膨胀量。5.2滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。滚珠丝杠在轴向载荷作用下，滚珠和螺纹滚道接触区会产生严重接触变形，接触刚度与接触表面预紧力成正比。如果滚珠丝杠螺母副间存在间隙，接触刚度较小；当滚珠丝杠反向旋转时，螺母不会立即反向，存在死区，影响丝杠的传动精度。因此，滚珠丝杠螺母副必须消除间隙，并施加预紧力，以保证丝杠、滚珠和螺母之间没有间隙，提高滚珠丝杠螺母副的接刚度。滚珠丝杠螺母副采用偏心轴套式调整法达到消除齿轮间隙的目的,如图5- 1所示:图5-1偏心轴套调整法1

23、.齿轮；2.偏心轴套；3.齿轮。图中1代表齿轮，2代表偏心轴套，电动机通过偏心轴套2安装在齿轮箱上，偏心轴套可以在一定程度上消除因齿厚误差和中心距误差引起的齿侧间隙。通过调整两个螺母之间的轴向位置，使两个螺母的滚珠在承受载荷之前，分别与丝杠的两个不同的侧面接触，产生一定的预紧力，以达到提高轴向刚度的目的。调整预紧有多种方式，上图所示的为垫片调整式，通过改变垫片的厚薄来改变两个螺母之间的轴向距离，实现轴向间隙消除和预紧。这种方式的优点是结构简单、刚度高、可靠性好。第6章主要结构性能与特点分析6.1 滚珠丝杠螺母机构工作原理与特点如图6-1所示，在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽，这两个圆弧形槽

24、合起来便形成了螺旋滚道，在滚道装入滚珠。当丝杠相对螺母旋转时，滚珠在螺旋滚道滚动，迫使二者发生轴向相对位移。为防止滚珠从螺母中滚出来，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置，使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭合回路。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。 图6-1 滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母机构具有下列特点：（1）摩擦损失小、传动效率高；（2）运动平稳，摩擦力小、灵敏度高、低速时无爬行；（3）轴向刚度高、反向定位精度高；（4）摩损小、寿命长、维护简单；（5）传动具有可逆性、不能自锁； （6）同步性好，用几套一样的滚珠丝杠副同时传动几个一样的部件或装置时，可获得较好的

25、同步性；（7）有专业厂生产，选用配套方便。 6.2滚珠丝杠安装方式特点采用两端固定的安装方式，这种支承刚度最高，只要轴承无轴向间隙，丝杠的拉压刚度可提高四倍。可以进行预拉伸安装，克服热膨胀。当温升超过预计的温升时，不会像双向游动那样产生轴向间隙，但实现预拉伸与其调整方法较为复杂。第7章总结与体会课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从从拿到题目到完成整个课程设计，从理论到实践，在整整一个月的日子里，可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知

26、识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说滚珠丝杠的选择通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在田老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在田老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示

27、感！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感！第8章参考文献1 王爱玲.现代数控原理与控制系统M.:国防工业,2002.1.2 师鸿飞等.我国数控车床的现状和发展趋势N.现代制造,2002.3 周毅.数控车床在汽车制造业中的应用N.市场纵横,2005.4 白恩远.现代数控机床伺服与检测技术M.:工业,2002.1.5 许兆丰等.车工工艺学M.:机械工业,1980.6 中华人民国机械工业部统编M.科学普与.7 成大先等.机械设计手册M.:化学工业. 8 徐灏主编.新编机械设计师手册M.:机械工业,1995.9 蔡乐安.数控车床滚珠丝杠副的研究设计N.农机化研究,2002.11.10 红.数控机床机器人机械系统设计指导M.:同济大学,2004.8.11 博特精密丝杠制造. 博特产品系列.12 SIEMENS公司.西门子(驱动系统和电机).2002.13 宝生.CNC32数控车床的床身设计N.机械管理开发,2004.8.14 戴曙主编.金属切削机床.:机械工业.1995.10.15 健.如何选择数控车床N.机械工程师,2001.3.16 关雄飞.数控加工技术综合实训M.:机械工业,2005.8.17 数控机床，机械工业24 / 25