CK6150计算资料.pdf
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1、1 CK6160数控车床设计要求 主要技术参数: 1、 床身上最大回转直径:600mm ; 2、 最大车削直径:600mm ; 3、 最大车削长度:1000mm (最大行程: 1050mm ) ; 4、 横向最大行程:350mm ; 5、 主电机功率:11kw; ; 6、 主轴最高转速:2500rpm; 7、 X 向/Z 向参数:快速进给速度16m/8m/min,最小移动单位0.001mm ,最小输入单 位 0.001mm 。 8、 其余:床身为矩形导轨,与其接触的工作台面贴塑 2 滚珠丝杠副的计算及选型 为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、 高平稳性和快速响应的要求,必须合理选 择滚珠丝
2、杠副,并进行必要的校核计算。 计算参数: 纵向工作台总重量W=2000N 工作台 Z向最大行程1050mm 纵向快速进给速度Vxmax=8m/min 定位精度0.01mm 重复定位精度0.005mm 下表 1 给出了工作台的切削状况,以此为前提进行传动部件的设计。 表 1 轴向受力状况 切削方式轴向力 (N) 进给速度 (r/min) 工作时间百分比 强力切削6900 50 20 一般切削3900 100 50 精切削1400 500 30 2.1 确定滚珠丝杠的导程t 根据机床传动要求、负载大小和传动效率等因素综合考虑确定导程t。先按机床传动要 求确定,其公式为: maxmaxxx inVt
3、 式中: Vxmax Z 向快速进给速度,mm/min ; i传动比,因电机与滚珠丝杠副直接联接,i 取 1; nxmax驱动电机最高转速,r/min 。 由式 t=16000/2000=8mm,取导程t=8mm 。 2.2 滚珠丝杠副的载荷及转速计算 2.2.1 工作载荷F 工作载荷F 是指数控机床工作时,实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力,其数值可用下 列进给作用力的实验公式计算: 对于滑动导轨机床: F=Fzi+Ff 式中: Fzi Z 方向上的切削分力,N; Ff导轨摩擦阻力,N 。 Ff=W 摩擦系数,对滑动导轨取0.040.05 W Z 向工作台总重量 在各种切削方式下,丝杠轴向载荷
4、: F1=6900+0.05 2000=7000N F2=3900+0.05 2000=4000N F3=1400+0.05 2000=1500N 2.2.2 最小载荷Fmin 最小载荷Fmin为数控机床空载时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。 此时, Fx=Fy=Fz=0。 Fmin=F4=W =0.052000=100N 2.2.3 最大工作载荷Fmax 最大载荷为机床承受最大切削力时作用于滚珠丝杠的轴向载荷。 Fmax=F1=7000N 2.2.4 当量载荷 Fm与当量转速 nm 当机床工作载荷随时间变化且此期间转速不同时: 3 332211 33 3 322 3 211 3 1 tntntn
5、tnFtnFtnF Fm 式中: t1、t2、t3 分别为滚珠丝杠在转速n1、n2、 n3 下,所受轴向载荷分别是F1、F2、 F3 时的工作时间,见表3.1。 min/210%30500%50100%2050 332211 rtntntnnm N Fm 3293 210 %305001500%501004000%20507000 3 333 2.3 确定预期额定动载荷Cam 2.3.1 按预期寿命时间计算 ca wm hmam ff fF LnC 100 60 3 式中:Fm滚珠丝杠副当量载荷, N; nm当量转速, r/min ; Lh预期工作时间,取20000 小时; fa精度系数,取0
6、.9; fc可靠性系数,取1; fw负荷系数,取1.2。 所以,NCam 22095 9 .01100 2 .13239 2000021060 3 2.3.2 按预期工作距离计算 cahsmwam ffPLFfC/ 3 =1.23239 19 .0/8/001.0 3 =2159N 式中:Ls预期工作距离(Km);其余参数与上述3.2.3.1 中相同。 根据上述 3.2.3.1、3.2.3.2 式的计算结果,选取大数值为滚珠丝杠副的预期额定动载荷, 即取预期额定动载荷Cam=22095N。 2.4 确定滚珠丝杠最小螺纹底径d2m 2.4.1 估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量m mma m 00
7、143.04131 mmc m 0022.05141 式中:a 重复定位精度,0.005mm; c 定位精度, 0.01mm。 取 m为 0.0014=1.43 m。 2.4.2 估算滚珠丝杠副的底径d2m 由于,滚珠丝杠副的安装方式为一端固定,另一端游动: d2m moL Fa/=0.078mm9.2343. 1/5.1337100 式中: 支承方式系数,安装方式为一端固定,另一端游动时为0.078 m估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量; F0导轨静摩擦力,其中NWF1002000005.0 00 ; L两个固定支承点中心之间的距离,1337.5mm ; 设计时,取d2m=44mm: 2.5
8、确定滚珠丝杠副预紧力Fp NFFp2333 3 7000 3 1 max 滚珠丝杠选择: 根据以上计算:预期额定动载荷Cam=22095N;d2m=44mm ;导程 t=8mm 。选择汉江机床有限 公司丝杆导轨厂生产的FYND-5008-4型浮动内循环滚珠丝杠。滚珠丝杠的为公称直径为50mm ; 导程 8mm ;动载荷 Ca=30107N;静载荷 Cao=94637N;接触刚度 2095(N/ m);滚珠丝杠采用中预 紧方式装配。且在上述计算中,预期额定动载荷Cam=22095Nnmax=2000r/min 2.6.3 校验 dn值 7000010000200050 max0n d 式中: d
9、0丝杆公称直径mm ;nnax丝杆最高转速,2000r/min 2.6.4 验算额定静载荷C0a as CFf 0max 式中: fs静态安全系数,一般取12,有冲击及振动时取23,这里取 2; Fmax滚珠丝杆副受最大轴向力 Coa=2 7000N=14000N 30107N。 3 滚珠丝杠支撑专用轴承的选型 支撑滚珠丝杠的专用轴承的选用计算过程如下: 对于任何所选用轴承型号,其基本额定动载荷Ca值必须满足下式要求: 1 .26 10 60 i nL PCC h aa N 式中, i 一组轴承中的轴承个数; P 当量动载荷; 寿命指数,球轴承 3,滚子轴承 3.333; L h 预期使用寿命
10、; n 计算转速,单位为转分。 可知所要选择的角接触球轴承的工作情况为:丝杠螺母轴用一对角接触球轴承背对背方 式支承,另一端用深沟球轴承支承。当转速n50r min,轴向载荷 F a7000N,有冲击, 轴颈为直径 40mm ,轴承预期使用寿命L h20000h,可靠度 90,脂润滑。根据这些情况可 进行角接触轴承型号的选择计算。 首先,预选角接触球轴承方案进行计算,由手册查得轴承数据如下: 轴承的参数表 轴承型号 额定动载荷 Ca N 额定静载荷 Coa N 轴向刚度 Ra N/m 预载荷ao N D/mm 760208TN1 37500 64000 1180 4300 40 由于滚珠丝杠球
11、轴承主要承受轴向载荷,因此其轴向当量动载荷=预紧力 +轴向载荷: 即P=Fao+Fa 当量动载荷 P=7000+4300=11300N 计算额定动载荷 27232 210 200005060 11300 10 60 3 1.261.26 i nL PC h a N 可知 r C r C,所以所选择的轴承760208TN1符合要求。 4 滚珠丝杠的精度计算 滚珠丝杠的抗压刚度: L Ed K 4 2 式中: E 杨氏弹性模量,取2.1 10 5 Nmm L两个固定支承之间的距离,mm; L 行程安全行程两个余程螺母长度一支承长度 当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 6
12、7.5mm 和 1400mm, 则: mN L Ed K/4.6108652 5.674 101 .250 4 522 max mN L Ed K/3 .294524 14004 101.250 4 522 min 滚珠丝杠螺母的接触刚度为:KC=2095/ m ,滚珠丝杠用轴承的轴向接触刚度 KT=1180 N/ m 。 算得最小机械传动刚度: mN KKK K TC mim /9.752 1180/12095/13 .294524/1 1 /1/1/1 1 min 0 最大机械传动刚度: mN KKK K TC /7.754 1180/12095/14.6108652/1 1 /1/1/1
13、 1 max max0 因此得到因为机械传动装置所引起的定位误差: m KK F k 00032.0 7 .754 1 9.752 1 100 11 max0min0 0 其中 F0为摩擦力。 因为本设计选用的是1 级滚珠丝杠, 其任意 300mm的导程公差为6 m ,机床定位精度0.012mm/300mm 。所以可以满足由于传动刚度所引起的定位误差小于 (1/31/5)机床定位精度的要求。( 当然,定位精度还可以通过数控系统补尝的方式进行校 正。 ) 经以上验算, 汉江机床有限公司丝杆导轨厂生产的FYND-5008-4型浮动内循环滚珠丝杠, 符合设计要求。 5 伺服电机的选型 伺服电机的动态
14、力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依 据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩 擦负载是不存在的。直接起动时 (一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑 惯性负载, 恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下, 静力矩应为摩擦负载的2-3 倍内好, 静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。 所选用的伺服电机要驱动的负载扭矩主要计算如下: 5.1 正常状况下电机驱动扭矩Tm Tm=Ta+Td+Tb 式中:Ta顺向切削扭矩;Td预压扭矩; Tb轴承扭矩 5.1.1 顺向切削扭矩Ta N lF T p a 7.
15、4723 9. 02 8)1003239( 2 1 mm 式中: Fb轴向负荷, (Fm+W =3239+0.052000N); l丝杆导程; 1机械效率( 0.9-0.95) ; 5.1.2 预压扭矩Td N lPKp Td6 .294 2 8 8.2 3293 2 .0 2 mm 式中: Kp预压系数0.1-0.3;P 轴向负荷; l丝杆导程; 5.1.3 轴承扭矩 Tb 查得 Tb=98Nmm 所以,正常状况下电机驱动扭矩: Tm=4723.7+294.6+98=5116.3Nmm=5.1163Nm 5.2 加速状况下电机驱动扭矩T T=(J1+J2+J3) 式中: J1电机惯性矩; J
16、2滚珠丝杆惯性矩;J3负荷惯性矩; 加速度, 100rad/ sec 2 5.2.1 电机惯性矩计算(J1) 26 1 sec3.12500 25 4 108.7 98002 1 R 4 2 1 m mkgfL g J 式中: 密度, 7.8 10 -6 kgf/mm 3;g重力加速度 9800mm/sec 2;R电机转子直径, 50mm; L电机转子长度2500mm 5.2.2 滚珠丝杆惯性矩计算(J2) 2 s2 s e c.mm.kgf57.0 2 50 2 18 98002 1 2 Dn 2 W g2 1 J 式中:Ws丝杆重量kg;Dn丝杆公称直径mm; 5.2.3 负荷惯性矩计算(
17、J3) 2 s e c03.0 2 8 2 9800 8.9/2000 2 2 3mmkgf l g W J 式中:W工作台总重量kg;l丝杆导程mm ; 所以,加速状况下电机驱动扭矩: T=(J1+J2+J3) =(1.3+0.57+0.03)100=190kgf mm=1.862Nm 5.3 总电机扭矩Tmax Tmax= TaT=5.1163+1.862=6.9783Nm 取电机安全系数为2,则安全电机扭矩2Tmax=13.9566Nm 根据以上的计算:电安全机扭矩2Tmax=13.9566Nm。选择伺服电机:GK6080-6AC31 ,GK6 交流永磁同步伺服电机,额定转速2000rp
18、m,静转矩16Nm ,转动惯量2.67 10 -3 kgm 2。由于 2Tmax=13.9566Nm16Nm ,所以选用该电机可行。 6 联轴器的选用 根据电机的转矩16NM 以及两接口尺寸选择, 易联的联轴器型号为e-Link EL1-45 32/32 : 静转矩 45Nm 。 纵向进给结构示意图 第三章、机床进给系统机械设计计算: 伺服系统机械部分设计计算内容包括:确定系统的负载,确定系统脉冲当量,运动部 件惯量计算,空载起动及切削力矩机计算,确定伺服电机,绘制机械部分装配图及零件工 作图等。现分述如下: 1 系统脉冲当量及切削力的确定 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经
19、济型数控车床、铣床常采 用的脉冲当量是0.010.005mm/ 脉冲 ,根据机床精度要求确定脉冲当量:纵向:0.01mm/step ; 横向: 0.005mm/step 2 切削力的计算 1、纵车外圆: 主切削力FZ(N)由经验公式(1)估算: 60000/ Z FVV 切线线 (V =90100m/min ) 式(1) 而N = N 切额 ( =0.70.85) 式(2) 取0.8,则N = N0.8 5.5 4.4 KW 切额 , 取90/minVmm 线 ,则进给抗力60000 4.4/902933 Z FN X向和 Y向根据经验公式(3) (4)确定 0.5 XZ FF式(3) 0.6
20、 YZ FF式(4) 则得:0.51467 XZ FFN0.61760 YZ FFN 2、横切端面: 主切削力 | Z F可取纵切的一半,即 | 1 1467 2 ZZ FFN 此时走刀抗力 | Y F (N ),吃刀抗力 | X F(N )依然按上述经验公式粗略计算: 1:0.5:0.6 | ZXY F:F :F 则得: | X F=734N | Y F =880N 3、滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型 (一)纵向进给丝杠: 1 . 计算进给牵引力Fm(N) 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切 屑分力作用在导轨上的摩擦力,因而其数值大小和导轨的形式有关
21、。本次设计纵向进给为 综合型导轨,则按以下公式确定: |( ) XZ Fm KFf FG式(5) 式中: K考虑颠覆力矩影响的实验系数,综合型导轨取K=1.15 | f滑动导轨摩擦系数:0.150.18,取 | f=0.16 G溜板及刀架重力,由已知G=1000N 代入得:1.1514670.16(2933 1000)2316FmN 2 . 计算最大动负载Q 选用滚珠丝杠副的直径时,必须保证在一定轴向负载作用下,丝杠在回转100 万 ( 6 10)转后,在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠 丝杠能承受的最大动负载C,计算如下: 3 w m QLf F式(6) 6 60
22、10 n T L 式(7) 0 1000 S V n L 式(8) 式中: 0 L 为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程Lo=6mm; Vs-最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21 /3,此处为 0.3m/min; T-使用寿命 ,按 15000h; fw- 运转系数 ,按一般运转取fw =1.21.5;此处取 fw=1.2; L-寿命以转 6 10为 1 单位 . 则: 6 1000 0.3 6015000 6 45 10 L 3 45 1.2 2316 9885QN 3 . 滚珠丝杠螺母副的选型: 查阅数控机床系统设计中附表1,可采用W1L2506 外循环螺纹调整预紧的双螺母 滚珠丝杠
23、副, 1 列 2.5 圈,其额定动负载为1310N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表,选为3 级(大致相当于老表准E级) 3 300 12 10 P Vmm 4 . 传动效率计算 =tan/tan( + ) 式中: 螺旋升角 ,W1L2506的螺旋升角 =422 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 则: =tan/tan(+) =tan422/tan(4 22+10)=0.96 5 . 刚度校核 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图,如下图(2)所示: G Jm Z1J1 Z2J2 L1 L2 图( 2)纵向进给滚珠丝杠支承方式草图 则:1000953 15 20 1160LLLLmm
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