典型零件图册.docx
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典型零件图册
数控车床
典型零部件图册
第二部分:
两轴进给
审核:
批准:
二o—年^一月
随着市场竞争的加剧,设计周期越来越短。
为达到快速适应市场要求的目的。
我们选择规格适中、技术成熟、生产量大、结构具有代表性的K系列产品作为基型,在充分研究现行结构的合理性基础上,确定零部件的结构形式,编制了数控车床典型零部件图册。
编制典型零部件图册的意义在于避免目前存在的下列问题:
具有相同功能或类似功能同系列产品,结构设计不一致,造成方案的重复论证。
有些件能通用而不通用,给生产组织带来不利。
并造成工卡刀量具浪费。
标注方式不统一,标注数值不合理(存在过高现象),实际生产和检测中难以满足要求。
材料的选用不统一,给采购带来不便。
通过典型零部件图册的应用将减少设计、工艺、制造的重复劳动,提高年轻设计人员的设计质量,缩短设计与制造周期。
数控车床典型零部件图册由主轴箱、尾座、进给等若干部分组成。
本部分为第二部分:
两轴进给。
1.本部分的编制原则
a)以K系列机床为基础,对该模块的结构、零件尺寸和形位公差标注、零件加工与装配的工艺性进行分析,在满足功能、强度、精度的前提下,对局部结构进行合理的改进。
b)零件的尺寸和形位公差标注在满足机床功能、不影响表达设计要求的前提下,兼顾我厂工艺和检测的需要。
c)将原借用件全部改为专用件。
专用件的件号重新编号,编号顺序以基础大件为起始
编号。
d)尽可能提高图面质量,使图形表达清楚,尺寸线位置间隔均匀,并尽量避免尺寸线
的隔断和交叉。
达到识图容易、图面整洁。
2.本部分的适用范围
本部分可供设计员在进行斜床身数控车床设计时参考使用。
同时也可供检图、标准化审查、工艺审查时参考使用。
3.本部分与K系列两轴进给的主要件修改变化情况说明见附件1。
4.本部分零件一览表见附件2。
5.本部分的结构分析见附件3。
本图册的编制,是在技术部主管所长领导下,由标准化牵头,邀请了技术部具有丰富经验的设计、工艺方面的专家参加。
并经过反复认真的讨论,经多次修改后定稿。
因此,本图册具有一定的指导意义,希望大家广为利用。
对使用中发现的问题,欢迎及时反馈到信息标准化,以便修改和维护。
参加本图册编制的主要人员有:
;
图样绘制:
为本图册编制提出宝贵意见的还有:
。
附件1:
本部分与K系列数控车床主要件的变化说明
1装配图
(1)丝杠螺母安装方式改为法兰安装;
(2)取消锥销与自制销过定位方式,只采用锥销定位方式;
(3)丝杠轴承锁紧螺母由原来的专用件改为外购件;
(4)Z轴采用大一号轴承,可以增加z轴支撑刚度;
(5)两端压盖及隔套可以通用,减少零件种类;
2零件图除上述主要变化外,还从改善零件的加工和装配工艺性考虑,对部分零件的结构、寸、公差进行了调整。
(1)06101L与07101L电机座根据实际情况和轴承外环与轴承孔的间隙要求确定轴承孔的公差为JS6;
(2)06102L与07102L轴承座根据实际情况和轴承外环与轴承孔的间隙要求确定轴承孔的公差为J6;
(3)06111L与07111L丝杠丝杠两端减少轴肩面数量,提高了丝杠刚度;
附件2:
本部分零件一览表
件号
名称
材料
件号
名称
材料
06101L
电机座
HT200
07101L
电机座
HT200
06102L
轴承座
HT200
07102L
轴承座
HT200
06103L
压盖
45
07103L
压盖
45
06104L
隔套
45
07104L
隔套
45
06105L
隔套
45
07105L
隔套
45
06106L
隔套
45
07106L
隔套
45
06111L
X轴丝杠
50CrMn
07111L
Z轴丝杠
50CrMn
附件3
进给系统设计和结构分析
「、滚珠丝杠副选择和计算
作为传动滑动丝杠的进一步延伸发展,滚珠丝杠由于其高效率、温升少、高精度、高速度、高刚性、可逆性、长寿命、低能耗、同步性、高灵敏度、无间隙、维护简单等优点而在当代数控机床进给伺服机构中得到广泛应用,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杠副,并进行必要的校核计算。
滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格(包括导程与公程直径)、支承方式等几个方面的内容。
1、精度选择
滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对机床定位精度影响最明显。
一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300p应小于目标设定位的定位精度值的1/3〜112,在最后精度验算中确定。
2、确定滚珠丝杠副的导程P
丝杠导程的选择一般根据设计目标快速进给的最高速度为vmax、伺服电机的最高转速
nmax及电机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足下式为:
P=Vmax
i-nmax
Vmax;床鞍最高移动速度
nmax;电机最高转速
i;传动比
3、滚珠丝杠副的承载能力计算
‘:
工作面的摩擦系数
m:
工作台的质量(kg)
g:
重力加速度(9.8m/s2)
爲:
轴向切削分力(N)
滚珠丝杠副所承受的轴向载荷:
Fn=」mgf〔f2ma
fi二(0.2~0.5)fz
:
丝杠预紧力(N)
Vmax
~T"
t=(0.05~0.2)s
f:
主切削力(N)
z
a:
工作台加速度
Vmax:
最咼速度(m/s)
t:
加速时间(s)(m/s2)
由于机床的加速时间很短,一般取0.05~0.2秒,因此加速时产生的轴向力可以分配到机床强力切削中。
不同的工作情况滚珠丝杠副所承受的轴向载荷也有所不同,主要分成以下三段时间内所承受的轴向载荷:
a、机床强力切削(粗加工和加速启停)
b、机床一般切削(精加工):
c、机床快速移动:
F2二」mg丄
y101
额定静载荷C0的计算:
F3八mgf2
C0>fs-Famax
fs:
静态安全系数,一般载荷取1〜2,有冲击或振动的载荷取2〜3
Famax:
最大轴向载荷,取三种工况中最大值。
动载荷的相关计算参照所选厂商的样本计算。
滚珠丝杠寿命计算:
Lh=
nmX60
Lh:
小时
L:
回转次数
nm:
平均转速(min—1)
临界转速(nj的计算:
60fEIg
nk=k:
A丫
l=未支撑长度mm
E=杨氏模量(2.06X105N/mm2)
I=丝杠最小断面惯性矩(mm4)
I=64d2=丝杠直径
A=丝杠断面面积(mm2)
ndA=4
丫二比重(7.65X10-5N/mm3)
g=重力加速度9.8x103mm/s2
丝杠安装方式的选择包括丝杠支承方式和丝杠专用轴承的选择,滚珠丝杠不同的支承方式对丝杠的刚度、回转精度,临界转速有很大的影响,一般根据丝杠的长度、回转精度、刚度要求及转速选择不同的安装方式。
4、丝杠稳定性、临界转速、冈I」度的核算
丝杠稳定性的核算是对按照额定动载荷选定的名义直径的丝杠,在给定的支承条件下
承受最大的轴向压缩载荷时,核算丝杠有没有产生纵向弯曲的危险。
对于机床设计来说,机床所受的轴向压缩载荷相对与其它机器比较小,因此可不进行丝杠稳定性的核算。
5、滚珠丝杠副的安装支撑方式
为了满足高精度、高刚度进给系统的需要,除了采用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外,还必须充分重视支承的设计。
螺母座、丝杠轴承及支座等刚性不足,将严重影响滚珠丝杠副的传动刚度,进而影响进给系统的传动刚度。
滚珠丝杠副的支承,主要是约束丝杠的轴向窜动,其次才是径向约束。
较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以采用单支承形式(一端固定,一端自由);水平安装丝杠较长时,
可以一端固定,一端游动;对于精密和高精密机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定;为了补偿热补偿和减少丝杠因自重下垂,两端固定丝杠还可以进行预拉伸。
三种支承结构各有特点,结合大滑板部件中滚珠丝杠的工况(水平放置、刚度和位移精度要求高、丝杠较长、耐拉不耐压、受压时会出现压杆稳定问题)与三种支承形式各自不同的特点,我厂目前选用的是两端固定的支承形式(两端固定形式的特点:
丝杠一般不会受压,只要轴向无间隙,丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍,固有频率比一端固定要高,可以预拉伸,预拉伸后可减少丝杠自重的下垂和补偿热膨胀,使用于刚度和位移精度要求高的场合).
6、滚动轴承类型的确定
丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷,径向除丝杠自重外,一般无外载荷,对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高,摩擦力矩要尽量小。
在众多的丝杠可采用的轴承中,60°推力角接触球轴承具有轴向刚度大、轴承安装简单、不需要进行预载调整、摩擦力矩小等特点,在此选用作为支承轴承。
7、轴承的组配
两个轴承DF(面对面)进行组配时,其支承的物理模型为一个“铰链支承”;两个轴承DB(背靠背)进行组配时,其支承的物理模型相似于一个“固定支承”。
所以,当支承较短而且需要进行自动调心时,一般用DF(面对面);当支承较长,面临“压杆问题”时,一般用DB(背靠背)。
有时,为了增加轴承支承的可靠性,在两个轴承的基础上,可以进行单个轴承的串联和轴承组配的串联。
1).丝杠与伺服电机相连接一端
丝杠与伺服电机相联一端是对轴承装配要求较高的一端,此端通过弹性联轴器与伺服电机轴相连。
轴承支承在刚性与强度上如果不能达到要求,将引起滚珠丝杠发生轴向窜动和径向摆动。
这些运动都会直接传递给伺服电机轴,引起伺服电机编码器精度的下降,最终导致机床加工零件精度的下降。
从功能出发,在这一端,我们需要轴承支承能够尽量的提高丝杠的径向刚度,尽量的减小丝杠的轴向的跳动和给电机的干扰。
从丝杠副所承受的载荷来分析,我们选择3个轴
承按照“一对背对背+1个串联”的方式进行组配。
2).丝杠另一端的支承方式
从理论上来说,仅有电机轴这一端的支承就满足需求了,但是当丝杠高速旋转时,另一自由端非常容易发生径向的摆动。
所以,我们在丝杠另一端也必须有支承(上文中已经提到先前已经确定了为两端固定的支承形式)。
从功能的角度出发,这一端首先采用一个60°推力角接触球轴承进行支承,同时考虑到丝杠在装配时定心的方便,在其后面增加一个深沟球轴承(深沟球轴承能承受一定的双向轴向载荷,极限转速高)。
8、丝杠的预拉伸
滚珠丝杠工作时会发热。
发热使丝杠热膨胀,从而加大导程,影响传动和定位精度。
对要求很精密传动的丝杠,需要补偿热膨胀。
丝杠预拉伸就使常用的补偿方法。
在制造时,使丝杠螺纹部分的长度小于公称长度(导程乘螺纹圈数)一个预拉伸量。
预拉伸量略大于热膨胀量。
装配时,通过一定拉伸结构,将丝杠拉长一个预拉伸量,使丝杠螺纹部分到公称长度。
工作时,热膨胀量抵消部分预拉伸量,丝杠拉应力下降,但长度不变。
从而保证螺距精度不受热膨胀的影响。
二、伺服电机计算
1、进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求:
静态设计要求:
1)、能够克服摩擦力和负载。
2)、很小的进给位移量!
目前最小的分辨率为0.1微米。
3)、高的静态扭转刚度。
4)、足够的调速范围。
5)、进给速度要均匀,在速度很低时无爬行现象。
动态设计要求
1)、具有足够的加速和制动转矩,以便快速地完成启动和制动过程。
2)、具有良好的动态传递性能,以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量。
3)、负载引起的轨迹误差应尽可能小。
为了满足上述要求,对进给伺服系统的执行元件--伺服电动机也提出了相应的要求,它们是:
1)、电动机在整个转速范围内都能平滑地运转,转矩波动要小,特别在低速时应仍有平稳的速度而无爬行现象。
2)、电动机应有一定的过载能力,以满足低速、大转矩的要求。
3)、为了满足快速响应的要求,电动机必须具有较小的转动惯量和大的堵转转矩、尽可能小的机电时间常数和起动电压。
4)、电动机应能承受频繁的起动、制动和反转。
2、伺服电机进给的计算:
(1)系统的参数设定:
拟选用伺服电机参数:
输出功率逆转转矩最高转速转动惯量
滚珠丝杠:
型号基本直径基本导程系统效率丝杠传动时降速比
(2)系统转动惯量的计算:
工作台折算到丝杠上的转动惯量:
式中:
S—丝杠螺距(mrj)S=10mm
V—工作台重量(kg)
J工作台(—)2M10"(kgm2)
2兀
(3)伺服系统在各种工作状态下的扭矩计算:
1).快速空载启动时所需力矩:
M=Mamax+Mf+Mo
a、加速力矩:
Mama—空载启动时,折算到电机轴上的加速力矩(N・m)
Jrn
Ma(Nm)
9.6T
式中:
Jr—折算到电机轴上的总惯量(kg.m2)
T—系统时间常数(s)
n—电机转速(r/min)
b、摩擦力矩:
Mf
Mf—折算到电机轴上的摩擦力矩(N・m)
Fos
Mf(Nm)
2兀ni')
式中:
Fo—导轨摩擦力(N)
滚动导轨摩擦系数为卩
工作台重量W(kg)
Fo=Wxg<卩
S—丝杠螺距(mr)
i--降速比
n—传动链总效率
c、附加摩擦力矩:
Mo
Mo—由于丝杠预紧引起的折算到电机轴上的附加摩擦力矩(kgf•m)
PoSn2_3
Mo(1-o)X10(Nm)
式中:
Po-滚珠丝杠预加载荷(N)
S—丝杠螺距(mrh
n—传动链总效率
i--齿轮降速比
2).最大切削负载时所需力矩
M=Mat+Mf+Mo+Mt
a、切削时折算到电机轴上的加速力矩
JrntMat-(Nm)
9.6T
式中:
nt—切削时电机转速(r/min)
T—系统时间常数
Jr—折算到马达轴上的总惯量(kg•吊)
b、切削力矩:
Mt
Mt—折算到电机轴上的切削负载力矩(N・m)
PtS3
Mt10(Nm)
2兀Ri
式中:
Pt—进给方向的最大切削力(N)
S—丝杠螺距(mrj)
i--齿轮降速比i=1
n—传动链总效率
3).快速进给时所需力矩:
M=Mf+Mo
(4)校验伺服进给电机性能;
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