MJ50数控车床进给系统课程设计报告书.docx
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MJ50数控车床进给系统课程设计报告书
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
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1-1MJ-50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2-1MJ-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2-2MJ-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25mm×25mm;镗刀∮12mm～∮45mm
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/30min超载）
进给伺服电动机X轴AC0.9kW；Z轴AC1.8kW
机床外形尺寸2995mm×1667mm×1796mm
3.2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3-1FANUC-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0.001mm
3
最小移动单位
X轴0.0005mm
Z轴0.001
4
最大编程尺寸
±99999.999
5
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，0.001,0.01,0.1mm
8
进给倍率
从0～150%围以10%递增
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（0～9999.999s）
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：
0～45℃
运输和保管时-20～60℃
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）
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φ32mm，基本导程，其额定动载荷，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φ20mm和φ25mm。
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（kg·m2）；
JZ——丝杠上传动件的转动惯量（kg·m2）；
JS——丝杠的转动惯量（kg·m2）。
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）
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