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数控机床机械传动系统的改造设计优化方案

时间:2023-06-24 理论教育 版权反馈
【摘要】:主要介绍传动机构的滚珠丝杠的选择过程。举例进给滚珠丝杠副的参数校核与确定:1.丝杠导程的确定传动意义上的精密滚珠丝杠只要求定位精度不要求速度,当前数控机床的高速化不断推进大导程高速滚珠丝杠的发展。计算得C=10249.6N

数控机床机械传动系统的改造设计优化方案

主要介绍传动机构的滚珠丝杠的选择过程。滚珠丝杠副已经标准化,改造设计时的计算主要按照厂家提供的标准类型、丝杠精度等级,并结合所需参数选择滚珠丝杠。

举例进给滚珠丝杠副的参数校核与确定:

1.丝杠导程的确定

传动意义上的精密滚珠丝杠只要求定位精度不要求速度,当前数控机床的高速化不断推进大导程高速滚珠丝杠的发展。滚珠丝杠快速进给有两种方法:一是提高滚珠丝杠的转速;二是加大滚珠丝杠导程,朝大导程方向发展。为了兼具高速化、高精度化,必须取得转速与导程的平衡。所以现在丝杠导程的选择一般根据设计目标如快速进给的最高速度Vmax、伺服电动机的最高转速nmax及电动机与丝杠的传动比i来确定,基本丝杠导程应满足:

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Vmax=40m/min,nmax=2000r/min,i=1,取t=20mm,丝杠公称直径D=50mm。

2.丝杠工作动载荷

当数控冲槽机工作为单片冲制时,工件负载约为0.25kg,可忽略不计,计算负载时只需计算工作台本身质量600kg。计算作用于丝杠轴向的最大动载荷C,然后根据C值选择丝杠副的型号。

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式中,L为滚珠丝杠的寿命系数,L=6nT/106=135(T为使用寿命时间,取11250h);fw为载荷系数,取fw=1.5;fh为硬度系数,取fh=1;Fmax为最大工作载荷,Fmax=μWg=1176N(W=600kg,μ=0.2,g=9.8N/kg),该机床带动工作台运动没有其他切削力等。Ca为滚珠丝杠的额定动载荷(N),从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找出额定动载荷Ca相应的参数,选用时应使C<Ca。计算得C=10249.6N<Ca,满足丝杠工作时对动载荷的设计要求。

3.滚珠丝杠副传动刚度的验算

丝杠的导程误差、伺服系统误差、各机械环节弹性变形引起的误差是影响定位精度的因素。一般情况下,在以上各环节中影响弹性变形自大到小排列顺序是:滚珠丝杠本身的抗压刚度Kt;支承轴承的轴向刚度Kba;滚珠丝杠副中滚珠与滚道的接触刚度Kc;折算到滚珠丝杠副上伺服系统刚度KR;折算到滚珠丝杠副上联轴器的刚度K1;滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk螺母座、轴承座的刚度Kh

传动系统综合刚度K

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一般校核计算中,伺服刚度KR、折算到滚珠丝杠副上联轴器的刚度K1、滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk和螺母座、轴承座的刚度Kh可忽略不计,则式(2-3)可简化为

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(1)丝杠抗压刚度Kt 丝杠抗压刚度与其安装方式有关。最常见的安装方式是双推-简支支承方式,本方式是将两个方向上的推力轴承装在一端,另一端只装一个或两个深沟球轴承,如图2-1所示。

丝杠抗压刚度:

Kt=SE×10-3/la (2-5)

式中,S为丝杠小截面积(mm2),取D=50mm;E为丝杠材料的弹性模量(MPa),E=2.0×106kgf/cm2la为载荷作用点距双推轴承的最大长度(mm),取la=700mm。

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图2-1 双推-简支支承方式

根据式(2-5)计算得Kt=560N/μm。

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(2)螺母组件的接触刚度Kc为了消除轴向间隙,提高轴向刚度,对滚珠丝杠副常采用双螺母预紧。预紧力一般多为最大轴向载荷的1/3,有预紧力的变形量,可按下式计算:(www.xing528.com)

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式中,Py为预紧力(N),取Py=1/3FmaxZz为工作螺母(即一个螺母)的滚珠数量,取Zz=Z×圈数×列数=31×5=155,Z为一圈滚珠数;d0为滚珠的直径,取d0=5mm。Fmax=μgW=1176N。

所以变形量:

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接触刚度计算如下:

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(3)支承轴承的轴向刚度Kba轴承的轴向变形δ3按如下公式计算:推力球轴承

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式中,Z为轴承滚动体个数,取Z=11;dq为滚珠直径,取dq=10.31mm。

根据式(2-10)计算δc=2.48μm。

施加预紧力,故δ3=1/2δc=1.24μm,则

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根据计算,丝杠副总的变形量为

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验算其精度有综合刚度K=208.3N/μm,在工作的情况下弹性变形δ=5.84μm,根据要求其任意300mm行程内行程变动量为8μm,显然满足目标给定的定位精度要求。

4.滚珠丝杠副临界转速验算

其临界转速nc按如下公式计算:

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式中,ρ为丝杠材料密度(ρ=7.8g/cm3);λ为丝杠支承方式系数,双-双推λ=3.927;g重力加速度g=981cm/s2E为20.6×104N/mm2Jp为丝杠底径惯性矩la为支承距离,la=700mm;α安全系数α=0.8;S为丝杠轴断面面积,978-7-111-57103-2-Chapter02-14.jpg2。

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式中,d是指丝杠轴直径(mm),d=D-1.2DwD为滚珠丝杠的公称直径,D=50mm=5cm,Dw为滚珠丝杠的滚珠直径,Dw=3.969mm=0.3969cm。

计算得nc=3093r/min,nc>nmax

至此,所选丝杠型号基本确定,只需再根据行程和机械结构确定丝杠长度规格。

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