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计算举例



选取的滚珠丝杠转动系统为:

磨制丝杠(右旋)
轴承到螺母间距离(临界长度) ln = 1200mm
固定端轴承到螺母间距离 Lk = 1200mm
设计后丝杠总长 = 1600mm
最大行程 = 1200mm
工作台最高移动速度 Vman = 14(m/min)
寿命定为 Lh = 24000工作小时。
μ= 0.1 (摩擦系数)
电机最高转速 nmax = 1800 (r/min)
定位精度:
  最大行程内行程误差 = 0.035mm
  300mm行程内行程误差 = 0.02mm
  失位量 = 0.045mm
支承方式为(固定—支承)
W = 1241kg+800kg (工作台重量+工件重量)
g=9.8m/sec2(重力加速度)
I=1 (电机至丝杠的传动比)
Fw=μ×W ×g = 0.1×2041×9.8 ≈ 2000 N(摩擦阻力)

运转方式 轴向载荷
Fa=F+Fw (N)
进给速度
(mm/min)
工作时间比例
无切削 F1=2000 V1=14000 q1=15
轻切削 F2=4000 V2=1000 q2=25
普通切削 F3=7000 V3=600 q3=50
重切削 F4=11000 V4=120 q4=10

Fa --- 轴向载荷 (N) F --- 切削阻力 (N) Fw --- 摩擦阻力 (N)

从已知条件得丝杠编号:
    此设计丝杠副对刚度及失位都有所要求,所以螺母选形为:FDG(法兰式双螺磨制丝杠)
    从定位精度得出精度精度不得小于P5级丝杠
    FDG_-_X_R-_-P5-1600X____

计算选定编号
   
导程

= 14000/18000≈7.7mm

  在此为了安全性考虑:Pho =10(mm)
运转方式 进给速度
(mm/min)
进给转速
(r/min)
无切削 V1=14000 n1=1400
轻切削 V2=1000 n2=100
普通切削 V3=600 n2=60
重切削 V4=120 n2=12

    平均转速

    平均载荷

    时间寿命与回转寿命

=24000×266×60

=383040000转次

    额定动载荷
    以普通运动时确定fw取 1.4

得:额定动载荷 Ca≥39673N
以Ca值从FDG系列表及(丝杠直径和导程、丝杠长度表) 中查出适合的类型为:
公称直径: d0=40mm 丝杠底径: d0=33.9mm 导程:Pho=10mm 循环圈数:4.5
额定动载荷为:48244N。
丝杠编号: FDG 40 × 10R - P5 - 4.5 - 1600 × ____
    预紧载荷

Fao = Fmax/3=11000/3 ≈ 3666 N

    丝杠螺纹长度

Lu=L1-2Le L1=Lu+2Le

=1200+2×40=1280mm

丝杠螺纹长度不得小于1280mm加上螺母总长一半84mm(从系列表中查出螺母总长168mm)。
得丝杠螺纹长度 ≥ 1364m。
在此取丝杠螺纹长度 L1=1400mm
则轴承之间的距离Ls=1400mm
丝杠编号: FDG - 10R - P5 - 4.5 - 1600 × 1400

丝杠公称直径
公称直径由允许工作转速与工作容许轴向载荷来推算得出。
临界转速及允许工作转速:

nkper≤0.8×nk nk ≥ nkper/0.8

以安装形式确定fnk 取18.9。

可知丝杠螺母底径大于ø 13.7
    当Pho=10(mm)、最高转速达到1400(r/min) 时,系列表中适合的公称直径d0≥32mm 。
    上述由额定动载荷Ca 求得的公称直径 d0=40mm>32 ,满足条件,否则公称直径还应加大。
丝杠编号: FDG 40 × 10R – P5 - 4.5 - 1600 × 1400

滚珠丝杠传动系统刚度
    初始条件:失位量 = 0.045mm。
    滚珠丝杠系统之间各元部件(丝杠、螺母、支承轴承),在此设为:0.04mm。
此时滚珠丝杠系统各元部件单边弹性变形量为:0.02mm。 此时为无切削运动时的轴向载荷2000N。
    丝杠刚度
    当Ls1=Lk,Rs 为最小,一般情况下计算最小刚度值。

δ = Fa/Rs

=2000/176≈11.4μm

    螺母刚度
    在此预紧载荷为额定动载荷的10%,螺母刚度从表中查出 R=2128N/μm
    从表中查出额定动载荷Ca=48244N,在此ε取0.1.

δnu=Fa/Rnu
=2000/1554 ≈1.3μm

    支承刚度
    支承轴承刚度RaL可从轴承生产厂产品样本中的查出。
在此RaL=1020N/μm

RaL=FaaLδaL=Fa/RaL

= 2000/1020 ≈ 2μm

    轴向总刚度

1/Rtot = 1/Rs + 1/Rnu + 1/RaL

=1/176 + 1/1554 + 1/1020

≈1/138 Rtot137 N/μm

        总弹性变形量(单边)

δtot = δs + δnu + δaL

=11.4+1.3+2

=14.7μm ≤ 20μm,合格。

    从丝杠轴向总刚度的问题上来讲,丝杠的刚度有时比螺母的刚度重要,最佳提升刚性的方法是提高丝杠的刚度,而不是在螺母上施加太重的预紧载荷(预紧载荷最高为额定动载荷的10%),如果将丝杠的安装方式改为(固定-固定)式,轴向总刚度的最小刚度Rtot≈305N/μm 、总弹性变形量(单边)δs=6.7μm 。

电机的选定
    驱动转矩
    Fa为无切削轴向载荷2000N。

    Fa为轻切削轴向载荷4000N。

    Fa为普通切削轴向载荷7000N。

    Fa为重切削轴向载荷11000N。

    由预加载荷而产生的转矩
    
在此 Kp 取 0.18

    在精确设计中要考虑各方面的转矩(如:加速度时之负载转矩及马达所负荷的总惯性矩等)。
I = 1 (电机至丝杠的传动比)
    平均速度时最大驱动转矩

Mt1=Mta+Mte=19.5+1.4≈21Nm

在此马达转速最高设计为1500r/min
    电机的选定时,一般来说以平均速度时的 Mt1 在电机额定转矩的30%以内情况下使用。

检校
    丝杠理论容许轴向载荷
    以安装形式确定fFk 取20.4

Fk=fFk × d24/Lk2 ×104

=20.4×33.92/1200×104

≈187097 N

    丝杠工作容许轴向载荷

Fkzul = Fk/2

=187097/2≈93549N

最大轴向载荷小于丝杠工作容许轴向载荷,合格。
    临界转速
    以安装形式确定取18.9

nk=fnk× d2/Ln2 ×107

=18.9×33.9/12002×1074449 r/min

    允许工作转速

nkper 0.8 × nk

=0.8 × 4449 ≈ 3559 r/min

最大运动转速小于允许工作转速,合格。



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