毕业设计（论文）-750×600床身式数控铣床进给传动系统设计.doc

毕业设计750600床身式数控铣床进给传动系统设计夏生文112011406学生姓名： 学号： 机械工程系系 部： 机械设计制造及其自动化专 业： 梁雅琴（副教授）指导教师： 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 750600床身式数控铣床进给传动系统设计 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 112011406 学生： 夏生文 指导教师（含职称）： 梁雅琴（副教授） 1课题意义及目标数控机床进给传动系统性能直接关系着数控机床执行件的静态和动态特性、工作精度及负载能力，并影响着数控机床加工部件的性能与精度等。该课题要求学生根据要求确定主要的技术参数；拟定总体方案，并进行论证；进行机床传动系统设计；完成结构设计（包括滚珠丝杠及其轴承选择，伺服电动机选择等）。2主要内容课题要求：1）床身式数控铣床工作台为纵向（X轴）、横向（Y轴）、主轴箱（Z轴）进给；2）定位精度为0.012/300mm，重复定位精度为0.006mm；3）X向、Y向、Z向最大进给力为5000N；4）工作台纵向行程750mm，横向行程600mm，主轴箱行程450mm；5）工作台进给速度14000mm/min，快移速度15m/min；6）工作台纵向、横向脉冲当量分别为0.0025mm和0.001mm，主轴箱脉冲当量为0.005mm3主要参考资料1 杨广才，唐学媛.普通铣床的数控改造J.苏盐科技，2002.32 张德忠.X52K铣床数控化改造J.机械设计与制造，1995.13 郑堤，唐可洪.机电一体化设计基础M.北京：机械工业出版社，20074进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1拟定总体方案；确定主要技术参数3月 3 日 3月23日2完成机床传动系统设计3月24日 4月13日3进行结构设计计算及校核计算4月14日 5月 4 日4绘制零件图及结构装配图5月 5 日 6月 1 日5完成毕业论文及答辩工作6月 2 日 6月22日审核人： 年 月 日750600床身式数控铣床进给传动系统设计摘 要：随着科学技术的不断进步，机械零件加工领域产生了很大的变化。传统的普通机床已经无法满足市场高质量、高效率的竞争要求，而数字控制的数控机床的生产效率高以及能够加工复杂形状零件的特点，可以较好地适应零件加工的要求。本文主要介绍了750600床身式数控铣床的进给传动系统的设计过程，床身式数控铣床是一种立柱作竖直运动，工作台可以沿纵向或横向运动，但不升降的数控铣床。本设计依照给定的机床设计相关参数，通过查阅文献资料以及类比现有相似机床的相关参数完成了对床身式数控铣床X轴、Y轴和Z轴三个方向的进给系统设计，包括滚珠丝杠螺母副的选用、轴承的选择以及伺服电机的选择等，并对一些重要的部件进行了校核。关键词：床身式数控铣床，滚珠丝杠螺母副，进给传动系统，步进电机The design of feeding transmission system of 750600 Bed-type CNC Milling MachineAbstract：Along with the progress of science and technology, many profound changes have been happened in the area of mechanical parts processing. The traditional ordinary machine tools became difficult to meet the requirement of high quality and high efficiency in the market. Machine tools which are under numerical control have high production efficiency and the capability of processing parts with complex shapes. So they can effectively meet the processing requirements. This paper mainly introduced the design process of feeding transmission system of 750600 bed-type CNC milling machine. Bed-type CNC milling machine is referred to the machine whose column could move vertically. The table of bed-type CNC milling machine could move along the longitudinal or lateral way, but not the vertical line. This project completes the design of bed type CNC milling machine feed system along the X, Y and Z axes by reading some references and analysing relevant parameters of similar existing machines according to the given design parameters. It includes the type selection of ball screw, the bearing and servo motor. This design also checks some important parts and components.Keywords: Bed-type CNC Milling Machine, Ball Screw and Nuts,Feeding Transmission System, Stepping Motor目 录1 前言11.1 数控机床概述11.1.1 数控机床的组成11.1.2 数控机床的特点21.2 伺服进给系统传动系统概述21.2.1 伺服进给系统的分类31.2.2 伺服进给系统的基本要求41.2.3 伺服进给传动系统的基本形式51.3 进给传动系统总体方案的确定52 纵向进给传动系统的设计62.1 铣削力的计算62.2 纵向滚珠丝杠螺母副的选择82.2.1 确定丝杠的等效负载82.2.2 确定丝杠的最大动载荷及初步选型92.2.3 传动效率的计算102.2.4 滚珠丝杠副支承方式及轴承的选择102.2.5 刚度的验算132.2.6 滚珠丝杠螺母副的选型142.3 纵向步进电机的选择及齿轮传动的设计152.3.1 步进电机的选型152.3.2 减速齿轮传动副的设计173 横向进给传动系统的设计183.1 铣削力的计算183.2 横向滚珠丝杠螺母副的选择183.2.1 确定丝杠的等效负载183.2.2 确定丝杠的最大动载荷及初步选型183.2.3 传动效率的计算193.2.4 滚珠丝杠副支承方式及轴承的选择193.2.5 刚度的验算203.2.6 滚珠丝杠螺母副的选型213.3 横向步进电机的选择及齿轮传动的设计213.3.1 步进电机的选型213.3.2 减速齿轮传动副的设计224 垂直进给传动系统的设计244.1 铣削力的计算244.2 垂直方向的滚珠丝杠螺母副的选择244.2.1 确定丝杠的等效负载244.2.2 确定丝杠的最大动载荷及初步选型254.2.3 传动效率的计算264.2.4 滚珠丝杠副支承方式及轴承的选择264.2.5 刚度的验算274.2.6 滚珠丝杠螺母副的选型284.3 垂直方向的步进电机的选择及齿轮传动的设计284.3.1 步进电机的选型284.3.2 减速齿轮传动副的设计295 结论31参考文献32致 谢33IV太原工业学院毕业设计1 前 言1.1 数控机床概述当今社会，科技发展飞快，经济竞争日趋激烈，产品的更新换代越来越快，特别是在机械行业内，形状复杂的零件随着各类机械产品的更新而不断涌现，而且机械产品对各个零部件相互配合的精度要求越来越高，对单个零件精度要求也不断提高。市场竞争激烈，使中小规模、多品种生产的比例逐步增加。传统的加工设备和加工方法已经无法满足快速发展的多品种、精度高与形状复杂零件高质量高效率加工的要求。因此，世界各国都非常重视发展能解决小批量、精度要求高、形状复杂多变零件的数控加工技术。采用数字控制指令对机电产品或设备进行控制的一种自动控制技术称为数字控制技术1，简称数控技术。数控技术是先进制造技术实现的基础。许多现代的先进加工技术都是以数控技术为基础。而采用数控技术对各部件实现控制的机床就称为数控机床。1.1.1 数控机床的组成数控系统一般由输入装置和输出装置、CNC装置、伺服驱动装置、机床电器控制装置四个部分组成。被控制对象为机床本体2，如图1-1所示。图1-1 数控机床的组成框图1.1.2 数控机床的特点（1） 对于形状不同的零件完成自动加工的适应能力较强当被加工的零件发生变化，不需要对机床重新作出调整，也不需要重新生产制造适应新零件的工具和夹具，只需要按照新零件形状尺寸重新编制数控机床加工程序，就可以快速实现对新零件的加工。这样大大缩短了研发新产品试制的时间，而且也大大减少了传统加工制造新产品的工艺装备所需费用，有利于新产品的研发。（2） 生产效率高。机床加工消耗的时间由两部分组成，分别为机床运转时所消耗的时间和其它非加工时所消耗的时间。采用刚度足够的机械结构，保证数控机床可以采用较大切削用量来进行加工，加工零件一般都采用最佳的切削用量，使得时间有效地缩短。而数控机床被加工的零件一般都安装在比较简单的夹具上，因此当加工过程结束，对机床的调整和零件装卸时间也比普通机床所需时间短。（3） 加工精度高。数控机床采用滚珠丝杠副机构和各种误差补偿机构，使各级机构传动过程所产生的误差降到最低，同时采用程序控制制造过程，减少了人工操作机床时所带来的对加工精度的影响，这些保证了数控机床加工过程中的高精度和高质量稳定性。（4） 能加工形状复杂的零件。数控机床可以在空间实现任何复杂轨迹的生成和复杂空间曲面的生成。可以加工形状复杂零件，这是数控机床和普通机床相比特别突出的特点。1.2 伺服进给系统传动系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件三个部分组成3。进给传动系统的主要作用是接收数控系统的控制装置根据零件加工程序所指定的有关进给速度的指令信号和坐标指令脉冲，经过机床进给系统的处理，再经过电动机和滚珠丝杠副等机械传动装置，使工作台等机床本体的执行部件实现以加工程序所规定的速度进给并按坐标信号精确地到达指定位置。1.2.1 伺服进给系统的分类如图1-2所示三种进给系统组成图。a)b)c)图1-2 开环、半闭环和闭系统组成图（1） 开环伺服系统图1-2a所示为开环系统组成图。数控系统的控制装置产生速度、坐标等进给脉冲，经过处理后，将其按规律分配到电动机，电动机的一定角度的旋转对应于一个进给脉冲。开环伺服系统的结构简单，但精度较低，传动部件所引起的误差无法及时反馈给控制系统。但基本可以满足大多数中等精度数控机床的要求。（2） 半闭环、闭环伺服系统图1-2b所示为半闭环系统组成图。图1-2c所示为闭环系统组成图。数控系统的控制装置发出的指令电信号经过放大转化后带动步进电机或马达驱动机械传动机构及其部件的动作。反馈信号从反馈装置中发出经过进给系统，与控制装置所发出的指令程序进行比较，校验指令程序是否准确地执行。因此两种伺服系统的原理是相同的。半闭环和闭环伺服进给系统的不同之处主要是在：半闭环的反馈装置是检测电机转轴或滚珠丝杠是否转动了准确的角度，从而达到检测机床是否移动到相应位置；而闭环系统的反馈装置则是直接检测移动部件是否运动到指定位置。闭环系统有反馈装置，可以准确检测机床部件运动的位置，相比于开环伺服系统其精度较高，但机械结构较复杂，且安装与调整反馈装置较繁琐。1.2.2 伺服进给系统的基本要求（1） 高刚度只有机械运动部件的刚度足够，才不会发生变形，这样就可以保证数控系统具有较高加工精度和准确定位精度。（2） 小惯量传动部件如果重量或尺寸偏大则无法满足数控系统实现快速进给运动，只有降低传动部件的惯量，缩小尺寸才能达到数控系统快速运动和高速加工的要求。（3） 消除间隙移动部件的坐标信号没有反馈的数控系统中，如果传动机构中存在间隙必然会影响到传动的准确性，从而影响机床的定位的准确性。（4） 低摩擦4摩擦力的存在，首先会降低数控系统的传动效率，使机床传动部件发热；而且摩擦力也会对移动部件的快速运动造成直接影响。1.2.3 伺服进给传动系统的基本形式（1） 滚珠丝杠螺母副（2） 静压蜗杆蜗母条机构（3） 预加负载双齿轮齿条机构（4） 直线电动机和转台直接驱动1.3 进给传动系统总体方案的确定本设计主要进行床身式数控铣床的进给传动系统的设计，经过前期的计算和论证，纵向、横向和垂直三个方向的伺服系统均采用开环系统，虽然无反馈，结构简单，精度较低，但在传动机构之间添加间隙消除和误差补偿装置，基本上可以满足设计要求。进给系统的直线移动部件采用滚珠丝杠螺母副来实现。进给系统设计步骤主要包括滚珠丝杠副的选型与设计，伺服进给系统的设计。其中滚珠丝杠螺母副的选型与设计主要包括X轴、Y轴和Z轴三个方向的滚珠丝杠副的选用以及相应的支承轴承的选择。伺服进给系统的设计包括各进给方向电机的选型，考虑到细化脉冲当量，改变加在电机上的负载扭矩和负载惯量，因此伺服进给系统的设计还包括滚珠丝杠和电机之间的减速齿轮副的参数设计。2 纵向进给传动系统的设计2.1 铣削力的计算本设计中零件加工的方式为立式铣削，采用铣刀类型为高速钢立铣刀，铣削材料为碳钢。铣削力的计算公式5为：（2-1）式中系数，其值由铣削条件和工件材料所决定，当工件材料为碳钢时，查 简明铣工手册表3-13，取；背吃刀量（mm）；每齿进给量（mm/z）；侧吃刀量（mm）；铣刀齿数；铣刀直径（mm）；铣刀转数（r/s）;公式中的各个参数的指数；铣削条件改变时，铣削力的修正系数。其中切削用量等相关参数则以工作寿命和实际加工过程中最大铣削力为基础来进行选择，其值取为：由简明铣工手册表3-13。公式中各个参数的指数取： 当加工材料为碳钢，铣削力的修正系数由简明铣工手册表3-14得：代入公式（2-1）中得：（2-2）采用立铣刀进行不对称逆铣时，作用在工件上的分力分别为：水平方向铣削分力（纵向进给方向）：（2-3）轴线方向铣削分力（横向进给方向）：（2-4）垂直方向铣削分力（垂直进给方向）：（2-5）各系数分别取其中间值，得：由此可以计算铣削合力为：（2-6）在一周内的铣削过程中取平均铣削力2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的选择2.2.1 确定丝杠的等效负载最大工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠副的进给力，移动部件的重力以及作用在导轨上的切削分力所产生的摩擦力6。其数值大小与导轨的类型有关，本设计中在纵向进给方向上采用的导轨类型为矩形导轨。丝杠的进给牵引力的计算公式7为：（2-7）式中考虑颠覆力矩影响的系数；当量摩擦因数；在正常润滑条件下，对于矩形导轨，取，在本设计中取，分别为轴向铣削力（沿铣刀轴向）、径向铣削力（沿铣刀径向），切向铣削力（沿铣刀切向），其中沿主运动方向的切向铣削力是消耗主电机功率最多的分力；在本设计中，三个方向的铣削力的值分别为：纵向工作台的重量以及夹具和工件的重量。代入公式（2-7）中，得： Fm =1.13417.190.12（4410.607840） =3758.911470.07 =5228.98（N）（2-8）2.2.2 确定丝杠的最大动载荷及初步选型（1） 计算滚珠丝杠的工作寿命丝杠的工作寿命为：（2-9）式中工作寿命，一个单位是106转；滚珠丝杠的转速；注：是设定滚珠丝杠在静态或低速的条件下受载并工作，则滚珠丝杠的另一种失效形式发生在滚珠丝杠接触面上的塑性变形也需要考虑在内，即考虑滚珠丝杠的额定载荷是否远远超过滚珠丝杠的工作载荷8。故在本设计中选取来进行参考计算。丝杠的使用寿命，按设计机床的要求一般取=15000h。则有：（2-10）（2） 滚珠丝杠最大动载荷的计算滚珠丝杠最大动载荷的计算公式为:（2-11）式中滚珠丝杠副的寿命；载荷系数，一般取为1.21.5，本设计中取f=1.5；硬度系数，本设计中取fH=1；滚珠丝杠副的最大工作载荷。则有（2-12）（3） 滚珠丝杠副的初步选型查阅机电一体化系统设计手册9。根据最大动载荷的值，初选滚珠丝杠副为内循环FFZD40066P4丝杠，丝杠公称直径为40mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋，内循环浮动返回器。每个螺母滚珠有5列，双螺母垫片预紧。丝杠副精度为P4级，接触刚度为2220N/m。滚珠丝杠的额定动载荷，额定静载荷，则强度足够。预加载荷为：要求轴向载荷不超过预加载荷的三倍，预紧力就没有额外的要求，在本设计中远远小于19500（N），故不计算预紧力。初步选定的纵向进给系统的滚珠丝杠副基本满足设计要求。2.2.3 传动效率的计算滚珠丝杠副的传动效率为：（2-13）式中丝杠螺旋升角，本设计中为：；摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，f=0.0030.004，其摩擦角约为10。故传动效率为：（2-14）由此可知滚珠丝杠副的传动效率较高，滚珠丝杠的温度变化范围较小，这样对提高滚珠丝杠的刚度、强度，减小其热变形都有很大的作用。2.2.4 滚珠丝杠副支承方式及轴承的选择（1） 滚珠丝杠副的支承形式滚珠丝杠常用的支承方式有以下几种，如图2-1所示。a)b)c)d)图2-1 滚珠丝杠副的支承形式图2-1a中为一端轴向固定、一端自由（G-Z方式）。常用于丝杠长度、行程不长的丝杠以及竖直安装的丝杠10。在这种支承形式中滚珠丝杠一端自由，不做支撑。在另一端则安装推力角接触球轴承或者滚针-推力圆柱滚子轴承，安装后在轴向进行预紧，该类型轴承可以承载双向轴向载荷及径向载荷。图2-1b中为一端轴向固定，一端游动（G-Y方式）。常用于丝杠长度、行程较长的情况。该支承形式仅在滚珠丝杠一端安装推力角接触球轴承或者滚针-推力圆柱滚子轴承，该类型轴承可以承载双向轴线方向载荷及直径方向载荷。另一端安装深沟球轴承，在直径方向起到支撑作用，但可以在轴向游动。图2-1c中为两端支承（J-J方式）。这种安装形式是将推力轴承安装在滚珠丝杠两端，并在轴向进行预紧，对提高传动刚度有很大作用。图2-1d中为两端固定（G-G方式）。常用于丝杠较长或者转速高、精度和刚度要求较高的情况。这种安装形式在滚珠丝杠两端都安装推力角接触球轴承，该类型轴承可以承载双向径向载荷及轴向载荷，或者都安装滚针-推力圆柱滚子轴承，该轴承同样可以承载双向的径向和轴向载荷，丝杠两端采用双重支撑，并在两端进行轴向预紧，同样对提高传动刚度有很大作用。（2） 滚珠丝杠副的支承轴承常用的滚珠丝杠支承轴承主要有如图2-2所示的两种类型。a)b)图2-2 常用的滚珠丝杠支承轴承常用的滚珠丝杠支承的专用轴承分别为接触角为60的推力角接触球轴承和滚针-推力圆柱滚子轴承。这两类轴承相比较，推力角接触球轴承的摩擦力矩较小，可以根据不同的情况进行组合，但其刚度较低，而滚针-推力圆柱滚子轴承多用于较重载荷或刚度要求较高的情况。（3） 滚珠丝杠副的支承方式及轴承的选择本设计中纵向进给系统行程较长且精度要求中等，同时为了使机床的传动和振动所引起的误差减少，防止发生轴承卡死的情况，使丝杠留出足够的轴向移动空间。故在本设计中选用滚珠丝杆的支承方式为一端轴向固定，一端游动，如图2-1b所示，因为成对使用的轴承可以限制两个方向的轴向位移，因此在固定端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。按照选用内循环滚珠丝杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径的原则1。根据前面的计算所得结果，确定固定端轴承支承型号为，浮动端支承选用型深沟球轴承，浮动端的深沟球轴承只是承载滚珠丝杠副的部分重量，不需要计算。从表2-1可知，7602030TVP轴承的基本额定载荷=27500（N），远远大于滚珠丝杠的=5228.98（N），所以7602030TVP满足承载使用要求。表2-1 7602030TVP轴承具体参数轴承代号尺寸/mm基本额定载荷/N预载荷/N极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBCaC0a脂daDar7602030TVP3062162750066000290038000.23239.552.51游动端的轴承只承受滚珠丝杠副的部分重量，没有外载荷。从表2-2可知，6206型轴承参数也符合设计的要求，且性能好，价格低廉。表2-2 6206深沟球轴承具体参数轴承代号尺寸/mm基本额定载荷/N极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBrminCaC0a脂油daminDaminramin6206306216119500115009500130000.28536561注：表2-2中相关参数参照机械制图与设计简明手册11选择。2.2.5 刚度的验算滚珠丝杠在工作过程中受到机床部件及工件等作用的轴向力和电机转动所带来的转矩的作用下，会引起滚珠丝杠副导程的变化。但在电机转动所带来的转矩作用下所引起的的变化量很小，可以忽略不计。而滚珠丝杠副受到轴向力而产生的轴向变形却会给进给传动系统的定位精度以及各个部件运转的平稳性带来很大的影响。故选用滚珠丝杠副时需要考虑其在轴向力作用下的导程变化量是否符合设计要求，即滚珠丝杠的轴向刚度是否满足要求。工作负载引起的导程的变化量的计算公式12为：（2-15）式中工作负载，即进给牵引力，；滚珠丝杠导程，=6mm=0.6cm；材料的弹性模量，对于钢，=20.6104MPa（20.6106N/cm2）；滚珠丝杠的截面面积。根据初选结果滚珠丝杠螺纹底径d0=40mm=4cm，则（2-16）其中，“+”用于拉伸时，“-”用于压缩时。代入公式（2-15）中得到工作负载下导程的变化量为：（2-17）由于在电动机转动作用下所引起的滚珠丝杠的导程变化量很小，在计算导程变形总量误差时可以不考虑电动机转动所引起的变化量，所以。滚珠丝杠总长度上导程变形总量误差的计算公式为：（2-18）式中进给方向的最大行程，由设计任务要求进行估算，P总=1000mm=100cm。则（2-19）表2-3 有效行程内允许行程变动量根据估算可知，纵向滚珠丝杠的有效行程为1000mm，且滚珠丝杠副的精度等级为4级。4级精度丝杠有效行程允许行程变动量如表2-3所示13。可知纵向行程允许的行程变动量=25m20.2m，故所选用的滚珠丝杠刚度足够。（单位：m）有效行程/mm精度等级12345710大于至/m3156812162380010009131725332.2.6 滚珠丝杠螺母副的选型根据以上的计算结果初步选定滚珠丝杠的型号，同时进行刚度验算后，所选滚珠丝杠的型号符合设计要求。最终选定滚珠丝杠的型号为FFZD40066P4，其结构形状如图2-3所示，具体的相关参数数值见表2-4和表2-5。图2-3 FFZD型滚珠丝杠安装表2-4 型滚珠丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠大径/mm轴端直径/mm螺母滚珠列数额定动载荷/N额定静载荷/N刚度/(N/m)d0PhDwddCaC0aKcFFZD4006406438.935526000840002220表2-5 型滚珠丝杠螺母安装连接尺寸（单位：mm）DD3D4BD5D6hD7MTEL1L260947515915948M636681282.3 纵向步进电机的选择及齿轮传动的设计2.3.1 步进电机的选型（1） 转轴上启动力矩的计算（2-20）式中脉冲当量，按照任务书中课题要求纵向脉冲当量=0.0025（mm/步）；运动部件负载，=1.1Fc=1.14410.60=4851.66（N）；作用在运动部件上的负载，=0.25Fc=0.254410.60=1102.65（N）；导轨摩擦系数，对于矩形导轨，取=0.12；步进电机的步距角，初选=0.6；机械传动效率，一般取=0.6；G纵向运动部件的负载，根据前面的计算结果G=7840（N）。代入公式（2-20）得： （2-21）（2） 确定步进电机的最高工作频率（2-22）式中执行机构的最高进给速度，按照任务书所给要求为4m/min。代入公式（2-22）中得：（2-23）（3） 确定纵向步进电机型号综合考虑并参考常用步进电动机的参数14。选择110BYG3508三相混合式步进电机，其主要技术参数见表2-6。表2-6 110BYG3508步进电机主要技术参数型号相数保持转矩/()步距角（）静态相电流/A空载频率/Hz起动频率/Hz相电感/mH转动惯量/（）使用电压范围/V110BYG3508380.63.230000160020680350由表2-6可知，保持转矩为8Tg=2.357，且步进电机最高工作频率fmax=26667Hz，在该型号步进电机的空载频率30000Hz和起动频率1600Hz之间，通过分析和计算，纵向进给传动系统使用110BYG3508三相混合式步进电机。2.3.2 减速齿轮传动副的设计根据任务书的课题要求可知纵向脉冲当量=0.0025mm/步。要实现这一脉冲当量，则需要在滚珠丝杠副和步进电机之间加入减速齿轮传动副机构，减速齿轮传动副机构的减速比为：（2-24）式中脉冲当量，取0.0025mm/步；基本导程，由前面的结果可知为6mm；步进电机的步距角，由前面的结果可知为0.6。则可计算出：（2-25）传动比计算后，根据结构上的安排决定采用二级齿轮降速还是一级齿轮降速，主要考虑因素是齿轮减速箱体的结构不可以干涉到溜板在滚珠丝杠有效行程内的运动。考虑到不可使齿轮直径过大，避免干涉纵向溜板的运动行程，所以采用二级齿轮减速来实现设计所要求的传动比。小齿轮齿数一般取为，取15。可选的齿数为：表2-7 减速齿轮传动副的具体参数减速齿轮传动副的其他参数也可以计算出来，见表2-7。（单位：mm）齿数20402040模数2分度圆直径40804080齿顶圆直径44844484齿根圆直径35753575中心距60603 横向进给传动系统的设计3.1 铣削力的计算横向进给传动系统铣削力计算公式按公式（2-1）来计算，其计算结果与纵向进给系统计算结果相同，即：采用立铣刀进行不对称逆铣时，作用在工件上的分力为：轴线方向铣削分力为：铣削合力为：在一周内的铣削过程中取平均铣削力为3.2 横向滚珠丝杠螺母副的选择3.2.1 确定丝杠的等效负载进给牵引力的数值大小与导轨的类型有关，本设计中在横向进给方向上采用的导轨类型同样为矩形导轨。按公式（2-7）计算进给牵引力为，横向工作台的重量以及夹具和工件的重量G=(350+500)9.8=8330(N)，代入公式（2-7）中，得： Fm =1.13417.190.12（4410.608330） =3758.911528.87 =5287.78（N）3.2.2 确定丝杠的最大动载荷及初步选型（1） 计算滚珠丝杠的工作寿命横向进给传动系统滚珠丝杠的工作寿命按公式（2-9）计算，其结果为：（2） 滚珠丝杠最大动载荷的计算横向进给系统滚珠丝杠最大动载荷的按公式（2-11）计算，结果为:（3） 滚珠丝杠副的初步选型根据最大动载荷的值，初选横向进给系统滚珠丝杠副与纵向进给系统滚珠丝杠型号相同，为内循环FFZD40066P4丝杠，丝杠公称直径为40mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋，内循环浮动返回器。每个螺母滚珠有5列，双螺母垫片预紧。丝杠副精度为P4级，接触刚度为2220N/m。滚珠丝杠的额定动载荷，额定静载荷，则强度足够。预加载荷为：要求轴向载荷不超过预加载荷的三倍，预紧力就没有额外的要求，在本设计中远远小于19500（N），故不计算预紧力。初步选定的横向进给系统的滚珠丝杠副基本满足设计要求。3.2.3 传动效率的计算横向进给系统滚珠丝杠副的传动效率按公式（2-13），其结果为：由此可知横向进给传动系统传动效率较高，滚珠丝杠的温度变化范围较小，这样对提高其的刚度、强度，减小其热变形都有很大的作用。3.2.4 滚珠丝杠副支承方式及轴承的选择本设计中横向进给系统行程较长且精度要求中等，故在本设计中横向进给传动系统滚珠丝杆的支承方式也选用一端轴向固定，一端游动，如图2-1b所示，固定端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。按照选用内循环滚珠丝杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径的原则1。根据前面的计算所得结果，确定固定端轴承支承型号为7602030TVP，浮动端支承选用6206型深沟球轴承，浮动端的深沟球轴承只是承载滚珠丝杠副的部分重量，不需要计算。从表3-1可知，7602030TVP轴承的基本额定载荷=27500（N），远远大于滚珠丝杠的=5287.78（N），所以7602030TVP满足承载使用要求。表3-1 7602030TVP轴承具体参数轴承代号尺寸/mm基本额定载荷/N预载荷/N极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBCaC0a脂daDar7602030TVP3062162750066000290038000.23239.552.51游动端的轴承只承受滚珠丝杠副的部分重量，没有外载荷。从表3-2可知，6206型轴承参数也符合设计的要求。表3-2 6206深沟球轴承具体参数轴承代号尺寸/mm基本额定载荷/N极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBrminCaC0a脂油daminDaminramin6206306216119500115009500130000.28536561注：表3-2中相关参数参照机械制图与设计简明手册11选择。3.2.5 刚度的验算横向进给传动件系统的工作负载引起的导程的变化量的按公式（2-15）计算得：由于在电动机转动作用下所引起的滚珠丝杠的导程变化量很小，在计算导程变形总量误差时可以不考虑电动机转动所引起的变化量，所以。滚珠丝杠总长度上导程变形总量误差按公式（2-18）计算，其中横向进给方向的最大行程估算为P总=800mm=80cm。计算结果为：根据估算可知，横向滚珠丝杠的有效行程为800mm，且滚珠丝杠副的精度等级为4级。4级精度丝杠有效行程允许行程变动量如表3-3所示。可知横向行程允许的行程变动量，故所选用的滚珠丝杠刚度足够。表3-3 有效行程内允许行程变动量（单位：m）有效行程/mm精度等级12345710大于至/m315681216236308008121623313.2.6 滚珠丝杠螺母副的选型根据以上的计算结果初步选定滚珠丝杠的型号，同时进行刚度验算后，所选滚珠丝杠的型号符合设计要求。最终选定滚珠丝杠的型号为FFZD40066P4，其结构形状如图2-3所示，具体的相关参数数值见表3-4和表3-5。表3-4 型滚珠丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠大径/mm轴端直径/mm螺母滚珠列数额定动载荷/N额定静载荷/N刚度/(N/m)d0PhDwddCaC0aKcFFZD4006406438.935526000840002220表3-5 型滚珠丝杠螺母安装连接尺寸（单位：mm）DD3D4BD5D6hD7MTEL1L260947515915948M636681283.3 横向步进电机的选择及齿轮传动的设计3.3.1 步进电机的选型（1） 转轴上启动力矩的计算横向进给系统转轴上启动力矩按公式（2-20）计算，其中脉冲当量按照任务书中课题要求为=0.001（mm/步），横向运动部件的负载根据前面的计算结果G=8330（N），则转轴上的启动力矩为： （2） 确定步进电机的最高工作频率按照公式（2-22）计算得：（3） 确定横向步进电机型号综合考虑并参考车床数控化改造实例表3-28常用步进电动机的参数。选择110BYG3508三相混合式步进电机，其主要技术参数见表3-6。表3-6 110BYG3508步进电机主要技术参数型号相数保持转矩/()步距角（）静态相电流/A空载频率/Hz起动频率/Hz相电感/mH转动惯量/（）使用电压范围/V110BYG3508380.63.230000160020680350由表3-6可知，保持转矩为8Tg=0.952，且步进电机最高工作频率fmax=66667Hz，在该型号步进电机的空载频率30000Hz和起动频率1600Hz之间，通过分析和计算，横向进给传动系统使用110BYG3508三相混合式步进电机。3.3.2 减速齿轮传动副的设计根据任务书的课题要求可知横向脉冲当量=0.001mm/步。要实现这一脉冲当量，则需要在滚珠丝杠副和步进电机之间加入减速齿轮传动副机构，减速齿轮传动副机构的减速比为：（3-1）式中脉冲当量，取0.001mm/步；基本导程，由前面的结果可知为6mm；步进电机的步距角，由前面的结果可知为0.6。则可计算出：传动比计算后，根据结构上的安排决定采用二级齿轮降速还是一级齿轮降速，主要考虑因素是齿轮减速箱体的结构不可以干涉到溜板在滚珠丝杠有效行程内的运动。考虑到不可使齿轮直径过大，避免干涉横向溜板的运动行程，所以采用二级齿轮减速来实现设计所要求的传动比。小齿轮齿数一般取为，取。可选的齿数为：表3-7 减速齿轮传动副的具体参数减速齿轮传动副的其他参数也可以计算出来，见表3-7。（单位：mm）齿数20802050模数2分度圆直径4016040100齿顶圆直径4416444104齿根圆直径351553595中心距100704 垂直进给传动系统的设计4.1 铣削力的计算垂直进给传动系统铣削力计算公式按公式（2-1）来计算，其计算结果与纵向、横向进给系统计算结果相同，即：采用立铣刀进行不对称逆铣时，作用在工件上的分力为：垂直方向铣削分力为： 铣削合力为：在一周内的铣削过程中取平均铣削力为4.2 垂直方向的滚珠丝杠螺母副的选择4.2.1 确定丝杠的等效负载进给牵引力的数值大小与导轨的类型有关，本设计中在垂直进给方向上采用的导轨类型同样为燕尾形导轨。丝杠的进给牵引力的计算公式7为：（4-1）式中考虑颠覆力矩影响的系数；当量摩擦因数；在正常润滑条件下，对于燕尾形导轨，取，。分别为轴向铣削力（沿铣刀轴向）、径向铣削力（沿铣刀径向），切向铣削力（沿铣刀切向），其中沿主运动方向的切向铣削力是消耗主电机功率最多的分力；在本设计中，三个方向的铣削力的值分别为：垂直方向工作台的重量以及夹具和工件的重量。代入公式（4-1）中，得： Fm =1.43417.190.2（4410.609800） =4784.072842.12 =7626.19（N）4.2.2 确定丝杠的最大动载荷及初步选型（1） 计算滚珠丝杠的工作寿命垂直进给传动系统滚珠丝杠的工作寿命按公式（2-9）计算，其结果与纵向、横向进给系统相同，为：。（2） 滚珠丝杠最大动载荷的计算垂直进给系统滚珠丝杠最大动载荷的按公式（2-11）计算，结果为:（3） 滚珠丝杠副的初步选型根据最大动载荷的值，初选垂直进给系统滚珠丝杠副型号，为内循环FFZD50066P3丝杠，丝杠公称直径为50mm，基本导程为6mm，螺纹旋向为右旋，内循环浮动返回器。每个螺母滚珠有5列，双螺母垫片预紧。丝杠副精度为P3级，接触刚度为2610N/m。滚珠丝杠的额定动载荷，额定静载荷，则强度足够。预加载荷为：要求轴向载荷不超过预加载荷的三倍，预紧力就没有额外的要