数控铣床传动系统设计

1、指导教师：数控铳床传动系统设计学院：机械工程学院专 业：-机械维修及检测技术教育班 级：_学 号：_姓 名：第一章 立式数控铣床工作台（X轴）设计.1.1概述.11.2设计计算.21.3滚珠丝杆螺母副的承载能力校验.121.4传动系统的刚度计算.141.5驱动电动机的选型与计算.171.6机械传动系统的动态分析.201.7机械传动系统的误差计算与分析.211.8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号.第二章数控机床控制系统设.252.1设计内容.25总结与体会.32参考文献.33第一章 立式数控铳床工作台（X 轴）设计1.1概述231.1.1技术要求工作台、工件和夹具的总重量m=860kg（所

2、受的重力W=8600N, 其中，工作台的质量m0=46Okg（所受的重力W0=46OON；工作台的 最大行程Lp=560mm工作台快速移动速度Vmax=15000mmmin;工作台 采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数u=o.o1,静摩擦系数uo=o.o1； 工作台的定位精度为25um， 重复定位精度为18um;机床的工作寿命 为20000h（即工作时间为10年）。机床采用伺服主轴，额定功率PE=5.5kw，机床采用端面铣刀进 行强力切削，铣刀直径D=100mm主轴转速n=280r/min，切削状况如 表2-1所示。表2-1数控铣床的切削状况切削方式进给速度/（m/min）时间比例/（%）备注强

3、力切削0.610主电动机满功率条件下切削般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给1.1.2总体方案设计为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。（1）对滚珠丝杠螺母进行预紧；（2）采用伺服电动机驱动；（3）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连;（4）采用交流调频主轴电动机，实现主轴的无级变速。1.2设计计算1.2.1主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力FZ。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径D=100m）时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的 全部功率。此时，铣刀的切削速度为二Dn 3.14 100 10-

4、 280v1.47 m/s60 60若主传动链的机械效率m=0.8，按式Fz二星103可计算主切v削力FZ:npE30.8況5.53Fzm- 1010 = 2993.20NV1.47（2）计算各切削分力根据数控技术课程设计表2-1可得工作台纵向切削力Fl、 横向切削力Fc和垂向切削力Fv分别为F = 0.4F严0.4汇299320N = 119728NF = 0.95F = 0.95況299320N = 284354NczFv= 0.55Fz= 0.55汉299320N = 164626N表1-2工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值切削条件比值对称端铣不对称端铣逆铣顺铣端铣戸/Fz0.30U

5、0.400.60口0.900.15 LI 0.30Fc/Fz0.85U 0.950.45U 0.700.90LI 1.00(ae=(0.40.8)d0,af=0.10.2)Fv/Fz0.50LI 0.550.50U 0.550.50LI 0.551.2.2导轨摩擦力的计算（1）按数控技术课程设计（2-8a）式计算在切削状态下的导轨 摩擦力F.I。Fc、Fv-主切削力的横向切削分力（N）和垂向切削分力（N;W-坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量，N）；J-摩擦系数，对于帖塑导轨，1=0.15;对于滚动直线导轨，1=0.01，本设计为滚动导轨，取=0.01；fg-镶条紧固力（N）

6、,查数控技术课程设计表2-3得镶条紧固力fg=75N,则Fi(W fgFcFv)= 0.01 (8600 75 284354 164626)N J309ON表2-3镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/kw2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175（2）按数控技术课程设计（2-9a）式计算在不切削状态下的导轨摩擦力F.o和导轨静摩擦力FoF厂j(W fg) =0.01 (8600 75)N二86.75NFo= （Wfg）二0.01 （8600 75）N = 86.75N1.2.3计算滚珠丝

7、杆螺母副的轴向负载力（1）按数控技术课程设计（2-10a）式计算最大轴向负载力FamaxFamax= F1F厂1197.28130.90N = 1328.18N（2） 按数控技术课程设计（2-11a）式计算最小轴向负载力FaminFamin二Fd=86.75N1.2.4滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杆的导程根据已知条件，取电动机的最高转速nmax= 1500r/min，则由数控技术课程设计（2-16a）式Lo也 得:axvmaxL0 =inmax2）计算滚珠丝杆螺母副得平均转速和平均载荷（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷Famax

8、，快速移动和 钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷Famin。一般切削（粗加工）和 精细切削（精加工）时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷F2、F3分别可按 下列公式计算：F2 -Fa min20%Fa max，F3 -F& min5%Fa max并将计算结果填入表2-4表2-4数控铣床滚珠丝杆的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/（mmin）时间比例/（%）备注强力切削1328.18v1= 0.610F = F111amax一般切削（粗加工）352.39v2=0.830F Famin+20%Famax150001 1500mm = 10mm精细加工（精加工）153.39V3-150F = F+

9、 5%F131a min0/uiamax快移和定镗定位86.75v4=1510F4 -Fa min10100(2)计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速ni3r / min = 60r / min10 10=（竺60色80昱100卫150C）r/min=230r/min100 100 100 100(4)按式Fm =3F13n 100 F23n篇Fn9；：1為计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷Fm。得r / min = 1500r / minn2V23r / min = 80r /min10 10nsLoL3r / min = 100r / min10 10n4VL0(3)计算滚珠丝杆螺母副的平均

10、转速nmnm 业山100门 24 nn100 100niViL0Fm九q? +3n”q.nnm100入1001010080 30 153 163200 wo86.753霧-405.94N1.2.5确定滚珠丝杆预期的额定动载荷Cam13281836010352.393230100230100(1)按预定工作时间估算。查表2-5得载荷性质系数仁=1.3。已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级，查表2-6得精度系数fa=1。查表2-7得可靠性系数fc=0.44，则Cam =3j60nmLh100 fafc3405.941.3八6023020000N= 7808 .88 N100汉1汇0.44表2-5

11、载荷性质系数fw载荷性质无冲击(很平稳)轻微冲击伴有冲击或振动fw11.21.21.51.52表2-6精度系数fa精度等级1、2、34、5710fa10.90.80.7表2-7可靠性系数fc可靠性/(%)909596979899fc10.620.530.440.330.21(2)因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧， 所以可估算最大轴向载荷 查表2-8得欲加动载荷系数fe二4.5，贝yCam= feFamaJ4.5 1328 .18 N二5976 .81 N（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷Cam。取以上两种结果的最大值，即 Cam二7808.88N126按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经d2

12、m（1） 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杆的最 大轴向变形。已知工作台的定位精度为25， 重复定位精度为18 F， 根据 公式 max二（1/51/4）定位精度 5 和、max=（1/31/2）重复定位精度 5 以及定位精度和重复定位精度的要求，得max2=（1/ 51/4）25m =（56.25）mmax1=（1/31/2）18m=（69）m，取上述计算结果的较小值，即-max=5m。（2） 估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经d2m。本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副的安装方式拟采用两端固定式。 滚珠丝杆螺母副的两个固定支承之间的距离为欲加载荷类型轻预载中预载重预载fe6.7

13、4.53.4e表2-8欲加动载荷系数fL二行程+安全行程+2X余程+螺母长度+支承长度 （1.21.4）行程+（2530）Lo。L =1.4行程30L0二(1,56030 10)mm二1084mm又F=86.75N，由式得86.75 1084 c5.35mm1.2.7初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的L0、Cam、d2m，初步选择FF型内循环垫片预紧 螺母式滚珠丝杆螺母副FF3210-3,其公称直径d0、基本导程L0、额定 动载荷Ca和丝杆底径d2如下：d0=32mmL0=10mmCa二25.7kN Cam二7.81kNd?二27.3mm dzm二5.35mm故满足式Ca一Cam,

14、d?一d?m的要求。1.2.8确定滚珠丝杆螺母副的预紧力Fp1 1a* 肓1328.18N+42.73N1.2.9计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力(1)计算目标行程补偿值t(1)按式、厂Lu=11叽10fm计算目标行程补偿值其中、；t-目标行程补偿值(mm);：t-温度变化值(C)，一般情况下为23C;:-丝杆的线膨胀系数(1/C),一般情况下为11 10/C；Lu-滚珠丝杆副的有效行程(mm)。已知温度变化值t .2 C，丝杆的线膨胀系数=11 10/C，滚珠丝杆副的有效行程Lu二工作台行程安全行程2余程螺母长度二(5601002 20146)mm二846mm故t二：4=11 2

15、 846 10mm = 0.02mm(2)按式Ft=1.8t tdf计算滚珠丝杆的预拉伸力Ft。已知滚珠丝杆螺纹底径d2=27.3mm,滚珠丝杆的温度变化值4-2 C,则Ft=1.81 ：td； =1.81 2 27.32 3 4N =2712.86N21FBmax二FtFamax=(2712.86 1328.18)3376 .95 N32(2)计算轴承的预紧力FBP11F田FBmax3376.95N -1125.65N431.2.10确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号(1)按式FBmax =Ft Famax计算轴承所承受的最大轴向载荷Fpmax。2按式C =P 360nLh计算轴承的基本

16、额定动载荷C。100 =已知轴承的工作转速n二nm=230r/min,轴承所受的当量轴向载荷FBam531.59N,轴承的基本额定寿命L =20000h。轴承的径向载荷Fr和 轴向载荷Fa分别为Fr= FB. cos 60 =1531 .59N = 765 .80 N2Fa二FBamsin 60 =1531.59 N =1326.40 N2Fa1326.40因为W屈丽 儿73”2.17，所以查表2-9得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故P 二 XFrYFa二(1.9 765.80 0.54 1326.40) N 二 2171.28NP r-2171 28/-CV60nLhV60 2

17、30 20000N = 14136.84N100 100表2-9载荷系数组合列数2列3列4列(3)计算轴承的当量轴向载荷FBamFm二FBPFm二(1125.65 1405.30)N二1531.59N承载列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列组合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTT巨兰 2.17FrX1.91.432.331.172.332.53Y0.540.770.350.890.350.26F a _ . _2.17FrX0.920.920.920.020.020.920.920.920.92Y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0(5)确定滚动轴承的规

18、格型号由于滚珠丝杆螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用60角接触球轴承组背对背安装。 由于滚珠丝杆的螺纹底径d2为27.3mm所以 选择轴承的内径d为25mm在滚珠丝杆的两个固定端均选择60角接触球轴承两件一组背对 背安装，组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为760205TNI/P4DFB尺寸（内径X外径X宽度）为25mM 52mM 15mrp选择脂润滑。该轴承的预载荷能力FBP，为1250N大于计算所得的轴 承预紧力FBP=1125-65N.并在脂润滑状态下的极限转速为2600r/min,等于滚珠丝杆的最咼转速nmax= 1500r/ min，故满足要求。该轴承的额 定动载荷为C=220

19、00N而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动 载荷C=13985.1N,也满足要求。1.3滚珠丝杆螺母副的承载能力校验1.3.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杆始终受拉而不受压，因此，不存在压杆补稳定问题。1.3.2滚珠丝杆螺母副临界转速nc的校验根据以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度L2=797.5mm。 已知弹性模量E =2.1 105MPa, 材料密度17.8 10N/mm3，重力加速度g = 9.8 103mm/ s2，安全系数K 0.8。g查参考文献1 1表2-44得=4.73故可由式：2.1 10527252.12 9

20、.8 107.8 10色585.05二9425.87r/min本丝杆螺母副的最高转速为1500r min， 远远小于其临界转速，故满足要求。表2-44与支撑方式有关的系数支撑方式K2%f端固定段自由F-O0.251.8753.4端固定段游动F-S23.92715.1二段固定F-F44.7321.9滚珠丝杆的最小惯性矩为滚珠丝杆的最小截面积为4314444Id；27.34mm4= 27252.12mm46464A d2二31427.3 mm2= 585.05mm2424nc =K1602EI2二L；nc2=0.8 -2沃3.14沢797.51.3.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿

21、命，主要是指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杆在相同的条件下回转时，其中90%不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速查参考文献11附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷Ca=25700N，运转条件系数fw=1.2，滚珠丝杆的轴向载荷Fa二Fma1328.18N,滚珠丝杆螺母副转速n =nmax=1500r/min,由式L=(FafCa)3106,Lh二60nC3625700369“ L=()況10=(-) M0=4.19沃10 r得，Fafw1328.18 1.2Lh60 n4.1910h =46255 h601500般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命Lh-

22、20000h故满足要求。1.4传动系统的刚度计算1.4.1机械传动系统刚度计算(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度Ks。本工作台的丝杆支承方式为两端固定， 当滚珠丝杆的螺母中心位 于滚珠丝杆两支承的中心位置时(a二L/2,L =1035mm)时，滚珠 丝杆螺母副具有最小拉压刚度Ksmin，可按式Ksmin=6.6 10?计算：2 2Ksmi6.6 102- =6.6 102 N/m = 475.26N/5L1035当LY=797.5mm或&二匚.237.5mm时（即滚珠丝杆的螺母中心位于行程的两端位置时），滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度心吋,可按式4 237.5 (1035- 237.5)67

23、1.98N/F（2）计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度Kb。已知轴承接触角=60，滚动体直径dQ= 7.144mm，滚动体个数Z=16,轴承的最大轴向工作载荷FBmax=3376.95N,查参考文献1表2-45、2-46得K4 2.34話doZmaxSin5：=4 2.34 V7.144 1623376.95 sin560 N/5二1351.1N rlm（2）计算滚珠与滚道的接触刚度Kc查参考文献1附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度K =386N/ im，额定载荷Ca=25700 N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载d2LKSmax=6.6 10224）计算:K26.6 10d：L4LJ(L- L

24、J)6.6 10227.321035N/F1荷Famax=1328J8N，故由式R。= K）30.1CaF11328181得KcW肩尹=386(而歸TN/吩30976N/m(3)计算进给传动系统的综合拉压刚度K。大值为0.0054KnaxKsmaxKbKC671.98 1351.1 30976故Kmin= 164.69N /F1.4.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由以上计算可知，扭转作用点之间的距离L2= 905.5mm已知剪切模量a max0.1 2570由式K11K得进给传动系统的综合拉压刚度的最1_1_1故Kma183.28N/lm。m ax由式K KKh.xminsmin-丄 m，由以

25、上计算得扭转作用点之间的距离L2=1005.5mm，丝杠底径d 27.3mm，由式日鸟仆汩七d；得口2TL22249X005.5。v -7.21 10_=7.21 10_40.032d227.3（1）由扭转变形量二引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位 精度。由360360式=L得360真I日“ 0.032 CCCLL - =L=10 mm 0.89lm1.8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1.8.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本机床工作台采用半闭环控制系统，V300p、ep应满足下列要求：V3000.8 （-仁-）= 0.8 （25-0.053- 0.89尸m = 19.25 mep兰

26、0.8 （6叭 一） = 0.8汇（25 0.053 0.89）= 19.25m滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查参考文献111表2-20得V300厂8怙：19.255 ；查参考文献1表2-21得，当螺纹长度为850mm时，e-=15m9.25m故满足设计要求。1.8.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为FF3210-3,其具体参数如下。公称直径32mn基本导程10mm丝杠外经32.5mm丝杠底径27.3mm表7-1 2二弧度内行程变动量V-p和任意300mm亍程内行程变动量V300p（Jm）精度等级12345V2 Tip45678V300p68121623表7-2有

27、效行程Lu内的目标行程公差ep和允许的行程变动量Vup（单位：）有效行程/mm精度等级12345epVupepVupepVupepVupepVup315769812121817252540040087101015132019272650050097111116142221302963063010813121816252335318008001191513211729254033100010001310181424193429463912504.铣床数控系统电气原理图-伺服驱动器电路接线图第二章数控机床控制系统设2.1设计内容1 .按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方 案，并绘制

28、系统电气控制的结构框图；2.选择计算机或中央处理单元的类型；3.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；4 .根据控制对象以及系统工作要求设计扩展I/O接口电路， 检测电路，转换电路以及驱动电路等；5.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；6 .绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号, 管脚号及参数；7 .说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。2.2设计步骤1 .确定硬件电路的总体方案。数控系统的硬件电路由以下几部分组成:1.铣床数控系统电气原理图-主轴单元2.铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量13.铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量2

29、5.铣床数控系统电气原理图-电源图数控系统的硬件框图如下所示:铣床数控系统电气原理图-主轴单元XS10XS 1113 IO1224111423112：L7XO.O SQ-1竝.i HZXO.2SQY-1JD.5 SQY-5xo.j SQZ-1JiD.5 SQZ-a:;附三冬二二矢 :筑土咚二二丕軸三咚二二矢2雜土顷二二衣 工牠乏碳二二丕 二去土亞二匸天1S1224111715 24，G_|枸抵电理晓衆卜 竝百伽_X2J_QR：1 1335 I理卜20 I制X4.0 xTTxT?xH7他仆t? IMR4X4.5X4.6174 EFTOFZO16 -24-O3坯川15紺2 24Y； O14麻们1

30、24VG 1卜延君兰二d n * “13 00 6Z5 (H 91272A24 03 411 04 |：Z (E J二I2： 07 ig - 021 |5 CIOJ20 Olio7 012 i19 013?E 014Q1-5 :15?5 ?T ETT3?4 E5：FP1K OTffiZ?3 or=:ii15 2r-：j2 Z4YL014髀馬*1兽诂10.0Y0. 1Y0.2TO. 3Y0 4VO. 5YO. 6Y1.0YUY1.4总：Y0LITQ3盘絵二营俺號瓦丘縫空三冬整邑孝产率容-p 100盘狂剳 U趴龙）-丁乓更三至之卜-一匚.盅电數：卓:三铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量2豹控铁

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