立式数控铣床进给系统课程设计.

1、中北大学课程设计说明书目 录1概述 31.1零件技术要求 31.2总体方案设计 32设计计算 32.1主切削力及其切削分力计算 32.2导轨摩擦力计算 42.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 42.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 43工作台部件的装配图设计 94滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 94.1滚珠丝杠螺母副临界转速压缩载荷的校验 94.2滚珠丝杠螺母副临界转速 nc的校验 104.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 105计算机械传动系统的刚度 105.1机械传动系统的刚度计算 105.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 126驱动电动机的选型与计算 126.1计算折算到电动机轴上的负载惯量

2、126.2计算折算到电动机上的负载力矩 136.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩 136.4选择驱动电动机的型号 147机械传动系统的动态分析 157.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 157.2计算扭转振动系统的最低固有频率 158机械传动系统的误差计算与分析 168.1计算机械传动系统的反向死区 168.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 168.3计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 169确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 169.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 179.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 17课程设计总结通过此次数控编程课程设计，我

3、对立式数控铣床的进给系统有了个基本的了解，加 深了对立式数控铣床的认识。通过立式数控铣床进给系统的设计，使我在装配结构和制 造结构的各种方案以及在机械设计制图、 零件计算和编写技术文件等方面得到了综合训 练，培养了我的初步的结构分析与结构设计计算能力。虽然只有一周的时间，在很仓促的情况下完成了这次数控编程的课程设计，但收获 却很大，使我初步具备了设计的能力，并且我相信我在这方面的设计能力会逐渐成熟起 来。参考文献1.范超毅数控技术课程设计武汉：华中科技大学出版社，20062.王爱玲机床数控技术北京：高等教育出版社，20062中北大学课程设计说明书1. 概述1.1 零件技术要求工作台、工件和夹具

4、的总质量 m=918kg其中，工作台的质量 510kg；工作台的最 大行程Lp=600mm工作台快速移动速度20000mm/min工作台采用贴塑导轨，导轨的动 摩擦系数0.15，静摩擦系数均为0.2 ;工作台的定位精度为30卩m重复定位精度为10 卩m机床的工作寿命为20000h(即工作时间为10年)。机床采用主轴伺服电动机,额定 功率为5.5kw,机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径125mm主轴转速300r/min。表1数控铳床的切削状态切削方式进给速/(m/mi n)度时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1

5、510空载条件下工作台快速进给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) 工作台工作面尺寸(宽度X长度)确定为 400mM 1200mm(2) 工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯(PT-F E)导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。(3) 对滚珠丝杠螺母副米用预紧措施，并对滚珠丝杠米用预拉伸。(4) 采用伺服电动机驱动。(5) 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。2. 设计计算2.1 主切削力及其切削分力计算(1)

6、 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=125mm 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3二 Dn 3.14 125 10300,vm/s = 1.96m/s60 60若主传动链的机械效率nm=08，按式(2-6)可计算主切削力Fz：n p30 8汉 5 53F103 二 12 103 =2244.9 Nv1.96(2) 计算各切削分力。根据表2-1可得工作台纵向切削力F1、横向切削力Fc和垂向切削力Fv分别为R =0.4Fz =0.4 2244.9N =897.96NFc =0.95Fz =0.95 2244.

7、9 =2132.655NFv =0.55Fz =0.55 2244.9N =1234.695N2.2 导轨摩擦力的计算(1) 按式(2-8a)计算在切削状态下的导轨摩擦力F)。此时，导轨动摩擦系数J =0.15，查表2-3得镶条紧固力fg =1500N，贝UF.-'(W fg Fc 尺)=0.15 (8996.4 1500 2132.655 1234.695)N 二 2079.56N(2) 按式(2-9a)计算在不切削状态下的导轨摩擦力F.b和导轨静摩擦力F。F.0 =二(W fg) =0.15 (8996.4 1500)N =1574.46NF。二 (W fg) =0.2 (8996

8、.4 1500)N = 2099.28N2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力(1)按式(2-10 )计算最大轴向负载力Famax。Famax = R F 厂(897.96 2079.56) N = 2977.52N按式(2-11a )计算最小轴向负载力Famin。Famin =Fb =1574.46N2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杠的导程根据已知条件，取电动机的最高转速 错误！未找到引用源。，则由式（2-16）得10 mm2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷（1）估算在各切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷Famax，快速移动和钻镗定位

9、时的轴向载荷定为最小载荷Fa min，一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷f2、F3分别可按下式计算:F2 二 Famin'2000 Famax，F3 二 Famin ' 5%Famax6中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书并将计算结果填入表4-2表4-2数控铣床滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/（m/mi n）时间比例/（%）备注强力切削2977.52v<i = 0.610F1 = Fa max一般切削（粗加工）2169.964v2 = 0.830F2 = Fa min + 20/0 Famax精细加工（精加工）1723

10、.336V3 = 150F3 Fa min5%Fa max快移和钻镗定位1574.46v4 vmax10F4 - Fa min（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速niV1n60r / minL0n2V2 二 80r / minL0#中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书v3n3100r / minL07中北大学课程设计说明书8中北大学课程设计说明书阳=4 = 2000 冷nL0(3)按式(2-17)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm。q1q2q3q4rnmn1n2n3n4 二 280 min100100100100 按式(2-18)计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。3 niqi

11、Fm =3 F13 n1 q1F23 n2 q2Fn3 也 qn =1763.59Nnm 100nm 100nm 1003)计算滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam(1)按照预定工作时间估算查表 2-28得载荷性质系数 仁=1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级,查表2-29得精度系数fa = 1，查表2-30得可靠性系数仁=0.44，则由式(2-19)得Cam=3 60nmLh Fm= 36224.42N100 fa fc 因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式(2-21)估算最大轴向载荷。查表 2-31得预加载荷系数fe =4.5，则c'am 二 f Famax =4.5 29

12、77.52N =13398.84N(3) 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷取以上两种结果的最大值，即 Cam =36224.42N 。4)按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。(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杠的最大轴向变形。已知工作台的定位精度为30卩m重复定位精度为10卩m根据式(2-23)、(2-24)以及 定位精度和重复定位精度的要求，得错误！未找到引用源。max2 =30m二67.5取上述计算结果的最小值错误！未找到引用源。max =3.33lm(2) 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 d2m。本机床工作台(X轴)滚珠丝杠螺母副的安装方式拟米用两端固定

13、方式。 滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L二行程+安全行程+2X余程+螺母长度+支承长度(1.2 1.4)行程 +(25 30)L取L=1.4 X 行程 +30L0错误！未找到引用源又 F0 =2099.84N，由式(2-26)得d2m-0.0392100 1140=33.068mm(5)初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的Lg、Cam、d2m，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠 螺母副FFZD4010-5其公称直径d0、基本导程Lo、额定动载荷Ca和丝杠底径d2如下:d0 =40mm、错误！未找到引用源Ca=46500N Cam =36224.42N d 34.

14、3mm d2m = 33.068mm故满足式(2-27)的要求。6) 由式(2-29)确定丝杠螺母副的预紧力Fp11FpFamax2977.52 = 992.51N337) 计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力(1) 按式(2-31)计算目标行程补偿值。已知温度变化 氏=2C，丝杠的线膨胀系数-11 10%m/C，滚珠丝杠螺母副的 有效行程Lu二工作台行程+安全行程+2X余程+螺母长度=(600+100+2X 20+146)mm=886mmt 一 ： tLu =11 10-6 2 886 =0.02(2) 按式(2-32)计算滚珠丝杠的预拉伸力Ft。已知滚珠丝杠螺纹底径d 34.3mm

15、，滚珠丝杠的温升变化值.:t =2E，则Ft =1.81 ：td； =1.81 2 34.32N =4258.89N8) 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号(1) 按式(2-33)计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax。11FBmax =FtFamax =(4258.892977.52)N = 5747.65N22(2) 计算轴承的预紧力FBp。1FBpFBmax =1915.88N3(3) 计算轴承的当量轴向载荷FBam oFBam Fbp ® 二 3679.47 N按式(2-25)计算轴承的基本额定动载荷C。已知轴承的工作转速 错误！未找到引用源。n = nm二280rmin

16、 ,轴承所承受的当量轴 向载荷FBam M679.47N，轴承的基本额定寿命 L=20000ho轴承的径向载荷F和轴向载 荷Fa分别为F 二 FBam cos60 = 1839.735NFa =FBamsi n60 = 3186.42N因为匕 3186.42 =1.73： 2.17，所以查表2-25得，径向系数X=1.9，轴向系数 Fx 1839.735丫=0.54，故P=XF YFa -5216.16NP IC =3 60nLh =36263.02N100(5)确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠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，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由

17、于滚珠丝杠的螺纹底径d2为34.3mm所 以选择轴承的内径d为30mm以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产 60°角接触球轴承两件一组背对背安装，组成 滚珠丝杠的两端固定支承形式。轴承的型号760306TNI/P4DEB尺寸（内径X外径X宽度） 为30mnX 72mnX 19mn,选用脂润滑。该轴承的预载荷能力 FBJ为2900N,大于计算所得 轴承预紧力Fbp "915.88N。并在脂润滑状态下的极限转速为 2500r/min，高于滚珠丝 杠的最高转速nmax =2000r/min，故满足要求。该轴承的额定动载荷为 C=36500N ,而 该轴承在2

18、0000h工作寿命的基本额定动载荷C=36263.02N,也满足要求。3. 工作台部件的装配图设计将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计（见图），其计算简图如图1所示。图1立式数控铳床工作台计算简图4滚珠丝杠螺母副的承载能力校验4.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杠支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此，不 存在压杆不稳定问题。4.2滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验由图1得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度 L2=919.5mm其弹性模量E=2.1 X 105MPa1已知材料密度 2 X 7.8 x 10-N/mm3，重力加速度g=9.8 x 103mm/s2,g

19、安全系数K1 =0.8，由表2-44得与支承有关的系数 =4.37.滚珠丝杠的最小惯性矩为JT 43 14444I d234.3 mm = 67909mm6464滚珠丝杠的最小截面积为3.14A d234.3 mm =923.54 mm44=0.8由式（2-36）260 I 52 3.14 ；t；.：2.1工5 '冷叮9.8工37.8"0沢田9出9=8493.05r/mi n本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为2000r/min,远小于其临界转速，故满足要求4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验查附录A表A-3得滚珠丝杠的额定动载荷Ca=46500N轴向载荷Fa=2977.52N,

20、运 转条件系数fw=1.2，滚珠丝杠的转速n=2000r/min，根据式（2-37 ）、式（2-38 ）得（C）3L= x 106=1.89 x 109r Fa fw >Lh=- =21000h60n一般来讲，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh _20000h，故满足要求。5. 计算机械传动系统的刚度5.1机械传动系统的刚度计算（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度Ks本机床工作台的丝杠支承方式为一端固定、一端游动。由图1可知，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心的位置 （a=L/2，L=1140mm时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度Kamin，由式(2-45a)得j = 6.6 X10

21、2= 619.06N/ima 二 LY -919.5mm或a - Lj -319.5mm时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度Ksmax，由公式(2-45b )得Ksmax= 6.6102d；L4Li L Li15中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书二 66 X IO2 X3172 X11404 X 3191x(1140-319.5)=767.25N/卩 m(2) 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb已知轴承接触角P=600，滚动体直径dQ =7.144mm滚动体个数 Z=17,轴承的最大轴向工作载荷FBmax=5361.41N，由表2-45和表2-46得，1Kb=4X 2.34 X (

22、dQZ2FBmaxSi n50 )3 =1654.30 N/ Am(3) 计算滚珠与滚道的接触刚度Kc。查附录A表A-3得滚珠丝杠的刚度K=1585 N/m,额定动载荷Ca=46500N,滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷 Famax=2981.18N,由式(2-46b)得1F 习Kc=K=1390.00 N/ Aml01Ca丿(4) 计算进给传动系统的综合拉压刚度Ko由式(2-47a )得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为maxs maxKb1Kc=0.00263#中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书故 Kmax =380.23 N/ Jm由式(2-47b)得进给传动系统的综合拉压刚

23、度的最小值为KminKsmin匕+KbKc=0.0030故 Kmin =333.33 N/5.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由图1可知，扭转作用点之间的距离L2 = 919.5mm已知剪切模量G=8.1 x 104MPa滚珠丝杠的底径d2=32.7mm故由式(2-48)得K =二d2G =错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。N - m/rad=8844.51 N - m/rad V 32L26. 驱动电动机的选型与计算6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量(1) 计算滚珠丝杠的转动惯量Jr。已知滚珠丝杠的密度 27.8 x 10“ Kg/ cm3，故由式(2-63 )得nJr=0.78 X

24、10% dXi壬= 0.78 10 2 34 8.9 44 100.9 2.54 5.2 kgLcm2=21.43Kg cm2(2) 计算联轴器的转动惯量J0J0 =0.78 X 103 ( D4- d4) L=11.62Kg cm2(3) 计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量JL已知机床执行部件(即工作台、工件和夹具)的总质量m=918Kg电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=10mm=1cm则由式(2-65)得fL 丫2Jl =m=23.28Kg cm2-(4) 由公式(2-66)计算加在电动机轴上总的负载转动惯量JdJd= Jr + J0 + JL= (21.43+11.

25、62+23.28 ) =56.33 Kg cm26.2计算折算到电动机轴上的负载力矩(1)计算切削负载力矩Tc。已知切削状态下坐标轴的轴向负载力Fa= Famax=2977.52N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=10mm=0.010m进给传动系统的总效率=0.90，贝U-导=5.3N m(2) 计算摩擦负载力矩I已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力(即为空载时的导轨摩擦力)F.0 “575N，由式(2-55)得F比LT 严 0 =2.79N mf2別(3) 计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf。已知滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp =992.51N ,滚珠丝杠螺母副的基本

26、导程L0 = 12mm = 0.012m , 0.01滚珠丝杠螺母副的效率0=0.94，由式(2-56)得( 1 0)=0.20N mf 2二6.3计算坐标轴折算到电动机轴上各种所需的力矩(1)计算线性加速力矩Ta1已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速nmax=2000r/min，电动机的转动惯量Jm=62Kg cm2，坐标轴的负载惯量Jd =56.33Kg cm2。取进给伺服系统的位33置环增益ks=20Hz,则加速时间ta = = s=0.15s，由式(2-58)得 ks20Tai =max60 980ta(Jm + Jd )( 1-kstae(62+65.36 )x( 1一严

27、5)Kgf cm=12.1N m(2)计算阶跃加速力矩19中北大学课程设计说明书1 1已知加速时间厂廿丸恥，由由式(2-59)得Tap =2- nmax60 980ta（Jm + Jd）#中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书=37.42N m计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。 由式(2-61)计算线性加速时的空载启动力矩 TqTq=Ta1+ （T+Tf） = （12.1+2.79+0.20 ） N- m=15.09N- m 由式（2-61）计算阶跃加速时的空载启动力矩Tq。Tq=Tap+ （T+Tf） = （37.42+2.79+0.20 ） N- m=40.41N- m

28、由式（2-57a）计算空载时的快进力矩Tj。TkJ =i+Tf =2.79+0.20=2.99N m 由式(2-61 )计算切削时的工进力矩TgjTgj = TC + Tf = (5.3+0.20 ) N m =5.50N m6.4选择驱动电动机的型号(1)选择驱动电动机的型号根据以上计算和表2-47 ,选择日本FANU(公司生产的a12/3000i型交流伺服电动机 为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率 3KV；最高转速3000r/min ;额定力矩 12N- m 转动惯量62 Kg cm2 ;质量18K®交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的510倍，若按5倍计算，该电动机

29、的加速力矩为60N- m均大于本机床工作台线性加速时的空载启动力矩Tq=15.09N - m以及阶跃加速时的空载启动力矩Tq =40.41Nm,所以，不管采用何种加速方式，本电动 机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为12N- m,均大于本机床工作台的快进力矩TkJ =3.0N m以及工进力矩Tgj =5.73N m因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即0.25 <Jd22中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书而新答=0.91 “0.25，"故满

30、足惯量匹配要求7. 机械传动系统的动态分析7.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率.nc已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度K0 = Kmin =333.33 X 106 N /m，滚珠丝杠螺母1副和机床执行部件的等效质量为 md =m +- ms，其中m 叫分别为机床执行部件的质量3兀ms =4和滚珠丝杠螺母副的质量，已知 m=918Kg则X 42 X 123.9 X 7.8 X 10 Kg=12.14Kg1md =m + - g =922Kg3ncK0 =635rad/s md7.2计算扭转振动系统的最低固有频率wnt#中北大学课程设计说明书#中北大学课程设计说明书折算到滚珠丝杠轴上的

31、系统总当量转动惯量为Js = Jr+J0=(21.43+11.62)Kg cm2 =33.05Kg cm2 =0.003Kg m2又丝杠的扭转刚度Ks = K =8844.5N m/rad ,wnt= ；s =1637.1rad/s由以上计算知道，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、c=635rad/s，扭转 振动系统的最低固有频率 Wnt =1831rad/s都比较高。一般按 nc =300rad/s的要求来设计 机械传动系统的刚度，故满足要求。8. 机械传动系统的误差计算与分析8.1计算机械传动系统的反向死区厶已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值Kmin =371.27 X 106 N/mn,导轨的静摩擦力 F0=1575N 由式