课程设计说明书最终改

1、天津职业技术师范大学课程设计专业：机电技术教育班级学号：机工1011-02、 12、 22学生姓名：韦宏亮徐培钧高文科指导教师：孙宏昌二一三年六月天津职业技术师范大学本科生课程设计立式数控铣床工作台（X 轴）设计Vertical CNC milling machinetable （X shaft ）design专业班级：机工1011学生姓名：韦宏亮徐培钧高文科指导教师：孙宏昌学院：机械工程学院2013 年 6月第一章绪论1.1 数控技术和数控机床国内现状数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各

2、工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。近几年我国数控产品发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的

3、进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、鲁棒性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产，应用环境也不那么简单。数控产品是在生产环境中使用，面临的是五花八门的工艺问题。如果开发部门对这些问题掌握得

4、不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。或者同样型号的数控机床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件时却不尽人意。出现这种情况，有时是用户操作人员的水平问题，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，如为考验新开发的数控系统，厂家自己设计和从生产实际中收集了大量零件程序，让数控系统运行各种各样的程序，一旦发现问题，即立即反馈给开发部门予以解决。经过这样的测试考验过程后，数控系统的潜在问题就大为减少

5、。以往，我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验。很多问题都要等到用户去给我们挑出来。这样，即使一个小问题也将严重影响国产数控产品的声誉。1.2 课题提出的意义和目的与普通铣床的工艺装备相比较，数控铣床工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压甚至计算机控制，其自动化程度更高。合理使用数控铣床的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。其主要功能如下：点位控制功能：此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工；连续轮廓控制功能：此功能可以实现直线、圆弧的

6、插补功能及非圆曲线的加工；刀具半径补偿功能：此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算；刀具长度补偿功能：此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求；比例及镜像加工功能：比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现；旋转功能：该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行；子程序调用功能：有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作

7、为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工；宏程序功能：该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。因此，我们应在商品化方面切实狠下工夫，将其作为数控产业的主干来抓，贯穿于技术研究、产品开发、试制、生产等的全过程中，从而将我们已有的技术水平较高的数控产品变成真正有市场的好商品。第二章立式数控铣床工作台（X 轴）设计2.1 技术要求工作台、工件和夹具的总重量m =920kg（所受的重力W=8000N），其中，工作台的质量 m0 =520kg（所受的重力 W0 =5000N）；工作台的最大行程L p =590mm；工作台快速移动速

8、度 vmax =15000mm min ；工作台采用滚动直线导轨， 导轨的动摩擦系数u=0.01,静摩擦系数 u0=0.01 ；工作台的定位精度为 25 um ，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 PE5.5KW ，机床采用端面铣刀进行强力切削， 铣刀直径 D=125mm，主轴转速 n=220r/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

9、1510空载条件下工作台快速进给为了满足以上技术要求，采取以下技术方案:(1) 对滚珠丝杆螺母进行预紧。(2) 采用伺服电机驱动。(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。2.2 设计计算2.2.1 主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力 Fz 。由已知条件，我们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），此时，铣刀的切削速度为vDn3.14 125 10 3 300 m / s 1.96m / s6060若主传动链的机械效率m 0.8， 可 计 算 主 切 削 力 F z；Fzm PE 1030.8

10、6.0 103 N 2448.98Nv1.96（2）计算各切削分力。根据表 2-2 （查阅数控机床课程设计 1 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F10.4Fz0.4 2448.98 N979.59 NFc0.95 Fz0.952448.98 N 2326.53NFv0.55Fz0.552448.98N1346.94 N表 2-2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F1 / Fz0.300.400.600.900.15 : 0.30(ae (0.4 0.8)d0 ,a f 0.1 0.2)Fc /

11、Fz0.850.950.450.700.901.00Fv / Fz0.500.550.500.550.500.55圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣F1 / Fz-1.001.200.80 : 0.90Fv / Fz(ae0.05d0 , af0.1 0.2)Fc / Fz-0.200.300.75 :0.800.350.400.350.402.2.2 导轨摩擦力的计算（ 1 ）按式计算在切削状态下的导轨摩擦力F。此时，导轨动摩擦力系数0.01 ，Fc 、 Fv - 主切削力的垂向切削分力（N）和横向切削分力（ 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）；- 摩擦系数，随导

12、轨形式不同而不同，对于帖塑导轨，=0.15 ；对于滚动直导轨，=0.01 ；F(WfgFcFv )0.015(980081.822326.531346.94)203.33 Nf g -镶条紧固力（N）, 其推荐值可查表2-3得镶条紧固力fg=1500N，则W mg 920 9.8 9016N表 2-3镶条紧固力推荐值主电动机功率 /kw导轨形式2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175按式F0(Wfg ), 计算在不切削状态下的导轨摩擦力F 0和导轨静摩擦力F0 。F 0(Wf g )0.

13、015(980081.82)148.23NF00 (Wfg )0.02(980081.82)197.64 N2.2.3 计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力按式 Fa maxF1F ， F1 - 主切削力的纵向切削力Fa maxF1F(979.59 203.33) 1182.92 N按式 Fa minF 0(W f g ) N计算最小轴向负载力F a min F o 148.23N2.2.4 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vmaxn max3000r / minL0根据已知条件，取电动机的最高转速，则由式in max得：L0vmax15000in maxmm 5mm1 3000

14、2) 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Fa max ，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷 Fa min 。粗加工和精加工时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷F2、F3分别可按下列公式计算：F 2 Famin20%Fa max ， F 3Famin 5%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进给速度时间比例切削方式轴向载荷 /N备注/( m min )/( )强力切削1182.92v10.610F1Fa max一般切削（粗加工）384.81v20.830F 2Fa

15、min20%Fa max精细加工（精加工）207.38v3150F 3Fa min 5%Fa max快移和定镗定位148.231.510F4Fa min计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速nin1v10.63r / min120r / minL0510n2v20.8r / min160r / minL05103n3v31r / min200r / minL05103n4v415r / min3000r / minL05103nmq1 n1q2 n2.qnnnnm 。（3）按式100100100计算滚珠丝杆螺母副的平均转速nmq1n1q2 n2 .qn nn100100100(1060308

16、05010460r / min1001001003000) r / min100100Fm3 F13 n1q1F23 n2q2.Fn3 nnqn按式nm 100nm 100nm 100 计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷Fm 。Fm3 F13 n1q1F23 n2 q2.Fn3 nnqnnm 100nm 100nm 1003 1182.92312010384.8138030207.38320050148.233300010 N460100230100460100460100376.08 N3) 确定滚珠丝杆预期的额定动载荷C am（1）按预定工作时间估算。查表 2-5得载荷性质系数 f w 1.3。

17、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Cam360nm LhFm f wf c 0.44Lh20000h100 f a f c，额定寿命则由式得Cam3 60nmLhFm f w100 f a fc3 60 230 20000 376.08 1.3 N100 1 0.449114.87N表 2-5载荷性质系数 f w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 f a精度等级1、2、34、 5710f a10.90.80.7表 2-7可靠性系数 f c可靠性909596979899

18、/( )f c10.620.530.440.330.21因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式估算最大轴向载荷。查表2-8 得欲加动载荷系数f e 4.5，则Camfe Famax4.51182.92 N 5323.14N表 2-8欲加动载荷系数 f e欲加载荷类型轻预载中预载重预载f e6.74.53.4（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷C am 。取以上两种结果的最大值，即C am =9114.87N4）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。(1) 已知 工作台的定位精度 为 15 m ，重复定位精 度为 8 m ，根据公式max(1/3 1/ 2）重复定位精

19、度和max(1/5 1/ 4）定位精度及定位精度和重复定位精度的要求，得max1(1/ 3 1/ 2） 8 m(8.33 12.5)m ，max2(1/ 5 1/ 4） 15m(3.6 4.5)m取上述计算结果的较小值，即max2.67m 。（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L=行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 +支承长度 （ 1.2 1.4 ）行程 +（2530）L0取 L=1.4 行程 +30 L0 =（1.4 600+305）mm=990mm,又W0.01(9800

20、3000)197.64，No由式d 2m0.078 F0 Lmax得 d 2 m 0.078F0 L0.078197.649902.6721.12mmmax5）初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的 L0 、 C am 、 d2m ，初步选择 FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆, 螺母副 FFZD4010-5,其公称直径 d0 、基本导程 L0 、额定动载荷 C a和丝杆底径 d2 如：d0 50mm ，L05mm ，Ca22200 NCam 9114.87 N , d246.4mmd2m 21.12mm ，故满足式 CaCam ， d2d2m 的要求。Fp1FamaxFp3由式确

21、定滚珠丝杆螺母副的预紧力Fp1 Fa max1 1182.92 N 394.31N33计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力按式 ttLu 11 tLu10 6 mm计算目标行程补偿值tt - 目标行程补偿值 (mm) ；t - 温度变化值（ C ），一般情况下为 23 C ；- 丝杆的线膨胀系数（ 1/ C ）, 一般情况下为 11 10 6 / 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 6 / C ，滚珠丝杆副的有效行程Lu =工作台行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度= （590+100+220+146）mm=87

22、6mm,故 ttLu11 tL u10 6 mm 11 2 876 106 mm 0.019mm(2) 按式 Ft1.81 td22计算滚珠丝杆的预拉伸力Ft 。已知滚珠丝杆螺纹底径 d234.3mm, 滚珠丝杆的温度变化值 t2C，则Ft1.81 td 221.81 2 34.32 N 4258.89N8) 确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号（1）按式 FB maxFa max 计算轴承所承受的最大轴向载荷FB max 。(2) 计算轴承的预紧力 FBpFBp1 FB max11182.92. N 394.31N33（3）计算轴承的当量轴向载荷FBamFB maxFBp 1 Fm (39

23、4.31 376.08) N770.39 N2(4) 按式CP 3 60nLh100计算轴承的基本额定动载荷 C 。已 知 轴 承 的 工 作 转 速 n nm220r / min , 轴 承 所 受 的 当 量 轴 向 载 荷FBam2074.84N , 轴承的基本额定寿命 L 20000 h。轴承的径向载荷 Fr 和轴向载荷 Fa分别为FrF Bam cos 60o770.390.5 N385.20 NFaF Bam sin 60o770.39 0.87 N670.24 N因为 Fa670.241.74 2.17 ，所以查表2-9 得，径向系数X=1.9，轴向系数Fr385.20Y=0.5

24、4，故PXFrYFa(1.9385.200.54670.24) N1093.81NCP 360nLh1093.813 60 460 20000 N 8972.67 N100100表 2-9载荷系数组合列数2 列3 列4 列承载列数1 列2 列1 列2 列3 列1 列2 列3 列4 列组合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTTFaX1.9-1.432.33-1.172.332.53-2.17FrY0.54-0.770.35-0.890.350.26-FaX0.920.920.920.020.020.920.920.920.922.17FrY1.01.01.01.01.01.01.

25、01.01.0(5) 确定轴承的规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，以组成滚珠丝杆两端固定的支承形式。由于滚珠丝杆的螺纹底径d2 为 36.9mm，所以选择轴承的内径 d 为 35mm，以满足滚珠丝杆结构的需要。在滚珠丝杆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， 组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为760207TNI/P4DFB,尺寸（内径外径,宽度）为35mm 90mm 23mm，选择脂润滑。该轴承的预载荷能力FBP 为 5600N，大于计算所得的轴承预紧力FBP =2647.25N. 并在脂润滑状态下的极限转速为1

26、500r/min, 等于滚珠丝杆的最高转速 nmax 1500r / min ，满足要求。该轴承额定动载荷为 C =50000N，而该轴承在 20000h 工作寿命下的基本额定动载荷 C =39597.89N, 也满足要求。2.3 滚珠丝杆螺母副的承载能力校验2.3.1 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L2827.5mm 。已知弹17.8 10 5 N / mm3性 模 量 E 2.1 105 MPa ， 材 料 密 度g，重力加速度g 9.8 103 mm/ s2，安全系数 K10.8 。查参考文献 1 表 2-44 得4.73 。滚珠丝杆

27、的最小惯性矩为Id243.1434.34 mm467909 mm46464滚珠丝杆的最小截面积为Ad 22 3.14 34.32 mm2923.54 mm244故可由式nc K160 2EI2 L22Anc60 2EIK1A2 L220.8604.7322.1 10567909 9.8 10 3r / min23.14827.527.810 5923.54得 10738.5r / 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。2.3.2 滚珠丝杆螺母副的寿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

28、剥落的情况下运转的总转速查参考文献1附录A表 A-3 得滚珠丝杆的额定动载荷C a 46500 N，运转条件系数f w1.2，滚珠丝杆的轴向载荷 FaFmax 1373.21N , 滚珠丝杆螺母副转速nnmax1500r / minL( Ca)3 106,由式Fa f w，LhLLCa)310646500)3106r2.25 109r(60n 得Fa fw1373.211.2L2.25 109h249667 hLh60150060n一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命Lh20000h 故满足要求。2.4 传动系统的刚度计算2.4.1. 传动系统的刚度计算(1) 计算滚珠

29、丝杆的拉压刚度 K s 。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( aL/2,L1065mm)时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度K smin，K smin6.62 d2210可按式L 计算：K smin6.610 2d226.610234.32N / m 729.09 N / mL1065当aLY827.5mm或aLJ237.5mm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 K smax ， 可 按 式2d22 LK smax 6.6 104LJ (LLJ ) 计算：K

30、 smax6.6 102d22 L4LJ (LLJ )6.610234.321065N / m4237.5(1065237.5)1051.94N /m（2）计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度K b 。已知轴承接触角60 ，滚动体直径 dQ7.144mm，滚动体个数 Z=17，轴承的最大轴向工作载荷FB max5818.86 N, 查参考文献1表 2-45、2-46得K b4 2.34 3 dQ Z 2 FBmax sin 54 2.34 3 7.144 17 2 5818.86 sin5 60 N / m 1699.68N / m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

31、得滚珠与滚道的接触刚度 K1585N / m ，额定载荷C a4500 N ， 滚 珠 丝 杠 上 所 承 受 的 最 大 轴 向 载 荷 Fa max1373.21N ， 故 由 式1K cK ( Fa max ) 30.1Ca得11585 ( 1373.211K cK ( Fa max )3) 3N / m 1055.50N / m0.1Ca0.1 46500计算进给传动系统的综合拉压刚度K 。1111由式 KmaxK smaxK bK c 得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为11111110.00249K maxK smaxK bK c 1051.941699.681055.50故 K

32、 max 401.61N /m 。1111由式 KminK sminK bK c 得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为11111110.00291K minK sminK bK c 129.091699.681055.50故 K min 343.64N /m 。（5）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 L2935.5mm 已 知 剪 切 模 量d24GG 8.1 104 MPa ，滚珠丝杆的底径 d2K34.310 3 m 。由式32L2 得Kd24G3.14 (34.310 3)48.1 104106N m / rad32L232935.510 311759.

33、72Nm / rad2.5 驱动电动机的选型与计算2.5.1. 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7.8 10 3 kg / cm3 ，nD 4j L j0.78 10 3nD 4j L jJr32 j 1j 1由式得nnJr32 jD j4L j0.78 10 3D 4j L j1j10.78 10 3( 234 8.944100.9 2.545.2) kg cm221.43kg cm2（2）计算联轴器的转动量 J0 。J 00.7810 3 D4L0.78 10 3(6434 ) 7.8kg cm27.39kg cm2（3）计算折算到电动机

34、轴上的移动部件的转动惯量J L 。已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量m920kg ，电动机每转一圈，机床执行部件在轴上移动的距离L1cm ,J Lm( L ) 2得则由式2J Lm( L )2920 (21)2 kg cm223.33kgcm223.14（4）由式JdJ rJ0J L计算加在电动机轴上总的负载转动惯量Jd。J dJrJ 0JL(21.4311.6223.33) kgcm256.38kgcm22.5.2 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 。已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力FaFa max 1373.21N ，电动机每转一圈，机床执行部件在

35、轴向移动的距离 L 10mm0.01m ，进给传动系统总效率0.90 ，由Fa LTc式2得TcFa L105.160.01 N m 0.186N m223.140.9（2）计算摩擦负载力矩 T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）TcFa LTcFa L1373 .210.012.43NmFa1373.21N2223.14N m，由式得0.9（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 Fp457.73N 滚珠丝杠螺母副的基本导程L010mm0.01m，滚珠丝杠螺母副的效率T fFp L0 (102 )00.94 ，由式2得TfF p L02457.730.01(10.942) N m 2.915103Nm(10)3.140.9222.5.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩（1）计算线性加速力矩 Tal已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速nmax1500r / min ，电动机的转动惯量 J m62kg cm2，坐标轴的负载惯量Jd56.38kgcm2，进给伺服系统的位330.15sk z20H Ztas置环增益，加速时间ks20， 由 式Tal2nmax( J mJd )(1e ksta )6