课程设计论文立式数控铣床工作台X轴设计.doc

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1、课程设计题目 立式数控铣床工作台（X）轴设计 学 院机械自动化学院专 业机电一体化专业学 号学生姓名指导教师日 期2011年1月目 录1 绪论.3 1.1 数控机床的特点.3 1.2 数控机床的发展.4 1.3 X、Y工作台的设计.4 2 总体设计.5 2.1 本课题的技术要求.5 2.2 总体方案设计.52.3 系统组成方案.53 设计计算.7 3.1 主切屑力及其切屑分力计算 .7 3.1.1 计算主切屑力.73.1.2 计算各切削分力.73.2 导轨摩擦力的计算.73.2.1 切削状态下导轨摩擦力.73.2.2 不切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力.83.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负

2、载力.8 3.3.1计算最大轴向负载力.8 3.3.2计算最小轴向负载力.83.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算.83.4.1确定滚珠丝杠的导程.83.4.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷.83.4.3确定滚珠丝杠预期的额定载荷.93.4.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小的最小螺纹底径.103.4.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号.113.4.6由式2-29确定滚珠丝杠螺母副的预紧力.113.4.7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力.113.4.8确定滚珠丝杠螺母副支撑用轴承的规格型号.114 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验.134.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验

3、.134.2 滚珠丝杠螺母副临界转速的校验.134.3 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验.135 计算机械传动的刚度.145.1 机械传动系统的刚度计算.145.2 滚珠丝杠螺母副扭转刚度计算.156 驱动电动机的选择与计算.166.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量.166.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩.166.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩.177 机械传动系统的动态分析.187.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率.187.2 计算扭转振动系统的最低固有频率.188 机械传动系统的误差与分析.198.1 计算机械传动系统的反向死区.198.2 计算机械传动系统由

4、综合拉压刚度变化引起的定位误差.198.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差.199 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格代号.20参考文献.21致谢.221 绪论 1.1数控机床的特点 （1）具有高度柔性 在数控机床上加工零件，主要取决于加工程序，它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具，不需要经常调整机床。因此机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单间、小批生产及新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。 （2）加工精度高 数控机床的加工精度，一般可达到0.005 .1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置没输出一个脉冲信号，则机床移动部件移动一个脉冲信号，

5、而且机床进给传动链的反向间隙与丝杠螺距平均误差可由数控装置进行补偿，因此，数控机床的定位精度比较高。 （3）加工质量稳定、可靠 加工同一批零件，在同一个机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。（4）生产效率高 数控机床可有效减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴转速和进给量的范围大，允许机床进行大切屑量的强力切屑，数控机床目前正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切屑加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产效率。 （5）改善劳动条件 数控机床加工前经调整好后，输入程序并启动，机床就能自动连续的进行加工，直

6、至加工结束。操作者主要是程序的输入、编辑、装卸零件、刀具准备、加工状态的观测，零件的检验等工作，劳动强度极大降低，机床操作者的劳动趋于智力型工作。另外，机床一般是封闭式加工，即清洁，又安全。 （6）利于生产管理现代化 数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可进行规范化、现代化管理。数控机床使用数字信号与标准代码为控制信息，易于实现加工信息的标准化，目前已与计算机辅助设计与制造有机结合起来，是现代集成技术的基础。1.2数控机床的发展数控加床总的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及方便使用、提高可靠性等。（1）工序集中 20世纪50年代末期，在一般数控机床的基础上开发了数

7、控加工中心，即自备刀具库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工具一次装夹后，机床的机械手可以自动更换刀具，连续的对工件进行多种工序加工。（2）高速、高效、高精度 高效、高精度是机械加工的目标，数控机床因其价格昂贵，在上述三方面的发展也就更为突出。（3）方便使用 数控机床制造厂把建立友好的人机界面、提高数控机床的可靠性作为提高竞争能力的主要方面1.3 X、Y工作台的设计X-Y数控工作台机电系统设计 是一个开环控制系统,其结构简单.实现方便而且能够保证一定的精度.降低成本,是微机控制技术的最简单的应用.它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得

8、到提高. 2 总体设计2.1 本课题的技术要求工作台、工件和夹具的总质量m=918kg（所受的重力W=9000N），其中，工作台的质量=510kg（所受的重力W=5000N）；工作台的最大行程L=600mm；工作台的快速移动速度V=3000mm/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=0.2；工作台的定位精度为20重复定位精度为10；机床的工作寿命为15000h。机床采用主轴伺服电机，额定功率P=5.5KW，机床采用端面铣刀进行强力切屑，铣刀直径D=16mm，主轴转速n=380r/min,切屑状况如表41所示。表2-1 数控铣床的切屑状况切屑方式进给速度/（m/min

9、）时间比例/（%）备注强力切屑0.610主电动机满功率条件下切屑一般切屑0.830粗加工精加工切屑150精加工快速进给3010空载条件下工作台快速进给2.2 总体方案设计为满足以上技术要求，采取一下技术方案。（1） 工作台工作面尺寸（宽度X长度）确定为400mm1200mm。（2） 工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨冻面上贴聚四氟乙烯导轨板。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） 对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预拉伸。（4） 采用伺服电动机驱动。（5）

10、采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。2.3 系统组成方案组成框图、功能、机械传动系统简图、主要设计参数，及方案分析、比较、说明3 设计计算3.1 主切屑力及其切屑分力计算3.1.1 计算主切屑力F。 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=16mm）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：若主传动链的机械效率=0.8，主切削力：N3.1.2 计算各切削分力。 根据表2-1可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别3.2 导轨摩擦力的计算3.2.1 切削状态下导轨摩擦力.导轨动摩擦系数=0.15，查表2-3得镶条紧固

11、力，则 3.2.2 不切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力. 3.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力3.3.1按式（2-10a）计算最大轴向负载力。 3.3.2按式（2-11a）计算最小轴向负载力。 3.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算3.4.1确定滚珠丝杠的导程根据已知条件，取电动机的最高转速，则由式（2-16）得 3.4.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷（1） 估算在各种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位最大轴向载荷，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定位最小轴向载荷。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）滚珠丝杠螺母副的轴向载荷、分别为可按下式计算：并将计算结果填

12、入表3-2表3-2 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/min)时间比例/(%)备注强力切削9943.750.610一般切削3563.750.830精细切削2012.19150移动和钻镗定位15753010（2） 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速。(3) 按式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速。 （4）按式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷。 3.4.3确定滚珠丝杠预期的额定载荷（1）按预紧工作时间估算。查表2-28得载荷性质系数=1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度为2级，查表2-29得精度系数=1。查表2-30得可靠性系数=0.44，则由式2-19

13、得（2）因对滚珠丝杠螺母副讲实施预紧，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=4.5，则（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷。取以上俩种结果的最大值，即。3.4.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小的最小螺纹底径。（1）根据定位精度和重复精度为，重复定位精度为，根据式2-23、2-24以及定位精度和重复定位精度的要求，得取上述计算结果的较小值，即。（3） 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。本机床工作台（X轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式采用两端固定的方式。滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为取 又,由式2-26得 3.4.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的、

14、，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副FFZD5020-3,其：满足式（2-27）的要求。3.4.6由式2-29确定滚珠丝杠螺母副的预紧力3.4.7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。已知温度值，丝杠的线膨胀系数,滚珠丝杠螺母副的有效行程 姑（2）按式2-32计算滚珠丝杠的预拉伸力 已知滚珠丝杠螺母副底径，滚珠丝杠的温升变化值，则3.4.8确定滚珠丝杠螺母副支撑用轴承的规格型号（1）按式2-33计算轴承所承受的最大轴向载荷。（2）计算轴承的预紧力。（3）计算轴承的当量轴向载荷（4）按式2-15计算轴承的基本额定动载荷C。 已知轴承的

15、工作转速，轴承所承受的当量轴向载荷，轴承的基本额定寿命L=15000h。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 因为，所以查表2-25得，径向系数X=1.9.轴向系数Y=0.54，故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持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的校验根据图4-1可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度。已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数。由表2-44得。 滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为故可由式2-36得本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min

16、，远远小于其临界转速，故满足要求。4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠螺母副的寿命，主要是指疲劳强度。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠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。查附录A表A-3得滚珠丝杠额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杠的轴向载荷，滚珠丝杠螺母副转速，故由式2-37、2-38得一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总时间寿命，故不满足要求。5 计算机械传动的刚度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。本工作台的丝杠支撑方式为两端固定，有图4-1可知，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支撑的中心位置（，）滚珠丝

17、杠螺母副具有最小拉压刚度，可按式2-45a计算：当或时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度，可按式（2-45b）计算：（2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度。 已知轴承接触角，滚动体直径，滚动体个数Z=17，轴承的最大轴向工作载荷,由表2-45、2-46得： （3）计算滚珠与滚道的接触刚度。 查附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度,额定动载荷,滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷,故由式（2-46b）得（4）计算进给传动系统的综合拉压刚度K. 由式2-47a得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。由式2-47b得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故。5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度计算由图4-1可知，扭

18、矩作用点之间的距离。已知剪切模量，滚珠丝杠的底径。由式（2-48）得6 驱动电动机的选择与计算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。 已知滚珠丝杠的密度，由式（2-63）得（2）计算联轴器的转动惯量。 （3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。 已知机床执行部件的总质量，电动机没转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=1cm，则由式（2-65）得 （4）由式（2-66）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。6.2计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩。 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=10mm=0

19、.01m，进给传动系统的总效率，由式2-54得（2）计算摩擦力负载力矩. 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力，由式2-55得（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力,滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，由式2-56得6.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩（1）计算线性加速度力矩。 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速，电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量，进给伺服系统的位置环增益，加速时间，由式2-58得（2）计算阶跃加速度力矩。 已知加速时间，由式2-59得（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。 按式2-61计算

20、线性加速时空载启动力矩。 按式2-61计算阶跃加速时空载启动力矩。 按式2-57a计算快进力矩。 按式2-57b计算工进力矩.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已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量，则7.2计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为已知丝杠的扭转刚度，则由以上计算可知，丝杠工作台纵向振动系统的最低固有频率，扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按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与分析8.1计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的最小综合

21、拉压刚度，导轨的静摩擦力,则由式2-52得即，故满足要求。8.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差由式（2-53）得，故满足要求。8.3计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）计算由快速进给扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。 已知负载力矩，由图4-1得扭矩作用点之间的距离，丝杠底径，由式2-49得（2）由扭转变形量引起的轴向移动滞后量d将影响工作台的定位精度。由式2-50得9确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格代号本机床工作台采用半闭环控制系统，、应满足下列要求：滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表2-20的；查表2-21得，当螺纹长度为850mm时，故满足设计要求。参考文献1

22、. 范超毅.数控技术课程设计.M.武汉：华中科技大学出版社，2007.2. 陈绍廉.数控机床改造技术. M 北京：北京-航空工业出版社 1989 3. 杨贺来.数控机床.清华大学出版社M 北京： 2009 4. 袁安富.数控技术及自动化.M 北京：清华大学出版社 2009 5. 蔡厚道.吴暐.数控机床构造. M 北京：北京理工大学出版社 2007 6. 张新义.经济型数控机床系统设计. M 北京：机械工业出版社 19947. 机床设计手册编写组.机床设计手册（第三册）M 北京：机械工业出版社，1988致 谢为期三周的课程设计结束了，在这短暂的时间里，在蔡芸老师的细心指导和关怀下，我认真地设计着自己的课题的内容，细心地查阅着与本课题有关的资料，按部就班地完成了xxx 的设计计算和校核。同时还要感谢和我同组的同学协助我完成相关文献的查阅以及相关资料的文献的共享，在这里一并向关心和支持我完成设计的所有人员表示衷心的感谢。- 22 -