立式数控铣床进给传动系统设计.doc

中北大学

课程设计说明书学生姓名：学号：

学院：机械工程与自动化学院

专业：机械设计制造及其自动化

题目：数控技术课程设计

——立式数控铣床进给传动系统设计4 指导教师：职称:

职称:

2009年12月23日

中北大学

课程设计任务书

2008/2009 学年第 1 学期

学院：机械工程与自动化学院

专业：机械设计制造及其自动化

学生姓名：学号：

课程设计题目：数控技术课程设计

——立式数控铣床进给传动系统设计

起迄日期：12月23日～12月31日

课程设计地点：

指导教师：

系主任：

下达任务书日期: 2009年12月 23日

课程设计任务书

目录

1.概述 (3)

1.1技术要求 (3)

1.2总体设计方案 (4)

2.滚珠丝杠螺母副的选型和计算 (4)

2.1主切削力及其切削分力计算 (4)

2.2导轨摩擦力的计算 (5)

2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (5)

2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (5)

3.工作台部件的装配图设计 (8)

4.滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (8)

4.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 (8)

4.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验 (8)

4.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验 (8)

5.计算机械传动系统的刚度 (9)

5.1机械传动系统的刚度计算 (9)

5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 (10)

6.驱动电动机的选型与计算 (10)

6.1计算折算到电动机轴上的负载惯量。 (10)

6.2计算折算到电动机轴上的负载力矩 (11)

6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 (11)

6.4选择驱动电动机的型号 (12)

7.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 (13)

7.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 (13)

7.2滚珠丝杠螺母副的规格型号 (13)

8. 课程设计总结 (13)

9.参考文献 (13)

1.概述

1.1技术要求

工作台、工件和夹具的总质量m=918kg，其中，工作台的质量510kg；工作台的最大行程Lp=600 mm;工作台快速移动速度18000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数为0.15，静摩擦系数为0.12；工作台的定位精度为30μm，重复定位精度为15μm；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310r/min。切削状况如下：

数控铣床的切削状况

1.2总体设计方案

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×长度）确定为400mm ×1200mm 。

（2） 工作台导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动画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膜。

（3） 对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预。

（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连接。 2.滚珠丝杠螺母副的选型和计算

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=125mm ），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：（已知机床主电动机的额定功率m P 为5.5kw ，主轴计算转速n=310r/min 。）

根据公式得刀具的切削速度为：

取机床的机械效率为：8.0m =η，则由式得主切削力：

（2）计算各切削分力

工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为

2.2导轨摩擦力的计算

在切削状态下坐标轴导轨摩擦力μF 的计算可以查课程设计指导书：

（1）根据式（2-8a ）计算在切削状态下的导轨摩擦力μF 。此时导轨动摩擦系数15.0=μ，查表2-3得镶条紧固力N 1500f g =,则

（2）按式（2-9a ）计算在不切削状态下的导轨摩擦力0μF 和0F

2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力

（1）按式（2-10a ）计算最大轴向负载力amax F

（2）按式（2-11a ）计算最小轴向负载力min F

2.4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min /r 1800n max =得：

2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷

（1）各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。

强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。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分别可按下式计算：

并将计算结果填入表2

表2 数控铣床滚珠丝杠的计算

（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速i n 。

（3）按式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速m n 。

（4）按式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷m F

3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷am C

（1）按预定工作时间估算。查表2-28得载荷性质系数w f =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a f =1，查表2-30得可靠性系数c f =0.44，则由式（2-19）得

（2）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e f =4.5，则

（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷am C 。

取以上两种结果的最大值，am C ＝33801.49 N 。

4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d

（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30m μ，重复定位精度为15m μ，根据式（2-23）、式（2-24）以及定位精度和重复定位精度的要求，得

max11

=~2

δ⨯1（）315m μ＝（5~10）m μ

max 21~5δ=⨯1（）430m μ＝（6~7.5）m μ 取上述计算结果的较小值，即max δ=5m μ。

（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d 。

本机床工作台（X 轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式。

滚珠丝杠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+（25~30）0L

取L ＝1.4×行程+300L ≈（1.4×600+30×10）mm ＝1140mm

又0F =1260N ，由式（2-26）得

5）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

根据计算所得的0L 、am C 、2m d ，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（见本书附录A 表A-3），其公称直径0d 、基本导程0L 、额定动载荷a C 和丝杠直径2d 如下：