目录1 概述 (3)1.1 零件技术要求 (3)1.2 总体方案设计 (3)2 设计计算 (3)2.1主切削力及其切削分力计算 (3)2.2 导轨摩擦力计算 (4)2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 (4)2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 (4)3 工作台部件的装配图设计 (9)4 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验 (9)4.1 滚珠丝杠螺母副临界转速压缩载荷的校验 (9)4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速n的校验 (10)c4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 (10)5 计算机械传动系统的刚度 (10)5.1 机械传动系统的刚度计算 (10)5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 (12)6 驱动电动机的选型与计算 (12)6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 (12)6.2 计算折算到电动机上的负载力矩 (13)6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩 (13)6.4选择驱动电动机的型号 (14)7 机械传动系统的动态分析 (15)7.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 (15)7.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 (15)8 机械传动系统的误差计算与分析 (16)8.1 计算机械传动系统的反向死区 (16)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 (16)8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 (16)9 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 (16)9.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级 (17)9.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 (17)课程设计总结 (18)参考文献 (19)1. 概述1.1 零件技术要求工作台、工件和夹具的总质量m=833kg，其中，工作台的最大行程Lp=650mm；工作台快速移动速度15000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动、静摩擦系数为0.15 ，0.2，工作台的定位精度为0.04mm，重复定位精度为0.02mm；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350r/min。

表1 数控铣床的切削状态切削方式进给速度/(m/min) 时间比例/(%) 备注强力切削0.6 10 主电动机满功率条件下切削一般切削0.8 30 粗加工精加工切削 1 50 精加工快速进给15 10 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×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-FE）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，并对滚珠丝杠采用预拉伸。

(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)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sm Dnv /29.260350125.014.360=⨯⨯==π若主传动链的机械效率0.8m=η，按式（2-6）可计算主切削力Fz ：4.19211029.25.58.01033=⨯⨯=⨯=vP F mm z ηN(2)计算各切削分力。

根据表2-1可得工作台纵向切削力1F 、横向切削力c F 和垂向切削力v F 分别为N N F F z 56.7684.19214.04.01=⨯==N N F F z c 33.18254.192195.095.0=⨯== NN F F z v 77.10564.192155.055.0=⨯==2.2 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 μ。

此时，导轨动摩擦系数0.15μ=，查表2-3得镶条紧固力1500g f N =，则()()0.15900015001825.331056.772007.3g c v F W f F F N Nμμ=+++=⨯+++=(2)按式（2-9a ）计算在不切削状态下的导轨摩擦力0F μ和导轨静摩擦力0F 。

()()00.15900015001575g F W f N N μμ=+=⨯+= ()()000.2900015002100g F W f N Nμ=+=⨯+=2.3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m ax a F 。

()max 1768.562007.32775.86a F F F N N μ=+=+=(2)按式（2-11a ）计算最小轴向负载力m in a F 。

m in 01575a F F Nμ==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m ax 1500/m in n r =，则由式（2-16）得max 0max150001011500v L m min ===⨯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m ax a F ，快速移动和钻镗定位时的轴向 载荷定为最小载荷m in a F ，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2F 、3F 分别可按下式计算：1m in m ax 20%a a F F F =+，3min max 5%a a F F F =+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/min) 时间比例/(%) 备注强力切削 2775.86 10.6v = 10 1max a F F = 一般切削(粗加工) 2130.17 20.8v = 30 1m in m ax 20%a a F F F =+ 精细加工(精加工) 1713.79 31v =50 3min max 5%a a F F F =+快移和钻镗定位15754m ax v v =104m in a F F =(2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速i n 。

11060/m inv n r L ==22080/m inv n r L ==330100/m inv n r L ==4401500/m inv n r L ==(3)按式(2-17)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速m n 。

123410305010230/m in100100100100m n n n n n r =+++=(4)按式(2-18)计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷m F 。

33311223121763.59100100100n n m nm m m n q n q n q F F F F N n n n =++=3)计算滚珠丝杠预期的额定动载荷am C(1)按照预定工作时间估算。

查表2-28得载荷性质系数 1.3w f =。

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1a f =，查表2-30得可靠性系数0.44c f =，则由式(2-19)得3360602302000033921.05=33925.38100m w am m ha cF f C n L N Nf f ==⨯⨯⨯(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 4.5e f =，则max 4.52775.8612491.37am e a C f F N==⨯=(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33921.05am C 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30μm ，重复定位精度为20μm ，根据式(2-23)、(2-24)以及定位精度和重复定位精度的要求，得 m m μμδ)10~67.6(20)21~31(1max =⨯=mm μμδ)10~8(40)41~51(2max =⨯=取上述计算结果的最小值，即m ax 6.67m δμ=。

(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)L 取L=1.4×行程+030L=()1.465030101210mm mm ⨯+⨯= 又02100F N =，由式(2-26)得02max210012100.0390.03924.076.67m F Ld mm mm δ⨯≥=⨯=(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，其公称直径0d 、基本导程0L 、额定动载荷a C 和丝杠底径2d 如下:040d mm=、012L m m =4420033925.38a am C N C N =>=2232.724.07m d mm d mm=>=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p Fm ax 112775.86925.2933p a F F N N==⨯=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t δ。

已知温度变化2t ∆=℃，丝杠的线膨胀系数61110/m αμ-=⨯℃，滚珠丝杠螺母副的有效行程u L =工作台行程+安全行程+2×余程+螺母长度=(650+100+2×20+146)mm=936mm故 661110112936100.02t u tL m m m m δ--=∆⨯=⨯⨯⨯=(2)按式(2-32)计算滚珠丝杠的预拉伸力t F 。

已知滚珠丝杠螺纹底径232.7d m m =，滚珠丝杠的温升变化值t ∆=2℃，则2221.81 1.81232.73870.82t F td N N=∆=⨯⨯=8)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m ax B F 。

m ax m ax 113870.82+0.52775.86=5258.752B t a F F F N=+=⨯(2)计算轴承的预紧力B p F 。