1、绪论1.1数控机床在制造业中的地位制造业是国民经济和国防建设的基础性产业，先进制造技术是振兴传统技术是振兴制造业的技术支撑和发展趋势，是直接创造社会财富的主要手段，谁掌握先进制造技术，谁就能够占领市场。

而数控技术是先进制造技术的基础技术和共性技术，已成为衡量一个国家制造业水平的重要标志之一。

历史经验告诉我们，落后就要挨打。

无论是从经济还是从战略的角度，我国都应该加大数控产业发展的力度。

为此，我国已把发展数控技术作为振兴制造业的重中之重。

我国数控技术及产业尽管在改革开放后取得了显著的成就，开发出了具有自主知识产权的数控平台，即以PC为基础的总线式、模块化、开放型的单处理器平台，开发出了具有自主知识产权的基本系统，也研制成功了并联运动机床，但是我过的数控技术及产业与发达国家相比仍然有比较大的差距，其原因是多方面的，但是最重要的是数控人才匮乏。

1.2本课题研究目的通过本课程设计的训练，使学生在学完机床数控技术及相应的机床电器及PLC等课程之后，能够运用所学的知识独立完成数控车、数控铣和加工中心的进给传动系统设计，从而使学生进一步加深和巩固对所学知识的理解和掌握，并提高学生的实际操作能力。

1．运用所学的理论知识，进行数控系统设计的初步训练，培养学生的综合设计能力；2．掌握进给系统设计的基本技能，掌握导轨、滚珠丝杠螺母副的选型与计算；3．掌握进给传动系统的动态特性分析方法；4．具备查阅和运用标准、手册、图册等有关技术资料的能力；5. 基本掌握编写技术文件的能力。

2立式数控铣床工作台（X 轴）设计2.1 原始数据与技术条件工作台、工件和夹具的总质量1200m kg =（所受的重力11760W N =），其中，工作台的质量0510m kg =（所受的重力05000W N =）；工作台的最大行程600p L mm =；工作台快速移动速度max 15000/min mm υ=；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数0.15μ=，静摩擦系数0.2o μ=；工作台的定位精度为30m μ，重复定位精度为20m μ；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 6.5E P kW =，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径125D mm =，主轴转速272/min n r =，切削状况如表1表示。

表1 数控铣床的切削状况2.2 数控铣床总体方案设计为了满足以上技术要求，采取一下技术方案。

1）工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm ×1200mm 。

2）工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的东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）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。

2. 3 设计计算2. 3. 1主切削力及其切削分力计算1）计算主切削力z 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125D mm =）时，主轴具有最大扭矩，并能专递主电动机的全部功率。

此时，铣刀的切削速度为33.1412510272/ 1.78/6060Dnm s m s πυ-⨯⨯⨯=== 若主传动链的机械效率0.8m η=，按式（2-6）可计算主切削力z F ：330.8 6.510102921.351.78E mz P F N N N ηυ⨯=⨯=⨯= 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 10.40.42921.351168.54z F F N N ==⨯=0.950.952921.352775.28c z F F N N ==⨯=0.550.552921.351606.74v v F F N N ==⨯=2. 3. 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1800g f N =，则()0.15(1176018002775.281606.74)2691.303g c v F W f F F N N μμ=+++=⨯+++=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 。

0()0.15(117601800)2034g F W f N N μμ=+=⨯+=00()0.2(117601800)2712g F W f N N μ=+=⨯+=2. 3. 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max a F 。

max 1(1168.542691.303)3859.843a F F F N N μ=+=+=2）按式（2-11a ）计算最小轴向负载力min a F 。

min 02034a F F N μ==2. 3. 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max 1500/min n r =。

则由式（2-16）得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为最大轴向载荷max a F ，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷min a F 。

一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的载荷2F 、3F 分别可按下式计算：2min max 20%a a F F F =+， 3min max 5%a a F F F =+并计算结果填入表2表2 数控铣床滚珠丝杠的计算max 0max 150001011500v L mm mm in ===⨯（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速n i 。

1130.6/min 60/min 1010o v n r r L -===⨯；2230.8/min 80/min 1010o v n r r L -===⨯；3331/min 100/min 1010o v n r r L -===⨯；44315/min 1500/min 1010o v n r r L -===⨯ （3）按式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速n m1212 (100100100)n m n q q q n n n n =+++ 10305010(60801001500)/min 230/min 100100100100r r =⨯+⨯+⨯+⨯= （4）按式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷m F 。

m F ==2278.83N =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 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43836.81am C N ==（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 4.53119.9414039.73am e a C f F N N ==⨯=（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，即43836.81am 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和重复定位精度的要求，得max111(~)20(6.67~10)32m m δμμ=⨯=max 211(~)30(6~7.5)54m m δμμ=⨯= 去上述计算结果的较小值，即max 6m 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的方式。

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）o L取 L =1.4⨯行程+30o L =（1.4⨯600+30⨯10）mm =1140mm02100F N =,由式（2-26）得224.63m d mm ≥=5）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的o L 、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 和丝杠底径2d 如下：4650034267.65a am C N C N =>=2234.324.63m d mm d mm =>= 故满足式（2-27）的要求。

6）由公式确定滚珠丝杠螺母副p F7）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力⑴由式计算目标行程补偿值已知温度变化值 2t ∆= 丝杠的线膨胀系数滚珠丝杠螺母副的有效行程a L =工作台行程+安全行程+2*余程+螺母长度=（600+100+2×20+146)mm+886mm故⑵由公式计算滚珠丝杠的预拉伸力已知滚珠丝杠螺纹底径234.3d mm =，滚珠丝杠的温升变化值2t ∆=，则 222 1.81234.34258.89t Ftd N N =∆=⨯⨯=8）确定滚珠丝杠螺母副支撑用轴承的规格型号⑴由公式计算轴承所承受的最大轴向载荷 max B F⑵计算轴承的预紧力。

⑶计算轴承的当量轴向载荷。

(1939.621781.61)3721.23am p B B m F F F N N =+=+=⑷由公式计算轴承的基本额定动载荷C 。

已知轴承的工作转速，轴承所承受的当量轴向载为3721.23N ，轴承的基本额定寿命L=20000h 。

轴承的径向载荷t F 和F 轴向载荷 分别为0040,10d mm L mm==cos603721.230.51860.62am o r B F F N N ==⨯=sin603721.230.873237.47am o a B F F N N==⨯= 因为，所以查表2-25得，径向系数X=1.9 ，轴向系数Y=0.54 ，故(1.91860.620.543237.47)5283.41t a p XF YF N N =+=⨯+⨯=⑸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 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撑形式。

由于滚珠丝杆的螺纹底径 2d 为 34.3 ，所以选择轴承的内径d 为30mm ，以满足滚珠丝杠结构的需要。