天津职业技术师范大学立式数控铣床工作台（X轴）设计专业：机电技术教育班级学号：学生姓名：指导教师：二〇一三年七月目录前言 (2)第一章数控铣床工作台（X轴）设计计算 (5)1.1 概述 (5)1.2 设计计算 (6)1.3滚珠丝杠螺母副的承载能力计算 (16)1.4传动系统的刚度计算 (18)1.5 驱动电动机的选型和计算 (20)1.6 机械传动系统的动态分析 (24)1.7 传动系统的误差计算和分析 (25)1.8 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 (26)第二章电气原理图 (28)参考文 (33)总结 (34)前言数控机床是数字控制机床的简称，是用数字化信息来实现工件与刀具相对运动轨迹、切削加工工艺参数及各类辅助操作等步骤自动控制的高效率加工机床，在国民经济中有着重要的地位和作用。

随着数控技术和材料科学的发展，近年来世界数控机床向高速、精密、智能和绿色方向发展。

具体表现为：高速化、精密与超精密化、复合化、开放化、智能化、绿色化，高效化。

我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。

特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。

尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。

由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。

就刚刚过去的“十一五”期间，我国数控机床行业突破了大量技术难关，取得了许多具有自主知识产权的重大科研成果。

但我们仍能清楚地看到，我国数控机床行业与国际先进水平还存在着不小的差距。

在加工机床方面，尽管近年来数控机床发展较快，但在加工效率、精度保持性、MTBF （平均无故障运行时间， Mean Time Between Failures）和技术配套性等方面还不能满足高端用户的需求，并且动力刀塔、电主轴、进给系统、电气控制等关键功能部件依旧绝大部分依赖进口。

数控系统方面，我国无论是在技术还是在产品方面与国际先进水平都存在很大的差距。

在技术性能方面主要表现在现场总线、高速高精插补技术、运动控制技术、复合加工加工技术、智能化检测与控制技术、加工工艺及多轴编程技术等；在产品方面的差距主要表现在可靠性设计及生产管理、产品的系列化等方面上。

第一章 数控铣床工作台（X 轴）设计计算1.1概述1.1.1技术要求工作台、工件和夹具的总重量m =900kg （所受的重力W=9000N ），其中，工作台的质量0m =500kg （所受的重力0W =5000N ）；工作台的最大行程p L =580mm ；工作台快速移动速度max v =15000min mm ；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0u =0.01；工作台的定位精度为25um ，重复定位精度为18um ；机床的工作寿命为20000h ，机床采用伺服主轴，额定功率E P =5.5kw ，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=120mm ，主轴转速n=240min /r ，切削状况如表1-1所示表1-1数控铣床的切削状况1.1.2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、对滚珠丝杆螺母副采用预紧； 2、采用伺服电动机驱动。

3、采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠进行直连。

4、采用交流调频主轴电动机，实现主轴的无级变速。

1.2设计计算1.2.1主切削力及其切削分力计算（1）主切削力Z F根据已知条件，铣刀直径D=120mm ，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。

铣刀的切削速度为33.1412010240/ 1.5072/6060Dnv m s m s π-⨯⨯⨯=== 主传动链的机械效率8.0=m η，按式310⨯=vP F Em z η可计算主切削力Z F ；v ---机床主轴的计算转速（主轴转速全部功率时的最低切削速度，s m /；）m η---机床主传动系统的传动功率，一般取8.0=m η。

330.8 5.510102919.321.5072m Ez P F N N vη⨯=⨯=⨯=（2）各切削分力根据表1---2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10.40.42919.321167.728z F F N N ==⨯= 0.950.952919.322773.354c z F F N N ==⨯= 0.550.552919.321605.626v z F F N N ==⨯=表1---2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值0.400.90 0.30 0.95 0.70 1.000.550.550.55 --- 1.20 0.90--- 0.300.80---0.400.401.2.2导轨摩擦力的计算（1）计算在切削状态下的导轨摩擦力μF ，此时，动摩擦系数0.01μ=，c F 、v F ---主切削力的横向切削分力（N ）和垂向切削分力（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 ）；μ---摩擦系数,对于帖塑导轨，μ=0.15；对于滚动直线导轨，μ=0.01，本设计为滚动导轨，取=0.01； g f ---镶条紧固力（N ）,其推荐值可查表1---3得镶条紧固力g f =75N ，则N N F F f W F v c g 546.134)626.1605354.2773759000(01.0)(=+++⨯=+++=μμ 表1---3 镶条紧固力推荐值（2）计算在切削状态下的导轨摩擦力0μF 和导轨静摩擦力0F 。

)(0g f W F +=μμ=0.01×（9000+75）N=90.75N )(00g f W F +=μ=0.01×(9000+75)N=90.75N1.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（1）计算最大轴向负载力max a FN（2）计算最小轴向负载力min a F min 090.75a u F F ==N1.2.4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根据已知条件，取电动机的最高转速max 1500/min n r =，则由式maxmax 0in v L =得：mm mm in v L 101500115000max max 0=⨯==2)计算滚珠丝杆螺母副的平均转速m n 和平均载荷m F （1）估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。

现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 。

一般粗加工和精细加工时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷2F 、3F 分别可按下列公式计算：max min 2%20a a F F F +=，max min 3%5a a F F F +=，并将计算结果填入表1---4。

表1---4 数控铣床滚珠丝杆的计算（2）计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速i n min /60min /10106.03011r r L v n =⨯==- min /80min /10108.03022r r L v n =⨯==- min /100min /101013033r r L v n =⨯==- min /1500min /1010153044r r L v n =⨯==-（3）按式n n m n q n qn q n 100...1001002211+++=计算滚珠丝杆螺母副的平均转速m n 。

min /230min /)1500100101001005080100306010010(100...1001002211r r n q n qn q n n n m =⨯+⨯+⨯+⨯=+++=（4）按式3322321131100...100100n m n n m m m q n n F qn n F q n n F F +++=计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷m F 。

39m F ====8.9N3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷am C （1）按预定工作时间估算查表1---5得载荷性质系数 1.3e f =。

初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级，查表1---6得精度系数1=a f 。

查表1---7得可靠性系数44.0=c f ，额定寿命h L h 20000=代入式ca w m hm am f f f F L n C 100603=得381.95 1.310010.447673.75am C N N=⨯=⨯⨯=表1---5 载荷性质系数w f表1---6精度系数a f表1---7可靠性系数c f（2）因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式max a e am F f C =估算最大轴向载荷。

查表1---8得欲加动载荷系数5.4=e f ，则 max 4.51302.42885850.93am e a C f F N N ==⨯=表1---8 欲加动载荷系数e f（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷am C 。

取其最大值，即am C =7673.754）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经m d 2 （1）估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形。

已知工作台的定位精度为25m μ，重复定位精度为18m μ，根据公式max (0.3~0.5δ=）重复定位精度m μ和max (0.2~0.25δ=）定位精度m μ以及定位精度和重复定位精度的要求，得max1(0.3~0.518(6~9)m m δμμ=⨯=）， max 2(0.2~0.2525(5~6.25)m m δμμ=⨯=）取二者较小值，max 5m δμ=。

（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经m d 2。

本机床工作台（X ）轴滚珠丝杆螺母副拟采用两端固定式的安装方式。

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+（25～30）0L取L=1.4×行程+300L =（1.4×580+30×10）mm=1112mm ，又0F =90.75N ，由式max02039.0δL F d m ≥得20.039 5.55m dmm ≥== 5）初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的0L 、am C 、m d 2，初步选择FFZD 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆螺母副FFZD5010-3,其公称直径0d 、基本导程0L 、额定动载荷C a ，丝杠底径2d 分别为： 032d mm = mm L 100=，25.77.7a a C kN C kN =>=, 2227.311.1m d mm d mm =>=， 符合要求。