铣床说明书

中北大学课程设计

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nc的校验 ………………………………………10 4.3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

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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

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1. 概述

1.1 零件技术要求

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=600mm；工作台快速移动速度20000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数0.15，静摩擦系数均为0.2；工作台的定位精度为30μm，重复定位精度为10μm；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300r/min。

表1 数控铣床的切削状态

切削方式 强力切削 一般切削 精加工切削 快速进给 进给速度/(m/min) 0.6 0.8 1 15 时间比例/(%) 10 30 50 10 备注 主电动机满功率条件下切削 粗加工 精加工 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

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削速度为

πDn3.1?41?25?11?0? v?6060300m/s?1.9m6s /若主传动链的机械效率ηm?0.8，按式（2-6）可计算主切削力Fz：

ηP0.8?5.5Fz?mm×103??103?2249.9N

v1.96(2)计算各切削分力。

根据表2-1可得工作台纵向切削力F1、横向切削力Fc和垂向切削力Fv分别为

F1?0.4Fz?0.4?2249.9N?899.96N Fc?0.95Fz?0.95?2249.9N?2137.4N Fv?0.55Fz?0.55?2249.9N?1237.4N

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?。此时，导轨动摩擦系数??0.15，查表2-3得镶条紧固力fg?1500N，则

F????W?fg?Fc?Fv??0.15??9000?1500?2137.4?1237.4?N?2081.22N

(2)按式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力F?0和导轨静摩擦力F0。

F?0???W?fg??0.15??9000?1500?N?1575N F0??0?W?fg??0.2??9000?1500?N?2100N

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Famax。

Famax?F1?F???899.96?2081.22?N?2981.18N

(2)按式（2-11a）计算最小轴向负载力Famin。

Famin?F?0?1575N

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

，则由式（2-16）得

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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Famax，快速移动和钻镗定位时的轴向 载荷定为最小载荷Famin，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F2、F3分别可按下式计算：

F1?Famin?20úmax，F3?Famin?5úmax

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 强力切削 一般切削(粗加工) 精细加工(精加工) 快移和钻镗定位 轴向载荷/N 进给速度/(m/min) 时间比例/(%) 2981.18 2171.23 1724.1 1575 备注 v1?0.6 v2?0.8 v3?1 10 30 50 10 F1?Famax F1?Famin?20úmax F3?Famin?5úmax v4?vmax F4?Famin (2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni。

n1?v1?60r/min L0v2?80r/min L0v3?100r/min L0v4?1500r/min L0n2?n3?n4?(3)按式(2-17)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm。

nm?qq1qqn1?2n2?3n3?4n4?230r/min 1001001001005

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Ksmax ，由公式（2-45b）得

Ksmax2d2L ?6.6?104L1?L?L1?2

=767.25N/μm

(2)计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb。

已知轴承接触角?=600，滚动体直径dQ=7.144mm，滚动体个数Z=17，轴承的最大轴向工作载荷FBmax=5361.41N，由表2-45和表2-46得，

Kb=4×2.34×?dQZFBmaxsin??=1654.30 N/?m

2513(3)计算滚珠与滚道的接触刚度Kc。

查附录A表A-3得滚珠丝杠的刚度K=1585 N/?m，额定动载荷Ca=46500N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷Famax=2981.18N，由式（2-46b）得

?F?Kc=K ?amax?=1390.00 N/?m

?0.1Ca?(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

1111= + + =0.00263 KmaxKsmaxKbKc13故Kmax=380.23 N/?m

由式（2-47b）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为

1111=+ + =0.0030 KminKsminKbKc故Kmin=333.33 N/?m

5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算

由图1可知，扭转作用点之间的距离L2= 919.5mm。已知剪切模量G=8.1 ×104MPa，

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滚珠丝杠的底径d2=32.7mm，故由式（2-48）得

K?=

?d24G32L2= N·m/rad=8844.51 N·m/rad

6. 驱动电动机的选型与计算

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Jr。

已知滚珠丝杠的密度?=7.8×10?3Kg/ cm3，故由式（2-63）得

Jr=0.78×10?3?DL

4iii?1n=0.78?10?3??2?34?8.9?44?100.9?2.54?5.2?kg?cm2 =21.43Kg·cm2 (2)计算联轴器的转动惯量J0

J0=0.78×10?3（D4--d4）L

=11.62Kg·cm2

(3)计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量JL

已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量m=918Kg,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=10mm=1cm，则由式(2-65)得

?L?2JL=m??=23.28Kg·cm

?2??2（4）由公式（2-66）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量Jd

Jd= Jr+J0+JL=（21.43+11.62+23.28）=56.33 Kg·cm2

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Tc。

已知切削状态下坐标轴的轴向负载力Fa= Famax=2981.18N， 电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=10mm=0.010m，进给传动系统的总效率?=0.90，则

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Tc=

(2)计算摩擦负载力矩T?

FaL=5.3N·m 2??已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）

F?0?1575N，由式(2-55)得

T?=

F?0L2??=2.79N·m

(3)计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf。

已知滚珠丝杠螺母副的预紧力FP?993.72N，滚珠丝杠螺母副的基本导程

L0?12mm?0.012m，0.01滚珠丝杠螺母副的效率?0=0.94，由式（2-56）得

Tf=

FpL02??2（1—?0）=0.20N·m

6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上各种所需的力矩 (1)计算线性加速力矩Ta1

已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速nmax=1500r/min，电动机的转动惯量Jm=62Kg·cm2，坐标轴的负载惯量Jd=56.33Kg·cm2。取进给伺服系统的位置环增益ks=20Hz，则加速时间ta=

33= s=0.15s，由式(2-58)得 20ks?ksta2?nmaxe（Jm+ Jd）（1-- ） Tal=

60?980ta=

2?3.14?2000?（62+65.36）×（1-e?20?0.15）Kgf·cm

60?980?0.15=12.1N·m

(2)计算阶跃加速力矩。 已知加速时间ta=

11=s=0.05s，由由式(2-59)得 ks20Tap=

2?nmax（Jm+Jd）

60?980ta13

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=37.42N·m

(3)计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。 ①由式（2-61）计算线性加速时的空载启动力矩Tq 。

Tq=Ta1+（T?+Tf）=（12.1+2.79+0.20）N·m=15.09N·m

②由式（2-61）计算阶跃加速时的空载启动力矩 Tq?。

Tq?=Tap+（T?+Tf）=（37.42+2.79+0.20）N·m=40.41N·m

③由式（2-57a）计算空载时的快进力矩 TkJ。

TkJ=T?+Tf=2.79+0.20=2.99N·m

④由式（2-61）计算切削时的工进力矩TGJ

TGJ= TC+ Tf=（5.3+0.20） N·m =5.50N·m

6.4 选择驱动电动机的型号 (1)选择驱动电动机的型号

根据以上计算和表2-47，选择日本FANUC公司生产的a12/3000i型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率3KW；最高转速3000r/min；额定力矩12N·m；转动惯量62 Kg·cm2；质量18Kg。

交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的5～10倍，若按5倍计算，该电动机的加速力矩为60N·m，均大于本机床工作台线性加速时的空载启动力矩Tq=15.09N·m以及阶跃加速时的空载启动力矩Tq? =40.41N·m,所以，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。

该电动机的额定力矩为12N·m，均大于本机床工作台的快进力矩TkJ=3.0N·m 以及工进力矩TGJ=5.73N·m。因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。

(2)惯量匹配验算.。

为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电机的转动惯量之比一般应满足式（2-67），即

0.25≤

Jd≤1 Jm14

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而

Jd56.66==0.91∈【0.25，1】故满足惯量匹配要求。 62Jm7. 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?nc

已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度K0=Kmin=333.33×106 N /m，滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为md=m+

1ms，其中m、ms分别为机床执行部件的质量3和滚珠丝杠螺母副的质量，已知m=918Kg,则

ms=

?×42×123.9×7.8×10?3Kg=12.14Kg 41md=m+ms=922Kg

3?nc=K0=635rad/s md7.2计算扭转振动系统的最低固有频率wnt 折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为

Js=Jr+J0=(21.43+11.62)Kg·cm2=33.05Kg·cm2=0.003Kg·m2

又丝杠的扭转刚度Ks=K?=8844.5N·m/rad， 则

wnt=Ks=1637.1rad/s Js由以上计算知道，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率?nc=635rad/s，扭转振动系统的最低固有频率wnt=1831rad/s都比较高。一般按?nc=300rad/s 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计算与分析

8.1 计算机械传动系统的反向死区△

已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值Kmin=371.27×106N/mm，导轨的静摩擦力F0=1575N，由式（2-52）得

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△=2??=

2F0×103mm=8.48×10?3mm Kmin即△=8.48?m＜10?m，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

1??13?kmax?Fo??????

?KminKmax?

=0.675×10?3mm 即?kmax =0.675?m＜6?m, 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TKJ引起的滚珠丝杠螺母副的变形量?。

已知负载力矩T= TKJ=2990Nmm。由图1得扭矩作用点之间的距离L2=919.5mm，丝杠底径 d2=34.3mm，由式(2-49)得

?=7.21×10?2TL200.15= 4d2(2)由该扭矩变形量?引起的轴向移动滞后量?将影响工作台的定位精度。有式(2-50)得

?=Lo?360=0.0042mm=4.2?m

9. 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号

(1)确定滚珠丝杠螺母副的精度等级。

本机床工作台采用半闭环控制系统，V300p eP 应满足下列要求：

V300p ≤0.8×(定位精度-?kmax-?)=0.8×(30-0.9-4.2)?m=19.9?m

eP≤0.8×(定位精度-?kmax-?)=19.9?m

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滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表2-20得V300p =8 ?m＜19.9?m；查表2-21得，当螺纹长度为850mm时，eP =15?m＜19.9?m，故满足设计要求。

(2)确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD4010-5-P2/1140×850，其具体参数如下。公称直径与导程：40mm，10mm；螺纹长度850mm，丝杠长度1140mm；类型与精度：P类，2级精度。

课程设计总结:

通过此次数控编程课程设计，我对立式数控铣床的进给系统有了个基本的了解，加深了对立式数控铣床的认识。通过立式数控铣床进给系统的设计，使我在装配结构和制造结构的各种方案以及在机械设计制图、零件计算和编写技术文件等方面得到了综合训练，培养了我的初步的结构分析与结构设计计算能力。

虽然只有一周的时间，在很仓促的情况下完成了这次数控编程的课程设计，但收获却很大，使我初步具备了设计的能力，并且我相信我在这方面的设计能力会逐渐成熟起来。

参考文献

1. 2.

范超毅．数控技术课程设计．武汉：华中科技大学出版社，2006 王爱玲．机床数控技术．北京：高等教育出版社，2006

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5w0p.html