立式数控铣床工作台(X轴)设计.doc

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

34

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=900kg（所受的重力W=9000N），其中，工作台的质量=500kg（所受的重力=5000N）；工作台的最大行程=580mm；工作台快速移动速度=15000；工作台采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数=0.01,静摩擦系数=0.01；工作台的定位精度为25，重复定位精度为18；机床的工作寿命为20000h，机床采用伺服主轴，额定功率=5.5，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=240，切削状况如表1-1所示

表1-1数控铣床的切削状况
切削方式
进给速度/
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

1.1.2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
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

主传动链的机械效率，按式可计算主切削力；
---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，；）
---机床主传动系统的传动功率，一般取。

（2）各切削分力
根据表1---2可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为

表1---2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值
切削条件
比值
对称端铣
不对称端铣
逆铣
顺铣
端铣

圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣

---

---

---

1.2.2导轨摩擦力的计算
（1）计算在切削状态下的导轨摩擦力，此时，动摩擦系数，
、---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）；
---摩擦系数,对于帖塑导轨，=0.15；对于滚动
直线导轨，=0.01，本设计为滚动导轨，取=0.01；
---镶条紧固力（N）,其推荐值可查表1---3得镶条紧固力=75N，则

表1---3 镶条紧固力推荐值
导轨形式
主电动机功率/kw
2.2
3.7
5.5
7.5
11
15
18
贴塑滑动导轨
500
800
1500
2000
2500
3000
3500
滚动直线导轨
25
40
75
100
125
150
175
（2）计算在切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力。
=0.01×（9000+75）N=90.75N
=0.01×(9000+75)N=90.75N

1.2.3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
N
（2） 计算最小轴向负载力
N

1.2.4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，则由式得：

2)计算滚珠丝杆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，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般粗加工和精细加工时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算：
，，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
切削方式
轴向载荷/N
进给速度/()
时间比例/(％)
备注
强力切削
1217.267

10

一般切削（粗加工）
249.2034

30

精细加工（精加工）
66.61335

50

快移和定镗定位
5.75

10

（2）计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速

（3）按式计算滚珠丝杆螺母副的平均转速。

（4） 按式计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。
3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷
（1）按预定工作时间估算
查表1---5得载荷性质系数。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。查表1---7得可靠性系数，额定寿命代入式得

表1---5 载荷性质系数
载荷性质
无冲击（很平稳）
轻微冲击
伴有冲击或振动

1~1.2
1.2~1.5
1.5~2

表1---6精度系数
精度等级
1、2、3
4、5
7
10

1
0.9
0.8
0.7

表1---7可靠性系数
可靠性/(％)
90
95
96
97
98
99

1
0.62
0.53
0.44
0.33
0.21

（2）因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式估算最大轴向载荷。查表1---8得欲加动载荷系数，则

表1---8 欲加动载荷系数
欲加载荷类型
轻预载
中预载
重预载

6.7
4.5
3.4
（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。
取其最大值，即=7673.75
4）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经
（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25，重复定位精度为18，根据公式重复定位精度和定位精度以及定位精度和重复定位精度的要求，得
，

取二者较小值，。
（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。
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）
取L=1.4×行程+30=（1.4×580+30×10）mm=1112mm，又=90.75N，由式
得
5）初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号
根据计算所得的、、，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、基本导程、额定动载荷C，丝杠底径分别为：

，
,
，
符合要求。
6）由式确定滚珠丝杆螺母副的预紧力

7）计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力
(1)按式计算目标行程补偿值
其中---目标行程补偿值；
---温度变化值（），一般情况下为2~3；
---丝杆的线膨胀系数（1/）,一般情况下为；
---滚珠丝杆副的有效行程。
已知温度变化值，丝杆的线膨胀系数，滚珠丝杆副的有效行程
=工作台行程+安全行程+2×余程+螺母长度
=（580+100+2×20+146）mm=866mm,
故
(2)按式计算滚珠丝杆的预拉伸力。
已知滚珠丝杆螺纹底径,滚珠丝杆的温度变化值，则

8)确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号
（1）按式计算轴承所承受的最大轴向载荷。

(2)计算轴承的预紧力

(3) 计算轴承的当量轴向载荷

(4)按式计算轴承的基本额定动载荷。
已知轴承的工作转速,轴承所受的当量轴向载荷,轴承的基本额定寿命。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为

因为，所以查表1---9得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故

表1--9 载荷系数
组合列数
2列
3列
4列
承载列数
1列
2列
1列
2列
3列
1列
2列
3列
4列
组合形式
DF
DT
DFD
DFD
DTD
DFT
DFF
DFT
DTT

X
1.9
---
1.43
2.33
---
1.17
2.33
2.53
---
Y
0.54
---
0.77
0.35
---
0.89
0.35
0.26
---

X
0.92
0.92
0.92
0.02
0.02
0.92
0.92
0.92
0.92
Y
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
(5)确定滚动轴承的规格型号
由于滚珠丝杆螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用60°角接触球轴承组背对背安装。由于滚珠丝杆的螺纹底径为27.3mm，所以选择轴承的内径为25mm。
在滚珠丝杆的两个固定端均选择角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为760205TNI/P4DFB,尺寸（内径×外径×宽度）为25mm×52mm×15mm，选择脂润滑。该轴承的预载荷能力为1250N，大于计算所得的轴承预紧力=1116.288N.并在脂润滑状态下的极限转速为2600r/min,等于滚珠丝杆的最高转速，故满足要求。该轴承的额定动载荷为=22000N，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷=13985.1N,也满足要求。
1.3滚珠丝杆螺母副的承载能力校验
1.3.1滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验
本滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杆受拉而不受压，所以，不存在压杆不稳定。

1.3.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验
由以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度=817.5mm。已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数。查参考文献表2-44得。
则：
滚珠丝杆的最小惯性矩为
滚珠丝杆的最小截面积为
故可由式
得

本丝杆螺母副的最高转速为1500，远远小于其临界转速，故满足要求。

表2-44 与支撑方式有关的系数
支撑方式

f
一端固定一段自由F-O
0.25
1.875
3.4
一端固定一段游动F-S
2
3.927
15.1
二段固定F-F
4
4.73
21.9

1.3.3滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验
滚珠丝杆螺母副的疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杆在相同的条件下回转时，其中90％不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速。查参考文献附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杆的轴向载荷,滚珠丝杆
螺母副转速,由式，得：
，

一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命故满足要求。

1.4传动系统的刚度计算
1.4.1传动系统的刚度计算
(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度。
丝杆支承方式为两端固定，当滚珠丝杆的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置时时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，按式计算：

当或时（即滚珠丝杆的螺母中心位于行程的两端位置时），滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度，可按式计算：

（2）计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度。
已知轴承接触角，滚动体直径，滚动体个数Z=16，轴承的最大轴向工作载荷,查参考文献表2-45、2-46得

（3） 计算滚珠与滚道的接触刚度
查参考文献附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度，额定载荷，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，故由式
得
（4） 计算进给传动系统的综合拉压刚度。
（5） 由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为
故。
由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为
故。

1.4.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算
由以上计算可知，扭转作用点之间的距离已知剪切模量，滚珠丝杆的底径。
由得

1.5 驱动电动机的选型与计算
1.5.1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。
滚珠丝杠的密度，可得

（2）计算联轴器的转动量。

（3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。
已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量，电动机每转一圈，机床执行部件在轴上移动的距离,则由式得

（4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。

1.5.2计算折算到电动机轴上的负载力矩
（1）计算切削负载力矩。
已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，进给传动系统总效率，由式得

（2）计算摩擦负载力矩
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），由式得

（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。
已知滚珠丝杠螺母副的预紧力滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，由式得

1.5.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩
（1）计算线性加速力矩
已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速，电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量，进给伺服系统的位置环增益，加速时间，由式得

（2）计算阶跃加速力矩。
已知加速时间，由式得

（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。
①按式计算线性加速时空载启动力矩。

②按式计算阶跃加速时空载启动力矩。

③按式计算快进力矩。

④按式计算工进力矩。

1.5.4选择驱动电动机的型号
（1） 选择驱动电动机的型号
通过以上计算和查参考文献表2--47，选择交流伺服电动机为日本FANUC公司生产的型驱动电动机。主要参数如下:额定功率3kw；最高转速3000；额定力矩12；转动惯量；质量。现按5倍计算额定力矩，电动机的加速力矩为60，均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩以及阶跃加速时所需的驱动,本电动机均满足要求。
该电动机的额定力矩为12，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩以及工进时所需的驱动力矩，因此,本电动机均满足驱动力矩要求。
（2）惯量匹配验算。
系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式而在本设计中： ，
故满足惯量匹配要求。

1.6机械传动系统的动态分析
1.6.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率
已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量（其中、分别是机床执行部件的质量（）和滚珠丝杠螺母副的质量（），则

1.6.2计算扭转振动系统的最低固有频率
折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为

已知丝杠的扭转刚度，则

由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。

1.7计算传动系统的误差计算与分析
1.7.1计算机械传动系统的方向死区
已知进给传动系统的最小综合拉压刚度，导轨的静摩擦力，则由式得

即故满足要求。

1.7.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差
由式得

即故满足要求。

1.7.3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引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。
已知负载力矩，由以上计算得扭转作用点之间的距离，丝杠底径，由式得

（2） 由扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。由式 得

1.8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号
1.8.1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，、应满足下列要求：

滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查参考文献表2-20得 ；
查参考文献表2-21得，当螺纹长度为850mm时，故满足设计要求。

1.8.2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FFZD5010-3-P2/1519×1000,其具体参数如下。公称直径与导程：50mm,10mm；螺纹长度：1000mm；丝杠长度：1519mm；类型与精度：P类，2级精度。
表1---10 2弧度内行程变动量和任意300mm行程内行程变动量（）
精度等级
1
2
3
4
5

4
5
6
7
8

6
8
12
16
23
表1---11 有效行程内的目标行程公差和允许的行程变动量（单位：）
有效行程/mm
精度等级
1
2
3
4
5

≤315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
>315～400
7
6
9
8
12
12
18
17
25
25
>400～500
8
7
10
10
15
13
20
19
27
26
>500～630
9
7
11
11
16
14
22
21
30
29
>630～800
10
8
13
12
18
16
25
23
35
31
>800～1000
11
9
15
13
21
17
29
25
40
33
>1000～1250
13
10
18
14
24
19
34
29
46
39

第二章 电气原理图

2.1输入输出开关量（I/O口）

2.2主轴单元接线图

典型铣床数控系统主轴单元电气原理图

2.3电源部分
在本课程设计中，照明灯的24V交流电源和HNC－21电源是各自独立的；工作电流较大的电磁阀用24V直流电源与输出开关量用的24V直流电源也是各自独立的，且中间用一个低通滤波器来隔离。由于图形较大，具体的原理图如后面。对于此电气图的相关解释：
①各元器件名称：
QF0-QF4为三相空气开关；
QF5-QF11为单相空气开关；
KM1-KM4为三相交流接触器；
RC1-RC3三相阻容吸收器（灭弧器）；
RC4-RC7为单相阻容吸收器（灭弧器）；
KA1-KA10为直流24V继电器；
V1、V2、V3、VZ为续流二极管；
YV1、YV2、YV3、YVZ为电磁阀和Z轴电动机抱闸。
②QF0为电源总开关，QF1-4分别为伺服电源模块、主轴强电、液压电动机、冷却电动机的空气开关，空气开关作用是接通电源及电源在短路、过流时起保护作用；
③KM1、KM2、KM3、KM4分别为控制伺服电源模块、主轴变频器、液压电动机、冷却电动机交流接触器，由他们的主触点控制相应电动机；伺服变压器将交流380V（7KW）电压变为交流200V电压，供给伺服电源模块；RC1、RC2、RC5为阻容吸收，当相应的电路断开后，吸收伺服电源模块、液压电动机、冷却电动机的能量，避免上述器件上产生过电压。
④图下半部分为电源回路，图中TC2为控制变压器，初级为AC380V,次级为AC110V、AC220V、AC24V，其中AC110V提供给交流控制回路、电柜热交换器电源；AC24V给工作灯提供电源；AC220V给自动润滑电动机和24V电源供电，并通过低通滤波器滤波给伺服模块、电源模块、24V电源提供电源控制；50W开关电源给数控系统、PLC输入/输出、24V继电器线圈、伺服模块、电源模块、吊挂风扇提供电源，100W开关电源给Z轴电动机提供直流24V，用于Z轴抱闸、主轴换挡阀等供电。

参考文献
[1] 孙宏昌.华中数控系统装调与实训.北京:机械工业出版社,2012.
[2] 范超毅，赵天婵等.数控技术课程设计.武汉:华中科技大学出版社,2006.
[3] 唐小奇，徐建春.华中数控系统电气联接与控制手册.北京:机械工业出版社,2012.
[4] 宋昌才.常用机床电气控制电路.北京:化学工业出版社,2009.
[5] 邓三鹏.数控机床结构及维修.北京:国防工业出版社,2011.
[6] 高晓林，孙杰等.图解华中系统数控机床维修从新手到高手.北京:化学工业出版社,2013.
[7] 蒋丽.数控原理与系统.北京:国防工业出版社,2011.
[8] 李福生.实用数控机床技术手册.北京:北京出版社,1993.

总结

在这一周的不懈努力下，课程设计终于完成了。从开始直到设计基本完成，有许多感想。这是我们比较独立的在自己的努力下做一个与课程相关的设计。在这次设计中暴露出我们的许多薄弱环节，很多学过的知识都不能学以致用，直到做了这次作业后才能渐渐掌握一些，以前学过的东西自己并不是都掌握了，很多知识只是照搬书本，并非自己所理解，经过这次设计又加深了理解。而且，在一些计算过程中我和我的同学进行了计算方面的讨论，这又加强了我们的合作能力。做课设的期间AutoCAD画图软件也在不断练习中进一步加深，学会了如何去应用工程手册，如何合理的选用相关参数，以及一些设计经验。总的说来，这次课程设计让我们的许多方面都得到了锻炼，这不仅仅是知识方面的，还有能力方面东西。总之学到了我们想学的东西，这次课程设计使我们都受益匪浅。