立式数控铣床工作台(X轴)设计
下面是小编为大家整理的立式数控铣床工作台(X轴)设计,供大家参考。
立式数控铣床工作台 (X 轴) ) 设计
天津职业技术师范大学
立式数控铣床工作台
（X 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 2
第一章
数控铣床工作台 （X X
轴）设计计算… … ........................... 5 5
1.1
概述… … ................................................................... 5 5
1.2
设计计算… … ........................................................... 6 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
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
第一章
数控铣床工作台 （X 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
m
0
=500kg
（
所受的重力
W =5000N ）； 工作台的最大行程
L
0
=580mm ；工作台快速移动速度
p
v
max
=15000
mm min ；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 u
0
=0.01 ；工作台的定位精度为
25
um ，重
复定位精度为
18
um ；机床的工作寿命为
20000h ，机床采用伺服
主轴，额定功率
P
E
=5.5
kw
，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
r / min ，切削状况如表
1 1- -1 1
所
示
表
1 1- -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
/ /
( m / min)
主电动机满功率
强力切削
0.6
10
条件下切削
一般切削
0.8
30
粗加工
精加工切削
1 1
50
精加工
空载条件下工作台
快速进给
15
10
快速进给
8 8
E
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 1 、对滚珠丝杆螺母副采用预紧；
2 2 、采用伺服电动机驱动。
3 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 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 1 ）
主切削力 F
Z
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
v Dn 3.14 120 10 3
240 m / s
1.5072 m / s
60 60
主传动链的机械效率
，按式
P
3 可计算主切削力
0.8
m
F ；
Z
F
m E z v
10
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，
m / s ；）
--- 机床主传动系统的传动功率，一般 取
0.8 。
m
m
F
m P
10 3 0.8 5.5
10 3 N 2919.32 N
z v 1.5072
（2 2 ）
各切削分力
9 9
根据表
1 1 ---2 2
可得工作台纵向切削力
F
1
、横向切削力 F
c 和垂向切
削力 F
v 分别为
F
0.4 F
1 z
0.4
2919.32 N
1167.728 N
F
0.95 F
c z
F
0.55 F
v z
0.95
2919.32 N
2773.354 N
0.55
2919.32 N
1605.626 N
表
1 1 ---2 2
工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值
1.2.2
导轨摩擦力的计算
（1 1 ）
计算在切削状态下的导轨摩擦力
F
，此时，动摩擦系数
0.01 ，
F 、 F c v --- 主切削力的横向切削分力（N N ）和垂向切削分力（N N ）；
W 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 N ）；
--- 摩擦系数, , 对于帖塑导轨，
=0.15 ；对于滚动
不对称端铣
切削条件
比值
对称端铣
逆铣
顺铣
端铣
F / F
1 z
F / F
c z
0.30 0.40
0.85 0.95
0.60 0.90
0.45 0.70
0.15 0.30
0.90 1.00
( a
(0.4 ~ 0.8) d , a
0.1 ~ 0.2)
e 0 f
F / F
v z
0.50 0.55
0.50 0.55
0.50 0.55
圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣
F / F
1 z
---
1.00 1.20
0.80 0.90
F / F
v z ---
0.20 0.30
0.75 0.80
( a
0.05 d , a
0.1 ~ 0.2)
e 0 f
F / F
c z
---
0.35 0.40
0.35 0.40
1 10 0
直线导轨，
=0.01 ，本设计为滚动导轨，取 =0.01 ；
f --- 镶条紧固力 （N N ）, , 其推荐值可查表
1 1 ---3 3
得镶条紧固力
g
f =75N ，则
g
F (W f g
F F c v ) 0.01 (9000 75 2773.354 1605.626) N 134.546 N
表
1 1 ---3 3
镶条紧固力推荐值
（2 2 ）
计算在切削状态下的导轨摩擦力
F
和导轨静摩擦力
F
。
0 0
F (W f 0 g ) =0.01× （ 9000+75 ）
N=90.75N
F 0
(W f 0 g
) =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 1 ）
计算最大轴向负载力
F
a max
N N
（2 2 ）
计算最小轴向负载力
F
a min
F
a min
F 90.75 N N
u 0
1.2.4
滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算
主电动机功率 /kw
导轨形式
2.2
3.7
5.5
7.5
11
15
18
贴塑滑动导
500
800
1500
2000
2500
3000
3500
轨
滚动直线导
25
40
75
100
125
150
175
轨
1 1
1 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
n 1500 r / min ，则由
max
式 L v max
0 in
max
v
L max
0 in max
15000
11500 mm 10mm 2)
计算滚珠丝杆螺母副的平均转速
n
m
和平均载荷 F
m
（1 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
F
a max
，快速
移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷
F
a min 。一般粗加
工和精细加工时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷
F
、 F
2 3
列公式计算：
分别可按下
F F
20% F
， F F
5% F
，并将计算结果填入表
1 1 ---4 4 。
2 a min
a max
3 a min
a max
表
1 1 --- 4 数控铣床滚珠丝杆的计算
得：
进给速度
时间比例
切削方式
轴向载荷 /N
备注
/(
m min ) )
/( ％) )
强力切削
1217.267
v 0.6
1
10
F F
1
a max
一般切削 （粗加
249.2034
v 0.8
工）
2
30
F F
2 a min
20% F
a max
精细加工 （精加
66.61335
v 1 工）
3
50
F F
3 a min
5% F
a max
快移和定镗定
5.75
v v 10
位
4
max
F F
4
a min
1 12 2
q
q
v
v
v
v
q
（2 2 ）
计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速
n
i
n
1
1 L
0
n 2 2 L
0
n 3 3 L
0
n 4 4 L
0
0.6 r / min
60 r / min 10 10 3
0.8 r / min
80 r / min 10 10 3
1 r / min
100 r / min 10 10 3
15 r / min
1500 r / min 10 10 3
（3 3 ）
按式 n
1 n 2 n ... n n 计算滚珠丝杆螺母副的平均转
速 n 。
m
q
m 100
1 100 2
q q 100 n
n 1 n 2 n ... n n
m 100 1
100 2
100 n
( 10
60 30 80 50 100 10 1500) r / min 230 r / min
100 100 100 100
（4 4 ）
按 式 F m
计算滚珠丝杆螺
母副的平均载荷 F 。
m
F m
3 1217.267 3 0.03 249.2034 3 0.10 66.61335 3 0.22 5.75 3 0.65 N
398.9N 3)
确定滚珠丝杆预期的额定动载荷 C
am （1 1 ）
按预定工作时间估算
查表
1 1 --- 5 得载荷性质系数
fe 1.3 。初步选择的滚珠丝杆的
3
F 3
1
n q n 100
m
1 1 F 3 2
2
n q ... F 3 n n
n q 2
n 100
m
n
n 100
m
3
F 3
1
n q 1 1 F 2
2
n q 3
... F n n
3
n q n 100
m
2
n 100
m
n
n 100
m
1302.4288 3 60 10 351.23576 3 80 30 155.87144 3 100 50 90.75 3 1500 10 N
3
230 100
230 100
230 100
230 100
1 13 3
3
60 n L
F f
w
m
m
h
100 f f 3
60 n L
m h F f
100 f f m w 精度等级为
2 2
级， ， 查表
1 1 ---6 6
得精度系数
f 1 。。
查表
1 1 ---7 7
得可
a
靠性系数得
f 0.44
c
，额定寿命 L
h
20000 h
代入 式 C am a c C am a c 381.95 1.3
7673.75 N
100 1 0.44 N
表
1 1 ---5 5
载荷性质系数
f
w
无冲击（很平
伴有冲击或振
载荷性质
稳 ）
轻微冲击
动
f 1~1.2
w
1.2~1.5
1.5~2
表
1 1 ---6 6
精度系数
f
a
表
1 1 ---7 7
可靠性系数
f
c
（2 2 ）
因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式 C
am f F 估
e a max 3 60 230 20000
精度等级
1 1 、2 2 、3 3
4 4 、5 5
7 7
10
f
1 1
0.9
0.8
0.7
a
可靠性
90
95
96
97
98
99
/( ％) )
f
1 1
0.62
0.53
0.44
0.33
0.21
c
1 14 4
算最大轴向载荷。查表
1 1 ---8 8
得欲加动载荷系数
f 4.5 ，则
e
C
f
am e F
a max
4.5 1302.4288 N
5850.93 N
表
1 1 ---8 8
欲加动载荷系数
f e
（3 3 ）
确定滚珠丝杆预期的额定动载 荷 C 。
am
取其最大值，即 C
am =7673.75
4 4 ）
按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经
d
2m （1 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
m ，重复定位精度为
18
m ，根
据公式
max
(0.3 ~ 0.5）
重复定位精度
m 和 max
(0.2 ~ 0.25）
定位精度
m 以及定位精度和重复定位精度的要求，得
max1
max 2
(0.3
~
0.5 ）
18 m
(6
~
9) m
，
(0.2
~
0.25 ）
25 m
(5
~
6.25) m
取二者较小值，
5 m 。
max
（2 2 ）
估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经
d 。
2m 本机床工作台 （X 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 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
0
取
L=1.4 × 行程 +30
L
0
= = （ 1.4×580+30×10 ）
mm=1112mm ，又
F
=90.75N ，由式
0
欲加载荷类型
轻预载
中预载
重预载
f
6.7
4.5
3.4
e
1 15 5
d 0.039
2m 得 d 0.039
2m 0.039 5.55mm
5 5 ）
初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号
根据计算所得的
L
0
、 C 、 d
am 2m ，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 d
0
、基本
导程 L
0
、额定动载荷
C C
a
，丝杠底径 d
2
分别为：
d 32mm 0
L 10mm ，
0
C
25.7 kN
C
a a
d 27.3mm d
7.7kN , ,
11.1mm ，
符合要求。
2 2 m
6 6 ）
由式 F
1 F
C C
确定滚珠丝杆螺母副的预紧力
F
p 3 a max a am p F 1 F 1 1302.4288 N 434.143 N
p 3 a max
3
7 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 t
tL u
11tL u
10 6 mm 计算目标行程补偿值 t
其中 t
--- 目标行程补偿值 (mm) ；
t --- 温度变化值（
C ）， 一般情况下为
2~3
C ；
---
丝杆的线膨胀系数 （
1/
C ）
, 一般情况下为
11 10 6 / C ；
L --- 滚珠丝杆副的有效行程 (mm) 。
u
已
知
温
度
变
化
值
t 2 C ，
丝
杆
的
线
膨
胀
系
数
11 10 6 / C ，滚珠丝杆副的有效行程
L = = 工作台行程+ + 安全行程 +2× 余程+ + 螺母长度
u
F L
0
max
90.75 1112
5
F L
0
max
1 16 6
P
100
3
60 nL
h
= = （ 580+100+2×20+146 ）
mm=866mm,
故 tL t u 11tL u
10 6 mm 11 2 866 10 6 mm 0.0191mm
(2)
按式 F 1.81td 2 计算滚珠丝杆的预拉伸力
F 。
t 2 t 已知滚珠丝杆螺纹底...
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