X-Y立式数控铣床回转工作台VIP

XY立式数控铣床回转工作台I摘要近年来，随着我国国民经济的迅速发展和国防建设的需要，对高档数控机床提出了急迫的大量需求。设计说明书用简明的语言有侧重的介绍了普通数控铣床中的立式数控铣床的总体结构设计，第一部分为直线进给机械元件设计过程，包括了滚珠丝杠、轴承、步进电机、和同步齿形带的计算、选择与应用，还有对于导轨的简单介绍。第二部分为回转工作台设计过程，数控铣床今后将向中高挡发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，但是数控回转工作台更有发展前途，它是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，它常被使用于立式数控铣床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。本课题主要分析它的原理和设计其机械结构，并对以上部分运用AUTOCAD做图。关键词数控回转工作台；蜗杆传动；数控；滚珠丝杠IIABSTRACTINRECENTYEARS,WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFCHINASNATIONALECONOMYANDNATIONALDEFENSECONSTRUCTION,HIGHENDCNCMACHINETOOLSMADEONALARGENUMBEROFURGENTNEEDSDESIGNMANUALCONCISELYINTRODUCTIONTOTHELANGUAGEHAVEFOCUSEDONACOMMONVERTICALCNCMILLINGMACHINESOVERALLSTRUCTURALDESIGN,THEFIRSTPARTISTHESTRAIGHTLINEINTOTHEDESIGNPROCESSFORMECHANICALCOMPONENTS,INCLUDINGBALLSCREWS,BEARINGS,STEPPERMOTORS,ANDSYNCHRONOUSGEARSHAPEWITHTHECALCULATION,SELECTIONANDAPPLICATION,ASWELLASABRIEFINTRODUCTIONFORTHERAILTHESECONDPARTISTHEROTARYTABLEDESIGN,CNCMILLINGMACHINEINTHEFUTUREDEVELOPMENTWILLBEINHIGHGEAR,MIDRANGEPACKAGEWITHPOPULARCNCTURRET,HIGHGRADETYPETOOLHOLDERWITHPOWER,BUTMOREPROMISINGTHECNCROTARYTABLEIS,ITCANBEACHIEVECIRCULARFEEDMOVEMENTOFTHETABLEANDINDEXING,ITISOFTENUSEDINVERTICALCNCMILLINGMACHINESANDMACHININGCENTERS,CANIMPROVEPROCESSINGEFFICIENCY,THECOMPLETIONOFMORETECHNOLOGY,ITISMAINLYBYTHEDRIVINGFORCE,GEARDRIVE,WORMDRIVE,WORKSTATIONSANDOTHERCOMPONENTS,ANDTHEWORMCANBEINTENSIFIEDTOELIMINATEGAPS,ISAVERYUSEFULPROCESSTOOLTHEMAINTOPICOFITSPRINCIPLESANDDESIGNOFITSMECHANICALSTRUCTUREANDTHEUSEOFAUTOCADTODOMORETHANPARTOFTHEPLANKEYWORDSNUMERICALCONTROLROTARYTABLEWORMDRIVENUMERICALCONTROLBALLBEARINGGUIDESCREWIII目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111我国数控铣床的发展概况112当今数控铣床的发展趋势1121高速、高精加工技术及装备的新趋势11225轴联动加工和复合加工机床快速发展2123智能化、开放式、网络化成为当代数控发展的主要趋势3第2章总体设计421设计目标422结构形式的特点及其选择4221标准式数控铣床4222铣头回转横移式数控铣床423技术要求及参数524总体方案设计6第3章立式数控铣床工作台（X轴）设计731设计计算7311主切削力及其切削分力计算7312导轨摩擦力的计算8313计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力9314滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算1032滚珠丝杆螺母副的承载能力校验18321滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验18322滚珠丝杆螺母副临界转速的校验18323滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验18第4章计算传动系统的刚度2041传动系统的刚度计算20411计算滚珠丝杆的拉压刚度20IV412计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度20413计算滚珠与滚道的接触刚度22414计算进给传动系统的综合拉压刚度K2242滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算23第5章驱动电动机的选型与计算2451计算折算到电动机轴上的负载惯量2452计算折算到电动机轴上的负载力矩2553计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩26531计算线性加速力矩26532计算阶跃加速力矩26533计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩2754选择驱动电动机的型号27541选择驱动电动机的型号27542惯量匹配验算28第6章确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号2961确定滚珠丝杠螺母副的精度等级2962确定滚珠丝杠螺母副的规格型号30第7章立式数控铣床工作台（Y轴）设计3171设计计算31711主切削力及其切削分力计算31712导轨摩擦力的计算32713计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力32714滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算3372滚珠丝杆螺母副的承载能力校验39721滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验39722滚珠丝杆螺母副临界转速的校验39723滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验40第8章计算传动系统的刚度4181传动系统的刚度计算41811计算滚珠丝杆的拉压刚度41812计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度41813计算滚珠与滚道的接触刚度42V814计算进给传动系统的综合拉压刚度K4282滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算43第9章驱动电动机的选型与计算4491计算折算到电动机轴上的负载惯量4492计算折算到电动机轴上的负载力矩4593计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩46931计算线性加速力矩46932计算阶跃加速力矩47933计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩4794选择驱动电动机的型号48941选择驱动电动机的型号48942惯量匹配验算48第10章确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号49101确定滚珠丝杠螺母副的精度等级49102确定滚珠丝杠螺母副的规格型号49第11章数控回转工作台的结构设计50第12章数控回转工作台的设计计算及校核52121传动方案的确定521211步进电机的原理521212方案传动时应满足的要求521213传动方案及其分析53122齿轮传动的设计541221选择齿轮传动的类型541222选择材料541223按齿面接触疲劳强度设计541224确定齿轮的主要参数与主要尺寸551225校核齿根弯曲疲劳强度551226确定齿轮传动精度551227齿轮结构设计55123电液脉冲马达的选择及运动参数的计算561231电液脉冲马达电机的选择561232选择电液脉冲马达的额定功率56VI124蜗轮及蜗杆的选用与校核581241选择蜗杆传动类型581242选择材料581243按齿面接触疲劳强度设计58125蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸591251蜗杆591252蜗轮59126轴的校核与计算601261蜗杆轴的材料选择，确定许用应力601262按扭转强度初步估算轴的最小直径601263蜗杆轴的校核601264轴承的选用66结论67致谢68参考文献69VIICONTENTSABSTRACTICHAPTER1INTRODUCTION111OVERVIEWOFOURCNCMILLINGMACHINE112THEDEVELOPMENTTRENDOFTODAYSCNCMILLINGMACHINE1121HIGHSPEED,HIGHFINISHINGTHENEWTRENDOFTECHNOLOGYANDEQUIPMENT11225AXISSIMULTANEOUSMACHININGANDRAPIDDEVELOPMENTOFMACHINETOOL2123INTELLIGENT,OPEN,NETWORKHASBECOMETHEMAINTRENDOFTHEDEVELOPMENTOFCONTEMPORARYNUMERICAL3CHAPTER2DESIGN421DESIGNGOALS422STRUCTURECHARACTERISTICSANDSELECTION4221STANDARDTYPECNCMILLINGMACHINE4222CNCMILLINGMACHINEROTARYMILLINGHEADTRAVERSE423TECHNICALREQUIREMENTSANDPARAMETERS524OVERALLDESIGN6CHAPTER3VERTICALCNCMILLINGMACHINETABLEXAXISDESIGN731CALCULATION7311CALCULATIONOFMAINCUTTINGFORCEANDCUTTINGFORCE7312CALCULATIONOFRAILFRICTION8313CALCULATINGTHEAXIALBALLSCREWNUTLOADFORCEDEPUTY9314BALLSCREWDIAMETEROFTHEDYNAMICLOADCALCULATIONANDESTIMATION1032VICEBALLSCREWNUTBEARINGCAPACITYVERIFICATION18321BALLSCREWNUTPAIRSCRITICALCOMPRESSIONLOADCALIBRATION18322DEPUTYCRITICALSPEEDOFBALLSCREWNUTCHECKSUM18323VICERATEDLIFEOFBALLSCREWNUTCHECKSUM18VIIICHAPTER4CALCULATIONOFTHESTIFFNESSOFTRANSMISSION2041TRANSMISSIONOFTHESTIFFNESSCALCULATION20411CALCULATETHESTIFFNESSINTENSIONANDCOMPRESSIONBALLSCREW20412VICEBEARINGBALLSCREWNUTCALCULATEDBEARINGSTIFFNESS20413CALCULATIONOFBALLANDRACEWAYCONTACTSTIFFNESS22414FEEDDRIVESYSTEMOFCOMPREHENSIVECALCULATIONOFTENSIONANDCOMPRESSIONSTIFFNESSK2242BALLSCREWPAIROFTORSIONALSTIFFNESSCALCULATION23CHAPTER5SELECTIONANDCALCULATIONOFDRIVEMOTOR2451CONVERSIONTOCALCULATETHELOADINERTIAOFMOTORSHAFT2452CONVERTEDTOMOTORSHAFTCALCULATETHELOADTORQUE2553CALCULATEDAXISCONVERSIONTOTHEAXISOFALLTHENECESSARYMOTORTORQUE26531CALCULATELINEARSPEEDTORQUE26532CALCULATEACCELERATIONTORQUESTEP26533CALCULATETHEREQUIREDAXISCONVERSIONTOAVARIETYOFMOTORSHAFTTORQUE2754SELECTTHEMODELDRIVENMOTOR27541SELECTTHEMODELDRIVENMOTOR27542CHECKINGINERTIAMATCHING28CHAPTER6TODETERMINETHEPRECISIONBALLSCREWPAIRLEVELANDSPECIFICATION2961TODETERMINETHEACCURACYLEVELOFTHEBALLSCREWPAIR2962DETERMINETHESPECIFICATIONSOFTHEBALLSCREWPAIRMODEL30CHAPTER7VERTICALCNCMILLINGMACHINETABLEYAXISDESIGN3171CALCULATION31711CALCULATIONOFMAINCUTTINGFORCEANDCUTTINGFORCE31712CALCULATIONOFRAILFRICTION32713CALCULATINGTHEAXIALBALLSCREWNUTLOADFORCEDEPUTY32714BALLSCREWDIAMETEROFTHEDYNAMICLOADCALCULATIONANDESTIMATION3372VICEBALLSCREWNUTBEARINGCAPACITYVERIFICATION39IX721BALLSCREWNUTPAIRSCRITICALCOMPRESSIONLOADCALIBRATION39722DEPUTYCRITICALSPEEDOFBALLSCREWNUTCHECKSUM39723VICERATEDLIFEOFBALLSCREWNUTCHECKSUM40CHAPTER8CALCULATIONOFTHESTIFFNESSOFTRANSMISSION4181TRANSMISSIONOFTHESTIFFNESSCALCULATION41811CALCULATETHESTIFFNESSINTENSIONANDCOMPRESSIONBALLSCREW41812VICEBEARINGBALLSCREWNUTCALCULATEDBEARINGSTIFFNESS41813CALCULATIONOFBALLANDRACEWAYCONTACTSTIFFNESS42814FEEDDRIVESYSTEMOFCOMPREHENSIVECALCULATIONOFTENSIONANDCOMPRESSIONSTIFFNESSK4282BALLSCREWPAIROFTORSIONALSTIFFNESSCALCULATION43CHAPTER9SELECTIONANDCALCULATIONOFDRIVEMOTOR4491CONVERSIONTOCALCULATETHELOADINERTIAOFMOTORSHAFT4492CONVERTEDTOMOTORSHAFTCALCULATETHELOADTORQUE4593CALCULATEDAXISCONVERSIONTOTHEAXISOFALLTHENECESSARYMOTORTORQUE46931CALCULATELINEARSPEEDTORQUE46932CALCULATEACCELERATIONTORQUESTEP47933CALCULATETHEREQUIREDAXISCONVERSIONTOAVARIETYOFMOTORSHAFTTORQUE4794SELECTTHEMODELDRIVENMOTOR48941SELECTTHEMODELDRIVENMOTOR48942CHECKINGINERTIAMATCHING48CHAPTER10TODETERMINETHEPRECISIONBALLSCREWPAIRLEVELANDSPECIFICATION49101TODETERMINETHEACCURACYLEVELOFTHEBALLSCREWPAIR49102DETERMINETHESPECIFICATIONSOFTHEBALLSCREWPAIRMODEL49CHAPTER11THESTRUCTURALDESIGNOFCNCROTARYTABLE50CHAPTER12DESIGNOFCNCROTARYTABLECALCULATIONANDCHECKING52121TRANSMISSIONSCHEMEFORTHE521211THEPRINCIPLEOFSTEPPERMOTOR521212SHOULDMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEPROGRAMTRANSMISSION52X1213TRANSMISSIONSCHEMEANDITSANALYSIS53122GEARTRANSMISSIONDESIGN541221SELECTTHETYPEOFGEARTRANSMISSION541222SELECTMATERIALS541223DESIGNBYTOOTHCONTACTFATIGUESTRENGTH541224DETERMINETHEMAINPARAMETERSOFGEARANDMAINDIMENSIONS551225CHECKTHETOOTHROOTBENDINGFATIGUESTRENGTH551226DETERMINETHEPRECISIONGEARDRIVE551227GEARDESIGN55123ELECTROHYDRAULICPULSEMOTORSELECTIONANDCALCULATIONOFMOTIONPARAMETERS561231ELECTROHYDRAULICPULSEMOTORMOTORSELECTION561232SELECTELECTROHYDRAULICPULSEMOTORRATEDPOWER56124WORMANDWORMSELECTIONANDVALIDATION581241SELECTTYPEOFWORMTRANSMISSION581242SELECTMATERIALS581243DESIGNBYTOOTHCONTACTFATIGUESTRENGTH58125WORMANDWORMGEARGEOMETRYOFTHEMAINPARAMETERS591251WORM591252WORM59126CHECKWITHTHECALCULATIONOFAXIS601261WORMSHAFTMATERIALSELECTION,DETERMINETHEALLOWABLESTRESS601262PRELIMINARYESTIMATESBYREVERSINGTHEINTENSITYMINIMUMDIAMETEROFSHAFT601263CHECKWORMSHAFT601264BEARINGSELECTION66CONCLUSION67THANKS68REFERENCES690第1章绪论11我国数控铣床的发展概况随着科学技术快速发展和市场竞争的日益激烈，社会化大生产对机械产品的要求越来越趋于多样化、复杂化，尤其是在造船、航空航天、国防军工、重型机械以及电子等工业中，其加工批量小、零件形状复杂、改形频繁、精度要求高、加工困难、生产效率低、劳动强度大和质量难以保证的生产特点，已经不能靠传统的加工设备和制造方法来适应这种柔性化程度很高的加工要求。因此能有效解决复杂、精密、中小批量加工的数控机床在近几十年来得到迅速发展和最广泛的应用。数控机床是采用数控装置或电子计算机来控制机床运动，自动地取代一般通用机床上人工控制的各种操作，如起动、加工顺序、主轴变速、切削用量、松夹工件、选择刀具、进刀退刀、切削液开关以及停车等。通常，数控机床将所需的全部机械动作、步骤和控制功能，以及工件的形状尺寸预先按规定的字符和文字代码的形式编制数控程序，通过穿孔机或键盘等把程序上的信息以数字代码的形式记载在控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）上，通过控制介质将加工信息送入数控装置，数控装置或计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令性控制信号。12当今数控铣床的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。121高速、高精加工技术及装备的新趋势1效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工1是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80M/MIN，甚至更高，空运行速度可达100M/MIN左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国CINCINNATI公司的HYPERMACH机床进给速度最大达60M/MIN，快速为100M/MIN，加速度达2G，主轴转速已达60000R/MIN。加工一薄壁飞机零件，只用30MIN，而同样的零件在一般高速铣床加工需3H，WWWBYSJ580COM毕业设计代做请加QQ3449649974在普通铣床加工需8H；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000R/MM和1G。在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10M提高到5M，精密级加工中心则从35M，提高到115M，并且超精密加工精度已开始进入纳米级001M。在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000H以上，伺服系统的MTBF值达到30000H以上，表现出非常高的可靠性。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。1225轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。2在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVOUTION系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。123智能化、开放式、网络化成为当代数控发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGCTHENEXTGENERATIONWORKSTATION/MACHINECONTROL、欧共体的OSACAOPENSYSTEMARCHITECTUREFORCONTROLWITHINAUTOMATIONSYSTEMS、日本的OSECOPENSYSTEMENVIRONMENTFORCONTROLLER，中国的ONCOPENNUMERICALCONTROLSYSTEM等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（MAZAK公司展出的“CYBERPRODUCTIONCENTER”（智能生产控制中心，简称CPC；日本大隈（OKUMA）机床公司展出“ITPLAZA”（信息技术广场，简称IT广场；德国西门子SIEMENS公司展出的4OPENMANUFACTURINGENVIRONMENT（开放制造环境，简称OME）等。5第2章总体设计21设计目标本设计为XY立式数控铣床回转工作台，它主要实现横向即X向的进给运动，包括快速进给、匀速切削进给，其匀速切削进给又包括强力切削、一般切削、精加工切削三个进给运动；纵向即Y向的进给运动，亦包括快速进给、匀速切削进给，其匀速切削进给又包括强力切削、一般切削、精加工切削三个进给运动；及回转工作台的圆周方向进给运动，包括正转、反转、启动、停止。22结构形式的特点及其选择立式数控铣床的布局形式有很多，如标准式数控铣床、铣头回转横移式数控铣床、滑枕式数控铣床、牛头式数控铣床、单柱式数控铣床、龙门式数控铣床。但常用的有标准式立式数控铣床和铣头回转横移式数控铣床。221标准式数控铣床标准式数控铣床的布局特点机床加工范围比较广，工作台能做三个坐标方向的运动，立铣头可回转45，且灵活性较大，操作方便，整体结构简单，制造成本低廉，占地面积小，适合加工中、小型工件，机床高度均处于人体高度便于操作的范围内。缺点是工作台的系统刚度较低，一般B200400MM。222铣头回转横移式数控铣床铣头回转横移式数控铣床的布局特点立铣头可360回转，铣头滑枕可移动，滑枕座尚可绕立柱回转，占地面积较大，整体机床较重，机床刚度较低，一般B180320MM，主要用于机修、工具车间。综合上述优缺点、客观条件及设计的机床的主要加工对象为中小型工件，所以选择标准式立式数控铣床（结构示意图如下图所示）。61伺服电机；2横向进给系统；3纵向进给系统；4回转工作台图21立式数控铣床结构图23技术要求及参数进给工作台、工件和夹具的总重量M918KG（所受的重力9000N），W其中，纵向工作台和回转工作台的总质量510KG（所受的重力5000N）；0M0横向工作台的最大行程为600MM，纵向工作台的最大行程为500MM；横向、纵向工作台快速移动速度均为15000，机床采用双山导轨，导轨的动IN摩擦系数015,静摩擦系数02；工作台的定位精度为30，重复定位U0UUM精度为20。回转工作台的回转半径为500MM，重复定位精度为0005MM，M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机，额定功率55KW，机床采用端面铣刀进行强EP力切削，铣刀直径D125MM，主轴转速272，切削状况如表21所NIR7示表21数控铣床的切削状况切削方式进给速度MIN时间比例备注强力切削0610主电动机满功率条件下切削一般切削0830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给24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400MM1200MM。（2）工作台的导轨采用双山导轨，同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，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）对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。（4）采用伺服电机驱动。（5）采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。8第3章立式数控铣床工作台（X轴）设计31设计计算311主切削力及其切削分力计算1计算主切削力。ZF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D125MM）时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。此时，铣刀的切削速度为17860DNVS/M602715433S3EZVPF式中传动链的机械效率，取08；MMV机床主轴的计算转速，。S得330852471917EMZNV2计算各切削分力。根据表31可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别1FCVF为040498876N1Z2479095095234831NCN055055135955NVZ19表31工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值312导轨摩擦力的计算1按式下式计算在切削状态下的导轨摩擦力。F（W）FGFCV式中动摩擦系数，取；015镶条紧固力，根据主轴电机额定功率为55KW查表32得GF1500N。得（W）FGFCV01590001500234831135955N213118N不对称端铣切削条件比值对称端铣逆铣顺铣1ZF0346091503C857端铣（048,012EFDAVZ1102080090Z3075080圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣05,12EFC54010表32镶条紧固力推荐值GF主电动机功率/KW导轨形式22375575111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨2540751001251501752按式，计算在不切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩0GWNFF0F擦力。001590001500N1575N0FGF0290001500N2100N313计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力1按式（W），计算最大轴向负载。MAX1GFCVF（W）（98876213118）N311994NAX1FGC2按式N计算最小轴向负载力。MIN0WFMINA1575NMIN0A11314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MAX0VLIN式中电动机最高转速，取，MAXNAX15IR得10MMMAX0I1502计算滚珠丝杆螺母副得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。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AMXF时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削粗加工和精细切削（精加工）AMINF时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算23，并将计算结果填入表33。20FAMX2AMX5AMIN3AX表33数控铣床滚珠丝杆的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/IN时间比例/备注强力切削311994061V10AMX1F一般切削（粗加工）2198990823020A2A精细加工（精加工）173113505FAMIN3AX快移和定镗定位15754MAX10AIN4122计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速。INMIN/R60I/106N301RLVMIN/R10/10303RLV8825I543按下式计算滚珠丝杆螺母副的平均转速。MMN10Q210NQ103685I23INRR（）4计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。MF33312010NNMMMQF3333320111068594972NN178161N3确定滚珠丝杆预期的额定动载荷AMC1按预定工作时间估算。3601WHAMACFFNL式中载荷性质系数，查表34得13；WFW精度系数，精度等级为2级，查表34得；A1AF13可靠性系数，查表36得。CFCF得3601MWHAMACFFCNL317863602426750N表34载荷性质系数WF载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动WF1121215152表35精度系数AF精度等级1、2、34、5710AF1090807表36可靠性系数CF可靠性/909596979899CF10620530440330212因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，估算最大轴向载荷。AMCEFAXF14式中欲加动载荷系数，查表37得。EFEF得45311994N1403973NAMCEFAXF表37欲加动载荷系数EF欲加载荷类型轻预载中预载重预载EF6745343确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。AMC取以上两种结果的最大值，即3426765N。A4按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经2MD1根据定位精度和重复定位精度的要求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30，重复定位精度为20，根据公式M和以及定位精度和MAX132重复定位精度AX154定位精度重复定位精度的要求，得MAX1320670M（）A2545（）取上述计算结果的较小值，即。MAX62估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。2MD本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副的安装方式拟采用两端固定式。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（1214）行程（2530）0L15取L14行程30（146003010）MM1140MM0L又1200N，由式0F02MAX39MLFD得02MAX14392636MM5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0LAC2D式滚珠丝杆螺母副FFZD40105,其公称直径、基本导程、额定动载荷00L和丝杆底径如下AC2，MD4010LN563427C4650AMA，故满足式的要求。MD3232,MD6确定滚珠丝杆螺母副的预紧力PFN891034931F3MAXP7计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力1按式下式计算目标行程补偿值。TT610UL式中滚珠丝杆副的有效行程，UL工作台行程安全行程2余程螺母长度16（600100220146）886MM；知温度变化值，取2C；TT丝杆线膨胀系数，取。C/M106得112886MM002MM6T10L2按式下式计算滚珠丝杆的预拉伸力TF。N425893218TD1F2T8确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号1计算轴承所承受的最大轴向载荷MAXB。685149312845F21AMXTBMAX2计算轴承的预紧力BP。N261938531MAXBP3计算轴承的当量轴向载荷BAM。7269FBPMAX（4）计算轴承的基本额定动载荷C。轴承的径向载荷R和轴向载荷A分别为N261805372160SINBAMR743FA式中轴承所受当量轴向载荷，取372123N。BAMFBAMF因为，所以查表38得，径向系数X19，轴向71246180732R17系数Y054，故PXRFYA19186062054323747N3601HPCNL式中轴承的工作转速，2MIR；NL轴承的基本额定寿命，L20000H。得3495N03610458NL610PC3H表38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DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTTX1914323311723325327ARFY054077035089035026185确定轴承的规格型号因为滚珠丝杆螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用角接触球轴承组背60对背安装，以组成滚珠丝杆两端固定的支承形式。由于滚珠丝杆的螺纹底径2D为343MM，所以选择轴承的内径D为30MM，以满足滚珠丝杆结构的需要。在滚珠丝杆的两个固定端均选择国产角接触球轴承两件一组背对背安装，60组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为760360TNI/P4DFB,尺寸（内径外径宽度）为30MM72MM19MM），选择脂润滑。该轴承的预载荷能力BPF为2900N，大于计算所得的轴承预紧力BPF193962N并在脂润滑状态下的极限转速为1900R/MIN,高于滚珠丝杆的最高转速MAX150/INR，故满足要求。该轴承的额定动载荷为C34500N，而该轴承在20000H工作寿命下的今本额定动载荷C34395N,也满足要求。32滚珠丝杆螺母副的承载能力校验321滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杆始终受拉而不受压，因此，不存在压杆补稳定问题。322滚珠丝杆螺母副临界转速的校验CN滚珠丝杆的最小惯性矩为44423167906DIM滚珠丝杆的最小截面积为2235A故210CEINKLX092092092002002092092092092217ARFY10101010101010101019式中滚珠丝杆螺母副临界转速计算长度，取8375MM；2L2LE弹性模量，取；MPA102E5材料密度，；3M/N87G重力加速度，；G23S/9安全系数，取；1K80K1参考系数，查参考文献2表244得。473得MIN/59210810865837146260N3521CRAEIL107385MINR本丝杆螺母副的最高转速为1500，远小于其临界转速，故满足要求。323滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。R1029R214936501FFCL66363WA3H506NLH式中额定动载荷，查参考文献2附录A表A3取46500N；AAC运转条件系数，取；WF1FW滚珠丝杆轴向载荷，取；AFN4931FMAX20滚珠丝杆螺母副转速，。NMIN/R150NMAX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。20HL21第4章计算传动系统的刚度41传动系统的刚度计算411计算滚珠丝杆的拉压刚度SK本工作台的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2,1075ALM压刚度。MINSK/N1075346D622SIN当或时，5837LAYLAJ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。SMINKM/1409/N52371052374106L4D106KJ2SMAX412计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度B35AMX2QBSINFZDK式中轴承接触角，取；60滚动体直径，取；QD417DQZ滚动体个数，取Z17；轴承最大轴向工作载荷，。BMAXFN6851FBMAX由表41、422235AMX2QBSINFZD4KM/N8619/60I8517143252表41一个未预紧的轴承或一对预紧轴承的组合刚度的计算公式B0BK轴承类型未预紧/NM（有预紧/N（角接触球轴承（6000型）5234SINAQDZF5234SINAQDZF圆锥滚子轴承（7000型）010897XRZL01081997MXIRZL推力球轴承（8000型）2315AQ23A25Q推力圆柱滚子轴承（9000型）010897RF010897XRF表42滚珠丝杠螺母副支承刚度的计算公式BK滚珠丝杠螺母副支承方式支承刚度的计算公式B一端固定，一端自由B0一端固定，一端游动固定端预紧时B0两端支承预紧时；未预紧时B0BBK两端固定固定端预紧时B0223413计算滚珠与滚道的接触刚度CK13MAX0F（）式中K滚珠与滚道的接触刚度，查参考文献2附录A表A3得K1585；N额定载荷，取46500N；ACA滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，311994N。MXFAMX得13MX0CKA（）/465098317N414计算进给传动系统的综合拉压刚度K进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为MAXAX11102304968759SBC故。MAX25N进给传动系统的综合拉压刚度的最小为MINI111027736985SBCK故。MIN2N2442滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算23DGKL式中扭转作用点之间的距离，；2L5M942剪切模量，取；GMPA1084滚珠丝杆的底径，。2D3D32得RAD/MN5316/N1059431L3K36424RAD25第5章驱动电动机的选型与计算51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。RJ4132NJRJDL式中滚珠丝杠的密度，取。33CM/KG087得441132NNJJRJJJ3C/KG259080873CM/KG42计算联轴器的转动量。0J34781LD3243CM/16KGCKG610873计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。LJ已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量M918KG，电动机每转一圈，机床执行部件在轴上移动的距离L1CM。则222LCKG834198MJ4计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。DJ（214311622328）56330DRL2CMKG2CKG2652计算折算到电动机轴上的负载力矩1计算切削负载力矩。CT31940522ACLNMF式中切削状态下轴向负载力，；AFAX3194L电动机每转一圈执行部件轴向移动距离，；01,LM进给传动系统总效率，取。09,2计算摩擦负载力矩UT02UOLF式中不切削状态下坐标轴的轴向负载力，。0F0157UN得0157923409UOLNM3计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。FT20PF1FT式中滚珠丝杠螺母副预紧力，；PFN893P滚珠丝杠螺母副基本导程，；0LM10L0滚珠丝杠螺母副的效率，取。4927得MN120490143298102LFT20PF53计算坐标轴折算到电动机轴上的各种