工作台、工件和夹具的总重量=950kg,其中,工作台的质量=550kg(所受的重力=5000N)

1、天津职业技术师范大学机械工程学院课程设计说明书 1.1技术要求：工作台、工件和夹具的总重量=950kg，其中，工作台的质量=550kg（所受的重力=5000N）；工作台的最大行程=600mm；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（即工作时间为10年）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=125mm，主轴转速n=200，切削状况如表所示切削方式进给速度/时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一

2、般切削0.830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1.1.2总体设计方案：为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。（1） 对滚珠丝杠螺母进行预紧；（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关于主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力。 铣刀的切削速度为若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）计算各切削分力。查表得工作台纵向切削力、横向切削力和垂

3、向切削力分别为1.2.2关于导轨摩擦力的计算 （1）动摩擦系数，其推荐值可查表得镶条紧固力=75N=0.01(9310+75+3190.84+1847.33)N=144.23N(2) 计算在吧切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力。 =0.01（9310+75）N=93.85N =0.01(9310+75)N=93.85N1.2.3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 =（1343.51+144.23）N=1587.74N（2）计算最小轴向负载力 =93.85N1.2.4关于滚珠丝杠选型设计计算1）确定滚珠丝杠的导程 取电动机的最高转速2)计算滚珠丝杠螺母副得平均转速和平均载

4、荷（1）估算在各种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，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、分别可按下列公式计算：，并将计算结果填入表中。切削方式轴向载荷/N进给速度/()时间比例/()备注强力切削1587.7410一般切削（粗加工）411.4030精细加工（精加工）173.2450快移和定镗定位93.8510(2) 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速（3）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速。（4） 计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷。3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷（1）按预定工作时间估

5、算。查表得在和性质系数。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查表得精度系数。查表得可靠性系数，额定寿命则由式得(2) 因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式估算最大轴向载荷。查表得欲加动载荷系数，则（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷。取以上两种结果的最大值，即=13917.704）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底经（1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。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，取上述计算结果的较小值，即。（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底经。铣床工作台（X）轴

6、滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定式。滚珠丝杠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（1.21.4）行程+（2530）取L=1.4行程+30=（1.4600+3010）mm=1140mm,又=93.85N，由式得5）初步确定滚珠丝杠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杠螺母副FF3210-5,其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝杆底径如下：，,，故满足式，的要求。6）由式确定滚珠丝杠螺母副的预紧力7）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力（1） 计算目标行程补偿值-目标行程补偿值；-温度变化值（），一般

7、情况下为23；-丝杆的线膨胀系数,一般情况下为；-滚珠丝杠副的有效行程。 已知温度变化值，丝杆的线膨胀系数，滚珠丝杠副的有效行程=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度 =（600+100+220+146）mm=886mm,故(2)计算滚珠丝杠的预拉伸力。已知滚珠丝杠螺纹底径,滚珠丝杠的温度变化值，则8)确定滚珠丝杠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。（2）计算轴承的预紧力(3) 计算轴承的当量轴向载荷(4)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，所以查表得，径向系数X=1.轴向系

8、数Y=0.54 (5)确定轴承的规格型号因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径为27.3mm，所以选择轴承的内径为25mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠的两个固定端均选择角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杠的两端固定支承方式。轴承的型号为760205TNZ/P4DFB,尺寸（内径外径宽度）为25mm52mm15mm，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=303.83N.并在脂润滑状态下的极限转速为1500r/min,等于滚珠丝杠的最高转速，故满足要求。该轴承的

9、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=7991.81N,也满足要求。工作台的滚珠丝杠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。滚珠丝杠螺母副临界转速的校验根据以上的计算可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度=1239mm 已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数，。滚珠丝杠的最小惯性矩为滚珠丝杠的最小截面积为故可由式 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。滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验滚珠丝杠的额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杠的轴向载荷,滚珠丝杠螺母副转速,由式， ， 一般来讲，在设计数控机床

10、时，应保证滚珠丝杠螺母副的总时间寿命故满足要求。1.2.5关于传动系统的刚度计算(1)计算滚珠丝杠的拉压刚度。本工作台的丝杆支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置时时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度当或时（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时），滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度（2）计算滚珠丝杠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（2） 计算滚珠与滚道的接触刚度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 （3） 计算进给传动系统的综合拉压刚度。进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。进给

11、传动系统的综合拉压刚度的最小值为故。（4） 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由以上计算可知，扭矩作用点之间的距离已知剪切模量，滚珠丝杠的底径 1.2.6关于驱动电动机的选型与计算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。已知滚珠丝杠的密度（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（4）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。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

12、给传动系统总效率（2）计算摩擦负载力矩 （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。 线性加速时空载启动力矩。 阶跃加速时空载启动力矩。 快进力矩。 工进力矩。选择驱动电动机的型号（1） 选择驱动电动机的型号 选择FANUC型交流伺服电

13、动机为驱动电动机。主要技术参数如下:额定功率3kw；最高转速3000；额定力矩12；转动惯量；质量。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，则该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力矩，电动机均满足加速力矩要求。 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，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。1.2.7机械传动系统的动态分析 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率

14、 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（）， 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。计算传动系统的误差计算与分析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，导轨的静摩擦力即故满足要求。计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 即故满足要求。计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）计

15、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（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。 1.2.8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，；当螺纹长度为850mm时，故满足设计要求。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-P2/15191000,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。 第2章 数控机床控制系统设计2.1系统型号考虑数控机床的经济型和实用性

16、决定选用华中数控系统HNZ-21M。2.2强电回路课程设计，照明灯的AC24V电源和HNC-21的AC24V电源是各自独立的；工作电流较大的电磁阀用DC24V电源与输出开关量用的是DC24V电源也是相互独立的，并且中间用一个低通滤波器隔离开来。下图中QFO-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为三相阻容吸收器；RC4-RC7为单相阻容吸收器；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。QFO为电源总开关，QF1-4分别为伺服电源模块，主轴强电，液压

17、电动机，冷却电动机的空气开关，空气开关的作用是接通电源及电源在短路，过流时起保护作用；KM1，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，由他们主触点控制相应的电动机；伺服变压器将交流380v电压变为交流200v电压，供给伺服电源模块；RC1，RC2，RC5为阻容吸收器，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。图中下半部分为电源回路，途中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

18、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。2.3弱电回路2.3.1控制信号图 继电器主要是由输出开关量控制的，出入开关量主要是指进给装置、主轴装置、机床电气等部分的状态信息与报警信息。2.3.2输入输出开关（I/O）图2.3.3伺服驱动器电路连线图用HSV-11型伺服驱动器驱动1FT6系列伺服电动机时要特别注意：伺服电动机电源线V、W总结与体会紧张而又辛苦的课程设计结束了。当我们