数控钻床二维工作台设计毕业设计

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1、毕 业 设 计（论 文）数控钻床二维工作台设计 姓 名：学 号：所在系部：专业班级：指导教师：日 期：工程技术学院毕业设计（论文）任务书系 部机械工程系指 导教 师职 称学生姓名专业（班级）学 号设计题目数控铣床二维工作台设计设计内容、目标和要求（设计内容目标和要求、设计进度等）本课题设计经济型数控铣床二维工作台，应满足实用、和加工精度的要求。1、调研：了解各种数控机床进给伺服系统中二维工作台的工作性能和加工要求情况，了解开环伺服传动系统的组成和特点，提出应满足的技术要求和条件，分析、比较各种可能的方案并提出初步设计方案；2、研究和确定数控二维工作台的总体设计方案，要求有必要的分析和计算过程；

2、3、结构设计，、要求画出总体结构图，关键零部件图并对关键零部件进行校核和验算；4、控制系统设计，画出控制系统原理图；5、撰写设计说明书（30-40左右页）；6、基本技术要求： 结构尺寸：参考普通铣床X52K 根据数控机床要求，由调研确定工作台定位精度和重复定位精度、脉冲当量等。7、参考书：数控技术课程设计 范超毅主编 华科大出版社指导教师签名：年 月 日系部审核 此表由指导教师填写院系审核毕业设计（论文）学生开题报告课题名称数控钻床二维工作台设计课题类型B_实践应用类指导教师学生姓名学 号专业班级 本课题的研究现状、研究目的及意义 研究现状：数控系统的选择。 数控铣床一般有三类型。1步进电机拖

3、动的开环系统； 2 异步电动机或直流电机拖动，光栅测量反馈的闭环数控系统 ； 3交/直流伺服电机拖动，编码器反馈的半闭环数控系统。选择数控系统时主要是根据数控改造后机床要达到的各种精度、驱动电机的功率和用户的要求。数控改造中主要机械部件改装探讨。我主要对一些重要部分的探讨。 1滑动导轨副；2齿轮副；3滑动丝杠与滚珠丝杠；4安全防护；这些机械部件改装，也是要根据数控铣床改造后索要达到的各种精度要求和用户的要求。 研究目的：1. 减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些

4、特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高23倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。， 2 机械性能稳定可靠，结构受限； 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件， 改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械 结构的限制，不宜做突破性的改造 3 熟悉了解设备、便于操作维修； 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。

5、 4 可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基 5 可以采用最新的控制技术 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质 量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。 研究意义：1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。数控机床的出现大大的减少劳动力。同时也增加了机械零件的精度。现在，随着社会和科学技术的发展，机械产品的日趋精密复杂，且需频繁改型。普通机床已不能适应这些需求。数控铣床是机械和电子技术相结合。的产物，它的机械结构随着电子控制技术在铣床上的普及应用，以及对铣床性能提出的技术要求，而逐步发展变化。数

6、控铣削是机械加工中最常用和最主要的数控加工方法之一，它除了能铣削普通铣床所能铣削的各种零件表面外，还能铣削普通铣床不能铣削的需要25坐标联动的各表面轮廓和立体轮廓。所以为了满足现在所要的精度要对数控铣床进行改造。 研究内容：数控系统的选择 1、控制方式类型选择。数控机床的伺服进给系统有开环控制、闭环控制和半闭环控制之分。开环系统：结构简单、工作可靠、造价低廉，但影响定位精度的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙的存在，故精度和快速性较差。开环控制的定位精度一般为0.010.02，不能满足横向最小运动单位0.005/脉冲的要求。闭环系统：控制精度高、快速性好，但对机床的要求比较高，且造价较昂贵。闭环控

7、制的定位精度一般为0.0010.003，本设计属经济型数控改造，无须达到此精度。开闭环系统：结构简单、调整方便，在中小型性能要求较高的数控机床中应用较多，故本设计采用开环控制。 2、步进电动机的选用选用步进电动机，通常希望步进电动机的输出转矩大，启动频率和运行频率高，步距误差小。但是，增大转矩与快速运行存在一定的矛盾，高性能与低成本相矛盾。因此在实际选用步进电动机时，要考虑各方面因素。首先要保证机床的定位精度，而脉冲当量直接影响机床的定位精度。脉冲当量越小，机床的定位精度越高，但机床的快速进给速度就越小。为兼顾精度与速度的要求，应在满足精度的条件下，选择尽可能大的脉冲当量。脉冲当量确定后，以此

8、为依据选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。3、计算机系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性强、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8051单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管 显示加工数据及机床状态等信息。 4导轨的选择。一、求较大刚度和承载能力时，采用矩形导轨；中小型卧式车床床身是由三角形和矩形导轨的组合；而重型车床上则采用双矩形导轨、以提高承裁能力；二、要求导向精度高的机

9、床采用三角形导轨。能自动补偿间隙、导向性好；三、矩形导轨和圆形导轨工艺性好；三角形导轨和燕尾形导轨工艺性差；四、要求结构紧凑、高度小、调整方便的机床采用燕尾形导轨。所以，根据导向精度、刚度、承载能力和制造工艺性等综合考虑，该数控立式 铣床采用矩形滚动导轨作为机床的导轨方案一。 5 滚珠丝杠支承轴承的设计计算。 滚珠丝杆支承轴承的设计计算。一端固定、一端游动的支承方式（F-S方式），这种安装方式在一端装可以承受双向轴向载荷与径向载荷的推力角接触球轴承或推力滚针/圆柱滚子轴承，另一端装深沟球轴承，仅作径向支撑，轴向游动。与G-Z方式相比，提高了临界转速的抗弯强度，可以防止丝杆高速旋转时的弯曲变形，

10、其他方面与G-Z方式相似。可以适用丝杆长度，行程较长的情况。两端固定的方式（F-F方式），这种安装方式在两端都装可以承受双向轴向载荷和径 向载荷的推力角接触球轴承或推力滚针轴承，丝杆两端采用双重支承，并进行预紧，提高了刚度。这种结构方式可使丝杆的热变形转化为轴承的预紧力，但设计时要注意提高轴承的承载能力和支承刚度 。课题类型：课题类型： A-理论探究型 B-实践应用型 本课题研究的实施方案、进度安排 数控系统的选择，我准备选择反应式异步电动机或流直流电机拖动，光栅测量反馈的开环数控系统。合各种方面的要求我的实施方案：主要是根据更高的速度。更高的精度。更高的驱动功率，更小的摩擦力，更高的安全性等

11、方面的因素进行考虑的。重点考虑机械和电气改造方案的设计。数控系统的选配，伺服电机的选择。 6-8周主要计算导轨和滚珠丝杆支承轴承的设计计算，齿轮副等数据的计算。 7-10周主要设计数控钻床所选用的控制系统和计算机系统，伺服电机，电气原理的设计等方面。 11-12主要就是进行毕业设计的编写。等一些细节方面。查阅的主要参考文献范超毅.赵天蝉.数控技术课程设计.华中科技大学出版社.2007. 范钦武.数控加工及应用M.化学出版社.2004. 张新义.济型数控机床系统设计；机械工业出版社.2005. 成大先.械设计手册；化学工业出版社.2010. 黄华梁.文生，机械设计基础；高等教育出版社.2007.

12、指导教师意见指导教师签名： 年 月 日毕业设计（论文）学生申请答辩表课 题 名 称数控铣床二维工作台设计指导教师(职称)申 请 理 由毕业设计已经完成，申请答辩学生所在系部专业班级学号 学生签名： 日期：毕业设计（论文）指导教师评审表序号评分项目（理工类）满分评分1工作量152文献阅读与外文翻译103技术水平与实际能力254研究成果基础理论与专业知识255文字表达106学习态度与规范要求15总 分100评语 （是否同意参加答辩） 指导教师签名： 另附毕业设计（论文）指导记录册 年 月 日4毕业设计（论文）评阅人评审表学生姓名专业班级学号设计(论文)题目数控铣床二维工作台设计评阅人评阅人职称序号

13、评分项目（理工类）满分评分1工作量152文献阅读与外文翻译103技术水平与实际能力254研究成果基础理论与专业知识255文字表达106学习态度与规范要求15总 分100评语 评阅人签名： 年 月 日5毕业设计（论文）答辩表学生姓名专业班级学号设计(论文)题目数控铣床二维工作台设计序号评审项目指 标满分评分1报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论有应用价值。402报告过程准备工作充分,时间符合要求。103创 新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。104答 辩回答问题有理论依据，基本概念清楚。主要问题回答准确，深入。40总 分100答辩组评语答辩组组

14、长（签字）： 年 月 日 答辩委员会意见答辩委员会负责人（签字）： 年 月 日6-1毕业设计（论文）答辩记录表学生姓名专业班级 学号设计(论文)题目数控铣床二维工作台设计答辩时间答辩地点答辩委员会名单问题1提问人： 问题：回答（要点）：问题2提问人： 问题：回答（要点）：问题3提问人： 问题：回答（要点）：记录人签名（不足加附页） 毕业设计（论文）成绩评定总表学生姓名： 专业班级： 毕业设计（论文）题目：数控铣床二维工作台设计成绩类别成绩评定指导教师评定成绩评阅人评定成绩答辩组评定成绩总评成绩40%+20%+40%评定等级注：成绩评定由指导教师、评阅人和答辩组分别给分(以百分记)，最后按“优(

15、90-100)”、“良(80-89)”、“中(70-79)”、“及格(60-69)”、“不及格(60 以下)”评定等级。其中，指导教师评定成绩占40%，评阅人评定成绩占20%，答辩组评定成绩占40%。学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，

16、允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密 ，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日HuBei University Of Technology Engineerin And Technology collogyByCai Xian LongMay 18 2012摘 要伴随着各行业对机加工产品要求的不断提高和数控技术的飞速发展，数控机床以其高精度、高效率和低劳动强度等

17、诸多普通机床无法比拟的优势，成为当今制造业的主流加工设备，大多数企业的生产机床为普通机床，生产设备陈旧落后，用这种设备加工出来的产品普遍存在质量差，精度低，成本高，供货周期长等问题，已经不能适合当今企业所面临的竞争需要。数控机床设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术”课程后应用的，它是培养我们能力的重要步骤。本设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练

18、，从而培养我们初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。 AbstractWith the industry machining the continuous improvement of product requirements and rapid development of NC technology, CNC machine tools with high precision, high efficiency and low labor intensity, and many other general machine tools can not match adv

19、antage, become the mainstream of manufacturing and processing equipment, Most of the production machine for the general machine tools, production equipment, outdated, Use this equipment out of the prevailing poor quality products, low precision, high cost, long lead and other issues, can no longer s

20、uited to today's enterprises face the need for competition. CNC Mechatronics curriculum design is an important teaching practice link, Xueshengxuewan technical courses and specialized courses Especially the "numerical control technology," the application of course, it is to train stude

21、nts to integrate theory with practice, solving practical problems important step. The course design is based on a typical mechatronic system design topics - CNC program development as the main line, numerical control system design by developing the overall program, into the mechanical design of the

22、servo system Composite applications enable students to have learned the mechanical, electronic and computer knowledge, to conduct a mechanical and electrical integration of all aspects of training, which students have the computing power and the preliminary design analysis and process of production

23、capacity of the problems encountered .Keywords： general Milling NC mechanical parts servo system design transformation 目 录 摘要i Abstract ii绪论11 概述2 1.1 数控铣床工作台（X-Y）轴参数2 1.2 总体方案设计22 设计计算52.1计算切削分力及其额定功率5 2.2导轨摩擦力的计算6 2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力6 2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算6 2.4.1确定滚珠丝杠的导程6 2.4.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷6 2.

24、4.3确定滚珠丝杠预期的额定功率7 2.4.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径7 2.4.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号8 2.4.6确定滚珠丝杠螺母副的预紧力8 2.4.7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧伸力8 2.4.8确定滚珠丝杠螺母副支撑用的规格型号93 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验103.1滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验10 3.2滚珠丝杠螺母副临界转速的校验10 3.3滚珠丝杠螺母副寿命的校验114 计算机械传动系统的刚度11 4.1机械传动系统的刚度计算11 4.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算125 驱动电动机的选用与计算13 5.1计算折算到电动机轴上的

25、负载惯量13 5.2计算折算到电动机轴上的负载力矩13 5.3计算坐标折算到电动机轴上的各种所需的力矩14 5.4.选择驱动电动机的型号15 6 机械传动系统的动态分析16 6.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率16 6.2计算扭转振动系统的最低固有频率167 机械传动系统的误差计算与分析17 7.1.计算机械传动系统的反向死区17 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17 7.3.计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差178 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号18 8.1.确定滚珠丝杠螺母副的精度等级18 8.2确定滚珠丝杠螺母副的规格型号199 数控系统19 9

26、.1 硬件设计19 9.2 步进电机开环伺服原理20 9.3 步进电机控制框图219.4 软件程序设计22结论24参考文献25致谢26绪 论进入21世纪，我国机床制造业即面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭受到进入WTO后激烈的市场竞争的压力，从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成凡人制造系统是改造传统产业，构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直受人们关注，数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术

27、的中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，当今数控机床正在朝着以下几个方向发展。 高速、精密是机床发展永恒的目标。随着科学技术突飞猛进的发展，机电产品更新换代速度加快，对零件加工的精度和表面质量的要求也愈来愈高。为满足这个复杂多变市场的需求，当前机床正向高速切削、干切削和准干切削方向发展，加工精度也在不断地提高。另一方面，电主轴和直线电机的成功应用，陶瓷滚珠轴承、高精度大导程空心内冷和滚珠螺母强冷

28、的低温高速滚珠丝杠副及带滚珠保持器的直线导轨副等机床功能部件的面市，也为机床向高速、精密发展创造了条件。数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度和高效率，并获得良好的效益，关键取决于其可靠性的高低。 1 概述1.1 数控铣床工作台（X、Y轴）参数：1、工作台工作面积尺寸长宽为1250mm320mm;2、工作台行程X、Y轴分别为680mm /240mm;3、工作台、夹具及工件重力X、Y轴分别为2750N/4400N;4、工作台快移速度X、Y轴分别为2.3/2.3m/min;5、最大进给速度X、Y轴分别为0.6/0.6m/min;6、走刀方/垂向最大切削

29、力为1650N/1100N;7、定位精度为0.01mm;8、启动加速时间为30ms.1.2总体方案设计1.2.1设计参数系统定位精度为0.01mm，其它设计参数如上表：图2-1 工作台简图1.2.2初选步进电动机和丝杠 当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 i=(公式2-1)，b为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、为系统脉冲当量。 选电动机型号为55BF009，其步矩角=选丝杠规格为2004-3(FYND)其导程为4mm,由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。 预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器。1.2.3

30、初定工作台尺寸 查机电一体化设计手册，根据(GB/T 158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低宽度B12mm槽宽A6mmC6mm槽数5，间隔40mm由工作台尺寸1250*320 1250 20 20 20320 20初定滚珠丝杠长度L1150mm（1）（1） B B 5060 Lx+B+102035451.2.4系统组成框图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（长宽）1250320；（2）工作台的导轨采用矩形导轨，与之相配的动导轨滑动面上贴得尔赛（Turcite-B）塑料软带。同时采用斜镶条消除导轨导向面得间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨

31、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，并对滚珠丝杠进行预拉伸；（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.计算切削分力及其额定功率(1)计算各切削力分力取横向方向最大切削分力是4000N，即横向切削力Fc=4000N， 主切削力Fz= Fc /0.95=4210.53N纵向切削力F1= 0.4Fz =1684.21N垂向切削力Fv=0.55Fz =2315.79N（2）计算电动机的额定功率若主传动的机械效率m= 0.8V=Dn/60=1.78m/sPE= FzV/m=

32、9.37KW所以取电动机的额定功率PE=9.37KW表2-3镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/kw2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨2540751001251501752.2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，导轨的动摩擦系数=0.15，查表2-3的镶条的紧固力fg=1500NF u=（W+fg+ Fv+Fc）=1697.37N（2）按式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力F0=和导轨静摩擦力F 0Fu0=（W+ fg）=750NF 0=0（W+ fg）=1000N2.3

33、计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（1）按式（2-10a）计算最大轴向负载力FamaxFamax= F1+ F u=3381.58N（2）按式（2-11a）计算最小轴向负载力FaFamin= F0=750N2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算2.4.1确定滚珠丝杠的导程根据已知条件，题目给的工作台的快移速度2.3m/min实在过小，所以在接下来的计算中工作台的最高转速都用1400r/min来计算，取电动机的最高转速nmax=1400r/min，i=1,则由式（2-16）得 L0=Vmax/i nmax=10mm2.4.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向

34、载荷将强力切削时的轴向载荷定位最大轴向载荷Famax，快速移动的和钻镗定位时的轴向载荷定位最小轴向载荷Famin，一般切削（粗加工）精铣切削（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：F2 = Fa + 20% Famax F3 = Fa + 5% Famax并将计算结果填入表中:切削方式轴向载荷N进给速度（m/min）时间比例（%）备注强力切削3381.58V1= 0.610F1= Famax一般切削（粗加工）1426.32V2=0.830F2=Fa+20%Famax精细切削（精加工）919.08V3= 150F3= Fa + 5%Famax快移和钻镗定位750V4=

35、Vmax10F4= Fa + Famax（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削力方式下的转速niN1=V1/L0=60r/minN2= V2/L0=80r/minN3= V3/L0=100r/minN4= V4/L0=1400r/min（3）按式（2-17）滚珠丝杠螺母副的平均转速nmnm= q1n1/100+q2n2/100+q3n3/100+q4n4/100=220r/min（4）按式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷FmFm=F1 q1n1/（nm100）+ F2 q2n2/（nm100）+ F3 q3n3/（nm100）+ F4 q4n4/（nm100）1/3=1529.85N2.4

36、.3确定滚珠丝杠预期的额定功率Cam（1）按预定工作时间估算，查表2-28得载荷性质系数fw=1.3，已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查表2-29得精度系数fa=1，查表2-30得可靠性系数fc=0.44，则由式（2-19）得 Cam= Fmfw【60 nmLh】1/3/（100fcfa）=28996.18N（2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（2-21）估算最大轴向载荷，查表2-31得预紧载荷系数fe=4.5则 Cam=fe Famax=15217.11N（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam取以上两种结果的最大值，即Cam=28996.18N2.4.4按精度要求确定允许

37、的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m（1）根据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10um，根据式（2-24）的要求得=(0.20.25)20um=(45)um取max=4um(2)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m本机床工作台(X轴)滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式.滚珠丝杠螺母副的两个固定支撑之间的距离为L=行程+安全行程+2余程+螺母长度+支撑长度=(1.21.4)行程+(2530)L0=1.4行程+30 L0=1532mm又F 0=1000N,由式(2-26)得d2m0.039( F 0L/max)0.5=24.14mm2.4.5初步确定滚珠丝杠

38、螺母副的规格型号故据计算所得的L0, Cam, d2m,初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母FFZD4010-3(见本书附录A表A-3),其公称直径d0,基本导程L0,额定动载荷Ca和丝杠底径d2如下d0 =40mm L0=10mmCa = 465000N Cam=28996.18Nd2 = 29.5mm d2m=24.14mm故满足式(2-27)的要求2.4.6由式(2-29)确定滚珠丝杠螺母副的预紧力FpFp= Famax/3=1127.19N2.4.7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预拉伸力(1)按式(2-31)计算目标行程补偿值t已知温度变化值t2，丝杠的线膨胀系数1

39、.110-6/，滚珠丝杠螺母副的有效行程Lu=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度=1166mmt=11t Lu10-6=0.027mm（2）按式（2-32）计算滚珠丝杠的预拉伸力Ft已知滚珠丝杠螺纹底径d2=31.3mm，滚珠丝杠的温度变化值t=2，则Ft=1.81t d22=4258.89N2.4.8确定滚珠丝杠螺母副支撑用的规格型号（1）按式（2-33）计算轴承受的最大轴向载荷FBmaxFBmax= Ft+0.5 Famax=5849.68N（2）计算轴承的预紧力FBpFBp =FBmax/3=1949.89N（3）计算轴承的当量轴向载荷FBamFBam= FBp+Fm=3479.74

40、N（4）按式（2-15）计算轴承的基本额定动载荷C已知轴承的工作转速n=nm=220r/min，轴承所承受的当量轴向载荷FBam=3479.74N，轴承的基本额定寿命L=20000h，轴承的径向载荷Fr和轴向载荷Fa分别为Fr=FBamcos60。=1739.87NFa=FBamsin60。=3027.37N因为Fa /Fr=1.7420000h，故满足要求。4 计算机械传动系统的刚度4.1机械传动系统的刚度计算（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度Ks 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，由图可知，党滚珠丝杠螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置（a=L/2，L=1075mm）时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉

41、压刚度Kmin，可按式（2-45）计算：Ksmin=6.6102 d22/L=722.31N/um当a=LY=1020mm或a=LJ=140mm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Ksmax，可按式（2-45b）计算：Ksmax=6.6102 d22L/4LJ（L- LJ）=1049.14N（2）计算雇主丝杠螺母副支承轴承的刚度Kb已知 轴承接触角=60，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=5150.24N，由表2-45， 2-46 得Kb=42.34【Z2FBmaxdQsin5】1/3=1689.73/

42、um（3）计算滚珠与滚道的接触刚度Kc查附表A表A3得滚珠丝杠与滚道的接触刚度K1585N/um，额定动载荷Ca=46500N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷Famax=3381.58N，故由式（2-46b）得Kc=K（Famax/0.1Ca）1/3=1425.34N/um（4）计算进给传动系统的综合拉压刚度K0由式（2-47a）得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为1/Kmax=1/Ksmax+1/Kb+1/Kc故Kmax=445.14N/um由式（2-47b）得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为1/Kmin=1/Ksmin+1/Kb+1/Kc故Kmin=373.441N/um4.2滚珠丝

43、杠螺母副的扭转刚度计算由图4-1可知，扭矩作用点之间的距离L2=945.5mm 剪切模量G=8.1104MPa，滚珠丝杠的底径d2=34.3，由式（2-48）得K=d24G/32L2=11635.35N.m/rad5 驱动电动机的选用与计算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Jr已知滚珠丝杠的密度=7.810-5N/mm3，由式（2-63）得Jr=nj=1D4jLj=21.43kg.cm2（2）计算联轴器的转动惯量J0J0=0.7810-3D4L =11.62 kg.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

44、质量m=400kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=1cm，则由式（2-65）得JL=mL/22=8.87kgcm2(4)由式（2-66）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量JdJd= Jr+ J0+ JL=41.92kg.cm25.2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已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力Fa=Famax=3381.58N，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L=10mm=0.01m，进给传动系统的总效率=0.90，由式（2-54）得Tc=FaL/【2】 =5.98Nm（2）计算摩擦负载力矩T已知在不切削状态西啊坐标轴的轴向负载力（即为

45、空载时的导轨摩擦力）F0=1140N，由式（2-55）得T= F0L/【2】=1.33Nm（3）计算滚珠丝杠螺母副的预紧而缠上的附加负载力矩Tf已知滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp=1127.19N，滚珠丝杠螺母副的基本导程L0=10mm，滚珠丝杠螺母副的效率0=0.94由式（2-56）得Tf= FpL0【1- 02】/【2】=0.23Nm5.3计算坐标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=1680r/min,电动机的转动惯量Jm=62 kgcm2，坐标轴的负载惯量Jd=43.61 kgcm2，进给伺服系统的位置环增益k

46、s=20Hz，加速时间ta=0.15s，由式（2-58）得Ta1=2nmax（Jm+ Jd）（1-e-ksta）/(60980ta)=98.85kgf.cm=9.69Nm(2)计算阶跃加速力矩已知加度时间ta=0.05s，由式（2-59）得Tap=2nmax（Jm+ Jd）/(60980ta)=310.73kgfcm=30.46Nm（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩 按式（2-61）计算线性加速时空载启动力矩TqTq = Tap +（T + Tf）=11.25Nm 按式（2-61）计算阶跃加速时空载启动力矩TqTq= Tap +（T + Tf）=32Nm按式（2-57a）计算快进

47、力矩TKJTKJ = T + Tf=1.56Nm按式（2-57b）计算工进力矩TGJTGJ= Tc + Tf=6.21Nm5.4.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12/3000i型交流伺服电动机为驱动电动机，主要技术参数如下；额定功率3kw，最高转速3000r/min，额定力矩12Nm，转动惯量62 kgcm2，质量18kg交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的510倍，若按5倍计算，则该电动机的加速力矩为60Nm，均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩Tq=11.25Nm，以及阶跃加速时所需的空载启动力矩Tq=3

48、2.00Nm，因此，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12Nm，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩TKJ=1.56Nm，以及工进时所需的驱动力矩TGJ=6.21Nm，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）惯性匹配验算为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载量Jd与伺服电动机的转动惯量Jm之比一般应满足式（2-67），即0.25Jd/Jm1而在本例中，Jd/Jm=0.6760.25,1，故满足惯量匹配要求。6 机械传动系统的动态分析6.1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Ko=Kmin=373.44106N/m，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量md=m+1/3 ms（其中，m、ms分别是机床执行部件的质量（kg）和滚珠丝杠螺母副的质量（kg），则m=400kgms=/442123.97.810-3kg=12.14kgmd=m+ ms/3=（400+1/312.14）kg=404.05kgnc=（Ko/ md）1/2=961.4rad/s6.2计算扭转振动系统的最低固有频率nt折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为Js =Jr + J0=0.0033kg