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中北大学课程设计说明书 0 目录 . 1 术要求 . 1 体设计方案 . 1 . 1 切削力及其切削分力计算 . 1 轨摩擦力的计算 . 2 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 . 2 珠丝杠的动载荷计算与直径估算 . 3 . 7 . 7 珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 . 7 珠丝 杆螺母副临界转速的校验 . 7 珠丝杆螺母副额定寿命的校验 . 8 . 8 械传动系统的刚度计算 . 8 珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 . 9 . 9 算折算到电动机轴上的负载惯量。 . 9 算折算到电动机轴上的负载力矩 . 10 算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 . 11 择驱动电动机的型号 . 12 . 12 定滚珠丝杠螺母副的精度等级 . 12 珠丝杠螺母副的规格型号 . 13 8. 课程设计总结 . 13 . 13 中北大学课程设计说明书 1 术要求 工作台、 工件和夹具的总质量 m=918中，工作台的质量 510作台的最大行程 00 作台快速移动速度 18000mm/作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数为 摩擦系数为 作台的定位精度为 30 m，重复定位精度为 15 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动机，额定功率为 床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径 125轴转速 310r/削状况如下： 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 主电动机满功率条件下切削 一般切削 0 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速进给 20 10 空载条件下工作台快速进给 体设计方案 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 4001200 （ 2） 工作台导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动画面上贴聚四氟乙烯导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，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 上贴膜。 （ 3） 对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预。 （ 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连接。 切削力及其切削分力计算 （ 1）计算主切削力 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 D=125中北大学课程设计说明书 2 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：（已知机床主电动机的额定功率轴计算转速 n=310r/ 根据公式得刀具的切削速度为： 0 取机床的机械效率为： ，则由式得主切削力： z 10P 33 （ 2）计算各切削分力 工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为 1 1 9 2 . 1 2 6 7 . 4 5 9 . 1 2 6 7 . 4 4 轨摩 擦力的计算 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力 （ 1） 根据式（ 2算在切削状态下的导轨摩擦力F。此时导轨动摩擦系数 ，查表 2镶条紧固力 ,则 2 0 6 0 . 6 9 9 5 91 5 0 09 0 0 c （ 2） 按式（ 2算在不切削状态下的导轨摩擦力0F 1 2)f(）（ 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 （ 1） 按式（ 2算最大轴向负载力 2 9) 6 28 6 7(1m a （ 2） 按式（ 2算最小轴向负载力 中北大学课程设计说明书 3 5 7 50m i 珠丝杠的动载荷计算与直径估算 1）确定滚珠丝杠的导程 根据已知条件取电动机的最高转速 a x 得： 0 01 1 8 0 0 0m a xm a 算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷 （ 1）各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。 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式计算： m i nm i a xm i n %5,%20 并将计算结果填入表 2 表 2 数控铣床滚珠丝杠的计算 切削方式 轴向载荷 /N 进给速度/(m/时间比例/(%) 备注 强力切削 v 10 一般切削（粗加工） v 30 m a xm 20 精细切削（精加工） 3v 50 m a xm 5 快移和镗钻加工 1575 10 （ 2）计算滚珠丝杠螺母副在各种 切削方式下的转速 中北大学课程设计说明书 4 m 5 0 0m 01015m 00m 0101m 0m 0m （ 3）按式（ 2算滚珠丝杠螺母副的平均转速 m i n/230m i n/)1500100101001005080100306010010(100100100 2211 （ 4）按式（ 2算滚珠丝杠螺母副的平均 载荷333332321131 3)确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 （ 1）按预定工作时间估算。查表 2载荷性质系数 知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为 2 级，查表 2精度系数 1，查表 2可靠性系数 由式（ 2 m m h 6 0 n L 1 0 0 f f 757200 0 0230603 （ 2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（ 2算最大轴向载荷。查表 2 1 8 2 m a （ 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， 。 4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 2中北大学课程设计说明书 5 （ 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 30 m ，重复定位精度为 15 m ，根据式（ 2式（ 2及定位精度和重复定位精度的要求，得 m a x 1 1=2 1（ ）3 15 m （ 510） m m a x 2 1 5 1（ ）430 m （ 6m 取上述计算结果的较小值，即 =5 m 。 （ 2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 2 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 （ 程 +（ 2530） 0L 取 L 程 +30 0L （ 600+30 10） 1140 0F =1260N，由式（ 2 a 5）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据计算所得的 0L 、 2初步选择 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副 本书附录 其公称直径 0d 、基本导程 0L 、额定动载荷 丝杠直径 2d 如下： 0d =40 0L =10mm 46500N d =2满足式（ 2要求。 6）由式（ 2定滚珠丝杠螺母副的预紧力 p m a ）计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉力 （ 1）按式（ 2算目标行程补偿值 t 。 已知温度变化值 t=2，丝杠的膨胀系数 = 611 10 m /，滚珠丝杠螺母副的有效行程 中北大学课程设计说明书 6 工作台行程 +安全行程 +2余程 +螺母长度 （ 600+100+2 20+146） 886 t 11 t 11 2 886 2）按式（ 2算滚珠丝杠的预拉伸力 已知滚珠丝杠螺纹底径 2d =珠丝杠的温升变化值 t=2，则 22 1 . 8 1 t d 1 . 8 1 2 3 4 . 3 N 4 2 5 8 . 8 9 N 8）确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 （ 1）按式（ 2算轴承所承受的最大轴向载荷 a m a a x （ 2）计算轴承的预紧力 m a x （ 3）计算轴承的当量轴向载荷 6 5 0 7F （ 4）按式（ 2算轴承的基本额定动载荷 C。 已知轴承的工作转速 n= 230r/承所承受的当量轴向载荷 承的基本额定寿命 L=20000h。轴承的径向载荷 轴向载荷 别为 3 6 460co s 0 8 6 460s B a 因为 3 2 8 8FF ，所以查表 2，径向系数 X=向系数 Y= 0 8 3 C 33 h （ 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 60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 2d 为 以选择轴承的内径 d 为 30满足滚珠丝杠结构的需要。 中北大学课程设计说明书 7 在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产 60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 7603064寸（内径外径宽度）为307219用脂润滑。该轴承的预载荷能力 2900N，大于计算所得的轴承预紧力 在脂润滑状态下的极限转速为 1900r/于滚珠丝杠的最高转速2000r/满足要求。该轴承的额定动载荷为 C=34500N，而该轴承在 20000h 工作总寿命下的基本额定动载荷 C=34395N，也满足要求。 将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计。 珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验 工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杠始终受拉而不受压。因此，不存在压杆不稳定问题。 珠丝杆螺母副临界转速 校验 根据图可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度 2L =知弹性模量E= N/ 3重力加速度 全系数 1K =表2 滚珠丝杆的最小惯性矩为 44442 22222 9 2 3 . 5 4107 . 8109 . 867909102 . 18 3 7 . 53 . 1 424 . 7 3600 . 821c r/北大学课程设计说明书 8 本工作台滚珠丝杆螺母副的最高转速为 1800r/远小于其临界转速，故满足要求。 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。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠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。 查附录 A 表 滚珠丝杆额定动载荷 46500a 转条件系数 ，滚珠丝杆的动载荷 a ，滚珠 丝杆螺母副转速 n= 2000r/即：（一般来讲，在设计数控机床时，应该保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命 L ，姑满足要求。 械传动系统的刚度计算 (1)计算滚珠丝杆的拉压刚度 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（ a=L/2， L=1075，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度算为： 2 . 3 1 N /m/1 0 7 5 2222s m i n 当 a= a=（即滚珠丝杆的螺母副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 m/ 3 7 . 5 )-( 1 0 7 52 3 7 . 54 10753 4 . 3106 . 6)4 2m a x (2)计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度 已知轴承的接触角 =60动体个数 Z=17,轴承的最大轴向中北大学课程设计说明书 9 工作载荷 表 2 2 K b = 4 3 5m a x2 s = 4 0s i 52 (3)计算滚珠与滚道的接触刚度 查附录 表得滚珠与滚道的接触刚度 K=1585N/定动载荷 6500N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷 由式（ 2 （ 1 =1585 (31 N/4) 计算进给传动系统的综合拉 压刚度 K。 由式（ 2进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 4 9 11111m a xm a x m 由式（ 2进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为 0 0 2 8 . 7 91 16 7 7 . 4 91 2 11111m i nm i n m 珠丝杠螺母副扭转刚度的计算 由图 4知，扭矩作用点之间的距离 945.5 知剪切模量 G= 滚珠丝杠的底径 m。由式 （ 2 K =22432= m/ 算折算到电动机轴上的负载惯量 。 中北大学课程设计说明书 10 (1)计算滚珠丝杠的转到惯量 已知滚珠丝杠的密度 =103 kg/由式 (2 : (2)计算联轴器的转动惯量 103 =103 (34 ) (3)折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量 计算 已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量 m=918动机每转一圈，机床执行部件在轴向移 动的距离 L=1由式（ 2 222 3.)182 (4)加在电动机轴上总的负载转动惯量 计算 2= 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 动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 L=10给传动系统的总效率 =式（ 2 2 m (2)计算摩擦负载力矩 T。 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） 1575N，由式（ 2 T=20 N m=m (3)计算由滚珠丝杠得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 珠丝杠螺母副的基本导程 10北大学课程设计说明书 11 滚珠丝杠螺母副的效率 0 =式（ 2 p .) 612 2200 算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 （ 1）计算线性加速度力矩 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 800r/动机的转动惯量 2坐标轴的负载惯量 进给伺服系统的位置环增益0 加速时间 203 s=式（ 2 g g as 1()a （ 2） 计算阶跃加速力 矩。 已知加速时间 ，由式（ 2 g g 0 m a x（ 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 (2算线性加速时空载启动力矩(1 2)按式 (2算线性加速时空载启动力矩 ( 3)按式 (2算快进力矩 中北大学课程设计说明书 12 ( 4)按式 (2算工进力矩( 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择日本 司生产的 000i 型交流伺服电机为驱动电机。主要技术参数如下：额定功率， 3高转速 ,3000r/定力矩， 动惯量， 质量 ,18 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 大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩 及阶跃加速时所需的空载启动力矩 ，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 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，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。 (2)惯量匹配验算。 为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量 伺服电动机的转动惯量 比一般应满足式 (2即 1,满足惯量匹配要求。 定滚珠丝杠螺母副的精度等级 本机床工作台采用半闭环系统， 中北大学课程设计说明书 13 30(m a xk m a 定位精度定位精度 滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为二级，查表 2 ，查表 2螺纹长度为 850， 故满足设计要求。 珠丝杠螺母副的规格型号 滚珠丝杠螺母副的规格型号为 239 850，其具体参数如下。公称直径与导程： 400纹长度 :850杠长度 :1239型与精度 :P 类， 2 级精度。 在这次的课程设计中，学到了一些除技能以外的其他东西，领略到了别人在处理问题时显示出的优秀品质，更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化，尤其是在互相的 合作中。 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 1 范超毅 武汉：华中科技大学出版社， 2006 2 王爱玲 北京：高等教育出版社， 2006
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