数控铣床传动系统设计.doc
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课程设计
数控铣床传动系统设计
学院：
＿＿机械工程学院＿
专业：
＿机械维修及检测技术教育
学号：
班级：
＿
姓名：
指导教师：
＿＿＿
目录
第一章立式数控铣床工作台（X轴）设计 1
1.1概述 1
1.2设计计算 2
1.3滚珠丝杆螺母副的承载能力校验 12
1.4传动系统的刚度计算 14
1.5驱动电动机的选型与计算 17
1.6机械传动系统的动态分析 20
1.7机械传动系统的误差计算与分析 21
1.8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 23
第二章数控机床控制系统设 25
2.1设计内容 25
总结与体会 32
参考文献 33
第一章立式数控铣床工作台（X轴）设计
1.1概述
1.1.1技术要求
工作台、工件和夹具的总重量=860kg（所受的重力W=8600N），其中，工作台的质量=460kg（所受的重力=4600N）；工作台的最大行程=560mm；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=100mm，主轴转速n=280，切削状况如表2-1所示。
表2-1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
0.6
10
主电动机满功率条件下切削
一般切削
0.8
30
粗加工
精加工切削
1
50
精加工
快速进给
15
10
空载条件下工作台快速进给
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）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杆直连；
（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主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=100mm）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
若主传动链的机械效率，按式可计算主切削力：
（2）计算各切削分力。
根据《数控技术课程设计》表2-1可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为
表1---2工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值
切削条件
比值
对称端铣
不对称端铣
逆铣
顺铣
端铣
1.2.2导轨摩擦力的计算
（1）按《数控技术课程设计》（2-8a）式计算在切削状态下的导轨摩擦力。
、---主切削力的横向切削分力（N）和垂向切削分力（N）；
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）；
---摩擦系数,对于帖塑导轨，=0.15；对于滚动
直线导轨，=0.01，本设计为滚动导轨，取=0.01；
---镶条紧固力（N）,查《数控技术课程设计》表2-3得镶条紧固力,则
表2-3镶条紧固力推荐值
导轨形式
主电动机功率/kw
2.2
3.7
5.5
7.5
11
15
18
贴塑滑动导轨
500
800
1500
2000
2500
3000
3500
滚动直线导轨
25
40
75
100
125
150
175
（2）按《数控技术课程设计》（2-9a）式计算在不切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力
1.2.3计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力
（1）按《数控技术课程设计》（2-10a）式计算最大轴向负载力
（2）按《数控技术课程设计》（2-11a）式计算最小轴向负载力
1.2.4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
根据已知条件，取电动机的最高转速，则由《数控技术课程设计》（2-16a）式得：
2）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，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算：
，
并将计算结果填入表2-4。
表2-4数控铣床滚珠丝杆的计算
切削方式
轴向载荷/N
进给速度/（）
时间比例/（％）
备注
强力切削
1328.18
10
一般切削（粗加工）
352.39
30
精细加工（精加工）
153.39
50
快移和定镗定位
86.75
10
（2）计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速
（3）计算滚珠丝杆螺母副的平均转速
（4）按式计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。
得
1.2.5确定滚珠丝杆预期的额定动载荷
（1）按预定工作时间估算。
查表2-5得载荷性质系数。
已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为2级，查表2-6得精度系数。
查表2-7得可靠性系数，则
表2-5载荷性质系数
载荷性质
无冲击（很平稳）
轻微冲击
伴有冲击或振动
1~1.2
1.2~1.5
1.5~2
表2-6精度系数
精度等级
1、2、3
4、5
7
10
1
0.9
0.8
0.7
表2-7可靠性系数
可靠性/（％）
90
95
96
97
98
99
1
0.62
0.53
0.44
0.33
0.21
（2）因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可估算最大轴向载荷。
查表2-8得欲加动载荷系数，则
表2-8欲加动载荷系数
欲加载荷类型
轻预载
中预载
重预载
6.7
4.5
3.4
（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。
取以上两种结果的最大值，即
1.2.6按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经
（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杆的最大轴向变形。
已知工作台的定位精度为25，重复定位精度为18，根据公式定位精度和重复定位精度以及定位精度和重复定位精度的要求，得
，
取上述计算结果的较小值，即。
（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。
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≈（1.2～1.4）行程+（25～30）。
取
又=86.75N，由式得
1.2.7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FF型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆螺母副FF3210-3,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。
1.2.8确定滚珠丝杆螺母副的预紧力
1.2.9计算滚珠丝杆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
（1）按式计算目标行程补偿值
其中---目标行程补偿值；
---温度变化值（），一般情况下为2~3；
---丝杆的线膨胀系数（1/）,一般情况下为；
---滚珠丝杆副的有效行程。
已知温度变化值，丝杆的线膨胀系数，滚珠丝杆副的有效行程
故
（2）按式计算滚珠丝杆的预拉伸力。
已知滚珠丝杆螺纹底径,滚珠丝杆的温度变化值，则
1.2.10确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号
（1）按式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）按式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2-9得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故
表2-9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
DF
DT
DFD
DFD
DTD
DFT
DFF
DFT
DTT
X
1.9
---
1.43
2.33
---
1.17
2.33
2.53
---
Y
0.54
---
0.77
0.35
---
0.89
0.35
0.26
---
X
0.92
0.92
0.92
0.02
0.02
0.92
0.92
0.92
0.92
Y
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
（5）确定滚动轴承的规格型号
由于滚珠丝杆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。
由于滚珠丝杆的螺纹底径为27.3mm，所以选择轴承的内径为25mm。
在滚珠丝杆的两个固定端均选择角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杆的两端固定支承方式。
轴承的型号为760205TNI/P4DFB,尺寸（内径×外径×宽度）为25mm×52mm×15mm，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.并在脂润滑状态下的极限转速为2600r/min,等于滚珠丝杆的最高转速，故满足要求。
该轴承的额定动载荷为=22000N，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷=13985.1N,也满足要求。
1.3滚珠丝杆螺母副的承载能力校验
1.3.1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。
1.3.2滚珠丝杆螺母副临界转速的校验
根据以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度=797.5mm。
已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数。
查参考文献表2-44得。
滚珠丝杆的最小惯性矩为
滚珠丝杆的最小截面积为
故可由式
得
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。
表2-44与支撑方式有关的系数
支撑方式
f
一端固定一段自由F-O
0.25
1.875
3.4
一端固定一段游动F-S
2
3.927
15.1
二段固定F-F
4
4.73
21.9
1.3.3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。
它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杆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参考文献附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杆的轴向载荷,滚珠丝杆
螺母副转速,由式，
得，
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。
1.4传动系统的刚度计算
1.4.1机械传动系统刚度计算
（1）计算滚珠丝杆的拉压刚度。
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压刚度，可按式计算：
当或时（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度，可按式计算：
（2）计算滚珠丝杆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,查参考文献表2-45、2-46得
（2）计算滚珠与滚道的接触刚度
查参考文献附录A表A-3得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，故由式
得
（3）计算进给传动系统的综合拉压刚度。
由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为
故。
由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为
故。
1.4.2滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算
由以上计算可知，扭转作用点之间的距离已知剪切模量，滚珠丝杆的底径。
由式得
1.5驱动电动机的选型与计算
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。
滚珠丝杠的密度，可得
（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,则由式得
（4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。
1.5.2计算折算到电动机轴上的负载力矩
（1）计算切削负载力矩。
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，进给传动系统总效率，由式得
（2）计算摩擦负载力矩
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），由式得
（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，由式得
1.5.3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。
①按式计算线性加速时空载启动力矩。
②按式计算阶跃加速时空载启动力矩。
③按式计算快进力矩。
④按式计算工进力矩。
1.5.4选择驱动电动机的型号
（1）选择驱动电动机的型号
通过以上计算和查参考文献表2--47，选择交流伺服电动机为日本FANUC公司生产的型驱动电动机。
主要参数如下:
额定功率3kw；最高转速3000；额定力矩12；转动惯量；质量。
现按5倍计算额定力矩，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,本电动机均满足要求。
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，因此,本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。
1.6机械传动系统的动态分析
1.6.1计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率
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（），则
1.6.2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。
1.7机械传动系统的误差计算与分析
1.7.1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，则由式得
即故满足要求。
1.7.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差
由式
即故满足要求。
1.7.3计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差
（1）计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，由式得
（1）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。
由式得
1.8确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号
1.8.1确定滚珠丝杠螺母副的精度等级
本机床工作台采用半闭环控制系统，、应满足下列要求：
滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查参考文献表2-20得；
查参考文献表2-21得，当螺纹长度为850mm时，故满足设计要求。
1.8.2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FF3210-3,其具体参数如下。
公称直径32mm基本导程10mm,丝杠外经32.5mm丝杠底径27.3mm。
表7---12弧度内行程变动量和任意300mm行程内行程变动量（）
精度等级
1
2
3
4
5
4
5
6
7
8
6
8
12
16
23
表7---2有效行程内的目标行程公差和允许的行程变动量（单位：
）
有效行程/mm
精度等级
1
2
3
4
5
≤315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
>315～400
7
6
9
8
12
12
18
17
25
25
>400～500
8
7
10
10
15
13
20
19
27
26
>500～630
9
7
11
11
16
14
22
21
30
29
>630～800
10
8
13
12
18
16
25
23
35
31
>800～1000
11
9
15
13
21
17
29
25
40
33
>1000～1250
13
10
18
14
24
19
34
29
46
39
第二章数控机床控制系统设
2.1设计内容
１.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；
２.选择计算机或中央处理单元的类型；
３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；
４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；
５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；
６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；
７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。
2.2设计步骤
１.确定硬件电路的总体方案。
数控系统的硬件电路由以下几部分组成：
1．铣床数控系统电气原理图-主轴单元。
2．铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量1。
3．铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量2
4．铣床数控系统电气原理图-伺服驱动器电路接线图。
5．铣床数控系统电气原理图-电源图。
数控系统的硬件框图如下所示：
铣床数控系统电气原理图-主轴单元
铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量1
铣床数控系统电气原理图-输入输出开关量2
铣床数控系统电气原理图-伺服驱动器电路接线图
铣床数控系统电气原理图-电源图
在本设计中，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（如继电器、伺服控制信号灯等）用的DC24V电源也是各自独立的，且中间用一个低通滤波器隔离开来。
在图2-1中QF0~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（灭弧器）；RC4~RC7为单相阻容吸收器（灭弧器）；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。
QF0为电源总开关，QF1~4分别为伺服电源模块、主轴强电、液压电动机、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，由他们的主触点控制相应电动机；伺服变压器将交流380V（7KW）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，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2-1下半部分为电源回路，图中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开关电源是数控系统、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。
总结与体会
通过这次课程设计我体会到了自己在专业知识上的匮乏,看到题目大脑中没有一个具体框架.通过查阅资料才有了一点想法,而且主要是通过课本才完成了这次课程设计,我认为自己在以后的学习中要不断提高自己丰富自己,最后能设计出自己的产品。
参考文献
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33
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