中北大学课程设计说明书
目 录
1 概述…………………………………………………………………………………………3 1.1 零件技术要求……………………………………………………………………………3 1.2 总体方案设计……………………………………………………………………………3 2 设计计算……………………………………………………………………………………3 2.1主切削力及其切削分力计算 ……………………………………………………………3 2.2 导轨摩擦力计算…………………………………………………………………………4 2.3 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力……………………………………………………4 2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算……………………………………………………4 3 工作台部件的装配图设计…………………………………………………………………9 4 滚珠丝杠螺母副的承载能力校验…………………………………………………………9 4.1 滚珠丝杠螺母副临界转速压缩载荷的校验……………………………………………9 4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验 …………………………………………………10 4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验………………………………………………………10 5 计算机械传动系统的刚度 ………………………………………………………………10 5.1 机械传动系统的刚度计算 ……………………………………………………………10 5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 ……………………………………………………12 6 驱动电动机的选型与计算 ………………………………………………………………12 6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 …………………………………………………12 6.2 计算折算到电动机上的负载力矩 ……………………………………………………13 6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩 …………………………………13 6.4选择驱动电动机的型号…………………………………………………………………14 7 机械传动系统的动态分析 ………………………………………………………………15 7.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率……………………………………15 7.2 计算扭转振动系统的最低固有频率 …………………………………………………15 8 机械传动系统的误差计算与分析 ………………………………………………………16 8.1 计算机械传动系统的反向死区 ………………………………………………………16 8.2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 …………………………16 8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差 ………………………………………………16
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9 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号…………………………………………16 9.1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级……………………………………………………17 9.2 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号……………………………………………………17 课程设计总结
通过此次数控编程课程设计，我对立式数控铣床的进给系统有了个基本的了解，加深了对立式数控铣床的认识。通过立式数控铣床进给系统的设计，使我在装配结构和制造结构的各种方案以及在机械设计制图、零件计算和编写技术文件等方面得到了综合训练，培养了我的初步的结构分析与结构设计计算能力。
虽然只有一周的时间，在很仓促的情况下完成了这次数控编程的课程设计，但收获却很大，使我初步具备了设计的能力，并且我相信我在这方面的设计能力会逐渐成熟起来。 参考文献
1.范超毅．数控技术课程设计．武汉：华中科技大学出版社，2006 2.王爱玲．机床数控技术．北京：高等教育出版社，2006
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1. 概述
1.1 零件技术要求
工作台、工件和夹具的总质量m=918kg，其中，工作台的质量510kg；工作台的最大行程Lp=600mm；工作台快速移动速度20000mm/min；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数0.15，静摩擦系数均为0.2；工作台的定位精度为30μm，重复定位精度为10μm；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5.5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径125mm，主轴转速300r/min。
表1 数控铣床的切削状态
切削方式 进给速度时间比例/(%) 备注 /(m/min) 强力切削 一般切削 精加工切削 快速进给 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)工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为400mm×1200mm。
(2)工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯（PT-FE）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塑。
(3)对滚珠丝杠螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杠采用预拉伸。 (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。
0.6 0.8 1 15 10 30 50 10 主电动机满功率条件下切削 粗加工 精加工 空载条件下工作台快速进给 2. 设计计算
2.1 主切削力及其切削分力计算 (1)计算主切削力Fz
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=125mm）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
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?33.14?125?10?300 v??m/s?1.96m/s 6060?Dn 若主传动链的机械效率ηm?0.8，按式（2-6）可计算主切削力Fz：
Fz??mPmv?103?0.8?5.5?103?2244.9N
1.96 (2)计算各切削分力。
根据表2-1可得工作台纵向切削力F1、横向切削力Fc和垂向切削力Fv分别为 F1?0.4Fz?0.4?2244.9N?897.96N
Fc?0.95Fz?0.95?2244.9?2132.655N Fv?0.55Fz?0.55?2244.9N?1234.695N 2.2 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?。此时，导轨动摩擦系数
??0.15，查表2-3得镶条紧固力fg?1500N，则
F???(W?fg?Fc?Fv)?0.15?(8996.4?1500?2132.655?1234.695)N?2079.56N (2)按式（2-9a）计算在不切削状态下的导轨摩擦力F?0和导轨静摩擦力F0。 F?0??(W?fg)?0.15?(8996.4?1500)N?1574.46N F0??0(W?fg)?0.2?(8996.4?1500)N?2099.28N 2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力
(1)按式（2-10）计算最大轴向负载力Famax。
Famax?F1?F??(897.96?2079.56)N?2977.52N
(2)按式（2-11a）计算最小轴向负载力Famin。 Famin?F?0?1574.46N 2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算
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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错误！未找到引用源。，则由式（2-16）得
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Famax，快速移动和钻镗定位时的轴向 载荷定为最小载荷Famin，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F2、F3分别可按下式计算：
F2?Famin?2000Famax，F3?Famin?5úmax
并将计算结果填入表4-2
表4-2 数控铣床滚珠丝杠的计算
切削方式 轴向载荷/N 强力切削 一般切削(粗加工) 精细加工(精加工) 快移和钻镗定位 1574.46 1723.336 2977.52 2169.964 进给速度/(m/min) 时间比例/(%) 10 30 备注 v1?0.6 v2?0.8 F1?Famax F2?Famin?2000Famax v3?1 50 F3?Famin?5úmax v4?vmax 10 F4?Famin (2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni。
n1?v1?60r/min L0v2?80r/min L0v3?100r/min L05
n2?n3?