立式数控铣床任务台(X轴)设计

天津职业技术师范大学立式数控铣床工作台（X轴）设计专业：机电技术教育班级学号：学生姓名：指导教师：二〇一三年七月2目录前言………………………………………………………………2第一章数控铣床工作台（X轴）设计计算……………………51.1概述………………………………………………51.2设计计算…………………………………………61.3滚珠丝杠螺母副的承载能力计算………………161.4传动系统的刚度计算……………………………181.5驱动电动机的选型和计算………………………201.6机械传动系统的动态分析………………………241.7传动系统的误差计算和分析……………………251.8确定滚珠丝杠螺母副的规格型号………………26第二章电气原理图……………………………………………28参考文……………………………………………………………33总结………………………………………………………………343前言数控机床是数字控制机床的简称，是用数字化信息来实现工件与刀具相对运动轨迹、切削加工工艺参数及各类辅助操作等步骤自动控制的高效率加工机床，在国民经济中有着重要的地位和作用。随着数控技术和材料科学的发展，近年来世界数控机床向高速、精密、智能和绿色方向发展。具体表现为：高速化、精密与超精密化、复合化、开放化、智能化、绿色化，高效化。我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。就刚刚过去的“十一五”期间，我国数控机床行业突破了4大量技术难关，取得了许多具有自主知识产权的重大科研成果。但我们仍能清楚地看到，我国数控机床行业与国际先进水平还存在着不小的差距。在加工机床方面，尽管近年来数控机床发展较快，但在加工效率、精度保持性、MTBF（平均无故障运行时间，MeanTimeBetweenFailures）和技术配套性等方面还不能满足高端用户的需求，并且动力刀塔、电主轴、进给系统、电气控制等关键功能部件依旧绝大部分依赖进口。数控系统方面，我国无论是在技术还是在产品方面与国际先进水平都存在很大的差距。在技术性能方面主要表现在现场总线、高速高精插补技术、运动控制技术、复合加工加工技术、智能化检测与控制技术、加工工艺及多轴编程技术等；在产品方面的差距主要表现在可靠性设计及生产管理、产品的系列化等方面上。5第一章数控铣床工作台（X轴）设计计算1.1概述1.1.1技术要求工作台、工件和夹具的总重量m=900kg（所受的重力W=9000N），其中，工作台的质量0m=500kg（所受的重力0W=5000N）；工作台的最大行程pL=580mm；工作台快速移动速度maxv=15000minmm；工作台采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数u=0.01,静摩擦系数0u=0.01；工作台的定位精度为25um，重复定位精度为18um；机床的工作寿命为20000h，机床采用伺服主轴，额定功率EP=5.5kw，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=120mm，主轴转速n=240min/r，切削状况如表1-1所示表1-1数控铣床的切削状况切削方式进给速度/min)/(m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61.1.2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、对滚珠丝杆螺母副采用预紧；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进行直连。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）主切削力ZF根据已知条件，铣刀直径D=120mm，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。铣刀的切削速度为33.1412010240/1.5072/6060Dnvmsms主传动链的机械效率8.0m，按式310vPFEmz可计算主切削力ZF；v---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，sm/；）m---机床主传动系统的传动功率，一般取8.0m。330.85.510102919.321.5072mEzPFNNv（2）各切削分力7根据表1---2可得工作台纵向切削力1F、横向切削力cF和垂向切削力vF分别为10.40.42919.321167.728zFFNN0.950.952919.322773.354czFFNN0.550.552919.321605.626vzFFNN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)2.0~1.0,)8.0~4.0((0feadazFF/10.300.400.600.900.150.30zcFF/0.850.950.450.700.901.00zvFF/0.500.550.500.550.500.55圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣)2.0~1.0,05.0(0feadazFF/1---1.001.200.800.90zvFF/---0.200.300.750.80zcFF/---0.350.400.350.401.2.2导轨摩擦力的计算（1）计算在切削状态下的导轨摩擦力F，此时，动摩擦系数0.01，cF、vF---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8直线导轨，=0.01，本设计为滚动导轨，取=0.01；gf---镶条紧固力（N）,其推荐值可查表1---3得镶条紧固力gf=75N，则NNFFfWFvcg546.134)626.1605354.2773759000(01.0)(表1---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254075100125150175（2）计算在切削状态下的导轨摩擦力0F和导轨静摩擦力0F。)(0gfWF=0.01×（9000+75）N=90.75N)(00gfWF=0.01×(9000+75)N=90.75N1.2.3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maxaFN（2）计算最小轴向负载力minaFmin090.75auFFN1.2.4滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算91）确定滚珠丝杆的导程根据已知条件，取电动机的最高转速max1500/minnr，则由式maxmax0invL得：mmmminvL101500115000maxmax02)计算滚珠丝杆螺母副的平均转速mn和平均载荷mF（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。现将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷maxaF，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷minaF。一般粗加工和精细加工时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷2F、3F分别可按下列公式计算：maxmin2%20aaFFF，maxmin3%5aaFFF，并将计算结果填入表1---4。表1---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/(minm)时间比例/(％)备注强力切削1217.2676.01v10max1aFF一般切削（粗加工）249.20348.02v30maxmin2%20aaFFF精细加工（精加工）66.6133513v50maxmin3%5aaFFF快移和定镗定位5.75max4vv10min4aFF10（2）计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速inmin/60min/10106.03011rrLvnmin/80min/10108.03022rrLvnmin/100min/101013033rrLvnmin/1500min/1010153044rrLvn（3）按式nnmnqnqnqn100...1001002211计算滚珠丝杆螺母副的平均转速mn。min/230min/)1500100101001005080100306010010(100...1001002211rrnqnqnqnnnm（4）按式3322321131100...100100nmnnmmmqnnFqnnFqnnFF计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷mF。33311223123333333333...10010010060108030100501500101302.4288351.23576155.8714490.752301002301002301002301001217.2670.03249.20340.1066.613350.225.750.6539nnmnmmmnqnqnqFFFFnnnNN8.9N3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷amC（1）按预定工作时间估算查表1---5得载荷性质系数1.3ef。初步选择的滚珠丝杆的11精度等级为2级，查表1---6得精度系数1af。查表1---7得可靠性系数44.0cf，额定寿命hLh20000代入式cawmhmamfffFLnC100603得3360100381.951.3602302000010010.447673.75mwammhacFfCnLffNN表1---5载荷性质系数wf载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动wf1~1.21.2~1.51.5~2表1---6精度系数af精度等级1、2、34、5710af10.90.80.7表1---7可靠性系数cf可靠性/(％)909596979899cf10.620.530.440.330.21（2）因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式maxaeamFfC估12算最大轴向载荷。查表1---8得欲加动载荷系数5.4ef，则max4.51302.42885850.93ameaCfFNN表1---8欲加动载荷系数ef欲加载荷类型轻预载中预载重预载ef6.74.53.4（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷amC。取其最大值，即amC=7673.754）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经md2（1）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25m，重复定位精度为18m，根据公式max(0.3~0.5）重复定位精度m和max(0.2~0.25）定位精度m以及定位精度和重复定位精度的要求，得max1(0.3~0.518(6~9)mm），max2(0.2~0.2525(5~6.25)mm）取二者较小值，max5m。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经md2。本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副拟采用两端固定式的安装方式。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）0L取L=1.4×行程+300L=（1.4×580+30×10）m