xk0824立式数控铣床进给驱动部件设计大学毕设论文.doc

XK0824型数控铣床是一种精密、轻便型立式数控铣床。本机床结构合理紧凑，操作方便灵活，维护方便。机床主轴采用变频无极调速，进给为三坐标驱动。三进给轴进给驱动可采用步进电机驱动开环伺服系统或交流伺服电机驱动半闭环伺服系统，驱动电机带动精密滚珠丝杠副移动坐标，精度高、稳定、加工快捷、高效。
机床控制系统可选配各种国产及进口系统（Mashin-03M；KND；广数90系列； SIEMENS），系统功能完善。若配套供应完善的数控编程仿真软件，特别适合于高等工科院校、中专、技工学校的机械制造、机电一体化等相关专业的综合实验，以及学生的金工实习、数控操作培训等，是数控教学的理想设备，亦可满足一些生产企业加工有色金属小型较复杂零件生产需求。

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数控机床的组成和分类
1.2.1 数控机床的组成
数控机床是数值控制的工作母机的总称。一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，见图1-1。
图1-1 数控机床的组成框图
1.2.2 数控机床的分类
数控机床品种繁多、功能各异，可以从不同的角度对其进行分类。
1、按机械加工的运动轨迹分类
1）点位控制数控机床
2）直线控制数控机床
3）轮廓控制数控机床
2、按伺服系统的控制原理分类
1）开环控制的数控机床 这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置零件程序处理后，输出数字指令信号给伺服系统，驱动机床运动。指令信号
是单向的，如图1－2所示。

图1-2 开环控制的数控机床
2）闭环控制的数控机床 这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，有其差值控制进给轴运动，知道差值为零时，进给轴停止运动，如图1－3所示。

图1-3闭环控制的数控机床
3）半闭环控制的数控机床 闭环控制的数控机床与半闭环控制的数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台，而是来自电动机端或丝杠连接的测量元件，见图1－4。实际位置的反馈值是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯量工作台被排除在控制环外而提高，调试方便，因而广泛用于数控机床中。

图1-4 半闭环控制的数控机床
3、按照功能水平分类
数控机床的分类按所使用的控制系统的配置及功能而分。它分为高级型、普通型和经济型数控机床。对每一种数控机床的分类主要看其内涵，即主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平。分类见表1－1。
表1-1 数控机床的分类
类 型
主控机
进 给
联动
轴数
进给分辨率
进给速度
(m\min)
自动化程度
高级型
32位微
处理器

交流伺
服驱动

5轴以上联动
0.1µm
≥24
具有通信，联网，监控管理功能
普及型
16位或
32位微
处理器
交流或
直流伺
服驱动
4轴及以下
1µm
≤24
具有人机
对话接口
经济型
单板机
单片机
步进
电动机
3轴及以下
10µm
6-8
功能较简单
1.3 数控机床的特点及使用范围
1.3.1 数控机床的特点
现代数控机床具有许多普通机床无法实现的特殊功能，其特点有：
1）加工零件适应性强，灵活性好
2）加工精度高，产品质量稳定
3）生产效率高
4）减少工人劳动强度
5）生产管理水平提高
1.3.2 数控机床的适用范围
机械加工工业中，大批量零件的生产宜采用专用机床或自动线。对于小批量产品的生产，由于产品品种变换频繁、批量小、加工方法的区别大，宜采用数控机床。数控机床的使用范围见图1-5。当零件不太复杂，生产批量较小时，宜采用通用机床；当生产批量较大时，宜采用专用机床；而当零件复杂程度较高时，宜采用数控机床。

图1-5 数控机床的使用范围
1.4 我国数控技术发展现状
我国于1958年研制出了首台NC机床．到1979年为止。由于缺乏技术基础，总体设·C机床，各类机、电、液、气基础元件等进行合作生产，提高了产品的质量，解决了可靠性问题，由此NC机床开始批量生产，并正式用于生产制造。1980年，我国NC机床产量为692台，至1999年，产量达9007台，2000年超万台，各类NC全切机床、成形机床、激光加工机床等在品种上已系列化。对于中高档次的数控机床还得依靠进口。

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2.1 数控铣床的分类及工作原理
2.1.1 数控铣床的分类
1、立式数控铣床 其主轴垂直于水平面。它主要用于水平面内的型面加工，增加数控分度头后，可在圆珠表面上加工曲线沟槽。立式数控是数控铣床中数量最多的一种，应用范围最广。
小型数控X、Y、Z方向的移动一般都由工作台完成，主运动由主轴完成，与普通立式升降台铣床相似，一般采用升降台式布局。中型数控立铣的纵向和横向移动一般由工作台完成，且工作台还可手动升降，主轴除完成主运动外，还能沿垂直方向伸缩，一般可采用工作台不升降式布局，其中又可分为十字工作台式和立柱式两种。而对于大型数控立铣，由于需要考虑扩大行程，缩小占地面积和刚性等技术问题，多采用龙门架移动式布局。
2、卧式数控铣床 它与通用卧式铣床相同，其主轴平行于水平面。它主要用于垂直平面内的各种型面加工，配置万能数控转盘还可以对工件侧面上的连续回转轮廓进行加工，能在一次安装后加工箱体零件的四个表面。
3、立、卧式两用数控铣床 它既可以进行立式加工，又可以进行卧式加工，使用范围更大，功能更强，若采用万能主轴，就可以加工出与水平面成各种角度的工作表面，若采用数控回转工作台，还能对工件实现除定位面外的五面加工。
综上所述，本次设计机床采用半自动立式工作台不升降铣床。
2.1.2 数控铣床的工作原理
数控铣床工作前，要预先根据被加工零件的要求，确定零件加工工艺过程、工艺参数，并按一定的规则形成数控系统能理解的数控加工程序。即将被加工零件的集合信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编制成数控加工程序。然后用适当的方式将此加工程序输入到数控铣床的数控装置中。此时，即可启动机床运行数控加工程序。在运行数控加工程序的过程中，数控装置会根据数控加工程序的内容，发出各种控制命令，如启动主轴电机、打开冷却液，并进行刀具轨迹计算，同时向特殊的执行单元发出数字位移脉冲并进行进给速度控制，正常情况下可直到程序运行结束，零件加工完毕为止。具体而言，数控的工作过程，即加工了解到过程，如图2-1所示。其主要步骤如下。

图2-1 数控铣床的加工过程
1）根据被加工零件图中所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，制定工件加工的工艺过程，刀具相对工件的运动轨迹、切削参数及辅助动作顺序等，进行零件加工的程序设计。
2）规定的代码和程序格式编写零件加工程序单。
3）按照程序单上的代码制作控制介质。
4）通过输入装置把加工程序输入给数控装置。
5）启动机床后，数控装置根据输入的信息进行一系列的运算和控制处理，将结果以脉冲形式送往机床的伺服系统。
6）伺服系统驱动机床的运动部件，使机床按程序规定的轨迹运动，从而加工出合格的零件。
2.2 数控铣床的用途
数控铣床可以用来加工许多普通铣床难以加工甚至无法加工的零件。以铣削功能为主，主要适合铣削下列3类零件。
1、平面类零件的铣削 平面类零件的各个加工单元面均是平面，或可以展开为平面。这类零件的数控铣削相对比较简单，一般只用三坐标数控铣床的两坐标联动就可以加工出来。目前数控铣床加工的绝大多数零件属于平面类零件。
2、变斜角类零件的铣削 变斜角类零件是指加工面与水平面的夹角呈连续变化的零件，其加工面不能展开为平面。这类零件大多为飞机上零件，一般采用多坐标联动的数控铣床加工，也可以在三坐标数控铣床上通过两轴联动近似加工。
3、曲面类零件的铣削 曲面类零件的加工面为空间曲面，其加工面不但不能展开为平面，而且在加工过程中，加工面与铣刀的接触始终为点接触。这类零件在数控铣床的加工中也较为常见，通常利用三坐标数控铣床通过两轴联动、一轴周期性移动的方式来加工。若用功能更好一点的三坐标联动数控铣床还能加工形状更加复杂的空间曲面。
数控铣床除了可以用来铣削零件外，—般还具有孔加工的功能，通过特定的功能指令进行—系列的孔的加工过程，如钻孔、扩孔、铰孔、镗孔和攻螺纹孔等。随着科学技术的发展，数控铣床的功能将越来越多，其用途也必将更加广泛。

机床的总体设计是机床设计的关键环节，对机床的技术性能和经济性指标起着决定性作用。机床的总体设计是根据设计要求，通过调查研究，检索资料，掌握机床设计的依据；然后进行工艺分析，拟订出性能先进，紧急性好的工艺方案，必要时画出加工示意图；在此基础上确定机床总布局，画出机床联系尺寸图；确定所设计机床的主要技术参数。
1、机床总体布局的基本要求
1）机床布局首先必须满足用户提出的各种要求。如机床的加工范围，工作精度，生产率和经济性等。
2）确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。
3）确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平。
4）就便于观察加工过程；便于操作、调整和维修机床；便于输送、装卸工件和排除切屑；注意机床防护确保生产安全。
5）机床结构应简单，合理可靠，便于加工和装配，并注意采用新技术。
6）体积小，重量轻，节省原材料，降低制造成本，缩小机床占地面积，外形美观大方。
2、影响铣床类机床布局的主要因素有：
1）工件的大小，重量和形状。
2）机床的万能性要求。
3）机床的刚度和抗振性性要求。铣削运动时，因切削力变动而产生的振动较大，因而机床刚度是一个值得注意的问题。机床刚度要求不同也将引起布局的改变。一般说来，工作台不升降式布局比升降台式布局刚度高。
4）机床的生产率要求。要提高机床生产率，必须缩短单个工件加工过程的总时间，包括切削加工时间、装卸工件等辅助时间及分摊到每个工件上准备和终了时间机床的自动化程度越高，它的生产率就越高。另外，机床的自动化可减少人对加工的干预，保证被加工工件的精度稳定性，还可减少操作者的劳动强度。
5）机床的“三化”要求。布局时应力求提高机床部件的通用化程度。
3.1 机床总体设计
3.1.1 机床设计步骤
1、调查研究
调查研究的内容一般包括有：（1）到使用单位调查，了解所设计的新机床将要承担的生产任务和加工工艺，了解使用单位对新机床的要求；（2）到制造单位调查，了解制造厂的设备条件、技术能力和生产经验；（3）收集国内外同类型机床的技术文献和图纸资料，并注意调查它的结构性能、使用和制造情况等，尤应注意了解新技术在同类型机床上应用情况；（4）对于新采用的工艺和结构，必须先经科学实验，通过实验取得足够数据后，才能应用于设计。
2、方案拟订
在调查研究和科学实验的基础上，通常可拟订出几个方案进行比较。每个方案所包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总布局、传动系统、液压系统、电气系统、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济效果分析等。
3、工作图设计
首先，绘制机床总图和各部件装配图。其次，绘制机床的全部零件图。然后，整理机床有关部件与主要零件的设计计算书，编制各类零件明细表，编写说明书等技术文件。最后，对有关图纸进行工艺审查和标准化审查。
4、样机试制和鉴定
如果所设计的新机床是成批生产的产品，在工作图设计完成后，应进行样机试制以考验设计。对样机要进行试验和鉴定，合格后再进行小批试制以考验工艺。这时，设计工作就基本完成。
3.1.2 XK0824数控立式铣床的总体布局的确定
XK0824数控立式铣床的总体布局是在做了周密的和必要的调查研究后和满足用户需要的前提下，查阅了大量的设计手册和参照了同类型机床比较成熟的设计实例而设计的。在整个机床的各个组成部分中，机床床身是一个极其重要的大件，它起着支撑工件和连接工作台、立柱等关键零部件的作用。数控机床床身结构的设计尺寸和布局形式，决定了其本身的各个动态特性。往往由于床身结构设计不合理，导致床身的刚度不足，产生各种变形、振动。加工时刀具与工件间产生相对变形和振动会使零件加工精度降低。
XK0824数控立式铣床采用的是立式工作台不升降布置，机床主轴采用变频无级调速，操作方便，三坐标联动。立柱导轨采用燕尾形设计，立柱受的载荷为扭转和弯曲两个方向的力，而且主轴箱在导轨上作垂直运动，所以取燕尾形截面是正确的。因为主轴功率低，主轴所受的切削力不大，所以立柱中间不需加矩形筋。导轨间的跨距较大有利于提高主轴箱的运动精度。主轴与电机，Y、Z轴丝杠与电机之间均采用同步V型带进行传动。这样有利于提高传动精度和减小传动时的震动。而X轴丝杠与电机通过张紧套联轴器直接连接。主轴前端采用锥孔，用于装夹刀柄刀具。工作台采用十字滑台，中间层与底面采用燕尾形导轨，顶层采用燕尾形导轨有利于抗颠覆力矩。三坐标驱动采用步进电机系统，带动精密滚珠丝杠副移动坐标，尺寸精确、稳定、加工快捷、高效，有利于提高机床的进给精度。润滑系统采用手动润滑。冷却系统与机床本体分开，有利于减小温度的升高对机床精度的影响。这样的布局方式（如图3-1）合理，有效。
本台机床适用于小批量、中小型零件复杂轮廓曲面的铣削加工，可完成平面、斜面、孔槽内廊、螺旋面及三维空间型面的切削成型。除可满足一般金属加工或模具企业生产要求外，特别适用于高等工科院校、中专技校的机械制造、机电一体化、模具等相关专业的综合实验，以及学生的金工实习，数控培训等，因此，我们设计的主要目的是使学生在使用数控机床时对它有初步的了解，在学习中能联系到实际，更好的理解和掌握理论知识。同时在设计的过程中考虑经济性，可行性等相关问题，来设计了这台XK0824立式工作台不升降式数控铣床。
我们设计的这台数控机床的整体结构特点有：
1、立住坐落在工作台部分的底座上，由螺栓固定从而与工作台部件结合成一体。整体刚度好，精度稳定。在立柱内有配重块通过钢丝绳与主轴箱随动保持重力平衡。
2、在应用艺术规律和造型美学法则加以精练和塑造，使得整机外形美观大方且机床的造型与功能相适应。
3、底座稳固，防护充分，半封闭式防护罩保证切屑及油污不外溅，操作方便安全，整洁美观。
4、控制电气安装在方柱两侧的电柜内，稳定可靠，检修方便。
图3-1 总体布局结构图
3.1.3 主要技术参数
工作台面积 mm 800×240
工作台最大负荷 kg 50
工作台T型槽尺寸/间距/槽数 14×45/5
工作台纵向行程X/横向行程Y mm 400/200
主轴头上下行程Z mm 400
主轴转速范围 rpm 1000～4000(变频无级)
主轴孔锥度 7:24
主轴中心线到立柱前端距离mm 320
主轴端面至工作台距离mm 38～430
进给速度范围（三轴）mm/min 1～1000
最大运动速度（三轴）mm/min 4000
最小输入单位（三轴）mm 0.001
定位精度mm 0.001
重复定位精度mm
机床外形尺寸（长宽高）mm 1900×1250×2200
机床净重kg 约1000
3.2 传动装置布局设计
3.2.1 确定传动方案
传动方案一般都是用机构简图来表示的。机械结构是组成机器的主体单元，所以设计机械传动方案时应从机器整体出发对该构件提出的具体要求，满足工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、使用维护便利、工艺性和经济性好等要求。要同时满足这些要求是比较困难的，必须拟定几个可行方案，选择保证重点要求并兼顾其他要求的方案。
对于工作台横向传动机构我们拟定了两个可行方案：
方案一（图3-2所示），步进电动机直接带动滚珠丝杠旋转，使底部装有丝杠螺母副的工作台3作进给运动。

图3-2 方案一
方案二（图3-3所示）混合式步进电动机1的轴上装有梯形齿同步齿形带轮2，通过同步齿形带3和装在丝杠左端的同步齿形带轮4带动滚珠丝杠5旋转，使底部装有丝杠螺母副的工作台6作进给运动。同步齿形带轮与电动机轴，以及与丝杠之间的连接均采用平键，这种结构简单实用，径向尺寸小。滚珠丝杠采用悬臂的单支承结构。选择单列向心推力球轴承和单列向心球轴承组合支承形式，同时承受轴向力和径向力，提高支承的轴向刚度，且使用方便。

图3-3 方案二
方案一的X轴横向进给传动装置虽然结构比较简单，但这样的机床要使板金加长，不方便工人操纵，难于掌握，且不利于整体机床结构的布置，外形不合乎时代的要求。出于种种因素考虑，相对之下，方案二的进给传动装置就比较合理，它的结构比较紧凑人性化，操作方便外形美观大方，使操作者有舒适宜人的感觉，从而提高工作效率。因此，方案二的传动比较好。

数控机床的进给运动链中，将旋转运动转换为直线运动的方法很多，采用丝杠螺母副是常用的方法之一。
4.1 滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动能相互转换的新型传动装置。
4.1.1 工作原理和特点
滚珠丝杠螺母副系由丝杠7、螺母6和置于二者螺纹滚道之间的适量滚珠3（图4-1）所构成。为防止滚珠在工作过程中从螺母两端掉出，在螺母的螺纹滚道4上装有挡珠器2（又叫回珠器或反向器），并用回路管道5将滚珠3引回，构成滚珠连续工作的循环通路。

图4-1 滚珠丝杠螺母副
滚珠丝杠副的优点是摩擦因数小。传动效率高，可达0.92—0.96，所需传动转矩小；灵敏度高，传动平稳，不易产生爬行，随动精度和定位精度高；磨损小，寿命长，精度保持性好；可通过预紧和间隙消除措施提高轴向刚度和反向精度；运动具有可逆性，不仅可以将旋转运动变为直线运动，也可将直线运动变为旋转运动。缺点是制造工艺复杂，成本高，在垂直安装时不能自锁，因而需附加制动机构。
滚珠丝杠螺母别的结构有内循环与外循环两种方式。图4-2所示滚珠在循环过程中，有时与丝杠脱离接触者叫外循环；始终与丝杠保持接触者叫内循环。

图4-2 循环方式
其中内循环系列均采用反向器实现滚珠循环。反向器有两种形式：如图4-3

图4-3 反向器形式
a）圆柱凸键反向器
如图所示，反向器的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的凸键定位，以保证与螺纹滚道的方向对准。
b）扁圆镶块反向器
如图所示，反向器为一半圆头平头键形镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽。反向槽靠镶块的外轮廓定位，以保证与螺纹滚道的方位对准。
4.1.2 滚珠丝杠副的计算选用
由于滚珠丝杠副已标准化系列化并由专业厂生产和供应，故对使用者主要是选用计算问题。选定进给传动用滚珠丝杠副时，应权衡下列几项内容：
1、机床定位精度要求与丝杠精度
2、丝杠的刚性与转动惯量
3、丝杠的临界转速
4、丝杠的压曲载荷
5、丝杠寿命
滚珠丝杠副的承载能力用额定负载表示，其定义、计算和选用方法与滚动轴承基本相同。一般根据额定动载荷选用滚珠丝杠副，只有当n<10r/min时按额定静负荷选用。对于细长承受压缩的滚珠丝杠副需作压杆稳定性计算；对转速高、支承距大的滚珠丝杠副需作临界转速的校核；对精度要求高的传动要进行刚度验算，转动惯量校核，对闭环控制系统还要进行谐振频率的验算。
1、铣削要素
假设选择一零件进行工况分析，如图4-4
图4-4 零件工况图
1）选择铣刀直径

查《金属机械加工工艺人员手册》表14-69硬质合金立铣刀
2） 计算铣削用量
① 铣削深度
由于本台机床主要用于教学实验和一些中小型企业，铣削深度的选择主要由加工余量和表面质量决定。比如：
在工件表面粗糙度值要求为=12.5～25um时，如果端铣削的加工余量小于6mm，粗铣一次走刀就可以达到要求。但在余量较大，或工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分两次走刀完成。
在工件表面粗糙度值要求为=3.2～12.5um时，可分为粗铣及半精铣两个工序进行。粗铣时铣削深度选取同前面一样。粗铣后留0.5～1.0余量，在半精铣时切除掉。
在工件表面粗糙度值要求为=0.8～12.5um时，可分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时铣削深度选取1.2～2.0 mm；精铣时切削深度取0.3～0.5 mm
查《金属机械加工工艺人员手册》表14-69得切削深度 取
②铣削进给量（铣刀每齿进给量）
考虑到工件的刚性与铣刀的强度,粗铣时铣削力不大,硬质合金铣刀的每齿进给量受工艺系统钢性的限制；精铣时，每齿进给量受工件表面粗糙度的限制。
查《金属机械加工工艺人员手册》表14-69得每齿进给量，取
③铣削宽度
查《机械工程及自动化简明手册》表6-20得 取
④铣削速度
查《金属机械加工工艺人员手册》表14-67得：

式中：
—— 系数；查《金属机械加工工艺人员手册》表14-67得
—— 铣刀直径（㎜）；
—— 刀具耐用度; 查《机械加工工艺手册》表2.4-72得T=60min
—— 铣削深度（㎜）;
—— 铣削进给（m/z）;
—— 铣削宽度（mm）;
—— 铣刀齿数；

⑤计算铣刀转速n
查《机械加工工艺手册》得：

式中：
v —— 铣削速度（m/s）; v=75.89m/min
d —— 铣刀外径（mm）; d=16mm
n —— 铣刀转速（r/s）

⑥计算进给速度
查《机械加工工艺手册》得：

式中：
—— 铣刀每齿进给量；
Z —— 铣刀齿数；Z=3
n —— 铣削速度；n=1510r/min
f —— 铣刀每转工作台移动距离，即每转进给量（mm/r）
——进给速度（mm/s）

⑦计算有效动力
查《金属机械加工工艺人员手册》表14-69得

式中：
—— 系数；查表14-69取
d —— 铣刀外径（mm）; d=16mm
—— 铣削深度（㎜）;
—— 铣削进给（m/z）;
—— 铣削宽度（mm）;
Z —— 铣刀齿数；Z=3
n —— 铣削速度；n=1510r/min
P —— 切削功率（KW）

3）计算铣削力
①铣刀上的切（铣）削力
工件为镁铝合金；刀具采用立铣刀，材料为高速钢；铣削形式为端铣且是对称铣削，铣刀直径φ16。
查《实用金属切削加工工艺手册》得：

式中：
—— 加工材料的影响系数，取
B —— 铣削宽度（mm）
D —— 铣刀外径（mm）
—— 铣削时的主切削力（N）

②工件所受的切削力
查《金属切削加工技术》表3-1得
纵向切削力=(0.3～0.4)
取
横向切削力=(0.85～0.95)
取
垂直方向切削力
取
2、滚珠丝杠副的计算
以X向为例。已知条件：工作台重量： ，工件最大重量，工作台最大行程：，摩擦系数：f=0.04。丝杠寿命15000小时（两班制工作十年），工作可靠性为95%。电动机通过轴与滚珠丝杠相联，用旋转变压器作为位置检测元件。工作台导轨采用燕尾型滑动导轨。
以下计算参照《数控铣床设计》
1）工作台和工件的质量

由吴振彪主编的《机电综合设计指导》P16得

式中：，，分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）;G为移动部件的重力（N）；K和分别为考虑颠簸力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数。
对于燕尾导轨：,，贴塑导轨，取
2）丝杠的最小载荷

3）丝杠最大载荷

4）平均载荷

假设丝杠最高转速为2000r/min
工作台最小进给速度为1mm/min
丝杠最低转速为0.1r/min,可取为0， 则平均转速n=(2000+0)/2=1000r/min

5）计算当量动载荷
滚珠丝杠最大动载荷可用下列公式计算：

式中：L——滚珠丝杠寿命系数（单位为转，如果1.5则为150万转）。
（ 其中T为使用寿命时间，h），普通机械5000~10000 h，
数控机床及其它机电一体化设备及仪器装置为15000h、航空机械1000h；
——载荷系数（平稳或轻度冲击时为1.0~1.2,中等冲击时1.2~1.5，
较大冲击或振动时为1.5~2.5）；
——硬度系数（HRC58时为1.0，等于时为1.11，等于52.5时为
1.35，等于50时为1.56，等于45时为2.40）；
——滚珠丝杠的额定动载荷（N）。
代入可得
查《启东华森精密滚珠丝杠副》得：
选择内循环滚珠丝杠FND2004型3系列
主要参数如下：公称直径=20mm
导程=4mm
动载荷=5.7KN
钢球直径
滚珠螺母安装连接尺寸
螺纹滚道半径取一般，这里取
偏心距
丝杠内径
则预紧力
丝杠最大载荷
不必对预紧力提出额外的要求
该系列采用反向器实现滚动循环
3、丝杠螺母的校核：(唐可洪主编的机电一体化设计基础P25）
1）压杆稳定性的核算：压杆稳定性的核算是对按照额定动载荷选定的丝杠名义直径，在给定的支承条件下，承受最大的轴向压缩载荷时，核算丝杠有没有产生纵向弯曲的危险。

式中：为实际承受载荷能力
——压杆稳定的支承系数（双推—双推时为4，单推时为1，双推—简支时为2，双推—自由式时为0.25）；
——钢的弹性模量；
——丝杆小径的抗弯截面惯性矩（）；
——压杆稳定安全系数，一般取为2.5~4，垂直安装时取小值。
如果<时，会使丝杠失去稳定易发生翘曲，两端装止推轴承与向心轴承时，丝杆一般会发生失稳现象。

丝杠工作长度即取480㎜

2）临界转速的核算：临界转速的核算的校核所选定的滚珠丝杠副的名义直径，在给定支承条件下，其最高转速是否有靠近其横向固有频率而发生共振的危险。（朱思洪主编的机电一体化技术P182）
临界转速可按公式计算：

，所以不会发生共振。
3）刚度的核算：滚珠丝杠在工作载荷F（N）和转距T（Nm）共同作用下引起每个导程的变形量为

式中 ： A——丝杠的截面积，
——丝杠的极惯性距，
G——钢的切变摸量，对于钢
T——转距（Nm），，其中为摩擦角，这里取即，即，为轴向平均载荷，一般取 ，即。

按最不利的情况取（其中），则

丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为

通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即

该丝杠的导程误差满足上式，所以其刚度可满足要求
X轴方向丝杠也选FND2004型
Z轴方向丝杠选FND2506型，且都满足要求
3、注意事项
1）主要尺寸参数的选择应根据机床使用要求全面综合考虑，因为丝杠
副的公称、基本导程、预紧力、负载滚珠的有效圈数与丝杠的寿命、位移精度、刚度、驱动力矩等有密切关系。如果某一项特性不能满足时，可以重新选择丝杠直径、导程、有效圈数等，直到完全满足。
为满足加工中心对进给系统伺服性能的要求，还应考虑最大加速能力及最小惯性的要求，确定丝杠的导程及降速比。
2）为使滚珠受力均匀，提高耐用度和精度保持性，螺母不应受径向力和倾覆力矩，并应尽量使作用在螺母上的轴向合力通过丝杠轴心。
3）设计单螺母的滚珠丝杠副时，应使丝杠和螺母同时受拉应力或压应力，而不要一个受拉一个受压，以使滚珠受力不均。
4）如果丝杠不转，螺母旋转，则将螺母和齿轮装在套筒上，套筒由轴承支撑，以承受轴向和径向力，这就可以避免螺母承受径向载荷。
5）支承滚珠丝杠轴的两轴承座孔与滚珠螺母座孔应保持同轴。同轴度公差建议取6～7级或高于6级（GB1184-80）。螺母座轴线与导轨面轴线要保证平行，平行度公差可取为：0.02/1000mm。
6）为了减少滚珠之间的相互摩擦，可以采用间隔滚珠或在闭和回路内减少几个滚珠的方法，采用间隔滚珠时，间隔滚珠的直径比负载滚珠小数10um，可消除滚珠之间的摩擦，对提高滚珠灵敏度有非常明显的效果。但负载滚珠数只剩了一半，因此刚度和承载能力也都相应降低。
4.1.3 常见的支承方式及轴承的选择
实践证明：螺母座、轴承及其支架的刚度不足，严重影响滚珠丝杠副系统的刚度。丝杠的支承结构设计对于保证丝杠的运转精度，发挥轴承的工作能力有重要作用。支承结构设计需要综合考虑轴承的配置、轴向定位与调整方法、润滑和密封、装配与拆卸等一系列问题，总的要求是保证功能、结构简单，安装、调整方便，成本低。因此，可以在螺母座和轴承支架增添加强筋，以减少受力变形；另个，它与工作台或床身的接触面积要大，要有足够的接触刚度；联接螺钉要粗而紧，以免松动。
由于丝杠主要承受轴向力，一般采用推力轴承作支承。因为在相尺寸条件下，推力球轴承轴向刚度比向心推力球轴承及圆锥滚子轴承的轴向刚度要大一倍以上。同时可以适当减少滚珠直径，增加滚珠数量，进一步提高推力球轴承的刚度（如直径减半，数量加倍，可提高刚度50%）。推力滚子轴承刚度又比推力球轴承大一倍左右。但这样成本高。
在本次设计中考虑到丝杠轴向载荷较小时，或一个方向的轴向载荷较小，可不用推力球轴承而用向心推力球轴承，这样，可减少使用轴承的数量。使用接触角的向心推力球轴承，既能承受较大的轴向力，又能减少轴承数量。
丝杠的支承方式一般有以下四种：
第一种支承方式：“双推—自由”即两方向的推力轴承均装在一端，另一端自由。这种方式适合于短丝杠。
第二种支承方式：“双推—支承”即两方向的推力轴承均装在一端，另一端装一个或两个向心推力球轴承，以免或减少长丝杠因自重而形成的弯曲（水平安装时）及高速回转时自由端的幌动。这时装推力轴承的一端要远离热源和丝杠常用段，以免推力轴承因丝杠热伸长而产生间隙。
第三种支承方式：“单推—单推”或“双推—单推”即推力轴承分别装于两端；可以是两端各装一个推力轴承；也可一端一个，别一端装两个推力轴承。这种支承方式可以对丝杠进行预拉伸安装，这种支承方式的另一好处是：在任何情况下，丝杠不承受压力（在“双推—单推”情况下，只要推力轴承的预紧力不小于轴向载荷的1/3时也不承受拉力），只随拉力，因而没有压杆稳定性的问题。
第四种支承方式：“双推—双推”即两端各装两个推力轴承。这种支承方式轴承的刚度最高。只要轴承无轴向间隙，丝杠拉伸压缩刚度可提高4倍。可以进行预拉伸安装，克服热膨胀。只有在超过预计温升太多的情况下，丝杠才能发生中间弯曲的危险。与第三种支承一样，只要两端推力轴承的预紧力不小于最大轴向载荷的1/3，就不会承受压力，只承受拉力，因而也没有压杆稳定性问题。但这种支承方式也有它最大的缺点：实现预拉伸及调整方法较复杂。
此次设计选用第一种支承方式即“双推—自由”。轴承选用型号为51103的单列向心推力球轴承。
4.1.4 提高丝杠及其轴承的钢度
本台机床由于采用的是一端轴向固定的支承形式，丝杠本身的轴向拉压刚度不是很高，并且在整个工作行程范围内刚度和螺母处于中间位置的刚度也比较大，除此之外，支承钢度也往往是其中的簿弱环节，支承刚度包括轴承本身的刚度与支承座的刚度，因此在设计时考虑了以上综合问题。除采用向心推力轴承提高轴承本身的轴向刚度外，我们还采用了中间隔套及窄而簿的衬垫来增强支承座的刚度，因为第一个接触面表面都是由于表面粗糙度而形成的一个弹性因素，至于窄而薄的衬垫将起到弹簧垫圈的作用，增大了弹性变形，从而降低了系统的刚度。为了提高支承座的联接刚度，其配合表面及支承表面应经过磨削，并在受力方向布置适当的加强筋
4.1.5 润滑、防护和密封
1、润滑 滚珠丝杠必须润滑，滚动轴承用的各种润滑剂原则上都可用.主轴用的各种润滑剂和润滑方式都可以用于精密滚珠丝杠。一般情况下采用锂基润滑脂，高速和需要严格控制温升时，可采用汽轮机油，循环润滑或喷雾润滑。本次设计采用手动泵润滑。
2、防护和密封 丝杠防护套有伸缩套管式，折叠套管式和螺旋钢带保护套。后者有专业厂生产，应用较广。
3、密封 密封圈是用聚四氟乙烯或尼龙制造的接触式密封圈，使用中要特别注意防止螺旋式密封圈松动，否则密封圈将成为一个锁紧螺母，增大摩擦力矩，影响丝杠副的正常运转。螺母应在有效行程内运转。必要时，在行程的两端配置限位装置，以避免螺母部分而使滚珠失散。

工作台进给驱动部件的设计
5.1 导轨设计
机床导轨的作用是使运动部件能沿一定轨迹运动（导向），并承受运动部件及工件的重量和切削力（承载）。工作台导轨对数控机床的精度有很大的影响，导轨的制造误差直接影响工作台运动的几何精度，导轨的磨擦特性影响工作台的定位精度和低速进给的均匀性。导轨的材料和热处理影响工件精度的保持性，按机床调节技术的要求，希望工作台导轨刚度大、磨擦性小、阻尼性好。
5.1.1 导轨的分类
导轨刚度的大小、制造是否简单、能否调整、摩擦损耗是否最小以及能否保持导轨的初始精度，在很大程度上取决于导轨的横截面形状。导轨一般可分为滑动导轨、静压导轨、滚动导轨。滑动导轨按横截面形状分为5种
1）山形与V形截面 这种截面导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨用凸形有利于排泄物，但不易保存油液，如用于车床；
下导轨用凹形则相反，如用于磨床顶角一般为90度。
2）矩形截面 这种截面导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向度高，但磨损后不能自动补偿，需用镶条调节，影响导向精度。
3）圆柱形截面 这种截面导轨制造简单，可以做到精度配合，但对温度变化比较敏感，小间隙时很易卡住，大间隙则又导向精度差。应用较少。
4）平面环形截面 这种截面导轨适合于旋转运动，制造简单，能承受较大的轴向力，但导向精度较差。改用圆锥形环形截面，导向性较好。
5）燕尾形截面 这种截面导轨结构紧凑，能承受倾向力矩，但刚性较差，制造检修不方便。使用于导向精度较好的情况。
静压导轨按结构可分为开式、和闭式两种。
滚动导轨按截面形状可分为V型、燕尾型、矩形、三角形等。
在本次设计中我们采用的是燕尾形滑动导轨，因为这次设计中的负载不大，对刚度要求不是很高。
5.1.2 燕尾型滑动导轨的特点
1、尺寸紧凑，高度小，适合受力小、层次多，要求间隙调整方便部件
2、用一根镶条可以调整各面接触面