一、概述
1.1数控机床进给传动系统的特点
数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，不论是点位控制还是轮廓控制，工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性影响。为此，数控机床的进给系统一般具有以下特点。
1）摩擦阻力小
为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减小运动件数间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差。为满足上述要求，在数控机床进给系统中，普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副；滚动导轨、静压导轨和塑料导轨。与此同时，各运动部件还考虑有适当的阻尼，以保证系统的稳定性。
2）传动精度和刚度高
进给传动系统的传动精度和刚度，从机械结构方面考虑主要取决于传动间隙和丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副及其支撑结构的精度和刚度。传动间隙主要来自传动齿轮副、蜗轮副、丝杠螺母副及及其支撑部件之间，因此进给传动系统广泛采取施加预紧力或其他消除间隙措施。缩短传动链和在传动链中设置减速装置。加大丝杠直径以及对丝杠螺母副、支承部件、丝杠本身施加预紧力是提高传动刚度的有效措施。
3）运动部件惯量小
运动部件的惯量对伺服机构的启动和制动特性有影响，尤其是处于高速运转的零部件。因此，在满足部件强度和刚度的前提下，尽可能减小运动部件的质量、减小旋转零件的直径和质量。以降低其惯量。
1.2设计内容及要求
1.2.1设计立式加工中心工作台（X轴、Y轴）进给传动系统 1）
工作台、工件和夹具总质量m=1200kg（所受重力N=12000N）选取工作台质量m0?800kg
(所受重力N0?8000N)工作台最大行程LP?600mm 2） 3）
工作台快速进给速度Vmax?2000mm/min
工作台采用滚动直线导轨，导轨的动、静摩擦系数均为u0?0.1工作台定位精度20?m，
重复定位精度为8?m，机床寿命为20000h（10年） 4） 5）
机床主轴伺服电动机，额定功率PE?6.5kW
机床采用断面铣刀进行强力切削，铣刀直径D?125mm，主轴转速n?272r/min，切削状况如表所示
表1 立式加工中心切削情况
切削方式进给速度（m/min）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2010空载条件下工作台快速进给
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1.2.3 总体设计方案
1）工作台工作面尺寸确定，长?宽=400mm?1200mm 2）工作台导轨采用滚动直线导轨 3）对滚球丝杠螺母副进行预紧 4）采用伺服电动机驱动
5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机的
二、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
主轴具有最大扭矩并且能传递主电动机全部功率，此时切削速度为
3.14?125?10?3?272v??m/s?1.78m/s
6060?Dn取机械效率?m?0.8，则由[1]中式（2-6）得Fz?2）计算各切削分力 由[1]表（2-1）得
纵向切削力F1?0.4Fz?1.17?103N 横向切削力Fc?0.95Fz?2.77?103N 垂向切削力Fv?0.55Fz?1.61?103N 2.2导轨摩擦力计算
?mPEv?103?0.8?6.5?103N?2.92?103N 1.781）由[1]式（2-8a）计算切削状态下的导轨摩擦力F?，此时导轨摩擦系数??0.01。查[1]表（2-3）得，fg?100N
F???(W?fg?Fc?Fv)?0.01?(12000?100?2770?1610)?164.8N
2）由[1]式（2-9a）得
不切削状态下导轨摩擦力F?0??(W?fg)?0.01?(12000?100)N?121N 导轨静摩擦力F0?F?0?121N 2.3计算滚球丝杠螺母副的轴向负载力 1）由[1]式（2-10a）
最大轴向负载力Famax?F1?F??(1170?166.8)N?1136.8N 2）由[1]式（2-11a）
最小轴向负载力Famin?F?0?121N
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2.4滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 1）确定滚珠丝杠的导程L
电动机的最高转速nmax?2000r/min，由[1]式（2-10）得L0?vmax?10mm inmax2)计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷
（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，将结果填入表[2]
表2 立式加工中心滚珠丝杠的计算
（2）计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni
v10.6?r/min?60r/min L010?10?3v20.8?r/min?80r/min L010?10?3v31?r/min?100r/min L010?10?3n1?n2?n3?n4?v420?r/min?2000r/min ?3L010?10（3）由[1]式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm
nm?qq1qn1?2n2?L?nnn 10010010010305010?(?60??80??100??2000)r/min?280r/min 100100100100（4）由[1]式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。
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nqnqnqFm?3F11?F2322?L?Fn3nnnm100nm100nm10031
?31136.83?6010803010050200010??348.363???177.843???1213??N280100280100280100280100?31136.83?0.021?348.363?0.086?177.843?0.179?1213?0.714N?332.5N
3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam
（1）由预定工作时间按[1]式（2-15）计算。查[1]表(2-28)得载荷性质系数fw?1.3。查[1]表（2-29）滚珠丝杠的精度等级为2级，取精度系数fa?1，查表[1]（2-30），一般情况下可靠性达97%，取可靠性系数fc?0.44，
Fmfw100fafc
Cam1?360nmLh?360?280?20000?
332.5?1.3N?6829.602N
100?1?0.44（2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按[1]式（2-21）估算最大轴向载荷。查表（2-31）得预加载荷系数fe?4.5，则
Cam2?feFamax?4.5?1136.8N?5115.6N
（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam。
取以上两种结果的最大值，即Cam?6829.602N。
4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。
（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20?m，重复定位精度为8?m，根据[1]式（2-23）、（2-24）以及定位精度和重复定位精度的要求，得
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?max1?(:131)?8?m?(2.67:4)?m 2?max2?(:
151 )?20?m?(4:5)?m4取上述计算结果的最小值，即?max?2.67?m。
（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。
本机床工作台（X轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定方式，一端的游动支承方式，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 ?(1.2:1.4)行程?（25:30）L。
取 L?1.4?行程?30L0
?(1.4?600?30?10)mm?1140mm
又F0?Fu0?121N，由[1]式（2-25）得
d2m?0.078F0L?max?0.078?121?1140mm?17.66mm
2.675）初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号
根据计算所得的L0、Cam、d2m，由[1] A-3选型号为FFZD4010-3的滚珠丝杠螺母副 ,其公称直径d0、基本导程L0、额定动载荷Ca和丝杠底径d2如下：
d0?40mm,L0?10mmCa?30kN?Cam d2?34.3mm?d2m
故满足要求。
6）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp
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立式加工中心工作台X轴Y轴进给传动系统设计说明书000
