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沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
摘 要
II
[鍵入文字]
床身是立式加工中心非常重要的基礎(chǔ)支撐件，它起到了支撐立柱、滑座、工作臺(tái)等重要零部件的作用，主要承受機(jī)床的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載。床身的靜動(dòng)態(tài)性能直接影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性,因此，床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于立式加工中心的發(fā)展具有十分重要的意義，本課題即結(jié)合沈陽機(jī)床廠VMC850B立式加工中心的性能特點(diǎn)與相關(guān)參數(shù)，對(duì)立式加工中心床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了科學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體內(nèi)容如下：
（1）借鑒于同類型的床身結(jié)構(gòu)，根據(jù)VMC850B的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了床身上表面布局，通過查閱《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》等參考書，科學(xué)的設(shè)計(jì)了床身的截面形狀，包括壁厚的選定以及加強(qiáng)肋、方孔、圓孔的合理布置。同時(shí)對(duì)床身進(jìn)行了受力分析并利用ANSYS軟件對(duì)床身模型采取了靜態(tài)力有限元分析。
（2）針對(duì)與床身相關(guān)的重要零部件，包括Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、軸承、聯(lián)軸器，進(jìn)行了分析與計(jì)算，并最終確立了型號(hào)與參數(shù)。
（3）提出了床身的精度要求，包含加工和裝配過程中的幾何精度。
關(guān)鍵詞：立式加工中心；床身；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；選型計(jì)算；有限元分析；精度設(shè)計(jì)
沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
Abstract
The bed is a very important basis for supporting parts in the vertical machining center, it plays a role that supporting the column, the slide, the workbench and some other important parts. The bed mainly withstands the static load of the machine tool and the cutting load in the processing. The static and dynamic performance of the bed directly affects the machining accuracy and stability. Therefore, the optimization of the bed structure has great significance for the development of the vertical machining centers. The subject, which is combined with the performance characteristics and parameters of the vertical machining center 850B of the Shenyang Machine Tool Factory, have designed the bed structure of the vertical machining center scientifically and systematically, the details are as follows:
(1)Learnt from the bed structure of the same type and designed the layout of the bed top surface under VMC850B’s whole structure, through accessing to
and and other reference books, scientifically designed the cross-sectional shape of the bed, including the selection of the wall thickness as well as the reasonable layout of the reinforcing rib, the square and circle holes. The subject also did the stress analysis for the bed and used the software called ANSYS to do the finite element analysis of the static force for the model of the bed.
(2)For the important parts of the bed, including the Y-direction servo feed drive motor, ball screws, linear guides ,bearings and couplings, did the analysis and the calculation, and eventually established the models and the parameters.
(3)Put forward the accuracy requirements of the bed, including the geometric precision of the machining and assembly process.
Keywords: the vertical machining ；center the bed ； structural design ；selection calculation finite element analysis ； precision design
沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
目 錄
1 機(jī)床設(shè)計(jì)現(xiàn)狀 1
1.1 課題研究的背景和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 本論文內(nèi)容概要 4
2 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.1 床身材料 4
2.2 床身時(shí)效處理 4
2.3 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.3.1床身重要表面設(shè)計(jì) 5
2.3.2床身截面形狀設(shè)計(jì) 5
2.4 床身熱變形 10
2.5 床身結(jié)構(gòu)確定方案 11
3 床身零部件的計(jì)算與選型 12
3.1 Y方向滾珠絲杠副的選擇 12
3.1.1 初步計(jì)算絲杠導(dǎo)程 13
3.1.2 滾珠絲杠副當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算 14
3.1.3計(jì)算預(yù)期額定動(dòng)載荷 17
3.1.4 估算滾珠絲杠允許最大軸向變形 18
3.1.5估算滾珠絲杠副的底徑 18
3.1.6 計(jì)算滾珠絲杠副預(yù)緊力 20
3.1.7 滾珠絲杠副剩余結(jié)構(gòu)尺寸確定 20
3.2 伺服電機(jī)的選擇 21
3.2.1電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 21
3.2.2 慣量匹配計(jì)算 22
3.2.3空載啟動(dòng)時(shí)最大加速力矩計(jì)算： 24
3.2.4快速空載啟動(dòng)時(shí)所需最大啟動(dòng)力矩計(jì)算 24
3.2.5 電動(dòng)機(jī)連續(xù)勻速工作時(shí)的最大力矩 25
3.2.6 電動(dòng)機(jī)輸出端軸的直徑計(jì)算 25
3.3 滾動(dòng)軸承的選擇 25
3.3.1 滾動(dòng)軸承使用條件 26
3.3.2 初選止動(dòng)球軸承型號(hào) 26
3.3.3 止推軸承組配方式 26
3.3.4 止推軸承的選用計(jì)算 27
3.3.5 圓柱滾子軸承的選型計(jì)算 29
結(jié) 論 31
致 謝 33
參考文獻(xiàn) 34
36
1 機(jī)床設(shè)計(jì)現(xiàn)狀
隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展與競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)張，同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)日新月異的變化及加工要求難度的不斷提高，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的水平也在飛速進(jìn)步，不斷向高速化、復(fù)合化、高精度化、智能化轉(zhuǎn)變。如今，為了提高自身經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，應(yīng)對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，各工業(yè)強(qiáng)國(guó)均認(rèn)識(shí)到制造裝備的重要性，將裝備制造業(yè)作為國(guó)家發(fā)展的關(guān)注重點(diǎn)之一，致力于提高裝備品質(zhì)，搶占市場(chǎng)前沿。
面對(duì)當(dāng)下的產(chǎn)業(yè)狀況與市場(chǎng)模式，我國(guó)也認(rèn)識(shí)到了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的絕對(duì)地位和有力前景，在長(zhǎng)期的發(fā)展與探索中，我國(guó)更是發(fā)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)中存在的問題，以及與其他發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。因此，黨中央國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)層對(duì)此高度重視，并在“十二五”規(guī)劃中將振興裝備制造業(yè)作為推進(jìn)工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的主要內(nèi)容，其中，數(shù)控機(jī)床的研究與探索成為舉足輕重的振興內(nèi)容。此文即立足于數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，立足全局，就立式加工中心的現(xiàn)狀與發(fā)展做了深入的分析與研究；從一點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)立式加工中心床身的結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的零部件進(jìn)行了科學(xué)的、詳細(xì)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
1.1 課題研究的背景和意義
為了深入了解我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)方法和生產(chǎn)技術(shù)，本次課題研究特進(jìn)入國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)銷量多年屈居首位的沈陽機(jī)床廠，針對(duì)VMC850B這一型號(hào)的立式加工中心，在其設(shè)計(jì)、加工與裝配現(xiàn)場(chǎng)開展實(shí)地學(xué)習(xí)與研究。并結(jié)合該型號(hào)的具體加工需求與機(jī)能，參考其床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)立式加工中心的床身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，同時(shí)對(duì)與其相關(guān)的重要零部件，如電機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)軌等，進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，并結(jié)合實(shí)際情況，完成了選型的計(jì)算與分析。
立式加工中心在具有普通數(shù)控機(jī)床的加工精度高、加工柔性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，相較于傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，其還具備許多特色與優(yōu)勢(shì)，在原有的基礎(chǔ)上，結(jié)合市場(chǎng)需求進(jìn)行了發(fā)展與優(yōu)化，首先其切削速度與進(jìn)給速度均得到大幅提高，其次，其可在一次裝夾中連續(xù)完成銑、鉆、擴(kuò)、鉸、鏜、攻絲及二維三維曲面、斜面的精確加工，且切削厚度基本保持不變，實(shí)現(xiàn)了加工的程序化，提高了加工的生產(chǎn)效率，更具經(jīng)濟(jì)效益。最后，其加工的柔性也得到了提高，可加工多品種小批量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序多、精度要求高的零件，由于切削速度的提高，其切削力可相應(yīng)得到降低，尤其是徑向切削力，因此立式加工中心還特別有利于加工薄壁件等剛性差的零件。
沈陽機(jī)床廠的VMC850B立式加工中心是在結(jié)合國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了自主研發(fā)創(chuàng)新的一款數(shù)控機(jī)床，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，機(jī)床的剛性、精度保持性和可靠性都得到了不同程度的提高，市場(chǎng)需求量日益擴(kuò)大。然而，實(shí)際生產(chǎn)加工的過程中，立式加工中心仍存在著許多的問題與不足有待解決與改善，比如在高速切削速度下，容易引起機(jī)床的振動(dòng)、噪聲以及熱變形等典型問題。因此，合理優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)整體配置，提高數(shù)控精度，改善立式加工性能是一項(xiàng)具有發(fā)展前景和重要意義的工作。本課題即立足于這一觀點(diǎn)，以立式加工中心的床身結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)，通過優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合提高床身的剛度、精度、穩(wěn)定性、可靠性等。由于床身是立式加工中心非常重要的基礎(chǔ)支撐件，直接影響著機(jī)床整機(jī)的性能，因此，其對(duì)于立式加工中心的發(fā)展具有十分重要的意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
總體來說，經(jīng)歷了幾十年的學(xué)習(xí)發(fā)展與探索創(chuàng)新，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐步向美、德、日等處于發(fā)展前沿的發(fā)達(dá)國(guó)家靠近，相對(duì)成熟的、面向市場(chǎng)的數(shù)控機(jī)床已達(dá)到1500種，在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、立式臥式加工中心、數(shù)控車床等制造裝備技術(shù)領(lǐng)域甚至已達(dá)到了世界先進(jìn)水平，改變了長(zhǎng)期被國(guó)際對(duì)手實(shí)行產(chǎn)業(yè)壟斷的不利局面。
如今，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)立式加工中心的企業(yè)逐漸增加，其中以沈陽機(jī)床集團(tuán)、大連機(jī)床集團(tuán)、濟(jì)南機(jī)床廠、南京機(jī)床廠為首，日益帶動(dòng)了許多中小企業(yè)的建立與發(fā)展，活躍了國(guó)內(nèi)機(jī)械裝備制造產(chǎn)業(yè)，同時(shí)，這些企業(yè)也逐步從單純復(fù)制進(jìn)口數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、購(gòu)買進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展為擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、優(yōu)化裝備結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)的較為成熟的階段。其中，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床即具有我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的里程碑式的意義，它集計(jì)算機(jī)控制、高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和精密加工技術(shù)與一身，應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動(dòng)化加工，是發(fā)電、船舶、航天航空、模具、高精密儀器等民用工業(yè)和軍工部門迫切需要的關(guān)鍵加工設(shè)備。
縱向比較，雖然我國(guó)近30年來確實(shí)取得了飛躍式的發(fā)展與提高，但橫向比較于世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，我們所生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)性能仍處于世界相對(duì)落后的地位，尤其是數(shù)控系統(tǒng)的控制可靠性方面，如今，我國(guó)90%的數(shù)控系統(tǒng)仍需進(jìn)口，還有很大的進(jìn)步空間，急需早日建立我國(guó)自主的數(shù)控產(chǎn)業(yè)。在沈陽機(jī)床廠實(shí)際考察期間即體現(xiàn)出我國(guó)在數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)中所面臨的核心技術(shù)缺乏問題，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵技術(shù)主要依賴進(jìn)口，比如，在進(jìn)行床身結(jié)構(gòu)及其零部件的學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，其導(dǎo)軌、滾珠絲杠、電機(jī)、軸承等重要的功能部件均來自進(jìn)口。國(guó)產(chǎn)的功能部件存在很大的故障率，精度、壽命、可靠性方面與進(jìn)口的功能部件存在明顯差距，這嚴(yán)重滯留了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展進(jìn)程。另外，我國(guó)雖然認(rèn)識(shí)到了在這一領(lǐng)域自主創(chuàng)新的重要性，然而，其自主創(chuàng)新的能力以及對(duì)于創(chuàng)新成果的市場(chǎng)轉(zhuǎn)化機(jī)制仍然十分欠缺與落后。創(chuàng)新是一項(xiàng)需要長(zhǎng)足發(fā)展和長(zhǎng)效機(jī)制的問題，其決定與技術(shù)人員和企業(yè)的素質(zhì)，我國(guó)不可盲目追隨發(fā)達(dá)國(guó)家，而是要結(jié)合自身國(guó)情與市場(chǎng)需求，在穩(wěn)中求發(fā)展，重在提高創(chuàng)新能力，而非一味求效益，沒有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展策略。另外，我國(guó)還面臨著技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化與市場(chǎng)脫節(jié)的問題，往往在取得了一項(xiàng)創(chuàng)新成果之后，沒有完善的市場(chǎng)安排和健全的成果轉(zhuǎn)化體系，也缺乏相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使得制造工藝的發(fā)展舉步維艱。最后，我國(guó)還數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)還嚴(yán)重缺乏質(zhì)量保證體系、質(zhì)量反饋體系和服務(wù)體系，企業(yè)與用戶欠缺溝通與交流，沒有對(duì)于產(chǎn)品的追蹤調(diào)查，這也對(duì)于產(chǎn)品的優(yōu)化與改善造成了消極的影響。
相較于我國(guó)，國(guó)外的立式加工中心則處于領(lǐng)先的地位，仍然占據(jù)了相當(dāng)大的市場(chǎng)，其數(shù)控機(jī)床具備高精度、高速度和高可靠度，技術(shù)成熟且生產(chǎn)廠家眾多，其中比較著名的有德國(guó)DMG集團(tuán)、日本Mazak公司、德國(guó)ChironWrke公司、日本通快公司、美國(guó)哈斯、美國(guó)MAG公司等。對(duì)于數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵技術(shù)，處于世界領(lǐng)先地位的廠家分別為：日本FANUC、德國(guó)西門子，還有日本的三菱，其余還有法國(guó)的扭姆和西班牙的凡高。
面對(duì)國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)，我國(guó)立式加工中心產(chǎn)業(yè)具有如下的發(fā)展趨勢(shì)：
1、智能、高速、高精度化：
未來的立式加工中心，將致力于提高生產(chǎn)效率，向超高速、超精密的方向發(fā)展，采用更加先進(jìn)的功能部件，使主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到15000r/min以上；當(dāng)前立式加工中心的最高精度可達(dá)到亞微米級(jí)水平，未來所設(shè)定的目標(biāo)為達(dá)到納米級(jí)水平。同時(shí)，研發(fā)功能性更為強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，從而更有利于數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，提高其智能化程度。
2、一體化與復(fù)合化
數(shù)控機(jī)床逐步向一體化發(fā)展，將加工與檢測(cè)相結(jié)合，從而提高加工與檢測(cè)的精度；將多軸加工一體化結(jié)合，從而滿足產(chǎn)品對(duì)于外觀曲線的更高要求。另外，由于立式加工中心已能實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾而實(shí)現(xiàn)多種工序的負(fù)荷加工，而為了更大限度的縮短生產(chǎn)周期，滿足于對(duì)制造速度的要求，數(shù)控機(jī)床也將向高度復(fù)合化發(fā)展。
3、設(shè)計(jì)、加工綠色化
環(huán)保問題現(xiàn)已成為全球化的不可忽視的問題，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)作為裝備制造業(yè)的核心，必須符合環(huán)保需求，因此應(yīng)該遵循綠色設(shè)計(jì)的原則，采用綠色環(huán)保材料，進(jìn)行節(jié)能性的、可回收性的設(shè)計(jì)，使得資源利用率最高、對(duì)環(huán)境負(fù)面影響最小。
1.3 本論文內(nèi)容概要
本文主要結(jié)合沈陽機(jī)床廠立式加工中心VMC850B的設(shè)計(jì)、加工與裝配的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)立式加工機(jī)床床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也對(duì)床身相關(guān)功能部件進(jìn)行了選型的計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)過程中除了查取了大量文獻(xiàn)資料作為理論支撐，還利用ANSYS軟件進(jìn)行了實(shí)際的建模及有限元分析，其具體內(nèi)容如下：
第一章 緒論
說明了本次課題研究的背景與意義，同時(shí)介紹了當(dāng)下的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
第二章 床身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包含床身材料的選擇，床身的時(shí)效處理，床身重要表面的設(shè)計(jì)，床身截面，即壁厚、肋板、方孔與圓孔的選擇， 以及床身熱變形的分析與預(yù)防，最紅進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方案的確定，并利用ANSYS軟件對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。
第三章 床身功能部件的計(jì)算與選型
對(duì)與床身相關(guān)的各功能部件進(jìn)行了選型所需的分析與計(jì)算，包含Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠、聯(lián)軸器與軸承，還有滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，最終確定了各功能部件的參數(shù)與型號(hào)。
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2 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在切削時(shí)，刀具與工件之間相互作用力沿著部分支撐件傳遞并使之變形；機(jī)床的動(dòng)態(tài)力（如變動(dòng)的切削力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的慣性、旋轉(zhuǎn)件的不平等）使支撐件和整機(jī)振動(dòng)；支撐件的熱變形將可能改變執(zhí)行件的相對(duì)位置或運(yùn)動(dòng)軌跡，這些均將影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。故支撐件對(duì)于數(shù)控機(jī)床而言至關(guān)重要，床身作為數(shù)控機(jī)床中最為基礎(chǔ)的支撐件，它起到了支撐立柱、滑座、工作臺(tái)等重要零部件的作用，主要承受機(jī)床的靜載荷以及在加工時(shí)產(chǎn)生的切削負(fù)載。床身的靜動(dòng)態(tài)性能直接影響機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性, 其結(jié)構(gòu)及布局是否合理將直接影響機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率。故對(duì)床身的基本要求如下：
（1）具有足夠的剛度和較高的剛度質(zhì)量比
（2）具有較好的動(dòng)態(tài)特性
（3）使整機(jī)熱變形較小
（4）可順利排屑、安全吊運(yùn)，且有利于加工與裝配。
2.1 床身材料
立式加工中心床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用鑄造?；诣T鐵材料流動(dòng)性好，體收縮和線收縮小，易于鑄造，獲得形狀復(fù)雜的鑄件。其可加工性好、制造成本低，易于大量生產(chǎn)，并具有良好的耐磨性和減振性，鑄鐵的內(nèi)摩擦大，阻尼作用強(qiáng)，故動(dòng)態(tài)剛性好，是傳統(tǒng)的床身結(jié)構(gòu)材料。
本設(shè)計(jì)中床身材料采用HT250，其屬于較高強(qiáng)度的鑄鐵，耐磨性、耐熱性均較好，鑄造性能好，需進(jìn)行人工時(shí)效處理，用于承受較大應(yīng)力（彎曲應(yīng)力<29.4MPa）,摩擦面間壓強(qiáng)大于0.49MPa，或需表面淬火的鑄件，以及要求保持氣密性的鑄件，如氣缸、齒輪、機(jī)座、金屬切削機(jī)床床身及床面。
2.2 床身時(shí)效處理
床身結(jié)構(gòu)在加工完成后需進(jìn)行時(shí)效處理，其目的是在不降低鑄鐵力學(xué)性能的前提下，使鑄鐵的內(nèi)應(yīng)力和機(jī)加工切削應(yīng)力得到消除或穩(wěn)定，以減少長(zhǎng)期使用中的變形，保證幾何精度。為了降低生產(chǎn)周期，提高效率，節(jié)省能源，本設(shè)計(jì)中采用機(jī)械振動(dòng)法進(jìn)行時(shí)效處理。
2.3 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
床身主要承受主軸箱、立柱、滑座、工作臺(tái)的重力，同時(shí)，由于主軸箱與刀庫(kù)固定在立柱不同的側(cè)面上，因此床身承受不同方向的彎矩與扭矩，以及由主軸軸線折算到床身上的切削載荷。因此，為提高床身結(jié)構(gòu)的剛度，需要考慮彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的影響。
2.3.1床身重要表面設(shè)計(jì)
如前文所述，床身是機(jī)床組成部件中重要的支撐構(gòu)件，其上需要連接立柱、滑座和Y方向的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。為保證各部件有效發(fā)揮其工作機(jī)能，互不干涉，有效配合，以滿足機(jī)床工作要求，需要對(duì)床身表面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，參照現(xiàn)有的立式加工中心床身上表面設(shè)計(jì)，結(jié)合本次床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，
2.3.2床身截面形狀設(shè)計(jì)
在彎、扭載荷作用下，床身的變形與截面的慣性矩和極慣性矩有關(guān)。材料和截面積相同而形狀不同時(shí)，截面慣性矩相差很大。
（1）截面積相同時(shí)空心截面的剛度大于實(shí)心截面，僅此床身采用空心截面。同時(shí)，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的條件下盡可能減小壁厚，也可大大提高截面的抗彎和抗扭剛度。
（2）方形截面的抗彎剛度高于圓形截面，方形截面的抗扭剛度則較低。由于床身既承受彎矩也承受扭矩，且以彎矩為主，則應(yīng)采用方形或矩形截面。
（3）應(yīng)盡量將截面設(shè)計(jì)為封閉式結(jié)構(gòu)，因?yàn)殚_放式的截面，其抗扭剛度相較于封閉式的下降很多，因此，在本設(shè)計(jì)中，將床身的截面設(shè)計(jì)為封閉的箱體。結(jié)合立式加工中心850B型號(hào)的具體情況，為保證床身具有良好的靜剛度和動(dòng)態(tài)特性，滿足床身性能要求，還需對(duì)床身截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為細(xì)致的分析與設(shè)計(jì)。
2.3.3壁厚的確定:
依據(jù)不同的鑄造方法，鑄件所允許的最小壁厚也 不同。最小壁厚的確定與鑄件表面積、鑄造方法及鑄造材料有關(guān)，在 《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》中節(jié)選各種鑄造方法的鑄件最小壁厚 依據(jù)上文初步確定的床身結(jié)構(gòu)，查表即可知，鑄件最小壁厚應(yīng)為7mm。
鑄件的壁厚取決去其強(qiáng)度、剛度、材料、鑄件尺寸、質(zhì)量和工藝等因素。如上所述，床身為鑄鐵材料，采用砂型鑄造工藝，其壁厚可利用當(dāng)量尺寸N按表查詢。
左面表格為在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)-單行本-機(jī)架、箱體及導(dǎo)軌》中節(jié)選“表9.1-29 鑄鐵機(jī)架的壁厚”所得，其中推薦的是鑄件最薄部分的壁厚，支撐面、凸臺(tái)等應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)上的需要適當(dāng)加厚，且壁厚應(yīng)盡量均勻。
已知本設(shè)計(jì)中床身的尺寸參數(shù)為：
L = 1905 mm, B = 1660 mm, H = 433 mm
故 ≈2
查表可知，外壁厚最小取16mm,內(nèi)壁厚最小取12mm。本設(shè)計(jì)中取外壁厚為20mm。
2.3.4 加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)
床身作為立式加工中心的支撐部件，其上承載著立柱、滑座、工作臺(tái)等重要部件的重力，同時(shí)在加工工件的過程中，還需要承受切削載荷，由于主軸系統(tǒng)和盤式刀庫(kù)的作用，床身上還作用著不同方向的彎矩與扭矩，使其在導(dǎo)軌Y、Z方向產(chǎn)生變形，從而影響加工精度。因此，需要設(shè)置合理的加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)，提高床身結(jié)構(gòu)剛性。
加強(qiáng)肋的作用如下：
（1）可以提高床身的強(qiáng)度、剛度，減輕床身的質(zhì)量。
（2）可以減少床身截面的畸變，在大面積的薄壁上布肋可以減少局部變形，并防止床身變形，降低噪音。
（3）肋可使床身鑄件壁厚均勻，防止金屬堆積而產(chǎn)生縮孔、裂紋等缺陷；作為補(bǔ)縮通道，擴(kuò)大冒口的補(bǔ)縮范圍；改善鑄型的充滿性，防止出現(xiàn)夾沙等缺陷。
（4）散熱，切削過程中，Y軸絲杠電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械摩擦都會(huì)產(chǎn)生熱量，加強(qiáng)肋的設(shè)置有助于幫助散熱，降低床身熱變形。加肋后可以把載荷傳遞到下壁，并把上壁的彎曲變形轉(zhuǎn)化為肋板的壓縮和拉伸變形，因而有效的減少了上壁的彎曲變形。 加強(qiáng)肋的布置實(shí)際上就是橫向肋、縱向肋和對(duì)角肋的組合?？v向肋主要是提高抗彎剛度，橫向肋主要是提高抗扭剛度，而對(duì)角肋兼具提高抗彎剛度和抗扭剛度的作用。
（1）相對(duì)于高度方向的尺寸而言，床身上表面的尺寸很大，因此，為了保證床身的整體剛度，需要重點(diǎn)加強(qiáng)床身上表面的支撐肋板的靜剛度和動(dòng)剛度。（2）由于VMC850B立式加工中床身的上表面采用傾斜結(jié)構(gòu)，目的是為了方便排屑，而造成導(dǎo)軌所在的位置使其成為懸空的結(jié)構(gòu)，作為主要的受力面，需要通過設(shè)置加強(qiáng)肋以保證其剛度。
（3）由于床身采用鑄件，在鑄造工藝中需要設(shè)置許多拔摸孔等開放式結(jié)構(gòu)，故床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還需考慮其不封閉性。
（4）局部增設(shè)加強(qiáng)肋，以提高支撐件的支撐剛度。由于床身上表面相對(duì)于箱體面較大，使得大于箱體面的凸緣部分局部剛度較差，為提高床身支撐剛度，在凸緣處設(shè)置了加強(qiáng)肋。具體箱體加強(qiáng)肋的布置方式如圖2.1圖2.2所示：
圖2.1 床身截面結(jié)構(gòu)
圖2.2 床身箱體剖視圖
2.3.5 板壁孔的設(shè)計(jì)
出于床身自身結(jié)構(gòu)與加工工藝的要求，為減輕床身的質(zhì)量，節(jié)省材料，同時(shí)滿足鑄造工藝與結(jié)構(gòu)性能，床身的壁板和加強(qiáng)肋上需要設(shè)置孔結(jié)構(gòu)。這些孔的形狀、大小和位置對(duì)床身的剛度均有一定影響，在受載壁板中，孔的邊緣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高應(yīng)力區(qū)， 特別是在轉(zhuǎn)矩作用下，對(duì)剛度的影響更為明顯。
在鑄造工藝上，為了制造方便，對(duì)于鑄件的最小孔徑進(jìn)行了限定。由于本設(shè)計(jì)采用的是砂型鑄造、成批生產(chǎn)，故孔徑要大于30mm。與此同時(shí)，隨著孔徑的增大，剛度持續(xù)下降，當(dāng)d/h＞0.4時(shí)，剛度削弱尤其顯著，盡量使其值小于0.2。如下圖所示，且應(yīng)盡量使孔布置在板壁的中線上，同樣有利于提高床身剛度。為使身箱體開孔對(duì)床身剛度影響盡量降低，應(yīng)使箱體開孔的面積小于板壁面積的10%。當(dāng)孔面積大于10%時(shí)，隨著孔面積加大，剛度急劇下降。因此，設(shè)計(jì)床身板壁開孔方式如下圖所示，兩側(cè)壁上開5個(gè)直徑為80mm的圓孔，前后壁上分別開5個(gè)方孔，且厚壁的方孔均小于前壁，因此保證前壁的設(shè)計(jì)滿足要求即可。
圖2.3 床身板壁開孔示意圖
首先驗(yàn)證d/h值：
側(cè)壁：d = 80mm, h = 352mm， d/h = 80mm/352mm = 0.23
前壁：d = 105mm,h = 352mm, d/h =105mm/352mm = 0.3
驗(yàn)證孔面積：
側(cè)壁：，
故 小于10%，滿足要求。
前壁：
故 小于10%，滿足要求。
2.3.6 床身連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
床身與立柱、電機(jī)座、軸承座，包括床身與地基的固定連接，主要是用凸緣和螺釘連接。連接結(jié)構(gòu)的主要形式有：爪座式、翻邊式和壁龕式。床身連接處的剛度對(duì)于機(jī)床整體的工作性能具有重要影響，故為保證機(jī)床機(jī)能，必須保證連接處的剛度，影響連接剛度的因素如下：
(1)預(yù)壓力的大小。
(2)參與力傳遞的接觸面的大小。傳力接觸面越大，接觸變形就越小，接觸剛度就越高。
(3)床身自身剛度的大小，在集中載荷的作用下，床身的自身剛度與局部剛度較高時(shí)，接觸壓強(qiáng)的分布就比較均勻，反之，若床身剛度不足，接觸壓強(qiáng)的分布不均勻，接觸變形也將不均，使接觸剛度降低。
故為保證床身連接剛度，對(duì)于床身連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：
（1）使螺栓位置盡量靠近壁板。因?yàn)槁菟ㄖ行木€與板壁的偏心距e使凸緣產(chǎn)生向上彎曲的變形，螺栓越靠近壁板，彎曲變形就越小。因此為了提高接觸處的剛度，床身與電機(jī)座、床身與立柱連接固定處的螺栓位置均根據(jù)這一原則，盡量靠近了立柱與電機(jī)座的壁板，并依此確定了螺栓孔在床身重要接觸面上的位置。
（2）合理提高接觸表面的平面度公差等級(jí)，改善其表面粗糙度。床身上的重要表面包括床身與立柱接合面，床身與電機(jī)座、軸承座接合面，導(dǎo)軌面，這些接觸表面的平面度均要求達(dá)到0.01mm，表面粗糙度要求小于等于1.6μm。同時(shí)這些表面需要在裝配過程中進(jìn)行配磨與刮研，提高其幾何精度與接觸精度，使表面更加平整。
（3）螺栓均對(duì)稱、均布排列，從而提高其接觸剛度。
圖
2.4 床身與立柱連接結(jié)構(gòu) 2.5床身與地基連接結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)中，床身與立柱，床身與地基的連接與固定的結(jié)構(gòu)形式均采用壁龕式，如上圖所示，采用壁龕式的原因?yàn)椋渚植縿偠缺茸ψ酱?.5～3倍，比翻邊式大1.5倍以上。適用于床身這種載荷較大的支撐件與地基、立柱的連接，并且壁龕連接還有效的節(jié)省了占地的面積。
試驗(yàn)表明，螺釘?shù)念A(yù)緊力使接觸平面具有2MPa的平均預(yù)壓壓強(qiáng)時(shí)，通常接合面的剛度可較好的得以保證。鑄鐵的接觸變形可用如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：
f = cp
式中：f – 接觸變形（μm）
p – 接合面之間的平均壓強(qiáng)（MPa）
c – 接合面表面粗糙度因素值
在《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查“表10-9 接合面表面粗糙度因素值c”可得精刮工藝下，c值為0.47～0.61，取0.5故：
f = cp = 0.5×2 = 1μm
可知，接觸變形很小，滿足床身接觸精度要求。
2.4 床身熱變形
機(jī)床在切削過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱量分別來自電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)和機(jī)械摩擦。熱量傳導(dǎo)給床身即引起床身溫度變化，改變了床身與機(jī)床其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置，從而降低了機(jī)床的加工精度。
對(duì)于本床身來說，床身上的導(dǎo)軌在工作臺(tái)與滑座高速運(yùn)動(dòng)的摩擦下，上表面的溫度將高于下表面，引起導(dǎo)軌中凸，同時(shí)熱量傳遞給床身導(dǎo)軌面，引起導(dǎo)軌面熱變形，使得床身與導(dǎo)軌接觸面接觸剛度下降，影響導(dǎo)軌平行度、直線度，進(jìn)而影響機(jī)床傳動(dòng)精度和加工精度。
床身上連接的控制Y方向進(jìn)給的滾珠絲杠系統(tǒng)，若吸收熱量產(chǎn)生熱變形，由于其兩端受到軸承固定的限制，不能自由膨脹變形，則產(chǎn)生了熱應(yīng)力，使?jié)L珠絲杠彎曲變形，或使軸承內(nèi)產(chǎn)生軸向附加載荷，這個(gè)載荷又將是軸承進(jìn)一步發(fā)熱，從而嚴(yán)重?fù)p壞了滾珠絲杠與軸承。
由此可見，必須采取有效措施減少床身的熱變形，主要從如下幾個(gè)方面入手：
（1）床身設(shè)置傾斜表面，可以有效進(jìn)行排屑、排油，達(dá)到隔離熱源的目的。由于切屑、潤(rùn)滑油、液壓油和切削液都是主要的熱源，如果滯留在床身中將使床身產(chǎn)生較大的溫升和變形。因此利用此設(shè)計(jì)將這些熱源排出床身以外，單獨(dú)設(shè)立排屑裝置、油箱，或是在熱源外設(shè)置隔離罩，以減少熱傳導(dǎo)。
（2）將床身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)。主要發(fā)熱部件，如導(dǎo)軌、電動(dòng)機(jī)均是處在床身對(duì)稱位置，床身自身的結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這樣熱變形后可盡量不改變零部件的相對(duì)位置，從而減少熱變形對(duì)工作精度的影響。
2.5 床身結(jié)構(gòu)確定方案
2.6 床身最終結(jié)構(gòu)圖
上圖所示即為床身最終確定的結(jié)構(gòu)方案，其融合了前文對(duì)床身重要表面、床身截面、床身連接結(jié)構(gòu)和熱變形的所有分析與設(shè)計(jì)，參考了同類型的機(jī)床，結(jié)合了所設(shè)計(jì)機(jī)床型號(hào)VMC850B的結(jié)構(gòu)與尺寸要求，最終確立結(jié)構(gòu)如上圖，此結(jié)構(gòu)滿足對(duì)于機(jī)床床身的基本要求。
沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
3 床身零部件的計(jì)算與選型
立式加工中心伺服進(jìn)給系統(tǒng)是直接控制機(jī)械位移，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它通常由伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、執(zhí)行元件和位置檢測(cè)反饋單元組成。從位置控制的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分。
數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本要求如下：
（1）穩(wěn)定性。在系統(tǒng)的啟動(dòng)狀態(tài)或在外界干擾作用下，經(jīng)過鍛短暫的調(diào)整過程后，應(yīng)可以迅速地穩(wěn)定在新的或原有平衡狀態(tài)下。
（2）精度高。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置檢測(cè)。
（3）快速響應(yīng)。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要盡量短，傳動(dòng)裝置的加速能力要強(qiáng)。
VMC850B 立式加工中心進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，反饋信號(hào)是由安裝在伺服電機(jī)上的脈沖編碼器反饋到位置偏差檢測(cè)器。脈沖編碼器與電機(jī)同軸，電機(jī)與絲杠直接相連，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)少，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，使伺服特性有較大改善。
3.1 Y方向滾珠絲杠副的選擇
由于本機(jī)床Y方向的伺服進(jìn)給系統(tǒng)導(dǎo)程為L(zhǎng)=560mm,小于2m,根據(jù)上表查得，采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)（絲杠旋轉(zhuǎn)、螺母轉(zhuǎn)動(dòng)）作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其次，在絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)中，由于滾珠絲杠滑動(dòng)相對(duì)于滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)更適合應(yīng)用于精密、高效的立式加工中心，故本設(shè)計(jì)采用滾珠絲杠副，其具體優(yōu)勢(shì)如下：
（1）傳動(dòng)效率高，可達(dá)滑動(dòng)熱杠傳動(dòng)的2～4倍。
（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小，靈敏度高，低速無爬行。
（3）可預(yù)緊、消除絲杠副間隙，提高軸向接觸剛度。
（4）定位精度、重復(fù)精度高。
（5）使用壽命長(zhǎng)，是普通滑動(dòng)絲杠的 4～10倍甚至更高。
（6）使用可靠，潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，維修方便。
（7）不自鎖，可逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。
在確定滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)時(shí)，需要根據(jù)機(jī)床的使用要求全面考慮。絲杠副的公稱直徑、基本導(dǎo)程、預(yù)緊力、負(fù)載滾珠的有效圈數(shù)與絲杠的壽命、位移精度、剛度、驅(qū)動(dòng)力矩等有密切關(guān)系。在計(jì)算滾珠絲杠副尺寸之前，必須先確定Y方向滾珠絲杠副的工作條件，針對(duì)VMC850B這一立式加工中心型號(hào)，其具體的技術(shù)參數(shù)如
（1）工作載荷：
工作臺(tái)重量：2322.6N
滑座重量：4029.8N
X方向進(jìn)給系統(tǒng)重量：276.4N
導(dǎo)軌重量：237.2N
工作臺(tái)允許最大載荷：600kg=5880N
（2）Y方向快速進(jìn)給速度：32m/min
（3）Y方向工作行程：560mm
（4）定位精度：±0.005/300mm
（5）重復(fù)定位精度：±0.003mm
由于立式加工中心VMC850B具有精確位移要求的定位，故需要選擇P類滾珠絲杠副。VMC850B的具體切削狀況其加速力的求解如下：
已知，加速時(shí)間t = 0.1s, = 32m/min ≈ 533
則：加速度a = = = 5.33
加速力 = = （237+411.2+28.2+24.2+600）×5.33
≈ 6932N
加速力的進(jìn)給速度為 ==16m/min
3.1.1 初步計(jì)算絲杠導(dǎo)程
≥/
式中： - 絲杠導(dǎo)程。（mm）
- 絲杠副Y方向快速進(jìn)給速度。(m/min)
- 傳動(dòng)比。由于Y方向進(jìn)給伺服系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直接連接，故 = 1。
- Y方向進(jìn)給伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速。(r/min)
已知： 32m/min
Y方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)為FANUC βis 22/2000型號(hào)，其最大轉(zhuǎn)速為2000r/min。
故≥/ 32/2000 = 16mm
絲杠導(dǎo)程應(yīng)不小于16mm,根據(jù)GB/T 17587.2-1998，確定絲杠導(dǎo)程為16mm。
3.1.2 滾珠絲杠副當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算
由于立式加工中心在工作過程中載荷是隨時(shí)間變化的，而且不同載荷情況下，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速也不同。為了方便分析與計(jì)算，求解滾珠絲杠副的載荷與轉(zhuǎn)速當(dāng)量值如下：
式中：、、… - 軸向變載荷（N）
、、… - 對(duì)應(yīng)、、…的轉(zhuǎn)速（r/min）
、、… - 對(duì)應(yīng)、、…的時(shí)間（h）
為求解與的值，需要先求解軸向變載荷、、…與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速、、…的數(shù)值。具體計(jì)算過程如下。
首先，滾珠絲杠副軸向變載荷是指在立式加工中心工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向作用力，其數(shù)值可用下面進(jìn)給作用力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：
對(duì)于線性滾動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)床：
式中：- Y方向的最大切削分力。（N）
- 導(dǎo)軌摩擦阻力。（N）
式中： - 工作臺(tái)的重量。(N)
- 滑座的重量。(N)
- X方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的重量（包括電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠副、軸承座、軸承）。(N)
- 導(dǎo)軌的重量。(N)
- 工作臺(tái)允許最大載荷。(N)
- Z方向上的切削分力。（N）
- 摩擦系數(shù)，對(duì)于線性滾動(dòng)導(dǎo)軌來說，=0.004
由上述公式可知，為了便于分析，實(shí)際計(jì)算中需要將切削力合力分解，即將切削力分為切削力（切向切削力）、背向力（軸向切削力）、進(jìn)給力（徑向切削力）其中，切向切削力是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗伺服進(jìn)給系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率最多，其值最大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：
=（0.15～0.7）
=（0.1～0.6）
由于
=（0.54～0.97）
=（0.15～0.38）
=（0.10～0.32）
為了保證所選擇滾珠絲杠副在本立式加工中心各種工況下均能安全、有效的工作，故選擇針對(duì)切削力最大的情況進(jìn)行分析計(jì)算。由于前文所述，切向切削力對(duì)于進(jìn)給伺服系統(tǒng)影響最大，故只需考慮其作用在Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的絲杠軸向時(shí)的情況，并取最大值=0.97。
由上述公式可知，軸向切削力也是影響較為重要的力，故盡量令取最大值，故：≈0.2431,最終確定取=0.24。
至此，即可確定立式加工中心VMC850B在不同切削狀況下相對(duì)于Y方向滾珠絲杠副的軸向切削力和垂向切削力。具體數(shù)值見下表。
已知各切削狀況下軸向切削力與垂向切削力，即可求得各切削狀況下的軸向變載荷，具體計(jì)算過程如下：
其中 = 2322.6+4029.8+276.4+237.2 = 12746N
故 = 3880+0.004×(12746+960)=3934.82N
= 2910+0.004×(12746+720)=2963.86N
= 1940+0.004×(12746+480)=1992.90N
= 0.004×12746=50.98N
= 6932+0.004×12746=6982.98N
為求解當(dāng)量載荷與當(dāng)量轉(zhuǎn)速，還需先求解各切削狀況下的轉(zhuǎn)速值、、…
因?yàn)?
已知=16mm,=1,見表3-1.3，故解得轉(zhuǎn)速值如右表所示：
至此，即可求得當(dāng)量轉(zhuǎn)速：
= 625×10%+1562.5×40%+125× %+2000×20%+1000×1%
=1133.75r/min
當(dāng)量載荷為：
=2758.86N
3.1.3計(jì)算預(yù)期額定動(dòng)載荷
式中： - 精度系數(shù),要求本滾珠絲杠副精度等級(jí)達(dá)到0級(jí)，則查閱《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》表“3.7-52 精度系數(shù)”可知，取值1.0。
- 可靠性系數(shù),預(yù)期可靠性達(dá)到95%，
- 載荷性系數(shù)，表中可查得取值為1.3
- 當(dāng)量載荷(N)
- 當(dāng)量轉(zhuǎn)速(r/min)
- 預(yù)期工作壽命由立式加工中VMC850為數(shù)控精密機(jī)床，故選取=15000h。
將所選參數(shù)帶入公式：
58237N
為給滾珠絲杠螺母預(yù)緊，在滾珠絲杠上作用有預(yù)加載荷，其值為2000N，則還需計(jì)算：
式中： - 預(yù)加載荷系數(shù)，取中預(yù)載=4.5
- 最大軸向載荷，在前文表3-1.4中比較可得
最大軸向載荷為加速力，故=6932N
故求得：4.5×6932=31194N
比較與的數(shù)值大小，選取其中較大的預(yù)算值最為滾珠絲杠副的預(yù)期額定動(dòng)載荷，即為=58237N。
3.1.4 估算滾珠絲杠允許最大軸向變形
（1/3～1/4）重復(fù)定位精度
（1/4～1/5）定位精度
其中，重復(fù)定位精度為±0.003mm，定位精度為±0.005mm,故求得：
（1/3～1/4）×0.003 =0.00075～0.001mm
（1/4～1/5）×0.005×560/300 =0.0019～0.0023mm
取與中的較小值為值，則，=0.00075mm=0.75μm。
3.1.5估算滾珠絲杠副的底徑
滾珠絲杠副的底徑計(jì)算公式如下：
式中： - 支撐方式系數(shù)，一段固定另一端自由或者移動(dòng)時(shí)為0.078，兩端固定時(shí)或鉸支時(shí)取0.039
- 導(dǎo)軌靜摩擦力（N）
- 滾珠絲杠兩軸承支點(diǎn)間的距離，常取1.1倍行程 +（10～14）（mm）
由公式可知，若要計(jì)算滾珠絲杠的底徑，需要先對(duì)滾珠絲杠兩端支撐方式進(jìn)行分析與選擇。
正確地選擇進(jìn)給系統(tǒng)支撐方式對(duì)于提高支撐的軸向剛度，滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要具有十分重要的意義。滾珠絲杠支撐結(jié)構(gòu)類型可以分為三類，分別為一端固定一端自由、一端固定一端支撐與兩端固定，其具體的特點(diǎn)與應(yīng)用敘述如下：
（1）一端固定一端自由：
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；
2、絲杠的軸向剛度比“兩端固定”低；
3、絲杠的壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低；
4、設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠受拉伸；
5、適用于較短和豎直的絲杠。
（2）一端固定一端支撐：
1、需保持螺母與兩端支撐同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難；
2、絲杠的軸向剛度和“一端固定一端自由”相同；
3、壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的“一端固定一端自由”高；
4、絲杠有熱膨脹的余地；
5、適用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠。
（3）兩端固定：
1、需保持螺母與兩端支撐同軸，故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難；
2、只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為“一端固定”的4倍；
3、絲杠一端不會(huì)受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比“一端固定”要高；
4、可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲杠自重的下垂和熱補(bǔ)償膨脹，但需一套預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜；
5、要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠，其目標(biāo)行程略小于公稱行程，減少量等于拉伸量；
6、適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合。
三種支撐方式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下表所示：
結(jié)合立式加工中心VMC850B的Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，考慮其臥式安裝方式，同時(shí)需要降低熱膨脹變形的影響，還要綜合考慮其裝配工藝性與經(jīng)濟(jì)性原則，本設(shè)計(jì)中選用“一端固定一端支撐”即可滿足要求。故=0.078。
另外，=0.004×12746=50.98N
=1.1×560+(10～14)×16=776～840mm，取=840mm
則 18.63mm
故所選取的絲杠底徑要大于等于18.63mm。
3.1.6 計(jì)算滾珠絲杠副預(yù)緊力
通過前文分析計(jì)算，已知最大軸向工作載荷=6982.98N,則滾珠絲杠副預(yù)緊力可求：
=6982.98/3=2327.66N
3.1.7 滾珠絲杠副剩余結(jié)構(gòu)尺寸確定
螺紋長(zhǎng)度的確定：
式中：- 螺紋長(zhǎng)度（mm）
- 有效行程+螺母長(zhǎng)度(mm)
- 余程（mm）取90mm
則：= 560+108=668mm
= 668+2×90=848mm
絲杠全長(zhǎng)：
+連接長(zhǎng)度+兩端軸承長(zhǎng)度+起始距離
結(jié)合立式加工中心VMC850B床身的尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定絲杠全長(zhǎng)
1306mm
1-8 行程補(bǔ)償值C的計(jì)算：
式中： - 溫度變化值，2-3℃
-滾動(dòng)絲杠副有效行程（mm）
其中，= 行程+（8～14）
=560+（8～14）×16=688～784mm,
取 =720mm, =2℃
則：=11.8×2×720×=16.99μm
結(jié)合上述計(jì)算與床身結(jié)構(gòu)尺寸要求，初步選擇滾珠絲杠直徑為，則查閱樣本可知絲杠底徑為
3.2 伺服電機(jī)的選擇
3.2.1電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算
負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力和切削力所引起的，具體結(jié)合Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的情況，其主要承受摩擦力矩、滾珠絲杠副預(yù)加載荷引起的預(yù)緊力矩、切削負(fù)載力矩和加速力矩。將其折算到電動(dòng)機(jī)軸上的具體計(jì)算公式如下：
摩擦力矩（Nm）:
預(yù)緊力矩（Nm）:
切削力矩（Nm）:
加速力矩（Nm）:
式中： - 導(dǎo)軌摩擦力（N）
- 滾珠絲杠副導(dǎo)程（mm）
- 傳動(dòng)鏈總效率，=0.70～0.85
- 滾珠絲杠預(yù)緊力（N）
- 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，一般0.90
- 進(jìn)給方向的最大切削力（N）
- 折算到電機(jī)軸上的總慣量（）
- 電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）
- 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)(s)
則：==0.162Nm
==1.408Nm
==12.357Nm
為求解折算到電動(dòng)機(jī)軸上的加速力矩，需要先求解折算到電機(jī)軸上總慣量的數(shù)值，與此同時(shí)，欲選擇合適的電動(dòng)機(jī)，必須滿足慣量匹配的問題。因此，在電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算中，需要進(jìn)行慣量匹配問題的分析與負(fù)載慣量的計(jì)算。
3.2.2 慣量匹配計(jì)算
Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)需要具備快速的響應(yīng)能力，即其滾珠絲杠的角加速度應(yīng)足夠大以滿足系統(tǒng)對(duì)于反應(yīng)靈敏度的需求，因此所選驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的加速能力要足夠大，響應(yīng)速度要足夠快，但在追求高性能的同時(shí)又要結(jié)合實(shí)際的需求，不可盲目求好，增加成本。同時(shí)，還需要滿足系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定性的要求，如果負(fù)載、電動(dòng)機(jī)慣量不匹配，如負(fù)載慣量與電動(dòng)機(jī)慣量比值過大，對(duì)于伺服參數(shù)的調(diào)整將趨于邊緣化，很難進(jìn)行調(diào)整，振動(dòng)抑制能力也越差，所以降低了控制穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)電機(jī)慣量和負(fù)載慣量之間動(dòng)量傳遞時(shí)發(fā)生較大沖擊的情況。因此必須是電動(dòng)機(jī)慣量與進(jìn)給負(fù)載慣量合理地進(jìn)行匹配。
負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
式中： - 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）
- 各旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速（）
- 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（）
- 各直線運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量（kg）
- 各直線運(yùn)動(dòng)件的速度（m/min）
其中，Y方向伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所包含的旋轉(zhuǎn)件有X、Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠，由于滾珠絲杠屬于圓柱體，則按如下公式進(jìn)行計(jì)算：
式中： - 絲杠材料密度（）
- 絲杠全長(zhǎng)（m）
- 絲杠外徑（m）
已知，X方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠外徑40mm，1395mm，=7.85，則帶入公式3-2.6，求得:
=
=2.75
已求，Y方向伺服進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠外徑40mm, 1306mm, =7.85,則帶入公式3-2.6，求得：
=
=2.57
另外，Y方向伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所包含的直線運(yùn)動(dòng)件有工作臺(tái)（含最大載荷）和滑座。已知，工作臺(tái)（含最大載荷）的質(zhì)量為837kg，32m/min,=411mm，32m/min。帶入公式求得：
==5.43
==2.67
則=(2.75+2.57+5.43+2.67) =13.42
由于在電動(dòng)機(jī)慣量與負(fù)載慣量之間通常推薦使用下列匹配關(guān)系：
1/4≤/≤1
則取≥1/4=1/4×13.42=3.355
至此，可以初步選定伺服電機(jī)型號(hào)為FANUC22/2000,
轉(zhuǎn)動(dòng)總慣量（）
已求得和，由此可得，傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)總慣量（）為：
=（13.42+5.3）
=18.72
3.2.3空載啟動(dòng)時(shí)最大加速力矩計(jì)算：
電動(dòng)機(jī)從靜止加速到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，即可求得空載啟動(dòng)時(shí)最大加速力矩，其計(jì)算公式如下
式中：- 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速（r/min）
- 加速時(shí)間（s）本設(shè)計(jì)中取=0.1s
則求得：==39.19Nm
3.2.4快速空載啟動(dòng)時(shí)所需最大啟動(dòng)力矩計(jì)算
由于前文已求得、、，則：
=39.19+0.162+1.408=40.76Nm
所以通常即可按照快速空載啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)力矩來選擇電機(jī)。即 ，其中為電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的最大值，即峰值轉(zhuǎn)矩。則所選電機(jī)最大扭矩應(yīng)不小于。
前文所選定伺服電機(jī)FANUC22/2000,其最大扭矩為45Nm＞40.75Nm,故滿足要求。
3.2.5 電動(dòng)機(jī)連續(xù)勻速工作時(shí)的最大力矩
=0.162+1.408+12.357=13.927Nm
參照電機(jī)特性曲線可知，電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，滿足要求。
3.2.6 電動(dòng)機(jī)輸出端軸的直徑計(jì)算
電機(jī)軸的最小直徑（mm）按如下公式計(jì)算：
式中: - 電機(jī)軸傳遞的功率，（kW）
- 需用切應(yīng)力，(MPa)
n – 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，（r/min）
C – 與軸有關(guān)的系數(shù)，由決定
根據(jù)所選定的電機(jī)型