定梁式數控雕銑機結構設計論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　編號</b></p><p><b>　　無錫太湖學院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題目： 定梁式數控雕銑機結構設計 </p><p>　　信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)</

2、p><p>　　學 號： 　　　 　　　　 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　指導教師： 　 （職稱： 副教授） </p><p>　?。毞Q： ） </p><p>　　2013年5月25日</p><p>　　無錫太湖

3、學院本科畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　　誠 信 承 諾 書</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文）定梁式數控雕銑機結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p>

4、<p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　

5、　雕銑機的出現彌補了通用數控機床 （銑床、鉆床等）加工功能單一，加工中心加工小型產品成本過高的不足。數控雕銑機既可以雕刻,也可銑削, 是一種高效高精的數控機床，為我國制造業(yè)的發(fā)展提供了一種性價比很高的新型機床產品，是我國機床工業(yè)中的新產品</p><p>　　本文介紹數控雕銑機機械結構設計過程，包括機床總體方案設計、主傳動系統(tǒng)設計，X向和Z向進給傳動系統(tǒng)的機械結構設計。在主傳動系統(tǒng)設計中，主要分析了電主軸機械結構

6、，電主軸的冷卻和潤滑的方式，3KW主軸安裝座的機械機構。Z向進給傳動系統(tǒng)中主要分析了絲杠、軸承，導軌的安裝。計算主要有：主軸切削力計算，主軸系統(tǒng)重力計算對滾珠絲杠的選擇計算和Z軸伺服電機的選擇計算支承軸承的選擇。最后完成機床裝配圖、部裝圖、零件圖等。</p><p>　　關鍵詞：數控雕銑機；電主軸；伺服電機；滾珠絲杠；導軌</p><p><b>　　Abstract</b

7、></p><p>　　The Emergence of engraving and milling machine makes up for deficiencies of general CNC machine tools (milling machine, drilling machine , etc.) .The shortcomings are single processing function

8、 and high cost of machining center processing of small products . The CNC engraving and milling machine,a highly efficient high-precision CNC machine tools, can not only be used to sculpturing but also milling providing

9、a highly valued new machine products for the development of China's manufacturing indus</p><p>　　This paper introduces the design process of the mechanical structure on the CNC engraving and milling mach

10、ine , including the overall program design of the machine tool, the design of the main drive system in X and Z axis to the feed the transmission system of mechanical structure . In the design of the main transmission sy

11、stem, this paper mainly analysis the mechanical structure of electric spindle ,the way of cooling and lubrication of the electric spindle , a mechanical mechanism of 3 kW sp</p><p>　　Key words: CNC engravin

12、g and milling machine; spindle; servo motor; ball screw;Guide;</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要II</b></p><p>　　AbstractIII</p><p><b&g

13、t;　　目 錄V</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 數控雕銑機的概述1</p><p>　　1.2 數控雕銑機和數控銑床及加工中心的比較1</p><p>　　1.3 雕銑機與雕刻機的比較2</p><p>　　1.4

14、國內數控雕銑機的發(fā)展和現狀3</p><p>　　1.5 本章小結6</p><p>　　2 數控雕銑機總體方案設計7</p><p>　　2.1 機床總體結構設計7</p><p>　　2.2 主運動方案設計8</p><p>　　2.3 進給運動方案設計9</p><p>　　2

15、.3.1 數控機床進給傳動系統(tǒng)的基本形式9</p><p>　　2.3.2 以上幾種傳動方案的簡介和比較9</p><p>　　2.4 本次設計主要技術參數10</p><p>　　2.5 本章小結10</p><p>　　3 主軸部件設計11</p><p>　　3.1 電主軸的基本結構11</p&

16、gt;<p>　　3.2 主軸系統(tǒng)的計算11</p><p>　　3.3 主軸設計13</p><p>　　3.4 軸承選用及壽命校驗14</p><p>　　3.4.1 軸承受力分析14</p><p>　　3.4.2 軸承壽命檢驗14</p><p>　　3.4.3 軸承的壽命L16<

17、;/p><p>　　3.5 電主軸的冷卻與潤滑及安裝16</p><p>　　3.6 本章小結17</p><p>　　4 Z向進給傳動設計計算18</p><p>　　4.1 滾珠絲杠副的選擇18</p><p>　　4.2 Z向進給伺服電機功率的計算及選擇23</p><p>　　4.

18、3 滾珠絲杠的支承結構及制動裝置27</p><p>　　4.4聯軸器的類型和選擇28</p><p>　　4.5 Z向導軌28</p><p>　　4.6 本章小結29</p><p>　　5 X向進給運動計算30</p><p>　　5.1滾珠絲杠的選型與校核30</p><p>

19、;　　5.1.1 計算絲杠最大動載荷30</p><p>　　5.1.2 滾珠絲杠螺母副的選型30</p><p>　　5.1.3 傳動效率計算30</p><p>　　5.1.4 剛度計算30</p><p>　　5.1.5 穩(wěn)定性校核31</p><p>　　5.2 電動機的計算與選型31</p&

20、gt;<p>　　5.2.1 初選步進電動機31</p><p>　　5.2.2 校核步進電動機轉矩32</p><p>　　5.3 本章小結34</p><p><b>　　6 結 論35</b></p><p>　　6.1 課題研究的主要結論35</p><p>&l

21、t;b>　　6.2 展望35</b></p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　參考文獻37</b></p><p><b>　　附 錄38</b></p><p><b>　　1 緒 論</b&

22、gt;</p><p>　　1.1 數控雕銑機的概述</p><p>　　雕銑機的前身是雕刻機，雕刻機的優(yōu)勢在雕，不適合加工材料硬度比較大的材料，隨著科學技術的不斷發(fā)展，對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求，產品的更新換代也不斷加快，因此采用雕銑機來加工應運而生。數控雕銑機既可以雕刻，也可銑削，是一種高效高精的數控機床，是我國高端制造業(yè)的新產品。數控雕銑機主要用于雕、銑各種型腔模具

23、，也可以用于各種工藝品、凹凸圖案的加工，可加工各種鋼材、鋁材、銅材或非金屬材料等。</p><p>　　從工作原理來講，雕銑機是數控鉆銑組合機床，但由于它主要用來“雕刻”，因此機床結構、雕刻加工工藝及雕刻CAD/CAM軟件的功能與數控銑床都有很大的差異，“CNC雕銑”是一項獨特的新型數控加工技術。雕銑機的出現填補了兩者之間的空白，彌補了通用數控機床（銑床、鉆床等）加工功能單一，和加工中心加工小型產品成本過高的不足

24、，為我國制造業(yè)的發(fā)展提供了一種性價比很高的新型機床產品，是我國機床工業(yè)中的新軍。</p><p>　　CNC雕銑機主要由雕銑機床、電控柜、數控系統(tǒng)三個基本部分組成，數控系統(tǒng)——處理解釋雕銑CAD/CAM軟件生成的NC代碼，發(fā)出加工控制指令，指揮雕銑機進行各種復雜的加工動作，完成雕銑產品的加工。電控柜——雕銑機的驅動和信號檢測部分，根據數控系統(tǒng)發(fā)送的控制的控制指令連接驅動雕銑機本體產生機械運動，并對雕銑機的各種狀態(tài)

25、進行檢測、反饋給數控系統(tǒng)進行識別和處理。雕銑機床——雕銑機的機械設備部分，通過它完成雕刻、銑削、切割和鉆孔等各種加工方式的機械加工[1]。</p><p>　　近年來在模具加工行業(yè)中，為了避免工件表面質量因電加工后產生型面微觀裂紋，人們一直在探索用一種比較完美的加工方式來替代電火花成型加工，在這些模具加工中高速銑削方式具有很大的優(yōu)勢，同時，伴隨著加工高硬度材料刀具技術的發(fā)展，在模具加工中高速數控銑床的應用越來越廣

26、泛，但隨著模具加工業(yè)對加工表面質量要求的提高，所需刀具半徑越來越小，于是高速銑削加工出現了另一種分支工具—高速數控雕銑機。通過高速雕銑機的加工方式來彌補電火花成型加工的缺點。</p><p>　　數控模具雕銑機的誕生為模具加工工業(yè)解決了這一問題。高速數控模具雕銑機不僅具有高表面加工質量的精細雕刻功能，同時具有高效率強力粗銑半精銑加工能力,使良好表面質量和高效率得以有機統(tǒng)一[2]。</p><p

27、>　　1.2 數控雕銑機和數控銑床及加工中心的比較</p><p>　　在國外很早就有雕銑機的名詞（CNC engraving and milling machine），嚴格地講雕是銑的一部分[3]。</p><p>　?。?）應用對象的區(qū)別 </p><p>　　1）雕銑機主要用于較小銑削量或者輕金屬的加工或對軟金屬的加工，大部分用于模具行業(yè)。</p&

28、gt;<p>　　2）數控銑床主要用于完成較大銑削量的工件的加工設備，硬度比較高的材料，大型的模具，也適合普通模具的開粗，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品種的加工。</p><p>　　3）控銑加工主要面向規(guī)則的工件，平面加工區(qū)域比較開闊，而曲面比較光滑但是雕銑加工除了加工數控銑類似的小區(qū)域或小曲面外，還要加工隨意的平面圖形和跌蕩起伏的紋理曲面，比如加工一些網格曲面等。雕銑加工的圖形必須比較精

29、細，比如雕銑加工時常加工0.1毫米的薄壁，雕刻加工路徑的計算精度一般是傳統(tǒng)的數控銑的5倍左右[4]。</p><p>　　（2）從機床的主軸轉速分析</p><p>　　1）雕銑機要求高速的數控系統(tǒng)，主軸轉速1500~30000RPM左右。 </p><p>　　2）數控銑床對數控系統(tǒng)要求速度一般，主軸轉速0~8000RPM左右。</p><p&

30、gt;<b>　?。?）結構上講</b></p><p>　　1）加工中心一般采用懸臂式。</p><p>　　2）雕銑機和雕刻機一般多用龍門式架構，龍門式又分為棟梁式和定梁式，目前雕銑機以定梁式居多。</p><p>　?。?）從機床采用的數控系統(tǒng)的角度來看</p><p>　　1）雕銑機大部分采用企業(yè)自主研發(fā)或者外購

31、的工業(yè)控制器。</p><p>　　2）數控銑床對數控系統(tǒng)的要求：操作方便，穩(wěn)定可靠，修方便等，現在市場上的數控系統(tǒng)主要集中在FANUC和MITISUBISH及西門子控制器。 綜上所述：雕銑機進行一些小切削量的銑削。而數控銑床大部分在機械加工行業(yè)中使用。</p><p>　　1.3 雕銑機與雕刻機的比較</p><p>　　雕刻機：它主軸轉速高，矩比較小，適

32、合小刀具的加，著重于“雕刻”功能，例如木材（專門加工木板的稱為木雕機）亞克力板、雙色板、等硬度不高的板材，不太適合強切削大工件。目前市面上的用于大多數加工工藝品為主的是雕刻機，成本低，由于精度不高，不宜用于模具開發(fā)；但也有例外的例如晶片雕刻機[5]。數控雕銑機是在雕刻機的基礎上加大了床身承受力，伺服電機、主軸功率，同時保持主軸的高速，更重要的是精度很高。雕銑機還向高速發(fā)展，一般稱為高速機，加工精度非常高，切削能力更強，還可以直接加工硬度

33、在HRC60以上的材料，一次成型。</p><p>　?。?）從用途上分：雕刻機主要是用于對板材的雕刻，大量應用于雙色板或亞克力雕刻，雕刻一次進刀深度約在1mm～3mm左右，在標牌、標志方面應用較為普遍。</p><p>　?。?）從機械構造方面：雕刻機的設計輕巧，X、Y軸移動速度快，Z軸行程較短，適合雕刻5mm～8mm的材料。雕刻主軸頭裝有彈簧壓鼻，作用是在雕刻過程中壓平3mm以下的薄板

34、材。雕刻主軸通過皮帶連接到直徑較大的馬達上，以此使轉速增大，這樣雕刻出來的工件質量就較為光滑，它適合做切削量很小的高轉速的雕刻工藝制作。</p><p>　?。?）外觀體積方面: 雕銑機比較大型的750型機一般在2.2m*2m，雕刻機較小。</p><p>　　雕銑機可以理解為既可做精細雕刻，又能做切割、鏤銑。例如做三維雕刻，盡管落差很大，但200mm寬材料可一次完成，一次進刀量相當大。雕

35、銑機可供選用的刀具直徑規(guī)格從1mm～16mm，其刀具長度為50mm～80mm。我們可以靈活使用，裝細刀干細活，裝粗刀干大活。由于機器設計注重重型負載，機架剛性大，Z軸行程大，因此不僅可以做小型雕刻機的工藝，更可高速切割厚的板材，一次進刀量可達20mm～30mm，這是雕刻機根本做不到的工藝制造。</p><p>　　1.4 國內數控雕銑機的發(fā)展和現狀</p><p>　　改革開放以來，隨著國

36、民經濟的高速發(fā)展，市場對模具的需求量不斷增長，近年來尤其是模具業(yè)對表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，現今模具業(yè)流行談論高速銑床對模具加工影響，高速加工論說甚多，尤其在中國市場，模具行業(yè)飛速發(fā)展，對于能加快模具生產之機床，需求極高，因此高速銑床理論成為熱點所在,最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點的CNC雕銑機在國內有了較大的發(fā)展[4]。</p><p>　　CNC雕銑特有的專業(yè)優(yōu)勢為：“小刀具的快速銑削

37、”，擅長做“常規(guī)大刀具無法加工的業(yè)務”。目前，在下述行業(yè)中CNC雕銑方式用得較為得心應手：模具雕刻業(yè)和廣告雕刻業(yè)。</p><p>　?。?）模具行業(yè)---小刀具獨領風騷</p><p>　　CNC雕銑在工業(yè)領域中應用最廣泛的是模具業(yè)，在模具生產過程中CNC雕銑不是主要加工方式和生產手段，但其作用卻非同一般，可謂是“畫龍點睛”，這是由雕刻對象的“圖案、文字和復雜的曲面”特點所決定，當前CN

38、C雕銑在模具雕刻領域主要的業(yè)務為：</p><p>　　1）紫銅和石墨電極加工</p><p>　　2）五金沖模和精密沖頭加工</p><p>　　3）鞋材模具和鞋底模型加工</p><p>　　5）鐘表零件加工和輕型CNC加工</p><p>　　6）壓花（皮紋、花紋）輥輪和圓柱體工件雕刻</p>&l

39、t;p>　　7）首板（手板、樣板）模型加工</p><p>　?。?）廣告雕刻——精雕細刻、力求創(chuàng)意</p><p>　　CNC雕刻在廣告主要應用于沙盤模型、廣告標牌和文字標志的制作，這些業(yè)務在雕刻工藝上相對簡單，關鍵是在效果表現上，而且主要突出的是“精雕細刻和求新創(chuàng)異”。</p><p>　　國內幾家著名的數控機床廠在這個領域里面都有較好的成績。比如北京精雕

40、、廣東佳鐵、南京四開、上海洛克等都是國內著名的數控雕銑機廠家。在雕刻CAD/CAM技術、CNC數控技術、精密雕刻機設計技術工藝等領域取得了重大的突破，并真正實現了先進技術向產業(yè)化的轉化[5]。</p><p>　　典型的數控雕銑機如下:</p><p>　?。?）橫梁移動式數控雕銑機</p><p>　　橫梁移動式，工作臺不移動，承載工件可達5噸以上，尤其適合汽車保

41、險杠等特大模具的加工；橫梁移動式，機床運行慣最性，機床使用壽命大提高；使加工的表面光潔度在提高；機床主體高強度樹脂砂鑄件，體穩(wěn)吸震耐用；臺灣產滾珠絲桿及精密鎖緊螺母；進口軸承與聯軸器，臺灣新代900M系統(tǒng)。如圖1.1所示：</p><p>　　圖1.1 橫梁移動式數控雕銑機</p><p>　　主要技術參數，如表1-1：</p><p>　　表1-1 橫梁移動式數控

42、雕銑機的主要技術參數</p><p>　?。?）龍門式數控雕銑機</p><p><b>　　如圖1.2所示：</b></p><p>　　圖1.2 龍門式數控雕銑機</p><p>　　主要技術參數，如表1-2所示：</p><p>　　表1-2 龍門式數控雕銑機主要技術參數</p>

43、<p><b>　　1.5 本章小結</b></p><p>　　本章主要介紹了雕銑機的概念以及與雕刻機，加工中心等的區(qū)別，雕銑機的應用前景以及國內外雕銑機發(fā)展的趨勢，緊接著介紹了兩種典型的雕銑機以及它們的主要參數。</p><p>　　2 數控雕銑機總體方案設計</p><p>　　2.1 機床總體結構設計</p>

44、<p>　　現在流行的雕銑機工作臺主要有兩種，第一種是刀具作X方向和Z方向的移動即定梁式結構。第二種則工作臺作X，Y方向的移動，而刀具只作Z方向的移動即動梁式結構。理論設計上，數控模具雕銑機總體結構布局如圖2.1和2.2所示。</p><p>　　1-Y軸工作臺（整體式），2-主軸組建，3-主軸冷卻泵及冷卻液泵站，4-立柱，5-X-Z軸二維工作臺（橫</p><p>　　梁），

45、6-操作及控制</p><p>　　圖2.1 定梁式數控雕銑機布局設計圖</p><p>　　1-床身，2-Y軸工作臺，3-橫梁，4-拖板，5-電主軸，6-刀具，7-工作臺</p><p>　　圖2.2 動梁式數控雕銑機布局設計圖</p><p>　　結構1的優(yōu)點是制作容易，結構穩(wěn)定。但由于工件隨工作臺移動，所以不能加工太重的工件，而且雕刻機

46、尺寸不能太大。結構2雖然制作也較容易，然而穩(wěn)定性要比結構1差很多。由于本次設計對機械部件結構的要求就是要小而輕便，加工工件的質量也是比較輕，因此選用結構1。</p><p>　　本設計中，數控雕銑機選用龍門式定梁式結構。該結構具有良好的剛性和對稱性，一直是高速切削設備的首選結構。為克服不良力矩的問題，從整體布置保證機床的剛性，采用較寬的立柱和橫梁，盡量加寬了X、Y、Z三向的兩根直線滾動導軌之間的跨距，盡量加粗導軌

47、和絲桿[5]。在該結構中，在保證整個系統(tǒng)的機械剛性的前提下，為了簡化設計的結構和縮短產品的設計和制造的周期，其主體框架采用鋁合金制造，減輕整機重量，防護件用塑料件制造，用標準的緊固件和定位銷連接[6]。</p><p>　　本機床整體式床身底座采用鑄鐵鑄造而成，因為鑄鐵具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性，可使床身的結構強度和剛性有顯著提高，采用箱形結構，內部筋板采用米字型筋配合的網狀結構，確保了對Y軸工作臺和兩立

48、柱的剛性支承，使機床動態(tài)加工的穩(wěn)定性可達最好。為了加強剛性，所設計的數控雕銑機的最大優(yōu)點是能進行比較細小的加工，加工精度比較高，對軟金屬可進行高速切削。</p><p>　　2.2 主運動方案設計</p><p>　　主軸的傳動方式主要有齒輪傳動、帶傳動、電動機直接傳動等。主軸傳動方式的選擇主要決定于主軸的轉速、所傳遞的轉矩、對于平穩(wěn)性的要求以及結構緊湊、裝卸維修方便等要求[7]。<

49、/p><p>　?。?）齒輪傳動，特點：結構簡單、緊湊，能傳遞較大的轉矩，能適應變轉速、變載荷工作，應用最廣。缺點：線速度不能過高，通常小于12m/s，不如帶傳動平穩(wěn)。</p><p>　　（2）帶傳動，特別適用于中心距較大的兩軸間傳動，傳動平穩(wěn)，噪聲小，適宜高速傳動。帶傳動在過載時會打滑，不能用在速比要求準確的場合。同齒形帶傳動的優(yōu)點：無相對滑動，傳動比準確，傳動精度高；不需要潤滑，耐水、耐

50、腐蝕，能在高溫下工作，維護保養(yǎng)方便；傳動比大，可達1:10以上。缺點：制造工藝復雜，安裝條件要求求高。</p><p>　　（3）電動機直接驅動，而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了機床的“零傳動”?？蓪⒅鬏S與電動機制成一體，使用電主軸可以減少帶輪傳動和齒輪傳動，有效的提高了主軸部件的剛度，簡化機床設計，易于實現主軸定位，其缺點是溫升和散熱問題。</p><p>　　目前，隨著電氣傳動技

51、術的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數控機床主傳動系統(tǒng)的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了帶輪傳動和齒輪傳動。用電動機通過帶輪或齒輪等方式傳動，則在高速運轉條件下，由此產生的振動等，勢必影響高速加工的精度、加工表面粗糙度，而產生的噪聲導致環(huán)境質量的惡化，將電動機內置，省掉齒輪、帶輪等一系列中間環(huán)節(jié)，將主軸傳動系統(tǒng)的轉動慣量盡可能地減至最小可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就提高了系統(tǒng)的固有頻率、從而提高了其臨界轉速值。由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的傳動沖擊等

52、外力作用，主軸高速運行更為平穩(wěn)，使得主軸軸承的使用壽命相應得到延長。電主軸與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比有結構簡單、緊湊等優(yōu)點，這樣便于把它用在多軸聯動機床、多面體加工機床和并聯（虛擬軸）機床上[8]。</p><p>　　2.3 進給運動方案設計</p><p>　　2.3.1 數控機床進給傳動系統(tǒng)的基本形式</p><p>　　數控機床的進給運動可以分為兩大類：（1）

53、直線運動；（2）圓周運動。</p><p>　　在數控機床上，實現直線進給運動主要有三種形式：</p><p>　　1）通過絲杠（通常為滾珠絲杠或靜壓絲杠）螺母副，將電動機的旋轉運動變?yōu)橹本€運動。</p><p>　　2）通過齒輪、齒條副，將電動機的旋轉運動變?yōu)橹本€運動。</p><p>　　3）直接采用直線電動機進行驅動。</p>

54、;<p>　　2.3.2 以上幾種傳動方案的簡介和比較</p><p>　?。?）滾珠絲杠螺母副</p><p>　　滾珠絲杠螺母副具有傳動無間隙，傳動精度高且平穩(wěn)的優(yōu)點。在現代機床業(yè)中采用較多，但是在Z向進給運動中有不能自鎖的缺點[3]。</p><p>　?。?）靜壓絲杠螺母副</p><p>　　靜壓絲杠螺母副是通過油壓在

55、絲杠和螺母接觸面之間，產生一層保持一定厚度，且具有一定剛度的壓力油膜，使絲杠和螺母由邊界摩擦變?yōu)橐后w摩擦。靜壓絲杠螺母的優(yōu)點是：摩擦系數很小，其起動力矩很小，傳動靈敏，避免了爬行。油膜可以吸振，提高了運動的平穩(wěn)性。機床的加工精度和光潔度高。缺點是：靜壓絲杠螺母副應有一套供油系統(tǒng)，而且對油的清潔度要求高，如果在運動中供油忽然中斷，將造成不良后果。</p><p><b>　?。?）齒輪齒條副</b&

56、gt;</p><p>　　大型數控機床不宜采用絲杠傳動，因為制造長絲杠成本較大，而且容易下垂彎曲，影響傳動精度；同時也降低了扭轉剛度與軸向剛度。如果加大絲杠直徑，則轉動慣量增大，不易保證伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，故常用齒輪齒條副。</p><p>　　齒輪齒條副傳動用于行程較長的大型機床上，可以得到較大的傳動比，進行高速直線運動，剛度及機械效率也高。但其傳動不夠平穩(wěn)，傳動精度不高，而且還不能自

57、鎖。采用齒輪齒條副傳動時，必須采取措施消除齒側間隙，當傳動負載小時，也可采用雙片薄齒輪調整法，分別與齒條齒槽的左、右兩側貼緊，從而消除齒側間隙。當傳動負載大時，可采用雙厚齒輪傳動結構。</p><p>　?。?）直線電動機驅動</p><p>　　采用直線電動機驅動具有以下優(yōu)點：不需要絲杠、齒輪齒條等轉換裝置即能直接實現直線運動，因此，它大大簡化了進給系統(tǒng)結構，提高了傳動效率。旋轉電動機無

58、法避免必須通過絲杠、齒條轉換成直線運動等轉換機構，降低了傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性和穩(wěn)定性的影響</p><p>　　直線電動機的缺點：主要表現在起動推力受電源電壓的影響較大，故對驅動器的要求較高，應采用措施保證或改變電動機的有關特性來減少或消除這種影響直線電動機的效率和功率因數要低由于電動機直接和導軌、工作臺做成一體，必須采取措施以防止磁力和熱變形對加工的影響</p><p>　　綜上

59、所述，本次進給機構采用滾珠絲杠副作為傳動系統(tǒng)。</p><p>　　2.4 本次設計主要技術參數</p><p><b>　　如表2-1所示：</b></p><p>　　表2-1 定梁式數控雕銑機主要技術參數</p><p><b>　　2.5 本章小結</b></p><p&

60、gt;　　本章主要是總體方案的設計比較和選擇，首先對龍門定梁式結構和龍門動梁式結構這兩種總體結構方案進行分析和比較，最后確定龍門定梁式結構，以及提高雕銑機的剛度和穩(wěn)定性的措施。對主運動設計方案分析比較，最后決定采用電主軸的形式，對進給運動設計方案的比較分析，確定采用伺服電機和滾珠絲杠副將旋轉運動變成直線運動的形式的方案。最后確定雕銑機的技術參數。</p><p><b>　　3 主軸部件設計 </

61、b></p><p>　　主軸部件是機床的重要部件之一。作為機床的執(zhí)行件，它的功能是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成形運動。</p><p>　　數控機床高速主軸單元包括主軸動力源、主軸、軸承和機架等幾個部分，它影響加工系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及應用范圍，其動力學性能及穩(wěn)定性對高速加工起著關鍵的作用。高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應該具有剛性好、回轉精度高、

62、運轉時溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，同時，制造及操作成本也應適中。要滿足這些要求，主軸的制造及動平衡、主軸的支承（軸承）、主軸系統(tǒng)的潤滑和冷卻、主軸系統(tǒng)的剛性等是很重要的[7]。</p><p>　　3.1 電主軸的基本結構</p><p>　　高速電主軸要獲得好的動態(tài)性能和使用壽命，必須對電主軸各個部分進行精心設計和制造。電主軸基本結構原理如圖3.1所示。</p

63、><p>　　圖3.1 電主軸的結構原理圖</p><p>　　電主軸轉速的實現是通過變頻器改變電動機電源頻率來控制電主軸的轉速，把主軸的轉速從1500至24000r/min，實現無級轉速。變頻器是通過電腦給的信息，發(fā)出一種脈沖，通過脈沖來實現1500至24000r/min的不同轉速[8]。</p><p>　　其變頻器的工作原理是：</p><p&

64、gt;<b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：n為異步電動機的轉速；f為異步電動機的頻率；s為電動機轉差率；p為電動機極對數。</p><p>　　由公式（3.1）可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節(jié)的，是一種理想的高

65、效率、高性能的調速手段。</p><p>　　3.2 主軸系統(tǒng)的計算</p><p>　　主軸系統(tǒng)主要由三部分組成：3KW主軸安裝座、滑塊及拖板。根據圖紙分別計算3KW主軸安裝座、滑塊和拖板的體積V及其重力G。</p><p>　　查表1-8[12]，可知灰鑄鐵的密度ρHT250=7.0 ×103(kg/m3) ,工業(yè)用鋁合金的密度ρ鋁合金=2.7

66、5;103(kg/m3)； </p><p>　　3kW主軸安裝座的體積V1及重力G1計算：</p><p>　　V1=(268×155×200-π×502×200-2×0.5×40×40×200-2×125×54×200)×10-9</p><p&g

67、t;　　≈3.72×10-3m3</p><p>　　G1=m1g=ρ鋁合金 V1g （3.2）</p><p>　　=2.7×103×3.72×10-3×9.8</p><p><b>　　≈98.43N</b></p>

68、<p>　　滑塊體積V2及重力G2計算：</p><p>　　V2=(270×96×730-160×81×246-129×81×570-2×40×48×570-2×97×31×57)×10-9</p><p>　　≈7.25×10-3m3&

69、lt;/p><p>　　G2=m2g= V2g</p><p>　　=7.0×103×7.25×10-3×9.8</p><p>　　=493.75N （3.3）</p><p>　　拖板體積V3及重力G3計算：</p>

70、<p>　　V3=(242×27×505+4×90×72×12-180×200×6-70×255×4-120×86×4×2)×10-9</p><p>　　≈3.24×10-3m3</p><p>　　G3=m3g= V3g

71、 （3.4）</p><p>　　=7.0 ×103×3.24×10-3×9.8</p><p><b>　　≈222.26N</b></p><p>　　表3-1 主軸系統(tǒng)的重力計算值</p><p>　　數控雕銑機加工方式與數控銑床相似，

72、因此按計算銑床的銑削公式計算其銑削力。</p><p><b>　　主銑削力Fc計算：</b></p><p>　　數控雕銑機屬于立銑加工，刀具選用材料為硬質合金鋼，加工材料為鋼材，查表[4]，選用公式：</p><p>　　Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap

73、 （3.5）</p><p>　　式（5-1）中 CF：切削系數。查表30—20[4] 取CF=669</p><p>　　KF：修正系數。查表30—21[4] 取CF=1.08</p><p>　　ae：銑削寬度。查表30—35[4] 取ae=1.6mm</p><p>　　af：每齒進給量。查表30—35[4] 取af =0

74、.1mm</p><p>　　d0：銑刀直徑。 查表30—35[4] 取d0 =6mm</p><p>　　Z： 銑刀齒數。查表30—35[4] 取Z =6</p><p>　　ap：銑削深度。查表30—35[4] 取ap=0.5mm</p><p>　　代入式（5-1）得：</p><p>　　Fc=669×

75、;1.08×1.60.86×0.10.72×6-0.86×6×0.5</p><p><b>　　≈132.53N</b></p><p>　　垂直分力Fz、橫向分力Fx，縱向分力Fy計算：</p><p>　　根據表8-6[7]，各銑削分力的比值可得：</p><p>

76、<b>　??； ；； </b></p><p>　　計算可得： =112.65N； =102.05N ； =50.36N；</p><p>　　表3-2 主軸銑削力相關計算值</p><p><b>　　3.3 主軸設計</b></p><p>　　主軸前、后軸頸的設計:查《金屬切削機床

77、手冊》下冊圖4-28[9]得：</p><p><b>　　前軸頸： </b></p><p><b>　　后軸頸： </b></p><p><b>　　主軸內孔直徑：根據</b></p><p><b>　　有 </b></p>

78、<p><b>　　主軸前端懸伸量：</b></p><p><b>　　，取1.1</b></p><p><b>　　故有</b></p><p><b>　　主軸跨距：</b></p><p><b>　　按有關計算公式：<

79、/b></p><p><b>　　取 ，即 </b></p><p><b>　　計算綜合變量：</b></p><p><b>　　確定最佳跨距：</b></p><p>　　查《金屬切削機床》圖4-31，在橫坐標上找的點向上作垂直線與的斜直線相交得</p&g

80、t;<p><b>　　取L=300mm</b></p><p>　　3.4 軸承選用及壽命校驗</p><p>　　主軸前端用雙列短圓柱滾子軸承，查《機械設計手冊》表12-2[7]選型號為NU208 GB/T283-1994</p><p>　　后端用角接觸球軸承，才用背靠背，查《機械設計手冊》表12-2[7]選型號 7210

81、C/DB GB/T292-1994</p><p>　　3.4.1 軸承受力分析</p><p>　　軸承受力如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 受力示意圖</p><p>　　Q——切削時，主軸所受的徑向力，151.93 N</p><p><b>　　受力分析可得：</b><

82、/p><p>　　3.4.2 軸承壽命檢驗</p><p>　　主軸前端采用雙列短圓柱滾子軸承 NU208 GB/T285-1994，只承受徑向力，額定動載荷為 76600N[7]</p><p>　　軸承所受的當量動載荷</p><p><b>　　根據</b></p><p><b>　

83、　式中：</b></p><p><b>　　故</b></p><p><b>　　軸承壽命L</b></p><p><b>　　根據</b></p><p>　　式中：——基本額定動載荷，76600N</p><p>　　——主軸轉速，

84、取3000r/min</p><p>　　——軸承壽命指數，滾子軸承</p><p><b>　　故 安全。</b></p><p>　　主軸后端支承是采用角接觸球軸承7210C /DB GB/T292-1994</p><p>　　軸承的軸向派生力，如圖3.3</p><p>　　圖3.3

85、派生力受力圖</p><p>　　——徑向載荷 =151.93N</p><p>　　——軸向載荷 </p><p><b>　　由圖3.3可知，</b></p><p>　　軸向派生力 </p><p>　　由圖分析，軸承1被放松，所以它的軸向負載即為

86、派生軸向力</p><p>　　即軸承2被壓緊，所受的軸向負載</p><p><b>　　=532.76</b></p><p>　　每個軸承的當量動載荷</p><p>　　因為 </p><p>　　故取 x=0.72，y=1.63

87、</p><p>　　有： </p><p>　　又因為 </p><p>　　故取 x=0.72，y=1.63</p><p>　　有： </p><p>　　3.4.3 軸承的壽命L</p>

88、<p><b>　　根據</b></p><p>　　式中：——基本額定動載荷，</p><p><b>　　——當量動載荷</b></p><p>　　——軸承壽命指數，球軸承=3</p><p>　　n——主軸轉速，3000r/min</p><p><

89、;b>　　軸承1壽命：</b></p><p><b>　　軸承2壽命：</b></p><p><b>　　軸承1、2都安全</b></p><p>　　3.5 電主軸的冷卻與潤滑及安裝</p><p>　　電主軸不可避免的將會產生發(fā)熱的問題，從而需要設計專門用于冷卻電動機的油冷

90、或水冷系統(tǒng)。本機床電主軸采用水冷卻，對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑其冷卻裝置配置在機床的后部。</p><p>　　電主軸的潤滑方式有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，可以根據不同情況下的需要任選其一。當采用油霧潤滑、油氣潤滑時，一般其相應的速度相對脂潤滑要高。因本機床主軸要求的最高轉速相對較低(最高轉速為24000r／min)，故采用脂潤滑[5]。</p><p>　　3KW電主軸安裝座

91、的3維造型如圖3.4所示</p><p>　　圖3.4 3KW電主軸安裝座的3D建模</p><p>　　在電主軸系統(tǒng)上的安裝如圖3.5所示，通過三個M10內六角圓柱頭螺釘將電主軸鎖緊，這種鎖緊方式，夾緊可靠，操作簡單。為了起到方便拆卸的作用，在兩個M10內六角圓柱頭鎖緊螺釘之間，分別打兩個M10的螺紋孔。其作用是在拆卸的時候，通過擰入M10的內六角圓柱頭螺釘，將距離為2mm的安裝間隙擴大

92、。 </p><p>　　1—電主軸；2—3kW主軸安裝座；3—M10內六角螺釘×3；4—Z向滑座；5—Z向拖板；6—M10螺紋孔</p><p>　　圖3.5 電主軸安裝圖</p><p><b>　　3.6 本章小結</b></p><p>　　本章主要是主軸部件的設計，包括了電主軸主軸的設計，電主軸軸承支

93、承的選擇，冷卻潤滑方式的選擇，安裝方式的設計。主要計算了主軸系統(tǒng)的重力，銑削力，主軸的尺寸計算，主軸軸承壽命的計算和校核。</p><p>　　4 Z向進給傳動設計計算</p><p>　　在數控機床中，為確保數控系統(tǒng)的傳動精度和定位精度以及工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動裝置時，通常需足夠的剛度，不爬行，運動平穩(wěn)，靈敏度高的要求。機床的精度很大程度取決于進給絲杠的精度和機床導軌的精度，因此，數

94、控雕銑機Z向進給系統(tǒng)采用伺服電機，內循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，Z軸方向上采用高精度直線導軌[10]。</p><p>　　4.1 滾珠絲杠副的選擇</p><p>　　滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件。本機床Z向進給方向的滾珠絲杠副的精度等級為4級。4級精度的絲杠經采用一些如消隙、螺距誤差補償等措施，完全能滿足機床的定位精度要求。絲杠的剛度與直徑的大小直接相關，直徑大

95、、剛度就好但是，隨著直徑的增大，其轉動慣量也大大增大。本機床經設計計算后選定Z軸滾珠絲杠的公稱直徑為25mm，導程為5mm[11]。 </p><p>　　滾珠絲杠副的選擇計算：</p><p>　?。?）確定滾珠絲杠副的導程Ph[9]</p><p>　　Ph = （4.1）</p&g

96、t;<p>　　Ph：滾珠絲杠副的導程mm</p><p>　　vmax：工作臺最高移動速度m/min</p><p>　　nmax：電機最高轉速r/min</p><p><b>　　i：傳動比</b></p><p>　　因雕銑機伺服電機與滾珠絲杠副通過聯軸器直接傳遞力矩，因此傳動比i=1</p&

97、gt;<p>　　根據表2-1[10]的技術參數可知，v max =5m/min ；</p><p>　　根據電動機功率為400W，查得[10] nmax =3000r/min</p><p>　　代入式（4.1）得：</p><p><b>　　Ph = </b></p><p><b>　　=

98、1.67mm</b></p><p>　　根據表1 [11]選擇導程為5mm的滾珠絲杠副</p><p>　?。?）確定當量轉速與當量載荷</p><p><b>　　當量轉速[9]</b></p><p>　　nm = （4.2）<

99、;/p><p>　　nm：當量轉速r/min</p><p>　　nmax：滾珠絲杠副的最高轉速。傳動比i=1，電動機所能達到的最高轉速即為滾珠絲杠副的最高轉速，所以nmax =3000r/min</p><p>　　nmin：滾珠絲杠副的最低轉速。nmin =0</p><p>　　代入式（4.2）得：</p><p>

100、　　nm ==1500r/min</p><p><b>　　當量載荷</b></p><p>　　Fm = （4.3）</p><p>　　Fm：當量載荷N；Fmax：機器承受最大負荷時滾珠絲杠副的傳動力。</p><p>　　Fmax= G1+G2+G電

101、主軸+μ×=690.18+0.1×102.05=700.385N。</p><p>　　Fmin：機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。Fmin=G1+G2+G電主軸=（98.43+493.75+98）N=690.18N</p><p>　　代入式（4.3）得：</p><p><b>　　Fm=</b></p>&l

102、t;p><b>　　≈696.98N</b></p><p>　?。?）確定預期額定動載荷</p><p>　　按滾珠絲杠副的預期工作時間Lh（小時）計算：</p><p>　　Cam =× （N） （4.4） </p><p>　　C

103、am：預期額定動載荷N</p><p>　　Lh：預期工作時間。查表-6 [10] 取Lh=20000h。</p><p>　　fa：精度系數。根據初定的精度等級P4，查表-7 [10] 取fa=0.9。</p><p>　　fc：可靠性系數。一般情況下為fc=1</p><p>　　fw：負荷系數。根據負荷性質選擇，查表-9[12]取fw=

104、1。</p><p>　　代入式（4.4）得：</p><p><b>　　Cam=×</b></p><p><b>　　≈9420.43N</b></p><p>　　按最大載荷Fmax計算</p><p>　　Cam=fe×Fmax

105、 （4.5）</p><p>　　fe：預加負荷系數。查表-10[12] 取fe=4.5</p><p>　　代入式（4.5）得：</p><p>　　Cam =4.5×696.98=3136.425N</p><p>　　取以上2種結果

106、的最大值</p><p>　　Cam =9420.43N</p><p>　　（4）按精度要求確定最小螺紋底徑d2m</p><p>　　滾珠絲杠的最大允許軸向變形量δm</p><p>　　δm ≤（～）×重復定位精度</p><p>　　δm ≤（～）×定位精度</p><p

107、>　　δm：最大軸向變形量μm</p><p>　　由表（2-1）可知，重復定位精度為0.005mm，定位精度為0.01mm</p><p>　　δm=1.25μm δm=2μm</p><p>　　取兩種結果的小值δm=1.25μm</p><p>　　估算滾珠絲杠副的底徑d2m</p>

108、<p>　　絲杠無預拉伸要求，取一端固定，一端游動的支承形式</p><p>　　d2m≥2×10=0.078 （4.6）</p><p>　　d2m：最小螺紋底徑mm</p><p>　　E：楊氏彈性模量。E=2.1×105N/mm2</p><p>　　δm：δm=1.

109、25μm</p><p>　　F0：導軌靜摩擦力（N）</p><p>　　F0 =μ0×W（μ0為靜摩擦系數）。根據表-10[13]查得μ0=0.2；W =G1+G2+G電主軸=690.18N</p><p>　　F0 =μ0×W =0.2×690.18=138N</p><p>　　L為滾珠螺母至滾珠絲杠固定

110、端支撐的最大距離（mm）</p><p>　　L ≈ 行程+安全行程+兩個余程+螺母長度+一個支承長度</p><p>　　≈ （1.1～1.2）行程 + (10～14) Ph</p><p>　　由表（2-1）：Z向最大行程為150mm</p><p>　　L ≈ 1.2×150 + 14×5 =250mm</p&

111、gt;<p>　　代入式（4.6）得：</p><p><b>　　d2m≥0.078</b></p><p><b>　　=12.96mm</b></p><p>　?。?）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號</p><p>　　根據傳動方式以及使用情況，選擇法蘭式雙螺母內循環(huán)形式；</

112、p><p>　　由計算出的Ph、Cam、d2m，可選擇相應規(guī)格的滾珠絲杠副：</p><p>　　FFZD2505-3</p><p><b>　　Ph =5</b></p><p>　　Ca =10200N＞Cam =9420N</p><p>　　d2 =21.9mm＞d2m =12.96mm&l

113、t;/p><p>　?。?）確定滾珠絲杠副預緊力</p><p>　　Fp = Fmax （4.7）其中Fmax=696.98N</p><p><b>　　Fp≈232.3N</b></p><p>　?。?）

114、行程補償值與預拉伸力</p><p><b>　　行程補償值： </b></p><p>　　C=12.96ΔtLu×10-6 （4.8）</p><p><b>　　其中，</b></p><

115、;p><b>　　C：行程補償值μm</b></p><p>　　Δt：溫度變化值2℃-3℃,取Δt=2.4℃</p><p>　　Lu：滾珠絲杠副的有效行程(mm)</p><p>　　Lu≈工作臺行程+ 螺母長度+兩個安全行程</p><p>　　≈行程 + (8～14)Ph</p><p&

116、gt;　　= 150 + 12×5</p><p><b>　　= 210mm</b></p><p>　　代入式（4.8）得：</p><p>　　C =12.96×2.5×210×103×10-6</p><p><b>　　≈6.8μm</b>

117、</p><p><b>　　預拉伸力：</b></p><p>　　Ft ==1.95Δtd22 （4.9）</p><p>　　=1.95×2.4×21.92 </p><p><b>　　≈22

118、44.57N</b></p><p>　?。?）確定滾珠絲杠副支撐用的軸承型號規(guī)格</p><p>　　軸承所承受的最大軸向載荷</p><p>　　FBmax = Ft + Fmax （4.10）</p><p>　　= 2244

119、.57+ 696.98 =2941.55N</p><p>　　軸承類型一端固定，一端游動的支承形式，選面對面（DF）角接觸球軸承</p><p><b>　　軸承內徑：</b></p><p>　　d略小于d2=21.9 ，FBP =FBmax</p><p><b>　　取d =20mm</b>

120、</p><p><b>　　代入得：</b></p><p>　　FBP =×2941.55=980.5N</p><p><b>　　軸承預緊力：</b></p><p>　　預加負荷≥FBP =980.5N</p><p><b>　　選擇軸承型號規(guī)

121、格</b></p><p>　　當d =20mm,預加負荷≥FBP =980.5N</p><p>　　所以選擇7204AC型軸承</p><p>　?。?）滾珠絲杠副工作長度</p><p><b>　　絲杠螺紋長度：</b></p><p>　　Ls= Lu + 2Le

122、 （4.11）</p><p>　　由表-2[10] 查得余程Le=20</p><p>　　代入式（4.11）得：</p><p>　　Ls= 210+2×20=250</p><p>　?。?0）傳動系統(tǒng)剛度</p>

123、<p><b>　　絲杠最小抗壓剛度：</b></p><p>　　Ksmin =1.65×102 （4.12）</p><p>　　Ksmin：最小抗壓剛度N/μm</p><p><b>　　d2：絲杠底徑</b