數控龍門銑床設計,數控,龍門,銑床,設計 本科畢業(yè)設計（論文） 輕型龍門銑床XKQ2010×30 設計 曲紅軍 燕 山 大 學 2010年 6月 I 本科畢業(yè)設計（論文） 輕型龍門銑床XKQ2010×30設計 學院（系）： 機械工程學院 專 業(yè)： 機制 學生 姓名： 曲紅軍 學 號：060101010155 指導 教師： 答辯 日期： 2010.6.24 燕山大學畢業(yè)設計（論文）任務書 學院：機械工程學院 系級教學單位：機械制造工程系 學 號 60101010155 學生 姓名 曲紅軍 專 業(yè) 班 級 機制06-1 題 目 題目名稱 輕型龍門銑床XKQ2010×30設計 題目類型 工程設計 題目性質 真實 題目來源 自選 主 要 內 容 1. 方案設計（工藝分析、工作原理、經濟技術分析）; 2. 龍門架，主軸箱、工作臺部件設計; 3. 動力及其控制系統 原始參數與目標參數：最大加工尺寸3000×1200×1200 (毫米); 工作臺最大荷重2噸,主軸箱3個,回轉角度垂直±30o 水平+30o -15o。 基 本 要 求 l 機器總裝配圖、部件裝配圖 不少于A0 3 張 l 典型零件圖 A3 1 張 l 主電控系統圖 A1 1 張 l 設計說明書 1 份，設計說明書2萬字以上，分析、計算準確詳盡，格式符合“畢業(yè)設計撰寫規(guī)范” l 參考文獻（不包括教科書）15篇以上，含一篇外文文獻并譯成中文（5千字） 參 考 資 料 l 原始資料教師提供 l 《機械設計手冊》、《機床設計手冊》、《機床設計圖冊》等 l 自查科技論文 周次 1—4周 5—8周 9—12周 13—16周 17周 應 完 成 的 內 容 調研、查資料、方案設計、完成開題報告 總體設計（草圖）、部件設計（草圖）、所有分析與計算 總圖、部件圖繪制。 控制系統設計、典型零件圖繪制、譯文、設計說明編制 設計評審，答辯準備 指導教師：李金良 職稱：教授 2010年2月28日 系級教學單位審批： 年 月 日 I 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 摘 要 從研究數控龍門銑床著手，借鑒國內外先進經驗，設計了一臺用于板材及多種工件加工的數控龍門銑床，滿足了生產和設計的要求。整個龍門銑床主要包括橫縱向進給機構、立柱、橫梁、底座、工作臺等主要組部件。其中所有進給機構均采用滾珠絲杠進行傳動，并由伺服電機進行驅動。主軸箱安裝在龍門架上，運用類比法自行設計了滾珠絲杠螺母副的制動裝置。 全面闡述了數控龍門銑床的結構原理，設計特點，論述了采用伺服電機和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點。詳細介紹了數控龍門銑床的結構設計及校核，并進行了分析。另外匯總了有關技術參數。 其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統地對滾珠絲杠生產、應用等環(huán)節(jié)進行了介紹。包括種類選擇、參數選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機匹配的原則以及廠家的選擇等。 關鍵詞 龍門銑床 數控 伺服電機 滾珠絲杠 Abstract Begins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request. Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter. In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on. Keywords　 planer type milling machine Board Numerical control Step-by-steps the electrical machinery Ball bearing guide screw nut I 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 背景 1 1.2 數控技術的應用與發(fā)展 1 1.2.2 數控技術的發(fā)展趨勢 2 1.3 數控機床的分類 2 1.3.1 按工藝用途分類 3 1.3.2 按運動方式分類 3 1.3.3 按控制方式分類 3 1.4 經濟型數控機床 4 1.4.1 經濟型數控機床的概念 4 1.4.2 經濟型數控機床的分類 4 1.4.3 經濟型數控機床的特點 5 1.5 數控機床的組成及工作原理 5 1.5.1 數控機床的組成 5 1.5 本章小節(jié) 8 第2章 數控龍門銑床總體方案設計 8 2.1 機床的設計要求 8 2.2 設計方案 8 2.3 本章小節(jié) 11 第3章 機床主軸箱的設計 12 3.1 主軸箱的設計要求 12 3.2主傳動系統的設計 12 3.2.1 主傳動功率 12 3.2.2 驅動源的選擇 13 3.2.3 轉速圖的擬定 13 3.2.4傳動軸的估算 15 3.2.5齒輪模數的估算 17 3.3主軸箱展開圖的設計 18 3.3.1設計的內容和步驟 18 3.3.2 有關零部件結構和尺寸的確定 18 3.3.3 各軸結構的設計 21 3.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計算 22 3.4 零件的校核 23 3.4.1齒輪強度校核 23 3.5 本章小節(jié) 25 第4章 進給伺服系統設計 26 4.1 對進給伺服系統的基本要求 26 4.2進給伺服系統的設計要求 27 4.3滾珠絲杠的選擇 27 4.3.1 滾珠絲杠副的導程 28 4.4同步齒形帶的選擇 30 4.5伺服電機的選擇 30 4.6 滾珠絲杠副的安全使用 31 4.6.1 潤滑 31 4.6.2 防塵 31 4.6.3使用 32 4.6.4 安裝 32 4.7 伺服進給系統結構圖的設計 32 4.8 本章小節(jié) 34 第5章 床身、橫梁導軌和工作臺 35 5.1 床身結構 35 5.1.1 對床身結構的基本要求 35 5.1.2 床身的結構 36 5.2 導軌 38 5.2.1 導軌的潤滑與防護 38 5.2.2 導軌的安裝調整 39 5.3 工作臺 39 5.4 本章小節(jié) 39 結論 39 參考文獻 40 致謝 41 附錄1 42 附錄2 48 附錄3 54 V 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1 背景 二十世紀中期以來，由于航空和航天技術的快捷發(fā)展，對于各種飛行器的加工提出更好更快的要求。這些零件形狀大都相當復雜，材料多為難加工的合金，用傳統的機床和工藝方法進行加工，不能保證精度，也很難提高生產效率，隨著計算機的發(fā)明和發(fā)展，是數控機床的設想成為現實，且已經或即將成為現代機械制造生產過程的基本環(huán)節(jié)。 也就是說，結合現實的生產實際，根據我國的國情，在滿足系統基本功能的前提下，盡可能降低價格、提高生產率、提高產品質量、降低廢品率、提高加工精度、節(jié)約工裝費用、降低生產成本、縮短生產周期、減輕工人的勞動強度，以致使企業(yè)取得最好的技術經濟效果，在這種總的前提和要求下，就必須使機械加工自動化，適應于生產對象經常改變的情況，并且具有較好的通用性，較大的柔性。因此經濟性數控機床就這樣被設計并被廣泛的應用在現代化生產當中。 1.2 數控技術的應用與發(fā)展 隨著社會生產和科學技術的發(fā)展，機械加工產品的形狀和結構不斷改進，對加工質量的要求越來越高。由于產品更新換代的速度加快，目前在一般機械加工中單件、小批量生產的產品約占70%-80%。為了保證產品的質量，提高生產效率和降低成本，要求機床不僅具有較好的通用性和靈活性，而且加工過程要盡可能實現自動化。數控技術就是在這種條件下發(fā)展起來的，適用于精度高、零件形狀復雜的單價及小批量生產，以數字形式實現控制的一門技術。 1.2.1 數控技術領域與計算機應用的特點 1.2.1.1 數控的技術領域 數控就是以數字程序的形式實現控制的一門技術，它是隨著電子計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的，綜合了各技術領域里的新成就，具有廣泛的通用性，是高自動化程度的工業(yè)自動控制技術。現代數控技術所涉及到的技術領域學科很多，范圍較廣，除機械技術本體之外，還有以下關鍵技術： 1.計算機及接口技術 2.自動控制技術 3.傳感器技術 4.信息技術 數控技術首先在機床行業(yè)獲得廣泛應用，現在已有數控車床、數控銑床、數控鉆床、數控加工中心及數控線切割機床等。 1.2.1.2 數控技術中計算機技術應用的特點 計算機數控多以通用的小型或微型計算機為核心，在增加適當的接口電路及外圍設備，來代替數控柜中的專用計算裝置。 計算機數控系統有以下特點 1.靈活性強 2.通用性好 3.可靠性高 4.易于實現多功能、高復雜程度的控制 5.使用維修方便 6.具有通信功能 1.2.2 數控技術的發(fā)展趨勢 從數控系統的發(fā)展來看，數控機床已發(fā)展了五代在實際應用中，除了機床行業(yè)之外，數控技術還應用在其他部門，產生了各種數控設備。例如：數控繪圖機、數控繞線機、數控測量機等。隨著數控技術向其他行業(yè)的推廣，計算機技術、成組技術及系統等技術在各工業(yè)部門的應用，推動了機械工業(yè)從傳統的概念和方法中解脫出來，向著綜合自動化的方向變革。在產品設計方面，采用計算機輔助設計（CAD）技術，可以提高設計質量，縮短設計周期，發(fā)現和修正設計中的錯誤。在加工制造方面，采用計算機輔助制造技術（CAM），使計算機參與從零件材料選擇到加工和裝配檢驗直至成品出庫的整個過程。 1.3 數控機床的分類 1.3.1 按工藝用途分類 （1）一般數控機床 這類機床和傳統的通用機床品種一樣，其工藝可能性和通用機床相似，且能加工復雜形狀零件。 （2）數控加工中心機床 它是在一般數控機床上加裝一個刀庫和自動換刀裝置而構成的一種帶自動換刀裝置的數控機床。其主要來加工箱體零件。 （3）多坐標數控機床 其特點是數控裝置的軸數較多，機床結構也比較復雜。 （4）計算機群控 它也稱為直接數控系統，是一臺大型通用計算機直接控制一群數控機床的系統。 1.3.2 按運動方式分類 （1）點位控制數控機床 這類機床的數控裝置只能控制機床移動部件從一個位置（點）精確的移動到另一個位置（點），在移動過程中不進行任何切削加工。 （2）點位直線控制數控機床 這類機床工作時，不僅要控制兩相關點之間的位置，還要控制兩相關點之間的移動速度和路線。 （3）輪廓控制數控機床 這種機床的控制裝置能夠同時對兩個或兩個以上坐標軸進行連續(xù)控制。加工時不僅要控制起點和終點，還要控制整個過程中每點的速度和位置。 1.3.3 按控制方式分類 （1）.開環(huán)控制數控機床 在開環(huán)控制中，機床沒有檢測反饋裝置，如圖1-1，數控裝置發(fā)出信號的流程是單向的，所以不存在系統穩(wěn)定性問題，故機床加工精度不高，其精度主要取決于伺服系統的性能。 圖1-1開環(huán)控制示意圖 這種機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試方便，維修簡單，其控制精度受到限制。它適用于一般要求的中、小型數控機床。 （2）.半閉環(huán)控制控制數控機床 這種控制方式對工作臺的實際位置不進行檢查測量。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調試比閉環(huán)方便。 （3）.閉環(huán)控制數控機床 這類機床的優(yōu)點是精度高、速度快，但是調試和維修比較復雜。 （4）.混合控制機床 它集中了上述三種控制方式的特點。 1.4 經濟型數控機床 1.4.1 經濟型數控機床的概念 所謂經濟型數控機床就是指價格低廉，操作使用方便，適合我國國情的裝有數控系統的高效自動化機床。 1.4.2 經濟型數控機床的分類 以驅動和定位方式劃分，經濟數控系統可分為以下三類： （1）.步進電機式 采用步進電機驅動與定位，是開環(huán)系統，不采用其他措施進行補償位置誤差。其力矩不太大，所以機床行程速度較低?？杉庸ゅF面、螺紋、簡單外形的曲面等，十分靈活。由于性能價格比合適，所以被廣泛采用。 （2）.交流點位式 它采用交流電機變頻驅動，用光柵數字點位控制。它可提高精度。但只能加工柱面，且成本高，其性能價格比下降。 （3）.半閉環(huán)連續(xù)控制式 它采用了高性能直流伺服電機驅動，扭矩大，速度高，承載能力強，可進行強力切削，但造價太高不經濟，不適用于中小企業(yè)。 1.4.3 經濟型數控機床的特點 經濟型數控機床有以下特點： 1．價格便宜，其性能價格比適中。 2．適用于多品種，中小批量產品的自動化生產，對產品的適應性強。 3．提高產品質量，降低廢品損失。 4．能解決復雜零件的加工精度控制問題。 5．節(jié)約大量工裝費用，降低生產成本。 6．減輕工人的勞動強度。 7．提高工人素質，促進技術進步。 8．增強了企業(yè)應變能力，為提高企業(yè)競爭能了創(chuàng)造了條件。 1.5 數控機床的組成及工作原理 1.5.1 數控機床的組成 數控機床一般由控制介質、數控裝置、伺服系統、測量反饋裝置和機床主機組成，如圖1-2： 1．控制介質 控制介質是存貯數控加工所需要的全部動作和刀具相對于工作位置信息的媒介物，它記載著加工零件的加工程序。常用的有穿孔帶、穿孔卡片、磁帶和磁盤等。 圖1-2數控機床的組成 2．數控裝置 它是數控機床的核心。先導數控機床都采用計算機數控裝置，既CNC(computerized numerial control)裝置。他能完成信息輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控制功能。 3．伺服系統 伺服系統世界手術控裝置的指令，驅動機床執(zhí)行機構運動的驅動部件。包括主軸驅動單元、進給驅動單元、主軸電機和進給電機等。 4．測量反饋裝置 該裝置由檢測元件和相應的電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋出來，構成閉環(huán)控制。 5．機床主機 主機是數控機床的主體，包括床身、主軸、進給機構等機械部件。 1.5.2數控機床的工作原理 當機床進行加工零件時，對加工要求零件尺寸及其參數，加工步驟等專用代碼化的數字表示，通過控制介質，輸入到控制裝置，經微機處理后， 發(fā)出控制與運算的信息，在由伺服系統把脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，從而實現加工需要。 數控裝置的基本組成框圖如圖1-3： 圖1-3數控裝置的基本組成 程序編制的一般步驟：圖1-4表示的零件圖到成品的全過程，虛線框圖中即為程序編制的內容及步驟。 圖1-4零件圖到成品的全過程 7位坐標軸或執(zhí)行機構的測量裝置，用于對坐標軸（或工作臺）實際位置的測量，并反反饋到控制系統或伺服系統，形成全封閉控制。后者用以對驅動電機軸位置檢測并反饋到數控系統或伺服系統形成半閉環(huán)控制若不需要檢測裝置到形成開環(huán)控制。 開環(huán)系統簡單，易于控制，但精度差，低速不平穩(wěn)，變速扭矩小，一半用于傾覆在變化不太大或經濟型數控機床上。 全閉環(huán)系統適用于具有傳動部件精度高，性能穩(wěn)定，使用過程溫度差變化不大的高精度數控機床。 1.5 本章小節(jié) 本章主要講述了數控技術的發(fā)展趨勢以及數控機床的相關知識，包括數控機床的類型，其組成部分和工作原理，著重講解了其控制原理。 7 第2章 數控龍門銑床總體方案設計 第2章 數控龍門銑床總體方案設計 數控機床的總體設計方案由以下三部分組成： 1.技術參數設計：主要尺寸規(guī)格、運動參數（轉速和進給范圍)、動力參數（電機功率，最大拉力）。 2.總體布局設計：相互位置關系、運動分析、運動仿真（干涉檢查）、外觀造型。 3.結構優(yōu)化設計：整機靜剛度、整機的運動性能、整機的熱特性。 總布局與使用要求： 1.便于同時操作和觀察。 2.刀具、工件，裝卸、夾緊方便。 3.排屑和冷卻。 2.1 機床的設計要求 本機床的設計，符合國家機床標準。已定設計參數： 工作臺：3000×1200mm 工作臺最大荷重2t 高速高效，結構簡單可靠，功能強大，性能穩(wěn)定，精度較高，可用于銑削板材以及多種工件等。 2.2 設計方案 我設計的主要內容是工作臺移動數控龍門銑床。工作臺數控龍門銑床是指工作臺作縱向移動的龍門銑床。工作臺移動龍門銑床的最大特點是：（1）造價便宜,容易制造生產。工作臺移動式龍門銑床，整機長度必須兩倍于縱向行程長度，而移動式龍門銑床的整機長度只需縱向行程加上龍門架側面寬度即可。（2）機床的動態(tài)響應好。工作臺移動式龍門銑床采用的是固定龍門架,工作臺移動可以銑刀做切削運動時更加穩(wěn)定，從而保證了加工精度和機床的響應性能。 1、機械部分設計 整機分為床身、龍門架、滑臺、主軸箱、三軸進給驅動機構機械部分及相關數控伺服部分。現把設計過程中的重點闡述如下： 床身是本次設計工作的基礎，床身的尺寸設計影響著對整機的設計，而且設計的合理性直接影響到整機的剛度。床身的上平面即工作臺面設計有 K 條T形槽，為方便床身工作臺面和T形槽的精刨加工，槽完全貫通。床身的左、右兩下腳各設計有一個狹長平面，用來安放滾動直線導軌副。我把導軌面設計在床身的兩下側，主要是考慮力的傳遞方向與卸荷問題。因床身會受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設計可使龍門框架的重力直接傳入到機床的基礎上，而床身只受到工件的重力。 龍門框架采用的是整體龍門架的設計概念，即把橫梁與左右立柱設計成一體，雖然使鑄造和裝配調整時的難度加大，但整體龍門框架的剛性更好，更重要的是使主軸箱、滑臺等部件有了裝配基準。 滑臺的設計是在龍門架和主軸箱的幾何尺寸確定后，按照主軸的中心盡量貼近橫梁上的導軌面為原則，并把Z軸驅動安裝位置設計在滑臺上，有效地減輕滑臺的重量。 設計進給驅動機構的構思如下：X 軸的進給驅動機構采用雙邊齒輪齒條副加重預壓滾動直線導軌副，Y 軸與 X 軸采用大直徑預壓滾珠絲杠副加硬導軌副，且導軌滑動部分貼有工程塑料，避免低速時產生爬行現象，而且導軌部分設計有斜鑲條可調裝置。這樣設計使機床的整體進給性能得以協調，各軸的進給速度和進給力得到了最佳匹配。 主軸箱的上下垂直運動Z軸采用滾珠絲杠副傳動。由于本機床不是高速銑床，Z軸的進給系統為伺服電動機通過傳動比為4的平行軸定比齒輪箱帶動滾珠絲杠旋轉。Z 軸的安全問題。首先選用帶電磁剎車的伺服電動機，其次在滾珠絲杠上裝有一雙向超越離合器，防止?jié)L珠螺母自轉引起主軸箱機械式下垂。當然，為了保護Z軸進給機構的精度，還在滑臺上裝有兩個平衡油缸。 平衡力Q等于主軸箱部件質量的85﹪。 主軸箱的左右移動為Y軸，為了保證Y軸的傳動精度，并使絲杠只受水平軸向力，故采用伺服電動機與滾珠絲杠直聯方式。筆者選用的聯軸器帶有過載保護裝置，在過載時聯軸器會自動脫開。 2、數控系統選型 數控系統采用的是西門子 4-05，因為此系統提供了龍門軸的同步功能。使用此功能，本機床可以對龍門框架進給軸（X1，X2）實現無機械偏差的位移。運動的實際值可進行連續(xù)比較，即使最小的偏差也可以得到糾正，因此提高了軸的運動精度。 圖1-1 數控龍門銑床總裝圖（主視圖） 圖2-2數控龍門銑床總裝圖（右視圖） 2.3 本章小節(jié) 本章主要講解了數控龍門銑床的總理方案設計，其主要內容有機械部分的設計和數控部分設計，根據所給要求制定出總體設計方案。 11 第3章 機床主軸箱的設計 第3章 機床主軸箱的設計 3.1 主軸箱的設計要求 1. 具有更大的調速范圍，并實現無級調速。 2. 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪聲低。 3. 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。 3.2主傳動系統的設計 3.2.1 主傳動功率 機床主傳動的功率P 可由下式來確定： 式中 －機床主傳動的功率 －切削功率 －主傳動鏈的總效率 數控機床的加工范圍一般都比較大，可根據有代表性的加工情況，由下式確定： 式中 －主切削力的切向力（N） －切削速度（m/min） －切削扭矩 （N/cm） －主軸轉速 （r/min） 主傳動的總效率一般可取為＝0.70～0.85，數控機床的主傳動多用調速電機和有限的機械變速來實現，傳動鏈比較短，因此，效率可以取較大值。 主傳動中各傳動件的尺寸都是根據其傳動的功率確定的，如果傳動效率定的過大，將使傳動件的尺寸笨重而造成浪費，電動機常在低負荷下工作，功率因數太小從而浪費能源。如果功率定的過小，將限制機床的切削加工能力而降低生產率。因此，要較準確合適的選用傳動功率。 3.2.2 驅動源的選擇 機床上常用的無級變速機構是直流或交流調速電動機，直流電動機從額定轉速nd向上至最高轉速nmax是調節(jié)磁場電流的方法來調速的，屬于恒功率，從額定轉速nd向下至最低轉速nmin是調節(jié)電樞電壓的方法來調速的，屬于恒轉矩；交流調速電動機是靠調節(jié)供電頻率的方法調速。由于交流調速電動機的體積小，轉動慣量小，動態(tài)響應快，沒有電刷，能達到的最高轉速比同功率的直流調速電動機高，磨損和故障也少，所以在中小功率領域，交流調速電動機占有較大的優(yōu)勢，鑒于此，本設計選用交流調速電動機。 根據主軸要求的最高轉速4500r/min，最大切削功率5.5KW,選擇北京數控設備廠的BESK-8型交流主軸電動機，最高轉速是4500 r/min。 3.2.3 轉速圖的擬定 根據交流主軸電動機的最高轉速和基本轉速可以求得交流主軸電動機的恒功率轉速范圍 Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3-1） 而主軸要求的恒功率轉速范圍Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,遠大于交流主軸電動機所能提供的恒功率轉速范圍，所以必須串聯變速機構的方法來擴大其恒功率轉速范圍。 設計變速箱時，考慮到機床結構的復雜程度，運轉的平穩(wěn)性等因素，取變速箱的公比Фf等于交流主軸電動機的恒功率調速范圍Rdp，即Фf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口和無重合的。 變速箱的變速級數: Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2) 取 Z=3 確定各齒輪副的齒數： 取S=114 由u=2 得Z1=38 Z1′=76 由u=0.67 得Z2=68 Z2′=46 由u=0.22 得Z3=94 Z3′=20 如取總效率η=0.75，則電動機功率P=5.5/0.75=7.3kw?？蛇x用北京數控設備廠的BESK-8型交流主軸電動機，連續(xù)額定輸出功率為7.5kw。 由此擬定主傳動系統圖、轉速圖以及主軸功率特性圖分別如圖3-1、圖3-2、圖3-3。 圖3-1 主傳動系統圖 圖3-2轉速圖 圖3-3主軸功率特性 3.2.4傳動軸的估算 傳動軸除應滿足強度要求外，還應滿足剛度要求。強度要求保證軸在反復載荷和扭轉載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機床主傳動系統精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強度一般不是主要矛盾。除了載荷比較大的情況外，可以不必驗算軸的強度。剛度要求軸在載荷下（彎曲，軸向，扭轉）不致產生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉角）。如果剛度不夠，軸上的零件如齒輪，軸承等由于軸的變形過大而不能正常工作，或者產生振動和噪音，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉剛度軸的直徑，畫出草圖后，再根據受力情況，結構布置和有關尺寸，驗算彎曲剛度。 計算轉速nj是傳動件傳遞全部功率時的最低轉速，各個傳動軸上的計算轉速可以從轉速圖上直接得出如表3-1所示: 軸 Ⅰ Ⅱ III 計算轉速（r/min） 1500 750 173 表3-1 各軸的計算轉速 各軸功率和扭矩計算： 已知一級齒輪傳動效率為0.97（包括軸承），則： Ⅰ軸：P1=Pd×0.99=7.5×0.99=7.42 KW Ⅱ軸：P2=P1×0.97=7.42×0.97=7.20 KW III軸：P3=P2×0.97=7.20×0.97=6.98 KW Ⅰ軸扭矩：T1=9550P1/n1 =9550×7.42/1500=47.24 N.m Ⅱ軸扭矩：T2=9550P2/n2 =9550×7.20/750=91.68N.m III軸扭矩：T3=9550P3/n3 =9550×6.98/173=385.31N.m [φ]是每米長度上允許的扭轉角（deg/m），可根據傳動軸的要求選取，其選取的原則如表3-2所示: 表3-2 許用扭轉角選取原則 軸 主軸 一般傳動軸 較低的軸 [φ]（deg/m） 0.5-1 1-1.5 1.5-2 根據表2-2確定各軸所允許的扭轉角如表3-3所示: 表3-3 許用扭轉角的確定 軸 Ⅰ Ⅱ III [φ]（deg/m） 1 1 1 把以上確定的各軸的輸入功率N=7.5KW、計算轉速nj（如表2-1）、允許扭轉角[φ]（如表2-3）代入扭轉剛度的估算公式 (3-3) 可得各個傳動軸的估算直徑： Ⅰ軸： d1=28.8mm 取d1=30mm Ⅱ軸： d2=34.0mm 取d1=35mm 主軸軸徑尺寸的確定： 已知銑床最大加工直徑為Dmax=400mm, 則： 主軸前軸頸直徑 D1=0.25Dmax±15=85～115mm 取D1=95mm 主軸后軸頸直徑 D2=(0.7～0.85)D1=67～81mm 取D2=75mm 主軸內孔直徑 d=0.1Dmax±10=35～55mm 取d=40mm 3.2.5齒輪模數的估算 按接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度計算齒輪模數比較復雜，而且有些系數只有在齒輪的各參數都已知方可確定，故只有在裝配草圖畫完后校驗用。在畫草圖時用經驗公式估算，根據估算的結果然后選用標準齒輪的模數。 齒輪模數的估算有兩種方法，第一種是按齒輪的彎曲疲勞進行估算，第二種是按齒輪的齒面點蝕進行估算，而這兩種方法的前提條件是各個齒輪的齒數必須已知，所以必須先給出各個齒輪的齒數。 根據齒輪不產生根切的基本條件：齒輪的齒數不小于17，在該設計中，即最小齒輪的齒數不小于17。而由于Z3,Z3’這對齒輪有最大的傳動比，各個傳動齒輪中最小齒數的齒輪必然是Z3’。取Z3’=20,S=114，則Z3=94。 從轉速圖上直接看出直接可以看出Z3的計算轉速是750r/min。 根據齒輪彎曲疲勞估算公式mω=2.4 (3-4) 根據齒輪接觸疲勞強度估算公式計算得: m=2.84 由于受傳動軸軸徑尺寸大小限制，選取齒輪模數為m =3mm，對比上述結果，可知這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，而且考慮到兩傳動軸的間距，故取同一變速組中的所有齒輪的模數都為m=3mm。現將各齒輪齒數和模數列表如下： 表3-4 齒輪的估算齒數和模數列表 齒輪 Z0 Z0’ Z1 Z1’ Z2 Z2’ Z3 Z3’ 齒數 35 70 38 76 68 46 94 20 模數（mm） 3 3 3 3 3 3 3 3 3.3主軸箱展開圖的設計 主軸箱展開圖是反映各個零件的相互關系，結構形狀以及尺寸的圖紙。因此設計從畫展開圖開始，確定所有零件的位置，結構和尺寸，并以此為依據繪制零件工作圖。 3.3.1設計的內容和步驟 這一階段的設計內容是通過繪圖設計軸的結構尺寸及選出軸承的型號，確定軸的支點距離和軸上零件力的作用點，計算軸的強度和軸承的壽命。 3.3.2 有關零部件結構和尺寸的確定 傳動零件，軸，軸承是主軸部件的主要零件，其它零件的結構和尺寸是根據主要零件的位置和結構而定。所以設計時先畫主要零件，后畫其它零件，先畫傳動零件的中心線和輪廓線，后畫結構細節(jié)。 1）傳動軸的估算 這一步在前面已經做了計算。 2）齒輪相關尺寸的計算 為了確定軸的軸向距離，齒輪齒寬的確定是必須的。 而容易引起振動和噪聲，一般取齒寬系數Φm =(6-10)m。這里取齒寬系數Φm=10, 則齒寬B=Φm×m=10×3=30mm.現將各個齒輪的齒厚確定如表3-5所示: 表3-5 各齒輪的齒厚 齒輪 Z1 Z1′ Z2 Z2′ Z3 Z3′ 齒厚（mm） 30 30 30 30 30 30 齒輪的直徑決定了各個軸之間的尺寸，所以在畫展開圖草圖前，各個齒輪的尺寸必須算出?，F將主軸部件中各個齒輪的尺寸計算如表3-6所示: 表3-6 各齒輪的直徑 齒輪 Z1 Z1′ Z2 Z2′ Z3 Z3′ 分度圓直徑（mm） 114 228 204 138 282 60 齒頂圓直徑（mm） 120 234 210 144 288 66 齒根圓直徑（mm） 106.5 220.5 196.5 130.5 274.5 52.5 Z0 Z0’ 105 210 111 216 97.5 202.5 由表3-2可以計算出各軸之間的距離，現將它們列出如表3-7所示: 表3-7 各軸的中心距 軸 ⅠⅡ ⅡⅢ 距離（mm） 160 175 3）確定齒輪的軸向布置 為避免同一滑移齒輪變速組內的兩對齒輪同時嚙合，兩個固定齒輪的間距，應大于滑移齒輪的寬度，一般留有間隙1-2mm，所以首先設計滑移齒輪。 Ⅱ軸上的滑移齒輪的兩個齒輪輪之間必須留有用于齒輪加工的間隙，插齒時，當模數在1-2mm范圍內時，間隙必須不小于5mm,當模數在2.5-4mm范圍內時，間隙必須不小于6mm，且應留有足夠空間滑移，據此選取該滑移齒輪三片齒輪之間的間隙分別為d1= 45mm,d2=8mm。 由滑移齒輪的厚度以及滑移齒輪上的間隙可以得出主軸上的齒輪的間隙。 現取齒輪之間的間距為82mm和45mm。 圖3-4 齒輪的軸向間距 4）軸承的選擇及其配置 主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個方向軸向載荷的推力軸承。軸承類型及型號選用主要應根據主軸的剛度，承載能力，轉速，抗振性及結構要求合理的進行選定。 同樣尺寸的軸承，線接觸的滾子軸承比電接觸的球軸承的剛度要高，但極限轉速要低；多個軸承的承載能力比單個軸承的承載能力要大；不同軸承承受載荷類型及大小不同；還應考慮結構要求，如中心距特別小的組合機床主軸，可采用滾針軸承。 為了提高主軸組件的剛度，通常采用輕型或特輕型系列軸承，因為當軸承外徑一定時，其孔徑（即主軸軸頸）較大。 通常情況下，中速重載采用雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承（如配推力軸承，則極限轉速低），或者成對圓錐滾子軸承，其結構簡單，但是極限轉速較低，如配空心圓錐滾子軸承，其極限轉速顯著提高，但成本也相應的提高了。高速輕載采用成組角接觸球軸承，根據軸向載荷的大小分別選用25°或 15°的接觸角。軸向載荷為主且精度要求不高時，選用推力軸承配深溝球軸承，精度要求較高時，選用向心推力軸承。 該設計的主軸不僅有剛度高的要求，而且有轉速高的要求，所以在選擇主軸軸承時，剛度和速度這兩方面都要考慮。主軸前軸承采用3182119型軸承一個，后支承采用30215型和8215型軸承各一個。 3.3.3 各軸結構的設計 I軸的一端與電動機相連，將其結構草圖繪制如下圖4—2所示 圖3—5 II軸安裝滑移齒輪，其結構如草圖3—2所示 圖3-6 III軸其結構完全按標準確定，根據軸向的尺寸將結構簡圖繪制如下圖4—4所示 圖4-4 3.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計算： 最佳跨距的確定： 取彈性模量E=2.1X，D=（95+75）/2=85； 主軸截面慣距 截面面積：A=4415.63 主軸最大輸出轉矩： 床身上最大回轉直徑約為最大加工直徑的60%，即240mm。故半徑為0.12m Fy=0.5Fz=1989.6N 故總切削力為： F==4448.9N 估算時，暫取L0/a=3,即取3x120=360mm. 前支承支反力 后支承支反力 取 則 則 因在上式計算中，忽略了ys的影響，故L0應稍大一點，取L0=300mm 計算剛度損失： 取L=385mm,χ=4.61因在上式計算中，忽略了ys的影響，故L0應稍大一點，取L0=300mm 計算剛度損失： 取L=385mm,χ=4.61 表3-8 由 公式 彈 性 主 軸 y1 彈性支承k 總 柔 度 總 剛度 彎曲變形 yb 剪切變形ys 前支承 后支承 懸伸段 跨距段 懸伸段 跨距段 L=385 5.488×10-7 2.224×10-6 2.361×10-7 1.165×10-7 11.12×10-7 2.28×10-7 44.65×10-7 2.24×105 12.29％ 49.8％ 5.29％ 2.61％ 24.9％ 5.1％ 100％ L0=300 5.488×10-7 1.732×10-6 2.361×10-7 1.4915×10-7 12.4×10-7 3.756×10-7 42.83×10-7 2.33×105 12.81％ 40.46％ 5.51％ 3.48％ 28.9％ 8.77％ 100％ 由L≠L0引起的剛度損失約為3.68％,可知，主軸剛度損失較小，選用的軸承型號及支承形式都能滿足剛度要求。 3.4 零件的校核 3.4.1齒輪強度校核 校核II軸齒輪 校核齒數為20的即可，確定各項參數 P=7.2KW, n=750r/min Ⅱ軸扭矩: T2=9550P2/n2 =95507.2/750=91.68 N.m （5-1） 確定動載系數：=2.35m/s 齒輪精度為7級，由《機械設計》查得使用系數 非對稱 查《機械設計》得 確定齒間載荷分配系數: ==42.1 100N/m由《機械設計》查得 =1.2 確定動載系數: =11.051.21.42=1.6 查表 10-5 2.65 1.58 計算彎曲疲勞許用應力，由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 540MPa 圖10-18查得0.9,S = 1.3 （5-3） 49.489.3 故滿足要求。 3.4.2傳動軸撓度的驗算： II軸的校核：通過受力分析，在一軸的三對嚙合齒輪副中，中間的兩對齒輪對II軸中點處的撓度影響最大，所以，選擇中間齒輪嚙合來進行校核 已知d=60mm， E=2.1X，b=30mm ，x=180mm （5-4） 。 3.5 本章小節(jié) 本章主要講述了龍門銑床的主軸箱的設計，其主要內容包括傳動比的確定電機的選擇，軸的設計和強度校核，齒輪的參數的確定等內容。 25 第4章 進給伺服系統設計 第4章 進給伺服系統設計 4.1 對進給伺服系統的基本要求 帶有數字調節(jié)的進給驅動系統都屬于伺服系統。進給伺服機床的一個重要組成部分，也是數控機床區(qū)別于一般機床的一控機床對進給伺服系統的性能指標可歸納為：定位精度要高；響應要快；系統的穩(wěn)定性要好。 1.穩(wěn)定性 所謂穩(wěn)定的系統，即系統在輸入量改變、啟動狀態(tài)或外界輸出量經過幾次衰減振蕩后，能夠迅速的穩(wěn)定在新的或原有的是進給伺服系統能夠正常工作的基本條件。它包含絕對穩(wěn)定性(穩(wěn)定裕度)。 進給伺服系統的穩(wěn)定性和系統的慣性、剛度、阻尼以及系適當的選擇系統的機械參數(主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失氣參數，并使它們達到最佳匹配，是進給伺服系統設計的目標 2.精度 所謂進給伺服系統的精度是指系統的輸出量復現輸入量的差)，即準確性。它包含動態(tài)誤差，即瞬態(tài)過程出現的偏差；穩(wěn)態(tài)過程結束后，系統存在的偏差；靜態(tài)誤差，即元件誤差和干常用的精度指標有定位精度、重復定位精度和輪廓跟隨精度。 來表示，定位誤差是指工作臺由一點移動到另一點時，指令值的最大差值。重復定位精度是指工作臺進行一次循環(huán)動作后， 偏差值。輪廓跟隨誤差是指多坐標聯動時，實際運動軌跡與給的最大偏差值。影響精度的參數很多，關系也很復雜。采用數提高伺服驅動系統的精度。 3.快速響應特性 所謂快速響應特性是指系統對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度。它包含系統的響應時間、傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產率。系統的響應速度越快，則加工效率越高，軌跡跟 隨精度也越高。但響應速度過快會造成系統的超調，甚至會引起系統的不穩(wěn)定。因此，對于點位控制的機床，主要應保證定位精度，并盡量減少定位時間。對于輪廓控制的機床，除了要求高的定位精度外，還要求良好的快速性及形成輪廓的各運動坐標伺服系統動態(tài)性能的一致性。對于開環(huán)及半閉環(huán)的控制形式。主要是應滿足定位精度的要求，而對于閉環(huán)控制系統，則主要是穩(wěn)定性問題。 4.2進給伺服系統的設計要求 機床的位置調節(jié)對進給伺服系統提出了很高的要求。其中在靜態(tài)設計方面有： 1．能夠克服摩擦力和負載； 2．很小的進給位移量； 3．高的靜態(tài)扭轉剛度； 4．足夠的調速范圍，滿足快進和工進的需要； 5．進給速度均勻，在速度很低時，無爬行現象。 在動態(tài)設計方面的要求有： 1．具有足夠的加速和制動轉距，以便快速地完成啟動和制動過程。 2．具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿 意地表面質量； 3． 負載引起的軌跡誤差盡可能??； 對于數控機床機械傳動部件則有以下要求： 1．被加速的運動部件具有較小的慣量； 2，高的剛度； 3．良好的阻尼； 4．傳動部件在拉壓剛度、扭轉剛度、摩擦阻尼特性和間隙等方面具有盡可能小的非線性。 4.3滾珠絲杠的選擇 在數控機床的設計中，滾珠絲杠副的作用是將伺服電機的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，用較小的轉矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動是一種 應用較廣的機構，尤其是將旋轉運動變?yōu)橹本€運動的各種機構中，滾珠絲杠副是傳動最簡單、經濟而又可靠的。所以滾珠絲杠副的選擇對整個機床的制造起著不可忽視的作用。滾珠絲杠副的精度是影響機床的定位精度及重復定位精度的最主要的因素。 為了在機床的設計中更合理的選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進行一系列的計算。 4.3.1 滾珠絲杠副的導程 工作臺縱向行程3000mm，速度為10m/min，速度傳動比為i=0.5，伺服電機最大轉速為2000r/min,，工作臺進給速度為0-6000mm/min,算得其導程為： 4.3.2 滾珠絲杠副的載荷及選絲杠： 1.最小載荷 機床空載時滾珠絲杠副的傳動力，如工作臺重量引起的摩擦力： 2.最大載荷 選機床承受最大負荷時滾珠絲杠的傳動力。如機床切削時，切削力在 滾珠絲杠副軸向的分力與導軌摩擦力之和即為Fmax（這時導軌摩擦力是由工作臺、工件、夾具三者總的重量以及切削力在垂直導軌方向的分量共同引起的）。 3.平均載荷 平均載荷為： 7576N 4.當量載荷 工作臺進給速度為0-6000mm/min，故平均轉速為： 絲杠的工作壽命取為10000h。故： 當量動載荷 2. 選擇滾珠絲杠 查滾珠絲杠樣本，選上?？N云機械設備有限公司的型號為，SFU8010-4的絲杠。額定動載荷為。符合要求。絲杠直徑為80mm，導程10mm, 珠圈數90，珠徑為4mm。 圖4-1滾珠絲桿及螺母副結構圖 4.4同步齒形帶的選擇 同步齒形帶的傳動裝置的優(yōu)點:結構簡單,安裝調試方便,且在一定條件下能滿足轉速和轉矩的輸出要求，可以避免避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲，適用于低轉矩特性的要求的主軸。 通過計算：帶輪的結構尺寸為： 小帶輪 大帶輪 帶輪間中心距為:： 帶寬： 4.5伺服電機的選擇 1. 基本原則 1） 考慮電動機的主要性能（啟動、過載及調速等）、額定功率大小、額定轉速及結構形式等方面要滿足生產機械的要求。 2） 在以上前提下，優(yōu)先選用結構簡單、運行可靠、維護方便又價格合理的電動機。 2. 電動機類型的選擇 安裝方式：立式和臥式 （本設計采用立式安裝）。 防護方式：開啟式、封閉式、防護式、防暴式。 3. 額定電壓的選擇 交流380～220V，或根據需要配變壓器。 4. 額定轉速的選擇 根據生產機械的具體情況來選擇要求重復、短時、正反轉工作的生產機械，除應選擇滿足工藝要求的電動機額定轉速外，還要保證生產機械達到最大的加、減速度的要求而選擇最恰當地傳動裝置，以達到最大生產率或最小損耗的目標。一般都是直接傳動，而不是減速器。 5.慣量匹配： 工件和工作臺的最大質量為3000kg,折算到電動機軸，其慣量為 0.007kg.m 絲杠慣量：絲杠直徑80mm，決定長度為6.2m。0.19 大帶輪慣量為： 小帶輪慣量為： 負載慣量為：0.09934 6.最大切削負載轉矩： 選的直流伺服電機為： 額定功率 3KW 最高轉速 2000 額定轉距 22 最大轉矩 57 轉子慣量 0.12 4.6 滾珠絲杠副的安全使用 4.6.1 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑的方式主要有以下兩種： 1．潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內部空間容積的1／3，滾珠絲杠副出廠時在螺母內部已經加注GB7324—942#鋰基潤滑脂。 2．潤滑油 運動粘度28．5—74cst(400T)的潤滑油，給油量隨使用條件等的不同而有所變化。 4.6.2 防塵 滾珠絲杠與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就很快使它磨損，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物進入時，必須采用防塵裝置，將絲杠軸完全保護起來。另外，如沒有異物，但有浮沉時可以在滾珠螺母兩端增加防塵圈。 4.6.3使用 滾珠絲杠副在使用時應注意以下事項： 1．滾珠螺母應在有效行程內運動，必要時在行程兩端配置限位，