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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
輕型龍門銑床XKQ2010×30
設(shè)計(jì)
I
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
輕型龍門銑床XKQ2010×30設(shè)計(jì)
學(xué)院（系）： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)制
學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：機(jī)械制造工程系
學(xué)
號(hào)
學(xué)生
姓名
專 業(yè)
班 級(jí)
題
目
題目名稱
輕型龍門銑床XKQ2010×30設(shè)計(jì)
題目類型
工程設(shè)計(jì)
題目性質(zhì)
真實(shí)
題目來源
自選
主
要
內(nèi)
容
1. 方案設(shè)計(jì)（工藝分析、工作原理、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析）;
2. 龍門架，主軸箱、工作臺(tái)部件設(shè)計(jì);
3. 動(dòng)力及其控制系統(tǒng)
原始參數(shù)與目標(biāo)參數(shù)：最大加工尺寸3000×1200×1200 (毫米); 工作臺(tái)最大荷重2噸,主軸箱3個(gè),回轉(zhuǎn)角度垂直±30o 水平+30o -15o。
基
本
要
求
l 機(jī)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(tǒng)圖 A1 1 張
l 設(shè)計(jì)說明書 1 份，設(shè)計(jì)說明書2萬字以上，分析、計(jì)算準(zhǔn)確詳盡，格式符合“畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫規(guī)范”
l 參考文獻(xiàn)（不包括教科書）15篇以上，含一篇外文文獻(xiàn)并譯成中文（5千字）
參
考
資
料
l 原始資料教師提供
l 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)》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(yīng)
完
成
的
內(nèi)
容
調(diào)研、查資料、方案設(shè)計(jì)、完成開題報(bào)告
總體設(shè)計(jì)（草圖）、部件設(shè)計(jì)（草圖）、所有分析與計(jì)算
總圖、部件圖繪制。
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、典型零件圖繪制、譯文、設(shè)計(jì)說明編制
設(shè)計(jì)評(píng)審，答辯準(zhǔn)備
指導(dǎo)教師：
職稱：
系級(jí)教學(xué)單位審批：
年 月 日
I
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
摘 要
從研究數(shù)控龍門銑床著手，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于板材及多種工件加工的數(shù)控龍門銑床，滿足了生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的要求。整個(gè)龍門銑床主要包括橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱、橫梁、底座、工作臺(tái)等主要組部件。其中所有進(jìn)給機(jī)構(gòu)均采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，并由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主軸箱安裝在龍門架上，運(yùn)用類比法自行設(shè)計(jì)了滾珠絲杠螺母副的制動(dòng)裝置。
全面闡述了數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控龍門銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)。
其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。
關(guān)鍵詞 龍門銑床 數(shù)控 伺服電機(jī) 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
III
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 背景 1
1.2 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 1
1.2.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的分類 2
1.3.1 按工藝用途分類 3
1.3.2 按運(yùn)動(dòng)方式分類 3
1.3.3 按控制方式分類 3
1.4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 4
1.4.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的概念 4
1.4.2 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的分類 4
1.4.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 5
1.5 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理 5
1.5.1 數(shù)控機(jī)床的組成 5
1.5 本章小節(jié) 8
第2章 數(shù)控龍門銑床總體方案設(shè)計(jì) 8
2.1 機(jī)床的設(shè)計(jì)要求 8
2.2 設(shè)計(jì)方案 8
2.3 本章小節(jié) 11
第3章 機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì) 12
3.1 主軸箱的設(shè)計(jì)要求 12
3.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12
3.2.1 主傳動(dòng)功率 12
3.2.2 驅(qū)動(dòng)源的選擇 13
3.2.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定 13
3.2.4傳動(dòng)軸的估算 15
3.2.5齒輪模數(shù)的估算 17
3.3主軸箱展開圖的設(shè)計(jì) 18
3.3.1設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 18
3.3.2 有關(guān)零部件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定 18
3.3.3 各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 21
3.3.4 主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算 22
3.4 零件的校核 23
3.4.1齒輪強(qiáng)度校核 23
3.5 本章小節(jié) 25
第4章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26
4.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 26
4.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 27
4.3滾珠絲杠的選擇 27
4.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程 28
4.4同步齒形帶的選擇 30
4.5伺服電機(jī)的選擇 30
4.6 滾珠絲杠副的安全使用 31
4.6.1 潤(rùn)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(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì) 32
4.8 本章小節(jié) 34
第5章 床身、橫梁導(dǎo)軌和工作臺(tái) 35
5.1 床身結(jié)構(gòu) 35
5.1.1 對(duì)床身結(jié)構(gòu)的基本要求 35
5.1.2 床身的結(jié)構(gòu) 36
5.2 導(dǎo)軌 38
5.2.1 導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù) 38
5.2.2 導(dǎo)軌的安裝調(diào)整 39
5.3 工作臺(tái) 39
5.4 本章小節(jié) 39
結(jié)論 39
參考文獻(xiàn) 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(jì)中期以來，由于航空和航天技術(shù)的快捷發(fā)展，對(duì)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(dāng)復(fù)雜，材料多為難加工的合金，用傳統(tǒng)的機(jī)床和工藝方法進(jìn)行加工，不能保證精度，也很難提高生產(chǎn)效率，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)明和發(fā)展，是數(shù)控機(jī)床的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，且已經(jīng)或即將成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)過程的基本環(huán)節(jié)。
也就是說，結(jié)合現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)際，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品率、提高加工精度、節(jié)約工裝費(fèi)用、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，以致使企業(yè)取得最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，在這種總的前提和要求下，就必須使機(jī)械加工自動(dòng)化，適應(yīng)于生產(chǎn)對(duì)象經(jīng)常改變的情況，并且具有較好的通用性，較大的柔性。因此經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床就這樣被設(shè)計(jì)并被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代化生產(chǎn)當(dāng)中。
1.2 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械加工產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)加工質(zhì)量的要求越來越高。由于產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，目前在一般機(jī)械加工中單件、小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品約占70%-80%。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率和降低成本，要求機(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控技術(shù)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(fù)雜的單價(jià)及小批量生產(chǎn)，以數(shù)字形式實(shí)現(xiàn)控制的一門技術(shù)。
1.2.1 數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn) 1.2.1.1 數(shù)控的技術(shù)領(lǐng)域 數(shù)控就是以數(shù)字程序的形式實(shí)現(xiàn)控制的一門技術(shù)，它是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的，綜合了各技術(shù)領(lǐng)域里的新成就，具有廣泛的通用性，是高自動(dòng)化程度的工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)?，F(xiàn)代數(shù)控技術(shù)所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域?qū)W科很多，范圍較廣，除機(jī)械技術(shù)本體之外，還有以下關(guān)鍵技術(shù)：
1.計(jì)算機(jī)及接口技術(shù)
2.自動(dòng)控制技術(shù)
3.傳感器技術(shù)
4.信息技術(shù)
數(shù)控技術(shù)首先在機(jī)床行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控加工中心及數(shù)控線切割機(jī)床等。 1.2.1.2 數(shù)控技術(shù)中計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)數(shù)控多以通用的小型或微型計(jì)算機(jī)為核心，在增加適當(dāng)?shù)慕涌陔娐芳巴鈬O(shè)備，來代替數(shù)控柜中的專用計(jì)算裝置。
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)有以下特點(diǎn)
1.靈活性強(qiáng)
2.通用性好
3.可靠性高
4.易于實(shí)現(xiàn)多功能、高復(fù)雜程度的控制
5.使用維修方便
6.具有通信功能
1.2.2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
從數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展來看，數(shù)控機(jī)床已發(fā)展了五代在實(shí)際應(yīng)用中，除了機(jī)床行業(yè)之外，數(shù)控技術(shù)還應(yīng)用在其他部門，產(chǎn)生了各種數(shù)控設(shè)備。例如：數(shù)控繪圖機(jī)、數(shù)控繞線機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)等。隨著數(shù)控技術(shù)向其他行業(yè)的推廣，計(jì)算機(jī)技術(shù)、成組技術(shù)及系統(tǒng)等技術(shù)在各工業(yè)部門的應(yīng)用，推動(dòng)了機(jī)械工業(yè)從傳統(tǒng)的概念和方法中解脫出來，向著綜合自動(dòng)化的方向變革。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，發(fā)現(xiàn)和修正設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。在加工制造方面，采用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAM），使計(jì)算機(jī)參與從零件材料選擇到加工和裝配檢驗(yàn)直至成品出庫(kù)的整個(gè)過程。
1.3 數(shù)控機(jī)床的分類
1.3.1 按工藝用途分類
（1）一般數(shù)控機(jī)床
這類機(jī)床和傳統(tǒng)的通用機(jī)床品種一樣，其工藝可能性和通用機(jī)床相似，且能加工復(fù)雜形狀零件。
（2）數(shù)控加工中心機(jī)床
它是在一般數(shù)控機(jī)床上加裝一個(gè)刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置而構(gòu)成的一種帶自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床。其主要來加工箱體零件。
（3）多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床
其特點(diǎn)是數(shù)控裝置的軸數(shù)較多，機(jī)床結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。
（4）計(jì)算機(jī)群控
它也稱為直接數(shù)控系統(tǒng)，是一臺(tái)大型通用計(jì)算機(jī)直接控制一群數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)。
1.3.2 按運(yùn)動(dòng)方式分類
（1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床
這類機(jī)床的數(shù)控裝置只能控制機(jī)床移動(dòng)部件從一個(gè)位置（點(diǎn)）精確的移動(dòng)到另一個(gè)位置（點(diǎn)），在移動(dòng)過程中不進(jìn)行任何切削加工。
（2）點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床
這類機(jī)床工作時(shí)，不僅要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的位置，還要控制兩相關(guān)點(diǎn)之間的移動(dòng)速度和路線。
（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床
這種機(jī)床的控制裝置能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行連續(xù)控制。加工時(shí)不僅要控制起點(diǎn)和終點(diǎn)，還要控制整個(gè)過程中每點(diǎn)的速度和位置。
1.3.3 按控制方式分類
（1）.開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床
在開環(huán)控制中，機(jī)床沒有檢測(cè)反饋裝置，如圖1-1，數(shù)控裝置發(fā)出信號(hào)的流程是單向的，所以不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，故機(jī)床加工精度不高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。
圖1-1開環(huán)控制示意圖
這種機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試方便，維修簡(jiǎn)單，其控制精度受到限制。它適用于一般要求的中、小型數(shù)控機(jī)床。
（2）.半閉環(huán)控制控制數(shù)控機(jī)床
這種控制方式對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不進(jìn)行檢查測(cè)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(diào)試比閉環(huán)方便。
（3）.閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床
這類機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)是精度高、速度快，但是調(diào)試和維修比較復(fù)雜。
（4）.混合控制機(jī)床
它集中了上述三種控制方式的特點(diǎn)。
1.4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床
1.4.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的概念
所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床就是指價(jià)格低廉，操作使用方便，適合我國(guó)國(guó)情的裝有數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床。
1.4.2 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的分類
以驅(qū)動(dòng)和定位方式劃分，經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)可分為以下三類：
（1）.步進(jìn)電機(jī)式
采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與定位，是開環(huán)系統(tǒng)，不采用其他措施進(jìn)行補(bǔ)償位置誤差。其力矩不太大，所以機(jī)床行程速度較低?？杉庸ゅF面、螺紋、簡(jiǎn)單外形的曲面等，十分靈活。由于性能價(jià)格比合適，所以被廣泛采用。
（2）.交流點(diǎn)位式
它采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)，用光柵數(shù)字點(diǎn)位控制。它可提高精度。但只能加工柱面，且成本高，其性能價(jià)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(jī)驅(qū)動(dòng)，扭矩大，速度高，承載能力強(qiáng)，可進(jìn)行強(qiáng)力切削，但造價(jià)太高不經(jīng)濟(jì)，不適用于中小企業(yè)。
1.4.3 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床有以下特點(diǎn)：
1．價(jià)格便宜，其性能價(jià)格比適中。
2．適用于多品種，中小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)。
3．提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品損失。
4．能解決復(fù)雜零件的加工精度控制問題。
5．節(jié)約大量工裝費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本。
6．減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
7．提高工人素質(zhì)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。
8．增強(qiáng)了企業(yè)應(yīng)變能力，為提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能了創(chuàng)造了條件。
1.5 數(shù)控機(jī)床的組成及工作原理
1.5.1 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測(cè)量反饋裝置和機(jī)床主機(jī)組成，如圖1-2：
1．控制介質(zhì)
控制介質(zhì)是存貯數(shù)控加工所需要的全部動(dòng)作和刀具相對(duì)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(shù)控機(jī)床的組成
2．?dāng)?shù)控裝置
它是數(shù)控機(jī)床的核心。先導(dǎo)數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置，既CNC(computerized numerial control)裝置。他能完成信息輸入、存儲(chǔ)、變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。
3．伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)世界手術(shù)控裝置的指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件。包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。
4．測(cè)量反饋裝置
該裝置由檢測(cè)元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測(cè)速度和位移，并將信息反饋出來，構(gòu)成閉環(huán)控制。
5．機(jī)床主機(jī)
主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，包括床身、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。
1.5.2數(shù)控機(jī)床的工作原理
當(dāng)機(jī)床進(jìn)行加工零件時(shí)，對(duì)加工要求零件尺寸及其參數(shù)，加工步驟等專用代碼化的數(shù)字表示，通過控制介質(zhì)，輸入到控制裝置，經(jīng)微機(jī)處理后，
發(fā)出控制與運(yùn)算的信息，在由伺服系統(tǒng)把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)加工需要。
數(shù)控裝置的基本組成框圖如圖1-3：
圖1-3數(shù)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(nèi)容及步驟。
圖1-4零件圖到成品的全過程
7位坐標(biāo)軸或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的測(cè)量裝置，用于對(duì)坐標(biāo)軸（或工作臺(tái)）實(shí)際位置的測(cè)量，并反反饋到控制系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，形成全封閉控制。后者用以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸位置檢測(cè)并反饋到數(shù)控系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)形成半閉環(huán)控制若不需要檢測(cè)裝置到形成開環(huán)控制。
開環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)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(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床上。
全閉環(huán)系統(tǒng)適用于具有傳動(dòng)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(shù)控機(jī)床。
1.5 本章小節(jié)
本章主要講述了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及數(shù)控機(jī)床的相關(guān)知識(shí)，包括數(shù)控機(jī)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(shù)控龍門銑床總體方案設(shè)計(jì)
第2章 數(shù)控龍門銑床總體方案設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的總體設(shè)計(jì)方案由以下三部分組成：
1.技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)：主要尺寸規(guī)格、運(yùn)動(dòng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速和進(jìn)給范圍)、動(dòng)力參數(shù)（電機(jī)功率，最大拉力）。
2.總體布局設(shè)計(jì)：相互位置關(guān)系、運(yùn)動(dòng)分析、運(yùn)動(dòng)仿真（干涉檢查）、外觀造型。
3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：整機(jī)靜剛度、整機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能、整機(jī)的熱特性。
總布局與使用要求：
1.便于同時(shí)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(jī)床的設(shè)計(jì)要求
本機(jī)床的設(shè)計(jì)，符合國(guó)家機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)。已定設(shè)計(jì)參數(shù)：
工作臺(tái)：3000×1200mm
工作臺(tái)最大荷重2t
高速高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能強(qiáng)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(shè)計(jì)方案
我設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是工作臺(tái)移動(dòng)數(shù)控龍門銑床。工作臺(tái)數(shù)控龍門銑床是指工作臺(tái)作縱向移動(dòng)的龍門銑床。工作臺(tái)移動(dòng)龍門銑床的最大特點(diǎn)是：（1）造價(jià)便宜,容易制造生產(chǎn)。工作臺(tái)移動(dòng)式龍門銑床，整機(jī)長(zhǎng)度必須兩倍于縱向行程長(zhǎng)度，而移動(dòng)式龍門銑床的整機(jī)長(zhǎng)度只需縱向行程加上龍門架側(cè)面寬度即可。（2）機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。工作臺(tái)移動(dòng)式龍門銑床采用的是固定龍門架,工作臺(tái)移動(dòng)可以銑刀做切削運(yùn)動(dòng)時(shí)更加穩(wěn)定，從而保證了加工精度和機(jī)床的響應(yīng)性能。
1、機(jī)械部分設(shè)計(jì)
整機(jī)分為床身、龍門架、滑臺(tái)、主軸箱、三軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分及相關(guān)數(shù)控伺服部分?，F(xiàn)把設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)闡述如下：
床身是本次設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)，床身的尺寸設(shè)計(jì)影響著對(duì)整機(jī)的設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)的合理性直接影響到整機(jī)的剛度。床身的上平面即工作臺(tái)面設(shè)計(jì)有 K 條T形槽，為方便床身工作臺(tái)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(shè)計(jì)有一個(gè)狹長(zhǎng)平面，用來安放滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副。我把導(dǎo)軌面設(shè)計(jì)在床身的兩下側(cè)，主要是考慮力的傳遞方向與卸荷問題。因床身會(huì)受到龍門框架的重力、切削力和工件的重力，這樣的設(shè)計(jì)可使龍門框架的重力直接傳入到機(jī)床的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)概念，即把橫梁與左右立柱設(shè)計(jì)成一體，雖然使鑄造和裝配調(diào)整時(shí)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(tái)等部件有了裝配基準(zhǔn)。
滑臺(tái)的設(shè)計(jì)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(dǎo)軌面為原則，并把Z軸驅(qū)動(dòng)安裝位置設(shè)計(jì)在滑臺(tái)上，有效地減輕滑臺(tái)的重量。
設(shè)計(jì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)思如下：X 軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用雙邊齒輪齒條副加重預(yù)壓滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，Y 軸與 X 軸采用大直徑預(yù)壓滾珠絲杠副加硬導(dǎo)軌副，且導(dǎo)軌滑動(dòng)部分貼有工程塑料，避免低速時(shí)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，而且導(dǎo)軌部分設(shè)計(jì)有斜鑲條可調(diào)裝置。這樣設(shè)計(jì)使機(jī)床的整體進(jìn)給性能得以協(xié)調(diào)，各軸的進(jìn)給速度和進(jìn)給力得到了最佳匹配。
主軸箱的上下垂直運(yùn)動(dòng)Z軸采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。由于本機(jī)床不是高速銑床，Z軸的進(jìn)給系統(tǒng)為伺服電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)比為4的平行軸定比齒輪箱帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)。Z 軸的安全問題。首先選用帶電磁剎車的伺服電動(dòng)機(jī)，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(zhuǎn)引起主軸箱機(jī)械式下垂。當(dāng)然，為了保護(hù)Z軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精度，還在滑臺(tái)上裝有兩個(gè)平衡油缸。
平衡力Q等于主軸箱部件質(zhì)量的85﹪。
主軸箱的左右移動(dòng)為Y軸，為了保證Y軸的傳動(dòng)精度，并使絲杠只受水平軸向力，故采用伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)方式。筆者選用的聯(lián)軸器帶有過載保護(hù)裝置，在過載時(shí)聯(lián)軸器會(huì)自動(dòng)脫開。
2、數(shù)控系統(tǒng)選型
數(shù)控系統(tǒng)采用的是西門子 4-05，因?yàn)榇讼到y(tǒng)提供了龍門軸的同步功能。使用此功能，本機(jī)床可以對(duì)龍門框架進(jìn)給軸（X1，X2）實(shí)現(xiàn)無機(jī)械偏差的位移。運(yùn)動(dòng)的實(shí)際值可進(jìn)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(yùn)動(dòng)精度。
圖1-1 數(shù)控龍門銑床總裝圖（主視圖）
圖2-2數(shù)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(shù)控龍門銑床的總理方案設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容有機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和數(shù)控部分設(shè)計(jì)，根據(jù)所給要求制定出總體設(shè)計(jì)方案。
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第3章 機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì)
第3章 機(jī)床主軸箱的設(shè)計(jì)
3.1 主軸箱的設(shè)計(jì)要求
1. 具有更大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
2. 具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低。
3. 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。
3.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.2.1 主傳動(dòng)功率
機(jī)床主傳動(dòng)的功率P 可由下式來確定：
式中 －機(jī)床主傳動(dòng)的功率
－切削功率
－主傳動(dòng)鏈的總效率
數(shù)控機(jī)床的加工范圍一般都比較大，可根據(jù)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(zhuǎn)速 （r/min）
主傳動(dòng)的總效率一般可取為＝0.70～0.85，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)多用調(diào)速電機(jī)和有限的機(jī)械變速來實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈比較短，因此，效率可以取較大值。
主傳動(dòng)中各傳動(dòng)件的尺寸都是根據(jù)其傳動(dòng)的功率確定的，如果傳動(dòng)效率定的過大，將使傳動(dòng)件的尺寸笨重而造成浪費(fèi)，電動(dòng)機(jī)常在低負(fù)荷下工作，功率因數(shù)太小從而浪費(fèi)能源。如果功率定的過小，將限制機(jī)床的切削加工能力而降低生產(chǎn)率。因此，要較準(zhǔn)確合適的選用傳動(dòng)功率。
3.2.2 驅(qū)動(dòng)源的選擇
機(jī)床上常用的無級(jí)變速機(jī)構(gòu)是直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速nd向上至最高轉(zhuǎn)速nmax是調(diào)節(jié)磁場(chǎng)電流的方法來調(diào)速的，屬于恒功率，從額定轉(zhuǎn)速nd向下至最低轉(zhuǎn)速nmin是調(diào)節(jié)電樞電壓的方法來調(diào)速的，屬于恒轉(zhuǎn)矩；交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)是靠調(diào)節(jié)供電頻率的方法調(diào)速。由于交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，沒有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少，所以在中小功率領(lǐng)域，交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)占有較大的優(yōu)勢(shì)，鑒于此，本設(shè)計(jì)選用交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)主軸要求的最高轉(zhuǎn)速4500r/min，最大切削功率5.5KW,選擇北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速是4500 r/min。
3.2.3 轉(zhuǎn)速圖的擬定
根據(jù)交流主軸電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和基本轉(zhuǎn)速可以求得交流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍
Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3-1）
而主軸要求的恒功率轉(zhuǎn)速范圍Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,遠(yuǎn)大于交流主軸電動(dòng)機(jī)所能提供的恒功率轉(zhuǎn)速范圍，所以必須串聯(lián)變速機(jī)構(gòu)的方法來擴(kuò)大其恒功率轉(zhuǎn)速范圍。
設(shè)計(jì)變速箱時(shí)，考慮到機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性等因素，取變速箱的公比Фf等于交流主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)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(jí)數(shù):
Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2)
取 Z=3
確定各齒輪副的齒數(shù)：
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(dòng)機(jī)功率P=5.5/0.75=7.3kw。可選用北京數(shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動(dòng)機(jī)，連續(xù)額定輸出功率為7.5kw。
由此擬定主傳動(dòng)系統(tǒng)圖、轉(zhuǎn)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(dòng)系統(tǒng)圖
圖3-2轉(zhuǎn)速圖 圖3-3主軸功率特性
3.2.4傳動(dòng)軸的估算
傳動(dòng)軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞。機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求較高，不允許有較大的變形。因此疲勞強(qiáng)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(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求軸在載荷下（彎曲，軸向，扭轉(zhuǎn)）不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉(zhuǎn)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(chǎn)生振動(dòng)和噪音，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的剛度。通常，先按扭轉(zhuǎn)剛度軸的直徑，畫出草圖后，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。
計(jì)算轉(zhuǎn)速nj是傳動(dòng)件傳遞全部功率時(shí)的最低轉(zhuǎn)速，各個(gè)傳動(dòng)軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速可以從轉(zhuǎn)速圖上直接得出如表3-1所示:
軸
Ⅰ
Ⅱ
III
計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）
1500
750
173
表3-1 各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
各軸功率和扭矩計(jì)算：
已知一級(jí)齒輪傳動(dòng)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(zhǎng)度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m），可根據(jù)傳動(dòng)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(zhuǎn)角選取原則
軸
主軸
一般傳動(dòng)軸
較低的軸
[φ]（deg/m）
0.5-1
1-1.5
1.5-2
根據(jù)表2-2確定各軸所允許的扭轉(zhuǎn)角如表3-3所示:
表3-3 許用扭轉(zhuǎn)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(jì)算轉(zhuǎn)速nj（如表2-1）、允許扭轉(zhuǎn)角[φ]（如表2-3）代入扭轉(zhuǎn)剛度的估算公式
(3-3)
可得各個(gè)傳動(dòng)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(nèi)孔直徑 d=0.1Dmax±10=35～55mm 取d=40mm
3.2.5齒輪模數(shù)的估算
按接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪的各參數(shù)都已知方可確定，故只有在裝配草圖畫完后校驗(yàn)用。在畫草圖時(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式估算，根據(jù)估算的結(jié)果然后選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪的模數(shù)。
齒輪模數(shù)的估算有兩種方法，第一種是按齒輪的彎曲疲勞進(jìn)行估算，第二種是按齒輪的齒面點(diǎn)蝕進(jìn)行估算，而這兩種方法的前提條件是各個(gè)齒輪的齒數(shù)必須已知，所以必須先給出各個(gè)齒輪的齒數(shù)。
根據(jù)齒輪不產(chǎn)生根切的基本條件：齒輪的齒數(shù)不小于17，在該設(shè)計(jì)中，即最小齒輪的齒數(shù)不小于17。而由于Z3,Z3’這對(duì)齒輪有最大的傳動(dòng)比，各個(gè)傳動(dòng)齒輪中最小齒數(shù)的齒輪必然是Z3’。取Z3’=20,S=114，則Z3=94。
從轉(zhuǎn)速圖上直接看出直接可以看出Z3的計(jì)算轉(zhuǎn)速是750r/min。
根據(jù)齒輪彎曲疲勞估算公式mω=2.4 (3-4)
根據(jù)齒輪接觸疲勞強(qiáng)度估算公式計(jì)算得: m=2.84
由于受傳動(dòng)軸軸徑尺寸大小限制，選取齒輪模數(shù)為m =3mm，對(duì)比上述結(jié)果，可知這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，而且考慮到兩傳動(dòng)軸的間距，故取同一變速組中的所有齒輪的模數(shù)都為m=3mm?，F(xiàn)將各齒輪齒數(shù)和模數(shù)列表如下：
表3-4 齒輪的估算齒數(shù)和模數(shù)列表
齒輪
Z0
Z0’
Z1
Z1’
Z2
Z2’
Z3
Z3’
齒數(shù)
35
70
38
76
68
46
94
20
模數(shù)（mm）
3
3
3
3
3
3
3
3
3.3主軸箱展開圖的設(shè)計(jì)
主軸箱展開圖是反映各個(gè)零件的相互關(guān)系，結(jié)構(gòu)形狀以及尺寸的圖紙。因此設(shè)計(jì)從畫展開圖開始，確定所有零件的位置，結(jié)構(gòu)和尺寸，并以此為依據(jù)繪制零件工作圖。
3.3.1設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟
這一階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容是通過繪圖設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及選出軸承的型號(hào)，確定軸的支點(diǎn)距離和軸上零件力的作用點(diǎn)，計(jì)算軸的強(qiáng)度和軸承的壽命。
3.3.2 有關(guān)零部件結(jié)構(gòu)和尺寸的確定
傳動(dòng)零件，軸，軸承是主軸部件的主要零件，其它零件的結(jié)構(gòu)和尺寸是根據(jù)主要零件的位置和結(jié)構(gòu)而定。所以設(shè)計(jì)時(shí)先畫主要零件，后畫其它零件，先畫傳動(dòng)零件的中心線和輪廓線，后畫結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
1）傳動(dòng)軸的估算
這一步在前面已經(jīng)做了計(jì)算。
2）齒輪相關(guān)尺寸的計(jì)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(dòng)和噪聲，一般取齒寬系數(shù)Φm =(6-10)m。這里取齒寬系數(shù)Φm=10, 則齒寬B=Φm×m=10×3=30mm.現(xiàn)將各個(gè)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?jīng)Q定了各個(gè)軸之間的尺寸，所以在畫展開圖草圖前，各個(gè)齒輪的尺寸必須算出。現(xiàn)將主軸部件中各個(gè)齒輪的尺寸計(jì)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(jì)算出各軸之間的距離，現(xiàn)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(nèi)的兩對(duì)齒輪同時(shí)嚙合，兩個(gè)固定齒輪的間距，應(yīng)大于滑移齒輪的寬度，一般留有間隙1-2mm，所以首先設(shè)計(jì)滑移齒輪。
Ⅱ軸上的滑移齒輪的兩個(gè)齒輪輪之間必須留有用于齒輪加工的間隙，插齒時(shí)，當(dāng)模數(shù)在1-2mm范圍內(nèi)時(shí)，間隙必須不小于5mm,當(dāng)模數(shù)在2.5-4mm范圍內(nèi)時(shí)，間隙必須不小于6mm，且應(yīng)留有足夠空間滑移，據(jù)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(xiàn)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(dòng)軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承，又要有承受兩個(gè)方向軸向載荷的推力軸承。軸承類型及型號(hào)選用主要應(yīng)根據(jù)主軸的剛度，承載能力，轉(zhuǎn)速，抗振性及結(jié)構(gòu)要求合理的進(jìn)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(zhuǎn)速要低；多個(gè)軸承的承載能力比單個(gè)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(yīng)考慮結(jié)構(gòu)要求，如中心距特別小的組合機(jī)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?yàn)楫?dāng)軸承外徑一定時(shí)，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(zhuǎn)速低），或者成對(duì)圓錐滾子軸承，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是極限轉(zhuǎn)速較低，如配空心圓錐滾子軸承，其極限轉(zhuǎn)速顯著提高，但成本也相應(yīng)的提高了。高速輕載采用成組角接觸球軸承，根據(jù)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(shí)，選用推力軸承配深溝球軸承，精度要求較高時(shí)，選用向心推力軸承。
該設(shè)計(jì)的主軸不僅有剛度高的要求，而且有轉(zhuǎn)速高的要求，所以在選擇主軸軸承時(shí)，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(gè)，后支承采用30215型和8215型軸承各一個(gè)。
3.3.3 各軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
I軸的一端與電動(dòng)機(jī)相連，將其結(jié)構(gòu)草圖繪制如下圖4—2所示
圖3—5
II軸安裝滑移齒輪，其結(jié)構(gòu)如草圖3—2所示
圖3-6
III軸其結(jié)構(gòu)完全按標(biāo)準(zhǔn)確定，根據(jù)軸向的尺寸將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(zhuǎn)矩：
床身上最大回轉(zhuǎn)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(shí)，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(jì)算中，忽略了ys的影響，故L0應(yīng)稍大一點(diǎn)，取L0=300mm
計(jì)算剛度損失：
取L=385mm,χ=4.61因在上式計(jì)算中，忽略了ys的影響，故L0應(yīng)稍大一點(diǎn)，取L0=300mm
計(jì)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(hào)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(qiáng)度校核
校核II軸齒輪 校核齒數(shù)為20的即可，確定各項(xiàng)參數(shù)
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(dòng)載系數(shù)：=2.35m/s
齒輪精度為7級(jí)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得使用系數(shù)
非對(duì)稱
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得
確定齒間載荷分配系數(shù):
==42.1 100N/m由《機(jī)械設(shè)計(jì)》查得 =1.2
確定動(dòng)載系數(shù):
=11.051.21.42=1.6
查表 10-5 2.65 1.58
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，由圖查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)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(dòng)軸撓度的驗(yàn)算：
II軸的校核：通過受力分析，在一軸的三對(duì)嚙合齒輪副中，中間的兩對(duì)齒輪對(duì)II軸中點(diǎn)處的撓度影響最大，所以，選擇中間齒輪嚙合來進(jìn)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(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容包括傳動(dòng)比的確定電機(jī)的選擇，軸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，齒輪的參數(shù)的確定等內(nèi)容。
25
第4章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第4章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
帶有數(shù)字調(diào)節(jié)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都屬于伺服系統(tǒng)。進(jìn)給伺服機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度要高；響應(yīng)要快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性要好。
1.穩(wěn)定性
所謂穩(wěn)定的系統(tǒng)，即系統(tǒng)在輸入量改變、啟動(dòng)狀態(tài)或外界輸出量經(jīng)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(jìn)給伺服系統(tǒng)能夠正常工作的基本條件。它包含絕對(duì)穩(wěn)定性(穩(wěn)定裕度)。
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的慣性、剛度、阻尼以及系適當(dāng)?shù)倪x擇系統(tǒng)的機(jī)械參數(shù)(主要有阻尼、剛度、諧振頻率和失氣參數(shù)，并使它們達(dá)到最佳匹配，是進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)
2.精度
所謂進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的差)，即準(zhǔn)確性。它包含動(dòng)態(tài)誤差，即瞬態(tài)過程出現(xiàn)的偏差；穩(wěn)態(tài)過程結(jié)束后，系統(tǒng)存在的偏差；靜態(tài)誤差，即元件誤差和干常用的精度指標(biāo)有定位精度、重復(fù)定位精度和輪廓跟隨精度。 來表示，定位誤差是指工作臺(tái)由一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí)，指令值的最大差值。重復(fù)定位精度是指工作臺(tái)進(jìn)行一次循環(huán)動(dòng)作后， 偏差值。輪廓跟隨誤差是指多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)時(shí)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與給的最大偏差值。影響精度的參數(shù)很多，關(guān)系也很復(fù)雜。采用數(shù)提高伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度。
3.快速響應(yīng)特性
所謂快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，則加工效率越高，軌跡跟
隨精度也越高。但響應(yīng)速度過快會(huì)造成系統(tǒng)的超調(diào)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，對(duì)于點(diǎn)位控制的機(jī)床，主要應(yīng)保證定位精度，并盡量減少定位時(shí)間。對(duì)于輪廓控制的機(jī)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(yùn)動(dòng)坐標(biāo)伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的一致性。對(duì)于開環(huán)及半閉環(huán)的控制形式。主要是應(yīng)滿足定位精度的要求，而對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，則主要是穩(wěn)定性問題。
4.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
機(jī)床的位置調(diào)節(jié)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。其中在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
1．能夠克服摩擦力和負(fù)載；
2．很小的進(jìn)給位移量；
3．高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；
4．足夠的調(diào)速范圍，滿足快進(jìn)和工進(jìn)的需要；
5．進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)，無爬行現(xiàn)象。
在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
1．具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)距，以便快速地完成啟動(dòng)和制動(dòng)過程。
2．具有良好的動(dòng)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(zhì)量；
3． 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能??；
對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求：
1．被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量；
2，高的剛度；
3．良好的阻尼；
4．傳動(dòng)部件在拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)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(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中，滾珠絲杠副的作用是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，用較小的轉(zhuǎn)矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動(dòng)是一種
應(yīng)用較廣的機(jī)構(gòu)，尤其是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的各種機(jī)構(gòu)中，滾珠絲杠副是傳動(dòng)最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而又可靠的。所以滾珠絲杠副的選擇對(duì)整個(gè)機(jī)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(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。
為了在機(jī)床的設(shè)計(jì)中更合理的選用滾珠絲杠副，使其充分發(fā)揮效能，必須進(jìn)行一系列的計(jì)算。
4.3.1 滾珠絲杠副的導(dǎo)程
工作臺(tái)縱向行程3000mm，速度為10m/min，速度傳動(dòng)比為i=0.5，伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為2000r/min,，工作臺(tái)進(jìn)給速度為0-6000mm/min,算得其導(dǎo)程為：
4.3.2 滾珠絲杠副的載荷及選絲杠：
1.最小載荷
機(jī)床空載時(shí)滾珠絲杠副的傳動(dòng)力，如工作臺(tái)重量引起的摩擦力：
2.最大載荷
選機(jī)床承受最大負(fù)荷時(shí)滾珠絲杠的傳動(dòng)力。如機(jī)床切削時(shí)，切削力在
滾珠絲杠副軸向的分力與導(dǎo)軌摩擦力之和即為Fmax（這時(shí)導(dǎo)軌摩擦力是由工作臺(tái)、工件、夾具三者總的重量以及切削力在垂直導(dǎo)軌方向的分量共同引起的）。
3.平均載荷
平均載荷為：
7576N
4.當(dāng)量載荷
工作臺(tái)進(jìn)給速度為0-6000mm/min，故平均轉(zhuǎn)速為：
絲杠的工作壽命取為10000h。故：
當(dāng)量動(dòng)載荷
2. 選擇滾珠絲杠
查滾珠絲杠樣本，選上海縉云機(jī)械設(shè)備有限公司的型號(hào)為，SFU8010-4的絲杠。額定動(dòng)載荷為。符合要求。絲杠直徑為80mm，導(dǎo)程10mm, 珠圈數(shù)90，珠徑為4mm。
圖4-1滾珠絲桿及螺母副結(jié)構(gòu)圖
4.4同步齒形帶的選擇
同步齒形帶的傳動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝調(diào)試方便,且在一定條件下能滿足轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸出要求，可以避免避免齒輪傳動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲，適用于低轉(zhuǎn)矩特性的要求的主軸。
通過計(jì)算：帶輪的結(jié)構(gòu)尺寸為：
小帶輪
大帶輪
帶輪間中心距為:：
帶寬：
4.5伺服電機(jī)的選擇
1. 基本原則
1） 考慮電動(dòng)機(jī)的主要性能（啟動(dòng)、過載及調(diào)速等）、額定功率大小、額定轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)形式等方面要滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。
2） 在以上前提下，優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便又價(jià)格合理的電動(dòng)機(jī)。
2. 電動(dòng)機(jī)類型的選擇
安裝方式：立式和臥式 （本設(shè)計(jì)采用立式安裝）。
防護(hù)方式：開啟式、封閉式、防護(hù)式、防暴式。
3. 額定電壓的選擇
交流380～220V，或根據(jù)需要配變壓器。
4. 額定轉(zhuǎn)速的選擇
根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況來選擇要求重復(fù)、短時(shí)、正反轉(zhuǎn)工作的生產(chǎn)機(jī)械，除應(yīng)選擇滿足工藝要求的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速外，還要保證生產(chǎn)機(jī)械達(dá)到最大的加、減速度的要求而選擇最恰當(dāng)?shù)貍鲃?dòng)裝置，以達(dá)到最大生產(chǎn)率或最小損耗的目標(biāo)。一般都是直接傳動(dòng)，而不是減速器。
5.慣量匹配：
工件和工作臺(tái)的最大質(zhì)量為3000kg,折算到電動(dòng)機(jī)軸，其慣量為
0.007kg.m
絲杠慣量：絲杠直徑80mm，決定長(zhǎng)度為6.2m。0.19
大帶輪慣量為：
小帶輪慣量為：
負(fù)載慣量為：0.09934
6.最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩：
選的直流伺服電機(jī)為：
額定功率 3KW
最高轉(zhuǎn)速 2000
額定轉(zhuǎn)距 22
最大轉(zhuǎn)矩 57
轉(zhuǎn)子慣量 0.12
4.6 滾珠絲杠副的安全使用
4.6.1 潤(rùn)滑
為使?jié)L珠絲杠副充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤(rùn)滑，潤(rùn)滑的方式主要有以下兩種：
1．潤(rùn)滑脂
潤(rùn)滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1／3，滾珠絲杠副出廠時(shí)在螺母內(nèi)部已經(jīng)加注GB7324—942#鋰基潤(rùn)滑脂。
2．潤(rùn)滑油
運(yùn)動(dòng)粘度28．5—74cst(400T)的潤(rùn)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(dòng)軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)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(jìn)入時(shí)，必須采用防塵裝置，將絲杠軸完全保護(hù)起來。另外，如沒有異物，但有浮沉?xí)r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(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
1．滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，必要時(shí)在行程兩端配置限位，以免螺母約程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。
2．滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動(dòng)使，如部件重量未加平衡，必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)。
3．滾珠絲杠副正常工作環(huán)境溫度為±60C。
4.6.4 安裝
滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
1.滾珠絲杠副僅用于承受軸向載荷。徑向載荷、彎矩會(huì)使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等負(fù)荷，從而造成絲杠的永久性破壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí)，應(yīng)注意：
1）絲杠的軸線