　　　本文介绍数控雕铣机机械结构设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计，X向和Z向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了电主轴机械结构，电主轴的冷却和润滑的方式，3KW主轴安装座的机械机构。Z向进给传动系统中主要分析了丝杠、轴承，导轨的安装。计算主要有：主轴切削力计算，主轴系统重力计算对滚珠丝杠的选择计算和Z轴伺服电机的选择计算支承轴承的选择。最后完成机床装配图、部装图、零件图等。

　关键词：数控雕铣机；电主轴；伺服电机；滚珠丝杠；导轨

摘要III

AbstractIV

目录V

1 绪论1

1.1 数控雕铣机的概述1

1.2 数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较1

1.3 雕铣机与雕刻机的比较2

1.4 国内数控雕铣机的发展和现状3

1.5 本章小结6

2 数控雕铣机总体方案设计7

2.1 机床总体结构设计7

2.2 主运动方案设计8

2.3 进给运动方案设计9

2.3.1 数控机床进给传动系统的基本形式9

2.3.2 以上几种传动方案的简介和比较9

2.4 本次设计主要技术参数10

2.5 本章小结10

3 主轴部件设计11

3.1 电主轴的基本结构11

3.2 主轴系统的计算11

3.3 主轴设计13

3.4 轴承选用及寿命校验14

3.4.1 轴承受力分析14

3.4.2 轴承寿命检验14

3.4.3 轴承的寿命L16

3.5 电主轴的冷却与润滑及安装16

3.6 本章小结17

4 Z向进给传动设计计算18

4.1 滚珠丝杠副的选择18

4.2 Z向进给伺服电机功率的计算及选择23

4.3 滚珠丝杠的支承结构及制动装置27

4.4联轴器的类型和选择28

4.5 Z向导轨28

4.6 本章小结29

5 X向进给运动计算30

5.1滚珠丝杠的选型与校核30

5.1.1 计算丝杠最大动载荷30

5.1.2 滚珠丝杠螺母副的选型30

5.1.3 传动效率计算30

5.1.4 刚度计算30

5.1.5 稳定性校核31

5.2 电动机的计算与选型31

5.2.1 初选步进电动机31

5.2.2 校核步进电动机转矩32

5.3 本章小结34

6 结论35

6.1 课题研究的主要结论35

6.2 展望35

致谢36

参考文献37

附录38

　　　近年来在模具加工行业中，为了避免工件表面质量因电加工后产生型面微观裂纹，人们一直在探索用一种比较完美的加工方式来替代电火花成型加工，在这些模具加工中高速铣削方式具有很大的优势，同时，伴随着加工高硬度材料刀具技术的发展，在模具加工中高速数控铣床的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工表面质量要求的提高，所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具—高速数控雕铣机。通过高速雕铣机的加工方式来弥补电火花成型加工的缺点。

　　　数控模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。高速数控模具雕铣机不仅具有高表面加工质量的精细雕刻功能，同时具有高效率强力粗铣半精铣加工能力,使良好表面质量和高效率得以有机统一[2]。

1.2 数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较

　　　在国外很早就有雕铣机的名词（CNC engraving and milling machine），严格地讲雕是铣的一部分[3]。

（1）应用对象的区别

　　　1）雕铣机主要用于较小铣削量或者轻金属的加工或对软金属的加工，大部分用于模具行业。

　　　2）数控铣床主要用于完成较大铣削量的工件的加工设备，硬度比较高的材料，大型的模具，也适合普通模具的开粗，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品种的加工。

　　　3）控铣加工主要面向规则的工件，平面加工区域比较开阔，而曲面比较光滑但是雕铣加工除了加工数控铣类似的小区域或小曲面外，还要加工随意的平面图形和跌荡起伏的纹理曲面，比如加工一些网格曲面等。雕铣加工的图形必须比较精细，比如雕铣加工时常加工0.1毫米的薄壁，雕刻加工路径的计算精度一般是传统的数控铣的5倍左右[4]。

（2）从机床的主轴转速分析

　　　1）雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速1500~30000RPM左右。

　　　2）数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速0~8000RPM左右。

（3）结构上讲

　　　1）加工中心一般采用悬臂式。

　　　2）雕铣机和雕刻机一般多用龙门式架构，龙门式又分为栋梁式和定梁式，目前雕铣机以定梁式居多。

（4）从机床采用的数控系统的角度来看

　　　1）雕铣机大部分采用企业自主研发或者外购的工业控制器。

　　　2）数控铣床对数控系统的要求：操作方便，稳定可靠，修方便等，现在市场上的数控系统主要集中在FANUC和MITISUBISH及西门子控制器。综上所述：雕铣机进行一些小切削量的铣削。而数控铣床大部分在机械加工行业中使用。

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定梁式数控雕铣机结构设计.gif

内容简介：: 无锡太湖学院信机系机械工程及自动化专业毕业设计论文任务书一、题目及专题：1、题目定梁式数控雕铣机结构设计 2、专题二、课题来源及选题依据数控雕铣机是一种具备雕刻和铣削加工功能的数控机床，被广泛地应用于模具工业、零件精密加工等行业。随着模具工业和工艺美术品制造业的快速发展，国内外市场对数控雕铣机的需求不断扩大，特别是高端的数控雕铣中心，需求更为旺盛对于很多人而言,数控雕铣机的概念还比较陌生。但是实际上,很多消费者已接触到雕铣机的应用。比如iphone4的外壳就是通过数控雕铣机直接加工出来的。数控雕铣机(CNC engraving and milling machine)是数控机床的一种。一般认为数控雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。雕铣机的前身是雕刻机,雕刻机的优势在雕,如果加工材料硬度比较大也会显得力不从心,而如果采用高速加工中心来加工这应运而生。雕铣机的出现可以说填补了两者之间的空白。数控雕铣机既可以雕刻,也可铣削, 是一种高效高精的数控机床,是我国高端制造业的新产品。三、本设计（论文或其他）应达到的要求：（1）了解数控雕铣机的工作原理，国内外的研究发展现状；（2）完成定梁式数控雕铣机的总体方案设计（3）完成零部件的选型计算、结构强度校核；（4）熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合A0不少于3张；（5）完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料四、接受任务学生：机械93 班姓名秦友蕾五、开始及完成日期：自2012年11月12日至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教研室主任学科组组长研究所所长签名系主任签名年月日编号无锡太湖学院毕业设计（论文）相关资料题目：定梁式数控雕铣机结构设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923149 学生姓名：秦友蕾指导教师：黄敏（职称：副教授）（职称：） 2013年5月25日目录一、毕业设计（论文）开题报告二、毕业设计（论文）外文资料翻译及原文三、学生“毕业论文（论文）计划、进度、检查及落实表”四、实习鉴定表无锡太湖学院毕业设计（论文）开题报告题目：定梁式数控雕铣机结构设计信机系机械工程及自动化专业学号： 0923149 学生姓名：秦友蕾指导教师：黄敏（职称：副教授）（职称：） 2012年11月25日课题来源自拟题目科学依据（1）课题科学意义：数控雕铣机是一种具备雕刻和铣削加工功能的数控机床，被广泛地应用于模具工业、零件精密加工等行业。随着模具工业和工艺美术品制造业的快速发展，国内外市场对数控雕铣机的需求不断扩大，特别是高端的数控雕铣中心，需求更为旺盛对于很多人而言，数控雕铣机的概念还比较陌生。但是实际上很多消费者已接触到雕铣机的应用。比如iphone4的外壳就是通过数控雕铣机直接加工出来的。数控雕铣机(CNC engraving and milling machine)是数控机床的一种。一般认为数控雕铣机是使用小刀具、大功率和高速主轴电机的数控铣床。雕铣机的前身是雕刻机,雕刻机的优势在雕，如果加工材料硬度比较大也会显得力不从心，雕铣机的出现可以说填补了两者之间的空白。数控雕铣机既可以雕刻，也可铣削，是一种高效高精的数控机床，是我国高端制造业的新产品。（2）研究状况及其发展前景：雕铣机这个概念最先是由广东科杰佳铁自动化有限公司提出并且实现的，国外并没有雕铣机的概念。雕铣机和雕刻机一般多用龙门式结构，龙式结构又分为动梁式和定梁式两种，目前雕铣机以定梁式居多。数控雕铣机集雕刻、铣削、钻孔为一体，克服了雕刻机不能雕、砖、铣，数数控铣床不能雕刻的缺点，广泛控雕刻机不能铣、钻，数控铣床不能雕刻的缺点，广泛的用于各种材料的文字雕刻、艺术浮雕、印刷电路板制作、个性印章铭牌制作及小型模具加工(如塑料模、冲压模、纽扣模、五金模、玻璃模)和精密钻孔，目前虽然数控雕铣机的技术已经比较成熟, 生产的产品性能趋于稳定。但是大都体积庞大，结构复杂，价格昂贵，从机床展及市场情况来看，目前国产数控雕铣机几乎全从机床展及市场情况来看，目前国产数控雕铣机几乎全从机床展及市场情况来看，目前国产数控雕铣机几乎全面采用国产电主轴，我国雕铣电主轴市场已经形成一定的产业规模，如江苏星晨、无锡博华、无锡阳光、安阳莱必泰、广州昊志等都能生产出为雕铣机配套的从普通级到高精密级的不同层次的电主轴通过调研发现，国内生产厂家制造的雕铣机规格以600或650型为主,售价大多在14万此规格雕铣机主要以加工各类模具和铜电极等为主。主轴多为国产电主轴,转速24000 r/min左右，功率3一5kw，这样的电主轴在转速上满足了“雕”的需求,在功率上又兼顾了“铣”的要求。导轨丝杠多采用上银、银泰等台湾品牌，由于这类机床加工的零件连续加工的时间较长，对快移的要求不高，所以三轴快移速度多在12m/min左右；控制系统多采用宝元、新代和FAGoR等系统，也有些有实力的企业采用自主开发的系统。雕铣机选择配置一般有对刀仪、转台、直排刀库、伞式刀库、电器柜。研究内容（1）了解数控雕铣机的工作原理，国内外的研究发展现状。（2）完成数控雕铣机的总体方案设计。（3）完成零部件的选型计算、结构强度校核。（4）熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合A0不少于3张。（5）完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料1篇。拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析通过去厂里增强对数控雕铣机系统和结构的认识；拆装并测绘数控机床，使自己对数控雕铣机有了感性的认识；参阅借来的参考资料，使自己有了理性认识，并对雕铣机进行实体观察，认真研究定梁式数控雕铣机总体结构，了解雕铣机工作原理，对其系统内部零件进行设计，与指导老师交流和同学讨论来完成对定梁式数控雕铣机结构的毕业设计。经济上的可行性：大量的减轻了高额的实验所需要的费用，暂且只考虑个人的人力投资。技术可行性：Cad是我们作为机械专业的学生所常用的必备软件。研究计划及预期成果（1）研究计划：2012年11月12日-2012年12月2日：按照任务书要求查阅论文相关参考资料，填写毕业设计开题报告书，完成一篇英文文献翻译。2012年12月3日-2013年1月20日：进行专业实训。2012年1月21日-2013年2月10日：填写毕业实习实训报告。2013年2月11日-2013年2月16日：进行需求分析和可行性分析，构建论文框架完成第一章节绪论部分，按格式要求确定参考文献和四篇英文文献。2013年2月18日-3月9日：总体方案设计，画出装配图。2013年3月11日-3月23日：开始雕铣机主传动系统设计，画出部装图。2013年3月25日-4月13日：进给传动系统设计，完成各个零件图。2013年4月15日-5月10日：撰写毕业论文和相关资料。2013年5月13日-5月25日：完善毕业论文以及相关资料，为答辩做好充分的准备。（2）预期成果：按照计划安排进行本设计，完成的雕铣机上体机基本可以实现预期功能,。熟练掌握有关计算机绘图软件，并绘制装配图和零件图纸，折合A0不少于3张，完成设计说明书的撰写，并翻译外文资料1篇。特色或创新之处（1）主题明确，有针对性，稳定，易操作，通用性强。（2）使用简易，功能完善。已具备的条件和尚需解决的问题尚未解决的问题：高速下Z轴的稳定性的问题是决定机床加工精度的关键因素。恰当地选择机架材料，刚度、强度、稳定性满足要求的前提下获得好的经济性。如何从机械上做到上面又轻钢性又好的矛盾。指导教师意见指导教师签名：年月日教研室（学科组、研究所）意见教研室主任签名：年月日系意见主管领导签名：年月日编编号号无锡太湖学院毕毕业业设设计计（论论文文）题目：题目：定梁式数控雕铣机结构设计定梁式数控雕铣机结构设计信机系系机械工程及自动化专专业业学号：学生姓名：指导教师：（职称：副教授）（职称：） 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚诚信信承承诺诺书书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）定梁式数控雕铣机结构设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：学号：作者姓名：年月日I摘摘要要雕铣机的出现弥补了通用数控机床（铣床、钻床等）加工功能单一，加工中心加工小型产品成本过高的不足。数控雕铣机既可以雕刻,也可铣削, 是一种高效高精的数控机床，为我国制造业的发展提供了一种性价比很高的新型机床产品，是我国机床工业中的新产品本文介绍数控雕铣机机械结构设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计，X 向和 Z 向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了电主轴机械结构，电主轴的冷却和润滑的方式，3KW 主轴安装座的机械机构。Z 向进给传动系统中主要分析了丝杠、轴承，导轨的安装。计算主要有：主轴切削力计算，主轴系统重力计算对滚珠丝杠的选择计算和 Z 轴伺服电机的选择计算支承轴承的选择。最后完成机床装配图、部装图、零件图等。关键词：数控雕铣机；电主轴；伺服电机；滚珠丝杠；导轨IIAbstractThe 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 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 a highly valued new machine products for the development of Chinas manufacturing industry ,which is the new product of new-style high-end manufacturing industry in Chinas machine tool industry. This paper introduces the design process of the mechanical structure on the CNC engraving and milling machine , 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 system, 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 spindle soleplate , the feed drive system in the Z direction mainly analysis the installation of the screw, guide rail bearing, and the relevant fixing and supporting . There are calculation of spindle cutting force, calculation of spindle system of gravity ,calculation of the choice of ball screw , calculation of Z axis servo motor selection and calculation of the rolling bearing selection. Finally, complete machine assembly drawing, part assembly drawing, part drawing etc.Key words: CNC engraving and milling machine; spindle; servo motor; ball screw;Guide;目目录录摘要.IIIABSTRACT.IV目录 .V1 绪论.11.1 数控雕铣机的概述.11.2 数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较.11.3 雕铣机与雕刻机的比较.21.4 国内数控雕铣机的发展和现状.31.5 本章小结.62 数控雕铣机总体方案设计.72.1 机床总体结构设计.72.2 主运动方案设计.82.3 进给运动方案设计.92.3.1 数控机床进给传动系统的基本形式.92.3.2 以上几种传动方案的简介和比较.92.4 本次设计主要技术参数.102.5 本章小结.103 主轴部件设计.113.1 电主轴的基本结构.113.2 主轴系统的计算.113.3 主轴设计.133.4 轴承选用及寿命校验.143.4.1 轴承受力分析.143.4.2 轴承寿命检验.143.4.3 轴承的寿命 L.163.5 电主轴的冷却与润滑及安装.163.6 本章小结.174 Z 向进给传动设计计算.184.1 滚珠丝杠副的选择.184.2 Z 向进给伺服电机功率的计算及选择.234.3 滚珠丝杠的支承结构及制动装置.274.4 联轴器的类型和选择.28I4.5 Z 向导轨.284.6 本章小结.295 X 向进给运动计算 .305.1 滚珠丝杠的选型与校核.305.1.1 计算丝杠最大动载荷.305.1.2 滚珠丝杠螺母副的选型.305.1.3 传动效率计算.305.1.4 刚度计算.305.1.5 稳定性校核.315.2 电动机的计算与选型.315.2.1 初选步进电动机.315.2.2 校核步进电动机转矩.325.3 本章小结.346 结论.356.1 课题研究的主要结论.356.2 展望.35致谢.36参考文献.37附录.38无锡太湖学院学士学位论文01 绪绪论论1.1 数控雕铣机的概述数控雕铣机的概述雕铣机的前身是雕刻机，雕刻机的优势在雕，不适合加工材料硬度比较大的材料，随着科学技术的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，产品的更新换代也不断加快，因此采用雕铣机来加工应运而生。数控雕铣机既可以雕刻，也可铣削，是一种高效高精的数控机床，是我国高端制造业的新产品。数控雕铣机主要用于雕、铣各种型腔模具，也可以用于各种工艺品、凹凸图案的加工，可加工各种钢材、铝材、铜材或非金属材料等。从工作原理来讲，雕铣机是数控钻铣组合机床，但由于它主要用来“雕刻” ，因此机床结构、雕刻加工工艺及雕刻 CAD/CAM 软件的功能与数控铣床都有很大的差异， “CNC雕铣”是一项独特的新型数控加工技术。雕铣机的出现填补了两者之间的空白，弥补了通用数控机床（铣床、钻床等）加工功能单一，和加工中心加工小型产品成本过高的不足，为我国制造业的发展提供了一种性价比很高的新型机床产品，是我国机床工业中的新军。CNC 雕铣机主要由雕铣机床、电控柜、数控系统三个基本部分组成，数控系统处理解释雕铣 CAD/CAM 软件生成的 NC 代码，发出加工控制指令，指挥雕铣机进行各种复杂的加工动作，完成雕铣产品的加工。电控柜雕铣机的驱动和信号检测部分，根据数控系统发送的控制的控制指令连接驱动雕铣机本体产生机械运动，并对雕铣机的各种状态进行检测、反馈给数控系统进行识别和处理。雕铣机床雕铣机的机械设备部分，通过它完成雕刻、铣削、切割和钻孔等各种加工方式的机械加工1。近年来在模具加工行业中，为了避免工件表面质量因电加工后产生型面微观裂纹，人们一直在探索用一种比较完美的加工方式来替代电火花成型加工，在这些模具加工中高速铣削方式具有很大的优势，同时，伴随着加工高硬度材料刀具技术的发展，在模具加工中高速数控铣床的应用越来越广泛，但随着模具加工业对加工表面质量要求的提高，所需刀具半径越来越小，于是高速铣削加工出现了另一种分支工具高速数控雕铣机。通过高速雕铣机的加工方式来弥补电火花成型加工的缺点。数控模具雕铣机的诞生为模具加工工业解决了这一问题。高速数控模具雕铣机不仅具有高表面加工质量的精细雕刻功能，同时具有高效率强力粗铣半精铣加工能力,使良好表面质量和高效率得以有机统一2。1.2 数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较数控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较在国外很早就有雕铣机的名词（CNC engraving and milling machine），严格地讲雕是铣的一部分3。（1）应用对象的区别 1）雕铣机主要用于较小铣削量或者轻金属的加工或对软金属的加工，大部分用于模具行业。2）数控铣床主要用于完成较大铣削量的工件的加工设备，硬度比较高的材料，大型的模具，也适合普通模具的开粗，主要用于一些精密零件的加工和小批量多品种的加工。定梁式数控雕铣机结构设计13）控铣加工主要面向规则的工件，平面加工区域比较开阔，而曲面比较光滑但是雕铣加工除了加工数控铣类似的小区域或小曲面外，还要加工随意的平面图形和跌荡起伏的纹理曲面，比如加工一些网格曲面等。雕铣加工的图形必须比较精细，比如雕铣加工时常加工 0.1 毫米的薄壁，雕刻加工路径的计算精度一般是传统的数控铣的 5 倍左右4。（2）从机床的主轴转速分析1）雕铣机要求高速的数控系统，主轴转速 150030000RPM 左右。 2）数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速 08000RPM 左右。（3）结构上讲1）加工中心一般采用悬臂式。2）雕铣机和雕刻机一般多用龙门式架构，龙门式又分为栋梁式和定梁式，目前雕铣机以定梁式居多。（4）从机床采用的数控系统的角度来看1）雕铣机大部分采用企业自主研发或者外购的工业控制器。2）数控铣床对数控系统的要求：操作方便，稳定可靠，修方便等，现在市场上的数控系统主要集中在 FANUC 和 MITISUBISH 及西门子控制器。综上所述：雕铣机进行一些小切削量的铣削。而数控铣床大部分在机械加工行业中使用。1.3 雕铣机与雕刻机的比较雕铣机与雕刻机的比较雕刻机：它主轴转速高，矩比较小，适合小刀具的加，着重于“雕刻”功能，例如木材（专门加工木板的称为木雕机）亚克力板、双色板、等硬度不高的板材，不太适合强切削大工件。目前市面上的用于大多数加工工艺品为主的是雕刻机，成本低，由于精度不高，不宜用于模具开发；但也有例外的例如晶片雕刻机5。数控雕铣机是在雕刻机的基础上加大了床身承受力，伺服电机、主轴功率，同时保持主轴的高速，更重要的是精度很高。雕铣机还向高速发展，一般称为高速机，加工精度非常高，切削能力更强，还可以直接加工硬度在HRC60 以上的材料，一次成型。（1）从用途上分：雕刻机主要是用于对板材的雕刻，大量应用于双色板或亚克力雕刻，雕刻一次进刀深度约在 1mm3mm 左右，在标牌、标志方面应用较为普遍。（2）从机械构造方面：雕刻机的设计轻巧，X、Y 轴移动速度快，Z 轴行程较短，适合雕刻 5mm8mm 的材料。雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平 3mm以下的薄板材。雕刻主轴通过皮带连接到直径较大的马达上，以此使转速增大，这样雕刻出来的工件质量就较为光滑，它适合做切削量很小的高转速的雕刻工艺制作。（3）外观体积方面 : 雕铣机比较大型的 750 型机一般在 2.2m*2m，雕刻机较小。雕铣机可以理解为既可做精细雕刻，又能做切割、镂铣。例如做三维雕刻，尽管落差很大，但 200mm 宽材料可一次完成，一次进刀量相当大。雕铣机可供选用的刀具直径规格从 1mm16mm，其刀具长度为 50mm80mm。我们可以灵活使用，装细刀干细活，装粗刀干大活。由于机器设计注重重型负载，机架刚性大，Z 轴行程大，因此不仅可以做小型雕刻机的工艺，更可高速切割厚的板材，一次进刀量可达 20mm30mm，这是雕刻机根本做不到的工艺制造。无锡太湖学院学士学位论文21.4 国内数控雕铣机的发展和现状国内数控雕铣机的发展和现状改革开放以来，随着国民经济的高速发展，市场对模具的需求量不断增长，近年来尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，现今模具业流行谈论高速铣床对模具加工影响，高速加工论说甚多，尤其在中国市场，模具行业飞速发展，对于能加快模具生产之机床，需求极高，因此高速铣床理论成为热点所在,最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的 CNC 雕铣机在国内有了较大的发展4。CNC 雕铣特有的专业优势为：“小刀具的快速铣削” ，擅长做“常规大刀具无法加工的业务” 。目前，在下述行业中 CNC 雕铣方式用得较为得心应手：模具雕刻业和广告雕刻业。（1）模具行业-小刀具独领风骚CNC 雕铣在工业领域中应用最广泛的是模具业，在模具生产过程中 CNC 雕铣不是主要加工方式和生产手段，但其作用却非同一般，可谓是“画龙点睛” ，这是由雕刻对象的“图案、文字和复杂的曲面”特点所决定，当前 CNC 雕铣在模具雕刻领域主要的业务为：1）紫铜和石墨电极加工2）五金冲模和精密冲头加工3）鞋材模具和鞋底模型加工5）钟表零件加工和轻型 CNC 加工6）压花（皮纹、花纹）辊轮和圆柱体工件雕刻7）首板（手板、样板）模型加工（2）广告雕刻精雕细刻、力求创意CNC 雕刻在广告主要应用于沙盘模型、广告标牌和文字标志的制作，这些业务在雕刻工艺上相对简单，关键是在效果表现上，而且主要突出的是“精雕细刻和求新创异” 。国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻 CAD/CAM 技术、CNC 数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化5。典型的数控雕铣机如下:（1）横梁移动式数控雕铣机横梁移动式，工作台不移动，承载工件可达 5 吨以上，尤其适合汽车保险杠等特大模具的加工；横梁移动式，机床运行惯最性，机床使用寿命大提高；使加工的表面光洁度在提高；机床主体高强度树脂砂铸件，体稳吸震耐用；台湾产滚珠丝杆及精密锁紧螺母；进口轴承与联轴器，台湾新代 900M 系统。如图 1.1 所示：定梁式数控雕铣机结构设计3图 1.1 横梁移动式数控雕铣机主要技术参数，如表 1-1：表 1-1 横梁移动式数控雕铣机的主要技术参数技术参数项目SYDX800SYDX1200工作台面积9601540mm12001540mmX、Y、Z 行程8001400500 mm12002000500 mm主轴端面到工作台距离356856mm420820mm龙门宽度1130 mm1620 mm最大可通过工件高度800 mm850mm最大承载800kg1000kg主轴型号松野水冷电主轴（可选台湾产高精密主轴）主轴功率4kw/5.5kw主轴最高转速18000/24000rpm/min主轴锥孔ER25/ER32最大快移速度10000mm/min最大加工速度6000mm/min重复定位精度0.005 /300mm定位精度0.01/300 mm数控系统台湾新代 900M（2）龙门式数控雕铣机如图 1.2 所示：无锡太湖学院学士学位论文4图 1.2 龙门式数控雕铣机主要技术参数，如表 1-2 所示：表 1-2 龙门式数控雕铣机主要技术参数机器型号X.GRAPH 600 CNC行程 X 轴/Y 轴/Z 轴600/400/250mm主轴端面至工作台距离50-300mm工作台尺寸600400mm最大承重300kgT 型槽宽度12mmT 型槽间距63mmT 型槽数量4主轴额定功率2.2KW主轴转速3000-24000rpm主轴锥度规格ER20主轴冷却系统水冷快速移动速率10000mm/min切削进给速率5-3000mm/min数控系统（标准配置）Syntec controller (or KNUTH GPlus 450)定位精度0.004mm重复定位精度0.003mm润滑系统自动润滑(32#油)龙门宽度720mm轴向电机连接方式直联气压0.6Mpa机器重量2000kg机器外形尺寸160016002000mm电源AC380V/3PH,50Hz总功率6KW定梁式数控雕铣机结构设计51.5 本章小结本章小结本章主要介绍了雕铣机的概念以及与雕刻机，加工中心等的区别，雕铣机的应用前景以及国内外雕铣机发展的趋势，紧接着介绍了两种典型的雕铣机以及它们的主要参数。无锡太湖学院学士学位论文62 数控雕铣机总体方案设计数控雕铣机总体方案设计2.1 机床总体结构设计机床总体结构设计现在流行的雕铣机工作台主要有两种，第一种是刀具作X方向和Z方向的移动即定梁式结构。第二种则工作台作X，Y方向的移动，而刀具只作Z方向的移动即动梁式结构。理论设计上，数控模具雕铣机总体结构布局如图2.1和2.2所示。1-Y 轴工作台（整体式），2-主轴组建，3-主轴冷却泵及冷却液泵站，4-立柱，5-X-Z 轴二维工作台（横梁），6-操作及控制图 2.1 定梁式数控雕铣机布局设计图1-床身，2-Y 轴工作台，3-横梁，4-拖板，5-电主轴，6-刀具，7-工作台图 2.2 动梁式数控雕铣机布局设计图定梁式数控雕铣机结构设计7结构1的优点是制作容易，结构稳定。但由于工件随工作台移动，所以不能加工太重的工件，而且雕刻机尺寸不能太大。结构2虽然制作也较容易，然而稳定性要比结构1差很多。由于本次设计对机械部件结构的要求就是要小而轻便，加工工件的质量也是比较轻，因此选用结构1。本设计中，数控雕铣机选用龙门式定梁式结构。该结构具有良好的刚性和对称性，一直是高速切削设备的首选结构。为克服不良力矩的问题，从整体布置保证机床的刚性，采用较宽的立柱和横梁，尽量加宽了 X、Y、Z 三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，尽量加粗导轨和丝杆5。在该结构中，在保证整个系统的机械刚性的前提下，为了简化设计的结构和缩短产品的设计和制造的周期，其主体框架采用铝合金制造，减轻整机重量，防护件用塑料件制造，用标准的紧固件和定位销连接6。本机床整体式床身底座采用铸铁铸造而成，因为铸铁具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，采用箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对 Y 轴工作台和两立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。为了加强刚性，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。2.2 主运动方案设计主运动方案设计主轴的传动方式主要有齿轮传动、带传动、电动机直接传动等。主轴传动方式的选择主要决定于主轴的转速、所传递的转矩、对于平稳性的要求以及结构紧凑、装卸维修方便等要求7。（1）齿轮传动，特点：结构简单、紧凑，能传递较大的转矩，能适应变转速、变载荷工作，应用最广。缺点：线速度不能过高，通常小于 12m/s，不如带传动平稳。（2）带传动，特别适用于中心距较大的两轴间传动，传动平稳，噪声小，适宜高速传动。带传动在过载时会打滑，不能用在速比要求准确的场合。同齿形带传动的优点：无相对滑动，传动比准确，传动精度高；不需要润滑，耐水、耐腐蚀，能在高温下工作，维护保养方便；传动比大，可达 1:10 以上。缺点：制造工艺复杂，安装条件要求求高。（3）电动机直接驱动，而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。可将主轴与电动机制成一体，使用电主轴可以减少带轮传动和齿轮传动，有效的提高了主轴部件的刚度，简化机床设计，易于实现主轴定位，其缺点是温升和散热问题。目前，随着电气传动技术的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。用电动机通过带轮或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，由此产生的振动等，势必影响高速加工的精度、加工表面粗糙度，而产生的噪声导致环境质量的恶化，将电动机内置，省掉齿轮、带轮等一系列中间环节，将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率、从而提高了其临界转速值。由于没有中间传动环节的传动冲击等外力作用，主轴高速运行更为平稳，使得主轴轴承的使用寿命相应得到延长。电主轴与传统的主轴传动系统相比有结构简单、紧凑等优点，这样便于把它用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床上8。无锡太湖学院学士学位论文82.3 进给运动方案设计进给运动方案设计2.3.1 数控机床进给传动系统的基本形式数控机床进给传动系统的基本形式数控机床的进给运动可以分为两大类：（1）直线运动；（2）圆周运动。在数控机床上，实现直线进给运动主要有三种形式：1）通过丝杠（通常为滚珠丝杠或静压丝杠）螺母副，将电动机的旋转运动变为直线运动。2）通过齿轮、齿条副，将电动机的旋转运动变为直线运动。3）直接采用直线电动机进行驱动。2.3.2 以上几种传动方案的简介和比较以上几种传动方案的简介和比较（1）滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副具有传动无间隙，传动精度高且平稳的优点。在现代机床业中采用较多，但是在 Z 向进给运动中有不能自锁的缺点3。（2）静压丝杠螺母副静压丝杠螺母副是通过油压在丝杠和螺母接触面之间，产生一层保持一定厚度，且具有一定刚度的压力油膜，使丝杠和螺母由边界摩擦变为液体摩擦。静压丝杠螺母的优点是：摩擦系数很小，其起动力矩很小，传动灵敏，避免了爬行。油膜可以吸振，提高了运动的平稳性。机床的加工精度和光洁度高。缺点是：静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对油的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。（3）齿轮齿条副大型数控机床不宜采用丝杠传动，因为制造长丝杠成本较大，而且容易下垂弯曲，影响传动精度；同时也降低了扭转刚度与轴向刚度。如果加大丝杠直径，则转动惯量增大，不易保证伺服系统的动态特性，故常用齿轮齿条副。齿轮齿条副传动用于行程较长的大型机床上，可以得到较大的传动比，进行高速直线运动，刚度及机械效率也高。但其传动不够平稳，传动精度不高，而且还不能自锁。采用齿轮齿条副传动时，必须采取措施消除齿侧间隙，当传动负载小时，也可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙。当传动负载大时，可采用双厚齿轮传动结构。（4）直线电动机驱动采用直线电动机驱动具有以下优点：不需要丝杠、齿轮齿条等转换装置即能直接实现直线运动，因此，它大大简化了进给系统结构，提高了传动效率。旋转电动机无法避免必须通过丝杠、齿条转换成直线运动等转换机构，降低了传动环节对精度、刚度、快速性和稳定性的影响直线电动机的缺点：主要表现在起动推力受电源电压的影响较大，故对驱动器的要求较高，应采用措施保证或改变电动机的有关特性来减少或消除这种影响直线电动机的效率和功率因数要低由于电动机直接和导轨、工作台做成一体，必须采取措施以防止磁力和热变形对加工的影响综上所述，本次进给机构采用滚珠丝杠副作为传动系统。定梁式数控雕铣机结构设计92.4 本次设计主要技术参数本次设计主要技术参数如表 2-1 所示：表 2-1 定梁式数控雕铣机主要技术参数序号项目参数单位1工作台尺寸（X/Y）500*480mm2最大行程（X/Y/Z）400*400*150mm3最大工件尺寸（X/Y/Z）460*600*200mm4最大刀具直径（ER20）13mm5最大进给速度6m/min6主轴电机功率3kW7主轴电机转速范围1500-24000n/min8分辨率0.001mm /p9定位精度0.008mm10重复定位精度0.005mm11外型尺寸1500*1200*1800mm12机器净重1400kg13电源电压AC380V5V14机器总功率5kW15机器轴联动数3轴16龙门宽度650mm17装料高度170mm2.5 本章小结本章小结本章主要是总体方案的设计比较和选择，首先对龙门定梁式结构和龙门动梁式结构这两种总体结构方案进行分析和比较，最后确定龙门定梁式结构，以及提高雕铣机的刚度和稳定性的措施。对主运动设计方案分析比较，最后决定采用电主轴的形式，对进给运动设计方案的比较分析，确定采用伺服电机和滚珠丝杠副将旋转运动变成直线运动的形式的方案。最后确定雕铣机的技术参数。无锡太湖学院学士学位论文103 主轴部件设计主轴部件设计主轴部件是机床的重要部件之一。作为机床的执行件，它的功能是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成形运动。数控机床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也应适中。要满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支承（轴承）、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的7。3.1 电主轴的基本结构电主轴的基本结构高速电主轴要获得好的动态性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计和制造。电主轴基本结构原理如图 3.1 所示。图 3.1 电主轴的结构原理图电主轴转速的实现是通过变频器改变电动机电源频率来控制电主轴的转速，把主轴的转速从 1500 至 24000r/min，实现无级转速。变频器是通过电脑给的信息，发出一种脉冲，通过脉冲来实现 1500 至 24000r/min 的不同转速8。其变频器的工作原理是： s)/p60f(1n （3.1）式中：n 为异步电动机的转速；f 为异步电动机的频率；s 为电动机转差率；p 为电动机极对数。由公式（3.1）可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机转速，当频率 f 在 050Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。3.2 主轴系统的计算主轴系统的计算主轴系统主要由三部分组成：3KW 主轴安装座、滑块及拖板。根据图纸分别计算定梁式数控雕铣机结构设计113KW 主轴安装座、滑块和拖板的体积 V 及其重力 G。查表 1-812，可知灰铸铁的密度 HT250=7.0 103(kg/m3) ,工业用铝合金的密度铝合金=2.7103(kg/m3)； 3kW 主轴安装座的体积 V1及重力 G1计算：V1=(268155200-502200-20.54040200-212554200)10-93.7210-3m3G1=m1g=铝合金 V1g （3.2）=2.71033.7210-39.898.43N滑块体积 V2及重力 G2计算：V2=(27096730-16081246-12981570-24048570-2973157)10-97.2510-3m3G2=m2g= V2g250HT=7.01037.2510-39.8=493.75N （3.3）拖板体积 V3及重力 G3计算：V3=(24227505+4907212-1802006-702554-1208642)10-93.2410-3m3G3=m3g= V3g 250HT（3.4）=7.0 1033.2410-39.8222.26N表 3-1 主轴系统的重力计算值计算项计算值3KW 主轴安装座98.43N滑块493.75N拖板222.26N数控雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力 Fc 计算：数控雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材，查表4，选用公式： Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap （3.5）式（5-1）中 CF：切削系数。查表 30204 取 CF=669KF：修正系数。查表 30214 取 CF=1.08ae：铣削宽度。查表 30354 取 ae=1.6mmaf：每齿进给量。查表 30354 取 af =0.1mm 无锡太湖学院学士学位论文12d0：铣刀直径。查表 30354 取 d0 =6mm Z：铣刀齿数。查表 30354 取 Z =6 ap：铣削深度。查表 30354 取 ap=0.5mm 代入式（5-1）得： Fc=6691.081.60.860.10.726-0.8660.5 132.53N垂直分力 Fz、横向分力 Fx，纵向分力 Fy 计算：根据表 8-67，各铣削分力的比值可得：；； 85. 0xcFF77. 0ycFF38. 0zcFF计算可得： =112.65N； =102.05N ； =50.36N；FxFyFz表 3-2 主轴铣削力相关计算值计算项计算值主铣削力 Fc132.53N横向分力 Fx112.65N纵向分力 Fy102.05N垂直分力 Fz50.36N3.3 主轴设计主轴设计主轴前、后轴颈的设计:查金属切削机床手册下册图 4-289得：前轴颈： mmD501后轴颈： mmDD4874. 012主轴内孔直径：根据d5 . 0Dd 有 mmDDDd225 . 02)(5 . 021主轴前端悬伸量：a ，取 1.15 . 16 . 01D故有mmD551 . 11主轴跨距：按有关计算公式： mmNDKA/1087. 5170054 . 11取，即 1.4ABKKmmNKB/102 . 45454444105 . 464)2856(64)(mmdDI计算综合变量：定梁式数控雕铣机结构设计1347. 0551087. 5105 . 410235553aKEIA522 10/EN mm确定最佳跨距：查金属切削机床图 4-31，在横坐标上找的点向上作垂直线与的46. 01.4ABKK斜直线相交得4 . 20aL 148.5mm1.125184.4L5 . 175. 0132774 . 24 . 200）（合理LmmaL取 L=300mm3.4 轴承选用及寿命校验轴承选用及寿命校验主轴前端用双列短圆柱滚子轴承，查机械设计手册表 12-27选型号为 NU208 GB/T283-1994 后端用角接触球轴承，才用背靠背，查机械设计手册表 12-27选型号 7210C/DB GB/T292-19943.4.1 轴承受力分析轴承受力分析轴承受力如图 3.2 所示。图 3.2 受力示意图Q切削时，主轴所受的径向力，151.93 N受力分析可得： 54.4293.15147.19447.194250)70250(93.151QFFFABA3.4.2 轴承寿命检验轴承寿命检验主轴前端采用双列短圆柱滚子轴承 NU208 GB/T285-1994，只承受径向力，额定动载荷为 76600N7轴承所受的当量动载荷rP 根据rpPf P 式中：ppff 载荷系数，取1. 5故NP7 .29147.1945 . 1 轴承寿命 L 无锡太湖学院学士学位论文14 根据16667rrCLnP（）式中：基本额定动载荷，76600NrC主轴转速，取 3000r/minn 轴承寿命指数，滚子轴承103故安全。hhL150001021. 57 .291766003000166677310主轴后端支承是采用角接触球轴承 7210C /DB GB/T292-1994 轴承的轴向派生力，如图 3.3sF图 3.3 派生力受力图径向载荷 =151.93NRFRF 轴向载荷 aFNFa39.44336.5075.493由图 3.3 可知，轴向派生力 37.8985. 0293.15111saFF由图分析，轴承 1 被放松，所以它的轴向负载即为派生轴向力37.8985. 0293.15111saFF即轴承 2 被压紧，所受的轴向负载=532.762aF每个轴承的当量动载荷rP因为 eFFra01. 7293.15176.53222故取 x=0.72，y=1.63有： 88.1257)32.49063. 1235.10972. 0(5 . 1)(222arpryFxFfP定梁式数控雕铣机结构设计15又因为 1164.321.1760.56109.352aRFeF故取 x=0.72，y=1.63有： 31.216)32.6463. 1235.10972. 0(5 . 1)(111arpryFxFfP 3.4.3 轴承的寿命轴承的寿命 L根据16667rrCLnP（）式中：基本额定动载荷，rC43.92 10 N 当量动载荷Pr 轴承寿命指数，球轴承=3 n主轴转速，3000r/min轴承 1 寿命：hhL1500092.126021)6 .13841092. 3(300016667341轴承 2 寿命：hhL150001022. 4)55.3001092. 3(30001666773424316667 3.92 102000216.312轴承2寿命：L（） 74.96 1015000hh轴承 1、2 都安全3.5 电主轴的冷却与润滑及安装电主轴的冷却与润滑及安装电主轴不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。本机床电主轴采用水冷却，对电主轴的外壁通以循环冷却剂其冷却装置配置在机床的后部。电主轴的润滑方式有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式，可以根据不同情况下的需要任选其一。当采用油雾润滑、油气润滑时，一般其相应的速度相对脂润滑要高。因本机床主轴要求的最高转速相对较低(最高转速为 24000rmin)，故采用脂润滑5。3KW电主轴安装座的3维造型如图3.4所示无锡太湖学院学士学位论文16图3.4 3KW电主轴安装座的3D建模在电主轴系统上的安装如图3.5所示，通过三个M10内六角圆柱头螺钉将电主轴锁紧，这种锁紧方式，夹紧可靠，操作简单。为了起到方便拆卸的作用，在两个M10内六角圆柱头锁紧螺钉之间，分别打两个M10的螺纹孔。其作用是在拆卸的时候，通过拧入M10的内六角圆柱头螺钉，将距离为2mm的安装间隙扩大。 1电主轴；23kW主轴安装座；3M10内六角螺钉3；4Z向滑座；5Z向拖板；6M10螺纹孔图3.5 电主轴安装图3.6 本章小结本章小结本章主要是主轴部件的设计，包括了电主轴主轴的设计，电主轴轴承支承的选择，冷却润滑方式的选择，安装方式的设计。主要计算了主轴系统的重力，铣削力，主轴的尺寸计算，主轴轴承寿命的计算和校核。定梁式数控雕铣机结构设计174 Z 向进给传动设计计算向进给传动设计计算在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和定位精度以及工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需足够的刚度，不爬行，运动平稳，灵敏度高的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，数控雕铣机Z向进给系统采用伺服电机，内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，Z轴方向上采用高精度直线导轨10。4.1 滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副的选择滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件。本机床Z向进给方向的滚珠丝杠副的精度等级为4级。4级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。本机床经设计计算后选定Z轴滚珠丝杠的公称直径为25mm，导程为5mm11。滚珠丝杠副的选择计算：（1）确定滚珠丝杠副的导程 Ph9 Ph = maxmaxniv（4.1）Ph：滚珠丝杠副的导程 mmvmax：工作台最高移动速度 m/minnmax：电机最高转速 r/mini：传动比因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比 i=1根据表 2-110的技术参数可知，v max =5m/min ；根据电动机功率为 400W，查得10 nmax =3000r/min代入式（4.1）得： Ph = 300015=1.67mm根据表 1 11选择导程为 5mm 的滚珠丝杠副（2）确定当量转速与当量载荷无锡太湖学院学士学位论文18当量转速9nm = 2minmaxnn（4.2）nm：当量转速 r/minnmax：滚珠丝杠副的最高转速。传动比 i=1，电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以 nmax =3000r/minnmin：滚珠丝杠副的最低转速。nmin =0代入式（4.2）得：nm =1500r/min300002当量载荷 Fm = 32minmaxFF（4.3）Fm：当量载荷 N；Fmax：机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力。Fmax= G1+G2+G电主轴+=690.18+0.1102.05=700.385N。FyFmin：机器空载时滚珠丝杠副的传动力。Fmin=G1+G2+G电主轴=（98.43+493.75+98）N=690.18N代入式（4.3）得： Fm=318.690385.7002 696.98N（3）确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间 Lh（小时）计算： Cam = （N） 360hmLncawmfffF100（4.4） Cam：预期额定动载荷 NLh：预期工作时间。查表-6 10 取 Lh=20000h。 fa：精度系数。根据初定的精度等级 P4，查表-7 10 取 fa=0.9。 fc：可靠性系数。一般情况下为 fc=1fw：负荷系数。根据负荷性质选择，查表-912取 fw=1。代入式（4.4）得：Cam=32000015006019 . 0100198.696 9420.43N按最大载荷 Fmax计算 Cam=feFmax 定梁式数控雕铣机结构设计19（4.5）fe：预加负荷系数。查表-1012 取 fe=4.5代入式（4.5）得： Cam =4.5696.98=3136.425N取以上 2 种结果的最大值 Cam =9420.43N（4）按精度要求确定最小螺纹底径 d2m滚珠丝杠的最大允许轴向变形量 mm （）重复定位精度3141m （）定位精度4151m：最大轴向变形量 m由表（2-1）可知，重复定位精度为 0.005mm，定位精度为 0.01mmm=1.25m m=2m取两种结果的小值 m=1.25m估算滚珠丝杠副的底径 d2m丝杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式 d2m210=0.078 ELFm010mLF0（4.6）d2m：最小螺纹底径 mmE：杨氏弹性模量。E=2.1105N/mm2m：m=1.25m F0：导轨静摩擦力（N）F0 =0W（0为静摩擦系数）。根据表-1013查得 0=0.2；W =G1+G2+G电主轴=690.18N F0 =0W =0.2690.18=138N L 为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离（mm）L 行程+安全行程+两个余程+螺母长度+一个支承长度（1.11.2）行程 + (1014) Ph由表（2-1）：Z 向最大行程为 150mmL 1.2150 + 145 =250mm代入式（4.6）得： d2m0.07825. 1250138 =12.96mm（5）确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式以及使用情况，选择法兰式双螺母内循环形式；由计算出的 Ph、Cam、d2m，可选择相应规格的滚珠丝杠副：无锡太湖学院学士学位论文20 FFZD2505-3Ph =5Ca =10200NCam =9420Nd2 =21.9mmd2m =12.96mm（6）确定滚珠丝杠副预紧力 Fp = Fmax 13（4.7）其中 Fmax=696.98N Fp232.3N（7）行程补偿值与预拉伸力行程补偿值： C=12.96tLu10-6 （4.8）其中，C：行程补偿值 m t：温度变化值 2-3,取 t=2.4 Lu：滚珠丝杠副的有效行程(mm)Lu工作台行程+ 螺母长度+两个安全行程行程 + (814)Ph = 150 + 125 = 210mm代入式（4.8）得：C =12.962.521010310-6 6.8m预拉伸力： Ft =1.95td22 LIAE（4.9） =1.952.421.92 2244.57N（8）确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格轴承所承受的最大轴向载荷 FBmax = Ft + Fmax （4.10） = 2244.57+ 696.98 =2941.55N轴承类型一端固定，一端游动的支承形式，选面对面（DF）角接触球轴承轴承内径： d 略小于 d2=21.9 ，FBP =FBmax31 取 d =20mm 代入得：定梁式数控雕铣机结构设计21 FBP =2941.55=980.5N31轴承预紧力：预加负荷FBP =980.5N选择轴承型号规格当 d =20mm,预加负荷FBP =980.5N 所以选择 7204AC 型轴承（9）滚珠丝杠副工作长度丝杠螺纹长度：Ls= Lu + 2Le （4.11）由表-210 查得余程 Le=20代入式（4.11）得： Ls= 210+220=250（10）传动系统刚度丝杠最小抗压刚度： Ksmin =1.65102 122Ld（4.12） Ksmin：最小抗压刚度 N/md2：丝杠底径L1：固定支承距离。375250025021LLLs代入式（4.12）得： Ksmin =1.65102=211N/m3759 .212丝杠最大抗压刚度： Ksmax=1.65102 )(4010122LLLLd（4.13）Ksmax：最大抗压刚度L0：行程起点离固定支承距离，查表-1410，其滚珠螺母的全长为 84mm，取 L075mm Ksmax=1.65102)75375(7543759 .212 =330N/m（11）验算压杆稳定性丝杠所受最大轴向载荷 Fmax小于丝杠预拉伸力 Ft（12）滚珠丝杠副的极限转速 nc的校验无锡太湖学院学士学位论文22 nc =107 f222cLd（4.14） nc：临界转速f：与支撑形式有关的系数，查表-1410，取 f=21 Lc2：临界转速计算长度（mm），Lc2= L1- L0=300mm 代入式（4.14）得：nc =21107 230021=49000nmax =3000 合格（13）Dn值校验 Dn =DPWnm70000 （4.15）其中，DPW：滚珠丝杠副的节圆直径（mm） DPW d2 + DW DW：刚球直径，查表-1410可得 DW=3.5mm DPW 21.9+3.5=25.4 代入式（4.15）得： Dn =DPWnm =25.41500=3810070000 合格（14）基本轴向额定静载荷 Coa验算 fsFamaxCoa （4.16）式中： Coa：滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N）。查表-1510，可得 Coa =23600N fs：静态安全系数。一般载荷 fs=12，有冲击或振动的载荷 fs=23 Famax：轴向最大载荷（N） fsFamax=1.6696.9 8=1115.16 23600 校验合格（15）强度验算 Fadmax2241（4.17）式中：许用应力（N/mm2）。根据滚珠丝杠材料 OCr13，查21，可知=390 MPa 代入式（4.17）得：=146907N；2241d29 .2141390Fmax =696.98N定梁式数控雕铣机结构设计23显然Famax ，强度满足。 2241d表 4-1 滚珠丝杠副选择的主要计算值计算项计算值滚珠丝杠副的导程Ph=5mm当量转速nm=1500r/min当量载荷Fm=696.98N预期额定动载荷Cam=696.98N最小螺纹直径D2m12.96mm滚珠丝杠副预紧力Fp=233N行程补偿值C=6.8m预拉伸力Ft=232N丝杠长度L=442mm丝杠最小抗压刚度Ksmin=211N/m丝杠最大抗压刚度Ksmax=330N/m极限转速nc=49000 n/min基本轴向额定静载荷Coa =23600N4.2 Z 向进给伺服电机功率的计算及选择向进给伺服电机功率的计算及选择（1）建立计算模型，如图 4.1、4.2 所示图 4.1 计算模型三维结构示意图计算模型无锡太湖学院学士学位论文24图 4.2 计算模型二维示意图（2）加减速时间计算进给速度： =2m/minv进给时间：=4.6smt行程：l=150mm加速时间： (s)at减速时间： (s)dt图 4.3 速度变化曲线当 ta= td时，图 4.3 速度变化曲线 )(60)2222(60)22(60)2121(60amdadcadcadcattvtttttvtttvtttvl 代入已知条件得： sttaa1 . 0)6 . 4(60215. 0（3）换算到电机轴负载惯量的计算滚珠丝杠的惯量： 62108DMJBB（4.18）其中，：滚珠丝杠重量。BM LDVMB42（4.19）L：滚珠丝杠直径。由表 4-3，L=0.5m D：滚珠丝杠直径。查6表 P3810，可知 D=20mm代入式（4.19）得： kgMB9 . 15 . 04025. 0108 . 723代入式（4.18）得：定梁式数控雕铣机结构设计25 )(105 . 9108209 . 12562mkgJB负载的惯量 BWJMJ6210)2(（4.20）其中，M：负载质量。M=（10.044+10+50.75）kg70.8kg P：滚珠丝杠导程。P=5mm 代入式（4.20）得 )(104 . 1105 . 910)25(8 .7024562mkgJJWW换算到电机轴负载惯量 212)(JJJiJWL（4.21）其中，i：减速比。因无减速器，所以 i=1 J1、J2：中间机构的惯量。应没有采用减速机构，因此 J1= J2=0 代入得 )(104 . 124mkgJJWL（4）负载转矩的计算对外力的转矩 3102PMgTW（4.22）其中，M：外作用力。M=（10.044+10+50.75）kg70.8kg P：滚珠丝杠导程。P=5mm 代入式（4.22）得： 55. 010258 . 908. 73wT换算到电机轴负载转矩： WLTiT（4.23）：效率。电机与丝杠采用弹性联轴器连接，其 =0.98（5）旋转数的计算 56. 055. 098. 01LT iPvNM1 无锡太湖学院学士学位论文26（4.24）NM：电机所需转速（r/min） v：进给速度（m/min）。已知 v=2 m/min P：滚珠丝杠导程。P =5mm i：减速比。因无减速结构，所以 i =1代入得： min/400005. 02rNM（6）电机的初步选定15 定电机的转子惯量为负载的 1/30 以上的电机 )(1066. 430104 . 130264mkgJJLM初步选台达 ASMT L250，规格：低惯量 400W。额定转速 N：3000（r/min）额定转矩：1.27（Nm）WT瞬时转矩 T：3.82（Nm）电动机惯量 JM：)(1034. 024mkg选定电机的额定转矩0.8 比换算到电机轴负载转矩大的电机 ASMT L250 的额定转矩 )(27. 1mNTW )(56. 08 . 0)(27. 1mNTmNTLW（7）加减速转矩的计算 )(07. 0)98. 0104 . 11034. 0(1 . 0604002)(60244mNJJtNTLMaMA（4.25）（8）瞬时最大转矩、有效力矩的计算必要的瞬时最大转矩为 T1：T1=TA+TL=（0.07+0.56）=0.63mN mN T2=TL=0.56 mN T3=TL-TA=0.49mN 有效转矩 Trms： )(56. 06 . 41 . 049. 04 . 456. 01 . 063. 0222232221mNttTtTtTTmdcarms（4.26）（9）校验定梁式数控雕铣机结构设计27负载惯量：（适用的惯量比=30 ）)(104 . 124mkgJL)(1034. 024mkgJM所以条件满足有效转矩：0.8)(56. 0mNTrms)(27. 1mNTW 所以条件满足瞬时最大转矩：T1=0.63T=3.820.8mN mN 所以条件满足最大转数N=3000(r/min)min/400rNM 所以条件满足经校验，所选电机符合要求。表 4-2 伺服电机主要计算计算项计算值负载惯量JL=1.4010-4kgm2负载转矩TL=0.56Nm有效转矩Trms=0.56Nm瞬时最大转矩T1=0.63 Nm最大转速NM=400r/min4.3 滚珠丝杠的支承结构及制动装置滚珠丝杠的支承结构及制动装置目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。其组合形式有背靠背组配（DB方式）、面对面组配（DF方式）、串联组配（DT方式）。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用DF组配方式滚珠丝杠副支承方式通常有以下几种：（1）丝杠两端均固定。这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。（2）丝杠一端固定，另一端支承。可以避免或减少丝杠因自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。（3）丝杠一端固定，另一端自由。这种支承方式用于行程小的短丝杠。数控雕铣机的Z向滚珠丝杠副的支承结构采用丝杠一端固定，另一端支承。因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠发热产生热变形。如果丝杠两端都进行固定预紧，虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直线度，影响机床的精度16。由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆无锡太湖学院学士学位论文28传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。雕铣机采用拉伸弹簧和伺服电机的制动来作为滚珠丝杠副的制动装置。Z向伺服电机经连轴器带动Z轴丝杠，实现Z向工作台的升降。防止Z向工作台及其主轴组件由于自重而产生逆传动的关键部件是Z向弹簧拉板装置（由弹簧拉板、拉伸弹簧、M8内六角圆柱头螺钉等组成）和伺服电机的制动器。当工作台上升时，拉伸弹簧无逆止作用，伺服电机带动滚珠丝杠转动从而带动工作台向上运动。当伺服电机停止转动时（电机带制动），工作台及其主轴组件由于自重而要下滑，这时，Z向弹簧拉板装置对工作台及其主轴组件自重的反作用力和伺服电机的制动作用，阻碍其下滑的运动，从而防止了逆传动。这种结构的特点结构简单17。4.4 联轴器的类型和选择联轴器的类型和选择联轴器是机械传动中常用的部件，其主要用来连接轴与轴，以传递运动和转矩。根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。挠性联轴器又可按是否有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器。选择一种合用的联轴器类型可以考虑所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减振的要求, 联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小，两轴相对位移的大小和方向，联轴器的可靠性和工作环境联轴器的制造、安装、维护和成本等几点。在数控雕铣机床中，Z 轴采用非金属弹性元件联轴器，把伺服电机和滚珠丝杠联结起来。带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用，此外非金属弹性元件联轴器能保证伺服电机与丝杠的同轴度，即使伺服电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，也可通过非金属弹性元件连轴器来调节。同时能够补偿丝杠与电动机的相对位移，非金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高机床的抗震性。弹性联轴器的装卸也非常方便。4.5 Z 向导轨向导轨导轨的功用是承受载荷和导向、导轨应满足如下要求：精度高承载力大刚度好摩擦阻力小运动平稳结构简单导向精度高等，直线运动导轨的截面形状主要有四种：矩形三角形燕尾形和圆柱形，矩形导轨具有承载能力大刚度高制造简便，因数控雕铣机床要求有良好的灵活性以满足机床的高速雕刻要求，本机床Z轴方向上采用艾必希SBG 25 FL型高精度直线导轨。直线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平安装，也可以垂直或倾斜安装。为保证两条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨。其安装形式有单导轨定位和双导轨定位，数控雕铣机床X、Y、Z三轴方向上均采用双导轨定位，数控雕铣机床直线导轨的安装结构如图4.4所示17。定梁式数控雕铣机结构设计29图4.4 直线导轨的安装结构对Z向工作台，导轨2和4均采用台肩定位，基准侧导轨2用内六角圆柱头螺钉顶紧定位，使基准导轨的基准侧面紧贴滑座的的侧基面（台肩）；非基准侧的导轨6在用螺钉顶紧定位时，侧面只需轻靠在定位台肩上，不能顶紧，以避免因过定位影响运行的灵活性和精度。基准侧滑块座和非基准侧滑块座的安装均采用螺钉顶紧定位，使滑块座的基准侧面紧靠在拖板3的基准面上。这种双导轨定位方式，能有效抵抗高速加工时的振动和冲击，且安装调整简单方便。4.6 本章小结本章小结本章主要是 Z 向进给运动的设计，采用了伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠将旋转运动变成滑块沿着 Z 轴做往复的上下运动的方案。设计主要包括了伺服电机的选型和校核，滚珠丝杠的设计和校核，滚珠丝杠的制动装置的设计，联轴器的选用。无锡太湖学院学士学位论文305 X 向进给运动计算向进给运动计算5.1 滚珠丝杠的选型与校核滚珠丝杠的选型与校核5.1.1 计算丝杠最大动载荷计算丝杠最大动载荷滚珠丝杠的直径，滚珠的列数和圈数，应按当量动载荷选择。丝杠的最大载荷，为切削时的最大进给摩擦力。最大进给力设定=550N。作为粗fF略的估计，最大切削力取为=2=1100N cFfF（5.1）最大背向力 =275N PF2fF（5.2）所以丝杠的最大载荷为=+=1.1 550+0.04 1100+275+690.18= 687.6 N maxFkfFf (cFPFG)（5.3）丝杠的最小载荷为摩擦力 =0.04 690.18 9.8=270.6N minFfG（5.4）平均载荷为 = =319.4 N maxmin23mFFF36 .2706 .6872（5.5）最大进给时，丝杠的转速定为 500 R/MIN；最小进给时，定为 1 R/MIN ，故平均转速 =250.5 r/min avn21500（5.6）丝杠的平均工作寿命取为 15000H。=1，=1.5。afwfL=225h 66010avn h610150005 .25060610（5.7）得当量动载荷 =29134N mC（5.8）5.1.2 滚珠丝杠螺母副的选型滚珠丝杠螺母副的选型查滚珠丝杠样本，选择型外循环单螺母滚珠丝杠副。额定动载荷=6100 N。12004WaC，符合要求。丝杠=20mm，d=19.6mm，导程 4 mm，钢球直径 2.381mm，每个aCmC0D螺母滚珠有 3 列。预加载荷/4，即1525N，远大于最大载荷的 1/3。丝杠副精度为 P1 级aC11。定梁式数控雕铣机结构设计315.1.3 传动效率计算传动效率计算 =0.96 ,tantan3 39tantan(3 3910 )（5.9）5.1.4 刚度计算刚度计算画出此 X 向进给丝杠支承方式草图如图 5.1 所示：图 5.1 X 向进给丝杠支承方式草图最大牵引力为 718 N，支承间距 L=530MM，丝杠螺母及左端（实际是右端）两个轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1根据=319.4 N，=20mm，得 /L=1，可算出mF0DL510 = 153530(1 10530)5.3 10LmmmmL（5.10）由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4倍，其实际变形量（mm）为：=1.325mm 1141310（5.11）（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形2W 系列 1 列 2.5 圈滚珠，螺旋滚道接触变形 =3.8，因进行了预紧，所以Qm=3.8=1.9 212Q12mm（5.12）（3）滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用角接触球轴承，=15mm，滚动体直径=7.68mm，滚动体数量 z=12，1dQd mmzdFQmc004. 01276871800052. 000052. 0322322（5.13）因施加预紧力，故=0.0040mm=0.0020mm 312c12（5.14）根据以上计算，得：无锡太湖学院学士学位论文32 =0.001325+0.0019+0.0020=0.005225mm 123（5.15）可见总变形量小于定位精度。 5.1.5 稳定性校核稳定性校核产生失稳的临界负载13可用下式计算：kF=25613.07 N 22722222.06 101.96453zkfEIFl（5.16）此时稳定性安全系数 25613.0736.67718kKKmFnnF（5.17）可见该丝杠稳定性满足要求。5.2 电动机的计算与选型电动机的计算与选型5.2.1 初选步进电动机初选步进电动机（1）计算步进电动机负载转矩11mT 3636 0.01 71858.97220.75 0.99 0.94pmmbFTN cm （5.18）（2）估计步进电动机起动转矩qT 58.97196.60.3 0.50.3mqTTN cm（5.19）（3）计算最大静转矩maxjT如取五相十拍，则 max206.70.951qjTTN cm（5.20）（4）计算步进电动机运行频率和最高起动频率efkf 10001000 0.4666.76060 0.01sepvfHz（5.21） max10001000 1.62666.76060 0.01kpvfHz（5.22）（5）初选步进电动机型号定梁式数控雕铣机结构设计33根据估算出的最大静转矩查得 90BF004 最大静转矩为 245，可以满maxjTN cmmaxjT足要求。5.2.2 校核步进电动机转矩校核步进电动机转矩前面所述为初选步进电动机的转矩计算，均为估算。初选之后，应该进行校核计算。（1）等效转矩惯量计算传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量可由下式计算： J 202MsLGJJJg（5.23）参考同类型机床，初选步进电动机 90BF004，其转子转动惯量=1.764 ，MJ2kg cm 34220.78 102490.61152sJkg cmkg cm（5.24）代入上式，得202MsLGJJJg23000.41.7640.611529.82=2.4497 2kg cm（5.25）考虑步进电动机与传动系统惯量匹配问题。 /=1.764/2.4997=0.706 MJJ（5.

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