定梁式数控雕铣机结构设计【优秀毕业论文 答辩通过】

需要购买对应 纸 咨询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 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 无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 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 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 外壳就是通过数控雕铣机直接加工出来的。 数 控雕铣机 (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。 、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 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 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， 3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 of up of NC of of NC a NC be to a s is of s of on NC of of to of In of of of a kW in of of of of of of Z of V 目 录 摘 要 . . 录 . V 1 绪 论 . 1 控雕铣 机的概述 . 1 控雕铣机和数控铣床及加工中心的比较 . 1 铣机与雕刻机的比较 . 2 内数控雕铣机的发展和 现状 . 3 章小结 . 6 2 数控雕铣机总体方案设计 . 7 床总体结构设计 . 7 运动方案设计 . 8 给运动方案设计 . 9 控机床进给传动系统的基本形式 . 9 上几种传动方案的简介和比较 . 9 次设计主要技术参数 . 10 章小结 . 10 3 主轴部件设计 . 11 主轴的基本结构 . 11 轴系统的计算 . 11 轴设计 . 13 承选用及寿命校验 . 14 承受力分析 . 14 承寿命检验 . 14 承的寿命 L . 16 主轴的冷却与润滑及安装 . 16 章小结 . 17 4 Z 向进给传动设计计算 . 18 珠丝杠副的选择 . 18 向进给伺服电机功率的计算及选择 . 23 珠丝杠的支承结构及制动装置 . 27 轴器的类型和选择 . 28 向导轨 . 28 章小结 . 29 5 X 向进给运动计算 . 30 珠丝杠的选型与校核 . 30 算丝杠最大动载荷 . 30 珠丝杠螺母副的选型 . 30 动效率计算 . 30 度计算 . 30 定性校核 . 31 动机的计算与选型 . 31 选步进电动机 . 31 核步进电动机转矩 . 32 章小结 . 34 6 结 论 . 35 题研究的主要结论 . 35 望 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 附 录 . 38 定梁式 数控 雕铣机结构设计 1 1 绪 论 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 件的功能与数控铣床都有很大的差异 ， “ 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 。 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 件生成的 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。 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 （ 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 雕无锡太湖学院 学士学位论文 2 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 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 150030000右。 2）数控铣床对数控系统要求速度一般，主轴转速 08000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 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 。 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 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 13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 58材料。雕刻主轴头装有弹簧压鼻，作用是在雕刻过程中压平 3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 m， 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 200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 116刀具长度为 5080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 2030是雕刻机根本做不到的工艺制造。 定梁式 数控 雕铣机结构设计 3 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 铣机在国内有了较大的发展 4。 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 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 独领风骚 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 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 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 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 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 术、 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 示： 无锡太湖学院 学士学位论文 4 图 梁移动式数控雕铣机 主要技术参数，如表 1 表 1梁移动式数控雕铣机的主要技术参数 项 目 技 术 参 数 作台面积 96015402001540、 Y、 Z 行程 8001400500 2002000500 轴端面到工作台距离 356 85620 820门宽度 1130 620 大可通过工件高度 800 50大承载 800000轴型号 松野水冷电主轴（可选台湾产高精密主轴） 主轴功率 4轴最高转速 18000/24000轴锥孔 大快移速度 10000mm/大加工速度 6000mm/复定位精度 300位精 度 00 控系统 台湾新代 900M （ 2） 龙门式数控雕铣机 如图 示： 定梁式 数控 雕铣机结构设计 5 图 门式数控雕铣机 主要技术参数，如表 1示： 表 1门式数控雕铣机 主要技术参数 机器型号 00 程 X 轴 /Y 轴 /Z 轴 600/400/250轴端面至工作台距离 50作台尺寸 600400大承重 300 型槽宽度 12 型槽间距 63 型槽数量 4 主轴额定功率 轴转速 3000轴锥度规格 轴冷却系统 水冷 快速移动速率 10000mm/削进给速率 5控系统（标准配置） 50) 定位精度 复定位精度 滑系统 自动润滑 (32#油 ) 龙门宽度 720向电机连接方式 直联 气压 器重量 2000器外形尺寸 160016002000源 0功率 6锡太湖学院 学士学位论文 6 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。 定梁式 数控 雕铣机结构设计 7 2 数控雕铣机总体方案设计 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 方向的移动 即定梁式结构 。第二种则工作台作 X， 刀具只作 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 1工作台（整体式）， 2345二维工作台（横 梁）， 6图 梁式数控雕铣机布局设计图 1 2工作台 ， 3 4 5 6 7图 梁式数控雕铣机布局设计图 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 无锡太湖学院 学士学位论文 8 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。 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。 定梁式 数控 雕铣机结构设计 9 给运动方案设计 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。 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。 无锡太湖学院 学士学位论文 10 次设计主要技术参数 如表 2示： 表 2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*480 最大行程（ X/Y/Z） 400*400*150 最大工件尺寸（ X/Y/Z） 460*600*200 最大刀具直径（ 13 最大进给速度 6 m/ 主轴电机功率 3 主轴电机转速范围 1500n/ 分辨率 p 9 定位精度 0 重复定位精度 1 外型尺寸 1500*1200*1800 2 机器净重 1400 3 电源电压 V 14 机器总功率 5 5 机器轴联动数 3 轴 16 龙门宽度 650 7 装料高度 170 章小结 本章主要是总体方案的设计比较和选择，首先