机械毕业设计（论文）-XK712数控铣床Z轴进给部件设计【全套图纸】 .pdf

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题 目 ： xk712 数控铣床数控铣床 z 轴进给部件设计轴进给部件设计 全 套 图 纸 ， 加全 套 图 纸 ， 加 153893706 专业： 机械设计制造及其自动化（制造技术）机械设计制造及其自动化（制造技术） 班 级：学 号: 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： graduation design (thesis) xk712 cnc milling machine z- axis feed component design by supervised by department of automation engineering nanjing institute of technology may,2014 南京工程学院毕业设计说明书 摘要摘要 数控机床是一种加工功能很强的数控机床，是数控机床中的典型机床，也是 国家机械制造业中的最重要的组成部分之一。 数控铣床的加工精度也是标致着一 个国家的机械制造业水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。本文设计的是 xk712 数控铣床 z 轴进给部件,采用伺服电机与滚珠丝杆直连的传动方式。文中 包括了进给部件的计算与选用和导轨选择两大部分， 主要介绍了立式数控铣床进 给传动系统中各种传动方案优缺点的比较、传动方案的选择和确定、部件设计、 轴承的选用及其润滑、关键零件的校核等设计过程。最终能够提高传动精度，保 证运动平稳性，减少摩擦，消除爬行现象，延长其使用寿命。 关键词：关键词：数控铣床；进给；传动；伺服电机 南京工程学院毕业设计说明书 abstract cnc machine is a highly functional processing cnc machine tools, cnc machine tools in the typical machine tools, machinery manufacturing industry is one of the countrys most important component. cnc milling machining precision machinery manufacturing also marks the level of a country, and therefore the business community at home and abroad are highly valued. this design is xk712 cnc milling machine z- axis feed components, servo motor and ball screw directly connected to the transmission mode. the paper includes a calculation of feed components and the selection and choice of two major rail, introduces the vertical cnc milling machine feed drive system compares the advantages and disadvantages of various transmission schemes, selection and determine the transmission program, part design, bearing selection and lubrication, checking and other key parts of the design process. can improve the accuracy of the final drive to ensure smooth movement, reduce friction and eliminate creeping phenomenon, extending its life. key words: cnc machine; feed; transmission; servo motor 南京工程学院毕业设计说明书 - 目录目录 第一章 绪 论- 1 1.1 概述- 1 1.1.1 数控机床简介 - 1 1.1.2 数控铣床的工艺范围及分类 - 2 1.1.3 数控铣床的组成和布局 - 6 1.1.4 数控机床的特点和发展 - 8 第二章 机床总体方案设计- 12 2.1 伺服系统设计- 12 2.1.1 伺服系统的概述 - 12 2.1.2 伺服系统的特点 - 13 2.1.3 伺服系统的基本要求 - 13 2.2 传动方案确定及典型元件- 14 2.2.1 电机与滚珠丝杠的连接 - 14 2.2.2 滚珠丝杠螺母机构 - 15 2.2.3 滚珠丝杠的支承方式 - 15 2.2.4 联轴器的选择 - 17 第三章 数控铣床 z 轴进给系统设计- 17 3.1 主切削力及其切削分力计算- 18 3.2 导轨摩擦力的计算- 18 3.3 滚珠丝杠的选择- 19 3.3.1 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 - 19 3.3.2 数控铣床的工艺范围及分类 - 19 3.3.3 计算当量负载荷 cm- 19 3.3.4 选取滚珠丝杠 - 20 3.4 伺服电机的选择- 20 3.4.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量 - 20 3.4.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩 - 21 3.4.3 选择驱动电动机的型号 - 21 南京工程学院毕业设计说明书 第四章 机床导轨设计- 23 4.1 机床导轨概述- 23 4.2 机床导轨的基本要求- 24 4.3 常用机床导轨介绍- 25 4.3.1 塑料滑动导轨 - 25 4.3.2 滑动导轨 - 28 4.3.3 静压导轨 - 30 4.4 机床导轨选择- 31 第五章 总结- 32 参考文献- 34 致 谢- 35 南京工程学院毕业设计说明书 第 1 页 第一章绪论第一章绪论 1.1 概述概述 1.1.1 数控机床简介数控机床简介 数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普 通机床相比， 数控机床具有如下一些优点： 易于加工异型复杂零件； 提高生产率； 可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具 使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期 短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所 需工人数量等。 数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动 系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件， 而且要保证传递过程中有 良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用， 使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床 切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其 机械结构性能的要求却越来越高。 数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运 动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过 程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的 薄弱环节进行人为补偿， 所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得 更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数 控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床 出现了不少完全新颖的结构及元件。随着社会进步的迅速节奏，机电产品日趋精 密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现 代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机 床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型 的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自 动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品数控机床。 南京工程学院毕业设计说明书 第 2 页 数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够 逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程 序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、 运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数 控机床。数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中 心、柔性加工单元都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣 削方式。由于数控铣削工艺最复杂，需要解决的技术问题也很多，因此，人们在 研究和开发数控系统及自动编程语言的软件系统时，也一直把铣削加工作为重 点。数控铣床机械部分与普通铣床基本相同，工作台可以做横向、纵向和垂直三 个方向的运动。因此普通铣床能加工的工艺内容，数控铣床度能做到。 随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日 趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因 此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机 床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以 完成， 大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步 和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、 机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。科学技术的发 展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要 求； 超高速切削、 超精密加工等技术的应用， 对数控机床的数控系统、 伺服性能、 主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；fms 的迅速发展和 cims 的不断 成熟，又将对数控机的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更 高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完盖，数控技 术的应用颔域日益扩大。 综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造 新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。 1.1.2 数控铣床的工艺范围及分类数控铣床的工艺范围及分类 数控铣床是数控机床中最普遍、最重要也是最具代表性的种类之一。数控铣 床适合于各种箱体类和板类零件的加工。它的机械结构除基础部件外，还包括主 南京工程学院毕业设计说明书 第 3 页 传动系统和进给传动系统，实现工件回转、定位的装置和附件，实现某些部件动 作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、冷却等系统和排屑、防护等装置， 特殊功能装置，如刀具破损监视、精度检测和监控装置，为完成自动化控制功能 的各种反馈信号装置及元件。铣削加工是机械加工中最常用的加工方法之一，它 主要包括平面铣削和轮廓铣削， 也可以对零件进行钻、 扩、 铰、 锪及螺纹加工等。 数控铣床的分类可以分成以下几类： 1按主轴布置形式分类 按机床主轴的布置形式及机床的布局特点分类，可分为数控立式铣床、数控 卧式铣床和数控龙门铣床等。 （1) 立式数控铣床 一般可进行三坐标联动加工，目前三坐标数控立式铣床占大多数。如图 1-1 所示， 数控立式铣床主轴与机床工作台面垂直， 工件装夹方便， 加工时便于观察， 但不便于排屑。一般采用固定式立柱结构，工作台不升降。主轴箱做上下运动， 并通过立柱内的重锤平衡主轴箱的质量。为保证机床的刚性，主轴中心线距立柱 导轨面的距离不能太大，因此，这种结构主要用于中小尺寸的数控铣床。此外， 还有的机床主轴可以绕 x、y、z 坐标轴中其中一个或两个做数控回转运动的四坐 标和五坐标数控立式铣床。通常，机床控制的坐标轴越多，尤其是要求联动的坐 标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的就 是机床结构更加复杂，对数控系统的要求更高，编程难度更大，设备的价格也更 高。数控立式铣床也可以附加数控转盘，采用自动交换台，增加靠模装置来扩大 它的功能、加工范围及加工对象，进一步提高生产效率。 图 1-1 立式数控铣床 南京工程学院毕业设计说明书 第 4 页 (2) 卧式数控铣床 卧式数控铣床与通用卧式铣床相同，其主轴轴线平行于水平面。如图 1-2 所示，数控卧式铣床的主轴与机床工作台面平行，加工时不便于观察，但排屑顺 畅。 为了扩大加工范围和扩充功能，一般配有数控回转工作台或万能数控转盘来 实现四坐标、五坐标加工，这样不但工件侧面上的连续轮廓可以加工出来，而且 可以实现在一次安装过程中，通过转盘改变工位，进行“四面加工” 。尤其是万 能数控转盘可以把工件上各种不同的角度或空间角度的加工面摆成水平来加工， 这样可以省去很多专用夹具或专用角度的成形铣刀。 虽然卧式数控铣床在增加了 数控转盘后很容易做到对工件进行“四面加工” 。使其加工范围更加广泛。但从 制造成本上考虑，单纯的数控卧式铣床现在已比较少，而多是在配备自动换刀装 置(atc)后成为卧式加工中心。 (3) 数控龙门铣床 对于大尺寸的数控铣床，一般采用对称的双立柱结构，以保证机床的整体刚 性和强度，这就是数控龙门铣床。如图 1-3 所示，数控龙门铣床有工作台移动和 龙门架移动两种形式。主要用于大、中等尺寸，大、中等质量的各种基础大件， 板件、 盘类件、 壳体件和模具等多品种零件的加工， 工件一次装夹后可自动高效、 高精度的连续完成铣、钻、镗和铰等多种工序的加工，适用于航空、重机、机车、 造船、机床、印刷、轻纺和模具等制造行业。 图 1-2 卧式数控铣床 图 1-3 数控龙门铣床 按数控系统的功能分类，数控铣床可分为经济型数控铣床、全功能数控 铣 南京工程学院毕业设计说明书 第 5 页 床和高速数控铣床等。 （1）经济型数控铣床 经济型数控铣床一般采用经济型数控系统， 如 se.mens802s 等采用开环控 制，可以实现三坐标联动。这种数控铣床成本较低，功能简单，加工精度不高， 适用于一般复杂零件的加工，一般有工作台升降式和床身式两种类型。如图 1-4(a)所示。 （2）全功能数控铣床 全功能数控铣床采用半闭环控制或闭环控制，其数控系统功能丰富，一 般 可以实现四坐标以上的联动，加工适应性强，应用最广泛，如图 1-4(b)所示。 （3）高速数控铣床 高速铣削是数控加工的一个发展方向，技术已经比较成熟，已逐渐得到广泛 的应用。这种数控铣床采用全新的机床结构、功能部件和功能强大的数控系统， 并配以加工性能优越的刀具系统，加工时主轴转速一般在 800040000r/min， 切削进给速度可达 1030m/min，可以对大面积的曲面进行高效率、高质量的加 工，如图 1-5。但目前这种机床价格昂贵，使用成本比较高。 (a)经济型数控铣床 (b)全能型数控铣床 (c)高速型数控铣床 图 1-4 1.1.3 数控铣床的组成和布局数控铣床的组成和布局 数控铣床的组成 1数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统 南京工程学院毕业设计说明书 第 6 页 等几大部分组成： (1)主传动系统 由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴 的启动、停止等动作和转速均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具进行切 削。 (2)进给伺服系统 由伺服电动机和进给执行机构组成， 按照程序设定的进给 速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。 (3)控制系统 数控铣床运动控制的中心， 执行数控加工程序控制机床进行加 工。 (4)辅助装置 如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。 (5)机床基础件 通常是指底座、 立柱、 横梁等， 它是整个机床的基础和框架。 2主传动系统的结构 主传动系统包括主轴电动机、传动系统和主轴部件。由于主传动系统的变速 功能一般采用变频或交流伺服主轴电动机，通过同步齿形带带动主轴旋转，对于 功率较大的数控铣床， 为了实现低速大转矩， 有时加一级或二级或多级齿轮减速。 对于经济型数控铣床的主传动系统，则采用普通电动机通过 v 带、塔轮、手动齿 轮变速箱带动主轴旋转。 通过改变电动机的接线形式和手动换挡方式进行有级变 速。 主轴具有刀具自动锁紧和松开机构，用于固定主轴和刀具的连接。由碟形弹 簧、拉杆和气缸或液压缸组成。主轴具有吹气功能，在刀具松开后，向主轴锥孔 吹气，达到清洁锥孔的目的。 3进给传动系统的结构 进给系统即进给驱动装置， 驱动装置是指将伺服电动机的旋转运动变为工作 台直线运动的整个机械传动链，主要包括减速装置、丝杆螺母副及导向元件等。 在数控铣床上， 将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用双螺母滚珠 丝杆螺母副。进给系统的 x、y、z 轴传动结构是伺服电动机固定在支承座上，通 过弹性联轴器带动滚珠丝杠旋转，从而使与工作台联结螺母移动，实现 x、y、z 轴的进给。 数控铣床的布局 1工件的重量和尺寸与布局的关系可以有四种不同的布局方案： 南京工程学院毕业设计说明书 第 7 页 (1) 工件进给运动的升降台铣床 (2) 铣头垂直进给运动的升降台铣床 (3) 工件一个方向进给运动的龙门式数控铣床 (4) 铣头垂直进给运动的龙门式数控铣床 2运动的分配与部件的布局 一般需要对工件的顶面进加工，则铣床主轴应布局成立式的。 一般需要对工件的多个侧面进行加工，则主轴应布局成卧式的。 3铣床的布局与结构性能 数控铣床的布局应能兼顾铣床有良好的精度、刚度、抗振性和热稳定性等结 构性能。 运动要求与加工功能相同的数控机床，结构的总体布局不同，结构性能是有 差异的。 t 形床身布局的优点：刚性好。 框式立柱布局的优点：热变形对加工精度的影响小。 1.1.4 数控机床的特点和发展数控机床的特点和发展 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的 变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作 者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数 控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复 杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零 件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求 100%检验的 零件。 数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装 备。 进入 21 世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。 机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机， 也 遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力， 加速推进数控机床的发 展是解决机床制造业持续发展的一个关键。 随着制造业对数控机床的大量需求以 及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大， 并且不断发展以更适应生产加工的需要。本文简要分析了数控机床高速化、高精 南京工程学院毕业设计说明书 第 8 页 度化、复合化、智能化、开放化、网络化、多轴化、绿色化等发展趋势，并提出 了我国数控机床发展中存在的一些问题。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程 度， 数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业 （如信息技术及其产业、 航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各 种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产” 。 制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料， 而数控技术又是当今先 进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提 高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力.随着社会的进 步和科技的发展，现代机械制造工程领域方面越来越多地采用智能化、自动化， 新设备、新技术的应用越来越普遍。我们对市场进行了调研，发现现在机械工业 大量采用数控机床甚至加工中心取代传统的普通机床的机械加工， 采用计算机集 成系统 cims 取代原有的生产制造管理过程，使企业生产智能化、集成化、网络 化。这将对生产第一线的工作人员提出越来越高的职业技术要求。 数控加工就是数控机床在加工程序的驱动下将毛坯加工成合格零件的加工 过程。 数控机床控制系统具有普通机床所没有的计算机数据处理功能、智能识别 功能以及自动控制能力。 数控加工与常规加工相比有着明显的区别， 其特点如下： （1）自动化程度高，易实现计算机控制 除了装夹工件还需要手工外，全部加工过程都在数控程序的控制下，由数控 机床自动完成，不需要人工干预。因此加工质量主要由数控程序的编制质量来控 制。 （2）数控加工的连续性高 工件在数控机床上只需装夹一次，就可以完成多个部位的加工，甚至完成工 件的全部加工内容。配有刀具库的加工中心能装有几把甚至几十把备用刀具，具 有自动换刀功能，可以实现数控程序控制的全自动换刀，不需要中断加工过程， 生产效率高。 （3）数控加工的一致性好 数控加工基本消除了操作者的主观误差，精度高、产品质量稳定、互换性 好。 南京工程学院毕业设计说明书 第 9 页 （4）适合于复杂零件的加工 数控加工不受工件形状复杂程度的影响，应用范围广。它很容易实现涡轮叶 片、 成型模具等带有复杂曲面、 高精度零件的加工， 并解决一些如装配要求较高， 常规加工中难以解决的难题。 （5）便于建立网络化系统 例如建立直接数控系统（dnc） ，把编程、加工、生产管理连成一体，建立自 动化车间， 走向集成化制造。 甚至于 cad 系统集成， 形成企业的数字化制造体系。 数控程序由 cam 软件编制，采用数字化和可视化技术，在计算机上用人机交互方 式，能够迅速完成复杂零件的编程，从而缩短产品的研制周期。 近年来， 随着数控机床的模块化发展， 使数控加工设备增加了柔性化的特点。 先进的柔性加工不仅适合于多品种、小批量生产的需要，而且增加了自动变换工 件的功能，能交替完成两种或更多种不同零件的加工，可实现夜间无人看管的生 产操作。有数台数控机床（加工中心）组成的柔性制造系统（fms）是一种具有 更高柔性的自动化制造系统，具有将加工、装配和检验等制造过程的关键环节高 度集成的自动化制造系统。 数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技 术。其中，数控机床的精确性和重复性成为用户考虑最多的重要因素。 数控机床自问世以来，数控机床以其系统自身较传统机床所具有的柔性好、 精度稳定、生产率高、劳动强度低、工作条件优良、易于实现批量生产等特点博 得了广大生产企业用户的青睐。不久前我国政府颁布了加快振兴装备制造业的 若干建议 ，通过这一具有全局性的总纲性文件透视出我国发展超大型、超精密 和超高速数控机床的决心，加上我国工业化的快速发展，对数控机床行业也有着 显著的促进作用。 加快振兴装备制造业的若干建议中进一步明确和揭示了装 备制造业在我国经济社会建设和强国之路建设道路中所发挥的重要作用。 大力促 进我国装备制造业的快速发展， 实现装备制造业的现代化是我国经济生活中的一 件大事，是实现社会经济科学发展，走新型工业化道路，实现国民经济可持续发 展的重要方针。本文简要分析了数控机床高速高效方向、自诊断方向、网络化方 向、模块化方向等发展趋势。 1、向着高速高效化方向发展 伴随航空航天、船务运输、汽车行业以及高 速火车等国民及国防事业的快速发展，新兴材料得到了广泛的应用。伴随着新兴 南京工程学院毕业设计说明书 第 10 页 材料的发展，行业对于高速和超高速数控机床的需求也越来越大。高速和超高速 数控机床不仅可以提高企业生产效率， 同时也可以对传统机床难于加工的材料进 行切削，提高加工精度。数控机床最大的优势和特点在于其主轴运动速度转速和 进给速度大。现在使用的数控机床通常采用 64bit 的较高处理器，未来数控机床 将广泛采用超大规模的集成电路与多微处理器，从而实现较高运算速度，使得智 能专家控制系统和多轴控制系统成为可能。 数控机床也可以通过自动调节和设定 工作参数，得到较高的加工精度提高设备的使用寿命和生产效率。 2、向着自诊断方向发展 随着人工智能技术的不断成熟与发展，数控机床 性能也得到了明显的改善。 在新一代的数控机床控制系统中大量采用了模糊控制 系统、 神经网络控制系统和专家控制系统使数控机床性能大大改善。采用高通过 数控机床自身的故障诊断程序，自动实现对数控机床硬件设备、软件程序和其他 附属设备进行故障诊断和自动预警。数控机床可以依据现有的故障信息，实现快 速定位故障源，并给出故障排除 建议，使用者可以通过自动预警提示及时解决 故障问题，实现故障自恢复防止和解决各种突发性事件时从而进行相应的保护。 3、向着网络化全球性方向发展 随着互联网技术的普及与发展，在企业日 常工作管理过程中网络化管理模式已经日益普及。 管理者往往可以通过手中的鼠 标实现对企业的管理。 数控机床作为企业生产的重要工具也逐渐进行了数字化得 改造。 数控机床的网络化推进了了柔性制造自动化技术的快速发展，使数控机床 得发展更加具有信息集成化、智能化和系统化。 数控机床的网络化发展方向也 体现在远程监控与故障处理上。当数控机床运行过程中出现故障后，数控机床生 产厂家不用直接亲临现场就可以通过互联网对故障数控机床进行远程诊断与故 障排除，这样不仅可以大大减少数控机床的维修成本，而且还可以大大提高企业 的生产效率。数控机床的网络化发展方向还表现在远程操作与培训上。可以通过 把数控机床共享到网络上，从而实现多地、多用户的远程操作与培训的需要，甚 至可以依靠电子商务平台任意组成网上虚拟数控车间，实现跨地域全球性的 cad/cam/cnc 网络制造。 4、向着模块化方向发展 模块化的设计思想已经广泛应用于各设计行业。数 控机床设计也不例外的广泛使用模块制造功能各异的设备。 所设计的模块往往是 是通用的，企业用户可以根据生产需要随时更换所需模块。采用模块化思想的数 南京工程学院毕业设计说明书 第 11 页 控机床增加了数控机床的灵活性，降低了企业生产成本，提高了企业生产效率， 增强企业竞争的能力。严格按照模块化的设计思想设计数控机床，不仅能有效的 保障操作员和设备运行的安全，同时也是保证数控车床能够达到产品技术性能、 充分发挥数控机床的加工特点；此外，模块化的设计还有助于增强数控车床的使 用效率，减少故障率，提高数控车床的生产水平。 随着我国工业化进程的不断推进与发展，数控机床发展也是突飞猛进，高速 高效方向、自诊断方向、网络化方向、模块化方向已成为数控机床未来发展的趋 势与方向。近年来，在国家 863 计划和科技攻关计划多年连续的支持下，企业生 产数控机床的积极性和成果也不断丰富起来。陆续开发研制了如华中系列、航天 系列、中华系列、蓝天系列等数控系统。我国数控机床技术的创新水平与产品设 计与国外仍存在较大差距这与我国的“世界工厂”地位是极不相称的。我国的数 控机床技术水平不能安于现状，要主动出击抓住机遇不断发展，加大技术引进与 吸收的能力，努力发展自己的先进技术，提高企业综合服务能力，为把我国建设 成为世界制造业强国而努力奋斗。 第二章机床总体方案设计第二章机床总体方案设计 2.1 伺服系统设计伺服系统设计 数控装置所产生的进给差插补脉冲信号送给伺服系统， 由伺服系统控制伺服电机驱动机 床上各个进给轴，实现机床加工进给运动。 2.1.1 伺服系统概述伺服系统概述 如图 2- 1 所示， 伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制 系统。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的 任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调 控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。在很多情况下，伺服系 统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用 是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角） ，其结构组成和其他形式 的反馈控制系统没有原则上的区别。 南京工程学院毕业设计说明书 第 12 页 图 2- 1 数控机床进给系统伺服 伺服系统主要由三部分组成：控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。控制器按照 数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差， 调节控制量； 功率驱动装置作为 系统的主回路， 一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上， 调节电动机转矩 的大小， 另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流 电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 2.1.2 伺服系统的特点伺服系统的特点 伺服系统的只要特点： 1、精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制； 2、有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同， 伺服系统反馈比较的方法也不相同。常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较 3 种； 3、高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控 机床， 伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转 动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足 够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节； 4、宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看， 数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、 速度调节为内环的双闭环自 动控制系统， 其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信 号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调 速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。 南京工程学院毕业设计说明书 第 13 页 2.1.3 伺服系统的基本要求伺服系统的基本要求 对伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。 稳定性好：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下 运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力，在给 定输入或外界干扰作用下， 能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡 状态； 精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加 工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般 都在 0.010.00lmm 之间； 快速响应性好：有两方面含义，一是指动态响应过程中，输出量随输入指令 信号变化的迅速程度，二是指动态响应过程结束的迅速程度。快速响应性是伺服 系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过 程时间短， 一般在 200ms 以内， 甚至小于几十毫秒； 另一方面， 为满足超调要求， 要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。 节能高：由于伺服系统的快速相应，注塑机能够根据自身的需要对供给进行 快速的调整，能够有效提高注塑机的电能的利用率，从而达到高效节能。 2.2 传动方案确定及典型元件传动方案确定及典型元件 2.2.1 电机与滚珠丝杠的连接电机与滚珠丝杠的连接 数控机床进给驱动对位置精度、快速响应特性、调速范围等有较高的要求。 实现进给驱动的电机主要有三种：步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。目 前，步进电机只适应用于经济型数控机床，直流伺服电机在我国正广泛使用，交 流伺服电机作为比较理想的驱动元件已成为发展趋势。 数控机床的进给系统当采 用不同的驱动元件时，其进给机构可能会有所不同。电机与丝杠间的联接主要有 三种形式，如图 2-1 所示。 （1）带有齿轮传动的进给运动 数控机床在机械进给装置中一般采用齿轮传动副来达到一定的降速比要求， 如图 2-1a）所示。由于齿轮在制造中不可能达到理想齿面要求，总存在着一定 的齿侧间隙才能正常工作，但齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，对闭环系 统来说，齿侧间隙会影响系统的稳定性。因此，齿轮传动副常采用消除措施来尽 南京工程学院毕业设计说明书 第 14 页 量减小齿轮侧隙。但这种联接形式的机械结构比较复杂。 (c) (b)(a) 图 22 电机与丝杠间的联接形式 （2）经同步带轮传动的进给运动 如图 2-1b）所示，这种联接形式的机械结构比较简单。同步带传动综合了 带传动和链传动的优点，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但只能适于低 扭矩特性要求的场所。 安装时中心距要求严格， 且同步带与带轮的制造工艺复杂。 （3）电机通过联轴器直接与丝杠联接 如图 2-1c）所示，此结构通常是电机轴与丝杠之间采用锥环无键联接或高 精度十字联轴器联接，从而使进给传动系统具有较高的传动精度和传动刚度，并 大大简化了机械结构。在加工中心和精度较高的数控机床的进给运动中，普遍采 用这种联接形式。 根据进给系统的要求及设计要求，选择电机通过联轴器直接与丝杠联接，选 用合适的联轴器，吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差，使得机床结构简单， 拆装方便，同时传动平稳，具有良好的精度。 2.2.2 滚珠丝杠螺母机构滚珠丝杠螺母机构 滚珠丝杠螺母副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置。图 2-3 是滚珠丝杠螺母副的原理图。在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在 一起时形成了螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者 发生轴向位移，而滚珠则沿着滚道滚动，螺母螺旋槽的两端用回珠管连接起来， 使滚珠能作周而复始的循环运动，管道的两端还起着挡珠的作用，以防滚珠沿滚 道掉出。 南京工程学院毕业设计说明书 第 15 页 图 2-3 滚珠丝杠螺母副的原理图 由于滚珠丝杠具有传动效率高、运动平稳、寿命高以及可以预紧 ( 以消除 间隙，并提高系统刚度 ) 等特点，除了大型数控机床因移动距离大而采用齿条 或蜗条外，各类中、小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杠。 数控机床进给系统所用的滚珠丝杠必须具有可靠的轴向间隙消除结构、 合理 的安装结构和有效的防护装置。 2.2.3 滚珠丝杠的支承方式滚珠丝杠的支承方式 （1）一端固定，一端自由方式 一端固定，另一端自由安装方式，固定端的轴承可以同时承受轴向力和径向 力， 而滚珠丝杠轴承这种的支承方式主要是用于行程较小的短丝杠轴承或者全封 闭式的机床，因为当采用这种结构的机械定位方式时，其精度是最不可靠的，尤 其是长径比大的丝杠轴承(滚珠丝杠相对细长)，其热变形是非常明显的。但是， 如果是 1.5 米长的丝杠，其在冷、热的不同环境下变化 0.050.1mm 是属于正常 正常现象。尽管如此，由于其结构较简单，安装调试较方便，大多高精度机床依 然是采用这种结构；但是，有一点需要特别注意的就是，采用这种结构时必须加 装光栅，采用全封闭环来反馈，以便能够充分丝杠的性能。 图 2-4 一端固定，一端自由方式 （2）一端固定，另一端支承方式 南京工程学院毕业设计说明书 第 16 页 一端固定，另一端支承这种安装方式，固定端的轴承同样也是可以同时承受 轴向力和径向力，而支承端只承受径向力，并且能够做微量的轴向浮动，以及可 以减少或者避免因丝杠自重而出现的弯曲，另外，丝杠的热变形可以自由的向一 端伸长。因此，这是使用最广泛的一种结构。比如：目前国内中小型数控车床、 立式加工中心等等都是采用这种结构 图 2-5 一端固定，另一端支承方式 （3）两端固定方式 丝杠两端均固定。采用这种方式，固定端轴承可以同时承受轴向力，并且可 以对丝杠施加适当的预紧力，以提高丝杠的支承刚度，同时还可以部分地补偿丝 杠的热变形。因此，大型机床、重型机床以及高精度镗铣床大多都是采用这种结 构。当然，其也有不足的地方，那就是采用这种结构的话会使得调整工作比较繁 琐；此外，如果在安装调整时两端的预紧力过大的话，将会导致丝杠最终的行程 比设计行程长，螺距也会比设计螺距大；而如果两端螺母的预紧力不够的话，就 会导致相反的结果，从而容易引起机床振动，致使精度降低。因此，如果是采用 两端固定这种结构的话，那么在拆装时一定要严格按照说明书来进行调整，或者 是借助仪器(双频激光测量仪)来调整，以免造成一些不必要的损失。 图 2-6 两端固定方式 由于所设计铣床 z 轴的行程较小， 所有径向力较小， 对于机床精度影响不大。 所以选择一端固定一段自由的支承方式。 南京工程学院毕业设计说明书 第 17 页 2.2.4 联轴器的选择联轴器的选择 梅花联轴器结构简单、无需润滑、方便维修、便于检查、免维护，可连续长 期运行。 高强度聚氨酯弹性元件耐磨耐油， 承载能力大， 使用寿命长， 安全可靠。 工作稳定可靠，具有良好的减振、缓冲和电气绝缘性能。具有较大的轴向、径向 和角向补偿能力。结构简单，径向尺寸小，重量轻，转动惯量小，适用于中高速 场合。 结构特点： 1.中间弹性体联接 2.可吸收振动、补偿径向、角向和轴向偏差 3.抗油与电气绝缘 4.顺时针与逆时针回转特性完全相同 5.定位螺丝固定 第三章数控铣床第三章数控铣床 z 轴进给系统设计轴进给系统设计 毕业设计的原始数据： 1）机床工作台规格：200x500mm 2）行程：x300mm，y200mm，300mm 3）最小设定单位：x、y、z：0.001mm 4）快移速度：15m/min 5）主电机功率：0.75kw,主轴最高转速：4000rpm，主轴锥孔：iso30 3.1 主切削力及其切削分力计算主切削力及其切削分力计算 （1）计算主切削力 fz。 根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直 径 d=125mm） ，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的 切削速度为： （已知机床主电动机的额定功率 m p 为 0.75kw，主轴计算转速 （n=310r/min。 ） 根据公式得刀具的切削速度为： smsm dn v/03. 2/ 60 3101012514. 3 60 3 = = 南京工程学院毕业设计说明书 第 18 页 取机床的机械效率为：8 . 0 m =，则由式得主切削力： nn v fz6.29510 03.2 75.08.0 10 p 33 em = = （2）计算各切削分力 工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为 n58.62195.6255.055.0f n8.802295.659.059.0f n24.1186.2954.00.4ff v c z1 = = = z z f f 3.2 导轨摩擦力的计算导轨摩擦力的计算 在切削状态下坐标轴导轨摩擦力 f的计算可以查课程设计指导书： （1）计算在切削状态下的导轨摩擦力 f。此时导轨动摩擦系数15. 0=， 查表得镶条紧固力n500fg=,则 ()() n38.8431 n58.1628.28050090015.0ff c = +=+= vg fwf （2）计算在不切削状态下的导轨摩擦力 0 f和 0 f ()() n168）500900（0.12)f(wf n10200590015.0f g00 00 =+=+= =+=+= g wff 3.3 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠的选择 滚珠丝杠的名义直径、滚珠的猎术和工作圈数，应按当量动载荷 cm选择。 3.3.1 计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 （1）计算最大轴向负载力 amax f nnfff62.1961)38.184324.118(1 maxa =+=+= （2）计算最小轴向负载力 min f nff210 0mina = （3）轴向工作载荷（平均载荷） ： 南京工程学院毕业设计说明书 第 19 页 fm=1377.7n 3