毕业论文-XK716数控机床z向直流伺服进给系统系统设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 XX 大学 课程设计(论文) XK716 数控机床 z 向直流伺服 进给系统系统设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 I 摘 要 数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核 心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现 代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性 能、加工精度和可靠性有了极大的提高。 本文主要设计 X716 数控铣床 Z 向进给系统设计部分，机械结构采用直流伺服电机 与滚珠丝杠直接相连的方式，其控制方式采用直流伺服驱动系统半闭环控制。在对进给 系统机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副进行了计 算、校核，确保了机械传动部件的精度和刚度；通过计算，选择了电气驱动部分，包括 直流伺服电机和与之匹配的伺服单元。 关键词：直线滚动导轨；滚珠丝杠螺母副；直流伺服电机 II Abstract NC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved. In this paper, the main design X716 Z milling machine CNC feed system design part, the mechanical structure of DC servo motor and ball screw directly connected, the control of DC servo drive system semi closed loop control. On the feeding system of the mechanical structure of the design process, mainly on the ball screw nut pair and the linear rolling guideway were calculated, verification, to ensure that the mechanical transmission precision and rigidity; by calculating, chose electrical driving part, including DC servo motor and the matched servo unit. Key words: Linear rolling guide; ball screws; DC servo motor III 目录 摘 要 . I Abstract II 目录 III 第 1 章 前言 1 1.1 课题研究的背景必要性 . 1 1.2 数控机床的产生和发展 . 2 1.2.1 数控机床的产生 . 2 1.2.2 数控系统的发展 . 2 1.3 我国数控技术的发展概况 . 2 1.3.1 数控技术再国民经济中的重要地位 . 2 1.3.2 我国数控机床的发展历程与成就 3 1.3.3 我国数控机床发展存在的问题与对策 . 5 1.4 数控机床的发展趋势 . 6 1.5 数控铣床的主要功能及特点 . 7 1.6 数控铣床的分类和应用： . 7 1.6.1 数控铣床的分类 7 1.6.2 数控铣床的应用 7 1.5 XK716 数控机床的参数 . 7 1. 6 本章小结 . 8 第 2 章 Z 向进给传动系统的设计和计算 . 9 2.1 进给伺服系统的设计 . 9 2.1.1 对进给伺服系统的基本要求 9 2.1.2 进给伺服系统的设计要求 9 2.1.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 10 2.2 切削参数计算 . 10 2.2.1 精度 10 2.2.2 铣削工件时铣削力的计算 . 10 IV 2.2.3 进给工作台工作载荷计算 11 2.2.4 首先初步估算工作台的重量 . 13 2.2.5 铣削用量选择 13 2.2.6 铣削力的计算 14 2.3 Z 向滚珠丝杠副计算与选择 . 15 2.3.1 动载荷计算 . 15 2.3.2 选用 FC1-4020-2.5 型丝杠 16 2.3.3 稳定性验算 16 2.3.4 刚度验算 18 2.3.5 效率验算 19 2.4 Z 向直流电机选择计算 . 19 2.5 导轨的设计与选型 24 2.5.1 导轨概述 . 24 2.5.2 滚动直线导轨副的计算 . 26 第 3 章 控制系统的设计 31 3.1 微机控制系统组成及特点微机控制系统组成及特点 31 3.1.1 微机控制系统的组成微机控制系统的组成 . 31 3.1.2 微机数控系统的特点微机数控系统的特点 . 31 3.2 微机控制系统设备介绍微机控制系统设备介绍 32 3.2.1 主控制器主控制器 CPU 的选择的选择 . 32 3.2.2 存储器电路的扩展存储器电路的扩展 . 33 3.2.3 I/O 口电路的扩展口电路的扩展 34 3.2.4 直流电机驱动电路直流电机驱动电路 34 3.2.5 其它辅助电路设计其它辅助电路设计 . 35 3.3 程序部分程序部分 36 总结与展望 40 参考文献 42 致 谢 43 V VI VII 1 第 1 章 前言 1.1 课题研究的背景必要性 随着科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂、而且产品的生产周期短、改型频 繁。 这不仅对机床设备提出精度与效率的要求提出了通用性与灵活的要求。 特别是航空、 造船、武器、模具生产等精密加工的零件具有精度高、形状复杂、经常变动的特点。因 此机械产品部件的生产设备机床也相应的提出了高性能、高精度化的要求。 利用计算机控制数控机床进行加工使得零件的加工变得十分的方便、快速，很大程 度上节约了人力和物力的使用，使得工业自动化程度更高。但是许多企业由于资金等方 面的约束不能及时引进先进数控机床，这样制约了生产率的提高，不利于自动化程度的 提高。因此各种机床的数控改造开发成为众多专业技术人员研究的一。 数控，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，其对零件的加工相比普通 机床有着很多的优点： （1）自动化程度高，劳动强度低。 （2）加工精度、加工质量稳定可靠。 （3）对零件加工的适应性强，灵活性好，能加工形状复杂的零件。 （4）加工生产率高。 （5）有利于生产管理的现代化。 （6）对加工对像的适应性强。 并且目前在机械行业中，随着市场经济的发展，产品更新周期越来越短，中小批量 的生产所占有的比例越来越大，对机械产品的精度和质量要求也在不断地提高与推进。 所以普通机床越来越难以满足加工的要求，同时由于技术水平的提高，数控机床的价格 在不断下降，因此，数控机床在机械行业中的使用将越来越普遍，而对原有普通机床的 数控化改造也应是越来越广泛，依照设计任务本设计对 XW5032 铣床进行了数控化改造。 2 1.2 数控机床的产生和发展 随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型， 特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。 加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高的自动化机床一般 不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床数控机床应运而生。这种 新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用 电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。 1.2.1 数控机床的产生 世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控铣床，于 1952 年由美国帕 森斯公司和麻省理工学院合作完成。早在 1948 年，美国在研制加工直升机叶片轮廓检 查用样板的技工机床任务时，就提出了研制数控机床的初始设想。1949 年，在美国空军 部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始 从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于 1952 年试制成功世界上第一台数 控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其 控制装置由 2000 多个电子管组成，占用一个普通实验室那么大。这台数控铣床的诞生， 标志着机械制造的数字控制时代的开始。 1.2.2 数控系统的发展 数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的。数控系统的发展经历了电子管 分立式晶体管小规模集成电路大规模集成电路小型计算机超大规模集成电路 微机式的数控系统等几个发展阶段。 20 世纪 90 年代以来，数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构开放和智能化方 向发展。以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成，利用存储器里的软件控制系 统工作，因此称为 CNC 系统或软件控制系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性 高。 1.3 我国数控技术的发展概况 1.3.1 数控技术再国民经济中的重要地位 数控技术是用数字信息对机械运动和过程进行控制的技术，是 20 世纪后半叶最重 要，发展最快的工业技术之一，它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数字坐标 3 方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技 术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。 数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透形成的 机电一体化产品，其技术覆盖很多领域。其中，精密机械制造技术，信息处理、加工、 传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器及检测技术和计算机技术是数控技术 涵盖的主要领域。数控机床还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。 以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于数控 机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水平和现代化程度。而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、生物技术及其产业、航空航天等国防工 业产业） 的使能技术和重要装备。 数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。 现在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。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国 家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、 尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术 为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位 的重要 途径。 1.3.2 我国数控机床的发展历程与成就 我国从 1958 年开始研究数控机床，一直到 20 世纪 60 年代中期还处于研制、开发 时期。当时，一些高校和科研单位研制出的试验性样机，是从电子管数控系统起步的。 1965 年开始研制晶体管数控系统。从 20 世纪 70 年代起，数控技术在车、铣、锉、磨、 齿轮加工、电加工等领域全面展开，加工中心在上海、北京研制成功。但是，由于元器 件的质量差和产品的制造工艺水平低等原因，数控系统的可靠性、稳定性未得到解决， 未能广泛推广。在这一时期，数控线切割机由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模 具加工中得到推广。直线控制、点位控制的数控车床、数控铣床和加工中心开始在生产 中应用。20 世纪 80 年代，我国从日本 FANUC 公司引进了 3,5,6,7 等系列的数控系统和 直流伺服电动机、直流主轴伺服电动机等的制造技术，还引进了美国 GE 公司的 MCI 系 统和交流伺服系统、德国 SIEMENS 公司的 VS 系列晶闸管调速装置，并进行了商品化生 产。这些系统功能齐全、可靠性高，得到了推广应用，推动了我国数控机床的稳定发展， 4 使我国的数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。在这期间，我国在引进、消化 国外技术的基础上进行了大量的开发工作。我国数控机床的品种有了较大发展，品种不 断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。为 了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所还研制出了 JCS-FMS-1 型和 JCS-FMS-2 型柔性制造单元和柔性制造系统。 改革开放近 30 年来，我国的数控机床产业取得了举世瞩目的成就。特别是“十五” 期间，数控机床发展进人了快车道。国家有关部门的统计数字表明， “十五”是我国机 床工具行业发展最快的五年。2004 年，我国机床工具行业产品销售收人 1 032 亿元，大 约是 2000 年 507 亿元的 2 倍，平均年增长约 19；2004 年，全国金属切削机床产量为 39 万台，大约是 2000 年 17 万台的 23 倍，平均年增长约 23 写。机床工具行业的主导 产品数控机床的发展速度远高于机床工具全行业的平均发展速度。国产数控金属切削 机床年产量从 “九五” 计划末期的几千台， 增加到 2001 年的 17 521 台,2002年的 24 803 台，2003 年的 36 813 台，2004 年的 51 861 台，其中 2004 年的产量大约是 2000 年产 量的 3. 7 倍，平均年增长约 39。金属加工机床产值数控化率从 2001 年的 26. 2提 高到 2004 年的 327，形成了一批数控机床生产的主导企业，2004 年数控机床年产 量超千台的企业有 14 家，其产量合计占全行业数控机床总产量的 50以上，其中数控 机床产量最高的一家企业年产量达 6 000 多台。连续几年来数控机床产量快速上升，也 带动了出口，2004 年全行业数控金属加工机床出口 14 404 台。数控机床的年产量已经 突破原国家经贸委发布的到 2005 年全国数控机床产量达到 25 000-30 000 台的奋斗目 标。数控机床的品种也从“九五”期间的 128 种发展到目前的 1 500 多种。国产数控机 床产品大部分达到了国际 20 世纪 90 年代初期或中期水平，为国家重点建设提供了一批 高水平的数控机床。 不仅如此， “十五”期间，我国在高端数控机床关键技术研究方面取得重大突破。 目前，我国在普及型数控机床技术上已经成熟，还基本掌握了多（五）坐标联动的关键 技术。这不仅打破了国外的技术封锁，而且使该技术进人实用性阶段。北京机电研究院 为东方汽轮机厂开发的五轴联动加工中心，已在东方汽轮机厂实际应用，不仅完全满足 了汽轮机叶片加工质量的要求，而且其加工效率可与进口机床的媲美，但其价格仅为进 口机床的三分之一。复合加工技术的研究也取得很大成绩，我国研制成功的五轴联动车 铣复合加工中心、五轴五面加工中心、双主轴车削中心等均已实现商品化。 我国高速加工技术的研究与应用取得重要进展。其中在直线电动机应用技术的研究 方面，基本掌握了负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等部分关键技术，填补了我 5 国在直线电动机应用技术领域的空白，进一步缩短了与国外的差距。此外，我国还完成 了 10 000-18 000 r/min 高速主轴单元的产品开发和加工制造工艺的研究，并在国产 加工中心上应用。超精密加工（亚微米）技术和装备的研究也取得突破，北京机床研究 所研制的超精密加工和纳米加工技术与装备已达到世界领先水平，打破了国外对我国的 技术封锁。 目前，数控机床在我国国民经济的各行各业发挥着越来越重要的作用，数控机床已 经成为企业技术改造的首先设备之一。我国已经成为数控机床的生产大国、消费大国和 进口大国。国民经济各个行业需要大量数控机床的开发人才和应用人才。 1.3.3 我国数控机床发展存在的问题与对策 当前，国外数控技术发展很快，呈现出高速度、高精度、高可靠性、多轴控制、工 艺复合、集成化、智能化、网络化和环保化发展的态势。与国外数控技术的发展相比， 我国数控技术的发展仍然存在着较大差距，主要体现在以下四个方面。 (1)在技术水平上，国外对加工中心的研究已经转向高速、精密、多轴、复合、智 能和环保等技术的研究。我国加工中心的总体技术水平与国外同类产品的先进水平相比 大约落后 10-15 年，在“高、精、尖”技术方面则更大。 (2)在产品结构上，高端市场（即高速、精密、多轴、复合加工中心市场）基本上 被美国、日本和欧洲发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中 心、高速加工中心等产品，虽然已经投人使用，但多数产品与商品化尚有一段距离，而 且在技术水平和性能参数上与欧、美、日等地的产品还有较大差距。低端市场（即普及 型数控机床市场）受到周边的日本、韩国和我国台湾地区产品的冲击较大，形成激烈竞 争。多年来，国产数控机床产量小、进口产品量大的局面一直存在。 (3)产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深人研究与开 发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强，集中体现在：产品开发能力较弱，对 产品标准规范的研究、制定滞后，技术创新能力不强。导致开发出的产品技术先进性不 明显，市场针对性不强，缺乏市场竞争力。 (4)产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小。从总体上看，加工中心还没有 形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高，主要体现在 可靠性不高，商品化程度不足，关键功能部件没有自己配套的主渠道；数控系统的推广 应用还不够等等。 这些问题已经引起了国家有关部门的高度重视，并正在采取措施加以改进。2006 年 6 6 月，国务院发布了关于加快振兴装备制造业的若干意见 ） （以下简称意见 ） ，装 备制造业得到了国家前所未有的重视， 意见将在三个方面重点下四点: 第一，加快开发高档数控机床品种，缩短与世界先进水平的差距，提升我国机床 工具行业整体水平，对市场急需的高档数控机床品种，要集中力量，重点突破，加大科 技投人，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力，掌握一批高档数控 关键产品开发的核心技术，推出一批高档数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育 高档数控机床市场。 第二，积极促进功能部件产业化，培育一批功能部件的龙头企业，加大政策支持 力度，重点发展高档数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转 台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功 能部件与数控机床同步发展。 第三，进一步发展普及型数控机床，我国普及型数控机床技术已经成熟，产业化 迫在眉捷，急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、 可靠、 快速地满足市场， 以提高制造能力和生产集中度为重点， 支持骨干企业快速发展。 第四，努力提高国产数控机床市场占有率，是“十一五”期间行业发展的重中之 重，要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口，争取在 五年内使国产数控机床国内市场占有率有较大提高。 意见切中了我国数控机床发展中的关键问题，为发展国产数控机床提供了良 好的政策环境。毫无疑问，随着意见的贯彻实施，多年来困扰我国机床工具行业发 展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题，将得到一定程度的解决，国产数控机 床在国内市场占有率长期不高的局面将被扭转。高等学校作为国家各类人才的培养基 地，为装备制造业培养急需的数控机床开发与应用人才，是义不容辞的责任。 1.4 数控机床的发展趋势 随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要 求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、 高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为了满足制造业向更高层 次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备， 也要求数控机床向更高水平发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势： （1） 高精 度化； （2） 运动高速化； （3）柔性化； （4）高自动化； （5）高可靠性； （6）智能化； （7）复合化； （8）网络化； （9）开放式体系结构。 7 1.5 数控铣床的主要功能及特点 数控铣床的可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各种铣床适用的数控系统不 同，其功能也不尽相同。除各有其特点之外，常具有下列主要功能： 点位控制功能； 连续轮廓控制功能； 刀具半径自动补偿功能； 刀具长度补 偿功能； 镜像加工功能； 固定循环功能； 特殊功能 。 具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况的变化，通过 适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可 获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。 数控铣床的主要特点： （1） 高柔性及工序复合化； （2） 加工精度高； （3）生产 效率高； （4）减轻操作者的劳动强度。 1.6 数控铣床的分类和应用： 1.6.1 数控铣床的分类 按运动方式分： （1）点位控制数控铣床 (2）直线控制数控铣床（3）轮廓控制数 控铣床； 按控制方式分：(1）开环控制数控铣床(2）闭环控制数控铣床(3）半闭环控制数控 铣床； 按主轴的布局形式分： （1）立式数控铣床： （2）卧式数控铣床（3）立卧两用式数 控铣床等等 1.6.2 数控铣床的应用 数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件， 还可以加工复杂型面的零件、 样板、 模具、螺旋槽等。同时也可以进行钻、扩、铰、锪和镗孔的加工，但因数控铣床不具自 动换刀功能，所以不能完成复杂孔的加工。数控铣床主要应用于汽车制造业、模具制造 业、机床制造业、航空航天业、造船业、军事工业及其他行业 1.7 XK716 数控机床的参数 本课题设计的立式数控铣床可以铣削平面和沟槽，也可加工空间曲面；若将铣刀换 成钻头或绞刀，则可加工光孔或螺纹孔。铣床主要技术参数如下： 工作台工作面尺寸（长宽） 900mm 600mm 工作台 X 向最大行程 6 3 0 mm 8 工作台 Y 向最大行程 4 0 0 mm 工作台 T 型槽数 3 工作台 T 型槽宽 18mm 工作台 T 型槽间距 90mm 机床分辨率均为 0.005mm 最大移动速度 2m/min 1. 8 本章小结 本章节首先介绍了数控技术的背景发展历程，进而分析了数控技术的国内外现状及 未来趋势，最后介绍了研究的主要内容和意义。 9 第 2 章 Z 向进给传动系统的设计和计算 2.1 进给伺服系统的设计 2.1.1 对进给伺服系统的基本要求 进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床 的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指 令信号的响应快；系统的稳定好。 (1) 稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的 稳定状态下运行,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能 力。 伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性， 取决于系统的结构及组成元件的参数 （如 惯性、刚度、阻尼、增益等） ， ，与外界的作用信号（包括指令信号或扰动信号）的性质 或形式无关。 (2) 精度 伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过程中通 常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系统的误差满足 精度指标就行。 (3) 快速响应性 快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。 它 包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。 2.1.2 进给伺服系统的设计要求 在静态设计方面有： 能够克服摩擦力和负载 (2) 很小的进给位移量 (3) 高的静态扭转刚度 (4) 足够的调速范围 (5) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象 在动态设计方面的要求有： 10 (1) 具有足够的加速和制动转矩 (2) 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质 量 (3) 负载引起的轨迹误差尽可能小 对于数控机床机械传动部件则有以下要求 (1) 被加速的运动部件具有较小的惯量 高的刚度 良好的阻尼 传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能小的非线性 2.1.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 (1).时间响应特性 进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特 性。 (2) 频率响应特性 (3) 快速性分析 2.2 切削参数计算 2.2.1 精度 要求：进给精度mm005. 0 快速进给精度min/2m 机床分辨率均为 0.005mm，选择系统脉冲当量为 p =0.005mm/step。 2.2.2 铣削工件时铣削力的计算 铣削运动的特征：主运动为铣刀绕自身轴线高速旋转，进给运动为工作台带动工件 在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（铣键槽时，可使键槽铣刀沿轴线进给） 。铣刀的类型 很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可以看做车 刀刀头的演变，铣刀的每一个刀齿相当于一把车刀。它的切削基本规律与车削相似，所 不同的是铣刀回转，刀齿数多。 通常假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿某点上，如图 1 所示。设刀齿上 11 受到铣削抗力的合力为 F,将 F 沿铣刀轴线、 径向和切向进行分解， 则分别为轴向铣削力 F、径向铣削力 F，和切向铣削力 F 二。切向铣削力 F 二是沿铣刀主运动方向的分力， 它消耗铣床主电动机功率 （即铣削功率） 最多。 因此， 切向铣削力 F 二可按铣削功率PE (kW)或主电动机功率PE（kw）算出。 式中:v机床主轴的计算转速（主轴传递全部功率时的最低切削速度,m/s)； m机床主传动系统的传动效率，一般取， m0.8。 图 3.1 铣削抗力及工作台上的载荷 2.2.3 进给工作台工作载荷计算 作用在进给工作台上的合力 F与铣刀刀齿受到的铣削抗力 F 的合力大小相同、 方向相反，如图所示。合力 F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷可 以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力： 工作台纵向进给方向载荷 F1， 工作台横向进 给方向载荷 Fc，工作台垂直进给方向载荷 Fv。 进给工作台的工作载荷 F1、 Fc 和 Fv 与切向铣削力 Fz 之间有一定的经验比值 （见 表 1） 。因此，计算出 Fz 后，即可计算出进给工作台的工作载荷 F1、Fc 和 Fv。 N v N v m E z m z P F P F 10 10 3 3 12 表 2.1 工作台工作载荷与切向铁削力的经验比值 在表 2-1 中，ae表示铣削宽度（mm） ，它是铣削用量要素之一，是垂直于铣刀轴线 测量的切削层尺寸 从图 2-3 可知，圆柱铣削时，ae为待加工表面与已加工表面之间的垂直距离；端铣 时，ae恰为工件宽度，不是待加工表面与已加工表面之间离。 图 2.2 顺铣与逆铣 图 2.2 表示圆柱铣的顺铣和逆铣的不同方式。 顺铣时， 纵向进给方向载荷 F1 与进给 方向一致，垂直进给方向载荷 Fv 向下,逆铣时方向相反。 图 2.2 表示对称端铣和不对称端铣。对称端铣分有顺铣和逆铣之分。 在表 1 中，d。表示圆柱铣刀直径或端铣刀直径（mm）,a f 表示每齿进给量（mm/齿） ， 即铣刀每转一个齿间角时工件与铣刀的相对移动量。每齿进给量a f 、每转进给量 f 和 13 工作台的进给速度 v f 三者之间的关系为 Zn av ff mm/min 式中：Z-铣刀齿数； n-铣刀转速（r/min） 2.2.4 首先初步估算工作台的重量 首先要初步估算工作台的重量及铣削工件的最大切削力才能进行设计。 X 轴方向移动的工作台尺寸： 长宽高为 900600 80 3 mm ,重量约为 3302.2N， 最大行程 630mm ； Y 轴方向移动的工作台尺寸：长宽高为 300 300 80 3 mm ,重量约为 550.368N，最大行程 400mm ； 设夹具及工件的质量约为 200Kg，重量约为 1960N ； 则 XY 工作台总质量约为 480.83kg,总重量约为 5812.573N（包括夹具及工件） 。 2.2.5 铣削用量选择 铣削用量选择原则：首先应尽可能取较大的切削深度 p a及切削宽度 e a然后尽可能取 较大的每齿进给量 f a， 最后才尽可能取较大的铣削速度v。 粗铣时余量大， 加工要求低， 主要考虑铣刀的耐用度及铣削力的影响；而精铣时余量小，加工要求高，主要考虑加工 质量的提高。 1.铣削深度 p a的选择 （1）当工件表面要求的光洁度为3时，通常铣削无硬皮的钢料时，35 p amm； 铣削铸钢或铸铁时5 7 p amm。 14 （2）当工件表面要求的光洁度为45时,可分粗铣、半精铣、两步铣削。粗铣后 留0.51.0mm余量。 （3）当工件表面要求的光洁度为67时,可分粗铣、半精铣、精铣三步铣削。半 精铣1.5 2.0 p amm，精铣0.5 p amm左右。 2.每齿进给量 f a的选择 当铣削深度 p a选定后， 尽可能取较大的每齿进给量 f a。 粗铣时限制每齿进给量 f a的 是铣削力及铣刀容屑空间的大小， 当工艺系统刚性俞好及铣刀齿数愈少时， f a可取得愈 大；半精铣及精铣时限制每齿进给量 f a的是工件表面光洁度。光洁度要求愈高， f a应 俞小。 2.2.6 铣削力的计算 铣床通常用于铣削平面和沟槽。铣刀又分为圆柱铣刀、立铣刀、盘形铣刀、端铣刀、 半圆弧铣刀、T 形槽铣刀。其中用立铣刀铣削沟槽时的铣削力最大，故按用立铣刀铣削 沟槽时计算铣削力。 铣削力与铣刀材料、铣刀类型、工件材料的硬度、铣削宽度、铣削深度、每齿进给量、 铣刀直径、铣刀齿数有关。可按金属切削原理及应用中的公式进行计算： 2 . 012. 03 . 1 0 0 . 175. 01 . 1 6082581. 9 nZdaaaF pfez 铣削沟槽时采用粗齿高速钢立铣刀， 按工件材料为 2 75/ b 公斤力 毫米的碳钢来设 计。查金属切削手册 ，选择铣削用量为铣刀直径mmd100 0 ，铣刀齿数6Z，铣削 宽度mmae60，每齿进给量mmaf18. 0，铣削深度zmmap/18. 0，铣刀的切削速度 smmv/7 . 3min/222。 15 采用端面铣刀在主轴上的计算转速下进行强力切削，主轴具有最大扭矩，并能传递主电 动机的全部功率。 由Dnv得：sr D v n/121010014. 3/7 . 3 3 故NFz498360121006518. 06082581. 9 2 . 012. 03 . 10 . 175. 01 . 1 2.3 Z 向滚珠丝杠副计算与选择 2.3.1 动载荷计算 丝杆的最大载荷为主轴重量加摩擦力，最小载荷为主轴重量减最大进给力的 Z 向 分力。根据上节NFz498360121006518. 06082581. 9 2 . 012. 03 . 10 . 175. 01 . 1 根据机电一体化设计基础 计算载荷 c F MAHFc FKKKF 查表 2-6 取 2 . 1 F K 查表 2-8 取 0 . 1 A K 查表 2-7 取 0 . 1 H K 查表 2-4 取 D 级精度 则：NFc598049830 . 10 . 12 . 1 2）计算额定动载荷 a C 取丝杠的工作寿命为 hLh20000 , min/100rnm 3 1067. 1 4 hmL n ca FC 3 1067. 1 20000100 4 3314 N16335 16 2.3.2 选用 FC1-4020-2.5 型丝杠 由表 2-9 得丝杠副数据： 公称直径 mmD50 0 导程 mmp10 滚珠直径 mmd953. 5 0 按表 2-1 种尺寸公式计算： 滚道半径 mmdR096. 3953. 552. 052. 0 0 偏心距 mm d Re 20 104 . 8) 2 953. 5 096. 3(707. 0) 2 (707. 0 丝杠内径 mmReDd98.33096. 32104 . 824022 2 01 2.3.3 稳定性验算 丝杠一端轴向固定， 采用深沟球轴承和双向球轴承， 可分别承受径向和轴向的负荷。 另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后 可在游动端自由伸缩，如下图。 螺母 固定端 游动端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其 安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S 17 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 cr F 2 2 )( l EI F a cr 式中，E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206Gpa；l 为丝杠工作长度（m） ； a I 为丝杠危险截面的轴惯性矩（ 4 m ） ；为长度系数，取 3 2 。 48 4 1 1054. 6 64 m d Ia NFcr 5 2 892 1075. 8 )5 . 0 3 2 ( 1054. 610206 安全系数 2 5 102 . 3 2762 1075. 8 m cr F F S 查表 2-10，S=2.53.3，SS，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临 街转速 cr n 。要求丝杠的最大转速 cr nn max 。 临街转速按下式计算： 2 1 2 )( 9910 l df n c cr 式中： c f 为临界转速系数，见表 2-10，本题取 927. 3 c f ， 3 2 2 2 )5 . 0 3 2 ( 03398. 0927. 3 9910 cr n min/1052. 3 4r min/600 1010 6 3 max rn 18 即： max nncr ，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受 nD0 值的限制，通常要求 min/107 4 0 rmmnD min/107min/10410040 43 0 rmmrmmnD 2.3.4 刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(mN )共同作用下引起每个导程的变形量 0 L(m) 为： c GJ Tp EA pF L 2 2 0 式中:A 丝杠截面积, 2 1 4 1 dA； c J为丝杠的极惯性矩， 4 1 32 dJc ；G 为丝杠切变 模量，对钢 GPaG3 .83 ；T 为转矩。 )tan( 2 0 D FT m 式中： 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数； m F 卫平均工作载荷 mNT 54. 4)2 . 0334tan(10 2 40 2762 3 按最不利的情况取（其中 m FF ） 4 1 2 2 2 1 2 0 164 2Gd Tp Ed pF GJ Tp EA pF L c 492 23 29 3 )03398. 0(103 .83)14. 3( 54. 4)1010(16 )03398. 0(1020614. 3 276210104 m 2 107 . 9 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 19 m p L lL85. 4 1010 107 . 9 5 . 0 3 2 0 通常要求丝杠的导程误差 L 小于其传动精度的 1/2，即 mmmL5005. 01 . 0 2 1 2 1 该丝杠的 L 满足上式，所以其刚度可以满足要求。 2.3.5 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 947. 0 )2 . 0334tan( ) 334tan( )tan( tan 要求在 90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算，FC1-4010-2.5 各项性能均符合题目要求，所以合格。 机床分辨率均为 0.005mm，选择系统脉冲当量为 p =0.005mm/step。 2.4 Z 向直流电机选择计算 1. 计算工作台、丝杠折算到电机轴上的惯量 d J 根据机电一体化基础所提供的计算公式： 2 2 2 1 2 1 P g G JJ i JJ X Sd 式中： d J-折算到电机轴的惯量)( 2 cmKg ； 21,J J-小 大齿轮的惯量)( 2 cmKg ； S J-丝杠惯量)( 2 cmKg ； X G-横向工作台及夹具重量)(N,NGX2156； P-丝杠螺距)(cm，cmP8 . 0； 丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯量不易精确计 算，可将其等效成圆柱体来近似计算。 20 圆柱体的转动惯量可依据公式： 32 4l d J 式中： 材料密度)( 3 cmKg,对钢取 35 108 . 7cmKg ； d 圆柱体直径)(cm.(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)； l 圆柱体长度)(cm,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度) 则： 32 1 4 1 1 bd J 54 3.14 7.8 1085.0 32 2 0.157Kg cm 则可算得： 2 2 2 1 2 1 P g G JJ i JJ X Sd 2 2 122000.8 0.1571.0780.489 1.679.82 3.14 2 2.025Kg cm2.03 2 /Kg cm 2. 惯量匹配验算 初选的直流电机安川/R02SAKOE 的转子的转动惯量： M J=4.61Kg 2 cm 转动系统与直流电机的惯量匹配条件： 1 4 1 M d J J 而： 12.03 0.441 44.61 d M J J 所以惯量是匹配的。 3. 负载转矩计算及最大静转矩选择 计算快速空载起动时所需力矩 起 M 依据公式： 0max MMMM fa 起 式中： 起 M -快速空载起动力矩 )(cmN ； maxa M-空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩)(cmN ； 21 f M -折算到电机轴上的摩擦力矩 )(cmN ； 0 M-由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩)(cmN ； 又： * max JMa 式中： J-惯量和)(cmN ，2.03 4.616.64 dM JJJN cm ； -电机最大角加速度 )( 2 srad ； 又： 2 60 max a t n 其中： max n-电机最大转速)min(r； a t -运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间 )(s 取 25ms 又： 360 max max P b V n 则： max 2500 0.75 521 /min 0.01 360 nr 则： 521 600.025 2 3.14 2 21.8rad s 故： JMamax 6.64 21.8140N cm 又因为： i LF M f 2 00 式中： 0 F -导轨的摩擦力 )(N ； -传动链总效率，一般可取 85. 07 . 0，现取 85. 0； 又： )( 0XfN GFfF 式中： fN F 垂直方向的切削力)(N，(0.20.3)375 fNc FFN； f 导轨摩擦系数，04. 0f (贴塑导轨)； Y G 横向工作台及夹具重量)(N，2200 X GN； 22 则： 0 0.04 (3752200)F =103N 故： 103 0.8 2 3.14 0.8 1.67 f M 9.8cm 又： 2 0 00 0 1 2 i LF M P 式中： 0P F-滚珠丝杠预加载荷，取 0 1 387 3 Pm FFN； 0 -滚珠丝杠预紧时的传动效率， 0 95% ； 故： 2 0 387 0.8 1 0.95 2 3.14 0.8 1.67 M 37(1 0.9)3.7N cm 0max MMMM fa 起 =140+9.8+3.7=153.5cmN 4. 快速进给时所需力矩 快 M 依据公式： 0 MMM f 快 而： 9.83.713.5MN cm 快 故有： 13.5153.5MN cmMN cm 快起 5. 最大切削负载时所需力矩 切 M 根据公式： tf MMMM 0切 式中： t M