XK714数控铣床立柱、床身、主轴箱CAD图纸文档说明书资料
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XK714
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摘 要 本文完成了对数控铣床伺服进给系统的设计。首先确定了总体设计方案，和X、Y、Z三个方向的运动参数，之后根据运动参数确定了数控机床的传动方案，由导程、当量动载荷、最小螺纹底径确定了X、Y、Z三个方向的滚珠丝杠以及由最大切削负载转矩、负载转动惯量等确定了X、Y、Z三个方向的伺服电机，并且校验了X、Y、Z三个方向的伺服进给系统。 确定了结构方案后，用CAXA 实体设计软件对结构中丝杠、导轨、伺服电机等零件进行了3D建模，之后装配出X、Y、Z三个方向的伺服进给系统，并生成出数控铣床伺服进给系统的二维工程图，最后对其进行了运动仿真。关键词：进给系统；滚珠丝杠；伺服电机；CAXA实体设计 Abstract In this paper, the machine servo systems of the CNC milling are designed. First,overall design scheme is determined，and the motion parameters of the X,Y,Z three directions are determined，then according to the motion parameters，the transmission scheme of the CNC machine is determined，and by the lead, equivalent dynamic load, and bottom diameter of the smallest screw，the ball screws of the X, Y, Z three directions are determined and by the maximum cutting load torque, moment of inertia of the load ，the servo motors of the X, Y, Z three directions are determined，and the servo feed systems of the X, Y, Z three directions are checked. After determining the program of the structure，three-dimensional modeling of the screws 、rails 、servo motors and other parts in the structure are set up by using CAXA physical design software，then the servo systems of the X, Y, Z three directions are assembled，and two-dimensional engineering drawings of the servo systems of the CNC milling machine are generated，finally the motion simulation is set up.Keywords : Feed system;Ball Screw;Servo motor;CAXA physical design 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 数控机床的发展趋势11.4 本课题的研究内容和方法31.5 本章小结42 总体方案设计52.1 伺服进给系统的基本要求52.2 铣床的技术要求52.3 传动方案设计52.4 主切削力及切削分力及切削分力计算62.4.1 计算主切削力62.4.2 计算各切削分力62.5 本章小结63 滚珠丝杠及伺服电动机的选择83.1X轴方向进给系统的计算83.1.1 X轴滚珠丝杠的选择83.1.2 X轴伺服电机的选择113.1.3 X轴系统校验133.2 Y轴方向进给系统的计算163.2.1 Y轴滚珠丝杠的选择163.2.2 Y轴伺服电机的选择203.2.3 Y轴系统校验213.3 Z轴方向进给系统的计算243.3.1 Z轴滚珠丝杠的选择243.3.2 Z轴伺服电机的选择273.3.3 Z轴系统校验293.4 本章小结324 3D建模334.1 CAXA实体设计的介绍334.2 丝杠设计334.2.1 设计思路334.2.2 设计步骤334.3 标准件及高级图素应用364.3.1 设计方法364.3.2 内六角圆柱头螺钉设计374.4 装配设计384.4.1 设计方法384.4.2 轴承座装配384.5 二维工程图输出404.5.1 设计方法404.5.2 生成步骤404.6 本章小结435 运动仿真445.1 设计方法445.2 丝杠的仿真445.3 本章小结446 结论45参考文献46致 谢47附录A 英文原文48附录B 中文译文53IV1 绪论1.1 课题背景和意义机床是国民经济中具有战略意义的基础工业，所以机床工业的发展和机床技术水平的提高，必然对国民经济的发展起着重大的推动作用。随着改革开放以及中国加入世贸组织后，我国的机床工业已取得了巨大的发展。特别是在加入世贸组织后，中国正在逐步变成世界制造中心，机械行业为了增强竞争力已开始广泛的使用先进的数控技术及数控机床，虽然目前我国的数控技术正处在方兴未艾的发展时期，但只要经过技术工人艰苦不懈的共同努力，我国的数控机床及数控技术一定能逐步缩小与世界先进水平的差距，取得很好的发展。1.2 国内外研究现状从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。1.3 数控机床的发展趋势 （1）高速化。随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。目前铣削速度已达到50008000m/min以上，主轴转速达到30000100000r/min；工作台的移动速度，当分辨率为1m时，在100200m/min以上。自动换刀速度在1秒以内，小线段插补进给速度达到12m/s。 （2）高精度化。数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿；采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。 （3）高可靠性。数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在710万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。 （4）功能复合化。复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 （5）控制智能化。随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；智能故障回放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验；智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 （6）体系开放化。 向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期；向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求；数控标准的建立：国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649，以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。（7）信息交互网络化。对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。1.4 本课题的研究内容和方法 本课题是通过查阅资料确定数控铣床的切削力，由切削力的大小来确定数控铣床伺服进给系统的各种运动参数及传动方案，然后通过计算当量动载荷选择滚珠丝杠，通过计算最大切削负载转矩，负载惯量选择伺服电动机。最后通过CAXA软件对数控铣床的伺服进给系统进行3D建模和运动仿真，在仿真中逐渐更改和优化系统。1.5 本章小结本章先介绍了课题的背景与研究现状，介绍了数控铣床发展趋势，从而提出了研究数控铣床的重要意义。最后介绍了本课题研究的主要内容和研究方法。2 总体方案设计2.1 伺服进给系统的基本要求 伺服进给系统的基本要求： （1）精度要求伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档性的数控系统，驱动控制精度一般为0.01mm；对于高性能数控系统，驱动控制精度为1m，甚至为0.1m。 （2）响应速度为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号响应要快。 （3）调速范围调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在各种数控机床中，由于加工用道具、被加工工件材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给系统驱动系统必须具有足够宽的调速范围。 （4）低速、大转矩 根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。2.2 铣床的技术要求工作台质量为200kg，工件和夹具的总质量为500kg。工作台纵向行程为650 mm，进给速度为18000mm/min，快速移动速度为20000mm/min；横向行程为450mm，进给速度为18000mm/min，快速移动速度为15000mm/min；垂向行程为500mm，进给速度为18000mm/min，快速移动速度为25000mm/min。采用滚动直线导轨，导轨的动摩擦系数为0.0045，静摩擦系数为0.0045；定位精度为0.012/300mm，重复定位精度为0.006mm。机床的工作寿命为20000h。2.3 传动方案设计 为了满足以上技术要求，采取以下技术方案： （1）工作台工作面尺寸（宽度长度）确定为650mm650mm。 （2）对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预紧。 （3）采用伺服电动机驱动。 （4）采用夹紧式法兰膜片联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠连接。(5) 导轨采用四方向等载荷性滚动直线导轨副。2.4 主切削力及其切削分力计算2.4.1 计算主切削力 根据已知条件，采用镶齿三面刃铣刀，查切削手册切削力计算公式为： （2.1）式中Z铣刀齿数； 背吃刀量（mm）； 每齿进给量（mm/z）； 侧吃刀量（mm）。所以当， 时， =6420N2.4.2 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： 2.5 本章小结本章主要介绍了设计伺服进给系统的基本要求，根据要求及参考资料确定了运动参数及传动方案，并且计算出了各向切削力。3 滚珠丝杠及伺服电动机的选择3.1 X轴方向进给系统的计算3.1.1 X轴滚珠丝杠的选择 1确定滚珠丝杠的导程 根据已知条件取电动机的最高转速,i=1得： 2滚珠丝杠螺母副的载荷及转速计算 丝杠最大载荷，为切削时的最大进给力加摩擦力；最载荷即摩擦力 。已知最大进给力为，工作台加工件与夹具的质量为700，导轨的摩擦因数为0.0045，故丝杠的最小载荷 N 丝杠最大载荷 N 当负荷与载荷接近单调式变化时 3确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 （1）按预定工作时间估算。 （3.1） 式中预期工作时间（小时）； 精度系数； 可靠性系数； 负荷系数。查得载荷性质系数=1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查得精度系数=1,可靠性系数=1，则 （2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按估算最大轴向载荷。取预加载荷系数=4.5，则 （3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 取以上两种结果的最大值，28497N。 4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径（1）估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。机床或机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚珠丝杠副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力。移动部件处启动和返回时，由于方向变化将产生误差因素，一般占重复定位精度的（1/21/3）。所以规定滚珠丝杠副允许的最大轴向变形（1/31/4）重复定位精度。已知重复定位精度为6则 0.0020.0015mm影响定位精度最主要因素是滚珠丝杠副的精度，其次是滚珠丝杠本身的拉压弹性变形以及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化等。一般估算（1/41/5）定位精度。 0.0050.004mm 取上述计算结果的较小值=0.0015mm（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径本机床工作台（X轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式 （3.2）式中估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（m）； 导轨静摩擦力（N）； L滚珠螺母至滚珠丝杠两个固定支承的距离。滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为L行程+安全行程+2余程+螺母长度+支承长度 （1.11.2）行程+（1014） L1.1行程+10（1.1650+108）mm860mm又=31.5N，得 5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的、，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副FFZD4008-5其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝杠底径如下:=40mm, =8mm,=30700N=28497N, =34.9mm=5.23mm。故满足式设计要求。 6确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 3883N1294N 7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉力 1）计算目标行程补偿值 11.8t （3.3）式中：t温度变化值。 已知温度变化值t=2.5，滚珠丝杠螺母副的有效行程： 行程+（814）=650+118=738mm 11.8t11.82.5738mm=21.77mm （2）计算滚珠丝杠的预拉伸力。 8确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 （1）计算轴承所承受的最大轴向载荷 （2）轴承类型 两端固定支承方式。采用双向推力角接触球轴承。 （3）确定轴承内径d 为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠大径。在选用内循环滚珠丝杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径。其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承所承最大载荷计算轴承的的1/3。 d略小于=34.9mm，d=30mm （4）轴承预紧力 预加负荷，=1/3=1/39821=3274N （5）按样本选轴承型号规格 ZKLN3062.2RS d=30mm ，预加负荷为5850N=3274N 9滚珠丝杠副工作图设计 （1）滚珠丝杠螺纹长度 余程=32mm =738+232=802mm （2）两端固定支承距离 =860mm，丝杠全长L=994mm （3）行程起点离定支承距离 =62mm3.1.2 X轴伺服电机的选择 1力矩的计算 （1)计算切削负载力矩T 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力F=F=3883N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离=8mm=0.008m,进给传动系统的总效率=0.90，得： T=5.5Nm （2)计算摩擦负载力矩T已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）F=31.5N，得： T=N.m=0.044N.m （3)计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩T 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力F=976.56N，滚珠丝杠螺母副的基本导程=8mm=0.008mm，滚珠丝杠螺母副的效率=0.94，得: = 2负载转动惯量计算 （1）已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量m=800kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离为8mm，得： （2)计算滚珠丝杠的转到惯量J 已知滚珠丝杠的密度=7.810kg/cm,得: （3)计算联轴器的转动惯量J J (4)总的转动惯量 根据上述计算可初步选定伺服电机。选择S系列交流伺服电动机CTB-43POSXA20。主要技术参数如下： 最高转速：6000r/min 额定转矩：14.3N.m 最大转矩：28.6N.m 转子惯量：0.0054 机械时间常数：7.5ms 3空载启动时，折算到电动机轴上的加速力矩 a）=0.0054=（14） b）最大转矩：28.6N.m c）额定转矩：14.3N.m 可见CTB-43POSXA20型交流伺服电机满足设计要求。3.1.3 X轴系统校验 1传动系统的刚度计算 （1）计算滚珠丝杆的拉压刚度 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（a=/2，=860mm）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，计算为： 当滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时，滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度计算得： （2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度 = 22.34 （3.4）式中轴承接触角； 滚动体直径（mm）； Z滚动体个数；最大轴向工作载荷（N）； 已知轴承的接触角=60，滚动体直径=4.25mm，滚动体个数Z=10,轴承的最大轴向工作载荷= 35850=17550N,得 = 22.34 = 22.34 由两端固定支承 =2=2719=1438N/m（3）计算滚珠与滚道的接触刚度K （3.5）式中查样本上的刚度（m）； 额定动载荷；由样本查得：=1580N/m； =30700N；=1294N = 2传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 （1）计算 N/um 计算 N/um 静摩擦力 （2）验算传动系统刚度 （3.6） 已知反相差值或重复定位精度为6 N/m （3）传动系统刚度变化引起的定位误差 （4）确定精度，任意300mm内的行程变动量 对半闭环系统而言， 定位精度为12m/300mm 所以 所以=8m9.584取丝杠精度取为2级。 （5）确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定得型号：FFZD 公称直径：40mm，导程 8mm 螺纹长度：802mm 丝杠全长：994mm P类2级精度 即：FFZD4008-5-P2/994802 3验算滚珠丝杠副临界压缩载荷 因丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸里不用验算。 4验算滚珠丝杠副的临界转速 （3.7）式中临界转速计算长度（mm）。 由样本得：=34.9mm， f=21.9，得 5验算 （3.8）式中滚珠丝杠副的节圆直径（mm）； 滚珠丝杠副的最高转速。 r/min 6基本轴向额定静载荷验算 式中滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（N）； 静态安全系数。 由样本得：=1.5，=17550N，=84900N 所以 1.517550=26325=2206N 9滚珠丝杠副工作图设计 (1）滚珠丝杠螺纹长度 余程=24mm =510+224=558mm (2）两端固定支承距离 =618mm，丝杠全长L=750mm （3）行程起点离定支承距离 =60mm3.2.2 Y轴伺服电机的选择 1力矩的计算 （1)计算切削负载力矩T 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力F=F=2920N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离=6mm=0.006m,进给传动系统的总效率=0.90，得： T=3.0997Nm （2)计算摩擦负载力矩T已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）F=31.5N，得： T=N.m=0.0336N.m （3)计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩T 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力F=973N，滚珠丝杠螺母副的基本导程=6mm=0.006mm，滚珠丝杠螺母副的效率=0.94，得: = 2负载转动惯量计算 （1）已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量m=800kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离为8mm，得： （2)计算滚珠丝杠的转到惯量J 已知滚珠丝杠的密度=7.810kg/cm,得: （3)计算联轴器的转动惯量J J （4)总的转动惯量 根据上述计算可初步选定伺服电机。选择交流伺服电机130MB200B-011000。主要技术参数如下： 最高转速：2500r/min 额定转矩：8.8N.m 最大转矩：19.6N.m 转子惯量：0.00158 机械时间常数：2.72ms 3空载启动时，折算到电动机轴上的加速力矩 a）=0.00158=（14） b）最大转矩：19.6N.m 可见130MB200B-011000型交流伺服电机满足设计要求。3.2.3 Y轴系统校验 1传动系统的刚度计算 （1）计算滚珠丝杆的拉压刚度 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（a=/2，=618mm）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，计算为： 当滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时，滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度计算得： （2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度 已知轴承的接触角=60，滚动体直径=4.25mm，滚动体个数Z=10,轴承的最大轴向工作载荷= 35525=16575N,由公式（3.4）得, = 22.34 =22.34 由两端固定支承 =2=2706=1412N/m （3）计算滚珠与滚道的接触刚度K 由样本查得：=1367N/m； =20200N；=973N,由公式（3.5)得 = 2传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 （1）计算 N/um 计算 N/um 静摩擦力 （2）验算传动系统刚度 已知反相差值或重复定位精度为6,由公式（3.6）得 N/m （3）传动系统刚度变化引起的定位误差 （4）确定精度，任意300mm内的行程变动量 对半闭环系统而言， 定位精度为12m/300mm 所以所以=8m9.584取丝杠精度取为2级。 （5）确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定得型号：FFZD 公称直径：32mm，导程 6mm 螺纹长度：558mm 丝杠全长：750mm P类2级精度 即：FFZD4008-5-P2/750558 3验算滚珠丝杠副临界压缩载荷 因丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸里不用验算。 4验算滚珠丝杠副的临界转速 由样本得：=27.9mm， f=21.9，由公式（3.7）得 5验算 由公式（3.8）得 r/min 6基本轴向额定静载荷验算 式中滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（N）； 静态安全系数。 由样本得：=1.5，=16575N，=53300N 所以 1.516575=24863=2388N 9滚珠丝杠副工作图设计 （1）滚珠丝杠螺纹长度 余程=40mm =510+240=660mm （2）两端固定支承距离 =720mm，丝杠全长L=852mm （3）行程起点离定支承距离 =72mm3.3.2 Z轴伺服电机的选择 1力矩的计算 （1)计算切削负载力矩T 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力F=F=3531N,电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离=6mm=0.01m,进给传动系统的总效率=0.90，得： T=6.25Nm （2)计算摩擦负载力矩T已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力）F=5.3N，得： T=N.m=0.0083N.m （3)计算由滚珠丝杠得预紧而产生的附加负载力矩T 已知滚珠丝杠螺母副的预紧力F=1177N，滚珠丝杠螺母副的基本导程=10mm=0.01mm，滚珠丝杠螺母副的效率=0.94，得: = 2负载转动惯量计算 （1）已知负荷质量m=4kg，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离为10mm，得： （2)计算滚珠丝杠的转到惯量J 已知滚珠丝杠的密度=7.810kg/cm,得: （3)计算联轴器的转动惯量J J （4)总的转动惯量 根据上述计算可初步选定伺服电机。选择交流伺服电机130MB200B-011000。主要技术参数如下： 最高转速：2500r/min 额定转矩：8.8N.m 最大转矩：19.6N.m 转子惯量：0.00158 机械时间常数：2.72ms 3空载启动时，折算到电动机轴上的加速力矩 a）=0.00158=（14） b）最大转矩：19.6N.m 可见130MB200B-011000型交流伺服电机满足设计要求。3.3.3 Z轴系统校验 1传动系统的刚度计算 （1）计算滚珠丝杆的拉压刚度 本工作台的丝杠支承方式为两端固定，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中心位置（a=/2，=720mm）时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，计算为： 当滚珠丝杆的螺母副中心位于行程的两端位置时，滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度计算得： （2）计算滚珠丝杠螺母副支撑轴承的刚度 已知轴承的接触角=60，滚动体直径=4.25mm，滚动体个数Z=10,轴承的最大轴向工作载荷= 35525=16575N,由公式（3.4）得 = 22.34 =22.34 由两端固定支承 =2=2706=1412N/m（3）计算滚珠与滚道的接触刚度K由样本查得：=772N/m； =25700N；=1177N,由公式（3.5）得 = 2传动系统刚度验算及滚珠丝杠副的精度选择 （1）计算 N/um 计算 N/um 静摩擦力 （2）验算传动系统刚度 已知反相差值或重复定位精度为6,由公式（3.6）得 N/m （3）传动系统刚度变化引起的定位误差 （4）确定精度，任意300mm内的行程变动量 对半闭环系统而言， 定位精度为12m/300mm 所以所以=8m9.596取丝杠精度取为2级。 （5）确定滚珠丝杠副的规格代号 已确定得型号：FFZD 公称直径：32mm，导程 10mm 螺纹长度：660mm 丝杠全长：852mm P类2级精度 即：FFZD4008-5-P2/852660 3验算滚珠丝杠副临界压缩载荷 因丝杠所受最大轴向载荷小于丝杠预拉伸里不用验算。 4验算滚珠丝杠副的临界转速 由样本得：=27.3mm， f=21.9，由公式（3.7）得 5验算由公式（3.8）得 r/min 6基本轴向额定静载荷验算 式中滚珠丝杠副的基本轴向额定载荷（N）； 静态安全系数。 由样本得：=1.5，=16575N，=50200N 所以 1.516575=24863=50200N 7强度验算取=726，由公式（3.9）得所以 mm 验算均合格。3.3 本章小结本章首先介绍了各滚珠丝杠的选择，介绍了伺服电机的选型，最后对系统进行了校验。 4 3D建模4.1 CAXA实体设计的介绍 CAXA是我国具有自主知识产权软件的知名品牌，是我国CAD/CAM/CAPP/PDM/PLM软件的优秀代表，在国内设计制造领域拥有120000套授权使用的广泛用户基础和影响。CAXA软件最初起源于北京航空航天大学，经过十多年市场化、产业化和国际化的快速发展，目前已成为“领先一步的中国计算机辅助技术与服务联盟（Computer Aided X,Ahead& Alliance）”,产品覆盖设计（CAD）、工艺(CAPP)、制造（CAM）与协同管理（EDM/PDM）四大领域，其近20个模块和构件共同构成哦CAXA-PLM集成框架，是国内制造业信息化服务的主要供应商之一。 CAXA A5 PLM是面向制造企业典型流程的普及型PLM解决方案。它主要是针对CAD普及之后，企业对建立快速响应市场的产品创新研发体系及其协同工作平台的现实需求，并结合CAXA多年来服务用户的实践经验以及最新的技术，不断研究发展而成。 CAXA A5 PLM 根植于制造企业的产品创新流程，结合各种CAD/CAM单元应用的集成技术，提供从概念设计、详细设计、工艺流程到生产制造的各个环节的协同工作平台，是广大制造业企业普及PLM应用、提升企业产品创新能力的最佳选择。4.2 丝杠设计4.2.1 设计思路在设计丝杠的过程中，重点在于设计其螺纹的结构。先调用设计元素库中的“圆柱体”图素，然后调用“工具”图素中的弹簧，对图素所加载属性进行编辑修改。最后用布尔特征中的减法，生成螺纹。4.2.2 设计步骤 （1）启动CAXA进入系统，进入三维设计环境。 （2）从设计元素库中的“图素”中选择“圆柱体”图素，将其拖放入设计环境中，如图4.1所示。 （3）激活圆柱体智能图素状态，编辑包围和，修改圆柱体尺寸为：长度32、宽度32、高度660，如图4.2所示。 图4.1 调用“圆柱体”图素 图4.2 编辑包围盒 （4）从“工具”图素中拖出弹簧，激活弹簧智能图素状态，用鼠标右击图素，在弹出菜单中选择加载属性，输入相应参数：统一半径、底部半径13.65、高度值660、等螺距、初始螺距10、截面圆形、d为7.2。如图所示。点击确定生成弹簧，如图4.3所示。 （5）拾取弹簧零件，使其处于智能图素编辑状态下，单击“三维球”按钮，然后用鼠标右键单击三维球中心点，在弹出的快捷菜单中选择“到中心”。再点击圆柱体外圆出，则弹簧与圆柱体装配到一起。如图4.4所示。点击“布尔特征”按钮，在弹出的菜单中选择减法，被布尔减的体选择圆柱体，要布尔减的体选择弹簧，单击确定。如图4.5所示。 （6）从设计元素库中选择圆柱体图素，然后利用智能捕捉功能，捕捉到中心点时将变为高亮“绿色”圆点。将第二个圆柱体定位于第一个圆柱体右端面的中心位置，如图4.6所示。 （7）编辑第二个圆柱体图素包围和的尺寸，修改为长度23、宽度23、高度2。继续调用圆柱体图素，重复上述操作，再调入3个圆柱体，使用智能捕捉功能，使其都端面相接，以中心定位。3个圆柱体图素的尺寸由左向右分别为：直径25、20、22；长度56、2、24。相应的在螺纹圆柱体的左端面依次调入4个圆柱体，直径23、25、20、22；长度2、56、2、24。单击“显示全部”按钮，显示三维实体全景，如图4.7所示。 图4.3 加载属性对话框 图4.4 弹簧与圆柱体装配 图4.5 丝杠螺纹 图4.6 调用第二个圆柱体图素 图4.7 丝杠各轴段 （8）在丝杠两端的轴段也用上述生成螺纹的方法添加上螺纹，不再赘述。最后单击“显示设计树”右键点击零件49，在弹出的菜单中选择智能渲染，选择深蓝色。单击确定。单击按钮“显示全部”按钮，显示三维实体全景，如图所4.8示。 图4.8 丝杠 4.3 标准件及高级图素应用4.3.1 设计方法 在零件中构造各种形状的孔、布置安排孔的不同排列方式等已经成为典型的设计内容。另外，有些零件，如螺钉、螺母、垫圈、齿轮、轴承和弹簧等，其结构已经固定，并已纳入国家标准，所以在零件的分类中，一般将这些零件称为标准件和常用件。CAXA实体设计不仅提供了构造这些零件的方法，而且还将一些常用的结构归纳到设计元素库的“高级图素”或“工具”选项卡中。4.3.2 内六角圆柱头螺钉设计（1）将工具元素库中的“紧固件”图素拖放到设计环境中。 （2）将“紧固件”对话框，在主类型和子类型下拉表框中选择相应的紧固件类型，例把主类型设置为“螺钉”、将子类型设置为“圆柱头螺钉”。（3）单击下一步按钮，在弹出的对话框中选择适当规格，并按需要修改各个参数后，单击确定按钮，即可构造出相应的螺钉如图4.9所示。（4）其他如圆螺母等也可以直接从紧固件中拖出。 图4.9 内六角圆柱头螺钉 4.4 装配设计4.4.1 设计方法 CAXA实体设计的设计环境具有强大的装配功能，它将装配设计与零件造型设计集成在一起，不仅提供了一般三维实体设计建模所具有的刚性约束能力，同时还提供了三维球装配的柔性装配方法，并保证快捷、精确地利用零件上的特征点、线和面进行装配定位。其中，三维球定位装配、无约束定位装配和约束定位装配比较常用。不同装配方法有各自的应用范围，在产品设计中可根据不同的情况选用不同的装配约束方式。4.4.2 轴承座的装配（1）启动CAXA实体设计系统，进入三维设计环境。（2）选择“装配”，“插入零件装配”命令弹出“插入零件”对话框，如图所示。（3）把轴承，轴承盖，挡圈，轴承座依次依次插入到设计环境中，如图4.10所示。（4）在设计环境中，拾取轴承盖，然后激活其三维球，在三维球中，按下空格键，三维球变成白色，这时右击三维球中心点，在弹出的菜单中选择到中心点，如图4.11所示，选择轴承盖大圆出，三维球就会移到大圆中心点，然后再按空格键，三维球变回蓝色，这时右键点击三维球中心点，选择到中心点，点击轴承座外圆，这时，轴承盖被固定到轴承座上。如图4.12所示。 图4.10 组成轴承座的零件 图4.11 移动轴承盖的三维球 图4.12 轴承盖的安装 （5）用同样的方法依次把轴承和挡圈装配到轴承座上，单击“显示全部”按钮，显示三维实体全景。如图4.13所示。 图4.13 轴承座 4.5 二维工程图的输出4.5.1 设计方法 CAXA实体设计2009直接嵌入了最新的电子图板作为2D设计环境，设计者可以在同一软件环境下轻松进行3D和2D设计，不再需要任何独立的二维软件。3D转2D功能主要用于解决利用三维实体准确生成二维工程图的问题。其设计思想是在二维图版中读入三维图，然后根据用户的需求生成准确的标准视图、自定义视图、剖视图和剖面图。视图生成后可以根据自己的实际情况对视图进行修改。4.5.2 生成步骤 （1）选择“文件”，“新文件”命令，在弹出的“新建”对话框中选择“工程图”，单击“确定”。弹出“新建”对话框，如图4.14所示，选择“空白”单击确定，出现二维工程图的工作环境。 图4.14 新建图样对话框 （2）选择“标准视图”按钮弹出“标准视图输出”对话框，选择要输出的实体，如图4.15所示。 图4.15 “生成标准视图”对话框（3） 单击主视图，在图纸上选择合适的位置，添加视图，如图4.16所示。 图4.16 生成主视图（4）选择“剖视图”按钮，选择剖切方向，并指定剖面，拖动鼠标将破视图定位于合适的位置。如图4.17所示。 图4.17 剖视图 （5）点击“文件”，“输出”，保存类型选择“Autocad DWG”，cad版本选择选R2004。如图4.18所示。完成输出。 图4.18 输出类型 4.6 本章小结本章首先介绍了CAXA实体设计软件，随后介绍了典型零件的设计，标准件及高级图素应用，介绍了零件的装配，和工程图的输出。 5 运动仿真5.1 设计方法 CAXA动画制作是将动画设计元素中的动画加到相应的零部件上，通过只能动画编辑器设置其动画属性，就可以完成动画效果。5.2 丝杠的运动仿真 （1）启动CAXA实体设计软件，打开装配图。 （2）智能渲染处理：为了使动画效果更生动，所以为机构进行智能渲染。（3）丝杠的智能动画；拾取丝杠，单击只能动画按钮，在只能动画向导对话框中，如图5.1所示，设置为旋转，绕高度方向，角度为360，单击下一步，弹出如图5.2所示对话框，时间设置为15秒，点击“完成”，完成丝杠只能动画的设置。 图5.1 智能动画向导第一页 图5.2 智能动画向导第二页 （4）播放动画；单击打开按钮播放动画。可以看见丝杠绕高度方向旋转。5.3 本章小结本章首先介绍了运动仿真的方法，随后介绍了典型零件的运动仿真设计。6 结论 本次设计是在完成大学学习后进行的一次设计，是对大学四年所学专业知识的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，能够使我们的知识掌握更牢，并能提升我们分析问题，解决问题的能力。 通过本次设计我了解了目前数控机床研究的现状，数控铣床的伺服进给系统的工作原理，结构组成，及其作用。现总结本文的工作如下： （1）根据资料确定了进给系统的运动参数，设计出传动方案。 （2）根据计算公式对X、Y、Z三个轴的滚珠丝杠和伺服电机进行了选择。 （3）使用CAXA实体设计软件，把所有三个轴的零件进行建模，最后通过装配把整个数控铣床的进给系统仿真出来。直观地表现出进给系统的运动过程。 因为数控机床对进给系统的要求集中在精度、稳定性和快速响应三个方面，由于时间和条件的限制，响应和反馈部分并未深入研究，会在以后进行学习研究。 参考文献1 文怀兴数控机床系统设计北京：化学工业出版社，2005.52 文怀兴数控铣床设计北京：化学工业出版社，2005.113 冯辛安机械制造装备设计北京：机械工业出版社，2005.124 隋秀凛，高安邦实用机床设计手册北京：机械工业出版社，2010.15 黄如林新编实用切削加工速查手册福建：福建科学技术出版社，2008.46 上海金属切削技术协会新金属切削手册上海：上海科学技术出版社，2000.67 黄如林切削加工简明实用手册北京：化学工业出版社，2009.108 许立福机械制造装备设计课程设计指导书沈阳：沈阳理工大学，2009.119 成大先机械设计手册北京：化学工业出版社，2008.19 陆剑中，孙家宁金属切削原理与刀具北京：机械工业出版社，2005.1致 谢本论文的顺利完成首先要感谢我的导师许立福老师。从最初的理论知识的搜集、直到论文的撰写和修改，老师都给予我宝贵的意见和帮助，使我能确定好各种数据，并快速掌握了设计软件。每星期的答疑时间许老师都会认真详细地为我们讲解设计中的难题，让我们很快掌握了各种计算方法，学会了分析问题的思路。许老师在教学中的严谨的作风深深的感染了我，让我以后能认认真真地做好每一件工作。同时，许立福老师也让我学会了很多做人、做事的原则。在本课题的设计过程中，同学也给予了我很多帮助，当我对CAXA实体设计中的作图工具不明白时，同学们都会给我讲解，让我很快地掌握了很多绘图技巧。感谢父母和亲友给予的关怀和支持，使我能顺利完成学业。向教育我四年的母校沈阳理工大学表示最由衷的谢意，没有沈阳理工大学就没有我大学深造的机会，是母校铸造了我，养育了我，感谢母校！再次向所有关心和支持我的老师、家人和朋友们表示最诚挚的谢意！ 2011年6月附录A 英文原文附录B 中文译文可重构机床的设计原则摘要：可重构机床能根据特定的产品零件形成一个新形式的机床，并能让它的结构快速变化。他们被设计成能让机床根据生产需求的变化进行配置更改。重新配置变化可能关系到机床的功能性和可扩展性，即在生产量或运行速度上的变化。可重构机床代表一类新的机床，它是高柔性和高成本机床和较差灵活性和低成本专用机之间差距的桥梁。可重构机床的设计原则遵循一种相似的理念，是要追溯到可重构制造系统，呈现出一种设计机床的方法，这种机床主要用在大批量的生产线上。本文介绍了可重构机床的设计原则，可应用于不同领域的生产。在这些设计原则的基础上，三种类型的可重构机床被设计出，来进行不同类型的生产操作，如：机械加工，检验，装配。本文论述了如何把设计的建议原则运用在一些全面的设计机原型和测试实验上。关键词：机械设计；可重构机器（RM）；可重构制造系统（RMS）；可重构机床（RMT）；可重构检查机床（RIM）；可重构装配机床（RAM）缩略语：RM：重构机。RMS：可重构制造系统。RMT：可重构机床。RIM：可重构检查机床。RAM：可重构装配机床。 DMS：专用制造系统。FMS：柔性制造系统。ERC/RMS：可重构制造系统工程研究中心。CNC：计算机数字控制。CMM：坐标测量机。FRF：频率响应函数。 FFT：快速傅立叶变换1 引言 制造企业在中期和大规模生产中主要利用的两个传统方法是专用制造系统（DMS）1，2和柔性制造系统（FMS）3-5。专用制造系统用在部分生产高，持续不断并且部分不变的时候。柔性制造系统被使用所需的数量相对较低，在部分设计中许多修改被预见，或超过一种产品同时在同一生产线上进行生产。就可重构制造系统（RMS）而言，描述6了定制制造的一个创新的方法这种新方法主要优势是在生产部分产品时系统自定义的柔性比柔性制造系统的成本低。设置一个核心特征：模块化，可扩展性，可积性，可兑换性，定制和并且诊断包括在可重构制造系统7的核心中。一个典型的柔性制造系统包括传统的柔性机床和一种新型机床，这种机床在其生产线上被称为可重构机床。 通常情况下，专用制造系统中 ，专用机床是围绕大规模生产的特定的部分进行设计的。这个设计是依靠可靠性高和可重复性，高生产力用来完成单人操作，因此是相对简单，更便宜。柔性制造系统中使用的机床是被设计出用来，以灵活的方式执行大多数操作。这些柔性机床都是通过电脑数值控制（CNC），可以通过改变他们的计算机程序的不同部分来进行产生许多生产。由于可靠性，可重复性和高生产率在大规模生产线中被需要，为大批量生产设计的柔性机床都比较昂贵。与此相反，可重构机床被设计出用来定制柔性，即必要的柔性产生特定部分问题7。可重构机床可以执行为具有高可靠性，可重复性和高生产率的特定零件族预先设计的一套指定的所需的操作。有限的，定制的柔性一方面可以减少投资成本，另一方面在产品的变化时能快速反应，并且代表经济利益。 对可重构制造系统和六个核心特色的创新理念最初是为“系统“而建，即大规模生产线。基于可重构制造系统的理论依据的原则的新发展的设计是为了设计可重构制造系统这些机床上被使用在生产线上，从而延长从概念的可重构制造系统系统级到机床水平。在文献中，一些机械的一般原则设计已提出并讨。例如，Doubbel描述了这样的设计原则的体现如：原则任务，力和能源司传输，以及安全性和可靠性原则8。诺顿定义“工程设计过程运用各种技术和科学原则为界定一个设备，一个过程或系统的目的在足够的细节上允许其实现”介绍了设计过程的各个阶段9。如此表达一个设计过程的详细讨论工程利用数学工具，并显示机器的例子设计10。他介绍了有关的设计方程式向量阻燃功能要求的设计参数，载体使用的设计矩阵。使用此方法，他研究了耦合设计不同的情况，冗余设计和理想设计。其他研究者关注的焦点对机器的设计原则主要是用于制造。Altintas提出的基本原则数控机床的设计11它包括选择大小和驱动电机，物理配置伺服控制结构和造型。设计原则数控机床中还详细介绍科伦12。机械加工系统的设计原则以及可升级的多主轴室进行了讨论13重构机床的设计理念进行了研究14以开展“模块化可重构机床“为目标。随着说有，组合机床的主要特点设计的重点是分解，标准化和互换性根据文献15，可重构制造系统的设计是基于一个原则，即建设套件使其能够适应新的生产要求的替代，机系统增加或拆除。一个合成方法可重构机床设计（可重构制造工具）16，17需要的功能要求和一套制定计划的过程作为输入，产生一组运动学可行的可重构机床工具，以满足给定的规格。可扩展性的机床深入研究是在可重构机床系统的背景下提出并讨18。当前研究的重点是改善了动态设计能力对可重构机床工具19和模块化建模方法为可重构机床工具伺服轴20派生机床模型可以用于设计和可重构机床的伺服控制轴。当大批量零件的生产，有一需要快速和低成本的检测设备测量几何和尺寸公差以及作为表面质量。通常情况下，这是专门计高精度和高重复性设计的，昂贵，而且不能灵活地适应产品的变化21。因此，制造商倾向于使用灵活的协调测量机（CMM），可衡量的许多不同部位或功能22。一般设计原则中一个有趣的应用，被Suh10提出，演示选择检测系统测量机械零件的方法23。利用这种方法，作者基于系统选择了一个灵活的能力成熟度模型完成自己的任务。 本文的目的是介绍和解释可重构制造系统的设计原则。遵循这些设计原则的概念和理论视野提出的可重构制造系统6，7，并引入一套完整的实用设计原则。这些设计原则的基础上，一些可重构制造系统被进行了设计。本文介绍了三个这样的例子加工，检验和装配机设计业务。我们解释如何设计原则反映在每一台机床的实际设计。金属切割，计量和大会代表不同制造业务，但类似的设计原则已被用于设计每个可重构制造系统。两个全面建成原型的可重构制造系统（选择3和4）。这些可重构制造系统被进行了实验测试，评估其可重构功能，以及其功能表现。本文简要介绍了一些这些研究，指的读者更完整我们的研究工作文件。 第2节提出并阐述了可重构机床系统设计原则。第3，第4和第5是描述每个可重构制造讨论的基础上的设计原则。第2条，首先提供了机床的简要介绍，然后，在设计阶段以及项目的研究和每台机床验证，应用程序的设计原则被进行了讨论。第6总结，并提出结论性的文件备注。2 设计原则一台可重构机床是一种专门用来处理的机床，是一个特定的部分系列产品的变种。一个好的可重构机床设计是，使得它精通处理改变和简化转换过程。可重构机床系统的设计原则，是遵循可重构制造系统的设计理念。可重构机床主要用于大规模生产。 可重构机床设计允许自定义的灵活性和成本效益生产和检验的各零件。一台机床如果它的设计遵循如下必要的原则和几个主要原则，被列为一台可重构机床。必要的原则： 1.可重构机床的设计是围绕一系列产品的特定部分。 主要原则： 2.可重构机床是为定制灵活性而设计。 3.可重构机床是为方便和快速转换换的设计。 4.可重构机床是为可扩展性而设计：允许添加或移除元素，增加生产力或工作效率。 5.可重构机床的设计允许重新配置的机床，使用相同的基本结构，在不同地点不同的生产线，执行不同的任务。 6.可重构机床的设计应申请模块化概念，即使用普通“建设块“和共同的接口。 明确备注： 1.确定为一台机床是可重构机床第一个原则是必要的。其他五个原则是指定可重构机床的本质的主要原则。 2.零件系列原则上1，是具有相似的特点一系列零件。一个特点是区分例如一个部分的性质，如材料，几何，形状或颜色。相似性是难以衡量的它取决于性质。两部分可以基于一个类似设置属性，第二设置考虑时不同。当加工零件被考虑时，几何形状和性能的选
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