微型三坐标数控铣床的设计.doc

SHANDONG 毕业设计说明书 微型三坐标数控铣床的设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 摘要 - II - 2011 年 6 月 目 录 - I - 目 录 摘要.I ABSTRACT.II 目 录.IIII 第一章 引言.1 1.1 数控机床的现状与发展趋势.1 1.2 数控铣床.4 1.3 课题的背景和意义.8 第二章 微型数控铣床总体设计.9 2. 1 微型数控铣床总体方案 .9 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计.12 3.1 主轴驱动及其控制.12 3.2 主传动的机械结构.14 3.3 主传动系统的设计与计算.14 第四章 进给系统的设计.18 4.1 进给系统的机械结构特点.18 4.2 滚珠丝杠简介.19 4.3 X 方向进给系统的设计 .18 4.4 Y、Z 方向进给系统的设计.19 4.5 导轨的分类与选型.28 4.6 步进电机的种类、结构、工作原理及选型计算.29 4.7 联轴器选型.38 参考文献.39 致谢.40 摘要 - I - 摘要 随着科学技术的迅速发展，数控技术已是衡量一个国家机床制造业水平的重要标 志。因此有必要使学生初步掌握数控机床的结构和相关操作，但一般数控机床由于体 积大、 价格高 ,很难适应教学的需要。为进一步提高教学质量 ,更好地实施素质教育 , 培养学生的创造性思维能力、 实际动手能力和科研创新能力 ,便于实验教学 ,应有一 套简易的微型数控铣床。它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优越 等系列优点。 论文详细介绍了微型三坐标数控铣床的设计过程，主要进行了数控铣床的机械部 分设计，论证了各种方案的优缺点，从而在总体布局上有所把握。我们通过分析比较 各种设计方案，根据合理性和经济性的指导思想，决定采用立式结构，十字工作台式， 床身导轨水平放置。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和互换性，保证 X、Y 进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。 本文对微型数控铣床的设计基于需加工零件的工艺范围、机床的精度和实验需求 等因素而提出了较合理的设计方案，并且详细论述了机械系统部分的设计与计算，包 括部件的选择，各零件的选择、设计、计算等。此铣床配上数控系统可为学生提供大 量的教学实验,满足学生的教学要求。 关键词关键词：教学型，数控铣床，两坐标，机械系统 Abstract（英文摘要） - II - Abstract With the rapid development of science and technology, numerical control technology has being an important indicator of the level of a national machine manufacturing industry. Therefore it is necessary for students to master the initial structure of CNC machines and related operations, but CNC machines in general are large, high prices, so it is difficult to adapt to the needs of teaching. In order to improve the quality of teaching, and better implementation of quality education and training of creative thinking ability of students, the actual practical ability and scientific innovation, facilitate the experimental teaching, the teaching should have a simple CNC milling machine. It has the advantages such as small size, low cost, fully functional, high safety factor, superior performance and so on. This article on teaching the design of CNC milling machine gives a more reasonable design based on same factors such as the need to process the scope of the processing components, precision machine tools, and the demand of experimental, and detail some of the mechanical system design and calculation, including parts choice, the choice of the components, design, calculation and so on. CNC milling machine with this system can provide students with a large number of teaching experiments, and can meet the demands of teaching students. Key words: teaching, CNC milling machines, mechanical systems 第一章 引言 - 1 - 第一章 引言 1.1 数控机床的现状与发展趋势 数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功 能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中 的一项核心技术。数控系统技术的突飞猛进为数控机床的技术进步提供了条件。当前， 数控机床的发展主要体现为以下几方面： 1.高速、高效 机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可 提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本 生产有广泛的适用性。20 世纪 90 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高 速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速 15000 100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度 60120m/min，切削 进给速度高达 60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突 破，达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨 具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含 监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代高速 数控机床提供了技术基础。目前，在超高速加工中，车削和铣削的切削速度已达到 50008000m/min 以上；主轴转数在 30000 转/分（有的高达 10 万 r/min）以上；工作 台的移动速度（进给速度）：在分辨率为 1 微米时，在 100m/min（有的到 200m/min） 以上，在分辨率为 0.1 m 时，在 24m/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/min。 2.高精度 从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微 米级到亚微米级，乃至纳米级（#lt;10nm），其应用范围日趋广泛。当前，在机械加工 高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10 m 提高到5 m；精密级加工中 心的加工精度则从35 m，提高到11.5 m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米 第一章 引言 - 2 - 级（0.001m），主轴回转精度要求达到 0.010.05 m，加工圆度为 0.1m，加工表面粗 糙度 Ra=0.003 微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴 一体化），主轴径向跳动小于 2 m，轴向窜动小于 1 m，轴系不平衡度达到 G0.4 级。 高速高精加工机床的进给驱动，主要有#quot;回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠#quot; 和#quot;直线电机直接驱动#quot;两种类型。此外，新兴的并联机床也易于实现高速进 给。滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO34081 级），而且 实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚 珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度 90m/min，加速度 1.5g。滚珠丝杠属机械传 动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和 其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993 年开始在机床上应用直 线电机直接驱动，由于是没有中间环节的#quot;零传动#quot;，不仅运动惯量小、系统 刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制， 定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特 别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快 移速度已达 208 m/min，加速度 2g，并且还有发展余地。 3.高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商 和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在 16 小 时内连续正常工作，无故障率在 P（t） 99%以上，则数控机床的平均无故障运行时 间 MTBF 就必须大于 3000 小时。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的 失效率之比为 10:1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的 MTBF 就要 大于 33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的 MTBF 就必须大于 10 万小 时。当前国外数控装置的 MTBF 值已达 6000 小时以上，驱动装置达 30000 小时以上， 但是，可以看到距理想的目标还有差距。 4.复合化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀 和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整 合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范 畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进 行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要 第一章 引言 - 3 - 乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而 言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明， 机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周 期。 5.多轴化 随着 5 轴联动数控系统和编程软件的普及，5 轴联动控制的加工中心和数控铣床 已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5 轴联动控制对球头铣刀的 数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削 3 维曲面的过程中始终保持合理的切速， 从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在 3 轴联动控制的机床无 法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5 轴联动机床以其无可替代的 性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。最近，国外还在研究 6 轴联 动控制使用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加 工效率太低一时尚难实用化。 6.智能化 智能化是 21 世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、 模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能 活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内 容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控 制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电 机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作 的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控，方便 系统的诊断及维修等。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智 能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。 7.网络化 数控机床的网络化，主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制系统或 上位计算机进行网络连接和网络控制。数控机床一般首先面向生产现场和企业内部的 局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓 Internet/Intranet 技术。随着网 络技术的成熟和发展，最近业界又提出了数字制造的概念。数字制造，是机械制造 企业现代化的标志之一，也是国际先进机床制造商当今标准配置的供货方式。随着信 息化技术的大量采用，越来越多的国内用户在进口数控机床时要求具有远程通讯服务 第一章 引言 - 4 - 等功能。机械制造企业在普遍采用 CAD/CAM 的基础上，越加广泛地使用数控加工设 备。数控应用软件日趋丰富和具有;人性化。虚拟设计、虚拟制造等高端技术也越来越 多地为工程技术人员所追求。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代机床发展 的重要趋势。在数字制造的目标下，通过流程再造和信息化改造，ERP 等一批先进企 业管理软件已经脱颖而出，为企业创造出更高的经济效益。 8.柔性化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复 合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、 体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性 方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段， 是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的 可靠性、实用化为提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善； CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方 便地与 CAD、CAM、CAPP、MTS 联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集 成和智能化方向发展。 9.绿色化 21 世纪的金切机床必须把环保和节能放在重要位置，即要实现切削加工工艺的绿 色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切削液既污 染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。干切削一般是在大气氛围中进行， 但也包括在特殊气体氛围中（氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削 液进行的切削。不过，对于某些加工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削目 前尚难与实际应用，故又出现了使用极微量润滑（MQL） 的准干切削。目前在欧洲的 大批量机械加工中，已有 1015%的加工使用了干和准干切削。对于面向多种加工方 法/工件组合的加工中心之类的机床来说，主要是采用准干切削，通常是让极微量的切 削油与压缩空气的混合物经由机床主轴与工具内的中空通道喷向切削区。在各类金切 机床中，采用干切削最多的是滚齿机。总之，数控机床技术的进步和发展为现代制造 业的发展提供了良好的条件，促使制造业向着高效、优质以及人性化的方向发展。可 以预见，随着数控机床技术的发展和数控机床的广泛应用，制造业将迎来一次足以撼 动传统制造业模式的深刻革命。 第一章 引言 - 5 - 1.2 数控铣床 1.2.1 数控铣床主要功能 各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除 了一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。 （1）点位控制功能。此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工。 （2）连续轮廓控制功能。此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加 工。 （3）刀具半径补偿功能。此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考 虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算 （4）刀具长度补偿功能。此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具 长度尺寸调整的要求。 （5）比例及镜像加工功能。比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值 来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要 编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现。 （6）旋转功能。该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行。 （7）子程序调用功能。有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状， 将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该 零件的加工 （8）宏程序功能该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对 变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。 1.2.2 数控铣床的加工工艺范围 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、镗、锪加工及螺纹加工等。数控铣削主要适合于下列 几类零件的加工。 1.平面类零件 平面类零件是指加工面平行或垂直于水平面，以及加工面与水平面的夹角为一定 值的零件，这类加工面可展开为平面。如曲线轮廓面垂直于水平面，可采用圆柱立铣 刀加工。若凸台侧面与水平面成一定角度，这类加工面可以采用专用的角度成型铣刀 来加工。对于斜面，当工件尺寸不大时，可用斜板垫平后加工；当工件尺寸很大，斜 第一章 引言 - 6 - 面坡度又较小时，也常用行切加工法加工，这时会在加工面上留下进刀时的刀锋残留 良迹，要用钳修方法加以清除。 2.直纹曲面类零件 直纹曲面类零件是指由直线依某种规律移动产生的曲面类零件。直纹曲面类零件 的加工面不能展开为平面。当采用四坐标或五坐标数控铣床加工直纹曲面类零件时， 加工面与铣刀圆周接触的瞬间为一条直线。这类零件刀可在三坐标数控铣床上采用行 切加工法实现近加工。 3.立体曲面类零件 加工面为空间曲面的零件称为立体曲面类零件。这类零件的加工面不能展成平面， 一般使用球头铣刀切削，加工面与铣刀始终为点接触，若采用其它刀具加工，易于产 生干涉而铣伤邻近表面。加工立体曲面类零件一般使用三坐标数控铣床，采用以下两 种加工方法。 （1）行切加工法 采用三坐标数控铣床进行二轴半坐标控制加工，即行切加工法。球头铣刀沿平面 的曲线进行直线插补加工，当一段曲线加工完后，再加工相邻的另一曲线，如此依次 用平面曲线来逼近整个曲面。相邻两曲线间的距离应根据表面粗糙的要求及球头铣刀 的半径选取。球头铣刀的球半径应尽可能选得大一些，以啬刀具刚度，提高散热性， 降低表面粗糙度值。加工凹圆弧时的铣刀球头半径必须小于被加工曲面的最小曲率半 径。 （2）三坐标联动加工 采用三坐标数控铣床三轴联动加工，即进行空间直线插补。如半球形，可用行切 加工法加工，也可用三坐标联动的方法加工。这时，数控铣床用 X、Y、Z 三坐标联动 的空间直线插补，实现球面加工。 1.2.3 数控铣床加工的特点 数控铣削加工除了具有普通铣床加工的特点外，还有如下特点： (1) 零件加工的适应性强、灵活性好，能加工轮廓形状特别复杂或难以控制尺寸的 零件，如模具类零件、壳体类零件等。 (2) 能加工普通机床无法加工或很难加工的零件，如用数学模型描述的复杂曲线零 件以及三维空间曲面类零件。 (3) 能加工一次装夹定位后，需进行多道工序加工的零件。 第一章 引言 - 7 - (4)加工精度高、加工质量稳定可靠。 (5)生产自动化程序高，可以减轻操作者的劳动强度。有利于生产管理自动化。 (6)生产效率高。 (7)从切削原理上讲，无论是端铣或是周铣都属于断续切削方式，而不像车削那样 连续切削，因此对刀具的要求较高，具有良好的抗冲击性、韧性和耐磨性。在干性切 削状况下，还要求有良好的红硬性。 1.2.4 数控铣床的分类 数控铣床种类很多，按其体积大小可分为小型、中型和大型数控铣床，其中规格 较大的，其功能已向加工中心靠近，进而演变成柔性加工单元。 1.2.4.1 按数控系统的功能分类 1.经济型数控铣床。 经济型数控铣床一般是在普通立式铣床或卧式铣床的基础上改造而来的，采用经 济型数控系统，成本低，机床功能较少，主轴转速和进给速度不高，主要用于精度要 求不高的简单平面或曲面零件加工。 2.高速铣削数控铣床 我们一般把主轴转速 800040000 r/min 的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其 进给速度可达 1030 m/min。这种数控铣床采用全新的机床结构（主体结构及材料变 化）、功能部件（电主轴、直线电机驱动进给）和功能强大的数控系统，并配以加工 性能优越的刀具系统，可对大面积的曲面进行高效率、高质量的加工。 3.全功能数控铣床 全功能数控铣床一般采用半闭环或闭环控制，控制系统功能较强，数控系统功能 丰富，一般可实现四坐标或以上的联动，加工适应性强，应用最为广泛 。 1.2.4.2 按主轴布置形式分类 1.立式数控铣床 立式数控铣床的主轴轴线与工作台面垂直，是数控铣床中最常见的一种形式。立 式数控铣床一般为三坐标 （ X 、 Y 、 Z ）联动 , 其各坐标的控制方式主要有以 下两种： （1）工作台纵、横向移动并升降，主轴只完成主运动。目前小型数控铣床一般采 用这种方式 。 第一章 引言 - 8 - （2）工作台纵、横向移动，主轴升降。这种方式一般运用在中型数控铣床中 。 立式数控铣床结构简单，工件安装方便，加工时便于观察，但不便于排屑。 2.立卧两用数控铣床 立卧两用数控铣床的主轴轴线可以变换，使一台铣床具备立式数控铣床和卧式数 控铣床的功能。这类机床适应性更强，应用范围更广，尤其适合于多品种、小批量又 需立卧两种方式加工的的情况，但其主轴部分结构较为复杂。 3.卧式数控铣床 卧式数控铣床的主轴轴线与工作台面平行，主要用来加工箱体类零件。一般配有 数控回转工作台以实现四轴或五轴加工，从而扩大功能和加工范围。 卧式数控铣床相比立式数控铣床，结构复杂，在加工时不便观查。 1.3 课题的背景和意义 数控技术是机床实现自动化控制的核心技术，是机械制造业的关键技术，其水平 的高低和应用程度关系到国家的战略地位和综合国力。数控技术是一门理论性和实践 性都非常强的课程，其教学必须理论联系实际。长期以来，数控技术教学遇到几大难 题：（1）课堂教学难 教师在课堂上对着书本讲，学生看不见摸不着，如听天书。 （2）实验教学难 由于市场没有适用教学的机床，教学中使用的都是生产型机床，这 些机床体积大、造价高、使用和维护成本高，很多学校用不起，并且有的话，大多是 老师演示、学生观看，很少有学生自己直接操作。 教学设备问题是制约数控技术教学质量提高的瓶颈问题，为解决数控技术教学设 备问题，特进行了微型三坐标数控铣床的设计，完成了微型数控铣床的总体方案设计， 确立了机床的整机结构、总体布局以及关键部件(主轴系统、进给系统等)的选型与设 计，机床的本体尺寸为 563mmx415mmx549mm，机床的工作空间尺寸为 110mx120mmx80mm。 该机床体积小、重量轻、功能强、成本低，非常适合课堂教学、实验教学和实训 教学，节省设备购置费用和使用费用的同时，将大幅度提高教学效率和教学效果，对 于改变我国数控技术人才培养模式，降低培养成本、缩短培养周期，具有重大意义。 第二章 微型数控铣床总体设计 - 9 - 第二章 微型数控铣床总体设计 2. 1 微型数控铣床总体方案 2.1.1 微型数控铣床的总体布局 2.1.1.1 铣床的常用布局形式 1.卧式铣床的常用布局形式 卧式数控铣床的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和 x, z 坐 标轴的移动方式。常用的立柱有单立柱和框架结构双立柱两种形式，如图 2.1 (b) 所示;Z 坐标轴的移动方式有两种:工作台移动式，如图 2.1 (a)、(b)所示;立柱移动式，如 图 2.1(a)所示。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如 X, Z 两轴 都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式:或 X 轴为立柱移动、Z 轴为工作台移动 的结构形式等。在图 2.1 所示的三种中、小规格卧式数控铣床常见的布局形式中，图 2.1 (a)结构形式和传统的卧式锉床相同，多见于早期的数控机床或数控化改造的机床; 图 2.1 (b)采用了框架结构双立柱、Z 轴工作台移动式布局，是中、小规格卧式数控机床 常用的结构形式;图 2.1 (c)采用 T 形床身、框架结构双立柱、立柱移动式(Z 轴)布局，是 卧式数控铣床的典型结构。 2.立式铣床的常用布局形式 立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣 床一般都采用工作台移动、升降及主轴转动方式，与普通立式升降台铣床结构相似:中 第二章 微型数控铣床总体设计 - 10 - 型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动;大 型立式数控铣床，因要考虑到扩大行程、缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用 龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板上运动，而龙门架则沿床身作 纵向运动。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前 3 坐标立式数控铣床仍占大多 数。一般可进行 3 坐标联动加工，但也有部分机床只能进行 3 坐标中的任意 2 个坐标 联动加工。此外，还有机床主轴可以绕 X, Y, Z 坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角 运动的 4 坐标和 5 坐标立式数控铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要 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 来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也 更高。图 2.2 所示是立式数控铣床常见的三种布局形式。由溜板和工作台实现平面上 X, Y 两个坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨上下实现 Z 坐标移动。 2.1.1.2 本设计铣床的布局形式 综上所述，为了减少微型铣床占用空间，减少机床整体尺寸，并考虑应用的广泛 性以及所做项目的实际情况，本设计铣床采用的布局形式为立式铣床形式，工作台 X、Y 轴相互叠加移动，主轴在 Z 轴方向上移动。 2.1.2 微型数控铣床总体传动方案的设计 本机床可以实现 X 轴、Y 轴和 Z 轴三坐标联动， X 轴、Y 轴的进给是通过步进 电机带动滚珠丝杠 ,滚珠丝杠又与螺母传动来实现。步进电机与丝杠的连接可以通过联 轴器来实现。在传动过程中 ,电动机带动丝杠做旋转运动 ,螺母沿导轨做水平移动 ,从 而带动工作台运动。Z 轴的进给也是通过电动机带动丝杠 ,丝杠又与 Z 轴螺母传动来实 现。主轴套与 Z 轴螺母相连 ,在传动过程中 ,电动机带动丝杠做旋转运动 ,螺母沿导轨 做上下移动 ,从而带动主轴做上下运动。 第二章 微型数控铣床总体设计 - 11 - 1电机 2箱体 3联轴器 4滚珠丝杠螺母副 5工作台 （Y 向进给传动示意图） 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 - 12 - 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 3.1 主轴驱动及其控制 3.1.1 对主轴驱动的要求 1.数控机床主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速。数控加工时切削用量 的选择，特别是切削速度的选择，关系到表面加工质量和机床生产率。对于自动换刀 数控机床，为适应各种工序和不同材料加工的要求，更需要主传动有宽的自动变速范 围。 2.功率大。要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供 切削所需的功率或扭矩，特别是在强力切削时。 3.动态响应性要好。要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳。对有的数控机床需 同时能实现正、反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求主轴有四 象限驱动能力。 4.精度高。这里主要指主轴回转精度。要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性，具 有较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。另外，要求主传动的 传动链要短。 5.旋转轴联动功能。要求主轴与其他直线坐标轴能同时实现插补联动控制，如在车 削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴能与进给驱动实行联动控制，即主 轴具有旋转进给轴（C 轴）的控制功能。 6.恒线速切削功能。为了提高工件表面质量和加工效率，有时要求数控机床能实现 表面恒线速度切削。如数控车床对大直径工件端面切削时，要求主轴转速随切削端面 的直径变小而变快，并以切削表面为恒线速度的规律变化。 7.加工中心上，要求主轴具有高精度的准停控制。在加工中心上自动换刀时，主轴 须停在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确；以及某些加工工艺的需要， 要求主轴具有高精度的准停控制。此外，有的数控机床还要求具有角度分度控制功能。 为了达到上述有关要求，对主轴调速系统还需加位置控制，比较多的采用光电编码器 作为主轴的转角检测。 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 - 13 - 3.1.2 主轴驱动及其控制方式 主要有四种配置方式（1）带有变速齿轮的主传动 通过少数几对齿轮降速，增大 输出扭矩，以满足主轴低速时对输出扭矩特性的要求。滑移齿轮的移动大都采用液压 缸加拨叉，或直接由液压缸带动齿轮来实现。（2）通过带传动的主传动 电动机与主 轴通过形带或同步齿形带传动，不用齿轮传动，可以避免齿轮传动引起的振动和噪声。 它适用于高速、低转矩特性要求的主轴。（3）用两个电动机分别驱动主轴，高速时通 过皮带直接驱动主轴旋转；低速时，另一个电动机通过齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮 起降速和扩大变速范围的作用，这样使恒功率区增大，克服了低速时转矩不够且电动 机功率不能充分利用的缺陷。（4）内装电动机主轴传动结构 这种主传动方式大大简 化了主轴箱体与主轴的结构，提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发 热对主轴影响较大。 3.1.3 主轴调速方法 电动机调速 用于主轴驱动的调速电动机主要有直流电动机和交流电动机两大类。 1.直流电动机主轴调速 由于主轴电动机要求输出较大的功率，所以主轴直流电动 机在结构上不适用永磁式，一般是他激式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机 过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。从电机拖动理论知，该直流电动机 的转速公式 n 为：n=(U-RIa)/(KIf)式中：U 为电枢电压（V），R 为电枢电阻（），Ia 为电枢电流（A），K 为常数，If 为励磁电流（A）。从式中可知，要改变电动机转速 n，可通过改变电枢电压 U（降压调速），或改变励磁电流 If（弱磁调速）。当采用降 压调速时，从电动机转矩公式 T=CekIfIa 中可得，它是属于恒转矩调速。而当采用弱磁 调速时，根据功率公式 P=nT，并把上述 n 公式与 T 公式代入得，电动机的功率 P=(U- RIa)CeIa，可知它是属于恒功率调速。 通常在数控机床中，为扩大调速范围，对直流主轴电动机的调速，同时采用调压 和调磁两种方法。其典型的直流主轴电动机特性曲线如图 2-26 所示。在基本转速 nj 以 下时属于恒转矩调速范围，用改变电枢电压来调速；在基本转速以上属于恒功率调速 范围，采用控制激磁电流来实现。一般来说，恒转矩速度范围与恒功率速度范围之比 为 1：2。另外，直流主轴电机一般都有过载能力，且大都以能过载 150%（即连续额 定电流的 1.5 倍）为指标。至于过载时间,则根据生产厂的不同有较大差别，从 1min 到 30min 不等。 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 - 14 - 2.交流电动机主轴调速 大多数交流进给伺服电动机采用永磁式同步电动机，但主 轴交流电动机则多采用鼠笼式感应电动机，这是因为受永磁体的限制，永磁同步电动 机的容量不允许做得太大，而且其成本也很高。另外，数控机床主轴驱动系统不必象 进给系统那样，需要如此高的动态性能和调速范围。鼠笼式感应电动机其结构简单、 便宜、可靠，配上矢量变换控制的主轴驱动装置则完全可以满足数控机床主轴的要求 交流主轴电机的性能可由图 2-27 所示的功率/速度关系曲线反应出来。从图中曲线 可见，交流主轴电机的特性曲线与直流电机类似，即在基本速度以下为恒转矩区域， 而在基本速度以上为恒功率区域。但有些电机，如图中所示那样，当电机速度超过某 一定值之后，其功率/速度曲线又往下倾斜，不能保持恒功率。对于一般主轴电机，这 个恒功率的速度范围只有 1：3 的速度比。另外交流主轴电机也有一定的过载能力,一般 为额定值的 1.21.5 倍，过载时间则从几分钟到半个小时不等。 3.1.4 主传动系统的设计与计算 3.1.4.1铣削力的计算 铣削加工过程中铣削力的计算己经得到了广泛的研究。但是在这些研究中，主要 针对特定的刀具或工件材料，而不是能够广泛应用于各种加工条件下的理论。对于通 用数控机床的设计来说，设计目标就是设计出适应性比较强的，能应付大多数加工要 求的机床，所以，在切削力计算问题上，不能单独使用一些纯理论推导所得到的理论。 然而，切削力经验计算公式可以满足本次设计的要求，因为这些公式都是经过人们长 期的经验积累而总结出来，具有普遍的适用性，并且能够保证各种加工条件下的安全 性。因此，本设计中的切削力计算主要采用经验计算公式。切削力可分解为三个分力： Z 向的主插削力以及 X、Y 向的铣削分力、。 zFxF yF 现假设刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢()。 abMP650 Z 轴铣削工作时铣削力的计算： 最大铣削直径，最小直径。 mmd10maxmmd4min 由实用机床手册得： 铣削功率 4 106 VF P z m 铣削力FZowfpzZKdaaaF 86. 086. 072. 0 642 铣削力修正系数kFZFZmFZFZKKKK 其中工件材料系数 006. 1 638 . 0 3 . 0 b mFZK 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 - 15 - 高速钢铣刀,前角系数15or92. 0FZK 主偏角= =1.0 k75kFZK 因此0 . 192. 0006 . 1 FZK 工件材料的抗拉强度；b 铣削深度；pa 毎齿进给量；fa 铣削宽度；wa 铣削直径；od Z铣刀齿数， 现取=0.05mm/Z =4mm Z=4 =10mm =8mm n=400r/min ，fapaodwa =64240.0581040.9255=907.8NZF 0.720.860.86 =3.1410400/1000=12.56mm/s1000/ndVo =907.812.56/60000=0.19 4 106 VF P z mkW 3,1,4,2主电机的选择 选主轴电机时按铣削计算。 因为铣削时最大的铣削力为： =64240.058440.9255=1996.3NZF 0.720.860.86 =3.1441600/1000=20.1m/s1000/ndVo =1996.320.1/60000=0.68 4 106 VF P z mkW 主轴功率 P= =0.68/0.88=0.7788. 0/mPkW 所以选电动机为=1.1，型号：Y90S4 型mPkW 3.1.4.3主轴设计 主轴组件是机床的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、 带轮）和固定件（如螺母）等组成。机床工作时，由主轴夹持着工件（车床）或刀具 （钻床、镗床、铣床、磨床等）直接参加表面成型运动。所以，主轴组件的性能对加 工性能和机床生产率由重要影响。对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都 要在一定的转速下传递一定的转矩，保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是， 主轴又是直接带着工件或刀具进行切削的，机床的加工质量在很大程度上要靠主轴组 第三章 微型数控铣床主轴驱动及其机械结构的设计 - 16 - 件保证。主轴直接承受切削力，通过机床（包括数控机床）的转速变化范围又往往很 大。因此，对于主轴组件，又有许多要求。 为了提高刚度，主轴的直径应该略大些。前轴承至主轴前端的距离称为悬伸。悬 伸量尽可能小些。为了便于装配，主轴常制成阶梯形的。 材料的热处理。轴的载荷相对来说不大，引起的应力通常远小于杠的强度极限。 因此，强度一般不是选材的依据。当几何形状和尺寸已确定，主轴的刚度主要取决于 材料的弹性模量。各种钢材的弹性模量几乎没有什么差别。因此，刚度也不是选材的 依据。主轴的材料，主要应根据耐磨性、热处理后的变形选择。普通铣床的主轴，可 用 45 号获 60 号优质中碳钢，调质到 220-252HBS 左右。对于教学型数控铣床，不要求 有太高的精度和加工难加工材料的刚度，因此主轴做成实阶梯心轴，材料 45#，表面淬 火处理。 按许用应力计算轴的最小直径 dC 3 n P P-轴传递功率 KW n-轴的转速 r/min C 与轴的材料有关的系数 对于 45 钢，C 取 102 d102mm4 . 5 1167 17 . 0 3 主轴各轴颈的直径须大于 5.4mm 轴端用键和联轴器连接，另一端用一莫氏锥度，用于安装钻夹头。具体尺寸见零 件图。 3.1.4.4 主轴轴承的选择 机床主轴用的轴承，有滑动和滚动两大类。从旋转精度看，两大类轴承都能满足 要求。和其他指标相比，滚动轴承比滑动轴承的优点是： 1.滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。 2.滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧有一定过盈的条件下工作。 3.滚动轴承