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摘 要
本全面阐述了数控铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。
其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。
关键词：铣床，数控，伺服电机，滚珠丝杠
Abstract
Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.
In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.
Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut
目 录
摘 要 II
Abstract III
目 录 IV
第1章 数控机床发展概述 1
1.1 机床数控化改造的必要性 1
1.2 数控化改造的特点 2
1.3 数控机床的发展趋势 2
1.3.1 高速化 2
1.3.2 高精度化 3
1.3.3 功能复合化 3
1.3.4 控制智能化 4
1.3.5 体系开放化 5
1.3.6 驱动并联化 5
1.3.7 极端化(大型化和微型化) 5
1.3.8 信息交互网络化 6
1.3.9 新型功能部件 6
1.3.10 高可靠性 6
1.3.11 加工过程绿色化 7
1.3.12 多媒体技术的应用 7
第2章 数控机床总体方案的制订及比较 8
2.1总体方案设计的内容 8
2.2 改造方案的确定 8
第3章 确定切削用量及选择刀具 11
3.1 科学选择数控刀具 11
3.1.1 选择数控刀具的原则 11
3.1.2 选择数控车削用刀具 11
3.1.3 选择数控铣削用刀具 12
3.2 设置刀点和换刀点 12
3.3 确定切削用量 13
3.3.1 确定主轴转速 13
3.3.2 确定进给速度 13
3.3.3 确定背吃刀量 13
第4章 主运动系统设计 14
4.1 对立式数控铣床主传动系统简介 14
4.2 对立式数控铣床主传动系统的要求 15
4.3 主传动的类型及方案选择 15
4.4 计算切削功率 16
4.4.1切削力的计算 16
4.4.2切削功率的计算 17
4.4.3主轴转速范围的确定 17
4.5 计算主传动功率 17
4.6 分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率的确定 18
4.6.1 变速级数Z的确定 19
4.6.2 电动机的功率的确定 19
4.6.3 电动机参数 20
4.6.4 分级变速箱的传动系统变速机构的确定 20
第5章 进给系统的设计与计算 22
5.1设计方案的确定 22
5.2横向进给系统的设计与计算 22
结 论 30
致谢 31
参考文献 32
第1章 数控机床发展概述
1.1 机床数控化改造的必要性
从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。
1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬间准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以符合成复杂的曲线或曲面。
2)可以实现加工的自动化。而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3~7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。
3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。
4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬动。
5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。
6)由以上5条派生出的好处。如：降低了工人的劳动强度，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反映等等。
以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。
从宏观上看，工业发呆国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其实质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达到20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。
1.2 数控化改造的特点
1)减少投资额、交货期短。同购置新机床相比，一般可省下60%~80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤为明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。但有些特殊情况，如高速主轴、托盘自动交换装置的制作与安装过于费工、费钱，往往改造成本提高2~3倍，与购置新机床相比，只能节省投资50%左右。
2)机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的车床、立株等基础条件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种接焊构件，改造后的机床女性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。
3)熟悉设备、便于操作维修。购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求，改造则不然。可以精确地计算出机床的加工能力：另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。
4)分利用现有的条件。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。
5)以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。
1.3 数控机床的发展趋势
1.3.1 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。
（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；
（2）进给率：在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；
（3） 运算速度：微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千 兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；
（4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。
1.3.2 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。
（1） 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（日本已 开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；
（2）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。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；
（3）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。
1.3.3 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。工艺复合型机床如镗铣钻 复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。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
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