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数控导轨磨床设计【4张CAD图纸+毕业论文】【答辩优秀】

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关键词：: 数控导轨磨床设计全套 cad 图纸毕业论文答辩优秀优良

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摘要

磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。

磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床的种类很多，按其工作性质可分为：外围磨床、内圆磨床、平面磨床，工具磨床以及一些专用磨床。如螺纹磨床、球面磨床、花键磨床、导轨磨床与无心磨床等。导轨磨床就是一种按照工作性质划分出来的磨床。

本文主要是对导轨磨床进行设计与研究。

关键词：导轨磨床，磨床，磨床设计

Abstract

The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. The grinder can be hogging machining, rough machining, finish machining and ultra precision machining, can be a variety of high hard, superhard materials processing, can also be grinding tool and cutting process, a very wide range of.

The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. Grinder of many types, according to the nature of their work can be divided into: external grinder, internal grinder, surface grinder, grinding machine tools and some special grinding machine. Thread grinder, grinding machine, such as spherical spline grinding machine, grinder and centerless grinder. Rail grinding machine is a kind of according to the nature of the work out of the grinder.

This paper is mainly about the design and research of guideway grinder.

Key Words: Rail grinding machine, grinding machine, grinding machine design

摘要I

AbstractII

目录III

第1章绪论1

1.1 国内外研究现状1

1.2 磨床的现状及其发展趋势2

1.3论文研究的主要内容2

第2章数控龙门导轨磨床总体方案设计4

2.1 机床的设计要求4

2.2 设计方案4

2.2.1 机械部分设计4

2.2.2 数控系统选型5

2.3 本章小节6

第3章机床主轴箱的设计7

3.1 主轴箱的设计要求7

3.2主传动系统的设计7

3.2.1 主传动功率7

3.2.2 驱动源的选择8

3.2.3 转速图的拟定8

3.2.4传动轴的估算10

3.2.5齿轮模数的估算11

3.3主轴箱展开图的设计12

3.3.1设计的内容和步骤12

3.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定12

3.3.3 各轴结构的设计15

3.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算16

3.4 零件的校核18

3.4.1齿轮强度校核18

3.4.2传动轴挠度的验算19

3.5 本章小节19

第4章主轴系统设计及计算26

4.1 主轴系统结构设计的原则26

4.2主轴部件精度26

4.3主轴部件结构27

4.4传动方案设计27

4.5主轴材料的选择28

4.6 主轴参数设计31

4.7 主轴组件的刚度计算33

4.7 主轴强度计算36

4.8 带传动设计38

4.9 联轴器设计38

4.10 伺服电动机的选择39

第5章周边磨头的动力参数进行设计计算41

5.1 砂轮架设计的基本要求41

5.2 主轴旋转精度及其提高措施41

5.3 主轴轴承系统的刚性41

5.4 砂轮架主轴初步设计41

5.5 主轴刚度校核42

5.6 动静压轴承43

5.7 传动装置设计44

第6章磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式设计50

6.1 对磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式的基本要求50

6.2 磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式系统的设计要求51

6.3滚珠丝杠的选择52

6.3.1 滚珠丝杠副的导程52

6.3.2 滚珠丝杠副的载荷及选丝杠52

6.4同步齿形带的选择54

6.5伺服电机的选择54

6.6 滚珠丝杠副的安全使用55

6.6.1 润滑55

6.6.2 防尘56

6.6.3使用56

6.6.4 安装56

6.8 本章小节57

第7章床身、横梁导轨和工作台58

7.1 床身结构58

7.1.1 对床身结构的基本要求58

7.1.2 床身的结构59

7.2 导轨61

7.2.1 导轨的润滑与防护61

7.2.2 导轨的安装调整61

7.3 工作台62

7.4 本章小节62

第8章控制系统大体设计数控系统设计63

8.1 概述63

8.2 确定硬件电路总体方案63

8.3 接口，即I/O 输入/输出接口电路64

8.4 数控系统硬件框图64

8.4.1 主控制器CPU的选择64

8.4.2 程序存储器扩展65

8.4.3 数据存储器的扩展65

8.4.4 I/O口扩展电路设计65

8.4.5 键盘，显示接口电路68

8.4.6 8031与控制电机与电液阀8255A的联接其它辅助电路设计69

8.4.7 步进电机驱动电路69

参考文献71

致谢72

第1章绪论

1.1 国内外研究现状

20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第１台数控铣床问世至今已经历了50个年头。

数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有10～20万台，产值上百亿美元。世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受３个月以后的订货合同，生产任务饱满。

我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50％，库存超过４个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年８月份的上海数控机床展览会和2001年４月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。

数控技术经过50年的２个阶段和６代的发展：第１阶段：硬件数控（NC）第１代：1952年的电子管第２代：1959年晶体管分离元件第３代：1965年的小规模集成电路。第２阶段：软件数控（CNC）第４代：1970年的小型计算机第５代：1974年的微处理器第６代：1990年基于个人PC机（PC-BASEO）第６代的系统优点主要有：

（１）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到５万小时以上；

（2）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；

（3）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，１年生产５万套以上系统，占世界市场约40％左右，其次是德国的西门子公司约占15％以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的ＮＵＭ，日本的三菱、安川。

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内容简介：: 数控导轨磨床设计数控导轨磨床设计开题报告开题报告课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义在国民经济各部门、人民的日常生活中，使用者各种机器设备、仪器工具，这些机器、机械、仪器和设备和工具大部分是由一定的形状和尺寸的金属零件所组成的。生产这些零件并将它们装配成机器、机械、仪器和工具的工业，称为机械制造工业。在机械零件的制造过程中，采用铸造、锻压、焊接、冲压等制造方法，可以获得低精度零件。对于精度要求高、表面粗糙度小的零件，主要依靠切削加工的方法获得，尤其是加工精密零件时，需经过多道工序的切削加工才能完成。因此，机械加工设备是机械制造业的主要加工设备。在一般的机器制造厂中，金属切削机床所负担的加工工作量，余额占总工作量的40%60%。金属切削机床的技术性能直接影响机械产品的质量及其制造的经济性，进而决定着国民经济的发展水平。。机床是在人类认识和改造自然的过程中产生，又随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展、不断完成的。最原始的机床是木制的，所有运动由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它们实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属机械零件的机床，是在 18 世纪中叶开始发展起来的。机床设计是设计人员根据不同使用部门的要求，运用有关的科学技术知识，进行创造性的劳动。随着生产的发展，使用的要求也不断地提高，而科学技术的发展和工艺水平的提高，从而使机床的设计和制造获得了迅速的发展。毕业设计是培养学生设计能力的重要实践环节，通过设计掌握机械设计的一般规律，树立正确的设计思想，培养学生分析和解决实际问题的能力，使学生成功的走向工作岗位。我设计的题目为：M1432A 万能外圆磨床工作台及砂轮架的设计，通过本次设计毕业设计对普通机床组成、控制、结构运动、设计加以了解；通过机床设计掌握普通机床设计的基本方法,并且对专用机床的设计作进一步了解；通过机床设计培养和锻炼自身的工程素质和工程实践能力。国内外研究现状国内外研究现状机床研究现状机床研究现状20 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从 1952 年美国第台数控铣床问世至今已经历了 50 个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有1020 万台，产值上百亿美元。世界制造业在 20 世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90 年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从 90 年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从 2000 年至今已接受个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国数控机床制造业在 80 年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在 90 年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到 50，库存超过个月。从 1995 年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在 1999 年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从 2000 年月份的上海数控机床展览会和 2001 年月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。数控技术经过 50 年的个阶段和代的发展：第阶段：硬件数控（NC）第代：1952 年的电子管第代：1959 年晶体管分离元件第代：1965 年的小规模集成电路。第阶段：软件数控（CNC）第代：1970 年的小型计算机第代：1974 年的微处理器第代：1990 年基于个人 PC 机（PC-BASEO）第代的系统优点主要有：（）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到万小时以上；（2）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如 CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；（3）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本 FANUC 公司，年生产万套以上系统，占世界市场约 40左右，其次是德国的西门子公司约占 15以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的，日本的三菱、安川。发展趋势发展趋势制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，机械制造是制造业的核心。数控技术的应用使得传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国民生计起着越来与重要的作用。当前数控技术及其装备的发展的趋势：1、高速、精密化 2、可靠性 3、数控机床设计 CAD 化、功能多样化 4、智能化、网络化、柔性化、集成化 5、开放性 6、复合性 7、串行总线计算机数控系统 8、重视新技术标准、规范的建立拟采取的研究路线拟采取的研究路线机械制造装备设计的步骤设计类型而不同。创新设计可分为产品规划、方案设计、技术设计和工艺设计等四个阶段。（一）产品规划阶段产品规划阶段的任务是明确设计任务，通常应在市场调查与预测的基础上识别产品需求，进行可行性分析，制定设计任务书。在产品规划阶段将综合运用技术预测、市场学、信息学等理论和方法来解决设计中出现的问题。1、需求分析产品设计是为了满足市场的要求，而市场的需求往往是不具体的，有时是模糊的、潜在的，甚至是不可能实现的。需求分析的任务是使这些需求具体化和恰到好处。明确设计任务的要求。需求分析的任务本身就是设计工作的一部分，是设计工作的一部分，是设计工作的开始，而且自始至终指导设计工作的进行。需求分析一般包括对销售市场和原材料市场的分析1、调查研究调查研究包括市场调研、技术调研和社会环境调研三个部分2、预测定性预测和定量预测3、可行性分析4、编制设计任务书(二) 方案设计阶段1、对设计任务的抽象2、建立功能结构3、寻求原理与求解方法4、初步设计方案的形成5、设计方案的评价与赛选（三）技术设计阶段1、确定结构原理方案2、总体设计3、结构设计（四）工艺设计阶段1、零件图设计在零件图中包含了为制造零件所需的全部信息，这些信息包括几何形状、全部尺寸、加工面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度、材料和热处理要求、其他特殊技术要求等。2、完善装配图在绘制零件图时，更加具体地从结构强度、工艺性和标准化等方面进行零件的结构设计，不可避免地要对技术设计阶段提供的装配图做些修改3 编写技术文档设计工作大体的可分为三个步骤：1、调查研究调查研究的内容一般包括有：学习有关机床设计的方针、政策，明确设计要求；到使用单位调查了解所涉及机床所要承担的生产任务和加工工艺，了解使用单位的对机床的要求；到制造单位调查，了解制造厂的设备条件、技术能力和生产经验；收集国内外同类型机床的技术文献和图纸资料，并注意调查它的结构性能、使用和制造情况等，尤其注意了解新技术在同类机床上应用的情况，以及在设计新机床时将要进行那些科学试验。2、方案拟定在调查研究的基础上，通常可拟定出多个方案进行比较分析。每个方案所包括的内容有：工艺分析、主要技术参数、总体布局、主要部件的结构草图、试验结果及技术经济分析等在制定方案时应注意以下几点：处理好使用和制造之间的关系：应首先满足使用要求，其次是尽可能便于制造。注意倾听各方面意见，经过分析比较，去粗取精，最后形成一个比较使用方案。实验是检验真理的唯一标准，设计必须以生产实践和科学实验为依据，凡是未经实践考验的方案，必须经过实验证明可考后采用与设计。继承性和创造性的相结合，尽量采用先进技术，迅速提高生产力。文献综述文献综述题目：磨床概述文献综述磨床概述文献综述目目录录1.1磨床的类型与用途.31.1.1磨床的类型及其特点.31.1.2磨床的用途.31.1.3外圆磨削和端面外圆磨床.41.1.4磨床的用途.51.2 磨床的现状及其发展趋势.6参考文献.7 1.1 磨床的类型与用途1.1.1 磨床的类型及其特点用磨料磨具（砂轮、砂带、油石和研磨料等）为工具进行切削加工的机床，统称为磨床（英文为 Grinding machine），它们是因精加工和硬表面的需要而发展起来的1。磨床种类很多，主要有：外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床，如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等2。对外圆磨床来说，又可分为普通外圆磨床、万能外圆磨床、无心外圆磨床、宽砂轮外圆磨床、端面外圆磨床等以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外，还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床，以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。磨床与其他机床相比，具有以下几个特点：1、磨床的磨具（砂轮）相对于工件做高速旋转运动（一般砂轮圆周线速度在 35 米/秒左右，目前已向 200 米/秒以上发展）；2、它能加工表面硬度很高的金属和非金属材料的工件；3、它能使工件表面获得很高的精度和光洁度；4、易于实现自动化和自动线，进行高效率生产；5、磨床通常是电动机-油泵-发动部件，通过机械，电气，液压传动-传动部件带动工件和砂轮相对运动-工件部分组成1。1.1.2 磨床的用途磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。随着科学技术的发展，对机械零件的精度和表面质量要求越来越高，各种高硬度材料的应用日益增多。精密铸造和精密锻造工艺的发展，使得有可能将毛坯直接磨成成品。高速磨削和强力磨削，进一步提高了磨削效率。因此，磨床的使用范围日益扩大。它在金属切削机床所占的比重不断上升。目前在工业发达的国家中，磨床在机床总数中的比例已达 30%-40%。据 1997 年欧洲机床展览会(EMO)的调查数据表明，25%的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术，车削只占 23%，钻削占 22%，其它占 8%；而磨床在企业中占机床的比例高达 42%，车床占 23%，铣床占 22%，钻床占14%3。由此可见，在精密加工当中，有许多零部件是通过精密磨削来达到其要求的，而精密磨削加工会要在相应的精密磨床上进行，因此精密磨床在精密加工中占有举足轻重的作用。但是要实现精密磨削加工，则所用的磨床就应该满足以下几个基本要求： 1.高几何精度。精密磨床应有高的几何精度，主要有砂轮主轴的回转精度和导轨的直线度以保证工件的几何形状精度。主轴轴承可采用液体静压轴承、短三块瓦或长三块瓦油膜轴承，整体度油楔式动压轴承及动静压组合轴承等。当前采用动压轴承和动静压轴承较多。主轴的径向圆跳动一般应小于 1um，轴向圆跳动应限制在 23um 以内。2.低速进给运动的稳定性。由于砂轮的修整导程要求 1015mm/min，因此工作台必须低速进给运动，要求无爬行和无冲击现象并能平稳工作。3.减少振动。精密磨削时如果产生振动，会对加工质量产生严重不良影响。故对于精密磨床，在结构上应考虑减少振动。4.减少热变形。精密磨削中热变形引起的加工误差会达到总误差的50，故机床和工艺系统的热变形已经成为实现精密磨削的主要障碍。1.1.3 外圆磨削和端面外圆磨床1.外圆磨削在外圆磨削过程中，工件是安装在两顶尖的中心之间，砂轮旋转是引起切削旋转的主要来源和原因。基本得外圆磨削方法有两种，即横磨法磨外圆和纵磨法磨外圆，如图 11 和图 12 所示。事实上，外圆磨削可以通过其他以下几种方法来实施：（1）传递方法：在这种方法中，磨削砂轮和工件旋转以及径向进给都应满足所有的整个长度，切削的深度是由磨削砂轮到工件的纵向进给来调整的。（2）冲压切削方法：在这种方法中，磨削是通过砂轮的纵向进给和无轴向进给来完成的，正如我们所看到的，只有在表面成为圆柱的宽度比磨削轮磨损宽度短时，这种方法才能完成。图 11 横磨法磨外圆图 12 纵磨法磨外圆（3）整块深度切削方法：除了在磨削过程中，要进行间隙调整外，这种方法与传递方法很相似，同时这种方法具有代表性，除了磨削短而粗的轴。2.端面外圆磨床及其特点端面外圆磨床是外圆磨床的一种变形机床，它宜于大批量磨削带肩的轴类工件，有较高的生产率。它的特点如下（1）这种磨床的布局形成和运动联系与外圆磨床相似，只是砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度（通常 10，15，26.23，30，45），如图13 所示，数控端面外圆磨床 MKS1632A 的砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜 30。为避免砂轮架与工件或尾架相碰，砂轮安装在砂轮架的右边，从斜向切入，一次磨削工件外圆和端面。（2）由于它适用于大批量生产，所以具有自动磨削循环，完成快速进给（长切入）-粗磨-精磨无花磨削。由定程装置或自动测量控制工件尺寸。（3）装有砂轮成型修整器，按样板修整出磨削工件外圆和端面的成型砂轮，为保证端面尺寸稳定及操作安全，一般具有轴向对刀装置。图 13 砂轮架与头架，尾架中心连线倾斜一角度1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展4，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4m、磨削精度高达 0.025m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为4060m/s；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m 的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw 主轴达 60000r/min，13kw 达 42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工 60HRC 硬度材料的加工中心。北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的GA（P）6263 数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达 60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司 GC32ECNC 磨床专用数控系统可实现二轴（X 和 Z）到四轴（X、Z、U 和 W）控制。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。参考文献1 兰雄侯，王继先，高航磨削温度理论研究的现状与进展A，沈阳：东北大学机械工程及自动化学院.2 徐鸿钧，磨削温度的测量技术磨料磨具与磨削，1986.3 王霖、秦勇等，磨削温度场的研究现状与发展趋势，济南：山东大学，2001.4 徐鸿钧，高航，磨削温度的测量技术，徐鸿钧，高航，沈阳：东北大学机械工程及自动化学院.5 田志勋，徐明信，崔云惠，隋金福.热电现象与热电偶理论，金属热处理，1994 年第 6 期.6 钱立宗，热电偶及应用J，安庆师院学报(自然科学版)，1995 年 8 月.7 袁希光，传感器技术手册.国防工业出版社，1986 年 12 月.8 王西彬，任敬心，磨削温度及热电偶测量的动态分析J，中国机械工程，1997 年第 8 卷第 6 期.9 崔亦飞，曹云乾，简易热电偶制作原理与标定J，仪器仪表学报，1994 年 5 月第 15 卷第 2 期.10 黄泽铣等，热电偶原理及其检定.11 陈守仁主编，工程检测技术（下册），北京：中央电视大学出版社，1984.12 任敬心，华定安，磨削原理，西安：西北工业大学，2000.13 王西彬，师汉民，任敬心，结构陶瓷的磨削温度，西安：西北工业大学，2002.摘要磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工，可以进行各种高硬、超硬材料的加工，还可以刃磨刀具和进行切断等，工艺范围十分广泛。磨床可以加工各种表面，如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床的种类很多，按其工作性质可分为：外围磨床、内圆磨床、平面磨床，工具磨床以及一些专用磨床。如螺纹磨床、球面磨床、花键磨床、导轨磨床与无心磨床等。导轨磨床就是一种按照工作性质划分出来的磨床。本文主要是对导轨磨床进行设计与研究。关键词：导轨磨床，磨床，磨床设计VAbstractThe grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. The grinder can be hogging machining, rough machining, finish machining and ultra precision machining, can be a variety of high hard, superhard materials processing, can also be grinding tool and cutting process, a very wide range of.The grinder can process a variety of surfaces, such as inner, outer cylindrical surface and a conical surface, plane, tooth profile of involute spiral surface and various surface, forming surface. Grinder of many types, according to the nature of their work can be divided into: external grinder, internal grinder, surface grinder, grinding machine tools and some special grinding machine. Thread grinder, grinding machine, such as spherical spline grinding machine, grinder and centerless grinder. Rail grinding machine is a kind of according to the nature of the work out of the grinder.This paper is mainly about the design and research of guideway grinder.Key Words: Rail grinding machine, grinding machine, grinding machine design目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1 国内外研究现状11.2 磨床的现状及其发展趋势21.3论文研究的主要内容2第2章数控龙门导轨磨床总体方案设计42.1 机床的设计要求42.2 设计方案42.2.1 机械部分设计42.2.2 数控系统选型52.3 本章小节6第3章机床主轴箱的设计73.1 主轴箱的设计要求73.2主传动系统的设计73.2.1 主传动功率73.2.2 驱动源的选择83.2.3 转速图的拟定83.2.4传动轴的估算103.2.5齿轮模数的估算113.3主轴箱展开图的设计123.3.1设计的内容和步骤123.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定123.3.3 各轴结构的设计153.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算163.4 零件的校核183.4.1齿轮强度校核183.4.2传动轴挠度的验算193.5 本章小节19第4章主轴系统设计及计算264.1 主轴系统结构设计的原则264.2主轴部件精度264.3主轴部件结构274.4传动方案设计274.5主轴材料的选择284.6 主轴参数设计314.7 主轴组件的刚度计算334.7 主轴强度计算364.8 带传动设计384.9 联轴器设计384.10 伺服电动机的选择39第5章周边磨头的动力参数进行设计计算415.1 砂轮架设计的基本要求415.2 主轴旋转精度及其提高措施415.3 主轴轴承系统的刚性415.4 砂轮架主轴初步设计415.5 主轴刚度校核425.6 动静压轴承435.7 传动装置设计44第6章磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式设计506.1 对磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式的基本要求506.2 磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式系统的设计要求516.3滚珠丝杠的选择526.3.1 滚珠丝杠副的导程526.3.2 滚珠丝杠副的载荷及选丝杠526.4同步齿形带的选择546.5伺服电机的选择546.6 滚珠丝杠副的安全使用556.6.1 润滑556.6.2 防尘566.6.3使用566.6.4 安装566.8 本章小节57第7章床身、横梁导轨和工作台587.1 床身结构587.1.1 对床身结构的基本要求587.1.2 床身的结构597.2 导轨617.2.1 导轨的润滑与防护617.2.2 导轨的安装调整617.3 工作台627.4 本章小节62第8章控制系统大体设计数控系统设计638.1 概述638.2 确定硬件电路总体方案638.3 接口，即I/O 输入/输出接口电路648.4 数控系统硬件框图648.4.1 主控制器CPU的选择648.4.2 程序存储器扩展658.4.3 数据存储器的扩展658.4.4 I/O口扩展电路设计658.4.5 键盘，显示接口电路688.4.6 8031与控制电机与电液阀8255A的联接其它辅助电路设计698.4.7 步进电机驱动电路69参考文献71致谢72毕业设计（论文）第1章绪论1.1 国内外研究现状20世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从1952年美国第台数控铣床问世至今已经历了50个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有1020万台，产值上百亿美元。世界制造业在20世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。90年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从90年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从2000年至今已接受个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50，库存超过个月。从1995年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1999年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从2000年月份的上海数控机床展览会和2001年月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。数控技术经过50年的个阶段和代的发展：第阶段：硬件数控（NC）第代：1952年的电子管第代：1959年晶体管分离元件第代：1965年的小规模集成电路。第阶段：软件数控（CNC）第代：1970年的小型计算机第代：1974年的微处理器第代：1990年基于个人PC机（PC-BASEO）第代的系统优点主要有：（）元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到万小时以上；（2）提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域（如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等）；（3）对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发环境，简化了硬件。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本FANUC公司，年生产万套以上系统，占世界市场约40左右，其次是德国的西门子公司约占15以上，再次是德海德汉尔，西班牙发格，意大利菲亚，法国的，日本的三菱、安川。1.2 磨床的现状及其发展趋势随着机械产品精度、可靠性和寿命的要求不断提高以及新型材料的应用增多，磨削加工技术正朝着超硬度磨料磨具、开发精密及超精密磨削（从微米、亚微米磨削向纳米磨削发展）和研制高精度、高刚度、多轴的自动化磨床等方向发展4，如用于超精密磨削的树脂结合剂砂轮的金刚石磨粒平均半径可小至4m、磨削精度高达0.025m；使用电主轴单元可使砂轮线速度高达400m/s，但这样的线速度一般仅用于实验室，实际生产中常用的砂轮线速度为4060m/s；从精度上看，定位精度2m，重复定位精度1m的机床已越来越多；从主轴转速来看，8.2kw主轴达60000r/min，13kw达42000r/min，高速已不是小功率主轴的专有特征；从刚性上看，已出现可加工60HRC硬度材料的加工中心。北京第二机床厂引进日本丰田工机公司先进技术并与之合作生产的GA（P）6263数控外圆/数控端面外圆磨床，砂轮架采用原装进口，砂轮线速度可达60m/s，砂轮架主轴采用高刚性动静压轴承提高旋转精度，采用日本丰田工机公司GC32ECNC磨床专用数控系统可实现二轴（X和Z）到四轴（X、Z、U和W）控制。此外，对磨床的环保要求越来越高，绝大部分的机床产品都采用全封闭的罩壳，绝对没有切屑或切削液外溅的现象。大量的工业清洗机和切削液处理机系统反映现代制造业对环保越来越高的要求。1.3论文研究的主要内容论文主要的章节和内容：1.第一章综述了导轨磨床的发展状况，阐述课题提出的目的和意义，明确了本文研究的主要内容。2.第二章对导轨磨床的总体进行研究，进行总体布局设计。3.第三章对导轨磨床主轴系统进行整体的设计，进行关键部件的设计与计算。4.第四章对周边磨头的动力参数进行设计计算。5.第五章对床身工作台导轨的设计。6.第六章控制系统大体设计。19毕业设计（论文）第2章数控龙门导轨磨床总体方案设计数控机床的总体设计方案由以下三部分组成： 1.技术参数设计：主要尺寸规格、运动参数（转速和进给范围)、动力参数（电机功率，最大拉力）。 2.总体布局设计：相互位置关系、运动分析、运动仿真（干涉检查）、外观造型。 3.结构优化设计：整机静刚度、整机的运动性能、整机的热特性。总布局与使用要求： 1.便于同时操作和观察。 2.刀具、工件，装卸、夹紧方便。 3.排屑和冷却。2.1 机床的设计要求本机床的设计，符合国家机床标准。已定设计参数：工作台：30001200mm 工作台最大荷重2t高速高效，结构简单可靠，功能强大，性能稳定，精度较高，可用于铣削板材以及多种工件等。2.2 设计方案我设计的主要内容是工作台移动数控龙门导轨磨床。工作台数控龙门导轨磨床是指工作台作纵向移动的龙门导轨磨床。工作台移动龙门导轨磨床的最大特点是：（1）造价便宜,容易制造生产。工作台移动式龙门导轨磨床，整机长度必须两倍于纵向行程长度，而移动式龙门导轨磨床的整机长度只需纵向行程加上龙门架侧面宽度即可。（2）机床的动态响应好。工作台移动式龙门导轨磨床采用的是固定龙门架,工作台移动可以铣刀做切削运动时更加稳定，从而保证了加工精度和机床的响应性能。2.2.1 机械部分设计整机分为床身、龙门架、滑台、主轴箱、三轴进给驱动机构机械部分及相关数控伺服部分。现把设计过程中的重点阐述如下：床身是本次设计工作的基础，床身的尺寸设计影响着对整机的设计，而且设计的合理性直接影响到整机的刚度。床身的上平面即工作台面设计有 K 条T形槽，为方便床身工作台面和T形槽的精刨加工，槽完全贯通。床身的左、右两下脚各设计有一个狭长平面，用来安放滚动直线导轨副。我把导轨面设计在床身的两下侧，主要是考虑力的传递方向与卸荷问题。因床身会受到龙门框架的重力、切削力和工件的重力，这样的设计可使龙门框架的重力直接传入到机床的基础上，而床身只受到工件的重力。龙门框架采用的是整体龙门架的设计概念，即把横梁与左右立柱设计成一体，虽然使铸造和装配调整时的难度加大，但整体龙门框架的刚性更好，更重要的是使主轴箱、滑台等部件有了装配基准。滑台的设计是在龙门架和主轴箱的几何尺寸确定后，按照主轴的中心尽量贴近横梁上的导轨面为原则，并把Z轴驱动安装位置设计在滑台上，有效地减轻滑台的重量。设计进给驱动机构的构思如下：X 轴的进给驱动机构采用双边齿轮齿条副加重预压滚动直线导轨副，Y 轴与 X 轴采用大直径预压滚珠丝杠副加硬导轨副，且导轨滑动部分贴有工程塑料，避免低速时产生爬行现象，而且导轨部分设计有斜镶条可调装置。这样设计使机床的整体进给性能得以协调，各轴的进给速度和进给力得到了最佳匹配。主轴箱的上下垂直运动Z轴采用滚珠丝杠副传动。由于本机床不是高速导轨磨床，Z轴的进给系统为伺服电动机通过传动比为4的平行轴定比齿轮箱带动滚珠丝杠旋转。Z 轴的安全问题。首先选用带电磁刹车的伺服电动机，其次在滚珠丝杠上装有一双向超越离合器，防止滚珠螺母自转引起主轴箱机械式下垂。当然，为了保护Z轴进给机构的精度，还在滑台上装有两个平衡油缸。平衡力Q等于主轴箱部件质量的85。主轴箱的左右移动为Y轴，为了保证Y轴的传动精度，并使丝杠只受水平轴向力，故采用伺服电动机与滚珠丝杠直联方式。笔者选用的联轴器带有过载保护装置，在过载时联轴器会自动脱开。2.2.2 数控系统选型数控系统采用的是西门子 4-05，因为此系统提供了龙门轴的同步功能。使用此功能，本机床可以对龙门框架进给轴（X1，X2）实现无机械偏差的位移。运动的实际值可进行连续比较，即使最小的偏差也可以得到纠正，因此提高了轴的运动精度。图1-1 数控龙门导轨磨床总装图（主视图）2.3 本章小节本章主要讲解了数控龙门导轨磨床的总理方案设计，其主要内容有机械部分的设计和数控部分设计，根据所给要求制定出总体设计方案。毕业设计（论文）第3章机床主轴箱的设计3.1 主轴箱的设计要求1. 具有更大的调速范围，并实现无级调速。2. 具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。 3. 良好的抗震性和热稳定性。3.2主传动系统的设计3.2.1 主传动功率机床主传动的功率P 可由下式来确定：式中机床主传动的功率切削功率主传动链的总效率数控机床的加工范围一般都比较大，可根据有代表性的加工情况，由下式确定：式中主切削力的切向力（N）切削速度（m/min）切削扭矩（N/cm）主轴转速（r/min）主传动的总效率一般可取为0.700.85，数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速来实现，传动链比较短，因此，效率可以取较大值。主传动中各传动件的尺寸都是根据其传动的功率确定的，如果传动效率定的过大，将使传动件的尺寸笨重而造成浪费，电动机常在低负荷下工作，功率因数太小从而浪费能源。如果功率定的过小，将限制机床的切削加工能力而降低生产率。因此，要较准确合适的选用传动功率。3.2.2 驱动源的选择机床上常用的无级变速机构是直流或交流调速电动机，直流电动机从额定转速nd向上至最高转速nmax是调节磁场电流的方法来调速的，属于恒功率，从额定转速nd向下至最低转速nmin是调节电枢电压的方法来调速的，属于恒转矩；交流调速电动机是靠调节供电频率的方法调速。由于交流调速电动机的体积小，转动惯量小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流调速电动机高，磨损和故障也少，所以在中小功率领域，交流调速电动机占有较大的优势，鉴于此，本设计选用交流调速电动机。根据主轴要求的最高转速4500r/min，最大切削功率5.5KW,选择北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，最高转速是4500 r/min。3.2.3 转速图的拟定根据交流主轴电动机的最高转速和基本转速可以求得交流主轴电动机的恒功率转速范围 Rdp=nmax/nd=4500/1500=3 （3-1）而主轴要求的恒功率转速范围Rnp= nmax/nd=4500/150=30 ,远大于交流主轴电动机所能提供的恒功率转速范围，所以必须串联变速机构的方法来扩大其恒功率转速范围。设计变速箱时，考虑到机床结构的复杂程度，运转的平稳性等因素，取变速箱的公比f等于交流主轴电动机的恒功率调速范围Rdp，即f=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口和无重合的。变速箱的变速级数:Z=lg Rnp/lg Rdp=lg30/ lg 3=3.10 (3-2)取 Z=3 确定各齿轮副的齿数：取S=114由u=2 得Z1=38 Z1=76由u=0.67 得Z2=68 Z2=46由u=0.22 得Z3=94 Z3=20如取总效率=0.75，则电动机功率P=5.5/0.75=7.3kw。可选用北京数控设备厂的BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为7.5kw。由此拟定主传动系统图、转速图以及主轴功率特性图分别如图3-1、图3-2、图3-3。图3-1 主传动系统图图3-2转速图图3-3主轴功率特性3.2.4传动轴的估算传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此疲劳强度一般不是主要矛盾。除了载荷比较大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求轴在载荷下（弯曲，轴向，扭转）不致产生过大的变形（弯曲，失稳，转角）。如果刚度不够，轴上的零件如齿轮，轴承等由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪音，发热，过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度轴的直径，画出草图后，再根据受力情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。计算转速nj是传动件传递全部功率时的最低转速，各个传动轴上的计算转速可以从转速图上直接得出如表3-1所示:轴III计算转速（r/min）1500750173表3-1 各轴的计算转速各轴功率和扭矩计算：已知一级齿轮传动效率为0.97（包括轴承），则：轴：P1=Pd0.99=7.50.99=7.42 KW 轴：P2=P10.97=7.420.97=7.20 KW III轴：P3=P20.97=7.200.97=6.98 KW 轴扭矩：T1=9550P1/n1 =95507.42/1500=47.24 N.m轴扭矩：T2=9550P2/n2 =95507.20/750=91.68N.mIII轴扭矩：T3=9550P3/n3 =95506.98/173=385.31N.m是每米长度上允许的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取，其选取的原则如表3-2所示:表3-2 许用扭转角选取原则轴主轴一般传动轴较低的轴（deg/m）0.5-11-1.51.5-2根据表2-2确定各轴所允许的扭转角如表3-3所示:表3-3 许用扭转角的确定轴III（deg/m）111把以上确定的各轴的输入功率N=7.5KW、计算转速nj（如表2-1）、允许扭转角（如表2-3）代入扭转刚度的估算公式 (3-3)可得各个传动轴的估算直径：轴： d1=28.8mm 取d1=30mm 轴： d2=34.0mm 取d1=35mm主轴轴径尺寸的确定：已知导轨磨床最大加工直径为Dmax=400mm, 则：主轴前轴颈直径 D1=0.25Dmax15=85115mm 取D1=95mm主轴后轴颈直径 D2=(0.70.85)D1=6781mm 取D2=75mm主轴内孔直径 d=0.1Dmax10=3555mm 取d=40mm3.2.5齿轮模数的估算按接触疲劳强度和弯曲疲劳强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮的各参数都已知方可确定，故只有在装配草图画完后校验用。在画草图时用经验公式估算，根据估算的结果然后选用标准齿轮的模数。齿轮模数的估算有两种方法，第一种是按齿轮的弯曲疲劳进行估算，第二种是按齿轮的齿面点蚀进行估算，而这两种方法的前提条件是各个齿轮的齿数必须已知，所以必须先给出各个齿轮的齿数。根据齿轮不产生根切的基本条件：齿轮的齿数不小于17，在该设计中，即最小齿轮的齿数不小于17。而由于Z3,Z3这对齿轮有最大的传动比，各个传动齿轮中最小齿数的齿轮必然是Z3。取Z3=20,S=114，则Z3=94。从转速图上直接看出直接可以看出Z3的计算转速是750r/min。根据齿轮弯曲疲劳估算公式m=2.4 (3-4)根据齿轮接触疲劳强度估算公式计算得: m=2.84由于受传动轴轴径尺寸大小限制，选取齿轮模数为m =3mm，对比上述结果，可知这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，而且考虑到两传动轴的间距，故取同一变速组中的所有齿轮的模数都为m=3mm。现将各齿轮齿数和模数列表如下：表3-4 齿轮的估算齿数和模数列表齿轮Z0Z0Z1Z1Z2Z2Z3Z3齿数3570387668469420模数（mm）333333333.3主轴箱展开图的设计主轴箱展开图是反映各个零件的相互关系，结构形状以及尺寸的图纸。因此设计从画展开图开始，确定所有零件的位置，结构和尺寸，并以此为依据绘制零件工作图。3.3.1设计的内容和步骤这一阶段的设计内容是通过绘图设计轴的结构尺寸及选出轴承的型号，确定轴的支点距离和轴上零件力的作用点，计算轴的强度和轴承的寿命。3.3.2 有关零部件结构和尺寸的确定传动零件，轴，轴承是主轴部件的主要零件，其它零件的结构和尺寸是根据主要零件的位置和结构而定。所以设计时先画主要零件，后画其它零件，先画传动零件的中心线和轮廓线，后画结构细节。1）传动轴的估算这一步在前面已经做了计算。2）齿轮相关尺寸的计算为了确定轴的轴向距离，齿轮齿宽的确定是必须的。而容易引起振动和噪声，一般取齿宽系数m =(6-10)m。这里取齿宽系数m=10, 则齿宽B=mm=103=30mm.现将各个齿轮的齿厚确定如表3-5所示:表3-5 各齿轮的齿厚齿轮Z1Z1Z2Z2Z3Z3齿厚（mm）303030303030齿轮的直径决定了各个轴之间的尺寸，所以在画展开图草图前，各个齿轮的尺寸必须算出。现将主轴部件中各个齿轮的尺寸计算如表3-6所示:表3-6 各齿轮的直径齿轮Z1Z1Z2Z2Z3Z3分度圆直径（mm）114 228 204 138 282 60 齿顶圆直径（mm） 120234 210 144 288 66 齿根圆直径（mm）106.5 220.5 196.5 130.5 274.5 52.5 Z0Z010521011121697.5 202.5 由表3-2可以计算出各轴之间的距离，现将它们列出如表3-7所示:表3-7 各轴的中心距轴距离（mm）1601753）确定齿轮的轴向布置为避免同一滑移齿轮变速组内的两对齿轮同时啮合，两个固定齿轮的间距，应大于滑移齿轮的宽度，一般留有间隙1-2mm，所以首先设计滑移齿轮。轴上的滑移齿轮的两个齿轮轮之间必须留有用于齿轮加工的间隙，插齿时，当模数在1-2mm范围内时，间隙必须不小于5mm,当模数在2.5-4mm范围内时，间隙必须不小于6mm，且应留有足够空间滑移，据此选取该滑移齿轮三片齿轮之间的间隙分别为d1= 45mm,d2=8mm。由滑移齿轮的厚度以及滑移齿轮上的间隙可以得出主轴上的齿轮的间隙。现取齿轮之间的间距为82mm和45mm。图3-4 齿轮的轴向间距4）轴承的选择及其配置主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承，又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴的刚度，承载能力，转速，抗振性及结构要求合理的进行选定。同样尺寸的轴承，线接触的滚子轴承比电接触的球轴承的刚度要高，但极限转速要低；多个轴承的承载能力比单个轴承的承载能力要大；不同轴承承受载荷类型及大小不同；还应考虑结构要求，如中心距特别小的组合机床主轴，可采用滚针轴承。为了提高主轴组件的刚度，通常采用轻型或特轻型系列轴承，因为当轴承外径一定时，其孔径（即主轴轴颈）较大。通常情况下，中速重载采用双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承（如配推力轴承，则极限转速低），或者成对圆锥滚子轴承，其结构简单，但是极限转速较低，如配空心圆锥滚子轴承，其极限转速显著提高，但成本也相应的提高了。高速轻载采用成组角接触球轴承，根据轴向载荷的大小分别选用25或 15的接触角。轴向载荷为主且精度要求不高时，选用推力轴承配深沟球轴承，精度要求较高时，选用向心推力轴承。该设计的主轴不仅有刚度高的要求，而且有转速高的要求，所以在选择主轴轴承时，刚度和速度这两方面都要考虑。主轴前轴承采用3182119型轴承一个，后支承采用30215型和8215型轴承各一个。3.3.3 各轴结构的设计I轴的一端与电动机相连，将其结构草图绘制如下图42所示图35II轴安装滑移齿轮，其结构如草图32所示图3-6III轴其结构完全按标准确定，根据轴向的尺寸将结构简图绘制如下图44所示图4-43.3.4 主轴组件的刚度和刚度损失的计算最佳跨距的确定取弹性模量E=2.1X，D=（95+75）/2=85；主轴截面惯距截面面积：A=4415.63主轴最大输出转矩：床身上最大回转直径约为最大加工直径的60%，即240mm。故半径为0.12m Fy=0.5Fz=1989.6N故总切削力为： F=4448.9N估算时，暂取L0/a=3,即取3x120=360mm.前支承支反力后支承支反力取则则因在上式计算中，忽略了ys的影响，故L0应稍大一点，取L0=300mm计算刚度损失：取L=385mm,=4.61因在上式计算中，忽略了ys的影响，故L0应稍大一点，取L0=300mm计算刚度损失：取L=385mm,=4.61表3-8 由公式弹性主轴 y1 弹性支承k总柔度总刚度弯曲变形 yb 剪切变形ys前支承后支承悬伸段跨距段悬伸段跨距段 L=3855.48810-72.22410-62.36110-71.16510-711.1210-72.2810-744.6510-72.2410512.2949.85.292.6124.95.1100L0=300 5.48810-71.73210-62.36110-71.491510-712.410-73.75610-742.8310-72.3310512.8140.465.513.4828.98.77100由LL0引起的刚度损失约为3.68,可知，主轴刚度损失较小，选用的轴承型号及支承形式都能满足刚度要求。3.4 零件的校核3.4.1齿轮强度校核校核II轴齿轮校核齿数为20的即可，确定各项参数P=7.2KW, n=750r/min轴扭矩: T2=9550P2/n2 =95507.2/750=91.68 N.m （5-1）确定动载系数：=2.35m/s齿轮精度为7级，由机械设计查得使用系数非对称查机械设计得确定齿间载荷分配系数: =42.1 100N/m由机械设计查得 =1.2确定动载系数:=11.051.21.42=1.6查表 10-5 2.65 1.58计算弯曲疲劳许用应力，由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限540MPa 图10-18查得0.9,S = 1.3 （5-3）49.489.3 故满足要求。3.4.2传动轴挠度的验算II轴的校核：通过受力分析，在一轴的三对啮合齿轮副中，中间的两对齿轮对II轴中点处的挠度影响最大，所以，选择中间齿轮啮合来进行校核已知d=60mm， E=2.1X，b=30mm ，x=180mm （5-4）。3.5 本章小节本章主要讲述了龙门导轨磨床的主轴箱的设计，其主要内容包括传动比的确定电机的选择，轴的设计和强度校核，齿轮的参数的确定等内容。第4章主轴系统设计及计算主轴系统是一个机床的重要部件。由于机床对不同工件的加工，要保持很高的加工精度，刀具就要在加工不同工件时选用不同的转动速度，在保证加工精度的情况下就不能通过一种主轴系统的传动，因为在转速大幅度变化下会使加工精度受到很大的影响。所以在模块化的理念下对加工中心的主轴系统也进行模块化设计。模块化设计能够使机床快速的在三种主轴系统件快速的互换，为了能够实现这一目的，所设计的三种主轴系统的外型尺寸相同，在同一卡具下能够快速的装载和卸载。确定三中主轴系统的传动方式；低速主轴采用带轮传动，准高速采用电机与主轴直连方式传动，高速主轴直接选用型号合适的电主轴。机床设计的基本要求：1、设计的加工中心刀具主轴最高转速1.8万转/min；3000转/min；8000转/min；主轴功率15KW；2、设计的加工中心的加工范围为1.2mX1.6m；3、设计的机床要求可以进行粗加工、半精加工和精加工。定位精度0.003mm.4.1 主轴系统结构设计的原则轴的结构设计的原则是：（1）受力合理，有利于提高州的刚度和强度；（2）轴和轴上零件有确定的工作位置。即保证轴相对与机架定位可靠性，轴上零件的轴向定位可靠；（3）轴有良好的结构公益性包括：便于加工制造，轴上应力集中小，材料省、重量轻；轴上零件装、拆和调整方便，保证每个零件装配到周上市，不论其配合性质如何，均能自由地通过前面各轴段，而不损伤其表面。4.2主轴部件精度加工中心主轴部件由主轴动力、传动及主轴组件组成，它是加工中心成型运动的重要执行部件之一，因此要求加工中心的主轴部件具有高的运转精度、长久的精度保持性以及长时期运行的精度稳定性。加工中心通常作为精密机床使用，主轴部件的运转精度决定了机床加工精度的高低考核机床的运转精度一般有动态检验和静态检验两种方法。静态检验是指在低速或手动转动主轴情况下，检验主轴部件各个定位面及工作表面的跳动量。动态检验则需使用一定的仪器在机床主轴额定转速下采用非接触的检测方法检验主轴的回转精度。由于加工中心通常具有自动换刀功能，刀具通过专用刀柄由安装在加工中心主轴内部的拉紧机构紧固。因此主轴的回转精度要考虑由于刀柄定位面的加工误差所引起的误差。加工中心主轴轴承通常使用C级轴承，在二支承主轴部件中多采用4-1、2-2组合使用，即前支承和后支承分别用四个向心推力轴承和一个向心球轴承，或前、后支承都使用两个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系对于轻型高精度加工中心，也有前、后支承各使用一个向心推力轴承组成主轴部件的支承体系，该种结构适宜高精度、高速主轴部件的场合。简单的主轴轴承组合，可以大大降低主轴部件的装配误差和热传导引起的主轴隙丧失，但主轴的承载能力会有较大幅度的下降。4.3主轴部件结构主轴组件的设计计算应按如下程序进行：（1）根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案（2）选择轴的合适材料（3）初步估算轴的直径（4）进行轴系、零部件的结构设计（5）进行强度设计（6）进行刚度设计（7）校核键的联接强度（8）验算轴承（9）根据计算结果修改设计（10）绘制轴的零件工作图4.4传动方案设计常见的传动形式有如下三种：即变速齿轮传动，皮带传动和调速电机直接驱动。如图3-1所示。图3-1 传动方案本设计采用皮带传动和联轴器直接传动，由于同步齿形带传动时没有滑动，故加工出现故障时容易烧毁电机，所以采用平带传动;联轴器的传动精度高,对于中级转速的传动较为合适。4.5主轴材料的选择轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：1、轴的强度、刚度及耐磨性要求；2、轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；3、轴的材料来源和经济性等。合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAlA等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。由表3-1选择38CrMoAlA材料，并经氮化处理850-1000HV。表3-1 主轴材料材料牌号热处理毛坯直径（mm）硬度(HBS) 抗拉强度极限b 屈服强度极限s 弯曲疲劳极限 -1 剪切疲劳极限 -1 许用弯曲应力-1 备注 Q235A热轧或锻后空冷 100 400420 225170 105 40 用于不重要及受载荷不大的轴 100250 375390 215 45 正火回火1017021759029522514055应用最广泛 100300162217570285245135调质2002172556403552751556040Cr 调质100100300 241286735685 540490 355355 200185 70用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴 40CrNi 调质 100100300 270300240270 900785 735570 430370 260210 75用于很重要的轴 38SiMnMo调质100100300 229286217269 735685 590540 365345 210195 70用于重要的轴，性能近于40CrNi 38CrMoAlA调质 6060100100160 293321277302241277 930835785 785685590 440410375 280270220 75 用于要求高耐磨性，高强度且热处理（氮化）变形很小的轴 20Cr 渗碳淬火回火 60 渗碳5662HRC640 390 305 160 60 用于要求强度及韧性均较高的轴3Cr13 调质 100 241 835 635 395 230 75 用于腐蚀条件下的轴 1Cr18Ni9Ti 淬火 100 192 530 195 190 115 45 用于高低温及腐蚀条件下的轴 180 110 100200 490 QT600-3 190270 600 370 215 185 用于制造复杂外形的轴 QT800-2 245335 800 480 290 250 4.6 主轴参数设计（1）轴颈直径的确定初选前轴颈直径为170mm，后轴颈直径为120mm，主轴平均直径D=(+)=145mm主轴内孔作用： 1.通过棒料、夹紧刀具或工件用的拉杆、冷却管等 2.大型、重型机床的空心主轴，减轻重量初选内孔直径为45mm。（2）前悬量及跨距的选择主轴悬伸量指主轴前支承径向反力作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，主轴悬伸量a值愈小愈能提高主轴组件刚度。在满足结构要求的前提下，尽可能取小值。一般a主要取决于以下几点：主轴端部的结构形状和尺寸工件或刀具的安装方式前轴承的类型及组合方式润滑与密封装置的结构等由表7初定前悬量，a=1.6x170=272mm表3-2 前悬量与前轴径关系如图3.3所示，L即为跨距，即前后两支承点之间的距离。当主轴组件的D、a、和为定值时，必存在一个能使主轴轴端挠度y=的跨距（对应于曲线c的最低点）。当所设计的主轴支承跨距L=L0时，可使主轴组件的刚度K，称为“最佳跨距”。在具体设计时，常由于结构上的限制，实际跨距LL0，这样就造成主轴组件的刚度损失，当L/=0.751.5时，刚度损失不大（5左右），应认为在合理范围之内，称为合理跨距。合理跨距=（0.751.5），是一个区间，最佳跨距只是一个点。图3-3 跨距计算前支承刚度 =1700=22.55Nmm ，后轴承直径小于前轴承，取/=1.4, 则=16.10xNmm。计算综合变量=0.3376 此处弹性模量E=2Nm,I=/64(-)由图3-4可知，/a=2.2 则有=2.2x272=598.4mm所以=（0.751.5）=（448.8897.6）mm 取=460mm图3-44.7 主轴组件的刚度计算机床主轴往往有较高的刚度要求, 因此, 轴承直径的尺寸往往较大, 根据这些轴承直径尺寸所选定的滚动轴承, 其疲劳寿命往往是富裕的, 因此常常不需要作疲劳寿命的计算, 这类轴承的选择主要取决于其精度和刚度。而主轴的轴向刚度完全取决于轴承的轴向刚度, 下面主要对主轴组件的径向刚度进行校核计算。（1）轴承的选择本加工中心主轴是装在前后支承之间, 通过后端皮带轮传动运动的。而影响主轴部件旋转精度的主要因素有主轴的制造精度、轴承的制造精度与支承座孔的制造精度、调整螺母与衬套隔圈等的制造精度、主轴装配与调整质量以及工作时的温升等, 其中起决定性作用的是轴承的精度, 尤其是前轴承, 故将前轴承精度取为P4 级, 后轴承精度取为P5 级。影响主轴组件刚度的主要因素有主轴的结构尺寸、轴承类型与配置形式、轴承间隙的大小、传动件的布置方式、主轴组件的制造和装配质量等。由于该机床主轴要求高刚度、高转速, 因此前轴承采用双列圆柱滚子轴承, 内孔为锥面, 型号为61919, 主要承受径向载荷; 轴向载荷由一对背靠背组配A= 30、型号为100BA 10XDBEL 推力角接触球轴承承受, 由于一对背靠背角接触球轴承支承点的距离较大, 因而能产生一个较大的抗弯力矩。主轴后轴承采用30230 双列圆柱滚子轴承, 主轴运转发热后膨胀, 该轴承外圈是可分的,膨胀主轴带着内圈及滚子, 沿轴向方向上在外圈滚道上自由移动, 减小了主轴的轴向受力。由于运动是由电机通过皮带直接传给主轴, 减少了产生热变形和振动的因素, 这样就保证了主轴的旋转精度和刚度。（2）支承的简化先将主轴组件简化为主轴组件计算模型, 由于一对背对背角接触球轴承只承受轴向力, 故可将支承点简化为双列圆柱滚子轴承中心, 见图3-5。图3-5主轴组件计算模型（3）主轴刚度计算已知主轴前轴承61919内径=150mm , 后轴承32030内径= 130mm , 跨距L= 460mm , 主轴前悬伸a=2720mm , 主轴孔直径=45mm , 前轴承预紧量= 3m, 后轴承预紧量= 0,主轴前端加载F = 6000N , 则主轴的径向刚度为:K = F/= F/(+)式中: 主轴的前端挠度, m 前轴承的径向弹性变形量, m 后轴承的径向弹性变形量, m(1) 计算轴承支反力：前轴承支反力为: = F ( l+ a)/l= 9547.83N。后轴承支反力为: = - F = 3547.83N。(2) 主轴前端挠度的计算主轴的当量直径d 为:d = (+)/2= 140mm。在轴端载荷F 的作用下, 主轴前端挠度Ds 可按下式计算:Ds= Fl/30 (-)。将有关数据代入计算得Ds= 5.015m(3) 轴承径向弹性变形量计算前轴承径向弹性变形量计算：由公式可以计算，=221.93 则有=404.49N其中，轴承预紧量, m; 滚子所受预载荷,N; 滚动体有效长度,mm=4853.88N 则前轴承所受载荷为：=7.116m =12672N轴承径向弹性变形为：=5.363m同理推出后轴承径向弹性变形量=0.413m（4）主轴组件的径向刚度主轴组件的径向刚度K为: =551.42N/m图3-6 轴承内径与径向刚度曲线与图3.7相比较，轴承刚度合适。4.7 主轴强度计算（1）机床主要技术参数表3-5 机床主要技术参数行程:横梁移动行程(X向)主轴滑座移动行程(Y向)主轴滑枕上下移动行程(Z向)6000mm3000mm1250mm主轴转速25-2500 r/min主电机功率连续/30分钟22/30KW主轴扭矩1150NM主轴锥孔BT50工作台进给速度： X Y Z58000mm/min58000mm/min58000mm/min快速进给速度： X Y Z20000mm/min20000mm/min20000mm/min机床外形（长宽高）1060078004800 mm位置控制全闭环表8 机床技术参数（2）强度计算1、初算最小直径由得：232.5r/min取C=140，则轴的最小直径为：69.1mm最小直径是安装联轴器处的直径，该处有两个键槽，故=69.1x(1+10%)=76mm.取d=80mm2、选择联轴器取载荷系数=1.3，则联轴器的计算转矩为：=1.31150=1495 根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准GB5014-85或手册，选用弹性膜片联轴器，其型号为：JMC9计算轴上的弯矩，并画弯、转矩图转矩按脉动循环变化计算, 取 , 则0.6x1150=690 以右端截面为例 = =715897=716 考虑键槽影响，图3-7 轴的弯、转矩图=42 MP 故安全4.8 带传动设计带传动是由两个带轮和一根紧绕在两轮上的传动带组成，靠带与带轮接触面之间的摩擦力来传递运动和动力的一种挠性摩擦传动。本设计中，电机通过平带同步驱动主轴运动。在加工出现故障时，平带会出现打滑现象，但不会烧毁电机，优于同步齿形带。4.9 联轴器设计联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。本设计使用的联轴器为键固定方式的联轴器，如图3-8所示。由于联轴器已经有国家标准，所以直接选用与本设计使用的联轴器型号方可。根据传递的转速数值（8000r/min）以及电机的尺寸选择YL6型联轴器。图3-8 刚性联轴器4.10 伺服电动机的选择本设计中主轴的动力来源是有电动机提供的，由于对转速的要求不同但输出功率相同来选择不同的电动机。伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于1015和小于1525）等特点。所以在本设计中选用交流伺服电动机。图3-9为SY型伺服电动机的实物图片。图3-9 SY交流伺服电动机本设计中要求低速主轴系统转速3000r/min，准高速主轴系统是8000r/min；所以选择的电机的数据如表3-6所示；表3-6 伺服电动机参数型号空载转速（r/min）输出功率（kw）低速主轴系统电动机70SL003480015准高速主轴系统电动机55SL002900015各电动机的外型尺寸如图3-10所示；图3-10 伺服电机机座的外形尺寸示意图第5章周边磨头的动力参数进行设计计算5.1 砂轮架设计的基本要求砂轮架是磨床上用来带动砂轮作高速旋转的关键部件，主要由传动部件和主轴轴承部分组成，主轴与轴承是砂轮架的主要组成部分，因此对砂轮架设计提出的基本要求也是针对主轴轴承部分的。砂轮架设计应满足以下几点基本要求1：1.主轴旋转精度高，旋转稳定；2.主轴轴承系统刚性好；3.振动小，发热低，不漏油；4.装配制造简单，调整维修方便。5.2 主轴旋转精度及其提高措施1.砂轮架旋转精度是指主轴前端的径向跳动和轴向蹿动大小，它直接影响工件的表面粗糙度和表面缺陷。一般端面外圆磨床砂轮架允许的径向和轴向跳动允许误差取5m10m。2.提高主轴旋转精度的措施（1）选择合适的主轴轴承：动静压轴承；（2）提高主轴的加工精度；（3）正确选择主轴轴向止推方式：液体静压推力轴承。5.3 主轴轴承系统的刚性主轴轴承系统的刚性是指在磨削力或传动力作用下，主轴轴承抵抗变形的能力。通常以主轴前端的挠度来度量。过低的刚性会降低磨削生产率、加工精度和工件表面的粗糙度，引起直波形和螺旋线缺陷。5.4 砂轮架主轴初步设计1. 砂轮架主轴的强度校核进行轴的强度校核时，应根据轴的具体受载及应力情况采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对砂轮架主轴来说，由于采用了卸荷皮带轮装置，砂轮架主轴主要承受扭矩，应该按照扭转强度计算，且在选取许用应力时应该选取较小值。砂轮架主轴材料采用42MnVB，并进行淬火，故选取许用应力为40MP。轴的扭转强度条件为（41）扭转切应力（单位为MP）轴所受扭矩（单位为）轴的扭转截面系数（单位为）轴传递的功率（单位为KW）轴的转速（单位为r/mm）计算界面处的直径（单位为mm）许用扭转应力（单位为r/mm）由上式可得轴的直径为（42） mm由上述计算可以得知砂轮架最小直径为31.02mm，考虑到砂轮架的刚度等因素，取主轴的最小直径为60mm。砂轮架主轴的尺寸如图41所示。图41 砂轮架主轴尺寸示意图5.5 主轴刚度校核1.当量直径因为是阶梯轴，所以用当量直径法作近似计算当量直径为：（43）L=140+640+20+32+10=932mm= 89.36mm2.允许挠度允许挠度y=0.0002L 0.0002*660=0.132mm3、计算主轴前端挠度值1 （44）载荷（单位为公斤）（150/9.8）轴两端的跨距（单位为厘米）（66.00）悬伸长度（单位为厘米）（13.2）材料的弹性模数（单位为公斤/平方厘米）（21.02）截面惯性矩（平方厘米） = 0.001cm = 0.01mm又因为y=0.135，0.010.135，即 y，由上述校核可以得知，主轴刚度符合要求。一般存在一个使主轴前端挠度最小，即刚性最好的支承跨距L。由经验得知，L为（36）D时，主轴前端挠度最小，D=120mm，L为360720mm，取L为640mm。5.6 动静压轴承静压轴承是利用外部油源产生承载能力的油膜轴承，动静压混合轴承是一种既综合了液体动压和静压轴承的优点，又克服了两着缺点的新型多油楔油膜轴承。它利用静压轴承的节流原理，使压力油腔中产生足够大的静压轴承载力，从而克服了液体动压轴承启动和停止时出现的干摩擦造成主轴与轴承磨损现象，提高了主轴和轴承的使用寿命及精度保持性；轴承油腔大多采用浅腔结构，在主轴启动后，依靠浅腔阶梯效应形成的动压承载力和静压承载力叠加，大大地提高了主轴承载能力，而多腔对置结构又极大地增加了主轴刚度；高压油膜的均化作用和良好的抗振性能，保证了主轴具有很高旋转精度和运转平稳性。它的优点如下：1.速度和载荷范围广，应用范围广。动静压轴承在零件转速到很高的范围内的各种相对速度下都能承载，而且载荷范围大，其承载能力取决于供油压力，轴承轴颈结构和相对大小；2.油膜刚度高，阻尼大，抗振性好;3.摩擦阻力，磨损小.由于总有一层油膜将相对运动表面隔开，因此摩擦阻力小，磨损小，能长期保持很高的运动精度，寿命长.且对轴承轴颈材料要求也较低;4.主轴回转精度高.动静压轴承中静压油膜具有良好的纠正轴和轴向跳动;5.安全性好.在万一供油受阻或切断时，可利用轴承中动压效应来承载;6.承载能力高.由于动压效应，使轴承转速越高承载能力越大，同时轴承还能承受方向不断变化的动载及瞬时过载;7.稳定性好.8.使用较经济.由于动静压轴承高速下主要靠动压承载，故这时供油压力可相对较小，轴承可设计成较小轴颈，轴承结构简单，制造精度和材料要求不高。动静压轴承需要一套供油系统，润滑油要经过严格过滤以保持清洁。目前广泛应用的是定压供油系统。一定压力的压力油，经节流器流入两相对运动体间的油腔，通过油腔压力来平衡外载荷。在定压供油系统中，节流器是关键部分，它起着限制流入油腔流量的阻尼作用，使油腔压力仅随外载荷的变化而变化。静压轴承常用的固定节流器有毛细管和小孔节流器两种。本次设计选用毛细管节流器。动静压轴承广泛用于高速精密设备中.目前，在改造旧精密磨削设备方面，用得较多的是北京中航设备改造厂的WMB型表面节流液体动静压混合轴承。砂轮架主轴的轴向定位采用轴向止推静压轴承。轴向止推轴承由两个相对的环形油腔构成。轴上具有台肩以形成承载面。轴承的间隙通过修磨调整垫圈的厚度来保证。5.7 传动装置设计为了提高主轴的旋转精度，皮带轮不直接装在主轴上，而是装在单独的支架上，并用花键套带动主轴旋转，即采用卸荷皮带轮的方案，如图42所示。这个方案的优点是，减少了主轴的变形，同时还提高了承载能力。图42 卸荷皮带轮1.电动机的选择= （2.358.82）+3.8 = 12.62kw通过以上计算，取=15kw，选择Y100L4型电动机2.皮带设计因为多楔带兼有V带和平带的优点，外轮廓尺寸小，比V型带传动平稳，所以皮带采用多楔带5。多楔带以平带为基体，内表面有等距离纵向楔型的环形带传动。工作面为楔侧面，有橡胶和聚氨酯两种5。1）皮带材料的选用皮带材料选用聚氨酯。2）设计计算已知小带轮转速，即 =1500r/min，传动比i=2.5；（1）计算功率由机械设计表8.7查得，工作情况系数为1.1，故（45）（2）由和选择带型由于=16.5kw，=1500r/min，查表后可知，取带型为L型。（3）确定带轮基准直径由金属切削机床设计简明手册表443，取主动轮基准直径=80mm。，由此得。（4）验算带速（46）= 6.28 m/s 30 m/s，所以带速合格。（5）初定轴向间距由公式（45）0.7（+） 2（+），（47）可知196 560，取=400。（6）所需基准带长（48）=1248.82mm由金属切削机床设计简明手册表45，取相近的基准带长= 1250 mm6。（7）实际轴向间距（49）= 401.18mm所以皮带的实际轴向间距取401mm。（8）多楔带每楔的基本额定功率由金属切削机床设计简明手册表440，可以查得0.34kw。（9）小带轮的包角（410）162.85（10）多楔带楔数的确定（411）其中查表得，代入的计算公式中，得0.849kw。又已知0.955，1.00，得：由此可以确定，取Z15。3.带轮设计1）带轮设计的要求：（1）质量小，结构工艺性好，无过大的铸造应力；（2）质量分布均匀，转速高时要经过动平衡校证；（3）槽轮工作面要经过精细加工，以减少带的磨损；（4）轮槽的尺寸和角度应有一定的精度，以使载荷分布均匀。2）带轮的材料选用带轮的材料选用HT200。 3）带轮的结构（1）小带轮直径（d为轴的直径），所以采用实心式。（2）大带轮 300，所以采用腹板式结构。4）小带轮的结构尺寸图43 小带轮的结构尺寸（412）其中带轮的外径，轴的直径，基准线上槽深。（413），圆整后得165mm （414），（415）其中多楔带的楔数，多楔带的槽间距，第一槽对称面到端面的距离。5）大带轮的结构尺寸图44 大带轮的结构尺寸4.花键套的选用由轴端直径60选用内花键套：862H778H1012H11GB1144-87，如图图43 内花键套的结构尺寸第6章磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式设计6.1 对磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服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控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；响应要快；系统的稳定性要好。 1.稳定性所谓稳定的系统，即系统在输入量改变、启动状态或外界输出量经过几次衰减振荡后，能够迅速的稳定在新的或原有的是进给伺服系统能够正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性(稳定裕度)。进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系适当的选择系统的机械参数(主要有阻尼、刚度、谐振频率和失气参数，并使它们达到最佳匹配，是进给伺服系统设计的目标2.精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的差)，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差和干常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。来表示，定位误差是指工作台由一点移动到另一点时，指令值的最大差值。重复定位精度是指工作台进行一次循环动作后，偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标联动时，实际运动轨迹与给的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂。采用数提高伺服驱动系统的精度。 3.快速响应特性所谓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。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度也越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，对于点位控制的机床，主要应保证定位精度，并尽量减少定位时间。对于轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。对于开环及半闭环的控制形式。主要是应满足定位精度的要求，而对于闭环控制系统，则主要是稳定性问题。6.2 磨头垂直滑板滚珠丝杠副及其支撑方式系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出了很高的要求。其中在静态设计方面有： 1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，满足快进和工进的需要； 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： 1具有足够的加速和制动转距，以便快速地完成启动和制动过程。 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地表面质量；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； 2，高的刚度； 3良好的阻尼； 4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具有尽可能小的非线性。6.3滚珠丝杠的选择在数控机床的设计中，滚珠丝杠副的作用是将伺服电机的旋转运动转变为直线运动，用较小的转矩可以获得很大的推力。滚珠丝杠副的传动是一种应用较广的机构，尤其是将旋转运动变为直线运动的各种机构中，滚珠丝杠副是传动最简单、经济而又可靠的。所以滚珠丝杠副的选择对整个机床的制造起着不可忽视的作用。滚珠丝杠副的精度是影响机床的定位精度及重复定位精度的最主要的因素。为了在机床的设计中更合理的选用滚珠丝杠副，使其充分发挥效能，必须进行一系列的计算。6.3.1 滚珠丝杠副的导程工作台纵向行程3000mm，速度为10m/min，速度传动比为i=0.5，伺服电机最大转速为2000r/min,，工作台进给速度为0-6000mm/min,算得其导程为：6.3.2 滚珠丝杠副的载荷及选丝杠1.最小载荷机床空载时滚珠丝杠副的传动力，如工作台重量引起的摩擦力： 2.最大载荷选机床承受最大负荷时滚珠丝杠的传动力。如机床切削时，切削力在滚珠丝杠副轴向的分力与导轨摩擦力之和即为Fmax（这时导轨摩擦力是由工作台、工件、夹具三者总的重量以及切削力在垂直导轨方向的分量共同引起的）。 3.平均载荷平均载荷为： 7576N4.当量载荷工作台进给速度为0-6000mm/min，故平均转速为：丝杠的工作寿命取为10000h。故：当量动载荷选择滚珠丝杠查滚珠丝杠样本，选上海缙云机械设备有限公司的型号为，SFU8010-4的丝杠。额定动载荷为。符合要求。丝杠直径为80mm，导程10mm, 珠圈数90，珠径为4mm。图4-1滚珠丝杆及螺母副结构图6.4同步齿形带的选择同步齿形带的传动装置的优点:结构简单,安装调试方便,且在一定条件下能满足转速和转矩的输出要求，可以避免避免齿轮传动时引起的振动与噪声，适用于低转矩特性的要求的主轴。通过计算：带轮的结构尺寸为：小带轮大带轮带轮间中心距为:：带宽：6.5伺服电机的选择1. 基本原则 1）考虑电动机的主要性能（启动、过载及调速等）、额定功率大小、额定转速及结构形式等方面要满足生产机械的要求。 2）在以上前提下，优先选用结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理的电动机。 2. 电动机类型的选择安装方式：立式和卧式（本设计采用立式安装）。防护方式：开启式、封闭式、防护式、防暴式。 3. 额定电压的选择交流380220V，或根据需要配变压器。 4. 额定转速的选择根据生产机械的具体情况来选择要求重复、短时、正反转工作的生产机械，除应选择满足工艺要求的电动机额定转速外，还要保证生产机械达到最大的加、减速度的要求而选择最恰当地传动装置，以达到最大生产率或最小损耗的目标。一般都是直接传动，而不是减速器。 5.惯量匹配：工件和工作台的最大质量为3000kg,折算到电动机轴，其惯量为0.007kg.m丝杠惯量：丝杠直径80mm，决定长度为6.2m。0.19大带轮惯量为：小带轮惯量为：负载惯量为：0.099346.最大切削负载转矩：选的直流伺服电机为：额定功率 3KW最高转速 2000 额定转距 22最大转矩 57转子惯量 0.126.6 滚珠丝杠副的安全使用6.6.1 润滑为使滚珠丝杠副充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑的方式主要有以下两种： 1润滑脂润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的13，滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已经加注GB7324942#锂基润滑脂。 2润滑油运动粘度28574cst(400T)的润滑油，给油量随使用条件等的不同而有所变化。 6.6.2 防尘滚珠丝杠与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物，但有浮沉时可以在滚珠螺母两端增加防尘圈。6.6.3使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项： 1滚珠螺母应在有效行程内运动，必要时在行程两端配置限位，以免螺母约程脱离丝杠轴而使滚珠脱落。 2滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向传动使，如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。 3滚珠丝杠副正常工作环境温度为60C。 6.6.4 安装滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项： 1.滚珠丝杠副仅用于承受轴向载荷。径向载荷、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等负荷，从而造成丝杠的永久性破坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时，应注意： 1）丝杠的轴线必须和其配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线； 2）安装螺母时，应尽量靠近支撑轴承； 3）同时，安装支撑轴承时，应尽量靠近螺母安装部位。 2.滚珠丝杠安装到机床时，尽量不要把螺母从丝杠上卸下来，如必须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意以下几点： 1）辅助套外径应小于丝杠底径0.1-0.2 mm 2）辅助套早使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩； 3）装卸时，不可使用过大力以免螺母损坏； 4）装入安装孔时要避免撞击和偏心。6.8 本章小节本章主要讲述了进给伺服系统的基本要求和进给伺服系统的设计要求滚珠丝杠的选择同步齿形带的选择伺服电机的选择伺服进给系统结构图的设计等。73第7章床身、横梁导轨和工作台7.1 床身结构7.1.1 对床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支持件，一般用来放置导轨，主轴箱等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，数控机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。一、对数控机床的床身主要在以下3 个方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到床身上，所以，床身受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除了满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 2应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度-质量比。动刚度直接反映机床的动态性能，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生噪音。 3较好的热稳定性对数控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已经成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变形将直接影响机架的原有的精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平面磨床，立柱前臂的温度高于后臂，是立柱后倾，其结果磨出的零件工作表面与安装基面不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生中凸或中凹热变形。因此，床身结构设计时应使热变形尽量小。二、床身机架设计的一般要求： 1）在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低； 2）抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内； 3）躁声小； 4）温度场分布合理，热变形对精度的影响小； 5）结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工； 6）结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件； 7）有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好； 8）造型好。使之既适用经济，有美观大方。7.1.2 床身的结构1床身结构根据数控机床的类型不同，床身的结构形式有各种各样的形式。例如数控车床床身的结构形式有平床身、斜床身、平床身斜导轨和直立床身等四种类型。另外，斜床身结构还能设计成封闭式断面，这样大大提高了床身的刚度。数控钻导轨磨床、加工中心等这一类数控机床的床身结构与数控车床有所不同。例如加工中心的床身有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般使用于中小型立式和卧式加工中心，而后者又分为整体T形床身和前后床身分开组装的T形床身。所谓T形床身是指床身是由横置的前床身和与它垂直的后床身组成。整体式床身，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体床身，制造时需要大型设备。而分离式T形床身，铸造工艺性和加工工艺性都大大改善。前后床身联接处要刮研，联接时用定位键和专用定位销定位，然后再沿截面四周，用大螺栓固紧。这样联接成的床身，再刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。这种分离式T形床身适用于大中型卧式加工中心。由于床身导轨的跨距比较窄，致使工作台在横溜板上移动到达行程的两端时容易出现翘曲，将会影响加工精度，为了避免工作台翘曲，有的立式加工中心增设了辅助导轨。 2床身的截面形状数控机床的床身通常为箱体结构，合理设计床身的截面形状及尺寸，采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。床身肋板一般根据床身结构和载荷分布情况，惊醒设计，满足床身刚度和抗振性要求，V形肋板有利于加强导轨支承部分的刚度；斜方肋和对角肋结构可明显增强床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。此外，还有纵向肋板和横向肋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果；米字形肋板和井字形肋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形肋板更高。 3床身的结构设计床身结构设计时，应尽量避免薄壁结构并简化表面形状。根据本设计的具体情况及要求，床身的结构设如下：图5-1 床身结构图（具体结构见床身零件图）4.床身的设计步骤根据床身上的零件、部件情况和设计要求初步确定床身及机架的结构形状和尺寸，以保证机架内外的零件能正常运动根据产品批量和结构形式初步确定制造方法，合理选择材料，单件小批量的非标准设备机架可以采用焊接和锻喊结合的机架分析承载情况，根据承载情况合理的选择截面形式，确定主要设计参数画出结构草图，进行必要的强度和刚度计算和尺寸修改对重要设备的床身，还应该进行模拟实验设计和模拟实验，并根据实验结果对设计进行修改。7.2 导轨7.2.1 导轨的润滑与防护 1.导轨的润滑导轨润滑的主要目的是减小摩擦和磨损以防止过热破坏其内部结构，影响导轨副的运动性能。本设计同一采用锂基润滑脂润滑。 2.导轨的防护导轨的防护是防止或减少导轨副磨损、延长导轨寿命的重要方法之一，对于数控机床显得更为重要。防护装置已有专门工厂生产，可以外购。导轨的防护方法很多，有刮板式、卷帘式、伸缩式（包括软式皮囊式和叠层式）等，对数控机床，大都采用折叠式防护罩。折叠式防护罩用人造革，浸聚氨基甲酸脂橡胶的缇涤纶，以聚酰氨基为基体的合成薄膜材料折叠成风箱，再衬以高压纸板，牛皮纸板等。制造简单，刚性较差。方角折叠刚性较好，适用于水平导轨。斜角折叠制造简单，外形美观，适用于垂直导轨。提高折叠式防护装置寿命的措施： 1）提高组合式风箱接缝强度； 2）保证风箱有正确的导向； 3）采用耐磨材料。7.2.2 导轨的安装调整 1.安装与使用请小心轻拿轻放，避免磕碰以影响导轨副的直线精度；不允许将滑块拆离导轨或超过行程又推回去，若因安装困难，需要拆下滑块，必须用引导轨。 2.安装注意事项首先正确区分基准导轨副和非基准导轨副（基准导轨上有J 的标记，滑块上有磨光的基准侧面）；其次，认清导轨副安装时所需的基准侧面。 3.安装方法利用U 型头将导轨的基准侧面与安装台阶的基准侧面夹紧，然后在该处用固定螺栓拧紧（建议采用配攻螺纹孔），由一端开始，依次将导轨固定。7.3 工作台本题目设定工作台的尺寸为，由此可以确应用的是滑动导轨，7.4 本章小节本章主要讲述

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