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立式升降台数控铣床设计【3张CAD图纸和说明书】

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1-铣床总图-A0.dwg

2-主轴装配图-A0.dwg

3-电气原理图-A0.dwg

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关键词：: 立式升降台数控铣床设计 3张 cad 图纸说明书

资源描述：

摘要

随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入自适应控制﹑模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程﹑前馈控制﹑模糊控制﹑学习控制﹑自适应控制﹑工艺参数自动生成﹑三维刀具补偿﹑运动参数动态补偿等功能，而且人机截面极为友好，并且有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统以使用化。

三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度﹑灵敏度和稳定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求：

(1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨,丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。

(2) 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。

(3) 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响,尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。

设计是在原有普通铣床的基础上,对其进行改造,成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。

所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。

此设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面：X、Y、Z工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。

关键词：三坐标铣床，设计计算，控制系统，编程

ABSTRACT

As the field of artificial intelligence in computer penetration and development, the introduction of Adaptive Control, CNC fuzzy systems and neural network control mechanism, not only has the automatic feedforward control programming ,Learning Control, Fuzzy Control, Adaptive Control, Parameter Automatic generated three-dimensional tool compensation,features such as motion parameters of dynamic compensation, and human-machine section is extremely friendly, and there is fault diagnosis expert system enables self-diagnosis and fault monitoring functions even better. AC spindle servo system of intelligent servo drive and intelligence into the device can automatically identify the load and automatically adjust the parameters optimized.

Linear motor drive system to use the technology.

D NC milling machine is digitally controlled feed motion of the direct object, regardless of position control or continuous control, the final coordinates of the workpiece to be machined precision and contour accuracy are subject to the movement of the drive into the accuracy of the sensitivity and stability. To this end, we should note the following three feed motion requirements:

(1) Reduce the moving parts of the friction. Although many components into a system, but mainly from the screw and guide rail friction, screw and rolling guide structure is the one of the important measures to reduce friction.

(2) To improve transmission accuracy and rigidity. In the ball screw feed system and the supporting structure is the driving accuracy and rigidity of its major components, therefore, must first ensure their accuracy.

(3) Reduce the movement of inertia. Feed system inertia of each component of the servo start-up and braking characteristics have a direct impact, especially in high-speed operation of the parts, the inertia of more.

General milling machine in the original design is based on the conduct of its transformation into coordinate CNC milling machine. The three-axis machine tool through the linkage, and curve lines, such as different processing routes.

CNC milling machine designed to coordinate the three coordinate directions of movement by the step motor to drive the spindle motor AC motor, all motor control by the microcontroller.

The design of the main body of the CNC milling machine design, understanding of microcontroller works, mainly in the following areas: X, Y, Z table of the driving mechanism, mainly the use of ball screws; machine tool structural design, understanding of strengths and weaknesses, take full account of the principal contradiction, merit selection; microcomputer control system, become more familiar with their application.

Key words: coordinate milling machine, design and calculation, control systems, programming

目　　录

第1章绪论 1

1.1　数控铣床的分类 1

1.2 数控铣床的组成及特征 2

1.3 数控铣床的主要功能及应用 5

第2章设计主要参数及基本思想 6

2.1 课题要求 6

2.2 设计原则 7

2.3 总结构设计 7

第3章立式数控铣床的设计和计算 9

3.1 主传动系统的设计 9

3.2 主轴系统计算 14

3.3　进给伺服系统的设计 16

3.4　进给传动的计算 18

第4章微机控制系统的设计 30

4.1 微机控制系统组成及特点 30

4.2　微机控制系统设备介绍 31

4.3　程序部分 36

结论 40

参考文献 41

致谢 42

第1章概论

数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床。

1.1数控铣床的分类

1.1.1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布局形式。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。

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）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，在加工时不便观察，但排屑顺畅。

（3）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。

1.1.2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）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。

（3）高速铣削数控铣床

???? 我们一般把主轴转速在 8000 ～ 40000 r/min 的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其进给速度可达 10 ～ 30 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。高速铣削是数控加工的一个发展方向，目前，其技术正日趋成熟，并逐渐得到广泛应用，但机床价格昂贵，使用成本较高。

1.2数控铣床的组成及特征

1.2.1数控铣床的组成

数控铣床的组成及结构如图1.1所示。

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2-主轴装配图-A0.gif

3-电气原理图-A0.gif

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内容简介：: 山东大学毕业设计（论文）第 1 页共 43 页第 1 章概论数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的 ,两者的加工工艺基本相同 ,结构也有些相似 ,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床。1.1 数控铣床的分类1.1.1 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布局形式。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。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）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，在加工时不便观察，但排屑顺畅。（3）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。1.1.2 按数控系统的功能分类山东大学毕业设计（论文）第 2 页共 43 页（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）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。（3）高速铣削数控铣床我们一般把主轴转速在 8000 40000 r/min 的数控铣床称为高速铣削数控铣床，其进给速度可达 10 30 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。高速铣削是数控加工的一个发展方向，目前，其技术正日趋成熟，并逐渐得到广泛应用，但机床价格昂贵，使用成本较高。1.2 数控铣床的组成及特征1.2.1 数控铣床的组成数控铣床的组成及结构如图 1.1 所示。山东大学毕业设计（论文）第 3 页共 43 页图 1.11-X 向导轨防护 2-Y 轴伺服驱动 3-Z 向导轨防护 4-立柱 5-冷却水箱 6-底座 7-Y 向导轨防护 8-工作台 9-十字滑台 10-X 轴伺服驱动 11-操纵台 12-主轴箱 13-主轴总成 14-Z 轴伺服驱动（1）辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。（2）主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。（3）控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。（4）机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架。（5）进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动山东大学毕业设计（论文）第 4 页共 43 页 1.2.2 数控铣床的结构特征控制机床运动的坐标特征为了要把工件上各种复杂的形状轮廓连续加工出来，必须控制刀具沿设定的直线、圆弧或空间的直线、圆弧轨迹运动，这就要求数控铣床的伺服拖动系动能在多坐标方向同时协调动作，并保持预定的相互关系，也就是要求机床应能实现多坐标联动。数控铣床要控制的坐标数起码是三坐标中任意两坐标联动，要实现连续加工直线变斜角工件，起码要实现四坐标联动，而若要加工曲线变斜角工件，则要求实现 5 坐标联动。因此，数控铣床所配置的数控系统在档次上一般都比其他数控机床相应更高一些。数控铣床的主轴特征现代数控铣床的主轴开启与停止，主轴正反转与主轴变速等都可以按程序介质上编入的程序自动执行。不同的机床其变速功能与范围也不同。有的采用变频机组(目前已很少采用)，固定几种转速，可任选一种编入程序，但不能在运转时改变；有的采用变频器调速，将转速分为几档，程编时可任选一档，在运转中可通过控制面板上的旋钮在本档范围内自由调节；有的则不分档，程编可在整个调速范围内任选一值，在主轴运转中可以在全速范围内进行无级调整，但从安全角度考虑，每次只能调高或调低在允许的范围内，不能有大起大落的突变。在数控铣床的主轴套筒内一般都设有自动拉、退刀装置，能在数秒种内完成装刀与卸刀，使换刀显得较方便。此外，多坐标数控铣床的主轴可以绕 X、Y或 Z 轴作数控摆动，也有的数控铣床带有万能主轴头，扩大了主轴自身的运动范围，但主轴结构更加复杂。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。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。山东大学毕业设计（论文）第 5 页共 43 页 1.3 数控铣床的主要功能及应用1.3.1 数控铣床的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。山东大学毕业设计（论文）第 6 页共 43 页（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。1.3.2 数控铣床的应用与数控车削相比，数控铣床有着更为广泛的应用范围，能够铣削加工各种平面、斜面轮廓和立体轮廓零件，还能够进行外形轮廓铣削、曲面型腔铣削及三维复杂型面的铣削，如各种凸轮、模具等，若再添加圆工作台等附件（此时变为四坐标），则应用范围将更广，可用于加工螺旋桨、叶片等空间曲面零件。配上相应的刀具还可进行钻、扩、铰、锪、镗孔和攻螺纹等。此外，随着高速铣削技术的发展，数控铣床可以加工形状更为复杂的零件，精度也更高。第 2 章设计主要参数及基本思想2.1 课题要求2.1.1 题目名称（包括主要技术参数）及技术要求立式升降台数控铣床（1）Z 轴的行程分别为 300、300、250mm;（2）进给精度 0.01mm；（3）X、Y、Z 轴快速进给速度分别为 6、6、3m/min；（4）工作台面尺寸 300x500mm;（5）脉冲当量 0.01mm/步；（6）重复定位精度 0.01mm.2.1.2 课题内容及工作量(1)简易数控铣床总图 A0 一张(2)电气控制原理图 A0 一张(3)主轴装配图 A0 一张(4)计说明书一份 18000 字左右(5)上机编程 100 句以上山东大学毕业设计（论文）第 7 页共 43 页注：全部图纸用计算机绘制，说明书由计算机输出。2.2 设计原则根据设计要求和铣床的具体情况，课题的基本设计方案如下：（1）机床采用连续控制系统，定位方式采用增量坐标控制。（2）考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动。（3）进给传动的设计是机床设计的重点，数控机床必须有精确的进给传动系，才会有高的精度和表面质量。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选用，为达到分辨率 0.01mm 的要求，需采用齿轮降速传动，利用电子控制系统消除误差。（4）为了保证一定的传动精度和平稳性，又要求机构紧凑，所以选用丝杠螺母副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。（5）传动系统要加上脉动装置。以上为基本的设计方案，除了这些，课题应注意机床的几何精度的修正，数控指令的显示和使用等。2.3 总结构设计2.3.1 数控机床的机构设计要求数控机床的结构设计要求主要有以下方面:（1）有良好的抗振性能和很大的额定切削功率、高的静、动态刚度；（2）有较高的热稳定性和较高的几何精度、传动精度、定位精度；（3）有数控系统及其介质。2.3.2 提高机床的结构刚度机床的刚度是指切削力和其它力作用下,抵抗变形的能力。机床在切削过程当中，要承受各种外力的作用，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有：切削力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这种力作用下将产生变形。如固定连接表面或啮合运动表面的接触变形；各支撑零件不得弯曲和扭转变形，以及某些支撑件的局部变形等，这些变形都会直接或间接的引起刀具和工件之间的相对位移，从而导致工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。(1)选择及布置隔板和筋条山东大学毕业设计（论文）第 8 页共 43 页床身的静刚度是直接影响机床的加工精度和其生产率的主要因素之一。而静刚度及固有频率，是影响动刚度的重要因素。支承件的隔板和筋条的合理性，可提高构件的静、动刚度。(2)结构刚度与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。机床的导轨和支承件往往是局部刚度最弱的部分，在本次设计中，采用双臂联接形式，X、Y 轴导轨较窄。(3)采用焊接结构的构件采用钢板和型钢而不采用铸件的原因：1）钢的弹性模量约为铸铁的两倍，因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。2）如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的 80%左右。3）钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。4）钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。焊接结构床身的突出优点是制造周期短，一般比铸铁快 1.7-3.5 倍。省去了制作木模和铸造工序，不易出废品。焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构。焊接件能达到与铸件相同，甚至更好的结构特性，可提高抗弯截面惯性矩，减少质量。合理的结构布局可以提高刚度，机床的工作头部分由于重力作用将会使机床立柱产生弯曲变形，切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形。这些变形将影响到加工精度。故本次设计中将采取通过在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力的方法，来减少立柱的变形，提高机床的刚度。2.3.3 提高进给运动的平稳性和精度数控机床各坐标轴进给运动的精度极大的影响零件的加工精度。在开环进给系统中运动精度取决于系统各组成环节，特别是机械传动部件的精度；在闭环和半闭环进给系统中，位置监测装置的分辨率对运动精度有决定性的影响，但是机械传动部件的特性对运动精度也有山东大学毕业设计（论文）第 9 页共 43 页一定的影响。通常在开环进给系统中，设定的脉冲当量为 0.01mm 时，实际的定位精度最好的情况也只能达到 0.025。在闭环进给系统中，设定的脉冲当量（或称最小设定单位）一般为 0.001mm，实际上定位精度只能达到 0.003mm，当指令进给系统做单步进给（即每次移动0.001mm）时，开始一两个单步指令，进给部件并不动作，到第三个单步指令时才突跳一段距离，以后又如此重复。这些现象都是因为进给系统的低速爬行现象引起的，而低速爬行现象又决定于机械传动部件的特性。本设计采取的方案有：（1）减少静、动摩擦系数之差（2）提高系统的传动刚度。第 3 章立式数控铣床的设计和计算3.1 主传动系统的设计主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源给执行元件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向,变速装置传递动力以及变换运动速度，执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。现代切削加工正朝着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达 1：1001：1000，恒功率调速范围达 1：10 以上；更大的功率范围达 2.2250kW，能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可靠性高等。数控机床主传动设计应满足如下特点：（1）动采用直流或交流电动机无级调速（2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计（3）数控机床高速主传动设计（4）数控机床采用部件标准、模块化结构设计（5）数控机床的柔性化、复合化（6）虚拟轴机床设计为了适应数控机床加工范围广、工艺适应性强、加工精度高和自动化程度高等特点，要求主传动装置应具有以下特点：（1）具有较大的调速范围，并实现无级调速。无机变速传动在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速，便于实现变速自动化；能在负载山东大学毕业设计（论文）第 10 页共 43 页下变速，便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。（3）良好的抗振兴和热稳定性。数控机床一般既要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。3.1.1 主传动变速系统普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速；且在切削阶梯轴的不同直径，且削曲线旋转面和断面时，需要随切削的直径的变化而自动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。机床主传动中常采用得无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。无级变速主传动系设计原则：一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。如铣床主传动系要求恒功率传动，就应选择恒功率无级变速装置。二为无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速范围往往小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置宇机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。（1）主轴部件设计主轴部件的性能要求山东大学毕业设计（论文）第 11 页共 43 页主轴部件是机床主要部件之一，它是机床的执行元件。他的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产效率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有如下要求：1）轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的 7：24 锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。2 ）刚度主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性便形时，在位移方向上所施加的作用力来定义的。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。3）温升因个相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升高将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，各类机床对温升都有一定的限制。4）可靠性数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。5）精度保持性它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。（2）主轴部件的组成和轴承选型1) 主轴部件，它由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。2) 主轴的传动件，可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。本三坐标曲面数控铣床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于山东大学毕业设计（论文）第 12 页共 43 页前支承内，原因是数控机床的坐标原点，常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。3) 主轴轴承，选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，长采用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背靠背和面对面组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。背对背比面对面安装的轴承具有较高的抗颠覆力矩的能力。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主轴受到弯距，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。4)角接触球轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且较大的预紧将使寿命下降，故预紧要适量。角接触球轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力 Fa0，单位为 N。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预紧力磨去。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需要隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴向载荷的 35%。5)承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。除上些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题的。主山东大学毕业设计（论文）第 13 页共 43 页轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为P4 级，经使用磨损后跳动精度降为 P5 级,这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。（3）主轴组件的动态特性通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施：1)是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的 30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡，这时激振频率等于主轴转速乘以 /30。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数 Z。2）增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。3）采用消振装置。4）主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一定厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。(1)脂润滑滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、洁净、密封良好，不使灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂，如 SKFLGLT2 号（常用于球轴承）。(2) 油气润滑山东大学毕业设计（论文）第 14 页共 43 页如果 dn 值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑需能达到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑：在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑，空气用于冷却。3.2 主轴系统计算三角胶带传动的计算和选定三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。(1)确定计算功率 PdkWA4.12.式中：K 工况系数AP电机额定功率 Kw(2)选择三角带型号根据 P 、n 由图 7-8 选 SPA 型窄 V 带d1(3)确定带轮直径 D 、 D2小带轮直径 D 应满足： D D 查表 7-4 取 D ,故选择 D11min m90inm10(4)计算胶带速度sv /25/.6025160故 D 选择合格1D mi212(5)确定中心距 a 和带长 Ld)(7.021)(210Da得 m6山东大学毕业设计（论文）第 15 页共 43 页初选 ma30带长 maDLd 10784)()(202210 查表 7-3，取 d中心距 Lad2610a 的调整范围：md45.minLa29103x(6)验算小带伦包角 13.5780121aD得，即满足条件。621(7)确定 V 带根数 zLdKP)(0由表 7-6a 查得 kW27.0)1(ibn由表 7-10 查得 307862.bK由表 7-11 查得 19i)19.(5.3iPkW80由表 7-9 查得 96.K山东大学毕业设计（论文）第 16 页共 43 页由表 7-3 查得 89.0LK代入求根公式，得96.08)3.027.(41z6取 z=6,符合表 7-4 推荐的轮槽数(8)确定出拉力 0F20)15.(qvKzvPd由表 7-5 得 mkgq/12.20 5.610)5.(645FN8(9)计算作用在轴上的压力 Q2sin1z6i86N33.3 进给伺服系统的设计3.3.1 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、山东大学毕业设计（论文）第 17 页共 43 页阻尼、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。3.3.2 进给伺服系统的设计要求在静态设计方面有：(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(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(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尽可能小的非线性3.3.3 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。山东大学毕业设计（论文）第 18 页共 43 页时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过渡过程）。稳定响应是指当时间 t 趋向无穷大时系统的输出状态。若在稳定时，输出和输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。(2) 频率响应特性时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化的规律，即在已知传递函数的前况下，从系统在阶越输入及斜坡输入时间应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由试验的方法来求取动态特性。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性,就是系统对正眩输入信号的响应，即它通过研究系统对正眩输入信号的响应规律来获得启动态特性。(3) 快速性分析所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。对于线性进给伺服系统，由于它包含各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个地通漏波器。这种系统的通频宽带，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高系统的截止频率，则可以提高闭环回路的响应速度。3.4 进给传动的计算3.4.1 X 轴滚珠丝杠副(1) 精度要求：进给精度 m01.快速进给精度 in/6(2) 疲劳强度丝钢的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为 1625N,工作台质量 700kg,则：1）摩擦力 fFNf 248.9035.7min16425ax山东大学毕业设计（论文）第 19 页共 43 页 32minaxFm4169N07根据机电一体化设计基础计算载荷 cFMAHFK查表 2-6 取查表 2-8 取 2.10.1AK查表 2-7 取查表 2-4 取 D 级精度0H则： NFc 328107.2）计算额定动载荷 aC取丝杠的工作寿命为 ,hLh2 min/rn31067. 4mncaF.248N53）选用 FC1-4020-2.5 型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径 mD0导程 p1滚珠直径 d953.0按表 2-1 种尺寸公式计算：滚道半径 mR096.35.20. 偏心距 de 20 14.8)2.(7.)2(7. 丝杠内径山东大学毕业设计（论文）第 20 页共 43 页 mReDd 98.306.214.820201 4）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。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丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 crF2)(lEIFacr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）；为丝aI杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。4m3248105.6dIaNFcr 62892 107.)4.3(1安全系数 361059.1078.mcrS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。crn要求丝杠的最大转速。crnmax临街转速按下式计算：21)(90ldfccr式中：为临界转速系数，见表 2-10，本题取，cf 927.3cf3山东大学毕业设计（论文）第 21 页共 43 页 2)4.03(987.91crnmin/.4ri/6013maxn即：，所以丝杠工作时不会发生共振。axncr 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求D0 min/10740rnDi/i/14430 rmr5）刚度验算滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T( )共同作用下引起每个导程的变形量 (m)N 0L为：cGJTpEAFL20式中:A 丝杠截面积, ；为丝杠的极惯性矩，；G 为丝杠切变模14d 4132dJc量，对钢；T 为转矩。GPa3.8)tan(20DFm式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；卫平均工作载荷 mFNT 84.1)2.034tan(102473按最不利的情况取（其中）mF412120 64GdTpEJpEAFLc49223293 )08.(1.8).3()(6)08.(261.37m0山东大学毕业设计（论文）第 22 页共 43 页则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：mpLl 5.210.6430通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2，即.21该丝杠的满足上市，所以其刚度可以满足要求。L6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为947.0)2.34tan()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。3.4.2 Y 轴滚珠丝杠副（1）精度要求：进给精度 m01.快速进给精度 in/6（2）疲劳强度丝钢的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为 1625N,工作台质量 900kg,则：1）摩擦力 fFNf 318.905.9min16325axminaFm31265N4根据机电一体化设计基础计算载荷 cFMAHFK山东大学毕业设计（论文）第 23 页共 43 页查表 2-6 取查表 2-8 取 2.1FK0.1AK查表 2-7 取查表 2-4 取 D 级精度0H则： Nc 3714.2）计算额定动载荷 aC取丝杠的工作寿命为 ,hLh20min/0rn3167. 4mncaF0.24N593）选用 FC1-4020-2.5 型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径 mD0导程 p1滚珠直径 d953.0按表 2-1 种尺寸公式计算：滚道半径 mR096.35.20. 偏心距 de 20 14.8)2.(7.)2(7. 丝杠内径mReDd 9.306.14.80201 4）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。山东大学毕业设计（论文）第 24 页共 43 页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丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 crF2)(lEIFacr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）；为丝aI杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。4m3248105.6dIaNFcr 52892 109.).3(1安全系数 25107.149.8mcrS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。要求丝杠的最大转速。crncrnmax临街转速按下式计算：21)(90ldfccr式中：为临界转速系数，见表 2-10，本题取，cf 927.3cf3山东大学毕业设计（论文）第 25 页共 43 页 2)59.03(87.91crnmin/6.4r013maxn即：，所以丝杠工作时不会发生共振。axncr 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求D0 min/10740rnDi/i/14430 rmr5）刚度验算滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T( )共同作用下引起每个导程的变形量 (m)N 0L为：cGJTpEAFL20式中:A 丝杠截面积, ；为丝杠的极惯性矩，；G 为丝杠切变模14d 4132dJc量，对钢；T 为转矩。GPa3.8)tan(20DFm式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；卫平均工作载荷 mFNT 85.1)2.034tan(10243按最不利的情况取（其中）mF412120 64GdTpEJpEAFLc49223293 )08.(1.8).3(5)()08.(2614.3 m0山东大学毕业设计（论文）第 26 页共 43 页则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：mpLl 7.3102.6590通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的 1/2，即5.21该丝杠的满足上市，所以其刚度可以满足要求。L6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为947.0)2.34tan()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。3.4.3 Z 轴滚珠丝杠副（1）精度要求：进给精度 m01.快速进给精度 in/3（2）疲劳强度丝钢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垂直分力。主轴重量为 300kg,则：1）摩擦力 fFNf 108.9035.min21ax7368.9min2minaxF387950N276根据机电一体化设计基础山东大学毕业设计（论文）第 27 页共 43 页计算载荷 cFMAHFK查表 2-6 取查表 2-8 取 2.10.1AK查表 2-7 取查表 2-4 取 D 级精度0H则： NFc 34276.2）计算额定动载荷 aC取丝杠的工作寿命为 ,hLh0 min/10rn3167. 4mncaF0.24N53）选用 FC1-4020-2.5 型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径 mD0导程 p1滚珠直径 d953.0按表 2-1 种尺寸公式计算：滚道半径 mR096.35.20. 偏心距de 20 104.8)2.(7.)2(7. 丝杠内径 mReDd 9.36.104.8201 4）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。山东大学毕业设计（论文）第 28 页共 43 页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丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷 crF2)(lEIFacr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）；为丝aI杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。4m3248105.6dIaNFcr 52892 107.).3(1安全系数 2510.276.8mcrS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。crn要求丝杠的最大转速。crnmax临街转速按下式计算：21)(90ldfccr式中：为临界转速系数，见表 2-10，本题取，cf 927.3cf3山东大学毕业设计（论文）第 29 页共 43 页 2)5.03(987.91crnmi

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