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数控铣床Z轴进给系统结构设计论文.doc

数控铣床Z轴进给系统结构设计【12张CAD图纸+毕业论文+开题报告+外文翻译】

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关键词：: 数控铣床 Z轴进给系统结构设计数控铣床Z轴进给系统 cad 图纸毕业论文开题报告数控铣床Z轴进给系统结构外文翻译

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数控铣床Z轴进给系统结构设计

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摘要：

数字控制机床就是人们常说的数控机床，是一种由计算机程序来进行控制系统从而实现自动化加工的机床。数控机床是一种典型的机电一体化产品，是一种高效能、柔性的的自动化机床，它能够较为容易地解决哪些精密、复杂、多品种、小批量的零件的加工问题。

本次毕业设计的意义在于通过类比的方式进行了对数控铣床Z轴进给系统结构的设计，研究其Z轴向的惯量匹配，转矩匹配以及滚珠丝杠预拉伸量的相关计算，进而提高数控铣床的整体性能、加工精度等，以达到提升工厂自动化效率，为其创造更大价值以及提高自身能力的目的。

关键词：数控铣床；Z轴；进给系统；滚珠丝杠

Title CNC milling machine spindle feed system architecture design

Abstract：

Digital control machine tool CNC machine tools is often said, is a program performed by a computer control system to achieve automatic processing machine. CNC machine tools is a typical mechatronics products, is a high-performance, flexible automation tools, it can be more easily solved what sophisticated, complex, multi-species, small batch processing problem parts.

This graduation project meaning that by analogy was designed for CNC milling Z-axis feed system architecture, study Z-axis inertia matching, matching torque and associated pre-calculate the amount of stretch of the ball screw, and then CNC milling machine to improve overall performance, precision machining, factory automation to enhance efficiency in order to achieve, for the creation of greater value and improve their ability purposes.

Key words: CNC milling machine; Z axis; feed system; ball screw

前言 1

第一章绪论 2

1.1数控铣床概述 2

1.2机床的国内外发展现状 2

1.3数控机床的发展及存在问题 4

1.3.1数控机床的发展 4

1.3.2数控机床的存在问题 4

1.4 数控铣床的应用分类及特点 5

1.4.1 数控铣床的分类： 5

1.4.2 数控铣床的应用 5

1.4.3 数控铣床的主要功能及特点 6

第二章进给系统机械结构的设计 7

2.1设计要求 7

2.2数控铣床对于进给系统设计的基本要求 7

2.3数控铣床的进给传动机构的选择 8

2.3.1 滚珠丝杠螺母副 8

2.3.2静压丝杠螺母副 8

2.3.3静压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 9

2.3.4由带自锁的电动机直接驱动 9

第三章传动部件的设计与计算 10

3.1 Z轴的工作载荷分析 10

3.2 Z轴的工作载荷计算 10

3.3滚珠丝杠螺母副的计算及其选型 10

3.4滚珠丝杠螺母副的支撑选择 14

3.5滚珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧 16

第四章主要部件的设计计算 17

4.1轴承的选择及校核 17

4.2电机的选择与计算 19

4.3惯量匹配的计算 20

4.4转矩匹配的计算 21

4.4导轨的选择 22

4.4.1导轨的选择 22

4.4.2导轨的间隙调整 24

第五章技术经济分析 25

5.1技术经济分析的目的与意义 25

5.2成本材料分析 25

5.2.1 非标准件 25

5.2.2标准件 26

5.3课题技术经济成本计算依据 27

5.3.1成本计算依据 27

5.4课题技术经济成本计算 28

第六章总结 30

致谢 31

参考文献 33

前言

制造业是经济建设与发展的基础，一个国家制造业的发展水平决定了该国的经济水平，生活水准，科技发展等等。因此，一个国家发达与否，其国内的制造业的发展水平是重中之重，首要之首。

自从工业革命之后，世纪工业格局发生了重大改变，使之生产能力得到了巨大提升，往后几十年里科学技术得到了飞速发展。现今的机械制造产品无论是性能还是其质量都是当初不可想象的，新旧产品之间的更新换代也是日新月异。如今的机床早已完成了从最初的实际加工需求到后来的追求其在生产加工时拥有较高的加工精度和生产率的过程，而为了大大提高机床生产时的加工精度以及生产率，世界上第一台数控机床于1952年在美国诞生了。为了进一步解决那些形状十分复杂且生产批量又不大的特殊零件的实际加工问题；也为了不断的提升其加工的精度，提高其加工后零件的质量以及其生产的能力，不断研发新型的数控机床都是必要的。但是因为在实际研发设计过程中有着种种的条件制约，像：研究经费、技术支持等等的问题。所以从总体上来说，其数控机床的整体技术是很难在短时间内得到大步度的提升。

因此，本论文只对数控机床的Z轴进给系统的结构做出了设计，因为该部件的性能对于整台数控机床来说尤为重要，其进给系统的优劣将直接影响到零件加工完成后的质量和生产加工时的效率,是评价一台机床的整体性能和其技术经济指标的重要因素。其中包括了数控机床对进给系统的基本要求，数控铣床的进给传动机构的选择，Z轴的工作载荷的分析与计算，滚珠丝杆螺母副的计算与选型，轴承的计算与选择，电机的计算与选用，负载转动惯量的计算，负载力的计算，导轨的计算与选型以及技术经济分析等等。

第一章绪论

1.1数控铣床概述

面对如今多样化的加工环境以及复杂化的加工零件，其传统数控铣床已经逐渐无法满足其加工需求，于是为了应对这种问题，人们在传统数控铣床的基础之上加以改进发展，最终研究出了加工中心，但是说到底也离不开数控机床的影子。由于数控铣床在实际加工过程中所需要用到的工艺过程最是复杂，因此，在人们研发新型的数控机床的时候其铣床的基本功能的突破一直是研究的重点以及研究的基础。

铣床可以应用于多种加工环境，可以用于加工各种面、沟槽、多齿零件上齿槽、螺旋形表面及各种曲面。不仅如此，在加工回转体零件的表面和内孔的时候也可以用铣床来完成加工，甚至在一些零件需要切断的时候也能用铣床来完成。

随着时代的不断前行，由计算机技术所衍生出来的数控技术也得到了越来越多的普及式应用，而由于数控铣床可以说就是一种装备了数控系统的铣床，所以导致数控铣床也变得越来越普遍了。在数控行业中人们通常将数控铣床分为卧式数控铣床和立式数控铣床两种。而其他没包含在这两类里的数控铣床都是指那种规格比较小的升降台数控铣床，判断其规格大小的标准则是看其工作台的宽度大小，如果其宽度没有超过400mm，就可判定为规格较小；而如果数控铣床的工作台的宽度超过了500mm，则可判定其规格较大，而这种数控铣床所能实现的功能就已经向加工中心靠拢了，继而改进成了柔性制造单元。在大多数的时候，数控铣床的坐标轴一共有三个，分别是X、Y、Z三个坐标轴，并且可以实现两坐标轴之间的联动功能。这样的数控铣床只可以加工出平面零件或者零件上的曲线，而如果需要其去加工像叶片、旋转槽那样的有立体曲面的特殊零件的话，就需要加进一个回转的A坐标或C坐标，使三坐标数控铣床变为四坐标数控铣床。

第六章总结

本次毕业设计课题为数控铣床Z轴进给系统结构设计，一开始我对于这个课题只有一个模糊的概念，之后通过对数控铣床各部件结构及其功能的了解，对Z轴进给系统进行了一系列的设计和分析，并在老师的指导下完成了设计任务。而且用CAD绘图软件绘制出了1.张0号总装配图以及若干零件图，总共2.5张的0号图纸。

本次毕业设计一共用时3个月，在这3个月里我通过查找大量的资料文献，了解到了数控机床在当下国内外的发展形势以及各自的先进技术。之后的各项设计计算，更是使我将这大学四年里所学习的的理论知识做了十分全面的温习与实践。本次所设计出来的Z轴进给机构是由西门子伺服电机来驱动的，再经由同步齿形带传动，之后驱动滚珠丝杆转动，从而实现了数控铣床的Z轴进给运动。在设计计算的时候，我通过对其进给系统进行惯量匹配和转矩匹配，起到了提高其数控铣床的整体性能；对滚珠丝杆的预拉伸量的计算，消除了轴向间隙，以求能够达到更高的精度；最后的技术经济分析则让我对各零部件的价值以及其各自的热处理方式有了更为直观的感受。这些实际计算及分析与我过去在书本上所学到的理论知识相结合，对其进给系统结构中所用到的各部件的型号尺寸做了全面的数据分析和强度校核，最终满足了任务书中的各项要求。

致谢

首先十分的感谢在我大学的最后一段学习时间里给予了我非常详尽并且耐心的指导。从一开始设计的定题，到收集各种相关文献资料，到设计计算各部件的型号尺寸，到绘制装配图零件图，到撰写论文，两位老师都给予了我悉心的指导和必要的帮助。为了指导我们的毕业设计，两位老师放弃了自己的休息时间，每天从早上8点钟开始一直到下午4点多钟，这期间8个小时左右的时间让我们能够在我们遇到设计困难的时候随时向他们请教询问，并能在回答我们的问题时十分的耐心讲解教导。而且由于我们用来做毕业设计的教室和两位老师的办公室并不在同一教学楼里，所以在这大夏天或者一些下雨天里当我们有问题时还有入两位老师在大太阳下或者冒雨过来我们教室，这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的感激之情。

通过这3个月的不断努力，我终于完成了我的毕业设计，这份毕业设计所包含的绝不止我一个人的心血，虽然这个课题是由我设计出来的，但是在设计之初到完善设计的这个过程还有许多其他人的帮助在里面，比如两位指导老师，是他们解答了我在设计上所遇到的疑难；又比如和我在同一组的其他同学们，是他们将他们搜集到的资料书籍和我分享，让我了解到了设计时所需要用到的一些相关标准和公式。在大学这四年里，我在学习上和思想上都受益非浅，这除去我自身的努力之外，还和各位老师、同学和朋友平日里的关心、支持和鼓励是分不开的。虽然如今我四年的大学生活即将结束了，但是在这四年里发生的点点滴滴，无论是收获还是付出，所有的一切我都将一直记忆犹新。

在本次毕业设计完成的过程中，我的两位指导老师倾注了大量的时间和心血，从开题报告、外文翻译、尺寸计算、型号设计、装配图草图、零件图草图、论文大纲、论文草稿、论文定稿，一遍又一遍地指出其中存在的一些具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。这次的毕业设计虽然让我看到了我的许多不足之处，比如：在一开始设计时对于惯量匹配的计算公式以及对绘图时所需用到的一些绘图标准等这些我都并不太清楚；但是通过这次的毕业设计我也了解到了许多我原先所并不知道的东西，比如：数控型机床的相关发展历史，铣床在现今世界上的最新发展方向以及发展形势，各种不同得数控型机床的优缺点还有国家对于机械行业的各种相关政策等等。这些信息或许对于刚进大学校园的我来说并不重要，但是在将要离开这个校园，即将步入社会，进入到工作岗位的我来说，感觉就意义非凡了。有了这些信息我就可以更加了解我将要从事的工作行业，对于它的发展历程以及国家扶持政策等各方面都能让我有更为深刻的了解，这对于我将来的职业生涯以及职业发展来说都是十分重要的。

这次的毕业设计已经是我们在校期间最后一次全面的温习先前所学知识以及完善自身学习能力的机会了。虽然在这之后我们就将离开学校正式的踏上社会，但是我将永远记得我曾经是一名南京工程学院的学生，并且会将从学校里学到的知识、良好的生活作风以及实际技巧运用到今后的生活当中。

感谢各位专家的批评与指导。

参考文献

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[4]李洁，最新国内外起重机械使用技术性能及安全管理规章制度实务全书[M].北京：机械工业出版社，2001.

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[7]于文景、李富群，现代化煤矿机械设备安装调试、运行监测、故障诊断、维护保养与标准规范全书[M].北京：机械工业出版社，2003.

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内容简介：: 1 毕业设计 (论文 )外文资料翻译原文题目： of 原文来源： 2005) 26: 959 964 学生姓名：学号：所在院 (系 )部：专业名称： 2 金刚石刀具磨损的评价 W S 到： 5 月 28日 2003/接受： 1月 9日 2004/出版： 2004年 5月 19，斯普林格伦敦有限公司 2004 年摘要目前的研究提出了一个关于烧结而成的金刚石刀具磨损的测试草案。一系列能够表达刀具磨损等级特征的参数，以及这些参数与被检验刀具的切削能力之间的关系被建立起来。该草案制定了即将要进行测试的过程、需要的仪器、所用材料的性质特征以及提交测得实验结果的报告的格式。此先进的测试草案表明了一种普遍可用的测量金刚石刀具磨损的方法。这也是正确地进行磨损试验与可靠地解释试验结果的依据。草案发展到迄今主要是应用于实验室试验，分析所得测量值的迟缓性和精确性。假使缺少全部标准，该草案能够吸引国内和国外的标准制定机构的关注。该草案也已经应用于两种类型的刀具，所测定的结果显示很可靠并且可以应用。研究中拟定的测试草案使克服有关刀具性能技术数据不足的难题成为可能，由于刀具的生产具有专利性质，所以，该草案在这个领域是个很典型的提议。关键词：切削刀具；烧结金刚石铣刀；宏观几何磨损参数；测试草案；磨损 1 引言在工业领域中和城市建设中，由于不断增加对拥有复杂几何形状的天然石材元件提供的强烈需求，这就必须要使用日益增加的自动柔性机床，例如数字控制组合加工中心。这些加工中心能够通过金刚石磨削来实现大量的操作指令。现在还没有对这样的作业实行切屑过程优化的研究，所以，一种时而不完美的解决方法已经被接受。优化就意味着降低加工成本切屑时间改进不同的影响因素所得到的产品质量，例如切屑力、刀具的性质、过程温度和振动。决定性的一点就是现行的刀具。与磨损过程相关的刀具性质的优化会带来整个过程的优化。现在的研究目的是理解金刚石刀具的磨损过程。这种研究对能量损耗和刀具寿命有很大的影响。特殊地，金刚石刀具磨损需要适当的界定和测量。总而言之，以清晰明确的方式建立相关参数是非常必要的，这些参数可以通过可靠并且可利用的程序来描述磨损过程和测量方法。目前研究的目的是确定一个关于金刚石烧结刀具磨损的测试草案。由于缺 3 少用来指导有关金刚石烧结刀具磨损试验方法的书目参考和标准，而且还要进行可获得应用性和比较性较好的试验结果的宏几何学磨损试验，这使得制定一个可提供普遍正确样式的适应性好的测试草案变得紧迫。此草案是正确地进行试验和可靠地解释试验结果必不可少的工具。它为石料切削公司比较生产商所卖相似刀具的性能提供了可行性。但是，在切削过程中，存在的性能还是有所不同。实际上，从目前的状况看，现在市场上的金刚石刀具完全通过它们所拥有的材料的性能来描述，而其他的技术特性都受限于产业专利，所以，云石和花岗岩加工公司却全然不知。这个草案能够让刀具生产商通过和其他竞争者比较来评价他们的刀具性能，与此同时，还可以利用卖方刀具的有效期信息来配备他们的供应。这最后的方面代表一种服务，即变换器要求增加持续的强迫动作。对于单刃刀具来说，组成这个草案的指标已经从现存的标准中去除。发展到迄今的草案认为试验是在实验室中进行的，指定试验涉及的精度和迟缓性。此草案容许金刚石过程磨损知识的发展，这种金刚石是构成加工天然石材的刀具，也是构成加工优化方法的基本。下面的段落用来描述加工天然石材的金刚石刀具的性能，以及它们自身与磨损的关系。测试草案及其在两种刀具上的应用将在接下来的段落里描述。 2 加工天然石材的金刚石烧结刀具的磨损应用于天然石材加工的金刚石刀具可以根据刀削工具来分类：如线状刀具、片状刀具、盘状刀具和磨削刀具，还有加工平面的机床，例如具有不同类型和轮廓的磨床和铣床。两个例子中的刀具都由支承、超级承是研磨料颗粒固定在刀具的那部分，它赋予刀具适当的形式，它把机械能从机床辊子传递到研磨料颗粒，同时吸收加工过程中产生的力。超级的性能是粒度测量、造型和限制基体密集度。粒度测量表示对超级据实际存在的晶粒性质判断，研磨料颗粒的形式可能是规则的，也可能是不规则的。密集度是扇形单位容量的重量值。结合体是用研磨料颗粒来阻塞刀具支承的硅铝合金，利用工业上正确的技术方法，它能够更加经济地用来实现切屑加工、铣削加工、磨削加工、精加工以及仿形加工等。此结合体必须保证两个相反的要素：提高切屑能力和延长刀具寿命。最后，结合体必须具有适用于超级如允许试验过程中出现与之相关的隆起以及被加工材料的性征，但最重要的是此结合体必须要允许存在于母体内部新的晶粒积极的弥补已磨损晶体的损失。配制此结合体混合物的金属有铁、铜 4 、钨、钴、以及镍。金刚石刀具磨损是金刚石晶粒和刀具材料结合物磨损发展的结果。它可以用下面的步骤顺序来描述。首先，由于结合面的腐蚀，结合体表面的晶体隆起不断增加使晶粒和工件相接触。一种突起的结晶物出现在刀具表面。这种微小高度的隆起导致刀具切屑能力的下降。这种坚硬的结合体将会使超级至于在金刚石晶粒完全出现在结合体上之前，刀具区段就产生了研磨。结合体的逐渐腐蚀使全部的结晶物出现在刀具区段的表面上所有的结晶体是具有较大高度隆起和微小表面破坏的金刚石颗粒。它具有很好的切屑性能。一旦工件被接触，晶粒便大量地环绕形成，以至于在晶粒顶部好似形成一个小高原，它可以产生磨光晶粒的机械摩擦和热作用。部分晶粒的高百分率使刀具区段的表面变得透明，这会导致效率较低的切屑能力。刀具旋转所带来与工件的间歇性接触，导致金刚石晶粒产生周期性载荷。由于工件的不同特性和机械振动，这种现象会被扩大。金刚石晶粒的产物可以通过增加晶体表面的切屑边缘数量的微裂缝和微裂纹来描述，尽管他们会减小渗透深度。磨损的逐渐加剧会导致完全破碎的微粒或者母体的破损，这种磨损会使金刚石晶粒被释放。由于结合体金刚石晶粒的释放以及产生的组织分裂，使得这种脱落成为一种现象。当金刚石晶粒在其有效期结束前从金属粘合物上脱落，这会加速刀具的磨损。在这个例子中，最终的分裂将会很大，它将包括在金刚研磨料颗粒出现前所考虑到的结合体磨损。相反地，如果晶粒在它的使用寿命结束后从金属结合体上脱落，分裂将不会很深，移动新的晶粒也不需要消耗太多的结合体体积。脱落现象归结为切屑力或保持固定金刚石结构的凝聚力的增加。新的晶粒将会出现在刀具加工表面，此时，磨损周期将再一次开始。金刚石刀具磨损的进程消耗组成刀具的金刚石和结合物质。这就意味着整个刀具的重量和直径尺寸的减少以及金刚石刀具圆柱形状的改变。刀具从它原始的圆柱边界线处开始移动我们通过决定于整个刀具的四个变量对金刚石磨头的耗损进行评价：刀具重量的减少；刀具直径的减小；刀具外形圆柱度和磨削率的变化。圆柱度是旋转表面上所有的点与公共轴线等距离的状态。这三个宏几何学变量都与磨损进程直接相关，同时，它们的测量都很容易。可以用来监视石料加工过程中的磨头磨损。它们被叫做宏几何学磨损变量。 3 烧结金刚石刀具的宏几何学磨损测试草案关于宏几何学磨损的草案明确了测试过程中的待加工材料，工件的标准条件， 5 工件的性质；使用的冷却液和应用的切削条件。在进行试验的过程中，机床必须具有刚性的结构，不能有振动的倾向和不规则的变形。试验用的机床要有控制速度持续变化的指令，来补偿现行加工过程中应用的整个速度范围。实现有关刀具寿命试验所采用的方法与完成有关注释观测结果和测量的方法相同。宏几何学磨损试验由顺次进行的各种切削过程和插入介于两切口之间的宏几何学磨损参数测量值组成。试验报告要由关于去除材料体积的红几何学磨损参数相关趋势的图表，下面是我们草案的全部正文。床材料使用在天然石材加工领域的材料有很大的数目，利用不同性质的材料或者性质相似的材料进行对比性试验是不可取的。由于此原因，所用机床材料的性能必须规定在试验一览表中根据表 2 所列出了两种论述的花岗岩的具体细节，这两种花岗石是：黑色非洲花岗岩和撒丁岛花岗岩。件的标准条件切屑试验必须包含整个刀具的表面（例如，切屑径向深度必须要等于刀具的直径）。在试验过程中，必须要在能够减小工件的振动且具有一定面积的板坯上进行试验。固定工件的转轴和平台必须要保持良好稳定性和平衡性。必须要避免工件定位在工作台时产生的变形。具刀具的剧烈磨损决定于现行刀具的组成材料。在继续的试验过程中，所使用的刀具的特性必须根据表 3中论述的两种刀具的指示信息进行规定。削液所有切削液不变的切屑试验都必须利用水作为切削液，这样才能完成。切削液必需直接喷溅在刀具表面上并且完全作用在刀具的工作部分，如果可能的话，最好显示后续试验过程的喷溅能力和喷流压力。削条件所有切削试验中的进给速度 f、轴向切削深度中所示的参考值。如果研究的目的是评价刀具磨损和切削参数之间的关系，那么切削条件必须通过实验技术方法（设计制定许多不同的等级，使其包含在来自产业观点兴趣的范围内。几何学磨损试验法 6 3 1 引言刀具耐用度试验的目的是通过实验性检验确定一个或几个参数如何产生对切削刀具寿命的影响。由于加工方法的不同，决定特殊材料切削刀具寿命结束的原因也常常是不同的。最简单的例子就是发生在刀具完全报废的时候。在大量的实例中，刀具的逐渐磨损和所实行的切削操作都令人感到很不满意，例如，切削力的增加和加工过程中的变形和振动。固定比较性的因素决定刀具寿命的终止。金刚石刀具磨损是金刚石和结合体逐渐消耗的结果。金刚石晶粒的磨损与晶粒的性质的关系紧密相关，粘结体的消耗是粘结硬化的函数，宏几何作用就是组成区段层的金刚石晶粒消失和损坏以及结合体的腐蚀。宏几何作用的结果会导致刀具直径和重量随着刀具柱状形状的适时变化而减小。金刚石刀具磨损的发展强烈地影响刀具的性能，而且还会影响到石材加工的效果和效率。实际上，一个磨损的刀具会加快切屑能力的损失，增加制造切屑过程中的振动的数目以及产生断续切屑过程的可能性。所以，最终的石材制品上就会出现片状或波浪形误差。因此，刀具的性能是石材加工的关键因素。 3 2 机床在测试过程中，应用于试验的机床一定要具备刚性结构，而且不能具有不规则振动和弯曲变形的趋势。试验用的机床要有控制速度持续变化的指令，来补偿现行加工过程中应用的整个速度范围。此外，变化的速度指令容许切屑速度的精确设定，还可以减少获得刀具寿命曲线所需要的时间。 3 3 仪器设备为了能够验证显示在当时指示仪器上的误差，必须要准备好实行必要测量并且制造准确的下列仪器：记录切屑时间的秒表测量刀具尺寸的具有测微装置的光学显微镜灵敏度为电子秤测量切屑液流速的仪器（可以通过测量已知容积容器的排空时间来获得）几何磨损试验的过程由于每个具体例子的情况是变化的，所以，刀具寿命的试验过程只能泛泛地描述。完成刀具寿命试验采用的方法与完成良好加工过程所用的方法相同，此加工过程包括采用必要的预防措施，记录观测值以及进行必要的测量。 7 在开始试验之前，必须保证机床、工件和刀具与当时草案中的指示相一致。验的概况总结与试验结果的表达由此试验，可以得出以下结论：刀具直径随石材减少体积不断增加的变化刀具重量随石材减少体积不断增加的变化刀具圆柱度随石材减少体积不断增加的变化 4 应用举例这个可靠的草案已经被一个加工两种类型花岗岩的知名生产商用来研究投入市场的两种刀具的磨损（见表 1）。关于非洲黑色花岗岩和撒丁岛花岗岩的切屑试验已经被实施，这两种花岗岩的特性必须要根据表 2 中所给出的测试草案来报表。线性切屑要在尺寸为 1000板坯上实行，为了得到机床工作台上适用于 090屑加工处必须与下一个切屑加工处要保持一定的距离，以保证彼此间的完全独立性。两种类型刀具的特征参数参见表 3。考虑到现行磨床要适当布置喷油系统和防尘系统的因素，水被直接喷溅在切屑区域。水也是加工中普遍运用的切削液。表 5 中所给定的试验条件正用于 3 轴数控加工中心，使其具有连续控制卡盘旋转速度和进给的速度的装置。在每次切屑结束时，为了清除加工尾渣，刀具必须要远离主轴放置，清洁好刀具，然后，对刀具的直径、重量和圆柱度进行评析。磨头的重量通过灵敏度为电子秤来测量，直径利用雷卡光学显微镜在均匀分布在刀具分界面上的六个位置的测量值来获得，磨头直径被看作这六次相关测量的平均值。显微镜具有分辨率和大约测量误差。直径的测量也被用于评析刀具的圆柱度。直径在一组同轴圆柱中的测量值已被确定两同轴圆柱间的径向距离等于圆柱度引起的公差值。表 1. 测试草案举例机床材料黑色非洲花岗岩参见表 2中所示性质撒丁岛花岗岩参见表 2中所示性质测试草案 8 工件的标准条件板坯尺寸 1000寸 1000具参见表 3中所示性质参见表 3中所示性质切屑液水压强速 10 l切屑条件进给速度 f 见表 4 轴向切削深度 a 见表 4 切削速度见表 4 宏几何磨损试验过程机床 3轴数控加工中心仪器雷卡光学显微镜灵敏度电子秤灵敏度表灵敏度具磨损测试过程 9 均匀分布在刀具长度方向上直径的 6次测量值每个工部后刀具重量的 3次测量值结论概括刀具直径随石材减少体积不断增加的变化刀具重量随石材减少体积不断增加的变化刀具圆柱度随石材减少体积不断增加的变化表 2. 加工材料的性质密度 kg/ 2608 3010 吸水率 % 压强度 145 180 抗磨强度 40 65 冲击抗力 90 90 努氏硬度 5000 3000 果与讨论试验已经得出：预定义宏几何学变量变化的限定条件是石料减少体积的函数，这就意味着要及时监视宏几何学磨损变量。图 1 表明了两种磨削刀具直径的变化趋势。床的曲线是关于石材减少体积扩大到大约 90000们具有线性趋势。床的曲线是石材减少体积达到 50000的直径变化，它们具有非线性的趋势。磨头直径总的减少量与这两种论述的刀具相同：大约 6就意味着在刀具报废前，床的机械切削加工量为床石料数量的一半。线性趋势涉及适时的恒定磨损率，所材料特性撒丁岛花岗岩黑色非洲花岗岩 10 以，磨头的进一步磨损可以很容易的预见。图 2 表明了两种磨头重量的减小，两种曲线的对比应用在前面出现的直径减小分析的图样论述中。床的重量是成线性减少的，显示了线性磨损率和均匀降低的切屑能力。图 3 表明了两种磨床刀具圆柱度是石料减少体积的函数。床的圆柱度曲线从剧增加到就意味着磨损进行到快结束时，头的圆柱分界面出现大约基体分布（ 75%重量减少值）。石材加工过程中记录的曲线图样随着逐渐磨损急剧变化，切削槽的结合体表面形成凸起的分布轮廓，这使得与其余铺设装饰物相联结变得十分困难。所以，为了获得更高的圆柱度等级，必须要在进行的磨光过程中，减少或降低由磨损的加工磨头所带来的圆角外形轮廓。最后，已论述的 3 个宏几何学变量表明床具有比床更高的切屑性能，在报废前，它可以加工较大数量的石材。刀具重量和直径的减少量与减少花岗岩的体积是成线性的，因此，我们可以非常容易地计算由磨损的逐渐进行所引起的磨头直径的变化，这通常被用来调整数控加工磨头轴线的方向，此外，磨头的柱状外形不随磨损的进行而变化。总体来说，我们可以说此先进的草案可以让我们按照刀具的特性来完成结果的测量以及对具有不同特征的刀具进行比较分析。石材减少体积（图 1. 刀具直径随石材减少体积不断增加的变化平均磨头直径（11 表 3. 刀具特性刀具特性合物化学组成 o= o=形金属网 # 45/50 45/50 金刚石密度刀具重量 g 238 177 刀具直径 23 20 区段数 5 6 区段深度 35 44 表 4. 切削标准条件石材轴向切削深度切削速度进给率mm/花岗岩 20 5000 300 大理岩 20 5000 400 花岗岩 30 4500 200 大理岩 30 5000 400 花岗岩 40 4500 200 大理岩 40 4500 400 表 5. 实验设定 12 试验磨床类型切削速度过程变量进给率 mm/ 轴向切削深度 4500 200 30 4500 200 40 石材减少体积图 2. 刀具重量随石材减少体积不断增加的变化石材减少体积磨头重量的减少g磨头圆柱度13 图 3. 刀具圆柱度随石材减少体积不断增加的变化 5 结论目前的研究提出了关于金刚石刀具宏几何学磨损测量的测试草案，应用这种方式我们有可能获得关于烧结金刚石刀具磨损的可比较和利用的结果。草案明确了被加工材料、工件的标准条件、刀具特性、采用的切削液和试验过程中应用的切削条件。测试报告包括了描述与加工材料体积相关的宏几何学磨损参数变化趋势的图表，此先进的草案已被一个从事加工两种花岗岩的知名生产商用于研究投放于市场上的两种类型刀具的磨损。确认通知：该著作由供的资金实行出版，它包含在名为 “ 石材加工技术 ” 的工程方案中（作者衷心地感谢位于卡希诺的司为实验测试提供的石材参考文献 1. （ 1982）石材磨床研究，硬材料应用技术的发展。 6. ， (1999) 切削原理，石材和工程工业中的金刚石刀具的磨损和应用，车间金刚石刀具生产的步骤， . Y, S（ 1995）石材加工过程中金刚石磨削性能状况的研究。 J 51： 296. Y, S（ 1992）盘形磨削过程中烧结金刚石复合材料的磨损特征。磨损 157： 325. N， (1986) 磨削过程中金刚石磨损的调查与预测。 5:239. 国际标准组织（ 1977） 685，单刃车刀的刀具寿命测试 7. ,（ 1999）陶瓷材料和复合材料的加工。 14 纽约 8. , ( 2002) 金刚石磨头的渐进磨损，宏几何学研究。论文集于金刚石刀具和硬质材料的欧洲会议， 7 2005) 26: 959964W. S. of 28 003 / 9 004 / 19 004 004he a of A of of of of to of to an of of It is an of of be by to of it to to of is in in in in it to S. . 3, 03043 +3939as it to of by of No on of a 1, 2. or or by on 35. A is in to of a on on In it is in a by of to a of of or on it to an a of It is an It of as at on by of to to be by to of of at to on of a 6so to be of of of of in of in to of in of be in as as In a a is of is It to of of of be or to of is in is to so it in a of as in to to be of it of to by up is of of It is by a of 7, 8is a of to to An on is of A is so of on of A is a a of a It is is a is on It An of so to a by to a on to is by of by is by of on if to a or to a a is is to of a to of a It a is is In be it a a if is is be of be in to a is to an of or of to on of of of of of of a by on of in of is a of a of of a at to to to be of to be be be of to or a of to be to as to be to be of in of in to of we to of in it is to or on of in a to of of of be to of It be on of be be of on of be on In re, of be to in is a as be of of If in rut in f , of a,of is to be of an of of of is to by of or of of a is is is In of of of is of of is a of is by of is of of of of a of In a of of to of on is a of be of to or a of a be to be to in A to An a An a g An be by to a a in be in to be to to in to be to to be to of e of of re be in of in of in of to of of on by a of of ). be to . on 000 500 mm in a on a of 0 mm 9Z3 of 0 mm 9at a a of . in of in of an a C 3It a of it in to of by an a g. in of a m a of m. to A of of . of to of 000 00 0 000 00 0 0 l/f a of rof of of . of to grani 本科毕业设计（论文）开题报告题目：数控铣床 Z 轴进给系统结构设计专业：机械设计制造及其自动化班级：学生姓名：指导教师： 2016 年 2 月 23 日本科毕业设计 (论文 )开题报告学生姓名学号专业机械设计制造及其自动指导教师姓名职称讲师 /教授级高工所在院系工业中心课题来源自拟课题课题性质工程设计课题名称数控铣床 Z 轴进给系统结构设计毕业设计的内容和意义采用类比的方法，进行数控铣床 Z 轴进给系统结构的设计，使其满足对刀具和工件进给运动速度及位置的自动控制。毕业设计的具体内容： 1、进行 Z 轴向惯量匹配的计算 2、进行 Z 轴向转矩匹配的计算 3、进行 Z 向进给力的计算 4、进行 Z 向滚珠丝杠预拉伸量的计算 5、确定数控铣床进给系统的结构设计，其主要零件： Z 向滚珠丝杠，轴承座 ,法兰，齿形皮带轮，隔套 ,支柱，电机安装板，联接涨套 , 锁紧螺帽 , 法兰 ,限位块等。 6、制共 0 号图纸，其中数控铣床 Z 轴驱动装配图 0 号图 1 张，数控铣床 Z 轴运动简图 ,纸折合 0 号（约 15 个零件）。 7、进行技术经济分析。 8、撰写毕业设计说明书（论文），不少于 15000。本课题研究的意义：本课题对数控铣床 Z 轴进给系统结构进行了设计，其意义如下： 1、数控铣床其传动系统的精度和刚度是数控铣床 Z 轴进给系统设计的主要内容。它决定了数控铣床的加工精度，其精度越高，工厂的自动化效率就越高，为工厂创造的价值也就越大。 2、 Z 轴与 Y/Y 两轴驱动的伺服进给机构不仅对刀具和工件进给运动的速度实现自动控制，还要对工件相对于刀具的位置实现自动控制。该部件的性能直接影响工件的加工质量和切削生产率 ,是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。 3、通过此次数控铣床 Z 轴进给系统结构的设计将我大学四年所学的专业方面的知识进行了一番梳理，将其运用于实践设计。使得原本并不深刻清晰的专业知识，变得更加形象具体。并且在查找相关资料的同时也了解到了数控机床的发展历史，现阶段高端技术，发展前景等。提高了文献搜索的能力。文献综述数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机 1。随着电子信息技术的发展，世界制造业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从 20 世纪 80 年代开始起步，仍处于发展阶段。近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术已经广泛应用于工业控制的各个领域，尤其是机械制造业中，普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控机械所代替 2。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径 3。其中，高速数控铣床成为世界各工业发达国家主要发展的项目之一 4。数控铣床进给系统是由数控铣床工作台及 X/Y/中是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。对于数控铣床进给传动系统设计主要从控制类型选择、驱动装置选择、传动部件选择和导轨选择四个方面进行。对于伺服系统一般要求调速范围比较宽、精确度高、稳定性能好、反应迅速。而且根据发电机不同可以分为交流、直流和步进伺服等，一般步进伺服比较常用 5。为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达 85%- 98%，是普通滑动丝杠副的 2- 4 倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于 1 ，因此不自锁 6。滚珠运动的摩擦热、液压流体、电动机、齿轮箱机械运转热所造成的热膨胀会造成定位精度的降低。如果在导轨或床身上产生变形，即使能够防止滚珠丝杆的温升，也不可能获得高的精度。在分析精度的时候，来自所有热源的热影响都必须加以考虑。在计算由滚珠丝杆本身产生的热量时，高的工作负载是一个最大的潜在原因。通常，工作负载大约是滚珠丝杆顶紧力的 3倍 7。在现代机械中，特别是数控系统和测量系统中，直线滚动导轨已经成为一种重要的支撑部件。它不仅使得安装简便、维护和润滑容易，还降低了劳动强度和能耗，极大降低了设备全寿命周期的成本 8。受传统机床设计思维的影响，人们在数控机床设计中往往只重视转矩 (功率 )匹配，而忽视惯量匹配，从而严重影响整机性能，导致数控机床不能适应高速精密加工的要求 9。因此，为了提高机床整体性能，高精度，高性能，必须进行惯量匹配和转矩匹配的计算。为了适应现代科学技术的迅速发展，机械设计在近 30年来发生了相当大的变化。设计理论，设计方法，设计工具更为先进，计算精度更高，计算速度更快 10。参考文献： 1. 师鸿飞 ,邹翠波 ,张彩虹 2004， 6:83. 冯银兰，周会成科学之友， 2008， 14:136. 崔陈龙 . 数控铣床结构及功能特点浅析 2011， 5:135. 岳少雷 ,任妍欣 J,2005， 10:33- 34. 5. 苑忠春 . 数控铣床进给传动系统的设计分析 2015， 12： 131 6. 王泽蛟 . 铣床数控轴进给系统设计 . 装备制造技术， 2012， 3： 226. 张巧云 . 如何保持滚珠丝杆的精度 . 精密制造与自动化， 2013， 2： 59 8. 高飞 . 直线滚动滚子导轨寿命分析 . 机床与液压， 2015， 11： 59. 余清华，朱宏杰，郭军，田红阳，杨沛湛 . 数控机床进给系统必须惯量匹配 2011， 3： 530. 董刚，李建功，潘凤章北京：机械工业出版社， 2000： 3 研究内容轴进给系统总体方案确定该进给机构由伺服电机驱动，经 Z 向齿形带传动，驱动滚珠丝杠转动，从而实现数控铣床 Z 轴进给运动。为提高铣床整体性能，高速度，高精度等，需进行惯量匹配。角加速度越小，则数控系统发出指令到进给系统执行完毕之间的时间越长，也就是通常所说的系统反应慢。如果角加速度变化，则系统的反应将忽快忽慢，影响加工精度。当进给伺服电动机已选定，则电动机转矩的最大值基本不变。如果希望角加速度的变化小，应使电动机本身的惯量 +折合到电动机轴的负载惯量的变化尽量小，则最好使电动机本身的惯量 +折合到电动机轴的负载惯量所占比例小一些。这就是“ 惯量匹配”原则。为提高铣床整体性能，高速度，高精度等，需进行转矩匹配。选择伺服电动机时，最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩。折算至电动机轴的最大切削负载转矩。 4. 滚珠丝杠的计算及校核滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成，可将旋转运动转化成直线运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力精度和效率高。首先根据丝杠的工作行程初选丝杠的工作长度，计算工作载荷，查表选型号然后进行校核。研究计划研究周期与时间安排毕业设计起止日期： 1 周第 15 周）第 1 周 ( 收集资料，学习有关书籍文献，参观工厂，搜集设计过程中所要遵照的有关国家标准并进行学习第 2 周 ( 提出完成课题的基本思路和方法，暨完成该课题所采用的技术路线、方案，要设计和完成的任务第 3 周 ( 开题报告及外文材料翻译第 4 周 ( 完成装配图草图设计，绘制进给系统运动简图第 5 周 ( 完成 Z 轴向惯量 ,转矩 ,匹配的计算、完成 Z 向进给力 ,第 6 周 ( 完成装配图设计第 7 周 ( 毕业设计中期检查第 8 周 ( 进行零件图计算机绘图第 9 周 ( 完成零件图计算机绘图第 10 周 ( 完成各零件及课题成本分析，完成各零件成本及课题成本计算第 11 周 ( 递交论文初稿第 12 周 ( 修改论文并定稿第 13 周 ( 论文评审第 14 周 ( 答辩资格确定第 15 周 ( 毕业设计（论文）答辩第 16 周（整理资料存档特色与创新本论文特色与创新如下： (1)设计时进行了量匹配的计算，从而提高了数控铣床的加工速度以及加工精度。 (2)设计时进行了 Z 轴向转矩匹配的计算，从而保障驱动和电机的稳定性，提高了进给系统的动态响应性能。 (3)设计时进行了 Z 向滚珠丝杠预拉伸量的计算，从而消除了轴向间隙，增加滚珠丝杠副的刚性，减少滚珠体、丝杠及螺母间的弹性变形，达到更高的精度。指导教师意见指导教师签名：年月日分中心意见中心意见分中心主任签名：年月日教学主任签名：年月日工业中心本科毕业设计说明书（论文）题目：数控铣床专业：机械设计制造及其自动化班级：学生姓名：指导教师：起迄日期：设计地点： I 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：数字控制机床就是人们常说的数控机床，是一种由计算机程序来进行控制系统从而实现自动化加工的机床。数控机床是一种典型的机电一体化产品，是一种高效能、柔性的的自动化机床，它能够较为容易地解决哪些精密、复杂、多品种、小批量的零件的加工问题。本次毕业设计的意义在于通过类比的方式进行了对数控铣床究其矩匹配以及滚珠丝杠预拉伸量的相关计算，进而提高数控铣床的整体性能、加工精度等，以达到提升工厂自动化效率，为其创造更大价值以及提高自身能力的目的。关键词：数控铣床；给系统；滚珠丝杠业设计说明书（论文）英文摘要 NC NC is is a by a to is a is a it be by NC of of NC to to in to of Z 业设计说明书（论文） I 目录前言 . 1 第一章绪论 . 2 控铣床概述 . 2 床的国内外发展现状 . 2 控机床的发展及存在问题 . 4 控机床的发展 . 4 控机床的存在问题 . 4 控铣床的应用分类及特点 . 5 控铣床的分类： . 5 控铣床的应用 . 5 控铣床的主要功能及特点 . 6 第二章进给系统机械结构的设计 . 7 计要求 . 7 控铣床对于进给系统设计的基本要求 . 7 控铣床的进给传动机构的选择 . 8 珠丝杠螺母副 . 8 压丝杠螺母副 . 8 压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副 . 9 带自锁的电动机直接驱动 . 9 第三章传动部件的设计与计算 . 10 轴的工作载荷分析 . 10 轴的工作载荷计算 . 10 珠丝杠螺母副的计算及其选型 . 10 珠丝杠螺母副的支撑选择 . 14 珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧 . 16 第四章主要部件的设计计算 . 17 毕业设计说明书（论文）承的选择及校核 . 17 机的选择与计算 . 19 量匹配的计算 . 20 矩匹配的计算 . 21 轨的选择 . 22 轨的选择 . 22 轨的间隙调整 . 24 第五章技术经济分析 . 25 术经济分析的目的与意义 . 25 本材料分析 . 25 标准件 . 25 准件 . 26 题技术经济成本计算依据 . 27 本计算依据 . 27 题技术经济成本计算 . 28 第六章总结 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 33 毕业设计说明书（论文） 1 前言制造业是经济建设与发展的基础，一个国家制造业的发展水平决定了该国的经济水平，生活水准，科技发展等等。因此，一个国家发达与否，其国内的制造业的发展水平是重中之重，首要之首。自从工业革命之后，世纪工业格局发生了重大改变，使之生产能力得到了巨大提升，往后几十年里科学技术得到了飞速发展。现今的机械制造产品无论是性能还是其质量都是当初不可想象的，新旧产品之间的更新换代也是日新月异。如今的机床早已完成了从最初的实际加工需求到后来的追求其在生产加工时拥有较高的加工精度和生产率的过程，而为了大大提高机床生产时的加工精度以及生产率，世界上第一台数控机床于 1952 年在美国诞生了。为了进一步解决那些形状十分复杂且生产批量又不大的特殊零件的实际加工问题；也为了不断的提升其加工的精度，提高其加工后零件的质量以及其生产的能力，不断研发新型的数控机床都是必要的。但是因为在实际研发设计过程中有着种种的条件制约，像：研究经费、技术支持等等的问题。所以从总体上来说，其数控机床的整体技术是很难在短时间内得到大步度的提升。因此，本论文只对数控机床的 Z 轴进给系统的结构做出了设计，因为该部件的性能对于整台数控机床来说尤为重要，其进给系统的优劣将直接影响到零件加工完成后的质量和生产加工时的效率 ,是评价一台机床的整体性能和其技术经济指标的重要因素。其中包括了数控机床对进给系统的基本要求，数控铣床的进给传动机构的选择，珠丝杆螺母副的计算与选型，轴承的计算与选择，电机的计算与选用，负载转动惯量的计算，负载力的计算，导轨的计算与选型以及技术经济分析等等。毕业设计说明书（论文） 2 第一章绪论控铣床概述面对如今多样化的加工环境以及复杂化的加工零件，其传统数控铣床已经逐渐无法满足其加工需求，于是为了应对这种问题，人们在传统数控铣床的基础之上加以改进发展，最终研究出了加工中心，但是说到底也离不开数控机床的影子。由于数控铣床在实际加工过程中所需要用到的工艺过程最是复杂，因此，在人们研发新型的数控机床的时候其铣床的基本功能的突破一直是研究的重点以及研究的基础。铣床可以应用于多种加工环境，可以用于加工各种面、沟槽、多齿零件上齿槽、螺旋形表面及各种曲面。不仅如此，在加工回转体零件的表面和内孔的时候也可以用铣床来完成加工，甚至在一些零件需要切断的时候也能用铣床来完成。随着时代的不断前行，由计算机技术所衍生出来的数控技术也得到了越来越多的普及式应用，而由于数控铣床可以说就是一种装备了数控系统的铣床，所以导致数控铣床也变得越来越普遍了。在数控行业中人们通常将数控铣床分为卧式数控铣床和立式数控铣床两种。而其他没包含在这两类里的数控铣床都是指那种规格比较小的升降台数控铣床，判断其规格大小的标准则是看其工作台的宽度大小，如果其宽度没有超过 400就可判定为规格较小；而如果数控铣床的工作台的宽度超过了 500可判定其规格较大，而这种数控铣床所能实现的功能就已经向加工中心靠拢了，继而改进成了柔性制造单元。在大多数的时候，数控铣床的坐标轴一共有三个，分别是 X、 Y、 Z 三个坐标轴，并且可以实现两坐标轴之间的联动功能。这样的数控铣床只可以加工出平面零件或者零件上的曲线，而如果需要其去加工像叶片、旋转槽那样的有立体曲面的特殊零件的话，就需要加进一个回转的 A 坐标或三坐标数控铣床变为四坐标数控铣床。床的国内外发展现状在 20 世纪的众多科技成果之中，最为伟大的应当要数计算机的发明与应用以了，毕业设计说明书（论文） 3 自从 1952 年世界上的第一台数控机床诞生于美国，距今也已经有 50 个年头了。随着现今科技的不断发展，在本世纪内制造业得到了巨大的发展，其中最重大的技术进步应该要算是计算机及控制技术在机械制造设备中的应用了。数控设备包括有：车床、铣床、磨床、镗床、冲压、电加工、加工中心等各类的专用型机床，全世界的机床制造业一年的产量就达到了 10 万台 20 万台。在 20世纪末的那十几年当中世界制造业经历了好几次的兴衰，甚至曾经一度成为了夕阳工业，而这种情况下由美国最先提出了要振兴现代制造业的想法。因此各个国家的数控机床制造企业都在 90 年代的时候经历了重大的改革变迁。像德国和美国等几大制造国都在这一时期经历了较大的变动，正是由于这些变动引发全世界范围内制造业的新技术更新浪潮。从上个世纪 80 年代开始我国的数控机床制造业进入到了快速发展的时期，大多数的机床厂都开始尝试从传统机床产品开始向着数控化机床产品转型。可是因为我国制造业的总体技术水平并不高，而且生产出来的产品品质也不高，所以导致了我国在 1990 年国家经济由计划性经济开始向着市场经济变化，在经济转型的过程中我国的机床制造业经历了几年最为萧条的困难时期，那时候的生产能力最低时只能达到上个世纪 80 年代时期的一半，库存时间也超过了 4 个月。幸好从 1995 年开始国家新立了许多相关政策来对大力扶持机床市场，如：加强了进口数控设备时一系列的审批，严格控制了设备的进口；对于关键性数控设备系统、技术攻关项目进行重点投资支持。这些举措对于国内数控设备的制造和发展所起到的促进作用十分巨大，21 世纪开始其效果更为显著，能够看到各项产品之间相互竞争、技术突破的繁荣景象。但也反映了下列问题： 1 技术水平不高的产品之间相互通过压低价格的方式来进行恶性促销，导致竞争激烈，并且扰乱了正常市场； 2 技术水平高、功能齐全的产品以及一些功能部件和配套系统则过于依赖国外进口，导致国内技术难以突破，对于国内制造业长远发展极为不利； 3 实际应用技术水平不高，各技术研发单位之间没有良好的合作以及信息共享机制； 4 自行开发新产品的能力较差，技术突破较为困难。毕业设计说明书（论文） 4 控机床的发展及存在问题控机床的发展 1952 年，世界上第一台数控机床诞生在美国的帕森斯公司与麻省理工学院的联合研究室内，这是一台三坐标的数控铣床。美国最早提出研制数控机床的设想是在1948年研制直升机叶片的加工任务的时候。但是直到 1949年，帕森斯公司才在在美国空军部门的大力支持之下正式的接受了此项委托任务，并和麻省理工学院的伺服机构实验室确立了联合研究关系，开始致力于研制工作。之后在克服了诸多技术难关和实践困难后，终于在 1952 年成功制作出了世界上第一台数控机床的试验性样机，这台耗时 3 年研制的样机采用了当时最为先进的直线插补三坐标连续控制系统来控制铣床。但是其体积过于庞大，光是其控制装置就需要由 2000 多个电子管来组成，所占用的面积就要整整一个实验室那么大。但是随着这台样机的诞生，标志着机械制造业由原先的人工控制时代进入到了数字控制的时代。数控系统的发展史和计算机技术的发展史相似，基本都是由电子管、分立式晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路、小型计算机、超大规模集成电路、微机式的数控系统等几个发展阶段组成的。从 1990年以后，由于技术上的改革创新以及实际的加工需求数控系统的发展方向发生了改变，开始朝着以高速度高精密化、高可靠性和智能化的方向发展。以前的数控系统皆是计算机硬件和软件所构成的，然后再通过其存储器内部的软件进行控制来完成工作，称之为统。这种系统于实际应用中有诸多优点，比如：能够扩大机床功能，加工时的整体精度高，柔性好。控机床的存在问题目前，数控机床经过这么多年的发展，技术已经成熟，开始向着高速度高密度化、高可靠性、工艺复合、多轴控制、智能化、集成网络化和环保化的方向发展。我国的数控技术与世界上先进技术相比仍然存在着较为显著的差距，其主要表现在下面几个方面： 1 就技术的水平而言，现如今我国的加工中心的总体技术水平相对于国外的先进技术要落后 10 到 15 年左右，尤其在关于“高速度高密度化、高可靠性精、智能毕业设计说明书（论文） 5 化”方面的水平相差的则更为巨大。 2 就产品的结构而言，其高端市场基本上已经被日本、美国和其他欧洲发达工业国家所垄断而我国却难以发展其市场，主要是因为由国内所开发的复合式加工中心、五轴联动数控机床等产品，虽然数年前就已研制成功并且投入量产，但是大部分的产品其技术水平距离国际上的顶尖水平任然相去甚远。而其低端市场则因为与周边国家之间的竞争过于激烈，导致其市场十分混乱。所以一直以来，我国自产机床的产量一直不大，而进口产品的量却一直过大。 3 就新产品的开发能力而言，国内的制造业没有将新技术的开发当做是研究数控技术的重点，更不用说是在加工中心的应用领域了。具体来说表现在：相较于生产已有产品，对于新型产品的开发热情普遍不高，其研发的水平也普遍不高，对于产品的各项规范的制定以及各项新标准的研究相对滞后。最终导致了生产出来的产品在市场上竞争力不强。 4 就产业化的水平而言，在市场所占的份额不大，各品种的包含率小。具体来说：加工中心和一些特殊的功能型部件及其配套件的生产水平任然未能达到量产的水平；产品的生产质量不高，可靠性不高；数控系统的推广应用还不够等等。控铣床的应用分类及特点控铣床的分类：按照其运动方式的不同可以分为：（ 1）直线控制式； (2）点位控制式（ 3）轮廓控制式。按照其控制方式的不同可以分为： (1）闭环控制式； (2）开环控制式 (3）半闭环控制式。按照其主轴的布局形式的不同可以分为：（ 1）卧式；（ 2）立式（ 3）立卧两用式。控铣床的应用数控铣床可以用于多种零件的加工，一般用于加工曲面和平面轮廓以及拥有一些复杂型面的零件，如模具、样板等。在有需要的时候也可以用于铰孔、钻孔、锪毕业设计说明书（论文） 6 孔、扩孔以及镗孔的加工，但是因为数控铣床没有自动换刀的装置，因此不能实现其自动换刀，导致在加工一些构造十分复杂的孔时会十分的难以进行加工。如今数控铣床主要应用于制造模具、生产汽车零部件、机床制造业、制造军工设备等。控铣床的主要功能及特点数控铣床由其主轴的安装位置及形式的不同可以分为立式数控铣床、卧式数控铣床和立卧两用式数控铣床 3 种类型，不同类型的数控铣床之间其所采用的数控系统也各不相同，因而所能实现的功能也各有不同。但就一般通常而言应该都具有下列几种主要功能：点位控制功能；连续轮廓控制功能；刀具半径自动补偿功能；刀具长度补偿功能；镜像加工功能；固定循环功能；特殊功能。数控铣床之所以能够大规模的普及应用，主要是由于其拥有高柔性以及工序复合化，生产批量大且耗时短，而且加工出来的零件具有很高的精度，同时又能够大幅度的减轻操作者的劳动强度。毕业设计说明书（论文） 7 第二章进给系统机械结构的设计计要求 1 . 10m/ 4000mm/小进给单位为： Z： 3 300 4 向传动齿形皮带降速比 30/60 控铣床对于进给系统设计的基本要求传动系统机械结构的设计最终影响着其惯量以及刚度，而传动系统的摩擦死区和间隙则是造成传动系统非线性的主要原因。所以数控铣床对于机械传动系统有如下要求： 1. 提高传动部件的刚度一般来说，回转运动的分辨率以及定位精度都需要达到角秒级，数控铣床直线运动的分辨率以及定位精度则需要达到微米级。因此，如果其传动部件的刚度达不到传动要求，必然会因为其刚度不够从而导致传动部件发生弹性变形进而影响系统的动态稳定性、定位精度和响应快速性。而如果想要提高传动系统的刚度有最为有效便捷的措施就是加大传动系统中滚珠丝杠的直径，对滚珠丝杠进行预拉伸以及对滚珠丝杠螺母副进行预紧。 2. 减小传动部件的惯量在驱动电动机不变的前提下，其传动部件的惯量大小将会影响进给系统快速性。尤其是在那些需要快速进行加工的数控机床上，因为在进给时所要求的加速度特别高，所以在能够满足其系统运行时的刚度和强度的前提下，为了能够降低其惯量，从而提高快速性，应当要尽可能的减小其零部件的直径以及减轻其重量。 3. 减小系统的摩擦阻力毕业设计说明书（论文） 8 进给系统由于摩擦所产生的阻力不但会减小其传动效率使其产生发热情况，还会对系统的快速性产生致命的影响。因此需采用静压丝杠螺母副、滚珠丝杠螺母副、静压导轨、直线滚动导轨和塑型导轨等一些高效执行部件，以减少系统由于摩擦所产生的阻力，从而提高了其在运动时的精度，以此来避免发生低速爬行的情况出现。控铣床的进给传动机构的选择珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副具有以下几个主要特点：（ 1）传动的效率较高，由摩擦所导致的损失较小；（ 2）丝杠螺母在进过预紧之后，可以消除之间的间隙，从而在传动时的刚度得到了提升；（ 3）摩擦阻力小，而且它基本与运动速度没有关系，静、动摩擦力的变化也很小，因此难以发生低速爬行的现象；（ 4）长期工作时产生的磨损较小，能够较好的保持精度，使用年限久。但是因为它在运动时一方面能将旋转运动转换为直线运动，反过来也能将直线运动转换为旋转运动，不能实现自锁的功能存在着可逆性，因此当在水平放置或者垂直传动的高速大惯量传动中心中就必须要有制动装置的存在，而直接使用自身就带有制动装置的伺服驱动电动机是最为方便和简单的。此外，为了不让在安装或者使用时螺母发生脱离丝杠的情况，一般还会在机床上安装超程保护装置，这一点对于需要高速加工的数控机床来说尤为重要。压丝杠螺母副静压丝杠螺母副是通过一层油膜使得丝杠和螺母之间由原本的边界摩擦转变为液体摩擦。当丝杠转动时便可以通过油膜来推动螺母实现直线移动，反之螺母转动也可以使丝杠实现直线移动。静压丝杠螺母具有：传动灵敏，起动力矩小，不会出现爬行现象；在加工运动时十分平稳；机床的光洁度和精度高；对丝杠的误差可以起到“均化”的作用（即可以使丝杠的传动误差小于丝杠本身的制造误差）；承载能力与供油压力成正比，与毕业设计说明书（论文） 9 其转速无关等优点。但是静压丝杠螺母副应有一套供油系统，并且对于油的清洁度要求很高，因而如果在运动中突然停止供油，将会造成不良后果。压蜗杆蜗条副和齿轮齿条副在行程较长的大型机床上大多使用齿轮齿条副传动，可以得到较大的传动比，刚度及机械效率也高，并能进行高速直线运动。但是也有显著的缺点：其传动精度不高，传动不够平稳，而且还不能自锁。齿轮齿条副运动必须采取措施消除其齿侧间隙。方法如下：当传动负载大时，可以采用双厚齿轮传动结构，从而消除齿侧间隙；当传动负载小是也可采用双片薄齿轮调整法，分别与齿条齿槽的左、右两侧贴紧，从而消除齿侧间隙带自锁的电动机直接驱动近几年来直流电动机是发展起来的高精度、高速数控机床中最具有代表性的先进技术之一。利用直流电动机直接驱动，可以通过省去传动系统中将旋转运动变为直线运动的部分，从而大大简化机械传动系统的结构组成，进而实现所谓的“零传动”。它可以从根本上消除传动环节对于刚度、精度、稳定性和快速性的影响，因此可以获得比以往传统进给驱动系统更高的快进速度、加速度以及定位精度。本次毕业设计根据各传动机构的特点，最后选择滚珠丝杠的传动方式。毕业设计说明书（论文） 10 第三章传动部件的设计与计算轴的工作载荷分析滚珠丝杠上的工作载荷即为滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力（也称作进给牵引力）。它包括作用在导轨上的其他切削分力相关的摩檫力和滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力轴的工作载荷计算根据主轴切削力的计算，可以得出以下几点：珠丝杠螺母副的计算及其选型 (1) 滚珠丝杠的导程的确定 : 在次毕业设计中，电机与丝杠之间的连接是通过同步齿轮带连接的间接性连接，因此传动比在经过其同步齿形带的降速之后为 1/2i ，选择电机的最高工作转速m a x 4 0 0 0 m i 最大转矩 a x，则丝杠的导程为： m a xm a 2000m m m （毕业设计说明书（论文） 11 (2) 丝杠的等效转速的确定 : （（ m a x 1 m i n 2 221 2 2 22 0 0 0 2 0 . 2 m i n 1 9 7 7 . 8 m i t n t r rt t t t (21,(3) 确定丝杠的等效负载 : 滚珠丝杆的工作负载只是指在机床正常工作的时候，实际上作用与滚珠丝杠轴向方向的压力，它的具体数值可以根据进给牵引力的试验公式计算得出。机床所用的导轨选定为滚动导轨，就一般而言，滚动导轨的摩擦系数在之间，此处取摩擦系数 f 为则丝杠所受的最大工作负载为： m a x ( )( )( 8 60 0 2 i n (312211223m i a x ) 3111113113 3 ( 毕业设计说明书（论文） 12 (4) 确定丝杠所受的最大动载荷 : 假设取丝杠的工作寿命同时取精度系数 1荷性质系数2.1硬度系数 1温度系数 1可靠性系数 53.0平均转速为r 。 9 91 3 3 31 5 0 0 06060 (3161060 (2 6 根据动载荷的要求，选用双螺母垫片预紧滚珠丝杠副，其型号为 3 2 0 6 3 。丝杠的公称直径为 32，基本导程 6hP 其额定动载荷 11300C ），额定静载荷 21700圈数列数 = 2 ，丝杠螺母副的接触刚度2141 ，螺母长度为取丝杠的精度为 1 级。在本次毕业设计中采用双螺母垫片式预紧。 (5) 临界压缩负荷 : 确定丝杠螺纹部分的长度300加上螺母长度（加两端余程（ 25。U 50 支承跨距 1L 应略大于为1 600L 丝杠全长 650L 。临界压缩负荷 m a ( 式中： 1f ； E ， 211101.2 ； I ，单位为 4m ； 0L m ；毕业设计说明书（论文） 13 1K 311 K ； N 惯性矩 )(81244042 (式中： 2d ，单位为 0d ，单位为，单位为由于滚珠丝杠副支承方式采用双推简支形式，查表得支承系数 21 f 。将上述参数代入公式（ )( 9 1)(m a 112 (可见能满足要求。 (6) 临界转速验算 : 2 2222222 991030 ( 式中： A ，单位为 2m ；，单位为 m ； 2K 331085.7 ； 2f 。毕业设计说明书（论文） 14 由于滚珠丝杠副支承方式采用双推简支形式，查表得支承系数 f 。 )(36222 (临界转速计算长度： 1 0 0 6 5 0 4 2 03 0 0 2 0 5 3 5 ( ) 0 . 5 4 ( )22cL m m m (2m a 9 2 7 0 . 0 3 6 1 99 9 1 0 1 4 3 2 3 ( m i n ) 4 0 0 0 ( m i n )0 . 5 4r n r (可见能满足要求。 (7) 精度计算数控机床的定位精度取决于滚珠丝杠的精度，在滚珠丝杠的精度参数中，其导程误差对机床定位精度的影响最明显。一般在初步设计时，设定丝杠的任意 300 300 应该要比目标设定定位精度值的 1/3 1/2 小。因此根据表可得，滚珠丝杠的精度等级为 2 级。本小节中所用到的所有公式（（是出自：吴宗泽，罗圣国 M. 第五版等教育出版社， 2006. 珠丝杠螺母副的支撑选择滚珠丝杠两端的支承的轴向固定方式有以下三种 3种情况（如图所示）。（ 1）图 3式，丝杠的轴向刚度比两端固定低，丝杠的临界转速以及压杆稳定性都较低，因此在设计时应尽量使丝杠受拉伸。（ 2）图 3一些加工速度相对不高但是对于加工的零部件精度要求较高的机床，为了避免其滚珠丝杠发生热变形经毕业设计说明书（论文） 15 常采用一端轴向固定的支承固定方式。（ 3）图 3一个高的精确度以及高旋转的环境中，它是不适合于上述的滚珠丝杠的安装方式，为了使丝杆的预加载荷，可以以一致的方式在两端固定，并且在丝杆的一端安装弹簧和调整螺母，这样既可补偿丝杆的热变形误差，又能施加载荷使其保持预紧力近乎不变。图 3图 3端固定一端游动毕业设计说明书（论文） 16 图 3根据本次毕业设计的行程要求为 300及其他要求，因此综合考虑采用两端固定的支撑方式作为本次毕业设计的滚珠丝杠螺母副的支持方式。珠丝杠螺母副的间隙消除与预紧为了提高滚珠丝杆副的刚度以及消除间隙，可以通过预加载荷，使它在过盈的状态下工作。预紧后的刚度可以提升至原来的 2 倍。但是由于预紧载荷过大，将会导致其摩擦力矩加大以及使用寿命下降。一般有如下几种预紧方式：双螺母螺纹式预紧：具体操作为通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。优缺点：其结构紧凑，操作简单，工作可靠，但是其预紧方式并不能够保证准确性且易失效，因此只适用于可随时调节预紧或刚度要求低的传动。双螺母垫片式预紧：具体操作为通过调整垫片的厚度，以达到其螺母进行轴向位移的目的。优缺点：结构简单，刚度高，便于装拆，但是操作不易，在其滚道出现磨损的情况下，将无法发挥其功能，因此只有在一些高刚度以及重载荷的传动中较为适用。双螺母齿差式预紧：具体操作为两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座两端的内齿圈相啮合，两个螺母向同一方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。优缺点：对预紧力的调整能够精确控制，但是由于实际操作过于繁杂，因此只宜用于高度精度的传动机构。在本次毕业设计中滚珠丝杆的运动是垂直进行的，因此需要随时能够调节其丝杠的预紧力，综合考虑最终选用双螺母螺纹式预紧。毕业设计说明书（论文） 17 第四章主要部件的设计计算承的选择及校核本课题中丝杠既受轴向力又受径向力，因此其两固定端选用的是成对的角接触轴承，型号为 (1) 轴承程如下 : 图 3知：切向负荷径向负荷，轴向负荷丝杠承重 386 。 03 8 07 6 52 （得 03 8 07 6 52 F 得 r (a) (b) (c) 图 3杠受力图毕业设计说明书（论文） 18 轴承的径向合力为： )(222222 （已知轴承受的轴向负荷径向负荷 NF r ，基本额定径向静载荷。则相对轴向载荷为： 0 3 2 0 0 7 f（式中：0f 。查表得分界判断系数 28.0e 。 4 7 7 4 查表得径向动载荷系数 X=向动载荷系数 Y=查表得查得载荷系数一般为取 f 。则轴承的当量动载荷为： )( 0 7 4 （查表得，轴承预期计算寿命 000010 。该轴承应具有的基本额定动载荷 )( 0 0 0 02 0 0 0 71060 33 66 10 h （式中： n ； C ； P ；

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