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摘要 本设计主要是根据设计要求，依据机械设计和机械制图的基本原理对一台重型数控龙门铣床的侧铣头进行结构设计，该侧铣头能够在X 方向和Z方向两个方向上进行铣削运动。本设计主要分四部分：
第一部分是根据设计要求对侧铣头的结构进行总体方案的设计，主要包括伺服进给运动和主运动方式的确定。
第二部分是利用机械设计基本原理对设计中伺服进给运动和主运动系统的机械部分的设计计算，主要包括进给电动机、主轴电动机、滚珠丝杠副的选则、计算和校核以及对同步带和带轮进行设计。
第三部分是根据所选择设计的主要零件，先进行大体结构设计，之后在此基础之上，利用机械制图的基本原理，应用CAXA电子图版对侧铣头的结构进行二维设计，并生成三张二维装配图纸和一张二维零件图纸。
最后一部分是依据所设计的二维图，利用SOLIDWORKS软件对侧铣头结构中零件进行三维建模，并将所有建模零件进行装配，生成三维装配体；在此基础上，利用该软件做一个三维动画，显示装配体内部结构及运动方式。
关键字： 重型数控龙门铣床 侧铣头 结构设计 总体方案设计
二维设计 三维建模 三维动画
Structural Design of the Profile Cutter Head of
a Machining Centre
Abstract: The design is mainly to design the profile cutter head structural of a heavy numerically controlled plan miller according as the rationale of mechanism design and theory of machines on the bases of design specification. The design is mainly divided into four parts:
The first part is a content of total project design of the profile cutter head Structure according as design specification, including confirming the manner of servo feed motion and the main motion.
The second part is design of calculations of machine parts of servo feed motion system and the main motion system according as the rationale of mechanism design. Its mainly including chooses the type, the calculation and the verification of the feed electromotor, the principal axis electromotor and the ball screw, and the design of hold-in range and synchronous pulley.
The third part is to design the mainly structure firstly on the bases of main parts choosed and designed in the second part, then to design two dimensional drawings, and create three assembly drawings and one detail drawings using CAXA software according to the rationale of theory of machines.
The finally part is to model the parts of the profile cutter head, and create three dimensional drawings using SOLIDWORKS software according to two dimensional drawings designed in the third part；The following is to create a three-dimensional animation to show the inside structure of the three-dimensional assembly drawing and the motion manner using the software on the bases of the three-dimensional assembly drawing.
Keywords: Heavy numerically controlled plan miller, The profile cutter head, Structural design, total project design, two dimensional design, three dimensional modeling，three-dimensional animation。
目 录
摘 要………………………………………………………………………………………I
ABSTRACT……………………………………………………………………………П
第一章 绪 论…………………………………………………………………………1
1.1 国内外数控机床的发展状况……………………………………………………1
1.2 数控技术的发展趋势……………………………………………………………2
1.3 设计目的和意义……………………………………………………………………3
第二章 总体方案设计……………………………………………………………5
2.1设计基本要求………………………………………………………………………5
2.2总体设计方案………………………………………………………………………6
第三章 伺服系统机械部分设计计算………………………………………8
3.1滚珠丝杠副的选择计算…………………………………………………………8
3.1.1 已知参数…………………………………………………………………………8
3.1.2 切削力的确定…………………………………………………………………8
3.1.3 滚珠丝扛螺母副的设计、计算………………………………………………8
3.2 进给伺服系统传动计算…………………………………………………………11
3.2.1 电动机选择……………………………………………………………………11
3.2.2 同步带的设计计算……………………………………………………………17
3.3 机床主轴部分设计计算…………………………………………………………18
3.3.1 主轴电机及其减速器的选择计算…………………………………………18
3.3.2 同步带的设计计算……………………………………………………………19
第四章 二维设计 …………………………………………………………………21
4.1 大体结构设计………………………………………………………………………21
4.2 利用 CAXA 电子图版进行二维设计…………………………………………22
第五章 三维设计…………………………………………………………………27
5.1 Solidworks2005软件介绍……………………………………………………27
5.2 三维建模……………………………………………………………………………28
5.3 三维动画…………………………………………………………………………34
经济技术性与环保分析……………………………………………………………35
结 论………………………………………………………………………………………36
致 谢………………………………………………………………………………………37
参考文献…………………………………………………………………………………38
外文翻译…………………………………………………………………………………39
第一章 绪论
1.1 国内外数控机床的发展状况
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。尤其是以美国和德国为代表的数控技术最为先进。只就数控铣床来说，已经出现了各式各样适应于不同加工形式的数控铣床，而只就数控龙门铣床来说，自从西班牙尼古拉斯·克雷亚集团公司(Nicolas Correa，下称NC公司)80年代中期开发出第一台龙门式数控铣床，在这短短的几十年里，数控龙门铣床技术的不断发展，先后出现了各种形式的龙门铣床，到目前为止数控龙门铣床技术的发展已经相当完善。
从整体上看，现在在机械行业中使用的数控龙门铣床大部分只带有立式铣头，也就是说只能对工件上表面进行Y向和X向铣削或是带有侧铣头但该侧铣头只能进行Z向进给运动。也就是说带有能够做两个方向进给运动的侧铣头还是少见的。特别是对于重型龙门铣床来说，加工工件一般都是很大很重的，移动工件时很不合理的，所以这时采用能够做两个方向进给运动的侧铣头是必要的。
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，但数控龙门铣床并没有得到很大发展。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，数控龙门铣床也得到了很大发展。但从2013年4月北京国际机床展览会和2014年4月份的上海数控机床展览会上，也看到了一些问题：
(1)低技术水平的产品竞争激烈，相互之间靠压价促销；
(2)高技术水平、全功能产品主要靠进口；
(3)配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；
(4)应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；
(5)自行开发能力较差，相对有较高技术水平的产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。
当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家（近３００万台），但我们的机床数控化率仅达到１．９％左右，这与西方工业国家一般能达到２０％的差距太大。日本不到８０万台的机床却有近１０倍于我国的制造能力。数控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国２１世纪制造业必须首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床３０００～４０００台，日本１年产５万多台数控机床，每年我们花十几亿美元进口７０００～９０００台数控机床，即使这样我国制造业也很难把行业中数控化率大幅度提上去。因此，国家计委、经贸委从“八五”、“九五”就提出数控化改造的方针，在“九五”期间，我协会也曾做过调研。当时提出数控化改造的设备可达８～１０万台，需投入８０～１００亿资金，但得到的经济效益将是投入的５～１０倍以上。因此，这两年来承担数控化改造的企业公司大量涌现，甚至还有美国公司加入。“十五”刚刚开始，国防科工委就明确提出了在军工企业中投入６．８亿元，用于对１．２～１．８万台机床的数控化改造。
有专家指出专家说，从整体上提高我国机床水平刻不容缓。但当前需要特别注意的是，必须快速提高数控机床产品的自主开发、制造能力。为此，要建立有效的数控技术开发中心，加强对重点工艺的研究、试验，形成成套开发能力；同时，通过国际合作生产、合资经营，实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化。
1.2 数控技术的发展趋势
从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：
（1） 高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6 000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
（2）5轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬火钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
（3） 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，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方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
（4）重视新技术标准、规范的建立
数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP－NC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。
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