全套资料-XK6125数控铣床总体及纵向进给传动机构设计【含CAD图纸】
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宁毕业设计(论文)XK6125数控铣床总体及纵向进给伺服系统设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要从研究铣床着手，借鉴国内外先进经验，设计了一台用于多种工件加工的铣床数控化改造，满足了生产和设计的要求。整个铣床主要包括横纵向进给机构、垂直进给机构、立柱、横梁、底座、工作台等主要组部件。其中所有进给机构均采用滚珠丝杠进行传动，并由伺服电机进行驱动。主轴箱安装在门架上，运用类比法自行设计了滚珠丝杠螺母副的制动装置。全面阐述了数控铣床的结构原理，设计特点，论述了采用伺服电机和滚珠丝杠螺母副的优点。详细介绍了数控铣床的结构设计及校核，并进行了分析。另外汇总了有关技术参数。其中着重介绍了滚珠丝杠的原理及选用原则，系统地对滚珠丝杠生产、应用等环节进行了介绍。包括种类选择、参数选择、精度选择、循环方式选择、与主机匹配的原则以及厂家的选择等。关键词：铣床，数控，伺服电机，滚珠丝杠AbstractBegins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machines structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machines structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nut 目 录摘 要IIAbstractIII目 录1第1章 数控机床发展概述41.1 数控机床及其特点41.1.1 数控机床与普通机床的区别41.1.2 数控机床的适用范围51.2 数控机床的工艺范围及加工精度51.3数控机床的经济分析61.3.1控制系统的选择71.3.2 选择设计对象要适宜81.3.3 机床的机械设计范围要适当81.3.4 辅助设计要合适91.4 数控机床发展趋势9第2章 数控机床总体方案的制订及比较112.1总体方案设计的内容112.1.1系统运动方式的确定112.1.2伺服系统的选择122.1.3执行机构传动方式的确定122.1.4计算机的选择122.2总体设计方案的确定132.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择132.2.2计算机系统132.2.3机械传动方式13第3章 确定切削用量及选择刀具143.1刀具选择143.2切削用量确定143.3切削三要素143.4加工精度和表面粗糙度153.5刀具材料18第4章 传动系统图的设计计算194.1 传动系统设计194.1.1 参数的拟定194.1.2 传动结构或结构网的选择194.1.3 转速图拟定214.1.4 齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制244.2 展开图设计274.2.1 结构实际的内容及技术要求274.2.2 齿轮块的设计284.2.3 传动轴设计314.3 截面图设计344.3.1 轴的空间布置344.3.2 润滑344.3.3 箱体设计的有关问题35第5章 纵向进给机构的装配图和零件图设计与计算365.1已知参数条件365.2滚珠丝杆副主要参数的确定365.3设计步骤375.4设计计算375.5滚珠丝杠选择395.5.1滚珠丝杠精度395.5.2滚珠丝杠选择395.6滚珠丝杠支承选择405.7滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧435.8选择伺服电机445.8.1最大的切削负载转矩计算445.8.2负载惯量计算455.8.3空载加速转矩计算465.9伺服系统增益475.10精度验算485.10.1伺服刚度485.10.2滚珠丝杠的拉压刚度495.10.3丝杠轴承的轴向刚度495.10.4滚珠丝杠螺母的接触刚度495.10.5挠性联轴节扭转刚度505.10.6综合刚度505.10.7弹性变形505.10.8定位误差验算50总结52参考文献53致谢54第1章 数控机床发展概述近年来，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。目前国外机械设备的数控化率已达到85%以上，而我国的机械设备的数控化率不足20%，随着我国机制行业新技术的应用，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（汽铣、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。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2.轴联动加工和复合加工机床快速发展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4.重视新技术标准、规范的建立其中包括：a.关于数控系统设计开发规范b. 关于数控系统设计开发规范，加强数控铣床的整机设计中应该把握的主要问题的训练。研究此课题的意义在于：针对大学毕业生技能的需求，在培养过程中，加强实践环节，把自己置身于工程背景之中，以提高我们的专业水平。通过此设计，我们可以初步掌握改造一般铣床的方法与步骤，可为我们今后工作打下良好的基础。将大学三年所学到的知识进行汇总，考核我们所学知识的牢固度，检验我们运用知识的能力。1.1 数控机床及其特点1.1.1 数控机床与普通机床的区别数控机床对零件的加工过程，是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，与普通机床相比，具有以下明显特点： 1. 适合于复杂异形零件的加工 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工，因此在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。 2. 加工精度高 3. 加工稳定可靠 实现计算机控制，排除人为误差，零件的加工一致性好，质量稳定可靠。 4. 高柔性 加工对象改变时，一般只需要更改数控程序，体现出很好的适应性，可大大节省生产准备时间。在数控机床的基础上，可以组成具有更高柔性的自动化制造系统FMS。 5. 高生产率 数控机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的 35 倍，对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。 6. 劳动条件好 机床自动化程度高，操作人员劳动强度大大降低，工作环境较好。 7. 有利于管理现代化 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。 8. 投资大，使用费用高 9. 生产准备工作复杂 由于整个加工过程采用程序控制，数控加工的前期准备工作较为复杂，包含工艺确定、程序编制等。 10. 维修困难 数控机床是典型的机电一体化产品，技术含量高，对维修人员的技术要求很高。1.1.2 数控机床的适用范围由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有： 批量小而又多次重复生产的零件； 几何形状复杂的零件； 贵重零件加工； 需要全部检验的零件； 试制件。 对以上零件采用数控加工，才能最大限度地发挥出数控加工的优势。1.2 数控机床的工艺范围及加工精度数控铣床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控铣床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控铣床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通铣床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控铣床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控铣床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控铣床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控铣床具有直线和圆弧插补功能，部分铣床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。1.3数控机床的经济分析由于历史的原因，我国普通加工设备多，数控加工设备少；老设备多，新设备少。许多企业的机床精度差、故障率高。通过机床数控设计使普通机床不仅具有好的加工精度，而且还具有数控机床的功能。对于中小型企业，没有足够的资金来购买全功能的数控机床，但是使用单板机控制步进电机的经济型开环数控机床，具有花钱少、见效快的特点。采用经济型数控技术改装加工批量零件的机床非常合适。微机技术实现机床简易数控的工作原理采用微机技术实现机床简易数控的装置，主要由单板机、控制程序、零件加工程序、驱动电源装置，收发信板、功率步进电机等部件组成。图1.1 经济型数控铣床的系统装置框图。在图1.1所示的系统装置中，单板机在控制程序的控制下，可以使数控系统具有直线插补和圆弧插补加工工件轮廓的功能；具有进给速度控制和快速回零的功能；具有刀具补偿和反向间隙补偿的功能，以及其它多种功能。当零件加工程序给出具体的位移尺寸、位移方向和进给速度后，控制程序就会通过单板机按照所输入的零件加工程序发出一系列的脉冲信号。经隔离放大以后，分别驱动 向和 向功率步进电机，使刀架按照要求的方向、速度和位移量实现纵向和横向运动。从而构成了一个经济型开环数控系统。用微机技术实现机床简易数控优化方案的确定原则1.3.1控制系统的选择目前数控系统的类型较多，选择前应对被设计机床的功能有个充分了解，再依据价格合理、技术先进、服务方便的原则选择数控系统。其中和单片机数控系统是用得较多的两种系统。系统的核心是系列的单片微机。它用三路驱动电路，分别控制、和向步进电动机，它进行机床的位移运动，并能实现任意二坐标联动或三坐标联动。单片机是系列微机的典型产品，其硬件功能远远高于单板机，尤其适合实时控制、智能仪表、自动机床，是控制类型领域中最理想的八位微型计算机，在全世界都得到广泛应用。数控装置是三坐标（铣床）数控系统，它用国际标准代码进行编程，除了能执行本身的编程指令外，还能执行二坐标机床数控系统的编程指令，而且三坐标系统的各种操作方法（如输入、修改、删除及运行加工程序）相同于二坐标系统。选择控制系统时应该注意以下几方面的问题：（1）在资金充足的情况下，尽量选用质量好的产品。因为此类数控系统零件筛选严格，制造工艺规范可靠，能很好地预防电器元件的故障或提前失效引起的设备故障。（2）应该注重数控功能的选择，不应单纯追求数控系统的高性能指标，这对实现较高的性能价格比非常重要。（3）数控系统所具有的功能要与准备设计的数控机床所能达到的功能相匹配，尽量减少过剩的数控功能。1.3.2 选择设计对象要适宜采用微机数控机床加工零件，必须首先编制出加工程序。通常适宜于加工具有一定批量的相类似零件。因此，在选择适宜于进行设计的机床时，首先必须对各类机床的零件加工情况进行调查研究，分类统计，看零件有无批量，看各类批量主要在哪种机床上进行加工，以及在哪种型号的机床上进行加工，这样才能确定出设计对象。一般中小铣床上的工件总是比较饱满，成批量的零件也比较多。因此，用微机技术把中小铣床设计成经济型数控铣床比较适宜。对于一些中小型企业，为了充分发挥铣床的作用，更需要经过设计的铣床。这样既能用数控系统加工批量零件，又具有卧式铣床的功能，以适于加工单件零件。对于一些形状复杂的零件，普通机床往往难于加工成形。如果采用机械仿形的方法进行加工，在不成批量的情况下很不合算。这时，用微机技术设计机床，就可以使问题得到解决，明显提高企业加工能力。编程要比制作靠模容易得多，灵活得多。用数控机床加工形状复杂的零件是非常适宜的。1.3.3 机床的机械设计范围要适当机床设计范围的大小，应根据机床自身精度及性能来决定。以卧式铣床为例加以说明。对于旧铣床的设计范围，一般都是把原来的机床进给传动系统，由主轴箱通过挂轮箱带动进给变速箱，将运动传给光杠或丝杠。然后再驱动溜板运动的传动过程，设计为由功率步进电机通过消隙减速齿轮，直接带动滚珠丝杠，使刀架分别实现纵向运动和横向运动，进行两个坐标的控制。对于精度符合要求的铣床，为了实现简易数控设计，一般都是对铣床的部件基本不动，只是把床鞍的纵向滑动丝杠副设计为纵向滚珠丝杠副。在纵向滚珠丝杠的右端安装一套消隙减速箱和功率步进电机。同时也把中滑板的横向滑动丝杠副设计为横向滚珠丝杠副，在横向滚珠丝杠的外端安装一套消隙减速箱和功率步进电机，从而使铣床的纵向和横向运动既能用微机系统进行控制，又能由操作者进行普通操作。在机床设计过程中，只要把溜板箱中的开合螺母及中滑板上的滑动螺母拆除，在合适的位置上安装好滚珠螺母座即可。在电气控制方面，为了避免数控操作与普通操作相干涉，发生操作失误现象，必须有电气连锁开关控制操作转换。对于全新或较新铣床，在进行简易数控设计时，一般都是全部保留机床的零部件。直接把消隙减速箱和功率步进电机分别按装在纵向滑动丝杠的右端和横向滑动丝杠的外端。从而也可以使铣床同时具有普通操作功能和简易数控功能。1.3.4 辅助设计要合适如果在设计后的简易数控铣床上，采用一把刀可以完成全部车工工序，就没有必要对刀架进行设计。但有时会出现一个工件需要两把刀或几把刀来分别完成两个或几个工序的情况，这时可根据每把刀的使用情况，分别进行编程，通过一个程序，使用一把刀，来完成一个工序。使原来普通操作使用的刀架在数控操作时也可以使用。这样，根据设计后铣床的主要加工对象，确定刀架是否需要进行设计，可以使设计费用使用得更加合理，避免发生设计过剩现象。如果设计后的简易铣床，主要用来加工比较复杂的零件，需要采用三、四把刀才能完成全部车工工序，就必须对刀架部件进行设计。一般可采用安装有四把刀、由鼠牙盘定位、进行绝对刀位控制的自动回转刀架比较合适。重复定位误差可小于 ，精度持久性比较好。这种刀架出厂时，就规定了刀号位置。当需要几号刀在加工位置时，只需对该刀控制信号口发出信号，刀架就会自动转到需要的位置。设计后的简易数控铣床需要加工螺纹时，可以在主轴后端同轴安装或异轴安装一个主轴脉冲发生器，作为主轴位置的信号反馈元件。目的是为了检测主轴转角的位置，并且将其变化情况输送给单板机，使单板机能按照所需加工的螺距进行处理。控制纵向步进电机运动，通过纵向滚珠丝杠带动刀架完成螺纹加工。1.4 数控机床发展趋势1. 高速、高效、高精度、高可靠性（1） 高速、高效加工 进入21世纪，机床向高速化方向发展:大幅度提高加工效率、降低加工成本，提高零件的表面加工质量和精度.上世纪90年代以来欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。（2）高精度、超精密化加工当前，机械加工高精度的要求较普通的加工精度提高了一倍.达到5微米;精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级(0.001微米)，主轴回转精度要求达到0.01-0.05微米，加工圆度为0.1微米加工表面粗糙度Ra0.003微米等从精密加工发展到超精密加工特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(10nm).其应用范围日趋广泛（3）高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)=99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于3000小时.当前国外数控装置的MIBF值已达60000小时以上，驱动装置达30000小时以上.2. 模块化、智能化、柔性化和集成化(1)模块化、专门化与个性化为了适应数控机床多品种、小批量的特点.机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几午来特别明显的发展趋势.(2)智能化在数控系统中智能化的内容包括为追求加工效率和加工质量方面的智能化:如自适应控制，工艺参数自动生成:为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算等:简化编程、简化操作方面的智能化:智能诊断、智能监控方面的内容等。(3)柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线(FMC 、FMS F、TL F、ML)向面(工段车间独立制造岛、工厂自动化FA)、体(CIMS,分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展.3. 开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、柔性化及数控迅速发展的耍求，最重耍的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国的OMAC,欧共体的OSACA及日本的OSEC发展开触式数控的计划等。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1总体方案设计的内容根据设计任务要求，有三种方案可供选择：方案一：将工作台升降(Z向)、纵向(X向)、横向(Y向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制,三坐标联动的开环控制。方案二:将主轴升降(Z向)、纵向(X向)、横向(Y向)的进给改为微机控制，实现三坐标控制，任意两坐标联动的开环控制。方案三:仅将工作台X、Y轴进给运动改为微机控制，实现两坐标控制，两坐标轴联动的开环控制对上述三个改造方案综合考虑，结合铣床升降台需要修理等实际情况.在符合经济型数控改造一般原则的前提下选择确定第一方案，其具体方案如下:(1)拆除机床工作台X、 Y、 Z轴原进给系统。将滑动丝杠副更换为滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱、减速齿轮、步进电机。对机床传动系统设计计算，选择合适的滚珠丝杠安装方式。完成齿轮传动机构设计，步进电机选择等，垂向工作台传动升降机构在更换滚珠丝杠后会因失去自锁而自动下滑.必须增加平衡装置和制动装置。(2)选择经济型开环数控系统、实现机床工作台X、Y、Z轴3/3数控。主轴的部分数控功能要求X、Y、Z向步进精度为O.OO5/0.005/0.O1mm/setp;轴向定位精度0.015 mm;重复定位精度0.008 mm。2.1.1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、连续控制系统和点位/直线控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。例如，数控钻床，在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对于点位控制系统的要求是快速定位，保证定位精度。连续控制系统要求工作台和刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，能够控制刀具沿任意直线或曲线运动，控制每一个轴的位置和速度，使得各个轴同步协调到达目标点。连续控制系统不仅控制目标点，而且控制刀具到达这些目标点的整个路径，使刀具始终接触工件并制造出希望的形状，所以具有连续控制系统的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件，故而连续控制系统又称为轮廓控制系统或仿型系统。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。例如，数控铣床、数控铣床等。点位-直线系统，不但要求工作台运动的终点坐标，还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工作，进行简单的铣削和铣削作业。其控制方法与点位系统十分相似，故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。例如，数控镗铣床等。2.1.2伺服系统的选择伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中，没有反馈电路，不带检测装置，指令信号是单方向传送的。指令发出后，不再反馈回来，故称为开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单，成本低廉，容易掌握，调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件，用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。但闭环系统造价高、结构和调试较复杂，多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接检测工作台的位移量，而是检测元件测出驱动轴的转角，再间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开环系统和闭环系统之间。2.1.3执行机构传动方式的确定为确定数控系统传动精度和工件平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及适当的阻尼比要求。在设计中应考虑以下几点：尽量采用低摩擦的传动和导向元件。例如，采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。尽量消除传动间隙。例如，采用消隙齿轮等。提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度、减小传动链误差。也可以用预紧的方法提高系统刚度。例如，采用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副等。2.1.4计算机的选择微机数控系统由CPU、存储扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等组成。2.2总体设计方案的确定2.2.1系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺圆插补、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度不高，为了简化结构、降低成本容易调试和维护，经济型数控铣床应选用步进电机开环控制系统。2.2.2计算机系统根据机床要求采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强性能价格比高等特点，决定采用MCS-51系列的80C31单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘、显示器，I/O接口及光隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2.3机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动给丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性，应尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。18第3章 确定切削用量及选择刀具3.1刀具选择（一）刀具选择：铣平面：硬质合金端铣刀或立铣刀，尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱口面：立铣刀。毛坯表面或粗加工孔：镶硬质合金刀片的玉米铣刀（粗皮刀）。立体型面和变斜角轮廓外形：球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。（二）原则：安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄，保证刚性。（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次，尽是加工完；即使刀具规格相同，粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工，先曲面后二维轮廓；尽可能自动换刀。3.2切削用量确定粗：效率；半精、精：质量、兼顾效率。1、主轴转速n：根据线速度v确定：V= (端铣：150m/min；周铣：30m/min)2、切深t：最好是t等于加工余量。3、切宽L：与刀具直径成正比，与切深成反比。L0.60.9d粗加工：大切深、大进给、低切速。精加工：小切深、小进给、高切速。3.3切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削，快进给。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差与配合国家标准（GB18001804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用新公差等级旧精度等级加工方法应用轴孔IT01IT2无研磨用于量块、量仪制造IT3IT4研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT51无研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉用于一般精密配合。IT7IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT621IT732磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金IT834IT94铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外，如键和键槽的配合IT105IT116粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12IT13也用于非配合IT12IT137IT148冲压、压铸用于非配合IT15IT18912铸、锻、焊、气割（2）形状精度：零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。 国家标准（GB11821184-80）规定了六项形状公差：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。（3）位置公差：零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。 国家标准（GB11821184-80）规定了八项位置公差：定向：平行度、垂直度、倾斜度。定位：同轴度、对称度、位置度。跳动：圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。国家标准（GB3503-83、GB103183、GB131-83） 轮廓算术平均偏差： Ra 或近似于Ra微观不平十点高度： Rz(+)在常用数值范围内（Ra0.256.3m，Rz0.125m），在图样上应优先选用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允许值及加工方法表表面要求表面特征Ra(m)Rz(m)加工方法旧国际光洁度级别代号第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺160012501000800630500100400粗加工明显可见的刀纹80320粗铣粗铣粗刨钻粗锉16325050200可见刀纹4016023212525100微见刀纹2080316.06312.550半精加工可见加工痕迹1040半精铣精铣精铣精刨粗磨48326.325微见加工痕迹52054163.212.5不见加工痕迹2.5106281.6精加工可辨加工痕迹的方向1.256.3精铰刮精拉精磨71.0050.84微辨加工痕迹的方向0.633.280.52.50.42.0不辨加工痕迹的方向0.321.690.251.250.21.00精密加工暗光泽面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工抛光100.1250. 630.10.50亮光泽面0.0800.40110.0630.320.050.25镜状光泽面0.0400.20120.0320.160.0250.125雾状光泽面0.0200.10130.0160.0800.0120.063镜面0.0100.050镜面磨削研磨140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具钢T10A、T12A：HRC60-64,200-250，V8m/min。合金工具钢CrWMn、9SiCr：350-400，V10m/min。高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600，V30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，6004、硬质合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000，V100-300m/min。另外，还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。第4章 传动系统图的设计计算4.1 传动系统设计4.1.1 参数的拟定选定公比，确定各级传送机床常用的公比 为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为 =1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.4.1.2 传动结构或结构网的选择1，确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大，必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为Z的传动系统由若干个传动副组成，各传动组分别有. .个传动副，即Z=。传动副数由于结构的限制，通常采用P=2或3，即变速Z应为2或3的因子：Z=x因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。2，传动组传动顺序的安排18级转速传动系统的传动组，可以排成：3x3x2，或3x2x3。选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速率的具体结构，装置和性能。I轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴向尺寸。第一传动组的传动副数不能多，以2为宜，有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2 ，或一个定比传动副。这里，根据前多后少的原则，选择18=3x3x2方案。3，传动系统的扩大顺序安排对于18=3x3x2的传动，有3！=6种可能安排，亦即有6种机构副和对应的结构网，传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致，结构式18=xx的传动中，扩大顺序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18=xx的传动顺序不一致，根据“前密后疏”的原则，选择18=xx的结构式。4验算变速组的变速范围齿轮的最小传动1/4，最大传动比2，决定了一个传动组的最大变速范围=/因此，可按下表，确定传动方案：根据传动比及指数 x, 的值公比极限值传动比指数1.26x值: =1/=1/46值: =23（x+）值：=89因此，可选择18=xx的传动方案。5、最后扩大传动组的选择：正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为：Z=*最后扩大传动组的变速范围为：r=按原则，导出系统的最大收效Z和变速范围为： 231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，传动方案18=3*3*2符合上述条件，其结构网如下图4.1：图4.1 结构网图4.1.3 转速图拟定运动参数确定后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定电机功率。在此基础上，选择电机的型号，分配个变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速。1，主电机的选择中型机床上，一般都采用交流异步电动机为动力源，可在下列中选用，在选择电机型号时，应注意：（1）电机的N：根据机床切削能力的要求确定电机功率，但电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。（2）电机的转速异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750，r/min,这取决于电动机的极对数P=60f/p=60x50/p ( r/min)机床中最常用的是1500 r/min和3000r/min 两种，选用是要使电机转速与主轴最高速度和工轴转速相近为宜，以免采用过大或过小的降速传动。根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表电机型号额定功率KW 荷载转速r/min同步转速r/minY132M-47.5KW144015002、分配最小传动比，拟定转速图 （1）轴的转速： 轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相近，显然，从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速也不宜也太高，轴转速一般取7001000r/min左右较合适。 因此，使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸，在电机轴I到主传动系统前端轴增加一对26/54的降速齿轮副，这样，也有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，就可以将主轴18级转速一起提高或降低。 （2）中间轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些： d, m从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率和噪音加大：=1/(3.5+cn)KW式中：C系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；所有中间轴轴径的平均值；主轴前后轴径的平均值中间传动轴的转速之和n主轴转速（r/min）=20lg-K式中：（所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm;q传到主轴上所经过的齿轮对数主轴齿轮螺旋角,K系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型铣床，铣床=3.5，铣床K=50.5 从上述经验公式可知，主轴n和中间传动轴的转速和 对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正。a，对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度v49.3265.76,满足设计要求；BESK20型交流伺服电动机的略小于，也可使用，但加速时间较长。经过比较从成本与造价方面考虑本题采用BESK20型交流伺服电动机。5.9伺服系统增益 通常取系统增益825。对轮廓控制的加工中心机床可取较大值，如取。伺服系统的时间常数为的倒数，。如果选用FB15型直流伺服电机，执行件（工作台）达到的最大加速度根据公式可知伺服系统要求达到的最大加速度发生在系统处于时间常数内，执行件的速度从增加到时， 略大于，因而按照加速能力选择是适合的。如远小于，可以适当增大值，以提高系统的性能。5.10精度验算 本数控铣床要求的定位精度为0.015 mm，其丝杠的导程误差为0.0075mm。其余误差为伺服系统误差、丝杠轴承的轴向跳动和在载荷作用下各机械环节弹性变形起的位移等。5.10.1伺服刚度伺服刚度可根据下式子计算，即是伺服电动机的增益，它等于电动机的角速度与输入电压的比值。输入电压除少量消耗于电枢回路的阻抗外，大部分被反电动势所平衡。是伺服电动机的反电动势系数，为伺服电动机单位角速度所产生的反电动势（V）。估算时，可以近似地认为输入电压等于反电动势。因而近似地可认为FB15直流伺服电动机的转矩系数，因伺服系统增益，速度控制的开环增益24，取；反电动势系数，则；电枢直流电阻。故折合到工作台部件的直线刚度5.10.2滚珠丝杠的拉压刚度本题中的丝杠为一端轴向定位结构。其最小拉压刚度发生在工作台螺母离定位点交接班远的位置。已知工作台的丝向行程为660 mm，当螺母移动到离定位点最近位置时，还应保留一定的丝杠距离，假设为140mm。因而丝杠最大距离 。代入公式计得丝杠拉刚度 式中，是丝杠底径，为丝杠名义直径减滚珠丝杠。本题目中40mm，7.144mm，故407.144。为丝杠材料钢的弹性模量，则 5.10.3丝杠轴承的轴向刚度哈尔滨轴承总厂生产的7602030TVP型号轴承的钢球直径，钢珠数Z17，接触角，预加载荷，轴向外载荷为导轨摩擦力，故轴向载荷为预加载荷与轴向外载荷之和，即丝杠轴承轴向载荷刚度可按下式求得，即 5.10.4滚珠丝杠螺母的接触刚度查样本手册得5.10.5挠性联轴节扭转刚度查文献得折合到工作台部件的直线刚度为5.10.6综合刚度 计算出伺服刚度折算到工作台部件的直线刚度、滚珠丝杠最小拉压刚度、丝杠轴承轴向刚度、滚珠丝杠螺母接触刚度折算到工作台部件直线刚度和联轴节扭转刚度后，按弹簧串联原则合成求得综合刚度，即故 5.10.7弹性变形 数控铣床的定位精度是在不切削空载条件下检验的。故轴向载荷仅为导轨摩擦为。本题目的摩擦力，故因引起的弹性变形由以下公式可知： 5.10.8定位误差验算本题目中滚珠丝杠在任意300mmm内的导程误差为，加上弹性变形，即6+0.26.2。再加上某些因素，将不会超过要求的定位公差，能满足定位精度0.015 mm的设计要求。 从以上计算可知，丝杠的拉压刚度是系统刚度的薄弱环节，其次是伺服刚度和轴
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