三坐标数控铣床毕业设计说明书

1、摘要普通铣床已经不能满足日益增长的制造业发展的需求,随着科技水平的迅猛发展, 数控铣床凭借其突出优势为机械制造业带来了革命性的转变。数控铣床的快速发展是整个世界经济、科技发展的重要体现。数控铣床在现代工业中占据着不可替代的位置，与我们生活的各个方面都有直接或间接的关系，未来数控铣床将会有一个前所未有的发展趋势。论文介绍了三坐标数控铣床的设计过程，主要对了数控铣床进行了主体结构设计，论证了各种方案的优缺点，从而在总体布局上有所把握。其后对主传动系统,进给系统和伺服系统进行了设计,其中对主轴传动部分的带传动进行了计算分析、对主轴尺寸以及丝杠尺寸进行了设计计算和校核，同时也对其他相关部件进行了简单的

2、分析与选择。确定结构方案后，用CATIA 3D对主轴、导轨、丝杠等零件进行了建模。最后画出了三坐标数控铣床主体结构的三维装配图。关键词:三坐标数控铣床 主传动 进给系统 CATIA建模 IAbstractOrdinary milling machine can not meet the growing demand for the development of manufacturing，with the rapid development of science and technology, CNC milling machine has brought a revolutionary ch

3、ange with its outstanding advantages for the mechanical manufacturing industry.The rapid development of CNC milling machine is an important embodiment of the whole world economy, science and technology development.CNC milling machine in the modern industry occupies an irreplaceable position, and all

4、 aspects of our lives have a direct or indirect relationship,In the future, CNC milling machine will have an unprecedented development trend.This paper illustrates the design process of three axis CNC milling machine, the main structure of the CNC milling machine, the advantages and disadvantages of

5、 various programs, so as to grasp the overall layout. After that, the main drive system, feed system and serving system are designed and checked. The belt drive of the main spindle drive is calculated and analyzed, the spindle size and the size of the lead screw is designed and checked, and other re

6、lated components are analyzed and selected.After the structure is determined, 3D CATIA is used to model the main shaft, screw,guide and other parts. Finally, the three-dimensional assembly drawing of the main structure of the three axis CNC milling machine is drawn.Key words: Three axis CNC milling

7、machine;Main drive;Feed system;CATIA modelingII目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 数控铣床的简介11.1.1 数控铣床的功能11.1.2 数控铣床的特点11.2 本课题研究的目的和意义21.3 国内外研究的现状21.4 本文研究的内容61.5 本章小结6第2章 数控铣床总体设计72.1 数控铣床的结构组成72.2 数控铣床的总体布局72.2.1 铣床的常用布局形式72.2.2 此设计铣床的布局形式82.3 总结构设计82.3.1 提高机床的结构刚度82.3.2 采用焊接结构的构件92.3.3 提高机床的抗振性102.3.4 提高低

8、速进给运动的平稳性和运动精度102.3.5 减少机床的热变形112.4 本章小结12第3章 主传动系统设计133.1 对主传动系统的要求133.2 主传动的结构特点和变速方式133.3 主传动电机的选用143.4 主轴主要结构参数的确定143.5 主轴组件设计163.5.1 主轴的轴承163.5.2 主轴其余部件173.6 本章小结17第4章 进给传动系统设计184.1 进给传动系统的机械结构特点184.2 滚珠丝杠194.2.1 滚珠丝杠特点194.2.2 滚珠丝杠结构与工作原理194.2 X轴进给计算204.3 Y Z轴进给计算224.4 导轨的分类与选择224.5 伺服系统的基本要求23

9、4.5.1 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析234.6 三维装配图纸244.7 本章小结25总结26参考文献27致谢28第1章 绪论 1.1 数控铣床的简介1.1.1 数控铣床的功能数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的一种自动加工设备,两者加工工艺基本相同,结构也有些相似。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，除了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

10、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。比例功能将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。该功能将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。1.1.2

11、 数控铣床的特点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。 (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

12、性和耐磨性。在干性切削状况下，还要求有良好的红硬性。1.2 本课题研究的目的和意义普通铣床的突出矛盾是生产效率低、劳动强度大、加工精度低、不能加工复杂零件。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，为了满足提高生产效率和加工精度,适应小批量、多品种复杂零件的加工需求，生产了机电一体化的新型铣床一一数控铣床。从20世纪中期开始，随着数控技术的发展，数控铣床为机械制造业带来了革命性的转变。数控铣床以其高柔性，高精度，加工质量稳定性好，生产效率大幅提高，改善工人生产条件等优势，迅速被市场接纳，逐步取代了普通铣床在机械制造业中的地位。数控铣床作为机电一体化的典型产品，在机

13、械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。因此，研究数控铣床具有广阔的发展前景。1.3 国内外研究的现状在当代电子、信息、通讯等科技的大力发展下，数控机床的综合性能也达到了一个很高的水平。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点：美国的特点是，政府重视机床工业，美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位

14、，在多方面大力扶植。特别讲究“实际”与“实效”，坚持“以人为本”，师徒相传，不断提高人员素质。在发展大量大批生产自动化的基础上，从1956年研制出第一台数控机床后，一直坚持实事求是，讲求科学精神，不断稳步前进。日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床零部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。日本在发展数控机床的过程中，狠抓关键，突出发展数控系统。日本FANUC公司战略正确，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。纵观我国数控技术近50多年的发展历

15、程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩：奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍2。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计大致如下:技术水平上，与国外先进水平大约落后1015年，在高精尖技术方面则更大。产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，

16、还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足；国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后3。1.高速化：随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。（1）主轴转速：机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；（2）进给率：在分辨率为0.01m时，最大进给速度达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；（3）运算速度：微处

17、理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1m、0.01m时仍能获得高达24240m/min的进给速度；（4）换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。2.高精度化：数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。（1）提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，

18、以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01m/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；（2）采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%80%；（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保

19、证零件的加工质量。3.功能复合化：复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合加工中心、车铣复合车削中心、铣镗钻车复合复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。 加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工

20、中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架等）以及可实现45轴联动的高速门式加工中心、高速铣削中心等。4.控制智能化：随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：（1）加工过程自适应控制技术：通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电

21、压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性。（2）加工参数的智能优化与选择：将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的。（3）智能故障自诊断与自修复技术：根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位。（4）智能故障回

22、放和故障仿真技术：能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验。（5）智能化交流伺服驱动装置：能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。 5.体系开放化：（1）向未来技术开放：由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善

23、并处于长生命周期；（2）向用户特殊要求开放：更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求。 6.驱动并联化：并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，在机床主轴（一般为动平台）与机座（一般为静平台）之间采用多杆并联联接机构驱动，通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工，具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。 并联机床作为一种新型的加工设备，已成为当前机床技术的一个重要研究方向

24、，受到了国际机床行业的高度重视，被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。 7.极端化：国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工(车、铣、磨)机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。 8.信息交互网络化：对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络

25、资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔(e-Tower)的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等，能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。9.新型功能部件：为了提高数控机床各方面的性能，具有高精度和高可靠性的新型功能部件的应用成为必然。具有代表性的新型功能部件包括：高频电主轴：高频电主轴是高频电动机与主轴部件的集成，具有体积小、转速高、可无级调速等一系列优点，在各种新型数控

26、机床中已经获得广泛的应用；直线电动机：近年来，直线电动机的应用日益广泛，虽然其价格高于传统的伺服系统，但由于负载变化扰动、热变形补偿、隔磁和防护等关键技术的应用，机械传动结构得到简化，机床的动态性能有了提高。如：西门子公司生产的1FN1系列三相交流永磁式同步直线电动机已开始广泛应用于高速铣床、加工中心、磨床、并联机床以及动态性能和运动精度要求高的机床等；德国EX-CELL-O公司的XHC卧式加工中心三向驱动均采用两个直线电动机；电滚珠丝杆：电滚珠丝杆是伺服电动机与滚珠丝杆的集成，可以大大简化数控机床的结构，具有传动环节少、结构紧凑等一系列优点。铣床由于具有效率高、精度高等特点,已成为各行业中不

27、可缺少的设备,随着铣床技术的发展,国外一些工业先进的国家对普通铣床特别是普通升降台铣床的开发和生产日益减少,数控铣床及加工中心相应增加。这当然不意味着国际市场不需要普通升降台铣床,只是对传统布局、传统结构的升降台铣床不感兴趣,而对轻巧灵活、功能及加工范围较广的摇臂铣床和滑枕式铣床有较大需求,对普通型的工作台升降铣床(即床身型铣床)和龙门铣床,国外仍在生产和开发。例如:有些国家生产的龙门铣床采用了所谓“数控合一”的设计结构,即加上数控系统以后即可成为数控龙门铣床。因此,数控铣床技术发展,基本上说明了铣床技术的发展。数控铣床及以铣削为主的加工中心技术正向着高速化,智能化方向发展6。1.4 本文研究

28、的内容本课题从实际出发，结合生产中零件的结构特点和技术要求，对三坐标数控铣床主体结构进行设计。按照课题研究的时间进度安排，主要内容有：1.掌握AUTOCAD、CATIA等软件的应用。2.理解三坐标数控铣床的工作原理及其相关技术，对三坐标数控铣床的主体机构进行设计。3.进行三坐标数控铣床的总体方案设计，对关键机构进行校核计算分析，如传动机构和进给机构。对其主要部件进行选择计算分析。1.5 本章小结本章对数控铣床从功能上和特点上进行了简单的介绍。随着科技的迅猛发展，数控铣床逐渐取代了普通铣床。所以研究数控铣床有着非常重要的意义。相比于国外铣床的发展我国的技术水平相对落后，但我国正在从多方面全力追赶

29、中。通过本章的叙述，对数控铣床的概念有了初步的了解。第2章 数控铣床总体设计2.1 数控铣床的结构组成1.主传动系统 它包括动力源，传动件及主运动执行件（主轴）等，其功用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，实现主切削运动。2.进给传动 它包括动力源，传动件及进给运动执行件（工作台，刀架）等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。3.基础支撑件 它是指床身，立柱，导轨，滑座，工作台等，它支撑机床的各主要部件，并使它们在静止和运动中保持相对正确的位置。4.辅助装置 辅助装置视数控机床的不同而异，如自动换刀系统，液压气动系统，润滑冷却装置。2.2 数控铣床的总体布局2.2

30、.1 铣床的常用布局形式 1.卧式铣床的常用布局形式卧式数控铣床的布局形式种类较多，其主要区别在于立柱的结构形式和x, z坐标轴的移动方式。常用的立柱有单立柱和框架结构双立柱两种形式，如图2-2 (b)所示;Z坐标轴的移动方式有两种:工作台移动式，如图2.1 (a)、(b)所示;立柱移动式，如图2.1(a)所示。以上基本形式通过不同组合，还可以派生其他多种变形，如X, Z两轴都采用立柱移动，工作台完全固定的结构形式:或X轴为立柱移动、Z轴为工作台移动的结构形式等。在图2.1所示的三种中、小规格卧式数控铣床常见的布局形式中，图2.1(a)结构形式和传统的卧式锉床相同，多见于早期的数控机床或数控化

31、改造的机床;图2.1(b)采用了框架结构双立柱、Z轴工作台移动式布局，是中、小规格卧式数控机床常用的结构形式;图2.1(c)采用T形床身、框架结构双立柱、立柱移动式(Z轴)布局，是卧式数控铣床的典型结构8。图2.1 卧式数控铣床 2.立式铣床的常用布局形式立式数控铣床是数控铣床中数量最多的一种，应用范围也最为广泛。小型数控铣床一般都采用工作台移动、升降及主轴转动方式，与普通立式升降台铣床结构相似;中型立式数控铣床一般采用纵向和横向工作台移动方式，且主轴沿垂直溜板上下运动;大型立式数控铣床，因要考虑到扩大行程、缩小占地面积及刚性等技术问题，往往采用龙门架移动式，其主轴可以在龙门架的横向与垂直溜板

32、上运动，而龙门架则沿床身作纵向运动。从机床数控系统控制的坐标数量来看，目前3坐标立式数控铣床仍占大多数。一般可进行3坐标联动加工，但也有部分机床只能进行3坐标中的任意2个坐标联动加工。此外，还有机床主轴可以绕X, Y, Z坐标轴中其中一个或两个轴作数控摆角运动的4坐标和5坐标立式数控铣床。一般来说，机床控制的坐标轴越多，特别是要求联动的坐标轴越多，机床的功能、加工范围及可选择的加工对象也越多。但随之而来的是机床的结构更复杂，对数控系统的要求更高，编程的难度更大，设备的价格也更高。图2.2所示是立式数控铣床常见的三种布局形式。由溜板箱和工作台实现平面上X, Y两个坐标轴的移动，主轴箱沿立柱导轨上

33、下实现Z坐标移动。图2.2立式数控铣床2.2.2 此设计铣床的布局形式综上所述，为了减少铣床占用空间，减少机床整体尺寸，并考虑应用的广泛性以及所做项目的实际情况，本设计铣床采用的布局形式为立式铣床形式，工作台X、Y轴相互叠加移动，主轴在Z轴方向上移动，即图2.2（a）所示。2.3 总结构设计数控铣床的功能设计和普通铣床有着很大的差别.对数控铣床的结构设计要求可归纳为如下几个方面:2.3.1 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。数控铣床比普通铣床要求具有更高的静刚度和动刚度，有标准规定数控铣床的刚度系数应比普通铣床高50%。机床在切削过程当中，要承受各种外力的作

34、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，或者影响铣床切削过程的特性14。由于加工状态的瞬时多变情况复杂，通常很难对结构刚度进行精度的理论计算。但遵循下列原则和措施，仍可以合理地提高机床的结构刚度。选择构件的结构形式： 1.截面的形状和尺寸形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚、加大截面的轮廓尺寸，

35、所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔；圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而像主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形；封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该铣床采用封闭式床身；臂上开孔将使刚度下降，所开孔部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。 2.构件的结构刚度机床的床身是整个机床的基本支撑件，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，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。机床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度

36、最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于Z轴导轨较宽，故采用双臂联接形式；X、Y轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。2.3.2 采用焊接结构的构件机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量，提高刚度的显著特点。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

37、使不易发生共振。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 提高机床的抗振性强迫振动的振源是高速旋转零部件的动态不平衡

38、力、往复运动件的换向冲击力、周期变化的切削力等。机床外部的振源通过机床的地基传给机床，也可使其产生强迫振动。当振源的频率与机床某部件的某一振型的谐振频率重合，则将发生共振，使振幅大增，加工粗糙度大大增加，甚至迫使切削无法进行。自激振动是指切削过程中，由于切削前的表面有不规则的波纹度，切削余量的大小不一或材质的不均匀，使得切削力不是稳态值,切削力的这种变化，通过机床的弹性结构系统，使刀具与工件的相对位置也发生相应的变化，从而使得切削过的表面产生新的波纹，这个变化又使切削力进一步变化，如此反复交变和加强，就产生了自激振动的过程。改善和提高抗振性应从以下几个方面着手：（1）减少床身的内部根源机床高速

39、旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。（2）提高静态刚度提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生偏移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的刚度。（3）增加构件和结构的阻尼该铣床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。增大阻尼也是提高刚度和自激振动稳定性的有效措施。采用床身夹壁中的型砂不取出的方案，将会使机床抗弯

40、曲振动阻尼大大提高。在承受弯曲振动的支撑件的表面喷涂一层有高内阻和较高弹性模量的粘弹材料（如高分子聚合物、油漆泥子或沥青基的胶泥等），可以增大构件的阻尼、抑制振动的产生。2.3.4 提高低速进给运动的平稳性和运动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

41、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12。要提高运动精度，应设法提高低运动的平稳性，可以采取的措施有：（1）减少动、静摩擦系数之差执行部件所收的摩擦阻力主要来自导轨副，一般的滑动导轨副不仅静、动摩擦系数大，而且差值也大。故在本次设计中将采用塑料导轨，这种导轨制造简单、价格低廉，另外在进给系统中，采用滚珠丝杠螺母副。（2）提高传动

42、系统的传动刚度进给系统中从伺服机构驱动装置到执行部件之间必定要经过有齿轮、丝杠螺母副或蜗杆副等组成的传动链。所谓传动刚度指的就是这一传动链的扭转和拉压刚度。为提高其刚度，应尽可能缩短传动链，适当加大传动轴的直径，加强支撑座的刚度。此外，对轴承、丝杠螺母副和丝杠本身进行预紧也可以提高传动刚度。2.3.5 减少机床的热变形机床的热变形，特别是数控机床的热变形，是影响加工精度的主要因素。引起机床热变形的热源主要是机床的内部热源，入主电机、进给电机发热，摩擦以及切削热等1。热变形影响加工精度的原因，主要是由于热源分布不均，热源产生热量不等，各处零件的质量不均，形成各部位的温升不一致，从而产生不均的温度

43、场和不均匀的热膨胀变形，以至影响刀具与工件的正确相对位置。减少机床热变形及其影响措施是：（1）减少机床内部热源和发热量，主轴采用交流调速电机、减少传动轴的传动齿轮。采用低摩擦系数的导轨和轴承。 （2）改善散热和隔热条件，主轴箱或主轴部件采用强制润滑冷却，自动及时排屑，发热量大的部件应加大散热面积。 （3）合理设计机床的结构和布局，结构设计时，应设法使热量比较大的部位的热向量小的部位传导或流动，使结构部件的各部位能够均热，也是减小变形有效措施。（4）进行热变形补偿 预测热变形的规律，建立变形的数字模型，或预测变形的具体数值，存入数控装置的内存中，可以进行实时补偿校正。如传动丝杠的热伸长误差，导轨

44、平行度和平直度的热变形误差等，都可以采用软件实时补偿消除其影响。如图2.3为床身立柱，图2.4为铣床底座。图2.3 床身立柱 图2.4 铣床底座2.4 本章小结本章阐述了数控铣床的总体结构组成,针对此次设计进行了铣床总体布局的分析。最终选定了立式数控铣床的结构形式。此外从提高机床的结构刚度、采用焊接结构的构件、提高机床的抗振性、提高低速进给运动的平稳性和运动精度、减少机床的热变形几个方面对铣床的总结构设计进行了分析。通过本章的叙述，确定了三坐标数控铣床的总体结构。第3章 主传动系统设计主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统,它应具有一定的转速(速度)和一定的变速范围,以便采用不同材料的刀具,

45、加工不同材料,不同尺寸,不同要求的工件,并能方便的实现运动的开停,变速,换向和制动等。数控铣床主传动系统主要包括电动机,传动系统和主轴部件,与普通铣床的主传动系统相比在结构上比较简单,这是因为变速功能全部或大部分由主轴电机的无级调速来承担,省去了复杂的齿轮变速机构,有些只有二级或三级齿轮变速机构用以扩大电动机无级调速的范围7。3.1 对主传动系统的要求1. 数控铣床主传动要有宽的调速范围及尽可能实现无级变速。数控加工时切削用量的选择，特别是切削速度的选择，关系到表面加工质量和机床生产率。2. 功率大。要求主轴有足够的驱动功率或输出扭矩，能在整个速度范围内均能提供切削所需的功率或扭矩.3. 动态

46、响应性要好。要求主轴升降速时间短，调速时运转平稳。对有的数控机床需同时能实现正、反转切削，则要求换向时均可进行自动加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力。4. 精度高。这里主要指主轴回转精度。要求主轴部件具有足够的刚度和抗振性，具有较好的热稳定性，即主轴的轴向和径向尺寸随温度变化较小。另外，要求主传动的传动链要短。5. 旋转轴联动功能。要求主轴与其他直线坐标轴能同时实现插补联动控制11。3.2 主传动的结构特点和变速方式数控铣床的主传动系统一般采用直流或交流主轴电动机,通过带传动和主轴箱的变速齿轮带动主轴旋转,由于这种电动机调速范围广,又可无级调速,使得主轴箱的结构大为简化,也保证了加工时能选

47、用合理的切削用量。为了适应不同的加工需求,目前有三种变速方式:1.二级以上齿轮变速系统,其优点是能够满足各种切削运动的转矩输出,且具有大范围调节速度的能力.但其结构复杂,需要增加润滑及温度控制装置,成本较高；2.一级带传动变速方式,其结构简单,安装调试方便,且在一定条件下能满足转速与扭矩输出要求,且噪声与振动小；3.调速电动机直接驱动方式,其结构紧凑占用空间小转换效率高,但对主轴精度影响较大,使用受到限制。综上,选用方式2的变速方法。3.3 主传动电机的选用交流调速电机由于体积小,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电动机高,磨损和故障也少。在中小功率领域,交流调速

48、电动机已占优势,应用更加广泛.所以选用交流调速电机。3.4 主轴主要结构参数的确定 1.带传动的计算和选定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）。（所有表来源于参考文献9）(1) 确定计算功率PkW （3-1）式中：K工况系数,P电机额定功率 Kw(2) 选择带型号 根据P、n由图8-4选A型V带(3) 确定带轮直径D、D 小带轮直径D应满足：DD 查表8-7取,故选择D(4) 计算V带速度 （3-2） 故 D选择合格，传动比i=2 D （3-3）(5) 确定中心距a和带长L （3-4） 得 初选 带长 （3-5）查表8-2，取 中心距 （3-6） a的

49、调整范围： （3-7） （3-8）(6) 验算小带轮包角 （3-9）得 ， 即满足条件。(7) 确定V带根数z （3-10） 由表8-4查得 由表8-5查得 由表8-6查得 由表8-2查得代入求根公式，得所以选三根V带所选带轮如图3.1所示。图3.1 皮带轮2. 主轴前颈D1的选取一般按机床类型,主轴传递的功率或最大加工直径选取D,铣床的轴颈的直径.所以由表得D= 74mm3.主轴内孔直径d的选定很多机床的主轴是空心的,内孔直径与其用途有关,铣床主轴内孔可以通过拉杆来拉紧刀杆等.为了不过多的削弱主轴的刚度,铣床主轴孔径d可比道具拉杆直径大510mm.由公式可得1-(d/D)4=1-4,取=0.

50、6可得d=45mm4.主轴前端悬伸量a的确定主轴前端悬伸量a是指主轴前端面到前轴承径向支反力作用中点的距离.它主要取决于主轴端部的结构,前支撑轴承配置和密封装置的形式和尺寸,由结构设计确定，由于前端悬伸量对主轴部件的刚度抗震性影响很大,因此，在满足结构要求的前提下,设计时应尽量缩短该悬伸量。5.主轴主要支撑跨距L的确定一般L取(2-3.5)a 6.刚度强度校核查表得=440560Mpa =T/Wt T=9549P/nWt=(D3-d3)(1-4)/16 =T/Wt=20.893.5 主轴组件设计主轴组件是机床的一个重要组成部分。主轴组件由主轴、轴承、传动件（如齿轮、带轮）和固定件（如螺母）等组

51、成。机床工作时，由主轴夹持着刀具直接参加表面成型运动。所以，主轴组件的性能对加工性能和机床生产率有重要影响。对机床主轴的要求，有与一般传动轴共同之处：都要在一定的转速下传递一定的转矩，保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。但是，主轴又是直接带着刀具进行切削的，机床的加工质量在很大程度上要靠主轴组件保证。主轴直接承受切削力，通过数控机床的转速变化范围又往往很大。因此，对于主轴组件，又有许多要求。（1）旋转精度（2）刚度 （3）温升（4）可靠性（5）精度保持性3.5.1 主轴的轴承机床主轴用的轴承，有滑动和滚动两大类。从旋转精度看，两大类轴承都能满足要求。和其他指标相比，滚动轴承比滑动轴承的优点是

52、：1.滚动轴承能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作。2.滚动轴承能在无间隙，甚至在预紧有一定过盈的条件下工作。3.滚动轴承的摩擦系数小，有利于减少发热。4.滚动轴承润滑容易，可以用脂，一次装填一直用到修理时才换脂。滚动轴承是由轴承厂生产的，可以外购。滚动轴承的缺点是：1.滚动体的数量有限，所以滚动轴承在旋转中的径向刚度是变化的。这是引起震动的原因之一。2.滚动轴承的阻尼小3.滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。根据上述分析可知，在一般情况下应采用滚动轴承。特别是大多数立式主轴，用滚动轴承可以采用脂润滑以避免漏油。对于轴承，选用滚动轴承就可满足要求，因主轴垂直放置，轴承将受到轴向力，另外由于铣

53、削力的存在，会给主轴径向力，但力都不大，所以轴承选用两个60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，多采用多联组配的办法。3.5.2 主轴其余部件主轴部件除主轴，主轴轴承和传动件等一般组成部分外，还有刀具自动装卸及吹削装置，主轴准停装置等。3.6 本章小结本章阐述了主传动系统的设计。分析了对主传动系统的要求、结构特点及其变速方式，最终选用交流调速电机。对主轴的主要结构参数进行了确定：带传送进行了计算和选定，主轴的结构参数进行了确定；对主轴的组件也进行了简单的分析。通过本章的叙述，主传动系统清晰明了。第4章 进给传动系统设计

54、4.1 进给传动系统的机械结构特点数控铣床从构造上可以分为数控系统（CNC）和铣床两大块。数控系统主要根据输入程序完成对工作台的位置、主轴启停、换向、变速、液压系统、冷却系统、润滑系统等的控制工作。而铣床为了完成零件的加工须进行两大运动：主运动和进给运动。数控铣床的主运动和进给运动在动作上除了接受CNC的控制外，在机械结构上应具有响应快、高精度、高稳定性的特点。 进给系统的机械结构特点：（1）高传动刚度 进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杠螺母副(直线运动)或蜗轮蜗杆副(回转运动)及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传动链，

55、合理选择丝杠尺寸以及对丝杠螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。 （2）高谐振 为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的23倍。 （3）低摩擦 进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杠螺母副。 （4）低惯量进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。 （5）无间隙 机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮副、丝杠螺母副、联轴器及其支承部件等等均应采用消除间隙的结构措施。4.2 滚珠丝杠4.2.1 滚珠丝杠特点在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠